심전도 신호를 이용한 스트레스 모니터링 장치 및 방법

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Abstract

생체신호 측정 장치 및 방법이 개시된다. 본 발명의 생체신호 측정 장치는 몸체부; 몸체부에 위치하고, 피부에 부착되어 심전도 신호를 측정하는 심전도 측정부; 몸체부에 위치하고, 피부에 접촉하여 심음 신호를 측정하는 심음 센서; 및 몸체부에 위치하고, 심음 신호를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 적어도 심박수를 포함하는 생체 정보를 얻는 제어부를 포함함을 특징으로한다.

Description

생체신호 측정 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring bio signal}

도 1은 전형적인 심전도 신호를 도시한 것이다.

도 2는 잡음에 오염된 심전도 신호의 예를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 생체신호 측정 장치를 도시한 것이다.

도 4(a) 및 도 4(b)는 측정된 심전도 신호와 심음 신호를 각각 도시한 것이다.

도 5a는 도 3의 몸체부의 하측면을 도시한 것이다.

도 5b는 도 3의 몸체부의 상측을 도시한 것이다.

도 6은 제어부 또는 휴대 단말기에 포함된 생체신호 처리부에 대한 상세 블록도를 도시한 것이다.

도 7은 본 발명에 따른 생체신호 측정 방법에 대한 흐름도를 도시한 것이다.

본 발명은 생체신호 측정 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 심전도와 심음(heart sound)를 함께 측정하고 분석하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

QRS 컴플렉스는 심전도 신호에서 심실의 수축을 나타내는 신호로서, 사용자의 심장상태를 평가하는데 필요한 신호이며, 특히 QRS 컴플렉스를 이루는 QRST 피크들중에서 R피크의 정확한 검출이 필요하다.

도 1은 전형적인 심전도 신호를 도시한 것이다. 도시된 신호에서 "x"로 나타낸 부분이 R피크 신호이고, 두 R피크들 사이의 간격을 RR간격이라고 한다.

RR간격은 심박수를 측정할 수 있는 시구간으로서, 일정 시간동안 R 피크를 카운트하여 심박수를 측정한다. 따라서 RR간격은 임상적으로 보통의 맥보다 빨리 뛰는 빈맥, 보통의 맥보다 느리게 뛰는 서맥 또는 심실성 조기 수축(Primature Ventricular Contraction)과 같은 부정맥 진단에 사용할 수 있다. 또한, RR간격은 심장 마비를 예측할 수 있는 인덱스(index)를 제공할 수 있고, 자율 신경 기능을 평가하는 인덱스를 제공하여 스트레스(stress)에 대한 평가에 응용할 수도 있다. 또한 RR간격을 통해 사용자에게 최적의 운동 강도를 제공할 수 있고, 소비 칼로리를 계산할 수도 있다.

심전도 신호로부터 R피크를 검출하는 과정은 사용자가 안정한 상태에 있는 경우에는 정확하게 검출할 수 있으나, 사용자가 움직이거나 이동중인 경우라면 도 2에 도시된 바와 같이 심전도 신호가 근잡음(muscle noise), 호흡에 의한 기저선(baseline) 동요 또는 전원 잡음 등과 같은 잡음의 영향을 많이 받게되므로 R 피크를 정확하게 검출할 수 없다.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 심전도와 심음을 함께 측정하고 측정 된 심음 신호를 이용하여 심전도 신호로부터 생체정보를 얻는 생체신호 측정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명의 생체신호 측정 장치는 몸체부; 상기 몸체부에 위치하고, 피부에 부착되어 심전도 신호를 측정하는 심전도 측정부; 상기 몸체부에 위치하고, 피부에 접촉하여 심음 신호를 측정하는 심음 센서; 및 상기 몸체부에 위치하고, 상기 심음 신호를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 적어도 심박수를 포함하는 생체 정보를 얻는 제어부를 포함함을 특징으로한다.

상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명의 생체신호 측정 장치는 몸체부; 상기 몸체부에 위치하고, 피부에 부착되어 심전도 신호를 측정하는 심전도 측정부; 상기 몸체부에 위치하고, 피부에 접촉하여 심음 신호를 측정하는 심음 센서; 상기 몸체부에 위치하고, 상기 심전도 신호 및 심음 신호를 출력하는 제어부; 및 사용자에게 휴대되어 상기 심전도 신호 및 심음 신호를 수신하고, 상기 심음 신호를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 적어도 심박수를 포함하는 생체 정보를 얻는 휴대 단말기를 포함함을 특징으로한다.

