KR101551881B1 - 통합적인 생체신호 처리장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
통합적인 생체신호 처리장치 및 방법을 개시한다. 제1 신호처리모듈은 제어신호에 대응하여 각 센서를 구동하기 위한 신호를 생성하고, 각 센서로부터 제공되는 생체신호를 처리한다. 제2 신호처리모듈은 처리하고자 하는 생체신호에 대응하여 제어신호를 생성하는 한편 처리조건을 자동으로 설정하고, 제1 신호처리모듈로부터 제공되는 생체신호를 설정된 처리조건에 따라서 처리하고, 처리결과를 출력한다.
Description
본 개시는 통합적인 생체신호 처리장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 심전도, 뇌전도, 근전도, 안구전도, 위전도 등과 같은 생체 전위신호를 측정하기 위해서는, 생체 전위신호의 종류에 대응하여 필터링되는 주파수대역이 구분된 필터를 사용한다. 통상 하나의 필터는 하나의 주파수대역에 대해서만 필터링이 가능하다. 따라서, 단일한 디바이스로 복수의 생체 전위신호를 측정하기 위해서는 생체 전위신호의 종류 만큼의 필터를 구비하여야 한다. 그 결과, 여러가지 종류의 생체 전위신호를 측정하도록 디바이스를 구현하는 경우, 디바이스에 들어가는 부품수가 많아지므로 외부 전원을 사용함에 따른 전력소모가 증가하는 한편, 소형화가 어려워진다.
또한, 체지방, 피부수화도, 피부전도도 등에 관련된 임피던스를 측정하기 위해서는 임피던스의 종류에 대응하는 주파수를 갖는 정전류와 차동증폭을 통하여 얻어진 신호를 정류한 다음, 필터링하여 원하는 신호를 검출한다. 따라서, 결정된 주파수에 따라서 한가지의 신호만 측정할 수 있고, 생체 전위신호에 비하여 추가적 으로 정전류를 인가하여야 하는 등 임피던스 측정과정이 복잡해진다. 이와 같이 측정과정의 복잡화로 인하여 필요로 하는 부품수가 많아짐에 따라서 전력소모가 증가하는 한편, 소형화가 어려워진다.
한편, 광을 이용하여 맥파신호, 산소포화도 등과 같은 생체신호를 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 생체신호에 대응하는 파장의 광을 조사하므로 하나의 디바이스로는 한가지의 생체신호만 측정할 수 있다.
하나의 장치를 이용하여 복수의 생체신호에 대한 처리가 가능하도록 하는 통합적인 생체신호 처리장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 일측면에 따른 통합적인 생체신호 처리장치는 소정의 제어신호에 대응하여 복수의 생체신호를 측정할 수 있는 복수의 센서그룹으로 이루어지는 센싱모듈을 구동하기 위한 신호를 생성하고, 상기 센서그룹으로부터 제공되는 생체신호를 처리하는 제1 신호처리모듈; 및 상기 복수의 센싱그룹 중 사용되는 센서그룹을 인증하고, 인증결과에 대응하여 상기 소정의 제어신호를 생성하는 한편 소정의 처리조건을 자동으로 설정하고, 상기 제1 신호처리모듈로부터 제공되는 생체신호를 상기 설정된 처리조건에 따라서 처리하고, 처리결과를 출력하는 제2 신호처리모듈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일측면에 따른 통합적인 생체신호 처리방법은 소정의 제어신호에 대응하여, 복수의 생체신호를 측정할 수 있는 복수의 센싱그룹으로 이루어지는 센싱모듈의 각 센싱그룹을 구동하기 위한 신호를 생성하고, 상기 센싱그룹으로부터 제공되는 생체신호를 처리하는 단계; 및
상기 복수의 센싱그룹 중 사용되는 센서그룹을 인증하고, 인증결과에 대응하여 상기 소정의 제어신호를 생성하는 한편 소정의 처리조건을 자동으로 설정하고, 상기 제1 신호처리모듈로부터 제공되는 생체신호를 상기 설정된 처리조건에 따라서 처리하고, 처리결과를 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
통합적인 생체신호 처리장치 및 방법은 처리하고자 하는 생체신호의 종류에 대응하여 처리조건을 자동적으로 설정한 다음, 특정 센서로부터 제공되는 생체신호를 처리조건에 따라서 처리하여 원하는 생체정보를 얻을 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 따른 통합적인 생체신호 처리장치 및 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치의 구성과 주변장치를 나타내는 블럭도이다. 통합적인 생체신호 처리장치는 제1 신호처리모듈(130) 및 제2 신호처리모듈(150)을 포함할 수 있다. 또한, 통합적인 생체신호 처리장치는 센싱모듈(110), 제1 신호처리모듈(130) 및 제2 신호처리모듈(150)을 포함할 수 있다. 이때, 제1 신호처리모듈(130)은 센싱모듈(110)과 무선으로 연결되거나, 예를 들면 착탈식 혹은 코드 등을 통하여 유선으로 연결될 수 있다. 또한, 제1 신호처리모듈(130)은 전원모듈(170)과 무선으로 연결되거나, 예를 들면 착탈식 혹은 코드 등을 통하여 유선으로 연결될 수 있다. 제1 신호처리모듈(130)은 표시모듈모듈(170)과 무선으로 연결되거나, 예를 들면 착탈식 혹은 코드 등을 통하여 유선으로 연결될 수 있다. 제2 신호처리모듈은 표시모듈(190)과 무선으로 연결되거나, 예를 들면 착탈식 혹은 코드 등을 통하여 유선으로 연결될 수 있다. 도시되 지 않았으나, 표시모듈(190)은 제1 신호처리모듈(130) 대신 제2 신호처리모듈(190)에 무선 혹은 유선으로 연결될 수 있다. 여기서, 제1 신호처리모듈(130)과 제2 신호처리모듈(150)은 하나의 칩으로 구현되어 SOC(System-On-Chip)로 사용될 수 있다.
