KR20210078778A - Apparatus for non-contact respiration measurment using sonic wave - Google Patents

Apparatus for non-contact respiration measurment using sonic wave Download PDF

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KR20210078778A
KR20210078778A KR1020190170568A KR20190170568A KR20210078778A KR 20210078778 A KR20210078778 A KR 20210078778A KR 1020190170568 A KR1020190170568 A KR 1020190170568A KR 20190170568 A KR20190170568 A KR 20190170568A KR 20210078778 A KR20210078778 A KR 20210078778A
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이병진
이원석
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주식회사 케이티
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Abstract

The present invention relates to a non-contact respiration measurement device. A respiratory measurement device according to the present invention generates a sound wave and transmits a sequence signal in which +1 and -1 are alternately repeated and a signal generated by a convolution operation, and then improves resolution using a matrix A matrix consisting of the eigenvectors of the signal subspace and the noise subspace of a covariance matrix. Therefore, it has the effect of determining the position of the chest more accurately.

Description

음파를 이용한 비접촉식 호흡측정장치{APPARATUS FOR NON-CONTACT RESPIRATION MEASURMENT USING SONIC WAVE}Non-contact respiration measurement device using sound waves {APPARATUS FOR NON-CONTACT RESPIRATION MEASURMENT USING SONIC WAVE}

본 발명은 생체신호 측정에 관한 것으로 특히 사람의 호흡을 측정하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to biosignal measurement, and more particularly, to a technology for measuring a person's respiration.

2014년 기준 210억달러에 불과했던 글로벌 스마트 헬스케어 시장규모가 2020년에는 1,015역 달러 규모로 약 4.8배 성장을 보일 것으로 전망됐다. 따라서 병원이 아니라 일상에서 측정할 수 있는 비침습, 비접촉식 측정장비에 대한 연구도 활발하게 이루어지고 있는 추세이다.The size of the global smart healthcare market, which was only USD 21 billion in 2014, is expected to grow by about 4.8 times to USD 1,015 in 2020. Therefore, research on non-invasive, non-contact measuring equipment that can be measured in everyday life, not in hospitals, is also being actively conducted.

수면을 측정하기 위해 호흡이나 맥박을 이용하는데, 아직까지는 주로 접촉식 방법이 널리 사용되고 있다. 마스크를 쓰고 공기 흐름을 측정하거나, 흉부 등 피부에 센서를 부착하여 데이터를 수집하거나, 스마트워치에 내장된 광학 맥박센서를 이용하는 방법 등이 그것이다.To measure sleep, respiration or pulse is used, but a contact method is still widely used. These include wearing a mask to measure the airflow, attaching a sensor to the skin such as the chest to collect data, or using the optical pulse sensor built into the smart watch.

그런데 이런 접촉식 측정방식은 가슴, 손목, 손가락 등에 센서나 밴드를 착용해야 하므로 수면에 방해가 되어 사용자에게 불편을 준다. 비침습 측정 시스템 또한 스트랩, 양말, 침대 등의 장치에 접촉해야 하므로 사용자는 여전히 불편을 겪을 수 밖에 없다.However, this contact-type measurement method requires a sensor or band to be worn on the chest, wrist, and finger, which interferes with sleep and causes inconvenience to users. Non-invasive measurement systems also require contact with devices such as straps, socks, and beds, which inevitably causes inconvenience to users.

본 발명의 발명자들은 이러한 종래 기술의 접촉식 측정방법의 불편함을 해결하기 연구 노력해 왔다. 음파의 반사를 이용하여 센서와 인체의 접촉 없이도 정확성이 높은 호흡측정장치 및 호흡측정방법을 완성하기 위해 많은 노력 끝에 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The inventors of the present invention have been researching and trying to solve the inconvenience of such a contact-type measuring method of the prior art. Using the reflection of sound waves, the present invention was completed after much effort in order to complete a highly accurate respiration measurement device and respiration measurement method without contact with the sensor and the human body.

본 발명의 목적은 음파를 이용하여 인체와의 접촉 없이도 비교적 정확하게 호흡을 측정할 수 있는 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a device capable of measuring respiration relatively accurately without contact with the human body using sound waves.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.On the other hand, other objects not specified in the present invention will be additionally considered within the range that can be easily inferred from the following detailed description and effects thereof.

