KR102218414B1

KR102218414B1 - 생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법

Info

Publication number: KR102218414B1
Application number: KR1020190045509A
Authority: KR
Inventors: 조성호; 박준영; 임영효
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2019-04-18
Filing date: 2019-04-18
Publication date: 2021-02-19
Also published as: KR20200122610A

Abstract

본 발명은 측정 위치 및 각도에 따라 측정 파워가 크게 차이가 나는 비접촉식으로 측정된 생체 신호에서 심박 신호가 정확하게 측정되었는지 판별할 수 있으며, 부정맥 등의 심질환 환자에 대해 측정된 생체 신호에서도 심박 신호가 포함되었는지 용이하게 확인할 수 있도록 하여 실시간으로 부정맥을 탐지할 수 있도록 하여 원격 의료 서비스나 자기 진단에 기초하는 홈 헬스 케어 서비스 등의 서비스 품질을 개선할 수 있는 생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법을 제공할 수 있다.

Description

생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법{VITAL SIGNAL VERIFICATION APPARATUS, VITAL SIGNAL MEASUREMENT APPARATUS AND VITAL SIGNAL VERIFICATION METHOD}

본 발명은 생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법에 관한 것으로, 비접촉식으로 측정된 심박 신호를 검증할 수 있는 생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법에 관한 것이다.

종래에는 생체 신호, 특히 심박 신호를 측정하기 위해서는 일정 시간 동안 피부에 전극을 부착하여 얻은 심장 박동 파형을 분석하는 심전도 검사가 주로 수행되었다. 심전도 검사에서는 환자가 병원에 내원하고, 의사와 같은 전문가가 직접 심장 박동 파형을 확인하여 부정맥 여부 등을 판단하기 때문에, 시간이나 비용 측면에서 환자에게 부담이 될 수 있다. 또한 전극을 피부에 부착하기 때문에, 신생아나 화상 환자 등 피부가 예민한 환자에게 사용하기 어려우며, 일상 생활 중에 검사를 수행하기가 쉽지 않다.

따라서, 일상 생활 동안 간편하게 피검자의 부정맥을 진단할 수 있는, 비접촉식 심박 신호 측정 방법에 대한 요구가 있다.

이에 비접촉식 심박 측정에 관한 많은 연구가 진행되어 왔다. 비접촉식 심박 측정은 심박이 일정한 사람들의 경우 주파수 영역에서나 시간 영역에서 신호의 분석이 간단하여 심박 신호의 유무 판단이 쉽게 이루어지지만, 부정맥이 있는 사람들의 경우 심박이 불규칙적으로 뛰어 심박 신호의 유무 판단이 어렵다는 한계가 있다.

한국 공개 특허 제10-2014-0106795호 (2014.09.04. 공개)

본 발명의 목적은 비접촉식으로 측정된 심박 신호가 정확하게 측정되었는지 판별할 수 있는 생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 부정맥 등의 심질환 환자에 대해 측정된 생체 신호에서 심박 신호가 정확하게 측정되었는지 판별할 수 있는 생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검증 장치는 레이더 기반 생체 신호 측정 장치에서 획득된 시간 영역에서의 수신 신호가 주파수 영역으로 변환된 주파수 생체 신호를 인가받고, 상기 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하는 주파수 구간 구분부; 상기 호흡 영역에서의 피크 신호인 호흡 피크 신호와 상기 심박 영역에서의 피크 신호인 심박 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 미만이면 비정상 측정된 것으로 판별하는 피크 비교부; 상기 피크 신호의 파워 비가 상기 제1 문턱값 이상이면, 상기 심박 영역에서의 평균 파워와 상기 노이즈 영역에서의 평균 파워의 비를 기지정된 제2 문턱값과 비교하여, 상기 제2 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 파워 비교부; 및 상기 평균 파워의 비가 기지정된 제2 문턱값 미만이면, 심박 신호의 하모닉 성분의 파워의 합과 나머지 신호의 파워의 비를 기지정된 제3 문턱값과 비교하여, 상기 제3 문턱값 미만이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 하모닉 분석부; 를 포함한다.

상기 생체 신호 검증 장치는 상기 제3 문턱값 미만이면, 심박 주파수를 중심으로 기지정된 주파수 범위의 평균 신호 파워와 노이즈 영역의 전체 신호 파워의 비로 계산되는 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상인지 판별하여, 상기 제4 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 SNR 분석부; 를 더 포함할 수 있다.

