KR102018196B1 - 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트 웨어 - Google Patents

생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트 웨어 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트 웨어에 관한 것으로서, 더 상세하게는 생체 센서를 직물지에 배치하고 이 직물 센서를 통해 사용자의 생체 정보를 획득하는 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트 웨어에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 자석식 스냅 버튼을 적용함으로써 센서 및/또는 측정 시스템을 의류에 탈부착하는 것이 용이하게 이루어질 수 있다.

Description

생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트 웨어{Bio signal measurement system using woven textile sensor and smart wear having the same}
본 발명은 스마트 웨어에 관한 것으로서, 더 상세하게는 생체 센서를 직물지에 배치하고 이 직물 센서를 통해 사용자의 생체 정보를 획득하는 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트 웨어에 대한 것이다.
최근 생체·환경 신호의 측정 및 분석, 무선 데이터전송, 단말기 개발 등의 IT(Information technology) 기술의 발달과 더불어 섬유 기술을 융합 구현한 도전성(導電性) 섬유 기반의 직물센서 및 직물전극(textile electrode)을 적용하여 언제 어디에서나 건강관련 생체신호 측정·관리가 가능한 생체신호 모니터링 스마트 의류 제품들이 개발되고 있다.
또한, 스마트 의류 제품군에는 IT 기술이 융합 구현되어 도전 섬유를 적용한 직물전극 통합형(integrated) 인체 센싱 모니터링 용도의 웨어러블(wearable) 라이프케어(life care) 제품에 관련한 연구가 활발히 진행되고 있다.
인간에게 있어 가장 인체 친화적이며 무구속적인 소재인 텍스타일(섬유)을 활용한 직물전극(textile-based electrode)의 장점은 섬유가 유동적이기 때문에 필요한 형태로 디자인하여 의류에 착용 가능하도록 통합화(embedded)할 수 있다.
그런데, 이를 위해서는 센서와 이 센서에 연결되는 시스템이 의류에 더 자연스럽게 통합되는 것이 요구되고 있다.
부연하면, 이러한 센서를 의류에 탈부착하는 것이 용이하게 이루어져야 한다. 왜냐하면, 의류의 주기적으로 세탁이 이루어지기 때문이다.
또한, 의류를 착용할 때 이질감이 없어야 한다는 점이다. 특히, 아기들과 같이 예민한 피부를 가지고 있을 경우, 피부 트러블 등이 발생할 수 있기 때문이다.
또한, 생체 신호(특히, 체표온을 들 수 있음)를 비선형 특성으로 모니터링하면 전력이 많이 소모되므로 소형 저전력에 부담이 될 수 있다. 따라서, 사이즈 및 전력 소모를 줄이기 위해서는 선형 특성으로 생체 신호를 모니터링할 필요가 있다.
또한, 미세 저항 변화를 측정하기 위해 사용하는 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge) 회로를 적용한 경우 흉강에 위치한 센서가 미약하나마 지속적인 압력을 받고 있으므로 개인마다 다른 오프셋을 야기하게 된다. 따라서 그 변화가 수 Ω이하의 값이므로 개인마다 다른 증폭도를 설정하여 교정해야 하는 문제점이 있다.
1. 한국공개특허번호 제10-2017-0001032호 2. 한국등록특허번호 제10-1730246호(등록일자: 2017.04.19) 3. 한국 공개특허공보 제10-2007-0029220호 4. 한국등록특허번호 제10-1464458호(등록일자: 2014.11.17)
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서, 센서 및/또는 측정 시스템을 의류에 탈부착하는 것이 용이한 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트웨어를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 의류를 착용할 때 이질감이 줄어드는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트웨어를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 선형 특성으로 생체 신호를 모니터링하여 사이즈 및 전력 소모를 줄일 수 있는 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트웨어를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 개인마다 다른 증폭도를 설정하여 교정해야 하는 번거로움을 줄일 수 있는 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트웨어를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해 센서를 의류에 탈부착하는 것이 용이한 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템을 제공한다.
