KR20100022706A

KR20100022706A - 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치 및방법

Info

Publication number: KR20100022706A
Application number: KR1020080081353A
Authority: KR
Inventors: 박광석; 신재혁; 지영준
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2008-08-20
Filing date: 2008-08-20
Publication date: 2010-03-03
Also published as: KR101027741B1

Abstract

에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치 및 방법이 개시된다. 상기 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치는, 누운 상태의 피측정자의 저면에 배치되며, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 에어 매트리스; 상기 에어 매트리스의 압력 변화를 감지하는 센서부; 상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출하는 신호 처리부; 를 포함하여 구성되며, 이러한 본 발명의 실시예에 따르면 에어 매트리스를 이용하여 피측정자의 신체 변화로 인한 상기 에어 매트리스 내의 압력 변화를 미세하게 측정함으로써 피측정자를 구속함이 없이 피측정자의 수면 상태를 실시간으로 측정하고, 상기 측정 결과를 정량적 지표로 제공할 수 있다.

Description

에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치 및 방법{Apparatus and method for non-constrained analysis of sleeping status using air-mattress}

본 발명은 수면 상태 분석 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에어 매트리스 형태의 침대를 이용하여 피측정자의 신체를 구속하지 않은 상태에서 상기 피측정자의 수면 중 생리 변화 및 수면 상태를 분석하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

주어진 시간 내에 숙면을 취할 수 있는 수면방법을 찾거나 가장 편안하고 쾌적하게 잠을 잘 수 있는 수면환경을 개선하기 위해 수면 중 발생하는 인간의 신체나 정신적인 변화를 측정, 판단할 수 있는 여러 방법들이 요구되고 있다. 현재 국제적으로 널리 이용되고 있는 수면의 단계는 A. Rechtschaffen과 A. Kales에 의해 표준화 되었는데, 수면 1단계부터 4단계까지와 얕은 잠인 렘(REM, rapid eye movement) 수면 및 깊은 잠인 논렘(non-REM) 수면으로 분류되어 있으며, 이러한 수면상태를 판정하는 방법으로는 심전도, 뇌파, 호흡, 근전도, 안구운동, 몸 뒤척임 등을 검출하여 검출파형으로부터 수면심도를 추정하는 방법이 잘 알려져 있다.

특히, 이러한 생체 신호의 분석에 의한 수면심도의 분류뿐만 아니라 코골이도 수면을 방해하는 생활 습관 병으로 분류되고 있는데, 역학조사에 의하면 코골이는 단순한 수면 방해뿐 아니라 수면무호흡증으로 발전할 가능성이 높고 심혈관계, 뇌혈관관련 질환, 고혈압, 당뇨병 등의 원인이 되며, 비만인구의 증가로 코골이 환자는 계속적으로 증가 추세에 있다.

그러나, 현재 수면 상태의 판단을 위한 방법에 있어서는 상기 언급한 생체신호들을 검출하기 위하여 다수의 센서들을 직접피부에 부착하여야 하며 각 센서마다 계측기 본체와 연결된 선에 의해 수면시간 동안 구속상태에 있어야만 한다는 단점이 있다.

또한, 수면 상태의 분석을 위해서는 많은 채널의 생체 정보를 필요로 하기 때문에 효율적이고 경제적인 수면분석을 위해서는 수면생리신호의 기록과 분석방법에 있어 피측정자에게 신체적 부담을 주지 않으면서도 정확한 결과를 얻을 수 있는 방법이 요구되고 있다.

본 발명의 목적은 피측정자의 신체를 구속하지 않은 상태에서 상기 피측정자의 수면 중 생리 변화 및 수면 상태를 정확하게 분석하기 위한 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 누운 상태의 피측정자의 저면에 배치되며, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 에어 매트리스; 상기 에어 매트리스의 압력 변화를 감지하는 센서부; 상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출하는 신호 처리부; 를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치가 제공된다.

