KR20120102201A

KR20120102201A - 전기적 비접촉식 생체 신호 측정 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20120102201A
Application number: KR1020110020177A
Authority: KR
Inventors: 김민철
Original assignee: (주)락싸
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2012-09-18
Also published as: KR101227413B1

Abstract

본 발명은 비접촉식 생체 신호 측정 장치 및 그 측정 방법을 제공한다. 이 장치는 인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제1 전극, 제1 전극과 이격되고 배치되어 인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제2 전극, 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로, 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로, 및 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함한다.

Description

전기적 비접촉식 생체 신호 측정 장치 및 그 방법{ELECTRICAL CONTACTLESS BIO-ELECTRICAL SIGNAL MEASUREMENT APPARATUS AND THE METHOD OF THE SAME}

본 발명은 전기적 비접촉으로 심전도(ECG, Electrocardiogram) 및/또는 호흡을 측정하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 피검자가 옷을 입은 상태로 앉아 전기적 비접촉으로 심전도 신호 및/또는 호흡 신호를 얻을 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 교육과학기술부의 21세기프론티어연구개발사업인 뇌기능 활용 및 뇌질환치료 기술개발 연구사업단의 연구비 지원(과제번호-2010K000827)으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다.

심전도(ECG, Electrocardiogram) 신호는 심장 활동에 동반되는 인체 전기 신호이며, 호흡 신호는 폐 운동에 따른 신호이다. 이들 신호들은 심장 및 폐 관련 각종 질환을 진단하는 주요한 수단으로 활용되며, 기본적인 생명활동 감시를 위한 주요한 수단으로 활용되고 있다.

심전도 신호는 그 신호 모양으로 다양한 진단에 활용된다. 하지만, 심박변이율(HRV, Heart Rate Variability)은 심전도 신호의 꼭지점 간격(R-R interval) 변화에 기인한다. 상기 심박변이율(HRV, Heart Rate Variability) 분석은 자율신경계 정보를 파악하는 용도로 활용될 수 있다.

통상적인 심전도 장치는 피검자 피부에 전도성 전극을 부착하여 계측하도록 구성된다. 복수의 전극들이 피검자 피부에 부착되고, 연결선들은 상기 전극들과 심전도 장치 사이를 연결한다.

본 발명의 해결하고자하는 일 기술적 과제는 전기적 접촉 없이 피검자가 옷을 입은 상태에서 심전도 및/또는 호흡을 계측할 수 있는 측정 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결하고자하는 일 기술적 과제는 전기적 접촉 없이 피검자가 옷을 입은 상태에서 심전도 및/또는 호흡을 계측할 수 있는 측정 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치는 인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제1 전극, 상기 제1 전극과 이격되고 배치되어 상기 인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제2 전극, 상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로, 상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로, 및 상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 측정 장치는 피검자가 옷을 입은 상태에서 전기적 접촉없이 심전도 신호 또는 호흡 신호를 계측할 수 있다. 전단 증폭 회로는 높은 임피던스 특성을 가지는 연산 증폭기(Op-amp)의 성능에 의해 전적으로 결정되지 않고, 별도의 부가 회로가 전단 증폭 회로의 성능을 개선한다. 따라서, 전단 증폭 회로 구현을 위한 연산 증폭기(Op-amp) 선택의 폭이 넓다.

상기 측정 장치는 전기적 비접촉식으로 방석, 시트, 의자, 차량 의자, 소파, 침대, 인큐베이터, 또는 밴드 형태로 구현될 수 있다. 상기 측정 장치는 일상 생활환경에서도 손쉽게 심전도(ECG), 심박 펄스 신호, 심박변이율(HRV) 신호, 및 호흡 신호 중에서 적어도 하나를 제공할 수 있다.

특히, 침대에서 구현될 경우, 상기 측정 장치는 신생아를 포함한 영유아용 환자 감시 장치로 활용할 수 있다. 신생아의 경우, 피부에 온갖 측정 전극을 부착해야 한다. 그러나, 상기 측정 장치는 의류를 착용한 환자가 침대에 누운 상태로 생명 유지 상태를 감시할 수 있게 된다.

도 1은 접촉식 생체 신호 측정 장치의 등가회로 모델이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 비접촉식 신호 계측을 설명하는 등가 회로 모델을 나타낸다.
도 3은 도 2에서 설명한 등가 전기용량(Cs) 및 생체 신호(Vs)의 주파수에 따른 신호 크기 비(Vo/Vs)을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바이어스 경로를 확보하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.
도 9 내지 12는 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 센서 회로를 설명하는 도면들이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭 회로(826)를 설명하는 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 측정 장치를 설명하는 도면들이다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면들이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다.
도 19는 도 13의 측정 장치를 이용하여 측정한 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)와 그 심박 펄스 신호이다.
도 20a 내지 도 20d는 도 13의 측정 장치를 이용하여 측정한 가속도 센서의 z축 방향의 가속도 신호, 필터링된 가속도 신호, 시간 미분 심전도 신호, 및 대역 제거 필터를 통과한 신호이다.
도 21 내지 도 27은 본 발명의 또 다른 실시예들에 따른 측정 장치를 설명하는 도면들이다.
도 28은 도 15의 생체 신호 측정 장치를 이용하여 측정한 호흡 신호(V_RSP), 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG), 및 심박 펄스 신호(V_HBP)를 나타낸다.
도 29a 및 도 29b는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 이용하여 얻은 결과들이다.

접촉식 심전도 장치를 이용한 심전도 신호 계측에서, 피검자는 심전도 신호 계측을 위해 피부 표면에 해당 전극을 부착해야하며, 접촉식 심전도 장치에 구속되는 수고를 감내해야 한다. 접촉식 계측 방법은 도전성 전극을 인체 피부에 직접 부착하여 심전도 신호를 계측한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 계측 방법은 피검자의 인체 피부에 직접적인 전기적 접촉 없이 심전도 신호를 계측할 수 있는 방법이다. 따라서, 심전도 신호는 피검자가 옷을 입은 상태에서 계측될 수 있다.

생체 전기 신호 계측에서는 신호원의 임피던스가 상당히 크다. 따라서, 전도성 전극이 직접적으로 인체에 부착되어, 생체 전기 신호가 측정되었다.

하지만, 피검자가 옷을 입은 상태 또는 측정 센서와 피검자가 이격된 상태에서 생체 전기 신호를 얻을 수 있다면, 피검자의 심리적 제약은 제거될 수 있다. 또한, 비접촉식 측정 센서는 절연체를 개재하여 인체와 밀착되지 않은 환경에서도 생체 전기 신호를 측정할 수 있다. 상기 생체 전기 신호는 뇌파, 심전도, 안전도, 및 근전도, 또는 호흡일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉식 계측 방법은 피검자의 피부에 직접적인 전기적 접촉 없이 피부 표면의 전위(electric potential)을 측정할 수 있다. 적어도 두 측정 전극들의 전위의 차이는 심전도 신호 또는 호흡 신호를 제공할 수 있다. 상기 심전도 신호의 측정을 실현하기 위한 핵심은 비접촉식으로 신호 계측을 제공하는 고입력 임피던스의 전단 증폭(Pre-amplifier) 회로와 차동 증폭 회로 기술이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비접촉 계측 방법은 다음과 같은 문제점 해결을 제공한다. 전단 증폭 회로의 안정적 동작은 바이어스 회로에 의하여 해결될 수 있다. 또한, 용량성 전압 분배에 의한 신호 감쇠는 용량성 되먹임 회로에 의해 해결될 수 있다. 전단 증폭 회로의 등가 입력 저항(또는 유효 입력 저항)은 저항성 되먹임 회로에 의해 해결될 수 있다.

이하, 전기적 비접촉식 계측을 실현하기 위한 센서를 설명한다.

[전통적 접촉 계측 방식과 비접촉 계측 방식의 차이]

도 1은 접촉식 생체 신호 측정 장치의 간단한 등가회로 모델이다.

도 1을 참조하면, 상기 생체 신호 측정 장치는 전도성 전극을 사용하여 생체 신호를 측정한다. 인체에 형성되는 생체 전위(Vs)는 전극(미도시)과 피부 사이에 존재하는 신호원의 임피던스 또는 접촉 저항(Rs)을 통해 생체 신호 측정 장치의 입력으로 전달된다. 생체 신호 측정 장치는 전단 증폭기(10)를 포함한다. 상기 전단 증폭기(10)는 자체 입력저항(Ri) 및 자체 입력 전기용량(Ci)을 가진다. 상기 전단 증폭기(10)의 이득은 1일 수 있다. 이 경우, 상기 전단 증폭기의 출력 신호(Vo)는 다음과 같이 주어질 수 있다.

여기서, j는 복소수를, ω는 상기 전단 증폭기의 입력 신호 또는 생체 전위(Vs)의 각주파수를 나타낸다. 상기 입력 신호의 주파수가 약 10 Hz이고, 신호원의 임피던스 또는 접촉 저항(Rs)이 10 kΩ이고, 상기 전단 증폭기의 입력 저항(Ri)이 10 TΩ이고, 상기 전단 증폭기의 입력 전기용량(Ci)이 10 pF인 경우, 수학식 1은 다음과 같이 근사화될 수 있다.

전통적인 생체 전기 신호 측정 방식에서, 출력 신호(Vo)는 상기 생체 전위(Vs)와 거의 같다. 따라서, 생체 전위(Vs)는 거의 손실 없이 측정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기적 비접촉식 신호 계측을 설명하는 간단한 등가 회로 모델을 나타낸다.

도 2를 참조하면, 비접촉식 신호 측정에서는 인체와 생체 신호 측정 장치 사이에 배치된 접촉 저항(Rs) 대신에 인체와 비접촉식 전극(미도시) 사이에 형성되는 등가 축전기(전기용량(Cs))가 놓인다. 생체 신호 측정 장치는 전단 증폭기(20)를 포함할 수 있다. 상기 전단 증폭기(20)의 이득은 1일 수 있다. 상기 전단 증폭기(20)는 자체 입력저항(Ri) 및 자체 입력 전기용량(Ci)을 가진다. 이 등가 회로에서 생체 신호(Vs)에 대한 출력 신호(Vo)는 다음과 같이 표시될 수 있다.

인체와 상기 비접촉식 전극 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)은 상황에 따라 다양한 값을 가질 수 있다.

도 3은 도 2에서 설명한 등가 전기용량(Cs) 및 생체 신호(Vs)의 주파수 변화에 따른 신호 크기 비(Vo/Vs)을 나타낸다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 등가 전기용량(Cs)과 전단 증폭기(20)의 자체 입력 저항(Ri)은 고주파 통과 필터(HPF)를 형성한다. 생체 신호(Vs)의 주파수가 10 Hz인 경우, 상기 고주파 통과 필터(HPF)의 차단 주파수(Cut-off frequency)는 상기 생체 신호(Vs)의 주파수보다 낮을 수 있다. 따라서, 상기 고주파 통과 필터(HPF)에 의한 신호 감쇠는 없다.

그러나, 출력 신호(Vo)의 크기는 등가 전기용량(Cs)의 크기에 따라 상당한 변화를 보인다. 생체 신호(Vs)의 주파수가 상기 고주파 통과 필터(HPF)에 의한 차단 주파수보다 상당히 큰 경우, 수학식 3에서 분모의 두 번째 항의 크기는 상대적으로 무시할 수 있다. 이 경우, 출력 신호(Vo)의 크기는 다음과 같이 주어진다.

수학식 4와 수학식 2를 비교하면, 비접촉식 신호 계측은 출력 신호(Vo)의 상당한 감쇠를 발생시킬 수 있다. 따라서, 경우에 따라, 비접촉식 신호 계측은 불가능할 수 있다.

전단 증폭기(20)는 연산 증폭기(OP-AMP)를 사용할 수 있다. 상기 전단 증폭기(20)의 자체 입력 전기용량(Ci)의 크기가 작을수록, 출력신호(Vo)의 크기는 증가한다. 또한 비접촉 전극과 인체 사이의 등가 전기용량(Cs)이 클수록, 출력 신호(Vo)의 크기는 증가한다.

수학식 2와 수학식 4는 접촉식 계측과 비접촉식 계측의 결정적 차이를 보여준다. 출력 신호(Vo)의 크기는 통상적으로 전단 증폭기(20)의 후단에 배치된 증폭기(미도시)를 사용하여 증폭될 수 있다. 그러나, 이 경우, 상기 증폭기는 잡음(Noise)도 함께 증폭한다. 따라서, 신호와 잡음의 판별이 어렵다.

수학식 4를 참조하면, 비접촉식 신호를 검출하기 위해서 전단 증폭기(20)의 자체 입력 전기용량(Ci)은 감소되고, 동시에 비접촉 전극과 인체 사이의 등가 전기용량(Cs)은 증가될 필요가 있다. 신호 크기 비(Vo/Vs)가 거의 1에 근접하도록, 전단 증폭기를(20) 포함하는 센서 회로가 필요하다.

접촉식 검출 방법과 비접촉식 검출 방법의 다른 차이는 전단 증폭기를 구동을 위한 바이어스 직류 전류(Ib)가 흐르는 경로의 존재 여부이다. 전단 증폭기(20)의 입력 바이어스 전류 경로는 전단 증폭기의 올바른 동작을 위해서 필요하다.

