KR20080071260A - 휴대용 신체활동 모니터링 시스템 - Google Patents

휴대용 신체활동 모니터링 시스템 Download PDF

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KR20080071260A
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이경중
조성필
이효기
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 3축 가속도 센서를 이용하여 사람의 동작에 따른 신체 활동을 실시간으로 모니터링하여 여러 가지 활동으로 구분하고 분석하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 3축 가속도센서로부터 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 검출하여 무선 전송하는 휴대용 모니터링 장치, 상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호로부터 동작을 분석하는 분석시스템을 구비하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법에 있어서, 상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 0을 기준으로 정부(正否, +와-)의 데이터 분리하여, x축 정(正, +) 동작신호, x축 부(否, -) 동작신호, y축 정 동작신호, y축 부 동작신호, z축 정 동작신호, z축 부 동작신호를 구하는 정부 데이터 분리단계; 상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호들의 절대치를 취하여, X축 동작신호의 절대치, Y축 동작신호의 절대치, Z축 동작 신호의 절대치를 구하는 절대치 적용단계; 상기 정부 데이터 분리단계에서 출력된 X축 정 동작신호, X축 부 동작신호, Y축 정 동작신호, Y축 부 동작신호, Z축 정 동작신호, Z축 부 동작신호들의 각각 이동평균을 구하며, 또한 상기 절대치 적용단계에서 수신된 X축 동작신호의 절대치, Y축 동작신호의 절대치, Z축 동작 신호의 절대치의 각각 이동평균을 구하는 이동평균 연산단계; 상기 이동평균 연산단계에서 구해진 각 동작신 호들의 이동평균들을 디지탈 저역통과 필터를 통과시키는 디지탈 저역통과 필터링단계; 상기 디지탈 저역통과 필터링단계의 출력신호들로부터 각 동작(자세)을 구분하여 저장하는 동작구분 단계; 상기 동작구분 단계에서 9가지 동작 데이터로 구분되어 1일 동안 저장된 데이터로부터 1일 운동상태를 분석하는 1일 운동상태 분석단계;를 구비하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
가속도 센서, 운동상태, 동작, 자세, 모니터링

Description

휴대용 신체활동 모니터링 시스템{Portable monitoring system of body activity}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 휴대용 신체활동 모니터링 시스템을 개략적으로 설명하기위한 설명도이다.
도 2는 도 1에서 휴대용 모니터링 장치를 설명하기 위한 설명도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 도 3의 신호분석부에서 활동 동작 신호분석의 흐름도이다.
도 5는 도 4의 동작구분 단계에서 9가지 동작의 구분을 위한 흐름도이다.
도 6은 도 4의 1일 운동상태 분석단계의 흐름도이다.
도 7은 도 4의 정부 데이터 분리단계의 출력신호로부터 구해진 이동평균 동작신호의 일예이다.
도 8은 도 4의 절대치 적용단계를 거친 신호들부터 구해진 이동평균 동작신호의 일예이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
50: 휴대용 모니터링 장치 100: 3축 가속도센서부
200: 전치증폭기 300: 필터부
400: A/D변환기 500: 마이크로프로세서
600: 송신부 650: 분석 시스템
700: 수신부 800: 신호 분석부
850: 주치의의 컴퓨터
본 발명은 3축 가속도 센서를 이용하여 사람의 동작에 따른 신체 활동을 실시간으로 모니터링하여 여러 가지 활동으로 구분하고 분석하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템에 관한 것이다.
신체활동 모니터링 시스템은 사람의 동작에 따른 신체의 활동을 모니터링하는 장치이다.
특히, 근래에 산업발달과 고령화 사회가 도래함에 따라 독거노인이나 장애인이 늘어나고 있는 추세로, 이러한 독거노인이나 장애인 또는 환자들을 보호자, 간병인 또는 주치의가 24시간을 돌보기 어렵다.
따라서 보호자, 간병인 또는 주치의가 24시간을 돌볼 필요없이, 독거노인이나 장애인들의 동작을 24시간 모니터링하여 보호자, 간병인, 주치의에게 전송함에 의해 비상 시, 신속한 응급조치가 가능한 신체활동 모니터링 장치가 요망된다.
또한 휘트니스 센터 등에서 운동 중인 일반인들에게 부착시켜 운동 처방사가 직접 관찰하지 않고 중앙 컴퓨터에서 관리 감독이 가능 한 신체활동 모니터링 시스 템이 요망된다.
