KR100548802B1 - 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 및 실시간 모니터링시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다채널의 데이터를 실시간으로 모니터링 할 수 있도록 하는 생체 자기 측정 장비 등에서 다채널의 데이터를 효율적이고 정확하게 디지털화 및 처리하여 전체 장치의 효율성 및 편의성을 증대시키는 것이 가능한 다채널 데이터 다중 획득 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다. 본 발명의 다채널 데이터 다중 획득 시스템은, n 채널의 데이터를 효율적으로 획득 및 처리하기 위한 시스템이며, 상기 n 채널의 데이터 중 m 개의 아날로그 신호를 입력하여, 한 개의 출력 라인 상에 서로 다른 시간에 출력되도록 변환하는 멀티플렉서 부; 상기 멀티플렉서 부의 출력 라인에 접속되며, 상기 출력 아날로그 신호를 입력하여, 상기 m 개의 신호 각각을 k 비트 수의 디지털 데이터로 변환하여 입력 순서에 따라 출력하는 A/D 변환 부; 및 상기 A/D 변환 부의 k 비트 출력 신호를 입력하여 입력 순서에 따라 식별되는 각각의 m 개 채널에 대응되는 데이터로 분리 및 재배열하는 DSP 부를 포함한다.

생체 자기, 심자도, 뇌자도, 다중화, DAQ, MUX, A/D, DSP, VXI

Description

다채널 생체 자기 신호 다중 획득 및 실시간 모니터링 시스템 및 방법{REALTIME MULTIPLEXING DATA AQUISITION SYSTEM AND METHOD FOR MULTICHANNEL BIO-MAGNETIC SIGNAL}

도1은 일반적인 생체 자기 신호 측정 및 분석 장비의 구성을 나타낸다.

도2는 생체 자기 신호 감지를 위하여 사용되는 다수의 SQUID 센서가 장착된 듀아(dewar)의 구성을 예시한다.

도3은 본 발명의 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 시스템의 한 바람직한 실시예의 구성을 나타낸다.

도4는 본 발명의 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 시스템의 한 바람직한 실시예에 있어서, 멀티플렉서 보드와 A/D 변환 보드의 인터페이스 방식의 한 예를 나타낸다.

도5는 본 발명의 한 실시예에 있어서, DSP에 획득되는 데이터의 구조를 예시적으로 나타낸다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

19, 19', 19": 입력 아날로그 데이터 30: 데이터 획득부

31: VXI 버스 랙 32: MUX 인터페이스부

33: MUX 보드 34: MUX 부

35: 다중화 데이터 36: A/D 인터페이스부

37: A/D 보드 38: A/D변환부

39: 클록 공급 보드 40: SBC부

41: SBC 인터페이스부 42: DSP 보드

43: 메모리부 44: DSP 부

45: 네트워크 접속부 50: 데이터 처리용 컴퓨터

본 발명은 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 및 모니터링 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 심자도 또는 뇌자도 등의 다채널 생체 자기 신호를 획득하고 이를 실시간 모니터링할 수 있도록 하기 위해, SQUID 등의 센서에 의하여 얻어진 자장 신호를 효율적으로 획득하여 디지털화하고 이를 호스트 시스템에 실시간으로 전송할 수 있도록 하기 위한 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 및 모니터링 시스템과 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

생체 자기장(生體磁氣場, biomagnetic fields)이란 사람의 심장, 뇌, 척수, 위 등으로부터 발생하는 자기신호로서 고감도 자장센서인 SQUID(Superconducting Quantum Interference Device, 초전도 양자 간섭 소자)를 사용함으로서 측정이 가능하다. 이러한 생체 자기 측정을 이용한 진단은 비접촉, 비파괴적이면서 우수한 시간 및 공간 분해능을 바탕으로 뇌 또는 심장의 내부에서 일어나는 활동 전류의 미세한 변화를 정밀하게 측정할 수 있기 때문에 뇌(심장) 기능 연구 및 장기의 기 능적 질환 진단에 중요하게 사용될 수 있는 차세대 의료 진단 기술이다. 생체 자기신호는 주로 0.1 Hz∼1 kHz의 주파수 영역에서 수십 pT∼수십 fT의 크기로 발생하는 매우 미약한 자장 신호이므로 고감도의 측정 기술이 요구된다. 현재 이러한 생체 자기 신호 측정 장비는 심자도 또는 뇌자도 등의 측정을 위해 많이 응용되고 있다.

