KR20160136536A - IoT 기반 숙면 유도 베개 - Google Patents

Abstract

IoT 기반 숙면 유도 베개가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 숙면 유도 베개는, 맥파 측정을 위한 맥파 측정기와, 코골이 주파수 및 데시벨 감시를 위한 마이크 센서와, 사용자의 두부(頭部) 자세 감지를 위한 압력 센서를 포함하는 측정부; 가운데 상기 사용자의 두부가 놓여지는 공간이 마련되도록 배치된 복수의 에어팩에 대해 동작 제어신호에 따라 개별적으로 공기 인입량을 조절하여 상기 사용자의 두부가 놓여지는 각도 조절이 가능한 처리부; 및 상기 측정부에서 출력되는 신호를 입력받아 상기 사용자의 수면 상태를 파악한 후 수면 장애 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 사용자의 수면 최적화를 위해 상기 동작 제어신호를 출력하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

IoT 기반 숙면 유도 베개{Deep sleep guide pillow based on IoT}

본 발명은 IoT 기반 숙면 유도 베개에 관한 것이다.

최근 현대인들의 많은 활동량과 스트레스 등으로 인해 수면장애 환자들이 급증하고 있다. 이러한 수면장애 현상은 집중력과 사고력, 기억력을 떨어뜨리고, 학습장애를 유발하는 원인이 되기도 하고, 심장, 폐질환, 위장관 질환을 증가시키고, 성장을 둔화시키며, 피로누적으로 교통사고 및 안전사고의 위험을 증대시키게 되는 원인이 되기도 한다. 그 밖에도 혈당조절을 감소시키고, 콜티졸과 같은 스트레스 호르몬을 증가시키며, 교감신경 항진 등 여러 신체적 부작용을 동반하게 되어 만성이 되었을 때 인슐린에 대해 저항이 증가되고, 비만과 고혈압을 일으키게 된다.

수면장애의 주요인으로 코골이를 동반한 수면무호흡증이 포함되어 있는데, 이 경우 뇌혈류를 떨어뜨려서 기억력과 운동능력, 주의력의 저하는 물론, 각종 뇌관련 질병의 증가에도 영향을 주며, 특히 수면무호흡증은 중증 코골이로서 뇌로 가는 혈액량을 줄이고 혈압을 높여 뇌졸중의 위험 요인이 된다.

이러한 수면 장애요인을 해소하기 위해 수면 최적화 베개 장치가 개발되고 있다. 한국등록실용신안공보 20-0241986호에는 높이 조절과 알람기능이 가능한 진동베개가 개시되어 있기도 하지만, 이들은 수면상황에 대한 판단 없이 수동조작이나 타이머 동작을 통한 단순 치료요법만을 제공하거나 베개의 변형을 줌에 있어서 정밀하지 못해 오히려 수면을 방해하는 경우도 있는 실정이다.

한국등록실용신안공보 20-0241986호

본 발명은 경동맥의 흐름을 감지하여 수면장애를 검출함으로써 수면의 질을 감시하고, 능동적으로 베개 모양을 조정하여 코골이를 방지하고 최적의 수면 환경을 만들어 주어 숙면 테라피를 제공할 수 있는 IoT 기반 숙면 유도 베개를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 사람의 수면상태에서 수면무호흡, 코골이, 수면불안환경, 수면자세불안 등의 수면장애 요인을 검출하여 이에 부합하는 최적의 수면자세를 제공하기 위해 베개의 능동적 외형 변경을 통해 편안한 숙면을 유도할 수 있도록 하는 IoT 기반 숙면 유도 베개를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 맥파 측정을 위한 맥파 측정기와, 코골이 주파수 및 데시벨 감시를 위한 마이크 센서와, 사용자의 두부(頭部) 자세 감지를 위한 압력 센서를 포함하는 측정부; 가운데 상기 사용자의 두부가 놓여지는 공간이 마련되도록 배치된 복수의 에어팩에 대해 동작 제어신호에 따라 개별적으로 공기 인입량을 조절하여 상기 사용자의 두부가 놓여지는 각도 조절이 가능한 처리부; 및 상기 측정부에서 출력되는 신호를 입력받아 상기 사용자의 수면 상태를 파악한 후 수면 장애 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 사용자의 수면 최적화를 위해 상기 동작 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하는 숙면 유도 베개가 제공된다.

