KR20170064906A - 생체신호 측정장치 및 방법 - Google Patents

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KR20170064906A
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허남웅
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Abstract

본 발명은 생체신호 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 서로 다른 파장대의 둘 이상의 광들을 생체 조직에 조사하는 발광부, 상기 생체 조직에서 반사되는 반사광의 광세기를 측정하는 광검출부, 및 상기 광검출부에 의해 측정된 신호로부터 맥동 성분과 비맥동 성분을 추출하여 산소포화도를 산출하는 처리부를 포함한다.

Description

생체신호 측정장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING BIO-SIGNAL}
본 발명은 생체신호 측정장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 청색파장대와 적색 파장대의 광을 이용하여 산소포화도를 측정하는 생체신호 측정장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 생체 신호를 측정하는데 사용되는 PPG(photoplethysmography) 측정 방식은 투과식과 반사식으로 구분된다. 투과식은 생체 조직을 투과한 빛을 감지하는 방식이고, 반사식은 생체 조직에서 반사되는 빛을 감지하는 방식이다. 정밀도 측면에서는 투과식이 우수하나, 최근 웨어러블기기에서는 센서 배치를 한쪽면으로 모을 수 있어 구성이 간단한 반사식이 많이 활용되고 있다.
특히, 손목에 착용 가능한 웨어러블기기가 다양하게 개발되고 있으나, 이러한 웨어러블기기에 적용되는 PPG 측정 기술은 심박수를 측정할 수 있는 수준에 도달한 반면, 산소포화도를 측정할 수 있는 기술의 개발은 정체되고 있다.
손목은 손가락, 귓볼, 이마 등과 달리 피부가 두껍고 모세혈관이 많이 분포하고 있지 않으며, 동맥은 조직 깊숙한 위치에 분포하고 있어 PPG 측정을 이용한 산소포화도 측정의 정확도를 일정 수준 이상으로 확보하기 어렵다.
KR101210659B1 KR101512076B1
본 발명은 이상과 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 청색 파장대와 적색 파장대의 광을 이용하여 산소포화도를 측정하는 생체신호 측정장치 및 방법을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정장치는 서로 다른 파장대의 둘 이상의 광들을 생체 조직에 조사하는 발광부, 상기 생체 조직에서 반사되는 반사광의 광세기를 측정하는 광검출부, 및 상기 광검출부에 의해 측정된 신호로부터 맥동 성분과 비맥동 성분을 추출하여 산소포화도를 산출하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광부는 청색광을 발산하는 제1발광소자, 및 적색광을 발산하는 제2발광소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 발광부는 상기 제1발광소자와 상기 제2발광소자를 교대로 동작시키는 것을 특징으로 한다.
상기 발광부는 상기 광검출부와 정해진 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 정해진 거리는 상기 발광부의 중심으로부터 상기 광검출부의 중심까지의 거리인 것을 특징으로 한다.
상기 정해진 거리는 상기 발광부에서 발산되는 광의 파장에 따른 피부 침투 깊이 및 흡광계수를 고려하여 선정되는 것을 특징으로 한다.
상기 정해진 거리는 상기 제1발광소자의 경우 0.7mm보다 크고 3mm이하이고, 상기 제2발광소자의 경우 0.7mm보다 크고 7mm이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기 발광부와 상기 광검출부 사이에 형성되어 상기 발광부에서 발산하는 광이 상기 광검출부로 직접 조사되는 것을 막아주는 장벽을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 장벽은 0.2mm~0.7mm의 폭을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 장벽의 높이는 상기 발광부와 상기 광검출부의 높이 중 최대 높이보다 큰 것을 특징으로 한다.
상기 장벽과 상기 광검출부 간의 거리는 상기 광검출부의 광각과 상기 장벽의 높이를 고려하여 최대 광각이 확보될 수 있을 만큼의 거리인 것을 특징으로 한다.
상기 장벽과 상기 발광부 간의 거리는 상기 발광부의 광각과 상기 장벽의 높이를 고려하여 최대 광각이 확보될 수 있을 만큼의 거리인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정방법은 서로 다른 파장대의 둘 이상의 광들을 생체 조직에 조사하는 단계, 상기 생체 조직에서 반사되는 반사광의 광세기를 측정하는 단계, 상기 반사광의 광세기로부터 맥동 성분과 비맥동 성분을 추출하는 단계, 및 상기 맥동 성분과 비맥동 성분을 이용하여 산소포화도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 둘 이상의 광들을 생체 조직에 조사하는 단계는, 청색광과 적색광을 교대로 번갈아 발산하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 청색 파장대와 적색 파장대의 광을 이용하여 산소포화도를 측정하므로, PPG(photoplethysmography) 측정 방식 중 반사식을 이용하는 기기에서 산소포화도 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정장치의 블록구성도.
