WO2017116100A1 - 인체 착용장치 및 이의 동작 방법 - Google Patents

인체 착용장치 및 이의 동작 방법 Download PDF

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reflector
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reflection angle
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이상훈
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LG Innotek Co Ltd
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Definitions

  • Embodiments relate to a wearable device and a method of operating the same.
  • a wearable device for wearing on a body part or clothing including a watch type mobile phone worn on a user's wrist, has been developed.
  • Chronic diseases such as high blood pressure, diabetes, cerebrovascular disease and heart disease continue to increase.
  • the causes are almost half of disease outbreaks caused by health behaviors of individuals and groups, especially diets and sports-related diets. Therefore, it is difficult to solve such chronic diseases by the biomedical model of modern medicine alone, and a health-promoting approach of removing the health risk factors through the improvement of lifestyle is required.
  • the pulse rate measurement method has largely used piezoelectric type using piezo elements, magnetic type using Magnetic Tunnel Junction (MTJ) elements, compression type using film type pressure sensors, and bioelectrical impedance. Impedance type, optical type using an optical sensor, and the like, and recently, a human-mounted pulse measuring device that can be worn on a wrist or neck has been proposed.
  • MTJ Magnetic Tunnel Junction
  • FIG. 1 is a view showing a wearable device according to the prior art.
  • a wearable device includes a substrate 10, a light emitting device 30, a light receiving device 20, a structure 40, a partition 50, and an optical window 60.
  • the substrate 10 is a base substrate for mounting the components constituting the wearable device.
  • the light emitting element 30 generates light of a specific wavelength band according to the light emission control signal.
  • the light receiving element 20 receives light incident upon the light generated through the light emitting element 30.
  • Structure 40 is a support structure for supporting the optical window 60.
  • the partition wall 50 is disposed between the light emitting element 30 and the light receiving element 20 to prevent the light generated through the light emitting element 30 from directly entering the light receiving element 20.
  • the optical window 60 is disposed on the emission surface and the incident surface of the light emitting element 30 and the light receiving element 20, respectively, to protect the light emitting element 30 and the light receiving element 20 from the outside.
  • the human body wearing apparatus detects a human body signal according to a voltage (ie, a light receiving voltage) of light received through the light receiving element 20.
  • a voltage ie, a light receiving voltage
  • the human body signal may include heart rate or oxygen saturation.
  • FIG. 2 is a view showing the operating principle of the wearable device according to the prior art.
  • the light generated by the light emitting device 30 is reflected by the skin corresponding to the measurement object and is incident on the light receiving device 20.
  • the incident light includes a first light reflected by the surface of the skin and a second light reflected by the internal scattering of the skin tissue inside the skin.
  • the first light is substantially light due to a noise factor
  • only the second light is a significant signal used to detect the human body signal.
  • the distance between the light emitting device 30 and the light receiving device 20 is limited, and thus there is a problem in that the first light is generated.
  • the distortion of the optical path is generated by the limited interval, thereby increasing the power consumption for signal amplification, there is a problem that the battery consumption is increased or the life is shortened.
  • the size of the received light according to age, age, and skin color is different, and accordingly, there is a problem in that the accuracy of the detected human signal decreases according to a measurement target.
  • a reflector for reflecting light between the light emitting element and the light receiving element by placing a reflector for reflecting light between the light emitting element and the light receiving element, a human wearing device and an operation method thereof that can minimize the optical path through the skin tissue while reducing the surface reflection to provide.
  • a human body wearing apparatus and its operation method capable of accurately detecting a desired human signal by optimizing the optical path between the light emitting element and the light receiving element.
  • Body wear device the substrate; A light emitting unit disposed on the substrate; A light receiving unit disposed on the substrate and spaced apart from the light emitting unit at a predetermined interval; And a first reflector disposed on the substrate adjacent to the light emitter to reflect light generated through the light emitter.
  • the light emitting portion is disposed on the substrate so that the light emitting surface is located on the side.
  • the light emitting part generates the light in a first direction parallel to the object to be measured, and the first reflector reflects the light in a second direction corresponding to the object to be measured.
  • the first reflector may include an EMS mirror (Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror).
  • EMS mirror Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror
  • the light emitting part is disposed on the substrate such that a light exit surface is positioned on an upper surface thereof, and generates light in a first direction corresponding to the measurement target.
  • the apparatus may further include a second reflector disposed at a position opposite to the light exit surface of the light emitter, wherein the first reflector is disposed in a light reflection path of the second reflector.
  • the second reflector reflects light generated in the first direction in a second direction parallel to the measurement object, and the first reflector corresponds to light to be reflected in the second direction. In the third direction.
  • the light emitting device may further include an optical window disposed on the substrate to protect the light emitting part and the light receiving part.
  • the second reflecting part may be disposed on a bottom surface of the optical window.
  • the apparatus may further include a driver disposed on the substrate, wherein the light receiver is disposed on the driver.
  • the driving unit changes the reflection angle of the first reflecting unit within an effective range.
  • the driving unit may change a reflection angle of the first reflector to measure a signal-to-noise ratio of an optical signal received through the light-receiving unit according to each reflection angle, and the reflection angle having the largest signal-to-noise ratio measured. Set the reflection angle of the first reflector based on the.
  • the driving unit may set the reflection angle of the first reflecting unit at the time of initial wearing or re-wearing of the human body wearing apparatus.
  • the display apparatus may further include a partition wall disposed between the light emitting part and the light receiving part of the substrate to divide the upper area of the substrate into a region in which the light emitting part is disposed and a region in which the light receiving part is disposed.
  • the driving method of the wearable device comprises the steps of changing the reflection angle of the reflector reflecting the light emitted from the light emitting portion in the measurement target direction within the effective range; Determining a state of light received at the light receiving unit for each reflection angle changed within the effective range; And determining a reflection angle of the reflector according to the determined state of light.
  • the light emitting part generates light in a first direction parallel to the measurement object, and the reflection part reflects the light in a second direction corresponding to the measurement object according to the reflection angle.
  • the determining of the state of the light may include determining a signal-to-noise ratio of the optical signal received through the light receiver.
  • the determining may include identifying a reflection angle having the largest signal-to-noise ratio, and determining the identified reflection angle as a reflection angle of the reflector.
  • noise reflected from the surface of the skin to be measured may be reduced.
  • FIG. 1 is a view showing a wearable device according to the prior art.
  • FIG. 2 is a view showing the operating principle of the wearable device according to the prior art.
  • FIG 3 is a view showing the structure of a wearable device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are views illustrating an optical path according to a reflection angle of a reflector according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the internal configuration of the wear device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a step-by-step method of operating the wearable device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 8 and 9 are views showing the structure of a wearable device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining a step-by-step method of operating a wearable device according to a second embodiment of the present invention.
  • Combinations of each block and each step of the flowchart in the accompanying drawings may be performed by computer program instructions.
  • These computer program instructions may be mounted on a processor of a general purpose computer, special purpose computer, or other programmable data processing equipment such that the instructions executed by the processor of the computer or other programmable data processing equipment are executed in each block or flowchart of the figure. It will create means for performing the functions described in the steps.
  • These computer program instructions may be stored in a computer usable or computer readable memory that can be directed to a computer or other programmable data processing equipment to implement functionality in a particular manner, and thus the computer usable or computer readable memory.
  • Instructions stored therein may produce an article of manufacture containing instruction means for performing the functions described in each step of each block or flowchart of the figure.
  • Computer program instructions may also be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, such that a series of operating steps may be performed on the computer or other programmable data processing equipment to create a computer-implemented process to create a computer or other programmable data. Instructions for performing the processing equipment may also provide steps for executing the functions described in each block of the figures and in each step of the flowchart.
  • each block or step may represent a portion of a module, segment or code that includes one or more executable instructions for executing a specified logical function (s).
  • a specified logical function s.
  • the functions noted in the blocks or steps may occur out of order.
  • the two blocks or steps shown in succession may in fact be executed substantially concurrently or the blocks or steps may sometimes be performed in the reverse order, depending on the functionality involved.
  • the present invention by reflecting a light reflecting light generated through the light emitting device in the adjacent region of the light emitting device, it is possible to reduce the surface reflection noise while minimizing the light path passing through the internal tissue of the measurement object It provides a human wearing device and a method of operating the same.
  • FIG 3 is a view showing the structure of a wearable device according to a first embodiment of the present invention.
  • the human body wearing device includes a substrate 110, a light emitting unit 120, a reflecting unit 130, a light receiving unit 140, a driving unit 150, a structure 160, a partition wall 170, and an optical window ( 180).
  • the substrate 110 is a base substrate for mounting the components constituting the wearable device.
  • the substrate 110 may be a support substrate of the human body wearing apparatus in which a single circuit pattern is formed, and may mean a specific insulating layer in which one circuit pattern is formed among substrates having a plurality of stacked structures.
  • the substrate 110 may be a thermosetting or thermoplastic polymer substrate, a ceramic substrate, an organic-inorganic composite material substrate, or a glass fiber impregnated substrate.
  • the substrate 110 may include a polymer resin
  • the substrate 110 may include an epoxy-based insulating resin.
  • Polyimide resin may also be included.
  • the substrate 110 is a plate on which an electric circuit for changing wiring is organized, and may include all of a printed circuit board, an insulation board, and an insulation board made of an insulation material capable of forming a conductor pattern on the surface of the insulation board. .
  • the substrate 110 may be rigid or flexible.
  • the substrate 110 may include glass or plastic.
  • the substrate 110 may include chemically strengthened / semi-hardened glass such as soda lime glass or aluminosilicate glass, or may be polyimide (PI) or polyethylene terephthalate (PET). It may include reinforced or soft plastics such as propylene glycol (PPG) polycarbonate (PC) or sapphire.
  • PI polyimide
  • PET polyethylene terephthalate
  • PPG propylene glycol
  • PC propylene glycol
  • the substrate 110 may include an optically isotropic film.
  • the substrate 110 may include a cyclic olefin copolymer (COC), a cyclic olefin polymer (COP), an isotropic polycarbonate (PC), or an isotropic polymethyl methacrylate (PMMA).
  • COC cyclic olefin copolymer
  • COP cyclic olefin polymer
  • PC isotropic polycarbonate
  • PMMA isotropic polymethyl methacrylate
  • the substrate 110 may be curved while having a partially curved surface. That is, the substrate 110 may be partially curved and partially curved.
