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KR20150057388A - 공통모드 노이즈를 감소시키는 생체 신호 측정 장치 및 방법 - Google Patents

공통모드 노이즈를 감소시키는 생체 신호 측정 장치 및 방법 Download PDF

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KR20150057388A
KR20150057388A KR1020130140714A KR20130140714A KR20150057388A KR 20150057388 A KR20150057388 A KR 20150057388A KR 1020130140714 A KR1020130140714 A KR 1020130140714A KR 20130140714 A KR20130140714 A KR 20130140714A KR 20150057388 A KR20150057388 A KR 20150057388A
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signal
signal line
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김연호
박상윤
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삼성전자주식회사
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Abstract

생체 신호를 측정하는 장치 및 방법이 개시된다. 일 실시예에 따른 생체 신호를 측정하는 장치는 용량성 결합을 통해 공통모드 신호를 신호선으로 직접 피드백함으로써, 감지된 생체 신호로부터 공통모드 노이즈를 제거할 수 있다.

Description

공통모드 노이즈를 감소시키는 생체 신호 측정 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE TO MEASURE BIO-SIGNAL WITH REDUCED COMMON MODE NOISE}
생체 신호를 측정하는 기술이 제공된다.
신체는 일종의 도체로서, 신체 내에는 많은 미량의 전류가 발생한다. 신체에 부착된 전극을 이용하여 미량의 전류를 감지하거나, 또는 외부 자극에 대한 전류의 변화량을 감지하여, 신체 내부의 특성을 나타내는 생체신호를 측정할 수 있다.
일반적으로 이러한 원리를 이용하여 심전도(ECG, electrocardiogram), 근전도(EMG, electromyogram), 뇌전도(EEG, electroencephalogram), 피부저항(GSR, Galvanic Skin Resistance), 안구운동(EOG, Electrooculography), 신체온도, 맥박, 혈압 및 신체 움직임 등을 측정할 수 있으며, 이러한 생체신호의 변화를 감지하기 위해 생체용 전극이 사용된다.
생체용 전극은 사용자의 피부에 부착되며 동시에 측정시스템과 연결시키는 매개체로 측정되는 생체신호의 품질과 사용자 편의성에 영향을 준다. 일상 생활에서 사용자의 몸에 항상 붙어 있으면서 생체신호를 측정하기 위해서는 측정정확도, 통신, 전력 등의 기술적 문제 해결이 필요함과 동시에 사용 편의성이 요구된다.
일 실시예에 따르면, 생체 신호 측정 장치에 있어서, 전극부에 의해 감지된 생체 신호(bio-signal)를 전달하는 신호선(signal line), 및 생체 신호로부터 추출된 공통모드 신호(common mode signal)를, 신호선으로 직접 인가하는 공통모드 신호 인가부, 를 포함하는 생체 신호 측정 장치가 제공될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 공통모드 신호 인가부는, 신호선과 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성하고, 용량성 결합을 통해 신호선으로 공통모드 신호를 인가하는 결합부를 포함하는 생체 신호 측정 장치가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 공통모드 신호 인가부는, 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 미리 정한 길이만큼 신호선을 따라 신호선에 인접하여 배치되는 결합부를 포함하는 생체 신호 측정 장치가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 신호선은, 제1 신호선 및 제2 신호선을 포함하고, 공통모드 신호 인가부는, 제1 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 제1 신호선을 따라 제1 신호선에 인접하여 배치되는 제1 결합부, 및 제2 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 제2 신호선을 따라 제2 신호선에 인접하여 배치되는 제2 결합부를 포함하는 생체 신호 측정 장치가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 제1항에 있어서, 공통모드 신호 인가부는, 신호선을 코일형으로 감싸는 형태를 통해 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부를 포함하는 생체 신호 측정 장치가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 공통모드 신호 인가부는, 공통모드 신호를 미리 정한 이득으로 증폭하는 증폭부를 더 포함하는 생체 신호 측정 장치가 제공될 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면 전극부는, 용량성 결합 능동 전극(CCE, capacitive coupling electrode)을 포함하는 생체 신호 측정 장치가 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면 생체 신호 측정 시스템에 있어서, 생체 신호를 감지하는 전극부, 생체 신호로부터 공통모드 신호를 추출하는 차동증폭부, 및 전극부와 차동증폭부를 연결하는 신호선으로, 공통모드 신호를 직접 인가하는 공통모드 신호 인가부를 포함하는 생체 신호 측정 시스템이 제공될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 차동증폭부는, 생체 신호 중 차동모드 신호(differential mode signal)를 증폭하고, 증폭된 차동모드 신호에 기초하여 생체 신호를 처리하는 신호처리부를 포함하는 생체 신호 측정 시스템이 제공될 수 있다.
