KR20070089350A - 원격 생체정보 감지장치 및 그 응용장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피부표면에서 반사되는 신호와 체내장기에서 반사되는 신호를 서로 곱하는 셀프 믹싱(self mixing) 방법을 이용하여 신체가 임의로 움직이는 경우에도 체내장기의 움직임에 대한 정보를 얻을 수 있는 원격 생체정보 감지장치에 관한 것으로서, 송신 주파수 신호를 증폭시키는 송신증폭단과, 상기 송신증폭단에 의해 증폭된 신호를 신체에 전송하는 송신안테나와, 상기 송신안테나에 의해 신체에 입사된 후 반사되어 오는 피부반사파와 장기반사파를 수신하는 수신안테나와, 상기 수신안테나에 수신된 신호를 증폭시키는 수신증폭단과, 상기 수신증폭단에서 증폭된 피부반사파와 장기반사파를 서로 곱하는 주파수 혼합기와, 상기 주파수 혼합기를 통과한 신호를 필터링하는 대역통과필터와, 상기 대역통과필터를 통과한 신호를 통하여 체내장기의 움직임을 알아내는 신호처리부와, 상기 신호처리부에서 얻어지는 체내장기의 움직임을 통해서 생체정보를 얻는 생체정보인식부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

셀프믹싱, 피부, 장기, 도플러, 주파수 혼합기

Description

원격 생체정보 감지장치 및 그 응용장치{Apparatus for remote vital signal detection and its applications}

도 1은 종래의 원격 생체정보 감지장치(100)를 설명하기 위한 도면;

도 2는 본 발명에 바람직한 주파수 대역을 설명하기 위한 그래프;

도 3은 본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치(400)를 설명하기 위한 신체모델;

도 4는 본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치를 설명하기 위한 도면;

도 5는 도 4의 송수신안테나(403)을 통해 송신된 전파가 피부(121)와 체내장기(122)에서 반사되어 다시 송수신안테나(403)로 수신되는 과정을 설명하기 위한 도면;

도 6은 도 4의 송수신안테나(403)가 송신용과 수신용으로 분리된 송수신 분리형 원격 생체정보 감지장치를 설명하기 위한 도면;

도 7은 도 6이 적용된 원격 환자상태 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면;

도 8은 도 4가 적용된 원격 음성획득장치를 설명하기 위한 도면;

도 9는 도 4가 적용된 보안장치를 설명하기 위한 도면;

도 10은 도 4가 적용된 재난구조용 생명체 감지장치를 설명하기 위한 도면;

<도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명>

100, 400: 원격 생체정보 감지장치

102, 401: 발진기 103, 403a: 송신안테나

104, 403b: 수신안테나 105: 주파수 혼합기

106: 저대역통과필터 107, 411: 디지탈 신호처리부

109, 402: 전력증폭기 110, 406: 증폭기

121: 피부 122: 체내장기

125: 신체 403: 송수신안테나

404: 송수신변환기 405: 저잡음증폭기

407: 로그증폭기 431: 피부반사파

432: 장기반사파 601: 송신부

602: 수신부 701: 환자

702: 사람 703: 동물

800: 벽 900: 매몰지역

본 발명은 원격 생체정보 감지장치에 관한 것으로서, 사람의 무작위적인 움직임에 의해 발생되는 원치않는 신호가 있는 경우에도 체내장기의 미세한 움직임을 포착할 수 있는 원격 생체정보 감지장치에 관한 것이다.

음파, 전파, 광파와 같은 파(wave)를 움직이는 물체에 입사시켰을때, 움직이는 물체에서 반사되는 파의 주파수와 위상은 물체의 움직임에 따라 변하게 되며, 이는 도플러 효과(doppler effect)로 알려져 있다.

일정한 속도 v로 움직이는 물체에 주파수가 fo인 파를 입사 시킨 경우, 물체에서 반사된 파는 주파수가

로 변하게 된다. 여기서 속도 v의 방향은 물체가 실험자와 점점 가까워지는 방향이다. 따라서 도플러 효과를 이용하면 물체의 움직임 여부를 알수 있으며, 호흡 혹은 심박에 의한 미세한 피부의 움직임이나, 혈류와 같은 체내장기의 움직임 역시 도플러 효과를 이용하여 측정할 수 있다.

