KR102199878B1 - apparatus for ultra-precision high-resolution bio-signal measuring and method using it - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 측정 정밀도를 가지며 에너지 효율이 향상된 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치는,
전기가 도통하는 다수의 전극과 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하는 센서부; 및, 상기 센서부에 가변 전류를 공급하여 공급된 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 상기 가변 전류를 고정시켜서 상기 센서부로 재공급하는 구동 제어부를 포함한다.The present invention relates to an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus and method having high measurement accuracy and improved energy efficiency,
An ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention,
A sensor unit that measures a biosignal by measuring a change in capacitance between a plurality of electrodes through which electricity is conducted and the plurality of electrodes; And, when the output voltage is greater than or equal to the reference voltage by supplying a variable current to the sensor unit and comparing the output voltage output by the supplied variable current to a reference voltage, driving to fix the variable current and supply it again to the sensor unit. It includes a control unit.
Description
본 발명은 생체신호 측정장치 및 측정방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 높은 측정 정밀도를 가지며 에너지 효율이 향상된 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치 및 측정방법에 관한 것이다. The present invention relates to a bio-signal measuring apparatus and a measuring method, and more particularly, to an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus and method having high measurement accuracy and improved energy efficiency.
악성 종양과 같은 질병을 간단한 방법으로 진단하는 바이오 마커는 매우 중요한 기술이다. 이러한 바이오 마커의 검출력을 높이기 위해 최근에는 합성 리셉터를 이용하여 암 징후와 관련 있는 VEGF(vascular endothelial growth factor)와 같은 단백질을 검출하고 정량화하는 방법이 개발되었다. Biomarkers for diagnosing diseases such as malignant tumors with a simple method are very important techniques. In order to increase the detection power of these biomarkers, a method of detecting and quantifying proteins such as vascular endothelial growth factor (VEGF), which is related to cancer symptoms, has been recently developed using synthetic receptors.
여기서 중요한 것은 극미량의 바이오 마커를 얼마나 정밀하게 검출하느냐 하는 것인데, 현재 알려진 전극 간의 저항(resistance) 변화로 혈액 내의 바이오 마커를 검출하는 방법은 저항 변화량이 작아서, 정밀한 검출이 어렵다는 문제가 있다.What is important here is how precisely a very small amount of biomarker is detected, and the currently known method of detecting a biomarker in blood due to a change in resistance between electrodes has a problem in that the amount of resistance change is small, making it difficult to accurately detect.
본 발명은 높은 측정 정밀도를 가지며 에너지 효율이 향상된 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치 및 측정방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus and method with high measurement accuracy and improved energy efficiency.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치는,An ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention,
전기가 도통하는 다수의 전극과 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하는 센서부; 및, 상기 센서부에 가변 전류를 공급하여 공급된 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 상기 가변 전류를 고정시켜서 상기 센서부로 재공급하는 구동 제어부를 포함한다.A sensor unit measuring a biosignal by measuring a change in capacitance between a plurality of electrodes through which electricity is conducted and the plurality of electrodes; And, when the output voltage is greater than or equal to the reference voltage by supplying a variable current to the sensor unit and comparing the output voltage output by the supplied variable current to a reference voltage, driving to fix the variable current and supply it again to the sensor unit. It includes a control unit.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치에 있어서, 상기 구동 제어부는, 상기 센서부에 가변 전류를 공급하는 전류 가변 모듈과, 상기 센서부로 공급된 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 상기 전류 가변 모듈에서 공급되는 전류를 고정시키는 최적 전류 선택 모듈을 포함할 수 있다.In the ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, the driving control unit includes: a current variable module for supplying a variable current to the sensor unit, an output voltage output by the variable current supplied to the sensor unit, and the When the output voltage is greater than or equal to the reference voltage by comparing a reference voltage, an optimum current selection module may be included to fix the current supplied from the current variable module.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치에 있어서, 상기 최적 전류 선택 모듈에 의해 고정된 전류에 의한 상기 센서부의 출력 전압에 대해 정밀 판독을 수행하는 정밀 판독부를 더 포함할 수 있다.In the ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, it may further include a precision reading unit for performing precise reading on the output voltage of the sensor unit by the current fixed by the optimum current selection module.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치에 있어서, 상기 정밀 판독부는 RC-저역 필터와 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터를 포함하며, 출력전압값의 신호정보가 포함되어 있는 DC대역 전압을 제외한 부분은 필터에 의해 상쇄되고, 최종단의 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터를 통하여 출력전압값은 디지털 값으로 변환하는 기능을 수행한다.In the ultra-precise high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, the precision reading unit includes an RC-low-pass filter and a delta-sigma analog-digital modulator, and includes a DC band voltage including signal information of an output voltage value. Excluded parts are canceled by the filter, and the output voltage value is converted into a digital value through the delta-sigma analog-digital modulator at the final stage.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치에 있어서, 상기 센서부는 상기 다수의 전극 표면에 형성되는 수용체를 포함하며, 상기 수용체와 혈액 내의 질병 인자와 반응에 따른 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하며, 상기 수용체는 혈액 속에 포함된 극미량의 바이오 마커와 반응하여 상기 다수의 전극 간의 유전상수를 변화시키는 것을 특징으로 한다.In the ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, the sensor unit includes a receptor formed on the surface of the plurality of electrodes, and a change in capacitance between the receptor and the plurality of electrodes according to a reaction with a disease factor in blood The biosignal is measured by measuring, and the receptor is characterized in that it changes the dielectric constant between the plurality of electrodes by reacting with a very small amount of biomarker contained in the blood.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치에 있어서, 상기 바이오 마커는 VEGF(vascular endothelial growth factor, 혈관내피성장인자)이며, 상기 수용체는 펩타이드(Peptide)인 것을 특징으로 한다.In the ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention, the biomarker is VEGF (vascular endothelial growth factor), and the receptor is a peptide.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법은, An ultra-precise, high-resolution bio-signal measurement method according to an embodiment of the present invention,