상기 생체 신호 검증 장치는 상기 생체 신호 검증 장치는 상기 레이더 기반 생체 신호 측정 장치로부터 주기적으로 방사된 임펄스 신호에 대한 수신 신호의 자기 상관 신호를 인가받고, 상기 자기 상관 신호의 주기 패턴을 기반으로 피검자의 움직임 여부를 판별하여, 피검자가 움직인 것으로 판별되면, 비정상 측정된 것으로 판별하는 움직임 판별부; 를 더 포함할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치는 기지정된 파형의 신호를 생성하는 신호 발생부; 상기 신호 발생부에서 생성된 신호를 방사하는 송신 안테나; 상기 송신 안테나에서 방사된 신호가 반사된 수신 신호를 수신하는 수신 안테나; 시간 영역에서의 상기 수신 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하여 주파수 생체 신호를 획득하는 신호 처리부; 및 상기 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하고, 구분된 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역의 신호를 비교하여 생체 신호의 정상 측정 여부를 판별하는 생체 신호 검증부; 를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 생체 신호 검증 방법은 레이더 기반 생체 신호 측정 장치에서 획득된 시간 영역에서의 수신 신호가 주파수 영역으로 변환된 주파수 생체 신호를 인가받는 단계; 상기 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하는 단계; 상기 호흡 영역에서의 피크 신호인 호흡 피크 신호와 상기 심박 영역에서의 피크 신호인 심박 피크 신호의 파워 비를 기지정된 제1 문턱값과 비교하여, 파워 비가 상기 제1 문턱값 미만이면 비정상 측정된 것으로 판별하는 단계; 상기 피크 신호의 파워 비가 상기 제1 문턱값 이상이면, 상기 심박 영역에서의 평균 파워와 상기 노이즈 영역에서의 평균 파워의 비를 기지정된 제2 문턱값과 비교하여, 상기 제2 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 단계; 및 상기 평균 파워의 비가 기지정된 제2 문턱값 미만이면, 심박 신호의 하모닉 성분의 파워의 합과 나머지 신호의 파워의 비를 기지정된 제3 문턱값과 비교하여, 상기 제3 문턱값 미만이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 단계; 를 포함한다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 생체 신호 검증 장치, 생체 신호 측정 장치 및 이의 생체 신호 검증 방법은 측정 위치 및 각도에 따라 측정 파워가 크게 차이가 나는 비접촉식으로 측정된 생체 신호에서 심박 신호가 정확하게 측정되었는지 판별할 수 있도록 한다. 특히 부정맥 등의 심질환 환자에 대해 측정된 생체 신호에서도 심박 신호가 포함되었는지 용이하게 확인할 수 있도록 하여 실시간으로 부정맥을 탐지할 수 있도록 한다. 그러므로 원격 의료 서비스나 자기 진단에 기초하는 홈 헬스 케어 서비스 등의 서비스 품질을 개선할 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검증 장치를 포함하는 생체 신호 측정 장치의 개략적 구조를 나타낸다.
도 2는 도 1의 생체 신호 검증부의 상세 구조의 일예를 나타낸다.
도 3 내지 도 5는 각각 시간 영역 및 주파수 영역에서의 생체 신호의 일예를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검증 방법을 나타낸다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검증 장치를 포함하는 생체 신호 측정 장치의 개략적 구조를 나타내고, 도 2는 도 1의 생체 신호 검증부의 상세 구조의 일예를 나타내며, 도 3 내지 도 5는 각각 시간 영역 및 주파수 영역에서의 생체 신호의 일예를 나타낸다.

생체 신호 검증 장치는 생체 신호 측정 장치에서 측정된 생체 신호를 검증하기 위해 구성되므로, 생체 신호 측정 장치와 별도로 구성될 수 있으나, 통상적으로 생체 신호 측정 장치 내에 포함되어 구성되며, 이에 도 1에서도 생체 신호 검증 장치(100)가 생체 신호 측정 장치 내에 포함되어 구성된 경우를 도시하였다.

