KR20200137356A - Ir-uwb 레이더를 이용한 비침습/비접촉 방식 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법 - Google Patents

Ir-uwb 레이더를 이용한 비침습/비접촉 방식 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 IR-UWB 레이더에서 방사된 임펄스 신호가 반사되어 수신된 신호신호로부터 피검사자의 호흡 신호를 추출하고, 추출된 호흡 신호의 피크 사이의 편차 및 피크 간격의 변화로부터 무호흡 상태를 판별하기 위한 문턱값을 설정하고, 설정된 문턱값을 피크 사이의 편차와 비교하여 무호흡 상태를 정확하게 판별할 수 있는 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법을 제공할 수 있다. 따라서 비접촉/비침습 방식으로 수면 무호흡증을 정확하게 검출 및 진단할 수 있어 피검사자의 불편을 줄일 수 있다.

Description

IR-UWB 레이더를 이용한 비침습/비접촉 방식 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법{Non-invasive/non-contact type sleep apnea detection and diagnosis apparatus and method using IR-UWB radar}
본 발명은 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법에 관한 것으로, IR-UWB 레이더를 이용한 비침습/비접촉 방식 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 수면 모니터링 방법으로는 주로 수면다원검사가 이용되고 있다. 수면다원검사는 다수의 접촉식 센서를 이용하여 수면 중에 발생하는 다양한 이벤트를 피검사자에 부착된 다수의 센서들을 통해 체계적이고 정확하게 분석하는 검사 방법이다. 일반적으로 수면다원검사는 센서를 피검사자의 호흡과 관련된 생명징후를 얻을 수 있는 코, 배, 가슴 등에 부착하고, 부착된 센서들을 통해 피검사자에게 발생되는 이벤트를 검사자가 모니터링하는 방식으로 수행된다.
그러나 수면다원검사는 접촉식 센서를 사용하므로, 피검사자는 센서를 착용한 상태로 수면을 취해 검사를 진행해야 한다. 따라서 검사받는 동안 피검사자의 움직임에 제약이 생겨 편안한 수면을 취하기 어렵다는 문제가 있다. 또한 센서들이 피검사자에게 안정적으로 부착되어 있는지 여부를 지속적으로 확인하기 위해, 검사자는 검사 기간 동안 지속적으로 모니터링을 해야 하는 불편함이 존재한다.
이러한 수면다원검사의 문제점을 개선하기 위해 다양한 센서들이 연구 및 개발되어 오고 있으나, 현장에서 요구하는 수준의 정확도를 제공하지 못함에 따라 현재에도 여전히 비접촉/비침습 방식으로 검사자의 수면 무호흡증을 정확하게 검출하고 진단할 수 있는 장치 및 방법에 대한 요구가 지속되고 있는 실정이다.
한국 공개 특허 제10-2014-0006256호 (2014.01.16 공개)
본 발명의 목적은 비접촉/비침습 방식으로 수면 무호흡증을 정확하게 검출 및 진단할 수 있는 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 검사자의 지속적인 모니터링을 요구하지 않고 자동 모니터링이 가능한 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또다른 목적은 IR-UWB 레이더를 이용하여 획득된 검사자의 호습 신호를 주파수 도메인으로의 변환없이 시간 도메인에서 분석하여 수면 무호흡증 검출 및 진단할 수 있는 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치는 기지정된 위치에 배치된 적어도 하나의 IR-UWB 레이더에서 방사된 임펄스 신호가 반사되어 수신된 신호신호에서 클러터 신호를 제거하여 클러터 차감 신호를 획득하는 신호 획득부; 기지정된 신호 획득 기간동안의 획득된 다수의 클러터 차감 신호에서 변화가 가장 큰 위치를 판별하고, 판별된 위치에서의 클러터 차감 신호를 추출하여 호흡 파형 신호인 호흡 신호를 획득하며, 상기 호흡 신호의 피크인 로컬 최대값 및 로컬 최소값을 검출하는 호흡 신호 추출부; 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값 사이의 편차를 누적하여 정상 상태의 기준인 제1 문턱값을 설정하고, 무호흡 상태의 시작을 판별하기 위한 제1 가중치를 상기 로컬 최대값 또는 상기 로컬 최소값의 변화에 따라 설정하며, 무호흡 상태의 종료를 판별하기 위한 제2 가중치를 기기정된 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수 변화에 따라 설정하고, 상기 제1 문턱값과 제1 및 제2 가중치로부터 무호흡 상태 판별 기준인 제2 문턱값을 설정하는 문턱값 설정부; 및 상기 편차를 상기 제2 문턱값과 비교하여 무호흡 상태를 검출하고, 검출된 무호흡 상태의 횟수에 기반하여 피검사자의 수면 무호흡 수준을 진단하는 검출 진단부; 를 포함한다.
