KR20230009369A - 생체 신호를 검출하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

생체 신호를 검출하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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무함마드 필필
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패러짓 솔루션스 에이피에스
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Abstract

피검자의 피부 상의 전극(100, 101 및 102)을 사용하여 임피던스 변화와 함께 생체 전위 신호를 측정하고, 이러한 임피던스를 보상하여 이러한 디바이스의 정확도와 유용성을 높여 생체 신호를 장기 및 단기 모니터링하기 위한 방법 및 장치(1).

Description

생체 신호를 검출하기 위한 장치 및 방법
본 발명은 전자 의료 디바이스 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 생체 신호, 예를 들어, 생체 전위 신호를 정확하고 연속적으로 측정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
생체 신호, 예를 들어, 생체 전위를 검출하는 것은 질병의 진행을 검출, 진단 및 모니터링하기 위해 의료 및 치료 환경에서 오랫동안 사용되어 왔다. 가장 잘 알려져 있고 가장 일반적으로 검출되는 생체 신호는 뇌파(EEG), 심전도(ECG) 및 근전도(EMG) 생체 신호이다. 전자, 신호 처리, 인공 지능, 무선 기술 및 스마트 웨어러블의 최근 기술 발전은 생체 신호 측정 및 처리의 통합을 위한 수많은 기회를 만들어 사용자로 하여금 보다 일상적으로 친숙한 장치에 액세스하여 자신의 질환 또는 질병을 모니터링할 수 있게 했다.
생체 신호를 모니터링하는 여러 접근 방식이 알려져 있지만, 그 중에서도 피부 표면에서 검출된 생체 신호를 모니터링하는 것은 운동이나 움직임 아티팩트, 및 먼지, 오물, 기름, 땀 등과 같은 외부 요인에 의해 야기된 임피던스 변화로 인해 문제가 있었다. 이러한 요인의 영향은 필요한 전기 이벤트를 모니터링할 수 없게 만들 만큼 충분히 상당하다. 외부 요인에 의해 야기된 임피던스 변화로 인해 발생하는 문제를 극복하기 위해 많은 노력이 이루어졌다.
US20170312576은 비침습성 표면 근전도(sEMG) 및 관성 측정 유닛(IMU)으로부터 다수의 데이터 채널을 분석함으로써 훈련 및/또는 치료 목적으로 사용자의 신체 활동을 분석하기 위한 웨어러블 시스템 및 방법을 개시한다.
US20080275316은 피부 임피던스와 정합하기 위한 스위치-네트워크 시스템 및 피부/전극 계면을 위한 방법을 개시한다. 또한, US 2011/0251817은 피부/전극 계면에서 임피던스 변화를 결정하기 위한 방법 및 장치를 개시한다.
US20110060252는 능동 환경(예를 들어, 차량 이동 동안) 및 수동 환경(예를 들어, 병원)에서 간질, 파킨슨병 등의 질병뿐만 아니라 다른 질환으로 고통받는 사람을 모니터링하기 위한 장치 및 방법을 설명한다.
EP2294979는 감소된 전력 소비로 피검자의 피부의 임피던스 신호와 함께 생체 전위 신호를 측정하는 방법 및 디바이스를 설명한다.
US20110237904는 독립 청구항의 전문에 따른 방법 및 디바이스를 설명한다.
이러한 알려진 장치 중 어느 것도 움직임 아티팩트에 의해 그리고 피부에 축적된 땀으로 인해 야기된 임피던스 변화를 모두 보상할 수 없으며, 정확히 어느 전극이 변위되거나 분로되고 벗어났는지 식별할 수 없다.
본 발명의 목적은 언급된 문제를 극복하거나 적어도 감소시키는 생체 전위 신호를 측정하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
전술한 목적 및 다른 목적은 독립 청구항의 특징에 의해 달성된다. 추가 구현 형태는 종속 청구항, 상세한 설명 및 도면으로부터 명백하다.
제1 양태에 따르면, 사람의 피부에 이격되어 배치되기 위한 적어도 제1 피부 전극, 제2 피부 전극 및 기준 피부 전극을 사용하여 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치로서, 제1 전극에 연결하기 위한 제1 단자, 제2 전극에 연결하기 위한 제2 단자, 제1 단자와 제2 단자로부터의 생체 전위 신호를 측정하도록 구성된 제1 회로부, 기준 피부 전극에 연결하기 위한 제3 단자, 제1 단자에 연결된 제1 가변 제어 저항 부하, 제2 단자에 연결된 제2 가변 제어 저항 부하, 제1 단자에 연결된 제1 교류 신호를 생성하기 위한 제1 신호 생성기, 제2 단자에 연결된 제2 교류 신호를 생성하기 위한 제2 신호 생성기, 제1 회로부의 출력에 연결되고, 제1 회로부의 출력 신호에 가변 제어 이득을 인가하도록 구성된 제4 회로부, 및 제어기를 포함하고, 제어기는, 제1 회로부의 출력 신호, 제1 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 포함하는 신호, 및 제2 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 포함하는 신호를 수신하고, 제어기는, 제1 교류 신호의 진폭을 결정하고, 제2 교류 신호의 진폭을 결정하고, 제1 가변 제어 저항 부하와 제2 가변 제어 저항 부하를 제어하고, 가변 제어 이득을 제어하고, 제1 교류 신호의 결정된 진폭의 변화의 함수로서 제1 가변 제어 저항 부하의 부하를 적응시키고, 제2 교류 신호의 결정된 진폭의 변화의 함수로서 제2 가변 제어 저항 부하의 부하를 적응시키고, 제1 교류 신호와 제2 교류 신호의 결정된 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만 제1 교류 신호의 결정된 진폭과 제2 교류 신호의 결정된 진폭의 함수로서 가변 제어 이득을 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치가 제공된다.
제1 신호와 연관된 제1 가변 제어 저항 부하를 제공하고, 제2 신호와 연관된 제2 가변 제어 저항 부하를 제공하고, 각각의 신호의 진폭이 변하는 것에 응답하여 각각의 가변 제어 저항 부하를 조정함으로써, 움직임 아티팩트를 완전히 보상하는 것이 가능해지고, 제2 회로부와 제3 회로부 모두의 출력 신호의 진폭이 동시에 변하는 것에 응답하여 가변 제어 이득을 조정함으로써, 사용자의 피부에 대한 땀의 분로 효과를 완전히 보상하는 것이 가능하다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 적어도 포함하는 신호와, 제2 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 포함하는 신호는 제1 회로부의 출력 신호이다.
2개의 알려져 있지만 다른 교류 신호를 제공함으로써 제1 교류 신호의 진폭과 제2 교류 신호의 진폭을 구별하는 것이 가능해지고, 이를 통해 제1 및 제2 가변 저항 부하를 개별적으로 제어할 수 있다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는, 제1 회로부의 출력 신호의 시간-주파수 분석을 수행하고, 이에 의해 제1 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 부분과, 제2 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 부분을 결정하고, 제1 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭을 결정하고, 제2 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭을 결정하고, 제1 가변 제어 저항 부하를 제어하고, 제2 가변 제어 저항 부하를 제어하고, 가변 제어 이득을 제어하고, 제1 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 제1 가변 제어 저항 부하의 부하를 적응시키고, 제2 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 제2 가변 제어 저항 부하의 부하를 적응시키고, 제1 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭과, 제2 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만, 제1 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭과, 제2 교류 신호로부터 유래하는 제1 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 가변 제어 이득을 조정하도록 구성된다.
