KR20210155165A - 웨어러블 기기 및 생체신호 측정 방법 - Google Patents

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노승우
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Abstract

웨어러블 기기에 관한 것으로, 외부광을 집광하는 외부광 집광부, 보조광원 및 수광부를 포함하고 대상체의 생체신호를 측정하는 센서부 및 생체신호 측정시 외부광이 충분한지 판단하고, 판단 결과를 기초로 보조광원의 구동을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.

Description

웨어러블 기기 및 생체신호 측정 방법{WEARABLE DEVICE AND METHOD FOR MEASURING BIO-SIGNAL}
스마트 이어폰, 스마트 반지, 스마트 안경, 스마트 목걸이, 스마트 귀걸이 등의 웨어러블 기기와 그 웨어러블 기기에서 생체신호를 측정하는 방법에 관한 것이다.
비침습 생체 신호를 측정하는 대표적인 방법으로 광전용적맥파(PPG, Photoplethysmogram)법 이 있다. 상기 방식은 광원을 체표면에 조사한 뒤, 조직 및 피부 내 혈관에서 반사된 광량을 수광 센서로 측정하여 생체 신호를 측정하게 된다. 이때 연속적으로 측정된 광신호의 진폭 변화로부터 혈관에 흐르는 혈류량의 상대적 변화를 측정 가능하여 심박수 계측이 가능하고, 또한 신호의 모양 분석을 통해 혈압, 혈당, 중성지방 등 심혈관 지표를 분석할 수 있다. 상기 광전용적맥파를 측정하기 위해서는 광원과 수광 소자를 필요로 하고, 상기 광전용적맥파 측정시 대부분의 전력은 광원에서 소모된다. 스마트 웨어러블 시스템은 사용자가 일상 중에 간편하게 착용하고 생활해야 하기 때문에 소형, 경량으로 제작되므로 탑재 가능한 배터리의 용량에 한계가 있다. 따라서 스마트 웨어러블 시스템에서 광전용적맥파 기반의 생체신호 측정을 제대로 실용화 하기 위해서는 전력 소모를 최적화 해야 할 필요가 있다.
소형 웨어러블 기기에서 생체신호 측정시 전력 소모를 최적화하는 웨어러블 기기 및 생체신호 측정 방법이 제시된다.
일 양상에 따르면, 웨어러블 기기는 외부광을 집광하는 외부광 집광부, 보조광원 및 수광부를 포함하고 대상체의 생체신호를 측정하는 센서부 및, 생체신호 측정시 외부광이 충분한지 판단하고, 판단 결과를 기초로 조광원의 구동을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.
센서부는 생체신호 측정 초기에 보조광원을 오프(OFF)한 상태에서 상기 외부광만으로 생체신호를 측정할 수 있다.
프로세서는 외부광만으로 측정된 생체신호를 저주파 대역 통과 필터링하여 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기를 기초로 외부광이 충분하지 판단할 수 있다.
프로세서는 판단 결과 외부광이 충분하면 상기 보조광원을 오프(OFF) 상태로 계속 유지하고, 외부광이 충분하지 않으면 생체신호 측정을 위해 상기 보조광원을 온(ON)할 수 있다.
또한, 웨어러블 기기는 보조광원에 전력을 공급하는 배터리를 더 포함하고, 프로세서는 외부광이 충분하지 않은 경우 상기 배터리의 충전 상태를 더 확인하고 충전 상태를 기초로 보조광원의 온 여부 또는 생체신호 측정 진행 여부를 결정할 수 있다.
웨어러블 기기는 스마트 이어폰, 스마트 반지, 스마트 목걸이, 스마트 귀걸이, 스마트 워치 및 스마트 안경 중의 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 웨어러블 기기는 사용자의 대상체에 착용되는 본체를 더 포함하고, 외부광 집광부는 본체가 대상체에 착용될 때 외부로 노출되는 본체 영역에 일체로 형성될 수 있다.
또한, 웨어러블 기기는 사용자의 대상체에 착용되는 본체를 더 포함하고, 외부광 집광부는 본체가 대상체에 착용될 때 외부로 노출되는 본체 영역에 착탈 가능하도록 형성될 수 있다.
외부광 집광부는 외부광 중의 소정 파장의 빛을 통과시키기 위해 광학필터나 색깔을 갖는 렌즈를 포함할 수 있다.
외부광 집광부는 집광된 외부광을 대상체로 전달하는 도파관을 포함할 수 있다.
수광부는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서를 포함할 수 있다.
또한, 웨어러블 기기는 센서부에 의해 측정된 생체신호를 외부 기기로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다.
또한, 웨어러블 기기는 센서부에 의해 측정된 생체신호를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 생체정보 측정 방법은 외부광 집광부가 외부광을 집광하는 단계, 수광부가 상기 외부광으로 대상체의 생체신호를 측정하는 단계, 프로세서가 생체신호 측정시 상기 외부광만으로 충분한지 판단하는 단계 및 프로세서가 판단 결과를 기초로 보조광원의 구동을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
생체신호를 측정하는 단계는 생체신호 측정 초기에 보조광원을 오프(OFF)한 상태에서 상기 외부광만으로 생체신호를 측정할 수 있다.
