KR20120051125A - 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템 및 그 방법 - Google Patents

유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR20120051125A
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장완호
서상진
한용재
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디노플러스 (주)
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Abstract

본 발명은 숙면 및 기상 유도 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 숙면 및 기상 유도 장치는, 수면자에 의해 수면의 종류를 입력받는 입력부; 상기 입력받은 수면의 종류에 따라 숙면 및 기상 환경을 제어하기 위한 프로토콜을 선택하는 프로토콜 선택부; 상기 선택된 프로토콜에 따라 수면자의 수면 환경을 조절하는 수면 환경 조절부; 상기 수면 환경에서 수면 중인 수면자의 생체 신호를 상기 수면자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 측정함으로써 상기 수면자의 수면 상태를 판단하는 수면 상태 판단부; 및 상기 판단된 수면 상태를 이용하여 상기 수면자의 생체 신호의 변화를 검출하는 생체 신호 변화 검출부를 포함하며, 상기 수면 환경 조절부는, 상기 생체 신호 변화 검출부에 의해 상기 생체 신호의 변화가 검출된 경우에, 상기 변화에 따라 상기 프로토콜의 파라미터를 변화시켜 상기 수면 환경을 재조절한다.
또한, 수면자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 수면 중인 수면자의 생체 신호를 측정하고 동시에 수면 공간의 환경을 제어하여 이를 수면 환경에 반영하여 숙면 및 기상 유도의 피드백 제어가 가능함으로써 자연스런 수면 유도 및 기상 유도를 할 수 있는 효과가 있다.

Description

유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템 및 그 방법{Providing system of sleeping environment using ubiquitous and method thereof}
본 발명은 유비쿼터스를 이용한 숙면 및 기상 유도 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 사용자의 신체와 접촉하지 않는 비접촉 방식의 센서를 이용하여 생체 신호를 측정하고 측정된 생체 신호에 변화가 발생하는 경우에는 숙면 및 기상 유도 프로토콜을 변화시켜 수면 환경을 재조절함으로써 수면 환경의 피드백(Feedback) 제어가 가능하도록 하는 유비쿼터스를 이용한 수면환경 제공 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 환자의 수면에 대해서 연구하는 수면의학에서 수면은 주변을 인지할 수 없고 자극에 무반응하는 행동상태로 정의되고 있다. 수면은 크게 렘(REM)수면과 비렘수면(NREM)으로 나눌 수 있고, 렘수면은 뇌의 활성, 근육 무긴장, 급속안구 운동으로 특징 지워진다. 이 현상을 쉽게 설명하면 몸은 마비상태이나 뇌에서는 활발한 활동상태를 보이는 것이다. 비렘수면은 수면의 깊이와 비례하여 1단계에서부터 4단계까지 구분되며 몸은 움직일 수 있지만 뇌의 활동상태는 비활동적인 시간으로 정의되고 있다.
Rechtschaffen과 Kales에 의한 수면 단계(Sleep stages)의 분류에 따르면 각 수면단계는 다시 각성 단계, 1 ~ 4단계 및 렘수면 단계로 구분된다. 성인수면의 약 75-80%를 차지하고 1, 2, 3, 4단계 수면을 총괄해 지칭하는 비렘수면에서 수면 초반, 특히 1단계 수면에서 Slow Eye Movement가 나타난다. 이중 1, 2단계를 얕은 상태의 수면이라고 말할 수 있고 서파 수면이라고도 불리는 3, 4단계를 깊은 수면이라고 할 수 있으며 수면 초기 1/3에 주로 나타난다. 이런 깊은 단계의 수면은 낮 동안 소모된 신체기능의 회복과 관련된다.
각성 단계의 특징은 alpha파(8-13Hz), beta파(13-35Hz)가 발생하며, 전체 수면의 5% 이하를 차지하고 안구운동의 수의적 조절이 가능한 상태이다.
1단계는 Theta파(4-7Hz), 전체 수면의 2-5%를 차지하고 느리게 움직이는 안구운동이 특징적이고 각성에 대한 역치가 낮다.
2단계는 Spindle(12-14Hz)가 발생하며, 전체 수면의 45-50%를 차지하고 안구운동이 거의 관찰되지 않는다.
3단계는 Delta파(2-4Hz,75mv)가 20-50%(epoch) 범위 내에서 관찰되고 전체 수면의 3-8%를 차지한다. 안구운동은 관찰되지 않고 근육이 이완상태에 놓이게 된다.
4단계는 Delta파가 50%(epoch) 이상을 차지하게 되며 전체 수면의 10-15%를 차지한다.
