WO2011062356A1 - 광용적맥파 측정기 - Google Patents

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light emitting
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signal
signal processor
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김정
한효녕
김영화
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H3 System Co Ltd
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    • A61B5/11—Measuring movement of the entire body or parts thereof, e.g. head or hand tremor or mobility of a limb

Definitions

  • the present invention relates to a pulse measuring apparatus, and more particularly, to a photoplethysmography apparatus.
  • Photoplethysmograph is a pulse wave measurement method that can measure heart rate activity by measuring blood flow through blood vessels using optical characteristics of biological tissues.
  • Pulse wave is a pulsating waveform in which blood ruptures in the heart and can be measured by a change in blood flow, that is, a change in the volume of blood vessels, as a result of the relaxation and contraction of the heart.
  • Optical Volume Pulse Measurement is a method of measuring pulse waves using light. The optical sensor detects and measures changes in optical characteristics such as reflection and absorption transmittance of biological tissues when the volume changes, and pulse measurement is possible. . This method is widely used because it can measure non-invasive pulse, miniaturization, and ease of use, and it is easy to develop wearable life signal detection sensor.
  • the optical volumetric pulse wave sensor has a problem that the measurement signal is severely distorted when the movement is accompanied.
  • One technical problem to be solved by the present invention is to provide an optical volumetric pulse wave meter with reduced dynamic noise.
  • the light volume pulse wave measuring device is provided with a plurality of light emitting parts spaced apart from each other to irradiate light to a measurement site, and disposed in a central region of the light emitting parts, and reflect reflected light or transmitted light of the measurement site by the light emitting parts. It includes a light receiving unit for sensing, a pre-signal processing unit for amplifying and filtering the measurement signal of the light receiving unit, and a signal processing unit for extracting the pulse rate of the subject using the output signal of the pre-signal processing unit.
  • the light emitting units and the light receiving unit provide a plurality of light paths, and the light receiving unit senses the reflected or transmitted light spatially averaged at the measurement site.
  • the light emitting parts may be symmetrically arranged around the light receiving part.
  • the light emitting units may be light emitting diodes emitting red or visible light.
  • the pre-signal processing unit amplifies and filters the output signal of the acceleration detection unit
  • the signal processor may extract the pulse rate of the subject by compensating for the noise caused by the movement by using the output signal of the pre-signal processor.
  • the optical volumetric pulse wave detector is attached to the measurement site of the subject to be spaced apart from each other and the light receiving unit for detecting the reflected or transmitted light at the measurement site, disposed in the central region of the light receiving unit and attached to the measurement site
  • a light emitting unit for providing output light to the measurement part
  • an acceleration detector attached to the measurement part to detect movement (acceleration in X, Y, and Z axes), and amplifying and filtering output signals of the light receiving parts and the acceleration detection part.
  • a signal processor for extracting a pulse of the subject by compensating for the dynamic disturbance caused by the movement by using an output signal of the pre-signal processor.
  • the signal processor averages and processes output signals of the light receivers.
  • the light receiving parts may be symmetrically arranged with respect to the center of the light emitting part.
  • An optical volume pulse wave measuring device includes a light emitting part, a first reflecting part reflecting output light of the light emitting part in one direction or one side, and disposed on a central region of the first reflecting part, And a second reflector for reflecting the light reflected by the first reflector and providing the reflected light to the first reflector, and a light receiver attached to the second reflector and attached to a measurement site of the subject.
  • the first reflecting part and the second reflecting part provide a plurality of symmetrical optical paths between the light emitting part and the light receiving part at the measurement site.
  • the first reflecting portion and the second reflecting portion may be irradiated with light at a plurality of locations on the measurement site.
  • the optical volumetric pulse wave detector having a plurality of optical paths exhibits strong characteristics against dynamic noise. Therefore, the pulse rate was able to be measured accurately even in the exercise situation where the conventional measurement was incorrect.
  • FIG. 1 is a view illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an adaptive filter of a signal processing unit of an optical volume pulse wave measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4 and 5 are views illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • FIGS. 6 and 7 are views illustrating an optical volumetric pulse wave detector according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG 8 and 9 are views illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to still another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view illustrating a measurement result of a conventional optical volumetric pulse wave meter and an electrocardiogram-based pulse rate meter.
  • FIG. 11 is a view illustrating a measurement result of an optical volumetric pulse wave detector and an electrocardiogram-based pulse rate detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the causes of the dynamic noise generated during the movement can be explained by the physiological structure and device structural problems.
  • the x-axis direction coincides with the direction of the radial artery blood vessel passing through the wrist
  • the x-direction movement can affect the blood flow rate and velocity changes in the blood vessel. Therefore, the x-direction movement affects the blood vessel volume and directly affects the light volume pulse wave detector.
  • the noise in the z-axis direction can be viewed as a structural effect of the device.
  • the z-axis movement puts pressure on the skin due to the mass and inertia of the optical volumetric pulse wave detector, which can cause dynamic noise by causing skin and blood vessel changes.
  • the optical volumetric pulse wave detector detects a spatially averaged optical signal by providing a plurality of optical paths between the light emitting parts and the light receiving parts that are spatially spaced apart from each other in the skin, thereby causing dynamic noise due to a local position. Can be minimized. Therefore, the optical volume pulse wave measuring device can extract the accurate pulse by reducing the occurrence of the dynamic noise generated during the movement.
  • FIG. 1 is a view illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an adaptive filter of a signal processing unit of an optical volume pulse wave measuring device according to an embodiment of the present invention.
  • a light volume pulse wave detector may be spaced apart from each other to emit light to a measurement site, and a plurality of light emitting parts 110a to d and a central area of the light emitting parts 110a to d.
  • a pre-processing unit disposed at a light receiving unit 120 for detecting reflected light or transmitted light of the measurement portion by the light emitting units 110a to d and amplifying and filtering the measurement signal D (t) of the light receiving unit 120. 140, and a signal processor 150 for extracting the pulse rate of the subject using the output signals d (n) and x (n) of the preliminary signal processor 140.
  • the light emitting units 110a to d and the light receiving unit 120 provide a plurality of light paths, and the light receiving unit 120 senses the reflected or transmitted light spatially averaged at the measurement site.
  • the optical volume pulse wave measuring device may detect a change in volume of blood flow through a blood vessel of the measurement part of the subject.
  • the measurement part of the subject may be an ear, a finger, a toe, a neck, a wrist, or a forehead.
  • the measurement part may be defined as an area surrounded by the light emitting parts 110a to 110d.
  • the light emitting parts 110a to 110d may emit infrared or visible light.
  • the light emitting parts 110a to 110d may include a light emitting device that emits light by itself or a fluorescent material.
