KR20220094412A - 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개시스템 및 이를 이용한 수면관리방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개 시스템 및 이를 이용한 수면관리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자의 생체정보데이터를 실시간 모니터링하여 사용자가 연속적이고 안정적인 수면을 유지할 수 있게 하고 기도 확보를 위한 자세를 유도함으로써 수면무호흡증을 개선 및 완화시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 따른 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개 시스템은 종방향으로 신장된 수용홈이 형성되는 함몰부가 형성되고 생체정보측정부가 포함되는 쿠션부와, 상기 쿠션부의 높낮이를 조절하는 적어도 하나 이상의 높이조절부와 상기 높이조절부의 작동을 제어하는 제어부가 포함된 구동부가 상호 적층 결합된 형태로 구비되는 스마트베개; 상기 스마트베개와 상호 연동되어 사용자 수면정보를 분석하는 수면정보분석부와 수면분석결과를 시각화하여 출력하는 수면정보출력부가 포함된 사용자단말기;로 구성되고, 본 발명에 따른 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개 시스템을 이용한 수면관리방법 스마트베개로부터 사용자 체온정보, 심전도정보, 코골이 음향레벨정보, 사용자 움직임정보, 사용자 발한정보가 포함된 생체정보데이터를 수집하고 데이터베이스화 하는 생체정보데이터 수집단계; 사용자단말기에서 상기 생체정보데이터를 기반으로 코골이 지속시간, 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도 및 지속시간을 산출하는 폐쇄성 수면무호흡증 판별단계; 상기 폐쇄성 수면무호흡이 확인되면 상기 스마트베개의 높낮이를 변화시켜 사용자의 후두부와 경추부 위치를 변경시키는 스마트베개 제어단계;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

Description

폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개시스템 및 이를 이용한 수면관리방법{Smart pillow ststem and method for improvement of obstructive sleep apnea using the same}

본 발명은 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개 시스템 및 이를 이용한 수면관리방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 사용자의 생체정보데이터를 실시간 모니터링하여 사용자가 연속적이고 안정적인 수면을 유지할 수 있게 하고 기도 확보를 위한 자세를 유도함으로써 수면무호흡증을 개선 및 완화시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.

폐쇄성 수면무호흡증(obstructive sleep apnea)은 수면 중 기도가 폐색되어 호흡장애가 유발되는 것으로, 10초 이상의 호흡정지 현상이 반복적으로 발생하는 증상을 의미한다. 상기 호흡정지 현상은 수면 중 빈번한 각성 상태를 야기시키고 수면의 질을 저하시키며, 만성피로와 집중력 저하 등의 문제를 유발할 수 있다.

상기 폐쇄성 수면무호흡증은 선천적으로 인후두 부위가 협소하거나, 비만과 특정 기저질환으로 인하여 후천적으로 협소해진 경우에 발생할 수 있는 질환이다. 이러한 폐쇄성 수면무호흡증을 개선하기 위하여 외과적 수술법과 레이저 기반의 치료법이 개발된 바 있으나 고가의 치료비용과 더불어 예후가 좋지 않고 완치율이 저조한 문제가 있다.

또한, 기계적 치료법의 일환으로 지속적 양압기(continuous positive airway pressure), 야간 산소치료(nocturnal oxygen therapy), 자동-적응형 양압기(adaptive servo-ventilation) 등의 기도양압술이 제안된 바 있으나, 양압기 사용에 기인한 사용자 불편감 초래 및 매일 사용하는 전문적 기기를 일반 개인이 유지보수 하는 것이 용이하지 않은 문제가 있다. 전술한 제한점을 극복하기 위한 비수술적 치료법의 일환으로 수면 중 사용자 기도 확보가 가능한 기구적 수단이 구비된 베개가 다수 제안되고 있는 실정이다.

이와 유사한 선행기술에는 대한민국 공개특허공보 제10-2020-0064400호(2020.06.08.) ‘IoT 기반 원격 수면 관리 모니터링 시스템’이 있다. 상기 선행기술에서는 목과 머리지지 및 자세 유지용 슬라이드 롤러가 구비된 스마트 베개부; 생체정보를 수집하는 바이오 센서모듈 및 수집한 생체정보를 외부로 전송하는 무선통신모듈을 포함하는 모니터링정보 수집부; 건강상태 진단결과 저장 및 알림정보를 제공하는 데이터 서버부; 상기 알림정보를 수신하는 개별 단말부;가 포함되는 기술을 개시한 바 있다.

다른 선행기술에는 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0101794호(2018.09.14.) ‘스마트 베개 시스템’이 있다. 상기 선행기술에서는 탄성연결부가 포함된 베개; 감속기어부가 포함된 경사도조절수단; 심탄도센서가 포함된 생체신호감지센서; 생체신호 정보의 이상유무를 판단하고 저장하는 정보분석부 및 정보저장부; 상기 경사도조절수단을 제어하는 제어부;를 포함하는 기술을 개시하고 있다.

