KR20190003325A - 지속적인 생체 모니터링을 위한 자가발전 웨어러블 장치 - Google Patents
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Abstract
사용자 웨어러블 장치는 에너지 하베스팅 기술을 이용하여 베터리 수명을 연장하거나 웨어러블 장치를 충전할 필요성을 제거한다. 일 실시예에 있어서, 사용자 웨어러블 장치는 에너지 하베스팅 기술과 저전력 센서들 및 고효율 프로세싱 방법들을 결합하여 자기충전 또는 배터리리스 생체 모니터링 시스템을 실현한다. 웨어러블 생체 모니터링 시스템은 배터리 수명을 연장시키고 사용자의 장치 충전 필요성을 완전히 제거함으로써 사용자 경험을 개선하면서도 정확한 생체정보 측정을 제공한다.
Description
본 발명은 웨어러블 장치에 관한 것이고, 특히 생체 모니터링을 위한 자가발전 웨어러블 장치에 관한 것이다.
웨어러블 장치는 시간 추적에서부터 건강 관련 피드백 제공에 이르는 영역의 다양한 특징들 및 기능들을 포함한다. 웨어러블 장치는 일반적으로 시간을 알려주고 걸음 수를 세주는 것과 같이 상대적으로 적은 전력을 필요로 하는 기본적인 기능을 제공한다. 심박수/심장박동 감지, 수면 추적 및 혈압 모니터링과 같이 보다 향상된 건강 기능은 상대적으로 높은 전력을 요구한다. 건강관련 측정을 위한 일반적인 기술들은 맥파(PPG: Photoplethysmogram), 심전도(ECG: Electrocardiogram), 가속도계 및/또는 기타 센서들을 이용한다. 현 세대의 웨어러블 제품에 대한 주된 불만은 배터리 수명이 제한적이어서 웨어러블 장치들을 충전해야 한다는 것이다. 배터리 수명 문제는 사용자들이 많은 양의 전력을 소비할 수 있는 지속적인 생체 모니터링을 원하는 경우에 더욱 악화된다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 지속적인 생체 모니터링이 가능한 자가발전 웨어러블 장치를 제공하고자 한다.
본 발명은 예를 들어, 도면들 중 적어도 하나와 관련하여 이하에 실질적으로 도시 및/또는 설명된 생체정보 측정을 위한 자가발전 또는 배터리리스 사용자 웨어러블 장치 및 그 방법을 개시하며, 청구범위에 보다 자세히 설명되어 있다.
예시된 본 발명의 실시예의 구체적인 설명뿐만 아니라 본 발명의 기술된 이점들 및 그 밖의 이점들, 양상들 및 신규한 특징들이 이하의 설명 및 도면으로부터 더욱 완전히 이해될 것이다.
일 실시예에 있어서, 사용자의 생체정보 측정을 위한 사용자 웨어러블 장치는 에너지를 수집하고 에너지 출력을 제공하는 에너지 하베스팅 모듈, 에너지 하베스팅 모듈과 연결되어 에너지 하베스팅 모듈에 의해 수집된 에너지 출력을 저장하는 에너지 스토리지 모듈, 센서를 포함하여 사용자의 적어도 하나의 생체신호를 측정하고 적어도 하나의 생체신호 처리방법을 이용하여 생체신호를 처리하되 에너지 스토리지 모듈에 저장된 에너지에 의해 전력을 공급받는 센서모듈, 및 생체신호에 대해 적어도 하나의 전력 최적화 생체 추론 방법을 실행함으로써 센서에 의해 측정된 생체신호를 처리하되 에너지 스토리지 모듈에 저장된 에너지에 의해 전력을 공급받는 프로세서 모듈을 포함한다. 센서모듈의 센싱동작 및 프로세서 모듈의 신호처리동작에 의해 소비되는 에너지의 합이 에너지 하베스팅 모듈에 의해 적어도 부분적으로 공급되고, 센서모듈 및 프로세서 모듈은 에너지 하베스팅 모듈에 의한 에너지 생산과 센서모듈 및 프로세서 모듈에 의해나 에너지 소비 간의 전력 평형을 실현하기 위해 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 신호처리시간을 조절하는 적응적 전력제어모듈에 의해 제어된다.
본 발명의 다양한 실시예들은 이하의 상세한 설명 및 첨부된 도면에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자장치의 예시도를 도시한다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 전자장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 사용자의 24시간 에너지 소비 및 주변 온도 변화의 예시적인 파형도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 웨어러블 장치의 생체정보 측정 방법의 흐름도이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자장치의 예시도를 도시한다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 전자장치의 블록도를 도시한다.
도 3은 사용자의 24시간 에너지 소비 및 주변 온도 변화의 예시적인 파형도를 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 웨어러블 장치의 생체정보 측정 방법의 흐름도이다.
본 발명은 프로세스, 장치, 시스템, 물질의 구성, 컴퓨터 판독가능 저장매체 상에 구현된 컴퓨터 프로그램 제품 및/또는 프로세서(예: 프로세서와 연결된 메모리에 의해 제공 및/또는 저장된 명령어들을 실행하도록 구성된 하드웨어 프로세서 또는 프로세서 장치)를 포함하는 다양한 방법들로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 이러한 구현예들 또는 본 발명이 취할 수 있는 임의의 다른 형식은 기술로 지칭될 수 있다. 일반적으로, 개시된 프로세스들에 따른 단계들의 순서는 본 발명의 범위 내에서 변경될 수 있다. 달리 언급하지 않는 한, 작업을 수행하도록 구성되는 것으로 설명된 프로세서 또는 메모리와 같은 구성요소는 주어진 시간에 일시적으로 작업을 수행하도록 구성되는 일반적인 구성요소 또는 작업을 수행하도록 제조된 특정 구성요소로 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 '프로세서'라는 용어는 컴퓨터 프로그램 명령어와 같은 데이터를 처리하도록 구성된 하나 이상의 장치, 회로 및/또는 프로세싱 코어를 지칭한다.
