KR102273650B1 - 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로는 생체 자극 신호 생성 회로, 생체 신호 전극, 스위치 블록, 제 1 및 제 2 저항, 그리고 생체 신호 측정 회로를 포함할 수 있다. 생체 자극 신호 생성 회로는 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호를 생성할 수 있다. 생체 신호 전극은 생체 자극 모드에서 생성된 생체 자극 신호를 전달하고, 생체 신호 측정 모드에서 생체 신호를 전달받을 수 있다. 스위치 블록은 생체 자극 신호의 전압이 제 1 기준 전압보다 크거나 제 2 기준 전압보다 작은 경우에 턴 온될 수 있다. 제 1 및 제 2 저항은 생체 신호 전극과 스위치 블록 사이에 연결되고, 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라 생체 신호 전극의 신호의 전압을 분배하는 직렬 연결될 수 있다. 생체 신호 측정 회로는 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라, 제 1 및 제 2 저항에 의해 분배된 전압 신호를 측정하거나 생체 신호 전극의 신호를 측정할 수 있다. 제 1 기준 전압은 제 2 기준 전압보다 클 수 있다.

Description

생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로{A CIRCUIT FOR BOTH BIO-STIMULATING AND MEASURING BIOLOGICAL SIGNAL}
본 발명은 삽입형 의료 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 삽입형 의료 장치에 사용되는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로에 관한 것이다.
삽입형 의료 장치는 저전력 고밀도 전자 회로 구현 기술과 고 에너지 밀도 전지 기술의 발달로 소형화, 다기능화, 다채널화 되고 있다. 뇌 심부 자극기나, 심장 제세동기는 상용화된 삽입형 의료 장치의 예이다. 또한, 위 자극기, 하수족 치료기, 인공와우, BCI(Brain Computer Interface), 삽입형 약물 펌프와 같이 다양한 삽입형 의료장치의 상용화가 진행 중에 있다.
삽입형 의료 장치는 치료하고자 하는 증상만 다르고, 대부분 동일한 알고리즘을 갖는다. 먼저, 삽입형 의료 장치는 치료하고자 하는 증상에 따라 해당 생체 신호의 이상이 감지될 때 특정 부위의 신경을 자극한다. 삽입형 의료 장치는 이러한 자극 신호에 의해 치료하고자 하는 증상을 완화 또는 제거하고, 해당 생체신호가 정상적으로 돌아오도록 한다.
그러나 기존의 삽입형 의료장치는 생체 자극 모드와 생체 신호 측정 모드가 분리되어 있다. 이는 생체 자극 신호에 의해 생체 신호 측정 회로의 손상을 방지하기 위함이다. 따라서, 기존의 삽입형 의료 장치는 생체 자극 모드와 생체 신호 측정 모드를 동시에 수행할 수 없다. 이로 인해 기존의 삽입형 의료기기는 생체 자극 신호의 인가 시 발생될 수 있는 이상신호에 실시간으로 대응하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 생체 자극 모드에서 자동으로 생체 신호 측정 회로를 보호하고, 하나의 전극으로 생체 자극 및 생체 신호 측정을 동시에 수행하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로는 생체 자극 신호 생성 회로, 생체 신호 전극, 스위치 블록, 제 1 및 제 2 저항, 그리고 생체 신호 측정 회로를 포함할 수 있다. 생체 자극 신호 생성 회로는 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호를 생성할 수 있다. 생체 신호 전극은 생체 자극 모드에서 생성된 생체 자극 신호를 전달하고, 생체 신호 측정 모드에서 생체 신호를 전달받을 수 있다. 스위치 블록은 생체 자극 신호의 전압이 제 1 기준 전압보다 크거나 제 2 기준 전압보다 작은 경우에 턴 온될 수 있다. 제 1 및 제 2 저항은 생체 신호 전극과 스위치 블록 사이에 연결되고, 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라 생체 신호 전극의 신호의 전압을 분배하는 직렬 연결될 수 있다. 생체 신호 측정 회로는 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라, 제 1 및 제 2 저항에 의해 분배된 전압 신호를 측정하거나 생체 신호 전극의 신호를 측정할 수 있다. 제 1 기준 전압은 제 2 기준 전압보다 클 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로는 생체 자극 신호 생성 회로, 다중화기, 연결 노드, 제 1 및 제 2 생체 신호 전극, 스위치 블록, 직렬 연결된 제 1 및 제 2 저항, 그리고 생체 신호 측정 회로를 포함할 수 있다. 생체 자극 신호 생성 회로는 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호를 생성할 수 있다. 다중화기는 생체 자극 신호 생성 회로와 제어 신호에 의해 선택된 제 1 또는 제 2 생체 신호 전극을 연결할 수 있다. 연결 노드는 생체 자극 신호 생성 회로와 다중화기가 연결될 수 있다. 선택된 생체 신호 전극은 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호를 전달하고, 생체 신호 측정 모드에서 생체 신호를 전달받을 수 있다. 스위치 블록은 생체 자극 신호의 전압이 제 1 기준 전압보다 크거나 제 2 기준 전압보다 작은 경우에 턴 온될 수 있다. 제 1 및 제 2 저항은 연결 노드와 스위치 블록 사이에 연결되고, 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라 선택된 생체 신호 전극의 신호의 전압을 분배할 수 있다. 생체 신호 측정 회로는 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라, 제 1 및 제 2 저항에 의해 분배된 전압 신호를 측정하거나 생체 신호 전극의 신호를 측정할 수 있다. 제 1 기준 전압은 제 2 기준 전압보다 클 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로는 단일 생체 전극에 의해 생체 자극 및 생체 신호 측정이 가능하다. 따라서, 회로의 크기가 감소하고, 사용자의 편의가 증대된다. 또한, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로는 생체 자극 및 생체 신호 측정을 동시에 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로는 실시간 제어에 의한 이상 신호 감지 및 대응을 할 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 제한적인 방법으로서가 아니라 예로서 도시되었으며, 첨부 도면에서 유사한 참조 번호는 유사한 요소를 참조한다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로를 보여주는 회로도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제 1 및 제 2 스위치 회로의 제 1 노드의 전압에 따른 동작을 보여주는 개념도이다.
