KR100948941B1 - 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치 및 그방법 - Google Patents

인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치 및 그방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 고성능의 계장용 증폭기, 마이크로폰 또는 초음파 센서와 같은 트랜스튜서를 사용하지 않고, 인덕턴스를 갖는 전극을 이용하여 심장 박동에 의한 손목 부위의 임피던스 변화를 측정함으로써, 신체에 직접적인 접촉을 하지 않아도 심장박동신호를 측정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치에 관한 것으로서, 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 발진 주파수를 갖는 발진 신호를 생성하고, 외부의 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하며, 측정된 전기 및 자기장의 신호를 미분하여 미분신호를 생성하고, 신체의 호흡과 심장박동 파형 조건에 따라 검파신호를 생성하는 측정부; 및 상기 측정부로부터 출력되는 검파신호를 인가받아 심장박동신호를 추출하는 신호 처리부; 를 포함한다.
심장박동신호, 코일, 손목

Description

인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치 및 그 방법 {THE APPARATUS FOR MEASURING HEART BEAT USING INDUCTIVE ELECTRODE AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 심장박동신호 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 인덕턴스를 갖는 전극을 이용하여 심장 박동에 의한 손목 부위의 임피던스 변화를 측정함으로써, 초음파 또는 적외선이 신체에 직접 입사되지 않아 피험자의 안전을 보장할 수 있으며 신체에 전극의 직접적인 부착을 피할 수 있는 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래 심장박동신호 측정기술과 관련하여 국내 공개특허 제2007-0114541호(이하, '선행특허') 외에 다수 출원 및 등록되어 있다.
선행특허에 따른 심장박동신호 측정장치는 그 출원 명세서에 기재된 바와 같이, 본체와, 상기 본체에 내장되어 후면에 부착되면서 초음파 도플러를 송ㆍ수신부에서 송ㆍ수신하도록 이루어진 도플러센서와, 상기 본체에 내장되고, 도플러센서에 수신된 주파수가 필터링되면서 디지털화되어 디스플레이되기 위한 주파수로 변환되도록 이루어진 필터링 및 주파수 변환회로부와, 상기 회로부의 신호가 육안으로 식별가능하도록 이루어진 출력회로부와, 상기 본체에 장착되어 도플러센서가 피부와 근접되도록 이루어진 밴드 및 상기 본체에 설치되어 도플러센서의 전원 및 디스플레이부의 화면 전환을 위한 다수의 버튼으로 이루어진 컨트롤부를 포함하고 있다.
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 알려져 있다.
그러나, 상기한 종래 기술들은, 혈류 측정을 위해 연속적으로 초음파를 신체에 입사시켜야 하며, 혈액내 산소량 변화를 측정하는 방법에 있어서도 노출된 피부에 직접 적외선을 입사시켜야 했다. 또한, 심전도 측정을 위해서는 피부에 직접 전극을 부착하여야 했다.
그리고, 청진기와 마이크로폰을 이용한 심음 측정에 있어서도 주변 소음의 영향이 크게 작용하여 측정에 어려움이 따랐으며, 맥진 방법에 있어서도 신체 일부를 압박하여야 하는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 고성능의 계장용 증폭기, 마이크로폰 또는 초음파 센서와 같은 트랜스튜서를 사용하지 않고, 인덕턴스를 갖는 전극을 이용하여 심장 박동에 의한 손목 부위의 임피던스 변화를 측정함으로써, 신체에 직접적인 접촉을 하지 않아도 심장박동신호를 측정할 수 있는 장치 및 그 방법을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치에 관한 것으로서, 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 발진 주파수를 갖는 발진 신호를 생성하고, 외부의 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하며, 측정된 전기 및 자기장의 신호를 미분하여 미분신호를 생성하고, 신체의 호흡과 심장박동 파형 조건에 따라 검파신호를 생성하는 측정부; 및 상기 측정부로부터 출력되는 검파신호를 인가받아 심장박동신호를 추출하는 신호 처리부; 를 포함한다.
