KR20150098940A - 생체신호 감지장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은: 생체 신호의 검출을 위하여, 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원(Light Source); 그리고 상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 수광하도록, 서로 다른 위치에 이격되게 구비되는 복수의 광 검출기들을 포함하여 구성되는 생체신호 감지장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, 복수의 광 검출기가 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 빛을 일 부분씩 분할 수광해서 기존에 비해 다량의 광을 검출하고 이를 바탕으로 생체 신호를 측정하므로, 광원에서 조사되는 빛의 세기를 줄일 수 있고 이로 인해 광원에 의한 전력 소모가 절감될 수 있다.
Description
본 발명은 생체 신호를 감지하는 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 산소 포화도나 맥박 등과 같은 생체 특성(생리적 특성)에 대한 생체 신호를 감지하는 데 사용되는 생체신호 감지장치에 관한 것이다.
근래에는 비침습적으로 산소 포화도 등의 혈액 가스 포화도(Blood Gas Saturation), 혈압, 맥박, 및 심전도 등의 다양한 생체 신호값(생체 특성값)를 측정하기 위한 생체신호 감지장치가 사용되고 있으며, 구체적인 일 예로서 광원(발광소자; 발광부)과 광 검출기(수광소자; 수광부)를 사용해서 광혈류(Photoplethysmography: 이하 PPG) 측정방식으로 생체 신호를 감지하고 상기 생체 신호값를 획득하는 다양한 종류의 장치가 사용되고 있다.
상기 생체신호 감지장치로는, 산소포화도 측정을 위한 옥시메터(Oximeter)와 혈압을 측정하는 혈압계와 맥박 측정을 위한 맥박계 등이 얻고자 하는 생체 신호의 종류에 따라 다양하게 분류된다.
상기 산소포화도(Oxygen Saturation)는 적혈구중 헤모글로빈의 산소결합능력 가운데 산소가 실제로 결합하고 있는 비율을 퍼센트(%)로 표시한 것을 말하며, 산소와 결합한 헤모글로빈과 산소와 결합하지 못한 헤모글로빈의 흡광율 차이를 이용하여 비관혈적으로 산소포화도의 측정이 가능하다.
그리고, 상기 혈압은 혈액이 혈관의 벽에 미치는 압력을 말한다. 심장은 1분에 약 60 내지 80회 수축과 이완을 반복하며, 심장이 수축하여 피를 밀어낼 때 혈관에 미치는 압력을 '수축혈압'이라고 하며 가장 높기 때문에 '최고혈압'이라고 한다. 또한, 심장이 이완되면서 혈액을 받아들일 때 혈관 압력을 '이완혈압'이라고 하며 가장 낮기 때문에 '최저혈압'이라고 한다.
보통 정상인의 혈압은 상기 수축혈압이 120mmHg이고, 상기 이완혈압은 80mmHg을 나타낸다. 우리나라 성인의 4명 중 1명 이상이 고혈압에 해당되며 40세 이후부터는 이 비율이 급격히 증가하는 추세를 나타내고 있으며, 물론 저혈압으로 분류된 환자도 있다.
상기 맥박은 심장의 박동으로 인해 대동맥 속으로 급히 유입되는 혈압이 동맥에 나타나는 현상으로서, 심장이 박동할 때 마다 동맥을 따라 혈액이 밀려나며, 이러한 혈액의 흐름으로 인하여 동맥이 팽창과 이완을 되풀이 하게 된다.
도 1을 참조하면, 광원과 광 검출기를 이용한 생체신호 감지방식, 보다 구체적으로 상기 PPG 측정방식은, 생체 예를 들어서 요골 동맥이 지나는 부위에 광원(10)의 빛을 피부에 입사시켜서 생체 조직(1)을 투과(도 1의 (a))하거나 상기 생체 조직(1)에서 반사(도 1의 (b))된 후에 피부의 외부로 방출되는 빛을 광 검출기(20)가 감지해서 생체 신호를 측정하는 것이다.