시간-주파수 영역에서 계산을 수행(예를 들어, 고속 푸리에 변환을 수행)할 수 있는 제어기를 가짐으로써 제1 회로부의 출력 신호의 기원을 분석하고 구별할 수 있고 계산 결과의 함수로서 가변 저항 부하를 개별적으로 그리고 서로 독립적으로 제어하는 것이 가능해진다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 장치는 제1 단자에 연결되고 제1 신호의 진폭을 감지 및/또는 증폭하기 위한 제2 회로부와, 제2 단자에 연결되고 제2 신호의 진폭을 감지 및/또는 증폭하기 위한 제3 회로부를 더 포함하고, 제어기는 제2 회로부의 출력 신호를 수신하고 제3 회로부의 출력 신호를 수신하고, 제어기는, 제2 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 제1 가변 제어 저항 부하의 부하를 적응시키고, 제3 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 제2 가변 제어 저항 부하의 부하를 적응시키고, 제2 회로부와 제3 회로부 모두의 출력 신호의 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만 제2 회로부의 출력 신호의 진폭과, 제3 회로부(116)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 가변 제어 이득을 조정하도록 구성된다.
제1 신호와 연관된 제1 가변 제어 저항 부하를 제공하고, 제2 신호와 연관된 제2 가변 제어 저항 부하를 제공하고, 각각의 신호의 진폭이 변하는 것에 응답하여 각각의 가변 제어 저항 부하를 조정함으로써, 움직임 아티팩트를 완전히 보상하는 것이 가능해지고, 제2 회로부와 제3 회로부 모두의 출력 신호의 진폭이 동시에 변하는 것에 응답하여 가변 제어 이득을 조정함으로써, 사용자의 피부에 대한 땀의 분로 효과를 완전히 보상하는 것이 가능하다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제2 회로부와 제3 회로부의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 감쇠될 때 그리고 감쇠될 때에만 가변 제어 이득을 증가시키도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제2 회로부와 제3 회로부의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 증가할 때 그리고 증가할 때에만 가변 제어 이득을 감소시키도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제1 가변 제어 저항 부하와 제2 가변 제어 저항 부하 모두를 중간 값으로 설정하도록 구성되고, 제어기는 제2 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 그리고 제3 회로부의 출력 신호의 함수로서 장치를 교정하도록 구성되고, 제어기는 바람직하게는 제1 교류 신호와 연관된 제1 초기 교정값을 저장하도록 구성되고, 바람직하게는 제2 교류 신호와 연관된 제2 초기 교정값을 저장하도록 구성된다.
제1 및 제2 가변 저항 부하를 중간 값으로 설정하고, 제1 및 제2 교류 신호와 연관된 초기 교정값을 저장함으로써, 제2 회로부 및/또는 제3 회로부의 출력 신호의 진폭 변화를 쉽고 빠르게 결정하고, 이러한 변화를 보상하는 것이 가능해진다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제어기가 가변 제어 이득을 조정한 후에 제1 및 제2 초기 교정값을 업데이트하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 회로부는, 제1 단자와 제2 단자에 연결되고 생체 전위 신호를 증폭하기 위한 계측 증폭기를 포함한다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제2 회로부는, 제1 단자에 연결되고 제1 신호의 진폭을 증폭하기 위한 제1 증폭기를 포함하고, 제1 증폭기는 바람직하게는 연산 증폭기이다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제3 회로부는, 제2 단자에 연결되고 제2 신호의 진폭을 증폭하기 위한 제2 증폭기를 포함하고, 제2 증폭기는 바람직하게는 연산 증폭기이다.
제1 및 제2 증폭기를 제공함으로써, 제1 전극과 제2 전극의 신호 감쇠를 개별적으로 측정하고 보상하는 것이 가능해진다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제4 회로부는 계측 증폭기의 출력에 연결된 디지털 제어 증폭기를 포함하고, 디지털 제어 증폭기는 계측 증폭기의 출력 신호에 가변 제어 이득을 인가하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제1 증폭기의 출력 신호를 수신하고, 제2 증폭기의 출력을 수신하고, 제어기는 제1 증폭기의 출력의 진폭이 감소할 때 제1 가변 제어 저항 부하의 저항을 증가시키도록 구성되고, 제1 증폭기의 출력의 진폭이 증가할 때 제1 가변 제어 저항 부하의 저항을 감소시키도록 구성되고, 제어기는 제2 증폭기의 출력의 진폭이 감소할 때 제2 가변 제어 저항 부하의 저항을 증가시키도록 구성되고, 제2 증폭기의 출력의 진폭이 증가할 때 제2 가변 제어 저항 부하의 저항을 감소시키도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 전극, 제2 전극 및/또는 기준 전극은 건식 표면 전극이다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 신호는 제1 주파수를 갖고, 제2 신호는 제2 주파수를 갖고, 제1 주파수는 바람직하게는 제2 주파수와 동일하고, 제1 신호는 바람직하게는 제2 신호와 위상이 다르다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제2 회로부와 제3 회로부 모두의 출력 신호의 진폭이 동시에 동일한 방향으로 변할 때 그리고 변할 때에만 제2 회로부의 출력 신호의 진폭 및/또는 제3 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 가변 제어 이득을 조정하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 바람직하게는 제1 양태의 디폴트 설정과 관련하여 제2 회로부, 제3 회로부 및 제4 회로부의 출력을 측정하고 기록함으로써 장치를 교정하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제1 가변 제어 저항 부하와 제2 가변 제어 저항 부하 모두를 중간 값으로 설정하도록 구성되고, 그리고 제어기는 제2 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 그리고 제3 회로부의 출력 신호의 함수로서 장치를 교정하도록 구성된다.
처음 초기 사용 동안 장치를 교정함으로써 신호 강도와 품질에 영향을 미치는 환경적 영향을 지속적으로 보상하면서 시간이 지남에 따라 사람의 생체 신호에 대한 정확한 측정을 기록할 수 있다. 장치를 교정하면 사람의 생체 신호에 대한 개별 측정과 기준 값을 제공하는 이점을 추가로 제공할 수 있고, 사람의 생체 신호 측정 동안 이 교정된 값으로부터 임의의 편차를 비교하고 검출할 수 있다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제1 가변 제어 저항 부하와 제2 가변 제어 저항 부하 모두를 중간 값으로 설정하도록 구성되고, 제어기는 제1 단자와 제2 단자의 출력 신호의 진폭의 함수로서 장치를 교정하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 높은 유효 성능을 달성할 수 있는 마이크로프로세서일 수 있다.
강력하면서도 경제적인 마이크로프로세서를 사용함으로써 예를 들어 추가 증폭기를 요구함이 없이 필요한 측정과 계산을 수행하기에 충분한 컴퓨팅 능력과 성능이 있으므로 일부 구성요소를 제거하는 것이 가능하다. 적절한 마이크로프로세서는 예를 들어 ARM Cortex-M 프로세서일 수 있다. 또한 마이크로프로세서와 그 성능은 장치에 사용되는 증폭기의 필요성과 구성을 결정할 수 있다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 주파수 영역에서 동작하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제3 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 제2 가변 제어 저항 부하의 부하를 적응시키고, 제2 회로부와 제3 회로부의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 동일한 방향으로 변할 때 그리고 변할 때에만 제2 회로부의 출력 신호의 진폭 및/또는 제3 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 가변 제어 이득을 조정하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제2 신호 생성기에 의해 생성된 제2 신호는 제1 신호 생성기에 의해 생성된 제1 신호와 위상이 다르고, 바람직하게는 위상이 40° 내지 320° 다르고, 보다 바람직하게는 위상이 대략 120° 다르다.
