KR20060092037A

KR20060092037A - 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치

Info

Publication number: KR20060092037A
Application number: KR1020050101945A
Authority: KR
Inventors: 박광석; 정도언; 서진우; 신홍범; 최종민; 최병훈; 한종희
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2005-02-17
Filing date: 2005-10-27
Publication date: 2006-08-22
Also published as: US8376964B2; US20070191742A1; WO2006088280A1; KR100712198B1

Abstract

본 발명은 무구속 무게감지 기반 수면 구조 분석장치로, 침대의 소정 위치에 장착되어 피측정자의 무게를 감지하는 로드 셀; 상기 로드 셀의 출력 중 저대역 신호를 출력하는 저역통과필터; 상기 로드 셀의 출력 중 고대역 신호를 출력하는 고역통과필터; 상기 저역통과필터와 고역통과필터의 출력 중의 어느 하나를 선택하는 멀티플렉서; 상기 멀티플렉서를 통해 입력되는 저역통과필터 또는 고역통과필터의 출력인 저대역 신호와 고대역 신호로부터 피측정자의 수면정보를 검출하여 피측정자의 수면 구조를 판단하는 콘트롤러; 및 상기 콘트롤러의 판단결과를 표시하는 표시부;를 포함한다. 이러한 본 발명은 수면시 침대에서 피측정자의 움직임시 발생하는 무게변화를 측정하여 피측정자의 무게측정, 침대 내 무게중심 변화 등을 판단하고, 수면자의 움직임 변화/세기 측정과 자세변화 및 심박의 특성 등을 판단하여 이로부터 수면자의 수면 구조를 분석할 수 있도록 한 것이다.

무구속, 무게 감지, 수면 구조, 분석, 로드 셀, 침대

Description

무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치{APPARATUS FOR ANALYZING A SLEEP STRUCTURE ACCORDING TO NON-CONSTRAINED WEIGHT DETECTION}

도 1은 본 발명에 따른 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치의 구성도.

도 2는 도 1의 저역통과필터 및 멀티플렉서를 통해 측정된 신호를 나타낸 그래프.

도 3은 도 1의 고역통과필터 및 멀티플렉서를 통해 측정된 신호를 나타낸 그래프.

도 4는 수면 중 침대 내 무게중심의 변화를 나타낸 도.

도 5는 수면시간 동안 침대 내에서의 움직인 거리를 나타낸 표.

도 6은 본 발명에서의 고대역 신호 분석을 통한 시간당 움직임 횟수, 시간당 움직임 지속시간, 시간당 움직임의 세기를 나타낸 도.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에서의 각 수면 단계별 세기 및 지속시간에 대한 특성을 나타낸 도.

도 8은 본 발명에서의 각 수면 단계별 움직임을 나타낸 표.

도 9는 본 발명에서 심전도와 동시에 측정된 로드 셀 출력신호를 나타낸 도.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 심탄도 측정에 이용되는 저역 및 고역통과필 터의 특성 및 이의 필터링 결과를 나타낸 도.

도 11은 심전도와 심탄도의 비교도.

도 12 내지 도 14는 본 발명에서의 자세별 각 로드 셀에서의 주파수 특성을 나타낸 도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 침대 10a-10d : 로드 셀

20a-20d : 차동 증폭기 30a-30d : 저역통과필터

30e-30h : 고역통과필터 40 : 멀티플렉서

50 : 콘트롤러 60 : 표시부

본 발명은 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치에 관한 것으로서, 특히 수면을 취할 수 있는 침대 등의 장비에 무게감지장치를 장착하여 수면자의 움직임이나 뒤척임 등에 따른 무게변화를 측정하여 수면 중의 움직임 및 위치에 대한 정보 분석과 더불어 심박의 특성 및 수면 중의 자세 변화 등을 파악할 수 있도록 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 수면의학에서는 수면자(sleeper)의 수면 단계를 wake/stage 1~4/REM 수면으로 나누고, 수면 중의 단계 분석을 통하여, 수면자의 수면의 질을 평가하게 된다.

현재 수면자의 수면단계 분석을 위한 기술로는 [1]뇌파(Electroencephalogram)의 주파수 분석을 통해 수면단계 분석, [2]심장박동수의 변화(Heart Rate Variability)를 이용한 분석, [3]산소포화도(Oxygen Saturation)를 이용한 분석, [4]가속도계를 이용한 액티그래프(Actigraph)를 이용한 분석 등이 주종을 이루고 있다. 이 중 저비용으로 간단하게 수면단계분석을 하기 위해 사용되는 방법은 주로 [3], [4]의 방법이다.