근래에는 상술한 PPG 측정방식의 개인 휴대용 맥박계나 옥시메터 등의 휴대용 생체신호 감지장치가 사용되고 있는데, 보다 구체적인 예를 들면 손목형 맥박계가 있으며, 하나의 광원(예를 들면 발광 다이오드)에 하나의 광 검출기(수광 소자)를 사용하거나 두개의 광원에 하나의 광 검출기를 사용해서 비침습적으로 생체 신호를 감지한다.
상술한 광원(10)과 광 검출기(20)를 이용하는 생체신호 감지장치에서는 상기 광원(10)에 의한 전력 소모가 큰 비중을 차지하며, 휴대용 생체신호 감지장치의 경우에는 배터리 교체나 충전없이 장시간 사용이 요구되므로 상기 광원에 의한 전력 소모 정도에 따라 상기 휴대용 생체신호 감지장치의 사용 시간이 결정될 수 있다. 따라서 본 발명자는 전력 소모를 줄일 수 있는 구조의 생체신호 처리장치를 개발하게 되었다.
본 발명은, 생체 신호의 검출을 위하여 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원에 의한 전력 소모를 줄일 수 있는 구조의 생체신호 감지장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상술한 목적의 해결을 위하여, 본 발명은: 생체 신호의 검출을 위하여, 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원(Light Source); 그리고 상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 수광하도록, 서로 다른 위치에 이격되게 구비되는 복수의 광 검출기들을 포함하여 구성되는 생체신호 감지장치를 제공한다.
상기 복수의 광 검출기들은, 상기 생체 조직에서 반사된 후에 상기 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 일부분씩 수광하도록 상기 광원의 둘레 영역에 상호 이격되게 구비될 수 있다.
예를 들면, 상기 복수의 광 검출기들은, 상기 광원의 둘레 영역에 상호 대향되게 구비되거나, 상기 복수의 광 검출기들은, 상기 광원의 둘레 방향을 따라 등간격으로 3개 이상 구비될 수도 있다. 그리고 상기 복수의 광 검출기들은 상기 광원에서 동일 거리에 구비될 수도 있다.
다른 일 형태로서 본 발명은: 생체 신호의 검출을 위하여, 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원; 그리고 상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 수광하도록, 상기 광원의 둘레 영역 중 일정 구간을 차단하는 방향으로 길게 형성되는 광 검출기를 포함하여 구성되는 생체신호 감지장치를 제공한다.
상기 광 검출기는, 상기 광원의 둘레 영역 중 60도(6분의 1) 이상에서 360도 미만의 구간을 차단할 수 있으며, 상기 광 검출기는, 직선 또는 원호 형상을 가지나 이에 한정되는 것은 아니다.
또 다른 일 형태로서 본 발명은: 생체 신호의 검출을 위하여, 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원; 그리고 상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 수광하도록, 상기 광원의 외곽을 둘러싸는 광 검출기를 포함하여 구성되는 생체신호 감지장치를 제공한다. 상기 광원은 상기 광 검출기의 중심에 구비된다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 피부의 외부로 방출되는 빛이 지나는 영역에 위치하도록 광원의 외부에 분산 배치되는 복수의 광 검출기가, 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 빛을 분할 수광해서 기존에 비해 다량의 광을 검출하고 이를 바탕으로 생체 신호를 측정하므로, 상기 광원에서 출력되는 빛의 세기를 줄일 수 있고 이로 인해 광원에 의한 전력 소모가 절감될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 광 검출 면적의 확대를 통해 휴대용 생체신호 감지장치에서 전력 소모의 큰 비중을 차지하는 광원에 의한 전력 소모를 줄일 수 있으므로, 사용자가 장시간의 외부 활동에도 배터리 교체나 충전없이 오랜 시간동안 지속적으로 휴대용 생체신호 감지장치를 사용 수 있다.
