KR20200007503A

KR20200007503A - 생체정보 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20200007503A
Application number: KR1020180081690A
Authority: KR
Inventors: 최창목; 고병훈; 이종욱; 김연호; 김영수; 황정은
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2018-07-13
Publication date: 2020-01-22
Also published as: KR102605898B1; US20200015690A1; US11213216B2; US20220087556A1

Abstract

다파장 맥파 신호를 기초로 생체정보를 측정하는 장치가 개시된다. 일 실시예에 따르면, 생체정보 측정 장치는 피검체에 다파장 광을 조사하는 광원과 피검체로부터 반사된 광을 검출하는 디텍터를 포함하는 맥파 센서를 포함할 수 있다. 또한, 장치는 검출된 다파장 광량 및 각 파장의 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정하고, 측정된 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

생체정보 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING BIO-INFORMATION}

생체정보 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다파장 PPG 신호를 이용하여 비가압적으로 혈압을 측정하는 기술과 관련된다.

압박 커프를 사용하지 않고 심혈관계 특징을 비침습적으로 추출하는 일반적인 기술은 맥파분석(pulse wave analysis)법과 맥파속도(pulse wave velocity)법이 있다.

맥파분석법은 체말단 예컨대, 손가락 끝, 요골 동맥 등에서 광용적 맥파나 체표 압력 신호를 얻은 후 그 모양을 분석하여 심혈관계 특징을 추출하는 방법이다. 좌심실에서 박출된 혈액은 신동맥이나 하대동맥 등 큰 분지가 있는 지점에서 반사(refelection)를 일으키게 되고 이는 체말단에서 측정한 광용적 맥파 또는 체표 압력파 등의 모양에 영향을 주게 된다. 따라서 이러한 모양을 분석함으로써 동맥 경화도나 혈관 나이, 대동맥압 파형 등을 유추할 수 있다.

맥파속도법은 맥파의 전달 시간을 측정함으로써 동맥경화도, 혈압 등의 심혈관계 특징을 추출하는 방법으로 심전도와 체말단의 광용적 맥파를 측정하여 심전도의 R 피크(좌심실 수축 구간)와 광용적 맥파의 피크 사이의 지연(pulse transit time, PTT)를 측정하고, 측정 결과로 팔의 길이 근사치를 나누어 심장에서 출발한 혈액이 체말단에 도달하기까지 걸린 속도를 구하는 방식이다.

다파장의 광용적맥파 신호를 기초로 혈관의 압력 변화에 대한 혈관의 부피 변화를 측정하고, 혈관의 부피 변화를 기반으로 혈압과 같은 생체정보를 측정하는 생체정보 측정 장치 및 방법이 제시된다.

일 양상에 따르면, 생체정보 측정 장치는 피검체에 다파장 광을 조사하는 광원 및 피검체로부터 반사된 광을 검출하는 디텍터를 포함하는 맥파 센서 및 검출된 다파장 광량 및 각 파장의 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정하고, 측정된 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정하는 프로세서를 포함할 수 있다.

프로세서는 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이에 기초하여 혈관의 부피 변화를 측정할 수 있다.

프로세서는 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이를 시간에 대해 미분하고, 미분값에 기초하여 혈관의 부피 변화를 측정할 수 있다.

프로세서는 미분한 값과 시간 간의 그래프를 생성하고, 생성된 그래프를 이용하여 경벽압의 변화에 따라 혈관의 부피 변화가 발생한 시간 구간을 모니터링할 수 있다.

프로세서는 미분값에 기초하여 하나 이상의 피크를 검출하고, 검출된 피크를 이용하여 생체정보를 측정할 수 있다.

프로세서는 미분값이 제1 임계치보다 크고, 첨도(sharpness)가 제2 임계치보다 큰 지점을 피크로 검출할 수 있다.

프로세서는 제1 지점을 기준으로 좌우 제2 지점 및 제3 지점 사이에 형성된 각도의 코사인 값을 제1 지점에 대한 첨도로 계산할 수 있다.

프로세서는 검출된 하나 이상의 피크 및, 상기 피검체와 맥파 센서 간의 힘 정보를 기초로 하나 이상의 특징(feature)을 추출할 수 있다.

또한, 생체정보 측정 장치는 맥파 센서가 피검체로부터 다파장의 광을 검출하는 동안, 피검체와 맥파 센서 간의 힘 정보를 획득하는 힘 센서를 더 포함할 수 있다.

프로세서는 생체정보 측정 요청에 따라, 맥파 센서에 가해야 할 힘의 세기에 관한 안내 정보를 제공할 수 있다.