전기가 도통하는 다수의 전극과 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하는 센서부에 가변 전류를 공급하는 제1 단계; 상기 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 기준 전압을 비교하는 제2 단계; 상기 비교 결과, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 가변 전류의 크기를 증가시키고, 상기 제1 및 제2 단계를 반복하는 제3 단계; 상기 비교 결과, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 공급 전류의 크기를 고정 전류값으로 설정하고, 상기 센서부로 재공급하는 제4 단계; 상기 재공급된 전류에 의한 출력 전압에 대해 정밀 판독을 수행하는 제5 단계를 포함한다.A first step of supplying a variable current to a sensor unit for measuring a biosignal by measuring a change in capacitance between a plurality of electrodes through which electricity is conducted and the plurality of electrodes; A second step of comparing an output voltage output by the variable current and a reference voltage; A third step of increasing the magnitude of the variable current and repeating the first and second steps when the output voltage is less than the reference voltage as a result of the comparison; A fourth step of setting a supply current to a fixed current value and resupplying it to the sensor unit when the output voltage is greater than or equal to the reference voltage as a result of the comparison; And a fifth step of performing precise reading on the output voltage by the resupplied current.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법에 있어서, 상기 제5 단계는 RC-저역 필터에 의한 고주파대 잡음 필터링과정과 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터에 의한 신호 디지털 변환과정을 통해 정밀한 캐패시턴스 레벨을 판독한다.In the ultra-precise, high-resolution bio-signal measurement method according to an embodiment of the present invention, the fifth step includes a high-frequency noise filtering process by an RC-low-pass filter and a signal digital conversion process by a delta-sigma analog-digital modulator. Read the level.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법에 있어서, 상기 센서부는 상기 다수의 전극 표면에 형성되는 수용체를 포함하며, 상기 수용체와 혈액 내의 질병 인자와 반응에 따른 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하며, 상기 수용체는 혈액 속에 포함된 극미량의 바이오 마커와 반응하여 상기 다수의 전극 간의 유전상수를 변화시키는 것을 특징으로 한다.In the ultra-precise, high-resolution biosignal measurement method according to an embodiment of the present invention, the sensor unit includes a receptor formed on the surface of the plurality of electrodes, and a change in capacitance between the receptor and the plurality of electrodes according to a reaction with a disease factor in blood The biosignal is measured by measuring, and the receptor is characterized in that it changes the dielectric constant between the plurality of electrodes by reacting with a very small amount of biomarker contained in the blood.
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법에 있어서, 상기 바이오 마커는 VEGF(vascular endothelial growth factor, 혈관내피성장인자)이며, 상기 수용체는 펩타이드(Peptide)인 것을 특징으로 한다.In the ultra-precise, high-resolution biosignal measurement method according to an embodiment of the present invention, the biomarker is VEGF (vascular endothelial growth factor), and the receptor is a peptide (Peptide).
본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법은, An ultra-precise, high-resolution bio-signal measurement method according to an embodiment of the present invention,
컴퓨터에 의해 실행되며, 전기가 도통하는 다수의 전극과 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하는 센서부에 가변 전류를 공급하는 제1 단계; 상기 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 기준 전압을 비교하는 제2 단계; 상기 비교 결과, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 가변 전류의 크기를 증가시키고, 상기 제1 및 제2 단계를 반복하는 제3 단계; 상기 비교 결과, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 공급 전류의 크기를 고정 전류값으로 설정하고, 상기 센서부로 재공급하는 제4 단계; 상기 재공급된 전류에 의한 출력 전압에 대해 정밀 판독을 수행하는 제5 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터 해독 가능한 기록 매체에 의해 실행될 수 있다. A first step of supplying a variable current to a sensor unit that is executed by a computer and measures a change in capacitance between a plurality of electrodes conducting electricity and the plurality of electrodes to measure a living body signal; A second step of comparing an output voltage output by the variable current and a reference voltage; A third step of increasing the magnitude of the variable current and repeating the first and second steps when the output voltage is less than the reference voltage as a result of the comparison; A fourth step of setting a supply current to a fixed current value and resupplying it to the sensor unit when the output voltage is greater than or equal to the reference voltage as a result of the comparison; It can be executed by a computer-readable recording medium on which a program for executing the fifth step of performing precise reading on the output voltage by the resupplied current is recorded.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of embodiments according to various aspects of the present invention are included in the detailed description below.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 전극의 저항값 변화를 측정하는 방식이 아니라, 전극 간의 캐패시턴스 변화를 측정함으로써 측정 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, measurement accuracy can be greatly improved by measuring a change in capacitance between electrodes rather than a method of measuring a change in resistance value of an electrode.