[1] 뇌파를 이용하는 방법은, 전극을 머리에 부착하고 수면을 취해야 하므로, 수면자가 상당히 불편함을 느끼고, 뇌파 증폭기의 가격이 매우 비싸, 병원에서의 전문적인 검사시에만 이루어진다.

[2] 심장박동수의 변화를 측정하기 위한 방법 역시, 전극을 이용하는 경우 수면자의 불편함이 있다. 또한, 전도성 섬유를 이용한 무구속적인 심전도 측정을 통한 심박변화 검출에 관한 기술이 있으나, 이 경우 수면자의 피부가 전도성 섬유와 밀착되어야 한다.

[3] 산소포화도를 이용하는 방법 역시 손가락/귀 등에 센서를 부착해야 하므로 수면자가 불편함을 느낀다.

[4] 가속도계를 이용한 손목형/허리형의 액티그래프(Actigraph)의 경우도 손목 혹은 허리에 가속도계를 장착하여야 하므로, 환자의 불편함이 완전히 해소되었다고 할 수 없다.

한편, 코골이가 있거나, 불면증 등으로 약한 수면단계(stage 1~2)에서 강한 수면 단계(stage 3~4)로 진행이 되지 못하는 경우, 낮동안의 일상생활 중에 밀려오는 졸음으로 인해, 정상적인 생활이 어려워지는 경우도 있다. 이러한 수면단계를 분석하기 위해서는 병원에서 시행되는 수면다원검사를 이용한 뇌파 분석을 시행하여야 한다.

뇌파 분석에서는 수면시 측정되는 수면자의 뇌파를 주파수 영역별로 나누어 그 주파수 영역별 세기로 각 수면단계를 파악하게 된다.

그러나 이러한 뇌파분석이 환자의 머리에 전극을 부착하는 형태로 이루어지기 때문에, 환자들은 익숙하지 않은 전극으로 인해 평상시와 같은 수면형태를 취하기 어렵게 된다.

수면시 나타나는 움직임은 수면자의 깨어있음(Wake)을 알리는 중요한 요소이다. 수면시 나타나는 움직임이 있을 때는 대체로 수면자가 가볍게 혹은 크게 깬 형태를 나타낸다. 따라서, 이러한 움직임을 이용함으로써 환자의 수면(sleep)/깸(wake) 여부를 알아낼 수 있다.

이러한 움직임을 측정하는 방법으로, 가속도계를 이용한 손목형 시계 형태 혹은 허리 부착형태의 움직임 감지 장치가 개발된 바 있다. 그러나 이러한 손목형/허리형 감지 장치는 수면시 불편함을 감수해야 한다는 점에서 수면자의 수면을 방해할 요소가 있는 문제점이 있다.

또한, 기존의 대부분의 수면 측정 장치들은 수면 분석을 위한 다양한 신호들을 제공하지 못하는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 수면을 취할 수 있는 침대 등의 장비에 무게감지장치를 장착하여 수면자의 움직임이나 뒤척임 등에 따른 무게변화를 측정하여 수면 중의 움직임 및 움직임 세기와 지속시간, 위치 변화 및 자세 변화와 심박의 특성 등의 다양한 정보를 무구속적으로 측정하여 수면 구조를 보다 정확히 파악할 수 있도록 한 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치는, 수면을 취할 수 있는 장비에 설치되어 무구속적으로 피측정자의 무게 감지를 위한 무게감지수단; 및 상기 무게감지수단에서 측정된 피측정자의 수면 중의 무게 변화를 감지하여 상기 피측정자의 수면에 대한 정보를 검출하여 피측정자의 수면 구조를 분석하는 콘트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 수면을 취할 수 있는 장비는 침대 또는 수면을 취할 수 있는 형태의 의자이며, 상기 무게감지수단은 로드 셀이며, 상기 로드 셀은 적어도 하나 이상 설치됨이 바람직하다.

그리고 본 발명은 무게감지수단에서 측정된 신호를 증폭하는 증폭기; 상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 저대역 신호를 출력하는 저역통과필터; 상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 고대역 신호를 출력하는 고역통과필터; 및 상기 콘트롤러 에 의해 제어되어 상기 저역통과필터와 고통과필터의 출력 중의 어느 하나를 선택하는 멀티플렉서;를 더 포함한다.

