KR102189402B1 - a auto offset compensation device based binary searching of pulse oximeter - Google Patents

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Abstract

본 발명은 펄스 옥시미터(pulse oximeter) 또는 산소 포화도와 같이 광신호로 구동되는 펄스 형태의 입력신호를 증폭하여 처리할 때 주변광으로 인한 배경신호(ambient signal)를 제거함으로써 높은 신호대잡음비를 획득하도록 한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치에 관한 것으로서, 전류를 발생하는 LED 구동부와, 상기 LED 구동부로부터 발생된 전류를 받아 발광하는 발광부와, 상기 발광부로 접근한 손가락 내부 혈관에서 반사된 빛을 검출하고 전류로 변환하여 출력하는 검출부와, 상기 검출부에서 변환된 전류를 전달받아 전압으로 변환하고 증폭하여 출력하는 전류-전압 변환 증폭부와, 상기 전류-전압 변환 증폭부에서 변환 및 증폭된 전압을 전달받아 샘플링 및 필터링하여 출력하는 샘플링 및 필터링부와, 상기 샘플링 및 필터링부에서 필터링된 전압을 전달받아 디지털 값으로 변환하여 출력하는 디지털 변환부와, 상기 전류-전압 변환 증폭부의 출력신호를 전달받아 양수인지 음수인지를 비교하는 비교부와, 상기 비교부의 비교결과에 따라 이진 검색 로직을 상기 전류-전압 변환 증폭부의 출력신호가 0에 가장 가까운 값을 검색하는 이진 검색 로직부와, 상기 이진 검색 로직부에서 검색된 값을 아날로그 값으로 변환하여 상기 전류-전압 변환 증폭부로 출력하는 전류 변환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention is to obtain a high signal-to-noise ratio by removing an ambient signal from ambient light when amplifying and processing an input signal in the form of a pulse driven by an optical signal such as a pulse oximeter or oxygen saturation. It relates to a binary search-based automatic offset calibration device of an oxygen saturation meter, comprising: an LED driving unit that generates a current, a light emitting unit that emits light by receiving the current generated from the LED driving unit, and reflected from a blood vessel inside a finger approaching the light emitting unit. A detection unit that detects light, converts it into a current, and outputs it; a current-voltage conversion amplification unit that receives the converted current from the detection unit, converts it to a voltage, amplifies it, and outputs it; and the current-voltage conversion amplification unit converts and amplifies it. A sampling and filtering unit receiving a voltage, sampling and filtering, and outputting, a digital conversion unit receiving the filtered voltage from the sampling and filtering unit and converting it into a digital value, and an output signal of the current-voltage conversion amplifying unit A comparison unit that receives and compares whether it is a positive number or a negative number, and a binary search logic unit that searches for a value closest to 0 in which the output signal of the current-voltage conversion amplification unit uses a binary search logic according to the comparison result of the comparison unit, and the binary And a current conversion unit converting the value searched by the search logic unit into an analog value and outputting the converted value to the current-voltage conversion amplifying unit.

Description

산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치{a auto offset compensation device based binary searching of pulse oximeter}{A auto offset compensation device based binary searching of pulse oximeter}

본 발명은 산소포화도 측정기에 관한 것으로, 특히 배경신호(ambient signal)로 인한 오프셋 성분을 자동으로 제거하여 높은 신호대잡음비를 획득하도록 한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치에 관한 것이다.The present invention relates to an oxygen saturation meter, and in particular, to a binary search-based automatic offset calibration device of an oxygen saturation meter to obtain a high signal-to-noise ratio by automatically removing an offset component due to an ambient signal.

개인화 및 고령화가 진행될수록 개인은 스스로 건강에 관심을 가지고 정기적인 건강검진을 하고 있다. 그러나 건강검진을 하기 위해서는 별도의 시간을 내야하는 불편함이 따르기 때문에 대부분은 건강에 이상이 생긴 경우에 병원을 찾고 있다. 그런데 거동이 불편하거나 지병이 있는 노인이나 장애인의 경우는 병원을 다니기에 불편하고 또한 수시적으로 몸의 상태(즉, 생체 상태)를 파악하여야 위험 상황에 대한 대처가 가능하다.As personalization and aging progress, individuals are interested in their own health and undergo regular health check-ups. However, since there is an inconvenience of having to take extra time to do a health checkup, most of them are looking for a hospital when there is an abnormality in their health. However, in the case of the elderly or the handicapped with discomfort or chronic illness, it is inconvenient to go to the hospital, and it is possible to cope with a dangerous situation only when the state of the body (ie, a living body state) is checked regularly.

따라서 개인 건강에 대한 측정 대상으로 산소포화도 측정이 많이 이용되고 있다. 산소포화도 측정은 동맥혈의 맥동성분에 의한 파장 별 광 흡수도를 측정하여 비침습적(non-invasive)으로 혈중 산소포화도(SpO2)를 산출하고 있다.Therefore, oxygen saturation measurement is widely used as a measurement object for personal health. In the measurement of oxygen saturation, blood oxygen saturation (SpO2) is calculated non-invasively by measuring the light absorption by wavelength due to the pulsating component of arterial blood.