다시, 도 1을 참조하면, 접촉식 검출 방법에서는 전단 증폭기의 입력단에서 전극-피부의 접촉 저항(Rs)를 통해 인체 피부에 부착되는 접지 전극(미도시)을 거쳐 전단 증폭기(10)의 접지로 흐르는 바이어스 전류 경로가 존재한다.

다시, 도 2를 참조하면, 비접촉식 검출 방법에서는 바이어스 전류가 흐르는 별도의 전류 경로가 존재하지 않는다. 전단 증폭기(20)의 자체 입력 저항(Ri)을 통한 경로는 존재할 수 있다. 이 경로는 상기 전단 증폭기(20)의 안정적인 동작을 보장하지 못한다. 바이어스 전류(Ib)와 자체 입력 저항(Ri)에 의해 상기 전단 증폭기(20)의 출력이 포화될 수 있다. 따라서, 상기 전단 증폭기(20)의 정상적인 동작은 보장되지 않는다. 따라서, 비접촉식 검출 방법은 쉽게 달성되기 어렵다.

[증폭기 안정적 동작을 위한 바이어스 회로]

비접촉식으로 신호를 계측하기 위해서는 상술한 문제점들(용량성 전압 분배에 의한 신호 감쇠와 바이어스 전류 경로 미확보로 인한 증폭기 동작 불능)을 해결해야 한다.

먼저, 전단 증폭기의 올바른 동작이 요구된다. 따라서, 바이어스 경로의 회로적 형성이 고려된다.

도 4는 바이어스 경로를 확보하는 가장 간단한 방법을 설명하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 전단 증폭기(30)의 입력단과 접지(GND) 사이에 바이어스 저항(32)이 삽입된다. 상기 전단 증폭기(30)의 입력단에 존재하는 바이어스 전류(Ib)는 상기 바이어스 저항(32)을 통해 접지로 흐른다. 따라서, 바이어스 전류 경로가 형성되어, 상기 전단 증폭기(30)는 정상 동작할 수 있다.

다만, 이 경우, 바이어스 전류(Ib)와 상기 바이어스 저항(32)에 의한 전압 강하는 상기 전단 증폭기(30)의 구동 전압 및 입력 공통 모드 전압(input common mode voltage)보다 작아야 한다. 회로적으로 도입된 상기 바이어스 저항(32)은 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)과 병렬로 연결된다. 상기 바이어스 저항(32)의 저항값은 대개 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)보다 상당히 작다. 따라서, 수학식 3에서 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)은 상기 바이어스 저항(32)으로 대체될 수 있다.

그에 따른 수학식 3을 참조하면, 등가 전기용량(Cs)과 상기 바이어스 저항(32)에 의해 형성된 고주파 통과 필터(HPF) 특성은 신호 주파수 변화에 따른 출력 신호(Vo)의 크기에 변동을 제공할 수 있다. 즉, 출력 신호(Vo)는 상기 등가 전기용량(Cs)과 상기 전단 증폭기(30)의 자체 입력 전기용량(Ci)에 의한 용량성 전압 분배에 따른 신호 감쇠 및 상기 등가 전기용량(Cs)과 상기 바이어스 저항(32)에 의한 고주파 통과 필터(HPF)에 따른 신호 감쇠를 동반한다.

상기 바이어스 저항(32)에 의한 고주파통과필터(HPF)에 따른 신호 감쇠를 줄이기 위해서, 신호 회로와 바이어스 회로를 분리하는 것이 바람직하다. 즉, 직류(DC) 성분의 바이어스 회로는 낮은 임피던스를 갖는 회로로 구성되고, 교류(AC) 성분의 신호 회로는 높은 임피던스를 갖도록 구성된다.

도 5는 부트스트랩 센서 회로를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 부트스트랩 센서 회로는 제1 증폭기(41) 및 바이어스 저항(42a,42b)을 포함할 수 있다. 제1 바이어스 저항(42a) 및 제2 바이어스 저항(42b)은 상기 제1 증폭기(41)의 양의 입력단과 접지 사이에 직렬로 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(41)의 출력단은 상기 제1 증폭기(41)의 음의 입력단에 직접 연결될 수 있다. 바이어스 축전기(44)는 상기 전단 증폭기(41)의 출력단과 상기 제1 바이어스 저항(42a) 및 제2 바이어스 저항(42b)의 접촉점(N1) 사이에 연결될 수 있다.

제1 바이어스 저항(42a)과 제2 바이어스 저항(42b)은 직류(DC) 바이어스 전류(Ib)가 흐르는 경로를 제공한다. 또한, 제1 바이어스 저항(42a)과 제2 바이어스 저항(42b)은 비교적 낮은 임피던스를 갖도록 설정할 수 있다. 교류(AC) 성분의 신호에 대해서 상기 바이어스 축전기(44)는 단락으로 작용한다. 따라서, 교류(AC) 성분의 신호에 대해서 상기 제1 바이어스 저항(42a)의 양단의 전위차는 거의 없고, 높은 임피던스 회로가 제공된다.

도 4 및 도 5의 바이어스는 바이어스 전류가 바이어스 저항을 통해 접지(GND)로 직접 흐르는 접지 바이어스이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 상기 센서 회로는 부동 바이어스를 사용한다. 상기 부동 바이어스는 제1 증폭기(51)의 출력에 존재하는 직류(DC) 성분의 크기에 따라 입력 바이어스의 크기를 능동적으로 조절할 수 있는 것이다. 바이어스 저항의 한쪽 끝이 접지(GND)가 아니라 부동 전위(Vb)에 연결된다.

비접촉식 신호 측정은 인체와 생체 신호 측정 장치 사이에 배치된 접촉 저항(Rs) 대신에 인체와 비접촉식 전극(미도시) 사이에 형성되는 등가 축전기(전기용량(Cs))가 놓인다.

상기 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 상기 등가 축전기를 통해 양의 입력단으로 입력받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(51) 및 상기 제1 증폭기(51)의 출력단과 상기 제1 증폭기(51)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(51)의 안정적인 동작으로 보장하는 바이어스 회로(53)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(51)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(51)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(51)의 이득은 1되고, 상기 제1 증폭기(51)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

상기 바이어스 회로(53)는 상기 제1 증폭기(51)의 출력을 제공받아 시간 적분을 수행하는 반전 증폭 회로(56), 상기 제1 증폭기(51)의 양의 입력단과 상기 반전 증폭회로(56) 출력 사이에 직렬 연결되는 제1 바이어스 저항(52a) 및 제2 바이어스 저항(52b), 및 상기 제1 바이어스 저항(52a)과 상기 제2 바이어스 저항(52b)의 접촉점(N1)과 상기 제1 증폭기(51)의 출력단 사이에 배치되는 바이어스 축전기(54)를 포함한다.

상기 반전 적분 회로(56)는 바이어스 증폭기(55), 상기 바이어스 증폭기(55)의 양의 입력단에 연결된 기준 전압원(156), 상기 제1 증폭기(51)의 출력단과 상기 바이어스 증폭기(55)의 음의 입력단 사이에 배치된 적분 저항(58), 상기 바이어스 증폭기(55)의 출력단과 상기 바이어스 증폭기(55)의 음의 입력단 사이에 연결된 적분 축전기(57)를 포함한다. 상기 바이어스 증폭기(55)의 출력단은 상기 제2 바이어스 저항(52b)에 연결된다.

상기 기준 전압원(156)의 전위(Vr)는 상기 제1 증폭기(51)가 ± V 구동 전압을 갖는 양극 전원으로 구동될 경우에는 0 V일 수 있다. 또는 상기 기준 전압원(156)의 전위는 상기 제1 증폭기(51)가 +V 구동 전압을 갖는 단극 전원으로 구동될 경우에는 V/2일 수 있다.

상기 제2 바이어스 저항(52b)의 일단은 상기 접촉점(N1)에 연결되고, 제2 바이어스 저항(Rb2)의 타단은 접지(GND)가 아니라 부동 전위(Vb)에 연결된다. 상기 부동 전위(Vb)는 상기 반전 적분 회로(56)의 출력단의 전위이다.

부동 바이어스 방식은 제1 증폭기(51) 출력의 직류 성분을 상기 반전 증폭 회로(56)의 기준 전압(Vr)과 같게 둘 수 있는 장점을 가진다. 제1 증폭기(51)의 출력 전압(Vo)이 상기 기준 전압(Vr) 수준이 되도록, 상기 반전 적분 회로(56)는 부동 전위(Vb)를 상기 제2 바이어스 저항(52b)에 제공한다. 제1, 제2 바이어스 저항(52a, 52b)과 바이어스 전류(Ib)에 의한 전위차와 상기 부동 전위(Vb)가 제1 증폭기(51)의 양의 입력단의 입력 전위(Vin)에 기여한다. 상기 입력 전위(Vin)는 상기 제1 증폭기(51)의 출력단에 출력 신호(Vo)로 나타난다. 따라서, 제1 증폭기(51)의 안정적인 바이어스 조건이 형성된다.

상기 바이어스 회로(53)는 상기 입력 전위(Vin)에 대해 고주파통과필터(HPF) 역할을 수행한다. 즉, 적분 저항(58)과 적분 축전기(57)는 상기 입력 전위(Vin)에 대해 고주파통과필터(HPF)의 차단 주파수를 결정한다.

[인체 피부와 측정 전극 사이의 상대적인 움직임에 의한 신호 잡음]

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 7을 참조하면, 상기 센서 회로는 신호원의 측정신호를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(251), 및 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(253)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(251)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(251)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(251)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(251)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

저항성 되먹임 회로(270)는 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(251)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단으로 저항성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1 증폭기(251)의 유효 입력 저항을 증가시킨다.

용량성 되먹임 회로(280)는 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(251)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단으로 용량성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1 증폭기(251)의 유효 입력 전기용량을 감소시킨다.

비접촉식 신호 측정에서 인체 피부(201)와 비접촉식 측정 전극(202) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)이 놓인다. 비접촉식 생체 신호 측정에서, 인체 피부(201)와 비접촉식 측정 전극(202) 사이의 상대적인 움직임에 의한 잡음에 대해 논의해 본다. 인체 피부(201)는 생체 신호(Vs)를 가진다.

수학식 4를 참조하면, 등가 전기용량(Cs)의 크기가 클수록, 상기 출력 신호(Vo)의 크기는 증가한다. 즉, 인체 피부(201)와 측정 전극(202)에 의한 등가 전기용량(Cs) 값의 변동은 제1 증폭기(251)의 출력 신호(Vo)에 잡음으로 나타난다. 상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 거리 변화는 상기 출력 신호(Vo)보다 훨씬 크게 잡음으로 출력된다.

상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 상대적 움직임에 의한 영향이 감소될 필요가 있다. 수학식 4를 참조하면, 상기 등가 전기용량(Cs)의 의존성을 줄이면, 상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 상대적 움직임에 의한 영향은 감소될 수 있다. 이를 위하여, 상기 측정 전극(202)과 제1 증폭기(251)의 양의 입력단 사이에 결합 축전기(204)가 직렬로 연결된다. 상기 결합 축전기(204)는 결합 전기용량(Cc)을 가진다. 상기 등가 전기용량(Cs)과 상기 결합 전기용량(Cc)은 축전기의 직렬 연결을 형성한다. 따라서, 알짜 총 결합 전기용량(Ct)는 다음과 같이 표시될 수 있다.

알짜 결합 전기용량(Ct)은 항상 상기 결합 전기용량(Cc)보다 작거나 같다. 또한, 알짜 결합 전기용량(Ct)은 수학식 3 및 수학식 4에서 등가 전기용량(Cs) 대신에 사용될 수 있다.

상기 등가 전기용량(Cs)을 결합 전기용량(Cc)의 10배 수준으로 설정한다면 알짜 결합 전기용량(Ct)은 거의 결합 전기용량(Cc)과 같게 된다. 이 경우, 등가 전기용량(Cs)의 변동은 알짜 결합 전기용량(Ct)의 변화에 거의 기여하지 못하게 된다. 결과적으로, 상기 측정 전극(202)과 인체 피부(201) 사이의 거리 변화에 기인한 등가 전기용량(Cs)의 변동은 상기 센서 출력(Vo)에 거의 나타나지 않는다.

따라서, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이의 상대적 움직임에 의한 미미한 영향은 무시할 수 있다.

[용량성 전압 분배에 의한 신호 감쇠 문제 해결 방안]

다음으로, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)과 제1 증폭기(251)의 자체 입력 전기용량(Ci)에 의한 신호 감쇠 문제가 고려된다. 수학식 4를 참조하면, 상기 등가 전기용량(Cs)은 클수록, 자체 입력 전기용량(Ci)은 작을수록, 센서 회로의 출력 신호(Vo) 크기는 증가한다.

상기 등가 전기용량(Cs)을 증가시키기 위하여, 측정부위와 닿는 측정 전극(202)의 크기가 증가되거나, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이의 거리가 감소될 수 있다. 그러나, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이에는 피검자의 옷감이 놓일 수 있다. 따라서, 인체 피부(201)와 측정 전극(202) 사이의 거리의 감소는 한계가 있다.