이하, 본 발명의 원리를 설명하는 첨부된 도면과 함께 본 발명의 하나 이상의 실시예들에 대한 구체적인 설명이 제공된다. 본 발명은 이러한 실시예들과 관련하여 설명되지만, 임의의 실시예로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해서만 한정되며, 본 발명은 수많은 대안들, 변형들 및 균등물을 포함한다. 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위하여 다양한 특정 세부사항들이 이하의 설명에서 기재된다. 이러한 특정 세부사항들은 예시의 목적으로 제공되는 것이고, 본 발명은 이러한 특정 세부사항들의 일부 또는 전부가 없어도 청구범위에 따라 실시될 수 있다. 명확한 설명을 위하여 본 발명과 관련된 기술분야에 공지된 기술은 본 발명이 불필요하게 모호해지지 않도록 구체적으로 설명되지 않는다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자 웨어러블 장치는 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기술을 이용하여 배터리 수명을 연장시키거나 웨어러블 장치의 충전의 필요성을 제거한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 사용자 웨어러블 장치는 에너지 하베스팅 기술을 저전력 센서들 및 고효율 생체 추론(biometric inference) 방법들(생체신호 처리방법들로도 지칭됨)과 결합하여 자기충전(self-charging) 또는 배터리리스(battery-less) 생체 모니터링 시스템을 실현한다. 웨어러블 생체 모니터링 시스템은 정확한 생체정보 측정을 제공함과 동시에 배터리 수명을 연장시키거나 사용자가 장치를 충전시킬 필요를 완전히 없앰으로써 사용자 경험을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자장치의 예시도를 도시한다. 도 1을 참조하면, 전자장치는 사용자 웨어러블 장치(100)일 수 있으며, 사용자 웨어러블 장치(100)는 디스플레이(180), 프로세서(130), 센서모듈(150), 에너지 하베스팅 모듈(110), 에너지 스토리지 모듈(120), 밴드(140) 및 걸쇠(142)를 포함한다. 밴드(140)는 손목에 감길 수 있으며, 사용자 웨어러블 장치(100)는 걸쇠(142)를 이용하여 손목에 고정될 수 있다. 센서모듈(150)은 하나 이상의 센서들(152) 및 로컬 프로세서(154)를 포함할 수 있다. 로컬 프로세서(154)는 센서모듈(150)에 대한 제어 기능을 수행하고, 또한 감지신호들의 처리/전처리를 수행할 수 있다. 프로세서(130)는 사용자 웨어러블 장치에 대한 제어기능을 수행하고, 또한 감지신호들에 대한 추가적인 신호처리 기능을 수행할 수 있다. 로컬 프로세서(154) 또는 프로세서(130)는 진단 프로세서(diagnostic processor)로도 지칭될 수 있다. 도 1은 사용자 웨어러블 장치(100)의 센서모듈(150), 에너지 하베스팅 모듈(110) 및 에너지 스토리지 모듈(120)의 예시적인 배치를 도시한다. 도 1에 도시된 구성요소들의 배치는 예시에 불과하며 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(100)는 다른 배열의 구성요소들을 이용하여 구성될 수 있다. 구체적으로, 센서모듈(150), 에너지 하베스팅 모듈(110) 및 에너지 스토리지 모듈(130)은 사용자 웨어러블 장치(100)의 다른 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 센서모듈(150)은 디스플레이(180)에 대향하여 사용자 웨어러블 장치(100)의 본체 아래에 위치할 수 있다.
사용자 웨어러블 장치(100)는 손목에 착용될 수 있으나, 본 발명의 다양한 실시예들은 이에 한정될 필요가 없다. 사용자 웨어러블 장치(100)는 예컨대, 팔(전완, 팔꿈치 또는 상완), 다리, 가슴, 머리(예: 머리띠), 목(예: 초커) 및 귀와 같은 신체의 다른 부위들에도 착용되도록 설계될 수 있다. 또한, 사용자 웨어러블 장치(100)는 예컨대, 스마트폰, 랩탑 또는 병원이나 진료실의 다양한 의료기기와 같은 다른 전자장치들과 통신할 수 있다.
디스플레이(180)는 사용자 및/또는 다른 사람들이 볼 수 있도록 사용자 신체로부터 모니터링된 생리신호들(physiological signals)을 출력할 수 있다. 모니터링되는 생리신호들은 생체신호들(biosignals) 또는 생체데이터(biometric data)로 지칭될 수도 있다. 모니터링된 생체신호들은 예를 들어, 심장박동(맥박) 수, 맥박 형태(모양), 맥박 간격(심장박동 간 간격), 호흡수 및 혈압일 수 있다. 또한, 디스플레이(180)는 예를 들어 상태 및 진단결과뿐만 아니라, 사용자 웨어러블 장치(100)의 사용 또는 다른 측정장치들의 사용에 있어서, 사용자 또는 다른 사람들에 대한 명령들을 출력할 수 있다.
프로세서(130)는 센서모듈(150)의 저전력 센서를 통해 모니터링된 신호들을 수신할 수 있다. 일례로, 센서모듈(150)은 사용자 웨어러블 장치(100)가 사용자에 의해 착용되는 경우, 사용자로부터 신호를 획득하는 하나 이상의 센서들(152)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서(152)는 가속도계일 수 있다. 센서모듈(150)은 센서(152)를 제어하고 센서(152)에 의해 감지되는 신호들을 처리하기 위한 로컬 프로세서(154)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 로컬 프로세서(154)는 센서(152)에 의해 모니터링된 신호들을 분리하고, 분리된 신호들을 재구성할 수 있다. 본 발명의 다양한 실시예들은 로컬 프로세서(154)의 기능들 또한 수행하는 프로세서(130)를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 다양한 실시예들은 다양한 개수의 센서들을 가질 수 있다.
일례로, 센서(152)는 지속적으로 또는 거의 지속적으로 맥박관련정보를 모니터링하는데 사용되는 모션센서 또는 가속도계일 수 있다. 센서모듈(150)은 센서(152)와 유사한 다른 센서들 또는 다른 종류의 센서(예: 사용자의 체온을 측정하기 위한 온도계)를 포함할 수 있다.
에너지 하베스팅 모듈(110)은 수집된(harvested) 에너지가 사용자 웨어러블 장치(100)에 전력을 공급하기 위해 적용되는 주변 에너지원으로부터 에너지를 수집한다. 본 명세서에서 에너지 하베스팅은 전자기에너지, 태양에너지, 자기에너지, 운동에너지 및 열에너지와 같은 주변 에너지를 수집하는 기술을 지칭한다. 수집된 에너지는 에너지 스토리지 모듈(120)에 저장될 수 있고, 에너지 스토리지 모듈(120)은 저장된 에너지를 제공하여 사용자 웨어러블 장치(100)에 전력을 공급할 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에 따르면, 에너지 스토리지 모듈(120)은 충전 가능한 배터리 또는 캐패시터이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자장치의 블록도를 도시한다. 도 2를 참조하면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 주변 에너지원으로부터 에너지를 수집함으로써 지속적으로 전력을 생산하는 에너지 하베스팅 모듈(210, 본 명세서에서는 '에너지 수집장치'로도 지칭됨)을 포함한다. 수집된 에너지는 전력선(215)을 통해 제공되어 에너지 스토리지 모듈(220)에 저장된다. 에너지 스토리지 모듈(220)에 저장된 에너지는 전력 버스(225)를 통해 사용자 웨어러블 장치(200)의 나머지 구성요소들 및 회로에 공급되도록 사용된다.
