KR20190092691A - 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템 - Google Patents

맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 피검자의 건강정보를 저장하는 제1데이터베이스; 상기 피검자의 생체정보를 저장하는 제2데이터베이스; 상기 피검자의 손가락에 미세혈관의 혈액 양에 따라 흡수 또는 반사되는 맥파신호를 측정하여 신호처리한 후 측정된 맥파데이터를 미리 입력된 피검자 정보와 함께 유무선 네트워크를 통해 전송하는 적어도 하나 이상의 맥파측정기; 상기 피검자의 생체정보를 획득하여 유무선 네트워크를 통해 전송하는 적어도 하나 이상의 휴대용 스마트기기; 및 상기 맥파측정기로부터 획득된 건강정보를 생성하여 상기 제1데이터베이스에 저장하고 상기 휴대용 단말기로부터 획득된 생체정보를 분석하여 상기 제2데이터베이스에 저장한후, 상기 건강정보와 생체정보를 분석하여 스트레스 위험신호를 생성하여 상기 휴대용 단말기로 전송하는 서버를 포함한다.

Description

맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템{SYSTEM FOR ANALYZING AND MANAGING A STRESS USING PULSE WAVE}
본 발명은 스트레스 분석 및 관리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다수의 맥파측정기로부터 전송된 손가락의 맥파신호를 각각 수집하여 피검자의 스트레스 정도를 분석할 수 있고, 다른 기기와의 인터페이스가 가능하여 다른 기기로부터 수신되는 심박수나 활동량 등의 건강정보를 데이터베이스함으로써, 피검자들의 스트레스 정도에 효과적인 관리가 가능한 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 인간은 생체항상성을 변화시키는 광범위한 자극과 조건에 노출되고 있다. 예를 들어 상처를 받는다던가, 수술시의 손상, 극단적인 더위와 추위, 감염 그리고 강한 가정적 장애 등의 해로운 자극이 스트레스의 조건이 된다. 이러한 해로운 자극을 스트레서(stressor)라 하고, 셀리(Selye)는 전신적인 순응증(general adaptation syndrome)이라고 표현하였다.
스트레스에 대한 반응이 오랫동안 지속되면 결국은 인체에 해로운 결과를 낳게 된다. 스트레스에 대한 반응은 두 가지 형태로 나타나는데 첫째는 스트레서가 시상하부(hypothalamus)를 통해 교감신경 부신수질계의 활동을 촉진하여 저장된 카테콜아민(catechoamines)을 유리하여 특징적인 심혈 관계와 대사반응이 나타난다. 특히 스트레스가 심하지 않거나 짧은 기간일 경우에는 정상상태를 회복하거나 유지하도록 해준다. 예를 들면, 시상하부의 호르몬 분비 기전 조절에 의해 혈압 상승제 역할을 하는 신경전달물질인 노르아드레날인(noradrenalin)이 적당량 분비되면, 신체에 긴장과 활기를 준다.
또한, 시상하부는 소화기관의 조절기능에도 영향을 미치는데, 전시상하부를 전기적으로 자극하면 위와 장에서 분비와 운동을 증가시킨다. 또한 후시상하부를 전기적으로 자극하여도 위산분비는 증가한다. 이때, 시상하부를 통한 부신피질자극 호르몬(ACTH:adrenocorticotrophic hormone)을 통한 부신피질 호르몬이 위산분비를 조절한다. 그러므로 오래 지속되는 긴장이나 경미한 스트레스는 위산분비를 증가시킴으로 위궤양을 유발할 수 있다. 이러한 스트레서에 대한 초기 반응과 보상성 순응은 심리적, 감정적 요인에 의해 기인된다.
스트레스에 대한 신체반응을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 1단계로 생체는 강한 교크 상태(심장기능저하, 골격근긴장, 체온저하 등)에 빠지며, 뇌의 시상하부는 즉각 반응하여 화학물질을 분비하면서, 생체의 반응 메커니즘이 활동을 시작한다. 2단계로 스트레스에 대한 생체의 여러 기능을 유기적으로 재구성하여 스트레스에 견디고 적응하게 되는 시기로 저항기라 하며, 만약 계속해서 스트레스를 받게 되면, 생체의 여러 기관이 협조적으로 기능하지 못하게 되어 생체의 항상성이 상실되는 시기인 3단계로 접어들어, 생체의 적응 메커니즘에 파탄을 가져오고, 이미 외부의 병에 대한 저항력을 상실한다.(또는 병에 걸려있는 상태)
그러한 자극이나 스트레스를 받게되면 인체 기관 중 가장 민감하게 반응하는 것은 심장이다. 즉 심장은 자동적인 고유리듬으로 박동을 반복하는 성질을 갖는 내부적 제어기능이 있고, 외부적으로는 제어기관인 뇌의 시상하부에서 지령을 받아 박동이 제한된다. 즉 상술한 바와 같이 스트레스에 의한 기전(혈압변화, 위산분비 등)들은 심장박동과 밀접한 상호 관계가 있다.
스트레스의 정도는 자율신경에 의한 심박변이도를 통해 추적할 수 있다. 심박 변이도(Heart Rate Variability, HRV)란 시간에 따른 심박의 주기적인 변화를 말하며, 이는 체내/외부 환경의 요인에 대한 자율신경계의 항상성 조절 메카니즘을 추적하는데 중요한 열쇠가 된다. 심박 변이도에 따라 심박동의 미세한 변화를 파형을 통해 분석하여, 스트레스에 대한 인체의 자율신경 반응을 가시화하고, 현재의 건강 상태를 확인할 수 있다.
심박간격은 심전도 또는 맥파 파형의 피크간 간격을 의미하는 것으로, 측정한 시간동안의 심박간격의 변화그래프를 심박간격변이도(RRV, R-R Interval Variability) 또는 심박수변이도(HRV, Heart Rate Variability)등으로 불리기도 한다.
