KR20140057868A - 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템 - Google Patents

열화상을 이용한 심박수 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

열화상을 이용한 심박수 측정 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템은, 심박수 측정 대상자(이하, “측정 대상자”라 한다)의 영상을 촬영하는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 및 상기 측정 대상자의 열 영상을 촬영하는 적외선 열화상 카메라를 포함하는 영상 감지부; 및 상기 CCD 카메라로부터 전송되는 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 검출하여 상기 CCD 카메라의 동작을 제어하는 동작 제어부, 상기 적외선 열화상 카메라로부터 전송되는 열 영상으로부터 상기 측정 대상자의 혈관 변화를 측정하는 열 영상 처리부 및 상기 열 영상 처리부로부터 전송되는 상기 측정 대상자의 혈관 변화로부터 심박수를 측정하는 심박수 측정부를 포함하는 컴퓨터를 포함하며, 상기 심박수 측정부는, 기설정된 시간 동안 상기 측정 대상자의 혈관 변화가 일어나는 횟수를 카운트하여 심박수를 측정한다.

Description

열화상을 이용한 심박수 측정 시스템{SYSTEM FOR MEARSURING HEART RATE USING THERMAL IMAGE}
본 발명은 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 적외선 열화상 카메라를 이용하여 혈관 변화를 측정하고 이를 통해 심박수를 측정하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 심박수는 가장 기본이 되는 건강 정보로서, 최근 스포츠와 레저 문화의 활성화로 신체 운동에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있는 상황에서 심박수 측정은 안전 사고의 예방 차원 및 신체 변화의 모니터링을 위해 그 중요성이 점차 증가되고 있다.
즉, 심박수 측정은 스트레스, 체력, 심혈관계 등을 진단하는데 기초가 되는 가장 중요한 건강 정보로 여겨지고 있으며, 이러한 이유로 인해 병원이나 클리닉센터 등에서는 측정 대상자의 기초 건강상태를 파악하기 위해 심박수 측정을 기본적으로 실시하고 있다.
종래에는 가슴에 스트랩을 착용하여 심박수를 측정하는 방식이 일반적이었으며, 이 경우 상의를 탈의하여야 하므로 특히 여성들이 사용하기에 많은 불편함이 있었으며 가슴을 압박하는 나쁜 착용감 때문에 여러 가지 불편한 점들이 있었다.
최근에는 이러한 불편함을 개선하기 위해 LED와 광 검출기를 이용하여 심장 박동과 관련되는 혈류량 신호를 검출하는 심박수 측정 장치가 널리 사용되고 있다. 이러한 심박수 측정 장치는 손가락, 귀 등의 신체의 일부분에 접촉하여 혈류량 정보를 추출한다는 점에서 유용하나, 착용 및 휴대가 번거로우며, 조그만 움직임에도 큰 진폭의 동잡음을 야기하여 혈류량 신호를 검출하는 과정에서 사용자의 몸 떨림과 작은 움직임 등에 의해 발생하는 노이즈 신호로서 정확한 측정에 큰 장애가 되었다.
본 발명의 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 심박수 측정 대상자의 착용 및 휴대의 불편함을 줄이고 열화상을 이용하여 무구속 상태로 매우 쉽고 간편하게 심박수를 측정하는 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템은 심박수 측정 대상자(이하, “측정 대상자”라 한다)의 영상을 촬영하는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 및 상기 측정 대상자의 열 영상을 촬영하는 적외선 열화상 카메라를 포함하는 영상 감지부; 및 상기 CCD 카메라로부터 전송되는 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 검출하여 상기 CCD 카메라의 동작을 제어하는 동작 제어부, 상기 적외선 열화상 카메라로부터 전송되는 열 영상으로부터 상기 측정 대상자의 혈관 변화를 측정하는 열 영상 처리부 및 상기 열 영상 처리부로부터 전송되는 상기 측정 대상자의 혈관 변화로부터 심박수를 측정하는 심박수 측정부를 포함하는 컴퓨터를 포함하며, 상기 심박수 측정부는, 기설정된 시간 동안 상기 측정 대상자의 혈관 변화가 일어나는 횟수를 카운트하여 심박수를 측정한다.