상기 처리부는 하단에 놓여지는 3개의 하단 에어팩 및 상단 양측에 놓여지는 2개의 상단 에어팩을 포함하되, 중심부에 위치한 상기 하단 에어팩에는 상기 사용자의 두부로 이어지는 경동맥으로부터 맥파를 측정하는 상기 맥파 측정기가 설치되고, 2개의 상기 상단 에어팩에는 상기 마이크 센서가 설치되며, 가장자리에 위치한 2개의 상기 하단 에어팩에는 상기 압력 센서가 설치될 수 있다.

상기 맥파 측정기는 상기 사용자의 두부로 이어지는 경추 부분에 배치되며, 상기 마이크 센서는 상기 사용자의 코가 놓여지는 부분의 하단에 배치되고, 상기 압력 센서는 상기 사용자의 어?틔? 이어지는 경추 부분에 배치될 수 있다.

상기 맥파 측정기는 컨덕티브 포노그래프(conductive phonograph)이며, 상기 컨덕티브 포노그래프를 이용하여 상기 사용자의 경동맥의 혈류의 유동음의 진폭 및 주파수를 센싱하며, 상기 제어부는 심장과 경동맥 간에 맥동성 유동 모델을 기반으로 예상 진폭과 주파수를 추정하고, 상기 센싱된 유동음의 진폭 및 주파수와 비교하여 반복 파형을 검출하고 노이즈는 필터를 통해 제거하며, 상기 반복 파형으로부터 박동성 피크 값을 획득하여 맥파 및 호흡을 계산하고, 시간 경과에 따른 호흡 횟수를 누적하여 분당 호흡수를 계산할 수 있다.

상기 제어부는

에 따라 수면무호흡 판단을 위한 지수를 산출하되, RDI(respiratory disturbance index)는 호흡 장애 지수이고, RERAs(respiratory-effort related arousals)는 수면중 호흡 불량에 따른 각성 횟수이며, Hypopneas는 호흡 감소량이고, Apneas는 무호흡 횟수이며, TST는 총 수면 시간(total sleep time)이고, RERAs는 각성에서 주로 나타나는 주요 특징인 급격한 맥박 증가를 통해 추정하며, 수면무호흡 및 호흡 감소는 입면기에서 최초 정해진 시간 동안 측정된 정상적인 호흡수 평균과 코골이 발생시 호흡수 평균을 비교하여 추정할 수 있다.

상기 제어부는 상기 맥파 측정기, 상기 마이크 센서, 상기 압력 센서로부터의 신호를 종합 판단한 후, 수면무호흡 및 코골이의 경중 정도에 따라 목표 수면 자세를 계산하며, 상기 목표 수면 자세가 계산되면 현재 수면 자세와 비교하여 상기 에어백별 목표공기량을 설정하고, 설정된 상기 목표공기량에 도달하도록 각 에어백으로의 공기인입량을 조절하며, 일정 시간이 경과한 후 상기 측정부를 통해 재센싱을 수행하고, 수면무호흡 및 코골이의 완화 여부를 확인하며, 완화되지 않을 경우 상기 목표 수면 자세를 변경하여 재차 공기인입량 조절을 수행하되, 상기 사용자의 수면 상태가 최적화된 것으로 판단되는 경우, 최적의 제어 파라미터를 저장하고, 상기 사용자에 대해서는 차후 코골이 혹은 수면무호흡이 시작되면 즉각적으로 최적화된 피드백을 제공할 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 경동맥의 흐름을 감지하여 수면장애를 검출함으로써 수면의 질을 감시하고, 능동적으로 베개 모양을 조정하여 코골이를 방지하고 최적의 수면 환경을 만들어 주어 숙면 테라피를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 사람의 수면상태에서 수면무호흡, 코골이, 수면불안환경, 수면자세불안 등의 수면장애 요인을 검출하여 이에 부합하는 최적의 수면자세를 제공하기 위해 베개의 능동적 외형 변경을 통해 편안한 숙면을 유도할 수 있도록 하는 효과가 있다.