종래에는 동작에 따른 신체의 활동을 분석하기 위해 고가의 3차원 동작 분석기가 개발된 바가 있으나, 이는 실험실 환경에서의 실험 제약 조건 등 시공간적 제약이 따르며, 구체적으로 동작에 따른 신체활동을 구분하고 있지 않다.
따라서, 저가이며, 휴대가 간편하며, 사용하기 편리하며, 구체적으로 동작에 따른 신체활동을 구분할 수 있는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템이 요망된다.
그러므로 본 발명은 저가이며, 휴대가 간편하며, 사용하기 편리하며, 구체적으로 동작에 따른 신체활동을 구분할 수 있는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명의 휴대용 신체활동 모니터링 시스템은 소형의 3축 가속도 센서를 이용한 것으로, 클립형으로 벨트나 바지허리에 끼우도록 되어 있어 착용이 간편하며, 또한 무구속 상태에서 신호를 측정할 수 있다. 또한 무선으로 신호를 전송하여 PC에서 확인할 수 있도록 하여 직접적인 사람의 감시나 관리가 불필요하며 무감독 상태의 모니터링이 가능하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 3축 가속도 센서를 이용하여 사람의 동작에 따른 신체 활동을 실시간으로 모니터링하여 여러 가지 활동으로 구분할 수 있는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 저가이고, 휴대가 간편하며, 사용하기 편리하며, 구체적으로 동작에 따른 신체활동을 구분할 수 있는 휴대 용 신체활동 모니터링 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 소형의 3축 가속도 센서를 이용하며, 신호를 검출하는 부분이 클립형으로 이루어지며, 무선으로 신호를 전송하여 컴퓨터에서 확인할 수 있도록 하여 무감독 상태의 모니터링이 가능한 휴대용 신체활동 모니터링 시스템을 제공하는 데 있다.
이하 본 발명의 일 실시예에 의한 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 휴대용 신체활동 모니터링 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 설명도이며, 도 2는 도 1에서 휴대용 모니터링 장치를 설명하기 위한 설명도이다.
본 발명의 휴대용 신체활동 모니터링 시스템은 휴대용 모니터링 장치(50)와 분석 시스템(650)으로 이루어진다.
휴대용 모니터링 장치(50)는 신체의 동작을 검출하여 분석 시스템(650)으로 전송한다. 휴대용 모니터링 장치(50)는 클립형으로 이루어져, 벨트나 바지허리 등에 끼우도록 이루어져 있으며, 그 앞면에는 가속도센서가 장착되어 있으며, 그 내부에는 전치증폭기, 필터부, A/D변환기, 마이크로프로세서, 무선송신부를 구비한다. 윗면에는 무선송신부에서 연결된 안테나가 밖으로 돌출되게 이루어져 있다.
분석 시스템(650)은 휴대용 모니터링 장치(50)로부터 수신된 동작신호를 분석한다. 분석 시스템(650)은 수신부와 신호 분석부로 이루어진다. 분석 시스 템(650)은 동작 데이터와 분석 데이터를 인터넷망을 통해 보호자, 주치의의 컴퓨터(850)로 전송된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 개략적인 구성도로, 3축 가속도센서부(100), 전치증폭기(200), 필터부(300), A/D변환기(400), 마이크로프로세서(500), 송신부(600), 수신부(700), 신호 분석부(800)을 구비한다.
3축 가속도센서부(100)는 피측정자에 장착되어 X, Y, Z축의 가속도를 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 3축 가속도센서부(100)는 X, Y, Z축의 3차원의 동작신호를 각각 분리 계측한다. 즉, 3축 가속도센서부(100)는 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 검출한다.
전치증폭기(200)는 3축 가속도 센서부(100)의 출력을 증폭하여 필터부(300)로 전송한다.
필터부(300)는 20Hz의 저역통과필터를 사용하여 불필요한 노이즈 성분인 60Hz 잡음, 고주파 잡음 등을 제거하기 위해 일차적으로 아날로그 필터링 한다. 전치증폭기(200)와 필터부(300)는 신호전처리부를 구성한다.
A/D변환기(400)는 필터부(300)로부터 출력된 아날로그 필터링된 X, Y, Z축의 동작신호를 각각 디지탈 신호로 변환한다.
