KR20230101627A - 일주기 리듬 측정 장치 및 시스템 - Google Patents

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KR20230101627A KR1020220003386A KR20220003386A KR20230101627A KR 20230101627 A KR20230101627 A KR 20230101627A KR 1020220003386 A KR1020220003386 A KR 1020220003386A KR 20220003386 A KR20220003386 A KR 20220003386A KR 20230101627 A KR20230101627 A KR 20230101627A
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Abstract

일주기 리듬을 측정하는 장치는, 사용자의 귓속 고막으로부터 방출되는 적외선을 전달하기 위해 구비된 광섬유부; 상기 광섬유부를 통해 전달된 적외선에 기초하여 소정 시간 동안 심부 체온을 측정하는 센서부; 및 상기 소정 시간 동안 측정된 심부 체온 및 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터에 대해 상기 소정 시간 단위로 평균화하고, 산출된 소정의 수학식에 기초하여 보정된 심부 체온을 산출하는 프로세서를 포함하되, 상기 산출된 소정의 수학식은 상기 측정된 심부 체온을 소정 범위로 한정한 후 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터. 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터 및 상기 사용자의 실제 심부 체온에 대한 데이터를 3차원 근사(fitting)하여 산출된 것이다.

Description

일주기 리듬 측정 장치 및 시스템{APPARATUS AND SYSTEM FOR MEASURING CIRCADIAN RHYTHM}
본 발명은 일주기 리듬 측정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
인간은 하루의 주기를 가지고 살아가고 있으며, 다양한 생체 지표들이 하루를 주기로 진동하는 생물학적 현상을 일주기 리듬이라 하는데, 이 일주기 리듬은 빛에 의해 가장 큰 영향을 받게 된다.
태양을 기준으로 아침에 해가 뜨며 점점 밝아지기 시작하다가 저녁에 해가 지면서 점점 어두워지는, 태양의 하루 변화에 따라 오랜 시간 동안 다양한 생물들이 함께 변화하며 적응해 왔고, 인간도 마찬가지로 이러한 태양의 일주기에 영향을 받아 아침에 해가 뜨면 일어나서 하루를 시작하고 저녁에 해가 지면 휴식을 취하고 잠을 자는 하루의 주기를 가지고 살아가게 되었다.
이러한 일주기 리듬의 교란에 의해 나타나는 질병은 계절성 정서장애, 수면장애, 우울증, 시차에 의한 피로 및 교대 근무에 연관된 건강 질환 등이 있으며 이러한 질병의 치료를 위해서는 일주기 리듬을 측정하는 기기가 필요하다.
가장 보편적으로 알려져 있는 사람의 일주기 리듬을 나타내는 생체 지표들로는 동맥압(arterial blood pressure), 심박수(Heartrate), 심부 체온(core body temperature), 수면 리듬(sleep-wake rhythm), 코르티졸(cortisol)과 멜라토닌(melatonin) 등의 호르몬이 있다. 이 중 심부 체온은 일주기 리듬을 정현파의 형태로 나타내는 신뢰할 수 있는 대표적 생체 지표로 알려져 있다.
이러한 심부 체온을 측정하는 방법은 침습적(invasive) 방법과 비침습적(non-invasive) 방법으로 분류할 수 있다. 직장 등에서 침습적인 방법으로 측정되는 심부 체온은 높은 정확도를 지닌 장점이 있으나, 일상 생활이나 웰니스 관점에서 일반적인 사용자들에게 적용되기 어려운 방법이다. 반면, 비침습적 방법은 상대적으로 정확도가 낮으나 일상 생활에서 측정이 가능하기 때문에, 웨어러블 기기 등을 이용하여 사용자의 웰니스 증진에 측정된 심부 체온을 활용할 수 있는 장점이 있다.
그러나, 심부 체온을 측정하는 경우 주변(외부환경)의 온도 변화 등으로 온도센서부도 영향을 받기 때문에 온도센서부에서 산출하는 심부 체온의 정확도가 현저히 떨어지게 된다. 이에 본 발명에서는 이러한 기존의 심부 체온 장치의 문제점을 개선하고자 한다.