  • the light emitting parts 110a to 110d may be an infrared light emitting diode (LED), a blue LED, a red LED, or a green LED.
  • the light emitting parts 110a to 110d may be symmetrically disposed around the light receiving part 120.
  • the light emitting parts 110a to 110d may be packaged as one.
  • the light emitting parts 110a to 110d may be supplied with power through one power supply 119.
  • the power supply 119 may be a battery or a DC power source.
  • the light receiving unit 120 may be disposed in a central area of the light emitting units 110a to 110d.
  • the light receiving unit 120 may receive reflected light or transmitted light of the light emitting units 110a to 110d.
  • the light receiver 120 may further include an optical filter.
  • the light receiver 120 may include at least one of a photo diode (PD), a charge coupled device (CCD), and a compact image sensor (CIS).
  • the light receiving unit 120 may further include a light collecting unit (not shown) for collecting the transmitted light or the reflected light of the light emitting units 110a to 110d. When the light receiving unit 120 includes the light collecting unit, the light collecting unit may be disposed in a central area of the light emitting units 110a to 110d.
  • the light receiver 120 may output an analog measurement signal D (t).
  • the light emitting unit and the light receiving unit provide one light path. Therefore, when there is dynamic motion, the light path and intensity from the light emitting part to the light receiving part may change. Local pressure of the skin caused by the dynamic movement may cause changes in skin and blood vessels, thereby generating dynamic noise.
  • the optical volumetric pulse wave detector includes a plurality of light paths between the plurality of light emitting parts 110a to 110d and the light receiving part 120.
  • the light receiving unit 120 may obtain spatially averaged transmitted light or reflected light.
  • the noise may be spatially averaged and reduced.
  • certain directional movements can affect blood flow and velocity changes in blood vessels.
  • the movement in the specific direction may be corrected by using the acceleration detector 130.
  • the acceleration detecting unit 130 may be a three-axis acceleration sensor.
  • the acceleration detector 130 may output an analog acceleration signal X (t) in the x, y, and z axis directions.
  • the acceleration sensing unit 130 may provide information regarding the dynamic movement of the measurement part.
  • the acceleration detecting unit 130 may be disposed so that the center axis of the light receiving unit 120 coincides with the light receiving unit 120.
  • the sensor unit 101 may include the light emitting units 110a to 110d, the light receiving unit 120, and the acceleration detecting unit 130.
  • the sensor unit 101 may be integrally packaged.
  • the pre-signal processing unit 140 may include a first pre-signal processing unit 141a and a second pre-signal processing unit 141b.
  • the first preliminary signal processor 141a may receive and process the measurement signal D (t) of the light receiver 120.
  • the second preliminary signal processor 141b may receive and process the acceleration signal X (t) of the acceleration detector 130.
  • the acceleration detector 130 may output an x-axis acceleration signal, a y-axis acceleration signal, and a z-axis acceleration signal. Accordingly, the second preliminary signal processor 141b may output three digital acceleration signals x (n) having three channels.
  • the first preliminary signal processor 141a may include at least one of an amplifier 142a, a filter 144a, and an A / D converter 146a.
  • the second preliminary signal processor 141b may include at least one of an amplifier 142b, a filter 144b, and an A / D converter 146b.
  • the amplifier 142a may amplify the measurement signal D (t) of the light receiver 120.
  • the filter unit 144a may include at least one of a band pass filter, a low pass filter, and a high pass filter for selectively passing a frequency component of a human pulse.
  • the filter unit 144a may be configured as a passive element or an active element.
  • the cutoff frequency of the low pass filter may be about 5 Hz.
  • the cutoff frequency of the high pass filter may be about 0.5 Hz.
  • the A / D converter 146a may convert an analog signal into a digital signal and output a digital measurement signal d (n).
  • the A / D converter 146b may convert an analog signal into a digital signal and output a digital acceleration signal x (n).
  • the driving clock frequencies of the A / D converters 146a and 146b may be about 200 Hz.
  • the signal processor 150 may receive the digital measurement signal d (n) and the digital acceleration signal x (n) of the pre-signal processor 140.
  • the signal processor 150 may include a digital signal processor (DSP) or a microprocessor.
  • DSP digital signal processor
  • the signal processor 150 may provide an adaptive filter algorithm to remove the operation sound.
  • the digital measurement signal d (n) may include a pulse wave signal S (n) and dynamic noise n (n) related to movement.
  • the digital acceleration signal x (n) may be directly correlated with the dynamic noise n (n). Therefore, the pulse wave signal S (n) can be obtained by removing the dynamic noise n (n) from the digital measurement signal d (n).
  • the estimated value y (n) of the dynamic noise can be provided using the digital acceleration signal x (n).
  • the estimated value e (n) of the pulse wave signal may be obtained by subtracting the estimated value y (n) of the dynamic noise from the digital measurement signal d (n).
  • the estimated value y (n) of the dynamic noise may be obtained through a digital filter having an acceleration signal x (n) and a filter coefficient w (n) as follows.
  • the filter coefficient w (n) may be optimized by using an adaptive filter on the digital acceleration signal x (n) and the estimated value e (n) of the pulse wave signal.
  • the adaptive filter may use a least mean square (LMS) algorithm. Pulse rate may be extracted over time using the estimated value e (n) of the pulse wave signal.
  • LMS least mean square
  • the transmitter 160 may provide the pulse rate of the signal processor 150 through wired or wireless communication.
  • the receiver 170 may receive the pulse rate through wired or wireless communication with the transmitter 160. Information of the receiver 170 may be stored in the server 180.
  • FIG. 3 is a view illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to another embodiment of the present invention. Descriptions overlapping with those described in FIG. 1 will be omitted.
  • the optical volumetric pulse wave detector is attached to the measurement site of the subject and is spaced apart from each other, and receives the light receiving units 220a to 220d and the light receiving units 220a to 220d to detect the reflected or transmitted light at the measurement site.
  • a light emitting unit 210 disposed in a center area and attached to the measurement site to provide output light to the measurement site, an acceleration detection unit 230 attached to the measurement site to detect acceleration of X, Y, and Z axes, and Dynamic disturbance due to the acceleration by using the pre-signal processor 240 for amplifying and filtering the output signals of the light receiving units 220a to 220d and the acceleration detector 230, and the output signal of the pre-signal processor 240.
  • the signal processor 150 averages and processes the output signals of the light receivers 220a to 220d.
  • the light emitting unit 210 may be an LED.
  • the light emitting unit 210 may be disposed in the central area of the measurement site of the subject.
  • the power supply unit 219 may supply DC power to the light emitting unit 210.
  • the light receiving parts 220a to 220d may be symmetrically disposed around the light emitting part 210.
