KR20090038704A - 맥박 측정 센서 - Google Patents

Abstract

MI소자를 통해 광범위한 검지범위를 실현하고 피검사자의 맥 위치 변화와 상관없이 맥박 측정을 간편하게 행할 수 있고 외부 자기장의 변화 또는 피검사자가 움직인다고 하더라도 맥 감지의 오류를 방지할 수 있도록 한 맥박 측정 센서를 제시한다. 제시된 맥박 측정 센서는 자기 임피던스 특성을 가지며 신체 일부의 소정 영역을 덮도록 형성된 자기 소자; 자기 소자에 가해지는 외부의 자기장을 차단시키는 자기 차폐부; 및 자기 소자로부터의 감지신호를 맥박 측정을 위한 전기적인 신호로 처리하는 신호 처리부를 포함한다. 이러한 본 발명에 따르면, 자기 소자가 손목 등과 같은 신체 부위를 광범위하게 덮을 수 있어서 피검사자의 맥 위치와 상관없이 맥박 측정이 용이할 뿐만 아니라 피검사자가 움직이더라도 맥 감지의 오류를 방지할 수 있게 된다. 자기 소자를 자기 차폐부로 차폐시킴으로써 외부의 자기장의 변화에 강하여 기존의 자기 소자를 이용한 맥박 측정 센서에 비하여 정확도가 뛰어나다.

Description

맥박 측정 센서{Pulse measuring sensor}

본 발명은 맥박 측정 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 MI(교류자기저항) 효과를 이용하여 맥박을 측정할 수 있도록 한 맥박 측정 센서에 관한 것이다.

맥박을 검지하기 위해 사용되는 소자로는 MR(Magneto-Resistance)소자, 홀(hall)소자, MI(Magneto-Impedance)소자 등이 있다. MR소자, 홀소자, MI소자는 자계를 매체로 하여 피검출량의 변화를 자기 현상으로 잡아 그 변위량을 전기 신호로 변환하는 자기 소자라고 할 수 있다.

지기 소자를 이용하여 맥을 검지하는 방법으로는 크게 비접촉식과 접촉식으로 나눌 수 있다. MR소자와 홀소자는 감도가 낮아 비접촉식으로는 불가능하고 접촉식을 이용하는 것이 바람직하다. 그러나, MR소자와 홀소자는 직접 피부에 접촉하여 검지할 수 없기 때문에 맥의 진동을 센서에 전달할 자성체 또는 자석 등의 구조물이 필수적으로 필요하다. 또한, MR소자와 홀소자는 칩 형태의 극소형으로 제조되기 때문에 피검사자에 따라 위치가 조금씩 다른 맥을 검지하는 데는 상당한 어려움이 존재한다.

도 1은 MR소자를 이용한 종래의 맥박 측정 센서의 일 예이다(출원번호 10- 2005-98677 참조). 도 1의 맥박 측정 센서는 맥파를 측정하고자 하는 위치의 피부에 접촉되는 자성체로 형성된 피부 접촉부(10); 피부 접촉부(10)의 상부에 일정 거리 이격하여 둘 이상의 자성 박막층을 단위 셀(MR특성을 갖는 자기 소자)(22)로 형성된 어레이 형태의 맥파 감지 센서부(20); 및 피부 접촉부(10)와 맥파 감지 센서부(20) 사이에 소정의 공간을 이루는 이격 공간부(30)를 포함하여 구성된다.

도 1의 맥박 측정 센서는, 피부 접촉부(10)의 자성체가 요골동맥의 맥동에 따라 움직일 때 자성체에 의한 자계 변화를 맥파 감지 센서부(20)에서 감지하게 된다.

여기서, 맥파 감지 센서부(20)는 고가의 단위 셀(22)을 다수개 갖추어야 되므로 제조 단가가 상승된다는 문제가 있다. 단위 셀(22)은 둘 이상의 자성 박막층을 이용하여 제조되고 이들을 피부 접촉부(10)의 상부에 일정 거리 이격되게 어레이시켜야 되는 등의 이유로 제조 공정이 복잡하다는 문제가 있다.

또한, 피부에 접촉되는 자성체를 반드시 별도로 갖추어야 되므로, 센서의 구조가 복잡하게 된다.

