KR20210017010A - Apparatus for amplifying ECG based on two-electrode - Google Patents

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    • A61B5/318—Heart-related electrical modalities, e.g. electrocardiography [ECG]

Abstract

The present invention relates to an electrocardiogram signal amplifier based on two electrodes. With the present invention, stable electrocardiogram measurement can be performed with two electrodes. The present invention includes: two electrodes coming into contact with a subject′s body; an instrumentation amplifier provided with two input ends respectively connected to the two electrodes and obtaining and outputting an amplification unit output by performing differential amplification on a biosignal input through the two input ends; a control unit outputting a first signal when a common mode signal applied to the two input ends is equal to or greater than a preset upper limit value and outputting a second signal when the common mode signal is equal to or less than a preset lower limit value; and two charge pump circuits respectively connected in parallel to the two input ends and charging a capacitor with the common mode signal in response to the first signal or discharging the charging voltage of the capacitor to the two input ends in response to the second signal.

Description

2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치{Apparatus for amplifying ECG based on two-electrode}Apparatus for amplifying ECG based on two-electrode}

본 발명은 큰 동상 입력 전압 범위와 큰 동상 잡음 제거율 동시에 만족시킬 수 있도록 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a two-electrode-based ECG signal amplifying apparatus capable of simultaneously satisfying a large in-phase input voltage range and a large in-phase noise removal rate.

최근 모바일 헬스케어용으로 출시되는 심전도 측정 제품의 상당수는 장시간 동안 실시간 모니터링을 하기 용이하게 하기 위하여 보다 착용이 간편하도록 만드는 연구가 활발히 진행되고 있다.In order to facilitate real-time monitoring for a long time, many of the electrocardiogram measurement products released for mobile health care are being actively researched to make it easier to wear.

일반적인 심전도 모니터링 시스템은 도 1에서와 같이, 3개의 전극을 장착하게 된다. 증폭부 출력을 측정하기 위해서는 2개의 전극(P+,P-)을 사용하며, 일상 생활에 존재하는 전원 케이블 등에서 오는 변위 전류(Displacement current)에 의해서 몸의 전압이 흔들리는 문제를 해결하기 위해 바이어스 전극(Pbais)을 추가로 부착하기 때문이다. As shown in FIG. 1, a general electrocardiogram monitoring system is equipped with three electrodes. Two electrodes (P+, P-) are used to measure the output of the amplification unit. To solve the problem that the voltage of the body is shaken by the displacement current from the power cable that exists in everyday life, the bias electrode ( Pbais) additionally.

하지만, 60Hz 전압에 의한 커플링(Coupling)을 바이어스 전극을 이용하여 해결하려고 하면 다음과 같은 문제가 있다. However, there are the following problems when attempting to solve the coupling by a 60Hz voltage using a bias electrode.

첫 번째로, 신호 전극 외에도 추가적인 전극이 필요하기 때문에 웨어러블 헬스케어용 심전도 증폭기로 사용하기에 사용자의 편의성 측면에서 좋지 못하다.First, since an additional electrode is required in addition to the signal electrode, it is not good in terms of user convenience because it is used as an electrocardiogram amplifier for wearable healthcare.

두 번째로, 일반적으로 전극을 부착할 때 생기는 전극 임피던스 때문에 바이어스 전극은 사람 신체의 전압을 충분히 낮은 임피던스로 고정해 주지 못한다. 이때문에 바이어스 전극이 있어도 사람 신체의 전압은 일정 수준으로 60Hz 전원과 커플링(Coupling) 되어 흔들리게 된다. Second, because of the electrode impedance that occurs when electrodes are attached in general, the bias electrode cannot fix the voltage of a human body to a sufficiently low impedance. For this reason, even if there is a bias electrode, the voltage of the human body is coupled with the 60Hz power supply at a certain level and is shaken.

만약, 증폭기의 동상 전압 범위가 작을 경우, 사람 신체의 전압이 조금이라도 흔들리게 된다면 증폭기가 ESD 및 트랜지스터의 동작 영역 문제 때문에 포화(Saturation)되어 측정이 불가능한 경우가 생길 수 있다.If the common voltage range of the amplifier is small, if the voltage of the human body fluctuates even a little, the amplifier may be saturated due to ESD and the operation region of the transistor, and measurement may not be possible.

이러한 문제를 해결하기 위해, 종래의 기술에서는 도 2에서와 같이 매우 큰 동상 입력 전압 범위를 갖는 심전도 증폭기를 제시하였고, 그 구체적인 제작 방법으로 전하 펌프를 이용한 동상 모드 피드백을 제시하였다. In order to solve this problem, in the prior art, an electrocardiogram amplifier having a very large in-phase input voltage range as shown in FIG. 2 was proposed, and in-phase mode feedback using a charge pump as a specific manufacturing method thereof.