  • the light receiving parts 220a to 220d may be PDs.
  • the light emitting unit 210 and the light receiving units 220a to 220d may provide a plurality of optical paths. Accordingly, the output signals of the light receivers may be summed to minimize dynamic noise.
  • the acceleration detector 230 may be disposed to coincide with the center of the light receiver 210.
  • the acceleration detecting unit 230 may be a three-axis acceleration sensor.
  • the preliminary signal processor 240 may include first to fifth preprocessors 241a to 241e.
  • the first to fourth preprocessors 241a to 241d amplify and measure the measurement signals D1 (t), D2 (t), D3 (t), and D4 (t) of the light receivers 220a to 220d. You can filter.
  • the A / D converter may convert the analog signal into a digital signal and output digital measurement signals d1 (n), d2 (n), d3 (n), and d4 (n).
  • the fifth preprocessor 241e may receive the amplification and filtering of the acceleration signal X (t) of the acceleration detector 230, convert the digital signal into a digital signal, and output a digital acceleration signal x (n). Can be.
  • the signal processor 250 may sum and average the digital measurement signals d1 (n), d2 (n), d3 (n), and d4 (n) of the light receivers.
  • the averaged digital measurement signal and the digital acceleration signal x (n) may be provided to an adaptive filter algorithm to remove the operation sound.
  • FIG. 4 and 5 are views illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to another embodiment of the present invention.
  • 5 is a side view of FIG. 4.
  • the light volume pulse wave detectors are spaced apart from each other, and a plurality of light emitting parts 110a, 110b, 110c, and 110d irradiating light to the measurement part 109, and the light emitting parts 110a and 110b,
  • the light receiving unit 120 is disposed in the center area of the 110c and 110d and senses the reflected light or the transmitted light of the measurement portion by the light emitting parts 110a, 110b, 110c, and 110d.
  • the light emitting units 110a, 110b, 110c, and 110d and the light receiving unit 120 provide a plurality of light paths Pa, Pb, Pc, and Pd, and the light receiving unit 120 is spatial in the measurement part 109. Detects the averaged reflected or transmitted light.
  • the acceleration detector 130 may be disposed on the light receiver 120.
  • the light emitting parts 110a, 110b, 110c, and 110d may have the same light emitting efficiency.
  • the light emitting units may be manufactured to have a wide view angle.
  • the light emitting units may be arranged in a cross shape.
  • FIGS. 6 and 7 are views illustrating an optical volumetric pulse wave detector according to still another embodiment of the present invention.
  • the light emitting parts 111a to 111d may be arranged in a line.
  • the light receiving unit 121 may be disposed in a central area of the light emitting units 111a to 111d.
  • the light emitting parts 111a to 111d may provide a measurement area 109.
  • the light receiving unit 121 may receive reflected light or transmitted light of the output light of the light emitting units 111a to 111d.
  • the light receiver 121 may receive an averaged optical signal by a plurality of optical paths.
  • the acceleration detector 130 may be disposed on the light receiver 121.
  • the light emitting parts 310a and 310b may be disposed on one surface of the measuring part, and the light receiving part 320 may be disposed on the other surface of the measuring part.
  • the light emitting parts 310a and 310b may be symmetrically disposed with respect to the light receiving part 320.
  • the light receiving unit 320 may receive transmitted light of output light of the light emitting units 310a and 310b.
  • the light receiver 320 may receive an averaged optical signal by a plurality of optical paths.
  • the acceleration detector 330 may be disposed below the light receiver 320.
  • FIG 8 and 9 are views illustrating an optical volume pulse wave measuring device according to still another embodiment of the present invention.
  • the optical volume pulse wave measuring device may include a light emitter 410, a first reflector 441 that reflects the output light of the light emitter 410 in one direction or one side, and the first reflector 441.
  • the second reflector 449 is disposed on the center region and reflects the light of the light emitter 410 or the light reflected by the first reflector 441 to the first reflector 441.
  • a light receiver 420 mounted to the second reflector 449 and attached to a measurement site of the subject.
  • the first reflecting unit 441 and the second reflecting unit 449 provide a plurality of symmetrical optical paths between the light emitting unit 430 and the light receiving unit 420 at the measurement site.
  • the light emitting unit 410 may be an LED device.
  • the light emitter 410 may be mounted at a central portion of the frame 443 including the first reflector 441.
  • the first reflecting portion 441 may be a reflecting cup.
  • the first reflector 441 may be manufactured to have a uniform illuminance of the output light of the light emitter 410 to one side.
  • the first reflector 441 may be coated with a metal.
  • the first reflecting portion 441 may have a tapered cup shape.
  • the second reflector 449 may be disposed on a central axis of the first reflector 441.
  • the second reflector 449 may be hemispherical including a hemispherical surface 445 and a plane 447.
  • the hemispherical surface 445 may be disposed to face the first reflector 441.
  • the first reflecting unit 441 and the second reflecting unit 449 may irradiate light in the form of a ring 446 to the measurement site.
  • the light receiver 420 may be disposed on the plane 447 of the second reflector 449.
  • the light emitted from the light emitter 410 may reach the light receiver 420 by being reflected or transmitted at the measurement site.
  • the light paths of the light emitter 410 and the light receiver 420 may provide a plurality of light paths.
  • the acceleration detector 430 may be mounted on the frame 443.
  • the optical volume pulse wave measuring device may include a light emitter 410, a first reflector 441 that reflects output light of the light emitter 410 in one direction or one side, and the first reflector 441.
  • the second reflector 449 is disposed on the center region and reflects the light of the light emitter 410 or the light reflected by the first reflector 441 to the first reflector 441.
  • a light receiver 420 mounted to the second reflector 449 and attached to a measurement site of the subject.
  • the first reflecting unit 441 and the second reflecting unit 449 provide a plurality of symmetrical optical paths between the light emitting unit 430 and the light receiving unit 420 at the measurement site.
  • the light emitting unit 410 may be an LED device.
  • the light emitter 410 may be mounted at a central portion of the frame 443 including the first reflector 441.
  • the first reflecting portion 441 may be a reflecting cup.
  • the first reflector 441 may be manufactured to have a uniform illuminance of the output light of the light emitter 410 to one side.
  • the first reflector 441 may be coated with a metal.
  • the first reflecting portion 441 may have a tapered cup shape.
  • the second reflector 449a may be disposed on a central axis of the first reflector 441.
  • the second reflector 449a may include a reflecting surface 445a and a plane 447a.
  • the second reflector 449a may include a plurality of through holes 448. Light passing through the through holes 448 may be regularly irradiated to the measurement site.
  • the light receiver 420 may be disposed on the plane 447 of the second reflector 449.
