KR100871230B1

KR100871230B1 - 통신 장치와 연동되는 비가압적이고 비침습적인 손목형혈압 측정 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100871230B1
Application number: KR1020070024163A
Authority: KR
Inventors: 조재걸; 정선태; 임재중
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2008-11-28
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: KR20080083505A; US8086301B2; EP1970000A3; US20080228089A1; CN101264011A; CN101264011B; EP1970000B1; EP1970000A2

Abstract

본 발명은 통신 장치(communication device)와 연동되는 비가압(cuffless)적이고 비침습적(non-invasive)인 손목형 혈압 측정 방법에 있어서, 사용자로부터 손목에서 검출된 하나 이상의 맥파 신호들의 크기 차이를 검출하는 과정과, 사용자로부터 검출된 심전도 및 맥파 신호에서 특징점을 검출하는 과정과, 검출된 특징점들을 이용하여 수축기혈합 및 확장기혈압 값을 계산하는데 필요한 변수를 추출하는 과정과, 추출된 변수들을 이용하여 산점도 그래프를 도출하여 사용자의 수축기혈압과 확장기혈압의 값을 계산하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

비침습적 혈압 측정, 연속 혈압 측정, 상완혈압, 요골맥파

Description

통신 장치와 연동되는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 방법 및 장치{METHOD AND　APPARATUS FOR THE CUFFLESS AND NON-INVASIVE DEVICE CONNECTED TO COMMUNICATION DEVICE WHICH MEASURES BLOOD PRESSURE FROM A WRIST}

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 장치의 사시도

도 2a, 2b는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 혈압 측정 장치 센서부의 정면도, 측면도

도 2c, 2d는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 광센서를 포함한 혈압 측정 장치 센서부의 정면도, 측면도

도 2e는 본 발명의 일 실시 예에 따른 사용자의 손목에 장착된 혈압 측정 장치 센서부의 측면도

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 장치의 측면도

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 혈압 측정 장치의 개념적인 구성도

도 5a, 5b, 5c는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력센서, 적외선센서, 심전도센서로부터의 아날로그 신호 처리부를 나타낸 회로도

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 입력부, 상태표시부 및 디스플레이부를 포함하는 제어부를 나타낸 회로도

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 혈압 측정 방법을 나타낸 흐름도

도 8a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 혈압 측정 알고리즘의 연산과정을 나타낸 흐름도

도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 요골동맥 혈압 값의 검출을 위한 장치를 이용한 임상 실험을 통해 획득한 심전도 신호 및 4개의 맥파 파형 그래프

도 9a, 9b, 9c는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 계산 알고리즘에 적용하여 계산된 수축기혈압, 확장기혈압, 맥압 값과 임상 실험에서 얻어진 실제 값들의 산점도 그래프

본 발명은 인체의 손목 동맥부위에서 발생하는 맥파(pulse wave)의 이용에 관한 것으로 압력 센서, 적외선 센서, 그리고 전극을 이용하여 맥파의 신호와 심전도 신호를 획득하고 분석한 결과를 상완 동맥의 혈압 값으로 제공하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

심혈관계 질환의 발생은 산업화 사회로 발전해 나가는 과정에서 일어나는 육체활동의 감소 및 식생활의 변화에 따라 증가하는 면도 있지만, 질환의 발생이 연령의 증가에 따라 급격히 증가하는 것 역시 사회의 발전에 수반되는 고령화에 따라 심혈관계 질환의 중요성이 증가하는 이유 중 하나이다. 이러한 심혈관계 질환의 발생에 대한 진단 방법 중의 하나가 혈압의 측정으로서 동맥혈압은 혈액의 양, 혈관의 탄력성, 수축 저항 등에 의해 결정되며 심혈관계의 이상이나 부적절함을 나타내는 생명징후의 하나로서 모든 조직의 관류에 영향을 미치며 특히 뇌혈류나 관상혈류를 조절하는 주요 인자가 되고 있다.

현재 혈압을 측정하는 방법으로는 침습적(invasive)인 방법과 비침습적(non-invasive)인 방법이 있는데, 수술실이나 중환자실에서 고 위험도 환자를 관리하는 경우에는 지속적으로 동맥혈압을 감시할 수 있고 또한 동맥혈액 가스분석을 위해 수시로 동맥혈액을 채혈할 수 있는 침습적인 방법을 이용하고 있는 실정이다. 그러나 침습적인 방법은 준비와 시술이 매우 번거롭고 감염이나 혈관폐쇄에 의한 조직 손상 등의 합병증을 유발할 수도 있으며 그 적용대상이 대부분 중환자에게 국한되어 있고 관리에 많은 주의가 요구되고 있다. 따라서 일상적인 측정에서는 가압대(이하 "cuff"라 약칭함)를 이용한 비침습적 방법이 주류를 이루고 있으나 이 방법은 연속적으로 혈압을 감시할 수 없고, 측정자의 주관에 따라서 차이가 발생할 수 있으며 또한 혈압이 어느 정도 이하로 감소하면 측정이 어렵다는 단점이 있다. 특히 어린이나 중환자들에게는 적용이 힘들고 이완기 혈압이 70mmHg 이하인 환자에 대해서는 정확도가 현저히 떨어짐이 보고 되고 있다. 또한 cuff를 사용할 때 cuff를 감는 부위의 둘레에 대한 고려가 되지 않으면 정확한 혈압 값을 제공할 수 없다는 단점이 있으나 현재로서는 의 팔 둘레를 고려한 cuff를 적용한다는 것은 현실적으로 불가능한 상황이다. 더구나 cuff를 사용하게 되면 200mmHg 정도의 압력을 인 가하는 과정이 필요하므로 혈관이나 조직에 손상을 입힐 가능성도 있다. 이러한 cuff를 사용하는데 따르는 단점들을 보완하기 위해서 cuff를 사용하지 않고 비침습적이고 연속적으로 혈압 값을 측정하기 위한 시도들이 이루어져왔으나, 현실적으로 신뢰성 있는 혈압 모니터링은 실현되지 못하고 있는 실정이다.