본 발명의 실시예들에 따를 경우, 별도의 측정 센서의 부착 또는 휴대 없이 적외선 열화상 카메라를 이용해 심박수를 손쉽게 측정할 수 있다.
또한 심박수 측정 대상자가 적외선 열화상 카메라 앞에 잠시 서있는 것만으로 심박수를 측정할 수 있으므로 심박수 측정 대상자의 번거로움을 줄일 수 있다.
아울러, 측정된 심박수 변화량에 따라 심박수 측정 대상자의 건강 상태 및 안정 상태 여부를 확인할 수 있다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템(100) 구성을 도시한 도면이다.
도2는 도1의 CCD 카메라에 의해 촬영되는 영상을 통해 측정 대상자의 얼굴을 검출하는 방법에 대해 도시한 도면이다.
도3은 도1의 CCD 카메라에 의해 촬영되는 영상을 통해 측정 대상자의 얼굴을 추적하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도4는 적외선 열화상 카메라에 의해 측정 대상자 얼굴 부분의 혈관 변화를 측정하는 방법에 대해 도시한 도면이다.
도5는 적외선 열화상 카메라에 의해 측정한 혈관 변화를 이용하여 심박수를 측정하는 방법에 대해 도시한 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도1은 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템(100) 구성을 도시한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템(100)은 도1에 도시된 바와 같이, 영상 감지부(102) 및 컴퓨터(108)를 포함한다.
먼저, 영상 감지부(102)는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라(104) 및 적외선 열화상 카메라(106)를 포함한다.
영상 감지부(102)는 심박수 측정 대상자(이하, “측정 대상자”라 한다)로부터 생체 정보를 획득하기 위한 열 영상을 촬영한다. 영상 감지부(102)는 측정 대상자에 직접 접촉하여 정보를 획득하는 것이 아니라, 일정한 거리에서 측정 대상자를 촬영하기 때문에 측정 대상자를 실시간으로 추적하여 촬영해야 한다.
CCD 카메라(104)는 측정 대상자를 촬영하기 위한 장치이다. CCD 카메라(104)는 실시간으로 측정 대상자의 영상을 촬영하여 측정 대상자의 얼굴을 검출하며, 측정 대상자가 움직일 경우 컴퓨터(108)의 제어에 따라 상하좌우로 회전하여 측정 대상자의 얼굴을 추적한다.
상기 CCD 카메라(102)에서 촬영되는 영상을 이용하여 측정 대상자의 얼굴을 검출하고 상기 측정 대상자가 움직이는 경우 이를 추적하는 방법에 대해서는 도2 및 도3을 참조하여 구체적으로 후술하기로 한다.
다음으로, 적외선 열화상 카메라(106)는 측정 대상자의 생체 정보를 검출하기 위해 측정 대상자 몸의 열 분포를 나타내는 열 영상을 촬영한다.
적외선 열화상 카메라(106)는 상기 CCD 카메라(104)와 하나의 몸체(body)로 구성될 수 있다. 적외선 열화상 카메라(106)는 CCD 카메라(104)에 비해 상하좌우 회전 범위가 작기 때문에 측정 대상자가 촬영 도중 움직일 경우 이를 추적하는 데에는 다소 무리가 있을 수 있다. 따라서, CCD 카메라(104)가 실시간으로 측정 대상자를 추적하여 회전하면, 적외선 열화상 카메라(106)는 측정 대상자의 열 영상을 촬영하여 컴퓨터(108)로 전송한다.
상기 적외선 열화상 카메라(106)에는 적외선 열화상 카메라(106)를 상화좌우로 회전시키거나 일정한 각도로 기울이기 위해 각각 팬(pan) 장치와 틸트(tilt) 장치가 결합될 수 있다.
한편, 컴퓨터(108)는 동작 제어부(110), 열 영상 처리부(112) 및 심박수 측정부(114)를 포함하며, 영상 감지부(102)의 동작을 제어하고, 이로부터 전송되는 데이터들을 분석하여 측정 대상자의 심박수를 측정한다.