본 실시예에 따른 사용자 웨어러블 장치(200)는 사용자 웨어러블 장치(200)의 센싱동작, 샘플링 스케줄, 신호처리동작 및 장치 통신 이벤트들을 제어하기 위한 프로세서(230)를 포함한다. 본 실시예에 따른 프로세서(230)는 저전력 프로세서이다. 또한, 일부 실시예들에 따르면, 프로세서(230)는 저전력 마이크로컨트롤러(MCU: Microcontroller)이다. 보다 구체적으로, 프로세서(230)는 데이터 버스(235)를 통해 사용자 웨어러블 장치(200)의 센서모듈(250) 및 다른 구성요소들과 통신한다. 프로세서(230)는 제어신호들을 제공할 수 있으며, 사용자 웨어러블 장치(200)의 구성요소들로부터 데이터 신호들을 수신하고 제공할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(230)는 데이터 버스(235)를 통해 센서모듈(250)과 통신하여 감지신호를 수신하고 제어신호를 제공할 수 있다. 프로세서(230)는 또한 데이터 버스(235)를 통해 에너지 스토리지 모듈(220)과 통신하여 저장된 에너지 레벨 또는 다른 데이터를 획득할 수 있다.
사용자 웨어러블 장치(200)는 사용자의 하나 이상의 생체신호를 측정하는 하나 이상의 생체신호 센서들(252)을 포함하는 센서모듈(250)을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 생체신호 센서(252)는 가속도계이다. 또한, 본 일부 실시예들에 따르면, 센서모듈(250)은 초저전력 센서들을 이용하여 구현된다. 예시적인 실시예에 따른 센서모듈(250)은 센싱모드에서 200 μA 미만의 전력공급을 필요로 하는 지속적인 심박수, 호흡수, 수면 및 심장 부정맥의 모니터링을 제공하는 3축 가속도계를 포함한다. 센서모듈(250)에는 센서(252)를 제어하고 센서(252)에 의해 감지된 생체신호를 처리하기 위한 로컬 프로세서(254)를 구비할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 신호처리 동작은 로컬 프로세서(254) 및/또는 프로세서(230)에서 수행될 수 있다. 대안적으로, 로컬 프로세서(254)는 특정 신호 전처리와 같은 신호처리의 일부를 수행할 수 있고, 프로세서(230)는 생체정보 결정을 위한 신호처리 방법을 실시할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 생체신호 처리방법을 실행하는데 사용되는 특정 프로세서는 본 발명의 실시에 있어 결정적이지 않다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 사용자 웨어러블 장치(200)는 효율이 높고 전력소비가 낮은 하나 이상의 생체신호 처리방법들을 구현한다. 생체신호 처리방법들은 센서모듈(250)의 로컬 프로세서(254) 또는 프로세서(230)에서 구현되거나 실행될 수 있다. 저전력 센서들 및 고효율 생체정보 결정 프레임워크를 이용함으로써, 본 발명 시스템의 사용자 웨어러블 장치(200)는 개인의 건강상태를 진단 및 검사할 뿐만 아니라 지속적으로 사용자의 생체정보들을 측정하는데 적용될 수 있으며, 사용자 웨어러블 장치(200)는 에너지 하베스팅 모듈(210)에 의해 수집된 에너지에 의해 부분적으로 또는 완전히 전력이 공급된다.
본 발명의 예시적인 실시예들에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 이하의 미국특허출원들, 즉, 2015년 11월 3일자로 제출된 M. Wiggins 등의 "Methods For Improving Response time, Robustness and User Comfort In Continuous Estimation Of Biophysiological Rates"라는 명칭의 미국특허출원 제14/931,440호, 2015년 10월 30일자로 제출된 Y. Li 등의 "Methods For Low-Power-Consumption, Robust Estimation Of Cardiovascular Periodicity, Contour Analysis, And Heart Rate"라는 명칭의 미국특허출원 제14/928,072호, 2016년 5월 31일자에 제출된 Y. Li 등의 "Methods And Apparatus For Heart Rate And Respiration Rate Estimation Using Low Power Sensor"라는 명칭의 미국특허출원 제15/168,531호, 2016년 9월 13일자에 제출된 Y. Li 등의 "System And Method For Providing A Real-Time Signal Segmentation And Fiducial Points Alignment Framework"라는 명칭의 미국특허출원 제15/264,333호, 2016년 12월 6일자에 제출된 Y. Li 등의 "System And Method For Snoring Detection Using Low Power Motion Sensor"라는 명칭의 미국특허출원 제15/370,468호, 2017년 10월 6일자에 제출된 Y. Li 등의 "System And Method For Continuous Background Heartrate And Heartbeat Events Detection Using A Motion Sensor"라는 명칭의 미국특허출원 제15/726,827호, 2017년 10월 6일자에 제출된 Y. Li 등의 "System And Method For Real-Time Heartbeat Events Detection Using Low-Power Motion Sensor"라는 명칭의 미국특허출원 제15/726,756호에 기재된 저전력 생체 센싱 기술과 생체 추론 및 결정방법 중 하나 이상을 실시한다. 전술한 특허출원들은 본 명세서에 참조로 포함된다.
사용자 웨어러블 장치(200)는 장치의 기능을 지원하는 다른 구성요소들을 포함한다. 본 실시예에서, 사용자 웨어러블 장치(200)는 생체정보를 표시하고 사용자 입력을 수신하는 디스플레이(280), 동작 명령코드 및/또는 원신호(raw signal)나 처리된 신호 및/또는 다른 데이터를 저장하는 메모리(260), 및 스마트폰과 같은 외부장치와 통신이 가능하게 하는 통신인터페이스(270)를 포함한다. 디스플레이(280)는 예컨대, 버튼, 다이얼, 터치스크린 및 마이크로폰과 같은 입력장치들(미도시)도 포함할 수 있다. 사용자 웨어러블 장치(200)는 이러한 다양한 구성요소들을 포함하는 것으로 설명되었지만, 다른 실시예들은 다른 기능들이 이와 상이한 방식으로 그룹화되는 다른 아키텍처들을 사용할 수 있다. 예를 들어, 그룹화는 서로 다른 집적회로 칩들에서 이루어질 수 있다. 또는, 그룹화는 통신인터페이스(270) 및 프로세서(230)와 같이 다른 구성요소들을 함께 결합하는 것일 수 있다. 본 실시예에 따르면, 에너지 스토리지(220), 디스플레이(280), 메모리(260) 및 통신인터페이스(270)는 데이터 버스(235)를 통해 프로세서(230)와 통신한다.
프로세서(230)는 센서모듈(250)로부터 모니터링된 신호들을 수신할 뿐만 아니라 센서모듈(250)의 동작을 제어할 수 있다. 프로세서(230)는 메모리(260)의 명령어들을 실행함으로써 센서모듈(250)로부터 모니터링된 신호들을 처리하고, 디스플레이(280)에 처리된 신호들을 표시하며, 디스플레이(280)로부터 입력을 수신하고, 통신인터페이스(270)를 통해 다양한 장치들과 인터페이싱 하는 것을 포함하여 사용자 웨어러블 장치(200)를 제어할 수 있다. 운영체제 및 애플리케이션들은 메모리(260)에 저장될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예들은 설계 및/또는 구현에 따라 상이한 메모리 아키텍처들을 사용할 수 있다. 통신인터페이스(270)는 예를 들어, USB(Universal Serial Bus), Bluetooth, NFC(Near Field Communication) 및 Wi-Fi와 같은 유무선 프로토콜을 통해 사용자 웨어러블 장치(200)가 다른 장치들과 통신할 수 있도록 한다.
