KR101832264B1

KR101832264B1 - 생체 신호를 측정하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101832264B1
Application number: KR1020110085148A
Authority: KR
Inventors: 김종팔; 고병훈; 이탁형
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2018-04-13
Also published as: JP6238512B2; KR20130022542A; US9675298B2; EP2561805A1; CN102949188A; EP2561805B1; US20130053675A1; CN102949188B; JP2013043095A

Abstract

생체 신호를 측정하는 생체 신호 측정 장치 및 이를 수행하는 방법에 따르면, 생체 신호 측정 장치는 낮은 접촉 임피던스를 갖는 전극을 이용하여 생체 신호를 검출하고, 높은 접촉 임피던스를 갖는 전극, 즉 임피던스 변화와 동잡음과의 상관 관계가 높은 전극을 이용하여 전위 신호를 검출한다. 검출된 전위 신호로부터 동잡음에 비례하는 신호를 획득하고, 이를 검출된 생체 신호로부터 제거하여 동잡음이 제거된 정확한 생체 신호를 획득한다.

Description

생체 신호를 측정하는 장치 및 방법{Apparatus and method for measuring bioelectic signals}

피검자의 생체 신호를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 피검자의 생체 신호로부터 동잡음을 제거함으로써 보다 정확하게 피검자의 생체 신호를 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

환자의 건강 상태를 진단하기 위한 다양한 의료 장비들이 사용 또는 개발 중에 있다. 건강 진단 과정에서의 환자의 편의, 건강 진단 결과의 신속성 등으로 인하여 환자의 전기적인 생체 신호를 측정하기 위한 의료 장비들의 중요성이 부각되고 있다.

생체 신호(bioelectric signals)는 피검자의 근육 세포들이나 신경 세포들에서 발생되는 전위 또는 전류 형태의 신호로, 피검자의 신체에 부착된 전극을 통해 검출된 전기적 신호의 변화를 수집, 분석하여 획득된다. 이와 같은 생체 신호의 측정시 피검자의 움직임으로 인한 동잡음(motion artifact)이 발생하는데, 이러한 동잡음은 측정 결과의 파형을 왜곡시켜 생체 신호의 정확한 측정을 방해한다.

생체 신호 측정시 피검자의 움직임에 의해 생체 신호에 포함되는 동잡음을 제거하여 피검자의 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데 있다. 또한, 상기 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 생체 신호 측정 장치는 피검자의 피부와 접촉한 상태에서 상기 피부와의 사이에서 소정의 임피던스를 갖는 전기적 인터페이싱을 통하여 피검자의 생체 신호를 검출하는 적어도 하나 이상의 제 1 인터페이스; 피검자의 피부와 접촉한 상태에서 상기 피부와의 사이에서 상기 소정의 임피던스보다 큰 임피던스를 갖는 전기적 인터페이싱을 통하여 상기 생체 신호와 다른 신호를 검출하는 제 2 인터페이스; 및 상기 검출된 생체 신호로부터 상기 제 1 인터페이스와 상기 피부 사이의 임피던스 변화로 인한 잡음을 제거하는 신호 처리부를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 피검자의 생체 신호를 측정하는 방법은 피검자의 피부에 접촉된 적어도 하나 이상의 제 1 인터페이스를 통하여 검출된 생체 신호를 수신하는 단계; 피검자의 피부에 접촉된 적어도 하나 이상의 제 2 인터페이스를 통하여 검출된 전위 신호를 수신하는 단계; 상기 수신된 전위 신호를 이용하여 동잡음에 비례하는 신호를 획득하는 단계; 및 상기 획득된 동잡음에 비례하는 신호를 이용하여 상기 수신된 생체 신호로부터 동잡음을 제거하는 연산을 수행하는 단계;를 포함하고, 상기 생체 신호는 상기 제 1 인터페이스와 상기 피부와의 사이에서 소정의 임피던스를 갖는 전기적 인터페이싱을 통하여 검출하고, 상기 전위 신호는 상기 제 2 인터페이스와 상기 피부와의 사이에서 상기 소정의 임피던스보다 큰 임피던스를 갖는 전기적 인터페이싱을 통하여 검출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 측면에 따라 피검자의 생체 신호를 측정하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

생체 신호 측정시 피검자의 움직임에 의해 생체 신호에 포함되는 동잡음을 추출하여 제거 내지 감소시킴으로써 피검자의 생체 신호를 정확하게 측정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치(100)의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생체 신호 측정 장치(100)가 피검자의 피부와 접촉하는 접촉면(200)의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 생체 신호 측정 장치(100)의 인터페이스들(120,130,140,150)을 구성하는 전극들의 종류에 따른 임피던스 변화와 동잡음의 사이의 상관 관계를 나타낸 그래프이다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따라 생체 측정 장치(100)의 인터페이스들을 구성하는 전극들의 배치를 보여주기 위한 저면도(400)를 나타낸 것이다.
도 5 는 본 발명의 다른 실시예에 따라 생체 측정 장치(100)의 인터페이스들을 구성하는 전극들의 배치를 보여주기 위한 저면도(500)를 나타낸 것이다.
도 6은 도 5에 도시된 인터페이스 E1w(521-528), E2w(541-548), E3w(561-564)를 구성하는 전극의 돌기의 형태와 돌기 형태의 전극이 피부의 각질층을 뚫고 들어가 그 밑의 표피층과 전기적 접점을 이루는 모양을 도시한 단면도이다.
도 7(a)은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 생체 측정 장치(100)의 인터페이스들을 구성하는 전극들의 배치를 보여주기 위한 저면도(700)이다.
도 7(b)은 도 7(a)에 도시된 생체 측정 장치(100)에 부착되는 접착 시트(710)를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)를 구성하는 회로의 일례를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 적응형 필터(900)가 구현된 생체 신호 측정 장치(100)의 프로세서(880)의 동작(operation)을 도시한 도면이다.
도 10은 종래의 생체 신호 측정 장치(1000)의 일례에 따른 회로를 도시한 도면이다.
도 11(a)은 도 7(a)에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)를 A-A' 방향으로 자른 단면도(1100)를 나타낸다.
도 11(b)는 도 7(b)에 도시된 접착 시트(710)를 B-B'를 기준으로 자른 단면도로, 접착 시트(1170), 하이드로젤(1180)로 구성된다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 방법의 흐름도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 생체 신호 측정 장치(100)에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치(100)의 구성도이다. 도 1의 생체 신호 측정 장치(100)는 인터페이스들(120-150), 동잡음 추출부(160) 및 생체 신호 추출부(170)로 구성된다. 그리고, 동잡음 추출부(160)와 생체 신호 추출부(170)는 도 1의 신호 처리부(180)를 구성한다. 도 1에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 도 1에 도시된 구성 요소들을 기초로 하여 여러 가지 변형이 가능함을 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 수 있다.

도 1의 생체 신호 측정 장치(100)는 피검자(110)의 생체 신호를 측정하는 장치이다. 생체 신호(bioelectric signals)는 신체의 근육 세포들이나 신경 세포들에서 발생되는 전위 또는 전류 형태의 신호로, 생체 전위(bioelectric potentials) 또는 생체 전류(bioelectric currents)라고도 한다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 생체 신호 측정 장치(100)를 이용하여 검출되는 생체 신호는 전위의 형태로 나타나는 것으로 보고 설명한다.