사람의 수면상태에서 맥박, 코골이로 유발되는 소음, 주변온도, 주변습도 및 수면 시 두부의 자세를 측정하도록 함으로써 다양한 수면상황에 대한 판단이 가능하며, 이에 검출된 수면상황에 따라 수면 장애 요인이 검출되면 그에 따른 맞춤형 치료요법의 수행이 실시간으로 가능하도록 함으로써 편안한 숙면을 유도할 수 있고, 이러한 데이터들을 지속적으로 저장, 분석, 관리함으로써 꾸준한 최적상태의 수면관리를 할 수 있는 효과가 있다.

또한, PC 혹은 스마트폰으로 데이터를 송신하여 그 데이터를 저장해둠으로써 병원진단의 보조자료로 활용 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 기반 숙면 유도 베개 시스템의 전체 개략도,
도 2는 숙면 유도 베개의 측정부, 처리부 및 제어부를 나타낸 도면,
도 3은 숙면 유도 베개의 측정부를 나타낸 도면,
도 4는 수면 자세 조절을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 기반 숙면 유도 베개에서의 수면 상태 측정 방법을 나타낸 도면,
도 6은 경동맥으로부터 맥파 및 호흡수를 검출하는 방법을 나타낸 도면,
도 7은 숙면 유도 자세로의 적응형 제어 방법을 나타낸 도면.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 기반 숙면 유도 베개 시스템의 전체 개략도이고, 도 2는 숙면 유도 베개의 측정부, 처리부 및 제어부를 나타낸 도면이며, 도 3은 숙면 유도 베개의 측정부를 나타낸 도면이고, 도 4는 수면 자세 조절을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 4에는 IoT 기반 숙면 유도 베개 시스템(1), 숙면 유도 베개(10), 측정부(11), 처리부(12), 제어부(13), 모니터링 수단(5), 맥파 측정기(21), 마이크 센서(23), 압력 센서(24), 에어팩(22a~22e, 이하 '22'로 통칭하기도 함), 입력신호선(26), 출력신호선(27), 수신 모듈(41), 구동 모듈(42), 공기공급 모듈(43), 자세조정 모듈(44)이 도시되어 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 기반 숙면 유도 베개 시스템(1)은 숙면 유도 베개(10)와 모니터링 수단(5)이 결합된 시스템으로서, 베개에 사물인터넷(Internet of Things, IoT) 기술을 적용하여 사용자의 수면 상태에서의 수면 장애 요인을 검출하여 최적의 환경에서 수면이 이루어지도록 한다.

숙면 유도 베개(10)는 측정부(11), 처리부(12), 제어부(13)를 포함한다.

측정부(11)는 베개를 사용하는 사용자의 수면 장애 요인을 검출하기 위한 수단이다. 도 3에 도시된 것과 같이, 측정부(11)는 맥파 측정을 위한 맥파 측정기(21), 코골이 주파수 및 데시벨 감시를 위한 마이크 센서(23), 두부(頭部) 자세 감지를 위한 압력 센서(24) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

제어부(13)는 측정부(11)에서 출력되는 신호를 입력받아 사용자의 수면 상태를 파악한 후 수면 장애 여부를 판단하고, 그에 따라 수면 최적화를 위한 동작 제어신호를 처리부(12)로 출력한다.