도 3 내지 도 7은 본 출원의 다른 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로를 보여주는 회로도이다.
앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명 모두 예시적이라는 것이 이해되어야 하며, 청구된 발명의 부가적인 설명이 제공되는 것으로 여겨져야 한다. 참조 부호들이 본 발명의 바람직한 실시 예들에 상세히 표시되어 있으며, 그것의 예들이 참조 도면들에 표시되어 있다. 가능한 어떤 경우에도, 동일한 참조 번호들이 동일한 또는 유사한 부분을 참조하기 위해서 설명 및 도면들에 사용된다.
이하에서는, 반도체 회로가 본 발명의 특징 및 기능을 설명하기 위한 예로서 사용될 것이다. 하지만, 이 기술 분야에 정통한 사람은 여기에 기재된 내용에 따라 본 발명의 다른 이점들 및 성능을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시 예들을 통해 또한, 구현되거나 적용될 수 있을 것이다. 게다가, 상세한 설명은 본 발명의 범위, 기술적 사상 그리고 다른 목적으로부터 상당히 벗어나지 않고 관점 및 응용에 따라 수정되거나 변경될 수 있다.
도 1은 본 출원의 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로를 보여주는 회로도이다. 도 1을 참조하면, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)는 생체 자극 신호 생성 회로(110), 생체 신호 전극(120), 제 1 및 제 2 저항(R1, R2), 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140), 그리고 생체 신호 측정 회로(150)를 포함할 수 있다.
생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)의 동작은 생체 자극 모드와 생체 신호 측정 모드로 구분될 수 있다. 생체 자극 모드는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)가 생체에 자극을 주는 모드이다. 생체 신호 측정 모드는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)가 생체로부터 생체 자극 신호에 대한 반응 신호 혹은 일반적인 생체 신호를 측정하는 모드이다.
생체 자극 신호 생성 회로(110)는 제 1 노드(N1)를 통하여 생체 신호 전극(120), 제 1 저항(R1), 그리고 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)와 연결된다. 생체 자극 신호 생성 회로(110)는 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호를 생성한다. 생성된 생체 자극 신호는 생체 신호 전극(120)에 제공된다. 또한, 생성된 생체 자극 신호는 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)에 제공된다. 예를 들어, 생체 자극 신호는 전압 또는 전류의 신호일 수 있다. 따라서, 생체 자극 신호 생성 회로(110)는 전압 또는 전류 신호를 생성할 수 있는 모든 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 생체 자극 신호 생성 회로(110)는 디지털-아날로드 변환기(DAC: Digital Analog Converter), 함수 생성기(Fucntion Generator)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 생체 자극 신호는 tDCS (transcranial Direct Current Stimulation), tACS(transcranial Alternating Current Stimulation), tRNS(transcranial Random-Noise Stimulation) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
생체 신호 전극(120)은 제 1 노드(N1)를 통하여 생체 자극 신호 생성 회로(110), 제 1 저항(R1), 그리고 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)와 연결된다. 생체 신호 전극(120)은 생체 자극 신호 생성 회로(110)에서 생성된 생체 자극 신호를 생체로 전달한다. 또는, 생체 신호 전극(120)은 생체로부터 생체 신호를 전달받는다. 즉, 생체 신호 전극(120)은 본 출원의 실시 예에 따라 생체 자극 생성 및 생체 신호 측정 시에 모두 이용될 수 있다.