상기 콘트롤러는 상기 저역통과필터의 출력을 바탕으로 피측정자의 몸무게 값과 무게중심위치를 검출하여 상기 무게중심위치를 기준으로 움직임 정도를 판단하여 수면 구조를 판단하며, 상기 고역통과필터의 출력을 바탕으로 피측정자의 시간에 따른 움직임 변화/세기 측정과 자세변화 및 심박 특성의 검출로 수면 구조를 판단한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수면을 취할 수 있는 장비에 설치되어 무구속적으로 피측정자의 무게 감지를 위한 적어도 하나 이상의 무게감지센서; 상기 무게감지센서의 출력을 증폭하는 증폭기; 상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 저대역 신호를 출력하는 저역통과필터; 상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 고대역 신호를 출력하는 고역통과필터; 상기 저역통과필터와 고역통과필터의 출력 중의 어느 하나를 선택하는 멀티플렉서; 상기 멀티플렉서를 통해 입력되는 상기 저역통과필터 또는 고역통과필터의 출력인 저대역 신호와 고대역 신호로부터 피측정자의 수면정보를 검출하여 피측정자의 수면 구조를 판단하는 콘트롤러; 및 상기 콘트롤러의 판단결과를 표시하는 표시부;로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 저대역 신호로부터 검출하는 수면정보는 피측정자의 몸무게 값과 무게중심위치를 바탕으로 한 피측정자의 움직임 정도에 대한 정보이며, 상기 고대역 신호로부터 검출하는 수면정보는 피측정자의 시간에 따른 움직임 변화/세기, 자세변화 및 심박 특성 정보이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 수면을 취할 수 있는 장비에 로드 셀(Load Cell) 등의 무게감지장치를 장착하여 수면자의 뒤척임 또는 움직임에 의한 무게 변화를 측정하여 측정된 무게 변화 신호를 바탕으로 수면 중의 수면 구조를 분석하는 것으로, 이하의 본 발명에서는 침대에 무게감지장치가 장착된 경우에 대하여 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석 장치의 구성도를 도시한 것이다.

도시한 바와 같이, 침대(1)의 각각 4다리에 장착되며, 수면자의 무게를 감지하기 위한 로드 셀(Load Cell)(10a-10d), 상기 로드 셀(10a-10d)에서 측정된 신호들을 증폭하는 차동 증폭기(Differential Amplifier)(20a-20d), 상기 차동 증폭기(20a-20d)의 출력으로부터 저대역 신호(Low Pass Filtered Signal)와 고대역 신호(High Pass Filtered Signal)를 각각 출력하는 저역통과필터(LPF)(30a-30d) 및 고역통과필터(HPF)(30e-30h), 상기 저역통과필터(30a-30d) 및 고역통과필터(30e-30h)의 출력을 선택하기 위한 멀티플렉서(MUX)(40), 상기 멀티플렉서(40)의 출력을 바탕으로 수면자의 수면구조를 분석하는 콘트롤러(50) 및 상기 콘트롤러(50)에 의해 수면구조 분석 결과를 표시하는 LCD 등의 표시부(60)로 구성된다.

여기서, 상기 저역통과필터(30a-30d)와 고역통과필터(30e-30h)는 저대역 및 고대역 필터링을 위해 2-pole Sallen-Key 방식의 2차필터를 사용하며, 저대역 및 고대역 신호를 위하여 사용된 차단(cut-off) 주파수는 각각 20Hz와 0.2Hz이다.

상기 멀티플렉서(40)는 상기 콘트롤러(50)에 의해 스위칭 제어되어 상기 저역통과필터(30a-30d)와 고역통과필터(30e-30h)의 출력중의 하나를 선택하는 8:1 멀티플렉서이다.

상기 콘트롤러(50)는 상기 멀티플렉서(40)로부터 획득된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D변환 기능을 수행하며, 컴퓨터나 노트북 등 다른 기기와의 직렬 통신(Serial Communication)을 수행하여 수면구조의 분석 결과를 출력하게 된다.

또한, 상기 콘트롤러(50)는 멀티플렉서(40)를 통해 입력되는 저역통과필터(30a-30d)의 출력인 저대역 신호로부터 수면자의 무게측정, 침대 내 무게중심 변화 등을 측정하고, 멀티플렉서(40)를 통해 입력되는 고역통과필터(30e-30h)의 출력인 고대역 신호로부터 수면자의 움직임 변화/세기 측정과 자세변화 및 심장 운동의 기계적 전달을 측정하게 되며, 이로부터 수면자의 수면/깸 여부를 나타내는 수면 구조를 분석하게 된다.