즉 도 1은 생체 신호 검증 장치가 포함된 비접촉식 생체 신호 측정 장치(100)의 일예를 나타내며, 비접촉식 생체 신호 측정 장치에서도 일예로 레이더 기반 생체 신호 측정 장치(100)의 개략적 구조를 도시하였다. 특히 여기서는 비접촉식 생체 신호 측정 장치(100)가 IR-UWB(Impulse Radio Ultra Wide-Band) 레이더 기반 생체 신호 측정 장치인 것으로 가정한다.

IR-UWB 레이더는 수십 나노/피코 단위 너비의 짧은 임펄스 신호를 빛의 속도로 송신하여 물체에 반사되어 수신되는 신호와 송신 신호의 시간적 차이를 활용하여 물체의 존재와 거리를 판단하는 방식으로 동작한다. 그리고 송신 파워가 매우 작기 때문에 저전력, 저가격 소형으로 구현이 가능하며, 광대역을 사용하여 협대역 간섭에 강하며 신호의 스펙트럼이 유사 잡음 형태를 보이므로 보안성 또한 향상된다.

IR-UWB 레이더 기반 생체 신호 측정 장치(100)는 IR-UWB 레이더를 이용하여 임펄스 신호를 피측정자에게 방사하여 피측정자의 위치를 탐지한 후, 호흡 및 심박으로 인한 신체의 미세한 움직임을 측정할 수 있다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 레이더 기반 생체 신호 측정 장치(100)는 제어부(110), 신호 발생부(120), 송신 안테나(130), 수신 안테나(140), 신호 처리부(150) 및 생체 신호 검증부(160)를 포함할 수 있다.

제어부(110)는 사용자 명령에 응답하여 신호 발생부(120)를 제어하여 방사하고자 하는 신호를 발생시키고, 생체 신호 검증부(160)에서 검증된 생체 측성 신호의 결과를 인가받아 분석하여 측정되고 검증된 생체 신호를 기반으로 피검자의 상태에 대한 정보를 획득한다. 일예로 제어부(110)는 피검자의 호흡 및 심박수 등에 대한 정보를 획득할 수 있으며, 피검자의 부정맥 여부에 대한 정보 등도 획득할 수 있다.

신호 발생부(120)는 제어부(110)의 제어에 따라 기지정된 파형의 신호를 생성하여 송신 안테나(130)로 전달한다. 레이더 기반 생체 신호 측정 장치가 IR-UWB를 이용하는 경우, 신호 발생부(120)는 일예로 임펄스 신호를 발생할 수 있다. IR-UWB 레이더에서 펄스의 주기가 짧을수록 많은 정보를 포함할 수 있는데, FCC의 정의에 따르면 펄스 폭이 수ns에 불과한 펄스 신호를 발생시켜 그 대역폭이 500MHz를 넘거나 중심 주파수 대비 대역폭이 20%를 넘는 경우 UWB 레이더에 포함되도록 하며, 신호 발생부(120)는 이러한 정의에 맞는 임펄스 신호를 발생시킬 수 있다.

송신 안테나(130)는 신호 발생부(120)에 의해 발생된 임펄스 신호를 외부에 방사할 수 있으며, 이때 미리 설정된 영역으로 임펄스 신호가 방사될 수 있다. 여기서는 일예로 송신 안테나(130)가 피검자의 경동맥 부근으로 임펄스 신호를 방사하는 것으로 가정한다.

신호 발생부(120)와 송신 안테나(130)는 레이더 기반 생체 신호 측정 장치(100)의 송신부로 볼 수 있다.

수신 안테나(140)는 송신 안테나(130)에서 방사된 신호가 피검자에 반사된 반사 신호를 수신 신호로서 수신할 수 있으며, 고지향성을 가지는 초광대역 안테나가 사용될 수 있다.

도 1에서는 설명의 편의를 위하여 송신 안테나(130)와 수신 안테나(140)를 별도로 구분하였으나, 경우에 따라서는 송신 안테나(130)와 수신 안테나(140)는 송수신 안테나로 통합될 수 있다.