  • the light emitted from the light emitter 410 may reach the light receiver 420 by being reflected or transmitted at the measurement site.
  • the light paths of the light emitter 410 and the light receiver 420 may provide a plurality of light paths.
  • the acceleration detector 430 may be mounted on the frame 443.
  • FIG. 10 is a view illustrating a measurement result of a conventional optical volumetric pulse wave meter and an electrocardiogram-based pulse rate meter.
  • ECG-based pulse meter ECG-based pulse meter
  • the electrocardiogram used as a reference signal of the pulse was measured by a three-channel electrode method, and was attached to the chest, which is a region with little influence of dynamic noise during movement.
  • the Optical Volume Pulse Wave Meter (PPG) was measured on the finger.
  • the experiment was performed on a treadmill.
  • the x axis is 10 seconds apart.
  • the treadmill is stationary (2 minutes 20 seconds), 3 km / hour (2 minutes 20 seconds), 5 km / hour (2 minutes 20 seconds), 7 km / hour (2 minutes 20 seconds), 10 hours per hour km / hour (2 min 20 sec), and stop and rest (1 min 10 sec) are operated continuously.
  • the pulse rate (PPG) of the subject of the optical volumetric pulse meter using one light emitter and one light receiver is almost in agreement with the results of an ECG-based pulse meter (ECG) at rest.
  • ECG ECG-based pulse meter
  • FIG. 11 is a view illustrating a measurement result of an optical volumetric pulse wave detector and an electrocardiogram-based pulse rate detector according to an exemplary embodiment of the present invention.
  • the subject of FIG. 9B is the same person as the subject of FIG. 9A.
  • a light volume pulse wave detector (PPG) according to an embodiment of the present invention includes four light emitting units and one light receiving unit.
  • the light emitting unit used an infrared LED, and the light receiving unit used a PD.
  • ECG-based pulse meter ECG-based pulse meter
  • the electrocardiogram used as a reference signal of the pulse was measured by a three-channel electrode method, and was attached to the chest, which is a region with little influence of dynamic noise during movement.
  • the Optical Volume Pulse Wave Meter (PPG) was measured on the finger.
  • the results of the ECG-based pulse meter provide a reference pulse signal.
  • the experiment was performed on a treadmill.
  • the x axis is 10 seconds apart.
  • the treadmill is stationary (1 minute), 3 km / hour (2 minutes), 5 km / hour (2 minutes), 7 km / hour (1 minute 40 seconds), 9 km / hour (1 minute) 50 seconds), 12 km / hour (2 minutes) per hour and stop and rest (1 minute).
  • the pulse rate of the subject of the PPG according to an embodiment of the present invention is almost identical to the result of the ECG-based pulse rate meter (OCG) not only at the stationary state but also at an interval of 12 km / hour. Therefore, when the subject was in any situation, the pulse rate of the subject was measured accurately.
  • OCG ECG-based pulse rate meter

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Abstract

본 발명은 광용적맥파 측정기를 제공한다. 이 광용적맥파 측정기는 서로 이격되어 측정 부위에 광을 조사하는 복수의 발광부들, 발광부들의 중심 영역에 배치되고 발광부들에 의한 측정 부위의 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부, 수광부의 측정 신호를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부, 및 사전 신호처리부의 출력 신호를 이용하여 피측정자의 맥박 수를 추출하는 신호처리부를 포함한다. 발광부들과 수광부는 복수의 광 경로를 제공하고, 수광부는 측정 부위에서 공간적으로 평균된 반사광 또는 투과광을 감지한다.

Description

광용적맥파 측정기
본 발명은 맥박 측정 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 광용적맥파 측정기(Photoplethysmography Apparatus)에 관한 것이다.
광용적맥파 측정법 (Photoplethysmograph: PPG)은 생체조직의 광학적 특성을 이용하여 혈관에 흐르는 혈류량을 측정함으로써 심박 활동 상태를 알 수 있는 맥파 측정방법이다. 맥파는 혈액이 심장에서 파상하며 나타내는 맥동성 파형으로, 심장의 이완 수축 작용에 따라 나타나는 혈류량의 변화, 즉 혈관의 용적 변화를 통하여 측정 가능하다. 광용적맥파 측정법은 빛을 이용하여 맥파를 측정하는 방법으로, 용적 변화시 나타나는 생체조직의 반사, 흡수 투과비 등의 광학적 특성의 변화를 광 센서에서 감지하여 측정하며, 이를 통해 맥박 측정이 가능하다. 이 방법은 비침습적인 맥박 측정이 가능하고 소형화, 사용편의성 등의 장점을 가지고 있어 널리 사용되고 있으며 착용형 (wearable) 생명신호 감지 센서 개발에 용이하다. 하지만 광용적맥파 측정 센서는 움직임이 동반될 시 측정 신호가 심하게 왜곡되는 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 동적 잡음을 감소시킨 광용적맥파 측정기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기는 서로 이격되어 측정 부위에 광을 조사하는 복수의 발광부들, 상기 발광부들의 중심 영역에 배치되고 상기 발광부들에 의한 상기 측정 부위의 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부, 상기 수광부의 측정 신호를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부, 및 상기 사전 신호처리부의 출력 신호를 이용하여 피측정자의 맥박 수를 추출하는 신호처리부를 포함한다. 상기 발광부들과 상기 수광부는 복수의 광 경로를 제공하고, 상기 수광부는 상기 측정 부위에서 공간적으로 평균된 반사광 또는 투과광을 감지한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광부들은 상기 수광부를 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광부들은 적색 또는 가시광선을 방출하는 발광 다이오드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 측정 부위에 부착되어 움직임( X,Y,Z축의 가속도)을 검출하는 가속도 감지부를 더 포함하고, 상기 사전 신호처리부는 상기 가속도 감지부의 출력신호를 증폭 및 필터링하여 출력하고, 상기 신호처리부는 상기 사전 신호처리부의 출력 신호를 이용하여 상기 움직임에 의한 동잡음을 보상하여 상기 피측정자의 맥박 수를 추출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기는 피측정자의 측정 부위에 서로 이격되어 부착되고 상기 측정 부위에서 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부들, 상기 수광부들의 중심 영역에 배치되고 상기 측정 부위에 부착되어 상기 측정 부위에 출력광을 제공하는 발광부, 상기 측정 부위에 부착되어 움직임(X,Y,Z축의 가속도)을 검출하는 가속도 감지부, 상기 수광부들 및 상기 가속도 감지부의 출력신호를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부, 및 상기 사전 신호처리부의 출력 신호를 이용하여 상기 움직임에 의한 동적 외란을 보상하여 상기 피측정자의 맥박을 추출하는 신호처리부를 포함한다. 상기 신호처리부는 상기 수광부들의 출력 신호들을 평균하여 처리한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 수광부들은 상기 발광부의 중심으로 대칭적으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기는 발광부, 상기 발광부의 출력광을 일방향 또는 일측으로 반사시키는 제1 반사부, 상기 제1 반사부의 중심 영역 상에 배치되고, 상기 발광부의 광 또는 상기 제1 반사부에 반사된 광을 반사시키어 상기 제1 반사부에 제공하는 제2 반사부, 및 상기 제2 반사부에 장착되고 피측정자의 측정 부위에 부착되는 수광부를 포함한다. 상기 제1 반사부 및 상기 제2 반사부는 상기 측정 부위에서 상기 발광부와 상기 수광부 사이에 대칭적인 복수의 광 경로를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제1 반사부 및 상기 제2 반사부는 상기 측정 부위에 복수의 위치에서 광을 조사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 공간적으로 복수의 광 경로를 가진 광용적맥파 측정기는 동잡음에 강한 특성을 보였다. 따라서, 종래의 측정이 부정확한 운동 상황에서도 맥박수를 정확히 측정할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기의 신호처리부의 적응 필터를 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면들이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면들이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면들이다.
