KR101440494B1 - sensor for measuring vital signal and method for operating the same - Google Patents

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KR101440494B1
KR101440494B1 KR1020130051886A KR20130051886A KR101440494B1 KR 101440494 B1 KR101440494 B1 KR 101440494B1 KR 1020130051886 A KR1020130051886 A KR 1020130051886A KR 20130051886 A KR20130051886 A KR 20130051886A KR 101440494 B1 KR101440494 B1 KR 101440494B1
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홍윤석
김상규
김병현
이희조
윤기호
육종관
하성재
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삼성탈레스 주식회사
연세대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a vital signal measuring sensor and a measuring method thereof and, more particularly, to a respiration or heartbeat signal measuring sensor and a measuring method thereof. According to an embodiment, the present invention includes a resonator which changes input impedance by corresponding to the vital signal; a phase locked loop which feeds back a loop control voltage which is a voltage in proportion to a phase difference with a preset reference frequency by receiving an oscillation frequency which is shifted by the change of the input impedance of the resonator; a voltage controlled oscillator which outputs the oscillation frequency within a preset frequency range by changing the capacitance of L-C resonance according to the loop control voltage which is fed back; and a signal processor which outputs the loop control voltage as the respiration signal and the heartbeat signal.

Description

생체신호 측정센서 및 측정방법{sensor for measuring vital signal and method for operating the same}Technical Field [0001] The present invention relates to a sensor for measuring a biological signal,

본 발명은 생체신호를 측정하는 센서 및 방법에 관한 것으로서, 호흡신호 또는 맥박신호를 측정하는 센서 및 이러한 생체신호를 측정하는 방법이다.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a sensor and a method for measuring a bio-signal, and a sensor for measuring a respiration signal or a pulse signal and a method for measuring the bio-signal.

비접촉식 생체신호 측정센서는 크게 도플러 효과를 이용한 도플러 레이더 기반 측정센서, 의료 현장에서 주로 사용되고 있는 전통적인 방식인 심전도 측정센서, 최근 대두되고 있는 RF 공진기의 입력 임피던스 변화를 이용한 측정센서로 구분되어 진다.The non-contact type bio-signal measurement sensor is divided into Doppler radar-based measurement sensor using Doppler effect, electrocardiograph measurement sensor which is mainly used in medical field, and measurement sensor using input impedance change of RF resonator which is emerging recently.

도플러 레이더 기반 측정센서는 도 1에 도시한 바와 같이 발진기(12)에 의해 생성된 신호는 증폭기(11)를 거쳐 송신 안테나(10)로 전송된다. 전송된 신호는 인체의 정상적인 생체 활동, 즉, 호흡에 의한 신체의 움직임과 신체 내부의 심장 수축과 확장에 따라 송신된 신호의 위상 변이를 일으킨다. 변이된 위상을 포함하는 신호는 수신 안테나(20)를 통해 수신된 후 저잡음 증폭기(21;LNA;low noise amplifier)를 거친 후 동일한 발진 주파수에 의해 하향 변환되므로 캐리어 신호(송신신호)는 상쇄되고 순수한 생체 신호(heart signal)만을 추출할 수 있다. 구조의 단일화를 위하여 이중편파 방식의 안테나 적용 등 다양한 연구가 진행되고 있다.The Doppler radar-based measurement sensor transmits a signal generated by the oscillator 12 to the transmission antenna 10 via the amplifier 11 as shown in FIG. The transmitted signal causes a phase shift of the transmitted signal according to the normal biological activity of the human body, that is, the movement of the body by breathing and the contraction and expansion of the heart inside the body. The signal including the shifted phase is received through the receiving antenna 20 and then down-converted by the same oscillation frequency after passing through a low noise amplifier 21 (LNA), so that the carrier signal (transmission signal) Only a heart signal can be extracted. Various studies have been carried out, such as the application of a double polarized antenna for unifying the structure.

심전도 측정센서는 주로 접촉식이 의료 현장에서 사용되어 왔으나 최근 개인의 사생활 존중, 장시간에 걸친 건강 상태 점검, 원격 검진 등 다양한 요구에 대응하기 위해서 비접촉식 구조에 대한 연구가 진행되고 있다. 대표적인 구조는 능동 전극(active electrode)을 이용하는 것으로서, 능동 전극은 인체와 전극 사이의 캐패시턴스(capacitance) 값의 변화를 감지하여 생체 신호를 측정한다.Electrocardiogram (ECG) sensors have been mainly used in contact-type medical field. Recently, non-contact type structures have been studied to meet various needs such as respect for privacy, long-term health check, and remote examination. The representative structure uses an active electrode, and the active electrode measures a biological signal by detecting a change in capacitance value between the human body and the electrode.

RF 공진기의 입력 임피던스 변화를 이용한 측정센서는 도 2에 도시한 바와 같이 인체와 RF 공진기의 이격 거리에 따라 변화된 공진기의 입력 임피던스를 이용한다. 호흡 및 심장 박동은 주기적 운동을 수행하므로 이격 거리는 지속적으로 변경된다. 주기적인 운동은 공진기의 입력 임피던스를 변화시키며, 발진기와 연동함으로써 발진기의 주파수는 변경된다. 특히, 한국등록특허 10-1252740의 경우 주파수의 변화를 DC 전압으로 나타내기 위하여 SAW 필터(30;Surface Acoustic Wave Filter)와 검출기(40)를 이용하여 주파수의 편이를 전압으로 표현하였으며, 추출된 전압신호를 신호 처리함으로써 원하는 생체 신호를 추출할 수 있다.
The measurement sensor using the input impedance change of the RF resonator uses the input impedance of the resonator changed according to the separation distance between the human body and the RF resonator as shown in FIG. Respiration and heartbeat perform periodic motion, so the distance is constantly changing. Periodic motion changes the input impedance of the resonator, and the frequency of the oscillator changes by interlocking with the oscillator. In particular, in Korean Patent No. 10-1252740, in order to express a change in frequency as a DC voltage, a frequency shift is represented by a voltage using a SAW filter (30; Surface Acoustic Wave Filter 30) and a detector (40) A desired biological signal can be extracted by processing the signal.

그런데, 상기의 도플러 레이더 기반 측정센서, 심전도 측정센서, RF 공진기 이용 측정센서의 경우는 다음과 같은 문제가 있다.However, the above-described Doppler radar-based measurement sensor, electrocardiogram measurement sensor, and RF resonator measurement sensor have the following problems.

도플러 레이더 기반 측정센서의 경우에는, 송수신 신호의 위상차를 이용하여 생체신호를 감지하고 있으므로, 유사한 주파수 성분들의 간섭이 존재할 경우 오동작의 가능성을 내포하고 있다. 또한 동일한 센서들이 하나의 장소에 설치된 경우 상호 간섭에 의해 동작이 제한된다. 특히 다수의 피측정자들이 동일 공간 내에 존재할 경우, 측정신호와 피측정자들간의 맵핑은 상당한 신호처리 부하를 증가시키며 상용화의 제약이 된다는 문제가 있다.In the case of the Doppler radar-based measurement sensor, since the biological signal is detected using the phase difference of the transmission and reception signals, there is a possibility of malfunction if interference of similar frequency components exists. Also, when the same sensors are installed in one place, the operation is restricted by mutual interference. In particular, when a plurality of subjects are present in the same space, the mapping between the measurement signals and the measured subjects increases the signal processing load considerably, which is a problem of commercialization.

또한 심전도 측정센서의 경우에는, 피부 접촉없이 옷을 입고 있는 상태에서도 생체 신호를 획득할 수 있는 장점을 갖고 있으나, 옷의 재질 및 두께에 따라 많은 영향을 받는다. 현재까지 보고된 결과들은 2mm 이내의 두께에 대해서만 측정이 가능하다. 또한 인체와 전극 사이의 캐패시턴스 값은 땀 등 습기와 관련된 부분에서 변화가 심하여 생체 신호를 측정할 수 없는 문제가 있다.In addition, the electrocardiogram sensor has the advantage of acquiring a bio-signal even when wearing clothes without touching the skin, but it is greatly influenced by the material and thickness of the clothes. The results reported so far are only measurable for thicknesses less than 2 mm. In addition, there is a problem that the capacitance value between the human body and the electrode can not be measured due to a serious change in the portion related to moisture such as sweat.

