KR20220112992A - 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치 및 이를 이용한 심박 측정 방법 및 장치 - Google Patents

허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치 및 이를 이용한 심박 측정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치 및 이를 이용한 심박 측정 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치는, 탄성 부재; 및 상기 탄성 부재 상에 형성되고, 사용자의 심전도 신호를 측정하는 섬유 전극;을 포함하고, 상기 섬유 전극은, 전도사(conductive yarn) 및 상기 전도사 상에 코팅된 금속 혼합물을 포함할 수 있다.

Description

허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치 및 이를 이용한 심박 측정 방법 및 장치{A waistband wearable electrocardiogram measuring apparatus and method and apparatus for heart rate measurement using the same}
본 발명은 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치 및 이를 이용한 심박 측정 방법 및 장치에 관한 것이다.
일상생활 중 지속적으로 생체신호 측정이 가능한 웨어러블 기술은 가장 유망한 심전도 상시 측정 기술로써 제안되고 있다. 대표적인 웨어러블 심전도 측정 기술 중 하나인 의복형 심전도 측정 시스템은 시스템을 의복에 내장한 형태로 제작되는데 의복형, 심전도 측정 시스템에 사용되는 섬유 전극의 높은 임피던스 및 건식 전극 특성으로 인해 신호 획득 효율이 낮을 뿐 아니라 동잡음에 취약하므로 대부분의 측정 시스템은 측정되는 신호의 품질향상을 위해 신축성이 높고 몸에 밀착되는 형태로 주로 제작되어 왔다.
그러나, 이러한 형태는 사용자의 신체를 장시간 압박하여 결과적으로 큰 불편함을 초래할 수 있으므로 사용자 편의성이나 활용성에 대한 개선이 지속적으로 요구되었다.
[특허문헌 1] 한국등록특허 제10-2074913호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치 및 이를 이용한 심박 측정 방법 및 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 금속 혼합물이 코팅된 섬유 전극을 이용한 심전도 측정 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치는, 탄성 부재; 및 상기 탄성 부재 상에 형성되고, 사용자의 심전도 신호를 측정하는 섬유 전극;을 포함하고, 상기 섬유 전극은, 전도사(conductive yarn) 및 상기 전도사 상에 코팅된 금속 혼합물을 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 섬유 전극은, 제1 내지 제3 전극을 포함하고, 상기 제1 전극은, 상기 제2 전극의 측면에 위치하고, 상기 제3 전극은, 상기 제2 전극의 하측에 위치할 수 있다.
실시예에서, 상기 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치는, 상기 탄성 부재와 상기 섬유 전극 사이에 위치하고, 복원력을 가지는 제1 패브릭;을 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치는, 상기 섬유 전극과 연결되고, 상기 섬유 전극에 의해 측정된 심전도 신호를 심박 측정 장치에게 전달하는 인터페이스부;를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치는, 상기 인터페이스부 상에 위치하여, 상기 인터페이스부를 커버링(covering)하는 커버 부재; 를 더 포함할 수 있다.
실시예에서, 상기 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치는, 상기 탄성 부재와 상기 섬유 전극 사이에 위치하고, 신축성(stretch)이 없는 제2 패브릭;을 더 포함하고, 상기 인터페이스부의 일단은, 상기 섬유 전극과 연결되고, 상기 인터페이스부의 타단은, 상기 탄성 부재 및 상기 제2 패브릭을 관통하여 상기 심박 측정 장치와 연결될 수 있다.
실시예에서, 상기 심전도 신호는 심박 측정 장치에게 전달되고, 상기 심박 측정 장치에 의해, 상기 심전도 신호는 보간(interpolation)되고, 상기 보간된 심전도 신호는 필터링되고, 상기 필터링된 심전도 신호의 QRS 파형을 이용하여 상기 사용자의 심박 박동 간격이 산출되며, 상기 심박 박동 간격을 이동평균(moving averaging)하여 분당 평균 박동수가 산출될 수 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 구체적인 사항들은 첨부된 도면과 함께 상세하게 후술될 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구성될 수 있으며, 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하, "통상의 기술자")에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해서 제공되는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치를 통해 상체에 압박을 가하거나 추가적인 측정 센서 등을 부착하지 않아 활동에 제약이 적으면서도 높은 정확도의 심전도 신호 검출 및 심박 추정을 수행할 수 있다.