마지막으로, 렘수면 상태는 Beta, Theta파가 발생하며, 전체 수면의 20-25%를 차지하고 빠른 안구운동을 특징으로 한다. 이때 신체 근육이 무력한 상태에 놓인다. 또한, 호흡, 맥박이 불규칙하고 자율신경계 활동이 증가하며 수면후반기에 주로 나타나게 된다.
수면자의 수면단계 분석을 위해 일반적으로 사용되고 있는 기술로는 뇌파(Electroencephalogram)의 주파수 분석을 통한 방법, 혈중 산소포화도를 측정하여 수면의 상태를 판단하는 산소포화도(Oxygen Saturation)를 활용하는 방법, 가속도계를 적용한 액티그래프(Actigraph)를 이용하는 활동량 측정 방법, 심장 박동수의 변화(Heart Rate Variability)를 이용하는 방법 등이 있다.
이러한 기술들 중 산소포화도를 이용한 분석 방법 및 활동량 측정을 통한 분석 방법은 비교적 저비용으로도 간단하게 수면단계 분석을 할 수 있기 때문에 자주 사용되고 있다.
이와 동시에 언제, 어느 곳에서든지 컴퓨터 연산이 수행되는 유비쿼터스 컴퓨팅 즉, 유비쿼터스 서비스가 주목받고 있으며, 이러한 유비쿼터스 컴퓨팅을 이용하여 새로운 데이터통신 기술이 도입되면서 무구속 수면/생체데이터를 통한 수면 및 환경제어 장치에 있어서도 기존의 분리된 가전제품에서의 독자적인 서비스에서 벗어나 새로운 개념의 서비스를 제공할 수 있는 기술들이 개발되고 있는 추세이다.
이러한 기술 발전에 따라 최근에는 디지털 기술을 기반으로 방송, 통신, 가전, 컴퓨터 등이 융합돼 새로운 형태의 제품과 서비스가 개발되고 있으며, 이러한 제품들을 통해 가정에서 편리하게 디지털 기술을 이용할 수 있는 무구속 수면/생체데이터를 통한 수면 및 환경제어 장치 기술이 실용화되고 있는 추세이다. 이러한 무구속 수면/생체데이터를 통한 수면 및 환경제어 장치 기술은 예를 들어 핸드폰이나 인터넷전화기 등 통신과 에어컨, 선풍기 등과 같은 가전 및 컴퓨터 기술의 융합 및 인터넷 TV 셋톱박스와 같이 방송과 통신 기술이 융합된 기술을 통해 서비스를 제공한다.
이와 같은 무구속 수면/생체데이터를 통한 수면 및 환경제어 장치를 이용하여 가정 내에서 여러 가지 서비스를 제공할 수 있는데, 최근에는 이러한 서비스들 중에서 취침시 숙면을 지원하기 위한 서비스도 지원되고 있으나, 현재까지 수면자에게 충분한 편이성을 제공하지 못하고 있다.
종래의 무구속 수면/생체데이터를 통한 수면 및 환경제어 장치를 위한 숙면 유도 서비스는 서비스 장비와 서비스 대상이 1:1로 연결되기 때문에 서비스 구동 프로그램 내에 하드 코딩 형태로 처리되고 있다. 즉, 기존의 서비스는 수면자의 개입이 항상 수반되며, 특정 조건 및 환경이 만족될 경우 서비스가 수행되는 방식으로 무구속 수면/생체데이터를 통한 수면 및 환경제어 장치가 제공되고 있다. 이러한 종래의 숙면 유도 서비스는 수면자의 개입이 수반되므로 서비스를 위한 특정 조건을 변경할 경우 수면자가 수작업으로 조정해야 하는 번거로움이 발생하므로 수면자의 서비스 사용에 대한 편이성을 향상시킬 필요가 있다.
현대 사회의 복잡한 생활 방식과 다양한 구성원 간의 영향으로 현대인들은 많은 스트레스를 받게 되는데, 이러한 스트레스로 인하여 충분한 수면을 취하지 못하게 되어 인체에 나쁜 영향을 미치게 된다. 그러므로 안락하고 쾌적한 수면을 유도하기 위해 종래에는 많은 기술이 개시되었다.
한국 공개 특허 2003-0032529 는 수면자의 신체 정보를 입력받으면서 수면자의 신체 상태에 따라 반복적인 학습에 의해 검출한 주파수 대역의 진동 및/또는 초음파를 출력하여 최적의 수면 유도가 가능하도록 한 취침 유도기 및 수면 유도 방법에 대해 개시하고 있다.
또한, 일본 공개 특허 2003-260040 은 인체 심박수 및 호흡수를 포함한 생체 정보를 검출하는 생체 정보센서와, 생체 정보 센서에 의해 검출된 생체 정보에 소정 처리를 가하고 복수의 수면 심도 기초 데이터를 산출한 생체 정보 처리 회로와, 생체 정보 처리 회로로부터 얻어지는 수면 심도 기초 데이터에 근거하고 수면 심도를 추정하는 수면 심도 추정 회로를 구비하는 수면 심도 추정 장치에 대하여 개시하고 있다.