프로세서는 하나 이상의 피크 중에서, 가장 작은 힘에 대응하는 지점의 힘값 또는 미분값을 제1 특징, 상기 미분값이 가장 큰 지점의 힘값 또는 미분값을 제2 특징 및 가장 큰 힘에 대응하는 지점의 힘값 또는 미분값을 제3 특징으로 추출할 수 있다.

프로세서는 추출된 하나 이상의 특징 및 미리 정의된 생체정보 측정식을 기초로 생체정보를 측정할 수 있다.

이때, 생체정보는 혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 대동맥압 파형, 혈관 탄성도, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

또한, 생체정보 측정 장치는 생체정보 측정 결과를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.

일 양상에 따르면, 생체정보 측정 방법은 피검체에 다파장 광을 조사하는 단계, 피검체로부터 반사된 광을 검출하는 단계, 검출된 다파장 광량 및 각 파장의 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정하는 단계 및 측정된 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

혈관의 부피 변화를 측정하는 단계는 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이에 기초하여 상기 혈관의 부피 변화를 측정할 수 있다.

혈관의 부피 변화를 측정하는 단계는 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이를 시간에 대해 미분하고, 미분값에 기초하여 혈관의 부피 변화를 측정할 수 있다.

생체정보를 측정하는 단계는 미분값에 기초하여 하나 이상의 피크를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

생체정보를 측정하는 단계는 검출된 하나 이상의 피크 및, 피검체와 맥파 센서 간의 힘 정보를 기초로 하나 이상의 특징(feature)을 추출하는 단계를 더 포함할 수 있다.

생체정보를 측정하는 단계는 추출된 하나 이상의 특징 및 미리 정의된 생체정보 추정식을 기초로 생체정보를 측정할 수 있다.

다파장의 광용적맥파 신호를 기초로 혈관의 압력 변화에 대한 혈관의 부피 변화를 측정하고, 그 부피 변화를 이용함으로써 생체정보 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

도 1 내지 도 3은 실시예들에 따른 생체정보 측정 장치의 블록도이다.
도 4a 및 도 4b는 사용자에게 정보를 제공하는 실시예들이다.
도 5a 내지 도 5k는 생체정보 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 방법의 흐름도이다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다. 기재된 기술의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

이하, 생체정보 측정 장치 및 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3은 실시예들에 따른 생체정보 측정 장치의 블록도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 다양한 실시예들에 따른 생체정보 측정 장치(100,200,300)를 설명한다. 이하에서 설명하는 생체정보 측정 장치의 다양한 실시예들은 휴대용 웨어러블 기기나 스마트 기기 등의 기기에 탑재될 수 있다. 예를 들어, 기기는 손목에 착용하는 스마트 워치, 스마트 밴드형, 헤드폰형, 헤어밴드 형 등의 다양한 형태로 제작되는 웨어러블 기기나, 스마트폰, 태블릿 PC등와 같은 모바일 기기를 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 생체정보 측정 장치(100)는 맥파 센서(110) 및 프로세서(120)를 포함한다.

맥파 센서(100)는 피검체로부터 광용적 맥파(photoplethysmography, PPG) 신호(이하, '맥파 신호'라 함)를 측정한다. 맥파 센서(100)는 피검체에 다파장 광을 조사하는 광원(111)과, 광원(111)에 의해 조사된 다파장 광이 피검체의 피부 표면이나 혈관 등의 생체조직에서 산란 또는 반사되어 나오는 다파장 광을 검출하는 디텍터(112)를 포함할 수 있다. 광원(111)은 발광 다이오드(light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(laser diode, LD) 또는 형광체 등으로 형성될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 광원(111)은 하나 또는 둘 이상의 어레이로 형성될 수 있다. 광원(111)은 서로 다른 복수의 파장의 광을 조사할 수 있다. 디텍터(112)는 포토다이오드(photo diode), 포토트랜지스터(photo transistor, PTr) 또는 이미지 센서(예: CMOS 이미지 센서) 등으로 형성될 수 있으나 이에 제한되지 않는다. 복수의 광원(111)은 디텍터(112)로부터 서로 다른 거리상에 배치될 수 있다.

프로세서(120)는 맥파 센서(110)에 의해 검출된 다파장 광량을 기초로 생체정보를 측정할 수 있다. 이때, 생체정보는 혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 대동맥압 파형, 혈관 탄성도, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.

