KR102379568B1 - 바이오 인피던스 계측용 시스템 - Google Patents

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Abstract

실시예의 바이오 인피던스 계측용 시스템은 인체에 전류를 공급하는 전류 공급부와, 상기 인체로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 ROIC를 포함할 수 있다.
실시예는 전력 효율을 향상시킬 수 있으며, 동시에 DC 임피던스 신호와 AC 임피던스 두 종류의 신호를 모두 이용할 수 있는 효율적인 시스템을 구현한 효과가 있다.

Description

바이오 인피던스 계측용 시스템{BIO-IMPEDANCE INSTRUMENTATION SYSTEM}
실시예는 인체의 임피던스 변화를 측정하는 바이오 인피던스 계측용 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 웨어러블 바이오 어플리케이션은 다양한 생체 신호들을 모니터링할 수 있도록 만들고 있다. 특히, 이 중에도 바이오 임피던스는 호흡이나 체지방 등 몸의 임피던스 변화를 측정하여, 체내의 변화나 움직임을 감지할 수 있는 좋은 감지 방법이다.
하지만, 바디 임피던스의 변화를 통해 모니터링하는 호흡과 같은 신호의 측정은 큰 기저 저항에 아주 작은 AC 저항 변화로 나타나게 된다. 이 특성으로 인해 큰 DC 저항의 영향으로 큰 이득 만으로 AC 저항 변화를 감지할 수 없다.
이를 해결하기 위해 장치의 뒷단에 고해상도의 ADC를 넣거나 큰 게인의 증폭기로 증폭을 해야하는데 고해상도 ADC는 로우파워 어플리케이션에 적합하지 않으며, 큰 게인으로 입력을 증폭하기만 해서는 DC 신호가 너무 커 헤드룸 이슈에 보틀넥이 걸리게 되는 문제점이 있다.
국내등록특허 10-1307317(2013.09.05.)
상술한 문제점을 해결하기 위해, 실시예는 DC 컴포넌트는 상쇄하면서 AC 컴포넌트를 증폭하기 위한 바이오 인피던스 계측용 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
실시예의 바이오 인피던스 계측용 시스템은 인체에 전류를 공급하는 전류 공급부와, 상기 인체로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 ROIC를 포함할 수 있다.
상기 전류 공급부는 수도 사인파를 생성하는 수도 사인파 제너레이터를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 인체로부터 나온 적어도 하나 이상의 신호를 혼합하는 제1 주파수 혼합기와, 상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호를 증폭시키는 제1 증폭기와, 상기 제1 증폭기로부터 출력된 신호 중 DC 신호를 적분하고, 상기 DC 신호가 적분된 신호를 상기 제1 증폭기로 제공하는 적분기와, 상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호와 상기 적분기로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 신호의 I/Q 신호를 추출하는 신호 검출부를 포함할 수 있다.
상기 신호 검출부는 상기 제1 증폭기로부터 출력된 I 신호를 증폭시키는 제2 증폭기와, 상기 제1 증폭기로부터 출력된 Q 신호를 증폭시키는 제3 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 신호 검출부는 상기 제2 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제1 로우패스필터와, 상기 제3 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제2 로우패스필터를 포함할수 있다.
상기 신호 검출부는 상기 제1 로우패스필터 및 제2 로우패스필터로부터 출력된 신호를 다중화시키는 MUX와, 상기 MUX로부터 출력된 신호를 변환시키는 ADC를 포함할 수 있다.
상기 IQ 신호는 IQ 복조 기법에 의해 추출할 수 있다.
실시예는 전력 효율을 향상시킬 수 있으며, 동시에 DC 임피던스 신호와 AC 임피던스 두 종류의 신호를 모두 이용할 수 있는 효율적인 시스템을 구현한 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템의 전류 공급부를 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2의 A에서의 전류를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2의 VIN을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템의 ROIC를 나타낸 블록도이다.
도 6은 도 5의 VIN을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5의 VTC,OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 5의 Vint,IN Stage를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 5의 Vint,OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 5의 VBase, OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 6의 VIQ,OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템을 이용한 호흡 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템의 전류 공급부를 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 2의 A에서의 전류를 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 2의 VIN을 나타낸 그래프이고, 도 5는 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템의 ROIC를 나타낸 블록도이고, 도 6은 도 5의 VIN을 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 5의 VTC,OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 5의 Vint,IN Stage를 나타낸 그래프이고, 도 9는 도 5의 Vint,OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 5의 VBase, OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 11은 도 6의 VIQ,OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 12는 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템을 이용한 호흡 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 바이오 인피던스 계측용 시스템은 전류 공급부(Current Stimulator, 200)와 ROIC(Readout IC, 300)를 포함할 수 있다.