도 1을 참조하면, 생체 신호 측정 장치(100)는 피검자(110)의 신체에 부착된 인터페이스들(120-150)을 이용하여 생체 신호를 검출한다. 이때, 피검자(110)의 신체에 부착된 인터페이스들(120-150)은 피검자(110)의 피부와의 접촉에 의해 피검자(110)의 피부와 전기적으로 연결(이하 전기적으로 인터페이싱된다고 한다.)되어 피검자(110)의 생체 신호를 검출한다. 즉, 인터페이스들(120-150)은 생체와 생체 신호를 측정하는 회로와의 사이에서 전기적 신호를 주고 받을 수 있도록 생체와 전기적으로 접촉하는 전극들(electrode)을 말한다. 하나의 인터페이스(121)는 동일한 전위를 가지는, 즉 전기적으로 동일한 노드(node)에 해당하는 적어도 하나 이상의 전극들로 구성될 수 있다. 하나의 인터페이스를 구성하는 하나 이상의 전극들은 생체 신호의 정확한 검출을 위해 다양한 형태로 배열되어 피검자(110)의 피부와 접촉할 수 있다. 하나의 인터페이스를 구성하는 전극들의 배열 형태와 관련하여서는 이하의 도 4 내지 도 5 및 도 7의 설명을 참조한다.

일반적으로, 생체 신호는 일정 거리 떨어진 곳에 위치한 각각 다른 전위값을 가지는 두 개의 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)에서 검출된 전위값들의 차, 즉 전압을 이용하여 측정된다. 구체적으로, 생체 신호는 피검자(110)의 피부에서 일정 거리 떨어진 곳에 부착된 두 개의 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)로부터 획득된 전위값들을 차동 증폭기(differential amplifier)를 이용하여 차동 증폭하여 생체 신호에 해당하는 전압값의 파형을 획득함으로써 측정된다. 이때, 획득된 생체 신호의 전압값의 파형은 잡음(noise)이 포함된 값이다.

신경 세포들 또는 근육 세포들에서 발생되는 전위 또는 전류에 해당하는 생체 신호는 매우 미세한 크기의 전기 신호로 잡음의 영향을 크게 받는다. 특히, 생체 신호 측정 장치(100)는 신체에 부착된 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들을 이용하여 생체 신호를 측정하는 것이므로, 생체 신호 측정 시 부착된 전극을 통하여 신체의 움직임의 영향을 받아 잡음이 포함된 생체 신호가 측정된다. 신체의 움직임으로 인한 잡음을 동잡음(motion artifact)이라고 하며, 이러한 동잡음은 측정된 생체 신호의 정확성을 떨어뜨려 피검자(110)의 정확한 상태의 파악과 질병의 진단 및 치료를 어렵게 한다.

구체적으로, 동잡음은 신체의 움직임의 영향을 받아 피부와 전극 사이의 접촉 임피던스(eletrode-skin impedance, 이하에서는 electrode impedance라 한다.)의 크기가 변화함으로써 야기된다. 즉, 피검자(110)의 피부에 부착된 인터페이스들 E1w, E2w(120,140)의 전극과 피부 사이에 생성된 접촉 임피던스(electrode impedance)가 피검자(110)의 움직임에 영향을 받아 그 크기가 변하고, 이러한 접촉 임피던스의 변화(electrode impedance variation)가 측정되는 생체신호에 영향을 미쳐 잡음으로 작용한다. 동잡음은 측정되는 생체 신호의 파형을 왜곡시키므로 정확한 생체 신호의 측정을 위해서는 이와 같은 신체의 움직임에 의한 동잡음을 제거하는 것이 필요하다.

동잡음은 일정한 패턴으로 발생하는 것이 아니라 움직임에 따라 수시로 변화하며, 측정하고자 하는 생체 신호와 유사한 주파수 대역의 신호이므로 단순한 필터링으로 제거되지 않는다. 따라서, 생체 신호 측정 장치(100)는 생체 신호와 별개로 동잡음을 나타내는 신호를 측정하여 동잡음이 포함된 생체 신호에서 이를 제거함으로써 동잡음이 제거된 생체 신호를 획득할 수 있다.

동잡음은 피검자(110)의 움직임에 의해 야기된 피검자(110)의 피부와 전극 사이의 접촉 임피던스의 변화 및 전극과 전극 주변에서 발생하는 전위의 변화가 잡음으로 작용하여 발생하는 것이다. 이와 같은 동잡음은 동잡음과 연관도가 높은 접촉 임피던스의 변화를 이용하여 측정한다. 즉, 움직임에 의한 접촉 임피던스의 변화를 보여주는 신호를 측정함으로써 생체 신호에 영향을 주는 동잡음을 측정할 수 있다. 움직임에 의한 접촉 임피던스의 변화를 보여주는 신호는 피검자의 신체에 전류 io를 흘려주고 이에 대한 전위의 변화(Δv)를 신체에 부착된 전극들을 이용하여 검출하고 일정 거리 떨어진 전극들에서 검출된 전위의 변화(Δv)들을 차동 증폭함으로써 측정할 수 있다.

수학식 1을 참고하면, 일정한 전류 io에 대한 전위의 변화(Δv)는 접촉 임피던스의 변화를 반영한다. 따라서, 동잡음은 피검자의 피부에 전류 io를 흘려주고 피부에 부착된 전극들에서 검출된 전위의 변화(Δv)를 이용하여 측정한다. 피검자의 피부에 흘려주는 전류 io는 생체 신호의 주파수 대역과 겹치지 않는 주파수 fc를 갖도록 함으로써 측정되는 동잡음에 대한 생체 신호의 영향을 줄일 수 있다. 주파수 fc를 갖는 전류 io를 흘려주면, 검출되는 전위의 변화(Δv)는 주파수 fc로 변조된 신호가 되고, 주파수 fc로 변조된 신호를 검출하여 이를 복조(demodulation)함으로써 원래의 신호를 획득할 수 있다.

이와 같은 전위의 변화(Δv)(이하 전위 신호(Δv))는 생체 신호의 측정과 별개로 피검자(110)의 피부에 부착된 하나 이상의 전극들로 구성된 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)을 이용하여 검출될 수 있다. 즉, 생체 신호 측정 장치(100)는 생체 신호를 검출하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)과 별개의 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)을 이용하여 전위 신호(Δv)를 검출한다.

생체 신호를 검출하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들은 하이드로젤을 통하여 피검자(110)의 피부와 전기적으로 인터페이싱한다. 하이드로젤(270)은 전해질 성분의 젤(gel)로, 하이드로젤을 통해서 전극과 피부가 접촉하는 경우, 전도성 금속으로 이루어진 전극이 피부와 직접 접촉하는 것과 비교하여 전극과 피부 사이의 전기적 저항인 접촉 임피던스를 낮추게 된다. 즉, 하이드로젤을 이용하면 전극과 피부와의 접촉 임피던스를 상대적으로 낮추어 미세한 크기의 생체 신호에 대한 접촉 임피던스의 영향을 줄이므로, 생체 신호 측정에 유리하다. 이에 따라, 피검자(110)의 움직임에 의하여 접촉 임피던스가 변하더라도 접촉 임피던스의 평균적인 크기가 작다면 생체 신호에 미치는 영향이 적게 되어, 검출되는 생체 신호는 상대적으로 동잡음의 영향을 적게 받게 된다. 즉, 생체 신호를 검출하는 데 적절한 신호대 잡음비(SNR,Signal to Noise Ratio)를 가지게 된다. 따라서, 하이드로젤을 이용하여 생체 신호를 검출하는 경우, 생체 신호에 대한 동잡음의 영향이 줄어들어, 상대적으로 균일(uniform)하고 안정된 생체 신호를 얻을 수 있다.

전위 신호(Δv)를 검출하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)의 전극들은 하이드로젤을 통하지 않고 전극이 피부와 직접 접촉하여 신호를 검출한다. 따라서, 하이드로젤을 통하여 전기적 인터페이싱을 하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들과 비교하여 하이드로젤을 통하지 않고 피부에 직접 접촉하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)의 전극들은 높은 접촉 임피던스를 갖게 된다.

