KR20010083802A - 생체 신호 모뎀 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 뇌파, 심전도, 안전도, 맥파와 같은 저주파수의 다양한 생체신호를 별도의 아날로그-디지탈 변환기 없이 컴퓨터에 기본적으로 내장되어 있는 사운드 카드를 이용하여 컴퓨터에 전달하여 처리할 수 있는 방법을 특징으로 한다. 본 발명에서 언급하는 시스템은 크게 세 부분으로 구성된다. 하나는 생체 신호를 계측하는 신호 감지부(1), 다른 하나는 그 신호를 사운드 카드가 받아들일 수 있도록 변환하고 사운드 카드에서 획득한 신호를 디지털적으로 복원하는 모뎀부(9), 그리고 마지막으로 복원된 생체 신호에서 의미있는 정보를 추출하는 신호처리부(7)가 그것이다. 시스템의 사용 전원(4)은 사운드 카드(5)의 MIDI 포트(12)에서 공급받고, 변환된 아날로그 생체신호는 사운드 카드의 라인-인(Line In)(13)으로 인가한다. 그리고 사운드 카드의 MIDI 포트를 모뎀에 설치하여(10) 조이스틱과 같은 게임보조 기구를 모뎀에서 이용할 수 있도록 구성한다.

Description

생체 신호 모뎀 시스템 {Bio-Signal Modem System}

본 발명은 다양한 생체신호를 비교적 싸고 간단히 컴퓨터에 전달하는 방법을 특징으로 하는 신호 변복조 기술을 기반으로 한다. 뇌파, 심전도, 안전도, 피부전기저항, 맥파, 체온 등과 같은 대부분의 생체신호는 주파수대역이 0.1 Hz에서 200Hz 정도의 범위에 있다. 이러한 신호를 컴퓨터에 전달하기 위해 컴퓨터에 기본적으로 내장되어 있는 사운드 카드를 이용한다. 그런데 사운드 카드는 기본적으로 음성 신호를 입출력하기 위해 고안된 것이기 때문에 저주파수의 생체 신호를 처리하기에는 적합하지 않다. 이러한 문제를 해결하기 위해 신호의 주파수 대역을 이동시키는 적합한 아날로그 변조 기술, 그리고 사운드 카드에서 획득한 신호를 다시 원래 신호 대역으로 변환하는 디지털 복조 기술을 이용한다. 그리고 시스템 운용을 간단히 하기 위해 필요한 전원은 사운드 카드의 MIDI 포트에서 제공하는 +5V 단일전원을 이용한다. 이 전원은 궁극적으로 컴퓨터의 전원에서 공급되는 것이므로 생체를 대상으로 한 신호 계측에서 생체의 안전을 위해 모뎀 시스템이 사용하는 전원은 컴퓨터 전원으로부터 분리된 절연 전원으로 구성한다. 이러한 기술적 방법으로 안전하게 생체에서 검출한 신호를 왜곡 없이 정확하게 컴퓨터에 전달할 수 있다.

종래에는 이러한 작업을 수행하기 위해 따로 아날로그-디지탈 변환 보드를 구성하여 컴퓨터에 장착하거나, 따로 독립된 시스템을 구성한 후 직/병렬 통신을 통해 컴퓨터에 신호를 전달하였다. 이러한 방법은 구현 비용이 높게 형성될 뿐만 아니라 시스템이 커져 생체 신호 활용의 대중화에 적합하지 못하다. 본 발명은 이러한 문제점을 해결하였다.

본 발명의 핵심은 별도의 아날로그-디지탈 변환기를 구성하지 않고 컴퓨터에 기본적으로 내장된 사운드 카드를 이용하여 아날로그 신호를 컴퓨터에 전달하여 디지털 신호를 획득하는 것에 있다. 이를 위해 기본 신호의 주파수 대역을 변환하여 사운드 카드 주파수 대역으로 변환하고, 이렇게 하여 얻은 디지털 신호를 다시 신호 처리를 통해 원래 신호로 회복하는 방법을 사용한다. 이러한 기법으로 생체 신호와 같은 저주파수 대역의 신호를 왜곡 없이 컴푸터에 전달함으로써 생체 신호 계측의 대중화를 이루고자 한다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템 구성도.

