KR101676559B1 - 저전력 생체신호 측정기 및 측정 신호 증폭율 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 저전력 생체신호 측정기 및 측정 신호 증폭율 제어 방법을 공개한다. 이 장치는 생체신호를 감지하는 센서부; 상기 감지된 생체신호를 인가받아 필터링하는 필터부; 상기 감지된 생체신호의 직류 기저선(DC baseline)을 비교하여 증폭율 제어 신호를 출력하는 증폭율 제어부; 상기 필터링된 생체신호를 인가받아 상기 증폭율 제어 신호에 응답하여 증폭하는 증폭부; 상기 증폭된 생체신호를 인가받아 진단 알고리즘을 이용하여 생체신호를 처리하는 신호 처리부; 및 상기 센서부 내 제1 및 제2 접촉단자 쌍의 접촉여부 또는 침수 여부에 따라 측정기에 전원을 공급 또는 차단하는 전원부;를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 측정되는 생체신호 파형의 듀티 싸이클을 현격하게 감소시키고, 생체신호 측정시 전체의 소모되는 전력을 현저하게 절감시킴으로써, 생체신호 측정기의 사용 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 생체신호 비측정시에도 지속되는 전력소모를 방지하고, 생체신호 측정기 침수시 고장을 미연에 예방할 수 있다.

Description

저전력 생체신호 측정기 및 측정 신호 증폭율 제어 방법{A low power biological signal measuring instrument and a amplification rate control method of measured signal}

본 발명은 저전력 생체신호 측정기 및 측정 신호 증폭율 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 측정되는 생체신호 파형의 증폭율을 조절하여 피측정체에 조사되는 광량이 적정값에 이르도록 제어하여 소모되는 전력을 절감시킴으로써, 생체신호 측정기의 사용 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있는 저전력 생체신호 측정기 및 측정 신호 증폭율 제어 방법에 관한 것이다.

최근 고령화 사회로 진입함에 따라 노인 인구의 증가로 인한 의료 수요가 증가하고, 사회 전체적으로 의료 정보의 획득과 관리에 대한 중요성이 점차 부각되고 있다.

이러한 사회적 인식 변화에 힘입어 유비쿼터스 헬스케어(u-Healthcare, 이하 유-헬스) 서비스의 중요성이 증대되고 있으며 이를 실현하기 위한 시스템과 장비의 개발이 이루어지고 있다.

또한, 반도체 기술의 발달로 가정에서도 체온, 혈당, 혈압, 체지방, 광용적맥파 및 심전도 등 기초적인 생체정보를 측정할 수 있는 생체신호 측정기를 쉽게 사용할 수 있게 되었다.

특히, 최근에는 사용자별 건강기준값을 미리 설정하고 그에 대응하는 위급단계의 정보를 보다 세밀하게 측정하여 판독할 수 있는 기술이 개시되어 있다.

예를 들면, 대한민국 공개특허번호 제10-2010-0128439호 '생체신호 측정단말기, 이를 이용한 응급구호 서비스 제공방법 및 응급구호 시스템'에서는 종래의 생체신호를 측정하여 관제센터 등으로 전송하는 방식과는 달리 측정된 생체신호를 이용하여 사용자의 위급상황을 생체신호 측정단말기 자체에서 판단함으로써, 보다 효율적인 응급구호 서비스를 제공할 수 있도록 하고 있었다.

하지만, 상기 종래 기술은 사용자의 이동통신망에 연결되어 생체신호 측정값을 근거리 통신 프로토콜 데이터로 변환하여 이동통신 단말기로 전송하도록 하는 기술이다.

이에 따라, 생체신호 측정 단말기가 블루투스 등의 무선통신을 통해 이동통신 단말기 등에 연결된 경우 무선통신과 사용자의 생체 신호 측정 작업을 위한 배터리 소모가 급속하게 진행되어 전력 부족으로 인해 생체신호의 측정과 무선통신이 제대로 이루어지지 못하는 한계가 있었다.

또한, 방전된 배터리를 충전하기 위해서 별도의 충전장치와 연결시 충전 중에는 생체신호 데이터의 전송시간이 지연되며, 빠른 충전을 위해 전원을 꺼놓은 경우 충전하는 동안에는 사용자의 생체신호를 측정하지 못하게 되는 등의 문제점이 있었다.

한편, 유-헬스 모니터링 기기는 몸에 부착하거나 손목에 차는 등 생활에 불편이 없이 사용할 수 있어야 하며 이를 위하여 전기를 사용하게 된다.

특히, 광용적맥파의 측정은 어린이나 여성들의 경우 저혈류(low perfusion)를 얼마나 잘 측정하는 가가 성능을 결정하게 되는데, 같은 남성이라도 개인 별 편차가 심하여 최적의 광용적맥파를 측정하기 위하여는 필요한 광량에 많은 편차가 있다.

이 때문에 불가피하게 발광부에서 많은 광량을 조사하게 되면, 발광부가 가장 많은 전력을 소모하므로 광용적맥파의 측정에 필요한 전력소모가 많아지게 되는 한계가 있었다.

또한, 생체신호를 측정하지 않는 시간에도 전력소모가 지속되는 등 비효율적이고, 전극이 외부에 노출이 된 관계로 물속에 들어가면 단락(short circuit)이 되어 고장이 나게 되는 문제점이 있었다.

