KR20230171841A - 타겟 물질의 퍼센트 비율을 추정하는 웨어러블 디바이스 및 전자 장치, 및 그의 동작 방법 - Google Patents

타겟 물질의 퍼센트 비율을 추정하는 웨어러블 디바이스 및 전자 장치, 및 그의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 제1 대역폭(420nm ~ 460nm)에 대응하는 제1 파장대, 제2 대역폭(500 nm ~ 540 nm)에 대응하는 제2 파장대, 및 제3 대역폭(785 nm ~ 825 nm)에 대응하는 제3 파장대를 포함하는 다중 파장들의 광들을 발광하는 광원을 포함하는 발광부를 포함할 수 있다. 웨어러블 디바이스는 다중 파장들의 광들에 의해 사용자의 피부로부터 반사되는 반사광들을 검출하는 수광부를 포함할 수 있다. 웨어러블 디바이스는 반사광들 중 산소 헤모글로빈의 흡수율과 환원 헤모글로빈의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하고, 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득하는 신호 획득부를 포함할 수 있다. 웨어러블 디바이스는 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트(%) 비율을 추정하는 추정부를 포함할 수 있다.

Description

타겟 물질의 퍼센트 비율을 추정하는 웨어러블 디바이스 및 전자 장치, 및 그의 동작 방법{WEARABLE DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE FOR ESTIMATING PERCENTAGE OF TARGET MATERIAL, AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 개시의 실시예들은 타겟 물질의 퍼센트 비율을 추정하는 웨어러블 디바이스, 전자 장치, 및 그의 동작 방법에 관한 것이다.
일산화탄소(carbon monoxide; CO)는 무색 무취로 그 존재를 감각만으로 알아차리는 것이 어려우며, 수면 중의 일산화탄소 중독은 죽음과 직결되는 치명적인 결과를 낳을 수 있다. 일산화탄소(CO)는 산소(O2)와 헤모글로빈(hemoglobin; Hb)의 결합력 보다 100배 이상 강한 결합력을 가지므로 산소(O2)와 헤모글로빈(Hb) 간의 결합을 방해하여 인체 조직에 대한 산소 전달 저하시킬 수 있다. 일산화탄소(CO)는 인체 내 흡입되어 헤모글로빈과 결합하여 카르복시 헤모글로빈(carboxyhemoglobin; COHb)을 생성할 수 있다. 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 검출은 일산화탄소 중독 여부를 판단하는 중요한 지표로 사용될 수 있다.
피부를 관통하거나 신체의 어떤 구멍을 통과하지 않는 방식의 비침습적 방법으로 카르복시 헤모글로빈(COHb)을 검출하는 경우, 손가락 타입의 검출 기기를 사용하고 있으나, 손가락을 많이 사용하는 일상 생활 중에는 측정 부위의 접촉 안정성이 낮으며 무자각 측정이 어려워 일상 생활 중의 검출 기기 사용이 용이하지 않다. 또한, 카르복시 헤모글로빈의 검출을 위해 다중 스펙트럼을 활용하는 방식은 서로 다른 스펙트럼의 구성비를 알 수 있지만, 시스템의 복잡도가 크므로 실질적으로 일상 생활 중의 사용이 불가능하다.
실시예들에 따르면, 웨어러블 디바이스는 생체 신호(예: 광전용적 맥파(photoplethysmography; PPG) 신호)를 기반으로 대기 중 일산화탄소의 농도를 검출할 수 있다.
실시예들에 따르면, 웨어러블 디바이스는 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율을 추정하여 일산화탄소 중독 여부를 검출할 수 있다.
실시예들에 따르면, 수면을 포함하는 사용자의 일상 생활 중의 일산화탄소에 대한 노출 위험성을 지속적으로 모니터링하고, 위험 여부를 사용자, 외부 기관(예: 응급 의료 기관), 및/또는 외부 전자 장치에게 알릴 수 있다.
다만, 본 개시에서 해결하고자 하는 과제는 상기 언급된 과제에 한정되는 것이 아니며, 본 개시의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따르면, 웨어러블 디바이스는 제1 대역폭(420nm ~ 460nm)에 대응하는 제1 파장대, 제2 대역폭(500 nm ~ 540 nm)에 대응하는 제2 파장대, 및 제3 대역폭(785 nm ~ 825 nm)에 대응하는 제3 파장대를 포함하는 다중 파장들의 광들을 발광하는 광원을 포함하는 발광부, 상기 다중 파장들의 광들에 의해 사용자의 피부로부터 반사되는 반사광들을 검출하는 수광부, 상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 흡수율과 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin)의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하고, 상기 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득하는 신호 획득부, 및 상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트(%) 비율을 추정하는 추정부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 전자 장치는 웨어러블 디바이스로부터, 다중 파장들에 의한 반사광들 중 선택된 두 개 이상의 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 수신하는 통신 인터페이스, 상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하고, 상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 산출하는 프로세서, 및 상기 위험도 정보에 따라 사용자에게 알림을 제공하는 출력 장치를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 웨어러블 디바이스의 동작 방법은 광원에 의해 사용자의 피부에 다중 파장들의 광들을 조사하는 동작, 상기 다중 파장들의 광들에 의해 상기 피부로부터 반사되는 반사광들을 검출하는 동작, 상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈의 흡수율과 환원 헤모글로빈의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하는 동작, 상기 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득하는 동작, 상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하는 동작, 및 상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 알리는 동작을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 파장이 서로 다른 복수 개의 LED(light emitting diode)를 실장함으로써 별도의 추가적인 장치가 없이도 상용화된 웨어러블 디바이스에 의해 일산화탄소의 검출을 수행할 수 있다.
일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 일상 생활 중의 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 검출 여부를 일시적 및/또는 지속적으로 모니터링 함으로써 일산화탄소과 같은 타겟 물질의 중독 여부 검출 외에도, 건강 관리(예: 흡연자들의 흡연 관리 또는 금연 보조)를 수행할 수 있다.
본 개시에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 전면 사시도이고, 도 1b는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 후면 사시도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 분해 사시도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 블록도이다.
도 4는 실시예들에 따른 발광부 및 수광부의 구조들을 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 수광부와 발광부 간의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 복수의 파장들의 광에 의한 다양한 상태의 헤모글로빈들의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 인체 조직에 흡수 및 반사되는 광의 세기를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 추정부가 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다.
도 13은 다양한 실시예들에 따른 네트워크 환경 내의 전자 장치의 블록도이다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1a는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 전면 사시도이고, 도 1b는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 후면 사시도이다. 도 1a 및 도 1b를 참조하면, 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(100)(예: 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))는, 제1 면(또는 전면)(110A), 제 2 면(또는 후면)(110B), 및 제1 면(110A) 및 제 2 면(110B) 사이의 공간을 둘러싸는 측면(110C)을 포함하는 하우징(110)과, 상기 하우징(110)의 적어도 일부에 연결되고 상기 웨어러블 디바이스(100)를 사용자의 신체 일부(예: 손목, 또는 발목)에 탈착 가능하게 결착하도록 구성된 결착 부재(150, 160)(예: 도 2의 결착 부재(295, 297))를 포함할 수 있다. 다른 실시예(미도시)에서는, 하우징은, 도 1a의 제1 면(110A), 제2 면(110B) 및 측면(110C)들 중 일부를 형성하는 구조를 지칭할 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 제1 면(110A)은 적어도 일부분이 실질적으로 투명한 전면 플레이트(101)(예: 다양한 코팅 레이어들을 포함하는 글라스 플레이트, 또는 폴리머 플레이트)에 의하여 형성될 수 있다. 제2 면(110B)은 실질적으로 불투명한 후면 플레이트(예: 도 2의 후면 플레이트(293))에 의하여 형성될 수 있다. 상기 후면 플레이트(293)는, 예를 들어, 코팅 또는 착색된 유리, 세라믹, 폴리머, 금속(예: 알루미늄, 스테인레스 스틸(STS), 또는 마그네슘), 또는 상기 물질들 중 적어도 둘의 조합에 의하여 형성될 수 있다. 상기 측면(110C)은, 전면 플레이트(101) 및 후면 플레이트(293)와 결합하며, 금속 및/또는 폴리머를 포함하는 측면 베젤 구조 (또는 “측면 부재”)(106)에 의하여 형성될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 후면 플레이트(293) 및 측면 베젤 구조(106)는 일체로 형성되고 동일한 물질(예: 알루미늄과 같은 금속 물질)을 포함할 수 있다. 상기 결착 부재(150, 160)는 다양한 재질 및 형태로 형성될 수 있다. 직조물, 가죽, 러버, 우레탄, 금속, 세라믹, 또는 상기 물질들 중 적어도 둘의 조합에 의하여 일체형 및 복수의 단위 링크가 서로 유동 가능하도록 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 웨어러블 디바이스(100)는, 디스플레이(예: 도 2의 디스플레이(220)), 오디오 모듈(105, 108), 센서 모듈(111), 키 입력 장치(102, 103, 104) 및 커넥터 홀(109) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 웨어러블 디바이스(100)는, 구성요소들 중 적어도 하나(예: 키 입력 장치(102, 103, 104), 커넥터 홀(109), 또는 센서 모듈(111))를 생략하거나 다른 구성요소를 추가적으로 포함할 수 있다.
디스플레이(220)는, 예를 들어, 전면 플레이트(101)의 상당 부분을 통하여 노출될 수 있다. 디스플레이(220)의 형태는, 상기 전면 플레이트(101)의 형태에 대응하는 형태일 수 있으며, 원형, 타원형, 또는 다각형과 같은 다양한 형태일 수 있다. 디스플레이(220)는, 터치 감지 회로, 터치의 세기(압력)를 측정할 수 있는 압력 센서, 및/또는 지문 센서와 결합되거나 인접하여 배치될 수 있다.
오디오 모듈(105, 108)은, 마이크 홀(105) 및 스피커 홀(108)을 포함할 수 있다. 마이크 홀(105)은 외부의 소리를 획득하기 위한 마이크가 내부에 배치될 수 있고, 어떤 실시예에서는 소리의 방향을 감지할 수 있도록 복수개의 마이크가 배치될 수 있다. 스피커 홀(108)은, 외부 스피커 및 통화용 리시버로 사용할 수 있다. 어떤 실시예에서는 스피커 홀(108)과 마이크 홀(105)이 하나의 홀로 구현되거나, 스피커 홀(108) 없이 스피커가 포함될 수 있다(예: 피에조 스피커).
센서 모듈(111)은, 웨어러블 디바이스(100)의 내부의 작동 상태, 또는 외부의 환경 상태에 대응하는 전기 신호 또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 센서 모듈(111)은, 예를 들어, 상기 하우징(110)의 제 2 면(110B)에 배치된 생체 센서 모듈(111)(예: HRM 센서)을 포함할 수 있다. 웨어러블 디바이스(100)는, 도시되지 않은 센서 모듈, 예를 들어, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 컬러 센서, IR(infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 또는 조도 센서 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
센서 모듈(111)은 웨어러블 디바이스(100)의 표면의 일부를 형성하는 전극 영역(113, 114) 및 전극 영역(113, 114)과 전기적으로 연결되는 생체 신호 검출 회로(115)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전극 영역(113, 114)은 하우징(110)의 제2 면(110B)에 배치되는 제1 전극 영역(113)과 제2 전극 영역(114)을 포함할 수 있다. 센서 모듈(111)은 전극 영역(113, 114)이 사용자의 신체 일부로부터 전기 신호를 획득하고, 생체 신호 검출 회로(115)가 상기 전기 신호에 기반하여 사용자의 생체 정보를 검출하도록 구성될 수 있다.
키 입력 장치(102, 103, 104)는, 하우징(110)의 제1 면(110A)에 배치되고 적어도 하나의 방향으로 회전 가능한 휠 키(102), 및/또는 하우징(110)의 측면(110C)에 배치된 사이드 키 버튼(103, 104)을 포함할 수 있다. 휠 키(102)는 전면 플레이트(101)의 형태에 대응하는 형태일 수 있다. 다른 실시예에서는, 웨어러블 디바이스(100)는 상기 언급된 키 입력 장치(102, 103, 104)들 중 일부 또는 전부를 포함하지 않을 수 있고 포함되지 않은 키 입력 장치(102, 103, 104)는 디스플레이(220) 상에 소프트 키와 같은 다른 형태로 구현될 수 있다. 커넥터 홀(109)은, 외부 전자 장치와 전력 및/또는 데이터를 송수신하기 위한 커넥터(예를 들어, USB 커넥터)를 수용할 수 있고 외부 전자 장치와 오디오 신호를 송수신하기 위한 커넥터를 수용할 수 있는 다른 커넥터 홀(미도시))을 포함할 수 있다. 웨어러블 디바이스(100)는, 예를 들면, 커넥터 홀(109)의 적어도 일부를 덮고, 커넥터 홀에 대한 외부 이물질의 유입을 차단하는 커넥터 커버(미도시)를 더 포함할 수 있다.
결착 부재(150, 160)는 락킹 부재(151,161)를 이용하여 하우징(110)의 적어도 일부 영역에 탈착 가능하도록 결착될 수 있다. 결착 부재(150, 160)는 고정 부재(152), 고정 부재 체결 홀(153), 밴드 가이드 부재(154), 밴드 고정 고리(155) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
고정 부재(152)는 하우징(110)과 결착 부재(150, 160)를 사용자의 신체 일부(예: 손목, 또는 발목)에 고정시키도록 구성될 수 있다. 고정 부재 체결 홀(153)은 고정 부재(152)에 대응하여 하우징(110)과 결착 부재(150, 160)를 사용자의 신체 일부에 고정시킬 수 있다. 밴드 가이드 부재(154)는 고정 부재(152)가 고정 부재 체결 홀(153)과 체결 시 고정 부재(152)의 움직임 범위를 제한하도록 구성됨으로써, 결착 부재(150, 160)가 사용자의 신체 일부에 밀착하여 결착되도록 할 수 있다. 밴드 고정 고리(155)는 고정 부재(152)와 고정 부재 체결 홀(153)이 체결된 상태에서, 결착 부재(150,160)의 움직임 범위를 제한할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 전자 장치의 분해 사시도이다. 도 2를 참조하면, 웨어러블 디바이스(200)(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100) 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))는 측면 베젤 구조(210), 휠 키(230), 전면 플레이트(101), 디스플레이(220), 제1 안테나(250), 제2 안테나(255), 지지 부재(260)(예: 브라켓), 배터리(270), 인쇄 회로 기판(280), 실링 부재(290), 후면 플레이트(293), 및 결착 부재(295, 297)를 포함할 수 있다. 웨어러블 디바이스(200)의 구성요소들 중 적어도 하나는, 도 1의 웨어러블 디바이스(100) 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300)의 구성요소들 중 적어도 하나와 동일, 또는 유사할 수 있으며, 중복되는 설명은 이하 생략한다.
