KR102402752B1 - 50/60Hz 잡음 억제용 무선 능동 전극 및 이에 기반한 심전도 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 50/60Hz 잡음 억제용 무선 능동 전극 및 이에 기반한 심전도 측정 장치에 관한 것으로,
본 발명의 무선 능동 전극은 피검자 신체에 접촉되는 전극; 상기 전극에 연결된 입력단을 구비하며, 상기 입력단에 인가된 입력 전압을 증폭하여 출력 전압을 생성 및 출력하는 증폭기; 상기 출력 전압을 아날로그-디지털 변환한 후 무선 전송하는 신호 출력부; 50/60Hz 잡음에 상응하는 전류를 생성하여 증폭기 입력단에 인가하되, 상기 출력 전압과 상기 전류를 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 반복 분석하면서 상기 50/60Hz 잡음을 최소화시키는 전류값을 산출 및 설정하는 잡음 제거 회로를 포함할 수 있다.

Description

50/60Hz 잡음 억제용 무선 능동 전극 및 이에 기반한 심전도 측정 장치{Apparatus for amplifying ECG based on two-electrode}

본 발명은 전류 모드로 동작하는 50/60Hz 잡음 회로를 제안하고, 이를 이용하여 50/60Hz 잡음 억제용 무선 능동 전극 및 이에 기반한 심전도 측정 장치

억제용 무선 능동 전극 외부 잡음큰 동상 입력 전압 범위와 큰 동상 잡음 제거율 동시에 만족시킬 수 있도록 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치에 관한 것이다.

최근 모바일 헬스케어 용으로 시계 등의 다양한 제품이 출시되고 있으나, 유독 심전도 신호를 측정하는 센서만이 도 1에서와 같이 심장 근처에 붙이는 패치, 그리고 양손으로 잡아야 심전도를 측정할 수 있는 증폭기 등의 특정한 형태로 제한되어 있다.

이는 심장을 기준으로 몸의 양쪽에 각각 전극을 갖다 대야 한다는 심전도 신호의 고유한 특성 때문인데, 이는 사용자 입장에서 심전도 신호를 측정하는 것을 보다 불편하게 만든다.

이에 무선 능동 전극을 사용한 심전도 측정 장치에 대한 개발 필요성이 대두되었으나, 무선 능동 전극을 사용한 심전도 센서를 제작하기 위해서는 도 2에서와 같은 문제가 먼저 해결해야 한다.

첫째, 도 2의 (a)와 같이, 센서의 입력 단에 바로 몸을 연결하게 되면 큰 50/60Hz 잡음에 의해 증폭기의 입력단이 포화(Saturation)되어, 센서가 제대로 동작하지 않게 된다.

둘째, 도 2의 (b)와 같이, 접지 전극으로 50/60Hz 잡음의 크기를 줄여 주더라도 여전히 심전도 신호의 크기(~1mV)보다 50/60Hz 잡음의 크기(수십~수백mV)가 훨씬 크기 때문에 증폭기로 심전도 신호를 증폭하고자 하는 경우, 증폭기 뒷단에 연결되는 ADC(Analog Digital Converter)의 동적 범위가 매우 커져야 하는 문제가 있다.

정전 용량성 결합 전극을 이용한 웨어러블 심전도 측정 시스템 설계에 관한 연구(ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 63, No. 10, pp. 1448∼1454, 2014)

본 발명은 전류 모드로 동작하는 50/60Hz 제거 루프를 제안하고, 이용하여 한다. 또한, 이 루프를 이용해 무선 능동 전극으로 연결된 심전도 센서 시스템을 제안하였으며, 이를 이용한 모바일 헬스케어용 10 전극 심전도 측정 시스템을 제안하였다.

매우 큰 동상 입력 전압 범위와 큰 동상 잡음 제거율 동시에 만족시킴으로써, 2개의 전극만을 이용하여 보다 안정적으로 심전도를 측정할 수 있도록 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 피검자 신체에 접촉되는 전극; 상기 전극에 연결된 입력단을 구비하며, 상기 입력단에 인가된 입력 전압을 증폭하여 출력 전압을 생성 및 출력하는 증폭기; 상기 출력 전압을 아날로그-디지털 변환한 후 무선 전송하는 신호 출력부; 50/60Hz 잡음에 상응하는 전류를 생성하여 증폭기 입력단에 인가하되, 상기 출력 전압과 상기 전류를 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 반복 분석하면서 상기 50/60Hz 잡음을 최소화시키는 전류값을 산출 및 설정하는 잡음 제거 회로를 포함하는 무선 능동 전극을 제공한다.