본 발명에 따른 음파를 이용한 비접촉식 호흡측정 장치는,Non-contact respiration measurement device using sound waves according to the present invention,

음파를 송신하는 송신부; 반사된 음파를 수신하는 수신부; 및 하나 이상의 프로세서를 포함하며 상기 반사된 음파를 이용하여 반사지점까지의 거리를 계산하는 제어부;를 포함하되,a transmitter for transmitting sound waves; a receiver for receiving the reflected sound wave; and a control unit including one or more processors and calculating a distance to a reflection point using the reflected sound wave;

상기 제어부는, 음파를 생성하는 단계; 상기 음파와 시퀀스 신호의 합성곱(Convolution) 신호를 생성하는 단계; 상기 합성곱 신호를 상기 송신부를 통해 송신하는 단계; 상기 송신한 합성곱 신호가 반사되어 돌아온 신호를 상기 수신부를 통해 수신하는 단계; 상기 수신한 신호와 상기 시퀀스 신호와의 교차상관(Cross Correlation) 신호를 계산하는 단계; 상기 교차상관 신호를 이용하여 반사지점까지의 거리를 계산하는 단계;를 포함하여 반사지점까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다.The control unit, generating a sound wave; generating a convolution signal of the sound wave and the sequence signal; transmitting the convolutional signal through the transmitter; receiving a signal returned by reflecting the transmitted convolutional signal through the receiver; calculating a cross-correlation signal between the received signal and the sequence signal; calculating the distance to the reflection point using the cross-correlation signal; and calculating the distance to the reflection point.

상기 시퀀스 신호는 +1 값과 -1 값을 번갈아 가지는 이진 신호인 것을 특징으로 한다.The sequence signal is characterized in that it is a binary signal having a value of +1 and a value of -1 alternately.

또한 상기 음파의 주파수는 18kHz 이상인 것이 좋다.In addition, the frequency of the sound wave is preferably 18 kHz or more.

상기 교차상관 신호를 이용하는 것은, 상기 교차상관 신호를 계산한 결과를 반사된 음파신호와 양자화 잡음신호로 분리하여 상기 반사된 음파신호를 이용할 수 있다.Using the cross-correlation signal, a result of calculating the cross-correlation signal may be separated into a reflected sound wave signal and a quantized noise signal to use the reflected sound wave signal.

바람직하게는 상기 교차상관 신호의 공분산 행렬의 벡터 공간에서 신호 부공간 고유벡터로 구성되는 행렬과 수직인 벡터를 구하여 상기 교차상관 신호의 해상력을 높이는 것을 특징으로 한다.Preferably, it is characterized in that the resolution of the cross-correlation signal is increased by obtaining a vector perpendicular to the matrix composed of the signal subspace eigenvectors in the vector space of the covariance matrix of the cross-correlation signal.

본 발명에 따르면 음파를 이용하여 사용자와의 접촉 없이 호흡을 정확하게 측정할 수 있으므로 사용자의 편의성을 높일 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, since it is possible to accurately measure respiration without contact with the user using sound waves, there is an effect of increasing the user's convenience.

또한 스마트폰이나 AI스피커 등 사용자가 쉽게 접할 수 있는 기기를 이용하여 호흡을 정확하게 측정할 수 있으므로 가정에서도 손쉽게 건강상태를 확인할 수 있는 장점이 있다.In addition, it has the advantage of being able to easily check the health status at home because it can accurately measure respiration using devices that users can easily access, such as smartphones or AI speakers.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.On the other hand, even if it is an effect not explicitly mentioned herein, it is added that the effects described in the following specification expected by the technical features of the present invention and their potential effects are treated as described in the specification of the present invention.

도 1은 종래기술에 따른 호흡측정장치의 개략적인 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따른 호흡측정 결과의 한 예를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 호흡측정장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 호흡측정방법의 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따라 측정한 호흡측정의 결과의 한 예이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다1 is a schematic configuration diagram of a respiration measurement device according to the prior art.
Figure 2 shows an example of the respiration measurement results according to the prior art.
Figure 3 is a block diagram of a respiration measurement device according to any preferred embodiment of the present invention.
Figure 4 is a flowchart of a respiration measurement method according to another preferred embodiment of the present invention.
Figure 5 is an example of the result of the respiration measurement measured according to any preferred embodiment of the present invention.
※ It is revealed that the accompanying drawings are exemplified as a reference for understanding the technical idea of the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereby

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. Hereinafter, with reference to the drawings, the configuration of the present invention guided by various embodiments of the present invention and effects resulting from the configuration will be described. In the description of the present invention, if it is determined that the subject matter of the present invention is unnecessarily obscure as it is obvious to those skilled in the art with respect to related known functions, the detailed description thereof will be omitted.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.Terms such as 'first' and 'second' may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the above terms. The above term may be used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, a 'first component' may be termed a 'second component', and similarly, a 'second component' may also be termed a 'first component'. can Also, the singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. Unless otherwise defined, terms used in the embodiments of the present invention may be interpreted as meanings commonly known to those of ordinary skill in the art.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다.Hereinafter, with reference to the drawings, the configuration of the present invention guided by various embodiments of the present invention and effects resulting from the configuration will be described.

도 1은 음파를 이용한 호흡측정방법을 개략적으로 도시한다.1 schematically shows a respiration measurement method using sound waves.

피측정자(1)의 호흡을 측정하기 위해 스피커 등의 음파발생장치(10)와 마이크 등의 음파수신장치(20)가 필요하다. 일반적으로 가정에서 사용할 수 있는 스마트폰이나 AI스피커 등의 장치를 이용하기 때문에 이들 기기에서 손쉽게 발생시킬 수 있고 수집이 가능한 음파(Sound Wave)를 이용하는 것이다.In order to measure the respiration of the subject 1, a sound wave generator 10 such as a speaker and a sound wave receiver 20 such as a microphone are required. In general, since devices such as smartphones or AI speakers that can be used at home are used, sound waves that can be easily generated and collected by these devices are used.

음파발생장치(10)에서 발생시킨 음파는 공기중에서 전파되다가 피측정자(1)의 흉부에서 반사되어 음파수신장치(20)에 도달한다. 피측정자(1)의 흉부는 호흡, 즉, 들숨, 날숨에 따라 그 위치가 변화한다. 들숨일 때 부풀어올랐다가 날숨일 때 내려가므로 음파가 반사되는 시간이 달라지게 된다. 들숨일 때 거리가 짧아지므로 시간이 단축되고, 날숨일 때 거리가 길어지므로 시간도 늘어난다.The sound wave generated by the sound wave generator 10 propagates in the air, is reflected from the chest of the subject 1 and reaches the sound wave receiver 20 . The position of the chest of the subject 1 changes according to respiration, that is, inhalation and exhalation. It inflates when you breathe in and goes down when you breathe out, so the time the sound waves are reflected varies. When inhaling, the distance is shortened, so the time is shortened, and when exhaling, the distance is increased, so the time is increased.

도 2는 이러한 음파의 도달시간에 의해 들숨과 날숨을 판별한 예이다.2 is an example in which inhalation and exhalation are discriminated by the arrival time of these sound waves.

피측정자(1)의 들숨과 날숨에 의해 흉부가 움직이는 정도는 매우 작기 때문에 이를 분석하기는 매우 어렵다. 따라서 도 2의 결과에서 피측정자(1)의 들숨과 날숨을 분석하는 것은 쉽지 않다.Since the degree of movement of the chest by the inhalation and exhalation of the subject 1 is very small, it is very difficult to analyze it. Therefore, it is not easy to analyze the inhalation and exhalation of the subject 1 in the results of FIG. 2 .

따라서 본 발명에서는 단순히 음파를 전송하고 반사된 음파를 이용하는 것이 아니라 음파에 시퀀스 신호를 합성곱(Convolution) 연산하여 전송하고 반사된 신호를 이용함으로써 신호의 분해력을 높인 것이다.Therefore, in the present invention, rather than simply transmitting a sound wave and using a reflected sound wave, a convolution operation of a sequence signal is performed on the sound wave to transmit the sound wave, and the signal resolution is increased by using the reflected signal.

도 3은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 음파를 이용한 비접촉 호흡측정장치(100)의 구성도를 나타낸다.Figure 3 shows a configuration diagram of a non-contact respiration measurement device 100 using sound waves according to a preferred embodiment of the present invention.

호흡측정장치(100)는 송신부(110), 수신부(120), A/D전환부(130) 및 제어부(140)를 포함한다.Respiratory measurement device 100 includes a transmitter 110, a receiver 120, an A/D conversion unit 130 and a controller 140.