신호 처리부(150)는 수신 안테나(140)에 의해 수신된 수신 신호를 인가받아 기지정된 방식으로 신호 처리하여 생체 신호를 획득한다. IR-UWB 레이더 기반 생체 신호 측정 장치(100)에서 신호 처리부(150)는 일예로 수신 안테나(140)를 통해 주기적으로 방사된 다수의 임펄스 신호 각각에 대응하여 수신 안테나(140)를 통해 수신된 수신 신호들을 수신 시간 구간 별로 구분하고, 구분된 시간 구간별 수신 신호들을 주파수 영역의 신호로 변환할 수 있다.

송신 안테나(130)에서 임펄스 신호가 방사되면, 방사된 신호는 여러 위치에서 반사되어, 반사된 거리에 따라 서로 다른 시간에 수신 신호로 입사된다. 이에 신호 처리부(150)는 송신 안테나(130)에서 주기적으로 방사되는 다수의 임펄스 신호들의 시간 간격 사이에서 획득되는 수신 신호를 구분함으로써, 각 임펄스 신호에 대한 수신 신호를 구별한다.

경우에 따라서 신호 처리부(150)가 임펄스 신호의 방사 시점을 판별하지 못하도록 구성된 경우, 신호 처리부(150)는 수신 신호에 대한 자기 상관(auto-correlation) 신호를 획득하여, 수신 신호의 주기성을 판별함으로써, 각 임펄스 신호에 대한 수신 신호들을 구분할 수 있다. 또한 피검자의 움직임을 판별하기 위해서 자기 상관 신호를 획득할 수도 있다.

여기서 각 임펄스 신호에 구분된 수신 신호를 패스트 타임 신호라 하며, 다수의 임펄스에 대해 획득되는 다수의 패스트 타임 신호 각각에서 지정된 동일 시간 구간에 대한 신호를 추출하여 획득된 신호를 슬로우 타임 생체 신호라 한다. 즉 슬로우 타임 생체 신호는 다수의 패스트 타임 신호 각각에서 지정된 동일 시간 구간에 대한 신호를 추출하므로, 다수의 임펄스 신호에 대한 수신 신호 중 지정된 일정 거리 구간에서 반사되어 수신된 수신 신호의 집합으로 볼 수 있다.

그리고 신호 처리부(150)는 슬로우 타임 생체 신호를 주파수 영역의 생체 신호로 변환한다. 신호 처리부(150)는 일예로 슬로우 타임 생체 신호에 대해 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 수행하여 주파수 영역의 생체 신호를 획득할 수 있다.

도 3 내지 도 5에서 (a)는 슬로우 타임 생체 신호를 나타내고, (b)는 주파수 영역의 생체 신호를 나타낸다.

여기서 수신 안테나(140)와 신호 처리부(150)는 레이더 기반 생체 신호 측정 장치(100)의 수신부로 볼 수 있다.

생체 신호 검증부(160)는 본 실시예에 따른 생체 신호 검증 장치로서, 신호 처리부(150)에서 획득된 주파수 영역의 생체 신호를 분석하여, 생체 신호에서 심박 신호가 정상적으로 측정되었는지 여부를 검증한다.

일반적으로 IR-UWB와 같은 레이더 신호를 피검자에게 방사하고, 수신 신호로부터 생체 신호를 측정하는 경우, 호흡이 가장 크게 측정되고, 심박은 측정이 용이하지 않다. 그러나 상기한 바와 같이 피검자의 경동맥 부근에서 측정을 수행하는 경우, 호흡에 비해 심박이 더욱 크게 측정되므로, 심박 측정에 용이하다는 장점이 있다. 다만, 경동맥 부근에서 측정을 수행하는 경우, 측정 각도에 따라 심박 신호의 측정 파워가 크게 변화하게 되며, 사람마다 심박 신호가 크게 측정되는 각도에 차이가 있다.

이에 생체 신호 검증부(160)가 측정된 생체 신호에 심박 신호가 정상적으로 나타나는지 여부를 판별할 필요가 있다. 또한 생체 신호 검증부(160)는 부정맥 등으로 인하여 심박 신호가 불규칙하게 나타나는 환자에 대해서도 심박 신호가 측정되었는지 여부를 확인할 수 있어야 한다.

도 2를 참조하면, 생체 신호 검증부(160)는 움직임 판별부(161), 주파수 구간 구분부(162), 피크 비교부(163), 파워 비교부(164), 하모닉 분석부(165), SNR 분석부(166) 및 검증 결과 판정부(167)를 포함할 수 있다.

