KR102508415B1 - 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법 - Google Patents

바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102508415B1
KR102508415B1 KR1020200147881A KR20200147881A KR102508415B1 KR 102508415 B1 KR102508415 B1 KR 102508415B1 KR 1020200147881 A KR1020200147881 A KR 1020200147881A KR 20200147881 A KR20200147881 A KR 20200147881A KR 102508415 B1 KR102508415 B1 KR 102508415B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
signal
human body
impedance
frequency mixer
roic
Prior art date
Application number
KR1020200147881A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220061655A (ko
Inventor
김재준
박찬샘
이광묵
김현중
Original Assignee
울산과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 울산과학기술원 filed Critical 울산과학기술원
Priority to KR1020200147881A priority Critical patent/KR102508415B1/ko
Priority to PCT/KR2021/095094 priority patent/WO2022098219A1/ko
Publication of KR20220061655A publication Critical patent/KR20220061655A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102508415B1 publication Critical patent/KR102508415B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves 
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7225—Details of analog processing, e.g. isolation amplifier, gain or sensitivity adjustment, filtering, baseline or drift compensation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235—Details of waveform analysis
    • A61B5/7242—Details of waveform analysis using integration
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7235—Details of waveform analysis
    • A61B5/725—Details of waveform analysis using specific filters therefor, e.g. Kalman or adaptive filters

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)

Abstract

실시예의 바이오 임피던스 계측용 시스템은 인체에 전류를 공급하는 전류 공급부와, 상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호 중 DC 신호를 제거하여 AC 신호를 추출하는 ROIC를 포함할 수 있다.
실시예는 DC 신호를 효과적으로 제거함으로써, AC 신호만을 큰 게인으로 증폭할 수 있는 효과가 있다.

