KR20210006073A - 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 주변에 영향을 최소화하기 위한 피부온도 센서의 구조와 심부체온의 예측의 정확도를 높이기 위하여 심박수센서 적용과 계산, 그리고 주변온도 센서를 포함한 모든 센서 및 신호처리부, 통신부, 전원부 모두를 한 장치에 집적시키고 각 센서에 의해 측정된 피부온도와 주변온도, 심박수 또는 부트스트랩 방법과 다변수 회귀분석법으로 계산된 온도추정 보정계수를 통해 심부의 체온을 계산하여 예측하도록 한 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계에 관한 것이다. 내부에 소정의 전자부품을 내장할 수 있는 비어있는 공간을 가지는 케이스(10)와, 이 케이스(10) 내부에, 전원을 관리하는 PMIC(34), CPU(36) 및 각종 기능의 다수의 전자 온도센서를 포함하는 부품을 실장한 회로기판(40)과, 전원을 공급하는 배터리(42)와, 각종 부품과 상기 센서 사이를 열 및 전기적 간섭을 차단하는 절연패드(44)와, 상기 센서와 CPU(36)를 플랙시블하게 연결하는 유연기판(50)으로 이루어진 심부체온 모니터링 비침습 스마트 체온계이다.

Description

비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계{Non-invasive type core body temperature thermometer for smart monitoring}

본 발명은 심부체온 모니터링을 위한 비침습 스마트 체온계에 관한 것으로, 더 자세하게는 외부 주변에 영향을 최소화하기 위한 피부온도 센서의 구조와 심부체온의 예측의 정확도를 높이고 실시간으로 외부에서 모니터링할 수 있는 비침습 스마트 체온계에 관한 것이다.

일반적으로 항온 동물의 생체 내에서는 끊임없이 단백질이나 탄수화물 지방 등의 영양소가 산화 작용으로 연소되어 열을 발생시키고 있으며, 몸 밖으로의 열 방산과 생체의 체온 조절 작용에 의해 거의 일정한 체온이 유지되고 있다. 항상성(恒常性; homeostasis)의 파탄은 질병 또는 죽음에 이르기 때문에 생명을 유지하기 위해서는 체온 pH 삼투압이나 각 생화학 성분을 비롯하여 체내 환경의 항상성 유지는 매우 중요하다.

여러 광범위한 상황에서 대상자의 체온, 호흡, 맥박, 혈압 등의 측정값을 통하여 활력 징후 (Vital Signs), 즉 대상자의 건강 상태 변화를 발견하는 것은 매우 중요하다. 이러한 관점에서 인체의 심부체온(深部體溫; core body temperature)에 대한 측정이 이루어져 왔다. 일반적으로 심부체온은 37℃ 전후이고, 피부 표면에서는 평균 34~35℃이며 사지 말초에서는 환경 온도보다 상당히 저하하는 경우가 있다. 보통 건강한 성인의 체온은 액와 검온(腋窩檢溫: 겨드랑이 체온측정)에서는 36.5℃ 내외이지만 노인은 이보다 약간 낮고 유아는 약간 높다. 심부 체온[직장(直腸) 기준 : 37.0 ±0.5℃)은 피부 체온보다 최소 2℃ 정도 높으며, 적절한 심부 체온 유지는 면역기능과 깊은 관계가 있고 심부체온 저하는 다양한 질병의 원인이 된다.

대부분 심부체온은 신체 위치에 따라 고막(eardrum), 액와(axilla), 직장(rectum), 구강(oral cavity) 등에서 측정하고 있고, 이는 유리체온계나 전자체온계, 고막체온계 등을 통한 측정 방법이어서 매우 수동적이었으며 지속적인 모니터링이 어렵다는 단점이 있다. 또한, 최근 대부분의 스마트 체온계는 피부온도를 보상한 심부체온을 예측하기 때문에 측정 오차가 크다.

도 1은 주위 환경온도 변화에 따른 혈관 확장과 수축을 통한 피부 열전도 변이를 나타낸 그래프, 도 2는 주위 환경온도 증가에 따른 체온 변화를 나타낸 그래프이다. 주위 환경온도가 떨어지면 몸은 혈관을 수축하여 열발생을 억제하여 열을 보존하고, 주위 환경온도가 상승하면 신체는 혈관을 확장하여 열전달을 늘려 열을 발산한다. 신체는 주위 환경온도 20℃ ~ 60℃ 범위에서는 체온 변화가 거의 없다.

도 3은 주위 온도에 따른 체온을 나타내는 일러스트 도면으로서, A는 차가운 주위온도 상태에서의 신체 부위별 체온, B는 따뜻한 주위온도 상태에서의 신체 부위별 체온, C는 안면 부위별 체온을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 신체는 A의 추운 환경에서는 37℃의 심부체온을 유지하기 위하여 열을 보존하고 피부는 확장된다. B의 따뜻한 환경에서는 37℃로 유지된 몸의 체적이 팽창한다. C의 안면에서 이마 부위가 가장 높고 뺨 부위가 가장 낮다. A, B, C의 노란색 영역은 체온이 떨어지면 혈관을 수축시켜 체온을 조절하는 데 도움이 되는 신체의 말단 부위이다.