먼저, 컴퓨터(108)의 열 영상 처리부(112)는 적외선 열화상 카메라(106)에서 촬영된 열 영상을 수신하고, Haar-like 알고리즘을 이용하여 얼굴을 검출하고, 측정 대상자가 촬영 도중 움직일 경우 얼굴 추적 알고리즘을 이용하여 열 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 추적하여, 측정 대상자의 혈관 변화를 측정한다.
상기 컴퓨터(108)는 영상 감지부(102)와 유선망 또는 무선망으로 통신한다. 만일, 무선망을 이용하는 경우 컴퓨터(108)는 영상 감지부(102)와 직접 통신할 수도 있다.
열 영상 처리부(112)는 적외선 열화상 카메라(106)가 촬영한 열 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 검출한 후, 측정 대상자의 얼굴을 통해 측정 대상자의 혈관 변화를 측정한다.
측정 대상자의 혈관 변화를 측정하는 방법에 대해서는 도4를 참조하여 구체적으로 후술하기로 한다.
한편, 컴퓨터(108)의 동작 제어부(110)는 측정 대상자가 촬영 도중 움직이는 경우, CCD 카메라(104)로부터 실시간으로 전송되는 입력 영상들에 대한 차 영상을 구하고, 1차원 투영 방법을 이용하여 연속된 영상으로부터 측정 대상자의 얼굴을 추적한다. 그리고, CCD 카메라(104)가 측정 대상자의 움직임을 따라 상하좌우로 회전하도록 CCD 카메라(104)의 동작을 제어한다. 여기서, 1차원 투영 방법은 영상 처리에 있어서 계산량을 줄일 수 있어 객체의 실시간 움직임 추적에 유리하다.
마지막으로, 심박수 측정부(114)는 상기 열영상 처리부(112)로부터 측정한 혈관 변화를 통해 심박수를 측정한다.
상기 열영상 처리부(112)로부터 측정한 혈관 변화를 통해 심박수를 측정하는 방법에 대해서는 도5를 참조하여 구체적으로 후술하기로 한다.
도2는 도1의 CCD 카메라에 의해 촬영되는 영상을 통해 측정 대상자의 얼굴을 검출하는 방법에 대해 도시한 도면이다.
상기 얼굴을 검출하는 방법은 크게 전 처리 단계와 안면 검출 단계로 구분될 수 있다.
먼저, 전 처리 단계는 안면 검출 단계에서 얼굴을 잘 검출할 수 있도록 열 영상에 적절한 처리를 해주는 단계이다. 예를 들어, 입력된 열 영상의 밝기를 조절하거나 컬러를 그레이 스케일로 변경하거나 영상을 히스토그램으로 변환하는 방법 등이 사용될 수 있다.
다음으로, 안면 검출 단계는 Haar-like 알고리즘을 사용한다. Haar-like 알고리즘은 단순 합 이미지를 이용하여 얼굴 특징 값을 표현하는 것으로서, 입력된 열 영상에 얼굴 모양의 형판(template)을 적용하여 열 영상에서 형판 내에 포함되는 형상이 있는 경우 이를 대략적으로 얼굴 영역으로 설정하고, 설정된 얼굴 영역에서 에지(Edge)를 검사하여 눈, 코, 입의 위치를 파악한 다음 최종적으로 얼굴 영역을 결정하게 된다. 예를 들어, 얼굴 검출을 위해 다양한 형태의 에지 패턴을 사용할 수 있으며, CCD 카메라(104)로부터 촬영한 원영상에 대해 상기 에지 패턴을 적용하여 눈, 코 등을 검출한다. 즉, 얼굴 영역에서 눈과 입은 가로 형태의 에지로 검출될 수 있고, 코는 세로 형태의 에지로 검출될 수 있다.
도3은 도1의 CCD 카메라에 의해 촬영되는 영상을 통해 측정 대상자의 얼굴을 추적하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도2에 도시된 방법에 의하여 측정 대상자의 얼굴을 검출하는 과정에서 측정 대상자가 촬영 도중 움직이는 경우, CCD 카메라(104)는 측정 대상자의 움직임에 따라 얼굴을 추적하여 촬영을 중단시키지 않고 계속 진행하게 된다.