즉, 생체 신호를 검출하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)과 전위 신호(Δv)를 검출하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)은 다른 상태의 전기적 인터페이싱을 하여, 다른 전기적 조건을 가지며, 이는 전위 신호(Δv)를 검출하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)이 생체 신호를 검출하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)과 비교하여 높은 임피던스를 갖게 되는 것을 말한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 생체 신호 측정 장치(100)가 피검자(110)의 피부와 접촉하는 접촉면(200)의 단면도를 나타낸 것이다. 도 2를 참조하면, 전위 신호(Δv)를 검출하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)의 전극들(231-232, 251-252)은 접착 시트(210)의 구멍을 통해서 피검자(110)의 피부와 직접 접촉하는 반면, 생체 신호를 검출하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들(221-222, 241-242)은 피검자(110)의 피부와 직접 접촉하지 않고 하이드로젤(270)을 통하여 피검자(110)의 피부와 연결되어 있다. 하이드로젤(270)은 앞에서 말한 바와 같이 전해질 성분의 젤(gel)로, 생체 신호 검출하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들(221-222, 241-242)과 피검자(110)의 피부를 전기적으로 인터페이싱하는 역할을 한다.

이와 같이 전도성 금속의 전극이 하이드로젤을 통하여 피부와의 전기적으로 인터페이싱되는 형태의 전극은 습식(wet-type) 전극이라고 하고, 전도성 금속의 전극이 피검자(110)의 피부에 직접 접촉되어 전기적으로 인터페이싱되는 형태의 전극은 건식(dry-type) 전극이라고 한다. 일반적으로, 습식 전극은 은(Ag)으로 된 평판에 염화은(Agcl)으로 코팅되어 있고, 건식 전극은 금(Au)으로 된 평판으로 되어 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

전위 신호(Δv)를 검출하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)은 접촉 임피던스가 높은 건식 전극들을 이용하는데, 건식 전극은 습식 전극과 비교하여 접촉 임피던스의 변화와 동잡음 사이의 상관 관계(correlation)가 높다. 따라서, 전위 신호(Δv)의 검출에 건식 전극을 이용함으로써 동잡음이 제거된 더 정확한 생체 신호의 측정이 가능하다.

도 3은 건식과 습식 전극의 종류에 따른 임피던스 변화와 동잡음 사이의 상관 관계를 나타낸 그래프이다. 상관 관계는 두 변수간의 연관된 정도를 나타낸다. 즉, 임피던스 변화와 동잡음 사이의 상관 관계는 임피던스 변화와 동잡음이 연관된 정도를 나타낸다. 상관 관계가 크다는 것은 임피던스 변화와 동잡음의 연관된 정도가 크다는 것으로, 피검자 신체와의 접촉에 의한 전극에서의 임피던스 변화가 생체 신호 측정 시 생체 신호에 포함되는 동잡음을 더 잘 반영한다는 것이다.

도 3의 그래프의 x축은 전극 종류를 나타내는 것으로 습식 전극과 건식 전극을 각각 나타내고, y축은 전극 임피던스 변화와 동잡음의 상관 관계를 상관 계수(correlation coefficient)로 나타낸 것이다. 상관 계수는 임피던스 변화와 동잡음의 상관 관계의 정도를 수량적으로 나타낸 값으로, -1에서 +1까지의 값을 갖는다. 상관 계수의 절대값이 클수록 상관 관계가 높으며, 상관 계수의 값이 0일 때는 아무런 관계가 없다는 것을 나타낸다.

310은 건식 전극의 평균 상관 계수 값을 나타낸 것이고, 330 습식전극의 평균 상관 계수의 값을 나타낸 것이다. 또, 320은 건식 전극의 평균적인 상관 계수의 값(310)에 대한 표준 편차의 범위를 나타낸 것이고, 340은 습식 전극의 평균적인 상관 계수의 값(330)에 대한 표준 편차의 범위를 나타낸 것이다.

도 3의 그래프에 따르면, 건식 전극의 평균 상관 계수 값(310)이 습식전극의 평균 상관 계수의 값(330)과 비교하여 임피던스 변화와 동잡음의 상관 계수의 값이 크다. 각각의 표준 편차 값(320, 340)을 고려하더라도 건식 전극의 임피던스 변화와 동잡음의 상관 계수의 절대값이 습식전극의 임피던스 변화와 동잡음의 상관 계수의 절대값보다 크게 나타난다. 즉, 건식 전극을 이용하여 전위 신호(Δv)를 검출하여 동잡음을 측정하는 경우, 임피던스 변화가 동잡음을 더 잘 반영하여 더 정확한 동잡음의 측정이 가능 하다는 것이다. 건식 전극의 동잡음에 대한 상관 관계가 상대적으로 높은 것은 하이드로젤을 통하여 피부와 접촉하는 습식 전극과 비교하여 직접 피부에 접촉하는 건식 전극의 접촉 임피던스가 상대적으로 높기 때문으로, 움직임에 의한 접촉 임피던스의 변화값이 습식 전극을 이용하여 측정할 때보다 건식 전극을 이용하여 측정할 때 더 크게 나타나기 때문이다. 따라서, 동잡음과의 상관 관계가 높은 건식 전극을 이용하여 전위 신호(Δv)를 측정함으로써 동잡음이 제거된 더 정확한 생체 신호 검출이 가능하다.

그러므로, 생체 신호 측정 장치(100)는 생체 신호를 검출하는 인터페이스들 E1w, E2w(120,140)의 전극들은 낮은 접촉 임피던스를 갖는 습식 전극을 사용하고, 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d, E2d(130,150)의 전극들은 동잡음과의 상관 관계가 상대적으로 높은 건식 전극을 사용하여 측정한다.

또한, 동잡음이 제거된 정확한 생체 신호를 측정하기 위해서 인터페이스들 E1w, E2w(120,140)의 전극들을 통해 측정되는 동잡음은 생체 신호에 포함된 동잡음과 동일한 형태이어야 한다. 따라서, 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)의 전극들은 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들로부터 임계 거리 이하에 위치한다. 즉, 동잡음은 움직임에 의한 접촉 임피던스의 변화로 생기는 것으로, 생체 신호에 포함된 동잡음과 동일한 형태의 동잡음을 검출하기 위해서는 전위 신호(Δv)를 검출하는 전극들에서의 접촉 임피던스의 변화가 생체 신호를 검출하는 전극들에서의 접촉 임피던스의 변화와 동일한 형태가 되어야 한다. 그러므로, 임계 거리는 피검자(110)의 움직임에 의한 접촉 임피던스의 변화가 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들과 전위 신호(Δv)를 검출하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)의 전극들에 거의 동일한 형태로 나타날 정도의 짧은 거리이다. 도 2를 참조하면, 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d, E2d(130, 150)의 전극들(231-232, 251-252)과 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들(221-222, 241-242)은 임계 거리 이하에 위치한다.

이상에서 언급한 생체 신호를 측정하는 인터페이스들과 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들의 구체적인 전극들의 구체적인 구성은 도 2를 참조하여 설명한다. 생체 측정 장치(100)가 피검자(110)의 피부와 접촉하는 도 2의 접촉면(200)은 접착 시트(attachment sheet,210), 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)의 전극들(221-222, 241-242), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d, E2d(130,150)의 전극들(231-232,251-252), 기준 인터페이스의 전극(260), 하이드로젤(hydro-gel,270), 절연층(280)으로 구성된다.

