KR101848752B1

KR101848752B1 - 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치

Info

Publication number: KR101848752B1
Application number: KR1020160111288A
Authority: KR
Inventors: 황정진; 서영대
Original assignee: (주)로임시스템
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2018-04-13
Also published as: KR20180024653A

Abstract

본 발명은 복수의 전극 중에 2개씩 취한 각 조합별로 생체신호 검출부를 마련하여 생체신호를 얻으며, 각 전극의 검출신호에 대해 하이 게인(high gain) 증폭 신호와 로우 게인(low gain) 증폭 신호를 생성하여 각 생체신호 검출부에서 대응되는 조합에 맞게 선별적으로 사용하게 하며, 각 생체신호 검출부에서 2개의 채널을 통해 생체신호는 크게 부각시키고 동상잡음은 작게 축소하는 실질적 위상분리 신호처리를 선행하고, 이후, 디지털 신호 처리 영역에서 동상잡음을 제거하여, 전극 간의 임피던스 불평형에 의해 동상잡음의 편차가 크게 나타나더라도 각 조합별로 생체신호를 정확하게 얻는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치에 관한 것이다.

Description

다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치{BIOLOGICAL SIGNAL MEASUREMENT APPARATUS HAVING MULTI-CHANNEL FOR PHASE SEPARATION AND COMMON MODE NOISE REMOVAL}

본 발명은 복수의 전극 중에 2개씩 취한 각 조합별로 생체신호 검출부를 마련하여 생체신호를 얻으며, 전극 간의 임피던스 불평형에 의해 동상잡음의 편차가 크게 나타나더라도 각 조합별로 생체신호를 정확하게 얻는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치에 관한 것이다.

생체신호는 신체 세포 간에 발생하는 미세한 전기적 신호로서, 의학분야에서 환자의 상태, 근전 상태 등을 파악하는 데 사용되며, 대표적인 것으로서 심전도(ECG, electrocardiogram), 근전도(EMG, electromyogram), 뇌전도(EEG, electroencephalogram) 등이 있다.

이러한 생체신호는 적어도 2개의 전극을 신체에 접촉시킨 후 전극 간의 전위차를 계측하는 방식으로 검출한다.

그런데, 신체에는 각 부위별로 동상잡음이 존재하게 되어 전극으로 유입된다. 이러한 동상잡음은 생체신호에 비해 매우 큰 파워를 갖는 것이 일반적이지만, 양측 전극이 전기적으로 평형을 이루면 전극에서 검출한 신호를 차동 연산하여 제거하고 생체신호만 남길 수 있다.

그렇지만, 전극과 신체 사이의 접촉저항 및 전극과 신호처리기 사이의 전선 임피던스 등에 의해서 전극 간에 임피던스 불평형이 발생하면, 동상잡음이 매우 큰 파워로 잔류하여 생체신호를 정확한 파형으로 얻을 수 없게 된다. 더욱이, 임피던스 불평형은 신체의 움직임, 피부저항의 편차, 안구운동, 맥박 등에 의해서도 미세하게 변동하는 데, 이러한 미세한 변동이라 하더라도 동상잡음이 매우 큰 파워로 잔류하게 된다.

이에, 출원인은 등록특허 제10-1579517호에 개시한 바와 같이, 2개의 전극에서 검출한 신호를 각각 불평등하게 증폭한 신호를 생성한 후, 2개 검출 채널을 이용하여 동상잡음을 억제하고 생체신호를 크게 한 차동 신호를 생성하고, 이후 정규화한 후 합성하여 생체신호를 얻는 기술을 창안하였다. 이에 따르면, 전극 간의 임피던스 불평형이 발생하더라도 생체신호를 정확한 파형으로 얻는 기술의 기반을 다졌다.

하지만, 등록특허 제10-1579517호는 2개 전극을 이용하는 생체신호 계측장치에 한정되어 있어서, 3개 이상의 전극 중에 2개씩 취하는 조합마다 생체 신호를 동시 계측하는 다채널 생체신호 계측 분야에는 직접적으로 적용할 수 없는 한계가 있었다.

또한, 다채널 생체신호를 계측하기 위해 등록특허 제10-1579517호를 이용하는 경우, 얻으려는 생체신호마다 독립적으로 생체신호 검출부를 설치하여야 만 하여서, 전극의 개수가 필요 이상으로 많아지고, 구성도 복잡해지며, 생체신호를 정확하게 얻기도 어려운 문제가 있다.

KR 10-1579517 B1 2015.12.16.

따라서, 본 발명은 다채널 생체신호 계측 분야에 있어 3개 이상의 전극 간에 임피던스 불평형이 발생하더라도 정확하게 여러 부위 생체신호를 동시 계측할 수 있고, 불필요하게 전극을 추가하지 아니하고 간소화하게 구성되는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치를 제공하는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치에 있어서, 피검체(1)의 서로 다른 부위에서 각각 아날로그 전기 신호를 검출하는 3개 이상의 전극(10); 전극(10) 별로 마련되며, 전극(10)의 검출 신호를 크기가 다른 하이 게인(high gain)과 로우 게인(low gain)으로 증폭 출력하는 불평등 증폭부(20); 복수의 전극(10) 중에 2개 취한 조합 별로 마련되며, 2개 전극(10)에 일대일로 연결된 2개 불평등 증폭부(20) 별로 증폭 신호를 하나씩 취하여 차동 연산 및 디지털 신호로 변환하되 취하는 증폭 신호를 상이하게 하여 2개의 디지털 차동 신호를 생성하고, 디지털 신호처리 영역에서 2개의 차동 신호에 대해 동상잡음 파워가 동일하게 되도록 정규화한 후 합성하여 동상잡음이 억제된 생체신호를 획득하는 생체신호 검출부(100); 를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

복수의 전극(10) 중에 어느 하나를 공통 전극으로 하며, 생체신호 검출부(100)는 공통 전극과 공통 전극 이외의 전극과의 조합별로 마련됨을 특징으로 한다.