또한 RF 공진기 이용 측정센서의 경우에는, 특히, 한국등록특허 10-1252740의 경우에는, 자유 발진기(free running oscillator), SAW 필터 및 RF 검출기로 이루어져 있다. 자유 발진기는 인체와의 이격 거리에 따라서 이동될 뿐만 아니라 온도와 같은 외부 환경에 따라 발진 주파수가 이동된다. 또한 신호 검출 능력은 SAW 필터의 감쇠 특성(attenuation characteristics) 및 RF 검출기의 분해능에 따라 생체신호 검출 능력의 차이를 보이는 문제가 있다. 따라서 감쇠 특성이 우수한 SAW 필터를 사용 시에 생체 신호 검출 능력은 우수하나, 온도 등 환경 변화에 따라 자유 발진기의 주파수 이동으로 인해 비정상 동작이 이루어진다. 즉, 감쇄영역은 2.4 GHz ISM 대역에서 약 15 MHz 범위를 갖는다. 좁은 주파수 동작 영역은 발진기의 장시간 주파수 안정도(부품의 온도 특성, 주위온도 변화 등)을 고려하였을 경우 비정상 동작을 야기할 수 있다. 반면에 평탄한 감쇠 특성을 갖는 필터를 적용할 경우 생체신호 검출 능력이 현저하게 저하된다. 장시간 사용시에 적용된 소자들의 특성 저하는 자유 발진 주파수의 변화를 초래하여 센서의 신뢰도가 낮아진다. 또한 소형화 측면에서 볼 때 필터의 사용은 하나의 단일 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 형태로 설계가 불가능한 문제를 가진다.
In the case of the RF resonator measurement sensor, in particular, in Korean Patent No. 10-1252740, a free running oscillator, a SAW filter, and an RF detector are used. The free oscillator not only moves according to the distance from the human body but also oscillates according to the external environment such as temperature. In addition, the signal detection capability has a problem in that the detection capability of the biological signal is different depending on the attenuation characteristics of the SAW filter and the resolution of the RF detector. Therefore, when the SAW filter having excellent attenuation characteristics is used, the detection ability of the living body signal is excellent, but the abnormal operation is performed due to the frequency shift of the free oscillator according to the environmental change such as temperature. That is, the attenuation range has a range of about 15 MHz in the 2.4 GHz ISM band. The narrow frequency operating range can cause abnormal operation if the long-term frequency stability of the oscillator (temperature characteristics of the component, ambient temperature change, etc.) is taken into consideration. On the other hand, when a filter having a flat attenuation characteristic is applied, the ability to detect a biological signal remarkably deteriorates. The deterioration of the characteristics of the devices applied at the time of long-term use causes a change in the free oscillation frequency, thereby lowering the reliability of the sensor. Also, in terms of miniaturization, the use of a filter has a problem in that it can not be designed in the form of a single monolithic microwave integrated circuit (MMIC).

특히, 상기에서 설명한 도플러 레이더 기반 측정센서, 심전도 측정센서, SWA 필터를 이용한 RF 공진기 이용 측정센서 등의 생체신호 측정센서들은 다양한 사용 환경에서 낮은 측정 신뢰도를 가지는 공통되는 문제가 있다. 예를 들어, 의료기관 내에서의 환경은 안정적인 상온 상태를 유지하는 반면, 소방관련 활동 공간, 119 소방대원의 응급 의료 활동 및 군인들이 파견되는 전쟁터의 환경은 지역적, 상황적 요건에 따라 수시로 변화된다. 현재 사용되는 측정센서들은 이러한 측정 환경 변화에 따라 측정값이 달라지는 문제가 있다. 따라서 측정 환경의 변화에도 불구하고 측정 신뢰도에 영향없이 동작되도록 하는 생체신호 측정센서의 필요성이 절실하다.Particularly, the bio-signal measurement sensors such as the Doppler radar-based measurement sensor, the electrocardiogram measurement sensor, and the RF resonator measurement sensor using the SWA filter described above have a common problem with low measurement reliability in various use environments. For example, the environment within a medical facility maintains a stable room temperature condition, while the environment for fire fighting activities, emergency medical services for 119 firefighters, and the battlefield environment where soldiers are dispatched varies from time to time according to local and situational requirements. Currently used measurement sensors have different measurement values depending on the change of measurement environment. Therefore, there is a need for a bio-signal measurement sensor that operates without affecting the measurement reliability despite the change of the measurement environment.

한국등록특허 10-1252740Korean Patent No. 10-1252740

본 발명의 기술적 과제는 온도 등의 측정 환경의 변화에도 불구하고 생체신호 측정센서의 측정 신뢰도에 영향없이 동작되도록 하는데 있다. 또한 본 발명의 기술적 과제는 부착되는 위치의 제약없이(흉부의 전면 또는 후면 등) 위치에 상관없이 생체 신호를 획득하도록 하는데 있다.
The technical problem of the present invention is to operate without affecting the measurement reliability of the bio-signal measurement sensor despite the change of the measurement environment such as temperature. In addition, the technical problem of the present invention is to acquire bio-signals without regard to the position of the attachment (the front or back of the chest, etc.).

본 발명의 실시 형태는 생체신호에 대응하여 입력 임피던스가 변화되는 공진기와, 상기 공진기의 입력 임피던스의 변화에 의해 주파수 천이되는 발진 주파수를 입력받아 미리 설정된 기준 주파수와의 위상차에 비례하는 전압값인 루프제어전압을 피드백하는 위상고정루프와, 상기 피드백되는 루프제어전압에 따라 L-C 공진의 캐패시턴스 값을 변화시켜 미리 설정한 주파수 범위 내의 발진 주파수를 출력하는 전압제어 발진기와, 상기 루프제어전압을 이용하여 호흡신호 및 맥박신호로서 출력하는 신호 처리기를 포함한다.The present invention relates to a resonance circuit which includes a resonator in which an input impedance is changed in accordance with a living body signal and a resonance circuit which receives an oscillation frequency which is frequency-shifted by a change in the input impedance of the resonator and which is a voltage value proportional to a phase difference A voltage controlled oscillator for outputting an oscillation frequency within a preset frequency range by varying the capacitance value of the LC resonance according to the feedback loop control voltage; And a signal processor for outputting a signal and a pulse signal.

또한 전압 제어 발진기는, 상기 루프제어전압에 의해 L-C 공진이 조절되는 L-C 공진부와, 상기 공진기의 입력 임피던스의 변화에 따른 발진 제어 신호를 입력받는 제어단과 상기 L-C 공진부에 연결되는 입력단과 상기 공진기의 입력 임피던스의 변화 및 상기 L-C 공진에 의한 발진 주파수를 출력하는 출력단을 포함하는 스위칭 소자를 포함한다.The voltage-controlled oscillator further includes: an LC resonance unit whose LC resonance is controlled by the loop control voltage; a control terminal receiving an oscillation control signal according to a change in input impedance of the resonance; an input connected to the LC resonance unit; And a switching element including an output terminal for outputting an oscillation frequency by the LC resonance.

또한 스위칭 소자는, 입력단인 이미터와 제어단인 베이스와 출력단인 컬렉터를 포함하는 NPN형 트랜지스터, 또는 입력단인 컬렉터와 제어단인 베이스와 출력단인 이미터를 포함하는 NPN형 트랜지스터임을 특징으로 한다.The switching element is an NPN transistor including an NPN transistor including an emitter as an input terminal, a base as a control terminal and a collector as an output terminal, or an emitter as a base and a control terminal as an input terminal.

또한 L-C 공진부는, 소자에 인가되는 전압에 따라 캐패시턴스 값이 변화되는 배렉터 다이오드를 이용하여 상기 L-C 공진에 사용되는 캐패시턴스 값을 가변시킨다.Also, the L-C resonance unit varies a capacitance value used for the L-C resonance by using a collector diode whose capacitance value changes according to a voltage applied to the device.