예를 들어, 직경 6 cm의 원형의 측정 전극(202)이 인체 피부와 1 mm 간격을 두고 축전기를 형성할 수 있다. 이 경우, 상기 축전기의 등가 전기용량(Cs)은 25 pF 수준이다. 제1 증폭기(251)의 자체 입력 전기용량(Ci)이 대략 10 pF인 것을 고려하면, 수학식 4에서 입력 신호(Vs)에 대한 출력 신호(Vo)의 비를 0.71 수준으로 얻는다. 상기 측정 전극(202)의 크기를 더 키우면, 상기 등가 전기용량(Cs)은 더 큰 값을 가질 수 있다. 그러나 상기 측정 전극(202)의 크기를 키우는데 한계가 있다. 따라서 제1 증폭기(251)의 자체 입력 전기용량(Ci)을 줄이는 노력이 더 필요하다.

상기 제1증폭기로 사용되는 연산 증폭기(OP-AMP)의 자체 입력 전기용량(Ci)이 작은 부품을 선정하는 것이 그 일차적인 일이다. 그러나 이것은 궁극적인 해결책이 되지 못한다. 어떠한 부품을 사용하든 상기 제1증폭기의 유효 입력 전기용량(Ce)을 줄이는 회로적 해결책이 필요하다. 상기 유효 입력 전기용량(Ce)은 상기 제1증폭기를 포함하는 센서 회로의 입력 전기용량(Ce)을 의미한다. 이 값은 수학식 4에서 증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci)을 대신한다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 8을 참조하면, 상기 센서 회로는 측정신호(Vs)를 양의 입력단으로 입력받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(351),및 상기 제1 증폭기(351)의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(351)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로를 포함한다.

상기 제1 증폭기(351)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(351)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(351)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(351)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

용량성 되먹임 회로(380)는 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(351)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(351)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(351)의 입력단의 전위보다 큰 용량성 되먹임 전압(Vcf)을 되먹임 축전기(382)를 통하여 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단으로 제공하여, 상기 제1 증폭기(351)의 유효 입력 전기용량(Ce)을 감소시킨다.

상기 용량성 되먹임 회로(380)는 상기 제1 증폭기(351)의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 비반전 증폭회로(385), 및 상기 비반전 증폭회로(385)의 출력과 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 축전기(382)를 포함한다.

상기 비반전 증폭회로(385)는 용량성 되먹임 증폭기(381), 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 음의 입력단과 접지 사이에 연결된 제1 이득 저항(383) 및 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 음의 입력단과 출력단 사이에 연결된 제2 이득 저항(384)을 포함한다. 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결되고, 상기 용량성 되먹임 증폭기(381)의 출력단은 상기 되먹임 축전기(382)의 일단에 연결된다. 상기 되먹임 축전기(382)의 타단은 상기 제1 증폭기(351)의 양의 입력단에 연결된다.

상기 제1증폭기(351)의 양의 입력단 관점에서 보면, 상기 제1증폭기(351)의 자체 입력 전기용량(Ci, 미도시)과 되먹임 전기용량(382, Cf)은 서로 병렬 결합된 상태이다. 따라서 상기 제1증폭기(351)의 유효 입력 전기용량(Ce)은 상기 제1증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci)과 상기 되먹임 전기용량(382, Cf)의 산술 합으로 표현될 수 있다. 상기 제1증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci)은 상기 제1증폭기의 입력 전위(Vin)와 접지(GND) 사이에 형성되는 전기용량이다. 따라서 상기 자체 입력 전기용량(Ci)은 양의 값으로 기여한다. 반면, 상기 되먹임 전기용량(382, Cf)은 상기 제1증폭기(351)의 입력 전위(Vin)와 용량성 되먹임 전압(Vcf) 사이에 형성되는 전기용량이며 상기 용량성 되먹임 전압(Vcf)은 항상 상기 제1증폭기의 입력 전위(Vin) 보다 큰 값을 가지면서 동위상으로 존재하므로 상기 되먹임 전기용량(382,Cf)은 음의 값으로 기여한다. 그 기여 정도는 상기 용량성 되먹임 전압(Vcf)과 상기 입력 전위(Vin)의 차이 정도에 의존한다. 결과적으로, 상기 제1증폭기의 유효 입력 전기용량(Ce)은 항상 상기 제1증폭기의 자체 입력 전기용량(Ci) 보다 작은 값을 갖게 된다.

양의 되먹임 회로 방식을 이용한 제1 증폭기(351)를 포함한 센서회로의 유효 입력 전기용량(Ce)의 크기 제어는 상기 제1 증폭기(351)의 바이어스 조건과 독립적으로 적용될 수 있다. 따라서, 어떠한 바이어스 회로에 대해서도, 유효 입력 전기용량(Ce)은 양의 되먹임 방식으로 그 값을 줄일 수 있다.

[증폭기 등가 입력 저항 키우기]

다시, 도 4를 참조하면, 제1 증폭기(30)의 안정적인 동작을 위해 제1 증폭기(30)의 입력단에 연결된 바이어스 저항(32)의 값은 제1 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)에 비해 훨씬 작다. 따라서, 수학식 3에서 분모의 두 번째 항은 더 이상 무시될 수 없다.

통상적으로, 상기 바이어스 저항(32)은 100 GΩ수준이다. 제1 증폭기(30)의 입력 저항(Ri)은 10 TΩ수준이다. 상기 제1 증폭기(30)의 자체 입력 저항(Ri)의 값은 바이어스 저항(32)의 100 배 크기이다.

상기 바이어스 저항(32)을 연결하되, 신호 관점에서 상기 바이어스 저항(32)을 임피던스로 인식하지 않게 하는 회로적인 보상 수단이 필요하다. 상기 보상 수단은 등가 전기용량(Cs)과 상기 바이어스 저항(Rb)에 의해 형성된 고주파통과필터(HPF) 작용에 기인한 신호 감쇠를 제거할 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 9를 참조하면, 센서 회로는 측정신호(Vs)를 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(451),및

상기 제1 증폭기(451)의 출력단 및 접지 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(451)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(453)를 포함한다.

상기 제1 증폭기(451)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(451)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(451)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(451)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

저항성 되먹임 회로(470)는 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(451)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(451)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(451)의 입력단의 전위보다 큰 저항성 되먹임 전압(Vrf)을 되먹임 저항(472)을 통하여 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단으로 제공하여, 상기 제1증폭기(451)의 유효 입력 저항(Re)을 증가시킨다.

상기 저항성 되먹임 회로(470)는 상기 제1 증폭기(451)의 출력을 입력받아 1 초과의 이득을 갖는 비반전 증폭회로(475), 및 상기 비반전 증폭회로(475)의 출력과 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단 사이에 연결되는 되먹임 저항(472)을 포함한다.

상기 비반전 증폭회로(475)는 저항성 되먹임 증폭기(471), 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 음의 입력단과 접지 사이에 연결된 제1 이득 저항(473) 및 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 음의 입력단과 출력단 사이에 연결된 제2 이득 저항(474)을 포함한다. 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기(451)의 출력단에 연결되고, 상기 저항성 되먹임 증폭기(471)의 출력단은 상기 되먹임 저항(472)의 일단에 연결된다. 상기 되먹임 저항(472)의 타단은 상기 제1 증폭기(451)의 양의 입력단에 연결된다.

상기 제1증폭기(451)의 양의 입력단 관점에서 보면 상기 제1증폭기의 자체 입력 저항(Ri, 미도시)과 상기 바이어스 회로(453)에 포함된 바이어스 저항(Rb, 미도시) 그리고 상기 되먹임 저항(472, Rf)은 서로 병렬 연결된 상태이다. 따라서 상기 제1증폭기(451)의 유효 입력 저항(Re)의 역수는 상기 제1증폭기(451)의 자체 입력 저항(Ri)의 역수와 상기 바이어스 저항(Rb)의 역수 그리고 상기 되먹임 저항(472, Rf)의 역수의 산술 합으로 표현될 수 있다. 상기 제1증폭기의 자체 입력 저항(Ri)은 상기 제1증폭기(451)의 입력 전위(Vin)와 접지(GND) 사이에 형성된 전기 저항이다. 따라서 상기 자체 입력 저항(Ri)은 양의 역수 값으로 기여한다. 그리고 상기 바이어스 저항(Rb)은 상기 제1증폭기(451)의 입력 전위(Vin)와 접지(GND) 또는 부동 전위(Vb, 미도시) 사이에 형성된 저항으로서 양의 역수 값으로 기여한다. 반면, 상기 되먹임 저항(472, Rf)은 상기 제1증폭기(451)의 입력 전위(Vin)와 저항성 되먹임 전압(Vcf) 사이에 형성되는 전기저항이며 상기 저항성 되먹임 전압(Vrf)은 항상 상기 제1증폭기의 입력 전위(Vin) 보다 큰 값을 가지면서 동위상으로 존재하므로 상기 되먹임 저항(472, Rf)은 음의 역수 값으로 기여한다. 그 기여 정도는 상기 저항성 되먹임 전압(Vrf)과 상기 입력 전위(Vin)의 차이 정도에 의존한다. 결과적으로, 상기 제1증폭기의 유효 입력 저항(Re)은 항상 상기 제1증폭기의 자체 입력 저항(Ri)과 상기 바이어스 저항(Rb)의 조화평균 보다 큰 값을 갖게 된다.

상술한 방식의 제1 증폭기(451)를 포함한 센서 회로의 유효 입력 저항(Re)의 크기 제어는 바이어스 회로, 용량성 되먹임 회로 등과는 독립적으로 적용할 수 있다. 바이어스 회로는 제1 증폭기의 안정적 동작을 위해서 필요하다. 유효 입력 저항(Re)을 늘이는 저항성 되먹임 회로 또는 유효 입력 전기용량을 줄이는 용량성 되먹임 회로는 선택적으로 센서회로에 제공될 수 있다.

[전기적 비접촉식 계측을 실현하기 위한 센서 회로들]

다시, 도 7을 참조하면, 전기적 비접촉 전위 센서를 구현하기 위한 센서 회로는 제1 증폭기(251) 및 바이어스 회로(253)를 포함한다. 그러나, 상기 제1 증폭기(251)의 유효 입력 저항(Re)을 증가시키는 저항성 되먹임 회로(270)나 유효 입력 전기용량을 감소시키는 용량성 되먹임 회로(280)는 선택적으로 도입할 수 있다.

상기 바이어스 회로(253)는 접지 바이어스, 부트스트랩 접지 바이어스, 그리고 부동 바이어스 회로일 수 있다. 상기 센서 회로는 상기 저항성 되먹임 회로(270) 및/또는 용량성 되먹임 회로(280)를 포함할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 10을 참조하면, 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(551), 및 상기 제1 증폭기(551)의 출력단과 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(551)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(553)를 포함한다.

상기 제1 증폭기(551)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(551)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(551)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(551)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

측정 전극(502)은 상기 신호원에 전기적으로 비접촉하여 인접하게 배치된다. 상기 측정 전극(502)은 금속으로 구성될 수 있으며, 상기 측정 대상 또는 신호원에 대향하는 상기 측정 전극(502)의 일면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 측정 전극(502)은 도전성 직물로 형성되거나 다양한 형태로 변형될 수 있다.

결합 축전기(504)는 상기 측정 전극(502)과 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단 사이에 직렬 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(504)의 전기용량(Cc)은 상기 신호원과 상기 측정 전극(502) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 결합 축전기(504)의 전기용량(Cc)은 등가 전기용량(Cs)의 1/10배 정도일 수 있다.

가드부(506)는 상기 측정 전극(502) 또는 상기 결합 축전기(504)의 전부 또는 일부를 감싼다. 상기 가드부(506)는 상기 결합 축전기(504)와 연결되는 상기 측정 전극(502)의 한쪽 면, 상기 결합 축전기(504)와 상기 측정 전극(502)을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기(504) 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 있을 수 있다. 상기 가드부(506)는 상기 제1 증폭기(551)의 출력단에 연결되어 그 출력 전압(Vo)과 같은 전압으로 유지될 수 있다. 상기 가드부(506)는 도전성 그물 또는 도전성 케이블일 수 있다.

센서 회로는 제1 증폭기(551), 바이어스 회로(553), 되먹임 회로(570)를 포함한다. 바이어스 회로(553)는 부동 바이어스 회로일 수 있다.

상기 바이어스 회로(553)는 제2 증폭기(555), 바이어스 저항(552), 적분 축전기(557), 및 적분 저항(558)을 포함할 수 있다. 상기 제2 증폭기(555)는 상기 제1 증폭기(551)의 출력단의 출력신호를 제공받아 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단에 바이어스 전류를 제공한다.

상기 바이어스 저항(552)은 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단과 제2 증폭기(555)의 출력단 사이에 연결된다. 상기 적분 축전기(557)는 상기 제2 증폭기(555)의 출력단과 상기 제2 증폭기(555)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 적분 저항(558)은 상기 제2 증폭기(555)의 상기 음의 입력단과 상기 제1 증폭기(551)의 출력단 사이에 연결된다.

상기 제2 증폭기(555)의 양의 입력단은 기준 전위(556, Vr)에 연결된다. 기준 전위는 상기 제1증폭기의 출력(Vo) 기준 전위가 된다. 상기 증폭기들의 구동 전원이 ± V 양전원이면, 상기 기준 전위는 0V(접지, GND)일 수 있다. 한편, 구동 전원이 +V의 단전원이면, 상기 기준 전위는 V/2일 수 있다.

