KR20220033303A - 비접촉식 생체신호 측정 장치 및 방법 - Google Patents

비접촉식 생체신호 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

비접촉식 생체신호 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 장치는 카메라를 통해 대상체의 영상을 획득하는 카메라 영상 획득부; 상기 영상을 분석하여 대상체를 검출하고, 상기 검출된 대상체를 추적하는 대상체 검출/추적부; 상기 검출된 대상체가 카메라의 중심에 위치할 수 있도록 카메라를 제어하는 PTZ 자동 제어부; 상기 검출된 대상체로부터 생체신호 측정영역을 검출하는 대상체 측정영역 검출부 및 상기 검출된 생체신호 측정영역으로부터 비접촉으로 생체신호를 측정하는 비접촉식 생체신호 측정부를 포함한다.

Description

비접촉식 생체신호 측정 장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR NON-CONTACT BIO-SIGNAL MEASUREMENT}
본 발명은 생체신호 측정 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비접촉 방식으로 생체신호를 측정 및 모니터링하는 기술에 관한 것이다.
일반적으로 심장박동 수 등을 측정하기 위한 전기적 방식은 2개의 접점이 있는 라인을 가슴에 부착하여 사용한다. 이러한 방식은 정확성 측면에서는 높은 장점이 있으나 사용의 편의성 측면에서는 많은 단점을 가지고 있다. 따라서 최근에는 다양한 생체신호를 획득 및 처리하기 위한 웨어러블 기기 및 기술들이 출현하고 있다. 대표적인 기기로는 체온, 심장박동 수, 산소포화도 등을 측정할 수 있는 스마트워치 및 스마트밴드가 있다. 그러나 헬스케어 분야 등에서 웨어러블 생체신호 측정장치뿐만 아니라 환자의 편리성 등을 보장하기 위한 비접촉식 센싱 장치를 요구하고 있다. 비접촉 센싱을 위해 도플러 레이더를 활용한 심장박동 수 측정, 또는 호흡 모니터링 등에 대한 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다. 도플러 레이더를 활용하는 기술은 호흡이나 심장박동에 따른 경미한 움직임을 고감도로 탐지하는 기술이다. 그러나 이러한 기술은 대상체의 자세나 움직임 등에 따라 정확도에 커다란 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 이러한 문제를 최소화하기 위해서는 대상체의 자세나 움직임에 따른 보다 안정적으로 생체신호 측정을 위한 센서의 상대적 위치를 변화시킬 수 있는 메커니즘이 필요하다.
한편, 한국등록특허 제 10-0905102 호“비접촉식 생체신호 측정 장치” 신체의 움직임 하에서도 심장박동 검출이 가능하도록 도플러 레이더의 원리를 이용한 방식과 광원/광검출기를 이용한 광학계 방식을 혼용하여 사용함으로써 대상 신체에 접촉함이 없이 심장박동 및 호흡신호를 검출하도록 하는 비접촉식 생체신호 측정 장치에 관하여 개시하고 있다.