또한, 종래에는 단일 크기의 전류로 다양한 캐패시턴스 값을 측정하기 위해서는 캐패시턴스 값의 크기와 관계없이 전류 전원이 공급하는 전류의 크기가 매우 커야하므로, 큰 전류 공급에 따라 전력 소모가 매우 크다는 문제가 있었으나, 본 발명의 실시 형태에 따르면, 1단계로 출력 전압과 기준 전압만을 비교하여 대략적인 출력 전압의 범위를 정하고 대략적인 범위가 정해지면 2단계에서 정밀한 판독을 수행한다. 이로써 캐피시턴스 값의 크기에 따라 전류 전원의 크기가 결정되므로, 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있는 장점이 있다.In addition, conventionally, in order to measure various capacitance values with a single current, the size of the current supplied by the current power supply must be very large regardless of the size of the capacitance value, so there is a problem that power consumption is very large according to the supply of a large current. According to an embodiment of the present invention, the approximate range of the output voltage is determined by comparing only the output voltage and the reference voltage in
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치(in-vivo 타입) 및 상기 측정장치를 이용하여 생체신호를 측정하는 것이 도시된 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치를 이루는 전극의 다양한 형상 및 배치 형태가 도시된 도면이다.
도 3은 전극 표면에 형성된 수용체에 바이오 마커가 부착되기 전과 후의 형상이 도시된 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치의 구동 제어부가 도시된 회로이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치로서 in-vitro 타입으로 구현된 것이 예시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법이 도시된 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치에서 수용체로 펩타이드를 사용했을 때와 사용하지 않았을 때의 VEGF 농도에 따른 전극 간 캐패시턴스 변화량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치의 변별력을 확인하고자 VEGF와 다른 단백질들 간의 캐패시턴스 측정 변화량을 나타낸 그래프이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring device (in-vivo type) according to an embodiment of the present invention and measuring a bio-signal using the measuring device.
FIG. 2 is a diagram showing various shapes and arrangements of electrodes constituting an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing shapes before and after a biomarker is attached to a receptor formed on an electrode surface.
4 is a circuit diagram illustrating a driving control unit of an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an in-vitro type of an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
6 is a flow chart illustrating a method of measuring a bio-signal with high precision and high resolution according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the result of measuring the amount of change in capacitance between electrodes according to the concentration of VEGF when a peptide is used as a receptor and when the peptide is not used in the ultra-precise high resolution biosignal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
8 is a graph showing the amount of change in capacitance measurement between VEGF and other proteins in order to confirm the discrimination power of the ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is intended to illustrate specific embodiments and to be described in detail in the detailed description, since various transformations can be applied and various embodiments can be provided. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치 및 측정방법을 설명한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, terms such as'comprise' or'have' are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance. Hereinafter, an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus and a measuring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치(in-vivo 타입) 및 상기 측정장치를 이용하여 생체신호를 측정하는 것이 도시된 도면이다.FIG. 1 is a diagram illustrating an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring device (in-vivo type) according to an embodiment of the present invention and measuring a bio-signal using the measuring device.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치(이하 생체신호 측정장치라고 함)는, 센서부(100 : 110 ~ 150)와 구동 제어부(200 : 210 ~ 220), 정밀 판독부(300)를 포함한다.As shown in FIG. 1, an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring device (hereinafter referred to as a bio-signal measuring device) according to an embodiment of the present invention includes a sensor unit (100: 110 ~ 150) and a driving control unit (200: 210 ~ 220), and a
센서부(100)는 기판(110), 절연막(120), 제1 전극(130), 제2 전극(140), 수용체(150)를 포함한다. 구동 제어부(200)는 전류 가변 모듈(210)과 최적 전류 선택 모듈(220)을 포함한다. 이하의 설명에서, 센서부(100)가 기판(110)과 절연막(120)을 포함하는 경우를 예시로 설명하지만, 설계에 따라 센서부(100)는 기판(110)과 절연막(120)없이 다수의 전극 만으로 구현될 수도 있다. The