또 다른 선행기술에는 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0094556호(2019.08.14.) ‘어플을 사용한 블루투스 연동 스마트 경추 베개’가 있다. 상기 선행기술에서는 후두부와 경추 위치를 조정하는 베개; 머리받이 및 쿠션파트; 스마트폰 어플을 통한 명령을 입력받고 제어신호로 출력하는 중앙제어부; 머리받이를 조정하는 조정감지부; 상기 머리받이 면적을 조정하는 구동휠 및 서보모터; 상기 경추 위치를 조정하는 구동제어부; 어깨 접촉 및 압력을 측정하여 상기 중앙제어부로 신호를 송출하는 자세검출부로 구성된 기술을 개시한 바 있다.

그러나 전술한 선행기술들에서는 스마트 베개를 쿠션부와 작동부로 분리가능하도록 이원화시킴으로써 세척과 유지보수가 용이하도록 하고, 사용자 생체신호를 머신러닝 기반의 인공신경망 알고리즘으로 분석하여 수면상태를 상시 모니터링하며 스마트베개 내부에 구비된 유압기구를 제어하여 사용자 기도확보를 유도함으로써 폐쇄성 수면무호흡증을 개선시키는 기술을 제시하지는 못하였다.

대한민국 공개특허공보 제10-2020-0064400호(2020.06.08.) ‘IoT 기반 원격 수면 관리 모니터링 시스템’ 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0101794호(2018.09.14.) ‘스마트 베개 시스템’ 대한민국 공개특허공보 제10-2009-0094556호(2019.08.14.) ‘어플을 사용한 블루투스 연동 스마트 경추 베개’

본 발명은 상기한 발명의 배경으로부터 요구되는 기술적 필요성을 충족하는 것을 목적으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 기술의 문제점을 해결하고 제안점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서, 스마트베개를 쿠션부와 작동부로 분리가능하도록 이원화되도록 하여 세척과 유지보수가 용이한 스마트베개를 제공하고, 사용자 생체신호를 머신러닝 기반의 인공신경망 알고리즘으로 분석하여 수면상태를 실시간 모니터링 하며, 수면 중 폐쇄성 수면무호흡증 발생 시, 스마트베개 내부에 구비된 유압기구를 작동시켜 베개의 높낮이 조절이 되도록 함으로써 사용자의 후두부와 경추부 위치 변화에 의한 기도확보를 유도하여 폐쇄성 수면무호흡증을 개선시킬 수 있는 기술을 제공하는 것에 목적이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개 시스템은 종방향으로 신장된 수용홈이 형성되는 함몰부가 형성되고 생체정보측정부가 포함되는 쿠션부와, 상기 쿠션부의 높낮이를 조절하는 적어도 하나 이상의 높이조절부와 상기 높이조절부의 작동을 제어하는 제어부가 포함된 구동부가 상호 적층 결합된 형태로 구비되는 스마트베개; 상기 스마트베개와 상호 연동되어 사용자 수면정보를 분석하는 수면정보분석부와 수면분석결과를 시각화하여 출력하는 수면정보출력부가 포함된 사용자단말기;로 구성되고, 본 발명에 따른 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개 시스템을 이용한 수면관리방법 스마트베개로부터 사용자 체온정보, 심전도정보, 코골이 음향레벨정보, 사용자 움직임정보, 사용자 발한정보가 포함된 생체정보데이터를 수집하고 데이터베이스화 하는 생체정보데이터 수집단계; 사용자단말기에서 상기 생체정보데이터를 기반으로 코골이 지속시간, 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도 및 지속시간을 산출하는 폐쇄성 수면무호흡증 판별단계; 상기 폐쇄성 수면무호흡이 확인되면 상기 스마트베개의 높낮이를 변화시켜 사용자의 후두부와 경추부 위치를 변경시키는 스마트베개 제어단계;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명은 스마트 베개를 쿠션부와 작동부로 분리가능하도록 이원화시킴으로써 세척과 유지보수가 용이한 효과가 있다.

또한, 일상적으로 사용되는 베개의 사용만으로도 사용자 생체정보데이터를 수집 및 분석하여 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도와 지속시간, 이에 따라 예상되는 질병 종류와 증상에 대한 정보를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 기 취합된 생체정보데이터를 머신러닝 기반의 인공신경망 알고리즘으로 분석하고 베개 내부에 구비된 유압기구를 제어하여 베개 높낮이 조절이 연동되도록 함으로써 수면 중인 사용자 기도확보를 유도하여 폐쇄성 수면무호흡증을 즉각적으로 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

이로 말미암아 수면패턴의 최적화 관리가 가능하게 하여 사용자가 양질의 수면을 취할 수 있게 하고 수면의 질 저하에 기인한 질병을 사전에 예방하며, 사용자의 수면상태 및 건강상태를 상시 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

특히, 일상적으로 사용되는 베개의 사용만으로도 사용자 생체정보데이터를 수집 및 분석하여 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도와 지속시간, 이에 따라 예상되는 질병 종류와 증상에 대한 정보를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 함몰부와 절개부의 형성을 통해, 스마트 베개의 형상 변형을 자유롭게 진행할 수 있도록 하여 사용자의 수면 정보에 따라 사용자 기도확보를 보다 용이하게 진행할 수 있는 효과를 제공 가능하다.

