KR102646181B1 - 광학기반 생체신호 측정 장치 - Google Patents

광학기반 생체신호 측정 장치 Download PDF

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Abstract

일 실시예에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치는, 생체에 의해 반사된 광이 포함된 광 신호를 수광하는 수광소자를 포함하는 수광부와, 상기 수광부에 의해 수광된 광 신호가 변환된 전류를 측정하여 디지털 신호로서 출력하는 광-디지털 변환 구조의 신호처리부와, 상기 신호처리부의 동작 중에 상기 수광소자의 정션 캐패시턴스에 의한 영향으로 발생할 수 있는 오차를 제거하는 오차 제거부를 포함한다.

Description

광학기반 생체신호 측정 장치{APPARATUS FOR MEASUREMENTING OPTICAL-BASED BIO-SIGNAL}
본 발명은 광학기반 생체신호(optical-based bio-signal)를 측정하는 장치에 관한 것이다.
광학기반 생체신호들의 종류로는 심박주기마다 혈관의 혈류량 변화를 측정하는 광용적맥파(photoplethysmography, PPG), 뇌 신경활동을 간접적으로 측정하는 근적외선 분광법(near infrared spectroscopy, NIRS) 등이 있다.
이러한 광학기반 생체신호를 측정하는 장치는 피부에 빛을 조사했을 때 피부로부터 반사되는 빛을 포토다이오드(photodiode)나 SiPM(silicon photomultiplier) 등과 같은 수광소자를 통해 전류로 변환하고, 이를 광-디지털 변환(light-to-digital converter, LDC) 구조의 신호처리회로를 통해 측정함으로써 얻어진다.
그런데, 포토다이오드나 SiPM 등과 같은 수광소자는 그 물리적 특성에 의해 정션 캐패시턴스(junction capacitance)를 가지며, 이는 빛이 변환된 전류를 LDC 구조의 신호처리회로를 사용하여 측정 시에 정확도를 떨어뜨리는 문제점이 있다.
일본특허공보 특공평6-101815, 공고일자 1994년 12월 12일, 촬상 장치.
일 실시예에 따르면, 광학기반 생체신호 측정 시에 광-디지털 변환을 통한 신호처리 중에 수광소자의 정션 캐패시턴스에 의한 영향을 발생할 수 있는 오차를 제거하는 광학기반 생체신호 측정 장치 및 방법을 제공한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 관점에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치는, 생체에 의해 반사된 광이 포함된 광 신호를 수광하는 수광소자를 포함하는 수광부와, 상기 수광부에 의해 수광된 광 신호가 변환된 전류를 측정하여 디지털 신호로서 출력하는 광-디지털 변환 구조의 신호처리부와, 상기 신호처리부의 동작 중에 상기 수광소자의 정션 캐패시턴스에 의한 영향으로 발생할 수 있는 오차를 제거하는 오차 제거부를 포함한다.
여기서, 상기 오차 제거부는, 상기 수광부와 상기 신호처리부 간의 접속단에 소정 전압을 인가하여 상기 오차를 제거할 수 있다.
상기 신호처리부는, 상기 접속단에 연결된 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 인가되는 입력 전류에 따라 적분 캐패시터가 충방전하는 적분기를 포함할 수 있고, 상기 오차 제거부는, 상기 스위칭 소자가 상기 적분 캐패시터를 방전시키는 스위칭 동작을 하기 직전에 상기 접속단을 상기 소정 전압으로 고정시킬 수 있다.
상기 적분기는, 하나의 입력단이 상기 스위칭 소자를 통해 상기 접속단에 연결될 수 있고, 다른 입력단에 공통전압(Vcm)이 인가될 수 있으며, 상기 소정 전압은, 공통전압(Vcm)일 수 있다.
상기 오차 제거부는, 공통전압(Vcm)을 인가받는 아날로그 버퍼와, 상기 접속단과 상기 아날로그 버퍼의 출력단 사이에 위치하여 스위칭 상태에 따라 상기 아날로그 버퍼의 출력이 상기 접속단에 인가되는 것을 단속하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 광학기반 생체신호 측정 시에 광-디지털 변환을 통한 신호처리 중에 수광소자의 정션 캐패시턴스에 의한 영향을 발생할 수 있는 오차를 제거함으로써, 광학기반 생체신호에 대한 측정 정확도가 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치의 구성을 보인 회로도이다.
도 2는 도 1에 광학기반 생체신호 측정 장치의 동작을 나타낸 신호 파형도이다.
도 3은 도 1에 나타낸 광학기반 생체신호 측정 장치를 단순화한 회로도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 광학기반 생체신호 측정 장치의 구성 중 오차 제거부를 제외한 동작을 나타낸 신호 파형도이다.
도 5는 도 3에 나타낸 광학기반 생체신호 측정 장치의 구성 중 오차 제거부를 포함한 동작을 나타낸 신호 파형도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 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.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
또한, 명세서에서 사용되는 '부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA나 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '부'들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략한다.
