KR102415906B1 - 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

인체 착용 장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

실시 예에 따른 인체 착용 장치는 외부로 광을 발생하는 발광부; 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 수광부; 및 상기 발광부의 동작을 제어하고, 발광부의 동작에 따라 상기 수광부로 입사되는 광의 세기를 검출하고, 상기 검출한 광의 세기를 토대로 상기 인체 착용 장치의 착용 상태를 검출하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 발광부의 온 구간에서 상기 수광부로 입사되는 광의 세기와, 상기 발광부의 오프 구간에서 상기 수광부로 입사되는 광의 차이 값을 이용하여 상기 착용 상태를 검출한다.

Description

인체 착용 장치 및 이의 동작 방법{WEARABLE DEVICE AND METHOD FOR OPERATING THEREOF}
실시 예는, 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 휴대용 단말기는 전자부품의 고감도, 소형화 및 경량화 추세에 따라 가고 있으며, 제1세대로 바 타입(Bar Type)의 휴대폰이 보편화 되었고, 제2세대로 플립 타입(Flip Type)의 휴대폰이 일반화 되었으며, 현재에는 플립 타입과 제3세대의 폴더 타입(Folder Type)의 휴대폰이 공존하여 보편화된 추세에 있다.
또한, 사용자의 손목에 착용하는 시계 타입(Watch Type)의 휴대폰을 비롯하여 신체 일부나 의류에 착용하는 인체 착용 장치(wearable device)가 개발되었다.
한편, 최근 생활수준의 향상과 의료기술의 발전에 따라 전 세계적으로 고령화의 추세가 두드러지고 있다. 이와 같은 인구 고령화와 동반하여 만성질환 유병율이 증가하고 있고, 고령 사회의 또 다른 문제점으로, 핵가족화에 따른 가족 부양 능력 감퇴로 인한 독거 노인의 증가와 고독사(孤獨死)가 중요한 사회적 이슈(issue)로 대두되고 있다.
고혈압, 당뇨병, 뇌혈관질환, 심장질환 등의 만성 질환자는 지속적으로 증가하고 있다. 그 원인으로는 특히 건강과 관련된 식이, 운동 등 개인이나 집단의 건강 행태에 의한 질병 발생이 거의 절반 이상을 차지한다. 따라서 현대 의학의 생물의학적 모델에 의한 접근만으로는 이러한 만성 질환을 해결하기 어려우며 새로운 질병 관리 방법, 즉 생활 습관 개선을 통한 건강 위험 인자 제거라는 건강 증진적 접근이 요구된다.
따라서, 최근에는 맥박수 계측 방법에는 크게 피에조(piezo) 소자 등을 이용하는 압전식, 자기 접합 터널(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 소자를 이용하는 자기식, 필름형 압박센서를 이용하는 압박식, 생체 전기 임피던스를 이용하는 임피던스식, 광 센서를 이용하는 광학식 등이 있으며, 최근에는 손목이나 목에 착용이 가능한 인체 장착형 맥박 측정 장치가 제안되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 인체 착용 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 인체 착용 장치는 기판(10), 발광 소자(20), 수광 소자(30), 구조물(40), 격벽(50) 및 광학 윈도우(60)를 포함한다.
기판(10)는 인체 착용 장치를 구성하는 구성요소들을 장착하기 위한 베이스 기판이다.
발광 소자(20)는 발광 제어신호에 따라 특정 파장대의 광을 발생한다.
수광 소자(30)는 상기 발광 소자(20)를 통해 발생한 광에 따라 입사되는 광을 수광한다.
구조물(40)은 상기 광학 윈도우(60)를 지지하기 위한 지지 구조물이다.
격벽(50)은 상기 발광 소자(20) 및 수광 소자(30) 사이에 배치되어, 상기 발광 소자(20)를 통해 발생한 광이 직접적으로 상기 수광 소자(30)로 입사되는 것을 방지한다.
광학 윈도우(60)는 상기 발광 소자(20) 및 수광 소자(30)의 발광면 및 수광면에 각각 배치되어, 외부로부터 상기 발광 소자(20) 및 수광 소자(30)를 보호한다.
상기와 같은 인체 착용 장치는, 상기 수광 소자(30)를 통해 수신된 광의 전압(즉, 수광 전압)에 따라 인체 신호를 검출한다. 여기에서, 상기 인체 신호는 심박수나 산소 포화도 등을 포함할 수 있다.
한편, 상기와 같은 인체 착용 장치는, 사람의 신체에 착용되었는지 여부를 검출해야 하며, 상기 검출 결과에 따라 상기 인체 신호를 검출하게 된다.
종래 기술에서 상기 착용 여부를 검출하는 방법은 다음과 같다.
발광 소자(20)는 광을 발생시키며, 상기 수광 소자(30)는 입사되는 광 전류의 크기를 측정한다. 이때, 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용된 경우에 상기 측정된 광 전류에는 비교적 낮은 주변광이 포함되어 있고, 상기 인체 착용 장치가 인체에 미착용된 경우에는 상기 측정된 광 전류에는 높은 주변광이 포함되어 있다.
즉, 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용된 상태에는 피검체와 상기 인체 착용 장치가 상호 밀착되어 주변광의 투입 경로가 거의 차단되므로, 미약한 광 전류가 검출되지만, 상기 미착용된 상태에서는 상기 피검체와 인체 착용 장치 사이의 이격 거리가 증가함에 따라 주변광에 노출되어 큰 광 전류가 검출되게 된다.
따라서, 상기 인체 착용 장치는, 상기 수광부(30)를 통해 검출되는 광 전류의 크기에 따라 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용되었는지 여부를 검출한다.
도 2는 종래 기술에 따른 인체 착용 장치의 착용 여부를 검출하는 조건을 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 인체 착용 장치와 피검체(바람직하게는, 인체) 사이의 이격 거리가 증가할 수록, 상기 수광부(30)를 통해 검출되는 수광 전압의 크기는 증가하게 된다.
따라서, 인체 착용 장치는, 인체 착용 장치가 미착용된 상태에서의 기준 값(Vth)을 결정하고, 상기 수광 전압의 크기가 상기 기준 값보다 작은 작은 경우에는 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용된 상태인 것으로 검출하고, 상기 수광 전압의 크기가 기준 값(Vth)보다 큰 경우에는 상기 인체 착용 장치가 인체에 미착용된 상태인 것으로 검출한다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 착용 여부 검출 방법은 다음과 같은 문제점이 있다.
상기와 같은 착용 여부 검출 방법은 낮이나 조명에 의한 밝은 장소에서는 상기 인체 착용 장치의 착용 상태의 구분이 가능하지만, 밤이나 어두운 장소에서는 주변광에 의한 광 전류가 미약하므로, 정확한 착용 상태를 검출하지 못하는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 착용 여부 검출 방법은 사람이 아닌 사물에 상기 인체 착용 장치가 접촉한 상태에서도 상기 주변광에 의한 광 전류가 미약하므로, 상기 인체 착용 장치가 실질적으로 인체에 착용되지 않은 상태에서도 인체에 착용된 상태로 오작동하는 문제점이 있다.
(특허문헌 1) KR 10-2013-0043486 A
(특허문헌 2) KR 10-2015-0009032 A
실시 예에서는, 외부 환경에 영향을 받지 않고 인체 착용 장치의 정확한 착용 상태를 검출할 수 있는 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법을 제공한다.
또한, 실시 예에서는, 인체 착용 장치가 인체에 착용되었는지 아니면 사물에 접촉하였는지를 구분할 수 있는 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법을 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 인체 착용 장치는 외부로 광을 발생하는 발광부; 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 수광부; 및 상기 발광부의 동작을 제어하고, 발광부의 동작에 따라 상기 수광부로 입사되는 광의 세기를 검출하고, 상기 검출한 광의 세기를 토대로 상기 인체 착용 장치의 착용 상태를 검출하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 발광부의 온 구간에서 상기 수광부로 입사되는 광의 세기와, 상기 발광부의 오프 구간에서 상기 수광부로 입사되는 광의 차이 값을 이용하여 상기 착용 상태를 검출한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 차이 값이 0이면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 미착용 상태로 검출하고, 상기 차이 값이 0보다 크면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 착용 상태로 검출한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 차이 값이 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 착용 상태로 검출하고, 상기 차이 값이 기 설정된 기준 값보다 작거나 같으면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 미착용 상태로 검출한다.
또한, 상기 기준 값은, 상기 발광부에서 상기 수광부로의 직접적인 광 누설량 및 외부 환경에 의한 광 반사량 중 적어도 어느 하나에 의해 결정된다.
