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문제 정의
- 이 방식은 사람의 수면 위치에 따라 호흡신호 특성이 다르게 나타나는 단점이 있어 측정 신뢰성이 매우 낮았다. 그래서 본 연구에서는 수면자의 머리위치에 상관없이 항상 수면자의 호흡 신호를 검출 분석할 수 있는 지능형 호흡측정 수면 베개 시스템에 대한 연구를 수행 하였다. 호흡측정 수면 베개 시스템은 4개의 force-sensing-resistor (FSR) 센서, 수면베개, interface 회로, 호흡측정시스템으로 구성 되어 있으며 4개의 FSR 센서는 베개에 아랫부분에 부착되어 있다.
- 수면 중인 사람의 호흡 신호를 측정할 수 있는 압력센서 기반 스마트 호흡 측정 베개에 대한 연구를 수행 하였다. 호흡측정 스마트 베게는 수면베개, 베개의 아래 부분에 부착된 4개의 FSR 센서들, interface 회로, 호흡 측정 시스템으로 구성되어 있다.
제안 방법
- 4개의 FSR 센서로부터 수면자의 호흡 신호를 정확하게 검출하는 것으로 본 연구의 목적을 달성하는 데 충분하나 수면자의 머리위치 등의 더 많은 수면관련 정보가 있으면 수면의 질을 판단하는데 도움이 될 것 같아 4개의 FSR 센서들을 이용하여 머리위치를 찾아내는 실험을 여러 번 수행하였다.
- 5배 정도 호흡 신호가 커짐을 보여주고 있다. 그리고 60 dB 정도의 음악소리가 있는 환경에서도 호흡신호 검출 실험을 수행 하였다. 실험 결과 음악소리가 없는 조용한 환경과 동일한 결과를 얻었다.
- 본 논문에서 언급한 호흡 센서의 신뢰성을 알아보기 위해 현재 임상의사들이 사용하고 있는 chest형 BIOPAC 호흡 센서와 1 시간정도 비교특성 실험을 수행 하였다. Fig.
- 압력센서 기반 호흡 측정베개의 호흡률 측정특성을 분석하기 위해 체형이 다른 20대에서 30대 사이의 남성들의 호흡 신호를 검출하여 호흡수를 계수하는 실험을 수행하였다. 실험자들은 정자세로 누워 호흡을 10분 동안 하게 한 뒤 본 논문의 연구방법에서 소개한 호흡률 계수법이 프로그램 된 시스템을 사용하여 호흡수를 계수하고, 그 계수된 결과를 가지고 계수 정확도를 계산하였다. Table 1은 10명의 실험자를 정자세로 누워 10분간의 호흡신호를 획득 분석한 결과이다.
- 압력센서 기반 호흡 측정베개의 호흡률 측정특성을 분석하기 위해 체형이 다른 20대에서 30대 사이의 남성들의 호흡 신호를 검출하여 호흡수를 계수하는 실험을 수행하였다. 실험자들은 정자세로 누워 호흡을 10분 동안 하게 한 뒤 본 논문의 연구방법에서 소개한 호흡률 계수법이 프로그램 된 시스템을 사용하여 호흡수를 계수하고, 그 계수된 결과를 가지고 계수 정확도를 계산하였다.
- 제작된 호흡 측정 수면 베개를 사용하여 20대 중반의 건장한 남자의 호흡 신호를 검출 하여 보았다. Fig.
- 호흡 정보 추출은 두 단계으로 이루어진다. 첫 번째 단계는 4개의 FSR 호흡 센서 신호 중에 가장 큰 신호를 발생시키는 FSR 센서를 찾아내고 그 센서의 출력 호흡 신호를 기본으로 해서 중요한 호흡 관련 정보들을 추출한다. 두 번째 단계에서는 선택된 FSR 호흡 신호를 분석하여 분당 호흡수 (호흡률), 호흡신호 peak value(maximun respiration signal Amplitude) 등의 정보를 얻는다.
- 호흡측정 수면 베개 시스템은 4개의 force-sensing-resistor (FSR) 센서, 수면베개, interface 회로, 호흡측정시스템으로 구성 되어 있으며 4개의 FSR 센서는 베개에 아랫부분에 부착되어 있다. 호흡 신호 검출은 베개에 부착된 FSR 센서들이 수면자가 호흡을 할 때 발생하는 미세 움직임을 감지하여 이 신호를 인터페이스회로에 보내고, 인터페이스 회로는 FSR 센서에서 받은 신호로부터 호흡 신호만을 추출하여 호흡측정 시스템에 주며, 호흡 측정 시스템은 인터페이스회로에서 보내준 호흡신호를 분석 한다.