예를 들어, 프로세서(120)는 검출된 다파장 광량 및 각 파장에 대한 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정하고, 측정된 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정할 수 있다. 예컨대, 프로세서(120)는 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장(예: 장파장)의 흡수계수의 비율을 곱한 값과, 제2 파장의 광량 간의 차이를 시간에 대하여 미분하고, 미분값에 기초하여 혈관의 부피 변화를 모니터링할 수 있다. 프로세서(120)는 미분한 값과 시간 간의 그래프를 생성하고, 생성된 그래프를 이용하여 경벽압의 변화에 따라 혈관의 부피 변화가 발생한 시간 구간을 모니터링할 수 있다. 이때, 제1 파장은 다파장 광 신호 중 제2 파장에 비해 상대적으로 단파장이고, 제2 파장은 제1 파장에 비하여 상대적으로 장파장일 수 있다.

한편, 프로세서(120)는 혈관 내부의 부피 변화가 급속하게 발생하는 부분으로부터 피크를 검출하고, 검출된 피크를 이용하여 생체정보를 측정할 수 있다. 이때, 전술한 미분값이 제1 임계치보다 크고 첨도(sharpness)가 제2 임계치보다 큰 지점을 피크로 검출할 수 있다. 예컨대, 프로세서(120)는 미분값이 제1 임계치보다 큰 제1 지점을 기준으로 좌우 제2 지점 및 제3 지점 사이에 형성된 각도의 코사인 값을 제1 지점에 대한 첨도로 계산할 수 있다. 제1 임계치 및 제2 임계치는 미리 정의될 수 있다.

프로세서(120)는 검출된 하나 이상의 피크를 기초로 하나 이상의 특징(feature)을 추출하고, 추출된 하나 이상의 특징을 미리 정의된 생체정보 측정식에 입력하여 생체정보를 측정할 수 있다.

도 2를 참조하면, 생체정보 측정 장치(200)는 맥파 센서(110), 프로세서(120) 외에 힘 센서(210)를 더 포함할 수 있다.

힘 센서(210)는 생체정보 측정 장치(200)의 본체 내부에 실장되며, 맥파 센서(110)가 피검체와 접촉하는 면의 반대면에 장착될 수 있다. 힘 센서(210)는 프로세서(120)의 제어에 따라 맥파 센서(110)가 맥파 신호를 측정하는 동안 피검체가 맥파 센서에 가하는 힘 정보를 측정할 수 있다.

프로세서(120)는 검출된 다파장 광량 및 각 파장에 대한 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정하고, 측정된 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정할 수 있다. 예컨대, 프로세서(120)는 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과, 제2 파장의 광량 간의 차이를 시간에 대하여 미분하고, 그 미분값에 기초하여 피크를 검출할 수 있다.

또한, 프로세서(120)는 검출된 하나 이상의 피크와 힘 센서(210)에 의해 측정된 힘 정보를 기초로 하나 이상의 특징(feature)을 추출할 수 있다. 프로세서(120)는 추출된 하나 이상의 피크와 미리 정의된 생체정보 측정식을 이용하여 생체정보를 측정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 검출된 피크들 중에서, 가장 작은 힘에 대응하는 지점의 힘값 또는 미분값을 제1 특징, 미분값이 가장 큰 지점의 힘값 또는 미분값을 제2 특징 및, 가장 큰 힘에 대응하는 지점의 힘값 또는 미분값을 제3 특징으로 추출할 수 있다.

도 3을 참조하면, 맥파 센서(110), 프로세서(120) 외에 출력부(310), 저장부(320) 및 통신부(330)를 더 포함할 수 있다. 한편, 도 2의 생체정보 측정 장치(200)에 도시된 힘 센서(210)를 더 포함하는 것도 가능하다.

출력부(310)는 생체정보 측정 요청이 수신되면, 프로세서(110)의 제어에 따라 피검체가 맥파 센서(110)에 가해야 할 힘의 세기에 관한 안내 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 4a는 스마트 폰 형태의 생체정보 측정 장치(300)에서 사용자에게 안내 정보를 제공하는 실시예이다. 출력부(310)는 디스플레이(41)에 안내 정보를 제공하기 위한 영역(42)을 출력하고, 그 영역(42)에 안내 정보를 시각적으로 출력할 수 있다. 예컨대, 출력부(310)는 생체정보 측정 요청이 수신되면, 먼저 사용자에게 피검체가 맥파 센서(110)에 가해야 할 힘의 세기에 관한 시각적인 표시(43)를 출력할 수 있다. 또한, 사용자가 안내 정보에 따라 피검체를 맥파 센서(110)에 접촉하고 힘을 가하면, 맥파 센서(110)가 맥파 신호를 측정하는 동안 피검체가 맥파 센서(110)에 실제로 가하고 있는 힘의 세기 표시(44)를 시각적으로 출력할 수 있다. 다만, 예시된 바에 제한되는 것은 아니다.

