KR102331184B1 - 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
일 양상에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치는, 사용자의 심탄도를 측정하는 심탄도 센서; 상기 사용자에게 진동 자극을 가해주는 진동기; 및 상기 측정된 심탄도를 기반으로 사용자의 수면 상태를 모니터링하고, 상기 진동기를 이용하여 상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 프로세서; 를 포함할 수 있다.
Description
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치 및 방법과 관련된다.
수면은 인간의 생명 유지를 위해 필수적인 것으로서, 에너지 저장 및 회복뿐만 아니라 호르몬 분비, 기억 응고화 등 중요한 역할을 수행한다.
그러나 최근 많은 현대인들은 바쁘고 어지러운 환경에서 살아가고 있으며, 과거에 비해 훨씬 많은 업무, 학업, 인간관계에서 비롯되는 스트레스, 밝고 소음이 심한 환경에 노출된 삶으로 인해 심한 수면 장애를 호소하는 현대인들이 급증하고 있다. 이러한 수면 장애는 사회 전반의 문제로 대두되고 있으며, 장기적 수면 장애가 개인에게 미치는 영향은 신경 장애를 초래하며 뉴론의 퇴행, 신경전달 물질의 변화, 뇌 전해질 장애, 뇌 에너지 대사 장애 등으로 나타난다.
따라서, 수면 장애를 해소하고 편안하고 수면의 질을 향상시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 계속되고 있다.
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
일 양상에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치는, 사용자의 심탄도를 측정하는 심탄도 센서; 상기 사용자에게 진동 자극을 가해주는 진동기; 및 상기 측정된 심탄도를 기반으로 사용자의 수면 상태를 모니터링하고, 상기 진동기를 이용하여 상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 프로세서; 를 포함할 수 있다.
상기 심탄도 센서는 FSR(force sensing resistor) 센서, 압전 센서, 가속도 센서, 로드셀 센서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 센서, EMFi(electromechanical film) 센서, 스트레인 게이지(strain gauge) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 측정된 심탄도로부터 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나를 판단하고, 상기 판단된 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 수면 상태 판단 모델을 이용하여 상기 사용자의 수면 상태를 판단할 수 있다.
상기 수면 상태 판단 모델은 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 이에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축될 수 있다.
상기 프로세서는 상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클을 벗어나면, 상기 사용자의 심박수가 목표 심박수에 수렴되어 상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클에 맞춰지도록, 상기 진동기를 통해 상기 사용자에게 진동 자극을 가해줄 수 있다.
상기 목표 심박수는 원하는 수면 상태별로 상이하며, 상기 진동 자극의 주파수 및 크기는 상기 목표 심박수에 따라 결정될 수 있다.
상기 프로세서는 상기 사용자의 심박수 변화에 따라 진동 자극의 주파수 및 크기 중 적어도 하나를 단계적으로 변화시킬 수 있다.
상기 최적 수면 사이클은 다수의 타 사용자의 수면 사이클을 바탕으로 통계적 방식으로 구축되거나, 소정 기간 동안 상기 사용자의 수면 사이클을 모니터링한 결과를 기반으로 구축될 수 있다.
다른 양상에 따른 수면 유도 장치의 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 방법은, 사용자의 심탄도를 측정하는 단계; 상기 측정된 심탄도를 기반으로 사용자의 수면 상태를 모니터링하는 단계; 진동 자극을 통하여 상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 심탄도를 측정하는 단계는, FSR(force sensing resistor) 센서, 압전 센서, 가속도 센서, 로드셀 센서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 센서, EMFi(electromechanical film) 센서, 스트레인 게이지(strain gauge) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 사용자의 심탄도를 측정할 수 있다.
상기 수면 상태를 모니터링하는 단계는, 상기 측정된 심탄도로부터 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나를 판단하는 단계; 및 상기 판단된 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 수면 상태 판단 모델을 이용하여 상기 사용자의 수면 상태를 판단하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 수면 상태 판단 모델은 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 이에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축될 수 있다.
상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 단계는, 상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클을 벗어나면, 상기 사용자의 심박수가 목표 심박수에 수렴되어 상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클에 맞춰지도록, 상기 사용자에게 진동 자극을 가해주는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 목표 심박수는 원하는 수면 상태별로 상이하며, 상기 진동 자극의 주파수 및 크기는 상기 목표 심박수에 따라 결정될 수 있다.
