KR20150087020A - 생체 임피던스 측정 장치 및 방법 - Google Patents

생체 임피던스 측정 장치 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20150087020A
KR20150087020A KR1020140007377A KR20140007377A KR20150087020A KR 20150087020 A KR20150087020 A KR 20150087020A KR 1020140007377 A KR1020140007377 A KR 1020140007377A KR 20140007377 A KR20140007377 A KR 20140007377A KR 20150087020 A KR20150087020 A KR 20150087020A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
frequency
signal
voltage
bioimpedance
unit
Prior art date
Application number
KR1020140007377A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101987408B1 (ko
Inventor
고형호
김종팔
이탁형
Original Assignee
삼성전자주식회사
충남대학교산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사, 충남대학교산학협력단 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020140007377A priority Critical patent/KR101987408B1/ko
Priority to EP15151780.2A priority patent/EP2896360B1/en
Priority to US14/600,670 priority patent/US9763595B2/en
Priority to CN201510031205.0A priority patent/CN104783792B/zh
Publication of KR20150087020A publication Critical patent/KR20150087020A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101987408B1 publication Critical patent/KR101987408B1/ko

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/02—Detecting, measuring or recording for evaluating the cardiovascular system, e.g. pulse, heart rate, blood pressure or blood flow
    • A61B5/026—Measuring blood flow
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0531—Measuring skin impedance
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/05—Detecting, measuring or recording for diagnosis by means of electric currents or magnetic fields; Measuring using microwaves or radio waves
    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
    • A61B5/0537—Measuring body composition by impedance, e.g. tissue hydration or fat content
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/08—Measuring devices for evaluating the respiratory organs
    • A61B5/085—Measuring impedance of respiratory organs or lung elasticity
    • A61B5/086—Measuring impedance of respiratory organs or lung elasticity by impedance pneumography
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00—Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7228—Signal modulation applied to the input signal sent to patient or subject; demodulation to recover the physiological signal

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Surgery (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Physiology (AREA)
  • Pulmonology (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Psychiatry (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Hematology (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Artificial Intelligence (AREA)
  • Measurement And Recording Of Electrical Phenomena And Electrical Characteristics Of The Living Body (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

생체 임피던스 측정 기술이 개시된다. 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 장치는 제1 주파수의 전류가 생체를 통해 흐름으로써 발생되는 전압을 제2 주파수를 이용하여 변조하는 중간 변조부, 변조된 전압을 증폭하는 증폭부, 및 증폭된 전압을 제3 주파수를 이용하여 복조하는 복조부를 포함한다.