본 발명의 실시예에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치는 피부에 빛을 조사했을 때 피부로부터 반사되는 빛을 포토다이오드나 SiPM 등과 같은 수광소자를 통해 전류로 변환하고, 이를 광-디지털 변환 구조의 신호처리를 통해 측정한다. 이하에서는 수광소자로서 포토다이오드를 이용한 실시예에 대해 설명하겠으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 포토다이오드나 SiPM 등과 같이 정션 캐패시턴스를 갖는 모든 수광소자 및 광-디지털 변환 구조의 신호처리를 이용하는 경우에 모두 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치의 구성을 보인 회로도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치(100)는 수광부(110), 신호처리부(120) 및 오차 제거부(130)를 포함한다.
수광부(110)는 생체에 의해 반사된 광이 포함된 광 신호를 수광한다. 예를 들어, 수광부(110)는 포토다이오드를 포함할 수 있고, 포토다이오드는 생체에 의해 반사된 광을 수광하여 전류로 변환할 수 있다. 이러한 수광부(110)는 조사된 광이 생체에 의해 반사되는 광뿐만 아니라 주변의 다른 광들(ambient light)에 의해서도 수광하여 전류로 변환하고, 이는 광학기반 생체신호 측정의 오차를 유발한다. 이에 주변 광 영향을 제거하는 처리를 수행할 필요가 있고, 이에 대해서는 아래에서 다시 설명하기로 한다.
신호처리부(120)는 수광부(110)에 의해 수광된 광 신호가 변환된 전류를 측정하여 광-디지털 변환을 통해 디지털 신호로서 출력한다. 이러한 신호처리부(120)는 수광부(110)에 의해 변환된 전류를 광-디지털 변환 구조의 신호처리를 통해 측정하는 경우라면 다양한 형태로 구현할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 신호처리부(120)는 적분기(121), 비교기(122), 카운터(123), 디지털 비교기(124), 업/다운 카운터(125), 복수의 전류원(IDC, CAN, ICH), 각각의 스위칭 신호(φDC, CAN, φCH, φIN)에 의해 스위칭 동작을 하는 복수의 스위칭 소자 등을 포함할 수 있다.
오차 제거부(130)는 신호처리부(120)의 동작 중에 수광소자의 정션 캐패시턴스에 의한 영향으로 발생할 수 있는 오차를 제거한다. 예를 들어, 오차 제거부(130)는 수광부(110)와 신호처리부(120) 간의 접속단에 소정 전압을 인가하여 수광소자의 정션 캐패시턴스에 의한 영향으로 발생할 수 있는 오차를 제거할 수 있다.
예를 들어, 신호처리부(120)는 수광부(110)와의 접속단 사이에 연결된 스위칭 소자의 스위칭 신호(φIN)에 의한 스위칭 동작에 따라 인가되는 입력 전류에 따라 적분 캐패시터(CINT)가 충방전하는 적분기(121)를 포함할 수 있고, 오차 제거부(130)는 스위칭 신호(φIN)가 적분 캐패시터(CINT)를 방전시키는 스위칭 동작을 하기 직전에 접속단을 소정 전압으로 고정시킬 수 있다. 예컨대, 적분기(121)는 하나의 입력단이 스위칭 신호(φIN)에 동작하는 스위칭 소자를 통해 접속단에 연결될 수 있고, 다른 입력단에 공통전압(Vcm)이 인가될 수 있으며, 오차 제거부(130)는 스위칭 신호(φIN)가 적분 캐패시터(CINT)를 방전시키는 스위칭 동작을 하기 직전에 접속단을 공통전압(Vcm)으로 고정시킬 수 있다. 이러한 오차 제거부(130)는 공통전압(Vcm)을 인가받는 아날로그 버퍼(BUFF), 접속단과 아날로그 버퍼(BUFF)의 출력단 사이에 위치하여 스위칭 신호(φPRE)에 의한 스위칭 상태에 따라 아날로그 버퍼(BUFF)의 출력이 접속단에 인가되는 것을 단속하는 스위칭 소자를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1에 광학기반 생체신호 측정 장치(100)의 동작을 나타낸 신호 파형도이다. 도 2에 예시한 바와 같은 복수의 신호 파형이 도 1의 광학기반 생체신호 측정 장치(100)에 입력되면, 광학기반 생체신호 측정 장치(100)의 적분기(121)는 도 2에 나타낸 바와 같은 출력(VOUT)을 나타내고, 카운터(123)와 업/다운 카운터(125)는 도 2에 나타낸 바와 같은 출력(DDC, DCOUNT)을 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 광학기반 생체신호 측정 장치(100)에 인가되는 신호 파형과 그에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치(100)의 동작에 대해 살펴보면 다음과 같다.
- 신호: 리세트(reset) 신호로서, 광-디지털 변환의 시작을 나타냄과 동시에 전체 회로 블록을 리스트 시킨다.
- EN_BUFF 신호: 버퍼 인에이블 신호로서, 하이(high)일 경우에만 오차 제거부(130)의 아날로그 버퍼(analog buffer)를 동작 시키고, 그 이외에 경우에는 동작 시키지 않음으로써 전력소모를 최소화 한다. EN_BUFF=high인 시간은 Sampling period(TS) 에 비해서 아주 짧은 시간(예컨대, 1/10 이하)을 가진다.
- 신호: 수광부(110)의 포토다이오드에 걸리는 전압으로서, 수광부(110)와 신호처리부(120) 간의 접속단에 동일한 크기의 전압이 걸릴 수 있다. 포토다이오드의 정션 캐패시턴스의 영향으로 가 다 낮아질 수 있고, 이 경우에 신호처리부(120)에 의한 전류 측정 오차가 발생할 수 있다.
