WO2021215609A1 - 바이오 임피던스 계측용 시스템, 바이오 임피던스 계측 방법 및 이를 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체 - Google Patents

바이오 임피던스 계측용 시스템, 바이오 임피던스 계측 방법 및 이를 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체 Download PDF

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WO2021215609A1
WO2021215609A1 PCT/KR2020/016595 KR2020016595W WO2021215609A1 WO 2021215609 A1 WO2021215609 A1 WO 2021215609A1 KR 2020016595 W KR2020016595 W KR 2020016595W WO 2021215609 A1 WO2021215609 A1 WO 2021215609A1
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WO
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signal
amplifier
human body
current
roic
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PCT/KR2020/016595
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김재준
박찬샘
이광묵
최수빈
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울산과학기술원
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    • A61B5/053—Measuring electrical impedance or conductance of a portion of the body
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    • A61B2560/0204—Operational features of power management
    • A61B2560/0209—Operational features of power management adapted for power saving

Definitions

  • the present invention relates to a bioimpedance measuring system and bioimpedance measuring method for measuring a change in impedance of a human body.
  • bio-impedance is a good sensing method that can detect changes or movements in the body by measuring changes in body impedance such as respiration or body fat.
  • a high-resolution ADC must be put in the back of the device or amplified with a large-gain amplifier.
  • a high-resolution ADC is not suitable for low-power applications. There is a problem that the bottleneck is caught in the .
  • the embodiment aims to provide a system for measuring bio-impedance for amplifying an AC component while canceling a DC component.
  • the bioimpedance measurement system of the embodiment includes a current supply device for supplying a current to the human body, and in response to the supply of the current, offset the DC signal from the voltage from the human body to extract an AC signal, and amplify the AC signal to output It may include a readout IC (ROIC).
  • a current supply device for supplying a current to the human body, and in response to the supply of the current, offset the DC signal from the voltage from the human body to extract an AC signal, and amplify the AC signal to output It may include a readout IC (ROIC).
  • ROIC readout IC
  • the current supply may include a pseudo sine wave generator for generating a pseudo sine wave.
  • the ROIC includes a first frequency mixer for mixing at least one signal from the human body, a first amplifier for amplifying a signal output from the first frequency mixer, and integrating a DC signal among the signals output from the first amplifier and an integrator for providing a signal obtained by integrating the DC signal to the first amplifier, and a signal outputted from the first frequency mixer and a signal outputted from the integrator to extract an I/Q signal of the signal It may include a detector.
  • the signal detector may include a second amplifier for amplifying the I signal output from the first amplifier, and a third amplifier for amplifying the Q signal output from the first amplifier.
  • the signal detector may include a first low-pass filter for filtering the signal output from the second amplifier, and a second low-pass filter for filtering the signal output from the third amplifier.
  • the signal detector may include a MUX for multiplexing the signals output from the first low-pass filter and the second low-pass filter, and an ADC for converting the signals output from the MUX.
  • the I/Q signal may be extracted by an I/Q demodulation technique.
  • the bioimpedance measurement method performed in the bioimpedance measurement system including the current supply device and the ROIC (Readout IC) of the embodiment the current supply device supplying current to the human body and the human body in response to the supply of the current It may include the step of extracting an AC signal by canceling the DC signal by the ROIC from among the voltages from the , amplifying and outputting the AC signal.
  • the ROIC extracts the AC signal by canceling the DC signal
  • the step of amplifying and outputting the AC signal includes mixing at least one or more signals from the human body, amplifying the mixed at least one or more signals
  • the method may include integrating a DC signal from among the at least one amplified signal, and extracting an I/Q signal of the signal by using the mixed at least one signal and the integrated signal of the DC signal.
  • a current supply device supplies a current to the human body and a voltage discharged from the human body in response to the supply of the current
  • a bioimpedance measurement method comprising the steps of: an ROIC (Readout IC) canceling a DC signal to extract an AC signal, and amplifying and outputting the AC signal media
  • the embodiment can improve power efficiency and has the effect of implementing an efficient system that can use both a DC impedance signal and an AC impedance signal at the same time.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a system for measuring bio-impedance according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating a current supply device of a system for measuring bio-impedance according to an embodiment.