그러나 상기와 같은 종래의 기술들은 수면자의 수면 상태를 검출하는 센서를 이용하지 않거나 이용하더라도 수면자의 신체에 접촉되는 센서를 이용함으로써 수면을 취하려는 수면자에게 불편함을 준다는 문제가 있다. 설사 비접촉 방식의 센서를 이용한다고 하더라도 수면 중인 수면자의 생체 신호의 변화와 수면 공간의 환경 변화를 동시에 검출하여 수면 환경을 피드백 제어하지 못한다는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 비접촉 방식의 센서를 이용하여 수면 중인 수면자의 생체 신호를 측정하고 동시에 수면 공간의 환경을 제어함으로써 숙면 및 기상 유도의 피드백 제어가 가능하도록 한 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템은,
사용자에 의해 수면의 종류를 입력받는 입력부;
상기 입력받은 수면의 종류에 따라 숙면 및 기상 환경을 제어하기 위한 프로토콜을 선택하는 프로토콜 선택부;
상기 선택된 프로토콜에 따라 사용자의 수면 환경을 조절하는 수면 환경 조절부;
상기 수면 환경에서 수면 중인 사용자의 생체 신호를 상기 사용자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 측정함으로써 상기 사용자의 수면 상태를 판단하는 수면 상태 판단부; 및
상기 판단된 수면 상태를 이용하여 상기 사용자의 생체 신호의 변화를 검출하는 생체 신호 변화 검출부를 포함한다.
상기 수면 환경 조절부는, 상기 생체 신호 변화 검출부에 의해 상기 생체 신호의 변화가 검출된 경우에, 상기 변화에 따라 상기 프로토콜의 파라미터를 변화시켜 상기 수면 환경을 재조절한다.
또한, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 방법은,
사용자에 의해 선택된 수면의 종류에 따라 숙면 및 기상 환경을 제어하기 위한 프로토콜을 선택하는 제 1단계;
상기 선택된 프로토콜에 따라 사용자의 수면 환경을 조절하는 제 2단계;
상기 수면 환경에서 수면 중인 사용자의 생체 신호를 상기 사용자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 측정함으로써 상기 사용자의 수면 상태를 판단하는 제 3단계;
상기 판단된 수면 상태를 이용하여 상기 사용자의 생체 신호의 변화를 검출하는 제 4단계; 및
상기 검출된 생체 신호의 변화에 따라 상기 프로토콜의 파라미터를 변화시켜 상기 수면 환경을 재조절하는 제 5단계를 포함한다.
기타 실시 예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명인 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템 및 그 방법의 실시 예에 따르면, 수면자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 수면 중인 수면자의 생체 신호를 측정하고 동시에 수면 공간의 환경을 제어하여 이를 수면 환경에 반영하여 숙면 및 기상 유도의 피드백 제어가 가능함으로써 자연스런 수면 유도 및 기상 유도를 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 장치의 동작 원리를 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 장치의 구성을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 장치의 원격 생체 신호의 측정 원리를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 방법의 흐름을 나타내는 도면.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 방법에서 취침 시각부터 기상 시각까지의 수면의 시간 단계를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 방법에서 수면의 시간 단계별 수면 환경 조절 방식을 테이블로 예시한 도면.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 방법에서 수면의 시간 단계별 수면 환경 조절 방식을 그래프로 예시한 도면.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 장치의 동작 원리를 개괄적으로 나타내는 도면이다. 도 1에서 나타나듯이, 수면을 취하고 있는 사용자의 주위에는 비접촉 방식의 센서가 침대 내부나 침실의 벽 또는 주위의 가전 제품에 구비되어 사용자의 심박동(Heart Beat) 및 호흡(Respiration)으로부터 산출되는 심박동수(Heart Rate), 심박동수 변화량(Heart Rate Variability) 및 호흡수(Respiratory Rate) 등의 생체 신호를 측정하고, 부가적으로 사용자의 수면 중의 움직임 등을 감지함으로써 사용자의 수면 상태를 분석한다.
여기서, 심박동수 변화량(Heart Rate Variability)에는 심박동수의 분석을 통한 HF(High Frequency)비, LF(Low Frequency)비를 포함한다.
또한, 온도, 조명, 습도, 음향, 산소, 향기 등 사용자의 침실 주변의 수면 환경의 정도를 측정하여 분석한다.