제1 전극에 대한 개별 신호와, 제2 전극에 대한 개별 신호를 제공하고, 신호를 개별적으로 뿐만 아니라 서로에 대해 모니터링함으로써, 임피던스의 변화가 제1 전극에 영향을 미치는 움직임 아티팩트에 의해 야기되었는지 여부, 또는 임피던스의 변화가 제2 전극에 영향을 미치는 움직임 아티팩트에 의해 야기되었는지 여부, 또는 임피던스의 변화가 제1 전극과 제2 전극 모두에 영향을 미치는 움직임 아티팩트에 의해 야기되었는지 여부, 또는 임피던스의 변화가 땀 축적의 분로 효과로 인해 각 개별 신호가 동시에 동일한 비율로 감소하는 것에 의해 야기되었는지 여부를 결정할 수 있다. 이러한 통찰력으로 3개의 가변 저항(ΔR1, ΔR2 및 R3)을 정확하게 측정하고, 가변 제어 이득과 임피던스 균형을 필요에 따라 업데이트함으로써 움직임 아티팩트와 땀 축적으로 인해 야기된 임피던스 변화를 효과적으로 보상할 수 있는 장치를 제공하는 것이 가능해진다. ΔR1과 ΔR2는 움직임 아티팩트와 전극 변위에 의해 제1 전극과 제2 전극 각각과 피부 사이에서 측정된 가변 저항인 것으로 이해된다. R3은 땀이 축적된 결과 제1 전극과 제2 전극 사이의 감소된 표면 피부 저항인 것으로 이해된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제2 회로부와 제3 회로부 모두의 출력 신호의 진폭이 동시에 감쇠될 때 그리고 감쇠될 때에만 가변 제어 이득을 증가시키도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제2 회로부와 제3 회로부의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 증가될 때 그리고 증가될 때에만 가변 제어 이득을 감소시키도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제1 가변 제어 저항 부하와 제2 가변 제어 저항 부하 모두를 중간 값으로 설정하도록 구성되고, 제어기는 제2 회로부의 출력 신호의 진폭의 함수로서 그리고 제3 회로부의 출력 신호의 함수로서 장치를 교정하도록 구성되고, 제어기는 바람직하게는 제1 교류 신호와 연관된 제1 초기 교정값을 저장하도록 구성되고, 제어기는 바람직하게는 제2 교류 신호와 연관된 제2 초기 교정값을 저장하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제어기가 가변 제어 이득을 조정한 후에 제1 및 제2 초기 교정값을 업데이트하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 회로부는, 제1 단자와 제2 단자에 연결되고 생체 전위 신호를 증폭하기 위한 계측 증폭기를 포함한다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제2 회로부는, 제1 단자에 연결되고 제1 신호의 진폭을 증폭하기 위한 제1 증폭기를 포함하고, 제1 증폭기는 바람직하게는 연산 증폭기이다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제3 회로부는, 제2 전극에 연결되고 제2 신호의 진폭을 증폭하기 위한 제2 증폭기를 포함하고, 제2 증폭기는 바람직하게는 연산 증폭기이다.
제1 양태의 가능한 구현예에서, 제4 회로부는 계측 증폭기의 출력에 연결된 디지털 제어 증폭기를 포함하고, 디지털 제어 증폭기는 계측 증폭기의 출력 신호에 가변 제어 이득을 인가하도록 구성된다.
제1 양태의 가능한 구현 형태에서, 제어기는 제1 증폭기로부터 신호 출력을 수신하여 제1 가변 제어 저항 부하를 제어하도록 구성되고, 제2 증폭기로부터 신호 출력을 수신하여 제2 가변 제어 저항 부하를 제어하도록 구성되고, 나아가 제어기는 하드웨어 수단에 의해 또는 소프트웨어를 사용하는 것에 의해 제3 증폭기를 제어하도록 구성된다.
제2 양태에 따르면, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법으로서, 사람의 피부에 제1 피부 전극, 제2 피부 전극 및 기준 피부 전극을 배치하는 단계, 제1 전극에 제1 교류 신호를 인가하는 단계, 제1 전극에 제1 가변 제어 저항 부하를 연결하는 단계, 제2 전극에 제2 가변 제어 저항 부하를 연결하는 단계, 제1 신호의 진폭을 측정하고, 제1 신호의 진폭 변화의 함수로서, 제1 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정하는 단계, 제2 전극에 제2 교류 신호를 인가하는 단계, 제2 신호의 진폭을 측정하고, 제2 신호의 진폭 변화의 함수로서 제2 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정하는 단계, 제1 전극과 제2 전극으로 생체 전위 신호를 측정하고, 측정된 생체 전위 신호에 가변 제어 이득을 인가하는 단계, 및 제1 신호의 진폭과 제2 신호의 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만 측정된 제1 신호의 진폭과 측정된 제2 신호의 진폭의 변화의 함수로서 가변 제어 이득을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법이 제공된다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 신호의 진폭을 측정하고, 제1 신호의 진폭이 감쇠될 때 제1 회로부로부터의 임피던스를 정합시키기 위해 제1 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정한다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 제2 신호의 진폭을 측정하고, 제2 신호의 진폭이 감쇠될 때 제1 회로부로부터의 임피던스를 정합시키기 위해 제2 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정한다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 가변 제어 저항 부하와 제2 가변 제어 저항 부하를 각각의 가변 제어 저항 부하의 전체 동작 범위의 최대값의 거의 절반으로 설정하고, 제1 신호의 진폭을 측정하고, 제2 신호의 진폭을 측정하고, 제1 교류 신호와 연관된 제1 초기 교정값을 저장하고, 제2 교류 신호와 연관된 제2 초기 교정값을 저장한다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 신호는 제1 주파수를 갖고, 제2 신호는 제2 주파수를 갖고, 제1 주파수는 바람직하게는 제2 주파수와 동일하고, 제1 신호는 바람직하게는 제2 신호와 위상이 다르다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 사람에 의해 생성된 생체 전위 신호는 근전도(EMG) 또는 뇌파(EEG) 또는 심전도(ECG) 신호이다.
제1 또는 제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 사람에 의해 생성되는 생체 전위 신호는 생체 전위 프라이머, 심전도(ECG), 전기 피부 활동(EDA), 뇌파(EEG), 전자위조영술(EGG), 근전도(EMG), 눈전위도(EOG), 임피던스 심장조영술(ICG) 신호이다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 방법은 제1 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정함으로써 제1 전극에 대한 움직임 아티팩트의 영향을 보상하는 단계, 및 제2 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정함으로써 제2 전극에 대한 움직임 아티팩트의 영향을 보상하는 단계를 포함한다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 방법은 가변 제어 이득을 증가시킴으로써 사람의 피부에 대한 땀 축적 효과를 보상하는 단계를 포함한다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 방법은 제1 신호의 진폭과 제2 신호의 진폭이 모두 동시에 동일한 방향으로 변할 때 그리고 변할 때에만 측정된 제1 신호의 진폭 및/또는 측정된 제2 신호의 진폭의 변화의 함수로서 가변 제어 이득을 조정하는 단계를 포함한다.
제1 전극에 대한 개별 신호와 제2 전극에 대한 개별 신호를 제공하고, 신호를 개별적으로 뿐만 아니라 서로에 대해 모니터링함으로써, 임피던스의 변화가 움직임 아티팩트, 제1 전극 또는 제2 전극, 또는 제1 전극과 제2 전극 모두에 의해 야기된 것인지 또는 땀 축적에 의해 야기된 것인지 여부를 결정하는 것이 가능해진다. 이러한 통찰력으로 움직임 아티팩트에 의해 야기된 임피던스 변화를 정확하게 보상하고, 축적되는 땀으로 인한 신호 손실을 정확하게 보상할 수 있는 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
제1 신호 생성기와 제2 신호 생성기에 의해 생성된 제1 신호만 또는 제2 신호만에 대한 개별 신호 변화를 검출할 때, 제1 전극 또는 제2 전극과, 제1 신호 생성기 또는 제2 신호 생성기에 각각 연결된 가변 제어 저항 부하를 증가시키거나 감소시킴으로써 움직임 아티팩트 및 전극 변위를 보상하는 것이 가능하다. 기준 전극에 대해 피부 전극 계면의 부정합을 검출할 때, 두 신호의 진폭은 동시에 변하고, 제3 증폭기(118)의 가변 제어 이득을 증가시킴으로써 땀 축적을 보상하는 것이 가능해진다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 신호는 제1 주파수를 갖고, 제2 신호는 제2 주파수를 갖고, 제1 주파수는 바람직하게는 제2 주파수와 동일하고, 제1 신호는 바람직하게는 제2 신호와 위상이 다르다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 방법은 제1 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정함으로써 제1 전극에 대한 움직임 아티팩트의 영향을 보상하는 단계, 및 제2 가변 제어 저항 부하의 저항을 조정함으로써 제2 전극에 대한 움직임 아티팩트의 영향을 보상하는 단계를 포함한다.