(특허문헌 1) KR 10-2010-0128439 A

본 발명의 목적은 측정되는 생체신호 파형의 진폭의 크기를 소정의 범위 내에 포함되도록 증폭율을 조절하여 피측정체에 조사되는 광량이 최소한의 적정값에 이르도록 광량을 제어할 수 있는 저전력 생체신호 측정기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 저전력 생체신호 측정기 의 측정 신호 증폭율 제어 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기는 생체신호를 감지하는 센서부; 상기 감지된 생체신호를 인가받아 필터링하는 필터부; 상기 감지된 생체신호의 직류 기저선(DC baseline)을 비교하여 증폭율 제어 신호를 출력하는 증폭율 제어부; 상기 필터링된 생체신호를 인가받아 상기 증폭율 제어 신호에 응답하여 증폭하는 증폭부; 상기 증폭된 생체신호를 인가받아 진단 알고리즘을 이용하여 생체신호를 처리하는 신호 처리부; 및 상기 센서부 내 제1 및 제2 접촉단자 쌍의 접촉여부 또는 침수 여부에 따라 측정기에 전원을 공급 또는 차단하는 전원부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 센서부는 상기 측정기의 상부면에 장착되어 피측정자의 심전도를 측정하여 전기신호로 변환하는 제1 심전도 전극을 포함하고, 동시에 광용적맥파를 측정하는 전극부; 상기 측정기의 하부면에 장착되어 피측정자의 심전도를 측정하여 전기신호로 변환하는 제2 및 제3 심전도 전극; 및 상기 측정기의 하부면에 장착되어 피측정자의 체온을 감지하는 온도 센서;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 측정기는 상기 측정된 피측정자의 심전도를 인가받아 크기를 측정하고 심전도 신호를 증폭하는 계측 증폭기; 상기 측정기의 이득 제어 여부, 상기 생체 신호 감지의 시작 여부, 광량의 적정 여부를 판단하고, 상기 증폭된 생체신호의 디지털 신호 변환 및 피크 대 피크 값을 산출하는 중앙 제어부; 상기 중앙 제어부의 제어에 응답하여 조사되는 광량을 조절하는 발광 구동부; 및 상기 중앙 제어부를 통하여 상기 처리된 생체신호를 인가받아 휴대용 단말기에 무선으로 송신하는 통신부;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 전극부는 상기 발광 구동부의 제어에 의해 구동되어 광을 발생시키는 발광부; 및 상기 발생된 광이 피측정자에 조사되어 반사된 광을 인가받아 전기 신호로 변환하여 상기 광용적맥파를 측정하는 수광부;를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 제1 심전도 전극의 상부면은 상기 발광부의 상부면 및 상기 수광부의 상부면보다 소정의 높이만큼 돌출된 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 전극부는 사각링 형상으로서 양측 모서리 하부에 절연 접촉면을 구비하고 상하로 이동하는 상기 제1 심전도 전극; 상기 제1 심전도 전극의 상하 이동 중심축으로서, 상부면에 상기 발광부 및 상기 수광부가 장착되는 중심 기둥; 상기 제1 심전도 전극의 하부에 이격되어 위치하고, 상기 제1 심전도 전극의 하향 이동시 상기 제1 심전도 전극 중앙부의 하부면과 접촉되는 전극 접촉면; 상기 전극 접촉면의 양측에 위치하는 절연 지지대; 상기 절연 지지대의 상부면에 위치하는 한 쌍의 침수 센서; 일측이 상기 절연 접촉면에 연결되고 타측이 상기 한 쌍의 침수 센서에 연결되어 신축되고, 침수시 물을 매개체로 하여 도통되는 한 쌍의 용수철; 상기 절연 접촉면의 하부에 위치하는 상기 제1 접촉 단자 쌍; 및 상기 절연 지지대의 상부면에 위치하고 상기 제1 심전도 전극의 하향 이동시 상기 제1 접촉 단자 쌍과 접촉되어 접촉음을 발생시키는 상기 제2 접촉 단자 쌍;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 전원부는 상기 제1 및 제2 접촉단자쌍이 접촉되면 턴 온되어 전원을 상기 측정기에 공급하고, 상기 측정기가 침수되면 턴 오프되어 상기 전원의 공급을 차단하는 제어 스위칭부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 제어 스위칭부는 상기 제1 및 제2 접촉단자 쌍이 접촉되면 턴 온되고, 상기 제1 및 제2 접촉단자 쌍의 접촉이 종료되면 턴 오프되는 제1 스위치; 및 상기 측정기가 침수되면 도통되는 상기 한 쌍의 용수철에 의해 상기 한 쌍의 침수 센서가 동작되어 턴 오프되는 제2 스위치;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 제어 스위칭부는 무접점 반도체 릴레이인 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 필터부는 상기 감지된 생체신호 중 광용적맥파 신호를 인가받아 필터링하는 제1 필터부; 및 상기 감지된 생체신호 중 심전도 신호를 인가받아 필터링하는 제2 필터부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 상기 증폭부는 상기 필터링된 생체신호 중 광용적맥파 신호를 인가받아 증폭하는 제1 증폭부; 및 상기 필터링된 생체신호 중 심전도 신호를 인가받아 증폭하는 제2 증폭부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법은 (a) 상기 중앙 제어부가 상기 증폭된 생체 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계; (b) 상기 중앙 제어부가 상기 변환된 디지털 신호의 상기 피크 대 피크 값을 산출하고, 최소 마진 값보다 큰지 여부를 비교하여 작은 경우 상기 증폭율 제어부가 증폭도를 계산하고 기 설정된 증폭 테이블에서 스텝수를 증가시키는 단계; (c) 상기 피크 대 피크 값이 상기 최소 마진값보다 큰 경우 상기 중앙 제어부가 피크 대 피크 값이 최대 마진값보다 큰지 여부를 비교하는 단계; (d) 상기 피크 대 피크 값이 상기 최대 마진값보다 큰 경우 상기 증폭율 제어부가 증폭도를 계산하고 상기 증폭 테이블에서 스텝수를 감소시키는 단계; 및 (e) 상기 피크 대 피크 값이 상기 최대 마진값보다 작은 경우 상기 중앙 제어부가 진폭의 극대치 도달 또는 전원 차단 여부를 판단하여 도달 또는 차단된 경우 상기 증폭 테이블에서 제1 스텝수를 감소시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법은 상기 (d) 단계에서 상기 스텝수를 감소시킨 후에 상기 중앙 제어부가 진폭의 상기 극대치 도달 또는 상기 전원 차단 여부를 판단하여 도달 또는 차단된 경우 상기 증폭 테이블에서 제2 스텝수를 감소시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법의 상기 제1 스텝수는 상기 측정기의 10 % 이득에 해당하는 가변 저항값의 스텝수인 것을 특징으로 한다.