송신부(110)는 제어부(140)에서 생성한 신호를 전송하며, 피측정자의 흉부에 반사된 신호는 수신부(120)를 통해 수신하게 된다.The transmitter 110 transmits the signal generated by the controller 140 , and the signal reflected on the chest of the subject is received through the receiver 120 .

수신부(120)에서 수신된 신호는 아날로그 신호이기 때문에 분석을 위해 A/D(Analog-to-Digital)전환부(130)에서 디지털 신호로 변환된다. 변환된 디지털 신호는 제어부(140)에서 분석되어 호흡의 들숨과 날숨을 구분하게 된다.Since the signal received by the receiving unit 120 is an analog signal, it is converted into a digital signal in the A/D (Analog-to-Digital) conversion unit 130 for analysis. The converted digital signal is analyzed by the control unit 140 to distinguish between inhalation and exhalation of respiration.

제어부(140)는 하나 이상의 프로세서와 메모리로 구성될 수 있으며, 신호생성부(142), 시퀀스신호생성부(144), 교차상관부(146) 및 분해력향상부(148)를 포함한다.The control unit 140 may include one or more processors and a memory, and includes a signal generation unit 142 , a sequence signal generation unit 144 , a cross-correlation unit 146 , and a resolution enhancing unit 148 .

신호생성부(142)에서는 음파가 생성된다. 사람이 들을 수 있는 음파는 20Hz~20kHz 정도의 주파수 범위를 가지지만 일반적으로 18kHz 이상의 주파수를 가지는 음파는 사람이 듣기 힘들다. 따라서 본 발명에서 사용되는 음파의 주파수는 피측정자에게 잘 들리지 않는 18kHz 이상인 것이 좋다.The signal generator 142 generates a sound wave. Human audible sound waves have a frequency range of about 20 Hz to 20 kHz, but generally, sound waves with a frequency of 18 kHz or higher are difficult for humans to hear. Therefore, it is preferable that the frequency of the sound wave used in the present invention is 18 kHz or more, which is not easily audible to the subject.

생성된 음파는 송신부(110)에서 전송되기 전 시퀀스신호와의 합성곱(Convolution)이 이루어진다. The generated sound wave is convolutional with a sequence signal before being transmitted by the transmitter 110 .

시퀀스신호생성부(142)는 음파신호와의 합성곱을 위한 시퀀스신호를 생성한다. The sequence signal generator 142 generates a sequence signal for convolution with a sound wave signal.

음파는 주파수가 낮은 편이기 때문에 신호의 분해력이 떨어진다. 이를 보완하기 위해 음파 자체를 전송하는 것이 아니라 시퀀스 신호를 합성곱하여 전송하는 것이다. 시퀀스신호 s(t)는 +1과 -1이 번갈아 교차하는 이진 신호이며 s(t) = [s1(t), s2(t), …sk(t)]로 구성할 수 있다. k는 시퀀스 신호의 수를 의미하며 s1(t)~ sk(t)가 순서대로 모여 s(t)를 구성한다.Since sound waves have a low frequency, the resolution of the signal is poor. In order to compensate for this, it is not to transmit the sound wave itself, but to transmit the sequence signal by convolution. The sequence signal s(t) is a binary signal alternating between +1 and -1, and s(t) = [s 1 (t), s 2 (t), ... s k (t)]. k denotes the number of sequence signals, and s 1 (t)~ s k (t) are sequentially gathered to form s(t).

생성된 음파와 시퀀스신호는 TAP 필터를 이용하여 합성곱 연산이 되고 합성곱 신호는 송신부(110)에 의해 전송된다.The generated sound wave and sequence signal are subjected to a convolution operation using a TAP filter, and the convolution signal is transmitted by the transmitter 110 .

전송된 신호는 피측정자의 흉부에서 반사되어 돌아오고 수신부(120)에 의해 수신되어 A/D전환부(130)에 의해 디지털 신호로 변환된다.The transmitted signal is reflected back from the chest of the subject, is received by the receiving unit 120 and converted into a digital signal by the A/D conversion unit 130 .

교차상관부(146)는 수신한 신호와 시퀀스신호의 교차상관에 의해 신호를 복원한다. 수신한 신호는 음파와 시퀀스신호가 합성곱 된 신호이므로 여기서 음파를 다시 분리해 내기 위함이다.The cross-correlation unit 146 restores the signal by cross-correlation of the received signal and the sequence signal. Since the received signal is a signal obtained by convolution of a sound wave and a sequence signal, this is to separate the sound wave again.

