KR20140112989A - 생체신호 측정장치 - Google Patents

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KR20140112989A
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김성우
이창희
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엘지전자 주식회사
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Abstract

생체신호 측정장치가 개시된다. 본 발명의 측정장치는, 사용자의 외이도에 삽입되는 형상으로 구성되어, 뇌파를 측정하는 제1측정부와, 사용자의 귓볼에 클립 형태로 접촉되도록 구성되어, 모세혈관을 투과한 적외선광 및/또는 적색광 신호를 측정하는 제2측정부를 동시에 구비하여, 사용자가 뇌활성도 및 심혈관 상태를 동시에 모니터링할 수 있게 한다.

Description

생체신호 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING BIO-SIGNAL}
본 발명은 생체신호 측정장치에 관한 것이다.
일반적으로, 뇌파를 측정하는 장치는, 무구속적인 측정을 실현하기 위해 헤드셋(headset) 또는 헤드밴드(headband) 형태로 발전해 왔다. 그러나, 외관 및 구현기술의 한계로 인해, 단순히 뇌파 한종류만 측정할 수밖에 없다.
그러나, 뇌파만을 이용해서는, 인체의 다양한 생리적 변화를 관찰하기 어렵고, 사용자는 일상생활 중 자신의 자신의 건강상태에 대해 뇌파, 맥박, 체온, 산소포화도, 심전도 등 보다 복합적인 신체정보를 편리하게 수집하기를 원한다.
또한, 최근 모바일 정보기술(Information Technology; IT) 컨텐츠의 폭발적인 공급과 수요로 인해, 사용자는 장소와 시간의 제약을 받지 않고 유비쿼터스 환경에서 건강 컨텐츠를 활용하면서 신체정보를 언제나 무구속적으로 측정하기를 요구하고 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 뇌파, 산소포화도, 맥박 등 다양한 생체신호를 동시에 무구속적으로 간편하게 측정하고, 이를 활용가능하게 하는 생체신호 측정장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 생체신호 측정장치는, 사용자의 외이도에 삽입되는 형상으로 구성되어, 뇌파를 측정하는 제1측정부; 사용자의 귓볼에 클립 형태로 접촉되도록 구성되어, 모세혈관을 투과 및 반사한 적외선광 및/또는 적색광 신호를 측정하는 제2측정부; 상기 제1측정부의 출력을 수신하여, 뇌파정보를 출력하는 제1신호처리부; 상기 제2측정부의 출력을 수신하여, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 출력하는 제2신호처리부; 및 상기 제1신호처리부 및 제2신호처리부의 출력을 외부장치로 송신하는 통신부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1측정부는, 사용자의 귓속 외이도의 체표면에 접촉하도록 배치되는 제1전극; 및 사용자의 귓볼 체표면 또는 이도 입구표면에 접촉하도록 배치되는 제2전극를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제1신호처리부는, 상기 제1 및 제2전극으로부터 수신되는 신호를 증폭하기 위한 증폭부; 및 상기 증폭부의 출력을 디지털 데이터로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2측정부는, 광혈류량 센서이며, 적외선광 및 적색광을 출력하고, 모세혈관을 투과한 적외선광 및 적색광 신호를 수신하여, 이를 상기 제2신호처리부에 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2신호처리부는, 상기 모세혈관을 투과한 적외선광 및 적색광 신호로부터 맥동혈류를 검출하고, 각 파장에 따른 교류(AC)/직류(DC) 신호의 비율을 이용하여 산소포화도 정보를 산출할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 상기 제2측정부는, 광혈류량 센서이며, 적외선광 또는 적색광을 출력하고, 모세혈관을 투과한 적외선광 또는 적색광 신호를 수신하여, 이를 상기 제2신호처리부에 출력할 수 있다.
본 발명의 일실시예에서, 제2신호처리부는,상기 제2측정부로부터 수신한 신호의 AC 성분에서, 맥동 동맥혈 신호의 최고점을 이용하여 맥박정보를 산출할 수 있다.
상기와 같은 본 발명은, 무구속적으로 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 측정하여 이를 소정 통신방식으로 제공하여, 사용자가 뇌활성도 및 심혈관 상태를 모니터링할 수 있도록 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정장치의 외관 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정장치의 구성도이다.
도 3은 도 2의 제1측정부 및 제1신호처리부의 일실시예 상세구성도이다.
도 4는 파장에 따라 각 헤모글로빈의 감쇄계수를 나타낸 것이다.
도 5는 도 2의 제2신호처리부가 산소포화도를 구하는 과정을 설명하기 위한 일예시도이다.
도 6은 도 2의 제2신호처리부가 맥박을 산출하는 원리를 설명하기 위한 일예시도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명이 적용되는 생체신호 전송 시스템의 일예시도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정장치의 외관 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 생체신호 측정장치의 구성도이다.