상기 생체신호 검출부(100)에서 2개의 디지털 차동 신호를 생성하는 것은 2개 불평등 증폭부(20) 중에 어느 한쪽의 하이 게인 증폭 신호와 다른 한쪽의 로우 게인 증폭 신호를 차동연산 및 디지털 신호로 변환하는 것과, 다른 한쪽의 하이 게인 증폭 신호와 어느 한쪽의 로우 게인 증폭 신호를 차동연산 및 디지털 신호로 변환하는 것으로 함을 특징으로 한다.

생체신호 검출부(100)는 정규화 이전 차동 신호의 생체신호 파워를 검출하고, 차동 신호를 정규화한 후 합성하여 얻는 생체신호를 정규화 이전 생체신호 파워를 갖도록 파워 복원함을 특징으로 한다.

각각의 생체신호 검출부(100)는 검출한 동상잡음을 상호 공유하여 동일한 동상잡음을 갖도록 차동 신호를 정규한 후 합성함을 특징으로 한다.

각각의 생체신호 검출부(100)는 상호 공유한 동상잡음 중에 가장 큰 동상잡음에 대응되는 차동 신호에 맞춰 차동 신호의 파워를 정규화함을 특징으로 한다.

불평등 증폭부(20)는 게인을 결정하는 게인 회로 소자(Rf, R1)를 2개의 증폭기(21, 22)에 동일하게 연결하고, 2개의 증폭기(21, 22) 중 어느 하나의 증폭기에 연결한 게인 회로 소자(Rf, R1)에 스위칭 소자(S)로 단속하는 게인 변경용 회로 소자(Rf', S)를 추가하여서, 스위칭 동작에 의해 2개의 증폭기(21, 22) 게인을 동일하게 하는 평등 증폭 및 2개의 증폭기(21, 22) 게인을 다르게 하는 불평등 증폭 중에 어느 하나를 선택할 수 있게 함을 특징으로 한다.

초기에 상기 불평등 증폭부(20)를 평등 증폭으로 동작시킨 후, 2개 차동 신호의 동상잡음 파워의 차이가 미리 설정한 임계값을 초과할 시에 상기 불평등 증폭부(20)를 불평등 증폭으로 동작하도록 제어하고, 동상잡음의 파워가 미리 설정한 하한값 미만이거나 또는 2개 차동 신호의 동상잡음 파워의 차이가 미리 설정한 허용값 이내일 시에 평등 증폭으로 동작하도록 제어하는 동작모드 선택부(200)를 더욱 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

생체신호 검출부(100)에서의 정규화는 2개의 차동 신호의 시간적 동기화를 포함함을 특징으로 한다.

시간적 동기화는 합성부(124)로 획득하는 생체신호에 잔류하는 동상잡음의 파워가 작아지도록 2개의 차동 신호 중에 어느 하나의 차동 신호를 1샘플씩 이동시키는 것이거나, 위상 보정을 위해 등화 필터를 통과시키는 것이거나, 또는, 2개 차동 신호의 동상잡음에 대해 시간적 위상을 검출하여 동기화하는 것이며, 각 주파수에 대해 시간적 동기화함을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명은 각 전극(10)의 검출 신호에 대해 하이 게인 증폭 신호와 로우 게인 증폭 신호를 생성하여, 하이 게인 증폭 신호와 로우 게인 증폭 신호로부터 생체신호를 얻는 각 생체신호 검출부(100)에서 대응되는 조합에 맞게 선별적으로 사용하게 하므로, 생체신호 검출부(100) 별로 2개 전극 및 2개조 불평등 증폭부를 설치하지 아니하여도 되며, 이에 간소화된 회로 구성이 가능하고, 아울러, 각 생체신호 검출부에서는 개별적으로 2개의 채널을 통해 생체신호는 크게 부각시키고 동상잡음은 작게 축소하는 실질적 위상분리 신호처리를 선행하고, 이후, 디지털 신호 처리 영역에서 동상잡음을 제거하므로, 전극 간의 임피던스 불평형에 의해 동상잡음의 편차가 크게 나타나더라도 여러 부위의 생체신호를 정확하게 동시 또는 선별적으로 계측할 수 있는 장점을 갖는다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치의 구성도.
도 2는 3개 이상의 전극 중에 2개 선택한 조합의 어느 한 예에 대해 생체신호를 획득하는 구성요소와, 디지털 신호처리부(120)의 세부 구성요소와, 신호 처리과정에서 변화되는 신호의 크기 및 위상를 화살표로 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치의 구성도.
도 5는 불평등 증폭부(20)의 회로 구성도.
도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치의 구성도.
도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치에 있어서, 디지털 신호처리부(120)를 블록구성도로 보여주는 도면.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

본 발명의 실시 예 설명의 편의를 위해서, 신호에 대해 "개"라는 단위를 사용하며, 실질적으로는 서로 다른 경로에 의해 신호처리되어 상이한 파형(파워 또는 위상이 다른 파형)을 갖는 신호를 구분하는 데 사용한다. 예를 들어, 2개 경로의 신호처리에 의해 생성한 서로 다른 파형의 신호를 2개의 신호라고 하며, 실제 디지털 신호 처리할 시에 일반적으로 소정 개수의 샘플로 이루어진 블록 단위로 신호처리하므로 "개"라는 단위를 사용할 수 있다.