이때, 상기 신호 처리부로부터 산출된 상기 피측정자의 신체 상태를 표시하는 표시부를 더 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 에어 매트리스는 하나 이상의 신체 상태 측정 유닛을 포함하며, 상기 신체 상태 측정 유닛은, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 2개의 측정용 에어셀; 상기 각 측정용 에어셀 내부의 압력을 상기 센서부로 전달하는 센싱 튜브; 상기 2개의 측정용 에어셀을 서로 연결하며, 상기 2개의 측정용 에어셀 간에 이동되는 공기량을 조절하는 밸런싱 튜브; 를 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상기 밸런싱 튜브는, 상기 튜브 내를 이동하는 공기량을 조절하기 위한 밸브를 포함하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 에어 매트리스는 상기 측정용 에어셀이 배치되지 않은 부분에 배치되어 상기 피측정자를 지지하는 지지용 에어셀을 더 포함할 수 있다.

그리고 상기 센서부는, 상기 센싱 튜브로부터 전달된 상기 각 측정용 에어셀 내부의 압력으로부터 각 측정 유닛을 구성하는 2개의 측정용 에어셀의 압력 차를 측정하는 압력 센서; 상기 압력 센서에서 측정된 압력 신호를 증폭하는 신호 증폭기; 상기 신호 증폭기에서 증폭된 신호를 필터링하는 저역 통과 필터; 상기 저역 통과 필터에서 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터; 를 포함하여 구성될 수 있다.

그리고 상기 신호 처리부는, 상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터, 상기 피측정자의 호흡률, 심박률, 움직임 정도, 코골이 시간 중 하나 이상의 신체 상태 정보를 산출하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 누운 상태의 피측정자의 저면에 배치된 에어 매트리스를 이용한 수면 상태 분석 방법으로서, (a) 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따른 상기 에어 매트리스의 내부의 압력 변화를 감지하는 단계; (b) 상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출하는 단계; 를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 방법이 제공된다.

이때 상기 (b) 단계의 수행 후, (c) 산출된 상기 피측정자의 신체 상태를 디스플레이하는 단계를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 에어 매트리스는, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 2개의 측정용 에어셀을 포함하여 구성되는 하나 이상의 신체 상태 측정 유닛을 포함하며, 상기 (a) 단계는, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따른 상기 2개의 측정용 에어셀의 압력 차를 측정하도록 구성될 수 있다.

또한 상기 (b) 단계는, 상기 (a) 단계에서 측정된 압력 신호를 증폭하는 신호 증폭 단계; 상기 신호 증폭 단계에서 증폭된 신호를 필터링하는 필터링 단계; 상기 필터링 단계에서 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환 단계; 상기 A/D 변환 단계에서 디지털 변환된 신호로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출하는 신호 처리단계; 를 포함하여 구성될 수 있다.

이때 상기 신호 처리 단계는, 상기 피측정자의 호흡률, 심박률, 움직임 정도, 코골이 시간 중 하나 이상의 신체 상태 정보를 산출하는 것이 바람직하며, 구체적으로 상기 신호 처리 단계는, 상기 피측정자의 기관지 및 상부기도에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 제1 측정 신호, 상기 피측정자의 흉부 및 복부에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 제2 측정 신호 및 상기 피측정자의 허벅지 및 하지 밑단에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 제3 측정 신호를 입력받는 단계; 상기 제2 측정 신호를 필터링하여 심박 신호와 호흡 신호로 분리하는 단계; 상기 제2 측정 신호 및 제3 측정 신호로부터 상기 피측정자의 움직임을 검출하는 단계; 상기 움직임 검출 결과 상기 제2 측정 신호 및 제3 측정 신호 모두에서 움직임이 검출되 지 않은 경우 상기 제1 측정 신호로부터 분당 코골이 발생 횟수를 검출하고, 상기 심박 신호로부터 분당 심박수를 산출하며, 상기 호흡 신호로부터 분당 호흡률을 산출하는 단계; 상기 움직임 검출 결과 상기 제2 측정 신호 및 제3 측정 신호 모두에서 움직임이 검출된 경우, 뒤척임이 발생한 것으로 판단하고 뒤척임 횟수를 업데이트하는 단계; 상기 움직임 검출 결과 상기 제3 측정 신호에서만 움직임이 발생한 경우 PLM이 발생한 것으로 판단하고 PLM 횟수를 업데이트하는 단계; 를 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 효과는 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 에어 매트리스를 이용하여 피측정자의 신체 변화로 인한 상기 에어 매트리스 내의 압력 변화를 미세하게 측정함으로써 피측정자를 구속함이 없이 피측정자의 수면 상태를 실시간으로 측정하고, 상기 측정 결과를 정량적 지표로 제공할 수 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한 다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "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.

