KR100928421B1

KR100928421B1 - Ｌｃ 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정장치 및 이를 위한 신호 처리 방법

Info

Publication number: KR100928421B1
Application number: KR1020070087145A
Authority: KR
Inventors: 홍성철; 엄준호; 이성은
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-11-24
Also published as: KR20090022085A

Abstract

본 발명은 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치 및 신호 처리 방법에 관한 것으로서, 검출 대상에 근접 배치되는 전극 및 상기 전극에 접속되는 LC 발진회로를 통해 발진신호를 바탕으로 상기 검출 대상의 정전용량 변화가 반영된 합성 발진신호를 생성하는 발진기와, 상기 합성 발진신호로부터 미분신호를 생성하는 미분기, 및 상기 미분신호로부터 검파신호를 생성하는 포락선 검파기로 구성된 센서부; 를 포함한다.

본 발명에 따르면 전파 또는 적외선이 신체에 직접 입사되지 않아 피험자의 안정성을 보장할 수 있으며, 측정 센서가 외부 소리에 반응하지 않아 주변의 소음에 영향이 없으며, 신체에 전극의 직접적인 부착을 피할 수 있으므로 장시간의 호흡 및 심장박동수를 측정이 가능한 특유의 효과가 있다.

생체 신호, 심박 측정, 무전극, 비접촉, 심장, 호흡, 생명체 감지

Description

ＬＣ 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치 및 이를 위한 신호 처리 방법{Apparatus for detecting breth and heart beat signal using LC oscillator and method there processing signal}

본 발명은 LC 발진회로를 이용하여, 특히 사람의 피부에 접촉하지 않고, 신체의 호흡과 심장박동에 의한 신체의 정전용량 변화를 감지하여 호흡신호 및 심장박동신호를 측정하는 기술에 관한 것이다.

종래 호흡신호 및 심장박동신호 측정에 관련한 기술은, 대한민국 공개특허 제2004-0045364호 이외에 다수 출원 및 등록된 상태이다.

도 1은 종래 호흡신호 및 심장박동신호 측정 장치에 대한 구성을 도시하는 블럭도이다. 상기 측정 장치는 인체에 의해 압박되는 센서(2)와, 상기 센서(2)의 출력으로부터 심박 및/또는 호흡을 측정하는 측정 회로를 포함하고, 상기 센서(2)는 인체의 압박에 의한 압박력을 받을 때 탄성 복귀 가능하게 변형하는 코일 부재를 포함하고, 상기 측정 회로는, 상기 코일 부재의 인덕턴스 성분 및 커패시턴스 성분을 각각 발진용 코일(L) 및 커패시터(C)로서 사용하는 LC 발진회로(3)와, 상기 LC 발진회로(3)의 발진 주파수의 변화를 검출하여 상기 변화에 포함되는 심박 및 / 또는 호흡의 주파수 성분을 기초로 심박 및/또는 호흡에 따른 생리량 데이터를 산출하는 연산 처리 회로(4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이외에도 심장박동신호를 측정하기 위한 방법으로는 은/염화은 전극과 같은 고정전극을 피험자의 손목이나 발목에 직접 접착시켜, 심장박동에 의한 체표면의 전압 변화를 측정하는 심전도 측정, 청진기나 마이크로폰을 이용하여 심장 박동음을 측정하는 심음 측정, 손가락이나 귓불에 산소가 흡수하는 적외선 파장을 입사시키고 반사된 빛의 세기를 측정하여 혈액의 산소량 변화를 감지하는 혈액내 산소량 측정, 및 손목이나 가슴 부위를 압박하여 심장박동에 의한 물리적인 움직임을 측정하는 맥진 방법 등이 있다.

그러나, 상기 호흡신호 및 심장박동신호 측정 장치는 측정을 위해 신체를 압박해야 하고, 그외에 상술한 심전도 측정을 위해서는 피부에 직접 전극을 부착하여야 하며, 청진기와 마이크로폰을 이용한 심음 측정은 주변 소음의 영향이 크게 작용한다. 또한, 혈액내 산소량 변화를 측정하는 방법은 노출된 피부에 직접 적외선을 입사시켜야 하고, 맥진 방법은 신체 일부를 압박하여야 하는 문제점이 있었다.