또한, 상기 발광부는, 제 1 파장의 광을 발생하는 제 1 발광부와, 상기 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 광을 발생하는 제 2 발광부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 제 1 발광부 및 제 2 발광부 중 어느 하나의 발광부를 이용하여 상기 착용 상태를 검출하며, 상기 제 1 발광부 및 제 2 발광부를 모두 이용하여, 심박수 및 혈중 산소 포화도를 검출한다.
또한, 상기 발광부는, 제 1 광을 발생하는 제 1 발광부와, 제 2 광을 발생하는 제 2 발광부를 포함하며, 상기 수광부는, 상기 제 1 발광부의 동작에 따라 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 제 1 수광부와, 상기 제 2 발광부의 동작에 따라 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 제 2 수광부를 포함한다.
또한, 상기 제 1 발광부 및 제 1 수광부는, 상기 제어부의 제어신호에 따라 기설정된 주기마다 동작하여 상기 인체 착용 장치의 착용 상태를 검출하며, 상기 제 2 발광부 및 제 2 수광부는, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 인체 착용 장치가 착용된 인체에 대한 인체 신호를 검출한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 인체 착용 장치의 상태가 착용 상태로 검출되면, 상기 발광부의 온 구간에서 상기 수광부를 통해 수광되는 광의 세기를 토대로 상기 인체 착용 장치가 착용된 대상물을 검출한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 발광부의 온 구간에서 상기 수광부를 통해 수광되는 광의 세기를 이용하여 맥파 원시 신호 파형을 검출하고, 상기 검출한 맥파 원시 신호 파형을 2차 미분하여, 2차 미분 신호 파형을 생성하며, 상기 생성한 2차 미분 신호 파형에서 피크 신호를 검출하여 피크 신호 파형을 생성하며, 상기 생성한 피크 신호 파형에 포함된 피크 신호들의 펄스 간격을 토대로 상기 인체 착용 장치가 착용된 대상물을 판단한다.
또한, 상기 제어부는, 상기 펄스 간격이 30~240bpm 범위 내에 속하면, 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용된 것으로 판단하고, 상기 펄스 간격이 상기 30~240bpm 범위를 벗어나면, 상기 인체 착용 장치가 사물에 착용된 것으로 판단한다.
또한, 상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 인체 착용 장치의 착용 상태 정보 및 상기 인체 착용 장치가 착용된 인체에서 검출한 인체 검출 신호 중 적어도 하나를 디스플레이하는 디스플레이부를 포함한다.
한편, 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법은 온 구간 및 오프 구간을 포함하는 펄스 신호를 출력하는 단계; 상기 펄스 신호에 따라 발광부가 동작하는 단계; 상기 온 구간에서 수광부로 입사되는 광의 세기와, 상기 오프 구간에서 수광부로 입사되는 광의 세기를 검출하는 단계; 상기 온 구간에서의 광의 세기와 오프 구간에서의 광의 세기의 차이 값을 검출하는 단계; 및 상기 차이 값을 토대로 상기 인체 착용 장치가 대상물에 착용되었는지 여부를 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 대상물에 착용되었는지 여부를 판단하는 단계는, 상기 차이 값이 0이면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 미착용 상태로 판단하는 단계와, 상기 차이 값이 0보다 크면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 착용 상태로 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 대상물에 착용되었는지 여부를 판단하는 단계는 상기 차이 값이 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 착용 상태로 판단하는 단계와, 상기 차이 값이 기 설정된 기준 값보다 작거나 같으면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 미착용 상태로 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 기준 값은, 상기 발광부에서 상기 수광부로의 직접적인 광 누설량 및 외부 환경에 의한 광 반사량 중 적어도 어느 하나에 의해 결정된다.
또한, 상기 발광부는, 제 1 파장의 광을 발생하는 제 1 발광부와, 상기 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 광을 발생하는 제 2 발광부를 포함하며, 상기 착용 여부 판단은, 상기 제 1 발광부 및 제 2 발광부 중 어느 하나의 발광부의 발광에 의해 이루어진다.
또한, 상기 발광부는, 제 1 광을 발생하는 제 1 발광부와, 제 2 광을 발생하는 제 2 발광부를 포함하며, 상기 수광부는, 상기 제 1 발광부의 동작에 따라 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 제 1 수광부와, 상기 제 2 발광부의 동작에 따라 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 제 2 수광부를 포함하며, 상기 착용 여부 판단은, 상기 제 1 발광부 및 제 1 수광부의 동작에 의해 이루어진다.
또한, 상기 인체 착용 장치의 상태가 착용 상태로 검출되면, 상기 온 구간에서 상기 수광부를 통해 수광되는 광의 세기를 토대로 상기 인체 착용 장치가 착용된 대상물을 판단하는 단계를 더 포함한다.
또한, 상기 대상물을 판단하는 단계는, 상기 발광부의 온 구간에서 상기 수광부를 통해 수광되는 광의 세기를 이용하여 맥파 원시 신호 파형을 검출하는 단계와, 상기 검출한 맥파 원시 신호 파형을 2차 미분하여, 2차 미분 신호 파형을 생성하는 단계와, 상기 생성한 2차 미분 신호 파형에서 피크 신호를 검출하여 피크 신호 파형을 생성하는 단계와, 상기 생성한 피크 신호 파형에 포함된 피크 신호들의 펄스 간격을 토대로 상기 인체 착용 장치가 착용된 대상물을 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 펄스 간격이 30~240bpm 범위 내에 속하면, 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용된 것으로 판단하는 단계와, 상기 펄스 간격이 상기 30~240bpm 범위를 벗어나면, 상기 인체 착용 장치가 사물에 착용된 것으로 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 인체 착용 장치의 착용 상태 정보 및 상기 인체 착용 장치가 착용된 인체에서 검출한 인체 검출 신호 중 적어도 하나를 디스플레이하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 낮이나 조명에 의한 밝은 장소 및 밤이나 어두운 장소에 상관 없이 인체 착용 장치가 인체에 착용되었는지 여부를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 인체 착용 장치가 인체가 아닌 사물에 접촉되어 있을 때를 정확하게 구분하여, 상기 인체 착용 장치가 사물에 접촉되었을때 발생할 수 있는 다양한 오작동을 방지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 인체 착용 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 인체 착용 장치의 착용 여부를 검출하는 조건을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 착용 여부를 검출하는 조건을 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시 예에 따른 인체 착용 장치가 인체와 완전히 밀착된 상태에서의 발광부 및 수광부의 상태를 보여준다.
도 7은 실시 예에 따른 인체 착용 장치가 인체에서 제 1 거리만큼 이격된 상태에서의 발광부와 수광부의 상태를 보여준다.
도 8은 실시 예에 따른 인체 착용 장치가 인체에서 완전 이격된 상태에서의 발광부와 수광부의 상태를 보여준다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 실시 예에 따른 인체 착용 장치가 사물에 접촉한 상태에서, 수광부로 입사되는 광에 대한 수광 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 11은 실시 예에 따른 인체 착용 장치가 사물에 완전히 밀착된 상태로 착용된 경우에서의 발광부와 수광부의 상태를 보여준다.
도 12는 실시 예에 따른 인체 착용 장치가 사물에서 제 1 거리만큼 이격된 위치에 놓이게 되는 경우의 발광부와 수광부의 상태를 보여준다.
도 13은 실시 예에 따른 인체 착용 장치가 사물에서 완전 이격된 상태에서의 발광부와 수광부의 상태를 보여준다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 의해 검출되는 신호를 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 착용 대상물을 검출하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 17은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 18은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구성을 보여주는 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 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.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 인체 착용 장치(100)는 발광부(110), 수광부(120) 및 제어부(130)를 포함한다.
발광부(110)는 제어부(130)의 제어신호에 따라 광을 발생시킨다.
발광부(110)는 크게 광을 발생시키는 발광 수단과, 상기 발광 수단을 구동시키는 구동 수단으로 구분할 수 있다.
상기 발광부(110)의 구동 수단은 제어부(130)를 통해 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기(111), 상기 디지털-아날로그 변환기(111)를 통해 변환된 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(112), 상기 제 1 증폭기(112)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(113)를 포함한다.
여기에서, 상기 디지털-아날로그 변환기(111)는 발광 소자(114)의 전류를 설정해주기 위하여, 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.
그리고, 제 1 및 2 증폭기(112, 113)은 상기 발광 소자(114)의 구동에 필요한 교류 전류를 상기 발광 소자(114)로 공급하기 위한 신호 증폭부이다.
그리고, 상기 발광부(110)의 발광 수단은 상기 제 2 증폭기(113)를 통해 증폭된 신호에 따라 광을 발생하는 발광 소자(114)를 포함한다. 상기 발광 소자(114)는 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)로 구현 가능하다.
또한, 상기 발광 소자(114)는 검출될 인체 신호에 따라 서로 다른 파장의 광을 발생시킬 수 있다. 즉, 상기 발광 소자(114)는 상기 검출할 인체 신호가 심박수인 경우, 660nm 파장의 광을 발생시키는 레드 발광 다이오드일 수 있다.