그리고, 다양한 종류의 센서를 통해 각종 생체 정보를 획득할 수 있도록 함으로써, 보다 명확한 상기 생체 정보를 기반으로 보다 명확한 수면정보의 분석결과를 제공할 수 있다.

그리고, 쿠션부와 구동부간의 결합구조에 있어서, 자기적 결합과 물리적 결합을 동시에 진행할 수 있음으로써, 간편한 탈착을 진행할 수 있도록 하여 베개의 사용중에도 상기 쿠션부가 구동부로부터 이탈되지 않도록 함과 동시에, 쿠션부에 대한 유지 보수 편의성을 보다 향상시킬 수 있으면서도, 구동부와의 견고한 결합을 유지할 수 있어, 사용 편의성 또한 향상시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

그리고, 공기 흐름을 허용하는 커버부의 형성을 통해 보다 향상된 사용감을 부여할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

그리고, 공기의 주입 또는 배출 기작을 기반으로 높이조절을 진행하도록 함으로써 상기 높이조절부의 미세 조정을 진행할 수 있어, 보다 정확하게 수면 중인 사용자 기도확보를 위한 수면 자세를 유도할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

그리고, 수면패턴의 최적화 관리가 가능하게 하여 사용자가 양질의 수면을 취할 수 있게 하고 수면의 질 저하에 기인한 질병을 사전에 예방하며, 사용자의 수면상태 및 건강상태를 상시 모니터링할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 사용자 생체정보데이터를 수집 및 분석하여 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도와 지속시간, 이에 따라 예상되는 질병 종류와 증상에 대한 정보를 용이하게 파악할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 사용자 단말기 측으로 시계열적인 순서로 누적시킨 각종 데이터를 무선 송수신하여 사용자가 간편하게 자신의 생체정보데이터를 파악할 수 있도록 함으로써, 수면패턴의 최적화 관리가 가능하게 하여 사용자가 양질의 수면을 취할 수 있게 하고 수면의 질 저하에 기인한 질병을 사전에 예방하며, 사용자의 수면상태 및 건강상태를 상시 모니터링할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

그리고, 노이즈를 제거한 이후, 인공신경망 알고리즘을 적용하여 사용자의 수면특성을 분류함으로써, 보다 명확하게 사용자의 수면특성을 파악할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

그리고, 평탄화를 진행하는 이퀄라이징 단계를 진행한 이후, 높낮이 제어를 개시하도록 하여, 스마트베게의 과도한 높낮이 변경이 진행되는 것을 방지함으로써, 보다 향상된 작동 신뢰성을 제공할 수 있다.

본 발명의 기술적 효과들은 이상에서 언급한 기술적 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 스마트베개시스템의 구성요소를 도시한 구성도;
도 2는 본 발명에 따른 스마트베개의 쿠션부 구성을 도시한 사시도;
도 3은 본 발명에 따른 스마트베개의 작동부 구성을 도시한 사시도;
도 4는 본 발명에 따른 스마트베개의 쿠션부와 작동부의 구성요소를 도시한 구성도;
도 5는 본 발명에 따른 스마트베개시스템을 이용한 수면관리방법의 실시흐름을 나타낸 순서도;
도 6은 본 발명에 따른 노이즈 제거단계의 실시흐름을 나타낸 순서도;
도 7은 본 발명에 따른 신호특성구간 검출단계의 실시흐름을 나타낸 순서도;
도 8은 본 발명에 따른 수면특성 분류단계에서 적용되는 인공신경망 구성의 예시도;
도 9는 본 발명에 적용된 오류역전파 학습 알고리즘의 실시흐름을 나타낸 순서도이다.

이하에서는, 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

또한 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 스마트베개시스템(A)은 사용자가 수면 시에 후두부와 경추부가 지지되고 폐쇄성 수면무호흡증이 감지되면 지지 상태를 변경하여 사용자의 기도확보를 유도하는 스마트베개(1000);와 상기 스마트베개(1000)와 상호 연동되어 사용자 수면정보를 머신러닝 기반의 인공신경망 알고리즘으로 분석하고 수면분석결과를 시각화하여 출력하는 사용자단말기(2000);로 구성된다.

본 발명에 따른 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개시스템(A)의 구성요소 중, 스마트베개(1000)에 대해서 도 1 내지 도 4를 참조하여 상술하면 다음과 같다.