본 발명의 효과들은 상술된 효과들로 제한되지 않으며, 본 발명의 기술적 특징들에 의하여 기대되는 잠정적인 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극의 제조 과정을 도시한 도면이다.
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극의 예를 도시한 도면이다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극 이미지를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극의 배치 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 측정 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 측정 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보간 전후에 대한 파형 변화 그래프를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대역 통과 필터의 주파수 특성 그래프를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터링 전후에 대한 심전도 신호 그래프를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 QRS 그래프를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이소성 박동의 교정 전후에 대한 RRI 그래프를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 평균 필터의 주파수 특성 그래프를 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 평균 필터의 적용 전후에 대한 평균 심박수 그래프를 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 측정 장치의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예들을 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세히 설명하고자 한다.
청구범위에 개시된 발명의 다양한 특징들은 도면 및 상세한 설명을 고려하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 명세서에 개시된 장치, 방법, 제법 및 다양한 실시예들은 예시를 위해서 제공되는 것이다. 개시된 구조 및 기능상의 특징들은 통상의 기술자로 하여금 다양한 실시예들을 구체적으로 실시할 수 있도록 하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 용어 및 문장들은 개시된 발명의 다양한 특징들을 이해하기 쉽게 설명하기 위한 것이고, 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치 및 이를 이용한 심박 측정 방법 및 장치를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극의 제조 과정을 도시한 도면이다. 도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극의 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 니팅(knitting) 단계(110)에서, 섬유 전극의 제작을 위해, PET(polyester) 70 섬유와 직경 30
Figure pat00001
의 은사 두가닥을 커버링(covering)하여 전도사를 제작할 수 있다.
섬유 전극의 신장회복률 및 인체 밀착성을 위해, 제작된 전도사를 PET 82%, PU(polyurethane) 18%와 혼용하여 스트라이프 구조의 전도성 기반 섬유 전극을 제작할 수 있다.
스크린 프린팅(screen printing) 단계(120)에서, 전도성 기반 섬유 전극의 피부 밀착성과 측정 정확도 향상을 위하여 은 혼합물(silver compound)을 전도사 기반 섬유 전극 위에 코팅할 수 있다.
예를 들어, 실크 스크린을 통해 은 혼합물을 전도사 기반 섬유 전극 위에 부분 코팅할 수 있다. 도 2a를 참고하면, 은 혼합물의 코팅 과정을 거치기 전 전도가 기반 섬유 전극의 모습을 확인할 수 있다.
경화(curing) 단계(130)에서, 100
Figure pat00002
의 온도에서 30 분간 경화시켜 은 혼합물을 섬유 전극 상에 고정시킬 수 있다. 이 경우, 은 혼합물은 신축성, 전도성, 밀착성, 이물감 및 봉제성 등을 고려하여, 전도사가 니팅(knitting)된 부위에만 코팅될 수 있다.
도 2b를 참고하면, 은 혼합물로 코팅된 섬유 전극의 전면 및 측면의 확대 모습을 확인할 수 있다.
도 3a 내지 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극 이미지를 도시한 도면이다.
도 3a를 참고하면, 은 혼합물의 코팅 전 섬유 전극의 표면을 확인할 수 있다. 전도사 기반 섬유 전극이 약 30
Figure pat00003
두께의 은사(silver yarn)와 여러 가닥의 폴리에스터(polyester)로 구성된 것을 확인할 수 있다.
도 3b 및 3c를 참고하면, 은 혼합물의 코팅 후 섬유 전극의 표면(도 3b) 및 측단면(도 3c)을 확인할 수 있다. 은 혼합물이 약 190 내지 240 은사 정도의 두께로 섬유 전극 위에 도포된 것을 확인할 수 있다.
