KR20120131428A - 센서 및 센싱방법 - Google Patents

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KR20120131428A KR1020110049587A KR20110049587A KR20120131428A KR 20120131428 A KR20120131428 A KR 20120131428A KR 1020110049587 A KR1020110049587 A KR 1020110049587A KR 20110049587 A KR20110049587 A KR 20110049587A KR 20120131428 A KR20120131428 A KR 20120131428A
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Abstract

본 발명은 생체신호 측정센서 및 측정방법에 관한 것이다. 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서는 발진기, 신호검출부 및 신호처리부를 포함하며, 발진기의 발진주파수 편이량을 생체신호의 크기변화로 검출하고 검출된 생체신호로부터 맥박신호 및 호흡신호를 각각 검출한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 측정방법은 생체신호 검출대상과 비접촉하여 이루어지며, 근거리에서 정확한 생체신호 검출이 가능하다.

Description

센서 및 센싱방법{A sensor and a method of sensing thereof}
본 발명의 실시예는 센서 및 센싱방법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 거리 측정 센서, 생체신호 측정센서 및 측정방법에 관한 것이다.
최근 건강에 대한 관심이 높아지면서 병원과 같은 전문기관을 방문하지 않는 재택 건강관리서비스의 필요성이 대두되어, 시공간적 제약이 없는 생체신호 측정기의 개발을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 그리고 심장질환 사망자가 증가하고 인구구조가 급속히 고령화됨에 따라서 호흡신호 및 맥박신호와 같은 생체신호를 실시간으로 모니터링 해야 할 필요성이 증가하고 있다.
특히, RF 기술을 이용한 비접촉식 생체신호 감지센서에 대한 의료용, 군사용 그리고 차량용 적용에 대한 요구가 늘어나면서, 도플러 효과를 이용한 비접촉식 생체신호 감지센서에 대한 연구가 지난 10여년 간 진행되어 왔다. 이러한 도플러 효과를 이용한 비접촉식 생체신호 감지센서의 성능 개선을 위해 많은 하드웨어 시스템 및 소프트웨어들이 제안되었고, 수 미터(m) 측정거리에서 생체신호를 감지할 수 있는 결과를 얻어내었다.
그러나 지금까지의 도플러 효과를 이용한 생체신호 감지센서들은 동일 주파수 간섭(co-frequency interference)에 대한 고려를 하지 않은 상태에서 제안된 것이고, 측정 거리 내에 여러 사람이 있을 경우 생체신호를 측정할 수 없는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 실시예들은 측정 거리 내에 여러 사람이 있는 경우에도 생체신호를 측정할 수 있는 비접촉식 생체신호 측정센서 및 측정방법을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서는 생체신호에 대응하여 발진주파수 편이를 발생시키는 발진기 및 발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출하는 신호검출부를 포함한다.
상기 신호검출부는 필터부를 포함하고, 상기 필터부는 SAW필터를 이용하여 주파수에 대한 생체신호의 크기변화로 검출한다.
상기 신호검출부는 상기 필터부에 연결되는 전력검출기를 포함하고, 상기 전력검출기는 상기 주파수에 대한 생체신호의 크기변화를 시간에 대한 생체신호의 크기변화로 검출한다.
상기 발진기는 공진기를 포함하고, 상기 생체신호에 대응하여 상기 공진기의 입력 임피던스가 변한다. 상기 공진기는 2.4 GHz 내지 2.5 GHz 대역에서 공진이 발생하는 평판형 공진기이다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서는 신호처리부를 더 포함하고, 상기 신호처리부는 상기 생체신호로부터 맥박신호와 호흡신호를 각각 검출한다.
상기 신호처리부는 상기 검출된 생체신호를 이산 푸리에 변환하는 DFT부, 상기 DFT부의 출력신호를 필터링하여 맥박신호 및 호흡신호를 검출하는 필터부 및 상기 맥박신호 및 호흡신호를 역 이산 푸리에 변환하는 IDFT부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서는 검출된 맥박신호 및 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 출력하는 디스플레이부를 더 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정센서는 상기 시간에 대한 크기변화로 검출한 생체신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기 및 상기 디지털 신호를 단말기로 송신하는 데이터 송신부를 더 포함한다.