도 10은 종래의 광용적맥파 측정기와 심전도 기반 맥박 측정기의 측정 결과를 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기와 심전도 기반 맥박 측정기의 측정 결과를 설명하는 도면이다.
움직임 시 발생하는 동잡음의 원인은 생리학적 구조와 장치 구조적 문제로 살펴볼 수 있다. 예를 들어, 손목에서의 방향을 살펴보면, x축 방향은 손목을 지나는 요골동맥 혈관의 방향과 일치하며, x 방향 움직임은 혈관 내 흐르는 혈류량과 속도변화에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, x 방향 움직임은 혈관 용적에 영향을 미치며 광용적맥파 측정기를 통하여 직접적으로 영향을 주게 된다. 또한, z축 방향의 잡음은 장치 구조적 영향으로 살펴볼 수 있다. z축 방향 움직임은 광용적맥파 측정기의 질량과 관성으로 인해 피부에 압력을 주게 되고, 이 압력이 피부와 혈관 변화를 발생시킴으로써 동잡음을 야기시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기는 피부에서 공간적으로 서로 이격된 발광부들과 수광부 사이에 복수의 광경로을 제공하여 공간적으로 평균화된 광신호를 감지하여, 국소적인 위치에 기인한 동적 잡음을 최소화할 수 있다. 따라서, 상기 광용적맥파 측정기는 움직임 시 발생하는 동잡음의 발생을 감소시켜 정확한 맥박을 추출할 수 있다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기의 신호처리부의 적응 필터를 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기는 서로 이격되어 측정 부위에 광을 조사하는 복수의 발광부들(110a~d), 상기 발광부들(110a~d)의 중심 영역에 배치되고 상기 발광부들(110a~d)에 의한 상기 측정 부위의 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부(120), 상기 수광부(120)의 측정 신호(D(t))를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부(140), 및 상기 사전 신호처리부(140)의 출력 신호(d(n),x(n))를 이용하여 피측정자의 맥박 수를 추출하는 신호처리부(150)를 포함한다. 상기 발광부들(110a~d)과 상기 수광부(120)는 복수의 광 경로를 제공하고, 상기 수광부(120)는 상기 측정 부위에서 공간적으로 평균된 반사광 또는 투과광을 감지한다.
상기 광용적맥파 측정기는 상기 피측정자의 상기 측정부위의 혈관을 통하여 흐르는 혈류의 용적 변화를 감지할 수 있다. 상기 피측정자의 상기 측정부위는 귀, 손가락, 발가락, 목, 팔목, 또는 이마 등일 수 있다. 상기 측정 부위는 상기 발광부들(110a~110d)이 둘러싸는 영역으로 정의될 수 있다.
상기 발광부들(110a~110d)은 적외선 또는 가시광선을 방출할 수 있다. 상기 발광부들(110a~110d)은 자체 발광하는 소자 또는 형광물질을 이용하는 발광 소자를 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 발광부들(110a~110d)은 적외선 LED(Light Emitting Diode), 청색 LED, 적색 LED, 또는 녹색 LED일 수 있다. 상기 발광부들(110a~110d)은 상기 수광부(120) 주위에 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 발광부들(110a~110d)은 하나로 패키징될 수 있다. 상기 발광부들(110a~110d)은 하나의 전원 공급기(119)를 통하여 전력을 공급될 수 있다. 상기 전원 공급기(119)는 배터리, 또는 DC 전원일 수 있다.
상기 수광부(120)는 상기 발광부들(110a~110d)의 중심 영역에 배치될 수 있다. 상기 수광부(120)는 상기 발광부들(110a~110d)의 반사광 또는 투과광을 수광할 수 있다. 상기 수광부(120)는 광필터를 더 포함할 수 있다. 상기 수광부(120)는 포토 다이오드(photo diode: PD), CCD(charge coupled device), 및 CIS(complemantary image sensor) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 수광부(120)는 상기 발광부들(110a~110d)의 투과광 또는 반사광을 집광하는 집광부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 수광부(120)가 상기 집광부를 포함하는 경우, 상기 집광부는 상기 발광부들(110a~110d)의 중심영역에 배치될 수 있다. 상기 수광부(120)는 아날로그 형태의 측정 신호(D(t))를 출력할 수 있다.
하나의 발광부를 사용하는 경우, 상기 발광부와 상기 수광부는 하나의 광 경로를 제공한다. 따라서, 동적 운동이 있는 경우, 상기 발광부에서 상기 수광부에 이르는 광 경로 및 세기는 변할 수 있다. 상기 동적 운동에 의한 국부적인 피부의 압력은 피부와 혈관의 변화를 야기하여 동잡음을 발생시킬 수 있다.
상기 동적 운동에 의한 신호 왜곡(motion artifact)을 감소시키기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기는 복수의 발광부들(110a~110d)과 상기 수광부(120) 사이에 복수의 광 경로를 제공한다. 이에 따라, 동적 운동이 있는 경우에도, 상기 수광부(120)는 공간적으로 평균된 투과광 또는 반사광을 얻을 수 있다. 상기 동잡음은 공간적으로 평균화되어 감소될 수 있다.
또한, 특정 방향 움직임은 혈관 내 흐르는 혈류량과 속도변화에 영향을 미칠 수 있다. 상기 특정 방향의 움직임은 가속도 감지부(130)를 이용하여 보정될 수 있다.
