KR101571494B1 - 펄스 신호를 이용한 사용자 모니터링 시스템 - Google Patents

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KR101571494B1 KR1020140108129A KR20140108129A KR101571494B1 KR 101571494 B1 KR101571494 B1 KR 101571494B1 KR 1020140108129 A KR1020140108129 A KR 1020140108129A KR 20140108129 A KR20140108129 A KR 20140108129A KR 101571494 B1 KR101571494 B1 KR 101571494B1
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김태욱
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 펄스 신호를 이용한 사용자 모니터링 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 모니터링 시스템은, 각각 서로 다른 시각 펄스 신호를 생성하는 복수의 펄스 생성기와, 상기 펄스 신호를 송신하는 복수의 안테나를 포함하는 송신기; 및 복수의 안테나로 피측정자를 투과한 상기 펄스 신호를 수신하여 복원하는 수신기와, 상기 펄스 신호를 처리하여 상기 펄스 신호의 대역폭, 중심 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 분석하고, 분석 결과를 기반으로 상기 피측정자의 생체 신호를 측정하는 처리부를 포함하는 생체 신호 측정 장치;를 포함할 수 있다.

Description

펄스 신호를 이용한 사용자 모니터링 시스템{SYSTEM FOR MONITORING USER UTILIZING PULSE SIGNAL}
본 발명은 펄스 신호를 이용한 사용자 모니터링 시스템에 관한 것이다.
심장의 상태를 파악하기 위해 피측정자의 신체에 전극을 접촉시켜 심전도를 측정하는 방법이 널리 사용되고 있다. 그러나, 전극을 이용하여 심전도를 측정하는 방법은 신체에 전극을 부착하는 접촉 방식으로서 사용에 불편함이 따른다.
이와 같은 접촉식 심박 측정의 불편함을 해결하기 위해, 피측정자의 심장을 향해 무선 신호를 송신한 뒤, 그로부터 반사되어 되돌아오는 반사파를 이용하여 심박을 측정하는 비접촉식 심박 측정이 제안되었다.
그러나, 반사파를 이용하는 방법은 송수신기와 신체 간의 거리 변화에 기초하여 심박을 측정하므로, 피측정자의 움직임에 의한 오차가 크다는 문제가 있다.
일본 공개특허공보 제2013-153783호 (2013.08.15. 공개)
본 발명의 실시예는 피측정자의 움직임에 영향받지 않고 심박을 비롯한 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있는 생체 신호 측정 장치 및 그를 포함하는 사용자 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 저속의 신호를 처리할 수 있는 낮은 성능의 하드웨어로도 생체 신호를 측정할 수 있으며 전력 소비량이 적은 생체 신호 측정 장치 및 그를 포함하는 사용자 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예는 다중 경로를 통해 전송된 반사 신호에 의한 간섭을 배제시키고 송신기와 수신기 사이의 직선 경로를 통해 전송된 펄스 신호만을 이용하여 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있는 생체 신호 측정 장치 및 그를 포함하는 사용자 모니터링 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 모니터링 시스템은, 적어도 하나의 안테나를 통해 각각 서로 다른 시각에 펄스 신호를 송신하는 송신기; 및 적어도 하나의 안테나를 통해 피측정자를 투과한 상기 펄스 신호를 수신하여 복원하는 수신기와, 상기 펄스 신호를 처리하여 상기 펄스 신호의 대역폭, 중심 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 분석하고, 분석 결과를 기반으로 상기 피측정자의 생체 신호를 측정하는 처리부를 포함하는 생체 신호 측정 장치;를 포함할 수 있다.
상기 펄스 신호는 펄스가 기 설정된 펄스 반복 주기마다 반복되는 신호일 수 있다.
상기 송신기는: 펄스 신호에 서로 다른 딜레이를 적용하여 얻은 복수의 펄스 신호를 각각 상기 송신기에 구비된 안테나로 제공하는 딜레이부를 포함할 수 있다.
상기 수신기는: 상기 수신기에 구비된 안테나가 수신한 복수의 펄스 신호에 서로 다른 딜레이를 적용하는 딜레이부; 및 상기 딜레이부가 출력한 상기 복수의 펄스 신호를 가산하는 가산기;를 포함할 수 있다.
상기 송신기와 상기 수신기는 동기화되어 클럭 신호를 공유할 수 있다.
상기 사용자 모니터링 시스템은 차량에 구비되어 상기 차량에 탑승한 상기 피측정자를 모니터링할 수 있다.
상기 송신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 운전대에 설치되고, 상기 수신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 운전석 등받이에 설치될 수 있다.
상기 송신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 실내 전방 상측에 설치되고, 상기 수신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 좌석 등받이에 설치될 수 있다.
상기 복수의 안테나는 동일 평면 상에 위치하여 안테나를 이으면 다각형이 형성되도록 배치될 수 있다.
상기 복수의 안테나는 상기 다각형의 중심에 위치하는 안테나를 더 포함할 수 있다.
상기 사용자 모니터링 시스템은 상기 차량 내 상기 피측정자가 탑승한 좌석에 관한 정보를 입력받는 입력 장치를 더 포함하고, 상기 송신기는 상기 피측정자가 탑승한 좌석의 등받이에 설치된 안테나를 향해 상기 펄스 신호를 송신할 수 있다.
상기 피측정자가 탑승한 좌석이 복수인 경우, 상기 송신기는 서로 다른 시간에 상기 피측정자가 탑승한 각 좌석의 등받이에 설치된 안테나를 향해 상기 펄스 신호를 송신할 수 있다.
상기 수신기는 상기 차량의 좌석 등받이 중 제 1 부분에 설치된 제 1 안테나 그룹 및 제 2 부분에 설치된 제 2 안테나 그룹을 포함하고, 상기 사용자 모니터링 시스템은 상기 차량에 탑승한 상기 피측정자의 체격에 관한 정보를 입력받는 입력 장치를 더 포함하고, 상기 송신기는 상기 제 1 및 제 2 안테나 그룹 중 상기 피측정자의 체격에 대응하는 안테나 그룹을 향해 상기 펄스 신호를 송신할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호의 대역폭, 중심 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 분석하여 상기 피측정자의 심박을 측정할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호의 대역폭을 산출하고, 상기 대역폭이 기 결정된 대역폭 임계치보다 크면, 해당 대역폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 대역폭이 상기 대역폭 임계치보다 작으면, 해당 대역폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 대역폭과 투과 후 대역폭을 비교하여 상기 대역폭의 투과 전후 변화량을 산출하고, 상기 대역폭의 변화량이 기 결정된 대역폭 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호이 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 대역폭의 변화량이 상기 대역폭 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호의 중심 주파수를 산출하고, 상기 중심 주파수가 기 결정된 중심 주파수 임계치보다 크면, 해당 중심 주파수를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 중심 주파수가 상기 중심 주파수 임계치보다 작으면, 해당 중심 주파수를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 중심 주파수와 투과 후 중심 주파수를 비교하여 상기 중심 주파수의 투과 전후 변화량을 산출하고, 상기 중심 주파수의 변화량이 기 결정된 중심 주파수 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 중심 주파수의 변화량이 상기 중심 주파수 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호의 진폭을 산출하고, 상기 진폭이 기 결정된 진폭 임계치보다 크면, 해당 진폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 진폭이 상기 진폭 임계치보다 작으면, 해당 진폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 진폭과 투과 후 진폭을 비교하여 상기 진폭의 투과 전후 변화량을 산출하고, 상기 진폭의 변화량이 기 결정된 진폭 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 진폭의 변화량이 상기 진폭 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 상기 펄스 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하여 상기 주파수 영역에서 상기 펄스 신호의 대역폭 및 중심 주파수 중 적어도 하나를 측정할 수 있다.