움직임 판별부(161)는 우선 피검자의 움직임이 있는지 여부를 판별한다. IR-UWB 레이더 기반 생체 신호 측정 장치(100)는 호흡과 심박 등의 생체 신호를 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 미세한 움직임에도 취약하기 때문에, 피검자의 움직임으로 인해 생체 신호를 측정할 수 없을 정도로 신호의 왜곡이 일어날 수 있다. 이에 움직임 판별부(161)는 피검자의 움직임 여부를 우선 판별하여 생체 신호의 정상 여부를 검증한다. 여기서 움직임 판별부(161)는 일예로 수신 신호의 자기 상관 신호에 대한 주기성을 분석하여 피검자의 움직임 여부를 판별할 수 있다.

경우에 따라서 피검자의 움직임 여부를 판별하는 움직임 판별부(161)의 기능은 다른 수단을 통해 수행될 수 있으며, 이 경우 움직임 판별부(161)는 생체 신호 검증부(160)에서 제외될 수 있다. 일예로 제어부(110)가 다른 수단을 통해 피검자의 움직임을 판별할 수도 있다.

그리고 판별 결과 피검자의 움직임이 없는 것으로 판단되면, 주파수 구간 구분부(162)가 슬로우 타임 생체 신호가 주파수 영역으로 변환된 생체 신호에서 기지정된 구간별로 주파수 구간을 구분한다.

슬로우 타임 생체 신호에는 호흡에 의한 성분과 심박에 의한 성분 이외에 다양한 노이즈에 의한 성분이 포함되어 있으며, 호흡과 심박 성분은 주파수 영역에서 용이하게 구분될 수 있다. 일예로 주파수 구간 구분부(162)는 10 ~ 30 bpm(beats per minute)의 저주파수를 호흡 영역으로 구분하고, 45 ~ 110 bpm는 심박 영역으로 구분할 수 있다. 그리고 110 bpm 이상의 고주파수 영역은 노이즈 영역으로 구분할 수 있다.

즉 주파수 구간 구분부(162)는 주파수 영역의 생체 신호를 기지정된 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하여, 생체 신호에서 호흡 신호와 심박 신호 및 노이즈 신호를 개략적으로 구분할 수 있도록 한다.

이에 도 3 내지 도 5에서 (b)의 주파수 영역의 생체 신호에서는 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역이 구분되어 표시되었다. 여기서 도 3은 피검자가 정상인 경우에 측정된 생체 신호를 나타내고, 도 4는 피검자가 부정맥 환자인 경우에 측정된 생체 신호를 나타내며, 도 5는 피검자가 정상이지만 노이즈가 크게 포함된 경우의 생체 신호를 나타낸다.

피크 비교부(163)는 주파수 구간 구분부(162) 구분된 호흡 영역과 심박 영역 각각에서 피크 신호를 추출하고, 호흡 영역에서 추출된 호흡 피크 신호와 심박 영역에서 추출된 심박 피크 신호의 파워 비를 계산하고, 계산된 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 이상인지 판별한다. 판별 결과, 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 미만이면, 생체 신호 검증부(160)는 측정된 생체 신호에서 심박 신호가 정상적으로 측정되지 않은 것으로 판별할 수 있다.

상기한 바와 같이 경동맥 부근을 측정하는 경우, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 호흡보다 심박에 의한 성분이 더 크게 나타나므로, 제1 문턱값은 일예로 1 이상의 값으로 설정될 수 있다. 그러나 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 심박이 불규칙하게 나타나는 부정맥 환자 또한 고려하여야 하므로, 제1 문턱값은 1 이하의 값으로 설정될 수 있으며, 여러 실험 결과를 기초로 미리 설정될 수 있다.

한편 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 이상이면, 파워 비교부(164)가 심박 영역에서의 평균 파워(average power)와 노이즈 영역에서의 평균 파워의 비를 계산하고, 계산된 평균 파워 비가 기지정된 제2 문턱값 이상인지 판별한다. 즉 심박 성분이 노이즈 성분보다 크게 나타나는지를 판별한다.

만일 평균 파워 비가 제2 문턱값 이상이면, 생체 신호에 심박 신호가 정상적으로 측정된 것으로 판별할 수 있다. 그러나 평균 파워 비가 제2 문턱값 미만이면, 하모닉 분석부(165)가 심박 신호의 하모닉(Harmonic) 성분을 분석한다.