도 1은 도플러 효과를 이용하여 사람의 호흡이나 심박을 측정하는 종래의 원격 생체정보 감지장치(100)를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 원격 생체정보 감지장치(100)는 발진기(102)에서 출력되는 일정한 주파수신호를 전력증폭기(109)로 증폭하여 송신안테나(103)를 통해 신체(125)에 입사시킨다. 신체(125)에 입사된 전파의 대부분은 피부(121)에서 반사가 일어나며, 일부는 피부 속까지 침투한 후 체내장기(122)에서 반사되어 나온다. 신체(125)에서 반사되어 나오는 신호는 다시 수신안테나(104)를 통해 수신되어 증폭기(110)를 통해 증폭된 후 주파수 혼합기(105)에 의해 발진기(102)의 신호와 곱해지게 된다. 주파수 혼합기(105)의 출력신호는 저대역통과필터(106)와 디지탈 신호 처리부(107)를 통해 처리된다.

호흡이나 심장박동 등 체내장기(122)의 움직임(123)은 피부(121)까지 전달 되며, 따라서 피부(121)의 미세한 움직임(124)을 도플러 편이가 일어난 수신신호의 주파수를 통하여 알아냄으로써 체내장기(122)에 대한 움직임(123)에 대한 정보를 얻을 수 있게 된다. 즉 종래에는 피부(121)의 움직임(124)에 대한 정보를 통하여 호흡 및 심장박동 등 생체정보를 얻었다.

시간에 따른 피부(121)와 안테나(103, 104)와의 거리를 d(t)라 하면, d(t)는 수학식 1로 쓸 수 있다.

여기서, λ는 전파의 파장이며 n(t)는 d(t)를 λ 의 길이로 나눌수 있는 최대 정수(integer)이고, small(t)는 d(t)를 λ의 길이로 나누었을때의 나머지 길이로 λ보다 작은 길이를 가진다.

안테나를 통해 송신된 전파와 수신된 전파를 각각

와

라 하면

와

수학식 2로 표현할 수 있다.

수신된 전파

를 주파수 혼합기(105)와 저대역통과필터(106)를 통해 저주파로 주파수 하향시키면 수학식 3과 같은 도플러 신호 Doppler(t)를 얻게 된다.

만약 사람의 움직임이 λ보다 작다면, n(t)는 일정한 상수값을 가지므로 수학식 3에 의해 doppler(t)는 small(t)의 정보만을 가지고 있게 된다. 하지만 만약 사람의 움직임이 λ 보다 큰 경우,

항은 알지 못하는 임의의 값이 되므로 doppler(t)를 통해 small(t)의 정보를 얻을 수 없게 된다.

작은 위치 변위인 small(t)에는 호흡 및 심박등에 의한 피부(121)의 움직임 (124)에 대한 정보가 담겨져 있다. 따라서 사람의 움직임이 λ 보다 작은 경우에 doppler(t)를 디지탈 신호처리부(107)를 통해 처리하면 체내장기(122)의 움직임(123)에 대한 정보를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 종래의 원격 생체정보 감지장치는, 신체(125)가 전파의 파장보다 크게 움직이는 상황에서는 체내장기(122)의 움직임(123)에 대한 정보를 얻지 못하고, 단지 신체(125)가 정지해 있거나 전파의 파장보다 작은 움직임을 가지는 상황에서만 체내장기(122)의 움직임(123)에 대한 정보를 얻을 수 있었다.

따라서 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 피부표면에서 반사되는 신호와 체내장기에서 반사되는 신호를 서로 곱하는 셀프 믹싱(self mixing) 방법을 이용하여 신체가 임의로 움직이는 경우에도 체내장기의 움직임에 대한 정보를 얻을 수 있는 원격 생체정보 감지장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치는,

송신 주파수 신호를 증폭시키는 송신증폭단과,

상기 송신증폭단에 의해 증폭된 신호를 신체에 전송하는 송신안테나와,

상기 송신안테나에 의해 신체에 입사된 후 반사되어 오는 피부반사파와 장기 반사파를 수신하는 수신안테나와,

상기 수신안테나에 수신된 신호를 증폭시키는 수신증폭단과,

상기 수신증폭단에서 증폭된 피부반사파와 장기반사파를 서로 곱하는 주파수 혼합기와,

상기 주파수 혼합기를 통과한 신호를 필터링하는 대역통과필터와,

상기 대역통과필터를 통과한 신호를 통하여 체내장기의 움직임을 알아내는 신호처리부와,

상기 신호처리부에서 얻어지는 체내장기의 움직임을 통해서 생체정보를 얻는 생체정보인식부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 수신증폭단은, 상기 수신안테에 수신된 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭기와, 상기 저잡음 증폭기를 통과한 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 수신증폭단의 증폭기를 통과한 신호를 증폭하는 로그 증폭기를 더 포함하는 것이 바람직하다.

