KR101007818B1 - Non-contact heartbeat sensor and heartbeat signal processing method using the same - Google Patents
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Abstract
피검자의 신체 피부에 직접적인 접촉 없이 심장 박동 신호를 측정함은 물론, 측정된 심장 박동 신호가 주위의 노이즈로부터 간섭받지 않도록 함으로써, 품질 높은 심장 박동 신호를 측정할 수 있는 비접촉식 심장 박동 측정 센서 및 이를 이용한 신호 처리 방법이 개시되어 있다. 이를 위하여 전극부, LC 오실레이터, 인버터, 위상동기회로, 버퍼, RC 저역 통과 필터, 및 증폭기를 포함하는 비접촉식 심장 박동 측정 센서 및 이를 이용한 신호 처리 방법을 제공한다. 본 발명에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서 및 이를 이용한 신호 처리 방법을 사용하면, 신체 피부의 직접적인 접촉이 없어 피검자가 심장 박동 측정을 의식하지 않는 상태에서 측정이 가능하고, 주위로부터 간섭되는 노이즈를 제거함으로써, 품질 높고 정확한 심장 박동 상태를 측정할 수 있다는 이점이 있다.Non-contact heart rate measuring sensor that can measure high quality heart rate signal by measuring heart rate signal without direct contact with the body skin of the subject and preventing the measured heart rate signal from interfering with ambient noise and using the same A signal processing method is disclosed. To this end, there is provided a non-contact heart rate measurement sensor including an electrode unit, an LC oscillator, an inverter, a phase synchronization circuit, a buffer, an RC low pass filter, and an amplifier, and a signal processing method using the same. By using the non-contact heart rate measuring sensor and the signal processing method using the same according to the present invention, there is no direct contact of the skin of the body can be measured without the subject is not aware of the heart rate measurement, by removing the interference noise from the surroundings The advantage is that quality and accurate heart rate can be measured.
Description
본 발명은 심장 박동 측정 센서 및 신호 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전극을 신체 피부에 접촉시키지 않고 심장 박동 신호를 측정할 수 있는 비접촉식 심장 박동 측정 센서 및 이를 이용한 신호 처리 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a heart rate measuring sensor and a signal processing method, and more particularly, to a non-contact heart rate measuring sensor and a signal processing method using the same, which can measure a heart rate signal without contacting electrodes with body skin.
ECG(ElectroCardioGram)라 불리는 심전도란 심장의 박동에 의해 심장근육이 수축 확장되면서 발생되는 활동전류를 기록한 것으로, 신체 피부에 전극을 부착시켜 심장 근육의 수축에 따른 활동 전류를 측정한 후 측정된 전류데이터를 그래프로 묘사하는 것이다.Electrocardiogram, called ECG (ElectroCardioGram), is a record of the active current generated by the contraction and expansion of the heart muscle due to the beating of the heart.The current data measured after measuring the active current according to the contraction of the heart muscle by attaching electrodes to the body skin. To describe the graph.
보다 상세하게는 심장 근육이 수축 이완할 때 발생되는 활동 전위는 심장으로부터 온몸으로 퍼지는 전류를 일으키며 이 전류는 몸의 위치에 따라 전위차를 발생시키는데 이 전위차는 인체의 피부에 부착된 표면 전극을 통해 검출하여 기록할 수 있다.More specifically, the action potential generated when the heart muscle contracts and relaxes causes an electric current spreading from the heart to the whole body, and this electric current generates an electric potential difference according to the position of the body, which is detected by the surface electrode attached to the human skin. Can be recorded.
이처럼 심장 근육이 활동할 때(심장 박동) 일어나는 전기적인 흥분으로 인해 발생되는 활동 전위가 신체의 표면에 전달된 후 전류에 의한 파형으로 기록되는 것이 심전도이며, 협심증, 심근경색 및 부정맥 등의 심장계 질환을 진단하는데 있어 매우 중요한 방법이다.The electrocardiogram is that the electric potential generated by the electrical excitement that occurs when the heart muscle is active (heartbeat) is transmitted to the surface of the body and then recorded as a waveform by electric current, and heart disease such as angina, myocardial infarction and arrhythmia This is a very important way to diagnose this problem.