상기 가속도 감지부(130)는 3축 가속도 센서일 수 있다. 상기 가속도 감지부(130)는 x,y,z 축 방향의 아날로그 형태의 가속도 신호(X(t))를 출력할 수 있다. 상기 가속도 감지부(130)는 상기 측정 부위의 동적 운동에 관한 정보를 제공할 수 있다. 상기 가속도 감지부(130)는 상기 수광부(120)와 중심축이 일치하도록 배치될 수 있다. 센서부(101)는 상기 발광부들(110a~110d), 상기 수광부(120), 및 상기 가속도 감지부(130)를 포함할 수 있다. 상기 센서부(101)는 일체형으로 패키징될 수 있다.
상기 사전 신호처리부(140)는 제1 사전 신호 처리부(141a) 및 제2 사전 신호 처리부(141b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 사전 신호 처리부(141a)는 상기 수광부(120)의 측정 신호(D(t))를 입력받아 처리할 수 있다. 상기 제2 사전 신호 처리부(141b)는 상기 가속도 감지부(130)의 상기 가속도 신호(X(t))를 입력받아 처리할 수 있다. 상기 가속도 감지부(130)는 x축 가속도 신호, y축 가속도 신호, 및 z축 가속도 신호를 출력할 수 있다. 이에 따라, 상기 제2 사전 신호 처리부(141b)는 3 개의 채널을 가지고 3개의 디지털 가속도 신호(x(n))를 출력할 수 있다.
제 1 사전 신호처리부(141a)는 증폭부(142a), 필터부(144a), 및 A/D 변환부(146a) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 제 2 사전 신호처리부(141b)는 증폭부(142b), 필터부(144b), 및 A/D 변환부(146b) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 증폭부(142a)는 상기 수광부(120)의 상기 측정 신호(D(t))를 증폭할 수 있다. 상기 필터부(144a)는 사람의 맥박의 주파수 성분을 선택적으로 통과시키는 밴드 패스 필터, 로우 패스 필터, 및 하이 패스 필터 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다. 상기 필터부(144a)는 수동 소자 또는 능동소자로 구성될 수 있다. 상기 로우 패스 필터의 차단 주파수는 5 Hz 정도일 수 있다. 상기 하이 패스 필터의 차단 주파수는 0.5 Hz 정도일 수 있다. 상기 A/D 변환부(146a)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 측정 신호(d(n))를 출력할 수 있다. 상기 A/D 변환부(146b)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 가속도 신호(x(n))를 출력할 수 있다. 상기 A/D 변환부(146a,146b)의 구동 클럭 주파수는 200 Hz 정도일 수 있다.
신호처리부(150)는 상기 사전 신호 처리부(140)의 디지털 측정 신호(d(n)) 및 디지털 가속도 신호(x(n))를 입력받을 수 있다. 상기 신호처리부(150)는 DSP(Digital Signal Processor) 또는 마이크로 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 신호처리부(150)는 동작음을 제거하기 위하여 적응 필터 알고리즘을 제공할 수 있다.
도 2를 참조하면, 상기 디지털 측정 신호(d(n))는 맥파 신호(S(n))와 움직임에 관련된 동잡음(n(n))을 포함할 수 있다. 상기 디지털 가속도 신호(x(n))는 상기 동잡음(n(n))과 직접적으로 상관관계를 가질 수 있다. 따라서, 상기 맥파 신호(S(n))는 상기 디지털 측정 신호(d(n))에서 상기 동잡음(n(n))을 제거하여 얻을 수 있다. 따라서, 상기 동잡음의 추정값(y(n))은 디지털 가속도 신호(x(n))를 이용하여 제공될 수 있다. 상기 맥파 신호의 추정값(e(n))은 상기 디지털 측정 신호(d(n))에서 상기 동잡음의 추정값(y(n))을 빼서 구해질 수 있다. 상기 동잡음의 추정값(y(n))은 다음과 같이 가속도 신호(x(n))와 필터 계수(w(n))를 가지는 디지털 필터를 통하여 구해질 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2010006080-appb-M000001
상기 필터 계수(w(n))는 상기 디지털 가속도 신호(x(n)) 및 맥파 신호의 추정값(e(n))을 적응 필터(adaptive filter)를 이용하여 최적화될 수 있다. 상기 적응 필터는 최소 평균 자승(least mean square:LMS) 알고리즘을 사용할 수 있다. 맥박 수는 상기 맥파 신호의 추정값(e(n))을 이용하여 시간에 따라 추출될 수 있다.
다시, 도 1을 참조하면, 송신부(160)는 상기 신호처리부(150)의 맥박 수를 유선 또는 무선 통신을 통하여 제공할 수 있다. 수신부(170)는 상기 송신부(160)와 유무선 통신을 통하여 상기 맥박 수를 수신할 수 있다. 상기 수신부(170)의 정보는 서버(180)에 저장될 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면이다. 도 1에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.
도 3을 참조하면, 상기 광용적맥파 측정기는 피측정자의 측정 부위에 서로 이격되어 부착되고 상기 측정 부위에서 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부들(220a~220d), 상기 수광부들(220a~220d)의 중심 영역에 배치되고 상기 측정 부위에 부착되어 상기 측정 부위에 출력광을 제공하는 발광부(210), 상기 측정 부위에 부착되어 X,Y,Z축의 가속도를 검출하는 가속도 감지부(230), 상기 수광부들(220a~220d) 및 상기 가속도 감지부(230)의 출력신호를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부(240), 및 상기 사전 신호처리부(240)의 출력 신호를 이용하여 상기 가속도에 의한 동적 외란을 보상하여 상기 피측정자의 맥박을 추출하는 신호처리부(150)를 포함한다. 상기 신호처리부(150)는 상기 수광부들(220a~220d)의 출력 신호들을 평균하여 처리한다.
상기 발광부(210)는 LED일 수 있다. 상기 발광부(210)는 피측정자의 측정 부위의 중심영역에 배치될 수 있다. 전원 공급부(219)는 상기 발광부(210)에 DC 전원을 공급할 수 있다.
상기 수광부들(220a~220d)은 상기 발광부(210)의 주변에 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 수광부들(220a~220d)은 PD일 수 있다. 상기 발광부(210)와 상기 수광부들(220a~220d)은 복수의 광 경로를 제공할 수 있다. 이에 따라, 상기 수광부들의 출력 신호는 합산되어 동잡음을 최소화할 수 있다.
가속도 감지부(230)는 상기 수광부(210)와 중심축이 일치하도록 배치될 수 있다. 상기 가속도 감지부(230)는 3축 가속도 센서일 수 있다.