예를 들어, 생체 신호는 EEG(Electroencephalogram), ECG(Electrocardiogram), EMG(Electromyogram), EOG(Electrooculography) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제 1 저항(R1)은 제 1 노드(N1)와 제 2 노드(N2) 사이에 연결된다. 제 2 저항(R2)은 제 2 노드(N2)와 제 3 노드(N3) 사이에 연결된다. 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140) 중 적어도 하나가 턴 온 되는 경우, 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)은 전압 분배기로서 동작할 수 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)은 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2) 값의 비율에 따라 제 1 노드의 전압 분배하여 제 2 노드(N2)에 제공한다.
예를 들어, 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)의 저항 값은 제 1 저항(R1)을 따라 흐르는 전류량이 생체 신호 측정 회로(150)의 허용 전류량 보다 낮도록 결정될 수 있다. 혹은, 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)의 저항 값은 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)의 허용 전류량보다 낮도록 결정될 수 있다. 또한, 제 1 저항(R1)과 제 2 저항(R2)의 저항 값의 비율은 생체 신호 측정 회로(150)의 허용 전압 범위에 의해 정해질 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)은 생체 자극 신호에 의해 생체 신호 측정 회로(150)가 손상되는 것을 방지하기 위한 회로이다.
제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 제 3 노드(N3)와 제 1 전원 전압(GND) 사이에 연결된다. 제 1 스위치 회로(130)는 제 1 기준 전압(Vref1) 이상인 경우에 턴 온되도록 설정될 수 있다. 제 2 스위치 회로(140)는 제 2 기준 전압(Vref2) 이하인 경우에 턴 온되도록 설정될 수 있다. 본 실시 예에서, 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 제 1 노드(N1)의 전압에 의해 제어된다. 여기서 제 1 노드(N1)의 전압은 상술한 생체 자극 신호 혹은 생체 신호일 것이다. 따라서, 제 1 스위치 회로(130)는 제 1 노드(N1)의 전압이 제 1 기준 전압(Vref1) 이상인 경우에 턴 온된다. 제 2 스위치 회로(140)는 제 1 노드(N1)의 전압이 제 2 기준 전압(Vref2) 이하인 경우에 턴 온된다. 제 1 기준 전압(Vref1)은 제 2 기준 전압(Vref2)보다 크다. 제 1 및 제 2 기준 전압(Vref1, Vref2)의 조건 및 실시 예는 도 2를 참조하여 설명될 것이다.
예를 들어, 제 1 스위치 회로(130)는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 경우, 제 1 기준 전압(Vref1)은 NMOS 트랜지스터의 문턱 전압(Threthold Voltage)이 될 것이다. 혹은, 제 1 스위치 회로(130)는 NPN형 BJT(Bipolar Junction Transistor)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제 2 스위치 회로(140)는 PMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다. 이 경우, 제 2 기준 전압(Vref2)은 PMOS 트랜지스터의 문턱 전압이 될 것이다. 혹은, 제 2 스위치 회로(140)는 PNP형 BJT를 포함할 수 있다. 제 1 노드(N1)의 전압에 따른 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)의 동작 영역은 도 2를 참조하여 자세히 설명될 것이다.
도 2는 도 1에 도시된 제 1 및 제 2 스위치 회로의 제 1 노드의 전압에 따른 동작을 보여주는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 생체 자극 신호의 레벨에 따른 도 1의 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)의 동작 상태를 알 수 있다.
제 1 노드(N1)의 전압이 제 1 기준 전압(Vref1)보다 큰 경우, 제 1 스위치 회로(130)는 턴 온되고, 제 2 스위치 회로(140)는 턴 오프된다. 제 1 노드(N1)의 전압이 제 1 기준 전압(Vref1)과 제 2 기준 전압(Vref2) 사이의 전압 레벨인 경우, 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 턴 오프된다. 제 1 노드(N1)의 전압이 제 2 기준 전압(Vref2)보다 작은 경우, 제 1 스위치 회로(130)는 턴 오프되고, 제 2 스위치 회로(140)는 턴 온된다.
제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 생체 자극 신호에 의한 생체 신호 측정 회로(150)의 손상을 방지하기 위한 회로이다. 따라서, 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 생체 자극 신호가 생성 시에 턴 온되도록 설정된다. 반면에 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 생체 신호가 생체 신호 전극(120)을 통하여 제공되는 경우에는 동작하지 않아야 한다. 즉, 생체 신호는 전압 분배기를 통하여 생체 신호 측정 회로(150)에 제공될 필요가 없다. 이는 생체 신호는 신호의 크기가 작기 때문이다. 그러므로, 제 1 기준 전압(Vref1)은 생체 신호의 전압 레벨보다 크도록 설정될 수 있다. 제 2 기준 전압(Vref2)은 생체 신호의 전압 레벨보다 작도록 설정될 수 있다.