  • an end of the substrate 110 may have a curved surface and may have a surface including a curved or random curvature and may be curved or bent.
  • the substrate 110 may be a flexible substrate having flexible characteristics.
  • the substrate 110 may be a curved or bent substrate.
  • the substrate 110 expresses the electric wiring for connecting the circuit components based on the circuit design in a wiring diagram, and can reproduce the electrical conductor on the insulator.
  • a circuit pattern (not shown) electrically connected to the light emitting unit 120, the reflecting unit 130, the light receiving unit 140, and the driving unit 150 will be formed on the surface of the substrate 110.
  • the circuit pattern may be formed by an additive process, a subtractive process, a modified semi additive process (MSAP), or a semi additive process (SAP) process, which is a manufacturing process of a conventional printed circuit board. The detailed description is omitted.
  • the surface of the substrate 110 may be divided into a first region in which the light emitter 120 is mounted and a second region in which the light receiver 140 is mounted.
  • a partition wall 170 may be disposed between the first area and the second area, and the surface of the substrate 110 may be divided into the first area and the second area by the partition wall 170.
  • the partition wall 170 is disposed between the light emitting unit 120 and the light receiving unit 140 to prevent the light generated through the light emitting unit 120 from directly entering the light receiving unit 140.
  • the light emitter 120 and the reflector 130 are disposed in the first region of the substrate 110.
  • the light emitting unit 120 includes a light emitting device for generating light of a specific wavelength band according to the light emission control signal.
  • a light emitting surface (LES) of the light emitting unit 120 is disposed so as not to overlap the skin of the measurement target.
  • the light emitting unit 120 is disposed in a vertical position on the substrate 110. Accordingly, a light emitting surface (LES) of the light emitting part 120 is not disposed above the light emitting part 120 so as to overlap with the skin of the measurement target, and the side of the light emitting part 120 does not have a light emitting surface 120. Is placed on.
  • the light generated by the light emitting unit 120 is not directly transmitted to the measurement target.
  • the light emitter 120 in a general human body wearing device, light emitted from the light emitting part 120 is directly transmitted to the skin of the measurement target.
  • the light emitter 120 according to the related art generates light in a direction perpendicular to the skin of the measurement target. That is, a light emitting surface (LES) of the light emitting unit 120 according to the related art is disposed to face the skin of the measurement target.
  • LES light emitting surface
  • the light emitter 120 does not generate light directly to the skin of the measurement target, but generates light in the direction in which the reflector 130 is disposed.
  • the light emitting unit 120 generates light in a direction parallel to the skin of the measurement target, and thus the light emitting surface (LES) of the light emitting unit 120 is the skin of the measurement target. It is arranged in a direction perpendicular to the.
  • LES light emitting surface
  • the reflector 130 reflects light generated through the light emitter 120 in a specific direction according to a predetermined angle.
  • the reflector 130 includes a light reflecting region, and the light reflecting region is disposed to face the exit surface of the light emitting unit 120.
  • the light reflecting region of the reflector 130 reflects light generated through the light emitter 120 to the skin of the measurement target.
  • the reflector 130 is preferably a MEMS mirror (Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror).
  • MEMS Micro-electro-mechanical systems
  • MEMS also known as 'smart meters', are devices that have a microcircuit of tiny silicon chips that are used in the manufacture of mechanical devices such as reflectors or sensors, inflating the airbag to match the speed detected by the car's airbag and the weight of the guardian.
  • Global positioning system sensor for continuous tracking and handling of cargo transport, interactive sensor to detect changes in air flow according to the surface air resistance of the aircraft wing, and to produce optical signals at speeds of 20 nanoseconds It is used in many applications such as light switching devices, sensor-operated cold and warm devices, and sensors in buildings that change the flexibility of materials reacting to atmospheric pressure. As such, MEMS has been widely applied in various fields because it greatly improves the performance of the product to which the application is applied, and at the same time, the size and size can be reduced.
  • Such MEMS is also applied to implement a mirror.
  • the mirror implemented by MEMS (hereinafter referred to as 'MEMS mirror') is a mirror using electrostatic force, a mirror using electromagnetic force, a mirror using piezoelectric force and thermal deformation according to the driving method of driving the mirror. It can be divided into a used mirror and the like.
  • the mirror using the electrostatic force can be further divided into a parallel plate driving method and a comb-drive method.
  • each of the driving methods has its own advantages and disadvantages compared to other driving methods, and among these, the comb-type driving method which is easy to manufacture and has low power consumption and excellent driving force, torque and maximum stroke is the most. It is widely used.
  • the MEMS mirror as described above may be minutely changed within a preset effective angle range.
  • the reflection angle of the MEMS mirror constituting the reflector 130 is selectively changed to reflect the light generated through the light emitter 120 in an optimal light path suitable for the measurement target.
  • the light reflection region of the reflector 130 is opposite to the light exit surface of the light emitter 120.
  • the uppermost part of the reflector 130 is positioned higher than the uppermost part of the light emitter 120, so that the reflection is made to the measurement target without loss of light generated through the light emitter 120.
  • Structure 160 is a support structure for supporting optical window 180.
  • the optical window 180 is disposed to be spaced apart from the light reflection region of the reflector 130 and the light incident surface of the light receiver 140 by a predetermined distance, and the light emitter 120, the light receiver 140, and the reflector from the outside.
  • Protect 130 is disposed to be spaced apart from the light reflection region of the reflector 130 and the light incident surface of the light receiver 140 by a predetermined distance, and the light emitter 120, the light receiver 140, and the reflector from the outside.
  • Protect 130 is disposed to be spaced apart from the light reflection region of the reflector 130 and the light incident surface of the light receiver 140 by a predetermined distance, and the light emitter 120, the light receiver 140, and the reflector from the outside.
  • the optical window 180 forms an optical path so that the light reflected through the reflector 130 is supplied to the outside (preferably, the skin of the object to be measured), and the light incident from the outside is received by the light receiver 140. To be supplied.
  • the driving unit 150 and the light receiving unit 140 are disposed in the second region of the substrate 110.
  • the driver 150 is disposed on the substrate 110, and the light receiver 140 is disposed on the driver 150.
  • the driver 150 may be a signal processing device that processes a signal received through the light receiver 140, and may be implemented as an application specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the light receiver 140 is disposed on the driver 150.
  • the light receiving unit 140 is disposed on the driving unit 150 so that the light incident surface faces upward.
  • the driving unit 150 includes a control unit (not shown), by controlling the reflecting unit 130 according to the wearing state of the human body wearing device, the reflection to match the human body wearing the human wearing device The reflection angle of the unit 130 is adjusted.
  • FIGS. 4 and 5 are views illustrating an optical path according to a reflection angle of a reflector according to a first embodiment of the present invention.
  • the reflector 130 may change an angle within a preset effective angle range.
  • the path of the light reflected to the measurement target is changed according to the reflection angle of the reflector 130, and a change occurs in the state of light received through the light receiver 140 according to the light path.
  • the path of the light reflected through the reflector 130 may define the first path l_1.
  • the light receiving unit 140 is incident.
  • the path of the light reflected through the reflector 130 is the first path
  • the light incident part 140 is incident on the light receiving unit 140 through a second path l_2 that is different from the second path l_2.
  • the state of light incident through the first path and the state of light incident through the second path are different from each other.
  • an optimal light path is not determined among the light paths, and a difference occurs in a light path showing an optimal signal state according to race, age, and gender.
  • the driving unit 150 determines whether the human body wearing device is worn on the human body, and enters the angle setting mode of the reflecting unit 130 when the driving unit 150 is worn by the human body. The optimal reflection angle with respect to the reflector 130 is sensed.
  • the driving unit 150 changes the reflection angle of the reflecting unit 130 within an effective range, and the state of the optical signal received through the light receiving unit 140 according to each of the changed reflection angles. To judge.
  • the effective range for the reflection angle of the reflector 130 may be set to 0 ° ⁇ 60 °
  • the drive unit 150 is fine the reflection angle within the effective range of 0 ° ⁇ 60 °
  • the signal to noise ratio (SNR) of the optical signal incident on the light receiving unit 140 is checked according to each reflection angle to be adjusted.
  • the driving unit 150 moves the effective range of the reflecting unit 130, and thus the light reflected through the reflecting unit 130 passes through the capillaries of the skin. Then find the angle of reflection where the signal-to-noise ratio of the reflected optical signal is the highest.
  • the large signal-to-noise ratio of the optical signal means that the quality of the original pulsation signal has been improved to the best. Accordingly, the driving unit 150 is applied to the reflector 130 having the largest signal-to-noise ratio. Find the reflection angle for
  • the driving unit 150 fixes the reflection angle of the reflection unit 130 based on the determined reflection angle, and measures the biosignal according to the fixed reflection angle.
  • the driver 150 re-enters the reflection angle setting mode as described above when the user's movement and the user's wearing of the human body wearing device are re-installed, and determines the optimum reflection angle suitable for the current state.
  • FIG. 6 is a view showing the internal configuration of the wear device according to a first embodiment of the present invention.
  • the human wearing device 100 may include a light emitter 120, a light receiver 140, and a driver 150.
  • the light emitter 120 generates light according to a control signal of the driver 150.
  • the light emitting unit 120 may be classified into light emitting means for generating light and driving means for driving the light emitting means.
  • the driving means of the light emitting unit 120 is a digital-to-analog converter 121 for converting a digital signal output through the driving unit 150 into an analog signal, and the signal converted through the digital-to-analog converter 121 as a primary A first amplifier 122 to amplify, and a second amplifier 123 to amplify the second amplified signal first through the first amplifier 122.
  • the digital-analog converter 121 converts the digital signal into an analog signal in order to set the current of the light emitting element 124.
  • the first and second amplifiers 122 and 123 are signal amplifiers for supplying an alternating current necessary for driving the light emitting element 124 to the light emitting element 124.
  • the light emitting device 124 may generate light having different wavelengths according to the human body signal to be detected. That is, the light emitting device 124 may be a red light emitting diode that generates light having a wavelength of 660 nm when the human body signal to be detected is a heart rate.
  • the light receiver 140 receives incident light including light reflected from a subject under light emission of the light emitter 120.
  • the light receiving unit 140 includes a light receiving element 141 for receiving the incident light, a first amplifier 142 and a first amplifier 142 for first amplifying an optical signal incident through the light receiving element 141. And a second amplifier 143 for second amplifying the first amplified signal through the second amplifier 143, and an analog-digital converter 144 for converting the second amplified signal through the second amplifier 143 into a digital signal.