프로세서(230)는 다른 실시예들에 따라 다른 아키텍처들을 이용하여 동작할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(230)는 실행할 명령어들을 저장하기 위해 메모리(260)를 사용할 수 있거나, 또는 프로세서(230)는 명령어들을 위한 자체 메모리(미도시)를 가질 수 있다. 본 실시예들에 따른 사용자 웨어러블 장치(200)는 프로세서들(230 및 254)을 분리하였으나, 본 발명의 다양한 실시예들이 이에 한정될 필요는 없다. 사용자 웨어러블 장치(200)의 기능을 제어하는 하나의 프로세서(230)가 존재할 수 있거나, 사용자 웨어러블 장치(200)를 위한 복수의 프로세서들이 존재할 수도 있다.
에너지 수집장치
본 발명의 실시예들에 따르면, 에너지 하베스팅 모듈(210)은 현재 이용할 수 있거나 개발될 수 있는 웨어러블 장치들에 적합한 에너지 하베스팅 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 에너지 하베스팅 모듈(210)은 예컨대, 손목밴드와 같은 사용자 웨어러블 장치(200)에 통합된 열전 발전기로 구현된다. 열전 발전기는 사용자의 체온과 사용자의 외부환경 간의 온도차를 측정하고 온도차에 비례하는 전압을 발생시키도록 동작한다. 다시 말해, 열전 발전기는 주변 공간에 대한 사용자 체온의 열 플럭스(thermal flux)를 포획하고, 예컨대 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하여 열 플럭스를 전력으로 변환한다. 열전 발전기에서는 온도 기울기(temperature gradients)가 높을수록 더 높은 에너지 생산을 유도한다.
대안적인 실시예에 따르면, 에너지 하베스팅 모듈(210)은 신체 움직임에 의해 생산된 에너지를 포획하고, 포획된 운동에너지를 사용자 웨어러블 장치(200)에 공급하기 위한 전력으로 변환하도록 정해진 운동에너지 수집장치로 구현된다. 다른 실시예에 따르면, 에너지 하베스팅 모듈(210)은 라디오 및 텔레비전 방송신호와 같은 주변 RF(Radio Frequency) 신호들을 포획하고, 포획된 RF 에너지를 사용자 웨어러블 장치(200)에 공급하기 위한 전력으로 변환하도록 정해진 무선주파수(RF: Radio Frequency) 에너지 수집장치로 구현된다.
다른 실예들에 따르면, 에너지 하베스팅 모듈(210)은 압전 에너지 발전기, 태양에너지 발전기, 주변 진동-동력 에너지 수집장치, 광기전(photovoltaic) 에너지 발전기 및 전기역학 발전기(electrodynamic power generator)와 같은 다른 종류의 에너지 하베스팅 기술을 이용하여 구현될 수 있다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한, 에너지 하베스팅을 위한 다른 기술들이 사용될 수 있다. 재료과학의 발전과 하드웨어의 소형화로 인해 웨어러블 장치들에 적합한 더 많은 에너지 하베스팅 옵션들이 이용 가능하게 될 것이다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 수집된 에너지는 에너지 스토리지 모듈(220)에 저장되고, 사용자 웨어러블 장치(200)의 다른 구성요소들로 분배된다. 에너지 스토리지 모듈(220)은 화학적 기억소자(예: 충전지), 전기적 기억소자(예: 캐패시터 또는 수퍼-캐패시터) 및 기계적 기억소자(예: 스프링 또는 플라이휠)를 포함한(다만, 이에 한정되지 않음) 다양한 유형의 에너지 스토리지를 이용하여 구현될 수 있다.
따라서, 일부 실시예들에 있어서, 수집된 에너지는 에너지 스토리지 모듈(220)로서 캐패시터에 저장된다. 대안적인 실시예들에 있어서, 수집된 에너지는 에너지 스토리지 모듈(220)로서 내장된 충전지를 충전시키는데 사용된다.
본 발명의 설명에서 "에너지" 및 "전력"이라는 용어는 때때로 사용자-웨어러블 장치에 의해 생산 및 소비되는 전기에너지를 지칭하기 위해 상호교환적으로 사용된다. "에너지"는 수행된 일의 총량을 지칭하며 "power"는 얼마나 빨리 일이 수행되는지를 지칭하는 것으로 간주된다. 전기에너지는 종종 와트-시(watt-hour) 단위로 측정된다. 전력은 에너지를 생산 또는 소비하는 속도로 정의되며, 와트 단위로 측정된다. 다시 말해, 전력은 단위 시간당 에너지이다. 예를 들어, 1시간 동안 유지된 1 와트의 전력은 1 와트-시의 에너지와 같다. "에너지" 및 "전력"이라는 용어가 본 명세서에서 상호교환적으로 사용될 수 있으나, 이러한 용어가 본 발명이 속하는 기술분야들 각각의 통상적인 의미를 유지함은 당연하다.
생체정보 측정
본 발명의 실시예들에 따르면, 센서모듈(250)은 가속도계나 자이로스코프와 같은 초저전력 미세전자기계 시스템(MEMS: Microelectromechanical) 센서들을 이용하여 구현된다. MEMS 센서는 활동, 심장 지표(예: 심박수, 심박수 변동성(HRV: Heart Rate Variability) 및 심장 부정맥), 호흡정보, 수면정보 및 코골이 이벤트와 같은 신체 움직임과 진동정보를 포획하도록 적용된다.
다른 실시예에 있어서, 심전도(ECG: Electrocardiogram) 센서는 심전도 리드(lead)가 사용자에 의해 터치되면 심전도 측정이 트리거되는 손목기반 웨어러블 장치에 구현될 수 있다. 대안적으로, 심전도 센서는 심전도 측정값이 지속적으로 수집될 흉부착용 패치 장치로 구현될 수 있다.
일부 실시예에 있어서, 광학 맥파(PPG: Photoplethysmogram) 센서가 사용자 웨어러블 장치에 구현된다. 최근의 맥파 센서들은 매우 높은 전력을 소비하며 동작하는 경향이 있다. 적극적인 전력관리 매커니즘이 적용되어 사용자 웨어러블 장치의 맥파 센서들을 장시간 사용할 수 있다. 다만, 맥파 센서들은 향후 개발을 통해 보다 높은 효율성을 갖게 되어, 자가발전 웨어러블 장치에 적합해질 수 있다.