비침습적이며 cuff를 사용하지 않으며 연속적인 혈압측정이 가능한 장치로서, 미국특허등록번호, US 6,413,223에 개시된 "Cuffless Continuous Blood Pressure Monitor"와 US 6,669,648에 개시된 "Continuous Non-invasive Sphygmo-manometer" 등이 있다. 그러나 측정부위가 손가락에 한정되거나 손목부위에 고정이 용이하지 않은 위치에서 측정을 하는 제약이 있으며, 연속적인 혈압 값을 측정하기 위해서 광원구동을 위한 부가적인 장치들을 구비해야 하므로 이 또한 인체에 부착 시 의 생활을 불편하게 하는 문제점들은 해소하지 못하고 있다.

상기한 바와 같이 혈압의 측정이 중요한 진단 정보를 제공한다는 데는 의심의 여지가 없으며, 이러한 혈압의 측정을 cuff를 사용하지 않고 간편하게 손목에서 연속적으로 측정하기 위한 기술의 개발이 필요한 시점이다. 이를 위해 신체 부착 면을 고려한 센서의 배치 , 맥파 파형을 이용하여 혈압 값을 계산하는 정확한 알고리즘 수립, 그리고 착용 및 분리가 편리하며 휴대하기에 용이함 등의 문제들이 해결 요소로 남아 있다.

본 발명은 압력센서, 적외선센서, 그리고 전극을 이용하여 신체의 특정 동맥 부위에서 발생하는 맥파 파형, 적외선 센서 출력과 심전도 신호를 획득하고, 검출된 맥파를 처리하는 알고리즘을 수립하여 연속 혈압 값을 제공하는 비침습적 연속 혈압 값의 제공 및 저장이 가능한 장치를 제공하는데 있다.

또한 상기 기술적 과제들은 기존의 cuff를 사용하지 않는 혈압 측정 장치의 부정확성을 현저하게 개선할 수 있는 맥파 센싱 시스템을 적용하고 있으며, 다양한 조건의 사용 환경을 고려한 정확한 파형 검출 방법을 적용함으로써 신뢰성을 높일 수 있다는 신규성을 가지고 있다. 특히, 정확한 혈압 값을 계산하는 알고리즘을 적용함으로써 신뢰성을 높일 수 있고, 간편하게 손목에 착용함으로써 자신의 건강관리를 수시로 할 수 있을 뿐만 아니라 병원에서도 환자들로부터 거부감 없이 연속적인 혈압 모니터링을 할 수 있다는 측면에서 산업적인 가치 또한 높다는 장점이 있다.

이를 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 통신 장치(communication device)와 연동되는 비가압(cuffless)적이고 비침습적(non-invasive)인 손목형 혈압 측정 방법에 있어서, 사용자로부터 손목에서 검출된 하나 이상의 맥파 신호들의 크기 차이를 검출하는 과정과, 사용자로부터 검출된 심전도 및 맥파 신호에서 특징점을 검출하는 과정과, 검출된 특징점들을 이용하여 수축기혈합 및 확장기혈압 값을 계산하는데 필요한 변수를 추출하는 과정과, 추출된 변수들을 이용하여 산점도 그래프를 도출하여 사용자의 수축기혈압과 확장기혈압의 값을 계산하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 견지에 따르면, 통신 장치(communication device)와 연동되 는 비가압(cuffless)적이고 비침습적(non-invasive)인 손목형 혈압 측정 장치에 있어서, 사용자로부터 필요한 심전도 신호와 맥압 신호를 측정하는 센서부와, 측정된 각 신호들을 제어하는 제어부와, 제어된 신호들을 사용자에게 보여주는 디스플레이부를 포함함을 특징으로 한다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기 설명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들이 나타나고 있는데 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들이 본 발명의 범위 내에서 소정의 변형이나 혹은 변경이 이루어질 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다.

상기 문제점을 개선하기 위한 본 발명에 의한 비가압적이고 비침습적 연속 혈압 측정 장치는, 크게 신호 검출부, 맥파 신호 분석부, 맥파 신호 표시부, 인터페이스부, 전원부 이렇게 다섯단계로 구성이 된다. 먼저 신호 검출부는 신체의 손목 동맥부위에서 검출되는 하나 이상의 적외선 센서 출력 신호와 맥파 신호, 심전도 신호를 아날로그 신호로 바꾸어 출력하는 센서부를 포함한다. 다음으로 맥파 신호 분석부는 신호 검출부에서 아날로그 신호 처리된 맥파 신호를 디지털 신호로 바꾸어주고 맥파 신호 표시부는 디지털 처리된 맥파 신호로부터 상완 동맥의 연속 혈압 값을 표시해준다. 인터페이스부에서는 외부 장치와의 데이터 통신을 담당하고, 전원부에서는 상기 측정 장치의 전원을 공급해주는 역할을 한다.