또한, 출력부(310)는 맥파 센서(110)에 의해 측정된 맥파 신호 및/또는 프로세서(120)의 처리 결과를 출력할 수 있다. 예를 들어, 도 4b는 스마트 폰 형태의 생체정보 측정 장치(300)에서 사용자에게 혈압 측정 결과를 제공하는 실시예이다. 출력부(310)는 프로세서(120)에서 혈압 측정이 완료되면, 디스플레이(41)에 혈압 결과 제공 영역(45)을 출력하고, 그 영역(45)에 혈압 측정값을 시각적으로 출력할 수 있다. 또한, 출력부(310)는 프로세서(120)에 의해 혈압 측정 결과가 정상 범위를 벗어난 것으로 판단하면, 혈압 측정값과 함께 경고 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 정상적인 상태와는 시각적으로 차별화될 수 있도록 출력할 수 있으며, 그 밖의 스피커 모듈이나, 햅틱 모듈 등을 통해 음성, 진동, 촉감 등의 비시각적인 방법으로 경고 정보를 출력할 수 있다.

저장부(320)는 프로세서(120)의 제어에 따라, 맥파 신호, 힘 정보 및/또는 생체정보 측정 결과를 저장할 수 있다. 또한, 저장부(320)는 프로세서(120)에 의해 참조되는 각종 기준 정보들을 저장할 수 있다. 이때, 기준 정보는 생체정보 측정식, 생체정보 측정식의 캘리브레이션을 위한 커프 혈압, 피크를 검출하기 위한 임계치 등의 정보를 포함할 수 있다. 또한, 기준 정보는 사용자 연령, 성별, 건강 상태와 같은 사용자 특성 정보를 포함할 수 있다.

이때, 저장부(320)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어, SD 또는 XD 메모리 등), 램(Random Access Memory: RAM) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(Read-Only Memory: ROM), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.

통신부(330)는 외부 기기(350)와 통신 기술을 통해 연결하고 각종 정보를 송수신할 수 있다. 외부 기기(350)로부터 수신된 정보는 저장부(320)에 저장할 수 있다. 이때, 외부 기기(350)는 스마트폰, 태블릿 PC, 노트북 PC, 데스크탑 PC, 커프형 혈압 측정 장치 등을 포함하나 이에 제한되는 것은 아니다. 이때, 통신 기술은 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wideband) 통신, Ant+ 통신 WIFI 통신 및 이동통신 방식을 포함할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 통신부(330)는 프로세서(120)에 의해 생체정보가 측정되면 상대적으로 컴퓨팅 성능이 우수한 외부 기기(350)에 생체정보 측정 결과를 전송할 수 있다. 이때, 외부 기기(350)는 출력 모듈을 통해 사용자에게 생체정보 측정 결과를출력하거나 다양한 생체정보 이력 관리를 할 수 있다. 통신부(330)는 커프형 혈압 측정 장치로부터 커프 혈압을 수신할 수 있으며, 그 밖의 외부 기기(350)로부터 기준 정보를 수신할 수 있다.

도 5a 내지 도 5k는 생체정보 측정을 설명하기 위한 도면이다. 도 5a 내지 도 5k를 참조하여, 생체정보 측정 장치(100,200,300)의 프로세서(120)가 생체정보 특히 혈압을 측정하는 실시예를 설명하기로 한다.

도 5a 및 도 5b는 손가락(50)으로 맥파 센서(55)를 눌렀을 때의 상태를 도시하고 있다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 손가락(50)으로 맥파 센서(55)를 약하게 누르면 손가락(50) 피부 표면(OS)에서 먼저 스트레스가 걸린다. 그 다음, 도 5b에 도시된 바와 같이 점차적으로 맥파 센서(55)를 누르는 힘의 세기를 증가시키면 손가락(50) 내부의 스트레스가 손가락 뼈(51) 밑의 조직(OI)까지 전달된다. 일반적으로 손가락 피부 표면에는 모세혈관(capillary)이 있고, 보다 깊은 곳에 세동맥(arteriole)이 있으며, 더욱 깊은 곳에 동맥(artery)가 존재한다. 따라서, 손가락(50)으로 맥파 센서(55)를 누르는 강도를 점진적으로 증가시키면 모세혈관, 세동맥 및 동맥 순으로 스트레스가 걸리게 된다.

도 5c는 시간에 따라 맥파 센서에 가하는 피검체의 힘을 증가시킨 그래프를 도시한 것이다. 도 5d는 도 5c에 도시된 바와 같이 손가락으로 맥파 센서를 누르는 강도를 증가시켰을 때, 맥파 센서에서 파장별로 획득한 신호를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이 상대적으로 단파장인 녹색(Green) 파장의 경우 피부의 얕은 곳을 투과하기 때문에 손가락의 힘이 약한 부분(SO)에서 맥파 신호가 상대적으로 강하게 검출된다. 또한, 손가락이 맥파 센서를 누르는 힘이 점차 커지게 되면, 그 부분(LO)에서는 녹색 파장의 맥파가 멈추고 장파장인 적외(IR) 파장의 신호가 상대적으로 강하게 검출된다.