한국공개특허공보 제10-2020-0123669
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제는 일주기 리듬을 측정하는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 일주기 리듬을 측정하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 일주기 리듬 측정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 일주기 리듬을 측정하는 장치는, 사용자의 귓속 고막으로부터 방출되는 적외선을 전달하기 위해 구비된 광섬유부; 상기 광섬유부를 통해 전달된 적외선에 기초하여 소정 시간 동안 심부 체온을 측정하는 센서부; 및 상기 소정 시간 동안 측정된 심부 체온 및 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터를 상기 센서부로부터 수신하고, 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터에 대해 상기 소정 시간 단위로 평균화하고, 산출된 소정의 수학식에 기초하여 보정된 심부 체온을 산출하는 프로세서를 포함하는, 상기 산출된 소정의 수학식은 상기 측정된 심부 체온을 소정 범위로 한정한 후 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터, 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터 및 상기 사용자의 실제 심부 체온에 대한 데이터를 3차원 근사(fitting)하여 산출된 것일 수 있다.
상기 산출된 소정의 보정식은 다음 수학식 1에 해당하며,
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서, Calibrated temperature는 보정된 심부 체온이고, TOBJECT는 상기 센서부에서 측정된 심부 체온이며, TAMBIENT는 상기 센서부 자체의 온도이다.
여기서, 상기 한정된 사용자의 심부 체온의 소정 범위는 섭씨 36도 내지 40도 사이일 수 있다.
상기 프로세서는 하루 이상 관찰된 상기 보정된 심부 체온에 기초하여 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 하루 이상된 상기 보정된 심부 체온 중에서 최저 심부 체온의 시점을 기준으로 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정할 수 있다.
일주기 리듬 측정 장치는 상기 산출된 보정된 심부 체온에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 전송하는 통신부를 더 포함할 수 있다. 상기 통신부는 상기 측정된 일주기 리듬에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 더 전송할 수 있다.
일주기 리듬 측정 장치는 상기 사용자의 귀에 착용가능하게 구비된 걸이부를 포함하는 본체부를 더 포함할 수 있다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 일주기 리듬을 측정하는 방법은 광섬유부가 사용자의 귓속 고막으로부터 방출되는 적외선을 센서부로 전달하는 단계; 상기 센서부가 상기 전달된 적외선에 기초하여 소정 시간 동안 심부 체온을 측정하는 단계; 프로세서가 상기 소정 시간 동안 측정된 심부 체온 및 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터를 상기 센서부로부터 수신하는 단계; 상기 프로세서가 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터에 대해 상기 소정 시간 단위로 평균화하는 단계; 및 상기 프로세서가 산출된 소정의 수학식에 기초하여 보정된 심부 체온을 산출하는 단계를 포함하되, 상기 산출된 소정의 수학식은 상기 측정된 심부 체온을 소정 범위로 한정한 후 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터, 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터 및 상기 사용자의 실제 심부 체온에 대한 데이터를 3차원 근사(fitting)하여 산출된 것이다.
상기 산출된 소정의 보정식은 다음 수학식 1에 해당하며,
[수학식 1]
Figure pat00002
여기서, Calibrated temperature는 보정된 심부 체온이고, TOBJECT는 상기 센서부에서 측정된 심부 체온이며, TAMBIENT는 상기 센서부 자체의 온도이다.
상기 일주기 리듬 측정 방법은 프로세서가 하루 이상 관찰된 상기 보정된 심부 체온에 기초하여 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일주기 리듬 측정 단계는 상기 프로세서가 상기 하루 이상된 상기 보정된 심부 체온 중에서 최저 심부 체온의 시점을 기준으로 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 일주기 리듬 측정 방법은 통신부가 상기 산출된 보정된 심부 체온에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 일주기 리듬 측정 방법은 통신부가 상기 측정된 일주기 리듬에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 신호 평균화를 통해 높은 신호 대 잡음비를 가진 데이터의 획득, 교정된 수식을 통한 온도환산으로 신뢰도 높은 데이터의 획득이 가능하게 한다. 본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 목표 물체의 온도를 실제 온도와 거의 동일하게 산출함으로써 일주기 리듬을 측정하는데 정확도를 상당히 향상시킬 수 있다.
사용자 단말기는 통신부(미도시)를 통해 일주기 리듬 측정 장치(100)로부터 보정된 심부 체온, 일주기 리듬에 대한 정보를 수신하여, 어플리케이션의 동작에 따라 섭씨 온도 및 일주기 리듬과 그 변화 추이를 사용자 인터페이스를 통해 디스플레이한다. 사용자는 사용자 단말기의 디스플레이를 통해 사용자의 심부 체온 및 일주기 리듬과 그 변화 추이를 실시간으로 확인할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 사용자의 심부 체온 및 일주기 리듬을 일상 생활에서 실시간으로 확인 및 분석할 수 있고, 이를 통해 일주기 리듬의 교란에 의해 나타나는 질병 예를 들어, 계절성 정서장애, 수면장애, 우울증, 시차에 의한 피로 및 교대 근무에 연관된 건강 질환 등을 진단 및 예방하고 건강을 증진시킬 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일주기 리듬 측정 장치의 구성요소를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 파장대별 광 전달률을 도시한 그래프이다.