상기 스마트베개(1000)는 쿠션부(1100)와 구동부(1200)로 이원화되어 구성되며, 상기 쿠션부(1100)가 상기 구동부(1200)에 적층되는 형태로 구비되는 것을 특징으로 한다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 상기 쿠션부(1100)는 경질상의 열가소성 탄성체 재질로 구성되되, 사용자의 머리가 안착되고 경추를 지지하기 위하여 상기 쿠션부(1100)의 상부면 중앙부에는 종방향으로 신장된 수용홈(1111)이 형성되는 함몰부(1110);가 구비되고, 상기 함몰부(1110)의 일단과 타단에는 절개부(1112);가 더 형성되어, 사용자는 상기 스마트베개(1000)가 놓여지는 위치의 방향 구분에 관계없이 사용할 수 있는 특징이 있다.

상기 쿠션부(1100)의 내부 일측에는 사용자 생체신호를 계측하는 적어도 하나 이상의 생체정보측정부(1120)가 구비된다.

상기 생체정보측정부(1120)는 수면 중인 사용자의 체온을 계측하는 체온센서(1121); 수면 중인 사용자의 심전도를 계측하는 심전도센서(1122); 사용자의 코골이 음향을 계측하는 음향레벨센서(1123); 사용자의 음성명령을 인식하여 스마트베개(1000)의 시작동작, 중지동작, 재개동작 중 어느 하나의 동작요소를 실행할 수 있는 음성인식센서(1124); 수면 중인 사용자의 신체 움직임을 감지하는 모션감지센서(1125); 수면 중인 사용자의 발한(sweating) 상태를 계측하기 위한 습도센서(1126);로 구성된다.

상기 생체정보측정부(1120)를 구성하는 센서들로부터 계측된 수면 중인 사용자의 생체정보데이터는 스마트베개(1000)의 최적화된 작동 및 제어를 수행하기 위한 입력데이터로 사용된다.

또한, 상기 쿠션부(1100)의 하부면 일측에는 제1결합수단(1130)이 더 구비되어 후술할 구동부(1200)와 결합되며, 상기 제1결합수단(1130)은 자성체의 재질로 구성되되 요부 또는 홈부 중 어느 하나의 형태로 형성되어 자기적 결합과 물리적 결합이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 한다.

그리고, 사용자가 스마트베개(1000) 사용 시 안착감과 쾌적함을 향상시키기 위하여 상기 쿠션부(1100)의 외주면에는 공기 흐름을 허용하는 통기성 섬유 소재로 이루어지며 탄성을 지닌 커버부(1140)가 더 구비된다.

도 3을 더 참조하여, 상기 쿠션부(1100)의 하부에 위치하는 구동부(1200)의 세부구성을 상술하면 다음과 같다.

상기 구동부(1200)는 상기 쿠션부(1100)의 높낮이를 조절하기 위하여 상기 구동부(1200)의 양측단 내부에 각각 구비되는 높이조절부(1210); 상기 높이조절부(1210)의 작동을 제어하는 제어부(1220); 상기 높이조절부(1210), 제어부(1220), 생체정보측정부(1120)의 작동에 필요한 전원을 공급하는 전원부(1230);로 구성되고, 상기 쿠션부(1100)가 적층되는 과정에서, 상기 쿠션부(1100)와 상기 구동부(1200)의 결합을 위한 제2결합수단(1240);이 더 포함되는 형태로 구성된다.

상기 높이조절부(1210)는 공기의 주입 또는 배출되는 기작으로 팽창되거나 수축되는 적어도 하나 이상의 에어셀(1211);과 상기 에어셀(1211)에 공기를 주입 또는 배출시키는 에어분배펌프(1212);로 구성된다.

상기 높이조절부(1210)는 구동부(1200)의 양측단에 각각 구비되되, 상기 구동부(1200)의 중심부를 기준으로 상호 이격거리를 두고 좌우대칭되는 배치 형태로 구비되는 것이 바람직하다.

상기 제어부(1220)는 상기 생체정보측정부(1120)로부터 계측된 아날로그 생체정보데이터를 수집하는 데이터수집모듈(1221); 상기 아날로그 생체정보데이터를 디지털 생체정보데이터로 변환하는 데이터변환모듈(1222); 상기 디지털 생체정보데이터를 시계열적인 순서로 누적시켜 데이터베이스 형태로 저장하는 데이터저장모듈(1223); 상기 데이터베이스를 후술할 사용자단말기(2000)로 무선 송신하는 데이터통신모듈(1224);이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 전원부(1230)는 외부 전원 인가 없이도 내부 전원으로만 작동시킬 수 있는 배터리모듈(1231); 상기 배터리모듈(1231)의 사용이 제한되는 경우에 외부 전원 인가 대체 사용을 위한 외부전원모듈(1232);로 구성되되, 상기 배터리모듈(1231)의 전압 레벨을 감지하고 저전압 상태인 경우에 자동으로 전기적 접속 연결 방식을 외부전원으로 변환하는 자동스위칭모듈(1233);이 더 포함된다.

상기 제2결합수단(1240)은 상기 구동부(1200)의 상부면 일측에 구비되되, 상기 쿠션부(1100)에 구비된 제1결합수단(1130)과는 서로 다른 극성의 자성체로 형성되어 상호 간 자기적으로 결합되되, 상기 제1결합수단(1130)과는 서로 다른 형태의 요부 또는 홈부 중 어느 하나가 더 구비되어 물리적으로도 결착될 수 있는 것을 특징으로 한다.