이어서 본 발명과 관련되는 몇 개의 선행기술들에 대하여 설명한다. 대한민국 공개특허 제 10-2019-0010637호(2019년 01월 30일 공개)에서는 ‘고막 온도를 측정하도록 구성된 휴대용 생리 모니터’를 공개하고 있다. 이것은 다양한 상황에서 사용자의 심부 체온 및 기타 바이탈 사인을 측정할 수 있는 웨어러블 장치이다. 귀 삽입부의 최 내측 단부에 적외선 서모파일을 제공함으로써 적외선 서모파일이 심부 체온의 표시를 제공하는 데 사용될 고막에 가능한 한 가깝게 제공되는 것을 보장하는 기술이다.

이 이어피스 체온계는 운동하는 사람에게는 착용의 편리성 및 정확도 측면에서 우수하나 장시간 생체 정보 모니터링이 필요한 경우에는 배터리 사용 시간이 최신 기술로 4~5시간 정도에 불과하기 때문에 배터리 사용시간이 짧아, 노인케어 및 비만 예방 성인 케어에서 장시간 사용이 요구되는 생체신호 측정기로서는 부적합하며, 제품의 크기를 고려할 때 근본적으로 귀 삽입 거치 방식은 착용 또는 부착형에 비하여 일상생활 활동에 매우 불편하다는 단점이 있다. 더구나 이 공개특허는 고막온도가 심부체온에 근접하지만 정확하게 귀에 거치가 되지 않으면 외부온도의 영향을 받아 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.

대한민국 등록특허 제 10-1506075호(2015년 03월 19일 등록)에서는‘심부 체온 모니터링을 위한 비침습 및 무구속적 단층 체온계’를 제공하고 있다. 이것은 케이스와 함께 열전도 재료를 피부에 댄 상태에서 다수의 서미스터에 의해 측정된 피부온도와 공기온도 및 온도추정 보정계수를 통해 심부의 체온을 계산하여 측정하는 구조의 체온계로서, 목에 걸고 인체의 피부 면, 즉 흉부에 대기만 해도 심부의 체온을 비침습적으로 모니터링 할 수 있게 된다. 특히 측정 부위가 흉부여서 무구속적인 측정이 가능하기 때문에, 기존의 수동 측정방식에 비해 훨씬 효율적이고 장기간의 심부 체온 모니터링이 가능하다는 효과가 있다.

그러나 이 발명은 단층 체온 즉, 심부체온 예측은 여러 장소의 피부온도 측정 데이터와 피부의 열전도 특성을 통하여 실시하기 때문에, 한 곳에서 측정하여 보완한 것보다는 우수하나 여전히 가로의 가슴뼈 및 복잡한 주변 혈관에 의한 열의 분산 특성을 참조하지 않기 때문에 정확도는 저하된다.

그리고, 대한민국 등록특허 제 10-1569140호(2015년 11월 09일 등록)에서는 ‘무선 체온계’를 제공하고 있는데, 이는 피측정자의 인체 일부에 부착하여 온도를 측정하고, 측정된 온도 정보를 RFID 또는 NFC 통신 등을 통하여 RFID 리더 또는 스마트폰 등의 외부기기에 전송하여 피측정자의 체온정보를 수집할 수 있고, 아울러 RF 패스방식을 활용하여 측정기의 구동전원 인가 여부에 관계없이 측정기에서 전자파(RF신호)가 발생하지 않아 면역력이 약한 한 아이, 노약자 등의 인체에 무해한 무선 체온계이다. 따라서 저장된 데이터의 전송이 연속적으로 이루어지는 것이 아니라, 1회만 이루어지게 하여 전력의 소모를 최소화하여 자체적으로 전원 공급이 어려운 환경에서 외부기기로부터 전송되는 전원만으로도 안정적인 구동이 가능하고, 피측정자의 심전도정보를 동반하여 외부기기로 전송하되, 여러 정보의 전송을 직렬 또는 병렬로 선택적인 전송이 이루어져, 사용자의 선택에 따라 빠른 전송 또는 저 전력 전송의 사양을 선택 가능하게 하는 장점은 있으나, 단순히 피측정자의 인체 일부에 부착하여 온도를 측정하고, 측정된 온도 정보를 단순히 다른 이동통신기기에 RF 무선 방식을 활용해 데이터를 전송한 것으로, 체온을 어떻게 측정하고 심부체온과 다르게 측정한 체온값을 어떻게 보정하는지에 대해서는 다루지 않은 미완성 발명이 우려된다.