도 3은 고막으로부터 적외선을 수신할 수 있도록 개발된 본 발명에 따른 귀에 착용가능하게 구비되는 일주기 리듬 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 센서부(130)에서 측정된 심부 체온의 원시 데이터에 대한 신호 평균화를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 프로세서(140)가 측정된 심부 체온에 대해 보정 혹은 교정에 대해 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면이다.
도 6은 24시간 동안의 보정된 심부 체온의 원시 데이터, 보정된 심부 체온에 대해 신호 평균화를 통해 얻어낸 데이터를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)가 일주기 리듬 측정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 제공하기 위해서 구체적 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 안다.
몇몇 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
이하 본 발명에 따른 사용자의 일주기 리듬을 측정하기 장치 및 그 방법에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 일주기 리듬 측정 장치의 구성요소를 설명하기 위한 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광섬유의 파장대별 광 전달률을 도시한 그래프이며, 도 3은 고막으로부터 적외선을 수신할 수 있도록 개발된 본 발명에 따른 귀에 착용가능하게 구비되는 일주기 리듬 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 본체부(110), 광섬유부(120), 센서부(130), 프로세서(140) 및 통신부(150)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본체부(110)는 일주기 리듬 측정 장치(100)가 사용자가 착용할 수 있도록 구비된 바디를 일컫는다. 일 예로서, 일주기 리듬 측정 장치(100)가 사용자의 귀에 착용하도록 설계된다면 본체부(110)는 사용자의 귀에 착용가능하도록 구비된 걸이부를 포함할 수 있다.
걸이부(110)는 사용자의 귀에 일주기 리듬 측정 장치(100)를 고정시키기 위한 구성으로 센서부(130)와 연결된다. 이에 따라, 센서부(130)는 광섬유부(120) 및 걸이부(110) 사이에 구비된다. 물론, 센서부(130)가 하우징에 수용된 경우 걸이부(110)는 하우징과 연결된다.
상술한 바와 같이, 사용자는 일주기 리듬 측정 장치(100)를 일상 생활에서 일정 시간 동안 또는 상시 착용해야 하기 때문에, 일주기 리듬 측정 장치(100)가 일상 생활 도중 탈착될 염려가 없어야 한다. 이를 위해, 걸이부(110)는 귓바퀴 상단에 걸리는 형태로 형성되어 일주기 리듬 측정 장치(100)를 사용자의 귀에 고정시킬 수 있다. 물론, 걸이부(110)는 이와 같은 형태로 한정되는 것은 아니며, 일주기 리듬 측정 장치(100)를 사용자의 귀에 고정시킬 수 있는 형태라면 어떠한 형태라도 무방하다.
걸이부(110)의 형태는 귓바퀴 형태에 따라 조절 가능하도록 구부러지는 재질로 형성될 수 있다. 즉, 사용자가 걸이부(140)의 형태를 귓바퀴의 형태에 맞게 구부려 일주기 리듬 측정 장치(100)를 착용할 수 있다.
광섬유부(120)는 사용자의 외이도 내부에 위치한 고막에서 방출되는 원적외선(far infrared)을 전달한다. 그리고, 센서부(130)는 광섬유부(120)와 연결되며 광섬유부(120)가 외이도에 삽입되면 외이도 외부에 위치하게 된다. 이와 같은, 센서부(130)는 외이도에 삽입된 광섬유부(120)를 통해 고막에서 방출되는 (원)적외선을 전달받아 이를 기초로 고막의 온도를 측정한다.
일반적으로, 사람의 고막으로부터 방출되는 (원)적외선은 8~15㎛의 파장대를 갖는다. 도 2를 참조하면, CIR-Fiber(Chalcogenide IR-fiber)와 PIR-Fiber(Polycrystalline IR-fiber) 중 PIR-Fiber가 8~15㎛의 파장대에서 광 전달율이 상대적으로 높은 것을 확인할 수 있다. 따라서, 고막으로부터 방출되는 원적외선(far infrared)을 효과적으로 전달하기 위해, 본 발명의 광섬유부(120)로서 PIR-fiber를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, PIR-Fiber는 구부러지는 성질을 갖고 있고 인체에 무해하기 때문에 외이도의 형태로 변형이 용이하며 귀속형 심부 체온ㅇ을 측정하기에 적합한 소재이다.