은 혼합물이 코팅된 섬유 전극의 면저항을 측정할 수 있으며, 이 경우, 면저항은 은 혼합물의 코팅 처리를 하지 않은 시료와 코팅 처리가 된 시료에 대하여 각각 측정하였으며 코팅 처리된 시료의 경우 전면과 후면 각각에 대하여 면 저항을 측정할 수 있다.
측정 결과가 매 측정 시마다 변동될 수 있으므로, 평균 면저항을 계산하기 위해 각 시료 마다 3 군데의 측정 위치를 임의로 정한 뒤, 각 위치마다 10 회 반복하여 면저항을 측정할 수 있다.
그 결과, 코팅 처리하지 않은 시료의 면저항은 202.03
Figure pat00004
43.05
Figure pat00005
/sq.인 반면, 코팅 처리가 된 시료의 코팅면, 후면 면저항은 각각 0.22
Figure pat00006
0.03
Figure pat00007
/sq., 0.17
Figure pat00008
0.02
Figure pat00009
/sq. 이었으며, 하기 <표 1>과 같이 은 혼합물 코팅에 의해 면저항이 감소함을 확인할 수 있다.
Without silver
compound coating		 With silver
compound coating
(coated side)		 With silver
compound coating
(back side)
Surface
resistance
(
Figure pat00010
/sq.)		 202.0
Figure pat00011
43.1		 0.22
Figure pat00012
0.03		 0.17
Figure pat00013
0.02
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치(400)를 도시한 도면이다. 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유 전극(407)의 배치 구조를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 4c를 참고하면, 허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치(400)는 탄성 부재(401), 제1 패브릭(403), 제2 패브릭(405), 섬유 전극(407), 인터페이스부(409), 커버 부재(411) 및 고정부(413)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 섬유 전극(407)은 탄성 부재(401) 상에 형성되고, 사용자의 심전도 신호를 측정할 수 있다. 예를 들어, 탄성 부재(401)는 탄성 밴드(Elastic band)로 구현될 수 있다.
즉, 본 발명에 따르면, 인체의 다양한 사이즈 및 형태에 적용이 가능한 심전도 측정 허리밴드 구현을 위해, 측정 범위의 가동성을 갖는 탄성 부재와 앞서 제작된 섬유 전극을 사용하여 허리밴드형 전극을 구성할 수 있다.
일 실시예에서, 섬유 전극(407)은 전도사(conductive yarn) 및 전도사 상에 코팅된 금속 혼합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 금속 혼합물은, 은 혼합물(silver compound)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 패브릭(403)은 탄성 부재(401)와 섬유 전극(407) 사이에 위치하고, 복원력을 가지는 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 패브릭(403)은 스페이서 메쉬 패브릭(spacer mesh fabric)으로 구성될 수 있다.
탄성 부재(401)와 섬유 전극(407) 사이에 복원력을 가지는 제1 패브릭(403)을 위치시켜 전극을 입체적으로 구성하였고 이를 통해 피부 밀착성(접촉성)을 향상시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제2 패브릭(405)은 탄성 부재(401)와 섬유 전극(407) 사이에 위치하고, 신축성(stretch)이 없는 소재로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 패브릭(405)은 직조 패브릭(woven fabric)로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 인터페이스부(409)는 섬유 전극(407)과 연결되고, 섬유 전극(407)에 의해 측정된 심전도 신호를 심박 측정 장치에게 전달할 수 있다.
예를 들어, 인터페이스부(409)는 섬유 전극(407)과 심박 측정 장치를 인터페이싱하기 위하여 니켈 스냅 버튼(snap button)으로 구성될 수 있다. 이때 스냅 버튼의 금속 부분이 피부에 직접 접촉하는 것을 방지하기 위하여 스냅 버튼의 포스트(post) 주변을 커버 부재(411)로 덮어 노출되지 않도록 할 수 있다. 예를 들어, 커버 부재(411)는 심테이프(seam tape)로 구성될 수 있다.
또한, 스냅 버튼을 통해 심박 측정 장치와 연결되는 허리밴드 부분의 변형을 방지하기 위하여 스트레치성이 없는 제2 패브릭(405)을 섬유 전극(407)과 탄성 부재(401) 사이에 위치시킬 수 있다.