상기 생체 신호 측정 시스템은,
텍스 타일 전극;
상기 텍스 타일 전극의 일단에 연결되는 생체 센서;
상기 텍스 타일 전극의 타단을 포함하며, 상기 텍스 타일 전극을 통하여 상기 생체 센서와 전기적으로 연결되며, 착탈이 가능하도록 상단 커넥터와 하단 커넥터를 갖는 직물 전극 어셈블리; 및
상기 상단 커넥터와 연결선으로 연결되며, 상기 생체 센서로부터 센싱된 생체 정보를 모니터링하여 상기 생체 정보를 표시하는 생체 정보 표시 장치;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생체 정보 표시 장치는, 상기 생체 센서로부터 생체 정보를 획득하여 디지털 정보로 변환하는 컨버터; 상기 디지털 정보를 저항 보상 회로를 통해 선형화 처리하여 추가적인 변환 공식없이 상기 생체 정보로 생성하는 제어기; 및 상기 생체 정보를 표시하는 표시부;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 저항 보상 회로는 락 인 앰프(Lock-In-Amplifier)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 락 인 앰프는, 상기 생체 센서의 저항을 측정하는 측정 저항; 측정 저항에 따른 출력 전압을 증폭하여 증폭 전압을 생성하는 증폭기; 및 상기 증폭 전압을 일정 크기로 유지하여 상기 제어기에 전송하는 출력 저항;을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생체 정보 표시 장치는, 상기 생체 정보를 외부 통신 단말기로 송출하는 통신기;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 표시부는 LED(Light Emitting diode)인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 컨버터는 상기 증폭기의 슬루 레이트(slew rate) 및 측정하고자 하는 대상의 리액턴스의 영향으로 인한 변화가 안정화될 때까지 미리 설정되는 대기 시간을 경과한 후 미리 설정되는 특정값을 감산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 직물 전극 어셈블리는, 직물지; 상기 직물지의 일측면에 배치되어 상기 텍스타일 전극을 이루는 전도사의 윗면실; 상기 직물지의 타측면에 배치되는 비전도사의 밑면실; 상기 직물지, 윗면실 및 밑면실을 관통하여 배치되는 하단 커넥터; 및 상기 하단 커넥터와 버튼 스냅 방식으로 연결되는 상단 커넥터;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 직물 전극 어셈블리는, 상기 하단 커넥터가 피부와 접촉되지 않도록 직물 심 밀봉부;를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 밑면실은 PET(Polyethylene terephthalate )인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 윗면실은 폴리에스테르사의 심사를 중심으로 도전 섬유가 커버링된 형태이며, 상기 도전 섬유의 전도 성능은 0.2 내지 0.3Ω/5㎝인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 윗면실은 2 가닥의 50데니어(denier) 은 재질의 도전 섬유가 2합으로 150데니어의 제 1 폴리에스테르사에 커버링된 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 윗면실은 2 가닥의 50데니어(denier) 은 재질의 도전 섬유가 2합으로 150데니어의 제 1 폴리에스테르사에 30데니어의 제 2 폴리에스테르사가 추가되어 우방향 꼬임으로 커버링된 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 텍스타일 전극은 자카드 직물 전극인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상단 커넥터는 실리콘 고무로 외부면이 코팅되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 상단 커넥터 및 하단 커넥터는 서로 다른 자석의 극성을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 저항 보상 회로는 병렬 보상 저항을 생성하는 회로로서, 상기 병렬 보상 저항은 수학식
Figure 112017073245610-pat00001
(Rt0는 초기 저항, B는 스테인하트-하트 고정계수이고, T0는 기준 온도이다)으로 정의되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생체 센서는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생체 정보 표시 장치는, 전원부에 전원을 충전하는 충전기;를 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 충전기는 USB(Universal Serial Bus) 단자를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 위에서 기술된 생체 신호 측정 시스템을 포함하는 스마트 웨어를 제공한다.
또한, 상기 직물 전극 어셈블리는 벨크로 타입 또는 시접 처리하여 탈부착되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 생체 센서는 인체의 겨드랑이측의 대응면에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자석식 스냅 버튼을 적용함으로써 센서 및/또는 측정 시스템을 의류에 탈부착하는 것이 용이하게 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 의류 원단 자체에 직물 전극을 구성함으로써 이질감을 줄일 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 피부에 닿는 옷감 내측을 직물 심 처리(fabric sim sealing)함으로써 커넥터와 피부의 직접적인 접촉이 발생하지 않는다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 병렬 보상 저항을 가능하게 하여 생체 신호(특히, 체표온을 들 수 있음)를 선형 특성으로 모니터링하도록 함으로써 사이즈 및 전력 소모를 줄일 수 있다는 점을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 효과로서는 락 인 앰프(Lock-In-Amp) 회로를 이용함으로써 안정적인 저항 변화 측정이 가능하다는 점을 들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템(100)의 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 락 인 앰프(Lock-In-Amp) 회로의 구성 블럭도이다.
