KR20220134714A

KR20220134714A - 실시간 생체신호기반 수면 자세 개선 시스템

Info

Publication number: KR20220134714A
Application number: KR1020210039306A
Authority: KR
Inventors: 최상동; 오현주
Original assignee: ㈜엠에스엘
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-10-05

Abstract

본 발명은 호흡, 산소포화도 및 맥박신호를 기반으로 하여 수면 중에 발생할 수 있는 수면무호흡증, 코골이 등 수면방해증상을 감지할 수 있는 실시간 호흡수 및 산소포화도 측정기반 수면 무호흡증 교정시스템에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 호흡을 직접 측정할 수 있는 호흡기관(예. 코, 입)과 산소포화도 측정이 가능한 혈관(예. 모세혈관, 동맥)에 위치하여 하드웨어, 펌웨어 상 신호가공 및 복합 신호분석을 통해 수면의 질을 실시간으로 판단함으로써 수면 중 발생하는 수면방해증상(예. 코골이, 수면무호흡증) 발생 시 즉각 수면자세를 교정할 수 있는 수면자세 교정장치에 관한 것이다.

Description

실시간 생체신호기반 수면 자세 개선 시스템 {Sleeping posture improvement system based on real time biosignal}

본 발명은 콧구멍 내외로 걸치게 착용하여 간편하게 착용자의 호흡률, 코골이음, 산소포화도 및 맥박을 측정할 수 있는 장치로 고리 형태의 기구 양쪽에 호흡률 측정을 위한 어쿠스틱 센서와 혈류 측정이 가능한 PPG(Photoplethysmogram) 센서를 배치하여 실시간으로 사용자의 생체신호를 측정함과 동시에 수면 중 이상징후(수면 무호흡증, 심근경색 등) 발생 시 알람을 제공하고 피드백을 통해 수면 자세를 교정하는 등 응급상황에 대처할 수 있는 생체신호 측정 및 수면 자세 교정 시스템에 관한 것이다.

사람은 일생의 4분의 1 이상의 시간을 잠을 자면서 생활하며, 수면은 신체에 누적된 피로를 회복시키고 생체 리듬을 유지해 주기 때문에, 충분한 시간 동안 정상적인 수면을 취하는 것이 건강관리에 매우 중요한 요인이다. 일반적으로 일일 권장 수면시간은 6~8시간으로 수면시간이 부족할 경우 집중력 및 신체 능력이 저하되는 경우가 많으며, 이보다 수면시간이 많은 경우에도 건강에 해로울 수 있다는 연구 결과가 발표되기도 하였다.

이렇듯 수면은 인체의 건강과 매우 밀접한 관계가 있으며, 수면시간이 충분하더라도 수면자세, 수면방해 등으로 인해 비정상적인 수면이 지속될 경우 호흡곤란, 부정맥, 심근경색 등으로 이어질 우려가 있다. 수면방해 증상으로는 코골이, 수면 무호흡증이 대표적이며, 이러한 질병의 원인으로는 대부분은 비강에서 시작되어 인후두까지 이어지는 상기도의 공간이 좁아지는 해부학적 특징을 가지고 있으며, 질병의 진행단계는 단순 코골이에서 경증 수면무호흡(시간당 수면호흡장애가 5~15회 정도 있는 경우), 중등도 수면무호흡(시간당 수면호흡장애가 15~30회), 중증 수면무호흡(시간당 수면호흡장애가 30회를 초과) 순으로 진행되며 이러한 수면방해증상은 수면 중 혈액의 산소 포화도를 감소시켜, 심혈관 질환으로 이어지는 경우가 많다. 특히 수면무호흡증으로 인한 부정맥 환자의 경우 전극도자절제술, 약물치료 등 부정맥시술을 거친다고 하더라도 재발 가능성이 매우 높아서 수면 중 양압기 치료가 반드시 필요할 정도로 심각한 연관관계가 있다.

수면 무호흡증은 수면 중 자세와 기도의 형태를 바꿔주는 것으로 쉽게 교정이 가능하고 이 증상을 생체신호로 감지하여 수면 중 머리의 높이나 방향 등을 보정해 주는 것으로 증상의 완화가 가능하다.

따라서 본 발명에서는 콧구멍 내외에 걸쳐지게 착용하는 고리형태의 구조물에 안쪽으로는 호흡수를 측정하기 위한 어쿠스틱 센서를, 바깥으로는 혈중 산소포화도 측정이 가능한 PPG 센서를 위치함으로써 수면 중 실시간으로 호흡상태와 산소공급상태를 파악, 이를 바탕으로 블루투스, WiFi 등 무선통신 모듈에 의해 연결된 베개의 높낮이, 좌우 교정을 통해 수면 무호흡증이 발생했을 때 즉각적으로 정상 수면상태로 교정할 수 있는 시스템을 포함한다.