도 2는 신호 변환부 상세도

도 3은 본 발명의 생체신호 모뎀과 사운드 카드의 결선도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1: 생체신호 감지를 위한 전극들 2: 신호 검출 및 전단 처리부

3: 신호 변환부 4: 전원부

5: 사운드 카드 6: 디지털 신호 복조부

7: 정보 추출을 위한 신호처리부 9: 생체 신호 모뎀 영역

9-1: 9에서 신호복조부가 제외된 것 12: 사운드카드 MIDI 포트

13: 사운드카드 라인-인 단자 24: 입력되는 신호 조절부

25: 신호 절연부 26: 신호변조부

본 발명에 따른 시스템은 도 1에 나타내었으며 이는 크게 세 부분으로 구성되어 있다. 하나는 신호 감지부(2), 다른 하나는 신호를 변환하고 다시 복조하는 모뎀부(9) 나머지 하나는 이렇게 얻은 신호에서 의미있는 감성 정보를 얻는 신호 처리부(7)가 그것이다. 신호 감지부는 전극 센서(1)를 통해 입력되는 아주 미약한 신호를 증폭하고 여과하여 일차적으로 신호를 검출하는 부분으로 모뎀으로부터 공간적으로 분리될 수 있다. 한편, 생체 신호 모뎀(9)은 다시 세 부분으로 구성되어 있다고 볼 수 있다. 회로 요소에 전력을 공급해 주는 전원부(4)와 그 전력을 공급받아(14,15) 신호 감지부에서 인가된 신호(17)를 사운드 카드에 입력하기에 적합한 신호(18) 대역으로 변환하는 신호 변환부, 그리고 사운드 카드에서 이산화된 디지털 데이터(21)를 원래 신호 주파수 대역으로 복조하는 신호복조부가 그것이다. 여기서 다시 신호 변환부는 도 2에 나타낸 것처럼 신호 조절부(24)와 신호 절연부(25) 그리고 신호변조부(26)로 구성되어 있다. 신호 조절부는 입력되는 신호(17)에 고주파 통과 필터, 노치 필터, 저주파 통과 필터 그리고 전압 증폭기 등을 통해 그 신호 크기와 주파수 대역을 제한하여 출력한다(27). 이 신호의 기준전위는 사운드 카드에 입력될 신호의 기준 전위와 다르다. 이는 전극 센서(1)에서 생체 신호를 감지할 때 생체의 전기적 충격에 대한 안전을 위해 그 기준 전위를 컴퓨터, 즉 사운드 카드의 전원과는 완전히 전기적으로 분리했기 때문에 그 기준이 다르게 된 것이다. 신호 절연부(25)는 이 신호의 기준 전위를 사운드 카드의 기준전위와 같게 하는 역할을 한다. 즉, 신호 절연부(25)의 출력 신호(28)는 그 입력 신호(27)와 기준 전위가 다르며, 사운드 카드의 입력신호 기준 전위와 같게 된다는 것이다. 최종적으로 신호 변조부에서 이들 신호를 사운드 카드의 주파수 대역에 부합하도록 신호를 변조하여 입력 신호 주파수 대역을 이동시킨다. 이때 주파수 이동은 두 가지 측면에서 이루어진다. 하나는 기본 신호를 저주파수에서 음성 주파수 대역으로 이동시키는 것이고, 다른 하나는 다양한 입력 채널의 신호를 단일 또는 두 개의 사운드 카드 입력 단자에 합성하여 인가하기 위한 채널 분리용으로 주파수를 이동시키는 것이다. 후자는 변복조 방식에 따라 굳이 주파수 이동을 필요로 하지 않을 수도 있다. 결과적으로, 신호 변환부는 신호의 기준 전위과 주파수 대역을 이동시키는 역할을 하는 셈이다. 신호 변환부와 신호 복조부는 각각 아날로그와 디지털 방식으로 신호처리가 이루어진다. 신호 복조부의 최종 신호(22)는 신호 감지부에서 출력되는 신호(17)의 이산화된 형태로서 결과적으로 생체 신호의 아날로그- 디지탈 변환이 이루어진 것이다. 신호 처리부(7)는 이 데이터를 기반으로 고속 퓨리에 변화, 상관관계 등과 같은 신호처리를 통해 의미있는 감성 정보를 추출한다.