  • the light receiving element 141 receives light incident from the outside.
  • the light receiving element 141 may be implemented as a photodiode PD or a transistor TR.
  • the first amplifier 142 converts a weak photo current detected by the light receiving element 141 into a voltage and amplifies it, which may be a TIA (Transimpedance Amplifier).
  • TIA Transimpedance Amplifier
  • the second amplifier 143 amplifies the voltage amplified by the first amplifier 142 to a voltage of sufficient magnitude to be processed by the analog-to-digital converter 144.
  • analog-to-digital converter 144 converts an analog voltage into a corresponding digital voltage according to a designated sampling rate.
  • the driver 150 controls the operations of the light emitter 120 and the light receiver 140.
  • the driving unit 150 detects a signal-to-noise ratio of the optical signal received through the light receiving unit 140 according to the operation mode of the light emitting unit 120 and the light receiving unit 140, and determines the signal to noise ratio of the detected light signal.
  • the optimal reflection angle of the reflector 130 is determined according to the noise ratio.
  • the operation mode may include a general operation mode and a reflection angle setting mode of the reflector 130.
  • the reflection angle setting mode is a mode for determining an optimal reflection angle of the reflector 130 according to a human body on which the wearer 100 is worn using the light emitter 120 and the light receiver 140. .
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating a step-by-step method of operating the wearable device according to the first embodiment of the present invention.
  • the driving unit 150 determines whether the human body wearing device is worn on the human body, and enters the angle setting mode of the reflecting unit 130 when the driving unit 150 is worn. The optimal reflection angle with respect to the reflector 130 is determined.
  • the driving unit 150 changes the reflection angle of the reflecting unit 130 within an effective range, and the state of the optical signal received through the light receiving unit 140 according to each of the changed reflection angles. To judge.
  • the driving unit 150 sets a specific reflection angle in the effective range (step 100).
  • the driver 150 controls the operations of the light emitter 120 and the light receiver 140 (step 110 and 120), and thus checks the signal-to-noise ratio of the received light (step 110 and 120). Step 130).
  • the driver 150 determines whether the signal-to-noise ratio for all effective angles has been confirmed.
  • the effective range for the reflection angle of the reflector 130 may be set to 0 ° ⁇ 60 °
  • the drive unit 150 is fine the reflection angle within the effective range of 0 ° ⁇ 60 °
  • the signal to noise ratio (SNR) of the optical signal incident on the light receiving unit 140 is checked according to each reflection angle to be adjusted.
  • the driving unit 150 changes the reflection angle of the reflecting unit 130 (step 150), and returns to the step (step 110) accordingly.
  • the driver 150 finds a reflection angle at which the signal-to-noise ratio of the optical signal is the highest (step 160).
  • the large signal-to-noise ratio of the optical signal means that the quality of the original pulsation signal has been improved to the best. Accordingly, the driving unit 150 is applied to the reflector 130 having the largest signal-to-noise ratio. Find the reflection angle for
  • the driving unit 150 fixes the reflection angle of the reflection unit 130 based on the determined reflection angle, and measures the biological signal according to the fixed reflection angle (Ste 170).
  • the driver 150 re-enters the reflection angle setting mode as described above when the user's movement and the user's wearing of the human body wearing device are re-installed, and determines the optimum reflection angle suitable for the current state.
  • noise reflected from the surface of the skin to be measured may be reduced.
  • FIG 8 and 9 are views showing the structure of a wearable device according to a second embodiment of the present invention.
  • the human body wearing device includes a substrate 210, a light emitting unit 220, a reflecting unit 230, a light receiving unit 240, a driving unit 250, a structure 260, a partition 270, and an optical window ( 280).
  • the reflector 230 includes a first reflector 232 and a second reflector 234.
  • the substrate 210 is a base substrate for mounting the components constituting the wearable device.
  • the substrate 210 may be a support substrate of the human body wearing apparatus in which a single circuit pattern is formed, and may mean a specific insulating layer in which one circuit pattern is formed among substrates having a plurality of stacked structures.
  • the substrate 210 may be a thermosetting or thermoplastic polymer substrate, a ceramic substrate, an organic-inorganic composite material substrate, or a glass fiber impregnated substrate.
  • the substrate 210 may include a polymer resin
  • the substrate 210 may include an epoxy-based insulating resin.
  • Polyimide resin may also be included.
  • the substrate 210 is a plate on which an electric circuit for changing wiring is organized, and may include all of a printed circuit board, an insulation board, and an insulation board made of an insulation material capable of forming a conductor pattern on the surface of the insulation board. .
  • the substrate 210 may be rigid or flexible.
  • the substrate 210 may include glass or plastic.
  • the substrate 210 may include chemically strengthened / semi-hardened glass such as soda lime glass or aluminosilicate glass, or may be polyimide (PI) or polyethylene terephthalate (PET). It may include reinforced or soft plastics such as propylene glycol (PPG) polycarbonate (PC) or sapphire.
  • PI polyimide
  • PET polyethylene terephthalate
  • PPG propylene glycol
  • PC propylene glycol
  • the substrate 210 may include an optically isotropic film.
  • the substrate 210 may include a cyclic olefin copolymer (COC), a cyclic olefin polymer (COP), an isotropic polycarbonate (PC), or an isotropic polymethyl methacrylate (PMMA).
  • COC cyclic olefin copolymer
  • COP cyclic olefin polymer
  • PC isotropic polycarbonate
  • PMMA isotropic polymethyl methacrylate
  • the substrate 210 may be bent while having a partially curved surface. That is, the substrate 210 may be partially curved and partially curved.
  • an end of the substrate 210 may have a curved surface and may have a surface including a curved or random curvature and may be curved or bent.
  • the substrate 210 may be a flexible substrate having flexible characteristics.
  • the substrate 210 may be a curved or bent substrate.
  • the substrate 210 expresses the electrical wiring for connecting the circuit components based on the circuit design in a wiring diagram, and can reproduce the electrical conductor on the insulator.
  • a circuit pattern (not shown) electrically connected to the light emitting unit 220, the reflecting unit 230, the light receiving unit 240, and the driving unit 250 will be formed on the surface of the substrate 210.
  • the circuit pattern may be formed by an additive process, a subtractive process, a modified semi additive process (MSAP), or a semi additive process (SAP) process, which is a manufacturing process of a conventional printed circuit board. The detailed description is omitted.
  • the surface of the substrate 210 may be divided into a first region in which the light emitter 220 is mounted and a second region in which the light receiver 240 is mounted.
  • partition wall 270 may be disposed between the first area and the second area, and the surface of the substrate 210 may be divided into the first area and the second area by the partition wall 270.
  • the partition wall 270 is disposed between the light emitting unit 220 and the light receiving unit 240 to prevent the light generated through the light emitting unit 220 from directly entering the light receiving unit 240.
  • the light emitter 220 and the reflector 230 are disposed in the first region of the substrate 210.
  • the light emitting unit 220 includes a light emitting device for generating light of a specific wavelength band according to the light emission control signal.
  • a light emitting surface (LES) of the light emitting unit 220 is disposed to overlap the skin of the measurement target.
  • the light emitter 220 is disposed on the substrate 210 in such a manner that the light exit surface is placed on the upper surface. Accordingly, a light emitting surface (LES) of the light emitting unit 220 is disposed above the light emitting unit 220 to overlap the skin of the measurement target.
  • the reflector 230 reflects the light generated through the light emitter 220 in a specific direction according to a predetermined angle.
  • the reflector 230 includes a light reflecting region, and the light reflecting region is disposed to face the exit surface of the light emitting unit 220.
  • the reflector 230 includes a first reflector 232 and a second reflector 234,
  • the first reflector 232 is disposed with a light reflection region facing the light exit surface of the light emitter 220 to reflect the light emitted through the light emitter 120 in the first direction.
  • the light emitter 220 substantially generates light to the skin of the measurement target, and the first reflector 232 reflects the generated light in a first direction parallel to the skin of the measurement target. Let's do it.
  • the reflection area of the second reflection part 234 is disposed to face the reflection area of the first reflection part 232.
  • the second reflector 234 reflects the light reflected through the first reflector 232 to the skin of the measurement target.
  • the first and second reflectors 232 and 234 are MEMS mirrors (Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror).
  • the MEMS mirror may be divided into a mirror using a constant power, a mirror using an electromagnetic force, a mirror using a piezoelectric force, a mirror using a thermal deformation, and the like according to a driving method of driving the mirror.
  • the mirror using the electrostatic force can be further divided into a parallel plate driving method and a comb-drive method.
  • each of the driving methods has its own advantages and disadvantages compared to other driving methods, and among these, the comb-type driving method which is easy to manufacture and has low power consumption and excellent driving force, torque and maximum stroke is the most. It is widely used.
  • the MEMS mirror as described above may be minutely changed within a preset effective angle range.
  • the light emitting portion 220 in the optimal light path suitable for the measurement target Reflect the light generated through
  • Structure 260 is a support structure for supporting optical window 280.
  • the optical window 280 protects the light emitter 220, the light receiver 240, the first reflector 232, and the second reflector 234 from the outside.
  • the optical window 280 forms an optical path such that light reflected through the first and second reflectors 232 and 234 is supplied to the outside (preferably, the skin to be measured) and is incident from the outside. Light is supplied to the light receiving unit 240.
  • the driver 250 and the light receiver 240 are disposed in the second region of the substrate 210.
  • the driver 250 is disposed on the substrate 210, and the light receiver 240 is disposed on the driver 250.
  • the driver 250 may be a signal processing device that processes a signal received through the light receiver 240, and may be implemented as an application specific integrated circuit (ASIC).
  • ASIC application specific integrated circuit
  • the light receiver 240 is disposed on the driver 250.
  • the light receiver 240 is disposed on the driver 250 such that a light incident surface faces upward.
  • the driving unit 250 includes a controller (not shown), and controls the first and second reflecting units 232 and 234 according to a human wearing state of the human wearing device, so that the human wearing device is worn.
  • the reflection angles of the first and second reflectors 232 and 234 are adjusted to fit the human body.
  • the optimum reflection angle is determined by adjusting only the reflection angle of the reflector 130.
  • the optimum reflection angle and the reflection angle of the second reflector are determined by adjusting the reflection angle according to the combination of the reflection angles of the first and second reflectors 232 and 234 as described above. do.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining a step-by-step method of operating a wearable device according to a second embodiment of the present invention.
