KR20200092597A - 진동센서를 활용하는 미세진동 검출 시스템과 이를 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법 - Google Patents

진동센서를 활용하는 미세진동 검출 시스템과 이를 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법 Download PDF

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이상영
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Abstract

진동센서를 활용하는 미세진동 검출 시스템과 이를 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법이 개시된다. 미세진동 검출 시스템은 진동 센서에서 발생되는 생체신호의 전류량을 증폭시키는 증폭기, 증폭기에서 증폭된 신호의 공통 노이즈를 제거하는 공통모드 차동 증폭기, 공통모드 차동 증폭기를 경유한 신호에서 호흡과 심장박동에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시키는 다중 피드백 방식의 대역 통과 필터, 및 대역 통과 필터를 통과한 신호의 신호대잡음비를 높이는 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 컨버터를 포함한다.

Description

진동센서를 활용하는 미세진동 검출 시스템과 이를 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법{MICRO-VIBRATION DETECTION SYSTEM USING A VIBRATION SENSOR AND A NON-CONTACT BIO-SIGNAL MEASUREMENT AND CLASSIFICATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 신체의 특정 부위에 진동센서를 배치하여 비접촉식으로 생체신호를 계측하고 계측된 생체신호를 분류하는 미세진동 검출 시스템과 이를 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법에 관한 것이다.
기존의 생체신호 계측 장치는 가우시안 필터를 이용한 다양한 신호 적출 기법을 사용한다. 하지만, 가우시안 필터를 이용하는 기존의 생체신호 계측 장치는 실시간 처리의 신뢰성을 확보할 수 없는 단점이 있다.
일례로, 기존 연구에서는 온도센서, 초음파 센서, 로드셀 센서와 같은 다양한 종류의 센서를 이용한 계측기를 활용하여 사람의 움직임을 모니터링하였다. 그러나, 기존 연구는 그 한계도 명확한데, 초음파 센서의 경우 40㎑ 대역에서 생체 신호와 움직임을 측정할 수 있으나, 설치가 매우 어렵다. 또한, 4개의 로드셀 센서를 각 침대의 구석에 설치해 계측하는 연구가 있으나, 센서의 개수가 많고 알루미늄 플레이트를 사용해야 하는 단점이 존재한다. 그리고 온도 센서를 사용한 연구에서는 침대에서 사람의 움직임을 측정하는데 통상 16개의 써미스터를 설치해야 하는 단점이 존재했다.
이와 같이, 사람의 생체신호와 움직임을 계측하기 위한 개선된 방안이 요구되고 있다.
등록특허공보 제10-1788664호(2017.10.20)
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로 본 발명의 목적은 FIR(finite impulse response : 유한 임펄스 응답) 필터나 IIR(infinite impulse response : 무한 임펄스 응답) 필터 등의 범용 필터와 아날로그 대역통과 필터를 적용하여 실시간으로 생체신호 계측 및 신호전달을 수행할 수 있는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 기존의 고가격의 필름형 압전소자를 대체하는 저렴한 세라믹 피에조 압전소자를 채택하고 높은 SNR(signal-to-noise ratio : 신호 대 잡음비)을 구현하기 위하여 임피던스 매칭에 필요한 아날로그 볼테지 팔로워(analog voltage followers : 완충증폭기), 증폭 및 다중 피드백(multiple-feedback) 방식의 고차 대역 통과 필터를 활용하는 미세진동 검출 시스템과, 이러한 미세진동 검출 시스템을 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 생체신호 계측에 적합하지 않은 SAR(Successive approximation Register : 축차 비교형 아날로그-디지털 변환회로) 방식의 고속 ADC를 대체하여 고해상도 Sigma-Delta ADC(analog-to-digital converter : 아날로그 디지털 변환기) 및 싱크 필터를 활용하는 미세진동 검출 시스템과, 이러한 미세진동 검출 시스템을 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법을 제공하는데 있다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 미세진동 검출 시스템은, 진동 센서에서 발생되는 생체신호의 전류량을 증폭시키는 증폭기; 상기 증폭기에서 증폭된 신호의 공통 노이즈를 제거하는 공통모드 차동 증폭기; 상기 공통모드 차동 증폭기를 경유한 신호에서 호흡과 심장박동에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시키는 다중 피드백 방식의 대역 통과 필터; 및 상기 대역 통과 필터를 통과한 신호의 신호대잡음비를 높이는 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 컨버터를 포함한다.