제2 양태의 가능한 구현예에서, 방법은 가변 제어 이득을 증가시킴으로써 사람의 피부에 대한 땀 축적 효과를 보상하는 단계를 포함한다.
제2 양태의 가능한 구현 형태에서, 제1 및 제2 신호 생성기에 의해 주입된 신호는 신호를 전송하기 전에 알려진 시차 성분을 갖는 전기 펄스 또는 구형파 또는 삼각파일 수 있다.
이들 양태 및 다른 양태는 이하에서 설명되는 실시예(들)로부터 명백할 것이다.
본 발명의 이하의 상세한 부분에서, 양태, 실시예 및 구현예는 도면에 도시된 예시적인 실시예를 참조하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 일 실시예에 따른 장치의 개략도이다.
도 2 및 도 11은 시뮬레이션에서 시간에 따라 움직임 아티팩트에 의해 야기된 임피던스 변화를 검출하고 보상하는 장치의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 3은 시뮬레이션에서 시간에 따라 피부에 땀이 축적되는 것에 의해 야기되는 신호 진폭 감쇠를 검출하고 보정하는 장치의 일례를 나타내는 그래프이다.
도 4는 시뮬레이션에서 시간에 따라 땀을 흘리는 동안 주파수의 감쇠를 나타내는 그래프이다.
도 5는 시뮬레이션에서 시간에 따라 전극이 변위되는 동안 신호의 감쇠를 나타내는 그래프이다.
도 6은 움직임 아티팩트 및 땀 축적을 검출하고 보상하기 위한 방법의 흐름도 개요이다.
도 7은 움직임 아티팩트 및 땀을 검출하고 보상하기 위한 장치를 교정하는 흐름도이다.
도 8 및 도 9는 움직임 아티팩트를 검출하고 보상하는 흐름도 표현이다.
도 10은 땀 축적을 검출하고 보상하는 흐름도이다.
도 12는 일 실시예에 따른 장치의 개략도이다.
본 명세서에 설명된 장치 및 방법은 환자의 생체 전위 신호를 단기 또는 장기 모니터링할 수 있게 한다.
도 1은 장치(1)의 전기적 다이어그램의 개략도이다. 피검자의 피부(500)에 이격되어 배치되기 위한 제1 전극(100), 제2 전극(101) 및 기준 전극(102)은 장치(1)와 연관된다. 장치(1)는 제1 전극(100)에 연결하기 위한 제1 단자(103), 제2 전극(101)에 연결하기 위한 제2 단자(104), 및 기준 전극(102)에 연결하기 위한 제3 단자(105)를 갖는다.
제1 전극(100), 제2 전극(101) 및/또는 기준 전극(102)은 바람직하게는 건식 표면 전극이다.
가변 제어 신호 생성기 시스템(130)은 제1 전극(100)과 제2 전극(101)에 연결된다. 제1 신호 생성기(106)는 제1 전극(100)에 연결되고 제1 교류 신호를 생성하고, 제2 신호 생성기(107)는 제2 전극(101)에 연결되고 제2 교류 신호를 생성하는 데, 바람직하게는 제1 신호 생성기(106)에 의해 생성된 제1 교류 신호와 위상이 다른 제2 교류 신호를 생성한다.
제1 교류 신호와 제2 교류 신호는 100㎐ 내지 700㎐, 바람직하게는 500㎐ 범위의 주파수를 갖는 교류를 이용한다. 500㎐ 이상의 주파수와 입력 부하의 구현은 측정된 생체 전위 신호에 영향을 미치지 않는다는 것에 주목하는 것이 중요하다. 제1 교류 신호와 제2 교류 신호는 동일한 주파수를 가질 수 있지만 서로 위상이 다르다. 제1 신호와 제2 신호는 위상이 서로 40° 내지 320° 다를 수 있고, 바람직하게는 제1 신호와 제2 신호는 위상이 서로 120° 다르다. 초기에는, 제1 주입된 신호와 제2 주입된 신호는 교정 측정을 위한 기준 신호 역할을 하고, 교정된 값으로 저장된다.
움직임 아티팩트를 보상하기 위한 입력 임피던스 보상 부하 시스템(140)은 제1 단자(103)와 제2 단자(104)에 연결된다. 임피던스 보상 부하 시스템(140)은 제1 단자(103)에 연결된 제1 가변 제어 저항 부하(108), 및 제2 단자(104)에 연결된 제2 가변 제어 저항 부하(109)를 포함하고, 움직임 아티팩트 보상에 의해 야기되는 임피던스 변화와 관련하여 사용된다.
제1 회로부(110)는 제1 단자(103)와 제2 단자(104)로부터 생체 전위 신호를 측정하도록 구성된다. 제1 회로부(110)는, 제1 단자(103)롸 제2 단자(104)에 연결되고 생체 전위 신호를 증폭하기 위한 계측 증폭기(117)를 포함한다.
제2 회로부(115)는 제1 신호 생성기(106)에 의해 생성된 제1 신호의 진폭을 감지 및/또는 증폭하기 위해 제1 단자(103)에 연결된다. 제2 회로부(115)는 제1 증폭기(111)를 포함하고, 바람직하게는 제1 신호의 진폭을 증폭하도록 구성된 연산 증폭기를 포함한다.
제3 회로부(116)는 제2 신호 생성기(107)에 의해 생성된 제2 신호의 진폭을 감지 및/또는 증폭하기 위해 제2 단자(104)에 연결된다. 제3 회로부(116)는 제2 증폭기(112)를 포함하고, 바람직하게는 제2 신호의 진폭을 증폭하도록 구성된 연산 증폭기를 포함한다.
제4 회로부(113)는 제1 회로부(110)의 출력에 연결되고, 제1 회로부(110)의 출력 신호에 가변 제어 이득을 인가하도록 구성된다. 제4 회로부(113)는 제3 증폭기(118)를 포함하고, 바람직하게는 계측 증폭기(117)의 출력에 연결된 디지털 제어 증폭기를 포함하고, 계측 증폭기(117)의 출력 신호에 가변 제어 이득을 인가하도록 구성되고, 측정 동안 사람의 피부에 축적된 땀을 보상하고, 장치(1)를 교정하고 재교정하는 것과 관련하여 사용된다.
계측 증폭기(117)는 원시 및 땀 보상이 안 된 아날로그 출력(119)을 생성한다. 제4 회로부(113)는 원시 및 땀 보상이 된 아날로그 출력(120)을 생성한다.
제어기(114)(예를 들어, 마이크로프로세서)는 제2 회로부(115)와 제3 회로부(116)의 출력 신호를 수신한다. 제어기(114)는 제2 회로부(115)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 제1 가변 제어 저항 부하(108)를 제어 및/또는 적응시키고, 제3 회로부(116)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 제2 가변 제어 저항 부하(109)를 제어 및/또는 적응시키고, 제2 회로부(115)와 제3 회로부(116) 모두의 출력 신호의 진폭이 동시에 동일한 방향으로 변할 때 그리고 변할 때에만 제2 회로부(115)의 출력 신호의 진폭 및/또는 제3 회로부(116)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 가변 제어 이득을 제어 및/또는 조정하도록 구성된다.