상기 데이터 송신부는 블루투스, Zigbee 또는 Wi-Fi 통신 네트워크에서 데이터 송신이 가능하도록 구성된다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 단말기는 생체신호에 대응한 발진기의 발진주파수 편이정도를 이용하여 검출된 생체신호를 수신하는 데이터 수신부, 수신한 생체신호로부터 맥박신호 및 호흡신호를 검출하는 신호처리부 및 상기 맥박신호와 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 출력하는 디스플레이부를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법은 생체신호에 대응하여 발진기의 발진주파수 편이를 발생시키는 단계 및 발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출하는 단계를 포함한다. 상기 발진주파수 편이를 발생시키는 단계는, 공진기의 입력 임피던스 변화에 의해 발진주파수 편이가 발생한다.
상기 생체신호의 크기변화를 검출하는 단계는 상기 발진주파수 편이정도를 주파수에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계 및 상기 주파수에 대한 생체신호의 크기변화를 시간에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계를 포함한다.
상기 주파수에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계는 SAW필터를 사용하여 검출한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법은 상기 검출된 생체신호의 크기변화로부터 맥박신호 및 호흡신호를 검출하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법은 상기 검출된 맥박신호 및 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 출력하는 디스플레이 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 측정방법은 비접촉식으로 생체신호를 측정한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정방법은 시간에 대한 크기변화로 검출한 생체신호를 단말기로 송신하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 또다른 실시예에 따른 거리 측정 센서는 측정 대상에 대응하여 발진주파수 편이를 발생시키는 발진기, 편이 된 발진주파수 값을 저장하는 저장부, 상기 편이 된 발진주파수 값으로부터 상기 측정 대상까지의 거리를 판단하는 거리산출부를 포함한다.
상기 거리산출부는 상기 측정 대상과 상기 거리 측정 센서 간의 거리에 따른 상기 발진기의 발진주파수 값을 저장한 데이터베이스부를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 측정 거리 내에 여러 명의 사람이 있는 경우에도 생체신호 검출대상의 생체신호의 정확한 측정이 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 측정 대상과 센서 간의 정확한 거리 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 발진기의 회로도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 평판형 공진기의 구조를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 발진기의 출력을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 발진기의 발진주파수 편이를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리에 따른 발진 주파수 편이를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 SAW필터의 출력을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 전력검출기의 출력으로써 생체신호 측정결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리에 따른 생체신호의 크기변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정결과를 이산 푸리에 변환한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법에 의해 검출한 맥박신호를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호의 측정결과와 비교하기 위하여 압력센서를 이용하여 측정한 맥박신호의 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호의 측정결과와 비교하기 위하여 압력센서를 이용하여 측정한 맥박신호를 이산 푸리에 변환한 그래프이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 단말기의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 단말기의 구조를 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 센서의 구조를 나타낸 것이다.
실시예들은 여러 가지 다른 형태들로 구체화되어질 수 있고, 여기에서 설명되는 양태들로 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 오히려, 상기 양태들은 실시예들을 더욱 철저하고 완전하게 되도록 해주며, 당업자에게 실시예들의 영역을 충분히 전달할 수 있도록 해준다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서 "생체신호"는 심장 박동에 의한 "호흡신호" 및 "맥박신호"를 포괄하는 용어로써, 그 외에 생명체로부터 검출할 수 있는 기타의 모든 생체신호들을 포괄하는 개념을 의미한다. 수축과 확장을 반복하는 심장은 일정한 패턴을 가지면서 박동하게 되며, 이러한 심장 박동의 일정한 패턴을 측정함으로써 생명체의 건강상태를 파악할 수 있게 되는 것이다.
본 발명의 일실시예는 생체신호 측정센서 및 측정방법에 관한 것으로써, 발진기의 발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출한다.
이하에서 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 측정방법에 관하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법을 나타낸 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법은 생체신호에 대응하여 발진기의 발진주파수 편이를 발생시키는 단계(S110), 발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출하는 단계(S120), 호흡신호 및 맥박신호를 검출하는 단계(S130)를 포함하여 이루어질 수 있다.
발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출하는 단계(S120)는 발진주파수 편이정도를 주파수에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계(S121) 및 상기 주파수에 대한 생체신호의 크기변화를 시간에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계(S122)를 포함하여 이루어질 수 있다.