도 3은 도 2에 도시된 디지털 락 인 앰프의 동작 과정을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 1에 적용되는 직물 전극 및 이 직물 전극과 연결되는 버튼 스냅 커넥터의 단면 개념도이다.
도 5는 도 4의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 직물 전극 어셈블리의 단면도이다.
도 7은 도 6에 도시된 직물 전극 어셈블리의 적용예이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 웨어의 예시이다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스마트 웨어의 예시이다.
도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스마트 웨어의 예시이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 저항 보상 회로에 의한 선형화 측정 결과를 보여주는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 도전사의 측면 및 단면을 보여주는 현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 자카드 직물 전극의 직물 구조 및 시뮬레이션을 보여주는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 단직과 중직 자카드 직물 전극의 전기 전도도를 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템 및 이를 갖는 스마트웨어를 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템(100)의 구성 블럭도이다. 도 1을 참조하면, 상기 생체 신호 측정 시스템(100)은, 텍스 타일 전극(20), 텍스 타일 전극(20)의 일단에 연결되는 생체 센서(190), 상기 텍스 타일 전극(20)의 타단을 포함하며, 상기 텍스 타일 전극을 통하여 상기 생체 센서와 전기적으로 연결되며, 착탈이 가능하도록 상단 커넥터와 하단 커넥터(30)를 갖는 직물 전극 어셈블리, 커넥터(30)와 연결선으로 연결되며, 상기 생체 센서(190)로부터 센싱된 생체 정보를 모니터링하여 상기 생체 정보를 표시하는 생체 정보 표시 장치(110) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 생체 정보 표시 장치(110)는, 상기 생체 센서(190)로부터 생체 정보를 획득하여 디지털 정보로 변환하는 컨버터(117), 상기 디지털 정보를 저항 보상 회로를 통해 선형화 처리하여 추가적인 변환 공식없이 상기 생체 정보로 생성하는 제어기(120), 상기 생체 정보를 표시하는 표시부(160), 전원을 공급하는 전원부(10), 전원부(10)를 충전하는 충전기(170), 상기 생체 정보를 외부 통신 단말기로 송출하는 통신기(140) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
생체 정보 표시 장치(110)는 활동성이 있는 유아의 의복에 장착되어야 하므로 크기가 최소화되도록 모듈 방식으로 제작된다. 즉, 회로 및 PCB(Printed Circuit Board) 설계를 통해 제작된다. 또한, 이 모듈의 크기는 지름이 약 4㎝ 정도가 된다.
제어기(120)는 생체 정보 측정 통합의 설계를 위해 8bit 마이크로프로세서(Atmea328,Atmel)로 구성될 수 있다. 또한, 시간, 생체 데이터(특히 온도)를 저장하기 위해 RTC(Real-Time-Clock)(112)와 메모리(150)가 구성된다.
메모리(150)에 저장된 생체 데이터(즉 생체 정보)는 약 2.4GHz 근거리 무선 통신 기반인 무선 칩셋(nRF24L01,Nordic)을 통해 다른 외부 통신 단말기(예를 들면 PC)로 전송이 가능하다. 따라서, 외부 통신 단말기에서 데이터를 모니터링할 수 있다. 프로그래밍은 제어기(120)에 아르두이노(Arduino) 부트로더(bootloader)(121)를 이식하여 C코드를 사용하여 작성될 수 있다.
제어기(120)는 생체 센서(190)로부터 생체 데이터를 획득하게 되는데, 이 생체 데이터는 양자화된 데이터로서 이미 선형화 회로를 통하여 처리된다. 따라서, 추가의 변환 공식 없이 실제 생체 정보(예를 들면, 온도)로 변환하여 그에 따른 온도표에 따라서 정상(36.5∼37.5℃)보다 높을 때 표시부(160)의 적색 LED(Light Emitting Diode)를, 정상이면 녹색 LED를, 낮으면 파란색 LED를 온한다.
전원부(10)를 충전 가능한 배터리로 구성되며, 배터리는 약 3.7V 리튬 폴리머 배터리를 사용하여 내부의 레귤레이터(180)를 통해 약 3.3V 동작 전압을 유지한다. 물론, 리튬 폴리머 배터리뿐만 아니라 니켈 메탈 배터리, 리튬 이온 배터리, 전고체 배터리 등이 사용될 수 있다.
