KR20180030652A - 전기 생체신호를 용량성으로 기록하는 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

전기 생체신호를 용량성으로 기록하는 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램 Download PDF

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KR20180030652A
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마틴 오흘러
일리아 엘렌스키
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카피칼 게엠베하
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Abstract

생체신호 소스로부터 전기 생체신호들을 용량성으로 기록하는 시스템에 있어서, 상기 시스템은 적어도 하나의 용량성 측정 전극, 및 상기 측정 전극에 결합되어 상기 측정 전극으로부터의 전기 신호들을 평가하는 적어도 하나의 전자 평가 유닛을 가지고, 상기 시스템은 또한 상기 측정 전극과 상기 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 수단을 가지고, 상기 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 수단은, 측정 전극(들)과 더불어 생체신호 소스를 통해 적어도 하나의 측정 전극으로 주입 신호들을 공급하는, 서로 전기적으로 분리된 적어도 2 개의 주입 전극들을 가지고, 상기 시스템은 제 1 주입 신호, 및 상기 제 1 주입 신호와 상이한 제 2 주입 신호를 발생시키는 신호 발생기들을 가지고, 상기 주입 신호들은 상기 주입 전극들에 의해 상기 생체신호 소스를 통해 상기 측정 전극으로 공급되며, 그리고 상기 시스템은, 상기 측정 전극을 통해 수신된 신호들에 기초하여 상기 측정 전극과 상기 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 결정하도록 설정된 결정 유닛을 가지고, 이때 상기 수신된 신호들은 상기 수신된 신호들 내에 포함된 신호 성분들에 기초하고, 상기 신호 성분들은 상기 제 1 및 제 2 주입 신호들로부터 비롯된다.

Description

전기 생체신호를 용량성으로 기록하는 시스템, 방법 및 컴퓨터 프로그램
본 발명은 생체신호 소스로부터 전기 생체신호들을 용량성으로 (capacitively) 캡처하는 시스템에 관한 것이며, 이때 상기 시스템은 적어도 하나의 용량성 측정 전극, 및 상기 측정 전극에 결합되어 상기 측정 전극으로부터의 전기 신호들을 평가하는 적어도 하나의 전자 평가 유닛을 가지며, 그리고 상기 시스템은 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 수단을 더 가진다. 더욱이, 본 발명은 그러한 시스템의 적어도 하나의 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 커플링의 품질을 결정하는 방법, 및 상기 방법을 수행하도록 구성된 프로그램 코드 수단을 가진 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
일반적으로, 본 발명은 용량성 캡처에 의한, 즉 피부와의 갈바니 접촉 (galvanic contact)을 확립함 없이, 전기 생체신호들을 캡처하는 분야에 관한 것이다. 여기서, 생체신호 소스는 임의의 생체, 특히 인간일 수 있다. 예로서, ECG 신호들, EEG 신호들 및 전기적으로 캡처될 수 있는 유사한 신호들은 생체신호들로서 기록될 수 있다. 생체신호들은 예컨대 의료 진단 목적을 위해, 또는 예를 들어 차량 시스템들에서 더 평가되는 임의의 다른 표시기 신호들로서, 평가될 수 있다.
자동차의 차량 시트들에 직물용 용량성 전극들 (textile 용량성 전극s)을 장착하여 운전자의 운전 적합성 (fitness)을 모니터링하는 제안이 이미 있다. 그러한 직물용 용량성 전극에 대한 제안은 DE 10 2013 108 810 A1에 개시되어있다.
생체신호들의 용량성 캡처의 그러한 사례들의 경우에서, 캡처된 신호들의 평가가 생체신호 소스로부터 측정 전극까지 신호 전송이 얼마나 우수한지를 아는 것이 중요하다. 예로서, 차량 시트에 설치되는 측정 전극들의 경우에서 일어날 수 있는 일은 캡처될 사람이 시트 상에 합당치 않게 위치된 것, 또는 다른 외부 요인들이 불충분 한신호 전송을 유발한 것이다. 그러한 경우는 사람, 즉 생체신호 소스가 건강상의 이유로 생체신호들을 방출하지 않거나, 낮은 생체신호들만을 측정 전극에 방출하는 경우와는 구별될 수 있어야 한다.
그러므로, 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 제안이 이미 있다. 소정의 측정 전극들을 통해 소위 캐리어 신호들을 생체신호 소스에 공급하고 캡처되어야 할 실제 신호들과 함께 다른 측정 전극들을 통해 상기 캐리어 신호들을 평가하는 제안은 WO 2015/075692 A1에 개시되어있다. 이러한 제안은, 많은 측정 전극들을 가진 시스템들에서의 실제 구현에 대해 상대적으로 복잡하게 나타나는데, 이는 대응하는 많은 캐리어 신호들이 생성되어야 하기 때문이다. 게다가, 복수의 측정 전극들이 동시에 캐리어 신호를 주입하는 경우, 다양한 측정 전극들 사이에서 크로스토크 (crosstalk)가 있을 수 있다.