이렇게 분석된 수면 상태와 수면 환경에 대한 정보를 이용하여 사용자의 수면 상태와 수면 환경을 조절하게 되는데, 적절한 숙면 및 기상을 유도하는 프로토콜 파라미터를 선택하거나 그 파라미터를 환경에 적절하게 변경함으로써 조절하게 된다. 이때, 상기 프로토콜의 파라미터에 대해서는 후술할 프로토콜 선택부(120)의 설명 부분에서 상세히 설명한다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 숙면 및 기상 유도 장치는 프로세서(100), 입력부(110), 프로토콜 선택부(120), 수면 환경 조절부(130), 수면상태 판단부(140) 및 생체 신호 변화 검출부(150)를 포함하고 있다.
입력부(110)는 사용자에 의해 수면의 종류를 입력받는 역할을 하는데, 상기 사용자의 취침 시점을 기준으로 기상 시간을 사용자에 의해 입력받게 되면 수면 시기 및 총 수면 시간이 산출되게 되고 이로써 수면의 종류를 결정하게 된다. 결국, 수면의 종류는 수면의 시기와 수면 시간과 수면의 깊이의 인자에 의해 결정되는 것이다.
프로토콜 선택부(120)는 상기 입력받은 수면의 종류에 따라 숙면 및 기상 환경을 제어하는 숙면 및 기상 유도를 위한 프로토콜을 선택하는 역할을 한다. 이때, 상기 프로토콜의 파라미터는 오디오와 비디오 콘텐츠로 구성되는 콘텐츠 및 수면 공간의 외적 환경의 상태 정보를 나타내는 레벨에 의해서 구성되는데, 상기 레벨은 사용자의 취침 시각부터 기상 시각까지의 수면의 시간적 단계별로 조명, 산소, 온도, 습도, 향기 및 음향 중 적어도 하나 이상에 의해서 조절된다.
여기서, 상기 수면의 시간 단계라는 것은 사용자가 취침할 때부터 기상하기까지의 시간을 수면의 깊이에 따라 나눈 것으로서, 도 5에 나타나 있다. 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 방법에서 취침 시각부터 기상 시각까지의 수면의 시간 단계를 나타내는 도면이다. 도 5를 참조하여 수면의 시간 단계를 설명하면, 잠자리에 누운 시점부터 졸음이 오기 직전까지의 취침 준비(Hypnagogic)단계, 졸음이 오는 시점부터 완전히 잠들기 직전까지의 입면(Relaxation) 단계, 완전히 잠드는 시점부터 마지막 각성 유도가 되기 직전까지의 수면(Sleep) 단계 및 각성 유도가 시작되는 시점부터 각성될 때까지의 각성(Wake-Up) 단계를 포함하는 총 4단계로 구성된다.
한편, 수면 환경 조절부(130)는 상기 선택된 숙면 및 기상 유도를 위한 프로토콜에 따라 사용자의 수면 환경을 조절하는 역할을 하는데, 상기 프로토콜에 따라 AV 장치, 조명 장치, 산소 발생 장치, 온도 조절 장치, 습도 조절 장치, 향기 발생 장치 및 음향 출력 장치 중 적어도 하나 이상을 제어함으로써 상기 프로토콜에서의 레벨 값을 변화시켜 사용자의 수면 환경을 조절하게 되는 것이다.
수면 상태 판단부(140)는 상기 수면 환경에서 수면 중인 사용자의 생체 신호를 측정하여 상기 사용자의 수면 상태를 판단하는 역할을 한다. 여기서, 상기 생체 신호는 인간의 수면 상태를 판단할 수 있는 여러 가지 현상들, 즉, 심박동수(Heart Rate), 혈압, 뇌파, 심전도, 체온, 발한, 맥박, 호흡수(Respiration) 등 다양하게 존재하지만, 사용자의 심박동(Heart Beat) 및 호흡(Respiration)으로부터 산출되는 심박동수(Heart Rate; HR), 심박동수 변화량(Heart Rate Variability; HRV) 및 호흡수(Respiratory Rate; RR)를 주요 지표로 하여 측정하는 것이 바람직하다.
그러므로 상기 수면 상태는 상기와 같은 지표를 기준이 될 수 있는 생체 신호 변화 모델과 비교하여 상기 지표가 유지, 증가 또는 감소 되었는지 여부로써 판단할 수 있는 것이다. 예를 들어, 사람이 깨어 있을 때 나오는 뇌파의 일종인 감마파나 베타파가 수면(Sleep) 단계에서 검출된다거나, 심박동수(HR)와 호흡수(RR)가 수면(Sleep) 단계에서 갑자기 높아지게 된다면, 수면 상태가 불안정하다고 판단할 수 있는 것이다.