  • the driving unit 250 determines whether the human body wearing apparatus is worn on the human body, and the first and second reflecting units 232 and 234 of the driving unit 250 are worn at the time when the human body is worn. An angle setting mode is entered to determine an optimal reflection angle for the first and second reflectors 232 and 234.
  • the driver 250 classifies the combinations according to the reflection angles of the first and second reflectors 230 (step 200), and selects a specific first combination from the classified combinations (step 210).
  • the driver 250 sets the reflection angles of the first reflector 232 and the second reflector 234 according to the selected combination (operation 220).
  • the driver 250 controls the operations of the light emitter 220 and the light receiver 240 (step 230), and thus checks the signal-to-noise ratio of the received light (step 240). .
  • the driver 250 determines whether the signal-to-noise ratio for all combinations is confirmed.
  • the effective range for each reflection angle of the first and second reflectors 232 and 234 may be set to 0 ° ⁇ 60 °
  • the drive unit 250 is effective of the 0 ° ⁇ 60 °
  • the signal-to-noise ratio (SNR) of the optical signal incident on the light receiver 240 is determined according to the combination of reflection angles within a range.
  • the driver 250 changes the reflection angles of the first and second reflectors 232 and 234 (step 260), and returns to the step (220) accordingly.
  • the driver 250 finds a combination of reflection angles in which the signal-to-noise ratio of the optical signal is the highest (step 270).
  • the large signal-to-noise ratio of the optical signal means that the quality of the original pulsation signal has been improved to the best.
  • the driving unit 150 reflects the first and second reflectors having the largest signal-to-noise ratio. Find the combination for the reflection angle of (232, 234).
  • the driving unit 250 fixes the reflection angles of the first and second reflection parts 232 and 234 based on the reflection angles according to the determined combination, and the fixed reflection angle.
  • the biosignal is measured.
  • the driver 250 re-enters the reflection angle setting mode as described above when the movement of the user and a predetermined time or the wearing of the human body wearing apparatus are performed again, and determines the optimum reflection angle suitable for the current state.
  • noise reflected from the surface of the skin to be measured may be reduced.

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Abstract

실시 예에 따른 인체 착용 장치는, 기판; 상기 기판 위에 배치된 발광부; 상기 기판 위에 배치되며, 상기 발광부와 일정 간격 이격된 수광부; 및 상기 발광부와 인접한 상기 기판 위에 배치되어, 상기 발광부를 통해 발생한 광을 반사시키는 제 1 반사부를 포함한다.

Description

인체 착용장치 및 이의 동작 방법
실시 예는, 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법에 관한 것이다.
통상적으로, 휴대용 단말기는 전자부품의 고감도, 소형화 및 경량화 추세에 따라 가고 있으며, 제1세대로 바 타입(Bar Type)의 휴대폰이 보편화 되었고, 제2세대로 플립 타입(Flip Type)의 휴대폰이 일반화 되었으며, 현재에는 플립 타입과 제3세대의 폴더 타입(Folder Type)의 휴대폰이 공존하여 보편화된 추세에 있다.
또한, 사용자의 손목에 착용하는 시계 타입(Watch Type)의 휴대폰을 비롯하여 신체 일부나 의류에 착용하는 인체 착용 장치(wearable device)가 개발되었다.
한편, 최근 생활수준의 향상과 의료기술의 발전에 따라 전 세계적으로 고령화의 추세가 두드러지고 있다. 이와 같은 인구 고령화와 동반하여 만성질환 유병율이 증가하고 있고, 고령 사회의 또 다른 문제점으로, 핵가족화에 따른 가족 부양 능력 감퇴로 인한 독거 노인의 증가와 고독사(孤獨死)가 중요한 사회적 이슈(issue)로 대두되고 있다.
고혈압, 당뇨병, 뇌혈관질환, 심장질환 등의 만성 질환자는 지속적으로 증가하고 있다. 그 원인으로는 특히 건강과 관련된 식이, 운동 등 개인이나 집단의 건강 행태에 의한 질병 발생이 거의 절반 이상을 차지한다. 따라서 현대 의학의 생물의학적 모델에 의한 접근만으로는 이러한 만성 질환을 해결하기 어려우며 새로운 질병 관리 방법, 즉 생활 습관 개선을 통한 건강 위험 인자 제거라는 건강 증진적 접근이 요구된다.
따라서, 최근에는 맥박수 계측 방법에는 크게 피에조(piezo) 소자 등을 이용하는 압전식, 자기 접합 터널(MTJ: Magnetic Tunnel Junction) 소자를 이용하는 자기식, 필름형 압박센서를 이용하는 압박식, 생체 전기 임피던스를 이용하는 임피던스식, 광 센서를 이용하는 광학식 등이 있으며, 최근에는 손목이나 목에 착용이 가능한 인체 장착형 맥박 측정 장치가 제안되고 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 인체 착용 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 인체 착용 장치는 기판(10), 발광 소자(30), 수광 소자(20), 구조물(40), 격벽(50) 및 광학 윈도우(60)를 포함한다.
기판(10)는 인체 착용 장치를 구성하는 구성요소들을 장착하기 위한 베이스 기판이다.
발광 소자(30)는 발광 제어신호에 따라 특정 파장대의 광을 발생한다.
수광 소자(20)는 상기 발광 소자(30)를 통해 발생한 광에 따라 입사되는 광을 수광한다.
구조물(40)은 상기 광학 윈도우(60)를 지지하기 위한 지지 구조물이다.
격벽(50)은 상기 발광 소자(30) 및 수광 소자(20) 사이에 배치되어, 상기 발광 소자(30)를 통해 발생한 광이 직접적으로 상기 수광 소자(20)로 입사되는 것을 방지한다.
광학 윈도우(60)는 상기 발광 소자(30) 및 수광 소자(20)의 출사면 및 입사면에 각각 배치되어, 외부로부터 상기 발광 소자(30) 및 수광 소자(20)를 보호한다.
상기와 같은 인체 착용 장치는, 상기 수광 소자(20)를 통해 수신된 광의 전압(즉, 수광 전압)에 따라 인체 신호를 검출한다. 여기에서, 상기 인체 신호는 심박수나 산소 포화도 등을 포함할 수 있다.
도 2는 종래 기술에 따른 인체착용장치의 동작 원리를 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 발광 소자(30)에서 발생한 광은 측정 대상에 대응하는 피부에 의해 반사되어 수광 소자(20)에 입사된다.
이때, 상기 입사되는 광은, 상기 피부의 표면에 의해 반사되는 제 1 광과, 상기 피부 내부에서 상기 피부 조직의 내부 산란에 의해 반사되는 제 2 광을 포함한다.
그리고, 상기 제 1 광은 실질적으로 노이즈 요인에 의한 광이며, 상기 제 2 광만이 상기 인체 신호를 검출하는데 사용되는 유의미한 신호이다.
그러나, 종래 기술에 따르면, 상기 발광 소자(30)와 수광 소자(20) 사이의 간격이 제한되어 있으며, 이에 따라 상기와 같은 제 1 광이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면 상기 제한된 간격에 의해 광 경로의 왜곡이 발생하며, 이에 따른 신호 증폭을 위하여 소비 전력이 증가하여 배터리 소모가 증가하거나 수명이 단축되는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면 상기와 같은 소모 전력을 줄이기 위해 추가적인 발광장치의 수광장치 세트를 구성해야 하며, 이에 따른 제품 단가가 상승하거나, 제품 부피가 증가하는 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따르면 연령 및 나이, 그리고 피부색에 따른 수신 광의 크기가 상이하며, 이에 따라 측정 대상에 따라 상기 검출된 인체 신호의 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이에 광을 반사시키는 반사부를 배치하여, 표면 반사를 감소시키면서 피부조직을 통과하는 광 경로를 최소화할 수 있는 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법을 제공한다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이의 광 경로를 최적화하여 원하는 인체 신호를 정확히 검출할 수 있는 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법을 제공한다.
제안되는 실시 예에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
실시 예에 따른 인체 착용 장치는, 기판; 상기 기판 위에 배치된 발광부; 상기 기판 위에 배치되며, 상기 발광부와 일정 간격 이격된 수광부; 및 상기 발광부와 인접한 상기 기판 위에 배치되어, 상기 발광부를 통해 발생한 광을 반사시키는 제 1 반사부를 포함한다.
또한, 상기 발광부는, 측면에 광 출사면이 위치되도록 상기 기판 위에 배치된다.
또한, 상기 발광부는, 측정 대상과 수평한 제 1 방향으로 상기 광을 발생시키고, 상기 제 1 반사부는, 상기 광을 측정 대상에 대응하는 제 2 방향으로 반사시킨다.
또한, 상기 제 1 반사부는, EMS 미러(Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror)를 포함한다.
또한, 상기 발광부는, 상면에 광 출사면이 위치하도록 상기 기판 위에 배치되어, 상기 측정 대상에 대응하는 제 1 방향으로 광을 발생시킨다.
또한, 상기 발광부의 광 출사면에 대향되는 위치에 배치되는 제 2 반사부를 더 포함하며, 상기 제 1 반사부는, 상기 제 2 반사부의 광 반사 경로에 배치된다.
또한, 상기 제 2 반사부는, 상기 제 1 방향으로 발생된 광을 상기 측정 대상과 수평한 제 2 방향으로 반사시키고, 상기 제 1 반사부는, 상기 제 2 방향으로 반사되는 광을 상기 측정 대상에 대응하는 제 3 방향으로 반사시킨다.
또한, 상기 기판 위에 배치되어 상기 발광부, 상기 수광부를 보호하는 광학 윈도우를 더 포함하며, 상기 제 2 반사부는, 상기 광학 윈도우의 하면에 배치된다.
또한, 상기 기판 위에 배치된 구동부를 더 포함하며, 상기 수광부는, 상기 구동부 위에 배치된다.
또한, 상기 구동부는, 상기 제 1 반사부의 반사 각도를 유효 범위 내에서 변경한다.
또한, 상기 구동부는, 상기 제 1 반사부의 반사 각도를 변경하여, 각각의 반사 각도에 따라 상기 수광부를 통해 수신되는 광 신호의 신호 대 잡음비를 측정하고, 상기 측정된 신호 대 잡음비가 가장 큰 반사 각도를 토대로 상기 제 1 반사부의 반사 각도를 설정한다.
