KR101504116B1 - 뇌파 신호 검출 장치 - Google Patents

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Abstract

뇌파 신호 검출 장치가 개시된다. 뇌파 신호 검출 장치는, 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 전극으로부터 뇌파 신호를 입력 받고 잡음 성분을 제거하여 출력하는 입력부; 상기 입력부로부터 입력되는 잡음 성분 제거된 뇌파 신호를 초퍼 안정화 기법을 이용하여 모듈레이션 및 디모듈레이션하여 출력하는 연산 증폭기; 병렬 연결되는 피드백 저항 및 피드백 커패시터를 포함하여 구성되고, 상기 연산 증폭기의 입력단과 출력단을 연결하는 전압 변환부; 커패시터를 포함하여 구성되고, 상기 입력부의 양극 또는 음극 중 어느 하나의 입력단과 상기 연산 증폭기의 양극 또는 음극 중 동일한 어느 하나의 출력단을 연결하는 피드백부; 상기 연산 증폭기의 양극 및 음극 출력단에 병렬 연결되는 커패시터를 포함하여 구성되고, 상기 연산 증폭기의 출력 단의 출력 저항과 연계되어 저역 통과 필터를 형성하는 로패스 필터부; 및 상기 연산 증폭기로부터 출력되는 뇌파 신호를 입력 받아 미리 지정된 주파수 대역의 고주파 잡음 신호를 제거하여 출력하는 비반전 차동 증폭 회로부를 포함한다.

Description

뇌파 신호 검출 장치{EEG signal detecting device}
본 발명은 뇌파 신호 검출 장치에 관한 것이다.
일반적으로 사람의 머리에 수 개의 전극패드를 부착하고 여기서 얻어지는 전기신호를 증폭하여 얻은 파형을 뇌파(Electro-Encephalogram, EEG)라고 하며, 전극 패드를 통해 측정된 신호에서 잡음을 효과적으로 제거하고 원하는 뇌파 신호를 검출하기 위한 기술들이 다양하게 개발되고 있다.
일 예로, 유럽특허 제2294979호(Method and electronic medical device for simultaneously measuring and impedance and a biopotential signal)는 쵸퍼 안정화 기법을 이용한 뇌파 측정 장치를 제시하고 있다.
해당 유럽특허에서 제시하는 초퍼 안정화 기법을 적용한 뇌파 신호 검출 장치는 입력되는 미세 전압을 전류 신호로 변환하여 출력하는 입력부, 입력부에서 출력되는 전류를 전압으로 변환하고 증폭하여 출력하는 출력부, 입력부의 오프셋을 제거하기 위한 DC 서보 루프로 구성되는 계측 증폭기(Instrumentation Amplifier)를 포함한다.
이러한 뇌파 신호 검출 장치는 초퍼 안정화 기법을 적용함으로써 저주파 잡음의 회피가 가능할 것으로 예상된다.
뇌파 신호 등과 같은 생체 신호의 계측 과정에서 건식 전극이 이용되는 경우에는 습식 전극을 이용하는 경우와 달리 별다른 의료적 처리를 요구하지 않는 편리성이 있다. 그러나, 건식 전극의 경우 습식 전극에 비해 출력 임피던스가 높기 때문에 검출회로의 입력 임피던스 요구사항이 습식 전극을 사용할 때에 비해 매우 높아져야 한다.
그러나, 전술한 유럽특허에서 제시하는 뇌파 신호 검출 장치가 건식 전극 등과 같이 높은 출력 임피던스를 가지는 경우에는 생체 신호를 효과적으로 계측할 수 없는 한계를 가지고 있었다.
본 발명은 미세 신호 증폭을 위한 저잡음 저전력 증폭 회로를 구비하여 잡음 신호의 제거 및 원하는 뇌파 신호만의 효과적 획득이 가능한 뇌파 신호 검출 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
참고로, 본 특허출원은 산업통상자원부가 지원하는 국가연구개발사업인 "SW융합형부품 기술개발사업"을 통해 개발된 결과임을 밝힙니다. [10043826, 스마트환경에서 질환맞춤형 서비스를 위한 2uV급 두발잡음극복 형 BMI SoC 및 SW 플랫폼 개발]
본 발명의 일 측면에 따르면, 뇌파 신호 검출 장치에 있어서, 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 전극으로부터 뇌파 신호를 입력 받고 잡음 성분을 제거하여 출력하는 입력부; 상기 입력부로부터 입력되는 잡음 성분 제거된 뇌파 신호를 초퍼 안정화(chopper stabilized) 기법을 이용하여 모듈레이션 및 디모듈레이션하여 출력하는 연산 증폭기; 병렬 연결되는 피드백 저항(Rf) 및 피드백 커패시터(Cf)를 포함하여 구성되고, 상기 연산 증폭기의 입력단과 출력단을 연결하는 전압 변환부; 커패시터(Cb)를 포함하여 구성되고, 상기 입력부의 양극 또는 음극 중 어느 하나의 입력단과 상기 연산 증폭기의 양극 또는 음극 중 동일한 어느 하나의 출력단을 연결하는 피드백부; 상기 연산 증폭기의 양극 및 음극 출력단에 병렬 연결되는 커패시터(CL)를 포함하여 구성되고, 상기 연산 증폭기의 출력 단의 출력 저항과 연계되어 저역 통과 필터를 형성하는 로패스 필터부; 및 상기 연산 증폭기로부터 출력되는 뇌파 신호를 입력 받아 미리 지정된 주파수 대역의 고주파 잡음 신호를 제거하여 출력하는 비반전 차동 증폭 회로부를 포함하는 뇌파 신호 검출 장치가 제공된다.