상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 단계는, 상기 사용자의 심박수 변화에 따라 진동 자극의 주파수 및 크기 중 적어도 하나를 단계적으로 변화시키는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 최적 수면 사이클은 다수의 타 사용자의 수면 사이클을 바탕으로 통계적 방식으로 구축되거나, 소정 기간 동안 상기 사용자의 수면 사이클을 모니터링한 결과를 기반으로 구축될 수 있다.
예시적 실시예에 따른 수면 유도 장치는 진동 자극을 통해 사용자의 수면 사이클이 최적 수면 사이클에 일치하도록 사용자의 수면 상태를 유도함으로써 사용자의 수면질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 사용자의 심박수를 목적 심박수로 유도하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 방법을 도시한 도면이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클을 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 사용자의 심박수를 목적 심박수로 유도하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 방법을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
한편, 각 단계들에 있어, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 수행될 수 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하고, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주 기능별로 구분한 것에 불과하다. 즉, 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있다. 각 구성부는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클을 도시한 도면이고, 도 3 및 도 4는 사용자의 심박수를 목적 심박수로 유도하는 방법을 설명하기 위한 예시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치(100)(이하, 수면 유도 장치)는 심탄도 센서(110), 진동기(120) 및 프로세서(130)를 포함할 수 있다.
심탄도 센서(110)는 사용자의 심탄도(ballistocardiogram)를 측정할 수 있다. 예를 들어, 심탄도 센서(110)는 매트리스의 상부, 하부 또는 내부에 배치되어, 매트리스에 위치한 사용자의 심탄도를 무구속/비접촉 방식으로 측정할 수 있다. 이를 위해, 심탄도 센서(110)는 FSR(force sensing resistor) 센서, 압전 센서, 가속도 센서, 로드셀 센서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 센서, EMFi(electromechanical film) 센서, 스트레인 게이지(strain gauge) 등을 포함할 수 있다.
진동기(120)는 프로세서(130)의 제어에 따라 사용자에게 진동 자극을 가해줄 수 있다. 이때, 진동 자극은 사용자가 인지하지 못하는 약한 자극인 무자각 진동 자극 또는 사용자가 인지하더라도 사용자가 불편함을 느끼지 않을 정도의 약한 진동 자극일 수 있다. 예를 들어, 진동기(120)는 매트리스의 상부, 하부 또는 내부에 배치되어, 매트리스에 위치한 사용자에게 진동 자극을 가해줄 수 있다.
프로세서(130)는 수면 유도 장치(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(130)는 측정된 심탄도를 기반으로 사용자의 수면 상태를 모니터링하고, 진동기(120)의 진동 자극을 통하여 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도할 수 있다. 이때, 최적 수면 사이클은 다수의 타 사용자의 수면 사이클을 바탕으로 통계적 방식으로 구축될 수도 있고, 소정의 기간 동안 사용자 개인의 수면 사이클을 모니터링하고 그 결과를 기반으로 구축될 수도 있다.
프로세서(130)는 측정된 심탄도로부터 사용자의 심박 상태를 나타내는 심박 신호 및/또는 사용자의 호흡 상태를 나타내는 호흡 신호를 검출할 수 있다. 심탄도에는 심박 신호와 호흡 신호가 혼재되어 있으며, 일반적으로 심박 신호의 주파수는 0.3~25Hz이고, 호흡 신호의 주파수는 0.1~1.5Hz이다. 따라서, 프로세서(130)는 이러한 주파수 특성을 이용하여 심탄도로부터 심박 신호 및/또는 호흡 신호를 검출할 수 있다.
프로세서(130)는 심박 신호 및/또는 호흡 신호를 기반으로 사용자의 수면 상태를 판단 및 모니터링할 수 있다. 여기서 수면 상태는 각성(wake) 및 수면 단계를 포함할 수 있다. 수면 단계는 렘(Rapid Eye movement, REM) 수면 단계와 비렘(non-REM) 수면 단계로 구분되며, 비렘 수면 단계는 수면 깊이에 따라 4 단계(Rechtschaffen & Kales 기준) 또는 3 단계(American Academy of Sleep Medicine) 기준)로 구분될 수 있다.