도 1을 참조하면, 센싱모듈(110)은, 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹, 임피던스를 측정하기 위한 제2 센서그룹, 광으로부터 얻어지는 생체신호를 측정하기 위한 제3 센서그룹 중 하나의 센서그룹으로 구현되거나, 적어도 두개 이상을 조합한 센서그룹으로 구현될 수 있다. 센싱모듈(110)의 각 센서그룹은 피부에 부착되는 형태, 손가락에 끼우는 형태 혹은 장갑 형태 등 다양하게 구현될 수 있다. 센싱모듈(110)에 포함되는 센서그룹들은 상기 열거한 예에 국한되지 않으며, 예를 들면 움직임신호 등을 감지하는 센서그룹 등을 더 포함할 수 있다.
제1 신호처리모듈(130)은 처리하고자 하는 생체신호의 종류에 대응하여 센싱모듈(110)로 특정 신호를 인가할지 여부를 결정하고, 센싱모듈(110)로부터 제공되는 복수개의 센싱 채널신호를 전처리하고, 전처리 결과 소정 이득으로 증폭된 중간 생체신호를 생성할 수 있다. 여기서, 특정 신호는 예를 들면 전류신호일 수 있으나 이에 한정되지 않는다. 한편, 제1 신호처리모듈(130)은 전원모듈(190)로부터 제공되는 전원전압으로부터 특정 신호를 생성하고, 특정 신호를 센싱모듈(110)에서 연결된 것으로 인식된 각 센싱채널로 제공되고, 각 센싱채널의 임피던스를 측정하여 리드 탈락 여부를 판단하거나, 임피던스 신호 혹은 광을 이용한 생체신호를 얻기 위하여 센싱모듈(110)로 제공한다.
제2 신호처리모듈(150)은 처리하고자 하는 생체신호의 종류에 대응하여 처리조건을 자동으로 설정하고, 제1 신호처리모듈(130)로부터 제공되는 중간 생체신호를 설정된 처리조건에 대응하여 필터링 및 증폭하여 최종 생체신호를 생성하고, 응용분야에 대응하는 연산 알고리즘을 이용하여 최종 생체신호를 처리할 수 있다. 처리된 결과는 내부 메모리에 저장되거나, 제1 신호처리모듈(130)로 제공되거나, 표시모듈(190)로 제공될 수 있다.
전원모듈(170)은 제1 신호처리모듈(130)로 소정의 전원전압을 인가하고, 센싱모듈(110)에서 임피던스 신호 혹은 광을 이용한 생체신호를 얻는데 필요한 특정신호, 예를 들면 소정의 전류신호가 생성되도록 한다.
표시모듈(190)은 제2 신호처리모듈(150)에서 제공되는 신호처리결과를 디스플레이함으로써, 사용자에게 분석된 정보를 알려준다.
도 1에 도시된 통합적인 생체신호 처리장치를 이용할 경우, 생체전위신호, 임피던스신호, 움직임신호, 및 광을 이용한 생체신호 중 적어도 두가지 이상을 측정 및 분석하는 것이 가능하다. 상기한 실시예에서와 같이, 처리하고자 하는 생체신호가 결정되면 자동적으로 처리조건이 설정됨으로써 간소화된 하나의 장치로 생체 전위신호, 임피던스 신호, 움직임신호, 광을 이용한 생체신호 등을 모두 측정할 수 있고, 소형화가 가능할 뿐 아니라 전력소모를 줄일 수 있으므로 휴대형 기기로 만들어지기가 용이하고, 모바일기기나 다른 기기 등에 탑재될 수 있다. 또한, 생체신호를 처리함에 있어서, 센싱모듈을 부착하는 것 이외에 사용자의 조작이나 관여를 최소한으로 줄일 수 있으므로, 사용자의 오작동으로 인한 처리결과의 오류를 최소한으로 줄일 수 있다.
도 2는 도 1에 있어서 센싱모듈(110)의 일실시예의 구성을 나타낸 도면으로서, 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹 즉, 제1 전극군(210), 임피던스신호를 측정하기 위한 제2 센서그룹(230), 광을 이용한 생체신호를 측정하기 위한 제3 센서그룹(250)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 센서그룹(230)은 정전류가 인가되는 제2 전극군(230)과 임피던스신호가 출력되는 제3 전극군(240)으로 이루어지고, 제3 센서그룹(250)은 소정의 구동전류가 인가되는 LED(260)와 광용적맥파 등이 출력되는 광검출기(270)로 이루어질 수 있다. 비록 도시되지는 않았으나, 센싱모듈(110)은 움직임신호를 측정하기 위하여 가속도계(accelerometer)를 더 포함할 수 있다.