HRV는 동방결절에 영향을 미치는 교감 신경과 부교감 신경 사이의 상호 작용과 관련이 있으며 이는 심박동 및 RR 간격(심박동변화에서 R포인트에서 R포인트까지의 간격)의 변동을 반영한다. 즉, 하나의 심장 주기로부터 다음 심장 주기 사이의 미세한 변이를 의미한다. 이러한 HRV 감소의 의미는 심박동의 역동적 변화의 복잡성이 감소되었음을 말하며 이는 체내 적응 능력의 감소를 의미한다.
HRV 분석 방법은 시간 도메인 분석과 주파수 도메인 분석으로 크게 대별된다. 시간 도메인 분석(Time domain analysis)은 동성 심박 사이의 RR 간격을 통계적으로 처리하는 기법으로, 특정시간에서의 심박수나 정상적인 펄스(pulse)사이의 간격이 측정된다. 주파수 도메인 분석은 FFT(퓨리에 변환 : Fast Fourier Transform)를 이용하여 주파수 범위를 분석하는 것으로, HRV 변동 신호를 구성하는 각 주파수 대역을 분리 평가할 수 있는 분석 방식이다. 즉, HRV 신호는 각기 다른 대역의 주파수 신호가 합쳐져서 하나의 복잡한 신호로 나타나게 되는데, 이러한 HRV 신호를 구성하는 각 주파수 대역의 강도(PSD: Power Spectral Density)를 분리 평가하는 방식이다. 주파수 범위 분석을 통해 구해지는 파라미터는 아주 낮은 주파수대역(Very low frequency, VLF)의 강도, 저주파수대역(low frequency, LF)의 강도, 고주파수대역(High frequency, HF)의 강도, 5분간 전체 강도(5-minute total power), 저주파수대 고주파수의 대역 강도비(LF/HF ratio), 저·고 주파수대역의 정규화된 강도(normalized LF and HF)가 있다. 결론적으로, 스트레스는 위와 같은 방식으로 측정된다.
한편, 최근 다양한 스트레스 진단장치가 개발되어 특허출원된 바가 있다. 이러한 장치의 예로는, 스트레스 측정기능이 구비된 마우스나 필기구 또는 이동통신 단말기용 스트레스 측정장치 등이 있다. 그리고, 전술한 장치와 달리 대형으로 제조되어 주로 병원 등에서 사용되는 장치가 있다.
하지만, 전술한 바와 같은 기존의 대형 스트레스 진단장치는 모니터 따로, 진단장치 따로, 제어장치 따로 설치되어 있어서 부피가 크고, 무거워서, 특정 장소 이외에는 설치가 힘든 문제점이 있었다. 그리고, 전술한 소형 사이즈의 스트레스 진단장치는 피검자의 측정데이터를 분석만 하고, 저장하지 않으므로 분석 결과의 정확도가 높지 않을 뿐만 아니라 지속적인 스트레스 관리가 사실상 불가능하다. 또한, 전술한 대형 및 소형 스트레스 측정장치 모두 자가 측정데이터만을 저장 및 활용하고, 피검자의 휴대용 스마트기기와 인터페이싱을 하지 못하므로 평상시 피검자의 건강정보를 활용할 수 없다.
한국공개특허공보 제10-2011-138785호 한국특허등록 제10-1758593호 한국공개특허공보 제10-2005-0103354호
본 발명은 맥파측정기로부터 전송된 맥파신호를 각각 수집하고, 피검자가 휴대한 스마트기기로부터 평상시 측정된 활동량이나 심박수 등의 생체정보를 수집한 후 피검자의 스트레스 정도를 분석하여 데이터베이스함으로써, 피검자들의 스트레스 정보의 누적 분석이 가능하여 정확한 분석과 효과적인 관리가 가능한 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 유무선 네트워크를 통해 연결가능한 상태로 피검자의 스테레스 분석 및 관리 시스템에 있어서, 상기 피검자의 건강정보를 저장하는 제1데이터베이스; 상기 피검자의 생체정보를 저장하는 제2데이터베이스; 상기 피검자의 손가락에 미세혈관의 혈액 양에 따라 흡수 또는 반사되는 맥파신호를 측정하여 신호처리한 후 측정된 맥파데이터를 미리 입력된 피검자 정보와 함께 유무선 네트워크를 통해 전송하는 적어도 하나 이상의 맥파측정기; 상기 피검자의 생체정보를 획득하여 유무선 네트워크를 통해 전송하는 적어도 하나 이상의 휴대용 스마트기기; 및 상기 맥파측정기로부터 획득된 건강정보를 생성하여 상기 제1데이터베이스에 저장하고 상기 휴대용 단말기로부터 획득된 생체정보를 분석하여 상기 제2데이터베이스에 저장한후, 상기 건강정보와 생체정보를 분석하여 스트레스 위험신호를 생성하여 상기 휴대용 단말기로 전송하는 서버를 포함한다.
상기 휴대용 스마트기기는, 디스플레이부; 상기 서버와 유무선 네트워크를 통해 데이터 송수신가능하도록 하는 통신부; 휴대용 스마트기기를 소지하고 있는 피검자의 이동량을 계산하여 활동량을 측정하기 위한 활동량측정부; 상기 피검자의 심박수를 측정하기 위한 심박수측정부; 및 상기 측정된 활동량과 심박수를 통해 생체정보를 생성하여 상기 통신부를 통해 상기 서버로 전송하고 수신된 스트레스 위험신호를 상기 디스플레이부로 출력하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 서버는, 상기 유무선 네트워크와 통신가능한 통신부; 상기 휴대용 스마트기기로부터 수신한 생체정보를 분석하기 위한 생체정보분석부; 및 상기 제1데이터베이스에 저장된 피검자의 건강정보와 상기 제2데이터베이스에 저장된 셍체정보를 입력받아, 스트레스 위험신호가 생성된 경우, 상기 통신부를 통해 상기 휴대용 스마트기기로 스트레스 위험신호를 전송하도록 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 서버는, 상기 적어도 하나 이상의 맥파측정기로부터 전송된 맥파데이터를 증폭 및 필터링하고, 상기 필터링된 데이터를 처리하여 얻어지는 심박변이도(HRV) 데이터로부터 주파수 분석을 통하여 교감신경활성치를 나타내는 LF활성도를 포함하는 주파수 영역의 파라미터를 구하며, 그리고 시계열적 분석을 통하여 심박변이 다양성 정도를 나타내는 복잡도와 측정 평균심박수 및 측정심박간격 표준편차를 포함하는 시간 영역의 파라미터를 구하고, 정규화 요소와 측정심박간격 표준편차를 이용한 정규화 표준편차 그리고 정규화 요소와 측정 평균심박수 및 측정심박간격 표준편차를 이용한 정규화 심박편향분포도를 각각 산출하며, 상기 산출된 정규화 심박편향분포도 및 정규화 표준편차와 상기 복잡도 및 주파수영역 파라미터를 이용하여 스트레스 지수를 산출하고, 산출된 스트레스 지수를 토대로 스트레스 진행상태를 분석하여 피검자별로 저장하는 것을 특징으로 한다.