상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법의 상기 제2 스텝수는 상기 측정기의 20 % 이득에 해당하는 가변 저항값의 스텝수인 것을 특징으로 한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 첨부 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명에 의할 경우, 측정되는 생체신호 파형의 듀티 싸이클을 현격하게 감소시키고, 생체신호 측정시 전체의 소모되는 전력을 현저하게 절감시킴으로써, 생체신호 측정기의 사용 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다.

이에 따라 생체신호 측정기의 배터리 전력 부족으로 인해 생체신호의 측정과 무선통신이 제대로 이루어지지 못하는 종래 기술의 한계를 극복할 수 있다.

또한, 생체신호 측정기의 방전된 배터리를 충전하는 동안 생체신호 데이터의 전송시간이 지연되거나, 생체신호를 측정하지 못하게 되는 현상을 미연에 예방할 수 있다.

또한, 생체신호 비측정시에도 지속되는 전력소모를 방지하고, 생체신호 측정기 침수시 고장을 미연에 예방할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기를 구비한 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기를 이용하여 광용적맥파를 측정하는 시스템의 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기를 이용하여 심전도를 측정하는 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기 내 전극부의 평면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기 내 전극부의 측면도이다.
도 6은 도 2 또는 도 3에 도시된 광용적맥파 또는 심전도를 측정하는 시스템에서 전원 공급을 설명하는 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기 내 증폭율 제어부(17)의 증폭율을 조절하는 동작을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 저전력 생체신호 측정기를 설명하면 다음과 같다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되지 말아야 하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "부", "기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기를 구비한 시스템의 구성도로서, 센서부(120, 140)를 포함하는 저전력 생체신호 측정기(100) 및 휴대용 단말기(21)를 구비한다.

도 2는 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기를 이용하여 광용적맥파를 측정하는 시스템의 블록도이다.

도 3은 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기를 이용하여 심전도를 측정하는 시스템의 블록도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기의 각 구성요소의 구조 및 기능을 설명하면 다음과 같다.

저전력 생체신호 측정기의 상부에는 제1 심전도 전극(1-1) 및 광용적맥파 센서(2, 3)를 포함하는 전극부와 전도도 센서(50)가 위치하고, 하부에는 제2 및 제3 심전도 전극(1-2, 1-3), 온도 센서(60)가 위치한다.

즉, 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 저전력 생체신호 측정기는 밴드나 시계 형태로서, 제1 심전도 전극(1-1)와 발광부(2) 및 수광부(3)를 포함하는 광용적맥파(photo-plethysmogram, PPG) 센서가 측정기의 상부면에 구비되어 다른 인체 부위, 예를 들어 생체신호 측정기를 착용한 팔과 다른 손의 손가락과의 접촉을 하게 된다.

제1 심전도 전극(1-1)은 사각링 형태로서, 전극의 가운데에는 발광부(2)와 수광부(3)가 위치한다.

또한, 제2 및 제3 심전도 전극(1-2, 1-3)은 측정기의 하부면에 구비되어 피부와 접촉하는 부위에 돌출이 되어 있어 인체에 착용시 자연스럽게 피부에 접촉이 된다.

제1 내지 제3 심전도(ECG, electro-cardiogram) 전극(1-1 내지 1-3)은 피측정자의 심전도 및 근전도 등을 측정하여 전기신호로 변환한다.

전도도(GSR, galvanic skin response) 센서(50)는 피측정자 피부의 전기적인 저항을 감지한다.

온도 센서(60)는 피측정자의 체온을 감지한다.

발광부(2)는 발광 구동부(30)의 제어에 의해 광을 발생시킨다.

수광부(3)는 발광부(2)에서 발생된 광이 인체 부위에 조사되어 반사된 광을 인가받아 전기 신호로 변환하여 광용적맥파를 측정한다.