제1 센서그룹인 제1 전극군(210)은 ECG 센서로 구현될 수 있다. ECG 센서는 심전도(Electrocardiogram)를 검사하기 위한 것으로, 심장에 가까운 피부에 접촉하거나, 양쪽 팔이나 손에 두 개의 센서를 접촉하여 심장 박동을 측정함으로써 심전도를 센싱할 수 있다. 제1 전극군(210)에 포함되는 전극의 수 및 형태는 공지된 다양한 구성을 채택할 수 있으며, 부착위치 또한 다양하게 가변시킬 수 있다.
제2 센서그룹(230)에 있어서 임피던스를 측정하기 위하여 예를 들면, 50kHz의 주파수 대역에서 약 1mA의 미세한 정전류를 제2 전극군(230)으로 인가하면, 제3 전극군(240)으로부터 소정의 소정의 전압이 발생한다. 마찬가지로, 제2 전극군(230)과 제3 전극군(240)에 각각 포함되는 전극의 수 및 형태는 공지된 다양한 구성을 채택할 수 있으며, 부착 위치 또한 다양하게 가변시킬 수 있다.
제3 센서그룹(250)에 있어서 광검출기(270)는 손끝, 발끝 등의 피부에 부착되어 조직에서 광용적맥파(Photoplethysmography)를 측정한다. 보다 상세하게는, LED(260)를 통하여 적외선을 조직에 입사시킨 후, 광검출기(270)를 통하여 조직에서 흡수되는 광도를 측정하여 조직에서 혈액량의 변화를 검출한다. 이러한 제3 센서그룹(250)은 혈액 내의 적혈구가 적외선을 흡수하는 성질을 이용한 것으로서, 동맥, 소동맥을 거쳐 모세 혈관으로 들어오는 혈액의 양을 측정하여 손끝, 발끝 등의 말초 부위의 혈류가 적당한지를 검사한다.
도 3은 도 1에 있어서 제1 신호처리모듈(130)의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이다. 제1 신호처리모듈(130)은 통신부(300), 특정신호 생성부(305) 및 중간 생체신호 생성부(335)를 포함할 수 있다. 특정신호 생성부(305)는 제1 다중화부(310), 정전류 발생부(320) 및 구동전류 발생부(330)를 포함할 수 있다. 중간 생체신호 생성부(335)는 제1 증폭부(340), 제2 다중화부(350) 및 제2 증폭부(260)를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 통신부(300)는 센싱모듈(110)의 각 센서그룹(210, 230, 250)으로부터 전송되는 고유한 ID 코드정보를 유선 혹은 무선으로 수신하고, 수신된 ID 코드정보를 제2 신호처리모듈(150)의 인증부(410)로 제공한다. 구체적으로, 통신부(300)가 무선으로 동작하는 경우를 예로 들면, 센싱모듈(110)의 각 센서그룹(210, 230, 250)에는 고유한 ID 코드정보가 할당되어 있고, 각 센서그룹(210, 230, 250)이 사용되는 경우 고유한 ID 코드정보가 액티브상태가 되어 무선으로 통신부(300)로 제공될 수 있다. 이때, 센싱모듈(110)과 통신부(300) 간의 근거리 통 신을 통하여 ID 코드정보가 통신될 수 있으며, 일예로는 RFID 기법이 사용될 수 있다. 한편, 통신부(300)가 유선으로 동작하는 경우를 예를 들면, 통신부(300)는 센싱모듈(110)의 각 센서그룹(210, 230, 250)의 각 전극군에 포함된 전극별로 고정된 위치의 핀을 구비한 복수의 커넥터(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 각 커넥터에는 고유한 ID 코드정보가 할당되어 있으므로, 임의의 커넥터에 해당 전극이 접속되면, 이를 인식하여 해당하는 ID 코드정보가 통신부(300)를 통하여 제2 신호처리모듈(150)로 제공될 수 있다. 또한, 통신부(300)는 제2 신호처리모듈(150)의 연산부(480)에서의 연산처리결과를 수신하고, 유선 혹은 무선으로 외부로 출력한다. 구체적으로, 표시모듈(190) 혹은 원격지의 의료기관(미도시)으로 연산처리결과를 제공할 수 있다.
특정신호 생성부(305)는 처리하고자 하는 생체신호의 종류에 대응하여, 전원모듈(170)로부터 제공되는 전원전압으로부터 특정신호를 생성하고, 이를 센싱모듈(110)로 제공한다. 이때, 특정신호는 각 센서그룹에 포함된 전극의 리드 탈락 여부를 확인하기 위하여 사용될 수 있다. 센싱모듈(110)과 통신부(300)가 유선통신인 경우, 특정신호 예를 들면, 정전류는 정전류 발생부(320)와 통신부(300)의 커넥터(미도시)를 통하여 각 센서그룹으로 제공되고, 센싱모듈(110)과 통신부(300)가 무선통신인 경우, 정전류 발생부(320)를 통하여 바로 각 센서그룹으로 제공될 수 있다. 리드 탈락 여부를 확인하기 위한 방법은 상기한 예 이외 공지된 다양한 방법을 채용할 수 있다. 또한, 특정신호는 특정의 생체신호, 예를 들면 임피던스신호 혹은 광용적맥파신호를 얻기 위하여 사용될 수 있다.