예를 들어, 생체 자극 신호 및 생체 신호는 항상 음의 전압 레벨을 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 기준 전압(Vref1, Vref2)은 음의 전압 레벨일 것이다. 생체 자극 신호 및 생체 신호는 항상 양의 전압 레벨을 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 기준 전압(Vref1, Vref2)는 양의 전압 레벨일 것이다. 또는 생체 자극 신호 및 생체 신호는 음의 전압 레벨 혹은 양의 전압 레벨을 가질 수 있다. 이 경우, 제 1 기준 전압(Vref1)은 음의 전압 레벨을 가질 수 있고, 제 2 기준 전압(Vref2)는 양의 전압 레벨을 가질 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 생체 신호 측정 회로(150)는 제 2 노드(N2)를 통하여 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)과 연결된다. 생체 신호 측정 회로(150)는 생체 자극 모드에서 제 2 노드(N2)의 전압을 측정한다. 생체 자극 모드에서 제 2 노드(N2)의 전압은 생체 자극 신호가 전압 분배기에 의해 전압 분배된 전압이다. 또한, 생체 신호 측정 회로(150)는 생체 신호 측정 모드에서 생체 신호를 측정할 수 있다. 이 경우, 상술한 실시 예에 따라 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)가 턴 온되지 않는다. 따라서, 제 2 노드(N2)의 전압은 생체 신호의 전압과 동일하다. 생체 신호 측정 회로(150)는 전압 또는 전류 신호를 측정할 수 있는 모든 회로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 생체 신호 측정 회로(150)는 아날로그- 디지털 변환기(ADC: Analog Digital Converter), 비교기(Comparator), 증폭기(Amplifier)를 포함할 수 있다.
도 1의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)는 구성 요소들(생체 자극 신호 생성회로, 생체 신호 전극, 제 1, 2 스위치 회로 등)이 각각 단일 구성을 포함하는 것으로 도시되었다. 하지만, 본 출원은 이에 한정되지 않는다. 각각의 구성 요소들은 복수의 구성을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)로 구성된 전압 분배기와 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)의 한 세트가 복수로 구성될 수 있다. 이 경우, 각각의 세트는 개별 조건하에 동작하도록 구성할 수 있다. 또한, 도 1의 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 구분된 회로로 구성되는 것으로 도시되었지만, 동일한 기능을 수행하는 스위치 블록로서 구성할 수 있다. 상술한 스위치 블록은 하드웨어로 구현 가능할 것이다.
생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)의 동작은 다음과 같다. 먼저, 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호 생성 회로(110)는 생체 자극 신호를 생성한다. 이 전압 신호는 생체 신호 전극(120)을 통하여 사용자의 신체에 전달된다. 또한, 이 전압 신호는 제 1 노드(N1)을 통하여 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)에 전달된다. 예를 들어, 이 전압 신호가 제 1 기준 전압(Vref1)보다 큰 경우를 가정한다. 이 경우, 제 1 스위치 회로(130)는 턴 온된다. 이어, 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)은 전압 분배기로 동작한다. 따라서, 제 1 노드(N1)의 전압이 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)의 저항 비에 의하여 분배되어 제 2 노드(N2)에 제공된다. 이후, 생체 신호 측정 회로(150)는 제 2 노드(N2)의 전압을 측정한다.
혹은, 제 1 노드(N1)의 전압 신호가 제 2 기준 전압(Vref2)보다 작은 경우에 제 2 스위치 회로(140)가 턴 온된다. 이후의 동작은 상술한 바와 동일하다. 즉, 제 2 스위치 회로(140)가 턴 온되어, 제 1 및 제 2 저항(R1, R2)가 전압 분배기로서 동작한다. 이어, 생체 자극 신호가 전압 분배되어 제 2 노드(N2)로 제공된다. 상술한 바와 같이, 제 2 노드(N2)의 전압 값은 생체 신호 측정 회로(150)의 입력 범위 내일 것이다. 따라서, 과도한 전압 레벨을 갖는 생체 자극 신호에 의한 생체 신호 측정 회로(150)의 손상이 방지된다. 생체 신호 측정 회로(150)는 전압 분배기에 의해 분배된 제 2 노드(N2)의 전압을 측정함으로써, 생체 자극 신호의 실제 전압 레벨을 모니터링할 수 있다.
생체 신호 측정 모드에서, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)의 동작은 다음과 같다. 생체 신호 전극(120)은 사용자의 신체로부터 생체 신호를 제공받는다. 생체 자극 신호와 비교하여, 생체 신호는 상대적으로 낮은 전압 레벨을 갖는다. 즉, 생체 신호는 제 1 기준 전압(Vref1)보다 낮고, 제 2 기준 전압(Vref2)보다 높다. 따라서 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 생체 신호에 의하여 턴 온되지 않는다. 즉, 생체 신호는 제 1 및 제 2 (R1, R2)를 통하여 전압 분배되지 않는다. 이어, 생체 신호는 제 1 노드(N1) 및 제 1 저항(R1)을 통하여 생체 신호 측정 회로(150)로 제공된다. 생체 신호 측정 회로(150)는 제공된 생체 신호를 측정한다.