그러나, 종래의 기술은 다음과 같은 문제점을 가진다. 동상 모드 전하 펌프는 각 입력 단에서 같은 양의 전류를 흡수하여 입력 동상 모드를 특정 전압 범위로 고정한다. 하지만 만약 몸에 붙은 전극의 접촉 임피던스(Contact impedance)가 다를 경우, 전류가 달라지게 되고, 이로 인해 차동 모드로 변환된 동상 모드 잡음(즉, 모드 전환 잡음(CM to DM conversion noise))이 생성된다. 이는 증폭기의 동상 잡음 제거율(Common-mode to rejection ratio, CMRR) 이 낮아지는 효과를 일으킨다. However, the conventional technology has the following problems. The common mode charge pump absorbs the same amount of current at each input stage, locking the input common mode to a specific voltage range. However, if the contact impedance of the electrode attached to the body is different, the current will be different, which results in common mode noise converted to differential mode (i.e., CM to DM conversion noise). . This causes the effect of lowering the common-mode to rejection ratio (CMRR) of the amplifier.

한편, 2개의 전극만으로 심전도를 측정하려 할 때는 앞서 언급한 바와 같이 20V 이상의 매우 큰 동상 모드가 존재한다. 이에 기존의 3개 전극으로 심전도를 측정할 때와 같은 동상 잡음 제거율(CMRR)을 갖는 증폭기를 사용한다면 출력단에서 보이는 동상 모드 신호는 매우 크게 되며, 심전도 측정을 방해하게 된다. On the other hand, when measuring an ECG with only two electrodes, as mentioned above, there is a very large in-phase mode of 20V or more. Therefore, if an amplifier having the same in-phase noise rejection ratio (CMRR) as when measuring an electrocardiogram with three electrodes is used, the in-phase mode signal seen at the output terminal becomes very large and interferes with the ECG measurement.

이를 제거하기 위해 로우 패스 필터(Low pass filter)를 사용할 수도 있지만, 이 경우 신호의 손실이 일어날 가능성이 높으며, 일반적으로 동상 모드인 50/60Hz 잡음과 증폭부 출력의 주파수 범위(1~40Hz)가 매우 가깝기 때문에, 매우 많은 탭(Tap) 수를 갖는 디지털 필터가 필요하며, 이는 구현 비용 증가로 이어진다. To remove this, a low pass filter may be used, but in this case, signal loss is likely to occur, and the frequency range (1 to 40 Hz) of the output of the amplifier and 50/60 Hz noise, which is a common mode, is high. Because it is very close, a digital filter with a very large number of taps is required, which leads to an increase in implementation cost.

정전 용량성 결합 전극을 이용한 웨어러블 심전도 측정 시스템 설계에 관한 연구(ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 63, No. 10, pp. 1448∼1454, 2014)A Study on the Design of a Wearable Electrocardiogram Measurement System Using Capacitive Coupled Electrodes (ISSN 1975-8359(Print) / ISSN 2287-4364(Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 63, No. 10, pp. 1448-1454, 2014)

본 발명은 매우 큰 동상 입력 전압 범위와 큰 동상 잡음 제거율 동시에 만족시킴으로써, 2개의 전극만을 이용하여 보다 안정적으로 심전도를 측정할 수 있도록 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치를 제공하고자 한다.An object of the present invention is to provide a two-electrode-based ECG signal amplifying apparatus capable of more stably measuring an electrocardiogram using only two electrodes by simultaneously satisfying a very large in-phase input voltage range and a large in-phase noise removal rate.

본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the art from the following description.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 피검자 신체에 접촉되는 2 개의 전극; 상기 2개의 전극 각각에 연결되는 입력 양단을 구비하고, 상기 입력 양단을 통해 입력되는 생체 신호를 차동 증폭하여 출력하는 증폭부; 증폭부 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호에 대응되는 제1 펄스와, 상기 제1 펄스를 90° 위상 지연시킨 제2 펄스와, 상기 제1 및 제2 펄스에 대응되는 제1 및 제2 아날로그 신호를 생성하여 출력하는 제어부; 상기 입력 양단 각각에 연결된 제1 및 제2 캐패시터를 구비하고, 상기 제2 펄스에 응답하여 동상 모드 신호를 캐패시터 각각에 충전하거나, 상기 제1 펄스에 응답하여 상기 캐패시터의 충전 전압을 상기 입력 양단으로 방전하는 전하 펌프 회로; 상기 제1 및 제2 아날로그 신호와 상기 증폭부의 출력을 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 분석하여, 모드 전환 잡음 제거를 위한 제1 및 제2 필터 출력을 생성 및 출력하는 적응적 필터; 및 상기 제1 및 제2 캐패시터 각각에 연결되며, 상기 제1 및 제2 필터 출력에 따라 캐패시터 값을 가변하고 상기 제1 및 제2 펄스에 따라 상보적으로 구동되어, 상기 전하 펌프 회로에 의해 생성되는 모드 전환 잡음을 상쇄시키는 제1 및 제2 보조 캐패시터 쌍을 포함하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치를 제공한다. As a means for solving the above problem, according to an embodiment of the present invention, two electrodes in contact with the body of the subject; An amplification unit having both input ends connected to each of the two electrodes, and differentially amplifies and outputs a bio-signal input through both ends of the input; A first pulse corresponding to the in-phase mode signal applied to both ends of the input of the amplifier, a second pulse obtained by delaying the first pulse by 90°, and first and second analog signals corresponding to the first and second pulses A control unit for generating and outputting; First and second capacitors connected to each of the input ends are provided, and the in-phase mode signal is charged to each of the capacitors in response to the second pulse, or the charging voltage of the capacitor is applied to both ends of the input in response to the first pulse. A charge pump circuit to discharge; An adaptive filter for generating and outputting first and second filter outputs for removing mode switching noise by analyzing the first and second analog signals and outputs of the amplifying unit according to a least mean square (LMS) algorithm; And connected to each of the first and second capacitors, varying a capacitor value according to the first and second filter outputs, and being driven complementarily according to the first and second pulses, and generated by the charge pump circuit. It provides a two-electrode-based electrocardiogram signal amplifying apparatus including a pair of first and second auxiliary capacitors that cancel out the mode switching noise.