보다 구체적으로 프로세서(130)는 심박 신호로부터 심박수를 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 심박 신호에서 피크(peak) 또는 밸리(valley)를 검출하고, 검출된 피크 또는 밸리의 개수를 이용하여 심박수를 판단할 수 있다.
프로세서(130)는 호흡 신호로부터 호흡수를 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 호흡 신호에서 피크 또는 밸리를 검출하고, 검출된 피크 또는 밸리의 개수를 이용하여 호흡수를 판단할 수 있다.
프로세서(130)는 심박수 및/또는 호흡수를 이용하여 사용자의 수면 상태를 판단하고 모니터링할 수 있다. 이때, 프로세서(130)는 제1 수면 상태 판단 모델, 제2 수면 상태 판단 모델 또는 제3 수면 상태 판단 모델을 이용할 수 있다. 여기서, 제1 수면 상태 판단 모델은 심박수로부터 사용자의 수면 상태를 판단하는 모델로서, 심박수와 이에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축될 수 있다. 제2 수면 상태 판단 모델은 호흡수로부터 사용자의 수면 상태를 판단하는 모델로서, 호흡수와 이에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축될 수 있다. 제3 수면 상태 판단 모델은 심박수 및 호흡수로부터 사용자의 수면 상태를 판단하는 모델로서, 심박수 및 호흡수와, 이들에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축될 수 있다. 제1 수면 상태 판단 모델, 제2 수면 상태 판단 모델 및 제3 수면 상태 판단 모델은 수면 유도 장치(100)의 내부 또는 외부 데이터베이스에 저장될 수 있다. 기계학습 알고리즘은 신경망(Neural Network), 결정 트리(Decision Tree), 유전 알고리즘(Genetic Algorithm), 유전자 프로그래밍(Genetic Programming), K 근접 이웃(K-Nearest Neighbor), 방사 기저 함수 네트워크(Radial Basis Function Network), 랜덤 포레스트(Random Forest), 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine), 및 딥러닝(deep-learning) 등을 포함할 수 있다.
프로세서(130)는 사용자의 수면 상태 모니터링 결과, 사용자의 수면 상태가 기 저장된 최적 수면 사이클(예컨대 도 2 참조)을 벗어나는지를 판단할 수 있다.
프로세서(130)는 사용자의 수면 상태가 기 저장된 최적 수면 사이클을 벗어나면, 사용자의 수면 상태가 최적 수면 사이클에 맞춰지도록 진동기(120)를 통해 사용자에게 진동 자극을 가해줄 수 있다.
보다 구체적으로, 프로세서(130)는 사용자의 수면 상태가 기 저장된 최적 수면 사이클을 벗어나면, 진동기(120)를 통해 사용자에게 진동 자극을 가하여 사용자의 심박수가 목표 심박수에 수렴되도록 유도할 수 있다. 이때, 진동 자극의 주파수 및/또는 크기는 목표 심박수에 따라 결정되며, 목표 심박수는 원하는 수면 상태 별로 상이할 수 있다. 목표 심박수는 다수의 타 사용자의 각 수면 상태의 심박수를 바탕으로 통계적 방식으로 결정될 수도 있으며, 소정의 기간 동안 사용자 개인의 각 수면 상태의 심박수를 모니터링하고 그 결과를 기반으로 결정될 수도 있다.
예시적 실시예에 따르면, 프로세서(130)는 도 3에 도시된 바와 같이 목표 심박수(300)에 대응하는 주파수 및/또는 크기의 진동 자극(320)을 일정하게 사용자에게 가해주어 사용자의 심박수(310)가 목표 심박수(300)에 수렴되도록 유도할 수도 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 사용자의 심박수(310) 변화에 따라 진동 자극(420)의 주파수 및/또는 크기를 단계적으로 변화시켜가며 사용자의 심박수(310)가 목표 심박수(300)에 수렴되도록 유도할 수도 있다. 이때 진동 자극은 전술한 바와 같이 사용자가 인지하지 못하는 약한 자극인 무자각 진동 자극 또는 사용자가 인지하더라도 사용자가 불편함을 느끼지 않을 정도의 약한 진동 자극일 수 있다. 진동기(120)에 의한 진동 자극(320, 420)에 따라 사용자의 심박수(310)는 진동 자극(320, 420)에 동기화될 수 있으며, 이에 따라 사용자의 심박수(310)가 목표 심박수(300)에 수렴되어 사용자의 수면 상태가 최적 수면 사이클의 원하는 수면 상태로 유도될 수 있다.