마이크로프로세서(500)는 A/D변환기(400)로부터 수신된 가속도 데이터들, 즉, X, Y, Z축의 동작신호들을 송신부(600)로 전송한다.
송신부(600)는 마이크로프로세서(500)의 출력신호를 무선 송신한다. 블루투 스를 이용하여 무선송신하며, 경우에 따라서는 RF무선 송신할 수 있다.
수신부(700)은 송신부(600)로부터 전송된 신호, 즉 X, Y, Z축의 동작신호들을 무선 수신하여 신호 분석부(800)로 전송한다. 본 발명에서 무선 송수신은 블루투스 모듈 또는 RF모듈을 이용할 수 있다. 블루투스 모듈로는 PROMI-ESD(Chipsen, 대한민국)를 사용할 수 있으며, RF모듈로는 라디오매트릭스(Radiometrix)사의 TX1-173.250-10과 RX1-173.250-10 등을 사용할 수 있다.
신호 분석부(800)는 수신부(700)로부터 수신된 동작 신호로 부터 동작 상태를 분석한다. 신호 분석부(800)에서 분석하여 얻어진 데이터는 인터넷망을 통해 보호자, 주치의의 컴퓨터(850)로 전송된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 활동 동작 신호분석의 흐름도이다.
동작신호 수신단계(S110)로, 휴대용 모니터링 장치(50)에서 검출되어 분석 시스템(650)으로 전송된 신호, 즉, 가속도센서부에서 검출되어 A/D변환기, 마이크로프로세서를 통해 신호 분석부(800)에서 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작 신호를 수신한다(S110).
정부(正否, +와-) 데이터 분리단계(S120)로, 상기 동작신호 수신단계에서 수신된 X, Y, Z축 동작신호들을 0을 기준으로 정부 데이터 분리하여, X축 정(正, +) 동작신호, X축 부(否, -) 동작신호, Y축 정 동작신호, Y축 부 동작신호, Z축 정 동작신호, Z축 부 동작신호를 구한다(S120).
여기서, X축 정 동작신호는 동작신호 수신단계에 수신된 X축 동작신호에서 정(正, +)의 부호를 띤 신호만을 검출하여 X축 정 동작신호라 한다. 이를 수식으로 나타내면 수학식1과 같다.
Figure 112007008970713-PAT00001
X축 부 동작신호는 동작신호 수신단계에 수신된 X축 동작신호에서 부(否, -)의 부호를 띤 신호만을 검출하여 X축 부 동작신호라 한다. 이를 수식으로 나타내면 수학식2와 같다.
Figure 112007008970713-PAT00002
여기서, Y축 정 동작신호는 동작신호 수신단계에 수신된 Y축 동작신호에서 정(正, +)의 부호를 띤 신호만을 검출하여 Y축 정 동작신호라 한다. 이를 수식으로 나타내면 수학식 3과 같다.
Figure 112007008970713-PAT00003
Y축 부 동작신호는 동작신호 수신단계에 수신된 Y축 동작신호에서 부(否, -)의 부호를 띤 신호만을 검출하여 Y축 부 동작신호라 한다. 이를 수식으로 나타내면 수학식 4와 같다.
Figure 112007008970713-PAT00004
여기서, Z축 정 동작신호는 동작신호 수신단계에 수신된 Z축 동작신호에서 정(正, +)의 부호를 띤 신호만을 검출하여 Z축 정 동작신호라 한다. 이를 수식으로 나타내면 수학식 5와 같다.
Figure 112007008970713-PAT00005
Z축 부 동작신호는 동작신호 수신단계에 수신된 Z축 동작신호에서 부(否, -)의 부호를 띤 신호만을 검출하여 Z축 부 동작신호라 한다. 이를 수식으로 나타내면 수학식 6과 같다.
Figure 112007008970713-PAT00006
절대치 적용단계(S130)로, 동작신호 수신단계(S110)에서 수신된 X축 동작신호의 절대치, Y축 동작신호의 절대치, Z축 동작 신호의 절대치를 구한다(S130).