바람직하게 상기 측정부는, 신체 부위에 근접 배치되는 인덕터 전극을 포함하는 LC 발진회로가 구성되어, 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 발진 주파수를 갖는 발진 신호를 생성하고, 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하는 발진기; 상기 발진기를 통해 생성된 합성발진신호를 미분하여 미분신호를 생성하는 미분기; 및 상기 미분기를 통해 생성된 미분신호를 인가받아 검출 대상의 검파신호를 생성하는 포락선 검파기; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 신호 처리부는, 상기 측정부를 통해 생성된 검파신호를 증폭하는 증폭기; 및 상기 증폭기를 통해 증폭된 신호로부터 심장박동신호를 추출하는 대역통과필터; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 LC 발진회로를 통해 생성된 발진 주파수를 갖는 발진 신호는, 0.1KHz 내지 500MHz 대역의 신호인 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 대역통과필터를 통해 추출되는 심장박동신호는, 0.1㎐ 내지 30㎐ 대역의 신호인 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명은 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 방법에 관한 것으로서, (a) 상기 측정부가 검출 대상으로부터 발진 신호를 생성하고, 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하는 단계; (b) 상기 측정부가 상기 (a) 단계를 통해 생성한 상기 합성발진신호로부터 미분신호를 생성하는 단계; (c) 상기 측정부가 상기 미분신호를 검파신호로 변환하는 단계; 및 (d) 상기 신호 처리부가 상기 측정부로부터 생성된 검파신호를 바탕으로, 특정 대역의 심장박동신호로 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한 바람직하게 상기 (c) 단계 이후 (d) 단계 이전에, (c-1) 상기 신호 처리부(200)가 변환된 검파신호를 증폭하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 (d) 단계에서, 상기 특정 대역은, 0.1Hz 내지 30Hz 인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 초음파 또는 적외선이 신체에 직접 입사되지 않아 피험자의 안전을 보장할 수 있으며, 외부 소리에 반응하지 않아 주변의 소음에 영향이 없으며, 신체에 전극의 직접적인 부착을 피할 수 있으므로 장시간의 호흡 및 심장박동수를 측정할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치 및 그 방법에 관하여 도 1 내지 도 4 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 따른 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치(이하, '측정 장치')에 관한 전체 구성도로서, 도시된 바와 같이 측정부(100) 및 신호처리부(200)로 구성된다.
측정부(100)는 LC 발진회로의 공진 주파수를 갖는 신호를 발진하여 발진 신호를 생성하고, 외부의 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하며, 측정된 전기 및 자기장의 신호를 미분하여 미분신호를 생성하고, 신체의 호흡과 심장박동 파형 조건에 따라 검파신호를 생성하는 기능을 수행하는 바, 도시된 바와 같이, 발진기(110), 미분기(120) 및 포락선 검파기(130)를 포함한다.
구체적으로, 발진기(110)는, 신체 부위에 근접 배치되는 인덕터, 즉 코일을 포함하는 LC 발진회로가 구성되어, 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 발진 주파수 f 를 갖는 발진 신호
Figure 112008008484107-pat00001
를 생성한다. 이때, 발진 주파수 및 발진 신호는 다음의 [수식 1]로 나타내며, 이러한 발진 신호
Figure 112008008484107-pat00002
는 0.1KHz 내지 500MHz 대역의 신호이다.
[수식 1]
Figure 112008008484107-pat00003
Figure 112008008484107-pat00004
여기서, A : LC 발진회로의 출력 진폭,
Figure 112008008484107-pat00005
: 발진 신호의 위상
상술한 바와 같이, 코일은 인덕터(
Figure 112008008484107-pat00006
)로 작용하며, 이러한
Figure 112008008484107-pat00007
는 다음의 [수식 2]에서와 같이, 외부의 영향을 받지 않을 경우 즉, 검출 대상이 코일에 가까이 있지 않을 경우의 초기 전기 및 자기장 변화에 의한
Figure 112008008484107-pat00008
과, 가까이 있을 경우의 전기 및 자기장 변화에 의한
Figure 112008008484107-pat00009
를 포함한다.
[수식 2]
Figure 112008008484107-pat00010
[수식 2] 에서와 같이, 합성된 전기 및 자기장
Figure 112008008484107-pat00011
는 인덕터(코일) 전극 간의 거리 또는 주변 물질의 전기 및 자기장에 영향을 받으며, 상기 인덕터(코일) 전극이 LC 발진회로에 직렬로 접속되면, LC 발진회로의 L(인덕턴스)은
Figure 112008008484107-pat00012
만큼 증가하게 된다.
일반적으로,
Figure 112008008484107-pat00013
는
Figure 112008008484107-pat00014
와 L(인덕턴스) 보다 매우 작은 값을 가지므로, 이때의 발진 주파수 f 와 LC 발진회로의 합성발진신호 V1은 다음의 [수식 3]에 의하여 계산된다.