1. 특허등록번호 제10-0711701호(2007년04월19일) 2. 특허공개번호 제10-2020-0139049(2020년12월11일)

본 발명의 목적은 상기의 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 사용자의 수면 중 호흡에서 발생하는 호흡음을 어쿠스틱 센서를 이용해 측정함과 동시에 코의 혈관(모세혈관, 동맥)에서 혈중 산소포화도를 측정하여 수면 중 사용자의 호흡상태(과한 코골이, 수면 무호흡증)를 감지하고 이를 무선통신 모듈로 연결되어 있는 베개와 통신하여 수면상태에 따른 자세교정을 실시간으로 실시하여 무호흡 증상을 즉각적으로 완화할 수 있는 수면 중 호흡, 산소포화도 측정시스템을 제공하는데 있다.

호흡수 및 산소포화도 기반 수면무호흡증 교정시스템은 수면 중 착용을 위해 기본적으로 사용자에게 편의성을 제공하는 것을 기본으로 하여 호흡수, 코골이음, 산소포화도 및 맥박을 동시에 측정할 수 있는 형태로 콧구멍 내외로 착용할 수 있는 장치기구로 제작되며 기구 내에 각 생체신호 측정이 가능하도록 어쿠스틱 센서(110)와 PPG 센서(120)로 구성된 측정부(100), 측정된 생체신호를 각기 처리하여 디지털 신호로 변환할 수 있는 신호 제어부(300)와 처리된 디지털 신호를 모니터링 장치(예. PC, 스마트폰, 태블릿 등) 혹은 무선통신 수단으로 연결된 베개로 송신이 가능한 통신부(500)로 구성되며, 수면 무호흡증 증상이 발생할 경우 수면자세의 보정이 가능하며 장치기구의 통신부와 무선통신이 가능한 베개형태의 수면자세 교정장치(400)로 구성된다.

본 발명의 호흡수 및 산소포화도 기반 수면무호흡증 보정 시스템은 수면 중 인체의 호흡상태 확인이 가능한 어쿠스틱 센서와 코의 모세혈관에 지나는 혈액을 빛의 파장분석을 통해 혈액 내 산소포화도 및 맥박을 측정할 수 있는 PPG 센서로 구성되어, 이를 통해 수면 중 원활한 호흡 및 혈액 공급상태를 파악하고 측정된 생체신호를 분석하여 코골이 및 수면무호흡증 증상이 발생할 경우를 감지하여 연동된 베개형태의 수면자세 보정장치의 각 축에 설치된 모터, 공기주머니 등 기계적으로 x, y, z축 보정을 통해 사용자의 수면질을 향상시키고, 무호흡증으로 인한 호흡곤란, 부정맥 등 치명적인 합병증을 예방하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전체 조감도
도 2는 본 발명에 따른 실시간 호흡수 및 산소포화도 측정기반 수면 무호흡증 교정시스템 분해도.
도 3은 본 발명에 따른 주베개와 교정장치
도 4는 본 발명에 따른 교정장치 설명을 위한 단면도
도 5는 본 발명의 신호처리 블록도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