한편, MI소자는 신체의 일부에 직접 접촉하여 맥을 검지할 수 있다. 그러나, 종래의 MI소자는 작은 사이즈의 비정질 리본, 와이어 또는 비정질 박막을 사용하였기 때문에 센서의 형태가 국소 부위만을 검지할 수 있는 형태이다. 그래서, 피검사자에 따라 위치의 변화가 있는 맥을 검지하기 위해서는 여러번 맥위치를 확인해야 되는 불편함이 있다.

또한, 이러한 종래의 자기 소자를 이용한 맥 검지 센서는 맥 신호와 상관없 이 외부에서 자기장의 변화가 있으면 맥 감지에 오류를 나타내게 되는 치명적인 문제가 발생되므로 맥 검지시에는 외부의 자기적인 환경이 안정된 장소에서 움직임이 없도록 고정된 상태에서 측정하여야 되는 불편함이 있다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, MI소자를 통해 광범위한 검지범위를 실현하고 피검사자의 맥 위치 변화와 상관없이 맥박 측정을 간편하게 행할 수 있도록 한 맥박 측정 센서를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 외부 자기장의 변화 또는 피검사자가 움직인다고 하더라도 맥 감지의 오류를 방지할 수 있도록 한 맥박 측정 센서를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 맥박 측정 센서는, 자기 임피던스 특성을 가지며 신체 일부의 소정 영역을 덮도록 형성된 자기 소자; 자기 소자에 가해지는 외부의 자기장을 차단시키는 자기 차폐부; 및 자기 소자로부터의 감지신호를 맥박 측정을 위한 전기적인 신호로 처리하는 신호 처리부를 포함한다.

자기 소자는 고정용 체결구를 갖춘 케이스의 중앙부 하부에서 신체 일부를 향하도록 고정되게 설치되고, 신호 처리부는 신체 일부와 멀어지게 케이스의 중앙부에서 자기 소자의 상부에 설치된다.

자기 소자는 미앤더(meander) 형상을 갖추고, 자기 차폐부는 퍼멀로이, 뮤메탈, 비정질 리본, 규소강판 중 어느 하나의 연자성체로 이루어진다.

이러한 구성의 본 발명에 따르면, 자기 소자가 손목 등과 같은 신체 부위를 광범위하게 덮을 수 있어서 피검사자의 맥 위치와 상관없이 맥박 측정이 용이할 뿐만 아니라 피검사자가 움직이더라도 맥 감지의 오류를 방지할 수 있게 된다.

자기 소자를 자기 차폐부로 차폐시킴으로써 외부의 자기장의 변화에 강하여 기존의 자기 소자를 이용한 맥박 측정 센서에 비하여 정확도가 뛰어나다.

저가의 MI소자를 이용하여 간단한 구조로 맥박 측정이 용이하므로 양산의 용이성 및 단가 하락을 실현시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 맥박 측정 센서에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 맥박 측정 센서의 블럭 구성도로서, 발진부(40), 전압-전류 변환부(42), 자기 소자(44), 차동 증폭기(46), 이득 증폭기(48), 검파부(50), 및 표시부(52)를 포함한다.

발진부(40)는 일정한 주파수를 가지는 일정 파형(예컨대, 정현파 또는 구형파)의 발진파를 발진한다. 발진부(40)에서의 주파수는 자기 소자(44)가 동작하기에 가장 적합한 주파수(예컨대, 100KHz~10MHz)로 설정된다. 예시된 100KHz~10MHz 에서 자기 임피던스 특성이 가장 크게 나타나므로 자기장 변화에 대해 가장 민감한 부분에서 맥박을 측정할 수 있게 한다.

전압-전류 변환부(42)는 발진부(40)에서 발생되는 발진파를 전류 파형으로 변환시킨다.