접착 시트(210)는 양면이 접착 물질로 도포되어 있는 절연체 물질로 구성된 시트로써 생체 신호 측정 장치(100)와 피부가 접촉된 상태를 유지하도록 한다. 즉, 생체 신호 측정 장치(100)는 접착 시트(210)를 통하여 피부에 접촉되고, 접착 시트(210)의 접착 물질을 통하여 접촉된 상태가 유지된다. 생체 신호 측정 장치(100)와 피검자(110)의 피부와의 전기적인 연결을 위해서 생체 신호 측정 장치(100)가 피부와 전기적으로 접촉하는 부분의 접착 시트(210)에는 구멍이 뚫려 있다. 즉, 생체 신호 측정 장치(100)는 인터페이스들(120-150)을 통해서 피검자(110)의 피부와 전기적으로 인터페이싱되고 생체 신호를 검출하므로, 생체 신호 측정 장치(100)가 피부와 전기적으로 접촉하는 부분, 즉 접착 시트(210)에 구멍이 뚫려있는 곳은 인터페이스들(120-150)을 구성하는 전극들(221-222, 231-232, 241-242, 251-252)이 위치하는 곳이다.

전극들(221-222, 241-242)은 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)을 구성하는 전극들로, 앞에서 논의한 바와 같이 생체 신호에 미치는 동잡음의 영향을 줄이기 위해 상대적으로 낮은 접촉 임피던스를 갖는 전극을 사용한다. 전극들(231-232, 251-252)은 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d, E2d(130,150)을 구성하는 전극들로, 앞에서 논의한 바와 같이 생체 신호 측정 시, 임피던스 변화와 동잡음의 상관 관계가 보다 높은 전극을 사용한다. 이하의 도 2의 단면도에서는 생체 신호를 측정하는 전극들(221-222, 241-242)은 하이드로젤(270)을 통해서 피검자의 피부와 전기적 인터페이싱을 하는 습식 전극들이라고 하고, 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(231-232, 251-252)은 건식 전극들이라고 하고 설명한다.

생체 신호 측정 장치(100)는 일정 거리 떨어진 곳에 위치한 두 개의 인터페이스들 E1w, E2w(120,140)에서 측정된 전위값들의 차를 이용하여 생체 신호를 측정하므로, 인터페이스 E1w(120)를 구성하는 전극들(221-222)과 인터페이스 E2w(140)를 구성하는 전극들(241-242)은 생체 신호의 전압을 측정하기 위해서 일정 거리 떨어진 곳에 위치한다. 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(120)에서 발생하는 동잡음을 측정하기 위한 인터페이스 E1d(130)의 전극들(231-232)은 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(120)의 전극들(221-222)과 동일한 형태의 동잡음을 가지도록 임계 거리 이하로 교차 분포 되어 있다. 동일하게, 인터페이스 E2w(140)에서 발생하는 동잡음을 측정하는 인터페이스 E2d(150)의 전극들(251-252)은 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E2w(140)의 전극들(241-242)과 동일한 형태의 동잡음을 가지도록 임계 거리 이하로 교차 분포 되어 있다.

이상에서와 같이, 하나의 인터페이스를 다수의 전극들로 구성하면 생체 신호를 측정하는 전극들과 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들을 교차 분포시켜 평균적으로 동일한 형태의 동잡음을 획득할 수 있을 뿐 아니라, 동일한 면적을 가진 하나의 큰 전극과 비교할 때, 다수 개의 전극들은 생체 신호 측정 시 피부와 밀착된 상태를 유지하는 데 있어 더 용이하다.

기준 인터페이스 E3w(260)는 생체 신호 측정 시 기준이 되는 전위를 측정하기 위한 것으로, 적어도 하나 이상의 전극들로 구성될 수 있다. 기준 인터페이스 E3w(260)를 구성하는 하나 이상의 전극들은 생체 신호를 측정하는 전극들과 동일한 구조를 갖는다. 기준 인터페이스 E3w(260)는 기준이 되는 전위를 측정하기 위해서 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w, E2w(120, 140)과 일정 거리 떨어진 곳에 위치한다. 도 2의 접촉면(200)에서 기준 인터페이스 E3w(260)의 위치는 일 실시예에 불과하며, 이에 한정되지 않는다.

절연층(280)은 절연 물질로 이루어진 기판의 형태로 되어 있으며, 인접한 전극들이 전기적으로 연결되어 전류가 통하는 것을 방지한다. 생체 신호 측정 장치(100)의 단면도(200)에서 전극들과 하이드로젤(270)이 위치하는 영역을 제외한 나머지 영역은 전부 절연층(280)으로 되어 있다. 생체 신호 측정 장치(100)의 일 실시예에 따르면, 습식 전극들과 습식 전극에 밀착되는 하이드로젤(270)이 위치하는 영역은 오목하게 구성되어 하이드로젤(270)과 건식 전극들이 전기적으로 연결되는 것을 방지한다. 건식 전극들과 습식 전극들이 기판에 교차로 배치되어 있어, 전극판들을 포함한 절연층(280)의 단면은 요철 형태의 구조로 되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이 요철 형태로 된 구조는 일 실시예에 불과하며, 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 도 8에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)의 단면도(800)와 같이 절연층의 단면이 평평한 형태로 구성될 수도 있다.

이상에서 언급한 바와 같이, 생체 측정 장치(100)가 피검자(110)의 피부와 접촉하는 접촉면(200)은 접촉 시트, 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w, E2w의 전극들, 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d, E2d의 전극들, 기준 인터페이스의 전극들, 하이드로젤(270)로 구성될 수 있다. 그러나, 생체 측정 장치(100)의 접촉면의 형태, 전극들의 종류, 전극들의 배열 형태는 도 2에 제시된 도면에 한정되지 않으며 다양한 실시예에 따라 여러 가지 형태로 다양하게 배열될 수 있다.

도 4 내지 도 5 및 도 7(a)은 본 발명의 실시예들에 따라 생체 측정 장치(100)의 인터페이스들을 구성하는 전극들의 배치를 보여주기 위한 저면도(400, 500, 700)를 나타낸 것이다.

도 4의 저면도(400)는 접착 시트(410), 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(420)의 전극들(421-428), 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E2w(440)의 전극들(441-448), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E1d(430)의 전극들(431-438), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E2d(450)의 전극들(451-458), 기준 인터페이스 E3w의 전극(460)으로 구성된다.

도 2에서 설명한 바와 같이, 생체 신호를 측정하는 두 개의 인터페이스들 E1w(420), E2w(440)은 일정 거리 떨어진 곳에서 생체 신호의 전위값을 측정한다. 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E1d(430)의 전극들(431-438)은 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(420)의 전극들(421-428)과 임계 거리 이하로 교차로 배열되도록 한다. 하나의 인터페이스를 전기적으로 동일한 다수의 전극들로 구성하여 인터페이스 E1w(420)의 전극들(421-428)과 인터페이스 E1d(430)의 전극들(431-438)을 교차로 배열함으로써, 생체 신호를 측정하는 전극들(421-428)과 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(431-438)에 평균적으로 동일한 형태의 동잡음이 입력되도록 한다. 이와 동일하게, 인터페이스 E2w(440)의 전극들(441-448)과 인터페이스 E2d(450)의 전극들(451-458)을 임계 거리 이하로 교차로 배열되도록 한다.

생체 신호의 기준이 되는 전위를 측정하는 기준 인터페이스 E3w(460)의 전극은 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(420), E2w(440)의 영향을 받지 않도록 일정 거리 떨어져서 위치한다. 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w(420), E2w(440), E3w(460)의 전극들(421-428, 441-448, 460)은 하이드로젤을 통하여 피부와 접촉하는 습식 전극들이고, 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d(430),E2d(450)의 전극들(431-438, 451-458)은 피부와 직접 접촉하는 건식 전극들이다.

도 4의 생체 신호 측정 장치(100)의 저면도(400)에서 각각의 전극들이 위치하는 영역은 접착 시트(410)에 구멍이 뚫려있고, 이를 제외한 나머지는 절연체 물질로 구성된 접착 시트(410) 영역이다. 도 2의 단면도에서와 같이, 습식 전극들의 영역과 건식 전극들 영역의 사이는 절연물질로 이루어진 절연층으로 분리되어 있어 습식 전극들과 건식 전극들이 전기적으로 인터페이싱되는 것을 방지한다.