구체적으로, 제1 다중화부(310)는 제2 신호처리모듈(150)의 인터페이스부(430)로부터 제공되는 제1 제어신호를 이용하여, 처리하고자 하는 생체신호의 종류에 따라서 전원모듈(170)로부터 제공되는 전원전압을 정전류 발생부(320)와 구동전류 발생부(330) 중 적어도 하나로 인가하거나, 전원전압을 차단시킨다. 여기서, 제1 제어신호는 제2 신호처리모듈(150)에서 센싱모듈(110)의 접속상태를 인식하여 처리하고자 하는 생체신호가 결정되면, 정전류 발생부(320)로 전원전압을 인가하여 리드 탈락 여부를 확인하고, 이후 처리하고자 하는 생체신호에 대응하여 전원전압 인가 혹은 차단을 위하여 사용된다.
정전류 발생부(320)는 제2 신호처리모듈(150)의 인터페이스부(430)로부터 제공되는 제2 제어신호 및 제1 다중화부(310)의 출력신호에 대응하여 임피던스 신호를 측정하는데 필요한 정전류를 발생시킨다. 정전류 발생부(320)는 센싱모듈(110)의 각 전극에 연결되어, 각 전극의 리드 탈락 여부를 확인하기 위하여 정전류를 인가할 수 있다. 여기서, 제2 제어신호는 처리하고자 하는 임피던스의 종류에 대응하여 정전류의 크기 등을 조정하기 위하여 사용된다.
구동전류 발생부(330)는 제2 신호처리모듈(150)의 인터페이스부(430)로부터 제공되는 제3 제어신호 및 제1 다중화부(310)의 출력신호에 대응하여 광을 이용한 생체신호를 측정하는데 필요한 구동전류를 발생시킨다. 여기서, 제3 제어신호는 처리하고자 광을 이용한 생체신호 예를 들면, 헤모글로빈이나 글루코스 등의 종류에 대응하여 구동전류의 파장 혹은 크기 등을 조정하기 위하여 사용된다.
중간 생체신호 생성부(335)는 센싱모듈(110)로부터 제공되는 생체신호로부터 중간 생체신호를 생성한다. 구체적으로, 제1 증폭부(340)는 센싱모듈(110)의 각 센싱채널로부터 제공되는 생체신호를 증폭한다. 이때, 제1 증폭부(340)는 제2 다중화부(350)에서 발생할 수 있는 신호왜곡을 방지하기 위하여 제2 다중화부(350)로 입력되는 전압범위를 조절하거나 각 전극과 피부에서 발생되는 DC 노이즈를 제거해주는 오토 제로잉(auto-zeroing) 기능을 수행할 수 있다.
제2 다중화부(350)는 제2 신호처리모듈(150)의 인터페이스부(430)로부터 제공되는 제4 제어신호에 대응하여, 제1 증폭부(340)로부터 제공되는 각 전극의 출력을 다중화하여 제2 증폭부(360)로 제공한다. 여기서, 제4 제어신호는 처리하고자 하는 생체신호의 종류에 대응하여, 각 전극의 출력에 대한 처리순서를 정하기 위하여 사용된다. 즉, 제2 신호처리모듈(150)에서 처리하고자 하는 생체신호의 종류가 결정되면, 사용된 센서그룹이 확인될 수 있다. 제2 다중화부(350)는 확인된 센서그룹에 포함된 각 전극에 대하여 미리 설정된 우선순위에 근거하여, 제1 증폭부(340)와 제2 증폭부(360)간의 신호경로를 설정해 주는 것이다.
제2 증폭부(360)는 제2 다중화부(350)에서 출력되는 각 전극의 출력을 증폭하여 중간 생체신호를 생성하여, 제2 신호처리모듈(150)의 A/D 변환부(440)로 제공한다.
도 4는 도 1에 있어서 제2 신호처리모듈(150)의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이다. 제2 신호처리모듈(150)은 신호처리부(400), 인터페이스부(430), A/D 변환부(440) 및 저장부(490)를 포함할 수 있다. 신호처리부(400)는 인증부(410), 제어부(420), 정류부(450), 필터부(460), 제3 증폭부(470) 및 연산부(480)를 포함할 수 있다. 제2 신호처리모듈(150)은 일예로 MCU(Micro Controller Unit)로 구현될 수 있다.
도 4를 참조하면, 신호처리부(400)는 처리하고자 하는 생체신호의 종류에 대응하여 처리조건 및 연산프로그램을 자동으로 설정하고, 제1 신호처리모듈(130)를 제어하기 위한 제1 내지 제4 제어신호를 생성한다. 구체적으로, 인증부(410)는 통신부(300)를 통하여 제공된 ID 코드정보를 이용하여 사용될 센싱그룹을 인증하고, 인증된 센싱그룹에 대응하여 측정하고자 하는 주파수대역과 증폭이득을 조절할 수 있도록 인증결과를 제어부(420)로 제공한다.
제어부(420)는 인증부(410)의 인증결과에 대응하여 A/D 변환, 필터링대역, 증폭이득 및 연산알고리즘을 설정하는 한편, 인터페이스부(430)를 제어한다. 정류부(450)는 제어부(420)의 제어하에, 디지털 생체신호를 정류한다. 이때, 임피던스 측정용으로 사용하는 경우 정류부(450)는 동작가능하나, 생체전위신호 측정용으로 사용하는 경우 정류부(450)는 프로그램적으로 동작하지 않도록 구성된다. 필터부(460)는 제어부(420)의 제어하에, 정류부(450)에서 정류된 생체신호를 필터링한다. 이때, 필터링되는 주파수대역은 인증부(410)로부터 제공되는 인증된 결과에 따라서 설정된다.