그러므로, 본 발명은 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질이 보다 적은 비용으로 결정될 수 있는, 전기 생체신호들을 용량성으로 캡처하는 시스템을 특정하는 목적에 기초한다. 더욱이, 그러한 시스템의 적어도 하나의 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 커플링의 품질을 결정하는 유리한 방법, 게다가 본 방법을 수행하는 프로그램 코드 수단을 가진 컴퓨터 프로그램이 특정되는 것으로 의도된다.
청구항 1에 따르면, 이러한 목적은, 생체신호 소스로부터 전기 생체신호들을 용량성으로 캡처하는 시스템에 의해 달성되며, 상기 시스템은 적어도 하나의 용량성 측정 전극, 및 상기 측정 전극에 결합되어 상기 측정 전극으로부터의 전기 신호들을 평가하는 적어도 하나의 전자 평가 유닛을 가지고, 상기 시스템은 상기 측정 전극과 상기 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 수단을 더 가지고, 상기 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 수단은, 측정 전극 또는 측정 전극들과 더불어 생체신호 소스를 통해 적어도 하나의 측정 전극으로 주입 신호들을 공급하는, 서로 전기적으로 분리된 적어도 2 개의 주입 전극들을 가지고, 상기 시스템은 제 1 주입 신호, 및 상기 제 1 주입 신호와 상이한 제 2 주입 신호를 만들어내는 신호 발생기들을 가지고, 상기 주입 신호들은 상기 주입 전극들에 의해 상기 생체신호 소스를 통해 상기 측정 전극으로 공급되며, 그리고 상기 시스템은, 상기 측정 전극을 통해 수신된 신호들에 기초하여 상기 측정 전극과 상기 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 결정하도록 구성된 결정 유닛을 가지고, 이때 상기 수신된 신호들은 상기 수신된 신호들 내에 포함된 신호 성분들에 기초하고, 상기 신호 성분들은 상기 제 1 및 제 2 주입 신호들로부터 비롯된다. 상기 시스템의 측정 전극 또는 측정 전극들과 더불어 존재하고 나아가 측정 전극들로 역할을 하지 않는, 즉 전기 생체신호들을 캡처하지 않는 추가적인 주입 전극들을 도입시킨 결과로서, 그들의 설정 기능에 따라, 단지 이러한 목적에 요구되는 전자 와이어링이 제공될 필요가 있는, 주입 신호들에 대한 설정 공급 경로들을 제공하는 것이 가능하다. 특히, 주입 전극들은 ECG 시스템들로부터 알려진 바와 같이, DRL (driven right leg) 전극들의 의미 내에서 접지 전극들 (용량성으로 또는 갈바닉적으로 바디에 결합됨)로 구현될 수 있다. 이러한 방식으로, 주입 전극들은, 측정 전극들과 대조적으로 증폭기들에 의해 이미 활발하게 구동되는 전극들로 각각 구현될 수 있다. 이에 따라서, 주입 신호들을 공급하기 위한 추가적인 비용 (outlay)이 상대적으로 적다. 이로써, 예를 들어, 사인 곡선 신호의 형태의 주입 신호는 적은 비용의 추가만으로 DRL 전극에 의해, 임의의 경우에 공급되는 공통 모드 제거 신호에 추가될 수 있고, 이는 측정 전극들의 수정의 경우에 필요한 것보다 비용이 적어도 상당히 적게 든다.
본 발명에 따른 시스템은 2 개의 상이한 주입 신호들이 서로 분리된 2 개의 주입 전극들을 통해 공급될 수 있다는 이점이 있으며, 상기 주입 신호들은 결과적으로 생체신호 소스를 통해 측정 전극 또는 측정 전극들에 의해 캡처될 수 있고, 서로 구별될 수 있다. 이에 따라서, 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질은 측정 전극을 통해 수신된 신호들에 기초하여 결정될 수 있고, 이때 상기 수신된 신호들은 그에 포함된 신호 성분들에 기초하고, 상기 신호 성분들은 제 1 및 제 2 주입 신호들로부터 비롯된다. 유리하게, 시스템의 사용된 측정 전극들의 수와 관계없이, 요구되고 서로 상이한 주입 신호들을 갖는 적어도 2 개의 주입 전극들만 항상 존재한다. 이로써, 각각의 측정 전극에 대해 캡처된 신호들에 기초하여 생체신호 소스로 용량성 커플링의 품질을 결정하는 것이 가능하다. 이를 위해, 결정 유닛은 예를 들어, 제 1 및 제 2 주입 신호들로부터 비롯되는 신호 성분들을 필터링하는 필터를 가질 수 있다.
예로서, 수치, 예를 들어 커플링 캐패시턴스를 재생하는 수치, 또는 이와 달리, 적절한 사전 평가 이후에, 측정 전극을 통해 캡처된 생체신호 소스의 전기 생체신호들이 의미 있는 방식으로 평가될 수 있는지 여부를 규정하는 정상/불량 정보 항목은 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질의 결정 결과로서 결정될 수 있다. 특히, 이러한 방식으로 결정된 용량성 커플링의 품질의 시간적 프로파일 (temporal profile)을 평가하는 것도 가능하다.