본 발명은 생체신호 측정에 최적의 위치를 검출하여, 센서가 검출된 대상체의 위치를 향할 수 있도록 센서의 상대적 위치를 제어하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 다양한 분야에서 일반화/보편화 되고 있는 시각지능 및 임베디드 환경을 그대로 통합하여 쉽게 사용함으로써 도플러 레이더 기술의 효과적인 활용을 극대화하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 언택트 시대에 보다 다양한 의료 및 건강 서비스는 물론 사용자의 편리성 증대 등이 가능하도록 할 수 있어, 관련 기술 및 서비스 개발에 기여하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 장치는 카메라를 통해 대상체의 영상을 획득하는 카메라 영상 획득부; 상기 영상을 분석하여 대상체를 검출하고, 상기 검출된 대상체를 추적하는 대상체 검출/추적부; 상기 검출된 대상체가 카메라의 중심에 위치할 수 있도록 카메라를 제어하는 PTZ 자동 제어부; 상기 검출된 대상체로부터 생체신호 측정영역을 검출하는 대상체 측정영역 검출부 및 상기 검출된 생체신호 측정영역으로부터 비접촉으로 생체신호를 측정하는 비접촉식 생체신호 측정부를 포함한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 방법은 비접촉식 생체신호 측정 장치의 비접촉식 생체신호 측정 방법에 있어서, 카메라를 통해 대상체의 영상을 획득하는 단계; 상기 영상을 분석하여 대상체를 검출하고, 상기 검출된 대상체를 추적하는 단계; 상기 검출된 대상체가 카메라의 중심에 위치할 수 있도록 카메라를 제어하는 단계; 상기 검출된 대상체로부터 생체신호 측정영역을 검출하는 단계 및 상기 검출된 생체신호 측정영역으로부터 비접촉으로 생체신호를 측정하는 단계를 포함한다.
본 발명은 생체신호 측정에 최적의 위치를 검출하여, 센서가 검출된 대상체의 위치를 향할 수 있도록 센서의 상대적 위치를 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 다양한 분야에서 일반화/보편화 되고 있는 시각지능 및 임베디드 환경을 그대로 통합하여 쉽게 사용함으로써 도플러 레이더 기술의 효과적인 활용을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명은 언택트 시대에 보다 다양한 의료 및 건강 서비스는 물론 사용자의 편리성 증대 등이 가능하도록 할 수 있어, 관련 기술 및 서비스 개발에 기여할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 방법을 나타낸 동작흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
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.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 시스템은 대상체를 촬영할 수 있는 카메라, 도플러 센서(102)를 좌우-상하의 위치로 움직일 수 있는 PT(Pan-Tilt) 장치(103) 및 영상을 처리하는 처리 장치(106)를 포함하는 비접촉식 생체신호 측정 장치를 나타낸 것을 알 수 있다. 카메라는 대상체(101)를 효과적으로 촬영하기 위해 충분한 화각을 가지고 있는 경우 고정된 상태로 설치될 수 있으며, 필요한 경우 PTZ(Pan-Tilt-Zoom) 카메라를 사용할 수 있다. PTZ 카메라를 사용하는 경우, 도플러 센서(102)는 카메라 위에 부착하여 사용할 수 있다. 만일 카메라가 고정된 상태로 설치되는 경우에는 센서의 위치를 움직일 수 있도록 Pan-Tilt 장치에 도플러 센서(102)를 부착하여, 대상체를 향한 각도 등을 변경할 수 있도록 할 수 있다. 이렇게 대상체(101)를 중심으로 설치된 카메라를 통하여 획득되는 영상은 실시간 분석을 위해 컴퓨터 등과 같은 처리장치(106)로 전송될 수 있다. 이 때, 영상을 처리장치(106)로 전송하기 위해서는 카메라에서 지원하는 IEEE 1394, USB, WiFi, Bluetooth, Ethernet, 또는 BnC 등 다양한 인터페이스 장치 중 하나를 사용하며, 규격에 적합한 인터페이스 케이블(104) 또는 무선망을 통하여 이루어지게 될 수 있다. 그리고, 전송된 영상은 처리장치(106)에서 분석을 수행하여 대상체(101)를 검출 및 추적하며, 모니터(105)에 나타난 것과 같이 생체신호를 획득하기에 가장 유리한 대상체(101)의 위치를 검출해낼 수 있다. 또한, Pan-Tilt 장치(103)에 부착된 도플러 센서(102)는 카메라 영상에서 검출된 대상체(101)와 연동하여, 처리장치(106)에 의한 Pan-Tilt 자동 제어를 통하여 위치/각도를 조정함으로써, 검출된 대상체(101)를 향하도록 자동 제어할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 장치는 카메라 영상 획득부(201), 대상체 검출/추적부(202), PTZ 자동 제어부(203), 대상체 측정영역 검출부(204), 측정영역 중심 PT 자동 제어부(205) 및 비접촉식 생체신호 측정부(206)를 포함한다.