  • FIG. 3 is a graph showing the current in A of FIG. 2 .
  • V IN of FIG. 2 is a graph illustrating V IN of FIG. 2 .
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an ROIC of a system for measuring bio-impedance according to an embodiment.
  • V IN of FIG. 5 is a graph illustrating V IN of FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a graph illustrating the V TC,OUT stage of FIG. 5 .
  • FIG. 8 is a graph illustrating the V int, IN stage of FIG. 5 .
  • FIG. 9 is a graph showing the V int, OUT stage of FIG. 5 .
  • FIG. 10 is a graph showing the V Base, OUT stage of FIG. 5 .
  • FIG. 11 is a graph illustrating the V IQ,OUT stage of FIG. 6 .
  • FIG. 12 is a graph showing a respiration measurement result using a system for measuring bio-impedance according to an embodiment.
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for measuring bio-impedance according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a system for measuring bio-impedance according to an embodiment
  • FIG. 2 is a block diagram showing a current supply device of a system for measuring bio-impedance according to an embodiment
  • FIG. 3 is a current in A of FIG. is a graph showing
  • FIG. 4 is a graph showing V IN of FIG. 2
  • FIG. 5 is a block diagram showing ROIC of a system for measuring bio-impedance according to an embodiment
  • FIG. 6 is a graph showing V IN of FIG.
  • FIG. 7 is a graph showing the V TC,OUT Stage of FIG. 5
  • FIG. 8 is a graph showing the V int,IN Stage of FIG. 5
  • FIG. 9 is a graph showing the V int,OUT Stage of FIG. 5, FIG.
  • FIG. 10 is a graph showing the V Base, OUT Stage of FIG. 5,
  • FIG. 11 is a graph showing the V IQ, OUT Stage of FIG. 6, and
  • FIG. 12 is a respiration measurement result using a system for measuring bio-impedance according to an embodiment It is a graph, and
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for measuring bio-impedance according to an embodiment.
  • a system for measuring bio-impedance may include a current stimulator 200 and a readout IC 300 .
  • the current supply device 200 may supply current to the human body 100 .
  • the current may be an AC current.
  • the current supply device 200 may generate a pseudo-sine.
  • the current supply device 200 may further include a sine wave generator (Pseudo Sine Current GEN, 210), Pseudo Logic (220), Band Gap I Ref (230), CLK GEN (240).
  • a sine wave generator Pseudo Sine Current GEN, 210
  • Pseudo Logic 220
  • Band Gap I Ref 230
  • CLK GEN 240
  • the current supply device 200 may generate a pseudo sine wave to reduce harmonic components.
  • the current generated from the current supply device 200 is as shown in FIG. 3 (region A).
  • the voltage passing through the human body 100 may include f imp and an AC impedance signal as shown in FIG. 4 . That is, the current supply device 200 applies an AC current to the human body 100 , and the human body 100 outputs a voltage value proportional to the resistance of the human body 100 .
  • the current supply device 200 divides the current step into 16 steps, and the output resistance can also be adjusted into 4 steps.
  • the ROIC 300 may extract an AC signal by canceling a DC signal from among the voltages emitted from the human body 100 , and amplify and output the AC signal.
  • the current signal applied from the current supply device 200 becomes a voltage signal through the impedance of the human body 100 , and the voltage signal is applied to the ROIC 300 .
  • This voltage signal has a large DC voltage due to a large DC impedance, and a small AC voltage signal due to a small AC resistance such as breathing. In order to extract only a small AC voltage signal and amplify it with a large gain, the DC resistance must be canceled.
  • the DOIC 300 applies the output of the first amplifier stage to the integrator through the mixer in order to extract the DC value, integrates the DC signal in the integrator, and feeds the output back to the first amplifier stage. Through this, only the AC impedance value can be extracted by offsetting the DC value and amplified with a large gain.
  • the ROIC 300 includes a first frequency mixer 310 , a first amplifier 311 , a second frequency mixer 312 , a first integrator 313 , and a third frequency It may include a mixer 314 and a signal detection device 320 .