전류 공급부(200)는 인체(100)에 전류를 공급할 수 있다. 여기서, 전류는 AC 전류일 수 있다. 전류 공급부(200)는 수도 사인파(pseudo-sine)를 생성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전류 공급부(200)는 수도 사인파 제너레이터(Pseudo Sine Current GEN, 210), Pseudo Logic(220), Band Gap I Ref(230), CLK GEN(240)를 더 포함할 수 있다.
전류 공급부(200)는 수도 사인파를 생성하여 고조파 성분을 줄일 수 있다. 전류 공급부(200)로부터 생성된 전류는 도 3과 같다(A 영역). 인체(100)를 통과한 전압은 도 4에 도시된 바와 같이, fimp와 AC 임피던스 신호를 포함할 수 있다. 즉, 전류 공급부(200)는 AC 전류를 인체(100)에 가하고, 인체(100)는 인체(100)의 저항에 따라 비례하여 나온 전압 값을 출력하게 된다.
전류 공급부(200)는 전류 스텝을 16단계로 나누고, 출력 저항도 4단계로 조정할 수 있다.
도 1로 돌아가서, ROIC(300)는 인체(100)로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력할 수 있다.
전류 공급부(200)에서 인가된 전류 신호는 인체(100) 임피던스를 거쳐 전압 신호가 되고, 전압 신호는 ROIC(300)로 인가된다. 이 전압 신호에는 큰 DC 임피던스에 의한 큰 DC 전압, 그리고 호흡과 같은 작은 AC 저항에 의한 작은 AC 전압 신호가 있다. 작은 AC 전압 신호만을 뽑아내어 큰 이득으로 증폭하기 위해서는 DC 저항이 상쇄되어야 한다. 이를 위해 DOIC(300)는 DC 값을 추출하기 위해 제1 증폭기단의 출력을 믹서를 거쳐 적분기에 인가하고, 적분기에서 DC 신호를 적분한 후, 출력을 제1 증폭기 단에 피드백하게 된다. 이를 통해 DC 값을 상쇄시켜 AC 임피던스 값 만을 추출하여 큰 이득으로 증폭할 수 있게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, ROIC(300)는 제1 주파수 혼합기(310)와, 제1 증폭기(311)와, 제2 주파수 혼합기(312)와, 제1 적분기(313)와, 제3 주파수 혼합기(314)와, 신호 검출부(320)를 포함할 수 있다. 신호 검출부(320)는 제2 증폭기(321)와, 제3 증폭기(322)와, 제4 주파수 혼합기(323)와, 제5 주파수 혼합기(324)와, 제1 로우패스필터(325)와, 제2 로우패스필터(326)와, MUX(327)와, ADC(328)를 포함할 수 있다.
제1 주파수 혼합기(310)의 일단은 인체(100)로부터 신호를 수신받을 수 있다. 제1 주파수 혼합기(310)의 타단은 제1 증폭기(311)의 일단과 연결될 수 있다. 제1 증폭기(311)의 타단은 제2 증폭기(321) 및 제3 증폭기(322)의 일단과 연결될 수 있다. 제2 주파수 혼합기(312)의 일단은 제1 증폭기(311)와 제2 증폭기(321) 사이, 제1 증폭기(311)와 제3 증폭기(322) 사이에서 분기되어 연결될 수 있다. 제2 주파수 혼합기(312)의 타단에는 적분기(313)의 일단이 연결되며, 적분기(313)의 타단은 제3 주파수 혼합기(314)의 일단이 연결될 수 있다. 제3 주파수 혼합기(314)의 타단은 제1 증폭기(311)와 연결될 수 있다.
제2 증폭기(321)와 타단은 제4 주파수 혼합기(323)의 일단이 연결되며, 제4 주파수 혼합기(323)의 타단은 제1 로우패스필터(325)의 일단과 연결될 수 있다. 제1 로우패스필터(325)의 타단은 MUX(327)의 일단이 연결될 수 있다.
제3 증폭기(322)의 타단은 제5 주파수 혼합기(324)의 일단이 연결되며, 제5 주파수 혼합기(324)의 타단은 제2 로우패스필터(326)의 일단과 연결될 수 있다. 제2 로우패스필터(326)의 타단은 MUX(327)의 일단이 연결될 수 있다.
MUX(327)의 타단에는 ADC(328)가 연결될 수 있다.
제1 주파수 혼합기(310)는 인체(100)로부터 측정된 전압 신호를 수집할 수 있다. 예컨대, 인체(100)로부터 나온 2개의 신호를 혼합할 수 있다. 여기서, 인체(100)로부터 나온 신호의 개수는 이에 한정되지 않는다. 따라서, 제1 주파수 혼합기(310)는 하나 이상의 신호를 혼합할 수 있다. 제1 주파수 혼합기(310)로 입력된 신호는 도 6과 같다.
제1 증폭기(311)는 제1 주파수 혼합기(310)로부터 출력된 신호를 증폭시킬 수 있다. 제1 증폭기(311)에서 출력되는 신호는 도 7과 같다, 도 7에 도시된 바와 같이, fimp를 fchop으로 다운 변환시켰으며, fchop은 삭제될 신호이다. fchop은 DC 신호일 수 있다.
이에 따라, 적분기(313)가 제2 주파수 혼합기(312)를 거쳐 제1 증폭기(311)의 타단에 연결될 수 있다. 제2 주파수 혼합기(312)를 거친 출력 신호는 도 8과 같다.
적분기(313)는 제2 주파수 혼합기(312)에서 출력된 신호 중 DC 신호를 적분할 수 있다. 적분기(313)는 DC 신호를 필터링할 수 있다. 적분기(313)에서 출력된 신호는 도 9와 같다.
적분기(313)에서 출력된 신호는 제3 주파수 혼합기(314)로 입력되어 혼합되고, 혼합된 신호는 도 10의 신호를 가지게 되며, 이는 제1 증폭기(311)로 입력된다.
신호 검출부(320)는 제1 증폭기(311)로부터 출력되는 신호의 I/Q 신호를 추출하게 된다. I/Q 신호는 I/Q 복조 기법에 의해 추출될 수 있다. 제2 증폭기(321)는 VI 신호를 증폭시키고 제4 주파수 혼합기(323)에 의해 신호를 혼합할 수 있다. 제4 주파수 혼합기(323)로부터 출력되는 신호는 제1 로우패스필터(325)로 입력되어 필터링될 수 있다.
제3 증폭기(322)는 VQ 신호를 증폭시키고 제5 주파수 혼합기(324)에 의해 신호를 혼합할 수 있다. 제5 주파수 혼합기(324)로부터 출력되는 신호는 제2 로우패스필터(326)로 입력되어 필터링될 수 있다. 여기서, 제4 주파수 혼합기(323)와 제5 주파수 혼합기(324)로부터 출력되는 신호는 도 11과 같다.
제1 로우패스필터(325) 및 제2 로우패스필터(326)로부터 출력된 신호는 MUX(327)에 입력되어 다중화되고, ADC(328)는 MUX(327)로부터 출력되는 신호를 변환시켜 출력할 수 있게 된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 시스템은, AC 전압을 종래에 비해 큰 이득으로 증폭시켜 출력함으로써, 보다 효과적으로 호흡을 측정할 수 있음을 알 수 있다.
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시예의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
100: 인체
300: ROIC