이하, 본 발명에 의한 비침습적 연속혈압 측정 장치의 구성과 동작 및 그 장치에서 수행하는 비침습적 연속혈압 측정 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 장치의 사시도이다. 도 1을 참조하면, 먼저 도면 부호 100은 본 발명에 따른 휴대가 용이한 연속 혈압 측정 장치(300)의 전체적인 구성을 나타낸다. 사용자의 손목부위(350w)에 비침습적 연속혈압 측정 장치(300)를 장착하고, 측정버튼(101)을 이용하여 장치(300)를 구동한다. 조작상태에 대한 정상 및 비정상 동작의 표시는 상태표시 LED(107)에 나타난다. 장치(300)를 이용하여 측정된 연속혈압은 장치(300)의 디스플레이부(109)를 통해서 표시된다. 장치(300)를 통해서 측정되는 신호는 맥파, 적외선 신호의 입사 및 반사를 통한 광량의 측정, 심전도 신호이며, 심전도를 측정하기 위해 사용자는 오른손 손가락 하나를 심전도 측정부(201)에 배치한다. 또한 정상 맥파를 검출하기 위해 손목형 밴드(113)를 이용하여 압력과 위치를 조절한다. 장치(300)를 통해 측정된 연속혈압은 외부 기기와의 통신을 위한 통신단자(150)를 통해 휴대폰이나 기타 통신기기로의 전송이 가능하다.

도면 부호 100에 나타난 휴대가 용이한 연속 혈압 측정 장치(300)를 이용해 연속 혈압을 측정하기 위해서는, 먼저 장치(300)의 우측 상단부의 측정 버튼(101)을 눌러, 장치(300)를 측정 모드로 전환한다. 다음으로 센서부(도 2의 200)를 손목(350w)의 요골동맥 부위(도 3의 350a) 근처에 위치시키고, 장치(300)의 손목형 밴드(113)를 이용하여 사용자의 손목(350w)에 장치(300)를 고정시킨다. 고정된 장 치(300)의 상태표시 LED(107)를 통해서 안정된 맥파 신호가 검출중인지를 확인하고, 안정된 맥파 신호를 측정하기 위해 센서부(도 2의 200)에 인가되는 압력을 조절하여 안정된 맥파를 측정한다. 장치(300)에 고정되지 않은 반대편 손을 이용해 손가락을 장치(300)의 심전도 센서(201)에 접촉시켜 심전도 신호를 측정한다. 이렇게 측정된 맥파와 심전도 신호는 본 장치(300)의 제어부(도 4의 450)의 RAM(도 4의 455)에 저장된다. 저장된 데이터들은 하기에서 설명될 도 7의 과정을 통해 연산 처리된 후 연속 혈압 값을 디스플레이부(109)에 표시하게 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 혈압 측정 장치의 센서부(200)의 두 가지 형태를 나타낸다. 도 2a와 2b는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 혈압 측정 장치 센서부의 정면도와 측면도로서, 압력 센서와 심전도 센서만으로 구성된 실시 예이고, 도 2c와 2d는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 광센서를 포함한 혈압 측정 장치 센서부의 정면도와 측면도로서, 압력센서와 심전도 센서, 그리고 광센서로 구성된 실시 예이다.

도 2a와 2b를 같이 살펴보면, 하나 이상의 압력 센서(203)와 압력 센서가 고정되어있는 PCB(Printed Circuit Board)(210)와 이들을 둘러싸는 Gel(230)성분의 에폭시 처리부(220)와 폐 공간 내에서 Gel(230)로 채운 부분으로 구성된다.

본 발명에서 구성된 압력 센서(203)는 인가되는 압력 신호를 전기 신호로 변환하는 센서로서, 요골 동맥 위에 놓여서 혈관을 따라 흐르는 혈액이 혈관에 미치는 압력을 측정한다. 하나 이상의 압력 센서(203)들을 PCB(210)에 배열하고, 센서부(200) 용기 내의 압력 센서(203)의 압력이 인가되는 부분은 측정이 반복됨에 따 라 Gel이 밖으로 새어 나와 센서부(200) 용기 내의 Gel(230)의 밀도가 달라지지 않게 하기 위해, 센서부(200)에서 사용자의 손목(350w)과 닿는 부분에는 Gel(230)성분을 에폭시 처리부(220)로 가공하게 된다. Gel(230)은 맥파 신호를 전달하는 전달 물질로 이용되므로, 그 밀도 및 그 구성에 따라 압력센서(203)에 전달되는 맥파 신호가 달라지게 된다.

사용자의 요골 동맥(radial artery)부위(도 3의 350a)와 센서부(200)가 이루는 각도 및 압력에 따라 압력 센서(203)에 전달되는 맥파 신호는 달라지게 되며, 하나 이상의 구성으로 이루어진 압력 센서(203)로부터 출력되는 각 맥파 신호는 손목에 인가되는 압력의 정도에 따라 그 크기가 달라지게 된다. 이는 검출되는 맥파의 크기를 절대 압력으로 보정하는데 활용되며, 연산 알고리즘에 의해 연산을 거치게 되고, 연산된 신호는 연속혈압 분석에 이용된다.

따라서 정확한 동맥의 위치를 선정하고, 깨끗한 맥파 신호를 추출하기 위한 센서부(200)의 구성은 적어도 하나 이상의 압력센서(203)로 구성하는 것이 바람직하며, 이들 압력센서(203) 출력과 손목 스트랩(strap)에 장착된 전극으로부터 검출되는 심전도 신호 및 맥파 신호를 활용하여 정확하고 재현성이 높은 연속 혈압 분석에 응용이 가능하게 된다.

또 다른 센서 부의 일 실시예인 도 2c와 2d는 심전도 센서(201), 하나 이상의 적외선 센서(202), 하나 이상의 압력 센서(203), 압력 센서(203)가 고정되어 있는 PCB(210) 및 적외선 센서(202)를 둘러싸는 Gel(230) 성분의 에폭시 처리부(220)로 구성된다.