또한, 수면 상태 판단부(140)는 상기 사용자의 신체와 비 접촉하는 방식으로서 상기 사용자의 심장 위치로부터 약 3미터 이내에 구비되는 도플러 레이더 센서를 이용하여 상기 생체 신호를 측정하는 것이 바람직하다. 실험적으로 상기 도플러 레이더 센서를 이용하면 사용자의 심장 위치로부터 3미터 이내의 거리에서는 90% 이상의 정확도를 나타낸다고 알려져 있다. 상기 도플러 레이더 센서는 물체와 관찰자의 위치의 변화에 따라 진동수가 변한다는 도플러 변이의 원리를 이용한 것으로서, 수면 중인 사용자의 흉곽 운동에 의해 반사된 신호의 도플러 주파수 차이만큼의 변이량을 이용하여 심박동수(HR), 심박동수 변화량(HRV) 및 호흡수(RR)를 구할 수 있는 것이다.
이러한 측정 과정을 나타내고 있는 도면이 도 3인데, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 장치의 원격 생체 신호의 측정 원리를 나타내는 도면이다. 도 3을 참조하면, 커플러, 저잡음 증폭기, 믹서, 전력 증폭기 및 VCO(Voltage Controlled Oscillator)로 구성된 생체 신호 검출 센서 IC에 의해 검출된 혼합 신호를 필터를 통해 필터링하고 증폭기를 통해 신호를 증폭한 후, DSP(Digital Signal Processor)를 거쳐 디지털 신호 처리를 한 후에 디스플레이 장치를 통해 신호를 출력하게 된다. 상기 도 3에서는 호흡 파형과 심장 박동 파형이 출력되고 있음을 알 수 있는데, 출력된 호흡 파형과 심장 박동 파형으로부터 심박동수(HR), 심박동수 변화량(HRV) 및 호흡수(RR)가 측정될 수 있음은 상술하였다.
한편, 수면 상태 판단부(140)는 상기 사용자의 수면 중의 행동을 측정함으로써 상기 수면 상태를 판단하기도 하는데, 수면 중의 행동이란 몸을 뒤척여 몸부림을 치거나 코를 고는 행동을 예로 들 수 있다. 그러나 이러한 수면 중의 행동은 생체 신호에 비하여 종속적인 요소로 처리하는 것이 바람직하다.
생체 신호 변화 검출부(150)는 상기 판단된 수면 상태를 이용하여 상기 사용자의 생체 신호의 변화를 검출하는 역할을 하는데, 주로 널리 알려진 인간의 수면 단계별 생체 신호 변화 모델을 기준으로 하고, 상기 판단된 생체 신호 지표들, 즉, 사용자의 심박동(Heart Beat) 및 호흡(Respiration)으로부터 산출되는 심박동수(Heart Rate; HR), 심박동수 변화량(Heart Rate Variability; HRV) 및 호흡수(Respiratory Rate; RR)의 증감 여부로 사용자의 수면 상태를 판단하고, 상기 지표들의 증감 여부를 상기 모델에 나타난 증감 여부와 비교함으로써 상기 사용자의 수면 단계에 따른 생체 신호의 변화를 검출하게 되는데, 이는 도 4를 설명하는 부분에서 후술한다.
한편, 수면 환경 조절부(130)는 상기 생체 신호 변화 검출부(150)에 의해 생체 신호의 소정 변화가 검출된 경우에, 상기 변화에 따라 상기 숙면 및 기상 유도를 위한 프로토콜을 변화시켜 사용자의 수면 환경을 재조절함으로써 피드백 제어하는 역할을 한다.
프로세서(100)는 상술한 모든 요소들의 동작을 제어하며, 수면 환경을 피드백 제어할 수 있도록 하는 역할을 한다.
이제, 도 4를 참조하여 숙면 및 기상 유도 방법을 설명한다. 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 방법의 흐름을 나타내는 도면이다.
먼저, 사용자의 취침 시점을 기준으로 사용자가 기상 시간을 입력하면 입력부(110)는 이를 입력받아 수면 시점 및 총 수면 시간을 산출하게 되고, 자동으로 수면의 종류를 선택하게 된다(S402). 그리고 사용자에 의해 선택된 수면의 종류에 따라 프로토콜 선택부(120)는 숙면 및 기상 환경을 제어하는 프로토콜을 선택하게 된다(S404).
여기서, 상기 프로토콜은 상술하였듯이, 음향과 영상으로 구성된 콘텐츠 및 수면 공간의 외적 환경의 상태 정보를 나타내는 레벨에 의해서 프로토콜의 파라미터가 구성되며, 상기 레벨은 취침 시각부터 기상 시각까지의 수면의 시간 단계별로 조명, 산소, 온도, 습도, 향기 및 음향의 양에 의해서 조절될 수 있는 값을 의미한다.