도3를 참조하면, CCD 카메라(104)는 실시간으로 컴퓨터(108)로 영상을 전송하므로, 컴퓨터(108)가 수신하는 영상들 사이에는 소정의 시간 차가 존재한다. 컴퓨터(108)는 소정의 시간 차를 갖는 2개의 영상을 형태학적 필터를 이용하여 영상을 단순화한다(S302). 그리고, 2개의 영상 간의 차 영상을 획득하고(S304), 상기 차 영상에 대한 절대치 영상을 획득한다(S306). 다음, 절대치 영상으로부터 객체를 추출하고(S308), 이로부터 움직임 벡터를 추출하여(S310) 객체의 움직임을 판단하게 된다. 여기서, 형태학적 필터는 영상의 기본적인 특징은 유지하면서 형태에 변화를 주기 위해 사용되는 필터이다.
이와 같이, 컴퓨터(108)의 동작 제어부(110)는 CCD 카메라(104)에서 촬영되어 실시간으로 전송되는 입력 영상들 간에 차 영상을 구하고, 1차원 투영 방법을 이용하여 연속된 영상들에 대해 측정 대상자의 움직임을 추적하여, CCD 카메라(102)가 측정 대상자의 움직임을 추적하여 움직이도록 CCD 카메라(104)의 동작을 제어한다.
도4는 적외선 열화상 카메라에 의해 측정 대상자 얼굴 부분의 혈관 변화를 측정하는 방법에 대해 도시한 도면이다.
심장의 이완 및 수축에 따른 혈관 변화는 열영상 처리부(112)로부터 측정이 가능하며, 특히, 천측두동맥(SUPERFICIAL TEMPORAL ARTERY : STA)은 관자놀이 근처 피부 밑에 위치하여 심장의 수축 및 이완에 따른 혈관의 변화를 측정하기에 용이하다. 따라서 천측두동맥(STA) 위치를 관심 영역으로 설정하여 심장의 수축 및 이완에 따른 혈관 변화를 측정하는 것이 바람직하다.
열 영상 처리부(112)는 천측두동맥(STA)에서 측정한 심장의 수축 및 이완에 따른 혈관의 온도 변화를 통해 혈관 변화를 측정한다. 즉, 심장이 수축 또는 이완할 때 혈류량이 늘어나서 혈관이 볼록해지며, 상기 볼록해진 혈관은 혈관이 아닌 부분과 비교하여 온도차가 발생하므로 열영상 처리부(112)는 이러한 혈관의 변화에 따른 열영상의 픽셀수 변화를 통해 혈관 변화를 측정할 수 있다.
예를 들어, 도4에 도시된 바와 같이, 일정 시간 동안 심장이 이완하였을 때 열영상에서 찍힌 픽셀수가 3개이고 심장이 수축하였을 때 열영상에서 찍힌 픽셀수가 5개라고 가정하면 열 영상 처리부(112)는 천측두동맥(STA)에서 측정한 상기 픽셀수의 변화(5-3=2)을 통해 혈관 변화를 측정할 수 있다.
도5는 적외선 열화상 카메라에 의해 측정한 혈관 변화를 이용하여 심박수를 측정하는 방법에 대해 도시한 도면이다.
전술한 바와 같이, 심장의 이완 및 수축에 따른 혈관 변화는 열영상 처리부(112)로부터 측정이 가능하며, 심박수 측정부(114)는 열영상 처리부(112)로부터 측정한 혈관 변화, 즉 열영상의 픽셀수 변화를 계속 저장한다.
이 때, 심박수 측정부(114)는 기설정된 시간 동안 상기 측정 대상자의 혈관 변화가 일어나는 횟수를 카운트하여 심박수를 측정한다.
즉, 심장의 이완 및 수축에 따른 열영상의 픽셀수 변화를 저장하여 상기 픽셀수가 증가했다가 감소하는 부분을 피크값으로 하고, 그 횟수를 카운트 한다.
다음으로, 심박수 측정부(114)는 일정시간(예를 들어, 5초 또는 10초) 동안 상기 카운트한 피크값을 기설정된 시간(예를 들어, 5초 또는 10초)으로 나누어 초당 심박수를 계산하고 상기 계산값에 60을 곱하여 분당 심박수로 변환한다.
