KR20210091559A - 심전도 웨어러블 디바이스를 활용한 혈압과 혈당 측정 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, ECG와 PPG를 통해 심전도 및 광용적맥파를 측정하는 단계와, 측정된 ECG 파형과 PPG 파형의 지연차를 기초로 PTT를 구하는 단계와, 상기 PTT에 기초하여 PWV를 구하는 단계와, 상기 PWV를 토대로 혈압을 구하는 단계를 포함하는 혈압 측정 방법과, 신체에 부착된 개방성 공진회로 소정 주파수 범위의 미세 교류 전류를 인가하는 단계와, 상기 개방성 공진회로에서 검출되는 전압값과 저항값을 토대로 임피던스를 측정하는 단계와, 신체 온도를 고려하여 상기 측정된 임피던스를 보정하는 단계와, 상기 보정된 임피던스를 기초로 혈당을 구하는 단계를 포함하는 혈당 측정 방법과 이들 방법을 수행하는 혈압 및 혈당 측정 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 혈압 및 혈당 측정은 비침습식으로 이루어지며 휴대용 기기에도 용이하게 적용할 수 있어 이용자 편의성이 매우 높다.
본 발명에 따른 혈압 및 혈당 측정은 비침습식으로 이루어지며 휴대용 기기에도 용이하게 적용할 수 있어 이용자 편의성이 매우 높다.
Description
본 발명은 생체신호를 이용하여 건상상태를 검출할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.
건강관리를 위하여 혈압, 혈당 등의 각종 건강지표를 측정하여 정상 범위 내에서 관리하거나 관리할 의사가 있는 사람들이 증가하고 있으며, 측정 편의성을 높이기 위하여 건강지표 측정 기능을 모바일 기기 또는 별도의 휴대용 장치에 구현하는 연구나 관련 제품의 출시가 증가하고 있다.
예컨대, 최근의 스마트폰은 운동량 또는 신체상태를 측정할 수 있는 기능을 제공하고 있고, 항상 인체에 접촉하지는 않기 때문에 지속적으로 생체신호를 측정하기 어려운 스마트폰의 단점을 해결하기 위하여 스마트 위치 등 별도의 웨어러블 기기가 빠르게 보급되고 있다.
그런데, 현재의 모바일 기기나 스마트 워치 등의 웨어러블 기기는 심전도, 심박수 정도를 측정할 수 있을 뿐이며, 주요 건강지표인 혈압이나 혈당치에 대해서는 측정이 불가능하다.
특히 혈당치는 현재에도 채혈 방식이 주가 되고 있어 일반인에게 큰 심적 부담을 주고 있고 지속적인 측정이 불가능하다. 따라서 비침습식 혈당 방법이 연구되고 있고 이 중에서 적외선 분광법, 라만 분광법, 간섭 촬영법, 편광법 등의 광학적 방식의 비침습식 혈당 측정이 주된 연구 영역이지만 현재에 이르기까지 충분한 정확도를 내지 못하고 있다. 예컨대, 비침습식 무채혈 혈당 측정기 개발을 목표로 2001년 설립된 캐나다의 온센스 인스트루먼트(Onsens instrument)사는 혈당센서를 개발하여 시판중이지만, 혈당량을 측정하는 것이 아니라 혈당 변화 패턴을 파악하여 이상 여부를 감지하려는 것이다.
또한, 혈압의 측정에 있어서도 휴대용 혈압계는 종래의 고정식 혈압계의 정확도에 미치지 못한다.
결국, 모바일 기기나 웨어러블 기기는 혈압, 혈당의 측정이 불가능하고, 혈당 전용 측정기라 하더라도 휴대형 비침습식 기기는 아직 충분한 정확도를 내지 못하고 있다.
본 발명은 웨어러블 디바이스를 활용하여, 정확도 높은 비침습식 혈압 및 혈당 측정이 가능한 방법 및 이를 구현한 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
아울러, 지속적으로 측정되는 건강지표를 관리하여 이상 징후를 조기에 발견하고 이후의 치료 과정에서 이용될 수 있도록 하는 건강지표 데이터 관리 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 면에 따라, 신체에 부착된 개방성 공진회로 소정 주파수 범위의 미세 교류 전류를 인가하는 단계와, 상기 개방성 공진회로에서 검출되는 전압값과 저항값을 토대로 임피던스를 측정하는 단계와, 신체 온도를 고려하여 상기 측정된 임피던스를 보정하는 단계와, 상기 보정된 임피던스를 기초로 혈당을 구하는 단계와, 상기 PWV를 토대로 혈압을 구하는 단계를 포함하는 혈압 측정 방법이 제공된다.