일 실시예에 따르면 생체 신호 측정 방법에 있어서, 전극부가 생체 신호를 감지하는 단계, 전극부로부터 차동증폭부로 생체 신호를 전달하는 신호선으로, 생체 신호로부터 추출된 공통모드 신호를 직접 인가하는 단계를 포함하는 생체 신호 측정 방법이 제공될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 공통모드 신호가 인가된 생체 신호로부터 차동모드 신호를 추출하는 단계를 포함하는 생체 신호 측정 방법이 제공될 수 있다.
도 1은 전극을 이용한 생체 신호 측정을 나타낸 도면이다.
도 2는 용량성 결합 능동전극(CCE, capacitive coupled active electrode)의 구성을 도시한 도면이다.
도 3은 용량성 결합 능동전극을 이용한 생체 신호 측정 시스템의 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 용량성 결합 능동전극을 이용한 생체 신호 측정 시스템의 접지(ground) 방식을 도시한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템의 방식을 도시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템의 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
도 7은 접지 방식을 도시한 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 결합 접지 방식을 도시한 도면이다.
도 9는 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템의 개괄적인 구성을 도시한 도면이다.
도 10 내지 13은 일 실시예에 따른 공통모드 신호 인가부의 예를 도시한 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 접지 없는 신호 처리 시스템이 생체 신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 15a 및 도 15b는 인체에 결합 접지를 부착한 신호 처리 시스템이 생체 신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 16a 및 도 16b는 일 실시예에 따른 신호 처리 시스템이 생체 신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 1은 전극을 이용한 생체 신호 측정을 나타낸 도면이다.
이하, 생체 신호는 심전도(ECG, electrocardiogram), 근전도(EMG, electromyogram), 뇌전도(EEG, electroencephalogram), 피부저항(GSR, Galvanic Skin Resistance), 안구운동(EOG, Electrooculography), 신체온도, 맥박, 혈압 및 신체 움직임 등을 포함할 수 있다.
이러한 생체 신호는 도 1에 도시된 전극(110)에 의해 2 개의 경로로 측정될 수 있다. 예를 들면, 직접 접촉 전극(direct contact electrode) 또는 간접 접촉 전극(indirect contact electrode)을 이용하여 생체 신호를 측정할 수 있다. 직접 접촉 전극은 저항 경로(resistance path)(111)를 이용하여 생체 신호를 측정할 수 있다. 간접 접촉 전극은 용량성 경로(capacitance path)(112)를 이용하여 생체 신호를 측정할 수 있다.
우선, 생체 신호는 피부(190)와 전극(110) 간의 RC 모델에 따른 저항 경로(111)를 통해 측정될 수 있다. 이 경우, 전극(110)과 피부(190) 간의 저항 R을 줄이기 위하여, 예를 들면 샌드페이퍼로 피부(190)를 문지르고, 알코올로 이물질을 제거한 후 전도도가 좋은 일렉트로라이트(Eletrolyte) 등을 통해 생체 신호를 검출할 수 있다.
그리고 생체 신호는 인체의 피부(190)와 전극(110) 간에 형성되는 용량성 결합(capacitive coupling)에 따른 용량성 경로(capacitance path)(112)를 통해 측정될 수 있다. 이 경우, 용량성 경로를 이용하므로, 피부(190)와 전극(110) 간에 절연체(insulator)가 존재하더라도 생체 신호가 측정될 수 있다. 용량성 경로에 사용되는 전극(110)은, 예를 들면, 용량성 결합 능동전극(CCE, Capacitive Coupled active Electrode)을 포함할 수 있다. 용량성 결합 능동전극은 하기 도 2에서 상세히 설명한다.
도 2는 용량성 결합 능동전극(CCE, capacitive coupled active electrode)의 구성을 도시한 도면이다.
용량성 결합 능동전극은 도 2에 도시된 바와 같이, 금속판으로 된 전극면(211), 전극면(211) 뒤에 설치된 초단 증폭기(pre-amplifier)(213) 및 전극면(211)과 전극면(211)의 뒷면을 둘러싼 금속 차폐(shield)(212)를 포함할 수 있다. 여기서 전극면(211)과 인체(290) 사이에 의복(291)이 있는 경우, 도 2에 도시된
Figure pat00001
와 같은 용량성 결합이 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면 초단 증폭기(213)의 증폭기 소자(예를 들면, 트랜지스터 또는 연산 증폭기)에, 바이어스(bias) 전류를 흘려주어 증폭기 소자를 안정화하기 위해서, 초단 증폭기(213)의 입력 단자와 접지 사이에 저항(
Figure pat00002
)을 연결할 수 있다. 간접 접촉 생체 신호 측정에서는 증폭기 입력 임피던스를 크게 하기 위해 높은 저항(예를 들면
Figure pat00003
이상의 저항)을 사용할 수 있다. 여기서, 전극면(211)과 접지간에는 표유정전용량(stray capacitance)
Figure pat00004
가 존재할 수 있다.