이러한 심전도는 근전도, 뇌파, 생체 임피던스 신호와 더불어 대표적인 생체전기 신호로서, 피검자의 건강 상태를 비관혈적인 방법으로 진단하는데 있어 가장 기본이 되는 신호이며, 심전도는 호흡 신호와 함께 가장 기본이 되는 생체신호로 임상에서 널리 사용되고 있다.The electrocardiogram is a representative bioelectric signal along with the EMG, EEG and bioimpedance signals, which is the most basic signal for diagnosing the health state of the subject by non-invasive methods, and the electrocardiogram is the basic biosignal along with the respiration signal. It is widely used in clinical practice.
이렇게 적절한 치료를 위해 심전도, 근전도, 뇌전도 등의 생체 전위를 측정하는 의학 분야에 있어 체내의 전기 신호를 외부 장치로 보내 적절한 치료를 위한 진단 방법들이 개발되고 있다.In the medical field for measuring biopotential such as electrocardiogram, electrocardiogram, and electroencephalogram for proper treatment, diagnostic methods for proper treatment are being developed by sending electrical signals to the external device.
현재 일반적으로 널리 사용되고 있는 심장의 생체 신호를 측정하는 방법으로는 전극 유도법을 들 수 있다.Electrode induction is a method of measuring the vital signs of the heart, which is currently widely used.
전극 유도법은 심장의 동방결정에서 발생한 전기적 자극이 좌우 심실과 좌우 심방으로 전도되면서 발생하는 생체 전위를 측정하는 것으로 2개 이상의 전극을 인체 표면에 부착하여 측정하는 방법이다.Electrode induction is a method of measuring the biopotential generated when the electrical stimulation generated in the eastern crystal of the heart is conducted to the left and right ventricles and the left and right atria.
이처럼 전극을 이용한 측정법으로는 사지 전극 유도법과 2전극 측정법이 주로 이용되고 있다.As such, the limb electrode induction method and the two-electrode measurement method are mainly used as the measurement method using the electrode.
사지 전극 유도법은 전자기학적으로 선적분의 경로가 길면 길수록 큰 전위를 측정할 수 있어 인체의 양쪽팔과 다리에 전극을 부착하고 이를 케이블로 심장 전기 활동 측정 장치에 연결하여 심장의 전기적 활동을 측정토록 하는 방법이다. 이러한 사지 전극 유도법의 경우 선적분의 경로가 길면 길수록 큰 전위를 측정할 수 있는 특성에 의해 소형화가 어렵다는 문제점과 잡음에 민감하다는 단점이 있다.The limb electrode induction method can measure the electric potential as the length of the shipment is longer electromagnetically, attaching electrodes to both arms and legs of the human body and connecting it to the cardiac electrical activity measuring device to measure the electrical activity of the heart. It is a way. In the case of the limb electrode induction method, the longer the path of the shipment, the shorter the size and the more difficult to measure due to the characteristic that can measure the large potential has the disadvantage that it is sensitive to noise.
그리고 2전극 측정법은 신축성을 가지는 밴드를 이용하여 가슴 부위에 전극을 부착하여 심장의 전기적 활동을 측정토록 하는 방법이다. 이러한 2전극 측정법의 경우 신축성을 가지는 밴드를 가슴 부위에 착용시 가슴 압박감 때문에 장시간 착용하기가 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 최초 부착시 사용자의 실수로 인해 느슨하게 부착되거나 장시간 사용으로 인해 전극의 습도가 저감될 경우 측정되는 심장박동 신호의 품질이 떨어진다는 문제점이 있다.In addition, the two-electrode measuring method is a method of measuring the electrical activity of the heart by attaching an electrode to the chest area using an elastic band. In the case of the two-electrode measurement method, there is a problem in that it is difficult to wear the elastic band for a long time because of the feeling of pressure on the chest. In addition, there is a problem in that the quality of the heart rate signal measured when the electrode is loosely attached due to a user's mistake when the first attachment or the humidity of the electrode is reduced due to long use.
위에서 언급한 심전도 측정 방법들은 신체 피부의 손상을 가져올 수 있다는 문제점과 함께 신체 일부에 압박을 가함으로써 피검자가 심전도 측정을 의식하게 되어 정상적인 심전도 측정이 어렵다는 문제점이 있다.The ECG methods mentioned above may cause damage to the skin of the body, and there is a problem that normal ECG measurement is difficult because the subject becomes aware of ECG by applying pressure on a part of the body.