Description

생체 임피던스 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD OF MEASURING BIO IMPEDENCE}
아래 실시예들은 생체 임피던스 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
환자의 건강 상태를 진단하기 위한 다양한 의료 장비들이 개발 중에 있다. 건강 진단 과정에서 환자의 편의, 건강 진단 결과의 신속성 등으로 인하여 환자의 전기적인 생체 신호를 측정하기 위한 의료 장비들의 중요성이 부각되고 있다.
생체 임피던스는 생체의 건강이나 감정 상태를 모니터링하기 위하여 이용될 수 있다.
일 측에 따른 생체 임피던스 측정 장치는 제1 주파수의 전류를 출력하는 전류 인가부; 제2 주파수를 이용하여, 상기 전류가 생체를 통해 흐름으로써 발생되는 전압을 변조하는 중간 변조부; 변조된 전압을 증폭하는 증폭부; 및 제3 주파수를 이용하여, 증폭된 전압을 복조하는 복조부를 포함한다.
이 때, 상기 제3 주파수는 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이에 해당할 수 있다.
또한, 상기 제3 주파수는 상기 증폭부의 대역폭에 의해 결정될 수 있다. 또한, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 값에 해당하는 주파수가 상기 증폭부의 대역폭에 포함되도록 결정될 수 있다.
또한, 상기 제1 주파수는 측정하려는 생체 임피던스의 유형에 대응될 수 있다.
또한, 상기 증폭부는 상기 변조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 값에 해당하는 주파수 이하 대역의 신호를 증폭할 수 있다.
또한, 상기 중간 변조부는 상기 제1 주파수에 상기 제2 주파수를 합산한 주파수의 제1 중간 신호와 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 주파수의 제2 중간 신호를 생성하고, 상기 증폭부는 상기 제1 중간 신호 및 상기 제2 중간 신호 중 상기 제2 중간 신호를 선택적으로 증폭할 수 있다.
또한, 상기 생체 임피던스 측정 장치는 제1 신호와 제2 신호 중 어느 하나를 선택하는 선택부를 더 포함하고, 상기 복조부는 선택된 신호를 이용하여 상기 증폭된 전압을 복조하며, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이에 해당하는 주파수를 가지고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 서로 다른 위상을 가질 수 있다.
또한, 상기 선택부는 생체 임피던스의 실수 성분을 측정하기 위하여 상기 제1 신호를 선택하고, 상기 생체 임피던스의 허수 성분을 측정하기 위하여 상기 제2 신호를 선택할 수 있다.
또한, 상기 선택부는 미리 정해진 주기로 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 교대로 선택할 수 있다.
또한, 상기 생체 임피던스 측정 장치는 복조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제3 주파수보다 높은 대역의 신호를 필터링하는 필터링부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 생체 임피던스 측정 장치는 상기 변조된 전류가 상기 생체에 흐르도록 상기 생체와 접촉하는 접촉부를 더 포함할 수 있다.
다른 일 측에 따른 생체 임피던스 측정 방법은 제1 주파수의 전류를 생체와 접촉된 전극들에 제공하는 단계; 제2 주파수를 이용하여, 상기 전류가 상기 생체를 통해 흐름으로써 발생된 전압을 변조하는 단계; 증폭기를 이용하여, 변조된 전압을 증폭하는 단계; 및 제3 주파수를 이용하여, 증폭된 전압을 복조하는 단계를 포함한다.
이 때, 상기 생체 임피던스 측정 방법은 측정하려는 생체 임피던스의 유형에 기초하여 상기 제1 주파수를 결정하는 단계; 상기 증폭기의 대역폭에 기초하여 상기 제3 주파수를 결정하는 단계; 및 상기 제1 주파수 및 상기 제3 주파수에 기초하여 상기 제2 주파수를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수와 상기 제3 주파수 사이의 차이에 해당하는 주파수로 결정될 수 있다.
또한, 상기 제3 주파수를 결정하는 단계에서, 상기 제3 주파수는 상기 제3 주파수가 상기 증폭기의 대역폭에 포함되도록 결정될 수 있다.
또한, 상기 변조된 전압을 증폭하는 단계에서, 상기 변조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 값에 해당하는 주파수 이하 대역의 신호가 증폭될 수 있다.
또한, 상기 발생된 전압을 변조하는 단계에서, 상기 제1 주파수에 상기 제2 주파수를 합산한 주파수의 제1 중간 신호와 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 주파수의 제2 중간 신호가 생성되고, 상기 변조된 전압을 증폭하는 단계에서, 상기 제1 중간 신호 및 상기 제2 중간 신호 중 상기 제2 중간 신호가 선택적으로 증폭될 수 있다.
또한, 상기 복조하는 단계는 제1 신호와 제2 신호 중 어느 하나를 상기 제3 주파수로 선택하는 단계를 포함하고, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이에 해당하는 주파수를 가지며, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 서로 다른 위상을 가질 수 있다.
또한, 상기 선택하는 단계에서, 생체 임피던스의 실수 성분을 측정하기 위하여 상기 제1 신호가 선택되고, 상기 생체 임피던스의 허수 성분을 측정하기 위하여 상기 제2 신호가 선택될 수 있다.
또한, 상기 선택하는 단계에서, 미리 정해진 주기로 상기 제1 신호와 상기 제2 신호가 교대로 선택될 수 있다.
또한, 상기 생체 임피던스 측정 방법은 복조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제3 주파수보다 높은 대역의 신호를 필터링하는 단계를 더 포함할 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 장치를 설명하는 도면들.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 따라 증폭부에 요구되는 대역폭의 감소를 설명하는 그래프들.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 회로를 설명하는 회로도들.
도 4는 일 실시예에 따른 제어부를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 장치를 나타낸 블록도.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 제어부를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 회로를 설명하는 회로도들.
도 6은 일 실시예에 따른 복수의 복조부들을 포함하는 생체 임피던스 측정 장치를 나타낸 블록도.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 복수의 복조부들을 포함하는 생체 임피던스 측정 회로를 설명하는 회로도들.
도 8은 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 방법을 나타낸 동작 흐름도.
도 9는 일 실시예에 따른 주파수들을 결정하는 방법을 나타낸 동작 흐름도.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a 내지 도 1d는 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 장치를 설명하는 도면들이다. 도 1a를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 장치(100)는 생체 임피던스(bio impedance)를 측정할 수 있다. 생체 임피던스는 생체의 건강이나 감정 상태를 모니터링하기 위하여 이용될 수 있다. 생체 임피던스의 유형은 다양하며, 예를 들어, 피부의 저항 정도를 나타내는 생체 임피던스, 피부 수화도를 나타내는 생체 임피던스, 폐의 호흡에 따라 변하는 생체 임피던스, 혈류의 흐름에 따라 변하는 생체 임피던스, 및 피부와 측정 전극을 포함하는 전기적 경로에 존재하는 생체 임피던스 등이 측정될 수 있다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 체지방 등 인체의 임피던스 성분 분석, 심전도, 근전도, 안전도, 뇌파 등 생체 신호 검출 시 전극 임피던스 모니터링 등에 적용될 수 있다. 또한, 최근 유비쿼터스 헬스 케어 등 모바일 환경에서 생체 신호 측정의 중요성이 증대되고 있다. 생체 임피던스 측정 장치(100)는 모바일 환경에서 생체 임피던스의 측정을 통하여 체지방 등 생체 신호를 검출하고, 생체 신호 검출용 전극의 임피던스 측정을 통하여 호흡을 모니터링 하는 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.
생체 임피던스를 측정하기 위해서는 신체 외부에서 발생되는 전류가 이용될 수 있다. 예를 들어, 생체 임피던스 분석(bioelectrical impedance analysis)은 일정한 길이의 동일한 단면적을 가지는 균일한 전도체의 저항은 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다는 법칙에 근거할 수 있다. 하지만 생체는 균일한 원통형이 아니고, 생체 내의 전도도 또한 일정하지 않다. 또한, 생체는 전기가 비교적 잘 통하는 근육, 세포 외액과 전기가 잘 통하지 않는 지방 조직으로 구성되어 있다. 따라서, 신체의 전기적 특성을 설명하기 위해 다양한 회로 모델들이 이용될 수 있다.
신체에 교류 전류를 흘려 보내는 경우 세포막에 전류가 통과하면서 전하가 세포막에 충전될 수 있다. 이 경우 세포막이 축전기(capacitor) 역할을 하며, 세포막에 의한 축전기를 이용하여 신체의 전기적 특성이 모델링될 수 있다. 또한, 교류 전류의 주파수 별로 세포의 전기 투과 정도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 5kHz의 교류 전류는 세포막을 통과하지 않으므로 세포 외액의 측정에 이용될 수 있고, 100kHz 이상의 교류 전류는 세포막을 통과하므로 TBW(total body water)의 측정에 이용될 수 있다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 전류 인가부(110)를 포함한다. 전류 인가부(110)는 제1 주파수의 교류 전류를 출력할 수 있다. 제1 주파수의 교류 전류를 출력하기 위한 전류 인가부(110)의 구성은 다양하게 변형될 수 있다. 일 예로, 전류 인가부(110)는 사인파 전류 생성기를 포함할 수 있다. 이 경우, 사인파 전류 생성기는 제1 주파수의 사인파 전류를 출력할 수 있다. 다른 예로, 도 1b를 참조하면, 전류 인가부(110)는 직류 전류 발생부(111)와 변조부(112)를 포함할 수 있다. 직류 전류 발생부(111)는 직류 전류를 발생시킬 수 있다. 변조부(112)는 직류 전류 발생부(111)에 의해 발생된 직류 전류의 출력 방향을 스위칭 함으로써 교류 전류를 출력할 수 있다. 이 때, 변조부(112)는 제1 주파수를 이용하여 직류 전류의 출력 방향을 스위칭 함으로써, 직류 전류를 교류 전류로 변조할 수 있다.
전류 인가부(110)는 측정하고자 하는 생체 임피던스의 유형에 대응되는 제1 주파수를 이용할 수 있다. 생체 임피던스의 유형은 해당 유형의 생체 임피던스를 측정하기 위하여 생체에 주입되는 전류의 주파수와 연관될 수 있다. 생체에 주입되는 교류 전류의 주파수에 따라 상이한 유형의 생체 임피던스가 측정될 수 있기 때문이다. 전류 인가부(110)는 다양한 유형의 생체 임피던스들을 측정하기 위하여, 제1 주파수로 1 kHz, 5 kHz, 50 kHz, 250 kHz, 500 kHz, 1 MHz 등 다양한 주파수 대역들을 이용할 수 있다.
일 예로, 생체 임피던스 측정 장치(100)는 생체의 다양한 부위들에서 다양한 유형의 생체 임피던스들을 측정할 수 있다. 보다 구체적으로, 생체 임피던스 측정 장치(100)는 다양한 주파수 대역들을 이용하여 오른팔, 왼팔, 몸통, 오른다리, 왼다리 등 생체의 다양한 부위들에 해당하는 생체 임피던스들을 측정할 수 있다. 측정된 생체 임피던스들은 체중, 체수분, 세포 내 수분, 세포 외 수분, 단백질, 무기질, 근육량, 제지방량, 골격근량, 체지방량, 복부지방률, 내장지방 단면적 부위별 근육량, 부위별 근육률 부종지수 등을 산출하는 데 이용될 수 있다.
변조된 전류가 생체 임피던스 측정 부위로 제공되면, 생체 임피던스 측정 부위의 생체 임피던스로 인하여 전압 강하가 일어날 수 있다. 생체 임피던스 측정 장치(100)는 이러한 전압 강하로 인한 전위 차를 측정함으로써, 생체 임피던스를 측정할 수 있다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 접촉부(115)를 더 포함할 수 있다. 접촉부(115)는 전류 인가부(110)에 의해 출력된 교류 전류가 생체에 흐르도록 생체와 접촉되는 복수의 단자들을 제공할 수 있다. 복수의 단자들은 측정법에 따라 생체에 다양한 방식으로 연결될 수 있다.
일 예로, 도 1c를 참조하면, 2 단자 측정법에 따라 접촉부(115)에 포함된 2개의 단자들이 측정 대상에 인터페이스 될 수 있다. 이 경우, 제1 단자 및 제2 단자를 통하여 생체 등 측정 대상에 교류 전류가 제공될 수 있다. 교류 전류가 생체에 흐름으로 인하여 제1 단자 및 제2 단자 사이에 전위 차가 발생될 수 있다. 접촉부(115)는 제1 단자 및 제2 단자 사이의 전위 차를 출력할 수 있다.
다른 예로, 도 1d를 참조하면, 4 단자 측정법에 따라 접촉부(115)에 포함된 4개의 단자들이 측정 대상에 인터페이스 될 수 있다. 이 경우, 제1 단자 및 제2 단자를 통하여 생체 등 측정 대상에 교류 전류가 제공되고, 제3 단자 및 제4 단자 사이의 전위 차가 출력될 수 있다. 4 단자 측정법에 의한 측정 결과는 2 단자 측정법에 의한 측정 결과보다 정밀할 수 있다.
이하, 접촉부(115)의 두 단자들 사이에 발생되는 전위 차는 접촉부(115)의 두 단자들 사이에 발생되는 전압이라고 지칭될 수 있다. 생체에 흐르는 전류는 전류 인가부(110)에 의하여 출력되고 제1 주파수를 중심 주파수로 가지는 교류 전류이므로, 접촉부(115)의 두 단자들 사이에 발생되는 전압은 제1 주파수를 중심 주파수로 가지는 교류 전압일 수 있다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 증폭부(130)를 포함한다. 증폭부(130)는 생체 임피던스를 측정하기 위하여 접촉부(115)의 두 단자들 사이에 발생되는 전압을 증폭할 수 있다. 증폭부(130)는 계측 증폭기(Instrumentation Amplifier, IA)를 포함할 수 있다. 계측 증폭기는 미세한 생체 신호의 증폭 및 필터링을 할 수 있다.