도 3은 용량성 결합 능동전극(310)을 이용한 생체 신호 측정 시스템의 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
여기서, 생체 신호 측정 시스템은 용량성 결합 능동전극(310), 필터 및 증폭기(320), 신호처리부(330), 및 접지면(Ground Plane)(340)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 접지면은 GND로 나타낼 수 있다.
용량성 결합 능동전극(310)은 도 3에 도시된 바와 같이 전극면(311), 차폐(312), 초단 증폭기(313)를 포함할 수 있다. 전극면(311), 차폐(312), 초단 증폭기(313)는 상술한 도 2의 전극면(211), 차폐(212), 초단 증폭기(213)와 유사할 수 있다.
필터 및 증폭기(320)는 용량성 결합 능동전극(310)에 의해 감지된 생체 신호를 필터링하고 증폭하여 신호처리부(330)로 전달할 수 있다.
신호처리부(330)는 생체 신호를 처리하여 생체 신호의 파형을 추출할 수 있다. 예를 들면, 생체 신호가 심전도인 경우, 신호처리부(330)는 심전도의 QPRST 파의 각 특징점들을 추출할 수 있다.
접지면(340)은 상술한 용량성 결합 능동전극(310)의 차폐(312)를 접지시킬 수 있다. 용량성 결합 능동전극(310)은 접촉면의 캐퍼시턴스를 최대로 높이기 위하여 입력 임피던스가 높은 증폭 소자를 초단 증폭기(313)로 사용하여 생체 신호를 검출할 수 있다. 이때, 의복(391)으로 인해 외부의 60Hz 노이즈가, 감지된 생체 신호에 쉽게 포함되므로, 차폐(312)를 통해 해당 노이즈를 차단할 수 있다. 이를 위해, 도 3에 도시된 바와 같이 넓은 면적의 접지면(340)이 필요할 수 있다. 예를 들면, 생체 신호 측정 장치가 의자 형태인 경우, 인체(390)가 의자에 접촉하는 면적이 접지면(340)으로 사용될 수 있다.
도 4는 용량성 결합 능동전극을 이용한 생체 신호 측정 시스템의 접지(ground) 방식을 도시한 도면이다.
생체 신호(예를 들면, 심전도)를 측정할 때, 오른다리 구동회로(Right-leg driven circuit)는 공통모드 노이즈(Common mode noise)를 인체(490)에 피드백(feedback)할 수 있다. 예를 들면, 공통모드 노이즈는 도 4에 도시된 바와 같이, 인체(490)와 용량성 결합을 형성하는 결합 접지(Coupling Ground)(420)를 통해 인체(490)로 피드백될 수 있다. 여기서 결합 접지(420)는 RLD 접지(Right-leg driven ground)로 나타낼 수 있다. 구체적으로 공통모드 노이즈는 하기와 같이 인체(490)에 피드백될 수 있다. 이하에서, 공통모드 노이즈는 공통모드 신호(common mode signal) CM 내지 공통모드 성분으로 나타낼 수 있다.
예를 들면, 감지된 생체 신호는 제1 생체 신호 및 제2 생체 신호를 포함할 수 있다. 제1 생체 신호는 제1 신호 S1 및 공통모드 신호 CM을 포함할 수 있고, 제2 생체 신호는 제2 신호 S2 및 공통모드 신호 CM을 포함할 수 있다. 제1 전극(411)은 제1 생체 신호, 제2 전극(412)은 제2 생체 신호를 감지할 수 있다. 이 때, 제1 전극(411) 및 제2 전극(412)은 용량성 결합 능동전극일 수 있다.
여기서, 공통모드 신호 CM은 제1 전극(411) 및 제2 전극(412)에 의해 감지된 제1 생체 신호 및 제2 생체 신호에 공통적으로 포함된 공통모드 성분으로서, 예를 들면 60Hz 전원 노이즈를 포함할 수 있다. 또한, 공통모드 신호 CM은 차동증폭부(430)에 의해 공통모드 신호 CM이 포함된 각 제1 생체 신호 및 제2 생체 신호로부터 도 4에 도시된 바와 같은 회로를 통해 추출될 수 있다. 이러한 공통모드 신호 CM은 증폭부(421)에 의해 증폭되어, 결합 접지(420)를 통해 의복(491) 너머로 인체에 피드백될 수 있다.