자기 소자(44)는 자기 임피던스(MI) 특성을 갖는 재질로 이루어진다. 예를 들어, 자기 소자(44)는 비정질 리본 또는 와이어나 연자성체로 된 자성 박막, 미세 자성 와이어 및 자성 결정체 등을 사용하여 제작하게 된다. 본 발명의 실시예에서, 자기 소자(44)는 미앤더(meander) 형상을 갖춘다. 자기 소자(44)의 제조 과정을 개략적으로 설명하면 다음과 같다. 연성 에폭시 기판의 일면(예컨대, 저면)에 동박을 입히고 연성 에폭시 기판의 타면(예컨대, 상면)에는 비정질 리본을 대략 100℃ ~ 300℃ 정도의 온도범위에서 가압하여 적층한다. 비정질 리본을 미앤더 형상으로 패터닝하고 동박은 신호 전달을 위한 패턴으로 패터닝한 후에 동박과 비정질 리본 사이를 드릴로 관통하여 Cu 도금을 통해 통전시킨다. 이어, 동박과 비정질 리본의 상면에 절연 잉크와 같은 절연제를 발라 절연층을 형성한다. 미앤더 형상으로 패터닝된 비정질 리본의 일측 끝단에 전극 단자를 형성하기 위해 그 끝단의 절연층을 제거한 후에 금 도금처리를 한다.

물론, 자기 소자(44)는 상술한 것 이외로 자기 임피던스 특성을 가지면서 자기장 변화에 대한 감응도가 큰 교류자기 저항 효과를 나타내는 물질이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다. 자기 소자(44)는 도 3에 예시한 바와 같이 피검사자의 신체의 일부(예컨대, 손목)에 넓은 범위로 접촉된다. 자기 소자(44)의 길이(가로) 및 폭(세로)은 피검사자의 맥 위치와 상관없이 맥 검지가 가능할 정도이면 된다. 예를 들어, 자기 소자(44)는 대략 15.8mm × 18mm 정도의 사이즈를 갖는다. 물론, 예시된 사이즈보다 크거나 약간 작아도 무방하다.

자기 소자(44)는 전압-전류 변환부(42)에서 출력되는 전류 파형의 발진파에 응답하여 외부에서 인가되는 자기장이나 역학적인 힘을 센싱하여 이에 상응하는 임피던스 값의 변화를 출력한다. 전류 파형의 발진파가 자기 소자(44)에 입력되므로 자기 소자(44)의 출력인 임피던스 값의 변화는 전압 형태로 출력된다. 자기 소자(44)는 4개의 전극 단자를 갖춘다. 자기 소자(44)의 전극 단자중에서 바깥쪽의 두 개의 전극 단자는 연결선(42a, 42b)을 통해 전압-전류 변환부(42)로부터의 전류 파형을 입력받는다. 자기 소자(44)의 전극 단자중에서 안쪽의 두 개의 전극 단자는 전압 파형을 읽어 임피던스 값의 변화를 출력한다. 그 두개의 안쪽의 전극 단자에서 출력되는 임피던스 값은 연결선(46a, 46b)을 통해 차동 증폭기(46)의 입력단으로 전달된다.

임피던스 변화는 자기 소자(44)의 교류자기 저항이 변화하는 것을 의미하는데 이는 표피 효과와 관련이 있다. 도체에 교류 전류가 흐를 때 도체의 전면에 흐르지 않고 일정한 두께(이를 표피 깊이(δ)라고도 함)를 가지고 도체의 표피에만 흐르게 되는데 이를 표피 효과라고 한다. 이때, 표피 깊이(δ)는 흐르는 전류의 주파수(ω)와 도체의 자기투자율(μ)의 함수이다. 따라서, 주파수(ω)가 고정되어 있는 상태에서는 자기투자율(μ)의 함수라고 할 수 있다. 외부에서 자기장이 변화하면 도체(즉, 자기 소자(44))의 자기투자율(μ)이 변화하게 되고 표피 깊이(δ)도 변하여 임피던스가 변하게 된다. 자성체는 외부에서 자기장이 인가되면 자기 변형이라는 현상이 동시에 발생하므로, 외부에서 도체(즉, 자기 소자(44))에 자기장이 인가되면 임피던스가 변하면서 동시에 길이도 변하게 된다. 이를 자기 변형이라고 한다. 자기 변형은 가역 반응이어서 임의로 자기 소자(44)의 길이를 변화시키면(장 력을 주면) 자기장을 인가한 것과 동일하게 임피던스가 변화한다. 따라서, 자기 소자(44)를 맥박을 측정할 부위에 접촉시키면 맥압에 의해 자기 소자(44)에 역학적인 힘이 가해지고 자기 소자(44)의 길이를 변화시켜서 자기 소자(44)에 외부에서 자기장을 인가한 것과 같은 특성의 변화를 가져온다. 그러므로, 본 발명의 실시예는 자기 임피던스 현상에 의하여 맥압에 의한 역학적인 힘을 받은 자기 소자(44)의 교류 저항이 변하게 되는 동작원리를 이용하여 맥박신호를 전기적인 신호로 얻어 맥박을 측정할 수 있게 된다.