본 발명의 유리한 전개에 따르면, 상기 시스템의 측정 전극들 중 하나, 일부 또는 모두는 직물용 용량성 전극들로 구현되고, 상기 직물용 용량성 전극들은 직물용 구조체에 내장된다. 직물용 구조체는, 예를 들어, 운송 수단에서, 예컨대 자동차, 비행기 등에서 착석 용품 또는 시트의 일부일 수 있다. 여기서, 측정 전극들은 특히 시트의 등받이에 내장될 수 있다. 더욱이, 전극들은 소파 또는 침대에 통합될 수 있다.
본 발명의 유리한 전개에 따르면, 적어도 2 개의 주입 전극들은, 직물용 구조체에 내장된 직물용 용량성 전극들로 구현된다. 주입 전극들은, 예를 들어, 시트의 안착 영역에 내장될 수 있다. 결과적으로, 생체신호 소스와의 상대적으로 우수한 커플링의 추정이 항상 이루어질 수 있다.
이러한 방식으로, 측정 전극들 및/또는 주입 전극들이 장착된 직물용 구조체를 규정하는 것이 가능하고, 간단하고 비용 효율적인 방식으로 상기 직물용 구조체를 제공하는 것이 가능하다. 직물용 용량성 전극과 같은 전극들의 실시예의 결과로서, 이들은 매우 부피가 크지 않고, 시트 편안함을 방해하지 않는다.
본 발명의 유리한 전개에 따르면, 시스템의 측정 전극들 중 하나, 일부 또는 모두가 전도성 구조체들을 갖는 가요성 (flexible) 용량성 전극들로 구현되도록 제공되며, 상기 전도성 구조체들은 인쇄 구조체들로서 구현된다. 이에 따라서, 전도성 구조체들은 인쇄 방법을 사용하여 실현될 수 있다. 예로서, 전도성 구조체들은 스크린 인쇄 구조체들로서 구현될 수 있으며, 즉 이들은 스크린 인쇄에 의해 실현될 수 있다. 예컨대, 오프셋 인쇄, 오목판 인쇄 또는 플렉소 인쇄 (flexography)와 같은 다른 인쇄 방법들 또한 유리하게 적용할 수 있다. 이 결과로, 가요성이 적응가능한 용량성 전극들을 특히 제공하는 것이 가능하고, 게다가, 상기 전극들은 비용 효율적인 방식으로 대량으로 만들어질 수 있다.
본 발명의 유리한 전개에 따르면, 제 1 주입 신호만이 일 측 주입 전극으로 공급되고, 제 1 주입 신호 및 제 2 주입 신호의 중첩은 타 측 주입 전극으로 공급된다. 본 발명의 유리한 전개에 따르면, 공통 모드 제거 신호는 추가적으로 양쪽 주입 전극들에 공급된다.
본 발명의 유리한 전개에 따르면, 결정 유닛은, 측정 전극을 통해 수신된 제 1 주입 신호 및 제 2 주입 신호의 신호 성분들의 진폭 값들 및 위상 각도들에 기초하여, 용량성 커플링의 품질을 결정하도록 구성된다.
본 발명의 유리한 전개에 따르면, 시스템은 심박수 (heart rate) 또는 그로부터 파생된 생체신호 소스의 변수를 결정하도록 구성된다.
본 발명의 유리한 전개에 따르면, 공급된 주입 신호들에 의해 제 1 주입 전극 및 제 2 주입 전극을 통해 공급된 전류들의 측정 값들은 추가 입력 변수들로서 결정 유닛으로 공급되며, 상기 결정 유닛은 공급된 주입 신호들에 의해 제 1 주입 전극 및 제 2 주입 전극으로 공급되는 전류들의 공급 측정 값들을 고려하여 용량성 커플링의 품질을 결정하도록 구성된다. 예로서, 공급된 전류들은 션트들 (shunts)에 의해 확인될 수 있다. 이러한 방식으로, 주입 전극들에 의해 공급된 변수들을 평가하기 위해 추가 전기 측정 변수들을 캡처하는 것이 가능하며, 이로써, 측정 전극의 용량성 커플링의 품질의 계산적 결정이 더 간단해진다.
상기 개시된 목적은 전술된 유형의 시스템의 적어도 하나의 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 커플링의 품질을 결정하는 방법에 의해 더 달성되며, 다음을 포함한다.
a) 생체신호 소스를 통해 적어도 하나의 측정 전극으로 제 1 주입 신호 및 상기 제 1 주입 신호와 상이한 제 2 주입 신호를 일시적으로 (temporal) 중첩시켜 공급하거나, 동시에 공급하는 단계,
b) 상기 적어도 하나의 측정 전극에 의해 수신된 전기 신호들을 평가하는 단계,
c) 상기 수신된 신호들에 포함된 제 1 주입 신호 및 제 2 주입 신호의 신호 성분들에 기초하여 용량성 커플링의 품질을 결정하는 단계.
전술한 이점은 또한 여기에서 실현될 수 있다.