  • the signal detection device 320 includes a second amplifier 321 , a third amplifier 322 , a fourth frequency mixer 323 , a fifth frequency mixer 324 , and a first low-pass filter 325 , and , a second low-pass filter 326 , a MUX 327 , and an ADC 328 may be included.
  • One end of the first frequency mixer 310 may receive a signal from the human body 100 .
  • the other end of the first frequency mixer 310 may be connected to one end of the first amplifier 311 .
  • the other end of the first amplifier 311 may be connected to one end of the second amplifier 321 and the third amplifier 322 .
  • One end of the second frequency mixer 312 may be branched and connected between the first amplifier 311 and the second amplifier 321 and between the first amplifier 311 and the third amplifier 322 .
  • One end of the integrator 313 may be connected to the other end of the second frequency mixer 312
  • one end of the third frequency mixer 314 may be connected to the other end of the integrator 313 .
  • the other end of the third frequency mixer 314 may be connected to the first amplifier 311 .
  • One end of the fourth frequency mixer 323 may be connected to the second amplifier 321 and the other end, and the other end of the fourth frequency mixer 323 may be connected to one end of the first low-pass filter 325 .
  • One end of the MUX 327 may be connected to the other end of the first low-pass filter 325 .
  • One end of the fifth frequency mixer 324 may be connected to the other end of the third amplifier 322 , and the other end of the fifth frequency mixer 324 may be connected to one end of the second low-pass filter 326 .
  • One end of the MUX 327 may be connected to the other end of the second low-pass filter 326 .
  • the ADC 328 may be connected to the other end of the MUX 327 .
  • the first frequency mixer 310 may collect a voltage signal measured from the human body 100 .
  • two signals from the human body 100 may be mixed.
  • the number of signals emitted from the human body 100 is not limited thereto. Accordingly, the first frequency mixer 310 may mix one or more signals.
  • a signal input to the first frequency mixer 310 is shown in FIG. 6 .
  • the first amplifier 311 may amplify the signal output from the first frequency mixer 310 .
  • the signal output from the first amplifier 311 is the same as in FIG. 7 .
  • f imp is down-converted to f chop
  • f chop is a signal to be deleted.
  • f chop may be a DC signal.
  • the integrator 313 may be connected to the other end of the first amplifier 311 via the second frequency mixer 312 .
  • An output signal passing through the second frequency mixer 312 is shown in FIG. 8 .
  • the integrator 313 may integrate a DC signal among the signals output from the second frequency mixer 312 .
  • the integrator 313 may filter the DC signal.
  • a signal output from the integrator 313 is shown in FIG. 9 .
  • the signal output from the integrator 313 is input to the third frequency mixer 314 and mixed, and the mixed signal has the signal of FIG. 10 , which is input to the first amplifier 311 .
  • the signal detection device 320 extracts the I/Q signal of the signal output from the first amplifier 311 .
  • the I/Q signal may be extracted by an I/Q demodulation technique.
  • the second amplifier 321 may amplify the V I signal and mix the signals by the fourth frequency mixer 323 .
  • a signal output from the fourth frequency mixer 323 may be inputted to the first low-pass filter 325 and filtered.
  • the third amplifier 322 may amplify the V Q signal and mix the signals by the fifth frequency mixer 324 .
  • a signal output from the fifth frequency mixer 324 may be input to the second low-pass filter 326 and filtered.
  • signals output from the fourth frequency mixer 323 and the fifth frequency mixer 324 are shown in FIG. 11 .
  • the signal output from the first low-pass filter 325 and the second low-pass filter 326 is input to the MUX 327 and multiplexed, and the ADC 328 converts the signal output from the MUX 327 to output it. be able to
  • FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for measuring bio-impedance according to an embodiment.
  • the bio-impedance measuring method according to the embodiment is performed in a bio-impedance measuring system including a current supply device and an ROIC (Readout IC), and specifically, at least included in the bio-impedance measuring system. It can be performed on one processor.
  • a bio-impedance measuring system including a current supply device and an ROIC (Readout IC), and specifically, at least included in the bio-impedance measuring system. It can be performed on one processor.