이러한 문제점들을 해결하기 위한 방법으로 신체 피부에 직접적인 접촉을 시키지 않음으로써 피검자가 심장 박동 측정을 의식하지 않도록 하여 보다 품질 높은 심전도 측정이 가능한 심장 박동 측정 기술이 개발되었다.In order to solve these problems, a heart rate measurement technology has been developed that enables a high quality electrocardiogram measurement by preventing a subject from being conscious of heart rate measurement by not making direct contact with body skin.
예를 들면, 천을 사이에 두고 피부와 전극사이의 정전 용량을 통하여 심전도 신호를 직접 검출하는 방법과 도플러 레이더를 이용하여 심장 박동을 측정하는 방법을 들 수 있다.For example, a method of directly detecting an electrocardiogram signal through a capacitance between the skin and an electrode with a cloth interposed therebetween, and a method of measuring a heartbeat using a Doppler radar.
그러나 전극사이의 정전 용량을 통하여 심전도를 측정하는 방법의 경우 고성능의 계장용 앰프와 임피던스 매칭이 필요하다는 문제점이 있으며, 또한, 도플러 레이더를 이용한 심장 박동 측정 방법의 경우 전파를 신체에 직접 입사시킴에 따른 신체의 부작용을 수반할 수 있다는 문제점과, 아울러 고가의 고주파 부품을 사용함에 따른 비용이 상승한다는 문제점이 있다.However, in the case of measuring electrocardiogram through the capacitance between the electrodes, there is a problem that a high performance instrumentation amplifier and impedance matching are required, and in the case of the heart rate measurement method using a Doppler radar, radio waves are directly incident on the body. There is a problem that may be accompanied by the side effects of the body, and also there is a problem that the cost of using expensive high-frequency components is increased.
이외에도 청진기나 마이크로폰을 이용하여 심장 박동 소리를 측정하는 방법도 있다. 이 경우는 주변 노이즈에 매우 민감하여 주위가 조금이라도 소란스러울 경우 품질 높은 심장 박동 소리의 측정이 어렵다는 문제점이 있다.You can also use a stethoscope or microphone to measure your heartbeat. In this case, there is a problem that it is difficult to measure a high quality heartbeat sound when the surroundings are a little disturbed because it is very sensitive to ambient noise.
이에 따라서 종래의 심장 박동을 측정할 수 있는 여러 방법들로부터 발생되는 문제점들을 해결할 수 있는 심전도 측정 방법의 개발이 요구되고 있다. 즉, 신체에 직접적인 접촉이 없고 주위의 노이즈로부터 간섭받지 않고 심장 박동 정보(신호)를 측정할 수 있는 심장 박동 측정 방법의 개발이 요구되고 있다.Accordingly, there is a need for the development of an electrocardiogram measuring method that can solve the problems arising from various methods for measuring the conventional heart rate. That is, the development of a heart rate measurement method capable of measuring heart rate information (signal) without direct contact with the body and without interference from ambient noise is required.
따라서 본 발명의 제 1 목적은 피검자의 신체 피부에 직접적인 접촉 없이 심장 박동 신호를 측정함은 물론, 측정된 심장 박동 신호가 주위의 노이즈로부터 간섭받지 않도록 함으로써, 품질 높은 심장 박동 신호를 측정할 수 있는 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 제공하는데 있다.Therefore, the first object of the present invention is to measure the heart rate signal without direct contact with the body skin of the subject, as well as to ensure that the measured heart rate signal is not interfered with by ambient noise, thereby measuring a high quality heart rate signal. To provide a non-contact heart rate measurement sensor.
본 발명의 제 2 목적은 신체 피부에 직접적인 접촉 없이 심장 박동을 측정할 수 있는 비접촉식 심장 박동 측성 센서를 이용한 심장 박동 신호 처리 방법을 제공하는데 있다.It is a second object of the present invention to provide a heartbeat signal processing method using a contactless heartbeat lateral sensor capable of measuring heartbeat without direct contact with body skin.
