KR101048567B1

KR101048567B1 - 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치

Info

Publication number: KR101048567B1
Application number: KR1020100016579A
Authority: KR
Inventors: 황인덕
Original assignee: 황인덕
Priority date: 2010-01-30
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2011-07-11

Abstract

본 발명은 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치로서, 더욱 상세하게는 60Hz의 전력선이나 정전기에 의한 간섭(Interference) 없이 심전도나 근전도 등의 생체신호를 얻기 위한 장치에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치로서, 피검자에 접촉되는 제1 및 제2 전극과, 제1 및 제2 입력 터미널을 갖는 계측증폭기와, 상기 제1 및 제2 전극과 상기 계측증폭기의 제1 및 제2 입력 터미널 사이에 연결된 제1 및 제2 쉴드 케이블과, 상기 계측증폭기에 인가되는 제1 및 제2 입력전압의 공통모드전압을 추출하기 위한 추출회로와, 상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기와, 상기 트랜스콘덕턴스 증폭기의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 제3 전극과, 상기 추출된 공통모드전압을 전달하는 쉴드 드라이버와, 상기 제1 및 제2 쉴드 케이블의 쉴드를 연결하는 도선과 상기 쉴드 드라이버 사이에 삽입된 직렬 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치{APPARATUS FOR MEASUREMENT THE VOLTAGE WHICH OCCURS IN FROM SUBJECT}

본 발명은 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치로서, 더욱 상세하게는 60Hz의 전력선(Power-line)이나 정전기(Electrostatic Charge)에 의한 간섭(Interference) 없이 심전도(ECG: Electrocardiogram)나 근전도(EMG: Electromyogram) 등의 생체신호를 얻기 위한 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 의료에서 가장 기초적이며 가장 중요한 신호는 심전도이다. 그러나, 심전도나 근전도 등의 생체신호는 60Hz의 전력선이나 정전기에 의하여 간섭(Interference) 받기 쉬운데 이것은 간섭의 간섭원이 인체에 공통모드전압(CMV: Common-Mode Voltage)을 발생시키며, 공통모드전압은 측정용 전극의 전극 임피던스(Electrode-Skin Impedance)의 불균형(Imbalance)에 의한 포텐셜 분배기 효과(Potential-Divider Effect)로 인하여 차동모드 전압으로 변환되기 때문이다.

따라서, 포텐셜 분배기 효과에 의한 간섭을 제거하기 위해서는 측정용의 2개의 전극 외에 추가로 오른 다리 전극을 사용하는 DRL(Driven-Right-Leg) 회로가 사용된다.

포텐셜 분배기 효과를 더욱 감소시키기 위해서는 높은 공통모드 입력 임피던스가 요구되며 이를 위해서 쉴드 케이블(Shielded Cable)의 쉴드에 내선(Inner Wire)의 전압을 인가하는 가딩(Guarding)[A.C. Metting van Rijn, A. Peper, and C.A. Grimbergen, High-Quality Recording of Bioelectric Events: Part 1 Interference Reduction, Theory and Practice, Med. & Bio. Eng. & Comp., Vol. 28, pp. 389-397, Sept. 1990]이 사용된다.

한편 종래의 DRL 회로에서는 DRL 루프에 전압증폭기(적분기)를 사용하나 이것 대신에 트랜스콘덕턴스(Transconductance) 증폭기를 사용한 트랜스콘덕턴스 DRL 회로는 형광등에 의한 간섭 등 고주파 간섭의 제거에 유리하고 회로의 안정도를 위한 보상(Compensation)이 용이한 장점을 갖는다고 발표되었다[E. M. Spinelli, N.H. Martinez, and M. A. Mayosky, A Transconductance Driven-Right-Leg Circuit, IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. BME-46, pp. 1466-1470, 1999].

그러므로, 가딩 회로를 트랜스콘덕턴스 DRL 회로에 적용하면 보다 우수한 간섭 제거 특성을 얻을 수 있을 것으로 기대되지만 지금까지 이러한 결과가 발표된 것은 없다. 이것은 종래의 가딩 회로를 트랜스콘덕턴스 DRL 회로에 그대로 적용할 경우 회로가 불안정해서 사용할 수 없는 문제점이 발생한다.

