KR20210095375A - 생체정보 추정 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

생체정보 추정 장치가 개시된다. 일 실시예에 따른 생체정보 추정 장치는 피검체로부터 생체신호를 획득하는 센서부 및 생체신호의 2차 미분신호를 획득하고, 2차 미분신호 제1 극소점의 안정성 여부를 기초로 생체신호로부터 전진파 성분을 추출하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

생체정보 추정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ESTIMATING BIO-INFORMATION}
비침습적으로 생체정보를 추정하는 장치 및 방법과 관련된다.
최근 고령화된 인구구조와 급증하는 의료비 및 전문 의료서비스인력의 부족 등으로 인해 IT 기술과 의료기술이 접목된 IT-의료 융합기술에 대한 연구가 수행되고 있다. 특히 인체의 건강상태에 대한 모니터링은 병원과 같은 고정된 장소에서만 수행되는 것으로 국한되지 않고, 가정과 사무실 등 일상생활 속에서 언제 어디서나 사용자의 건강 상태를 모니터링해 주는 모바일 헬스케어(mobile healthcare) 분야로 확대되고 있다. 개인의 건강상태를 나타내 주는 생체신호의 종류에는 대표적으로 ECG(심전도, Electrocardiography), PPG(광전용적맥파, Photoplethysmogram), EMG(근전도, Electromyography) 신호 등이 있으며, 일상생활에서 이를 측정하기 위해서 다양한 생체신호 센서가 개발되고 있다. 특히 PPG 센서의 경우는 심혈관계 상태 등을 반영하는 맥파 형태를 분석하여 인체의 혈압 추정이 가능하다.
PPG 생체신호 관련 연구결과에 의하면 전체 PPG 신호는 심장에서 출발하여 신체 말단부로 향하는 진행파(propagation wave)와 말단부에서 다시 되돌아오는 반사파(reflection wave)들로 중첩되어 구성된다. 그리고 진행파 혹은 반사파들과 관련된 다양한 특징(feature)들을 추출하면 혈압을 추정할 수 있는 정보를 얻을 수 있음이 알려져 있다.
생체신호에서 안정적으로 특징을 추출하고 생체정보를 추정하는 장치 및 방법이 제시된다.
일 양상에 따르면, 생체정보 추정 장치는 피검체로부터 생체신호를 획득하는 센서부 및, 생체신호의 2차 미분신호를 획득하고, 2차 미분신호 제1 극소점의 안정성 여부를 기초로 생체신호로부터 전진파 성분을 추출하는 프로세서를 포함할 수 있다.
센서부는 피검체에 광을 조사하는 광원 및, 피검체로부터 반사 또는 산란되는 광을 검출하는 디텍터를 포함하는 맥파센서를 포함할 수 있다.
프로세서는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점을 검출하고, 변곡점의 존재 여부를 기초로 제1 극소점의 안정성 여부를 판단할 수 있다.
탐색 구간은 2차 미분신호의 제1 극대점에서 제1 극소점 사이의 시간 구간을 포함할 수 있다.
프로세서는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 파형이 아래로 볼록한 특성에서 위로 볼록한 특성으로 변화하는 지점을 변곡점으로 검출할 수 있다.
프로세서는 생체신호의 4차 미분신호를 획득하고, 4차 미분신호의 탐색 구간에서 제1 지점의 진폭이 0보다 크고 제2 지점의 진폭이 0보다 작은 제1 지점을 검출하며, 2차 미분신호에서 제1 지점에 대응하는 지점을 변곡점으로 검출할 수 있다.
프로세서는 제1 극소점이 안정적이라 판단되면, 제1 극소점을 기초로 전진파 성분을 추출할 수 있다.
프로세서는 제1 극소점의 시간에 해당하는 생체신호의 진폭 및, 제1 극소점의 시간과 2차 미분신호의 제2 극대점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호의 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출할 수 있다.
프로세서는 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단되면, 생체신호의 수축기 구간에서 최대 진폭 지점을 검출하고, 검출된 최대 진폭 지점을 기초로 전진파 성분을 추출할 수 있다.
프로세서는 최대 진폭 지점의 진폭 및, 2차 미분신호의 탐색 구간에서 검출된 변곡점의 시간과 최대 진폭 지점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출할 수 있다.
프로세서는 추출된 전진파 성분을 기초로 생체정보를 추정할 수 있다.
생체정보는 혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 대동맥압 파형, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 생체정보 추정 방법은 피검체로부터 생체신호를 획득하는 단계, 생체신호의 2차 미분신호를 획득하는 단계, 2차 미분신호 제1 극소점의 안정성 여부를 판단하는 단계 및, 판단 결과를 기초로 생체신호로부터 전진파 성분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 극소점의 안정성 여부를 판단하는 단계는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점을 검출하는 단계 및, 변곡점의 존재 여부를 기초로 제1 극소점의 안정성 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.
탐색 구간은 2차 미분신호의 제1 극대점에서 상기 제1 극소점 사이의 시간 구간을 포함할 수 있다.
변곡점을 검출하는 단계는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 2차 미분신호의 파형이 아래로 볼록한 특성에서 위로 볼록한 특성으로 변화하는 지점을 변곡점으로 검출할 수 있다.