일실시예에서, 상기 대역 통과 필터는 호흡에 대응하는 신호 검출을 위해 0.1㎐에서 -0.8㎐까지의 제1 주파수 대역을 통과시키는 제1 대역 통과 필터와 심장박동 또는 맥박에 대응하는 1㎐에서 5㎐까지의 제2 주파수 대역을 통과시키는 제2 대역 통과 필터를 구비한다.
일실시예에서, 미세진동 검출 시스템은, 상기 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 컨버터의 출력 신호를 받는 마이크로컨트롤러 유닛; 및 상기 마이크로컨트롤러 유닛의 제어에 따라 외부의 서버로 상기 신호 또는 상기 신호를 토대로 생성된 데이터를 전송하는 서브통신 시스템을 더 포함하며, 여기서 상기 서브통신 시스템은 메시지 큐잉 텔레메트리 트랜스포트 프로토콜을 사용하여 상기 서버로 전송되는 신호 또는 데이터의 헤더 크기를 감소시킨다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 미세진동 검출 시스템을 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법은, 관리 서버 또는 네트워크 서버가 통신 네트워크를 통해 미세진동 검출 시스템으로부터 신호 또는 상기 신호를 토대로 생성된 데이터를 수신하는 단계; 및 상기 관리 서버 또는 네트워크 서버가 상기 신호 또는 데이터를 분석하여 사용자의 호흡 및 맥박의 상태에 따라 상기 사용자가 있는 실내 공간의 온도, 습도 또는 이 둘 모두의 분위기를 제어하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 미세진동 검출 시스템은, 진동 센서에서 발생되는 생체신호의 전류량을 증폭시키고, 증폭된 신호의 공통 노이즈를 제거하고, 호흡과 심장박동에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시키고, 상기 주파수 대역의 신호의 신호대잡음비를 높이고, 마이크로컨트롤러 유닛의 제어에 따라 상기 관리 서버 또는 네트워크 서버로 상기 신호 또는 데이터를 전송한다.
본 발명에 의하면, FIR(finite impulse response : 유한 임펄스 응답) 필터나 IIR(infinite impulse response : 무한 임펄스 응답) 필터 등의 범용 필터와 아날로그 대역통과 필터를 적용하여 실시간으로 생체신호 계측 및 신호전달을 수행할 수 있는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법을 제공할 수 있다. 또한, 기존의 고가격의 필름형 압전소자를 대체하는 저렴한 세라믹 피에조 압전소자를 채택하고 높은 SNR(signal-to-noise ratio : 신호 대 잡음비)을 구현하기 위하여 임피던스 매칭에 필요한 아날로그 볼테지 팔로워(analog voltage followers : 완충 증폭기), 증폭 및 다중 피드백(multiple-feedback) 방식의 고차 대역 통과 필터를 활용하는 미세진동 검출 시스템과, 이러한 미세진동 검출 시스템을 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법을 제공할 수 있다. 또한, 생체신호 계측에 적합하지 않은 SAR 방식의 고속 ADC를 대체하여 고해상도 시그마-델타 ADC(sigma-delta analog-to-digital converter, SD-ADC : 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 변환기) 및 싱크 필터를 활용하는 미세진동 검출 시스템과, 이러한 미세진동 검출 시스템을 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 의하면, 무자각식으로 생체신호를 분류하는 방법으로 인해 화상으로 전극 패치를 붙일 수 없거나, 연약한 피부를 가진 사용자의 생체신호 계측이 보다 용이해지며, 무선 전송 기술을 활용하여 데이터를 축적시킬 수 있으므로, 생체신호 패턴을 분석하여 필요에 따라 온도, 습도를 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세진동 검출 시스템의 개략적인 구성 블록도로서 MCU(microcontroller unit : 마이크로컨트롤러 유닛)에서 데이터를 취득하기 위해 필요한 전반적인 아날로그 회로를 나타내는 기술도.