이동평균 연산단계(S140)로, 상기 정부 데이터 분리단계(S120)에서 출력된 X축 정 동작신호, X축 부 동작신호, Y축 정 동작신호, Y축 부 동작신호, Z축 정 동작신호, Z축 부 동작신호들의 각각 이동평균을 구하며, 또한 절대치 적용단계(S130)에서 수신된 X축 동작신호의 절대치, Y축 동작신호의 절대치, Z축 동작 신호의 절대치의 각각 이동평균을 구한다(S130). 즉 정부 데이터 분리단계(S120)의 출력신호로부터 구해진 이동평균 동작신호는 총 6개이며, 절대치 적용단계(S130)을 거친 신호들부터 구해진 이동평균 동작신호는 총 3개이다. 여기서 이동평균을 구하는 구간, 즉 이동평균을 구하는 샘플 수는 60 포인트로 할 수 있다.
디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로, 이동평균 연산단계(S140)에서 구해진 각 동작신호들의 이동평균들을 디지탈 저역통과필터를 통과시킨다(S150). 여기서 디지탈 저역통과필터는 1Hz저역통과필터를 사용할 수 있다.
일반적으로 평상시에 사람의 움직임은 초당 약 2보(step)정도이며, 더구나 독거노인들의 경우 조심조심하여 걷는 특성이 있기에 더 느릴 수도 있기 때문에, 가속도 신호의 특징을 잘 나타내면서 불필요한 고주파수(2Hz) 이상의 노이즈 성분을 제거하고 신호를 부드럽게 만들어 주도록 하기 위하여, 여기서 저역통과 필터를 적용하였다.
동작구분(자세분류) 단계(S160)로, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호들로부터 각 동작(자세)을 구분하여 저장한다(S160). 즉, 동작 분석단계(S160)에서는 엎드리기, 돌아눕기, 바로눕기, 앉기, 뛰기, 계단 내려가기, 계단 올라가기, 서기, 걷기의 9가지 동작을 구분한다.
1일 운동상태 분석단계(S170)로, 동작구분 단계(S160)에서 9가지 동작 데이터로 구분되어 1일 동안 저장된 데이터로부터, 하루 중 각 자세별 활동(%), 시간대별 자세활동(%)을 분석한다.
도 5는 도 4의 동작구분(자세분류) 단계에서 9가지 동작 구분을 위한 흐름도이다.
엎드리기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된, X축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,X)이 -15보다 작고 X축 동작신호의 절대치의 이동평균(MX)가 10보다 크다면(S210), 현재동작은 "엎드리기"로 판정한다(S220). 여기서 X축 부 동작신호(Mlower ,X)의 이동평균의 엎드리기 기준치로 사용된 -15와, X축 동작신호의 절대치의 이동평균(MX)의 엎드리기 기준치로 사용된 10은 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mlower ,X<-15 and MX>10 일때, "엎드리기"로 판정한다. 여기서 Mlower,X는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 X축 부 동작신호의 이동평균이며, MX는 X축 동작신호의 절대치의 이동평균이다.
돌아눕기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)이 10보다 크고, Z축 동작신호의 절대치의 이동평균(Mz)이 15보다 크다면(S230), 현재동작은 "돌아눕기"로 판정한다(S240). 여기서 X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)의 돌아눕기 기준치로 사용된 10과, Z축 동작신호의 절대치의 이동평균(Mz)의 돌아눕기 기준치로 사용된 15는 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mupper ,x>10 and Mz>15 일때, "돌아눕기"로 판정한다. 여기서 Mupper ,x는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 X축 정 동작신호의 이동평균이며, Mz는 Z축 동작신호의 절대치의 이동평균이다.
바로눕기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)이 20보다 크고 X축 동작신호의 절대치의 이동평균(Mx)이 20보다 크다면(S250), 현재동작은 "바로눕기"로 판정한다(S260). 여기서 X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)의 바로눕기 기준치로 사용된 20과, X축 동작신호의 절대치의 이동평균(Mx)의 바로눕기 기준치로 사용된 20은 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mupper ,x>20 and Mx>20 일때, "바로눕기"로 판정한다. 여기서 Mupper ,x는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 X축 정 동작신호의 이동평균이며, Mx는 X축 동작신호의 절대치의 이동평균이다.
앉기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)이 2보다 크고 Y축 정 동작신호의 이동평균( Mupper ,y)이 1보다 작다면(S270), 현재동작은 "앉기"로 판정한다(S280). 여기서 X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)의 앉기 기준치로 사용된 2와, Y축 정 동작 신호의 이동평균( Mupper ,y)의 앉기 기준치로 사용된 1은 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mupper ,x>2 and Mupper ,Y<1 일때, "앉기"로 판정한다. 여기서 Mupper ,x는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 X축 정 동작신호의 이동평균이며, Mupper,Y는 Y축 정 동작신호의 이동평균이다.