추출된 정보(23)는 다양한 형태의 단말 장치(8)를 통해 표현되고 이용된다.

도 1, 도 2, 그리고 도 3을 통해 전체적인 신호 흐름을 다음과 같이 파악할수 있다. 전극 센서(1)에서 검출된 신호는 신호 감지부(2)를 통해 전단 처리된 후 신호 변환부에 입력된다(17). 이 신호는 신호 변환부(3)의 신호 조절부(24)에 의해 그 크기와 주파수 대역의 제한을 받아 신호 절연부(25)에 인가된다(27). 신호 절연부 이 전의 신호(27)는 컴퓨터, 결국 사운드 카드의 기준 전위와 전기적으로 분리되어 있다. 신호 절연부(25)는 그 전위를 같게하여 사운드 카드에 신호를 인가할 수 있게 한다. 이는 앞에서도 언급했듯이 생체 신호 계측에 있어서 피검체의 전기적 충격에 대한 안전을 확보하기 위한 것이다. 신호절연부의 출력 신호(28)는 신호변조부(26)에서 대역의 편이를 경험한다. 앞에서도 언급했듯이 이때의 주파수 이동은 두 가지 측면에서 수행된다. 하나는 기본적인 저주파수 원신호를 사운드 카드가 받아들일 수 있도록 음성 주파수 대역으로 이동하는 것이고, 다른 하나는 다채널의 생체 신호를 단채널의 사운드 카드입력으로 인가하기 위한 채널 분리용 주파수 이동이 그것이다. 이동된 각 주파수는 각 생체 신호 채널에 해당한다. 이는 신호의 변조 방식에 따라 다를 수 있다. 이렇게 변환된 신호(18)는 모뎀(9-1)의 신호 출력단자(29)를 통해 사운드 카드(5)의 라인-인(line-in) 스테레오 단자(13)에 연결된다. 여기서 모뎀은 신호 복조부가 제외된 것이다. 신호 복조부는 소프트웨어적인 방법으로 이루어지는데 이는 컴퓨터 내에서 연산을 통해 수행된다. 그래서 여기서 말한 모뎀은 이 복조부(6)를 제외한 하드웨어적인 부분을 지칭하는 용어로 사용된 것이다. 사운드 카드(5)에서 이산화된 신호는 디지털 형태로 변환되어(21) 신호복조부(6)에서 원신호 주파수 대역으로 다시 복원된다. 신호 복조는 소프트웨어적인 방법으로 수행되며 이는 사용한 변조 방식에 의존한다. 복조된 신호(22)는 디지털형태를 지니므로 결과적으로, 이러한 일련의 과정을 통해 저주파수 대역의 생체 신호를 아날로그-디지탈 변화기 없이 디지털화 한 것이다. 이 신호는 신호처리부(7)를 거처 의미 있는 정보로 추출되어(23) 신호 이용 단말기(8)에 제공된다.