상기 되먹임 회로(570)는 제3 증폭기(571), 되먹임 축전기(572b), 되먹임 저항(572a), 제1 저항(573), 및 제2 저항(574)을 포함한다. 상기 제3 증폭기(571)는 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단에 되먹임 전류를 제공한다. 상기 되먹임 축전기(572b)는 상기 제1 증폭기(551)의 양의 입력단과 제3 증폭기(571)의 출력단 사이에 연결된다. 상기 되먹임 저항(572a)은 상기 되먹임 축전기(572b)와 병렬로 연결된다. 상기 제1 저항(573)은 상기 제3 증폭기(571)의 음의 입력단과 기준 전위(575, Vr) 사이에 연결된다. 상기 기준 전위(575, Vr)는 상기 바이어스 회로(553)의 기준 전위(556, Vr)와 같은 값을 갖는다. 상기 제2 저항(574)은 상기 제3증폭기(571)의 출력단과 제3 증폭기(571)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제3 증폭기(571)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결된다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 11을 참조하면, 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(651), 및 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단과 접지(GND) 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(651)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(653)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(651)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(651)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(651)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(651)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

측정 전극(602)은 상기 신호원에 전기적으로 비접촉하여 인접하게 배치된다. 상기 측정 전극(602)은 금속으로 구성될 수 있으며, 상기 측정 대상에 대향하는 측정 전극(602)의 일면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 측정 전극(602)은 도전성 직물로 형성되거나 다양한 형태로 변형될 수 있다.

결합 축전기(604)는 상기 측정 전극(602)과 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단 사이에 직렬 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(604)의 전기용량(Cc)은 상기 신호원과 상기 측정 전극(602) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 결합 축전기(604)의 전기용량(Cc)은 등가 전기용량(Cs)의 1/10배 정도일 수 있다.

가드부(606)는 상기 측정 전극(602) 또는 상기 결합 축전기(604)의 전부 또는 일부를 감싼다. 상기 가드부(606)는 상기 결합 축전기(604)와 연결되는 상기 측정 전극(602)의 한쪽 면, 상기 결합 축전기(604)와 상기 측정 전극(602)을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기(604) 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 있을 수 있다. 상기 가드부(606)는 상기 제1 증폭기(651)의 출력단에 연결되어 그 출력 전압(Vo)과 같은 전압으로 유지될 수 있다. 상기 가드부(606)는 도전성 그물 또는 도전성 케이블일 수 있다.

센서 회로는 제1 증폭기(651), 바이어스 회로(653), 되먹임 회로(670)를 포함한다. 바이어스 회로(653)는 접지 바이어스 회로일 수 있다. 되먹임 회로(670)는 저항성 되먹임 회로일 수 있다.

상기 바이어스 회로(653)는 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단과 접지 사이에 연결되는 바이어스 저항(652)을 포함한다.

상기 되먹임 회로(670)는 제3 증폭기(671), 되먹임 저항(672), 제1 저항(673), 및 제2 저항(674)을 포함한다. 상기 제3 증폭기(671)는 상기 제1 증폭기(651)의 입력단에 되먹임 전류를 제공한다. 상기 되먹임 저항(672)은 상기 제3 증폭기(671)의 출력단과 상기 제1 증폭기(651)의 양의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제1 저항(673)은 상기 제3 증폭기(671)의 음의 입력단과 접지(GND) 사이에 연결된다. 상기 제2 저항(674)은 상기 제3 증폭기(671)의 출력단과 제3 증폭기(671)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제3 증폭기(671)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기(651)의 출력단과 연결되고, 상기 센서 회로는 양극 전원으로 구동된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 회로를 설명하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 센서 회로는 신호원의 측정신호(Vs)를 직접 또는 간접적으로 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(751), 및 상기 제1 증폭기(751)의 출력단과 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(751)의 안정적인 동작으로 보장하는 바이어스 회로(753)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(751)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(751)의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기(751)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기(751)는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된다.

측정 전극(702)은 상기 신호원에 전기적으로 비접촉하여 인접하게 배치된다. 상기 측정 전극(702)은 금속으로 구성될 수 있으며, 상기 측정 대상에 대향하는 측정 전극(702)의 일면은 절연체로 코팅될 수 있다. 상기 측정 전극(702)은 도전성 직물로 형성되거나 다양한 형태로 변형될 수 있다.

결합 축전기(704)는 상기 측정 전극(702)과 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단 사이에 직렬 연결될 수 있다. 상기 결합 축전기(704)의 전기용량(Cc)은 상기 신호원과 상기 측정 전극(702) 사이에 형성되는 등가 전기용량(Cs)보다 작을 수 있다. 바람직하게는, 상기 결합 축전기(704)의 전기용량(Cc)은 등가 전기용량(Cs)의 1/10배 정도일 수 있다.

가드부(706)는 상기 측정 전극(702) 또는 상기 결합 축전기(704)의 전부 또는 일부를 감싼다. 상기 가드부(706)는 상기 결합 축전기(704)와 연결되는 상기 측정 전극(702)의 한쪽 면, 상기 결합 축전기(704)와 상기 측정 전극(702)을 연결하는 도선, 및 상기 결합 축전기(704) 중에서 적어도 하나의 주위를 감싸고 있을 수 있다. 상기 가드부(706)는 상기 제1 증폭기(751)의 출력단에 연결되어 그 출력 전압(Vo)과 같은 전압으로 유지될 수 있다. 상기 가드부(706)는 도전성 그물 또는 도전성 케이블일 수 있다.

센서 회로는 제1 증폭기(751), 바이어스 회로(753), 용량성 되먹임 회로(780)를 포함한다. 상기 바이어스 회로(753)는 부동 바이어스 회로일 수 있다.

상기 바이어스 회로(753)는 제2 증폭기(755), 제1 및 제2 바이어스 저항(752a,752b), 적분 축전기(757), 적분 저항(758), 및 축전기(754)를 포함한다. 상기 제2 증폭기(755)는 상기 제1 증폭기(751)의 출력단의 출력신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단에 바이어스 전류를 제공한다. 상기 제1 및 제2 바이어스 저항(752a,752b)은 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단과 제2 증폭기(755)의 출력단 사이에 직렬로 연결된다. 상기 적분 축전기(757)는 상기 제2 증폭기(755)의 출력단과 상기 제2 증폭기(755)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 적분 저항(758)은 상기 제2 증폭기(755)의 음의 입력단과 상기 제1 증폭기(751)의 출력단 사이에 연결된다. 축전기(754)는 상기 제1 증폭기(751)의 출력단과 상기 제1 바이어스 저항(752a) 및 제2 바이어스 저항(752b)의 점촉점(N1) 사이에 연결된다.

상기 제2 증폭기(755)의 양의 입력단은 기준 전위(756, Vr)에 연결된다. 기준 전위는 상기 제1증폭기의 출력(Vo) 기준 전위가 된다. 상기 증폭기들의 구동 전원이 ± V 양전원이면, 상기 기준 전위는 0V(접지, GND)일 수 있다. 한편, 구동 전원이 +V의 단전원이면, 상기 기준 전위는 V/2일 수 있다.

용량성 되먹임 회로(780)는 제3 증폭기(781), 되먹임 축전기(782), 제1 저항(783), 및 제2 저항(784)을 포함한다. 상기 제3 증폭기(781)는 상기 제1 증폭기(751)의 입력단에 되먹임 전류를 제공한다. 상기 되먹임 축전기(782)는 상기 제1 증폭기(751)의 양의 입력단과 제3 증폭기(781)의 출력단 사이에 연결된다. 상기 제1 저항(783)은 상기 제3 증폭기(781)의 음의 입력단과 기준 전위(785, Vr) 사이에 연결된다. 상기 기준 전위(785, Vr)는 상기 바이어스 회로(753)의 기준 전위(756, Vr)와 같은 값을 갖는다. 상기 제2 저항(784)은 상기 제3 증폭기(781)의 출력단과 제3 증폭기(781)의 음의 입력단 사이에 연결된다. 상기 제3 증폭기(781)의 양의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 연결된다.

[전기적 비접촉식 생체 신호 계측 시스템의 구성]

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치를 설명하는 도면이다.

도 13을 참조하면, 측정 장치는 인체(801)에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제1 전극(812), 상기 제1 전극(812)과 이격되어 배치되고 상기 인체(801)에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제2 전극(814), 상기 제1 전극 및 제2 전극과 이격되어 배치되고 상기 인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 접지 전극(816), 상기 제1 전극(812)에 연결된 제1 전단 증폭회로(822), 상기 제2 전극(814)에 연결된 제2 전단 증폭회로(824), 및 상기 제1 전단 증폭회로(822)의 제1 출력 신호(Vo1) 및 상기 제2 전단 증폭회로(824)의 제2 출력 신호(Vo2)를 이용하여 생체 전기 신호(V_E)를 추출하는 차동 증폭부(826)를 포함한다.

상기 제1 전극(812)은 연결선(821)을 통해서 상기 제1 전단 증폭회로(822)에 연결되고, 상기 제2 전극(814)은 연결선(821)을 통해서 상기 제2 전단 증폭회로(824)에 연결된다. 상기 각 연결선(821)은 가드 처리된 동축선일 수 있다.

접지 전극(816)은 단일 도선을 통해 측정 장치의 접지(GND)로 연결될 수 있다. 상기 접지 전극(816)은 상기 제1 전극(812) 및 제2 전극(814)과 이격되어 배치되고 상기 인체(801)에 직접 전기적으로 접촉하지 않을 수 있다.

상기 제1 전극(812), 제2 전극(814), 및 접지 전극(816)은 전기 절연체에 매설되어 상기 인체의 엉덩이 부위에 장착될 수 있다.

또는, 상기 제1 전극(812), 제2 전극(814), 및 접지 전극(816)이 전기 절연체에 매설되고, 상기 인체의 등 부위에는 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)이 배치되고, 엉덩이 부위에는 상기 접지 전극(816)이 배치될 수 있다. 이 경우, 상기 생체전기 신호는 호흡 신호를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 및 제2 전단 증폭회로는 상기 인체의 생체 전위(Vs)를 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기(251), 및 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 및/또는 접지(GND)와 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기(251)의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로(253)를 포함한다. 상기 제1 증폭기(251)의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기(251)의 출력단에 직접 연결될 수 있다. 상기 제1 증폭기(251)의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성될 수 있다.

저항성 되먹임 회로(270)는 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(251)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단으로 저항성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1 증폭기(251)의 등가 입력 저항(Re)을 증가시킬 수 있다.

용량성 되먹임 회로(280)는 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기(251)의 출력단 사이에 배치되고, 상기 제1 증폭기(251)의 출력단의 출력 신호를 입력받아 상기 제1 증폭기(251)의 양의 입력단으로 용량성 되먹임 전류를 제공하여, 상기 제1 증폭기(251)의 등가 입력 전기용량(Ce)을 감소시킬 수 있다.

제1 결합 축전기(204a)는 상기 제1 전극(812)과 상기 제1 전단 증폭 회로(822) 사이에 배치될 수 있다. 제2 결합 축전기(204b)는 상기 제2 전극(814)과 상기 제2 전단 증폭 회로(824) 사이에 배치될 수 있다. 상기 제1 결합 축전기(204a) 및 상기 제2 결합 축전기(204b)는 인체 피부와 제1 및 제2 전극들(812,814) 사이의 상대적인 움직임에 의한 신호 잡음을 감소시킬 수 있다.

제1 가드부(206a)는 상기 제1 결합 축전기(204a)와 연결되는 상기 제1 전극(812)의 일면, 상기 제1 전극(812)과 상기 제1 결합 축전기(204a)를 연결하는 도선, 및 상기 제1 결합 축전기(204a)를 둘러쌀 수 있다.

제2 가드부(206b)는 상기 제2 결합 축전기(204b)와 연결되는 상기 제2 전극(814)의 일면, 상기 제2 전극(814)과 상기 제2 결합 축전기(204b)를 연결하는 도선, 및 상기 제2 결합 축전기(204b)를 둘러쌀 수 있다. 상기 제1 가드부(206a) 및 상기 제2 가드부(206b)는 각각 상기 제1 증폭기의 출력에 연결되어 각 상기 제1 출력 신호(Vo1)와 제2 출력 신호(Vo2)와 같은 전위로 구동될 수 있다.

상기 차동 증폭부(826)는 입력 직류 성분을 제거할 수 있도록 고주파 필터 기능을 가질 수 있다. 상기 제1 및 제2 전단 증폭회로(822,824)의 출력(Vo1,Vo2)은 상기 차동 증폭부(826)에 입력으로 제공된다. 상기 차동 증폭부(826)는 제1 및 제2 전단 증폭회로의 출력(Vo1,Vo2)에 존재할 수 있는 직류 오프셋을 제거하기 위한 회로 요소를 포함할 수 있다. 상기 차동 증폭부(826)는 공통모드 전압이 억제된 생체 전기 신호(V_E)를 출력할 수 있다.