광섬유부(120)는 열성형을 통해 사용자의 외이도에 적합하게끔 형태가 변형되고, 그 일단에 센서부(130)가 연결된다. 그리고, 광섬유(110)는 그 타단이 외이도에 삽입되어 외이도 내부에 위치한 고막에서 방출되는 원적외선을 온도 센서(120)로 전달한다. 그러면, 센서부(130)는 전달 받은 원적외선을 기초로 고막의 온도를 측정한다. 이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 센서부(130)는 외이도에 직접적으로 삽입되지 않더라도 고막의 온도를 측정할 수 있는 환경을 구축할 수 있게 된다.
광섬유부(120)는 외이도 보다 작은 길이를 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이 광섬유부(120)가 외이도 보다 작은 길이를 갖도록 형성되기 때문에 광섬유부(120)를 외이도에 삽입하는 경우 그 타단이 고막에 닿아 고막을 손상시키는 것을 방지할 수 있다. 다만, 광섬유부(120)의 길이가 지나치게 짧을 경우 광섬유부(120)의 타단이 고막에서 멀리 떨어지게 되어 고막에서 방출되는 원적외선을 효과적으로 전달할 수 없기 때문에 적절한 길이를 갖는 것이 바람직하다.
또한, 광섬유(120)는 외이도 보다 작은 직경을 갖는 것이 바람직하다. 이와 같이, 광섬유부(110)가 외이도 보다 작은 직경을 갖도록 형성되기 때문에, 광섬유부(120)의 외이도 삽입을 용이하게 할 수 있고, 광섬유부(120)가 외이도를 막아 외부의 소리를 차단하고 사용자에게 갑갑함을 유발하여 사용자의 일상 생활에 지장을 주는 것을 방지할 수 있다.
센서부(130)는 온도 센서부로서 비접촉식으로 물체의 온도를 측정하는 열전퇴(thermopile) 센서일 수 있으며, 이와 같은 열전퇴 센서의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.
목표 물체(고막)의 온도(TOBJECT)는 열전퇴 센서 자체의 센서 온도(TSENSOR)와 열전퇴 센서에 전달된 원적외선의 양에 따라 발생하는 센싱 전압(VSENSOR)을 기초로 다음 수학식 1에 의해 산출될 수 있다.
Figure pat00003
여기서, ε는 Stefan-Boltzman 상수(5.67×10-12 W/㎝2K4)이고, σ는 목표 물체의 방사율(emissivity)이다.
상기 수학식 1을 참조하면, 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)와 센서부(130)에서 전달받은 원적외선의 양에 기초한 센싱 전압(VSENSOR)이 이상적으로 얻어질수록 목표 물체(고막)의 온도(TOBJECT)인 심부 체온을 이상적으로 측정할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 열전퇴 센서를 직접 외이도에 삽입하여 고막의 온도를 측정하는 방식의 경우, 센싱 전압(VSENSOR)은 열전퇴 센서에 전달된 원적외선의 양과 직접적으로 연관이 있기 때문에, 심부 체온을 이상적으로 측정하기 위해서는 열전퇴 센서가 고막을 정확하게 바라보고 있어야 하며, 외부 요인에 의해 고막에서 방출되는 원적외선 양이 변동되지 않아야 한다. 이는 열전퇴 센서의 관측 시야(field of view, FOV)와 밀접하게 관련이 있는데, 기존에는 관측 시야의 범위를 고막에 한정시키기 위하여 고막 근처까지 열전퇴 센서를 삽입하는 방향으로 개발이 진행되었다.
그러나, 이와 같은 방법은 열전퇴 센서가 외이도 내부에 위치하게 되므로 열전퇴 센서가 외이도를 막아 사용자로 하여금 갑갑함을 유발하고 외부 소리를 차단하는 문제점이 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 심부 체온을 주기적으로 측정하기 위해 일상 생활에서 일정 시간 동안 또는 상시 착용되어야 한다는 점을 고려했을 때 상기 문제점은 더욱더 커지게 된다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)(100)는 센서부(130) 보다 상대적으로 좁은 단면적을 갖는 광섬유부(120)를 외이도 내부에 삽입하고, 광섬유부(120)가 고막에서 방출하는 원적외선을 외이도 외부에 위치한 센서부(130)로 전달하기 때문에 외부 소리를 차단하지 않고 사용자가 갑갑함을 느끼지 않게 된다. 그리고, 좁은 단면적의 광섬유부(120)가 고막 근처까지 삽입되기 때문에 관측 시야가 좁아져 고막의 원적외선만 센서부(130)로 전달하는데 도움을 주게 된다. 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)는 외부 환경에 의해 민감하게 변하지 않아야 목표 물체의 온도(TOBJECT)를 정확히 측정할 수 있다.