상기 제어부는 증폭부 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호가 기 설정된 상한치 이상이면, 업 신호를 생성 및 출력하고, 동상 모드 신호가 기 설정된 하한치 이하이면, 다운 신호를 생성 및 출력하는 제1 및 제2 비교기; 상기 업 신호에 응답하여 제1 값으로 변환되고 상기 다운 신호에 응답하여 제2 값으로 변환되는 제1 펄스를 생성하는 펄스 생성부; 상기 제1 펄스를 동상 모드 신호로 복원하여 제1 아날로그 신호를 생성하는 동상 모드 복원부; 상기 제1 아날로그 신호를 90° 위상 지연시켜 제2 아날로그 신호를 생성하는 지연소자; 상기 제2 아날로그 신호를 펄스 신호 형태의 제2 펄스로 변환하는 펄스 변환부를 포함하는 것을 특징으로 한다. The control unit generates and outputs an up signal when the in-phase mode signal applied to both ends of the input of the amplifying unit is equal to or greater than a preset upper limit, and generates and outputs a down signal when the in-phase mode signal is less than a preset lower limit. Comparator; A pulse generator configured to generate a first pulse converted into a first value in response to the up signal and converted into a second value in response to the down signal; An in-phase mode restoration unit for generating a first analog signal by restoring the first pulse into an in-phase mode signal; A delay element for generating a second analog signal by delaying the first analog signal by 90°; And a pulse converter for converting the second analog signal into a second pulse in the form of a pulse signal.

상기 적응적 필터는 상기 제1 아날로그 신호와 상기 증폭부의 출력을 LMS 알고리즘에 따라 분석하여 제1 필터 출력을 조정하고, 상기 제1 필터 출력과 상기 제2 아날로그 신호를 LMS 알고리즘에 따라 분석하여 제2 필터 출력을 조정하는 것을 특징으로 한다. The adaptive filter analyzes the first analog signal and the output of the amplification unit according to an LMS algorithm to adjust a first filter output, and analyzes the first filter output and the second analog signal according to an LMS algorithm to obtain a second It is characterized by adjusting the filter output.

상기 제1 보조 캐패시터 쌍은 상기 제1 캐패시터와 상기 제1 펄스 사이에 위치되어, 상기 제1 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제1 보조 캐패시터; 및 상기 제1 캐패시터와 상기 제2 펄스 사이에 위치되어, 상기 제2 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제2 보조 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다. A first auxiliary capacitor in which the first auxiliary capacitor pair is positioned between the first capacitor and the first pulse, and the capacitor value is changed according to the output of the first filter; And a second auxiliary capacitor positioned between the first capacitor and the second pulse and having a capacitor value changed according to the output of the second filter.

상기 제2 보조 캐패시터 쌍은 상기 제1 캐패시터와 반전 제1 펄스 사이에 위치되어, 상기 제1 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제3 보조 캐패시터; 및 상기 제1 캐패시터와 반전 제2 펄스 사이에 위치되어, 상기 제2 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제4 보조 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 한다. A third auxiliary capacitor in which the second auxiliary capacitor pair is positioned between the first capacitor and the inverting first pulse, and the capacitor value is changed according to the first filter output; And a fourth auxiliary capacitor positioned between the first capacitor and the inverted second pulse, and having a capacitor value changed according to the second filter output.

본 발명은 증폭부 입력 양단에 연결되는 전하 펌프 회로를 통해 동상 모드 스윙폭을 제한하도록 함으로써, 매우 큰 동상 입력 전압 범위를 보장할 수 있도록 한다. The present invention limits the in-phase mode swing width through a charge pump circuit connected to both ends of an input of an amplifying unit, thereby ensuring a very large in-phase input voltage range.