제3 증폭부(470)는 제어부(420)의 제어하에, 필터부(460)에서 필터링된 생체신호를 증폭한다. 이때, 증폭이득은 인증부(410)로부터 제공되는 인증된 결과에 따라서 설정된다. 연산부(480)는 제어부(420)의 제어하에, 제3 증폭부(470)에서 증폭된 생체신호에 대하여 소정의 연산 알고리즘을 구동하여 생체신호에 따라서 원 하는 응용분야의 생체정보를 얻는다. 얻어진 소정 응용분야의 생체정보는 제1 신호처리모듈(130)의 통신부(300)로 제공되거나 저장부(490)로 제공된다.
한편, 인터페이스부(430)는 제어부(420)의 제어하에, 제1 신호처리모듈(130)의 각 부에서 필요로 하는 제1 내지 제4 제어신호를 생성하여 출력한다.
A/D 변환부(440)는 제어부(420)의 제어하에, 제1 신호처리모듈(130)의 제2 증폭부(360)로부터 제공되는 생체신호를 디지털 신호로 변환한다.
저장부(490)는 연산부(480)에서 얻어진 소정 응용분야의 생체정보를 저장한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 이용하여 환자감시장치 전용칩을 구현하는 예를 보여주는 도면이다.
도 5에 있어서, 센싱모듈(110a)은 제1 센서그룹인 제1 전극군(210), 및 제3 센서그룹(250)을 포함한다. 제1 신호처리모듈(130a)는 통신부(300), 특정신호 생성부(305a) 및 중간 생체신호 생성부(335a)를 포함한다. 여기서, 특정신호 생성부(305a)는 제1 다중화부(310) 및 구동전류 발생부(330)로, 중간 생체신호 생성부(335a)는 제1 증폭부(340), 제2 다중화부(350) 및 제2 증폭부(260)를 포함한다. 제2 신호처리모듈(150a)은 신호처리부(400a), 인터페이스부(430), A/D 변환부(440), 및 저장부(490)를 포함한다. 신호처리부(400a)는 인증부(410), 제어부(420), 필터부(460), 제3 증폭부(470), 및 연산부(480)를 포함한다.
도 5에 도시된 환자감시장치 전용칩의 경우, 체온, 심전도, 산소포화도, 호흡을 동시에 측정할 수 있기 때문에 병원과 같은 의료기관에서뿐 아니라, 응급환자 및 웨어러블 건강 모니터에 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 이용하여 임피던스 및 전위 처리장치 전용칩을 구현하는 예를 보여주는 도면이다.
도 6에 있어서, 센싱모듈(110b)은 제1 센서그룹인 제1 전극군(210), 및 제2 센서그룹(230)을 포함한다. 제1 신호처리모듈(130b)는 통신부(300), 특정신호 생성부(305b) 및 중간 생체신호 생성부(335b)를 포함한다. 여기서, 특정신호 생성부(305b)는 제1 다중화부(310) 및 정전류 발생부(320)를 포함하고, 중간 생체신호 생성부(335b)는 제1 증폭부(340), 제2 다중화부(350) 및 제2 증폭부(260)를 포함한다. 제2 신호처리모듈(150b)은 신호처리부(400b), 인터페이스부(430), A/D 변환부(440), 및 저장부(490)를 포함한다. 신호처리부(400b)는 인증부(410), 제어부(420), 정류부(450), 필터부(460), 제3 증폭부(470) 및 연산부(480)를 포함한다.
도 6에 도시된 임피던스 및 전위 처리장치 전용칩의 경우, 체지방 및 피부전도등 등과 같은 신호를 동시에 측정할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 이용하여 전위 처리장치 전용칩을 구현하는 예를 보여주는 도면이다.
도 7에 있어서, 센싱모듈(110c)은 제1 센서그룹인 제1 전극군(210)을 포함한다. 제1 신호처리모듈(130c)는 통신부(300) 및 중간 생체신호 생성부(335c)를 포함한다. 중간 생체신호 생성부(335c)는 통신부(300), 제1 증폭부(340), 제2 다중화부(350) 및 제2 증폭부(260)를 포함한다. 제2 신호처리모듈(150c)은 신호처리부(400c), 인터페이스부(430), A/D 변환부(440), 및 저장부(490)를 포함한다. 신 호처리부(400c)는 인증부(410), 제어부(420), 필터부(460), 제3 증폭부(470) 및 연산부(480)를 포함한다.
도 7에 도시된 전위 처리장치 전용칩의 경우, 심전도, 근전도, 뇌파 등의 전위신호를 동시에 측정할 수 있다.
도 5 내지 도 7을 살펴보면, 처리하고자 하는 생체신호에 대응하여 센싱모듈(110) 및 제1 신호처리모듈(130)을 제어하기 위한 제1 내지 제4 제어신호가 생성되고, 제2 신호처리모듈(150)의 생체신호의 최적 처리조건이 자동으로 설정됨으로써, 센싱모듈(110) 및 제1 신호처리모듈(130)을 거쳐 출력되는 중간 생체신호를 설정된 처리조건에 근거하여 처리하여 원하는 응용분야의 정보를 생성할 수 있게 된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 810 단계에서는 각 센싱채널의 용도정보를 수신한다. 센싱채널의 용도정보는 외부의 입력부(미도시)로부터 제공되는 사용자 입력을 통하여 수신하거나, 통신부(300)에 설치되며, 접속되는 센서그룹별로 고정된 위치의 핀을 갖는 커넥터를 통하여 수신할 수 있다. 이 경우, 사용자 입력정보 혹은 커넥터의 전극 접속여부로부터 별도의 인증과정없이 처리하고자 하는 생체신호의 종류를 인식할 수 있다.