기판(110)은 실리콘 기판으로서, n형 또는 p형 실리콘 기판일 수 있다. 그러나, 이에 제한되거나 한정되지 않고, 산화티탄, 아크릴수지, 에폭시수지 또는 폴리이미드 등의 다양한 재료로 형성될 수 있다.The
절연막(120)은 저유전율을 가지는 유전 물질로 기판(110)의 상부에 형성될 수 있다. 예를 들어, 절연막(120)은 0과 6사이(0~6)의 유전 상수를 갖는 유전 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 절연막(120)은, SiO2, TiO2, Si3N4, Al2O3, CeO2, HfO2, La2O3, Ta2O5, Y2O3, ZrO2, HfAlOm ZrTiO4, SnTiO4, SrTiO3 중 적어도 어느 하나로 형성될 수 있다.The
제1 전극(130)은 절연막(120) 상부 일측 영역에 형성되고, 제2 전극(140)은 절연막(120) 상부 타측 영역에 형성되며, 제1 전극(130)과 이격되어 배치된다. The
제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 화학적 기상증착방법, 물리적 기상증착방법, 원자층 증착 등의 상향식(bottom-up) 방법으로 기판(110) 상에 형성될 수 있다. 또한, 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 기계적 박리법, 인터칼레이션 등의 하향식(top-down) 방법으로 기판(110) 상에 형성될 수 있다. The
제1 전극(130) 및 제2 전극(140)의 표면은 도전성 물질로 코팅 처리되어 전류가 흐를 수 있도록 한다. 예를 들어, 도전성 물질은 금(Au)일 수 있다.The surfaces of the
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 마이크로 단위의 크기를 가지며 상단이 뾰족한 원뿔 형상일 수 있다. 또는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 소정 높이의 다면체 또는 원기둥 형상으로 형성될 수 있다. 또는, 도 2c 및 도 2d에 도시된 바와 같이, 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 서로 마주보는 위치에 엇갈리도록 배치될 수 있다. As shown in FIG. 2A, the
침습 구조를 가지기 위해서는 도 2a와 같은 원뿔형 3차원 구조가 적합하고, 도 2b와 같이 2차원 형상의 패턴으로 구현할 수 있는데, 이는 비침습 구조에서 사용될 경우 형태로, 비교적 간단한 공정으로 구현할 수 있는 특징이 있다. 그리고, 도 2c, 도 2d와 같이 하나의 기판상이 아닌 다수의 기판일 경우로 형성 가능하며, 이때 각 전극들이 마주보는 위치에 있는 경우 전극 간 캐패시턴스 값을 높여서 센싱 감도를 높일 수 있게 된다. In order to have an invasive structure, a conical three-dimensional structure as shown in Fig. 2A is suitable, and can be implemented as a two-dimensional pattern as shown in Fig. 2B, which is a form when used in a non-invasive structure, and can be implemented with a relatively simple process. have. In addition, as shown in FIGS. 2C and 2D, it is possible to form a plurality of substrates instead of one substrate. In this case, when the electrodes are at opposite positions, the sensing sensitivity can be increased by increasing the capacitance between the electrodes.
본 발명의 생체신호 측정장치가 인체 피부 내로 직접 침투하여 측정하는 in-vivo 타입으로 형성되는 경우, 인체 피부층을 뚫기 위해 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)은 600um 이상의 높이로 형성되는 원뿔 형상인 것이 바람직하다.When the bio-signal measuring device of the present invention is formed in an in-vivo type that directly penetrates and measures the human skin, the
도 3에 도시된 바와 같이, 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)의 표면에는 수용체(150)가 형성된다. 수용체(150)는 혈액 내의 질병 인자(바이오 마커)와 반응하여 두 전극 간의 유전상수를 변화시킨다. 예를 들어, 암세포와 관련있는 바이오 마커로 알려진 VEGF(vascular endothelial growth factor, 혈관내피성장인자)는 혈관내피세포에 특이적으로 작용하여 세포 증식이나 혈관 신생을 촉진하는 당단백으로, 제1 전극(130) 및 제2 전극(140)의 표면에 VEGF가 형성되면, VEGF와 암세포가 반응하여 두 전극 간의 유전상수를 변화시킨다. 유전상수의 변화는 커패시턴스(capacitance)를 변화시켜서, 암세포와 같은 바이오 마커의 농도를 알 수 있도록 한다. As shown in FIG. 3, a
수용체(150)는 진단하고자 하는 질병의 종류에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, 상기와 같이 암의 발병 여부를 진단하기 위해서는 수용체(150)로 펩타이드(Peptide)를 사용할 수 있다.The
구동 제어부(200)는 센서부(100)에 가변 전류를 공급하여 공급된 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 기준 전압을 비교하여 출력 전압이 기준 전압 이상인 경우, 가변 전류를 고정시켜서 센서부(100)로 재공급하고, 재공급된 전류에 의한 센서부(100)의 출력 전압에 대해 정밀 판독을 수행한다.The driving control unit 200 supplies a variable current to the
베이스 캐패시턴스는 바이오 마커가 없는 상태에서의 두 전극 간의 커패시턴스로, 베이스 캐패시턴스는 전극의 면적과 전극에 코팅되어있는 수용체 펩다이드의 농도에 의해 결정된다. 전극의 비교적 큰 면적으로 인해 베이스 캐패시턴스는 비교적 큰 값인 수십 nF 레벨로 다소 큰 레벨을 보이고, 또한 전극의 표면에 코팅된 수용체 펩타이드의 농도 차이로 인해 베이스 캐패시턴스값이 최대 수십 nF 레벨로 큰 차이를 보인다. 이 때문에, 커패시턴스 검출을 위한 회로는 큰 분해능보다는 넓은 동적 범위를 가지는 특징이 요구된다. The base capacitance is the capacitance between two electrodes in the absence of a biomarker, and the base capacitance is determined by the area of the electrode and the concentration of the receptor peptide coated on the electrode. Due to the relatively large area of the electrode, the base capacitance shows a rather large level with a relatively large value of several tens nF, and the base capacitance value shows a large difference with a maximum of several tens nF level due to the difference in concentration of the receptor peptide coated on the surface of the electrode. . For this reason, a circuit for detecting capacitance is required to have a wide dynamic range rather than a large resolution.