외부광이 충분한지 판단하는 단계는 외부광만으로 측정된 생체신호를 저주파 대역 통과 필터링하여 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 성분의 크기를 기초로 외부광이 충분하지 판단할 수 있다.
보조광원의 구동을 제어하는 단계는 판단결과 외부광이 충분하면 상기 보조광원을 오프(OFF) 상태로 유지하고, 외부광이 충분하지 않으면 보조광원을 온(ON)할 수 있다.
또한, 생체신호 측정 방법은 측정된 생체신호를 외부 기기로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 생체신호 측정 방법은 측정된 생체신호를 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 양상에 따르면, 생체정보 추정 장치는 외부광을 집광하는 외부광 집광부를 포함하고, 상기 외부광으로 생체신호 측정시 외부광이 충분한지 여부를 판단하여 보조광원의 구동 여부를 제어하며, 측정된 생체신호를 제2 기기에 전송하는 제1 기기 및, 제1 기기로부터 생체신호를 수신하면, 수신된 생체신호를 기초로 생체정보를 추정하는 제2 기기를 포함할 수 있다.
제1 기기는 생체신호 측정 초기에 상기 보조광원을 오프(OFF)한 상태에서 상기 외부광만으로 생체신호를 측정할 수 있다.
제1 기기는 외부광만으로 측정된 생체신호의 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기를 기초로 상기 외부광이 충분하지 판단할 수 있다.
제1 기기는 판단 결과 외부광이 충분하면 보조광원을 오프(OFF) 상태로 유지하고, 외부광이 충분하지 않으면 상기 보조광원을 온(ON)할 수 있다.
제2 기기는 제1 기기가 생체신호를 측정하는 동안 제1 기기의 배터리 충전 상태 정보를 수신하고, 배터리 충전 상태에 따라 생체신호 측정 또는 상기 배터리 충전을 제어할 수 있다.
생체정보는 심박수, 혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 맥파 파형, 혈관 탄성도, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함할 수 있다.
소형 웨어러블 기기에서 생체신호 측정시 전력 소모를 최적화하는 웨어러블 기기 및 생체신호 측정 방법이 제시된다.
도 1은 일 실시예에 따른 웨어러블 기기의 블록도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 웨어러블 기기의 블록도이다.
도 3a 내지 도 5d는 다양한 웨어러블 기기를 도시한 것이다.
도 6a 내지 도 6c는 일 실시예에 따른 맥파신호 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 생체신호 측정 방법을 흐름도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 생체정보 추정 장치의 블록도이다.
도 9는 생체정보 추정 장치의 제2 기기의 블록도이다.
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, 웨어러블 기기 및, 웨어러블 기기를 이용한 생체신호 측정 방법의 실시예들을 도면들을 참고하여 자세히 설명하도록 한다. 웨어러블 기기의 다양한 실시예들은 스마트 이어폰, 스마트 반지, 스마트 안경, 스마트 목걸이, 스마트 귀걸이, 스마트 워치, HMD(Head Mounted Display) 등을 포함하는 것으로 특별히 여기 예시된 바에 제한되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 웨어러블 기기(100)는 외부광 집광부(110), 센서부(120) 및 프로세서(130)를 포함한다.
외부광 집광부(110)는 웨어러블 기기(100)의 본체에 형성되어 외부광을 집광한다. 외부광 집광부(110)는 웨어러블 기기(100)의 본체가 사용자의 대상체에 착용될 때 외부로 노출되는 본체 영역에 배치될 수 있다. 이때, 대상체는 웨어러블 기기(100) 본체에 접촉하는 인체 부위로서 예컨대, 귀의 내측 또는 외측 부위, 손가락, 목, 코 등 다양하다. 외부광 집광부(110)는 본체의 형태에 따라 다양한 형태를 갖도록 형성될 수 있다.
예를 들어, 외부광 집광부(110)는 외부광을 집광할 수 있도록 렌즈를 포함할 수 있다. 이때, 렌즈는 이어폰이나 반지 등의 웨어러블 기기(100) 표면에 배치될 수 있도록 볼록 렌즈 형태를 가질 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않으며 웨어러블 기기(100)의 다양한 형태에 어울리도록 원통형, 다각형과 같이 그 밖의 다양한 형태로 변형 가능하다.
또한, 외부광 집광부(110)는 집광된 외부광을 본체가 착용될 때 접촉하는 대상체로 이동시키는 도파관을 포함할 수 있다. 도파관은 광 파이버를 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 외부광이 대상체로 이동하는 경로는 외부광 집광부(110)의 렌즈와 대상체 사이의 거리, 본체의 구조 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 예컨대, 렌즈와 대상체 접촉 영역 사이에 빈 공간의 광 경로가 형성될 수 있다. 이때, 외부광 집광부(110)는 렌즈에 의해 집광된 광의 특정 파장 대역을 통과시키기 위한 광학 필터를 포함할 수 있다. 또는, 렌즈가 외부광의 특정 파장을 통과시키기 위한 색깔로 형성될 수도 있다.