아날로그 신호 처리부(831)는 상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)에서 잡음을 제거할 수 있다. 상기 아날로그 신호 처리부(831)는 상기 차동 증폭부(826)의 출력신호(V_E)를 입력으로 제공받아 출력하는 대역 제거 필터(832), 상기 대역 제거 필터(832)의 출력 신호를 입력으로 제공받아 출력하는 고주파 통과 필터(834),상기 고주파 통과 필터(834)의 출력 신호를 입력으로 제공받아 출력하는 저주파 통과 필터(836), 및 상기 저주파 통과 필터(836)의 출력 신호 크기를 조절하여 출력하는 증폭기(838)를 포함할 수 있다.

상기 대역 제거 필터(832)는 상용 전원 주파수 성분(60 또는 50Hz) 잡음을 제거할 수 있다. 상기 고주파 통과 필터(834)의 차단 주파수는 생체 전기 신호의 종류에 따라 다를 수 있으며, 심전도 신호의 경우 0.1 Hz 일 수 있다. 상기 저주파 통과 필터(836)의 차단 주파수는 생체 전기 신호의 종류에 따라 다를 수 있으며, 심전도 신호의 경우 150 Hz 일 수 있다.

대역 제거 필터(832)는 상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)에 포함된 상용 전원 잡음을 줄일 수 있다. 고주파통과필터(834)는 출력 신호(V_E)에 포함된 직류 성분이나 낮은 주파수의 요동 잡음을 제거할 수 있다. 저주파통과필터(836)는 출력 신호(V_E)에 포함되는 높은 주파수 성분의 잡음을 제거할 수 있다.

증폭부(838)는 아날로그-디지털 신호 변환을 위하여 충분히 신호의 크기를 증가시킬 수 있다. 상기 증폭부(838)는 디지털 변환을 위해 아날로그 신호 크기를 조절한다. 상기 증폭부의 출력 신호(V_ECG)는 완전한 생체 전기 신호(예를 들면, 심전도 신호) 형태를 가진다.

디지털 처리부(872)는 상기 아날로그 신호 처리부(831)의 출력신호를 아날로그-디지털 변환하고, 디지털로 변환된 디지털 신호를 처리하고, 제어부(미도시)에 유선 또는 무선으로 데이터를 전송할 수 있다. 상기 제어부는 컴퓨터를 포함할 수 있다. 디지털 처리부(872)는 상기 증폭부(838)의 출력 신호를 디지털 변환할 수 있다. 상기 제어부는 디지털 신호를 표시 및/또는 추가적인 연산을 수행할 수 있다.

상기 디지털 처리부(872)의 출력 신호는 유선형의 USB 포트를 통하여 전송되거나, 블루투스 등의 무선형식으로 상기 제어부에 전송될 수 있다. USB 포트를 통하여 전송하는 경우, 상기 제어부의 내부 전력은 USB 포트를 통하여 상기 생체신호 측정 장치에 제공될 수 있다. 한편, 무선 전송의 경우, 상기 측정 장치는 축전지(battery) 또는 무선 전력 전송 수단을 포함할 수 있다.

상기 생체 전기 신호(V_E)는 피검자가 상기 전극들(812,814)에 안정적으로 움직임 없이 밀착되어 있을 경우에 안정적으로 확보될 수 있다. 상기 측정 장치는 피검자 움직임에 의한 신호 변동을 줄이기 위한 결합 축전기들(204a,204b)을 사용할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 상기 피검자 요동은 상기 생체 전기 신호(V_E)에 영향을 미칠 수 있다. 상기 피검자의 요동은 심전도 기반의 심박 신호 검출을 어렵게 한다.

따라서, 저주파수 대역의 신호 요동을 억제할 강력한 수단이 요구된다. 상기 생체 전기 신호(V_E)에 포함된 낮은 주파수 성분은 상대적으로 강하게 억제하고, 높은 주파수 성분(심전도 R 피크)은 강화하는 수단이 요구된다. 그 기능을 수행하는 신호 처리 방식이 신호에 대한 시간 미분이다.

심전도 신호의 피크를 검출하기 위하여, 대역제거 필터(832)는 상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)에서 전원 노이즈를 제거할 수 있다.

미분회로부(842)는 상기 대역제거 필터(832)의 출력신호를 입력으로 제공받아 미분 처리할 수 있다. 저주파 통과필터(846)는 상기 미분회로부(842)의 출력 신호를 입력으로 제공받아 높은 주파수 성분의 잡음을 제거할 수 있다. 상기 저주파 통과필터(846)는 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)를 출력할 수 있다.

상기 미분회로부(842)는 상기 대역제거필터(832)의 출력 신호에서 1차 이상의 시간 미분을 수행할 수 있다. 상기 미분회로(842)의 출력 신호는 저주파통과필터링될 수 있다. 상기 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)는 온전한 전통적인 심전도 신호와 다른 형태를 가진다. 상기 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)는 상기 디지털 처리부(872)를 통하여 디지털 신호로 변환되어 심전도 신호와 함께 표시 및/또는 활용될 수 있다.

피크 검출부(848)는 상기 저주파 통과필터(846)의 출력 신호(DV_ECG)를 입력으로 제공받아 상기 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)의 피크를 검출할 수 있다. 상기 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)는 안정적인 특성을 보인다. 따라서, 심박 펄스 신호(V_HBP)를 얻기 위한 신호원으로 활용할 수 있다. 상기 피크 검출부(848)는 상기 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)에서 심전도의 R 피크에 동기된 상승 또는 하강 모서리를 갖는 심박 펄스 신호(V_HBP)를 생성할 수 있다. 상기 심박 펄스 신호(V_HBP)는 그 간격으로 심박 변이율(HRV, Heart Rate Variability) 신호를 제공한다. 심박변이율(HRV) 신호의 분석을 통해 자율신경계 정보가 파악될 수 있다. 상기 심박 펄스 신호(V_HBP)는 상기 디지털 처리부(872)에 제공될 수 있다. 상기 심박변이율(HRV) 신호의 생성 및 그 신호의 분석은 상기 디지털 처리부(872) 또는 상기 제어부에서 수행될 수 있다.

한편, 상기 측정 장치는 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)의 주위에 배치된 가속도 센서(852)를 포함할 수 있다. 상기 가속도 센서(852)는 3축-가속도 센서일 수 있다. 상기 가속도 센서(852)는 피검자의 움직임을 검출할 수 있다. 상기 디지털 처리부(872) 또는 상기 제어부는 상기 가속도 센서(852)의 출력 신호를 제공받아 생체 전기 신호(V_E, V_ECG)에 포함된 움직임 잡음을 제거할 수 있다.

상기 가속도 센서(852)는 피검자의 행동 방식 분석에 필요한 신호를 제공할 수 있다. 상기 가속도 센서(852)의 출력은 그 크기를 조절하는 신호 조절부(8654)를 거쳐 상기 디지털 처리부(872)에 전달될 수 있다.

상기 가속도 센서(852)의 출력 신호 중 일부 및/또는 상기 차동 증폭부 출력신호(V_E)는 부착 검출부(856)에 입력될 수 있다. 상기 부착 검출부(856)는 상기 가속도 센서(852)의 출력 신호 중 일부 및/또는 상기 차동 증폭부 출력신호(V_E)의 각 진폭을 각각의 기준 값과 비교하여 각각 적합한 기준에 부합하면 상기 인체(801)가 상기 제1 전극(812), 제2 전극(814), 및 접지 전극(816)에 올바르게 안착되었음을 판정한다.

상기 부착 검출부(856)는 착석 여부를 판단하여 착석 검출 신호를 상기 디지털 처리부(872)에 제공할 수 있다. 상기 착석 검출 신호는 생체신호 측정 장치를 활용하는 응용 프로그램의 속성을 제어하거나, 센서 고장 여부를 판정하는 용도 등으로 활용될 수 있다.

진동 주파수 검출부(미도시)는 상기 가속도 센서의 출력 신호(V_Z)의 진동 주파수를 검출할 수 있다. 대역 제거 필터는 상기 생체 전기 신호(V_E,V_ECG)에서 상기 진동 주파수를 제거할 수 있다. 이에 따라, 상기 생체 전기 신호(V_E,V_ECG)에 포함된 움직임 잡음이 제거될 수 있다. 상기 진동 주파수 검출부 및 상기 대역 제거 필터는 상기 디지털 처리부(872) 내부에 존재하도록 구성되거나, 상기 제어부 내부에 존재하도록 구성될 수 있다. 상기 진동 주파수의 제거는 생체신호 측정 장치가 이동 수단에 장착된 경우에 유용할 수 있다.

상기 측정 장치는 전극에 안착한 피검자에게 직접적 자극을 제공하는 진동기(862)를 포함할 수 있다. 상기 자극을 제공하는 응용 프로그램은 상기 디지털 신호처리부 및/또는 상기 제어부 내에 탑재될 수 있다. 상기 진동기는 상기 전극의 주위에 배치되어 진동기 구동부(864)에 의해 구동될 수 있다.

상기 진동기(862)는 피검자에게 직접적인 역학적 자극을 제공할 수 있다. 자극의 세기, 주기, 패턴 등으로부터 피검자는 응용 프로그램이 제시하는 자극의 내용을 파악할 수 있다. 예를 들면, 상기 심박변이율(HRV) 신호의 분석으로부터 부교감 신경 활성도에 따른 이완의 정도를 알 수 있다. 상기 응용 프로그램은 높은 이완 상태인 졸음여부를 파악할 수 있다. 따라서, 상기 진동기(862)는 이때 졸음 방지를 위한 경고 수단으로 활용될 수 있다. 또한, 인체와 전극이 밀착되지 않은 경우, 상기 진동기(862)는 피검자에게 경고할 수 있다. 진동 구동부(864)는 상기 디지털 처리부(872)에서 제어신호를 제공받아 상기 진동기(862)를 구동할 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)는 바로 디지털 신호로 변환되어, 응용 프로그램에 의하여 필터링될 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 아날로그 신호 처리부는 상기 차동 증폭부의 출력 신호에 포함되는 상용 전원 주파수 성분의 잡음을 제거하는 대역제거필터, 상기 대역제거필터의 출력에 포함되는 직류 오프셋 및 낮은 주파수 성분의 요동 잡음을 제거하는 고주파통과필터, 상기 고주파통과필터에 포함된 높은 주파수 성분의 잡음을 제거하는 저주파통과필터, 및 상기 저주파통과필터의 출력 신호 크기를 조절하는 증폭부를 포함한다. 상기 생체신호 측정 장치는 상기 저주파통과필터의 차단 주파수가 50Hz 이하로 설정되어 뇌전도 신호를 계측할 수 있다. 상기 제1 전극, 제2 전극, 및 접지 전극은 전기 절연체에 매설되어 상기 인체의 머리 부위에 장착된다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 상기 아날로그 신호 처리부는 상기 차동 증폭부의 출력 신호에 포함되는 상용 전원 주파수 성분의 잡음을 제거하는 대역제거필터, 상기 대역제거필터의 출력에 포함되는 직류 오프셋 및 낮은 주파수 성분의 요동 잡음을 제거하는 고주파통과필터, 상기 고주파통과필터에 포함된 높은 주파수 성분의 잡음을 제거하는 저주파통과필터, 및 상기 저주파통과필터의 출력 신호 크기를 조절하는 증폭부를 포함한다. 상기 생체신호 측정 장치는 상기 저주파통과필터의 차단 주파수가 500Hz 이하로 설정되어 근전도 신호를 계측한다. 상기 제1 전극, 제2 전극, 및 접지 전극은 전기 절연체에 매설되어 상기 인체의 근육 부위에 장착된다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 차동 증폭 회로(826)를 설명하는 도면이다.

도 14를 참조하면, 차동 증폭 회로(826)는 회로의 CMRR(common mode rejection ratio)에는 영향을 주지 않으면서, 차동 신호 이득을 변경할 수 있다.

상기 차동 증폭 회로(826)는 제1 연산 증폭기(910), 상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 양의 입력단(911)과 제1 신호(V1)를 연결하는 제1 저항(R1,922), 상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 양의 입력단(911)에 연결된 제2 저항(R2,924), 상기 제2 저항(R2,924)과 상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 출력단(913)에 사이에 연결되고 제1 기준 전압(Vr1)을 포함하는 이득변환부(900), 상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 음의 입력단(912)과 제2 신호(V2)를 연결하는 제 3 저항(R3,926), 및 상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 음의 입력단(912)과 제2 기준 전압(Vr2)을 연결하는 제4 저항(R4,228)을 포함한다. 상기 이득변환부(300)는 제2 연산 증폭기(930), 상기 제2 연산 증폭기(930)의 제2 음의 입력단(932)과 상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 출력단(913)을 연결하는 제1 임피던스(Z1,950), 및 상기 제2 음의 입력단(932)과 상기 제2 연산 증폭기(930)의 제2 출력단(933)에 연결되는 제2 임피던스(Z2,940)를 포함한다. 상기 제2 연산 증폭기(930)의 제2 양의 입력단(931)은 상기 제1 기준전압(Vr1)에 연결되고, 상기 제2 저항(R2,924)은 상기 제2 연산 증폭기(930)의 제2 출력단(933)에 연결된다.

상기 차동 증폭 회로(826)의 입출력 전달함수는 다음과 같다.

여기서, 제 3 저항(R3,826)과 제4 저항(R4,828)은 각각 제1 저항(R1,822) 과 제2 저항(R2,824)과 같다는 조건이 사용되었다. 이 조건이 성립할 경우, 상기 차동 증폭 회로(826)의 공통모드전압제거비 (CMRR)는 사용된 증폭기 소자의 자체 공통모드전압제거비(CMRR₀)와 같다.