수광부(120)는 상기 발광부(110)의 발광 동작에 따라 피검체에서 반사된 광을 포함한 입사 광을 수신한다.
수광부(120)는 상기 입사되는 광을 수신하는 수광 소자(121)와, 상기 수광 소자(121)를 통해 입사된 광 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(122), 상기 제 1 증폭기(122)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(123), 상기 제 2 증폭기(123)를 통해 2차 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(124)를 포함한다.
수광 소자(121)는 외부로부터 입사되는 광을 수신한다. 이때, 수광 소자(121)는 포토 다이오드(PD)나 트랜지스터(TR)로 구현 가능한다.
또한, 상기 제 1 증폭기(122)는 상기 수광 소자(121)에서 검출되는 미약한 광 전류를 전압으로 변환시켜 증폭하며, 이는 TIA(Transimpedance Amplifier)일 수 있다.
또한, 제 2 증폭기(123)는 상기 제 1 증폭기(122)를 통해 증폭된 전압을 상기 아날로그-디지털 변환기(124)에서 처리 가능하도록 충분한 크기의 전압으로 증폭시킨다.
또한, 아날로그-디지털 변환기(124)는 지정된 샘플링 레이트(SAMPLING RATE)에 따라 아날로그 전압을 이에 상응하는 디지털 전압으로 변환해준다.
제어부(130)는 발광부(110) 및 수광부(120)의 동작을 제어한다.
또한, 제어부(130)는 상기 발광부(110) 및 수광부(120)의 동작 모드에 따라 상기 수광부(120)를 통해 수신된 광 신호의 크기를 검출하고, 상기 검출된 광 신호의 세기에 따른 동작을 수행한다.
이때, 상기 동작 모드는 착용 상태 검출 모드 및 인체 신호 검출 모드를 포함한다.
상기 착용 상태 검출 모드는 상기 발광부(110) 및 수광부(120)를 이용하여 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용된 상태인지 여부를 검출하기 위한 모드이다.
그리고, 인체 신호 검출 모드는 상기 발광부(110) 및 수광부(120)를 이용하여 상기 인체 착용 장치(100)가 착용된 인체에 대한 인체 신호를 검출하기 위한 모드이다.
상기 인체 신호 검출 모드는, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용된 상태에서 수행되는 모드이다.
그리고, 착용 상태 검출 모드는 기설정된 주기마다 수행되는 모드이며, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용되었는지, 아니면 이전에 착용되어있던 상기 인체 착용 장치(100)가 상기 인체로부터 분리되었는지를 검출하기 위한 모드이다.
상기 제어부(130)는 상기 결정된 모드에 따라 상기 수광부(120)를 통해 수신된 광의 세기에 따라 그에 대응하는 동작을 수행한다.
특히, 제어부(130)는 착용 상태 검출 모드에 진입하면, 상기 발광부(110)를 통해 광이 발생되도록 하고, 그에 따라 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에 따라 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체에 착용된 상태인지를 판단한다.
여기에서, 상기 피검체에 착용된 상태는, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용된 상태와, 상기 인체 착용 장치(100)가 사물에 접촉한 상태를 모두 포함한다.
이에 따라, 상기 제어부(130)는 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체에 착용된 상태로 판단되면, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용되었는지, 아니면 단순한 사물에 접촉하였는지를 판단한다.
그리고, 제어부(130)는 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용된 것으로 판단되면, 상기 발광부(110)와 수광부(120)가 인체 신호 검출 모드로 동작하도록 하고, 그에 따라 수신되는 광 신호의 세기에 따른 인체 신호를 검출한다.
한편, 도 4를 참조하면, 상기와 같은 인체 착용 장치(100)의 구조는, 기판(140), 발광 소자(114), 수광 소자(121), 구조물(150), 격벽(160) 및 광학 윈도우(170)를 포함한다.
기판(140)는 인체 착용 장치를 구성하는 구성요소들을 장착하기 위한 베이스 기판이다.
발광 소자(114)는 발광 제어신호에 따라 특정 파장대의 광을 발생한다.
수광 소자(121)는 상기 발광 소자(114)를 통해 발생한 광에 따라 입사되는 광을 수광한다.
구조물(150)은 상기 광학 윈도우(170)를 지지하기 위한 지지 구조물이다.
격벽(160)은 상기 발광 소자(114) 및 수광 소자(121) 사이에 배치되어, 상기 발광 소자(114)를 통해 발생한 광이 직접적으로 상기 수광 소자(121)로 입사되는 것을 방지한다.
광학 윈도우(170)는 상기 발광 소자(114) 및 수광 소자(121)의 발광면 및 수광면과 일정 간격 이격되어 배치되며, 외부로부터 상기 발광 소자(114) 및 수광 소자(121)를 보호한다.
또한, 광학 윈도우(170)는 상기 발광 소자(114)를 통해 발생한 광이 외부로 공급되도록 광 경로를 형성하며, 또한, 상기 외부에서 입사되는 광이 상기 수광 소자(121)로 공급되도록 한다.
이때, 상기 수광 소자(121)는 외부로부터 입사되는 광을 수신하는데, 상기 광은 크게 3개의 광으로 구성된다.
다시 말해서, 상기 수광부(120)를 통해 수신된 광은 제 1 광(DC1), 제 2 광(DC2) 및 제 3 광(DC3) 중 적어도 1개 이상의 광을 포함한다.
상기 제 1 광(DC1)은 상기 발광부(110)의 동작과는 무관하게, 외부의 주변광에 따라 상기 수광부(120)로 입사되는 광을 의미한다.
그리고, 상기 제 2 광(DC2)은 상기 발광부(110)를 통해 발생한 광이 피검체의 표면에 의해 반사되고, 상기 표면에서 반사된 광에 따라 상기 수광부(120)로 입사되는 광을 의미한다.
그리고, 상기 제 3 광(DC3)은 상기 발광부(110)를 통해 발생한 광이 피검체(인체)의 피부 조직에 의해 반사되고, 상기 피부 조직에서 반사된 광에 따라 상기 수광부(120)로 입사되는 광을 의미한다.
이때, 상기 제 1 내지 3 광에 대한 상기 수광부(120)로의 입사 여부는, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체 사이의 이격 거리에 의해 결정된다.
상기 이격 거리는, 상기 인체 착용 장치(100)의 표면, 다시 말해서 상기 광학 윈도우(170)와 피검체의 표면 사이의 거리를 의미하며, 상기 인체 착용 장치(100)의 착용 상태에 의해 결정된다.
상기 인체 착용 장치(100)의 착용 상태는 제 1 상태, 제 2 상태 및 제 3 상태를 포함한다.
상기 제 1 상태는, 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체와 완전히 밀착된 상태를 의미한다.
상기 제 2 상태는, 상기 인체 착용 장치(100)와 상기 피검체 사이가 제 1 거리만큼 이격된 상태를 의미한다.
상기 제 3 상태는, 상기 인체 착용 장치(100)가 상기 피검체로부터 완전히 히격된 상태, 다시 말해서 상기 인체 착용 장치(100)가 상기 피검체에 미착용된 상태를 의미한다.
즉, 상기 제 3 상태는 상기 인체 착용 장치(100)와 상기 피검체 사이가 상기 제 1 거리보다 큰 제 2 거리만큼 이격된 상태를 의미한다.
다시 말해서, 일반적으로 상기 인체 착용 장치(100)의 사용자는 상기 인체 착용 장치(100)를 손목에 착용하는 경우, 사용상의 불편함을 최소화하기 위하여 상기 인체 착용 장치(100)를 손목에서 일정 간격 이격시켜 착용하게 된다.
따라서, 실시 예에서는, 상기 이격 거리가 제 1 거리 내에 속하는 경우, 상기 인체 착용 장치(100)가 상기 피검체에 착용된 상태로 판단한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 착용 여부를 검출하는 조건을 나타내는 그래프이다.
도 5를 참조하면, 수광부(120)는 외부로부터 광을 수신하는데, 상기 광은 상기 설명한 바와 같이, 제 1 광(DC1), 제 2 광(DC2) 및 제 3 광(DC3)를 포함한다.
상기 제 1 광(DC1)은 상기 설명한 바와 같이, 주변 광에 의해, 상기 수광부(120)로 입사되는 광을 의미한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 광(DC1)의 세기는, 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체에 완전히 밀착한 상태(다시 말해서, 이격 거리가 0)에서 최소 값(0)을 가진다. 또한, 상기 제 1 광(DC1)은 상기 이격 거리가 증가할 수록 세기도 함께 증가하는 특성을 갖는다.