예시적 실시예에 따른 수면 유도 장치(100)는 사용자의 수면 사이클이 최적 수면 사이클에 일치하도록 사용자의 수면 상태를 유도함으로써 사용자의 수면질을 향상시킬 수 있다. 또한, 수면 유도 장치(100)는 사용자의 명령이 있으면, 최적 수면 사이클에 따라, 자각 상태에서 수면 단계로, 수면 단계에서 자각 상태로 사용자를 유도하는 것이 가능하다. 이를 통해 사용자가 인지하지 못하는 상태에서 수면을 취하고 기상할 수 있다.
프로세서(130)는 사용자의 수면 상태 모니터링 결과를 기반으로 사용자의 수면 지표를 판단하여 출력수단을 통해 출력할 수 있다. 여기서 수면 지표는 총 침상시간(time in bed), 총 수면시간(total sleep time), 입면 후 깨는데까지 걸리는 시간(wake periods after sleep onset), 수면 잠복기(sleep onset latency), 수면 효율지수(sleep efficiency index), 각 수면 단계별 지속시간 등을 포함할 수 있다.
프로세서(130)는 현재 시간이 사용자에 의해 설정된 기상 시간 범위 내이고, 사용자의 수면 상태가 렘 수면 단계인 경우, 진동기(120)를 이용하여 사용자의 기상을 유도할 수 있다.
보다 구체적으로, 프로세서(130)는 현재 시간이 사용자에 의해 설정된 기상 시간 범위 내이고 사용자의 수면 상태가 렘 수면 단계인 경우, 진동기(120)를 통해 사용자에게 진동 자극을 가하여 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수가 되도록 유도함으로써, 사용자의 기상을 유도할 수 있다. 이때, 진동 자극의 주파수 및/또는 크기는 각성 상태의 심박수에 따라 결정될 수 있다. 각성 상태의 심박수는 다수의 타 사용자의 각성 상태의 심박수를 바탕으로 통계적 방식으로 결정될 수도 있으며, 소정의 기간 동안 사용자 개인의 각성 상태의 심박수를 모니터링하고 그 결과를 기반으로 결정될 수도 있다.
예시적 실시예에 따르면, 프로세서(130)는 각성 상태의 심박수에 대응하는 주파수 및/또는 크기의 진동 자극을 일정하게 사용자에게 가해주어 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도할 수도 있으며, 진동 자극의 주파수 및/또는 크기를 단계적으로 변화, 즉 높여가며 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도할 수도 있다. 진동기(120)에 의한 진동 자극에 따라 사용자의 심박수는 진동 자극에 동기화될 수 있으며, 이에 따라 사용자의 심박수는 각상 성태의 심박수로 유도되어 사용자는 렘 수면 단계에서 보다 안정적이고 쾌적하게 기상할 수 있다.
한편, 프로세서(130)는 수면 상태 판단 모델, 최적 수면 사이클, 각 수면 상태의 목표 심박수 또는 진동 자극의 주파수 및 크기를 주기적으로 갱신할 수 있다.
예를 들어, 프로세서(130)는 추가 학습 데이터 예컨대, 사용자의 심박수 및/또는 호흡수와 이에 대응하는 수면 상태를 지속적으로 수집하고, 수집된 추가 학습 데이터를 이용하여 주기적으로 추가 하여 수면 상태 판단 모델을 갱신할 수 있다. 또한, 프로세서(130)는 사용자 개인의 수면 사이클을 모니터링하고, 그에 대한 사용자의 평가를 기반으로, 최적 수면 사이클, 각 수면 상태의 목표 심박수 또는 진동 자극의 주파수 및 크기를 주기적으로 갱신할 수 있다. 이를 통해 수면 유도 장치(100)의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 5는 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 수면 유도 장치(500)는 심탄도 센서(110), 진동기(120), 프로세서(130), 입력부(510), 저장부(520), 통신부(530) 및 출력부(540)를 포함할 수 있다. 여기서, 심탄도 센서(110), 진동기(120) 및 프로세서(130)는 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 바와 같으므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
입력부(510)는 사용자로부터 다양한 조작신호 및 정보를 입력 받을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 입력부(510)는 키 패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패드(touch pad), 조그 휠(Jog wheel), 조그 스위치(Jog switch), H/W 버튼 등을 포함할 수 있다. 특히, 터치 패드가 디스플레이와 상호 레이어 구조를 이룰 경우, 이를 터치 스크린이라 부를 수 있다.