본 발명에서 구성된 센서부(200)의 사용과 관련해서, 심전도센서(201)는 심장의 전기적인 활동을 나타내는 심전도 신호를 검출하여 아날로그 신호 처리부(도 4의 411)로 전달한다. 도2a와 도2b의 일 실시 예의 경우는 심전도 센서는 장치의 외부에 위치한 전극(도1의 201)을 포함하여 3개가 필요하므로 스트랩 부위에 별도의 전극 2개가 필요하며, 도2c와 도2d의 경우에는 센서부에 전극 2개, 그리고 장치(300)의 외부에 위치한 전극(도1의 201) 1개를 심전도 신호의 획득에 사용하게 된다.

상기 적외선 센서(202)는 포토 다이오드(Photo Diode) 부분과 LED(Light Emitting Diode)로 구성되어 있으며, LED에서 발광된 광원은 사용자의 손목(350w)에 있는 피부와 피하지방, 근육과 요골 동맥을 거치면서 다중 산란되어 포토 다이오드에서 수신되어 아날로그 출력신호를 이루게 된다. 본 발명에 의한 센서부(200)의 상기 적외선 센서(202)는 압력센서(203) 군의 주변에 위치하며, 적외선센서(202) 각각의 출력 신호들은 제어부(도 4의 450)의 연산 프로그램에 의해 신호원들이 조합이 되고, 벡터 성분을 형성하게 된다.

도 2e는 사용자의 손목에 장착된 혈압 측정 장치 센서부의 측면도를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 장치의 측면도이다. 도3은 본 발명에 따른 연속 혈압 측정 장치의 구성을 나타내며, 도 1에서 게시한 내용을 포함한다. 장치의 구성을 살펴보면,

사용자의 손목부위(350w)에 비침습적 연속 혈압 측정 장치(300)를 장착하고, 측정 버튼(101)을 이용하여 장치(300)를 구동하며, 조작상태에 대한 정상 및 비정상 동작의 표시는 상태표시 LED(107)에 나타난다. 장치(300)를 이용하여 측정된 연속혈압은 장치(300)의 디스플레이부(109)를 통해서 표시된다. 장치를 통해서 측정되는 신호는 맥파 신호, 적외선 신호의 입사 및 반사를 통한 광량의 측정, 심전도의 신호이며, 심전도를 측정하기 위해 사용자(350)는 오른손 손가락 하나를 심전도 센서부(201)에 배치한다.

또한 정상 맥파 검출을 위해서는 손목형 밴드(113)를 이용하여 센서부(200)가 사용자의 손목(350w)의 요골 뼈(radial bone)(350b) 위를 지나가는 동맥부위(350a)에 가해지는 센서부(200)의 위치와 압력을 조절한다. 장치(300)를 통해 측정된 연속혈압은 외부기기(도 4의 470)와의 통신을 위해 통신 장치의 단자(150)와 결합이 가능하다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 혈압 측정 장치의 개념적인 구성도를 나타낸다. 도 4에 나타난 구성도를 살펴보면,

사용자에 해당하는 Operand(350)로부터, 심전도 신호를 측정하는 심전도 센서(201), 사용자의 손목(350w)에서 정확한 맥파 신호 측정을 위해 적어도 하나 이상의 적외선 센서(202), 적어도 하나 이상의 압력센서(203)를 이용하여 맥파 신호를 측정한다. 심전도 센서(201)로부터 측정된 심전도 신호는 SC1(411)에 해당하는 아날로그 신호처리부에 의해 필터링 및 증폭된다. 이렇게 아날로그 신호처리 된 심전도 신호는 제어부(450)의 A/D 변환부(451)의 아날로그 입력 단자에 입력되어, 디지털 신호로 변환되고, RAM(455)에 저장된다.

그리고 하나 이상의 적외선 센서(202)로부터 측정된 적외선 센서 신호는 각각 SC2(413)에 해당하는 아날로그 신호 처리부에 의해 필터링 및 증폭을 하게 된다. 아날로그 신호처리 된 적외선 센서 신호는 제어부(450)의 A/D 변환부(451)의 아날로그 입력단자에 입력되어 디지털 신호로 변환되고, ROM(457)에 저장되어 있는 위치 및 깊이 분석 프로그램을 통해 디지털 신호처리(453)되어, 디스플레이부(109)에 디스플레이 된다.

적외선 센서 신호는 측정되는 위치, 동맥의 깊이 등 사용자에 따라 변화하는 조건을 보정해주기 위해 사용되며, 다수의 압력 센서(203)를 이용해 측정된 맥파 신호는 SC3(415)에 해당하는 아날로그 신호처리부를 통해 증폭하고 필터링하여 A/D 변환부(451)의 아날로그 입력단자에 입력되고, 디스플레이부(109)에 디스플레이 되며, RAM(455)에 저장된다. RAM(455)에 저장되어 있는 심전도 신호와 맥파 신호는 ROM(457)에 저장되어 있는 연속 혈압 분석 프로그램에 의해 디지털 신호처리(453)를 거치게 되고, 그 분석 결과는 디스플레이부(109)에 디스플레이 되고, Flash Memory(459)에 저장된다. 저장된 연속 혈압 결과 값은 외부 통신 단자와 같은 인터페이스 단자(150)를 이용해 PC 또는 PDA와 같은 외부기기(470)에 전송이 가능하다. 제어부(450)의 조작을 위해서는 외부입력(103, 105)을 사용한다,

도 5a, 5b, 5c는 각각 본 발명에 따른 연속 혈압 측정 장치(300)에서 사용되는 압력 센서(203), 적외선 센서(202), 심전도 센서(201)로부터 측정된 아날로그 신호들의 신호처리를 담당하는 회로도를 나타낸다.