PTT는 ECG 파형의 피크 발생 직후의 시점부터 상기 PPG 파형의 피크치가 발생한 시간의 차이로 구할 수 있고, PWV는 심장과 말초혈관까지의 거리를 상기 PTT로 나누어 산출하며, PWV와 혈압과의 함수 관계를 이용하여 혈압을 산출한다.
본 발명의 다른 면에 따라, 신체에 부착된 개방성 공진회로 소정 주파수 범위의 미세 교류 전류를 인가하는 단계와, 상기 개방성 공진회로에서 검출되는 전압값과 저항값을 토대로 임피던스를 측정하는 단계와, 신체 온도를 고려하여 상기 측정된 임피던스를 보정하는 단계와, 상기 보정된 임피던스를 기초로 혈당을 구하는 단계를 포함하는 비침습식 혈당 측정 방법이 제공된다.
미세 교류 전류 주파수 범위는 1-200MHz인 것이 바람직하며, 심박센서의 측정값을 기초로 상기 측정된 임피던스를 보정하는 단계를 더 포함하는 것이 좋다.
본 발명의 또 다른 면에 따라, 심장의 움직임을 감지하는 심박센서와, 상기 심박센서에서 출력되는 감지 파형으로부터 PTT를 구하고 이를 토대로 PWT를 산출하는 PWT 산출부와, 상기 PWT를 기초로 혈압을 산출하는 혈압 산출부(140)와, 피부에 접촉할 개방성 공진회로와, 상기 개방성 공진회로에 기초하여 신체 조직의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와, 상기 측정된 임피던스를 보정하기 위하여 이용자 온도를 측정하는 온도 센서부와, 온도와 심박 측정 결과를 토대로 임피던스를 보정하는 임피던스 보정부와,조직 임피던스와 혈당과의 함수관계를 토대로 보정된 임피던스로부터 혈당을 산출하는 혈당 산출부를 포함하는 혈압 및 혈당 측정 장치가 제공된다.
본 발명의 방법 및 장치는, 웨어러블 디바이스를 활용하여 비침습식으로 혈압 및 혈당 측정을 높은 정확도로 수행함으로써, 이용자 편의성을 높이며 지속적 측정이 가능하여 신체의 이상 징후를 조기에 발견할 수 있다.
도 1은 동일한 심장 반응에 따른 ECG와 PPG 측정 결과의 차이를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 혈압 측정 방법을 도시한 흐름도.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 혈당 측정 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 측정 장치에서, 신체 조직 임피던스 측정을 위한 개방성 공진회로의 모식도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 혈압 및 혈당 측정 장치의 구조도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 혈압 및 혈당 측정 장치의 부분 회로도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 혈압 측정 방법을 도시한 흐름도.
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도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 측정 장치에서, 신체 조직 임피던스 측정을 위한 개방성 공진회로의 모식도.
도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 혈압 및 혈당 측정 장치의 구조도.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 혈압 및 혈당 측정 장치의 부분 회로도.
본 발명의 목적 및 효과는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 추가의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 이하의 각 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"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 "...유닛", "...장치", "...디바이스", "...부" 또는 "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명의 각 실시예에 있어서, 각 구성요소들, 기능 블록들 또는 수단들은 하나 또는 그 이상의 하부 구성요소로 구성될 수 있으며, 각 구성요소들이 수행하는 전기, 전자, 기계적, 논리적 기능들은 전자회로, 집적회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들, 프로그램 또는 기계적 요소들로 구현될 수 있으며, 각각 별개로 구현되거나 2 이상이 하나로 통합되어 구현될 수도 있다.
본 발명의 기본적인 기술 사상은 생체신호(심전도, 심박수, 산소포화도, 피부온도 등)들을 활용하여 혈압 및 혈당을 측정하는 것이며, 측정된 결과를 실시간 사물의료인터넷 통신(Internet of Medical Thing)으로 송수신하여 건강지표 관리를 할 수 있도록 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.
