Sleep Apnea Diagnosis and Improvement System using Wearable Device and Smart Pillow : 웨어러블 디바이스와 스마트베개를 이용한 수면무호흡 진단 및 개선 시스템 구조

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

There are various diagnostic methods for sleep apnea, but the treatment method is very limited. In particular, CPAP, which most patients can use at home, is structured to continuously inject air regardless of whether or not it has apnea during sleeping, which interferes with sleeping and is not very usable. Among the devices capable of diagnosing sleep apnea, there is no system that accurately grasps and copes with the user's condition in real time. In this paper, we propose a wearable body area network (Wearable Body Area Network) that can accurately measure sleep quality in daily life and improve apnea when sleep apnea occurs by using a wearable device with a clock and smart pillow do. This system is called HomecareKit and is easy to use anytime and anywhere. The system can measure oxygen saturation, pulse, posture, etc. by measuring and analyzing the bio signal through PPG, respiration, triaxial rate sensor and so on. We developed an algorithm that can integrate and analyze these values ​​in order to identify apnea and identify apnea stages. In addition, we propose a system that can cope with apnea by controlling the smart pillow that is interlocked if the vital sign becomes dangerous through the apnea symptom. Although the home care kit is a wearable device, it showed accuracy close to that of a specialized diagnostic device for hospitals in many precision measurement drawings of biological signals. In addition, it is designed to enable 12 hours measurement operation once with ultra low power system.

국문 초록 (Abstract)

수면무호흡증 환자의 진단 방법은 다양하게 있으나 치료 방법은 매우 한정적이다. 특히 대다수의 환자가 가정에서 사용할 수 있는 CPAP는 수면 중에 무호흡 유무에 관계없이 계속 공기를 주입하는 구조로 되어 있어 수면을 방해하며 사용성 또한 높지 않다. 또한 수면 무호흡을 진단할 수 있는 장치들 중 실시간으로 사용자의 상태를 정확하게 파악하고 대처할 수 있는 시스템은 전무하다. 본 논문에서는 시계형태의 웨어러블 device와 스마트 베개를 이용하여 일상생활 중에서 수면 품질을 정밀하게 측정할 수 있고 수면 중 무호흡이 발생할 때 무호흡을 개선할 수 있는 착용형 신체 네트워크(Wearable Body Area Network)를 제안한다. 이 시스템을 홈케어키트(HomecareKit)라고 명명하였으며 언제 어디서든 쉽게 사용할 수 있다. 본 시스템은 PPG, 호흡, 3축가속도 센서 등을 통한 생체신호를 측정하고 분석하여 산소포화도, 맥박, 자세 등을 판별할 수 있다. 이 값들을 통합하고 복합적으로 분석할 수 있는 알고리즘을 자체 개발하여 무호흡을 검진하고 무호흡 단계를 판별하도록 하였다. 또한 무호흡 증상을 통해 생체 신호가 위험한 상태가 되면 연동된 스마트베개를 제어하여 무호흡을 대처할 수 있는 시스템을 제안한다. 홈케어키트는 착용형 device임에도 불구하고 다수 생체 신호 측정 정밀도면에서 병원용 전문진단장치에 근접한 정밀성을 보였다. 또한 초저전력시스템으로 1회 12시간 측정 동작이 가능하도록 설계하였다.

목차 (Table of Contents)

• Contents
• I. Introduction - 1
• II. Related Research - 3
• III. Homecare Kit Design - 5
• 3.1 Proposal System Overview - 5
• 3.2 HomecareKit Hardware and Software Architecture - 6
• 3.3 HomecareKits & Smart Pillows - 8
• 3.3.1 HomecareKit and Smart Pillows Full System Architecture - 9
• 3.3.2 Control characteristics and principles of smart pillow - 11
• 3.4 HomecareKit Measuring Mode - 13
• 3.4.1 Real-time monitoring mode - 14
• 3.4.2 Scheduled measurement mode (save mode) - 15
• 3.5 Plug-in / out and I2C serial communication - 15
• 3.6 Oxygen saturation, heart rate and apnea calculation algorithm - 16
• 3.6.1 Heart rate - 16
• 3.6.2 Oxygen saturation - 17
• 3.6.3 Sleep apnea judgment algorithm - 17
• 3.7 Algorithm for discriminating the stage of apnea risk - 19
• 3.7.1 Determination of continuity of sleep apnea - 19
• 3.7.2 Sleep Apnea Risk Algorithm Design - 20
• 3.8 Communication packet structure - 23
• 3.8.1 HKD Format (HomecareKit raw data transmission of biological signals) - 23
• 3.8.2 HKS Format (HomecareKit wearer state transmission: oxygen saturation, apnea, etc.) - 24
• IV. Implementation and Performance Evaluation - 25
• 4.1 Implements - 25
• 4.2 Time to save and transfer data - 25
• 4.3 Low power test - 26
• 3.3.1 Idle Mode - 26
• 3.3.2 Real-time monitoring mode - 27
• 3.3.3 Scheduled measurement mode ( Save mode ) - 28
• 4.4 Performance evaluation with polysomnography equipment - 29
• 4.4.1 20’s nomal male - 29
• 4.4.2 40’s male with apnea - 31
• V. Conclusion - 36