시간 영역에서 심박 신호가 정상적으로 측정된 경우, 주파수 영역으로 변환된 생체 신호에는 심박 신호와 함께 하모닉 성분이 나타나게 되는 반면, 노이즈 신호에서는 하모닉 성분이 나타나지 않는다. 따라서 심박 신호가 정상적으로 측정된 경우, 심박 영역에서의 피크 주파수인 심박 주파수의 정수배에 해당하는 주파수에서는 하모닉 성분이 함께 나타나게 된다.

이에 하모닉 분석부(165)는 심박 주파수와 심박 주파수의 정수배에 해당하는 신호의 파워를 분석하여 하모닉 성분이 존재하는지 여부를 판별할 수 있으며, 일예로 심박 주파수와 심박 주파수의 정수배에 해당하는 신호의 파워의 합과 나머지 신호의 파워의 비를 기지정된 제3 문턱값과 비교하여 하모닉 성분의 존재 여부를 판별할 수 있다.

만일 하모닉 성분이 존재하는 것으로 판별되면, 심박 신호가 정상적으로 측정된 것으로 판별한다. 그러나 하모닉 성분이 존재하지 않는 것으로 판단되면, SNR 분석부(166)가 심박 영역에서의 피크 주파수인 심박 주파수를 중심으로 기지정된 주파수 범위의 평균 신호 파워 대비 노이즈 영역의 전체 신호 파워를 비교하여, 신호대 잡음비를 계산하고, 계산된 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상인지 판별한다.

만일 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상이면, 심박 신호가 정상적으로 측정된 것으로 판별하고, 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 미만이면, 심박 신호가 정상적으로 측정되지 않은 것으로 판별한다.

검증 결과 판정부(167)는 움직임 판별부(161), 피크 비교부(163), 파워 비교부(164), 하모닉 분석부(165), SNR 분석부(166)에서의 판별 결과에 따라 심박 신호가 정상적으로 측정되었는지 여부를 판정하고, 판정 결과를 제어부(110)로 전달한다.

제어부(110)는 검증 결과 판정부(167)의 판정 결과에 따라 다시 생체 신호 측정을 수행하기 위해, 신호 발생부(120)를 제어하거나, 호흡, 심박 및 부정맥 여부에 대한 정보를 분석할 수 있다.

상기에서는 생체 신호 검증부(160)를 별도로 도시하였으나, 생체 신호 검증부(160)는 제어부(110)에 포함되어 구성될 수 있다. 경우에 따라서는 신호 처리부(150) 또한 제어부(110)에 포함되어 구성될 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 검증 방법을 나타낸다.

도 1 및 도 2를 참조하여, 도 6 의 생체 신호 검증 방법을 설명하면, 생체 신호 검증 장치(160)는 우선 생체 신호를 획득한다(S11). 여기서 생체 신호 검증 장치(160)는 주파수 영역으로 변환된 주파수 생체 신호를 획득할 수 있으며, 경우에 따라서는 시간 영역에서의 슬로우 타임 생체 신호를 함께 획득할 수도 있으며, 수신 신호에 대한 자기 상관 신호를 획득할 수도 있다.

그리고 생체 신호 검증 장치(160)는 피검자의 움직임이 발생하였는지 여부를 판별한다(S12). 만일 피검자의 움직임이 발생된 것으로 판별되면, 생체 신호가 비정상 측정된 것으로 판별한다(S18).

생체 신호 검증 장치(160)는 자기 상관 신호가 획득되면, 획득된 자기 상관 신호로부터 피검자의 움직임 발생 여부를 판별할 수 있다. 그러나 생체 신호 측정 장치(100)에서 피검자의 움직임 발생 여부가 자기 상관 신호가 아닌 다른 수단을 통해 판별되도록 구성된 경우, 생체 신호 검증 장치(160)는 피검자의 움직임이 발생하였는지 여부를 판별하는 단계를 생략할 수 있다.

한편, 생체 신호 검증 장치(160)는 피검자의 움직임이 발생되지 않은 것으로 판별되면, 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분한다(S13).

