KR20180126719A - 호흡률 측정 방법, 호흡률 측정 장치 및 웨어러블 기기 - Google Patents

호흡률 측정 방법, 호흡률 측정 장치 및 웨어러블 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 방법은, 심장박동 신호를 추출하는 단계; 상기 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하는 단계; 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호에 대해 정규화를 수행하는 단계; 정규화된 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하는 단계; 및 결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

호흡률 측정 방법, 호흡률 측정 장치 및 웨어러블 기기 {RESPIRATORY RATE ESTIMATION METHOD, RESPIRATORY RATE ESTIMATION APPARATUS AND WEARABLE DEVICE}
본 출원은 호흡률 측정 방법, 호흡률 측정 장치 및 웨어러블 기기에 관한 것이다.
호흡수는 신체의 가장 기본적인 활력 정도를 파악하는 바이탈 사인 중 하나로서, 호흡률, 즉 분당 호흡수를 측정하기 위해 다양한 방식이 사용되고 있다.
예를 들어, 폐활량측정법(spirometry)은 폐활량측정기를 이용하여 폐에 들어오고 나가는 공기의 흐름을 측정하는 방식이고, 호기말이산화탄소분압측정술(capnometry)은 호흡에 따른 CO2를 측정하는 방식이다. 이와 같은 종래의 방식은 정확도는 비교적 높으나, 추가 장비가 필요하고 지속적인 모니터링이 어렵다는 한계가 있다.
한편, 웨어러블 기반의 센서를 이용하여 호흡률을 측정하는 기술도 제안되었다.
예를 들어, 임피던스 호흡운동묘사법(Impedance pneumography)은 흉부의 볼륨의 변화를 측정하는 방식으로, 정확도는 비교적 높으나 신호잡음비가 좋지 않아서 널리 사용되고 있지 않다.
또한, 흉부에 착용하는 가속도 센서를 사용하여 호흡률을 추정하는 방식이 있으나, 가속도 센서는 부착 가능한 지점이 고정되어 있고 움직임에 민감하므로, 지속적인 모니터링용에는 적합하지 못하며, 추가적인 센서의 사용으로 인해 전력소모가 크다는 단점이 있다.
본 발명의 기술적 사상이 이루고자 하는 과제 중 하나는, 지속적으로 호흡률을 모니터링할 수 있는 호흡률 측정 방법, 호흡률 측정 장치 및 웨어러블 기기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 방법은, 심장박동 신호를 추출하는 단계; 상기 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하는 단계; 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호에 대해 정규화를 수행하는 단계; 정규화된 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하는 단계; 및 결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 장치는, 입력받은 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하고, 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 정규화한 후 결합하며, 결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 신호 처리부; 및 상기 신호 처리부에 의해 산출된 호흡률을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 기기는, 사용자의 신체에 부착되어 심장박동 신호를 측정하는 웨어러블 센서; 및 상기 웨어러블 센서로부터 출력된 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하고, 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 정규화한 후 결합하며, 결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 프로세서를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 방법은, 추가적인 센서를 사용하지 않고 심장박동 신호만을 이용하여 호흡률을 측정할 수 있다. 이에 따라, 보다 간단한 방식으로 호흡률 모니터링이 가능하고, 저 전력으로 지속적인 호흡률 모니터링이 가능하다.
또한, 웨어러블 기기로 구현시에 신체에 부착하는 위치에 제약이 없어 다양한 디자인이 가능하고, 사용자가 보다 편리하게 사용할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 방법의 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 추출한 심장박동 신호와 이로부터 추출한 AM 및 FM 변조신호의 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 정규화하기 전의 두 신호의 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 정규화한 후의 두 신호의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 기기를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 방법의 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따라 호흡률을 측정하기 위해서 심장박동 신호를 추출할 수 있다(S110).