상기 문턱값 설정부는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값 사이의 편차를 누적하고, 누적된 편차들의 하위 기지정된 비율에 대응하는 편차를 상기 제1 문턱값을 설정하는 제1 문턱값 설정부; 기준 시점에서 이전 로컬 최대값에 대한 현재 로컬 최대값의 비 또는 이전 로컬 최소값에 대한 로컬 최소값의 비를 기지정된 제1 기준 비와 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 제1 가중치를 서로 다른 기지정된 값으로 설정하고, 상기 기준 시점에서 이전 상기 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수와 이후 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수의 비에 따라 상기 제2 가중치를 서로 다른 기지정된 값으로 설정하는 가중치 설정부; 및 시간에 따라 변화하는 상기 제1 문턱값과 제1 및 제2 가중치를 곱하여 상기 제2 문턱값을 설정하는 제2 문턱값 설정부; 를 포함할 수 있다.
상기 가중치 설정부는 상기 제1 가중치를 상기 기준 시점으로부터 기지정된 제1 가중 구간 동안 적용하며, 상기 제2 가중치를 상기 기준 시점에서 이전 기지정된 제2 가중 구간 동안 적용할 수 있다.
상기 가중치 설정부는 기지정된 검출 구간 단위로 상기 편차를 상기 제2 문턱값과 비교하여, 상기 편차가 상기 제2 문턱값 이상이면, 무호흡 상태로 검출하는 무호흡 검출부; 및 전체 수면 시간 대비 검출된 무호흡 상태의 횟수에 따라 피검사자의 수면 무호흡증의 수준을 판별하는 무호흡증 진단부; 를 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법은 기지정된 위치에 배치된 적어도 하나의 IR-UWB 레이더에서 방사된 임펄스 신호가 반사되어 수신된 신호신호에서 클러터 신호를 제거하여 클러터 차감 신호를 획득하는 단계; 기지정된 신호 획득 기간동안의 획득된 다수의 클러터 차감 신호에서 변화가 가장 큰 위치를 판별하고, 판별된 위치에서의 클러터 차감 신호를 추출하여 호흡 파형 신호인 호흡 신호를 획득하며, 상기 호흡 신호의 피크인 로컬 최대값 및 로컬 최소값을 검출하는 단계; 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값 사이의 편차를 누적하여 정상 상태의 기준인 제1 문턱값을 설정하고, 무호흡 상태의 시작을 판별하기 위한 제1 가중치를 상기 로컬 최대값 또는 상기 로컬 최소값의 변화에 따라 설정하며, 무호흡 상태의 종료를 판별하기 위한 제2 가중치를 기기정된 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수 변화에 따라 설정하고, 상기 제1 문턱값과 제1 및 제2 가중치로부터 무호흡 상태 판별 기준인 제2 문턱값을 설정하는 단계; 및 상기 편차를 상기 제2 문턱값과 비교하여 무호흡 상태를 검출하고, 검출된 무호흡 상태의 횟수에 기반하여 피검사자의 수면 무호흡 수준을 진단하는 단계; 를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법은 IR-UWB 레이더를 이용하여 비접촉/비침습 방식으로 수면 무호흡증을 정확하게 검출 및 진단할 수 있어 피검사자의 불편을 줄일 수 있다. 그리고 기존에 개발된 재실감지 및 생체신호 추출 기술 등을 활용하여 자동 모니터링이 가능하므로, 검사자의 지속적인 모니터링을 요구하지 않으므로, 시간과 장소에 무관하게 수면 무호흡증 검출 및 진단할 수 있다. 또한 IR-UWB 레이더에서 획득된 시간 도메인의 신호를 주파수 도메인으로 변환하지 않고 수면 무호흡증 검출 및 진단할 수 있어 저비용으로 제조가 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치의 개략적 구조를 나타낸다.
도 2는 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 검사 환경의 일예를 나타낸다.
도 3은 도 1의 호흡 파형 추출부에서 획득된 호흡 신호의 일예를 나타낸다.
도 4는 중추 수면 무호흡 시에 코, 복부에서 확인되는 호흡 활동과 레이더를 이용하여 검출된 호흡 신호를 나타낸다.
도 5는 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치가 수면 무호흡증을 검출하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법을 나타낸다.
도 7 내지 도 10은 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치를 이용한 수면중 무호흡 검출예를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 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", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치의 개략적 구조를 나타내고, 도 2는 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 검사 환경의 일예를 나타내며, 도 3은 도 1의 호흡 파형 추출부에서 획득된 호흡 신호의 일예를 나타낸다. 그리고 도 4는 중추 수면 무호흡 시에 코, 복부에서 확인되는 호흡 활동과 레이더를 이용하여 검출된 호흡 신호를 나타내고, 도 5는 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치가 수면 무호흡증을 검출하는 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치는 신호 획득부(10), 호흡 신호 추출부(20), 문턱값 설정부(30) 및 검출 진단부(40)를 포함한다.
신호 획득부(10)는 IR-UWB(Impulse Radio Ultra-Wideband) 레이더를 이용하여 비접촉/비침습 방식으로 피검사자의 호흡을 측정하기 위한 생체 신호를 획득한다. 신호 획득부(10)는 적어도 하나의 IR-UWB 레이더를 포함하여 임펄스 신호를 방사하고, 방사된 임펄스 신호가 반사되어 수신된 수신 신호에서 클러터(clutter)를 제거하여 생체 신호를 획득한다.