이하, 본 발명에 따른 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치 및 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치의 블럭도이다.

도시된 바와 같이, 상기 수면 상태 분석 장치는, 에어 매트리스(100), 센서 부(200), 신호 처리부(300), 및 표시부(400)를 포함하여 구성된다.

상기 에어 매트리스는 누운 상태의 피측정자의 저면에 배치되며, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하도록 구성된다.

상기 센서부(200)는 상기 에어 매트리스의 압력 변화를 감지하며, 상기 신호 처리부(300)는 상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출한다.

그리고 상기 표시부(400)는, 상기 신호 처리부로부터 산출된 상기 피측정자의 신체 상태를 표시한다.

상기 매트리스의 구성을 구체적으로 설명하면, 상기 에어 매트리스는 복수 개의 에어셀(110a~110j), 센싱 튜브(120), 및 밸런싱 튜브(130)를 포함하여 구성된다.

상기 에어셀(110a~110j)은 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 부분이다. 상기 에어셀들은 두 종류로 나뉠 수 있는데, 첫째는 두 개의 에어셀이 한 쌍으로 구성되어 있는 측정용 에어셀이며, 둘째는 상기 측정용 에어셀 위·아래 혹은 사이에서 피험자의 몸을 지지해주는 지지용 에어셀이다. 상기 도면에서 도면번호 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100h은 측정용 에어셀이며 각각 100b와 100c, 100d와 100e, 100f와 100h가 한 쌍을 이룬다. 나머지 에어셀들(100a, 100g, 100i, 100j)은 지지용 에어셀이다.

상기 측정용 에어셀 중 도면번호 100b, 100c는 피측정자의 기관지 및 상부 기도와 닿아 상기 기관들에서 발생하는 기계적인 움직임과 미세한 진동을 감지하여 코골이 신호를 감지할 수 있으며, 100d, 100e는 피측정자의 흉부 및 복부와 닿아 상기 기관들에서 발생하는 기계적 움직임과 미세한 진동을 감지함으로써 피측정자의 호흡 및 심장박동을 감지할 수 있고, 100f, 100h는 피측정자의 허벅지와 하지 말단과 닿아 수면시 발생될 수 있는 주기성 사지 운동 (periodic limb movements, PLM) 을 감지할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 하나의 매트리스(200)에 10개의 에어셀들이 배치되며 이들 중 세 쌍을 측정용 에어셀로 구성하였으나, 이는 하나의 예시일 뿐 발명의 실시에 있어 필요한 개수 만큼 에어셀을 구성할 수 있으며, 각 에어셀의 직경과 두께에 따라 에어셀의 개수와 위치에도 변화가 있을 수 있다. 그리고 상기 측정용 에어셀 또한 필요한 만큼 추가하거나 또는 필요치 않은 에어셀들을 삭제하여 구성할 수 있다. 예를 들어 피측정자의 코골이만을 측정하기 위한 경우라면 100b, 100c 에어셀만을 측정용 에어셀로 구성하고 나머지는 지지용 에어셀로 구성할 수도 있을 것이다.

한편, 상기 센싱 튜브(120)는 상기 각 측정용 에어셀 내부의 압력을 상기 센서부(200)로 전달하며, 상기 밸런싱 튜브(130)는 상기 한 쌍의 측정용 에어셀을 서로 연결하고, 상기 한 쌍의 측정용 에어셀 간에 이동되는 공기량을 조절한다.

상기 측정용 에어셀은 각각 센싱 튜브(120)를 통해 고감도 차동 압력 센서(210)로 연결되어 피측정자의 생리 현상에 의한 미세한 공기압의 변화라도 감지함으로써 코골이, 심장박동 등의 신체의 매우 작은 떨림이나 진동까지 측정할 수 있다.