지지 부재(260)는, 웨어러블 디바이스(200) 내부에 배치되어 측면 베젤 구조(210)와 연결될 수 있거나, 상기 측면 베젤 구조(210)와 일체로 형성될 수 있다. 지지 부재(260)는, 예를 들어, 금속 재질 및/또는 비금속 (예: 폴리머) 재질로 형성될 수 있다. 지지 부재(260)는, 일면에 디스플레이(220)가 결합되고 타면에 인쇄 회로 기판(280)이 결합될 수 있다.
인쇄 회로 기판(280)에는, 프로세서, 메모리, 및/또는 인터페이스가 장착될 수 있다. 프로세서는, 예를 들어, 중앙처리장치, 어플리케이션 프로세서, GPU(graphic processing unit), 센서 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다. 메모리는, 예를 들어, 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 인터페이스는, 예를 들어, HDMI(high definition multimedia interface), USB(universal serial bus) 인터페이스), SD카드 인터페이스, 및/또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다. 인터페이스는, 예를 들어, 웨어러블 디바이스(200)를 외부 전자 장치와 전기적 또는 물리적으로 연결시킬 수 있으며, USB 커넥터, SD 카드/MMC 커넥터, 또는 오디오 커넥터를 포함할 수 있다.
배터리(270)는, 웨어러블 디바이스(200)의 적어도 하나의 구성 요소에 전력을 공급하기 위한 장치로서, 예를 들면, 재충전 불가능한 1차 전지, 또는 재충전 가능한 2차 전지, 또는 연료 전지를 포함할 수 있다. 배터리(270)의 적어도 일부는, 예를 들어, 인쇄 회로 기판(280)과 실질적으로 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 배터리(270)는 웨어러블 디바이스(200) 내부에 일체로 배치될 수 있고, 웨어러블 디바이스(200)와 탈부착 가능하게 배치될 수도 있다.
제 1 안테나(250)는 디스플레이(220)와 지지부재(260) 사이에 배치될 수 있다. 제 1 안테나(250)는, 예를 들어, NFC(near field communication) 안테나, 무선 충전 안테나, 및/또는 MST(magnetic secure transmission) 안테나를 포함할 수 있다. 제 1 안테나(250)는, 예를 들어, 외부 장치와 근거리 통신을 하거나, 충전에 필요한 전력을 무선으로 송수신 할 수 있고, 근거리 통신 신호 또는 결제 데이터를 포함하는 자기-기반 신호를 송출할 수 있다. 다른 실시예에서는, 측면 베젤 구조(210) 및/또는 상기 지지부재(260)의 일부 또는 그 조합에 의하여 안테나 구조가 형성될 수 있다.
제 2 안테나(255)는 인쇄 회로 기판(280)과 후면 플레이트(293) 사이에 배치될 수 있다. 제 2 안테나(255)는, 예를 들어, NFC(near field communication) 안테나, 무선 충전 안테나, 및/또는 MST(magnetic secure transmission) 안테나를 포함할 수 있다. 제 2 안테나(255)는, 예를 들어, 외부 장치와 근거리 통신을 하거나, 충전에 필요한 전력을 무선으로 송수신 할 수 있고, 근거리 통신 신호 또는 결제 데이터를 포함하는 자기-기반 신호를 송출할 수 있다. 다른 실시예에서는, 측면 베젤 구조(210) 및/또는 상기 후면 플레이트(293)의 일부 또는 그 조합에 의하여 안테나 구조가 형성될 수 있다.
실링 부재(290)는 측면 베젤 구조(210)와 후면 플레이트(293) 사이에 위치할 수 있다. 실링 부재(290)는, 외부로부터 측면 베젤 구조(210)와 후면 플레이트(293)에 의해 둘러싸인 공간으로 유입되는 습기와 이물을 차단하도록 구성될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 블록도이다. 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(300)(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 및/또는 도 2의 웨어러블 디바이스(200))는 발광부(310)(예: 도 4의 발광부(410, 420, 430, 440), 및/또는 도 5의 발광부(510)), 수광부(320)(예: 도 4의 수광부(460), 및/또는 도 5의 복수의 수광부(530)), 아날로그 회로 & ADC(analog to digital converter)(330), 신호 획득부(340), 추정부(350), 및 알림부(360)를 포함할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 통신 인터페이스(370), 메모리(380), 및 디스플레이 장치(390)(예: 도 2의 디스플레이(220))를 더 포함할 수 있다. 발광부(310), 수광부(320), 아날로그 회로 & ADC(330), 신호 획득부(340), 추정부(350), 알림부(360), 통신 인터페이스(370), 메모리(380) 및 디스플레이 장치(390)는 통신 버스(301)를 통해 서로 전기적 및/또는 작동적으로 연결될 수 있다.
실시예에 따라서, 발광부(310), 수광부(320), 아날로그 회로 & ADC(330)는 하나의 PPG 획득 모듈(303)로 구성될 수도 있다. 또한, 신호 획득부(340), 추정부(350), 및 알림부(360)는 프로세서(305)로 구성될 수도 있다.
발광부(310)는 제1 대역폭(420nm ~ 460nm)에 대응하는 제1 파장대, 및 제2 대역폭(500 nm ~ 540 nm)에 대응하는 제2 파장대 중 어느 하나와 제3 대역폭(785 nm ~ 825 nm)에 대응하는 제3 파장대를 포함하는 다중 파장들의 광들을 발광하는 광원(315)을 포함할 수 있다. 광원(315)은 예를 들어, LED(light emitting diode) 및/또는 레이저(laser)일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 이하, 용어 'LED'는 '발광 다이오드'로도 표현할 수 있다.
광원(315)은 예를 들어, 아래의 도 4에 도시된 것과 같이 중심 주파수가 하나인 단일 파장대의 광을 발생하는 하나의 LED 광원(예: 도 4의 발광부(410)), 단일 파장대의 광을 발생하는 다수 개의 LED 광원들(예: 도 4의 발광부들(410, 420, 430)), 및 분광 센서 내 다중 파장대의 광들을 발생하는 다중 스펙트럼 광원(예: 도 4의 발광부(440)) 중 어느 하나일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
광원(315)으로는 LED 또는 레이저와 같은 고정형 발광부를 사용할 수도 있고, 분광 센서와 같이 광변조가 가능한 변조형 발광부를 사용할 수도 있다.
예를 들어, 광원(315)으로 고정형 발광부를 사용하는 경우, 지정된 파장과 실질적으로 유사한 파장을 발생하는 소자를 사용할 수 있다. 이 경우, 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 검출을 위한 파장을 찾는 과정이 생략될 수 있다.
광원(315)으로 변조형 발광부를 사용하는 경우, 분광 센서는 변조기(modulator)를 사용하여 다중 스펙트럼으로의 광변조를 수행하는 반도체 기반 센서일 수 있다. 이때, 광변조 방식으로는 EAM(electro-absorption modulator) 방식, 및/또는 EOM(electro-optic modulator) 방식을 예로 들 수 있다. EAM 방식은 흡수율을 제어하여 광변조를 수행하며, 소형화와 저전력에 용이할 수 있다. EOM 방식은 광굴절을 제어하여 광변조를 수행하며, 고성능과 고주파수 구현에 유리할 수 있다.
전술한 바와 같이, 광원(315)으로 고정형 발광부를 사용하느냐, 아니면 분광 센서와 같이 광변조가 가능한 센서를 사용하느냐에 따라 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 검출을 위한 파장을 결정하는 과정이 달라질 수 있다. 발광부(310)는 하나일 수도 있고, 또는 다수 개일 수도 있다. 예를 들어, 발광부(310)가 다수 개인 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 지정된 시간 간격으로 서로 다른 파장들에 대응하는 다수의 발광부들을 동작시키고, 다수의 발광부들의 동작에 기반하여 수광부(320)에 의해 검출된 반사광들을 이용하여 맥파 신호들을 획득할 수 있다.
수광부(320)는 광원(315)에 의해 발광된 다중 파장들의 광에 의해 사용자의 피부로부터 반사되는 반사광들의 적어도 일부를 검출할 수 있다. 수광부(320)는 예를 들어, 발광부(310)의 빛이 켜져 있는 시간을 포함한 시간 구간에서 사용자의 피부로부터 반사되는 반사광들(예: PPG 신호들)의 적어도 일부를 검출할 수 있다. 사용자의 피부로부터 반사되는 반사광들(예: PPG 신호들)은 '후방 산란광들(back scattered light)'이라고 부를 수도 있다. 이때, 해당 광 경로 상에 위치한 혈관 내 혈액의 증감이 반사되는 반사광들의 광량을 증가시키거나 감소시키는 원인이 될 수 있다.
수광부(320)는 예를 들어, 포토 다이오드(photo diode) 및/또는 포토 트랜지스터(photo transistor)와 같은 광 감응성 소자를 이용하여 반사광들을 검출할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 수광부(320)는 다중 파장들에 대응하는 반사광들을 적어도 일부를를 수광하고, 수광된 반사광들의 세기에 따라 변화된 저항값을 출력할 수 있다.
실시예들에 따른 발광부(310)와 수광부(320)의 구조는 아래의 도 4를 참조하고, 발광부(310)와 수광부(320) 간의 배치는 아래의 도 5를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
실시예에 따라서, 웨어러블 디바이스(300)는 수광부(320)의 수신값을 피드백 받은 후 수광부(320)에서 충분한 세기의 전기적 신호가 수신되도록 발광부(310)의 구동 신호를 조절하는 회로부(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 사람마다 광의 반사도가 다르기 때문에 웨어러블 디바이스(300)는 회로부를 통해 인체에 가해지는 광량을 조절할 수 있다.
아날로그 회로 & ADC(330)는 수광부(320)에서 검출된 반사광들에 대한 증폭 및 필터링을 포함하는 신호 처리를 수행하고, 신호 처리된 반사광 신호(아날로그 신호)를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 아날로그 회로 & ADC(330)는 반사광들의 신호를 증폭시키는 증폭 회로 및/또는 반사광 신호 중 일정 주파수 대역의 신호를 필터링하는 필터(filter)를 포함할 수 있다. 아날로그 회로 & ADC(330)는 예를 들어, 50Hz의 저역 통과 필터를 이용하여 50Hz 이상의 잡음을 제거할 수 있다. 또한, ADC(analogue to digital converter)는 증폭 및/또는 필터링된 반사광들을 디지털 신호로 변환할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 지정된 시간 간격으로 발광부(310)가 서로 다른 파장들의 광을 발광하도록 하고, 서로 다른 파장들을 갖는 광이 발광되는 시점에 수광부(320)로 획득한 신호(예: 반사광들)를 이용하여 다중 파장의 맥파(PPG) 신호를 획득할 수 있다.
신호 획득부(340)는 반사광들 중 산소 헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 흡수율과 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin)의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다. 본 명세서에서 '흡수율'은 '광흡수율'을 의미하는 것으로서, 별도의 기재가 없더라도 흡수율을 광흡수율을 의미하는 것으로 이해될 수 있다.
신호 획득부(340)는 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득할 수 있다. ‘산소 헤모글로빈’은 산소와 결합된 헤모글로빈에 해당하고, ‘환원 헤모글로빈’은 산소와 해리된 헤모글로빈에 해당할 수 있다. 여기서, 반사광들은 예를 들어, 수광부(320)에서 검출된 아날로그 신호 형태의 반사광들일 수도 있고, 또는 아날로그 회로 & ADC(330)에 의해 디지털 신호로 변환된 반사광들일 수도 있다.
신호 획득부(340)는 반사광들 중 검출하고자 하는 대상(target)에 해당하는 광의 제1 흡수율이 산소 헤모글로빈(oxyhemoglobin) 및 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin)의 제2 흡수율에 의해 변화하지 않는 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다.
검출하고자 하는 '대상'은 예를 들어, 카르복시 헤모글로빈(carboxyhemoglobin; COHb) 및 메트 헤모글로빈 (methemoglobin; MetHb) 중 어느 하나일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 메트 헤모글로빈(MetHb)은 헤모글로빈(Hb)과 산소(O2)가 강하게 결합된 혈색소의 변형으로, 화학적으로는 Fe++가 Fe+++로 산화된 것일 수 있다. 메트 헤모글로빈(MetHb)은 예를 들어, 체내에서는 아질산아밀(C5H11NO2), 또는 술파민(RSO2NH2) 중독에 의해 생성되며, 체외에서는 혈액에 페리티안칼륨, 또는 오존(O3)이 가하였을 때에 생성될 수 있다. 메트 헤모글로빈은 산소 헤모글로빈과는 달리 쉽게 산소를 해리(解離)하지 않기 때문에 호흡에는 도움이 되지 않는다.
신호 획득부(340)는 예를 들어, 검출하고자 하는 대상인 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 제1 흡수율과 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈의 제2 흡수율 간의 차이를 이용하여 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다. 신호 획득부(340)는 반사광들 중 제2 흡수율은 서로 일치하고, 제2 흡수율과 제1 흡수율 간의 차이는 일정 기준보다 큰 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다.
예를 들어, 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈의 흡수율이 제2 흡수율로 동일한 경우, 신호 획득부(340)는 반사광들 중 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈의 제2 흡수율과 카르복시 헤모글로빈의 제1 흡수율이 상이한 제3 파장대와, 제2 흡수율이 제1 흡수율과 동일한 제1 파장대 또는 제2 파장대 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
신호 획득부(340)는 반사광들 중 제2 흡수율이 제1 흡수율과 실질적으로 동일한 제1 파장대의 광 또는 제2 파장대의 광을 제1 파장의 광을 결정할 수 있다. 신호 획득부(340)는 제2 흡수율과 제1 흡수율이 동일하지 않은 제3 파장대의 광을 제2 파장의 광을 결정할 수 있다. 신호 획득부(340)는 제1 파장의 광과 제2 파장의 광에서의 대상(예: 카르복시 헤모글로빈(COHb)에 대응하는 제1 흡수율을 산출할 수 있다. 신호 획득부(340)는 제2 흡수율과 제1 흡수율 간의 차이가 일정 기준보다 큰 경우, 제1 파장의 광과 제2 파장의 광을 선택할 수 있다.
예를 들어, 제1 파장은 약 520nm이고, 제2 파장은 약 805nm 일 수 있다.