도 5의 저면도(500)도 도 4와 동일하게 접착 시트(510), 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w의 전극들(521-528), 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E2w의 전극들(541-548), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E1d의 전극들(531-538), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E2d의 전극들(551-558), 기준 인터페이스 E3w의 전극들(561-564)로 구성된다.

도 5의 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w(520), E2w(540), E3w(560)과 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d(530), E2d(550)은 도 4의 E1w(420), E1d(430), E2w(440), E2d(450)과 동일하게 배열된다. 다만, 도 4와 달리 도 5의 생체 신호의 기준 전위를 측정하는 기준 인터페이스 E3w(560)은 동일한 전위를 가지는 하나 이상의 전극들(561-564)로 구성되어 있다. 이는 기준 인터페이스 E3w(560)가 다수 개의 전극들로 구성될 수도 있음을 도시한 일 실시예로 반드시 여기에 한정되지 않는다.

도 4의 전극들과 달리 도 5의 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w(520), E2w(540), E3w(560)의 전극들(521-528, 541-548, 560)은 하이드로젤을 통하여 피부와 전기적으로 인터페이싱되는 습식 전극들이 아니라, 동잡음의 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d(530), E2d(550)의 전극들과 같은 도전성 물질로 구성된 전극들이다. 피부와 낮은 접촉 임피던스를 유지하게 하는 하이드로젤 없이도 생체 신호에 대한 동잡음의 영향을 줄일 수 있도록 인터페이스 E1w(520), E2w(540), E3w(560)의 전극들(521-528, 541-548, 560)은 뾰족한 돌기 형태의 모양을 가진다. 인터페이스 E1w(520), E2w(540), E3w(560)의 전극들(521-528, 541-548, 560)의 뾰족한 돌기가 피부의 각질층을 뚫고 들어가 그 밑의 표피층과 전기적 접점을 이루어 동일한 도전성 물질로 구성된 인터페이스 E1d(530), E2d(550)의 전극들에 비해 낮은 접촉 임피던스를 가진다. 인터페이스 E1w(520), E2w(540), E3w(560)를 구성하는 전극의 단면도는 도 6을 참조한다. 도 6은 인터페이스 E1w(520), E2w(540), E3w(560)을 구성하는 전극의 돌기의 형태와 돌기 형태의 전극이 피부의 각질층을 뚫고 들어가 그 밑의 표피층과 전기적 접점을 이루는 모양을 도시한 단면도이다.

도 7(a)의 저면도(700)도 도 4와 동일하게 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w의 전극(720), 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E2w의 전극(740), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E1d의 전극들(731-734), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E2d의 전극들(751-754), 기준 인터페이스 E3w의 전극(760)으로 구성된다.

도 4, 5와 달리, 도 7(a)의 생체 신호를 측정하는 두 개의 인터페이스들 E1w(720), E2w(740)은 각각 하나의 전극으로 구성된다. 인터페이스 E1w(720), E2w(740)는 일정 거리 떨어진 곳에서 생체 신호의 전위값을 측정하고, 생체 신호를 측정하는 전극들 E1w(720), E2w(740)를 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E1d(730)의 전극들(731-734)과 E2d(750)의 전극들(751-754)이 각각 주위를 둘러싸고 배치되어 있다. 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(720)를 둘러싸고 있는 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E1d의 전극들(731-734)이 각각 임계 거리 이하로 배치되어 양 인터페이스에 평균적으로 동일한 형태의 동잡음이 입력된다. 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E2w(740)와 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스 E2d의 전극들(751-754)에 대해서도 마찬가지이다. 도 7(a)의 기준 인터페이스 E3w(760)의 전극은 도 4의 기준 인터페이스 E3w(460)와 동일하게 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(720), E2w(740)의 영향을 받지 않도록 인터페이스 E1w(720), E2w(740)와 일정 거리 떨어져서 위치한다.

생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w(720), E2w(740), E3w(760)의 전극들(720, 740, 760)은 도 4와 같이 하이드로젤을 통하여 피부와 접촉하는 습식 전극들으로 구성되거나 도 5와 같이 하이드로젤 없이 뾰족한 돌기가 피부의 각질층을 뚫고 들어가 그 밑의 표피층과 전기적 접점을 이루는 전극들로 구성될 수 있다. 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d(730),E2d(750)의 전극들(731-734, 751-754)은 피부와 직접 접촉하는 건식 전극들이다.

도 7(b)는 7(a)의 생체 신호 측정 장치(100)에서 생체 신호 측정 장치(100)의 인터페이스들과 피검자(110)의 피부를 부착시키고 부착 상태를 유지시켜주는 접착 시트(710)를 도시한 도면이다. 접착 시트(710)에서 도 7(a)의 각각의 전극들이 위치하는 영역에는 구멍이 뚫려있고, 접착 시트(710)의 뚫린 구멍을 통해서 생체 신호 측정 장치(100)의 전극들이 피부와 접촉하게 된다.

다시 도 1로 돌아가서, 동잡음 추출부(160)는 인터페이스들 E1d(130), E2d (150)로부터 전위 신호(Δv)를 입력받아 동잡음에 비례하는 신호를 추출한다. 앞에서 언급했듯이, 전위 신호(Δv)는 일정한 전류(io)를 흘려주고 이에 대한 전위의 변화를 획득함으로써 측정할 수 있다. 인터페이스들 E1d(130), E2d (150)에서 검출된 전위 신호(Δv)를 이용하여 동잡음에 비례하는 신호를 추출하는 동잡음 추출부(160)의 구체적인 동작은 도 8의 회로도를 참조하여 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 도 1에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)를 구성하는 회로의 일례를 도시한 도면이다. 도 8의 생체 신호 측정 장치(100)는 인터페이스들 E1w(821), E2w(822) 및 E3w(823), E1d(831) 및 E2d(832)을 통해서 피검자(110)의 피부(810)와 접촉한다. 도 8의 생체 신호 측정 장치(100)는 생체 신호를 측정하는 인터페이스들 E1w(821), E2w(822) 및 E3w(823), 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d(831) 및 E2d(832), 바이어스(bias) 전류원(841-842), 차동 증폭기(differential amplifier, 850-860), 복조기(demodulator, 870), 프로세서(880)로 구성된다.

도 8을 참조하면, 동잡음 추출부(160)는 바이어스 전류원(841-842), 차동 증폭기(860), 복조기(870)로 구성된다. 동잡음 추출부(160)는 외부 바이어스 전류원들(841-842)을 이용하여 생체 신호의 주파수 대역과 겹치지 않는 주파수 fc로 변조된 일정한 전류(io)를 전위 신호(Δv)를 측정하는 인터페이스들 E1d(831) 및 E2d (832)에 인가한다. 이에 따라, 인터페이스들 E1d(831), E2d (832)에서 검출되는 전위 신호(Δv)는 인가된 전류(io)의 영향을 받아 주파수 fc로 변조된다. 이때, 인터페이스들 E1d(831), E2d (832)에서 검출되는 전위 신호(Δv)는 그 크기가 매우 작으므로 증폭이 필요하다. 따라서, 동잡음 추출부(160)는 인터페이스들 E1d(831), E2d (832)에서 획득된 전위값들을 차동 증폭기(860)를 이용하여 차동 증폭하고 증폭된 신호를 복조기(870)를 이용하여 원래의 신호로 복조하여 동잡음에 비례하는 신호를 추출한다. 동잡음 추출부(160)는 이와 같이 증폭된 아날로그(analog)형태의 신호들을 디지털(digital)형태의 신호들로 변환하기 위한 A/D 컨버터(analog-to-digital converter)와 변환된 디지털 형태의 신호들에 대한 연산을 수행하는 연산기(operator) 등을 더 포함할 수 있다.