보다 구체적으로, 상기 제1결합수단과(1130)과 상기 제2결합수단(1240)의 자기적으로 결합되는 구성은 상기 쿠션부(1100)와 구동부(1200) 간의 결합을 위한 기능뿐만 아니라, 상기 생체정보측정부(1120)와 제어부(1220) 간의 마그네틱 기반 통신 연결을 위한 수단으로도 활용되며, 상기 생체정보측정부(1120)와 전원부(1230) 간의 마그네틱 기반 전원 공급을 위한 수단으로 활용되는 것에 특징이 있다.

즉, 상기 마그네틱 통신 연결과 전원 공급은 무선 전력을 이용한 인밴드 데이터 통신모듈(도면 미도시)을 통하여 무선전력을 전송함과 동시에 데이터 통신이 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 폐쇄성 수면무호흡증 개선 기능이 구비된 스마트베개시스템(A)의 구성요소 중, 사용자단말기(2000)에 대해서 상술하면 다음과 같다.

상기 사용자단말기(2000)는 스마트디바이스, 태블릿PC, 디지털방송용단말기 등이 해당될 수 있으며, 본 발명에 적용 가능한 단말기는 상술한 종류에 한정되지 않고 외부 장치와 통신이 가능한 단말기는 모두 포함될 수 있음은 자명하다.

보다 구체적으로, 도 1을 참조하면 상기 사용자단말기(2000)는 상기 스마트베개(1000)와 연동되어 사용자 수면정보분석 기능을 수행하는 것으로 상기 스마트베개(1000)로부터 전달받은 사용자 생체정보 데이터베이스를 분석하여 사용자의 호흡 및 무호흡 수면상태를 판별하고 이에 따른 렘(REM)수면, 비렘(non-REM)수면, 완전비수면 상태를 추정하는 수면정보분석부(2100);와, 사용자 코골이 발생빈도, 수면무호흡 발생빈도, 수면의 질 상태, 예상되는 질병 종류와 증상에 대한 정보를 시각화하여 그 결과를 표시하는 기능을 수행하는 수면정보출력부(2200);로 구성되는 것을 특징으로 한다.

도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 스마트베개시스템(A)을 이용한 수면관리방법을 상술하면 다음과 같다. 상기 스마트베개시스템(A)의 작동은 상기 스마트베개(1000)의 생체정보측정부(1120)로부터 사용자 체온정보, 심전도정보, 코골이 음향레벨정보, 사용자 움직임정보, 사용자 발한정보가 포함된 생체정보데이터가 수집되는 생체정보데이터 수집단계(S100);로부터 개시된다.

상기 생체정보데이터 수집단계(S100)는 상기 생체정보측정부(1120)에서 계측된 아날로그 생체정보데이터가 상기 제어부(1220)의 데이터수집모듈(1221)을 통해 수집되는 아날로그 생체정보데이터 수집단계(S110); 상기 아날로그 생체정보데이터가 수집되면 상기 사용자단말기(2000)의 수면정보분석부(2100)가 인식할 수 있도록 상기 제어부(1220)의 데이터변환모듈(1222)을 통해 디지털 생체정보데이터 형태로 변환시키는 디지털 생체정보데이터 변환단계(S120); 상기 스마트베개(1000)를 사용하여 사용자가 수면을 취하는 시간동안 누적되는 상기 디지털 생체정보데이터를 상기 제어부(1220)의 데이터저장모듈(1223)을 통해 시계열적인 순서로 누적시키고 저장하여 데이터베이스를 구축하는 데이터베이스 구축단계(S130); 상기 데이터베이스를 상기 사용자단말기(2000)의 수면정보분석부(2100)로 전송하기 위하여 상기 제어부(1220)의 데이터통신모듈(1224)을 통해 무선 송신하는 데이터베이스 전송단계(S140);가 더 포함된다.

상기 생체정보데이터 수집단계(S100)가 완료된 이후에는, 상기 사용자단말기(2000)의 수면정보분석부(2100)에서 상기 데이터베이스를 분석하여 코골이 지속시간, 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도 및 지속시간을 산출하는 폐쇄성 수면무호흡증 판별단계(S200);를 수행한다.

보다 구체적으로 상기 폐쇄성 수면무호흡증 판별단계(S200)는 상기 데이터베이스를 구성하는 신호에 포함된 노이즈를 제거하기 위해서, 상기 노이즈가 포함된 신호의 스펙트럼에서 평균 노이즈 신호의 스펙트럼을 차감하여 잡음을 제거하고 원신호를 복구하는 노이즈 제거단계(S210);로부터 개시된다.

보다 구체적으로, 노이즈가 포함된 신호

는 원신호

와 노이즈신호

의 합이므로 수식(1)과 같이 표현된다.