상기 처리부는: 시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스의 듀레이션(duration)을 측정하고, 상기 듀레이션을 이용하여 상기 대역폭을 분석하되, 상기 듀레이션이 상기 대역폭 임계치에 대응하는 듀레이션 임계치보다 짧으면, 해당 듀레이션을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 듀레이션이 상기 듀레이션 임계치보다 길면, 해당 듀레이션을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스의 듀레이션을 측정하고, 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 듀레이션과 투과 후 듀레이션을 비교하여 상기 듀레이션의 투과 전후 변화량을 산출하고, 상기 듀레이션의 변화량을 이용하여 상기 대역폭의 변화량을 분석하되, 상기 듀레이션의 변화량이 상기 대역폭 변화량 임계치에 대응하는 듀레이션 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 듀레이션의 변화량이 상기 듀레이션 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스 중 양의 진폭을 갖는 부분과 음의 진폭을 갖는 부분 간의 시간 차를 측정하고, 상기 시간 차를 이용하여 상기 중심 주파수를 분석하되, 상기 시간 차가 상기 중심 주파수 임계치에 대응하는 시간 차 임계치보다 작으면, 해당 시간 차를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 시간 차가 상기 시간 차 임계치보다 크면, 해당 시간 차를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
상기 처리부는: 시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스 중 양의 진폭을 갖는 부분과 음의 진폭을 갖는 부분 간의 시간 차를 측정하고, 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 시간 차와 투과 후 시간 차를 비교하여 상기 시간 차의 투과 전후 변화량을 산출하고, 상기 시간 차의 변화량을 이용하여 상기 중심 주파수의 변화량을 분석하되, 상기 시간 차의 변화량이 상기 중심 주파수 변화량 임계치에 대응하는 시간 차 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 시간 차의 변화량이 상기 시간 차 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 피측정자의 움직임에 영향받지 않고 심박을 비롯한 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 저속의 신호를 처리할 수 있는 낮은 성능의 하드웨어로도 생체 신호를 측정할 수 있으며, 생체 신호 측정 시 전력 소비량을 낮출 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 다중 경로에 의한 신호 간섭을 배제시키고 피측정자를 통과하는 직선 경로를 통해 전송된 펄스 신호를 이용하여 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 모니터링 시스템의 예시적인 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치의 예시적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 피측정자의 생체 신호를 측정하기 위해 사용되는 펄스 신호의 시간 영역에서의 파형이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 피측정자의 생체 신호를 측정하기 위해 사용되는 펄스 신호의 주파수 영역에서의 전력 스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 처리부의 예시적인 블록도이다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호가 수축 상태의 심장 및 팽창 상태의 심장을 투과한 후 나타내는 시간 영역에서의 파형 및 주파수 영역에서의 전력 스펙트럼을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 신호의 투과 전후 대역폭 변화량을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭과 중심 주파수를 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭 변화량과 중심 주파수 변화량을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭과 진폭을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭 변화량과 진폭 변화량을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 듀레이션을 이용하여 대역폭을 분석하고 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 중 양의 진폭을 갖는 부분과 음의 진폭을 갖는 부분 간의 시간 차를 이용하여 중심 주파수를 분석하고 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따라 샘플링부가 펄스 신호를 샘플링하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따라 샘플링부가 펄스 신호를 샘플링하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 모니터링 시스템의 예시적인 블록도이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신기에서 수행되는 펄스 신호의 송신 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신기에서 수행되는 펄스 신호의 수신 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신기에서 수행되는 간섭 신호의 수신 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 내 송신기 측 안테나들 및 수신기 측 안테나들의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 내 송신기 측 안테나들 및 수신기 측 안테나들의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 안테나들의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 26은 본 발명의 다른 실시예에 따른 안테나들의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 27은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 안테나들의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 내 수신기 측 안테나들의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
이하, 본 명세서에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 사용자 모니터링 시스템(10)의 예시적인 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 송신기(100) 및 생체 신호 측정 장치(200)를 포함한다.
상기 송신기(100)는 펄스 신호를 생성하여 사용자에게 송신할 수 있다. 상기 생체 신호 측정 장치(200)는 사용자를 사이에 두고 상기 송신기(100)와 마주보도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 생체 신호 측정 장치(200)는 상기 송신기(100)로부터 방사되어 사용자를 투과한 펄스 신호를 이용하여 상기 사용자의 생체 신호를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 생체 신호 측정 장치(200)는 사용자의 생체 신호로 심박을 측정할 수 있으나, 측정되는 생체 신호는 이에 제한되지 않는다. 후술하는 바와 같이, 상기 펄스 신호가 사용자를 투과함에 따라 대역폭을 비롯한 신호의 특성이 변하는 경우, 상기 생체 신호 측정 장치(200)는 심장뿐만 아니라 사용자의 신체 내 임의의 기관의 상태 또는 동작을 측정할 수 있다.
상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 사용자의 생체 신호를 측정하고, 측정된 생체 신호를 기반으로 사용자의 상태를 모니터링한다.
일 실시예로, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 차량에 구비되어 운전자를 비롯한 차량 탑승자의 상태를 모니터링할 수 있으나, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)의 적용 분야는 이에 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 영화관이나 극장과 같이 사용자의 움직임이 크지 않은 곳에 구비되어 관객의 상태를 모니터링할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치(200)의 예시적인 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 생체 신호 측정 장치(200)는 수신기(210), 처리부(220) 및 저장부(230)를 포함한다.
상기 수신기(210)는 상기 송신기(100)로부터 방사되어 피측정자를 투과한 펄스 신호를 수신할 수 있다. 상기 처리부(220)는 상기 수신된 펄스 신호를 처리하여 펄스 신호의 대역폭을 분석하고, 상기 대역폭에 대한 분석 결과를 기반으로 상기 피측정자의 생체 신호를 측정할 수 있다. 상기 저장부(230)는 상기 생체 신호의 측정에 사용되는 데이터를 저장할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 수신기(210)는 안테나(211), 증폭기(212), 샘플링부(213) 및 아날로그-디지털 변환기(215)를 포함할 수 있다. 상기 안테나(211)는 생체 신호가 측정되는 사용자, 즉 피측정자를 투과한 펄스 신호를 수신한다. 상기 증폭기(212)는 수신된 신호를 증폭하며, 일 예로 저잡음 증폭기가 사용될 수 있다. 상기 샘플링부(213)는 증폭된 신호를 샘플링할 수 있다. 그리고, 상기 아날로그-디지털 변환기(215)는 샘플링된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 실시예에 따라, 상기 샘플링부(213)와 상기 아날로그-디지털 변환기(215) 사이에 필터(214)를 더 포함하여, 샘플링 과정에서 신호에 개입된 원치 않은 잡음을 제거할 수 있다.
상기 처리부(220)는 상기 디지털 신호를 처리하여 펄스 신호의 대역폭을 분석하고, 분석 결과를 기반으로 피측정자의 생체 신호를 측정한다. 상기 처리부(220)는 상기 저장부(230)로부터 생체 신호 측정에 사용되는 프로그램을 불러와 실행하는 프로세서로서, 예를 들어 CPU를 포함할 수 있다.
상기 저장부(230)는 생체 신호 측정에 사용되는 각종 데이터를 저장하는 저장 장치로서, 예컨대 레지스터, RAM, ROM, HDD, SSD 등을 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 피측정자의 생체 신호를 측정하기 위해 사용되는 펄스 신호의 시간 영역에서의 파형이다.
도 3을 참조하면, 상기 펄스 신호는 펄스가 기 설정된 펄스 반복 주기마다 반복되는 신호이다. 일 실시예에 따르면, 상기 펄스는 ns 단위의 듀레이션(duration, D)을 갖는 임펄스로서, 상기 펄스 신호는 임펄스가 펄스 반복 주기 TPR마다 반복되는 UWB(Ultra Wide Band) 신호일 수 있다.
상기 송신기(100)로부터 송신되어 피측정자를 투과한 펄스 신호는 상기 안테나(211)에 의해 수신되어 상기 증폭기(212)에 의해 증폭되고, 상기 샘플링부(213)에 의해 샘플링된 뒤, 상기 아날로그-디지털 변환기(215)에 의해 디지털 신호로 변환될 수 있다.
그리고, 상기 처리부(220)는 상기 디지털 신호를 소정의 프로세스에 따라 처리하여, 수신된 펄스 신호의 대역폭을 분석하고, 분석 결과에 따라 피측정자의 생체 신호, 예컨대 심박을 측정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 피측정자의 생체 신호를 측정하기 위해 사용되는 펄스 신호의 전력 스펙트럼이다.
전술한 바와 같이, 피측정자의 생체 신호를 측정하기 위해 사용되는 펄스 신호는 ns 단위의 매우 짧은 듀레이션을 갖는 임펄스가 반복되는 신호이므로, 주파수 영역에서의 전력 스펙트럼은 도 4에 도시된 바와 같이 수 GHz에 이르는 매우 넓은 대역폭에 걸쳐 낮은 전력 스펙트럼 밀도가 분포한다.
본 발명의 실시예는 이와 같은 초광대역 신호를 피측정자에게 송신하고, 상기 피측정자를 투과한 신호의 대역폭을 분석하여 심박과 같은 생체 신호를 측정한다. 이하에서는 생체 신호 중 심박을 측정하기 위해 상기 처리부(220)가 수행하는 과정을 실시예로서 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 처리부(220)의 예시적인 블록도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 처리부(220)는 신호 검출부(2201), 신호 분석부(2202) 및 심박 측정부(2203)를 포함할 수 있다.
상기 신호 검출부(2201)는 수신된 펄스 신호 중 피측정자의 심장을 투과한 신호를 검출할 수 있다.
상기 송신기(100)가 피측정자의 심장을 향해 펄스 신호를 송신하더라도, 송신된 신호 중 일부는 심장이 아닌 다른 기관, 예컨대 폐를 투과하여 생체 신호 측정 장치(200)에 도달할 수 있다.
이 경우, 상기 신호 검출부(2201)는 수신된 펄스 신호 중 심장을 투과하여 도달된 신호만을 구분하여 검출하고, 폐를 투과하여 도달된 신호는 제거할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 신호 검출부(2201)는 신호의 세기를 이용하여 심장을 투과한 신호를 검출할 수 있다.
심장은 혈액과 같은 액체로 채워져 있으며, 폐는 공기와 같은 기체로 채워져 있으므로, 상기 심장을 투과하여 수신된 신호와 상기 폐를 투과하여 수신된 신호는 그 감쇠량이 다를 수 있다.