[혈압 측정]
도 1에 도시된 바와 같이, ECG(ElectroCardioGram; 심전도)와 PPG(photoplethysmography; 광용적맥파)는 같은 심장 반응에 대해 피크 지연(Peak delay)현상을 보이는데 이것을 PPT(Pulse Transit Time)라고 한다. 본 발명에 따른 혈압 측정 방법은 PTT를 기초로 이루어진다.
도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 우선 ECG와 PPG를 통해 심전도 및 광용적맥파를 측정한다(S110, S120).
다음으로, 이들의 지연차를 기초로 PTT를 구하는데(S130), 구체적으로는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 ECG 파형의 피크 발생 직후의 시점(피크가 발생한 후 파형이 안정화된 시점)부터 상기 PPG 파형의 피크치가 발생한 시간의 차이로 구한다. PTT는 혈류가 심장 대동맥판(aortic valve)에서 말초혈관까지 흐르는 시간을 나타내며, 수축기 혈압과 반비례 관계를 갖는다. PTT는 ECG 피크 발생 직후 시점과 PPG의 피크가 시작되는 시점과의 시간차, PPG 피크의 중간값에 도달한 시점과의 시간차, 또는 PPC 피크의 최고점에 도달한 시점과의 시간차(PTTf, PTTm, PTTp)로 각각 구할 수 있는데, 이들 3가지를 각각 이용하여 이후 단계를 진행할 수도 있고, 이 중에서 하나를 이용하여 이후 단계를 진행할 수도 있다. 통상적으로는 PTTp를 이용하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
어떤 PTT를 이용하느냐에 따라 산출되는 혈압은 다르게 나올 수 있는데, 신체 온도, 심박수, 피로도에 따라 PTT를 달리 적용하며, 어떤 상황에서 어떤 PTT를 적용할 지는 다수의 임상 실험을 통해서 축적된 데이터를 통한 기계학습 기반의 AI 추론 결과에 따라 결정함이 바람직하다.
다음 단계로서, 심장과 말초혈관까지의 거리를 PTT로 나누어 PWV(pulse wave velocity)를 구한다(S140). PWV는 맥파 전달 속도로서 수축기 혈압과 이완기 혈압의 차이와 관계가 있다.
PWV는 혈압과 함수 관계가 있으므로, 아래의 수학식 1에 따라 PWV를 기초로 혈압을 구할 수 있다(S150).
이와 같이, 심전도, 심박수 센서를 활용하여 PTT 값을 측정한 후, 광혈류측정(photoplethysmography) 원리를 사용하여 피부 표면을 통해 심전도, 심박수, 산소포화도를 측정하여 PWV 값을 계산한 후비침습적으로 혈압을 측정한다.
[혈당 측정]
본 발명의 일 실시예에 따른 혈당 측정 방법에 따르면, 임피던스 분광학(Impedance spectroscopy) 원리를 활용한 무채혈 당뇨 측정을 할 수 있다.
신체 조직의 임피던스는 알려진 압력/강도 내에서 통과되는 전류로 측정이 가능하다. 파장과 전류를 변화시켜 반복적으로 측정한다면 유전체의 임피던스 스펙트럼이 결정된다. 본 발명자의 연구 결과, 혈액 내의 전기적 변화를 민감하게 감지할 수 있는 혈당 센서를 위해서는 인가 전류에 대한 정확한 작용 주파수(working frequency)가 선택되어야 하는데, 이는 1-200MHz 이었다.
200MHz 이상의 작용 주파수는 세포막의 베타 분산(beta dispersion, 생체 내 세포막이 저주파의 전류를 걸러내고 높은 주파수의 전류를 통과시키는 것을 유발시키고 이온의 직류전도에 대한 민감도를 저하시킨다. 반면 100KHz 이하의 낮은 주파수는 전극의 분극화(electrode polarization) 및 조직의 알파 분산(alpha-dispersion)을 초래하여 사용될 수 없다.
1-200MHz 주파수에서는 진피에서 적혈구와 다른 세포막의 접합 분극(interfacial membrane polarization, 맥스웰 와그너 영향)에 대한 혈당과 조직 임피던스 사이의 상관 관계 연구가 가능했다.