뛰기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호를 수신하여, Y축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,Y)가 -5보다 작고 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)이 15보다 크다면(S290), 현재동작은 "뛰기"로 판정한다(S300). 여기서 Y축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,Y)의 뛰기 기준치로 사용된 -5와, Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)의 뛰기 기준치로 사용된 15는 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mlower ,Y<-5 and MY>15 일때, "뛰기"로 판정한다. 여기서 Mlower ,Y는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 Y축 부 동작신호의 이동평균이며, MY는 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균이다.
계단 내려가기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호를 수신하여, Y축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,Y)이 3보다 크고 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)이 4보다 크다면(S310), 현재동작은 "계단 내려가기"로 판정한다(S320). 여기서 Y축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,Y)의 계단 내려가기 기준치로 사용된 3과, Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)의 계단 내려가기 기준치로 사용된 4는 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mupper ,Y>3 and MY>4 일때 "계단 내려가기"로 판정한다. 여기서 Mupper,Y는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 Y축 정 동작신호의 이동평균이며, MY는 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균이다.
계단 올라가기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,X)이 1보다 작고 X축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,X)이 1.5보다 작다면(S330), 현재동작은 "계단 올라가기"로 판정한다(S340). 여기서 X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,X)의 계단 올라가기 기준치로 사용된 1과, X축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,X)의 계단 올라가기 기준치로 사용된 -1.5는 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mupper ,X<1 and Mlower ,X<-1.5 일때 "계단 올라가기"로 판정한다. 여기서 Mupper ,X는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 X축 정 동작신호의 이동평균이며, Mlower ,X는 X축 부 동작신호의 이동평균이다.
서기 구분단계는, 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)의 출력신호를 수신하여, Y축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,Y)이 1보다 작고 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)이 1보다 작다면(S350), 현재동작은 "서기"로 판정한다(S360). 여기서 Y축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,Y)의 서기 기준치로 사용된 1과, Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)의 서기 기준치로 사용된 1은 반복 실험에서 얻어진 수치이다.
다시말해, Mupper ,Y<1 and MY<1 일때, "서기"로 판정한다. 여기서 Mupper ,Y는 디지탈 저역통과필터링 단계(S150)로부터 출력된 Y축 정 동작신호의 이동평균이며, MY는 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균이다.
이들 모두가 아닌 경우에는 "걷기"로 판정한다(S380).
신호 분석부(800)에서 앉기, 서기, 바로 눕기, 돌아눕기, 엎드리기 등의 정적 자세와 뛰기, 걷기, 계단 오르기, 계단 내려가기 등의 동적 움직임을 구분하여 모니터 화면에 디스플레이한다.
도 6은 도 4의 1일 운동상태 분석단계의 흐름도이다. 즉, 도 6에서는 1일동안 신호가 측정되어, 이들 신호들이 동작구분 단계(S160)까지를 거쳐 9가지 동작으로 구분된 자세데이터가 1일동안의 분량만큼 신호분석부(800)의 메모리에 저장되어 있을때, 이로부터 하루 중 각 자세별 활동(%), 시간대별 자세활동(%)을 구한다.
데이터읽기단계(S410)로, 신호분석부(800)의 메모리로부터 1일 동안의 자세데이터를 읽어들인다(S410).
분석 종류의 선택단계(S420)로, 전체 분석을 할 것인지, 1일 자세별 분석을 할 것인지, 시간대별 자세 분석을 할 것인지를 선정한다(S420).
분석 종류의 선택단계(S420)에서 전체분석을 선택한 경우, 1일 데이터, 즉 24시간 데이터를 시간순서대로 출력한다(S430).
분석 종류의 선택단계(S420)에서 1일 자세별 분석을 선택한 경우, 1일 데이터에서 각움직임 전체시간, 즉, 엎드리기, 돌아눕기, 바로눕기, 앉기, 뛰기, 계단 내려가기, 계단 올라가기, 서기, 걷기의 각각에 대한 전체시간을 24로 나누어, 각움직임이 1일 동안 차지하는 비율을 계산한다(S440). 이는 수학식 7과 같다.
하루중 각움직임별 비율 = 움직임 전체시간/24
여기서 움직임 전체시간이란 하루동안에 그 움직임을 총합한 전체시간을 말한다.