여기서, 증폭부의 이득(gain)을, 예를 들면 100배 이상으로 설정하여, 증폭된 공통모드 노이즈를 인체(490)에 피드백하면, 도 3에 도시된 접지면보다 적은 면적의 결합 접지(420)로 60Hz 전원 노이즈를 감소시킬 수 있다. 이 경우, 결합 접지(420)를 간접적으로 인체(490)의 피부에 접촉시켜야 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 용량성 결합 능동전극은, 피부에 직접 부착되지 않고, 의복(491) 위에서도 생체 신호를 측정할 수 있다. 이 때, 용량성 결합 능동전극뿐만 아니라, 공통모드 노이즈를 제거하기 위한 결합 접지(420)도 용량성 결합을 통해 인체(490)의 피부에 인가될 수 있다. 예를 들면, 결합 접지(420)가 노이즈를 제거하는 효과를 극대화하기 위하여, 결합 접지(420)의 면적을 넓게 하여 인체(490)에 간접 접촉(indirect contact)하는 면적을 극대화해야할 수 있다.
이 때, 생체 신호(예를 들면, 심전도) 측정시, 오른다리 구동회로가 공통모드 노이즈를, 예를 들면 100배 이상으로 증폭하여, 결합 접지(420)를 통해 인체(490)로 피드백할 수 있다. 이 경우, 결합 접지(420)의 면적을 비교적 작게 하여도 공통모드 노이즈(예를 들면, 60Hz 전원 노이즈)가 효과적으로 감소될 수 있다. 다만, 결합 접지(420)를 간접적으로 인체(490)의 피부에 접촉시켜야 하므로, 생체 신호 측정 장치의 크기가 최소화되는데 제약이 있을 수 있다. 생체 신호 측정 장치의 크기를 보다 소형화하기 위한 기술을 하기에서 상세히 설명한다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템의 방식을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템은 제1 전극(511), 제2 전극(512), 공통모드 신호 인가부(520), 증폭부(521), 차동증폭부(530)를 포함할 수 있다. 제1 전극(511), 제2 전극(512), 증폭부(521), 차동증폭부(530)는 상술한 도 4의 제1 전극(411), 제2 전극(412), 증폭부(421) 및 차동증폭부(430)와 각각 유사할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 공통모드 신호 인가부(520)를 통해 증폭된 공통모드 신호 CM을 신호선(signal line)에 직접 인가할 수 있다. 구체적으로는 공통모드 신호 인가부(520)는 신호선과 용량성 결합을 형성하여 공통모드 신호 CM을 신호선에 인가할 수 있다.
여기서, 도 4에서 공통모드 신호 CM을 용량성 결합을 통해 직접 인체(590)로 인가하는 것과 달리, 도 5에서는 공통모드 신호 CM을 용량성 결합을 통해 신호선으로 인가함으로써, 차동증폭부(530)의 입력으로 공통모드 신호 CM이 피드백될 수 있다. 이에 따라, 도 5에 도시된 생체 신호 측정 시스템은, 도 4와 달리 공통모드 신호 CM을 인가하는 위치를 인체(590)로 하지 않고, 신호선에 인가함으로써, 의복(591) 너머로 인체(590)와 간접 접촉하는 생체 신호 측정 장치의 면적을 감소시킬 수 있다.
예를 들면, 도 5에서는 제1 전극(511) 및 제2 전극(512)만 인체(590)와 간접 접촉하고, 도 4에서처럼 인체(590)와 간접 접촉하는 결합 접지가 필요하지 않으므로, 제1 전극(511) 및 제2 전극(512)을 포함하는 전극부의 크기가 보다 최소화될 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템(600)의 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 생체 신호 측정 시스템(600)은 생체 신호 측정 장치(650), 차동증폭부(630) 및 신호처리부(660)를 포함할 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니고, 생체 신호 측정 장치(650)가 차동증폭부(630) 및 신호처리부(660) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 여기서 생체 신호 측정 장치(650)는 전극부(610), 신호선(640) 및 공통모드 신호 인가부(620)를 포함할 수 있다. 이 때, 신호선(640)의 개수는 전극부(610)에 포함되는 전극의 개수에 대응할 수 있고, 전극 및 신호선(640)이 2n 개(예를 들면, n은 1 이상의 정수)인 경우 차동증폭부(630)는 n개일 수 있다.