또한 루프제어전압을 배렉터 다이오드에 인가되도록 하여, 루프제어전압에 따라서 L-C 공진에 사용되는 캐패시턴스 값이 가변된다.Further, the loop control voltage is applied to the collector diode, and the capacitance value used for the L-C resonance varies depending on the loop control voltage.

또한 L-C 공진부는, 상기 출력단과 접지 사이에 연결되는 인덕터와, 상기 출력단과 인덕터의 노드에 일단이 연결되는 고정 캐패시턴스를 가지는 고정 커패시터와, 상기 고정 커패시터의 타단과 접지 사이에 연결되어 가변 캐패시턴스를 가지는 배렉터 다이오드와, 상기 고정 커패시터와 배렉터 다이오드 사이의 노드에 연결되어 상기 루프제어전압을 인가하는 피드백 신호선을 포함한다.The LC resonance unit includes an inductor connected between the output terminal and the ground, a fixed capacitor having a fixed capacitance whose one end is connected to the node of the output terminal and the inductor, and a fixed capacitor connected between the other terminal of the fixed capacitor and the ground, A collector diode, and a feedback signal line connected to a node between the fixed capacitor and the collector diode to apply the loop control voltage.

또한 본 발명의 실시 형태는, 생체신호에 대응하는 입력 임피던스의 변화에 의해 주파수 천이되는 발진주파수를 입력받아 미리 설정된 기준 주파수와의 위상차에 비례하는 전압값인 루프제어전압을 피드백하는 과정과, 상기 피드백되는 루프제어전압에 따라 L-C 공진의 캐패시턴스 값을 변화시켜 미리 설정한 주파수 범위 내의 발진 주파수를 출력하는 과정과, 상기 루프제어전압을 이용하여 호흡신호 및 맥박신호로서 출력하는 과정과, 상기 출력되는 호흡신호 및 맥박신호를 디스플레이하는 과정을 포함한다.
According to another aspect of the present invention, there is provided a method for controlling a living organism, comprising the steps of: receiving an oscillation frequency that is frequency-shifted by a change in input impedance corresponding to a living body signal and feeding back a loop control voltage that is a voltage value proportional to a preset reference frequency; Outputting an oscillation frequency within a predetermined frequency range by varying a capacitance value of the LC resonance according to a feedback loop control voltage; outputting a respiration signal and a pulse signal using the loop control voltage; And displaying a respiration signal and a pulse signal.

본 발명의 실시 형태에 따르면 외부 환경 조건에 상관없이 정상 동작할 수 있어 측정 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 또한 부착 위치의 다양성을 위해 측정거리를 손쉽게 확장할 수 있다. 또한 획득된 신호 전송을 위해 기존 인프라를 이용하거나 새로운 네트워킹을 위한 적용이 용이하며 대량 생산 시에 단일 MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit) 형태로 제작할 수 있다.
According to the embodiment of the present invention, normal operation can be performed irrespective of external environmental conditions, and measurement reliability can be improved. The measuring distance can also be easily extended for a variety of mounting locations. In addition, it is easy to apply existing infrastructure or new networking for acquired signal transmission, and it can be manufactured in the form of monolithic microwave integrated circuit (MMIC) in mass production.

도 1은 종래의 도플러 레이더 기반 측정센서를 도시한 도면이다.
도 2는 종래의 RF 공진기의 입력 임피던스 변화를 이용한 측정센서를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정센서의 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정센서의 공진기의 구조의 예를 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공진기 및 능동회로층의 단면도를 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 전압제어 발진기의 발진주파수의 편이를 나타낸 그림이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공진기의 입력 임피던스를 입력받아 발진을 수행하는 전압제어 발진기의 회로도를 도시한 그림이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 위상고정루프에 의한 루프제어전압이 인가없는 상태에서의 발진 주파수의 출력 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라 배렉터 다이오드에 인가되는 전압과 발진 주파수의 크기가 서로 비례하는 모습을 도시한 그림이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 발진 주파수(oscillation frequency) 및 이격 거리(separation distance)에 따른 주파수 편차를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 위상고정루프의 블록 구성도이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 도 11의 파라미터의 값을 정리한 테이블이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 호흡 및 맥박을 포함하는 시간축 신호를 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 이격 거리에 따라 측정된 호흡 및 맥박신호를 나타낸 그래프이다.
1 is a view showing a conventional Doppler radar-based measurement sensor.
2 is a view illustrating a measurement sensor using a change in input impedance of a conventional RF resonator.
3 is a block diagram of a bio-signal measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing an example of the structure of a resonator of a bio-signal measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
5 is a cross-sectional view of a resonator and an active circuit layer according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph illustrating a deviation of an oscillation frequency of a voltage-controlled oscillator according to an embodiment of the present invention.
7 is a circuit diagram of a voltage-controlled oscillator that receives an input impedance of a resonator according to an embodiment of the present invention and performs oscillation.
8 is a graph showing an output of an oscillation frequency in a state in which a loop control voltage is not applied by a phase locked loop according to an embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a voltage proportional to a voltage applied to a collector diode and an oscillation frequency according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
10 is a graph illustrating a frequency deviation according to an oscillation frequency and a separation distance according to an embodiment of the present invention.
11 is a block diagram of a phase locked loop according to an embodiment of the present invention.
12 is a table summarizing the parameter values of FIG. 11 according to the embodiment of the present invention.
13 is a graph showing time-base signals including breathing and pulse according to an embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a graph showing respiration and pulse signals measured according to a separation distance according to an embodiment of the present invention. FIG.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. It will be apparent to those skilled in the art that the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. Rather, these embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and complete, It is provided to let you know. Wherein like reference numerals refer to like elements throughout.

또한, 이하에서 "생체신호"는 심장 박동에 의한 "호흡신호" 및 맥박신호"를 포괄하는 의미로서, 그 외에 생명체로부터 검출할 수 있는 기타의 모든 생체신호들을 포괄하는 개념을 의미한다. 수축과 확장을 반복하는 심장은 일정한 패턴을 가지면서 박동하게 되며, 이러한 심장 박동의 일정한 패턴을 측정함으로써 생명체의 건강 상태를 파악할 수 있게 된다.Hereinafter, the term "living body signal" means a concept including the "breathing signal" and the pulse signal due to the heartbeat, and also includes all other biological signals detectable from living organisms. The heart that repeats the expansion becomes beating with a certain pattern, and by measuring a certain pattern of this heart beat, it becomes possible to grasp the health state of life.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정센서의 블록 구성도이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정센서의 공진기의 구조의 예를 도시한 그림이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공진기 및 능동회로층의 단면도를 도시한 그림이다.FIG. 3 is a block diagram of a bio-signal measurement sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a view illustrating an example of a structure of a resonator of a bio-signal measurement sensor according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a resonator and an active circuit layer according to an embodiment of the present invention. FIG.

생체신호 측정센서는 공진기(100), 전압제어 발진기(200;VCO;Voltage Controlled Oscillator), 위상고정루프(300;PLL;Phase Locked loop), 신호처리기(500;DSP;Digital Signal Process)를 포함한다. 신호처리기(500)의 전단에 전압증폭기(400;OP-Amp;Operation Amplifier)를 포함할 수 있다.The biological signal measurement sensor includes a resonator 100, a voltage controlled oscillator (VCO) 200, a phase locked loop (PLL) 300, and a digital signal processor (DSP) . And a voltage amplifier 400 (OP-Amp) may be included in the front end of the signal processor 500.