1일 자세별 분석결과 출력단계로, 하루중 각 움직임별(자세별) 비율을 출력한다(S450). 하루중 각 움직임별 비율로부터 하루 활동 동안 각 움직임 동작을 한 비율을 알 수 있으며, 이로부터 하루의 활동 정도등을 알 수 있다.
분석 종류의 선택단계(S420)에서 시간대별 자세 분석을 선택한 경우, 각 시간대별 움직임의 전체분을 60으로 나누어, 각 움직임이 각 시간 동안 차지하는 비율을 계산한다(S460). 이는 수학식 8과 같다.
시간당 각움직임별 비율 = 움직임 전체분/60
여기서 움직임 전체분이란 한 시간동안에 하나의 움직임의 전체분을 말한다.
시간대별 자세분석결과 출력단계로, 각 시간동안 각 움직임별 비율을 출력한다(S470). 각 시간당 각 움직임별 비율로부터 하루중 각 시간대별로 각 움직임 동작을 한 비율을 알 수 있다. 이로부터 시간대별로 운동을 많이 하는 시간대 등을 알 수 있다.
본 발명에서는 먼저 동작(자세)을 분류한 결과를 신호분석부의 모니터 화면으로 사용자가 실시간 볼 수 있어, 현재의 동작 상태를 사용자에게 피드백한다. 그리고 1일 운동상태 분석은 저장된 자세분류 데이터를 바탕으로 의사나 운동 처방사가 과거의 데이터를 보고 현재와 비교해 보고자할 때 사용할 수 있다. 본 발명에서는 신호분석부의 메모리에 저장되는 데이터는 각 분류된 자세 결과가 데이터 획득 후 1초 마다 저장되며, 그 데이터를 읽어 들여 데이터를 분석하게 된다.
도 7은 도 4의 정부 데이터 분리단계의 출력신호로부터 구해진 이동평균 동작신호의 일예이다.
도 7은 1초 간격으로 데이터를 분석한 경우의 일예로, 가속도 신호를 60Hz의 샘플링 주파수로 데이터를 획득하였을 시, 1초마다 60개의 샘플 데이터가 존재한다.
도 7의 (a), (b) 와 (c)는 가속도 신호의 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호의 원(raw)데이터이며, 여기서는 피검자로 하여금 30초씩 서기-계단오르기-서기-계단내려가기-서기-뛰기-걷기-서기-앉기-서기-걷기-서기-바로눕기-돌아눕기-엎드리기-서기의 순서로 진행하도록 하였을 경우이다. 동작신호 수신단계(S110)에 수신된 가속도 3축 데이터, 즉 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호가 도 7의 (a), (b), (c)에 해당한다.
도 7의 (a), (b), (c)가 정부 데이터 분리단계(S120) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과가 도 7의 (d) 내지 (i) 이다. 도 7의 (d)와 (e)는 도 7의 (a)에 대한 정부 데이터 분리단계(S120) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과이며, 도 7의 (f)와 (g)는 도 7의 (b)에 대한 정부 데이터 분리단계(S120) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과이며, 도 7의 (h)와 (i)는 도 7의 (c)에 대한 정부 데이터 분리단계(S120) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과이다.
도 8은 도 4의 절대치 적용단계를 거친 신호들부터 구해진 이동평균 동작신호의 일예이다. 도 8은 정부 데이터 분리단계(S120)를 통과하지 않고 절대치 적용단계(S130)를 통과한 경우의 일예를 나타낸다.
도 8의 (a), (b) 와 (c)는 가속도 신호의 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호의 원(raw)데이터이며, 여기서는 피검자로 하여금 30초씩 서기-계단오르기-서기-계단내려가기-서기-뛰기-걷기-서기-앉기-서기-걷기-서기-바로눕기-돌아눕기-엎드리기-서기의 순서로 진행하도록 하였을 경우이다. 동작신호 수신단계(S110)에 수신된 가속도 3축 데이터, 즉 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호가 도 8의 (a), (b), (c)에 해당한다.
도 8의 (a), (b), (c)가 절대치 적용단계(S130) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과가 도 8의 (d) 내지 (f) 이다. 도 8의 (d)는 도 8의 (a)에 대한 절대치 적용단계(S130) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과이며, 도 8의 (e)는 도 8의 (b)에 대한 절대치 적용단계(S130) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과이며, 도 8의 (f)는 도 8의 (c)에 대한 절대치 적용단계(S130) 및 이동평균 연산단계(S140)를 거친 결과이다.