저장부(520)는 수면 유도 장치(500)의 동작을 위한 프로그램 또는 명령들을 저장할 수 있고, 수면 유도 장치(500)에 입력되는 데이터 및 처리된 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부(520)는 측정된 심탄도, 심탄도로부터 검출된 심박 신호 및 호흡 신호, 심박 신호로부터 판단된 심박수, 호흡 신호로부터 판단된 호흡수, 심박수 및/또는 호흡수를 기반으로 판단된 수면 상태, 수면 상태 판단에 이용되는 수면 상태 판단 모델, 수면 상태별로 설정된 목표 심박수 또는 진동 자극의 주파수 및 크기 등을 저장할 수 있다.
저장부(520)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드 디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예컨대, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory, RAM), SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read Only Memory, ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory), PROM(Programmable Read Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 등 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다. 또한, 수면 유도 장치(500)는 인터넷 상에서 저장부(520)의 저장 기능을 수행하는 웹 스토리지(web storage) 등 외부 저장 매체를 운영할 수도 있다.
통신부(530)는 외부 장치와 통신을 수행할 수 있다. 예컨대, 통신부(530)는 수면 유도 장치(500)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 외부 장치로 전송하거나, 외부 장치로부터 수면 유도 및 수면질 판단에 도움이 되는 다양한 데이터를 수신할 수 있다.
예를 들어 외부 장치는 각종 센서, 디스플레이 장치, 서버 장치, 휴대폰, 스마트폰, 태블릿, 노트북, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player), 네비게이션 장치, MP3 플레이어, 디지털 카메라, 웨어러블 디바이스 등을 포함할 수 있고, 웨어러블 디바이스는 안경형, 손목 시계형, 손목 밴드형, 반지형, 귀걸이형, 벨트형, 목걸이형, 발목 밴드형, 허벅지 밴드형, 팔뚝 밴드형 등을 포함할 수 있다. 그러나 전자 장치는 상술한 예에 제한되지 않으며, 웨어러블 디바이스 역시 상술한 예에 제한되지 않는다.
통신부(530)는 유무선 통신 기술을 이용하여 외부 장치와 통신할 수 있다. 이때 무선 통신 기술은 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 포함할 수 있으나 이는 일 예에 불과할 뿐이며, 이에 한정되는 것은 아니다.
출력부(540)는 수면 유도 장치(500)에 입력된 데이터, 저장된 데이터, 처리된 데이터 등을 출력할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 출력부(540)는 측정된 심탄도, 심탄도로부터 검출된 심박 신호 및 호흡 신호, 심박 신호로부터 판단된 심박수, 호흡 신호로부터 판단된 호흡수, 심박수 및/또는 호흡수를 기반으로 판단된 수면 상태, 수면 상태 판단에 이용되는 수면 상태 판단 모델, 수면 단계별로 설정된 목표 심박수 또는 진동 자극의 주파수 및 크기 등을 청각적 방법, 시각적 방법 및 촉각적 방법 중 적어도 하나의 방법으로 출력할 수 있다. 이를 위해 출력부(340)는 디스플레이, 스피커, 진동기 등을 포함할 수 있다.
도 6은 예시적 실시예에 따른 최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 방법을 도시한 도면이다. 도 6의 수면 유도 방법은 도 1 또는 도 5의 수면 유도 장치(100, 500)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참조하면, 수면 유도 장치는 심탄도 센서를 이용하여 사용자의 심탄도(ballistocardiogram)를 측정할 수 있다(610). 이때, 심탄도 센서는 매트리스의 상부, 하부 또는 내부에 배치되어, 매트리스에 위치한 사용자의 심탄도를 무구속/비접촉 방식으로 측정할 수 있다. 예를 들어, 심탄도 센서는 FSR(force sensing resistor) 센서, 압전 센서, 가속도 센서, 로드셀 센서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 센서, EMFi(electromechanical film) 센서, 스트레인 게이지(strain gauge) 등을 포함할 수 있다.