상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 심장 박동에 의한 전기적 용량이 충전되는 전극부; 상기 전극부로 충전되는 전기적 용량에 따른 심장 박동에 의한 생체 신호를 발진하는 LC 오실레이터; 상기 LC 오실레이터를 통해 출력되는 발진된 주파수 신호를 기계가 알 수 있는 구형파 신호로 변환시키는 인버터; 상기 인버터를 통해 출력된 변환된 생체 신호가 주위 노이즈에 의해 변하지 않도록 인버터를 통해 변환된 생체 신호의 위상에 동기시키는 위상동기회로; 상기 위상동기회로를 통해 출력된 생체 신호를 버퍼링하는 버퍼; 상기 버퍼를 통해 출력된 생체 신호를 필터링 하는 RC 저역 통과 필터; 및 상기 RC 저역 통과 필터를 통해 필터링된 생체 신호를 증폭시키는 증폭기를 포함하는 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 제공한다. In order to achieve the first object of the present invention described above, the present invention is an electrode unit that is charged with electrical capacity due to heart rate; An LC oscillator for oscillating a biosignal due to a heartbeat according to an electrical capacitance charged by the electrode portion; An inverter for converting the oscillated frequency signal outputted through the LC oscillator into a square wave signal known to the machine; A phase synchronization circuit configured to synchronize the phase of the biosignal converted through the inverter so that the converted biosignal output through the inverter is not changed by ambient noise; A buffer for buffering the biosignal output through the phase synchronization circuit; An RC low pass filter filtering the biosignal output through the buffer; And an amplifier for amplifying the biosignal filtered through the RC low pass filter.
또한 본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전극부 및 LC 오실레이터를 통해 심장 박동에 의한 생체 신호를 측정하는 단계; 인버터를 통해 상기 측정된 심장 박동 생체 신호를 기계가 알 수 있는 구형파로 변환시키는 단계; 위상동기회로를 통해 상기 구형파로 변환된 생체 신호의 위상에 동기시키는 단계; 상기 위상이 동기된 생체 신호를 버퍼링하는 단계; 상기 버퍼링된 생체 신호를 필터링하는 단계; 및 상기 필터링된 생체 신호를 증폭하는 단계를 포함하는 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 이용한 신호 처리 방법을 제공한다.In addition, in order to achieve the second object of the present invention, the present invention comprises the steps of measuring the bio-signal due to the heart rate through the electrode unit and the LC oscillator; Converting the measured heart rate biosignal into a square wave that a machine can know through an inverter; Synchronizing the phase of the biosignal converted into the square wave through a phase synchronization circuit; Buffering the phase-locked biosignal; Filtering the buffered biosignal; And it provides a signal processing method using a non-contact heart rate measurement sensor comprising amplifying the filtered bio-signal.
본 발명에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서 및 이를 이용한 신호 처리 방법을 사용하면, 신체 피부의 직접적인 접촉이 없어 피검자가 심장 박동 측정을 의식하지 않는 상태에서 측정이 가능하여 보다 품질 높고 정확한 심장 박동 상태를 측정할 수 있다는 이점이 있다.Using the non-contact heart rate measurement sensor and the signal processing method using the same according to the present invention, there is no direct contact of the skin of the body can be measured in a state in which the subject is not aware of the heart rate measurement to measure a higher quality and accurate heart rate The advantage is that you can.
그리고 주위로부터 간섭되는 노이즈를 제거함으로써, 보다 품질 높은 정확한 심장 박동 상태를 측정할 수 있다는 이점이 있다.In addition, by removing the noise that interferes with the surroundings, there is an advantage that a higher quality accurate heart rate can be measured.
이처럼 피검자의 보다 정확한 심장 박동 상태를 측정할 수 있음에 따라 피검자의 심장 질환에 대한 보다 정확한 진료를 할 수 있다는 이점이 있다. As such, the more accurate heart rhythm can be measured, thereby providing more accurate medical treatment for the heart disease of the examinee.
또한, 비접촉식으로 심장 박동 신호를 측정함으로써, 심장 박동 신호를 측정하기 위한 별도의 작업이 필요치 않아 숙련이 부족한 의료 진료자의 사용이 가능하여 사용의 편의성을 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.In addition, by measuring the heartbeat signal in a non-contact manner, there is no need for a separate operation for measuring the heartbeat signal can be used by a medical practitioner lacking in skill can be expected to improve the ease of use.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서 및 이를 이용한 신호 처리 방법을 상세하게 설명한다.Hereinafter, a non-contact heart rate measuring sensor and a signal processing method using the same according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
심장 박동이란, 심장의 수축과 확장의 반복운동을 의미하는 것이다.Heart rhythm means repetitive movement of the heart's contraction and expansion.