변곡점을 검출하는 단계는 생체신호의 4차 미분신호를 획득하는 단계, 4차 미분신호의 탐색 구간 내에서 제1 지점의 진폭이 0보다 크고 제2 지점의 진폭이 0보다 작은 상기 제1 지점을 검출하는 단계 및, 2차 미분신호에서 제1 지점에 대응하는 지점을 변곡점으로 검출할 수 있다.
전진파 성분을 추출하는 단계는 제1 극소점이 안정적이라 판단되면, 2차 미분신호의 제1 극소점을 기초로 전진파 성분을 추출할 수 있다.
전진파 성분을 추출하는 단계는 제1 극소점이 안정적이라 판단되면, 제1 극소점의 시간에 해당하는 생체신호의 진폭 및, 제1 극소점의 시간과 2차 미분신호의 제2 극대점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호의 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출할 수 있다.
전진파 성분을 추출하는 단계는 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단되면, 생체신호 수축기 구간에서 최대 진폭 지점을 검출하는 단계 및 검출된 최대 진폭 지점을 기초로 전진파 성분을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
최대 진폭 지점을 기초로 전진파 성분을 추출하는 단계는 최대 진폭 지점의 진폭 및, 2차 미분신호의 탐색 구간에서 검출된 변곡점의 시간과 최대 진폭 지점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호의 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출할 수 있다.
또한, 생체정보 추정 방법은 추출된 전진파 성분을 기초로 생체정보를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
생체신호에서 안정적으로 특징을 추출할 수 있으며, 이를 통해 생체정보 추정의 정확성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 생체정보 추정 장치의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 생체정보 추정 장치의 블록도이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 실시예에 따른 프로세서의 블록도이다.
도 4a 내지 도 4d는 생체신호로부터 전진파 성분을 추출하는 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 생체정보 추정 방법의 흐름도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 웨어러블 기기를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 스마트 기기를 설명하기 위한 도면이다.
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 추정 장치 및 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 생체정보 추정 장치의 블록도이다. 본 실시예의 생체정보 추정 장치(100)는 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 노트북 PC 등의 단말 등에 탑재되거나 독립적인 하드웨어 기기로 제작될 수 있다. 이때, 독립적인 하드웨어 기기로 제작되는 경우 사용자가 휴대하면서 용이하게 생체정보를 측정할 수 있도록 피검체(OBJ)에 착용될 수 있는 웨어러블 기기의 형태로 구현될 수 있다. 예컨대, 손목 시계형, 팔찌형, 손목 밴드형, 반지형, 안경형, 또는 헤어밴드형으로 구현되는 것이 가능하다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 의료기관에서 생체정보를 측정 및 분석에 활용하기 위한 고정형으로 제작되는 등 다양한 목적에 따라 변형 실시될 수 있다.
도 1을 참조하면, 생체정보 추정 장치(100)는 센서부(110) 및 프로세서(120)를 포함한다.
센서부(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 피검체로부터 생체신호를 획득하고, 획득된 생체신호를 프로세서(120)에 전달할 수 있다. 이때, 생체신호는 광전용적맥파(Photoplethysmogram, PPG) 신호(이하, "맥파 신호"라 함)일 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 심전도(Electorcardiography, ECG), 광전용적맥파(Photoplethysmogram, PPG) 및 근전도(Electormygraphy, EMG) 신호 등 복수 개의 파형 성분들의 합으로 모델링이 가능한 각종 생체신호를 포함할 수 있다.
예를 들어, 센서부(110)는 광전용적맥파 신호를 측정하는 PPG 센서를 포함할 수 있다. PPG 센서는 피검체에 광을 조사하는 광원과, 광원에 의해 피검체에 조사된 광이 피검체의 생체조직에 의해 산란되거나 반사되어 방출되는 광을 검출하여 광전용적맥파 신호를 측정하는 디텍터를 포함할 수 있다. 이때, 광원은 LED(light emitting diode), 레이저 다이오드(laser diode) 및 형광체 중의 적어도 하나를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 디텍터는 포토다이오드(photodiode)를 포함할 수 있다.
센서부(110)는 프로세서(120)로부터 제어신호를 수신하면 PPG 센서를 구동하여 피검체로부터 맥파 신호를 획득할 수 있다. 이때, 피검체는 PPG 센서와 접촉 또는 인접할 수 있는 생체 영역으로, PPG를 통한 맥파 측정이 용이한 인체의 부위일 수 있다. 예를 들어, 요골 동맥과 인접한 손목 표면의 영역으로, 모세혈이나 정맥혈이 지나가는 손목 상부 영역을 포함할 수 있다. 요골 동맥이 지나가는 손목의 피부 표면에서 맥파가 측정될 경우, 손목 내부의 피부 조직의 두께 등과 같은 측정의 오차를 발생시키는 외부적 요인들의 영향을 비교적 적게 받을 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 기타 인체 내의 혈관 밀도가 높은 부위인 손가락, 발가락 등 인체의 말초 부위일 수도 있다.