다시 말해, 도 5c 및 도 5d를 참조하면, 손가락으로 맥파 센서를 누르는 힘이 0N에서 8N까지 증가될 때 손가락 내부에 발생하는 현상은 다음과 같다. 먼저, 손가락 피부 표면에 스트레스가 증가하면서 모세혈관의 외부 압력이 점차 증가함에 따라 모세혈관이 닫히게 되어 모세혈관으로의 혈액의 흐름이 줄어 든다. 녹색 파장의 펄스는 힘의 세기가 점차 증가하는 40초 이후에는 점차 감소하게 된다. 그 다음, 약 40초 근처에서 맥파 센서를 누르는 힘이 점차 증가하면 모세혈관이 닫혀 세동맥으로의 반사파가 증가할 뿐만 아니라 세동맥 부위의 스트레스가 증가되면서 세동맥의 외부 압력이 커지게 된다. 이로 인해 세동맥의 외부 압력이 세동맥의 내부압력과 가까워지게 되어 경벽압(transmural pressure)이 0에 근접하게 된다. 즉, 적외 파장의 맥파가 커지게 된다. 그 다음, 약 50초 근처에서 맥파 센서를 누르는 힘이 더욱 증가하면, 세동맥 외부 압력이 내부압력 보다 커지게 된다. 이로 인해, 세동맥의 맥파가 점차 감소하여 적외 파장의 맥파가 감소한다.

이와 같이 대동맥에서 말초혈관으로 갈수록 압력의 감소와 함께 혈관 압력의 오실레이션도 감소한다. 따라서, 혈관을 정확히 측정하기 위해서는 모세혈관보다 소동맥 또는 동맥 즉, 가능한 대동맥에 가까운 곳의 혈관에서 맥파 신호를 측정해야 보다 정확한 생체정보 측정이 가능하다.

도 5e를 참조하면, 제1 파장(λ₁)이 제2 파장(λ₂)에 비해 단파장이라고 가정하면, ℓ₁ 은 제1 파장에서의 광의 유효경로(effective pathway)의 물리적 길이이며, ℓ(λ₂)는 제2 파장의 광의 유효경로의 물리적 길이라고 할 때, 아래의 수학식 1과 같이 표현할 수 있다. 이때, ℓ₂는 ℓ₁ 보다 긴 임의의 물리적인 길이의 경로를 의미할 수 있다.

프로세서(120)는 Beer-Lambert 법칙을 적용하여 아래의 수학식 2와 같은 식을 도출할 수 있다. 여기서, I는 투과광(transmitted light)을 의미하고, I₀는 입사광(incident light)을 의미하며,

는 제1 파장의 검출된 빛의 양,

는 제2 파장의 검출된 빛의 양을 의미한다. 또한, ε는 흡수계수(absorbance coefficient)로서, ε₁은 제1 파장의 흡수계수, ε₂는 제2 파장의 흡수 계수를 의미한다.

한편, 혈압을 측정하는데 있어 관심 사항은 박동 요소(pulsatile component)이기 때문에, 박동이 발생했을 때 동맥, 세동맥, 모세혈관에서 변하는 유효 흡수 물질(effective absorbance material)의 절대적인 양 c, c₁ 및 c₂는 같다고 가정한다. 즉, 이론적으로 혈관에서 나가는 피의 양과 새로 유입되는 피의 양은 같기 때문에 단일 동맥에서의 양은 다를지라도 전체적인 양은 비슷하다고 할 수 있다. 이러한 가정 하에, 프로세서(120)는 위의 수학식 2로부터 아래의 수학식 3을 도출할 수 있다.

박동이 발생할 때의 ε₁,ε₂ 및 ℓ₁은 상수이므로, 위 수학식 3을 이용하면 유효 흡수 물질의 양(c)이 박동에 따라 달라진다고 할 때, 피부 표면에서 반사된 제1 파장의 빛의 양, 보다 깊은 피부 속에서 반사된 제2 파장의 빛의 양, 및 두 파장의 흡수계수의 비율 3개의 값을 이용해 피부 표면이 아닌 보다 깊숙한 혈관의 박동을 관찰할 수 있다.