계측 증폭기(12)는 측정된 피측정자의 심전도를 인가받아 크기를 측정하고 심전도 신호를 증폭한다.

필터부는 광용적맥파 검출용 제1 필터부(31) 및 심전도 신호 검출용 제2 필터부(13)를 포함하고, 변환된 전기 신호를 인가받아 필터링하여 원하는 파형을 검출한다.

증폭율 제어부(17)는 감지된 생체신호의 직류 기저선(DC baseline)을 비교하여 증폭율 제어 신호를 출력한다. 증폭율을 조절하는 증폭율 제어부(17)의 동작은 도 7을 참조하여 상세하게 후술하도록 한다.

증폭부는 광용적맥파 증폭용 제1 증폭부(32) 및 심전도 신호 증폭용 제2 증폭부(14)를 포함하고, 필터부에서 검출된 전기 신호를 인가받아 증폭율 제어부(17)의 증폭율 제어 신호에 응답하여 디지털 가변 저항 등의 소자를 통해 증폭율을 조절하여 증폭한다.

신호 처리부(16)는 증폭부에서 증폭된 전기 신호를 중앙 제어부를 통하여 인가받아 진단 알고리즘을 이용하여 생체신호를 처리함으로써 부정맥, 혈압 변동율, 교감 및 비교감 신경의 활성화 정도, 응급 상태 확인 등을 파악한다.

통신부(20)는 신호 처리부(16)에서 처리된 생체신호를 중앙 제어부(15)를 통하여 인가받아 측정 데이터를 스마트폰 등의 휴대용 단말기(21)에 무선으로 송신한다.

중앙 제어부(15)는 중앙 연산 처리 장치를 통하여 측정기의 이득 제어 여부, 상기 생체 신호 감지의 시작 여부, 광량의 적정 여부 등에 대한 각종 판단 및 결정을 하여 증폭율 제어부(17), 발광 구동부(30) 및 전원부(180) 등을 제어하고, 증폭된 생체신호의 디지털 신호 변환 및 피크 대 피크 값을 산출한다.

발광 구동부(30)는 중앙 제어부(15)의 제어에 응답하여 발광부(2)에서 조사되는 광량을 조절한다.

전원부(180)는 센서부(120, 140) 내 제1 및 제2 접촉단자 쌍의 접촉여부 또는 침수 여부에 따라 중앙 제어부(15)의 제어에 응답하여 제어 스위칭부의 턴 온/오프 동작을 통해 전원을 전극부에 공급 또는 차단한다.

도 4는 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기 내 전극부의 평면도이다.

도 5는 도 1에 도시된 저전력 생체신호 측정기 내 전극부의 측면도이다.

도 6은 도 2 또는 도 3에 도시된 광용적맥파 또는 심전도를 측정하는 시스템에서 전원 공급을 설명하는 구성도이다.

도 4 및 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기 내 전극부의 구성 및 기능을 설명하면 다음과 같다.

제1 심전도 전극(1-1)은 사각링 형상으로서 양측 모서리 하부에 절연 접촉면을 구비하고 사용자의 누름 여부에 따라 상하로 이동한다.

중심 기둥은 제1 심전도 전극(1-1)의 사각링 중앙부에 위치하는 제1 심전도 전극(1-1)의 상하 이동 중심축으로서, 상부면에 발광부(2) 및 수광부(3)가 장착된다.

발광부(2)는 발광 구동부(30)의 제어에 의해 구동되어 광량이 조절된 광을 발생시킨다.

수광부(3)는 발광부(2)에서 발생된 광이 피측정자에 조사되어 반사된 광을 인가받아 전기 신호로 변환하여 광용적맥파를 측정한다.

제1 심전도 전극(1-1)은 발광부(2)와 수광부(3)의 높이보다 소정의 길이, 예를 들어 0.5 내지 2 mm 정도 높게 돌출이 되어 있다.

전극 접촉면(10)은 제1 심전도 전극(1-1)의 하부에 이격되어 위치하고, 제1 심전도 전극(1-1)의 하향 이동시 제1 심전도 전극(1-1) 중앙부의 하부면과 접촉된다.

절연 지지대(71, 72)는 전극 접촉면(10)의 양측에 위치하고, 상부면에 한 쌍의 침수 센서(45, 46)를 구비한다.

한 쌍의 용수철(43, 44)은 일측이 절연 접촉면에 연결되고 타측이 한 쌍의 침수 센서(45, 46)에 연결되어 제1 심전도 전극(1-1)의 상하 이동에 따라 신축되고, 침수시 물을 매개체로 하여 도통된다.

제1 접촉 단자 쌍(61, 62)은 절연 접촉면(41, 42)의 하부에 위치하고 제2 접촉 단자 쌍(81, 82)은 절연 지지대(71, 72)의 상부면에 위치하여 제1 심전도 전극(1-1)의 하향 이동시 제1 및 제2 접촉 단자 쌍이 접촉되어 접촉음을 발생시킨다.

도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기의 일 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 5에서 보는 바와 같이, 손가락 같은 인체 부위가 닿게 되면 전극은 눌리게 되고, 스프링의 소정의 탄성력에 의하여 전극은 절연 지지대(71, 72)까지 내려오게 되어 전극 접촉면(10)과 접촉하게 된다.