프로세서(120)는 사용자로부터 생체정보 추정 요청이 수신되면, 센서부(110)를 제어하는 제어신호를 생성하여 센서부(110)에 전송할 수 있다. 또한, 센서부(110)로부터 생체신호를 수신하고, 수신된 생체신호를 분석하여 생체정보를 추정할 수 있다. 이때, 생체정보는 혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 대동맥압 파형, 스트레스 지수 및 피로도 등을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
프로세서(120)는 센서부(110)로부터 생체신호가 수신되면, 노이즈를 제거하기 위한 필터링이나, 생체신호의 증폭, 디지털 신호로 변환하는 등의 전처리를 할 수 있다.
프로세서(120)는 생체신호의 파형을 분석하여 생체정보 추정을 위한 특징(feature)을 획득할 수 있다. 예를 들어, 생체신호 파형을 구성하는 개별 펄스 파형 성분을 획득하고, 획득된 펄스 파형 성분 자체 또는 펄스 파형 성분들 및/또는 그 밖의 추가 정보들을 적절히 조합하여 특징을 획득할 수 있다.
도 3 이하를 통해 자세히 설명하는 바와 같이 프로세서(120)는 생체신호의 2차 미분신호를 분석하여 개별 펄스 파형 성분들을 획득할 수 있다. 프로세서(120)는 2차 미분신호의 제1 극소점의 시간 및/또는 그 시간에 대응하는 생체신호의 진폭을 전진파 성분으로 획득하고, 획득된 전진파 성분을 이용하여 특징을 획득할 수 있다.
하지만, 생체신호 측정시의 잡음, 비이상적 접촉 상태, 피검체의 특이 상태 등으로 인해 비이상적인 생체신호의 파형 형태가 발생할 수 있다. 이와 같은 상황에서 획득된 생체신호의 경우 2차 미분신호에서 제1 극소점이 원래 검출되어야 하는 위치에서 검출이 되지 않거나 제1 극소점이 명확하게 검출되지 않을 수도 있다. 프로세서(120)는 이러한 다양한 상황에서도 안정적인 특징 추출을 위해 생체신호 파형의 안정성 여부 특히 2차 미분신호의 제1 극소점의 안정성 여부를 판단하고, 그 판단 결과를 기초로 전진파 성분을 적응적으로 획득할 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 생체정보 추정 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 생체정보 추정 장치(200)는 센서부(110), 프로세서(120), 출력부(210), 저장부(220) 및 통신부(230)를 포함할 수 있다.
센서부(110)는 피검체로부터 생체신호를 측정하고, 프로세서(120)는 센서부(110)가 측정한 생체신호를 이용하여 생체정보를 추정할 수 있다.
출력부(210)는 센서부(110)에 의해 측정된 생체신호 정보, 프로세서(120)의 각종 처리 결과를 출력하여 사용자에게 제공할 수 있다. 출력부(210)는 장치에 탑재된 디스플레이 모듈, 스피커 및 햅틱 장치 등을 이용하여 다양한 시각적/비시각적인 방법으로 사용자에게 정보를 제공할 수 있다.
예를 들어, 출력부(210)는 사용자의 혈압이 추정되면, 추정된 혈압이 정상 범위에 있는지 또는 정상 범위를 벗어났는지 여부를 기준으로 색상, 선의 굵기, 글씨체 등의 시각적인 방법을 다양하게 하여 사용자에게 출력할 수 있다. 또는 추정된 혈압을 음성으로 출력하거나, 진동 또는 촉감 등을 혈압의 이상 여부에 따라 다르게 하여 비시각적인 방법으로 출력할 수도 있다. 또는, 측정된 혈압이 이전 측정 이력에 비교하여 이상이 있다고 판단하는 경우 경고하거나 주의할 음식 정보나 예약할 병원 정보 등 사용자가 취해야 할 조치를 안내를 할 수 있다.
저장부(220)는 생체정보 추정에 필요한 각종 기준정보, 획득된 생체신호, 검출된 특징점, 추출된 특징 및 생체정보 추정 결과 등을 저장할 수 있다. 이때, 생체정보 추정에 필요한 각종 기준정보는 사용자의 나이, 성별, 직업, 현재 건강상태 등의 사용자 정보와, 생체정보 추정모델 정보 등을 포함할 수 있으나, 이에 국한되는 것은 아니다.
예를 들어, 저장부(230)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(230)는 프로세서(120)로부터 외부 기기(250)의 접속 정보를 포함하는 제어신호가 수신되면, 통신 기술을 통해 통신망에 접속하여 외부 기기(250)와 연결할 수 있다. 통신부(230)는 외부 기기(250)와 연결이 되면 생체정보 추정과 관련된 각종 정보를 수신하고, 센서부(110)에 의해 측정된 생체신호, 프로세서(120)에 의해 추정된 생체정보 등을 외부 기기(250)에 전송할 수 있다. 이때, 외부 기기(250)는 다른 생체정보 추정 장치, 커프 혈압 등을 측정하는 커프 혈압계, 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC, 노트북 PC 등을 포함할 수 있으나, 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.
도 3은 도 1 및 도 2의 실시예에 따른 프로세서의 블록도이다. 도 4a 내지 도 4d는 생체신호로부터 전진파 성분을 추출하는 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면 프로세서(300)는 안정성 판단부(310), 특징 획득부(320) 및 생체정보 추정부(330)를 포함할 수 있다.