상기 기술적 과제를 이루기위한, 본 발명의 생체신호 측정 방법은 심전도 신호를 측정하고, 제1임계치를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 R피크를 검출하는 단계; 심음 신호를 측정하고, 상기 심음 신호에서 소정 윈도우를 결정하는 단계; 상기 R피크가 상기 윈도우내에서 검출되었는가를 판별하는 단계; 상기 R피크가 상기 윈도우내에서 검출되었다면, 이전에 검출된 복수의 R피크들로부터 생체 정보를 계산하는 단계를 포함함을 특징으로한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명하기로한다.

도 3은 본 발명에 따른 생체신호 측정 장치를 도시한 것이다. 도시된 생체신호 측정 장치(11)는 사용자의 피부(10)에 부착되어 생체신호를 측정하고, 생체 신호 또는 생체 신호를 처리한 결과인 생체 정보를 휴대 단말기(12)로 전달한다. 여기서 생체 정보라 함은 심박수 또는 심박간격 등이 될 수 있다. 휴대 단말기(12)는 생체 신호를 수신한 경우 이를 적절하게 처리하여 생체 정보를 얻고, 얻어진 생체 정보를 사용자에게 디스플레이할 수 있다. 다른 예로서 휴대 단말기(12)가 생체 정보를 수신한 경우라면 수신된 생체 정보를 사용자에게 디스플레이할 수 있다. 휴대 단말기(12)에 전달된 생체 신호 또는 생체 정보는 전문의가 연결된 서버(미도시) 또는 휴대 단말기(13)로 다시 전달되어서 전문의로부터 사용자의 건강에 관한 조언을 받을 수도 있다.

여기서 휴대 단말기(12)는 사용자가 휴대할 수 있고 생체신호 측정 장치(11)와 통신할 수 있는 단말기인 것이 바람직하고, 블루투스(Bluetooth)와 같이 근거리 무선 통신 방식을 통해 통신하거나, USB포트 또는 RS232C와 같이 케이블을 통해 통신할 수도 있다. 이러한 통신이 가능하도록 생체신호 측정 장치(11)는 내부에 해당 통신수단(미도시)을 포함한다. 휴대 단말기(12)의 예로는 생체정보를 디스플레이할 수 있는 별도의 장치일 수도 있고, PDA, 휴대폰 또는 노트북 컴퓨터와 같은 기존의 통신 단말기일 수도 있다.

생체신호 측정 장치(11)는 사용자의 피부에 부착되어 심장이 수축함에 따라 심박동과 함께 발생하는 전위차를 피부를 통하여 측정함으로써 심전도 신호를 측정하는 것으로, 몸체부(31), 복수의 스냅(32a, 32b) 및 제어부(34)를 포함하고, 본 실시예에서는 심전도와 함께 심음(heart sound)을 측정하기위해 심음센서(33)를 더 포함한다. 심음은 심장수축과 판막폐쇄 및 혈류로 인해 발생되는 진동음을 말한다.

도 4(a) 및 도 4(b)는 측정된 심전도 신호와 심음 신호를 각각 도시한 것이다. 심음은 심실의 수축 초기에 발생하는 진동음으로 길고 둔한 저음의 제1심음(S1)과 심실의 이완기에 발생하는 진동음으로 짧고 날카로운 고음의 제2심음(S2)로 구별할 수 있다. 도시된 바에 따르면, 심전도 신호의 QRST 컴플렉스 구간과 심음 신호의 S1, S2가 발생하는 구간이 일치함을 알 수 있다. 따라서 심전도와 함께 심음을 측정하여 비교한다면, 심전도 신호가 잡음 등에 의해 오염된 경우에도 R피크를 보다 정확하게 검출할 수 있다.

도 5a는 도 3의 몸체부(31)의 하측면을 도시한 것이다. 몸체부(31)에는 몸체부(31)가 피부에 점착되도록 비전도성 겔(40)이 도포되어있다. 또한, 피부에 부착되어 전위차를 측정하기 위해 은(Ag) 또는 은 염화물과 같은 전도성 겔(41)이 몸체부(31)에서 적어도 3곳에 도포되어있다. 하나는 접지를 위한 것이고, 다른 둘은 전위차를 측정하기위한 것이다. 전도성 겔(41)에는 각각 스냅들(32a, 32b, 32c)이 연결된다. 여기서 스냅들중 하나(32b)는 접지를 위한 것이고, 나머지 둘(32a, 32c)은 전도성 겔(41)을 통해 측정된 전위차를 제어부(34)에 출력하기위한 단자 역할을 한다. 또한 몸체부(31)의 하측면에는 피부에 부착되어 심음을 측정하는 심음센서(33)가 구비된다.