도 2는 도 1의 미세진동 검출 시스템에 채용할 수 있는 진동센서의 생체신호의 노이즈를 제거하는 연산증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3a 및 도 3b는 도 1의 미세진동 검출 시스템에 채용할 수 있는 진동센서의 생체신호의 노이즈를 제거하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 설명하기 위한 도면들.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템에 대한 블록도.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템을 설명하기 위한 개략도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법의 흐름도.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 미세진동 검출 시스템의 개략적인 구성 블록도로서 MCU(microcontroller unit : 마이크로컨트롤러 유닛)에서 데이터를 취득하기 위해 필요한 전반적인 아날로그 회로를 나타내는 기술도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템(100)은, 완충증폭기(110), 차동증폭기(120), 대역 통과 필터(130) 및 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 컨버터(sigma-delta analog digital convertor, SD-ADC; 140)를 구비한다.
완충증폭기(110)는 진동 센서에서 발생되는 생체신호의 전류량을 증폭시키는 증폭기를 포함할 수 있다. 이러한 완충증폭기(110)는 볼테지 팔로워(voltage follower) 회로 형태를 구비하고 버퍼(buffer)로 지칭될 수 있다.
완충증폭기(110)는 높은 임피던스를 사용하는 센서로서 Loading Effects(부하 효과)의 영향을 적게 받고자 회로의 전반부와 후반부를 분리해야 할 필요성이 있는 경우에 사용된다. 본 실시예에서 완충증폭기(110)는 신호의 전압을 유지하면서 앞단 회로와 뒷단 회로를 분리해 준다. 이 때 연산증폭기(Operational Amp, OP Amp)는 입력단의 임피던스가 높으나 출력 임피던스는 낮은 소자를 사용한다. 이러한 연산증폭기는 스위칭부가 물리적으로 분리되어 있는 MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor : 금속 산화막 반도체 전계효과 트랜지스터)를 채택하여 구현할 수 있다. 완충증폭기(110)를 사용하여 신호의 전류를 증폭시켜 임피던스를 낮추면 부하 효과(Loading Effects) 영향이 적어짐과 동시에 외부 노이즈의 영향을 적게 받아 신호 대 잡음비가 증폭되는 효과를 얻을 수 있다.
차동증폭기(120)는 완충증폭기(110)에서 증폭된 신호의 공통 노이즈를 제거한다. 차동증폭기(120)는 공통모드 차동 증폭기일 수 있다. 차동증폭기(120)는 연산증폭기를 포함한다. 차동증폭기(120)는 도 2를 참조한 설명에서 좀더 상세히 설명될 것이다.
대역 통과 필터(130)는 차동증폭기(120)를 경유한 신호에서 호흡과 심장박동에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시킨다. 대역 통과 필터(130)는 다중 피드백 방식의 대역 통과 필터일 수 있다. 이러한 대역 통과 필터(130)는 호흡에 대응하는 신호 검출을 위해 0.1㎐에서 -0.8㎐까지의 제1 주파수 대역을 통과시키는 제1 대역 통과 필터와 심장박동 또는 맥박에 대응하는 1㎐에서 5㎐까지의 제2 주파수 대역을 통과시키는 제2 대역 통과 필터를 구비한다.
좀더 구체적으로 설명하면, 대역 통과 필터(130)는 입력되는 신호의 전 대역에 걸친 신호 중 계측을 요하는 신호 대역만을 추출하는 필터이다. 이러한 필터 동작은 원치 않는 대역의 신호 세기가 강할 경우는 물론이고 화이트 노이즈를 어느 정도 제거하는 효과를 얻을 수 있다. 통상 좋은 낮은 잡음 연산 증폭기의 경우
Figure pat00001
의 입력 잡음을 가지고 있다. 만약 대역폭이 100㎑이고 1000배를 증폭할 경우 1.5mV의 대역 잡음을 가지게 되어 소신호보다 더 증폭되는 결과를 불러올 수 있다. 이에 본 실시예에서는 사용할 신호의 대역을 0.04~16㎐ 정도로 설정하여 대역통과 아날로그 회로를 구성하는 경우 20㎶의 대역 잡음만이 추가되므로 보다 높은 잡음 대비 신호를 얻을 수 있다. 따라서, 본 실시예의 대역 통과 필터(130)의 통과 대역 잡음을 수식으로 나타내면 아래의 [수학식 1]와 같이 표현 가능하며, 필요로 하는 대역이 좁으면 좁을수록 신호 대비 잡음비가 높아지는 것을 알 수 있다.