대한민국 등록특허 제 10-1420200호(2014년 07월 10일 등록)에서는 열화상 카메라로 실제 체온과 오차 범위를 최소화하는 체온을 감지할 수 있어, 입실환자에 적용할 경우 환자의 체온을 정확하게 검출할 수 있어 후속 의료행위를 수행할 수 있는 여건을 조성할 수 있는 '열화상 카메라를 이용한 체온 감지 시스템'을 제공하고 있으나, 이것은 비침습, 비접촉 방식이기 때문에 위생적이고 편리한 장점은 있으나, 움직일 때마다 데이터 보정이 필요하며 역시 피부온도를 보정한 체온이기에 오차가 많다는 단점은 여전히 존재하고 있다.

본 발명은 종래의 심부온도 측정 체온계들의 단점을 감안하여 이를 해결한 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계를 제공하고자 한다. 일상생활 활동에 불편함이 없는 체온계, 측정 정확도가 저하하지 않는 체온계, 측정 후 피부온도 보정에 오차가 미세한 체온계를 제공함에 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명의 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계는,

내부에 소정의 전자부품을 내장하는 내부공간을 갖는 케이스와, 상기 케이스의 내부 공간에 구성되어 전원을 공급하는 배터리와, 상기 케이스의 하단면에 구성되어 인체와 접촉하여 피부 온도를 측정하는 피부온도 센서 및 맥박을 측정하는 맥박 센서와, 상기 케이스의 내부공간에 구성되고 상기 피부온도 센서 또는 맥박 센서로부터 측정된 피부온도 또는 맥박을 전달받아 분석하는 CPU와 상기 배터리를 관리하는 PMIC가 실장되는 회로기판과, 상기 회로기판과 피부온도 센서 또는 맥박 센서 사이에 구성되어 열 및 전기적 간섭을 차단하는 절연패드와, 상기 피부온도 센서 또는 맥박 센서와 CPU를 플랙시블하게 연결하는 유연기판으로 이루어진다.

이러한 구성에 더하여, 상기 케이스는 상케이스와 하케이스가 상호 조립되어 이루어지고, 상기 회로기판 상에 상기 CPU와 이격되어 주변온도를 측정하는 주변온도 센서를 포함하며, 상기 피부온도 센서 또는 맥박 센서는 상기 케이스의 하면에 피부면을 향하여 배치하고 있는 것이 바람직하다.

상기 전자 온도센서는 상기 케이스의 열이 전달되는 것을 차단하기 위하여 열전도성 중공 금속탱크형의 열전도재의 상면에 열차단 패드를 배치하는 것이 좋다.

상기 열전도재는, 그 재료가 은, 구리, 금, 알루미늄, 텅스텐, 황동, 니켈에서 선택된 어느 하나이며, 상기 열전도 접착제는, 에폭시, 실리콘, 폴리우레탄 계열 중에서 선택된 어느 하나이고, 상기 열차단 패드는, FRP, ABS 등의 플라스틱류 패드, 발포 고무류 패드, 실리콘, 세라믹 계열 페인트 중에서 선택된 어느 하나인 것이 바람직하다. 상기 주변온도 센서는 회로기판 상의 CPU나 PMIC 등으로부터 일정 간격 떨어진 부위에 격리 배치하는 것이 좋고, 심박수 측정을 위한 상기 맥박센서는, 상기 케이스의 하부면에 피부온도 센서와 병렬로 배치하는 것, 또 LED와 포토 레지스트를 포함하는 구성이며, 혈관 내 혈류량 변동 측정은 반사식이거나 투과식인 것이 좋고, 또 상기 맥박센서는 혈중 산소포화도(sPo₂) 측정 시 IR다이오드를 사용하는 것이 바람직하며, 상기 케이스는, 측정된 심부체온 또는 심박수 등을 '정상 범위 내, 범위 이상/ 이하'를 표시하도록, 회로기판과 전기적으로 연결되면서 3색 LED가 더 설치되는 것이 좋다.

상기 체온계는, 흉부, 머리, 팔목, 상완 등에 착용하기 위하여 상기 케이스에 연결되는 스트랩을 더 포함할 수 있으며, 어깨뼈, 빗장뼈 주변 등 측정하는 특정위치에 제한 없이 체온계를 피부에 부착할 수 있도록 상기 하부 케이스에 부착제를 더 설치하는 것이 좋으며, 상기 회로기판 상에 상기 CPU로부터 연산된 결과로 외부로 전송하는 통신모듈(BLE)을 더 포함하는 것이 바람직하다.