동잡음 추출부(160)는 상기와 같은 과정을 거쳐 추출된 신호를 생체 신호 추출부(170)로 출력한다.

도 1의 생체 신호 추출부(170)는 인터페이스들 E1w(120), E2w(140)에서 획득된 신호를 이용하여 동잡음이 포함된 생체 신호를 추출하고 이로부터 동잡음을 제거함으로써 피검자(110)의 실제 생체 신호를 검출한다. 동잡음 추출부(160)에서 추출된 신호는 인터페이스들 E1w(120), E2w(140)로부터 획득된 생체 신호의 동잡음에 비례하기 때문에, 생체 신호 추출부(170)는 동잡음 추출부(160)에 의해 추출된 신호를 이용하여 동잡음을 제거할 수 있다. 인터페이스들 E1w(120), E2w(140)에서 획득된 생체 신호의 동잡음을 제거하는 생체 신호 추출부(170)의 구체적인 동작은 도 8의 회로도를 참조하여 설명한다.

도 8을 참조하면, 생체 신호 추출부(170)는 차동 증폭기(850)와 프로세서(880)로 구성된다. 생체 신호 추출부(170)의 차동 증폭기(850)는 생체 신호를 측정하는 인터페이스 E1w(821), E2w(822)를 통해 측정된 전위값들을 입력받아 이를 차동 증폭시켜 동잡음이 포함된 생체 신호를 출력한다. 생체 신호 추출부(170)는 인터페이스 E1w(821), E2w(822)를 통해서 측정된 신호들이 증폭 과정에서 저주파 잡음의 영향을 받아 왜곡되는 것을 피하기 위해서 증폭하기 전에 측정된 신호들을 높은 주파수의 신호로 변조(modulation)시킨 뒤 이를 증폭하고, 증폭된 신호를 복조기를 이용하여 원래의 신호로 복조시키는 방법을 이용할 수 있다. 측정 신호들이 변조되는 주파수는 전위 신호(Δv)들의 주파수 대역과 겹치지 않도록 하기 위해, 동잡음 추출부(160)의 바이어스 전류원(841-842)의 주파수 fc와 다른 주파수 대역을 이용한다.

생체 신호 추출부(170)의 프로세서(880)는 차동 증폭기(850)로부터 출력된 동잡음이 포함된 생체 신호와 동잡음 추출부(160)로부터 출력된 동잡음에 비례하는 신호를 입력받아 생체 신호로부터 동잡음을 제거하는 과정을 처리한다. 프로세서(870)는 동잡음이 포함된 생체 신호에서 동잡음을 제거하는 데 필요한 연산을 수행한다.

이때, 생체 신호 추출부(170)의 프로세서(880)는 동잡음을 효과적으로 제거하기 위하여 적응형 필터(adaptive filtering)를 더 포함할 수 있다. 적응형 필터는 필터에 피드백(feedback)된 값에 따라 필터 계수들(filter coefficients)을 조정할 수 있는 디지털 필터로, 일정한 패턴이 없는 랜덤한 잡음에 대해 입력 신호, 환경, 결과 신호의 특성을 고려하여 필터 계수를 조정함으로써 실제 변화되는 잡음을 추정하여 잡음을 제거한다. 즉, 적응형 필터는 동잡음 추출부(160)에 의해 추출된 동잡음에 비례하는 신호와 피드백된 동잡음이 제거된 생체 신호를 입력으로 하여 필터 계수들을 조정하고, 이와 같이 조정된 필터 계수들을 이용하여 동잡음에 비례하는 신호를 필터링함으로써 실제 동잡음에 근접한 동잡음 신호를 예측하여 출력한다. 프로세서(170)는 적응형 필터로부터 출력된 동잡음 신호를 입력받아 증폭된 생체 신호에서 이를 제거하여 동잡음이 제거된 실제 생체 신호를 획득한다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 적응형 필터(900)가 구현된 생체 신호 측정 장치(100)의 프로세서(880)의 동작(operation)을 도시한 도면이다. 도 9에 도시된 프로세서(880)는 적응형 필터(900)와 연산기(operator, 910)로 구성된다.

생체 신호 측정 장치(100)의 프로세서(880)는 동잡음 추출부(160)로부터 출력된 동잡음에 비례하는 신호(920)와 증폭기(850)로부터 출력된 동잡음을 포함하는 생체 신호(930)를 입력받는다. 적응형 필터(900)는 동잡음에 비례하는 신호(920)와 동잡음이 제거된 신호(950)가 피드백된 신호를 입력 받아 적응형 필터(900)의 필터 계수들를 조정한다. 적응형 필터(900)는 이와 같이 조정된 필터 계수들을 이용하여 입력된 동잡음에 비례하는 신호(920)를 필터링함으로써 실제 동잡음에 근접한 동잡음 신호(940)를 예측하여 출력한다. 연산기(910)는 증폭기(850)로부터 동잡음이 포함된 생체 신호(930)와 실제 동잡음에 근접한 동잡음 신호(940)를 입력받아 증폭기(850)로부터 동잡음이 포함된 생체 신호(930)로부터 실제 동잡음에 근접한 동잡음 신호(940)를 제거하는 연산을 수행한다. 이와 같은 연산의 결과로 연산기(910)는 동잡음이 제거된 신호(950)를 출력한다. 생체 신호 추출부(170)의 프로세서(880)는 이와 같은 과정을 거쳐 동잡음이 제거된 실제 생체 신호를 획득하게 된다.

이와 같이 측정된 생체 신호는 신체의 상태를 모니터하거나 다양한 종류의 질병을 진단하고 치료하는 데 사용된다. 예를 들면, 생체 신호 측정 장치(100)는 피검자(110)의 신체에 부착된 인터페이스들(120-150)을 통하여 생체 신호의 하나인 심전도(ECG, ElectroCardioGram)를 측정한다. 피검자의 심장이 심박(heart beat)에 따라 이완 및 수축을 반복하면서 피검자의 피부에는 아주 작은 전위 변화가 발생하게 되는데 이와 같은 전기적 활동(electrical activity)을 그래프 형태로 나타낸 것을 심전도라고 한다. 전문가는 생체 신호 측정 장치(100)에 의해 측정된 심전도 데이터를 전송받아 심근 경색이나 부정맥과 같은 심장 질환을 진단, 치료할 수 있으며, 피검자의 심장의 전기적 활동을 모니터링하여 심장질환으로 인한 사고를 예방할 수 있다. 이와 같은 질병의 진단과 치료를 위해서는 측정된 생체 신호의 높은 신뢰성이 요구된다. 따라서, 실제 동잡음과 최대한 유사한 동잡음을 측정하여 이를 제거하여 정확한 생체 신호를 획득하는 것이 중요하다.

종래의 생체 신호를 측정하는 장치는 생체 신호와 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들을 전극의 종류에 따른 임피던스 변화와 동잡음의 상관 관계를 고려하지 않고 동일한 전극을 이용하거나 동일한 구조의 전극을 이용하여 측정함으로써 정확한 생체 신호의 측정이 이루어지지 않았다. 도 10은 종래의 생체 신호 측정 장치(1000)의 일례에 따른 회로를 도시한 도면이다. 도 8에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치(100)와 달리 도 8의 생체 신호 측정 장치(100)는 생체 신호와 전위 신호(Δv)를 동일한 전극(1020,1030)을 이용하여 측정한다. 종래의 생체 신호 측정 장치(1000)는 생체 신호와 전위 신호(Δv)의 측정하는 전극들로 하이드로젤을 통하여 피부에 접촉하는 습식 전극들을 주로 사용하였다. 이와 같이 하이드로젤을 이용하여 생체 신호를 측정하면, 전극과 피부 사이의 낮은 접촉 임피던스로 인하여 동잡음이 생체 신호에 미치는 영향이 줄어들어 건식 전극들을 이용한 것과 비교하여 상대적으로 균일하고 안정된 생체 신호를 획득할 수 있다.