혈당의 농도 변화는, 아주 작더라도 적혈구 세포 내 sodium 이온의 감소와 potassium 이온 증가를 초래하며 세포막의 반응을 유도한다. 혈당 변화에 기인한 이러한 혈액과 조직 세포간의 특수한 반응으로 세포막을 사이에 둔 전해질 평형이 변하게 되며 결국 막 투과성과 전도성, 접합 분극의 변화를 초래한다(맥스웰-와그너 효과).
즉 혈당의 변화는 피부와 피하조직의 유전체 특성을 변화시키고 임피던스로 측정 가능한 조직 스펙트럼의 변화를 가져온다.
혈당이 직접적으로 MHz 주파수대에 존재하는 유전체 스펙트럼에 영향을 미치는 것은 아니지만, 상기 일련의 변화를 거치며 스펙트럼에 영향을 주므로 측정된 스펙트럼을 토대로 임피던스 분광학을 이용하여 혈당 수치로 전환할 수 있다.
적은 양의 교류를 적용하면 조직의 전류에 대한 임피던스는 주파수의 함수로 표현된다. 허용된 주파수의 범위 안에서 임피던스의 변화는 1 mM 당 0.5-0.8 Ohm 정도이다.
이와 같은 연구 결과를 토대로 본 발명에 따른 혈당 측정 방법은, 도 3에 도시된 바와 같이, 우선 임피던스 측정을 위하여 피부에 닿는 부위에 도 4에 도시된 바와 같은 개방성 공진회로(open resonant circuit)를 배치하고(S210), 이 회로에서 적당한 주파수 범위(1~200MHz 이내)의 미세 교류 전류를 인가하여(S220), 임피던스를 측정한다. 전압 제어 발진기(Voltage Controlled Oscillator)를 이용하여 0.3V 미만의 일정한 전압이 생성되면 임피던스는 저항분배기에 의해 제공되는 일정한 주파수 범위 내에서 아래의 수학식 2에 의하여 구할 수 있다(S230).
(Zsens는 조직 임피던스, Vsens는 감지된 센서 신호 전압, Vref는 전압제어발진기 출력 전압, Rs는 피부와 그 아래 조직의 평균 저항)
한편, 온도에 따라 공진주파수(resonance point)가 달라지기 때문에 피부의 온도 측정 센서를 통하여 보정한다. 또한, 본 발명자의 연구 결과 심박과 측정 임피던스의 상관성이 있다고 추정되므로, 심박센서의 측정값을 기초로도 보정함이 바람직하다(S240).
심박 측정치에 따른 보정 계수는 다양한 임상 실험 데이터를 축적하고 이에 대한 기계학습을 통하여 생성한 학습모델을 기반으로 추론하는 방식으로 구할 수 있다.
임피던스 보정이 완료되면 임피던스 분광학을 이용하여 혈당 수치로 전환한다(S350).
이와 같이, 비침습식으로 개방성 공진회로와 심박 센서를 통하여 혈당치를 구할 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 혈압 및 혈당 측정 장치에 대하여 설명한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 혈압 및 혈당 측정 장치는 혈압 측정을 위하여 심장의 움직임을 감지하는 심박센서(심전도계(110), 공용적맥파계(120))와 심박센서에서 출력되는 감지 파형으부터 PTT를 구하고 이를 토대로 PWT를 산출하는 PWT 산출부(130), PWT를 기초로 혈압을 산출하는 혈압 산출부(140)를 포함한다.
한편, 혈당 측정을 위해서 피부에 접촉할 개방성 공진회로(150), 신체 조직의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부(160), 측정된 임피던스를 보정하기 위하여 이용자 온도를 측정하는 온도 센서부(170), 온도와 심박 측정 결과를 토대로 임피던스를 보정하는 임피던스 보정부(180), 조직 임피던스와 혈당과의 함수관계를 토대로 보정된 임피던스로부터 혈당을 산출하는 혈당 산출부(190)를 포함한다.
전술한 바와 같이, 임피던스의 보정은 온도뿐만이 아니라 심박 센서 출력값을 토대로 이루어지며, 임피던스 보정부(180)는 심박 데이터에 기초한 측정 임피던스의 보정을 위한 AI 학습 모델부 및 추론부(미도시)를 포함한다.