전극부(610)는 생체 신호를 감지할 수 있다. 생체 신호는 예를 들면, 심전도(ECG, electrocardiogram), 근전도(EMG, electromyogram), 뇌전도(EEG, electroencephalogram), 피부저항(GSR, Galvanic Skin Resistance), 안구운동(EOG, Electrooculography), 신체온도, 맥박, 혈압 및 신체 움직임 등을 포함할 수 있다.
여기서, 전극부(610)는 적어도 하나 이상의 전극을 포함할 수 있다. 예를 들면, 감지된 생체 신호의 차동모드 신호(differential mode signal) 및 공통모드 신호(common mode signal)를 추출하기 위해 짝수 개의 전극을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면 제1 전극 및 제2 전극을 포함할 수 있다. 이 때, 전극부(610)는 용량성 결합 능동전극을 포함할 수 있다.
공통모드 신호 인가부(620)는 생체 신호로부터 추출된 공통모드 신호를, 신호선(640)으로 직접 인가할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 공통모드 신호 인가부(620)는 신호선(640)과 용량성 결합을 형성하고, 형성된 용량성 결합을 통해 신호선(640)으로 공통모드 신호를 인가하는 결합부(미도시)를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면 공통모드 신호 인가부(620)는 공통모드 신호를 미리 정한 이득으로 증폭하는 증폭부(미도시)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 공통모드 신호 인가부(620)는 신호선(640)과 용량성 결합을 형성하기 위해, 미리 정한 길이만큼 신호선(640)을 따라 신호선(640)에 인접하여 배치되는 결합부(미도시)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 미리 정한 길이는 전극부(610)와 차동증폭부(630)를 연결하는 신호선(640)의 길이와 같거나 짧을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 신호선(640)이 제1 신호선 및 제2 신호선을 포함하는 경우, 공통모드 신호 인가부(620)는 제1 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 제1 신호선을 따라 제1 신호선에 인접하여 배치되는 제1 결합부(미도시) 및 제2 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 제2 신호선을 따라 제2 신호선에 인접하여 배치되는 제2 결합부(미도시)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 신호선 및 제2 신호선은 하기 도 10에 도시된 바와 같이 일정 거리 이상 이격되어 배치되거나, 하기 도 11에 도시된 바와 같이 서로 인접하여 배치될 수 있다.
다만, 신호선(640) 및 결합부(미도시)의 개수가 한정되는 것은 아니고, 신호선(640)이 2n 개인 경우, 각 신호선(640)과 용량성 결합을 형성하는 2n 개의 결합부(미도시)가 각 신호선(640)에 인접하여 배치될 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 공통모드 신호 인가부(620)는 신호선(640)을 감싸는 형태를 통해 신호선(640)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 예를 들면, 공통모드 신호 인가부(620)는 적어도 하나 이상의 신호선(640)을 감쌀 수 있고, 다른 예를 들면 모든 신호선(640)을 감쌀 수 있다. 구체적으로는 하기 도 12 및 도 13에서 상세히 설명한다.
차동증폭부(630)는 감지된 생체 신호로부터 공통모드 신호를 추출할 수 있다. 추출된 공통모드 신호는 공통모드 신호 인가부(620)를 통해 생체 신호로 피드백될 수 있다. 또한, 차동증폭부(630)는 공통모드 신호가 인가된 생체 신호로부터 차동모드 신호를 추출하고 증폭할 수 있다.
신호선(640)은 상술한 전극부(610) 및 차동증폭부(630)와 연결되어, 전극부(610)로부터 차동증폭부(630)로 감지된 생체 신호를 전달할 수 있다. 일 실시예에 따르면 신호선(640)은 제1 생체 신호를 전달하는 제1 신호선, 제2 생체 신호를 전달하는 제2 신호선을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 생체 신호 및 제2 생체 신호는 각각 제1 신호, 제2 신호와 함께 공통모드 신호를 포함할 수 있다.
신호처리부(660)는 생체 신호를 처리하여 생체 신호의 파형을 추출할 수 있다. 여기서, 신호처리부(660)는 차동증폭부(630)에 의해 증폭된 차동모드 신호에 기초하여 감지된 생체 신호를 처리할 수 있다. 예를 들면, 생체 신호가 심전도인 경우, 신호처리부(660)는 차동모드 신호에 기초하여 심전도의 QPRST 파의 각 특징점들을 추출할 수 있다.
도 7은 접지 방식을 도시한 도면이다.