처리부(12)는 제어부(13)의 동작 제어신호를 수신하고, 해당 신호에 부합하여 단계별로 자세 조정이 이루어질 수 있도록 한다. 도 4에 도시된 것과 같이, 처리부(12)는 수신 모듈(41), 구동 모듈(42), 공기공급 모듈(43), 자세조정 모듈(44)을 포함할 수 있다.

모니터링 수단(5)은 PC 혹은 스마트폰일 수 있으며, 숙면 유도 베개(10)에 마련된 통신부(미도시)와 통신하여 사용자의 수면 상태 정보를 저장하고, 미리 지정된 통계 처리 알고리즘에 따라 통계 처리하여 다양한 시점에서 본인의 수면 상태를 확인할 수 있도록 한다.

도 2에는 사람의 두 눈을 잇는 직선을 기준선으로 하는 횡단면도가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 숙면 유도 베개(10)는 5개의 에어팩(22a~22e)이 사용자의 두부를 감싸는 형상으로 배치되어 있을 수 있다. 하단에는 3개의 에어팩(22c, 22d, 22e)이 놓여지며, 상단 양측에는 2개의 에어팩(22a, 22b)이 놓여지고, 상단 에어팩(22a, 22b) 사이에 사용자의 두부가 놓여지는 공간이 마련된다.

중심부에 위치한 하단 에어팩(22d)에는 사용자의 두부로 이어지는 경동맥으로부터 맥파를 측정하는 맥파 측정기(21)가 설치되고, 2개의 상단 에어팩(22a, 22b)에는 사용자의 코골이를 감지하기 위한 마이크 센서(23)가 설치된다. 그리고 가장자리에 위치한 2개의 하단 에어팩(22c, 22e)에는 사용자의 두부 자세의 기울기를 판단하기 위한 압력 센서(24)가 설치된다.

이들 센서에서 측정한 데이터들은 입력신호선(26)을 통해 제어부(13)로 전송되며, 제어부(13)에서 사용자의 수면 상태를 코골이 혹은 수면무호흡으로 판단할 경우, 사용자의 두부 자세를 변경하기 위해 출력신호선(27)을 통해 동작 제어신호를 전송할 수 있다.

출력신호선(27)은 5개의 에어팩(22a~22e)에 각각 연결되어 있어, 동작 제어신호에 의해 에어팩(22) 내로의 에어 인입량이 다수의 단계(예컨대, 1/3, 2/3, 3/3 단계 등)로 크기 조절됨으로써 사용자의 두부가 놓여지는 각도 조절이 가능해진다.

또한, 에어팩(22)은 다층 구조(예컨대, 3층 구조)로 소음 흡수 재질이 적층된 구조일 수 있으며, 이를 통해 코골이에 의한 2차적인 소음 피해를 최소화시킬 수 있다.

도 3에는 사람의 두 눈을 잇는 직선의 수직선을 기준선으로 하는 횡단면도가 도시되어 있다.

도 3을 참조하면, 맥파 측정기(21)는 사용자의 두부로 이어지는 경추 부분(경추 상부)에 배치되며, 마이크 센서(23)는 사용자의 코가 놓여지는 부분의 하단에 배치되고, 압력 센서(24)는 사용자의 어깨로 이어지는 경추 부분(경추 하부)에 배치될 수 있다.

맥파 측정기(21)는 경추 상부에서 사용자의 경동맥의 맥파를 측정하게 되며, 예를 들어 출력되는 신호에 따라 맥박의 급격한 상승 또는 하강에 의한 변화가 5분 이상 진행될 경우, 그 신호를 전달받은 제어부(13)에서 이를 수면 장애 요인인 수면무호흡 의심군으로 판단할 수 있다.

또한, 마이크 센서(23)는 코골이 주파수 및 데시벨을 측정하며, 예를 들어 출력되는 신호가 450Hz 내지 550Hz의 주파수 범위에서 80 내지 90 데시벨로 측정되는 경우, 코골이 의심군으로 판단할 수 있다. 즉, 코골이 의심군은 주파수와 데시벨이라는 2가지 파라미터를 통해 최종 판단될 수 있다.