도 2는 본 발명과 관련된 헤모글로빈 흡광율 그래프.
도 3은 도 1에 도시된 발광부와 광검출부의 이격거리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명과 관련된 맥동 성분과 비맥동 성분을 설명하기 위한 광세기 그래프.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정방법을 도시한 흐름도.
도 6은 본 발명과 관련된 청색 파장과 IR(적외선) 파장의 신호품질 비교 그래프.
본 명세서에 기재된 "포함하다", "구성하다", "가지다" 등의 용어는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 해당 구성요소가 내재될 수 있음을 의미하는 것이므로 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일", "하나" 및 "그" 등의 관사는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 PPG(photoplethysmography) 방식을 이용하여 산소포화도(oxygen saturation, SpO2)를 측정하는 기술에 관한 것이다. 본 발명에서는 광을 생체 조직에 조사하여 반사되는 광의 양(세기)을 측정하는 반사식 측정방식을 이용하는 것을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 광을 생체 조직에 조사하여 생체 조직을 투과하는 광량을 측정하는 투과식 측정방식을 이용하도록 구현할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정장치의 블록구성도이고, 도 2는 본 발명과 관련된 헤모글로빈 흡광율 그래프이며, 도 3은 도 1에 도시된 발광부와 광검출부의 이격거리를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명과 관련된 맥동 성분과 비맥동 성분을 설명하기 위한 광세기 그래프를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 생체신호 측정장치는 발광부(110), 광검출부(photodetector)(120), 및 처리부(130)를 포함한다.
발광부(110)는 특정 파장대의 광을 발생시켜 생체 조직에 조사한다. 발광부(110)는 청색광(blue light)을 발산하는 제1발광소자(111)와 적색광(red light)을 발산하는 제2발광소자(112)를 포함한다. 제1발광소자(111) 및 제2발광소자(112)는 발광다이오드(Light Emitting Diode, LED)와 같은 광원(light source)으로 구성된다. 본 실시예에서는 LED를 광원으로 이용하는 것을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 생체 조직을 투과하는 광을 발생시키는 광원이면 사용 가능하다.
제1발광소자(111)과 제2발광소자(112)는 서로 교대로 발광하며, 동시에 발광하지 않는다. 즉, 발광부(110)는 청색광과 적색광을 교대로 번갈아 생체 조직에 조사한다.
본 발명에서는 청색 파장대(450nm~490nm)와 적색 파장대(600nm~750nm)의 광을 이용한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 청색 파장대에서는 옥시헤모글로빈(산소 포화된 헤모글로빈, HbO2)의 흡광율이 디옥시헤모글로빈(산소가 없는 헤모글로빈, Hb)의 흡광율보다 높다. 반면, 적색 파장대에서는 옥시헤모글로빈의 흡광율이 디옥시헤모글로빈의 흡광율보다 낮다. 이와 같이, 산소포화도 측정을 위해서는 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 흡광율 차이가 클수록 측정의 정확도가 높아진다.
또한, 본 실시예에서는 발광부(110)가 서로 다른 파장의 광을 발산하는 2개의 발광소자들로 구성되는 것을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않고 서로 다른 파장의 광을 발산하는 3개 이상의 발광소자들을 포함할 수도 있다.
광검출부(photodetector)(120)는 발광부(110)가 발광하는 동안 사용자의 생체 조직에서 반사되는 반사광(빛)을 수광하여 그 반사광의 광세기(광량)를 측정한다. 다시 말해서, 광검출부(120)는 생체 조직에서 반사되는 청색 반사광 또는 적색 반사광을 감지한다. 본 실시예에서는 광검출부(120)가 생체 조직에서 반사되는 광량을 측정하는 것을 설명하고 있으나, 이에 한정되지 않으며 생체 조직을 투과하는 광량을 측정하도록 구현할 수도 있다.
이러한 광검출부(120)는 포토 다이오드(photodiode) 또는 포토 트랜지스터(phototransistor) 등의 수광 소자로 구현될 수 있다.
광검출부(120)는 발광부(110)와 같이 피부를 향하도록 배치된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광검출부(120)는 발광부(110)와 동일 선상에 정해진 거리만큼 이격되어 배치된다. 발광부(110)과 광검출부(120)의 이격 거리 D는 발광부(110)의 중심으로부터 광검출부(120)의 중심까지의 거리이다. 제1발광소자(111)와 광검출부(120)의 이격거리 D는 0.7mm보다 크고 3mm 이하에서 결정되고, 제2발광소자(112)와 광검출부(120)의 이격거리 D는 0.7mm보다 크고 7mm이하에서 결정된다.