움직임 아티팩트에 의해 야기된 증가된 피부-전극 저항(50, 51)은 각각 제1 증폭기(111) 또는 제2 증폭기(112)의 각각의 출력 신호의 증가로서 제어기(114)에 의해 검출된다.
제어기(114)는 제1 증폭기(111) 또는 제2 증폭기(112)의 출력 신호로부터 수신된 신호에 응답하여 각각 가변 저항 부하를 조절한다. 제어기(114)는 제1 증폭기(111) 또는 제2 증폭기(112)의 출력 신호로부터 신호 데이터를 수신하고, 제어기는 제2 회로부(115) 또는 제3 회로부(116)로부터의 신호가 초기에 기록된 교정값에 제2 회로부(115)와 제3 회로부(116)의 공차를 더한 값에 비해 각각 감쇠될 때 제1 가변 저항(108) 또는 제2 가변 저항(109)의 저항 부하를 각각 증가시키거나 감소시키도록 구성된다. 따라서, 제어기(114)는 제1 회로부(110)의 신호를 증가시키거나 감소시키는 효과와, 제2 회로부(115)와 제3 회로부(116)의 신호를 증가시키거나 감소시키는 효과를 상쇄하도록 구성된다.
제어기(114)는 제2 및 제3 회로부(115 및 116)의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 그리고 바람직하게는 땀 축적을 보상하기 위해 동일한 비율로 감쇠할 때 그리고 감쇠할 때에만 가변 제어 이득(118)을 증가시키도록 구성되고, 제어기(114)는 새로운 비교 기준점을 갖기 위해 교정된 값을 새로운 교정된 값(장치(1)의 재교정)으로 업데이트하도록 구성된다. 제어기(114)는 제2 및 제3 회로부(115 및 116)의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 증가할 때 그리고 증가할 때에만 가변 제어 이득(118)을 감소시키도록 구성된다.
제어기(114)는 제1 증폭기(111)로부터 신호 출력을 수신하여 제1 가변 제어 저항 부하(108)를 제어하도록 구성되고, 제어기(114)는 제2 증폭기(112)로부터 신호 출력을 수신하여 제2 가변 제어 저항 부하(109)를 제어하도록 구성된다. 제어기(114)는 또한 제1 신호 생성기(106)와 제2 신호 생성기(107)를 제어하도록 구성된다. 제어기(114)는 하드웨어 수단에 의해 또는 소프트웨어를 사용하는 것에 의해 제3 증폭기를 제어하도록 추가로 구성된다.
장치(1)는 제1 및 제2 제어 신호의 값을 측정하고 저장하고, 각각의 제어 신호는 초기 기준 교정된 값으로 작용한다. 제어기(114)는 기준 전극(102)과 초기 기준 교정된 값에 대해 피부 계면의 제1 피부 전극(100) 또는 제2 피부 전극(101)의 부정합을 결정한다.
시작 시, 장치(1)는 제1 및 제2 신호를 측정하고, 이들 값을 초기 교정값으로 저장하고, 기준 전극(102)과 초기 교정값에 대해 피부 전극 계면의 부정합을 결정한다.
장치(1)는 제1 신호의 진폭과 제2 신호의 진폭을 측정하고, 제1 및 제2 신호가 동시에 변하는 것을 검출함으로써, 예를 들어, 동시에 발생하는 제1 및 제2 신호의 진폭에 공차를 더한 값이 동시에 감소하는 것을 검출함으로써 제1 전극(100)과 제2 전극(101) 사이에 분로를 유발하는 땀이 피부(500)에 축적되는 것을 결정한다. 그런 다음 측정된 생체 전위 신호의 감쇠된 진폭은 바람직하게는 초기 교정값과 현재 진폭 값 사이의 진폭 차이의 양에 대응하는 인자만큼 제3 증폭기(118)의 이득을 증가시킴으로써 보상된다. 초기 교정된 값은 또한 소정의 시간 기간 동안 축적되는 땀을 추적하고 정확한 측정을 보장하기 위해 새로운 값으로 재교정된다.
진폭 제어 신호의 변화는 움직임 아티팩트 및/또는 전극의 변위로 해석되고, 장치(1)는 전극의 변위를 보상하기 위해 부하 시스템을 증가시키거나 감소시킨다. 장치(1)는 또한 어느 전극이 변위되었는지를 검출하고, 변위된 전극(100, 101)에 연결된 부하를 증가시킴으로써 단일 또는 다수의 전극 변위를 보정할 수 있다.
도 2 및 도 11(도 2의 컬러 버전)은 움직임 아티팩트에 의해 야기된 임피던스 변화를 검출하고 보정하는 장치(1)의 일례를 나타내는 그래프이다. 전극(100 및 101)이 피부 표면(500)에 위치될 때, 초기에는 안정적인 전극 계면이 있을 것이다. 움직임 아티팩트가 발생함에 따라, 전극(100 및/또는 101)은 능동 사용자 움직임이 피부(500)와 기록 전극(100 및/또는 101) 사이에 일시적인 갭을 생성할 때 (일시적으로) 변위하여 EMG 출력에서 전압 스파이크를 초래한다. 이는 측정 동안 실제 근육 활성화 이벤트로 오인될 수 있으므로 시간에 따른 전극 변위를 보상하는 것이 중요하다. 시뮬레이션은 500㎐로 설정된 두 개의 위상이 다른 구동기 주파수를 보여주며, 이는 이것이 시간에 따라 정확한 측정을 위해 가장 효과적인 주파수인 것으로 밝혀졌기 때문이다. 그러나, 구동기 주파수는 500㎐보다 높은 임의의 적절한 값일 수 있는 것으로 이해된다.
생성된 신호에서 진폭 변화가 검출된 것으로 인해, 움직임 아티팩트 및 전극 변위가 제어기(114)에 의해 검출되고 입력 부하 부정합으로 등록된다. 제어기(114)는 움직임 아티팩트를 보상하기 위해 가변 제어 저항 부하(108 및 109)를 적응시키고 조정하며, 신호는 움직임 아티팩트가 전극 변위를 일으키기 전의 신호로 복원되거나 이 신호에 가깝게 복원된다. 움직임 아티팩트가 종료되자마자, 제어기(114)는 각각의 가변 제어 저항 부하(108, 109)를 그 이전 값으로 재조정한다.
도 3은 일 실시예에 따라 땀에 의한 임피던스 변화를 검출하고 보정하는 장치(1)의 일례를 도시한다. 땀은 일반적으로 전극(100 및 101)을 피부 표면(500)에 놓은 후 약 7분 내지 20분 이내에 피부 표면에 축적되기 시작하지만, 이것은 개인에 따라 다를 수 있고, 사람의 피부에 전극을 유지하기 위해 슬리브 등이 사용되는지 여부에 따라 다르다. 전극(100 및 101)을 피부 표면에 놓은 후, 제1 및 제2 제어 가변 부하(108 및 109)는 중간 값으로 설정되고, 제1 신호 생성기(106)는 제1 전극(100)에 신호를 주입하고, 제2 신호 생성기(107)는 제2 전극(101)에 제2 신호를 주입하고, 제2 신호는 바람직하게는 제1 신호와 위상이 다르고, 초기 교정값은 제2 회로부(115)의 출력과 제3 회로부(116)의 출력을 측정함으로써 기록된다. 저항기 부하의 전체 범위가 10MΩ인 경우 저항기 부하의 중간 범위는 5MΩ일 수 있다. 염분 땀이 축적되기 시작하면서, 신호 진폭은 제1 전극(100)과 제2 전극(101) 사이에 분로가 생긴 것으로 인해 제1 및 제2 신호 모두에 대해 점차적으로 감소하여 출력 신호의 강도와 생체 전위 신호 측정의 정확도가 감소한다. 장치(1)는 하드웨어가 이득을 증가시키거나 디지털 소프트웨어 이득 증폭을 사용하여 이득을 증가시킴으로써 제어기(114)를 통해 제1 및 제2 신호 모두의 이 신호 진폭 감쇠를 보상한다. 제어기(114)가 제1 및 제2 신호의 동시 증가를 등록하는 경우 그리고 등록할 때에만 이득은 안정적이고 정확한 생체 전위 신호 측정을 생성하기 위해 땀 축적 전의 이득이나 이 이득에 가깝게 증가될 수 있다. 이득 조정 시, 제어기(114)는 초기 교정값과 새로운 값의 크기 차이만큼 이득을 증가시킴으로써 교정값을 조정하고, 초기 및 이후 사용된 재교정된 값은 모두 저장된다. 따라서 신호 이득은 피드백으로 증가하고, 땀 축적의 분로 효과가 보상된다.