도 5b는 도 3의 몸체부(31)의 상측을 도시한 것이다. 몸체부(31)의 상측에는 스냅들(32a, 32b, 32c), 심음센서(33) 그리고 제어부(34)가 나타나 있다.

제어부(34)는 스냅들(32a, 32b, 32c) 및 심음센서(33)로부터 출력되는 심전도 신호와 심음 신호를 휴대 단말기(12)로 출력하거나 심전도 신호와 심음 신호로부터 생체정보를 얻은 후 생체정보를 휴대 단말기(12)로 출력할 수 있다.

심전도 신호 및 심음 신호는 다양한 건강관련 정보를 제공할 수 있다. 예를 들어, 심전도 신호로부터 심박수 또는 심박 간격을 구함으로써 심전도 부정맥, 심근경색 등의 이상여부를 알 수 있다. 또한 심음 신호로부터 S1, S2의 진폭 및 그 간격을 구함으로써 판막의 이상여부를 알 수 있다. 즉, S1, S2는 심장의 판막이 닫힐 때 나는 소리로서, 이 두 심음 사이에 일어날 수 있는 이상 진동음을 심잡음이라 한다. 이러한 심잡음은 보통 판막의 협착 또는 누출(역류)에 의해 일어나므로, 두 심음의 간격 또는 진폭으로부터 판막의 이상 여부를 알 수도 있다.

따라서 이러한 심전도 신호 및 심음 신호를 휴대 단말기(12)에서 수신한 후, 다시 휴대 단말기(12)를 통해 전문의가 연결된 서버(미도시) 또는 휴대 단말기(미도시)로 전달함으로써 사용자의 건강에 관련된 조언을 받을 수도 있다.

도 6은 제어부(34) 또는 휴대 단말기(11)에 포함된 생체신호 처리부(미도시)에 대한 상세 블록도를 도시한 것이다. 도시된 바에 따르면, 제어부(34) 또는 생체신호 처리부는 제1전처리부(50), R피크 검출부(51), 제2전처리부(52), 윈도우 결정부(53) 및 판단부(54)를 포함한다.

도시된 제어부(34) 또는 생체신호 처리부의 동작을 도 7의 흐름도를 참조하 여 설명하기로 한다.

제1전처리부(50)는 스냅들(32a,32b,32c)로부터 소정 시간동안, 예를 들어 30초동안 측정된 심전도 신호를 저장 및 증폭하고, 필터링한다. 또한 필터링된 신호로부터 R피크를 검출하기위한 제1임계치를 결정한다(60단계). 여기서, 제1임계치는 사용자의 심전도 신호 특성에 따라 달라질 수 있으므로, 초기에는 미리 설정되어있는 값을 도입하여 검출하고, 반복 측정에 의해 적절한 값으로 갱신될 수 있다.

R피크 검출부(51)는 제1임계치를 이용하여 심전도 신호로부터 R피크를 검출하고, 그 진폭을 측정한다(61단계).

제2전처리부(52)는 소정 시간동안, 예를 들어 30초 동안 심음신호를 저장 및 증폭하고, 필터링한다. 또한 심음신호로부터 S1 및 S2를 검출하기위한 제2임계치를 결정한다(62단계). 제2임계치도 제1임계치와 마찬가지로 사용자의 심음 신호 특성에 따라 달라질 수 있으므로, 초기에는 미리 설정되어있는 값을 도입하여 검출하고, 반복 측정에 의해 적절한 값으로 갱신될 수 있다.

윈도우 결정부(53)는 제1임계치에 따라 심음신호의 S1 및 S2를 검출하고(63단계), S1 및 S2를 이용하여 R피크가 검출되는 윈도우를 결정한다(64단계). 여기서, 윈도우의 폭은 검출된 S1 및 S2의 간격을 고려하여 S1 및 S2을 포함하도록 결정된다.

윈도우 결정부(53)는 윈도우를 결정한 후 심음신호의 포락선(envelope)을 검출하고, 포락선으로부터 S1과 S2의 피크 진폭 및 S1과 S2사이의 간격을 측정한다(65단계).

다음으로, 61단계에서 검출한 R피크가 윈도우내에 존재하는지를 판별한다(66단계). R피크가 윈도우내에 존재하지않으면, 제1임계치를 조절하여(67단계) 심전도 신호로부터 R피크를 다시 검출하고, 검출된 R피크가 윈도우내에 존재하는지를 판단한다. 제1임계치의 조절은 제1임계치에 0보다 크고 1보다 작은 임의의 값을 곱하여 이루어진다. 즉, R피크는 윈도우내에서 검출되어야 하기때문에 윈도우내에서 R피크가 검출되지 않았다는 것은 제1임계치가 R피크의 진폭보다 크다는 것을 의미하므로, 제1임계치를 더 작은 값으로 조절하는 것이다.