센서부(120)는 보조광원(121) 및 수광부(122)를 포함할 수 있다. 센서부(120)는 외부광 또는 보조광원(121)의 광을 이용하여 대상체에 조사하고, 수광부(122)를 통해 대상체로부터 산란 또는 반사된 광을 검출하여 생체신호를 획득할 수 있다. 이때, 생체신호는 광전용적맥파(photoplethysmography, PPG) 신호를 포함할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
보조광원(121)은 대상체에 보조광을 조사하며, 발광 다이오드(Light Emittind Diode, LED), 레이저 다이오드(Laser Diode), 텅스텐 할로겐 램프 등을 포함할 수 있다. 보조광원(121)은 하나 또는 복수의 어레이로 형성될 수 있다. 이때, 복수의 보조광원(121)은 서로 다른 파장의 광을 조사할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 복수의 보조광원(121)은 적어도 일부가 서로 다른 소비전력을 갖도록 구성될 수 있다.
수광부(122)는 외부광 집광부(110)에 의해 집광된 광 또는 보조광원(121)에 의해 조사된 광이 대상체의 표면이나 내부 생체조직에 의해 산란 또는 반사될 때, 산란 또는 반사된 광을 검출할 수 있다. 수광부(122)는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서를 포함할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니며 포토 다이오드(Photo Diode) 또는 포토 트랜지스터(Photo Transister), CCD(charge-coupled device) 이미지 센서 등을 포함할 수 있다.
또한, 센서부(120)는 외부광 집광부(110)의 도파관과 연결되어 외부광을 대상체로 조사되도록 하는 외부광 조사부를 포함할 수 있다. 외부광 조사부는 보조광원(121)과 수광부(122) 사이에 배치될 수 있으나 그 위치는 제한되지 않는다. 또한, 외부광 조사부는 격벽에 의해 보조광원(121)과 수광부(122)와 분리될 수 있다.
프로세서(130)는 센서부(120)와 전기적으로 연결될 수 있다. 프로세서(130)는 센서부(120)를 제어하여 생체신호를 측정할 수 있다. 프로세서(130)는 본체가 대상체에 착용된 상태인 경우 센서부(120)를 제어하여 소정 시간 간격으로 연속적으로 생체신호를 측정하도록 제어할 수 있다.
프로세서(130)는 센서부(120)가 생체신호를 측정할 때 소모되는 전력량을 최소화하기 위해 보조광원을 오프한 상태에서 외부광만으로 생체신호를 측정하도록 제어할 수 있다. 또한, 프로세서(130)는 센서부(120)가 외부광만으로 생체신호를 측정하는 동안 외부광이 충분한지 판단하고 충분하지 않은 경우 보조광원(121)을 온(ON)하여 대상체에 조사되는 광량을 조절할 수 있다.
프로세서(130)는 센서부(120)가 외부광으로 생체신호를 측정하는 동안 그 생체신호를 저주파 대역 통과 필터링을 수행하여 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기를 기초로 외부광이 충분한지 판단할 수 있다. 예를 들어, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기가 소정 임계치 미만이면 외부광이 충분하지 않은 것으로 판단하여 보조광원(121)을 온(ON)하고, 소정 임계치 이상이면 외부광이 충분한 것으로 판단하여 보조광원(121)을 오프(OFF) 상태로 계속 유지할 수 있다.
한편, 프로세서(130)는 외부광으로 측정된 생체신호의 저주파 대역 신호 성분의 크기와 소정 임계치 사이의 차이에 기초하여 보조광원(121)의 광량을 단계적으로 조절할 수 있다. 예컨대, 저주파 대역 신호 성분의 크기와 소정 임계치 사이의 차이를 복수의 단계(예: 3 단계)로 구분하고 각 단계별로 보조광원(121)의 광량을 조절할 수 있다. 또는, 복수의 보조광원(121)이 서로 다른 소비전력을 갖도록 구성되는 경우, 프로세서(130)는 각 보조광원(121)의 소비전력을 고려하여 저주파 대역 신호 성분의 크기와 소정 임계치 사이의 차이에 해당하는 단계에 따라 적절한 보조광원(121)을 구동할 수 있다. 이때, 보조광원(121)의 구동 조건이 미리 정의될 수 있다.
이와 같이 프로세서(130)는 외부광이 충분한지 여부를 기초로 보조광원의 구동을 실시간 제어함으로써 전력 소모를 최소화하면서도 센서부(120)가 대상체로부터 생체신호를 효과적으로 측정하도록 할 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따른 웨어러블 기기의 블록도이다.
도 2를 참조하면, 웨어러블 기기(200)는 외부광 집광부(110), 센서부(120), 프로세서(130), 저장부(210), 통신부(220) 및 배터리(230)를 포함할 수 있다. 외부광 집광부(110), 센서부(120) 및 프로세서(130)에 대해서는 앞에서 자세히 설명한 바 있으므로 이하 중복되는 설명은 생략한다.
저장부(210)는 생체신호 측정과 관련된 다양한 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 생체신호 측정 주기, 보조광원(121)의 구동조건 예컨대, 외부광으로 측정된 생체신호의 저주파 대역 신호 성분과 비교 기준이 되는 임계치, 저주파 대역 신호 성분과 임계치의 차이의 단계, 각 단계별 구동할 보조광원(121)의 정보 등을 저장할 수 있다. 또한, 배터리 상태에 따른 생체신호 측정 또는 보조광원(121)의 구동 여부 등의 조건 정보를 저장할 수 있다. 또한, 사용자의 나이, 성별, 키, 몸무게, 건강 상태 등의 사용자 특성 정보를 저장할 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.