IR-UWB 레이더는 수십 나노/피코 단위 너비의 짧은 임펄스 신호를 방사하고, 물체에 반사되어 수신되는 신호와 임펄스 신호의 시간적 차이를 활용하여 물체의 존재와 거리를 판단하는 방식으로 동작한다. IR-UWB 레이더는 인체에 무해한 초광대역 주파수를 사용하므로 다른 센서의 간섭없이 대상을 비접촉 방식으로 탐지할 수 있으며, 송신 파워가 매우 작기 때문에 저전력, 저가격 소형으로 구현이 가능하며, 광대역을 사용하여 협대역 간섭에 강하며 신호의 스펙트럼이 유사 잡음 형태를 보이므로 보안성 또한 향상되는 장점이 있다.
신호 획득부(10)는 레이더부(11) 및 클러터 제거부(12)를 포함할 수 있다. 레이더부(11)는 적어도 하나의 IR-UWB 레이더를 포함하여, 기지정된 파형의 임펄스 신호(s(t))를 주기적으로 피검사자를 향해 방사한다.
본 실시예에서 적어도 하나의 IR-UWB 레이더는 도 2에 도시된 바와 같이, 피검사자로부터 기지정된 거리(도 2에서는 일예로 0.5m)만큼 이격되어 배치될 수 있으며, 피검사자의 호흡을 감지하기에 용이하도록 지정된 방향을 지향하도록 배치될 수 있다. 일예로, IR-UWB 레이더는 피검사자의 호흡에 의한 신체 변화가 크게 나타나는 가슴 또는 복부를 지향하도록 배치될 수 있다.
그리고 레이더부(11)의 적어도 하나의 IR-UWB 레이더는 방사된 임펄스 신호(s(t))가 물체에 반사되어 수신되는 수신 신호(ri(t))를 획득한다. 이때, 적어도 하나의 IR-UWB 레이더 각각은 주기적으로 방사되는 다수의 임펄스 신호(s(t))들의 시간 간격 사이에서 획득되는 수신 신호(ri(t))를 구분함으로써, 각 임펄스 신호(s(t))에 대한 수신 신호(ri(t))를 구별할 수 있다. 경우에 따라 주기적으로 방사되는 임펄스 신호(s(t))의 방사 시점을 판별하지 못하는 경우, 수신 신호(ri(t))에 대한 자기 상관(auto-correlation) 신호를 획득하여, 수신 신호(ri(t))의 주기성을 판별함으로써, 각 임펄스 신호에 대한 수신 신호(ri(t))들을 구분할 수 있다.
수신 신호(ri(t))는 레이더에서 방사된 임펄스 신호(s(t))가 실내 환경에서 벽과 피검사자 및 여러 물체에 의해 다양한 경로로 반사되면서 지연 및 감쇄하고, 노이즈(n(t))가 유입되어 적어도 하나의 IR-UWB 레이더 각각으로 수신된다. 따라서 i번째 레이더에서 수신된 수신 신호(ri(t))는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기서 Npath는 방사된 임펄스 신호가 반사되어 수신되는 경로의 수를 나타내고, an,i와 τn,i는 임펄스 신호가 각각 n번째 경로에 따라 i번째 레이더로 수신된 경우의 스케일값과 지연값을 나타낸다.
IR-UWB 레이더를 이용하는 경우, 하나의 레이더만으로도 수면 무호흡을 검사할 수 있으므로 여기서는 하나의 IR-UWB 레이더를 이용하는 것으로 가정하여 설명하며, 따라서 이하에서는 레이더 식별자인 i를 생략하여 표시한다. 그러나 상기한 바와 같이, 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치는 다수의 IR-UWB 레이더를 포함하여도 무방하다.
클러터 제거부(12)는 수신 신호(ri(t))에서 기지정된 방식으로 클러터를 제거하여 클러터 차감 신호(B(t))를 획득한다. 레이더에서 방사된 임펄스 신호(s(t))는 피검사자 이외의 다양한 물체, 즉 벽이나, 테이블, 의자와 같은 배경 물체에 반사되어 수신 신호(ri(t))로 수신된다. 따라서 피검사자가 아닌 배경 물체에 의해 반사되어 수신되는 성분인 클러터 신호 성분은 제거되어야 한다.
일반적으로 배경에 해당하는 물체는 피검사자와 달리 고정되어 있으므로, 현재 수신 신호(ri(t))에 포함된 클러터 신호(C(t))는 이전 획득된 클러터 신호(C(t-1))를 이용하여 수학식 2와 같이 획득될 수 있으며, 클러터 차감 신호(B(t))는 수신 신호(ri(t))에서 클러터 신호(C(t))를 차감하여 수학식 3과 같이 획득될 수 있다.
Figure pat00002
여기서 α는 수신 신호(ri(t))와 클러터 신호(C(t))의 비율을 판별하기 위한 가중치로서 0 < α < 1 범위의 실수값이다.
Figure pat00003
호흡 신호 추출부(20)는 호흡 파형 추출부(21) 및 피크 검출부(22)를 포함하여 신호 획득부(10)에서 획득된 클러터 차감 신호(B(t))에서 피검사자의 호흡을 나타내는 호흡 신호(V(t))를 추출하고, 추출된 호흡 신호(V(t))에서 최대 및 최소 피크치를 검출한다.