도 4는 땀과 이 땀의 보상 없는 분로 효과로 인한 정규화된 진폭 신호의 감소로 시뮬레이션에서 손상된 생체 전위 신호 측정을 보여준다. 시뮬레이션은 5㎐ 생체 전위 신호에 대한 시간에 따른 땀 축적의 분로 효과를 보여준다. 제1 신호 생성기(106)와 제2 신호 생성기(107)에 의해 생성된 신호의 정규화된 진폭은 시간에 따라 점진적으로 감소하고, 검출된 생체 전위 신호는 생체 전위 신호를 더 이상 검출할 수 없는 지점까지 점차 감소하고, 신호 강도는 부정확한 측정 지점까지 상당히 감소한다. 이 효과는 위에서 설명한 보상 시스템으로 극복된다.
도 5는 위에 설명된 보상 시스템 없이 시간에 따른 전극 변위 및 움직임 아티팩트로 인한 주파수 감쇠 시뮬레이션을 보여준다. 안정적인 전극 연결은 움직임 아티팩트에 의해 방해를 받을 수 있고, 이에 의해 표면 저항이 증가하고, 생체 전위 신호가 감쇠하고, 주입된 신호의 진폭이 증가하여, 전극의 연결 해제 및 EMG 측정 신호의 전압 스파이크를 초래한다. 측정된 생체 전위 신호는 먼저 표면 저항의 증가와 이에 따른 전극 변위에 의해 야기된 진폭 스파이크 및 불규칙성을 보여준다. 제1 신호 생성기(106)와 제2 신호 생성기(107)에 의해 생성된 신호는 먼저 표면 저항의 증가와 이에 대한 보상 부재, 완전한 전극 변위 및 원래 신호 주파수의 손실로 인해 불규칙한 증가를 나타낸다. 장치(1)는 이 문제에 대한 해결책을 제시한다.
도 6은 움직임 아티팩트와 땀 축적을 검출하고 보상하는 전체 방법을 보여주며, 도 7, 도 8, 도 9 및 도 10은 도 6에 설명된 각 단계를 상세히 설명한다. 상세한 방법은 먼저 장치(1)의 교정을 보여주는 도 7에서 시작되는 것으로 이해된다. 도 8은 도 7의 교정 단계에 후속하는 것으로 이해된다. 도 9는 도 7과 도 8의 조합인 것으로 이해된다. 도 10은 본 명세서에서 설명된 검출 및 보상 방법의 최종 단계인 것으로 이해된다. 방법 단계의 순서는 서로 상호 교환 가능한 것으로 이해된다.
도 6은 움직임 아티팩트 및 땀 축적을 검출하고 보상하는 방법의 흐름도이다.
제1 및 제2 전극(100 및 101)은 사람의 피부 표면에 배치되고, 시스템은 기록된 초기 교정값으로 교정되고 업데이트된다. 교정이 필요하지 않은 경우, 예를 들어, 초기 값이 초기 단계에서 기록된 경우, 장치(1)는 움직임 아티팩트 및/또는 땀 축적이 등록 시 이득 및 임피던스 균형을 업데이트한다. 이것은 새로운 피드백 사이클을 개시하고, 시스템은 기록된 교정값을 점검하고, 실시간으로 기록된 값과 비교하여, 움직임 아티팩트 및 땀 축적을 보상하기 위해 필요에 따라 이득 및 임피던스 균형을 재교정하고 업데이트한다.
도 7은 도 1에 따른 장치(1)를 교정하는 방법의 흐름도이다. 제1 전극(100)과 제2 전극(101)을 피부 표면에 배치한 후, 가변 제어 부하(108 및 109)는 중간 값에 공차를 더한 값으로 설정되고, 공차는 매체 값의 차이의 0.0001% 내지 0.01%, 바람직하게는 매체 값의 차이의 0.005%로 설정된다. 제1 신호 생성기(106)는 제1 전극(100)에 제1 교류 신호를 인가하고, 제2 신호 생성기(107)는 제2 전극(101)에 제2 교류 신호를 인가한다. 제2 회로부(115)와 제3 회로부(116)의 출력이 측정되고, 출력 값은 제2 회로부(115)와 제3 회로부(116) 모두에 대한 초기 교정값으로 기록된다.
도 8은 움직임 아티팩트를 검출하고 보상하는 방법의 흐름도이다. 도 7에 따른 초기 교정 후, 제1 가변 제어 저항 부하(108)는 중간 값에 공차 값을 더한 값으로 설정되고, 이 공차 값은 매체 값의 0.0001% 내지 0.01%, 바람직하게는 중간 값의 0.005%로 설정되고, 제2 가변 제어 저항 부하(109)는 중간 값에 공차 값을 더한 값으로 설정되고, 이 공차 값은 중간 값의 0.0001% 내지 0.01%, 바람직하게는 매체 값의 0.005%로 설정된다. 제어기(114)는 초기 교정된 값에 대한 시스템의 변화를 검출한다.
제2 회로부(115)의 출력과 제1 증폭기(111)의 진폭이 제3 회로부(116)의 출력과 제2 증폭기(112)의 진폭에 공차 값을 더한 값보다 높으면, 이벤트는 좌측 움직임 아티팩트로서 플래그되고, 제1 가변 제어 저항 부하(108)는 제1 가변 제어 부하(108)의 입력 부하 임피던스를 정합시키기 위해 바람직하게는 단계적으로 증가된다. 방법은 또한 반대 조건을 점검한다.
제2 회로부(115)의 출력과 제1 증폭기(111)의 진폭에 공차를 더한 값이 제3 회로부(116)의 출력과 제2 증폭기(112)의 진폭보다 낮으면, 이벤트는 우측 움직임 아티팩트로서 플래그되고, 제2 가변 제어 부하(109)는 제2 가변 제어 부하(109)의 입력 부하 임피던스를 정합시키기 위해 바람직하게는 단계적으로 증가된다.
그렇지 않고 위의 조건이 거짓으로 판명되면, 도 1에 따른 장치(1)는 도 9 및 도 10에 설명된 그 다음 단계로 진행한다.
도 9는 움직임 아티팩트를 검출하고 보상하는 흐름도 표현이다. 흐름도는 도 8에 설명된 이전 단계의 조합인 것으로 이해된다.
제2 회로부(115)의 출력과 제1 증폭기(111)의 진폭에 공차를 더한 값이 제3 회로부(116)의 초기 교정된 값과 제2 증폭기(112)의 진폭보다 낮으면, 이벤트는 플래그되고, 제1 가변 제어 저항 부하(108)는 제1 가변 제어 부하(108)의 입력 부하 임피던스를 정합시키기 위해 바람직하게는 단계적으로 감소된다.
제3 회로부(116)의 출력과 제2 증폭기(112)의 진폭에 공차를 더한 값이 제3 회로부(116)의 초기 교정값과 제2 증폭기(112)의 진폭보다 낮으면, 이벤트는 플래그되고, 제2 가변 제어 저항 부하(109)는 제2 가변 제어 부하(109)의 입력 부하 임피던스를 일치시키기 위해 바람직하게는 단계적으로 감소된다.
