KR20140106795A

KR20140106795A - Uwb 기반 비접촉식 생체신호진단기

Info

Publication number: KR20140106795A
Application number: KR1020130020835A
Authority: KR
Inventors: 정양권
Original assignee: 정양권
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-04

Abstract

UWB 레이더를 이용한 원격 건강관리 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면, 제1 UWB 레이더 도플러 신호에서 분석할 수 있는 값들을 패턴인식 기법을 이용해 클래스별로 그룹화하여 트레이닝 셋을 구성한다. 중앙 센터는 트레이닝 셋을 바탕으로 휴대 단말기에서 측정된 제2 UWB 레이더UWB 레이더 신호를 분석하여 건강상태를 진단하고, 진단결과로서 클래스 정보를 휴대 단말기로 전송한다. 진단 결과, 클래스 정보가 위험으로 분류되어 응급 상황이 발생한 경우에, 중앙 센터는 휴대 단말기로부터 전송된 위치 신호에 기반하여 응급 구조를 요청한다.

Description

UWB 기반 비접촉식 생체신호진단기{UWB-based contactless biometric signals Tester }

UWB 레이더를 이용한 원격 건강관리 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명에 따르면, 제1 UWB 레이더 도플러 신호에서 분석할 수 있는 값들을 패턴인식 기법을 이용해 클래스별로 그룹화하여 트레이닝 셋을 구성한다. 중앙 센터는 트레이닝 셋을 바탕으로 휴대 단말기에서 측정된 제2 UWB 레이더 도플러 신호를 분석하여 건강상태를 진단하고, 진단결과로서 클래스 정보를 휴대 단말기로 전송한다. 진단 결과, 클래스 정보가 위험으로 분류되어 응급 상황이 발생한 경우에, 중앙 센터는 휴대 단말기로부터 전송된 위치 신호에 기반하여 응급 구조를 요청한다.

UWB(Ultra-wide Band: 초광대역) 기술은 최초 1897년 마르코니 ( Marconi)의 무선 시스템에서 시작하여, 60년대의 근거리 고해상도 Radar를 응용한 Sensing 분야에서 그 연구개발이 재개되었으며, 1974년 Morey의 지하 매설물 탐지레이더 (GPR : Ground Penetrating Radar)에서 상업적인 응용의 기초가 되었다. 현대 UWB 기초 기술은 80년대 Sperry Research Center에서 정립되었으며, 80년대와 90년대에는 다중경로가 존재하는 환경에서의 근거리 통신에 응용되었다. 94년부터는 군사보안에서 해제됨으로써 미국연방통신위원회(FCC)가 제한적이지만 UWB 무선기술에 대하여 상업적 이용을 허용 하였고 UWB 무선기술을 응용하여 비 군사용 UWB 장비의 상용화를 목적으로 하는 미국의 Time Domain사, Xtreme Spectrum사 그리고 Aether Wire & Location사 등이 설립되어 UWB 관련 연구 개발을 진행하고 있다.

UWB 시스템은 수 나노 혹은 피코 초의 매우 좁은 펄스를 사용함으로 매우 넓은 주파수 대역에 걸쳐 매우 낮은 스펙트럼 전력 밀도가 존재하고 이는 높은 보안성, 높은 데이더 전송 특성 및 정확한 거리 및 위치 측정이 가능한 높은 해상도를 제공하며 다중경로 영향에 강인한 특성을 보인다.

특히 기존의 무선 시스템과는 달리 반송파를 사용하지 않고 기저대역에서 통신이 이루어지므로 송수신기의 구조가 간단해짐으로써 낮은 비용으로 송수신기를 제작할 수 있는 큰 장점을 가지고 있다 UWB 송수신단을 구성하는 저잡음 증폭기(LNA), 주파수 합성기(Mixer), 전력증폭기(PA), 데이더 변환기 등의 Block은 낮은 주파수 대역에서와 마찬가지로 CMOS 반도체 공정을 이용하여 집적화하려는 노력이 계속되고 있다. 높은 주파수 대역(3.1-10.6GHz 대역)에서는 각각의 Block이 IC화 되어 제품으로 출시되고 있고, 이러한 모든 소자들은 각기 UWB의 광대역 특성을 만족시켜야 하며, 특히 Baseband Analog 대역에서의 펄스파형발생기, 정합필터(Correlator) 및 동기(Synchronization) 관련 회로들은 UWB 시스템 특유의 부품들로서 고속의 데이더 전송속도에 의한 광대역 특성을 만족시키기 위한 별도의 설계 방법론을 필요로 한다.