기체를 통과하는 경우보다 액체를 통과하는 경우에 신호의 감쇠량이 크므로, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 신호 검출부(2201)는 수신된 신호를 신호의 세기에 따라 두 그룹으로 구분하고, 세기가 작은 그룹에 속하는 신호를 심장을 투과한 신호로 결정할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 신호 검출부(2201)는 신호의 수신 시각을 이용하여 심장을 투과한 신호를 검출할 수 있다.
구체적으로, 상기 신호 검출부(2201)는 상기 송신기(100)에서 동일한 시각에 송신되는 신호 중 최초로 수신되는 신호를 심장을 투과한 신호로 결정할 수 있다.
상기 생체 신호 측정 장치(200)에 최초로 수신되는 신호는 전송 거리가 가장 짧은 신호에 해당할 수 있으며, 이 신호는 상기 송신기(100)와 상기 생체 신호 측정 장치(200) 사이를 직선으로 이동하는 신호에 해당할 수 있다.
따라서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 송신기(100)와 상기 생체 신호 측 정 장치(200)가 피측정자의 심장을 지나는 직선 상에 위치하는 경우, 상기 최초로 수신되는 신호는 심장을 투과한 신호일 수 있다.
상기 신호 분석부(2202)는 상기 신호 검출부(2201)가 심장을 투과한 것으로 검출한 신호의 대역폭을 분석할 수 있다. 그리고, 상기 심박 측정부(2203)는 상기 신호 분석부(2202)의 분석 결과를 기반으로 피측정자의 심박을 측정할 수 있다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 신호가 수축 상태의 심장 및 팽창 상태의 심장을 투과한 후 나타내는 시간 영역에서의 파형 및 주파수 영역에서의 전력 스펙트럼을 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따르면, 펄스 신호가 심장을 투과하는 경우 대역폭 W을 비롯하여 중심 주파수 fc 및 진폭 A은 감소할 수 있으며, 그 감소량은 심장의 크기에 따라 달라질 수 있다.
예를 들어, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 피측정자의 심장을 향해 송신되는 펄스 신호가 시간 영역에서 진폭 A을 갖고, 주파수 영역에서 중심 주파수 fc 및 대역폭 W을 가지며, 심장이 수축하여 크기가 작아졌을 때 투과한 펄스 신호가 시간 영역에서 진폭 A'를 갖고, 주파수 영역에서 중심 주파수 fc' 및 대역폭 W'를 가지며, 심장이 팽창하여 크기가 커졌을 때 투과한 펄스 신호가 진폭 A''를 갖고, 주파수 영역에서 중심 주파수 fc'' 및 대역폭 W''를 갖는 경우, 이 펄스 신호들 간의 진폭 관계는 A > A' > A''이고, 중심 주파수 관계는 fc > fc' > fc''이고, 대역폭 관계는 W > W' > W''일 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예에 따르면, 심장의 크기가 클수록 투과 펄스 신호의 중심 주파수 fc는 낮아지고, 대역폭 W는 좁아지며, 진폭 A는 작아질 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 W을 비롯하여 중심 주파수 fc, 진폭 A을 모니터링하고, 그에 따라 심장의 수축 및 팽창을 검출하여 심박을 측정할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 W을 비롯하여 중심 주파수 fc, 진폭 A의 변화량을 모니터링하고, 그 변화량에 따라 심장의 수축 및 팽창을 검출하여 심박을 측정할 수도 있다.
이하에서는 처리부(220)가 펄스 신호를 이용하여 심박을 측정하는 과정을 상세하게 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭 W을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 W을 산출한 뒤, 상기 대역폭 W을 소정의 임계치와 비교하여 심장의 수축 또는 팽창 여부를 파악할 수 있다.
구체적으로, 도 8을 참조하면, 상기 처리부(220)는 상기 펄스 신호의 대역폭 W을 산출하고, 상기 대역폭 W이 기 결정된 대역폭 임계치 Wth보다 크면, 해당 대역폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 대역폭 W이 상기 대역폭 임계치 Wth보다 작으면, 해당 대역폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
다시 말해, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 W이 일정 수준보다 넓으면 해당 구간을 심장의 수축기로 판단하고, 일정 수준보다 좁으면 해당 구간을 심장의 팽창기로 판단할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 펄스 신호의 투과 전후 대역폭 변화량 △W을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 심장 투과 전후로 대역폭 W을 비교하여 대역폭의 변화량 △W을 산출하고, 상기 변화량 △W을 소정의 임계치와 비교하여 심장의 수축 또는 팽창 여부를 파악할 수 있다.
구체적으로, 상기 처리부(220)는 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 대역폭과 투과 후 대역폭을 비교하여 상기 대역폭 W의 투과 전후 변화량 △W을 산출하고, 상기 대역폭의 변화량 △W이 기 결정된 대역폭 변화량 임계치 △Wth보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 대역폭의 변화량 △W이 상기 대역폭 변화량 임계치 △Wth보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
다시 말해, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 투과 전후 대역폭 변화량 △W이 일정 수준보다 작으면 해당 구간을 심장의 수축기로 판단하고, 일정 수준보다 크면 해당 구간을 심장의 팽창기로 판단할 수 있다.
혈액으로 채워져 있는 심장은 저역 통과 필터의 특성을 갖기 때문에, 심장의 크기가 클수록 그를 투과한 펄스 신호의 대역폭은 좁아질 것이며, 본 발명의 실시예는 이와 같은 대역폭에 관한 특성을 이용하여 사용자의 심박을 측정할 수 있다.
나아가, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 중심 주파수 fc 및 진폭 A 중 적어도 하나를 더 분석하고, 상기 대역폭 W에 대한 분석 결과와, 상기 중심 주파수 fc 및 상기 진폭 A 중 적어도 하나에 대한 분석 결과를 기반으로 피측정자의 생체 신호를 측정할 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭 W과 중심 주파수 fc를 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 W 뿐만 아니라 중심 주파수 fc를 더 분석하고, 그 결과를 기반으로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 파악할 수 있다.
구체적으로, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 중심 주파수 fc를 산출하고, 상기 중심 주파수 fc가 기 결정된 중심 주파수 임계치 fcth보다 크면, 해당 중심 주파수를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 중심 주파수 fc가 상기 중심 주파수 임계치 fcth보다 작으면, 해당 중심 주파수를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 W 외에 중심 주파수 fc를 더 이용하여 심박을 측정함으로써 보다 정확하게 심장의 수축 또는 팽창 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 W이 대역폭 임계치 Wth보다 넓으면서 중심 주파수 fc가 중심 주파수 임계치 fcth보다 높을 경우 해당 구간을 심장의 수축기로 결정할 수 있다. 반대로, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 W이 대역폭 임계치 Wth보다 좁으면서 중심 주파수 fc가 중심 주파수 임계치 fcth보다 낮을 경우 해당 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예는 심장의 수축 또는 팽창 여부를 판단하기 위해 고려하는 조건들을 늘림으로써 심박 측정 시 발생할 수 있는 에러를 줄이고 보다 정확하게 심박을 측정할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 W과 대역폭 임계치 Wth 간의 차이를 기반으로 스코어를 매기고, 수신된 펄스 신호의 중심 주파수 fc와 중심 주파수 임계치 fcth 간의 차이를 기반으로 스코어를 매긴 뒤, 대역폭 W에 대한 스코어와 중심 주파수 fc에 대한 스코어에 같거나 서로 다른 가중치를 부여하고, 이 스코어들을 합산하여 얻은 최종 스코어를 기초로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 결정할 수도 있다. 이 경우, 대역폭 W과 중심 주파수 fc 중 심박 측정에 보다 중요한 팩터에 가중치를 더 부여함으로써 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W과 중심 주파수 변화량 △fc을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W 외에 중심 주파수 변화량 △fc을 더 분석하고, 그 결과를 기반으로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 파악할 수 있다.
구체적으로, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 피측정자 투과 전 중심 주파수와 투과 후 중심 주파수를 비교하여 상기 중심 주파수의 투과 전후 변화량 △fc을 산출하고, 상기 중심 주파수의 변화량 △fc이 기 결정된 중심 주파수 변화량 임계치 △fc th보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 중심 주파수의 변화량 △fc이 상기 중심 주파수 변화량 임계치 △fcth보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W 외에 중심 주파수 변화량 △fc를 더 이용하여 심박을 측정함으로써 보다 정확하게 심장의 수축 또는 팽창 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 11에 도시된 바와 같이, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W이 대역폭 변화량 임계치 △Wth보다 작으면서 중심 주파수 변화량 △fc가 중심 주파수 변화량 임계치 △fcth보다 작을 경우 해당 구간을 심장의 수축기로 결정할 수 있다. 반대로, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W이 대역폭 변화량 임계치 △Wth보다 크면서 중심 주파수 변화량 △fc이 중심 주파수 변화량 임계치 △fcth보다 클 경우 해당 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W과 대역폭 변화량 임계치 △Wth 간의 차이를 기반으로 스코어를 매기고, 수신된 펄스 신호의 중심 주파수 변화량 △fc과 중심 주파수 변화량 임계치 △fcth 간의 차이를 기반으로 스코어를 매긴 뒤, 대역폭 변화량 △W에 대한 스코어와 중심 주파수 변화량 △fc에 대한 스코어에 같거나 서로 다른 가중치를 부여하고, 이 스코어들을 합산하여 얻은 최종 스코어를 기초로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 결정할 수도 있다. 이 경우, 대역폭 변화량 △W과 중심 주파수 변화량 △fc 중 심박 측정에 보다 중요한 팩터에 가중치를 더 부여함으로써 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭 W과 진폭 A을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 W 뿐만 아니라 진폭 A을 더 분석하고, 그 결과를 기반으로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 파악할 수 있다.