도 4a는 맥파신호(40)의 파형이 5개의 구성 펄스들(41,42,43,44,45)의 중첩으로 이루어진 것을 예시한 것이다. 일반적으로 맥파신호(40)의 각 구성 펄스(41,42,43,44,45)들과 연관된 시간(time) 및 진폭(amplitude) 정보를 적절히 조합하여 혈압과 상관도가 높은 특징을 획득할 수 있다. 세 번째까지의 구성 펄스들이 혈압 추정에 주로 사용되며, 특히 첫 번째 구성 펄스 파형 성분을 전진파와 관련된 성분으로 추출할 수 있다. 그 이후의 펄스들은 사람에 따라 관측되지 않는 경우도 있고, 노이즈(noise) 때문에 찾아내기 어렵거나 혈압 추정과의 상관도도 낮은 경우가 보통이다.
이상적인 생체신호의 경우에는 각 구성 펄스 파형 성분이 위치한 시간에서 도시된 바와 같이 위로 볼록해 보이는 특성이 두드러지게 나타날 수 있다. 하지만, 생체신호 측정시 잡음이나 피검체가 비이상적으로 센서부(110)에 접촉하는 경우 또는 사용자의 피검체의 비특이적 특성 예컨대 특이한 혈관 구조 등으로 인해 비이상적인 파형 형태가 발생할 수 있다. 또는, 동맥이 아닌 모세혈관 부위에서 생체신호를 측정하는 경우에는 고주파 성분이 대부분 사라지고 저주파 위주의 성분들만 남게 되어 생체신호 파형의 형태가 완만한 형태의 파형이 될 수 있다.
안정성 판단부(310)는 이러한 다양한 상황에서 측정되는 생체신호로부터 안정적으로 특징을 획득하기 위하여 생체신호 파형이 안정적인지를 판단할 수 있다. 예를 들어, 안정성 판단부(310)는 생체신호 파형의 안정성 여부에 따라 예컨대 전진파 성분을 적응적으로 획득하기 위해 센서부(110)를 통해 측정된 생체신호의 2차 미분신호를 획득하고, 전진파 성분과 관련된 2차 미분신호의 제1 극소점의 안정성 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 안정성 판단부(310)는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점을 검출하고, 변곡점 존재 여부를 기초로 제1 극소점이 안정적인지 여부를 판단할 수 있다. 이때, 탐색 구간은 2차 미분신호의 제1 극대점에서 제1 극소점 사이의 시간 구간을 포함할 수 있다. 탐색 구간은 장치의 성능, 신속성 등을 고려하여 조절이 가능하다.
안정성 판단부(310)는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점을 검출한 결과 변곡점이 존재하지 않으면 제1 극소점이 안정적이라고 판단할 수 있다. 반대로 탐색구간에서 변곡점이 존재하면 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단할 수 있다. 이때, 변곡점은 2차 미분신호의 탐색 구간에서 파형이 "아래로" 볼록한 특성에서 "위로" 볼록한 특성으로 변화하는 지점을 의미한다.
안정성 판단부(310)는 예컨대 생체신호를 4차 미분하여 4차 미분신호를 획득하고, 4차 미분신호를 이용하여 변곡점을 검출할 수 있다. 안정성 판단부(310)는 4차 미분신호의 그 탐색 구간에서 제1 지점(t)의 진폭이 0보다 크고 제1 지점(t) 이후의 제2 지점(t+1)의 진폭이 0보다 작은 조건을 만족하는 제1 지점을 검출할 수 있으며, 2차 미분신호에서 제1 지점(t)에 대응하는 지점을 변곡점으로 검출할 수 있다.
특징 획득부(320)는 안정성 판단부(310)의 판단 결과를 기초로 전진파 성분을 적응적으로 획득할 수 있다. 또한, 획득된 전진파 성분을 이용하여 특징을 획득할 수 있다.
도 4b는 안정성 판단부(310)가 제1 극소점이 안정적이라고 판단하는 경우 즉, 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점이 검출되지 않은 경우를 예시한 것이다.
특징 획득부(320)는 제1 극소점이 안정적인 경우 2차 미분신호의 제1 극소점(MP)을 기초로 전진파 성분을 획득할 수 있다. 일 예로, 특징 획득부(320)는 2차 미분신호의 제1 극소점(MP)을 검출하고, 제1 극소점의 시간(T1)에 해당하는 생체신호의 진폭(P1)을 전진파 성분으로 획득할 수 있다. 다른 예로 특징 획득부(320)는 2차 미분신호의 제1 극소점과 제2 극대점의 시간 사이의 내분점을 획득하고, 내분점에 해당하는 생체신호의 진폭을 전진파 성분으로 획득하는 것도 가능하다. 이때, 제1 극소점과 제2 극대점 각각에 가중치를 부여할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 제1 극소점(MP)에 해당하는 진폭(P1)의 소정 비율에 해당하는 값, 제1 극소점(MP)의 시간(T1)의 소정 비율, 그 시간(T1)에서 소정 값을 빼거나 더한 시간 지점의 진폭을 전진파 성분으로 획득하는 것도 가능하다.
도 4c는 안정성 판단부(310)가 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단하는 경우 즉, 탐색 구간에서 변곡점이 검출된 경우를 예시한 것이다.