도 1에는 일반적인 생체 자기 신호 측정 장비의 구성을 나타내었다. 생체 자기 측정 장비는, 도시된 바와 같이, 자기 차폐 룸(magnetically shield room)(4) 내에 있는 측정 대상인 인체(6)의 심자도 또는 뇌자도 등의 측정을 위하여 다수의 SQUID 센서(8)를 표면에 탑재하고 있는 듀아(dewar)(9)를 신체의 관심 부위 근처에 접근시켜 신호의 측정이 이루어진다. 여기서 SQUID 센서(8)는 저온 초전도체로 이루어지기 때문에 이의 저온 유지를 위해 액체 헬륨을 공급하기 위한 액체 헬륨 공급부(1)가 구비된다. 또한, 듀아(9)와 베드(5)의 적절한 위치 조정을 위하여 구동부(3)가 마련되어 있는 것이 보통이다.

도 2에는 일반적인 생체 자기 신호 획득을 위한 듀아(9)의 구성을 예시하였다. 측정 대상인 인체(6) 내의 일정 영역에 걸친 생체 자기 신호의 분포를 신속하게 얻기 위해서 일반적으로 듀아(9) 내에는 많은 개수의 SQUID 센서(8)가 구비된다. 각각의 SQUID 센서(8)에서는 수 펨토 테슬라 정도의 미약한 자기 신호가 얻어지며, FLL 컨트롤러(13)에 의해 제어되는 자속 고정 루프인 FLL(Flux Locked Loop)(11)을 통해 외부에서 인식 가능한 아날로그 신호로 변환된다. 심자도 측정을 위해서는 일반적으로 64 채널 이상의 신호가 제공되며, 뇌자도 측정을 위해서는 256 채널 이상의 신호가 제공된다. 이러한 다채널의 신호는 증폭 및 필터링 회로(12)를 거쳐 컴퓨터 등 데이터 처리 시스템(50) 및 외부 실시간 모니터링을 위한 그래픽 디스플레이 시스템(60)에서 처리 가능한 형태의 디지털 데이터로 변환하기 위하여 데이터 획득 시스템(Data Aquisition System: DAQ 시스템)(30)을 거치게 된다.

생체 자기 신호 분포의 정확하고 신속한 측정을 위해서는 많은 신호 채널의 사용이 요구되며, 그에 따라 장비의 채널 수는 점점 늘어나고 있는 추세이다. 그에 맞추어 다채널의 데이터를 효율적이고 신속하게 디지털화 및 처리할 수 있도록 하기 위한 DAQ 시스템이 절실히 요구되고 있다. 종래 기술의 DAQ 시스템은 채널 수가 그리 많지 않은 경우에는 사용에 큰 문제가 없으나, 상술한 바와 같이 수십 내지 수백 채널로 채널 수가 많아져야 하는 경우 입력 라인이 복잡하여 지고, 필요한 DAQ 보드의 수도 늘어나게 되어, DAQ 보드를 지원하기 위해 필요한 컴퓨터의 수도 늘어나게 되며, 시스템의 복잡도가 증대하고 시스템 전체의 크기가 매우 커져야만 하는 불편함이 있다. 이는 종래 기술의 DAQ 시스템의 경우에는 채널의 용이한 확장성 및 호환성과, 많은 채널의 데이터의 빠르고 효율적인 처리를 염두에 두고 설계되어진 것이 아니기 때문이다.

따라서, 이러한 다채널의 데이터를 처리하여야 하는 생체 자기 측정 장비의 사양에 맞도록 다채널의 데이터를 효율적이고 신속하게 처리하면서도, 시스템 자원을 효율적으로 사용하여 장치의 복잡성과 규모가 지나치게 커지는 일을 피할 수 있도록 하는 다채널 데이터 다중 획득 시스템의 개발이 요구되는 실정이다.