도 5a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 압력 센서로부터의 아날로그 신호 처 리부를 나타낸 회로도로서, 연속 혈압, 동맥 탄성도 측정 장치(300)의 압력 센서(203)로부터 측정된 맥파 신호의 아날로그 신호처리를 담당하는 회로도를 나타낸다. 회로도의 구성을 살펴보면,

압력 센서(도 4의 203)를 통해 측정된 사용자 손목(350w)의 맥파 신호는 두 개의 극성을 가진 신호가 아날로그 신호처리부(도 4의 415)의 입력부에 입력된다. 입력되는 +신호와 -신호를 차동 증폭기(21)의 입력으로 인가하면 동상에 해당하는 잡음성분은 제거되고, 두 신호의 차이만 증폭 되며, 차동 증폭기(21)의 증폭도는 입력 저항(R6=R9)과 피드백 저항(R4=R14)의 비로 조절된다. 초기 증폭된 신호는 0.1Hz 이하의 저대역 노이즈를 차단하기 위해 차단주파수가 0.1Hz인 고역통과 필터(23)와 10Hz 이상의 고대역 노이즈를 차단하기 위해 차단주파수가 10Hz인 4차 저역 통과 필터(25)를 사용하여 연속 혈압, 동맥 탄성도 분석에 불필요한 신호를 제거한다. 노이즈가 제거된 신호는 공급 전원 이상 포화되지 않을 정도로 반전 증폭회로(27)에 의해 2차 증폭을 한 후, 제어부(도 4의 450)의 A/D 변환부(도 4의 451)의 아날로그 입력 단자에 입력되어 디지털 신호로 변환된다.

도 5b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 적외선 센서로부터의 아날로그 신호 처리부를 나타낸 회로도로서, 연속 혈압 측정 장치(300)의 적외선 센서(도 4의 202)로부터 측정된 적외선 센서 신호의 아날로그 신호처리를 담당하는 회로도를 나타낸다. 회로도의 구성을 살펴보면,

적외선 센서(도 4의 202)를 통해 측정된 사용자 손목(350w)의 적외선 센서 신호는 Photo Transistor의 Emitter 출력 신호는 0.1Hz 이하의 저대역 노이즈를 차 단하기 위해 차단주파수가 0.1Hz인 고역통과 필터(33)와 10Hz 이상의 고대역 노이즈를 차단하기 위해 차단주파수가 10Hz인 4차 저역 통과 필터(35)를 사용하여 동맥의 위치 정보 분석에 불필요한 신호를 제거한다. 노이즈가 제거된 신호는 공급 전원 이상 포화되지 않을 정도로 반전 증폭회로(37)에 의해 2차 증폭을 한 후, 제어부(도 4의 450)의 A/D 변환부(도 4의 451)의 아날로그 입력 단자에 입력되어 디지털 신호로 변환된다.

도 5c는 본 발명의 일 실시 예에 따른 심전도 센서로부터의 아날로그 신호 처리부를 나타낸 회로도로서, 연속 혈압 측정 장치(300)의 심전도 센서(도 4의 201)로부터 측정된 심전도 신호의 아날로그 신호처리를 담당하는 회로도를 나타낸다. 회로도의 구성을 살펴보면,

심전도 신호는 세 개의 심전도 센서(도 4의 201)인 전극을 통해 측정하는 심장 내부의 활동전위를 전압으로 변환하여 보여 지는 신호이며, 인체를 통해서 유입되는 동상성분의 잡음의 비를 나타내는 동위상 신호 제거비(common mode rejection ratio : CMRR)가 높아지면 차동 증폭기(41)를 이용해 동상에 해당하는 잡음은 제거하고 +전극과 -전극의 전위차만을 증폭한다. 초기 증폭된 신호는 1Hz 이하의 저대역 노이즈를 차단하기 위해 차단주파수가 1Hz인 고역통과 필터(43)와 30Hz 이상의 고대역 노이즈를 차단하기 위해 차단주파수가 30Hz인 4차 저역 통과 필터(45), 및 전극을 통해 유입되는 상용주파수(50/60Hz)에 의한 노이즈를 제거하기 위한 노치필터(47)를 사용하여 연속 혈압 분석에 불필요한 노이즈를 제거한다. 노이즈가 제거된 신호는 공급 전원 이상 포화되지 않을 정도로 반전 증폭회로(49)에 의해 2차 증 폭을 한 후, 제어부(도 4의 450)의 A/D 변환부(451)의 아날로그 입력 단자에 입력되어 디지털 신호로 변환된다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 혈압 측정 장치(300)의 입력부, 상태 표시부(107) 및 디스플레이부(111)를 포함하는 제어부(450)를 나타낸 회로도이다. 도 6에 나타난 회로도를 살펴보면,

본 발명에 따른 연속 혈압 측정 장치(300)에서 제어부(450), 장치(300)의 디스플레이부(109), 장치(300)에서 측정 시작을 위한 측정 버튼(101), 외부 입력을 위한 측정 버튼(103, 105), 장치(300)가 구동되는 상태를 표시하는 상태표시LED(107), 및 휴대폰, PC 또는 PDA 등과 같은 외부 기기(470)와 인터페이스 가능한 통신단자(150)로 구성된다.

아날로그 신호처리 된 맥파 신호, 적외선 센서 신호, 심전도 신호를 A/D 변환부(도 4의 451)의 아날로그 입력 단자의 입력으로 받아 디지털 신호로 변환한다, 디지털 신호로 변환된 신호는 간단한 신호처리를 거친 후 디스플레이부(109)를 통해 맥파 신호를 디스플레이하며, 제어부(450) 내의 RAM(455)에 저장된다. 저장된 디지털 변환 신호는 제어부(450) 내의 ROM(도 4의 457)에 저장된 연속 혈압 분석 프로그램을 이용해, 연속 혈압 값을 도출하고 디스플레이부(109)를 통해 표시된다.