상기 대역통과필터로는 저대역통과필터를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 송신안테나에서 전송하는 신호는 100MHz~40GHz의 주파수 범위 내에서 특정주파수 또는 일정패턴으로 가변되는 가변주파수를 가지는 것이 바람직하다.

상기 송신안테와 수신안테나는 일체형으로 이루어질 수 있으며, 이 경우 송수신변환기를 통하여 그 기능이 절환되는 것이 바람직하다.

상기 신호처리부는 장기와 피부의 시간에 따른 변위차를 알아냄으로써 체내장기의 움직임을 파악하는 것이 바람직하다.

상기 생체정보인식부가 얻는 생체정보는 심박수, 호흡수, 또는 음성신호 등이며, 이 때 상기 음성신호는 기도, 폐, 또는 흉부의 움직임을 감지하여 얻을 수 있다.

본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치를 사용하여 환자의 호흡과 맥박을 실시간으로 측정함으로써 환자의 생명을 감지하는 원격 환자상태 모니터링 장치를 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치를 사용하여 출입하는 생명체의 심박수를 측정함으로써 사람과 다른 동물을 구분하는 보안장치를 구현할 수 있다.

본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치를 사용하여 매몰지역등 사람의 눈으로 생명체를 감지할 수 없는 상황에서 생명체를 감지하는 재난 구조용 생명체 감지장치를 구현할 수 있다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 2는 본 발명에 바람직한 주파수 대역을 설명하기 위한 그래프로서, 주파수에 따른 피부, 근육, 심장, 체액에 대한 전파의 투과도를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 본 발명에서 바람직한 100MHz~40GHz의 주파수 영역에서는 수십 mm에서 수백 um의 투과도를 가짐을 알수 있으며, 사용 주파수 대역에서의 전파의 파장은 3m~8mm 정도로 체내 장기의 움직임보다 작다.

도 3은 본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치를 설명하기 위한 신체모델을 나타낸 도면으로서, 피부(121)와 체내장기(122)를 원통으로 가정하고 이의 단면을 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 체내장기(122)가 수축과 팽창의 움직임을 가지게 될 때 피부(121)도 수축 및 팽창을 하게 되는데, 체내장기(122)의 반경을 R1이라고 하고, 피부(121)의 반경을 R2라고 하면, R1이 △R1만큼 변하는 경우, 피부(121)의 반경의 변위 △R2 는 수학식 4로 나타낼 수 있다.

따라서, 체내장기(122)의 변위 △R1과 피부(121)의 변위 △R2의 차이인 △R1-△R2는 수학식 5로 나타낼 수 있다.

여기서, △R1-△R2의 값은 사람이 공간적인 이동을 하여도 변하지 않는 값이다. 또한 △R1-△R2 의 값은 △R1, 즉 장기의 움직임에 비례하는 값이므로 체내장기(122)의 움직임에 대한 정보를 가지고 있다. 따라서 △R1-△R2의 시간적 변화를 획득하면 시간에 따른 체내장기(122)의 움직임에 대한 정보를 얻을 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 원격 생체정보 감지장치(400)를 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 발진기(401)에서 발생된 100MHz~40GHz의 고주파 신호는 전력증폭기(402)에 의해 증폭되어 송수신안테나(403)를 통해 신체(125)에 입사되고, 입사된 전파중 일부는 피부(121)에서 반사되어 피부반사파(431)를 이루고, 또 일부는 체내장기(122)에서 반사되어 장기반사파(432)를 이룬다.