820 단계에서는 수신된 용도정보에 대응하여 전원전압을 인가한다. 예를 들어, 심전도 측정용이면 별도의 전압전압을 생성할 필요가 없으며, 피부전도도 측정 용인 경우 정전류를 생성하기 위한 전원전압을 인가하고, 광용적맥파 측정용인 경우 LED 구동전류를 생성하기 위한 전원전압을 인가한다.
830 단계는 각 전극 즉, 센싱채널의 임피던스를 측정하기 위한 것으로서, 831 단계에서는 각 센싱채널에 정전류를 인가하고, 832 단계에서는 센싱채널별 임피던스를 측정한다.
840 단계에서는 센싱채널별로 측정된 임피던스 값과 소정의 기준값을 비교하여, 센싱채널에 이상이 발생하였는지 여부를 판단한다.
850 단계에서는 이상이 발생한 센싱채널의 정보를 출력한다.
860 단계는 840 단계에서 정상이라고 판단된 센싱채널들을 사용하여 생체신호를 측정 및 분석하기 위한 것으로서, 861 단계에서는 각 센싱채널로부터 제공되는 생체신호에 대하여 A/D 변환을 수행하고, 862 단계에서는 디지털 생체신호에 대응하여 필터링 및 증폭과 같은 전처리를 수행한다. 863 단계에서는 전처리된 디지털 생체신호의 용도에 맞도록 선택된 연산 알고리즘을 실행하고, 864 단계에서는 연산결과를 출력한다.
870 단계에서는 측정하고자 하는 생체신호가 아직 남아 있는지 여부에 따라서 본 흐름도를 종료할 것인지를 판단하여, 아직 남아 있는 겨우 861 단계로 복귀한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리방법을 설명하는 흐름도로서, 센싱모듈(110)과 통신부(300) 간의 유무선 통신을 통하여 획득되는 ID 코드정보를 이용하는 경우를 예로 든 것이다. 도 8과 비교하면, 각 센싱채널의 용도정보를 수신하는 단계(810)를 각 전극 혹은 각 센싱채널의 인증을 수행하는 단계(910)로 대체한 것에 그 차이점이 있슴을 알 수 있다. 여기서, 통신부(300)에 커넥터를 구비하는 경우에는 인증과정을 거침으로써 처리하고자 하는 생체신호의 종류의 확인 뿐 아니라, 해당 생체신호를 측정하기 위한 센서그룹에 포함된 각 전극의 연결 여부도 확인할 수 있다.
도 10은 도 9에 있어서 전극 혹은 센싱채널 인증 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 1010 단계에서는 인증부(410)가 통신부(300)로부터 ID 코드정보를 수신한다.
1020 단계에서는 수신된 ID 코드정보를 분석한다. 예를 들어, ID 코드정보가 도 11에서와 같이 할당된 경우, '00'이면 심전도에 대응하는 센서그룹이 부착된 것이고, '01'이면 뇌전도에 대응하는 센서그룹이 부착된 것이고, '10'이면 피부전도도에 대응하는 센서그룹이 부착된 것이고, '11'이면 광용적맥파에 대응하는 센서그룹이 부착된 것이다.
1030 단계에서는 분석된 ID 코드정보에 대응하여 필터부(460)의 컷오프 주파수와 제3 증폭부(470)의 증폭이득을 설정한다. 즉, ID 코드정보에 대응하는 생체신호를 검출하기에 최적인 처리조건이 자동으로 설정된다.
1040 단계에서는 분석된 ID 코드정보에 대응하여 연산 알고리즘을 선택한다. 즉, ID 코드정보에 대응하는 생체신호의 응용분야에 따라서 미리 프로그래밍되어 있는 복수의 연산 알고리즘 중에서, 분석된 ID 코드정보에 대응하여 적어도 하나 이상이 동작된다.
1050 단계에서는 분석된 ID 코드정보에 대응하여 제1 신호처리모듈(130) 및 제2 신호처리모듈(150)의 각 부를 제어한다. 즉, ID 코드정보를 분석함으로써, 처리하고자 하는 생체신호의 종류가 결정되면 제1 신호처리모듈(130)을 제어하기 위한 제1 내지 제4 제어신호를 생성하여 출력한다. 여기서, 제1 제어신호는 제1 다중화부(310)를 제어하고, 제2 제어신호는 정전류 발생부(320)를 제어하고, 제3 제어신호는 구동전류 발생부(330)를 제어하고, 제4 제어신호는 제2 다중화부(350)를 제어하는데 사용된다. 또한, 1030 단계 및 1040 단계에서 설정된 처리조건 및 선택된 연산 알고리즘에 근거하여 필터부(460), 제3 증폭부(470) 및 연산부(480)를 제어한다.
도 11은 전극 즉, 센싱채널의 인증을 위하여 할당되는 ID 코드정보의 예를 보여주는 도면이다.