충전기(170)는 충전 회로로서 IC(Integrated Circuit)로 구성될 수 있다. 또한, 외부 충전 전원을 이용하기 위해 USB(Universal Serial Bus) 단자를 갖는다.
이외에도, 생체 정보 표시장치(110)에는 설정, 조작 등을 위한 외부키(130), 전기적 입력을 받거나 출력으로 제어할 수 있도록 다용 입출력 포트(GPIO: General Purpose Input/Outpu)(111,114), 통신을 위한 SPI(Serial Programming Interface)(113) 등이 구성된다.
도 1에서는 컨버터(117)를 제어기(120)와 분리하여 도시하였으나, 이는 이해를 위한 것으로 제어기(120)에 포함되어 구성될 수 있다. 또한, 제어기(120)는 마이크로프로세서를 포함하여 구성 요소를 제어한다.
또한, 생체 센서(190)는 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터 등이 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 압전 소자, 적외선 센서, 포토 다이오드 센서 등이 사용될 수 있다.
또한, 표시부(160)는 다른 색을 가지는 다수의 LED(Light Emitting diode)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 LCD(Liquid Crystal Display)등이 사용될 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 디지털 락 인 앰프(Lock-In-Amp) 회로의 구성 블럭도이다. 도 2를 참조하면, 상기 디지털 락 인 앰프는, 상기 생체 센서(190)의 저항을 측정하는 측정 저항(220), 측정 저항에 따른 출력 전압을 증폭하여 증폭 전압을 생성하는 증폭기(210), 상기 증폭 전압을 일정 크기로 유지하여 상기 제어기(120)에 전송하는 출력 저항(R2,R3,R4) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
디지털 락 인 앰프는 마이크로프로세서와 높은 입력 임피던스를 갖는 계장 증폭기(210)를 사용하여 약 1Ω 미만의 저항 변화를 감지한다. 즉 왼쪽 가슴부위에 설치되는 생체 정보 표시 장치(110)의 제어기에서 도전사로 직조된 직물 배선을 통해 겨드랑이 부위에 연결된 생체 센서(190)(특히 NTC 써미스터, thermistor)의 저항 변화를 측정한다.
제어기(120)의 두 개의 입출력 핀(I/O1,I/O2)을 통해 리액턴스가 안정화되는 시간을 고려한 약 100㎲이내의 상호 반대되는 펄스를 발생시켜 증폭기(210)를 통하여 얻어지는 아날로그 신호를 제어기(120)에서 디지털 신호로 변환한다. 이러한 방식은 외부 신호 발생기를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 낮은 프로세서의 변환 해상도(resolution)의 성능에서도 측정 양단에 발생하는 수 ㎶ 대역의 전압 변화를 검출할 수 있다. 이는 μΩ 해상도의 디지털 저항 변화에 대한 측정이 마이크로프로세서 기반의
Lock-In-Amp 설계를 통해 가능하다는 것을 보여준다.
일반적으로 미세 저항변화를 측정하기 위해 사용하는 휘스톤 브릿지(Wheatstone bridge) 회로를 적용한 경우 흉강에 위치한 생체 센서가 미약하나마 지속적인 압력을 받고 있으므로 개인마다 다른 오프셋(offset)을 야기하게 된다. 따라서, 그 변화가 수 Ω 이하의 값이므로 개인마다 다른 증폭도를 설정하여 교정해야하는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에서는 Lock-In-Amp 회로를 이용하여 위의 두 가지 문제를 해결한다. 도 2는 미세한 온도 변화에 따른 써미스터의 저항 변화를 측정하기 위한 Lock-In-Amp의 회로도를 나타낸다. 구성 요소로는 ADC(Analog-Digital Converter) 기능이 있는 마이크로프로세서를 갖는 제어기(120)와 양전원 입출력이 가능한 증폭기(210) 및 출력 저항(R2,R3,R4)으로 구성되어있으며 RX에는 측정 하는 저항을 연결한다.