따라서, 심부온도 측정 시 피부표면과 접촉하는 온도센서의 주변 영향을 배제하고 외부 환경과 온도센서의 발열부에 의한 온도 오차를 최소화하기 위해 피부온도 센서의 구조는 전자온도센서와 센서 고정과 측정 신호 전달을 위한 박막 유연 기판, 그 기판을 담는 탱크로 구성되고, 피부 열이 센서에 효율적 전달을 위해서 온도 센서를 담는 탱크의 재료는 열 전달 특성이 우수한 금속 재료를 사용하고, 센서가 실장된 기판을 탱크에 고정시키기 위한 재료는 온도 전달계수가 우수한 써멀 에폭시(Thermal Epoxy) 또는 접착 테이프 등을 사용하며, 또한, CPU와 전력관리 IC(PMIC : Power Management IC) 등을 포함하고 있는 회로 기판과 배터리의 열이 수직 하부에 있는 피부 온도센서로 전달되는 것을 차단하기 위해 열 저항이 큰 물질(예: Polystyrene)로 된 패드, 접착 테이프, 페인트를 사용하여 피부온도 센서를 열로부터 보호하고, 센서를 고정시키는 하부 케이스도 체온계의 열이 피부에 직접적으로 전달되는 것을 방지하기 위해 열저항이 큰 물질로 제작을 한다.

본 발명의 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계는 다음과 같은 효과가 있다.

1. 손목 또는 상완에 착용하거나 인체의 피부, 즉 측두동맥, 흉부 또는 견갑골, 쇄골 주변 등에 착용하여, 주변 환경과 온도가 절연되도록 밀착시켜 자동 측정이 가능하게 한다.

2. 심부온도 측정 뿐만 아니라 이들 상관관계를 통해 맥박 수, 호흡수 및 혈 중 산소포화도(sPo₂) 측정이 가능하다. 따라서 비상 시 응급센터 또는 가까운 병원으로 신속하게 연락할 수 있다.

3. 스마트 폰 또는 PC를 활용한 지속적인 원격 체온 모니터링이 가능하다.

4. 건강관리가 필요한 노인 또는 위급하지 않는 재가(在家) 환자를 대상으로, 블루투스 또는 WIFI 등의 무선통신을 통하여 관련 데이터를 스마트폰 또는 PC를 통해 지속적 원격 모니터링이 가능하다. 이는 24시간 간병인 또는 보호자 대기가 불필요하며, 비상시에 응급센터 또는 병원, 보호자 등에게 신속하게 연락할 수 있다.

도 1은 주위 환경온도 변화에 따른 혈관 확장과 수축을 통한 피부 열전도 변이를 나타낸 그래프,
도 2는 주위 환경온도 증가에 따른 체온 변화를 나타낸 그래프,
도 3은 주위 온도에 따른 체온을 나타내는 일러스트 도면으로서, A는 차가운 주위온도 상태에서의 신체 부위별 체온, B는 따뜻한 주위온도 상태에서의 신체 부위별 체온, C는 안면 부위별 체온을 나타낸 것임.
도 4는 본 발명의 비침습 심부체온계의 구조를 나타낸 설명도,
도 5는 본 발명의 비침습 심부체온계를 구성하는 일 부품으로서의 센서 구조를 예시한 단면도,
도 6은 본 발명의 체온계의 작동원리를 나타내는 블록도,
도 7은 본 발명의 체온계의 사용상태를 타내는 설명도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.

도 4는 본 발명의 비침습 심부체온계의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 설명도, 도 5는 본 발명의 비침습 심부체온계를 구성하는 일 부품으로서의 센서 구조를 예시한 단면도이다. 이들 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 비침습 체온계는, 그 착용 형태가 기본적으로 스트랩을 사용하여 적정 위치에 착용하거나 또는 접착용 테이프를 활용해 적정 피부에 부착하는 형태이다.

부호 10은 여러가지 내부 부품을 보호하는 케이스이고, 이 케이스(10)는 상케이스(12)와 하케이스(14) 두개가 접합되는 형식으로 조립되는 것이 바람직하다. 상기 케이스(10)I 내에는 다수개의 열전도성 재료인 중공 금속탱크형의 열전도재(22)와 열전도 접착제(24; Thermal Compound), 열차단재로서의 열차단 패드(26), 다수의 전자 온도센서(또는 서미스터: Ts; Tc)(30a),(30b), 맥박센서(PPG: Pt: 발광부, Pr: 수신부)(32), 회로기판(40)으로 이루어져 있다. 미설명 부호 34는 전원을 관리하는 PMIC(Power Management Inregrated Circuit), 36은 CPU, 42는 배터리, 44는 절연패드, 50은 유연기판, 52는 인체의 피부이다.

도 5는 본 발명의 체온계의 상세 구성을 더 상세하게 나타내고 있다. 상기 케이스(10)는 피부와 피부 온도센서(Ts)가 상기 체온계의 열로부터 보호받기 위해서 열 차단 소재를 사용한다. 상기 케이스(10)의 하면에는 피부면을 향하여 전자 온도센서의 일종인 피부온도 센서(30a)와 주변온도 센서(30b), 맥박센서(PPG)(32)를 배치하고 있다. 피부온도 센서(30a) 금속 탱크는 원형 또는 사각의 통 형상으로 되어 있으나 그 외 형상으로 응용할 수 있음은 물론이다. 상기 열전도재(22)와 열전도 접착제(24)는 열전도도가 가능한 높은 재료를 사용하고 있다. 상기 열전도재(22) 상부는 체온계의 열이 아래로 전달되는 것을 차단하기 위한 열차단 패드(26)를 사용하고 있다.