본 발명은 이와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 생체 자기 측정 장비 등 다채널의 데이터를 효율적이고 정확하게 디지털화 및 처리하여 실시간으로 모니터링할 수 있도록 하여 전체 장치의 효율성 및 편의성을 증대하는 것이 가능한 다채널 데이터 다중 획득 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 한 측면에 의한 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 시스템은, n 채널의 데이터를 효율적으로 획득 및 처리하기 위한 시스템이며, 상기 n 채널의 데이터 중 m 개의 아날로그 신호를 입력하여, 한 개의 출력 라인 상에 서로 다른 시간에 출력되도록 변환하는 멀티플렉서 부; 상기 멀티플렉서 부의 출력 라인에 접속되며, 상기 출력 아날로그 신호를 입력하여, 상기 m 개의 신호 각각을 k 비트 수의 디지털 데이터로 변환하여 입력 순서에 따라 출력하는 제1 A/D 변환 부; 및 상기 제1 A/D 변환 부의 k 비트 출력 신호를 입력하여 입력 순서에 따라 식별되는 각각의 m 개 채널에 대응되는 데이터로 분리 및 재배열하는 DSP 부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 멀티플렉서 부는 16:1 다중화를 수행하는 것일 수 있다.

또한, 상기 제 1 A/D 변환 부는 상기 멀티플렉서 부의 다중화 타이밍에 동기하여 아날로그 디지털 변환을 수행하는 것임이 바람직하다.

여기서, 바람직하게는 상기 n 채널의 데이터 중 다른 m 개의 아날로그 신호를 입력하여, 한 개의 출력 라인 상에 서로 다른 시간에 출력되도록 변환하는 제2 멀티플렉서 부; 및 상기 멀티플렉서 부의 출력 라인에 접속되며, 상기 출력 아날로그 신호를 입력하여, 상기 m 개의 신호 각각을 k 비트 수의 디지털 데이터로 변환하여 입력 순서에 따라 출력하는 제2 A/D 변환 부를 더 포함할 수 있으며, 상기 DSP부는 상기 제1 A/D 변환 부의 k 비트의 출력 데이터와 상기 제2 A/D 변환 부의 다른 k 비트의 출력 데이터를 동시에 입력하여, 이들 각각을 구별하고 각 채널에 대응되도록 재배열하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 한 측면에 따른 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 및 모니터링 시스템은, n 개의 생체 자기 센서를 구비하여 n 채널의 신호를 출력하는 생체 자기 감지 부; 상기 n 채널의 신호를 컴퓨터에서 처리 가능한 신호로 변환하는 상술한 특징의 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 시스템; 상기 데이터를 저장 및 처리하는 데이터 처리 시스템; 및 상기 데이터를 실시간 모니터링 하는 그래픽 시스템을 포함한다.

본 발명의 또 다른 한 측면에 따른 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 방법은, n 채널의 생체 자기 측정 신호를 효율적으로 획득 및 처리하기 위한 방법이며, 상기 n 채널의 데이터 중 m 개의 아날로그 신호를 입력하여, 한 개의 출력 라인 상에 서로 다른 시간에 출력되도록 변환하는 다중화 단계; 상기 한 개 출력 라인 상의, 상기 출력 아날로그 신호를 입력하여, 상기 m 개의 신호 각각을 k 비트 수의 디지털 데이터로 변환하여, 입력 순서에 따라 출력하는 A/D 변환 단계; 및 상기 A/D 변환 단계에서의 k 비트 출력 신호를 입력하여 입력 순서에 따라 식별되는 각각의 m 개 채널에 대응되는 데이터로 분리 및 재배열하는 역 다중화 및 재배열 단계를 포함한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도3은 본 발명의 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 시스템의 한 바람직한 실시예의 구성을 나타낸다. 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 심자도 및 뇌자도 등의 생체 자기 측정을 위한 많은 수의 센서로부터의 다수 채널 입력 데이터가 제공되는데 이러한 다수 채널 입력 데이터의 일부(19', 19")가 도 3에 도시되어 있다. 입력 데이터(19', 19")는 아날로그 데이터로서 도 1의 각각의 SQUID 센서(8)로부터 데이터의 증폭 및 필터링을 거쳐 데이터 획득부(30)로 전달된다. 데이터 획득부(30)는 VXI 버스 랙(31) 상에 설치되어 높은 확장성 및 호환성을 갖도록 설계된 MUX 보드(33), A/D 보드(37) 및 클록 공급 보드(39)를 포함한다. 또한, DSP 보드(42) 및 DAQ 데이터를 획득하고 실시간 모니터링 하는데 사용되는 Slave DAQ 컴퓨터인 싱글 보드 컴퓨터(Single Board Computer: SBC)(40)와, 장치의 작동을 컨트롤하고 생체 자기 신호를 분석하는 데 사용되는 분석용 Master 컴퓨터(50)를 구비한다.