동작 원리를 보면, I/O1 과 I/O2를 통해 디지털 펄스를 교차로 발생시키면 R0, RX, R1의 연결을 통해 RX에는 바이폴라(bipolar) 신호가 출력된다. 여기서 저항 R0, R1은 RX에 바이어스(bias) 전류를 유도하기 위한 저항이며 마이크로프로세서의 I/O 핀에서의 입출력 전류를 고려하여 최대값을 넘지 않도록 RX 값을 조정하였다. RX에 걸린 신호는 증폭기(210)로 입력이 되어 출력은 위상이 반전되고 증폭률이 곱해진 값을 얻을 수 있다. 증폭기(210)에 의해 중폭되어 출력된 바이폴라 전압은 저항 R2~R4를 통하여 신호의 크기가 유지되어 양 전압을 갖는 신호로 변환된다.
도 3은 도 2에 도시된 디지털 락 인 앰프의 동작 과정을 보여주는 흐름도이다. 도 3을 참조하면, 총합을 나타내는 Stotal을 0으로 초기화 한 후 제어기(도 2의 120)의 I/O1 포트에서는 하이(High) 신호를 I/O2 포트에서는 로우(Low) 신호를 발생시킨다(단계 S310,S320). 이에 따른 신호의 변화가 증폭기(210)의 슬루 레이트(slew rate) 및 측정하고자 하는 대상의 리액턴스의 영향으로 인한 변화가 안정화될 때까지 기다린후 아날로그-디지털(AD) 변환을 한 후 512를 빼주어서 S1에 저장한다(단계 S330). 슬루 레이트(slew rate)는 최대치까지 상승한 파형의 경사도로 나타내며 상승 전압을 상승시간으로 나눈 값으로, 앰프에 입력된 일정한 펄스 파형이 얼마의 시간이 경과되어 최댓값까지 상승하는가 하는 정도를 말한다.
여기서 512는 마이크로프로세서의 해상도인 10bit의 중간 값을 나타내며 이론적으로 DC(Direct Current) 오프셋을 하기 이전의 전압값을 나타낸다. 이 후에 I/O1, I/O2의 신호 극성만 변경하여 같은 순서를 반복한 후 S2에 저장한다(단계 S340,S350).
이 후에 Stotal에 S1에서 S2를 뺀 값을 누적시킨다. 두 값은 서로 부호가 반대이므로 결과 값은 거의 두 배가 되며 그렇게 500회를 반복한 후에 최종 Stotal을 샘플수(500)로 나누어 결과값을 획득한다(단계 S360,S370,S380).
도 4는 도 1에 적용되는 직물 전극 및 이 직물 전극과 연결되는 버튼 스냅 커넥터의 단면 개념도이다. 도 4를 참조하면, 텍스타일 전극(20)의 양단에 하단 커넥터(441,442) 및 상단 커넥터(431,432)가 조립된다. 부연하면, 텍스타일 전극(20)의 좌측단에는 제 1 하단 커넥터(441)와 제 1 상단 커넥터(431)가 조립되고, 텍스타일 전극(20)의 우측단에는 제 2 하단 커넥터(442)와 제 2 상단 커넥터(432)가 조립된다.
제 1 상단 커넥터(431)는 전도성의 제 1 연결선(401)을 통해 제어기(120)와 연결된다. 또한, 제 2 상단 커넥터(432)는 전도성의 제 2 연결선(402)을 통해 생체 센서와 연결된다.
제 1 및 제 2 상단 커넥터(431,432)는 실리콘 고무(421,422)로 외부면이 코팅 처리된다. 이는, 전기 신호에 잡음이 생기는 것을 방지하기 위한 것이다. 또한, 전기가 상단 커넥터(431,432)를 통해 외부로 누설되지 않도록 하기 위한 것이다.
또한, 상기 상단 커넥터(431,432) 및 하단 커넥터(441,442)는 서로 다른 자석의 극성을 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서, 착탈이 용이하게 된다.