본 발명에서 기준치 등으로 사용한 수치는 하나의 실시예에 불과한 것으로 이로써 본발명을 한정하고자 한 것이 아님을 밝혀둔다.
본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 휴대용 신체활동 모니터링 장치는 3축 가속도 센서를 이용하여 사람의 동작에 따른 신체 활동을 실시간으로 모니터링하여 여러 가지 활동으로 구분할 수 있으며, 저가이고, 휴대가 간편하며, 사용하기 편리하며, 구체적으로 동작에 따른 신체활동을 구분할 수 있다. 또한, 본 발명은 소형의 3축 가속도 센서를 이용하며, 클립형으로 벨트나 바지허리에 끼우도록 되어 있으며, 무선으로 신호를 전송하여 PC에서 확인할 수 있도록 하여 무감독 상태의 모니터링이 가능하다.
본 발명은 앉기, 서기, 바로 눕기, 돌아눕기, 엎드리기 등의 정적 자세와 뛰기, 걷기, 계단 오르기, 계단 내려가기 등의 동적 움직임을 구분하여 모니터 화면으로 나타내어, 독거노인이나 장애인 또는 환자들에게 본 장치를 부착 후 인터넷망을 이용하여 보호자나 병원의 주치의에게 현재 상태를 전송하여 비상 시 신속한 응 급조치가 가능하다.
또한, 본 발명은 휘트니스 센터 등에서 운동 중인 일반인들에게 부착시켜 운동 처방사가 직접 관찰하지 않고 중앙 컴퓨터에서 관리 감독이 가능하다.
다시말해, 독거노인이나 장애인, 환자의 무감독 모니터링으로 중앙 컴퓨터로 데이터를 실시간으로 전송받아 다수의 대상을 동시에 모니터링하여 심장발작이나 간질 등으로 인한 낙상 등의 비정상적인 신체활동 발생 시 신속하게 응급조치가 가능하도록 하며, 또한 휘트니스 센터 등에서 운동 처방사가 운동하는 사람을 직접 관찰하지 않고 중앙 컴퓨터의 모니터 화면으로 다수의 운동인을 관찰하여 활동 상태 확인이 가능하도록 한다.

Claims (17)

  1. 신체에 장착되어 동작신호를 검출하여 무선 전송하는 휴대용 모니터링 장치와, 상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 신호로부터 동작을 분석하는 분석시스템으로 이루어진 휴대용 신체활동 모니터링 시스템에 있어서,
    상기 휴대용 모니터링 장치는
    X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 검출하는 3축 가속도센서부;
    3축 가속도센서부의 출력을 증폭하는 전치증폭기;
    20Hz의 저역통과필터로 이루어지며, 상기 3축 가속도센서부의 출력을 필터링하는 필터부;
    상기 필터부의 출력신호를 디지탈신호로 변환하는 A/D변환기;
    상기 A/D변환기의 출력신호를 무선 송신하는 송신부;를 포함하며,
    상기 휴대용 모니터링 장치는 클립형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템.
  2. 클립형으로 이루어지며, 3축 가속도센서를 구비하여 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 검출하여 무선 전송하는 휴대용 모니터링 장치, 상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 신호로부터 동작을 분석하는 분석시스템으로 이루어지며,
    상기 분석시스템은
    상기 휴대용 모니터링 장치로부터 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 무선 수신하는 수신부;
    상기 수신부로부터의 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 0을 기준으로 정부(正否, +와-)로 데이터 분리하여 x축 정(正, +) 동작신호, x축 부(否, -) 동작신호, y축 정 동작신호, y축 부 동작신호, z축 정 동작신호, z축 부 동작신호를 구하여 x축 정 동작신호, x축 부 동작신호, y축 정 동작신호, y축 부 동작신호, z축 정 동작신호, z축 부 동작신호의 이동평균을 구하며, 상기 수신부로부터의 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호 들의 절대치들의 이동평균을 구하여, 동작(자세)을 판정하는 신호분석부;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    분석시스템은 분석하여 얻어진 데이터를 인터넷망을 통해 보호자 또는 주치의의 컴퓨터로 전송되는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템.