상기 개시된 목적은 게다가 컴퓨터 프로그램이 시스템의 컴퓨터 상에서 실행될 시에 전술된 유형의 방법을 수행하도록 구성된, 프로그램 코드 수단을 가진 컴퓨터 프로그램에 의해 달성된다. 예로서, 시스템의 컴퓨터는 결정 유닛의 컴퓨터일 수 있다. 전술한 이점들은 또한 여기에서 실현된다.
본 발명은 예시적인 실시예들에 기초하여 보다 상세히 설명될 것이며, 도면은 그 과정에서 사용된다.
도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 시스템을 개략적인 구현예로 도시하고,
도 2는 직물용 전극의 다층 구조체를 도시하고,
도 3은 측정 전극의 신호 캡처 회로를 도시하고,
도 4는 2 채널 시스템의 등가 회로도를 도시하며, 그리고
도 5는 주입 전극들의 등가 회로도를 도시한다.
상호 간에 대응하는 요소들에 대한 동일 참조 부호들이 도면들에서 사용된다.
도 1에 도시된 시스템은 생체신호 소스 (2), 예컨대 인간으로부터 전기 생체신호들을 용량성으로 캡처하는 역할을 한다. 이를 위해, 직물로 장식한 시트, 예컨대, 차량 시트에는 적절한 용량성 측정 전극들 및 주입 전극들이 갖춰져 있다. 예시적인 방식으로 제시되는 것은 직물용 용량성 전극들의 형태를 한 4 개의 측정 전극들 (30)이 시트의 등받이 (3)에 통합되어 있다는 것이다. 2 개의 주입 전극들 (40, 41)은 시트의 안착 영역 (4)에 통합되며, 마찬가지로 상기 주입 전극들이 직물용 용량성 전극들로 구현되는 것이 가능하다. 주입 전극들 (40, 41)은, 도 1에 한 번만 도시되었지만 각각의 주입 전극에 대해 별개로 실현되는 디바이스들 (43, 44)과 별개의 전기 라인들에 의해 연결된다. 디바이스 (43)는 예를 들어 4 kHz의 제한 주파수를 갖는 로우-패스 필터이다. 디바이스 (44)는, 결정 유닛 (1)으로부터 공급된 디지털 신호를 아날로그 전압 값으로 변환시키고, 상기 아날로그 전압 값을 로우-패스 필터 (43)를 통해 각각의 주입 전극 (40, 41)으로 출력하는 디지털-아날로그 트랜스듀서로서 구현된다.
측정 전극들 (30)은 각각의 직물용 전극에 통합될 수도 있는 각각의 신호 증폭기들 (31)을 통해 추가 신호 프로세싱 수단 (33, 34)에 연결된다. 측정 전극들 (30) 또는 그들의 신호 증폭기들 (31)은, 신호 프로세싱 수단 (33, 34)을 통해 개별적인, 별개의 신호 경로를 각각 경유하여 결정 유닛 (1)에 연결될 수 있거나, 또는 회로 비용이 감소되어야 한다면, 그들은 각각 멀티플렉서 (32)를 통해 동일한 신호 프로세싱 수단 (33, 34)에 연결될 수 있다. 신호 프로세싱 수단 (33)은 예를 들어 4kHz의 제한 주파수를 갖는 로우-패스 필터로서 구현될 수 있다. 신호 프로세싱 수단 (34)은 아날로그-디지털 트랜스듀서로 구현될 수 있다.
각각의 아날로그-디지털 변환 및 디지털-아날로그 변환에 의해, 결정유닛 (1)에서의 신호 프로세싱이 완전히 디지털 방식으로 수행되는 것이 가능하며, 이는 상대적으로 저렴하게 복잡한 신호 프로세싱 알고리즘을 실현하는 것이 가능하다는 이점을 갖는다.
아날로그-디지털 트랜스듀서 (34) 및 디지털-아날로그 트랜스듀서들 (44)에 연결된 결정 유닛 (1)은 다음의 구조체를 가진다: 아날로그-디지털 변환기 (34)를 통해 캡처된, 측정 전극 (30)으로부터의 디지털화된 신호들은 결정 유닛 (1) 내의 3 개의 상이한 평가 경로들, 정확히 말하면, 주입 신호들로부터 비롯된 신호 성분들을 평가하는 경로, 실제 사용된 신호들, 즉, 생체신호 소스로부터의 생체신호들을 확인하는 경로, 및 공통 모드 제거를 제공하는 경로로 공급된다. 논의는 초기에 주입 신호들로부터 비롯된 신호 성분들을 평가하는 경로에 초점을 맞출 것이다. 이를 위해, 버퍼 (10)가 초기에 존재하며, 입력 데이터는 초기에 예를 들어 728 개의 측정 값들의 블록 크기로 블록마다 한 번씩 버퍼링된다. 여기서, 특히, 블록 크기는, 제 1 주입 신호 및 제 2 주입 신호의 전체 주기들이 각각 블록에 저장되는 방식으로 선택된다.