본 발명의 특징 및 장점들은 후술되는 본 발명의 실시예들에 대한 상세한 설명과 함께 다음에 설명되는 도면들을 참고하여 더 잘 이해될 수 있으며, 상기 도면들 중:
도 1은 일반적인 PPG 측정방식을 나타낸 단면도;
도 2은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 일 실시예를 나타낸 사시도;
도 3은 도 2의 생체신호 감지장치의 의한 생체신호 감지 방식을 개략적으로 나타낸 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 생체신호 감지장치에 적용 가능한 광원과 광 검출기들의 배치 구조에 대한 다른 예를 나타낸 도면;
도 5는 본 발명에 따른 생체신호 감지장치에 적용 가능한 광원과 광 검출기들의 배치 구조에 대한 또 다른 예를 나타낸 도면;
도 6은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치에 적용 가능한 광원과 광 검출기들의 배치 구조에 대한 또 다른 예를 나타낸 도면;
도 7은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면;
도 8은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면; 그리고
도 9는 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1은 일반적인 PPG 측정방식을 나타낸 단면도;
도 2은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 일 실시예를 나타낸 사시도;
도 3은 도 2의 생체신호 감지장치의 의한 생체신호 감지 방식을 개략적으로 나타낸 단면도;
도 4는 본 발명에 따른 생체신호 감지장치에 적용 가능한 광원과 광 검출기들의 배치 구조에 대한 다른 예를 나타낸 도면;
도 5는 본 발명에 따른 생체신호 감지장치에 적용 가능한 광원과 광 검출기들의 배치 구조에 대한 또 다른 예를 나타낸 도면;
도 6은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치에 적용 가능한 광원과 광 검출기들의 배치 구조에 대한 또 다른 예를 나타낸 도면;
도 7은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면;
도 8은 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면; 그리고
도 9는 본 발명에 따른 생체신호 감지장치의 또 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예들에 대해 첨부도면 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 동일 구성에 대해서는 동일 도면 부호가 사용된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예(제1실시예)에 따른 생체신호 감지장치(100)는 광원(Light Source; 110)과 복수의 광 검출기(120)들을 포함하여 구성된다.
상기 광원(110)은, 생체 신호의 검출을 위하여 생체 조직(1)으로 빛을 조사한다. 그리고 상기 복수의 광 검출기(120)들은 상기 생체 조직(1)에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원(110)의 빛을 수광하도록, 분산 배치되어서 각각의 광 검출기가 배치된 부분을 지나는 빛을 검출한다. 다시 말해서, 상기 광 검출기(120)들은 상기 광원의 외곽 영역에 배치되며 서로 다른 위치에 이격되게 구비된다.
본 실시예에서 설명되는 생체신호 감지장치에서는, 상기 광원(110)에서 피부로 입사된 후에 상기 생체 조직(1) 예를 들면 손목의 피부 및 혈관 조직(요골동맥)에서 반사되어서 상기 피부의 외부로 방출되는 광원의 빛을 상기 광 검출기(120)들이 분할 수광하는 구조이며, 보다 구체적으로는 상기 광원(110)과 광 검출기(120)를 이용해서 광혈류 측정방식(PPG 방식)으로 생체 신호값(생체 특성값)을 측정할 수 있다.
이를 위하여, 상기 복수의 광 검출기(120)들은, 상기 생체 조직(1)에서 반사된 후에 상기 피부의 외부로 방출되는 빛의 확산 영역(반사광이 지나는 영역)에 분산 배치된다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 복수의 광 검출기(120)들은 상술한 빛의 확산 영역에서 상기 광원(110)의 빛을 일부분씩 수광하도록 상기 광원(110)의 둘레 영역에 분산 배치된다. 그러므로, 본 실시예는 동일한 광출력의 경우 하나의 광 검출기를 사용하는 것보다 다량의 광 데이터를 검출할 수 있고, 이에 따라 상기 광원(110)의 출력(광출력)을 낮추더라도 종래와 동일한 또는 더 높은 광 검출효율을 가질 수 있다.
상기 광원(110)과 광 검출기(120)들은 센서 장착유닛(130)에 구비되는데, 도 2에 도시되어 있는 생체신호 감지장치의 일 예는 사용자의 손목에 착용되는 휴대용으로서 손목형 생체신호 감지장치이며, 손목형 맥박계나 손목형 옥시메터 등이 될 수 있다.