본 발명의 실시예에서는 자기 소자(44)의 형상을 미앤더 형상으로 하였는데, 피검사자의 맥 위치와 상관없이 맥 검지가 가능할 정도이면 되므로 헬리컬 형상 등으로 하여도 무방하다.

차동 증폭기(46)는 자기 소자(44)의 접점 저항을 최소화하며 임피던스 값의 노이즈를 제거한다.

이득 증폭기(48)는 차동 증폭기(46)에서 출력되는 신호를 증폭한다.

검파부(50)는 이득 증폭기(48)의 출력신호를 동기검파하여 자기장의 세기 또는 역학적인 힘의 크기를 출력한다. 검파부(50)는 믹서부(50a)와 필터부(50b)를 구비한다. 믹서부(50a)는 이득 증폭부(48)의 출력신호와 발진부(40)의 발진파를 혼합하여 출력한다. 필터부(50b)는 저역 필터로 구성된다. 필터부(50b)는 믹서부(50a)의 출력신호를 저역으로 필터링하여 자기장의 세기나 역학적인 힘의 크기를 출력한다.

표시부(52)는 검파부(50)에서 출력되는 자기장의 세기 또는 역학적인 힘의 크기를 시각적으로 확인가능하게 표시한다.

상술한 자기 소자(44)와 표시부(52)를 제외한 나머지 구성요소(40, 42, 46, 48, 50)를 하나의 모듈로 집적화시킬 수 있으며, 이렇게 제조된 모듈을 신호 처리모듈(또는 신호 처리부)이라고 지칭할 수 있다. 신호 처리부는 자기 소자(44)로부터의 감지신호를 맥박 측정을 위한 전기적인 신호로 처리한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 맥박 측정 센서를 손목에 착용하는 경우의 개략적인 단면도이다. 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 맥박 측정 센서를 손목에 착용시킬 경우의 외관 사시도이다.

도 4에서, 맥박 측정 센서는 예를 들어 손목에 착용되므로 고정을 위해 밴드와 같은 체결구(60)가 갖추어진다. 자기 소자(44)에 가해지는 외부의 자기장을 차단시키기 위해 퍼멀로이(permalloy), 뮤메탈(Mu metal), 비정질 리본(amorphous ribbon), 규소강판(SiFe) 등과 같은 연자성체를 자기장 차폐 패드로 사용하는 자기 차폐부(62)가 자기 소자(44)의 상부에 형성된다. 자기 차폐부(62)를 패드 형태로 형성시키는 것으로 하였으나, 실제적으로는 자기 소자(44)의 상면을 얇게 덮게 되는 박판 형태로 보는 것이 바람직하다. 자기 차폐부(62)는 자기장 차폐효과를 높이기 위해 제조시 형성된 내부 응력을 없애주는 열처리가 필요하다. 퍼멀로이, 뮤메탈, 규소강판은 대략 500℃ ~ 1000℃ 정도의 온도범위에서 1~2시간 정도의 열처리가 필요하고, 비정질 리본은 대략 200℃ ~ 400℃ 정도의 온도범위에서 1~2시간 정도의 열처리가 필요하다.

자기 차폐부(62)의 상면에는 신호 처리부(64)가 설치된다. 신호 처리부(64)는 도 2에 대한 설명에서 언급한 신호 처리부를 의미한다. 물론, 자기 차폐부(62)의 상면에는 표시부(52)도 함께 설치된다.

피검사자가 고정된 자세를 취할 경우에는 자기 차폐부(62)가 없어도 맥박 신호를 검출해 내는데는 무리가 없으나, 피검사자가 움직일 경우에는 자기 차폐부(62)가 있는 것이 외부의 자기장 변화에 따른 맥 검지의 오류를 줄일 수 있으므로 맥박 신호를 보다 정확하게 검출해 낸다.