도 1은 종래의 트랜스콘덕턴스 DRL(T-DRL)를 나타낸 회로도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 트랜스콘덕턴스 DRL(T-DRL) 회로는, 피검자에 접촉되는 2개의 제1 및 제2 전극(101 및 102)과, 2개의 제1 및 제2 입력 터미널(107 및 108)을 갖는 계측증폭기(110)와, 제1 및 제2 전극(101 및 102)과 계측증폭기(110)의 제1 및 제2 입력 터미널(207 및 208) 사이에 연결된 2개의 제1 및 제2 쉴드 케이블(103 및 104)과, 계측증폭기(110)에 인가되는 2개의 제1 및 제2 입력전압(V₁ 및 V₂)의 공통모드전압을 추출하기 위한 회로(118)와, 상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기(140)와, 트랜스콘덕턴스 증폭기(140)의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 DRL 전극(142) 등을 포함하여 이루어진다.

한편, 포텐셜 분배기 효과는 심전도 측정에 사용되는 두 개의 전극 임피던스의 차이 ΔZ_E로 인하여 발생하며 간섭전압 V_D _, _EMI는 다음과 같이 표시된다.

여기서, V_CM은 공통모드전압이며, Z_C는 공통모드 입력 임피던스이다. DRL 회로는 간섭전압 V_D _, _EMI를 감소시키기 위해서 V_CM을 감소시킨다. 이렇게 하기 위해서는 V_CM(엄밀하게는 계측증폭기의 입력단자에 인가되는 두 개의 입력전압의 평균)을 부궤환시켜 세 번째의 DRL 전극을 통하여 오른 다리에 인가한다.

도 2는 종래의 트랜스콘덕턴스 DRL(T-DRL) 회로의 공통모드 신호를 해석하기 위한 등가 회로도[E. M. Spinelli, N.H. Martinez, and M. A. Mayosky, A Transconductance Driven Right Leg Circuit, IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. BME-46, pp. 1466-1470, 1999]이다.

도 2를 참조하면, 입력 케이블로 유입되는 간섭을 제거하기 위해 통상 사용되는 쉴드 케이블의 바깥쪽 쉴드와 내선 사이에는 커패시턴스가 존재하며 도 2에는 이것을 C_O로 표시하였다. 이 커패시턴스는 공통모드 입력 임피던스 Z_C를 작게 하므로 Z_C를 높게 하기 위해서 케이블의 쉴드에 내선의 전압을 인가하는 가딩을 사용한다.

가딩을 사용하면, 쉴드와 내선 사이에 전압차이가 거의 없게 되어 유효 케이블 커패시턴스가 작아진다[A.C. Metting van Rijn, A. Peper, and C.A. Grimbergen, High-Quality Recording of Bioelectric Events: Part 1 Interference Reduction, Theory and Practice, Med. & Bio. Eng. & Comp., Vol. 28, pp. 389-397, Sept. 1990].

만약, 유효 케이블 커패시턴스가 감소하면, 식 (1)에서 Z_C가 증가하여 간섭전압 V_D _, _EMI가 감소하게 된다. 그러나, 이때 쉴드 드라이버는 정궤환으로 동작하므로 회로 안정성에 매우 유의하여야 한다.

식 (1)은 다음과 같이 쓸 수 있다.

(2)

이 식 (2)에서 중요한 것은 가딩에 의하여 V_CM은 별로 변하지 않으므로(I_CM은 감소하지만 Z_C가 증가하므로) 가딩 회로를 적용한 효과를 판정하려면, V_CM보다 I_CM을 얼마나 감소시키는가 보아야 한다는 점이다.

종래의 트랜스콘덕턴스 DRL 루프의 루프이득(Loop Gain)은 다음과 같다.

(3)

이 식 (3)은 전력선 간섭이 발생하는 저주파에서 다음과 같이 근사된다.

(4)

식 (3)의 루프이득은 두 개의 극점(원점과 ω=1/τ_ON)을 가지므로 회로의 안정도를 위하여 A_G는 제한되어야 한다.

또한, 도 2에 나타낸 종래의 트랜스콘덕턴스 DRL의 폐루프 회로에서 전력선에 의하여 유도된 인체에서의 공통모드 전압을 V_CM _-T- _DRL으로 나타내면 다음과 같다.

(5)

한편, 도 2의 V_P, C_p, C_B, C_S를 테브냉 등가회로로 나타내면,

(6)

(7)

이며, 위의 식 (6), (7)을 고치면, V_CM _-T- _DRL에 의하여 두 개의 측정 전극을 통하여 흐르는 공통모드 전류는 다음과 같다.