이때, 저장부(210)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 등의 저장매체를 포함하며, 이에 제한되는 것은 아니다.
통신부(220)는 프로세서(130)의 제어에 따라 유무선 통신 기술을 이용하여 외부 기기와 통신 연결하고 각종 데이터를 송수신할 수 있다. 예를 들어, 통신부(220)는 외부 기기로부터 생체신호 측정 요청 또는 측정된 생체신호의 제공 요청을 수신하고, 측정된 생체신호를 외부 기기에 전송할 수 있다. 또한, 통신부(220)는 배터리(230) 상태 정보, 예컨대 배터리(230) 잔량 정보를 외부 기기에 전송할 수 있다. 외부 기기는 커프형 혈압 측정 기기, 스마트폰, 태블릿 PC, 데스크탑 PC 및 노트북 PC 등의 정보 처리 장치를 포함할 수 있다.
이때, 통신 기술은 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication, NFC), WLAN 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(Infrared Data Association, IrDA) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra-wideband) 통신, Ant+ 통신, WIFI 통신, RFID(Radio Frequency Identification) 통신, 3G 통신, 4G 통신 및 5G 통신 등을 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.
배터리(230)는 웨어러블 기기(200)의 센서부(120), 프로세서(130), 저장부(210), 통신부(220) 및 그 밖의 각종 모듈에 전원을 공급할 수 있다. 배터리(230)는 웨어러블 기기(200) 내부에 일체형 또는 착탈식으로 배치될 수 있다. 배터리(230)는 유선 또는 무선으로 외부 전원으로부터 전력을 공급받아 충전될 수 있다.
한편, 프로세서(130)는 배터리(230)의 상태 예컨대 배터리 잔량을 확인하고, 배터리 잔량을 기초로 센서부(120)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(130)는 센서부(120)가 생체신호를 측정하는 도중 외부광이 충분하지 않아 보조광원(121)을 구동하고자 할 때 배터리 잔량이 소정 임계치(예: 20%) 이하이면 보조광원(121)을 구동하지 않고 생체신호 측정을 계속하도록 하거나, 생체신호 측정을 중단하도록 제어할 수 있다.
또는, 프로세서(130)는 배터리 잔량이 예컨대 20% 이하인 경우 세부적인 단계로 나누어 각 단계별로 서로 다른 조건으로 센서부(120)를 제어할 수 있다. 예컨대 제1 단계(20%~10%), 제2 단계(10%~5%), 제3 단계(5% 이하)로 나누어 제1 단계인 경우 낮은 소비전력을 갖는 보조광원(121) 구동, 제2 단계인 경우 보조광원(121) 구동없이 생체신호 측정 계속, 제3 단계인 경우 생체신호 측정 중단 등과 같이 진행할 수 있다. 이때, 배터리 잔량에 따른 센서부(120)의 제어 조건은 미리 정의되어 저장부(210)에 저장될 수 있다.
도 3a 내지 도 5d는 다양한 웨어러블 기기를 도시한 것이다. 도 3a 내지 도 5d에 예시된 웨어러블 기기들은 일 예들에 불과하다. 따라서, 본 실시예들은 여기 예시된 웨어러블 기기에 한정됨이 없이 그 밖의 다양한 형태의 웨어러블 기기에 적용될 수 있다. 도 3a 내지 도 5d를 참조하여 외부광 집광부(110) 및 센서부(120)를 위주로 설명한다. 프로세서(130) 및 배터리(230) 등의 구성은 본체(MB) 내부에 배치되어 센서부(120)와 전기적으로 연결될 수 있는 것으로, 도면의 복잡도를 줄이기 위해 도 3a 내지 도 5d의 도면들에서 생략하였다.
도 3a 및 도 3b를 참조하면 웨어러블 기기(100)는 스마트 이어폰일 수 있다. 스마트 이어폰은 블루투스 이어폰, 유선 이어폰, 넥밴드형 이어폰, 골전도형 이어폰 등을 포함하는 것으로 어느 하나로 한정되지 않는다.
도시된 바와 같이 이어폰 본체(MB)가 귀에 삽입되는 형태인 경우, 센서부(120)는 귀의 내부와 접촉하는 영역에 배치될 수 있다. 센서부(120)는 도시된 바와 같이 보조광원(121), 수광부(122) 및 외부광 조사부(123)를 포함할 수 있다. 센서부(120)의 보조광원(121), 수광부(122) 및 외부광 조사부(123)는 귀와 접촉하는 본체(MB)의 특정 영역(예: 하단)에 하나씩 배치될 수 있다. 다만, 이에 제한되지 않으며 귀와 접촉하는 본체 영역을 따라 원형, 타원형, 사각형, 삼각형, 또는 상단과 하단에 각각 배치되는 것과 같이 그 형태에 제한됨이 없이 복수 개 배치되는 것도 가능하다.
또한, 외부광 집광부(110)는 도시된 바와 같이 본체(MB)가 귀와 접촉할 때 외부로 노출되는 본체(MB) 영역에 배치될 수 있다. 외부광 집광부(110)는 렌즈를 포함할 수 있으며, 그 렌즈를 통해 집광된 외부광이 외부광 조사부(123)로 이동하여 귀 내부에 조사될 수 있도록 도파관(111)을 포함할 수 있다.