- 신호: 스위칭 동작에 따라 오차 제거부(130)를 인에이블 시킴으로써 과 을 동일하게 하여 포토다이오드의 정션 캐패시턴스의 영향으로 발생할 수 있는 전류 측정 오차를 제거할 수 있다.
- 신호: 생체에 의해 반사되어 수광부(110)에 의해 수광된 광에 의해 변환된 전류에는 LED에 의해 생체에 조사된 광에 의한 전류 성분()과 주변의 다른 광들에 의한 전류 성분()이 모두 포함될 수 있다. 스위칭 상태에 따라 주변 광들에 의한 전류 성분()만이 신호처리부(120)에 제공되게 하거나 LED에 의한 영향이 포함된 전류 성분()까지 신호처리부(120)에 제공되게 한다.
- LED 신호: 생체에 광을 조사하기 위한 LED를 동작 시켜서 수광부(110)의 포토다이오드가 생체에 의해 반사된 광을 수광하고, 적분기(121)의 적분 캐패시터(CINT)의 방전 동작이 수행되도록 한다.
- 신호: 생체에 광을 조사하기 위한 LED가 켜져 있는 동안에 수광부(110)의 포토다이오드에는 높은 전류가 흐르는데, 전류원()을 동작 시킴으로써 포토다이오드에 흐르는 대부분의 전류를 입력단에서 빼 주어 신호처리부(120)에 의한 신호처리의 높은 정확도를 확보한다.
- 신호: 적분 캐패시터()의 연결을 반대로 스위칭 시킴으로써, 주변 광 영향을 제거하는 처리를 수행할 수 있도록 한다.
- 신호: 전류원()을 동작시킴으로써, 적분 캐패시터()의 충전 동작을 수행하며, 비교기(122)와 카운터(123)를 이용해 충전이 끝나면 디지털 값을 얻을 수 있도록 한다.
- 신호: 광-디지털 변환에 의해 변환된 디지털 값이다.
위와 같은 복수의 신호 파형이 광학기반 생체신호 측정 장치(100)에 작용되면, 오차 제거부(130)는 스위칭 신호(φIN)가 적분 캐패시터()를 방전시키는 스위칭 동작을 하기 직전에 수광부(110)의 포토다이오드에 걸리는 전압을 으로 고정시키는 사전 충전(pre-charging) 동작을 수행할 수 있다.
적분기(121)는 입력단의 전류에 따라서 적분 캐패시터()를 충전 또는 방전하는 동작을 수행한다.
비교기(122)는 적분기(121)의 출력 전압 을 과 비교한 값을 출력한다.
카운터(123)는 비교기(122)의 동작을 카운트한 값 을 출력한다.
디지털 비교기(124)는 카운터(123)의 출력 을 와 비교하며, 를 벗어나는 카운터(123)의 출력 에 대하여 업/다운(up/down) 신호를 발생시킨다.
업/다운 카운터(125)는 디지털 비교기(124)의 출력을 카운트한 결과에 따라 를 증가시키거나 감소시켜 출력한다.
도 3은 도 1에 나타낸 광학기반 생체신호 측정 장치(100)를 단순화한 회로도이고, 도 4는 도 3에 나타낸 광학기반 생체신호 측정 장치(100)의 구성 중 오차 제거부(130)를 제외한 동작을 나타낸 신호 파형도이며, 도 4는 도 3에 나타낸 광학기반 생체신호 측정 장치(100)의 구성 중 오차 제거부(130)를 포함한 동작을 나타낸 신호 파형도이다.
도 4의 신호 파형에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치(100)의 동작과 도 5의 신호 파형에 따른 광학기반 생체신호 측정 장치(100)의 동작을 비교하여 보면, 오차 제거부(130)가 신호처리부(120)의 동작 중에 수광부(110) 내 포토다이오드의 정션 캐패시턴스에 의한 영향으로 발생할 수 있는 오차를 제거하는 것을 알 수 있다. 아래의 설명에서는 주변 광 영향을 고려하지 않기로 한다.
도 4의 신호 파형에서 방전 상(discharging phase) 직전에 적분 캐패시터()와 정션 캐패시턴스()에 저장된 전하는 다음과 같다.
방전 상이 시작된 직후에는 신호에 의해 해당 스위칭 소자가 연결되며, 이때 적분기(121)의 출력 은 아래 식의 둘째 항(second term)과 같은 오차(Verror)를 가진다.
이러한 오차(Verror)는 신호처리부(120)가 수광부(110)에 의해 변환된 전류를 측정하기 전의 대기 상(waiting phase)에서 접속단 전압(Vp)이 포토다이오드를 통해 방전됨에 따라 보다 낮아져서 발생하는 것이다.
도 5의 신호 파형에 의하면, 신호에 의해 해당 스위칭 소자가 연결되기 전에 신호에 의해 오차 제거부(130) 내의 스위칭 소자가 잠깐 동안 연결되며, 이때 수광부(110)와 신호처리부(120) 사이의 접속단의 전압이 으로 고정된다. 따라서, 신호에 의해 해당 스위칭 소자가 연결되는 순간 또한 수광부(110)와 신호처리부(120) 사이의 접속단의 전압은 인 상태이다. 이는 상기한 바와 같은 적분기(121)의 출력 에 대한 수식에서 VP,waiting = VCM 으로 만드는 것이기에, 둘째 항(second term)인 오차(Verror)가 사라진다.
지금까지 설명한 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 광학기반 생체신호 측정 시에 광-디지털 변환을 통한 신호처리 중에 수광소자의 정션 캐패시턴스에 의한 영향을 발생할 수 있는 오차를 제거함으로써, 광학기반 생체신호에 대한 측정 정확도가 향상된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 품질에서 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 균등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광학기반 생체신호 측정 장치
110: 수광부
120: 신호처리부
130: 오차 제거부

