KR20120131390A

KR20120131390A - 생체 신호 측정용 전극 구조체

Info

Publication number: KR20120131390A
Application number: KR1020110049523A
Authority: KR
Inventors: 김민철
Original assignee: (주)락싸
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2011-05-25
Publication date: 2012-12-05
Also published as: KR101240475B1

Abstract

본 발명은 생체 신호 측정용 전극 구조체를 제공한다. 생체 신호 측정용 전극 구조체는 일면은 인체에 직접 또는 간접적으로 부착되어 생체 신호를 추출하고, 중심에 관통홀을 포함하고 관통홀의 외측에 턱을 포함하는 전극, 전극의 턱에 삽입되어 결합하고 와셔 형태의 판을 포함하는 전극 코넥터, 전극의 타면을 덥고 인쇄회로 기판과 접촉하는 하우징, 일면에 전극 패드를 포함하고 타면은 하우징과 접촉하는 인쇄회로 기판, 및 인쇄회로 기판, 하우징을 관통하여 전극 코넥터와 결합하는 결합 수단을 포함한다.

Description

생체 신호 측정용 전극 구조체{ELECTRODE STRUCTURE FOR BIOLOGICAL SIGNAL}

본 발명은 생체 신호 측정 장치에 관한 것으로, 더 구체적으로 생체 신호 측정용 전극을 포함하는 전극 구조체에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부의 산업원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제번호-10033514 , 과제명: 감성형 멀티모달 u-Learning device 개발].

인간-기계 인터페이스(human-machine interface)는 인간과 기술이 만나는 계면을 지칭한다. 오늘날 널리 사용되는 대부분의 기계 장치들은 인간-기계 인터페이스가 고려되어 있다. 제품 디자인에서 제품 기능 달성을 위한 기술 설계까지 그만큼 관련 분야도 다양하다. 인간-기계 인터페이스 중에서 최근에서는 멀티모달 인터페이스가 정보 통신 단말기의 발달과 함께 널리 통용되고 있다. 대체로 멀티모달 인터페이스는 인간이 기계에게 정보를 주는 수단이 음성, 키보드, 펜 등으로 다양화되어 있고, 기계가 인간에게 주는 정보 역시 음성, 오디오, 비디오 등과 같은 다양한 수단을 갖추는 인터페이스를 지칭한다. 대체로 지금까지 멀티모달 인터페이스를 포함한 인간-기계 인터페이스 수단은 주로 개별적 인터페이스 요소별 연구 개발 되어 왔다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 생체 신호 측정용 전극 구조체를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 전극 구조체는 일면은 인체에 직접 또는 간접적으로 부착되어 생체 신호를 추출하고, 중심에 관통홀을 포함하고 상기 관통홀의 외측에 턱을 포함하는 전극, 상기 전극의 상기 턱에 삽입되어 결합하고 와셔 형태의 판을 포함하는 전극 코넥터, 상기 전극의 타면을 덥고 인쇄회로 기판과 접촉하는 하우징, 일면에 전극 패드를 포함하고 타면은 상기 하우징과 접촉하는 인쇄회로 기판, 및 상기 인쇄회로 기판, 상기 하우징을 관통하여 상기 전극 코넥터와 결합하는 결합 수단을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 생체 신호 측정용 전극 구조체는 전극을 용이하게 교환할 수 있고, 외부 회로와의 연결이 용이하며, 부가 장치를 용이하게 설치할 수 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 전극 구조체를 설명하는 단면도들이다.

오늘날 정보 통신기기의 발달로 인해 생체 신호는 인간-기계 인터페이스의 좋은 소재로 각광받고 있다. 생체 신호는 인간의 생리학적 정보를 포함하기에 인간-기계 인터페이스 수단으로서 매우 중요한 연구 개발 대상이 되어왔다. 그러나, 생체 신호만으로는 인간-기계 상호작용의 효과를 극대화하기에 원천적인 한계가 있다. 생체 신호, 특히 생체 전기 신호의 계측 상의 기술적 한계 대문에 생기는 사용자 운동성 잡음의 유입으로 깨끗한 신호를 일관되게 일상 생활에서 쉽게 확보하지 못한다는 것이다. 이러한 한계는 생체 신호의 유효하고 중요한 정보를 인터페이스 수단으로 활용하는데 큰 걸림돌로 작용한다.

인간-기계 인터페이스 신호로 주로 활용되는 생체 신호들은 생체 전기 신호, 생체 역학 신호, 및 체온 등을 포함한다. 상기 생체 전기 신호는 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 근전도(EMG), 피부저항(GSR)을 포함할 수 있다. 생체 역학 신호는 호흡, 맥파(PPG), 또는 가속도 맥파(SDPTG))와 같은 생체 역학 신호를 포함할 수 있다.