대안적인 실시예들에 따르면, 바이오임피던스(bioimpedence) 센서, 전기피부반응(GSR: Galvanic Skin Response) 센서, 압전센서 및 변형게이지(strain gauge) 센서는 전력이 최적화된 생체정보 측정을 위해 적용될 수 있다.
전력 최적화
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)의 프로세서(230)는 전력 최적화 방법들을 실행하도록 구성된다. 일 실시예에 따른 프로세서(230)는 소프트웨어 또는 펌웨어 또는 양자 모두에 구현될 수 있는 적응적 전력제어모듈을 포함하여, 에너지 하베스팅 모듈(210)에 의해 생산된 전력과 센서모듈(250) 및 프로세서모듈(230)에 의해 소비된 전력 간의 전력 평형(power balance) 동작을 실현하는 전력관리기법을 구현한다. 보다 구체적으로, 일 실시예에 따른 적응적 전력제어모듈은 에너지 생산 대 소비 간의 평형을 유지하면서도, 사용자 요구에 기반하여 센싱 듀티 사이클 및 신호처리 실행일정을 적응적으로 조절하도록 구성된다.
일 실시예에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 실온에서 N 와트의 전력을 생산할 수 있는 에너지 하베스팅 모듈(210)을 포함한다. 센서모듈(250) 및 프로세서(230)는 비활성 또는 슬립모드에서 전력 Psleep을 소비하고, 고해상도 생체신호 샘플링 모드("센싱모드"로도 지칭)에서 전력 Psense를 소비하며, 프로세서(230)는 센싱모드 동안 신호처리 실행 중에 전력 Pprocess를 소비한다. 따라서, 전력 생산-소비 평형 방정식은 아래 수학식 1과 같다.
여기서, θ는 센싱모드의 듀티 사이클, (1-θ)는 슬립모드 기간, EEH는 주어진 지속시간 동안 생산된 전력, Estored는 에너지 스토리지 모듈(220)에 저장된 초기 에너지이다. 보다 구체적으로, 듀티 사이클 θ는 주어진 지속시간 중 센싱모드가 활성화된 시간의 백분율을 나타낸다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 2가지 모드 중 어느 하나로 작동된다. 여기서, 2가지 모드는 활성화된 센싱 및 신호처리가 수행되는 센싱모드와 센싱이나 신호처리가 수행되지 않는 슬립 또는 비활성모드이다. 센싱모드는 듀티 사이클(즉, 주어진 지속시간 중 주어진 시간 백분율) 동안 활성화되고, 슬립모드는 동일한 주어진 지속시간 동안 듀티 사이클 이외의 나머지 시간 동안 활성화된다.
수학식 1은 자기충전 또는 배터리리스 웨어러블 장치를 실현하기 위해 에너지 하베스팅과 센싱/신호 처리 간의 전력 평형을 이루기 위한 조건을 기술하는 전력 평형 방정식이다. 일 실시예에 따르면, 듀티 사이클 θ는 수학식 1의 목표 전력 평형을 달성하기 위해 전력소비를 설정하도록 조절된다. 보다 구체적으로, 수학식 1에 기술된 바와 같이 시간 t1에서 t2 사이의 시간구간 동안 에너지 수집장치(210)에 의해 생산된 에너지 EEH와 에너지 스토리지 모듈(220)에 저장된 에너지 Estored의 합은, 제1 듀티 사이클 동안 센서모듈(250)의 센싱동작 수행 및 제1 듀티 사이클 동안 프로세서 모듈(230)의 신호처리 수행에 의해 소비된 에너지 
와 제1 듀티 사이클 외의 비활성모드 동안 센서모듈(250) 및 프로세서 모듈(230)에 의해 소비된 에너지 
의 합보다 크거나 같다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 전력 평형을 이루기 위해, 생산되는 에너지 양에 대한 목표 전력소비 레벨을 설정하도록 센싱모드 동안의 듀티 사이클이 조절된다. 예를 들어, 에너지 절약을 위하여 샘플링에 소요되는 시간을 줄이고 슬립모드 시간을 늘리도록 듀티 사이클 θ가 감소될 수 있다. 일례로, 샘플링은 사용자의 높은 활동레벨과 같은 비임계 상태 동안 감소되고, 사용자가 휴식하거나 수면 중인 경우와 같은 사용자의 낮은 활동기간 동안 증가된다.
적응적 전력제어를 적용하여 수학식 1의 전력 평형 관계를 유지함으로써, 사용자 웨어러블 장치(200)가 자가발전을 이룰 수 있거나, 또는 장치 충전 빈도가 크게 감소될 수 있다. 특히, 일부 실시예들에 따르면, 전술한 전력 평형 방정식(수학식 1)이 지속시간 내내 유효하게 유지될 수 있는 경우 즉, 에너지 수집장치(210)가 장치의 소비전력 보다 더 많은 전력을 생산하는 경우, 사용자 웨어러블 장치(200)는 1(θ = 1)로 설정된 센싱 듀티 사이클 또는 100 %의 듀티 사이클을 갖는 지속적인 센싱모드로 동작될 수 있다. 즉, 센싱모드는 100 %의 시간 동안 작동한다. 그렇지 않으면, 센싱 듀티 사이클 θ는 센싱모드와 비활성모드 간의 전력소비율에 따라 설정되어야 한다. 일례로, 사용자 웨어러블 장치(200)는 20 %의 시간(θ = 0.2) 동안 고해상도 센싱모드로 동작하고, 80 %의 시간(θ = 0.8) 동안 저전력 모드로 동작한다.
특히, 본 장치가 t1 - t2 의 시간구간 동안 연속적으로 동작하는 경우, 수학식 1이 만족되어야 한다. 일부 실시예들에 따르면, 시스템 효율 인자 μ는 센싱모드와 신호처리모드의 전력비로 정의될 수 있다. 즉, 시스템 효율 인자는 수학식 2와 같이 주어진다.
여기서, 큰 값의 시스템 효율 인자 μ는 시스템 효율이 높음을 지시한다. 일부의 경우에 있어서, 센서모듈(250)에 의해 소비되는 전력 Psense는 특정 센서가 선택되었을 때 상수로 설정될 수 있다. 다른 실시예들에 따르면, 신호처리동작에 의해 소비되는 전력 Pprocess는 웨어러블 장치 시스템 구성이 확립되는 경우와 같은 때 결정될 수 있다. 이러한 경우, 시스템 효율 인자 μ는 목표 시스템 효율을 달성할 수 있는 바람직한 센서를 선택하기 위한 벤치마크로 사용될 수 있다.