(8)

식 (8)로부터 포텐셜 분배기 효과에 의한 간섭을 감소시키기 위해서는 입력 커패시턴스 C_O를 감소시키고, LG_T _- _DRL을 증가시켜야 함을 알 수 있다. 입력 커패시턴스 C_O를 감소시키기 위해서는 가딩을 사용하여야 하나 종래의 가딩을 사용하는 경우 회로가 불안정해지는 문제점을 갖는다(아래에 서술됨).

또한, 식 (3)을 보면, LG_T _- _DRL을 증가시키기 위해서는 A_G를 증가시켜야 하나 LG_T-DRL이 두 개의 극점(원점과 ω=1/τ_ON에 위치하는)을 가지므로 회로의 안정도를 위하여 A_G는 제한되어야 하는 문제점이 있다. 따라서, 참고문헌[E. M. Spinelli, et al.]에서는 A_G를 0.1mS로 하였다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 종래의 가딩 회로를 트랜스콘덕턴스 DRL 회로에 적용할 경우 회로가 불안정해서 사용할 수 없는 문제점을 극복하며, 60Hz의 전력선이나 정전기에 의한 간섭(Interference)을 감소시켜서 양질의 심전도나 근전도 등 생체신호를 얻을 수 있도록 한 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치를 제공하는데 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 제1 측면은, 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치로서, 피검자에 접촉되는 제1 및 제2 전극; 제1 및 제2 입력 터미널을 갖는 계측증폭기; 상기 제1 및 제2 전극과 상기 계측증폭기의 제1 및 제2 입력 터미널 사이에 연결된 제1 및 제2 쉴드 케이블; 상기 계측증폭기에 인가되는 제1 및 제2 입력전압의 공통모드전압을 추출하기 위한 추출회로; 상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기; 상기 트랜스콘덕턴스 증폭기의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 제3 전극; 상기 추출된 공통모드전압을 전달하는 쉴드 드라이버; 및 상기 제1 및 제2 쉴드 케이블의 쉴드를 연결하는 도선과 상기 쉴드 드라이버 사이에 삽입된 직렬 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

여기서, 상기 직렬 저항의 값은 3㏀ 내지 1㏁ 범위로 이루어짐이 바람직하다.

바람직하게, 상기 제1 내지 제3 전극은 건식 전극(Dry Electrodes)으로 이루어질 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 내지 제3 전극은 천(Textile)으로 구성되는 전극으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 제2 측면은, 피검자에게 발생하는 다수개의 입력전압들을 측정하기 위한 장치로서, 피검자에 접촉되는 다수개의 전극들; 각각 하나의 입력 터미널을 갖는 다수개의 버퍼증폭기들; 상기 다수개의 전극들과 상기 다수개의 버퍼증폭기들의 입력 터미널 사이에 각각 연결된 다수개의 쉴드 케이블들; 상기 다수개의 버퍼증폭기들에 인가되는 다수개의 입력전압들의 공통모드전압을 추출하기 위한 추출회로; 상기 다수개의 버퍼증폭기들의 출력과 상기 추출된 공통모드전압의 차이를 증폭하는 다수개의 계측증폭기들; 상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기; 상기 트랜스콘덕턴스 증폭기의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 DRL 전극; 및 상기 다수개의 쉴드 케이블들의 쉴드와 상기 다수개의 버퍼증폭기들의 출력 사이에 각각 삽입된 다수개의 직렬 저항을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치를 제공하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치에 따르면, 트랜스콘덕턴스 DRL 회로에 종래의 가딩 회로를 추가하면 이득피킹에 의한 회로의 불안정성을 초래하여 종래의 가딩 회로는 사용할 수 없다. 그러나 본 발명에서는 가딩회로에 직렬 저항 Rz(206)을 삽입함으로써 가딩 회로의 Q를 감소시키고 이득피킹을 제거하여 가딩 회로의 안정도를 확보할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 다음과 같은 중대한 효과를 추가적으로 얻는다.

(1) 본 발명에 의한 가딩 회로는 고주파에서도 루프이득의 크기가 1보다 작으므로 쉴드 드라이버(230)의 이득 A를 명목상 1로 할 수 있으며 따라서 측정 전극을 통하여 흐르는 공통모드 전류를 매우 작게 할 수 있다.

(2) 본 발명에 의한 가딩 회로를 트랜스콘덕턴스 DRL(GT-DRL) 회로에 추가하면 트랜스콘덕턴스 DRL 루프이득에서 ω=1/C_OR_Z의 영점과 1/τ_ONRZ 의 극점이 서로 상쇄되어 트랜스콘덕턴스 DRL 루프이득은 극점을 하나만 가지는 효과를 나타내므로 트랜스콘덕턴스 DRL 루프이득을 크게 할 수 있다.