더상세하게 설명하면, 상기 다수의 센서(Ts)(PPG)(Tc)는, 상기 열전도재(22)와 열전도 접착제(24)로 구성되는 상기 케이스(10) 하면에 설치되어 피부와 접촉하여 피부온도와 심박수를 측정하는 제 1온도센서(Ts)인 피부온도 센서(30a)와, 혈류량 센서(PPG)인 맥박센서(32), 상기 케이스(10) 내의 회로기판(40) 위 한쪽에 설치되어 상부 케이스(12)를 통과하는 주변 온도를 측정하는 제2 온도센서(Tc)인 주변온도 센서(30b)로 이루어진다.

상기 열전도재(금속탱크)(22)는 은, 구리, 금, 알루미늄, 텅스텐, 황동, 니켈 등에서 선택된 어느 하나의 금속재료를 사용하고, 보드 또는 각종 센서를 고정시키기 위한 열전도 접착제(24)는 충격, 진동, 환경 특성이 우수한 에폭시, 실리콘, 폴리우레탄 계열을 사용하며, 상기 회로기판(40)과 배터리(42) 등의 상부 열이 피부온도 센서(30a) 등으로 전달되는 것을 차단하기 위한 상기 열차단 패드(26)는, FRP, ABS 등의 플라스틱류 패드, 발포 고무류 패드, 실리콘, 세라믹 계열 페인트 를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 주변온도 센서(30b)는 회로기판 위 CPU(36)나 PMIC(34) 등으로부터 격리된 곳에 위치되며, 주변 온도에 민감하게 반응하기 위하여 상기 케이스(10)에 장착된 열전도성이 우수한 금속탱크형의 열전도재(22)에 밀착되도록 하며, 효과적 열 전달을 위하여 열 접착제(24)를 사용한다.

심박수 측정을 위한 상기 맥박센서(32)는, 상기 케이스(10)의 하부면에 피부온도 센서(30a)와 나란히 장착될 수도 있다. 맥박센서(32)는 발광 다이오드인 녹색 LED(또는 적색)와 수광 다이오드인 포토레지스트로 구성되며 반사식 또는 투과식으로 혈관내 혈류량 변동을 측정할 수 있다. 심장이 팽창과 수축을 반복하면 말초 혈관에서 혈액량이 증가와 감소가 반복을 거듭하게 되는데, 이 반복주기를 측정하면, 분당 심박수(Heart Rate)를 측정할 수 있다. 상기 맥박센서(32)에 IR다이오드를 추가하여 혈중 산소포화도(sPo₂)도 함께 측정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 체온계의 작동원리를 나타내는 블록도이다. 각 서미스터(Ts)(Tc)로 구성된 피부온도 센서(30a)와 주변온도 센서(30b) 또는 심박수센서(PPG/sPo2)인 맥박센서(32)로부터 소정의 측정값을 얻는다. 상기 각 센서들에 의해 측정된 온도 또는 심박수의 신호를 전송받아 바이오메트릭(Biometric, 생체인식) 센서 허브(60)에서 신호증폭, 잡음신호 필터링 등 아날로그 또는 디지털 신호처리를 한다. 체온계 전체를 제어하는 시스템 제어부(MCU)(70)에서 하드웨어에서 처리하기 어려운 비 주기성 잡음 제거 및 측정된 피부체온과 주변온도 정보들을 먼저 부트스트랩(bootstrap) 방법과 다변수 회귀분석법으로 보정하고, 보정된 피부체온과 주변온도 그리고 심박수 정보들과 부트스트랩 방법과 다변수 회귀분석법으로 계산된 보정계수 등을 사용하여 만들어진 심부온도 예측 프로그램을 통하여 소프트웨어적으로 계산한다.

이와 같이 계산된 활력 징후 정보들을 상기 회로기판(40)에 위치한 통신모듈(BLE)(72)를 통해 본인 또는 보호자의 스마트폰(100)과 연결이 가능하도록 하여 화면에 표시하는데, 이 인터페이싱 수단은 블루투스, 와이파이 등이며 특별하게 제한적인 것은 아니다. 따라서 스마트폰 또는 PC를 통해 지속적 원격 모니터링이 가능하게 되고, 이는 24시간 간병인 또는 보호자 대기가 불필요하며, 비상시에 응급센터 또는 병원, 보호자 등에 연락할 수 있게 된다. 즉, 상기 케이스(10)의 하부를 피부에 댄 상태에서 센서에 의해 측정된 피부온도와 심박수 정보 회로기판으로 전송하고, 상기 회로기판에서 주변온도 센서의 신호를 부트스트랩 방법과 다변수 회귀분석법으로 구한 온도추정 보정계수와 함께 심부의 체온을 계산하여 측정하도록 하며, 심부체온 등의 활력징후 정보를 블루투스 또는 WIFI 등의 무선통신을 통해 본인 또는 간병인 등 관계자의 스마트폰 또는 PC로 전송하여 지속적 모니터링이 가능하다.