안정성 판단부(310)는 2차 미분신호(도 4c의 하단)의 탐색 구간 예컨대 제1 극대점의 시간(Ta)과 제1 극소점의 시간(Tb) 사이에서 변곡점(IP)을 검출하고, 변곡점(IP)이 존재하면 제1 극소점이 불안정하다고 판단할 수 있다. 다시 말해, 정상적인 상황에서는 변곡점(IP)으로 검출된 지점에서 제1 극소점이 발생하게 되나, 그 지점에서 명확하게 제1 극소점이 발생하지 않고 변곡점의 형태로 변형되고 그 이후에서 제1 극소점이 검출된 경우를 나타내므로, 2차 미분신호에서 실제 검출된 제1 극소점이 불안정하다고 판단할 수 있다.
특징 획득부(320)는 이와 같이 변곡점(IP)이 검출되면 2차 미분신호에서 실제 검출되는 제1 극소점을 전진파 성분으로 이용하지 않고, 생체신호의 수축기 구간에서 최대 진폭 지점(Pmax)을 검출하여 최대 진폭 지점(Pmax)을 기초로 전진파 성분을 획득할 수 있다. 이때, 수축기 구간은 생체신호의 시작 지점부터 중복절흔(Dicrotic notch) 지점까지를 의미할 수 있다.
일 예로, 특징 획득부(320)는 도 4c에 도시된 바와 같이 생체신호 최대 진폭 지점(Pmax)의 진폭을 전진파 성분으로 획득할 수 있다. 다른 예로 특징 획득부(320)는 도 4d에 도시된 바와 같이 검출된 변곡점(IP)의 시간(Tip)과 최대 진폭 지점(Pmax)의 시간(Tmax)을 내분하고, 내분한 시간(Tsys)에 해당하는 지점(Psys)의 진폭을 전진파 성분으로 획득하는 것도 가능하다. 이때, 변곡점(IP)의 시간(Tip)과 최대 진폭 지점(Pmax)의 시간(Tmax) 각각에 미리 정의된 가중치를 부여할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 예컨대 최대 진폭 지점(Pmax)에 해당하는 진폭의 소정 비율에 해당하는 값, 최대 진폭 지점(Pmax)에 해당하는 시간(Tmax)의 소정 비율이나 그 시간(Tmax)에서 소정 값을 빼거나 더한 시간값에 해당하는 진폭을 전진파 성분으로 획득하는 것도 가능하다.
특징 획득부(320)는 이와 같이 전진파 성분을 적응적으로 획득하게 되면, 그 전진파 성분을 이용하여 생체정보 추정을 위한 특징을 획득할 수 있다. 예를 들어, 전진파 성분 즉 진폭값 자체 또는 그 진폭값을 가공한 값을 특징으로 획득할 수 있다. 예컨대, 그 진폭값에 소정 값을 더하고 빼거나, 그 진폭값을 소정 값으로 곱하거나 나누는 등 생체정보의 종류, 사용자의 특이 상황 등에 따라 다양하게 가공할 수 있다.
또는, 특징 획득부(320)는 생체신호로부터 다양한 추가 정보를 추출하고 추출된 추가 정보와 전진파 성분들을 적절히 조합하여 특징을 획득할 수 있다. 예를 들어, 2차 미분신호를 이용하여 제2 극소점 및 제3 극소점에 해당하는 생체신호의 진폭, 생체신호 수축기 구간의 최대 진폭, 생체신호 전체 또는 부분 면적 등을 추가 정보로 획득할 수 있다.
생체정보 추정부(330)는 특징 추출부(320)에 의해 특징이 추출되면, 추출된 특징을 이용하여 생체정보를 추정할 수 있다. 생체정보 추정부(330)는 미리 설정된 생체정보 추정 모델을 적용하여 추출된 특징으로부터 생체정보를 추정할 수 있다. 이때, 생체정보 추정 모델은 특징과 생체정보 예컨대 혈압 간의 상관 관계를 정의한 선형 또는 비선형 수학 함수식 형태일 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 생체정보 추정 방법의 흐름도이다.
도 5는 도 1 및 도 2의 실시예에 따른 생체정보 추정 장치(100,200)가 수행하는 생체정보 추정 방법의 일 실시예이다.
먼저, 생체정보 추정 장치(100,200)는 생체정보 추정 요청을 수신하면 사용자의 피검체로부터 생체신호를 측정할 수 있다(510).
생체정보 추정 장치(100,200)는 사용자와 각종 인터랙션을 수행하는 인터페이스를 제공하고, 제공된 인터페이스를 통해 사용자로부터 생체정보 추정 요청을 수신할 수 있다. 또는, 외부 기기로부터 생체정보 추정 요청을 수신할 수도 있다. 이때, 외부 기기의 생체정보 추정 요청에는 생체정보 추정 결과의 제공 요청을 포함할 수 있다. 외부 기기가 생체정보 추정 알고리즘을 탑재하고 있는 경우 생체정보 추정 요청에는 특징(feature) 정보의 제공 요청을 포함할 수도 있다. 외부 기기는 사용자가 휴대하는 스마트폰이나 태블릿 PC 등을 포함할 수 있다.
그 다음, 생체신호의 2차 미분신호를 획득하고(520), 2차 미분신호를 통해 2차 미분신호, 특히 제1 극소점의 안정성 여부를 판단할 수 있다(530).