그리고 본 발명에서는 침대(1)의 4다리에 각각 무게감지장치인 로드 셀(10a-10d)을 설치하였지만, 침대(1) 바닥의 소정 위치에 1개 이상의 로드 셀을 설치할 수 있으며, 각 로드 셀마다 저역통과필터(LPF)와 고역통과필터(HPF)를 구비하고, 침대(1)에 설치된 로드 셀이 2개인 경우 4:1 멀티플렉서가 필요하며, 또는 로드 셀이 3개인 경우 6:1 멀티플렉서가 필요하며, 로드 셀이 5개인 경우 10:1 멀티플렉서를 사용하게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에서 침대(1)에 설치된 각각의 로드 셀(10a-10d)로부터 측정된 신호는 차동 증폭기(20a-20d)를 거쳐 증폭된 후, 해당 저역통과필터(30a-30d) 및 고역통과필터(30e-30h)를 통해 해당 대역의 신호가 필터링된 후, 멀티플렉서(40)를 통해 콘트롤러(50)에 입력된다.

도 2는 수면자의 수면 중 상기 로드 셀(10a-10d)에 의해 측정되어 상기 저역통과필터(30a-30d)를 통해 상기 콘트롤러(50)에 입력된 신호의 일 예를 나타낸 그래프로, 도 2의 상측으로부터 하측으로 각각 침대(1) 우상측, 좌상측, 우하측, 좌하측 로드 셀(10a-10d)에서 획득된 저대역 신호(Ch1-Ch4)를 나타낸 것이며, 시간에 따라 값이 변하는 것은 침대에서 자는 사람의 움직임에 의해 위치가 바뀐 것을 나타낸다.

도 3은 수면자의 수면 중 상기 로드 셀(10a-10d)에 의해 측정되어 상기 고역통과필터(30e-30h)를 통해 상기 콘트롤러(50)에 입력된 신호의 일 예를 나타낸 그래프로, 도 3의 상측으로부터 하측으로 각각 침대(1) 우상측, 좌상측, 우하측, 좌하측 로드 셀(10a-10d)에서 획득된 고대역 신호(Ch5-Ch8)를 나타낸 것이며, 시간에 따라 요동이 나타나는 것은 침대(1) 내 수면자의 움직임이 발생하였음을 나타낸다.

상기 콘트롤러(50)는 입력되는 신호중 상기 저역통과필터(30a-30d)를 통해 입력되는 저대역 신호와 고역통과필터(30e-30h)를 통해 입력되는 고대역 신호를 분석하여 수면/깸 등의 수면구조를 분석하여 표시부(60)에 표시하게 된다.

먼저, 저대역 신호의 분석에 대하여 살펴본다.

상기 로드 셀(10a-10d)에 의해 측정되어 상기 저역통과필터(30a-30d)를 통해 콘트롤러(50)에 입력되는 저대역 신호는 수면자의 무게 측정과 침대(1) 내 무게중심 변화 등을 측정하기 위해 획득되는 것으로, 기본적으로 로드 셀(10a-10d)에서의 출력은 무게값을 나타낸다.

이러한 무게값을 이용하면, 침대(1)에 든 수면자의 무게를 직접 알 수 있다. 일 예로, 60Kg을 가지는 수면자가 침대(1)에 들었을 때, 로드 셀(10a-10d)에서의 무게값을 합산하면, 수면자의 실제 몸무게가 된다.

또한, 수면 중 일어나는 중요한 관찰요소 중의 하나는 침대에 들고 나는 시간(in and out of bed time)을 측정하는 것이며, 로드 셀(10a-10d)의 출력중 저대역 신호의 합을 이용하면 이러한 들고 나는 시간에 대한 정보를 알 수 있다.

즉, 수면자가 침대(1)에서 나가지 않는 경우 총 수면시간 동안 꾸준한 몸무게 값을 보이나, 수면자가 수면 중에 침대(1)를 벗어나게 되면 벗어난 시간 동안 몸무게가 0의 값을 보이게 되어 환자의 수면 중 행동에 대한 정보를 얻을 수 있게 된다.

다음, 상기 저역통과필터(30a-30d)의 저대역 신호를 이용하여 수면자의 침대(1) 내 위치를 알아낼 수 있으며, 무게 중심 변화를 이용하여 수면자의 수면 중 운동량에 대한 정보를 알아낼 수 있게 된다.