(3) 따라서 결과적으로 개선된 가딩 회로를 트랜스콘덕턴스 DRL 회로에 추가로 채용함에 따라 간섭의 원인이 되는 공통모드 전류 I_CM을 대폭적으로(이론적으로 80dB) 감소시킬 수 있다. 이상의 효과는 [발명을 실시하기 위한 구체적인 내용]에 자세히 설명하였다.

이러한 효과는 통상적인 심전도 측정 외에도 특히 전력선 잡음이 강한 환경에서의 심전도 측정 혹은 헬스 모니터 혹은 입는 컴퓨터와 관련되어 천(Textile)으로 구성되는 전극 혹은 건식 전극(Dry electrode) 사용으로 전극의 임피던스가 큰 경우 등의 심전도 측정에 활용될 것으로 예상된다.

도 1은 종래의 트랜스콘덕턴스 DRL(T-DRL)를 나타낸 회로도이다.
도 2는 종래의 트랜스콘덕턴스 DRL(T-DRL) 회로의 공통모드 신호를 해석하기 위한 등가 회로도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치를 설명하기 위한 회로도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치의 공통모드 신호를 해석하기 위한 등가 회로도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 트랜스콘덕턴스와 직렬 저항에 따른 가딩 루프의 Q의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 직렬 저항에 따른 가딩 루프의 이득 피킹을 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 DRL 루프의 루프이득을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 두 개의 측정 전극을 통하여 흐르는 폐루프 공통모드 전류를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치를 설명하기 위한 회로도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되어지는 것이다.

먼저, 본 발명에서는 종래의 트랜스콘덕턴스 DRL 회로에 추가로 본 발명에 의한 개선된 가딩 회로를 사용함으로써 위에 기술된 종래의 두 가지 문제점을 해결하였으며 아래에서 이에 대하여 상세하게 기술한다.

(제1 실시예)

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치를 설명하기 위한 회로도이며, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치의 공통모드 신호를 해석하기 위한 등가 회로도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치는, 피검자에 접촉되는 2개의 제1 및 제2 전극(201 및 202)과, 2개의 제1 및 제2 입력 터미널(207 및 208)을 갖는 계측증폭기(210)와, 제1 및 제2 전극(201 및 202)과 계측증폭기(210)의 제1 및 제2 입력 터미널(207 및 208) 사이에 각각 연결된 2개의 제1 및 제2 쉴드 케이블(203 및 204)과, 계측증폭기(210)에 인가되는 2개의 제1 및 제2 입력전압(V₁ 및 V₂)의 공통모드전압을 추출하기 위한 추출회로(218)와, 상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기(240)와, 트랜스콘덕턴스 증폭기(240)의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 DRL 전극 즉, 제3 전극(242)과, 상기 추출된 공통모드전압을 전달하는 쉴드 드라이버(230)와, 제1 및 제2 쉴드 케이블(203 및 204)의 쉴드를 연결하는 도선(205)과 쉴드 드라이버(230) 사이에 삽입된 직렬 저항(206)(R_Z)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 직렬 저항(206)(R_Z)의 값은 3㏀ 내지 1㏁ 범위로 이루어짐이 바람직하며, 만약 직렬 저항(206)(R_Z)의 값이 1㏁ 이상일 경우에는 잡음이 더 늘어날 수 있다.

계측증폭기(210)는 다수개의 제1 내지 제3 증폭기(211, 215 및 223)과 다수개의 저항들(212, 213, 214, 219, 220, 221 및 222)로 구성되어 있는 바, 제1 및 제2 증폭기(211 및 215)의 비반전 입력단자(+)는 제1 및 제2 입력 터미널(207 및 208)에 각각 연결되어 있고, 제1 및 제2 증폭기(211 및 215)의 출력단자 사이에 저항들(212, 213 및 214)이 직렬로 연결되어 있으며, 제1 및 제2 증폭기(211 및 215)의 반전 입력단자(-)는 저항(213)의 양단에 각각 연결되어 있다.

또한, 제3 증폭기(223)의 반전 입력단자(-) 및 비반전 입력단자(+)는 각각 저항(219 및 221)을 통해 제1 및 제2 증폭기(211 및 215)의 출력단자에 연결되어 있고, 제3 증폭기(223)의 반전 입력단자(-)와 출력단자(224) 사이에 저항(220)이 연결되어 있으며, 제3 증폭기(223)의 비반전 입력단자(+)와 접지(250) 사이에 저항(222)이 연결되어 있다.