여기서, SBC(40)와 DSP 보드(42)는 산업용 컴퓨터 랙(industrial computer rack)에 탑재되는 것이 바람직하며, 예를 들어 16채널의 아날로그신호가 입력되면 이를 16:1로 다중화 하는 멀티플렉서(MUX)를 포함하는 MUX 보드(33), 다중화 된 아날로그 신호를 디지탈 변환하는 A/D 변환부를 포함하는 A/D 보드(37), 각 보드에 동작 클록을 제공하는 클록 공급 보드(39)는 VXI 버스 랙(VXI bus rack)에 탑재되어 확장성 및 호환성을 극대화한다.

상술한 바와 같이 심자도 및 뇌자도 측정 장치의 경우 일반적으로 많은 수의 채널(예를 들어, 64채널)의 신호가 입력되며 이를 효율적으로 처리하고 디지털 변환하기 위해 본 발명에서는 이하에서 설명될 아날로그 다중화 기법을 제안한다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 상술한 64채널 중 32채널의 심자도 신호가 MUX 보드(33) 1장으로 입력되도록 구성될 수 있으며, 1 장의 MUX 보드(33) 상에는 두 개의 MUX 부(34)가 구비되어 각각 16:1의 다중화를 수행하도록 구성된다. 이러한 다중화의 결과로 각각의 채널에 대응되는 아날로그 데이터가 서로 다른 시간에 출력되어 A/D 변환 보드(37)로 전송되어진다. A/D 보드(37)는 다중화 타이밍에 동기하여 입력된 아날로그 데이터 각각을 디지털 데이터로 변환하고, 데이터 획득용 DSP 보드(42)로 전송한다. DSP 보드(42)에 의해 획득된 데이터는 데이터의 역 다중화와 실시간 데이터 정렬(align) 과정을 거쳐, 호스트 시스템의 메모리에 최종적으로 업로드 된다.

이러한 본 발명의 시스템 구성은 향후의 생체 자기 측정 시스템 등에서 요구되는 수백 채널의 데이터를 효율적으로 획득 및 디지털 변환하기 위하여, 짧은 시간에 많은 채널의 데이터 수집을 위한 효율적인 다중화 기법을 제공하기 위한 것이다. 이와 같은 본 발명의 구성을 사용하여, 단순히 보드의 수를 늘리는 방법으로 채널 수의 확장이 얼마든지 가능하도록 기능별, 모듈별 독립적인 설계가 가능하여 지며, 이러한 구성은 확장성이 뛰어난 VXI 표준의 플랫폼과 산업용 섀시 구조로 용이하게 구현이 가능하다. 또한, 채널 확대 시 보드간의 클록 속도의 차이로 타이밍이 어긋나는 것을 방지하기 위해, 별도의 클록 보드(39)를 구비하여 각 보드에 필요한 클록 신호를 배분하여 보드 간 동기가 정확히 이루어질 수 있도록 구성하였다.

도4는 본 발명의 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 시스템의 위 바람직한 실시예에 있어서, 멀티플렉서 보드(33)와 A/D 보드(37)의 인터페이스 방식의 한 예를 나타낸다. 멀티플렉서(MUX) 보드(33)는 도 4에 도시된 바와 같이 내부적으로 두 개의 다중화 블록인 16:1 MUX 부(34)로 구성되어 있다. 입력은 별도의 커넥터 보드(도시되지 않음) 또는 입출력 포트(32) 등을 통해 스카시 케이블 등을 사용하여 연결하는 것이 가능하며, 도시된 바와 같이 16채널 당 한 개의 다중화 블록(34)에 의해 16:1 다중화가 일어나고, 총 32개의 채널 입력을 받아 2 채널의 16:1로 다중화 된 신호(35)가 출력되게 된다.

A/D 보드(37) 역시 도 4에 도시된 바와 같이 2개의 A/D 부(38)로 이루어져 있으며, 상술한 두 개의 MUX 부(34)로부터 전달되는 2채널의 다중화 된 신호를 각각 입력받아 이를, 예를 들어, 16 bit의 디지털 데이터로 변환하게 된다. 변환된 2 채널의 16 bit의 데이터는 32 bit 프로세서인 DSP의 LSB와 MSB에 각각 할당되도록 구성되며, 소정의 버퍼(buffer)를 거쳐, 예를 들어, 차동 구동기(differential driver)에 의해 전류 구동 방식의 형태로 DSP로 전송되도록 구성될 수 있다.