하지만 호흡이나 움직임과 같은 큰 압력 변화에 대해서는 상기 압력 센서(210)의 신호가 포화되어 버리는데, 이를 보상하기 위해 두 에어셀을 연결하는 밸런싱 튜브(130)를 설치하여 두 에어셀 중 한쪽의 공기 압력이 크게 변한다 하더라도 서서히 다른 쪽 에어셀로 그 공기압이 분포되어 결국에는 압력 분포가 균등하게 된다.

이때 상기 밸런싱 튜브(130)의 밸브를 조작하여 밸런싱 튜브(130)를 통해 이동되는 공기 양을 조절할 수 있는데, 이동되는 공기 양이 많을수록 두 에어셀 간의 공기압은 더 빠르게 균형상태로 복귀되고 순간적인 공기압 변화에 빠르게 적응하여 다시 안정된 신호를 측정할 수 있게 된다. 그러나 밸런싱 튜브(130)를 이동하는 공기량이 너무 많게 되면 결국 두 에어셀이 하나의 균일한 에어셀이 되어 버리므로 두 에어셀에서의 압력차는 0이 되고, 피측정자의 생체 신호를 제대로 반영할 수 없게 된다. 따라서 피측정자의 생체 신호를 잘 측정할 수 있고 움직임이나 호흡과 같은 상대적으로 큰 압력변화에도 신호를 측정해줄 수 있기 위해선 밸런싱 튜브(130)를 피측정자에 맞게 적절히 조절해 주어야 한다.

상기 실시예에서 한 쌍의 측정용 에어셀, 상기 에어셀을 연결하는 밸런싱 튜브(130), 및 상기 각 에어셀로부터 연결된 센싱 튜브(120)는 하나의 신체 상태 측정 유닛을 구성하며, 본 발명의 매트리스는 상기 신체 상태 측정 유닛을 하나 이상 포함한 형태로 구성된다.

도 2는 본 발명에 따른 밸런싱 튜브와 압력 센서를 이용하여 에어셀에서 측정되는 압력 모델이다.

상기 도면에서 110x, 110y는 신체 상태 측정 유닛을 구성하는 임의의 2개의 측정용 에어셀(이하 에어셀1, 에어셀2라 칭함)을, 130은 밸런싱 튜브를, 210은 압력 센서를 각각 나타낸다. 또한 P는 에어셀1(110x)과 에어셀2(110y)이 압력 평형 상태에 있을 때의 압력, P_i1, P_i2는 피측정자가 상기 에어셀1(110x) 및 에어셀2(110y)에 각각 가하는 압력, P_i는 P_i1과 P_i2의 압력차, R은 밸런싱 튜브(130)의 공기에 대한 저항, C는 밸런싱 튜브(130) 내의 공기량, P_c1, P_c2는 상기 P_i1, P_i2에 상기 R, C 값이 적용된 후의 에어셀1(110x) 및 에어셀2(110y)의 압력, P_cd는 상기 P_c1과 P_c2의 압력차, q₁, q₂는 각 에어셀에서 압력 센서(210)로의 공기 이동량, q₃는 에어셀1(110x)과 에어셀2(110y)간의 압력차로 인한 공기 이동량, P_o1, P_o2는 상기 압력 센서에 걸리는 압력, P_o는 상기 P_o1, P_o2의 압력차이다.

피측정자의 몸이 에어셀1(110x), 에어셀2(110y) 위에 놓이게 되면 그 압력이 P_i1 과 P_i2 로 에어셀들을 누르게 되고 이 때 심박과 호흡등과 같은 움직임에 의해 압력 P_i1 과 P_i2 가 균일하게 유지되지 않으면 그 압력차인 P_i 가 각 셀에 주어지게 된다. 이러한 차이에 의해 두 셀에는 P_i1 과 P_i2 가 걸리지만 두 셀을 잇는 밸런싱 튜브(130)에 의해 실제로 각 셀에 걸리게 되는 압력은 밸런싱 튜브(130)의 공기 에 대한 저항(R) 과 공기 축적량(C) 가 적용된 P_c1 과 P_c2 라고 할 수 있다. 이 때 밸런싱 튜브(130)는 두 셀에서의 공기이동 q₃를 매개시켜줌으로써 한쪽 셀에서의 순간적인 압력 변화를 서서히 줄여주어 결국 두 셀의 압력차인 P_cd를 P로 적응시켜주는 역할을 한다. 결과적으로 압력 센서에 걸리는 두 압력은 각각 P_o1 과 P_o2로 출력된 신호는 이 두 신호의 압력 차인 P_o로 나타나게 된다.