호흡수 및 산소포화도 기반 수면무호흡증 보정 시스템은 수면 중 발생하는 생체신호(호흡수, 코골이 음, 산소포화도, 맥박)를 측정하기 위한 어쿠스틱(음향) 센서(110)와 PPG 센서(120)로 구성된 생체신호 측정부(100)와 각 센서의 원활한 고정과 사용자의 수면 중 착용의 편리성을 확보할 수 있는 고정기구(200), 장치에 내장되어 각 센서로부터 수신된 신호에 대한 증폭 등을 제어 및 처리하며 디지털 신호로 변환이 가능한 제어부(300), 디지털 신호로 변환된 센서의 측정신호를 수면자세 교정장치(400) 및 외부 단말기(스마트폰, 태블릿, PC 등)로 무선통신이 가능한 통신부(500)로 구성되어 있으며 상기 본체 제어부는 측정된 호흡음을 기준으로 외부잡음을 제거하기 위한 필터를 포함하고 상기 어쿠스틱 센서(110)는 정확한 측정을 위해 콧구멍 내부에 하나 이상을 위치시켜 수면 중 발생하는 호흡에 높은 정확성을 가질 수 있으며, 상기 수면무호흡증 보정 시스템은 사용자의 편의를 고려하여 호흡과 산소포화도의 동시 측정이 가능한 코로 한정하여 제안하고 있으나, 코뿐만 아니라 인체에 혈액이 지나는 혈관(모세혈관, 동맥)을 포함한 모든 측정부위(예 : 가슴 심장부, 경동맥, 대퇴부동맥, 슬와동맥, 후경골동맥, 척골동맥, 비골동맥 등)에 산소포화도 측정을 위한 PPG 센서를 고정하여 사용할 수 있고, 호흡수 또한 비염, 코막힘 등 환자의 상태를 고려하여 입술에 고정하여 사용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 생체신호(호흡, 산소포화도, 맥박) 측정부의 형상을 분해하여 나타낸 것으로 사용자의 코 부위의 모세혈관 및 호흡을 통해 신호를 측정하기 때문에 코에 착용할 수 있는 탄성을 갖는 고리 형태로 제작된 고정기구(200)를 포함하며, 생체신호 측정부(100)에서는 수면 간에 원활한 신호측정을 위해 고리 양단에 각 센서가 위치하며, 각 센서(110, 120)로부터 측정된 측정신호의 조합 및 분석을 통해 수면상태 파악이 가능하며 상기 PPG센서(120)로부터 측정된 신호를 비교분석하면 이상맥박신호(빈맥/서맥/부정맥)를 검출할 수도 있다.

또한, 측정된 신호는 별도의 저장장치(내부 메모리, 외부 단말기의 저장공간)에 측정신호의 저장이 가능하며, 이를 통해 일간, 주간, 월간 등 신호의 변화를 분석하여 무호흡증 발생시각 및 빈도, 수면교정 후 수면의 상태변화 등 다양한 수면상태 정보를 다각화하여 비교함으로써 수면에 대한 다양한 분석이 가능하다.

음향센서(110)가 포함된 센서부는 기구 내부에 자리하고 있어 착용에 불편함을 주지 않으며, 센서부와 착용 부위를 밀착시킬 수 있는 탄성재료를 이용하여 구조적으로 설계되어 기구적인 설계에서 고정부의 움직임으로 인한 측정신호의 부정확성은 최대한 제거될 수 있는 형태이며, 센서 고정부는 센서가 위치하도록 양쪽 고리부분에 별도의 공간이 설계되어 있어 정확한 호흡상태 측정에 용이한 떨림판 설계가 가능해 수신된 신호의 손실을 최소화할 수 있도록 하는 것이 특징이다.

또한, 본 장치는 본체 내부에 무선통신을 위한 회로가 구성되어 있어 외부 장치(스마트폰, 태블릿, PC 등)와 자체적으로 통신할 수 있으며, 특히 Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, Z-wave 등 개인 및 유비쿼터스 무선통신방법을 포함하여 모두 사용 가능할 뿐만 아니라 이러한 기능을 바탕으로 자체 모니터(디스플레이)와 센서연결용 전선없는 무선으로 착용성을 극대화하여 외부 장치만을 활용하여 측정된 신호를 나타내는 것이 가능하다.

본 장치의 내부 전원은 고정식 및 충전식 배터리(건전지)를 모두 사용할 수 있으며 사용되는 건전지(배터리)는 알칼라인 전지, 망간 전지, 탄소아연 전지, 나트륨유황 전지, 납 축전지, 니켈 카드뮴 전지, 니켈수소 전지, 리튬이온 전지, 리튬폴리머 전지 등 건전지로 사용할 수 있는 모든 건전지를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 측정장치는 무선통신을 통하여 전용서버에 연결될 수 있으며 저장된 정보를 바탕으로 측정된 생체신호를 바탕으로 사용자의 코골이, 무호흡증 등 수면상태를 전문의료인이 원격으로 관찰할 수 있게 함으로서 축적된 데이터의 분석을 통하여 질병의 진단과 수면상태 관찰을 통해 다양한 수면 중 질병의 전후 증상을 관찰할 수 있다.