Figure pat00002
SD-ADC(140)는 대역 통과 필터(130)를 통과한 신호의 신호대잡음비를 높이면서 신호를 계측한다. SD-ADC(140)는 적분과 미분을 반복하고 오버샘플링해서 생기는 노이즈를 고역대로 옮기고 저역대를 저역통과필터(low pass filter, LPF)로 처리해 신호대 잡음비를 높일 수 있다. 본 실시예에서 측정하는 호흡 및 맥박은 저역대이므로 SD-ADC가 적합하다. 이러한 SD-ADC(140)에 대하여는 도 3a 및 도 3b를 참조한 아래의 상세 설명에서 좀더 구체적으로 설명하기로 한다.
한편, 본 실시예의 미세진동 검출 시스템은 진동센서를 더 포함하도록 구현될 수 있다. 그 경우, 진동센서는 피에조 세라믹 압전 소자를 포함할 수 있다. 본 실시예에서는 피에조 세라믹 압전 소자를 사용하고 이 압전 소자의 신호를 회로 및 소프트웨어 처리를 통해 신호대잡음비를 개선하여 정밀성 또는 신뢰도가 높은 신호 계측을 수행할 수 있다.
더욱이, 본 실시예의 미세진동 검출 시스템은 호흡에 대응하는 제1 주파수 대역과 맥박 또는 심장박동수에 대응하는 제2 주파수 대역을 통과시키는 다중 대역 통과 필터를 사용하여 생체신호를 효과적으로 분류할 수 있다.
도 2는 도 1의 미세진동 검출 시스템에 채용할 수 있는 진동센서의 생체신호의 노이즈를 제거하는 차동증폭기의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 실시예의 차동증폭기는, 동상인 신호는 제거하고 차동인 신호는 증폭하는 증폭기이다. 즉, 차동증폭기에 구비되는 연산증폭기는 반전 단자(-)와 비반전 단자(+)를 구비하는데, 만약 같은 신호가 양 단에 인가되는 경우 Vin+가 -Vin이 되므로, 출력 단자에서 0(Vo)이 출력되게 된다.
한편, 이상적인 회로에서는 연산증폭기에서 0이 출력되겠지만, 실제로는 이상적인 경우가 발생하지 않으므로 도 3의 (a)에 도시한 바와 같이 약간 증폭된 신호가 출력된다. 이러한 증폭은 공통모드(Vo_comm)에서 증폭된 이득이므로 ACM이라고 표현 가능하다. 다른 한편으로, 연상증폭기의 두 입력 단자들에 위상이 180도 차이나는 신호가 인가되면, 신호는 매우 크게 증폭된다. 이러한 증폭도는 ADM으로 표현 가능하다.
따라서 두 증폭도의 비율 즉 CMRR(common-mode rejection ratio : 공통 모드 제거비)은 로그(log) 단위로 표현하면 다음의 [수학식 2]과 같다.
Figure pat00003
공통모드 제거비는 두 입력(+, -)에 공통되는 신호를 통과시키지 않고 거부하는 정도를 나타낸다. 높은 값의 CMRR은 높은 전압 오프셋과 작은 리플 또는 전압 요동을 가진 신호나 두 신호의 전압 차이를 포함한 정보에서 중요하게 응용된다.
CMRR은 공통모드 신호가 계측부에 얼마만큼 나타내는지 보여주는 척도이며, 그 크기는 신호의 주파수와 함수 관계에 있다. 따라서, CMRR를 제어함으로써 신호의 노이즈를 제거하거나 감소시킬 수 있다.
이와 같이, 본 실시예의 미세진동 검출 시스템은 공통모드 차동증폭기를 사용함으로써 생체신호의 노이즈를 제거한다. 즉, 본 실시예에서 완충증폭기를 거친 2개의 신호선이 차동증폭기의 반전, 비반전 단자(+와 -)에 접속되면 신호의 공통 성분은 제거되고 차동 성분은 증폭되어 신호 대 잡음비가 한 차례 더 증폭되는 효과가 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 미세진동 검출 시스템에 채용할 수 있는 진동센서의 생체신호의 노이즈를 제거하며 신호를 계측하는 시그마-델타(sigma-delta, SD) 변조 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 설명하기 위한 도면들이다.