또한, 수집된 전력은 주변 온도 및 사용자의 에너지 소비와 같은 요소들에 크게 의존한다. 열전 발전기의 경우, 낮은 사용자 활동(예: 수면 중인 사용자)과 따듯한 주변 온도는 모두 전력을 덜 생산하는 반면, 높은 사용자 활동(예: 운동 중인 사용자) 또는 낮은 주변 온도는 더 많은 전력을 생산한다. 일부 실시예들에 따르면, 본 발명의 사용자 웨어러블 장치(200)는 에너지 하베스팅 출력레벨에 기반하여 사용자 에너지 소비 및 활동레벨을 정량화하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에 따르면, 본 발명의 사용자 웨어러블 장치(200)는 건강 상태를 진단 또는 검사하기 위해 사용될 수 있고, 사용자 웨어러블 장치(200)는 사용자 요구에 따라 센싱 스케줄링을 조절할 수 있다. 예를 들어, 사용자 웨어러블 장치(200)가 수면 무호흡 모니터링/진단을 위해 사용되는 경우, 센싱모드는 사용자 웨어러블 장치(200)가 사용자의 수면상태를 감지하거나, 의심되는 이벤트들이 식별될 때 트리거된다. 주간 심박수 및 호흡수와 같은 정규적인 백그라운드 모니터링은 전력 평형 방정식(수학식 1)에 따라 스케줄링된다.
일부의 경우들에 있어서, 전술한 전력 평형 방정식을 유지하기 위해서는, 연속적인 PPG 센서와 같이 전력소비가 높은 생체신호 센서들이 사용자 웨어러블 장치(200)의 센서모듈(250)에서 배제되어야 한다. 또한, 복합 신경망과 같이 복잡한 연산들은 프로세서의 웨이크-업(wake-up) 기간을 최소화하기 위해 회피되어야 한다.
다른 실시예들에 있어서, 사용자 웨어러블 장치(200)는 회귀모델을 구현하여 에너지 사용을 최대화한다. 도 3은 사용자의 24시간 에너지 소비(곡선 190) 및 주변 온도 변화(곡선 195)의 예시적인 파형도를 도시한다. 대상의 온도 데이터 이력뿐만 아니라 라이프 패턴(에너지 소비 패턴) 이력을 정량화함으로써, 이러한 요소들은 최적의 전력 스케줄링을 출력하는 예측회귀모델에 적용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)가 초기화되는 경우, 임베디드 모델은 기본설정에 맞춰진다. 사용자 웨어러블 장치(200)가 사용자의 개별 사용 패턴을 학습한 후에, 임베디드 모델은 점차 최적의 설정으로 회귀한다. 즉, 사용자 웨어러블 장치(200)의 전력 스케줄은 사용자의 활동패턴 또는 사용자의 에너지 소비에 기반하여 사용자 별로 개별화된다.
일부 실시예들에 있어서, 사용자 웨어러블 장치(200)는 현재 에너지 하베스팅 출력을 분석하고 에너지 생산 추세를 예측하는 예측모델을 구현한다. 예측된 에너지 생산 추세를 기초로, 예측모델은 사용할 듀티 사이클을 결정한다. 예를 들어, 현재 에너지 하베스팅 레벨이 너무 낮은 경우, 예측모델은 향후 수집 에너지의 감소를 예상하고 에너지를 절약하도록 듀티 사이클을 감소시킨다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 자가발전 웨어러블 장치(200)는 센서모듈(250)에 3축 가속도계 및 심전도 센서를 포함한다. 3축 가속도계는 지속적으로 사용자의 신체 진동, 및 추가적으로 심탄도(BCG: Ballistocardiogram)나 심진도(SCG: Seismocardiogram)를 샘플링하고, 호흡신호는 원모션신호(raw motion signal)로부터 추출될 수 있다. 백그라운드 휴식기 심박수 및 호흡수는 추출된 생체신호들로부터 유도될 수 있다. 또한, 원모션신호들과 결합된 유도 심박수 및 호흡수 출력은 에너지 소비, 걸음수, 코골이, 수면의 질, 수면 무호흡, HRV 및 사용자의 기분(스트레스 또는 감정)과 같은 생체정보들을 유도할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 불규칙한 심장리듬 및 비정상적인 심박수 형태를 검출하는 가속도계를 포함하는 자가충전 심방세동 검사장치로 구성될 수 있다. 비정상적인 이벤트가 검출되는 경우, 사용자 웨어러블 장치(200)는 심전도 측정 이벤트를 트리거하고 사용자에게 데이터 수집 요청을 알린다. 원심전도신호(ECG raw signal)는 또한 사용자 웨어러블 장치(200)에 의해 처리될 수 있거나, 추가 진단을 위해 저장될 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 사용자 웨어러블 장치(200)는 하나 이상의 신체 위치에 대한 측정위치뿐만 아니라 원격 위치에 대한 측정위치까지도 제공할 수 있다. 이러한 위치들은 손목, 흉부 패치, 이어폰 및 신발을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 본 시스템은 열전 발전기를 이용한 손목기반 스마트워치 또는 흉부 착용 패치를 포함한다. 다른 예로, 초저전력 모션센서를 갖는 동역학식 또는 압전식 전원공급장치가 신발에 내장되어 심탄도 관련 애플리케이션뿐만 아니라 일상활동을 모니터링할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 본 시스템은 생체정보 측정 또는 건강상태에 대한 진단/검사를 위한 사용자 웨어러블 장치(200)를 포함하며, 본 시스템의 센싱동작 및 신호처리동작에 의해 소비되는 전력의 합은 부분적으로 또는 완전히 에너지 하베스팅 모듈(210)에 의해 공급된다. 사용자 웨어러블 장치(200)는 적어도 하나 이상의 맥파(PPG) 센서, 미세전자기계시스템(MEMS) 센서, 심전도(ECG) 센서, 바이오임피던스 센서, 전기피부반응(GSR) 센서 및 압전센서를 포함(다만, 이에 한정되지 않음)하는 저전력 센서를 포함하고, 생체정보 추출에는 하나 이상의 맥파, 심전도, 심탄도 및 심진도를 포함한다(다만, 이에 한정되지 않음).
본 발명의 사용자 웨어러블 장치(200)는 센싱 듀티 사이클/스케줄을 조절하고 사용자 설정 및 전력 생산-소비 평형 기반 프로세스 시간을 조절하는 적응적 전력제어모듈을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 본 발명의 사용자 웨어러블 장치(200)는 사용자 요구 및 예상되는 에너지 하베스팅에 기반하여 센싱 듀티 사이클 및 스케줄을 조절하는데 사용되는 예측모델들을 포함한다. 사용자 웨어러블 장치(200)는 사용자 요구 및 전력 평형에 기반하여 센싱 샘플링 주파수를 조절한다. 사용자 웨어러블 장치(200)는 에너지 하베스팅 시스템에 의해 생산된 전력에 기반하여 센서 동작 및 듀티 사이클, 센서 및 프로세싱 활성화 사이의 평형을 조절하는 한편, 맥파, 심전도, 심탄도 및 심진도를 포함하는 저전력 센싱 모달리티들(modalities)을 통합하고, 심박수, 심박수 변동성, 부정맥 검출, 활동레벨, 수면, 코골이 및 호흡을 포함한(다만, 이에 한정되지 않음) 생체정보들을 추출한다.