그리고 구분된 호흡 영역에서의 피크 신호인 호흡 피크 신호와 심박 영역에서의 피크 신호인 심박 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 이상인지 판별한다(S14). 만일 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 미만이면, 생체 신호, 특히 심박 신호가 비정상 측정된 것으로 판별한다(S18). 그러나 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 이상이면, 심박 영역에서의 평균 파워와 노이즈 영역에서의 평균 파워의 비를 계산하고, 계산된 평균 파워 비가 기지정된 제2 문턱값 이상인지 판별한다(S15).

만일 평균 파워 비가 기지정된 제2 문턱값 이상이면, 생체 신호가 정상 측정된 것으로 판별한다(S19). 그러나 평균 파워 비가 기지정된 제2 문턱값 미만이면, 심박 신호의 하모닉 성분의 파워의 합과 나머지 신호의 파워의 비를 기지정된 제3 문턱값과 비교한다.

하모닉 성분의 파워 비가 제3 문턱값 이상이면, 생체 신호가 정상 측정된 것으로 판별하고(S19), 하모닉 성분의 파워 비가 제3 문턱값 미만이면, 심박 주파수를 중심으로 기지정된 주파수 범위의 평균 신호 파워와 노이즈 영역의 전체 신호 파워의 비로 신호대 잡음비를 계산하고, 계산된 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상인지 판별한다(S17).

신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상이면, 생체 신호가 정상 측정된 것으로 판별하고(S19), 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 미만이면, 생체 신호가 정상 측정된 것으로 판별한다(S18).

본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110: 제어부 120: 신호 발생부
130: 송신 안테나 140: 수신 안테나
150: 신호 처리부 160: 생체 측정 신호 검증부
161: 움직임 판별부 162: 주파수 구간 구분부
163: 피크 비교부 164: 파워 비교부
165: 하모닉 분석부 166: SNR 분석부
167: 검증 결과 판정부