보다 구체적으로, 신호 획득부(340)는 측정하고자 하는 대상(예: 카르복시 헤모글로빈(COHb))의 흡수율에는 크게 차이가 나지만, 측정하고자 하는 대상 이외의 물질들(예: 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈)의 흡수율에는 변화가 없는 파장(들)의 광을 선택하여 맥파 신호들을 획득할 수 있다.
예를 들어, 측정 대상이 카르복시 헤모글로빈(COHb)인 경우, 신호 획득부(340)는 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 제1 흡수율에는 영향을 받지만, 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈의 제2 흡수율에는 영향을 받지 않은 파장들(예: 약 440nm, 약 520nm, 약 805nm) 중, 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈의 제2 흡수율이 일치하는 파장 쌍들(예: 약 440nm의 파장과 약 805nm의 파장, 약 520nm 파장과 약 805nm의 파장, 또는 약 440nm의 파장과 약 520nm 파장) 중 어느 하나의 파장 쌍을 선택할 수 있다. 신호 획득부(340)는 파장쌍들 중 파장들 간의 차이가 가장 큰 약 520nm 파장과 약 805nm의 파장의 쌍을 선택할 수 있다.
신호 획득부(340)는 선택된 파장들에 대응하는 적어도 일부의 맥파 신호들을 획득할 수 있다. 신호 획득부(340)는 반사형 맥파 센서(345)를 더 포함하고, 반사형 맥파 센서(345)에 의해 적어도 일부의 맥파 신호들을 획득할 수 있다. 신호 획득부(340)는 예를 들어, 맥파 신호의 대역폭(예: 약 < 5 Hz)이 포함되도록 설정된 샘플링 주파수에 의해 맥파 신호들을 연속적으로 획득할 수 있다.
통상적으로 '맥파(pulse wave)'는 광전용적맥파(Photoelectric Plethysmography)를 의미하는 것으로 이해될 수 있다. 맥파 신호는 예를 들어, 가시광에서 근적외선광까지의 파장 대역에서 혈액 내의 헤모글로빈에 흡수되는 빛의 양과 같은 흡광 특성에 의해 발생하는 혈액량의 증감에 의해 사용자의 피부에 반사 또는 투과되는 광량의 변화로 인한 체적 변화에 의해 검출될 수 있다. 맥파 신호의 측정 원리는 아래의 도 7을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
추정부(350)는 신호 획득부(340)에서 획득한 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다. 예를 들어, 추정부(350)는 두 개 이상의 파장들의 광들의 각 파장 대역 별로 맥파 신호들을 획득하고, 획득한 맥파 신호들을 기초로, 각 파장 별 체적 변화에 의한 상대적 흡수율들을 산출할 수 있다. 추정부(350)는 예를 들어, 각 파장 대역 별로 획득한 맥파 신호들로부터 수축과 이완에 해당되는 각 지점을 찾고, 각 지점을 찾은 시점의 광 신호를 사용하여 각 파장 대역 별로 체적(volumetric) 변환에 의한 상대적 흡수율을 산출할 수 있다.
추정부(350)는 신호 획득부(340)에서 획득한 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈을 포함하는 전체 헤모글로빈(Hb) 중 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다.
추정부(350)는 미리 획득한 대상에 대응하는 정보에 파장 별 흡수율의 비율을 적용함으로써, 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다. 이때, 대상에 대응하는 정보는 미리 계산된 비율과 대상의 농도의 상관 계수 간의 차이를 포함할 수 있다. 여기서, 대상에 대응하는 정보는 예를 들어, ISO(international organization for standardization)에서 규정하고 있는 임상 테스트를 통해 획득된 정보에 해당할 수 있다. 전술한 것과 같이 맥파 신호는 해당 물질의 흡광 특성에 의해 발생하는 혈액량의 증감에 의해 사용자의 피부에 반사 또는 투과되는 광량의 변화로 인한 체적 변화에 의해 검출될 수 있으므로, 일 실시예에서는 각 파장 별 체적 변화에 의한 상대적 흡수율들을 기초로 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 추정부(350)가 추정한 대상의 퍼센트 비율의 크기에 따라, 예를 들어, 경증(mild), 보통(moderate), 중증(severe) 및/또는 위험(fatal)을 포함하는 사용자의 위험도 정보를 정의할 수 있다. 추정부(350)가 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하는 원리는 아래의 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
알림부(360)는 추정부(350)에서 추정된 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 대상에 대응하는 위험도 정보를 알림으로 제공할 수 있다. 알림부(360)는 예를 들어, 화면(또는 디스플레이)의 점멸, 화면의 번쩍임(flash), 촉각(예: 진동)에 의한 햅틱 알림, 및 알람 소리 중 적어도 하나의 알림 방식에 의해 대상에 대응하는 위험도 정보를 사용자에게 알릴 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 또는 알림부(360)는 미리 지정된 연락처로의 통신 연결 또는 메시지 전송을 통해 대상에 대응하는 위험도 정보를 미리 정해진 연락 대상에게 알릴 수 있다. 이때, 미리 정해진 연락 대상은 예를 들어, 응급 의료 기관, 소방서, 경찰서와 같은 외부 기관일 수도 있고, 가족, 또는 비상 연락 대상, 외부 전자 장치일 수도 있다.
또는, 알림부(360)는 예를 들어, "사용자님의 위험도 정보 알림을 보낼까요?"라는 메시지를 화면에 표시하고, 수 초 내에 "아니요"와 같은 사용자의 피드백이 수신되지 않으면, 비상 연락 대상으로 등록된 대상(가족, 또는 비상 연락 대상)에게 대상에 대응하는 위험도 정보를 알리는 메시지를 전송할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 센서들(미도시)을 통해 감지한 사용자의 생체 정보를 기초로, 사용자가 수면 중인지 여부를 결정할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 통상 알려진 방법을 사용하여 사용자가 수면 중인지 여부를 결정할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 정해진 시간 동안 가속도계의 움직임이 없다거나, PPG 기반의 심박 변이도 및 심박을 이용하여 획득한 정보를 이용하여 사용자가 수면 중인지 여부를 결정할 수 있다. 사용자가 수면 중이라고 결정된 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 일정 시간 구간 동안 대상의 퍼센트 비율이 지정된 임계치 이상 증가했는지 여부를 결정하고, 대상의 퍼센트 비율이 임계치 이상 증가했다고 결정된 경우, 알림부(360)를 통해 사용자가 대상에 의한 위험 상태(예: 일산화탄소 중독 상태)임을 사용자, 외부 기관(예: 응급 의료 기관), 및/또는 외부 전자 장치로알릴 수 있다. 알림부(360)의 보다 구체적인 동작은 아래의 도 11을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
통신 인터페이스(370)는 알림부(360)에서 생성된 알림 메시지를 구조 기관에 전달하거나, 또는 웨어러블 디바이스(300)의 외부로부터 사용자의 생체 신호와 같은 다양한 데이터를 수신할 수 있다. 또한, 통신 인터페이스(370)는 프로세서(305)에 의해 추정된 대상의 퍼센트 비율을 웨어러블 디바이스(300)의 외부로 전송할 수 있다.
메모리(380)는 통신 인터페이스(370)를 통해 수신한 신호 또는 데이터 및/또는 프로세서(305)에 의해 추정된 대상의 퍼센트 비율을 저장할 수 있다.
메모리(380)는 상술한 신호 획득부(340), 추정부(350), 알림부(360) 또는 프로세서(305)의 처리 과정에서 생성되는 다양한 정보를 저장할 수 있다. 이 밖에도, 메모리(380)는 각종 데이터와 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(380)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(380)는 하드 디스크과 같은 대용량 저장 매체를 구비하여 각종 데이터를 저장할 수 있다.
디스플레이 장치(390)는 추정부(350)에 의해 추정된 대상의 퍼센트 비율을 표시할 수 있다. 디스플레이 장치(390)는 예를 들어, 터치 디스플레이, 및/또는 플렉서블 디스플레이 일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
프로세서(305)는 프로그램을 실행하고, 웨어러블 디바이스(300)를 제어할 수 있다. 프로세서(305)에 의하여 실행되는 프로그램 코드는 메모리(380)에 저장될 수 있다.
또한, 프로세서(305)는 아래의 도 4 내지 도 11을 통해 후술하는 적어도 하나의 방법 또는 적어도 하나의 방법에 대응되는 기법을 수행할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 프로세서(305)가 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 전자 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하드웨어로 구현된 프로세서(305)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit; CPU), 그래픽 처리 장치(graphic processing unit; GPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array), 및/또는 NPU(neural processing unit)를 포함할 수 있다.
도 4는 실시예들에 따른 발광부 및 수광부의 구조들을 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))가 하나의 발광부(410)(예: 도 3의 발광부(310), 및/또는 도 5의 발광부(510)) 및 하나의 수광부(460)(예: 도 3의 수광부(320))를 포함하는 경우를 나타낸 도면(401), 웨어러블 디바이스(300)가 다수의 발광부들(410, 420, 430) 및 하나의 수광부(460)를 포함하는 경우를 나타낸 도면(403) 및 웨어러블 디바이스(300)가 다중 스펙트럼 광원 을 포함하는 하나의 발광부(440) 및 하나의 수광부(460)를 포함하는 경우를 나타낸 도면(405)이 도시된다. 이때, 아날로그 회로 & ADC(330)는 수광부(460)에 의해 검출된 반사광에 대한 신호 증폭 및 필터링을 포함하는 신호 처리를 수행하고, 신호 처리된 반사광을 디지털 신호로 변환할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 도면(401)과 같이 하나의 LED 광원에 의해 단일 파장대의 광을 발생하는 발광부(410)와 단일 파장대에 의해 사용자의 피부로부터 적어도 일부 반사된 반사광을 검출하는 하나의 수광부(460)를 포함할 수 있다.
또는 웨어러블 디바이스(300)는 도면(403)과 같이 서로 다른 단일 파장대의 광을 발생하는 발광부를 다수 개 포함할 수도 있다. 이때, 다수 개의 발광부들(410, 420, 430) 각각은 서로 다른 파장의 광들을 발생하는 다수 개의 LED 광원들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 발광부(410)는 약 530nm 파장의 광을 발생하는 녹색광 LED를 광원으로 포함할 수 있다. 발광부(420)는 역 660nm 파장의 광을 발생하는 적색광 LED를 광원으로 포함할 수 있다. 또한, 발광부(430)는 약 940nm 파장의 광을 발생하는 적외선광 LED를 광원으로 포함할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 도면(405)와 같이 분광 센서 내 다중 파장들을 발생하는 다중 스펙트럼 광원을 포함하는 발광부(440)를 포함할 수도 있다. 여기서, 분광 센서는 하나의 광원(예: 레이저 광원)으로부터 빛의 방사를 분산시켜 스펙트럼을 만들고, 스펙트럼의 다양한 파장들의 위치에 있어서의 방사 강도를 정량적으로 측정할 수 있는 센서일 수 있다.
실시예에 따라서, 웨어러블 디바이스(300)는 단일 발광부와 다중 수광부들을 포함할 수도 있다. 단일 발광부와 다중 수광부들로 구성된 웨어러블 디바이스의 예시는 아래의 도 5를 참조할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 수광부와 발광부 간의 배치 관계를 설명하기 위한 도면이다. 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))의 제2 면(110B)에서 발광부(510)(예: 도 3의 발광부(310), 및/또는 도 4의 발광부(410, 420, 430, 440))와 복수의 수광부(530)(예: 도 3의 수광부(320), 및/또는 도 4의 수광부(460)) 간의 배치 관계를 나타낸 도면(500)이 도시된다.
도 5에서는 발광부(510)가 단일 발광부이고, 복수의 수광부(530)가 다중 수광부들인 경우를 일 예로 들어 설명하지만, 반드시 이에 한정되지는 않으며, 단일 발광부와 단일 수광부, 다중 발광부들과 단일 수광부, 및 다중 발광부들과 다중 수광부들에도 마찬가지의 배치 관계가 적용될 수 있다.
발광부(510)의 광원(예: 도 3의 광원(315))은 예를 들어, 웨어러블 디바이스(300)의 제2 면(110B)의 중심부에 위치할 수 있다. 복수의 수광부(530)는 단일 발광부(510)의 광원을 중심으로 방사형으로 배치될 수 있다.
복수의 수광부(530)는 예를 들어, 발광부(510)에서 발광되어 후방 산란(back scatter)된 충분한 양의 광이 도달하는 범위 또는 거리 내에 배치될 수 있다. 여기서, '충분한 양의 광'은 맥파 신호를 측정할 수 있는 정도(크기)의 광 신호 성분으로 이해될 수 있다.
일 실시예에서 수광부(들)과 발광부(들) 간의 배치 거리는 광의 파장 대역 별로 달라질 수 있다. 예를 들어, 발광부(들)의 광원이 인체 조직에 대한 광의 침투 깊이(penetration depth)가 큰 약 805nm의 적외선(IR) 광원인 경우, 수광부(들)와 발광부(들)는 광의 침투 깊이가 낮은 광원인 경우보다 상대적으로 멀리 배치될 수 있다. 이와 달리, 발광부(들)의 광원이 광의 침투 깊이가 낮은 약 440nm 또는 약 520nm의 적색광 광원인 경우, 발광부(들)와 수광부(들)는 광의 침투 깊이가 큰 광원인 경우보다 상대적으로 가깝게 배치될 수 있다.
도 6은 복수의 파장들의 광에 의한 다양한 상태의 헤모글로빈들의 흡수 스펙트럼을 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 660nm의 적색광 파장 내지 940nm의 적외선광 파장에서의 메트 헤모글로빈(methemoglobin; MetHb)(610), 산소 헤모글로빈(Oxyhemoglobin)(620), 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin)(630) 및 카르복시 헤모글로빈(carboxyhemoglobin)(640) 각각의 흡광 계수(extinction coefficient)에 대응하는 흡수 스펙트럼을 나타낸 그래프(600)가 도시된다.
예를 들어, 펄스 옥시메트리(pulse oximetry)는 적색광 파장(660nm) ~ 적외선광 파장(940nm)을 이용하여 맥파(PPG) 기반으로 손가락 끝, 손목, 귓불 또는 이마와 같은 피부 부위를 통해 산소 포화도(SpO2)를 비침습적으로 측정할 수 있다. 산소 포화도(SpO2)는 혈액 내에 산소와 결합한 헤모글로빈의 양을 백분율로 수치화한 지표에 해당할 수 있다.