일 실시예에서, 심박 측정 장치에 의해 심전도 신호는 보간(interpolation)되고, 상기 보간된 심전도 신호는 필터링되고, 상기 필터링된 심전도 신호의 QRS 파형을 이용하여 사용자의 심박 박동 간격이 산출되며, 심박 박동 간격을 이동평균(moving averaging)하여 분당 평균 박동수가 산출될 수 있다.
일 실시예에서, 인터페이스부(409)의 일단은 섬유 전극(407)과 연결되고, 인터페이스부(409)의 타단은 탄성 부재(401) 및 제2 패브릭(405)을 관통하여 심박 측정 장치와 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 커버 부재(411)는 인터페이스부(409) 상에 위치하여, 인터페이스부(409)를 커버링(covering)할 수 있다.
일 실시예에서, 고정부(413)는 사이즈 조절 후크(hook)로 구성될 수 있으며, 2 단계의 사이즈 조절이 가능하도록 탄성 밴드(401) 상에 배치될 수 있다.
예를 들어, 섬유 전극(407)은 심박 측정 장치와의 인터페이싱을 위해 의복 구성학(clothing construction) 상의 앞중심선(center front line)을 기준으로 하여 일정 거리 떨어진 지점에 대칭되게 배치될 수 있다. 인터페이싱부(409)는 중심선(center front line)을 기준으로 배치될 수 있다.
도 4d를 참고하면, 섬유 전극(407)은 제1 내지 제3 전극(421, 422, 423)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1 전극(421)은 제2 전극(422)의 측면에 위치하고, 제3 전극(423)은 제2 전극(422)의 하측에 위치할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 내지 제3 전극(421, 422, 423)은 수정 사지 유도(Modified limb leads) 방식에 의해 배치될 수 있다.
이 경우, 리드(lead) I은 제1 전극(421)과 제2 전극(422) 사이의 전위차이, 리드 II는 제1 전극(421)과 제3 전극(423) 사이의 전위차이, 리드 III는 제2 전극(422)과 제3 전극(423) 사이의 전위차이로 유도될 수 있다.
리드 II는 심장의 전기전도 방향과 가장 유사하며 가장 진폭이 큰 심전도를 측정할 수 있다. 리드 II는 수평방향과 수직방향의 벡터 합으로 표현될 수 있으며 이를 리드 I과 리드 III로 정의할 수 있다.
리드 II에 해당하는 벡터는 벡터 I’과 III’의 합으로도 표현될 수 있으며 이 경우 리드 I’을 통해 양쪽 하지 사이의 전위 차이를 측정할 수 있다. 이러한 유도법은 상체에 압박을 가하거나 추가적인 측정 센서 등을 부착하지 않아 활동에 제약이 적다는 장점을 가질 수 있다.
도 4a 내지 4d를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시 예들에서 심전도 측정 장치(400)는 도 4a 내지 4d에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 4a 내지 4d에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 측정 시스템(500)을 도시한 도면이다.
도 5를 참고하면, 심박 측정 시스템(500)은 심전도 측정 장치(510), 심박 측정 장치(520) 및 단말 장치(530)를 포함할 수 있다.
심전도 측정 장치(510)는 허리밴드형 심전도 섬유 전극으로부터 심전도 신호를 획득할 수 있다.
심박 측정 장치(520)는 심전도 측정 장치(510)로부터 심전도 신호를 전달 받고, 이를 단말 장치(530)에게 송신할 수 있다. 단말 장치(530)는 전달된 심전도 신호를 실시간 그래프 형식으로 디스플레이하고 파일로 저장할 수 있다.
또한, 심박 측정 장치(520)는 심전도 신호로부터 산출된 심박 박동수 정보를 단말 장치(530)에게 송신할 수 있다. 단말 장치(530)는 전달된 심박 박동수 정보를 디스플레이할 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시 예들에서 심박 측정 시스템(500)은 도 5에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 5에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 측정 방법을 도시한 도면이다. 일 실시예에서, 도 6의 각 단계는 심박 측정 장치(520)에 의해 수행될 수 있다.
도 6을 참고하면, S612 단계는, 심전도 신호를 보간(interpolation)하는 단계이다.