이하에서 상기의 각 단계를 설명하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서를 나타낸 것이다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서는 발진기(100), 신호검출부(200), 신호처리부(300) 및 디스플레이부(400)를 포함할 수 있다. 발진기(100)는 발진주파수 편이를 발생시키는 공진기(110)를 포함할 수 있고, 공진기(110)는 방사체(radiator)로 사용될 수 있는 모든 형태의 공진기를 포함할 수 있으며, 바람직하게는 평판형 공진기를 사용할 수 있다. 신호검출부(200)는 발진주파수 편이정도를 생체신호의 크기변화로 검출하기 위한 필터부(210)와 상기 필터부(210)에 연결되는 전력검출기(220)를 포함할 수 있다. 신호처리부(300)는 검출된 생체신호의 크기변화로부터 호흡신호 및 맥박신호를 검출하기 위한 이산 푸리에 변환부(DFT부)(310), 필터부(320) 및 역 이산 푸리에 변환부(IDFT)(330)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 발진기(100)의 회로를 나타낸 것이다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 발진기(100)는 평판형 공진기(110)를 포함한다. 발진기 회로는 능동 회로부와 수동 회로부로 구성된다.
발진기(100) 회로에서 29 kΩ 및 100Ω 저항은 트랜지스터(BFP420)의 동작전압을 설정하기 위한 DC바이어스 회로의 기능을 할 수 있다. 100 nH 인덕터는 교류신호가 DC단으로 유입되지 않고 DC신호만 통과시키는 기능을 할 수 있다. 1 pF 및 1.5 pF의 커패시터는 DC전압이 트랜지스터로만 입력되도록 한다. 또한, 트랜지스터의 베이스 및 컬렉터와 평판형 공진기의 임피던스 정합과 발진기의 발진 주파수의 미세조정을 할 수 있다. 수동 회로부로 사용되는 평판형 공진기(110)는 발진기의 발진 조건을 만족시키는 궤환성분 뿐 아니라 센서로 동시에 사용될 수 있다. 평판형 공진기(110)는 발진기의 트랜지스터의 베이스 부분에 연결된다. 트랜지스터의 임피던스를 조절하면 평판형 공진기의 공진 주파수에서 발진기의 발진 조건을 만족시킬 수 있다. 또한, 발진기의 후단에 연결되는 신호검출부(200)의 필터부(210)의 급격한 임피던스 변화에 의한 발진기의 오동작을 막기 위해 에미터팔로우어(emitter follower) 형태의 버퍼 증폭기(buffer amplifier)를 종속(cascode) 형식으로 연결한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 평판형 공진기의 구조를 나타낸 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 평판형 공진기(110)는 가로 및 세로 각각 28 mm의 크기를 가지며, 이는 본 발명의 일실시예에서 사용한 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역의 2.4 GHz의 파장에 의해 결정된 값이다. ISM 대역은 산업, 과학, 의료용 기기에서 사용 가능한 주파수 대역이며, 2.4 GHz ~ 2.48 GHz 대역을 포함한다. 이러한 ISM 대역은 정부로부터 별도의 주파수 사용허가를 받지 않고 무료로 사용할 수 있다. 상기 평판형 공진기의 두 단자 간의 간격은 발진기회로의 트랜지스터의 베이스(base)와 콜렉터(collector) 간격을 고려하여 18 mm의 크기를 가진다. 또한, 임피던스 매칭(impedance matching) 및 커플링(coupling)을 고려하여 상기 평판형 공진기 단자에서 4 mm 떨어진 부분에 1 mm의 슬롯을 추가하였다. FR4(유전율 4.4) 재질의 기판을 사용하였고, 그라운드를 포함한 전체 크기는 가로 및 세로 각각 50 mm의 크기를 가진다. 상기 평판형 공진기를 측정한 결과 2.45 GHz에서 공진이 발생하며 370 MHz의 3dB 대역폭을 갖는 것을 확인하였다.