도 1에 도시한 구성도를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치는 3개 이상의 전극(10), 전극(10) 별로 마련하여 각 전극(10)에 1개씩 전기적으로 연결한 불평등 증폭부(20), 및 복수의 전극(10) 중에 2개 취한 조합을 복수 개로 결정한 후 결정한 각 조합별로 마련하여 해당 전극에 연결된 불평등 증폭부(20)에 전기적으로 연결한 생체신호 검출부(100)를 포함하여 구성된다.

본 발명은 적어도 서로 다른 2가지 이상의 생체신호를 얻는 다채널 생체신호 계측 분야에 속한 기술이므로, 상기 전극(10)은 3개 이상으로 마련되어 피검체(1)의 서로 다른 부위에서 각각 아날로그 전기 신호를 검출하게 한다. 여기서, 피검체(1)는 인체 또는 인체의 일부분일 수 있다.

각 전극(10)에서는 각 전극이 접촉된 신체 부위별로 위상이 다른 생체신호가 검출될 뿐만 아니라 각 전극(10)에서 동 위상으로 나타나는 동상잡음도 검출된다. 동상잡음은 생체신호 계측 기술분야에서 잘 알려진 바와 같이 상용 전기의 주파수인 60Hz의 잡음 신호일 수 있고, 또한, 도면에 도시하지 아니하였지만 적어도 2개의 전극에서 검출한 신호를 합산하여 얻는 동상잡음을 레퍼런스 전극을 이용하여 인위적으로 인체에 인가한 신호일 수도 있다.

이에, 복수의 전극(10) 중에 서로 다른 2개를 취한 조합을 만들고 그 조합에 속한 2개 전극(10)의 검출 신호를 차동연산하면 생체신호에 비해 상대적으로 큰 파워를 갖는 동상잡음을 제거한 생체신호를 각 조합별로 얻을 수 있다. 물론, 선택 가능한 조합의 총 개수는 전극(10)의 개수에 따라 달라지지만, 모든 조합에 대해 생체신호를 얻지 아니하고, 선별한 조합에 대해서만 생체신호를 얻도록 구성할 수도 있다.

그런데, 전극(10)과 피검체(1) 사이의 접촉 임피던스 및 전극(10)과 차동연산 소자 사이를 연결하는 전선의 임피던스가 전극(10) 별로 차이 날 경우에, 동상잡음은 제거되지 아니하고 매우 큰 파워로 잔류하게 된다.

본 발명은 이러한 임피던스 불평형을 해소하여 다채널 생체신호를 정확하게 얻으며, 이를 위해 상기 불평등 증폭부(20) 및 생체신호 검출부(100)를 포함하여 구성된다.

상기 불평등 증폭부(20)는 각 전극(10)에 하나씩 연결되며, 전극(10)의 검출 신호를 증폭도가 상이한 하이 게인 증폭기(21)와 로우 게인 증폭기(22)으로 구성된다. 이에, 하이 게인 증폭기(21)에서 하이 게인(high gain)으로 증폭하여 출력하는 신호는 로우 게인 증폭기(22)에 의해 로우 게인(low gain)으로 증폭하여 출력하는 신호보다 상대적으로 큰 파워를 갖는다.

상기 생체신호 검출부(100)는 복수의 전극(10) 중에 2개 취한 조합별로 마련되어 해당되는 조합의 2개 전극(10)에 일대일로 연결된 2개 불평등 증폭부(20)로부터 증폭된 검출 신호를 전달받아 생체신호를 얻는다. 도 1에 예시한 구성도에서는 전극(10)이 3개이고, 3개 전극(10)에서 2개를 취한 조합의 총 개수는 최대 3개이며, 가능한 조합 모두에 대해 생체신호를 얻도록 3개의 생체신호 검출부(100)를 마련하였으나, 일부의 조합(예를 들면 2개 조합)에 대해서만 생체신호 검출부(100)를 구비하는 것도 가능하다.

구성적으로 보면, 상기 생체신호 검출부(100)는 2개 불평등 증폭부(20) 별로 증폭 신호를 하나씩 취한 후 차동연산기(111)로 처리하여 차동 신호를 생성한 후 A/D 컨버터(112)로 변환하여 디지털 차동 신호를 생성하되, 2개 불평등 증폭부(20)로부터 취하는 증폭 신호가 상이하게 되어 있는 아날로그 신호 처리 영역의 2개조 차동 신호 생성부(110)와, 2개조 차동 신호 생성부(110)에 의해 생성된 2개의 디지털 차동 신호를 디지털 신호처리하여 생체신호를 얻는 디지털 신호 처리 영역의 디지털 신호처리부(DSP : Digital Signal Processor, 120)를 포함하여 구성된다.

도 1에 도시한 구체적인 실시 예에 따르면, 상기 2개조 차동 신호 생성부(110)는 2개 불평등 증폭부(20) 중에 어느 하나의 하이 게인 증폭 신호와 다른 하나의 로우 게인 증폭 신호를 차동연산 및 디지털화하는 1개조와, 상기 다른 하나의 하이 게인 증폭 신호와 상기 어느 하나의 로우 게인 증폭 신호를 차동연산 및 디지털화하는 다른 1개조로 이루어지며, 디지털화한 신호는 함께 디지털 신호처리부(120)에 전달한다.