신호선(740)의 노이즈를 차단하기 위하여 도 7에 도시된 바와 같이, 신호선(740)을 접지로 차폐할 수 있다. 구체적으로는 차폐를 접지면(720)과 연결할 수 있다. 이 경우, 상술한 바와 같이 넓은 면적의 접지면(720)이 필요할 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 결합 접지(820) 방식을 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 신호선(840)의 노이즈를 차단하기 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이 신호선(840)을 공통모드 신호 인가부로 감쌀 수 있다. 여기서 공통모드 신호 인가부는 신호선(840)과 용량성 결합을 형성하는 결합부를 포함할 수 있고, 결합부는 결합 접지(820)일 수 있다. 예를 들면, 공통모드 신호 인가부는 증폭부(821)에 의해 증폭된 공통모드 신호를 신호선(840)으로 직접 인가할 수 있다. 상술한 바와 같이, 신호선(840)에 직접 공통모드 신호를 인가함으로써, 감지된 생체 신호에 포함된 외부 노이즈(예를 들면, 전원 노이즈)를 제거할 수 있다.
다만, 결합부의 형태를 신호선(840)을 모두 감싸는 형태로 한정하는 것은 아니고, 신호선(840)과 공통모드 신호 인가부가 용량성 결합을 형성할 수 있도록 하는 다양한 형태를 포함할 수 있다. 구체적으로는 하기 도 9 내지 도 13에서 상세히 설명한다.
도 9는 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 시스템의 개괄적인 구성을 도시한 도면이다.
상술한 바와 같이, 차동증폭부(960)에서 추출된 공통모드 신호가 증폭부(921)에 의해 미리 정한 이득(예를 들면, 100)으로 증폭되어, 공통모드 신호 인가부(920)를 통해 신호선으로 인가될 수 있다. 공통모드 신호 인가부(920)는 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부를 통해 공통모드 신호를 인가할 수 있다. 예를 들면, 신호선은 제1 신호선(941) 및 제2 신호선(942)을 포함할 수 있다.
여기서 공통모드 신호 인가부(920)는 다양한 형태의 결합부를 통해 제1 신호선(941) 및 제2 신호선(942)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 구체적으로는 하기 도 10 내지 도 13에서 상세히 설명한다.
도 10 내지 13은 일 실시예에 따른 공통모드 신호 인가부의 예를 도시한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 공통모드 신호 인가부는 도 10 내지 도 13에 도시된 형태를 포함하는 다양한 형태의 결합부를 통해, 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들면, 도 10 내지 도 13은 신호선으로 공통모드 신호를 피드백하는 결합부(예를 들면, 결합 접지)를 도시할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 감지된 제1 생체 신호 및 제2 생체 신호에서 발생되는 공통모드 노이즈를 미리 정한 이득(예를 들면, 100)으로 증폭한 후, 용량성 결합을 통해 신호선에 인가하여 노이즈를 제거할 수 있다. 예를 들면, 신호선을 둘러싸서 외부노출이 없도록 차폐하지 않더라도 공통모드 노이즈를 제거할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 공통모드 신호 인가부는 상기 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 미리 정한 길이만큼 상기 신호선을 따라 상기 신호선에 인접하여 배치되는 결합부를 포함할 수 있다. 이하에서는 신호선이 제1 신호선(1041, 1141, 1241, 1341) 및 제2 신호선(1042, 1142, 1242, 1342)을 포함한다고 가정할 수 있다. 다만, 이에 한정하는 것은 아니고, 신호선은 2n 개일 수 있다.
예를 들면, 공통모드 신호 인가부는, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이 제1 신호선(1041, 1141)과 용량성 결합을 형성하기 위해, 제1 신호선(1041, 1141)을 따라 제1 신호선(1041, 1141)에 인접하여 배치되는 제1 결합부(1021, 1121), 및 제2 신호선(1042, 1142)과 용량성 결합을 형성하기 위해, 제2 신호선(1042, 1142)을 따라 제2 신호선(1042, 1142)에 인접하여 배치되는 제2 결합부(1022, 1122)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 신호선(1041, 1141) 및 제2 신호선(1042, 1142)을 도 10에 도시된 바와 같이 일정 거리로 이격될 수 있고, 제1 결합부(1021, 1121)는 제1 신호선(1041, 1141), 제2 결합부(1022, 1122)는 제2 신호선(1042, 1142)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 제1 신호선(1041, 1141) 및 제2 신호선(1042, 1142)은 서로 인접할 수 있고, 이 경우에도 제1 결합부(1021, 1121)는 제1 신호선(1041, 1141), 제2 결합부(1022, 1122)는 제2 신호선(1042, 1142)과 용량성 결합을 형성할 수 있다.
다른 예를 들면, 상기 공통모드 신호 인가부는, 도 12에 도시된 바와 같이 신호선을 원통형으로 감싸는 형태를 통해 상기 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부(1220)를 포함할 수 있다. 이 때, 신호선은 제1 신호선(1241) 및 제2 신호선(1242)을 포함할 수 있고, 결합부(1220)는 제1 신호선(1241) 및 제2 신호선(1242)과 용량성 결합을 형성할 수 있다. 여기서, 결합부(1220)는 신호선 전체를 감싸거나, 일부를 미리 정한 길이만큼 감쌀 수 있다.