사용자의 움직임이나 외부 환경의 변화로부터 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)의 민감성을 낮추기 위해 하우징(housing)에 수용되어 외부 환경에 노출되지 않도록 한다. 즉, 외이도 내부에 삽입된 광섬유(110)로부터 원적외선을 전달받기 때문에 외부로 노출될 필요가 없고, 이에 따라, 온도 센서(120)를 하우징에 수용하는 것이 가능하다. 그러나, 열전퇴 센서를 직접 외이도에 삽입하여 고막의 온도를 측정하는 방식하더라도 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)가 외부 환경에 의해 민감하게 변하게 되는 등 고막의 온도(심부 체온)를 정확히 측정할 수 없는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 발명에서는 일주기 리듬 측정 장치(100)가 센서부(130)에서 측정된 심부 체온에 대해 신호 평준화 및 보정 혹은 교정(Calibration)하여 보정된 심부 체온을 산출하여 일주기 리듬을 측정한다.
프로세서(140)는 센서부(130)로부터 측정된 목표물체(고막)의 온도(심부 체온)(TOBJECT)와 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)를 전달받는다. 프로세서(140)는 센서부(130)의 출력을 전송받아 1) 신호 평균화(signal averaging) 프로세스를 통하여 데이터의 신뢰도를 향상시키고, 2) 보정 혹은 교정(calibration)을 통하여 오차율을 낮춰 획득한 데이터를 섭씨온도로 환산하고, 이후 3) 축적된 데이터를 바탕으로 일주기 리듬의 측정을 진행한다. 이후 통신부(150)는 보정된 심부 체온 및/또는 측정된 일주기 리듬에 대한 정보를 사용자 단말기에 블루투스(Bluetooth) 등의 무선통신을 통해 데이터를 전송해 줄 수 있다.
도 4는 센서부(130)에서 측정된 심부 체온의 원시 데이터에 대한 신호 평균화를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 센서부(130)에서 측정된 심부 체온의 원시 데이터(Raw date) 그래프가 도시되어 있고, 신호 평균화와 관련하여 각각 3초, 10초, 20초간의 신호 평균화를 통해 얻어낸 데이터가 도시되어 있다. 신호 평균화는 시간 영역에서 적용되는 신호 처리 기술로 신호를 방해하는 잡음에 비해 신호의 강도를 증가시키기 위하여 사용된다. 반복 측정 세트를 평균화하면 신호 대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)가 이상적으로 측정 횟수의 제곱근에 비례하여 증가하는 것으로 알려져 있다. 프로세서(140)는 센서부(130)로부터 1초에 수 회 ~ 수십 회의 온도측정이 가능하므로 10 ~ 60초 동안 데이터 획득 시 수십 ~ 수백개의 데이터를 획득할 수 있다. 이를 바탕으로 획득한 10 ~ 60초 간의 데이터를 평균내는 방식으로 신호 평균화를 진행하여 데이터의 신뢰도를 향상시켰다. 이는 외부환경 변화에 따른 센서부(130)의 노이즈를 최소화하는 효과를 지니므로 안정적인 심부 체온의 측정이 가능하게 할 뿐만 아니라, 데이터의 신뢰도 확보를 통해 일주기 리듬의 측정이라는 최종적인 목표 달성에도 기여하게 된다.
도 5는 프로세서(140)가 측정된 심부 체온에 대해 보정 혹은 교정에 대해 설명하기 위한 그래프를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, (a)는 목표 물체(예, 고막)의 온도(TOBJECT)를 고정시킨 뒤 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)를 변화시켜가며 측정한 데이터를 도시한 그래프이고, (b)는 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)를 고정시킨 뒤 목표 물체의 온도(TOBJECT)를 변화시켜가며 측정한 데이터를 도시한 그래프이며, (c)는 센서부(130)로부터 획득한 목표 물체의 온도 데이터(측정된 심부 체온)(TOBJECT), 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT) 데이터 및 실제의 목표 물체의 온도 간의 3차원 근사(fitting)를 한 데이터를 도시한 그래프이며, (d) 보정/교정된 온도 데이터와 실제 목표 온도 사이의 상관 관계를 도시한 그래프이다.