상기 맥파측정기는, 화면상에 피검자 정보 입력과 각종 명령신호를 입출력하는 터치스크린; 적외선 파장과 자외선 파장의 서로 다른 두개의 파장으로 이루어진 광원을 광수신부 쪽으로 송신시키는 발광부; 상기 발광부로부터 송신된 광원이 손가락의 미세혈관을 통해 흐르는 혈액 양에 따라 흡수 또는 반사되는 맥파신호를 검출하는 수광부; 및 상기 수광부로부터 검출된 맥파신호를 증폭하고 필터링하여 디지털데이터로 변환한 후 상기 터치스크린을 통해 입력된 피검자 정보와 함께 서버로 전송하는 제어부;를 포함하며, 상기 발광부와 수광부는 복수 손가락의 맥파를 각각 검출하는 복수개로 구성된 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에서는 피검자의 휴대용 스마트기기로부터 수신된 다양한 생체정보를 맥파측정기에서 측정된 측정값과 함께 분석하여 스트레스를 측정하므로 단순한 일회성 측정값으로 스트레스를 분석하지 않고, 생체정보를 통해 피검자의 평상시 건강상태를 기반으로 스트레스를 분석할 수 있으므로 좀더 정확하고 정밀한 스트레스 분석 정보를 제공할 수 있다.
그리고, 스트레스 측정 시스템을 맥파측정기와 서버로 이원화함에 따라 맥파측정기를 콤팩트하게 구성할 수 있고, 서버에서는 분석된 스트레스 정보를 데이터베이스에 저장함에 따라 피검자의 스트레스 정보를 누적하여 보다 정확한 분석이 가능하다. 이로 인해, 과도한 스트레스로 인한 건강이상 여부를 사전에 확보하는 것이 가능하여 피검자의 이상 행동을 사전에 차단할 수 있음과 아울러 그로인한 사회적인 손실을 예방할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 스트레스 분석시스템을 나타내는 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 맥파신호를 이용한 스트레스 분석시스템을 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2의 측정센서 및 측정 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 서버의 세부 구성을 나타낸 블록도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 시스템을 나타낸 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 스트레스 분석 시스템은 맥파측정기(100), 서버(300), 제1데이터베이스(400) 및 휴대용 스마트기기(500)를 포함한다.
맥파측정기(100)는 손가락의 미세혈관의 혈액 양에 따라 흡수 또는 반사되는 맥파신호를 측정하여 신호처리한 후 측정된 맥파데이터를 미리 입력된 피검자 정보와 함께 유무선 네트워크(200)를 통해 서버(300)로 전송하도록 구성되어 있다. 본 발명에 의한 맥파측정기는 다수개이며, 맥파측정기마다 고유식별정보(아이디 및 어드레스)가 미리 설정되어 있다.
휴대용 스마트기기(500, 500a, 500b, 500c)는 예를 들어 스마트폰이나 시계형 웨어러블 기기로 구성되어 다수의 피검자에게 휴대된다. 휴대용 스마트기기(500)는 피검자의 심박수나 활동량 등의 생체정보를 측정하여 후술되는 유무선 네트워크(200)로 인가하는 생체정보 수집장치가 실장된다. 이러한 생체정보 수집장치는 소프트웨어로 구성됨에 따라 휴대용 스마트기기(500)에 실장된다.
휴대용 스마트기기(500)는 피검자에게 휴대된 상태로 상기 생체정보 수집장치를 통해 심박수나 활동량 등을 측정하여 저장하거나 유무선 네트워크(200)를 통해 이를 서버(300)로 전송하도록 데이터송수신 가능한 상태로 맥파측정기(100)나 서버(300)와 연결되어 있다. 휴대용 스마트기기(500)는 인터넷망이나 블루투스 또는 와이파이나 지그비와 같은 유무선 네트워크(200)에 의해 맥파측정기(100)나 서버(300)와 송수신 가능하게 연결된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 맥파신호를 이용한 스트레스 분석시스템을 도시한 블록도로서, 맥파측정기(100)와 서버(300) 및 휴대용 스마트기기(500)의 세부구성을 도시한다.
맥파측정기(100)는 도시된 바와 같이 터치스크린(110), 발광부와 수광부로 이루어진 측정센서(130), 제어부(150) 및 통신부(170) 등을 포함하여 구성된다.
터치스크린(110)은 화면상에 피검자 정보 입력과 각종 명령신호를 입출력하도록 구성되어 있다. 터치스크린(110)은 필요에 따라 서버(300)로부터 전송된 피검자의 맥파 분석 및 스트레스 분석 결과를 디스플레이할 수 있다.
측정센서(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 발광부는 적외선 파장과 자외선 파장의 서로 다른 두개의 파장으로 이루어진 광원을 광수신부 쪽으로 송신시키도록 구성되어 있고, 수광부는 발광부로부터 송신된 광원이 손가락의 미세혈관을 통해 흐르는 혈액 양에 따라 흡수 또는 반사되는 맥파신호를 검출하도록 구성되어 있다. 여기서, 광원은 LED나 레이저가 될 수 있다.