구체적으로, 상기 처리부(220)는 상기 펄스 신호의 진폭 A을 산출하고, 상기 진폭 A이 기 결정된 진폭 임계치 Ath보다 크면, 해당 진폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 진폭 A이 상기 진폭 임계치 Ath보다 작으면, 해당 진폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 W 외에 진폭 A을 더 이용하여 심박을 측정함으로써 보다 정확하게 심장의 수축 또는 팽창 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 W이 대역폭 임계치 Wth보다 넓으면서 진폭 A이 진폭 임계치 Ath보다 클 경우 해당 구간을 심장의 수축기로 결정할 수 있다. 반대로, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 W이 대역폭 임계치 Wth보다 좁으면서 진폭 A이 진폭 임계치 Ath보다 작을 경우 해당 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 W과 대역폭 임계치 Wth 간의 차이를 기반으로 스코어를 매기고, 수신된 펄스 신호의 진폭 A과 진폭 임계치 Ath 간의 차이를 기반으로 스코어를 매긴 뒤, 대역폭 W에 대한 스코어와 진폭 A에 대한 스코어에 같거나 서로 다른 가중치를 부여하고, 이 스코어들을 합산하여 얻은 최종 스코어를 기초로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 결정할 수도 있다. 이 경우, 대역폭 W과 진폭 A 중 심박 측정에 보다 중요한 팩터에 가중치를 더 부여함으로써 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W과 진폭 변화량 △A을 이용하여 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W 외에 진폭 변화량 △A을 더 분석하고, 그 결과를 기반으로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 파악할 수 있다.
구체적으로, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 피측정자 투과 전 진폭과 투과 후 진폭을 비교하여 상기 진폭의 투과 전후 변화량 △A을 산출하고, 상기 진폭의 변화량 △A이 기 결정된 진폭 변화량 임계치 △Ath보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 진폭의 변화량 △A이 상기 진폭 변화량 임계치 △Ath보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W 외에 진폭 변화량 △A을 더 이용하여 심박을 측정함으로써 보다 정확하게 심장의 수축 또는 팽창 여부를 판단할 수 있다.
예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W이 대역폭 변화량 임계치 △Wth보다 작으면서 진폭 변화량 △A이 진폭 변화량 임계치 △Ath보다 작을 경우 해당 구간을 심장의 수축기로 결정할 수 있다. 반대로, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W이 대역폭 변화량 임계치 △Wth보다 크면서 진폭 변화량 △A이 진폭 변화량 임계치 △Ath보다 클 경우 해당 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호의 대역폭 변화량 △W과 대역폭 변화량 임계치 △Wth 간의 차이를 기반으로 스코어를 매기고, 수신된 펄스 신호의 진폭 변화량 △A과 진폭 변화량 임계치 △Ath 간의 차이를 기반으로 스코어를 매긴 뒤, 대역폭 변화량 △W에 대한 스코어와 진폭 변화량 △A에 대한 스코어에 같거나 서로 다른 가중치를 부여하고, 이 스코어들을 합산하여 얻은 최종 스코어를 기초로 심장의 수축 또는 팽창 여부를 결정할 수도 있다. 이 경우, 대역폭 변화량 △W과 진폭 변화량 △A 중 심박 측정에 보다 중요한 팩터에 가중치를 더 부여함으로써 측정의 신뢰도를 높일 수 있다.
전술한 실시예들은 펄스 신호의 대역폭 W을 분석한 결과에 중심 주파수 fc 또는 진폭 A을 분석한 결과를 더 이용하거나, 대역폭 변화량 △W을 분석한 결과에 중심 주파수 변화량 △fc 또는 진폭 변화량 △A을 분석한 결과를 더 이용하여 심박을 측정하였다. 그러나, 심박을 측정하기 위해 이용하는 펄스 신호의 특성은 이에 제한되지 않고, 실시예에 따라 대역폭 W, 중심 주파수 fc 및 진폭 A 모두를 이용하거나, 대역폭 변화량 △W, 중심 주파수 변화량 △fc 및 진폭 변화량 △A 모두를 이용할 수도 있으며, 대역폭 W, 중심 주파수 fc, 진폭 A, 대역폭 변화량 △W, 중심 주파수 변화량 △fc 및 진폭 변화량 △A 중 둘 이상을 조합하여 이용할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호를 시간 영역(time domain)에서 주파수 영역(frequency domain)으로 변환하여 상기 주파수 영역에서 펄스 신호의 대역폭이나 중심 주파수를 측정할 수 있다. 이 때, 상기 처리부(220)는 푸리에 변환 알고리즘을 이용하여 펄스 신호의 주파수 스펙트럼을 얻을 수 있으나, 변환 방법은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 수신된 펄스 신호를 주파수 영역으로 변환하지 않고 시간 영역에서 처리하여 대역폭이나 중심 주파수를 분석할 수도 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 시간 영역에서 펄스 신호에 포함된 펄스의 듀레이션 D을 측정하고, 이 듀레이션 D을 이용하여 펄스 신호의 대역폭 W을 분석할 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 펄스 신호의 듀레이션 D을 이용하여 대역폭 W을 분석하고 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
예를 들어, 도 14를 참조하면, 상기 처리부(220)는 듀레이션 D을 전술한 대역폭 임계치 Wth에 대응하는 듀레이션 임계치 Dth와 비교하여, 상기 듀레이션 D이 상기 듀레이션 임계치 Dth보다 짧으면, 해당 듀레이션을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 듀레이션 D이 상기 듀레이션 임계치 Dth보다 길면, 해당 듀레이션을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
또한, 상기 처리부(220)는 시간 영역에서 펄스 신호에 포함된 펄스의 듀레이션 D을 측정하고, 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 듀레이션과 투과 후 듀레이션을 비교하여 상기 듀레이션의 투과 전후 변화량 △D을 산출하고, 상기 듀레이션의 변화량 △D을 이용하여 대역폭의 변화량 △W을 분석할 수도 있다.
예를 들어, 상기 처리부(220)는 듀레이션의 변화량 △D을 전술한 대역폭 변화량 임계치 △Wth에 대응하는 듀레이션 변화량 임계치 △Dth와 비교하여, 상기 듀레이션의 변화량 △D이 상기 듀레이션 변화량 임계치 △Dth보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 듀레이션의 변화량 △D이 상기 듀레이션 변화량 임계치 △Dth보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
나아가, 상기 처리부(220)는 펄스 신호의 듀레이션 D을 기초로 대역폭 W을 분석하는 것뿐만 아니라, 펄스 중 양의 진폭을 갖는 부분과 음의 진폭을 갖는 부분 간의 시간 차(도 6 및 도 7에서 t)를 기초로 중심 주파수 fc를 분석할 수도 있다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 펄스 중 양의 진폭을 갖는 부분과 음의 진폭을 갖는 부분 간의 시간 차 t를 이용하여 중심 주파수 fc를 분석하고 심박을 측정하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
예를 들어, 도 15를 참조하면, 상기 처리부(220)는 시간 영역에서 펄스 신호의 상기 시간 차 t를 측정한 뒤, 전술한 중심 주파수 임계치 fcth에 대응하는 시간 차 임계치 tth와 비교하여, 상기 시간 차 t가 상기 시간 차 임계치 tth보다 작으면, 해당 시간 차를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 시간 차 t가 상기 시간 차 임계치 tth보다 크면, 해당 시간 차를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
또한, 상기 처리부(220)는 시간 영역에서 상기 시간 차 t를 측정하고, 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 시간 차와 투과 후 시간 차를 비교하여 상기 시간 차의 투과 전후 변화량 △t을 산출하고, 상기 시간 차의 변화량 △t을 이용하여 중심 주파수의 변화량 △fc을 분석할 수도 있다.
예를 들어, 상기 처리부(220)는 상기 시간 차의 변화량 △t을 전술한 중심 주파수 변화량 임계치 △fcth에 대응하는 시간 차 변화량 임계치 △tth와 비교하여, 상기 시간 차의 변화량 △t이 상기 시간 차 변화량 임계치 △tth보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고, 상기 시간 차의 변화량 △t이 상기 시간 차 변화량 임계치 △tth보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정할 수 있다.