조건이 거짓이면, 제어기(114)는 땀 축적을 점검한다.
도 10은 땀 축적을 검출하고 보상하는 흐름도이다. 흐름도는 도 8에 설명된 이전의 단계에서 계속되는 것으로 이해된다.
제2 회로부(115)의 출력과 제1 증폭기(111)의 진폭과 제3 회로부(116)의 출력과 제2 증폭기(112)의 진폭에 공차를 더한 값이 제2 회로부(115)의 초기 교정된 값과 제1 증폭기의 진폭과 제3 회로부(116)의 초기 교정된 값과 제2 증폭기(112)의 진폭보다 더 낮고/낮거나 이와 동시에 감소하고/하거나 이와 동일한 비율로 감소하는 경우, 이벤트는 땀 축적으로 플래그된다.
그런 다음 제어기(114)는 예를 들어 새로 기록된 값과 초기 교정값 사이의 진폭 차이를 통해 이득을 증가시킴으로써 가변 이득을 조정한다. 제어기(114)는 또한 새로 기록된 값과 초기 교정값 사이의 진폭 차이와 동일한 새로운 재교정된 값으로 교정값을 업데이트하고, 땀 축적과 이 땀 축적으로 인한 교정된 및 재교정된 값에 대한 관련 변화를 추적하기 위해 모든 값을 저장한다.
그런 다음 방법은 피드백 루프 사이클을 반복한다.
장치(1) 및 방법은 땀 및 움직임 아티팩트에 의해 야기된 신호 열화를 검출하는 동시에, 이러한 효과를 보상하여 예를 들어 질환이 있는 환자와 같은 사람의 생체 전위 신호를 단기 또는 장기 모니터링할 수 있게 한다.
도 12는 일 실시예에 따른 장치의 개략도이다. 도 1의 장치와 동일한 구성에 대해서는 동일한 번호가 사용되었으므로 위에서 상세히 설명된 것으로 이해된다. 이 실시예에 따르면, 장치는 충분히 강력하고 시간-주파수 영역에서 실시간 분석을 수행(예를 들어, 고속 푸리에 변환(FFT)을 수행)하도록 구성된 마이크로프로세서(114)가 사용될 때 단 하나의 증폭기(117)만을 포함한다. 증폭기(117)와 마이크로프로세서(114) 사이를 피드백으로 연결하면 증폭기(117)의 아날로그 출력이 마이크로프로세서 입력(114)에 신호를 공급하기 때문에 증폭기(111, 112)를 생략할 수 있고, (강력한) 마이크로프로세서(114)는 이 신호에 FFT를 수행하여 제1 신호 생성기(106)로부터 유래하는 신호 부분과, 제2 신호 생성기(107)로부터 유래하는 신호 부분을 각각 구별하도록 구성된다. 이를 통해 마이크로프로세서(114)는 제1 회로부의 출력 신호의 기원을 분석하고 구별할 수 있고, 가변 저항 부하(108, 109)를 개별적으로 그리고 서로 독립적으로 제어할 수 있다.
제1 신호 생성기(106)와 제2 신호 생성기(107)는 제1 전극(100)과 제2 전극(101)에 신호를 제공하고, 이 신호는 증폭기(117)에 의해 증폭되고 마이크로프로세서(114)에 의해 분석된다. 제1 신호와 제2 신호는 동일한 주파수를 가질 수 있지만 서로 위상이 달라서 이를 통해 두 신호 사이를 쉽게 구별할 수 있다. 제어기(114)는 제1 또는 제2 교류 신호를 나타내는, 제1 회로부(110)의 출력 신호를 검출하도록 구성되고, 그런 다음 제1 및 제2 교류 신호의 진폭을 결정할 수 있다. 제어기(114)는 제1 및 제2 대체 신호의 진폭을 수신한 다음, 제1 및 제2 가변 저항 부하(108, 109)를 제어 및 적응시켜 신호 감쇠를 보상할 수 있고, 나아가 제1 및 제2 교류 신호의 결정된 진폭의 함수로서 가변 제어 이득(118)을 추가로 조정하여, 이에 따라 움직임 아티팩트 또는 땀 축적에 의해 야기된 감쇠 효과를 효과적으로 극복할 수 있다.
다양한 양태 및 구현예가 본 명세서의 다양한 실시예와 관련하여 설명되었다. 그러나, 당업자라면 청구된 주제를 실시할 때, 도면, 명세서, 및 첨부된 청구범위를 연구함으로써 개시된 실시예에 대한 다른 변형을 이해하고 유도할 수 있을 것이다. 청구범위에서, "포함하는"이라는 단어는 다른 요소나 단계를 배제하지 않으며, 단수형 요소는 복수의 존재를 배제하지 않는다. 단일 제어기, 프로세서 또는 다른 유닛은 청구범위에 언급된 여러 항목의 기능을 수행할 수 있다. 특정 조치가 서로 다른 종속 청구항에 언급되어 있다는 사실만으로 측정된 이들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 나타내는 것은 아니다.
청구범위에 사용된 참조 부호는 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 달리 표시되지 않는 한, 도면은 명세서와 함께 읽혀져야 하고(예를 들어, 크로스해칭, 부분의 배열, 비율, 정도 등), 본 발명의 전체 명세서의 일부로 간주되어야 한다.

Claims (21)

  1. 사람의 피부(500)에 이격되어 배치되기 위한 적어도 제1 피부 전극(100), 제2 피부 전극(101) 및 기준 피부 전극(102)을 사용하여 사람의 피부(500)의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1)로서,
    - 상기 제1 전극(100)에 연결하기 위한 제1 단자(103),
    - 상기 제2 전극(101)에 연결하기 위한 제2 단자(104),
    - 상기 제1 단자(103)와 상기 제2 단자(104)로부터의 생체 전위 신호를 측정하도록 구성된 제1 회로부(110),
    - 상기 기준 피부 전극(102)에 연결하기 위한 제3 단자(105),
    - 상기 제1 단자(103)에 연결된 제1 가변 제어 저항 부하(108),
    - 상기 제2 단자(104)에 연결된 제2 가변 제어 저항 부하(109),
    - 상기 제1 단자(103)에 연결된 제1 교류 신호를 생성하기 위한 제1 신호 생성기(106),
    - 상기 제2 단자(104)에 연결된 제2 교류 신호를 생성하기 위한 제2 신호 생성기(107),
    - 상기 제1 회로부(110)의 출력에 연결되고, 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호에 가변 제어 이득(118)을 인가하도록 구성된 제4 회로부(113), 및
    - 제어기(114)를 포함하고,
    상기 제어기는,
    - 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호,
    - 상기 제1 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 포함하는 신호, 및
    - 상기 제2 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 포함하는 신호
    를 수신하고,
    상기 제어기(114)는,
    - 상기 제1 교류 신호의 진폭을 결정하고,
    - 상기 제2 교류 신호의 진폭을 결정하고,
    - 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)와 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)를 제어하고,
    - 상기 가변 제어 이득(118)을 제어하고,
    - 상기 제1 교류 신호의 결정된 진폭의 변화의 함수로서 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)의 부하를 적응시키고,
    - 상기 제2 교류 신호의 결정된 진폭의 변화의 함수로서 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)의 부하를 적응시키고,
    - 상기 제1 교류 신호와 상기 제2 교류 신호의 결정된 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만 상기 제1 교류 신호의 결정된 진폭과 상기 제2 교류 신호의 결정된 진폭의 함수로서 상기 가변 제어 이득(118)을 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 적어도 포함하는 신호와, 상기 제2 교류 신호의 진폭을 나타내는 성분을 포함하는 신호는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호인, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제어기는,
    - 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 시간-주파수 분석을 수행하고, 이에 의해 상기 제1 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 부분과, 상기 제2 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 부분을 결정하고,
    - 상기 제1 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭을 결정하고,
    - 상기 제2 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭을 결정하고,
    - 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)를 제어하고,
    - 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)를 제어하고,
    - 상기 가변 제어 이득(118)을 제어하고,
    - 상기 제1 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)의 부하를 적응시키고,
    - 상기 제2 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)의 부하를 적응시키고,
    - 상기 제1 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭과, 상기 제2 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만, 상기 제1 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭과, 상기 제2 교류 신호로부터 유래하는 상기 제1 회로부(110)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 상기 가변 제어 이득(118)을 조정하도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 단자(103)에 연결되고 상기 제1 신호의 진폭을 감지 및/또는 증폭하기 위한 제2 회로부(115)와, 상기 제2 단자(104)에 연결되고 상기 제2 신호의 진폭을 감지 및/또는 증폭하기 위한 제3 회로부(116)를 포함하고, 제어기(114)는 상기 제2 회로부(115)의 출력 신호를 수신하고 상기 제3 회로부(116)의 출력 신호를 수신하고, 상기 제어기(114)는,