외부광 집광부(110)는 도 3a 및 도 3b와 같이 그 본체(MB) 형태에 따라 외부광이 잘 집광될 수 있는 다양한 위치에 배치될 수 있다. 외부광 집광부(110)는 본체(MB)의 형태에 어울리도록 적절한 위치에 배치될 수 있다. 또한, 외부광 집광부(110)의 렌즈는 사용자에게 미감을 줄 수 있도록 다양한 형태 예컨대, 원형, 다각형, 타원형 등의 형태 또는, 꽃 무늬와 같이 심미감을 갖는 특별한 도안으로 형성될 수 있으며, 또한, 외부광의 특정 파장의 광을 통과시키는 필터 기능 외에 아름다운 느낌을 갖도록 특별한 색상을 갖도록 형성될 수 있다.
한편, 여기에 도시되지 않았지만 스마트 이어폰이 넥밴드 형태인 경우 센서부(120)는 이어폰 본체가 목에 착용될 때 목 부위의 피부와 접촉할 수 있도록 넥 밴드 부분의 내측면에 배치될 수 있다. 외부광 집광부(110)는 넥 밴드 부분의 외측면이나 이어캡이 부착되는 부분의 외측면과 같이 외부광을 집광하기 용이한 위치에 배치될 수 있다. 또한, 스마트 이어폰이 귀걸이형인 경우 센서부(120)는 귀걸이형 이어폰 본체의 고리 부분의 내측면에 배치될 수 있다. 외부광 집광부(110)는 본체(60)의 고리 부분 외측면에 배치될 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면 웨어러블 기기(100)는 스마트 반지 또는 스마트 목걸이일 수 있다.
도시된 바와 같이, 스마트 반지의 본체(MB)는 손가락에 착용될 때 손가락과 접촉하는 본체(MB) 내측부에 센서부(120)의 보조광원(121), 수광부(122) 및 외부광 조사부(123)가 배치되고, 본체(MB) 외측부에 외부광 집광부(110)가 배치될 수 있다. 센서부(120)는 도시된 바와 같이 손가락의 일측(손가락의 손등 부위)이 접촉하는 본체(MB) 영역에 배치될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 본체(MB) 내측부에 원형으로 배치되거나, 상/하/좌/우 영역에 각각 배치될 수 있다. 본체(MB)의 두께에 따라 외부광 조사부(123)는 광 경로를 갖는 홀을 포함하고, 외부광 집광부(110)와 바로 연결되어 외부광을 손가락으로 조사할 수 있다.
외부광 집광부(110)는 도 4b에 도시된 바와 같이 본체(MB)의 형태에 따라 볼록렌즈 형태(110a)를 갖도록 형성되거나 다양한 보석의 형태(110b,110c)를 갖도록 형성될 수 있으며, 이때 본체(MB)와 일체로 형성되는 형태(110b) 또는 본체(MB)와 착탈 가능한 형태(110c)를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 도 4b에 도시된 바와 같이 웨어러블 기기(100)는 스마트 목걸이 형태일 수 있으며, 목걸이에서 피부와 접촉하는 팬던트(MB) 후면에 센서부(120)가 배치되고, 팬던트(MB) 전면에 외부광 집광부(110d)가 배치될 수 있다.
도 5a 내지 도 5d를 참조하면, 웨어러블 기기(100)는 스마트 안경일 수 있다.
도 5a를 참조하면 사용자가 안경을 착용한 상태에서 다양한 신체 부위 예컨대, 콧등, 귀(O1) 주위, 손가락(O2) 등에서 생체신호를 측정할 수 있도록 센서부(120)는 다양한 신체 부위에 접촉하는 본체(MB) 영역에 배치될 수 있다.
도 5b를 참조하면 안경이 착용될 때 안경다리(52)가 걸리는 귀 주위에서 생체신호를 측정할 수 있도록 센서부(120)는 안경다리(52)의 귀걸이 내측 부위에 배치될 수 있다. 이때, 외부광 집광부(110)는 안경다리(52)의 귀걸이 외측 부위에 배치될 수 있다. 도 5b는 외부광 집광부(110)와 센서부(120)가 왼쪽, 오른쪽 안경다리(52)에 각각 배치되는 것으로 도시하였으나 이는 이해를 돕기 위함일 뿐이며, 동일한 어느 한쪽 안경다리(52)에만 배치되거나 양쪽 안경다리(52)에 모두 배치될 수 있다.
도 5c를 참조하면, 안경이 착용될 때 코받침(53)이 걸리는 코 주위에서 생체신호를 측정할 수 있도록 센서부(120)는 코받침(53)의 내측 부위에 배치될 수 있다. 이때, 외부광 집광부(110)는 본체의 전면 프레임(51)의 외측 부위에 배치될 수 있다. 외부광 집광부(110)와 센서부(120)는 도파관(미도시)으로 연결될 수 있다.