다음으로 상기 센서부(200)의 상세 구성을 설명한다.

상기 센서부(200)는 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 압력 센서(210), 신호 증폭기(220), 저역 통과 필터(230) 및 A/D 컨버터(240)를 포함하여 구성된다.

상기 압력 센서(210)는 고감도 차동 압력 센서로서, 상기 센싱 튜브(120)로부터 전달된 한 쌍의 측정용 에어셀의 압력 차를 측정한다. 본 실시예에서는 매트리스(100)에 세 쌍의 측정용 에어셀이 구비되므로, 상기 압력 센서(210) 또한 3개가 구비되어야 한다.

상기 신호 증폭기(220)는 상기 압력 센서(130)에서 측정된 압력 신호를 증폭한다.

상기 압력 센서(210)에서 측정된 신호를 증폭하는 회로와 오프셋 및 증폭도 조절 회로를 도 3에 나타내었다. 도시된 바와 같이, 회로의 가변저항과 스위치를 이용하여 상기 신호의 오프셋과 증폭도를 조절할 수 있다.

다음으로, 상기 저역 통과 필터(230)는 상기 신호 증폭기에서 증폭된 신호를 저역 통과 필터링한다.

상기 저역 통과 필터(230)의 컷오프 주파수(cutoff frequency)는 원하는 대역의 신호에 따라 다르게 설정된다. 머리 부위에 위치한 에어셀에서 얻은 신호의 저역 통과 필터(230)는 주로 코골이 신호를 감지하므로 코골이 신호의 주파수 대역인 50~100Hz 의 신호를 얻기 위해 100Hz에서 컷오프 주파수를 가지며, 흉부와 복부에 위치한 에어셀의 저역 통과 필터(230)는 심장박동과 호흡신호를 필터링하기 위해 0~35Hz 의 통과대역을 가진다. 마지막으로 허벅지와 하지 부위에 위치한 저역 통과 필터(230)는 체동 및 PLM 을 측정하기 위해 0~10Hz 의 통과대역을 가진다. 도 4는 상기 증폭을 거친 신호를 필터링하기 위한 저역통과필터를 나타낸 도면이다.

마지막으로 상기 저역 통과 필터(230)에서 필터링된 신호는 도 5에 도시된 것과 같은 A/D 컨버터(240)를 통하여 디지털 신호로 변환된다. 이때 샘플링 레이트는 측정된 신호들 중 가장 신호 대역폭이 큰 코골이 신호(50~100Hz)를 하산선으로 하여 250Hz 이다.

상기 센서부(200)를 통하여 최종적으로 디지털화된 신호는 도 6에 도시된 회로와 같은 신호 처리부(300)를 이용하여 신호처리 하게 된다.

상기 신호 처리부에 의한 신호처리 과정은 도 7에 도시된 바와 같다.

맨 먼저 디지털화된 세 종류의 신호를 센싱한다(S701). 이하의 설명을 위하여,상기 단계에서 센싱된 세 종류의 신호를 각각 제1 측정 신호(상기 피측정자의 기관지 및 상부기도에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 신호), 제2 측정 신호(상기 피측정자의 흉부 및 복부에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 신호), 및 제3 측정 신호(상기 피측정자의 허벅지 및 하지 밑단에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 신호)라 한다.

다음으로, 상기 신호 중 흉부와 복부에서 측정된 제2 측정 신호를 다시 디지털 필터링하여 심박(Ballistocardiogram) 신호와 호흡 신호로 분리 검출한다(S702).

압력 센서(210)에서 측정된 수면 중 생체 신호에는 도 8의 상단 그래프와 같이 심장이 뛸 때 발생하는 심박 성분과 호흡시 횡경막과 흉강의 움직임에 의해 발생하는 호흡 신호가 동시에 존재한다. 이때 심박 신호의 주파수는 5~25Hz 사이에서 발생하고 호흡 신호의 주파수는 0.1~1.5Hz 사이에서 발생하므로 두 신호의 주파수 특성의 차이를 이용하여 1.5Hz에서 cutoff 주파수를 갖는 low pass filter를 이용하여 호흡 신호를 분리하고(도 8의 하단 그래프), 5~25Hz 의 pass 밴드를 갖는 band pass filter를 이용하여 심박 신호를 추출하게 된다(도 8의 중단 그래프).