평판형 공진기(110)가 생체신호 검출대상(인체)와 근거리(20 mm 이내)에 위치하는 경우, 호흡활동에 의한 인체의 주기적인 움직임은 상기 평판형 공진기(110)와 검출대상 사이에 추가적인 커패시터 성분을 발생시킨다. 이러한 추가적인 커패시터 성분은 평판형 공진기(110)의 입력 임피던스의 변화를 유도하게 되며, 이러한 입력 임피던스의 변화는 발진기(100)의 발진주파수의 편이를 발생시킨다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 발진기의 출력을 나타낸 그래프이다. 발진기 회로에 5V 전압을 인가하고, 스펙트럼 분석기(spectrum analyzer)를 이용하여 발진기의 출력을 측정하였다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 발진기의 출력은 2.379 GHz에서 4.6 dBm의 peak 출력을 갖는다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 발진기의 발진주파수의 편이를 나타낸 그래프이다. 도 6의 상측 도면에 도시된 바와 같이,
Figure pat00001
는 발진주파수를 나타내고,
Figure pat00002
및
Figure pat00003
는 편이된 발진주파수를 나타낸다. 예를 들면, 인체가 호흡하는 과정에서 숨을 들이쉬면 발진주파수의 편이가
Figure pat00004
방향으로 발생하고, 숨을 내쉬면 발진주파수의 편이가
Figure pat00005
방향으로 발생하게 된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리에 따른 발진주파수 편이를 나타낸 그래프이다. 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리가 0 mm인 상태에서 호흡을 하지 않는 경우 발진주파수 편이는 발생하지 않았고 2.356 GHz의 발진주파수가 측정되었다. 이는 생체신호 검출 대상이 없을 경우의 발진기의 초기 발진 주파수를 의미할 수 있다. 또한, 상기 그래프는 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리가 멀어짐에 따라 생체신호 검출대상이 없을 경우의 초기 발진주파수로 발진 주파수가 이동하는 것을 의미할 수 있다. 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리가 10 mm인 상태에서 호흡을 하는 경우 수천kHz/mm의 발진주파수 편이가 측정되었다. 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리가 20 mm인 상태에서 호흡을 하는 경우 수백kHz/mm의 발진주파수 편이가 측정되었다.
그러나 맥박신호와 같이 1~2 mm의 미세한 생체신호 검출대상(인체)의 움직임에 의한 발진주파수 편이를 GHz 대역에서 감지하고, 이를 생체신호의 크기변화로 검출하기에는 어려움이 따를 수 있다. 따라서, 도 6의 하측 도면에 도시된 바와 같이, 필터를 사용하여 발진주파수 편이정도를 생체신호의 크기변화로 검출하는 과정이 필요하다.
이하에서는 신호검출부(200)가 발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화로 검출하는 과정에 대하여 신호검출부(200)의 구성인 필터부(210) 및 전력검출기(220)를 통해 설명한다. 필터부(210)는 발진기 회로의 버퍼증폭기 우단의 출력단자와 연결될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 SAW 필터의 출력을 나타낸 그래프이다. 앞에서 언급한 바와 같이 평판형 공진기와 검출대상 사이의 거리가 20 mm 이내에서는 약 수백kHz/mm의 발진주파수 편이가 나타난다. 이러한 발진주파수 편이정도를 생체신호의 크기변화로 검출하는 과정은 신호검출부(200)의 필터부(210)에 의해 수행된다. 필터부(210)는 대역통과필터(bandpass filter), 고역통과필터(highpass filter), 저역통과필터(lowpass filter) 등으로 구현될 수 있다. 바람직하게는 SAW 필터(surface acoustic filter)를 사용할 수 있다. SAW 필터는 통과대역에서는 작은 삽입 손실을 갖는 반면, 저지 대역에서는 급격한 기울기의 감쇄 특성을 가지므로 상기 저지 대역을 이용하면 작은 발진주파수 편이정도를 생체신호의 급격한 크기변화로 변환할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 SAW 필터는 2.35 GHz 내지 2.385 GHz의 급격한 감쇄를 갖는 영역(skirt frequency range)에서 100 kHz의 발진주파수 편이당 0.1 dB의 생체신호의 크기 변화로 검출할 수 있다. 상기 급격한 감쇄를 갖는 영역의 주파수 대역은 2.35 GHz 내지 2.385 GHz 이고 그에 따른 생체신호의 크기 변화는 약 35dB 이므로, 100kHz의 발진주파수 편이당 0.1dB의 크기변화를 계산할 수 있다. 