호흡 파형 추출부(21)는 신호 획득부(10)로부터 클러터 차감 신호(B(t))를 인가받는다. 클러터 차감 신호(B(t))는 레이더에서 방사된 임펄스 신호(s(t)) 신호가 반사되어 수신되는 경로의 거리(d)에 따른 패턴으로 나타낸다. 따라서 다수의 임펄스 신호(s(t)) 각각에 대한 클러터 차감 신호(B(t))는 동일한 거리에서 반사 거리가 동일하다면 동일한 패턴으로 획득되는 반면, 반사 거리에 변화가 발생되면, 패턴의 변화가 발생된다. 그리고 IR-URB 레이더가 피검사자를 지향하여 임펄스 신호(s(t))를 방사하는 경우, 피검사자의 호흡에 의해 특정 거리에서 가장 큰 변화가 발생하게 된다.
이에 호흡 파형 추출부(21)는 기지정된 신호 획득 기간(여기서는 일예로 15초)동안의 획득된 다수의 클러터 차감 신호(B(t))에서 변화가 가장 큰 위치(D(t))를 수학식 4와 같이 획득한다.
Figure pat00004
(여기서 Bd(t)는 시간(t)에서의 클러터 차감 신호(B(t))에서 반사 대상 물체와의 거리가 d일때 획득된 클러터 차감 신호를 나타내고, p는 신호 획득 기간을 나타낸다.)
수학식 4로부터 피검사자의 호흡에 따른 파형을 갖는 호흡 신호(V(t))는 수학식 5로 획득될 수 있다.
Figure pat00005
즉 호흡 신호(V(t))는 클러터 차감 신호(B(t))에서 변화가 가장 큰 위치(D(t))에 대한 클러터 차감 신호(BD(t)(t))를 추출하여 획득된다.
피크 검출부(22)는 호흡 파형 추출부(21)에서 획득된 호흡 신호(V(t))에 대해 수학식 6 및 7에 따라 로컬 최대값(Lmax(n)) 및 로컬 최소값(Lmin(n))을 각각 검출한다.
Figure pat00006
Figure pat00007
수학식 6에 따르면, 피크 검출부(22)는 호흡 신호(V(t))에 대해 직전 1프레임(frame)에서 획득된 호흡 신호(V(t-1/FPS))와 직후 1프레임에서 획득된 호흡 신호(V(t+1/FPS))보다 큰 호흡 신호(V(t))를 검출하여 n번째 로컬 최대값(Lmax(n))으로 획득한다. 여기서 FPS는 초당 프레임수(Frame-per-second)이다. 즉 호흡 신호(V(t))가 직전 및 직후 획득된 호흡 신호(V(t-1/FPS), V(t+1/FPS))보다 크면, 로컬 최대값(Lmax(n))으로 검출한다.
또한 수학식 7에 따르면, 피크 검출부(22)는 호흡 신호(V(t))에 대해 직전 1프레임(frame)에서 획득된 호흡 신호(V(t-1/FPS))와 직후 1프레임에서 획득된 호흡 신호(V(t+1/FPS))보다 작은 호흡 신호(V(t))를 검출하여 n번째 로컬 최소값(Lmin(n))으로 획득한다. 즉 호흡 신호(V(t))가 직전 및 직후 획득된 호흡 신호(V(t-1/FPS), V(t+1/FPS))보다 작으면, 로컬 최소값(Lmin(n))으로 검출한다.
여기서 피크 검출부(22)가 호흡 신호(V(t))를 초당 프레임수(FPS)에서 직전 및 직후 호흡 신호(V(t-1/FPS), V(t+1/FPS))와 비교하는 것은 로컬 최대 및 최소값(Lmax(n), Lmin(n)) 검출 시에 양측 시간으로 기지정된 시간(여기서는 일예로 1초)의 보호 간격(guard interval)을 두어 로컬 최대 및 최소값(Lmax(n), Lmin(n))을 오검출하는 것을 방지하기 위함이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 호흡 신호(V(t))는 정현파형으로 나타나지 않고, 상단 및 하단 부근에서 매우 다수의 피크가 나타나는 경우가 빈번하게 발생한다. 따라서 본 실시예에서는 피크 검출부(22)가 보호 간격을 두고 보호 간격 내에서 이전 및 이후 프레임보다 큰 프레임과 작은 프레임을 최대 및 최소값으로 검출함으로써, 각 구간 내에서 하나의 로컬 최대 및 최소값(Lmax(n), Lmin(n))을 용이하게 검출할 수 있다.
호흡 신호 추출부(20)에서 호흡 신호(V(t))에 대한 로컬 최대 및 최소값(Lmax(n), Lmin(n))이 검출되면, 문턱값 설정부(30)는 수면 무호흡을 검출하기 위한 문턱값을 설정한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 무호흡 시에는 호흡 신호(V(t))의 파형이 정상 호흡 시와는 다른 파형을 나타낸다. 도 4에서 (a)는 중추 수면 무호흡 시에 코에서 확인되는 호흡활동을 나타내고, (b)는 복부에서 확인되는 호흡 활동을 나타내며, (c)는 IR-UWB 레이더를 이용하여 검출된 호흡 신호(V(t))를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 수면 무호흡 시에는 정상 호흡시에 비해 호흡 신호(V(t))의 로컬 최대 및 최소값(Lmax(n), Lmax(n))의 편차가 큰 변화가 발생한다. 일반적으로 수면 무호흡이 발생되면, 로컬 최대 및 최소값(Lmax(n), Lmin(n))의 편차가 매우 작아지게 된다.