수학식 6을 참조하면, 차동 신호(V1-V2)의 이득은 제1 저항(822)에 대한 제2 저항(824)의 저항비(R2/R1), 및 제2 임피던스(840)에 대한 제1 임피던스(850)의 임피던스비(Z1/Z2)에 의존한다. 상기 임피던스비(Z1/Z2)를 조절하면, 상기 차동 증폭 회로(826)의 이득은 변경될 수 있고, 상기 차동 증폭 회로(826)의 공통모드전압제거비(CMRR)는 영향을 받지 않을 수 있다.

수학식 6을 참조하여, 상기 차동 신호(V1-V2)에 직류 오프셋이 포함된 경우를 설명한다. 이 경우, 제1 및 제2 기준 전압(Vr1, Vr2)의 조정(adjusting)에 따라 상기 제1 연산 증폭기(810)의 출력은 포화되지 않으면서 차동 증폭 동작을 수행할 수 있다.

출력(V_OUT)에 직류를 포함한 임의 신호를 포함시켜야 할 필요가 있을 경우, 상기 제1,2 기준 전압(Vr1,Vr2)은 상기 임의 신호에 연결될 수 있다. 구체적으로, 단일 전원(single power supply)을 사용하는 상기 차동 증폭 회로(826)의 출력 신호(V_OUT)에 직류 성분을 포함하도록 한다든지, 디지털 변환을 위해 직류 기준 전압으로 띄운다든지(floating) 하는 신호처리를 수행하는데 활용할 수 있다.

상기 차동 증폭 회로(826)는 임피던스들(Z1, Z2)을 구성하는 방식에 따라 차동 증폭 회로 및/또는 필터회로로 사용될 수 있다. 즉, 상기 차동 증폭 회로(826)는 입력에 포함된 직류 성분의 영향을 효과적으로 억제하고 필요에 따라 출력에 직류 뿐만 아니라 임의 신호가 포함되도록 처리할 수 있다. 또한, 상기 차동 증폭 회로(826)는 CMRR에 영향없이 이득을 변경할 수 있다. 이와 동시에, 상기 차동 증폭 회로(826)는 입력 신호 필터의 역할을 수행할 수 있다.

임피던스들(Z1, Z2)의 구성에 따라, 상기 차동 증폭 회로(826)의 필터 특성은 달라질 수 있다. 임피던스들(Z1, Z2)이 저항만으로 구성될 경우, 상기 차동 증폭 회로(826)는 단순한 증폭 기능만 수행한다. 하지만, 상기 임피던스들(Z1, Z2)이 저항과 커패시터의 조합으로 구성되면, 상기 차동 증폭 회로(826)는 고주파 통과 필터(HPF), 저주파 통과 피터(LPF), 대역 통과 필터(BPF), 또는 대역 제거 필터(BEF) 등으로 동작할 수 있다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다. 도 13에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 15를 참조하면, 오른다리 구동 회로부(driven-right-leg circuit;DRL, 890)의 출력은 상기 접지 전극에 연결될 수 있다. 제1 전단 증폭회로(822)의 제1 출력 신호 (Vo1) 및 제2 전단 증폭회로(824)의 제2 출력 신호(Vo2)는 상기 DRL 회로(890)의 입력으로 제공된다. 상기 DRL 회로(890)는 상기 제1 출력 신호(Vo1) 및 상기 제2 출력 신호(Vo2)를 입력으로 하는 가산 반전 증폭회로 구성될 수 있다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다. 도 13에서 설명한 것과 중복되는 설명은 생략한다.

도 16을 참조하면, 측정 장치는 인체(801)에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제1 전극(812), 상기 제1 전극(812)과 이격되어 배치되고 상기 인체(801)에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제2 전극(814), 상기 제1 전극(812) 및 제2 전극(814)과 이격되어 배치되고 상기 인체(801)에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 접지 전극(816), 상기 제1 전극(812)에 연결된 제1 전단 증폭회로(822), 상기 제2 전극(822)에 연결된 제2 전단 증폭회로(824), 및 상기 제1 전단 증폭회로(822)의 제1 출력 신호(Vo1) 및 상기 제2 전단 증폭회로(824)의 제2 출력 신호(Vo2)를 이용하여 생체 전기 신호(V_E)를 추출하는 차동 증폭부(826)를 포함한다.

호흡 추출부(881)는 상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)를 입력 제공받아 호흡 신호(V_RSP)를 출력한다. 호흡 신호(V_RSP)를 추출하기 위하여, 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)은 인체의 가슴 또는 등 부위에 장착된다. 하지만, 접지전극(816)은 어떤 부위에도 장착될 수 있다.

상기 호흡 추출부(881)는 상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)를 입력 제공받아 저주파 성분을 추출하는 저주파 통과 필터(882), 상기 저주파 통과 필터(882)의 출력 신호를 입력으로 제공받아 직류 성분을 제거하는 고주파 통과필터(884), 및 상기 고주파 통과필터(884)의 출력 신호를 입력으로 제공받아 신호의 크기를 조절하는 증폭부(886)를 포함할 수 있다.

호흡에 따른 가슴부분의 움직임으로 인해, 인체 피부와 전극들(812,814) 사이의 거리가 변한다. 따라서, 인체 피부와 전극(812,814)에 의하여 형성되는 등가 전기용량(Cs)의 변화가 발생한다. 따라서, 전극들(812,814)를 가슴 또는 등 부분에 위치시키면, 상기 호흡 신호(V_RSP)가 검출될 수 있다.

상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)에는 호흡 신호(V_RSP)가 포함되어 있다. 호흡 신호는 비교적 낮은 주파수 성분(대략 0.24Hz 수준)을 가진다. 그 외 생체 신호(예들 들어, 심전도 신호(V_ECG))는 상대적으로 높은 주파수 성분(0.5Hz 이상, 150Hz 이하)을 가진다. 따라서, 상기 저주파통과필터(882)를 이용하여 호흡 신호가 추출될 수 있다. 상기 차동 증폭부(826)의 출력 신호(V_E)에서 상기 저주파통과필터(882), 직류성분 제거용 고주파통과필터(884), 그리고 신호 크기 조절용 증폭기(886)를 통해 호흡 신호(V_RSP)가 얻어진다. 상기 호흡 신호(V_RSP)는 상기 디지털 처리부(872)에 제공되어, 디지털 신호로 변환되고, 활용될 수 있다.

호흡 신호(V_RSP)는 인체 피부와 전극들(812,814) 사이의 상대적 움직임으로 검출된다. 따라서, 호흡 신호(V_RSP)는 피검자 움직임에 특히 민감하다. 호흡 신호(V_RSP)는 피검자가 수면 중이거나, 편안한 안정 상태에서 계측되는 것이 바람직하다.

도 17a 및 도 17b는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면들이다. 도 17b는 도 17a의 I-I' 선을 따라 자른 단면도이다.

도 17a 및 도 17b를 참조하면, 전극 구조체(809)는 제1 절연층(811a), 상기 제1 절연층(811a) 상에 배치된 제2 절연층(811b), 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재된 제1 전극(812), 및 상기 제1 전극(812)과 이격되어 배치되고, 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재된 제2 전극(814)을 포함한다.

접지 전극(816)은 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)과 이격되어 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재될 수 있다. 상기 제1 전극(812), 상기 제2 전극(814), 및 상기 접지 전극(816)은 동일한 재질일 수 있다. 상기 제1 전극(812)은 도전성 직물 또는 도전성 판재일 수 있다.

상기 전극 구조체(809)는 방석, 시트, 또는 의사 커버 형태로 변형될 수 있다. 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814) 및 상기 접지 전극(816)은 방석, 의자, 침대, 및 인큐베이터, 밴드 등에 매설될 수 있다.

상기 전극 구조체(809)는 코넥터(817)를 포함할 수 있다. 연결선들은 상기 전극들(812,814,816)과 상기 코넥터(817)를 연결할 수 있다.

상기 전극들(812,814,816)은 처리부(803)에 연결될 수 있다. 상기 처리부(803)는 전단 증폭회로 및 차동 증폭부를 포함할 수 있다. 상기 처리부(803)와 상기 코넥터(817)는 도선들로 연결될 수 있다. 상기 처리부(803)는 입력 신호들을 처리하고, 처리된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 상기 디지털 신호는 유/무선 통신을 통하여 제어부(805)에 전달될 수 있다. 상기 제어부(805)는 추가적인 신호 처리를 수행하고 그 처리 결과를 표시할 수 있다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 설명하는 도면이다.

도 17a, 및 도 17b 및 도 18을 참조하면, 전극 구조체(809)는 제1 절연층(811a), 상기 제1 절연층(811a) 상에 배치된 제2 절연층(811b), 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재된 제1 전극(812), 및 상기 제1 전극(812)과 이격되어 배치되고, 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재된 제2 전극(814)을 포함한다. 접지 전극(816)은 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)과 이격되어 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재될 수 있다.

상기 전극들(812,814,816)은 처리부(803)에 연결될 수 있다. 상기 처리부(803)는 상기 전극 구조체(809)에 직접 장착될 수 있다. 상기 처리부(803)는 전단 증폭회로, 차동 증폭부를 포함할 수 있다. 상기 처리부(803)는 입력 신호들을 처리하고, 처리된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 상기 디지털 신호는 유/무선 통신을 통하여 제어부(805)에 전달될 수 있다. 상기 제어부(805)는 추가적인 신호 처리를 수행하고 그 처리 결과를 표시할 수 있다.

도 19는 도 18의 전극 구조체(809)를 방석 형태로 구현하고, 처리부(803)를 도 13으로 실시한 측정 장치를 이용하여 사무실 환경에서 상기 방석 형태의 전극 구조체를 사무실 의자에 두고 그 위에 피검자가 옷을 입은 상태에서 측정한 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)와 그 심박 펄스 신호이다.

시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)는 안정적이다. 또한, 피크 검출부(848)는 상기 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)를 이용하여 심박 펄스 신호(V_HBP)를 형성한다. 상기 심박 펄스 신호(V_HBP)는 안정적으로 생성된다.

도 20a 내지 도 20d는 상기 방석 형태의 전극 구조체를 자동차 운전석에 두고, 운전자가 그 위에 옷을 입은 상태로 앉아 자동차를 움직이면서 측정한 가속도 센서의 출력 신호(z축 출력 신호), 상기 가속도 센서 출력 신호의 중심 주파수로 대역제거 필터를 적용하여 얻은 신호, 시간 미분 심전도 신호 및 상기 가속도 센서 출력 신호의 중심 주파수로 대역제거 필터하여 얻은 시간 미분 심전도 신호이다.

도 13 및 도 20a를 참조하면, 신호들은 차량의 방석에 매설된 전극들을 이용하여 측정되었다.

가속도 센서(852)의 z축 방향의 가속도 신호(Vz)는 차량의 진동에 의하여 특정을 진동 주파수를 가지고 진동하고 있다. 차량의 진동 주파수는 심전도 신호에 악영향을 줄 수 있다. 따라서, 제어부(예를 들어, 컴퓨터)는 z축 방향의 가속도 신호에서 진동 주파수를 추출할 수 있다. 상기 제어부는 상기 진동 주파수를 제거하는 대역 제거필터를 포함할 수 있다.

시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)는 자동차 시동을 걸고 대략 1600 rpm으로 엔진 가동 중에 운전석에 앉은 상태에서 얻었다. 자동차 엔진 가동에 따른 역학적 움직임은 검출 생체 신호에 그대로 잡음으로 유입된다. 가속도 센서(852)의 출력 신호에 진동 주파수를 추출하고, 상기 진동 주파수를 제거하는 대역 제거 필터를 통과한 시간 미분 심전도 신호는 안정적인 심박 펄스를 제공할 수 있다.

상기 대역제거 필터는 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG)를 입력받아 필터링된 출력신호를 출력할 수 있다. 상기 필터링된 시간 미분 심전도 신호는 안정적으로 심박 펄스를 제공할 수 있다. 따라서, 차량과 같이 진동이 심한 경우에도, 본 발명의 일 실시예에 따른 심전도 장치는 안정적인 심전도 신호들을 제공할 수 있다.

[비접촉식 생체 신호 검출을 위한 구현 형태들]

도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 방석을 설명하는 도면이다.

도 13, 도 21, 도 17a, 및 도 17b를 참조하면, 상기 방석(1001)은 제1 절연층(811a), 상기 제1 절연층(811a) 상에 배치된 제2 절연층(811b), 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극(812), 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재된 상기 제1 전극(812)과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극(814)을 포함한다. 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)과 이격되어 상기 제1 절연층(811a)과 상기 제2 절연층(811b) 사이에 개재되어 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 접지 전극(816)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(812)은 제1 전단 증폭회로(822)에 연결되고, 상기 제2 전극(814)은 제2 전단 증폭회로(824)에 연결되고, 상기 제1 전단 증폭회로(822)의 제1 출력 신호(Vo1) 및 상기 제2 전단 증폭회로(822)의 제2 출력 신호(Vo2)를 이용하여 생체신호(심전도 신호, 심박수, 심박변이율)를 추출할 수 있다. 상기 방석(1001)은 의자(1002)에 배치될 수 있다. 상기 방석(1001)은 의자에 장착되는 것에 한하지 않는다. 처리부(803)는 상기 방석(1001)에 장착될 수 있다.