상기 연산 증폭기의 입력단으로 기준 전압(VREF)을 공급하는 기준 전압 공급부를 더 포함하되, 상기 기준 전압 공급부는 상기 뇌파 신호 검출 장치의 구동 개시후 미리 지정된 시간동안만 상기 기준 전압(VREF)을 공급하도록 스위칭 처리될 수 있다.
상기 입력부는 상기 뇌파 신호 검출용 전극에 포함된 양전극과 음전극으로부터 각각 신호를 입력 받기 위한 2개의 입력 단자를 포함하고, 각 입력 단자에 상응하도록 상기 전압 변환부, 상기 피드백부 및 상기 기준 전압 공급부가 각각 구비될 수 있다.
상기 전압 변환부는 상기 연산 증폭기의 양극 또는 음극 중 어느 하나의 입력단과 양극 또는 음극 중 다른 하나의 출력단을 연결할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 미세 신호 증폭을 위한 저잡음 저전력 증폭 회로를 구비하여 잡음 신호의 제거 및 원하는 뇌파 신호만의 효과적 획득이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 신호 검출 장치의 개략적인 블록 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 뇌파 신호 검출 장치의 회로도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연산 증폭기의 회로도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백부의 동작 여부에 따른 입력 임피던스 변화의 시뮬레이션 그래프.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌파 신호 검출 장치의 개략적인 블록 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 뇌파 신호 검출 장치의 회로도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연산 증폭기의 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 피드백부의 동작 여부에 따른 입력 임피던스 변화의 시뮬레이션 그래프이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 뇌파 신호 검출 장치는 입력부(110), 기준 전압 공급부(120a, 120b), 전압 변환부(130a, 130b), 피드백부(140a, 140b), 연산 증폭기(150), 로패스 필터부(160) 및 비반전 차동 증폭 회로부(170)를 포함하여 구성될 수 있다.
도시된 뇌파 신호 검출 장치는 노이즈 특성(즉, S/N 비(Signal to Noise ratio)의 개선을 위해 입력부(110)와 연산 증폭기(150)를 중심으로 기준 전압 공급부(120a, 120b), 전압 변환부(130a, 130b) 및 피드백부(140a, 140b)가 대응되도록 구성되며, 이들 각각은 뇌파 신호 검출용 양 전극 또는 음 전극을 통해 입력된 신호를 처리하도록 구성된다.
입력부(110)는 인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 양 전극과 음 전극의 신호를 각각 입력 받기 위한 2개의 입력 단자(INP, INN), 뇌파 신호 측정을 위해 외부로부터 기준 전압을 입력 받는 입력 단자(VREF) 및 입력되는 뇌파 신호 중 잡음 성분인 DC 성분을 제거하기 위해 각 입력 단자에 대응되는 2개의 커패시터(CIN)를 포함할 수 있다.
각각의 입력 단자를 통해 입력된 뇌파 신호는 후술되는 구성 요소들의 처리 과정에 의해 증폭되어 비반전 차동 증폭 회로부(170)의 출력 단자를 통해 출력된다. 예를 들어, 입력 단자 INP를 통해 입력된 뇌파 신호는 증폭되어 출력 단자 OUTN으로 출력되고, 입력 단자 INN을 통해 입력된 뇌파 신호는 증폭되어 출력 단자 OUTP로 출력될 수 있다.
뇌파 신호 검출 장치가 초기 구동되면 안정된 신호로 증폭될 때까지는, 연산 증폭기(150)가 아직 동작하지 않고 전압 변환부(130a, 130b), 즉 피드백 저항(Rf)과 피드백 커패시터(Cf)만으로 형성된 회로를 통해 신호가 전달되므로 일종의 고역 통과 필터로 구동하게 된다.