66단계에서 R피크가 윈도우내에 존재하면, 이전에 검출된 복수의 R피크로부터 RR간격을 구하여 심박수와 같은 생체정보를 계산하고(68단계), 유효 파라미터, 즉 S1 및 S2의 진폭을 이용하여 제1 및 제2임계치를 조절한다(69단계).

제1 및 제2임계치의 조절은 다음 식과 같이 이루어질 수 있다.

TH1=TH1*β+AR*(1-β)

TH2=Th2*γ+AS1,S2*(1-γ)

여기서, TH1, TH2는 각각 제1 및 제2임계치이고, 0<β,γ<1, AR는 R피크의 진폭이며, AS1,S2는 S1, S2 또는 그 둘의 평균에 대한 진폭이다.

제1임계치 및 제2임계치의 조절은 기저선 동요와 같이 심전도 신호 또는 심음신호의 기저선이 변하는 경우 그에 따라 적응적으로 제1 및 제2임계치를 조절하기위한 것이다.

생체정보는 휴대 단말기(12)를 통해 사용자에게 디스플레이된다(70단계).

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플라피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

본 발명에 따르면, 심전도 신호와 함께 심음신호를 검출하고, 심음신호를 참조하여 R피크를 검출함으로써 사용자가 움직이거나 이동중인 경우에도 보다 정확하게 R피크를 검출할 수 있다.

또한 정확한 R피크 검출에 따라 심박수를 정확하게 계산할 수 있으므로, 운동시 사용자에게 적합한 운동 강도를 제공할 수 있고 RR간격으로부터 부정맥 검출이 가능하다. 또한 일정시간동안 심박측정이 가능하므로 심박변동(Heart Rate Variability)의 분석을 통해 자율신경 기능 또는 스트레스 평가 기능을 구현할 수도 있다.

또한 심음신호의 S1 및 S2의 측정에 따라 심장 판막 이상여부를 진단할 수 있으며, 심근의 수축력을 평가할 수도 있다. 또한 심실 박출 시간(ventricular ejection time) 또는 심실의 이완기에 심실에 채워지는 혈류량을 의미하는 전부하(preload) 등의 평가할 수도 있다.

본 발명에 대해 상기 실시예를 참고하여 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명에 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야할 것이다.

Claims (17)

1. 몸체부;

   상기 몸체부에 위치하고, 피부에 부착되어 심전도 신호를 측정하는 심전도 측정부;

   상기 몸체부에 위치하고, 피부에 접촉하여 심음 신호를 측정하는 심음 센서; 및

   상기 몸체부에 위치하고, 상기 심음 신호를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 적어도 심박수를 포함하는 생체 정보를 얻는 제어부를 포함함을 특징으로하는 생체신호 측정 장치.

2. 제1항에 있어서, 상기 심전도 측정부는

   상기 몸체부에서 피부에 부착되는 면의 적어도 3곳에 도포되는 전도성 겔; 및

   상기 전도성 겔들에 각각 연결되어 상기 전도성 겔들로부터 측정된 전위들중 하나를 접지로 출력하고, 나머지 두 전위의 차를 상기 심전도 신호로 출력하는 복수의 스냅들을 포함함을 특징으로하는 생체신호 측정 장치.

3. 제2항에 있어서,

   상기 피부에 부착되는 면에서 상기 전도성 겔들이 도포되는 곳들을 제외한 나머지 면에는 피부에 점착되도록 비전도성 겔이 도포되는 것을 특징으로하는 생체신호 측정 장치.

4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는

   제1임계치를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 R피크를 검출하는 R피크 검출부;

   제2임계치를 이용하여 상기 심음신호로부터 제1심음 및 제2심음을 검출하고, 상기 제1 및 제2심음을 포함하도록 윈도우를 결정하는 윈도우 결정부; 및

   상기 윈도우 내에 상기 R피크가 있는지를 판단하고, 복수의 R피크들로부터 생체 정보를 계산하는 판단부를 포함함을 특징으로하는 생체 신호 측정 장치.

5. 제4항에 있어서,

   상기 판단부는 상기 윈도우내에 상기 R피크가 없다고 판단하면, 상기 제1임계치를 조절하고,

   상기 R피크 검출부는 조절된 제1임계치를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 다시 상기 R피크를 검출하는 것을 특징으로하는 생체 신호 측정 장치.