따라서 호흡 신호 추출부(20)에서 획득된 호흡 신호(V(t))에 대한 로컬 최대 및 최소값(Lmax(n), Lmin(n))을 분석하여, 수면 무호흡을 판별할 수 있다. 다만 정상 호흡 시와 수면 무호흡 시의 호흡 신호(V(t))의 파형은 피검사자에 따라 다양하게 나타난다. 따라서 우선 피검사자에 대한 정상 호흡 상태와 무호흡 상태를 구분할 수 있는 문턱값을 생성할 필요가 있다.
도 1을 참조하면, 문턱값 설정부(30)는 제1 문턱값 설정부(31), 가중치 설정부(32) 및 제2 문턱값 설정부(33)를 포함할 수 있다.
우선 제1 문턱값 설정부(31)는 호흡 신호 추출부(20)에서 검출된 호흡 신호(V(t))의 로컬 최대값(Lmax(n))과 로컬 최소값(Lmin(n)) 사이의 누적 편차를 획득하여, 정상 호흡 상태에 대한 기준값인 제1 문턱값(Thr1(t))을 설정한다.
제1 문턱값 설정부(31)는 기지정된 시간(예를 들면 t를 기준으로 이전 및 이후 2분)동안의 호흡 신호(V(t))에 대한 로컬 최대값(Lmax(n))과 로컬 최소값(Lmin(n)) 사이의 편차(A(n) = Lmax(n) - Lmin(n))를 획득한다. 그리고 획득된 k개의 편차(A(1), A(2), ..., A(k))에서 기지정된 하위 비율에 해당하는 편차를 제1 문턱값(Thr1(t))로 설정할 수 있다. 일예로 k개의 편차(A(1), A(2), ..., A(k))에서 크기가 하위 30% 위치에 해당하는 편차를 제1 문턱값(Thr1(t))으로 설정될 수 있다.
여기서 제1 문턱값 설정부(31)가 기지정된 시간 동안의 편차(A(n))를 누적하여 제1 문턱값(Thr1(t))을 설정하는 것은 동일한 피검사자에 대해 호흡 신호(V(t))를 획득하더라도, 시간에 따라 피검사자의 호흡 상태가 변화할 수 있기 때문이다.
가중치 설정부(32)는 무호흡 상태를 용이하게 판별하기 위한 가중치를 설정한다. 도 5를 참조하면, 무호흡 발생시 피크 크기가 급격하게 감소하게 된다. 또한 무호흡 종료 시에는 호흡 신호(V(t))의 피크 간격이 감소하게 된다. 즉 호흡 신호(V(t))의 피크 개수가 무호흡시보다 증가하게 된다.
이에 가중치 설정부(32)는 무호흡 상태의 시작 및 종료를 판별하기 위해, 제1 및 제2 가중치(weight1(τ), weight2(τ))를 설정한다. 여기서 제1 및 제2 가중치(weight1(τ1), weight2(τ2))는 기지정된 제1 및 제2 가중 구간(τ1, τ2)동안 적용되는 가중치이다. 여기서 제1 가중 구간(τ1)은 일예로 기준 시점(t)으로부터 이후 30초의 구간(t < τ1 < t + 30초)으로 설정될 수 있으며, 제2 가중 구간(τ2)은 일예로 기준 시점(t)로부터 이전 30초의 구간(t - 30 < τ2 < t)으로 설정될 수 있다.
가중치 설정부(32)는 이전 로컬 최대값(Lmax(n-1))에 대한 로컬 최대값(Lmax(n))의 비(|Lmax(n-1)/Lmax(n)|)가 제1 기준 비(w1, 여기서는 일예로 1.6)를 초과(|Lmax(n-1)/Lmax(n)| > w1)하면, 즉, 피크의 크기가 급격하게 감소되면, 제1 가중 구간(τ1) 동안 제1 가중치(weight1(τ1))를 제1 값(여기서는 일예로 1.6)으로 설정(weight1(τ1) = 1.6)한다.
그러나 이전 로컬 최대값(Lmax(n-1))에 대한 로컬 최대값(Lmax(n))의 비(|Lmax(n-1)/Lmax(n)|)가 제1 기준 비(w1)를 초과하지 않으면(|Lmax(n-1)/Lmax(n)| ≤ 1.6), 제1 가중치(weight1(τ1))를 제2 값(여기서는 일예로 1)으로 설정(weight1(τ1) = 1)한다.
상기에서는 일예로 가중치 설정부(32)가 로컬 최대값(Lmax(n))의 변화에 기반하여, 제1 가중치(weight1(τ1))를 설정하는 것으로 설명하였으나, 가중치 설정부(32)가 로컬 최소값(Lmin(n))의 변화(|Lmin(n)/Lmin(n-1)|)에 기반하여, 제1 가중치(weight1(τ1))를 설정할 수도 있다.