또한 전하 펌프 회로의 두 개 캐패시터 각각에 보조 캐패시터 쌍을 추가 연결한 후, 보조 캐패시터 쌍을 통해 전하 펌프에 의해 생성되는 모드 전환 잡음이 모두 상쇄될 수 있도록 함으로써, 큰 동상 잡음 제거율도 함께 보장할 수 있도록 한다. 그 결과, 바이어스 전극 없이 2개의 전극만을 사용하면서도 보다 안정적으로 심전도를 측정할 수 있도록 한다.In addition, after connecting an additional pair of auxiliary capacitors to each of the two capacitors of the charge pump circuit, the mode switching noise generated by the charge pump can be canceled through the pair of auxiliary capacitors, thereby ensuring a large common-mode noise removal rate. To be. As a result, it is possible to measure the ECG more stably while using only two electrodes without a bias electrode.

도 1는 종래의 심전도 측정 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 2전극 기반 심전도 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2전극 기반 심전도 측정 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동상 모드 신호의 스윙폭 제한 결과를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 필터의 동작 방법을 설명하기 위한 도면이다. 1 is a diagram for describing a conventional ECG measurement method.
2 is a view showing a conventional two-electrode based electrocardiogram measuring device.
3 is a diagram illustrating a two-electrode based electrocardiogram measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating a result of limiting a swing width of an in-phase mode signal according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a method of operating an adaptive filter according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 목적 및 효과, 그리고 그것들을 달성하기 위한 기술적 구성들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.Objects and effects of the present invention, and technical configurations for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that a detailed description of a known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary depending on the intention or custom of users or operators.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, and may be implemented in various different forms. These embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete, and to fully inform the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains, and the present invention is defined by the scope of the claims. It just becomes. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout this specification.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 2전극 기반 심전도 측정 장치를 도시한 도면이다. 3 is a diagram illustrating a two-electrode based electrocardiogram measuring apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참고하면, 본 발명의 심전도 측정 장치는 피검자 신체에 접촉되는 2 개의 전극(111,112), 증폭부(120), 제어부(130), 전하 펌프 회로(150), 적응적 필터(140), 제1 및 제2 보조 캐패시터 쌍(161, 162) 등을 포함한다. Referring to FIG. 3, the electrocardiogram measuring apparatus of the present invention includes two electrodes 111 and 112 in contact with the body of a subject, an amplification unit 120, a control unit 130, a charge pump circuit 150, an adaptive filter 140, and And first and second auxiliary capacitor pairs 161 and 162, and the like.

2개의 전극(111,112) 각각은 정전 용량성 결합 전극으로 구현될 수 있다. 정전 용량성 결합이란 캐패시터의 성질중 하나로, 두 전도성 표면 사이에 어떠한 공기를 포함한 어떠한 유전체라도 갖게 되면 캐패시터로 모델링이 가능하다. 이때 유전체를 사이에 두고 직접적으로 접촉하지 않은 두 전도성 표면에서 변위전류(displacement current)에 의하여 신호가 전달되는 현상 즉, 독립된 두 공간에서 전자기학적으로 교류 신호가 상호 전달되는 현상을 정전 용량성 결합이라 한다. Each of the two electrodes 111 and 112 may be implemented as a capacitive coupling electrode. Capacitive coupling is one of the properties of a capacitor, and it can be modeled as a capacitor if any dielectric material including air is present between two conductive surfaces. At this time, a phenomenon in which a signal is transmitted by a displacement current on two conductive surfaces that are not directly in contact with a dielectric material in between, that is, a phenomenon in which an alternating current signal is transmitted electromagnetically in two independent spaces is called capacitive coupling. do.

이에 본 발명은 피부에서의 생체신호가 정전 용량성 결합 전극으로 결합되는 현상을 이용하여 증폭부 출력을 측정한다. Accordingly, in the present invention, the output of the amplifying unit is measured by using a phenomenon in which the biological signal from the skin is coupled to the capacitive coupling electrode.

증폭부(120)는 2개의 전극 각각에 연결되는 입력 양단을 구비하는 계상 증폭기(IA, 121)를 구비하고, 이를 통해 2개의 전극(111,112) 각각에 인가되는 전압을 차동 증폭하여 증폭부 출력(VOUT)를 생성 및 출력한다. The amplification unit 120 includes a phase amplifier (IA, 121) having both input ends connected to each of the two electrodes, and differentially amplifies the voltage applied to each of the two electrodes 111 and 112 to output the amplification unit ( V OUT ) is generated and output.

또한 이득 제어 기능을 가지는 프로그래머블 게임 증폭기(PGA, 122)를 추가 구비하여, 이를 통해 시스템 구동 환경에 따라 증폭부 출력의 출력 크기를 다양하게 조정하기도 한다. In addition, a programmable game amplifier (PGA, 122) having a gain control function is additionally provided, through which the output size of the amplifying unit output is variously adjusted according to the system driving environment.