또한, 상기 구동부는, 상기 구동부는, 상기 인체 착용 장치의 초기 착용 시 또는 재착용시에 상기 제 1 반사부의 반사 각도를 설정한다.
또한, 상기 기판의 상기 발광부와 수광부 사이에 배치되어, 상기 기판의 상부 영역을 상기 발광부가 배치되는 영역과 상기 수광부가 배치되는 영역으로 구분하는 격벽을 더 포함한다.
한편, 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구동 방법은 발광부에서 발생한 광을 측정 대상 방향으로 반사하는 반사부의 반사 각도를 유효 범위 내에서 변경하는 단계; 상기 유효 범위 내에서 변경되는 각각의 반사 각도에 대하여, 수광부에서 수신되는 광의 상태를 판단하는 단계; 및 상기 판단된 광의 상태에 따라 상기 반사부의 반사 각도를 결정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 발광부는, 상기 측정 대상과 수평한 제 1 방향으로 광을 발생시키고, 상기 반사부는, 상기 반사 각도에 따라 상기 측정 대상에 대응하는 제 2 방향으로 상기 광을 반사시킨다.
또한, 상기 광의 상태를 판단하는 단계는, 상기 수광부를 통해 수신된 광 신호의 신호 대 잡음비를 판단하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 결정하는 단계는, 상기 신호 대 잡음비가 가장 큰 반사 각도를 확인하는 단계와, 상기 확인된 반사 각도를 상기 반사부의 반사 각도로 결정하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이에 최적화된 MEMS 미러를 활용한 반사부를 배치함으로써, 측정 대상의 피부 표면에서 반사되는 노이즈를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이에 광을 반사시키는 반사부를 배치하여, 표면 반사를 감소시키면서 피부조직을 통과하는 광 경로를 최소화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 손목에서 심박 신호 품질 향상으로 심박수 측정을 위한 별도의 그린 발광 소자를 제거할 수 있음으로써, 제품 단가를 낮춰 단가 경쟁력을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라, 이에 따른 제품 부피를 소형화할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 인체 착용 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래 기술에 따른 인체착용장치의 동작 원리를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구조를 보여주는 도면이다.
도 4 및 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반사부의 반사 각도에 따른 광 경로를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8 및 9는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구조를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 도면의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 도면의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 도면의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 도면의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 실시 예에서는, 발광 소자의 인접 영역에 상기 발광 소자를 통해 발생한 광을 반사시키는 반사부를 배치하여, 측정 대상의 피부 내부 조직을 통과하는 광 경로를 최소화하면서 표면 반사 노이즈를 감소시킬 수 있는 인체 착용 장치 및 이의 동작 방법을 제공한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3을 참조하면, 인체 착용 장치는 기판(110), 발광부(120), 반사부(130), 수광부(140), 구동부(150), 구조물(160), 격벽(170) 및 광학 윈도우(180)를 포함한다.
기판(110)은 인체 착용 장치를 구성하는 구성요소들을 장착하기 위한 베이스 기판이다. 즉,
상기 기판(110)은 단일 회로 패턴이 형성되는 상기 인체 착용 장치의 지지 기판일 수 있으며, 복수의 적층 구조를 가지는 기판 중 어느 하나의 회로 패턴이 형성된 특정 절연층을 의미할 수도 있다.
상기 기판(110)은 열경화성 또는 열가소성 고분자 기판, 세라믹 기판, 유-무기 복합 소재 기판, 또는 유리 섬유 함침 기판일 수 있으며, 고분자 수지를 포함하는 경우, 에폭시계 절연 수지를 포함할 수 있으며, 이와 달리 폴리 이미드계 수지를 포함할 수도 있다.
즉, 상기 기판(110)은 배선을 변경할 수 있는 전기 회로가 편성되어 있는 판으로, 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연 재료로 만들어진, 프린트, 배선판 및 절연기판을 모두 포함할 수 있다.
상기 기판(110)은 리지드(rigid)하거나 또는 플렉서블(flexible)할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(110)은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 기판(110)은 소다라임유리(soda lime glass) 또는 알루미노실리케이트유리 등의 화학 강화/반강화유리를 포함하거나, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 프로필렌 글리콜(propylene glycol, PPG) 폴리 카보네이트(PC) 등의 강화 혹은 연성 플라스틱을 포함하거나 사파이어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(110)은 광등방성 필름을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 기판(110)은 COC(Cyclic Olefin Copolymer), COP(Cyclic Olefin Polymer), 광등방 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 또는 광등방 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(110)은 부분적으로 곡면을 가지면서 휘어질 수 있다. 즉, 기판(110)은 부분적으로는 평면을 가지고, 부분적으로는 곡면을 가지면서 휘어질 수 있다. 자세하게, 상기 기판(110)의 끝단이 곡면을 가지면서 휘어지거나 랜덤(Random)한 곡률을 포함한 표면을 가지며 휘어지거나 구부러질 수 있다.
또한, 상기 기판(110)은 유연한 특성을 가지는 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다.
또한, 상기 기판(110)은 커브드(curved) 또는 벤디드(bended) 기판일 수 있다. 이 때, 기판(110)은, 회로 설계를 근거로 회로부품을 접속하는 전기배선을 배선 도형으로 표현하며, 절연물 상에 전기도체를 재현할 수 있다. 또한 전기부품을 탑재하고 이들을 회로적으로 연결하는 배선을 형성할 수 있으며, 부품의 전기적 연결기능 외의 부품들을 기계적으로 고정시켜줄 수 있다.
상기 기판(110)의 표면에는 추후 설명할 발광부(120), 반사부(130), 수광부(140) 및 구동부(150)와 전기적으로 연결되는 회로 패턴(도시하지 않음)이 형성된다.
상기 회로 패턴은 통상적인 인쇄회로기판의 제조 공정인 어디티브 공법(Additive process), 서브트렉티브 공법(Subtractive Process), MSAP(Modified Semi Additive Process) 및 SAP(Semi Additive Process) 공법 등으로 가능하며 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
상기 기판(110)의 표면은 발광부(120)가 장착되는 제 1 영역과, 수광부(140)가 장착되는 제 2 영역으로 구분될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에는 격벽(170)이 배치되며, 상기 격벽(170)에 의해 상기 기판(110)의 표면은 상기 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분될 수 있다.
상기 격벽(170)은 상기 발광부(120)와 수광부(140) 사이에 배치되어, 상기 발광부(120)를 통해 발생한 광이 직접적으로 상기 수광부(140)로 입사되는 것을 방지한다.
그리고, 상기 기판(110)의 제 1 영역에는 발광부(120) 및 반사부(130)가 배치된다.
발광부(120)는 발광 제어신호에 따라 특정 파장대의 광을 발생하는 발광 소자를 포함한다.
이때, 상기 발광부(120)의 광 출사면(LES:Light Emitting Surface)은 측정 대상의 피부와 중첩되지 않도록 배치된다. 이를 위해, 상기 발광부(120)는 상기 기판(110) 위에 수직으로 세워진 상태로 배치된다. 이에 따라, 상기 발광부(120)의 광 출사면(LES:Light Emitting Surface)은 상기 측정 대상의 피부와 중첩되도록 상기 발광부(120)의 상부에 배치되지 않고, 상기 발광부(120)의 측부에 배치된다.
따라서, 상기 발광부(120)에서 발생한 광은 상기 측정 대상으로 직접 전달되지 않는다.
다시 말해서, 일반적인 인체 착용 장치는 상기 발광부(120)에서 발생한 광이 상기 측정 대상의 피부로 직접 전달된다. 이를 위해, 종래 기술에서의 발광부(120)는 상기 측정 대상의 피부와 수직한 방향으로 광을 발생하였다. 즉, 상기 종래 기술에서의 발광부(120)의 광 출사면(LES:Light Emitting Surface)은 상기 측정 대상의 피부에 대향되어 배치된다.
그러나, 본 발명에서의 발광부(120)는 상기 측정 대상의 피부로 직접 광을 발생시키지 않고, 반사부(130)가 배치된 방향으로 광을 발생시킨다.
이를 위해, 상기 발광부(120)는 상기 측정 대상의 피부와 수평한 방향으로 광을 발생하며, 이에 따라 상기 발광부(120)의 광 출사면(LES:Light Emitting Surface)은 상기 측정 대상의 피부에 수직한 방향으로 배치된다.
반사부(130)는 상기 발광부(120)를 통해 발생한 광을 기설정된 각도에 따라 특정 방향으로 반사시킨다.
즉, 상기 반사부(130)는 광 반사 영역을 포함하며, 상기 광 반사 영역은 상기 발광부(120)의 출사면에 대향되게 배치된다.
그리고, 상기 반사부(130)이 광 반사 영역은, 상기 발광부(120)를 통해 발생한 광을 상기 측정 대상의 피부로 반사시킨다.
상기 반사부(130)는 MEMS 미러(Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror)임이 바람직하다
초미세 전기기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical Systems; MEMS)라고 하여, 센서 밸브, 기어, 반사경 및 반도체 칩 작동기 등의 작은 기계 장치와 컴퓨터를 조합시킨 기술이 요즘 새롭게 각광받고 있다. MEMS는'스마트메터(smart meter)'라고도 하며, 반사경이나 센서와 같은 기계 장치 제작 시에 넣는 작은 실리콘 칩의 마이크로 회로를 가진 장치로서, 자동차 에어백에서 감지된 속도와 보호자의 체중에 맞게 에어백을 팽창시키는 장치, 화물 수송의 연속 추적과 취급 과정을 알 수 있는 전 세계적 위치 시스템 센서, 비행기 날개의 표면 공기저항에 따라 공기 흐름의 변화를 감지하여 상호작용하는 센서, 20 나노초의 속도로 광 신호를 낼 수 있는 광 스위칭 장치, 센서 조작 냉온 장치, 대기 압력에 반응하는 물질의 유연성을 변화시키는 빌딩 내 센서 등 여러 용도로 쓰이고 있다. 이와 같이, MEMS는 애플리케이션이 적용되는 제품의 성능을 크게 향상시키면서 동시에 크기도 소형화시키고 비용도 줄일 수 있어서, 다양한 분야에서 응용되고 있다.
이와 같은 MEMS는 미러(mirror)를 구현하는 데에도 응용되고 있다. MEMS에 의해 구현된 미러(이하 'MEMS 미러')는 미러를 구동하는 구동 방식에 따라 정전력을 이용한 미러, 전자기력(electromagnetic force)을 이용한 미러, 압전력(piezoelectric force)을 이용한 미러 및 열 변형을 이용한 미러 등으로 나눌 수 있다. 정전력을 이용한 미러는 다시 평행 판(parallel plate) 구동 방식과 빗살형 구동(comb-drive) 방식으로 나눌 수 있다.
