KR101215081B1 - 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치 - Google Patents

단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, (1) 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 개 이상의 광들을 신체의 특정 부위에 조사하는 광 조사 모듈, (2) 상기 신체의 특정 부위를 투과한 광들을 수광하여, 전기적인 신호로 변환하는 광 검출 모듈, (3) 상기 변환된 전기신호에서, 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 개 이상의 광들에 상응하는 전기신호들을 분리하는 신호 분리 모듈, (4) 상기 분리된 전기신호들의 AC 및 DC 성분을 추출하는 추출 모듈, (5) 상기 추출된 전기신호들의 AC 성분을 단전원 증폭기를 이용하여 증폭하는 증폭 모듈, 및 (6) 상기 추출 모듈 및 상기 증폭 모듈로부터 획득한 상기 분리된 전기신호들의 DC 성분 및 증폭된 AC 성분을 이용하여, 산소포화도를 도출하는 산소포화도 측정 모듈을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명의 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치에 따르면, 단전원 증폭 모듈을 사용하여 회로의 구성을 간단히 하여 제조단가를 낮춰 보다 저가로 산소포화도 측정 장치의 공급이 가능하다. 또한 OFFSET 조정을 위한 전압을 사용하여 전 대역에서의 ADC range의 조절이 가능하게 할 수 있다.

Description

단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치{A PULSE OXIMETER USING A SINGLE SUPPLY AMPLIFIER MODULE}
본 발명은 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 단전원 OP AMP에 저항분배기를 통해 OFFSET 조정을 위한 전압을 사용하여, 회로구성이 간단하고 전 대역에서의 ADC(Analogue-Digital Converter) range의 조절이 가능한 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치에 관한 것이다.
산소포화도 측정 장치는 동맥혈의 맥동성분에 의한 파장별 광 흡수도를 측정하여 비침습적(non-invasive)으로 혈중 산소포화도(SPO2)를 산출하는 장치이다. 더욱 자세하게 서술하면, 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 가지 이상의 광들을 손목, 발목, 이마 등과 같은 특정 신체부위에 조사하고, 해당 신체부위를 투과한 광들을 수광하여, 이를 전기신호로 변환한다. 이와 같이 변환된 전기신호를 이용하여 산소포화도를 산출하기 위해서는, 변환된 전기신호를 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호들로 분리하고, 분리된 전기신호들의 AC 및 DC 성분들을 추출해야 한다. 이를 위해, 기존의 산소포화도 측정 장치에는 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 각각의 전기신호들을 처리하기 위한 별도의 샘플/홀드, 필터부 및 증폭기가 존재한다.
필터부에서 추출되는 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호의 AC 성분은 일반적으로 크기가 작기 때문에 증폭기를 이용하여 증폭하게 되는데, 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호의 AC 성분을 증폭시키는 각각의 증폭기들은 일반적으로 양전원 증폭기가 사용된다. 양전원 증폭기는, 증폭기에 사용되는 전원 전압이 양쪽으로 필요하기 때문에 두 개 이상의 power supply가 필요하다. 따라서 다수의 power supply로 인하여 회로 구성이 복잡하여 전체적인 산소포화도 측정 장치의 제조 단가가 증가할 수 있는 문제점이 있다. 또한 양쪽에서 전원을 공급하므로 일반적인 증폭기로 이용되는 OP AMP가 사용되는 경우 입력에 부하가 걸릴 수 있으며, 양전원의 경우 ADC range의 조절에 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 단전원 증폭 모듈을 사용하여 회로의 구성을 간단히 하여 제조단가를 낮추고, OFFSET 조정을 위한 전압을 사용하여 전대역에서의 ADC range의 조절이 가능하게 하는 단전원 증폭 모듈을 이용하는 산소포화도 측정 장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른, 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치는,
(1) 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 개 이상의 광들을 신체의 특정 부위에 조사하는 광 조사 모듈;
(2) 상기 신체의 특정 부위를 투과한 광들을 수광하여, 전기적인 신호로 변환하는 광 검출 모듈;
(3) 상기 변환된 전기신호에서, 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 개 이상의 광들에 상응하는 전기신호들을 분리하는 신호 분리 모듈;
(4) 상기 분리된 전기신호들의 AC 및 DC 성분을 추출하는 추출 모듈;
(5) 상기 추출된 전기신호들의 AC 성분을 단전원 증폭기를 이용하여 증폭하는 증폭 모듈; 및
(6) 상기 추출 모듈 및 상기 증폭 모듈로부터 획득한 상기 분리된 전기신호들의 DC 성분 및 증폭된 AC 성분을 이용하여, 산소포화도를 도출하는 산소포화도 측정 모듈을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
바람직하게는,
상기 분리된 전기신호들의 DC 성분 및 증폭된 AC 성분을 아날로그에서 디지털로 변환하는 변환 모듈을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는,
상기 도출된 산소포화도를 표시하기 위한 표시 모듈을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는,
상기 광 조사 모듈에서 상기 서로 다른 파장을 갖는 적어도 두 가지 이상의 광들을 조사하는 순서, 및 상기 신호 분리 모듈에서 상기 서로 다른 파장을 갖는 적어도 두 가지 이상의 광들에 상응하는 전기신호들을 분리하는 순서를 제어하는 타이밍 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 증폭 모듈의 상기 단전원 증폭기는,
단전원 OP AMP를 사용하며 초단에서 OFFSET 조정을 위한 전압을 사용할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 단전원 OP AMP는,
전원 전압 중 음전압 부분이 접지될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 OFFSET 조정을 위한 전압은,
상기 단전원 OP AMP의 비반전 입력단자에 사용할 수 있다.