또한, 상기 제 2 광(DC2)은 상기 설명한 바와 같이, 피검체의 표면에 의해 반사되어, 상기 수광부(120)로 입사되는 광을 의미한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 광(DC2)의 세기는 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 특정 간격만큼 이격된 상태에서 최대 값을 가지며, 상기 특정 간격에서 이격거리가 감소하거나 증가할 수록 감소하는 특성을 갖는다.
그리고, 상기 제 3 광(DC3)은 상기 설명한 바와 같이, 상기 피검체의 피부 조직에 의해 반사되어, 상기 수광부(120)로 입사되는 광을 의미한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제 3 광(DC3)의 세기는, 상기 인체 착용 장치(100)가 상기 피검체에 완전히 밀착한 상태에서 최대 값을 가지며, 상기 이격 거리가 증가할 수록 감소하는 특성을 갖는다. 그리고, 상기 제 3 광(DC3)의 세기는 상기 이격 거리가 특정 거리를 넘어서는 순간부터는 0의 값을 갖는다.
이에 따라, 상기 인체 착용 장치(100)가 착용된 상태(완전 밀착 또는 기설정된 거리만큼 이격)에는, 상기 발광부(110)의 온 동작 및 오프 동작에 따라 상기 수광부(120)에서 검출되는 광의 세기에 차이가 발생하나, 미착용 시에는 내부 광 누설이나, 피검체 외의 외부 반사가 없다는 가정하에 광의 세기에 차이가 발생하지 않는다.
도 6 내지 8은 본 발명의 실시 예에 따른 발광부(110) 및 수광부(120)의 조건별 상태를 보여주는 도면이다.
제어부(130)는 착용 여부 검출 모드로 진입하면, 상기 발광부(110)가 온 동작 및 오프 동작을 순차적으로 수행하기 위한 펄스 신호를 출력한다.
상기 펄스 신호에 따라 상기 발광부(110)는 온 동작 및 오프 동작을 순차적으로 수행한다.
그리고, 제어부(130)는 상기 순차적으로 온 동작 및 오프 동작을 수행하는 발광부(110)의 동작에 따라 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기를 검출한다.
도 6은, 인체 착용 장치(100)가 피검체와 완전히 밀착된 상태에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다. 여기에서, 상기 피검체는 실질적으로 인체를 의미한다.
즉, 도 6은 인체 착용 장치(100)가 인체에 완전히 밀착된 상태로 착용된 경우에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
그리고, 도 6의 (a)는 주변 광이 존재하는 조건, 다시 말해서 낮이나 밝은 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다. 그리고, 도 6의 (b)는 주변 광이 존재하지 않는 조건, 다시 말해서, 밤이나 어두운 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다.
한편, 아래에서, 발광 전압은 상기 발광부(110)의 발광 동작에 따라 발생하는 광의 세기를 의미하고, 수광 전압은 상기 수광부(120)로 입사된 광의 세기를 의미한다.
도 6의 (a)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 완전히 밀착된 상태, 다시 말해서 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체 사이의 이격 거리가 0인 상태에서는, 상기 수광부(120)로 주변 광이나, 상기 피검체의 표면에서 반사되는 광은 입사되지 않는다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 피검체의 피부 조직에서 반사되는 제 3 광(DC3)만이 입사되고, 상기 입사된 제 3 광(DC3)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 제 3 광(DC3)도 입사되지 않음에 따라 0의 값을 가진다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하는 낮이나 밝은 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체에 완전히 밀착한 상태에서, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간에서 특정 수광 전압을 가지는 제 3 광을 수신하게 되고, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 제 1 내지 제 3 광을 모두 수신하지 않게 된다.
따라서, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에는 상기 제 3 광의 세기만큼 차이가 발생한다.
도 6의 (b)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 완전히 밀착된 상태, 다시 말해서 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체 사이의 이격 거리가 0인 상태에서는, 상기 수광부(120)로 주변 광이나, 상기 피검체의 표면에서 반사되는 광은 입사되지 않는다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 피검체의 피부 조직에서 반사되는 제 3 광(DC3)만이 입사되고, 상기 입사된 제 3 광(DC3)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 제 3 광(DC3)도 입사되지 않음에 따라 0의 값을 가진다.
따라서, 상기 어두운 장소에서도, 상기 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에는 상기 제 3 광의 세기만큼 차이가 발생한다.
도 7은 인체 착용 장치(100)가 인체에서 약간 이격된 상태(제 1 거리만큼 이격된 상태)에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
즉, 도 7은 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용은 되었지만, 상기 인체에 완전히 밀착되어 있지 않고, 제 1 거리만큼 이격되어 착용한 상황에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
그리고, 도 7의 (a)는 주변 광이 존재하는 조건, 다시 말해서 낮이나 밝은 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다. 그리고, 도 7의 (b)는 주변 광이 존재하지 않는 조건, 다시 말해서, 밤이나 어두운 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다.
도 7의 (a)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 1 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 수광부(120)로 주변 광, 상기 피검체의 표면에서 반사되는 광 및 상기 피부 조직에서 반사된 광이 모두 입사된다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 주변 광에 따른 제 1 광(DC1), 상기 피부 표면에서 반사된 광에 따른 제 2 광(DC2) 및 상기 피검체의 피부 조직에서 반사되는 제 3 광(DC3)이 모두 입사되고, 그에 따라 상기 입사된 제 1 광(DC1), 제 2 광(DC2) 및 제 3 광(DC3)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 제 2 광(DC) 및 제 3 광(DC3)이 입사되지 않는다.
따라서, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서, 상기 수광부(120)는 상기 주변광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사되고, 상기 제 1 광(DC1)에 따른 수광 전압이 검출된다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하는 낮이나 밝은 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체로부터 제 1 거리만큼 이격된 상태에, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간에서 제 1 내지 제 3 광을 모두 수신하게 되고, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 제 1 광만을 수신하게 된다.
따라서, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에는 상기 제 2 광 및 제 3 광의 세기의 합만큼 차이가 발생한다.
도 7의 (b)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 1 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 수광부(120)로 상기 피검체의 표면에서 반사되는 광 및 상기 피부 조직에서 반사된 광이 모두 입사된다. 즉, 상기 조건은 주변 광이 존재하지 않는 조건이므로, 상기 수광부(120)로 주변광에 대응하는 제 1 광은 입사되지 않으며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 제 2 광 및 제 3 광만이 입사된다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 피부 표면에서 반사된 광에 따른 제 2 광(DC2) 및 상기 피검체의 피부 조직에서 반사되는 제 3 광(DC3)이 입사되고, 상기 입사된 제 2 광(DC2) 및 제 3 광(DC3)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 제 2 광(DC) 및 제 3 광(DC3)도 입사되지 않는다.
따라서, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서, 상기 수광부(120)는 상기 제 1 광 내지 제 3 광을 모두 수신하지 않게 되며, 이에 따른 0의 값을 가지는 수광 전압이 검출된다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하지 않는 밤이나 어두운 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체로부터 제 1 거리만큼 이격된 상태에, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간에서 제 2 및 제 3 광을 수신하게 되고, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서는 제 1 내지 제 3 광을 모두 수신하지 않게 된다.
따라서, 주변이 어두운 상황에서도, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에는 상기 제 2 광 및 제 3 광의 세기의 합만큼 차이가 발생한다.
도 8은 인체 착용 장치(100)가 인체에서 완전 이격된 상태(상기 제 1 거리보다 큰 제 2 거리만큼 이격된 상태)에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
즉, 도 8은 인체 착용 장치(100)가 인체에 미착용된 상황에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
그리고, 도 8의 (a)는 주변 광이 존재하는 조건, 다시 말해서 낮이나 밝은 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다. 그리고, 도 8의 (b)는 주변 광이 존재하지 않는 조건, 다시 말해서, 밤이나 어두운 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다.
도 8의 (a)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 발광부(110)를 통해 발생한 광이 상기 인체의 피부 표면이나 피부 조직에 의해 반사가 이루어지지 않게 된다.
이에 따라, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는 상기 수광부(120)로 주변 광만이 입사된다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 주변 광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사되고, 그에 따라 상기 입사된 제 1 광(DC1)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 주변광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사된다.
따라서, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서, 상기 수광부(120)는 상기 주변광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사되고, 상기 제 1 광(DC1)에 따른 수광 전압이 검출된다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하는 낮이나 밝은 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체로부터 제 2 거리만큼 이격된 상태에, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 모두 상기 제 1 광만을 수신하게 된다.
따라서, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기는 동일한 값을 가진다.
또한, 도 8의 (b)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 발광부(110)를 통해 발생한 광이 상기 인체의 피부 표면이나 피부 조직에 의해 반사가 이루어지지 않게 된다. 또한, 상기 도 8의 (b)는 주변 광도 존재하지 않는 조건이며, 이에 따라, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는 상기 수광부(120)로 그 어떠한 광도 입사되지 않는다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서, 상기 수광부(120)에는 광이 입사되지 않으며, 이에 따른 0의 값을 가지는 수광 전압이 검출된다.