무게 중심은 침대(1)의 가운데 점을 0점으로 하며, 도 4는 시간에 따른 침대(1) 내 무게중심의 변화를 나타낸 것으로, 가로축에서의 움직임보다 세로축에서의 움직임이 비교적 큰 것을 알 수 있다.

또한, 시간에 따른 침대(1) 내 위치변화에 따르면, 수면시간 동안 침대(1) 내에서 총 움직인 거리를 알아낼 수 있다.

상기 저대역 신호에 의해 얻어지는 총 움직인 거리와 심장 운동에 의한 떨림을 제외한 움직인 거리를 도 5의 표에 나타내었다. 움직임이 있을 때의 무게 중심 변화량은 움직임이 있는 구간에서만 분석한 결과이다.

도 5의 표에서 수면동안의 무게중심 변화량의 값이 아주 큰 것을 알 수 있다. 이는 심장박동에 의해 생긴 침대(1)의 움직임에 의해 각 로드 셀(10a-10d)이 영향을 받아서 마치 무게 중심의 변화가 있는 것과 같은 효과를 내기 때문이다. 도 5의 표에 의하면 움직임이 있을 때의 시간당 무게중심 변화량이 전체 시간에서의 시간당 변화량보다 다소 큰 것을 알 수 있다.

다음, 고대역 신호의 분석에 대하여 살펴본다.

고대역 신호는 수면 중 침대(1)에 든 사람의 움직임 변화/세기 측정과 심장 운동의 기계적 전달 측정과 자세변화 검출 등을 측정하기 위해 획득된다.

상기 고대역 신호는 미세한 움직임에 의해 나타나는 아주 작은 무게 변화를 감지하기 위하여, 상기 고역통과필터(30e-30d)를 사용하여 DC 오프셋을 없애고, 0.2Hz~10Hz의 주파수 영역을 가진다.

먼저, 수면 중 움직임 감지를 수행하기 위해, 획득되는 신호들 중 고대역 신호 부분을 사용하여 움직임의 세기를 파악하고, 그에 따른 움직임의 지속시간(Duration), 강도(Intensity), 최고값(Peak Value) 등에 대한 분석을 수행할 수 있다.

움직임에 대한 강도(Intensity)를 구하기 위하여, 상기 고역통과필터(30e-30h)의 출력값(W_i)을 제곱화한 다음, 고역통과필터(30e-30h)의 출력의 합을 구하고, 식(1) 같이 그에 따른 제곱근을 구한다.

식(1)

움직임에 대한 기준값(X_r)은 기록이 시작된 이후부터 10에폭(epoch) 구간에서 가장 작은 움직임 강도를 보이는 소정 시간(예: 3초) 동안의 값으로 정하며, 기준값을 구한 이후, 소정 시간(상기 기준값 측정시의 시간과 동일한 시간) 동안의 움직임 강도가 기준값에 대해 2배 이상인 경우 움직임이 있는 것으로 판단할 수 있다.

도 6은 구해진 결과에 대해, 시간당 움직임 횟수/움직임 지속시간/움직임 세기를 나타내고 있다.

수면중 움직임을 수면다원검사에 의해 분류된 각 수면 단계에 따라 분석해보면 도 7a 및 도 7b와 같다. 각 30초 단위의 에폭(epoch)에서 움직임이 있는 구간과 없는 구간을 나누어서 움직임에 대한 세기/지속 시간을 구한 것으로, 깸(Wake) 단계에서 가장 많은 움직임의 세기/지속 시간이 나타나고, 깊은 수면 단계(3,4단계)에서 가장 적은 움직임의 세기/지속 시간이 나타남을 알 수 있다.

또한, 1단계(Stage1)와 렘수면(REM)에서의 움직임 특성이 매우 비슷한 것을 알 수 있다. 도 8의 표에서와 같이, 이 결과는 Wolpert의 연구결과에서 보인 것과 비슷함을 알 수 있다. 도 8에서는 실험시 피측정자의 수면 단계 중 4단계가 나타 나지 않아 4단계에 대한 정보가 없다.

다음은 움직임 강도(Intensity) 신호를 이용한 심탄도 분석에 대하여 살펴본다.

심전도(ECG)에 의하면, 심장근육의 활동에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 마찬가지로 심탄도를 이용하여 혈액의 가속도를 직접 측정하면 심장근육활동의 효과를 측정할 수 있으며, 본 발명은 이러한 심탄도와 유사한 운동을 측정할 수 있다.