본 발명에서 언급하는 시스템은 두 종류의 전원을 사용한다. 하나는 컴퓨터, 즉 사운드 카드와 그 기준 전위가 동등한 비절연 전원이고, 다른 하나는 이들로부터 전기적으로 완전히 분리된 절연 전원이다. 전자는 사운드 카드에 신호를 인가하기 위해 그 기준 전위를 같게 할 수밖에 없기 때문에 반드시 요구되고, 후자는 신호의 측정 대상이 생체이기 때문에 피 측정체의 전기적 충격에 대한 안전 대책으로 요구된 것이다. 그런데 이러한 전원은 기본적으로 사운드 카드에서 공급된 것이다.사운드 카드의 MIDI 포트(21)는 15-핀으로 1,8,9번 핀이 +5V이고, 4,5번 핀이 GND이다. +5V는 전원 제한이 있어 생체 신호 모뎀의 구동 전류가 낮아야 한다. 도 1, 2에서 모뎀은 사운드 카드의 MIDI 포트(12)에서 전선을 통해 장착된 15-핀 커낵터(11)에 의해 전원을 공급 받는다(20)는 것을 예시하고 있다. 한편, 모뎀은 다른 하나의 예비 MIDI 포트(10)를 설치하여 MIDI 포트 이용이 가능하도록 한다. MIDI 포트에서 제공된 전원은 모뎀(9)의 전원부(4)에서 절연 전원(14) 비절연 전원(15)으로 분리되어 모뎀의 신호 변환부 필요한 전원으로 사용된다. 절연 전원은 모뎀에서 신호 감지부의 구동 전원으로 공급되기도 한다(16). 결국, 모뎀은 다른 전원의 공급 없이 사운드 카드의 MIDI 포트와 연결함으로써 시스템 구동이 가능하게 된다.

한편, 모뎀은 보조적으로 일반 멀티미디어 환경에서 사용되는 마이크와 스피커의 연결이 용이하도록 이들 잭을 갖춤으로써 통합적 멀티미디어 환경을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 모뎀 시스템을 이용하면 컴퓨터에 내장된 사운드 카드를 사용하여 별도의 아날로그-디지털 변환기 없이 생체 신호와 같은 저주파수 대역의 신호를 디지털화 할 수 있다. 또한, 사운드 카드의 MIDI 포트에서 제공하는 전원을 사용하므로 독자적인 전원을 갖출 필요가 없어 제품화했을 경우 사용이 편리하다. 이러한 시스템을 이용하여 쉽게 생체신호와 같은 자주파수 대역 신호를 컴퓨터로 엑세스할 수 있기 때문에 생체 신호 활용의 대중화가 가능할 수 있다는 것을 암시한다. 생체신호 기반의 컴퓨터 게임이라든지, 생체 신호를 이용한 인간과 컴퓨터의 인터페이스 등의 분야에 아주 유용하게 활용될 수 있다. 이는 새로운 산업의 한 형태를 잉태하는 계기가 될 수 있다.

Claims (5)

1. 전극 센서(1)에서 검출한 신호를 증폭하고 여과하는 신호 감지부(2)와 감지된 신호를 주파수 대역 변환 방법으로 처리하여 신호 주파수 대역을 이동시키는 신호 변환부(3)와 대역 변환된 신호를 사운드 카드에 입력하여 사운드 카드에서 디지털화 된 변조 신호를 얻고 이 신호를 소프트웨어적인 방법으로 원래 신호로 복원하는 신호 복조부(6)와 복조된 디지털 신호에서 감성정보를 추출하는 신호처리부(7)를 구성하여 생체 신호를 컴퓨터에서 이용할 수 있게 구성하는 방법.
2. 주파수 변환 방식으로 저주파수 대역의 아날로그 신호를 사운드 카드에 입력하여 별도의 아날로그-디지털 변환기 없이 사운드 카드를 아날로그-디저털 변화기로 활용하는 방법.
3. 1항에 있어서 회로 구동 전원을 절연 전원(14)과 비절연 전원(15)으로 구성하여 장치의 전기적 안전을 확보하는 방법.
4. 3항에 있어서 입력 전원을 사운드카드의 MIDI 포트에서 공급받는 방법.
5. 도 3에 명시해 둔 것처럼 모뎀에 MIDI 포트를 두는것.