Claims (5)

  1. 생체에 의해 반사된 광이 포함된 광 신호를 수광하는 수광소자를 포함하는 수광부와,
    상기 수광부에 의해 수광된 광 신호가 변환된 전류를 측정하여 디지털 신호로서 출력하는 광-디지털 변환 구조의 신호처리부와,
    상기 신호처리부의 동작 중에 상기 수광소자의 정션 캐패시턴스(junction capacitance)에 의한 영향으로 발생할 수 있는 오차를 제거하는 오차 제거부를 포함하는
    광학기반 생체신호 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 오차 제거부는, 상기 수광부와 상기 신호처리부 간의 접속단에 소정 전압을 인가하여 상기 오차를 제거하는
    광학기반 생체신호 측정 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 신호처리부는, 상기 접속단에 연결된 스위칭 소자의 스위칭 동작에 따라 인가되는 입력 전류에 따라 적분 캐패시터가 충방전하는 적분기를 포함하고,
    상기 오차 제거부는, 상기 스위칭 소자가 상기 적분 캐패시터를 방전시키는 스위칭 동작을 하기 직전에 상기 접속단을 상기 소정 전압으로 고정시키는
    광학기반 생체신호 측정 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적분기는, 하나의 입력단이 상기 스위칭 소자를 통해 상기 접속단에 연결되고, 다른 입력단에 공통전압(Vcm)이 인가되며,
    상기 소정 전압은, 공통전압(Vcm)인
    광학기반 생체신호 측정 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 오차 제거부는,
    공통전압(Vcm)을 인가받는 아날로그 버퍼와,
    상기 접속단과 상기 아날로그 버퍼의 출력단 사이에 위치하여 스위칭 상태에 따라 상기 아날로그 버퍼의 출력이 상기 접속단에 인가되는 것을 단속하는 스위칭 소자를 포함하는
    광학기반 생체신호 측정 장치.
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