제어부(130)는 증폭부 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호에 대응되는 제1 펄스를 생성하고, 또한 상기 제1 펄스를 90° 위상 지연시킨 제2 펄스, 제1 및 제2 펄스에 대응되는 제1 및 제2 아날로그 신호를 추가 생성 및 출력한다. The control unit 130 generates a first pulse corresponding to the in-phase mode signal applied to both ends of the input of the amplifying unit, and a second pulse corresponding to the phase delay of the first pulse by 90°, and a second pulse corresponding to the first and second pulses. It additionally generates and outputs the first and second analog signals.

보다 구체적으로, 제어부(130)는 증폭부 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호를 센싱 및 출력하는 두 개의 드라이버(131,132), 동상 모드 신호가 기 설정된 상한치 이상이면, 업 신호(UP)를 생성 및 출력하는 제1 비교기(133), 동상 모드 신호가 기 설정된 하한치 이하이면, 다운 신호(DN)를 생성 및 출력하는 제2 비교기(134), 업 신호(UP)에 응답하여 제1 값으로 변환되고 다운 신호(DN)에 응답하여 제2 값으로 변환되는 제1 펄스(φ1)를 생성 및 출력하는 펄스 생성부(135), 제1 펄스(φ1)를 동상 모드 신호로 복원하여 제1 아날로그 신호를 생성하는 동상 모드 복원부(136), 제1 아날로그 신호를 90° 위상 지연시켜 제2 아날로그 신호를 생성하는 지연소자(137), 제2 아날로그 신호를 펄스 신호 형태의 제2 펄스(φ2)로 변환하는 펄스 변환부(138) 등을 포함한다. More specifically, the controller 130 senses and outputs two drivers 131 and 132 for sensing and outputting the in-phase mode signal applied to both ends of the input of the amplifying unit, and when the in-phase mode signal is greater than or equal to a preset upper limit, the controller 130 generates and outputs an up signal UP. When the in-phase mode signal is less than or equal to a preset lower limit, the second comparator 134 to generate and output the down signal DN is converted into a first value in response to the up signal UP A pulse generator 135 that generates and outputs a first pulse (φ 1 ) converted to a second value in response to the signal DN, and a first analog signal by restoring the first pulse (φ 1 ) to an in-phase mode signal The in-phase mode restoration unit 136 for generating a phase delay of the first analog signal by 90° to generate a second analog signal, a second pulse (φ 2 ) in the form of a pulse signal for the second analog signal And a pulse conversion unit 138 that converts to.

적응적 필터(140)는 제1 및 제2 아날로그 신호, 증폭부 출력(VOUT)을 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 분석하여 모드 전환 잡음 제거를 위한 제1 및 제2 필터 출력(WI,WQ)을 조정한다. 즉, 제1 아날로그 신호와 증폭부 출력(VOUT)를 LMS 알고리즘에 따라 분석하여 제1 필터 출력(WI)을 조정하고, 제1 필터 출력(WI)과 제2 아날로그 신호를 LMS 알고리즘에 따라 추가 분석하여 제2 필터 출력(WQ)을 조정한다. The adaptive filter 140 analyzes the first and second analog signals and the amplification unit output (V OUT ) according to the LMS (Least Mean Square) algorithm to remove the first and second filter outputs (W I) for removing mode switching noise. ,W Q ) is adjusted. That is, the first analog signal and the amplification unit output (V OUT) to the LMS algorithm to the analysis of the first filter output (W I) for adjustment, and the first filter output (W I) and the LMS algorithm, the second analog signal in accordance with According to the analysis, the second filter output (W Q ) is adjusted.

전하 펌프 회로(150)는 증폭부 입력 양단 각각에 연결된 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2)를 구비하고, 제2 펄스(φ2)에 응답하여 증폭부 입력 양단 각각에 인가되는 전압을 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2)에 충전하거나, 제1 펄스(φ1)에 응답하여 캐패시터 충전 전압을 증폭부 입력 양단 각각으로 방전하도록 한다. The charge pump circuit 150 includes first and second capacitors C P1 and C P2 connected to each of both ends of the input of the amplifier, and voltage applied to each of both ends of the input of the amplifier in response to the second pulse φ 2 Is charged into the first and second capacitors C P1 and C P2 , or discharges the capacitor charging voltage to both ends of the input of the amplifier in response to the first pulse φ 1 .

보다 구체적으로, 전하 펌프 회로(150)는 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2), 제1 펄스(φ1)에 응답하여 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2)와 증폭부 입력 양단간을 선택적으로 연결시키는 제1 및 제2 덤프 스위치(151,152), 증폭부 입력 양단 각각에 인가된 전압을 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2) 각각에 공급하는 제1 및 제2 드라이버(153,154), 제2 펄스(φ2)에 응답하여 제1 및 제2 드라이버(153,154)의 출력단과 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2)간을 선택적으로 연결시키는 제1 및 제2 차지 스위치(155,156) 등을 포함한다. More specifically, the charge pump circuit 150 amplifies the first and second capacitors C P1 and C P2 in response to the first and second capacitors C P1 and C P2 and the first pulse φ 1 The first and second dump switches 151 and 152 that selectively connect both ends of the negative input, and the first and second dump switches 151 and 152 supplying voltages applied to each of the input ends of the amplifying unit to the first and second capacitors C P1 and C P2 respectively. 2 In response to the drivers 153 and 154 and the second pulse φ 2 , the first and second capacitors selectively connect the output terminals of the first and second drivers 153 and 154 and the first and second capacitors C P1 and C P2 . And second charge switches 155 and 156, and the like.