카메라 영상 획득부(201)는 카메라를 통해 대상체의 영상을 획득할 수 있다.
이 때, 영상을 획득하는 카메라는 일반적인 RGB 카메라, IR 카메라 또는 RGB-D 카메라 등을 이용할 수 있다.
대상체 검출/추적부(202)는 입력된 영상을 분석하여 대상체(사람)를 검출하고, 대상체를 추적할 수 있다.
이 때, 대상체 검출/추적부(202)는 배경제거, HoG 특징, Deep learning 등 다양한 방법을 적용하여 입력된 영상에서 대상체를 검출할 수 있다.
이 때, 대상체 검출/추적부(202)는 Particle Filter, Kalman Filter, Deep learning 등의 추적 기법 등을 이용하여 검출된 대상체를 추적할 수 있다.
이 때, 대상체 검출/추적부(202)는 상기 추적 기법 등을 이용하면 매번 입력된 영상에서 대상체를 검출하는 것보다 계산 시간을 단축시킬 수 있다.
PTZ 자동 제어부(203)는 고정 카메라가 아닌 PTZ 카메라를 사용하는 경우 또는 필요하다고 판단되는 경우 검출된 사람이 카메라의 중심에 위치할 수 있도록 카메라의 PTZ 장치를 제어할 수 있다.
이 때, PTZ 자동 제어부(203)는 PTZ 카메라의 자동 제어를 위해서는 검출된 사람의 위치 좌표를 PTZ 카메라의 Pan-Tilt 각 좌표로 변환할 수 있다.
이 때, PTZ 자동 제어부(203)는 검출된 사람의 위치 좌표를 PTZ 카메라의 Pan-Tilt 각 좌표로 변환하기 위하여, 사전에 캘리브레이션 과정을 통해 픽셀당 각도 등을 미리 계산하여 적용할 수 있다.
대상체 측정영역 검출부(204)는 검출된 대상체(사람)로부터 생체신호 측정영역을 검출할 수 있다.
이 때, 대상체 측정영역 검출부(204)는 대상체의 얼굴과 같은 경우, 바로 얼굴 검출 알고리즘 등을 사용할 수 있으나 특별한 특징이 없거나 복장 등으로 매번 바꿔는 경우, 대상체의 전체 영역을 검출 후 측정 대상 영역(예를 들면, 몸통)에 대한 추론을 통하여 검출할 수 있다.
측정영역 중심 PT 자동 제어부(205)는 도플러 센서를 대상체의 생체신호 측정영역에 최적화될 수 있도록 센서의 위치를 제어할 수 있다.
이 때, 측정영역 중심 PT 자동 제어부(205)는 고정 카메라를 통하여 대상체를 검출하는 경우는 고정 카메라에서 검출된 대상체의 좌표 정보를 통하여, 센서의 좌우-상하 위치를 제어할 수 있다.
이 때, 측정영역 중심 PT 자동 제어부(205)는 PTZ 카메라를 사용하는 경우에는 대상체와의 일반적 거리를 계산하고, 카메라를 통해 획득된 영상에서 대상체의 측정영역을 중심에 위치하도록 하였을 경우에는, 센서도 동일한 위치를 향할 수 있도록 사전에 거리와 각도 등을 고려하여 센서를 부착하여야 한다.
이 때, 측정영역 중심 PT 자동 제어부(205)는 두 경우 모두에 센서가 카메라 영상에서 검출된 측정영역을 정확하게 향할 수 있도록 하기 위해서는 좌표 등을 고려하여, 사전에 대상체와 카메라 및 센서의 움직임에 대한 충분한 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다.
비접촉식 생체신호 측정부(206)는 검출된 생체신호 측정영역으로부터 비접촉으로 생체신호를 측정할 수 있다.