일반적으로 광신호를 이용한 심박 및 혈관 내 산소포화도 측정을 위하여, LED의 광을 혈관에 비추고, 수광부의 검출부에 감지되는 빛을 측정하는 방식이 이용된다. 이때, 수광부의 광 입력 신호를 처리함에 있어, LED의 on/off 에 따라 측정하고자 하는 광량보다 매우 큰 주변광으로 인하여 신호 처리의 품질이 저하되는 경우가 많다. 이를 해결하기 위하여 심박 및 산소포화도 측정 시스템의 구현 시 주변광을 제거하기 위한 기법들이 적용된다.In general, in order to measure heart rate and oxygen saturation in blood vessels using an optical signal, a method of shining light from an LED onto a blood vessel and measuring light detected by a detector of a light receiving unit is used. At this time, in processing the light input signal of the light receiving unit, the quality of signal processing is often deteriorated due to ambient light that is much larger than the amount of light to be measured according to the LED on/off. In order to solve this problem, techniques for removing ambient light are applied when implementing a heart rate and oxygen saturation measurement system.

종래 기술 중 US 5954644의 경우 광용적맥파(PPG: photoplethysmography) 측정에 있어, LED off 시 주변 광(ambient light)을 샘플&홀드 하고, LED를 on 하여 PPG 신호를 샘플&홀드 하여, 두 신호를 추가의 차동 증폭단에서 증폭하여 주변 광을 제거하는 기법을 사용하고 있다.In the case of prior art US 5954644, in the case of PPG (photoplethysmography) measurement, when the LED is off, ambient light is sampled and held, and the PPG signal is sampled and held by turning on the LED to add two signals. At the differential amplification stage of, amplification is used to remove ambient light.

종래 기술 중 US 8315684의 경우, PPG 또는 산소 포화도(SpO2) 구현을 위한 옥시미터(oximeter)의 주변광 제거를 위하여, 적외선(IR) LED 구동 시의 광 입력 신호, 적색 LED(Red) 구동 시의 광 입력 신호, LED off 시의 주변 광 입력 신호(ambient)를 시그마-델타 인터페이스(sigma-delta interface를 이용하여 디지털(digital)로 변환하고, 마이크로컨트롤러(microcontroller)단에서 주변광 신호를 제거하는 기법을 적용한다.In the case of the prior art US 8315684, in order to remove ambient light from an oximeter for implementing PPG or oxygen saturation (SpO 2 ), a light input signal when driving an infrared (IR) LED, when driving a red LED (Red) It converts the ambient light input signal (ambient) when the LED is off to digital using a sigma-delta interface and removes the ambient light signal from the microcontroller end. Apply the technique.

종래 기술 중, US 5954644 등에서 사용되는 추가 차동 증폭부를 이용한 주변광 제거 기법의 경우, 주변광 제거를 위한 증폭부가 추가되어 회로의 소비 전력 및 크기 측면에서 비효율적이다. 또한 추가 차동 증폭부의 입력 범위 이하의 주변광만을 제거할 수 있다는 제한이 있다.Among the prior art, in the case of a technique for removing ambient light using an additional differential amplifying unit used in US 5954644 or the like, an amplifying unit for removing ambient light is added, which is inefficient in terms of power consumption and size of the circuit. In addition, there is a limitation that only ambient light below the input range of the additional differential amplifier can be removed.