도 8에서는 SAW 필터의 통과대역의 주파수보다 작은 주파수 대역을 이용하였으나, 발진주파수 및 발진주파수의 편이정도에 따라 통과대역의 주파수보다 큰 주파수 대역을 이용할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서의 전력검출기의 출력으로써 생체신호 측정결과를 나타낸 그래프이다. 신호검출부(200)의 필터부(210)를 통하여 검출된 주파수에 대한 생체신호의 크기변화는 필터부(210)와 연결된 전력검출기(220)를 이용하여 시간에 대한 생체신호의 전압 크기변화로 검출한다. 전력검출기(220)는 RMS 전력검출기 또는 peak 전력검출기를 사용할 수 있다. 상기 검출된 시간에 대한 생체신호의 전압 크기변화는 차동 증폭기(Operational Amplifier)를 이용하여 증폭될 수 있다. 도 9의 생체신호 크기변화는, 피크(peak)값이 0.1 mV의 크기를 갖는 호흡신호의 크기 변화이다. 일반적으로 호흡에 의한 신체의 움직임(약 5 mm)이 맥박에 의한 신체의 움직임(약 1 ~ 1.5 mm)보다 훨씬 크기 때문에, 맥박신호의 크기변화는 검출되지 않는다. 따라서, 맥박신호를 검출하기 위해서는 신호처리과정이 필요할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리에 따른 생체신호의 크기변화를 나타낸 그래프이다. 앞에서 언급한 바와 같이 SAW 필터를 통해 2.35 GHz 내지 2.385 GHz의 급격한 감쇄를 갖는 영역에서 약 100 kHz의 주파수 편이당 약 0.1 dB의 생체신호의 크기변화를 검출하였다. 이는 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리가 10 mm 내지 20 mm 인 구간에서 1 mV/mm의 전압 크기 변화로 변환할 수 있으므로 맥박과 같은 신체의 미세한 움직임에 대해서도 생체신호를 검출할 수 있다. 또한, 생체신호 검출대상과 평판형 공진기 사이의 거리가 10 mm 이내인 구간에서는 전압 크기 변화가 훨씬 더 커지므로 맥박과 같은 신체의 미세한 움직임에 대해 보다 뚜렷한 생체신호의 크기변화를 검출할 수 있다.
이하에서는 신호처리부(300)가 검출된 생체신호의 크기변화로부터 맥박신호를 검출하는 과정에 대하여 DFT부(310), 필터부(320), IDFT부(330)를 통하여 설명한다. 신호처리부(300)는 이산 푸리에 변환부(DFT부)(310), 필터부(320) 및 역 이산 푸리에 변환부(IDFT부)(330)를 포함한다. 맥박신호의 크기변화를 검출하기 위하여 검출된 생체신호의 크기변화를 먼저 DFT부(310)가 이산 푸리에 변환한다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 검출결과를 이산 푸리에 변환한 그래프이다. 이산 푸리에 변환(discrete fourier transform)은 시간상의 신호 표본 들로부터 주파수 상의 스펙트럼 표본을 구하는 경우에 사용할 수 있으며, 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 이용하여 수행될 수 있다. 이와 반대로 역 이산 푸리에 변환(inverse discrete fourier transform)은 주파수 상의 스펙트럼 표본으로부터 시간상의 신호표본을 구하는 경우에 사용할 수 있다. 도 11을 참조하면, 호흡신호는 0.45 Hz에서 peak값을 가지며, 맥박신호는 1.1 Hz에서 peak 값을 가진다. 이와 같이, 호흡신호 및 맥박신호가 각각 다른 주파수에서 peak 값을 가지는 점을 이용하여 각각을 분리해낼 수 있다.
필터부(320)는 대역통과필터(bandpass filter), 고역통과필터(highpass filter), 저역통과필터(lowpass filter)를 포함할 수 있다. 실시예에서는 0.8 Hz 에서 5 Hz의 통과대역을 가지는 대역통과필터를 사용하여 맥박신호를 필터링 하였다. 하지만, 0.8 Hz 이상의 통과대역을 가지는 고역통과필터를 사용하여 맥박신호를 검출할 수 있다. 또한, 0.8 Hz 이하의 통과대역을 가지는 저역통과필터를 사용하여 호흡신호를 검출함으로써 맥박신호와 분리할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정방법을 이용하여 검출한 맥박신호를 나타낸 그래프이다. 상기 필터부(320)를 통해 필터링된 맥박신호는 IDFT부(330)로 입력된다. 상기 IDFT부(330)는 상기 필터링된 맥박신호를 역 이산 푸리에 변환하여 시간에 대한 맥박신호의 크기변화를 검출한다. 검출된 맥박신호는 peak 값이 약 0.05 V로써, 호흡신호에 비해 작은 값을 가지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 측정방법의 결과와 비교하기 위하여 손가락 압력센서를 이용하여 맥박신호를 측정하였다.