요약하면, 생체 자극 모드에서 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)는 전압 분배기에 의해 신호의 전압 레벨을 자동으로 낮추어 생체 신호 측정 회로(150)의 손상을 방지한다. 또한, 생체 신호 측정 모드에서 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)는 전압 분배기를 비활성화시켜 생체 신호를 그대로 측정한다. 따라서, 본 출원의 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)는 생체 신호 전극(120)을 분리하지 않고, 하나의 회로에 의하여 생체 자극 및 생체 신호 측정을 동시에 수행할 수 있다.
도 3 내지 도 7은 본 출원의 다른 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로를 보여주는 회로도이다.
도 3을 참조하면, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(200)는 생체 자극 신호 생성 회로(210), 생체 신호 전극(220), 제 1 및 제 2 저항(R1, R2), 제 1 및 제 2 비교기(230, 240), 제 1 및 제 2 전압원(V1, V2), 제 1 및 제 2 스위치 회로(250, 260), 그리고 생체 신호 측정 회로(270)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 비교기(230, 240), 그리고 제 1 및 제 2 스위치 회로(250, 260)를 제외하고, 도 3의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(200)는 도 1의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)와 구성 및 동작이 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
제 1 비교기(230)는 제 1 노드(N1)와 노드(CTRL1) 사이에 연결된다. 제 1 비교기(230)는 제 1 노드(N1)의 전압 레벨이 제 1 전압원(V1)의 전압 레벨보다 큰지 비교한다. 제 1 비교기(230)는 비교 결과에 따라 제 1 스위치(250)에 턴 온 전압을 생성한다. 예를 들어, 제 1 전압원(V1)의 전압 레벨은 도 1의 제 1 기준 전압(Vref1)과 동일하게 설정될 수 있다.
제 2 비교기(240)는 제 1 노드(N1)와 노드(CTRL2) 사이에 연결된다. 제 2 비교기(240)는 제 1 노드(N1)의 전압 레벨이 제 2 전압원(V2)의 전압 레벨보다 작은지 비교한다. 제 2 비교기(240)는 비교 결과에 따라 제 2 스위치(260)에 턴 온 전압을 생성한다. 예를 들어, 제 2 전압원(V2)의 전압 레벨은 도 1의 제 2 기준 전압(Vref2)과 동일하게 설정될 수 있다.
도 1의 제 1 및 제 2 스위치 회로(130, 140)는 각각 다른 기준 전압에 의해 켜지도록 구성된다. 상술한 실시 예에 따라 제 1 스위치 회로(130)가 NMOS 트랜지스터이고 제 2 스위치 회로(140)가 PMOS 트랜지스터인 경우, 제 1 및 제 2 기준 전압(Vref1, Vref2)은 각각 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터의 문턱 전압이 된다. 이 경우, 문턱 전압은 PVT(Process Volatage Temperature) 변화에 의해 쉽게 변할 수 있다. 도 3의 실시 예에서, 제 1 및 제 2 스위치 회로(250, 260)는 동일한 회로를 사용할 수 있다. 즉, 제 1 및 제 2 비교기(230, 240)는 비교 결과에 따라 동일한 턴 온 전압을 각각의 노드(CTRL1, CTRL2)에 생성한다. 또한, 제 1 및 제 2 전압원(V1, V2)은 값의 조정 가능한 가변 전압원으로 구성될 수 있다. 따라서, 1의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)에 비해, 도 3의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(200)는 제 1 및 제 2 전압원(V1, V2)의 전압 레벨을 원하는 레벨로 설정하기 용이하다.
도 4를 참조하면, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(300)는 생체 자극 신호 생성 회로(310), 생체 신호 전극(320), 제 1 및 제 2 저항(R1, R2), 제 1 및 제 2 스위치 회로(330, 340), 생체 신호 측정 회로(350) 및 제어 회로(360)를 포함할 수 있다. 제어 회로(360)를 제외하고, 도 4의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(300)는 도 1의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(100)와 구성 및 동작이 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
제어 회로(360)는 생체 신호 측정 회로(350) 및 생체 자극 신호 생성 회로(310)와 연결된다. 제어 회로(360)는 생체 신호 측정 회로(350)로부터 생체 자극 신호 및 생체 신호의 측정 값을 피드백 받는다. 제어 회로(360)는 피드백 받은 측정 값을 모니터링하여 생체 자극 신호 생성 회로(310)에 의해 생성되는 생체 자극 신호의 전압 레벨을 조정한다. 생체 자극 신호의 전압 레벨을 조정하는 이유는 사용자 또는 생체 신호 전극의 위치마다 임피던스가 다르기 때문이다. 생체 임피던스가 달라지는 경우, 동일한 생체 자극 신호에 대한 원하는 생체 자극 신호의 파형을 제공할 수 없다. 제어 회로(360)는 생체 임피던스가 달라지는 경우에도 원하는 파형의 생체 자극 신호를 제공하도록 생체 자극 신호 생성 회로(310)를 제어한다.