다음으로, 제2 측정 신호 및 제3 측정 신호를 이용하여 움직임을 검출한다(S703).

이때, 두 신호 모두에서 움직임이 검출되면 뒤척임으로 판단하고 수면 중 뒤척임 횟수를 증가시키며, 만약 둔부와 하지에서 검출된 제3 측정 신호에서만 움직임이 검출되면 PLM으로 판단하고 PLM 횟수를 업데이트하게 된다(S704).

상기 움직임 신호는 세 쌍의 에어셀 모두에서 측정이 가능한데, 피측정자의 뒤척임 등이 있을 경우의 에어셀의 공기압의 변화는 코콜이나 심작박동 혹은 호흡 등과 같은 생체 신호들보다 더 크고 급작스런 압력 변화를 가져오게 되므로, 신호가 일순간 포화된다. 이러한 움직임 신호를 이용하여 하룻밤 수면 중 피측정자의 뒤척임이나 사지 떨림 등과 같은 수면을 방해하는 움직임이 얼마나 발생했는지를 검출함으로써 총 침대에 누운 시간 중 실제 수면을 취한 시간과 깨어 있는 시간 등을 정량적으로 평가할 수 있는 지표를 제공해줄 수 있다.

한편, 만약 상기 S703 단계에서의 움직임 검출 결과 만약 아무 움직임이 없다면, 상기 제1 측정 신호를 이용하여 1분 동안의 코골이가 몇 번 발생하였는지(코골이 지수)를 검출하게 되고, 마찬가지로 1분 동안의 호흡 신호와 심박 신호를 이용하여 분당 평균 호흡율과 평균 심박수를 각각 계산한다(S705).

상기 코골이 신호는 상술한 바와 같이 제1 측정 신호에 의해 측정이 가능하며, 피측정자가 코를 골 때 발생하는 기관지와 상부기도에서의 떨림이 에어셀을 자극하여 측정되는 원리이다. 이러한 코골이 신호는 수면 질환을 평가할 때 상당히 중요한 요소로서 무호흡 수면 장애의 대부분이 코골이에 의해 발생된다고 할 수 있다. 따라서 이러한 코골이 신호를 검출함으로써 코골이로 인한 피측정자의 수면 장애가 얼마나 심각한지를 정량화 할 수 있는 객관적인 지표를 제공할 수 있다.

상기와 같이 움직임이 없는 경우에만 심박 신호, 호흡 신호, 코골이 신호를 검출하는 이유는 전술한 바와 같이 움직임이 발생할 시에는 센서의 특성상 신호가 순간적으로 포화(saturation)되어 버리기 때문이며, 이 때는 수면 중 움직임이 발생한 구간으로 보아 심박, 호흡 및 코골이 신호를 측정하는 대신 수면 중 각성 구간으로 판단하게 된다.

상기와 같이 S704 또는 S705 단계에서 측정된 PLM, 움직임 신호, 분당 심박수, 분당 호흡률, 코골이 지수는 실시간으로 표시부로 디스플레이 되거나 출력되며(S706), 상기 출력된 결과는 도 9와 같이 피측정자나 그 외 보호자 및 의료진에서 열람하여 볼 수 있고, 유무선 통신을 이용하여 컴퓨터에 전송하여 저장하고 이를 피측정자가 아침에 일어나서 한주간의 자신의 수면 상태 변화를 도 10과 같은 보고서를 통해 확인해 볼 수 있다.

건강한 성인의 경우 하룻밤에 평균 20~30회를 의식적으로 혹은 무의식적으로 뒤척이며 수면을 취하는데, 이러한 뒤척임은 수면 중 혈액순환을 촉진시키고, 체온을 조절하며, 체압을 고루 분산시키는 등 사람의 숙면에 중요한 역할을 하지만 측정 센서의 입장에서는 좋은 것만은 아니다. 즉, 뒤척임 등과 같은 수면 시 움직임에 의해 피측정자는 원래 잠이 들었던 자세나 위치에서 벗어나 다른 자세나 혹은 다른 위치에서 잠을 자게 될 수 있고, 이는 센서가 심박 또는 호흡 등과 같은 대상 신호를 제대로 측정하지 못하거나 경우에 따라 센서에서 신호가 아예 측정되지 않을 수 있다.