도 13은 손가락 압력센서를 이용하여 측정한 맥박신호를 나타낸 그래프이다. 도 12와 비교했을 때, peak 값을 가지는 파형이 보다 뚜렷하게 나타나긴 하지만, 그래프의 형태는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서를 이용하여 측정한 맥박신호와 유사한 것을 확인할 수 있다. 이는 손가락 압력센서와 비교했을 때, 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서가 일정한 측정시간 동안 동일한 맥박신호의 횟수를 검출할 수 있음을 의미한다.
도 14는 손가락 압력센서를 이용하여 측정한 맥박신호를 이산 푸리에 변환한 그래프이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 1.1 Hz의 주파수에서 peak 값을 가지는 맥박신호를 확인할 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서를 이용하여 측정한 맥박신호와 동일한 주파수에서 peak 값을 가지는 것을 확인할 수 있다.
신호처리부(300)를 통해 검출된 생체신호는 디스플레이부(400)를 통하여 출력될 수 있다. 디스플레이부(400)는 검출된 맥박신호 및 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 시각적으로 출력하는 디스플레이 패널을 포함하며, 상기 디스플레이 패널은 LCD(Liquid Crystal Display), PDP(Plasma Display Panel), OLED(Organic Light Emitting Diode), 브라운관 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정센서는 데이터 송신부를 포함하여, 검출된 생체신호를 단말기로 송신할 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정방법 및 단말기의 동작을 나타낸 흐름도이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정방법은 생체신호에 대응하여 발진기의 발진주파수 편이를 발생시키는 단계(S510), 발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출하는 단계(S520), 검출된 생체신호를 디지털 신호로 변환하는 단계(S530), 단말기로 송신하는 단계(S540)를 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 단말기는 데이터 수신부가 생체신호 측정센서로부터 디지털 신호를 수신하고(S550), 수신한 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고(S560), 신호처리부가 맥박신호 및 호흡신호를 검출하고(S570), 출력(S580)하는 과정을 통해 동작할 수 있다.
이하에서 상기 생체신호 측정방법의 각 단계 및 상기 단말기의 동작을 설명하기 위하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 단말기의 구성에 대하여 상세히 설명한다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 단말기의 구성을 나타낸 것이다. 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정센서(600)는 발진기(610), 신호검출부(620), ADC(Analog to Digital Converter, 630) 및 데이터 송신부(640)를 포함할 수 있다. 발진기(610)는 평판형 공진기(611)를 포함할 수 있다. 신호검출부(620)는 필터부(621) 및 전력검출기(622)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 단말기(700)는 데이터 수신부(710), DAC(Digital to Analog Converter, 720), 신호처리부(730) 및 디스플레이부(740)를 포함할 수 있다. 신호처리부(730)는 DFT부(731), 필터부(732) 및 IDFT부(733)를 포함할 수 있다. 설명의 중복을 피하기 위해 앞서 설명한 구성에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
ADC(630)는 아날로그 신호를 표본화(sampling), 양자화(quantizing), 부호화(binary encoding)를 통해 이진 디지털 신호로 변환하는 장치이다. ADC(630)는 신호검출부(620)의 전력검출기(622)의 출력신호를 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 상기 전력검출기(622)의 출력신호는 시간에 대한 크기변화로 검출된 생체신호 일 수 있다. 데이터 송신부(640)는 블루투스, Wi-Fi 또는 Zigbee 통신 네트워크를 사용하여 ADC(630)의 출력신호를 단말기(700)로 송신할 수 있다. 또한, 데이터 송신부(640)는 2.3 GHz 에서 2.5 GHz 사이의 대역을 사용하여 단말기(700)와 통신할 수 있다.