예를 들어, 제어 회로(360)는 프로세서, 마이크로 프로세서(Micro Processor), 마이크로 컨트롤러(Micro Controller), 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU), MPU(Micro Processing Unit), MCU(Micro Controlling Unit)등을 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어 회로(360)는 ADC 및 DAC를 포함할 수 있다. ADC는 생체 신호 측정 회로(350)에서 모니터링되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 제어 회로(360)는 이 디지털 신호에 의하여 생체 자극 신호 생성 회로(310)를 제어하기 위한 디지털 신호 혹은 코드를 생성한다. 생성된 디지털 신호 혹은 코드는 DAC에 의하여 아날로그 신호로 변환되어 실시간으로 생체 자극 신호 생성 회로(310)를 제어한다.
또 다른 예로, 제어 회로(360)는 메모리 또는 인터페이스 회로를 포함할 수 있다. 메모리는 생체 자극 모드 및 생체 측정 모드의 동작 위한 명령어 및 프로그램, 생체 자극을 위한 데이터, 생체 신호의 판독을 위한 알고리즘 등의 정보를 저장할 수 있다. 메모리는 RAM(Random Access Memory), ROM(Read Only Memory), EPROM(Erasable Programmable ROM), EEPROM(Electrically EPROM), 플래시 메모리 등을 포함할 수 있다.
인터페이스 회로는 제어 회로(360)의 제어에 따라 사용자와 제어 회로(360) 사이의 통신을 중계할 수 있다. 예로서, 인터페이스 회로는 키보드, 키패드, 버튼, 터치 패널, 터치 스크린, 터치 패드, 터치 볼, 카메라, 마이크, 자이로스코프 센서, 진동 센서 등의 입력 인터페이스를 포함할 수 있다. 또한, 인터페이스 회로는 LCD(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitting Diode) 표시 장치, AMOLED(Active Matrix OLED) 표시 장치, LED, 스피커, 모터 등의 출력 인터페이스를 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(400)는 생체 자극 신호 생성 회로(410), 생체 신호 전극(420), 제 1 및 제 2 저항(R1, R2), 제 1 및 제 2 비교기(430, 440), 제 1 및 제 2 전압원(V1, V2), 제 1 및 제 2 스위치 회로(450, 460), 생체 신호 측정 회로(470) 및 제어 회로(480)를 포함할 수 있다. 제어 회로(480)를 제외하고, 도 5의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(400)는 도 3의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(200)와 구성 및 동작이 동일하다. 또한, 도 5의 제어 회로(480)는 도 4에 도시된 제어 회로(360)와 구성 및 동작이 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
도 6을 참조하면, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(500)는 생체 자극 신호 생성 회로(510), 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(520, 530), 제 1 및 제 2 컨트롤 스위치(SWC1, SWC2), 제 1 및 제 2 저항(R1, R2), 제 1 및 제 2 스위치 회로(540, 550), 생체 신호 측정 회로(560) 및 제어 회로(570)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(520, 530), 그리고 제 1 및 제 2 컨트롤 스위치(SWC1, SWC2)를 제외하고, 도 6의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(500)는 도 4의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(300)와 구성 및 동작이 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
제 1 생체 신호 전극(520)은 제 1 컨트롤 스위치(SWC1)와 연결된다. 제 1 컨트롤 스위치(WC1)는 제 1 노드(N1)와 제 1 생체 신호 전극(520)을 연결하고, 제어 회로(570)에 의해 제어된다. 제 2 생체 신호 전극(530)은 제 2 컨트롤 스위치(SWC2)와 연결된다. 제 2 컨트롤 스위치(WC2)는 제 1 노드(N1)와 제 2 생체 신호 전극(530)을 연결하고, 제어 회로(570)에 의해 제어된다.
도 6의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(500)는 사용자 신체의 다른 부위에 각각 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(520, 530)을 삽입할 수 있다. 이후, 제어 회로(570)는 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(520, 530) 중 원하는 부위에 대한 하나의 전극을 선택할 수 있다. 예를 들어, 제 1 생체 신호 전극(520)이 선택된 경우, 제어 회로(570)는 제 1 컨트롤 스위치(SWC1)를 닫고, 제 2 컨트롤 스위치(SWC2)를 연다. 이로써, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(500)는 하나의 회로에 의해 복수의 신체 부위 중 원하는 부위에 대한 자극 및 측정을 수행할 수 있다.