이러한 방식으로 선택된 숙면 및 기상 유도를 위한 프로토콜에 따라 수면 환경 조절부(130)는 사용자의 수면 환경을 조절하게 된다(S406). 구체적으로는, 수면 환경 조절부(130)는 상기 프로토콜에 따라 AV 장치, 조명장치, 산소 발생 장치, 온도 조절 장치, 습도 조절 장치, 향기 발생 장치 및 음향 출력 장치 중 적어도 하나 이상의 장치를 제어함으로써 사용자의 수면 환경을 조절한다.
한편, 수면 상태 판단부(140)는 상기 수면 환경에서 수면 중인 사용자의 생체 신호를 비접촉 센서를 이용하여 측정함으로써 상기 사용자의 수면 상태를 판단하게 되는데(S408), 상기 생체 신호는 사용자의 심박동(Heart Beat) 및 호흡(Respiration)으로부터 산출되는 심박동수(HR), 심박동수 변화량(HRV) 및 호흡수(RR)를 포함하는 지표를 통하여 측정되는 것이 바람직하다. 여기서, 사용자의 수면 상태는 상기 지표가 유지되었는지, 증가되었는지 또는 감소되었는지 여부로써 판단될 수 있다. 부가적으로는 상기 사용자의 수면 중의 뒤척이는 행동같이 수면 중의 움직임을 측정하여 상기 수면 상태를 판단할 수도 있다. 이렇게 판단된 수면 상태를 이용하여 생체 신호 변화 검출부(150)는 상기 사용자의 심박동수(HR), 심박동수 변화량(HRV) 및 호흡수(RR) 등을 포함하는 생체 신호의 변화를 검출하게 된다(S410).
이러한 생체 신호 변화의 검출은 도플러 레이더 센서를 이용하여 검출하게 되는데, 상기 사용자의 신체와 비접촉으로서 사용자의 심장 위치로부터 3미터 이내에 구비될 수 있다면, 침실의 내벽이나 침대의 내부나 가전 제품에도 부착될 수 있다.
한편, 상기 생체 신호 변화의 검출은 인간의 수면 단계별 생체 신호 변화 모델을 기준으로 하여 생체 신호를 나타내는 호흡수(RR)나 심박동수(HR) 또는 심박동수 변화량(HRV)같은 지표가 증가 또는 감소 또는 유지되었는지 여부를 상기 모델과 비교함으로써 생체 신호의 변화를 검출할 수 있다.
예를 들어, 널리 알려진 인간의 수면 단계별 생체 신호 변화 모델에 따를 때, 수면(Sleep) 단계에서 기준 값이 "심박동수(HR) 변화없음, 심박동수 변화량(HRV) 감소, 호흡수(RR) 유지"이고, 측정값은 "심박동수(HR) 증가, 심박동수 변화량(HRV) 감소, 호흡수(RR) 증가"라면, 심박동수(HR)와 심박동수 변화량(HRV)과 호흡수(RR)를 기준 값으로 맞춰줄 수 있는 자극이 필요하므로, 프로세서(100)는 심박동수(HR)를 감소시키고 심박동수 변화량(HRV)을 그대로 유지하며, 호흡수(RR)를 감소시키기 위한 프로토콜의 파라미터를 선택하여 수면 환경 조절부(130)로 하여금 상기 프로토콜의 파라미터에 맞게 온도, 습도, 조명, 산소, 음향, 향기 등의 양을 조절하도록 제어하게 한다. 여기서, 인간의 수면 단계별 생체 신호 변화 모델은 널리 알려진 공지의 모델이므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
한편, 프로세서(100)는 기상 시각인지 여부를 판단하여(S412), 기상 시각이 아닌 경우에는 상기 검출된 생체 신호의 변화에 따라 프로토콜의 파라미터를 산출하고(S414), 산출된 프로토콜의 파라미터에 따라 사용자의 수면환경을 재조절함으로써 피드백 제어하게 된다(S406). 만약, 기상 시각인 경우에는 프로세서(100)는 기상을 유도하는 프로토콜의 파라미터를 산출하여 기상을 유도하도록 제어하게 된다(S416).
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 숙면 및 기상 유도 방법에서 수면의 시간 단계별 수면 환경 조절 방식을 테이블로 예시한 도면이고, 도 7은 수면의 시간 단계별 수면 환경 조절 방식을 그래프로 예시한 도면이다.
상술하였지만, 수면의 시간적 단계는 도 5에서 표시되었듯이, 일반적으로 잠자리에 누운 시점부터 졸음이 오기 직전까지의 취침 준비(Hypnagogic) 단계, 졸음이 오는 시점부터 완전히 잠들기 직전까지의 입면(Relaxation) 단계, 완전히 잠드는 시점부터 마지막 각성 유도가 되기 직전까지의 수면(Sleep) 단계 및 각성 유도가 시작되는 시점부터 각성될 때까지의 각성(Wake-Up) 단계를 포함하는 4단계로 구성된다.