제어부(13)에서는 수면 장애 여부가 판단되면, 미리 지정된 알고리즘에 따른 동작 제어신호를 생성하여 처리부(12)로 전송한다. 여기서, 처리부(12)의 동작 구조에 대해서는 도 4에 도시되어 있다.

도 4를 참조하면, 수신 모듈(41)은 제어부(13)로부터 동작 제어신호를 전송받는다.

구동 모듈(42)은 공기공급 전용 저소음 모터일 수 있으며, 수신 모듈(41)에서 수신한 동작 제어신호에 따라 구동 정도가 결정된다.

구동 모듈(42)의 구동에 의해 공기공급 모듈(43)이 작동하게 된다. 공기공급 모듈(43)은 노즐일 수 있으며, 끝단에 연결된 자세조정 모듈(44)로 구동량에 상응하는 공기가 공급될 수 있도록 한다. 여기서, 자세조정 모듈(44)은 도 2에 도시된 에어팩(22)일 수 있으며, 구동 모듈(42) 및 공기공급 모듈(43)에 의해 정밀 조정되어 수면 상태에 있는 사용자를 깨우지 않으면서 수면 자세를 용이하게 변경시킬 수 있도록 한다.

한편, 사용자의 두부 자세를 판단하기 위한 압력 센서(24)에서 출력되는 신호에 따라 수면 자세를 판단하게 되며, 제어부(13)에서는 수면 자세에 기초하여 자세조정 모듈(44)을 움직여 자세를 조정함으로써 코골이 및/또는 수면무호흡을 방지할 수 있도록 한다.

또한, 숙면 유도 베개(10)에는 통신부(미도시)가 구비되어 있어 외부의 모니터링 수단(5)과 통신하여 제어부(13) 및 처리부(12)의 각종 데이터(예컨대, 측정 데이터, 수면 상태 정보, 동작 제어 데이터 등)가 외부의 데이터베이스에 저장될 수 있도록 한다.

이들 데이터는 사용자마다의 특성에 따라 수면 상황과 그에 따른 조치 데이터를 연계 저장함으로써, 사용자 맞춤형으로 관리가 가능하게 한다.

또한, 소정의 수면 치료 요법을 일정 기간 지속한 후 통계 처리를 통해 수면 상태의 개선 여부를 파악함으로써, 수면 치료 요법의 지속 수행 여부에 대해서 판단할 수도 있다.

이하에서는 관련 도면을 참조하여, 사용자의 수면 상태를 파악할 수 있는 각종 데이터의 측정 및 수면 상태 판단 방법과 적응형 제어 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 IoT 기반 숙면 유도 베개에서의 수면 상태 측정 방법을 나타낸 도면이고, 도 6은 경동맥으로부터 맥파 및 호흡수를 검출하는 방법을 나타낸 도면이다.

여기서, 맥파 측정기가 컨덕티브 포노그래프(conductive phonograph)인 경우를 가정하여 설명하기로 한다.

우선 맥파 측정 방법은 다음과 같다. 컨덕티브 포노그래프를 이용하여 사용자의 맥파 및 호흡에 대한 제1 로우 데이터(맥파 로우 데이터)를 획득한다(단계 511). 그리고 제어부는 제1 로우 데이터로부터 맥파 및 호흡수를 계산한다(단계 513).

컨덕티브 포노그래프는 경동맥의 맥동성 유무에 의한 소리를 센싱하고, 필터를 통해 유효한 값을 걸러냄으로써 맥파에 관련된 생체신호를 획득할 수 있다. 기존에는 단순한 진동의 주기성에만 의존하였으나, 본 실시예에서는 심장으로부터 경동맥 간에 이르는 혈류의 일반적인 흐름 데이터(flow data)를 기반으로 하여 맥박 및 호흡수를 추출할 수 있다. 이를 통해 측정의 정확도를 높이고 혈관의 상태에 따른 맥동성 유동 모델을 적용하여 혈관 내벽의 압력 추정이 가능한 파라미터를 제공할 수도 있다.