UWB 기기에서 중심주파수 fC 보다 더 높은 주파수를 발생시키지 않는다면, 복사측정을 행하기 위한 주파수 범위를 결정하기 위해 part 15.33에 적용되는 최고주파수는 중심주파수 fC를 기초로 한다. 방사 레벨 측정에 있어서 측정 주파수의 범위는 UWB 송 신기기가 발생시키는 최저 주파수(9kHz 이상)로부터 part 15.33(a)에서 제시하는 주파수 범위 혹은 fC+3/(초 단위의 펄스폭) 중에 더 높은 주파수까지로 한다. UWB 신호의 중심 주파수 fC가 10GHz 미만일 때는 40GHz 이상, fC가 10GHz 이상 30GHz 미만일 때는 100GHz 이상, fC가 30GHz 이상일 때는 2000GHz 이상의 주파수에 대하여는 측정이 요구되지 않는다. Class B 방사에 대한 part 2.201(f)나 part 15.5(d)의 금지조항은 subpart F에서는 적용되지않는다. 해당 기관들은 AC 전력선에 대한 전도방사 제한과 같은 다른 표준이나 part 15.505에서 상호 참조된 요구사항들을 상기하여야 한다.

발명은 UWB 레이더를 이용한 원격 건강관리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 패턴인식 기법을 통해 트레이닝 셋(Trainning Set)을 구성하고, 이를 바탕으로 휴대 단말기로부터 측정된 신호(UWB 레이더 도플러 신호)를 원격지에서 분석하여 건강상태를 진단하고 진단결과를 실시간으로 제공할 수 있는 원격 건강관리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

발명의 일 특징에 따르면, UWB 레이더를 이용한 원격 건강관리 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명에 의하면, 제1 UWB 레이더 도플러 신호에서 분석할 수 있는 값들을 패턴인식 기법을 이용해 클래스별로 그룹화하여 트레이닝 셋을 구성한다. 중앙 센터가 트레이닝 셋을 바탕으로 휴대 단말기에서 측정된 제2 UWB 레이더 도플러 신호를 분석하여 건강상태를 진단하고, 진단결과로서 클래스 정보를 휴대 단말기로 전송한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 진단 결과, 클래스 정보가 위험으로 분류되어 응급 상황이 발생한 경우에, 중앙 센터가 휴대 단말기로부터 전송된 위치 신호에 기반하여 응급 구조를 요청한다.

발명에 의하면, 전문가의 도움없이도 진단결과를 언제 어디서나 송부받아 볼 수 있어 특정 병에 대한 주의와 예방을 할 수 있고, 응급상황 발생시 보다 신속하고 정확한 위치 기반의 응급구조 서비스를 제공할 수 있는 장점이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 다만, 이하의 설명에서는 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 우려가 있는 경우, 널리 알려진 기능이나 구성에 관한 구체적 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 원격 건강관리 시스템의 구성을 도시한 도면이다. 양의학과 한의학에서는 맥의 횟수, 리듬, 대소, 지속 등을 살펴 심장기능이나 동맥의 성상, 몸 전체의 건강상태 등을 파악할 수 있다. 이러한 맥을 관찰하기 위한 대표적인 방법으로 한의학에서는 손목의 맥진을 해보는 방법이 있고, 양의학에서는 UWB 레이더를 이용한 방법이 있다.

본 발명의 원격 건강관리 시스템은 휴대 단말기(10)에서 측정된 UWB 레이더 도플러 신호(UWB 레이더 도플러 영상신호 또는 UWB 레이더 도플러 음성신호)를 원격지의 중앙 센터(20)가 트레이닝 셋(Trainning Set)을 토대로 분석하여 단말기 사용자의 건강상태를 진단(예로서, 정상, 주의, 위험, 절대위험 등)하고, 진단결과를 휴대 단말기(10)로 실시간 전송하여 디스플레이한다. 또한, 중앙 센터(20)에서 휴대 단말기(10)의 위치를 정확하게 파악하여, 진단결과로서 응급상황(예로서, 절대위험) 발생시에 보다 신속하고 정확한 위치 기반의 응급구조 서비스를 지원한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 휴대 단말기(10)는 휴대 단말기(10)의 동작을 전반적으로 제어하기 위한 제어부(14) UWB 레이더를 이용하여 사용자의 심박동을 측정하기 위한 UWB 레이더 측정부(11), 사용자의 체온/호흡/혈압을 감지하기 위한 체온/호흡/혈압 감지부(12), GPS 위성으로부터 송신되는 위치정보신호(GPS)를 수신하기 위한 위치 측위부(13), 측정된 UWB 레이더 도플러 신호, 체온/호흡/혈압 신호(체온/호흡/혈압신호는 이중 일부 혹은 전체가 선택적 사항일 수 있음), 위치 신호를 중앙 센터(20)로 무선 송신하고, 중앙 센터(20)로부터 진단결과를 무선으로 수신받기 위한 무선 송수신부(15), 진단결과를 화면 출력하기 위한 디스플레이부(16)를 포함한다.