예를 들어, 생체정보 추정 장치(100,200)는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점을 검출하고, 변곡점이 존재하지 않으면 제1 극소점이 안정적이라고 판단할 수 있다. 반대로 변곡점이 존재하면 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단할 수 있다. 이때, 변곡점은 파형의 형태가 "아래로" 볼록한 형태에서 "위로" 볼록한 형태로 변하는 지점을 의미할 수 있다.
그 다음, 단계(530)에서 제1 극소점이 안정적이라고 판단하면 2차 미분신호의 제1 극소점을 기초로 전진파 성분을 획득할 수 있다(540).
예를 들어, 제1 극소점의 시간(T1)에 해당하는 생체신호의 진폭(P1)을 전진파 성분으로 획득할 수 있다. 또는, 2차 미분신호의 제1 극소점과 제2 극대점의 시간 사이의 내분점을 해당하는 생체신호의 진폭을 전진파 성분으로 획득할 수 있다. 이때, 제1 극소점과 제2 극대점 각각에 가중치를 부여할 수 있다.
그 다음, 단계(530)에서 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단하면 생체신호의 수축기 구간의 최대 진폭 지점을 검출하고, 검출된 최대 진폭 지점을 기초로 전진파 성분을 획득할 수 있다(550).
예를 들어, 최대 진폭 지점의 진폭을 전진파 성분으로 획득할 수 있다. 또는, 단계(530)에서 검출된 변곡점의 시간과 최대 진폭 지점의 시간을 내분한 지점의 진폭을 전진파 성분으로 획득하는 것도 가능하다. 이때, 변곡점의 시간과 최대 진폭 지점의 시간 각각에 미리 정의된 가중치를 부여할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
그 다음, 획득된 전진파 성분을 기초로 생체정보를 추정할 수 있다(560). 예를 들어, 생체정보 추정 장치(100,200)는 획득된 전진파 성분 즉, 진폭값 자체, 그 진폭값을 가공한 값, 생체신호 또는 2차 미분신호로부터 추가 정보를 추출하고 추출된 추가 정보와 전진파 성분을 적절히 조합한 값 등을 특징으로 획득할 수 있다. 또한, 이와 같이 획득된 특징을 기초로 생체정보 추정 모델을 적용하여 생체정보를 추정할 수 있다.
생체정보 추정 장치(100,200)는 생체정보가 추정되면 추정 결과를 사용자에게 제공할 수 있다. 이때, 생체정보 추정 장치(100,200)는 추정된 생체정보를 다양한 시각적/비시각적인 방법을 통해 사용자에게 제공할 수 있다. 또한, 추정된 생체정보를 기초로 사용자의 건강 상태를 판단하고, 판단 결과에 따라 사용자에게 경고나 대응 조치를 안내할 수 있다.
도 6은 웨어러블 기기를 도시한 것이다. 전술한 생체정보 추정 장치(100,200)의 실시예들은 도시된 바와 같이 손목에 착용하는 스마트 워치나 스마트 밴드형 웨어러블 기기에 탑재될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 6을 참조하면, 웨어러블 기기(600)는 기기 본체(610)와 스트랩(620)을 포함할 수 있다.
본체(610)는 다양한 형태를 갖도록 형성될 수 있으며, 내부 또는 표면에 전술한 생체정보 추정 기능과 그 밖의 다양한 기능을 수행하기 위한 모듈들이 장착될 수 있다. 본체(610) 또는 스트랩(620)의 내부에는 기기(600)의 각종 모듈에 전원을 공급하는 배터리가 내장될 수 있다.
스트랩(620)은 본체(610)에 연결될 수 있다. 스트랩(620)은 사용자의 손목을 감싸는 형태로 구부려질 수 있도록 플렉시블(flexible)하게 형성될 수 있다. 스트랩(620)은 사용자의 손목으로부터 분리되는 형태 또는 분리되지 않는 밴드 형태로 구성될 수 있다. 스트랩(620)은 손목에 가해지는 압력의 변화에 따라 탄성을 갖도록 내부에 공기가 주입되거나 공기 주머니를 포함할 수 있으며 본체(610)로 손목의 압력 변화를 전달할 수 있다.
본체(610)에는 생체신호를 측정하는 센서부(620)가 장착될 수 있다. 센서부(620)는 사용자의 손목 상부가 접촉되는 본체(610)의 후면에 장착될 수 있으며, 손목 피부에 광을 조사하는 광원과 피검체로부터 산란 또는 반사되는 광을 검출하는 디텍터를 포함할 수 있다. 센서부(620)는 피검체가 가하는 접촉압력을 측정하는 접촉압력 센서를 더 포함할 수도 있다.
본체(610) 내부에 프로세서가 실장될 수 있으며, 프로세서(610)는 웨어러블 기기(600)에 장착된 각종 구성들과 전기적으로 연결되어 각종 구성들을 제어할 수 있다. 또한, 프로세서는 센서부(620)에 의해 측정된 생체신호를 이용하여 생체정보를 추정할 수 있다.