단말기(700)의 데이터 수신부(710)는 생체신호 측정센서(600)의 데이터 송신부(640)로부터 디지털 신호로 변환된 생체신호를 수신할 수 있다. 수신된 상기 디지털 신호는 DAC(720)로 입력되고, DAC(720)는 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다. 여기서, 상기 아날로그 신호는 신호검출부(620)의 전력검출기(622)의 출력신호와 동일한 신호일 수 있다. 상기 아날로그 신호는 신호처리부(730)로 입력되며, 신호처리부(730)는 상기 아날로그 신호로부터 맥박신호 및 호흡신호를 검출한다. 신호처리부(730)의 DFT부(731)는 상기 아날로그 신호를 이산 푸리에 변환하고, 필터부(732)는 대역통과필터, 고역통과필터 또는 저역통과필터를 사용하여 이산 푸리에 변환한 신호로부터 맥박신호를 검출할 수 있으며, IDFT부(733)는 검출한 맥박신호 및 호흡신호를 역 이산 푸리에 변환하여 시간에 대한 생체신호의 크기변화로 변환할 수 있다. 단말기(700)의 디스플레이부(740)는 검출된 맥박신호 및 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 시각적으로 출력하기 위한 디스플레이 패널을 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체신호 측정센서 및 단말기는 검출된 생체신호를 단말기로 송신하고, 상기 단말기를 통해 출력할 수 있으므로 생체신호 검출대상 외에 보호자 등의 제3자에 의한 확인이 용이한 효과가 있다.
본 발명의 또다른 실시예에 따르면 발진기의 발진주파수 편이 정도를 이용한 물체(인체 또는 사물)의 거리 측정 센서 또는 동작 감지 센서가 제공될 수 있다. 이는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서를 이용하여 수행될 수 있다.
먼저, 다시 도 7을 참조하면, 생체신호 측정센서의 측정거리 내에 물체가 없는 경우 발진기의 발진주파수는 2.356 GHz로 측정되었다. 물체와 생체신호 측정센서의 거리가 10 mm 인 경우 발진기의 발진주파수는 2.364 GHz, 물체와 생체신호 측정센서의 거리가 20 mm 인 경우 발진기의 발진주파수는 2.36 GHz로 측정되었다. 이처럼, 센서의 측정거리 내에 물체가 있는 경우 발진기의 발진주파수 편이가 발생하므로 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정센서는 물체의 동작 감지 센서로 이용될 수 있다. 예를 들면, 보안용 움직임 감지 센서로 사용될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 거리 측정 센서에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 17은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 거리 측정 센서를 나타낸 블록도이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또다른 실시예에 따른 거리 측정 센서(800)는 측정 대상에 대응하여 발진기의 발진주파수 편이를 발생시키는 발진기(810), 편이 된 발진주파수 값을 저장하기 위한 저장부(820), 편이 된 발진주파수 값으로부터 측정 대상까지의 거리를 판단하는 거리산출부(830), 센서로부터 측정 대상까지의 거리를 출력하는 디스플레이부(850)를 포함할 수 있다. 여기서, 거리산출부(830)는 측정 대상과 위치 측정 센서 간의 거리에 따른 발진기의 발진주파수 값을 저장한 데이터베이스부(840)를 더 포함할 수 있다.
예를 들어 설명하면, 차량과 센서와의 거리가 20 mm 일 때 발진기의 발진주파수가 2.7 GHz로 발진주파수 편이가 발생하는 것을 측정하고 이를 데이터베이스화 하여 데이터베이스부(840)에 저장한다. 이를 이용하여, 차량이 센서에 접근하여 발진기의 발진주파수가 2.7 GHz로 편이가 발생하는 경우 거리산출부(830)는 데이터베이스부(840)에 저장되어 있는 발진주파수 값과 비교하여 차량과 센서와의 거리가 20 mm 임을 판단할 수 있다.