상술한 손목형 생체신호 감지장치(100)에서, 상기 센서 장착유닛(130)은 손목띠로서 밴드(Band)나 벨트(Belt) 등의 스트랩(Strap)을 포함하고, 상기 스트랩에는 피검자의 생체 특성값 예를 들면 혈압이나 맥박이나 산소포화도 등을 표시하는 디스플레이 유닛(140)이 구비되어서 상기 스트랩에 의해 피검자의 손목에 피착된다.
상기 스트랩은, 신축에 의해 피부 밀착성이 증가되도록 또는 사용자의 손목 굵기 차이에 대응할 수 있도록 탄성 재질을 가질 수 있으며, 도시되지는 않았으나 버클이나 벨크로 등 다양한 고정장치를 적용해서 좌측과 우측이 분할될 수도 있음은 자명하다. 물론 본 발명에 따른 생체신호 감지장치는 집게형 기타 다른 타입으로도 구성될 수 있다.
그리고, 상기 디스플레이 유닛(140)은 상기 생체 특성값을 피검자에게 보여주는 화면 즉 표시창(141)을 가지며, 상기 디스플레이 유닛(100)에는 시계(142)가 더 구비될 수도 있고, 내부에는 상기 생체신호 감지장치의 작동을 위한 배터리(도시되지 않음)와 회로기판이 구비되며, 생체 특성값에 이상이 있을 경우 알람 예를 들면 경보음 및/또는 경보등을 출력하도록 구성될 수도 있고, 그 외에도 공지의 다양한 구성이 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 복수의 광 검출기(120)들은 상기 광원(110)을 사이에 두고 상기 광원(110)의 둘레 영역에 상호 대향되게 구비되거나, 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 상기 광원(110)의 둘레 방향을 따라 동일 각도 단위(동일 간격)로 3개 이상 구비될 수도 있으며, 예를 들면 45도 단위, 60도 단위, 90도 단위 또는 120도 단위 기타 다양한 단위의 배치 형태가 될 수 있다.
그리고 상기 복수의 광 검출기(120)들은 상기 광원(110)에서 동일 거리에 구비될 수도 있다. 상기 광 검출기(120)는 정방형이나 장방형 또는 원호형 등 다양한 형상이 될 수 있다.
한편, 상기 생체신호 감지장치는 상기 광원(110; 설명의 편의를 위해 제1광원이라 칭함)과 다른 파장대역의 빛을 조사하는 다른 광원(설명의 편의를 위해 제2광원이라 칭함, 도시되지 않음)을 더 포함할 수 있고, 상기 제2광원은 상기 제1광원에 이웃하게 배치될 수 있는데, 보다 구체적으로 상기 제1광원과 상기 제2광원은 접하거나 일정 간격을 두고 이웃하도록 배치될 수 있다.
이에 따라, 상기 제2광원에서 상기 생체 조직으로 조사된 후에 상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 빛도 상술한 광 검출기(120)들 즉 제1광원의 빛을 검출하는 광 검출기들에 의해 분할 수광되며, 이는 후술하는 실시예들에서도 동일하게 적용될 수 있다. 일 예로서 상기 제1광원과 제2광원 중 어느 하나는 적색 광원이 되고 다른 하나는 적외선 광원이 될 수 있으며, 상기 제1광원과 제2광원 중 어느 하나가 발광할 때에 다른 하나는 발광하지 않는다.
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 다른 일 실시예들에 따른 생체신호 감지장치가 설명된다.
본 실시예에 따른 생체신호 감지장치는, 광원(110)과 광 검출기(120a, 120b)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에 있어서, 상기 광 검출기(120a, 120b)는 상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원(110)의 빛을 수광하도록, 상기 광원(110)의 둘레 영역 중 일정 각도의 구간을 차단하는 방향으로 길게 형성된다.