종래 기술 중, US 8315684 등에서 사용되는 디지털 도메인에서의 주변광 제거 기법의 경우, 디지털 신호 처리를 통하여 주변 광을 제거하기 때문에, 주변광의 신호가 클 경우, 아날로그/디지털 변환기를 통하여 변환되는 디지털 신호 중 주변 광이 차지하는 비중이 높아져, 실제 획득하고자 하는 신호의 동적 범위가 줄어들고, 신호대잡음비가 감소하는 단점이 있다.Among the prior art, in the case of the ambient light removal technique in the digital domain used in US 8315684, etc., since ambient light is removed through digital signal processing, when the signal of the ambient light is large, among the digital signals converted through an analog/digital converter There is a disadvantage in that the proportion occupied by ambient light is increased, so that the dynamic range of the signal to be actually acquired is reduced and the signal-to-noise ratio is decreased.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로 펄스 옥시미터(pulse oximeter) 또는 산소 포화도와 같이 광신호로 구동되는 펄스 형태의 입력신호를 증폭하여 처리할 때 주변광으로 인한 배경신호(ambient signal)를 제거함으로써 높은 신호대잡음비를 획득하도록 한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above problems, and when amplifying and processing an input signal in the form of a pulse driven by an optical signal such as a pulse oximeter or oxygen saturation, a background signal caused by ambient light (ambient signal) to obtain a high signal-to-noise ratio, and to provide a binary search-based automatic offset calibration device of an oxygen saturation meter.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치는 전류를 발생하는 LED 구동부와, 상기 LED 구동부로부터 발생된 전류를 받아 발광하는 발광부와, 상기 발광부로 접근한 손가락 내부 혈관에서 반사된 빛을 검출하고 전류로 변환하여 출력하는 검출부와, 상기 검출부에서 변환된 전류를 전달받아 전압으로 변환하고 증폭하여 출력하는 전류-전압 변환 증폭부와, 상기 전류-전압 변환 증폭부에서 변환 및 증폭된 전압을 전달받아 샘플링 및 필터링하여 출력하는 샘플링 및 필터링부와, 상기 샘플링 및 필터링부에서 필터링된 전압을 전달받아 디지털 값으로 변환하여 출력하는 디지털 변환부와, 상기 전류-전압 변환 증폭부의 출력신호를 전달받아 양수인지 음수인지를 비교하는 비교부와, 상기 비교부의 비교결과에 따라 이진 검색 로직을 상기 전류-전압 변환 증폭부의 출력신호가 0에 가장 가까운 값을 검색하는 이진 검색 로직부와, 상기 이진 검색 로직부에서 검색된 값을 아날로그 값으로 변환하여 상기 전류-전압 변환 증폭부로 출력하는 전류 변환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The binary search-based automatic offset calibration device of the oxygen saturation meter according to the present invention for achieving the above object includes an LED driving unit that generates a current, a light emitting unit that emits light by receiving the current generated from the LED driving unit, and the light emitting unit. A detection unit that detects light reflected from an internal blood vessel of the approached finger, converts it into a current, and outputs a current, a current-voltage conversion amplification unit that receives the converted current and converts it into a voltage and amplifies it for output, and the current-voltage A sampling and filtering unit receiving the converted and amplified voltage from the conversion amplifying unit and sampling and filtering the output, a digital conversion unit receiving the filtered voltage from the sampling and filtering unit and converting it into a digital value, and outputting the current -A comparison unit that receives the output signal of the voltage conversion amplification unit and compares whether it is positive or negative, and a binary search logic that searches for a value closest to zero of the output signal of the current-voltage conversion amplification unit according to the comparison result of the comparison unit. It characterized in that it comprises a binary search logic unit and a current conversion unit for converting the value searched by the binary search logic unit into an analog value and outputting the converted value to the current-voltage conversion amplifying unit.

본 발명의 실시예에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치는 다음과 같은 효과가 있다.The binary search-based automatic offset calibration apparatus of the oxygen saturation meter according to an embodiment of the present invention has the following effects.

즉, 펄스 옥시미터(pulse oximeter) 또는 산소 포화도와 같이 광신호로 구동되는 펄스 형태의 입력신호를 증폭하여 처리할 때 주변광으로 인한 배경신호(ambient signal)를 제거함으로써 높은 신호대잡음비를 획득할 수 있다.That is, when amplifying and processing an input signal in the form of a pulse driven by an optical signal such as a pulse oximeter or oxygen saturation, a high signal-to-noise ratio can be obtained by removing the ambient signal from ambient light. have.

도 1은 본 발명에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치를 개략적으로 나타낸 구성도
도 2는 도 1의 이직 검색 로직부에 대한 동작을 설명하기 위한 순서도
도 3은 도 1의 이진 검색 로직부를 나타낸 회로도
도 4는 3의 이진 로직 연산부의 동작 타이밍도
1 is a block diagram schematically showing a binary search-based automatic offset calibration apparatus of an oxygen saturation meter according to the present invention
FIG. 2 is a flowchart illustrating an operation of the turnover search logic unit of FIG. 1
3 is a circuit diagram showing a binary search logic unit of FIG. 1
4 is an operation timing diagram of the binary logic operation unit of 3

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in various forms and is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected" to another part, this includes not only "directly connected" but also "electrically connected" with another element interposed therebetween. . In addition, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary.

본 발명의 실시 예에 따른 산소포화도 측정기는 광용적맥파(PPG, Photoplethysmogram) 센서를 이용하여 산소 포화도를 측정한다. 광용적맥파 센서를 이용한 산소포화도 측정은 심장의 수축과 이완으로 변화하는 혈액용적과 혈액내의 헤모글로빈에 흡수되는 빛의 양의 선형적 관계를 이용하여 신호를 획득하는 방법을 이용하는 것으로, 생체에 투과성 빔을 사용하여 적외선의 광도변화를 측정하는 것으로, 일반적으로 손가락, 손목, 발가락, 귓볼 등에서 측정한다.An oxygen saturation meter according to an embodiment of the present invention measures oxygen saturation using a PPG (Photoplethysmogram) sensor. Oxygen saturation measurement using a photovoltaic pulse wave sensor uses a method of acquiring a signal by using a linear relationship between the amount of light absorbed by hemoglobin in the blood and the volume of blood that changes due to contraction and relaxation of the heart. This is to measure the change in intensity of infrared rays using, and is generally measured on fingers, wrists, toes, and earlobe.

이하의 실시 예에서는 손가락에서 산소포화도를 측정하는 경우를 일 예로 하여 설명한다. 또한 본 발명의 실시예에 따른 산소포화도 측정기는 환자 및 의사가 공간적으로 구속을 받지 않게 하기 위해 2.4GHz ISM 밴드 영역을 사용하고 있는 지그비(Zigbee)무선 통신 모듈을 사용하여, 산소포화도 측정결과를 원격에 전송한다.In the following embodiments, a case of measuring oxygen saturation from a finger will be described as an example. In addition, the oxygen saturation meter according to an embodiment of the present invention uses a Zigbee wireless communication module that uses a 2.4 GHz ISM band region to prevent the patient and doctor from being spatially constrained, and remotely transmits the oxygen saturation measurement result. Transfer to.