...수식(1)

여기서,

은 노이즈가 포함된 신호,

은 원신호,

은 노이즈신호이다.

상기 수식(1)을 주파수 변환하면 수식(2)와 같이 노이즈가 포함된 신호의 주파수 변환된 스펙트럼

은 원신호가 주파수 변환된 스펙트럼

과 노이즈신호가 주파수 변환된 스펙트럼

의 합으로 표현된다.

...수식(2)

여기서,

는

의 주파수 변환 스펙트럼,

는

의 주파수 변환 스펙트럼,

는

의 주파수 변환 스펙트럼이다.

노이즈가 포함된 신호를 윈도우잉(windowing)하면 원신호와 노이즈신호 각각을 윈도우잉하는 것과 동일하게 간주할 수 있으며, 주파수 변환의 경우에도 동일하게 간주할 수 있으므로 이를 각각 수식(3)과 수식(4)와 같이 표현할 수 있다.

...수식(3)

...수식(4)

여기서,

은 윈도우잉이 적용된 노이즈 포함 신호,

은 윈도우잉이 적용된 원신호,

은 윈도우잉이 적용된 노이즈신호,

는 윈도우잉이 적용된 노이즈가 포함된 신호의 주파수 변환 스펙트럼,

는 윈도우잉이 적용된 원신호의 주파수 변환 스펙트럼,

는 윈도우잉이 적용된 노이즈신호의 주파수 변환 스펙트럼이다.

즉, 노이즈가 포함된 신호의 스펙트럼에서 노이즈신호 스펙트럼의 평균을 차감함으로써 원신호 스펙트럼을 산출할 수 있으며, 보정상수를 곱하고 승수함으로써 수식(5)과 같이 원신호 스펙트럼을 추출하는 것을 특징으로 한다.

...수식(5)

여기서,

는 노이즈가 제거된 신호의 주파수 변환 스펙트럼 크기,

는 노이즈 구간의 평균 주파수 변환 스펙트럼 크기이다.

따라서, 상기 노이즈 제거단계(S210)의 실시흐름은, 도 6과 같이 상기 데이터베이스 전송단계(S140)에서 전달받은 데이터베이스로부터, 노이즈가 포함된 신호를 확인하는 노이즈 신호확인단계(S211); 상기 노이즈가 포함된 신호에서 주파수 변환 스펙트럼 분석을 위한 구간을 설정하는 구간설정단계(S212); 노이즈가 포함된 신호의 주파수 변환 스펙트럼을 윈도우잉하는 윈도우잉 수행단계(S213); 윈도우잉이 적용된, 상기 노이즈가 포함된 신호의 주파수 변환 스펙트럼에 고속푸리에트랜스폼(fast fourier transform, FFT)을 적용하는 FFT 수행단계(S214); 상기 FFT를 적용한 주파수 변환 스펙트럼에서 주파수별 크기를 확인하는 주파수 크기 확인단계(S215); 상기 FFT를 적용한 주파수 변환 스펙트럼에서 위상(phase)을 확인하고 노이즈가 제거된 주파수 스펙트럼을 산출하는 노이즈 제거 주파수 스펙트럼 산출단계(S216); 상기 노이즈가 제거된 주파수 변환 스펙트럼에 고속역변환푸리에트랜스폼(inverse fast fourier transform, IFFT)을 더 적용하여 노이즈가 제거된 최종 신호를 획득하는 IFFT 수행단계(S217);가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 노이즈 제거단계(S210)에서 데이터베이스를 구성하는 신호에 포함된 노이즈가 제거되면, 코골이에 기인한 폐쇄성 수면무호흡 신호특성을 나타내는 구간을 검출하기 위한 신호특성구간 검출단계(S220);를 수행한다.

보다 구체적으로, 도 7과 같이 상기 신호특성구간 검출단계(S220)는 노이즈가 제거된 신호에 대하여 절대값을 취하고 음의 신호를 모두 양수화하는 절대값 변환단계(S221); 절대값으로 변환된 신호에서 피크(peak)를 검출하고 신호 파형을 스무딩(smoothing)시키는 신호파형 스무딩단계(S222); 구간 검출을 위하여 스무딩된 신호 파형의 문턱값(threshold)을 결정하는 문턱값 결정단계(S223);가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 신호특성구간 검출단계(S220)가 수행된 이후에는, 인공신경망(artificial neural network) 알고리즘을 기반으로 코골이 지속시간, 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도 및 지속시간을 검출하는 수면특성 분류단계(S230);를 수행한다.