도 5f는 손가락으로 맥파 센서를 누를 때 혈관의 압력 변화를 설명하기 위한 도면이다. 도 5f를 참조하면, 손가락으로 맥파 센서를 점진적으로 강하게 누르게 되면 그 힘은 혈관(53)에 전달이 된다. 힘을 증가시킴에 따라 혈관에 작용하는 외부 압력(P_ext)이 증가하게 되어 점차 내부 압력(P_int)과 같아지게 되고, 이로 인해 경벽압(P_trs)이 0이 된다. 이때, 유효 혈관(effective blood vessel)은 최대 혈관 팽창률을 갖게 된다.

편의상 수학식 3의

를 L(t)라고 하고 L(t)를 경벽압(P_trs)에 대해 미분하면, 혈관의 부피와 혈액의 농도 사이에는 상관 관계가 존재하므로 아래의 수학식 4와 같은 관계를 도출할 수 있다.

경벽압의 변화를 주기 위해 손가락의 힘을 점차 증가시키면, 힘과 경벽압은 비례하는 관계를 가지므로 아래와 수학식 5의 (1)과 같은 관계를 갖는다. 이를 시간에 대한 식으로 표현하면 (2)와 같은 관계를 도출할 수 있다. 이때, 힘을 시간에 따라 매우 일정한 속도로 증가시킨다고 가정할 때, 시간에 대한 힘의 미분은 일정한 상수(f)가 되므로 위 수학식 4를 통해 수학식 5의 (3)과 같은 관계를 도출할 수 있다.

다시 말해, 프로세서(120)는 맥파 센서(110)로부터 제1 파장의 광량 및 제2 파장의 광량이 검출되면, 제1 파장의 광량에 흡수계수의 비율을 곱하고, 그 곱한 결과와 제2 파장의 광량의 차이를 시간에 대해 미분하여, 혈관에 걸리는 경벽압의 변화에 따른 혈관 내부의 부피 변화를 측정할 수 있다. 이때, 흡수계수의 비율(

)은 박동에 따라 변하지 않는 일정한 상수이므로 임의의 상수값을 입력할 수 있다. 예를 들어, 사용자별 흡수계수의 비율값은 형광 실험을 통해 개인별로 결정된 최적의 파리미터 값으로 미리 설정될 수 있다. 결정된 최적의 파라미터 값은 저장부(320)에 저장되고, 프로세서(120)에 의해 참조될 수 있다.

도 5g는 위 수학식과 같이 도출한 L(t)의 그래프를 나타낸 것이고, 도 5h는 L(t)를 시간에 대해 미분한

를 나타낸 것이다. 한편, 수학식 5의 (3)에 따르면, 경벽압(P_trs)의 증가는 부피를 증가시키므로,

가 0보다 작은 값들은 무시할 수 있다. 즉, 박동이 발생할 때 내부 압력(P_int)이 증가하고, 이는 혈관 내부에서 외부로 향하기 때문이다.

도 5i는 이와 같이

가 0보다 큰 값들만을 도시한 그래프이다. 도 5i를 참조하면, 경벽압의 변화에 따라 혈관의 부피 변화가 극심해지는 부분이 35초 내지 45초 사이에서 발생함을 알 수 있다. 이와 같이 프로세서(120)는 L(t)를 시간에 대해 미분하여 경벽압의 변화에 따른 혈관의 부피 변화를 모니터링할 수 있다. 또한, 프로세서(120)는 이와 같이 L(t)를 시간에 대해 미분한 그래프로부터 피크를 검출할 수 있다. 도 5i는 35초에서 45초 사이의 원으로 표시한 지점을 피크로 검출한 것을 나타낸다.

프로세서(120)는 미분값 dL(t)가 소정의 조건들을 만족하는 지점을 피크로 검출할 수 있다. 예를 들어, 특정 지점의 미분값 dL(t)가 ① 소정 시간 구간에서 최대값이고, ②제1 임계치보다 크며, ③첨도(sharpness)가 제2 임계치보다 큰 경우 그 특정 지점을 피크로 결정할 수 있다. 이때, 조건 ①, ②, ③을 모두 만족하는 경우 피크로 결정하도록 미리 설정될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 조건 ② 및 ③ 중의 적어도 하나는 생략이 가능하며, 그 밖의 다양한 추가 조건들이 설정될 수 있다.

한편, 조건 ③ 의 첨도는 도 5j에 도시된 바와 같이 제1 지점(P1)을 기준으로 좌우 제2 지점(P2) 및 제3 지점(P3) 사이에 형성된 각도(θ)를 기초로 결정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(120)는 아래의 수학식 6과 같이 제1 지점(P1)의 각도(θ)에 대한 코사인 값을 산출하고, 산출된 코사인 값을 미리 정의된 제2 임계치와 비교할 수 있다.