본 실시예의 미세진동 검출 시스템에서 메인 변환기인 아날로그 디지털 변환기는 시그마 델타 변조를 이용하는 아날로그 디지털 변환기 모듈로 구현된다. 이러한 아날로그 디지털 변환기는 아날로그 데이터를 디지털로 변환할 때 샘플링 주파수를 신호 주파수의 2배 이상으로 설정해야 한다. 이러한 설정 주파수는 통상 나이퀴스트 주파수(Nyquist frequency)라고 지칭된다.
한편, 시그마-델타 아날로그 디지털 변환기(SD-ADC)는 주파수 대역에서 보면 도 2a에 나타낸 바와 같이 앨리어싱(aliasing)이 발생하며 앨리어싱을 제거하기 위해 필터를 설정해야 한다. 실제로, 신호를 직각으로 저역 통과를 시켜버리면 좋지만, 그것은 매우 어렵고 시스템 비용이 많이 소요된다. 따라서 입력 주파수 fs에서부터 저역통과를 시작해서 '샘플링 주파수 - 입력 주파수', 즉 fx-fa의 주파수에서 멈추도록 저역통과 필터를 설계한다.
저역통과 필터를 사용하면, 전이 대역이 짧으면 짧을수록 기울기의 크기가 상승할 것이고, 필터 구현의 난이도나 복잡성이 증가해 비용의 증가로 이어진다. 따라서 샘플링의 주파수가 증가하면 증가할수록 안티앨리어싱을 위한 폴링(falling) 에지의 기울기가 완만해진다. 이를 감안하면, 오버샘플링을 적용한 SD-ADC의 경우 안티앨리어싱 필터의 요구사항을 완화시킬 수 있음을 알 수 있다.
아날로그 신호를 N비트로 양자화 할 경우 계단형의 양자화 파형과 근사했을 때 생기는 오차가 있다. 이를 양자화 잡음이라고 통칭한다. 이 양자화 잡음을 포함한 신호 대 잡음비는 아래의 [수학식 3]에 대입해 ENOB(Effective number of bits: 유효 비트수)를 구할 수 있습니다.
Figure pat00004
전술한 신호 대 잡음비 내 양자화 잡음은 나이퀴스트 대역에 걸쳐 넓게 분포되어 있는데, 계측할 범위까지 저역통과 필터를 적용할 시 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 양자화 잡음은 샘플링율이 증가할수록 스펙트럼의 강도가 낮게 걸쳐 있으므로 과샘플링(oversampling)을 강하게 하고 저역 통과를 한다면 SNR의 향상 및 유효 비트수의 증가를 유도할 수 있다.
또한, 디지털 필터 처리가 수행된 이후에는 저역 신호를 사용할 것이므로 나이퀴스트 주파수보다 낮지 않는 선에서 M의 팩터만큼 나눠 다운 샘플링을 할 수 있다.
여기서 SD-ADC의 내부 구조를 활용하면 양자화 오차를 통과 대역 이후로 보낼 수 있다. 즉, 아날로그 디지털 변환기 내부에는 적분기와 미분기가 삽입되어 있고, 오버샘플링율로 비트수만큼 반복된다. 일정 비트수만큼 반복된 후에 디지털 필터와 샘플링을 낮추는 회로를 적용해 최종 결과를 출력할 수 있다. 이와 같이 본 실시예에서는 시그마 델타 변조의 구조 덕분에 유효 비트수를 늘릴 수 있습니다.
본 실시예에서 SD-ADC를 통과하는 신호의 주파수 차원에서의 신호 처리 과정을 정리하여 나타내면 도 2b와 같다. 도 2b에서 fB 및 샘플링 주파수(fS)는 나이퀴스트(nyquist) 속도보다 휠씬 높다. SD-ADC에서 SD 변조는 관심 신호 영역(TA)의 노이즈를 줄이기 위해 오버샘플링(oversampling, OS) 영역에서 노이즈 쉐이핑(noise shaping, NS)을 통해 노이즈를 제거할 수 있다.