일 실시예에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 수면 무호흡 검출 및/또는 검사 장치로 구현되는데, 여기서 수면 무호흡 검출 및/또는 검사 장치는 전력 생산-소비 평형을 제공하고, 심박수, 심박수 변동성, 호흡, 코골이 검출, 경피적산소포화도(SpO2), 수면 온셋 오프셋, 수면 지속시간/효율, 수면자세 및 무호흡 이벤트 검출을 위한 가속도계(예: 움직임, 심탄도, 심진도, 자세 및 편각), 맥박 산소측정기 및 센서 프로세싱 구성요소들을 포함하는 센서들을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 부정맥 검출 및/또는 검사 장치로 구현되는데, 여기서 부정맥 검출 및/또는 검사 장치는 전력 생산-소비 평형을 제공하고, 심박수, 심박수 변동성, 활동레벨, 수면, 부정맥 검출, 1회 심박출량(stroke volume), 심박출량(cardiac output) 및 주변관류 감소를 위한 가속도계(예: 움직임, 심탄도, 심진도, 자세 및 편각), 심전도 회로 및 센서 프로세싱 구성요소들을 포함하는 센서들을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 사용자 웨어러블 장치(200)는 생체정보 측정을 위한 웨어러블 장치로 구현되는데, 여기서 생체정보 측정을 위한 웨어러블 장치는 에너지 하베스팅 구성요소 및 휴식기 심박수, 호흡수, 걸음수, 활동/에너지소비, 수면 모니터링 및 코골이 검출을 포함한 전력 최적화 생체 추론과 관련된 하나 이상의 저전력 관성(inertial) 측정 센서를 갖는다. 이 때, 센싱 프로세스에 의해 소비된 전력의 총합은 에너지 하베스팅 구성요소에 의해 부분적으로 또는 완전히 공급된다. 또한, 웨어러블 장치는 사용자 설정 및 수학식 1과 같은 전력 생산/소비 평형에 기반하여 센싱 듀티 사이클/스케줄 및 신호처리시간을 조절하도록 구성된 적응적 전력제어모듈을 포함한다.
일 실시예에 따르면, 생체정보 측정을 위한 사용자 웨어러블 장치(200)는 에너지 하베스팅 구성요소 및 하나 이상의 맥파 센서, MEMS 센서, 심전도 센서, 바이오임피던스 센서, 전기피부반응 센서 및 압전센서를 포함하며, 센싱 프로세스에 의해 소비되는 나머지 전력은 에너지 하베스팅 구성요소에 의해 부분적으로 또는 완전히 공급되고, 에너지 하베스팅 구성요소는 사용자 설정 및 수학식 1과 같은 전력 생산/소비 평형에 기반하여 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 신호처리시간을 조정하도록 구성된 적응적 전력제어모듈에 의해 제어된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 사용자 웨어러블 장치(200)의 생체정보 측정 방법의 흐름도이다. 도 4를 참조하면, 생체정보 측정을 위한 방법(400)은 주변 에너지원으로부터 에너지를 생산하는 과정(402) 및 수집된 에너지를 저장하는 과정(404)을 포함한다. 예를 들어, 에너지는 에너지 하베스팅 모듈(210)에 의해 수집되어 에너지 스토리지 모듈(220)에 저장될 수 있다. 본 방법(400)은 저장된 에너지를 사용하여 생체감지동작 및 신호처리동작을 제공한다(406). 본 방법(400)은 센싱동작 동안 적어도 하나의 생체신호를 감지하고, 신호처리동작 동안 감지신호로부터 적어도 하나의 모니터링 신호를 생성한다(408). 감지신호는 모션신호일 수 있다. 예를 들어, 모니터링 신호는 심박(맥박)수, 맥박 형태(모양), 맥박 간격(심장박동 간 간격), 호흡수 및 혈압일 수 있다.
본 방법(400)은 저장된 에너지 레벨을 모니터링한다(410). 또한, 본 방법(400)은 저장된 에너지 레벨에 응답하여 센싱 듀티 사이클을 조절하기 위해 적응적 전력제어를 적용한다(412). 다시 말해, 저장된 에너지 레벨이 낮은 경우, 전력을 절약하기 위해 센싱 듀티 사이클이 감소된다. 일부 실시예에 있어서, 본 방법(400)은 저장된 에너지 레벨에 응답하여 신호처리동작의 처리시간을 조절하기 위해 적응적 전력제어를 적용한다. 다시 말해, 저장된 에너지 레벨이 낮은 경우, 전력을 절약하기 위해 처리시간이 감소될 수 있다. 본 방법(400)은 주변 에너지원으로부터 에너지를 생산하는 것을 반복한다(402).
전술한 상세한 설명은 본 발명의 특정 실시예들을 예시하기 위해 제공된 것이며, 한정하기 위한 것이 아니다. 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한 다양한 수정들 및 변형들이 가능하다. 본 발명은 첨부된 청구항들에 의해 규정된다.
Claims (20)
- 사용자의 생체정보 측정을 위한 사용자 웨어러블 장치에 있어서,
에너지를 수집하고 에너지 출력을 제공하는 에너지 하베스팅 모듈;
상기 에너지 하베스팅 모듈과 연결되어 상기 에너지 하베스팅 모듈에 의해 수집된 상기 에너지 출력을 저장하는 에너지 스토리지 모듈;
센서를 포함하고, 사용자의 적어도 하나의 생체신호를 측정하며, 적어도 하나의 생체신호 처리방법을 이용하여 상기 생체신호를 처리하되, 상기 에너지 스토리지 모듈에 저장된 상기 에너지에 의해 전력을 공급받는 센서모듈; 및
상기 센서에 의해 측정된 상기 생체신호에 대해 적어도 하나의 전력 최적화 생체 추론(biometric inference) 방법을 실행함으로써 상기 생체신호를 처리하고, 상기 에너지 스토리지 모듈에 저장된 상기 에너지에 의해 전력을 공급받는 프로세서 모듈을 포함하되,
상기 센서모듈의 센싱동작 및 상기 프로세서 모듈의 신호처리동작에 의해 소비되는 전력의 총합은, 상기 에너지 하베스팅 모듈에 의해 적어도 부분적으로 공급되고,
상기 센서모듈 및 상기 프로세서 모듈은, 상기 에너지 하베스팅 모듈에 의한 에너지 생산과 상기 센서모듈 및 상기 프로세서 모듈에 의한 에너지 소비 간의 전력 평형을 실현하기 위해 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 신호처리시간을 조절하는 적응적 전력제어모듈에 의해 제어되는, 사용자 웨어러블 장치. - 제1항에 있어서,
상기 센서는,
저전력 관성 측정 센서, 가속도계, 맥파(PPG: Photoplethysmogram) 센서, 미세전자기계 시스템(MEMS: Microelectromechanical) 센서, 심전도(ECG: Electrocardiogram) 센서, 바이오임피던스(Bioimpedence) 센서, 전기피부반응(GSR: Galvanic Skin Response) 센서 및 압전 센서 중 어느 하나로 선택되는, 사용자 웨어러블 장치. - 제2항에 있어서,
상기 센서모듈의 상기 센서는, 상기 사용자의 적어도 하나의 생체신호를 측정하고.