수신한 신호를 v(t)라 하면 시퀀스신호 s(t)와의 교차상관 결과인

Figure pat00001
는 다음 식과 같이 구할 수 있다.If the received signal is v(t), the result of cross-correlation with the sequence signal s(t) is
Figure pat00001
can be obtained as follows.

Figure pat00002
Figure pat00002

피측정자의 흉부에 맞고 반사되어 온 신호

Figure pat00003
와 시퀀스신호
Figure pat00004
의 교차상관 신호는 0~
Figure pat00005
사이의 값을 가진다. m은 시퀀스 신호의 길이(
Figure pat00006
와 관련되며
Figure pat00007
이다.
Figure pat00008
는 시퀀스 시호의 한 비트(+1 또는 -1)의 지속시간을 의미한다. 따라서
Figure pat00009
는 시퀀스 신호의 한 주기에 해당하는 시간이 된다.A signal that has been reflected by hitting the chest of the subject
Figure pat00003
and sequence signal
Figure pat00004
The cross-correlation signal of
Figure pat00005
has a value between m is the length of the sequence signal (
Figure pat00006
is related to
Figure pat00007
to be.
Figure pat00008
denotes the duration of one bit (+1 or -1) of the sequence signal. therefore
Figure pat00009
is the time corresponding to one period of the sequence signal.

교차상관 결과인

Figure pat00010
는
Figure pat00011
로 나눌 수 있는데
Figure pat00012
는 반사된 음파신호이고
Figure pat00013
는 A/D전환과정에서 발생한 양자화 잡음(Quantization Noise)을 의미한다.The cross-correlation result
Figure pat00010
is
Figure pat00011
can be divided into
Figure pat00012
is the reflected sound wave signal
Figure pat00013
denotes quantization noise generated during the A/D conversion process.

분해력향상부(148)는 교차상관 신호를 이용하여 신호의 분해력을 향상시키기 위해 새로운 벡터 z를 이용한다. 교차상관 신호의 고유벡터들을 대표하는 벡터 z를 이용하면 흉부의 위치를 추정할 수 있다.The resolution improving unit 148 uses the new vector z to improve the resolution of the signal by using the cross-correlation signal. The position of the chest can be estimated by using the vector z representing the eigenvectors of the cross-correlation signal.

교차상관신호의 공분산(Covariance) 행렬 R의 벡터 공간에서 신호 부공간(Subspace of signal) 고유벡터로 구성되는 행렬을

Figure pat00014
라 하고 잡음 부공간(Subspace of noise) 고유벡터로 구성되는 행렬을
Figure pat00015
이라 하면,
Figure pat00016
와
Figure pat00017
은 다음과 같은 식으로 주어진다.In the vector space of the covariance matrix R of the cross-correlation signal, a matrix composed of the subspace of signal eigenvectors is
Figure pat00014
and a matrix composed of subspace of noise eigenvectors
Figure pat00015
If so,
Figure pat00016
Wow
Figure pat00017
is given in the following way.

Figure pat00018
Figure pat00018

Figure pat00019
Figure pat00019

이 때 신호 부공간에 수직인 벡터를 z라고 하면 다음 식을 만족한다.In this case, if z is a vector perpendicular to the signal subspace, the following equation is satisfied.

Figure pat00020
Figure pat00020

Figure pat00021
가 0이 되지 않도록 하기 위해 z는
Figure pat00022
=1이고
Figure pat00023
가 최소화 되도록 하면 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00021
To ensure that is not zero, z is
Figure pat00022
= 1 and
Figure pat00023
is minimized, it can be obtained as

Figure pat00024
Figure pat00024

이를 만족하는 행렬 B와 g는 다음과 같다The matrices B and g that satisfy this are:

Figure pat00025
Figure pat00025

Figure pat00026
Figure pat00026

g는 고유벡터의 첫 번째 요소로 구성되는 벡터이며, B는 고유벡터의 첫 번째 행, 즉, 벡터 g를 제거한 행렬이다.g is the vector composed of the first element of the eigenvector, and B is the first row of the eigenvector, that is, the matrix from which the vector g is removed.

이를 적용한 분해력이 향상된 신호는 다음과 같이 구할 수 있다.A signal with improved resolution to which this is applied can be obtained as follows.