또 다른 예를 들면, 공통모드 신호 인가부는, 도 13에 도시된 바와 같이 신호선을 코일형으로 감싸는 형태를 통해 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부(1320)를 포함할 수 있다. 여기서, 신호선은 제1 신호선(1341) 및 제2 신호선(1342)을 포함할 수 있고, 결합부(1320)는 코일형 내지 코일과 유사한 형태를 통해 제1 신호선(1341) 및 제2 신호선(1342)과 용량성 결합을 형성할 수 있다.
다만, 결합부의 형태는 상술한 도 10 내지 도 13의 형태로 한정되는 것이 아니고, 신호선과 용량성 결합을 형성할 수 있는 모든 형태를 포함할 수 있다.
도 14a 및 도 14b는 접지 없는 신호 처리 시스템(1460)이 생체 신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
예를 들면, 접지 없는 신호 처리 시스템(1460)이 의복(1491) 너머로 인체(1490)의 생체 신호를 측정할 수 있다. 도 14b에 도시된 바와 같이, 공통모드 노이즈가 제거되지 않아, 생체 신호가 식별되기 어려울 수 있다.
도 15a 및 도 15b는 인체(1590)에 결합 접지를 부착한 신호 처리 시스템(1560)이 생체 신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다.
예를 들면, 인체(1590)에 간접적으로 결합 접지를 부착한 신호 처리 시스템이 의복(1591) 너머로 인체(1590)의 생체 신호를 측정할 수 있다. 상술한 도 14b와 달리, 공통모드 노이즈가 제거되어, 생체 신호의 식별이 용이할 수 있다. 구체적으로, 생체 신호가 예를 들면 심전도인 경우, 심전도의 PQRST 파의 각 특징점들이 용이하게 식별될 수 있다.
도 16a 및 도 16b는 일 실시예에 따른 신호 처리 시스템(1660)이 생체 신호를 측정한 결과를 도시한 도면이다. 여기서 신호 처리 시스템(1660)은 도 6에 도시된 차동증폭부(630) 및 신호처리부(660)를 포함할 수 있다.
예를 들면, 일 실시예에 따른 신호 처리 시스템(1660)이 의복(1691) 너머로 인체(1690)의 생체 신호를 측정할 수 있다. 상술한 도 15a와 달리, 일 실시예에 따른 신호 처리 시스템(1660)은 인체(1690)에 간접적으로 접촉되는 결합 접지 없이, 신호선과 용량성 결합을 형성하는 공통모드 신호 연동부를 통해 공통모드 노이즈를 제거할 수 있다.
도 16b에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따른 신호 처리 시스템(1660)은 결합 접지 없이도, 생체 신호가 용이하게 식별될 수 있다. 예를 들면, SNR (Signal-to-Noise Ratio)이 도 15b와 유사한 바, 결합 접지를 인체(1690)에 접합하지 않고도 충분히 SNR을 높일 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 생체 신호 측정 방법을 도시한 흐름도이다.
단계(1710)에서는 전극부가 생체 신호를 감지할 수 있다. 전극부는 용량성 결합 능동전극을 포함할 수 있다. 여기서 감지된 생체 신호는 인체의 고유한 전기 신호 외에 공통모드 노이즈(예를 들면, 60Hz 전원 노이즈)를 포함할 수 있다.
그리고 단계(1720)에서는 공통모드 신호 인가부가 신호선에 공통모드 신호를 인가할 수 있다. 공통모드 신호 인가부는 상술한 도 9 내지 도 13과 유사하게 공통모드 신호를 신호선으로 직접 인가할 수 있다.
여기서, 신호선은 전극부 및 차동증폭부 사이를 연결하며, 감지된 생체 신호를 차동증폭부로 전달할 수 있다. 또한, 공통모드 신호는 생체 신호로부터 차동증폭부에 의해 추출될 수 있다.
이어서 단계(1730)에서는 차동증폭부가 공통모드 신호가 인가된 생체 신호로부터 차동모드 신호를 추출할 수 있다. 추출된 차동모드 신호는 상술한 단계(1720)에서 공통모드 노이즈가 제거된 것으로서, 신호처리부가 생체 신호를 처리하는데 사용될 수 있다.