Description

바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR BIO-IMPEDANCE INSTRUMENTATION}
실시예는 인체의 임피던스 변화를 측정하는 바이오 임피던스 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.
등록특허공보 제10-2426924호 (2022년07월29일 등록공고) 등록특허공보 제10-2420009호 (2022년07월12일 등록공고)
상술한 문제점을 해결하기 위해, 실시예는 DC 신호는 제거하면서 AC 신호를 효과적으로 검출 및 증폭하기 위한 바이오 임피던스 계측용 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
실시예의 바이오 임피던스 계측용 시스템은 인체에 전류를 공급하는 전류 공급부와, 상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호 중 DC 신호를 제거하여 AC 신호를 추출하는 ROIC를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호를 혼합하는 제1 주파수 혼합기를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 제1 주파수 혼합기로부터 혼합된 신호 중 DC 신호를 적분하는 적분기를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호와 동일한 위상의 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 적분기로부터 출력된 신호와 상기 신호 생성부로부터 출력된 신호를 혼합하는 제2 주파수 혼합기를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 제2 주파수 혼합기로부터 출력된 신호와 상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호를 이용하여 DC 신호를 제거하는 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 증폭기로부터 출력된 신호의 저역을 통과시키는 로우패스필터를 포함할 수 있다.
상기 전류 공급부는 수도 사인파를 생성하는 수도 사인파 제너레이터를 포함할 수 있다.
실시예는 DC 신호를 효과적으로 제거함으로써, AC 신호만을 큰 게인으로 증폭할 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 ROIC에 입력된 신호와 동기화된 신호를 생성하여 이를 제2 주파수 혼합기에 입력함으로써, 위상에 의한 오프셋값을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 실시예는 AC 임피던스 값을 높은 해상도로 검출이 가능한 효과가 있다.
또한, 실시예는 위상 성분을 동기화시킴으로써, TI 증폭기 하나만을 이용하게 되어 전력 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 전류 공급부를 나타낸 블록도이다.
도 3은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 ROIC를 나타낸 블록도이다.
도 4 내지 도 9는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 흐르는 신호를 나타낸 그래프이다.
도 10은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 정상 상태의 신호를 나타낸 그래프이다.
도 11은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 비정상 상태의 신호를 나타낸 그래프이다.
이하, 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 전류 공급부를 나타낸 블록도이고, 도 3은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 ROIC를 나타낸 블록도이고, 도 4 내지 도 9는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 흐르는 신호를 나타낸 그래프이고, 도 10은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 정상 상태의 신호를 나타낸 그래프이고, 도 11은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 비정상 상태의 신호를 나타낸 그래프이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 바이오 임피던스 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)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 신호, 그리고 호흡과 같은 작은 AC 저항에 의한 작은 AC 전압 신호가 있다. 작은 AC 전압 신호만을 뽑아내어 큰 이득으로 증폭하기 위해서는 DC 성분을 상쇄 또는 제거할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, ROIC(300)는 제1 주파수 혼합기(310, Mixer)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 주파수 혼합기(310)에 입력되는 신호는 도 4와 같다. 도 4의 신호는 인체의 호흡 신호인 AC 신호(VAC)와 체지방 신호인 DC 신호(VDC)가 합쳐진 신호를 보여주고 있다. 이러한 신호는 전류 공급부(200)에서의 신호가 변조(Modulation)되어 나타날 수 있다.
제1 주파수 혼합기(310)는 AC 신호(VAC)와 DC 신호(VDC)를 혼합할 수 있으며, 이로 인해 fimp-fchop 신호가 생성될 수 있다. 제1 주파수 혼합기(310)로부터 혼합된 신호는 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
도 5의 신호에서 증폭기(예를 들어, 연산 증폭기)의 동작 범위를 극대화시키기 위해서는 DC 신호(VDC)를 제거해야 한다. 이를 위해 실시예에 따른 제2 주파수 혼합기(330, Mixed-BCS, Baseline Cancellation Scheme)가 마련될 수 있다.
제1 주파수 혼합기(310)를 통해 출력된 신호는 적분기(320)에 입력되고, 적분기(320)는 DC 신호를 적분하게 된다. 적분기(320)를 통과한 출력 신호는 도 6과 같다. 적분기(320)를 통과한 신호는 제2 주파수 혼합기(330)에 입력될 수 있다.
제2 주파수 혼합기(330)에는 적분기(320)를 통과한 신호를 DC 신호(VDC)로 변조(Modulation)하기 위해 fchop의 주파수를 가지는 신호를 생성할 수 있다. fchop의 주파수를 가지는 신호는 신호 생성부(340)에서 생성할 수 있으며, fchop의 주파수를 가지는 신호는 인체(10)로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호와 동일한 위상을 가지는 신호일 수 있다.
제2 주파수 혼합기(330)는 적분기(320)를 통과한 신호와 인체(100)로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호와 동일한 위상을 가지는 신호를 혼합할 수 있다. 제2 주파수 혼합기(330)에서 혼합된 신호는 도 7과 같다.
제2 주파수 혼합기(330)에서 출력된 신호는 TC 증폭기(360)에 입력될 수 있다. TC 증폭기(360)는 제1 주파수 혼합기(310)에서 출력된 신호와 제2 주파수 혼합기(330)에서 출력된 신호를 연산하여 DC 신호를 제거할 수 있다. DC 신호가 제거된 신호는 도 8과 같다. 도 8의 신호는 도 5의 신호 파형에서 나타나던 DC 신호(VDC)를 완벽하게 제거함을 알 수 있다. 이에 증폭기의 동작 범위를 크도록 제어할 수 있다.
TC 증폭기(360)로부터 출력된 신호는 TI 증폭기(370)로 입력되어 변조되고, 로우패스필터(380)를 통해 필터링되어 도 9의 신호를 생성할 수 있게 된다. 도 9에서와 같이, 최종적으로 VLPF, OUT/After 신호를 출력함을 알 수 있다.
일반적으로 인체 임피던스는 캡(CAP) 성부을 가지고 있기 때문에 전류 공급부(200)의 입력 전류 위상과 차이가 발생될 수 있다. 또한, 인체(100)의 전극 부착 부위에 따라 그 위상차가 발생될 수 있다.
예컨대, DC 신호(Vchop)의 위상이 입력 신호(VIN)와 싱크되어 있다면 도 10에 도시된 바와 같이, VI,OUT Stage 신호의 검은 실선 파형을 적분기(320)를 통해 적분하면 VDC 성분만이 적분되어 VDC 성분을 제거할 수 있다.
하지만, DC 신호(Vchop)의 위상이 VIN과 싱크되어 있지 않다면, 도 11에 도시된 바와 같이, VI,OUT Stage 신호의 검은 실선 파형을 적분기(320)를 통해 적분하면 VDC 가 0V가 될 수 있다. 따라서, 제2 주파수 혼합기(330)가 동작하지 않게 된다.
도 10 및 도 11의 신호 모두 로우패스필터(380)의 출력단에서 VDC가 제거되지만, TC/ TI 증폭기의 제2 주파수 혼합기(330)가 켜져 있는 쪽이 크기 때문에 도 10의 동작 형태에 효과적인 것을 알 수 있다.
따라서, 실시예는 신호 생성부(340)를 마련함으로써, 제2 주파수 혼합기(330)의 동작 선형성(Linearity)을 최대한 보장할 수 있게 된다.
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
200: 전류 공급부
300: ROIC
310: 제1 주파수 혼합기
330: 제2 주파수 혼합기
340: 신호 생성부

Claims (9)