도 6과 도 7을 참조하여 설명하면, 조용한 환경에서의 음향 효과의 경우, 취침 준비(Hypnagogic) 단계에서는 조용한 음악이 출력되다가 입면(Relaxation) 단계부터는 음향의 크기가 점차 줄어들게 되며, 수면(Sleep)단계에서는 음향이 없어졌다가 각성(Wake-Up) 단계에서 다시 가벼운 음악이 출력됨을 알 수 있다. 또한, 조명을 예로 들면, 취침 준비(Hypnagogic) 단계에서는 부드럽고 온화한 느낌의 불빛이 조도 150룩스 이하에서부터 서서히 어두워 지며, 입면(Relaxation) 단계에서는 깊은 호흡 유도를 위해 일정한 주기로 4회를 점멸하고 긴 주기로 1회 점멸한다. 수면(Sleep) 단계에서는 희미한 불빛 상태를 유지하다가 각성(Wake-Up) 단계에서는 다시 간접 조명을 이용하여 자연광을 서서히 밝게 하고 기상 시각이 되면 자연 등과 형광등을 10000 럭스로 유지하여 점등하는 것을 알 수 있다.
그리고 부가적으로 에어 마사지의 작동을 통하여 수면 환경을 조절할 수도 있는데, 취침 준비(Hypnagogic) 단계에서는 점진적으로 에어 마사지의 강도를 증가시키다가, 입면(Relaxation) 단계를 지나서부터는 점차 강도를 약화시키다가 수면(Sleep) 단계에서는 마사지 작용이 없도록 유지하고, 마지막 단계인 각성(Wake-up) 단계에서는 다시 마사지의 강도를 증가시킨다. 침대 경사의 경우에는 취침 준비(Hypnagogic) 단계에서부터 경사를 점점 낮추다가 입면(Relaxation) 단계부터는 수평을 계속 유지하며, 마지막 각성(Wake-up) 단계에서는 역시 경사도를 증가시키게 됨을 알 수 있다.
산소의 경우에도 유사하게, 취침 준비(Hypnagogic) 단계에서는 점진적으로 산소의 양을 증가시키다가, 입면(Relaxation) 단계를 지나서부터는 일정한 농도(약 25%)를 유지시키다가 수면(Sleep) 단계를 거쳐 각성(Wake-up) 단계에서는 농도를 더욱 상승시키게 됨을 알 수 있다. 습도의 경우는 취침 준비(Hypnagogic) 단계에서 습도를 약간씩 증가시키다가 이후부터는 계속 일정한 값을 유지하는 게 바람직하다.
온도나 향기에 대해서도 비슷한 원리가 적용되어 도 6 및 도 7에 나타난 것처럼 조절되므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 상술한 방법들을 수행하기 위한 단계들을 포함하는 컴퓨터로 실행 가능한 컴퓨터 프로그램 생성물에도 본 발명의 권리 범위가 미치게 됨은 당업자에게 자명할 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100: 프로세서
110: 입력부
120: 프로토콜 선택부
130: 수면 환경 조절부
140: 수면 상태 판단부
150: 생체 신호 변화 검출부

Claims (8)

  1. 수면자에 의해 각성 시각을 입력받아 상기 각성 시각에 근거하여 수면의 종류를 선택하는 입력부;
    상기 수면의 종류에 따라 수면 환경을 제어하기 위한 프로토콜을 선택하는 프로토콜 선택부;
    상기 선택된 프로토콜에 따라 수면자의 수면 환경을 조절하는 수면 환경 조절부;
    상기 수면 환경에서 수면 중인 수면자의 생체 신호를 상기 수면자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 측정하고 측정 신호를 기반으로 상기 수면자의 수면 상태를 판단하는 수면 상태 판단부; 및
    상기 판단된 수면 상태를 이용하여 상기 수면자의 생체 신호의 변화를 검출하는 생체 신호 변화 검출부를 포함하고,
    상기 수면 환경 조절부는,
    상기 생체 신호 변화 검출부에 의해 상기 생체 신호의 변화가 검출된 경우에, 상기 변화에 따라 상기 프로토콜을 변화시켜 상기 수면 환경을 재조절하며,
    상기 수면의 종류는 총수면 시간과 수면 깊이, 및 상기 생체 신호에 의한 수명의 종류를 포함하며, 상기 수면 환경은 온도, 조명, 습도, 음향, 산소, 향기를 포함하는 인자들에 의해 변동되는 주변 환경을 포함하고, 상기 생체 신호는, 상기 수면자의 심박동(Heart Beat) 및 호흡(Respiration)으로부터 산출되는 심박동수(Heart Rate), 심박동수 변화량(Heart Rate Variability) 및 호흡수(Respiratory Rate)를 포함하는 지표를 통하여 측정되며, 상기 프로토콜은, 음향과 영상 정보로 구성된 콘텐츠 및 수면 공간의 외적 환경의 상태 정보를 나타내는 레벨로 구성되며, 상기 레벨은 취침 시각부터 기상 시각까지의 수면의 시간 단계별로 조명, 산소, 온도, 습도, 향기 및 음향의 양 중 어느 하나 