KR100669261B1 - 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은, 유전체 발진기에서 출력되는 소스 신호가 전력 분배기에 의해 송신 안테나로 전달되는 제1 신호와 혼합기로 전달되는 제2 신호로 전력 분배되고, 송신 안테나에서 방사된 생체감지용 신호는 사용자의 움직임에 의해 주파수 특성이 변화되어 수신 안테나에 의해 수신되며, 이 생체 신호는 저잡음 증폭기를 거쳐 혼합기로 입력된 후에 제2 신호와 합성되어 중간주파수의 신호로 출력되고, 중간주파수의 신호는 저역통과필터, 증폭기, 대역통과필터, 아날로그/디지털 변환기를 거쳐 사용자의 움직임에 대한 생체 감지 검출 결과로 사용자의 단말기를 통해 출력되도록 한다. 이와 같이 하면, 편파 특성이 우수한 안테나를 사용하여 무선 생체 감지 시스템을 일체화화여 소형화 및 경량화 함으로써 휴대 가능하고 설치가 용이해질 수 있고, 또한 감도 특성이 우수하여 미세한 생체 신호까지 감지할 수 있어 장애인을 위한 상황제어 시스템이나 가정이나 사무실에서 사용하는 보안 시스템에 적용 가능하다.

원형편파 패치 안테나, 생체 감지 시스템, 주파수 편향 보상, 분리도 특성 개선

Description

원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템 {SYSTEM FOR WIRELESS SENSING OF EYES MOTION USING CIRCULAR POLARIZATION }

도 1은 종래 기술의 실시예에 의한 원형편파를 이용한 실시간 심장 박동 무선 감지 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템의 구성을 도시한 블록도이다.

도 3은 도 1의 일부 구성요소인 송신 안테나와 수신 안테나를 상세히 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템의 실제 일체형으로 구현된 일례를 도시한 것이다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 원형 편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템의 안테나 특성을 도시한 것이다.

도 8은 본 발명에서 제안한 눈 깜빡임과 눈동자의 움직임에 의한 생체 신호와 스피커의 떨림의 유사성을 이용하여 스피커가 사인파, 톱니파, 구형파로 진동할 때의 파형을 검출한 결과를 도시한 것이다.

도 9 및 도 10은 본 발명에서 제안한 생체 신호에 대한 파형 검출 결과를 도시한 것이다.

본 발명은 원형편파를 이용한 눈 움직임 감지 시스템 에 관한 것으로, 특히 원형편파 도플러 레이더를 이용하여 주파수 편향을 보상해주면서 소형화할 수 있는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템 에 관한 것이다.

최근, 의사와 환자 간에 원격 진료가 초기 단계로 접어들면서 자신의 생체 정보를 어디서나 쉽게 전달하고 진료 받을 수 있도록 점차 확산되고 있는 추세이다. 현재 무선 생체 신호 감지 시스템은 심장 및 호흡의 측정에 사용되고 있다.

종래 기술의 실시예에 의한 원형편파를 이용한 실시간 심장 박동 무선 감지 시스템(국내 공개특허공보 제2004-0027577호)은 도 1에 도시된 바와 같이, 발진기(100), 전력분배기(200), 혼합기(300), 송신 안테나(500), 수신 안테나(600), 베이스밴드부(700)를 포함하고 있다.

발진기(100)는 특정 주파수의 신호를 생성하고, 전력 분배기(200)는 발진기(100)에서 생성된 신호의 전력을 분배하며, 혼합기(300)는 수신 안테나(600)를 통해 수신된 RF 신호와 전력 분배기(200)에서 출력된 제2 신호의 주파수 성분을 합성한다.

송신 안테나(500)는 전력분배기(200)에서 출력된 제1 신호를 환자의 흉부를 향해 방사하고, 수신 안테나(600)는 환자의 흉부 움직임에 의해 주파수가 천이되고 반사되어 돌아오는 신호를 수신하며, 베이스밴드부(700)는 혼합기(300)에서 합성된 신호를 필터링하고 모니터에 표시되도록 디지털 신호로 변환 출력한다,

이러한 원형편파를 이용한 실시간 심장박동 무선 감지 시스템, 및 그 외의 눈 움직임에 관한 센서들은 시스템이 일체화되어 있지 않아 실제 휴대하면서 사용하기에 너무 크기가 크고 무게도 많이 나가고, 또한 안테나의 원형편파 특성이 좋지 않아서 급전 부분에서 편파의 특성이 변한다는 문제점이 있다.