그리고, 상기 각각의 구동 방식은 다른 구동 방식들과 비교하여 자신만의 장단점을 가지는데, 이 중 제조가 용이하고, 전력 소모가 작으면서도, 구동력, 토크 및 최대 스트로크가 우수한 빗살형 구동 방식이 가장 널리 사용되고 있다.
또한, 상기와 같은 MEMS 미러는 기설정된 유효 각도 범위 내에서 미세한 각도 변경이 가능하다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기 반사부(130)를 구성하는 상기 MEMS 미러의 반사각을 선택적으로 변경하여, 측정 대상에 맞는 최적의 광 경로로 상기 발광부(120)를 통해 발생한 광의 반사가 이루어지도록 한다.
그리고, 상기 반사부(130)의 광 반사 영역은, 상기 발광부(120)의 광 출사면에 대향된다. 바람직하게, 상기 반사부(130)의 최상부는 상기 발광부(120)의 최상부보다 높게 위치하여, 상기 발광부(120)를 통해 발생한 광의 손실 없이, 상기 측정 대상으로 반사가 이루어지도록 한다.
구조물(160)은 광학 윈도우(180)를 지지하기 위한 지지 구조물이다.
광학 윈도우(180)는 상기 반사부(130)의 광 반사 영역 및 상기 수광부(140)의 광 입사면과 일정 간격 이격되어 배치되며, 외부로부터 상기 발광부(120), 수광부(140) 및 반사부(130)를 보호한다.
상기 광학 윈도우(180)는 상기 반사부(130)를 통해 반사된 광이 외부(바람직하게는, 측정 대상의 피부)로 공급되도록 광 경로를 형성하며, 또한 외부에서 입사되는 광이 상기 수광부(140)로 공급되도록 한다.
한편, 상기 기판(110)의 제 2 영역에는 구동부(150) 및 수광부(140)가 배치된다.
이때, 상기 기판(110) 위에는 구동부(150)가 배치되며, 상기 수광부(140)는 상기 구동부(150) 위에 배치된다.
상기 구동부(150)는 상기 수광부(140)를 통해 수신된 신호를 처리하는 신호 처리 소자일 수 있으며, 주문형 반도체 집적 회로(ASIC)Application Specific Integrated Circuit)로 구현될 수 있다.
상기 구동부(150) 위에는 수광부(140)가 배치된다. 상기 수광부(140)는 광 입사면이 상부를 향하도록 상기 구동부(150) 위에 배치된다.
한편, 상기 구동부(150)는 제어부(도시하지 않음)를 포함하며, 상기 인체 착용 장치의 인체 착용 상태에 따라 상기 반사부(130)를 제어하여, 상기 인체 착용 장치가 착용된 인체에 맞게 상기 반사부(130)의 반사 각도가 조정되도록 한다.
도 4 및 5는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 반사부의 반사 각도에 따른 광 경로를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 반사부(130)는 기설정된 유효 각도 범위 내에서 각도 변화가 가능하다. 그리고, 상기 반사부(130)의 반사 각도에 따라 상기 측정 대상으로 반사되는 광의 경로가 변화하게 되며, 상기 광 경로에 따라 상기 수광부(140)를 통해 수신되는 광의 상태에도 변화가 발생한다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 반사부(130)의 반사 각도가 제 1 각도(θ1)로 설정된 경우, 상기 반사부(130)를 통해 반사된 광의 경로는 제 1 경로(l_1)를 통해 수광부(140)에 입사된다.
그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 반사부(130)의 반사 각도가 상기 제 1 각도와 다른 제 2 각도로 설정된 경우, 상기 반사부(130)를 통해 반사된 광의 경로는 상기 제 1 경로와는 다른 제 2 경로(l_2)를 통해 수광부(140)에 입사된다.
그리고, 상기 제 1 경로를 통해 입사된 광의 상태와, 상기 제 2 경로를 통해 입사된 광의 상태를 서로 다르게 나타난다.
또한, 상기 광의 경로 중 최적의 광의 경로는 정해져있는 것이 아니며, 인종, 나이 및 성별에 따라 최적의 신호 상태를 보이는 광의 경로에 차이가 발생한다.
이에 따라, 상기 구동부(150)는 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용된 상태인지를 판단하며, 상기 구동부(150)가 인체가 착용된 시점에 상기 반사부(130)의 각도 설정 모드로 진입하여 상기 반사부(130)에 대한 최적의 반사 각도를 감지한다.
이를 위해, 상기 구동부(150)는 상기 반사부(130)의 반사 각도를 유효 범위 내에서 변화시키며, 상기 변화되는 각각의 반사 각도에 따라 상기 수광부(140)를 통해 수신되는 광 신호에 대한 상태를 판단한다.
여기에서, 상기 반사부(130)의 반사 각도에 대한 유효 범위는 0°~ 60°로 설정될 수 있으며, 상기 구동부(150)는 상기 0°~ 60°의 유효 범위 내에서 상기 반사 각도를 미세하게 조정하고, 상기 조정되는 각각의 반사 각도에 따라 상기 수광부(140)로 입사되는 광 신호의 신호 대 잡음비(SNR:Signal To Noise Ratio)를 확인한다.
그리고, 구동부(150)는 초기 상기 인체 착용 장치가 인체에 착용되면, 상기 반사부(130)의 유효 범위를 움직이고, 그에 따라 상기 반사부(130)를 통해 반사된 광이 피부의 모세혈관을 통과한 후 반사되는 광 신호의 신호 대 잡음비가 가장 높게 나타나는 반사 각도를 찾는다.
즉, 상기 광 신호의 신호 대 잡음비가 크다는 것은 원(原) 맥동 신호의 품질을 최상으로 향상시켰음을 의미하며, 이에 따라 구동부(150)는 신호 대 잡음비가 가장 크게 나타난 상기 반사부(130)에 대한 반사 각도를 찾는다.
그리고, 상기 구동부(150)는 상기 반사 각도가 결정되면, 상기 결정된 반사 각도를 토대로 상기 반사부(130)의 반사 각도를 고정시키고, 상기 고정된 반사 각도에 따라 생체 신호의 측정이 이루어지도록 한다.
또한, 상기 구동부(150)는 사용자의 움직임 및 일정 시간 혹은 상기 인체 착용 장치의 재착용이 이루어지면, 상기와 같은 반사 각도 설정 모드로 재진입하여, 현 상태에 맞는 최적의 반사 각도를 다시 결정한다.
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 내부 구성을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 인체 착용 장치(100)는 발광부(120), 수광부(140) 및 구동부(150)를 포함한다.
발광부(120)는 구동부(150)의 제어신호에 따라 광을 발생시킨다.
발광부(120)는 크게 광을 발생시키는 발광 수단과, 상기 발광 수단을 구동시키는 구동 수단으로 구분할 수 있다.
상기 발광부(120)의 구동 수단은 구동부(150)를 통해 출력되는 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하는 디지털-아날로그 변환기(121), 상기 디지털-아날로그 변환기(121)를 통해 변환된 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(122), 상기 제 1 증폭기(122)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(123)를 포함한다.
여기에서, 상기 디지털-아날로그 변환기(121)는 발광 소자(124)의 전류를 설정해주기 위하여, 상기 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환한다.
그리고, 제 1 및 2 증폭기(122, 123)은 상기 발광 소자(124)의 구동에 필요한 교류 전류를 상기 발광 소자(124)로 공급하기 위한 신호 증폭부이다.
그리고, 상기 발광부(120)의 발광 수단은 상기 제 2 증폭기(123)를 통해 증폭된 신호에 따라 광을 발생하는 발광 소자(124)를 포함한다. 상기 발광 소자(124)는 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode)로 구현 가능하다.
또한, 상기 발광 소자(124)는 검출될 인체 신호에 따라 서로 다른 파장의 광을 발생시킬 수 있다. 즉, 상기 발광 소자(124)는 상기 검출할 인체 신호가 심박수인 경우, 660nm 파장의 광을 발생시키는 레드 발광 다이오드일 수 있다.
수광부(140)는 상기 발광부(120)의 발광 동작에 따라 피검체에서 반사된 광을 포함한 입사 광을 수신한다.
수광부(140)는 상기 입사되는 광을 수신하는 수광 소자(141)와, 상기 수광 소자(141)를 통해 입사된 광 신호를 1차 증폭하는 제 1 증폭기(142), 상기 제 1 증폭기(142)를 통해 1차 증폭된 신호를 2차 증폭하는 제 2 증폭기(143), 상기 제 2 증폭기(143)를 통해 2차 증폭된 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(144)를 포함한다.
수광 소자(141)는 외부로부터 입사되는 광을 수신한다. 이때, 수광 소자(141)는 포토 다이오드(PD)나 트랜지스터(TR)로 구현 가능하다.
또한, 상기 제 1 증폭기(142)는 상기 수광 소자(141)에서 검출되는 미약한 광 전류를 전압으로 변환시켜 증폭하며, 이는 TIA(Transimpedance Amplifier)일 수 있다.
또한, 제 2 증폭기(143)는 상기 제 1 증폭기(142)를 통해 증폭된 전압을 상기 아날로그-디지털 변환기(144)에서 처리 가능하도록 충분한 크기의 전압으로 증폭시킨다.
또한, 아날로그-디지털 변환기(144)는 지정된 샘플링 레이트(SAMPLING RATE)에 따라 아날로그 전압을 이에 상응하는 디지털 전압으로 변환해준다.
구동부(150)는 발광부(120) 및 수광부(140)의 동작을 제어한다.
또한, 구동부(150)는 상기 발광부(120) 및 수광부(140)의 동작 모드에 따라 상기 수광부(140)를 통해 수신된 광 신호의 신호 대 잡음비를 검출하고, 상기 검출된 광 신호의 신호 대 잡음비에 따라 상기 반사부(130)의 최적의 반사 각도를 결정한다.
이때, 상기 동작 모드는 일반 동작 모드와, 상기 반사부(130)의 반사 각도 설정 모드를 포함할 수 있다.