  1. 인체에 전류를 공급하는 전류 공급부; 및
    상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호 중 DC 신호를 제거하여 AC 신호를 추출하는 ROIC(Readout IC)
    를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 ROIC는
    상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호를 혼합하는 제1 주파수 혼합기를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 ROIC는 상기 제1 주파수 혼합기로부터 혼합된 신호 중 DC 신호를 적분하는 적분기를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 ROIC는 상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호와 동일한 위상의 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 ROIC는 상기 적분기로부터 출력된 신호와 상기 신호 생성부로부터 출력된 신호를 혼합하는 제2 주파수 혼합기를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 ROIC는 상기 제2 주파수 혼합기로부터 출력된 신호와 상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호를 이용하여 DC 신호를 제거하는 증폭기를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 ROIC는 상기 증폭기로부터 출력된 신호의 저역을 통과시키는 로우패스필터를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전류 공급부는 수도 사인파를 생성하는 수도 사인파 제너레이터를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  9. 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 수행되는 바이오 임피던스 계측 방법에 있어서,
    인체에 전류를 공급하는 단계; 및
    상기 인체로부터 출력된 DC 신호 및 AC 신호 중 DC 신호를 제거하여 AC 신호를 추출하는 단계
    를 포함하는 바이오 임피던스 계측 방법.
KR1020200147881A 2020-11-06 2020-11-06 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법 KR102508415B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200147881A KR102508415B1 (ko) 2020-11-06 2020-11-06 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법
PCT/KR2021/095094 WO2022098219A1 (ko) 2020-11-06 2021-11-05 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200147881A KR102508415B1 (ko) 2020-11-06 2020-11-06 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220061655A KR20220061655A (ko) 2022-05-13
KR102508415B1 true KR102508415B1 (ko) 2023-03-09

Family

ID=81458183

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200147881A KR102508415B1 (ko) 2020-11-06 2020-11-06 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR102508415B1 (ko)
WO (1) WO2022098219A1 (ko)

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100868071B1 (ko) * 2006-09-27 2008-11-10 연세대학교 산학협력단 차동 전극 임피던스의 상대적인 측정을 이용한 전극의 접촉모니터링 방법
US20110251817A1 (en) * 2010-04-12 2011-10-13 Reproductive Research Technologies, Llp Method and apparatus to determine impedance variations in a skin/electrode interface
KR101569362B1 (ko) * 2014-12-26 2015-11-16 (주)와이브레인 뇌파 측정 및 두뇌 자극 시스템
KR102420009B1 (ko) 2015-04-08 2022-07-12 삼성전자주식회사 생체 정보 측정 장치
KR20200078955A (ko) * 2018-12-24 2020-07-02 삼성전자주식회사 생체 임피던스 값의 오차를 보정하도록 구성된 전자 장치
KR102426924B1 (ko) 2019-03-15 2022-07-29 (주)녹십자웰빙 생체 임피던스 측정장치를 이용한 건강 관리시스템 및 건강 관리 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
박찬샘 외,DC servo loop 기반 기저 저항 상쇄 바이오 임피던스 계측용 시스템. 대한전자공학회 학술대회,2019,pp.509-510*

Also Published As

Publication number Publication date
WO2022098219A1 (ko) 2022-05-12
KR20220061655A (ko) 2022-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11946987B2 (en) Hall electromotive force signal detection circuit having a difference calculation circuit and current sensor thereof
US8914099B2 (en) Biomedical acquisition system with motion artifact reduction
JP5474707B2 (ja) 電圧検出装置用の検出回路および電圧検出装置
US9529029B2 (en) Robust capacitive measurement system
US20110190641A1 (en) Biological information measurement apparatus
US20130141121A1 (en) "Robust Capacitive Measurement System",
JP2012157463A (ja) 生体インピーダンス測定装置
Neshatvar et al. A non-linear feedback current driver with automatic phase compensation for bioimpedance applications
KR102508415B1 (ko) 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 방법
Kim et al. A 24 μW 38.51 mΩ rms resolution bio-impedance sensor with dual path instrumentation amplifier
Kiely Understanding and eliminating 1/f noise
KR20160023270A (ko) 생체신호 계측을 위한 오프셋 제거 장치
KR102379568B1 (ko) 바이오 인피던스 계측용 시스템
JP2010261722A (ja) 電圧検出装置および線間電圧検出装置
JP2004180490A (ja) 系統連系インバータ装置の直流分検知回路及び検知システム
JP2011043491A (ja) 電圧検出装置および線間電圧検出装置
KR880014746A (ko) 온도 안정화 rf 검출기
JP2007232604A (ja) 電流電圧変換器およびインピーダンス測定装置
US10542900B2 (en) Device and method for detecting electric potentials
Xu et al. 24.7 A 60nV/√ Hz 15-channel digital active electrode system for portable biopotential signal acquisition
Spinelli et al. A dual-mode conditioning circuit for differential analog-to-digital converters
JPS61109469A (ja) インバ−タ回路の電流検出装置
EP3423842B1 (en) Electric quantity measuring device comprising an analog-digital converter
KR950004635B1 (ko) 위상 제어 회로
Walker Sub-microdegree phase measurement technique using lock-in amplifiers

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant