KR20110025100A - 2개의 파장을 갖는 광파를 이용하는 맥박 측정 방법 및 장치 - Google Patents

2개의 파장을 갖는 광파를 이용하는 맥박 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의해, 맥박 측정 장치(1)를 이용하여 사람의 심장 박동을 판단하는 것이 가능해진다. 2개의 광원(5, 6)을 이용하여, 사람의 맥동과 운동에 반응하는 제 1 파장(λ1)과, 사람의 운동에 반응하는 제 2 파장(λ2)을 갖는 광파가 발생된다. 상기 광파는 사람이 피부 쪽으로 전달된다. 광검출기(7)가 반사 광파를 검출하여, 전기 측정 신호를 제공할 수 있다. 따라서 스펙트럼 코히런스 함수
Figure pat00029
를 바탕으로 하는 SNC=(1-
Figure pat00030
2)·
Figure pat00031
에 의해, 하나 이상의 넌-코히런트 파워 스펙트럼에 대한 계산이 이뤄지고, 이때,
Figure pat00032
은 감지된 광파의 제 1 파장에 관련된 측정 신호의 평균 푸리에 파워 스펙트럼이고,
Figure pat00033
2는 0과 1 사이의 값을 취한다. 마지막으로, 심장 박동이 넌-코히런트 파워 스펙트럼을 토대로 결정된다.

Description

2개의 파장을 갖는 광파를 이용하는 맥박 측정 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR MEASURING THE PULSE BY MEANS OF LIGHT WAVES WITH TWO WAVELENGTHS}
본 발명은 맥박을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 이러한 방법에 의해,맥박 측정 장치를 이용하여 추출된 유용한 신호를 바탕으로 상기 맥박 측정 장치를 지니는 사람의 심장 박동, 즉 심박동(cardiac pulsation)이 판단될 수 있게 된다. 이를 이루기 위해, 특히, 맥박 측정 장치는 2개의 서로 다른 파장을 갖는 광파(light wave)를 사용한다.
마찬가지로, 본 발명은 상기 방법을 구현하기 위한, 2개의 서로 다른 파장을 갖는 광파를 이용해 맥박을 측정하는 장치에 관한 것이다.
심장 박동을 규정하는 혈관 체적의 변조에 대한 광학적 측정을 위해, 헤모글로빈이 특정 파장에서 나머지 다른 조직보다 더 많은 빛을 흡수한다는 사실을 고려해야 한다. 이를 위해, 특히 심장 박동, 즉 심박동을 측정하기 위해 서로 다른 파장을 갖는 2개의 광 빔을 이용하는 것이 알려져 있다.
따라서 산소계측기(oximeter)를 기재하고 있는 미국특허 제4,770,179호가 인용될 수 있다. 이 산소계측기는 적색의 제 1 LED 다이오드와 적외선의 제 2 LED 다이오드를 이용하여 사람의 혈관을 비추고(irradiate), 수광기(photoreceptor)(가령, 광다이오드)를 이용하여 반사된 빛을 감지한다. 이러한 산소계측기를 이용하여, 사람이 운동하는 동안의 광학 신호의 변조에 의한 광학 신호의 큰 오류의 원인이 관찰된다. 이러한 변조는 혈액에 의한 광 흡수치의 변조보다 십의 몇 승배만큼 더 클 수 있으며, 이러한 사실이 이 산소계측기의 단점이 된다. 이러한 이유로, 혈관 체적의 변조, 즉, 사람의 심장 박동을 정확하게 판단하기 위해 사람의 운동을 고려하는 것이 가능하지 않다.
계속하여, 맥박을 제어하기 위한 장치를 기재하고 있는 프랑스 특허 RF 2 511 59가 인용될 수 있다. 이 장치는 2개의 적외선 LED 다이오드와, 가령 운동선수의 운동 중일 때의 심박동을 측정하기 위한 하나의 광검출기(photodetector)를 포함한다. 그러나 운동 중인 사람의 맥박 측정치와 정지 상태인 사람의 맥박 측정치 간의 정확한 구별법이 제공되지 않는다. 또한, 맥박 측정이 수행되도록 하기 위해, 혈액에 의한 흡수는, 사람의 운동에 의한 신호의 변조보다 파장에 있어서 더 선택적이라는 사실도 고려하지 않는다. 덧붙이자면, 마찬가지로, 맥박 측정의 오류의 또 다른 원인인 주변광의 영향을 억제하기 위한 어떠한 수단도 제공되지 않는다.
사람의 운동과 관련된 맥박 측정 문제에 대한 해결책이 미국 특허출원 2005/0075553에서 제안된다. 이 특허출원은 생리학적 정보(가령, 심장 박동, 신경계의 기능)를 관리하기 위한 방법 및 휴대용 장치(가령, 손목시계)를 기재하고 있다. 상기 손목시계는 녹색의 LED 다이오드, 적외선 LED 다이오드 및 상기 LED 다이오드들이 교대로 스위치-온됨으로써 발생되고 피부와 혈관에 의해 반사되는 빛을 감지하기 위한 광다이오드를 갖는 센서 장치를 포함하고, 상기 센서 장치로 연결되어 상기 센서 장치를 제어하는 마이크로제어기 유닛도 포함한다. 녹색 광파에 의해 맥동(pulse beat)과 운동(movement)을 검출하기 위한 신호를 획득하는 것이 가능해지고, 적외선 광파에 의해 상기 시계를 착용하고 있는 사람의 운동으로부터 신호를 획득하는 것이 가능해진다.
마이크로제어기 유닛은 센서 장치의 아날로그/디지털 변환기로부터 디지털 신호를 수신한다. 이러한 유닛은 녹색 및 적외선 광파로부터 수신된 디지털 신호의 고속 푸리에 변환(fast Fourier transformation)을 수행한다. 푸리에 스펙트럼의 표준화 후, 적외선 광파의 스펙트럼이 녹색 광파의 스펙트럼에서 공제되어, 사람의 운동에 의한 영향이 제거되며 맥박이 계산될 수 있다. 그러나 광파의 푸리에 스펙트럼을 공제하는 연산 후, 운동에 의한 효과를 완전히 제거하도록 광파의 강도가 잘 적응되어야 하는데, 이러한 점이 단점이 된다. 덧붙이자면, 맥박 측정을 수행할 때 높은 전력 소모가 관찰되며, 이는 또 하나의 단점이 된다.
따라서 본 발명의 목적은, 발생 및 감지되는 광파의 강도에 따라 좌우되지 않으면서 맥박을 쉽게 판단할 수 있게 해주는 맥박 측정 장치를 이용해, 사람의 심장 박동을 판단하는 방법을 제공함으로써, 앞서 언급된 종래 기술의 단점을 개선하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 맥박 측정 장치를 이용하여 사람의 심장 박동을 판단하기 위한 방법에 관련되어 있으며, 상기 방법은 청구항 제1항에서 규정하고 있는 특징들을 포함한다.
심장 박동을 판단하기 위한 방법의 세부적인 단계들은 청구항 제2항 내지 제7항에서 정의되어 있다.
본 발명에 따르는 방법의 한 가지 이점은 검출기에 의해 제공되는 측정 신호에 적용되는 스펙트럼 코히런스 함수(spectral coherence function)가 계산된다는 사실에 있다. 상기 코히런스 함수에 의해, 심장 박동에 따른 영향과 운동에 따른 영향을 효과적으로 구별하는 것이 가능해진다. 따라서 이러한 코히런스 함수로부터, 평균 넌-코히런트 파워 스펙트럼을 결정하는 것이 가능하며, 상기 평균 넌-코히런트 파워 스펙트럼으로부터 유용한 맥동 신호를 용이하게 추출할 수 있다. 따라서 검출기에 의해 감지되는 광 강도 차이가 정확하게 정규화될 필요가 더이상 없다.
본 발명에 따르는 방법의 또 다른 이점은, 평균 코히런트 파워 스펙트럼을 바탕으로 사람의 운동에 대한 유용한 신호를 추출하는 것이 가능하다는 점에 있다. 따라서 이러한 평균 코히런트 파워 스펙트럼으로 인해 사람의 운동의 주파수가 판단될 수 있다.
본 발명은 이러한 목적을 이루기 위한 맥박 측정 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 사람의 심장 박동을 판단하기 위한 방법을 구현하기에 적합하며, 청구항 제8항에서 정의된 특징을 포함한다.
맥박 측정 장치의 구체적 실시예들은 청구항 제9항 내지 제11항에서 정의되어 있다.
본 발명은 또한 상기의 목적을 이루기 위한 맥박 측정 장치가 구비된 휴대용 전자 기기, 가령 손목시계에 관한 것이며, 상기 휴대용 전자 기기는 청구항 제12항의 특징을 포함한다.
사람의 맥동을 판단하기 위한 방법 및 이를 실시하기 위한 장치의 목적, 이점 및 특징이, 도면과 함께 본 발명의 하나 이상의 실시예에 대한 이하의 기재에서 더 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따르는 방법을 구현하기 위한 맥박 측정 장치의 다양한 구성요소의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 맥박 측정 장치의 운동이 없는 상태에서의, 상기 장치의 광검출기에 의해 감지되는 2개의 파장을 갖는 신호의 시간 그래프를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따르는 맥박 측정 장치의 착용자의 운동이 있는 상태에서의 상기 장치의 광검출기에 의해 감지되는 2개의 파장을 갖는 신호의 시간 그래프를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따르는 맥박 측정 장치의 착용자의 운동이 있는 상태에서의 상기 장치의 광검출기에 의해 감지되는 2개의 파장을 갖는 신호의 푸리에 스펙트럼의 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따르는 맥박 측정 장치의 광검출기에 의해 감지되는 신호의 운동이 존재하는 상태에서의 코히런트 푸리에 파워 스펙트럼의 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명에 따르는 맥박 측정 장치의 광검출기에 의해 감지되는 신호의 운동이 존재하는 상태에서의 넌-코히런트 푸리에 파워 스펙트럼의 그래프를 나타낸다.
도 7은 광원에 의해 발생되는 광의 펄스와 본 발명에 따르는 맥박 측정 장치의 광검출기 및 아날로그-디지털 변환기에 의해 수행되는 측정의 시간 그래프를 나타낸다.
이하의 기재에서, 맥박 측정 장치 중, 해당업계 종사자에게 잘 알려져 있는 모든 요소들은 간단하게 언급될 것이다. 특히, 검출된 광파와 함께 디지털 신호를 처리하기 위한 마이크로제어기 유닛과 관련된 기재가 그럴 것이다. 맥박 측정 장치는, 착용자의 피부와 접촉하고 있는 휴대용 전자 기기(가령, 손목시계, 휴대 전화, 인식표(badge), 또는 그 밖의 다른 기기)와 일체형으로 구성될 수 있다.
도 1에 맥박 측정 장치(1)가 도시되어 있다. 이 장치는 대략 2개의 광원(예를 들어, 2개의 전계발광성 LED 다이오드(5 및 6))과 하나의 광검출기(photodetector, 7)로 구성된 광학 검출 유닛(2)을 포함하며, 상기 광검출기(7)는 하나 이상의 광다이오드를 포함한다. LED 다이오드 각각은 서로 다른 파장을 갖는 광파를 발산한다. 제 1 LED 다이오드(5)는 녹색 범위 내 위치하는 것이 바람직한 제 1 파장(λ1)을 갖는 광파를 발생하고, 제 2 LED 다이오드(6)는 적색 또는 적외선 범위 내에 위치하는 것이 바람직한 제 2 파장(λ2)을 갖는 광파를 발생한다.
맥박 측정 장치(1)는 마이크로제어기 유닛(3)과 디스플레이 셀(4)을 포함한다. 상기 디스플레이 셀은, 데이터 및 제어 버스(30)를 통해, 마이크로제어기 유닛(3)으로 연결되어 있으며, 이와 마찬가지로, 상기 데이터 및 제어 버스(3)가 마이크로제어기 유닛(3)의 다양한 구성요소를 연결한다. 상기 디스플레이 셀(4)은, 예를 들어, 액정 디바이스이거나, 사용자에 의해 요청될 때 맥박 측정에 관한 정보를 디스플레이할 수 있는 또 다른 타입의 디바이스일 수 있다. 마이크로제어기 유닛에 의해 제어되는 디스플레이 셀은 맥박 측정에 관한 정보를, 맥박 측정 동안 지속적으로, 또는 메모리 수단에 저장되어, 맥박 측정 후 언제라도 디스플레이할 수 있다. 따라서 복수의 맥박 값이 저장되어, 요청될 때 디스플레이 상에 디스플레이될 수 있다.
마이크로제어기 유닛은, 맥박 측정 장치의 모든 구성요소에 전력을 공급하기 위한 전력공급원(13)(가령, 배터리)으로 구성된다. 또한 이 마이크로제어기 유닛은, 프로세싱 유닛(9)(가령, 프로세서)에 의해 제공되는 디지털 명령어(digital command)에 따라 각각의 LED 다이오드(5 및 6)에게 활성화 신호(activation signal)를 제공하기 위한 디지털 아날로그 변환기(10)를 포함한다. 마찬가지로, 상기 마이크로제어기 유닛은 광검출기(7)에 의해 감지되는 측정 신호를 수신하고 이들을 프로세싱 유닛(9)에서의 프로세싱 동작을 위한 디지털 형식으로 변환하기 위한 아날로그-디지털 변환기(8)를 포함한다. 또한 상기 마이크로제어기는 메모리 수단(가령, ROM형 메모리(12)와 RAM형 메모리(11))을 더 포함한다. 상기 ROM형 메모리(12)는 마이크로제어기 유닛을 동작시키기 위한 모든 인스트럭션과 특정 설정 매개변수를 포함한다. RAM형 메모리(11)는, 특히 맥박 측정 장치의 동작 동안, 광검출기(7)에 의해 제공되고 프로세싱 유닛(9)에서 처리되는 디지털 신호로부터 추출된 매개변수를 저장한다.
또한 마이크로제어기 유닛(3)은, 석영 오실레이터(quartz oscillator)(도면에 도시되지 않음)를 따를 수 있는 오실레이터 스테이지(도면에 도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 손목시계에서 사용되는 경우, 상기 마이크로제어기 유닛은, 오실레이터 스테이지의 일부분을 포함하며, 상기 부분은 시계의 시간 베이스를 위한 것일 수 있다. 이 경우에서, 마이크로제어기 유닛(3)의 프로세싱 유닛(9)에 의해 처리되는 모든 동작을 위한 클럭 신호(clock signal)를 제공하기 위한 복수의 디바이더(divider)가 이 오실레이터 스테이지에 구비된다.
지정 측정 주기 동안의 맥박 측정 장치(1)의 보통의 동작 동안, 프로세싱 유닛(9)의 제어 하에서, LED 다이오드(5 및 6)는 교대로, 그리고 불연속적으로, 스위치-온된다. 제 1 파장(λ1)을 갖는 광파를 제공하는 제 1 LED 다이오드(5)는, 지정 시간 주기 동안 지속적으로 스위치-온된다. 제 2 파장(λ2)에서 광파를 제공하는 제 2 LED 다이오드(6)가 (일반적으로 상기 제 1 LED 다이오드의 활성 시간 주가에 대응하는) 지정 시간 주기 동안 지속적으로 스위치-온된다. 두 LED 다이오드 모두가 스위치-오프되는 시간 구간이 존재하면서, 두 LED 다이오드들 중 하나가 스위치-온될 때, 나머지 LED 다이오드는 스위치-오프되는 것이 일반적이다.
제한되지 않는 예를 들자면, 광원에 의해 발생되는 광파 및 광검출기와 아날로그-디지털 변환기에 의한 측정 신호의 시간 그래프가 도 7에서 나타난다. LED 다이오드들은 교대로, 그리고 불연속적으로 스위치-온될 수 있다. 지정 시간 주기(Tpulse) 동안(이 경우, 상기 지정 시간 주기(Tpulse)는 약 20㎲), 먼저 제 1 다이오드(LED1)가 스위치-온된다. 휴지 시간 구간(Tint) 동안(가령, 약 20㎲ 동안) 상기 제 1 다이오드(LED1)가 스위치-오프된 후, 제 2 다이오드(LED2)가 스위치-온된다. 제 2 다이오드(LED2)의 활성화 시간 주기는 제 1 다이오드(LED1)의 것과 유사하다. 각각의 LED 다이오드의 광 펄스는, (약 1㎳일 수 있는) 각각의 사이클(Tcycle) 후에 발생한다. 제 1 다이오드(LED1), 주변 광 및 제 2 다이오드(LED2)의 감지된 광파의 측정이, LED 다이오드의 각각의 활성화에 대한 시간 편이(Tdm)를 갖고, 약 20㎲일 수 있는 지정된 측정 주기(Tmes)에서 수행된다.
도 7에서 도시되는 시간적 변조 대신, 주파수 변조를 수행하는 것이 또한 제공될 수도 있다. 이 경우, 제 1 다이오드(LED1)의 신호가 약 600㎐의 주파수에서 발산 및 검출되며, 제 2 다이오드(LED2)의 신호는 약 900㎐의 주파수에서 발산 및 검출된다. 이를 이용하여, 주파수 변조 및 복조가 수행된다.
심장 박동을 판단하기 위한 방법에 있어서, 맥박 측정 장치(1)의 동작은, 외부 명령어에 의해, 가령, 상기 맥박 측정 장치(1)가 배치되어 있는 휴대용 전자 기기의 버튼을 이용해, 설정될 수 있다. 마찬가지로 맥박 측정 장치의 동작은 자동화 프로그래밍에 의해 설정될 수 있다. 이러한 상황에서, 사람의 맥박 측정과 운동 주파수 계산이, 서로 충분히 떨어져 있는 프로그래밍된 시간 주기에서 발생할 것이 요구될 수 있다.
제 1 파장(λ1)의 광이 제 2 파장(λ2)의 광보다 헤모글로빈에 의해 더 많이 광학적으로 흡수되도록 선택된다. 이때, 일반적으로 제 1 파장은 녹색, 제 2 파장은 적색에 대응한다. 헤모글로빈에 의해 부분적으로 반사 및/또는 흡수된 광파를 감지한 광검출기(7)가 발생하는 측정 신호가 기록된다. 이러한 기록, 특히, RAM 메모리(11)로의 기록은, 아날로그-디지털 변환기(8)에 의한 측정 신호의 디지털화 후에 바로 실행될 수 있다. 이러한 기록은 2개의 광원이 스위치-오프되는 시간 구간을 고려하면서 연속적으로 이뤄진다.
휴지 시간 구간에서, 프로세싱 유닛(9)이 광검출기(7)에 의해 감지되는 주변 광을 고려하는 실시예가 제공된다. 이로 인해서, 맥박의 측정 동안 주변 광에 의한 영향을 제거하는 것이 가능해진다. 이를 이루기 위해, 광원(5 및 6)이 스위치-오프된 때 검출된 광, 즉, 주변 광의 평균값이, 주파수 영역으로 변환되기 전에, 시간 영역에서 연속적으로 공제될 수 있다. 푸리에 주파수 영역에서 2개의 파장(λ1 및 λ2)을 갖는 광파의 스펙트럼에서 주변 광의 스펙트럼이 공제되는 것이 또한 고려될 수 있다.
데이터 및 제어 버스(30)를 이용해 외부로부터 설정 매개변수(Ext)가 제공될 수 있다. 특히, 데이터 및 제어 버스(30)를 이용해 측정 정보(I/F)가 맥박 측정 장치(1)의 외부로 다시 전송될 수 있다.
본 발명의 심장 박동 판단 방법은, 특히 (프로세서일 수 있는) 프로세싱 유닛(9)에서 스펙트럼 코히런스 함수(spectral coherence function)를 이용할 수 있다. 이 방법에 의해, 맥박 측정 장치(1)를 이용해 유용한 맥동 신호가 추출될 수 있다. 이 함수는 주파수 영역에서의 2개의 신호 A와 B 간의 종속도의 측정이다. 2개의 신호 A와 B는 광검출기에 의해 제공되는 2개의 신호라고 간주될 수 있다. 이들 신호 A와 B는 각각, 제 1 파장(λ1)을 갖는 감지된 광파와 제 2 파장(λ2)을 갖는 감지된 광파에 대응한다. 함수
Figure pat00001
는 0(2개의 신호 사이에 어떠한 관계도 존재하지 않을 때의 값)과 1(2개의 신호 사이에 완전한 선형 관계가 존재할 때의 값) 사이의 값을 취한다. 이 함수
Figure pat00002
는,
Figure pat00003
의 함수에 의해 정의되며, 이때,
Figure pat00004
=
Figure pat00005
및
Figure pat00006
Figure pat00007
=
Figure pat00008
는 각각 신호 A와 B의 파워 스펙트럼이며,
Figure pat00009
=
Figure pat00010
는 신호 A와 B의 교차 푸리에 스펙트럼의 평균이다.
스펙트럼 코히런스 함수
Figure pat00011
는 일반적으로 코히런트 스펙트럼 파워 SCO=
Figure pat00012
2·
Figure pat00013
를 판단하기 위해 사용되며, 이때, 상기 코히런트 스펙트럼 파워는, 넌-코히런트 부분(본질적으로 노이즈로 표현됨)에 의해 영향받지 않는 2개의 신호 A와 B 간의 코히런트 부분을 나타낸다. 또한 이 스펙트럼 함수
Figure pat00014
는 시스템의 신호/노이즈 비 S/N=
Figure pat00015
2/(1-
Figure pat00016
2)를 계산하기 위해서도 사용될 수 있다.
본 발명의 방법을 위해, 그리고 앞서 언급한 바와 같이, 2개의 신호 A와 B는 파장(λ1 및 λ2)에 대한 응답으로 간주된다. 신호 A와 B에서 운동의 결과가 제시된다. 따라서 이들은 푸리에 스펙트럼의 코히런트 부분을 나타낸다. 본질적으로 신호 A에 포함된 혈액 박동에 의한 광학 신호의 변조가 신호 B의 스펙트럼과 신호 A의 스펙트럼의 넌-코히런트 부분을 나타낸다. 따라서 맥동과 관련된 대부분의 정보를 포함하고 있는 함수는,
Figure pat00017
에 의해 주어지는 넌-코히런트 스펙트럼 파워이다.
이 함수로부터, 마이크로제어기 유닛(3)은, 특히 프로세서를 이용하여, 유용한 신호, 즉, 개인의 맥박을 판단하기 위한 맥동 주파수를 추출해야 한다.
광의 파장에 따라 달라지는 조직의 반응 차이를 기반으로 하는, 운동과 관련된 변조가 있는 경우, 맥동을 판단하기 위한 방법을 이용하는 것이 역시 고려될 수 있다. 종래 기술에서 알려진 바와 같이, 이러한 판단 방법은, 2개의 파장(λ1 및 λ2)의 스펙트럼들 간의 푸리에 영역에서 표준화 인자(standardization factor)를 사용할 수 있다. 이를 수행하기 위해, 운동과 관련된 신호의 변조에 의해 크게 좌우되는 스펙트럼 내용을 갖는 푸리에 스펙트럼의 고주파수에서 파장(λ1)의 스펙트럼과 파장(λ2)의 스펙트럼 간의 표준화 인자가 계산된다. 표준화 인자는, 2개의 주파수(통상 6㎐와 10㎐)의 스펙트럼 RMS 값일 수 있다.
표준화가 실시되면, 제 2 파장(λ2)의 스펙트럼이 제 1 파장(λ1)의 스펙트럼에서 공제된다. 2개의 파장에 대하여, 운동을 통한 광학 신호의 변조가 유사하다. 따라서 진동이나 운동으로 인한 스펙트럼의 주 부분이, 공제에 의해, 소거된다. 이러한 공제에 의해 변조된 신호의 진폭이 감소된다(그러나 이는 비결정적 방식으로 이뤄진다). 혈액 박동에 의한 광학 신호의 변조가, 제 2 파장(λ2)보다 제 1 파장(λ1)에 대해, 10배 더 큰 경우, 공제 연산 후, 맥동 신호는 약 10% 감소한다.
시간에 따라 감지되는 신호의 형태와, 맥박 측정 장치에 의해 계산되는 스펙트럼을 더 잘 이해하기 위해, 이하에서 도 2 내지 6를 참조하여 기재된다.
먼저 도 2에서, 시간에 따라 광검출기에 의해 감지되는 신호 A 및 B가 도시되며, 이때, 상기 신호들은 제 1 파장(λ1)(A)과 제 2 파장(λ2)(B)으로 2개의 LED 다이오드에 의해 발산되는 광파로부터 기원한다. 이 그래프에서, 상기 장치를 지니는 사람이 운동하지 않을 때, 제 1 파장과 관련하여 광검출기에 의해 감지된 신호는 굵게 나타나고, 제 2 파장과 관련하여 광검출기에 의해 감지된 신호는 점선으로 나타난다.
맥박 측정을 위해 사용되는 LED 다이오드들의 교대로 이뤄지는 불연속적 활성화를 가정으로 할 때, 보통 이들 신호는 서로에 대해 시간 편이된다. 녹색인 제 1 파장에서의 신호는 맥동에 반응하고, 제 2 파장(λ2)을 갖는 광파에 대해서는 파동이 거의 관찰되지 않기 때문에, 제 1 파장(λ1)의 광파에 의한 맥동만 나타난다. 즉, 2초에 약 3주기(1.5㎐)로 나타난다.
도 3은, 장치의 착용자의 운동이 존재하는 경우, 주로 2개의 LED 다이오드에 의해 발산되는 광파로부터 도출되고 시간의 흐름에 따라 광검출기에 의해 감지되는 신호 A와 B를 도시한다. 이들 광파는 광검출기에 의해 감지되기 전에, 헤모글로빈에 의해 반사 및/또는 흡수된다. 여기서는 광검출기에 의해 제공되는 상기 신호 A와 B 상에서 맥동이 훨씬 덜 명료하게 표현된다.
도 4에서, 2개의 감지된 파장을 갖는 광파를 기반으로 광검출기에 의해 제공되는 신호 A와 B의 푸리에 스펙트럼이 표현되어 있다. 신호 A와 B의 푸리에 스펙트럼은 시간 영역에서의 신호 A와 B의 함수(도 3에서 나타남)를 통해 얻어진다. 도 4에서 신호 A와 B의 약 3.2㎐에서의 운동으로 인한 결과가 도시되어 있으며, 반면에, 맥동은 약 1.3㎐에 위치하며, 이는 제 1 파장에서의 신호 A를 통해서만 나타난다.
도 5에는, 2개의 파장을 갖는 감지된 광파를 토대로 하며, 광검출기에 의해 제공되는 신호 A와 B의 코히런트 푸리에 파워 스펙트럼만 도시되어 있다. 이 코히런트 파워 스펙트럼은, 도 3에서 나타나는 바와 같은 시간 영역에서의 신호 A와 B의 함수를 통해 얻어진다.