상기 잡음 제거 회로는 50/60Hz 잡음에 상응하는 변위 전류를 생성 및 출력하는 금속판; 상기 금속판에 생성되는 변위 전류를 복사하여 증폭기 입력단에 인가하는 전류원; 및 상기 증폭기의 출력과 상기 전류원의 출력을 LMS 알고리즘에 따라 반복 분석하고 상기 전류원의 전류 이득을 반복 제어하는 적응적 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 금속판은 피검자 신체에 미접촉되는 것을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 피검자 신체에 접촉되는 다수의 무선 능동 전극; 상기 무선 능동 전극 각각으로부터 무선 전송되는 다수의 신호에 상응하는 심전도 신호를 획득 및 출력하는 제어 회로를 포함하며, 상기 무선 능동 전극 각각은 전극; 상기 전극에 연결된 입력단을 구비하며, 상기 입력단에 인가된 입력 전압을 증폭하여 출력 전압을 생성 및 출력하는 증폭기; 상기 출력 전압을 아날로그-디지털 변환한 후 무선 전송하는 신호 출력부; 및 50/60Hz 잡음에 상응하는 전류를 생성하여 증폭기 입력단에 인가하되, 상기 출력 전압과 상기 전류를 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 반복 분석하면서 상기 50/60Hz 잡음을 최소화시키는 전류값을 산출 및 설정하는 잡음 제거 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 능동 전극에 기반한 심전도 측정 장치를 제공한다.

상기 잡음 제거 회로는 50/60Hz 잡음에 상응하는 변위 전류를 생성 및 출력하는 금속판; 상기 금속판에 생성되는 변위 전류를 복사하여 증폭기 입력단에 인가하는 전류원; 및 상기 증폭기의 출력과 상기 전류원의 출력을 LMS 알고리즘에 따라 반복 분석하고 상기 전류원의 전류 이득을 반복 제어하는 적응적 필터를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 증폭부 입력 양단에 연결되는 전하 펌프 회로를 통해 동상 모드 스윙폭을 제한하도록 함으로써, 매우 큰 동상 입력 전압 범위를 보장할 수 있도록 한다.

또한 전하 펌프 회로의 두 개 캐패시터 각각에 보조 캐패시터 쌍을 추가 연결한 후, 보조 캐패시터 쌍을 통해 전하 펌프에 의해 생성되는 모드 전환 잡음이 모두 상쇄될 수 있도록 함으로써, 큰 동상 잡음 제거율도 함께 보장할 수 있도록 한다.

그 결과, 바이어스 전극 없이 2개의 전극만을 사용하면서도 보다 안정적으로 심전도를 측정할 수 있도록 한다.

도 1는 종래의 심전도 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 무선 능동 전극 적용에 따른 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 능동 전극에 기반한 심전도 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 능동 전극의 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 필터의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 능동 전극에 기반한 심전도 측정 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참고하면, 본 발명의 심전도 측정 장치는 다수의 무선 능동 전극(100)과, 제어 회로(200)를 포함하여 구성된다.

다수의 무선 능동 전극(100)는 피검자 신체에 접촉되어, 사용자 심전도에 상응하는 전기적 신호를 발생하여 무선 전송하도록 한다.

특히, 본 발명의 무선 능동 전극(100)는 50/60Hz 잡음을 전류 제어 방식으로 제거할 수 있는 잡음 제거 회로를 내장함으로써, 50/60Hz 잡음에 의해 증폭기 입력단이 포화(Saturation)되거나, 증폭기 뒷단에 연결되는 ADC의 동적 범위가 증가되어야 하는 문제의 발생을 사전 차단하도록 한다.

제어 회로(200)는 기존의 계측 증폭기(210)와 ADC(Analog Digital Converter, 220) 이외에 무선 능동 전극(100) 각각에 대응되는 다수의 무선 통신 모듈(230)을 추가 구비하여, 다수의 무선 통신 모듈(230)을 통해 다수의 무선 능동 전극(100) 각각으로부터 무선 전송되는 다수의 신호를 수신한 후, 이들 신호의 전위차를 증폭 및 디지털 변환하여 심전도 신호를 획득 및 출력한다.

즉, 본 발명의 심전도 측정 장치는 무선 방식으로 심전도를 측정할 수 있도록 하되, 잡음 제거 회로를 추가 구비하여 50/60Hz 잡음에 의한 영향을 최소화할 수 있도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 능동 전극의 상세 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참고하면, 본 발명의 무선 능동 전극(100)은 전극(110), 증폭기(120), 신호 출력부(130), 및 잡음 제거 회로(140)를 포함하여 구성된다.

전극(110)은 피검자 신체에 접촉되는 정전 용량성 결합 전극으로 구현될 수 있다. 정전 용량성 결합이란 캐패시터의 성질중 하나로, 두 전도성 표면 사이에 어떠한 공기를 포함한 어떠한 유전체라도 갖게 되면 캐패시터로 모델링이 가능하다. 이때 유전체를 사이에 두고 직접적으로 접촉하지 않은 두 전도성 표면에서 변위 전류(displacement current)에 의하여 신호가 전달되는 현상 즉, 독립된 두 공간에서 전자기학적으로 교류 신호가 상호 전달되는 현상을 정전 용량성 결합이라 한다.

이에 본 발명은 피부에서의 생체신호가 정전 용량성 결합 전극으로 결합되는 현상을 이용하여 증폭부 출력을 측정한다.