또한 가중치 설정부(32)는 기준 시점(t)을 기준으로 이전 기지정된 기준 시간 구간(m, 여기서는 일예로 30초) 동안 획득된 피크 개수(로컬 최대값(Lmax(n)) 및 로컬 최소값(Lmin(n))의 개수)(N(t))와 기준 시점(t)으로부터 이후 기준 시간 구간(m) 동안 획득된 피크 개수(N(t+m))의 비(N(t)/ N(t+m))가 제2 기준 비(w2, 여기서는 일예로 1.8) 미만(N(t)/ N(t+m) < w2)이면, 즉, 피크의 개수가 급격하게 증가되지 않으면, 기지정된 제2 가중 구간(τ2) 동안 제2 가중치(weight2(τ2))를 제1 값(여기서는 일예로 1.8)으로 설정(weight2(τ2) = 1.8)한다.
그러나 피크 개수의 비(N(t)/ N(t+m))가 제2 기준 비(w2) 이상이면 N(t)/ N(t+m) ≥ w2), 제2 가중치(weight2(τ2))를 제2 값(여기서는 일예로 1)으로 설정(weight2(τ2) = 2)한다.
제2 문턱값 설정부(33)는 제1 문턱값 설정부(31)에서 획득된 제1 문턱값(Thr1(t))과 가중치 설정부(32)에서 설정된 제1 및 제2 가중치(weight1(τ), weight2(τ))으로부터 무호흡 상태를 검출하기 위한 제2 문턱값(Thr2(t))을 수학식 8에 따라 설정한다.
Figure pat00008
검출 진단부(40)는 문턱값 설정부(30)에서 획득된 편차(A(n))를 설정된 제2 문턱값(Thr2(t))과 비교하여 무호흡 상태를 판정하고, 무호흡 상태로 판정되면, 수면 무호흡증의 수준을 진단한다.
검출 진단부(40)는 무호흡 검출부(41) 및 무호흡증 진단부(42)를 포함할 수 있다.
무호흡 검출부(41)는 기지정된 검출 구간(γ) 단위로 편차(Aγ(n))가 제2 문턱값(Thr2(t)) 이상(Aγ(n) ≥ Thr2(t))인지 판별하고, 제2 문턱값(Thr2(t)) 이상이면, 무호흡 구간으로 판별한다. 여기서 검출 구간(γ)은 일예로 기존에 수면 무호흡 증상을 판별하는 최소 판정 시간인 10초로 설정될 수 있다.
무호흡증 진단부(42)는 피검사자의 수면 시간 동안 무호흡 검출부(41)가 검출한 무호흡 상태 발생 횟수(c)에 따라 수면 무호흡증의 수준을 진단한다.
본 실시예에서 무호흡증 진단부(42)는 일예로 수면 무호흡증의 중증도 지표로 일반적으로 이용되는 무호흡/저호흡 지수(Apnea-Hypopnea Index: 이하 AHI)에 따라 수면 무호흡증의 수준을 진단할 수 있으며, AHI는 수학식 9와 같이 피검사자의 총 수면 시간(Total sleep time) 대비 무호흡 상태 발생 횟수(c)로 획득된다.
Figure pat00009
그리고 기존의 수면 무호흡증 진단 방법과 동일하게 획득된 AHI에 따라 수면 무호홉증의 수준을 진단한다. AHI에 따르면 수면 무호홉증은 AHI가 5 미만(AHI < 5)이면 정상 상태(Nomal), AHI가 5 이상 15 미만(5 ≤ AHI < 15)이면 경증 수면 무호흡(Mild sleep apnea), AHI가 15 이상 30 미만(15 ≤ AHI < 30)이면 중등도 수면 무호흡(Moderate sleep apnea)이고, AHI가 30 이상(30 ≤ AHI)이면 중증 수면 무호흡(Severe sleep apnea)으로 진단된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법을 나타낸다.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 도 6의 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법을 설명하면, 우선 적어도 하나의 IR-URB 레이더를 이용하여 기지정된 파형의 임펄스 신호(s(t))를 주기적으로 피검사자를 향해 방사하고, 방사된 임펄스 신호(s(t))에 대한 수신 신호(ri(t))를 획득한다(S11). 그리고 수신 신호(ri(t))에서 클러터 신호(C(t))를 제거하여 클러터 차감 신호(B(t))를 획득한다(S12).
클러터 차감 신호(B(t))가 획득되면, 기지정된 신호 획득 기간(여기서는 일예로 15초)동안의 획득된 다수의 클러터 차감 신호(B(t))에서 변화가 가장 큰 위치(D(t))를 판별하고, 판별된 위치(D(t))에 대한 클러터 차감 신호(BD(t)(t))를 추출하여 호흡 파형 신호(V(t))를 획득한다(S13).
호흡 파형 신호(V(t))가 획득되면, 획득된 호흡 파형 신호(V(t))의 피크를 분석하여, 로컬 최대값(Lmax(n)) 및 로컬 최소값(Lmin(n))을 각각 검출한다(S14).