Claims

레이더 기반 생체 신호 측정 장치에서 획득된 시간 영역에서의 수신 신호가 주파수 영역으로 변환된 주파수 생체 신호를 인가받고, 상기 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하는 주파수 구간 구분부;
상기 호흡 영역에서의 피크 신호인 호흡 피크 신호와 상기 심박 영역에서의 피크 신호인 심박 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 미만이면 비정상 측정된 것으로 판별하는 피크 비교부;
상기 피크 신호의 파워 비가 상기 제1 문턱값 이상이면, 상기 심박 영역에서의 평균 파워와 상기 노이즈 영역에서의 평균 파워의 비를 기지정된 제2 문턱값과 비교하여, 상기 제2 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 파워 비교부; 및
상기 평균 파워의 비가 기지정된 제2 문턱값 미만이면, 심박 신호의 하모닉 성분의 파워의 합과 나머지 신호의 파워의 비를 기지정된 제3 문턱값과 비교하여, 상기 제3 문턱값 미만이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 하모닉 분석부; 를 포함하는 생체 신호 검증 장치.
제1 항에 있어서, 상기 생체 신호 검증 장치는
상기 제3 문턱값 미만이면, 심박 주파수를 중심으로 기지정된 주파수 범위의 평균 신호 파워와 노이즈 영역의 전체 신호 파워의 비로 계산되는 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상인지 판별하여, 상기 제4 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 SNR 분석부; 를 더 포함하는 생체 신호 검증 장치.
제1 항에 있어서, 상기 생체 신호 검증 장치는
상기 레이더 기반 생체 신호 측정 장치로부터 주기적으로 방사된 임펄스 신호에 대한 수신 신호의 자기 상관 신호를 인가받고, 상기 자기 상관 신호의 주기 패턴을 기반으로 피검자의 움직임 여부를 판별하여, 피검자가 움직인 것으로 판별되면, 비정상 측정된 것으로 판별하는 움직임 판별부; 를 더 포함하는 생체 신호 검증 장치.
기지정된 파형의 신호를 생성하는 신호 발생부;
상기 신호 발생부에서 생성된 신호를 방사하는 송신 안테나;
상기 송신 안테나에서 방사된 신호가 반사된 수신 신호를 수신하는 수신 안테나;
시간 영역에서의 상기 수신 신호를 주파수 영역의 신호로 변환하여 주파수 생체 신호를 획득하는 신호 처리부; 및
상기 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하고, 구분된 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역의 신호를 비교하여 생체 신호의 정상 측정 여부를 판별하는 생체 신호 검증부; 를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
제4 항에 있어서, 상기 생체 신호 검증부는
상기 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하는 주파수 구간 구분부;
상기 호흡 영역에서의 피크 신호인 호흡 피크 신호와 상기 심박 영역에서의 피크 신호인 심박 피크 신호의 파워 비가 기지정된 제1 문턱값 미만이면 비정상 측정된 것으로 판별하는 피크 비교부; 및
상기 피크 신호의 파워 비가 상기 제1 문턱값 이상이면, 상기 심박 영역에서의 평균 파워와 상기 노이즈 영역에서의 평균 파워의 비를 기지정된 제2 문턱값과 비교하여, 상기 제2 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 파워 비교부; 및
상기 평균 파워의 비가 기지정된 제2 문턱값 미만이면, 심박 신호의 하모닉 성분의 파워의 합과 나머지 신호의 파워의 비를 기지정된 제3 문턱값과 비교하여, 상기 제3 문턱값 미만이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 하모닉 분석부; 를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
제5 항에 있어서, 상기 생체 신호 검증부는
상기 제3 문턱값 미만이면, 심박 주파수를 중심으로 기지정된 주파수 범위의 평균 신호 파워와 노이즈 영역의 전체 신호 파워의 비로 계산되는 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상인지 판별하여, 상기 제4 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 SNR 분석부; 를 더 포함하는 생체 신호 측정 장치.
제5 항에 있어서, 상기 신호 처리부는
상기 수신 신호의 자기 상관 신호를 획득하여, 상기 수신 신호의 주기성을 판별하여 상기 수신 신호를 주기별로 구분하고,
상기 생체 신호 검증부는
구분된 상기 수신 신호의 주기에 따라 피검자의 움직임 여부를 판별하여, 피검자가 움직인 것으로 판별되면, 비정상 측정된 것으로 판별하는 움직임 판별부; 를 더 포함하는 생체 신호 측정 장치.
레이더 기반 생체 신호 측정 장치에서 획득된 시간 영역에서의 수신 신호가 주파수 영역으로 변환된 주파수 생체 신호를 인가받는 단계;
상기 주파수 생체 신호를 기지정된 주파수 구간에 따라 호흡 영역과 심박 영역 및 노이즈 영역으로 구분하는 단계;
상기 호흡 영역에서의 피크 신호인 호흡 피크 신호와 상기 심박 영역에서의 피크 신호인 심박 피크 신호의 파워 비를 기지정된 제1 문턱값과 비교하여, 파워 비가 상기 제1 문턱값 미만이면 비정상 측정된 것으로 판별하는 단계;
상기 피크 신호의 파워 비가 상기 제1 문턱값 이상이면, 상기 심박 영역에서의 평균 파워와 상기 노이즈 영역에서의 평균 파워의 비를 기지정된 제2 문턱값과 비교하여, 상기 제2 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 단계; 및
상기 평균 파워의 비가 기지정된 제2 문턱값 미만이면, 심박 신호의 하모닉 성분의 파워의 합과 나머지 신호의 파워의 비를 기지정된 제3 문턱값과 비교하여, 상기 제3 문턱값 미만이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 단계; 를 포함하는 생체 신호 검증 방법.
제8 항에 있어서, 상기 생체 신호 검증 방법은
상기 제3 문턱값 미만이면, 심박 주파수를 중심으로 기지정된 주파수 범위의 평균 신호 파워와 노이즈 영역의 전체 신호 파워의 비로 계산되는 신호대 잡음비가 기지정된 제4 문턱값 이상인지 판별하여, 상기 제4 문턱값 이상이면, 정상 측정된 것으로 판별하는 단계; 를 더 포함하는 생체 신호 검증 방법
제8 항에 있어서, 상기 생체 신호 검증 방법은
레이더 기반 생체 신호 측정 장치로부터 주기적으로 방사된 임펄스 신호에 대한 수신 신호의 자기 상관 신호를 인가는 단계;
상기 자기 상관 신호의 주기 패턴을 기반으로 피검자의 움직임 여부를 판별하여, 피검자가 움직인 것으로 판별되면, 비정상 측정된 것으로 판별하는 단계; 를 더 포함하는 생체 신호 검증 방법.