도 5d를 참조하면, 안경이 착용될 때 손가락으로부터 생체신호를 획득할 수 있도록 센서부(120)는 안경다리(52)의 외측면에 배치되고, 그 옆에 외부광을 집광하는 외부광 집광부(110)가 배치될 수 있다. 사용자는 도 5a에 도시된 바와 같이 안경을 착용한 상태에서 손가락을 센서부(120)에 접촉하여 손가락으로부터 생체신호를 측정할 수 있다. 센서부(120)와 외부광 집광부(110)는 양쪽 안경다리(520)에 배치될 수 있다.
도 6a 내지 도 6c는 일 실시예에 따른 맥파신호 측정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a는 센서부(120)가 소정 시간 동안 측정한 생체신호를 도시한 것이다. 도 6b는 외부광만으로 측정된 생체신호 저주파 대역 신호 성분의 크기가 소정 임계치 이상인 구간(61)의 생체신호(61)를 도시한 것이다. 도 6c는 외부광이 차단된 구간(BI)에서 보조광원을 구동하여 측정한 생체신호(62)를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이 프로세서(130)는 측정이 시작되면 외부광만으로 맥파신호를 측정하기 위해 보조광원(121)을 오프 상태로 유지할 수 있다. 프로세서(130)는 센서부(120)를 통해 외부광만으로 맥파신호(61)가 측정되는 동안 측정된 맥파신호(61)의 저주파 대역 신호 성분을 추출하여 그 저주파 대역 신호 성분의 크기가 소정 임계치(CL) 이상인지 판단할 수 있다. 판단 결과 소정 임계치 이상이면 외부광이 맥파신호를 측정하기에 충분한 것으로 판단하여 보조광원(121)을 계속해서 오프 상태로 유지할 수 있다. 또한, 맥파신호가 측정되는 동안 소정 구간(BI)에서 외부광이 차단되거나 부족하여 외부광만으로 측정된 맥파신호(61) 저주파 대역 신호 성분의 크기가 임계치(CL) 아래로 떨어지게 되면 보조광원(121)을 온하여 보조광원(121) 하에서 맥파신호(62)를 획득할 수 있다. 또한, 프로세서(130)는 소정 구간(BI) 이후에서 다시 외부광이 충분한 상태가 되면 보조광원(121)을 오프할 수 있다.
개시된 실시예들에 따르면 사용자는 다양한 형태의 웨어러블 기기(100)를 착용한 상태에서 밝은 장소에 머무르거나 어두운 장소에 머무르는 도중, 밝은 곳과 어두운 곳을 이동하는 도중 또는, 밤과 낮에 상관없이 측정 장소와 시간에 구애되지 않고 적은 배터리 소모로 편리하게 생체신호를 측정할 수 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 생체신호 측정 방법을 흐름도이다.
도 7은 도 1 및 도 2의 웨어러블 기기(100,200)에 의해 수행되는 생체신호 측정 방법의 일 실시예이다. 앞에서 자세히 설명한 바 있으므로 이하 간단하게 설명한다.
먼저, 웨어러블 기기(100,200)는 본체에 형성된 외부광 집광부를 통해 외부광을 집광한다(710). 외부광 집광부는 본체가 착용될 때 외부로 노출되는 영역에 배치되므로 웨어러블 기기(100,200)의 본체가 사용자에 착용된 상태에서 상시로 외부광을 집광할 수 있다.
그 다음, 생체신호 측정 요청에 따라 센서부를 통해 외부광을 이용하여 생체신호를 측정할 수 있다(720). 센서부는 사용자의 대상체와 접촉하는 본체 영역에 배치되므로 외부광 집광부에 의해 집광된 광을 대상체로 조사할 수 있다. 이때, 외부광 집광부는 도파관이 형성되어 센서부에 연결될 수 있다.
그 다음, 프로세서는 외부광으로 측정된 생체신호를 기초로 외부광이 충분한지 판단할 수 있다(730). 예를 들어, 외부광으로 측정된 생체신호를 저주파 대역 필터링을 수행하여 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기가 소정 임계치 이상이면 외부광이 충분한 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 외부광이 충분한 것으로 판단되면 단계(760)로 이동한다.
만약, 프로세서는 저주파 대역 신호 성분의 크기와 소정 임계치 미만이면 외부광이 충분하지 않은 것으로 판단하여 보조광원을 온(ON)할 수 있다(740).
그 다음, 보조광원을 온(ON)한 상태에서 생체신호 측정을 계속 진행할 수 있다(750).
그 다음, 측정된 생체신호를 저장부에 저장하거나, 외부 기기에 전송할 수 있다(760).
도 8은 일 실시예에 따른 생체정보 추정 장치의 블록도이다. 도 9는 생체정보 추정 장치의 제2 기기의 블록도이다.
도 8을 참조하면, 생체정보 추정 장치(800)는 제1 기기(810) 및 제2 기기(820)를 포함할 수 있다.
제1 기기(810)는 전술한 웨어러블 기기(100,200)일 수 있다. 제1 기기(810)는 전술한 바와 같이 외부광 집광부, 센서부, 프로세서, 저장부, 통신부 등을 포함할 수 있으며 자세한 설명은 생략한다.
제2 기기(820)는 사용자가 휴대하는 스마트폰, 태블릿 PC 등의 모바일 기기일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 데스크탑 PC, 노트북 PC, 의료기관의 서버 등의 장치를 포함할 수 있다.
제2 기기(820)는 통신부(910), 프로세서(920), 저장부(930) 및 표시부(940)를 포함할 수 있다.