도 5는 도 4의 평면도이다. 도 5를 참조하면, 직물 패치(500)상에 양극 및 음극을 위해 제 1 텍스타일 전극(531) 및 제 2 텍스타일 전극(532)이 일정 간격으로 배치된다. 또한, 제 1 상단 커넥터(431)도 제 1-1 상단 커넥터(531-1) 및 제 1-2 상단 커넥터(531-2)로 구성되며, 제 2 상단 커넥터(432)도 제 2-1 상단 커넥터(532-1) 및 제 2-2) 상단 커넥터(532-2)로 구성된다. 물론 하단 커넥터도 이와 유사하게 구성된다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 직물 전극 어셈블리의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 또한, 상기 직물 전극 어셈블리는, 직물지(601), 상기 직물지(601)의 일측면에 배치되어 상기 텍스타일 전극을 이루는 전도사의 윗면실(640), 상기 직물지(601)의 타측면에 배치되는 비전도사의 밑면실(630), 상기 직물지, 윗면실 및 밑면실을 관통하여 배치되는 하단 커넥터(650), 상기 하단 커넥터(650)와 버튼 스냅 방식으로 연결되는 상단 커넥터(651) 등을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 직물 전극 어셈블리는, 상기 하단 커넥터(650)가 피부와 접촉되지 않도록 직물 심 밀봉부(620)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 밑면실(630)은 PET(Polyethylene terephthalate )인 것을 특징으로 할 수 있다. 상기 텍스타일 전극은 자카드 직물 전극인 것을 특징으로 할 수 있다.
도 7은 도 6에 도시된 직물 전극 어셈블리의 적용예이다. 도 7을 참조하면, 직물지에 직물 전극 어셈블리가 구성된다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 웨어의 예시이다. 도 8을 참조하면, 스마트 웨어(800)의 우측상에서 사용자의 겨드랑이쪽에 생체 센서(190)가 배치되고, 이 생체 센서(190)는 텍스타일 전극(20)으로 연결된다. 이들은 심 테이프(830)로 처리된다. 스마트 웨어(800)의 좌측 안측에는 생체 정보 표시 장치(110)를 부착하기 위한 홀(810)이 형성되고, 이 홀(810)의 외각은 심테이프(820)로 처리된다.
도 9는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스마트 웨어의 예시이다. 도 9를 참조하면, 조끼 형식의 스마트 웨어에 직물 전극 어셈블리가 적용된다.
도 10은 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스마트 웨어의 예시이다. 도 10을 참조하면, 환자복 형식의 스마트 웨어(1020)에 생체 정보 표시 장치를 보여주는 모듈(1010)이 적용된다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 저항 보상 회로에 의한 선형화 측정 결과를 보여주는 그래프이다. 일반적인 NTC 써미스터는 다음의 식(1)과 같은 스테인하트-하트(Steinhart-Hart) 방정식의 온도-저항 관계로 나타낸다.
Figure 112017073245610-pat00002
여기서, T는 켈빈온도(K)를, Rt는 켈빈 온도에서의 저항값을 말한다. A,B,C는 아래 표에 도시된 Steinhart-Hart 고정 계수를 통해 해당 영역에서의 온도를 산출할 수 있다.
온도 범위(℃)
 Steinhart-Hart 방정식 고정 계수
A B C
-50~0 0.00143 0.00269 0.00165
0~50 0.00144 0.00269 0.00166
50~125 0.00144 0.00269 0.00167
따라서, Rt 써미스터의 저항값은 결국 지수형태의 온도-저항 관계를 가지고 있어 비선형적인 특성을 나타나게 된다. 따라서 써미스터를 선형화하기 위하여 Steinhart-Hart 방정식을 마이컴 등을 이용하여 계산하여 온도 값을 얻을 수 있다. 그러나, 소형, 저전력의 마이컴을 사용하는 경우에는 자연로그 및 지수의 계산이 저전력에 부담이 될 수 있어, 병렬로 저항을 삽입하여 온도-저항 특성을 선형적으로 만들어 A/D하여 바로 온도로 변환하는 방식을 사용한다. 본 발명의 일실시예에서는 병렬 보상저항을 추가하여 선형화하는 방법을 사용한다. 부연하면, 써미스터 저항 Rt(T)에 병렬 보상 저항 Rp가 연결된다면 전체 합성 저항Rtp(T)은 다음과 같이 나타나게 된다.
Figure 112017073245610-pat00003
결국 합성 저항Rtp(T)는 켈빈온도 T에 대한 함수로, 우리가 측정하려고 하는 온도 범위내의 기준온도T0에서 변곡점을 갖기 위해서는 다음과 같은 조건을 만족해야 한다.
Figure 112017073245610-pat00004
Figure 112017073245610-pat00005
여기서, R', R''는 미분한 값을 나타낸다.
따라서, 수학식 4를 만족하는 병렬 보상저항 Rp는 다음과 같이 결정된다.
Figure 112017073245610-pat00006
수학식 5를 전개하여 정리하면 다음과 같은 병렬 보상 저항의 값을 얻을 수 있다.