센서부(130)는 비접촉식 온도센서로서 측정된 심부 체온(TOBJECT)과 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)를 프로세서(140)에 전송한다. 센서부(130)가 프로세서(140)에 알려주는 것이 VSENSOR가 아니라 TOBJECT 이므로 수식에 기반하지 않고 look-up table을 이용한 맵핑 방식으로 보정/교정 프로세스를 진행한다.
이하 보정/교정하는 프로세스들에 대해 도 5를 참조하여 설명한다.
상기 수학식 1을 통해 센서부(130)로부터 얻어진 데이터를 온도 값으로 환산할 수 있으나, 센서부(130)는 사람의 체온 범위에 특정지어 얻어진 환산 수식이 아니므로 오차가 높다. 이를 해결하기 위하여 목표 물체의 온도(TOBJECT)를 약 36~40℃의 범위로 한정지어 보정/교정 절차를 진행한다.
도 5의 (a)는 센서부(130) 자체의 온도(TAMBIENT)의 교정을 위하여 실제 주위 온도(ambient temperature)[℃]를 변화시켜가며 센서부(130)로부터 측정된 TOBJECT와 TAMBIENT 의 아날로그 디지털 컨버터(ADC)의 직접적인 출력값인 미가공데이터(raw data)를 획득하였다. 미가공데이터를 분석한 결과, 실제의 목표 물체의 온도는 변화시키지 않고 실제 주위 온도만 변화시켰으므로, (a)의 ①번 선(TAMBIENT)이 주요하게 변화하고 ②번 선(TOBJECT)은 약간의 오차 수준으로 변화하고 있음을 확인할 수 있다. 실제 주위 온도를 증가시키며 변화시키면 센서부(130) 자체의 온도도 비례하게 증가하고 있음을 알 수 있다.
도 5의 (b)는 동일한 방법으로 측정된 TOBJECT의 교정을 위하여, 실제 목표 물체의 온도인 target temperature [℃] 변화시켜가며 센서부(130)로부터 측정된 TOBJECT와 TAMBIENT 의 ADC의 직접적인 출력값인 미가공데이터(raw data)를 획득하였다. 미가공데이터를 분석한 결과, 실제 목표 물체의 온도를 변화시켰으므로, (b)의 ①번 선(TOBJECT)이 주요하게 변화하고 ②번 선(TAMBIENT)은 약간의 오차 수준으로 변화하고 있음을 확인할 수 있다. 실제 목표 물체의 온도를 증가시키며 변화시키면 측정된 목표 물체의 온도(TOBJECT)도 비례하게 증가하고 있음을 알 수 있다.
도 5의 (c)는 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 결과를 바탕으로 총 3개 파라미터(실제 목표 물체의 온도( target) [℃], TOBJECT, TAMBIENT)를 이용하여 3차원 근사 혹은 피팅(fitting) 과정을 통해 나온 3차원 근사 혹은 피팅된 데이터에 대한 그래프를 도시하고 있다. 3차원 근사 혹은 피팅된 데이터의 결과는 다음 수학식 2로 나타낼 수 있다. 즉, 수학식 2는 센서부(130)에서 측정된 심부 체온에 대해 3차원 근사 혹은 피팅 과정을 적용하여 보정된 심부 체온(Calibrated temperature)을 산출하는 식을 나타낸 것이다. 도 5의 (a) 내지 (d)에서 설명한 보정/교정 프로세스를 통해 상기 수학식 2와 같은 수식을 얻을 수 있다.
Figure pat00004
여기서, Calibrated temperature는 보정된 심부 체온이고, TOBJECT는 센서부(130)에서 측정된 심부 체온이며, TAMBIENT는 센서부(130) 자체의 온도를 나타낸다.
프로세서(140)는 센서부(130)가 획득한 미가공 데이터(센서부(130) 자체의 온도, 센서부(130)에서 측정한 심부 체온)를 상기 수학식 2에 적용하여 보정된 심부 체온을 산출할 수 있다.
도 5의 (d)를 참조하면, 상기 수학식 2를 적용하여 보정된 심부 체온과 실제 목표 물체의 온도인 실제 심부 체온이 정비례 관계가 있음을 확인할 수 있다. 따라서, 이상에서 설명한 신호 평균화 및 보정/교정 프로세스들에 의해 보정된 심부 체온의 정확도가 매우 높음을 확인할 수 있다.