반사파(431, 432)는 다시 송수신안테나(403)를 통해 수신된다. 송수신안테나(403)는 송수신변환기(404)에 연결되며 송수신변환기(404)를 통하여 그 기능이 절환된다. 수신된 신호는 저잡음증폭기(LNA, 405), 증폭기(AMP, 406), 로그증폭기(log AMP, 407)을 통해 증폭되게 된다.

로그증폭기(407)는 입력(Vin)과 출력(Vout) 관계가 수학식 6과 같은 로그관계를 가지고 있는 증폭기로서, 신호레벨이 작은 신호의 증폭률이 신호레벨이 큰 신호보다 큰 증폭기이다. 따라서 로그증폭기(407)는 신체에 투과되어 반사된 작은 신호에 대해 큰 이득으로 증폭을 할 수 있다.

도 5는 송수신안테나(403)을 통해 송신된 전파가 피부(121)와 체내장기(122)에서 반사되어 다시 송수신안테나(403)로 수신되는 상태를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하면, 시간에 따른 송수신안테나(403)와 피부(121)까지의 거리 D₁(t)과 시 간에 따른 송수신안테나(403)와 체내장기(122)까지의 거리 D₂(t)의 차 D₁(t) - D₂(t)는 수학식 7로 나타낼 수 있다.

여기서, n(t)는 송수신안테나(403)와 피부(121)까지의 거리를 λ의 길이로 나눌 수 있는 최대 정수이고, s(t)는 λ의 길이로 떨어지지 않는 λ보다 작은 길이를 나타낸다. 그리고, 상수 d는 피부(1021)와 체내장기(122) 사이의 거리이고, △ R1(t)과 △R2(t)는 피부(121)와 체내장기(122)의 시간에 따른 변위이다.

송수신안테나(403)에서 송신되는 신호를

라 하면, 피부(121)에서 반사되는 전파 S_R1(t)과, 체내장기(122)서 반사되는 전파 S_R2(t)는 수학식 8로 나타낼 수 있다.

여기서, A' 과 A"는 피부(121)와 체내장기(122)에서 반사되는 전파의 진폭을 각각 나타낸다.

다시 도 4를 참조하면, 송수신안테나(403)에 수신되는 신호 S_R(t)과, 주파수 혼합기(409)를 통과한 신호 S_mixerout(t)와, 저대역통과필터(410)를 통과한 신호 S_RAW(t)는 수학식 9로 나타낼 수 있다.

시간에 따른 장기와 피부의 변위차 vital(t)은 수학식 10으로 나타낼 수 있다.

수학식 9에 나타낸 S_RAW(t)는 수학식 11에서와 같이 vital(t)에 대한 정보을 가진 신호가 된다.

따라서, 디지털 신호처리부(411)에서 S_RAW(t)를 통해서 vital(t)에 대한 정보를 얻어낼수 있게 된다. vital(t)는 수학식 5에 나타낸 바와 같은 체내장기(122)의 움직임에 대한 정보를 가지므로 신체의 움직임과는 상관없이 체내장기(122)의 움직임에 대한 정보를 얻어낼 수 있다.

도 6은 도 4의 송수신안테나(403)가 송신용과 수신용으로 분리된 송수신 분리형 원격 생체정보 감지장치를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명은 송신신호의 주파수와 수신신호의 주파수를 동기화시킬 필요가 없기 때문에 도 6에 도시된 바와 같이 신체에 전파를 송신하는 송신부(601)와 신체에서 반사되는 신호를 수신하는 수신부(602)로 분리할 수 있다. 이 경우 안테나는 송신안테나(403a)와 수신안테나(403b)로 분리될 것이며, 그로 인해 송수신변환기(404)가 필요없게 된다.

도 7은 도 6이 적용된 원격 환자상태 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 원격 환자상태 모니터링 장치는 송신부(601)를 통해서 5W 이상의 고출력 고주파 신호를 환자(701) 개개인에게 송출하고, 복수개의 수신부(602)를 통하여 환자(701) 개개인의 생체신호를 감지함으로써, 실시간으로 각 환자(701) 의 심장박동수와 호흡수 등을 모니터링하여 환자의 상태를 감지한다.