제어부(150)는 수광부로부터 검출된 맥파신호를 필터링 및 증폭한 후 상기 터치스크린(110)을 통해 입력된 피검자 정보와 함께 서버(300)로 전송할 수 있다. 이때, 맥파측정기는 유무선 인터넷이나 무선 데이터망(200)을 이용하여 서버(300)로 전송할 수 있는 데, 이때 맥파측정기는 고유식별정보와 함께 전송한다.
본 발명에서 맥파측정기(100)는 발광부와 수광부로 이루어진 측정센서(130)가 복수개 설치되어 있다. 이는 왼쪽 손가락과 오른쪽 손가락의 맥파에 차이가 있을 수 있으며, 이 경우에 발생되는 오측정을 방지하기 위하여 왼쪽 손가락과 오른쪽 손가락의 맥파를 동시에 검출하기 위함이다. 제어부는 복수의 측정센서로부터 출력된 측정데이터의 평균값을 구한 후 이 평균값을 서버(300)로 전송할 수 있다.
휴대용 스마트기기(500)는 도시된 바와 같이 활동량측정부(510), 심박수측정부(530), 제어부(550), 통신부(5700) 및 디스플레이부(590))로 구성된다. 활동량측정부(510)는 피검자의 이동량을 계산하여 활동량을 측정한다. 심박수측정부(530)는 피검자의 심박수를 측정한다. 제어부(550)는 활동량측정부(510) 및 심박수측정부(530)의 측정결과를 이용하여 생체정보를 생성한 후 통신부(570)로 전송한다. 통신부(570)는 제어부(550)를 통해 입력된 생체정보를 전술한 유무선 네트워크(200)를 통해 맥파측정기(100)나 서버(300)로 전송한다. 휴대용 스마트기기(500)는 디스플레이부(590)를 통해 스트레스 위험신호를 출력한다. 이때, 제어부(550)는 상기 서버(300)로부터 수신한 스트레스 위험신호를 상기 디스플레이부(590)에 출력하도록 제어한다.
서버(300)는 도 2에 도시된 바와 같이 유무선 네트워크(200)와 통신가능한 통신부(301)와 상기 휴대용 스마트기기(500)로부터 수신한 생체정보를 분석하기 위한 생체정보분석부(303) 및 상기 생체정보분석부(303)에서 분석한 생체정보를 저장하도록 연결된 제2데이터베이스(600)를 포함한다.
한편, 서버(300)의 제어부(302)는 후술될 제1데이터베이스(400)에 저장된 피검자의 건강정보 및 상기 제2데이터베이스(600)에 저장된 셍체정보를 입력받아, 분석하여 피검자의 건강정보를 바탕으로 스트레스분석결과를 근거하여 획득된 생체정보를 토대로 스트레스 위험신호가 생성된 경우, 통신부(301)를 통해 상기 휴대용 스마트기기(500)로 전송한다.
여기서, 제어부(302)는 제1데이터베이스(400)로부터 입력된 피검자의 건강정보를 분석하여 스트레스 분석결과가 좋지 않을 경우, 제2데이터베이스(600)에 저장된 동일한 피검자의 생체정보를 독출하여 비교 분석하고, 생체정보 즉, 심박수 및 활동량이 좋지 않은 경우, 스테레스 위험신호를 생성하여 통신부(301)를 통해 휴대용 스마트기기(500)로 송신한다.
그러면, 휴대용 스마트기기(500)는 통신부(570)를 통해 수신된 스트레스 위험신호를 입력받아, 피검자가 인지할 수 있도록 디스플레이부(590)를 통해 화면에 출력할 수 있다.
결론적으로, 제어부(302)는 휴대용 스마트기기(500)에서 측정된 평상시 피검자의 활동량이나 심박수 등의 생체정보 및 맥파측정기(100)에서 측정된 측정값을 기반으로 스트레스를 측정할 수있다. 따라서, 제어부(302)는 좀더 정밀한 스트레스 측정 정보를 제공할 수 있다.
한편, 서버(300)는 신호처리부(310), 전처리부(330), 맥파분석부(350) 및 스트레스분석부(370) 등을 포함하여 구성된다.
서버(300)는 맥파측정기(100)로부터 전송된 맥파데이터를 증폭 및 필터링하여 노이즈를 제거한 후 전처리부(330)를 통해 산출된 포락선으로부터 맥파신호(PPG) 피크치를 산출하고, 호흡과 혈류변화의 연관성에 기인하여 맥파신호(PPG)를 통해 호흡신호를 추출하고, 광 조사에 의해 산출된 각 신호로부터 혈중 산소포화도(SpO2)를 산출하며, 산출된 PPG파형에서 혈류량 변화를 분석하여 맥박의 기존 주파수를 추출하여 얻어진 데이터를 2차 미분과정을 통해 혈관탄성도를 산출한다.
스트레스분석부(370)는 맥파분석부(350)에서 산출된 호흡, 산소포화도 및 혈관탄성도와 같은 상태 파라미터를 미리 정해진 기준값과 상호 비교하여 스트레스 정도를 분석하여 제1데이터베이스(400)에 저장한다. 또한 서버(300)는 맥파측정기(100)의 요청에 따라 피검자의 맥파 분석 및 스트레스 분석 결과를 실시간으로 해당 맥파측정기로 전송할 수도 있다.
스트레스분석부(370)는 제2데이터베이스(600)에 저장된 생체정보분석부(303)의 생체정보를 수신하여 분석하고, 분석된 건강정보를 통해 피검자의 스트레스를 분석하도록 구성될 수 있다. 스트레스분석부(370)는 상기 생체정보에 포함된 피검자의 활동량을 기반으로 스트레스를 분석한다. 스트레스분석부(370)는 활동량이 너무 많을 경우 스트레스가 발생된 것으로 판단하고, 맥파분석부(350)의 상태 파리미터를 통해 분석된 스트레스 분석 결과에 이를 반영하여 스트레스의 정도, 즉 스트레스 강도를 분석한다. 스트레스분석부(370)는 분석된 스트레스 강도를 전술한 바와 동일하게 제1데이터베이스(400)에 저정하고, 서버(300)의 제어부(302)에 전송한다. 따라서, 제어부(302)는 전술한 바와 같이 스트레스분석결과를 근거로 스트레스 위험신호를 생성한다.