이 때, 비접촉식 생체신호 측정부(206)는 대상체를 향하고 있는 도플러 센서를 이용하여 비접촉 생체신호를 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 방법은 카메라를 통해 대상체의 영상을 획득할 수 있다(S301).
이 때, 영상을 획득하는 카메라는 일반적인 RGB 카메라, IR 카메라 또는 RGB-D 카메라 등을 이용할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 방법은 입력된 영상을 분석하여 대상체(사람)를 검출하고, 대상체를 추적할 수 있다(S302, S303, S304).
즉, 단계(S302)는 실시간으로 획득되는 영상 내에서 대상체(사람)가 검출되었는지를 판단하고, 영상에서 대상체가 검출되지 않은 경우, 영상에서 다양한 기법을 이용하여 대상체를 검출하고(S303), 영상에서 대상체가 검출된 경우, 검출된 대상체를 추적할 수 있다(S304).
이 때, 단계(S303)는 배경제거, HoG 특징, Deep learning 등 다양한 기법을 적용하여 입력된 영상에서 대상체를 검출할 수 있다.
이 때, 단계(S304)는 Particle Filter, Kalman Filter, Deep learning 등의 추적 기법 등을 이용하여 검출된 대상체를 추적할 수 있다.
이 때, 단계(S304)는 상기 추적 기법 등을 이용하면 매번 입력된 영상에서 대상체를 검출하는 것보다 계산 시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 방법은 대상체가 영상의 중심 위치에 있는지 판단할 수 있다(S305).
즉, 단계(S305)는 대상체가 영상의 중심 위치에 존재하지 않는 경우, 대상체를 중심 위치로 PTZ 제어를 수행하고(S306), 대상체가 영상의 중심 위치에 존재하는 경우, 검출된 대상체의 생체신호 측정영역을 검출할 수 있다(S307).
즉, 단계(S306)는 고정 카메라가 아닌 PTZ 카메라를 사용하는 경우 또는 필요하다고 판단되는 경우 검출된 사람이 카메라의 중심에 위치할 수 있도록 카메라의 PTZ(Pan-Tilt-Zoom) 장치를 제어할 수 있다.
이 때, 단계(S306)는 PTZ 카메라의 자동 제어를 위해서는 검출된 사람의 위치 좌표를 PTZ 카메라의 Pan-Tilt 각 좌표로 변환할 수 있다.
이 때, 단계(S306)는 검출된 사람의 위치 좌표를 PTZ 카메라의 Pan-Tilt 각 좌표로 변환하기 위하여, 사전에 캘리브레이션 과정을 통해 픽셀당 각도 등을 미리 계산하여 적용할 수 있다.
이 때, 단계(S306)는 PTZ 카메라가 아닌 고정 카메라를 사용하는 경우, PTZ 카메라의 제어를 생략하고, 검출된 대상체의 생체신호 측정영역을 바로 검출 할 수 있다(S307).
또한, 단계(S307)는 검출된 대상체(사람)로부터 생체신호 측정영역을 검출할 수 있다(S307).
이 때, 단계(S307)는 대상체의 얼굴과 같은 경우, 바로 얼굴 검출 알고리즘 등을 사용할 수 있으나 특별한 특징이 없거나 복장 등으로 매번 바꿔는 경우, 대상체의 전체 영역을 검출 후 측정 대상 영역(예를 들면, 몸통)에 대한 추론을 통하여 검출할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 방법은 센서가 대상체의 측정영역으로 최적화되었는지 판단할 수 있다(S308).
즉, 단계(S308)는 센서가 대상체의 측정영역으로 최적화 되었는지 판단하여, 최적화 되어있지 않은 경우, 대상체의 측정영역 중심 위치로 PT 제어를 수행하고(S309), 최적화 되어 있는 경우, 비접촉 생체신호를 측정할 수 있다(S310).