S614 단계는, 고역 통과 필터(high pass filter)를 이용하여 상기 보간된 심전도 신호를 1차 필터링하는 단계이다.
S616 단계는, 대역 통과 필터(band pass filter)를 이용하여 상기 1차 필터링된 심전도 신호를 2차 필터링하는 단계이다.
일 실시예에서, S612 내지 S616 단계는 전처리(pre-processing) 단계로 구성될 수 있다.
S622 단계는, 상기 2차 필터링된 심전도 신호의 QRS 파형을 검출하는 단계이다.
S624 단계는, QRS 파형의 이소성 박동(ectopic beat)을 보정(correction)하는 단계이다.
S626 단계는, 상기 보정된 QRS 파형으로부터 심박 박동 간격(RRI)을 산출하는 단계이다.
일 실시예에서, S622 내지 S626 단계는 심박 추정(heart rate estimation) 단계로 구성될 수 있다.
S632 단계는, 심박 박동 간격을 이동평균(moving averaging)하여 분당 평균 박동수를 산출하는 단계이다.
일 실시예에서, S632 단계는 후처리(post-processing) 단계로 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 보간 전후에 대한 파형 변화 그래프를 도시한 도면이다.
도 7을 참고하면, 심전도 신호의 전송 시 발생되는 패킷손실(packet loss)을 보간하기 위해 데이터가 획득되는 시점의 시간 데이터를 저장하고 보간하여 불균일한 데이터 전송 속도로 인한 파형 왜곡을 개선함을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 대역 통과 필터의 주파수 특성 그래프를 도시한 도면이다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 필터링 전후에 대한 심전도 신호 그래프를 도시한 도면이다.
도 8 및 9를 참고하면, 심전도 신호는 호흡이나 동잡음의 영향을 크게 받을 수 있으므로 전처리 단계에서 필터링이 요구될 수 있다.
이 경우, 저주파 및 고주파 잡음 제거를 위해 대역 통과 필터가 사용될 수 있다. 대역 통과 필터는 5-35Hz 통과 대역을 가지는 FIR(Finite Impulse Response) 필터를 포함할 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 QRS 그래프를 도시한 도면이다.
도 10을 참고하면, 심전도 신호의 QRS 파형은 Pan-Tompkins 알고리즘을 사용하여 검출될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
검출된 QRS 파형은 거짓 양성(false positive) 또는 거짓 음성(false negative)과 같은 오검출을 포함할 수 있으므로 수동 교정에 의해 오검출을 교정할 수 있다. 오검출의 교정은 극점 검출 GUI를 사용하여 수행될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 이소성 박동의 교정 전후에 대한 RRI 그래프를 도시한 도면이다.
도 11을 참고하면, 심박 박동 간격(RRI) 계산 및 특이박동(ectopic) 보상이 수행될 수 있다.
검출 및 교정된 QRS 파형으로부터 RRI를 계산할 수 있다. 예를 들어, RRI는 QRS 파형의 시간 위치간 차분을 통하여 계산할 수 있다.
이 때, QRS 파형의 소실 시 이소성박동(ectopic beat)이 발생되는 경우와 같이 RRI가 너무 커지거나(false negative), 너무 작아지는(false positive) 현상이 발생할 수 있으며 이는 심박수의 계산에 오류를 가져올 수 있으므로 소실된 RRI에 대한 보상이 수행될 수 있다.
예를 들어, RRI 보상을 위해서는 Morelli 등이 제안한 알고리즘을 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 이 알고리즘 에서는 이소성 박동 구간의 길이와 평균 박동간격에서부터 소실된 박동수를 추정하고 이를 기반으로 박동을 생성할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 평균 필터의 주파수 특성 그래프를 도시한 도면이다. 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동 평균 필터의 적용 전후에 대한 평균 심박수 그래프를 도시한 도면이다.
도 12 및 13을 참고하면, 심박수 추정을 위한 이동 평균 필터(moving averaging filter)가 사용될 수 있다.