즉, 고역통과필터(30e-30h)를 통과한 고대역 신호에서는 환자의 움직임이 없는 안정 상태일 때, 심장운동에 따른 신호의 떨림이 관찰된다.

도 9에서는 환자의 수면 중 침대(1)에서의 떨림과 심전도(ECG)를 동시에 측정한 결과를 나타내고 있다. 도 9에서는 심전도의 QRS파와 같은 간격으로 로드 셀(10a-10d)에서의 출력에 변화가 생기는 것을 알 수 있다.

이러한 로드 셀(10a-10d)의 출력을 이용하여 심박을 측정하기 위하여, 획득된 신호에 5Hz의 차단 주파수를 가지는 저역통과필터(30a-30d)와 20Hz의 차단 주파수를 가지는 고역통과필터(30e-30h)를 적용하면(도 10a) 필터링 결과는 도 10b와 같이 나타난다.

여기서, 편의상 심장운동에 의한 침대의 떨림을 심탄도(BCG : Ballistocardiogram)라고 한다. 로드 셀(10a-10d) 신호에서 심박을 측정하기 위하여 MOBD(Multiplication of Backward Difference) 방법을 이용하였다(Suppappola, S., and Sun, Y., Nonlinear Transforms of ECG Signals for Digital QRS Detection: A Quantitative Analysis. IEEE Tran. Biomed. Eng., 1994. 41(4): p. 397-400.).

MOBD에서는 1차의 역방향 차분(Backward Difference)을 이용한다. x[n]을 n번째 표본에서의 1차 역방향 차분이라고 하면

식(2)

여기서, u[n]은 필터링된 데이터를 나타낸다. N차 크기를 가지는 MOBD는 아래와 같이 정의된다.

식(3)

여기서, 부호의 일치성(Sign Coherence)을 확보하기 위하여, 만약 N개의 역방향 차분값의 부호가 모두 일치하지 않는다면 그 결과값, y[n]을 0으로 정하도록 한다.

식(4)

여기서, sgn 함수는 표본값의 부호를 검사하여, 0 혹은 ㅁ 1의 값을 반환하는 signum 함수를 나타낸다.

일반적으로 최고값에서는 연속적인 증가가 나타나므로, 이처럼 부호 일치성을 확보하면, 신호 성분 중 최고값을 나타내는 구간에 대한 후보를 정할 수 있다. 또한, 환경잡음 등에 나타나는 고주파 잡음 신호를 제거할 수 있다.

이러한 부호일치가 나타나는 구간 중 시간 간격에 대해 보정을 해 주면, 각 심박주기에 따른 최고값을 구할 수 있다. 이렇게 구해진 심전도와 심탄도 사이의 특성은 도 11의 표에 나타낸 바와 같다.

결과를 살펴보면, 심전도와 심탄도 간에 일정한 시간지연(0.4초)이 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, 움직임이 없는 구간에서는 대략 94% 정도로 심전도 최고점(peak)에 일치하는 심탄도 최고점을 구할 수 있음을 알 수 있다.

즉, 심전도에서 생긴 맥파가 로드 셀(10a-10d)까지 전달되는 데는 평균적으로 0.4초 정도의 시간이 걸려서 맥파의 전달에 지연이 생기지만, 맥파의 특성은 바뀌지 않음을 알 수 있으며, 이로부터 로드 셀(10a-10d)에 의해 심박의 특성을 파악할 수 있음을 알 수 있다.

도 11에서 n(ECG) : ECG 신호에서 구해진 peak의 개수, n(BCG) : BCG 신호에서 구해진 peak의 개수, n(ECG_non) : 움직임이 있는 구간을 제외한 ECG peak의 개수, n(BCG_consistent) : 움직임이 없는 구간에서 ECG에 따른 BCG peak의 개수, t_delay: ECG의 peak가 로드셀에 전달되는 데 걸리는 시간 지연(second)이다.

다음은 고대역 신호를 바탕으로 한 주파수 특성을 이용한 수면 중 자세변화 검출에 대하여 살펴본다.

수면 중의 자세 변화는 수면 중 무호흡증과 관련한 정보를 제공한다. 일반적으로 무호흡증이 심하지 않은 환자의 경우, 옆으로 누워자는 자세(Lateral Position)를 취하면 무호흡증이 상당히 완화될 수 있다.