예를 들어, 손목에 착용하는 웨어러블 기기(600)는 손목 상부의 모세혈관 부위에서 생체신호를 측정하게 되므로 저주파 위주의 생체신호가 획득될 수 있다. 이와 같이 생체신호가 불안정적으로 발생할 가능성이 있는 다양한 상황에서도 특징을 안정적으로 획득하기 위해 전진파 성분을 적응적으로 검출할 수 있다. 예컨대, 전술한 바와 같이 프로세서는 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점의 존재 여부를 기초로 생체신호 파형이 안정적인지, 즉, 일반적으로 전진파 성분과 관련된 2차 미분신호의 제1 극소점이 안정적인지를 판단할 수 있다. 또한, 안정성 판단 결과에 따라 2차 미분신호의 제1 극소점, 생체신호의 최대 진폭 지점 등을 적절히 활용하여 전진파 성분을 획득할 수 있다.
프로세서는 접촉압력 센서가 탑재된 경우 손목과 센서부(620) 사이의 접촉압력을 기초로 피검체의 접촉상태를 모니터링하고, 표시부를 통해 사용자에게 접촉 위치 및/또는 접촉 상태를 가이드할 수 있다.
또한, 본체(610) 내부에는 프로세서의 처리 결과 및 각종 정보를 저장하는 저장부가 장착될 수 있다. 이때, 각종 정보는 생체정보 추정 관련 기준 정보 이외에 웨어러블 기기(600)의 기능과 관련된 다양한 정보를 포함할 수 있다.
또한, 사용자의 제어 명령을 수신하여 프로세서로 전달하는 조작부(640)가 본체(610)에 장착될 수 있다. 조작부(640)는 웨어러블 기기(600)의 전원을 온/오프시키는 명령을 입력하기 위한 전원 버튼을 포함할 수 있다.
표시부(614)는 본체(610)의 전면에 장착될 수 있으며, 터치 입력이 가능한 터치 패널을 포함할 수 있다. 표시부(614)는 사용자의 터치 입력을 수신하여 프로세서에 전달하고, 프로세서의 처리 결과를 표시할 수 있다. 예를 들어, 표시부(614)는 생체정보 추정값, 경고/알람 정보를 표시할 수 있다.
또한, 본체(610) 내부에는 사용자의 휴대 단말과 같은 외부 기기와 통신하기 위한 통신부가 장착될 수 있다. 통신부는 외부 기기 예컨대, 사용자의 스마트폰에 생체정보 추정 결과를 전송하여 사용자에게 표시되도록 할 수 있다. 다만, 이에 제한됨이 없이 필요한 다양한 정보를 송수신할 수 있다.
도 7은 스마트 기기를 도시한 것이다. 이때, 스마트 기기는 스마트폰 및 태블릿 PC등을 포함할 수 있다. 스마트 기기는 전술한 생체정보 추정 장치(100, 200)를 포함할 수 있다.
도 7을 참조하면, 스마트 기기(700)는 본체(710)의 일면에 센서부(730)가 장착될 수 있다. 센서부(730)는 하나 이상의 광원(731)과 디텍터(732)를 포함하는 맥파센서를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이 센서부(730)는 본체(710)의 후면에 장착될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 전면의 지문 센서 또는 터치 패널과 결합하여 센서부(730)를 구성하는 것도 가능하다.
또한, 본체(710)의 전면에 표시부가 장착될 수 있다. 표시부는 생체정보 추정 결과 등을 시각적으로 출력할 수 있다. 표시부는 터치 패널을 포함할 수 있으며, 터치 패널을 통해 입력되는 다양한 정보를 수신하여 프로세서에 전달할 수 있다.
한편, 본체(710)에는 이미지 센서(720)가 장착될 수 있다. 이미지 센서(720)는 사용자가 맥파 신호를 측정하기 위해 손가락을 센서부(730)에 접근시키는 경우, 손가락을 촬영하여 프로세서로 전달할 수 있다. 이때, 프로세서는 손가락의 이미지로부터 센서부(730)의 실제 위치 대비 손가락의 상대 위치를 파악하고, 표시부를 통해 손가락의 상대 위치 정보를 사용자에게 제공함으로써 보다 정확하게 맥파 신호 측정이 이루어지도록 가이드할 수 있다.