연산된 결과 데이터들은 제어부의 flash memory(459)부에 저장되고, 이 데이터는 통신 단자(150)를 이용해 휴대폰과 같은 외부 기기(470)에 전송이 가능하다.

상기에 사용된 제어부(450)는 8bit로 데이터를 연산하고, 16채널의 아날로그 입력단자를 가지고 있으며, 먹스(MUX)(71)를 통해 상기의 신호 중 입력이 인가되는 신호를 선택하여 출력 회로에 실어주는 역할을 한다. 내장된 A/D변환부(451)는 10bit의 해상도를 가지고 있으며 상기의 제어부(450)는 외부 통신 단자(150)를 내장하고 있어, 별도의 통신 인터페이스를 제작하지 않고도 PC 또는 PDA등과 같은 외부 기기(470)와 인터페이스(150)가 가능하다. 그리고 제어부(450)는 내장된 ROM(도 4의 457)을 이용해 연산 프로그램을 저장할 수 있다.

또한 제어부(450) 자체적으로 입력된 데이터 처리가 가능하지만, 데이터 저장 메모리를 확장하고, 디스플레이용 LCD를 연결하기 위해 메모리 맵핑이 필요하다. 메모리 맵핑을 하기 위해서는 어드레스/데이터 버스를 이용해야 하는데 AVR은 어드레스(16bit)/데이터(8bit) 방식이고, 하위 어드레스 데이터와 같은 핀을 사용하기 때문에 래치(latch)(73)를 이용하여 데이터와 어드레스를 분리한다. 데이터 저장 메모리와 LCD를 메모리 맵핑하고, 칩 샐랙팅 신호를 만들기 위해 디코더(decoder)(75)를 이용하여 디지털 신호를 아날로그 신호로 만들어준다.

상기 제어부(450)는 ROM(457)에 저장된 연산 프로그램을 이용하여 하나 이상의 적외선 센서 신호를 조합하여 벡터성분을 형성하고, 형성된 벡터성분을 이용하여 정확한 동맥의 위치 및 깊이 정보를 찾고, 이를 통해 측정된 맥파 신호를 심전도 신호와 비교 분석하여 연속 혈압의 분석 결과를 나타낼 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 혈압 측정 장치(300)의 측정 방법을 나타낸 흐름도이다. 도 7에 나타난 흐름도를 살펴보면,

본 발명에 따른 연속 혈압 측정 장치(300)를 이용해 사용자의 손목(350w)에서의 맥파 신호 측정을 시작(F1)하게 되면, 측정버튼(도 1의 101)에 의한 신호가 제어부(도 4의 450)의 외부 입력(도 4의 103, 105)으로 인가되고(F3), 하나 이상의 적외선 센서(도 4의 202)를 이용해 동맥의 위치 및 깊이 정보를 획득하고, 압력센서(도 4의 203)를 이용해 맥파 신호를 측정하고, 또한 심전도 센서(도 4의 201)를 이용해 심전도 신호를 측정하여(F5) 심전도 신호, 적외선 센서 신호, 맥파 신호의 아날로그 신호처리 과정(F7)을 수행한다. 아날로그 신호 처리된 심전도 신호, 적외선 센서 신호, 맥파 신호는 제어부(도 4의 450)의 A/D 변환부(도 4의 451)의 아날로그 입력 단자에 입력되어 디지털 신호로 변환된다(F9).

디지털 신호로 변환된 요골 맥파 신호에 디지털 저역 통과 필터를 적용하고, 트렌드를 제거(F11)한 후 요골 맥파 신호를 디스플레이(F12)한다. 신호 처리 된 요골 맥파 신호를 적외선 센서 신호의 위치 및 깊이 정보와 하기에서 설명될 심전도 신호의 R-peak시점을 활용하여 왜곡되지 않은 요골 동맥 압력 값을 산출함으로써 압력 차이에 의한 변화 정도를 보정(F13)하고, 보정된 요골 맥파 신호로부터 특징점들을 검출(F15)하며, 이를 토대로 상완 혈압 값을 계산하는 알고리즘을 적용(F17)한다. 맥파의 특징점 검출을 통해 분당 맥박수를 산출(F16)하고 계산된 맥박수를 디스플레이(F19)하며, 알고리즘을 토대로 계산된 수축기 혈압과 이완기 혈압 값을 디스플레이(F21)한다. 도 8a에서 상기 알고리즘 연산 과정을 설명한다.

도 8a는 본 발명의 일 실시 예에 따른 연속 혈압 측정 알고리즘의 연산과정을 나타낸 흐름도서, 도 8a를 살펴보면,

특징점을 검출(D1)하는데 있어서, 심전도 신호로부터는 심장의 전기적 활동의 한 주기를 나타내는 P-QRS-T 파형에서 R-peak를 검출한다. R-peak는 심장의 좌 심실이 탈분극화(de-polarization)하는 시점을 나타낸다. 각각의 맥파 신호들로부터는 시작점, 최고점, 그리고 절흔점을 검출한다. 적외선을 이용한 맥파는 최고점을 검출을 보정하는데 쓰인다.