도 6을 참조하면, 컨트롤 스위치들(SWC1, SWC2) 및 생체 신호 전극들(520, 530)은 각각 2개의 구성으로 도시되었다. 다만, 본 출원은 이에 한정되는 것이 아니다. 따라서, 컨트롤 스위치들과 생체 신호 전극들은 2개 이상의 복수로 구성될 수 있다. 또한, 도 6의 제 1 및 제 2 컨트롤 스위치(SWC1, SWC2)는 구분된 회로로 구성되는 것으로 도시되었지만, 동일한 기능을 수행하는 다중화기(Multiplexer)로서 구성할 수 있다. 상술한 다중화기는 하드웨어로 구현 가능할 것이다.
도 7을 참조하면, 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(600)는 생체 자극 신호 생성 회로(610), 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(620, 630), 제 1 및 제 2 저항(R1, R2), 제 1 및 제 2 비교기(640, 650), 제 1 및 제 2 전압원(V1, V2), 제 1 및 제 2 스위치 회로(660, 670), 생체 신호 측정 회로(680) 및 제어 회로(690)를 포함할 수 있다. 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(620, 630), 그리고 제 1 및 제 2 컨트롤 스위치(SWC1, SWC2)를 제외하고, 도 7의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(600)는 도 5의 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로(400)와 구성 및 동작이 동일하다. 또한, 도 7에 도시된 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(620, 630), 그리고 제 1 및 제 2 컨트롤 스위치(SWC1, SWC2)는 도 6에 도시된 제 1 및 제 2 생체 신호 전극(520, 530), 그리고 제 1 및 제 2 컨트롤 스위치(SWC1, SWC2)와 구성 및 동작이 동일하다. 따라서, 이에 대한 설명은 생략한다.
본 출원의 실시 예에 따른 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로들(100~600)은 PoP(Package on Package), BGAs(Ball Grid Arrays), CSPs(Chip Scale Packages), PLCC(Plastic Leaded Chip Carrier), PDIP(Plastic Dual In-line Package), Die in Waffle Pack, Die in Wafer Form, COB(Chip On Board), CERDIP(Ceramic Dual In-line Package), MQFP(Metric Quad Flat Pack), TQFP(Thin Quad Flat Pack), SOIC(Small Outline Integrated Circuit), SSOP(Shrink Small Outline Package), TSOP(Thin Small Outline Package), SIP(System In Package), MCP(Multi Chip Package), WFP(Wafer-level Fabricated Package), WSP(Wafer-Level Processed Stack Package) 등의 패키지를 이용하여 실장 될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100, 200, 300, 400, 500, 600 : 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로
110, 210, 310, 410, 510, 610 : 생체 자극 신호 생성 회로
120, 220, 320, 420 : 생체 신호 전극
130, 250, 330, 450, 540, 660 : 제 1 스위치 회로
140, 260, 340, 460, 550, 670 : 제 2 스위치 회로
150, 270, 350, 470, 560, 680 : 생체 신호 측정 회로
230, 240, 430, 440, 640, 650 : 비교기
360, 480, 570, 690 : 제어 회로
520, 620 : 제 1 생체 신호 전극
530, 630 : 제 2 생체 신호 전극

Claims (13)

  1. 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호를 생성하는 생체 자극 신호 생성 회로;
    상기 생체 자극 모드에서 생성된 상기 생체 자극 신호를 전달하고, 생체 신호 측정 모드에서 생체 신호를 전달받는 생체 신호 전극;
    상기 생체 자극 신호의 전압이 제 1 기준 전압보다 크거나 제 2 기준 전압보다 작은 경우에 턴 온되는 스위치 블록;
    상기 생체 신호 전극과 상기 스위치 블록 사이에 연결되고, 상기 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라 상기 생체 신호 전극에 제공된 상기 생체 자극 신호의 전압을 분배하는 직렬 연결된 제 1 및 제 2 저항; 그리고
    상기 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라, 상기 제 1 및 제 2 저항에 의해 분배된 생체 자극 신호를 측정하거나 상기 생체 신호 전극의 신호를 측정하는 생체 신호 측정 회로를 포함하되,
    상기 제 1 기준 전압은 상기 제 2 기준 전압보다 큰 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  2. 제 1 항에 있어,
    상기 생체 신호 측정 회로로부터 측정 결과를 피드백 받아 상기 생체 자극 신호의 세기를 조절하는 제어 회로를 더 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  3. 제 1 항에 있어,
    상기 스위치 블록은:
    상기 생체 자극 신호가 상기 제 1 기준 전압보다 큰 경우에 턴 온되는 제 1 스위치 회로; 그리고
    상기 제 1 스위치 회로와 병렬 연결되고, 상기 생체 자극 신호가 상기 제 2 기준 전압보다 낮은 경우에 턴 온되는 제 2 스위치 회로를 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  4. 제 3 항에 있어,