[수식 3]
Figure 112008008484107-pat00015
또한, 미분기(120)는 발진기(110)를 통해 생성된 합성발진신호를 미분하여 미분신호를 생성한다.
그리고, 포락선 검파기(130)는 상기 미분신호를 인가받아 검출 대상(신체)의 호흡과 심장박동 파형 조건에 따라 검파신호를 생성한다.
이러한, 미분기(120)와 포락선 검파기(130)의 동작을 수학적으로 살펴보면 다음과 같다. 다음의 [수식 4]에서 V2는 미분신호를 의미하며, 미분신호 V2는 포락 선 검파기(130)를 통해 [수식 5]와 같이 미분신호 V2의 진폭신호만을 검출되므로, 검파신호
Figure 112008008484107-pat00016
는 [수식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수식 4]
Figure 112008008484107-pat00017
[수식 5]
Figure 112008008484107-pat00018
[수식 6]
Figure 112008008484107-pat00019
즉, 검파신호
Figure 112008008484107-pat00020
는 [수식 6]과 같이 발진 주파수에 비례하는 관계를 가지게 되며, 발진 주파수는 상기 [수식 3]에서 나타낸 바와 같이, 검출대상의 전기 및 자기장의 변화에 의한
Figure 112008008484107-pat00021
와 비례관계를 가지게 된다.
혈류량에 따라 손목 부위의 임피던스 값은 변하게 되고, 손목부의 임피던스 변화에 의해
Figure 112008008484107-pat00022
의 값도 변하게 된다. 따라서,
Figure 112008008484107-pat00023
혈류량에 의해 그 값이 변하게 되고, 상기에서 설명한 방법으로
Figure 112008008484107-pat00024
의 값을 측정함으로써 혈류량의 변화로부터 심장 박동을 측정할 수 있게 된다.
신호 처리부(200)는 측정부(100)의 포락선 검파기(130)로부터 출력되는 검파신호
Figure 112008008484107-pat00025
를 인가받아 심장박동(맥박)신호를 추출하는 기능을 수행하는 바, 상기 도 1 에 도시된 바와 같이, 검파신호를 증폭하는 증폭기(210) 및 증폭된 신호로부터 심장박동신호를 추출하는 대역통과필터(220)를 포함한다. 이때, 대역통과필터(220)를 통해 추출되는 심장박동신호는 0.1㎐ 내지 30㎐ 대역의 신호이다.
상술한 측정 장치를 이용한 심장박동신호 측정 방법에 관하여 도 2 내지 도 4 를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 는 본 발명에 따른 측정 장치를 이용한 심장박동신호 측정 방법에 관한 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이 측정부(100)의 발진기(110)는 검출 대상으로부터 발진 주파수 f 를 갖는 발진 신호
Figure 112008008484107-pat00026
를 생성하고(S10), 코일을 통해 합성발진신호 V1을 생성한다(S20). 이때, 합성발진신호는 앞선 [수식 2]에서 살펴본 바와 같이, 전극 사이의 초기 전기 및 자기장 변화에 의한
Figure 112008008484107-pat00027
과 검출 대상의 전기 및 자기장 변화에 의한
Figure 112008008484107-pat00028
를 포함한다.
다음으로, 측정부(100)의 미분기(120)를 통해 생성한 합성발진신호로부터 미분신호 V2를 생성하며(S30), 포락선 검파기(130)는 상기 미분신호 V2를 검파신호
Figure 112008008484107-pat00029
로 변환한다(S40).
이후, 신호 처리부(200)의 증폭기(210)는 상기와 같이 변환된 검파신호
Figure 112008008484107-pat00030
를 증폭하며(S50), 대역통과필터(220)는 증폭된 신호로부터 특정 대역의 심장박동신호를 추출한다(S60).
이하에서는, 본 발명에 따른 측정 장치에 대한 회로적 응용예와 이를 통한 측정 결과를 살펴보도록 한다.
도 3 은 본 발명의 응용예에 따른 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치에 관한 회로도이다.
구체적으로, 본 발명에 따른 발진기(110)는 콜피츠(Colpitts) 발진회로를 기반으로 하고 있으며, 그 발진 주파수는 L, C1, C2에 의해 결정된다. 본 응용예에서 상기 발진 주파수를 950kHz로 설정하겠으나, 본 발명이 이에 한정되지 않는다.