이와 같이, 수신된 펄스 신호를 주파수 영역으로 변환하여 대역폭 W이나 중심 주파수 fc를 측정하는 대신, 시간 영역에서 곧바로 듀레이션 D이나 시간 차 t를 측정하여 심박을 측정하는 경우, 신호 처리가 보다 간단하게 수행될 수 있어 시스템 구현이 용이하다는 장점이 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치 및 그를 포함하는 사용자 모니터링 시스템은 사용자의 신체를 투과하는 펄스 신호의 대역폭을 이용하여 심박을 비롯한 사용자의 생체 신호를 측정하고 사용자의 상태를 모니터링할 수 있다. 그 결과, 사용자의 움직임에 영향받지 않고 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있다.
또한, 후술하는 본 발명의 실시예에 따르면, 고속의 펄스 신호를 이용하여 피측정자의 생체 신호를 측정할 때, 저속의 신호를 처리하는 낮은 성능의 하드웨어로도 생체 신호를 측정하여 전력 소비량을 줄일 수 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위해, 다시 도 2를 참조하면, 상기 샘플링부(213)는 상기 펄스 신호에 포함된 펄스의 일 부분을 샘플링하되, 다수의 펄스에 걸쳐 각각의 펄스마다 서로 다른 부분을 샘플링할 수 있다.
도 16 및 도 17는 본 발명의 일 실시예에 따라 샘플링부(213)가 펄스 신호를 샘플링하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
상기 샘플링부(213)는 펄스 신호에 포함된 펄스를 전체적으로 샘플링하는 대신 부분적으로 샘플링할 수 있다.
예를 들어, 도 16를 참조하면, 상기 샘플링부(213)는 펄스 신호에 포함된 5 개의 펄스(21 내지 25)에 걸쳐 각 펄스의 일 부분(P1 내지 P5)만을 샘플링할 수 있다. 이 때, 각 펄스에서 샘플링되는 지점은 상기 5 개의 펄스(21 내지 25)마다 각기 다를 수 있다.
구체적으로, 펄스 신호 내 제 1 펄스(21)에 대하여 샘플링되는 지점은 펄스의 시작 지점인 P1이며, 그 다음 펄스인 제 2 펄스(22)에 대하여 샘플링되는 지점은 펄스의 듀레이션 D 중 1/4 지점인 P2이며, 그 다음 펄스인 제 3 펄스(23)에 대하여 샘플링되는 지점은 펄스의 듀레이션 D 중 절반 지점인 P3이며, 그 다음 펄스인 제 4 펄스(24)에 대하여 샘플링되는 지점은 펄스의 듀레이션 D 중 3/4 지점인 P4이며, 그 다음 펄스인 제 5 펄스에 대하여 샘플링되는 지점은 펄스의 마지막 지점인 P5일 수 있다.
이와 같이, 상기 샘플링부(213)는 펄스 신호에 포함된 각 펄스의 전체를 샘플링하는 것이 아니라, 각 펄스의 일부분만을 샘플링하되, 연속되는 다수의 펄스에 걸쳐 각 펄스마다 서로 다른 부분을 샘플링할 수 있다.
그 결과, 샘플링에 의해 복원되는 복원 펄스(30)는 샘플링 전의 펄스(21 내지 25)에 비해 듀레이션 DR이 길어져 저속의 신호로 변경된다.
예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 피측정자의 생체 신호 측정에 사용되는 펄스(21 내지 25)가 ns 단위의 듀레이션 D을 갖는 고속의 임펄스였다면, 본 발명의 실시예에 따른 샘플링에 의해 복원된 복원 펄스(30)는 μs 단위의 듀레이션 DR을 갖는 저속의 신호로 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 펄스에 대한 샘플링은 펄스 신호의 펄스 반복 주기에 기 설정된 샘플링 간격을 더한 시간마다 수행될 수 있다.
예를 들어, 도 17를 참조하면, 각각의 펄스에 대한 샘플링은 펄스 신호의 펄스 반복 주기인 TPR에 샘플링 간격인 △t를 더한 시간인 TS마다 수행될 수 있다.
그 결과, 상기 샘플링부(213)는 다수의 펄스(21 내지 25)에 걸쳐 각각의 펄스마다 서로 다른 부분(P1 내지 P5), 즉 듀레이션 D 중 서로 다른 시각에서 샘플링할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플링 간격 △t은 사전에 결정되어 상기 생체 신호 측정 장치(200)에 설정될 수 있다. 또한, 상기 펄스 반복 주기 TPR도 사전에 결정되어 상기 송신기(100) 및 상기 생체 신호 측정 장치(200)에 설정될 수 있으며, 실시예에 따라 상기 생체 신호 측정 장치(200)는 상기 송신기(100)로부터 상기 펄스 반복 주기 TPR에 대한 정보를 제공받을 수도 있다.
도 16 및 도 17에 도시된 실시예는 상기 샘플링 간격 △t이 듀레이션 D의 1/4로 설정되어, 총 5 개의 펄스(21 내지 25)에 걸쳐 샘플링함으로써 하나의 복원 펄스(30)를 획득하였으나, 상기 샘플링 간격은 이에 제한되지 않고 실시예에 따라 더 짧거나 길게 설정되어 복원 펄스의 듀레이션 DR을 조절할 수도 있다.
예를 들어, 상기 샘플링 간격 △t이 듀레이션 D의 1/3로 설정되는 경우, 상기 복원 펄스의 듀레이션은 도 16에 도시된 복원 펄스(30)의 듀레이션 DR보다 짧아질 것이며, 상기 샘플링 간격 △t이 듀레이션 D의 1/8로 설정되는 경우, 상기 복원 펄스의 듀레이션은 도 16에 도시된 복원 펄스(30)의 듀레이션 DR보다 길어질 것이다.
또한, 도 16 및 도 17에 도시된 실시예는 상기 샘플링부(213)가 펄스의 듀레이션 중 하나의 시각에서 펄스를 샘플링하였으나, 펄스 당 샘플링 횟수는 1 회로 제한되지 않고 실시예에 따라 둘 또는 그 이상이 될 수도 있다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따라 샘플링부(213)가 펄스 신호를 샘플링하는 동작을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 샘플링부(213)는 펄스의 듀레이션 D 중 다수의 시각에서 펄스를 샘플링할 수 있다.
예를 들어, 도 18에 도시된 바와 같이, 상기 샘플링부(213)는 펄스 당 샘플링을 2 회씩 실시하되, 각 펄스에 대한 샘플링은 펄스 반복 주기 TPR에 샘플링 간격 △t을 더한 시간 TS마다 수행될 수 있다.
그 결과, 펄스 신호 내 제 1 펄스(21)에 대하여 샘플링되는 지점들은 펄스의 시작 지점인 P11과 듀레이션 D 중 1/4 지점인 P12이며, 그 다음 펄스인 제 2 펄스(22)에 대하여 샘플링되는 지점들은 펄스의 듀레이션 D 중 1/4 지점인 P21과 듀레이션 D 중 절반 지점인 P22이며, 그 다음 펄스인 제 3 펄스(23)에 대하여 샘플링되는 지점들은 펄스의 듀레이션 D 중 절반 지점인 P31과 듀레이션 D 중 3/4 지점인 P32이며, 그 다음 펄스인 제 4 펄스(24)에 대하여 샘플링되는 지점들은 펄스의 듀레이션 D 중 3/4 지점인 P41과 펄스의 마지막 지점인 P42일 수 있다.
이 실시예에 따르면, 상기 펄스의 듀레이션 D 내 다수의 샘플링 지점 간의 간격은 상기 샘플링 간격 △t과 동일할 수 있다.
예를 들어, 도 18을 참조하면, 제 1 펄스(21)의 듀레이션 D 내 샘플링 지점인 P11과 P12 간의 간격은 듀레이션 D의 1/4로 상기 샘플링 간격 △t과 같으며, 마찬가지로, 제 2 내지 제 4 펄스(22 내지 24)의 듀레이션 D 내 샘플링 지점들 간의 간격 역시 듀레이션 D의 1/4로 상기 샘플링 간격 △t과 같을 수 있다.
이와 같이, 상기 샘플링부(213)가 펄스의 듀레이션 D 중 다수의 시각에 펄스를 샘플링하는 경우, 상기 처리부(126)는 다수의 펄스에 걸쳐 샘플링하여 얻은 샘플링 값들 중, 펄스의 듀레이션 D 내 서로 대응하는 지점에 대한 샘플링 값들의 평균을 구하여 해당 지점의 샘플링 값으로 결정할 수 있다.
예를 들어, 도 18을 참조하면, 상기 처리부(126)는 제 1 내지 제 4 펄스(21 내지 24)에 걸쳐 샘플링하여 얻은 8 개의 샘플링 값들 중, 펄스의 듀레이션 D 내 서로 대응하는 지점, 예컨대 듀레이션 D 내 1/4 지점에 대응하는 P12와 P21에서의 샘플링 값들을 평균하여, 이 지점의 샘플링 값으로 결정할 수 있다.
마찬가지로, 상기 처리부(126)는 펄스의 듀레이션 D 내 절반 지점에 대응하는 P22와 P31에서의 샘플링 값들을 평균하여, 이 지점의 샘플링 값으로 결정할 수 있으며, 다른 지점들도 이와 같이 샘플링 값을 결정할 수 있다.