제2 기기(820)의 통신부(910)는 제1 기기(810)의 통신부와 연결 방식에 따라 유선/무선으로 통신하고, 생체신호 측정 요청을 전송하고 제1 기기(810)로부터 측정된 생체신호를 수신할 수 있다.
프로세서(920)는 사용자의 생체정보 추정 요청을 수신하고, 통신부(910)를 통해 제1 기기(810)에 생체신호 추정을 요청할 수 있다.
프로세서(920)는 제1 기기(810)가 생체신호를 측정하는 동안 제1 기기(810)의 배터리 상태에 관한 정보 예컨대 배터리 잔량 정보를 통신부(910)를 통해 수신할 수 있다. 프로세서(920)는 제1 기기(810)의 배터리 상태에 관한 정보를 수신하면 유무선으로 제1 기기(810)의 배터리 충전 또는 생체신호 측정을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제1 기기(810)의 배터리 잔량이 생체신호를 측정하기에 충분하지 않다고 판단되면, 제2 기기(820)의 배터리를 이용하여 제1 기기(810)의 배터리를 충전 방식에 따라 유선/무선으로 충전하도록 제어할 수 있다. 또는, 제2 기기(820)의 배터리 잔량이 제1 기기(810)의 배터리를 충전하기에 충분하지 않은 경우 생체신호 측정을 중단하도록 요청할 수도 있다.
프로세서(920)는 제1 기기(810)로부터 측정된 생체신호가 수신되면 밴드 패스 필터링을 포함한 다양한 전처리를 통해 노이즈를 제거할 수 있다. 또한, 생체신호로부터 생체정보 추정을 위한 특징을 획득하고, 획득된 특징을 이용하여 생체정보를 추정할 수 있다. 이때, 생체정보는 혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 맥파 파형, 혈관 탄성도, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함하나 이에 한정되지 않는다.
예를 들어, 프로세서(920)는 생체신호의 최대점, 최소점, 심박수, 맥파 전진파, 반사파 등과 관련된 지점의 진폭, 시간, 생체신호 파형의 소정 구간의 면적 등을 특징으로 획득하고, 획득된 하나 이상의 특징들의 조합과 미리 정의된 생체정보 추정 모델을 이용하여 생체정보를 추정할 수 있다. 또는, 생체신호 측정시 대상체와 제1 기기(810)의 센서부 사이의 접촉압력을 기초로 오실로메트리 기반으로 생체정보를 추정할 수 있다.
저장부(930)는 제1 기기(810)로부터 수신된 생체신호를 저장할 수 있다. 제1 기기(810)는 사용자에 착용되어 있는 상태에서 소정 시간 간격으로 연속적인 생체신호 측정이 가능하며, 생체신호 측정이 완료되면 제2 기기(820)에 전송하여 생체신호 측정 이력을 관리하도록 할 수 있다. 이때, 프로세서(920)는 사용자의 생체신호 측정 요청시 제1 기기(810)를 제어하여 생체신호를 측정하는 방식 외에, 제1 기기(810)로부터 수신되어 저장부(930)에 생체신호가 저장되면 주기적으로 저장부(930)에 저장된 최근 생체신호를 이용하여 생체정보를 추정할 수 있다.
또한, 저장부(930)는 프로세서(920)에 의해 처리된 결과 예컨대, 생체정보 추정값을 저장할 수 있다. 또한, 생체정보 추정 모델, 사용자의 상태 정보 등의 기준 정보를 저장할 수 있다.
표시부(940)는 프로세서(920)의 처리 결과를 표시하여 사용자에게 제공할 수 있다. 표시부(940)는 사용자의 입력을 수신하는 터치 스크린을 포함할 수 있으며, 사용자의 터치 입력을 프로세서(920)에 전달할 수 있다. 표시부(940)는 제1 기기(810)에 의해 생체신호가 측정되는 동안 제1 기기(810)의 배터리 충전 상태, 보조광원의 온/오프 상태 및 생체신호 측정 진행 정도, 측정된 생체신호, 생체정보 추정값, 생체정보 추정 결과에 따른 사용자의 건강 상태 분석 정보 등의 정보를 표시할 수 있다. 또한, 제2 기기(820)는 내부에 탑재되거나 연계된 외부 기기의 스피커, 햅틱 모듈 등의 출력 수단을 이용하여 추정된 생체정보와 관련된 정보를 음성, 진동, 촉감 등의 비시각적인 방식으로 사용자에게 제공할 수 있다.