상기한 문제점들을 해결하기 위하여 본 발명은 고성능의 계장용 증폭기, 또는 마이크로폰과 같은 트랜스튜서를 사용하지 않고, 피부에 직접적인 접촉을 하지 않으면서도 호흡신호와 심장박동신호를 측정할 수 있는 LC 발진회로를 이용한 비접 촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치 및 신호 처리 방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치에 관한 것으로서, 검출 대상에 근접 배치되는 전극(112a, 112b) 및 상기 전극에 접속되는 LC 발진회로(111)를 통해 발진신호를 바탕으로 상기 검출 대상의 정전용량 변화가 반영된 합성 발진신호를 생성하는 발진기(110)와, 상기 합성 발진신호로부터 미분신호를 생성하는 미분기(120), 및 상기 미분신호로부터 검파신호를 생성하는 포락선 검파기(130)로 구성된 센서부(100); 를 포함한다.

바람직하게 상기 검파신호를 증폭하는 증폭기(210)와, 상기 증폭기의 신호로부터 심장박동신호를 추출하는 제1 대역통과필터(220), 및 상기 증폭기의 신호로부터 호흡신호를 추출하는 제2 대역통과필터(230)로 구성된 신호 처리부(200); 를 더 포함한다.

또한, 바람직하게 상기 LC 발진회로는, 1㎑~500㎒ 대역의 발진신호를 생성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 바람직하게 상기 제1 대역통과필터(220)는, 1㎐~30㎐ 대역의 심장박동신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.

그리고 바람직하게 상기 제2 대역통과필터(230)는, 0.01㎐~0.99㎐의 대역의 호흡신호를 추출하는 것을 특징으로 한다.

한편 본 발명은 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치의 신호 처리 방법에 관한 것으로서, 검출 대상에 근접 배치되는 전극(112a, 112b) 및 상기 전극에 접속되는 LC 발진회로(111)를 통해 발진신호를 바탕으로 상기 검출 대상의 정전용량 변화가 반영된 합성 발진신호를 생성하는 제1 과정; 상기 합성 발진신호로부터 미분신호를 생성하고, 상기 미분신호로부터 검파신호를 생성하는 제2 과정; 상기 검파신호로부터 제1 대역통과필터(220)를 통해 심장박동신호를 추출하는 제3 과정; 및 상기 검파신호로부터 제2 대역통과필터(230)를 통해 호흡신호를 추출하는 제4 과정; 을 포함한다.

그리고 바람직하게 상기 제2 과정 이후에, 상기 검파신호를 증폭하는 과정; 을 더 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 전파 또는 적외선이 신체에 직접 입사되지 않아 피험자의 안전을 보장할 수 있으며, 측정 센서가 외부 소리에 반응하지 않아 주변의 소음에 영향이 없으며, 신체에 전극의 직접적인 부착을 피할 수 있으므로 장시간의 호흡신호 및 심장박동신호를 측정할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동 신호 측정 장치(이하, 측정 장치)의 전체적인 구성을 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치의 전체적인 구성도이다.

상기 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치는 센서부(100) 및 신호처리부(200)를 포함한다.

상기 센서부(100)는 LC 발진회로의 공진 주파수를 가지는 신호를 발진하고, 외부의 정전용량 변화를 감지하여 합성 발진신호를 생성하며, 측정된 정전용량의 신호를 미분하여 미분신호를 생성하고, 상기 미분신호로부터 검파신호를 생성하는 기능을 수행하는 바, 발진기(110), 미분기(120) 및 포락선 검파기(130)를 포함한다.

구체적으로, 발진기(110)는 LC 발진회로(111)와 이 LC 발진회로(111)에 접속되는 상호 소정거리 이격된 한 쌍의 도전성 전극(112a, 112b)을 구성한다. LC 발진회로(111)는 도면에 도시된 바와 같이 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 발진 주파수

를 갖는 발진신호 V_osc를 생성한다. 이때의 발진 주파수 및 발진신호는 다음의 [수학식 1]로 표현될 수 있다. 참고적으로 상기 발진신호는 1㎑~500㎒ 대역의 신호이다.

[수학식 1]

상기 [수학식 1]에 있어서, A는 LC 발진회로의 출력 진폭이며,

는 발진신호의 위상이다.

앞서 설명한 바와 같은 한 쌍의 전극(112a, 112b)은 간에는 정전용량 C_patch가 존재한다. 이 C_patch는 다음의 [수학식 2]에서 보는 바와 같이, 외부의 영향을 받지 아니할 경우, 즉 검출 대상이 전극 가까이 있지 않을 경우의 초기 정전용량 C_patch0와 검출 대상이 가까이 있을 경우의 정전용량 C_body를 포함하는 합성된 정전용량이다.

[수학식 2]

상기 합성된 정전용량 C_patch는 전극 간의 거리나 주변 물질의 정전용량에 영향을 받는다는 것을 의미한다. 여기서, 상기 전극이 LC 발진회로(111)에 병렬로 접속되면, LC 발진회로(111)의 정전용량 C(앞서 언급한 커패시턴스)는 C_patch만큼 증가하게 된다. 일반적으로 C_body는 C_patch와 C 보다 매우 작은 값을 가지므로 이때 발진 주파수

와 LC 발진회로(111)의 합성 발진신호 V1은 다음의 [수학식 3]에 의하여 계산될 수 있다.

[수학식 3]

한편, 미분기(120)는 상기 발진기(110)의 합성 발진신호를 미분하여 미분신호를 생성하며, 포락선 검파기(130)는 이 미분신호를 인가받아 검파신호를 생성한다.

상기한 미분기(120)와 포락선 검파기(130)의 동작을 수학적으로 고찰해보면 다음과 같다. 아래의 [수학식 4]에서 V2는 미분신호를 의미하며, 미분신호 V2는 포락선 검파기 (130)을 통해 [수학식 5]와 같이 V2의 진폭신호만을 검출해내므로, 검파신호 V_sensor는 [수학식 6]과 같이 나타낼수 있다.

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

검파신호 V_sensor는 [수학식 6]와 같이 발진주파수에 비례하는 관계를 가지게 되며, 발진 주파수는 [수학식 3]에서 나타낸바와 같이 검출대상의 정전용량 C_body와 비례관계를 가지게 된다

이와 같이 포락선 검파기(130)로부터 출력되는 검파신호는 신호 처리부(200)를 거쳐 호흡신호와 심장박동신호로 분리된다. 이를 위해 신호 처리부(200)는 상기 검파신호를 증폭하는 증폭기(210)와 증폭된 신호로부터 심장박동신호(1㎐~30㎐ 대역)를 추출하는 제1 대역통과필터(220), 그리고 증폭된 신호로부터 호흡신호(0.01㎐~1㎐ 대역)를 추출하는 제2 대역통과필터(230)를 구성한다.

이하, 첨부도면 도 3을 참조하여 상술한 측정 장치를 이용한 주요 신호 처리 방법을 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치의 신호 처리 방법 흐름도이다.

도면을 참조하면, 먼저, 앞서 언급한 바와 같이 발진기(110)는 발진 주파수

를 갖는 발진신호 V_osc를 생성하여, 한 쌍의 전극(112a, 112b)을 통해 합성 발진신호 V1을 생성한다(S2, S4). 여기서, 합성 발진신호는 상기 [수학식 2]에서 살펴본 바와 같이 전극 사이의 초기 정전용량 C_patch0과 검출 대상에 의한 정전용량 C_body를 포함한다.

다음으로, 미분기(120)는 상기 합성 발진신호로부터 미분신호 V1을 생성한다(S6). 이 미분신호는 포락선 검파기(130)에 의해 검파신호로 변환된다(S8).

이와 같이 변환된 검파신호는 증폭된 후, 제1 대역통과필터(220) 및 제2 대역통과필터(230)를 통해 각기 심장박동신호와 호흡신호로 분리·추출된다(S10, S12).

이하, 본 발명의 측정 장치에 대한 회로적 응용예와 이를 통한 측정결과를 살펴본다. 도 4는 본 발명의 응용예를 보인 회로도이고, 도 5는 도 4의 응용예를 통한 측정결과 그래프이다.

구체적으로 도 4를 참조하면, 본 발명의 발진기(110)는 콜피츠(Colpitts) 발진회로를 기반으로 하고 있으며, 그 발진 주파수는 L, C1, C2에 의해 결정된다. 본 응용예에서 상기 발진 주파수는 760㎑로 설정한다.

한편, 상기 콜피츠 발진회로의 C1의 양단에 접속되는 한 쌍의 전극(112a, 112b)은 0.5㎜ 두께 그리고 'FR4' 재질의 PCB 기판에 마련되며, 각 전극은 한 변의 길이가 3㎝인 정방형 패턴으로 형성되고, 이들 전극은 6㎝ 간격을 유지한다.