  • the processor may be divided into a plurality of modules according to functions, or functions may be performed by one processor.
  • the processor is one or more of a central processing unit (CPU), an application processor (AP), a micro controller unit (MCU), or a communication processor (CP). may include.
  • step S100 the current supply device supplies current to the human body
  • step S200 in response to the supply of current, the ROIC cancels the DC signal from among the voltages from the human body to extract an AC signal, and amplifies the AC signal and outputs it.
  • the ROIC offsets the DC signal to extract the AC signal
  • the step of amplifying and outputting the AC signal (S200) includes mixing at least one or more signals from the human body, amplifying the mixed at least one signal Step, integrating the DC signal among the at least one or more amplified signals, and extracting the I/Q signal of the signal using the integrated signal of the at least one or more mixed signals and the DC signal.
  • a current supply device supplies a current to the human body and a voltage discharged from the human body in response to the supply of the current
  • a bio-impedance measurement method comprising the steps of an ROIC (Readout IC) canceling a DC signal to extract an AC signal, and amplifying and outputting the AC signal media
  • Such a computer-readable recording medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination.
  • the program instructions recorded on the recording medium may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and available to those skilled in the art of computer software.
  • Examples of the computer-readable recording medium include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floppy disks.
  • - includes magneto-optical media, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions, such as ROM, RAM, flash memory, and the like.
  • Examples of program instructions include not only machine language codes such as those generated by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.
  • the hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.

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Abstract

실시예의 바이오 임피던스 계측용 시스템, 바이오 임피던스 계측 방법 및 이를 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 인체에 전류를 공급하는 전류 공급 장치와, 전류의 공급에 응답하여 인체로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 ROIC(Readout IC)를 포함할 수 있다. 실시예는 전력 효율을 향상시킬 수 있으며, 동시에 DC 임피던스 신호와 AC 임피던스 두 종류의 신호를 모두 이용할 수 있는 효율적인 시스템을 구현한 효과가 있다.

Description

바이오 임피던스 계측용 시스템, 바이오 임피던스 계측 방법 및 이를 수행하기 위한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체
본 발명은 인체의 임피던스 변화를 측정하는 바이오 임피던스 계측용 시스템 및 바이오 임피던스 계측 방법에 관한 것이다.
본 연구는 2020년도 과학기술정보통신부(정부)의 재원으로 정보통신기획평가원의 지원을 받아 수행된 연구사업의 Disposable IoT 환경 및 생체신호 나노센서 개발(No. 1711103068)과 관련된다.
일반적으로, 웨어러블 바이오 어플리케이션은 다양한 생체 신호들을 모니터링할 수 있도록 만들어지고 있다. 특히, 이 중에도 바이오 임피던스는 호흡이나 체지방 등 몸의 임피던스 변화를 측정하여, 체내의 변화나 움직임을 감지할 수 있는 좋은 감지 방법이다.
하지만, 바디 임피던스의 변화를 통해 모니터링하는 호흡과 같은 신호의 측정은 큰 기저 저항에 아주 작은 AC 저항 변화로 나타나게 된다. 이 특성으로 인해 큰 DC 저항의 영향으로 큰 이득 만으로 AC 저항 변화를 감지할 수 없다.
이를 해결하기 위해 장치의 뒷단에 고해상도의 ADC를 넣거나 큰 게인의 증폭기로 증폭을 해야하는데 고해상도 ADC는 로우파워 어플리케이션에 적합하지 않으며, 큰 게인으로 입력을 증폭하기만 해서는 DC 신호가 너무 커 헤드룸 이슈에 보틀넥이 걸리게 되는 문제점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위해, 실시예는 DC 컴포넌트는 상쇄하면서 AC 컴포넌트를 증폭하기 위한 바이오 임피던스 계측용 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
실시예의 바이오 임피던스 계측용 시스템은 인체에 전류를 공급하는 전류 공급 장치와, 상기 전류의 공급에 응답하여 상기 인체로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 ROIC(Readout IC)를 포함할 수 있다.
상기 전류 공급 장치는 수도 사인파를 생성하는 수도 사인파 제너레이터를 포함할 수 있다.