이 경우, 증폭부(130)의 대역폭(bandwidth)은 제1 주파수를 포함하도록 요구될 수 있다. 다시 말해, 측정하고자 하는 생체 임피던스를 정확히 측정하기 위하여, 증폭부(130)는 전류 인가부(110)에서 이용되는 제1 주파수의 신호를 충분히 증폭할 수 있어야 한다.
예를 들어, 도 2a를 참조하면, 증폭부(130)의 주파수 반응 곡선(220)이 하강하기 시작되는 컷오프 주파수(fc)는 전류 인가부(110)에서 이용되는 제1 주파수(f1)(210)보다 높아야 한다. 도 2a에서 x축은 증폭부(130)에 입력되는 신호의 주파수를 나타내고, y축은 증폭부(130)에서 출력되는 신호의 크기(amplitude)를 나타낸다. 도 2a에서 증폭부(130)의 대역폭은 컷오프 주파수(fc) 이하의 주파수 대역일 수 있다.
일반적으로, 증폭부(130)의 대역폭이 높은 주파수 대역을 포함할수록, 증폭부(130)의 전력 소모량은 커진다. 따라서, 증폭부(130)의 요구 스펙을 감소시키는 경우, 생체 임피던스 측정 장치(100)의 전력 소모량을 감소될 수 있다. 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 장치(100)는 일반적인 생체 임피던스 측정 기술들 대비 동일한 생체 임피던스를 측정하는데 요구되는 전력 소모량을 감소시키는 기술을 제공할 수 있다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 중간 변조부(120)를 포함한다. 중간 변조부(120)는 제2 주파수를 이용하여, 접촉부(115)의 두 단자들 사이에 발생된 전압을 변조할 수 있다. 접촉부(115)의 두 단자들 사이에 발생된 전압은 제1 주파수를 중심 주파수로 가지는 교류 전압일 수 있다. 중간 변조부(120)는 제1 주파수를 중심 주파수로 가지는 교류 전압을 입력 받아, 입력된 교류 전압을 제1 주파수보다 낮은 주파수를 중심 주파수로 가지는 교류 전압으로 변조할 수 있다. 중간 변조부(120)는 증폭부(130)로 입력되는 신호의 주파수를 낮춤으로써, 증폭부(130)의 요구 대역폭을 낮출 수 있고, 이로 인하여 증폭부(130)의 동작에 요구되는 전력 소모량을 낮출 수 있다.
일 예로, 도 2b를 참조하면, 중간 변조부(120)는 제2 주파수(f2)를 이용하여 입력 신호를 변조함으로써, 입력 신호의 중심 주파수를 제1 주파수(f1)(210)에서 주파수(f1-f2)(211)로 변경시킬 수 있다. 이 경우, 증폭부(130)에 입력되는 신호는 주파수(f1-f2)(211)를 중심 주파수로 가지므로, 증폭부(130)의 대역폭은 제1 주파수(f1)(210)에 해당하는 대역까지 포함하지 않고 주파수(f1-f2)(211)에 해당하는 대역까지만 포함해도 된다. 다시 말해, 증폭부(130)의 주파수 반응 곡선(221)이 하강하기 시작되는 컷오프 주파수(fc)는 주파수(f1-f2)(211)보다 높아야 하나, 제1 주파수(f1)(210)보다는 낮아도 된다.
일 예로, 도 2c를 참조하면, 중간 변조부(120)가 제2 주파수(f2)를 이용하여 입력 신호를 변조하는 경우, 주파수(f1-f2)(211)의 신호뿐만 아니라 주파수(f1+f2)(212)의 신호도 함께 생성될 수 있다. 아래에서 상세히 설명하겠지만, 이 경우에도 증폭부(130)의 대역폭은 제1 주파수(f1)(210)에 해당하는 대역이나 주파수(f1+f2)(212)에 해당하는 대역을 포함하도록 요구되는 대신, 주파수(f1-f2)(211)에 해당하는 대역만을 포함할 수 있다. 다시 말해, 증폭부(130)는 제1 주파수(f1)(210)에 해당하는 대역이나 주파수(f1+f2)(212)에 해당하는 대역은 증폭하지 않고, 주파수(f1-f2)(211)에 해당하는 대역만을 증폭할 수 있다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 복조부(140)를 포함한다. 복조부(140)는 제3 주파수(f3)를 이용하여 증폭부(130)의 출력 신호를 복조할 수 있다. 여기서, 제3 주파수(f3)는 전류 인가부(110)에서 이용되는 제1 주파수와 중간 변조부(120)에서 이용되는 제2 주파수(f2)와 관계된다. 예를 들어, 제3 주파수(f3)는 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2) 사이의 차이에 해당하는 주파수일 수 있다. 이하, 제3 주파수(f3)는 복조 주파수라고 지칭될 수 있다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 선택부(145)를 더 포함할 수 있다. 생체 임피던스는 실수 성분과 허수 성분을 포함할 수 있다. 선택부(145)는 생체 임피던스의 실수 성분(real component) 및 허수 성분(imaginary component)을 선택적으로 측정할 수 있도록, 상이한 위상(phase)의 신호들 중 어느 하나를 선택하여 복조부(140)에 제공할 수 있다.
예를 들어, 생체 임피던스 검출 시, 초퍼 안정화 기법의 복조(demodulation) 단계에서 쿼드러쳐(quadrature) 복조 기법이 적용될 수 있다. 이로 인하여, 생체 임피던스의 실수 성분과 허수 성분이 분리될 수 있다. 생체 임피던스의 실수 성분 및 허수 성분을 분리함으로써, 인체의 지방과 수분 등 구성 성분 별 분석이 가능하다. 이처럼, 생체 임피던스 측정 장치(100)는 체지방 분석 등 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다. 선택부(145)와 관련된 보다 상세한 설명은 후술한다.
생체 임피던스 측정 장치(100)는 필터링부(150)를 더 포함할 수 있다. 필터링부(150)는 미리 정해진 주파수 이하의 신호만을 통과시키고, 미리 정해진 주파수보다 높은 주파수의 신호는 차단하는 로우 패스 필터(low-pass filter, LPF)를 포함할 수 있다. 일 예로, 미리 정해진 주파수는 복조부(140)에서 이용되는 제3 주파수일 수 있다.
이하, 도 2d를 참조하여 도 1a에 도시된 각 모듈들의 출력 신호들을 상세하게 설명한다. 도 2d의 (i)번째 그래프는 전류 인가부(110)에 의해 출력된 교류 전류가 생체를 통해 흐름으로써 발생되는 전압을 나타낸다. 신호(231)의 중심 주파수는 제1 주파수(f1)이다.
도 2d의 (ii)번째 그래프는 중간 변조부(120)에 의해 변조된 전압을 나타낸다. 중간 변조부(120)는 제2 주파수(f2)를 이용하여 신호(231)를 변조하여, 신호(232)와 신호(233)을 생성할 수 있다. 신호(232)의 중심 주파수는 주파수(f1-f2)이고, 신호(233)의 중심 주파수는 주파수(f1+f2)이다.
도 2d의 (iii)번째 그래프는 증폭부(130)에 의해 증폭된 전압을 나타낸다. 증폭부(130)는 신호(232)와 신호(233) 중 더 느린 신호인 신호(232)만 증폭하고, 더 빠른 신호인 신호(233)은 증폭하지 않을 수 있다. 혹은, 증폭부(130)의 대역폭은 신호(232)의 중심 주파수에 해당하는 대역만 포함하고, 신호(233)의 중심 주파수에 해당하는 대역은 포함하지 않을 수 있다. 신호(235)는 신호(232)가 증폭부(130)에 의해 증폭된 신호이고, 신호(236)은 신호(233)과 실질적으로 동일한 신호이다.
여기서, 신호(234)는 증폭부(130)의 동작에 의해 발생되는 노이즈이다. 예를 들어, 증폭부(130) 내부에서 1/f 노이즈가 발생될 수 있다. 1/f 노이즈는 플리커 노이즈(flicker noise)라고도 지칭되며, 능동형(active) 소자에서 발생되는 고유의 노이즈이다. 능동형 소자의 내부에서 발생되는 노이즈를 주파수축으로 표시하는 경우, 저주파 대역(예를 들어, 100Hz 이하)에서 노이즈의 크기가 크게 증가하는 형상이 나타난다. 다시 말해, 1/f 노이즈는 주파수에 반비례하여 크기가 증가한다.
또한, 중간 변조부(120)에 의해 변조된 전압의 주파수(f1-f2)가 증폭부(130) 내부에서 발생되는 노이즈 대역에 포함되지 않도록, 제2 주파수(f2)가 결정될 수 있다. 예를 들어, 신호(235)의 주파수(f1-f2)가 신호(234)의 대역 밖에 위치되도록, 제2 주파수(f2)가 결정될 수 있다. 이 경우, 생체 임피던스 측정 장치(100)의 측정 결과는 증폭부(130) 내부에서 발생되는 노이즈의 간섭을 받지 않을 수 있다.
도 2d의 (iv)번째 그래프는 복조부(140)에 의해 복조된 전압을 나타낸다. 복조부(130)는 제3 주파수(f3)를 이용하여 신호(235)를 복조할 수 있다. 일 예로, 제3 주파수(f3)은 제1 주파수(f1)과 제2 주파수(f2) 사이의 차인 주파수(f1-f2)일 수 있다.
신호(237)은 신호(235)가 복조된 신호이다. 여기서, 제3 주파수(f3)를 이용한 복조부(140)의 동작에 의하여, 신호(239)가 함께 생성될 수 있다. 또한, 제3 주파수(f3)를 이용한 복조부(140)의 동작에 의하여, 신호(235) 이외의 신호들(234, 236)도 변조될 수 있다. 예를 들어, 신호(238)은 신호(234)가 변조된 신호이고, 신호(240)은 신호(236)이 변조된 신호이다.
도 2d의 (v)번째 그래프는 필터링부(150)에 의해 필터링된 전압을 나타낸다. 필터링부(150)는 미리 정해진 주파수 이하 대역의 신호만을 통과시킬 수 있다. 여기서, 미리 정해진 주파수는 신호(237)만 통과시키고, 나머지 신호들(238, 239, 240)은 차단하기에 적합하게 결정될 수 있다. 일 예로, 미리 정해진 주파수는 제3 주파수(f3)인 주파수(f1-f2)일 수 있다. 신호(241)은 신호(237)와 실질적으로 동일한 신호로, 생체 임피던스 측정 장치(100)의 출력 신호일 수 있다.
이처럼, 생체 임피던스 측정 장치(100)는 측정하고자 하는 생체 임피던스의 유형에 대응하는 제1 주파수(f1)보다 낮은 주파수(f1-f2)의 대역을 증폭하면서, 해당 생체 임피던스를 측정하는 기술을 제공할 수 있다. 이로 인하여, 생체 임피던스 측정 장치(100)는 생체 임피던스 측정을 위해 요구되는 전력 소모량을 감소시키는 기술을 제공할 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 회로를 설명하는 회로도들이다. 도 3a를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 회로(300)는 전류 인가부(310), 접촉부(320), 중간 변조부(330), 증폭부(340), 복조부(350), 선택부(360), 및 필터링부(370)를 포함한다.
전류 인가부(310)에 포함되는 변조부는 초퍼(chopper)로 구성될 수 있다. 초퍼는 소싱 전류원(sourcing current source)과 싱킹 전류원(sinking current source)을 변조할 수 있다. 전류원을 변조하는 초퍼의 주파수는 제1 주파수(f1)에 의하여 결정될 수 있다.
제1 주파수(f1)에 해당하는 제1 주파수 신호(F1)는 사각파 또는 사인파로 구현될 수 있다. 제1 주파수 신호(F1)를 구성하는 주파수 성분 중 하모닉스(harmonics)를 제외한 기본 텀(fundamental term)만을 고려하면, 제1 주파수 신호(F1)는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 간략한 표현을 위하여 제1 주파수 신호(F1)의 진폭은 1로 가정한다.
Figure pat00001
여기서, F1은 제1 주파수 신호이고, f1은 제1 주파수이며, t는 시간이다. 전류 인가부(310)에서 출력된 전류가 접촉부(320)를 통하여 생체(325)에 주입되면, 생체 임피던스에 따른 제1 전압(V1)이 발생된다. 도 1c 및 도 1d를 통하여 전술한 바와 같이, 접촉부(320)에 포함된 복수의 단자들은 다양한 방식으로 생체(325)에 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 3a의 접촉부(320)에 포함된 복수의 단자들은 2 단자 측정법에 따라 생체(325)에 연결되고, 도 3b의 접촉부(320)에 포함된 복수의 단자들은 4 단자 측정법에 따라 생체(325)에 연결될 수 있다.
중간 변조부(330)는 초퍼로 구성될 수 있다. 초퍼는 제1 전압(V1)을 변조하여, 제2 전압(V2)을 출력할 수 있다. 제1 전압(V1)을 변조하는 초퍼의 주파수는 제2 주파수(f2)에 의하여 결정될 수 있다.
제2 주파수(f2)에 해당하는 제2 주파수 신호(F2)는 사각파 또는 사인파로 구현될 수 있다. 제2 주파수 신호(F2)를 구성하는 주파수 성분 중 하모닉스를 제외한 기본 텀만을 고려하면, 제2 주파수 신호(F2)는 수학식 2와 같이 표현될 수 있다. 간략한 표현을 위하여 제2 주파수 신호(F2)의 진폭은 1로 가정한다.
Figure pat00002
여기서, F2는 제2 주파수 신호이고, f2은 제2 주파수이며, t는 시간이다. 증폭부(340)는 계측 증폭기(IA)로 구성될 수 있다. 계측 증폭기는 제2 전압(V2)을 증폭하여, 제3 전압(V3)을 출력할 수 있다.
복조부(350)는 초퍼로 구성될 수 있다. 초퍼는 제3 전압(V3)을 복조하여, 제4 전압(V4)을 출력할 수 있다. 제3 전압(V3)을 복조하는 초퍼의 주파수는 제3 주파수(f3)에 의하여 결정될 수 있다.
선택부(360)는 먹스(MUX)로 구성될 수 있다. 먹스는 선택 신호(SEL)에 따라 복수의 신호들 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 예를 들어, 먹스는 선택 신호(SEL)에 따라 90도의 위상 차이를 가지는 두 개의 신호들 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 물론 실시예들은 90도의 위상 차이를 이용하는 경우에 국한되지 않는다. 예를 들어, 실시예들은 목적에 따라서 0도 이상 180도 이하의 위상 차이를 이용하는 경우에도 적용될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위하여 90도의 위상 차이를 가지는 두 개의 신호들이 이용되는 실시예들을 설명한다.
먹스는 선택 신호(SEL)에 따라 제3 사인 신호(F3,S) 및 제3 코사인 신호(F3,C) 중 어느 하나를 선택할 수 있다. 예를 들어, 선택 신호가 논리값 0인 경우 먹스는 제3 사인 신호(F3,S)를 선택하고, 선택 신호가 논리값 1인 경우 먹스는 제3 코사인 신호(F3,C)를 선택할 수 있다.
제3 사인 신호(F3,S) 및 제3 코사인 신호(F3,C)는 모두 제3 주파수(f3)에 해당하나, 제3 사인 신호(F3,S)의 위상과 제3 코사인 신호(F3,C)의 위상은 서로 90도 차이가 날 수 있다. 다시 말해, 제3 사인 신호(F3,S)의 주파수 및 제3 코사인 신호(F3,C)의 주파수는 모두 제3 주파수(f3)이나, 제3 사인 신호(F3,S)의 위상 및 제3 코사인 신호(F3,C)의 위상은 서로 90도 차이가 날 수 있다.