예를 들어, 심박수 HR는 RRI의 역수를 취해서 계산될 수 있다. 다만 매 RRI 마다 위 수식을 사용하여 심박수를 계산하는 경우 검출시 QRS 위치의 미묘한 오차로 인해 HR 이 매우 급격한 변화를 가지는 것으로 보여질 수 있다. 예를 들어 QRS 위치가 검출 오류로 인해 50 ms 벗어나서 측정된다면 분당 72 회 심박수 기준으로 대략 5 bpm 정도의 오차가 발생할 수 있다.
따라서, 인접한 박동 n 개의 평균을 구해 평균 박동수를 제공하며, 예를 들어, 5 개의 박동 수 평균을 구해 평균 bpm을 산출하기 위해 5-point 이동 평균 필터가 사용될 수 있다. 사용된 이동 평균 필터의 계수는 [0.2, 0.2, 0.2, 0.2, 0.2]와 같이 나타낼 수 있다.
일 실시예에서, 심박수 추정의 성능 평가가 수행될 수 있다. 기존의 기준(reference) 심전도 측정 시스템에서 측정된 심전도의 분당 심박동 수와 본 발명에 따른 심박수 측정 성능을 비교할 수 있다.
본 발명에 따른 심박 측정 시스템(500)을 사용하여 측정한 심전도 신호와 기준(reference) 심전도 신호는 동시에 측정되었으며, 사용자가 침대에 바르게 누운 편안한 자세에서 6 분간 2 kHz 로 획득될 수 있다.
본 발명에 따른 심박 측정 시스템(500)을 통해 획득한 심전도 신호와 기준 심전도 신호로부터 계산된 심박수의 평균, 표준편차 및 RMSE(root mean square error)가 계산될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 심박 측정 시스템(500)으로부터 측정된 심박수와 기준 시스템에서 측정된 HR을 비교하여 심박수 추정 성능을 평가할 수 있다. 이 때, 평가 기준으로는 평균 및 표준편차, 두 측정 방법 간 RMSE를 비교하며, 실시간 심박 추정 시 경향성을 잘 따라갈 수 있는지 확인할 수 있다.
기준 심전도 측정 시스템에서 측정된 심전도 신호의 분당 심박동 수와 본 발명에 따른 심박 측정 시스템(500)의 심박수 측정 성능 평가가 수행될 수 있다.
하기 <표 2>를 참고하면, 본 발명에 따른 심박 측정 시스템(500)의 QRS 획득 결과 총 406개의 박동중 350개가 정상적으로 수신되는 것을 확인하였고 13.6%의 손실률을 가지는 것을 확인할 수 있다.
Parameter Value
Total beats 406
True positive 350
False positive 0
False negative 56
Loss(%) 13.6
하기 <표 3>은 본 발명에 따른 심박 측정 시스템(500)의 최종 성능을 나타내며, 이 결과로부터 본 발명에 따른 심박 측정 시스템(500)은 기준 시스템과 비교하여 약 2.7 bpm의 RMSE를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 단순 평균 bpm의 차이는 0.2 bpm에 불과하여 기준 시스템과 거의 유사한 심박수 추정이 가능할 수 있다.
Biopac Waist-band type wireless
ECG monitoring system
Mean ± SD
(bpm)
 67.2
Figure pat00014
2.9		 67.0
Figure pat00015
3.7
RMSE (bpm) 2.7
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박 측정 장치(520)의 기능적 구성을 도시한 도면이다.
도 14를 참고하면, 심박 측정 장치(520)는 획득부(1410), 제어부(1420) 및 저장부(1430)를 포함할 수 있다.
획득부(1410)는 심전도 측정 장치(510)로부터 사용자의 심전도 신호를 획득할 수 있다.
획득부(1410)는 심전도 측정용 상용 아날로그 프론트-엔드(Analog Front-End, AFE) 모듈을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 획득부(1410)는 심전도를 증폭하고 ADC(analog-to-digital converter)하는 1 채널 AFE이며, 16-bit 의 ADC 해상도를 가질 수 있다.
제어부(1420)는 사용자의 심전도 신호에 기반하여 심박수 데이터를 산출할 수 있다.