컨덕티브 포노그래프를 이용하여 경동맥으로부터 맥파 및 호흡수를 검출하는 방법에 대해서는 도 6에 보다 상세하게 기재되어 있다.

컨덕티브 포노그래프에서 경동맥의 혈류의 유동음을 센싱하는데(단계 611), 특히 유동음의 진폭 및 주파수를 센싱한다(단계 613).

그리고 센싱된 진폭 및 주파수를 이용하여 반복 파형을 검출하고(단계 615), 반복 파형에서 벗어나는 노이즈는 필터를 통해 제거한다(단계 617).

반복 파형으로부터 박동성 피크 값을 획득하고(단계 619), 박동성 피크 값으로부터 맥파 및 호흡을 계산하며(단계 621), 시간 경과에 따른 호흡 횟수를 누적하여 분당 호흡수를 계산한다(단계 623).

여기서, 진폭 및 주파수를 센싱하는 과정에서 심장과 경동맥 간에 맥동성 유동 모델을 기반으로 예상 진폭과 주파수를 추정하고, 이를 실측한 데이터와 비교함으로써 최적화된 맥파 및 호흡수를 추출할 수 있다. 기존에는 얻어진 데이터를 단순히 가공하여 사용하는데 그치지만, 본 실시예에서는 기존의 맥동성 유동 모델과 비교함으로써 최적화된 산출 알고리즘을 제공할 수 있는 효과가 있다.

다시 도 5를 참조하면, 제어부는 계산된 맥파 및 호흡수를 가공하여 수면무호흡 판단을 위한 지수를 산출한다(단계 515).

수면무호흡 판단 알고리즘은 다음 수학식과 같다.

[수학식 1]

여기서, RDI(respiratory disturbance index)는 호흡 장애 지수이고, RERAs(respiratory-effort related arousals)는 수면중 호흡 불량에 따른 각성 횟수이며, Hypopneas는 호흡 감소량이고, Apneas는 무호흡 횟수이며, TST는 총 수면 시간(total sleep time)이다.

본 실시예에서 RERAs는 각성에서 주로 나타나는 주요 특징인 급격한 맥박 증가를 통해 추정하며, 수면무호흡 및 호흡 감소는 입면기(수면에 들어가는 상태)에서 최초 수분 간(예컨대, 5분 간) 측정된 정상적인 호흡수 평균과 코골이 발생시 호흡수 평균을 비교하여 추정할 수 있다.

제어부(13)는 수학식 1에 기초하여 산출된 호흡 장애 지수(RDI)를 이용하여 수면무호흡 여부를 판단할 수 있다(단계 540).

예를 들면, 호흡 장애 지수(RDI)가 5 ~ 15 이하인 경우에는 경증으로 판단하고, 15 ~ 30 이하인 경우에는 중등도로 판단하며, 30 ~ 120 이하인 경우에는 중증으로 판단할 수 있다.

다시 도 5를 참조하면, 마이크 센서를 이용해서는 코골이 여부를 판단할 수 있다.

마이크 센서를 통해 코골이 소리를 센싱하여 진동에 대한 제2 로우 데이터(진동 로우 데이터)를 획득한다(단계 521). 그리고 제어부는 제2 로우 데이터에서 코골이 진폭을 필터링하여(단계 523), 코골이 신호를 검출하며(단계 525), 코골이 여부를 판단하게 된다(단계 540).

압력 센서를 통해서는 사용자의 두부 기울기를 판단할 수 있다.

복수의 지점에 설치된 압력 센서를 통해 압력에 대한 제3 로우 데이터(압력 로우 데이터)를 획득한다(단계 531). 제어부는 제3 로우 데이터를 이용하여 압력 센서 간의 압력 차를 계산하여(단계 533), 사용자의 두부 기울기를 계산할 수 있다(단계 535).