제1데이터베이스(400)는 피검자 인적정보, 건강상태 정보 영역으로 나뉘어져 있으며, 외부의 전문가단말기(500)에서 제1데이터베이스(400)에 접속하여 전문가 또는 피검자가 열람할 수 있고, 전문가가 측정 데이터를 재분석할 수도 있다. 또한, 서버(300)에서는 전문가단말기(500)의 요청에 따라 피검자별로 이전 스트레스 정보와 현재 스트레스 정보를 제1데이터베이스(400)로부터 추출하여 상호 비교한 후 증상 개선 여부에 대해 재분석하여 제공할 수 있다.
상기에서 피검자가 맥파신호(PPG) 측정(적어도 30초 이상 측정 필요) 중 움직일 경우 움직임에 따른 노이즈가 발생하게 된다. 이때 발생된 노이즈에 의하여 정확한 포락선을 획득하지 못하게 되어, 피검자의 움직임 변화량에 따라 노이즈가 포함된 맥파신호(PPG)에서 검출된 노이즈를 제거해야 한다. 여기서, 노이즈는 피검자의 움직임에 따라 맥파신호에 DC성분이 포함되게 되는데, 이때 신호처리부(310)는 포함된 DC값을 측정된 맥파신호에 보상해 주어 정확한 맥파신호를 획득하도록 한다.
그리고, 상기 호흡 신호의 경우 호흡과 혈류변화의 연관성에 기인하여 맥파신호(PPG)를 통해 추출하는데, 이는 기본적으로 호흡신호와 시박신호의 주파수 특성의 차이로 구분한다. 즉, 주파수계열분석을 통해 맥파신호(PPG)의 주파수 성분을 분석하여 호흡신호를 산출한다.
한편, 스트레스분석부(370)에 저장된 기준값은 남녀노소에 따라 달라지며, 남녀노소에 따라 호흡, 산소포화도 및 혈관탄성도에 대한 최적의 기준값이 미리 설정되어 있으므로 피검자의 인적정보에 매칭되는 기준값을 측정데이터와 상호 비교하게 된다.
맥파분석부(350)는 도 4에 도시된 바와 같이, HRV데이터산출모듈(351), 복잡도산출모듈(352), 주파수영역분석모듈(353), 시간영역분석모듈(354), 정규화모듈(355), 정규화요소산출모듈(356) 및 스트레스분석부(370)을 포함하여 이루어진다.
HRV데이터산출모듈(351)은 신호처리부(310)로터 노이즈제거된 데이터로부터 심박변이도(Heart Rate Variability, HRV) 데이터를 산출한다. HRV데이터산출모듈(351)은 도시하지는 않았지만 피크간격추출 서브모듈과 전처리서브모듈과 리샘플링 서브모듈을 포함한다. 피크간격추출 서브모듈은 노이즈제거된 데이터로부터 심박변이도(HRV) 데이터 추출을 위한 세그멘트를 버퍼링하고 세그멘트 내의 피크치들을 검출하여 피크치 사이의 간격을 산출 저장하여 데이터를 확보한다.
구체적으로 노이즈제거된 신호로부터 일정구간의 최대 피크(peak)인 R 포인트를 검출하고, RR 간격을 구한다. RR간격에 의하여 심박수를 산출할 수 있다. 일반적으로 한 주기의 맥파신호에서 다수의 포인트(변곡점)를 구비하며, 그 중에 일정구간에서의 최대 피크점에 해당하는 포인트가 R포인트이므로, 여기서는 R 포인트를 검출한다. 그리고 R 포인트에서 다음 R 포인트까지의 간격을 구하는 데, RR 간격은 심박주기에 해당한다. RR 간격의 값으로부터 해당 시간의 심박수를 계산하여, 측정 시간 동안 저장한다. R포인트 검출은 노이즈제거된 데이터를 미분하여 그 미분 파형에서 변곡점을 찾으며, 이로부터 제1피크와 제2피크의 값과 시간위치를 검출한다. 여기서 제1피크는 제1의 R포인트에 해당하며 제2피크는 제2의 R포인트에 해당한다. 그러므로 RR간격인 제2의 R포인트에서 제1의 R포인트까지의 시간 간격, 즉 제2피크 시간위치에서 제1피크 시간위치까지의 시간 간격은 제2피크 시간위치에서 제1피크 시간위치를 감하여 RR간격을 구하여진다.
RR간격을 정상(normal) R포인트에서 정상(normal) R포인트까지의 간격으로서 NN간격이라고도 부르며, RR간격은 한번의 심박동에 대한 시간간격이라 할 수 있다. 심박간격, 즉 RR간격(NN간격)의 단위로는 통상 ms(mili sec.)를 사용한다.
또한, 전처리 서브모듈은 유실된 데이터를 내삽방식으로 처리하여 아티팩트를 제거한다. 그리고 리샘플링 서브모듈은 전처리 완료된 데이터를 시간에 따른 재배치를 통한 데이터 리샘플링을 수행하여 심박변이도 데이터를 산출한다. 리샘플링 서브모듈은 현 시점 이전의 전처리 데이터를 시계열에 따라 동기화시키기 위한 것으로서, 전처리 서브모듈에서 전처리된 데이터는 시간 개념이 없이 피크가 추출될 때마다 생성되는 데이터이므로, 이를 리샘플링을 통해 진행시간에 따라 HRV 데이터를 재배치하기 위한 것이다. 이때 리샘플링 서브모듈은 HRV의 평균심박수를 기준 주파수로 하여 실행하는 것이 바람직하다. 샘플링주파수에 60을 곱하면 1분동안의 데이터수이며, 이를 RR간격으로 나누면 분당 심박수가 된다.