이 때, 제1 심전도 전극(1-1)이 전극 접촉면(10)에 닿게 되면 감촉과 접촉단자 A, B의 접촉 음에 의하여 피측정자는 더 이상 손가락에 압력을 가하지 않아도 된다는 판단을 하게 된다.

이러한 제1 심전도 전극(1-1)의 눌림을 검출하는 첫번째 목적은 생체신호의 측정을 하지 않을 때는 불필요한 전력 소모를 하지 않게 하기 위함이다.

즉, 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 제1 접촉 단자 쌍(61, 62)과 제2 접촉 단자 쌍(81, 82)이 접촉하게 되면 제어 스위칭부(185)의 턴 온 동작에 의해 전원이 전극부에 공급되고, 제1 접촉 단자 쌍(61, 62)과 제2 접촉 단자 쌍(81, 82)이 접촉 되지 않으면 제어 스위칭부(185)의 턴 오프 동작에 의해 전력이 공급되는 것이 원천적으로 차단된다.

제1 심전도 전극(1-1)의 눌림을 검출하는 두번째 목적은 발광부(2)와 수광부(3)에 의하여 측정되는 광용적맥파는 손가락에 압력이 전혀 없을 때 보다 약간의 압력이 가해 졌을 때 파형이 크게 나오게 되는 원리를 이용하기 위함이다.

상기 원리는 한의학에서 맥을 짚을 때 손가락에 약간의 압력을 가하여 맥을 짚는 것과 같은 원리로서, 약간의 압력이 가해졌을 때 내부 압력과 외압의 평형을 이루려는 원리에 의하여 진폭이 커지게 되어 광용적맥파를 측정하기 용이하게 된다.

즉, 제1 심전도 전극(1-1)에 적정 압력이 가해지면서 전극이 눌리도록 하여 광용적맥파 측정의 시작이 인식되고, 전극의 접촉이 충분하도록 하게 해준다.

한편, 제1 심전도 전극(1-1)의 눌림을 검출하는 방식 외에 터치 센서를 이용할 수도 있다.

즉, 발광부(2), 수광부(3)가 용량성 또는 저항성 터치 센서로 커버되어 있고, 터치의 정도가 기 설정된 수준에 이르면 광용적맥파 측정이 시작되게 되는 방식이다.

이 방식은 광용적맥파 측정의 시작과 더불어 적정 접촉 압력을 따르기 때문에 제1 심전도 전극(1-1)의 눌림을 검출하는 방식과 같은 효과를 얻게 된다.

상기 원리들에 의해 전원이 전극부에 공급되면, 도 2에서 보는 바와 같이, 발광부(2)는 발광 구동부(30)의 제어에 의해 광을 발생시키고, 수광부(3)는 발광부(2)에서 발생된 광이 인체 부위에 조사되어 반사된 광을 인가받아 전기 신호로 변환된 광용적맥파를 측정한다.

제1 필터부(31)는 수광부(3)에서 변환된 광용적맥파 전기 신호를 인가받아 필터링하여 원하는 파형을 검출하고, 제1 증폭부(32)는 제1 필터부(31)에서 검출된 전기 신호를 인가받아 증폭율 제어부(17)의 제어에 따라 디지털 가변 저항 등의 소자를 통해 증폭율을 조절하여 증폭한다.

한편, 도 3에서 보는 바와 같이, 계측 증폭기(12)는 제1 내지 제3 심전도 전극(1-1 내지 1-3)에서 감지된 피측정자의 심전도 신호를 인가받아 심전도 신호의 크기를 측정하고 증폭한다.

제2 필터부(13)는 계측 증폭기(12)에서 증폭된 심전도 신호를 인가받아 필터링하여 원하는 파형을 검출하고, 제2 증폭부(14)는 제2 필터부(13)에서 검출된 심전도 신호를 인가받아 증폭율 제어부(17)의 제어에 따라 디지털 가변 저항 등의 소자를 통해 증폭율을 조절하여 증폭한다.

상기와 같이 광용적맥파 및 심전도 신호를 동시에 측정하는 이유는 두 가지 데이터를 종합하여 피측정자의 혈압 정보를 획득하기 위함이다.

증폭율을 조절하는 증폭율 제어부(17)의 동작은 도 7을 참조하여 상세하게 후술하도록 한다.

신호 처리부(16)는 제1 증폭부(32)에서 증폭된 광용적맥파 및 제2 증폭부(14)에서 증폭된 심전도 신호를 중앙 제어부(15)를 통하여 인가받아 진단 알고리즘을 적용하여 생체신호를 처리한다.

통신부(20)는 신호 처리부(16)에서 처리된 생체신호를 중앙 제어부(15)를 통하여 인가받아 측정 데이터를 스마트폰 등의 휴대용 단말기(21)에 무선으로 송신하여 사용자에게 피측정자의 부정맥, 혈압 변동율, 교감 및 비교감 신경의 활성화 정도, 응급 상태 확인 등에 대한 생체 정보를 제공한다.

휴대용 단말기(21)는 기기 자체에 내장된 통신부를 통하여 원격지에 있는 의료기관 단말기(22)에 무선으로 송신하여 의료진들로 하여금 피측정자의 상기 생체 정보를 공유하도록 한다.

다음으로, 전원부(180)가 중앙 제어부(15)의 제어에 응답하여 전원을 전극부에 공급 또는 차단하는 동작을 설명하면 다음과 같다.