이와 같이 피부 부위를 통해 측정되는 산소 포화도를 경피적 산소 포화도(saturation of percutaneous oxygen; SpO2)라 부를 수 있다. 맥파(PPG) 기반으로 경피적 산소 포화도(SpO2)를 측정하는 펄스 옥시메트리에서는 카르복시 헤모글로빈(COHb)(640)의 검출이 용이하지 않다. 이는 카르복시 헤모글로빈(COHb)(640)의 광학적 특성에 의한 것인데, 카르복시 헤모글로빈(COHb)(640)이 660nm 파장의 적색광의 흡수율에 선택적으로 영향을 미치기 때문이다.
예를 들어, 산소 포화도가 100% 인 사람은 체내 혈액이 산소 헤모글로빈(620)에 해당하므로 660nm 파장과 940nm 파장에서의 광 흡수율의 비율이 예를 들어, 약 0.11/약 0.55 = 약 0.2일 수 있다. 이와 반대로, 산소 포화도가 0% 인 사람은 체내 혈액이 환원 헤모글로빈(630)에 해당하므로 660nm의 파장과 940nm의 파장에서의 광 흡수율의 비율이 예를 들어, 약 0.84/약 0.3 = 약 28 일 수 있다. 0.2와 28 간의 비율의 차이로 헤모글로빈 중 산소화 전환된 비율이 계산될 수 있다.
하지만, 그래프(600)에서 카르복시 헤모글로빈(COHb)(640)의 농도가 증가할수록 산소 헤모글로빈(620)만이 추가적으로 흡수되기 때문에 적색광 파장(660nm)에서의 맥파 신호의 크기/적외선광 파장(940nm)에서의 맥파 신호의 크기의 비율에 해당하는 R 값이 줄어들 수 있다. 여기서, R 값은 MC(monte carlo) 모델의 조절비(modulation ratio) R에 해당하며, 이에 대하여는 아래의 도 9를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. R 값의 감소는 경피적 산소 포화도(SpO2)의 증가로 이어지기 때문에 일산화탄소 중독의 경우에 산소 포화도가 높은 것으로 잘못 측정될 수도 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 인체 조직에 흡수 및 반사되는 광의 세기를 설명하기 위한 도면이다. 도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 광의 세기(light intensity; I)가 동맥혈의 맥동 성분에 의해 시간(time)(sec)에 따라 변화됨을 나타내는 그래프(700)가 도시된다.
심장은 심박 전체에 리듬을 결정하는 심방에 있는 동방 결절(sinoatrial node)을 통해 수축 및 이완될 수 있다. 심장의 수축기에 좌심실에서 방출되는 혈액은 말초 혈관으로 이동되며 동맥 측의 혈관의 부피가 증가할 수 있다. 이와 달리, 심장의 이완기에는 말초 혈관으로부터 심장 측으로 발생하는 부분적인 흡입에 의해 맥박이 발생할 수 있다. 이때 발생되는 맥박에 광을 조사하여 피부에 반사되는 빛의 강도를 측정하면 심장 박동에 따라 주기적으로 움직이는 신호를 얻을 수 있다.
예를 들어, 그래프(700)에서 파형의 최대 피크점을 심장 수축의 최대 수축기(P)로 표시한다면, 제1 최대 수축기(P1)에서 다음 제2 최대 수축기(P2)까지가 심장의 박동 주기에 해당할 수 있다. 심장의 박동 주기를 '맥박'이라 부를 수 있다.
그래프(700)는 시간에 따라 변화하는 맥박 파형을 통해 인체에 조사된 빛의 양과 인체에 흡수된 빛의 양 간의 관계를 나타낼 수 있다. 이때, 정적 혈류에 의한 비맥동 성분을 'DC'로 표현하고, 박동성 혈류에 의한 맥동 성분을 'AC'로 표현할 수 있다. 동맥의 맥동 성분(AC)에 의한 반사광의 세기의 변화량은 주로 심장 박동에 의한 혈류의 변화량으로 구현된 맥박 파형과 심장 박동에 대해 미약한 신호를 가진 파형에 의해 발생할 수 있다. 여기서, 심장 박동에 대해 미약한 신호를 가진 파형은 예를 들어, 호흡 또는 사람의 움직임에 대해서 발생한 것일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 또한, 비맥동 성분(DC)에 의한 반사광의 세기는 예를 들어, 뼈, 피부 또는 피하 조직과 같이 시간에 따라 변화하지 않는 체내 성분에 의하여 빛이 흡수 또는 산란되어 발생할 수 있다.
예를 들어, 혈중 산소 포화도는 비어-램버트(Beer - Lambert) 법칙에 의해 측정될 수 있다. 비어-램버트 법칙에 따르면, 주어진 파장에서의 흡수율은 발광부에서 출력된 빛이 수광부에 들어오기까지 지난 광 경로 영역의 샘플의 흡수율, 통로 길이, 및 흡수하는 샘플의 농도에 비례할 수 있다. 비어-램버트 법칙에 기반하여 두 개의 서로 다른 파장을 가지고 있는 빛을 인체 조직에 조사하여 반사된 두 파장의 흡수율의 비를 측정함으로써 산소 포화도를 측정할 수 있다.
비어-램버트 법칙에 따라 광원을 이용하여 특정한 파장에서 인체에 조사된 입사광의 세기에 대한 반사광의 세기의 비로 인체 조직 내에 흡수된 광량을 계산할 수 있다. 하지만, 비어-램버트 법칙으로는 피부 표면에서의 반사율이나 인체 조직 내의 산란 효과를 설명하기 어려우므로 이러한 현상에 대해서는 광자 확산(photon diffusion) 이론을 적용할 수 있다.
혈액 속의 산소 포화도는 예를 들어, 두 개의 서로 다른 입사광의 파장들을 조직에 투과하고, 반사된 서로 다른 입사광의 파장들 별 흡수율에 의해 측정될 수 있다. 이때, 서로 다른 입사광의 파장들은 예를 들어, 헤모글로빈과 산소 헤모글로빈 간의 흡수율의 차이가 큰 약 660nm 파장의 적색광과 약 940nm 파장의 적외선광 일 수 있다.
산소 포화도(oxygen saturation)는 예를 들어, 아래의 수학식 1과 같이 혈액 속의 헤모글로빈(Hb)과 산소 헤모글로빈(HbO2)의 전체 합에 대한 산소 헤모글로빈(HbO2)의 퍼센트 비율로 나타낼 수 있다.
위 수학식 1은 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 헤모글로빈(HbO2)의 퍼센트 비율의 계산 방식은 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 변형, 응용 또는 확장될 수 있다.
또한, 경피적 산소 포화도(SpO2)는 비어-램버트 법칙 및 광자 확산 이론에 의해 아래의 수학식 2과 같이 구할 수 있다.
위 수학식 2은 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 경피적 산소 포화도(SpO2)의 계산 방식은 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 변형, 응용 또는 확장될 수 있다.
여기서, X는 헤모글로빈(Hb)의 광학 특성 상수를 나타내고, Y는 산소 헤모글로빈(HbO2)의 광학 특성 상수를 나타낼 수 있다. 또한, 는 약 660nm 파장의 적색광과 약 940nm 파장의 적외선광 각각에 대한 헤모글로빈(Hb)과 산소 헤모글로빈(HbO2)의 흡수율(A)의 비율, 다시 말해 를 나타낼 수 있다.
경피적 산소 포화도(SpO2)는 약 660nm 파장의 적색광과 약 940nm 파장의 적외선광을 인체 조직에 조사하는 경우, 파장 대역 별로 서로 다른 흡수 특성을 통해 검출될 수 있다.
일 실시예에서는 전술한 비어-램버트 법칙 및 광자 확산 이론을 마찬가지로 적용하여 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 혈중 농도를 산출할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)을 검출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 8을 참조하면, 산소와 결합한 산소 헤모글로빈(oxyhemoglobin)(HbO2), 산소와 결합하지 않은 헤모글로빈(Hb), 및 일산화탄소(CO)와 결합한 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 파장대별 광 흡수율을 보여주는 그래프(800)가 도시된다.
산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb) 간에는 광을 흡수하는 광 흡수율의 차이가 존재할 수 있다. 예를 들어, 약 660nm 파장의 적색광에 대하여 산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb) 간의 광 흡수율의 차이가 크게 나타날 수 있다. 적색광 영역(660nm)에서는 헤모글로빈의 광 흡수율이 산소 헤모글로빈의 광 흡수율보다 높을 수 있다. 반면, 약 830nm 파장의 적외선광에 대해서는 산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb)사이의 광 흡수율의 차이가 약 660nm 파장의 적색광에 대하여 산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb) 간의 광 흡수율의 차이 보다 상대적으로 작게 발생할 수 있다. 또한, 약 940nm 파장의 원적외선광에서는 산소 헤모글로빈의 광 흡수율이 헤모글로빈의 광 흡수율보다 높을 수 있다.
적외선광(IR)과 적색광(red) 기반의 맥박 산소 측정기(pulse oximetry)가 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 존재를 검출하기 어려웠던 중요한 이유는 적외선광에 기반한 맥파 신호와 적색광에 기반한 맥파 신호 둘 다 산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb)에 영향을 받기 때문이다.
예를 들어, 헤모글로빈(Hb)이 산소에 의한 산화 또는 탈산화(예: 환원) 여부에 관계없는 두 개의 파장들을 선택하고, 선택한 두 개의 파장들에서 얻은 맥파 신호를 사용하여 피부를 통한 경피적 산소 포화도(SpO2)를 측정하는 경우, 흡수율은 산소 포화도에 관계없이 실질적으로 동일한 비율을 나타낼 수 있다. 일 실시예에서는 흡수율이 동일한 비율을 갖는 파장들을 이용하여 맥파 신호를 얻으므로, 산화 또는 환원 여부에 관계없이 흡수율이 동일한 비율을 나타내는 2개의 파장들을 선택할 수 있다.
그래프(800)에서 흡수율이 실질적으로 동일한 비율을 나타내는 파장은 산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb)에 대응하는 두 스펙트럼의 교차점(들)(X1, X2, X3)에 해당할 수 있다. 교차점 X1은 약 440nm 파장에서 나타나고, 교차점 X2는 약 520nm 파장에서 나타나며, 교차점 X3는 약 805nm 파장에서 나타날 수 있다.
그래프(800)에서 예를 들어, 카르복시 헤모글로빈(COHb)이 존재하지 않고, 약 520nm 파장 및 약 805nm 파장을 사용하여 획득한 맥파 신호들을 사용하는 경우, 약 520nm 파장 및 약 805nm 파장 각각에서 획득한 맥박 강도 지수(perfusion index; PI)는 A/B의 비율을 나타낼 수 있다.
그래프(800)에 도시된 A는 약 520nm에서 HbO2의 흡광 계수를 나타내고, B는 약 805nm에서 HbO2의 흡광 계수를 나타낼 수 있다. C는 520nm에서 COHb의 흡광 계수를 나타내고, D는 805nm 에서 COHb의 흡광 계수를 나타낼 수 있다.
이때, A/B의 비율은 산소 포화도 수준에 의해 영향을 받지 않을 수 있다. 맥박 강도 지수(PI)는 말초 혈관의 맥파 강도를 평가하여 혈역학적 안정성을 나타내는 정량적인 지표에 해당할 수 있다. 맥파 강도 지수(PI)는 박동성 혈류에 의한 맥동 성분('AC 성분')/정적 혈액에 의한 비맥동성분('DC 성분')으로서 광 흡수율의 상대적인 지표가 될 수 있다. 맥박 강도 지수(PI)는 '관류 지수'라고도 부를 수 있다.
극단적인 일 예로, 혈중에 카르복시 헤모글로빈(COHb)만이 존재하는 경우, 카르복시 헤모글로빈(COHb)은 예를 들어, 약 440nm 파장, 약 520nm 파장, 및 약 805nm 파장에서 산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb)의 농도에 영향을 받지 않으며, 맥박 강도 지수(PI)는 A/B에서 C/D로 변화할 수 있다. 실질적으로, 혈중의 카르복시 헤모글로빈(COHb)은 A/B ~ C/D 사이의 임의의 비율을 가질 수 있다.
일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))는 A/B~ C/D 사이의 비율 경사를 이용하여 각 파장대 별로 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 서로 다른 농도 경사를 알 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 캘리브레이션(calibration) 과정을 통해 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 비율과 공기 중의 일산화탄소 농도를 산출할 수 있다.
일 실시예에서는 예를 들어, 약 440nm 파장, 약 520nm 파장, 및 약 805nm 파장과 같이 산소 헤모글로빈(HbO2)과 헤모글로빈(Hb)이 교차되는 파장들 중 두 개의 파장들의 쌍을 이용하여 카르복시 헤모글로빈(COHb)을 검출할 수 있다.
또한, 일 실시예에서는 산소 포화도 측정을 위해 웨어러블 디바이스(300)에 구비된 적외선광(IR)과 적색광(red) 이외에도 운동 중 안정적인 심박수를 획득할 수 있는 녹색광에 대응하는 파장을 더 이용하여 카르복시 헤모글로빈(COHb)을 검출할 수 있다.
도 9는 일 실시예에 따른 추정부가 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 9를 참조하면, 비교 실시예에 따른 혈액 속에 용전되어 있는 산소의 양을 상대적으로 보여주는 산소 포화도 측정 센서인 펄스 옥시메트리(pulse oximetry)의 동작 원리를 나타낸 도면(910) 및 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))의 추정부(예: 도 3의 추정부(350))의 동작 원리를 나타낸 도면(930)이 도시된다.
전술한 바와 같이, 혈관에 투과된 서로 다른 파장의 광들은 예를 들어, 혈액의 움직임, 및/또는 혈압의 변화에 따라 반사량과 세기에 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 포토 다이오드와 같은 수광부(예: 도 3의 수광부(320), 도 4의 수광부(460), 및/또는 도 5의 복수의 수광부(530))에서 검출된 반사광들에는 광원(예: 도 3의 광원(315))에 의한 광의 반사량 차이가 반영될 수 있다.
예를 들어, 도면(910)에서 펄스 옥시메트리에 의해 손가락 끝에 조사된 광은 조직, 정맥 및 혈액에 의해 흡수되어 흡수율이 증가하며, 동맥이 비어 있으면 흡수율은 낮아지게 되므로 혈액에 의한 흡수율은 맥동 성분(AC 성분)으로 표시될 수 있다. 이에 비해, 예를 들어, 피부 및 조직과 같이 혈액을 제외한 나머지 요소들은 비맥동 성분(DC 성분)에 해당할 수 있다. 비맥동 성분(DC 성분)은 기저값에 해당할 수 있다.
펄스 옥시메트리는 일반적으로 두 개의 LED(ligth emitting diode), 예를 들어, 적색광(red) LED와 적외선광(IR) LED를 광원으로 사용하여 광을 조사하고, 조사한 광에 대한 조직의 흡수율을 이용하여 혈액의 산소 포화도를 측정할 수 있다. 이때, 조사한 광의 파장을 선택하는 것은 산소를 함유하는 헤모글로빈(HbO2)과 산소를 함유하지 않은 헤모글로빈(Hb)의 상대적인 광 흡수 계수에 근거하여 이루어질 수 있다. 적색광(red)의 파장과 적외선광(IR)의 파장에 대한 차이를 분석하는 데에는 예를 들어, MC(monte carlo) 모델 또는 PD(photon diffusion) 모델이 이용될 수 있다. MC 모델은 신호의 크기들 간의 확률을 이용할 수 있다. MC 모델의 조절비(modulation ratio) R은 예를 들어, 심장 수축(systolic) 시와 심장 이완(diastolic) 시의 인체 조직의 흡수 계수들 간의 비율에 의해 구할 수 있다.
조절비 R은 예를 들어, 아래의 수학식 3과 같이, 적색광의 파장에 대응하는 맥파 신호의 크기/IR 파장에 대응하는 맥파 신호의 크기에 해당할 수 있다.
위 수학식 3은 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 조절비 R의 계산 방식은 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 변형, 응용 또는 확장될 수 있다.
일 실시예에 따른 추정부(350)는 펄스 옥시메트리와 마찬가지 원리를 사용하되, 펄스 옥시메트리와 다른 파장들을 사용하여 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다.
추정부(350)는 도면(930)과 같이 약 520nm 파장에 대응하는 맥파 신호의 크기/약 805nm 파장에 대응하는 맥파 신호의 크기의 비(R)를 이용하여 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다.
약 520nm 파장에 대응하는 맥파 신호의 크기/약 805nm 파장에 대응하는 맥파 신호의 크기의 비(R)는 예를 들어, 아래의 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
위 수학식 4은 단지 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 계산 방식은 이에 제한되지 않으며, 다양한 방식으로 변형, 응용 또는 확장될 수 있다.
추정부(350)는 각 파장대 별로 획득한 맥파 신호들에서 수축에 해당하는 제1 지점 및 이완에 해당하는 제2 지점을 찾고, 제1 지점 및 제2 지점에 대응하는 광 신호들의 흡수율 차이를 사용하여 각 파장 별로 체적(volumetric) 변화에 의한 상대적 흡수율들을 산출할 수 있다.
추정부(350)는 두 개의 파장들에 대응하는 맥파 신호들로부터 각 파장 별 흡수율의 비율을 산출할 수 있다. 추정부(350)는 앞서 산출한 각 파장 별 흡수율의 비율을 (미리 계산된 비율 - 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도)의 상관 계수에 대입하여 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율(%)를 추정할 수 있다. 여기서, "미리 계산된 비율 - 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도의 상관계수"는 예를 들어, ISO에서 규정하고 있는 임상 테스트를 통해 획득될 수 있다.
예를 들어, 혈중에 카르복시 헤모글로빈(COHb)이 전혀 없고 모든 헤모글로빈(Hb)이 산소 헤모글로빈(HbO2) 또는 헤모글로빈(Hb)의 형태로 존재한다고 가정할 수 있다. 이러한 경우, 약 520m파장/약 805nm 파장에서 측정한 흡수율의 비율은 A/B로 계산될 수 있다.
이와 반대로, 혈중에 모든 헤모글로빈(Hb)이 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 형태로만 존재한다고 가정할 수 있다. 이러한 경우, 약 520m파장/약 805nm 파장에서 측정한 흡수율의 비율은 A/B에 비해 큰 C/D 로 변화될 수 있다.
카르복시 헤모글로빈(COHb)이 헤모글로빈(Hb)에 어느 정도 비율로 존재하는지에 따라 흡수율 비율은 A/B 와 C/D 사이의 값을 가질 수 있다. 이 때, 레퍼런스 장비(예: CO-Oximetry 로 알려진 혈중 가스 분석기)를 이용하여 각각의 조건에서 카르복시 헤모글로빈(COHb)이 대략 몇 % 존재하는지 실제 값(ground truth)을 측정할 수 있다. 여러 포인트들에 대해 이를 반복하면, 약 520m파장/약 805nm 파장에서 측정한 흡수율의 비율쌍에 대한 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율(%)에 대한 관계식을 얻을 수 있습니다. 추정부(350)는 전술한 과정을 통해 얻은 관계식을 이용하여 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율(%)를 추정할 수 있다. 여기서, '여러 포인트들'은 서로 다른 실제값인 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율(%)에 대한 여러 포인트들을 의미할 수 있다. '여러 포인트들에 대해 이를 반복한다는 것은 예를 들면 0, 5, 10, 15, 20, 및 25 퍼센트 비율(%)의 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 범위 내에서 흡수율 비율을 계산하는 행위를 반복한다는 의미로 이해될 수 있다.
도 10은 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다. 이하 실시예에서 각 동작들은 순차적으로 수행될 수도 있으나, 반드시 순차적으로 수행되는 것은 아니다. 예를 들어, 각 동작들의 순서가 변경될 수도 있으며, 적어도 두 동작들이 병렬적으로 수행될 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 동작 1010 내지 1060는 웨어러블 디바이스(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))의 프로세서(예: 도 3의 프로세서(305))에서 수행되는 것으로 이해될 수 있다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 동작 1010 내지 동작 1060을 통해 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하여 위험도 정보를 알릴 수 있다.
동작 1010에서, 웨어러블 디바이스(300)는 광원에 의해 사용자의 피부에 다중 파장들의 광들을 조사할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 녹색광에 대응하는 제1 파장대(약 540nm), 적색광에 대응하는 제2 파장대(약 660nm), 및 적외선광에 대응하는 제3 파장대(약 940nm)의 광을 발광하는 광원(예: 도 3의 광원(315))을 포함하는 발광부(예: 도 3의 발광부(310), 도 4의 발광부들(410, 420, 430), 도 5의 발광부(510))에 의해 사용자의 피부가 다중 파장들의 광을 조사할 수 있다. 광원(315)은 예를 들어, 단일 파장대의 광을 발생하는 하나의 LED 광원, 단일 파장대의 광을 발생하는 다수 개의 LED 광원들, 및 분광 센서 내 다중 파장들을 발생하는 다중 스펙트럼 광원일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다. 발광부는 단수 개 일수도 있고, 복수 개 일수도 있다. 예를 들어, 발광부의 개수가 복수 개복수개 인 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 시간을 분주하여 일정 시간 간격으로 서로 다른 파장들에 대응하는 다수의 발광부들(예: 도 4의 발광부들(410, 420, 430))을 동작시킬 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 다수의 발광부들(410, 420, 430)의 동작에 기반하여 수광부(예: 도 3의 수광부(320), 도 4의 수광부(460), 및/또는 도 5의 복수의 수광부(530))에 의해 검출된 반사광들을 이용하여 맥파 신호들을 획득할 수 있다.
동작 1020에서, 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1010에서 조사한 다중 파장들에 의해 피부로부터 반사되는 반사광들을 검출할 수 있다.
동작 1030에서, 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1020에서 검출한 반사광들 중 산소 헤모글로빈의 흡수율과 환원 헤모글로빈의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈에 대응하는 제2 흡수율과 검출하고자 하는 대상의 제1 흡수율 간의 차이를 이용하여 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 동작 1020에서 검출한 반사광들 중 제2 흡수율은 동일하고, 제2 흡수율과 제1 흡수율 간의 차이는 일정 기준보다 큰 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다.
동작 1040에서, 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1030에서 선택된 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득할 수 있다.
동작 1050에서, 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1040에서 획득한 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 동작 1040에서 획득한 맥파 신호들을 기초로, 각 파장 별 체적 변화에 의한 상대적 흡수율들을 산출하고, 미리 획득한 대상에 대응하는 정보에 상대적 흡수율들을 적용함으로써, 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다. 이때, 대상에 대응하는 정보는 미리 계산된 비율과 대상의 농도의 상관 계수 간의 차이를 포함할 수 있다.
웨어러블 디바이스(300)는 동작 1040에서 획득한 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈을 포함하는 전체 헤모글로빈(Hb) 중 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다.
동작 1060에서, 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1050에서 추정한 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 대상에 대응하는 위험도 정보를 알릴 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1050에서 추정한 대상의 퍼센트 비율의 크기에 따라, 예를 들어, 경증(mild), 보통(moderate), 중증(severe) 및 위험(fatal)을 포함하는 사용자의 위험도 정보를 정의할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
도 11은 다른 실시예에 따른 웨어러블 디바이스의 동작 방법을 나타낸 흐름도이다. 이하 실시예에서 각 동작들은 순차적으로 수행될 수도 있으나, 반드시 순차적으로 수행되는 것은 아니다. 예를 들어, 각 동작들의 순서가 변경될 수도 있으며, 적어도 두 동작들이 병렬적으로 수행될 수도 있다.
일 실시 예에 따르면, 동작 1105 내지 1090은 웨어러블 디바이스(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))의 프로세서(예: 도 3의 프로세서(305))에서 수행되는 것으로 이해될 수 있다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스는 동작 1105 내지 동작 1190을 수행할 수 있다.
동작 1105에서, 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 움직임(motion)을 감지할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 가속도 센서, 모션 센서, 자이로 센서, 및/또는 맥파 센서(예: 도 3의 반사형 맥파 센서(345))에 감지된 맥파 신호 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 사용하여 사용자의 움직임을 감지할 수 있다.
동작 1110에서, 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1105의 감지 결과를 기초로, 사용자가 안정 상태에 있는지를 결정할 수 있다. '안정 상태'는 예를 들어, 사용자가 움직이거나 격렬한 운동을 수행하는 활동 상태 이외에 사용자가 앉아 있거나, 서 있거나, 누워있거나 또는 잠자는 상태와 같이 이동성이 없는 상태로 이해될 수 있다.
동작 1110에서 사용자가 안정 상태에 있지 않다고 결정된 경우((No), 다시 말해 사용자가 활동 상태라면, 동작 1115에서 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)를 측정하지 않고 동작을 종료할 수 있다.
이와 달리, 동작 1110에서 사용자가 안정 상태에 있다고 결정된 경우, 동작 1120에서, 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)를 측정할 수 있다. 여기서, '혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)를 측정한다'는 것은 '카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율을 추정'하는 것을 포함하는 의미로 이해될 수 있다.
동작 1125에서, 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1120에서 측정한 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)가 예를 들어, 약 0% (또는 약 5%) 보다 크고, 약 20%보다 작은 지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 사용자가 흡연가인 경우, 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)는 약 20% 이내의 값으로 나타날 수 있다.동작 1125에서 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)가 약 0% (또는 약 5%) 보다 크고, 약 20%보다 작다고 판단된 경우, 동작 1130에서 웨어러블 디바이스(300)는 해당 사용자가 흡연가인가를 판단할 수 있다. 동작 1130에서, 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 디스플레이 장치(예: 도 2의 디스플레이(220), 도 3의 디스플레이 장치(390))에 표시된 사용자 인터페이스(user interface; UI)를 통해 사용자에게 자신이 흡연가인지를 문의하고, 이에 대한 사용자의 답변에 의해 해당 사용자가 흡연가인지를 결정하거나, 또는 미리 저장된 초기 사용자 정보에 의해 사용자가 흡연가인지를 결정할 수 있다. 초기 사용자 정보는 예를 들어, 사용자의 몸무게, 키, 혈압, 흡연 여부, 음주량, 및/또는 만성 질환(chronic illness)과 같은 건강 정보를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
동작 1130에서, 해당 사용자가 흡연가라고 판단된 경우, 동작 1135에서 웨어러블 디바이스(300)는 해당 사용자가 현재 흡연 중인지를 묻는 알람을 실행할 수 있다.
동작 1130에서, 해당 사용자가 흡연가가 아니라고 판단된 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 후술하는 동작 1150을 수행할 수 있다.
동작 1125에서 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)가 약 0% (또는 약 5%) 보다 작거나, 약 20%보다 크다고 판단된 경우에도 웨어러블 디바이스(300)는 후술하는 동작 1150을 수행할 수 있다.
동작 1135의 알람 실행에 따라서, 동작 1140에서 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 팝업 메시지에 의해 사용자가 현재 흡연 중인지를 문의할 수 있다.
동작 1140의 문의 사항에 대하여 사용자가 현재 흡연 중이라고 답변한 경우(yes), 동작 1145에서 웨어러블 디바이스(300)는 앞서 측정된 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)를 무시하고 동작을 종료할 수 있다.
동작 1140의 문의 사항에 대하여 사용자가 현재 흡연 중이 아니라고 답변한 경우(no), 동작 1150에서 웨어러블 디바이스(300)는 기타 지표를 확인할 수 있다. 동작 1150은 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C) 이외의 기타 지표 값(들)을 확인함으로써 일산화탄소 중독 여부의 검출 정확도를 향상시키기 위한 동작에 해당할 수 있다.
동작 1150에서 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 일산화탄소 중독에 의한 생체 신호의 변화(예: 심박 변화)를 확인하거나, 일산화탄소 중독에 의한 다양한 증상들(예: 두통, 어지러움, 메슥거림(구역), 발작, 및/또는 호흡 마비)을 사용자에게 확인 또는 문의할 수 있다. 이와 함께 웨어러블 디바이스(300)는 근거리 통신(예: Bluetooth)과 같은 방식으로 주변 기기들(예: 의료 기기, IoT 디바이스, 기타 센서들)을 검색 후 검출된 헤모글로빈의 농도가 웨어러블 디바이스(300)에 의해 측정된 값과 비슷한 수준인지 또는 주변 기기들에서도 유사한 패턴이 관찰되는지를 확인할 수 있다.
동작 1150에서 확인한 기타 지표를 기초로, 동작 1160에서 웨어러블 디바이스(300)는 일산화탄소 중독의 여부를 판단할 수 있다.
동작 1160에서 일산화탄소 중독이 아니라고 판단되면(no), 웨어러블 디바이스(300)는 동작 1145에서 앞서 측정된 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)를 무시하고 동작을 종료할 수 있다.