전기적 비접촉식으로 방석형 심전도 신호를 얻기 위해 충분한 크기를 갖는 두 개의 측정 전극(812,814)이 각각 좌/우 허벅지 부분에 놓이도록 배치될 수 있다. 그리고 상기 측정 전극(812,814)보다 더 큰 크기의 접지 전극(816)이 엉덩이 부분 또는 좌/우 허벅지 부분에 배치될 수 있다.

상기 접지 전극(816)은 인체와 대지 접지 사이의 등가 전기용량을 증가시켜 전원 주파수 임피던스를 줄일 수 있다. 따라서, 상기 접지 전극(816)은 인체에 유기되는 전원 잡음의 크기를 줄이는 역할을 수행한다. 상기 접지 전극(816)은 가능한 크게 하여, 대지 접지와 인체 사이의 등가 전기용량을 키울 필요가 있다.

도 13 및 도 15 내지 도 16을 참고하면, 제1 전극(812)과 제2 전극(814)은 동축선을 통해 각각 처리부(803)에 연결된다. 상기 동축선의 중심선은 상기 결합 축전기(204a,204b)에 연결된다. 상기 동축선의 쉴드부는 전단 증폭 회로의 출력에 연결되어 가드를 형성한다. 접지 전극(816)은 전단 증폭 회로(822,824)의 접지에 연결된다. 제1 전극(812) 및 제2 전극(814)에 연결된 각 전단 증폭 회로(822,824)의 출력은 차동 증폭부(826)에 연결된다. 상기 차동 증폭부(826)는 생체신호(심전도 신호, 호흡, 심박수, 심박변이율)를 제공한다.

사용자는 방석센서 위에 앉아 일상적인 업무를 수행할 수 있다. 임상적인 심전도 신호는 매우 낮은 주파수 성분을 포함하기 때문에 깨끗한 신호를 얻기 위해서는 가능하면 움직이지 않고 센서가 놓인 의자에 가만히 앉아 있어야 한다. 임상적 심전도 신호를 얻는 경우는 병원 등 특별한 장소에서만 얻을 경우이고, 대부분의 일상적인 사무 내지 휴식 환경에서는 현실적으로 정확한 임상적 심전도 신호보다는 심박 펄스에 의한 심박 간격 변이도(HRV)가 훨씬 유용하다. 심박 펄스 신호는 미분-심전도 신호에서 얻는다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 의자를 설명하는 도면이다.

도 22를 참조하면, 비접촉식 생체 신호 측정용 의자(1003)는 의자(1002), 상기 의자(1002)의 일부에 매설되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극(812), 상기 의자(1002)에 매설되고 상기 제1 전극(812)과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극(8134)을 포함한다. 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 접지 전극(816)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(812)은 제1 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제2 전극(816)은 제2 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체신호(심전도 신호, 심박수, 심박변이율)를 추출한다. 처리부(803)는 상기 의자(1002)에 장착될 수 있다.

도 23은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 시트를 설명하는 도면이다.

도 23을 참조하면, 시트(1001a)는 전극(812,814,186)을 포함할 수 있다. 상기 시트는 의자에 배치되어 있다. 제1 전극(812) 및 제2 전극(814)은 등받이 부위에 배치되어, 심전도 신호 및/또는 호흡 신호를 제공할 수 있다. 접지 전극(186)은 엉덩이에 인접하도록 안는 부위에 장착될 수 있다. 상기 시트(1001a)는 의자에 장착되는 것에 한하지 않는다. 처리부(803)는 상기 시트(1001a)에 장착될 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 도 22와 마찬가지로 전극들이 의자에 매설되도록 구성될 수 있다. 이때 측정 전극은 의자의 등받이 부분에, 접지전극은 의자의 앉는 부분에 매설된다. 이 구조에 대한 것도 동등하게 취급되어야 한다.

도 24는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 차량 의자를 설명하는 도면이다.

도 24를 참조하면, 전극은 의자(2003)에 매설되어 있다. 차량 의자에 매설되는 방식 역시 두 가지가 존재한다. 하나는 전극들이 엉덩이 부분에만 배치되도록 하는 것이고, 다른 하나는 측정 전극은 등받이에 접지 전극은 엉덩이에 배치되도록 하는 것이다.

도 25는 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 침대를 설명하는 도면이다.

도 25를 참조하면, 비접촉식 생체 신호 측정용 침대(3003)는 침대, 상기 침대(3002)에 매설되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극(812), 상기 침대(3002)에 매설되고 상기 제1 전극(812)과 이격되고 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극(814)을 포함한다. 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 접지 전극(816)을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 전극(812)은 제1 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제2 전극(814)은 제2 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체신호(심전도 신호, 호흡, 심박수, 심박변이율)를 추출한다. 처리부(803)는 상기 침대(3002)의 일측에 설치될 수 있다. 상기 전극들(812,814,816)은 처리부(803)에 연결될 수 있다. 상기 처리부(803)는 전단 증폭회로, 차동 증폭부를 포함할 수 있다.

상기 처리부(803)는 입력 신호들을 처리하고, 처리된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 상기 디지털 신호는 유/무선 통신을 통하여 제어부에 전달될 수 있다. 상기 제어부는 추가적인 신호 처리를 수행하고 그 처리 결과를 표시할 수 있다.

본 발명의 변형된 실시예에 따르면, 생체 신호 측정 장치는 침대 커버의 형태로 변형될 수 있다.

도 26은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 인큐베이터를 설명하는 도면이다.

도 26을 참조하면, 비접촉식 생체 신호 측정용 인큐베이터(4003)는 인큐베이터(4002), 상기 인큐베이터(4002)에 매설되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극(812), 상기 인큐베이터(4002)에 매설되고 상기 제1 전극(812)과 이격되고 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극(814)을 포함한다. 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 접지 전극(816)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(812)은 제1 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제2 전극(814)은 제2 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 신호(심전도 신호, 호흡, 심박수, 심박변이율)를 추출한다.

상기 전극들(812,814,816)은 처리부(미도시)에 연결될 수 있다. 상기 처리부는 상기 인큐베이터에 직접 장착될 수 있다. 상기 처리부는 전단 증폭회로, 차동 증폭부를 포함할 수 있다. 상기 처리부는 입력 신호들을 처리하고, 처리된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 상기 디지털 신호는 유/무선 통신을 통하여 제어부에 전달될 수 있다. 상기 제어부는 추가적인 신호 처리를 수행하고 그 처리 결과를 표시할 수 있다.

도 27은 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 밴드를 설명하는 도면이다.

도 27을 참조하면, 비접촉식 생체 신호 측정용 밴드(5003)는 밴드(5002), 상기 밴드(5002)에 매설되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극(812), 상기 밴드(5002)에 매설되고 상기 제1 전극(812)과 이격되어 배치되고 인체에 직접 접촉하지 않는 제2 전극(814)을 포함한다. 상기 제1 전극(812) 및 상기 제2 전극(814)과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 접지 전극(816)을 더 포함할 수 있다. 상기 제1 전극(812)은 제1 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제2 전극(814)은 제2 전단 증폭회로에 연결되고, 상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 신호를 추출한다.

상기 밴드(5002)는 일부 또는 전부가 신축성을 가질 수 있다. 상기 밴드(5002)는 원형 또는 띠형일 수 있다. 띠형의 경우, 상기 밴드는 양단을 결합하는 결합수단(5005a,500b)을 포함할 수 있다. 상기 결합 수단(5005a,500b)은 벨크로를 포함할 수 있다.

상기 전극들(812,814,816)은 처리부(803)에 연결될 수 있다. 상기 처리부(803)는 상기 밴드에 직접 장착될 수 있다. 상기 처리부(803)는 전단 증폭회로, 차동 증폭부를 포함할 수 있다. 상기 처리부는 입력 신호들을 처리하고, 처리된 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 상기 디지털 신호는 유/무선 통신을 통하여 제어부에 전달될 수 있다. 상기 제어부는 추가적인 신호 처리를 수행하고 그 처리 결과를 표시할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 방법을 설명한다.

다시 도 13을 참조하면, 생체 신호 측정 방법은 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 상기 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 이격되어 배치되고 상기 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 접지 전극을 배치하는 단계, 상기 제1 전극의 측정 신호를 입력받아 제1 전단 증폭 신호를 생성하는 단계, 상기 제2 전극의 측정 신호를 입력받아 제2 전단 증폭 신호를 생성하는 단계, 및 상기 제1 전단 증폭 신호와 상기 제2 전단 증폭 신호의 차이를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 단계를 포함한다.

부착 검출 단계는 상기 생체 전기 신호를 입력으로 제공받아 그 진폭을 기준값과 비교하여 상기 제1 및 제2 전극과 상기 인체가 인접하게 부착되었는지를 판단한다.

생체 신호 측정 방법은 상기 생체 전기 신호에서 전원 주파수 대역을 제거하는 단계, 전원 주파수 대역이 제거된 상기 생체 전기 신호를 미분하여 미분 심전도 신호를 추출하는 단계, 및 상기 미분 신전도 신호를 이용하여 피크 위치를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

생체 신호 측정 방법은 상기 생체 전기 신호에서 고주파 성분을 제거하도록 저주파 통과 필터를 적용하는 단계, 및 고주파 성분이 제거된 상기 생체 전기 신호에서 직류 성분을 제거하도록 고주파 통과 필터를 적용하여 호흡 신호를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.

생체 신호 측정 방법은 상기 생체 전기 신호에서 노이즈를 제거하는 단계, 상기 생체 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계, 상기 생체 전기 신호를 미분하여 미분 심전도 신호를 추출하는 단계, 가속도 센서를 이용하여 가속도 신호를 추출하는 단계, 상기 가속도 신호의 진동 주파수를 추출하는 단계, 상기 미분 심전도 신호에서 상기 진동 주파수를 제거하는 단계, 상기 진동 주파수가 제거된 상기 미분 심전도 신호를 이용하여 심박 변이율을 추출하는 단계, 상기 심박 변이율을 이용하여 졸음 여부를 판단하는 단계, 졸음으로 판단되면 진동 자극기를 구동하는 단계, 상기 가속도 센서를 이용하여 기울기 신호를 추출하는 단계, 상기 기울기 신호를 이용하여 인체와 상기 제1, 제2 전극의 부착 여부를 판단하는 단계, 및 상기 심전도 신호의 진폭을 이용하여 인체와 상기 제1, 제2 전극의 부착 여부를 판단하는 단계 중에서 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

도 28은 도 15의 생체 신호 측정 장치를 이용하여 측정한 호흡 신호(V_RSP), 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG), 및 심박 펄스 신호(V_HBP)를 나타낸다.

도 28을 참조하면, 정지된 상태에서 방석형 센서를 사용하여 측정하였다.

도 29a는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 이용하여 얻은 결과들이다.

도 29a를 참조하면, 차량 운전 상태에서 도 15의 생체 신호 측정 장치를 이용하여 측정한 호흡 신호(V_RSP), z축 가속도 신호(V_Z), 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG, 및 심박 펄스 신호(V_HBP)를 나타낸다.

도 29b는 본 발명의 일 실시예에 따른 측정 장치를 이용하여 얻은 결과들이다.

도 29b를 참조하면, 도 29a의 차량의 진동 주파수를 대역 제거 필터를 이용하여 처리한 호흡 신호(V_RSP), z축 가속도 신호(V_Z), 시간 미분 심전도 신호(DV_ECG), 및 심박 펄스 신호(V_HBP)를 나타낸다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

201: 신호원
202: 측정 전극
204: 결합 축전기
251: 제1 증폭기
253: 바이어스 회로
270: 저항성 되먹임 회로
280: 용량성 되먹임 회로