따라서, 기준 전압 공급부(120a, 120b)는 연산 증폭기(150)에 동작 개시 전압이 신속하게 공급되도록 하기 위해(즉, 회로의 동작점을 빠르게 형성하기 위해), 초기 기준 전압(VREF)을 연산 증폭기(150)의 입력단에 연결하는 기능을 수행한다.
기준 전압 공급부(120a, 120b)에 구비된 스위치(SFAST)는 뇌파 신호 검출 장치의 초기 구동시에는 연결되도록 제어되지만, 소정의 시간 이후 개방되도록 제어됨으로써 뇌파 신호 검출 장치의 정상 동작에는 영향을 미치지 않도록 구성된다.
전압 변환부(130a, 130b)는 병렬 연결된 피드백 저항(Rf)과 피드백 커패시터(Cf)로 구성되며, 이들이 형성하는 피드백 임피던스에 의해 입력부(110)에 구비된 커패시터(Cin)에 의해 전류 신호로 변환된 입력부(110)의 출력 신호가 전압 신호로 다시 변환된다.
전압 변환부(130a, 130b)의 피드백 저항(Rf)과 피드백 커패시터(Cf)는 연산 증폭기(150)의 전달 함수 특성을 고역 통과 필터로 형성한다. 이때, 고역 통과 필터의 차단 주파수는 1/(Rf*Cf)일 수 있고, 뇌파 입력 신호의 고역 대역폭이 일반적으로 0.5 내지 1Hz로 매우 낮음을 고려할 때 낮은 차단 주파수를 형성하기 위해 전압 변환부(130a, 130b)의 피드백 저항(Rf)는 예를 들어 수십 Gohm의 매우 큰 저항으로 구현될 수 있다. 따라서, 후술될 연산 증폭기(150)의 출력단과 입력단 간의 폐루프 이득은 피드백 저항(Rf)이 매우 크다고 가정할 때 CIN/Cf로 간소화될 수 있다.
피드백부(140a, 140b)는 커패시터(Cb)를 포함하여 구성되고, 커패시터(Cb)는 각각 연산 증폭기(150)의 (+) 출력단과 입력부(110)의 (+) 입력단, 또는 연산 증폭기(150)의 (-) 출력단과 입력부(110)의 (-) 입력단에 연결된다. 이는, 입력 전압의 감소시 출력 전압이 증가되고 이 경우 피드백 전류가 증가되며, 피드백 전류의 증가되면 입력으로 유입되는 전류가 감소되어 전류에 반비례하는 입력 임피던스(Zin)가 커지는 원리를 이용하기 위한 것이다.
이와 같이 구성하는 경우, 전압 변환부(130a, 130b) 및 후술될 연산 증폭기(150)의 구성만으로도 뇌파 신호의 증폭이 이루어질 수 있기 때문에, 피드백부(140a, 140b)는 추가 증폭 회로 없이 양의 피드백 루프를 형성할 수 있게 된다. 즉, 입력 임피던스가 크면 클수록 신호 전달 특성이 상대적으로 우수해지기 때문에, 본 실시예에 따른 뇌파 신호 검출 장치는 큰 입력 임피던스를 형성함으로써 우수한 신호 전달 특성을 확보할 수 있다.
도 4에는 피드백부(140a, 140b)(즉, 입력 임피던스 부스팅(boosting) 루프)의 동작 여부에 따른 입력 임피던스 변화의 시뮬레이션 그래프가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 뇌파 신호 검출 장치의 입력 임피던스는 입력부(110)에 구비된 커패시터 성분에 의해 주로 결정된다. 도시된 적색 선(즉, 아래쪽에 위치한 선)은 피드백부(140a, 140b)에 의한 입력 임피던스 부스팅 처리가 이루어지지 않은 경우를 나타내고, 청색 선(즉, 위쪽에 위치한 선)은 피드백부(140a, 140b)에 의한 입력 임피던스 부스팅 처리가 이루어진 경우를 나타낸다. 표시된 두 개의 선을 각각 대비할 때, 2 Hz 주파수에서 임피던스 부스팅 루프 적용에 따라 입력 임피던스가 약 658 MOhm에서 약 2 GOhm으로 급격하게 증가됨을 확인할 수 있다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 연산 증폭기(150)는 입력부(110)에서 노이즈 성분인 DC 성분이 제거된 AC 성분의 뇌파 신호를 입력 받고 초퍼 안정화(Chopper stabilized) 기법을 이용하여 입력되는 신호를 모듈레이션한 후 출력단에서 디모듈레이션하여 원 신호로 복원하여 출력한다.