추출회로(218)는 제1 및 제2 증폭기(212 및 215)의 출력단자 사이에 직렬로 연결된 저항(216 및 217)으로 구성되어 있으며, 저항(216 및 217)을 통해 제1 및 제2 입력전압(V₁ 및 V₂)의 공통모드전압을 추출하게 된다.

쉴드 드라이버(230)은 증폭기(231)로 구성되어 있으며, 증폭기(231)의 비반전 입력단자(+)는 추출회로(218)의 저항(216 및 217) 사이에 연결됨과 아울러 트랜스콘덕턴스 증폭기(240)의 입력단자(+)에 연결되어 있으며, 증폭기(231)의 반전 입력단자(-)는 직렬 저항(206)(R_Z)의 일단에 연결된 증폭기(231)의 출력단자에 피드백 연결되어 있다.

그리고, 트랜스콘덕턴스 증폭기(240)의 출력단자와 제3 전극(242) 사이에 저항(241)이 연결되어 있다.

한편, 제1 내지 제3 전극(201, 202 및 242)은 예컨대, 건식 전극(Dry Electrodes)으로 이루어짐이 바람직하지만, 이에 국한하지 않으며, 제1 내지 제3 전극(201, 202 및 242)은 예컨대, 천(Textile)으로 구성되는 전극으로 이루어질 수도 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 개선된 가딩 회로를 사용하는 트랜스콘덕턴스 DRL(GT-DRL) 회로 즉, 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치의 제1 실시예는 도 3에 나타내었고, 본 발명에 의한 회로가 동작할 때의 공통모드 전압을 해석하기 위한 등가회로는 도 4에 나타내었다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 2개의 쉴드 케이블(203 및 204)의 쉴드를 연결하는 도선(205)과 쉴드 드라이버(230) 사이에 삽입된 직렬 저항(206)(R_Z)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이때, 직렬 저항(206)(R_Z)는 가딩 루프의 안정도를 얻기 위하여 삽입되었다(상세 설명은 도 5에서 기술됨). 전술한 도 2와 도 4에서 회로소자의 값은 전통적으로 사용되는 참고문헌 [E. M. Spinelli, et al.]의 값과 같도록 하였으며 다음과 같다.

가딩 회로 해석에서 쉴드 드라이버(230)의 이득은 A로, 트랜스콘덕턴스 증폭기(240)의 이득은 A_G로 표시하였다. 회로해석과 시뮬레이션 시에 이상적인 OPA를 가정하였으며 A는 모든 주파수 범위에서 일정한 것으로 가정하였다.

그러나, 트랜스콘덕턴스 증폭기(240)의 이득(A_G)은 CA3080을 사용하는 것을 가정하여 A_G의 대역폭은 2MHz로 하였다. 시뮬레이션에는 Pspice를 사용하였다.

본 발명을 해석하기 위한 도 4의 등가 회로에는 두 개의 궤환 루프(가딩 루프와 트랜스콘덕턴스 DRL 루프)가 있다. 도 4에서 트랜스콘덕턴스 DRL 루프가 닫힌 상태에서 가딩 루프의 루프이득을 구하면 다음과 같다. 하기의 식 (9)에서 R_Z=0으로 하면 직렬 저항(206)(R_Z)을 사용하지 않는 종래의 가딩일 때의 식이 된다.

(9)

이 식 (9)는 원점에 영점이 하나 있는 2차 고역통과필터의 식이며 주파수 응답의 Q(Pole Quality Factor)는 다음과 같다.

(10)

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 적용된 트랜스콘덕턴스와 직렬 저항에 따른 가딩 루프의 Q의 변화를 나타낸 그래프로서, Q를 트랜스콘덕턴스에 대하여 나타내었다.

도 5를 참조하면, 직렬 저항(206)(R_Z)가 없을 때(R_Z=0)는 트랜스콘덕턴스를 증가시키면 Q도 단조증가하며, R_Z=3㏀ 일 때는 Q=1까지 될 수도 있다. 즉, 직렬 저항(206)(R_Z)을 사용하지 않는 종래의 가딩 회로에서는

가 되므로 이득 피킹(gain peaking)이 발생하여 가딩 루프의 루프이득의 크기가 1 보다 커질 수 있다.

즉, 트랜스콘덕턴스 DRL 회로에 추가되는 종래의 가딩 회로는 불안정하다. 한편, 트랜스콘덕턴스를 작게 하면 Q가 작아지지만 그러면 원래 의도하였던 DRL의 효과는 떨어지게 된다. 그러므로, R_Z=0에 해당하는 종래의 가딩 회로는 트랜스콘덕턴스 DRL에 적용할 수는 없다는 문제점이 있다.