수면 유도 장치는 측정된 심탄도를 기반으로 사용자의 수면 상태를 모니터링할 수 있다(620).
예를 들어, 수면 유도 장치는 측정된 심탄도로부터 사용자의 심박 상태를 나타내는 심박 신호 및/또는 사용자의 호흡 상태를 나타내는 호흡 신호를 하고, 검출된 심박 신호 및/또는 호흡 신호로부터 심박수 및/또는 호흡수를 판단할 수 있다. 또한 수면 유도 장치는 심박수 및/또는 호흡수를 이용하여 사용자의 수면 상태를 판단하고 모니터링할 수 있다. 이때 수면 유도 장치는 심박수 및/또는 호흡수와 이에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축된 수면 상태 판단 모델을 이용할 수 있다. 기계학습 알고리즘은 신경망(Neural Network), 결정 트리(Decision Tree), 유전 알고리즘(Genetic Algorithm), 유전자 프로그래밍(Genetic Programming), K 근접 이웃(K-Nearest Neighbor), 방사 기저 함수 네트워크(Radial Basis Function Network), 랜덤 포레스트(Random Forest), 서포트 벡터 머신(Support Vector Machine), 및 딥러닝(deep-learning) 등을 포함할 수 있다.
수면 유도 장치는 사용자의 수면 상태 모니터링 결과를 기반으로 진동기의 진동 자극을 통하여 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도할 수 있다(630). 여기서 진동기는 매트리스의 상부, 하부 또는 내부에 배치되어 매트리스에 위치한 사용자에게 진동 자극은 가해줄 수 있다. 진동 자극은 사용자가 인지하지 못하는 약한 자극인 무자각 진동 자극 또는 사용자가 인지하더라도 사용자가 불편함을 느끼지 않을 정도의 약한 진동 자극일 수 있다.
예를 들어 수면 유도 장치는 사용자의 수면 상태 모니터링 결과, 사용자의 수면 상태가 기 저장된 최적 수면 사이클을 벗어나는지를 판단하고, 사용자의 수면 상태가 기 저장된 최적 수면 사이클을 벗어나면, 사용자의 수면 상태가 최적 수면 사이클에 맞춰지도록 진동기를 통해 사용자에게 진동 자극을 가해줄 수 있다.
보다 구체적으로, 수면 유도 장치는 사용자의 수면 상태가 기 저장된 최적 수면 사이클을 벗어나면, 진동기를 통해 사용자에게 진동 자극을 가하여 사용자의 심박수가 목표 심박수에 수렴되도록 유도할 수 있다. 이때, 진동 자극의 주파수 및/또는 크기는 목표 심박수에 따라 결정되며, 목표 심박수는 원하는 수면 상태 별로 상이할 수 있다.
예를 들면, 수면 유도 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 목표 심박수(300)에 대응하는 주파수 및/또는 크기의 진동 자극(320)을 일정하게 사용자에게 가해주어 사용자의 심박수(310)가 목표 심박수(300)에 수렴되도록 유도할 수도 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이, 사용자의 심박수(310) 변화에 따라 진동 자극(420)의 주파수 및/또는 크기를 단계적으로 변화시켜가며 사용자의 심박수(310)가 목표 심박수(300)에 수렴되도록 유도할 수도 있다. 진동기에 의한 진동 자극(320, 420)에 따라 사용자의 심박수(310)는 진동 자극(320, 420)에 동기화될 수 있으며, 이에 따라 사용자의 심박수(310)가 목표 심박수(300)에 수렴되어 사용자의 수면 상태가 최적 수면 사이클의 원하는 수면 상태로 유도될 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 수면 유도 장치는 사용자의 수면 상태 모니터링 결과를 기반으로 사용자의 수면 지표를 판단하여 출력수단을 통해 출력할 수 있다. 여기서 수면 지표는 총 침상시간(time in bed), 총 수면시간(total sleep time), 입면 후 깨는데까지 걸리는 시간(wake periods after sleep onset), 수면 잠복기(sleep onset latency), 수면 효율지수(sleep efficiency index), 각 수면 단계별 지속시간 등을 포함할 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 현재 시간이 사용자에 의해 설정된 기상 시간 범위 내이고, 사용자의 수면 상태가 렘 수면 단계인 경우, 수면 유도 장치는 진동기를 이용하여 사용자의 기상을 유도할 수 있다.