일반적으로, 눌림 검출을 겸한 전극 센서나 터치 센서는 고저항에 연결된 회로로 구성이 되어 마이크로 암페어 단위의 극히 미세한 전류로 구동이 되는 관계로, 평상시에는 전력소모가 거의 없게 설계된다.

또한, 중앙 제어부(15) 역시 평상시에는 슬립 모드로 대기 상태에 있다가, 센서부(120, 140)에서 생체 신호 측정이 시작되게 되면, 도 5 및 도 6에서 보는 바와 같이, 제1 접촉 단자 쌍(61, 62)과 제2 접촉 단자 쌍(81, 82)이 접촉됨에 따라 제어 스위칭부(185) 내 제1 스위치(SW1)가 턴 온 되어 전원이 전극부에 공급되면 액티브 모드로 전환되어 활성화된다.

그 후에, 센서부(120, 140)에서 생체 신호 측정이 종료되게 되면, 제1 접촉 단자 쌍(61, 62)과 제2 접촉 단자 쌍(81, 82)이 오픈됨에 따라 제어 스위칭부(185)가 턴 오프되어 전극부로의 전원 공급이 차단되면 다시 슬립 모드로 전환되어 비활성화된다.

한편, 침수 센서(45, 46)는 사용자가 측정기를 착용하고 물 속에 들어가는 경우, 외부에 노출되어 있는 전극의 전기적 단락을 검출한다.

즉, 제어 스위칭부(185)의 제2 스위치(SW2)는 평상시에는 한 쌍의 침수센서(45, 46)가 절연 지지대(71, 72)에 둘러싸여 있어 양단은 개방되어 있다가, 측정기가 침수가 되면 도체로 되어 있는 스프링(40)이 물을 매개체로 하여 도통하게 되고, 한 쌍의 침수센서(45, 46)가 전기적으로 단락하게 된다.

이에 따라 무접점 반도체 릴레이로 구성된 제어 스위칭부(185) 내 제2 스위치(SW2)가 턴 오프되어 전극부로의 전원 공급이 차단되게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기 내 증폭율 제어부(17)의 증폭율을 조절하는 동작을 나타내는 순서도이다.

도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기의 일 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 저전력 생체신호 측정기는 종래의 생체신호 측정기가 광용적맥파의 측정시 불가피하게 전력소모가 많아지게 되는 한계를 극복하기 위하여 중앙 제어부(15)가 측정기의 이득이 제어되는지 여부를 판단하여(S100), 이득이 제어되는 경우 증폭율 제어부(17)로 하여금 증폭율을 조절하게 하여 전력 소모를 절감한다.

즉, 발광부(2)의 광량을 몇 단계로 나누어 기 설정하여 놓고, 초기에는 발광부(2)가 최소 광량을 조사하여 증폭율 제어부(17)가 수광부(3)를 통해 검출된 직류 기저선(DC baseline)을 비교하여 최소의 적정값으로 될 때까지 광량을 증가시키도록 제어한다.

그 후에, 광량이 최소의 적정값에 이르면 중앙 제어부(15)가 더 이상 발광부(2)의 광량을 증가시키지 않도록 발광 구동부(30)를 제어한다.

도 7에서 보는 바와 같이, 중앙 제어부(15)는 수광부(3)를 통해 변환된 광의 전기 신호를 소정의 시간, 예를 들어 2 내지 3 초간 디지털 신호로 변환한다(S110).

중앙 제어부(15)는 변환된 디지털 신호의 피크 대 피크(Peak-to-peak) 값을 산출하고(S120), 최소 마진(margin)값보다 큰 지 여부를 비교한다(S130).

비교 결과, 피크 대 피크 값이 최소 마진값보다 작은 경우에 중앙 제어부(15)는 증폭율 제어부(17)로 하여금 증폭도를 계산하게 하고 기 설정된 증폭 테이블에서 스텝수를 증가시킨 후에(S135) 단계(S110)로 궤환한다.

피크 대 피크 값이 최소 마진값보다 큰 경우에 중앙 제어부(15)는 피크 대 피크 값이 최대 마진값보다 큰 지 여부를 비교한다(S140).

비교 결과, 피크 대 피크 값이 최대 마진값보다 작은 경우에 중앙 제어부(15)는 진폭의 극대치(100 %) 도달 또는 전원 차단 여부를 판단하고(S145), 피크 대 피크 값이 최대 마진값보다 큰 경우에 중앙 제어부(15)는 증폭율 제어부(17)로 하여금 증폭도를 계산하게 하고 기 설정된 증폭 테이블에서 스텝수를 감소시킨다(S150).

단계(S145)에서 진폭의 극대치 도달 또는 전원 차단으로 판단된 경우에는 증폭 테이블에서 스텝수를 소정 크기, 예를 들어 10 %의 이득에 해당하는 가변저항값의 스텝수를 감소시킨 후에(S147) 단계(S110)로 궤환하고, 진폭의 극대치 미도달 또는 전원 미차단으로 판단된 경우에는 바로 단계(S110)로 궤환한다.

피크 대 피크 값이 최소 마진(margin)값보다 큰 경우에는 중앙 제어부(15)는 변환된 디지털 신호의 피크 대 피크(Peak-to-peak) 값을 산출하고, 최소 마진(margin)값과 비교한다.