예를 들어, 심장박동 신호는 심전도계측기(Electrocardiography; ECG)를 통해 측정한 심전도 신호, 맥파(Photoplethysmography;　PPG) 센서를 통해 측정한 맥파 신호 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
그러나, 본 발명에서 사용되는 심장박동 신호가 이로 제한되는 것은 아니며, 통상의 기술자에게 널리 알려진 다양한 종류의 심장박동 신호가 활용될 수 있다. 예를 들어, 후술하는 바와 같이 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 추출할 수 있는 신호라면, 본 발명에서 심장박동 신호로 사용될 수 있다.
이후, 심장박동 신호에 대한 진폭 변조 및 주파수 변조를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출할 수 있다(S120).
여기서, 진폭 변조는 주어진 신호의 진폭을 변화시키는 변조 방식이고, 주파수 변조는 신호의 진폭은 일정하게 하되 신호의 크기에 비례하여 주파수를 변화시키는 변조 방식으로, 진폭 변조 및 주파수 변조 방식은 공지의 기술인 바 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 추출한 심장박동 신호와 이로부터 추출한 AM 및 FM 변조신호의 예를 나타내는 도면이다.
구체적으로, 도 2의 (a)는 본 발명의 실시예에 따라 추출한 심장박동 신호, 예를 들어, 심전도 신호를 나타내고, (b)는 기저선 변동(baseline wandering)이 발생한 심전도 신호를 나타낸다. 또한, 도 2의 (c)는 심전도 신호에 대한 진폭 변조를 통해 추출한 AM 변조신호를 나타내며, (d)는 심전도 신호에 대한 주파수 변조를 통해 추출한 FM 변조신호를 나타낸다.
여기서, 도 2의 (b)에 도시된 기저선 변동은 심장박동 신호의 추출을 위한 전극의 부착 지점의 문제에 따라 발생할 수 있는데, 이는 후술하는 전처리 과정에서 기저선 변동 제거 알고리즘 등을 통해 제거할 수 있다.
이후, 필요에 따라, 추출한 변조신호, 즉, AM 변조신호 및 FM 변조신호에 대한 전처리를 수행할 수 있다(S130).
예를 들어, 전처리 과정에서는 각 변조신호에 대해 잡음제거, 보간 및 DC 오프셋 제거 등을 포함하는 전처리를 수행할 수 있다. 변조신호에 대한 전처리 과정에서 사용되는 잡음제거 기법 및 보간 기법은 다양한 공지의 기술에서 채용될 수 있는 바, 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
이후, 전처리된 각 변조신호에 대해 정규화(normalization)를 수행할 수 있다(S140).
여기서, 정규화는 데이터의 범위를 일치시키거나 분포를 유사하게 만들어 주기 위한 작업이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 후술하는 바와 같이 심장박동 신호로부터 추출한 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하기 위해 양 신호의 에너지 레벨을 유사하게 만들어주는 정규화 과정을 수행할 수 있다.
예를 들어, 하기의 수학식 1에 따라 각 변조신호에 대해 정규화를 수행할 수 있다. 여기서, Normalized는 정규화된 신호를 나타내고, Original은 전처리된 변조신호를 나타내며, RMS power는 하기의 수학식 2에 따라 계산될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002

상술한 정규화 방법은 일 예에 불과한 것으로, 통상의 기술자에게 알려진 다양한 정규화 방법이 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 정규화하기 전의 두 신호의 예를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 정규화한 후의 두 신호의 예를 나타내는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 서로 다른 크기를 가지는 두 신호에 대해 정규화 과정을 거치면, 도 4에 도시된 바와 같이 유사한 분포의 크기를 갖는 두 신호를 얻을 수 있다.
이후, 정규화된 두 변조신호, 즉 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합할 수 있다(S150).
예를 들어, 정규화된 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하기 위해 컨벌루션(convolution)을 사용할 수 있다.
이와 같이 컨벌루션을 통해 정규화된 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하여 각 변조신호에서 공통 주파수를 추출할 수 있으며, 공통 주파수를 통해 호흡 정보를 추출할 수 있다.