본 특허의 에어 매트리스를 이용한 수면 분석 시스템은 이러한 움직임에 의해 센서에서의 양질의 신호를 얻지 못하는 현상을 보완해주기 위해 세 쌍의 에어 매트리스를 이용함으로써 피측정자의 머리부터 하지 부위까지 포괄된 범위에서 측정이 가능하다.

특히 수면의 질을 판단하는데 있어서 심박신호와 호흡신호가 큰 역할을 하는 바, 만약 피측정자의 심장과 흉강의 위치가 뒤척임에 의하여 상단부 에어셀에 위치하게 될 경우, 상단부 에어셀에서 측정되는 신호를 컨트롤러에서 디지털 필터링하여 심박 신호나 호흡 신호를 보완해줄 수 있다.

한편, 수면질환 중 주기적 사지 운동증(periodic limb movements, PLM) 은 수면 중 20~40초 간격으로, 매회 0.5~5초간 지속적으로 다리의 경련성 수축이 일어나는 것이 특징이다. 이는 숙면을 방해하고 심하면 일상생활 중에도 다리에 불편함을 느끼는 하지 불안 증후군으로 발전할 수 있으므로 조기에 발견하여 치료하는 것이 중요하다.

이를 위해 본 특허에서는 상단부와 중단부에서는 움직임이 검출되지 않았지만, 하단부 에어셀에서만 움직임이 발생되었는지를 검출하여 이를 하지에서의 근육의 수축 움직임으로 판단하여 그 지속성과 주기성을 고려하여 주기적 사지 운동증을 평가할 수 있으며, 따라서 본 발명을 이용하면 피측정자가 다리 부분에 별도의 전극을 설치해야하는 번거로움과 불편함 없이 PLM의 측정이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기 술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.

도 1은 본 발명에 따른 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치의 블럭도이다.

도 3은 본 발명에 따른 신호 증폭기를 나타낸 회로도이다.

도 4는 본 발명에 따른 저역 통과 필터를 나타낸 회로도이다.

도 5는 본 발명에 따른 A/D 컨버터를 나타낸 회로도이다.

도 6은 본 발명에 따른 신호 처리부를 나타낸 회로도이다.

도 7은 본 발명에 따른 신호 처리부에서의 신호처리 과정을 나타낸 순서도이다.

도 8은 본 발명에 따른 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치를 통하여 측정된 심박 신호와 호흡 신호의 혼합 신호 및 심박 신호, 호흡 신호를 나타낸 그래프이다.

도 9는 본 발명에 따른 표시부에서 피측정자의 수면 상태를 표시한 상태를 나타낸 예시도이다.

도 10은 본 발명에 따른 수면 상태 보고서를 나타낸 예시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 에어 매트리스 110a~110j : 에어셀

120 : 센싱 튜브 130 : 밸런싱 튜브

200 : 센서부 210 : 압력 센서

220 : 신호 증폭기 230 : 저역통과필터

240 : A/D 컨버터 300 : 신호 처리부

400 : 표시부

Claims

누운 상태의 피측정자의 저면에 배치되며, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 에어 매트리스;

상기 에어 매트리스의 압력 변화를 감지하는 센서부;

상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출하는 신호 처리부;

를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 신호 처리부로부터 산출된 상기 피측정자의 신체 상태를 표시하는 표시부를 더 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 에어 매트리스는 하나 이상의 신체 상태 측정 유닛을 포함하며,

상기 신체 상태 측정 유닛은,

상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 2개의 측정용 에어셀;

상기 각 측정용 에어셀 내부의 압력을 상기 센서부로 전달하는 센싱 튜브;

상기 2개의 측정용 에어셀을 서로 연결하며, 상기 2개의 측정용 에어셀 간에 이동되는 공기량을 조절하는 밸런싱 튜브;

를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치.
제3항에 있어서,

상기 밸런싱 튜브는, 상기 튜브 내를 이동하는 공기량을 조절하기 위한 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치.
제3항에 있어서,