공진기(100)는 생체신호에 대응하여 입력 임피던스가 변화되는 공진판이다. 공진기(100)는 방사체(radiator)로 사용될 수 있는 모든 형태의 공진기가 적용될 수 있으며, 바람직하게는 평판형 공진기가 적용될 수 있다. 공진기(100)는 생체신호 측정대상과 50mm 이내의 근거리에서 측정이 이루어질 수 있다. 공진기(100)는 근접전계 방사체 또는 발진기의 직렬괘환소자로서 사용된다. 공진기(100)의 입력 임피던스 변화에 상응하는 전압제어 발진기(200)의 주파수 변화는 위상고정루프(300;PLL)에 의해 전압 신호로 변경된다. 공진기(100)는 낮은 품질 계수(Quality factor)를 가지는 공진기가 바람직한데 낮은 품질 계수는 많은 주파수 편이를 가져올 수 있다. 따라서 본 발명의 생체신호 측정센서는 위상고정루프(PLL)의 장점과 전압제어발진의 좁은 이득 및 넓은 가변 범위를 가짐으로써, 기존의 SAW 필터 및 RF 검출기 및 자유발진기로 구성된 기존의 생체신호 측정센서에 비하여 탐지거리 및 장시간 주파수 안정도 특성을 향상시킬 수 있다.
The resonator 100 is a resonance plate whose input impedance changes in accordance with a living body signal. Any type of resonator that can be used as a radiator can be applied to the resonator 100, and a planar resonator is preferably applicable. The resonator 100 can be measured at a distance of less than 50 mm from the subject of the biological signal measurement. The resonator 100 is used as a near-field radiator or as a series re-circulating element of an oscillator. The frequency change of the voltage controlled oscillator 200 corresponding to the input impedance change of the resonator 100 is changed to the voltage signal by the phase locked loop 300 (PLL). The resonator 100 is preferably a resonator having a low quality factor, but a low quality factor can lead to a large frequency deviation. Therefore, the bio-signal measurement sensor of the present invention has advantages of PLL (Phase Locked Loop), narrow gain of voltage-controlled oscillation, and wide variable range. Therefore, the conventional bio-signal measurement sensor including the SAW filter, RF detector and free oscillator The detection distance and the long-time frequency stability characteristics can be improved.

한편, 공진기(100)는 전압제어 발진기(200)의 스위칭 소자인 트랜지스터의 베이스(B) 부분에 연결된다. 트랜지스터의 베이스(B)에 입력되는 임피던스를 조절하면 전압제어 발진기의 발진 조건을 만족시킬 수 있다. On the other hand, the resonator 100 is connected to the base (B) portion of the transistor which is the switching element of the voltage controlled oscillator 200. Adjusting the impedance input to the base (B) of the transistor can satisfy the oscillation condition of the voltage controlled oscillator.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 생체신호 측정센서의 공진기의 구조의 예를 나타낸 것이다. 도 4를 참조하면, 공진기(100)는 가로 및 세로 각각 반경 22.5 mm의 크기를 가지며, 두께 0.787mm, 2.2의 상대유전율, 0.0009의 손실 탄젠트 계수를 가지는 기판으로 제작된다. 전체 크기는 55mm*55mm이며, 원하는 품질 계수를 얻기 위해 중심에서 12.5mm 떨어진 지점에서 능동 회로인 전압제어 발진기와 연결되는 수직 비아(via)를 가지고 있다. 공진기의 크기로부터 예측되어지는 근접전계 범위는 103mm 이내이다. 본 발명의 실시예에서 사용한 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역의 2.4 GHz의 파장에 의해 결정된 값이다. ISM 대역은 산업, 과학, 의료용 기기에서 사용 가능한 주파수 대역이며, 2.4 GHz ~ 2.48 GHz 대역을 포함한다. 이러한 ISM 대역은 정부로부터 별도의 주파수 사용허가를 받지 않고 무료로 사용할 수 있다. 안테나의 특성을 가지는 공진기는 근접된 거리 내에 인체가 존재할 경우 사람의 호흡 또는 맥박에 의해 이격 거리 변경으로 평판형 공진기의 입력 임피던스가 변화된다. 예컨대, 공진기가 생체신호 검출대상(인체)와 근거리(50 mm 이내)에 위치하는 경우, 호흡활동에 의한 인체의 주기적인 움직임은 공진기와 검출대상 사이에 추가적인 커패시터 성분을 발생시킨다. 이러한 추가적인 커패시터 성분은 공진기의 입력 임피던스의 변화를 유도하게 되며, 이러한 입력 임피던스의 변화는 전압제어 발진기의 발진 주파수의 주파수 천이(편이)를 발생시킨다. 4 shows an example of the structure of a resonator of a bio-signal measurement sensor according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the resonator 100 has a width of 22.5 mm and a thickness of 0.787 mm, a relative permittivity of 2.2, and a loss tangent coefficient of 0.0009. The overall size is 55mm * 55mm and has vertical vias connected to the voltage-controlled oscillator, which is the active circuit, at a distance of 12.5mm from the center to achieve the desired quality factor. The range of the near field estimated from the size of the resonator is within 103 mm. Is a value determined by the 2.4 GHz wavelength of the Industrial Scientific Medical (ISM) band used in the embodiment of the present invention. The ISM band is a frequency band that is available in industrial, scientific, and medical devices and includes the 2.4 GHz to 2.48 GHz band. These ISM bands can be used free of charge from the government without separate frequency licenses. When a human body exists in a proximity distance, a resonator having characteristics of an antenna changes the input impedance of the planar resonator due to a change in the separation distance due to human respiration or pulse. For example, when the resonator is located near (within 50 mm) from the object to be detected (human body), the periodic movement of the human body due to respiratory activity generates an additional capacitor component between the resonator and the detection object. This additional capacitor component leads to a change in the input impedance of the resonator, and this change in input impedance causes a frequency transition (deviation) of the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator.

도 5는 공진기 및 능동회로층으로 이루어진 발진 모듈(A)의 단면도를 도시한 그림으로서, 공진기의 하부에는 전압제어 발진기의 능동회로부가 설계된 능동회로층(200')이 적층되어 있다. 공진기의 비아(110)를 통해 입력 임피던스가 능동회로층(200')에 형성된 전압제어 발진기(200)에 제공된다. 이때, 공진기의 입력 임피던스의 전송 선로는 마이크로 스트립 라인(microstrip line) 등으로 구현될 수 있다.
5 is a cross-sectional view of an oscillation module A including a resonator and an active circuit layer. In the lower portion of the resonator, an active circuit layer 200 'designed as an active circuit portion of a voltage-controlled oscillator is stacked. An input impedance is provided to the voltage controlled oscillator 200 formed in the active circuit layer 200 'through the via 110 of the resonator. At this time, the transmission line of the input impedance of the resonator may be implemented as a microstrip line or the like.

위상고정루프(300;PLL;Phase Locked loop)는 공진기의 입력 임피던스의 변화에 의해 주파수 천이되는 발진 주파수를 입력받아 미리 설정된 기준 주파수와의 위상차에 비례하는 전압값인 루프제어전압을 피드백한다. 즉, 전압제어 발진기(200)에서 발진되는 발진주파수를 피드백받아, 미리 설정된 기준 주파수와의 위상차와 비교하여 이에 비례하는 루프제어전압을 출력한다. 위상고정루프(300;PLL)는 주파수 분배기(310;Frequency Divider), 위상 주파수 검출기(320;PFD;Phase Frequency Detector), 루프 필터(330;LP;Loop Filter)로 이루어진다. 주파수 분배기(310;Frequency Divider)는 전압제어 발진기(200)로부터 입력되는 발진 주파수를 기준 주파수와 동일한 주파수로 변환하며, 위상 주파수 검출기(320;PFD)는 주파수 분배된 발진 주파수와 기준 주파수를 비교하여 위상차에 비례하는 전압을 출력하고, 루프 필터(330;LP)는 위상 주파수 검출기(320;PFD)에서 출력되는 성분에서 노이즈를 제거하고 DC 성분만을 루프제어전압으로 출력한다.
A PLL (Phase Locked Loop) 300 receives an oscillation frequency that is frequency-shifted by a change in input impedance of a resonator, and feeds back a loop control voltage that is a voltage value proportional to a phase difference with a predetermined reference frequency. That is, the oscillation frequency oscillated by the voltage-controlled oscillator 200 is fed back and compared with a preset phase difference to output a loop control voltage proportional thereto. The PLL 300 includes a frequency divider 310, a phase-frequency detector 320, and a loop filter 330. The phase-locked loop 300 includes a frequency divider 310, a phase-frequency detector 320, and a loop filter 330. The frequency divider 310 converts the oscillation frequency input from the voltage controlled oscillator 200 to a frequency equal to the reference frequency, and the PFD 320 compares the frequency-divided oscillation frequency with a reference frequency The loop filter 330 (LP) removes noise from the component output from the phase frequency detector 320 (PFD) 320 and outputs only the DC component as the loop control voltage.