즉, 심장은 펌프와 비슷한 작용을 하는데, 주기적으로 수축하여 혈액을 동맥속으로 밀어내고, 이완하여 정맥에서 오는 혈액을 내강에 채운다. 이때 판막의 개폐가 차례로 일어나 혈액의 역류를 막음으로써 펌프 작용이 원활하게 반복되고, 이 에 의하여 혈액이 온몸을 순환하게 된다. 이와 같은 심장의 수축과 확장의 반복을 박동이라 한다.In other words, the heart acts like a pump, which contracts periodically to push blood into the arteries, relaxes and fills the lumen with blood coming from the veins. At this time, opening and closing of the valve in order to prevent the back flow of blood, the pump action is repeated smoothly, thereby circulating blood throughout the body. This repetition of the contraction and expansion of the heart is called rhythm.
이처럼 수축과 확장을 반복적으로 운동하는 심장은 일정한 패턴을 가지면서 박동하게 되며, 이러한 심장 박동의 일정한 패턴을 측정함으로써 사람의 건강상태를 파악할 수 있게 되는 것이다.Like this, the heart, which repeatedly contracts and expands, has a certain pattern, and the heart beats by measuring a certain pattern of the heartbeat.
그러나 심장 박동의 신호(생체 신호)가 일반인들이 들을 수 있을 정도의 신호가 아닌 매우 작은 주파수 대역을 갖는 미세한 신호인 관계로 주위의 노이즈로부터 간섭받을 위험이 높을 수밖에 없다.However, since the heartbeat signal (biosignal) is a minute signal with a very small frequency band, not a signal that can be heard by the general public, the risk of interference from surrounding noise is high.
즉, 심장 박동의 생체 신호가 매우 미세한 신호인 관계로 주위의 보이지 않는 노이즈(화이트 노이즈라 함)에 의해 간섭을 받음에 따라 심장 박동의 생체 신호를 측정하기가 어렵다.In other words, since the heartbeat biosignal is a very fine signal, it is difficult to measure the heartbeat biosignal as it is interfered by ambient invisible noise (called white noise).
상기 화이트 노이즈란 인간의 가청주파수대 내에 존재하는 모든 주파수에서 동일한 음향으로 소리가 날경우에 들을 수 있는 잡음으로써, 이러한 화이트 노이즈에 의해 측정된 심장 박동 신호에 잡음이 생겨 품질 높은 심장 박동 신호를 측정하기가 어렵다.The white noise is a noise that can be heard when the sound is the same at all frequencies existing in the human audible frequency band. The white noise causes noise in the heart rate signal measured by the white noise to measure a high quality heart rate signal. Is difficult.
이에 따라서 본 발명은 아주 미세한 신호로 인해 주위의 화이트 노이즈로부터 간섭 받기가 매우 쉬운 심장 박동 신호를 측정하여 측정을 원하는 주파수 대역의 심장 박동 신호(예를 들면 0.3 내지 20㎐ 내의 주파수 대역, 본 발명의 일실시예에서는 30㎐이하의 주파수에 해당하는 심장 박동 신호가 출력되도록 설계하였음)를 제외한 나머지 영역대의 주파수를 제거하는 기술에 관한 것이다.Accordingly, the present invention measures a heart rate signal that is very susceptible to interference from surrounding white noise due to a very small signal, thereby measuring a heart rate signal of a desired frequency band (for example, a frequency band within 0.3 to 20 Hz, In one embodiment, the present invention relates to a technique for removing frequencies of the remaining region except for a heart rate signal corresponding to a frequency of 30 Hz or less).
나아가 본 발명은 신체 피부에 직접적인 접촉이 없이 심장 박동 신호를 측정할 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention further relates to a technique capable of measuring heart rate signals without direct contact with body skin.