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: 웨어러블 기기 110: 외부광 집광부
120: 센서부 121: 보조광원
122: 수광부 130: 프로세서
210: 저장부 220: 통신부
230: 배터리 800: 생체정보 측정 장치
810: 제1 기기 820: 제2 기기
910: 통신부 920: 프로세서
930: 저장부 940: 표시부

Claims (25)

  1. 외부광을 집광하는 외부광 집광부;
    보조광원 및 수광부를 포함하고 대상체의 생체신호를 측정하는 센서부; 및
    상기 생체신호 측정시 상기 외부광이 충분한지 판단하고, 판단 결과를 기초로 상기 보조광원의 구동을 제어하는 프로세서를 포함하는 웨어러블 기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서부는
    상기 생체신호 측정 초기에 보조광원을 오프(OFF)한 상태에서 상기 외부광만으로 생체신호를 측정하는 웨어러블 기기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 외부광만으로 측정된 생체신호의 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기를 기초로 상기 외부광이 충분하지 판단하는 웨어러블 기기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 판단 결과 외부광이 충분하면 상기 보조광원을 오프(OFF) 상태로 유지하고, 외부광이 충분하지 않으면 상기 보조광원을 온(ON)하는 웨어러블 기기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보조광원에 전력을 공급하는 배터리를 더 포함하고,
    상기 프로세서는
    상기 외부광이 충분하지 않은 경우 상기 배터리의 충전 상태를 더 확인하고 충전 상태를 기초로 상기 보조광원의 온 여부 또는 생체신호 측정 진행 여부를 결정하는 웨어러블 기기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 기기는
    스마트 이어폰, 스마트 반지, 스마트 목걸이, 스마트 귀걸이, 스마트 워치 및 스마트 안경 중의 적어도 하나를 포함하는 웨어러블 기기.
  7. 제1항에 있어서,
    사용자의 대상체에 착용되는 본체를 더 포함하고,
    상기 외부광 집광부는 본체가 대상체에 착용될 때 외부로 노출되는 본체 영역에 일체로 형성되는 웨어러블 기기.
  8. 제1항에 있어서,
    사용자의 대상체에 착용되는 본체를 더 포함하고,
    상기 외부광 집광부는 본체가 대상체에 착용될 때 외부로 노출되는 본체 영역에 착탈 가능하도록 형성되는 웨어러블 기기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 외부광 집광부는
    외부광의 소정 파장의 빛을 통과시키기 위한 광학 필터나 색깔을 갖는 렌즈를 포함하는 웨어러블 기기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 외부광 집광부는
    상기 집광된 외부광을 대상체로 전달하는 도파관을 포함하는 웨어러블 기기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수광부는
    CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 이미지 센서를 포함하는 웨어러블 기기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 센서부에 의해 측정된 생체신호를 외부 기기로 전송하는 통신부를 더 포함하는 웨어러블 기기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 센서부에 의해 측정된 생체신호를 저장하는 저장부를 더 포함하는 웨어러블 기기.
  14. 외부광 집광부가 외부광을 집광하는 단계;
    수광부가 상기 외부광으로 대상체의 생체신호를 측정하는 단계;
    프로세서가 상기 생체신호 측정시 상기 외부광이 충분한지 판단하는 단계; 및
    프로세서가 상기 판단 결과를 기초로 보조광원의 구동을 제어하는 단계를 포함하는 생체신호 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 생체신호를 측정하는 단계는
    생체신호 측정 초기에 보조광원을 오프(OFF)한 상태에서 상기 외부광만으로 생체신호를 측정하는 생체신호 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 외부광이 충분한지 판단하는 단계는
    상기 외부광만으로 측정된 생체신호의 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기를 기초로 상기 외부광이 충분하지 판단하는 생체신호 측정 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 보조광원의 구동을 제어하는 단계는
    상기 판단결과 외부광이 충분하면 상기 보조광원을 오프(OFF) 상태로 유지하고, 외부광이 충분하지 않으면 상기 보조광원을 온(ON)하는 생체신호 측정 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 측정된 생체신호를 외부 기기로 전송하는 단계를 더 포함하는 생체신호 측정 방법.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 측정된 생체신호를 저장하는 단계를 더 포함하는 생체신호 측정 방법.
  20. 외부광을 집광하는 외부광 집광부를 포함하고, 상기 외부광으로 생체신호 측정시 외부광이 충분한지 여부를 판단하여 보조광원의 구동 여부를 제어하며, 측정된 생체신호를 제2 기기에 전송하는 제1 기기; 및
    상기 제1 기기로부터 생체신호를 수신하면, 수신된 생체신호를 기초로 생체정보를 추정하는 제2 기기를 포함하는 생체정보 추정 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 기기는
    상기 생체신호 측정 초기에 상기 보조광원을 오프(OFF)한 상태에서 상기 외부광만으로 생체신호를 측정하는 생체정보 추정 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 제1 기기는
    상기 외부광만으로 측정된 생체신호의 저주파 대역 신호 성분을 추출하고, 추출된 저주파 대역 신호 성분의 크기를 기초로 상기 외부광이 충분하지 판단하는 생체정보 추정 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 제1 기기는
    상기 판단 결과 외부광이 충분하면 상기 보조광원을 오프(OFF) 상태로 유지하고, 외부광이 충분하지 않으면 상기 보조광원을 온(ON)하는 생체정보 추정 장치.
  24. 제20항에 있어서,
    상기 제2 기기는
    상기 제1 기기가 생체신호를 측정하는 동안 제1 기기의 배터리 충전 상태 정보를 수신하고, 배터리 충전 상태에 따라 생체신호 측정 또는 상기 배터리 충전을 제어하는 생체정보 추정 장치.
  25. 제20항에 있어서,
    상기 생체정보는
    혈압, 혈관 나이, 동맥경화도, 맥파 파형, 혈관 탄성도, 스트레스 지수 및 피로도 중의 하나 이상을 포함하는 생체정보 추정 장치.

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