도 1은 본 발명에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치를 개략적으로 나타낸 구성도이다.1 is a block diagram schematically showing a binary search-based automatic offset calibration apparatus of an oxygen saturation meter according to the present invention.

본 발명에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 전류를 발생하는 LED 구동부(LED driving circuit)(110)와, 상기 LED 구동부(110)로부터 발생된 전류를 받아 발광하는 발광부(LED)(120)와, 상기 발광부(120)로 접근한 손가락(A) 내부 혈관에서 반사된 빛을 검출하고 전류로 변환하여 출력하는 검출부(130)와, 상기 검출부(130)에서 변환된 전류를 전달받아 전압으로 변환하고 증폭하여 출력하는 전류-전압 변환 증폭부(140)와, 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)에서 변환 및 증폭된 전압을 전달받아 샘플링 및 필터링하여 출력하는 샘플링 및 필터링부(Sampling & Flitering)(150)와, 상기 샘플링 및 필터링부(150)에서 필터링된 전압을 전달받아 디지털 값으로 변환하여 출력하는 디지털 변환부(ADC)(160)와, 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력신호(Vout)를 전달받아 양수인지 음수인지를 비교하는 비교부(170)와, 상기 비교부(170)의 비교결과에 따라 이진 검색 로직을 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력신호(Vout)가 0에 가장 가까운 값을 검색하는 이진 검색 로직부(Binary serach ligic)(180)와, 상기 이진 검색 로직부(180)에서 검색된 값을 아날로그 값으로 변환하여 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)로 출력(iDAC)하는 전류 변환부(Current DAC)(190)를 포함하여 구성된다.The binary search-based automatic offset calibration apparatus of the oxygen saturation meter according to the present invention includes an LED driving circuit 110 that generates a current and a current generated from the LED driving unit 110 as shown in FIG. 1. A light-emitting unit (LED) 120 that receives and emits light, a detection unit 130 that detects light reflected from an internal blood vessel of the finger (A) approaching the light-emitting unit 120, converts it into a current, and outputs it, and the detection unit A current-voltage conversion amplifying unit 140 that receives the converted current from 130, converts it into a voltage, amplifies and outputs it, and a voltage converted and amplified by the current-voltage conversion amplifying unit 140 is received and sampled. A sampling and filtering unit (Sampling & Flitering) 150 for filtering and outputting, and a digital conversion unit (ADC) 160 receiving the filtered voltage from the sampling and filtering unit 150 and converting it into a digital value for output. , A comparison unit 170 for comparing positive or negative numbers by receiving the output signal Vout of the current-voltage conversion amplifying unit 140, and the binary search logic according to the comparison result of the comparison unit 170 The output signal Vout of the current-voltage conversion amplifying unit 140 is a binary search logic unit 180 that searches for a value closest to 0, and a value searched by the binary search logic unit 180 It is configured to include a current converter (Current DAC) 190 converting the analog value and outputting (iDAC) to the current-voltage conversion amplifier 140.

본 발명에 따른 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치는 사용자의 손가락(A)에 광(예: LED 광)을 조사하고 손가락(A)을 투과한 광을 PD(검출부)를 통해 수신하고, 수신한 광을 이용하여 산소포화도를 측정한다.The binary search-based automatic offset calibration device of the oxygen saturation meter according to the present invention irradiates light (eg, LED light) to the user's finger (A) and receives the light transmitted through the finger (A) through a PD (detector), and , Measure the oxygen saturation using the received light.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치는 상기 LED 구동부(110)에서 필요한 전류를 발생하여 상기 발광부(120)로 공급하고 상기 발광부(120)는 상기 LED 구동부(110)에서 공급되는 전류를 통해 발광하여 상기 손가락(A) 내부 혈관을 비추게 된다.The binary search-based automatic offset calibration device of the oxygen saturation meter according to the present invention configured as described above generates a required current from the LED driving unit 110 and supplies it to the light emitting unit 120, and the light emitting unit 120 is the LED Light is emitted through the current supplied from the driving unit 110 to illuminate the blood vessel inside the finger A.

상기 발광부(120)를 통해 손가락 내부의 혈관을 비출 때 포토다이오드로 이루어진 검출부(130)에서 반사된 빛을 검출하고 전류로 변환하여 출력한다. 이때 상기 검출부(130)에서 출력되는 전류는 일반적으로 펄스 형태로 구동된다. 따라서 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)를 통하여 전압으로 변환하고 증폭하여 출력한다.When the blood vessel inside the finger is illuminated through the light emitting unit 120, the light reflected from the detection unit 130 made of a photodiode is detected, converted into a current, and output. At this time, the current output from the detection unit 130 is generally driven in the form of a pulse. Accordingly, the current-voltage conversion amplifying unit 140 converts into a voltage, amplifies it, and outputs it.