도5에서 도시된 바와 같이, 예를 들어 10~15초 사이, 즉 5초 동안 상기 열영상 픽셀수 변화에 대한 피크값을 카운트하면 5회를 획득할 수 있으며, 상기 5회를 측정 시간 5초로 나누면 초당 심박수 1회/sec를 얻을 수 있다. 상기 초당 심박수 1회/sec를 분당 심박수로 변환하기 위해서는 60sec를 곱하여야 하며, 이에 따라 분당 심박수는 60회/min가 된다.
즉, 심장의 수축 및 이완에 따른 혈관 변화를 측정하여 간접적으로 분당 심박수를 측정함으로써, 별도의 측정 센서의 부착 또는 휴대 없이 적외선 열화상 카메라를 이용해 심박수를 손쉽게 측정할 수 있다. 또한 측정 대상자가 적외선 열화상 카메라 앞에 잠시 서있는 것만으로 심박수를 측정할 수 있으므로 측정 대상자의 번거로움을 줄일 수 있다.
아울러, 심박수 측정부(114)는 측정 대상자의 심박수 변화량을 손쉽게 측정 가능하므로 측정 대상자의 건강 상태 및 안정 상태 여부를 주기적으로 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템은 측정 대상자의 얼굴을 촬영하는 열 영상으로부터 측정 대상자의 생체 정보를 수집하여, 측정 대상자의 혈관 변화를 통해 측정 대상자의 심박수 지수를 측정한다.
또한, 측정 대상자에 대한 정보 수집은 측정 대상자에 직접 부착되는 전자 장치가 아니라, 측정 대상자로부터 일정한 거리에 위치하는 영상 감지부(102)를 통해 비접촉으로 이루어지므로 측정 대상자의 번거로움을 줄일 수 있으며, 별도의 측정 센서의 부착 또는 휴대 없이 적외선 열화상 카메라를 이용해 심박수를 손쉽게 측정할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 본 발명의 실시예에 따른 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템(100)
102: 영상 감지부
104: CCD 카메라
106: 적외선 열화상 카메라
108: 컴퓨터
110: 동작 제어부
112: 열영상 처리부
114: 심박수 측정부

Claims (4)

  1. 심박수 측정 대상자(이하, “측정 대상자”라 한다)의 영상을 촬영하는 CCD(Charge Coupled Device) 카메라 및 상기 측정 대상자의 열 영상을 촬영하는 적외선 열화상 카메라를 포함하는 영상 감지부; 및
    상기 CCD 카메라로부터 전송되는 영상으로부터 상기 측정 대상자의 얼굴을 검출하여 상기 CCD 카메라의 동작을 제어하는 동작 제어부, 상기 적외선 열화상 카메라로부터 전송되는 열 영상으로부터 상기 측정 대상자의 혈관 변화를 측정하는 열 영상 처리부 및 상기 열 영상 처리부로부터 전송되는 상기 측정 대상자의 혈관 변화로부터 심박수를 측정하는 심박수 측정부를 포함하는 컴퓨터를 포함하며,
    상기 심박수 측정부는,
    기설정된 시간 동안 상기 측정 대상자의 혈관 변화가 일어나는 횟수를 카운트하여 심박수를 측정하는, 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    열 영상 처리부는,
    상기 측정 대상자의 천측두동맥(SUPERFICIAL TEMPORAL ARTERY : STA) 위치를 관심 영역으로 설정하여 심장의 수축 및 이완에 따른 혈관 변화를 측정하는, 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    열 영상 처리부는,
    심장의 이완 및 수축에 따른 열영상의 픽셀수 변화로부터 상기 측정 대상자의 혈관 변화를 측정하는, 열화상을 이용한 심박수 측정 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 동작 제어부는,
    상기 영상 감지부로부터 전송되는 상기 측정 대상자의 영상에 대해 Haar-like 알고리즘을 사용하여 얼굴을 검출하는, 열화상을 이용한 심박수 지수 측정 시스템.

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