마지막으로, 도 6에는, 2개의 파장을 갖는 감지된 광파를 토대로 하며 광검출기에 의해 제공되는 신호 A와 B의 넌-코히런트 푸리에 파워 스펙트럼만 도시되어 있다. 이 넌-코히런트 파워 스펙트럼은, 도 3에서 도시된 시간 영역에서의 신호 A와 B의 함수를 통해 얻어진다.
도 5 및 6에서, 운동의 결과와 맥동의 결과가 명백히 구별되는 것이 확립된다. 도 5의 코히런트 스펙트럼 상에서만 약 3.2㎐에서의 운동 성분이 명확히 나타나며, 반면에, 약 1.3㎐에서의 맥동 성분은, 도 6의 넌-코히런트 스펙트럼 상에서만 명확하게 나타난다. 이러한 조건에서, 마이크로제어기 유닛의 프로세싱 유닛이 도 6의 넌-코히런트 파워 스펙트럼으로부터 직접 유용한 심장 박동 신호를 용이하게 추출할 수 있다. 물론, 상기 프로세싱 유닛은, 도 5에서 도시된 코히런트 파워 스펙트럼을 토대로, 상기 맥박 측정 장치를 지니는 사람의 운동 주파수를 판단하기 위한 위치일 수도 있다.
해당업계 종사자라면, 지금까지의 기재로부터, 특허청구범위에 의해 규정되는 본 발명의 범위 내에서, 맥박 측정 장치 및 방법의 몇 가지 변형예를 설계할 수 있다. 2개의 광원을 동시에 스위치-온하고, 광검출기 레벨에서 파장 선택을 수행하는 것이 가능할 수 있다. 맥박 측정 장치는, 착용자의 피부에 직접 접촉하게 되는 시계 바닥의 측부에 광원 및 광검출기가 배치되어 있는 손목시계와 일체형으로 구성될 수 있다. 케이스 바닥의 하나 이상의 개구부, 또는 투명한 부분을 통해, 광파의 발산 및 반사된 광파의 감지가 수행된다

Claims (12)

  1. 맥박 측정 장치(1)를 이용하여 사람의 심장 박동을 판단하기 위한 방법에 있어서, 상기 맥박 측정 장치(1)는, 제 1 파장(λ1)을 갖는 광파를 발산하기 위한 제 1 광원(5)과, 제 2 파장(λ2)을 갖는 광파를 발산하기 위한 제 2 광원(6)과, 피부 및 혈관 조직에 의해 반사된 광을 감지하고 마이크로제어기 유닛(3)으로 측정 신호를 제공하기 위한 광검출기(7)를 포함하며, 이때, 제 1 파장과 제 2 파장은 서로 다르며, 제 1 파장을 갖는 광파는 사람의 맥동(pulse beat)과 운동(movement)에 반응하도록, 그리고 제 2 파장을 갖는 광파는 사람의 운동에 반응하도록 정해지며, 상기 방법은
    제 1 광원(5)과 제 2 광원(6)을 이용하여 제 1 파장(λ1) 및 제 2 파장(λ2)을 갖는 광파를 발생하고, 상기 광파를 사람의 피부를 향해 전달하는 단계와,
    피부 및 혈관 조직에 의해 반사된 제 1 파장 및 제 2 파장을 갖는 광파를 검출하여, 전기적 측정 신호를 제공하는 단계와,
    제 1 파장에 관련된 측정 신호와 제 2 파장에 관련된 측정 신호 간의 상관관계를 고려한 스펙트럼 코히런스 함수(spectral coherence function)
    Figure pat00018
    를 바탕으로 하는 SNC=(1-
    Figure pat00019
    2)·
    Figure pat00020
    에 의해, 하나 이상의 넌-코히런트(non-coherent) 파워 스펙트럼을 계산하는 단계로서, 이때,
    Figure pat00021
    는 감지된 광파의 상기 제 1 파장에 관련된 측정 신호의 평균 푸리에 파워 스펙트럼이고,
    Figure pat00022
    2는 0과 1 사이 값을 갖는 특징의, 넌-코히런트 파워 스펙트럼 계산 단계와,
    상기 넌-코히런트 파워 스펙트럼을 이용하여 사람의 심장 박동을 판단하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 심장 박동을 판단하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 스펙트럼 코히런스 함수
    Figure pat00023
    를 바탕으로 하는 공식 SCO=
    Figure pat00024
    2·
    Figure pat00025
    에 의해, 하나 이상의 코히런트(coherent) 파워 스펙트럼이 계산되며, 이때,
    Figure pat00026
    는 감지된 광파의 제 2 파장(λ2)과 관련된 측정 신호의 평균 푸리에 파워 스펙트럼이고,
    Figure pat00027