필요에 따라, 입력 정보를 기초로 AM 변조신호 및 FM 변조신호의 가중치를 조절하여 양 신호를 결합할 수도 있다. 여기서, 입력 정보는 심장박동 신호에 영향을 주는 고유의 인자일 수 있다. 예를 들어, 입력 정보는 사용자의 연령, 성별 등을 포함할 수 있으며, 입력 정보에 따라 기 설정된 AM 변조신호 및 FM 변조신호의 가중치를 적용하여 양 신호를 결합할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 따르면, AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합한 신호로부터 공통 주파수를 추출함으로써 보다 정확한 호흡 정보를 추출할 수 있다.
이후, 결합된 신호로부터 호흡률을 산출할 수 있으며, 구체적으로 결합된 신호의 주성분(principle component)(즉, 호흡과 관련된 주파수 성분)을 분리하고(S160), 분리된 신호에서 호흡 주파수를 추출하여(S170) 호흡률을 산출할 수 있다(S180).
예를 들어, 분리된 신호에서 호흡과 관련된 주파수 대역(예를 들어, 0.1 내지 0.7Hz)을 분리해 내고, 여기에서 스펙트럼 피크를 검출할 수 있으며, 이를 기초로 호흡률(breath/min)을 산출할 수 있다.
도 1을 참조하여 상술한 호흡률 측정 방법은 프로세서, MCU 등과 같은 하드웨어에 의해 수행될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 장치(500)는 신호 처리부(510) 및 출력부(520)를 포함할 수 있다.
신호 처리부(510)는 입력받은 심장박동 신호를 분석하여 호흡률을 산출할 수 있다.
구체적으로, 신호 처리부(510)는 심장박동 신호에 대한 진폭 변조 및 주파수 변조를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하고, 추출한 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 정규화한 후 결합하며, 결합된 신호로부터 호흡률을 산출할 수 있다.
또한, 신호 처리부(510)는 각각의 변조신호에 대한 전처리를 더 수행할 수 있다.
또한, 신호 처리부(510)는 결합된 신호의 주성분을 분리하고, 분리된 신호에서 호흡 주파수를 추출하여 호흡률을 산출할 수 있다.
신호 처리부(510)가 심장박동 신호를 분석하여 호흡률을 산출하는 구체적인 방법은 도 1을 참조하여 상술한 바와 동일하므로, 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.
출력부(520)는 신호 처리부(510)에 의해 산출된 호흡률을 출력하기 위한 것으로, 예를 들어 정보를 디스플레이하는 디스플레이 기기, 정보를 전송하는 통신모듈 등으로 구현되어 산출된 호흡률 정보를 출력 또는 전송할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 장치를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 호흡률 측정 장치(600)는 도 5에 도시된 호흡률 측정 장치(500)의 구성요소에 더하여 입력부(630)를 더 포함할 수 있다.
입력부(630)는 사용자로부터 정보를 입력받기 위한 것으로, 예를 들어 심장박동 신호에 영향을 주는 고유의 인자를 포함하는 정보를 입력받을 수 있다.
또한, 신호 처리부(610)는 입력부(630)를 통해 입력받은 정보를 기초로 정규화된 AM 변조신호 및 FM 변조신호의 결합시에 각 변조신호의 가중치를 조절할 수 있다.
이에 따라, 신호 처리부(610)는 조절된 가중치를 적용하여 결합된 신호로부터 주성분을 분리하고, 분리된 신호에서 호흡 주파수를 추출하여 호흡률을 산출할 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하여 상술한 호흡률 측정 장치(500, 600)는 프로세서, MCU 등과 같은 하드웨어로 구현되거나, 애플리케이션의 형태로 구현되어 스마트폰, 태블릿 등과 같은 사용자 단말기에 설치될 수 있다.
또한, 호흡률 측정 장치(500, 600)는 ECG 센서, PPG 센서 등과 같이 심장박동 신호를 출력하는 센서와 유선 또는 무선으로 연결되어, 이로부터 입력받은 심장박동 신호를 분석하여 호흡률을 산출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 기기를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 웨어러블 기기(700)는 웨어러블 센서(710) 및 프로세서(720)를 포함할 수 있다.