일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치는, 웨어러블 센서(Wearable sensor)와 같이 작은 접촉면에서 생체 신호를 간접 접촉을 통해 측정해야 하는 경우, 결합 접지의 면적을 줄이거나, 결합 접지를 제거할 수 있다. 이를 통해, 생체 신호 측정 장치의 제한된 폼 팩터(form factor) 내에서, 상대적으로 전극의 크기를 증가시킬 수 있다.
예를 들면, 생체 신호 측정 장치의 폼 팩터에서, 접지면을 제거한 공간만큼 용량성 결합 능동전극의 크기가 확보될 수 있다. 또는, 접지면을 제거한 공간만큼 생체 신호 측정 장치의 크기가 최소화될 수 있다.
일 실시예에 따른 생체 신호 측정 장치는 인체 등에서 센싱이 허용되는 공간이 협소한 경우, 효과적으로 용량성 결합 능동전극을 이용하여 생체 신호를 감지할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
600: 생체 신호 측정 시스템
610: 전극부
620: 공통모드 신호 인가부
630: 차동증폭부
640: 신호선
650: 생체 신호 측정 장치
660: 신호처리부

Claims (19)

  1. 생체 신호 측정 장치에 있어서,
    전극부에 의해 감지된 생체 신호(bio-signal)를 전달하는 신호선(signal line); 및
    상기 생체 신호로부터 추출된 공통모드 신호(common mode signal)를, 상기 신호선으로 직접 인가하는 공통모드 신호 인가부;
    를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선과 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성하고, 상기 용량성 결합을 통해 상기 신호선으로 상기 공통모드 신호를 인가하는 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 미리 정한 길이만큼 상기 신호선을 따라 상기 신호선에 인접하여 배치되는 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 신호선은,
    제1 신호선 및 제2 신호선
    을 포함하고,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 제1 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 상기 제1 신호선을 따라 상기 제1 신호선에 인접하여 배치되는 제1 결합부; 및
    상기 제2 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 상기 제2 신호선을 따라 상기 제2 신호선에 인접하여 배치되는 제2 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선을 원통형으로 감싸는 형태를 통해 상기 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부,
    를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선을 코일형으로 감싸는 형태를 통해 상기 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 공통모드 신호를 미리 정한 이득으로 증폭하는 증폭부
    를 더 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전극부는,
    용량성 결합 능동 전극(CCE, capacitive coupling electrode)
    을 포함하는 생체 신호 측정 장치.
  9. 생체 신호 측정 시스템에 있어서,
    생체 신호를 감지하는 전극부;
    상기 생체 신호로부터 공통모드 신호를 추출하는 차동증폭부; 및
    상기 전극부와 상기 차동증폭부를 연결하는 신호선으로, 상기 공통모드 신호를 직접 인가하는 공통모드 신호 인가부
    를 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선과 용량성 결합(capacitive coupling)을 형성하고, 상기 용량성 결합을 통해 상기 신호선으로 상기 공통모드 신호를 인가하는 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 미리 정한 길이만큼 상기 신호선을 따라 상기 신호선에 인접하여 배치되는 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 신호선은,
    제1 신호선 및 제2 신호선
    을 포함하고,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 제1 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 상기 제1 신호선을 따라 상기 제1 신호선에 인접하여 배치되는 제1 결합부; 및
    상기 제2 신호선과 용량성 결합을 형성하기 위해, 상기 제2 신호선을 따라 상기 제2 신호선에 인접하여 배치되는 제2 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선을 원통형으로 감싸는 형태를 통해 상기 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부,
    를 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  14. 제9항에 있어서,
    상기 공통모드 신호 인가부는,
    상기 신호선을 코일형으로 감싸는 형태를 통해 상기 신호선과 용량성 결합을 형성하는 결합부
    를 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 공통모드 신호를 미리 정한 이득으로 증폭하여 상기 신호선으로 제공하는 증폭부
    를 더 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 전극부는,
    용량성 결합 능동 전극(CCE, capacitive coupling electrode)
    을 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 차동증폭부는,
    상기 생체 신호 중 차동모드 신호(differential mode signal)를 증폭하고,
    상기 증폭된 차동모드 신호에 기초하여 상기 생체 신호를 처리하는 신호처리부
    를 포함하는 생체 신호 측정 시스템.
  18. 생체 신호 측정 방법에 있어서,
    전극부가 생체 신호를 감지하는 단계;
    상기 전극부로부터 차동증폭부로 상기 생체 신호를 전달하는 신호선으로, 상기 생체 신호로부터 추출된 공통모드 신호를 직접 인가하는 단계
    를 포함하는 생체 신호 측정 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 공통모드 신호가 인가된 상기 생체 신호로부터 차동모드 신호를 추출하는 단계
    를 포함하는 생체 신호 측정 방법.
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