6. 제4항에 있어서, 상기 판단부는

   상기 윈도우 내에 상기 R피크가 있다고 판단하면, 상기 R피크의 진폭 및 상기 제1 또는 제2심음의 진폭을 반영하여 상기 제1 및 제2임계치를 조절하는 것을 특징으로하는 생체 신호 측정 장치.

7. 제1항에 있어서,

   사용자에게 휴대되어 상기 생체 정보를 수신하고, 수신한 생체 정보를 디스플레이하는 휴대 단말기를 더 포함함을 특징으로하는 생체 신호 측정 장치.

8. 몸체부;

   상기 몸체부에 위치하고, 피부에 부착되어 심전도 신호를 측정하는 심전도 측정부;

   상기 몸체부에 위치하고, 피부에 접촉하여 심음 신호를 측정하는 심음 센서;

   상기 몸체부에 위치하고, 상기 심전도 신호 및 심음 신호를 출력하는 제어 부; 및

   사용자에게 휴대되어 상기 심전도 신호 및 심음 신호를 수신하고, 상기 심음 신호를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 적어도 심박수를 포함하는 생체 정보를 얻는 휴대 단말기를 포함함을 특징으로하는 생체신호 측정 장치.

9. 제8항에 있어서, 상기 심전도 측정부는

   상기 몸체부에서 피부에 부착되는 면의 적어도 3곳에 도포되는 전도성 겔; 및

   상기 전도성 겔들에 각각 연결되어 상기 전도성 겔들로부터 측정된 전위들중 하나를 접지로 출력하고, 나머지 두 전위의 차를 상기 심전도 신호로 출력하는 복수의 스냅들을 포함함을 특징으로하는 생체신호 측정 장치.

10. 제9항에 있어서,

    상기 피부에 부착되는 면에서 상기 전도성 겔들이 도포되는 곳들을 제외한 나머지 면에는 피부에 점착되도록 비전도성 겔이 도포되는 것을 특징으로하는 생체신호 측정 장치.

11. 제8항에 있어서, 상기 휴대 단말기는

    제1임계치를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 R피크를 검출하는 R피크 검출부;

    제2임계치를 이용하여 상기 심음신호로부터 제1심음 및 제2심음을 검출하고, 상기 제1심음 및 제2심음을 포함하도록 윈도우를 결정하는 윈도우 결정부; 및

    상기 윈도우 내에 상기 R피크가 있는지를 판단하고, 복수의 R피크들로부터 생체 정보를 계산하는 판단부를 포함함을 특징으로하는 생체 신호 측정 장치.

12. 제11항에 있어서,

    상기 판단부는 상기 윈도우내에 상기 R피크가 없다고 판단하면, 상기 제1임계치를 조절하고,

    상기 R피크 검출부는 조절된 제1임계치를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 다시 상기 R피크를 검출하는 것을 특징으로하는 생체 신호 측정 장치.

13. 제11항에 있어서, 상기 판단부는

    상기 윈도우 내에 상기 R피크가 있다고 판단하면, 상기 R피크의 진폭 및 상기 제1심음 또는 제2심음의 진폭을 반영하여 상기 제1 및 제2임계치를 조절하는 것을 특징으로하는 생체 신호 측정 장치.

14. 심전도 신호를 측정하고, 제1임계치를 이용하여 상기 심전도 신호로부터 R피크를 검출하는 단계;

    심음 신호를 측정하고, 상기 심음 신호에서 소정 윈도우를 결정하는 단계;

    상기 R피크가 상기 윈도우내에서 검출되었는가를 판별하는 단계;

    상기 R피크가 상기 윈도우내에서 검출되었다면, 이전에 검출된 복수의 R피크들로부터 생체 정보를 계산하는 단계를 포함함을 특징으로하는 생체 신호 측정 방법.

15. 제14항에 있어서, 상기 윈도우를 결정하는 단계는

    제2임계치를 이용하여 상기 심음 신호로부터 제1심음 및 제2심음을 구하고, 상기 제1심음 및 제2심음을 포함하도록 상기 윈도우의 크기를 결정하는 것을 특징으로하는 생체 신호 측정 방법.

16. 제15항에 있어서,

    상기 R피크의 진폭을 이용하여 상기 제1임계치를 조절하고, 상기 제1심음 또는 제2심음의 진폭을 이용하여 상기 제2임계치를 조절하는 단계를 더 포함함을 특징으로하는 생체 신호 측정 방법.

17. 제14항에 있어서,

    상기 R피크가 상기 윈도우내에서 검출되지않았다면 상기 제1임계치를 조절하고, 조절된 제1임계치를 이용하여 상기 R피크를 다시 검출하는 것을 특징으로하는 생체 신호 측정 방법.

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