이와 달리, 동작 1160에서 일산화탄소 중독이 맞다고 판단되면(yes), 동작 1165에서 웨어러블 디바이스(300)는 사용자에 대해 경고하는 알림을 제공하고, 알림에 대한 사용자의 피드백을 요청할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 경고음, 진동, 및/또는 점멸 신호에 의해 알림을 제공할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
동작 1165에서 제공된 알림 및 피드백 요청에 대해 동작 1170에서 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 반응(예: 움직임)이 있는지 여부를 판단할 수 있다.
동작 1170에서 사용자의 반응이 있다고 결정되면(yes), 동작 1175에서 웨어러블 디바이스(300)는 사용자에게 현재 위치를 벗어날 것을 제안할 수 있다.
이와 달리, 동작 1170에서 사용자의 반응이 없다고 결정되면(no), 동작 1180에서 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 생체 정보를 기초로, 사용자가 수면 중인지 여부를 결정할 수 있다.
동작 1180에서 사용자가 수면 중이 아니라고 결정된 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 사용자에 대해 경고하는 알람을 제공하고, 알람에 대한 사용자의 피드백을 요청하는 동작 1165을 수행할 수 있다.
이와 달리, 동작 1180에서 사용자가 수면 중이라고 결정된 경우, 동작 1190에서, 웨어러블 디바이스(300)는 응급 기관에 대한 연락을 수행하여 사용자가 카르복시 헤모글로빈(COHb)에 의한 중독 상태임을 응급 기관에게 알리는 한편, 사용자의 위치를 전송할 수 있다.
동작 1180에서 사용자가 수면 중이라고 결정된 경우, 사용자는 자가 조치가 불가능한 무방비 상태이므로 웨어러블 디바이스(300)는 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)가 점진적으로 증가하는지, 또는 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)가 점진적으로 낮아지는지를 여부를 결정할 수 있다. 예를 들어, 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)가 특정 수치(예: 약 20%)보다 낮은 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 진동, 및/또는 소리를 활용하여 수명 상태에 있는 사용자를 깨우도록 시도할 수 있다.
예를 들어, 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도(C)가 점진적으로 증가하여 일정 시간 구간 동안 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율이 임계치 이상 증가하는 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 일산화탄소 중독이 진행 중이며, 신속한 구조가 요청되는 상황이라는 정보를 응급 기관에 함께 전달하거나, 등록된 주변인들에게 긴급 연락을 자동으로 전송할 수 있다.
일 실시예에 따른 웨어러블 디바이스(300)는 일산화탄소 중독 여부의 측정을 일회성(on-demand)으로 수행할 수도 있고, 또는 연속적이나 주기적으로 측정하여 모니터링할 수도 있다.
예를 들어, 일산화탄소 중독 여부의 측정을 일회성으로 수행하는 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 일산화탄소 중독에 의한 생체 신호의 변화를 감지하거나, 또는 사용자가 일산화탄소 중독 증상임을 인지하여 해당 증상을 알리는 경우, 일회성으로 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율을 측정할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 직접 측정한 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율, 사용자에게 추가적으로 요청한 문진 정보, 및 기타 지표들에 의해 일산화 탄소 중독 검출의 정확도를 향상시키는 한편, 적절한 가이드를 제공할 수 있다.
일산화탄소 중독 여부를 모니터링하는 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율을 연속적으로 추정하면서 해당 수치가 점진적으로 낮아지는지 또는 점진적으로 높아지는지 여부를 확인할 수 있다.
예를 들어, 수면 중 일산화탄소 중독 여부를 판단하기 위해, 웨어러블 디바이스(300)는 특정 윈도우 시간 구간(예: 약 1분) 내에서 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율이 특정 값(예: 약 3 ~ 약 4%) 이상 증가했는지 여부를 결정할 수 있다. 이때, '특정 값'은 해당 사용자가 흡연자인지 여부에 따라 달리 결정될 수 있다. 예를 들어, 사용자가 흡연자인 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율이 약 3 ~ 약 4% 이상 증가한 경우를 일산화중독 상태로 정의할 수 있다. 이와 달리, 사용자가 비흡연자인 경우, 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율이 약 10% 이상 증가한 경우를 일산화탄소 중독으로 정의할 수 있다. 일반적으로 흡연자의 혈중 평균 일산화탄소 비율은 비흡연자의 혈중 평균 일산화탄소 비율에 비해 높을 수 있다. 때문에, 거짓을 참으로 잘못 판단하는 긍정 오류(false positive)의 발생을 줄이기 위해, 일 실시예에서는 흡연자의 일산화탄소 중독 여부를 판단하는 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 퍼센트 비율의 기준이 비흡연자에 비해 높게 설정될 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 사용자의 흡연 여부에 따라 달라지는 특정 값을 이용하여 흡연자와 비흡연자 사이의 일산화탄소 중독을 검출하는 역치를 서로 다르게 설정할 수 있다.
전술한 바와 같이 흡연자의 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도가 비흡연자의 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도에 비해 높게 나타날 수 있다. 일 실시예에서는 흡연자에게 자신의 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도를 보여주는 서비스를 제공함으로써 흡연자에게 금연을 시도할 동기를 부여하는 한편, 혈중 카르복시 헤모글로빈(COHb)의 농도를 흡연자의 금연 보조 지표로써 활용할 수 있다.
도 12는 일 실시예에 따른 전자 장치의 블록도이다. 도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 전자 장치(1200)(예: 도 13의 전자 장치(1301)는 통신 인터페이스(1210)(예: 도 13의 통신 모듈(1390)), 프로세서(1230)(예: 도 13의 프로세서(1320)), 출력 장치(1250)(예: 도 13의 음향 출력 모듈(1355), 디스플레이 모듈(1360), 오디오 모듈(1370), 및/또는 햅틱 모듈(1379)), 및 메모리(1270)(예: 도 13의 메모리(1330))를 포함할 수 있다. 통신 인터페이스(1210), 프로세서(1230), 출력 장치(1250), 및 메모리(1270)는 통신 버스(1205)를 통해 서로 연결될 수 있다.
통신 인터페이스(1210)는 웨어러블 디바이스(예: 도 1의 웨어러블 디바이스(100), 도 2의 웨어러블 디바이스(200), 및/또는 도 3의 웨어러블 디바이스(300))로부터, 다중 파장들에 의한 반사광들 중 선택된 두 개 이상의 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 수신할 수 있다. 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 반사광들 중 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈 각각에 대응하는 제2 흡수율과 대상에 대응하는 피부의 제1 흡수율 간의 차이를 이용하여 둘 이상의 파장의 광들을 선택하는 신호 획득부(예: 도 3의 신호 획득부(340))를 포함할 수 있다. 신호 획득부(340)는 반사광들 중 제2 흡수율은 동일하고, 제2 흡수율과 제1 흡수율 간의 차이는 일정 기준보다 큰 두 개 이상의 파장들의 광들의 광들을 선택할 수 있다. 신호 획득부(340)는 반사광들 중 제2 흡수율이 실질적으로 동일한 타겟 파장들을 결정하고, 타겟 파장들의 광들에서의 대상에 대응하는 제1 흡수율을 산출할 수 있다. 신호 처리부(340)는 제2 흡수율과 제1 흡수율 간의 차이가 일정 기준보다 큰 경우, 타겟 파장들의 광들을 선택할 수 있다. 이때, 웨어러블 디바이스(300)는 예를 들어, 도 3 내지 도 10을 통해 전술한 웨어러블 디바이스(300)에 해당할 수 있다.
프로세서(1230)는 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(1230)는 추정부(예: 도 3의 추정부(350))를 포함할 수 있다. 프로세서(1230)는 대상의 퍼센트 비율을 기초로 대상에 대응하는 위험도 정보를 산출할 수 있다. 실시예에 따라서, 프로세서(1230)는 웨어러블 디바이스(300)가 검출한 반사광들 중 검출하고자 하는 대상(target)의 제1 흡수율이 산소 헤모글로빈(oxyhemoglobin) 및 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin) 각각의 제2 흡수율에 의해 변화하지 않는 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하고, 상기 선택된 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득할 수도 있다.
출력 장치(1250)는 프로세서(1230)에서 산출한 위험도 정보에 따라 사용자에게 알림을 제공할 수 있다. 출력 장치(1250)는 예를 들어, 스피커, 햅틱 디바이스, 및 디스플레이 장치를 포함할 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
메모리(1270)는 프로세서(1230)의 처리 과정에서 생성되는 다양한 정보를 저장할 수 있다. 이 밖에도, 메모리(1270)는 각종 데이터와 프로그램을 저장할 수 있다. 메모리(1270)는 휘발성 메모리 또는 비휘발성 메모리를 포함할 수 있다. 메모리(1270)는 하드 디스크과 같은 대용량 저장 매체를 구비하여 각종 데이터를 저장할 수 있다.
프로세서(1230)는 프로그램을 실행하고, 전자 장치(1200)를 제어할 수 있다. 프로세서(1230)에 의하여 실행되는 프로그램 코드는 메모리(1270)에 저장될 수 있다.
전자 장치(1200)는 프로세서(1230)가 목적하는 동작들(desired operations)을 실행시키기 위한 물리적인 구조를 갖는 회로를 가지는 하드웨어로 구현된 전자 장치일 수 있다. 예를 들어, 목적하는 동작들은 프로그램에 포함된 코드(code) 또는 인스트럭션들(instructions)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 하드웨어로 구현된 프로세서(1230)는 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙 처리 장치(central processing unit; CPU), 그래픽 처리 장치(graphic processing unit; GPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티-코어 프로세서(multi-core processor), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array), 및/또는 NPU(neural processing unit)를 포함할 수 있다.
도 13은, 다양한 실시예들에 따른, 네트워크 환경 내의 전자 장치(1301)의 블록도이다. 도 13을 참조하면, 네트워크 환경(1300)에서 전자 장치(1301)(예: 도 12의 전자 장치(1200))는 제 1 네트워크(1398)(예: 근거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(1302)와 통신하거나, 또는 제 2 네트워크(1399)(예: 원거리 무선 통신 네트워크)를 통하여 전자 장치(1304) 또는 서버(1308) 중 적어도 하나와 통신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 전자 장치(1301)는 서버(1308)를 통하여 전자 장치(1304)와 통신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 전자 장치(1301)는 프로세서(1320)(예: 도 12의 프로세서(1230)), 메모리(1330)(예: 도 12의 메모리(1270)), 입력 모듈(1350), 음향 출력 모듈(1355), 디스플레이 모듈(1360), 오디오 모듈(1370), 센서 모듈(1376), 인터페이스(1377), 연결 단자(1378), 햅틱 모듈(1379), 카메라 모듈(1380), 전력 관리 모듈(1388), 배터리(1389), 통신 모듈(1390), 가입자 식별 모듈(1396), 또는 안테나 모듈(1397)을 포함할 수 있다. 어떤 실시예에서는, 전자 장치(1301)에는, 이 구성요소들 중 적어도 하나(예: 연결 단자(1378))가 생략되거나, 하나 이상의 다른 구성요소가 추가될 수 있다. 어떤 실시예에서는, 이 구성요소들 중 일부들(예: 센서 모듈(1376), 카메라 모듈(1380), 또는 안테나 모듈(1397))은 하나의 구성요소(예: 디스플레이 모듈(1360))로 통합될 수 있다.
프로세서(1320)는, 예를 들면, 소프트웨어(예: 프로그램(1340))를 실행하여 프로세서(1320)에 연결된 전자 장치(1301)의 적어도 하나의 다른 구성요소(예: 하드웨어 또는 소프트웨어 구성요소)를 제어할 수 있고, 다양한 데이터 처리 또는 연산을 수행할 수 있다. 일실시예에 따르면, 데이터 처리 또는 연산의 적어도 일부로서, 프로세서(1320)는 다른 구성요소(예: 센서 모듈(1376) 또는 통신 모듈(1390))로부터 수신된 명령 또는 데이터를 휘발성 메모리(1332)에 저장하고, 휘발성 메모리(1332)에 저장된 명령 또는 데이터를 처리하고, 결과 데이터를 비휘발성 메모리(1334)에 저장할 수 있다. 일실시예에 따르면, 프로세서(1320)는 메인 프로세서(1321)(예: 중앙 처리 장치 또는 어플리케이션 프로세서) 또는 이와는 독립적으로 또는 함께 운영 가능한 보조 프로세서(1323)(예: 그래픽 처리 장치, 신경망 처리 장치(NPU: neural processing unit), 이미지 시그널 프로세서, 센서 허브 프로세서, 또는 커뮤니케이션 프로세서)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전자 장치(1301)가 메인 프로세서(1321) 및 보조 프로세서(1323)를 포함하는 경우, 보조 프로세서(1323)는 메인 프로세서(1321)보다 저전력을 사용하거나, 지정된 기능에 특화되도록 설정될 수 있다. 보조 프로세서(1323)는 메인 프로세서(1321)와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
보조 프로세서(1323)는, 예를 들면, 메인 프로세서(1321)가 인액티브(예: 슬립) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(1321)를 대신하여, 또는 메인 프로세서(1321)가 액티브(예: 어플리케이션 실행) 상태에 있는 동안 메인 프로세서(1321)와 함께, 전자 장치(1301)의 구성요소들 중 적어도 하나의 구성요소(예: 디스플레이 모듈(1360), 센서 모듈(1376), 또는 통신 모듈(1390))와 관련된 기능 또는 상태들의 적어도 일부를 제어할 수 있다. 일실시예에 따르면, 보조 프로세서(1323)(예: 이미지 시그널 프로세서 또는 커뮤니케이션 프로세서)는 기능적으로 관련 있는 다른 구성요소(예: 카메라 모듈(1380) 또는 통신 모듈(1390))의 일부로서 구현될 수 있다. 일실시예에 따르면, 보조 프로세서(1323)(예: 신경망 처리 장치)는 인공지능 모델의 처리에 특화된 하드웨어 구조를 포함할 수 있다. 인공지능 모델은 기계 학습을 통해 생성될 수 있다. 이러한 학습은, 예를 들어, 인공지능 모델이 수행되는 전자 장치(1301) 자체에서 수행될 수 있고, 별도의 서버(예: 서버(1308))를 통해 수행될 수도 있다. 학습 알고리즘은, 예를 들어, 지도형 학습(supervised learning), 비지도형 학습(unsupervised learning), 준지도형 학습(semi-supervised learning) 또는 강화 학습(reinforcement learning)을 포함할 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 인공지능 모델은, 복수의 인공 신경망 레이어들을 포함할 수 있다. 인공 신경망은 심층 신경망(DNN: deep neural network), CNN(convolutional neural network), RNN(recurrent neural network), RBM(restricted boltzmann machine), DBN(deep belief network), BRDNN(bidirectional recurrent deep neural network), 심층 Q-네트워크(deep Q-networks) 또는 상기 중 둘 이상의 조합 중 하나일 수 있으나, 전술한 예에 한정되지 않는다. 인공지능 모델은 하드웨어 구조 이외에, 추가적으로 또는 대체적으로, 소프트웨어 구조를 포함할 수 있다.