신호 성분들은 비-직사각형 윈도우 함수, 예를 들어 해닝 윈도우 (Hanning window)를 사용하여 블록 (11)에서 사전-프로세싱된다. 예를 들어 고속 푸리에 변환 (FFT) 또는 고어젤 (Goertzel) 알고리즘에 의해 후속 디지털 필터 (12)에서 추가로 필터링된다. 고어젤 알고리즘은 선택된 주파수 성분들의 효율적인 결정을 허용한다. 이러한 방식으로 결정된 데이터를 사용하여, 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질은 블록 (15)에서, 예를 들어 커플링 캐패시턴스의 형태로 결정될 수 있다. 품질 결정의 결과들은 예를 들어, 디스플레이 디바이스, 예컨대, 모니터 (5) 상에 출력될 수 있거나, 또는 추가 프로세싱을 위해 공급될 수 있다.
ECG 신호들은 도 1의 결정 유닛 (1)의 대략 중앙에 도시된 필터 블록 (14)을 통해 측정 전극으로부터의 공급된 신호들에서 필터링된다. 예로서, 이는 로우-패스 필터에 의해 발생될 수 있다.
공통 모드 제거를 위해, 합산 유닛 (16)을 통해 공급되고 디지털화된 측정 신호를 초기에 합산하기 위한 준비가 이루어진다. 이의 결과로서, 공통 모드 신호가 얻어진다. 이전에 결정된 공통 모드 신호는 여전히 곱셈 유닛 (multiplying unit) (17)에서 증폭률 (amplification factor) (18)로, 예를 들어 0 내지 40 dB의 범위로 증폭될 수 있다. 그렇게 함으로써, 형성된 신호는 차후에 추가 필터 (19)로 공급된다. 필터 (19)에 의해 만들어진 신호는 먼저 필터 블록 (14)에 공급되고, 게다가 2 개의 합산 유닛들 (20)에 공급된다.
제 1 주입 신호 및 제 2 주입 신호는 결정 유닛 (1)의 하부에 도시된 블록들의 2 개의 신호 발생기들 (21, 22)에서 만들어진다. 예로서, 제 1 주입 신호는 100 mV 진폭에서 1120 Hz의 주파수를 가질 수 있는 반면, 2 차 주입 신호는 12.5 mV 증폭에서 1040 Hz의 주파수를 가질 수 있다. 이로써, 제 1 신호 발생기 (21)는 제 1 주입 신호와 제 2 주입 신호의 중첩을 직접 방출하기 위해 구현될 수 있는 반면, 다른 신호 발생기 (22)는 제 1 주입 신호만을 방출한다. 필터 (19)에 의해 출력된 신호는 공통 모드 제거를 위해 합산 유닛들 (20)에서 각각의 주입 신호들에 혼합된다. 여기까지 디지털 형태로 존재하는 해당 신호들은 전술한 디지털-아날로그 트랜스듀서들 (44)을 통해 아날로그 신호들로 변환되고, 필터들 (43)을 통해 서로 별개로 주입 전극들 (40, 41)로 공급된다.
주입 신호들의 치수에 관해서는 절충안이 발견되었고, 상기 절충안은 가능한 한 밀접하게 함께 존재하는 주파수들에서 주입 신호들의 배치 및 우수한 복조 속도의 제공을 허용하며, 그리고 프로세스에서, 적합한 정밀 아날로그-디지털 트랜스듀서들 및 이용가능한 마이크로제어기들에 대해 달성가능한 센싱 속도들을 허용한다. 게다가, 주입 주파수들은 간단한 로우-패스 필터를 사용하여, 사용된 신호 (ECG 신호)와 관련하여 충분히 억제될 수 있을 만큼 충분히 높아야 하다. 이 결과로, 20Hz 이하의 범위에 있는 이동 인공물들의 구분이 가능하다.
주입 신호들의 진폭은 또한 간단한 신호 프로세싱을 용이하게 하기 위해 우수한 신호 대 잡음비와 가능한 가장 낮은 순서의 로우-패스 필터들 사이의 절충안을 나타낸다.
도 2는 예시적인 방식으로, 측정 전극 (30) 또는 주입 전극 (40, 41)으로서 사용될 수 있는 직물용 전극을 도시한다. 이 시점에서, 본 발명이 직물용 전극들에 한정되지 않고, 대신에 임의의 유형의 용량성 전극으로 사용될 수 있는 점을 다시 한번 참조한다.
도 2는 층들이 함께 접착하여 접합되기 전에 등각도로 나타낸 개별 층들을 갖는 전극 (1)을 도시한다. 전기 전도성 직물용 재료로 제조된 3 개의 전기 전도성 층들 (61, 62, 63) 및 절연 직물용 재료로 제조된 3 개의 절연 층들 (64, 65, 66)을 식별하는 것이 가능하다. 최상부의 전기 전도 층 (61)은 전극에 의해 측정될 신호를 용량성으로 커플링시키는 역할을 하는 전극의 센서 층이다. 중간의 전기 전도성 층 (62)은 외부 방해 영향, 특히 ESD 영향으로부터 센서 층 (61)을 차폐하는 역할을 하는 가드 층이다. 최하부의 전기 전도성 층 (63)은 기준 전위에 연결되어야 하는 기준 전위 층이다. 한쪽 코너에서, 센서 층 (61)은 오목부 (67)를 가지며, 상기 오목부에 의해 접촉 탭 (68)은 센서 층 (61)과 전기적으로 접촉하기 위해 형성된다. 가드 층 (62)은 접촉 탭 (69)을 가지며, 상기 접촉 탭 (69)은, 접촉 탭 (69)의 좌우로 절단된 가드 층 (62)의 직물용 재료의 부분들로 인해 형성된다. 접촉 탭 (69)은 가드 층 (62)의 전기적 접촉을 제공한다. 기준 전위 층 (63)은 센서 층 (61)과 비교할만한 실시예를 가진다; 그러나, 그는 대향 측면 상에 접촉 탭 (70)을 가진다. 접촉 탭 (70)은 기준 전위 층 (63)의 직물용 재료로부터 절단된 오목부 (71)의 결과로서 형성된다. 최상부 절연 층 (64)은 한쪽 코너에서 오목부 (72)를 가지며, 상기 오목부는 접촉 탭 (68) 아래에 위치한다. 절연 층 (65) 중간에서는 동일한 측면의 대향 코너에서 오목부 (73)를 가진다. 오목부 (73)는 접촉 탭 (70)과 겹쳐지게 된다. 최하부 절연 층 (66)은 임의의 그러한 오목부를 가지지 않는다. 예로서, 층들 (61-66)은 레이저 절단에 의해 외부 윤곽으로 도시 및 설명될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전극 (1) 또는 개별 층들 (61-66)의 외형은 반드시 실질적으로 직사각형일 필요는 없지만, 대신에 예컨대, 타원형, 둥근 모서리들을 갖는 직사각형 형태 또는 원형 형태와 같은 임의의 다른 원하는 형태를 추정할 수 있다.
용량성 전극 (1)에 의해 출력된 전기 신호를 증폭시키는 역할을 하는 증폭기 전자 회로들 (amplifier electronics, 83)은 도 2에 도시된 다층 구조체로 접촉 탭들 (68, 69, 70)이 존재하는 영역에 통합된다. 증폭기 전자 회로들 (83)은 이 경우에 상부 절연 층 (64)과 가드 층 (62) 사이에 배치된다. 그러나 이는 가능한 배치의 한 예일 뿐이다; 유리하게는, 증폭기 전자 회로들 (83)의 다른 위치들도 가능하다. 증폭기 전자 회로들 (83)은 도 2의 상부에서 도시된 측면 상에 전기 연결 표면 (80), 및 예를 들어 하부 측면 상에서 접촉 패드들의 형태를 한 2 개의 추가 전기 연결 표면들 (81, 82)을 가진다. 오목부들 (72, 73)의 결과로서, 접촉 탭 (68)은 연결 표면 (80)에 전기적으로 연결될 수 있고, 접촉 탭 (69)은 연결 표면 (81)에 전기적으로 연결될 수 있으며, 그리고 접촉 탭 (70)은 연결 표면 (82)에 전기적으로 연결될 수 있다. 남은 영역들에 겹치는 절연 층들 (64, 65, 66)의 결과로서, 원치 않은 단락 또는 접촉 불량은 존재할 수 없다.
도 3은 예시적인 방식으로 좌측에 전술한 다층 구조체를 갖는 접지 전극을 도시하며, 상기 다층 구조체는 등받이 (3)의 직물용 표면 (60) 뒤에 배치된다. 기준 전위 층 (63)은 저항기 (64)를 통해 시스템 접지에 연결된다. 센서 층 (61)은 라인을 통해, 초기에는 증폭기, 예컨대 연산 증폭기 (65)를 통해 가드 층 (62)으로 연결된다. 더욱이, 측정 전극에 의해 캡처되는 이미 설명된 신호들을 캡처하기 위해, 센서 층 (61)은 측정 커넥터 (68)에 연결되고, 상기 측정 커넥터에서, 신호 평가 수단 (33, 34)에 의해 캡처될 측정 신호가 존재한다. 추가적으로, 주입 전극들 (40,41)에 대한 전류 측정을 수행할 수 있도록, 션트 (66) 형태의 측정 저항기가 센서 층 (61)으로부터 측정 커넥터 (68)까지 라인에 존재한다. 흐르는 전류에 대한 표시기인 션트 (66)에 걸친 전압 강하는 증폭기 (67)를 통해 증폭되어 출력 커넥터 (69)로 출력된다. 출력 커넥터 (69)에 제공된 신호는 마찬가지로 아날로그-디지털 변환기를 통해 결정 유닛 (1)으로 공급되고, 옵션으로 선행 필터링 이후에 추가로 프로세싱된다.
예를 들어, 커플링 임피던스의 형태인 용량성 커플링의 품질은 아래에서 개략적으로 결정될 수 있다: 여기서, 도 4에 도시된 등가 회로도 및 본 명세서에 명시된 전기적 변수들은 시작점으로 취해진다.