Claims (7)

  1. 인체에 전류를 공급하는 전류 공급부; 및
    상기 인체로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 ROIC
    를 포함하는 바이오 인피던스 계측용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 공급부는 수도 사인파를 생성하는 수도 사인파 제너레이터를 포함하는 바이오 인피던스 계측용 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ROIC는
    상기 인체로부터 나온 적어도 하나 이상의 신호를 혼합하는 제1 주파수 혼합기;
    상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호를 증폭시키는 제1 증폭기;
    상기 제1 증폭기로부터 출력된 신호 중 DC 신호를 적분하고, 상기 DC 신호가 적분된 신호를 상기 제1 증폭기로 제공하는 적분기;
    상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호와 상기 적분기로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 신호의 I/Q 신호를 추출하는 신호 검출부를 포함하는 바이오 인피던스 계측용 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 검출부는
    상기 제1 증폭기로부터 출력된 I 신호를 증폭시키는 제2 증폭기; 및
    상기 제1 증폭기로부터 출력된 Q 신호를 증폭시키는 제3 증폭기를 포함하는 바이오 인피던스 계측용 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 검출부는
    상기 제2 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제1 로우패스필터; 및
    상기 제3 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제2 로우패스필터를 포함하는 바이오 인피던스 계측용 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호 검출부는
    상기 제1 로우패스필터 및 제2 로우패스필터로부터 출력된 신호를 다중화시키는 MUX;
    상기 MUX로부터 출력된 신호를 변환시키는 ADC를 포함하는 바이오 인피던스 계측용 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 I/Q 신호는 I/Q 복조 기법에 의해 추출하는 바이오 인피던스 계측용 시스템.
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