따라서 종래 기술의 실시예에 의한 원형 편파를 이용한 실시간 심장 박동 무선 감지 시스템, 및 그 외의 눈 움직임에 관한 센서들은 인체와 같이 높은 유전율과 도전율을 가질 때 나타나는 편파 특성을 고려해보면 편파 손실로 인한 센서의 감도가 저하되는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 언제 어디서나 무선 생체 신호를 측정할 수 있도록 소형화 및 경량화 되어 휴대 가능하고, 편파 특성이 우수한 안테나를 사용하여 소형화시에 나타나는 안테나 편파 특성을 고려하여 주파수 편향을 보상해줄 수 있는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템 을 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 원형편파 패치 안테나를 이용하여 원형편파 특성을 높이고 주파수 편향을 보상해줌으로써 시스템의 각 구성 요소의 집적 및 일체화가 가능하여 소형, 경량화로 생체 감지 시스템을 제조하도록 한다.

본 발명의 특징에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은, 사용자에게 생체감지용 신호를 방사하는 송신 안테나와, 사용자의 움직임에 따라 상기 송신안테나에서 생체감지용 신호가 주파수 천이되어 반사되는 생체 신호를 수신하는 수신 안테나를 포함하는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템에 있어서, 특정 주파수의 소스 신호(source signal)를 생성 출력하는 유전체 발진기; 상기 유전체 발진기에서 소스 신호를 전달받아 제1 신호와 제2 신호로 전력을 분배하는 전력분배기; 상기 수신 안테나에서 전달되는 생체 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기; 상기 저잡음 증폭기를 통해 증폭 전달되는 생체 신호와 상기 전력분배기에서 전달되는 제2 신호의 주파수 성분을 합성하여 중간주파수의 신호를 출력하는 혼합기; 상기 혼합기에서 전달되는 중간주파수의 신호에서 고주파 잡음을 억제하면서 저주파 성분의 필요한 신호만을 통과시키는 저역통과필터; 상기 저역통과필터를 통과한 신호를 증폭 출력하는 증폭기; 상기 증폭기에서 증폭 전달되는 신호에서 특정 주파수 대역만을 통과시키는 대역통과필터; 상기 대역통과필터를 통과한 신호를 아날로그/디지털 변환하여 사용자의 움직임에 대한 생체 감지 검출 결과를 출력하는 신호출력수단을 포함한다.

상기 전력 분배기와 혼합기, 상기 혼합기와 저잡음 증폭기 사이에 신호의 반사를 차단하는 분리수단(Isolator)이 설치되는 것이 바람직하다.

상기 송신 안테나 및 수신 안테나는 원형편파 특성을 향상시키기 위해 시퀀스 로테이션(Sequential rotation) 방식을 이용하는 원형편파 패치 안테나를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 송신 안테나 및 수신 안테나 사이에 상기 안테나간의 분리도 특성을 높 여주는 비아 홀(via hole)이 설치되는 것이 바람직하다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템에 대하여 도 2 내지 도 4를 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템의 구성을 도시한 블록도이고, 도 3은 도 1의 일부 구성요소인 송신 안테나와 수신 안테나를 상세히 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템의 실제 일체형으로 구현된 일례를 도시한 것이다.

도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은, 원형편파 특성을 향상시키기 위해 시퀀스 로테이션(Sequential rotation) 방식을 이용하는 원형편파 패치 안테나(7)를 사용하는 송신 안테나(7a)와 수신 안테나(7b), 유전체 발진기(1), 전력 분배기(2), 저잡음 증폭기(4), 혼합기(3), 저역통과필터(11), 증폭기(12), 대역통과필터(13), 아날로그/디지털 변환기(14)와 직렬통신수단인 RS-232C(15)로 이루어진 신호출력수단 을 포함한다.

송신 안테나(7a)는 사용자에게 생체감지용 신호를 방사하고, 수신 안테나(7b)는 사용자의 움직임, 특히 눈의 깜박임과 눈동자의 움직임에 따라 생체감지용 신호가 주파수 천이되어 반사되는 RF 생체 신호를 수신한다.

송신 안테나(7a)와 수신 안테나(7b) 사이에는 안테나(7)간의 분리도 특성을 높여주는 비아 홀(via hole)()이 설치된다.

유전체 발진기(1)는 위상 잡음이 적고, 10㎓의 소스 신호(source signal)를 생성 출력한다. 전력 분배기(2)는 송신 안테나(7a)와 혼합기(3)의 LO 포트에 각각 전력을 공급할 수 있도록 10㎓이 소스 신호를 제1 신호와 제2 신호로 전력을 분배하여 제1 신호는 송신 안테나(7a)로, 제2 신호는 혼합기(3)로 각각 공급한다.