도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 생체신호 측정장치(1)는, 제1측정부(10), 제2측정부(20), 제1신호처리부(30), 제2신호처리부(40) 및 통신부(50)를 포함한다.
제1측정부(10)는 뇌파를 측정하기 위한 것으로서, 사용자의 외이도에 삽입되는 형상으로 구성되며, 제2측정부는 산소포화도 및 맥박을 측정하기 위한 것으로서, 사용자의 귓볼에 클립 형태로 접촉되는 방식으로 구성될 수 있다.
제1측정부(10)가 뇌파를 측정하는 방식을 설명하기로 한다.
보통 인체의 뇌는 전두엽, 측두엽 및 후두엽으로 구성되며, 전두엽 및 후두엽은 주로 8 내지 13㎐의 α파를 발생한다. 또한, 측두엽은 주로 14 내지 30㎐의 β파 및 4 내지 7㎐의 γ파를 발생한다. 뇌파의 진폭은 수 마이크로볼트이다. 측두엽에서 발생하는 뇌파는 이어폰 형상의 전극을 통해 측정 가능하다. 따라서, 제1측정부(10)는 측두엽에서 발생하는 뇌파를 측정하기 위한 전극으로서, 귓속 외이도의 체표면에 접촉하는 제1전극 및 귓볼 체표면 또는 이도(ear canal) 입구표면에 접촉하는 기준전극으로서의 제2전극을 포함한다. 이와 같이 기준전극을 사용하는 방식은 단극유도 방식이다. 다만, 이는 예시적인 것으로서 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 뇌파를 검출하는 다양한 방식이 사용될 수 있다.
도 3은 도 2의 제1측정부(10) 및 제1신호처리부(30)의 일실시예 상세구성도이다.
위에서 설명한 바와 같이, 제1측정부(10)는, 귓속 외이도의 체표면에 접촉하도록 배치되는 제1전극(11) 및 귓볼 체표면 또는 이도 입구표면에 접촉하도록 배치되는 제2전극(12)을 포함한다. 또한, 제1신호처리부(30)는 증폭부(31) 및 아날로그-디지털 컨버터(Analog-Digital Converter; ADC)(32)를 포함한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자는 본 발명의 생체신호 측정장치(1)를 이어폰 형식으로 착용하는 것이며, 제1측정부(10)는 외이도에 삽입되도록 구성될 수 있다.
제1전극(11) 및 제2전극(12)이 검출한 뇌파는, 위에서 설명한 바와 같이 수 마이크로볼트 단위이므로, 증폭부(31)는 이를 증폭하고, ADC(32)는 이 아날로그 신호를 디지털 데이터로 변환하여 출력할 수 있다.
제2측정부(20)는 예를 들어, 광혈류량(photoplethysmogram) 센서로서, 귓볼(ear lobe)에서 모세혈관을 투과한 적외선 및 적색광 신호를 측정하여 이를 제2신호처리부(40)로 전달하여, 제2신호처리부(40)는 산소포화도를 산출한다. 제2측정부(20)는, 예를 들어 광혈류량 센서로써, 귓볼에 클립(clip) 형태로 배치되도록 구성할 수 있다.
제2측정부(20)가 산소포화도를 측정하는 방식을 설명하면 다음과 같다.
인체는 일반적으로 빛이 통화하지 못하는 불투명체이나, 귀와 손 등 부드러운 조직을 가진 부분은 가시광선과 적외선광이 어느 정도 투과된다. 피부를 통과하는 빛은 피부조직에 의해 감쇄가 일어나고, 이 감쇄는 조직의 두께와 구성성분에 의해 그 정도가 결정된다.
한편, 인체의 혈액 속에 존재하는 헤모글로빈은 크게 oxyhemoglobin (HbO2), reduced hemoglobin (Hb), methemoglobin (MetHb), carboxyhemoglobin (HbCO)의 4가지가 존재한다. 이 중에서 HbO2와 Hb가 많은 양을 차지하는데, 이 두 종류의 헤모글로빈은 파장에 따라 큰 흡수율의 차이를 보인다.
도 4는 파장에 따라 각 헤모글로빈의 감쇄계수를 나타낸 것이다.
도면에 도시된 바와 같이, 혈액 속의 HbO2와 Hb 헤모글로빈의 660nm(적색광) 에서의 흡수도 차이(A)가 940nm(적외선광)에서의 흡수도 차이(B)보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 따라서, 940nm의 자외선광은 HbO2와 Hb의 감쇄계수의 큰 차이가 없어 이들 이외의 다른 조직에 의해 흡수된 것으로 볼 수 있으나, 660nm의 적색광은 HbO2와 Hb의 감쇄계수 차이가 크므로, 660nm와 940nm의 빛을 같은 지점에 조사할 경우, 매질을 투과한 660nm의 적색광은 HbO2와 Hb의 양과 관련된 값이 되는 것을 알 수 있다.
따라서, 조직을 투과하거나 반사된 적색광은 HbO2에 의해 많이 흡수되고, 상대적으로 적외선광은 덜 흡수되므로, 제2측정부(20)는 투과한 광신호를 측정한다. 제2신호처리부(40)는 각 파장에 따른 AC/DC 신호의 비(ratio)를 구하여, 이 비율을 이용하여 산소포화도를 산출할 수 있다.
도 5는 도 2의 제2신호처리부가 산소포화도를 구하는 과정을 설명하기 위한 일예시도이다.
제2측정부(20)는, 위에서 설명한 바와 같이, 예를 들어, 광혈류량 센서로써, 귓볼에 접촉되도록 클립 형태로 형성될 수 있다. 제2측정부(20)는 적외선 및 적색광을 출력하여, 모세혈관을 투과한 적외선 및 적색광 신호를 수신하여, 이 신호를 제2신호처리부(40)에 출력한다.
제2측정부(20)로부터 출력되는 신호는, 도 5의 (a)와 같은 원신호(raw signal)로써, 적색광은 HbO2에 의해 흡수가 많이 된 것을 나타내고(C), 적외선광은 흡수가 적색광에 비해 덜 된 것을 나타낸다(D).