심전도 신호와 맥파 신호로부터 추출된 특징점들을 이용하여 혈압 계산에 활용할 변수들(D3)로서는 R-peak로부터 맥파 시작점까지의 시간, R-peak로부터 맥파 최고점까지의 시간, 맥파의 시작점부터 맥파의 최고점까지의 시간, 맥파의 최고점부터 맥파의 절흔점까지의 시간, 그리고 맥파의 시작점부터 맥파의 절흔점까지의 면적 값 등을 계산하여 저장한다.

특징점을 이용하여 계산된 변수들(D3)을 이용하여 실제 침습적인 방법으로 카테터를 이용한 실험을 통해서 검출된 실제 혈압 값과의 선형 회귀식을 도출하고, 이로부터 최고 혈압 값(D7)과 최저 혈압 값(D9)을 계산한다.

이를 통해 최종적으로 수축기혈압과 확장기혈압 값을 계산하게 되면 본 알고리즘에 의한 일련의 연산과정은 종료가 되고 수축기혈압 및 확장기혈압 값을 디스플레이(D11) 한다.

도 8b는 본 발명의 일 실시 예에 따른 요골 동맥 혈압 값의 검출을 위한 장치를 이용한 임상 실험을 통해 획득한 심전도 신호(E1)와 4개의 맥파 파형(E2~E5)을 나타낸 그래프이며, 이들 파형에 도 7의 혈압 계산 알고리즘을 적용하여 특징점을 검출한 각 점들을 표시한 그래프를 나타낸다. 도 8b에 표시된 특징점들을 살펴보면,

심전도 신호(E1)으로부터는 심장의 전기적 활동의 한 주기를 나타내는 P- QRS-T 파형에서 R-peak(G1)를 검출한다. R-peak(G1)는 심장의 좌심실이 탈분극화(de-polarization)하는 시점을 나타낸다. 각각의 맥파 신호들(E2~E5)로부터는 시작점(G2), 최고점(G4), 그리고 절흔점(G3)을 검출한다.

이들 특징점들에 도 8a의 알고리즘을 적용하는데 있어서, R-peak(G1)로부터 맥파 시작점(G2)까지의 시간, R-peak(G1)로부터 맥파 최고점(G4)까지의 시간, 맥파의 시작점(G2)부터 맥파의 최고점(G4)까지의 시간, 맥파의 최고점(G4)부터 맥파의 절흔점(G3)까지의 시간, 그리고 맥파의 시작점(G2)부터 맥파의 절흔점(G3)까지의 면적 값 등이 계산되고, 실제 혈압 값과의 관계가 선형 회귀식으로 표현되어 수축기혈압과 확장기혈압 값을 계산하게 된다.

도 9a, 9b, 9c는 각각 본 발명의 일 실시 예에 따른 계산 알고리즘에 적용하여 계산된 수축기혈압, 확장기혈압, 맥압 값과 임상 실험에서 얻어진 실제 값들의 산점도 그래프로서, 임상검증을 위하여 카테터(catheter)를 이용하여 침습적으로 검출한 최고혈압 및 최저혈압 값과 연속 혈압 측정 장치로부터 검출한 심전도(E1)와 맥파 파형들(E2~E5)에 본 발명에 의한 알고리즘을 적용하여 도출된 대표적인 변수들의 산점도 그래프를 나타낸 것이다.

도 9a는 상기 추출된 변수들 중에서 수축기혈압 값과 높은 상관성을 보이는 변수인 R-peak(G1)로부터 맥파 최고점(G4)까지의 시간 값에 대한 산점도 그래프와 선형회귀선이고, 도 9b는 상기 추출된 변수들 중에서 확장기혈압 값과 높은 상관성을 보이는 변수인 맥파의 최고점(G4)부터 맥파의 절흔점(G3)까지의 시간 값에 대한 산점도 그래프 및 선형회귀선이다. 도 9c는 상기 측정된 하나 이상의 맥파 신호들(E2~E5)의 크기 차이를 이용하여 손목에 인가된 압력 정도에 대한 기준을 설정함으로써 절대 압력 값으로 보정하는데 활용하는, 보정된 맥압의 절대 값과 맥파의 시작점(G2)부터 맥파의 절흔점(G3)까지의 면적 값에 대한 산점도 그래프 및 선형회귀선이다.

즉, 위의 알고리즘을 요약하면 심전도의 R-Peak와 맥파의 최고점 간의 시간 차이는 최고 혈압과 강한 상관관계를 가지고 있고, 맥파의 최고점부터 절흔점까지의 시간은 최저 혈압과 강한 상관관계를 가지고 있는데 이 값들은 시간으로 표시되므로 측정 압력 등에는 무관한 특성을 갖게 된다. 또한 맥파의 시작점과 절흔점을 잇는 직선과 맥파 파형 사이의 면적은 최고 혈압과 최저 혈압의 차이를 나타내는 맥압과 강한 상관관계를 가지고 있다. 임상 실험으로부터 위의 세 가지 상관 관계식이 도출되며 이 중 두 가지 또는 각각의 조합으로부터 최고 혈압과 최저 혈압, 평균 혈압 등을 구할 수 있다.

이와 같이 특징점을 이용하여 계산된 변수들(도 8a의 D3)과 혈압의 절대 압력으로 보정된 맥압(도 8a의 D5)을 이용하여 실험을 통해서 검출된 실제 혈압 값과의 선형 회귀식을 도출하고, 이를 통해 최종적으로 최고 혈압 값(도 8a의 D7)과 최저 혈압 값(도 8a의 D9)을 계산하게 되면 본 알고리즘에 의한 일련의 연산과정은 종료가 되고 최고 혈압 및 최저 혈압 값을 디스플레이(도 8a의 D11) 한다.