따라서, 상기 조건에서 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기는 0이라는 동일한 값을 가진다.
상기 도 6 및 도 7에서와 같이, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용된 상태에서는, 발광부(110)의 온 구간에서 수광부(120)의 수광 전압과, 발광부(110)의 오프 구간에서 수광부(120)의 수광 전압은 서로 동일하지 않고, 일정 크기의 차이 값을 가진다.
또한, 도 8에서와 같이, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 미착용된 상태에서는, 상기 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)로 입사되는 광에 대한 수광 전압과, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)로 입사되는 광에 대한 수광 전압은 서로 동일한 값을 가진다.
이에 따라, 제어부(130)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 입사되는 각각의 광의 세기에 따른 차이 값을 토대로 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용된 상태인지 아닌지를 판단한다.
즉, 제어부(130)는 아래의 식에 따라 상기 인체 착용 장치(100)의 착용 상태를 판단한다.
[식 1]
Von - Voff = 0 , 미착용 상태
Von - Voff > 0, 착용 상태
여기에서, 상기 Von은 발광부(110)의 온 구간에서 수광부(120)로 입사되는 광의 세기를 나타낸 것이고, Voff는 발광부(110)의 오프 구간에서 수광부(120)로 입사되는 광의 세기를 의미한다.
한편, 상기 식 1은 이상적인 조건(ieal)에서의 식이다.
그러나, 실질적으로 상기 인체 착용 장치(100)가 미착용된 상태에서 기구 조건에 따라 상기 발광 소자에서 수광 소자로의 직접적인 광 누설이 발생할 수 있고, 외부 환경에 의한 광 반사가 존재할 수도 있다.
따라서, 상기 인체 착용 장치(100)가 미착용된 상태에서도, 상기 Von과 Voff의 차이 값은 0이 아닌 특정 값을 가질 수 있다.
이에 따라, 실시 예에서는 상기 인체 착용 장치(100)가 미착용된 상태에서, 상기 Von과 Voff의 차이 값을 측정(즉, 발광 소자에서 수광 소자로의 전달되는 직접적인 광 누설량 및 외부 환경에 의한 광 반사량)하고, 이를 토대로 상기 인체 착용 장치(100)의 정확한 착용 상태를 검출하기 위한 아래와 같은 식 2를 결정한다.
[식 2]
Von - Voff ≤ Vth , 미착용 상태
Von - Voff > Vth, 착용 상태
여기에서, 상기 Von은 발광부(110)의 온 구간에서 수광부(120)로 입사되는 광의 세기를 나타낸 것이고, Voff는 발광부(110)의 오프 구간에서 수광부(120)로 입사되는 광의 세기를 의미하며, 상기 Vth는 상기 인체 착용 장치(100)의 착용 상태를 판단하기 위한 임계 전압이다.
이에 따라, 상기 제어부(130)는 상기 식 1을 통해 상기 인체 착용 장치(100)의 착용 상태를 검출할 수 있지만, 보다 정확하게 상기 착용 상태를 검출하기 위하여, 상기 광 누설량 및 광 반사량을 토대로 임계 전압을 결정하고, 그에 따라 상기 발광부(110)의 온 구간에서 수광부(120)로 입사되는 광의 세기와 발광부(110)의 오프 구간에서 수광부(120)로 입사되는 광의 세기가 상기 임계 값보다 큰 경우에 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용된 경우로 판단한다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치(100)의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 제어부(130)는 인체 착용 장치(100)의 모드가 착용 검출 모드인지, 아니면 인체 검출 모드인지 여부를 판단한다(100단계).
그리고, 상기 판단결과(100단계), 상기 인체 착용 장치(100)의 모드가 착용 검출 모드이면, 제어부(130)는 발광부(110)의 동작을 제어하기 위한 발광 제어 신호를 출력하고, 발광부(110)는 상기 발광 제어 신호에 따라 발광 동작(온 동작 및 오프 동작을 순차적으로 수행)을 수행한다(110단계).
제어부(130)는 상기 발광부(110)의 발광 동작에 따라 상기 수광부(120)로 입사되는 광에 대한 세기(수광 전압)을 모니터링한다(120단계).
이어서, 제어부(130)는 상기 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)로 입사되는 광의 세기에 대한 제 1 수광 전압(Von)과, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)로 입사되는 광의 세기에 대한 제 2 수광 전압(Voff)을 확인한다.
그리고, 상기 제어부(130)는 상기 제 1 수광 전압과 제 2 수광 전압의 차이 값을 검출하고, 상기 차이 값이 기설정된 임계 값보다 큰지 여부를 판단한다(140단계).
이어서, 제어부(130)는 상기 차이 값이 기설정된 임계 값보다 크면, 상기 인체 착용 장치(100)를 착용 상태로 검출하고, 그에 따라 인체 신호 검출 모드로 진입하도록 할 수 있다(150단계).
또한, 제어부(130)는 상기 차이 값이 상기 기설정된 임계 값보다 크지 않으면(작거나 같으면), 상기 인체 착용 장치(100)를 미착용 상태로 검출한다(160단계).
한편, 상기 판단결과(100단계), 상기 제어부(130)는 상기 인체 착용 장치(100)의 모드가 착용 검출 모드가 아니면 인체 신호 검출 모드인지 여부를 판단하고(170단계), 상기 인체 착용 장치(100)의 모드가 인체 신호 검출 모드이면 인체 신호 검출 동작을 수행한다(180단계).
한편, 상기와 같은 방법으로 인체 착용 장치(100)가 피검체에 착용된 상태임이 검출될 수 있지만, 상기 피검체가 인체인지 사물인지는 정확하게 검출되지 못할 수 있다.
도 10은 인체 착용 장치(100)가 사물에 접촉한 상태에서, 수광부로 입사되는 광에 대한 수광 전압의 변화를 보여주는 그래프이다.
상기 인체 착용 장치(100)가 사물에 접촉한 경우, 상기 수광부(120)에는 제 1 광(DC1) 및 제 2 광(DC2)에 따른 광이 입사된다. 즉, 상기 사물은 피부 조직이 존재하지 않기 때문에 상기 피부 조직에서 반사되는 광을 나타내는 제 3 광(DC3)은 수광부(120)로 입사되지 않는다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 광(DC1)의 세기는, 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체에 완전히 밀착한 상태(다시 말해서, 이격 거리가 0)에서 최소 값(0)을 가진다. 또한, 상기 제 1 광(DC1)은 상기 이격 거리가 증가할 수록 세기도 함께 증가하는 특성을 갖는다.
또한, 상기 제 2 광(DC2)은 상기 설명한 바와 같이, 피검체의 표면에 의해 반사되어, 상기 수광부(120)로 입사되는 광을 의미한다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 광(DC2)의 세기는 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 특정 간격만큼 이격된 상태에서 최대 값을 가지며, 상기 특정 간격에서 이격거리가 감소하거나 증가할 수록 감소하는 특성을 갖는다.
도 11 내지 도 13은 인체 착용 장치(100)가 인체가 아닌 사물에 접촉한 상황에서, 발광부(110) 및 수광부(120)의 조건별 상태를 보여주는 도면이다.
즉, 도 11은 인체 착용 장치(100)가 사물에 완전히 밀착된 상태로 착용된 경우에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
그리고, 도 11의 (a)는 주변 광이 존재하는 조건, 다시 말해서 낮이나 밝은 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다. 그리고, 도 6의 (b)는 주변 광이 존재하지 않는 조건, 다시 말해서, 밤이나 어두운 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 사물에 완전히 밀착된 상태, 다시 말해서 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체 사이의 이격 거리가 0인 상태에서는, 상기 수광부(120)로 주변 광이나, 상기 피검체의 표면에서 반사되는 광은 입사되지 않는다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 특정 광이 입사되지 않는다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 광이 입사되지 않는다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하는 낮이나 밝은 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체에 완전히 밀착한 상태에서, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 광을 수신하지 않게 된다.
따라서, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기는 서로 동일한 값을 가진다.
도 11의 (b)도 상기 도 6의 (a)와 동일하게, 이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서, 상기 수광부(120)에는 광이 입사되지 않는다.
따라서, 상기 어두운 장소에서도, 상기 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에는 서로 동일한 값을 가진다.
한편, 이러한 조건은 상기 도 8의 (a) 및 (b)에서의 조건과 동일하며, 온 구간에서의 수광 전압과 오프 구간에서의 수광 전압이 서로 동일한 값을 가지며, 이에 따라 상기와 같이 인체 착용 장치(100)가 사물에 완전히 밀착한 상태에서는 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 미착용된 상태로 정확한 검출이 가능하다.