휴대 단말기(10)의 UWB 레이더 측정부(11)는 환자의 심박동(맥박)을 측정하는데 이용된다. 중앙 센터(20)로 전송되는 측정 신호(UWB 레이더 도플러 신호)는 프로브의 압전 효과에 의하여 인체에 UWB 레이더를 주사하고 되돌아오는 UWB 레이더에 실린 정보(도플러 신호)를 UWB 레이더 측정부(11)에서 측정한 값으로, UWB 레이더 도플러 신호를 푸리에 변환하여 얻은 주파수 스펙트럼 표시 데이더(UWB 레이더 도플러 영상신호)나 UWB 레이더 도플러 신호를 힐버트 변환하여 얻은 심박동 청취 데이더(UWB 레이더 도플러 음성신호) 중 하나가 된다. 중앙 센터(20)에서는 UWB 레이더 도플러 신호를 트레이닝 셋(Trainning Set)을 토대로 분석하여 단말기 사용자의 건강상태를 진단하게 된다.

여기서, UWB 레이더를 이용하여 심박동을 측정할 수 있는 것은, 움직이는 물체로부터 반사된 반향음이 움직이지 않는 물체에 의해 반사된 반향음과 다르다는 도플러 원리를 이용하여 움직이는 심장을 다른 기관과 구분하여 찾게되는 것이다. 그리고, 도플러 원리에 따른 UWB 레이더로부터 심박동수(맥박)를 얻게 되는데, 원래의 신호에 포함된 주기적 성분만을 얻고 주기를 갖지 않는 잡음 성분은 소거하는 자기 상관 함수를 이용하여 실시 데이터를 출력할 수도 있는데, 이러한 주파수 스펙트럼 표시 데이터 역시 제어부(14)의 제어에 의해 중앙 센터(20)로 무선 전송된다.

체온/호흡/혈압 감지부(12)는 사용자의 체온/호흡/혈압을 센서를 통해 검출한 후 A/D 변환하여 출력하고, 체온/호흡/혈압 신호는 제어부(14)에 제어에 의해 원격지의 중앙 센터(20)로 무선 전송된다. 다만, 체온/호흡/혈압신호는 이중 일부 혹은 전체가 선택적 사항일 수 있다.

위치 측위부(13)는 위치정보안테나, 즉 GPS 안테나를 통하여 위성으로부터 송신되는 위치정보를 수신하여 출력하고, 위치 신호 역시 제어부(14)의 제어에 의해 중앙 센터(20)로 무선 전송된다. 또는, 보다 정밀한 측위를 위해서, 위치 측위부(13)는 GPS 위성망(또는 방송망)으로부터 수신된 위치 데이터를 D-GPS(Differential Global Positioning System)를 이용하여 보정하고, 정확한 위치 신호를 생성하여 중앙 센터(20)로 전송할 수도 있다. 즉, 절대 측정치로 설정된 좌표를 기준으로 GPS 보정치를 설정하고, 위치 데이터의 오차를 비교 수정하여 정확

한 위치정보를 생성한다. 상기 휴대 단말기(10)는 사람의 몸에 쉽게 지니고 다닐 수 있도록 구성된다. 예를 들면, 휴대 단말기(10)의 모양은 손목시계, 스티커 모양, 팔찌, 발찌, 목걸이, 붙이는 밴드 등이 될 수 있고, UWB 레이더로 심박동수(맥박)를 측정하고, 또한 선택적으로 체온, 호흡, 혈압 등을 측정 가능한 곳이면 족하다. 특히, 휴대 단말기(10)는 무선으로 UWB 레이더 도플러 신호, 체온/호흡/혈압 신호(체온/호흡/혈압신호는 이중 일부 혹은 전체가 선택적 사항일 수 있음), 위치 신호를 중앙 센터(20)로 전송하고, 중앙 센터(20)로부터의 진단결과(예로서, 정상, 주의, 위험, 절대위험 등)를 디스플레이한다. 이때, '위험', '절대위험' 등에 대해서는 건강위험을 알리는 알람 기능 90mmHg 미만, 체온: 38.2도"인 경우 '절대위험'이라고 진단한다.