상기와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 통신 장치와 연동되는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 방법 및 장치의 구성 및 동작이 이루어질 수 있으며, 한편 상기한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나 여 러 가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 청구범위와 청구범위의 균등한 것에 의하여 정하여져야 할 것이다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 신체 부위에 착용 및 분리가 편리하며 휴대가 용이한 비침습적 연속 혈압 측정 장치 및 그 방법은 기존의 cuff를 사용하지 않는 혈압 측정 장치의 부정확성을 현저하게 개선할 수 있는 시스템 개발에 적용 가능하고, 다양한 조건의 측정 조건을 고려한 정확한 혈압에 대한 정량적인 값을 나타낼 수 있으므로 심혈관계 질환의 조기 진단에 적극적으로 활용될 수 있다.

또한 일상생활 중에 정기적으로 저장된 혈압 값은 병원을 방문할 때 의사에게 제시하여 진단 및 처방에 도움을 받을 수도 있고, 하루 일과 중의 혈압의 변화 추이를 바탕으로 계획적인 건강관리 지침을 제시하여 지나친 약물 남용을 줄일 수도 있는 웰빙 사회에서의 필수적인 건강관리 기기로 확대될 수 있다.

Claims

통신 장치(communication device)와 연동되는 비가압(cuffless)적이고 비침습적(non-invasive)인 손목형 혈압 측정 방법에 있어서,

심전도 센서와 압력 센서를 이용하여 사용자의 손목으로부터 심전도 신호와 맥파 신호를 검출하는 과정과,

상기 검출된 심전도 신호를 이용하여 왜곡되지 않은 요골 동맥 압력 값을 산출하여, 압력 차이에 의한 변화 정도를 보정한 맥파 신호를 검출하는 과정과,

상기 보정된 맥파 신호로부터 하나 이상의 특징점을 검출하는 과정과,

상기 검출된 하나 이상의 특징점을 이용하여 수축기혈압 및 확장기혈압 값을 계산하는데 필요한 하나 이상의 시간 값을 계산하는 과정과,

상기 계산된 하나 이상의 시간 값을 이용하여 상기 수축기혈압과 확장기혈압의 값을 계산하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 심전도 신호와 맥파 신호를 검출하는 과정은

상기 측정된 하나 이상의 맥파 신호들의 크기 차이를 이용하여 손목에 인가된 압력 정도에 대한 기준을 설정하는 단계와,

적외선 센서를 이용하여 측정되는 동맥의 위치, 동맥의 깊이를 포함하는 사용자의 환경과 센서 적용 압력 차이에 대한 기준 값 변화를 보정하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 보정된 맥파 신호에서 하나 이상의 특징점을 검출하는 과정은

상기 측정된 심전도 신호로부터 심장의 전기적 활동의 한 주기를 나타내는 P-QRS-T 파형에서의 R-peak를 검출하는 단계와,

상기 맥파 신호로부터 시작점, 최고점, 절흔점을 검출하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 방법.
제 1항에 있어서, 상기 수축기혈압과 확장기혈압의 값을 계산하는데 필요한 하나 이상의 시간 값은

상기 검출된 심전도 신호의 R-paek 시점으로부터 맥파 시작점까지의 시간 값과,

상기 R-paek 시점로부터 상기 맥파 신호의 최고점까지의 시간 값과,

상기 맥파 신호의 시작점부터 상기 맥파 신호의 최고점까지의 시간 값과,

상기 맥파 신호의 최고점부터 상기 맥파 신호의 절흔점까지의 시간 값과,

상기 맥파 신호의 시작점부터 상기 맥파 신호의 절흔점까지의 면적 값을 포함하고,

상기 심전도 신호로부터 구하여진 R-peak 시점을 시간의 기준값으로 활용함을 특징으로 하는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 방법.
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통신 장치(communication device)와 연동되는 비가압(cuffless)적이고 비침습적(non-invasive)인 손목형 혈압 측정 장치에 있어서,

사용자로부터 심전도 신호와 맥파 신호를 측정하는 센서부와,

상기 측정된 심전도 신호를 이용하여 압력 차이에 의한 변화 정보를 보정한 요골 맥파 신호를 검출하고, 상기 요골 맥파 신호로부터 상기 요골 맥파의 시작점, 최고점, 절흔점을 검출하여 설정된 시간 동안의 맥박수를 산출하는 제어부와,

제어된 신호들을 사용자에게 보여주는 디스플레이부를 포함함을 특징으로 하는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 장치.
제 6항에 있어서, 상기 센서부는

상기 심전도 신호를 측정하여 상기 심전도 신호의 R-peak 시점을 검출하는 심전도 센서와,

상기 맥파 신호를 측정하여 상기 맥파 신호의 시작점, 최고점, 절흔점을 검출하는 압력 센서와,

적외선 신호를 측정하는 적외선 센서를 포함하고,

상기 센서부의 내부는 폐 공간 내에서 Gel로 채워져 있음을 특징으로 하는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 장치.
제 6항에 있어서, 상기 제어부는

각 센서에서 측정한 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환부와,

디지털 신호 중에서 심전도 신호를 저장하는 RAM과,

적외선 신호와 맥파 신호를 저장하는 ROM과,

연속 혈압 분석 프로그램에 의해 연속적으로 측정되는 신호들을 합산하여 디지털 신호 처리하는 디지털 신호처리기와,

디지털 신호처리기에서 처리된 신호를 저장하는 Flash Memory를 포함하고,

상기 제어부는 상기 심전도 센서의 R-peak 시점을 이용하여 왜곡되지 않은 요골 동맥 압력 값을 산출하여 압력 차이에 의한 변화 정보를 보정함을 특징으로 하는 비가압적이고 비침습적인 손목형 혈압 측정 장치.
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