그리고 피검자의 정상 호흡 상태에 대한 기준인 제1 문턱값(Thr1(t))로 설정한다(S15). 제1 문턱값(Thr1(t))은 기지정된 시간 동안 검출되는 로컬 최대값(Lmax(n))과 로컬 최소값(Lmin(n)) 사이의 다수의 편차(A(n))를 획득하고, 획득된 다수의 편차(A(n))에서 기지정된 하위 비율에 해당하는 편차로 설정된다.
또한 무호흡 상태의 시작 및 종료를 판별하기 위한 제1 및 제2 가중치(weight1(τ), weight2(τ))를 설정한다(S16).
제1 가중치(weight1(τ1))는 이전 로컬 최대값(Lmax(n-1))에 대한 로컬 최대값(Lmax(n))의 비(|Lmax(n-1)/Lmax(n)|)에 따라 가변되도록 설정된다. 만일 이전 로컬 최대값(Lmax(n-1))에 대한 로컬 최대값(Lmax(n))의 비(|Lmax(n-1)/Lmax(n)|)가 제1 기준 비(w1)를 초과(|Lmax(n-1)/Lmax(n)| > w1)하면, 제1 가중치(weight1(τ1))는 기지정된 제1 값으로 설정되는 반면, 초과하지 않으면, 제1 가중치(weight1(τ1))는 기지정된 제2 값으로 설정한다.
또한 제2 가중치(weight2(τ2))는 특정 시점(t)을 기준으로 이전 기지정된 기준 시간(m) 동안 획득된 피크 개수(N(t))와 특정 시점(t)으로부터 이후 기준 시간(m) 동안 획득된 피크 개수(N(t+m))의 비(N(t)/ N(t+m))에 따라 가변되도록 설정된다. 만일 피크 개수의 비(N(t)/ N(t+m))가 제2 기준 비(w2) 미만(N(t)/ N(t+m) < w2)이면, 기지정된 제2 가중 구간(τ2) 동안 제2 가중치(weight2(τ2))는 제1 값으로 설정되는 반면, 제2 기준비(w2) 이상이면, 제2 가중 구간(τ2) 동안 제2 가중치(weight2(τ2))는 제1 값으로 설정된다.
그리고 제1 문턱값(Thr1(t))과 제1 및 제2 가중치(weight1(τ), weight2(τ))으로부터 제2 문턱값(Thr2(t))을 설정한다(S17).
제2 문턱값(Thr2(t))이 설정되면, 기지정된 검출 구간(γ) 단위로 편차(Aγ(n))가 제2 문턱값(Thr2(t)) 이상(Aγ(n) ≥ Thr2(t))인지 판별하고, 제2 문턱값(Thr2(t)) 이상이면, 무호흡 구간으로 검출한다(S18).
이후 피검사자의 전체 수면 시간 동안 검출되는 무호흡 상태 발생 횟수(c)에 따라 수면 무호흡증의 수준을 진단한다(S19).
도 7 내지 도 10은 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치를 이용한 수면중 무호흡 검출예를 나타낸다.
도 7은 정상인에 대한 수면 무호흡 검출예를 나타내고, 도 8은 경증 수면 무호흡 검출 예를 나타내며, 도 9는 중등도 수면 무호흡 검출 예를 나타낸다. 그리고 도 10은 중증 수면 무호흡 검출 예를 나타낸다.
도 7 내지 도 10에서는 본 실시예의 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치의 성능을 분석하기 위하여 수면다원검사(Polysomnography: PSG)와 비교하여 도시하였다. 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치 및 방법은 IR-UWB 레이더를 이용하여 비접촉/비침습 방식으로 피검사자에게 불편함을 초래하지 않고서도, 수면다원검사와 마찬가지로 정확하게 피검사자의 수면 무호흡증 검출 및 진단할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 신호 획득부 11: 레이더부
12: 클러터 제거부 20: 호흡 신호 추출부
21: 호흡 파형 추출부 22: 피크 검출부
30: 문턱값 설정부 31: 제1 문턱값 설정부
32: 가중치 설정부 33: 제2 문턱값 설정부
40: 검출 진단부 41: 무호흡 검출부
42: 무호흡증 진단부

Claims (8)

  1. 기지정된 위치에 배치된 적어도 하나의 IR-UWB 레이더에서 방사된 임펄스 신호가 반사되어 수신된 신호신호에서 클러터 신호를 제거하여 클러터 차감 신호를 획득하는 신호 획득부;
    기지정된 신호 획득 기간동안의 획득된 다수의 클러터 차감 신호에서 변화가 가장 큰 위치를 판별하고, 판별된 위치에서의 클러터 차감 신호를 추출하여 호흡 파형 신호인 호흡 신호를 획득하며, 상기 호흡 신호의 피크인 로컬 최대값 및 로컬 최소값을 검출하는 호흡 신호 추출부;
    상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값 사이의 편차를 누적하여 정상 상태의 기준인 제1 문턱값을 설정하고, 무호흡 상태의 시작을 판별하기 위한 제1 가중치를 상기 로컬 최대값 또는 상기 로컬 최소값의 변화에 따라 설정하며, 무호흡 상태의 종료를 판별하기 위한 제2 가중치를 기기정된 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수 변화에 따라 설정하고, 상기 제1 문턱값과 제1 및 제2 가중치로부터 무호흡 상태 판별 기준인 제2 문턱값을 설정하는 문턱값 설정부; 및
    상기 편차를 상기 제2 문턱값과 비교하여 무호흡 상태를 검출하고, 검출된 무호흡 상태의 횟수에 기반하여 피검사자의 수면 무호흡 수준을 진단하는 검출 진단부; 를 포함하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 문턱값 설정부는