보다 구체적으로, 수면 유도 장치는 현재 시간이 사용자에 의해 설정된 기상 시간 범위 내이고 사용자의 수면 상태가 렘 수면 단계인 경우, 진동기를 통해 사용자에게 진동 자극을 가하여 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수가 되도록 유도함으로써, 사용자의 기상을 유도할 수 있다. 이때, 진동 자극의 주파수 및/또는 크기는 각성 상태의 심박수에 따라 결정될 수 있다.
예를 들면, 수면 유도 장치는 각성 상태의 심박수에 대응하는 주파수 및/또는 크기의 진동 자극을 일정하게 사용자에게 가해주어 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도할 수도 있으며, 진동 자극의 주파수 및/또는 크기를 단계적으로 변화, 즉 높여가며 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도할 수도 있다. 진동기에 의한 진동 자극에 따라 사용자의 심박수는 진동 자극에 동기화될 수 있으며, 이에 따라 사용자의 심박수는 각상 성태의 심박수로 유도되어 사용자는 렘 수면 단계에서 보다 안정적이고 쾌적하게 기상할 수 있다.
예시적 실시예에 따르면, 수면 유도 장치는 수면 상태 판단 모델, 최적 수면 사이클, 각 수면 상태의 목표 심박수 또는 진동 자극의 주파수 및 크기를 주기적으로 갱신할 수 있다. 예를 들어, 수면 유도 장치는 추가 학습 데이터 예컨대, 사용자의 심박수 및/또는 호흡수와 이에 대응하는 수면 상태를 지속적으로 수집하고, 수집된 추가 학습 데이터를 이용하여 주기적으로 추가 하여 수면 상태 판단 모델을 갱신할 수 있다. 또한, 수면 유도 장치는 사용자 개인의 수면 사이클을 모니터링하고, 그에 대한 사용자의 평가를 기반으로, 최적 수면 사이클, 각 수면 상태의 목표 심박수 또는 진동 자극의 주파수 및 크기를 주기적으로 갱신할 수 있다.
상술한 실시예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 작성되고 실행될 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시 예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100, 500: 수면 유도 장치
110: 심탄도 센서
120: 진동기
130: 프로세서
510: 입력부
520: 저장부
530: 통신부
540: 출력부
110: 심탄도 센서
120: 진동기
130: 프로세서
510: 입력부
520: 저장부
530: 통신부
540: 출력부
Claims (16)
- 사용자의 심탄도를 측정하는 심탄도 센서;
상기 사용자에게 진동 자극을 가해주는 진동기; 및
상기 측정된 심탄도를 기반으로 사용자의 수면 상태를 모니터링하고, 상기 진동기를 이용하여 상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 프로세서; 를 포함하고,
상기 프로세서는 현재 시간이 설정된 기상 시간 범위 내이고 상기 사용자의 수면 상태가 렘 수면 단계인 경우, 상기 진동 자극의 주파수를 단계적으로 높여가며 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도하고,
상기 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도하기 위한 상기 진동 자극의 주파수는 각성 상태의 심박수에 따라 결정되고, 상기 각성 상태의 심박수는 소정의 기간 동안 상기 사용자의 각성 상태의 심박수를 모니터링하고 모니터링 결과를 기반으로 결정되고,
상기 프로세서는 상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클을 벗어나면 상기 사용자의 심박수가 목표 심박수에 수렴되어 상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클에 맞춰지도록, 상기 진동기를 통해 상기 사용자에게 진동 자극을 가해주되, 상기 사용자의 심박수 변화에 따라 진동 자극의 크기를 단계적으로 변화시키고,
상기 프로세서는 상기 사용자의 수면 사이클을 모니터링하고, 그에 대한 사용자의 평가를 기반으로 각 수면 상태의 목표 심박수 및 목표 심박수에 대응하는 진동 자극의 주파수 및 크기를 주기적으로 갱신하는,
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치. - 제1항에 있어서,
상기 심탄도 센서는 FSR(force sensing resistor) 센서, 압전 센서, 가속도 센서, 로드셀 센서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 센서, EMFi(electromechanical film) 센서, 스트레인 게이지(strain gauge) 중 적어도 하나를 포함하는,