사전 신호처리부(240)의 증폭부, 필터부, 및 A/D 변환부를 포함할 수 있다. 상기 사전 신호처리부(240)는 제1 내지 제 5 사전 처리부(241a~241e)를 포함할 수 있다. 상기 제1 내지 제4 사전 처리부(241a~241d)는 상기 수광부들(220a~220d)의 측정 신호들(D1(t),D2(t),D3(t),D4(t))을 증폭 및 필터링할 수 있다. A/D 변환부는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 디지털 측정 신호들(d1(n), d2(n), d3(n), d4(n))를 출력할 수 있다. 상기 제 5 사전 처리부(241e)는 상기 가속도 감지부(230)의 가속도 신호(X(t))를 입력 받아 증폭 및 필터링하고, 디지털 신호로 변환하여 디지털 가속도 신호(x(n))를 출력할 수 있다.
신호처리부(250)는 상기 수광부들의 디지털 측정 신호들(d1(n), d2(n), d3(n), d4(n))을 합산하여 평균할 수 있다. 상기 평균된 디지털 측정 신호 및 상기 디지털 가속도 신호(x(n))는 동작음을 제거하기 위하여 적응 필터 알고리즘에 제공할 수 있다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면들이다. 도 5는 도 4의 측면도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 광용적맥파 측정기는 서로 이격되어 측정 부위(109)에 광을 조사하는 복수의 발광부들(110a,110b,110c,110d), 상기 발광부들(110a,110b,110c,110d)의 중심 영역에 배치되고 상기 발광부들(110a,110b,110c,110d)에 의한 상기 측정 부위의 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부(120)를 포함한다. 상기 발광부들(110a,110b,110c,110d)과 상기 수광부(120)는 복수의 광 경로(Pa,Pb,Pc,Pd)를 제공하고, 상기 수광부(120)는 상기 측정 부위(109)에서 공간적으로 평균된 반사광 또는 투과광을 감지한다. 가속도 감지부(130)는 상기 수광부(120) 상에 배치될 수 있다. 상기 발광부들(110a, 110b, 110c, 110d)은 동일한 발광 효율을 가질 수 있다. 상기 발광부들은 넓은 시야각(view angle)을 가지도록 제작될 수 있다. 상기 발광부들은 십자형태로 배치될 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면들이다.
도 6을 참조하면, 발광부들(111a~111d)은 일렬로 배열될 수 있다. 상기 수광부는(121)는 상기 발광부들(111a~111d)의 중심 영역에 배치될 수 있다. 상기 발광부들(111a~111d)은 측정 영역(109)을 제공할 수 있다. 상기 수광부(121)는 상기 발광부들(111a~111d)의 출력광의 반사광 또는 투과광을 입력받을 수 있다. 상기 수광부(121)는 복수의 광 경로에 의한 평균화된 광신호를 제공받을 수 있다. 가속도 감지부(130)는 상기 수광부(121) 상에 배치될 수 있다.
도 7을 참조하면, 발광부들(310a,310b)은 측정 부위에 일면에 배치되고, 수광부(320)는 상기 측정 부위의 타면에 배치될 수 있다. 상기 발광부들(310a,310b)은 상기 수광부(320)에 대하여 대칭적으로 배치될 수 있다. 상기 수광부(320)는 상기 발광부들(310a,310b)의 출력광의 투과광을 입력받을 수 있다. 상기 수광부(320)는 복수의 광 경로에 의한 평균화된 광신호를 제공받을 수 있다. 가속도 감지부(330)는 상기 수광부(320) 하부에 배치될 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 광용적맥파 측정기를 설명하는 도면들이다.
도 8을 참조하면, 광용적맥파 측정기는 발광부(410), 상기 발광부(410)의 출력광을 일방향 또는 일측으로 반사시키는 제1 반사부(441), 상기 제1 반사부(441)의 중심 영역 상에 배치되고, 상기 발광부(410)의 광 또는 상기 제1 반사부(441)에서 반사된 광을 다시 반사시키어 상기 제1 반사부(441)에 제공하는 제2 반사부(449), 및 상기 제2 반사부(449)에 장착되고 피측정자의 측정 부위에 부착되는 수광부(420)를 포함한다. 상기 제1 반사부(441) 및 상기 제2 반사부(449)는 상기 측정 부위에서 상기 발광부(430)와 상기 수광부(420) 사이에 대칭적인 복수의 광 경로를 제공한다.
발광부(410)는 LED 소자일 수 있다. 상기 발광부(410)는 상기 제1 반사부(441)를 포함하는 프레임(443)의 중심부에 장착될 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 반사 컵(reflecting cup)일 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 상기 발광부(410)의 출력광을 일측으로 균일한 조도를 가지도록 제작될 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 금속으로 코팅될 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 테이퍼진 컵 형상일 수 있다.
제2 반사부(449)는 상기 제1 반사부(441)의 중심축 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 반사부(449)는 반구면(445)과 평면(447)을 포함하는 반구형일 수 있다. 상기 반구면(445)은 상기 제1 반사부(441)를 대향하여 배치될 수 있다. 상기 제1 반사부(441)와 상기 제2 반사부(449)는 측정 부위에 링(446) 형태의 광을 조사할 수 있다.
수광부(420)는 상기 제2 반사부(449)의 상기 평면(447)에 배치될 수 있다. 상기 발광부(410)에서 방출된 광은 측정 부위에서 반사 또는 투과되어 상기 수광부(420)에 도달할 수 있다. 상기 발광부(410)와 상기 수광부(420)의 광 경로는 복수의 광 경로를 제공할 수 있다. 가속도 감지부(430)는 상기 프레임(443)에 장착될 수 있다.
도 9를 참조하면, 광용적맥파 측정기는 발광부(410), 상기 발광부(410)의 출력광을 일방향 또는 일측으로 반사시키는 제1 반사부(441), 상기 제1 반사부(441)의 중심 영역 상에 배치되고, 상기 발광부(410)의 광 또는 상기 제1 반사부(441)에서 반사된 광을 다시 반사시키어 상기 제1 반사부(441)에 제공하는 제2 반사부(449), 및 상기 제2 반사부(449)에 장착되고 피측정자의 측정 부위에 부착되는 수광부(420)를 포함한다. 상기 제1 반사부(441) 및 상기 제2 반사부(449)는 상기 측정 부위에서 상기 발광부(430)와 상기 수광부(420) 사이에 대칭적인 복수의 광 경로를 제공한다.
발광부(410)는 LED 소자일 수 있다. 상기 발광부(410)는 상기 제1 반사부(441)를 포함하는 프레임(443)의 중심부에 장착될 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 반사 컵(reflecting cup)일 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 상기 발광부(410)의 출력광을 일측으로 균일한 조도를 가지도록 제작될 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 금속으로 코팅될 수 있다. 상기 제1 반사부(441)는 테이퍼진 컵 형상일 수 있다.