다음의 복잡도산출모듈(352)은 심박변이의 변화정도를 측정하기 위해 표준편차를 구하는데 심박변이가 일정하게 오르락 내리락하게 되면 표준편차가 0이 되는 현상이 발생할 수 있게 되므로, 이를 개선하기 위하여 시계열적 분석을 통하여 HRV데이터산출모듈(351)에서 산출된 심박변이도(HRV) 데이터로부터 일차미분한 데이터의 표준편차(1차미분 표준편차) 및 이차미분한 데이터의 표준편차(2차미분 표준편차)를 구하고, HRV데이터의 1차미분 표준편차와 2차미분 표준편차로부터 심박간격변화(심박변이)의 다양성 정도를 나타내는 복잡도를 산출한다. 복잡도는 표준범위에서 높을 수록 건강함을 나타낸다.
1차 미분한 데이터의 표준편차는 정상적인 사람의 생체신호일 경우 8.5를 넘지 않고, 1차 미분한 데이터를 2차 미분하여 구한 데이터의 표준편차는 정상적인 사람의 생체신호의 경우 15를 넘지 않는다. 따라서 보다 바람직하게는, 다음의 식으로부터 복잡도를 산출한다.
복잡도 = [(1차미분 표준편차/8.5 + 2차미분 표준편차/15)/2] × 100.
다음으로, 주파수영역분석모듈(353)은 HRV데이터산출모듈(351)에서 산출된 심박변이도(HRV) 데이터로부터 주파수 분석을 통하여 교감신경활성치를 나타내는 LF활성도를 포함하는 주파수 영역의 파라미터를 산출한다. 바람직하게는, 주파수영역분석모듈(353)은 심박변이도 데이터로부터 고속 푸리에변환을 이용하여 주파수 영역을 분석한다.
또 바람직하게는, 주파수영역분석모듈(353)의 하나의 실시예는 LF활성도산출 서브모듈(미 도시) 및 HF활성도산출 서브모듈(미 도시)을 포함할 수 있다.
LF활성도산출 서브모듈은 0.04~0.15Hz의 저주파대역의 파워값을 추출하며 추출된 저주파 대역의 파워값에 대한 로그값으로 LF활성도를 산출하고, HF활성도산출 서브모듈은 0.15~0.4Hz의 고주파대역의 파워값을 추출하며 추출된 고주파 대역의 파워값에 대한 로그값으로 HF활성도를 산출한다. 산출된 LF활성도는 교감신경활성치를 반영하고, HF활성도는 부교감신경활성치를 반영한다. LF활성도는 표준범위에서 낮을수록 건강하고, 반면에 HF활성도는 표준범위에서 높을수록 건강함을 나타낸다.
LF활성도의 연령대별 평균값은 다음 [표 1]과 같다.
연령 하한(Ln) 상한(Ln)
21~30 6.24 8.30
31~40 6.08 8.14
41~50 5.93 7.99
51~60 5.77 7.89
HF활성도의 연령대별 평균값은 다음 [표 2]과 같다.
연령 하한(Ln) 상한(Ln)
21~30 4.56 7.79
31~40 4.19 7.42
41~50 3.82 7.05
51~60 3.45 6.68
저주파대역과 고주파대역 사이에 0.15Hz 주파수를 경계로 하는 것은 당해 기술분야에서 주지된 것으로 그것에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 또한 저주파대역과 고주파대역의 각각의 범위에 대해서도 당해 기술분야에서 이미 알려진 범위이다. 또한 HF활성도에 대한 LF활성도의 비율로 자율신경의 균형도를 알 수 도 있다.
다음으로, 시간영역분석모듈(354)은 심박변이도(HRV) 데이터로부터 시계열적 분석을 통하여 측정 평균심박수 및 측정심박간격 표준편차(Standard Deviation of Normal R-Normal R intervals, SDNN)를 포함하는 시간 영역의 파라미터를 산출한다. 측정심박수 표준편차 등도 산출할 수 있다. 측정 평균심박수, 측정심박수 표준편차 및 측정심박간격 표준편차의 단위는 심박변이와 마찬가지로 ms(mili sec.)를 사용한다.
또한, 시간영역분석모듈(354)은 비록 도시하지는 않았지만, 평균심박수산출 서브모듈과 심박분포도산출 서브모듈과 측정심박간격 표준편차산출 서브모듈과 RMSSD산출 서브모듈과 pNN50산출 서브모듈을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 심박변이도 데이터로부터 심박변이의 평균을 산출하는 측정심박수표준편차산출 서브모듈을 포함하여 구성될 수도 있다.
구체적으로, 평균심박수산출 서브모듈은 심박변이도 데이터로부터 평균 심박수(HR)를 산출하고, 심박분포도산출 서브모듈은 심박변이도 데이터로부터 심박수별 히스토그램을 나타내는 확율분포에서 높이에 대한 폭의 비율로 나타내어지는 심박분포도(HRV-index)를 산출하고, 측정심박간격 표준편차산출 서브모듈은 심박변이도 데이터로부터 측정구간의 모든 측정심박간격 표준편차(SDNN)를 산출하고, RMSSD산출 서브모듈은 심박변이도 데이터로부터 인접한 심박간격의 차이를 제곱한 평균의 제곱근(root mean square of successive differences in the Normal R-Normal R intervals, RMSSD)을 산출하고, pNN50산출 서브모듈은 심박변이도 데이터로부터 심박간격이 50ms이상인 것들의 비율(pNN50)을 산출한다. 심박분포도(HRV-index)는 다음에서 설명되는 정규화 심박편향분포도와 정규화하는 등에 있어서 차이를 가지고 있다.
심박분포도는 확률분포에서 폭이 넓어야 하므로 표준범위에서 높을수록 건강함을 나타내고, 스트레스 및 피로상태에서 낮게 나타난다. SDNN은 외부환경변화에 대한 자율신경의 적응능력과의 관계를 나타내고, 표준범위에서 높을수록 건강하다. RMSSD는 표준범위에서 높을수록 건강함을 나타내고, 분노, 근심, 공포상태에서 낮게 나타난다. pNN50은 심장박도의 다양성을 나타내는데, 표준범위에서 낮을수록 건강함을 나타낸다.