상기 ROIC는 상기 인체로부터 나온 적어도 하나 이상의 신호를 혼합하는 제1 주파수 혼합기와, 상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호를 증폭시키는 제1 증폭기와, 상기 제1 증폭기로부터 출력된 신호 중 DC 신호를 적분하고, 상기 DC 신호가 적분된 신호를 상기 제1 증폭기로 제공하는 적분기와, 상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호와 상기 적분기로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 신호의 I/Q 신호를 추출하는 신호 검출기를 포함할 수 있다.
상기 신호 검출기는 상기 제1 증폭기로부터 출력된 I 신호를 증폭시키는 제2 증폭기와, 상기 제1 증폭기로부터 출력된 Q 신호를 증폭시키는 제3 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 신호 검출기는 상기 제2 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제1 로우패스필터와, 상기 제3 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제2 로우패스필터를 포함할 수 있다.
상기 신호 검출기는 상기 제1 로우패스필터 및 제2 로우패스필터로부터 출력된 신호를 다중화시키는 MUX와, 상기 MUX로부터 출력된 신호를 변환시키는 ADC를 포함할 수 있다.
상기 I/Q 신호는 I/Q 복조 기법에 의해 추출할 수 있다.
실시예의 전류 공급 장치 및 ROIC(Readout IC)를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 수행되는 바이오 임피던스 계측 방법은, 상기 전류 공급 장치가 인체에 전류를 공급하는 단계 및 상기 전류의 공급에 응답하여 상기 인체로부터 나온 전압 중 상기 ROIC가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 ROIC가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계는, 상기 인체로부터 나온 적어도 하나 이상의 신호를 혼합하는 단계, 상기 혼합된 적어도 하나 이상의 신호를 증폭시키는 단계, 상기 증폭된 적어도 하나 이상의 신호 중 DC 신호를 적분하는 단계, 상기 혼합된 적어도 하나 이상의 신호와 상기 DC 신호가 적분된 신호를 이용하여 상기 신호의 I/Q 신호를 추출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 전류 공급 장치가 인체에 전류를 공급하는 단계 및 상기 전류의 공급에 응답하여 상기 인체로부터 나온 전압 중 ROIC(Readout IC)가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계를 포함하는 바이오 임피던스 계측 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공할 수 있다.
실시예는 전력 효율을 향상시킬 수 있으며, 동시에 DC 임피던스 신호와 AC 임피던스 두 종류의 신호를 모두 이용할 수 있는 효율적인 시스템을 구현한 효과가 있다.
도 1은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템을 나타낸 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 전류 공급 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3은 도 2의 A에서의 전류를 나타낸 그래프이다.
도 4는 도 2의 V IN을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 ROIC를 나타낸 블록도이다.
도 6은 도 5의 V IN을 나타낸 그래프이다.
도 7은 도 5의 V TC,OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 5의 V int,IN Stage를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 5의 V int,OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 5의 V Base,OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 6의 V IQ,OUT Stage를 나타낸 그래프이다.
도 12는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템을 이용한 호흡 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템을 나타낸 블록도이고, 도 2는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 전류 공급 장치를 나타낸 블록도이고, 도 3은 도 2의 A에서의 전류를 나타낸 그래프이고, 도 4는 도 2의 V IN을 나타낸 그래프이고, 도 5는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템의 ROIC를 나타낸 블록도이고, 도 6은 도 5의 V IN을 나타낸 그래프이고, 도 7은 도 5의 V TC,OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 8은 도 5의 V int,IN Stage를 나타낸 그래프이고, 도 9는 도 5의 V int,OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 10은 도 5의 V Base,OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 11은 도 6의 V IQ,OUT Stage를 나타낸 그래프이고, 도 12는 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템을 이용한 호흡 측정 결과를 나타낸 그래프이고, 도 13은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측용 시스템은 전류 공급 장치(Current Stimulator, 200)와 ROIC(Readout IC, 300)를 포함할 수 있다.
전류 공급 장치(200)는 인체(100)에 전류를 공급할 수 있다. 여기서, 전류는 AC 전류일 수 있다. 전류 공급 장치(200)는 수도 사인파(pseudo-sine)를 생성할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 전류 공급 장치(200)는 수도 사인파 제너레이터(Pseudo Sine Current GEN, 210), Pseudo Logic(220), Band Gap I Ref(230), CLK GEN(240)를 더 포함할 수 있다.