즉, 단계(S309)는 대상체의 측정 영역의 중심 위치로 PT 제어를 수행할 수 있다.
이 때, 단계(S309)는 도플러 센서를 대상체의 생체신호 측정영역에 최적화될 수 있도록 센서의 위치를 제어할 수 있다.
이 때, 단계(S309)는 고정 카메라를 통하여 대상체를 검출하는 경우는 고정 카메라에서 검출된 대상체의 좌표 정보를 통하여, 센서의 좌우-상하 위치를 제어할 수 있다.
이 때, 단계(S309)는 PTZ 카메라를 사용하는 경우에는 대상체와의 일반적 거리를 계산할 수 있다.
이 때, 단계(S309)는 카메라를 통해 획득된 영상에서 대상체의 측정영역을 중심에 위치하도록 하였을 경우에는, 센서도 동일한 위치를 향할 수 있도록 사전에 거리와 각도 등을 고려하여 센서를 부착하여야 한다.
이 때, 단계(S309)는 두 경우 모두에 센서가 카메라 영상에서 검출된 측정영역을 정확하게 향할 수 있도록 하기 위해서는 좌표 등을 고려하여, 사전에 대상체와 카메라 및 센서의 움직임에 대한 충분한 캘리브레이션 과정을 수행할 수 있다.
또한, 단계(S310)는 비접촉 생체신호를 측정할 수 있다.
즉, 단계(S310)는 검출된 생체신호 측정영역으로부터 비접촉으로 생체신호를 측정할 수 있다.
이 때, 단계(S310)는 대상체를 향하고 있는 도플러 센서를 이용하여 비접촉 생체신호를 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 컴퓨터 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체와 같은 컴퓨터 시스템(1100)에서 구현될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 시스템(1100)은 버스(1120)를 통하여 서로 통신하는 하나 이상의 프로세서(1110), 메모리(1130), 사용자 인터페이스 입력 장치(1140), 사용자 인터페이스 출력 장치(1150) 및 스토리지(1160)를 포함할 수 있다. 또한, 컴퓨터 시스템(1100)은 네트워크(1180)에 연결되는 네트워크 인터페이스(1170)를 더 포함할 수 있다. 프로세서(1110)는 중앙 처리 장치 또는 메모리(1130)나 스토리지(1160)에 저장된 프로세싱 인스트럭션들을 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(1130) 및 스토리지(1160)는 다양한 형태의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체일 수 있다. 예를 들어, 메모리는 ROM(1131)이나 RAM(1132)을 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 비접촉식 생체신호 측정 장치 및 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
101: 대상체 102: 도플러 센서
103: Pan-Tilt 장치 104: 인터페이스 케이블
105: 모니터 106: 처리장치
201: 카메라 영상 획득부 202: 대상체 검출/추적부
203: PTZ 자동 제어부 204: 대상체 측정영역 검출부
205: 측정영역 중심 PT 자동 제어부
206: 비접촉식 생체신호 측정부
1100: 컴퓨터 시스템 1110: 프로세서
1120: 버스 1130: 메모리
1131: 롬 1132: 램
1140: 사용자 인터페이스 입력 장치
1150: 사용자 인터페이스 출력 장치
1160: 스토리지 1170: 네트워크 인터페이스
1180: 네트워크

Claims (1)

  1. 카메라를 통해 대상체의 영상을 획득하는 카메라 영상 획득부;
    상기 영상을 분석하여 대상체를 검출하고, 상기 검출된 대상체를 추적하는 대상체 검출/추적부;
    상기 검출된 대상체가 카메라의 중심에 위치할 수 있도록 카메라를 제어하는 PTZ 자동 제어부;
    상기 검출된 대상체로부터 생체신호 측정영역을 검출하는 대상체 측정영역 검출부; 및
    상기 검출된 생체신호 측정영역으로부터 비접촉으로 생체신호를 측정하는 비접촉식 생체신호 측정부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체신호 측정 장치.
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