제1 및 제2 보조 캐패시터 쌍(161, 162)는 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2) 각각에 연결되며, 제1 및 제2 필터 출력(WI,WQ)에 따라 캐패시터 값을 가변하며, 제1 및 제2 펄스(φ1,φ2)에 따라 상보적으로 구동됨으로써, 전하 펌프 회로(150)에 의해 생성되는 모드 전환 잡음을 모두 상쇄시킨다. The first and second auxiliary capacitor pairs 161 and 162 are connected to each of the first and second capacitors C P1 and C P2 , and a capacitor value according to the first and second filter outputs W I and W Q Is variable and is complementarily driven according to the first and second pulses φ 1 and φ 2 , thereby canceling all mode switching noise generated by the charge pump circuit 150.

보다 구체적으로, 제 1 보조 캐패시터 쌍(161)은 제1 캐패시터(CP1)와 제1 펄스(φ1) 사이에 위치되어 제1 필터 출력(WI)에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제1 보조 캐패시터(CAP1)와, 제1 캐패시터(CP1)와 제2 펄스(φ2) 사이에 위치되어 제2 필터 출력(WQ)에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제2 보조 캐패시터(CAP2)로 구성된다. More specifically, the first auxiliary capacitor pair 161 is located between the first capacitor C P1 and the first pulse φ 1 , and the capacitor value is changed according to the first filter output W I. The second auxiliary capacitor C AP2 is located between the capacitor C AP1 and the first capacitor C P1 and the second pulse φ 2 and changes the capacitor value according to the second filter output W Q. Is composed.

제 2 보조 캐패시터 쌍(162)은 제2 캐패시터(CP2)와 반전 제1 펄스(

Figure pat00001
) 사이에 위치되어 제1 필터 출력(WI)에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제3 보조 캐패시터(CAP3)와, 제2 캐패시터(CP2)와 반전 제2 펄스(
Figure pat00002
) 사이에 위치되어 제2 필터 출력(WQ)에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제4 보조 캐패시터(CAP4)로 구성된다. The second auxiliary capacitor pair 162 includes a second capacitor C P2 and an inverted first pulse (
Figure pat00001
) Is positioned between the third auxiliary capacitor (C AP3 ) and the capacitor value is changed according to the first filter output (W I ), the second capacitor (C P2 ), and the inverted second pulse (
Figure pat00002
) Is positioned between the second filter output (W Q ) and the capacitor value is changed according to the fourth auxiliary capacitor C AP4 .

이와 같이 구성되는 2전극 기반 심전도 측정 장치의 동작 방법을 설명하면, 다음과 같다. A method of operating the two-electrode-based electrocardiogram measuring apparatus configured as described above will be described below.

먼저, 제어부(130)는 증폭부(120)의 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호(VCM)에 대응되는 제1 펄스(φ1)를 생성한다. First, the controller 130 generates a first pulse φ 1 corresponding to the in-phase mode signal V CM applied to both ends of the input of the amplifying unit 120.

제1 펄스(φ1)를 다시 정현파 형태의 동상 모드 신호로 복구하고, 제1 아날로그 신호를 90도 만큼 위상 지연시킨다. The first pulse φ 1 is restored to a sinusoidal in-phase mode signal, and the first analog signal is phase delayed by 90 degrees.

그리고 제1 아날로그 신호와 90도 위상 지연된 동상 모드 신호를 적응적 필터(140)에 제공(즉, 동상(In-Phase) 성분과 직각 위상(Quarature-Phase) 성분의 동상 모드를 적응적 필터(140)에 제공)하고, 이와 동시에 90도 위상 지연된 동상 모드 신호를 다시 펄스 형태로 변환하여 제2 펄스(φ2)를 생성 및 출력한다. In addition, the first analog signal and a 90-degree phase-delayed in-phase mode signal are provided to the adaptive filter 140 (that is, the in-phase mode of an in-phase component and a quadrature-phase component is applied to the adaptive filter 140. ), and at the same time, the in-phase mode signal, which is phase-delayed by 90 degrees, is converted back into a pulse form to generate and output a second pulse (φ 2 ).

전하 펌프 회로(150)는 제2 펄스(φ2)에 응답하여 증폭기 입력 양단에 인가되는 전압 일부를 제1 및 제2 캐패시터(CP1, CP2)에 충전하고, 제1 펄스(φ1) 방전시킴으로써, 도 4에서와 같이 증폭기 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호의 스윙폭을 제한시킨다. The charge pump circuit 150 charges part of the voltage applied across the input of the amplifier in response to the second pulse φ 2 into the first and second capacitors C P1 and C P2 , and the first pulse φ 1 By discharging, the swing width of the in-phase mode signal applied to both ends of the amplifier input is limited as shown in FIG. 4.