도 5a는 간이로 제작한 맥박 측정 센서를 보여주고, 도 5b는 간이로 제작한 맥박 측정 센서를 손목에 착용한 경우의 모습을 보여준다. 도 5a 및 도 5b에서는 자기 차폐부(62)와 신호 처리부(64) 및 표시부(52)를 장착하지 않은 상태의 모습을 보여준다. 체결구(60)는 벨크로테이프(66a,66b)를 갖춘다. 케이스(70)는 연질의 재질로 이루어진다. 자기 소자(44)는 케이스(70)의 중앙부에 형성된 중공(中空)의 하부에 고정되게 설치된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 자기 소자(44)의 상부에 자기 차폐부(62)와 신호 처리부(64) 및 표시부(52)가 케이스(70)내에 고정되게 설치된다.

도 6a 및 도 6b는 도 2의 자기 소자(44)를 이용하여 측정한 맥신호의 파형도이다.

도 6a는 맥신호가 없을 경우의 파형도이고, 도 6b는 맥신호가 있을 경우의 파형도이다. 도 6a 및 도 6b는 자기 차폐부(62)를 채용하지 않은 상태이다. 도 6a 에서는 맥신호를 측정하지 않고 있는 상태일 때의 파형도이다. 도 6b는 예를 들어 피검사자의 왼쪽 손목의 맥을 측정한 경우로서 X축은 시간이고 Y축은 맥의 크기(mV)이다.

도 7a 내지 도 7c는 도 4의 자기 차폐부(62)의 효과를 보여주는 파형도이다.

도 7a는 피검사자가 고정된 상태에서 맥박을 측정한 파형도이다.

도 7b는 자기 차폐부(62)가 없고 피검사자가 움직이는 상태에서 맥박을 측정하였을 때 맥박 파형에 외부의 자기 노이즈가 섞여 있음을 보여주는 파형도이다. 즉, 도 7b는 외부의 자기장의 영향을 차단시켜 줄 자기 차폐부(62)가 없기 때문에 피검사자가 움직이게 되면 외부의 자기장(지구 자기장)에 의해 맥박 신호의 왜곡이 일어남을 보여준다.

도 7c는 자기 차폐부(62)를 설치한 후에 피검사자가 움직이는 상태에서 맥박을 측정하였을 경우의 파형도이다. 피검사자가 움직이더라도 자기 차폐부(62)를 둠으로써 외부의 자기장의 영향을 차단시켜 주므로 피검사자가 고정된 상태에서 맥박을 측정하였을 경우와 거의 동일한 맥박 파형을 얻을 수 있음을 보여 준다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예로만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

도 1은 종래의 맥박 측정 센서의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 맥박 측정 센서의 블럭 구성도이다.

도 3은 도 2에 도시된 자기 센서의 적용예를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 맥박 측정 센서의 단면도이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 맥박 측정 센서의 외관 사시도이다.

도 6a 및 도 6b는 도 2의 자기 소자를 이용하여 측정한 맥신호의 파형도이다.

도 7a 내지 도 7c는 도 4의 자기 차폐부의 효과를 보여주는 파형도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

40 : 발진부 42 : 전압-전류 변환부

44 : 자기 소자 46 : 차동 증폭기

48 : 이득 증폭기 50 : 검파부

52 : 표시부 60 : 체결구

70 : 케이스

Claims (4)

1. 자기 임피던스(Magneto-Impedance) 특성을 가지며 신체 일부의 소정 영역을 덮도록 형성된 자기 소자;

   상기 자기 소자에 가해지는 외부의 자기장을 차단시키는 자기 차폐부; 및

   상기 자기 소자로부터의 감지신호를 맥박 측정을 위한 전기적인 신호로 처리하는 신호 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 맥박 측정 센서.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 자기 소자는 고정용 체결구를 갖춘 케이스의 중앙부 하부에서 신체 일부를 향하도록 고정되게 설치되고, 상기 신호 처리부는 상기 신체 일부와 멀어지게 상기 케이스의 중앙부에서 상기 자기 소자의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 맥박 측정 센서.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 자기 소자는 미앤더(meander) 형상을 갖춘 것을 특징으로 하는 맥박 측정 센서.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 자기 차폐부는 퍼멀로이, 뮤메탈, 비정질 리본, 규소강판 중 어느 하나 의 연자성체로 이루어진 것을 특징으로 하는 맥박 측정 센서.

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