  4. 3축 가속도센서로부터 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 검출하여 무선 전송하는 휴대용 모니터링 장치, 상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호로부터 동작을 분석하는 분석시스템을 구비하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법에 있어서,
    상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호를 0을 기준으로 정부(正否, +와-)의 데이터 분리하여, x축 정(正, +) 동작신호, x축 부(否, -) 동작신호, y축 정 동작신호, y축 부 동작신호, z축 정 동작신호, z축 부 동작신호를 구하는 정부 데이터 분리단계;
    상기 휴대용 모니터링 장치로부터 수신된 X축 동작신호, Y축 동작신호, Z축 동작신호들의 절대치를 취하여, X축 동작신호의 절대치, Y축 동작신호의 절대치, Z축 동작 신호의 절대치를 구하는 절대치 적용단계;
    상기 정부 데이터 분리단계에서 출력된 X축 정 동작신호, X축 부 동작신호, Y축 정 동작신호, Y축 부 동작신호, Z축 정 동작신호, Z축 부 동작신호들의 각각 이동평균을 구하며, 또한 상기 절대치 적용단계에서 수신된 X축 동작신호의 절대치, Y축 동작신호의 절대치, Z축 동작 신호의 절대치의 각각 이동평균을 구하는 이동평균 연산단계;
    상기 이동평균 연산단계에서 구해진 각 동작신호들의 이동평균들을 디지탈 저역통과 필터를 통과시키는 디지탈 저역통과 필터링단계;
    상기 디지탈 저역통과 필터링단계의 출력신호들로부터 각 동작(자세)을 구분하여 저장하는 동작구분 단계;
    상기 동작구분 단계에서 9가지 동작 데이터로 구분되어 1일 동안 저장된 데이터로부터 1일 운동상태를 분석하는 1일 운동상태 분석단계;
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서 구분하는 동작은
    엎드리기, 돌아눕기, 바로눕기, 앉기, 뛰기, 계단 내려가기, 계단 올라가기, 서기, 걷기의 9가지 동작인 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  6. 제4항에 있어서
    상기 디지탈 저역통과필터는 1Hz저역통과필터인 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  7. 제4항에 있어서,
    1일 운동상태 분석단계는
    하루중 각움직임별 비율, 시간당 각움직임별 비율을 분석하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  8. 제7항에 있어서,
    하루중 각움직임별 비율은
    하루중 각움직임별 비율 = 움직임 전체시간/24
    (여기서 움직임 전체시간이란 하루동안에 그 움직임을 총합한 전체시간을 말함.)
    에 의하여 구하여지는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템 의 활동 동작 신호분석방법.
  9. 제7항에 있어서,
    시간당 각움직임별 비율은
    시간당 각움직임별 비율 = 움직임 전체분/60
    (여기서 움직임 전체분이란 한 시간동안에 하나의 움직임의 전체분을 말함.)
    에 의하여 구하여지는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계로부터 출력된, X축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,X)이 -15보다 작고, X축 동작신호의 절대치의 이동평균(MX)가 10보다 크다면, 그 동작은 "엎드리기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호 의 이동평균(Mupper ,x)이 10보다 크고, Z축 동작신호의 절대치의 이동평균(Mz)이 15보다 크다면, 그 동작은 "돌아눕기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  12. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)이 20보다 크고 X축 동작신호의 절대치의 이동평균(Mx)이 20보다 크다면, 그 동작은 "바로눕기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  13. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,x)이 2보다 크고 Y축 정 동작신호의 이동평균( Mupper ,y)이 1보다 작다면(S270), 그 동작은 "앉기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  14. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계의 출력신호를 수신하여, Y축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,Y)가 -5보다 작고 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)이 15보다 크다면, 그 동작은 "뛰기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  15. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계의 출력신호를 수신하여, Y축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,Y)이 3보다 크고 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)이 4보다 크다면, 그 동작은 "계단 내려가기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  16. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계의 출력신호를 수신하여, X축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,X)이 1보다 작고 X축 부 동작신호의 이동평균(Mlower ,X)이 1.5보다 작다면, 그 동작은 "계단 올라가기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
  17. 제4항에 있어서,
    상기 동작구분 단계에서
    상기 디지탈 저역통과필터링 단계의 출력신호를 수신하여, Y축 정 동작신호의 이동평균(Mupper ,Y)이 1보다 작고 Y축 동작신호의 절대치의 이동평균(MY)이 1보다 작다면, 그 동작은 "서기"로 판정하는 것을 특징으로 하는 휴대용 신체활동 모니터링 시스템의 활동 동작 신호분석방법.
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