상기 생체 신호는 어떠한 종류든 사실 사용자 움직임의 영향이 가장 크다. 안정된 정적 상황에서 계측한 신호는 인체에서 생성된 것으로 전적으로 간주할 수 있다. 하지만, 사용자가 움직이는 동적 상황에서는 신호의 오염이 상당히 존재할 수 있다. 이때, 오염의 정도와 시간 위치는 운동 감지 센서로 파악될 수 있다.

특히, 운동 감지 센서는 안전도(EOG)와 결합하여 정략적으로 그 출력을 교정하면 사용자의 시선을 추적할 수 있는 수단을 제공할 수 있다. 또한, 운동 감지 센서 자체만으로도 인간-기계 인터페이스의 유용한 정보 입력 수단이 될 수 있다. 인체 운동은 사용자 의지를 가장 잘 그리고 정교하게 반영하는 형식이다. 따라서, 인터페이스 입력 수단으로서 아주 유용하다.

인터페이스 센서셋의 구성 요소로서 운동 센서를 도입했다면, 사용자의 운동(움직임)은 정보 입력 수단으로 활용될 수 있다. 이는 역방향의 활용 가능성을 상기시킨다. 즉, 출력 요소로서 사용자의 운동(움직임)이 그것이다. 인간-기계 인터페이스 활용에 있어서 인간에게서 기계로 정보를 입력하는 수단이 사용자의 운동(움직임)이 가능하다면 역으로 기계에서 인간으로 정보출력 수단이 사용자의 운동(움직임)이 될 수도 있다는 것이다. 이는 기계가 인간에서 정보를 제시하는 방식이 소리나 영상 등이 아니라 사용자 운동(움직임)이 될 수 있다는 것을 말한다. 이는 진동 자극기(모터)로서 달성 가능하다. 센서셋에 정보 출력 수단으로써 다양한 자극기를 구비할 수 있는데 그 중에서 진동 자극기가 유익한 수단이 된다.

결과적으로 생체 신호 측정용 센서셋은 생체 신호 검출 센서, 운동(움직임) 센서, 그리고 운동 자극기로 이루어지는 것이 바람직할 수 있다. 운동 자극기는 인간-기계 인터페이스 사용 목적에 따라 다양하게 활용될 수 있다. 운동 자극기는 게임 콘텐츠에 활용될 경우에는 게임 참여자 자극 수단으로 활용될 수도 있고, 학습 콘텐츠에서는 졸음, 산만 등에 따른 경고 수단으로 사용될 수 있다.

주요 생체 신호원에 따라 장착 구조물은 다양한 모습을 가질 수 있다. 예를 들어, 뇌파(EEG)를 주요 생체 신호로 다루고자 한다면 장착 구조물은 머리에 착용 가능한 형태여야 한다. 생체 전극은 그 구조물의 적절한 위치에 구비되도록 배치해야 하며, 관련 운동 센서는 해당 전극 부착 부위 근처에 위치해야 할 것이다. 사용자 움직임에 의한 생체 전극의 움직임을 운동 센서가 감지할 수 있어야 하기 때문이다. 자극기는 사용자가 센서셋 착용으로 자극 정보를 곧바로 인식할 수 있어야 한다.

생체 신호 검출용 생체 전극에 움직임 감지 센서나 진동 자극기 등이 함께 구비된다면 직접적인 측정과 자극이 주어지는 가장 적합한 구성이다. 또한, 생체 전극은 인체 피부에 직접적으로 부착되어 오랜 시간 사용될 경우 전극의 표면이 오염되어 측정 어려움을 유발할 수 있어, 인체에 직접적으로 부착되는 전극 부위는 사용 시 교체되는 구조가 바람직하다.

본 발명은 이러한 생체 전극 센서의 구성과 그 구조에 관한 것으로 생체 신호 계측과 사용자 움직임 및 자극이 용이한 전극 구조를 제공한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 도면들에 있어서, 구성요소는 명확성을 기하기 위하여 과장되어진 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호로 표시된 부분들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전극 구조체를 설명하는 단면도이다.

도 1을 참조하면, 상기 전극 구조체(100)는 전극(120), 전극 코넥터(130), 하우징(140), 인쇄회로 기판(110), 및 결합 수단(112)을 포함한다. 상기 전극(120)의 일면은 인체에 직접 또는 간접적으로 부착되어 생체 신호를 추출하고, 중심에 관통홀(123)을 포함하고 상기 관통홀(123)의 외측에 턱(125)을 포함한다. 상기 전극 코넥터(130)는 상기 전극(120)의 상기 턱(125)에 삽입되어 결합하고 와셔 형태의 판을 포함한다. 상기 하우징(140)은 상기 전극(120)의 타면을 덥고 인쇄회로 기판(110)과 접촉한다. 상기 인쇄회로 기판(110)은 일면에 전극 패드(111)를 포함하고, 타면은 상기 하우징(140)과 접촉한다. 결합수단(112)은 상기 인쇄회로 기판(110), 상기 하우징(140)을 관통하여 상기 전극 코넥터(130)와 결합한다. 상기 결합 수단(112)은 상기 인쇄회로 기판(110)의 패드(111)와 상기 전극(120)을 전기적으로 연결한다.