한편, 하이 게인 증폭 신호끼리 차동연산하고 로우 게인 증폭 신호끼리 차동연산하는 방식이나 아니면, 2개 불평등 증폭부(20) 중에 어느 하나는 하이 게인 증폭 신호만 취하고 다른 하나는 하이 게인 및 로우 게인 증폭 신호를 취하는 방식도 가능하지만, 도 1에 도시한 방식이 바람직하다.

도 2는 3개 이상의 전극 중에 2개 선택한 어느 한 조합에 대해 생체신호를 획득하는 구성요소만 도시한 도면으로서, 디지털 신호처리부(120)의 세부 구성도를 함께 도시되어 있다.

그리고, 2개 전극(10-1, 10-2) 사이에 임피던스 불평형이 발생한 상황에서, 각 구성요소에 의해 신호 처리되어 생성되는 신호의 크기 및 위상 변화를 화살표 길이 및 방향(상부 방향 및 하부 방향)으로 표시하였다. 화살표 방향이 위상을 나타내며, 점선으로 표시한 화살표가 동상잡음이고, 실선으로 표시한 화살표가 생체신호이다.

도 2를 참조하여 디지털 신호처리부(120)에 입력되는 차동 신호(Sa, Sb)의 생성과정을 먼저 설명하고, 이후 차동 신호(Sa, Sb)를 처리하여 동상잡음을 억제한 생체신호(Sout)를 얻는 디지털 신호처리부(120)에 대해 설명한다.

도 2에서 아날로그 신호 처리를 하는 구성요소를 살펴보면, 2개 전극(10-1, 10-2) 별로 마련된 2개 불평등 증폭부(20-1, 20-2)로 입력되는 검출 신호(Sin1, Sin2)는 임피던스 불평형에 의해서 상이한 크기의 동상잡음이 섞인 생체신호가 된다. 물론 생체신호는 화살표 방향으로 표시한 바와 같이 상이한 위상을 갖는다.

2개의 불평등 증폭부(20-1, 20-2)는 각각 하이 게인 증폭기(21)와 로우 게인 증폭기(22)에 의해서 검출 신호를 서로 다른 증폭도로 증폭하여 얻는 하이 게인 증폭 신호(H1, H2)와 로우 게인 증폭 신호(L1, L2)를 생체신호 검출부(110)의 2개조 차동 신호 생성부(110-1, 110-2)에 전달한다.

이때, 하이 게인 증폭 신호(H1, H2)와 로우 게인 증폭 신호(L1, L2)는 증폭 이전의 검출 신호와 비교하면 크기 차이가 있고, 위상 변화는 없다.

각각의 불평등 증폭부(20-1, 20-2)에서 얻는 하이 게인 증폭 신호(H1, H2)와 로우 게인 증폭 신호(L1, L2)는 2개조 차동 신호 생성부(110-1, 100-2)에서 하나씩 분담하도록 전달한다.

이에, 2개조 차동 신호 생성부(110-1, 110-2)는 각각 한쪽 전극의 하이 게인 증폭 신호와 다른 한쪽 전극의 로우 게인 증폭 신호를 전달받게 된다.

2개조 차동 신호 생성부(110)는 각각 하이 게인 증폭 신호(H1, H2)를 (+)입력단에 입력하고 로우 게인 증폭 신호(L1, L2)를 (-)입력단에 입력한 차동연산기(111)로 처리한 후 A/D 컨버터(112)로 디지털화하여 얻는 차동 신호(Sa, Sb)를 디지털 신호처리부(120)에 전달한다.

2개조 차동 신호 생성부(110-1, 110-2)에 의해 얻는 2개의 차동 신호(Sa, Sb)의 크기 및 위상을 살펴보면, 양측 모두 하이 게인 증폭 신호에서 로우 게인 증폭 신호를 차감하여 얻되, 양측에 있어 하이 게인 증폭 신호와 로우 게인 증폭 신호로 입력된 검출 신호가 뒤바뀌게 되어 있으므로, 양측의 생체신호는 차동 연산에 의해 각각 증가하되 위상은 상이하게 되고, 양측의 동상잡음은 차동 연산에 의해서 감소하되 위상은 동일하게 된다.

즉, 차동 신호(Sa, Sb)는 검출 신호(Sin1, Sin2)와 일대일로 대비하면 생체신호를 증가시키고 동상잡음은 감소시키며, 위상 변화는 없게 한 신호가 되므로, 동상잡음을 억제한 생체신호를 얻기에 용이하게 된다.

한편, 차동 신호(Sa, Sb)가 상기한 크기 및 위상을 갖게 하려면, 전극 사이의 임피던스 불평형에 의한 검출 신호(Sin1, Sin2)의 파워 차이를 고려하여 하이 게인 증폭기(21)의 증폭도와 로우 게인 증폭기(22)의 증폭도 사이의 차이를 크게 하여야 한다.

이와 같이 얻은 차동 신호(Sa, Sb)를 상기 디지털 신호처리부(120)로 디지털 신호처리하여 정확한 파형의 생체신호를 얻는다.