옷 속 또는 노출된 공간의 온도 측정 관련 주변온도 센서는 상기 회로기판(40)의 발열부로부터 가능한 멀리 떨어진 외곽에 열 격리섬(Heat isolation island)을 만들어 실장하며, 상부 케이스(12)에 최대한 가깝게 하여 외부 온도의 측정이 용이 하도록 해야 하며, 각 온도 센서와 케이스(10)에는 써멀 에폭시 또는 열전도 패드, 테이프 등을 사용한다. 하부 케이스(14)에 부착되고, 전기적으로 회로기판(40)에 연결된 피부온도 센서(30a)와 맥박센서(32), 그리고 회로기판(40)의 상부에 실장된 주변온도 센서(30b)는 아날로그 신호처리장치와 CPU(36)에 연결된다.

또한, 상기 회로기판(40)과 전기적으로 연결되면서 케이스(10)의 상면에 설치되어 측정된 심부체온 또는 심박수 등을 정상 범위 내 또는 범위 이상/ 이하를 표시하도록 한 3색 LED (녹색, 노란색, 적색)를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명의 비침습형 체온계를 흉부, 머리, 팔목, 상완 등에 착용하기 위해서 케이스(10)에 연결하여 설치한 스트랩(도시하지 않음)과 어깨뼈, 빗장뼈 주변 등 측정위치에 제한 없이 체온계를 피부에 부착할 수 있도록 하부 케이스(14)에 설치한 부착제를 더 포함하는 것이 바람직하다.

도 7은 본 발명의 체온계의 사용상태를 타내는 설명도이다. 이 도면은 본 발명의 비침습 체온계를 구성하고 있는 2개의 각 서미스터(Ts)(Tc) 또는 심박수센서(PPG/sPo2)와 회로기판(40)을 통해 심부의 체온을 계산하여 측정하는 과정을 나타낸 것이다. 비침습 체온계는 심부(직장, 심장, 고막, 구강 등) 또는 도 7에서와 같이 심부와 연결되는 동맥 위 피부 층에 거치되고, Tcore는 심부 동맥의 온도를 나타내고, 외부와 최소로 차단된 피부온도 Ts는 상기한 바와 같이 서미스터 Ts로 측정한 온도, Tc는 도 7에서 보는 바와 같이 체온계가 옷 내부에 있을 경우는 옷 속 국부영역의 온도를 나타내고, 체온계가 옷이 없는 부위 즉, 팔목,이마 등에 부착이 되는 경우는 외부 공기온도를 나타낸다. 상기 Ts, Tc 는 이와 같이 측정한 온도를 나타내기도 하지만, 각각의 서미스터를 의미하기도 한다. 도 7에서 부호 62는 의복 내 국부영역(Micro clothing Ambient)이다.

열은 몸과 주변 환경 사이에 대류, 증발 및 방사에 의해 전달되고,열전도의 푸리에 법칙(Fourier's law of heat conduction)에 의하면, 열전도량은 온도구배에 비례한다는 것이며 다음 식으로 나타낸다.

(참고식)

여기서 fh는 단위시간에 단위면적을 통하여 흐르는 열량(열플럭스, heat flux), λ는 열전도도(thermal conductivity), T는 온도, x는 거리이다.

경계면에서 열 손실 (q in W)은 피부 온도(Ts in ℃)와 주변 온도 (Tc ℃)의 차이에 비례하며, 열은 수직방향으로만 흐르고 측정 지역의 열적 조건이 일정하다고 가정하면 다음과 같이 표현 될 수 있다.

식(1)

여기서 h는 열전달 계수 (W / (m²·℃))와 A는 피부에서 열교환 표면적 (m²)이다. 동맥혈에서 피부로의 열 유속은 코어 (Tcore in ℃)와 피부 (TSkin in ℃)의 온도 차이와 관련이 있다.

식(2)

여기서 w는 kg / s 단위의 혈액 질량 유량이고 c는 J / (kg·℃) 단위의 혈액 열용량이다. 상기 방정식 식 (1)과 (2)에서 열손실과 발생이 같다고 하면 다음 식 (3)과 같다.