전술한 실시예에 따르면, 샘플링으로 얻은 복원 펄스의 신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR)가 증가하여, 생체 신호 측정의 신뢰성이 향상될 수 있다.
도 18에 도시된 실시예는 상기 샘플링부(213)가 펄스의 듀레이션 D 중 두 개의 시각에서 펄스를 샘플링하였으나, 펄스 당 샘플링 횟수는 2 회로 제한되지 않고 실시예에 따라 셋 또는 그 이상이 될 수도 있으며, 그에 따라 복원 펄스의 신호 대 잡음 비도 더 향상될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 샘플링부(213)는 샘플링 주기 Ts = TPR + △t마다 신호가 인가되어 닫히는 스위치를 포함하는 믹서로 구성되거나, 커패시터를 더 포함하는 샘플러로 구성될 수 있으나, 상기 샘플링부의 하드웨어 구성은 이에 제한되지 않는다.
나아가, 후술하는 본 발명의 실시예에 따르면, 생체 신호 측정 시 다중 경로를 통해 전송되는 반사 신호에 의한 간섭을 배제시키고 송신기와 수신기 간의 직선 경로를 통해 전송되는 펄스 신호만을 이용하여 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 19는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용자 모니터링 시스템(10)의 예시적인 블록도이다.
도 19에 도시된 바와 같이, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 송신기(100) 및 생체 신호 측정 장치(200)를 포함하며, 상기 송신기(100)는 적어도 하나의 안테나(1111, 1112, 1113)를 포함하고, 상기 생체 신호 측정 장치(200)의 수신기(210)는 적어도 하나의 안테나(2111, 2112, 2113)를 포함할 수 있다.
이하의 실시예에서는 상기 송신기(100) 및 상기 수신기(210)가 복수의 안테나를 구비하는 것으로 설명되나, 실시예에 따라 상기 송신기(100)와 상기 수신기(210) 중 어느 하나는 하나의 안테나만을 가질 수도 있으며, 나아가 상기 송신기(100)와 상기 수신기(210) 둘 모두가 각각 하나의 안테나만을 가질 수도 있다.
상기 송신기(100)는 복수의 안테나(1111, 1112, 1113)를 통해 각각 서로 다른 시각에 펄스 신호를 송신할 수 있다. 상기 수신기(210)는 복수의 안테나(2111, 2112, 2113)를 통해 상기 피측정자를 투과한 펄스 신호를 수신하여 복원할 수 있다.
또한, 상기 생체 신호 측정 장치(200)는 처리부(220)를 포함하며, 상기 처리부(220)는 상기 수신되어 복원된 펄스 신호를 처리하여 상기 펄스 신호의 대역폭, 중심 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 분석하고, 그 분석 결과를 기반으로 상기 피측정자의 생체 신호를 측정할 수 있다.
상기 처리부(220)가 상기 펄스 신호의 대역폭, 중심 주파수 또는 진폭을 이용하여 피측정자의 생체 신호, 예컨대 심박을 측정하는 과정은 앞서 도 5 내지 도 15를 참조로 설명한 바와 동일하다.
이하에서는 도 19에 도시된 송신기(100) 및 수신기(210)의 동작을 설명한 뒤, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)이 차량에 구비되어 차량 탑승자를 모니터링하는 경우, 상기 송신기(100)에 포함된 안테나 어레이 및 상기 수신기(210)에 포함된 안테나 어레이의 차량 내 배치 및 활용에 관하여 설명하기로 한다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송신기(100)에서 수행되는 펄스 신호의 송신 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 20에 도시된 바와 같이, 상기 송신기(100)는 복수의 안테나(1111, 1112, 1113)를 통해 각각 서로 다른 시각에 펄스 신호를 송신한다.
상기 복수의 안테나(1111, 1112, 1113)를 통해 각각 서로 다른 시각에 펄스 신호를 송신하기 위해, 상기 송신기(100)는 딜레이부(110)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 딜레이부(110)는 펄스 신호에 서로 다른 딜레이를 적용하여 얻은 복수의 펄스 신호를 각각 복수의 안테나(1111, 1112, 1113)로 제공할 수 있다.
예를 들어, 도 20을 참조하면, 상기 딜레이부(110)는 RF 피드를 통해 제공된 펄스 신호에 각기 다른 시간 딜레이, 예컨대 2△t, △t 및 0을 적용하고, 각기 다른 시간 딜레이가 적용된 펄스 신호를 각각의 안테나(1111, 1112, 1113)로 제공할 수 있다.
그 결과, 송신기 측 안테나 어레이를 통해 전송되는 펄스 신호는 각 안테나 간 거리 d와 각 안테나를 통해 송신되는 펄스 신호 간 시간 차 △t에 의해 신호의 진행 방향, 즉 파면이 결정된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 송신기(100)로부터 송신되는 펄스 신호의 파면은 상기 수신기(210)를 향하도록 설정될 수 있다. 즉, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 송신기(100)와 수신기(210)의 위치, 안테나 간 거리 d, 및 펄스 신호 간 시간 차 △t를 사전에 결정하여, 펄스 신호가 전송되는 상기 송신기(100)와 상기 수신기(210) 사이의 직선 경로 상에 피측정자의 측정 부위, 예컨대 심장이 위치하도록 할 수 있다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신기(210)에서 수행되는 펄스 신호의 수신 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
도 21에 도시된 바와 같이, 상기 송신기(100)로부터 직선 경로를 통해 전달된 펄스 신호는 복수의 안테나(2111, 2112, 2113)를 통해 수신된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 수신된 복수의 펄스 신호로부터 생체 신호 측정에 사용할 펄스 신호를 얻기 위해 상기 수신기(210)는 딜레이부(212) 및 가산기(213)를 포함할 수 있다.
상기 딜레이부(212)는 수신기(210)에 구비된 복수의 안테나(2111, 2112, 2113)가 수신한 복수의 펄스 신호에 서로 다른 딜레이를 적용할 수 있다. 상기 가산기(213)는 상기 딜레이부(212)가 출력한 복수의 펄스 신호를 가산할 수 있다.
도 21을 참조하면, 각각의 안테나를 통해 수신된 펄스 신호는 송신단에서 펄스 신호에 적용된 딜레이만큼 지연되어 있으며, 상기 딜레이부(212)는 각각의 펄스 신호에 상기 송신단에서 적용된 딜레이, 즉 0, △t 및 2△t를 적용할 수 있다. 그 결과, 송신기(100)와 수신기(210) 간 직선 경로를 통해 전달된 펄스 신호는 위상이 일치하도록 조절될 수 있다.
그러고 나서, 상기 가산기(213)는 상기 딜레이부(212)에 의해 위상이 조절된 복수의 펄스 신호를 가산함으로써 펄스 신호를 복원할 수 있다. 이 실시예에 따르면, 직선 경로를 통해 전달된 펄스 신호는 상기 수신기(210)에서 위상이 일치하도록 조절되고 합산됨으로써 보강 간섭이 일어나게 된다.
도 22는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수신기(210)에서 수행되는 간섭 신호의 수신 과정을 설명하기 위한 예시적인 도면이다.
직선 경로를 통해 전달되는 신호와 달리, 다중 경로를 통해 반사되어 수신되는 신호는 생체 신호 측정의 정확도를 저하시킬 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 수신기(210)는 사전에 결정된 직선 경로가 아닌 다중 경로를 통해 전달된 간섭 신호를 생체 신호 측정으로부터 배제시킬 수 있다.
도 22를 참조하면, 각각의 안테나를 통해 수신된 간섭 신호는 상기 딜레이부(212)에 의해 송신단에서 적용된 딜레이, 즉 0, △t 및 2△t만큼 지연된다. 그 결과, 도 21에 도시된 직선 경로 전달 신호와 달리, 간섭 신호에 해당하는 펄스 신호는 상기 딜레이부(212)에 의해 위상 차가 더 커지게 된다.
따라서, 상기 가산기(213)에 의해 합산된 펄스 신호는 도 21과 같이 보강 간섭이 일어나지 않고 작은 진폭을 갖는 다수의 펄스들로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 처리부(220)는 상기 수신기(210)로부터 입력되는 펄스 신호들 중 기 설정된 임계값보다 큰 진폭을 갖는 펄스 신호를 선별하고, 선별된 펄스 신호를 기반으로 피측정자의 생체 신호를 측정할 수 있다. 이 경우, 상기 처리부(220)는 보강 간섭에 의해 진폭이 커진 펄스 신호를 다운 스케일링하여 보강 간섭 전 펄스 신호의 진폭 수준으로 되돌릴 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 송신기(100)와 상기 수신기(210)는 서로 동기화되어 클럭 신호를 공유할 수 있다. 예를 들어, 상기 송신기(100)는 송신기에서 사용되고 있는 클럭 신호에 대한 정보를 상기 수신기(210)로 전달하여 상기 송신기(100)와 상기 수신기(210)가 클럭 신호를 공유함으로써 서로 동기화될 수 있다. 상기 클럭 신호에 대한 정보는 유선을 통해 전달될 수 있으나, 실시예에 따라 무선으로 전달될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 차량에 구비되어 상기 차량에 탑승한 피측정자를 모니터링할 수 있다.