그러나, 생체 신호를 측정하는 전극들과 동일한 전극들을 이용하여 전위 신호(Δv)를 측정하는 경우 또는 동일한 종류의 전극들 즉 하이드로젤을 통하여 피부와 접촉하는 습식 전극들을 이용하여 전위 신호(Δv)를 측정하는 경우, 전극과 피부 사이의 낮은 접촉 임피던스로 인하여 동잡음의 영향을 정확하게 측정하기가 힘들어 측정된 생체 신호에서 동잡음이 제대로 제거되지 않는다. 예를 들어, 생체 신호 측정 장치를 이용하여 상기와 같은 심전도 파형을 모니터링 하는 경우, 동잡음의 영향으로 생체 신호가 왜곡되면 정확한 심장의 상태를 판단하기 어려워 환자의 생명이 위태로워지는 상황이 발생할 수 있다. 그러므로, 실제 동잡음의 영향을 최대한 반영하여 정확한 생체 신호의 측정이 중요하다. 본 발명의 생체 신호 측정 장치(100)를 이용하여 생체 신호를 측정하는 경우, 전극의 종류에 따른 임피던스 변화와 동잡음과의 상관 관계를 고려한 인터페이스들을 이용하여 정확한 생체 신호의 측정이 가능하다.

도 11(a)은 도 7(a)에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)를 A-A' 방향으로 자른 단면도(1100)를 나타낸다. 도 11(a)의 생체 신호 측정 장치(100)는 절연층(1110), 동잡음의 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(1121-1124), 생체 신호를 측정하는 전극들(1131-1133), 집적회로(1140), 전도성 배선들(1150), 각종 수동 소자들(1160)로 구성된다.

절연층(1110)은 도 2에 도시된 절연층(280)과 동일하게 생체 신호를 측정하는 전극들(1131-1133)또는 과 동잡음의 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(1121-1124)이 전기적으로 인터페이싱되는 것을 방지한다. 또한, 생체 신호 측정 회로(100)를 구성하는 집적회로(1140)와 전도성 배선들(1150) 사이의 전기적 결합이나 간섭이 일어나는 것을 방지한다.

동잡음의 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(1121,1122)는 인터페이스 E1d를 구성하는 전극들로 동일한 전위를 가지며, 생체 신호를 측정하는 전극(1131)과 임계 거리 이하로 근접하여 위치하고 있어 평균적으로 동일한 형태의 동잡음을 가진다. 이와 동일하게 전극들(1123,1124)은 인터페이스 E2d를 구성하는 전극들로, 생체 신호를 측정하는 전극(1133)에 입력되는 동잡음과 평균적으로 동일한 형태의 동잡음을 가진다. 동잡음의 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(1121-1124)은 하이드로젤 없이 피검자의 피부(1110)에 직접 접촉하는 건식 전극들이다. 건식 전극들의 평판은 전도성 좋은 금속으로 구성되며, 주로 금(Au), 은(Ag), 백금(Pt) 등의 금속이 이용된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

생체 신호를 측정하는 전극들(1131,1133)은 각각 인터페이스 E1w와 E2w에 해당하는 전극으로 일정 거리 떨어져 위치하며, 이들 전극들(1131,1133)에서 측정된 전위값들을 차동 증폭한 값이 생체 신호가 된다. 10(a)에 도시된 생체 신호를 측정하는 전극들(1131-1133)은 하이드로젤을 통하여 피부와 접촉하는 습식 전극들이다. 이는 본 발명에 따른 일 실시예에 불과하며, 생체 신호를 측정하는 전극들(1131-1133)은 하이드로젤을 통하여 피부와 접촉하는 습식 전극들으로 구성되거나 하이드로젤 없이 뾰족한 돌기가 피부의 각질층을 뚫고 들어가 그 밑의 표피층과 전기적 접점을 이루는 전극들로 구성될 수 있다. 일반적으로 생체 신호를 측정하는 전극들(1131-1133)은 도 10(a)에 도시된 바와 같이 금속으로된 평판에 전도성이 좋은 물질로 코팅한 것으로, 일반적으로 은(Ag)으로 된 평판에 염화은(Agcl)으로 코팅되어 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니다.

집적회로(1140)는 디지털 또는 아날로그 회로들이 구현된 특정용도의 반도체 칩을 말한다. 도 8에 도시된 차동 증폭기(850,860), 변조기(870), 프로세서(880) 등이 집적회로(1140)에 위치할 수 있다. 도 1에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)의 동잡음 추출부(160), 생체 신호 추출부(170)는 집적회로(1140), 전도성 배선들(1150), 각종 수동 소자들(1160)을 이용하여 구현된다.

도 11(b)는 도 7(b)에 도시된 접착 시트(710)를 B-B'를 기준으로 자른 단면도로, 접착 시트(1170), 하이드로젤(1180)로 구성된다.

접착 시트(1170)는 도 2에 도시된 접착 시트(210)과 동일하게 양면이 접착 물질로 도포되어 있는 절연체 물질로 구성된 시트로써 생체 신호 측정 장치(100)와 피부가 접촉된 상태를 유지하도록 한다. 도 10(b)에서 보듯이, 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(1121-1124)이 위치하는 영역에는 접착 시트(210)에 구멍이 뚫려있어, 전위 신호(Δv)를 측정하는 전극들(1121-1124)이 직접 피부에 접촉된다. 생체 신호를 측정하는 전극들(1131-1133)이 습식 전극들인 경우, 하이드로젤을 통하여 피부와 접촉하므로, 생체 신호를 측정하는 전극들(1131-1133)이 위치하는 영역은 하이드로젤(1180)로 채워져 있다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1에 도시된 생체 신호 측정 방법의 흐름도이다. 도 13에 도시된 실시예에 따른 생체 신호 측정 방법은 도 1에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)에서 시계열적으로 처리되는 단계들로 구성된다. 따라서, 이하 생략된 내용이라 하더라도 도 1에 도시된 생체 신호 측정 장치(100)에 관하여 이상에서 기술된 내용은 도 12에 도시된 생체 신호 측정 방법에도 적용된다.

1201 단계에서 생체 신호 측정 장치(100)는 피검자(110)의 피부에 접촉된 인터페이스들 E1d(130),E2d(150)을 통해서 생체 신호의 주파수 대역과 겹치지 않는 주파수 fc를 갖는 전류 io를 인가한다. 1202 단계에서 생체 신호 측정 장치(100)는 1201 단계에서 인가된 전류 io의 영향을 받아 주파수 fc로 변조된 전위 신호(Δv)를 피검자의 피부와 전기적 인터페이싱하여 소정의 임피던스를 갖는 인터페이스들 E1d(130),E2d(150)을 통해서 검출하고 생체 신호의 전위값들을 피검자의 피부와 전기적 인터페이싱을 통해 상기 소정의 임피던스보다 낮은 임피던스를 갖는 인터페이스들 E1w(120),E2w(140)을 통해서 검출한다. 1203 단계에서 생체 신호 측정 장치(100)의 동잡음 추출부(160)는 1202 단계에서 검출된 전위 신호(Δv)의 전위값들을 차동 증폭한다. 1204 단계에서 동잡음 추출부(160)는 1203 단계에서 증폭된 신호를 원래의 신호로 복조하여 동잡음에 비례하는 신호를 생성한다. 1205 단계에서 생체 신호 추출부(170)는 1202 단계에서 검출된 생체 신호의 전위값들을 차동 증폭하여, 동잡음이 포함된 생체 신호를 생성한다. 1206 단계에서 생체 신호 추출부(170)는 1204 단계에서 생성된 동잡음에 비례하는 신호를 이용하여 1205 단계에서 생성된 동잡음이 포함된 생체 신호로부터 동잡음을 제거하여, 실제 생체 신호를 추출한다.