웨어러블 센서(710)는 사용자의 신체에 부착되어 심장박동 신호를 측정하기 위한 것으로, 예를 들어, ECG 센서, PPG 센서 등과 같이 심장박동 신호를 출력하는 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 웨어러블 센서(710)는 신체의 하나 이상의 지점에 부착하는 패치 형태로 구현되어 사용자의 심장박동 신호를 측정 및 출력할 수 있다.
프로세서(720)는 웨어러블 센서(710)로부터 출력된 심장박동 신호를 분석하여 호흡률을 산출할 수 있다.
구체적으로, 프로세서(720)는 심장박동 신호에 대한 진폭 변조 및 주파수 변조를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하고, 추출한 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 정규화한 후 결합하며, 결합된 신호로부터 호흡률을 산출할 수 있다.
또한, 프로세서(720)는 각각의 변조신호에 대한 전처리를 더 수행할 수 있다.
또한, 프로세서(720)는 결합된 신호의 주성분을 분리하고, 분리된 신호에서 호흡 주파수를 추출하여 호흡률을 산출할 수 있다.
프로세서(720)가 심장박동 신호를 분석하여 호흡률을 산출하는 구체적인 방법은 도 1을 참조하여 상술한 바와 동일하므로, 이에 대한 중복적인 설명은 생략한다.
상술한 웨어러블 센서(710) 및 프로세서(720)는 각각 별도로 분리되어 유선 또는 무선 통신으로 연결될 수도 있고, 일체로 결합되어 패치 형태의 단일 칩으로 구현될 수도 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.
500, 600: 호흡률 측정 장치
510, 610: 신호 처리부
520, 620: 출력부
630: 입력부
700: 웨어러블 기기
710: 웨어러블 센서
720: 프로세서

Claims (10)

  1. 심장박동 신호를 추출하는 단계;
    상기 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하는 단계;
    상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호에 대해 정규화를 수행하는 단계;
    정규화된 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하는 단계; 및
    결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 단계를 포함하는 호흡률 측정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 심장박동 신호는 심전도계측기를 통해 측정한 심전도 신호 또는 맥파 센서를 통해 측정한 맥파 신호 중 어느 하나인 호흡률 측정 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하는 단계는,
    컨벌루션(convolution)을 사용하여 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하는 호흡률 측정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 결합하는 단계는,
    상기 심장박동 신호에 영향을 주는 인자에 대한 입력 정보를 기초로 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호의 가중치를 조절하는 단계를 더 포함하는 호흡률 측정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 가중치를 조절하는 단계는,
    상기 입력 정보에 따라 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호에 대해 기 설정된 가중치를 적용하는 호흡률 측정 방법.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 입력 정보는 사용자의 연령, 성별 중 적어도 하나를 포함하는 호흡률 측정 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 단계는,
    상기 결합된 신호의 주성분(principle component)을 분리하고, 분리된 신호에서 호흡 주파수를 추출하여 상기 호흡률을 산출하는 호흡률 측정 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호에 대한 전처리를 수행하는 단계를 더 포함하는 호흡률 측정 방법.
  9. 입력받은 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하고, 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 정규화한 후 결합하며, 결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 신호 처리부; 및
    상기 신호 처리부에 의해 산출된 호흡률을 출력하는 출력부를 포함하는 호흡률 측정 장치.
  10. 사용자의 신체에 부착되어 심장박동 신호를 측정하는 웨어러블 센서; 및
    상기 웨어러블 센서로부터 출력된 심장박동 신호에 대한 진폭 변조(Amplitude Modulation; AM) 및 주파수 변조(Frequency Modulation; FM)를 통해 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 각각 추출하고, 상기 AM 변조신호 및 FM 변조신호를 정규화한 후 결합하며, 결합된 신호로부터 호흡률을 산출하는 프로세서를 포함하는 웨어러블 기기.


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