보다 구체적으로 도 8을 참조하면, 상기 신호특성구간 검출단계(S220)에서 처리된 데이터베이스를 적어도 하나 이상의 입력층, 은닉층, 출력층으로 구성된 인공신경망에 적용한다. 상기 인공신경망은 순방향 다층 신경망 학습에 다수 적용되는 오류역전파 학습 알고리즘인 것이 바람직하며, 출력값과 목표값 사이의 오차를 최소하하기 위하여 초기 연결강도, 학습률, 은닉층 뉴런수, 활성함수 중 어느 하나 이상이 고려되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 오류역전파 학습 알고리즘은 도 9와 같이 연결강도를 초기화;하고 목표값과 출력값의 오차를 계산;하며 연결강도 조절요소를 계산;하고 상기 연결강도 변화율을 계산;하여 은닉층 및 출력층의 연결강도를 갱신;하는 실시흐름으로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 수면특성 분류단계(S230)의 수행이 완료되면, 상기 생체데이터 분석단계(S220)와 수면분류단계(S230)로부터 도출된 분석결과를 기반으로 상기 높이조절부(1210)의 작동을 제어하기 위한 피드백 제어신호를 상기 데이터통신모듈(1224)로 피드백하는 피드백제어신호 전달단계(S240);가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 폐쇄성 수면무호흡증 판별단계(S200)에서 수면 중인 사용자에게 폐쇄성 수면무호흡이 발생하여 이에 대한 조치가 필요한 경우에는 상기 높이조절부(1210)로 피드백 제어신호를 전달하고 상기 에어분배펌프(1212)가 작동되도록 하여 상기 에어셀(1211)을 팽창 또는 수축 중 어느 하나의 동작이 이루어지도록 함으로써 사용자의 후두부 및 경추부 위치를 변경시키는 스마트베개 제어단계(S300);가 더 수행된다.

보다 구체적으로 도 5를 참조하면, 상기 스마트베개 제어단계(S300)는, 사용자의 후두부와 경추부가 안착 및 지지되고 있는 초기 상태를 파악하고, 스마트베개(1000)의 양측단에 각각 구비된 높이조절부(1210) 중 어느 하나가 일측으로 편향되어 있는지 확인하는 구동초기화단계(S310); 상기 구동초기화단계(S310)에서 상기 높이조절부(1210)가 일측으로 편향된 것이 확인되면 상기 에어분배펌프(1212)가 작동하여 상기 에어셀(1211)의 내부 압력을 이퀄라이징시켜 상기 높이조절부(1210)를 동일한 높이로 평탄화시키는 이퀄라이징단계(S320); 상기 에어셀(1211)의 내부 압력이 이퀄라이징된 것이 확인되면, 상기 피드백제어신호 전달단계(S240)에서 전달된 피드백제어신호가 유효한 것으로 간주하여 상기 에어분배펌프(1212)를 작동시켜서 상기 에어셀(1211)의 내부로 에어를 공급하는 피드백제어신호 활성화단계(S330);가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

상기 피드백제어신호 활성화단계(S330)가 수행된 이후에는, 사용자의 폐쇄성 무호흡증이 개선되었는지 확인하기 위하여 상기 아날로그 생체정보데이터 수집단계(S110)를 재수행하면서 사용자의 수면시간동안 스마트베개시스템(A)이 연속적으로 구동되며, 사용자가 기상하면 상기 스마트베개시스템(A)의 구동이 중단된다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용, 변형 및 개작을 행하는 것이 가능할 것이다. 이에, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

A : 스마트베개시스템
1000 : 스마트베개
1100 : 쿠션부
1110 : 함몰부
1111 : 수용홈 1112 : 절개부
1120 : 생체정보측정부
1121 : 체온센서 1122 : 심전도센서
1123 : 음향레벨센서 1124 : 음성인식센서
1125 : 모션감지센서 1126 : 습도센서
1130 : 제1결합수단
1140 : 커버부
1200 : 구동부
1210 : 높이조절부
1211 : 에어셀 1212 : 에어분배펌프
1220 : 제어부
1221 : 데이터수집모듈 1222 : 데이터변환모듈
1223 : 데이터저장모듈 1224 : 데이터통신모듈
1230 : 전원부
1231 : 배터리모듈 1232 : 외부전원모듈
1233 : 자동스위칭모듈
1240 : 제2결합수단
2000 : 사용자단말기
2100 : 수면정보분석부
2200 : 수면정보출력부

Claims (11)