도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량 내 송신기 측 안테나들(111) 및 수신기 측 안테나들(211)의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
상기 사용자 모니터링 시스템(10)이 차량에 구비되어 차량에 탑승한 운전자를 모니터링하는 경우, 송신기(100)에 포함된 복수의 안테나(1111, 1112, 1113)와 수신기(210)에 포함된 복수의 안테나(2111, 2112, 2113)는 상기 운전자의 심장을 지나는 직선 상에 배치되어 펄스 신호를 주고받을 수 있다.
예를 들어, 도 23에 도시된 바와 같이, 상기 송신기 측 안테나들(111)은 차량의 운전대(410)에 설치되고, 상기 수신기 측 안테나들(211)은 차량의 운전석 등받이(420)에 설치될 수 있다.
운전자는 운전 시 차량의 운전석에 앉아 등받이(420)를 뒤로 한 채 운전대(410)를 가슴 앞에 두고 고정된 자세를 유지하므로, 본 발명의 일 실시예는 신체 내 측정하고자 하는 부위(예컨대, 심장)를 사이에 두고 송신기 측 안테나들(111)과 수신기 측 안테나들(211)을 서로 마주보도록 배치함으로써, 펄스 신호가 상기 측정하고자 하는 부위를 통과하도록 할 수 있다.
도 24는 본 발명의 다른 실시예에 따른 차량 내 송신기 측 안테나들(111) 및 수신기 측 안테나들(2111 내지 2115)의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 운전자뿐만 아니라 차량 내 다른 탑승자들도 모니터링할 수 있다. 이 경우, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 송신기(100) 및 수신기(210)를 각 탑승자마다 제공하여 생체 신호를 측정할 수 있으나, 실시예에 따라 상기 송신기(100)를 차량 내에 하나만 구비하여 탑승자들의 생체 신호를 측정할 수도 있다.
예를 들어, 도 24에 도시된 바와 같이, 상기 송신기 측 안테나들(111)은 차량의 실내 전방 상측에 설치될 수 있으며, 상기 수신기 측 안테나들(2111 내지 2115)은 차량의 각 좌석 등받이(421 내지 425)에 설치될 수 있다.
이와 같이 상기 송신기 측 안테나들(111)과 상기 수신기 측 안테나들(2111 내지 2115)이 차량 내에 배치되는 경우, 상기 송신기 측 안테나(111)는 탑승자들 전원에 대하여 측정하고자 하는 부위를 사이에 두고 상기 수신기 측 안테나들(2111 내지 2115)과 마주보도록 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 송신기(100)에 포함된 복수의 안테나(1111, 1112, 1113) 또는 상기 수신기(210)에 포함된 복수의 안테나(2111, 2112, 2113)는 동일 평면 상에 위치할 수 있다.
도 25 내지 도 27은 본 발명의 실시예들에 따른 안테나들(111)의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
상기 안테나들(111)은 한 평면 상에 위치하여 이 안테나들을 이으면 다각형이 형성되도록 배치될 수 있다.
일 예로, 도 25를 참조하면, 상기 안테나들(111)은 총 3 개의 안테나들(1111, 1112, 1113)로 구성되고, 상기 안테나들(1111, 1112, 1113)은 한 평면 상에서 삼각형 형태로 배치될 수 있다.
다른 예로, 도 26을 참조하면, 상기 안테나들(111)은 총 4 개의 안테나들(1111, 1112, 1113, 1114)로 구성되고, 상기 안테나들(1111, 1112, 1113, 1114)은 한 평면 상에서 사각형 형태로 배치될 수 있다.
그러나, 상기 송신기(100)에 포함되는 안테나들의 개수 또는 상기 수신기(210)에 포함되는 안테나들의 개수는 셋이나 넷으로 제한되지 않고, 실시예에 따라 다섯 또는 그 이상이 될 수도 있다.
나아가, 상기 복수의 안테나(111)는 다각형의 꼭지점에 해당하는 안테나들 외에 상기 다각형의 중심에 위치하는 안테나를 더 포함할 수도 있다.
예를 들어, 도 27을 참조하면, 상기 안테나들(111)은 사각형의 꼭지점에 해당하는 4 개의 안테나들(1111, 1112, 1113, 1114) 외에 상기 사각형의 중심에 위치하는 또 다른 안테나(1115)를 더 포함할 수 있다.
전술한 안테나들의 배치는 송신기(100)에 포함되는 안테나들뿐만 아니라, 수신기(210)에 포함되는 안테나들에도 적용 가능하다. 그 결과, 상기 송신기(100)가 차량 내 일 지점에 설치되고 상기 수신기(210)가 차량 내 전 좌석의 등받이에 설치되더라도, 상기 송신기(100)는 각 안테나에 의해 송신되는 펄스 신호의 딜레이를 적절히 조절하여 임의의 수신기(210)를 향해 펄스 신호를 송신할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 입력 장치(300)를 더 포함할 수 있다. 상기 입력 장치(300)는 사용자로부터 상기 사용자 모니터링 시스템(10)의 동작에 관한 정보를 입력받는 장치로서, 일 예로 터치스크린, 키패드 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 입력 장치(300)는 차량 내 피측정자가 탑승한 좌석에 관한 정보를 입력받을 수 있다. 이 경우, 상기 송신기(100)는 상기 피측정자가 탑승한 좌석의 등받이에 설치된 수신기 측 안테나들을 향해 펄스 신호를 송신할 수 있다.
예를 들어, 도 24에 도시된 5 개의 좌석들 중 운전석과 후방 오른쪽 좌석에만 사람이 탑승한 경우, 상기 입력 장치(300)는 사용자(예컨대, 운전자)로부터 피측정자가 탑승한 좌석으로 운전석 및 후방 오른쪽 좌석을 선택하는 입력을 입력받을 수 있다.
그에 따라, 상기 송신기(100)는 차량에 설치된 모든 수신기 측 안테나(2111 내지 2115)로 펄스 신호를 송신할 필요 없이, 상기 입력에 의해 특정된 운전석 등받이(421) 및 후방 오른쪽 좌석 등받이(425)에 설치된 수신기 측 안테나(2111 및 2115)로만 상기 펄스 신호를 송신하여, 불필요한 펄스 신호 송수신 및 처리를 방지할 수 있다.
전술한 실시예는 상기 입력 장치(300)가 피측정자가 탑승한 좌석에 관한 정보를 사용자로부터 입력받았으나, 실시예에 따라 상기 입력 장치(300)는 각 좌석에 설치된 센서로부터 피측정자의 탑승 여부를 입력받을 수도 있다.
예를 들어, 각 좌석의 안전벨트 버클에 센서가 설치될 수 있으며, 상기 버클에 안전벨트가 체결되는 경우, 해당 버클에 설치된 센서는 입력 장치(300)로 상기 버클이 위치한 좌석에 피측정자가 탑승하였음을 알릴 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 피측정자가 탑승한 좌석이 복수 개인 경우, 상기 송신기(100)는 시분할 다중 방식으로 상기 피측정자가 탑승한 각 좌석의 등받이에 설치된 복수의 안테나(2111 및 2115)를 향해 펄스 신호를 송신할 수 있다. 즉, 상기 송신기(100)는 상기 복수의 안테나(2111 및 2115)를 향해 서로 다른 시간에 펄스 신호를 송신할 수 있다.
상기 사용자 모니터링 시스템(10)이 피측정자의 심박을 측정하는 경우, 심박의 주기는 일반적으로 수백 ms 내지 수 s이므로, 심박 측정에 수 ns 단위의 임펄스를 이용한다면 심박 주기 내에 차량 탑승자들의 수만큼 시간 슬롯을 할당하여 여러 명의 피측정자 각각에 대하여 심박을 측정할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 사용자 모니터링 시스템(10)은 피측정자의 체격에 따라 펄스 신호의 송신 방향을 조절할 수 있다.
도 28은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 차량 내 수신기 측 안테나들(2112' 및 2112'')의 배치를 나타내는 예시적인 도면이다.
도 28에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 수신기(210)는 차량의 좌석 등받이(422) 중 제 1 부분에 설치된 제 1 안테나 그룹(2112') 및 제 2 부분에 설치된 제 2 안테나 그룹(2112'')을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 입력 장치(300)는 차량에 탑승한 피측정자의 체격에 관한 정보를 입력받을 수 있다. 그러고 나서, 상기 송신기(100)는 상기 제 1 및 제 2 안테나 그룹(2112' 및 2112'') 중 상기 피측정자의 체격에 대응하는 안테나 그룹을 향해 펄스 신호를 송신할 수 있다.
예를 들어, 복수의 안테나로 구성된 제 1 안테나 그룹(2112')은 좌석 등받이(422) 중 어른의 심장 위치에 대응하는 부분에 설치되고, 또 다른 복수의 안테나로 구성된 제 2 안테나 그룹(2112'')은 좌석 등받이(422) 중 아이의 심장 위치에 대응하는 부분에 설치될 수 있다.