전압제어 발진기(200)는, 공진기(100)의 입력 임피던스에 따라서 발진 주파수를 출력한다. 전압제어 발진기(200)의 발진주파수의 편이를 나타낸 도 6의 그래프를 참조하면, ω0는 발진주파수를 나타내고, ω1 및 ω2는 편이된 발진주파수를 나타낸다. 예를 들면, 인체가 호흡하는 과정에서 숨을 들이쉬면 발진주파수의 편이가 ω1 방향으로 발생하고, 숨을 내쉬면 발진주파수의 편이가 ω2 방향으로 발생하게 된다. 한편, 전압제어 발진기는 발진 주파수를 출력할 때, 위상고정루프(PLL)로부터 피드백되는 루프제어전압에 비례하는 주파수를 발진 주파수로 하여 출력한다. 루프제어전압에 따라 L-C 공진의 캐패시턴스 값을 변화시켜 미리 설정한 주파수 범위 내의 발진 주파수를 출력할 수 있다. 따라서 공진기의 입력 임피던스 변화에 대해 주파수 천이된 출력 주파수를 항시 원하는 주파수 출력으로 보정할 수 있다. 전압제어 발진기에 대하여 도 7과 함께 상술한다.The voltage-controlled oscillator 200 outputs the oscillation frequency in accordance with the input impedance of the resonator 100. 6 showing the shift of the oscillation frequency of the voltage-controlled oscillator 200,? 0 represents the oscillation frequency, and? 1 and? 2 represent the shifted oscillation frequency. For example, when the human body breathed in the process of breathing, the oscillation frequency shift occurs in the direction of? 1, and when the breath is extinguished, the oscillation frequency shift occurs in the? 2 direction. On the other hand, when outputting the oscillation frequency, the voltage controlled oscillator outputs a frequency proportional to the loop control voltage fed back from the phase locked loop (PLL) as the oscillation frequency. The oscillation frequency within a preset frequency range can be outputted by changing the capacitance value of the LC resonance according to the loop control voltage. Therefore, the frequency-shifted output frequency can be always corrected to the desired frequency output with respect to the input impedance change of the resonator. The voltage-controlled oscillator will be described in detail with reference to Fig.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 공진기의 입력 임피던스를 입력받아 발진을 수행하는 전압제어 발진기의 회로도를 도시한 그림이다.7 is a circuit diagram of a voltage-controlled oscillator that receives an input impedance of a resonator according to an embodiment of the present invention and performs oscillation.

전압제어 발진기(200)는 공진기의 입력 임피던스의 변화 및 상기 L-C 공진에 의한 발진 주파수를 출력하는 스위칭 소자(210)와, 루프제어전압에 의해 L-C 공진이 조절되는 L-C 공진부(220)를 포함한다. 이밖에 스위칭 소자(210)의 제어단과 공진기(100) 사이에 위치하는 제1커패시터(C1)는 DC 차단용으로 사용될 뿐만 아니라 위상의 0도를 가로지르는 주파수를 조정하는데 사용된다. 또한 위상고정루프(300:PLL)로부터의 피드백 신호선에 위치하는 제2인덕터(L2)는 위상고정루프의 루프 필터(330)으로부터의 루프제어전압을 배렉터 다이오드(Cv)에 전달한다.The voltage controlled oscillator 200 includes a switching device 210 for outputting a change in input impedance of the resonator and an oscillation frequency by the LC resonance and an LC resonance unit 220 for adjusting LC resonance by a loop control voltage . In addition, the first capacitor C1 located between the control terminal of the switching element 210 and the resonator 100 is used not only for DC blocking but also for adjusting the frequency across the zero degree of phase. The second inductor L2 located in the feedback signal line from the phase locked loop 300 (PLL) transfers the loop control voltage from the loop filter 330 of the phase locked loop to the collector diode Cv.

스위칭 소자(210)는, 공진기(100)의 입력 임피던스의 변화에 따른 발진 제어 신호를 입력받는 제어단과, L-C 공진부에 연결되는 입력단과, 공진기의 입력 임피던스의 변화 및 L-C 공진에 의한 발진 주파수를 출력하는 출력단을 포함한다. 이러한 스위칭 소자는 다양한 스위칭 소자로 구현할 수 있는데, 예컨대, 도 7에 도시한 바와 같이 스위칭 소자가 NPN형 트랜지스터로 구현되는 경우, 공진기의 입력 임피던스의 변화에 따른 발진 제어 신호를 입력받는 제어단을 베이스(B)로 하고, L-C 공진부(220)에 연결되는 입력단을 이미터(E)로 하고, 공진기(100)의 입력 임피던스의 변화 및 L-C 공진에 의한 발진 주파수를 출력하는 출력단을 컬렉터(C)로 구현할 수 있다. 이밖에 컬렉터를 입력단으로 하고 베이스를 제어단으로 하고 이미터를 출력단으로 하는 PNP형 트랜지스터로 구현할 수 있을 것이다.The switching element 210 includes a control end receiving an oscillation control signal according to a change in input impedance of the resonator 100, an input connected to the LC resonance portion, a change in input impedance of the resonator, and an oscillation frequency due to LC resonance Output terminal. For example, as shown in FIG. 7, when the switching element is implemented as an NPN transistor, the control terminal receiving the oscillation control signal according to the change of the input impedance of the resonator is called a base An input terminal connected to the LC resonance unit 220 is an emitter E and an output terminal for outputting a change in input impedance of the resonator 100 and an oscillation frequency due to LC resonance is connected to the collector C, . In addition, a PNP transistor can be realized in which the collector is the input terminal, the base is the control terminal, and the emitter is the output terminal.

L-C 공진부(220)는, 위상고정루프로부터의 루프제어전압에 의해 L-C 공진이 조절되는데, 소자에 인가되는 전압에 따라 캐패시턴스 값이 변화되는 배렉터 다이오드(Cv)를 이용하여 L-C 공진에 사용되는 캐패시턴스 값을 가변시킨다. 따라서 루프제어전압을 배렉터 다이오드(Cv)에 인가되도록 하여 인가되는 루프제어전압의 크기에 따라서 L-C 공진에 사용되는 캐패시턴스의 값이 가변되도록 한다.The LC resonance unit 220 adjusts the LC resonance by the loop control voltage from the phase locked loop. The LC resonance unit 220 uses the collector diode Cv whose capacitance value changes according to the voltage applied to the device, Thereby varying the capacitance value. Accordingly, the loop control voltage is applied to the collector diode Cv so that the value of the capacitance used for the L-C resonance varies depending on the magnitude of the loop control voltage applied.

L-C 공진부(220)는, 스위칭 소자의 출력단(E)과 접지 사이에 연결되는 제1인덕터(L1)와, 상기 스위칭 소자의 출력단(E)과 제1인덕터(L1)의 노드에 일단이 연결되는 고정 캐패시턴스를 가지는 고정 커패시터(C2)와, 상기 고정 커패시터(C2)의 타단과 접지 사이에 연결되어 가변 캐패시턴스를 가지는 배렉터 다이오드(Cv)와, 고정 커패시터(C2)와 배렉터 다이오드(Cv) 사이의 노드에 연결되어 루프제어전압을 인가하는 피드백 신호선을 포함한다. 고정 커패시터(C2)의 고정 캐패시턴스와 배렉터 다이오드에 의한 가변 캐패시턴스(Cv)로 이루어진 전체 캐패시턴스가 L-C 공진 시에 캐패시턴스로 사용되며, 제1인덕터(L1)의 인덕턴스가 L-C 공진 시에 인덕턴스로 사용되어 공진을 일으키며 이에 따른 공진 주파수를 가지는 발진 주파수가 발생될 수 있다.The LC resonance unit 220 includes a first inductor L1 connected between the output terminal E of the switching element and the ground and one end connected to the node of the output terminal E of the switching element and the first inductor L1 A collector diode Cv having a variable capacitance connected between the other end of the fixed capacitor C2 and the ground and a fixed capacitor C2 and a collector diode Cv having a fixed capacitance, And a feedback signal line connected to the node between the node and the node to apply the loop control voltage. The total capacitance consisting of the fixed capacitance of the fixed capacitor C2 and the variable capacitance Cv by the collector diode is used as the capacitance at the LC resonance and the inductance of the first inductor L1 is used as the inductance at the LC resonance An oscillation frequency having a resonance frequency corresponding to the resonance frequency can be generated.