각각의 특징들에 대한 값의 범위는 명확한 병명을 아는 환자들의 상태를 대상으로 통계적으로 만들어 놓는다. 예로서, 도 3은 트레이닝 셋을 맥박과 체온에 대해서 2차원 그래프로 표시한 것이다. 도 3에서는 위험경고를 발생한 정도에 도달했던 1000명(위험집단)을 조사하여 그 분포를 표시하였다. 위험집단이 분포된 폐곡선 내의 체온 및 맥박을 갖는 사람이 위험대상자라 볼 수 있다. 이러한 방식으로 3개 이상의 특징(예로서, 맥박, 혈압, 체온)에 대해서도 확장하여 표시가 가능하며, 이를 그래프로 표현할 수 있다. 이 역시 위험집단이 분포된 폐곡선 내의 체온, 맥박 및 혈압을 갖는 사람을 위험대상자로 분류한다. 이처럼 트레이닝 셋은 알고자 하는 클래스(Class)를 나누고[예를 들면, 정상, 주위, 위험, 절대위험 등의 그룹], 이러한 클래스에 대해서 확실하다고 여기는 사람을 대상으로 그래프에서 해당하는 곳에 표시를 하고 그에 해당하는 사람들을 그룹화(도 3의 폐곡선)한 것이다. 그룹화하는 것에는 여러 가지 패턴인식 기법[SVN(Support Vector Machine, kNN(k-Nearest Neighbors), 신경망 등)이 사용될 수 있다. 이렇게 만들어진 트레이닝 셋(상세 맵)은 실전에서 상태를 모르는 사람에 대해서 특징을 조사하여 이 사람이 어떤 클래스(예를 들면, 정상, 주위,위험, 절대위험 등)에 해당하는지에 대해서 알려준다.

중앙 센터(20)에서는 휴대 단말기(10)에서 측정된 UWB 레이더UWB 레이더UWB 레이더UWB 레이더UWB 레이더혈압 특히, 중앙 센터(20)에서 단말기 사용자의 건강상태를 진단한 결과, 응급상황(예로서, 절대위험) 발생시에(208) 휴대 단말기(10)로부터 전송된 위치 신호를 이용해 단말기 사용자의 정확한 위치를 파악하고, 단말기 사용자가 위치한 지역에서 인접된 구조 센터(병원, 소방서, 경찰서 등)(30)를 파악하여, 파악된 구조 센터(30)로 호(Outbound 호)를 연결하여 응급구조 요청을 한다(209). 이때, 응급 구조 요청시 응급 구조 요청 메시지(긴급 정도, 응급상황 발생 메시지 등)에 사용자의 위치를 포함시켜 자동으로 구조 센터(30)로 자동 발송할 수 있다(예로서, ARS, SMS, MMS, E-mail 등). 본 명세서에서는 본 발명이 일부 실시예들과 관련하여 설명되었지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이해할 수 있는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 점을 알아야 할 것이다. 또한, 그러한 변형 및 변경은 본 명세서에 첨부된 특허청구의 범위 내에 속하는 것으로 생각되어야 한다.

Claims

원격 건강관리 시스템으로서,
제1 초음파 도플러 신호에서 분석할 수 있는 값들을 패턴인식 기법을 이용해 클래스별로 그룹화하여 트레이 닝셋을 구성하고,중앙 센터가 상기 트레이닝 셋을 바탕으로 휴대 단말기에서 측정된 제2 초음파 도플러 신호를 분석하여 건강상태를 진단하고, 진단결과로서 클래스 정보를 상기 휴대 단말기로 전송하는, 원격 건강관리 시스템.
제1항에 있어서, 상기 진단 결과, 상기 클래스 정보가 위험으로 분류되어 응급 상황이 발생한 경우에, 상기 중앙 센터가 상기 휴대 단말기로부터 전송된 위치 신호에 기반하여 응급 구조를 요청하는, 원격 건강관리 시스템.