수면다원검사에서는 이러한 수면 중 자세를 알아내기 위해, 자세측정센서(Body Position Sensor)를 어깨 등에 부착하여 환자의 자세변화를 측정한다. 그러나 본 발명에서는 이러한 수면 중 자세를 고역통과필터(30e-30h)의 출력을 바탕으 로 검출할 수 있다.

침대에서는 환자의 자세에 따라 침대 스프링이 눌리는 면적과 변형도가 달라지게 된다. 이러한 자세에 따른 침대스프링의 눌리는 면적과 변형도에 따라 스프링에서의 공진(Resonance) 특성이 달라지게 되는데, 이를 이용하여 환자의 수면 중 자세변화를 검출할 수 있다.

도 12 내지 도 14는 이러한 자세에 따른 주파수 특성을 나타낸 것으로, 각각 바른 자세(Supine), 옆으로 자는 자세(Lateral), 엎드려 자는 자세(Prone)에 따라 주파수 분석에서 최고점을 가지는 주파수가 달라지는 것을 알 수 있으며, 엎드려 자는 자세일 때가 가장 높은 주파수에서 최고값을 가지고, 옆으로 자는 자세일 때가 가장 낮은 주파수에서 최고값을 가짐을 알 수 있다.

도 12 내지 도 14에서 Ch1은 침대(1)의 우상측 로드 셀(10a)의 주파수 특성을, Ch2는 침대(1)의 좌상측 로드 셀(10b)의 주파수 특성을, Ch3는 침대(1)의 우하측 로드 셀(10c)의 주파수 특성을, Ch4는 침대(1)의 좌하측 로드 셀(10d)의 주파수 특성을 각각 나타낸 것으로, 도 12에서 최고값을 가지는 주파수는 3.6 ∼ 3.8Hz이고, 도 13에서 최고값을 가지는 주파수는 2 ∼ 2.2Hz이고, 도 14에서 최고값을 가지는 주파수는 4 ∼ 4.2Hz이다.

상기와 같이 본 발명은 수면을 취할 때 뒤척임 또는 움직임 등에 의한 무게변화를 측정하고, 측정된 무게변화 신호를 이용하여 수면 구조, 즉 수면 중의 수면 단계를 검출하는 장치로, 침대(1) 다리에 장착되는 로드 셀(10a-10d)을 이용하여 수면자의 움직임이나 뒤척임 등에 따른 순간적이거나 또는 지속적인 무게 변화를 감지하여 콘트롤러(50)에서 이를 분석하여 수면자의 수면 구조를 분석한다.

이때, 콘트롤러(50)는 저역통과필터(30a-30d)의 출력에 따른 저대역 신호로부터 수면자의 무게측정, 침대 내 무게중심 변화 등을 판단하고, 고역통과필터(30e-30h)의 출력에 따른 고대역 신호로부터 수면자의 움직임 변화/세기 측정과 자세변화 및 심박의 특성 등을 판단한다.

그리고 콘트롤러(50)는 상기 저대역 신호와 고대역 신호 획득에 따른 수면자의 무게측정, 침대 내 무게중심 변화, 수면자의 움직임 변화/세기 측정과 자세변화 및 심박의 특성 등의 판단 등을 통해 수면 구조 즉, 수면자의 수면 중의 깸/수면 등의 수면 단계를 보다 정확히 분석할 수 있게 된다.

본 발명의 실시 예는 침대에만 한정되는 것이 아니라 이에 상응하는 침상 기구, 가정용 원격 건강 관리용 침대, 의자에도 적용 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치는 다음과 같은 효과를 갖게 된다.

첫째, 본 발명은 수면다원검사를 통한 정밀 수면단계 분석이 필요한지를 알 아내기 위한 예비검사용으로 활용가능하다. 즉, 낮동안의 졸음 혹은 불면증, 코골이 등이 수면에 미치는 영향을 측정하기 위해, 병원에서는 수면자에게 여러 개의 전극과 센서를 부착하게 한 다음 수면다원 검사를 실시한다. 이러한 수면다원검사는 많은 전극과 센서로 인해 불편할 뿐만 아니라 비용이 상당하다. 또한, 수면자는 병원내의 수면다원검사실에서 하루를 지내야 하기 때문에, 많은 시간이 소요된다. 이러한 수면다원검사를 통한 정밀 수면단계 분석이 필요한 지를 알아내기 위한 예비 검사를 위해, 본 발명을 사용할 수 있으며, 이에 따라 비용 및 시간을 줄일 수 있게 된다.