즉, 아날로그 신호의 디지털화(양자화) 과정에서 생성되는 양자화 노이즈는 나이퀴스트 변환기 또는 디지털 필터(digital filter, DF)와 오버샘플링 변환기에서 동일하지만 더 큰 스펙트럼에 분산된다. 따라서, 본 실시예에서는 SD-ACD에서의 관심 영역(TA)의 신호가 존재하는 저주파 대역에서 잡음이 더 낮아지고 필터링이 가능한 고주파 대역의 주파수 신호에서는 잡음이 증가하도록 하는 오버샘플링과 노이즈 쉐이핑을 적용하여 신호의 노이즈를 제거하고 감소시킨다.
이와 같이, 본 실시예에서는 메인 변환기의 오버샘플링 비율을 높임으로써 신호 대 잡음비를 높이고 해상도를 높일 수 있다. 그 경우, 속도와 해상도를 절충할 수 있어 시스템의 설계 자유도 또한 크게 증가시킬 수 있다.
전술한 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템 또는 SD-ADC의 실제 출력(V0)을 나타내면 다음의 [수학식 4]과 같다.
Figure pat00005
수학식 4에서, Ad는 차동모드의 이득이고, Ac는 공통모드 이득이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템에 대한 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템(200)은, 계측부(100), 신호처리부(150) 및 서브통신시스템(160)을 구비한다.
계측부(100)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 앞서 설명한 구조 즉, 버퍼, 차동증폭기, 대역 통과 필터 및 SD-ADC를 구비할 수 있다.
신호처리부(150)는 계측부(100)의 출력 신호를 처리한다. 신호처리부(150)는 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 컨버터의 출력 신호를 받는 마이크로컨트롤러 유닛일 수 있다. 마이크로컨트롤러 유닛은 프로세서와 메모리를 구비할 수 있다.
서브통신시스템(160)은 신호처리부(150) 또는 마이크로컨트롤러 유닛의 제어에 따라 생체신호를 계측하여 얻은 계측부의 출력 신호 또는 이 출력 신호를 토대로 생성된 데이터를 네트워크를 통해 외부의 서버로 전송한다.
서브통신 시스템(160)은 메시지 큐잉 텔레메트리 트랜스포트(message queuing telemetry transport, MQTT) 프로토콜을 사용하여 서버로 전송되는 신호 또는 데이터의 헤더 크기를 감소시킬 수 있다. 그 경우, 데이터의 크기를 감소시켜 서버 측에서의 생체신호의 계측 데이터의 축적을 용이하게 할 수 있다.
축적된 데이터는 생체신호의 피계측자에 대한 상태를 파악하거나 상태 파악에 따라 피계측자가 위치하는 장소에 대한 환경(온도, 습도 분위기)을 제어하는데 이용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템을 설명하기 위한 개략도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 미세진동 검출 시스템은 미세진동 검출장치(200a) 및 미세진동 검출 장치(200a)와 네트워크를 통해 연결되어 신호 및 데이터를 송수신하는 서버(300)를 포함한다.
미세진동 검출 장치(200a)는 도 4를 참조하여 앞서 설명한 미세진동 검출 시스템에 대응된다.
서버(300)는 미세진동 검출 장치(200a)로부터 생체신호에 대한 검출 결과를 포함하는 신호나 데이터를 받는 사용자 단말이나 관리 단말 혹은 제어 단말을 포함한다. 이러한 서버(300)는 휴대 단말이나, PDA(personal digital assistant), 스마트 패드, 노트북, 데스크탑 컴퓨터, 서버 장치, 네트워크 서버, 관리 시스템, 제어 시스템 등에서 선택되는 적어도 어느 하나 이상으로 구현되거나 대체될 수 있다.
서버(300)는 미세진동 검출 장치(200a)로부터 받은 생체신호와 관련된 신호나 데이터를 축적하고 축적된 데이터 혹은 축적되는 데이터를 실시간 모니터링하여 생체신호의 피계측자에 대한 상태를 파악하거나 상태 파악에 따라 피계측자가 위치하는 장소에 대한 온도 분위기, 습도 분위기 등의 환경을 제어하도록 동작할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법의 흐름도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법(이하 '본 방법')은, 관리 서버 또는 네트워크 서버 등의 서버가 통신 네트워크를 통해 미세진동 검출 시스템으로부터 신호 또는 상기 신호를 토대로 생성된 데이터를 수신하는 단계(S62)를 포함한다.