프로세서는 센서부(730)에 의해 측정된 생체신호를 기초로 생체정보를 추정할 수 있다. 이때, 전술한 바와 같이 생체신호를 2차 미분하고 2차 미분신호의 소정 구간에서 변곡점을 검출하고, 그 검출 결과를 기초로 생체정보 추정에 필요한 전진파 성분을 적응적으로 획득할 수 있다. 이때, 스마트 기기(700)의 후면의 센서부(730)를 이용하여 사용자의 손가락으로부터 생체신호를 측정하게 되므로 극소점을 먼저 검출하고 이후 변곡점, 제로-크로싱 지점을 검출하도록 미리 설정되는 것도 가능하다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
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, 200: 생체정보 추정 장치 110: 센서부
120, 300: 프로세서 210: 출력부
220: 저장부 230: 통신부
310: 안정성 판단부 320: 특징 획득부
330: 생체정보 추정부
600: 웨어러블 기기 610: 본체
620: 센서부 630: 스트랩
640: 조작부 700: 스마트 기기
710: 본체 720: 이미지 센서
730: 센서부 731: 광원
732: 디텍터

Claims (22)

  1. 피검체로부터 생체신호를 획득하는 센서부; 및
    상기 생체신호의 2차 미분신호를 획득하고, 2차 미분신호 제1 극소점의 안정성 여부를 기초로 생체신호로부터 전진파 성분을 추출하는 프로세서를 포함하는 생체정보 추정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는
    피검체에 광을 조사하는 광원 및, 피검체로부터 반사 또는 산란되는 광을 검출하는 디텍터를 포함하는 맥파센서를 포함하는 생체정보 추정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점을 검출하고, 변곡점의 존재 여부를 기초로 상기 제1 극소점의 안정성 여부를 판단하는 생체정보 추정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 탐색 구간은
    상기 2차 미분신호의 제1 극대점에서 상기 제1 극소점 사이의 시간 구간을 포함하는 생체정보 추정 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 2차 미분신호의 탐색 구간에서 파형이 아래로 볼록한 특성에서 위로 볼록한 특성으로 변화하는 지점을 변곡점으로 검출하는 생체정보 추정 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 생체신호의 4차 미분신호를 획득하고, 상기 4차 미분신호의 탐색 구간에서 제1 지점의 진폭이 0보다 크고 제2 지점의 진폭이 0보다 작은 제1 지점을 검출하며, 상기 2차 미분신호에서 상기 제1 지점에 대응하는 지점을 변곡점으로 검출하는 생체정보 추정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 극소점이 안정적이라 판단되면, 상기 제1 극소점을 기초로 전진파 성분을 추출하는 생체정보 추정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 극소점의 시간에 해당하는 생체신호의 진폭 및, 상기 제1 극소점의 시간과 2차 미분신호의 제2 극대점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호의 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출하는 생체정보 추정 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단되면, 상기 생체신호의 수축기 구간에서 최대 진폭 지점을 검출하고, 검출된 최대 진폭 지점을 기초로 전진파 성분을 추출하는 생체정보 추정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 최대 진폭 지점의 진폭 및, 상기 2차 미분신호의 탐색 구간에서 검출된 변곡점의 시간과 상기 최대 진폭 지점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출하는 생체정보 추정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 추출된 전진파 성분을 기초로 생체정보를 추정하는 생체정보 추정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 생체정보는
    혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 대동맥압 파형, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함하는 생체정보 추정 장치.
  13. 피검체로부터 생체신호를 획득하는 단계;
    상기 생체신호의 2차 미분신호를 획득하는 단계;
    상기 2차 미분신호 제1 극소점의 안정성 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 판단 결과를 기초로 상기 생체신호로부터 전진파 성분을 추출하는 단계를 포함하는 생체정보 추정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 극소점의 안정성 여부를 판단하는 단계는
    상기 2차 미분신호의 탐색 구간에서 변곡점을 검출하는 단계; 및
    상기 변곡점의 존재 여부를 기초로 제1 극소점의 안정성 여부를 판단하는 단계를 포함하는 생체정보 추정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탐색 구간은
    상기 2차 미분신호의 제1 극대점에서 상기 제1 극소점 사이의 시간 구간을 포함하는 생체정보 추정 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 변곡점을 검출하는 단계는
    상기 2차 미분신호의 탐색 구간에서 2차 미분신호의 파형이 아래로 볼록한 특성에서 위로 볼록한 특성으로 변화하는 지점을 변곡점으로 검출하는 생체정보 추정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 변곡점을 검출하는 단계는
    상기 생체신호의 4차 미분신호를 획득하는 단계;
    상기 4차 미분신호의 탐색 구간 내에서 제1 지점의 진폭이 0보다 크고 제2 지점의 진폭이 0보다 작은 상기 제1 지점을 검출하는 단계; 및
    상기 2차 미분신호에서 상기 제1 지점에 대응하는 지점을 변곡점으로 검출하는 생체정보 추정 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 전진파 성분을 추출하는 단계는
    상기 제1 극소점이 안정적이라 판단되면, 상기 2차 미분신호의 제1 극소점을 기초로 전진파 성분을 추출하는 생체정보 추정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전진파 성분을 추출하는 단계는
    상기 제1 극소점이 안정적이라 판단되면, 상기 제1 극소점의 시간에 해당하는 생체신호의 진폭 및, 상기 제1 극소점의 시간과 2차 미분신호의 제2 극대점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호의 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출하는 생체정보 추정 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 전진파 성분을 추출하는 단계는
    상기 제1 극소점이 안정적이지 않다고 판단되면, 생체신호 수축기 구간에서 최대 진폭 지점을 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 최대 진폭 지점을 기초로 전진파 성분을 추출하는 단계를 포함하는 생체정보 추정 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 검출된 최대 진폭 지점을 기초로 전진파 성분을 추출하는 단계는
    상기 최대 진폭 지점의 진폭 및, 상기 2차 미분신호의 탐색 구간에서 검출된 변곡점의 시간과 상기 최대 진폭 지점의 시간 사이의 내분점에 해당하는 생체신호의 진폭 중의 적어도 하나를 전진파 성분으로 추출하는 생체정보 추정 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    상기 추출된 전진파 성분을 기초로 생체정보를 추정하는 단계를 더 포함하는 생체정보 추정 방법.
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