상기 전류-전압 변환 증폭부(140)를 통하여 변환 및 증폭된 전압을 상기 샘플링 및 필터링부(150)에서 전달받아 적절한 타이밍으로 샘플링 및 필터링하여 상기 디지털 변환부(160)를 이용하여 전압을 다시 디지털 값으로 변환한다.The voltage converted and amplified through the current-voltage conversion amplifying unit 140 is received from the sampling and filtering unit 150, sampled and filtered at an appropriate timing, and the voltage is converted back to digital using the digital conversion unit 160. Convert to value.

여기서, 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)는 완전 차동형으로 구성되어 있는데, 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력 신호(Vout)가 상기 비교부(170)에서 양수인지 음수인지를 비교하고, 상기 비교부(170)를 통해 전달된 결과를 근거로 상기 이진 검색 로직부(180)에서 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력신호가 0에 가까운 디지털 값을 검색하고, 상기 이진 검색 로직부(180)를 통해 검색된 디지털 전류 값을 아날로그 값으로 변환하는 전류 변환부(190)에서 변환하여 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)로 출력한다.Here, the current-voltage conversion amplification unit 140 is configured in a completely differential type, and the comparison unit 170 compares whether the output signal Vout of the current-voltage conversion amplification unit 140 is positive or negative. And, based on the result transmitted through the comparison unit 170, the binary search logic unit 180 searches for a digital value in which the output signal of the current-voltage conversion amplifying unit 140 is close to 0, and the binary The current conversion unit 190 converts the digital current value searched through the search logic unit 180 into an analog value, and outputs the converted current to the current-voltage conversion amplification unit 140.

본 발명에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치를 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The binary search-based automatic offset calibration apparatus of the oxygen saturation meter according to the present invention will be described in more detail as follows.

상기 LED 구동부(110)를 구동하여 상기 발광부(120)의 구동에 필요한 전류를 공급하는 제어 신호를 LED_ON이라고 한다. 상기 검출부(130)에 흐르는 전체 전류를 iPD, 주변 광으로 인하여 검출부(130)에 흐르는 주변광 전류 성분을 iAMB, 광용적맥파(photoplethysmogram) 측정을 위한 혈관 반사광으로 인하여 검출부(130)에 흐르는 반사광 전류 성분을 iPPG, 전류 변환부(190)의 출력 전류를 iDAC, 전류-전압 변환 증폭부(140)의 피드백 임피던스(Zf)에 흐르는 전류를 iOUT 이라고 하면, 아래와 같은 수학식으로 정리된다.A control signal for supplying a current required for driving the light emitting unit 120 by driving the LED driving unit 110 is referred to as LED_ON. The total current flowing through the detection unit 130 is iPD, the ambient light current component flowing through the detection unit 130 due to ambient light is iAMB, and the reflected light current flowing through the detection unit 130 due to blood vessel reflection for measuring a photoplethysmogram Assuming that the component is iPPG, the output current of the current conversion unit 190 is iDAC, and the current flowing through the feedback impedance Zf of the current-voltage conversion amplifying unit 140 is iOUT, it is summarized by the following equation.

Figure 112019003569951-pat00001
Figure 112019003569951-pat00001

Figure 112019003569951-pat00002
Figure 112019003569951-pat00002

즉, iPD는 iAMP와 iPPG의 합이고, iOUT는 -iPD와 iDAC의 합이다.That is, iPD is the sum of iAMP and iPPG, and iOUT is the sum of -iPD and iDAC.

상기 발광부(120)의 제어신호인 LED_ON=0 일 때는 상기 발광부(120)에 전류가 흐르지 않고, 상기 검출부(130)에 흐르는 반사광 전류 성분 iPPG는 0이 되어 상기 검출부(130)에 흐르는 전류 iPD 는 아래의 수학식 2와 같다.When LED_ON, which is the control signal of the light-emitting unit 120, is 0, no current flows through the light-emitting unit 120, and the reflected light current component iPPG flowing through the detection unit 130 becomes 0, and the current flowing through the detection unit 130 iPD is as shown in Equation 2 below.

Figure 112019003569951-pat00003
Figure 112019003569951-pat00003

따라서 상기 이진 검색 로직부(180)를 통하여 Vout이 0에 가장 가까운 값이 되도록 전류 변환부(190)의 전류 모드 DAC의 출력 전류 iDAC을 조정한다. 상기 이진 검색(binary search)으로 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력신호 Vout = 0 이 되었다고 가정하면, iDAC = iAMB로 쓸 수 있다.Therefore, through the binary search logic unit 180, the output current iDAC of the current mode DAC of the current converter 190 is adjusted so that Vout becomes the closest value to 0. Assuming that the output signal Vout = 0 of the current-voltage conversion amplifying unit 140 by the binary search, iDAC = iAMB can be written.