전류 공급 장치(200)는 수도 사인파를 생성하여 고조파 성분을 줄일 수 있다. 전류 공급 장치(200)로부터 생성된 전류는 도 3과 같다(A 영역). 인체(100)를 통과한 전압은 도 4에 도시된 바와 같이, f imp와 AC 임피던스 신호를 포함할 수 있다. 즉, 전류 공급 장치(200)는 AC 전류를 인체(100)에 가하고, 인체(100)는 인체(100)의 저항에 따라 비례하여 나온 전압 값을 출력하게 된다.
전류 공급 장치(200)는 전류 스텝을 16단계로 나누고, 출력 저항도 4단계로 조정할 수 있다.
도 1로 돌아가서, ROIC(300)는 인체(100)로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력할 수 있다.
전류 공급 장치(200)에서 인가된 전류 신호는 인체(100) 임피던스를 거쳐 전압 신호가 되고, 전압 신호는 ROIC(300)로 인가된다. 이 전압 신호에는 큰 DC 임피던스에 의한 큰 DC 전압, 그리고 호흡과 같은 작은 AC 저항에 의한 작은 AC 전압 신호가 있다. 작은 AC 전압 신호만을 뽑아내어 큰 이득으로 증폭하기 위해서는 DC 저항이 상쇄되어야 한다. 이를 위해 DOIC(300)는 DC 값을 추출하기 위해 제1 증폭기단의 출력을 믹서를 거쳐 적분기에 인가하고, 적분기에서 DC 신호를 적분한 후, 출력을 제1 증폭기 단에 피드백하게 된다. 이를 통해 DC 값을 상쇄시켜 AC 임피던스 값 만을 추출하여 큰 이득으로 증폭할 수 있게 된다.
도 5에 도시된 바와 같이, ROIC(300)는 제1 주파수 혼합기(310)와, 제1 증폭기(311)와, 제2 주파수 혼합기(312)와, 제1 적분기(313)와, 제3 주파수 혼합기(314)와, 신호 검출 장치(320)를 포함할 수 있다. 신호 검출 장치(320)는 제2 증폭기(321)와, 제3 증폭기(322)와, 제4 주파수 혼합기(323)와, 제5 주파수 혼합기(324)와, 제1 로우패스필터(325)와, 제2 로우패스필터(326)와, MUX(327)와, ADC(328)를 포함할 수 있다.
제1 주파수 혼합기(310)의 일단은 인체(100)로부터 신호를 수신 받을 수 있다. 제1 주파수 혼합기(310)의 타단은 제1 증폭기(311)의 일단과 연결될 수 있다. 제1 증폭기(311)의 타단은 제2 증폭기(321) 및 제3 증폭기(322)의 일단과 연결될 수 있다. 제2 주파수 혼합기(312)의 일단은 제1 증폭기(311)와 제2 증폭기(321) 사이, 제1 증폭기(311)와 제3 증폭기(322) 사이에서 분기되어 연결될 수 있다. 제2 주파수 혼합기(312)의 타단에는 적분기(313)의 일단이 연결되며, 적분기(313)의 타단은 제3 주파수 혼합기(314)의 일단이 연결될 수 있다. 제3 주파수 혼합기(314)의 타단은 제1 증폭기(311)와 연결될 수 있다.
제2 증폭기(321)와 타단은 제4 주파수 혼합기(323)의 일단이 연결되며, 제4 주파수 혼합기(323)의 타단은 제1 로우패스필터(325)의 일단과 연결될 수 있다. 제1 로우패스필터(325)의 타단은 MUX(327)의 일단이 연결될 수 있다.
제3 증폭기(322)의 타단은 제5 주파수 혼합기(324)의 일단이 연결되며, 제5 주파수 혼합기(324)의 타단은 제2 로우패스필터(326)의 일단과 연결될 수 있다. 제2 로우패스필터(326)의 타단은 MUX(327)의 일단이 연결될 수 있다.