도 12는 인체 착용 장치(100)가 사물에서 약간 이격된 상태(제 1 거리만큼 이격된 상태)에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
즉, 도 12는 인체 착용 장치(100)가 사물에서 제 1 거리만큼 이격된 위치에 놓이게 되는 경우의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
그리고, 도 12의 (a)는 주변 광이 존재하는 조건, 다시 말해서 낮이나 밝은 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다. 그리고, 도 12의 (b)는 주변 광이 존재하지 않는 조건, 다시 말해서, 밤이나 어두운 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다.
도 12의 (a)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 1 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 수광부(120)로 주변 광 및 상기 피검체의 표면에서 반사되는 광이 모두 입사된다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 주변 광에 따른 제 1 광(DC1) 및 상기 피부 표면에서 반사된 광에 따른 제 2 광(DC2)이 모두 입사되고, 그에 따라 상기 입사된 제 1 광(DC1) 및 제 2 광(DC2)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 제 2 광(DC)이 입사되지 않는다.
따라서, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서, 상기 수광부(120)는 상기 주변광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사되고, 상기 제 1 광(DC1)에 따른 수광 전압이 검출된다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하는 낮이나 밝은 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체(사물)로부터 제 1 거리만큼 이격된 상태에, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간에서 제 1 내지 제 2 광을 수신하게 되고, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 제 1 광만을 수신하게 된다.
따라서, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에는 상기 제 2 광의 세기만큼 차이가 발생한다.
도 12의 (b)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체(사물)가 제 1 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 수광부(120)로 상기 피검체의 표면에서 반사되는 광만이 입사된다. 즉, 상기 조건은 주변 광이 존재하지 않는 조건이므로, 상기 수광부(120)로 주변광에 대응하는 제 1 광은 입사되지 않으며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 제 2 광만이 입사된다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 피검체의 표면에서 반사된 광에 따른 제 2 광(DC2)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 제 2 광(DC)도 입사되지 않는다.
따라서, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서, 상기 수광부(120)는 상기 제 1 광 및 제 2 광을 모두 수신하지 않게 되며, 이에 따른 0의 값을 가지는 수광 전압이 검출된다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하지 않는 밤이나 어두운 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체로부터 제 1 거리만큼 이격된 상태에, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간에서 제 2 광을 수신하게 되고, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서는 제 1 및 제 2 광을 모두 수신하지 않게 된다.
따라서, 주변이 어두운 상황에서도, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기에는 상기 제 2 광의 세기만큼 차이가 발생한다.
이로 인해, 상기 인체 착용 장치(100)가 사물에 제 1 거리만큼 이격된 상태에서는 상기 온 구간에서의 수광 전압과 오프 구간에서의 수광 전압에는 제 2 광의 세기만큼 차이가 발생하며, 이에 따라 상기 식 1이나 식 2를 가지고는 상기 인체 착용 장치(100)가 사물이 아닌 인체에 착용된 상태인지를 정확하게 검출하지 못하게 된다.
도 13은 인체 착용 장치(100)가 사물에서 완전 이격된 상태(상기 제 1 거리보다 큰 제 2 거리만큼 이격된 상태)에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
즉, 도 13은 인체 착용 장치(100)가 사물과 접촉하지 않은 상황에서의 발광부(110)와 수광부(120)의 상태를 보여준다.
그리고, 도 13의 (a)는 주변 광이 존재하는 조건, 다시 말해서 낮이나 밝은 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다. 그리고, 도 13의 (b)는 주변 광이 존재하지 않는 조건, 다시 말해서, 밤이나 어두운 장소에서의 발광부(110) 및 수광부(120)의 상태를 보여준다.
도 13의 (a)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 발광부(110)를 통해 발생한 광이 상기 사물의 표면에 의해 반사가 이루어지지 않게 된다.
이에 따라, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는 상기 수광부(120)로 주변 광만이 입사된다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간에서, 상기 수광부(120)에는 상기 주변 광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사되고, 그에 따라 상기 입사된 제 1 광(DC1)에 따른 수광 전압이 검출된다.
또한, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 발광부(110)는 발광 동작을 수행하지 않게 되며, 이에 따라 상기 수광부(120)에는 상기 주변광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사된다.
따라서, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서, 상기 수광부(120)는 상기 주변광에 따른 제 1 광(DC1)만이 입사되고, 상기 제 1 광(DC1)에 따른 수광 전압이 검출된다.
다시 말해서, 주변 광이 존재하는 낮이나 밝은 장소에서 상기 인체 착용 장치(100)가 피검체로부터 제 2 거리만큼 이격된 상태에, 상기 수광부(120)는 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 모두 상기 제 1 광만을 수신하게 된다.
따라서, 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기는 동일한 값을 가진다.
또한, 도 13의 (b)를 참조하면, 발광부(110)는 제어부(130)의 펄스 신호에 따라 온 구간에서는 특정 발광 전압을 가지는 광을 발생하고, 오프 구간에서는 상기 광을 발생시키지 않는다.
이때, 상기 수광부(120)는 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서 각각 광을 수신하게 된다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 발광부(110)를 통해 발생한 광이 상기 사물의 표면에 의해 반사가 이루어지지 않게 된다. 또한, 상기 도 13의 (b)는 주변 광도 존재하지 않는 조건이며, 이에 따라, 상기 인체 착용 장치(100)와 피검체가 제 2 거리만큼 이격된 상태에서는 상기 수광부(120)로 그 어떠한 광도 입사되지 않는다.
이에 따라, 상기 발광부(110)의 온 구간 및 오프 구간에서, 상기 수광부(120)에는 광이 입사되지 않으며, 이에 따른 0의 값을 가지는 수광 전압이 검출된다.
따라서, 상기 조건에서 발광부(110)의 온 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기와, 상기 발광부(110)의 오프 구간에서 상기 수광부(120)를 통해 수신되는 광의 세기는 0이라는 동일한 값을 가진다.
상기와 같이, 인체 착용 장치(100)가 사물과 제 1 거리만큼 이격된 상태에서는, 상기 온 구간에서의 제 1 수광 전압과, 오프 구간에서의 제 2 수광 전압에 차이가 발생하게 되며, 이에 따라 상기 제 1 수광 전압과 제 2 수광 전압의 차이만을 가지고서 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용되었는지를 정확하게 검출하지 못하게 된다.
따라서, 실시 예에서는, 상기 인체 착용 장치(100)의 상태가 착용 상태인 것으로 검출되면, 상기 인체 착용 장치(100)가 착용된 대상이 인체인지 아니면 사물인지를 검출하기 위한 추가 판단 과정을 수행한다.
이를 위해, 제어부(130)는 상기 발광부(110)와 수광부(120)의 동작에 따른 신호를 검출하고, 상기 검출된 신호를 분석하여 상기 대상이 인체인지 사물인지를 판단한다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 의해 검출되는 신호를 보여주는 도면이다.
도 14에 도시된 바와 같이 제어부(130)는 상기 수광부(120)를 통해 수광된 수광 전압 중 온 구간에서의 수광 전압만을 연결한 광전용적맥파(PPG:Photoplethysmography) 원시 신호 파형을 검출한다.
그리고, 제어부(130)는 상기 PPG 원시 신호 파형을 2차 미분한 2차 미분 파형을 검출한다.
이어서, 제어부(130)는 상기 2차 미분 파형에 포함된 피크 신호만을 추출하여 피크 파형을 검출하고, 상기 검출한 피크 파형 내에서 피크 신호들간의 펄스 간격(HR: HEART RATE)을 검출한다.
이때, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체가 착용된 상태라면, 상기 펄스 간격은 30~240bpm(beat per minute) 범위 내에 존재하게 되며, 이에 따라 상기 제어부(130)는 상기 펄스 간격이 30~240bpm 범위 내에 존재하는지 여부를 판단한다.
그리고, 상기 제어부(130)는 상기 펄스 간격이 30~240bpm 범위 내에 존재하면, 상기 인체 착용 장치(100)가 인체에 착용되었음을 감지하고, 상기 펄스 간격이 30~240bpm 범위를 벗어난 경우에는 상기 인체 착용 장치(100)가 사물에 접촉되어 있는 것으로 판단한다.
상기와 같이 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 낮이나 조명에 의한 밝은 장소 및 밤이나 어두운 장소에 상관 없이 인체 착용 장치가 인체에 착용되었는지 여부를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 인체 착용 장치가 인체가 아닌 사물에 접촉되어 있을 때를 정확하게 구분하여, 상기 인체 착용 장치가 사물에 접촉되었을때 발생할 수 있는 다양한 오작동을 방지할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 인체 착용 장치(100)의 착용 대상물을 검출하는 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 15를 참조하면, 제어부(130)는 상기 수광부(120)의 수광 전압 중 발광부(110)의 온 구간에 대응하는 수광 전압만을 연결하여 PPG 원시 신호 파형을 검출한다(200단계).