제3 사인 신호(F3,S) 및 제3 코사인 신호(F3,C)는 모두 사각파 또는 사인파로 구현될 수 있다. 제3 사인 신호(F3,S)를 구성하는 주파수 성분 중 하모닉스를 제외한 기본 텀만을 고려하면, 제3 사인 신호(F3,S)는 수학식 3과 같이 표현될 수 있다. 간략한 표현을 위하여 제3 사인 신호(F3,S)의 진폭은 1로 가정한다.
Figure pat00003
여기서, F3,S는 제3 사인 신호이고, f3은 제3 주파수이며, t는 시간이다. 제3 주파수(f3)은 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2) 사이의 차인 주파수(f1-f2)일 수 있다.
또한, 제3 코사인 신호(F3,C)를 구성하는 주파수 성분 중 하모닉스를 제외한 기본 텀만을 고려하면, 제3 코사인 신호(F3,C)는 수학식 4와 같이 표현될 수 있다. 간략한 표현을 위하여 제3 코사인 신호(F3,C)의 진폭은 1로 가정한다.
Figure pat00004
여기서, F3,C는 제3 코사인 신호이고, f3은 제3 주파수이며, t는 시간이다. 제3 주파수(f3)은 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2) 사이의 차인 주파수(f1-f2)일 수 있다.
필터링부(370)는 로우 패스 필터(LPF)로 구성될 수 있다. 로우 패스 필터는 제4 전압(V4)에 포함된 고주파 성분을 제거하고, 최종적으로 출력 전압(Vo)을 출력할 수 있다.
이하, 생체 임피던스 측정 회로(300)의 동작 원리를 보다 상세하게 설명한다. 일 예로, 생체 임피던스 측정 회로(300)는 생체 임피던스의 실수 성분(ZRE)을 측정할 수 있다.
전류 인가부(310)의 초퍼는 제1 주파수 신호(F1)에 의해 구동될 수 있다. 이 경우, 전류 인가부(310)에 의해 출력된 전류 및 생체 임피던스의 실수 성분(ZRE)으로 인하여 제1 전압(V1)이 발생될 수 있다. 제1 전압(V1)은 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00005
여기서, V1은 제1 전압이고, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, t는 시간이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수(fundamental frequency)이다.
중간 변조부(330)의 초퍼는 제2 주파수 신호(F2)에 의해 구동될 수 있다. 이 경우, 제1 전압(V1)은 중간 변조부(330)의 초퍼를 통하여 제2 전압(V2)으로 변조될 수 있다. 제2 전압(V2)은 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00006
여기서, V1은 제1 전압이고, V2는 제2 전압이며, F2는 제2 주파수 신호이고, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, t는 시간이고, f2는 제2 주파수이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
증폭부(340)의 계측 증폭기는 제2 전압(V2)을 증폭하여 제3 전압(V3)을 출력할 수 있다. 제3 전압(V3)은 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00007
여기서, V2는 제2 전압이고, V3는 제3 전압이며, A는 계측 증폭기의 전압 이득이고, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, f2는 제2 주파수이고, t는 시간이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
복조부(350)의 초퍼는 제3 주파수 신호(F3)에 의해 구동될 수 있다. 복조부(350)의 초퍼는 제3 전압(V3)을 복조하여, 제4 전압(V4)을 출력할 수 있다. 선택부(360)의 먹스는 복조부(350)의 초퍼에 제공될 제3 주파수 신호(F3)를 선택할 수 있다. 생체 임피던스의 실수 성분을 검출하기 위하여, 선택부(360)의 먹스는 제3 사인 신호(F3,S)와 제3 코사인 신호(F3,C) 중 제3 코사인 신호(F3,C)를 선택할 수 있다. 이 경우, 제4 전압(V4)은 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00008
여기서, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이며, F3,C는 제3 코사인 신호이고, A는 계측 증폭기의 전압 이득이며, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이며, f1은 제1 주파수이고, f2는 제2 주파수이며, t는 시간이다. 제3 주파수(f3)는 제3 코사인 신호(F3,C)의 기본 주파수로, 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2) 사이의 차인 주파수(f1-f2)이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
필터링부(370)의 로우 패스 필터는 차단 주파수 이하 대역의 신호만 통과시킬 수 있다. 차단 주파수가 제3 주파수(f3)인 경우, 필터링부(370)의 출력 전압(Vo)는 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00009
여기서, Vo는 출력 전압이고, A는 계측 증폭기의 전압이득이며, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이다. 수학식 9를 참조하면, 출력 전압(Vo)는 입력 전류(I), 계측 증폭기의 전압 이득(A), 및 생체 임피던스의 실수 성분(ZRE)으로 결정된다.
전술한 바와 같이, 증폭부(340)의 계측 증폭기는 제2 전압(V2)의 모든 주파수 성분을 증폭하는 대신, 계측 증폭기의 대역폭에 포함되는 주파수 성분만을 증폭할 수 있다. 예를 들어, 증폭기의 대역폭은 주파수(f1+f2)에 해당하는 대역을 포함하지 않고, 주파수(f1-f2)에 해당하는 대역을 포함할 수 있다. 이 경우, 수학식 7은 수학식10과 같이 근사화될 수 있다.
Figure pat00010
여기서, V2는 제2 전압이고, V3는 제3 전압이며, A는 계측 증폭기의 전압 이득이고, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, f2는 제2 주파수이고, t는 시간이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
이 경우, 수학식 8은 수학식 11과 같이 근사화될 수 있다.
Figure pat00011
여기서, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이며, F3,C는 제3 코사인 신호이고, A는 계측 증폭기의 전압 이득이며, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이며, f1은 제1 주파수이고, f2는 제2 주파수이며, t는 시간이다. 제3 주파수(f3)는 제3 코사인 신호(F3,C)의 기본 주파수로, 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2) 사이의 차인 주파수(f1-f2)이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
수학식 7 및 수학식 8이 각각 수학식 10 및 수학식 11로 근사화되는 경우에도, 출력 전압(Vo)는 수학식 9와 동일하게 표현될 수 있다. 이처럼, 증폭부(340)의 계측 증폭기의 대역폭이 감소되더라도, 생체 임피던스가 정확하게 측정될 수 있다.
다른 예로, 생체 임피던스 측정 회로(300)는 생체 임피던스의 허수 성분(ZIM)을 측정할 수 있다.
전류 인가부(310)의 초퍼는 제1 주파수 신호(F1)에 의해 구동될 수 있다. 이 경우, 전류 인가부(310)에 의해 출력된 전류 및 생체 임피던스의 허수 성분(ZIM)으로 인하여 제1 전압(V1)이 발생될 수 있다. 제1 전압(V1)은 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00012
여기서, V1은 제1 전압이고, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, t는 시간이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이다.
중간 변조부(330)의 초퍼는 제2 주파수 신호(F2)에 의해 구동될 수 있다. 이 경우, 제1 전압(V1)은 중간 변조부(330)의 초퍼를 통하여 제2 전압(V2)으로 변조될 수 있다. 제2 전압(V2)은 수학식 13과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00013
여기서, V1은 제1 전압이고, V2는 제2 전압이며, F2는 제2 주파수 신호이고, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, t는 시간이고, f2는 제2 주파수이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
증폭부(340)의 계측 증폭기는 제2 전압(V2)을 증폭하여 제3 전압(V3)을 출력할 수 있다. 제3 전압(V3)은 수학식 14와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00014
여기서, V2는 제2 전압이고, V3는 제3 전압이며, A는 계측 증폭기의 전압 이득이고, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, f2는 제2 주파수이고, t는 시간이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
복조부(350)의 초퍼는 제3 주파수 신호(F3)에 의해 구동될 수 있다. 복조부(350)의 초퍼는 제3 전압(V3)을 복조하여, 제4 전압(V4)을 출력할 수 있다. 선택부(360)의 먹스는 복조부(350)의 초퍼에 제공될 제3 주파수 신호(F3)를 선택할 수 있다. 생체 임피던스의 허수 성분을 검출하기 위하여, 선택부(360)의 먹스는 제3 사인 신호(F3,S)와 제3 코사인 신호(F3,C) 중 제3 사인 신호(F3,S)를 선택할 수 있다. 이 경우, 제4 전압(V4)은 수학식 15와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00015
여기서, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이며, F3,S은 제3 사인 신호이고, A는 계측 증폭기의 전압 이득이며, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이며, f1은 제1 주파수이고, f2는 제2 주파수이며, t는 시간이다. 제3 주파수(f3)는 제3 사인 신호(F3,S)의 기본 주파수로, 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2) 사이의 차인 주파수(f1-f2)이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
필터링부(370)의 로우 패스 필터는 차단 주파수 이하 대역의 신호만 통과시킬 수 있다. 차단 주파수가 제3 주파수(f3)인 경우, 필터링부(370)의 출력 전압(Vo)는 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00016
여기서, Vo는 출력 전압이고, A는 계측 증폭기의 전압이득이며, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이다. 수학식 16를 참조하면, 출력 전압(Vo)는 입력 전류(I), 계측 증폭기의 전압 이득(A), 및 생체 임피던스의 허수 성분(ZIM)으로 결정된다.
전술한 바와 같이, 증폭부(340)의 계측 증폭기는 제2 전압(V2)의 모든 주파수 성분을 증폭하는 대신, 계측 증폭기의 대역폭에 포함되는 주파수 성분만을 증폭할 수 있다. 예를 들어, 증폭기의 대역폭은 주파수(f1+f2)에 해당하는 대역을 포함하지 않고, 주파수(f1-f2)에 해당하는 대역을 포함할 수 있다. 이 경우, 수학식 14는 수학식17과 같이 근사화될 수 있다.
Figure pat00017
여기서, V2는 제2 전압이고, V3는 제3 전압이며, A는 계측 증폭기의 전압 이득이고, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, f1은 제1 주파수이며, f2는 제2 주파수이고, t는 시간이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
이 경우, 수학식 15는 수학식 18과 같이 근사화될 수 있다.
Figure pat00018
여기서, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이며, F3,S는 제3 사인 신호이고, A는 계측 증폭기의 전압 이득이며, ZIM은 생체 임피던스의 허수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이며, f1은 제1 주파수이고, f2는 제2 주파수이며, t는 시간이다. 제3 주파수(f3)는 제3 사인 신호(F3,S)의 기본 주파수로, 제1 주파수(f1)와 제2 주파수(f2) 사이의 차인 주파수(f1-f2)이다. 제1 주파수(f1)는 제1 주파수 신호(F1)의 기본 주파수이고, 제2 주파수(f2)는 제2 주파수 신호(F2)의 기본 주파수이다.
수학식 14 및 수학식 15가 각각 수학식 17 및 수학식 18로 근사화되는 경우에도, 출력 전압(Vo)는 수학식 16과 동일하게 표현될 수 있다. 이처럼, 증폭부(340)의 계측 증폭기의 대역폭이 감소되더라도, 생체 임피던스가 정확하게 측정될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 측정하고자 하는 생체 임피던스의 유형에 대응하는 제1 주파수가 2fo인 경우, 제2 주파수는 fo로 결정될 수 있다. 이 경우, 제3 주파수도 fo로 결정될 수 있다. 전술한 바와 같이, 생체 임피던스 측정 장치는 계측 증폭기의 대역폭에 해당하는 fc는 fo보다는 높으나, 2fo보다는 낮은 경우에도, 측정하고자 하는 생체 임피던스를 정확하게 측정할 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수가 2fo이고, 제2 주파수 및 제3 주파수가 2fo인 경우, 기존 임피던스 측정 방식에 비해 증폭기의 대역폭 요구사항이 절반으로 감소될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 주파수가 2fo이고, 제2 주파수 및 제3 주파수가 2fo인 경우, 제1 주파수 신호(F1), 제2 주파수 신호(F2), 제3 사인 신호(F3,S), 및 제3 코사인 신호(F3,C)는 각각 수학식 19 내지 수학식 22로 표현될 수 있다.
Figure pat00019
Figure pat00020
Figure pat00021
Figure pat00022