MUX(327)의 타단에는 ADC(328)가 연결될 수 있다.
제1 주파수 혼합기(310)는 인체(100)로부터 측정된 전압 신호를 수집할 수 있다. 예컨대, 인체(100)로부터 나온 2개의 신호를 혼합할 수 있다. 여기서, 인체(100)로부터 나온 신호의 개수는 이에 한정되지 않는다. 따라서, 제1 주파수 혼합기(310)는 하나 이상의 신호를 혼합할 수 있다. 제1 주파수 혼합기(310)로 입력된 신호는 도 6과 같다.
제1 증폭기(311)는 제1 주파수 혼합기(310)로부터 출력된 신호를 증폭시킬 수 있다. 제1 증폭기(311)에서 출력되는 신호는 도 7과 같다, 도 7에 도시된 바와 같이, f imp를 f chop으로 다운 변환시켰으며, f chop은 삭제될 신호이다. f chop은 DC 신호일 수 있다.
이에 따라, 적분기(313)가 제2 주파수 혼합기(312)를 거쳐 제1 증폭기(311)의 타단에 연결될 수 있다. 제2 주파수 혼합기(312)를 거친 출력 신호는 도 8과 같다.
적분기(313)는 제2 주파수 혼합기(312)에서 출력된 신호 중 DC 신호를 적분할 수 있다. 적분기(313)는 DC 신호를 필터링할 수 있다. 적분기(313)에서 출력된 신호는 도 9와 같다.
적분기(313)에서 출력된 신호는 제3 주파수 혼합기(314)로 입력되어 혼합되고, 혼합된 신호는 도 10의 신호를 가지게 되며, 이는 제1 증폭기(311)로 입력된다.
신호 검출 장치(320)는 제1 증폭기(311)로부터 출력되는 신호의 I/Q 신호를 추출하게 된다. I/Q 신호는 I/Q 복조 기법에 의해 추출될 수 있다. 제2 증폭기(321)는 V I 신호를 증폭시키고 제4 주파수 혼합기(323)에 의해 신호를 혼합할 수 있다. 제4 주파수 혼합기(323)로부터 출력되는 신호는 제1 로우패스필터(325)로 입력되어 필터링될 수 있다.
제3 증폭기(322)는 V Q 신호를 증폭시키고 제5 주파수 혼합기(324)에 의해 신호를 혼합할 수 있다. 제5 주파수 혼합기(324)로부터 출력되는 신호는 제2 로우패스필터(326)로 입력되어 필터링될 수 있다. 여기서, 제4 주파수 혼합기(323)와 제5 주파수 혼합기(324)로부터 출력되는 신호는 도 11과 같다.
제1 로우패스필터(325) 및 제2 로우패스필터(326)로부터 출력된 신호는 MUX(327)에 입력되어 다중화되고, ADC(328)는 MUX(327)로부터 출력되는 신호를 변환시켜 출력할 수 있게 된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 시스템은, AC 전압을 종래에 비해 큰 이득으로 증폭시켜 출력함으로써, 보다 효과적으로 호흡을 측정할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 바이오 임피던스 계측 방법은 전류 공급 장치 및 ROIC(Readout IC)를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 수행되며, 구체적으로, 바이오 임피던스 계측용 시스템에 포함되는 적어도 하나의 프로세서에서 수행될 수 있다.
여기서, 프로세서는 기능에 따라 복수 개의 모듈들로 구분될 수도 있고, 하나의 프로세서에서 기능들을 수행할 수도 있다. 프로세서는 중앙처리장치(central processing unit(CPU)), 어플리케이션 프로세서(application processor(AP)), 마이크로 컨트롤러 유닛(micro controller unit(MCU)) 또는 커뮤니케이션 프로세서(communication processor(CP)) 중 하나 또는 그 이상을 포함할 수 있다.
단계 S100에서 전류 공급 장치가 인체에 전류를 공급하고, 단계 S200에서 전류의 공급에 응답하여 인체로부터 나온 전압 중 ROIC가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, AC 신호를 증폭시켜 출력한다.