Figure pat00027
Figure pat00027

벡터 a는 다양한 각도에서 반사되어 오는 신호를 분석 할 때 사용될 수 있다. 본 발명에서는 피측정자의 흉부의 위치 측정을 위해 하나의 음파수신장치만을 사용하므로 벡터 a는 1로 할 수 있다. 위 값은 신호가 반사되는 곳, 즉 흉부의 위치에서 첨두값을 나타내므로 첨두값을 나타내는 피크 지점을 흉부의 위치로 판별할 수 있다.Vector a can be used to analyze the signal reflected from various angles. In the present invention, since only one sound wave receiving device is used to measure the position of the chest of the subject, the vector a may be set to 1. Since the above value indicates the peak value at the location where the signal is reflected, that is, the position of the chest, the peak point indicating the peak value can be determined as the position of the chest.

도 5는 본 발명을 적용한 호흡측정방법에서 흉부의 위치를 측정한 결과 그래프이다. 시퀀스신호를 결합하지 않고 음파만 이용한 결과인 도 2에 비해 들숨과 날숨이 더욱 확실히 구분되어 호흡을 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있다.Figure 5 is a graph of the result of measuring the position of the chest in the respiration measurement method to which the present invention is applied. It can be seen that the respiration can be accurately measured since the inhalation and the exhalation are more clearly distinguished compared to FIG. 2 , which is a result of using only sound waves without combining sequence signals.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 호흡측정방법을 다시 한 번 간단히 정리한 흐름도이다.Figure 4 is a flow chart that once again summarizes the respiration measurement method according to a preferred embodiment of the present invention.

우선 흉부에 반사시켜 측정할 음파 신호를 생성한다(S10).First, a sound wave signal to be measured is generated by reflection in the chest (S10).

음파신호는 그 자체로 전송되는 것이 아니라 시퀀스신호를 합성곱하여 부호화 한 다음(S20), 피측정자의 흉부를 향해 전송된다(S30). 음파신호는 사람이 거의 들을 수 없는 18kHz 이상의 주파수를 가지는 것이 좋다. 또한 시퀀스 신호는 +1과 -1이 번갈아 반복되는 이진신호로 생성된다.The sound wave signal is not transmitted by itself, but a sequence signal is convolutioned and encoded (S20), and then transmitted toward the chest of the subject (S30). It is desirable that the sound wave signal has a frequency of 18 kHz or higher, which is hardly audible to humans. In addition, the sequence signal is generated as a binary signal in which +1 and -1 are alternately repeated.

전송된 신호는 피측정자의 흉부에 반사되어 수신부에 의해 수신되고(S40) A/D 변환부에 의해 디지털 신호로 변환된다.The transmitted signal is reflected on the chest of the subject, is received by the receiver (S40), and is converted into a digital signal by the A/D converter.

디지털 신호로 변환된 수신신호는 음파신호와 합성곱 되었던 시퀀스신호와 교차상관 연산이 수행되어 교차상관신호로 변환된다(S50).The received signal converted into a digital signal is converted into a cross-correlation signal by performing a cross-correlation operation with the sequence signal convolutioned with the sound wave signal (S50).

교차상관신호의 분해력 향상을 위해 신호 부공간과 잡음 부공간의 고유벡터들을 이용한다. 교차상관신호의 공분산 행렬 R의 신호 부공간의 고유벡터로 구성되는 행렬에 수직인 벡터 z를 구한 다음 이를 이용하여 분해력이 향상된 신호를 구한다(S60).In order to improve the resolution of the cross-correlation signal, eigenvectors of the signal subspace and the noise subspace are used. A vector z perpendicular to the matrix composed of the eigenvectors of the signal subspace of the covariance matrix R of the cross-correlation signal is obtained, and then a signal with improved resolution is obtained using this (S60).

분해력이 향상된 신호를 이용하여 스펙트럼의 첨두값을 나타내는 피크지점을 계산함으로써 흉부의 위치를 판별할 수 있다(S70). The position of the chest can be determined by calculating the peak point indicating the peak value of the spectrum using the signal with improved resolution (S70).

이렇게 음파에 시퀀스신호를 결합하여 전송하고 반사된 신호를 분석함으로써 종래 음파만으로는 해상력이 떨어져 흉부의 위치를 정확히 측정할 수 없었던 한계를 극복하고 보다 정확하게 피측정자의 호흡을 측정할 수 있는 효과가 있다.By combining and transmitting a sequence signal to the sound wave and analyzing the reflected signal, the conventional sound wave alone has the effect of overcoming the limitation of measuring the position of the chest accurately due to poor resolution and more accurately measuring the subject's respiration.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.The protection scope of the present invention is not limited to the description and expression of the embodiments explicitly described above. In addition, it is added once again that the protection scope of the present invention cannot be limited due to obvious changes or substitutions in the technical field to which the present invention pertains.