단계(S145) 후에 중앙 제어부(15)는 진폭의 극대치 도달 및 전원 차단이 동시에 발생했는지 여부를 판단한다(S160).

판단결과, 진폭의 극대치 도달 및 전원 차단이 동시에 발생한 경우에 중앙 제어부(15)는 기 설정된 증폭 테이블에서 스텝수를 소정 크기, 예를 들어 20 %의 이득에 해당하는 가변저항값의 스텝수를 감소시킨 후에(S165) 단계(S110)로 궤환하고, 진폭의 극대치 도달 및 전원 차단이 동시에 발생하지 않은 것으로 판단된 경우에는 바로 단계(S110)로 궤환한다.

이와 같은 알고리즘을 통하여, 중앙 제어부(15)는 발광부(2)에서 조사되는 광량이 최소의 적정값에 이르도록 발광 구동부(30)를 제어하여 듀티 싸이클(duty cycle)을 0.2 ~ 0.3 정도로 감소시켜 광용적맥파의 측정시 전체의 소모 에너지를 20 ~ 30% 정도의 수준만을 사용할 수 있게 된다.

또한, 광용적맥파 파형의 AC 진폭의 크기를 동적 범위(dynamic range)의 하한 50 % ~ 상한 80 % 내에 포함 되도록 증폭율을 변화시켜 종래의 생체신호 측정기 대비 50 ~ 80%의 전력 소모를 절감할 수 있게 됨으로써, 생체신호 측정기의 사용 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명은 측정되는 생체신호 파형의 진폭의 크기를 소정의 범위 내에 포함되도록 증폭율을 조절하여 피측정체에 조사되는 광량이 최소한의 적정값에 이르도록 광량을 제어할 수 있는 저전력 생체신호 측정기 및 측정 신호 증폭율 제어 방법을 제공한다.

이를 통하여, 측정되는 생체신호 파형의 듀티 싸이클을 현격하게 감소시키고, 생체신호 측정시 전체의 소모되는 전력을 현저하게 절감시킴으로써, 생체신호 측정기의 사용 시간을 획기적으로 증가시킬 수 있게 된다.

이에 따라 생체신호 측정기의 배터리 전력 부족으로 인해 생체신호의 측정과 무선통신이 제대로 이루어지지 못하는 종래 기술의 한계를 극복할 수 있고, 생체신호 측정기의 방전된 배터리를 충전하는 동안 생체신호 데이터의 전송시간이 지연되거나, 생체신호를 측정하지 못하게 되는 현상을 미연에 예방할 수 있다.

또한, 생체신호 비측정시에도 지속되는 전력소모를 방지하고, 생체신호 측정기 침수시 고장을 미연에 예방할 수 있게 된다.

이상, 일부 실시예를 들어서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였지만, 이와 같은 설명은 예시적인 것에 불과한 것으로서, 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수 없다 할 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하거나 수정 또는 치환하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.

1-1 내지 1-3: 제1 내지 제3 심전도 전극
2: 발광부
3: 수광부
13, 31: 필터부
14, 32: 증폭부
15: 중앙 제어부
16: 신호 처리부
17: 증폭율 제어부
20: 통신부
180: 전원부

Claims (15)