저잡음 증폭기(4)는 수신 안테나에서 전달되는 생체 신호를 저잡음 증폭 출력하고, 혼합기(3)는 저잡음 증폭기(4)를 통해 증폭 전달되는 생체 신호와 전력분배기(2)에서 전달되는 제2 신호의 주파수 성분을 합성하여 중간주파수(IF)의 신호를 출력한다.

이때, 도 4에 도시된 바와 같이, 분리수단(Isolator)(5)이 전력 분배기(2)와 혼합기(3), 혼합기(3)와 저잡음 증폭기(4) 사이에 신호의 반사를 차단하도록 설치된다.

저역통과필터(11Low Pass Filter, LPF)(11)는 혼합기(3)에서 전달되는 중간주파수의 신호에서 고주파 잡음을 억제하면서 저주파 성분의 필요한 신호만을 통과시키고, 증폭기(12)는 저역통과필터(11)를 통과한 신호를 증폭 출력한다.

대역통과필터(13)는 사용자의 단말기(20)로 정확한 주파수 대역만을 전달하기 위해 증폭기(12)에서 증폭 전달되는 신호에서 특정 주파수 대역만을 통과시킨다.

아날로그/디지털 변환기(14)는 대역통과필터(13)를 통과한 신호를 아날로그/디지털 변환하여 사용자의 움직임에 대한 생체 감지 검출 신호로 출력하고, RS-232C(15)는 사용자의 단말기(20)와 연결되어 아날로그/디지털 변환기(14)에서 출력되는 생체 감지 검출 신호를 사용자가 모니터링 하도록 한다.

도 4에서 참조부호 8은 유전체 발진기(1)에 공급되는 바이어스(bias)를 나타내고, 참조부호 9와 10은 저잡음 증폭기(4)에 공급되는 게이트 바이어스(gate bias)와 드레인 바이어스(drain bias)를 각각 나타낸다.

다음, 도 5 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템의 동작에 대하여 자세하게 설명한다.

도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 원형 편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템의 안테나 특성을 도시한 것이다. 도 8은 본 발명에서 제안한 눈 깜빡임과 눈동자의 움직임에 의한 생체 신호와 스피커의 떨림의 유사성을 이용하여 스피커가 사인파, 톱니파, 구형파로 진동할 때의 파형을 검출한 결과를 도시한 것이고, 도 9 및 도 10은 본 발명에서 제안한 생체 신호에 대한 파형 검출 결과를 도시한 것이다.

도 5 내지 도 7을 참고하면, 송신 안테나(7a)와 수신 안테나(7b)는 원형편파 패치 안테나로 시퀀스 로테이션 방식을 이용하여 축비와 반사 손실의 대역폭을 넓 혔으며, 이렇게 넓은 대역폭의 송신 안테나(7a) 및 수신 안테나(7b)는 유전체 발진기(1)에 의한 10㎓를 중심주파수로 사용함으로써 실제적인 일체형 모듈로 시스템을 제작할 때 안테나의 급전 부분에서 나타날 수 있는 주파수 편향을 보상해줌을 알 수 있다.

또한, 송신 안테나(7a)와 수신 안테나(7b)의 중간 부분에는 비아홀(6)이 설치되어 있어 분리도 특성을 개선하고 있어, 서큘레이터(circulator)를 사용할 때보다 우수한 분리도 특성을 보여줌을 알 수 있다.

유전체 발진기(1)에서 출력되는 10㎓의 소스 신호는 전력 분배기(2)에 의해 제1 신호와 제2 신호로 전력 분배된다. 이때, 제1 신호는 송신 안테나(7a)로, 제2 신호는 혼합기의 LO 포트로 입력된다.

송신 안테나(7a)에서 방사된 생체감지용 신호는 사용자의 눈 깜박임이나 눈동자의 움직임에 의해 주파수 특성이 변화되고, 이렇게 편이된 주파수는 생체 신호로 수신 안테나(7b)에 의해 수신된다.

생체 신호는 저잡음 증폭기(4)를 거쳐 혼합기(3)로 입력된 후에 제2 신호와 합성되어 중간주파수의 신호로 출력된다. 중간주파수의 신호는 저역통과필터(11), 증폭기(12), 대역통과필터(13), 아날로그/디지털 변환기(14)를 거쳐 디지털 신호로 변환되어 사용자의 눈의 깜박임이나 눈동자의 움직임에 대한 생체 감지 검출 신호로 사용자의 단말기(20)를 통해 출력되게 된다.

이때, 도 8 내지 도 10에 도시된 바와 같이 눈의 깜박임과 눈동자의 움직임에 대한 생체 신호는 스피커의 떨림과 유사하게 나타남을 알 수 있다.