한편, 생체 신호 측정 방법은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다. 상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬(ROM), 플로피 디스크, 하드 디스크 등), 및 광학적 판독매체(예를 들면, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc))와 같은 저장매체를 포함한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 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 특허 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 ... 생체 신호 측정 장치
110 ... 피검자
120, 140 ... 생체 신호를 검출하는 인터페이스
130, 150 ... 전위 신호(Δv)를 검출하는 인터페이스
160 ... 동잡음 추출부
170 ... 생체 신호 검출부
180 ... 신호 처리부

Claims

피검자의 피부와 접촉한 상태에서 상기 피부와의 전기적 인터페이싱을 통하여 피검자의 생체 신호를 검출하는 적어도 하나 이상의 제 1 인터페이스;
상기 피검자의 피부와 접촉한 상태에서 상기 피부와의 사이에서 제 1 인터페이스와 다른 상태를 갖는 전기적 인터페이싱을 통하여 상기 생체 신호와 다른 신호를 검출하는 제 2 인터페이스;
상기 검출된 생체 신호로부터 상기 제 1 인터페이스와 상기 피부 사이의 동잡음을 제거하는 신호 처리부를 포함하고,
상기 피부와 전기적 인터페이싱에 의한 상기 제 2 인터페이스의 임피던스가 상기 피부와 전기적 인터페이싱에 의한 상기 제 1 인터페이스의 임피던스보다 큰 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인터페이스는 상기 피부와 전기적 인터페이싱에 의한 상기 제 1 인터페이스의 임피던스를 낮추기 위한 물질을 통해 상기 피검자의 피부와 전기적으로 인터페이싱되고, 상기 제 2 인터페이스는 상기 피검자의 피부에 직접 전기적으로 인터페이싱되는 것에 의해 상기 제 2 인터페이스의 임피던스가 상기 제 1 인터페이스의 임피던스보다 큰 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인터페이스는 뾰족한 돌기 형태의 하나 이상의 전극이 상기 피검자의 피부의 각질층을 뚫고 들어가 피부와 전기적으로 인터페이싱되고, 상기 제 2 인터페이스는 평판 형태의 하나 이상의 전극이 피부의 표면과 전기적으로 인터페이싱되는 것에 의해 상기 제 2 인터페이스의 임피던스가 상기 제 1 인터페이스의 임피던스보다 큰 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인터페이스와 제 2 인터페이스는 각각 복수 개의 전극들로 구성되고,
상기 제 1 인터페이스의 복수 개의 전극들은 절연물질로 구성된 기판에 배치되고,
상기 제 2 인터페이스의 복수 개의 전극들은 상기 제 1 인터페이스의 복수 개의 전극들과 임계 거리 이하로 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인터페이스는 하나의 전극으로 구성되고,
상기 제 2 인터페이스는 복수 개의 전극들로 구성되고,
상기 제 2 인터페이스의 복수 개의 전극들이 상기 제 1 인터페이스의 하나의 전극을 임계 거리 이하로 둘러싸고 배치되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 인터페이스의 전극들은 습식 전극이고, 상기 제 2 인터페이스의 전극들은 건식 전극인 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 신호 처리부는 상기 제 2 인터페이스로부터 검출된 신호를 이용하여 상기 동잡음에 비례하는 신호를 추출하는 동잡음 추출부와
상기 동잡음 추출부에서 추출된 신호를 이용하여 상기 검출된 생체 신호로부터 상기 동잡음을 제거하는 생체 신호 추출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 제 1 인터페이스는 소정거리 이격된 제 1w 인터페이스와 제 2w 인터페이스로 구성되고,
상기 제 2 인터페이스는 상기 제 1w 인터페이스와 임계 거리 이하로 근접하여 위치하는 제 1d 인터페이스와 상기 제 2w 인터페이스와 임계 거리 이하로 근접하여 위치하는 제 2d 인터페이스로 구성되고,
상기 동잡음 추출부는 상기 제 1d 인터페이스와 상기 제 2d 인터페이스를 통해서 검출된 전위 신호의 전위값들을 차동 증폭함으로써 상기 동잡음에 비례하는 신호를 추출하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 전위 신호의 전위값들은 상기 제 1d 인터페이스와 상기 제 2d 인터페이스를 통해 소정의 주파수로 변조된 소정의 전류를 인가하여 검출하고,
상기 동잡음에 비례하는 신호는 상기 소정의 전류를 인가하여 검출한 상기 전위 신호의 전위값들을 차동 증폭한 뒤에 증폭된 신호를 복조하여 추출하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 9 항에 있어서,
상기 생체 신호 추출부는 상기 제 1w 인터페이스와 상기 제 2w 인터페이스를 통해서 검출된 생체 신호의 전위값들을 차동 증폭함으로써 상기 동잡음을 포함한 생체 신호를 추출하고,
상기 생체 신호 추출부는 상기 추출된 동잡음을 포함한 생체 신호로부터 상기 동잡음에 비례하는 신호를 제거하는 연산을 수행함으로써 상기 동잡음이 제거된 생체 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제 8 항에 있어서,
상기 생체 신호 추출부는 상기 동잡음에 비례하는 신호를 적응형 필터를 이용하여 필터링하여 동잡음을 제거하는 연산을 수행함으로써 상기 동잡음이 제거된 생체 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
피검자의 피부에 접촉된 제 1w 인터페이스 및 제 2w 인터페이스를 통하여 검출된 생체 신호를 수신하는 단계;
피검자의 피부에 접촉된 제 1d 인터페이스 및 제 2d 인터페이스를 통하여 검출된 전위 신호를 수신하는 단계;
상기 수신된 전위 신호를 이용하여 동잡음에 비례하는 신호를 획득하는 단계; 및
상기 획득된 동잡음에 비례하는 신호를 이용하여 상기 수신된 생체 신호로부터 동잡음을 제거하는 연산을 수행하는 단계;를 포함하고,
상기 생체 신호는 상기 피부와 상기 제 1w 인터페이스 및 상기 제 2w 인터페이스와의 전기적 인터페이싱을 통하여 검출되고,
상기 전위 신호는 상기 피부와 상기 제 1d 인터페이스 및 상기 제 2d 인터페이스와의 전기적 인터페이싱을 통하여 검출되고,
상기 피부와의 전기적 인터페이싱에 의한 상기 제 1d 인터페이스 및 상기 제 2d 인터페이스의 전기적 조건이 상기 피부와의 전기적 인터페이싱에 의한 상기 제 1w 인터페이스 및 상기 제 2w 인터페이스의 전기적 조건과 다르고,
상기 피부와 전기적 인터페이싱에 의한 상기 제 1d 인터페이스 및 상기 제 2d 인터페이스의 임피던스가 상기 피부와 전기적 인터페이싱에 의한 상기 제 1w 인터페이스 및 상기 제 2w 인터페이스의 임피던스보다 큰 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 제 1w 인터페이스, 상기 제 2w 인터페이스, 상기 제 1d 인터페이스 및 상기 제 2d 인터페이스는 각각 복수 개의 전극들로 구성되고,
상기 제 1w 인터페이스의 복수 개의 전극들은 상기 제 1d 인터페이스의 복수 개의 전극들과 임계 거리 이하로 교차하여 배치되고,
상기 제 2w 인터페이스의 복수 개의 전극들은 상기 제 1w 인터페이스의 복수 개의 전극들과 소정 거리 이격된 위치에서 상기 제 2d 인터페이스의 복수 개의 전극들과 임계 거리 이하로 교차하여 배치되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 제 1w 인터페이스 및 상기 제 2w 인터페이스의 전극들은 습식 전극들이고, 상기 제 1d 인터페이스 및 상기 제 2d 인터페이스의 전극들은 건식 전극들인 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.
제 13 항의 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.