구체적으로, ROIC가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계(S200)는, 인체로부터 나온 적어도 하나 이상의 신호를 혼합하는 단계, 혼합된 적어도 하나 이상의 신호를 증폭시키는 단계, 증폭된 적어도 하나 이상의 신호 중 DC 신호를 적분하는 단계 및 혼합된 적어도 하나 이상의 신호와 DC 신호가 적분된 신호를 이용하여 신호의 I/Q 신호를 추출하는 단계를 포함한다.
또한, 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서, 상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 전류 공급 장치가 인체에 전류를 공급하는 단계 및 상기 전류의 공급에 응답하여 상기 인체로부터 나온 전압 중 ROIC(Readout IC)가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계를 포함하는 바이오 임피던스 계측 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체를 제공할 수 있다.
이러한 컴퓨터 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능한 기록매체의 예에는 하드디스크, 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-광매체(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 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
상기에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 실시예의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 실시예는 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 인체에 전류를 공급하는 전류 공급 장치; 및
    상기 전류의 공급에 응답하여 상기 인체로부터 나온 전압 중 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 ROIC(Readout IC)
    를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전류 공급 장치는 수도 사인파를 생성하는 수도 사인파 제너레이터를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 ROIC는
    상기 인체로부터 나온 적어도 하나 이상의 신호를 혼합하는 제1 주파수 혼합기;
    상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호를 증폭시키는 제1 증폭기;
    상기 제1 증폭기로부터 출력된 신호 중 DC 신호를 적분하고, 상기 DC 신호가 적분된 신호를 상기 제1 증폭기로 제공하는 적분기; 및
    상기 제1 주파수 혼합기로부터 출력된 신호와 상기 적분기로부터 출력된 신호를 이용하여 상기 신호의 I/Q 신호를 추출하는 신호 검출기를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 신호 검출기는
    상기 제1 증폭기로부터 출력된 I 신호를 증폭시키는 제2 증폭기; 및
    상기 제1 증폭기로부터 출력된 Q 신호를 증폭시키는 제3 증폭기를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 신호 검출기는
    상기 제2 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제1 로우패스필터; 및
    상기 제3 증폭기로부터 출력된 신호를 필터링하는 제2 로우패스필터를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 신호 검출기는
    상기 제1 로우패스필터 및 제2 로우패스필터로부터 출력된 신호를 다중화시키는 MUX; 및
    상기 MUX로부터 출력된 신호를 변환시키는 ADC를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 I/Q 신호는 I/Q 복조 기법에 의해 추출하는 바이오 임피던스 계측용 시스템.
  8. 전류 공급 장치 및 ROIC(Readout IC)를 포함하는 바이오 임피던스 계측용 시스템에서 수행되는 바이오 임피던스 계측 방법에 있어서,
    상기 전류 공급 장치가 인체에 전류를 공급하는 단계; 및
    상기 전류의 공급에 응답하여 상기 인체로부터 나온 전압 중 상기 ROIC가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계를 포함하는 바이오 임피던스 계측 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 ROIC가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계는,
    상기 인체로부터 나온 적어도 하나 이상의 신호를 혼합하는 단계;
    상기 혼합된 적어도 하나 이상의 신호를 증폭시키는 단계;
    상기 증폭된 적어도 하나 이상의 신호 중 DC 신호를 적분하는 단계; 및
    상기 혼합된 적어도 하나 이상의 신호와 상기 DC 신호가 적분된 신호를 이용하여 상기 신호의 I/Q 신호를 추출하는 단계를 포함하는 바이오 임피던스 계측 방법.
  10. 컴퓨터 프로그램을 저장하고 있는 컴퓨터 판독 가능 기록매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 프로세서에 의해 실행되면, 전류 공급 장치가 인체에 전류를 공급하는 단계; 및
    상기 전류의 공급에 응답하여 상기 인체로부터 나온 전압 중 ROIC(Readout IC)가 DC 신호를 상쇄시켜 AC 신호를 추출하고, 상기 AC 신호를 증폭시켜 출력하는 단계를 포함하는 바이오 임피던스 계측 방법을 상기 프로세서가 수행하도록 하기 위한 명령어를 포함하는 컴퓨터 판독 가능한 기록매체.
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