또한, 발광부(110)와 광검출부(120) 사이에는 발광부(110)에서 발산하는 광이 광검출부(120)로 직접 조사되는 것을 막기 위해 장벽(barrier)(B)이 형성된다. 장벽(B)은 0.2mm~0.7mm의 폭을 갖도록 구성된다. 그리고, 장벽(B)의 높이는 발광부(110)과 광검출부(120)의 높이 중 최대 높이보다 커야 한다.
또한, 장벽(B)과 광검출부(120) 간의 거리는 광검출부(120)의 광각과 장벽(B)의 높이를 고려하여 최대 광각이 확보될 수 있을만큼의 거리를 확보해야 한다. 발광부(110)과 장벽(B) 간의 거리도 발광부(110)의 광각과 장벽(B)의 높이를 고려하여 최대 광각이 확보될 수 있을 만큼의 거리를 확보해야 한다. 단, 발광부(110)와 광검출부(120) 간의 거리는 발광부(110)에서 발산되는 광의 파장에 따른 피부 침투 깊이 및 흡광계수를 고려하여 최적거리를 선정한다.
처리부(130)는 발광부(110)을 제어하여 청색광과 적색광을 교대로 생체 조직에 조사한다. 그리고, 처리부(130)는 광검출부(120)를 통해 생체 조직에서 반사되는 반사광의 세기를 측정한다. 다시 말해서, 처리부(130)는 청색 반사광과 적색 반사광의 세기를 각각 측정한다.
처리부(130)는 광검출부(120)를 통해 측정한 측정신호로부터 맥동(AC) 성분과 비맥동(DC) 성분을 추출한다. 맥동 성분(pulsatile part)은 심장박동에 의한 동맥이나 모세혈관의 혈류량 변화에 따른 반사광 세기 변화량으로, 시간에 따라 변하는 맥박 파형이다. 비맥동 성분(steady part)은 피부 또는 피하조직과 같이 시간에 따라 변화하지 않는 체내 성분에 의한 반사광 세기이다.
처리부(130)는 청색광과 적색광의 DC 성분과 AC 성분을 이용하여 산소포화도를 산출한다. 처리부(130)는 람베르트-비어(Lambert-Beer) 법칙을 응용한 연산식을 이용하여 산소포화도를 연산한다. 산소포화도는 혈액 속 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 전체 합에 대한 옥시헤모글로빈의 퍼센트 비율이다. 다시 말해서, 산소포화도는 청색광과 적색광에 대한 헤모글로빈 흡광율의 비이다.
처리부(130)는 청색광 또는 적색광의 AC 성분을 이용하여 맥박수를 측정할 수 있다. 처리부(130)는 AC 성분(맥동 파형)에서 최대값과 최소값의 발생주기를 분석하여 맥박수를 측정할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 맥동 파형의 신호에서 최대 광세기 발생 지점과 다음 최대 광세기 발생 지점까지를 심장의 박동주기로 보며, 이를 맥박이라 한다.
처리부(130)는 측정된 산소포화도를 디스플레이 및 스피커 등의 출력수단을 통해 출력하거나 또는 측정된 산소포화도가 임계치 이하로 떨어지면 경보를 출력하도록 구현할 수 있다.
또한, 처리부(130)는 유무선 통신을 이용하여 측정된 산소포화도를 외부 단말기로 전송하도록 구현할 수 있다. 예를 들어, 처리부(130)는 측정한 산소포화도를 블루투스 모듈을 통해 사용자의 휴대단말기(예: 스마트폰)에 전송한다. 이때, 처리부(130)는 측정한 산소포화도를 저장수단에 저장하고, 저장수단에 저장된 데이터량이 임계치에 도달하면 외부 단말기로 전송할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체신호 측정방법을 도시한 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 처리부(130)는 발광부(110)를 제어하여 청색광과 적색광을 교대로 발산하여 생체 조직에 조사한다(S110). 발광부(110)는 제1발광소자(111)와 제2발광소자(112)를 교대로 온(on) 시켜 청색광 또는 적색광을 발산하여 생체 조직에 조사한다.
처리부(130)는 광검출부(120)를 통해 생체조직에서 반사되는 청색 반사광 또는 적색 반사광을 수광하여 광세기를 측정한다(S120). 광검출부(120)는 발광부(110)이 청색광을 생체 조직에 조사한 경우, 생체 조직에서 반사되는 청색 반사광을 감지하여 그 광세기를 측정한다. 한편, 광검출부(120)는 발광부(120)가 적색광을 생체 조직에 조사하면, 생체 조직에서 반사되는 적색 반사광을 감지하여 광세기를 측정한다. 다시 말해서, 광검출부(120)는 생체 조직에서 흡수되지 않고 반사되는 광을 검출하고 그 광세기에 대응하는 전기신호(예: 전압 또는 전류)로 변환하여 출력한다.