이러한 넓은 동적 범위의 특징을 갖는 생체신호 측정장치 구현을 위해, 본 발명의 구동 제어부(200)는 센서부(100)의 출력 전압(Vout)에 대해 2단계 세분화 과정을 구현할 수 있도록 구성된다. 구동 제어부(200)는 1단계에서는 가변 전류에 의한 출력 전압과 기준 전압만을 비교하여 대략적인 출력 전압의 범위를 정하고(“대략적인 캐패시턴스 레벨 확인”과 동일한 의미로 사용될 수 있음), 대략적인 범위가 정해지면 2단계로 정밀 판독부(300)에서 정밀한 판독을 수행한다.In order to implement a bio-signal measuring device having such a wide dynamic range, the driving control unit 200 of the present invention is configured to implement a two-step subdivision process for the output voltage Vout of the
이를 위해, 구동 제어부(200)는 전류 가변 모듈(210)과 최적 전류 선택 모듈(220)을 포함한다. 도 4를 참조하여, 구동 제어부(200)를 상세히 설명한다.To this end, the driving control unit 200 includes a current
전류 가변 모듈(210)은 센서부(100)의 제1 전극 및 제2 전극(130, 140)으로 가변 전류를 공급한다. 전류 가변 모듈(210)은 복수 개의 전류 전원(211) 및 복수 개의 전류 전원(211) 각각을 온/오프하는 스위치(212)를 포함한다. 복수 개의 전류 전원(211)은 동일한 크기의 단위 전류를 공급할 수 있다. 물론, 각각 다른 크기의 전류를 공급하도록 설계할 수도 있다.The current
전류 가변 모듈(210)은, 예를 들어, 25개(32개)의 단위 전류 전원이 병렬로 연결되어 5 비트(5 bit) 개의 가변 전류를 공급할 수 있다. 물론, 이에 한정되지는 않는다.The current
최적 전류 선택 모듈(220)은 전류 가변 모듈(210)에서 공급되는 전류의 최적값을 도출한다. 최적 전류 선택 모듈(220)은 전류 가변 모듈(210)에서 센서부(100)로 공급된 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압(Vout)과 기설정된 기준 전압(Vref)을 비교한다. 비교 결과, 출력 전압(Vout)이 기준 전압(Vref) 미만인 경우, 전류 가변 모듈(210)의 공급 전류의 크기를 증가시킨다. 이와 같은 방식으로 출력 전압(Vout)이 기준 전압(Vref)에 이를 때까지, 전류 가변 모듈(210)의 공급 전류의 크기를 증가시킨다. 예를 들어, 레지스터의 카운터 수를 증가시켜서 전류의 크기를 증가시킨다.The optimum
최적 전류 선택 모듈(220)은 출력 전압(Vout)이 기준 전압(Vref) 이상인 경우, 해당 출력 전압을 야기한 공급 전류의 크기(해당 카운터 수)를 레지스터에 저장하고, 이 전류값을 고정 전류값으로 설정하고, 고정 설정된 크기의 전류를 센서부(100)로 재공급하도록 한다.When the output voltage Vout is greater than or equal to the reference voltage Vref, the optimal
정밀 판독부(300, Fine Readout)는 재공급된 전류에 의한 출력 전압(Vout)에 대해 정밀 판독을 수행한다. 정밀 판독부(300)는 RC-저역 필터와 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터를 포함한다. 출력전압값의 신호정보가 포함되어 있는 DC대역 전압을 제외한 부분은 필터에 의해 상쇄되고, 최종단의 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터를 통하여 출력전압값은 디지털 값으로 변환된다.The
정밀 판독부(300)의 분해능은, 13비트 이상의 성능을 보이고, 최적 전류 선택 모듈과의 조합으로 18비트 이상의 넓은 동적 범위에 대해 캐패시턴스 레벨 판독이 가능해진다.The resolution of the
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치가 in-vitro 타입으로 구현된 것이 예시된 도면이다. 이 형태의 생체신호 측정장치는 인체로부터 혈액을 채취한 후, 센서부(100)로 투입하여 생체신호를 측정할 수 있다. 도 5에서 “Power Supply”와 “Clock Generator”는 생체신호 측정장치의 IC에 전원전압과 동작 클락을 제공한다. 그리고, “Logic Analyzer”는 고분해능 생체신호 측정장치 IC에서의 최종 신호인 디지털 신호를 분석한다. 5 is a diagram illustrating an in-vitro type implementation of an ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring device according to an embodiment of the present invention. This type of bio-signal measuring apparatus may measure a bio-signal by collecting blood from a human body and inserting it into the
다음으로, 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법을 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법이 도시된 순서도이다.Next, an ultra-precision, high-resolution biosignal measurement method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 6. 6 is a flow chart illustrating a method of measuring an ultra-precise, high-resolution bio-signal according to an embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법은, 센서부(100)에 가변 전류를 공급하는 단계(S110, S120)와, 출력 전압과 기준 전압을 비교하는 단계(S130)와, 비교 결과, 출력 전압이 기준 전압 미만인 경우, 가변 전류의 크기를 증가시키는 단계(S140)와, 비교 결과, 출력 전압이 기준 전압 이상인 경우, 공급 전류의 크기를 고정 전류값으로 설정하고, 센서부로 재공급하는 단계(S150)와, 정밀 판독을 수행하는 단계(S160)를 포함한다.As shown in Figure 6, the ultra-precise, high-resolution biosignal measurement method according to an embodiment of the present invention, the step of supplying a variable current to the sensor unit 100 (S110, S120), comparing the output voltage and the reference voltage In step S130, when the comparison result, when the output voltage is less than the reference voltage, increases the magnitude of the variable current (S140), and when the comparison result, when the output voltage is higher than the reference voltage, the magnitude of the supply current is fixed current value And resupplying to the sensor unit (S150), and performing precise reading (S160).