상기 디지털 신호처리부(120)는 도 2에 도시한 바와 같이 차동 신호(Sa, Sb)에 있는 동상잡음의 파워 차이 및 시간적 위상 차이를 검출하는 동상잡음 검출부(121), 동상잡음의 파워 차이에 따라 어느 한쪽 차동 신호(Sa)의 파워를 조절하여 동상잡음의 파워를 동일하게 하는 파워 정규화부(122), 동상잡음의 시간적 위상 차이에 따라 어느 한쪽 차동 신호(Sa)를 시간적으로 앞당기거나 지연시키는 위상 정규화부(123), 및 파워 정규화하고 위상 정규화한 양측 차동 신호를 합성(실시 예에서는 차동 연산)하여 동상잡음을 억제한 생체신호를 얻는 합성부(124)를 포함하여 구성된다.

동상잡음 검출부(121)는 피검체(1)에서 감지되는 상용 전기 신호의 성분(한국의 경우에 60Hz 성분) 또는 피검체에 인위적으로 인가한 신호(예를 들면 미리 정한 주파수 신호 또는 특정 패턴을 갖는 신호)의 성분을 주파수 분석에 의해 추출하거나 또는 상관 분석(correlation analysis)하여 파워 및 시간적 위상을 획득함으로써, 차동 신호(Sa, Sb)에 있는 동상잡음의 파워 차이 및 시간적 위상 차이를 얻을 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

다만, 시간적 위상 차이를 검출하는 이유는 예를 들어 2개조 차동 신호 생성부(110-1, 110-2)에 각각 구비된 차동연산기(111)에서 차동 연산하는 신호가 뒤바뀜에 따라 시간적으로 동기화되지 아니할 수 있으므로, 이러한 시간적 위상 차이를 검출하여 차동 신호(Sa, Sb)를 시간적으로 동기화시키기 위함이다.

이와 같이 파워 정규화부(122) 및 위상 정규화부(123)에 의해서 차동 신호(Sa, Sb)에 섞인 동상잡음의 파워 및 시간적 위상을 동일하게 되도록 차동 신호(Sa, Sb)를 신호 처리하므로, 이후 합성부(124)에 의해 차동 연산하여 얻는 신호(Sour)는 동상잡음을 실질적으로 제거한 생체신호가 된다. 물론, 디지털 신호 처리 과정에서 발생하는 오차에 의해서 동상잡음이 잔류할 수도 있으나 매우 미미하게 되어서, 합성부(124)에서 얻는 신호(Sout)는 생체신호의 파형을 정확하게 보여주는 신호로 된다.

한편, 상기한 시간적 동기화 방식은 합성부(124)의 출력 신호인 생체신호(Sout)에 잔류하는 동상잡음의 파워를 추출 및 모니터링하여, 잔류하는 동상잡음의 파워가 작아지도록 차동신호(Sa, Sb) 중에 어느 하나의 차동신호(Sa)를 1샘플씩 이동(시간적으로 앞당기거나 지연)시키는 적응 알고리즘을 채용할 수도 있다.

또한, 위상 보정을 위한 적응형 등화기(equalizer)를 구성한 후, 차동신호(Sa, Sb)가 등화기에 통과하도록 생체신호 검출부(100)를 구성할 수도 있다.

또한, 각 주파수에서 신호에 대한 시간적 동기화를 수행하는 것이 좋다.

또한, 상기한 차동 신호 생성부(110)는 차동연산기(111)와 A/D컨버터(112)로 구성된다고 하였지만, A/D 컨버터(112)는 아날로그 신호를 차동연산하며 디지털화하는 회로로 구성 가능하므로, A/D 컨버터(112)만으로 구성할 수도 있다.

또한, 2개조 차동 신호 생성부(110-1, 110-2)에 각각 구비된 차동연산기(111) 중에 어느 하나의 차동연산기에서 (+)입력단에 로우 게인 증폭 신호를 입력하고 (-)입력단에 하이 게인 증폭 신호를 입력하는 경우, 차동 신호(Sa, Sb)의 동상잡음 위상이 상호 반대가 되고 생체신호는 동상이 되므로, 상기 합성부(124)는 합산기로 구성하여야 한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치의 구성도이다.

도 3에 도시한 실시 예에 따르면, 3개 이상의 전극(10-1, 10-2, 10-3, 10-4) 중에 어느 한 전극을 공통 전극(10-2)으로 하고, 공통 전극(10-2)을 제외한 나머지 전극(10-1, 10-3, 10-4)과 공통 전극(10-2) 사이의 생체신호를 얻도록 구성된다.

이 경우, 공통 전극(10-2)을 포함한 모든 전극(10-1, 10-2, 10-3, 10-4)에는 제1 실시 예와 마찬가지로 각각 상기 불평등 증폭부(20-1, 20-2, 20-3, 20-4)가 하나씩 연결되도록 마련되지만, 생체신호 검출부(100)는 공통 전극(10-2)을 제외한 나머지 전극(10-1, 10-3, 10-4) 별로 하나씩 마련되어 대응되는 전극에 연결된 불평등 증폭부(20-1, 20-3, 20-4)와 공통 전극(10-2)에 연결된 불평등 증폭부(20-2)로부터 각각 하이 게인 증폭 신호와 로우 게인 증폭 신호를 전달받아 생체신호를 얻는다.

도 4는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치의 구성도이다.

도 5는 도 4에 도시한 실시 예에서 불평등 증폭부(20)의 회로 구성도이다.