식(3)

식(3)의 양 변을 A로 나누면,

식(4)

여기서 p는 관류비율 (단위 면적당 혈류량)이다. Tcore를 정리하면:

식(5)

여기서 k는 일반적으로 피부온도의 다항식으로 표현하나 혈류량에 의한 열 전달 또는 손실을 고려한 상수이기 때문에, 예측의 정확도를 높이기 위해서 혈류량 정보인 심박수 정보로 포함해야 하고, 또한 피부온도의 측정 위치와 예측해야 할 심부체온(Core Temperature)의 위치가 크게 다를 경우 오차를 보정하기 위해서 심부체온 오프셋 값(Tcoreoffset)을 고려하여 정리하면:

식(6)

식 (6)에서 Tcoreoffset에 포함된 심박수 정보(Hr) 및 운동강도(Wf)를 분리해서 다시 정리하면 다음과 같다.

식(7)

여기서 보정계수 a, b, d, e, Toffset는 부트스트랩 또는 다변수 회귀분석법을 통해서 계산할 수 있으며, 운동강도(Wf)는 카르보네 공식인 %예비심박수(HRR(%))를 통해서 알 수 있다.

식(8)

여기서 Hr은 측정 맥박수, Hr0는 안정시 또는 10분간 휴식 후 맥박수,

Hax = 남자 : 214 - (0.8*나이), 여자 : 209 - (0.7*나이)

결국 장치 구입시 성별, 나이, 안정시 맥박수를 입력하고, 맥박수를 측정하면 HRR(%)에 대한 커브피팅 및 다항식 등을 이용하면 자동으로 운동강도(Wf)를 계산할 수 있다.

본 발명의 체온계는 심부온도 측정 시 외부 환경과 온도센서의 발열부에 의한 온도 오차를 최소화하기 위해 피부온도 센서의 구조를 개선하였다. 심부체온 정확도를 높이기 위해 심박수 센서를 적용하여 체온과의 상관관계를 계산하였다. 또한, 이들 센서와 함께 주변 온도센서를 포함한 모든 센서 또는 신호처리부, 통신부, 전원부 모두를 한 장치에 집적시켰다. 각 센서에서 측정된 피부온도, 주변온도, 심박수 또는 부트스트랩 방법과 다변수 회귀분석법을 기반으로 계산된 온도추정 보정계수를 이용하여 심부 체온을 계산함으로써 정확한 체온 측정 또는 이와 상관관계가 있는 맥박수, 호흡 수 또는 혈중 산소포화도와 같은 활력징후도 함께 측정가능하다. 이는 대상자의 건강상태를 좀더 정확하게 파악할 수 있는 객관적 근거를 마련한 것이다.

비침습형 체온계로 케이스에 스트랩을 연결하여 흉부, 머리, 팔목, 상완 등에 착용하거나 또는 관자동맥 또는 가슴부 또는 어깨뼈, 빗장뼈 주변에 체온 센서를 부착할 수 있어 측정위치에 제한이 없다.

특히, 체온상승은 인체 대사과정에 필요한 혈류량의 증가로 유발될 수 있고, 체내 체온 항상성 유지를 위해 팔다리 등의 피부 표면으로 혈액을 이동시켜 체외로 열을 방출시키는 과정에서 맥박수가 증가된다. 반대로 주위온도가 낮아 체온이 저하되려고 하면 기전이 반대로 작용하여 맥박수가 감소하게 된다. 이는 맥박수와 온도가 상당히 밀접한 관계가 있다는 것을 의미한다. 따라서, 외부 영향을 많이 받는 피부온도와 외부온도로만으로 변화가 적은 심부체온의 예측은 어렵고 오차가 심하기 때문에 이를 보상하기 위해서 맥박수 정보는 반드시 필요한 인자로 확인되었다.

본 발명은 다른 열전도도를 갖는 2개의 열전도 또는 절연 재료와 온도센서로 절연 피부온도 센서(30a)는 열전도가 우수한 금속 재료로 온도 센서를 담는 케이스(10)에 사용되고, 열저항이 큰 절연패드(44)는 회로기판 또는 배터리(42)의 발열을 수직 하부 방향으로 차단하여 하부 케이스(14)에 내장된 피부온도 센서(30a)가 피부온도만을 측정하도록 사용되었으며, 이 피부온도 센서(30a)는 박막 유연기판(50)으로 연결하여 고정되는 형태이다.

이 경우, 심부체온 예측을 위해 필요한 심박수 센서는 복잡한 체온 항상성 기전으로 변화가 적은 심부체온 예측이 피부온도와 주변온도 만으로는 부족하다. 이를 감안하여 예측의 오차를 줄이기 위해 체온 항상성 기전에 중요한 역할을 하는 혈류량을 예측하는 간접인자로 광학식 반사형 센서(PPG)인 맥박센서(32)를 활용하여 심장 박동에 따라 동맥 혈관 내의 혈액량의 증가 또는 감소 변화 정도로 심박수를 측정하게 하였다. 따라서, 하부 케이스(14)에 피부온도 센서(30a)와 박막 유연기판(50)으로 연결하여 일정 간격 떨어진 곳에 위치하고 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 심부 체온 모니터링을 위한 비침습 또는 무구속적 단층 체온계에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다.