언급한 바와 같이, 본 발명의 또다른 실시예에 따르면 거리 측정 센서, 동작 감지 센서가 제공될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 발진기 630: ADC
110: 공진기 640: 데이터 송신부
200: 신호검출부 700: 단말기
210: 필터부 710: 데이터 수신부
220: 전력검출기 720: DAC
300: 신호처리부 800: 거리 측정 센서
310: DFT부 820: 저장부
320: 필터부 830: 거리산출부
330: IDFT부 840: 데이터베이스부
400: 디스플레이부

Claims (23)

  1. 생체신호에 대응하여 발진주파수 편이를 발생시키는 발진기; 그리고
    발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출하는 신호검출부;
    를 포함하는 생체신호 측정센서.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 신호검출부는 필터부를 포함하고,
    상기 필터부는 SAW필터를 이용하여 주파수에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 신호검출부는 상기 필터부에 연결되는 전력검출기를 더 포함하고,
    상기 전력검출기는 상기 주파수에 대한 생체신호의 크기변화를 시간에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 시간에 대한 크기변화로 검출한 생체신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그 디지털 변환기; 그리고
    상기 디지털 신호를 단말기로 송신하는 데이터 송신부;
    를 더 포함하는 생체신호 측정센서.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 데이터 송신부는 블루투스, Zigbee 또는 Wi-Fi 통신 네트워크에서 데이터 송신이 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 발진기는 공진기를 포함하고,
    상기 생체신호에 대응하여 상기 공진기의 입력 임피던스가 변하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 공진기는, 2.4 GHz 내지 2.5 GHz 대역에서 공진이 발생하는 평판형 공진기인 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 생체신호 측정센서는 상기 신호검출부에 연결된 신호처리부를 더 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 검출된 생체신호로부터 맥박신호 및 호흡신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 검출된 생체신호를 이산 푸리에 변환하는 DFT부;
    상기 DFT부의 출력신호를 필터링하여 맥박신호 및 호흡신호를 검출하는 필터부; 그리고
    상기 백막신호 및 호흡신호를 역 이산 푸리에 변환하는 IDFT부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  10. 제8 항에 있어서,
    상기 검출된 맥박신호 및 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 출력하는 디스플레이부를 더 포함하는 생체신호 측정센서.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생체신호 측정센서는 비접촉식으로 생체신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
  12. 생체신호에 대응한 발진기의 발진주파수 편이를 이용하여 검출된 생체신호를 수신하는 데이터 수신부;
    수신한 생체신호로부터 맥박신호 및 호흡신호를 검출하는 신호처리부; 그리고
    상기 맥박신호 및 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 출력하는 디스플레이부;
    를 포함하는 단말기.
  13. 생체신호에 대응하여 발진기의 발진주파수 편이를 발생시키는 단계; 그리고
    발진주파수 편이정도를 이용하여 생체신호의 크기변화를 검출하는 단계;
    를 포함하는 생체신호 측정방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 발진주파수 편이를 발생시키는 단계는, 공진기의 입력 임피던스 변화에 의해 발진주파수 편이를 발생시키는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 생체신호의 크기변화를 검출하는 단계는,
    상기 발진주파수 편이정도를 주파수에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계; 그리고
    상기 주파수에 대한 생체신호의 크기변화를 시간에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계; 를 포함하는 생체신호 측정방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 시간에 대한 크기변화로 검출한 생체신호를 단말기로 송신하는 단계를 더 포함하는 생체신호 측정방법.
  17. 제15 항에 있어서,
    상기 주파수에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계는 SAW필터를 사용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정방법.
  18. 제15 항에 있어서,
    상기 시간에 대한 생체신호의 크기변화로 검출하는 단계는 전력검출기를 사용하여 검출하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정방법.
  19. 제13 항에 있어서,
    상기 검출된 생체신호의 크기변화로부터 맥박신호 및 호흡신호를 검출하는 단계를 더 포함하는 생체신호 측정방법.
  20. 제19 항에 있어서,
    상기 검출된 맥박신호 및 호흡신호 중 적어도 어느 하나를 출력하는 디스플레이 단계를 더 포함하는 생체신호 측정방법.
  21. 제13 항 내지 제20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 생체신호 측정방법은 비접촉식으로 생체신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정방법.
  22. 측정 대상에 대응하여 발진주파수 편이를 발생시키는 발진기;
    편이 된 발진주파수 값을 저장하는 저장부; 그리고
    상기 편이 된 발진주파수 값으로부터 상기 측정 대상까지의 거리를 판단하는 거리산출부;
    를 포함하는 거리 측정 센서.
  23. 제22 항에 있어서,
    상기 거리산출부는 상기 측정 대상과 상기 거리 측정 센서 간의 거리에 따른 상기 발진기의 발진주파수 값을 저장한 데이터베이스부를 더 포함하는 거리 측정 센서.
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