1. 종방향으로 신장된 함몰부(1110)가 형성되고 생체정보측정부(1120)가 포함되는 쿠션부(1100)와, 상기 쿠션부(1100)의 높낮이를 조절하는 적어도 하나 이상의 높이조절부(1210)와 상기 높이조절부(1210)의 작동을 제어하는 제어부(1220)가 포함된 구동부(1200)가 상호 적층 결합된 형태로 구비되는 스마트베개(1000);
   상기 스마트베개(1000)와 상호 연동되어 사용자 수면정보를 분석하는 수면정보분석부(2100)와, 상기 사용자 수면정보의 분석결과를 시각화하여 출력하는 수면정보출력부(2200)가 포함된 사용자단말기(2000);로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트베개시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 함몰부(1110)는,
   사용자 후두부를 수용하는 수용홈(1111)이 형성되고, 상기 함몰부(1110)의 일단과 타단에는 상기 수용홈(1111)과 연통되는 절개부(1112)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 스마트베개시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 스마트 베개(1000)는,
   상기 쿠션부(1100)의 내부 일측에는 체온센서(1121), 심전도센서(1122), 음향레벨센서(1123), 음성인식센서(1124), 모션감지센서(1125), 습도센서(1126)로 구성된 생체정보측정부(1120)가 적어도 하나 이상이 구비되는 것을 특징으로 하는 스마트베개시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 스마트 베개(1000)는,
   상기 쿠션부(1100)의 하부면 일측에는 제1결합수단(1130)이 구비되고, 상기 구동부(1200)의 상부면 일측에는 제2결합수단(1240)이 구비되되, 상기 제1결합수단(1130)과 상기 제2결합수단(1240)은 서로 다른 극성의 자성체에 의한 자기적 결합과 요부와 홈부에 의한 물리적 결합이 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 스마트베개시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 스마트 베개(1000)는,
   상기 쿠션부(1100)의 외주면에는 통기성 섬유 소재로 이루어지며 탄성을 지닌 커버부(150)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 스마트베개시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 높이조절부(1210)는,
   공기의 주입 또는 배출기작으로 팽창 또는 수축되는 적어도 하나 이상의 에어셀(1211)과 상기 에어셀(1211)에 공기를 주입 또는 배출시키는 에어분배펌프(1212)로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트베개시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어부(1220)는,
   상기 생체정보측정부(1120)로부터 계측된 아날로그 생체정보데이터를 수집하는 데이터수집모듈(1221), 상기 아날로그 생체정보데이터를 디지털 생체정보데이터로 변환하는 데이터변환모듈(1222), 상기 디지털 생체정보데이터를 시계열적인 순서로 누적시켜 데이터베이스 형태로 저장하는 데이터저장모듈(1223), 상기 데이터베이스를 상기 사용자단말기(2000)로 무선 송신하는 데이터통신모듈(1224);로 구성되는 것을 특징으로 하는 스마트베개시스템.
8. 스마트베개(1000)로부터 사용자 체온정보, 심전도정보, 코골이 음향레벨정보, 사용자 움직임정보, 사용자 발한정보가 포함된 생체정보데이터를 수집하고 데이터베이스화 하는 생체정보데이터 수집단계(S100);
   사용자단말기(2000)에서 상기 생체정보데이터를 기반으로 코골이 지속시간, 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도, 폐쇄성 수면무호흡증 지속시간을 산출하는 폐쇄성 수면무호흡증 판별단계(S200);
   상기 폐쇄성 수면무호흡이 확인되면 상기 스마트베개(1000)의 높낮이를 변화시켜 사용자의 후두부와 경추부 위치를 변경시키는 스마트베개 제어단계(S300);가 포함되는 것을 특징으로 하는 수면관리방법.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 생체정보데이터 수집단계(S100)는,
   사용자의 아날로그 생체정보데이터를 수집하는 아날로그 생체정보데이터 수집단계(S110);
   상기 아날로그 생체정보데이터를 디지털 생체정보데이터 형태로 변환시키는 디지털 생체정보데이터 변환단계(S120);
   상기 디지털 생체정보데이터를 시계열적인 순서로 누적시키고 저장하여 데이터베이스를 구축하는 데이터베이스 구축단계(S130);
   상기 사용자단말기(2000)로 상기 데이터베이스를 무선 송신하는 데이터베이스 전송단계(S140);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수면관리방법.
10. 제 8 항에 있어서,
    상기 폐쇄성 수면무호흡증 판별단계(S200)는,
    상기 데이터베이스를 구성하는 신호에 포함된 노이즈를 제거하고 원신호를 복구하는 노이즈 제거단계(S210);
    상기 노이즈가 제거되면, 코골이에 기인한 폐쇄성 수면무호흡 신호특성 구간을 검출하는 신호특성구간 검출단계(S220);
    상기 폐쇄성 수면무호흡 신호특성 구간을 인공신경망 알고리즘을 적용하여 코골이 지속시간, 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도, 폐쇄성 수면무호흡증 지속시간을 검출하는 수면특성 분류단계(S230);
    상기 코골이 지속시간, 폐쇄성 수면무호흡증 발생빈도, 폐쇄성 수면무호흡증 지속시간을 기반으로 상기 스마트베개(1000)로 피드백 제어신호를 전달하는 피드백제어신호 전달단계(S240);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수면관리방법.
11. 제 8 항에 있어서,
    상기 스마트베개 제어단계(S300)는,
    사용자의 후두부와 경추부가 안착 지지되고 있는 초기 상태를 파악하고, 상기 스마트베개(1000)의 양측단이 편향되어 있는지 확인하는 구동초기화단계(S310);
    상기 편향이 확인되면 상기 스마트베개(1000)를 동일한 높이로 평탄화시키는 이퀄라이징단계(S320);
    상기 평탄화가 확인되면, 피드백제어신호를 활성화하여 상기 스마트베개(1000)의 높낮이 제어를 개시하는 피드백제어신호 활성화단계(S330);가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 수면관리방법.

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