제2 반사부(449a)는 상기 제1 반사부(441)의 중심축 상에 배치될 수 있다. 상기 제2 반사부(449a)는 반사면(445a)과 평면(447a)을 포함할 수 있다. 상기 제2 반사부(449a)는 복수의 관통홀들(448)을 포함할 수 있다. 상기 관통홀들(448)을 통과한 광은 측정 부위에 규칙적으로 조사될 수 있다.
수광부(420)는 상기 제2 반사부(449)의 상기 평면(447)에 배치될 수 있다. 상기 발광부(410)에서 방출된 광은 측정 부위에서 반사 또는 투과되어 상기 수광부(420)에 도달할 수 있다. 상기 발광부(410)와 상기 수광부(420)의 광 경로는 복수의 광 경로를 제공할 수 있다. 가속도 감지부(430)는 상기 프레임(443)에 장착될 수 있다.
도 10은 종래의 광용적맥파 측정기와 심전도 기반 맥박 측정기의 측정 결과를 설명하는 도면이다.
도 10을 참조하면, 하나의 발광부 및 하나의 수광부를 사용하는 광용적맥파 측정기의 결과와 심전도 기반 맥박 측정기의 결과이다.
심전도 기반 맥박 측정기(ECG)의 결과는 기준 맥박 신호를 제공한다. 맥박의 기준 신호로 사용되는 심전도는 3채널 전극법으로 측정하였으며, 움직임 시 동잡음의 영향이 적은 부위인 흉부에 부착하여 실험했다. 상기 광용적맥파 측정기(PPG)는 손가락에서 측정되었다.
실험은 트레드밀(treadmill)에서 수행되었다. x축은 10초 간격이다. 상기 트레드밀은 정지 상태(2분 20초), 시속 3 km/시간(2분 20초), 시속 5 km/시간(2분 20초), 시속 7 km/시간(2분 20초), 시속 10 km/시간(2분 20초), 및 정지 및 휴식(1분 10초)을 연속적으로 동작한다.
하나의 발광부 및 하나의 수광부를 사용하는 광용적맥파 측정기의 피측정자의 맥박(PPG)은 정지 상태에서는 심전도 기반 맥박 측정기(ECG)의 결과와 거의 일치한다. 하지만, 상기 피측정자가 운동을 시작하면서, 상기 광용적맥파 측정기의 결과와 심전도 기반 맥박 측정기의 결과는 서로 다르게 된다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기와 심전도 기반 맥박 측정기의 측정 결과를 설명하는 도면이다. 도 9b의 피측정자는 도 9a의 피측정자와 동일인이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기(PPG)는 4 개의 발광부와 하나의 수광부를 포함한다. 상기 발광부는 적외선 LED를 사용하였고, 상기 수광부는 PD를 사용하였다.
심전도 기반 맥박 측정기(ECG)의 결과는 기준 맥박 신호를 제공한다. 맥박의 기준 신호로 사용되는 심전도는 3채널 전극법으로 측정하였으며, 움직임 시 동잡음의 영향이 적은 부위인 흉부에 부착하여 실험했다. 상기 광용적맥파 측정기(PPG)는 손가락에서 측정되었다.
심전도 기반 맥박 측정기의 결과는 기준 맥박 신호를 제공한다. 실험은 트레드밀(treadmill)에서 수행되었다. x축은 10초 간격이다. 상기 트레드밀은 정지 상태(1분), 시속 3 km/시간(2분), 시속 5 km/시간(2분), 시속 7 km/시간(1분 40초), 시속 9 km/시간(1분 50초), 시속 12 km/시간(2분) 및 정지 및 휴식(1분)을 연속적으로 동작한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광용적맥파 측정기(PPG)의 피측정자의 맥박은 정지 상태 뿐만 아니라 시속 12 km/시간 구간에도 심전도 기반 맥박 측정기(OCG)의 결과와 거의 일치한다. 따라서, 피측정자가 어떠한 상황에 있는 경우에는 상기 피측정자의 맥박 수는 정확하게 측정되었다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들를 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (8)

  1. 서로 이격되어 측정 부위에 광을 조사하는 복수의 발광부들;
    상기 발광부들의 중심 영역에 배치되고 상기 발광부들에 의한 상기 측정 부위의 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부;
    상기 수광부의 측정 신호를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부; 및
    상기 사전 신호처리부의 출력 신호를 이용하여 피측정자의 맥박 수를 추출하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 발광부들과 상기 수광부는 복수의 광 경로를 제공하고, 상기 수광부는 상기 측정 부위에서 공간적으로 평균된 반사광 또는 투과광을 감지하는 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부들은 상기 수광부를 중심으로 대칭적으로 배치된 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 발광부들은 적색 또는 가시광선을 방출하는 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정 부위에 부착되어 움직임을 검출하는 가속도 감지부를 더 포함하고,
    상기 사전 신호처리부는 상기 가속도 감지부의 출력신호를 증폭 및 필터링하여 출력하고,
    상기 신호처리부는 상기 사전 신호처리부의 출력 신호를 이용하여 상기 움직임에 의한 동잡음을 보상하여 상기 피측정자의 맥박 수를 추출하는 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
  5. 피측정자의 측정 부위에 서로 이격되어 부착되고 상기 측정 부위에서 반사광 또는 투과광을 감지하는 수광부들;
    상기 수광부들의 중심 영역에 배치되고 상기 측정 부위에 부착되어 상기 측정 부위에 출력광을 제공하는 발광부;
    상기 측정 부위에 부착되어 움직임을 검출하는 가속도 감지부;
    상기 수광부들 및 상기 가속도 감지부의 출력신호를 증폭 및 필터링하는 사전 신호처리부; 및
    상기 사전 신호처리부의 출력 신호를 이용하여 상기 움직임에 의한 동적 외란을 보상하여 상기 피측정자의 맥박을 추출하는 신호처리부를 포함하고,
    상기 신호처리부는 상기 수광부들의 출력 신호들을 평균하여 처리하는 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 수광부들은 상기 발광부의 중심으로 대칭적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
  7. 발광부;
    상기 발광부의 출력광을 일방향 또는 일측으로 반사시키는 제1 반사부;
    상기 제1 반사부의 중심 영역 상에 배치되고, 상기 발광부의 광 또는 상기 제1 반사부에 반사된 광을 반사시키어 상기 제1 반사부에 제공하는 제2 반사부; 및
    상기 제2 반사부에 장착되고 피측정자의 측정 부위에 부착되는 수광부를 포함하고,
    상기 제1 반사부 및 상기 제2 반사부는 상기 측정 부위에서 상기 발광부와 상기 수광부 사이에 대칭적인 복수의 광 경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제1 반사부 및 상기 제2 반사부는 상기 측정 부위에 복수의 위치에서 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 광용적맥파 측정기.
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