더욱 바람직하게는, 상기 OP AMP는,
일단이 접지되고 적어도 두 개 이상의 저항을 포함하며 전압을 분배하여 상기 OFFSET 조정을 위한 전압을 생성하는 저항분배기를 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 제안하고 있는 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치에 따르면, 단전원 증폭 모듈을 사용하여 회로의 구성을 간단히 하여 제조단가를 낮춰 보다 저가로 산소포화도 측정 장치의 공급이 가능하다. 또한 OFFSET 조정을 위한 전압을 사용하여 전 대역에서의 ADC range의 조절을 가능하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치의 블록도.
도 2는 기존의 양전원 OP AMP에 대한 회로도.
도 3은 기존의 양전원 OP AMP에 의한 출력 전압 그래프를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치의 단전원 OP AMP에 대한 회로도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치의 단전원 OP AMP에 의한 출력 전압 그래프를 나타내는 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치(10)는, 광 조사 모듈(100), 광 검출 모듈(200), 신호 분리 모듈(300), 추출 모듈(400), 증폭 모듈(500), 및 산소포화도 측정 모듈(700)을 포함하며, 변환 모듈(600), 표시 모듈(800) 및 타이밍 제어 모듈(900)을 더 포함할 수 있다. 설명의 편의상, 서로 다른 파장을 가지는 두 광을 조사하는 단전원 증폭 모듈을 이용하는 산소포화도 측정 장치(10)를 도시하였으나, 본 발명의 단전원 증폭 모듈을 이용하는 산소포화도 측정 장치(10)가 조사할 수 있는 서로 다른 파장을 가지는 광의 수는 두 개로 한정되지 않으며, 두 개 이상의 광을 조사하는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다.
광 조사 모듈(100)은, 서로 다른 파장을 가지는 광들을 신체의 특정 부위에 정해진 순서대로 조사하기 위한 모듈로서, 서로 다른 파장을 가지는 광들을 조사하기 위한 발광 수단(120), 및 상기 발광 수단(120)을 제어하는 발광 수단 제어부(110)로 구성될 수 있다. 이때, 광이 조사될 수 있는 신체의 특정 부위에는 손가락, 손목, 발목, 이마 등이 포함될 수 있다. 서로 다른 파장을 가지는 광들의 수가 두 개 이상인 경우, 발광 수단(120)의 수 역시 두 개 이상으로 구현할 수 있다.
광 검출 모듈(200)은, 신체의 특정 부위를 투과한 서로 다른 파장을 가지는 광들을 수광하고 이를 전기신호로 변환하는 모듈로서, 신체의 특정 부위를 투과한 광들을 수광하고 이를 전류로 변환하는 광 검출기(210), 및 광 검출기(210)에서 발생하는 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환부(220)로 구성될 수 있다.
신호 분리 모듈(300)은, 광 검출 모듈(200)로부터 입력된 전기신호에서 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호들을 분리하는 모듈로서, 후술할 타이밍 제어 모듈(900)에서 제공되는 제어 신호에 따라 동작하는 샘플/홀드(310A, 310B) 회로로서 구현될 수 있다. 서로 다른 파장을 가지는 광들의 수가 두 개 이상인 경우, 두 개 이상의 샘플/홀드 회로를 이용하여 구현할 수 있다.
추출 모듈(400)은, 신호 분리 모듈(300)에 의해 분리된 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호들의 AC 및 DC 성분을 추출하는 모듈로서, 분리된 전기신호의 DC 성분을 추출하는 저역통과필터(420A, 420B), 및 분리된 전기신호의 AC 성분을 추출하는 대역통과필터(430A, 430B)를 포함하는 필터부(410A, 410B)들로 구성될 수 있다. 서로 다른 파장을 가지는 광들의 수가 두 개 이상인 경우, 추출 모듈(400)을 구성하는 두 개 이상의 필터부를 이용하여 구현할 수 있다.