미분기(120)는 기본적인 RC회로로, 그리고 포락선 검파기(130)는 다이오드에 기반한 회로로 구성되어 있다. 여기서, 미분기(120)와 포락선 검파기(130) 사이에는 증폭회로(P)가 구성될 수 있으며, 이는 생략해도 무방하다.

상술한 응용예를 바탕으로, 검출 대상(신체)의 호흡신호와 심장박동신호 측정을 위해, 검출 대상의 가슴(chest) 근처에 전극(112a, 112b)을 위치시켰다. 이때 검출 대상은 옷을 입은 상태이다. 첨부도면 도 5에서 미설명 부호 G1은 검파 신호의 파형이며, 상기 검파신호(G1)를 0.1㎐~1㎐의 대역폭을 가지는 대역통과 필터(제2 대역통과필터)와 10㎐~15㎐의 대역폭을 가지는 대역 통과필터(제1 대역통과필터)에 통과시켜 상기 검파신호(G1) 중에서 호흡신호(G2)와 심장박동신호(G3)를 분리해 내었다.

상기 분리된 심장박동신호(G3)와 종래 접촉식 측정 장치에 의한 심장박동신호(G4)를 비교해보면, 본 응용예의 심장박동신호 G3은 심장박동신호 G4와 동일한 주기를 가지는 신호임을 확인할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

도 1은 종래 심박/호흡 측정 장치의 구성을 도시하는 블럭도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치의 전체적인 구성도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 측정 장치의 신호 처리 방법 흐름도.

도 4는 본 발명의 응용예를 보인 회로도.

도 5는 도 4의 응용예를 통한 측정결과 그래프.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100 : 센서부 110 : LC 발진기

111 :　LC 발진회로 112(112a, 112b) : 전극

120 : 미분기 130 : 포락선 검파기

200 : 신호 처리부 210 : 신호 증폭기

220 : 제 1대역 통과 필터 230 : 제 2대역 통과 필터

V1 : 합성 발진 신호 V2 : 미분 신호

V_sensor: 검파 신호 G1 : 검파 신호 그래프

G2 : 호흡 신호 그래프 G3 : 심장박동신호 그래프

G4 : 접촉식 심장박동 신호 그래프

Claims

비접촉식 호흡신호 및 심장박동신호를 측정하는 장치에 있어서,

검출 대상에 근접 배치되는 전극(112a, 112b) 및 상기 전극에 접속되는 LC 발진회로(111)를 통해 발진신호를 바탕으로 상기 검출 대상의 정전용량 변화가 반영된 합성 발진신호를 생성하는 발진기(110)와, 상기 합성 발진신호로부터 미분신호를 생성하는 미분기(120), 및 상기 미분신호로부터 검파신호를 생성하는 포락선 검파기(130)로 구성된 센서부(100); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 검파신호를 증폭하는 증폭기(210)와, 상기 증폭기의 신호로부터 심장박동신호를 추출하는 제1 대역통과필터(220), 및 상기 증폭기의 신호로부터 호흡신호를 추출하는 제2 대역통과필터(230)로 구성된 신호 처리부(200); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 LC 발진회로는 1㎑~500㎒ 대역의 발진신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 제1 대역통과필터(220)는,

1㎐~30㎐ 대역의 심장박동신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치.
청구항 2에 있어서,

상기 제2 대역통과필터(230)는,

0.01㎐~0.99 ㎐의 대역의 호흡신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치.
LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치의 신호 처리 방법에 있어서,

검출 대상에 근접 배치되는 전극(112a, 112b) 및 상기 전극에 접속되는 LC 발진회로(111)를 통해 발진신호를 바탕으로 상기 검출 대상의 정전용량 변화가 반영된 합성 발진신호를 생성하는 제1 과정;

상기 합성 발진신호로부터 미분신호를 생성하고, 상기 미분신호로부터 검파신호를 생성하는 제2 과정;

상기 검파신호로부터 제1 대역통과필터(220)를 통해 심장박동신호를 추출하는 제3 과정; 및

상기 검파신호로부터 제2 대역통과필터(230)를 통해 호흡신호를 추출하는 제4 과정; 을 포함하는 것을 특징으로 하는 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치의 신호 처리 방법.
청구항 6에 있어서,

상기 제2 과정 이후에,

상기 검파신호를 증폭하는 과정; 을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 LC 발진회로를 이용한 비접촉식 호흡·심장박동신호 측정 장치의 신호 처리 방법.