프로세서(120)는 하나 이상의 피크가 검출되면, 검출된 하나 이상의 피크를 기초로 혈압 측정에 필요한 하나 이상의 특징을 추출할 수 있다. 예를 들어, 도 5k는 전술한 미분값과 힘에 대한 그래프로 도시한 것이다. 프로세서(120)는 맥파가 측정되는 시간 동안 각 시간에 대하여 산출한 미분값과 이에 상응하는 힘 정보를 기초로 도시된 바와 같이 그래프를 생성하고, 생성된 그래프에서 하나 이상의 특징을 추출할 수 있다.

예를 들어, 프로세서(120)는 검출된 피크들 중에서 가장 작은 힘에 대응하는 지점(f1)의 힘값 또는 미분값을 제1 특징으로 추출할 수 있다. 또한, 미분값이 가장 큰 지점(f2)에 대응하는 힘값 또는 미분값을 제2 특징으로 추출할 수 있다. 또한, 가장 큰 힘에 대응하는 지점(f3)의 힘값 또는 미분값을 제3 특징으로 추출할 수 있다. 다만, 이는 예시에 불과하므로 다른 기준에 따라 특징을 추출하는 것이 가능하다.

프로세서(120)는 하나 이상의 특징(f1,f2,f3)이 추출되면, 아래의 수학식 7과 같이 미리 정의된 측정식에 대입하여 혈압을 측정할 수 있다. 이때, 평균 혈압(MBP), 수축기 혈압(SBP) 및 이완기 혈압(DBP의 각 측정식은 다르게 정의될 수 있다. 또한, 측정식은 선형 함수식, 회귀식(regression), 인공 신경망(artificial neural network) 및 인공 지능(artificial intelligence) 등의 다양하게 정의될 수 있다.

이와 같이, 개시된 실시예들에 따르면 맥파 센서(110)에 의해 검출된 다파장의 맥파 신호를 통해 피검체 속의 특정한 깊이의 맥동 신호를 추출할 수 있으며, 이를 이용하여 혈압과 같은 생체정보를 측정할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 생체정보 측정 방법의 흐름도이다.

도 6은 도 1 내지 도 3의 실시예 따른 생체정보 측정 장치(100,200,300)에 의해 수행되는 생체정보 측정 방법의 일 실시예이다.

도 6을 참조하면, 먼저, 생체정보 측정 장치는 생체정보 측정 요청을 수신할 수 있다(610). 생체정보 측정 요청은 사용자로부터 입력될 수 있다. 또는, 생체정보 측정 주기에 관한 정보가 미리 설정되는 경우 해당 주기에 생체정보 측정 요청이 자동 발생할 수 있다.

그 다음, 피검체에 다파장의 광을 조사하고(620), 피검체로부터 반사/산란된 다파장의 광을 검출할 수 있다(630). 맥파 센서는 하나의 광원을 포함할 수 있으며, 그 광원의 파장 조절을 통해 순차적으로 서로 다른 파장의 광을 조사할 수 있다. 또는 복수의 광원을 포함할 수 있으며, 각 광원이 서로 다른 파장의 광을 조사할 수 있다. 맥파 센서는 하나 이상의 디텍터를 포함하며, 광원에 의해 순차적으로 조사되는 서로 다른 파장의 광을 검출할 수 있다. 또는 맥파 센서가 복수의 광원 어레이로 형성되는 경우, 디텍터는 각 광원마다 하나씩 대응되도록 형성되어 대응되는 광원에서 조사된 파장의 광을 검출하는 것도 가능하다.

그 다음, 검출된 다파장의 광을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정할 수 있다(640). 예를 들어, 검출된 다파장 광량 및 각 파장에 대한 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정할 수 있다. 예컨대, 단파장인 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 장파장인 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과, 제2 파장의 광량 간의 차이를 시간에 대하여 미분하고, 미분값에 기초하여 혈관의 부피 변화를 모니터링할 수 있다.

그 다음, 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정할 수 있다(650). 예를 들어, 단계(640)에서 설명한 바 있는 미분값을 기초로 하나 이상의 피크를 검출할 수 있다. 또한, 검출된 하나 이상의 피크 및 피검체가 맥파 센서에 가한 힘 정보를 기초로 하나 이상의 특징을 추출하고, 추출된 특징을 이용하여 생체정보를 측정할 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 특징이 추출되면, 추출된 특징을 미리 정의된 생체정보 측정식에 대입하여 생체정보를 측정할 수 있다.

한편, 본 실시 예들은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현하는 것을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 실시예들을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.