여기서, F1은 제1 주파수 신호이고, F2는 제2 주파수 신호이며, F3,S는 제3 사인 신호이고, F3,C는 제3 코사인 신호이며, t는 시간이다.
또한, 생체 임피던스의 실수 성분을 측정하는 경우, 제1 전압(V1), 제2 전압(V2), 제3 전압(V3), 및 제4 전압(V4)은 각각 수학식 23 내지 수학식 26으로 표현될 수 있다.
Figure pat00023
Figure pat00024
Figure pat00025
Figure pat00026
여기서, V1은 제1 전압이고, V2는 제2 전압이며, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이다. ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이며, t는 시간이다. F2는 제2 주파수 신호이고, F3,C는 제3 코사인 신호이며, A는 계측 증폭기의 전압 이득이다.
계측 증폭기의 대역폭에 해당하는 주파수(fc)가 주파수(fo)보다는 크나 주파수(2fo)보다는 작아서, 주파수(2fo) 이상의 주파수 대역에서는 충분한 증폭도를 얻지 못할 수 있다. 이 경우, 수학식 25 및 수학식 26은 각각 수학식 27 및 수학식 28로 근사화될 수 있다.
Figure pat00027
Figure pat00028
여기서, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이다. A는 계측 증폭기의 전압 이득이고, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, t는 시간이다.
계측 증폭기의 대역폭이 주파수(2fo)보다 낮음으로써 제3 전압(V3) 및 제4 전압(V4)이 수학식 27 및 수학식 28로 근사화되는 경우에도, 출력 전압(Vo)는 계측 증폭기의 대역폭이 주파수(2fo) 이상인 경우와 동일하게 수학식 29로 표현될 수 있다.
Figure pat00029
여기서, Vo는 출력 전압이고, A는 계측 증폭기의 전압이득이며, ZRE는 생체 임피던스의 실수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이다.
이로 인하여, 실시예들에 따르면 특정 주파수의 임피던스 측정 시 낮은 대역폭의 계측 증폭기를 이용함으로써, 생체 임피던스 측정 회로의 저전력화가 가능하다. 또한, 낮은 대역폭의 계측 증폭기로도 높은 주파수의 생체 임피던스 측정이 가능해진다.
또한, 생체 임피던스의 허수 성분을 측정하는 경우, 제1 전압(V1), 제2 전압(V2), 제3 전압(V3), 및 제4 전압(V4)은 각각 수학식 30 내지 수학식 33으로 표현될 수 있다.
Figure pat00030
Figure pat00031
Figure pat00032
Figure pat00033
여기서, V1은 제1 전압이고, V2는 제2 전압이며, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이다. ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이며, t는 시간이다. F2는 제2 주파수 신호이고, F3,S는 제3 사인 신호이며, A는 계측 증폭기의 전압 이득이다.
계측 증폭기의 대역폭에 해당하는 주파수(fc)가 주파수(fo)보다는 크나 주파수(2fo)보다는 작아서, 주파수(2fo) 이상의 주파수 대역에서는 충분한 증폭도를 얻지 못할 수 있다. 이 경우, 수학식 32 및 수학식 33은 각각 수학식 34 및 수학식 35로 근사화될 수 있다.
Figure pat00034
Figure pat00035
여기서, V3은 제3 전압이고, V4는 제4 전압이다. A는 계측 증폭기의 전압 이득이고, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이며, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이고, t는 시간이다.
계측 증폭기의 대역폭이 주파수(2fo)보다 낮음으로써 제3 전압(V3) 및 제4 전압(V4)이 수학식 34 및 수학식 35로 근사화되는 경우에도, 출력 전압(Vo)는 계측 증폭기의 대역폭이 주파수(2fo) 이상인 경우와 동일하게 수학식 36로 표현될 수 있다.
Figure pat00036
여기서, Vo는 출력 전압이고, A는 계측 증폭기의 전압이득이며, ZIM는 생체 임피던스의 허수 성분이고, I는 전류원에 의해 공급되는 전류의 크기이다.
이로 인하여, 실시예들에 따르면 특정 주파수의 임피던스 측정 시 낮은 대역폭의 계측 증폭기를 이용함으로써, 생체 임피던스 측정 회로의 저전력화가 가능하다. 또한, 낮은 대역폭의 계측 증폭기로도 높은 주파수의 생체 임피던스 측정이 가능해진다.
이상에서, 도 3a 및 도 3b에 도시된 초퍼들 각각은 곱셈기(multiplier)로 구현될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 제어부를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 장치를 나타낸 블록도이다. 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 장치(400)는 제어부(160)를 더 포함할 수 있다.
제어부(160)는 전류 인가부(110)에서 이용되는 제1 주파수, 중간 변조부(120)에서 이용되는 제2 주파수, 및 복조부(140)에서 이용되는 제3 주파수를 결정할 수 있다.
일 예로, 제어부(160)는 측정하고자 하는 생체 임피던스의 유형에 기초하여 제1 주파수를 결정할 수 있다. 제어부(160)는 매핑 테이블을 이용하여 제1 주파수를 결정할 수 있다. 측정하고자 하는 생체 임피던스의 유형이 결정되면, 제어부(160)는 매핑 테이블을 이용하여 생체 임피던스의 유형에 대응하는 주파수를 결정할 수 있다. 제어부(160)는 생체 임피던스의 유형에 대응하는 주파수를 제1 주파수로 결정할 수 있다.
제어부(160)는 증폭부(130)의 스펙에 기초하여 제3 주파수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 복조부(140)에 의해 복조될 제3 주파수의 신호가 증폭부(130)에 의하여 충분히 증폭될 수 있도록, 제3 주파수를 결정할 수 있다. 이 경우, 제어부(160)는 제1 주파수 및 제3 주파수에 기초하여 제2 주파수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 제1 주파수와 제3 주파수의 차에 해당하는 주파수를 제2 주파수로 결정할 수 있다.
또는, 제어부(160)는 중간 변조부(120)의 출력 신호가 증폭부(130)의 계측 증폭기의 대역폭 내에 포함될 수 있도록, 제2 주파수를 결정할 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(160)는 제1 주파수에서 제2 주파수를 차감한 값에 해당하는 주파수가 증폭부의 대역폭에 해당하는 주파수(fc) 이하가 되도록, 제2 주파수를 결정할 수 있다. 이 경우, 제어부(160)는 제1 주파수 및 제2 주파수에 기초하여 제3 주파수를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어부(160)는 제1 주파수와 제2 주파수의 차에 해당하는 주파수를 제3 주파수로 결정할 수 있다.
도면에 도시하지 않았으나, 제어부(160)는 주파수 생성부를 포함할 수 있다. 주파수 생성부는 제1 주파수에 해당하는 제1 주파수 신호, 제2 주파수에 해당하는 제2 주파수 신호, 제3 주파수에 해당하는 제3 사인 신호 및 제3 주파수에 해당하는 제3 코사인 신호를 생성할 수 있다. 제어부(160)는 전류 인가부(110)에 제1 주파수 신호를 제공하고, 중간 변조부(120)에 제2 주파수 신호를 제공하며, 선택부(145)에 제3 사인 신호 및 제3 코사인 신호를 제공할 수 있다.
제어부(160)는 선택부(145)의 먹스를 제어하는 선택 신호(SEL)를 제공할 수 있다. 제어부(160)는 생체 임피던스의 실수 성분을 측정하기 위하여, 제1 논리값을 가지는 선택 신호를 선택부(145)에 제공할 수 있다. 또한, 제어부(160)는 생체 임피던스의 허수 성분을 측정하기 위하여 제2 논리값을 가지는 선택 신호를 선택부(145)에 제공할 수 있다.
제어부(160)는 미리 정해진 주기로 제1 논리값을 가지는 선택 신호와 제2 논리값을 가지는 선택 신호를 선택부(145)에 제공할 수 있다. 이 경우, 선택부(145)는 미리 정해진 주기로 제3 사인 신호 및 제3 코사인 신호를 교대로 선택할 수 있다. 복조부(140)는 생체 임피던스의 실수 성분 및 생체 임피던스의 허수 성분을 미리 정해진 주기마다 교대로 복조할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 일 실시예에 따른 제어부를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 회로를 설명하는 회로도들이다. 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 회로(500)는 제어부(510)를 더 포함할 수 있다.
제어부(510)는 전류 인가부(310)에 포함된 초퍼에 제1 주파수 신호(F1)를 제공할 수 있다. 제어부(510)는 중간 변조부(330)에 포함된 초퍼에 제2 주파수 신호(F2)를 제공할 수 있다. 제어부(510)는 선택부(360)에 포함된 먹스에 제3 사인 신호(F3,S) 및 제3 코사인 신호(F3,C)를 제공할 수 있다. 제어부(510)는 선택부(360)에 포함된 먹스에 선택 신호(SEL)를 제공할 수 있다. 제어부(510)에는 도 4를 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 5a의 접촉부(320)에 포함된 2개의 단자들은 2 단자 측정법에 따라 생체(325)에 연결될 수 있고, 도 5b의 접촉부(320)에 포함된 4개의 단자들은 4 단자 측정법에 따라 생체(325)에 연결될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 복수의 복조부들을 포함하는 생체 임피던스 측정 장치를 나타낸 블록도이다. 도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 장치(600)는 실수 성분 복조부(610) 및 허수 성분 복조부(630)를 별도로 포함할 수 있다.
실수 성분 복조부(610)는 생체 임피던스의 실수 성분을 측정하기 위하여, 증폭부(130)의 출력 신호를 복조할 수 있다. 허수 성분 복조부(630)는 생체 임피던스의 허수 성분을 측정하기 위하여, 증폭부(130)의 출력 신호를 복조할 수 있다.
필터링부(620)는 실수 성분 복조부(610)의 출력 신호의 고주파 성분을 제거하고, 필터링부(640)는 허수 성분 복조부(630)의 출력 신호의 고주파 성분을 제거할 수 있다.
실수 성분 복조부(610) 및 허수 성분 복조부(630)에는 도 1a 내지 도 3b를 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 7a 및 도 7b는 일 실시예에 따른 복수의 복조부들을 포함하는 생체 임피던스 측정 회로를 설명하는 회로도들이다. 도 7a 및 도 7b를 참조하면, 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 회로(700)는 전류 인가부(310), 접촉부(320), 중간 변조부(330), 1차 증폭부(750), 제1 복조부(710), 제1 필터링부(720), 제2 복조부(730), 및 제2 필터링부(740)를 포함한다. 제1 복조부(710) 및 제2 복조부(730) 각각은 2차 증폭부 및 초퍼로 구성될 수 있다. 제1 필터링부(720) 및 제2 필터링부(740) 각각은 로우 패스 필터로 구성될 수 있다. 제1 복조부(710)의 초퍼 및 제2 복조부(730)의 초퍼는 제1 증폭부(750)를 구성하는 계측 증폭기의 출력을 입력 받는다.
제1 복조부(710)의 2차 증폭부는 제3 전압(V3)을 증폭함으로써 제4 전압(V4)을 출력하고, 제1 복조부(710)의 초퍼는 제3 코사인 신호(F3,C)를 이용하여 제4 전압(V4)을 복조함으로써, 생체 임피던스의 실수 성분을 측정할 수 있다. 제2 복조부(730)의 2차 증폭부는 제3 전압(V3)을 증폭함으로써 제6 전압(V6)을 출력하고, 제2 복조부(730)의 초퍼는 제3 사인 신호(F3,S)를 이용하여 제6 전압(V6)을 복조함으로써, 생체 임피던스의 허수 성분을 측정할 수 있다.
제1 복조부(710)의 초퍼 및 제2 복조부(730)의 초퍼에는 도 1a 내지 도 3b, 및 도 6을 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도 7a의 접촉부(320)에 포함된 2개의 단자들은 2 단자 측정법에 따라 생체(325)에 연결될 수 있고, 도 7b의 접촉부(320)에 포함된 4개의 단자들은 4 단자 측정법에 따라 생체(325)에 연결될 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 방법을 나타낸 동작 흐름도이다. 도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 생체 임피던스 측정 방법은 제1 주파수의 전류를 생체와 접촉된 전극들에 제공하는 단계(810), 제2 주파수를 이용하여, 전류가 생체를 통해 흐름으로써 발생된 전압을 변조하는 단계(820), 증폭기를 이용하여 변조된 전압을 증폭하는 단계(830), 및 제3 주파수를 이용하여 증폭된 전압을 복조하는 단계(840)를 포함한다. 생체 임피던스 측정 방법은 복조된 전압의 주파수 대역 중 제3 주파수보다 높은 대역의 신호를 필터링하여 제거하는 단계(850)를 더 포함할 수 있다.
도 8에 도시된 각 단계들에는 도 1a 내지 도 7b를 통하여 기술된 사항들이 그대로 적용될 수 있으므로, 보다 상세한 설명은 생략한다.
도 9는 일 실시예에 따른 주파수들을 결정하는 방법을 나타낸 동작 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 주파수들을 결정하는 방법은 측정하려는 생체 임피던스의 유형에 기초하여 제1 주파수를 결정하는 단계(910), 증폭기의 대역폭에 기초하여 제3 주파수를 결정하는 단계(920), 및 제1 주파수 및 제3 주파수에 기초하여 제2 주파수를 결정하는 단계(930)를 포함한다.
일 예로, 주파수들을 결정하는 방법은 도 4의 제어부(160), 도 5a의 제어부(510), 또는 도 5b의 제어부(510)에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 증폭부의 대역폭은 10 kHz이고, 전류 인가부로부터 출력되는 교류 전류의 주파수가 100 kHz일 수 있다. 제어부는 제3 주파수가 증폭부의 대역폭 내에 충분히 들어 오도록 제3 주파수를 2 kHz로 결정할 수 있다. 나아가, 제어부는 제1 주파수로부터 제3 주파수를 차감함으로써, 제 2 주파수를 결정할 수 있다. 제2 주파수는 100 kHz - 2 kHz = 98 kHz로 결정될 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (23)