그리고, 사용자(예컨대, 운전자)가 상기 입력 장치(300)를 통해 피측정자가 탑승한 좌석에 대하여 해당 피측정자의 체격에 관한 정보, 예컨대 아이에 대응하는 정보를 입력하는 경우, 상기 송신기(100)는 입력된 정보에 따라 아이에 대응하는 안테나 그룹인 제 2 안테나 그룹(2112'')을 향해 펄스 신호를 송신할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 피측정자의 체격에 관한 정보는 어른 또는 아이로 구분되거나, 연령으로 구분되거나, 성별로 구분되거나, 신장으로 구분될 수도 있다. 즉, 사용자는 피측정자의 체격에 관한 정보로 어른 및 아이 중 어느 하나를 선택하는 대신, 남자 및 여자 중 어느 하나를 선택하거나, 피측정자의 연령 또는 신장을 입력할 수도 있다.
전술한 본 발명의 실시예에 따르면, 피측정자의 측정 부위를 지나는 직선 경로를 통해 전송된 펄스 신호만을 이용하여 생체 신호를 측정하고 다중 경로를 통해 전송되는 반사 신호에 의한 간섭을 배제하여 측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.
이상에서 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 위 실시예는 단지 본 발명의 사상을 설명하기 위한 것으로 이에 한정되지 않는다. 통상의 기술자는 전술한 실시예에 다양한 변형이 가해질 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위의 해석을 통해서만 정해진다.
10: 사용자 모니터링 시스템
100: 송신기
200: 생체 신호 측정 장치
210: 수신기
211: 안테나
212: 증폭기
213: 샘플링부
214: 필터
215: 아날로그-디지털 변환기
220: 처리부
230: 저장부
300: 입력 장치
2201: 신호 검출부
2202: 신호 분석부
2203: 심박 측정부
D: 듀레이션
A: 진폭
W: 대역폭
fc: 중심 주파수
t: 시간 차

Claims (25)

  1. 적어도 하나의 안테나를 통해 각각 서로 다른 시각에 펄스 신호를 송신하는 송신기; 및
    적어도 하나의 안테나를 통해 임펄스가 기 설정된 펄스 반복 주기마다 반복되는 신호로서 피측정자를 투과한 상기 펄스 신호를 수신하여 복원하는 수신기와, 상기 펄스 신호를 처리하여 상기 펄스 신호의 대역폭, 중심 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 분석하고, 분석 결과를 기반으로 상기 피측정자의 생체 신호를 측정하는 처리부를 포함하는 생체 신호 측정 장치;
    를 포함하는 사용자 모니터링 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기는:
    펄스 신호에 서로 다른 딜레이를 적용하여 얻은 복수의 펄스 신호를 상기 송신기에 구비된 안테나로 제공하는 딜레이부를 포함하는 사용자 모니터링 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 수신기는:
    상기 수신기에 구비된 안테나가 수신한 복수의 펄스 신호에 서로 다른 딜레이를 적용하는 딜레이부; 및
    상기 딜레이부가 출력한 상기 복수의 펄스 신호를 가산하는 가산기;
    를 포함하는 사용자 모니터링 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신기와 상기 수신기는 동기화되어 클럭 신호를 공유하는 사용자 모니터링 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 사용자 모니터링 시스템은 차량에 구비되어 상기 차량에 탑승한 상기 피측정자를 모니터링하는 사용자 모니터링 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 송신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 운전대에 설치되고,
    상기 수신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 운전석 등받이에 설치되는 사용자 모니터링 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 송신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 실내 전방 상측에 설치되고,
    상기 수신기에 포함된 안테나는 상기 차량의 좌석 등받이에 설치되는 사용자 모니터링 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    복수의 안테나는 동일 평면 상에 위치하여 안테나를 이으면 다각형이 형성되도록 배치되는 사용자 모니터링 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 복수의 안테나는 상기 다각형의 중심에 위치하는 안테나를 더 포함하는 사용자 모니터링 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 사용자 모니터링 시스템은 상기 차량 내 상기 피측정자가 탑승한 좌석에 관한 정보를 입력받는 입력 장치를 더 포함하고,
    상기 송신기는 상기 피측정자가 탑승한 좌석의 등받이에 설치된 안테나를 향해 상기 펄스 신호를 송신하는 사용자 모니터링 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 피측정자가 탑승한 좌석이 복수인 경우, 상기 송신기는 서로 다른 시간에 상기 피측정자가 탑승한 각 좌석의 등받이에 설치된 안테나를 향해 상기 펄스 신호를 송신하는 사용자 모니터링 시스템.
  13. 제 6 항에 있어서,
    상기 수신기는 상기 차량의 좌석 등받이 중 제 1 부분에 설치된 제 1 안테나 그룹 및 제 2 부분에 설치된 제 2 안테나 그룹을 포함하고,
    상기 사용자 모니터링 시스템은 상기 차량에 탑승한 상기 피측정자의 체격에 관한 정보를 입력받는 입력 장치를 더 포함하고,
    상기 송신기는 상기 제 1 및 제 2 안테나 그룹 중 상기 피측정자의 체격에 대응하는 안테나 그룹을 향해 상기 펄스 신호를 송신하는 사용자 모니터링 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호의 대역폭, 중심 주파수 및 진폭 중 적어도 하나를 분석하여 상기 피측정자의 심박을 측정하는 사용자 모니터링 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호의 대역폭을 산출하고,
    상기 대역폭이 기 결정된 대역폭 임계치보다 크면, 해당 대역폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 대역폭이 상기 대역폭 임계치보다 작으면, 해당 대역폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 대역폭과 투과 후 대역폭을 비교하여 상기 대역폭의 투과 전후 변화량을 산출하고,
    상기 대역폭의 변화량이 기 결정된 대역폭 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 대역폭의 변화량이 상기 대역폭 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  17. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호의 중심 주파수를 산출하고,
    상기 중심 주파수가 기 결정된 중심 주파수 임계치보다 크면, 해당 중심 주파수를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 중심 주파수가 상기 중심 주파수 임계치보다 작으면, 해당 중심 주파수를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  18. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 중심 주파수와 투과 후 중심 주파수를 비교하여 상기 중심 주파수의 투과 전후 변화량을 산출하고,
    상기 중심 주파수의 변화량이 기 결정된 중심 주파수 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 중심 주파수의 변화량이 상기 중심 주파수 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  19. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호의 진폭을 산출하고,
    상기 진폭이 기 결정된 진폭 임계치보다 크면, 해당 진폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 진폭이 상기 진폭 임계치보다 작으면, 해당 진폭을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  20. 제 14 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 진폭과 투과 후 진폭을 비교하여 상기 진폭의 투과 전후 변화량을 산출하고,
    상기 진폭의 변화량이 기 결정된 진폭 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 진폭의 변화량이 상기 진폭 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    상기 펄스 신호를 시간 영역에서 주파수 영역으로 변환하여 상기 주파수 영역에서 상기 펄스 신호의 대역폭 및 중심 주파수 중 적어도 하나를 측정하는 사용자 모니터링 시스템.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스의 듀레이션(duration)을 측정하고, 상기 듀레이션을 이용하여 상기 대역폭을 분석하되,
    상기 듀레이션이 상기 대역폭 임계치에 대응하는 듀레이션 임계치보다 짧으면, 해당 듀레이션을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 듀레이션이 상기 듀레이션 임계치보다 길면, 해당 듀레이션을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  23. 제 16 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스의 듀레이션을 측정하고, 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 듀레이션과 투과 후 듀레이션을 비교하여 상기 듀레이션의 투과 전후 변화량을 산출하고, 상기 듀레이션의 변화량을 이용하여 상기 대역폭의 변화량을 분석하되,
    상기 듀레이션의 변화량이 상기 대역폭 변화량 임계치에 대응하는 듀레이션 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 듀레이션의 변화량이 상기 듀레이션 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  24. 제 17 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스 중 양의 진폭을 갖는 부분과 음의 진폭을 갖는 부분 간의 시간 차를 측정하고, 상기 시간 차를 이용하여 상기 중심 주파수를 분석하되,
    상기 시간 차가 상기 중심 주파수 임계치에 대응하는 시간 차 임계치보다 작으면, 해당 시간 차를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 시간 차가 상기 시간 차 임계치보다 크면, 해당 시간 차를 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 처리부는:
    시간 영역에서 상기 펄스 신호에 포함된 펄스 중 양의 진폭을 갖는 부분과 음의 진폭을 갖는 부분 간의 시간 차를 측정하고, 상기 펄스 신호의 피측정자 투과 전 시간 차와 투과 후 시간 차를 비교하여 상기 시간 차의 투과 전후 변화량을 산출하고, 상기 시간 차의 변화량을 이용하여 상기 중심 주파수의 변화량을 분석하되,
    상기 시간 차의 변화량이 상기 중심 주파수 변화량 임계치에 대응하는 시간 차 변화량 임계치보다 작으면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 수축기로 결정하고,
    상기 시간 차의 변화량이 상기 시간 차 변화량 임계치보다 크면, 해당 변화량을 갖는 펄스 신호의 구간을 심장의 팽창기로 결정하는 사용자 모니터링 시스템.
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