메모리(1330)는, 전자 장치(1301)의 적어도 하나의 구성요소(예: 프로세서(1320) 또는 센서 모듈(1376))에 의해 사용되는 다양한 데이터를 저장할 수 있다. 데이터는, 예를 들어, 소프트웨어(예: 프로그램(1340)) 및, 이와 관련된 명령에 대한 입력 데이터 또는 출력 데이터를 포함할 수 있다. 메모리(1330)는, 휘발성 메모리(1332) 또는 비휘발성 메모리(1334)를 포함할 수 있다.
프로그램(1340)은 메모리(1330)에 소프트웨어로서 저장될 수 있으며, 예를 들면, 운영 체제(1342), 미들 웨어(1344) 또는 어플리케이션(1346)을 포함할 수 있다.
입력 모듈(1350)은, 전자 장치(1301)의 구성요소(예: 프로세서(1320))에 사용될 명령 또는 데이터를 전자 장치(1301)의 외부(예: 사용자)로부터 수신할 수 있다. 입력 모듈(1350)은, 예를 들면, 마이크, 마우스, 키보드, 키(예: 버튼), 또는 디지털 펜(예: 스타일러스 펜)을 포함할 수 있다.
음향 출력 모듈(1355)은 음향 신호를 전자 장치(1301)의 외부로 출력할 수 있다. 음향 출력 모듈(1355)은, 예를 들면, 스피커 또는 리시버를 포함할 수 있다. 스피커는 멀티미디어 재생 또는 녹음 재생과 같이 일반적인 용도로 사용될 수 있다. 리시버는 착신 전화를 수신하기 위해 사용될 수 있다. 일실시예에 따르면, 리시버는 스피커와 별개로, 또는 그 일부로서 구현될 수 있다.
디스플레이 모듈(1360)은 전자 장치(1301)의 외부(예: 사용자)로 정보를 시각적으로 제공할 수 있다. 디스플레이 모듈(1360)은, 예를 들면, 디스플레이, 홀로그램 장치, 또는 프로젝터 및 해당 장치를 제어하기 위한 제어 회로를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 디스플레이 모듈(1360)은 터치를 감지하도록 설정된 터치 센서, 또는 상기 터치에 의해 발생되는 힘의 세기를 측정하도록 설정된 압력 센서를 포함할 수 있다.
오디오 모듈(1370)은 소리를 전기 신호로 변환시키거나, 반대로 전기 신호를 소리로 변환시킬 수 있다. 일실시예에 따르면, 오디오 모듈(1370)은, 입력 모듈(1350)을 통해 소리를 획득하거나, 음향 출력 모듈(1355), 또는 전자 장치(1301)와 직접 또는 무선으로 연결된 외부 전자 장치(예: 전자 장치(1302))(예: 스피커 또는 헤드폰)를 통해 소리를 출력할 수 있다.
센서 모듈(1376)은 전자 장치(1301)의 작동 상태(예: 전력 또는 온도), 또는 외부의 환경 상태(예: 사용자 상태)를 감지하고, 감지된 상태에 대응하는 전기 신호 또는 데이터 값을 생성할 수 있다. 일실시예에 따르면, 센서 모듈(1376)은, 예를 들면, 제스처 센서, 자이로 센서, 기압 센서, 마그네틱 센서, 가속도 센서, 그립 센서, 근접 센서, 컬러 센서, IR(infrared) 센서, 생체 센서, 온도 센서, 습도 센서, 또는 조도 센서를 포함할 수 있다.
인터페이스(1377)는 전자 장치(1301)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(1302))와 직접 또는 무선으로 연결되기 위해 사용될 수 있는 하나 이상의 지정된 프로토콜들을 지원할 수 있다. 일실시예에 따르면, 인터페이스(1377)는, 예를 들면, HDMI(high definition multimedia interface), USB(universal serial bus) 인터페이스, SD카드 인터페이스, 또는 오디오 인터페이스를 포함할 수 있다.
연결 단자(1378)는, 그를 통해서 전자 장치(1301)가 외부 전자 장치(예: 전자 장치(1302))와 물리적으로 연결될 수 있는 커넥터를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 연결 단자(1378)는, 예를 들면, HDMI 커넥터, USB 커넥터, SD 카드 커넥터, 또는 오디오 커넥터(예: 헤드폰 커넥터)를 포함할 수 있다.
햅틱 모듈(1379)은 전기적 신호를 사용자가 촉각 또는 운동 감각을 통해서 인지할 수 있는 기계적인 자극(예: 진동 또는 움직임) 또는 전기적인 자극으로 변환할 수 있다. 일실시예에 따르면, 햅틱 모듈(1379)은, 예를 들면, 모터, 압전 소자, 또는 전기 자극 장치를 포함할 수 있다.
카메라 모듈(1380)은 정지 영상 및 동영상을 촬영할 수 있다. 일실시예에 따르면, 카메라 모듈(1380)은 하나 이상의 렌즈들, 이미지 센서들, 이미지 시그널 프로세서들, 또는 플래시들을 포함할 수 있다.
전력 관리 모듈(1388)은 전자 장치(1301)에 공급되는 전력을 관리할 수 있다. 일실시예에 따르면, 전력 관리 모듈(1388)은, 예를 들면, PMIC(power management integrated circuit)의 적어도 일부로서 구현될 수 있다.
배터리(1389)는 전자 장치(1301)의 적어도 하나의 구성요소에 전력을 공급할 수 있다. 일실시예에 따르면, 배터리(1389)는, 예를 들면, 재충전 불가능한 1차 전지, 재충전 가능한 2차 전지 또는 연료 전지를 포함할 수 있다.
통신 모듈(1390)은 전자 장치(1301)와 외부 전자 장치(예: 전자 장치(1302), 전자 장치(1304), 또는 서버(1308)) 간의 직접(예: 유선) 통신 채널 또는 무선 통신 채널의 수립, 및 수립된 통신 채널을 통한 통신 수행을 지원할 수 있다. 통신 모듈(1390)은 프로세서(1320)(예: 어플리케이션 프로세서)와 독립적으로 운영되고, 직접(예: 유선) 통신 또는 무선 통신을 지원하는 하나 이상의 커뮤니케이션 프로세서를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 통신 모듈(1390)은 무선 통신 모듈(1392)(예: 셀룰러 통신 모듈, 근거리 무선 통신 모듈, 또는 GNSS(global navigation satellite system) 통신 모듈) 또는 유선 통신 모듈(1394)(예: LAN(local area network) 통신 모듈, 또는 전력선 통신 모듈)을 포함할 수 있다. 이들 통신 모듈 중 해당하는 통신 모듈은 제 1 네트워크(1398)(예: 블루투스, WiFi(wireless fidelity) direct 또는 IrDA(infrared data association)와 같은 근거리 통신 네트워크) 또는 제 2 네트워크(1399)(예: 레거시 셀룰러 네트워크, 5G 네트워크, 차세대 통신 네트워크, 인터넷, 또는 컴퓨터 네트워크(예: LAN 또는 WAN)와 같은 원거리 통신 네트워크)를 통하여 외부의 전자 장치(1304)와 통신할 수 있다. 이런 여러 종류의 통신 모듈들은 하나의 구성요소(예: 단일 칩)로 통합되거나, 또는 서로 별도의 복수의 구성요소들(예: 복수 칩들)로 구현될 수 있다. 무선 통신 모듈(1392)은 가입자 식별 모듈(1396)에 저장된 가입자 정보(예: 국제 모바일 가입자 식별자(IMSI))를 이용하여 제 1 네트워크(1398) 또는 제 2 네트워크(1399)와 같은 통신 네트워크 내에서 전자 장치(1301)를 확인 또는 인증할 수 있다.
무선 통신 모듈(1392)은 4G 네트워크 이후의 5G 네트워크 및 차세대 통신 기술, 예를 들어, NR 접속 기술(new radio access technology)을 지원할 수 있다. NR 접속 기술은 고용량 데이터의 고속 전송(eMBB(enhanced mobile broadband)), 단말 전력 최소화와 다수 단말의 접속(mMTC(massive machine type communications)), 또는 고신뢰도와 저지연(URLLC(ultra-reliable and low-latency communications))을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(1392)은, 예를 들어, 높은 데이터 전송률 달성을 위해, 고주파 대역(예: mmWave 대역)을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(1392)은 고주파 대역에서의 성능 확보를 위한 다양한 기술들, 예를 들어, 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO(multiple-input and multiple-output)), 전차원 다중입출력(FD-MIMO: full dimensional MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 또는 대규모 안테나(large scale antenna)와 같은 기술들을 지원할 수 있다. 무선 통신 모듈(1392)은 전자 장치(1301), 외부 전자 장치(예: 전자 장치(1304)) 또는 네트워크 시스템(예: 제 2 네트워크(1399))에 규정되는 다양한 요구사항을 지원할 수 있다. 일실시예에 따르면, 무선 통신 모듈(1392)은 eMBB 실현을 위한 Peak data rate(예: 20Gbps 이상), mMTC 실현을 위한 손실 Coverage(예: 164dB 이하), 또는 URLLC 실현을 위한 U-plane latency(예: 다운링크(DL) 및 업링크(UL) 각각 0.5ms 이하, 또는 라운드 트립 1ms 이하)를 지원할 수 있다.
안테나 모듈(1397)은 신호 또는 전력을 외부(예: 외부의 전자 장치)로 송신하거나 외부로부터 수신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 안테나 모듈(1397)은 서브스트레이트(예: PCB) 위에 형성된 도전체 또는 도전성 패턴으로 이루어진 방사체를 포함하는 안테나를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 안테나 모듈(1397)은 복수의 안테나들(예: 어레이 안테나)을 포함할 수 있다. 이런 경우, 제 1 네트워크(1398) 또는 제 2 네트워크(1399)와 같은 통신 네트워크에서 사용되는 통신 방식에 적합한 적어도 하나의 안테나가, 예를 들면, 통신 모듈(1390)에 의하여 상기 복수의 안테나들로부터 선택될 수 있다. 신호 또는 전력은 상기 선택된 적어도 하나의 안테나를 통하여 통신 모듈(1390)과 외부의 전자 장치 간에 송신되거나 수신될 수 있다. 어떤 실시예에 따르면, 방사체 이외에 다른 부품(예: RFIC(radio frequency integrated circuit))이 추가로 안테나 모듈(1397)의 일부로 형성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 안테나 모듈(1397)은 mmWave 안테나 모듈을 형성할 수 있다. 일실시예에 따르면, mmWave 안테나 모듈은 인쇄 회로 기판, 상기 인쇄 회로 기판의 제 1 면(예: 아래 면)에 또는 그에 인접하여 배치되고 지정된 고주파 대역(예: mmWave 대역)을 지원할 수 있는 RFIC, 및 상기 인쇄 회로 기판의 제 2 면(예: 윗 면 또는 측 면)에 또는 그에 인접하여 배치되고 상기 지정된 고주파 대역의 신호를 송신 또는 수신할 수 있는 복수의 안테나들(예: 어레이 안테나)을 포함할 수 있다.
상기 구성요소들 중 적어도 일부는 주변 기기들간 통신 방식(예: 버스, GPIO(general purpose input and output), SPI(serial peripheral interface), 또는 MIPI(mobile industry processor interface))을 통해 서로 연결되고 신호(예: 명령 또는 데이터)를 상호간에 교환할 수 있다.