도 5에서 가딩 회로를 안정시키려면 직렬 저항(206)(R_Z)의 값을 증가시켜야 함을 알 수 있다. 또한, 직렬 저항(206)(R_Z)의 값을 3㏀ 이상으로 하면 Q<1이 되고, R_Z=10㏀ 일 때는 트랜스콘덕턴스의 값에 상관없이 Q가 0.7 이하임을 알 수 있다.

그러므로, 본 발명에서는 가딩 회로에 직렬 저항(206)(R_Z)를 삽입함으로써 이득 피킹이 발생하지 않고 가딩 루프가 안정된 동작을 하도록 가딩 루프를 개선하였다. 또한, 본 발명의 제1 실시예에서 직렬 저항(206)(R_Z)의 값은 약 10㏀으로 하였다.

또한, LG_GT _- _guarding은 고역통과필터의 특성을 갖지만 고주파에서

(11)

로 점근 근사되므로 모든 주파수에서 다음의 식 (12)와 같이 된다.

(12)

이 식 (12)은 A=1일 때도 루프이득의 크기가 1보다 작으므로 본 발명에서 제안하는 직렬 저항(206)(R_Z)가 삽입된 개선된 가딩 회로를 사용하면, 쉴드 드라이버(230)의 이득 A로 명목상 1을 사용할 수 있음과 이때에도 가딩 회로가 안정되게 동작할 수 있다는 것을 뜻한다.

한편, 참고문헌[A.C. Metting van Rijn, et al.]에서는 회로를 안정되게 하기 위하여 A를 1보다 작게 하였으며 이를 위하여 100Ω과 10㏀으로 구성되는 전압분배기를 사용하여 A=0.99로 되도록 하였다.

그러나, 이 방법은 직렬 저항(206)(R_Z)으로 100Ω을 사용하는 것과 같으며 안정성이 없다. 이뿐 아니라 가딩의 효과에서 A를 명목상 1로 했을 때와 A를 0.99로 했을 때에는 매우 큰 차이가 있다. A=0.99로 하면 공통모드 입력 임피던스가 100배로 증가하는데, A=1로 하면 완전한 가딩 효과 즉, 공통모드 입력 임피던스가 무한대로 되어 포텐셜 분배기 효과가 완전히 없어지는 효과를 얻게 된다(식(16)와 식(20) 참조). 본 발명에 의한 도 3의 쉴드 드라이버(230)의 A는 명목상 1이므로 매우 우수한 가딩 효과를 나타낸다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 직렬 저항에 따른 가딩 루프의 이득 피킹을 나타낸 그래프이다.

도 6을 참조하면, 직렬 저항(206)(R_Z)가 1㏀ 일 때는 100kHz 근처에 이득 피킹이 존재하지만, 10㏀ 일 때는 이득 피킹이 없다는 것과 따라서 쉴드 드라이버(230)의 A를 명목상 1로 할 수 있다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명에 의한 직렬 저항(206)(R_Z)를 포함하는 가딩 회로를 사용하는 트랜스콘덕턴스 DRL(GT-DRL) 회로에서 DRL 회로의 루프이득을 도 4를 사용하여 구하면 다음과 같다.

(13)

여기서, τ_ONRZ는 다음과 같다.

(14)

식 (13)의 DRL 루프이득에서 직렬 저항(206)(R_Z)는 고주파의 영점을 생성하며 A가 1에 근접한 경우, 식 (14)의 근사식이 성립되므로 루프이득은 다음과 같이 간단히 표시된다.

(15)

즉, 직렬 저항(206)(R_Z)에 의하여 생성된 ω=1/C_OR_Z의 영점과 DRL 루프의 극점 1/τ_ONRZ이 서로 상쇄되며 결과적으로 DRL 루프이득은 극점을 원점에 하나만 가지는 효과를 나타낸다.

그러므로, 주어진 파라메터만을 고려하는 조건에서는 회로는 무조건 안정이며 따라서 루프이득 혹은 A_G를 상당히 크게 할 수 있다. 이것은 본 발명에 의한 직렬 저항(206)(R_Z)를 사용하는 가딩 회로의 또 하나의 중요한 효과이다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 DRL 루프의 루프이득을 나타낸 그래프로서, DRL 루프이득의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

전술한 바와 같이 시뮬레이션에서는 A_G의 대역폭을 2MHz로 하였으며 따라서 전술한 식 (3)과 식 (13)에 비하여 2MHz에 극점이 하나씩 추가되었다. 도 7에서 'no guarding'으로 표시된 종래의 T-DRL에 대한 시뮬레이션 결과는 참고문헌[E. M. Spinelli, et al.]과 유사한 결과이며, A_G가 0.1mS일 때 27kHz에서 루프이득이 1이며 위상여유(Phase Margin)가 53도이다.