    상기 제 1 스위치 회로는 NMOS 트랜지스터를 포함하고, 상기 제 2 스위치 회로는 PMOS 트랜지스터를 포함하되,
    상기 NMOS 트랜지스터의 문턱 전압이 상기 제 1 기준 전압이고, 상기 PMOS 트랜지스터의 문턱 전압이 상기 제 2 기준 전압인 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  5. 제 1 항에 있어,
    상기 생체 자극 모드에서 상기 생성된 생체 자극 신호가 상기 제 1 기준 전압보다 큰지 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제 1 턴 온 전압을 생성하는 제 1 비교기; 그리고
    상기 생체 자극 모드에서 상기 생성된 생체 자극 신호가 상기 제 2 기준 전압보다 작은지 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제 2 턴 온 전압을 생성하는 제 2 비교기를 더 포함하되,
    상기 스위치 블록은,
    상기 제 1 턴 온 전압에 의해 턴 온 또는 오프되는 제 1 스위치 회로; 그리고
    상기 제 1 스위치 회로와 병렬 연결되고, 상기 제 2 턴 온 전압에 의해 턴 온 또는 오프 되는 제 2 스위치 회로를 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  6. 제 5 항에 있어,
    상기 생체 신호 측정 회로로부터 측정 결과를 피드백 받아 상기 생체 자극 신호의 세기를 조절하는 제어 회로를 더 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  7. 제 1 항에 있어,
    상기 생체 자극 신호는 tDCS(transcranial Direct Current Stimulation), tACS(transcranial Alternating Current Stimulation), 그리고 tRNS(transcranial Random-Noise Stimulation) 중 적어도 하나를 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  8. 제 1 항에 있어,
    상기 생체 신호는 EEG(Electroencephalogram), ECG(Electrocardiogram), EMG(Electromyogram), 그리고 EOG(Electrooculography) 중 적어도 하나를 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  9. 생체 자극 모드에서 생체 자극 신호를 생성하는 생체 자극 신호 생성 회로;
    상기 생체 자극 모드에서 생성된 상기 생체 자극 신호를 출력하고, 생체 신호 측정 모드에서 생체 신호를 입력 받기 위한 제 1 및 제 2 생체 신호 전극;
    제어 신호에 의해 상기 제 1 및 제 2 생체 신호 전극 중 적어도 하나의 생체 신호 전극을 선택하고, 상기 선택된 생체 신호 전극과 상기 생체 자극 신호 생성 회로를 연결하는 다중화기;
    상기 생체 자극 신호 생성 회로와 상기 다중화기가 연결된 연결 노드;
    상기 생체 자극 신호의 전압이 제 1 기준 전압보다 크거나 제 2 기준 전압보다 작은 경우에 턴 온되는 스위치 블록;
    상기 연결 노드와 상기 스위치 블록 사이에 연결되고, 상기 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라 상기 선택된 생체 신호 전극에 제공된 상기 생체 자극 신호의 전압을 분배하는 직렬 연결된 제 1 및 제 2 저항; 그리고
    상기 스위치 블록의 턴 온 여부에 따라, 상기 제 1 및 제 2 저항에 의해 분배된 생체 자극 신호를 측정하거나 상기 선택된 생체 신호 전극의 신호를 측정하는 생체 신호 측정 회로를 포함하되,
    상기 제 1 기준 전압은 상기 제 2 기준 전압보다 큰 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  10. 제 9 항에 있어,
    상기 생체 신호 측정 회로로부터 측정 결과를 피드백 받아 상기 생체 자극 신호의 세기를 조절하고, 상기 제어 신호를 생성하는 제어 회로를 더 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  11. 제 9 항에 있어,
    상기 스위치 블록은:
    상기 생체 자극 신호가 상기 제 1 기준 전압보다 큰 경우에 턴 온되는 제 1 스위치 회로; 그리고
    상기 제 1 스위치 회로와 병렬 연결되고, 상기 생체 자극 신호가 상기 제 2 기준 전압보다 낮은 경우에 턴 온되는 제 2 스위치 회로를 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  12. 제 9 항에 있어,
    상기 생체 자극 모드에서 상기 생성된 생체 자극 신호가 상기 제 1 기준 전압보다 큰지 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제 1 턴 온 전압을 생성하는 제 1 비교기; 그리고
    상기 생체 자극 모드에서 상기 생성된 생체 자극 신호가 상기 제 2 기준 전압보다 작은지 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 제 2 턴 온 전압을 생성하는 제 2 비교기를 더 포함하되,
    상기 스위치 블록은,
    상기 제 1 턴 온 전압에 의해 턴 온 또는 오프되는 제 1 스위치 회로; 그리고
    상기 제 1 스위치 회로와 병렬 연결되고, 상기 제 2 턴 온 전압에 의해 턴 온 또는 오프 되는 제 2 스위치 회로를 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
  13. 제 12 항에 있어,
    상기 생체 신호 측정 회로로부터 측정 결과를 피드백 받아 상기 생체 자극 신호의 세기를 조절하고, 상기 제어 신호를 생성하는 제어 회로를 더 포함하는 생체 자극 및 생체 신호 측정 겸용 회로.
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