  1. 제1 주파수의 전류를 출력하는 전류 인가부;
    제2 주파수를 이용하여, 상기 전류가 생체를 통해 흐름으로써 발생되는 전압을 변조하는 중간 변조부;
    변조된 전압을 증폭하는 증폭부; 및
    제3 주파수를 이용하여, 증폭된 전압을 복조하는 복조부
    를 포함하는 생체 임피던스 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 주파수는 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이에 해당하는, 생체 임피던스 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3 주파수는 상기 증폭부의 대역폭에 의해 결정되는, 생체 임피던스 측정 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 값에 해당하는 주파수가 상기 증폭부의 대역폭에 포함되도록 결정되는, 생체 임피던스 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 주파수는 측정하려는 생체 임피던스의 유형에 대응되는, 생체 임피던스 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 증폭부는 상기 변조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 값에 해당하는 주파수 이하 대역의 신호를 증폭하는, 생체 임피던스 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중간 변조부는 상기 제1 주파수에 상기 제2 주파수를 합산한 주파수의 제1 중간 신호와 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 주파수의 제2 중간 신호를 생성하고,
    상기 증폭부는 상기 제1 중간 신호 및 상기 제2 중간 신호 중 상기 제2 중간 신호를 선택적으로 증폭하는, 생체 임피던스 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    제1 신호와 제2 신호 중 어느 하나를 선택하는 선택부
    를 더 포함하고,
    상기 복조부는 선택된 신호를 이용하여 상기 증폭된 전압을 복조하며, 상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이에 해당하는 주파수를 가지고, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 서로 다른 위상을 가지는, 생체 임피던스 측정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 선택부는 생체 임피던스의 실수 성분을 측정하기 위하여 상기 제1 신호를 선택하고, 상기 생체 임피던스의 허수 성분을 측정하기 위하여 상기 제2 신호를 선택하는, 생체 임피던스 측정 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 선택부는 미리 정해진 주기로 상기 제1 신호와 상기 제2 신호를 교대로 선택하는, 생체 임피던스 측정 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    복조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제3 주파수보다 높은 대역의 신호를 필터링하는 필터링부
    를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 변조된 전류가 상기 생체에 흐르도록 상기 생체와 접촉하는 접촉부;
    를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 장치.
  13. 제1 주파수의 전류를 생체와 접촉된 전극들에 제공하는 단계;
    제2 주파수를 이용하여, 상기 전류가 상기 생체를 통해 흐름으로써 발생되는 전압을 변조하는 단계;
    증폭기를 이용하여, 변조된 전압을 증폭하는 단계; 및
    제3 주파수를 이용하여, 증폭된 전압을 복조하는 단계
    를 포함하는 생체 임피던스 측정 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    측정하려는 생체 임피던스의 유형에 기초하여 상기 제1 주파수를 결정하는 단계;
    상기 증폭기의 대역폭에 기초하여 상기 제3 주파수를 결정하는 단계; 및
    상기 제1 주파수 및 상기 제3 주파수에 기초하여 상기 제2 주파수를 결정하는 단계
    를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 주파수를 결정하는 단계에서,
    상기 제2 주파수는 상기 제1 주파수와 상기 제3 주파수 사이의 차이에 해당하는 주파수로 결정되는, 생체 임피던스 측정 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 제3 주파수를 결정하는 단계에서,
    상기 제3 주파수는 상기 제3 주파수가 상기 증폭기의 대역폭에 포함되도록 결정되는, 생체 임피던스 측정 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 변조된 전압을 증폭하는 단계에서,
    상기 변조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 값에 해당하는 주파수 이하 대역의 신호가 증폭되는, 생체 임피던스 측정 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 발생된 전압을 변조하는 단계에서,
    상기 제1 주파수에 상기 제2 주파수를 합산한 주파수의 제1 중간 신호와 상기 제1 주파수에서 상기 제2 주파수를 차감한 주파수의 제2 중간 신호가 생성되고,
    상기 변조된 전압을 증폭하는 단계에서,
    상기 제1 중간 신호 및 상기 제2 중간 신호 중 상기 제2 중간 신호가 선택적으로 증폭되는, 생체 임피던스 측정 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 복조하는 단계는
    제1 신호와 제2 신호 중 어느 하나를 상기 제3 주파수로 선택하는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 신호 및 상기 제2 신호는 상기 제1 주파수와 상기 제2 주파수 사이의 차이에 해당하는 주파수를 가지며, 상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 서로 다른 위상을 가지는, 생체 임피던스 측정 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 선택하는 단계에서,
    생체 임피던스의 실수 성분을 측정하기 위하여 상기 제1 신호가 선택되고, 상기 생체 임피던스의 허수 성분을 측정하기 위하여 상기 제2 신호가 선택되는, 생체 임피던스 측정 방법.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 선택하는 단계에서,
    미리 정해진 주기로 상기 제1 신호와 상기 제2 신호가 교대로 선택되는, 생체 임피던스 측정 방법.
  22. 제13항에 있어서,
    복조된 전압의 주파수 대역 중 상기 제3 주파수보다 높은 대역의 신호를 필터링하는 단계
    를 더 포함하는 생체 임피던스 측정 방법.
  23. 제13항 내지 제22항 중에서 어느 하나의 항의 방법을 실행시키기 위한 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
KR1020140007377A 2014-01-21 2014-01-21 생체 임피던스 측정 장치 및 방법 KR101987408B1 (ko)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140007377A KR101987408B1 (ko) 2014-01-21 2014-01-21 생체 임피던스 측정 장치 및 방법
EP15151780.2A EP2896360B1 (en) 2014-01-21 2015-01-20 Apparatus and method of measuring bio impedance
US14/600,670 US9763595B2 (en) 2014-01-21 2015-01-20 Apparatus and method of measuring bio impedance
CN201510031205.0A CN104783792B (zh) 2014-01-21 2015-01-21 测量生物阻抗的设备和方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020140007377A KR101987408B1 (ko) 2014-01-21 2014-01-21 생체 임피던스 측정 장치 및 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20150087020A true KR20150087020A (ko) 2015-07-29
KR101987408B1 KR101987408B1 (ko) 2019-06-11