연산 증폭기(150)로 입력된 뇌파 신호는 전압 변환부(130a, 130b)에 포함된 피드백 저항(Rf)과 피드백 커패시터(Cf)에 의해 증폭되고, 입출력 게인이 CIN/Cf로 근사화될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
연산 증폭기(150)의 구성은 도 3에 도시된 바와 같이, 관련 논문 "A Micro-Power EEG Acquisition SoC With Integrated Feature Extraction Processor for a Chronic Seizure Detection System(IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 45, NO. 4, APRIL 2010)"에 제시된 쵸퍼 모듈레이터가 임베디드된 2-스테이지 OP 앰프(Two-stage op-amp with chopper-modulators used in CS-LNA)의 구성과 동일 또는 유사하게 구현될 수 있다. 연산 증폭기(150)의 구성 및 동작은 해당 논문에서 상세히 설명되었으므로 여기서는 이에 대한 설명을 생략한다.
로패스 필터부(160)는 커패시터(CL)를 포함하여 구성되며, 해당 커패시터(CL)는 연산 증폭기(150)의 차동 출력 단자의 출력 저항과 연계하여 저역 통과 필터를 구성한다. 저역 통과 필터에 의해 뇌파로서 인정되지 않는 뇌파 주파수 이상의 신호가 차단될 수 있다.
연산 증폭기(150)에 의해 CIN/Cf으로 1차 증폭된 뇌파 신호는 비반전 차동 증폭 회로부(170)에 의해 2차 증폭된다.
이때, 비반전 차동 증폭 회로부(170)에 구비된 피드백 저항(Rf) 및 피드백 커패시터(Cf)로 인하여 다시 한번 저역 통과 필터가 구성되어, 연산 증폭기(150)에서 발생하는 글리치 등 고주파 잡음 신호가 제거되고, 검출을 원하는 뇌파 신호만이 획득될 수 있다.
여기서, 비반전 차동 증폭 회로부(170)에 구비된 저항(Rc)는 수학식 (연산증폭기 출력신호)*(1+Rf/Rc)에 따라 비반전 차동 증폭 회로부(170)의 증폭 비율을 결정하는 기능을 수행한다. 비반전 차동 증폭 회로부(170)의 기타 기능 및 동작에 관한 사항은 당업자에게 자명하므로 이에 대한 설명을 생략한다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
110 : 입력부 120a, 120b : 기준 전압 공급부
130a, 130b : 전압 변환부 140a, 140b : 피드백부
150 : 연산 증폭기 160 : 로패스 필터부
170 : 비반전 차동 증폭 회로부

Claims (4)

  1. 뇌파 신호 검출 장치에 있어서,
    인체에 부착된 뇌파 신호 검출용 전극으로부터 뇌파 신호를 입력 받고 잡음 성분을 제거하여 출력하는 입력부;
    상기 입력부로부터 입력되는 잡음 성분 제거된 뇌파 신호를 초퍼 안정화(chopper stabilized) 기법을 이용하여 모듈레이션 및 디모듈레이션하여 출력하는 연산 증폭기;
    병렬 연결되는 피드백 저항(Rf) 및 피드백 커패시터(Cf)를 포함하여 구성되고, 상기 연산 증폭기의 입력단과 출력단을 연결하는 전압 변환부;
    커패시터(Cb)를 포함하여 구성되고, 상기 입력부의 양극 또는 음극 중 어느 하나의 입력단과 상기 연산 증폭기의 양극 또는 음극 중 같은 어느 하나의 출력단을 연결하는 피드백부;
    상기 연산 증폭기의 양극 및 음극 출력단에 병렬 연결되는 커패시터(CL)를 포함하여 구성되고, 상기 연산 증폭기의 출력단의 출력 저항과 연계되어 저역 통과 필터를 형성하는 로패스 필터부; 및
    상기 연산 증폭기로부터 출력되는 뇌파 신호를 입력 받아 미리 지정된 주파수 대역의 고주파 잡음 신호를 제거하여 출력하는 비반전 차동 증폭 회로부를 포함하는 뇌파 신호 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연산 증폭기의 입력단으로 기준 전압(VREF)을 공급하는 기준 전압 공급부를 더 포함하되,
    상기 기준 전압 공급부는 상기 뇌파 신호 검출 장치의 구동 개시 후 미리 지정된 시간 동안만 상기 기준 전압(VREF)을 공급하도록 스위칭 처리되는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 검출 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 입력부는 상기 뇌파 신호 검출용 전극에 포함된 양전극과 음전극으로부터 각각 신호를 입력 받기 위한 2개의 입력 단자를 포함하고,
    각 입력 단자에 상응하도록 상기 전압 변환부, 상기 피드백부 및 상기 기준 전압 공급부가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환부는 상기 연산 증폭기의 양극 또는 음극 중 어느 하나의 입력단과 양극 또는 음극 중 다른 하나의 출력단을 연결하는 것을 특징으로 하는 뇌파 신호 검출 장치.
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