도 11을 참조하면, 예를 들어, 전체 4가지의 생체신호를 측정 및 분석하고자 하는 경우, 2 비트의 ID 코드 정보를 사용할 수 있다. 한편 5 내지 8가지의 생체 신호를 측정 및 분석하고자 하는 경우, 3 비트의 ID 코드 정보를 사용할 수 있다. 이와 같이 하나의 장치로 측정 및 분석하고자 하는 생체신호의 갯수에 따라 ID 코드정보의 크기를 조절할 수 있다. 여기서는, 2 비트의 ID 코드 정보의 예로서, '00'은 심전도, '01'은 뇌전도, '10'은 피부전도도, '11'은 광용적맥파를 각각 나타낼 수 있다. 즉, 각 ID 코드정보에 대응하여 사용되는 센서그룹이 설정되어 있고, 각 센서그룹에 포함되는 전극에 대응하는 ID 코드정보가 할당되거나, 통신 부(300)의 커넥터 각각에 대응하는 ID 코드정보가 할당될 수 있다.
예를 들어, ID 코드정보 '00'이 통신부(300)를 통하여 인증부(410)에 수신되면, 인증부(410)는 심전도전극이 사용되고 있슴을 파악하여 이러한 정보를 제어부(420)로 제공한다. 제어부(420)는 인증 정보에 대응하여 심전도 신호의 주파수 대역인 1 내지 150 Hz로 필터링 주파수대역을 설정하는 한편, 증폭이득을 예를 들면 1000으로 설정하고, 연산 알고리즘은 심박 및 부정맥 감지 알고리즘으로 자동으로 설정되도록 각 부를 제어한다. 따라서, 심전도 전극이 연결되면 자동으로 심전도 전극에 최적화된 처리조건으로 설정하고, 설정된 처리조건에 근거하여 생체신호로부터 심전도를 처리할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 하이브리드 집적회로로 구현한 경우 그 외관의 예를 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면, 통합적인 생체신호 처리장치(1200)는 통합 생체신호처리칩(SOC, 1210)와, SOC(1210)에 부착되어 센싱모듈(110)의 각 센서그룹의 전극군에연결되는 핀 그룹(1230a, 1230b, 1230c), SOC(1210)에 부착되어 MCU 프로그램 포트로 사용되는 핀 그룹(1240), SOC(1210)에 부착되어 전원에 연결되는 핀 그룹(1250), 및 SOC(1210)에 부착되어 통신 포트로 사용되는 핀 그룹(1260)으로 이루어진다. 핀 그룹(1230a, 1230b, 1230c)을 통하여 센싱모듈(110)로 전류가 인가되거나, 센싱모듈(110)에서 측정된 생체신호가 제1 신호처리모듈(130)로 제공될 수 있다. 핀 그룹(1240)를 통하여 제2 신호처리모듈(150)에서 사용되는 전체 제어프로그램을 다시 입력하거나 수정할 수 있다. 핀 그룹(1250)을 통하여 전원모 듈(170)에 연결될 수 있고, 핀 그룹(1260)을 통하여 표시모듈(190) 혹은 외부의 신호처리장치에 연결될 수 있다.
본 발명의 실시예들을 통하여 측정 및 분석되는 생체신호를 이용하여 다양한 응용분야에 적용할 수 있다. 구체적으로, 심전도를 이용하여, 부정맥을 검출하거나, 심근경색을 예측하거나, 자율신경계를 평가하여 스트레스나 감성 정도를 예측할 수 있다. 또한, 심전도로부터 얻어지는 심박을 이용하여 운동부하를 평가하거나, 심전도 정보로 생체 인증이 가능하며, 호흡수를 측정할 수 있다. 또한, 심전도에 근거하여 소비 칼로리를 측정하거나, 심전도로부터 얻어지는 심박변이율(Heart Rate Variability)에 근거하여 수면 평가를 행할 수 있다. 근전도의 경우에는, 근피로도 측정, 근력평가, 칼로리 측정 및 운동자세 교정 등과 같은 응용분야에 사용할 수 있다.
한편, 뇌전도의 경우, 수면심도 평가, 간질 평가, 집중도 및 안정도 평가, 쾌, 불쾌 평가, 스트레스 평가, 신경심리 검사, 뇌병변 평가, 뇌-컴퓨터 인터페이스(Brain-Computer Interface), 또는 거짓말 탐지 등과 같은 응용분야에 사용할 수 있다. 안구전도의 경우, 눈-컴퓨터 인터페이스(Eye-Computer Interface), 집중도 및 안정도 평가 등과 같은 응용분야에 사용할 수 있다. 위전도의 경우, 소화기능 평가 혹은 위장장애 평가 등과 같은 응용분야에 사용할 수 있다.
한편, 임피던스를 이용하여, 피부 수화도, 체지방, 혈류량 혹은 호흡을 측정하거나, 스트레스 평가, 거짓말 탐지, 감성 평가, 수면 평가, 경혈 탐지, 통점 탐지 등과 같은 응용분야에 사용할 수 있다. 광을 이용한 생체신호를 이용할 경우, 산소포화도 혹은 맥파 등을 평가할 수 있다. 가속도계로부터 얻어지는 움직임정보의 경우, 칼로리 측정, ADL(Activities of Daily Living) 관리, 보행 분석, 가속도 혹은 각속도 측정 등과 같은 응용분야에 사용할 수 있다.
상기한 바와 같은 응용분야는 제2 신호처리모듈(150)에 포함된 연산 알고리즘에 의해 결정될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 또한, 상술한 본 발명의 실시예에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치의 구성과 주변장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 도 1에 있어서 센싱모듈의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 1에 있어서 제1 신호처리모듈의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 1에 있어서 제2 신호처리모듈의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 이용하여 환자감시장치 전용칩을 구현하는 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 이용하여 임피던스 및 전위 처리장치 전용칩을 구현하는 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 이용하여 전위 처리장치 전용칩을 구현하는 예를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리방법을 설명하는 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리방법을 설명하는 흐름도이다.