도 4 및 도 5에 도시한 제3 실시 예에 따르면, 도 1에 도시한 제1 실시 예의 구성에 동작모드 선택부(200)를 추가하여 구성하였고, 불평등 증폭부(20)는 평등 증폭과 불평등 증폭을 선택적으로 사용할 수 있게 하였다.

먼저, 도 5에 도시한 불평등 증폭부(20)를 살펴보면, 하이 게인 증폭기(21)와 로우 게인 증폭기(22)는 게인을 결정하는 게인 회로(Rf, R1)를 연산 증폭기(operating amplifier)에 연결하여 구성한 비반전 증폭기로 되어 있고, 게인 회로(Rf, R1)를 동일하게 구성하여 연산 증폭기에 연결함으로써, 게인 회로(Rf, R1)만으로는 동일한 증폭도를 갖게 하였다.

연산증폭기를 비반전 증폭기로 구성하는 경우에, 증폭할 신호를 (+)입력단에 입력하고 (-)입력단을 저항 소자 R1을 통해 접지시키며, 출력단을 저항 소자 Rf를 통해 (-)입력단으로 부궤환시킨다. 이에, 저항 소자 Rf의 저항값과 R1의 저항값 비율에 따라 증폭도가 결정된다.

본 발명에서는 하이 게인 증폭기(21)와 로우 게인 증폭기(22)를 동일한 연산증폭기로 구성하고 동일한 게인 회로(Rf, R1)를 연결한 후, 로우 게인 증폭기(22)에 연결한 게인 회로(Rf, R1)를 구성하는 부궤환 저항 소자(Rf)에 게인 변경용 회로(Rf', S)를 병렬 연결하였다. 여기서, 게인 변경용 회로(Rf', S)는 저항 소자(Rf')와 스위치(S)를 직렬 연결한 것이다.

이에, 스위치(S)를 오프(off)하면 하이 게인 증폭기(21)와 로우 게인 증폭기(22)는 동일한 증폭도를 갖는 평등 증폭 동작을 수행한다.

스위치(S)를 온(on)하면 부궤환 저항이 2개 저항 소자(Rf, Rf')의 병렬 연결에 의해 감소하므로, 로우 게인 증폭기(22)의 증폭도가 하이 게인 증폭기(21)에 비해 작아지는 불평등 증폭이 된다.

다른 실시 예로서, 평등 증폭 및 불평등 증폭을 선택하기 위한 게인 변경용 회로(Rf', S)는 하이 게인 증폭기(21)에서 접지에 연결하는 저항 소자(R1)에 병렬 연결하여 스위치(S)를 온(on)시킬 시에 증폭도가 증가되게 할 수도 있으며, 다른 예로서, 하이 게인 증폭기(21)와 로우 게인 증폭기(22)를 반전 증폭기로 구성하는 경우에도 증폭도를 어느 하나의 증폭기 증폭도를 2단으로 조절하게 하여 평등 증폭 및 불평등 증폭 중에 어느 하나를 스위치 동작으로 선택하게 할 수 있다.

물론, 복수개로 구비되는 불평등 증폭부(20)를 모두 동일하게 구성하고, 스위치 동작이 있을 시에 상호 연동하여 평등 증폭 및 불평등 증폭 중에 어느 하나의 증폭 모드로 동시에 전환하게 할 수 있다.

상기 동작모드 선택부(200)는 복수의 생체신호 검출부(100)에 각각 구비된 디지털 신호처리부(120)에 연결되어 정규화를 위해 검출한 동상잡음의 파워, 즉, 차동 신호(Sa, Sb)의 동상잡음 파워에 따라 각 불평등 증폭부(20)를 평등 증폭 및 불평등 증폭 중에 어느 하나의 증폭 모드로 동작하도록 동시에 제어한다.

구체적인 제어 방식의 일 실시 예는 다음과 같다.

생체신호 계측 동작의 초기에는, 불평등 증폭부(20)를 평등 증폭으로 동작시키고, 복수의 생체신호 검출부(100) 각각에 대해 정규화를 위해 검출한 차동 신호(Sa, Sb)의 동상잡음 파워를 모니터링하며, 이때, 복수의 생체신호 검출부(100) 중에 어느 하나라도 동상잡음 파워의 차이가 미리 설정한 임계값을 초과하면, 전극 간의 임피던스 불평형이 발생한 것으로 판단하여 불평등 증폭부(20)를 불평등 증폭으로 동작 전환시킨다.

여기서, 상기 미리 설정한 임계값은 전극 간의 임피던스 불평형에 대한 최소 허용값으로서 본 발명을 평등 증폭 모드로 동작시켰을 시에 합성부(124)로 얻는 생체신호의 파형을 분석하여 적절하게 정하면 된다.

불평등 증폭으로 동작하는 중에는, 2개 차동신호(Sa, Sb)의 동상잡음 파워가 미리 설정한 하한값 미만이거나 또는 2개 차동 신호(Sa, Sb)의 동상잡음 파워 차이가 미리 설정한 허용값 이내일 시에 평등 증폭으로 동작 전환시킨다.

여기서, 상기 미리 설정한 하한값은 동상잡음이 실질적으로 없는 것으로 간주하는 조건으로서, 가능하면 작은 값으로 정할수록 좋고, 상기 미리 설정한 허용값은 상기 미리 설정한 임계값에 대응되기는 하지만 불평등 증폭 조건에서 얻는 값으로서 수정하여 정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제4 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치의 구성도이다.