도 6은 24시간 동안의 보정된 심부 체온의 원시 데이터, 보정된 심부 체온에 대해 신호 평균화를 통해 얻어낸 데이터를 예시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 프로세서(140)는 하루 이상(24시간 이상) 관찰한 심부 체온에 기초하여 일주기 리듬을 측정한다. 이때, 본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)로 24시간 이상 측정을 하게 되면 도 6의 ②번 그래프와 같이 정현파와 유사한 리듬이 하루 주기로 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 특정 개개인의 일주기리듬을 측정할 수 있게 된다. 프로세서(140)는 심부 체온에서 일주기 리듬을 정량화하기 위해서는 일반적으로 심부 체온이 최저점이 되는 시점을 이용하여 측정한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 대략 오전 7시쯤 심부 체온이 최저점을 갖는 것을 확인할 수 있으며, 프로세서(140)는 이 시점이 빨라지면 일주기 리듬이 당겨지는 (advanced) 것으로 해석되고 시점이 늦어지면 일주기 리듬이 늦춰지는 (delayed) 것으로 해석하여 측정한다.
도 7은 본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)가 일주기 리듬 측정을 수행하는 방법을 설명하기 위한 흐름도를 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 광섬유부(120)가 사용자의 귓속 고막으로부터 방출되는 적외선을 센서부로 전달한다(S710). 센서부(130)는 전달된 적외선에 기초하여 소정 시간 동안 심부 체온을 측정한다(S720). 프로세서(140)는 상기 소정 시간 동안 측정된 심부 체온 및 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터를 상기 센서부로부터 수신할 수 있다(S730). 프로세서(140)는 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터에 대해 상기 소정 시간 단위로 평균화하는 프로세스를 수행한다(S740). 이후, 프로세서(140)는 수학식 2에 기초하여 보정된 심부 체온을 산출한다(S750). 상술한 바와 같이, 수학식 2는 측정된 심부 체온을 소정 범위(예, 섭씨 36도 내지 40도)로 한정한 후 센서부(130) 자체의 온도에 대한 데이터. 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터 및 상기 사용자의 실제 심부 체온에 대한 데이터를 3차원 근사(fitting)하여 산출된 것이다.
프로세서(140)는 보정된 심부 체온에 대해 하루이상 모니터링한 후 최저온도 시점에 기초하여 일주기 리듬을 측정할 수 있다(S750). 이후, 통신부(150)는 보정된 심부 체온에 대한 정보, 측정된 사용자의 일주기 리듬에 대한 정보를 사용자의 단말기로 전송해 줄 수 있다(S760).
이와 같이, 본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 신호 평균화를 통해 높은 신호 대 잡음비를 가진 데이터의 획득, 교정된 수식을 통한 온도환산으로 신뢰도 높은 데이터의 획득이 가능하게 한다. 본 발명에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 목표 물체의 온도를 실제 온도와 거의 동일하게 산출함으로써 일주기 리듬을 측정하는데 정확도를 상당히 향상시킬 수 있다.
사용자 단말기는 통신부(미도시)를 통해 일주기 리듬 측정 장치(100)로부터 보정된 심부 체온, 일주기 리듬에 대한 정보를 수신하여, 어플리케이션의 동작에 따라 섭씨 온도 및 일주기 리듬과 그 변화 추이를 사용자 인터페이스를 통해 디스플레이한다. 사용자는 사용자 단말기의 디스플레이를 통해 사용자의 심부 체온 및 일주기 리듬과 그 변화 추이를 실시간으로 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 일주기 리듬 측정 장치(100)는 사용자의 심부 체온 및 일주기 리듬을 일상 생활에서 실시간으로 확인 및 분석할 수 있고, 이를 통해 일주기 리듬의 교란에 의해 나타나는 질병 예를 들어, 계절성 정서장애, 수면장애, 우울증, 시차에 의한 피로 및 교대 근무에 연관된 건강 질환 등을 진단 및 예방하고 건강을 증진시킬 수 있다.
본 발명에서 프로세서(140)는 컨트롤러(controller), 마이크로 컨트롤러(microcontroller), 마이크로 프로세서(microprocessor), 마이크로 컴퓨터(microcomputer), 칩 등으로도 호칭될 수 있으며 메모리가 칩에 내장되어 있을 수도 있다. 한편, 프로세서(140)는 하드웨어(hardware) 또는 펌웨어(firmware), 소프트웨어, 또는 이들의 결합에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어를 이용하여 본 발명의 실시예를 구현하는 경우에는, 본 발명을 수행하도록 구성된 ASICs(application specific integrated circuits) 또는 DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays) 등이 프로세서(140)에 구비될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.