상기 전극(120)은 도전성 금속으로 형성될 수 있다. 상기 전극(120)은 중심에 관통홀(123)을 포함한다. 상기 전극(120)은 제1 두께를 가지는 내부 전극(120a), 제2 두께를 가지는 중심 전극(120b), 및 제3 두께를 가지는 외부 전극(123b)으로 구분될 수 있다. 상기 제1 두께 및 상기 제3 두께는 상기 제2 두께보다 작을 수 있다. 이에 따라, 상기 내부 전극(120a)과 상기 중심 전극(120b)이 접촉하는 부분에서 제1 턱(125)을 가질 수 있다. 또한, 상기 중심 전극(120b)과 외부 전극(120c)이 접촉하는 부분에 제2 턱(127)을 가질 수 있다. 상기 전극(120)의 표면은 인체에 무해하도록 금으로 코팅될 수 있다. 상기 제1 턱(125)에는 나사 결합수 있도록 나선형 홈이 형성될 수 있다.

상기 전극 코넥터(130)는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 전극 코넥터(130)는 중심에 관통홀(131)을 포함할 수 있다. 상기 전극 코넥터(130)는 상기 관통홀(131) 주위에 돌출부(미도시)를 포함할 수 있다. 상기 돌출부는 상기 인쇄회로 기판(110)과 전기적으로 직접 연결될 수 있다. 상기 전극 코넥터(130)의 외측은 홈이 형성되고, 상기 전극(120)의 상기 제1 턱(125)에 나사 결합할 수 있다. 이에 따라, 상기 전극(120)은 용이하게 교체될 수 있다.

하우징(140)은 플라스틱과 같은 비도전성 물질로 형성될 수 있다. 상기 하우징(140)은 상기 인쇄회로 기판(110)을 감싸도록 형성될 수 있다. 상기 하우징(140)의 일부는 상기 인쇄회로 기판(110)과 상기 전극 코넥터(130) 사이에 배치될 수 있다. 상기 하우징(140)은 상기 제2 턱(127)에 끼움 결합할 수 있도록 오목한 형태를 가질 수 있다.

인쇄회로 기판(110)은 다중 기판 또는 단면 기판일 수 있다. 상기 전극(120)과 상기 인쇄회로 기판(110)의 패드(111)의 전기적 연결은 결합 수단(112)을 통하여 수행될 수 있다. 상기 인쇄회로 기판(110)의 일면에는 패드(111)가 형성되고, 상기 패드(111)의 중심에는 관통홀이 배치될 수 있다.

상기 결합 수단(112)은 상기 패드(111), 상기 하우징(140), 및 상기 전극 코넥터(130)를 관통할 수 있다. 상기 결합 수단(112)은 볼트일 수 있다. 상기 결합 수단(112)은 상기 전극 코넥터(130)에 형성된 관통홀 내부의 나선 홈을 통하여 상기 전극 코넥터(130)와 기계적 및/또는 전기적으로 결합할 수 있다.

발광 소자(160)는 상기 인쇄회로 기판(110)의 타면에 배치되고 상기 전극 코넥터(130)의 관통홀(131) 내부에 배치될 수 있다. 수광소자(170)는 상기 인쇄회로 기판(110)의 타면에 배치되고 상기 전극 코넥터(130)의 관통홀(131) 내부에서 상기 발광소자(160)와 이격되어 배치될 수 있다. 차광막(150)은 상기 발광 소자(160)의 출력광이 상기 수광 소자(170)에 직접 조사되는 것을 차단할 수 있다. 상기 발광소자(160)는 상기 사용자의 피부에 침투하여 반사되어 상기 수광 소자(170)에 제공되어 맥파 신호를 제공할 수 있다. 맥파 센서는 상기 수광 수자(170)와 상기 발광 소자(160)를 포함할 수 있다.

진동기(181)는 상기 하우징(140)에 장착되어 인체에 진동을 인가할 수 있다. 상기 진동기(181)는 상기 하우징(140)에서 인체와 가장 근접한 영역에 배치될 수 있다. 진동 구동부(180)는 상기 인쇄회로 기판(110)에 장착되어 상기 진동기(181)를 구동할 수 있다.