Figure 112017073245610-pat00007
Rt0는 초기 저항, B는 스테인하트-하트 고정계수이고, T0는 기준 온도이다.
선형화를 하지 않은 저항 데이터는 37℃를 기준으로 비선형적 특성을 보이지만, 병렬 보상저항을 이용하여, 선형적인 특성을 얻을 수 있다. 이렇게 선형화된 써미스터의 저항값은 10비트 분해능의 A/D를 통하여 전압을 측정한 후, 온도로 변환하여 바로 사용이 가능하다.
이러한 병렬 보상저항을 통하여 실제 측정한 결과를 보여주는 도면이 도 11이다. 도 11을 참조하면, 온도 변화에 따른 써미스터 저항 변화를 저항 보상 회로를 적용하기 전 데이터(1120)와 적용한 후의 데이터(1110)를 측정하여 그 변화를 비교하였다. 체온이 변화하는 범위를 기준으로 20℃에서 40℃ 사이를 측정하였으며 선형화를 통해 저항의 온도 변화가 선형적으로 변화하였음을 알 수 있다.
섬유에 도전성을 부여하기 위한 도전사(電導絲)의 사가공(絲加工)기술은 은(Ag), 구리(Cu), 금(Au), 철(Fe) 등의 금속을 섬유 원사 표면에 금속 박막으로 피복하여 텍스타일 소재로서 주로 활용되고 있다. 일반적으로 도전사가 적용된 직물전극의 전기 저항치는 약 1~5 Ω/cm2 수준이며, 국내외에서 도전성 섬유를 기반으로 한 직물전극을 직조(weaving), 뜨개질(knitting), 자수(embroidering), 인쇄(printing)기법 등으로 다양하게 적용하여 IT 기술과 융합시킨 환경연동형 생체신호 감지 기능의 스마트 의류 통합화
연구를 진행하고 있다. 그러나 여전히 도전사 기반의 텍스타일 직물전극은 도전성능, 내구성, 제직성 및 세탁성 등에서 불안정한 문제점들이 지적되고 있는 실정이므로 이에 대한 지속적인 개선 연구가 필요하다.
본 발명의 일실시예에서는 사가공하여 적용된 도전사와 이의 자카드 직
조직물 조건 및 직물 시뮬레이션은 도 12 및 도 13에 도시된다. 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 도전사의 측면 및 단면을 보여주는 현미경 사진이다. 도 12를 참조하면, 자카드 직물전극에 적용된 은(Ag) 코팅된 도전 섬유는 폴리에스테르(polyester)사의 심사(心絲)를 중심으로 도전섬유가 커버링된 형태이며 도전사의 전도성능은 약 0.2~0.3Ω/5cm 수준이다. 도 12에서 G도전사는 두 가닥의 50데니어(Denier) 은(Ag) 코팅사가 2합으로 150데니어 폴리에스테르 사에 커버링 된 타입으로써 250데니어의 G도전사에서 나타난 임피던스는 0.31Ω/5cm이며, Y도전사는 G도전사 위에 30데니어 폴리에스테르 사가 추가되어 우방향 꼬임(S연 꼬임)으로 커버링된 280데니어의 도전사로서 임피던스는 0.26Ω/5cm로 나타났다.
또한, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 도전사가 적용되어 단직과 중직의 자카드 직물전극은 단직(single layer cloth)의 전기 전도도는 약 0.12~0.14Ω/13cm, 중직(double layer cloth)의 전기 전도도는 약 0.12~0.17Ω/13cm범위를 갖는다. 적용된 도전사 직물전극의 배선으로 인한 임피던스의 변화를 최소화하여 안정적인 저항 변화 측정이 가능하다. 또한, 상기 윗면실은 폴리에스테르사의 심사를 중심으로 도전 섬유가 커버링된 형태이며, 상기 도전 섬유의 전도 성능은 0.2 내지 0.3Ω/5㎝인 것을 특징으로 할 수 있다.