도 4는 DRL 신호 주입을 갖는 2 채널 시스템 (2 개의 측정 전극들)의 등가 회로도를 도시한다. 추가적으로 기생 임피던스 (Zstray)가 여기에서 고려된다. 이는 생체신호 소스와 환경 내의 물체들 사이, 그리고 측정 시스템과 환경 사이의 부유 용량 (stray capacitances)으로 인해 발생하다. 이는, 그리드 (grid)로부터의 측정 시스템의 비 절연 전원 공급 디바이스의 경우 특히 중요하다. Up는 시스템 접지와 관련하여 생체신호 소스에 존재하는 전압 신호를 나타낸다. 다음은 전극의 커플링 임피던스에 적용된다:
Figure pct00001
이로부터, 주입 신호의 각도 주파수 (ω)에 의존하여 커패시턴스 및 저항을 결정하는 것이 가능하다:
Figure pct00002
그러나, 모델은 전압 (Up)이 임피던스 (Zstray, Zdrl 및 Zci)에 의해 영향을 받는다는 것을 보여준다. 이용 가능한 측정 데이터로는 고유하게 결정될 수 없다.
Up를 결정할 수 있도록, 적어도 하나의 추가 주입 전극이 필요하다.
이를 위해, DRL 전극은 주입 전극들을 형성하기 위해 2 개의 별개 영역들로 세분화될 수 있다. 측정 전극들의 세분화와 달리, DRL 전극의 경우 2 개의 영역들의 전체 커패시턴스만 최대화되어야 하기 때문에, 신호 품질에는 불리한 점이 없다. 해당 등가 회로도는 도 5에서 볼 수 있고; 여기서, 전극 및 부유 용량은 임피던스 (Zp)에 결합된다. 2 개의 주입 신호들이 공급된다; 양 영역들에 걸쳐 각도 주파수 (ω2)를 갖는 Uinj2 및 제 1 영역에만 걸쳐 각도 주파수 (ω1)를 갖는 Uinj1. 전극의 2 개의 부분들 각각은 각각 션트 (Zs1 및 Zs2)를 포함한다. 션트들의 전압을 측정함으로써, 2 개의 각도 주파수들 (ω1 및 ω2)에 대한 복소 전류들 (Is1 및 Is2)를 결정하는 것이 가능하다. 션트들은 저항성을 갖도록 선택되어야 한다: 주입 신호들이 ECG 대역폭보다 위에 있기 때문에, 대부분의 용량성 커플링 임피던스들 (Zdrli, ωi)는 ECG 신호보다 주입 신호에 관해 작다. 그러나, 션트들의 저항성 임피던스들은 변하지 않았다. 결과적으로, 이들은 단지 ECG 신호의 주파수 대역에서 작은 전압 강하를 생성하고, 결과적으로 DRL 전극의 효율성을 감소시키지 않는 반면, 주입 신호들의 대역에서의 전압 강하는 보더 커지며, 결과적으로 Is의 보다 정밀한 결정을 허용한다. 게다가, 모델은, 션트 전압 측정에 사용되는 증폭기들의 해당 기생 속성들을 모델링하는 입력 임피던스들 (Zin1 및 Zin2)을 가진다.
이제, 환자에 존재하는 전압 (Up, ω2) 및 DRL 전극의 두 개의 커플링 커패시턴스들 (Zdrl1, ω2, Zdrl2, ω2)이 션트들에서 측정된 전압들 (Us1, ω2 및 Us2, ω1 및 Us1, ω2 및 Us2, ω2)을 사용하여 결정될 수 있다는 것을 보여주어야 한다. 각각의 주입 신호들 (Uinj1 및 Uinj2)에 속하는 주파수 성분들 (ω1 및 ω2)이 측정 신호로부터 복조될 수 있는데 도움을 주는 방법은 이미 전술된 바와 같다. 인덱스 (ω1)로 전압들 및 전류들을 결정할 시에, 전압 소스 (Uinj2)는 인덱스 (ω2 - Uinj1)을 갖는 단락 회로로 가정된다. 간략화를 위해, 임피던스들 대신에 해당 어드미턴스들을 아래에서 사용될 수 있다. 초기에, 복소 전류들은 커플링 임피던스들에 의해 결정되어야 한다. Kirchhoff의 제 1 법칙은 다음을 보여준다:
Figure pct00003
추가 계산들을 단순화하기 위해, 이 시점에서 두 가지 가정들이 이루어진다:
● 2 개의 션트들은 Uinj >> Us가 전극들 및 주파수들 둘 다에 적용되는 커플링 임피던스들과 비교할 시에 그러한 낮은 저항을 가진다. 여기에서 Us는 무시된다.
● 각도 주파수들 (ω1 및 ω2)은 서로 너무 가깝게 있어, 모든 어드미턴스들에 Yω1
Figure pct00004
Yω2가 적용된다. 여기에서 어드미턴스들은 주파수에 독립적이라고 가정한다.