제2신호처리부(40)는 이 원신호를 (b)와 같이 정규화하여, 맥동혈류만을 얻을 수 있다. 이때, 정규화는, 통과한 빛의 강도를 최대 피크신호로 나누어 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure pat00001
이후, 제2신호처리부(40)는, 정규화를 통해 얻은 신호에 대하여, 각 파장에 따른 AC/DC 신호의 비율을 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00002
제2신호처리부(40)는 이 R을 이용하여 다음 식과 같이 산소포화도(SpO2)를 산출할 수 있다.
Figure pat00003
다만, 위에서 설명한 바와 같은 산소포화도를 구하는 방식은, 예시적인 것으로, 이에 한정되는 것이 아니다.
한편, 제2측정부(20)는 모세혈관을 투과한 적외선광신호를 측정하고, 제2신호처리부(40)는 이로부터 맥박을 산출할 수 있다.
도 6은 도 2의 제2신호처리부가 맥박을 산출하는 원리를 설명하기 위한 일예시도로써, 본 발명의 제2신호처리부(40)는 맥박을 산출하기 위하여, 산소포화도와 같은 측정원리를 사용한다. 즉, 특정 파장의 빛(적외선광, 적색광 등)을 귓볼의 조직내 혈관에 입사하면, 투과되거나 반사된 광신호는 도 6과 같이 출력된다.
살아있는 조직을 통과하여 수신되는 빛의 신호는 AC 성분과 DC 성분으로 구분되는데, AC 성분은 맥동 동맥혈(pulsating arterial blood)에 의해 흡수된 부분(G)이고, DC 성분은, 정맥혈(venous blood), 모세혈(capillary blood), 비맥동 동맥혈을 포함하는 조직에 의해 흡수된 부분(H)에 해당한다.
본 발명의 제2측정부(20)가, LED 광원(적색광, 적외선광)을 조사하여 반사되거나 투과된 광신호를 수신하면, 광신호는 심장에서 박출된 혈류이동 및 혈관 탄성도에 의해 AC(맥동) 성분을 보인다. 이때, AC 성분에서, 맥동 동맥혈 신호의 최고점이 맥박을 산출하는 기준점이 되며, 제2신호처리부(40)는 이 기준점을 이용하여 맥박을 산출할 수 있다.
통신부(50)는, 제1신호처리부(30)로부터 수신한 뇌파정보, 제2신호처리부(40)로부터 수신한 산소포화도 정보 및 맥박정보를 무선 통신방식으로 소정 이동단말 또는 웹기반 건강관리 전용 시스템으로 전송할 수 있다. 본 발명에서 사용되는 무선 통신방식은, 예를 들어 블루투스(Bluetooth®)나 직비(ZigBee), 또는 와이파이(WiFi)와 같은 단거리 무선통신방식일 수도 있지만, 이는 예시로써, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 생체신호 측정장치(1)는, 도 1과 같은 이어폰 방식을 사용자가 한쪽 또는 양쪽 귀에 착용하면, 이를 통신부(50)가 이동단말 또는 시스템으로 측정된 정보를 전송하는 것이다. 이를 도면을 참조로 설명하기로 한다.
도 7 및 도 8은 본 발명이 적용되는 생체신호 측정 시스템의 일예시도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 생체신호 측정장치(1)와 이동단말(2)은 예를 들어 블루투스 방식으로 통신하며, 이를 위해, 이동단말(2)은 블루투스 방식으로 신호를 수신하기 위한 통신부(도시되지 않음)를 포함하도록 구성된다.
이와 같은 시스템에서, 본 발명의 측정장치(1)가 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 직접 이동단말(2)로 전송하면, 이동단말(2)은 블루투스 수신부(도시되지 않음)를 통해 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 수신하여, 이를 사용자가 열람가능하게 디스플레이할 수 있다.
예를 들어, 이동단말(2)을 통해 사용자는 소정 어플리케이션을 구동하면, 해당 어플리케이션은 측정장치(1)로부터 비주기적으로 수신하는 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 이용하여 그래프 또는 수치를 표현하는 방식으로 시간별 생체정보를 사용자가 열람가능하게 디스플레이할 수 있을 것이다.
또한, 이동단말(2)은, 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 이용하여 사용자의 뇌활성도 및 심혈관 상태를 디스플레이할 수 있다.
또한, 도 8을 참조로 하면, 측정장치(1)는 무선 네트워크를 통해 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 웹기반 서버(3)로 전송할 수 있다. 서버(3)는 측정장치(1)로부터 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 수신하여, 이를 데이터베이스화하여 저장할 수 있고, 사용자가 사용자 단말(4)를 통해 해당 서버(3)에 접속하는 경우, 서버(3)는 그래프 또는 수치를 표현하는 방식으로 생체정보를 사용자 단말(4)로 전송할 수 있을 것이며, 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 이용하여 사용자의 뇌활성도 및 심혈관 상태를 사용자 단말(4)이 디스플레이하게 할 수 있을 것이다.
사용자는, 이와 같이 이동단말(2) 또는 사용자단말(4)을 통해 뇌파정보, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 열람할 수 있으며, 이를 통해 뇌활성도 및 심혈관 상태를 상시 감지할 수 있다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
1: 생체신호 측정장치 2: 이동단말
3: 서버 4: 사용자 단말
10, 20: 측정부 30, 40: 신호처리부
50: 통신부