20: 텍스타일 전극
30: 커넥터
100: 생체 신호 측정 시스템
110: 생체 정보 표시 장치
120: 제어기
130: 외부키
140: 통신기
150: 메모리
160: 표시부
170: 충전기
180: 레귤레이터
190: 생체 센서

Claims (22)

  1. 텍스 타일 전극;
    상기 텍스 타일 전극의 일단에 연결되는 생체 센서;
    상기 텍스 타일 전극의 타단을 포함하며, 상기 텍스 타일 전극을 통하여 상기 생체 센서와 전기적으로 연결되며, 착탈이 가능하도록 상단 커넥터와 하단 커넥터를 갖는 직물 전극 어셈블리; 및
    상기 상단 커넥터와 연결선으로 연결되며, 상기 생체 센서로부터 센싱된 생체 정보를 모니터링하여 상기 생체 정보를 표시하는 생체 정보 표시 장치;를 포함하며,
    상기 생체 정보 표시 장치는,
    상기 생체 센서로부터 생체 정보를 획득하여 디지털 정보로 변환하는 컨버터;
    상기 디지털 정보를 저항 보상 회로를 통해 선형화 처리하여 추가적인 변환 공식없이 상기 생체 정보로 생성하는 제어기; 및
    상기 생체 정보를 표시하는 표시부;를 포함하고,
    상기 저항 보상 회로는 락 인 앰프(Lock-In-Amplifier)이고,
    상기 락 인 앰프는
    상기 생체 센서의 저항을 측정하는 측정 저항;
    측정 저항에 따른 출력 전압을 증폭하여 증폭 전압을 생성하는 증폭기; 및
    상기 증폭 전압을 일정 크기로 유지하여 상기 제어기에 전송하는 출력 저항;을 포함하며,
    상기 컨버터는 상기 증폭기의 슬루 레이트(slew rate) 및 측정하고자 하는 대상의 리액턴스의 영향으로 인한 변화가 안정화될때까지 미리 설정되는 대기 시간을 경과한 후 미리 설정되는 특정값을 감산하는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 생체 정보 표시 장치는, 상기 생체 정보를 외부 통신 단말기로 송출하는 통신기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 표시부는 LED(Light Emitting diode)인 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 직물 전극 어셈블리는,
    직물지;
    상기 직물지의 일측면에 배치되어 상기 텍스타일 전극을 이루는 전도사의 윗면실;
    상기 직물지의 타측면에 배치되는 비전도사의 밑면실;
    상기 직물지, 윗면실 및 밑면실을 관통하여 배치되는 하단 커넥터; 및
    상기 하단 커넥터와 버튼 스냅 방식으로 연결되는 상단 커넥터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 직물 전극 어셈블리는, 상기 하단 커넥터가 피부와 접촉되지 않도록 직물 심 밀봉부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 밑면실은 PET(Polyethylene terephthalate )인 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 윗면실은 폴리에스테르사의 심사를 중심으로 도전 섬유가 커버링된 형태이며, 상기 도전 섬유의 전도 성능은 0.2 내지 0.3Ω/5㎝인 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 윗면실은 2 가닥의 50데니어(denier)의 은(silver) 재질의 도전 섬유가 2합으로 150데니어의 제 1 폴리에스테르사에 커버링된 형태인 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 윗면실은 2 가닥의 50데니어(denier)의 은(silver) 재질의 도전 섬유가 2합으로 150데니어의 제 1 폴리에스테르사에 30데니어의 제 2 폴리에스테르사가 추가되어 우방향 꼬임으로 커버링된 형태인 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 텍스타일 전극은 자카드 직물 전극인 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 상단 커넥터는 실리콘 고무로 외부면이 코팅되는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 상단 커넥터 및 하단 커넥터는 서로 다른 자석의 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 생체 센서는 상단 커넥터 및 하단 커넥터는 서로 다른 자석의 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 저항 보상 회로는 병렬 보상 저항을 생성하는 회로로서, 상기 병렬 보상 저항은 수학식
    Figure 112019014779811-pat00008
    (Rt0는 초기 저항, B는 스테인하트-하트 고정계수이고, T0는 기준 온도이다)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 생체 정보 표시 장치는, 전원부에 전원을 충전하는 충전기;를 더 포함하며, 상기 충전기는 USB(Universal Serial Bus) 단자를 갖는 것을 특징으로 하는 생체 센서를 이용한 생체 신호 측정 시스템.
  20. 제 1 항, 제 5 항, 제 6항, 및 제 8 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 따른 생체 신호 측정 시스템을 포함하는 스마트 웨어.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 직물 전극 어셈블리는 벨크로 타입 또는 시접 처리하여 탈부착되는 것을 특징으로 하는 스마트 웨어.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 생체 센서는 인체의 겨드랑이측의 대응면에 설치되는 것을 특징으로 하는 스마트 웨어.
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