위상고정루프(300;PLL)에 의한 루프제어전압이 인가없는 상태에서는 도 8에 도시한 바와 같이 2.4GHz의 발진 주파수가 출력되나, 배렉터 다이오드에 인가되는 전압에 따라 발진 주파수(Oscillation Frequency)는 도 9와 같이 변경되며, 주파수 가변 변위는 80MHz이다. 도 9를 참조하면, 배렉터 다이오드에 인가되는 전압(이하, '배렉터 제어 전압', 'varactor control voltage'이라 함)과 발진 주파수(oscillation frequency)는 비례하는 것을 알 수 있다. 예컨대, 배렉터 제어 전압(varactor control voltage)이 크게 되면 배렉터 다이오드에 의한 캐패시턴스는 작아지며, 이에 따라 L-C 공진값이 작아지게 되어 발진 주파수(oscillation frequency)가 커진다. 반대로, 배렉터 제어 전압이 작아지면 배렉터 다이오드에 의한 캐패시턴스는 커지며, 이에 따라 L-C 공진값이 커지게 되어 발진 주파수가 작아지게 된다. 따라서 발진 주파수와 기준 주파수 신호간의 위상차가 커서 루프제어전압이 커지면, 이를 피드백 받은 전압제어발진기는 발진 주파수를 크게 하여 위상차를 작게할 수 있다. 8, the oscillation frequency of 2.4 GHz is output when the loop control voltage is not applied by the PLL 300. However, the oscillation frequency of the PLL varies depending on the voltage applied to the collector diode 9, and the frequency variable displacement is 80 MHz. Referring to FIG. 9, it can be seen that the voltage applied to the collector diode (hereinafter referred to as collector control voltage, varactor control voltage) and the oscillation frequency are proportional to each other. For example, when the varactor control voltage is increased, the capacitance due to the collector diode is reduced, and thus the L-C resonance value becomes smaller and the oscillation frequency becomes larger. On the contrary, when the collector control voltage becomes smaller, the capacitance due to the collector diode becomes larger, and accordingly, the L-C resonance value becomes larger, and the oscillation frequency becomes smaller. Therefore, if the phase difference between the oscillation frequency and the reference frequency signal is large and the loop control voltage becomes large, the voltage controlled oscillator that receives the feedback control signal can increase the oscillation frequency and reduce the phase difference.

한편, 신호 처리기(500;DSP)는 루프제어전압을 제공받아 이를 호흡신호 및 맥박신호로서 출력한다. 즉, 루프제어전압을 주파수 영역으로 이산 푸리에 변환하여 호홉신호 및 맥박신호로서 출력한다. 루프제어전압은 기준 주파수와 발진 주파수와의 차이값을 시간에 따른 DC 신호 형태로 나타나기 때문에 이를 이산 푸리에 변환하여 주파수 형태로 변환하여 출력하는 것이다. 참고로, 이산 푸리에 변환(discrete fourier transform)은 시간상의 신호 표본들로부터 주파수 상의 스펙트럼 표본을 구하는 경우에 사용할 수 있다.On the other hand, the signal processor 500 receives the loop control voltage and outputs it as a respiration signal and a pulse signal. That is, the loop control voltage is subjected to discrete Fourier transform into the frequency domain and output as a breath signal and a pulse signal. Since the loop control voltage appears in the form of a DC signal according to time, the difference value between the reference frequency and the oscillation frequency is subjected to discrete Fourier transform and converted into a frequency form and output. For reference, a discrete fourier transform can be used to obtain spectral samples on a frequency from signal samples in time.

종래에 SAW 필터와 전력검출기를 사용하는 측정센서(한국등록특허 10-1252740)의 경우, 발진기의 발진 주파수를 직접 대상으로 하여 신호 처리한 후 생체신호로서 출력하였다. 따라서 종래에는 발진 주파수에서 검출된 전력 크기를 주파수로 푸리에 변환한 후, 0.45Hz에서 피크값을 가지는 신호를 분리하고 1.1Hz에서 피크값을 가지는 신호를 분리하여, 각각 호흡신호와 맥박신호로 하여 이를 다시 각각 역푸리에 변환하여 시간 영역으로 출력하였다. 따라서 종래의 SAW 필터와 전력검출기를 사용하는 측정센서의 경우에는 푸리에 변환부, 필터부, 역푸리에 변환부를 필요로 하였다.Conventionally, in the case of a measurement sensor using a SAW filter and a power detector (Korean Patent No. 10-1252740), the oscillation frequency of the oscillator is directly subjected to signal processing and then output as a living body signal. Therefore, conventionally, after the power magnitude detected at the oscillation frequency is Fourier-transformed by frequency, a signal having a peak value at 0.45 Hz is separated, a signal having a peak value at 1.1 Hz is separated, And then output to the time domain by inverse Fourier transform. Therefore, in the case of a conventional sensor using a SAW filter and a power detector, a Fourier transform unit, a filter unit, and an inverse Fourier transform unit are required.

이에 반해 본 발명의 실시예에 따른 신호 처리기(500)는 발진 주파수가 아닌 발진 주파수와 기준 주파수와의 차이값인 DC 형태의 루프제어전압을 이용하여 푸리에 변환만 하여 출력한다. 차이값인 루프제어전압을 직접 대상으로 하기 때문에 별도의 분리 필터링없이도 호흡신호 및 맥박신호를 구분할 수 있다. On the other hand, the signal processor 500 according to the embodiment of the present invention outputs only the Fourier transform using a DC control loop control voltage which is a difference value between the oscillation frequency and the reference frequency, not the oscillation frequency. Since the loop control voltage, which is a difference value, is directly targeted, it is possible to distinguish the respiration signal and the pulse signal without separate separation filtering.

참고로, 공진기 앞에 생명체가 있지 않은 경우에는 공진기의 입력 임피던스의 변화가 없어 발진 주파수의 천이가 발생되지 않게 되어, 루프제어전압은 항상 일정하다. 그러나 공진기 앞에 사람 등의 생명체가 위치하는 경우, 생명체의 심장에 의한 심장박동이나 호흡에 의한 흉부 떨림에 의하여 공진기의 입력 임피던스가 지속적으로 변화하게 된다. 이러한 입력 임피던스 변화에 의한 발진 주파수의 값을 기준 주파수와 비교한 루프제어전압의 값이 변하게 되어 이를 신호처리하는 것이다.
For reference, when there is no creature in front of the resonator, there is no change in the input impedance of the resonator, so that the transition of the oscillation frequency does not occur, and the loop control voltage is always constant. However, if a person such as a human being is located in front of the resonator, the input impedance of the resonator continuously changes due to heartbeat caused by the heart of the living body or chest tremor caused by breathing. The value of the loop control voltage, which is obtained by comparing the value of the oscillation frequency due to the change of the input impedance with the reference frequency, is changed and the signal is processed.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 실험 결과를 설명한다.Hereinafter, experimental results according to an embodiment of the present invention will be described.