도 8은 도 4가 적용된 원격 음성획득장치를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명에 따른 원격 음성획득장치는 높은 이득을 가지고 있는 송수신안테나(403)를 이용하여 원거리에 있는 사람(702)에게 전파를 입사시켜 반사된 신호를 원격 생체정보 감지장치(400)로 수신하여, 말을 할때 발생되는 기도, 폐, 또는 흉부 등의 진동을 감지함으로써 원거리에 있는 사람의 음성을 청취한다. 사람의 가청주파수는 20~20kHz이므로, 디지털 신호처리부(411)에서 가청주파수에 해당하는 신호만을 얻으면 원격으로 사람의 음성신호를 획득할수 있다.

도 9는 도 4가 적용된 보안장치를 설명하기 위한 도면이다. 일반적으로 몸집이 작은 동물일수록 맥박수가 빠르다. 예를들어 사람의 분당 맥박수는 60~80 이며, 강아지의 경우 70~120으로 사람보다 빠르다. 따라서, 원격 생체정보 감지장치(400)로 건물내 침입한 생명체의 심박수를 측정하여 사람(702)인지 동물(703)인지를 구분할 수 있다.

도 10은 도 4가 적용된 재난구조용 생명체 감지장치를 설명하기 위한 도면이다. 전파는 마른 재질의 벽과 같은 물체를 통과할 수 있으므로 사람의 유무를 눈으로 확인 할 수 없는 벽(800)의 뒤나 혹은 매몰지역(900)에 갇혀있는 사람(702)의 존재를 감지할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 신체가 움직이는 경우에도 체내장기의 움직임에 대한 정보를 원격에서 얻을 수 있기 때문에, 사람의 몸에 센서를 부착할 수 없는 화상환자의 심장박동수 측정, 원격음성획득, 보안 시스템, 및 재난시 생존자의 존재확인 등에 매우 유용하다.

Claims (13)

1. 송신 주파수 신호를 증폭시키는 송신증폭단;

   상기 송신증폭단에 의해 증폭된 신호를 신체에 전송하는 송신안테나;

   상기 송신안테나에 의해 신체에 입사된 후 반사되어 오는 피부반사파와 장기반사파를 수신하는 수신안테나;

   상기 수신안테나에 수신된 신호를 증폭시키는 수신증폭단;

   상기 수신증폭단에서 증폭된 피부반사파와 장기반사파를 서로 곱하는 주파수 혼합기;

   상기 주파수 혼합기를 통과한 신호를 필터링하는 대역통과필터;

   상기 대역통과필터를 통과한 신호를 통하여 체내장기의 움직임을 알아내는 신호처리부;

   상기 신호처리부에서 얻어지는 체내장기의 움직임을 통해서 생체정보를 얻는 생체정보인식부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 수신증폭단이,

   상기 수신안테에 수신된 신호를 증폭시키는 저잡음 증폭기와,

   상기 저잡음 증폭기를 통과한 신호를 증폭하는 증폭기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 수신증폭단의 증폭기를 통과한 신호를 증폭하는 로그 증폭기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 대역통과필터가 저대역통과필터인 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 송신안테나에서 전송하는 신호의 주파수가 100MHz~40GHz 인 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 송신안테나에서 전송하는 신호는 100MHz~40GHz의 주파수 범위 내에서 특정주파수 또는 일정패턴으로 가변되는 가변주파수를 가지는 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 송신안테와 수신안테나는 일체형으로 이루어지며, 송수신변환기를 통하여 그 기능이 절환되는 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 신호처리부는 장기와 피부의 시간에 따른 변위차를 알아냄으로써 체내장기의 움직임을 파악하는 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 생체정보인식부가 얻는 생체정보는 심박수, 호흡수, 또는 음성신호인 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 음성신호는 기도, 폐, 또는 흉부의 움직임을 감지하여 얻는 것을 특징으로 하는 원격 생체정보 감지장치.
11. 제1항의 원격 생체정보 감지장치를 사용하여 환자의 호흡과 맥박을 실시간으로 측정함으로써 환자의 생명을 감지하는 원격 환자상태 모니터링 장치.
12. 제1항의 원격 생체정보 감지장치를 사용하여 출입하는 생명체의 심박수를 측정함으로써 사람과 다른 동물을 구분하는 보안장치.
13. 제1항의 원격 생체정보 감지장치를 사용하여 매몰지역등 사람의 눈으로 생명체를 감지할 수 없는 상황에서 생명체를 감지하는 재난 구조용 생명체 감지장치.

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