상기 에어 매트리스는,

상기 측정용 에어셀이 배치되지 않은 부분에 배치되어 상기 피측정자를 지지하는 지지용 에어셀을 더 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치.
제3항에 있어서,

상기 센서부는,

상기 센싱 튜브로부터 전달된 상기 각 측정용 에어셀 내부의 압력으로부터 각 측정 유닛을 구성하는 2개의 측정용 에어셀의 압력 차를 측정하는 압력 센서;

상기 압력 센서에서 측정된 압력 신호를 증폭하는 신호 증폭기;

상기 신호 증폭기에서 증폭된 신호를 필터링하는 저역 통과 필터;

상기 저역 통과 필터에서 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 컨버터;

를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치.
제1항에 있어서,

상기 신호 처리부는,

상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터, 상기 피측정자의 호흡률, 심박률, 움직임 정도, 코골이 시간 중 하나 이상의 신체 상태 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 장치.
누운 상태의 피측정자의 저면에 배치된 에어 매트리스를 이용한 수면 상태 분석 방법으로서,

(a) 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따른 상기 에어 매트리스의 내부의 압력 변화를 감지하는 단계;

(b) 상기 센서부에서 감지된 상기 에어 매트리스의 압력 변화로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출하는 단계;

를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 방법.
제8항에 있어서,

상기 (b) 단계의 수행 후,

(c) 산출된 상기 피측정자의 신체 상태를 디스플레이하는 단계를 더 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 방법.
제8항에 있어서,

상기 에어 매트리스는,

상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따라 내부의 압력이 변화하는 2개의 측정용 에어셀을 포함하여 구성되는 하나 이상의 신체 상태 측정 유닛을 포함하며,

상기 (a) 단계는, 상기 피측정자의 신체 상태의 변화에 따른 상기 2개의 측정용 에어셀의 압력 차를 측정하는 것을 특징으로 하는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 방법.
제10항에 있어서,

상기 (b) 단계는,

상기 (a) 단계에서 측정된 압력 신호를 증폭하는 신호 증폭 단계;

상기 신호 증폭 단계에서 증폭된 신호를 필터링하는 필터링 단계;

상기 필터링 단계에서 필터링된 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환 단계;

상기 A/D 변환 단계에서 디지털 변환된 신호로부터 상기 피측정자의 신체 상태를 산출하는 신호 처리단계;

를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 방법.
제11항에 있어서,

상기 신호 처리 단계는, 상기 피측정자의 호흡률, 심박률, 움직임 정도, 코골이 시간 중 하나 이상의 신체 상태 정보를 산출하는 것을 특징으로 하는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,

상기 신호 처리 단계는,

상기 피측정자의 기관지 및 상부기도에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 제1 측정 신호, 상기 피측정자의 흉부 및 복부에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 제2 측정 신호 및 상기 피측정자의 허벅지 및 하지 밑단에 대응하는 위치의 에어셀에서 측정된 제3 측정 신호를 입력받는 단계;

상기 제2 측정 신호를 필터링하여 심박 신호와 호흡 신호로 분리하는 단계;

상기 제2 측정 신호 및 제3 측정 신호로부터 상기 피측정자의 움직임을 검출하는 단계;

상기 움직임 검출 결과 상기 제2 측정 신호 및 제3 측정 신호 모두에서 움직임이 검출되지 않은 경우 상기 제1 측정 신호로부터 분당 코골이 발생 횟수를 검출하고, 상기 심박 신호로부터 분당 심박수를 산출하며, 상기 호흡 신호로부터 분당 호흡률을 산출하는 단계;

상기 움직임 검출 결과 상기 제2 측정 신호 및 제3 측정 신호 모두에서 움직임이 검출된 경우, 뒤척임이 발생한 것으로 판단하고 뒤척임 횟수를 업데이트하 는 단계;

상기 움직임 검출 결과 상기 제3 측정 신호에서만 움직임이 발생한 경우 PLM이 발생한 것으로 판단하고 PLM 횟수를 업데이트하는 단계;

를 포함하여 구성되는 에어 매트리스를 이용한 무구속적 수면 상태 분석 방법.