Claims (15)

  1. 일주기 리듬을 측정하는 장치에 있어서,
    사용자의 귓속 고막으로부터 방출되는 적외선을 전달하기 위해 구비된 광섬유부;
    상기 광섬유부를 통해 전달된 적외선에 기초하여 소정 시간 동안 심부 체온을 측정하는 센서부; 및
    상기 소정 시간 동안 측정된 심부 체온 및 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터를 상기 센서부로부터 수신하고,
    상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터에 대해 상기 소정 시간 단위로 평균화하고,
    산출된 소정의 수학식에 기초하여 보정된 심부 체온을 산출하는 프로세서를 포함하되,
    상기 산출된 소정의 수학식은 상기 측정된 심부 체온을 소정 범위로 한정한 후 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터, 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터 및 상기 사용자의 실제 심부 체온에 대한 데이터를 3차원 근사(fitting)하여 산출된 것인, 일주기 리듬 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는 하루 이상 관찰된 상기 보정된 심부 체온에 기초하여 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정하는, 일주기 리듬 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 하루 이상된 상기 보정된 심부 체온 중에서 최저 심부 체온의 시점을 기준으로 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정하는, 일주기 리듬 측정 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산출된 보정된 심부 체온에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 전송하는 통신부를 더 포함하는, 일주기 리듬 측정 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 측정된 일주기 리듬에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 전송하는 통신부를 더 포함하는, 일주기 리듬 측정 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 산출된 소정의 보정식은 다음 수학식 1에 해당하며,
    [수학식 1]
    Figure pat00005

    여기서, Calibrated temperature는 보정된 심부 체온이고, TOBJECT는 상기 센서부에서 측정된 심부 체온이며, TAMBIENT는 상기 센서부 자체의 온도인, 일주기 리듬 측정 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 사용자의 귀에 착용가능하게 구비된 걸이부를 포함하는 본체부를 더 포함하는, 일주기 리듬 측정 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 한정된 사용자의 심부 체온의 소정 범위는 섭씨 36도 내지 40도 사이인, 일주기 리듬 측정 장치.
  9. 일주기 리듬을 측정하는 방법에 있어서,
    광섬유부가 사용자의 귓속 고막으로부터 방출되는 적외선을 센서부로 전달하는 단계;
    상기 센서부가 상기 전달된 적외선에 기초하여 소정 시간 동안 심부 체온을 측정하는 단계;
    프로세서가 상기 소정 시간 동안 측정된 심부 체온 및 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터를 상기 센서부로부터 수신하는 단계;
    상기 프로세서가 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터에 대해 상기 소정 시간 단위로 평균화하는 단계; 및
    상기 프로세서가 산출된 소정의 수학식에 기초하여 보정된 심부 체온을 산출하는 단계를 포함하되,
    상기 산출된 소정의 수학식은 상기 측정된 심부 체온을 소정 범위로 한정한 후 상기 센서부 자체의 온도에 대한 데이터. 상기 측정된 심부 체온에 대한 데이터 및 상기 사용자의 실제 심부 체온에 대한 데이터를 3차원 근사(fitting)하여 산출된 것인, 일주기 리듬 측정 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 프로세서가 하루 이상 관찰된 상기 보정된 심부 체온에 기초하여 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정하는 단계를 더 포함하는, 일주기 리듬 측정 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 일주기 리듬을 측정하는 단계는 상기 프로세서가 상기 하루 이상된 상기 보정된 심부 체온 중에서 최저 심부 체온의 시점을 기준으로 상기 사용자의 일주기 리듬을 측정하는 단계를 더 포함하는, 일주기 리듬 측정 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    통신부가 상기 산출된 보정된 심부 체온에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는, 일주기 리듬 측정 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    통신부가 상기 측정된 일주기 리듬에 대한 정보를 상기 사용자의 단말기로 전송하는 단계를 더 포함하는, 일주기 리듬 측정 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 산출된 소정의 보정식은 다음 수학식 1에 해당하며,
    [수학식 1]
    Figure pat00006

    여기서, Calibrated temperature는 보정된 심부 체온이고, TOBJECT는 상기 센서부에서 측정된 심부 체온이며, TAMBIENT는 상기 센서부 자체의 온도인, 일주기 리듬 측정 방법.
  15. 제 9항 내지 제 14항 중 어느 한항에 기재된 일주기 리듬 측정 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
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