상기 반사 각도 설정 모드는 상기 발광부(120) 및 수광부(140)를 이용하여 상기 인체 착용 장치(100)가 착용된 인체에 따라 상기 반사부(130)의 최적의 반사 각도를 결정하기 위한 모드이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7을 참조하면, 구동부(150)는 인체 착용 장치가 인체에 착용된 상태인지를 판단하며, 상기 구동부(150)가 인체가 착용된 시점에 상기 반사부(130)의 각도 설정 모드로 진입하여 상기 반사부(130)에 대한 최적의 반사 각도를 결정한다.
이를 위해, 상기 구동부(150)는 상기 반사부(130)의 반사 각도를 유효 범위 내에서 변화시키며, 상기 변화되는 각각의 반사 각도에 따라 상기 수광부(140)를 통해 수신되는 광 신호에 대한 상태를 판단한다.
즉, 구동부(150)는 상기 유효 범위 중에서 특정 반사 각도를 설정한다(100단계).
상기 특정 반사 각도가 설정되면, 상기 구동부(150)는 상기 발광부(120) 및 수광부(140)의 동작을 제어하며(110단계, 120단계), 그에 따라 수신되는 광의 신호 대 잡음비를 확인한다(130단계).
그리고, 상기 구동부(150)는 모든 유효 각도에 대한 상기 신호 대 잡음비가 확인되었는지 여부를 판단한다(140단계).
여기에서, 상기 반사부(130)의 반사 각도에 대한 유효 범위는 0°~ 60°로 설정될 수 있으며, 상기 구동부(150)는 상기 0°~ 60°의 유효 범위 내에서 상기 반사 각도를 미세하게 조정하고, 상기 조정되는 각각의 반사 각도에 따라 상기 수광부(140)로 입사되는 광 신호의 신호 대 잡음비(SNR:Signal To Noise Ratio)를 확인한다.
상기 모든 유효 각도가 확인되지 않았다면, 상기 구동부(150)는 상기 반사부(130)의 반사 각도를 변경하고(150단계), 그에 따라 상기 단계(110단계)로 복귀한다.
그리고, 구동부(150)는 모든 유효 각도 내에서의 상기 신호 대 잡음비가 확인되면, 상기 광 신호의 신호 대 잡음비가 가장 높게 나타나는 반사 각도를 찾는다(160단계).
즉, 상기 광 신호의 신호 대 잡음비가 크다는 것은 원(原) 맥동 신호의 품질을 최상으로 향상시켰음을 의미하며, 이에 따라 구동부(150)는 신호 대 잡음비가 가장 크게 나타난 상기 반사부(130)에 대한 반사 각도를 찾는다.
그리고, 상기 구동부(150)는 상기 반사 각도가 결정되면, 상기 결정된 반사 각도를 토대로 상기 반사부(130)의 반사 각도를 고정시키고, 상기 고정된 반사 각도에 따라 생체 신호의 측정이 이루어지도록 한다(170단계).
또한, 상기 구동부(150)는 사용자의 움직임 및 일정 시간 혹은 상기 인체 착용 장치의 재착용이 이루어지면, 상기와 같은 반사 각도 설정 모드로 재진입하여, 현 상태에 맞는 최적의 반사 각도를 다시 결정한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이에 최적화된 MEMS 미러를 활용한 반사부를 배치함으로써, 측정 대상의 피부 표면에서 반사되는 노이즈를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이에 광을 반사시키는 반사부를 배치하여, 표면 반사를 감소시키면서 피부조직을 통과하는 광 경로를 최소화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 손목에서 심박 신호 품질 향상으로 심박수 측정을 위한 별도의 그린 발광 소자를 제거할 수 있음으로써, 제품 단가를 낮춰 단가 경쟁력을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라, 이에 따른 제품 부피를 소형화할 수 있다.
도 8 및 9는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 구조를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 인체 착용 장치는 기판(210), 발광부(220), 반사부(230), 수광부(240), 구동부(250), 구조물(260), 격벽(270) 및 광학 윈도우(280)를 포함한다. 상기 반사부(230)는 제 1 반사부(232)와 제 2 반사부(234)를 포함한다.
기판(210)은 인체 착용 장치를 구성하는 구성요소들을 장착하기 위한 베이스 기판이다. 즉,
상기 기판(210)은 단일 회로 패턴이 형성되는 상기 인체 착용 장치의 지지 기판일 수 있으며, 복수의 적층 구조를 가지는 기판 중 어느 하나의 회로 패턴이 형성된 특정 절연층을 의미할 수도 있다.
상기 기판(210)은 열경화성 또는 열가소성 고분자 기판, 세라믹 기판, 유-무기 복합 소재 기판, 또는 유리 섬유 함침 기판일 수 있으며, 고분자 수지를 포함하는 경우, 에폭시계 절연 수지를 포함할 수 있으며, 이와 달리 폴리 이미드계 수지를 포함할 수도 있다.
즉, 상기 기판(210)은 배선을 변경할 수 있는 전기 회로가 편성되어 있는 판으로, 절연기판 표면에 도체 패턴을 형성할 수 있는 절연 재료로 만들어진, 프린트, 배선판 및 절연기판을 모두 포함할 수 있다.
상기 기판(210)은 리지드(rigid)하거나 또는 플렉서블(flexible)할 수 있다. 예를 들어, 상기 기판(210)은 유리 또는 플라스틱을 포함할 수 있다. 자세하게, 상기 기판(210)은 소다라임유리(soda lime glass) 또는 알루미노실리케이트유리 등의 화학 강화/반강화유리를 포함하거나, 폴리이미드(Polyimide, PI), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET), 프로필렌 글리콜(propylene glycol, PPG) 폴리 카보네이트(PC) 등의 강화 혹은 연성 플라스틱을 포함하거나 사파이어를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(210)은 광등방성 필름을 포함할 수 있다. 일례로, 상기 기판(210)은 COC(Cyclic Olefin Copolymer), COP(Cyclic Olefin Polymer), 광등방 폴리카보네이트(polycarbonate, PC) 또는 광등방 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 등을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기판(210)은 부분적으로 곡면을 가지면서 휘어질 수 있다. 즉, 기판(210)은 부분적으로는 평면을 가지고, 부분적으로는 곡면을 가지면서 휘어질 수 있다. 자세하게, 상기 기판(210)의 끝단이 곡면을 가지면서 휘어지거나 랜덤(Random)한 곡률을 포함한 표면을 가지며 휘어지거나 구부러질 수 있다.
또한, 상기 기판(210)은 유연한 특성을 가지는 플렉서블(flexible) 기판일 수 있다.
또한, 상기 기판(210)은 커브드(curved) 또는 벤디드(bended) 기판일 수 있다. 이 때, 기판(210)은, 회로 설계를 근거로 회로부품을 접속하는 전기배선을 배선 도형으로 표현하며, 절연물 상에 전기도체를 재현할 수 있다. 또한 전기부품을 탑재하고 이들을 회로적으로 연결하는 배선을 형성할 수 있으며, 부품의 전기적 연결기능 외의 부품들을 기계적으로 고정시켜줄 수 있다.
상기 기판(210)의 표면에는 추후 설명할 발광부(220), 반사부(230), 수광부(240) 및 구동부(250)와 전기적으로 연결되는 회로 패턴(도시하지 않음)이 형성된다.
상기 회로 패턴은 통상적인 인쇄회로기판의 제조 공정인 어디티브 공법(Additive process), 서브트렉티브 공법(Subtractive Process), MSAP(Modified Semi Additive Process) 및 SAP(Semi Additive Process) 공법 등으로 가능하며 여기에서는 상세한 설명은 생략한다.
상기 기판(210)의 표면은 발광부(220)가 장착되는 제 1 영역과, 수광부(240)가 장착되는 제 2 영역으로 구분될 수 있다.
그리고, 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에는 격벽(270)이 배치되며, 상기 격벽(270)에 의해 상기 기판(210)의 표면은 상기 제 1 영역과 제 2 영역으로 구분될 수 있다.
상기 격벽(270)은 상기 발광부(220)와 수광부(240) 사이에 배치되어, 상기 발광부(220)를 통해 발생한 광이 직접적으로 상기 수광부(240)로 입사되는 것을 방지한다.
그리고, 상기 기판(210)의 제 1 영역에는 발광부(220) 및 반사부(230)가 배치된다.
발광부(220)는 발광 제어신호에 따라 특정 파장대의 광을 발생하는 발광 소자를 포함한다.
이때, 상기 발광부(220)의 광 출사면(LES:Light Emitting Surface)은 측정 대상의 피부와 중첩되록 배치된다. 이를 위해, 상기 발광부(220)는 상기 기판(210) 위에 상기 광 출사면이 상면에 놓이도록 위치한 상태로 배치된다. 이에 따라, 상기 발광부(220)의 광 출사면(LES:Light Emitting Surface)은 상기 측정 대상의 피부와 중첩되도록 상기 발광부(220)의 상부에 배치된다.
반사부(230)는 상기 발광부(220)를 통해 발생한 광을 기설정된 각도에 따라 특정 방향으로 반사시킨다.
즉, 상기 반사부(230)는 광 반사 영역을 포함하며, 상기 광 반사 영역은 상기 발광부(220)의 출사면에 대향되게 배치된다.
이때, 상기 반사부(230)는 제 1 반사부(232)와 제 2 반사부(234)를 포함하며,
상기 제 1 반사부(232)는 상기 발광부(220)의 광 출사면과 대향되도록 광 반사 영역이 배치되어, 상기 발광부(120)를 통해 출사된 광을 제 1 방향으로 반사시킨다.
이때, 상기 발광부(220)는 실질적으로, 상기 측정 대상의 피부로 광을 발생시키며, 상기 제 1 반사부(232)는 상기 발생된 광을 상기 측정 대상의 피부와 수평한 제 1 방향으로 반사시킨다.
그리고, 상기 제 1 반사부(232)의 반사 영역에 대향되게 상기 제 2 반사부(234)의 반사 영역이 배치된다.
그리고, 상기 제 2 반사부(234)는 상기 제 1 반사부(232)를 통해 반사된 광을 상기 측정 대상의 피부로 반사시킨다.
상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)는 MEMS 미러(Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror)임이 바람직하다
그리고, MEMS 미러는 미러를 구동하는 구동 방식에 따라 정전력을 이용한 미러, 전자기력(electromagnetic force)을 이용한 미러, 압전력(piezoelectric force)을 이용한 미러 및 열 변형을 이용한 미러 등으로 나눌 수 있다. 정전력을 이용한 미러는 다시 평행 판(parallel plate) 구동 방식과 빗살형 구동(comb-drive) 방식으로 나눌 수 있다.