전류 가변 모듈(210)은 센서부(100)의 제1 전극 및 제2 전극(130, 140)으로 가변 전류를 공급한다. 이때, 최초로 공급되는 가변 전류는 최소 단위 전류 nio(n=1)이며, 예를 들어 1μA일 수 있다. (S110, S120)The current
다음, 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압(Vout)과 기설정된 기준 전압(Vref)을 비교한다. (S130) 예를 들어 기설정된 기준 전압은 100mV일 수 있다. Next, the output voltage Vout output by the variable current is compared with the preset reference voltage Vref. (S130) For example, the preset reference voltage may be 100mV.
비교 결과, 출력 전압이 기준 전압 미만인 경우, 해당 출력 전압으로는 정확한 캐패시턴스 레벨을 판독하기 어려우므로, 적정의 출력 전압을 도출하기 위해 가변 전류의 크기를 증가시키고, 상기 S120, S130 단계를 반복한다. (S140) 병렬 연결된 복수개의 단위 전류 전원 중 하나 이상의 스위치를 온(on)하여 가변 전류의 크기를 1개 단위로 증가시킨다. (io --> 2io)As a result of the comparison, when the output voltage is less than the reference voltage, it is difficult to read the correct capacitance level with the corresponding output voltage, and thus the magnitude of the variable current is increased to derive an appropriate output voltage, and steps S120 and S130 are repeated. (S140) By turning on at least one switch among a plurality of unit current power supplies connected in parallel, the magnitude of the variable current is increased by one unit. (io --> 2io)
상기 S120, S130 단계를 반복한 결과, 출력 전압이 기준 전압 이상이 된 경우, 해당 전류값을 고정 전류값으로 설정하고, 고정 설정된 크기의 전류를 센서부(100)로 재공급한다. (S150)As a result of repeating the steps S120 and S130, when the output voltage becomes more than the reference voltage, the corresponding current value is set as a fixed current value, and a current of a fixed set size is resupplied to the
다음, 재공급된 전류에 의한 출력 전압에 대해 정밀 판독을 수행한다. (S200)Then, a precise reading is performed on the output voltage by the resupplied current. (S200)
상기 단계들 중에서 S110 ~ S150 단계는, 전류 가변 모듈(210)과 최적 전류 선택 모듈(220)에 의해 수행되며, 가변 전류에 의한 출력 전압과 기준 전압만을 비교하여 대략적인 출력 전압의 범위를 정하는 단계이고, 상기 S200 단계는 정밀 판독부(300)에서 수행되며, 필터에 의한 고주파대 잡음 필터링과정과 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터에 의한 신호 디지털 변환과정을 통해 정확한 캐패시턴스 레벨을 판독하여 확인하는 단계이다.Among the above steps, steps S110 to S150 are performed by the current
다음으로, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치 및 측정방법의 효과를 설명한다.Next, the effects of the ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus and measuring method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 7 and 8.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치에서 수용체로 펩타이드를 사용했을 때와 사용하지 않았을 때의 VEGF 농도에 따른 전극 간 캐패시턴스 변화량을 측정한 결과를 나타낸 그래프이다. 7 is a graph showing the result of measuring the amount of change in capacitance between electrodes according to the concentration of VEGF when a peptide is used as a receptor and when the peptide is not used in the ultra-precise high-resolution biosignal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 바이오 마커인 VEGF 농도에 따라 캐패시턴스 변화량은 증가하고 있으며, 특히, 펩타이드를 사용했을 때의 캐패시턴스 변화량은, 사용하지 않았을 때의 캐패시턴스 변화량 보다 약 3 ~ 22배 가량 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예와 같이 센서부의 전극 표면에 수용체를 형성하는 경우, 캐패시턴스는 매우 큰 변화량을 나타내어 검출력이 크게 향상됨을 알 수 있다.Referring to FIG. 7, the amount of change in capacitance is increasing according to the concentration of VEGF, which is a biomarker, and in particular, it can be seen that the amount of change in capacitance when the peptide is used is about 3 to 22 times larger than the amount of change in capacitance when not used. have. Accordingly, it can be seen that when the receptor is formed on the electrode surface of the sensor unit as in the embodiment of the present invention, the capacitance exhibits a very large amount of change, so that the detection power is greatly improved.