이후 상기 발광부(120)의 제어신호인 LED_ON = H로 설정하면, 상기 검출부(130)에 흐르는 전체 전류 iPD에는 주변광 전류 iAMB와 반사광 전류 iPPG가 모두 존재하게 된다. 이때 주변광 전류 iAMB에 해당하는 전류를 전류 변환부(190)가 생성하고 있기 때문에 전류 변환부(190)의 출력전류 iDAC는 주변광 전류 iAMB와 같게 된다.Thereafter, when LED_ON = H, which is the control signal of the light emitting unit 120, is set, both the ambient light current iAMB and the reflected light current iPPG exist in the total current iPD flowing through the detection unit 130. At this time, since the current conversion unit 190 generates a current corresponding to the ambient light current iAMB, the output current iDAC of the current conversion unit 190 is equal to the ambient light current iAMB.

상기 발광부(120)의 제어신호 LED_ON = H 일 때의 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력 전압 Vout는 아래의 수학식 3과 같다.The output voltage Vout of the current-voltage conversion amplifier 140 when the control signal LED_ON = H of the light-emitting unit 120 is as shown in Equation 3 below.

Figure 112019003569951-pat00004
Figure 112019003569951-pat00004

따라서 주변광 전류 iAMB로 인한 성분 없이 측정하고자 하는 반사광 전류 iPPG에 해당하는 신호만을 Vout에서 측정할 수 있으며, LED_ON 신호와 적절한 타이밍으로 샘플링 및 필터링부(150)에서 원하는 신호를 추출하여 디지털 변환부(160)를 동작하여 원하는 반사광 전류 iPPG 성분만을 디지털로 변환하여 출력할 수 있다.Therefore, only the signal corresponding to the reflected light current iPPG to be measured without components due to the ambient light current iAMB can be measured at Vout, and the desired signal is extracted from the sampling and filtering unit 150 at an appropriate timing with the LED_ON signal, and the digital conversion unit ( 160) to digitally convert only the desired reflected light current iPPG component and output it.

상기 전류-전압 변환 증폭부(140)는 다양한 타이밍 신호의 형태로 구동할 수 있으며, 적절한 타이밍은 발광부(120)의 구동 신호인 LED_ON 신호를 H로 설정하고, 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)의 안정화 시간 이후 샘플링 및 필터링부(150)에서 신호를 샘플링하여 출력하는 것이다.The current-voltage conversion amplification unit 140 may be driven in the form of various timing signals, and an appropriate timing sets the LED_ON signal, which is a driving signal of the light-emitting unit 120, to H, and the current-voltage conversion amplification unit ( After the stabilization time of 140), the sampling and filtering unit 150 samples and outputs the signal.

도 2는 도 1의 이직 검색 로직부에 대한 동작을 설명하기 위한 순서도이다.2 is a flowchart illustrating an operation of the turnover search logic unit of FIG. 1.

상기 이진 검색 로직부(180)는 도 2에 도시된 바와 같이, 전류 변환부(180)의 전류 모드 DAC가 N 비트의 해상도를 가진다고 가정한다.As shown in FIG. 2, the binary search logic unit 180 assumes that the current mode DAC of the current converter 180 has a resolution of N bits.

먼저, 초기화 상태에서는 SC 신호(start of conversion)가 상승하면 초기화 모드로 진입하며, 이때 가장 상위 비트(MSB, Most Significant Bit)를 H로 설정하고, 나머지 비트(Least significant bits, LSBs)는 L로 세팅한다. 그리고 카운터 변수 k는 0으로 세팅한다(S110).First, in the initialization state, when the SC signal (start of conversion) rises, the initialization mode is entered.At this time, the most significant bit (MSB) is set to H, and the least significant bits (LSBs) are set to L. Set. And the counter variable k is set to 0 (S110).

이어서, 상기 전류-전압 변환 증폭부(140)가 안정화되는 약간의 시간을 거쳐 사기 비교부(170)에서 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력신호 Vout에 대해서 양인지 음인지의 부호를 판단하여 비교부(170)의 출력신호인 COMP를 출력한다(S120).Subsequently, after some time in which the current-voltage conversion amplification unit 140 is stabilized, the fraud comparison unit 170 determines whether the sign of the positive or negative output signal Vout of the current-voltage conversion amplification unit 140 is Thus, the output signal of the comparator 170 is outputted (S120).

상기 비교부(170)의 출력신호 COMP가 H일 경우 MSB-k 번째 비트를 H로 세팅하고(S130), 상기 비교부(170)의 출력신호 COMP가 L일 경우 MSB-k 번째 비트를 L로 세팅한다(S140).When the output signal COMP of the comparison unit 170 is H, the MSB-k-th bit is set to H (S130), and when the output signal COMP of the comparison unit 170 is L, the MSB-k-th bit is set to L. Set (S140).

이때 k와 N의 크기를 비교하고(S150), 상기 비교 결과 k < N 일 경우 카운터 변수 k를 1 증가시키고(S160), MSB-k 번째 비트를 H로 세팅하고(S170), 비교 작업을 반복한다.At this time, the magnitudes of k and N are compared (S150), and if k <N as a result of the comparison, the counter variable k is increased by 1 (S160), MSB-kth bit is set to H (S170), and the comparison operation is repeated. do.