일 실시예에서, 제어부(1420)는 적어도 하나의 프로세서 또는 마이크로(micro) 프로세서를 포함하거나, 또는, 프로세서의 일부일 수 있다. 또한, 제어부(1420)는 CP(communication processor)라 지칭될 수 있다. 제어부(1420)는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 심박 측정 장치(520)의 동작을 제어할 수 있다.
통신부(1430)는 제어부(1420)로부터 전달받은 심전도 데이터 및 심박수 데이터를 단말 장치(530)로 전송할 수 있다.
일 실시예에서, 통신부(1410)는 유선 통신 모듈 및 무선 통신 모듈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 통신부(1410)는 블루투스(bluetooth) 통신 모듈을 포함할 수 있다. 통신부(1410)의 전부 또는 일부는 '송신부', '수신부' 또는 '송수신부(transceiver)'로 지칭될 수 있다.
도 14를 참고하면, 본 발명의 다양한 실시 예들에서 심박 측정 장치(520)는 도 14에 설명된 구성들이 필수적인 것은 아니어서, 도 14에 설명된 구성들보다 많은 구성들을 가지거나, 또는 그보다 적은 구성들을 가지는 것으로 구현될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 통상의 기술자라면 본 발명의 본질적인 특성이 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능할 것이다.
본 명세서에 개시된 다양한 실시예들은 순서에 관계없이 수행될 수 있으며, 동시에 또는 별도로 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 본 명세서에서 설명되는 각 도면에서 적어도 하나의 단계가 생략되거나 추가될 수 있고, 역순으로 수행될 수도 있으며, 동시에 수행될 수도 있다.
본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예들에 의하여 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
110: 니팅 단계
120: 스크린 프린팅 단계
130: 경화 단계
400: 심전도 측정 장치
401: 탄성 부재
403: 제1 패브릭
405: 제2 패브릭
407: 섬유 전극
409: 인터페이스부
411: 커버 부재
413: 고정부
421: 제1 전극
422: 제2 전극
423: 제3 전극
500: 심박 측정 시스템
510: 심전도 측정 장치
520: 심박 측정 장치
530: 단말 장치
1410: 획득부
1420: 제어부
1430: 저장부

Claims (7)

  1. 탄성 부재; 및
    상기 탄성 부재 상에 형성되고, 사용자의 심전도 신호를 측정하는 섬유 전극;
    을 포함하고,
    상기 섬유 전극은, 전도사(conductive yarn) 및 상기 전도사 상에 코팅된 금속 혼합물을 포함하는,
    허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 전극은, 제1 내지 제3 전극을 포함하고,
    상기 제1 전극은, 상기 제2 전극의 측면에 위치하고,
    상기 제3 전극은, 상기 제2 전극의 하측에 위치하는,
    허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 탄성 부재와 상기 섬유 전극 사이에 위치하고, 복원력을 가지는 제1 패브릭;
    을 더 포함하는,
    허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 섬유 전극과 연결되고, 상기 섬유 전극에 의해 측정된 심전도 신호를 심박 측정 장치에게 전달하는 인터페이스부;
    를 더 포함하는,
    허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 인터페이스부 상에 위치하여, 상기 인터페이스부를 커버링(covering)하는 커버 부재;
    를 더 포함하는,
    허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 탄성 부재와 상기 섬유 전극 사이에 위치하고, 신축성(stretch)이 없는 제2 패브릭;
    을 더 포함하고,
    상기 인터페이스부의 일단은, 상기 섬유 전극과 연결되고,
    상기 인터페이스부의 타단은, 상기 탄성 부재 및 상기 제2 패브릭을 관통하여 상기 심박 측정 장치와 연결되는,
    허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 심전도 신호는 심박 측정 장치에게 전달되고,
    상기 심박 측정 장치에 의해, 상기 심전도 신호는 보간(interpolation)되고, 상기 보간된 심전도 신호는 필터링되고, 상기 필터링된 심전도 신호의 QRS 파형을 이용하여 상기 사용자의 심박 박동 간격이 산출되며, 상기 심박 박동 간격을 이동평균(moving averaging)하여 분당 평균 박동수가 산출되는,
    허리밴드형 웨어러블 심전도 측정 장치.
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