Family

ID=52354842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020140007377A KR101987408B1 (ko) 2014-01-21 2014-01-21 생체 임피던스 측정 장치 및 방법

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9763595B2 (ko)
EP (1) EP2896360B1 (ko)
KR (1) KR101987408B1 (ko)
CN (1) CN104783792B (ko)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180023580A (ko) * 2016-08-26 2018-03-07 황인오 피부 수화도 측정 장치 및 방법
KR20180047088A (ko) * 2016-10-31 2018-05-10 인천대학교 산학협력단 피부 상태 측정 장치, 그를 이용한 피부 상태 정보 제공 방법 및 컴퓨터 프로그램
KR20190048298A (ko) * 2017-10-31 2019-05-09 한국 한의학 연구원 다중 주파수 생체임피던스 측정을 이용한 건강정보 획득 장치 및 방법
KR20200049429A (ko) * 2018-10-31 2020-05-08 한국 한의학 연구원 생체신호를 이용하는 허증 판별 방법 및 허증 판별 장치
KR20210131104A (ko) * 2020-04-23 2021-11-02 울산과학기술원 바이오 인피던스 계측용 시스템
KR20220094178A (ko) * 2020-12-28 2022-07-05 한국과학기술원 임피던스 측정 장치 및 임피던스 측정 방법