또한, 본 방법은 상기 관리 서버 또는 네트워크 서버가 상기 신호 또는 데이터를 분석하여 사용자의 호흡 및 맥박의 상태에 따라 상기 사용자가 있는 실내 공간의 온도, 습도 또는 이 둘 모두의 분위기를 제어하는 단계(S63)를 포함한다.
또한, 본 방법은, 미세진동 검출 시스템이, 진동 센서에서 발생되는 생체신호의 전류량을 증폭시키고, 증폭된 신호의 공통 노이즈를 제거하고, 호흡과 심장박동에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시키고, 상기 주파수 대역의 신호의 신호대잡음비를 높이고, 마이크로컨트롤러 유닛의 제어에 따라 상기 서버로 신호 또는 데이터를 전송하는 일련의 단계(S61)을 더 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 피에조 진동 센서와 범용적으로 사용하는 압력센서를 사용하여, 보다 간편하게 설치가 가능하고 상대적으로 저렴하게 시스템을 구성하되, 비등한 생체신호 및 움직임에 대한 계측을 수행할 수 있다.
기존의 압력센서를 사용해서 사람의 자세나 움직임, 호흡을 측정할 수 있으나, 이러한 기존 기술의 경우, 사용하는 압력센서가 범용적이지 않고 사용자주문의 고가의 센서를 사용해야 하는 단점이 있다. 또한, 피에조센서를 활용한 기존 기술에서는 몸의 움직임과 다양한 생체신호를 측정할 수 있으나 마찬가지로 사용자주문의 고가의 센서로 계측해야 하는 단점이 있다.
이에 본 발명에서는 저가격의 범용센서를 사용하면서 범용센서의 감도가 낮은 단점을 보완하는 알고리즘을 설계 및 구현하여 고성능의 저가격 생체 모니터링 시스템을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명에서는 하나의 센서에서 계측되는 데이터를 주파수 대역에서 해석하여 호흡과 맥박을 분류한다. 구체적으로, 고속 푸리에 변환(fast fourier transform, FFT)을 통한 신호처리 방식으로 주파수 대역에서 신호를 해석하고, 특히 주파수 대역을 0.1㎐에서 -0.8㎐까지와 1㎐에서 5㎐까지로 구분하여 호흡과 맥박을 구분하며, 이를 위해 IIR 필터 혹은 FIR 필터를 통해 신호를 처리한다. 또한 연산증폭기로 대역 통과 필터(bandpass filter, BPF)로 원하는 대역의 신호만을 추출한다.
센서로 계측한 데이터를 가공하고자 한다면 아날로그 신호를 디지털로 변환하여야 한다. 그러나 통상 계측 시스템의 마이크로컨트롤러 유닛(micro controller unit, MCU)에서 채택하는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)는 축차 비교 레지스터(successive approximation register, SAR)를 이용한 아날로그-디지털 변환 방식으로 생체신호보다는 고속 변환을 중점으로 제작된 경우가 많다. 따라서 본 발명에서는 생체신호에 적합한 ADC 중 하나인 시그마 델타(Sigma-Delta, SD) 컨버터를 채택해 데이터의 신호대잡음비(SNR)을 높인다.
본 발명에서 SD컨버터는 적분과 미분을 반복하고 오버샘플링을 해서 생기는 노이즈를 고역대로 옮기고 저역대를 저역패스필터(low pass filter, LPF) 처리해 신호대잡음비를 높이는데 사용된다. 본 발명에서 측정하는 호흡 및 맥박은 저역대이므로 SD변조를 이용하는 ADC가 적합하다.
또한, 사용자가 불쾌함을 호소하거나 스트레스를 받지 않으려면 계측을 무자각식으로 구현하는 것이 중요하다. 통상의 디바이스들은 웨어러블 타입으로 제작되어 있어 지속적인 접촉을 요구하므로 사용자가 스트레스를 받을 수 있는 상황에 노출되기 쉽다. 이에 따라 사용자에게 장착하는 방식이 아니고 침대와 같은 기구에 부착을 해서 사용자의 생체신호를 측정하며, 측정을 위해 선택한 센서는 압력 센서와 피에조 압전 센서 두 가지이다.