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치의 변별력을 확인하고자 VEGF 와 다른 단백질들 간의 캐패시턴스 측정 변화량을 나타낸 그래프이다.8 is a graph showing the amount of change in capacitance measurement between VEGF and other proteins in order to confirm the discrimination power of the ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 발명과 같이 센서부의 전극 표면에 수용체로서 펩타이드를 형성하고 VEGF를 검출하는 경우, 다른 단백질 종류에 비해서 캐패시턴스 변화량이 크게 나타나서 변별력이 있음을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8, when a peptide is formed as a receptor on the electrode surface of the sensor unit and VEGF is detected as in the present invention, it can be seen that the amount of change in capacitance appears larger than that of other types of proteins, and thus discriminating power is present.
한편, 종래에는 단일 크기의 전류로 다양한 캐패시턴스 값을 측정하기 위해서는 캐패시턴스 값의 크기와 관계없이 전류 전원이 공급하는 전류의 크기가 매우 커야하므로, 큰 전류 공급에 따라 전력 소모가 매우 컸다.On the other hand, in the related art, in order to measure various capacitance values with a single current, the magnitude of the current supplied by the current power source must be very large regardless of the magnitude of the capacitance value, and thus power consumption is very large according to the supply of a large current.
그러나, 본 발명에서는 다양한 캐패시턴스 값을 측정하기 위해, 즉, 넓은 동적 범위를 확보하기 위해, 센서부의 출력 전압에 대해 2단계 세분화 과정을 구현할 수 있도록 구성되어, 1단계에서는 가변 전류에 의한 출력 전압과 기준 전압만을 비교하여 대략적인 출력 전압의 범위를 정하고 대략적인 범위가 정해지면 2단계에서 정밀한 판독을 수행하도록 하였다. 이로써 캐피시턴스 값의 크기에 따라 전류 전원의 크기가 결정되므로, 불필요한 전력 소모를 방지할 수 있는 장점이 있다.However, in the present invention, in order to measure various capacitance values, that is, to secure a wide dynamic range, it is configured to implement a two-step subdivision process for the output voltage of the sensor unit, and in the first step, the output voltage and the variable current The approximate output voltage range was determined by comparing only the reference voltage, and when the approximate range was determined, precise reading was performed in
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.As described above, one embodiment of the present invention has been described, but those of ordinary skill in the relevant technical field add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes can be made to the present invention by means of the like, and it will be said that this is also included within the scope of the present invention.
100 : 센서부 110 : 기판
120 : 절연막 130 : 제1 전극
140 : 제2 전극 150 : 수용체
200 : 구동 제어부 210 : 전류 가변 모듈
220 : 최적 전류 선택 모듈 300 : 정밀 판독부100: sensor unit 110: substrate
120: insulating film 130: first electrode
140: second electrode 150: receptor
200: drive control unit 210: current variable module
220: optimal current selection module 300: precision reading unit
Claims (11)
상기 센서부는 상기 다수의 전극 표면에 형성되는 수용체를 포함하며, 상기 수용체와 혈액 내의 질병 인자와 반응에 따른 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하며, 상기 수용체는 혈액 속에 포함된 극미량의 바이오 마커와 반응하여 상기 다수의 전극 간의 유전상수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치.A sensor unit that measures a biosignal by measuring a change in capacitance between a plurality of electrodes through which electricity is conducted and the plurality of electrodes; And a driving control unit for supplying a variable current to the sensor unit and comparing the output voltage output by the supplied variable current to a reference voltage, and fixing the variable current and resupplying it to the sensor unit when the output voltage is higher than the reference voltage. Including,
The sensor unit includes a receptor formed on the surface of the plurality of electrodes, and measures a biosignal by measuring a change in capacitance between the receptor and the plurality of electrodes according to a reaction with a disease factor in the blood, and the receptor is included in the blood. Ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring device, characterized in that the dielectric constant between the plurality of electrodes is changed by reacting with a very small amount of biomarker.