일실시예에 따르면, 명령 또는 데이터는 제 2 네트워크(1399)에 연결된 서버(1308)를 통해서 전자 장치(1301)와 외부의 전자 장치(1304)간에 송신 또는 수신될 수 있다. 외부의 전자 장치(1302, 또는 1304) 각각은 전자 장치(1301)와 동일한 또는 다른 종류의 장치일 수 있다. 일실시예에 따르면, 전자 장치(1301)에서 실행되는 동작들의 전부 또는 일부는 외부의 전자 장치들(1302, 1304, 또는 1308) 중 하나 이상의 외부의 전자 장치들에서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전자 장치(1301)가 어떤 기능이나 서비스를 자동으로, 또는 사용자 또는 다른 장치로부터의 요청에 반응하여 수행해야 할 경우에, 전자 장치(1301)는 기능 또는 서비스를 자체적으로 실행시키는 대신에 또는 추가적으로, 하나 이상의 외부의 전자 장치들에게 그 기능 또는 그 서비스의 적어도 일부를 수행하라고 요청할 수 있다. 상기 요청을 수신한 하나 이상의 외부의 전자 장치들은 요청된 기능 또는 서비스의 적어도 일부, 또는 상기 요청과 관련된 추가 기능 또는 서비스를 실행하고, 그 실행의 결과를 전자 장치(1301)로 전달할 수 있다. 전자 장치(1301)는 상기 결과를, 그대로 또는 추가적으로 처리하여, 상기 요청에 대한 응답의 적어도 일부로서 제공할 수 있다. 이를 위하여, 예를 들면, 클라우드 컴퓨팅, 분산 컴퓨팅, 모바일 에지 컴퓨팅(MEC: mobile edge computing), 또는 클라이언트-서버 컴퓨팅 기술이 이용될 수 있다. 전자 장치(1301)는, 예를 들어, 분산 컴퓨팅 또는 모바일 에지 컴퓨팅을 이용하여 초저지연 서비스를 제공할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 외부의 전자 장치(1304)는 IoT(internet of things) 기기를 포함할 수 있다. 서버(1308)는 기계 학습 및/또는 신경망을 이용한 지능형 서버일 수 있다. 일실시예에 따르면, 외부의 전자 장치(1304) 또는 서버(1308)는 제 2 네트워크(1399) 내에 포함될 수 있다. 전자 장치(1301)는 5G 통신 기술 및 IoT 관련 기술을 기반으로 지능형 서비스(예: 스마트 홈, 스마트 시티, 스마트 카, 또는 헬스 케어)에 적용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)는 제1 대역폭(420nm ~ 460nm)에 대응하는 제1 파장대, 및 제2 대역폭(500 nm ~ 540 nm)에 대응하는 제2 파장대 중 어느 하나와 제3 대역폭(785 nm ~ 825 nm)에 대응하는 제3 파장대를 포함하는 다중 파장들의 광들을 발광하는 광원(315)을 포함하는 발광부(310, 410, 420, 430, 440, 510), , 상기 다중 파장들의 광들에 의해 사용자의 피부로부터 반사되는 적어도 일부를 검출하는 수광부(320, 460, 530), 상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 흡수율과 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin)의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하고, 상기 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득하는 신호 획득부(340), 및 상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트(%) 비율을 추정하는 추정부(350)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신호 획득부(340)는 상기 반사광들 중 상기 산소 헤모글로빈 및 상기 환원 헤모글로빈의 제2 흡수율과 상기 카르복시 헤모글로빈의 제1 흡수율이 상이한 상기 제3 파장대와, 상기 제2 흡수율이 상기 제1 흡수율과 동일한 상기 제1 파장대 또는 상기 제2 파장대 중 어느 하나를 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신호 획득부(340)는 상기 반사광들 중 상기 제2 흡수율이 상기 제1 흡수율과 실질적으로 동일한 상기 제1 파장대의 광 또는 상기 제2 파장대의 광을 제1 파장의 광을 결정하고, 상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율이 동일하지 않은 상기 제3 파장대의 광을 제2 파장의 광을 결정하고, 상기 제1 파장의 광과 상기 제2 파장의 광에서의 상기 대상에 대응하는 상기 제1 흡수율을 산출하며, 상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율 간의 차이가 일정 기준보다 큰 경우, 상기 제1 파장의 광과 상기 제2 파장의 광을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 파장은 약 520nm이고, 상기 제2 파장은 약 805nm 일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 발광부(310, 410, 420, 430, 440, 510)는 다수의 발광부(310, 410, 420, 430, 440, 510)들을 포함하고, 상기 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)는 일정 시간 간격으로 서로 다른 파장들에 대응하는 상기 다수의 발광부(310, 410, 420, 430, 440, 510)들을 동작시키고, 상기 다수의 발광부(310, 410, 420, 430, 440, 510)들의 동작에 기반하여 상기 수광부(320, 460, 530)에 의해 검출된 반사광들을 이용하여 상기 맥파 신호들을 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)는 상기 검출된 반사광들에 대한 신호 증폭 및 필터링을 포함하는 신호 처리를 수행하는 아날로그 회로, 및 상기 신호 처리된 반사광들을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광원(315)은 단일 파장대의 광을 발생하는 하나의 LED 광원(315), 단일 파장대의 광을 발생하는 다수 개의 LED 광원(315)들, 및 분광 센서 내 다중 파장들을 발생하는 다중 스펙트럼 광원(315) 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 대상은 카르복시 헤모글로빈(carboxyhemoglobin, COHb)을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 추정부(350)는 상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 상기 산소 헤모글로빈 및 상기 환원 헤모글로빈을 포함하는 전체 헤모글로빈(Hb) 중 상기 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 추정부(350)는 상기 맥파 신호들을 기초로, 상기 각 파장 별 체적 변화에 의한 상대적 흡수율들을 산출하고, 미리 획득한 상기 대상에 대응하는 정보에 상기 상대적 흡수율들을 적용함으로써, 상기 대상의 퍼센트 비율을 추정할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 대상에 대응하는 정보는 미리 계산된 비율과 상기 대상의 농도의 상관 계수 간의 차이를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)는 상기 추정한 대상의 퍼센트 비율의 크기에 따라, 경증(mild), 보통(moderate), 중증(severe) 및 위험(fatal)을 포함하는 상기 사용자의 위험도 정보를 정의할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)는 상기 사용자의 생체 정보를 기초로, 상기 사용자가 수면 중인지 여부를 결정하고, 상기 사용자가 수면 중이라고 결정된 경우, 일정 시간 구간 동안 상기 대상의 퍼센트 비율이 임계치 이상 증가했는지 여부를 결정하며, 상기 대상의 퍼센트 비율이 상기 임계치 이상 증가했다고 결정된 경우, 상기 사용자가 상기 대상에 의한 위험 상태임을 알릴 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)는 상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 알림으로 제공하는 알림부(360)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 알림부(360)는 화면의 점멸, 화면의 번쩍임, 촉각에 의한 햅틱 알림, 및 알람 소리 중 적어도 하나의 알림 방식에 의해 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 상기 사용자에게 알리거나, 또는 지정된 연락처로의 통신 연결 또는 메시지 전송을 통해 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 미리 정해진 연락 대상에게 알릴 수 있다.
일 실시예에 따르면, 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)로부터, 다중 파장들의 광들에 의한 반사광들 중 선택된 두 개 이상의 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 수신하는 통신 인터페이스(1210), 상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하고, 상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 산출하는 프로세서(1230), 및 상기 위험도 정보에 따라 사용자에게 알림을 제공하는 출력 장치(1250)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)는 상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈 각각에 대응하는 제2 흡수율과 상기 대상에 대응하는 상기 피부의 제1 흡수율 간의 차이를 이용하여 상기 둘 이상의 파장의 광들을 선택하는 신호 획득부(340)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신호 획득부(340)는 상기 반사광들 중 상기 제2 흡수율은 동일하고, 상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율 간의 차이는 일정 기준보다 큰 상기 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신호 획득부(340)는 상기 반사광들 중 상기 제2 흡수율이 실질적으로 동일한 타겟 파장들을 결정하고, 상기 타겟 파장들의 광들에서의 상기 대상에 대응하는 상기 제1 흡수율을 산출하며, 상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율 간의 차이가 일정 기준보다 큰 경우, 상기 타겟 파장들의 광들을 선택할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 웨어러블 디바이스(100, 200, 300)의 동작 방법은 광원(315)에 의해 사용자의 피부에 다중 파장들의 광들을 조사하는 동작(도 10의 동작 1010), 상기 다중 파장들의 광들에 의해 상기 피부로부터 반사되는 반사광들을 검출하는 동작(도 10의 동작 1020), 상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈의 흡수율과 환원 헤모글로빈의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하는 동작(도 10의 동작 1030), 상기 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득하는 동작(도 10의 동작 1040), 상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하는 동작(도 10의 동작 1050), 및 상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 알리는 동작(도 10의 동작 1060)을 포함할 수 있다.
.
본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 웨어러블 디바이스 및/또는 전자 장치는 다양한 형태의 장치가 될 수 있다.
전자 장치는, 예를 들면, 휴대용 통신 장치(예: 스마트폰), 컴퓨터 장치, 휴대용 멀티미디어 장치, 휴대용 의료 장치, 카메라, 웨어러블 장치, 또는 가전 장치를 포함할 수 있다. 본 문서의 실시예에 따른 전자 장치는 전술한 장치들에 한정되지 않는다. 웨어러블 디바이스는 예를 들면, 목걸이형, 시계형, 팔찌형, 반지형, 및/또는 안경형일 수 있으나, 반드시 이에 한정되지는 않는다.
본 문서의 다양한 실시예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수 형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1", "제2", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
본 문서의 다양한 실시예들에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시예들은 장치(machine)(예: 도 13의 전자 장치(1301)) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리(1336) 또는 외장 메모리(1338))에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램(1340))로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 장치(예: 전자 장치(1301))의 프로세서(예: 프로세서(1320))는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 장치가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 장치로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비일시적'은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 장치로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들(예: 스마트 폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 장치로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 대역폭(420nm ~ 460nm)에 대응하는 제1 파장대, 및 제2 대역폭(500 nm ~ 540 nm)에 대응하는 제2 파장대 중 어느 하나와 제3 대역폭(785 nm ~ 825 nm)에 대응하는 제3 파장대를 포함하는 다중 파장들의 광들을 발광하는 광원을 포함하는 발광부;
    상기 다중 파장들의 광들에 의해 사용자의 피부로부터 반사되는 반사광들의 적어도 일부를 검출하는 수광부;
    상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈(oxyhemoglobin)의 흡수율과 환원 헤모글로빈(reduced hemoglobin)의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하고, 상기 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득하는 신호 획득부; 및
    상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트(%) 비율을 추정하는 추정부
    를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 획득부는
    상기 반사광들 중 상기 산소 헤모글로빈 및 상기 환원 헤모글로빈의 제2 흡수율과 카르복시 헤모글로빈의 제1 흡수율이 상이한 상기 제3 파장대와, 상기 제2 흡수율이 상기 제1 흡수율과 동일한 상기 제1 파장대 또는 상기 제2 파장대 중 어느 하나를 선택하는, 웨어러블 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 신호 획득부는
    상기 반사광들 중 상기 제2 흡수율이 상기 제1 흡수율과 실질적으로 동일한 상기 제1 파장대의 광 또는 상기 제2 파장대의 광을 제1 파장의 광을 결정하고,
    상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율이 동일하지 않은 상기 제3 파장대의 광을 제2 파장의 광을 결정하고, 상기 제1 파장의 광과 상기 제2 파장의 광에서의 상기 대상에 대응하는 상기 제1 흡수율을 산출하며,
    상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율 간의 차이가 일정 기준보다 큰 경우, 상기 제1 파장의 광과 상기 제2 파장의 광을 선택하는, 웨어러블 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 파장은 520nm이고,
    상기 제2 파장은 805nm 인, 웨어러블 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는
    다수의 발광부들을 포함하고,
    상기 웨어러블 디바이스는
    지정된 시간 간격으로 서로 다른 파장들에 대응하는 상기 다수의 발광부들을 동작시키고,
    상기 다수의 발광부들의 동작에 기반하여 상기 수광부에 의해 검출된 반사광들을 이용하여 상기 맥파 신호들을 획득하는, 웨어러블 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 디바이스는
    상기 검출된 반사광들에 대한 신호 증폭 및 필터링을 포함하는 신호 처리를 수행하는 아날로그 회로; 및
    상기 신호 처리된 반사광들을 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기
    를 더 포함하는, 웨어러블 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은
    단일 파장대의 광을 발생하는 하나의 LED 광원;
    단일 파장대의 광을 발생하는 다수 개의 LED 광원들; 및
    분광 센서 내 다중 파장들을 발생하는 다중 스펙트럼 광원
    중 어느 하나를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 대상은
    카르복시 헤모글로빈(carboxyhemoglobin; COHb)을 포함하는, 웨어러블 디바이스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 추정부는
    상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 상기 산소 헤모글로빈 및 상기 환원 헤모글로빈을 포함하는 전체 헤모글로빈(Hb) 중 상기 대상의 퍼센트 비율을 추정하는, 웨어러블 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 추정부는
    상기 맥파 신호들을 기초로, 상기 각 파장 별 체적 변화에 의한 상대적 흡수율들을 산출하고,
    미리 획득한 상기 대상에 대응하는 정보에 상기 상대적 흡수율들을 적용함으로써, 상기 대상의 퍼센트 비율을 추정하는, 웨어러블 디바이스.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 대상에 대응하는 정보는
    미리 계산된 비율과 상기 대상의 농도의 상관 계수 간의 차이를 포함하는, 웨어러블 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 디바이스는
    상기 추정한 대상의 퍼센트 비율의 크기에 따라, 경증(mild), 보통(moderate), 중증(severe) 및 위험(fatal)을 포함하는 상기 사용자의 위험도 정보를 정의하는, 웨어러블 디바이스.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 디바이스는
    상기 사용자의 생체 정보를 기초로, 상기 사용자가 수면 중인지 여부를 결정하고, 상기 사용자가 수면 중이라고 결정된 경우, 일정 시간 구간 동안 상기 대상의 퍼센트 비율이 임계치 이상 증가했는지 여부를 결정하며,
    상기 대상의 퍼센트 비율이 상기 임계치 이상 증가했다고 결정된 경우, 상기 사용자가 상기 대상에 의한 위험 상태임을 알리는, 웨어러블 디바이스.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 웨어러블 디바이스는
    상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 알림으로 제공하는 알림부
    를 더 포함하는, 웨어러블 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 알림부는
    화면의 점멸, 화면의 번쩍임, 촉각에 의한 햅틱 알림, 및 알람 소리 중 적어도 하나의 알림 방식에 의해 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 사용자에게 알리거나, 또는 지정된 연락처로의 통신 연결 또는 메시지 전송을 통해 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 미리 정해진 연락 대상에게 알리는, 웨어러블 디바이스.
  16. 웨어러블 디바이스로부터, 다중 파장들의 광들에 의한 반사광들 중 선택된 두 개 이상의 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 수신하는 통신 인터페이스;
    상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하고, 상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 산출하는 프로세서; 및
    상기 위험도 정보에 따라 사용자에게 알림을 제공하는 출력 장치
    를 포함하는, 전자 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 웨어러블 디바이스는
    상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈 및 환원 헤모글로빈 각각에 대응하는 제2 흡수율과 상기 대상에 대응하는 피부의 제1 흡수율 간의 차이를 이용하여 상기 두 개 이상의 파장의 광들을 선택하는 신호 획득부
    를 포함하는, 전자 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 신호 획득부는
    상기 반사광들 중 상기 제2 흡수율은 동일하고, 상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율 간의 차이는 일정 기준보다 큰 상기 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하는, 전자 장치.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 신호 획득부는
    상기 반사광들 중 상기 제2 흡수율이 실질적으로 동일한 타겟 파장들을 결정하고,
    상기 타겟 파장들의 광들에서의 상기 대상에 대응하는 상기 제1 흡수율을 산출하며,
    상기 제2 흡수율과 상기 제1 흡수율 간의 차이가 일정 기준보다 큰 경우, 상기 타겟 파장들의 광들을 선택하는, 전자 장치.
  20. 광원에 의해 사용자의 피부에 다중 파장들의 광들을 조사하는 동작;
    상기 다중 파장들의 광들에 의해 상기 피부로부터 반사되는 반사광들을 검출하는 동작;
    상기 반사광들 중 산소 헤모글로빈의 흡수율과 환원 헤모글로빈의 흡수율이 동일한 두 개 이상의 파장들의 광들을 선택하는 동작;
    상기 선택한 파장들의 광들에 대응하는 맥파 신호들을 획득하는 동작;
    상기 맥파 신호들의 각 파장 별 흡수율의 비율을 기초로, 검출하고자 하는 대상의 퍼센트 비율을 추정하는 동작; 및
    상기 대상의 퍼센트 비율을 기초로, 상기 대상에 대응하는 위험도 정보를 알리는 동작
    을 포함하는, 웨어러블 디바이스의 동작 방법.
KR1020220112944A 2022-06-13 2022-09-06 타겟 물질의 퍼센트 비율을 추정하는 웨어러블 디바이스 및 전자 장치, 및 그의 동작 방법 KR20230171841A (ko)

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