이후, 제어부(130)는 상기 검출한 PPG 원시 신호 파형을 2차 미분하여 2차 미분 신호를 검출한다(210단계).
또한, 제어부(130)는 상기 검출한 2차 미분 신호로부터 피크 신호만을 검출한다(220단계).
그리고, 제어부(130)는 상기 검출한 피크 신호를 토대로 피크 신호들 사이의 간격(HR)이 30~240bpm 범위 내에 속하는지 여부를 판단한다(230단계).
이후, 제어부(130)는 상기 피크 신호들 사이의 펄스 간격이 30~240bpm 범위 내에 속하면, 상기 인체 착용 장치(100)가 현재 인체에 착용된 것으로 판단하고(240단계), 상기 펄스 간격이 30~240bpm 범위를 벗어나면 상기 인체 착용 장치(100)가 현재 사물에 착용(또는 접촉)된 것으로 판단한다(250단계).
상기와 같이 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 낮이나 조명에 의한 밝은 장소 및 밤이나 어두운 장소에 상관 없이 인체 착용 장치가 인체에 착용되었는지 여부를 정확하게 검출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 인체 착용 장치가 인체가 아닌 사물에 접촉되어 있을 때를 정확하게 구분하여, 상기 인체 착용 장치가 사물에 접촉되었을때 발생할 수 있는 다양한 오작동을 방지할 수 있다.
도 16은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치(200)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 16을 참조하면, 인체 착용 장치(200)는 발광부(210), 수광부(220) 및 제어부(230)를 포함한다.
발광부(210)는 제 1 발광부 및 제 2 발광부를 포함한다.
제 1 발광부는, 제어부(230)를 통해 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 제 1 디지털-아날로그 변환기(211), 상기 제 1 디지털-아날로그 변환기(211)를 통해 변환된 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(212), 상기 제 1 증폭기(212)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(213) 및 상기 2차 증폭된 신호를 토대로 광을 발생하는 제 1 발광 소자(214)를 포함한다.
여기에서, 상기 제 1 디지털-아날로그 변환기(211)는 발광 소자(214)의 전류를 설정해주기 위하여, 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.
그리고, 제 1 및 2 증폭기(212, 213)은 상기 발광 소자(214)의 구동에 필요한 교류 전류를 상기 발광 소자(214)로 공급하기 위한 신호 증폭부이다.
그리고, 상기 제 1 발광 소자(214)는 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)로 구현 가능하다.
제 2 발광부는, 상기 제 1 발광부와 동일한 구성을 포함하며, 바람직하게 제 2 디지털-아날로그 변환기(215), 상기 제 2 디지털-아날로그 변환기(215)를 통해 변환된 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(216), 상기 제 1 증폭기(216)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(217) 및 상기 2차 증폭된 신호를 토대로 광을 발생하는 제 2 발광 소자(218)를 포함한다.
즉, 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치(200)는 상기 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치(100)와 비교해볼 때, 상기 발광부가 복수 개로 구성된 부분이 상이하다.
다시 말해서, 상기 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치(100)는 특정 파장대의 광을 발생시키는 1개의 발광부만을 포함한다.
그리고, 상기 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치(200)는 제 1 파장의 광을 발생하는 제 1 발광부와, 상기 파장과 다른 제 2 파장의 광을 발생하는 제 2 발광부를 포함한다.
즉, 제 1 발광부를 구성하는 제 1 발광 소자(214)는 660nm 파장의 광을 발생하는 레드 발광 다이오드일 수 있고, 제 2 발광부를 구성하는 제 2 발광 소자(218)는 940nm 파장의 광을 발생하는 적외선 발광 다이오드일 수 있다.
다시 말해서, 적외선 파장과 레드 파장에 따른 광은 혈중 헤모글로빈의 산소 포함 여부에 따라 서로 다른 흡광 특성을 가지게 된다.
따라서, 제어부(230)는 상기 제 1 발광부의 동작에 따른 수광부(220)의 수광 전압 및 제 2 발광부의 동작에 따른 수광부(220)의 수광 전압을 토대로 혈중 산소 포화도를 측정한다.
이때, 제 1 발광부와 제 2 발광부의 발광 동작은 상기 제어부(230)를 통해 출력되는 펄스 신호에 의해 이루어진다.
상기 펄스 신호는, 제 2 발광부를 온시키는 제 1 구간과, 제 1 발광부 및 제 2 발광부를 모두 오프시키는 제 2 구간과, 제 1 발광부를 온 시키는 제 3 구간과, 제 1 발광부 및 제 2 발광부를 모두 오프시키는 제 4 구간의 반복으로 이루어진다.
따라서, 제어부(230)는 상기 제 1 발광부의 동작에 따른 수광 전압 및 제 2 발광부의 동작에 따른 수광 전압 중 적어도 어느 하나의 수광 전압을 이용하여, 상기 제 1 실시 예에서 설명한 바와 같은 착용 상태 검출 동작을 수행할 수 있다.
또한, 수광부(220)는 상기 발광부(210)의 발광 동작에 따라 피검체에서 반사된 광을 포함한 입사 광을 수신한다.
수광부(220)는 상기 입사되는 광을 수신하는 수광 소자(221)와, 상기 수광 소자(221)를 통해 입사된 광 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(222), 상기 제 1 증폭기(222)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(223), 상기 제 2 증폭기(223)를 통해 2차 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(224)를 포함한다.
수광 소자(221)는 외부로부터 입사되는 광을 수신한다. 이때, 수광 소자(221)는 포토 다이오드(PD)나 트랜지스터(TR)로 구현 가능하다.
또한, 상기 제 1 증폭기(222)는 상기 수광 소자(221)에서 검출되는 미약한 광 전류를 전압으로 변환시켜 증폭하며, 이는 TIA(Transimpedance Amplifier)일 수 있다.
또한, 제 2 증폭기(223)는 상기 제 1 증폭기(222)를 통해 증폭된 전압을 상기 아날로그-디지털 변환기(224)에서 처리 가능하도록 충분한 크기의 전압으로 증폭시킨다.
또한, 아날로그-디지털 변환기(224)는 지정된 샘플링 레이트(SAMPLING RATE)에 따라 아날로그 전압을 이에 상응하는 디지털 전압으로 변환해준다.
제어부(230)는 발광부(210) 및 수광부(220)의 동작을 제어한다.
이에 대해서는, 상기 제 1 실시 예와 중복되는 부분은 상세한 설명을 생략하기로 한다.
일단, 제어부(230)는 착용 상태 검출 모드로 진입하는 경우, 상기 제 1 발광부 및 제 2 발광부 중 어느 하나의 발광부를 동작시키며, 이에 따라 상기 제 1 실시 예에서 설명한 바와 같은 착용 상태를 검출한다.
그리고, 착용 상태로 검출된 경우, 상기 제어부(230)는 상기 착용 대상이 인체인지 사물인지를 판단하는 동작을 수행하며, 상기 동작도 상기 제 1 실시 예에서 설명한 바와 동일하다.
이때, 상기 착용 대상을 판단하기 위해 사용되는 발광부는, 상기 심박수를 측정하기 위한 제 1 발광부임이 바람직하다.
그리고, 제어부(230)는 상기 인체 착용 장치(200)가 인체에 착용된 것으로 판단되면, 제 1 발광부 및 제 2 발광부의 동작을 제어하여, 주기적으로 심박수 및 혈중 산소 포화도가 검출되도록 한다.
또한, 제어부(230)는 상기 검출된 심박수 및 혈중 산소 포화도를 포함하는 인체 상태 정보가 디스플레이부(240)에 디스플레이되도록 한다.
도 17은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 17을 참조하면, 제어부(230)는 복수의 발광부의 순차적 발광을 위한 펄스 신호를 출력한다(300단계).
이후, 제어부(230)는 상기 펄스 신호에 의해 순차적으로 발광하는 복수의 발광부 중 적어도 어느 하나의 발광부에 의해 발생한 광에 따른 수광부의 수광 전압을 확인한다(310단계).
이어서, 제어부(230)는 상기 확인한 수광 전압을 발광부의 발광 온 구간에서의 제 1 수광 전압과, 발광부의 발광 오프 구간에서의 제 2 수광 전압을 각각 확인한다(320단계).
그리고, 제어부(230)는 상기 제 1 수광 전압과 제 2 수광 전압의 차이 값을 확인하고, 상기 확인한 차이 값이 기설정된 임계 값(Vth)보다 큰지 여부를 판단한다(330단계).
이어서, 제어부(230)는 상기 차이 값이 기설정된 임계 값보다 크면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 착용 상태로 판단하고, 그에 따라 인체 신호 검출 모드로 진입한다(340단계).