상기 센서부에 가변 전류를 공급하는 전류 가변 모듈과,
상기 센서부로 공급된 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 상기 기준 전압을 비교하여 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 상기 전류 가변 모듈에서 공급되는 전류를 고정시키는 최적 전류 선택 모듈을 포함하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치.The method according to claim 1, wherein the driving control unit,
A current variable module for supplying a variable current to the sensor unit,
Ultra-precise, high-resolution, including an optimal current selection module for fixing the current supplied from the current variable module when the output voltage is greater than or equal to the reference voltage by comparing the output voltage output by the variable current supplied to the sensor unit with the reference voltage Bio-signal measuring device.
상기 최적 전류 선택 모듈에 의해 고정된 전류에 의한 상기 센서부의 출력 전압에 대해 정밀 판독을 수행하는 정밀 판독부를 더 포함하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치.The method according to claim 2,
Ultra-precise, high-resolution bio-signal measurement device further comprising a precision reading unit for performing a precise reading on the output voltage of the sensor unit by the current fixed by the optimal current selection module.
RC-저역 필터와 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터를 포함하며, 출력전압값의 신호정보가 포함되어 있는 DC대역 전압을 제외한 부분은 필터에 의해 상쇄되고, 최종단의 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터를 통하여 출력전압값은 디지털 값으로 변환하는 기능을 수행하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치.The method of claim 3, wherein the precision reading unit,
RC-low-pass filter and delta-sigma analog-digital modulator are included, and the part except for the DC band voltage that contains signal information of the output voltage value is canceled by the filter, and the delta-sigma analog-digital modulator in the final stage Ultra-precise, high-resolution bio-signal measuring device that converts the output voltage value into a digital value.
상기 바이오 마커는 VEGF(vascular endothelial growth factor, 혈관내피성장인자)이며, 상기 수용체는 펩타이드(Peptide)인 것을 특징으로 하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정장치.The method according to claim 1,
The biomarker is VEGF (vascular endothelial growth factor), and the receptor is a peptide (Peptide).
상기 가변 전류에 의해 출력된 출력 전압과 기준 전압을 비교하는 제2 단계;
상기 비교 결과, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 미만인 경우, 상기 가변 전류의 크기를 증가시키고, 상기 제1 및 제2 단계를 반복하는 제3 단계;
상기 비교 결과, 상기 출력 전압이 상기 기준 전압 이상인 경우, 공급 전류의 크기를 고정 전류값으로 설정하고, 상기 센서부로 재공급하는 제4 단계;
상기 재공급된 전류에 의한 출력 전압에 대해 정밀 판독을 수행하는 제5 단계를 포함하며,
상기 센서부는 상기 다수의 전극 표면에 형성되는 수용체를 포함하며, 상기 수용체와 혈액 내의 질병 인자와 반응에 따른 상기 다수의 전극 간의 커패시턴스 변화를 측정하여 생체 신호를 측정하며, 상기 수용체는 혈액 속에 포함된 극미량의 바이오 마커와 반응하여 상기 다수의 전극 간의 유전상수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법.A first step of supplying a variable current to a sensor unit for measuring a biosignal by measuring a change in capacitance between a plurality of electrodes through which electricity is conducted and the plurality of electrodes;
A second step of comparing an output voltage output by the variable current and a reference voltage;
A third step of increasing the magnitude of the variable current and repeating the first and second steps when the output voltage is less than the reference voltage as a result of the comparison;
A fourth step of setting a supply current to a fixed current value and resupplying it to the sensor unit when the output voltage is greater than or equal to the reference voltage as a result of the comparison;
A fifth step of performing a precise reading on the output voltage by the resupplied current,
The sensor unit includes a receptor formed on the surface of the plurality of electrodes, and measures a biosignal by measuring a change in capacitance between the receptor and the plurality of electrodes according to a reaction with a disease factor in the blood, and the receptor is included in the blood. Ultra-precise, high-resolution biosignal measurement method, characterized in that the dielectric constant between the plurality of electrodes is changed by reacting with a very small amount of biomarker.
상기 제5 단계는 RC-저역 필터에 의한 고주파대 잡음 필터링과정과 델타-시그마 아날로그-디지털 모듈레이터에 의한 신호 디지털 변환과정을 통해 정밀한 캐패시턴스 레벨을 판독하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법.The method of claim 7,
The fifth step is a high-precision, high-resolution biosignal measurement method of reading a precise capacitance level through a high-frequency noise filtering process by an RC-low-pass filter and a signal digital conversion process by a delta-sigma analog-digital modulator.
상기 바이오 마커는 VEGF(vascular endothelial growth factor, 혈관내피성장인자)이며, 상기 수용체는 펩타이드(Peptide)인 것을 특징으로 하는 초정밀 고분해능 생체신호 측정방법.The method of claim 7,
The biomarker is VEGF (vascular endothelial growth factor), and the receptor is a peptide (Peptide).
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