그리고, 상기 각각의 구동 방식은 다른 구동 방식들과 비교하여 자신만의 장단점을 가지는데, 이 중 제조가 용이하고, 전력 소모가 작으면서도, 구동력, 토크 및 최대 스트로크가 우수한 빗살형 구동 방식이 가장 널리 사용되고 있다.
또한, 상기와 같은 MEMS 미러는 기설정된 유효 각도 범위 내에서 미세한 각도 변경이 가능하다.
이에 따라, 본 발명에서는 상기 제 1 반사부(232) 및 제 2 반사부(234)를 구성하는 상기 MEMS 미러의 반사각을 선택적으로 변경하여, 측정 대상에 맞는 최적의 광 경로로 상기 발광부(220)를 통해 발생한 광의 반사가 이루어지도록 한다.
구조물(260)은 광학 윈도우(280)를 지지하기 위한 지지 구조물이다.
광학 윈도우(280)는 외부로부터 상기 발광부(220), 수광부(240) 및 상기 제 1 반사부(232), 그리고 제 2 반사부(234)를 보호한다.
상기 광학 윈도우(280)는 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)를 통해 반사된 광이 외부(바람직하게는, 측정 대상의 피부)로 공급되도록 광 경로를 형성하며, 또한 외부에서 입사되는 광이 상기 수광부(240)로 공급되도록 한다.
한편, 상기 기판(210)의 제 2 영역에는 구동부(250) 및 수광부(240)가 배치된다.
이때, 상기 기판(210) 위에는 구동부(250)가 배치되며, 상기 수광부(240)는 상기 구동부(250) 위에 배치된다.
상기 구동부(250)는 상기 수광부(240)를 통해 수신된 신호를 처리하는 신호 처리 소자일 수 있으며, 주문형 반도체 집적 회로(ASIC)Application Specific Integrated Circuit)로 구현될 수 있다.
상기 구동부(250) 위에는 수광부(240)가 배치된다. 상기 수광부(240)는 광 입사면이 상부를 향하도록 상기 구동부(250) 위에 배치된다.
한편, 상기 구동부(250)는 제어부(도시하지 않음)를 포함하며, 상기 인체 착용 장치의 인체 착용 상태에 따라 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)를 제어하여, 상기 인체 착용 장치가 착용된 인체에 맞게 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)의 반사 각도가 조정되도록 한다.
즉, 본 발명의 제 1 실시 예에서는 반사부(130)의 반사 각도만을 조절하여 최적의 반사 각도를 결정하였다.
그러나, 제 2 실시 예에서는 상기와 같이 제 1 및 2 반사부(232, 234)의 반사 각도 조합에 따른 반사 각도 조절을 통해 최적의 제 1 반사부의 반사 각도와, 제 2 반사부의 반사 각도를 결정한다.
도 10은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인체 착용 장치의 동작 방법을 단계별로 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 구동부(250)는 인체 착용 장치가 인체에 착용된 상태인지를 판단하며, 상기 구동부(250)가 인체가 착용된 시점에 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)의 각도 설정 모드로 진입하여 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)에 대한 최적의 반사 각도를 결정한다.
이를 위해, 상기 구동부(250)는 상기 제 1 및 2 반사부(230)의 반사 각도에 따른 조합을 분류하고(200단계), 상기 분류한 조합 중 특정 제 1 조합을 선택한다(210단계).
그리고, 구동부(250)는 상기 선택된 조합에 따라 상기 제 1 반사부(232)와 제 2 반사부(234)의 반사 각도를 설정한다(220단계).
상기 특정 반사 각도가 설정되면, 상기 구동부(250)는 상기 발광부(220) 및 수광부(240)의 동작을 제어하며(230단계), 그에 따라 수신되는 광의 신호 대 잡음비를 확인한다(240단계).
그리고, 상기 구동부(250)는 모든 조합에 대한 상기 신호 대 잡음비가 확인되었는지 여부를 판단한다(250단계).
여기에서, 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)의 각각의 반사 각도에 대한 유효 범위는 0°~ 60°로 설정될 수 있으며, 상기 구동부(250)는 상기 0°~ 60°의 유효 범위 내에서 반사 각도 조합에 따라 상기 수광부(240)로 입사되는 광 신호의 신호 대 잡음비(SNR:Signal To Noise Ratio)를 확인한다.
상기 모든 조합이 확인되지 않았다면, 상기 구동부(250)는 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)의 반사 각도를 변경하고(260단계), 그에 따라 상기 단계(220단계)로 복귀한다.
그리고, 구동부(250)는 모든 조합 내에서의 상기 신호 대 잡음비가 확인되면, 상기 광 신호의 신호 대 잡음비가 가장 높게 나타나는 반사 각도의 조합을 찾는다(270단계).
즉, 상기 광 신호의 신호 대 잡음비가 크다는 것은 원(原) 맥동 신호의 품질을 최상으로 향상시켰음을 의미하며, 이에 따라 구동부(150)는 신호 대 잡음비가 가장 크게 나타난 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)의 반사 각도에 대한 조합을 찾는다.
그리고, 상기 구동부(250)는 상기 반사 각도의 조합이 결정되면, 상기 결정된 조합에 따른 반사 각도를 토대로 상기 제 1 및 2 반사부(232, 234)의 반사 각도를 고정시키고, 상기 고정된 반사 각도에 따라 생체 신호의 측정이 이루어지도록 한다(280단계).
또한, 상기 구동부(250)는 사용자의 움직임 및 일정 시간 혹은 상기 인체 착용 장치의 재착용이 이루어지면, 상기와 같은 반사 각도 설정 모드로 재진입하여, 현 상태에 맞는 최적의 반사 각도를 다시 결정한다.
본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이에 최적화된 MEMS 미러를 활용한 반사부를 배치함으로써, 측정 대상의 피부 표면에서 반사되는 노이즈를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 발광 소자와 수광 소자 사이에 광을 반사시키는 반사부를 배치하여, 표면 반사를 감소시키면서 피부조직을 통과하는 광 경로를 최소화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 실시 예에 의하면, 손목에서 심박 신호 품질 향상으로 심박수 측정을 위한 별도의 그린 발광 소자를 제거할 수 있음으로써, 제품 단가를 낮춰 단가 경쟁력을 증가시킬 수 있을 뿐 아니라, 이에 따른 제품 부피를 소형화할 수 있다.

Claims (17)

  1. 기판;
    상기 기판 위에 배치된 발광부;
    상기 기판 위에 배치되며, 상기 발광부와 일정 간격 이격된 수광부; 및
    상기 발광부와 인접한 상기 기판 위에 배치되어, 상기 발광부를 통해 발생한 광을 반사시키는 제 1 반사부를 포함하는
    인체 착용 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    측면에 광 출사면이 위치되도록 상기 기판 위에 배치되는
    인체 착용 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    측정 대상과 수평한 제 1 방향으로 상기 광을 발생시키고,
    상기 제 1 반사부는,
    상기 광을 측정 대상에 대응하는 제 2 방향으로 반사시키는
    인체 착용 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 반사부는,
    EMS 미러(Micro-Electro-Mechanical Systems Mirror)를 포함하는
    인체 착용 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상면에 광 출사면이 위치하도록 상기 기판 위에 배치되어, 상기 측정 대상에 대응하는 제 1 방향으로 광을 발생시키는
    인체 착용 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 발광부의 광 출사면에 대향되는 위치에 배치되는 제 2 반사부를 더 포함하며,
    상기 제 1 반사부는,
    상기 제 2 반사부의 광 반사 경로에 배치되는
    인체 착용 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 2 반사부는,
    상기 제 1 방향으로 발생된 광을 상기 측정 대상과 수평한 제 2 방향으로 반사시키고,
    상기 제 1 반사부는,
    상기 제 2 방향으로 반사되는 광을 상기 측정 대상에 대응하는 제 3 방향으로 반사시키는
    인체 착용 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 기판 위에 배치되어 상기 발광부, 상기 수광부를 보호하는 광학 윈도우를 더 포함하며,
    상기 제 2 반사부는,
    상기 광학 윈도우의 하면에 배치되는
    인체 착용 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 기판 위에 배치된 구동부를 더 포함하며,
    상기 수광부는,
    상기 구동부 위에 배치되는
    인체 착용 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 제 1 반사부의 반사 각도를 유효 범위 내에서 변경하는
    인체 착용 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 제 1 반사부의 반사 각도를 변경하여, 각각의 반사 각도에 따라 상기 수광부를 통해 수신되는 광 신호의 신호 대 잡음비를 측정하고,
    상기 측정된 신호 대 잡음비가 가장 큰 반사 각도를 토대로 상기 제 1 반사부의 반사 각도를 설정하는
    인체 착용 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 구동부는,
    상기 구동부는,
    상기 인체 착용 장치의 초기 착용 시 또는 재착용시에 상기 제 1 반사부의 반사 각도를 설정하는
    인체 착용 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 상기 발광부와 수광부 사이에 배치되어, 상기 기판의 상부 영역을 상기 발광부가 배치되는 영역과 상기 수광부가 배치되는 영역으로 구분하는 격벽을 더 포함하는
    인체 착용 장치.
  14. 발광부에서 발생한 광을 측정 대상 방향으로 반사하는 반사부의 반사 각도를 유효 범위 내에서 변경하는 단계;
    상기 유효 범위 내에서 변경되는 각각의 반사 각도에 대하여, 수광부에서 수신되는 광의 상태를 판단하는 단계; 및
    상기 판단된 광의 상태에 따라 상기 반사부의 반사 각도를 결정하는 단계를 포함하는
    인체 착용 장치의 동작 방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 측정 대상과 수평한 제 1 방향으로 광을 발생시키고,
    상기 반사부는,
    상기 반사 각도에 따라 상기 측정 대상에 대응하는 제 2 방향으로 상기 광을 반사시키는
    인체 착용 장치의 동작 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 광의 상태를 판단하는 단계는,
    상기 수광부를 통해 수신된 광 신호의 신호 대 잡음비를 판단하는 단계를 포함하는 인체 착용 장치의 동작 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는,
    상기 신호 대 잡음비가 가장 큰 반사 각도를 확인하는 단계와,
    상기 확인된 반사 각도를 상기 반사부의 반사 각도로 결정하는 단계를 포함하는
    인체 착용 장치의 동작 방법.
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