Claims (7)

  1. 사용자의 외이도에 삽입되는 형상으로 구성되어, 뇌파를 측정하는 제1측정부;
    사용자의 귓볼에 클립 형태로 접촉되도록 구성되어, 모세혈관을 투과 및 반사한 적외선광 및/또는 적색광 신호를 측정하는 제2측정부;
    상기 제1측정부의 출력을 수신하여, 뇌파정보를 출력하는 제1신호처리부;
    상기 제2측정부의 출력을 수신하여, 산소포화도 정보 및 맥박정보를 출력하는 제2신호처리부; 및
    상기 제1신호처리부 및 제2신호처리부의 출력을 외부장치로 송신하는 통신부를 포함하는 생체신호 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1측정부는,
    사용자의 귓속 외이도의 체표면에 접촉하도록 배치되는 제1전극; 및
    사용자의 귓볼 체표면 또는 이도 입구표면에 접촉하도록 배치되는 제2전극를 포함하는 생체신호 측정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1신호처리부는,
    상기 제1 및 제2전극으로부터 수신되는 신호를 증폭하기 위한 증폭부; 및
    상기 증폭부의 출력을 디지털 데이터로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는 생체신호 측정장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2측정부는,
    광혈류량 센서이며, 적외선광 및 적색광을 출력하고, 모세혈관을 투과한 적외선광 및 적색광 신호를 수신하여, 이를 상기 제2신호처리부에 출력하는 생체신호 측정장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제2신호처리부는,
    상기 모세혈관을 투과한 적외선광 및 적색광 신호로부터 맥동혈류를 검출하고, 각 파장에 따른 교류(AC)/직류(DC) 신호의 비율을 이용하여 산소포화도 정보를 산출하는 생체신호 측정장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2측정부는,
    광혈류량 센서이며, 적외선광 또는 적색광을 출력하고, 모세혈관을 투과한 적외선광 또는 적색광 신호를 수신하여, 이를 상기 제2신호처리부에 출력하는 생체신호 측정장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제2신호처리부는,
    상기 제2측정부로부터 수신한 신호의 AC 성분에서, 맥동 동맥혈 신호의 최고점을 이용하여 맥박정보를 산출하는 생체신호 측정장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016186472A1 (ko) * 2015-05-20 2016-11-24 주식회사 휴이노 생체신호 측정 수단을 포함하는 이어폰 및 이러한 이어폰을 포함하는 생체신호 모니터링 시스템
KR20200045133A (ko) 2018-10-22 2020-05-04 주식회사 비엔에이 생체신호 측정시스템
KR20210133697A (ko) * 2020-04-29 2021-11-08 광주과학기술원 측두엽 기능 측정용 근적외선 분광 기법 프로브
RU218811U1 (ru) * 2023-03-01 2023-06-14 Константин Болеславович Туминас Оптический датчик физиологического состояния человека

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