    - 상기 제2 회로부(115)의 상기 출력 신호의 진폭의 함수로서 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)의 부하를 적응시키고,
    - 상기 제3 회로부(116)의 상기 출력 신호의 진폭의 함수로서 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)의 부하를 적응시키고,
    - 상기 제2 회로부(115)와 상기 제3 회로부(116) 모두의 출력 신호의 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만 상기 제2 회로부(115)의 출력 신호의 진폭과, 상기 제3 회로부(116)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 상기 가변 제어 이득(118)을 조정하도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기(114)는 상기 제2 회로부(115)와 상기 제3 회로부(116)의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 감쇠될 때 그리고 감쇠될 때에만 상기 가변 제어 이득(118)을 증가시키도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  6. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 제어기(114)는 상기 제2 회로부(115)와 제3 회로부(116)의 출력 신호 모두의 진폭이 동시에 증가할 때 그리고 증가할 때에만 상기 가변 제어 이득(118)을 감소시키도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기(114)는 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)와 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109) 모두를 중간 값으로 설정하도록 구성되고, 상기 제어기(114)는 상기 제2 회로부(115)의 출력 신호의 진폭의 함수로서 그리고 상기 제3 회로부(116)의 출력 신호의 함수로서 상기 장치를 교정하도록 구성되고, 상기 제어기(114)는 바람직하게는 상기 제1 교류 신호와 연관된 제1 초기 교정값을 저장하도록 구성되고, 바람직하게는 상기 제2 교류 신호와 연관된 제2 초기 교정값을 저장하도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  8. 제7항에 있어서, 상기 제어기(114)는 상기 제어기가 상기 가변 제어 이득(118)을 조정한 후에 상기 제1 및 제2 초기 교정값을 업데이트하도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 회로부(110)는, 상기 제1 단자(103)와 제2 단자(104)에 연결되고 상기 생체 전위 신호를 증폭하기 위한 계측 증폭기(117)를 포함하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 회로부(115)는, 상기 제1 단자(103)에 연결되고 상기 제1 신호의 진폭을 증폭하기 위한 제1 증폭기(111)를 포함하고, 상기 제1 증폭기(111)는 바람직하게는 연산 증폭기인, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제3 회로부(116)는, 상기 제2 단자(104)에 연결되고 상기 제2 신호의 진폭을 증폭하기 위한 제2 증폭기(112)를 포함하고, 상기 제2 증폭기(112)는 바람직하게는 연산 증폭기인, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  12. 제1항 내지 제6항 또는 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제4 회로부(113)는 상기 계측 증폭기(117)의 출력에 연결된 디지털 제어 증폭기(118)를 포함하고, 상기 디지털 제어 증폭기는 상기 계측 증폭기(117)의 출력 신호에 가변 제어 이득을 인가하도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  13. 제12항에 있어서, 상기 제어기(114)는 상기 제1 증폭기(111)의 출력 신호를 수신하고, 상기 제2 증폭기(112)의 출력을 수신하고,
    상기 제어기(114)는 상기 제1 증폭기(111)의 출력의 진폭이 감소할 때 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)의 저항을 증가시키도록 구성되고, 상기 제1 증폭기(111)의 출력의 진폭이 증가할 때 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)의 저항을 감소시키도록 구성되고,
    상기 제어기(114)는 상기 제2 증폭기(112)의 출력의 진폭이 감소할 때 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)의 저항을 증가시키도록 구성되고, 상기 제2 증폭기(112)의 출력의 진폭이 증가할 때 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)의 저항을 감소시키도록 구성된, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 전극(100), 상기 제2 전극(101) 및/또는 상기 기준 전극(102)은 건식 표면 전극인, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 신호는 제1 주파수를 갖고, 상기 제2 신호는 제2 주파수를 갖고, 상기 제1 주파수는 바람직하게는 상기 제2 주파수와 동일하고, 상기 제1 신호는 바람직하게는 상기 제2 신호와 위상이 다른, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하기 위한 장치(1).
  16. 사람의 피부(500)의 생체 전위 신호를 감지하는 방법으로서,
    사람의 피부(500)에 제1 피부 전극(100), 제2 피부 전극(101) 및 기준 피부 전극(102)을 배치하는 단계,
    상기 제1 전극(100)에 제1 교류 신호를 인가하는 단계,
    상기 제1 전극(100)에 제1 가변 제어 저항 부하(108)를 연결하는 단계,
    상기 제2 전극(101)에 제2 가변 제어 저항 부하(109)를 연결하는 단계,
    상기 제1 신호의 진폭을 측정하고, 상기 제1 신호의 진폭 변화의 함수로서, 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)의 저항을 조정하는 단계,
    상기 제2 전극(101)에 제2 교류 신호를 인가하는 단계,
    상기 제2 신호의 진폭을 측정하고, 상기 제2 신호의 진폭 변화의 함수로서 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)의 저항을 조정하는 단계,
    상기 제1 전극(100)과 상기 제2 전극(101)으로 상기 생체 전위 신호를 측정하고, 측정된 생체 전위 신호에 가변 제어 이득을 인가하는 단계, 및
    상기 제1 신호의 진폭과 상기 제2 신호의 진폭이 동시에 변할 때 그리고 변할 때에만 측정된 제1 신호의 진폭과 측정된 제2 신호의 진폭의 변화의 함수로서 상기 가변 제어 이득(118)을 조정하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)와 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)를 각각의 가변 제어 저항 부하의 전체 동작 범위의 최대값의 거의 절반으로 설정하고, 상기 제1 신호의 진폭을 측정하고, 상기 제2 신호의 진폭을 측정하고, 상기 제1 교류 신호와 연관된 제1 초기 교정값을 저장하고, 상기 제2 교류 신호와 연관된 제2 초기 교정값을 저장하는 단계를 포함하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 제1 신호는 제1 주파수를 갖고, 상기 제2 신호는 제2 주파수를 갖고, 상기 제1 주파수는 바람직하게는 상기 제2 주파수와 동일하고, 상기 제1 신호는 바람직하게는 상기 제2 신호와 위상이 다른, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 사람에 의해 생성된 생체 전위 신호는 근전도(EMG) 또는 뇌파(EEG) 또는 심전도(ECG) 신호인, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법.
  20. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 가변 제어 저항 부하(108)의 저항을 조정함으로써 상기 제1 전극(100)에 대한 움직임 아티팩트의 영향을 보상하는 단계, 및 상기 제2 가변 제어 저항 부하(109)의 저항을 조정함으로써 상기 제2 전극(101)에 대한 움직임 아티팩트의 영향을 보상하는 단계를 포함하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법.
  21. 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가변 제어 이득(118)을 증가시킴으로써 사람의 피부에 대한 땀 축적 효과를 보상하는 단계를 포함하는, 사람의 피부의 생체 전위 신호를 감지하는 방법.
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