제어부는 컨덕티브 포노그래프, 마이크 센서, 압력 센서를 통해 획득한 제1 내지 제3 로우 데이터 각각을 미리 지정된 알고리즘에 따라 가공 분석하여 호흡 장애 지수를 산출하고 코골이 신호를 검출하며 사용자의 두부 기울기를 계산할 수 있고, 이를 종합적으로 판단하여 사용자의 수면 상태에 대해서 최종 판단할 수 있다(단계 540).

도 7은 숙면 유도 자세로의 적응형 제어 방법을 나타낸 도면이다.

제어부는 종합 판단(단계 540) 이후, 수면무호흡 및 코골이의 경중 정도에 따라 목표 수면 자세를 계산한다(단계 542).

목표 수면 자세가 계산되면, 현재 수면 자세와 비교하여 에어팩별 목표공기량을 설정하고(단계 544), 설정된 목표공기량에 도달하도록 각 에어팩으로의 공기인입량을 조절한다.

일정 시간(예컨대, 10분 정도) 경과 후 측정부를 통해 재센싱을 수행하고(단계 546), 수면무호흡 및 코골이의 완화 여부를 확인한다(단계 548).

수면무호흡 및 코골이가 완화되지 않을 경우에는 다시 단계 542로 되돌아가 목표 수면 자세를 변경하게 된다. 이러한 피드백 제어를 통해 사용자의 코골이 및/또는 수면무호흡이 개선될 때까지 지속적으로 적응형 제어가 이루어질 수 있게 된다.

수면 상황이 최적화된 것으로 판단되는 경우, 제어부는 최적의 제어 파라미터를 저장하고(단계 550), 해당 사용자에 대해서는 차후 코골이나 수면무호흡이 시작되면 즉각적으로 최적화된 피드백을 제공(단계 552), 즉 저장된 최적의 제어 파라미터를 활용하여 최적의 목표 수면 자세로의 제어를 수행할 수 있다.

본 발명에 따른 숙면 유도 자세로의 적응형 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 즉, 기록 매체는 컴퓨터에 상술한 각 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체가 될 수 있다.

상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합한 형태로 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(Magnetic Media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(Optical Media), 플롭티컬 디스크(Floptical Disk)와 같은 자기-광 매체(Magneto-Optical Media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.

상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있다.

또한, 상술한 각 구성 요소는 물리적으로 인접한 하나의 부품으로 구현되거나 서로 다른 부품으로 구현될 수도 있다. 후자의 경우 각 구성 요소는 인접하거나 또는 서로 다른 구역에 위치하여 제어될 수 있으며, 이 경우 본 발명은 각 구성 요소를 제어하는 별도의 제어수단 또는 제어실을 구비하여 유선 또는 무선으로 각 구성요소를 제어할 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: IoT 기반 숙면 유도 베개 시스템 10: 숙면 유도 베개
11: 측정부 12: 처리부
13: 제어부 5: 모니터링 수단
21: 맥파 측정기 23: 마이크 센서
24: 압력 센서 22a~22e: 에어팩
26: 입력신호선 27: 출력신호선
41: 수신 모듈 42: 구동 모듈
43: 공기공급 모듈 44: 자세조정 모듈

Claims (6)