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치. - 제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 측정된 심탄도로부터 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나를 판단하고, 상기 판단된 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 수면 상태 판단 모델을 이용하여 상기 사용자의 수면 상태를 판단하는,
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치. - 제3항에 있어서,
상기 수면 상태 판단 모델은 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 이에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축되는,
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 목표 심박수는 원하는 수면 상태별로 상이한,
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 최적 수면 사이클은 다수의 타 사용자의 수면 사이클을 바탕으로 통계적 방식으로 구축되거나, 소정 기간 동안 상기 사용자의 수면 사이클을 모니터링한 결과를 기반으로 구축되는,
최적 수면 사이클에 기초한 수면 유도 장치. - 수면 유도 장치의 동작 방법에 있어서,
사용자의 심탄도를 측정하는 단계;
상기 측정된 심탄도를 기반으로 사용자의 수면 상태를 모니터링하는 단계;
진동 자극을 통하여 상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 단계;
현재 시간이 설정된 기상 시간 범위 내이고 상기 사용자의 수면 상태가 렘 수면 단계인 경우, 상기 진동 자극의 주파수를 단계적으로 높여가며 상기 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도하는 단계; 및
상기 사용자의 수면 사이클을 모니터링하고, 그에 대한 사용자의 평가를 기반으로 각 수면 상태의 목표 심박수 및 목표 심박수에 대응하는 진동 자극의 주파수 및 크기를 주기적으로 갱신하는 단계; 를 포함하고,
상기 사용자의 심박수가 각성 상태의 심박수에 수렴되도록 유도하기 위한 상기 진동 자극의 주파수는 각성 상태의 심박수에 따라 결정되고, 상기 각성 상태의 심박수는 소정의 기간 동안 상기 사용자의 각성 상태의 심박수를 모니터링하고 모니터링 결과를 기반으로 결정되고,
상기 사용자의 수면 사이클을 기 저장된 최적 수면 사이클에 일치하도록 유도하는 단계는,
상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클을 벗어나면, 상기 사용자의 심박수가 목표 심박수에 수렴되어 상기 사용자의 수면 상태가 상기 최적 수면 사이클에 맞춰지도록, 상기 사용자에게 진동 자극을 가해주되, 상기 사용자의 심박수 변화에 따라 진동 자극의 크기를 단계적으로 변화시키는 단계; 를 포함하는,
수면 유도 장치의 동작 방법. - 제9항에 있어서,
상기 심탄도를 측정하는 단계는, FSR(force sensing resistor) 센서, 압전 센서, 가속도 센서, 로드셀 센서, PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름 센서, EMFi(electromechanical film) 센서, 스트레인 게이지(strain gauge) 중 적어도 하나를 이용하여 상기 사용자의 심탄도를 측정하는
수면 유도 장치의 동작 방법. - 제9항에 있어서,
상기 수면 상태를 모니터링하는 단계는,
상기 측정된 심탄도로부터 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나를 판단하는 단계; 및
상기 판단된 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 수면 상태 판단 모델을 이용하여 상기 사용자의 수면 상태를 판단하는 단계; 를 포함하는,
수면 유도 장치의 동작 방법. - 제11항에 있어서,
상기 수면 상태 판단 모델은 심박수 및 호흡수 중 적어도 하나와 이에 대응하는 수면 상태를 학습데이터로 이용하여 기계학습을 통해 미리 구축되는,
수면 유도 장치의 동작 방법. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 목표 심박수는 원하는 수면 상태별로 상이한,
수면 유도 장치의 동작 방법. - 삭제
- 제9항에 있어서,
상기 최적 수면 사이클은 다수의 타 사용자의 수면 사이클을 바탕으로 통계적 방식으로 구축되거나, 소정 기간 동안 상기 사용자의 수면 사이클을 모니터링한 결과를 기반으로 구축되는,
수면 유도 장치의 동작 방법.
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| AMND | Amendment | ||
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| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) | ||
| GRNT | Written decision to grant |