Claims (6)

음파를 송신하는 송신부;
반사된 음파를 수신하는 수신부; 및
하나 이상의 프로세서를 포함하며 상기 반사된 음파를 이용하여 반사지점까지의 거리를 계산하는 제어부;를 포함하되,
상기 제어부는,
음파를 생성하는 단계;
상기 음파와 시퀀스 신호의 합성곱(Convolution) 신호를 생성하는 단계;
상기 합성곱 신호를 상기 송신부를 통해 송신하는 단계;
상기 송신한 합성곱 신호가 반사되어 돌아온 신호를 상기 수신부를 통해 수신하는 단계;
상기 수신한 신호와 상기 시퀀스 신호와의 교차상관(Cross Correlation) 신호를 계산하는 단계; 및
상기 교차상관 신호를 이용하여 반사지점까지의 거리를 계산하는 단계;를 포함하여 반사지점까지의 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는, 음파를 이용한 비접촉식 호흡측정 장치.
a transmitter for transmitting sound waves;
a receiver for receiving the reflected sound wave; and
A control unit including one or more processors and calculating a distance to a reflection point using the reflected sound wave; including,
The control unit is
generating sound waves;
generating a convolution signal of the sound wave and the sequence signal;
transmitting the convolutional signal through the transmitter;
receiving a signal returned by reflecting the transmitted convolutional signal through the receiver;
calculating a cross correlation signal between the received signal and the sequence signal; and
Calculating the distance to the point of reflection using the cross-correlation signal; characterized in that for calculating the distance to the point of reflection, including, a non-contact respiration measurement device using sound waves.
 제1항에 있어서,
상기 시퀀스 신호는 +1 값과 -1 값을 번갈아 가지는 이진 신호인 것을 특징으로 하는, 음파를 이용한 비접촉식 호흡측정 장치.
According to claim 1,
The sequence signal is a non-contact respiration measurement device using sound waves, characterized in that the binary signal having alternating +1 value and -1 value.
 제1항에 있어서,
상기 음파의 주파수는 18kHz 이상인 것을 특징으로 하는, 음파를 이용한 비접촉식 호흡측정 장치.
According to claim 1,
The frequency of the sound wave is characterized in that 18kHz or more, a non-contact respiration measurement device using a sound wave.
 제1항에 있어서,
상기 교차상관 신호를 이용하는 것은, 상기 교차상관 신호를 계산한 결과를 반사된 음파신호와 양자화 잡음신호로 분리하여 상기 반사된 음파신호를 이용하는 것인, 음파를 이용한 비접촉식 호흡측정 장치.
According to claim 1,
Using the cross-correlation signal, by separating the result of calculating the cross-correlation signal into a reflected sound wave signal and a quantized noise signal to use the reflected sound wave signal, a non-contact respiration measurement device using sound waves.
 제1항에 있어서,
상기 교차상관 신호의 공분산 행렬의 벡터 공간에서 신호 부공간 고유벡터로 구성되는 행렬과 수직인 벡터를 구하여 상기 교차상관 신호의 해상력을 높이는 것을 특징으로 하는, 음파를 이용한 비접촉식 호흡측정 장치.
According to claim 1,
Non-contact respiration measurement device using sound waves, characterized in that to increase the resolution of the cross-correlation signal by obtaining a vector perpendicular to the matrix consisting of the signal subspace eigenvectors in the vector space of the covariance matrix of the cross-correlation signal.
 제5항에 있어서,
상기 신호 부공간 고유벡터로 구성되는 행렬과 수직인 벡터는 첫 번째 행렬이 1이고 마지막 행은 상기 교차상관 신호의 공분산 행렬의 고유벡터를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는, 음파를 이용한 비접촉식 호흡측정 장치.6. The method of claim 5,
Non-contact respiration measurement device using sound waves, characterized in that the first matrix is 1 and the last row is obtained by using the eigenvector of the covariance matrix of the cross-correlation signal for the vector perpendicular to the matrix consisting of the signal subspace eigenvector. .
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