1. 생체신호를 감지하는 센서부;
   상기 감지된 생체신호를 인가받아 필터링하는 필터부;
   상기 감지된 생체신호의 직류 기저선(DC baseline)을 비교하여 증폭율 제어 신호를 출력하는 증폭율 제어부;
   상기 필터링된 생체신호를 인가받아 상기 증폭율 제어 신호에 응답하여 증폭하는 증폭부;
   상기 증폭된 생체신호를 인가받아 진단 알고리즘을 이용하여 생체신호를 처리하는 신호 처리부; 및
   상기 센서부 내 제1 및 제2 접촉단자 쌍의 접촉여부 또는 침수 여부에 따라 측정기에 전원을 공급 또는 차단하는 전원부;
   를 구비하고,
   상기 센서부는
   상기 측정기의 상부면에 장착되어 피측정자의 심전도를 측정하여 전기신호로 변환하는 제1 심전도 전극을 포함하고, 동시에 광용적맥파를 측정하는 전극부;
   를 구비하며,
   상기 전극부는
   발광 구동부의 제어에 의해 구동되어 광을 발생시키는 발광부; 및
   상기 발생된 광이 피측정자에 조사되어 반사된 광을 인가받아 전기 신호로 변환하여 상기 광용적맥파를 측정하는 수광부;
   사각링 형상으로서 양측 모서리 하부에 절연 접촉면을 구비하고 상하로 이동하는 상기 제1 심전도 전극;
   상기 제1 심전도 전극의 상하 이동 중심축으로서, 상부면에 상기 발광부 및 상기 수광부가 장착되는 중심 기둥;
   상기 제1 심전도 전극의 하부에 이격되어 위치하고, 상기 제1 심전도 전극의 하향 이동시 상기 제1 심전도 전극 중앙부의 하부면과 접촉되는 전극 접촉면;
   상기 전극 접촉면의 양측에 위치하는 절연 지지대;
   상기 절연 지지대의 상부면에 위치하는 한 쌍의 침수 센서;
   일측이 상기 절연 접촉면에 연결되고 타측이 상기 한 쌍의 침수 센서에 연결되어 신축되고, 침수시 물을 매개체로 하여 도통되는 한 쌍의 용수철;
   상기 절연 접촉면의 하부에 위치하는 상기 제1 접촉 단자 쌍; 및
   상기 절연 지지대의 상부면에 위치하고 상기 제1 심전도 전극의 하향 이동시 상기 제1 접촉 단자 쌍과 접촉되어 접촉음을 발생시키는 상기 제2 접촉 단자 쌍;
   을 구비하는 것을 특징으로 하는,
   저전력 생체신호 측정기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 센서부는
   상기 측정기의 하부면에 장착되어 피측정자의 심전도를 측정하여 전기신호로 변환하는 제2 및 제3 심전도 전극; 및
   상기 측정기의 하부면에 장착되어 피측정자의 체온을 감지하는 온도 센서;
   를 더 구비하는 것을 특징으로 하는,
   저전력 생체신호 측정기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 측정기는
   상기 측정된 피측정자의 심전도를 인가받아 크기를 측정하고 심전도 신호를 증폭하는 계측 증폭기;
   상기 측정기의 이득 제어 여부, 상기 생체 신호 감지의 시작 여부, 광량의 적정 여부를 판단하고, 상기 증폭된 생체신호의 디지털 신호 변환 및 피크 대 피크 값을 산출하는 중앙 제어부;
   상기 중앙 제어부의 제어에 응답하여 조사되는 광량을 조절하는 상기 발광 구동부; 및
   상기 중앙 제어부를 통하여 상기 처리된 생체신호를 인가받아 휴대용 단말기에 무선으로 송신하는 통신부;
   를 더 구비하는 것을 특징으로 하는,
   저전력 생체신호 측정기.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 심전도 전극의 상부면은
   상기 발광부의 상부면 및 상기 수광부의 상부면보다 소정의 높이만큼 돌출된 것을 특징으로 하는,
   저전력 생체신호 측정기.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전원부는
   상기 제1 및 제2 접촉단자쌍이 접촉되면 턴 온되어 전원을 상기 측정기에 공급하고,
   상기 측정기가 침수되면 턴 오프되어 상기 전원의 공급을 차단하는 제어 스위칭부;를 구비하는 것을 특징으로 하는,
   저전력 생체신호 측정기.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제어 스위칭부는
   상기 제1 및 제2 접촉단자 쌍이 접촉되면 턴 온되고, 상기 제1 및 제2 접촉단자 쌍의 접촉이 종료되면 턴 오프되는 제1 스위치; 및
   상기 측정기가 침수되면 도통되는 상기 한 쌍의 용수철에 의해 상기 한 쌍의 침수 센서가 동작되어 턴 오프되는 제2 스위치;
   를 구비하는 것을 특징으로 하는,
   저전력 생체신호 측정기.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 제어 스위칭부는
   무접점 반도체 릴레이인 것을 특징으로 하는,
   저전력 생체신호 측정기.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터부는
    상기 감지된 생체신호 중 광용적맥파 신호를 인가받아 필터링하는 제1 필터부; 및
    상기 감지된 생체신호 중 심전도 신호를 인가받아 필터링하는 제2 필터부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    저전력 생체신호 측정기.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 증폭부는
    상기 필터링된 생체신호 중 광용적맥파 신호를 인가받아 증폭하는 제1 증폭부; 및
    상기 필터링된 생체신호 중 심전도 신호를 인가받아 증폭하는 제2 증폭부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    저전력 생체신호 측정기.
    
12. (a) 중앙 제어부가 감지된 생체 신호를 디지털 신호로 변환시키는 단계;
    (b) 상기 중앙 제어부가 상기 변환된 디지털 신호의 피크 대 피크 값을 산출하고, 최소 마진 값보다 큰지 여부를 비교하여 작은 경우 증폭율 제어부가 증폭도를 계산하고 기 설정된 증폭 테이블에서 스텝수를 증가시키는 단계;
    (c) 상기 피크 대 피크 값이 상기 최소 마진값보다 큰 경우 상기 중앙 제어부가 상기 피크 대 피크 값이 최대 마진값보다 큰지 여부를 비교하는 단계;
    (d) 상기 피크 대 피크 값이 상기 최대 마진값보다 큰 경우 상기 증폭율 제어부가 증폭도를 계산하고 상기 증폭 테이블에서 스텝수를 감소시키는 단계; 및
    (e) 상기 피크 대 피크 값이 상기 최대 마진값보다 작은 경우 상기 중앙 제어부가 진폭의 극대치 도달 또는 전원 차단 여부를 판단하여 도달 또는 차단된 경우 상기 증폭 테이블에서 제1 스텝수를 감소시키는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서
    상기 스텝수를 감소시킨 후에 상기 중앙 제어부가 진폭의 상기 극대치 도달 또는 상기 전원 차단 여부를 판단하여 도달 또는 차단된 경우 상기 증폭 테이블에서 제2 스텝수를 감소시키는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법.
    
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제1 스텝수는
    상기 측정기의 10 % 이득에 해당하는 가변 저항값의 스텝수인 것을 특징으로 하는,
    저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법.
    
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 제2 스텝수는
    상기 측정기의 20 % 이득에 해당하는 가변 저항값의 스텝수인 것을 특징으로 하는,
    저전력 생체신호 측정기의 측정 신호 증폭율 제어 방법.
    
    
    

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