다음으로, 정규화모듈(355)은 바람직하게, 평균값을 50으로 두고 백분위로 정규화시킨다. 더 바람직하게는, 다음의 식 1에 의해 정규화 LF활성도, 정규화 심박편향분포도 및 정규화 표준편차를 산출한다. 여기에서 측정 표준편차는 측정된 심박간격 표준편차를 의미한다.
[식 1]
Figure pat00001
여기에서 LF활성도는 LF활성도산출 서브모듈에 의해 산출되는 로그스케일이고, 표본 LF활성도 평균은 성별 및 연령별에 따른 표본에서의 표본 전체의 LF활성도의 평균값을 의미하고, 표본 LF활성도 표준편차는 성별 및 연령별에 따른 표본 전체의 LF활성도의 표준편차를 의미한다. 표본의 의미는 전체 표본일 수 있고, 또는 전체 표본에서의 성별 및 연령별에 따른 서브표본일 수 있다. 바람직하게는 표본 LF활성도 평균과 표본 LF활성도 표준편차는 정규화요소로서 정규화요소산출모듈(356)에서 산출된다. 바람직하게는, 하나의 실시예에 따른 표본은 전체 표본이고, 표본 LF활성도 평균은 5.83이고, 표본 LF활성도 표준편차는 0.57일 수 있다.
정규화 심박편향분포도는 심박수별로 히스토그램을 그린 확율분포에서 높이에 대한 비율값을 정규화한 것을 말한다. 여기에서, 연령별 평균심박수는 성별 및 연령별에 따른 평균심박수를 의미하고 정규화요소로서 정규화요소산출모듈(356)에서 산출되며, 측정 평균심박수는 측정된 심박변이(HRV) 데이터로부터 얻어진 평균심박수를 의미하고, 측정 표준편차는 측정된 심박변이(심박간격)의 표준편차를 의미한다. 그리고, 심박수최빈값은 심박변이 데이터로부터 얻어진 심박수의 최고 빈도를 나타내는 심박수 값을 의미한다. 바람직하게는, 분자의 심박수최빈값은 성별 및 연령별에 따른 심박수 최빈값을, 분모의 심박수최빈값은 측정된 심박수 최빈값을 의미한다. 정규화 심박편향분포도를 산출하는데 있어서, 분자에서
Figure pat00002
, 분모에서
Figure pat00003
는 심박편향분포도를 50을 기준으로 정규화 배치되도록 설정된 식이다.
그리고, 정규화 표준편차의 정규화란 의미는 측정한 피검자의 표준편차(SDNN)이 그동안 검사했던 사람들의 평균값과 비교하여 높은지 낮은지 비교하기 위한 것으로, 바람직하게는 규준집단의 평균을 50을 중심으로 하여 40~60사이에 맞추어 백분위로 알아보기 쉽게 하였다. 정규화 표준편차를 구하는데 있어서, 측정심박간격 표준편차는 측정된 심박변이의 표준편차를 의미하고, 연령별 심박변이 표준편차의 표준편차는 성별 및 연령별로 해당 영역의 각 표본별 심박변이 표준편차와 표본의 평균 심박변이 표준편차와의 데이터 사이의 표준편차를 의미한다.
바람직하게는 정규화 표준편차를 산출하는데 있어서, 측정 표준편차, 연령별 평균표준편차, 연령별 심박변이 표준편차의 표준편차는 bpm단위로 변경시켜 산출할 수 있다.
한편, 정규화요소산출모듈(356)은 입력수단(100)을 통하여 입력된 피검자의 연령 및 성별정보를 토대로 정규화 요소를 산출한다.
바람직하게는, 정규화요소로서 성별 및 연령별 평균심박수 및 심박변이 평균표준편차를 산출한다. 하나의 바람직한 실시예로, “남자의 평균심박수 = 78.2 - 0.062 × 실제나이”로 산출하고, “여자의 평균심박수 = 86.4 - 0.16 × 실제나이”로 산출한다. 평균심박수의 단위는 분당맥박수(bpm; beat per minute)를 사용한다. 여기에서 78.2와 86.4는 각각 성별 전체의 평균심박수 상수를 나타내고, 0.062와 0.16은 남자와 여자 각각의 나이에 따른 편차상수로 각 성별로 실제나이를 곱하여 평균심박수로부터 편차를 구할 수 있다. 성별 및 연령별 평균심박수는 정규화 심박편향분포도를 산출하는데 사용된다. 또한, 심박변이 평균표준편차와 관련하여, 하나의 바람직한 실시예로, “남자의 심박변이 평균표준편차 = 96.5 - 0.73 × 실제나이”로 산출하고, “여자의 심박변이 평균표준편차 = 73.2 - 0.41 × 실제나이”로 산출한다. 심박변이 평균표준편차의 단위는 심박변이와 마찬가지로 ms(mili sec.)를 사용한다. 여기에서 96.5와 73.2는 각각 성별 전체의 심박변이 평균표준편차 상수를 나타내고, 0.73과 0.41은 각 성별의 나이에 따른 편차상수를 나타낸다. 심박변이 평균표준편차는 정규화 표준편차 및 스트레스 내성도를 산출하는데 사용된다.
본 발명에서, 하나의 실시예에 따른 정규화요소로서 성별 및 연령별 평균심박수 및 심박변이 평균표준편차의 산출에서 수치는 임상 표본데이터로부터 얻어지는 수치이고, 본 발명의 범위는 당해분야에서 적절한 임상표본의 설정에 따라 어느 정도의 변경이 가능한 범위를 포함한다고 할 것이다.
또한 바람직하게는 정규화요소로서 임상 표본데이터로부터 표본의 LF활성도 평균과 표본 LF활성도 표준편차를 포함하여 산출한다.