처리부(130)는 광검출부(120)를 통해 측정한 측정신호로부터 맥동(AC) 성분과 비맥동(DC) 성분을 추출한다(S130). 처리부(130)는 수광한 청색 반사광 또는 적색 반사광의 광세기 파형으로부터 맥동 신호와 비맥동 신호를 추출한다. 맥동 성분은 심장박동에 의한 동맥이나 모세혈관의 혈류량 변화에 따른 반사광 세기 변화량으로, 시간에 따라 변하는 맥박 파형이다. 비맥동 성분은 피부 또는 피하조직과 같이 시간에 따라 변화하지 않는 체내 성분에 의한 반사광 세기이다.
처리부(130)는 추출한 AC 성분과 DC 성분을 이용하여 산소포화도를 산출한다(S140). 처리부(130)는 맥동 신호의 최대 광세기와 최소 광세기의 차 및 비맥동 신호의 광세기를 이용하여 생체조직의 광 흡수율의 비를 연산하므로, 산소포화도를 출력한다.
도 6은 본 발명과 관련된 청색 파장과 IR(적외선) 파장의 신호품질 비교 그래프를 도시한다.
본 발명의 생체신호 측정장치에서 사용하는 청색 파장과 종래의 생체신호 측정장치에서 사용하는 IR(적외선) 파장을 동일한 실험 조건에서 산소포화도(SpO2) 분석에 직접적으로 영향을 미치는 혈류지수(PI) 크기를 비교 실험하였다.
실험 데이터를 통해, 청색 파장의 PI 크기는 IR 파장에 대비하여 2배 이상의 개선 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 단, 개선된 청색 파장의 PI에 적합하도록 산소포화도 연산식의 보정 계수를 조정해야 한다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합되거나 결합되어 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다.
110: 발광부
111: 제1발광소자
112: 제2발광소자
120: 광검출부
130: 처리부

Claims (14)

  1. 서로 다른 파장대의 둘 이상의 광들을 생체 조직에 조사하는 발광부,
    상기 생체 조직에서 반사되는 반사광의 광세기를 측정하는 광검출부, 및
    상기 광검출부에 의해 측정된 신호로부터 맥동 성분과 비맥동 성분을 추출하여 산소포화도를 산출하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    청색광을 발산하는 제1발광소자, 및
    적색광을 발산하는 제2발광소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 제1발광소자와 상기 제2발광소자를 교대로 동작시키는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 광검출부와 정해진 거리만큼 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정해진 거리는,
    상기 발광부의 중심으로부터 상기 광검출부의 중심까지의 거리인 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 정해진 거리는,
    상기 발광부에서 발산되는 광의 파장에 따른 피부 침투 깊이 및 흡광계수를 고려하여 선정되는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 정해진 거리는,
    상기 제1발광소자의 경우 0.7mm보다 크고 3mm이하이고, 상기 제2발광소자의 경우 0.7mm보다 크고 7mm이하인 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광부와 상기 광검출부 사이에 형성되어 상기 발광부에서 발산하는 광이 상기 광검출부로 직접 조사되는 것을 막아주는 장벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 장벽은,
    0.2mm~0.7mm의 폭을 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 장벽의 높이는,
    상기 발광부와 상기 광검출부의 높이 중 최대 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 장벽과 상기 광검출부 간의 거리는,
    상기 광검출부의 광각과 상기 장벽의 높이를 고려하여 최대 광각이 확보될 수 있을 만큼의 거리인 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 장벽과 상기 발광부 간의 거리는,
    상기 발광부의 광각과 상기 장벽의 높이를 고려하여 최대 광각이 확보될 수 있을 만큼의 거리인 것을 특징으로 하는 생체신호 측정장치.
  13. 서로 다른 파장대의 둘 이상의 광들을 생체 조직에 조사하는 단계,
    상기 생체 조직에서 반사되는 반사광의 광세기를 측정하는 단계,
    상기 반사광의 광세기로부터 맥동 성분과 비맥동 성분을 추출하는 단계, 및
    상기 맥동 성분과 비맥동 성분을 이용하여 산소포화도를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 둘 이상의 광들을 생체 조직에 조사하는 단계는,
    청색광과 적색광을 교대로 번갈아 발산하는 것을 특징으로 하는 생체신호 측정방법.
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