둘째, 본 발명은 어떠한 형태의 센서나 전극의 부착없이, 침대에서 수면자의 무자각 상태에서 수면 중의 움직임을 측정하는 것이므로 편의성에서 우수하고, 직접적인 움직임을 측정하므로 수면자의 움직임에 대한 정확한 측정이 가능하다.

셋째, 본 발명은 저대역신호와 고대역신호를 획득하여 수면자의 몸무게, 수면 중 이동거리, 환자의 침대 내 위치 이탈 및 시간, 움직임 구간과 그 정도, 심장근육 운동의 정도, 심탄도를 이용한 심박, 수면 중 자세변화 등에 대한 다양한 정보를 얻을 수 있게 된다.

Claims

수면을 취할 수 있는 장비에 설치되어 무구속적으로 피측정자의 무게 감지를 위한 무게감지수단; 및

상기 무게감지수단에서 측정된 피측정자의 수면 중의 무게 변화를 감지하여 상기 피측정자의 수면에 대한 정보를 검출하여 피측정자의 수면 구조를 분석하는 콘트롤러;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 1 항에 있어서, 상기 수면을 취할 수 있는 장비는

침대 또는 수면을 취할 수 있는 형태의 의자인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 1 항에 있어서, 상기 무게감지수단은

로드 셀인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 3 항에 있어서, 상기 로드 셀은

적어도 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 1 항에 있어서,

상기 무게감지수단에서 측정된 신호를 증폭하는 증폭기;

상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 저대역 신호를 출력하는 저역통과필터;

상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 고대역 신호를 출력하는 고역통과필터; 및

상기 콘트롤러에 의해 제어되어 상기 저역통과필터와 고역통과필터의 출력 중의 어느 하나를 선택하는 멀티플렉서;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 5 항에 있어서, 상기 저역통과필터와 고역통과필터는

2-pole Sallen-Key 방식의 2차필터인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 5 항에 있어서, 상기 콘트롤러는

상기 저역통과필터의 출력을 바탕으로 피측정자의 몸무게 값과 무게중심위치를 검출하여 상기 무게중심위치를 기준으로 움직임 정도를 판단하여 수면 구조를 판단하는 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 5 항에 있어서, 상기 콘트롤러는

상기 고역통과필터의 출력을 바탕으로 피측정자의 시간에 따른 움직임 변화/세기 측정과 자세변화 및 심박 특성의 검출로 수면 구조를 판단하는 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 1 항에 있어서, 상기 콘트롤러는

직렬 통신 가능한 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 1 항에 있어서,

상기 콘트롤러의 수면 구조 판단 결과를 표시하는 표시수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
수면을 취할 수 있는 장비에 설치되어 무구속적으로 피측정자의 무게 감지를 위한 적어도 하나 이상의 무게감지센서;

상기 무게감지센서의 출력을 증폭하는 증폭기;

상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 저대역 신호를 출력하는 저역통과필터;

상기 증폭기에 의해 증폭된 신호 중 고대역 신호를 출력하는 고역통과필터;

상기 저역통과필터와 고역통과필터의 출력 중의 어느 하나를 선택하는 멀티플렉서;

상기 멀티플렉서를 통해 입력되는 상기 저역통과필터 또는 고역통과필터의 출력인 저대역 신호와 고대역 신호로부터 피측정자의 수면정보를 검출하여 피측정자의 수면 구조를 판단하는 콘트롤러; 및

상기 콘트롤러의 판단결과를 표시하는 표시부;

로 구성됨을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 11 항에 있어서, 상기 수면을 취할 수 있는 장비는

침대 또는 수면을 취할 수 있는 형태의 의자인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 11 항에 있어서, 상기 무게감지센서는

로드 셀인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 11 항에 있어서, 상기 저역통과필터와 고역통과필터는

2-pole Sallen-Key 방식의 2차필터인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 11 항에 있어서, 상기 저대역 신호로부터 검출하는 수면정보는

피측정자의 몸무게 값과 무게중심위치를 바탕으로 한 피측정자의 움직임 정도에 대한 정보인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 11 항에 있어서, 상기 고대역 신호로부터 검출하는 수면정보는

피측정자의 시간에 따른 움직임 변화/세기, 자세변화 및 심박 특성 정보인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.
제 11 항에 있어서, 상기 수면 구조는

피측정자의 깸/수면 등의 수면 단계인 것을 특징으로 하는 무구속 무게감지 기반 수면구조 분석장치.