마지막으로, 스트레스분석부(370)는 물리적스트레스지수와 심리적스트레스지수에 대한 가중평균으로부터 스트레스지수를 산출한다. 바람직하게는 “스트레스지수 = (물리적 스트레스지수(pStress)×0.5) + (심리적 스트레스지수(sStress)×0.5)”로부터 산출된다. 물리적 스트레스지수는 정규화모듈(355)에서 산출된 정규화 LF활성도와 정규화 심박편향분포도의 곱의 제곱근으로부터 산출된다.
즉,
Figure pat00004
이다.
심리적 스트레스지수는 스트레스 내성도와 복잡도산출모듈(352)에서 얻어진 복잡도의 평균으로부터 산출하고, 바람직하게는 산술평균에 의해 산출한다. 스트레스 내성도는 정규화모듈(355)에서 산출된 심박변이의 정규화 표준편차와 복잡도산출모듈(352)에서 얻어진 복잡도의 곱의 제곱근에서 산출된다.
즉,
Figure pat00005
이다.
그리고, 스트레스분석부(370)는 앞서 산출된 스트레스지수를 토대로 스트레스 진행상태를 분석한다. 스트레스진행상태는 정상, 초기, 진행, 만성 상태로 나누어 분석될 수 있고, 또한 바람직한 하나의 실시예로, 산출된 스트레스지수가 25이하이면 스트레스가 거의 없는 상태를 나타내고, 25~35이면 일시적인 스트레스상태를 나타내고, 35~45이면 초기 스트레스상태를 나타내고, 45~60이면 일시적인 스트레스가 반복적으로 쌓이면서 인체의 스트레스내성이 약해지기 시작하는 상태를 나타내고, 60이상이면 만성스트레스로 진행하는 상태를 나타낸다.
이상과 같은 본 발명의 실시예는 맥파측정기(100)를 통해 스트레스의 정도를 측정하여 제공할 수 있으며, 휴대용 스마트기기(500)에서 측정된 생체정보를 활용하여 좀더 정확한 스트레스 정도를 제공할 수 있다.
이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.
100 : 맥파측정기 110 : 터치스크린
130 : 측정센서 150 : 제어부
170 : 통신부 200 : 유무선 네트워크
300 : 서버 301 : 통신부
310 : 신호처리부 330 : 전처리부
350 : 맥파분석부 351 : HRV데이터산출모듈
352 : 복잡도산출모듈 353 : 주파수영역분석모듈
354 : 시간영역분석모듈 355 : 정규화모듈
356 : 정규화요소산출모듈 370 : 스트레스분석부
400 : 데이터베이스 500 : 전문가단말기

Claims (4)

  1. 유무선 네트워크를 통해 연결가능한 상태로 피검자의 스테레스 분석 및 관리 시스템에 있어서,
    상기 피검자의 건강정보를 저장하는 제1데이터베이스;
    상기 피검자의 생체정보를 저장하는 제2데이터베이스;
    상기 피검자의 손가락에 미세혈관의 혈액 양에 따라 흡수 또는 반사되는 맥파신호를 측정하여 신호처리한 후 측정된 맥파데이터를 미리 입력된 피검자 정보와 함께 유무선 네트워크를 통해 전송하는 적어도 하나 이상의 맥파측정기;
    상기 피검자의 생체정보를 획득하여 유무선 네트워크를 통해 전송하는 적어도 하나 이상의 휴대용 스마트기기; 및
    상기 맥파측정기로부터 획득된 건강정보를 생성하여 상기 제1데이터베이스에 저장하고 상기 휴대용 단말기로부터 획득된 생체정보를 분석하여 상기 제2데이터베이스에 저장한후, 상기 건강정보와 생체정보를 분석하여 스트레스 위험신호를 생성하여 상기 휴대용 단말기로 전송하는 서버를 포함하는 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 휴대용 스마트기기는 ,
    디스플레이부;
    상기 서버와 유무선 네트워크를 통해 데이터 송수신가능하도록 하는 통신부;
    휴대용 스마트기기를 소지하고 있는 피검자의 이동량을 계산하여 활동량을 측정하기 위한 활동량측정부;
    상기 피검자의 심박수를 측정하기 위한 심박수측정부; 및
    상기 측정된 활동량과 심박수를 통해 생체정보를 생성하여 상기 통신부를 통해 상기 서버로 전송하고 수신된 스트레스 위험신호를 상기 디스플레이부로 출력하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 서버는
    상기 유무선 네트워크와 통신가능한 통신부;
    상기 휴대용 스마트기기로부터 수신한 생체정보를 분석하기 위한 생체정보분석부; 및
    상기 제1데이터베이스에 저장된 피검자의 건강정보와 상기 제2데이터베이스에 저장된 셍체정보를 입력받아, 스트레스 위험신호가 생성된 경우, 상기 통신부를 통해 상기 휴대용 스마트기기로 스트레스 위험신호를 전송하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 서버는
    상기 적어도 하나 이상의 맥파측정기로부터 전송된 맥파데이터를 증폭 및 필터링하고, 상기 필터링된 데이터를 처리하여 얻어지는 심박변이도(HRV) 데이터로부터 주파수 분석을 통하여 교감신경활성치를 나타내는 LF활성도를 포함하는 주파수 영역의 파라미터를 구하며, 그리고 시계열적 분석을 통하여 심박변이 다양성 정도를 나타내는 복잡도와 측정 평균심박수 및 측정심박간격 표준편차를 포함하는 시간 영역의 파라미터를 구하고, 정규화 요소와 측정심박간격 표준편차를 이용한 정규화 표준편차 그리고 정규화 요소와 측정 평균심박수 및 측정심박간격 표준편차를 이용한 정규화 심박편향분포도를 각각 산출하며, 상기 산출된 정규화 심박편향분포도 및 정규화 표준편차와 상기 복잡도 및 주파수영역 파라미터를 이용하여 스트레스 지수를 산출하고, 산출된 스트레스 지수를 토대로 스트레스 진행상태를 분석하여 피검자별로 저장하는 것을 특징으로 하는 맥파신호를 이용한 스트레스 분석 및 관리 시스템.
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