또한 본 측정장치는 전원을 충전할 수 있는 충전단자(예 C type USB)를 갖추어 방전 시 충전하여 사용할 수 있도록 구성되어 있으며 서버에 저장된 수면정보 및 생체신호는 축적되어 개인생체신호기록 관리가 가능하며 개개인의 다른 여러가지 질병의 상태를 나타내는 생체신호(혈압, 심전도, 체온 등) 센서를 결합시킴으로서다른 여러가지의 생체신호와 복합적으로 분석함으로서 수면 중에 발생할 수 있는 다양한 질병과 함께 일반적인 질병과의 연관성을 관찰하고 이에 따른 수면증상을 확인할 수 있어 질병관련 빅데이터로서 사용이 가능하며 상기 생체신호 측정부(100)로부터 측정된 수면 중 생체신호 및 수면상태에 대한 데이터와 교정장치(400)의 교정데이터는 외부 단말기(스마트워치, 스마트폰, 태블릿, PC 등)로 전송하여 저장 및 분석할 수도 있다.

또한, 서버에 전송되어 저장된 수면 중 생체신호 및 수면상태에 대한 데이터와 교정장치의 교정데이터는 무선통신망을 통하여 외부 의료기관 및 전문의료인과 사용자, 보호자 등이 관찰할 수 있도록 데이터를 필요로 하는 곳에 전송할 수 있는 인터페이스부를 포함할 수 있으며 상기 실시간 호흡수 및 산소포화도 측정기반 수면 무호흡증 교정시스템의 수면자세 교정장치(400)는 1개 이상의 높이 조절장치(n축 모터, 컴프레셔를 이용한 커프 블래더 등)를 사용하고 라텍스 등을 내부에 포함시킴으로서 센서로부터 신호와 연동시 자연스럽게 움직일 수 있게 함으로서 수면자세를 수면중에 자연스럽게 교정할 수 있는 특징을 가지고 있다.

상기의 교정장치(400)와 주베개는 수면의 편의성을 위하여 최외각에 매우 부드러운 천을 포함하여 다양한 섬유를 사용할 수 있으며 높이조절용 모터(405)와 달리 생체 신호에 따라 공기를 이용하여 공기압을 조절함으로서 높이를 조절할 수도 있다.

10 : 측정시스템
100 : 생체신호 측정부(호흡, 산소포화도, 맥박)
110 : 어쿠스틱 센서(호흡)
120 : 혈류측정 센서(PPG, 산소포화도 및 맥박)
200 : 측정부 고정장치
300 : 신호 제어부
400 : 수면자세 교정장치
401 : 천(섬유), 402 : 라텍스, 403 : 금속판, 404 : 신호수신부 및 장치제어부
405 : 높이조절용 모터. 406 : 배터리(건전지)
500 : 무선통신부
700 : 주베개

Claims

생체신호를 측정하는 장치에 있어서,
호흡에 따른 호흡수 및 호흡상태를 측정할 수 있는 어쿠스틱 센서(110);와
혈관의 산소포화도 및 맥박을 측정할 수 있는 PPG 센서(120);
상기 센서들(110,120)로 구성된 생체신호 측정부(100)를 측정부위에 정확하게 위치시키는 센서 고정부(200);와
수신된 신호를 증폭할 수 있는 신호 제어부(300);와 측정신호를 수면자세 교정장치(400)로 송신할 수 있는 무선통신부(500);로 구성되는 것을 특징으로 하는 실시간 생체신호 기반 수면자세 교정시스템.
제1항에 있어서,
사용자의 호흡을 감지할 수 있는 기관에 어쿠스틱 센서(110)를 위치시키고 인체의 혈관이 지나는 부위에 PPG 센서(120)를 고정하여 생체신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 실시간 생체신호 기반 수면자세 교정시스템.
제1항에 있어서,
상기 수면자세 교정장치(400)는 1개 이상의 높이 조절장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 실시간 생체신호 기반 수면자세 교정시스템.
제1항에 있어서,
상기 생체신호 측정부(100)로부터 측정된 수면 중 생체신호 및 수면상태에 대한 데이터와 교정장치(400)의 교정데이터는 외부 단말기로 전송하여 저장 및 분석할 수 있는 것을 특징으로 하는 실시간 생체신호 기반 수면자세 교정시스템.
제1항에 있어서,
상기 PPG센서(120)로부터 측정된 신호는 이상맥박신호 검출이 가능한 것을 특징으로 하는 실시간 생체신호 기반 수면자세 교정시스템.
제1항에 있어서,
상기 어쿠스틱 센서(110)는 1개 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 실시간 생체신호 기반 수면자세 교정시스템.
제1항에 있어서,
생체신호 측정부(100)는 혈압, 심전도, 체온을 포함한 생체신호 측정용 센서를 추가하여 다양한 질병과의 연관성을 분석 및 진단할 수 있는 것을 특징으로 하는 실시간 생체신호 기반 수면자세 교정시스템.