증폭기(120)는 전극(110)이 연결된 입력단을 구비하고, 입력단에 인가된 입력 전압을 증폭하여 출력 전압을 생성 및 출력한다.

신호 출력부(130)은 ADC(131) 및 무선 통신 모듈(132) 등을 포함하고, 이들을 통해 출력 전압을 아날로그-디지털 변환한 후, 제어 회로(200)에 무선 전송한다.

잡음 제거 회로(140)는 금속판(141), 전류원(142), 및 적응적 필터(143) 등을 구비하고, 이들을 통해 50/60Hz 잡음에 상응하는 전류를 생성하여 증폭기 입력단에 인가하되, 증폭기(120)의 출력 전압과 입력단 인가 전류를 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 반복 분석하면서 50/60Hz 잡음을 최소화시키는 전류값을 산출 및 설정하도록 한다.

보다 구체적으로, 금속판(141)은 피검자 신체 미접촉 상태에서, 외부 환경에 의해 발생되는 50/60Hz 잡음을 변위 전류 형태로 받아들인다. 이때의 금속판(141)은 전극과 동일한 형태로 구현될 수 있으나, 50/60Hz 잡음에 상응하는 변위 전류를 발생시킬 수 있는 범위 내에서 그 구현 형태가 다양하게 변화 가능하다.

전류원(142)는 금속판(141)를 통해 인가되는 변위 전류를 복사하여 전극(110)이 연결된 증폭기 입력단에 인가하도록 한다.

적응적 필터(143)는 도 5와 같이 증폭기(120)의 출력 전압과 전류원(142)의 출력 전류를 LMS 알고리즘에 따라 필터 출력(W)을 생성하고, 필터 출력(W)에 따라 전류원(142)의 전류 이득을 제어하는 동작을 반복적으로 수행하고, 그 결과 전류원(142)이 50/60Hz 잡음을 최소화시키는 전류를 생성 및 출력하도록 한다.

이와 같이, 본 발명은 50/60Hz 잡음에 상응하는 전류를 인위적으로 생성 및 제공하고, 증폭기의 출력을 모니터링하여 전류 인가값을 조정함으로써, 증폭기가 50/60Hz 잡음에 의한 영향이 최소화된 출력을 생성 및 출력할 수 있도록 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (5)

1. 피검자 신체에 접촉되는 전극;
   상기 전극에 연결된 입력단을 구비하며, 상기 입력단에 인가된 입력 전압을 증폭하여 출력 전압을 생성 및 출력하는 증폭기;
   상기 출력 전압을 아날로그-디지털 변환한 후 무선 전송하는 신호 출력부;
   50/60Hz 잡음에 상응하는 전류를 생성하여 증폭기 입력단에 인가하되, 상기 출력 전압과 상기 전류를 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 반복 분석하면서 상기 50/60Hz 잡음을 최소화시키는 전류값을 산출 및 설정하는 잡음 제거 회로를 포함하고,
   상기 잡음 제거 회로는,
   50/60Hz 잡음에 상응하는 변위 전류를 생성 및 출력하며, 피검자 신체 미접촉 상태인 금속판;
   상기 금속판에 생성되는 변위 전류를 복사하여 증폭기 입력단에 인가하는 전류원; 및
   상기 증폭기의 출력과 상기 전류원의 출력을 LMS 알고리즘에 따라 반복 분석하고 상기 전류원의 전류 이득을 반복 제어하는 적응적 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 능동 전극.
2. 삭제
3. 삭제
4. 피검자 신체에 접촉되는 다수의 무선 능동 전극;
   상기 무선 능동 전극 각각으로부터 무선 전송되는 다수의 신호에 상응하는 심전도 신호를 획득 및 출력하는 제어 회로를 포함하며,
   상기 무선 능동 전극 각각은
   전극;
   상기 전극에 연결된 입력단을 구비하며, 상기 입력단에 인가된 입력 전압을 증폭하여 출력 전압을 생성 및 출력하는 증폭기;
   상기 출력 전압을 아날로그-디지털 변환한 후 무선 전송하는 신호 출력부; 및
   50/60Hz 잡음에 상응하는 전류를 생성하여 증폭기 입력단에 인가하되, 상기 출력 전압과 상기 전류를 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 반복 분석하면서 상기 50/60Hz 잡음을 최소화시키는 전류값을 산출 및 설정하는 잡음 제거 회로를 포함하며,
   상기 잡음 제거 회로는,
   50/60Hz 잡음에 상응하는 변위 전류를 생성 및 출력하며, 피검자 신체 미접촉 상태인 금속판;
   상기 금속판에 생성되는 변위 전류를 복사하여 증폭기 입력단에 인가하는 전류원; 및
   상기 증폭기의 출력과 상기 전류원의 출력을 LMS 알고리즘에 따라 반복 분석하고 상기 전류원의 전류 이득을 반복 제어하는 적응적 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 능동 전극에 기반한 심전도 측정 장치.
   
5. 삭제

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