반면에, 'guarding'으로 표시된 본 발명에 의한 GT-DRL 일 때는 극점이 상쇄되어 루프이득을 증가시킬 수 있으므로, A_G를 1mS로 하였으며 이때 약 1.33 MHz에서 루프이득이 1이며 위상여유는 약 56도이다. 도 7은 같은 위상여유일 때 종래의 T-DRL에 비하여 본 발명에 의한 GT-DRL의 루프이득이 더 높은 것을 보여준다.

한편, 본 발명에 의한 직렬 저항(206)(R_Z)를 포함하는 가딩 회로를 사용하는 트랜스콘덕턴스 DRL (GT-DRL) 회로의 공통모드 전류를 도 4를 사용하여 구하면, 다음의 식 (16)과 같다.

(16)

그리고, 관심 영역인 저주파에서

의 조건과 식 (15)를 사용하면 다음과 같이 근사된다.

(17)

본 발명에 의한 GT-DRL 방식과 종래의 T-DRL 방식의 저주파에서의 공통모드 간섭전류를 비교하면, 다음과 같다.

(20)

이 식 (20)에서 GT-DRL에서와 T-DRL에서의 트랜스콘덕턴스를 각각 A_G _- _GT와 A_G _-T로 표시하였다. 앞에서 기술한 바와 같이 GT-DRL에서 극점과 영점이 상쇄되어 A_G _- _GT를 A_G _-T보다 크게(도 7의 시뮬레이션에서는 20dB 만큼) 할 수 있다.

또한, A=1로 하여도 회로는 안정되지만 범용 OPA를 사용하는 경우에 단위이득버퍼일 때, A를 0.999정도로 추정하여도 이때 식 (20)에 의한 GT-DRL의 T-DRL에 대한 성능향상은 무려 약 80dB가 된다.

도 8은 본 발명의 제1 실시예에 적용된 두 개의 측정 전극을 통하여 흐르는 폐루프 공통모드 전류를 나타낸 그래프로서, 두 개의 측정 전극 즉, 제1 및 제2 전극(201 및 202)을 통하여 흐르는 공통모드 전류 I_CM _-T- _DRL과 I_CM _- _GT _- _DRL의 시뮬레이션 결과이다.

도 8을 참조하면, 전력선의 피크전압 V_P는 283V로 가정하였다. I_CM _- _GT _- _DRL 시뮬레이션에서 A는 0.99와 0.999를 사용하였으며 이 때에 60Hz를 포함하는 저주파에서 I_CM-GT-DRL는 I_CM _-T- _DRL에 비하여 각각 약 60dB와 80dB의 향상을 보여준다.

(제2 실시예)

도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치를 설명하기 위한 회로도로서, 전술한 본 발명의 제1 실시예에서 설명한 가딩의 원리와 공통모드 전류의 감소 효과를 그대로 적용하여 피검자에게서 발생하는 다수개(n=3,4,5,…)(바람직하게, n=3)의 입력전압((V₁ _, V₂,... 및 V_n)을 안정된 가딩회로를 사용하여 측정하고자 할 때의 회로 구성을 나타낸 것이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치는, 피검자에 접촉되는 다수개의 전극들(311, 321 및 331)과, 각각 하나의 입력 터미널(313, 323 및 333)을 갖는 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)과, 다수개의 전극들(311, 321 및 331)과 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 입력 터미널(313, 323 및 333) 사이에 각각 연결된 다수개의 쉴드 케이블들(312, 322 및 332)과, 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)에 인가되는 다수개의 입력전압들(V₁ _, V₂,... 및 V_n)의 공통모드전압을 추출하기 위한 추출회로(343)와, 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 출력과 상기 추출된 공통모드전압의 차이를 증폭하는 다수개의 계측증폭기들(318, 328 및 338)과, 상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기(340)와, 트랜스콘덕턴스 증폭기(340)의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 DRL 전극(342)과, 다수개의 쉴드 케이블들(312, 322 및 332)의 쉴드와 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 출력 사이에 각각 삽입된 다수개의 직렬 저항(316, 326 및 336)을 포함하여 이루어진다.