VCO의 주파수 천이는 주로 인체의 특성(유전율과 도전율)과 결합된 공진기에 의해 결정된다. 이는 공진기와 인체 사이의 거리의 함수이다. 인체와 관련된 공진기의 입력임피던스의 변화에 대한 정확한 모델링을 위해, 공진기를 3 차원 구조의 인체 모델의 전면에 위치 시켰다. 인체 모델은 직물 (옷), 피부, 지방, 근육 부분으로 구성되어 있다. 공진기의 입력임피던스는 공진과 공진이 아닌 부분의 복소 성분으로 표현된다. 입력 임피던스의 실수부와 허수부는 이격 거리의 함수로서 변화된다. 인체모델과의 이격거리에 영향을 받는 전압제어발진기(VCO)의 특성을 정량화하기 전에 발진 시작이 이루어질 수 있는 하기의 조건을 만족하여야 한다.The frequency shift of the VCO is mainly determined by the resonator coupled with the characteristics of the human body (permittivity and conductivity). This is a function of the distance between the resonator and the human body. In order to precisely model the change of the input impedance of the human body related resonator, the resonator is placed in front of the human body model of the three dimensional structure. The human body model is composed of cloth (clothes), skin, fat, and muscular parts. The input impedance of the resonator is expressed as the complex component of the resonance and non-resonance part. The real and imaginary parts of the input impedance are varied as a function of the separation distance. Before quantifying the characteristics of a voltage controlled oscillator (VCO) that is affected by the separation from the human body, the following conditions must be met that can initiate oscillation.

RR + RIN < 0,R is R + R IN < 0,

XR - XIn = 0X R - X In = 0

상기에서 스위칭소자의 트랜지스터의 베이스단자로 보았을 때의 임피던스인 입력 임피던스 ZIN = RIN+jXIN, 공진기의 입력 임피던스는 ZR = RR+jXR로 표현될 수 있다.The input impedance Z IN = R IN + jX IN , which is the impedance when viewed as the base terminal of the transistor of the switching element, is Z R = R R + jX R.

발진 주파수(oscillation frequency) 및 이격 거리(separation distance)에 따른 주파수 편차를 도 10에 나타내었다. 주파수 편차는 최소 0.07 MHz/mm 에서 최대 1.8 MHz/mm이다. 전압제어발진기(VCO)의 평균 이득 8.8 MHz/V을 고려하였을 경우, 주파수 편차는 전압으로 6.8 mV/mm 에서 205 mV/mm로 나타날 것이다. 따라서, 이는 인체로부터 최대 이격 거리 50 mm까지 측정하는데 문제가 없다.FIG. 10 shows the frequency deviation according to the oscillation frequency and the separation distance. The frequency deviation is at least 0.07 MHz / mm up to 1.8 MHz / mm. Considering an average gain of 8.8 MHz / V for a voltage controlled oscillator (VCO), the frequency deviation will appear as a voltage of 6.8 mV / mm to 205 mV / mm. Therefore, it has no problem to measure up to 50 mm from the human body.

한편, 센서는 도 7 및 도 11이 연결된 구조이며, 도 12의 테이블에 따른 파라미터로 하여 실험을 하면, 센서 전면에 사람이 없을 때 PLL은 정상상태를 유지하고 있으며, 전압 제어 발진기의 출력 주파수는 기준 주파수 75 MHz 대비 32 배 된 2.4 GHz를 나타내며, 루프제어전압은 약 4.5 V 근처의 전압을 출력한다. 반면, 정상적인 호흡을 하는 사람이 공진기 근처로 다가감에 따라, 전압 제어 발진기의 출력 주파수는 사람이 없는 경우 대비 호흡/맥박에 따라서 수 백 kHz 위/아래로 움직이며, 위상/주파수 검출기의 차는 증대된다. 이는 곧 루프 필터의 전압을 흉부 운동에 따라 높은/낮은 전압으로 출력하며, 항시 전압 제어 발진기의 출력을 2.4 GHz로 고정 되게 한다.
7 and FIG. 11 are connected. When the experiment is performed using the parameters according to the table of FIG. 12, the PLL maintains a steady state when there is no human on the sensor surface, and the output frequency of the voltage- The reference frequency is 2.4 GHz, which is 32 times the frequency of 75 MHz, and the loop control voltage outputs a voltage around 4.5 V. On the other hand, as a normal respirator approaches the resonator, the output frequency of the voltage-controlled oscillator moves up and down several hundreds of kHz depending on the contrast breath / pulse in the absence of a person, do. This outputs the voltage of the loop filter at a high / low voltage according to the chest motion, and always keeps the output of the voltage controlled oscillator at 2.4 GHz.

한편, 도 13(a)는 호흡(respiration) 및 맥박(pulse)을 포함하는 시간축 신호이다. 호흡 및 맥박 신호는 로(raw) 데이터로부터 추출할 수 있다. 데이터 중 맥박 신호는 도 13(c)에 보이는 것처럼 대역통과 필터링 후 획득되었으며, 도 13(d)의 기준 신호와 잘 맞는것을 알 수 있다.On the other hand, Fig. 13 (a) is a time-base signal including respiration and pulse. Respiration and pulse signals can be extracted from raw data. The pulse signal in the data is obtained after band-pass filtering as shown in FIG. 13 (c), and it is found that the pulse signal satisfies the reference signal of FIG. 13 (d).

한편, 도 14는 이격 거리에 따라 측정된 호흡 및 맥박신호를 정규화(normalized)하여 나타낸 그래프이다. 도 14(a)는 핑거 센서에 의해 직접 측정한 맥박 신호를 나타내며, 도 14(b) 내지 도 14(f)는 본 발명의 실시예에 따른 측정센서를 통해 특정한 호흡 신호 및 맥박신호를 나타낸 것이다. 도 14(b)는 인체의 전면에서 10mm 이격 거리를 두고 측정한 신호 그래프이며, 도 14(c)는 인체의 전면에서 20mm 이격 거리를 두고 측정한 신호 그래프이며, 도 14(d)는 인체의 전면에서 50mm 이격 거리를 두고 측정한 신호그래프이며, 도 14(e)는 인체의 후면에서 30mm 이격 거리를 두고 측정한 신호 그래프이며, 도 14(f)는 인체의 후면에서 50mm 이격 거리를 두고 측정한 신호 그래프이다.14 is a graph showing normalized respiration and pulse signals measured according to the separation distance. 14 (a) shows a pulse signal directly measured by a finger sensor, and FIGS. 14 (b) to 14 (f) show specific respiration signals and pulse signals through a measurement sensor according to an embodiment of the present invention . FIG. 14 (b) is a signal graph measured at a distance of 10 mm from the front of the human body, FIG. 14 (c) is a signal graph measured at a distance of 20 mm from the front of the human body, FIG. 14 (e) is a signal graph measured at a distance of 30 mm from the rear of the human body, and FIG. 14 (f) is a graph showing a distance of 50 mm from the back of the human body It is a signal graph.

도 14의 결과를 정리해보면, 핑거센서로부터 측정된 맥박 신호는 61.8 beats/min을 나타내었으며, 본 발명의 측정센서로부터 측정된 모든 데이터(전면, 후면, 최대 50 mm까지)와 잘 일치하는 것을 알 수 있다. 전면 측정에서 호흡의 크기는 맥박보다 2배 정도 크게 나타난 반면, 후면 측정에서는 거의 동일하게 나타났다. 전면에서의 호흡 신호의 크기는 266 mV에서 98 mV까지 거리에 따라 감소한다. 이때, 호흡 신호의 체배 성분들은 맥박 신호 주파수 영역에 겹칠 수가 있으며, 그러한 경우 이들을 분리하기 위해서 고도의 신호처리 방식이나 측정 개념이 도입되어야 한다. 본 발명에서 측정 결과는 겹침 현상이 없이 깨끗하게 처리될 수 있다. 반면, 후면 측정에 있어서는 오히려 맥박의 크기가 호흡보다 크게 나타난다. 이는 호흡 운동의 전면쪽으로 많이 향하는 반면, 심장박동은 전체 영역으로 확장/수축함을 알 수 있다. 위의 결과로부터 PLL을 기본으로 하는 비접촉식 생체신호는 다른 센서들에 비해서 우수한 성능을 나타냄을 알 수 있다.
14, the pulse signal measured from the finger sensor was 61.8 beats / min, and it was confirmed that all the data measured from the measurement sensor of the present invention (front, back, up to 50 mm) . In the frontal measurement, the size of the respiration was twice as large as the pulse, whereas in the rear measurement it was almost the same. The size of the respiratory signal from the front decreases with distance from 266 mV to 98 mV. At this time, the multiplication components of the respiration signal may overlap the pulse signal frequency region, and in such a case, a high-level signal processing method or measurement concept must be introduced to separate them. In the present invention, the measurement results can be cleanly processed without overlapping. On the other hand, the size of the pulse is larger than the respiration in the backside measurement. This leads to the frontal side of the respiratory movement, while the heartbeat expands / shrinks to the entire area. From the above results, it can be seen that the non-contact bio-signal based on PLL exhibits superior performance to other sensors.