또는 복수의 조합에 의해서 조절되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수면의 시간 단계는, 잠자리에 누운 시점부터 졸음이 오기 직전까지의 취침 준비(Hypnagogic) 단계, 졸음이 오는 시점부터 완전히 잠들기 직전까지의 입면(Relaxation) 단계, 완전히 잠드는 시점부터 마지막 각성 유도가 되기 직전까지의 수면(Sleep) 단계 및 각성 유도가 시작되는 시점부터 각성될 때까지의 각성(Wake-Up) 단계를 포함하는 4단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 센서는, 상기 수면자의 심장 위치로부터 3미터 이내에 구비된 도플러 레이더 센서인 것을 특징으로 하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 수면 환경 조절부는, 상기 프로토콜에 따라 AV 장치, 조명 장치, 산소 발생 장치, 온도 조절 장치, 습도 조절 장치, 향기 발생 장치 및 음향 출력 장치 중 어느 하나 또는 복수의 조합을 제어함으로써 수면자의 수면 환경을 조절하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 시스템.
  5. 수면자에 의해 선택된 수면의 종류에 따라 수면 환경을 제어하기 위한 프로토콜을 선택하는 제 1단계;
    상기 선택된 프로토콜에 따라 수면자의 수면 환경을 조절하는 제 2단계;
    상기 수면 환경에서 수면 중인 수면자의 생체 신호를 상기 수면자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 측정함으로써 상기 수면자의 수면 상태를 판단하는 제 3단계;
    상기 판단된 수면 상태를 이용하여 상기 수면자의 생체 신호의 변화를 검출하는 제 4단계; 및
    상기 검출된 생체 신호의 변화에 따라 상기 프로토콜을 변화시켜 상기 수면 환경을 재조절하는 제 5단계를 포함하며,
    상기 수면의 종류는 총수면 시간과 수면 깊이, 및 상기 생체 신호를 포함하고, 상기 수면 환경은 온도, 조명, 습도, 음향, 산소, 향기를 포함하는 인자들에 의해 변동되는 주변 환경을 포함하며, 상기 생체 신호는, 상기 수면자의 심박동(Heart Beat) 및 호흡(Respiration)으로부터 산출되는 심박동수(Heart Rate), 심박동수 변화량(Heart Rate Variability) 및 호흡수(Respiratory Rate)를 포함하는 지표를 통하여 측정되며, 상기 프로토콜은, 음향과 영상 정보로 구성된 콘텐츠 및 수면 공간의 외적 환경의 상태 정보를 나타내는 레벨로 구성되고, 상기 레벨은 취침 시각부터 기상 시각까지의 수면의 시간 단계별로 조명, 산소, 온도, 습도, 향기 및 음향의 양 중 어느 하나 또는 복수의 조합에 의해서 조절되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제 1단계는, 상기 수면자의 취침 시점을 기준으로 기상 시간을 입력받아 수면 시기 및 총 수면 시간을 산출함으로써 수면의 종류를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 수면의 시간 단계는, 잠자리에 누운 시점부터 졸음이 오기 직전까지의 취침 준비(Hypnagogic) 단계, 졸음이 오는 시점부터 완전히 잠들기 직전까지의 입면(Relaxation) 단계, 완전히 잠드는 시점부터 마지막 각성 유도가 되기 직전까지의 수면(Sleep) 단계 및 각성 유도가 시작되는 시점부터 각성될 때까지의 각성(Wake-Up) 단계를 포함하는 4단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 방법.
  8. 수면자에 의해 선택된 수면의 종류에 따라 수면 환경을 제어하기 위한 프로토콜을 선택하는 제 1단계; 상기 선택된 프로토콜에 따라 수면자의 수면 환경을 조절하는 제 2단계; 상기 수면 환경에서 수면 중인 수면자의 생체신호를 상기 수면자의 신체와 비접촉인 센서를 이용하여 측정함으로써 상기 수면자의 수면 상태를 판단하는 제3 단계; 상기 판단된 수면 상태를 이용하여 상기 수면자의 생체 신호의 변화를 검출하는 제 4단계; 및 상기 검출된 생체 신호의 변화에 따라 상기 프로토콜을 변화시켜 상기 수면 환경을 재조절하는 제 5단계를 포함하는 유비쿼터스를 이용한 수면 환경 제공 방법을 수행하기 위하여 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체.
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