Kirchhoff의 제 2 법칙은 다음과 같다:
Figure pct00005
3.20을 3.21에 삽입하고 재배열하면 다음을 보여준다:
Figure pct00006
다음은 전압 (Up)에 적용된다:
Figure pct00007
이에 따라, DRL 전극의 2 개의 커플링 임피던스들은 3.22 및 3.20으로부터 결정될 수 있으며, 그리고 생체신호 소스에 존재하는 주입 신호의 성분은 3.23으로부터 결정될 수 있다.

Claims (9)

  1. 생체신호 소스로부터 전기 생체신호들을 용량성으로 (capacitively) 캡처하는 시스템에 있어서,
    상기 시스템은 적어도 하나의 용량성 측정 전극, 및 상기 측정 전극에 결합되어 상기 측정 전극으로부터의 전기 신호들을 평가하는 적어도 하나의 전자 평가 유닛을 가지고,
    상기 시스템은 상기 측정 전극과 상기 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 수단을 더 가지고, 상기 용량성 커플링의 품질을 모니터링하는 수단은, 측정 전극 또는 측정 전극들과 더불어 생체신호 소스를 통해 적어도 하나의 측정 전극으로 주입 신호들을 공급하는, 서로 전기적으로 분리된 적어도 2 개의 주입 전극들을 가지고,
    상기 시스템은 제 1 주입 신호, 및 상기 제 1 주입 신호와 상이한 제 2 주입 신호를 만들어내는 신호 발생기들을 가지고, 상기 주입 신호들은 상기 주입 전극들에 의해 상기 생체신호 소스를 통해 상기 측정 전극으로 공급되며, 그리고
    상기 시스템은, 상기 측정 전극을 통해 수신된 신호들에 기초하여 상기 측정 전극과 상기 생체신호 소스 사이의 용량성 커플링의 품질을 결정하도록 구성된 결정 유닛을 가지고, 이때 상기 수신된 신호들은 상기 수신된 신호들 내에 포함된 신호 성분들에 기초하고, 상기 신호 성분들은 상기 제 1 및 제 2 주입 신호들로부터 비롯되는, 전기 생체신호 캡처 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 시스템의 측정 전극들 중 하나, 일부 또는 모두는 직물용 용량성 전극들로 구현되고, 상기 직물용 용량성 전극들은 직물용 구조체에 내장되는, 전기 생체신호 캡처 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 시스템의 측정 전극들 중 하나, 일부 또는 모두는 전도성 구조체들을 갖는 가요성 (flexible) 용량성 전극들로 구현되고, 상기 전도성 구조체들은 인쇄 구조체들로 구현되는, 전기 생체신호 캡처 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 주입 신호만 일측 주입 전극으로 공급되고, 상기 제 1 주입 신호 및 제 2 주입 신호의 중첩은 타측 주입 전극으로 공급되는, 전기 생체신호 캡처 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 결정 유닛은, 상기 측정 전극을 통해 수신된 상기 제 1 주입 신호 및 상기 제 2 주입 신호의 신호 성분들의 진폭 값들 및 위상 각도들에 기초하여, 용량성 커플링의 품질을 결정하도록 구성되는, 전기 생체신호 캡처 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시스템은 심박수 (heart rate) 또는 그로부터 파생된 생체신호 소스의 변수를 결정하도록 구성되는, 전기 생체신호 캡처 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급된 주입 신호들에 의해 상기 제 1 주입 전극 및 상기 제 2 주입 전극을 통해 공급된 전류들의 측정 값들은 추가 입력 변수들로서 상기 결정 유닛으로 공급되며, 상기 결정 유닛은 상기 공급된 주입 신호들에 의해 상기 제 1 주입 전극 및 상기 제 2 주입 전극으로 공급되는 전류들의 공급 측정 값들을 고려하여 상기 용량성 커플링의 품질을 결정하도록 구성되는, 전기 생체신호 캡처 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 따른 시스템의 적어도 하나의 측정 전극과 생체신호 소스 사이의 커플링의 품질을 결정하는 방법에 있어서,
    a) 생체신호 소스를 통해 적어도 하나의 측정 전극으로 제 1 주입 신호 및 상기 제 1 주입 신호와 상이한 제 2 주입 신호를 일시적으로 (temporal) 중첩시켜 공급하거나, 동시에 공급하는 단계,
    b) 상기 적어도 하나의 측정 전극에 의해 수신된 전기 신호들을 평가하는 단계,
    c) 상기 수신된 신호들에 포함된 상기 제 1 주입 신호 및 상기 제 2 주입 신호의 신호 성분들에 기초하여 용량성 커플링의 품질을 결정하는 단계를 포함하는, 커플링 품질 결정 방법.
  9. 프로그램 코드 수단을 가진 컴퓨터 프로그램에 있어서,
    상기 프로그램 코드 수단은 상기 컴퓨터 프로그램이 시스템의 컴퓨터 상에 실행될 시에 청구항 8에 따른 방법을 수행하도록 구성되는, 프로그램 코드 수단을 가진 컴퓨터 프로그램.
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