부언하면, 기존 기술에서는 센서 종류를 불문하고 다중 노드를 구성하여 센서의 정밀도를 높이고자하는 노력이 이뤄지고 있다. 그러나 압력 센서는 선형성이 떨어지고 계측 정확도가 좋지 못해 센서 간 편차로 인해 다중 노드에서 실용성이 떨어지고, 압전센서의 경우 필름형을 채택해 가격이 비싼 단점이 있다. 이에 본 발명에서는 피에조 세라믹 압전 소자를 사용하고 신호처리 회로 및 소프트웨어 처리를 통한 SNR 개선으로 정밀성이 높은 신호 계측을 구현한다.
또한, 기존 연구들에서는 단순한 계측만을 목적으로 하였으나, 본 발명에서는 계측한 데이터를 와이파이 전송 등의 무선 전송 방식을 활용하면서, 무선 전송에 적합하도록 데이터 헤더 크기를 대폭 축소한 메시지 큐잉 텔레메트리 트랜스포트(message queuing telemetry transport, MQTT) 프로토콜을 활용하여 데이터를 증적화하고, 변화 추이를 IoT(internet of thing : 사물인터넷) 서버 등의 관리 서버 또는 네트워크 서버에서 관리하고 표출할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 청구범위에 기재된 기술적 특징과 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (4)

  1. 진동 센서에서 발생되는 생체신호의 전류량을 증폭시키는 증폭기;
    상기 증폭기에서 증폭된 신호의 공통 노이즈를 제거하는 공통모드 차동 증폭기;
    상기 공통모드 차동 증폭기를 경유한 신호에서 호흡과 심장박동에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시키는 다중 피드백 방식의 대역 통과 필터; 및
    상기 대역 통과 필터를 통과한 신호의 신호대잡음비를 높이는 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 컨버터;를 포함하는 미세진동 검출 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 대역 통과 필터는 호흡에 대응하는 신호 검출을 위해 0.1㎐에서 -0.8㎐까지의 제1 주파수 대역을 통과시키는 제1 대역 통과 필터와 심장박동 또는 맥박에 대응하는 1㎐에서 5㎐까지의 제2 주파수 대역을 통과시키는 제2 대역 통과 필터를 구비하는, 미세진동 검출 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 시그마-델타 변조 아날로그 디지털 컨버터의 출력 신호를 받는 마이크로컨트롤러 유닛; 및
    상기 마이크로컨트롤러 유닛의 제어에 따라 외부의 서버로 상기 신호 또는 상기 신호를 토대로 생성된 데이터를 전송하는 서브통신 시스템을 더 포함하며,
    상기 서브통신 시스템은 메시지 큐잉 텔레메트리 트랜스포트 프로토콜을 사용하여 상기 서버로 전송되는 신호 또는 데이터의 헤더 크기를 감소시키는, 미세진동 검출 시스템.
  4. 청구항 3의 미세진동 검출 시스템을 이용하는 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법으로서,
    관리 서버 또는 네트워크 서버가 통신 네트워크를 통해 미세진동 검출 시스템으로부터 생체신호 감지에 따른 신호 또는 상기 신호를 토대로 생성된 데이터를 수신하는 단계; 및
    상기 관리 서버 또는 네트워크 서버가 상기 신호 또는 데이터를 분석하여 사용자의 호흡 및 맥박의 상태에 따라 상기 사용자가 있는 실내 공간의 온도, 습도 또는 이 둘 모두의 분위기를 제어하는 단계를 포함하며,
    상기 미세진동 검출 시스템은, 진동 센서에서 발생되는 생체신호의 전류량을 증폭시키고, 증폭된 신호의 공통 노이즈를 제거하고, 호흡과 심장박동에 대응하는 주파수 대역의 신호를 통과시키고, 상기 주파수 대역의 신호의 신호대잡음비를 높이고, 마이크로컨트롤러 유닛의 제어에 따라 상기 관리 서버 또는 네트워크 서버로 상기 신호 또는 데이터를 전송하는, 비접촉식 생체신호 계측 및 분류 방법.
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