증폭 모듈(500)은, 추출 모듈(400)에서 추출된 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호들의 AC 성분을 증폭시키기 위한 모듈로서, 일반적으로 사용되는 OP AMP(510A, 510B)를 사용할 수 있다. 이러한 증폭 모듈(500)의 상세한 구성은 도 2와 도 3을 통해 추후 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
변환 모듈(600)은, 분리된 전기신호들의 DC 성분 및 분리된 전기신호들의 증폭된 AC 성분을 아날로그에서 디지털로 변환시키는 A/D 컨버터로 구현될 수 있다.
산소 포화도 측정 모듈(700)은, 변환 모듈(600)로부터 입력되는, 디지털화된 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호들의 AC 성분 및 DC 성분들을 이용하여 산소포화도를 산출하는 모듈로서, Beer-Lambert Law 등과 같은 공지의 산소포화도 측정 알고리즘을 이용하여 대략적인 산소포화도를 대표하는 수치를 산출하는 비율계산부(710), 및 산출된 산소포화도를 보정하기 위한 산소포화도 보정용 룩업테이블(720)로 구성될 수 있다.
표시 모듈(800)은, 산소포화도 측정 모듈(700)에서 산출한 산소포화도를 사용자가 확인할 수 있도록 표시하는 모듈로서, 액정표시장치(LCD) 등을 이용할 수 있다.
타이밍 제어 모듈(900)은, 광 조사 모듈(100)에서 서로 다른 파장을 가지는 광들을 조사하는 순서 및 도통 시간을 제어하고, 신호 분리 모듈(300)에서 서로 다른 파장을 가지는 광들에 상응하는 전기신호들을 분리하기 위한 샘플/홀드(310A, 310B)를 제어하는 모듈이다.
도 2는 기존의 양전원 OP AMP에 대한 회로도이다. 증폭 회로, 비교 회로 등, 아날로그 전자 회로에서 널리 쓰이고 있는 OP AMP는 Operational Amplifier의 약자로서 연산증폭기라고 한다. OP AMP는 원래 아날로그 계산기(현재는 디지털 계산기)용으로 개발되었지만 간단하게 사용할 수 있게 된 때부터 증폭기뿐만 아니라 Active Filter, 선형, 비선형의 신호처리에 넓게 응용되고 있다. 수백 종류 이상이 사용되고 있으며 고성능 범용 증폭기라고도 한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 기존의 양전원 OP AMP를 구동시키는 데는 전원 전압이 필요하며 일반적으로는 +5[V]와 -5[V]의 양전원을 사용한다. 이때 반전 입력단자에는 포토다이오드를 설치하여, 포토다이오드가 수광하는 경우 역전류를 발생하고, 발생된 역전류가 반전 입력단자에 입력되도록 할 수 있다.
기존의 양전원 OP AMP의 경우, OP AMP의 사용을 위해서 단전원을 입력받아 VS -를 별도로 생성할 필요가 있었는데, 이와 같이 VS -를 별도로 생성하는 과정에서 별도의 회로가 요구되므로 결과적으로 산소포화도 측정 장치의 제조비용을 증가시키는 문제점이 있다. 또한, 양전원을 사용하기 때문에 전력 소비량이 많고 과부하의 위험이 존재하며, 사용의 편리성도 떨어질 수 있다는 문제점이 있다.
도 3은 기존의 양전원 OP AMP에 의한 출력 전압 그래프를 나타내는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 기존의 양전원 OP AMP에 의한 출력 전압(Vout)은, 다음 수학식 1과 같이 계산되며, VS -와 VS + 사이에서 진동하는 값을 갖는다.
Figure 112011031477895-pat00001
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치의 단전원 OP AMP에 대한 회로도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치(10)는, 양전원보다 간단한 회로 구성을 달성할 수 있는 단전원을 사용하는 산소포화도 측정 장치를 제안하고 있다. 단전원 OP AMP(510A, 510B)를 사용하기 때문에, OP AMP의 전원 전압 중 음전압 부분은 접지될 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 따르면, 단전원 OP AMP(510A, 510B)의 전원 전압은 접지되어 0V가 되는 음전압 부분과, 5V 내지 15V를 사용하는 양전압 부분으로 구성될 수 있다. 다만 본 발명은 5V 내지 15V로만 한정되지는 않는다. 단전원을 사용함으로써, 회로 구성을 간단히 할 수 있고 각 OP AMP 당 하나의 power supply만 요구되므로 제조 단가를 낮출 수 있다.