한편, 상기 콜피츠 발진회로의 L과 직렬로 연결되는 코일은 0.5㎜ 두께 그리고 'FR4' 재질의 인쇄회로기판(Printed Circuit Board:PCB) 기판에 마련되며, 두께 0.25mm, 간격 0.25mm 나선형으로 20번 정도 감아 형성된다.
미분기(120)는 기본적인 RC회로이며, 포락선 검파기(130)는 다이오드에 기반한 회로로 구성되어 있다. 여기서, 미분기(120)와 포락선 검파기(130) 사이에는 증폭회로가 구성될 수 있으며, 이는 생략해도 무방하다.
도 4 는 도 3 의 응용예를 통한 측정결과 그래프로서, 상술한 응용예를 바탕으로, 검출 대상(신체)의 호흡신호와 심장박동신호 측정을 위해, 검출 대상의 손목(wrist) 근처에 코일을 위치시켰다. 이때 검출 대상은 옷을 입은 상태이다.
이때, G1은 검파신호를 0.1Hz~30Hz의 대역폭을 가지는 대역통과필터(220)에 통과시켜 추출한 심장박동신호이고, G2는 종래 접촉식 측정 장치를 통해 추출한 심장박동 신호이다.
도 4 에 나타낸 바와 같이, 본 응용예에 따른 측정 장치를 통해 추출한 심장박동신호 G1은 심장박동신호 G2와 동일한 주기를 가지는 신호임을 볼 수 있다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치에 관한 전체 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 방법에 관한 전체 흐름도.
도 3 은 본 발명의 응용예에 따른 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치에 관한 회로도.
도 4 는 도 3 의 응용예를 통한 측정결과 그래프.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100: 측정부 110: 발진기
120: 미분기 130: 포락선 검파기
200: 신호 처리부 210: 증폭기
220: 대역통과필터

Claims (8)

  1. 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치에 있어서,
    인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 발진 주파수를 갖는 발진 신호를 생성하고, 외부의 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하며, 측정된 전기 및 자기장의 신호를 미분하여 미분신호를 생성하고, 신체의 호흡과 심장박동 파형 조건에 따라 검파신호를 생성하는 측정부(100); 및
    상기 측정부(100)로부터 출력되는 검파신호를 인가받아 심장박동신호를 추출하는 신호 처리부(200); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 측정부(100)는,
    신체 부위에 근접 배치되는 인덕터 전극을 포함하는 LC 발진회로가 구성되어, 인덕턴스(L)와 커패시턴스(C)에 의한 발진 주파수를 갖는 발진 신호를 생성하고, 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하는 발진기(110);
    상기 발진기(110)를 통해 생성된 합성발진신호를 미분하여 미분신호를 생성하는 미분기(120); 및
    상기 미분기(120)를 통해 생성된 미분신호를 인가받아 검출 대상의 검파신 호를 생성하는 포락선 검파기(130); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 처리부(200)는,
    상기 측정부(100)를 통해 생성된 검파신호를 증폭하는 증폭기(210); 및
    상기 증폭기(210)를 통해 증폭된 신호로부터 심장박동신호를 추출하는 대역통과필터(220); 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 LC 발진회로를 통해 생성된 발진 주파수를 갖는 발진 신호는,
    0.1KHz 내지 500MHz 대역의 신호인 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 대역통과필터(220)를 통해 추출되는 심장박동신호는,
    0.1㎐ 내지 30㎐ 대역의 신호인 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 장치.
  6. 측정부(100) 및 신호 처리부(200)로 구성된 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 방법에 있어서,
    (a) 상기 측정부(100)가 검출 대상으로부터 발진 신호를 생성하고, 전기 및 자기장 변화를 감지하여 합성발진신호를 생성하는 단계;
    (b) 상기 측정부(100)가 상기 (a) 단계를 통해 생성한 상기 합성발진신호로부터 미분신호를 생성하는 단계;
    (c) 상기 측정부(100)가 상기 미분신호를 검파신호로 변환하는 단계; 및
    (d) 상기 신호 처리부(200)가 상기 측정부(100)로부터 생성된 검파신호를 바탕으로, 특정 대역의 심장박동신호로 추출하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (c) 단계 이후 (d) 단계 이전에,
    (c-1) 상기 신호 처리부(200)가 변환된 검파신호를 증폭하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서,
    상기 특정 대역은, 0.1Hz 내지 30Hz 인 것을 특징으로 하는 인덕티브 전극을 이용한 심장박동신호 측정 방법.
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