또한, 제어부(230)는 상기 차이 값이 기설정된 임계 값보다 크지 않으면, 상기 인체 착용 장치의 상태를 미착용 상태로 판단한다(350단계).
도 18은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 인체 착용 장치(300)의 구성을 보여주는 도면이다.
도 18을 참조하면, 인체 착용 장치(300)는 발광부(310), 수광부(320) 및 제어부(330)를 포함한다.
여기에서, 상기 인체 착용 장치(300)는 발광부 및 수광부가 복수 개로 구성된 것을 제외하면, 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치(100)와 동일하다.
즉, 제 1 실시 예에서의 인체 착용 장치(100)는 하나의 발광부 및 수광부를 이용하여 인체 신호 검출 모드에서 인체 신호를 검출하고, 또한 착용 상태 검출 모드에서 착용 상태를 검출하였다.
그러나, 제 3 실시 예에서는, 인체 신호를 검출하는 발광부 및 수광부와, 착용 상태를 검출하는 발광부와 수광부를 각각 별개로 구성시킨다.
이에 따라, 제 3 실시 예에 따른 인체 착용 장치(300)는 주기적으로 인체 신호를 검출하면서, 착용 상태도 검출할 수 있도록 한다.
제 1 발광부는, 제어부(330)를 통해 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 제 1 디지털-아날로그 변환기(311), 상기 제 1 디지털-아날로그 변환기(311)를 통해 변환된 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(312), 상기 제 1 증폭기(312)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(313) 및 상기 2차 증폭된 신호를 토대로 광을 발생하는 제 1 발광 소자(314)를 포함한다.
여기에서, 상기 제 1 디지털-아날로그 변환기(311)는 제 1 발광 소자(314)의 전류를 설정해주기 위하여, 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.
그리고, 제 1 및 2 증폭기(312, 313)은 상기 발광 소자(314)의 구동에 필요한 교류 전류를 상기 제 1 발광 소자(314)로 공급하기 위한 신호 증폭부이다.
그리고, 상기 제 1 발광 소자(314)는 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)로 구현 가능하다.
제 2 발광부는, 상기 제 1 발광부와 동일한 구성을 포함하며, 바람직하게 제 2 디지털-아날로그 변환기(315), 상기 제 2 디지털-아날로그 변환기(315)를 통해 변환된 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(316), 상기 제 1 증폭기(316)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(317) 및 상기 2차 증폭된 신호를 토대로 광을 발생하는 제 2 발광 소자(318)를 포함한다.
또한, 상기 제 1 발광 소자(214) 및 제 2 발광 소자(218)는 서로 동일한 파장의 광을 발생시킬 수 있으며, 이와 다르게 서로 다른 파장의 광을 발생시킬 수 있다.
또한, 수광부(320)는 상기 제 1 발광부의 동작에 따라 입사되는 광을 수신하는 제 1 수광부와, 제 2 발광부의 동작에 따라 입사되는 광을 수신하는 제 2 수광부를 포함한다.
제 1 수광부는 상기 입사되는 광을 수신하는 제 1 수광 소자(321)와, 상기 수광 소자(321)를 통해 입사된 광 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(322), 상기 제 1 증폭기(322)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(323), 상기 제 2 증폭기(323)를 통해 2차 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(324)를 포함한다.
제 1 수광 소자(321)는 외부로부터 입사되는 광을 수신한다. 이때, 제 1 수광 소자(321)는 포토 다이오드(PD)나 트랜지스터(TR)로 구현 가능하다.
또한, 상기 제 1 증폭기(322)는 상기 제 1 수광 소자(321)에서 검출되는 미약한 광 전류를 전압으로 변환시켜 증폭하며, 이는 TIA(Transimpedance Amplifier)일 수 있다.
또한, 제 2 증폭기(323)는 상기 제 1 증폭기(322)를 통해 증폭된 전압을 상기 아날로그-디지털 변환기(324)에서 처리 가능하도록 충분한 크기의 전압으로 증폭시킨다.
또한, 아날로그-디지털 변환기(324)는 지정된 샘플링 레이트(SAMPLING RATE)에 따라 아날로그 전압을 이에 상응하는 디지털 전압으로 변환해준다.
또한, 제 2 수광부는 상기 입사되는 광을 수신하는 제 2 수광 소자(325)와, 상기 제 2 수광 소자(325)를 통해 입사된 광 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(326), 상기 제 1 증폭기(326)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(327), 상기 제 2 증폭기(327)를 통해 2차 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(328)를 포함한다.
제어부(330)는 상기 제 1 실시 예에 따른 제어부(130)와 실질적으로 동일한 동작을 수행한다.
다만, 제어부(330)는 복수 개로 구성된 발광부 및 수광부에 대하여, 착용 상태 검출 모드에서, 제 1 발광부 및 제 1 수광부의 동작에 따라 착용 상태를 검출한다.
또한, 제어부(330)는 인체 신호 검출 모드에서, 제 2 발광부 및 제 2 수광부의 동작에 따라 인체 상태(심박수 등)를 검출한다.
제 3 실시 예에 따른 인체 착용 장치는, 수시로 제 1 발광부를 이용하여 인체 상태 검출과는 무관하게 착용 상태를 검출할 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안 될 것이다.
110, 210, 310: 발광부
120, 220, 320: 수광부
130, 230, 330: 제어부
240: 디스플레이부

Claims (21)

  1. 인체 착용 장치에 있어서,
    외부로 광을 발생하는 발광부;
    외부로부터 입사되는 광을 수신하는 수광부; 및
    상기 발광부의 동작을 제어하고, 발광부의 동작에 따라 상기 수광부로 입사되는 광의 세기를 검출하고, 상기 검출한 광의 세기를 토대로 상기 인체 착용 장치가 특정 대상물에 착용되었는지 여부를 판단하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 발광부의 온 구간에서 상기 수광부로 입사되는 광의 세기와, 상기 발광부의 오프 구간에서 상기 수광부로 입사되는 광의 세기의 차이 값을 획득하고,
    상기 차이 값이 기설정된 기준 값보다 크면, 상기 인체 착용 장치가 특정 대상물에 착용된 것으로 판단하고,
    상기 차이 값이 기 설정된 기준 값보다 작거나 같으면, 상기 인체 착용 장치가 미착용된 것으로 판단하며,
    상기 인체 착용 장치의 상태가 착용 상태로 판단되면, 상기 발광부의 온 구간에서 상기 수광부를 통해 수광되는 광의 세기를 이용하여 맥파 원시 신호 파형을 검출하고,
    상기 검출한 맥파 원시 신호 파형을 2차 미분하여, 2차 미분 신호 파형을 생성하며,
    상기 생성한 2차 미분 신호 파형에서 피크 신호를 검출하여 피크 신호 파형을 생성하며,
    상기 생성한 피크 신호 파형에 포함된 피크 신호들의 펄스 간격을 획득하여, 상기 펄스 간격이 30~240bpm 범위 내에 속하면, 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용된 것으로 판단하고,
    상기 펄스 간격이 상기 30~240bpm 범위를 벗어나면, 상기 인체 착용 장치가 사물에 착용된 것으로 판단하는
    인체 착용 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기준 값은,
    상기 발광부에서 상기 수광부로의 직접적인 광 누설량 및 외부 환경에 의한 광 반사량 중 적어도 어느 하나에 의해 결정되는
    인체 착용 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    제 1 파장의 광을 발생하는 제 1 발광부와,
    상기 제 1 파장과 다른 제 2 파장의 광을 발생하는 제 2 발광부를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 발광부 및 제 2 발광부 중 어느 하나의 발광부를 이용하여 상기 착용 여부를 판단하며,
    상기 제 1 발광부 및 제 2 발광부를 모두 이용하여, 심박수 및 혈중 산소 포화도를 검출하는
    인체 착용 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    제 1 광을 발생하는 제 1 발광부와,
    제 2 광을 발생하는 제 2 발광부를 포함하며,
    상기 수광부는,
    상기 제 1 발광부의 동작에 따라 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 제 1 수광부와,
    상기 제 2 발광부의 동작에 따라 외부로부터 입사되는 광을 수신하는 제 2 수광부를 포함하며,
    상기 제 1 발광부 및 제 1 수광부는,
    상기 제어부의 제어신호에 따라 기설정된 주기마다 동작하여 상기 인체 착용 장치의 착용 여부를 판단하기 위한 발광 및 수광 동작을 수행하며,
    상기 제 2 발광부 및 제 2 수광부는,
    상기 제어부의 제어신호에 따라 상기 인체 착용 장치가 착용된 인체에 대한 인체 신호를 검출하기 위한 발광 및 수광 동작을 수행하는
    인체 착용 장치.
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