도 10은 도 9에 있어서 전극 및 센싱채널 인증 과정을 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 11은 전극 및 센싱채널의 인증을 위하여 할당되는 ID 코드정보의 예를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 통합적인 생체신호 처리장치를 SOC로 구현한 경우 그 외관의 예를 보여주는 도면이다.
Claims (15)
- 소정의 제어신호에 대응하여 복수의 생체신호를 측정할 수 있는 복수의 센서그룹으로 이루어지는 센싱모듈을 구동하기 위한 신호를 생성하고, 상기 센서그룹으로부터 제공되는 생체신호를 처리하는 제1 신호처리모듈; 및상기 복수의 센싱그룹 중 사용되는 센서그룹을 인증하고, 인증결과에 대응하여 상기 소정의 제어신호를 생성하는 한편 소정의 처리조건을 자동으로 설정하고, 상기 제1 신호처리모듈로부터 제공되는 생체신호를 상기 설정된 처리조건에 따라서 처리하고, 처리결과를 출력하는 제2 신호처리모듈을 포함하는 통합적 생체신호 처리장치.
- 제1 항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹, 임피던스신호를 측정하기 위한 제2 센서그룹, 광을 이용한 생체신호를 측정하기 위한 제3 센서그룹 중 적어도 하나 이상으로 이루어지는 통합적 생체신호 처리장치.
- 제1 항에 있어서, 상기 소정의 처리조건은 필터링 주파수대역, 증폭이득 및 연산 알고리즘 중 적어도 하나를 포함하는 통합적 생체신호 처리장치.
- 제1 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 하이브리드 집적회로로 구현되어 SOC로 사용되는 통합적 생체신호 처리장치.
- 제1 항에 있어서, 상기 각 센서그룹은 생체신호의 종류에 대응하는 ID 코드정보가 할당되는 통합적 생체신호 처리장치.
- 제 1항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹, 및 광을 이용한 생체신호를 측정하기 위한 제2 센서그룹를 포함하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 복수의 생체 전위신호와 복수의 광을 이용한 생체신호를 처리하여 환자감시를 위한 생체정보를 생성하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 하이브리드 집적회로로 구현되어 SOC로 사용되는 통합적 생체신호 처리장치.
- 제1 항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹, 및 임피던스신호를 측정하기 위한 제2 센서그룹을 포함하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 복수의 생체 전위신호와 복수의 임피던스신호를 처리하여, 처리결과에 대응하는 생체정보를 생성하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 하이브리드 집적회로로 구현되어 SOC로 사용되는 통합적 생체신호 처리장치.
- 제1 항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서 그룹을 포함하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 복수의 생체 전위신호를 처리하여, 처리결과에 대응하는 생체정보를 생성하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 하이브리드 집적회로로 구현되어 SOC로 사용되는 통합적 생체신호 처리장치.
- 소정의 제어신호에 대응하여, 복수의 생체신호를 측정할 수 있는 복수의 센싱그룹으로 이루어지는 센싱모듈의 각 센싱그룹을 구동하기 위한 신호를 생성하고, 상기 센싱그룹으로부터 제공되는 생체신호를 처리하는 단계; 및상기 복수의 센싱그룹 중 사용되는 센서그룹을 인증하고, 인증결과에 대응하여 상기 소정의 제어신호를 생성하는 한편 소정의 처리조건을 자동으로 설정하고, 제1 신호처리모듈로부터 제공되는 생체신호를 상기 설정된 처리조건에 따라서 처리하고, 처리결과를 출력하는 단계를 포함하는 통합적 생체신호 처리방법.
- 제9 항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹, 임피던스신호를 측정하기 위한 제2 센서그룹, 광을 이용한 생체신호를 측정하기 위한 제3 센서그룹 중 적어도 하나 이상으로 이루어지는 통합적인 생체신호 처리방법.
- 제9 항에 있어서, 상기 소정의 처리조건은 필터링 주파수대역, 증폭이득 및 연산 알고리즘 중 적어도 하나를 포함하는 통합적인 생체신호 처리방법.
- 제9 항에 있어서, 상기 각 센싱그룹은 생체신호의 종류에 대응하는 ID 코드정보가 할당되는 통합적인 생체신호 처리방법.
- 제9 항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹, 및 광을 이용한 생체신호를 측정하기 위한 제2 센서그룹를 포함하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 복수의 생체 전위신호와 복수의 광을 이용한 생체신호를 처리하여 환자감시를 위한 생체정보를 생성하는 통합적인 생체신호 처리방법.
- 제9 항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹, 및 임피던스신호를 측정하기 위한 제2 센서그룹을 포함하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 복수의 생체 전위신호와 복수의 임피던스신호를 처리하여, 처리결과에 대응하는 생체정보를 생성하는 통합적인 생체신호 처리방법.
- 제9 항에 있어서, 상기 센싱모듈은 생체 전위신호를 측정하기 위한 제1 센서그룹을 포함하고,상기 제1 및 제2 신호처리모듈은 복수의 생체 전위신호를 처리하여, 처리결 과에 대응하는 생체정보를 생성하는 통합적인 생체신호 처리방법.
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