상기 광 검출기(120a, 120b)는, 상기 광원의 둘레 영역 중 6분의 1(60도) 이상에서 360도 미만의 각도 구간(상기 광원을 중심으로 60도 이상의 구간)을 가로 막는 형태가 될 수 있으며, 직선 형상(도 7의 (a)) 또는 원호 형상(도 7의 (b))을 가지나 이에 한정되는 것은 아니고 꺽인 형상 등 다른 형상도 가능하다.
도 8은 상기 광원(110)의 둘레 영역 중 180도의 각도 구간(둘레 영역의 2분의 1 구간)이 광 검출기(120b)에 의해 차단되는 구조의 일 예로서, 본 실시예들 또한 기존보다 넓은 광 검출 면적을 가지므로 광 검출효율이 증가되며, 이로 인해 기존과 동일한 광 데이터를 획득함에 있어서 상기 광원(110)의 광 출력을 낮출 수 있고 전력 소모를 줄일 수 있다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예 따른 생체신호 감지장치는 광원(110)과 광 검출기(120c, 120d)를 포함하여 구성되며, 상기 광 검출기(120c, 120d)는 상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원(110)의 빛을 수광하도록, 상기 광원(110)의 외곽을 둘러싸는 구조를 갖는다. 상기 광 검출기(120c, 120d)는 원형(도 9의 (a)) 또는 다각형(도 9의 (b)) 등으로 구성되어서 상기 광원(110)의 외곽을 완전히 두르는 구조가 될 수 있으며, 상기 광원(110)은 상기 광 검출기(120c, 120d)의 내부 영역에서 중심에 구비된다.
상술한 본 발명의 다른 실시예들에서 설명되지 않은 구성은 본 발명의 제1실시예에서 설명된 내용이 동일하게 적용될 수 있으므로 반복 설명은 생략된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예들을 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예들 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.
그러므로, 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
1: 생체 조직
100: 생체신호 감지장치
110: 광원 120, 120a ~ 120d: 광 검출기
130: 센서 장착유닛 140: 디스플레이 유닛
141: 표시창 142: 시계
110: 광원 120, 120a ~ 120d: 광 검출기
130: 센서 장착유닛 140: 디스플레이 유닛
141: 표시창 142: 시계
Claims (10)
- 생체 신호의 검출을 위하여, 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원(Light Source); 그리고
상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 수광하도록, 서로 다른 위치에 이격되게 구비되는 복수의 광 검출기들을 포함하여 구성되는 생체신호 감지장치. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 광 검출기들은, 상기 생체 조직에서 반사된 후에 상기 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 일부분씩 수광하도록 상기 광원의 둘레 영역에 상호 이격되게 구비되는 생체신호 감지장치. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 광 검출기들은, 상기 광원의 둘레 영역에 상호 대향되게 구비되는 생체신호 감지장치. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 광 검출기들은, 상기 광원의 둘레 방향을 따라 등간격으로 3개 이상 구비되는 생체신호 감지장치. - 제2항에 있어서,
상기 복수의 광 검출기들은 상기 광원에서 동일 거리에 구비되는 생체신호 감지장치. - 생체 신호의 검출을 위하여, 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원; 그리고
상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 수광하도록, 상기 광원의 둘레 영역 중 일정 구간을 차단하는 방향으로 길게 형성되는 광 검출기를 포함하여 구성되는 생체신호 감지장치. - 제6항에 있어서,
상기 광 검출기는, 상기 광원의 둘레 영역의 60도 이상에서 360도 미만의 구간을 두르는 생체신호 감지장치. - 제7항에 있어서,
상기 광 검출기는, 직선 또는 원호 형상을 갖는 생체신호 감지장치. - 생체 신호의 검출을 위하여, 생체 조직으로 빛을 조사하는 광원; 그리고
상기 생체 조직에서 피부의 외부로 방출되는 상기 광원의 빛을 수광하도록, 상기 광원의 외곽을 둘러싸는 광 검출기를 포함하여 구성되는 생체신호 감지장치. - 제9항에 있어서,
상기 광원은 상기 광 검출기의 중심에 구비되는 생체신호 감지장치.
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