본 개시가 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 개시된 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 생체정보 측정 장치 110: 맥파 센서
111: 광원 112: 디텍터
120: 프로세서 210: 힘 센서
310: 출력부 320: 저장부
330: 통신부

Claims

피검체에 다파장 광을 조사하는 광원 및 피검체로부터 반사된 광을 검출하는 디텍터를 포함하는 맥파 센서; 및
상기 검출된 다파장 광량 및 각 파장의 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정하고, 측정된 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정하는 프로세서를 포함하는 생체정보 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이에 기초하여 상기 혈관의 부피 변화를 측정하는 생체정보 측정 장치.
제2항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이를 시간에 대해 미분하고, 미분값에 기초하여 혈관의 부피 변화를 측정하는 생체정보 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 미분한 값과 시간 간의 그래프를 생성하고, 생성된 그래프를 이용하여 경벽압의 변화에 따라 혈관의 부피 변화가 발생한 시간 구간을 모니터링하는 생체정보 측정 장치.
제3항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 미분값에 기초하여 하나 이상의 피크를 검출하고, 검출된 피크를 이용하여 생체정보를 측정하는 생체정보 측정 장치.
제5항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 미분값이 제1 임계치보다 크고, 첨도(sharpness)가 제2 임계치보다 큰 지점을 상기 피크로 검출하는 생체정보 측정 장치.
제6항에 있어서,
상기 프로세서는
제1 지점을 기준으로 좌우 제2 지점 및 제3 지점 사이에 형성된 각도의 코사인 값을 상기 제1 지점에 대한 첨도로 계산하는 생체정보 측정 장치.
제5항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 검출된 하나 이상의 피크 및, 상기 피검체와 맥파 센서 간의 힘 정보를 기초로 하나 이상의 특징(feature)을 추출하는 생체정보 측정 장치.
제8항에 있어서,
상기 맥파 센서가 피검체로부터 다파장의 광을 검출하는 동안, 상기 피검체와 맥파 센서 간의 힘 정보를 획득하는 힘 센서를 더 포함하는 생체정보 측정 장치.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는
생체정보 측정 요청에 따라, 상기 맥파 센서에 가해야 할 힘의 세기에 관한 안내 정보를 제공하는 생체정보 측정 장치.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 하나 이상의 피크 중에서, 가장 작은 힘에 대응하는 지점의 힘값 또는 미분값을 제1 특징, 상기 미분값이 가장 큰 지점의 힘값 또는 미분값을 제2 특징 및 가장 큰 힘에 대응하는 지점의 힘값 또는 미분값을 제3 특징으로 추출하는 생체정보 측정 장치.
제8항에 있어서,
상기 프로세서는
상기 추출된 하나 이상의 특징 및 미리 정의된 생체정보 측정식을 기초로 상기 생체정보를 측정하는 생체정보 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 생체정보는
혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 대동맥압 파형, 혈관 탄성도, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함하는 생체정보 측정 장치.
제1항에 있어서,
상기 생체정보 측정 결과를 출력하는 출력부를 더 포함하는 생체정보 측정 장치.
피검체에 다파장 광을 조사하는 단계;
피검체로부터 반사된 광을 검출하는 단계;
상기 검출된 다파장 광량 및 각 파장의 흡수계수 중의 하나 이상을 기초로 혈관의 부피 변화를 측정하는 단계; 및
상기 측정된 혈관의 부피 변화를 기초로 생체정보를 측정하는 단계를 포함하는 생체정보 측정 방법.
제15항에 있어서,
상기 혈관의 부피 변화를 측정하는 단계는
상기 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이에 기초하여 상기 혈관의 부피 변화를 측정하는 생체정보 측정 방법.
제16항에 있어서,
상기 혈관의 부피 변화를 측정하는 단계는
상기 검출된 제1 파장의 광량에 제1 파장 및 제2 파장의 흡수계수의 비율을 곱한 값과 제2 파장의 광량 간의 차이를 시간에 대해 미분하고, 미분값에 기초하여 혈관의 부피 변화를 측정하는 생체정보 측정 방법.
제17항에 있어서,
상기 생체정보를 측정하는 단계는
상기 미분값에 기초하여 하나 이상의 피크를 검출하는 단계를 포함하는 생체정보 측정 방법.
제18항에 있어서,
상기 생체정보를 측정하는 단계는
상기 검출된 하나 이상의 피크 및, 상기 피검체와 맥파 센서 간의 힘 정보를 기초로 하나 이상의 특징(feature)을 추출하는 단계를 더 포함하는 생체정보 측정 방법.
제19항에 있어서,
상기 생체정보를 측정하는 단계는
상기 추출된 하나 이상의 특징 및 미리 정의된 생체정보 추정식을 기초로 상기 생체정보를 측정하는 생체정보 측정 방법.