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20190192064A1 (en) * 2012-09-12 2019-06-27 Mb Device Llc Micro-device and system for determining physiological condition of cervical tissue
US10653333B2 (en) 2014-11-13 2020-05-19 Ori Diagnostic Instruments, LLC Systems and methods for high frequency impedance spectroscopy detection of daily changes of dielectric properties of the human body to measure body composition and hydration status
TWI598073B (zh) * 2016-12-15 2017-09-11 財團法人工業技術研究院 生理訊號量測方法及生理訊號量測裝置
US10401465B2 (en) * 2016-12-15 2019-09-03 Stmicroelectronics S.R.L. Compensation and calibration for a low power bio-impedance measurement device
KR20180087043A (ko) * 2017-01-24 2018-08-01 삼성전자주식회사 생체 임피던스 측정 장치 및 방법과, 생체 정보 측정 장치 및 방법
CN111134674B (zh) * 2018-11-09 2021-10-08 上海交通大学 基于频分复用数据压缩技术的生物电阻抗断层成像系统
DE102019203052B4 (de) * 2019-03-06 2022-01-13 Technische Hochschule Lübeck Verfahren und Vorrichtung zur Detektion von Zwerchfellkontraktionen
WO2020210949A1 (zh) * 2019-04-15 2020-10-22 麦层移动健康管理有限公司 一种用于检测体内组织特征信息的非侵入性方法及其系统
WO2020232706A1 (zh) * 2019-05-23 2020-11-26 麦层移动健康管理有限公司 测量体液及其变化以及测量血流量变化的方法和装置
CN111141786A (zh) * 2020-03-02 2020-05-12 北京他山科技有限公司 一种实时检测烤肉成熟度的方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5631555A (en) * 1994-09-29 1997-05-20 Hamamatsu Photonics K.K. Voltage measurement system
US20010051774A1 (en) * 2000-02-28 2001-12-13 Peter Littrup Multidimensional bioelectrical tissue analyzer
US20070043303A1 (en) * 2005-08-17 2007-02-22 Osypka Markus J Method and apparatus for digital demodulation and further processing of signals obtained in the measurement of electrical bioimpedance or bioadmittance in an object
US20080183098A1 (en) * 2007-01-31 2008-07-31 Medtronic, Inc. Chopper-stabilized instrumentation amplifier for impedance measurement
US20100327887A1 (en) * 2007-01-31 2010-12-30 Medtronic, Inc. Chopper-stabilized instrumentation amplifier for impedance measurement
DE102011002413A1 (de) * 2011-01-04 2012-07-05 Robert Bosch Gmbh THz Bildgebung mit kombiniertem Empfang aus Korrelation und Überlagerung

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2651031C2 (de) 1976-11-09 1982-04-01 Bruker Medizintechnik Gmbh, 7512 Rheinstetten Defibrillator
JP2672327B2 (ja) 1988-05-10 1997-11-05 シチズン時計株式会社 生体情報測定装置
US5382956A (en) 1992-04-30 1995-01-17 Hewlett Packard Co Integrated circuit for physiological signal measurement
US5206602A (en) 1992-04-30 1993-04-27 Hewlett-Packard Company Biomedical amplifier circuit
US6525862B2 (en) 1996-10-30 2003-02-25 Photogen, Inc. Methods and apparatus for optical imaging
AU2002327200B2 (en) 2001-07-06 2008-08-14 Covidien Lp System and method for measuring bioelectric impedance in the presence of interference
KR100707984B1 (ko) 2003-02-22 2007-04-16 송철규 생체 임피던스를 이용한 동작 분석 장치 및 방법
DE602005017405D1 (de) 2004-06-18 2009-12-10 Tallinn University Of Technolo Simultane zeitdiskrete analyse von merkmalen einer substanz
CN101449131B (zh) 2006-03-29 2010-12-01 罗斯蒙德公司 电容感测电路
US7385443B1 (en) 2007-01-31 2008-06-10 Medtronic, Inc. Chopper-stabilized instrumentation amplifier
KR20070044825A (ko) 2007-04-10 2007-04-30 이영국 교류정전류원을 사용하지 않는 2점식 체지방 측정 방법
US7714757B2 (en) 2007-09-26 2010-05-11 Medtronic, Inc. Chopper-stabilized analog-to-digital converter
US8241222B2 (en) 2008-07-31 2012-08-14 Medtronic, Inc. Monitoring hemodynamic status based on intracardiac or vascular impedance
US8922274B2 (en) 2008-10-20 2014-12-30 The Regents Of The University Of Michigan Bioamplifier for neural interfaces
EP2294979B1 (en) 2009-09-14 2013-12-18 Imec Method and electronic medical device for simultaneously measuring an impedance and a biopotential signal
KR101056016B1 (ko) 2009-10-06 2011-08-10 한국과학기술원 맥파 전달 속도 측정 장치, 방법 및 이를 포함하는 진단 시스템
KR101101118B1 (ko) 2010-04-28 2012-01-05 주식회사 엠아이텍 생체와 자극전극 사이의 계면 임피던스 측정 장치
KR20120068430A (ko) 2010-12-17 2012-06-27 주식회사 샤인 생체로부터 추출된 혈액의 이온 및 점도상태 측정장치
KR101114720B1 (ko) 2011-02-15 2012-03-02 주식회사 바이오스페이스 생체 임피던스 측정 장치 및 그 측정 방법
ITMI20111177A1 (it) 2011-06-28 2012-12-29 St Microelectronics Srl Metodo e dispositivo per misurare l'impedenza elettrica di tessuti biologici
JP2013128716A (ja) 2011-12-22 2013-07-04 Renesas Electronics Corp 生体電気インピーダンス測定装置
JP2013132326A (ja) 2011-12-26 2013-07-08 Tanita Corp 生体インピーダンス測定装置及び生体インピーダンス測定方法
KR102026740B1 (ko) 2012-02-07 2019-09-30 삼성전자주식회사 생체신호 측정용 전극 및 그 제조방법과, 생체신호 측정 시스템

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5631555A (en) * 1994-09-29 1997-05-20 Hamamatsu Photonics K.K. Voltage measurement system
US20010051774A1 (en) * 2000-02-28 2001-12-13 Peter Littrup Multidimensional bioelectrical tissue analyzer
US20070043303A1 (en) * 2005-08-17 2007-02-22 Osypka Markus J Method and apparatus for digital demodulation and further processing of signals obtained in the measurement of electrical bioimpedance or bioadmittance in an object
US20080183098A1 (en) * 2007-01-31 2008-07-31 Medtronic, Inc. Chopper-stabilized instrumentation amplifier for impedance measurement
US20100327887A1 (en) * 2007-01-31 2010-12-30 Medtronic, Inc. Chopper-stabilized instrumentation amplifier for impedance measurement
DE102011002413A1 (de) * 2011-01-04 2012-07-05 Robert Bosch Gmbh THz Bildgebung mit kombiniertem Empfang aus Korrelation und Überlagerung

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180023580A (ko) * 2016-08-26 2018-03-07 황인오 피부 수화도 측정 장치 및 방법
KR20180047088A (ko) * 2016-10-31 2018-05-10 인천대학교 산학협력단 피부 상태 측정 장치, 그를 이용한 피부 상태 정보 제공 방법 및 컴퓨터 프로그램
KR20190048298A (ko) * 2017-10-31 2019-05-09 한국 한의학 연구원 다중 주파수 생체임피던스 측정을 이용한 건강정보 획득 장치 및 방법
KR20200049429A (ko) * 2018-10-31 2020-05-08 한국 한의학 연구원 생체신호를 이용하는 허증 판별 방법 및 허증 판별 장치
KR20210131104A (ko) * 2020-04-23 2021-11-02 울산과학기술원 바이오 인피던스 계측용 시스템
KR20220094178A (ko) * 2020-12-28 2022-07-05 한국과학기술원 임피던스 측정 장치 및 임피던스 측정 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR101987408B1 (ko) 2019-06-11
CN104783792A (zh) 2015-07-22
CN104783792B (zh) 2019-09-13
EP2896360A1 (en) 2015-07-22
US9763595B2 (en) 2017-09-19
EP2896360B1 (en) 2022-09-07
US20150201861A1 (en) 2015-07-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101987408B1 (ko) 생체 임피던스 측정 장치 및 방법
KR102255204B1 (ko) 재구성 가능한 측정 장치 및 그 장치를 제어하는 방법
KR102265066B1 (ko) 생체 임피던스 측정 방법 및 장치
KR101674580B1 (ko) 생체 신호를 측정하는 장치 및 방법
US20130053675A1 (en) Apparatus and method for measuring bioelectric signals
CN105310684B (zh) 处理信号的设备和方法
EP3330724B1 (en) Simultaneous impedance testing method and apparatus
ITMI20111177A1 (it) Metodo e dispositivo per misurare l'impedenza elettrica di tessuti biologici
KR20060041002A (ko) 체지방 측정 장치 및 방법
Grimnes et al. Electrodermal activity by DC potential and AC conductance measured simultaneously at the same skin site
Mosquera et al. Implementation of a low cost prototype for electrical impedance tomography based on the integrated circuit for body composition measurement AFE4300
Granot et al. Frequency‐Division Multiplexing for Electrical Impedance Tomography in Biomedical Applications
Ghosh et al. Electrical impedance plethysmography based device for aortic pulse monitoring
Santonico et al. Contactless detection of ECG Signals: sensor architecture and simulation
Dhar et al. Non-invasive bio-impedance measurement using voltage-current pulse technique
Hai et al. Designing a Bioelectrical Impedance Phase Angle Measurement System to Support Evaluating Nutritional Status and Biochemical Components of Human Body
Shi et al. Design and evaluation of a portable device for the measurement of bio-impedance cardiography
Subash Multi-frequency segmental bio-impedance device: design, development and applications
UA80267C2 (en) Device for estimation of bioelectrical activity of acupuncture points

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20140121

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20170803

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20140121

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20190220

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20190322

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20190603

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20190604

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration
PR1001 Payment of annual fee

Payment date: 20220512

Start annual number: 4

End annual number: 4