도 6에 본 발명에 따른 혈압 및 혈당 측정 장치의 부분 회로도를 도시하였다.
이상 본 발명의 구성에 대하여 바람직한 몇 실시예를 들어 상세히 설명하였으나, 이는 이해를 돕기 위한 예시에 불과한 것으로 본 발명의 보호범위가 각 실시예의 구성에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 전술한 실시예의 다양한 변형 및 변경이 가능함은 물론이다.
따라서, 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.
Claims (8)
- 심박 센서를 통한 혈압 측정 방법으로서,
ECG와 PPG를 통해 심전도 및 광용적맥파를 측정하는 단계와,
측정된 ECG 파형과 PPG 파형의 지연차를 기초로 PTT를 구하는 단계와,
상기 PTT에 기초하여 PWV를 구하는 단계와,
상기 PWV를 토대로 혈압을 구하는 단계
를 포함하는 혈압 측정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 PTT를 구하는 단계는,
상기 ECG 파형의 피크 발생 직후의 시점부터 상기 PPG 파형의 피크치가 발생한 시간의 차이로 구하는 것
인 혈압 측정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 PWV를 구하는 단계는,
심장과 말초혈관까지의 거리를 상기 PTT로 나누어 산출하는 것
혈압 측정 방법. - 제1항에 있어서, 상기 혈압을 구하는 단계는,
PWV와 혈압과의 함수 관계를 이용하여 혈압을 산출하는 것
인 혈압 측정 방법. - 비침습식 혈당 측정 방법으로서,
신체에 부착된 개방성 공진회로 소정 주파수 범위의 미세 교류 전류를 인가하는 단계와,
상기 개방성 공진회로에서 검출되는 전압값과 저항값을 토대로 임피던스를 측정하는 단계와,
신체 온도를 고려하여 상기 측정된 임피던스를 보정하는 단계와,
상기 보정된 임피던스를 기초로 혈당을 구하는 단계
를 포함하는 혈당 측정 방법. - 제5항에 있어서, 상기 미세 교류 전류를 인가하는 단계는,
1-200MHz 주파수 범위내에서 상기 미세 교류 전류를 인가하는 것인
혈당 측정 방법. - 제5항에 있어서,
심박센서의 측정값을 기초로 상기 측정된 임피던스를 보정하는 단계를 더 포함하는 혈당 측정 방법. - 심장의 움직임을 감지하는 심박센서와,
상기 심박센서에서 출력되는 감지 파형으로부터 PTT를 구하고 이를 토대로 PWT를 산출하는 PWT 산출부와,
상기 PWT를 기초로 혈압을 산출하는 혈압 산출부(140)와,
피부에 접촉할 개방성 공진회로와,
상기 개방성 공진회로에 기초하여 신체 조직의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정부와,
상기 측정된 임피던스를 보정하기 위하여 이용자 온도를 측정하는 온도 센서부와,
온도와 심박 측정 결과를 토대로 임피던스를 보정하는 임피던스 보정부와,
조직 임피던스와 혈당과의 함수관계를 토대로 보정된 임피던스로부터 혈당을 산출하는 혈당 산출부
를 포함하는 혈압 및 혈당 측정 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020200004880A KR20210091559A (ko) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 심전도 웨어러블 디바이스를 활용한 혈압과 혈당 측정 방법 및 장치 |
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| KR1020200004880A KR20210091559A (ko) | 2020-01-14 | 2020-01-14 | 심전도 웨어러블 디바이스를 활용한 혈압과 혈당 측정 방법 및 장치 |
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| KR20210091559A true KR20210091559A (ko) | 2021-07-22 |
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ID=77158092
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| KR (1) | KR20210091559A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023038254A1 (ko) * | 2021-09-08 | 2023-03-16 | (주)한국아이티에스 | 기계학습을 이용한 비침습적 당화혈색소 또는 혈당 추정 방법 및 장치 |
-
2020
- 2020-01-14 KR KR1020200004880A patent/KR20210091559A/ko not_active Application Discontinuation
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| WO2023038254A1 (ko) * | 2021-09-08 | 2023-03-16 | (주)한국아이티에스 | 기계학습을 이용한 비침습적 당화혈색소 또는 혈당 추정 방법 및 장치 |
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