상기 생체신호는, 휴식기 심박수, 호흡수, 활동 에너지 소비, 수면 모니터링 및 코골이 검출 중에서 선택되는, 사용자 웨어러블 장치. - 제2항에 있어서,
상기 저전력 관성 측정 센서는 가속도계를 포함하는, 사용자 웨어러블 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적응적 전력제어모듈은,
상기 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 상기 신호처리시간을 조절하여, 상기 센서모듈의 상기 센싱동작과 상기 프로세서 모듈의 상기 신호처리동작에 의해 소비되는 전력이 상기 에너지 하베스팅 모듈에 의해 생산되는 전력보다 작거나 같아지도록 하는, 사용자 웨어러블 장치. - 제1항에 있어서,
상기 적응적 전력제어모듈은,
상기 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 상기 신호처리시간을 조절하여, 제1 시간구간 동안 상기 에너지 하베스팅 모듈에 의해 수집된 에너지와 상기 에너지 스토리지 모듈에 저장된 에너지의 총합이 제1 듀티 사이클 동안 상기 센싱동작과 상기 신호처리동작의 수행에 의해 소비되는 에너지와 상기 제1 듀티 사이클 이외의 비활성 모드 동안 소비되는 에너지의 총합보다 크거나 같아지도록 하는, 사용자 웨어러블 장치. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스팅 모듈은,
상기 사용자의 체온과 상기 사용자의 외부환경 간의 온도차를 측정하고 상기 온도차에 비례하여 전압을 생성하도록 정해진 열전 발전기를 포함하는, 사용자 웨어러블 장치. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 하베스팅 모듈은,
운동에너지 수집장치, 무선주파수(RF) 에너지 수집장치, 압전에너지 발전기, 태양에너지 발전기, 주변 진동-동력 에너지 수집장치, 광기전(photovoltaic) 에너지 발전기 및 전기역학(electrodynamic power) 발전기를 포함하는, 사용자 웨어러블 장치. - 제1항에 있어서,
상기 에너지 스토리지 모듈은 충전지 또는 캐패시터를 포함하는, 사용자 웨어러블 장치. - 제1항에 있어서,
상기 센싱동작 및 상기 신호처리동작에 의해 소비되는 전력은 상기 에너지 하베스팅 모듈에 의해서만 공급되는, 사용자 웨어러블 장치. - 사용자의 생체정보 측정을 위한 사용자 웨어러블 장치의 방법에 있어서,
주변 에너지원으로부터 에너지를 생산하는 과정;
수집된 상기 에너지를 저장하는 과정;
상기 저장된 에너지를 사용하여 센싱동작 및 신호처리동작을 공급하는 과정;
센서를 이용하여 상기 센싱동작 동안 상기 사용자의 생체신호를 측정하는 과정;
상기 신호처리동작 동안 상기 측정된 신호로부터 모니터링 신호를 생성하는 과정;
저장된 에너지 레벨을 모니터링하는 과정; 및
상기 주변 에너지원으로부터의 에너지 생산과 상기 센싱동작 및 상기 신호처리동작에 의한 에너지 소비 간의 전력 평형을 실현하기 위해 상기 저장된 에너지 레벨에 응답하여 상기 센싱동작의 센싱 듀티 사이클과 상기 신호처리동작의 처리시간을 조절하도록 적응적 전력제어를 적용하는 과정을 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 사용자의 생체신호를 측정하는 과정은,
저전력 관성 측정 센서, 가속도계, 맥파(PPG: Photoplethysmogram) 센서, 미세전자기계 시스템(MEMS: Microelectromechanical) 센서, 심전도(ECG: Electrocardiogram) 센서, 바이오임피던스(Bioimpedence) 센서, 전기피부반응(GSR: Galvanic Skin Response) 센서 및 압전 센서 중 어느 하나로 선택되는 센서를 이용하여 측정하는 과정을 포함하는, 방법. - 제12항에 있어서,
상기 사용자의 생체신호를 측정하는 과정은,
상기 저전력 관성 측정 센서를 이용하여 상기 사용자의 상기 생체신호로서 모션신호를 측정하는 과정을 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 사용자의 생체신호를 측정하는 과정은, 상기 센서를 이용하여 상기 사용자의 생체신호를 측정하는 과정을 포함하고,
상기 생체신호는, 휴식기 심박수, 호흡수, 활동 에너지 소비, 수면 모니터링 및 코골이 검출 중에서 선택되는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 적응적 전력제어를 적용하는 과정은,
상기 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 상기 신호처리시간을 조절하여, 상기 센싱동작 및 상기 신호처리동작에 의해 소비되는 전력이 상기 주변 에너지원으로부터 생산된 전력보다 작거나 같아지도록 상기 적응적 전력제어를 적용하는 과정을 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 적응적 전력제어를 적용하는 과정은,
상기 상기 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 상기 신호처리시간을 조절하여, 제1 시간구간 동안 상기 수집된 에너지 및 상기 저장된 에너지의 총합이 제1 듀티 사이클 동안 상기 센싱동작 및 상기 신호처리동작에 의해 소비되는 에너지와 상기 제1 듀티 사이클 이외의 비활성 모드 동안 소비되는 에너지의 총합보다 크거나 같아지도록 상기 적응적 전력제어를 적용하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 주변 에너지원으로부터 에너지를 생산하는 과정은,
상기 사용자의 체온과 상기 사용자의 외부환경 간의 온도차를 측정하고 상기 온도차에 비례하는 전압을 발생시키도록 정해진 열전 발전기를 이용하여 열에너지를 생산하는 과정을 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 주변 에너지원으로부터 에너지를 생산하는 과정은,
운동에너지 수집장치, 무선주파수(RF) 에너지 수집장치, 압전에너지 발전기, 태양에너지 발전기, 주변 진동-동력 에너지 수집장치, 광기전(photovoltaic) 에너지 발전기 및 전기역학(electrodynamic power) 발전기 중 어느 하나를 이용하여 에너지를 생산하는 과정을 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 수집된 에너지를 저장하는 과정은,
상기 수집된 에너지를 충전지 또는 캐패시터에 저장하는 과정을 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
상기 적응적 전력제어를 적용하는 과정은,
상기 센싱 듀티 사이클 스케줄 및 상기 신호처리시간을 조절하여 상기 센싱동작 및 상기 신호처리동작에 의해 소비되는 전력이 상기 수집된 에너지에 의해서만 공급되도록 상기 적응적 전력제어를 적용하는, 방법.
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