대상 데이터
- 여기서 사용된 FSR 센서는 Interlink사의FSR-406이었고 DAQ는 National Instrument 사의 NI9215 이었다. 본 연구에서 사용된 DAQ의 sampling 주파수는 약 10 Hz 이었다.
- 이 결과가 지능형 호흡측정 수면베개에서 검출된 호흡 신호로 코골이 발생 유무도 알아낼 수 있음을 보여 주고 있다. 센서 특성 및 신뢰성을 알아보기 위해 현재 임상의사들이 사용하고 있는 BIOPAC 호흡 센서와 특성 비교 하였고, 체형이 다른 20대-30대 남자 10 명의 호흡 측정 신호를 수행하였다. 실험 결과들이 BIOPAC 센서와 유사한 특성을 가지고 있음을 보여 주었고, 평균 호흡률 정확도가 98.
- 디지털신호로 변환된 호흡 신호는 PC로 전달되어 분석된다. 여기서 사용된 FSR 센서는 Interlink사의FSR-406이었고 DAQ는 National Instrument 사의 NI9215 이었다. 본 연구에서 사용된 DAQ의 sampling 주파수는 약 10 Hz 이었다.
성능/효과
- 4개의 FSR 센서로부터 수면자의 호흡 신호를 정확하게 검출하는 것으로 본 연구의 목적을 달성하는 데 충분하나 수면자의 머리위치 등의 더 많은 수면관련 정보가 있으면 수면의 질을 판단하는데 도움이 될 것 같아 4개의 FSR 센서들을 이용하여 머리위치를 찾아내는 실험을 여러 번 수행하였다. 그러나 일관성 있는 결과를 얻지 못하여 4개의 FSR 센서로부터 정확한 호흡 신호는 검출이 가능하나 수면자의 머리 위치를 찾는 것은 어렵다는 결론을 얻었다.
- 8% 였음을 알려주었다. 모든 실험 결과들이 압력 센서 기반 호흡 측정 베개가 수면 중인 사람이 호흡 신호를 추출 분석하여 수면관리가 가능함을 보여 주고 있다. 좀 더 좋은 특성을 가지는 호흡측정이 가능한 수면베개를 개발하기 위해 호흡검출 방법의 고도화 및 노이즈 저감기술 개발 등이 필요하다.
- 호흡신호만 추출하는 역할을 하는 Interface 회로는 high pass filter, low pass filter, 및 증폭기로 구성되어있다. 본 연구에서 사용된 interface 회로의 high pass filter와 low pass filter는 저항과 콘덴서로만 설계되었으며 high pass filter의 cutoff 주파수는 0.19 Hz, low pass filter의 cutoff 주 파수는 1.06 Hz이었다. 증폭기는 OP-AMP로 설계 제작되었으며 신호 증폭도는 151이었다.
- 이는 코골이의 발생이 사람의 어깨 움직임을 크게 하여 더 큰 호흡신호를 야기시킴을 의미한다. 실험 결과들에 통해 보통 일반 호흡 경우에는 평균 전압은 약 2.1V 이었고 코골이가 발생하는 경우에는 약 3.1V 이었다. Fig.
- 센서 특성 및 신뢰성을 알아보기 위해 현재 임상의사들이 사용하고 있는 BIOPAC 호흡 센서와 특성 비교 하였고, 체형이 다른 20대-30대 남자 10 명의 호흡 측정 신호를 수행하였다. 실험 결과들이 BIOPAC 센서와 유사한 특성을 가지고 있음을 보여 주었고, 평균 호흡률 정확도가 98.8% 였음을 알려주었다. 모든 실험 결과들이 압력 센서 기반 호흡 측정 베개가 수면 중인 사람이 호흡 신호를 추출 분석하여 수면관리가 가능함을 보여 주고 있다.
- 호흡측정 스마트 베게는 수면베개, 베개의 아래 부분에 부착된 4개의 FSR 센서들, interface 회로, 호흡 측정 시스템으로 구성되어 있다. 실험결과들이 수면자의 수면 형태에 관계없이 4개의 FSR 센서 중 최소 한 개에서는 정확하게 호흡 신호를 검출할 수 있어 수면 중의 사람들의 호흡신호를 정확하게 추출 할 수 있음을 보였다. 또한 코골이가 발생 했을 때 발생하지 않았을 때 보다 더 큰 크기의 신호가 발생함도 보여 주고 있다.