이와 같은 과정으로 이진 검색 과정을 거쳐 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력신호 Vout가 0에 가장 가까워지는 값을 찾아간다. 이후 k > N 일 경우 EOC(End of Conversion) 을 H로 생성하고 종료한다(S180).In this process, through a binary search process, the output signal Vout of the current-voltage conversion amplifying unit 140 is searched for a value closest to 0. Thereafter, if k> N, EOC (End of Conversion) is generated as H and is terminated (S180).

도 3은 도 1의 이진 검색 로직부를 나타낸 회로도이다.3 is a circuit diagram illustrating a binary search logic unit of FIG. 1.

상기 이진 검색 로직부(180)의 이진 검색 로직은 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 적절한 구현 사례는 도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 D-플립플롭(D-flipflop)(DFF)을 직렬로 연결하여 구현할 수 있다. 이때 상기 직렬로 연결된 2행의 DFF 어레이를 이용하며, 첫 행의 DFF는 쉬프트 레지스터 형태로 카운터 k의 역할을 수행한다.The binary search logic of the binary search logic unit 180 may be implemented in various forms, and a suitable implementation example is, as shown in FIG. 3, a plurality of D-flip-flops (DFF) in series. It can be connected and implemented. In this case, the DFF array of two rows connected in series is used, and the DFF of the first row serves as a counter k in the form of a shift register.

여기서, 상기 각 DFF는 비동기 셋(asynchronous SET)(SET) 및 비동기 리셋(asynchronous RESET)(RST) 신호를 가지는 DFF로 구성한다. SC 신호가 H가 되면 첫행의 첫 번째 DFF의 출력 Q가 H가 되며, 다른 DFF 의 출력은 모두 L이 된다.Here, each of the DFFs is composed of a DFF having an asynchronous SET (SET) and an asynchronous reset (RST) signal. When the SC signal becomes H, the output Q of the first DFF in the first row becomes H, and the outputs of all other DFFs become L.

한편, 2행의 DFF는 COMP 값을 업데이트(update)하는 역할을 하며, COMP = H 일 경우 COMP 값을 DFF에 업데이트 하고, COMP=L 일 경우 COMP 값을 update 하지 않고, L를 계속 유지한다.On the other hand, DFF in line 2 plays a role of updating the COMP value, and when COMP = H, the COMP value is updated to DFF, and when COMP = L, the COMP value is not updated and L is maintained.

마지막 COMP 신호가 들어오면 최종적으로 EOC 신호가 H로 발생하여 이진 검색(nary search)이 종료되었음을 알린다.When the last COMP signal comes in, the EOC signal is finally generated as H, indicating that the binary search has ended.

도 4는 3의 이진 로직 연산부의 동작 타이밍도이다.4 is an operation timing diagram of the binary logic operation unit of 3;

도 4에서와 같이, 이진 검색 로직에 클럭 신호(CLK)가 입력되고 있으며, LED_ON = L에서 발광부(120)는 OFF 상태이다. SC 신호가 입력되면 주변광 전류(ambient current)를 제거하기 위한 이진 검색 동작이 시작된다. N bit의 클럭 동작으로 ambient 신호가 제거되고 나면 EOC 신호가 발생하여 이진 검색 동작 종료를 알리고, 이후 LED_ON = H로 설정하여 PPG 신호만을 증폭한다.As shown in FIG. 4, the clock signal CLK is input to the binary search logic, and the light emitting unit 120 is in an OFF state when LED_ON = L. When the SC signal is input, a binary search operation to remove ambient current is initiated. After the ambient signal is removed by an N-bit clock operation, an EOC signal is generated to signal the end of the binary search operation, and then set LED_ON = H to amplify only the PPG signal.

LED_ON = H가 되는 구간 중 전류-전압 변환 증폭부(140)의 안정화 시간을 거치고, 적절한 시간 딜레이 이후 전류-전압 변환 증폭부(140)의 출력신호인 Vout를 샘플링 및 필터링하여 디지털 변환부(160)를 이용하여 디지털로 변환한다.During the period in which LED_ON = H, the digital conversion unit 160 samples and filters Vout, which is the output signal of the current-voltage conversion amplifying unit 140, after a stabilization time of the current-voltage conversion amplifying unit 140 is passed, and after an appropriate time delay. ) To convert to digital.

따라서 본 발명에 의한 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치는 검출부(130)의 전류에 포함된 주변광 전류를 간단한 이진 검색 기반 회로를 이용하여 자동으로 제거할 수 있다. 기존 발명에 비해 회로 구조 및 알고리즘이 단순하고, 전류-전압 변환 증폭부의 출력 신호를 바로 이용하기 때문에 디지털로 변환하기 위해 디지털 변환기를를 이용하거나 호스트 프로세서와의 통신이 필요한 기존 기술보다 빠른 시간 내에 주변광 전류를 제거할 수 있다.Accordingly, the binary search-based automatic offset calibration apparatus of the oxygen saturation meter according to the present invention can automatically remove the ambient light current included in the current of the detection unit 130 using a simple binary search-based circuit. Compared to the existing invention, the circuit structure and algorithm are simpler, and since the output signal of the current-voltage conversion amplifying unit is directly used, a digital converter is used to convert it to digital or the ambient light within a shorter time than the existing technology that requires communication with the host processor. Current can be removed.