한편 제1 및 제 캐패시터(CP1, CP2) 각각에 연결된 제1 및 제2 보조 캐패시터 쌍(161, 162)는 제1 및 제2 펄스(φ1, φ2)에 응답하여 동상 모드 신호를 차동 모드 신호로 변환하여 증폭부(120)의 입력 양단에 인가한다. 이때, 차동 모드 신호의 크기는 제1 및 제2 필터 출력(WI,WQ)에 따라 결정된다. Meanwhile, the first and second auxiliary capacitor pairs 161 and 162 connected to each of the first and second capacitors C P1 and C P2 generate in-phase mode signals in response to the first and second pulses φ 1 and φ 2 . It is converted into a differential mode signal and applied to both ends of the input of the amplifier 120. In this case, the magnitude of the differential mode signal is determined according to the first and second filter outputs W I and W Q.

증폭부(120)의 입력 양단에는 전하 펌프 회로(150)에 의해 생성되는 모드 전환(CM-DM conversion) 잡음이 인가되고, 증폭부(120)는 모드 전환(CM-DM conversion) 잡음을 입력과 같이 증폭한다. Mode conversion (CM-DM conversion) noise generated by the charge pump circuit 150 is applied to both ends of the input of the amplifying unit 120, and the amplifying unit 120 receives the CM-DM conversion noise from the input and Amplify together.

적응적 필터(140)는 증폭부 출력(VOUT)과 제어부(130)의 제1 아날로그 신호를 LMS 알고리즘에 따라 분석하여 제1 필터 출력(WI)을 생성한 후, 제1 필터 출력(WI)과 제어부(130)의 90도 제2 아날로그 신호를 LMS 알고리즘에 따라 추가 분석하여 제2 필터 출력(WQ)을 생성 및 출력한다. 즉, 도 5에서 같이, 동상 성분과 직각 위상 성분을 갖는 신호가 0이 되도록 제1 및 제2 필터 출력(WI, WQ)을 반복적으로 조정하여, 최종적으로는 일정값으로 수렴되도록 한다. The adaptive filter 140 generates a first filter output W I by analyzing the amplification unit output V OUT and the first analog signal of the control unit 130 according to the LMS algorithm, and then the first filter output W I ) and the 90 degree second analog signal of the controller 130 are additionally analyzed according to the LMS algorithm to generate and output a second filter output (W Q ). That is, as shown in FIG. 5, the first and second filter outputs W I and W Q are repeatedly adjusted so that a signal having an in-phase component and a quadrature phase component becomes 0, and finally converges to a constant value.

적응적 필터(140)의 출력, 즉 제1 및 제2 필터 출력(WI, WQ)이 일정값으로 수렴하게 되면, 전하 펌프에 의해 생성되는 모드 전환 잡음은 두 개의 보조 캐패시터 쌍(161, 162)에 의해 상쇄되게 된다. 그 결과 동상 잡음 제거율(Common-mode to rejection ratio, CMRR) 이 증가하는 효과를 확보할 수 있게 된다. When the output of the adaptive filter 140, that is, the first and second filter outputs W I , W Q , converge to a predetermined value, the mode switching noise generated by the charge pump is caused by two auxiliary capacitor pairs 161, 162). As a result, the effect of increasing the common-mode to rejection ratio (CMRR) can be obtained.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (5)