도5는 본 발명의 한 실시예에 있어서, DSP에 획득된 데이터 구조를 나타낸다. 상술한 바와 같이, 32채널의 아날로그 신호가 MUX 보드(33)에 의한 다중화와 A/D 보드(37)에 의한 디지털 변환 과정을 거치게 되고, 최종적으로 DSP 보드(42)에 전송되는 데이터는 도 5에 도시된 바와 같이 16:1 시분할 다중화의 결과로 데이터 입력 순서에 따라 각각 다른 채널에 대응되는 데이터가 된다. 또한, A/D 보드(37)로부터 출력될 때, DSP의 MSB 와 LSB에 각각 서로 다른 채널의 데이터가 할당되도록 구성되어 있다.

이와 같은 포맷을 갖는 DSP 보드(42)로의 입력 데이터를 각각의 채널 별로 분리해 내기 위해서는 채널별로 메모리의 각 영역을 할당하고 획득된 데이터를 재 정렬해야 한다. 데이터의 재 정렬을 위해서는, 먼저 획득된 데이터에 대한 시프트 연산(shift operation)을 통해 상위와 하위 16 bit를 분리해 내고, 이를 다시 채널 1부터 채널 16까지, 그리고 채널 17부터 채널 32까지 차례대로 배치하는 방식에 의해 역 다중화를 수행한다. 이와 같이 DSP 부(44)에 의해 실시간으로 역 다중화와 데이터 재정렬의 과정을 거쳐 구별된 각 채널 별 디지털 데이터는 호스트 시스템으로 전송되어 데이터의 처리에 필요한 각종 연산과, 심자도 파형 등 데이터의 실시간 디스플레이를 위해 처리된다.

본 발명에 의한 다채널 생체 자기 신호 다중 획득 시스템 및 방법은 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 변형, 응용 가능하며 상기 바람직한 실시예에 한정되지 않는다. 예를 들면, 상술한 생체 자기 측정 장비뿐만 아니라 다수 채널의 데이터를 효과적으로 획득할 필요가 있는 어떠한 데이터 획득 장치(DAQ)에서도 본 발명은 적용이 가능하다. 또한, 상기 실시예와 도면은 발명의 내용을 상세히 설명하기 위한 목적일 뿐, 발명의 기술적 사상의 범위를 한정하고자 하는 목적이 아니며, 이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 상기 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아님은 물론이며, 후술하는 청구범위뿐만이 아니라 청구범위와 균등 범위를 포함하여 판단되어야 한다.

본 발명에 의하여, 다채널의 데이터를 발생시키는 생체 자기 측정장치 등에서 많은 수의 다채널 데이터를 효율적으로 획득하는 것이 가능하며, 모듈별로 독립적인 설계를 통해 채널 수의 증가에 따른 높은 확장성 및 호환성이 보장되는 데이터 획득 시스템이 제공 가능하다.

또한, 다수의 채널에서 입력되는 신호를 소수의 채널로 다중화 한 후, 이를 디지털화하고, 다시 데이터를 재정렬하여 획득한 다음, 데이터의 역 다중화를 수행하여 실시간에 디스플레이 가능하도록 처리하는 본 발명에서 제안하는 방식에 의해, 최소한의 시스템 자원에 의해 많은 수의 다채널 데이터를 효율적으로 획득할 수 있어 전체 장치 효율성을 극대화할 수 있으며, 입출력 라인의 복잡도를 줄여 장치의 사용이 편리해지고, 장치의 확장 및 유지 보수가 보다 용이해진다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 생체자기센서로부터 출력되는 n 채널의 데이터 중 m개의 아날로그신호를 입력받아 다중화를 수행하여 서로 다른 시간에 한 개의 출력 라인 상에 출력하는 멀티플렉서부;

   상기 멀티플렉서부의 출력 라인에 병렬 접속되며, 상기 멀티플렉서부의 다중화 타이밍에 동기하여 상기 m개의 아날로그 신호를 디지털 변환하여, 상기 m 개의 신호 각각을 k 비트수의 디지털 데이터로 각각 변환하여 출력하는 제1 및 제2 A/D변환부;

   상기 제1 A/D 변환부의 k 비트의 출력 데이터와 상기 제2 A/D 변환부의 다른 k 비트의 출력 데이터를 동시에 입력하여 입력 순서에 따라 식별되는 각각의 m 개 채널에 대응되는 데이터로 분리 및 재배열하는 DSP 부를 포함하는 다채널 생체자기신호 다중 획득 시스템.
5. 삭제
6. 삭제

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