1. 맥파 측정을 위한 맥파 측정기와, 코골이 주파수 및 데시벨 감시를 위한 마이크 센서와, 사용자의 두부(頭部) 자세 감지를 위한 압력 센서를 포함하는 측정부;
   가운데 상기 사용자의 두부가 놓여지는 공간이 마련되도록 배치된 복수의 에어팩에 대해 동작 제어신호에 따라 개별적으로 공기 인입량을 조절하여 상기 사용자의 두부가 놓여지는 각도 조절이 가능한 처리부; 및
   상기 측정부에서 출력되는 신호를 입력받아 상기 사용자의 수면 상태를 파악한 후 수면 장애 여부를 판단하고, 판단 결과에 따라 상기 사용자의 수면 최적화를 위해 상기 동작 제어신호를 출력하는 제어부를 포함하는 숙면 유도 베개.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 처리부는 하단에 놓여지는 3개의 하단 에어팩 및 상단 양측에 놓여지는 2개의 상단 에어팩을 포함하되,
   중심부에 위치한 상기 하단 에어팩에는 상기 사용자의 두부로 이어지는 경동맥으로부터 맥파를 측정하는 상기 맥파 측정기가 설치되고, 2개의 상기 상단 에어팩에는 상기 마이크 센서가 설치되며, 가장자리에 위치한 2개의 상기 하단 에어팩에는 상기 압력 센서가 설치되는 것을 특징으로 하는 숙면 유도 베개.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 맥파 측정기는 상기 사용자의 두부로 이어지는 경추 부분에 배치되며, 상기 마이크 센서는 상기 사용자의 코가 놓여지는 부분의 하단에 배치되고, 상기 압력 센서는 상기 사용자의 어?틔? 이어지는 경추 부분에 배치되는 것을 특징으로 하는 숙면 유도 베개.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 맥파 측정기는 컨덕티브 포노그래프(conductive phonograph)이며,
   상기 컨덕티브 포노그래프를 이용하여 상기 사용자의 경동맥의 혈류의 유동음의 진폭 및 주파수를 센싱하며,
   상기 제어부는 심장과 경동맥 간에 맥동성 유동 모델을 기반으로 예상 진폭과 주파수를 추정하고, 상기 센싱된 유동음의 진폭 및 주파수와 비교하여 반복 파형을 검출하고 노이즈는 필터를 통해 제거하며, 상기 반복 파형으로부터 박동성 피크 값을 획득하여 맥파 및 호흡을 계산하고, 시간 경과에 따른 호흡 횟수를 누적하여 분당 호흡수를 계산하는 것을 특징으로 하는 숙면 유도 베개.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 제어부는
   

   

   
   에 따라 수면무호흡 판단을 위한 지수를 산출하되,
   RDI(respiratory disturbance index)는 호흡 장애 지수이고, RERAs(respiratory-effort related arousals)는 수면중 호흡 불량에 따른 각성 횟수이며, Hypopneas는 호흡 감소량이고, Apneas는 무호흡 횟수이며, TST는 총 수면 시간(total sleep time)이고,
   RERAs는 각성에서 주로 나타나는 주요 특징인 급격한 맥박 증가를 통해 추정하며, 수면무호흡 및 호흡 감소는 입면기에서 최초 정해진 시간 동안 측정된 정상적인 호흡수 평균과 코골이 발생시 호흡수 평균을 비교하여 추정하는 것을 특징으로 하는 숙면 유도 베개.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 맥파 측정기, 상기 마이크 센서, 상기 압력 센서로부터의 신호를 종합 판단한 후, 수면무호흡 및 코골이의 경중 정도에 따라 목표 수면 자세를 계산하며,
   상기 목표 수면 자세가 계산되면 현재 수면 자세와 비교하여 상기 에어백별 목표공기량을 설정하고, 설정된 상기 목표공기량에 도달하도록 각 에어백으로의 공기인입량을 조절하며,
   일정 시간이 경과한 후 상기 측정부를 통해 재센싱을 수행하고, 수면무호흡 및 코골이의 완화 여부를 확인하며,
   완화되지 않을 경우 상기 목표 수면 자세를 변경하여 재차 공기인입량 조절을 수행하되,
   상기 사용자의 수면 상태가 최적화된 것으로 판단되는 경우, 최적의 제어 파라미터를 저장하고, 상기 사용자에 대해서는 차후 코골이 혹은 수면무호흡이 시작되면 즉각적으로 최적화된 피드백을 제공하는 것을 특징으로 하는 숙면 유도 베개.

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