    상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값 사이의 편차를 누적하고, 누적된 편차들의 하위 기지정된 비율에 대응하는 편차를 상기 제1 문턱값을 설정하는 제1 문턱값 설정부;
    기준 시점에서 이전 로컬 최대값에 대한 현재 로컬 최대값의 비 또는 이전 로컬 최소값에 대한 로컬 최소값의 비를 기지정된 제1 기준 비와 비교하고, 비교 결과에 따라 상기 제1 가중치를 서로 다른 기지정된 값으로 설정하고, 상기 기준 시점에서 이전 상기 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수와 이후 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수의 비에 따라 상기 제2 가중치를 서로 다른 기지정된 값으로 설정하는 가중치 설정부; 및
    시간에 따라 변화하는 상기 제1 문턱값과 제1 및 제2 가중치를 곱하여 상기 제2 문턱값을 설정하는 제2 문턱값 설정부; 를 포함하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 가중치 설정부는
    상기 제1 가중치를 상기 기준 시점으로부터 기지정된 제1 가중 구간 동안 적용하며, 상기 제2 가중치를 상기 기준 시점에서 이전 기지정된 제2 가중 구간 동안 적용하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 가중치 설정부는
    기지정된 검출 구간 단위로 상기 편차를 상기 제2 문턱값과 비교하여, 상기 편차가 상기 제2 문턱값 이상이면, 무호흡 상태로 검출하는 무호흡 검출부; 및
    전체 수면 시간 대비 검출된 무호흡 상태의 횟수에 따라 피검사자의 수면 무호흡증의 수준을 판별하는 무호흡증 진단부; 를 포함하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 장치.
  5. 기지정된 위치에 배치된 적어도 하나의 IR-UWB 레이더에서 방사된 임펄스 신호가 반사되어 수신된 신호신호에서 클러터 신호를 제거하여 클러터 차감 신호를 획득하는 단계;
    기지정된 신호 획득 기간동안의 획득된 다수의 클러터 차감 신호에서 변화가 가장 큰 위치를 판별하고, 판별된 위치에서의 클러터 차감 신호를 추출하여 호흡 파형 신호인 호흡 신호를 획득하며, 상기 호흡 신호의 피크인 로컬 최대값 및 로컬 최소값을 검출하는 단계;
    상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값 사이의 편차를 누적하여 정상 상태의 기준인 제1 문턱값을 설정하고, 무호흡 상태의 시작을 판별하기 위한 제1 가중치를 상기 로컬 최대값 또는 상기 로컬 최소값의 변화에 따라 설정하며, 무호흡 상태의 종료를 판별하기 위한 제2 가중치를 기기정된 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수 변화에 따라 설정하고, 상기 제1 문턱값과 제1 및 제2 가중치로부터 무호흡 상태 판별 기준인 제2 문턱값을 설정하는 단계; 및
    상기 편차를 상기 제2 문턱값과 비교하여 무호흡 상태를 검출하고, 검출된 무호흡 상태의 횟수에 기반하여 피검사자의 수면 무호흡 수준을 진단하는 단계; 를 포함하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제2 문턱값을 설정하는 단계는
    상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값 사이의 편차를 누적하고, 누적된 편차들의 하위 기지정된 비율에 대응하는 편차를 상기 제1 문턱값을 설정하는 단계;
    기준 시점에서 이전 로컬 최대값에 대한 현재 로컬 최대값의 비 또는 이전 로컬 최소값에 대한 로컬 최소값의 비를 기지정된 제1 기준 비와 비교하고, 비교 결과에 따라 서로 다른 기지정된 값으로 상기 제1 가중치를 설정하는 단계;
    상기 기준 시점에서 이전 상기 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수와 이후 기준 시간 구간 동안 획득되는 상기 로컬 최대값 및 상기 로컬 최소값의 개수의 비에 따라 서로 다른 기지정된 값으로 상기 제2 가중치를 설정하는 단계; 및
    시간에 따라 변화하는 상기 제1 문턱값과 제1 및 제2 가중치를 곱하여 상기 제2 문턱값을 설정하는 단계; 를 포함하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제1 가중치를 설정하는 단계는
    상기 제1 가중치를 상기 기준 시점으로부터 기지정된 제1 가중 구간 동안 적용하고,
    상기 제2 가중치를 설정하는 단계는
    상기 제2 가중치를 상기 기준 시점에서 이전 기지정된 제2 가중 구간 동안 적용하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 수면 무호흡 수준을 진단하는 단계는
    기지정된 검출 구간 단위로 상기 편차를 상기 제2 문턱값과 비교하여, 상기 편차가 상기 제2 문턱값 이상이면, 무호흡 상태로 검출하는 단계; 및
    전체 수면 시간 대비 검출된 무호흡 상태의 횟수에 따라 피검사자의 수면 무호흡증의 수준을 판별하는 단계; 를 포함하는 수면 무호흡증 검출 및 진단 방법.
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