본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.Although the present invention has been described with reference to the accompanying drawings and the preferred embodiments described above, the present invention is not limited thereto but is limited by the following claims. Accordingly, those skilled in the art will appreciate that various modifications and changes may be made thereto without departing from the spirit of the following claims.

100:공진기 200:전압제어발진기
210:스위칭 소자 220:L-C 공진부
300:위상고정루프 310:주파수 분배기
320:위상주파수 검출기 330:루프 필터
400:증폭기 500:신호처리기
100: resonator 200: voltage-controlled oscillator
210: switching element 220: LC resonance part
300: phase locked loop 310: frequency divider
320: phase frequency detector 330: loop filter
400: amplifier 500: signal processor

Claims (9)

생체신호에 대응하여 입력 임피던스가 변화되는 공진기;
상기 공진기의 입력 임피던스의 변화에 의해 주파수 천이되는 발진 주파수를 입력받아 미리 설정된 기준 주파수와의 위상차에 비례하는 전압값인 루프제어전압을 피드백하는 위상고정루프;
상기 피드백되는 루프제어전압에 따라 L-C 공진의 캐패시턴스 값을 변화시켜 미리 설정한 주파수 범위 내의 발진 주파수를 출력하는 전압제어 발진기;
상기 루프제어전압을 이용하여 호흡신호 및 맥박신호로서 출력하는 신호 처리기;
를 포함하는 생체신호 측정센서.
A resonator in which an input impedance is changed corresponding to a biological signal;
A phase locked loop that receives an oscillation frequency that is frequency-shifted by a change in input impedance of the resonator and feeds back a loop control voltage that is a voltage value proportional to a phase difference with a preset reference frequency;
A voltage controlled oscillator for varying a capacitance value of the LC resonance according to the feedback loop control voltage and outputting an oscillation frequency within a preset frequency range;
A signal processor for outputting a respiration signal and a pulse signal using the loop control voltage;
And a sensor for measuring a biological signal.
청구항 1에 있어서, 상기 전압 제어 발진기는,
상기 루프제어전압에 의해 L-C 공진이 조절되는 L-C 공진부;
상기 공진기의 입력 임피던스의 변화에 따른 발진 제어 신호를 입력받는 제어단과, 상기 L-C 공진부에 연결되는 입력단과, 상기 공진기의 입력 임피던스의 변화 및 상기 L-C 공진에 의한 발진 주파수를 출력하는 출력단을 포함하는 스위칭 소자;
를 포함하는 생체신호 측정센서.
The voltage controlled oscillator according to claim 1,
An LC resonance part whose LC resonance is controlled by the loop control voltage;
A control terminal receiving an oscillation control signal according to a change in input impedance of the resonator, an input connected to the LC resonance unit, and an output terminal outputting a change in input impedance of the resonance and an oscillation frequency due to the LC resonance A switching element;
And a sensor for measuring a biological signal.
청구항 2에 있어서, 상기 스위칭 소자는,
입력단인 이미터와 제어단인 베이스와 출력단인 컬렉터를 포함하는 NPN형 트랜지스터, 또는 입력단인 컬렉터와 제어단인 베이스와 출력단인 이미터를 포함하는 NPN형 트랜지스터임을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
The semiconductor memory device according to claim 2,
Wherein the NPN transistor is an NPN transistor including an emitter, an input terminal, a base, and an output collector, or an NPN transistor including an emitter as a base and an output terminal as a collector and an input terminal.
청구항 2에 있어서, 상기 L-C 공진부는,
소자에 인가되는 전압에 따라 캐패시턴스 값이 변화되는 배렉터 다이오드를 이용하여 상기 L-C 공진에 사용되는 캐패시턴스 값을 가변시키는 생체신호 측정센서.
The LC resonator according to claim 2,
And a capacitance value used for the LC resonance is varied by using a collector diode whose capacitance value is changed according to a voltage applied to the device.
청구항 4에 있어서, 상기 루프제어전압을 배렉터 다이오드에 인가되도록 하여, 루프제어전압에 따라서 L-C 공진에 사용되는 캐패시턴스 값이 가변되는 생체신호 측정센서.
5. The bio-signal measurement sensor according to claim 4, wherein the loop control voltage is applied to the collector diode, and the capacitance value used for the LC resonance is varied according to the loop control voltage.
청구항 2에 있어서, 상기 L-C 공진부는,
상기 출력단과 접지 사이에 연결되는 인덕터;
상기 출력단과 인덕터의 노드에 일단이 연결되는 고정 캐패시턴스를 가지는 고정 커패시터;
상기 고정 커패시터의 타단과 접지 사이에 연결되어 가변 캐패시턴스를 가지는 배렉터 다이오드;
상기 고정 커패시터와 배렉터 다이오드 사이의 노드에 연결되어 상기 루프제어전압을 인가하는 피드백 신호선;
을 포함하는 생체신호 측정센서.
The LC resonator according to claim 2,
An inductor connected between the output terminal and ground;
A fixed capacitor having a fixed capacitance whose one end is connected to the node of the output terminal and the inductor;
A collector diode connected between the other end of the fixed capacitor and the ground and having a variable capacitance;
A feedback signal line connected to a node between the fixed capacitor and the collector diode to apply the loop control voltage;
And a sensor for measuring a biological signal.
청구항 6에 있어서, 상기 신호 처리기는,
상기 루프제어전압을 주파수 영역으로 이산 푸리에 변환하여 호흡신호 및 맥박신호로서 출력함을 특징으로 하는 생체신호 측정센서.
The signal processing apparatus according to claim 6,
Wherein the loop control voltage is subjected to discrete Fourier transform into a frequency domain and output as a respiration signal and a pulse signal.
생체신호에 대응하는 입력 임피던스의 변화에 의해 주파수 천이되는 발진주파수를 입력받아 미리 설정된 기준 주파수와의 위상차에 비례하는 전압값인 루프제어전압을 피드백하는 과정;
상기 피드백되는 루프제어전압에 따라 L-C 공진의 캐패시턴스 값을 변화시켜 미리 설정한 주파수 범위 내의 발진 주파수를 출력하는 과정;
상기 루프제어전압을 이용하여 호흡신호 및 맥박신호로서 출력하는 과정;
상기 출력되는 호흡신호 및 맥박신호를 디스플레이하는 과정;
을 포함하는 생체신호 측정 방법.
Feeding back a loop control voltage, which is a voltage value proportional to a phase difference with a predetermined reference frequency, from an oscillation frequency that is frequency-shifted by a change in input impedance corresponding to a biological signal;
Outputting an oscillation frequency within a preset frequency range by varying the capacitance value of the LC resonance according to the feedback loop control voltage;
Outputting a respiration signal and a pulse signal using the loop control voltage;
Displaying the output of the respiration signal and pulse signal;
Wherein the bio-signal measurement method comprises the steps of:
청구항 8에 있어서, 인가되는 전압에 따라 캐패시턴스 값이 변화하는 배렉터 다이오드를 이용하여 상기 L-C 공진의 캐패시턴스 값을 가변시켜 발진 주파수의 값을 조절하며, 상기 루프제어전압을 배렉터 다이오드에 인가되도록 하여 루프제어전압이 커지면 발진 주파수의 값을 작게 하며, 루프제어전압이 작아지면 발진주파수의 값이 커지도록 하는 생체신호 측정 방법.

9. The method of claim 8, further comprising: varying a capacitance value of the LC resonance by using a collector diode whose capacitance value changes according to an applied voltage, adjusting a value of an oscillation frequency, and applying the loop control voltage to a collector diode The oscillation frequency value is decreased when the loop control voltage is increased and the oscillation frequency value is increased when the loop control voltage is decreased.

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