본 발명에서 증폭 모듈(500)은 단전원 OP AMP(510A, 510B)를 사용하며, 초단에서 OFFSET 조정을 위한 전압을 사용할 수 있다. OFFSET 조정을 위한 전압의 입력은 저항분배기(520)를 통해서 이루어질 수 있다. 이때 사용되는 저항분배기(520)는 적어도 두 개 이상의 저항을 사용하며 일단은 접지되어 0V를 나타낼 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 두 개의 저항을 사용하는 저항분배기(520)의 경우 두 저항의 사이에서 형성되는 전압을 단전원 OP AMP(510A, 510B)의 초단에 입력되는 OFFSET 조정을 위한 전압으로 사용할 수 있다. 이 경우 OFFSET 조정을 위한 전압은 OFFSET 조정 단자로 사용하는 비반전 입력단자(non-inverting input)에 입력될 수 있으며, 증폭의 대상이 되는 전압은 포토다이오드가 수광 시 발생하는 역전류로서 반전 입력단자(inverting input)에 입력될 수 있다. 비반전 입력단자에 입력되는 OFFSET 조정을 위한 전압을 저항분배기(520)를 통해 생성함으로써, OFFSET 조정을 위한 전압의 조절에 의해서 전대역(Full range)에서의 ADC range의 조절이 가능할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치의 단전원 OP AMP에 의한 출력 전압 그래프를 나타내는 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치(10)의 단전원 OP AMP(510A, 510B)에 의한 출력 전압(Vout)은, 다음 수학식 2와 같이 계산되며, offset 전압인 R1*VS +/(R1+R2)에 의하여 조절이 가능하다.
Figure 112011031477895-pat00002
이와 같이, R1과 R2를 이용하면 출력 전압을 조절할 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치(10)는, 단전원 OP AMP(510A, 510B)의 후단에 연결된 아날로그-디지털 변환기(Analog-Digital Converter; ADC)에서 전 대역의 전압을 사용할 수 있다는 장점이 있다.
이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 단전원 증폭 모듈을 이용하는 산소포화도 측정 장치
100: 광 조사 모듈　 110: 발광 수단 제어부
120: 발광 수단 200: 광 검출 모듈
210: 광 검출기 220: 전류-전압 변환부
300: 신호 분리 모듈 310A, 310B: 샘플/홀드
400: 추출 모듈 410A, 410B: 필터부
420A, 420B: 저역통과필터 430A, 430B: 대역통과필터
500: 증폭 모듈 510A, 510B: 단전원 OP AMP
520: 저항분배기 600: 변환 모듈
700: 산소포화도 측정 모듈 710: 비율계산부
720: 산소포화도 보정용 룩업테이블 800: 표시 모듈
900: 타이밍 제어 모듈

Claims (8)

  1. 단전원 증폭 모듈을 이용하는 산소포화도 측정 장치로서,
    (1) 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 개 이상의 광들을 신체의 특정 부위에 조사하는 광 조사 모듈;
    (2) 상기 신체의 특정 부위를 투과한 광들을 수광하여, 전기적인 신호로 변환하는 광 검출 모듈;
    (3) 상기 변환된 전기신호에서, 서로 다른 파장을 가지는 적어도 두 개 이상의 광들에 상응하는 전기신호들을 분리하는 신호 분리 모듈;
    (4) 상기 분리된 전기신호들의 AC 및 DC 성분을 추출하는 추출 모듈;
    (5) 상기 추출된 전기신호들의 AC 성분을 단전원 증폭기를 이용하여 증폭하는 증폭 모듈; 및
    (6) 상기 추출 모듈 및 상기 증폭 모듈로부터 획득한 상기 분리된 전기신호들의 DC 성분 및 증폭된 AC 성분을 이용하여, 산소포화도를 도출하는 산소포화도 측정 모듈을 포함하되,
    상기 증폭 모듈의 상기 단전원 증폭기는, 단전원 OP AMP를 사용하며 초단에서 OFFSET 조정을 위한 전압을 사용하고,
    상기 OP AMP는, 전원 전압 중 음전압 부분이 접지되며,
    상기 OP AMP는, 일단이 접지되고 적어도 두 개 이상의 저항을 포함하며 전압을 분배하여 상기 OFFSET 조정을 위한 전압을 생성하는 저항분배기를 포함하는 것을 특징으로 하는 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리된 전기신호들의 DC 성분 및 증폭된 AC 성분을 아날로그에서 디지털로 변환하는 변환 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 도출된 산소포화도를 표시하기 위한 표시 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광 조사 모듈에서 상기 서로 다른 파장을 갖는 적어도 두 가지 이상의 광들을 조사하는 순서, 및 상기 신호 분리 모듈에서 상기 서로 다른 파장을 갖는 적어도 두 가지 이상의 광들에 상응하는 전기신호들을 분리하는 순서를 제어하는 타이밍 제어 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 OFFSET 조정을 위한 전압은,
    상기 OP AMP의 비반전 입력단자에 사용하는 것을 특징으로 하는 단전원 증폭 모듈을 이용한 산소포화도 측정 장치.
  8. 삭제
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