여기서, 다수개의 직렬 저항(316, 326 및 336)의 값은 3㏀ 내지 1㏁ 범위로 이루어짐이 바람직하며, 만약 다수개의 직렬 저항(316, 326 및 336)의 값이 1㏁ 이상일 경우에는 잡음이 더 늘어날 수 있다.

상기 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 비반전 입력단자(+)는 각각 입력 터미널(313, 323 및 333)에 연결되어 있으며, 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 반전 입력단자(-)는 다수개의 계측증폭기들(318, 328 및 338)의 비반전 입력단자(+)에 각각 연결된 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 출력단자에 피드백 연결되어 있다.

추출회로(343)는 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 출력단자와 다수개의 계측증폭기들(318, 328 및 338)의 반전 입력단자(-)에 각각 연결된 저항(317, 327 및 337)로 구성되어 있다.

다수개의 계측증폭기들(318, 328 및 338)의 비반전 입력단자(+)는 다수개의 버퍼증폭기들(315, 325 및 335)의 출력단자에 각각 연결되어 있으며, 다수개의 계측증폭기들(318, 328 및 338)의 반전 입력단자(-)는 트랜스콘덕턴스 증폭기(340)의 입력단자(+)에 연결되어 있다.

그리고, 트랜스콘덕턴스 증폭기(340)의 출력단자와 DRL 전극(342) 사이에 저항(341)이 연결되어 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들은 실제로 구현하여 가딩 루프가 안정하게 동작하며 약 60Hz의 전력선 간섭이 대폭 감소됨을 확인하였다.

전술한 본 발명에 따른 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명에 속한다.

201 및 202 : 제1 및 제2 전극,
203 및 204 : 제1 및 제2 쉴드 케이블,
205 : 도선,
206 : 직렬 저항,
207 및 208 : 제1 및 제2 입력 터미널,
210 : 계측증폭기,
218 : 추출회로,
230 : 쉴드 드라이버,
240 : 트랜스콘덕턴스 증폭기,
242 : 제3 전극

Claims

피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치로서,
피검자에 접촉되는 제1 및 제2 전극;
제1 및 제2 입력 터미널을 갖는 계측증폭기;
상기 제1 및 제2 전극과 상기 계측증폭기의 제1 및 제2 입력 터미널 사이에 연결된 제1 및 제2 쉴드 케이블;
상기 계측증폭기에 인가되는 제1 및 제2 입력전압의 공통모드전압을 추출하기 위한 추출회로;
상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기;
상기 트랜스콘덕턴스 증폭기의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 제3 전극;
상기 추출된 공통모드전압을 전달하는 쉴드 드라이버; 및
상기 제1 및 제2 쉴드 케이블의 쉴드를 연결하는 도선과 상기 쉴드 드라이버 사이에 삽입된 직렬 저항을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치.
제1 항에 있어서,
상기 직렬 저항의 값은 3㏀ 내지 1㏁ 범위로 이루어진 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 전극은 건식 전극(Dry Electrodes)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치.
제3 항에 있어서,
상기 제1 내지 제3 전극은 천(Textile)으로 구성되는 전극인 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치.
피검자에게 발생하는 다수개의 입력전압들을 측정하기 위한 장치로서,
피검자에 접촉되는 다수개의 전극들;
각각 하나의 입력 터미널을 갖는 다수개의 버퍼증폭기들;
상기 다수개의 전극들과 상기 다수개의 버퍼증폭기들의 입력 터미널 사이에 각각 연결된 다수개의 쉴드 케이블들;
상기 다수개의 버퍼증폭기들에 인가되는 다수개의 입력전압들의 공통모드전압을 추출하기 위한 추출회로;
상기 다수개의 버퍼증폭기들의 출력과 상기 추출된 공통모드전압의 차이를 증폭하는 다수개의 계측증폭기들;
상기 추출된 공통모드전압을 수신하여 전류로 변환하는 트랜스콘덕턴스 증폭기;
상기 트랜스콘덕턴스 증폭기의 출력을 피검자에게 인가하며 피검자에 접촉하는 DRL 전극; 및
상기 다수개의 쉴드 케이블들의 쉴드와 상기 다수개의 버퍼증폭기들의 출력 사이에 각각 삽입된 다수개의 직렬 저항을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치.
제5 항에 있어서,
상기 직렬 저항의 값은 3㏀ 내지 1㏁ 범위로 이루어진 것을 특징으로 하는 피검자에게 발생하는 전압을 측정하기 위한 장치.