본 발명의 제4 실시 예에 따르면, 생체신호 검출부(100) 별로 하나씩 구비된 디지털 신호처리부(120)에서, 2개 차동 신호를 모두 파워 조절할 수 있도록 2개의 파워 정규화부(122)가 구비되고, 동상잡음 검출부(121)는 구비되어 있지 아니한다.

대신에, 동상잡음 검출부(121)는 1개만 구비되어 공통으로 사용되며, 각 디지털 신호처리부(120)로 입력되는 2개 차동 신호의 동상잡음을 검출하여 파워 및 시간적 위상을 얻는다.

여기서, 동상잡음 검출부(121)는 각 디지털 신호처리부(120) 별로 검출한 시간적 위상에 따라 개별적으로 시간 동기화하는 것은 본 발명의 제1,2,3 일시 예와 마찬가지이다.

그렇지만, 본 발명의 제4 실시 예에서 공통으로 사용하는 동상잡음 검출부(121)는 각 디지털 신호처리부(120)별로 2개 차동 신호에 대해 얻은 동상잡음을 취합하여 취합한 모든 동상잡음의 파워가 동일하게 되도록 각 디지털 신호처리부(120)의 파워 정규화부(122)를 제어한다.

이에, 모든 디지털 신호처리부(120)에서는 동상잡음이 동일하게 된 차동 신호를 합성부(124)로 합성처리하여 출력하게 되므로, 디지털 신호처리부(120)별로 취득한 생체신호는 모든 전극(10)에 대해 임피던스 불평형에 의한 신호 왜곡을 최소화한 신호로 된다.

즉, 각각의 디지털 신호처리부(120)는 차동 신호에서 취득한 동상잡음의 파워를 상호 공유하여 합성할 차동 신호를 동일한 동상잡음을 갖도록 각자 차동 신호의 파워를 조절하는 것이다.

이와 같이 공유한다는 의미에서, 본 발명의 제1,2,3 실시 예처럼 동상잡음 검출부(121)를 디지털 신호처리부(120)에 구비하게 하되, 2개 차동 신호를 모두 파워 조절할 수 있게 하고, 상호 동상잡음의 파워를 공유하여 차동 신호를 동상잡음이 동일하게 되도록 파워 조절하게 하는 것도 좋다.

한편, 취합한 동상잡음 중에 가장 큰 값을 갖는 동상잡음에 대응되는 차동 신호를 기준으로 삼고, 나머지 차동 신호를 파워 조절하여 기준 차동 신호의 동상잡음과 동일한 파워의 동상잡음을 갖게 정규화하는 것이 좋다. 이는 동상잡음의 파워가 클수록 전극에 의한 임피던스 영향이 작다고 볼 수 있기 때문이다.

도 7은 본 발명의 제5 실시 예에 따른 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 제5 실시 예는 도 1 및 도 2에 도시한 제1 실시 예와 비교하면 디지털 신호처리부(120)를 변형하여 구성하였으며, 이에, 도 2의 도면에 디지털 신호처리부(120)의 변형된 구성을 도시하여 얻은 도 7를 참조하며 설명한다.

도 7을 참조하면, 디지털 신호처리부(120)는 도 2에 도시한 제1 실시 예의 디지털 신호처리부(120)와 비교하면, 차동 신호 생성부(110)로부터 전달받는 2개 차동 신호(Sa, Sb) 중에 적어도 어느 한쪽 차동 신호(Sb)의 생체신호 파워를 검출하는 생체신호 검출부(125)와, 생체신호 검출부(125)로 검출한 파워를 갖도록 합성부(124)의 출력신호의 파워를 조절하는 파워 복원부(126)를 더욱 구비한다.

이와 같이 구성한 디지털 신호처리부(120)는 2개 차동 신호(Sa, Sb)에 대해 정규화 이전에 생체신호의 파워를 검출하고, 파워 정규화 및 위상 정규화한 후 합성부(124)로 얻는 생체신호를 파워 조절하여 정규화 이전 신호에 포함된 생체신호의 파워로 복원한 생체신호(Sout)를 출력한다.

이에, 전극(10)을 통해 생체신호를 검출하는 중에 임피던스가 변경되어 임피던스 불평형의 정도가 변동하더라도, 디지털 신호처리부(120)에서 출력하는 생체신호(Sout)의 파워 변동을 최소화하며, 결국, 연속적인 파형의 생체신호를 얻을 수 있다.

여기서, 생체신호 검출부(125)는 동상잡음의 주파수 대역을 제외하고 나머지 주파수 대역의 파워를 검출하거나, 또는 얻으려는 생체신호의 주파수 대역은 알려져 있으므로, 알려진 생체신호의 주파수 대역을 특정하여 파워를 검출하는 방식으로 생체신호의 파워를 검출할 수 있다. 예를 들면, 상용 전기에 의한 동상잡음은 60Hz이므로, 60Hz를 제외한 나머지 주파수 대역의 파워를 생체신호 파워로 가정할 수 있다. 다른 예로서, 예를 들어 본 발명으로 이용하여 뇌파를 계측하는 경우에 뇌파는 1~30Hz의 주파수 대역을 취급하므로, 1~30Hz 범위의 파워를 얻으면 된다.

또한, 생체신호 검출부(125)는 정규화 이전의 2개 차동 신호에 대해 각각 생체신호 파워를 검출한 후 평균하여 얻는 값을 검출 파워로 하여도 좋다.