상기 진동기(181)는 처리된 생체 신호에 기초하여 사용자에 경고 및/또는 지시하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 상기 진동기(181)는 학습 중에 졸음 상태를 경고하거나, 게임 중에 경고 효과를 발생시킬 수 있다.

상기 생체 신호는 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 및 근전도(EMG) 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

온도 센서(171)는 상기 인쇄회로 기판의 한 면상에 인쇄회로 기판의 패드(111)에 근접하여 배치되어, 상기 결합 수단(112), 상기 전극 코넥터(130) 및 상기 전극(120)을 경유하는 열전달을 통해 인체 표면의 체온을 계측할 수 있다.

또는, 상기 온도 센서(171)는 상기 전극(120)에 접촉하여 배치되거나, 상기 전극 코텍터(130)에 접촉하여 배치되거나, 상기 결합 수단(112)에 접촉하여 배치될 수 있다.

운동 감지 센서(190)는 상기 인쇄회로기판(110)에 배치될 수 있다. 상기 운동 감지 센서(190)는 3축 가속도 센서일 수 있다. 상기 운동 감지 센서(190)는 생체 신호의 보조 정보로 사용될 수 있다.

복수 개의 전극 구조체들 중에서, 일부는 온도 센서를 장착하고, 다른 일부는 운동 감지 센서를 장착하고, 또 다른 일부는 진동기를 장착할 수 있고, 또 다른 일부는 맥파 센서를 장착할 수 있다. 이에 따라, 전극, 온도 센서, 운동 감지 센서, 맥파 센서의 결과를 처리하여, 상기 진동기는 인체에 자극을 제공할 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전극 구조체를 설명하는 도면이다. 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.

도 2를 참조하면, 온도 센서(171)는 전극 코넥터(130)의 관통홀(131) 내부에 배치되어 인체의 온도를 감지할 수 있다. 상기 전극(120)의 인체와 접촉하는 일면은 곡면으로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상기 전극(120)은 착용감 및 밀착성을 향상시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전극 구조체를 설명하는 도면이다. 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.

도 3을 참조하면, 하우징(140)과 전극(120) 사이에 직물(192)이 개재할 수 있다. 이에 따라, 상기 직물(192)은 밴드를 형상하고, 상기 밴드는 상기 전극(120)을 인체에 밀착시킬 수 있다.

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.

120: 전극
130: 전극 코넥터
140: 하우징
110: 인쇄회로 기판
112: 결합 수단

Claims

일면은 인체에 직접 또는 간접적으로 부착되어 생체 신호를 추출하고, 중심에 관통홀을 포함하고 상기 관통홀의 외측에 턱을 포함하는 전극;
상기 전극의 상기 턱에 삽입되어 결합하고 와셔 형태의 판을 포함하는 전극 코넥터;
상기 전극의 타면을 덥고 인쇄회로 기판과 접촉하는 하우징;
일면에 전극 패드를 포함하고 타면은 상기 하우징과 접촉하는 인쇄회로 기판; 및
상기 인쇄회로 기판, 상기 하우징을 관통하여 상기 전극 코넥터와 결합하는 결합 수단을 포함하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 결합 수단은 상기 인쇄회로 기판의 패드와 상기 전극을 전기적으로 연결하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 인쇄회로 기판의 타면에 배치되고 상기 전극의 관통홀 내부에 배치되는 발광소자;
상기 인쇄회로 기판의 타면에 배치되고 상기 전극의 관통홀 내부에서 상기 발광소자와 이격되어 배치되는 수광 소자; 및
상기 발광 소자의 출력광이 상기 수광 소자에 직접 조사되는 것을 차단하는 차광막을 포함하고,
상기 발광소자는 상기 사용자의 피부에 침투하여 반사되어 상기 수광 소자에 제공되어 맥파 신호를 제공하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 전극의 상기 일면은 금으로 코팅된 것을 특징으로 하는 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 전극은 상기 전극 코넥터와 나사 결합하고, 상기 전극은 탈착되는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 인쇄회로 기판의 패드에 근접하여 배치되어, 상기 결합 수단, 상기 전극 코넥터 및 상기 전극을 경유하는 열전달을 통해 인체 표면의 체온을 측정할 수 있는 온도 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 하우징에 장착되어 인체에 진동을 인가하는 진동기; 및
상기 인쇄회로 기판에 장착되어 상기 진동기를 구동하는 진동 구동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 생체 신호는 뇌파(EEG), 안전도(EOG), 심전도(ECG), 및 근전도(EMG) 중에서 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
상기 인쇄회로 기판의 타면에 배치되고 상기 전극의 관통홀 내부에 배치되는 온도 센서를 더 포함하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.
제1 항에 있어서,
운동 감지 센서를 더 포함하는 생체 신호 측정용 전극 구조체.