Claims

인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제1 전극;
상기 제1 전극과 이격되어 배치되어 상기 인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 제2 전극;
상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로;
상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로; 및
상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전단 증폭회로는:
상기 인체의 생체 전위를 각각 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 제1 증폭기;및
상기 제1 증폭기의 출력단 및 접지(GND) 중에서 적어도 하나와 상기 제1 증폭기의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 제1 증폭기의 안전적인 동작을 보장하는 바이어스 회로를 포함하고,
상기 제1 증폭기의 음의 입력단은 상기 제1 증폭기의 출력단에 직접 연결되어, 상기 제1 증폭기의 이득은 1이고, 상기 제1 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성된 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 전단 증폭회로는:
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 배치되어 상기 증폭회로의 유효 입력 전기용량을 줄이는 용량성 되먹임 회로부;
상기 제1 증폭기의 양의 입력단과 상기 제1 증폭기의 출력단 사이에 배치에 상기 증폭회로의 유효 입력 저항을 늘이는 저항성 되먹임 회로부 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극과 상기 제1 전단 증폭기 사이에 배치되는 제1 결합 축전기;
상기 제2 전극과 상기 제2 전단 증폭기 사이에 배치되는 제2 결합 축전기;
상기 제1 전극과 상기 제1 결합 축전기를 연결하는 도선, 상기 제1 결합 축전기, 및 상기 제1 결합 축전기와 상기 제1 전단 증폭기를 연결하는 도선을 둘러싸는 제1 가드부; 및
상기 제2 전극과 상기 제2 결합 축전기를 연결하는 도선, 상기 제2 결합 축전기, 및 상기 제2 결합 축전기와 상기 제2 전단 증폭기를 연결하는 도선을 둘러싸는 제2 가드부 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 가드부는 상기 제1 전단 증폭기의 출력 전위와 같은 전위로 구동되고,
상기 제2 가드부는 상기 제2 전단 증폭기의 출력 전위와 같은 전위로 구동되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 차동 증폭부는 입력 직류 성분을 제거할 수 있도록 고주파 필터 기능을 가지는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제6 항에 있어서,
상기 차동 증폭부는:
제1 연산 증폭기(910);
상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 양의 입력단(911)과 제1 신호(V1)를 연결하는 제1 저항(R1,922);
상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 양의 입력단(911)에 연결된 제2 저항(R2,924);
상기 제2 저항(R2,924)과 상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 출력단(913)에 사이에 연결되고 제1 기준 전압(Vr1)을 포함하는 이득변환부(900);
상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 음의 입력단(912)과 제2 신호(V2)를 연결하는 제 3 저항(R3,926); 및
상기 제1 연산 증폭기(910)의 제1 음의 입력단(912)과 제2 기준 전압(Vr2)을 연결하는 제4 저항(R4,228)을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극과 이격되어 배치되고 상기 인체에 전기적으로 직접 접촉하지 않는 접지 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제8 항에 있어서,
상기 접지 전극은 접지(GND)와 연결되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제8 항에 있어서,
오른다리 구동 회로(driven-right-leg circuit)를 더 포함하고,
상기 접지 전극은 상기 제1 전단 증폭기의 출력 및 상기 제2 전단 증폭기의 출력을 가산 반전 증폭하는 상기 오른다리 구동 회로(driven-right-leg circuit)의 출력에 연결되어 구동되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 차동 증폭부의 출력 신호에서 잡음을 제거하고 신호 크기를 조절하는 아날로그 신호 처리부; 및
상기 아날로그 신호 처리부의 출력신호를 아날로그-디지털 변환하고 변환된 디지털 신호를 처리하여 유선 또는 무선으로 전송하는 디지털 처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제11 항에 있어서,
상기 아날로그 신호 처리부는:
상기 차동 증폭부의 출력 신호에 포함되는 상용 전원 주파수 성분의 잡음을 제거하는 대역제거필터;
상기 대역제거필터의 출력에 포함되는 직류 오프셋 및 낮은 주파수 성분의 요동 잡음을 제거하는 고주파통과필터;
상기 고주파통과필터에 포함된 높은 주파수 성분의 잡음을 제거하는 저주파통과필터; 및
상기 저주파통과필터의 출력 신호 크기를 조절하는 증폭부를 포함하고,
상기 저주파통과필터의 차단 주파수가 150Hz 이하로 설정되어 심전도 신호를 계측하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제11 항에 있어서,
상기 아날로그 신호 처리부는:
상기 차동 증폭부의 출력 신호에 포함되는 상용 전원 주파수 성분의 잡음을 제거하는 대역제거필터;
상기 대역제거필터의 출력에 포함되는 직류 오프셋 및 낮은 주파수 성분의 요동 잡음을 제거하는 고주파통과필터;
상기 고주파통과필터에 포함된 높은 주파수 성분의 잡음을 제거하는 저주파통과필터; 및
상기 저주파통과필터의 출력 신호 크기를 조절하는 증폭부를 포함하고,
상기 저주파통과필터의 차단 주파수가 50Hz 이하로 설정되어 뇌전도 신호를 계측하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제11 항에 있어서,
상기 아날로그 신호 처리부는:
상기 차동 증폭부의 출력 신호에 포함되는 상용 전원 주파수 성분의 잡음을 제거하는 대역제거필터;
상기 대역제거필터의 출력에 포함되는 직류 오프셋 및 낮은 주파수 성분의 요동 잡음을 제거하는 고주파통과필터;
상기 고주파통과필터에 포함된 높은 주파수 성분의 잡음을 제거하는 저주파통과필터; 및
상기 저주파통과필터의 출력 신호 크기를 조절하는 증폭부를 포함하고,
상기 저주파통과필터의 차단 주파수가 500Hz 이하로 설정되어 근전도 신호를 계측하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제11 항에 있어서,
상기 아날로그 신호 처리부는:
상기 차동 증폭부의 출력 신호를 입력 받아 상용 전원 주파수 보다 낮은 주파수 성분의 신호를 제공하는 저주파통과필터;
상기 저주파통과필터에 포함되는 직류 오프셋 및 낮은 주파수 성분의 요동 잡음을 제거하는 고주파통과필터; 및
상기 고주파수통과필터의 출력 신호 크기를 조절하는 증폭부를 포함하고,
상기 저주파통과필터의 차단 주파수가 0.5Hz 이하로 설정되어 호흡 신호를 계측하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제11 항에 있어서,
상기 아날로그 신호 처리부는:
상기 차동 증폭부의 출력 신호에 포함되는 상용 전원 주파수 성분의 잡음을 제거하는 대역제거필터;
상기 대역제거필터의 출력을 입력받아 미분 연산을 수행하는 미분 회로부;
상기 미분 회로부의 출력 신호에 포함된 높은 주파수 성분의 잡음을 제거하는 저주파통과필터; 및
상기 저주파통과필터의 출력 신호 크기를 조절하는 증폭부를 포함하고,
상기 저주파통과필터의 차단 주파수가 150Hz 이하로 설정되어 미분-심전도 신호를 계측하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제16 항에 있어서,
상기 미분 회로의 미분 차수는 1차 이상인 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제16 항에 있어서,
상기 저주파통과필터의 출력 신호를 입력받아 신호의 꼭지점에 동기된 상승 또는 하강 모서리를 갖는 심박 펄스를 생성하는 피크 검출부를 더 포함하고,
상기 디지털 처리부는 상기 심박 펄스를 제공받는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 생체 전기 신호는 심전도 신호, 호흡 신호, 미분 심전도 신호, 및 심박펄스 신호 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 주위에 배치되는 가속도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제20 항에 있어서,
상기 차동 증폭부의 출력 신호와 상기 가속도 센서의 출력 신호 중에서 적어도 하나를 입력받아 각 신호 진폭을 기준 값과 비교하여 상기 인체가 상기 제1 및 제2 및 접지 전극에 올바르게 안착되었음을 판정하는 부착 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제20 항에 있어서,
상기 가속도 센서의 출력을 디지털 변환하는 디지털 처리부를 더 포함하고,
상기 디지털 처리부는 상기 가속도 센서의 출력 신호를 제공받아 상기 생체 전기 신호에 포함된 운동성 잡음을 제거하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극 주위에 배치되는 진동부;및
상기 진동부를 구동하는 진동 구동부를 더 포함하고,
상기 진동부는 전극들에 안착된 인체 피부에 진동 자극을 제공하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 절연체에 매설되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 절연체에 매설되어 상기 인체의 머리 부위에 장착되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극 또는 상기 제2 전극은 절연체에 매설되어 상기 인체의 엉덩이 부위에 장착되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제8 항에 있어서,
상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 접지 전극이 절연체에 매설되고,
상기 인체의 등 부위에는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극이 배치되고, 엉덩이 부위에는 상기 접지 전극이 배치되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 전극, 상기 제2 전극, 및 상기 접지 전극이 절연체에 매설되어 상기 인체의 근육 부위에 배치되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 적어도 두 개 이상의 전극들; 및
상기 전극들에 각각 연결된 전단 증폭회로들을 포함하고,
상기 전단 증폭회로들 각각은:
상기 인체의 생체 전위를 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 증폭기;및
상기 증폭기의 출력단과 상기 증폭기의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 증폭기의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로를 포함하고,
상기 증폭기의 음의 입력단은 상기 증폭기의 출력단에 직접 연결되고, 상기 증폭기의 이득은 1이고, 상기 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성되고,
상기 전단 증폭회로들의 출력신호들의 차이를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 것 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 적어도 두 개 이상의 전극들에 각각 연결된 전단 증폭회로들; 및
상기 전단 증폭회로들의 출력신호들의 차이를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하고,
상기 전단 증폭회로들 각각은:
상기 인체의 생체 전위를 양의 입력단으로 제공받아 출력단에 전달하는 증폭기;및
상기 증폭기의 출력단과 상기 증폭기의 양의 입력단 사이에 배치되어 상기 증폭기의 안정적인 동작을 보장하는 바이어스 회로를 포함하고,
상기 증폭기의 음의 입력단은 상기 증폭기의 출력단에 직접 연결되고, 상기 증폭기의 이득은 1이고, 상기 증폭기는 전압 팔로워(voltage follower)로 구성되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 적어도 두 개 이상의 전극들에 각각 연결된 전단 증폭회로들;
상기 전단 증폭회로들의 출력신호들의 차이를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 차동 증폭부;
상기 전극들 주위의 상기 인체에 부착된 가속도 센서부;및
상기 가속도 센서부의 출력 신호를 이용하여 상기 생체 전기 신호를 보정하는 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 적어도 두 개 이상의 전극들에 각각 연결된 전단 증폭회로들;
상기 전단 증폭회로들의 출력신호들의 차이를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 차동 증폭부;
상기 전극들 주위의 상기 인체에 부착된 진동부;및
상기 생체 전기 신호를 처리하는 처리부를 포함하고,
상기 처리부는 상기 생체 전기 신호의 처리 결과에 따라 상기 인체에 역학적인 자극을 인가하도록 상기 진동부를 구동하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 장치.
제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 배치된 제2 절연층;
상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층 사이에 개재되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극;
상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층 사이에 개재된 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극;
상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로;
상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로; 및
상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정용 방석.
의자;
상기 의자의 입부에 매설된 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극;
상기 의자에 매설되고 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극;
상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로;
상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로; 및
상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정용 의자.
제1 절연층;
상기 제1 절연층 상에 배치된 제2 절연층;
상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층 사이에 개재되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극;
상기 제1 절연층과 상기 제2 절연층 사이에 개재된 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극;
상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로;
상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로; 및
상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정용 시트.
침대;
상기 침대에 매설되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극;
상기 침대에 매설되고 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극;
상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로;
상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로; 및
상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정용 침대.
인큐베이터;
상기 인큐베이터에 매설되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극;
상기 인큐베이터에 매설되고 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극;
상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로;
상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로; 및
상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정용 인큐베이터.
밴드;
상기 밴드에 매설되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극;
상기 밴드에 매설되고 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 인체에 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극;
상기 제1 전극에 연결된 제1 전단 증폭회로;
상기 제2 전극에 연결된 제2 전단 증폭회로; 및
상기 제1 전단 증폭회로의 제1 출력 신호 및 상기 제2 전단 증폭회로의 제2 출력 신호를 이용하여 생체 전기신호를 추출하는 차동 증폭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 비접촉식 생체 신호 측정용 밴드.
인체에 전기적으로 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제1 전극 및 상기 제1 전극과 이격되어 배치되고 상기 인체에 전기적으로 직접 전기적으로 접촉하지 않는 제2 전극을 배치하는 단계;
상기 제1 전극의 측정 신호를 입력받아 제1 전단 증폭 신호를 생성하는 단계;
상기 제2 전극의 측정 신호를 입력받아 제2 전단 증폭 신호를 생성하는 단계; 및
상기 제1 전단 증폭 신호와 상기 제2 전단 증폭 신호의 차이를 이용하여 생체 전기 신호를 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.
제39 항에 있어서,
상기 생체 전기 신호를 입력으로 제공받아 그 진폭을 기준값과 비교하여 상기 제1 및 제2 전극과 상기 인체가 인접하게 부착되었는지를 판단하는 부착 검출 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.
제39 항에 있어서,
상기 생체 전기 신호에서 전원 주파수 대역을 제거하는 단계;
전원 주파수 대역이 제거된 상기 생체 전기 신호를 미분하여 미분 심전도 신호를 추출하는 단계; 및
상기 미분 신전도 신호를 이용하여 피크 위치를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.
제39 항에 있어서,
상기 생체 전기 신호에서 고주파 성분을 제거하도록 저주파 통과 필터를 적용하는 단계; 및
고주파 성분이 제거된 상기 생체 전기 신호에서 직류 성분을 제거하도록 고주파 통과 필터를 적용하여 호흡 신호를 추출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.
제39 항에 있어서,
상기 생체 전기 신호에서 잡음을 제거하는 단계;
상기 생체 전기 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계;
상기 생체 전기 신호를 미분하여 미분 심전도 신호를 추출하는 단계;
가속도 센서를 이용하여 가속도 신호를 추출하는 단계;
상기 가속도 신호의 진동 주파수를 추출하는 단계;
상기 미분 심전도 신호에서 상기 진동 주파수를 제거하는 단계;
상기 진동 주파수가 제거된 상기 미분 심전도 신호를 이용하여 심박 변이율을 추출하는 단계;
상기 심박 변이율을 이용하여 졸음 여부를 판단하는 단계;
졸음으로 판단되면 진동기를 구동하는 단계;
상기 가속도 센서를 이용하여 상기 인체와 상기 제1, 제2 전극의 부착 여부를 판단하는 단계; 및
상기 생체 전기 신호의 진폭을 이용하여 상기 인체와 상기 제1, 제2 전극의 부착 여부를 판단하는 단계 중에서 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정 방법.