도 3에 도시한 제2 실시예, 도 4에 도시한 제3 실시예 및 도 6에 도시한 제4 실시예에서도, 디지털 신호처리부(120)에 생체신호 검출부(125) 및 파워 복원부(126)를 추가하여서 정규화 이전의 파워로 복원한 생체신호를 얻게 하여도 좋다.

이와 같이 각각의 디지털 신호처리부(120)에서 얻는 서로 다른 부위의 생체신호는 정규화 이전의 파워로 복원한 생체신호가 되므로, 상호 비교하여 생체정보를 얻을 시에도 유용하다.

한편, 도 7에 도시한 바와 같이, 차동 신호에 대해 위상 정규화부(123)로 먼저 시간적 위상을 정규화한 후 파워 정규화부(122)로 파워 정규화할 수도 있다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

1 : 피검체
10 : 전극
20 : 불평등 증폭부
21 : 하이 게인 증폭기 22 : 로우 게인 증폭기
100 : 생체신호 검출부
110 : 차동 신호 생성부
111 : 차동연산기 112 : A/D 컨버터
120 : 디지털 신호처리부
121 : 동상잡음 검출부 122 : 파워 정규화부
123 : 위상 정규화부 124 : 합성부
125 : 생체신호 검출부 126 : 파워 복원부
200 : 동작모드 선택부

Claims

피검체(1)의 서로 다른 부위에서 각각 아날로그 전기 신호를 검출하는 3개 이상의 전극(10);
전극(10) 별로 마련되며, 전극(10)의 검출 신호를 크기가 다른 하이 게인(high gain)과 로우 게인(low gain)으로 증폭 출력하는 불평등 증폭부(20);
복수의 전극(10) 중에 2개 취한 조합 별로 마련되며, 2개 전극(10)에 일대일로 연결된 2개 불평등 증폭부(20) 별로 증폭 신호를 하나씩 취하여 차동 연산 및 디지털 신호로 변환하되, 2개 불평등 증폭부(20) 중에 어느 한쪽의 하이 게인 증폭 신호와 다른 한쪽의 로우 게인 증폭 신호를 차동연산 및 디지털 신호로 변환하는 것과, 다른 한쪽의 하이 게인 증폭 신호와 어느 한쪽의 로우 게인 증폭 신호를 차동연산 및 디지털 신호로 변환하는 것에 의해서 2개의 디지털 차동 신호를 생성하고, 디지털 신호처리 영역에서 2개의 차동 신호에 대해 동상잡음 파워가 동일하게 되도록 정규화한 후 합성하여 동상잡음이 억제된 생체신호를 획득하는 생체신호 검출부(100);
를 포함하여 구성되는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
제 1항에 있어서,
복수의 전극(10) 중에 어느 하나를 공통 전극으로 하며, 생체신호 검출부(100)는 공통 전극과 공통 전극 이외의 전극과의 조합별로 마련되는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
삭제
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
생체신호 검출부(100)는 정규화 이전 차동 신호의 생체신호 파워를 검출하고, 차동 신호를 정규화한 후 합성하여 얻는 생체신호를 정규화 이전 생체신호 파워를 갖도록 파워 복원하는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
각각의 생체신호 검출부(100)는 검출한 동상잡음을 상호 공유하여 동일한 동상잡음을 갖도록 차동 신호를 정규한 후 합성하는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
제 5항에 있어서,
각각의 생체신호 검출부(100)는
상호 공유한 동상잡음 중에 가장 큰 동상잡음에 대응되는 차동 신호에 맞춰 차동 신호의 파워를 정규화하는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
불평등 증폭부(20)는 게인을 결정하는 게인 회로 소자(Rf, R1)를 2개의 증폭기(21, 22)에 동일하게 연결하고, 2개의 증폭기(21, 22) 중 어느 하나의 증폭기에 연결한 게인 회로 소자(Rf, R1)에 스위칭 소자(S)로 단속하는 게인 변경용 회로 소자(Rf', S)를 추가하여서, 스위칭 동작에 의해 2개의 증폭기(21, 22) 게인을 동일하게 하는 평등 증폭 및 2개의 증폭기(21, 22) 게인을 다르게 하는 불평등 증폭 중에 어느 하나를 선택할 수 있게 한 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
제 7항에 있어서,
초기에 상기 불평등 증폭부(20)를 평등 증폭으로 동작시킨 후, 2개 차동 신호의 동상잡음 파워의 차이가 미리 설정한 임계값을 초과할 시에 상기 불평등 증폭부(20)를 불평등 증폭으로 동작하도록 제어하고, 동상잡음의 파워가 미리 설정한 하한값 미만이거나 또는 2개 차동 신호의 동상잡음 파워의 차이가 미리 설정한 허용값 이내일 시에 평등 증폭으로 동작하도록 제어하는 동작모드 선택부(200)를 더욱 포함하여 구성되는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,
생체신호 검출부(100)에서의 정규화는 2개의 차동 신호의 시간적 동기화를 포함하는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.
제 9항에 있어서,
시간적 동기화는 합성부(124)로 획득하는 생체신호에 잔류하는 동상잡음의 파워가 작아지도록 2개의 차동 신호 중에 어느 하나의 차동 신호를 1샘플씩 이동시키는 것이거나, 위상 보정을 위해 등화 필터를 통과시키는 것이거나, 또는, 2개 차동 신호의 동상잡음에 대해 시간적 위상을 검출하여 동기화하는 것이며, 각 주파수에 대해 시간적 동기화하는 다채널 위상분리 및 동상잡음 제거 생체신호 계측장치.