피검자 신체에 접촉되는 2 개의 전극;
상기 2개의 전극 각각에 연결되는 입력 양단을 구비하고, 상기 입력 양단을 통해 입력되는 생체 신호를 차동 증폭하여 출력하는 증폭부;
증폭부 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호에 대응되는 제1 펄스와, 상기 제1 펄스를 90° 위상 지연시킨 제2 펄스와, 상기 제1 및 제2 펄스에 대응되는 제1 및 제2 아날로그 신호를 생성하여 출력하는 제어부;
상기 입력 양단 각각에 연결된 제1 및 제2 캐패시터를 구비하고, 상기 제2 펄스에 응답하여 동상 모드 신호를 캐패시터 각각에 충전하거나, 상기 제1 펄스에 응답하여 상기 캐패시터의 충전 전압을 상기 입력 양단으로 방전하는 전하 펌프 회로;
상기 제1 및 제2 아날로그 신호와 상기 증폭부의 출력을 LMS(Least Mean Square) 알고리즘에 따라 분석하여, 모드 전환 잡음 제거를 위한 제1 및 제2 필터 출력을 생성 및 출력하는 적응적 필터; 및
상기 제1 및 제2 캐패시터 각각에 연결되며, 상기 제1 및 제2 필터 출력에 따라 캐패시터 값을 가변하고 상기 제1 및 제2 펄스에 따라 상보적으로 구동되어, 상기 전하 펌프 회로에 의해 생성되는 모드 전환 잡음을 상쇄시키는 제1 및 제2 보조 캐패시터 쌍을 포함하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치. Two electrodes in contact with the subject's body;
An amplification unit having both input ends connected to each of the two electrodes, and differentially amplifies and outputs a bio-signal input through both ends of the input;
A first pulse corresponding to the in-phase mode signal applied to both ends of the input of the amplifier, a second pulse obtained by delaying the first pulse by 90°, and first and second analog signals corresponding to the first and second pulses A control unit for generating and outputting;
First and second capacitors connected to each of the input ends are provided, and the in-phase mode signal is charged to each of the capacitors in response to the second pulse, or the charging voltage of the capacitor is applied to both ends of the input in response to the first pulse. A charge pump circuit to discharge;
An adaptive filter for generating and outputting first and second filter outputs for removing mode switching noise by analyzing the first and second analog signals and outputs of the amplifying unit according to a least mean square (LMS) algorithm; And
It is connected to each of the first and second capacitors, the capacitor value is varied according to the first and second filter outputs, and is complementarily driven according to the first and second pulses, generated by the charge pump circuit. A two-electrode-based electrocardiogram signal amplifying apparatus comprising a pair of first and second auxiliary capacitors for canceling mode switching noise. 제1항에 있어서, 상기 제어부는
증폭부 입력 양단에 인가되는 동상 모드 신호가 기 설정된 상한치 이상이면, 업 신호를 생성 및 출력하고, 동상 모드 신호가 기 설정된 하한치 이하이면, 다운 신호를 생성 및 출력하는 제1 및 제2 비교기;
상기 업 신호에 응답하여 제1 값으로 변환되고 상기 다운 신호에 응답하여 제2 값으로 변환되는 제1 펄스를 생성하는 펄스 생성부;
상기 제1 펄스를 동상 모드 신호로 복원하여 제1 아날로그 신호를 생성하는 동상 모드 복원부;
상기 제1 아날로그 신호를 90° 위상 지연시켜 제2 아날로그 신호를 생성하는 지연소자;
상기 제2 아날로그 신호를 펄스 신호 형태의 제2 펄스로 변환하는 펄스 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치. The method of claim 1, wherein the control unit
First and second comparators for generating and outputting an up signal when the in-phase mode signal applied to both ends of the input of the amplifying unit is greater than or equal to a preset upper limit value, and generating and outputting a down signal when the in-phase mode signal is less than a preset lower limit value;
A pulse generator configured to generate a first pulse converted into a first value in response to the up signal and converted into a second value in response to the down signal;
An in-phase mode restoration unit for generating a first analog signal by restoring the first pulse into an in-phase mode signal;
A delay element for generating a second analog signal by delaying the first analog signal by 90°;
And a pulse converter for converting the second analog signal into a second pulse in the form of a pulse signal. 제1항에 있어서, 상기 적응적 필터는
상기 제1 아날로그 신호와 상기 증폭부의 출력을 LMS 알고리즘에 따라 분석하여 제1 필터 출력을 조정하고, 상기 제1 필터 출력과 상기 제2 아날로그 신호를 LMS 알고리즘에 따라 분석하여 제2 필터 출력을 조정하는 것을 특징으로 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치. The method of claim 1, wherein the adaptive filter is
Analyzing the first analog signal and the output of the amplification unit according to an LMS algorithm to adjust a first filter output, and analyzing the first filter output and the second analog signal according to an LMS algorithm to adjust a second filter output A two-electrode-based electrocardiogram signal amplifying device, characterized in that. 제1항에 있어서, 상기 제1 보조 캐패시터 쌍은
상기 제1 캐패시터와 상기 제1 펄스 사이에 위치되어, 상기 제1 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제1 보조 캐패시터; 및
상기 제1 캐패시터와 상기 제2 펄스 사이에 위치되어, 상기 제2 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제2 보조 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치. The method of claim 1, wherein the first auxiliary capacitor pair is
A first auxiliary capacitor positioned between the first capacitor and the first pulse and having a capacitor value changed according to the first filter output; And
And a second auxiliary capacitor positioned between the first capacitor and the second pulse and having a capacitor value changed according to the output of the second filter. 제4항에 있어서, 상기 제2 보조 캐패시터 쌍은
상기 제1 캐패시터와 반전 제1 펄스 사이에 위치되어, 상기 제1 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제3 보조 캐패시터; 및
상기 제1 캐패시터와 반전 제2 펄스 사이에 위치되어, 상기 제2 필터 출력에 따라 캐패시터 값이 변화되는 제4 보조 캐패시터를 포함하는 것을 특징으로 하는 2 전극 기반 심전도 신호 증폭 장치.
The method of claim 4, wherein the second auxiliary capacitor pair is
A third auxiliary capacitor positioned between the first capacitor and the inverting first pulse and having a capacitor value changed according to the first filter output; And
And a fourth auxiliary capacitor positioned between the first capacitor and the inverted second pulse and having a capacitor value changed according to the output of the second filter.
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