10: 케이스 12: 상케이스
14: 하케이스 22: 열전도재
24: 열전도 접착제 26: 열차단 패드
30a: 피부 온도센서 30b: 주변온도 센서
32: 맥박센서(PPG: Pt: 발광부, Pr: 수신부)
40: 회로기판 34: PMIC
36: CPU 42: 배터리
44: 절연패드 50: 유연기판
60: 바이오메트릭 센서 허브
70: 시스템 제어부(MCU) 72: 통신모듈(BLE)
100: 스마트폰

Claims (16)

1. 내부에 소정의 전자부품을 내장하는 내부공간을 갖는 케이스(10)와,
   상기 케이스(10)의 내부 공간에 구성되어 전원을 공급하는 배터리(42)와,
   상기 케이스(10)의 하단면에 구성되어 인체와 접촉하여 피부 온도를 측정하는 피부온도 센서(30a) 및 맥박을 측정하는 맥박 센서(32)와,
   상기 케이스(10)의 내부공간에 구성되고 상기 피부온도 센서(30a) 및 맥박 센서(32)로부터 측정된 피부온도 및 맥박을 전달받아 분석하는 CPU(36)와 상기 배터리(42)를 관리하는 PMIC(34)가 실장되는 회로기판(40)과,
   상기 회로기판(40)과 피부온도 센서(30a) 및 맥박 센서(32) 사이에 구성되어 열 및 전기적 간섭을 차단하는 절연패드(44)와,
   상기 피부온도 센서(30a) 및 맥박 센서(32)와 CPU(36)를 플랙시블하게 연결하는 유연기판(50)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 케이스(10)는 상케이스(12)와 하케이스(14)가 상호 조립되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 회로기판(40) 상에 상기 CPU(36)와 이격되어 주변온도를 측정하는 주변온도 센서(30b)를 포함하며, 상기 피부온도 센서(30a) 및 맥박 센서(32)는 상기 케이스(10)의 하면에 피부면을 향하여 배치하고 있는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 피드온도 센서(30a)는 열전도성 중공 금속탱크형의 열전도재(22)로 감싸져 있고, 상기 열전도재(22)의 내부에 상기 피부온도 센서(30a)를 장착한 유연기판(50)을 열전도 접착제(24)에 의하여 고정하고 있는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서, 상기 전자 온도센서는 상기 케이스(10)의 열이 전달되는 것을 차단하기 위하여 열전도성 중공 금속탱크형의 열전도재(22)의 상면에 열차단 패드(26)를 배치하는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
6. 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 상기 열전도재(22)는, 그 재료가 은, 구리, 금, 알루미늄, 텅스텐, 황동, 니켈에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
7. 청구항 4에 있어서, 상기 열전도 접착제(24)는, 에폭시, 실리콘, 폴리우레탄 계열 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
8. 청구항 4에 있어서, 상기 열차단 패드(26)는, FRP, ABS 등의 플라스틱류 패드, 발포 고무류 패드, 실리콘, 세라믹 계열 페인트 중에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
9. 청구항 3에 있어서, 상기 주변온도 센서(30b)는 회로기판(40) 상의 CPU(36)나 PMIC(34) 등으로부터 일정 간격 떨어진 부위에 격리 배치하는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
10. 청구항 3에 있어서, 심박수 측정을 위한 상기 맥박센서(32)는, 상기 케이스(10)의 하부면에 피부온도 센서(30a)와 병렬로 배치하는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
11. 청구항 10에 있어서, 상기 맥박센서(32)는 LED와 포토 레지스트를 포함하며, 혈관 내 혈류량 변동 측정은 반사식 또는 투과식 중에 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
12. 청구항 10 또는 청구항 11에 있어서, 상기 맥박센서(32)는 IR다이오드를 사용하여 혈중 산소포화도(sPo₂) 측정하는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 케이스(10)는, 측정된 심부체온 및 심박수 등을 '정상 범위 내, 범위 이상/ 이하'를 표시하도록, 회로기판(40)과 전기적으로 연결되면서 3색 LED가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
14. 청구항 1에 있어서, 상기 체온계는, 흉부, 머리, 팔목, 상완 등에 착용하기 위하여 상기 케이스(10)에 연결되는 스트랩을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
15. 청구항 1에 있어서, 상기 체온계는, 어깨뼈, 빗장뼈 주변 등 측정하는 특정위치에 제한 없이 체온계를 피부에 부착할 수 있도록 상기 하부 케이스(14)에 설치한 부착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.
16. 청구항 1에 있어서, 상기 회로기판(40)상에 상기 CPU로부터 연산된 결과로 외부로 전송하는 통신모듈(BLE)(72)을 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 비침습 심부체온 스마트 모니터링 체온계.

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