- 더 나아가 일부의 센서 출력 신호들은 수면자의 호흡패턴과 동일한 모양을 보여주고 있고 다른 센서들의 출력 신호는 수면자의 호흡패턴과 다른 모양의 신호들을 출력하고 있다. 실험결과들이 출력 신호의 크기가 가장 큰 출력신호를 선택하여야 수면자 호흡의 정확한 분석이 가능함을 알려주고 있다. 4개의 FSR 센서로부터 수면자의 호흡 신호를 정확하게 검출하는 것으로 본 연구의 목적을 달성하는 데 충분하나 수면자의 머리위치 등의 더 많은 수면관련 정보가 있으면 수면의 질을 판단하는데 도움이 될 것 같아 4개의 FSR 센서들을 이용하여 머리위치를 찾아내는 실험을 여러 번 수행하였다.
- 9가 수면 베개에 부착된 FSR 센서에서 얻은 호흡 신호가 BIOPAC 센서에서 얻은 호흡 센서보다 신호의 크기는 크고 패턴은 거의 유사함을 보여주고 있다. 이 결과가 수면베개에 부착 된 FSR센서를 사용하여 수면자의 호흡신호를 신뢰성 있게 검출할 수 있음을 보여주고 있다.
- 또한 코골이가 발생 했을 때 발생하지 않았을 때 보다 더 큰 크기의 신호가 발생함도 보여 주고 있다. 이 결과가 지능형 호흡측정 수면베개에서 검출된 호흡 신호로 코골이 발생 유무도 알아낼 수 있음을 보여 주고 있다. 센서 특성 및 신뢰성을 알아보기 위해 현재 임상의사들이 사용하고 있는 BIOPAC 호흡 센서와 특성 비교 하였고, 체형이 다른 20대-30대 남자 10 명의 호흡 측정 신호를 수행하였다.
- 8%의 정확도를 보였다. 이 모든 실험결과들은 본 연구에서 개발된 압력 기반 호흡 측정 수면 베개가 수면 중에 있는 사람의 호흡 신호를 추출 분석하여 사람의 수면 중 호흡에 대한 정보를 얻을 수 있음을 보여주고 있다. 좀 더 좋은 특성을 가지는 호흡측정이 가능한 수면베개를 개발하기 위해 호흡검출 방법의 고도화 및 노이즈 저감기술 개발 등이 필요하다.
- Table 1은 10명의 실험자를 정자세로 누워 10분간의 호흡신호를 획득 분석한 결과이다. 키가 크고 신체가 건장한 남자들의 호흡률 측정 정확도가 키가 작고 왜소한 남자들의 호흡률 측정 정확도보다 더 높았 다. 이는 키 크고 건장한 남자의 호흡 신호가 키 작고 왜소 한 남자의 호흡 신호보다 더 큰 호흡신호를 발생시켰기 때문으로 판단된다.
- 이는 키 크고 건장한 남자의 호흡 신호가 키 작고 왜소 한 남자의 호흡 신호보다 더 큰 호흡신호를 발생시켰기 때문으로 판단된다. 호흡측정 베개로 측정된 호흡률 측정 정확도는 모두 98% 이상의 호흡률 측정 정확도를 가졌으며 평균 98.8%의 정확도를 보였다. 이 모든 실험결과들은 본 연구에서 개발된 압력 기반 호흡 측정 수면 베개가 수면 중에 있는 사람의 호흡 신호를 추출 분석하여 사람의 수면 중 호흡에 대한 정보를 얻을 수 있음을 보여주고 있다.
후속연구
- 좀 더 좋은 특성을 가지는 호흡측정이 가능한 수면베개를 개발하기 위해 호흡검출 방법의 고도화 및 노이즈 저감기술 개발 등이 필요하다. 그리고 연구결과들이 호흡신호로부터 코골이 검출 가능성도 보여주고 있기 때문에 코골이 검출 방법에 대한 연구도 수행해야 될 것으로 판단된다.
- 좀 더 좋은 특성을 가지는 호흡측정이 가능한 수면베개를 개발하기 위해 호흡검출 방법의 고도화 및 노이즈 저감기술 개발 등이 필요하다. 그리고 코골이 검출 방법에 대한 연구도 수행해야 될 것으로 판단된다.
- 이 모든 실험결과들은 본 연구에서 개발된 압력 기반 호흡 측정 수면 베개가 수면 중에 있는 사람의 호흡 신호를 추출 분석하여 사람의 수면 중 호흡에 대한 정보를 얻을 수 있음을 보여주고 있다. 좀 더 좋은 특성을 가지는 호흡측정이 가능한 수면베개를 개발하기 위해 호흡검출 방법의 고도화 및 노이즈 저감기술 개발 등이 필요하다. 그리고 연구결과들이 호흡신호로부터 코골이 검출 가능성도 보여주고 있기 때문에 코골이 검출 방법에 대한 연구도 수행해야 될 것으로 판단된다.
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