    2는 0과 1 사이 값을 가지며, 상기 코히런트 파워 스펙트럼을 이용하여 사람의 운동의 주파수가 판단되는 것을 특징으로 하는 심장 박동을 판단하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 2개의 파장을 갖는 광파를 발생시키기 위해, 광원(5, 6)은 서로 교대로 스위치-온(switch on)되는 것을 특징으로 하는 심장 박동을 판단하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 광원(5, 6)은 지정 시간 주기 동안 서로 교대로, 불연속적으로 스위치-온되며, 이때, 광원들이 스위치-오프(switch off)되는 시간 구간이 각각의 광원의 활성화 구간 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 심장 박동을 판단하는 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 마이크로제어기 유닛에서 주파수 영역으로 변환되기 전에, 광원(5, 6)이 스위치-오프(switch off)된 때 광검출기(7)에 의해 검출되는 광의 평균값이 시간 영역에서 연속적으로 공제되는 것을 특징으로 하는 심장 박동을 판단하는 방법.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 맥박 측정치를 제공하기 위한 지정 측정 주기 동안, 맥박 측정 장치(1)는 수동, 또는 자동으로 동작되는 것을 특징으로 하는 심장 박동을 판단하는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 맥박 측정 장치(1)는, 각각의 지정 측정 주기보다 십의 수 승배 더 긴 프로그래밍된 시간 주기에 의해 자동으로 동작되는 것을 특징으로 하는 심장 박동을 판단하는 방법.
  8. 청구항 제 1 항에 따르는 방법을 실시하는 맥박 측정 장치(1)에 있어서, 상기 맥박 측정 장치는 광학 검출 유닛(2)을 포함하며, 상기 광학 검출 유닛(2)은 제 1 파장(λ1)을 갖는 광파를 발산하기 위한 제 1 광원(5)과, 제 2 파장(λ2)을 갖는 광파를 발산하기 위한 제 2 광원(6)과, 피부 및 혈관 조직에 의해 반사되는 광을 감지하고 마이크로제어기 유닛(3)으로 측정 신호를 제공하기 위한 광검출기(7)를 포함하며,
    상기 마이크로제어기 유닛(3)은, 사람의 심장 박동을 판단하기 위해, 광검출기에 의해 제공되는 제 1 파장과 관련된 측정 신호와 제 2 파장과 관련된 측정 신호 간의 상관관계를 고려한 스펙트럼 코히런스 함수
    Figure pat00028
    를 바탕으로 하나 이상의 넌-코히런트 파워 스펙트럼을 계산하는 하나 이상의 프로세싱 유닛(9)을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥박 측정 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로제어기 유닛(3)은, 상기 마이크로제어기 유닛을 동작시키기 위한 인스트럭션(instruction)과, 상기 유닛 고유의 설정 매개변수와, 광검출기에 의해 제공되고 프로세싱 유닛에 의해 처리되는 디지털화된 측정 신호 관련 데이터가 저장되는 메모리 수단(11, 12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 맥박 측정 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 장치는 마이크로제어기 유닛(3)에 의해 제어되는 디스플레이 셀(4)을 포함하며, 상기 디스플레이 셀(4)은 상기 장치를 지니는 사람의 심장 박동 관련 정보, 또는 운동 관련 정보, 또는 두 가지 정보 모두를 디스플레이하는 것을 특징으로 하는 맥박 측정 장치.
  11. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로제어기 유닛(3)은, 프로세싱 유닛(9)에 의해 처리되도록, 광검출기(7)가 제공하는 측정 신호를 디지털 형식으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(8)와, 프로세싱 유닛으로부터의 제어 신호를 바탕으로 하여 각각의 광원(5, 6)의 활성화가 교대로 이뤄지도록 제어하기 위한 하나 이상의 디지털-아날로그 변환기(10)를 포함하며, 이때 각각의 광원은 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 맥박 측정 장치.
  12. 손목시계와 같은 휴대용 전자 기기에 있어서, 상기 휴대용 전자 기기는 청구항 제8항에 따르는 맥박 측정 장치(1)를 포함하며, 제 1 및 제 2 광원(5, 6)이 상기 휴대용 전자 기기의 케이스 내에, 상기 케이스의 바닥을 통해 광파가 제공되도록 배치되며, 광검출기(7)는 상기 케이스의 바닥의 개구부, 또는 투명한 부분을 통해 반사되는 광파를 감지하도록 제공되는 것을 특징으로 하는 휴대용 전자 기기.
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