따라서 감도 특성이 우수하면서 일체화되어 있는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은 눈의 움직임과 같은 미세한 생체 신호까지 감지할 수 있어 장애인을 위한 상황제어 시스템이나 가정이나 기타 사무실에서의 무선 보안 시스템에 적용될 수 있다.

일례로, 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은 사용자의 컴퓨터상에서 모니터 위에 설치한 후에 눈의 움직임을 감지하도록 하여 마우스 대신 눈의 움직임을 통해 컴퓨터를 제어하도록 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은 원형편파 특성을 높인 무선 감지 센서로 동작되면서 소형화시 나타날 수 있는 주파수 편향을 보상해 주고, 95× 50× 13㎣의 크기로 제조될 수 있어 어디서나 휴대 및 설치가 용이해진다.

특히, 본 발명의 실시예에 따른 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은 지체 장애인과 같이 손의 사용에 불편한 상황에서의 사물 제어 시스템, 버튼식 보안 잠금 장치를 눈의 깜빡임이나 눈동자의 움직임만으로 제어할 수 있는 보안 시스템에 적용할 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 변경이나 변형이 가능하다.

이와 같이, 본 발명에 의한 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은 편파 특성이 우수한 안테나를 사용하여 무선 생체 감지 시스템을 일체화화여 소형화 및 경량화 함으로써 휴대 가능하고 설치가 용이해질 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 의한 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템은 감도 특성이 우수하여 미세한 생체 신호까지 감지할 수 있어 장애인을 위한 상황제어 시스템이나 가정이나 사무실에서 사용하는 보안 시스템에 적용 가능하다는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 사용자에게 생체감지용 신호를 방사하는 송신 안테나와, 사용자의 움직임에 따라 상기 송신안테나에서 생체감지용 신호가 주파수 천이되어 반사되는 생체 신호를 수신하는 수신 안테나를 포함하는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템에 있어서,

   미리 정해진 주파수의 소스 신호(source signal)를 생성 출력하는 유전체 발진기;

   상기 유전체 발진기에서 소스 신호를 전달받아 제1 신호와 제2 신호로 전력을 분배하는 전력분배기;

   상기 수신 안테나에서 전달되는 생체 신호를 증폭하는 저잡음 증폭기;

   상기 저잡음 증폭기를 통해 증폭 전달되는 생체 신호와 상기 전력분배기에서 전달되는 제2 신호의 주파수 성분을 합성하여 중간주파수의 신호를 출력하는 혼합기;

   상기 혼합기에서 전달되는 중간주파수의 신호에서 고주파 잡음을 억제하면서 저주파 성분의 필요한 신호만을 통과시키는 저역통과필터;

   상기 저역통과필터를 통과한 신호를 증폭 출력하는 증폭기;

   상기 증폭기에서 증폭 전달되는 신호에서 선택적인 주파수 대역을 통과시키는 대역통과필터;

   상기 대역통과필터를 통과한 신호를 아날로그/디지털 변환하여 사용자의 움직임에 대한 생체 감지 검출 결과를 출력하는 신호출력수단

   을 포함하는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 전력 분배기와 혼합기, 상기 혼합기와 저잡음 증폭기 사이에 신호의 반사를 차단하는 분리수단(Isolator)이 설치되는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 송신 안테나 및 수신 안테나는 원형편파 특성을 향상시키기 위해 시퀀스 로테이션(Sequential rotation) 방식을 이용하는 원형편파 패치 안테나를 사용하는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전력분배기의 제1 신호는 상기 송신 안테나로 전달되는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템.
5. 제1항에 있어서,

   상기 송신 안테나 및 수신 안테나 사이에 상기 안테나간의 분리도 특성을 높여주는 비아 홀(via hole)이 설치되는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 수신 안테나는 사용자의 눈의 깜빡임이나 눈동자의 움직임에 의해 변화하는 주파수 특성을 감지하여 RF의 생체신호로 상기 저잡음 증폭기에 전달하는 원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템.
7. 제1항에 있어서,

   상기 신호출력수단은,

   상기 대역통과필터를 통과한 신호를 아날로그/디지털 변환하여 사용자의 움직임에 대한 생체 감지 검출 신호로 출력하는 아날로그/디지털 변환기; 및

   상기 아날로그/디지털 변환기에서 출력되는 생체 감지 검출 신호를 사용자가 모니터링 하도록 전달하기 위해 사용자의 단말기와 연결되는 직렬통신수단

   원형편파를 이용한 일체형 무선 생체 감지 시스템.

Images