이로 인하여 산소포화도 측정기는 60세 이상의 호흡기 장애가 있는 노인분이나, 의식장애, 쇼크, 또는 심부전증 등이 확인되는 경우에 사용되며, 또한 장시간 집중을 필요로 하는 사람, 장거리 운전자나 만성피로에 피곤한 사람, 스포츠를 할 때 몸 상태에 관한 자료를 필요로 하는 경우 또는, 폐질환자나 만성 폐쇄성 폐질환자 등에게 사용될 것이다.For this reason, the oxygen saturation meter is used for elderly people over 60 years of age with respiratory disorders, consciousness disorders, shock, or heart failure, etc., and also for people who need long-term concentration, long-distance drivers or people who are tired from chronic fatigue, sports. It will be used for people with lung disease or chronic obstructive pulmonary disease, etc.

한편, 전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.On the other hand, the above description of the present invention is for illustration only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will understand that it is possible to easily transform it into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. I will be able to. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later rather than the detailed description, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.

110 : LED 구동부 120 : 발광부
130 : 검출부 140 : 전류-전압 변환 증폭부
150 : 샘플링 및 필터링부 160 : 디지털 변환부
170 : 비교부 180 : 이진 검색 로직부
190 : 전류 변환부
110: LED driving unit 120: light emitting unit
130: detection unit 140: current-voltage conversion amplification unit
150: sampling and filtering unit 160: digital conversion unit
170: comparison unit 180: binary search logic unit
190: current converter

Claims (5)

전류를 발생하는 LED 구동부와,
상기 LED 구동부로부터 발생된 전류를 받아 발광하는 발광부와,
상기 발광부로 접근한 손가락 내부 혈관에서 반사된 빛을 검출하고 전류로 변환하여 출력하는 검출부와,
상기 검출부에서 변환된 전류를 전달받아 전압으로 변환하고 증폭하여 출력하는 전류-전압 변환 증폭부와,
상기 전류-전압 변환 증폭부에서 변환 및 증폭된 전압을 전달받아 샘플링 및 필터링하여 출력하는 샘플링 및 필터링부와,
상기 샘플링 및 필터링부에서 필터링된 전압을 전달받아 디지털 값으로 변환하여 출력하는 디지털 변환부와,
상기 전류-전압 변환 증폭부의 출력신호를 전달받아 양수인지 음수인지를 비교하는 비교부와,
상기 비교부의 비교결과에 따라 이진 검색 로직을 상기 전류-전압 변환 증폭부의 출력신호가 0에 가장 가까운 값을 검색하는 이진 검색 로직부와,
상기 이진 검색 로직부에서 검색된 값을 아날로그 값으로 변환하여 상기 전류-전압 변환 증폭부로 출력하는 전류 변환부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치.
An LED driver that generates current,
A light emitting unit that emits light by receiving the current generated from the LED driving unit,
A detection unit that detects the light reflected from the blood vessel inside the finger approaching the light emitting unit, converts it into a current, and outputs it,
A current-voltage conversion amplifying unit that receives the converted current from the detection unit, converts it into a voltage, amplifies and outputs it,
A sampling and filtering unit receiving the converted and amplified voltage from the current-voltage conversion amplifying unit, sampling and filtering, and outputting the sample,
A digital conversion unit for receiving the filtered voltage from the sampling and filtering unit, converting it into a digital value, and outputting a digital value;
A comparison unit that receives the output signal of the current-voltage conversion amplifying unit and compares whether it is positive or negative,
A binary search logic unit for searching a binary search logic for a value closest to 0 of the output signal of the current-voltage conversion amplifying unit according to the comparison result of the comparison unit;
And a current conversion unit converting the value searched by the binary search logic unit into an analog value and outputting the converted value to the current-voltage conversion amplifying unit. 15. An automatic offset calibration device based on binary search for an oxygen saturation meter.
제 1 항에 있어서, 상기 이진 검색 로직부는 다수의 D-플립플롭을 직렬로 연결하여 구성하는 것을 특징으로 하는 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치.[2] The apparatus of claim 1, wherein the binary search logic unit is configured by connecting a plurality of D-flip-flops in series. 제 2 항에 있어서, 상기 이진 검색 로직부는 상기 다수의 D-플립플롭이 직렬로 연결된 2행의 DFF 어레이로 구성되는 것을 특징으로 하는 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치.[3] The apparatus of claim 2, wherein the binary search logic unit is composed of a two-row DFF array in which the plurality of D-flip-flops are connected in series. 제 3 항에 있어서, 상기 직렬로 연결된 2행의 DFF 어레이 중 첫 행의 DFF는 쉬프트 레지스터 형태로 카운터의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치.[4] The apparatus of claim 3, wherein the DFF of the first row of the two rows of DFF arrays connected in series serves as a counter in the form of a shift register. 제 3 항에 있어서, 상기 각 DFF는 비동기 셋 및 비동기 리셋 신호를 갖는 DFF로 구성하는 것을 특징으로 하는 산소포화도 측정기의 이진검색 기반 자동 오프셋 교정장치. [4] The apparatus of claim 3, wherein each of the DFFs is composed of a DFF having an asynchronous set and an asynchronous reset signal.
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