먼저, 본 발명은 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 제공한다.First, the present invention provides a non-contact heart rate measuring sensor.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 개략적인 블록도이다.1 is a schematic block diagram illustrating a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 전극부(100) 및 LC 오실레이터(110)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention includes an
상기 전극부(100)에는 심장 박동에 의한 전기적 용량이 충전된다.The
이를 위해 상기 전극부(100)는 일예로 두 개의 금속으로 구성되는 것이 바람직하며, 이에 따라서 두 금속간에는 정전용량이 존재하게 되고, 두 금속간의 정전 용량의 값은 금속간의 거리나 금속 주변 물질의 유전율에 의해 결정될 것이다.To this end, the
즉, 상기 전극부(100)는 측정하고자 하는 심장이 위치하는 가슴에 직접적으로 부착되지 않고 비접촉 방식으로 위치하여 심장 박동에 의한 전기적 용량을 충전하는 것이다. 다만, 상기 전극부(100)를 심장이 위치한 가슴에 가까이 위치시킬수록 보다 정확한 심장 박동 신호를 측정할 수 있을 것이다.That is, the
그리고 상기 LC 오실레이터(oscillator)(110)는 전극부(100)로부터 충전되는 전기적 용량에 따른 심장 박동에 의한 생체 신호를 발진하는 역할을 한다.In addition, the
상기 LC 오실레이터(110)는 공진현상을 이용하여 특정 주파수의 파형 혹은 진동을 이끌어 내는 공진기로 사용되는 것으로서, 코일의 인덕턴스(L)와 커패시 터(capacitor)의 커패시턴스(전기적 용량)(C)로 이루어지는 공진회로를 주파수 결정요소로 하는 사인파 교류발진기이다.The
이에 따라서 상기 LC 오실레이터(110)는 상기 전극부(110)로부터 충전된 전기적 용량(C)에 따라 생체 신호를 발진하게 된다.Accordingly, the
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 LC 오실레이터와 인버터를 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating an LC oscillator and an inverter for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 상기 전극부(100)를 통해 충전된 전기적 용량이 Q2로 입력되도록 설계되는 것이 바람직하다. 2, the non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention is preferably designed such that the electrical capacitance charged through the
그리고 상기 LC 오실레이터(110)를 통해 출력되는 생체 신호 로 결정된다. 즉, 상기 생체 신호(f)는 L3, C10, 및 C11에 의해 결정되고, 상기 에 의해 결정될 것이다.And a biosignal output through the
이에 따라서 상기 LC 오실레이터(110)로 입력(Q2)된 전극부(100)의 전기적 용량이 상기 C11에 더해진 결과 값에 의해 생체신호의 주파수가 출력될 것이다.Accordingly, the frequency of the biosignal will be output by the result of the electrical capacitance of the
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 LC 오실레이터를 통해 출력되는 파형을 나타낸 도면이다.3 is a view showing a waveform output through the LC oscillator for explaining the non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 상기 LC 오실레이터(110)를 통해 출력되는 생체신호의 주 파수는 1.09㎒, 진폭 4.52 VP-P를 가지는 것으로 측정되었다.Referring to FIG. 3, the frequency of the biosignal output through the
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 인버터(120)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention includes an
상기 인버터(inverter)(120)는 상기 LC 오실레이터(110)를 통해 출력되는 발진된 주파수 신호를 입력받아 입력받은 발진된 주파수 신호를 기계가 알 수 있는 기계적인 구형파 신호로 변환시키는 역할을 한다.The
보다 상세하게는 상기 인버터(120)는 상기 LC 오실레이터(110)를 통해 측정된 일정한 패턴을 가지는 사람의 심장 박동을 주기별 로직 주파수로 구분하여 구형파 신호로 변환시킨다.In more detail, the
도 2를 참조하면, 상기 인버터(120)는 상기 LC 오실레이터(110)의 출력(oscillator output)단과 연결되도록 설계하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 2, the
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 인버터로 입력되는 생체 신호의 파형을 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 인버터를 통과한 출력 파형을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a waveform of a biosignal input to an inverter for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 5 is a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention It is a figure which shows the output waveform which passed the inverter for demonstrating.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 LC 오실레이터(110)로부터 입력(A)된 파형이 상기 인버터(120)를 통과(B)해 구형파로 변경됨을 확인할 수 있다.4 and 5, it can be seen that the waveform A input from the
상기 인버터(120)는 상기 LC 오실레이터(110)를 통해 인버터(120)로 입력되 는 심장 박동에 의한 생체 신호 주파수는 0 내지 3V 사이의 파형을 갖도록 중심 주파수를 낮추는 것이 바람직할 것이다.The
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 위상동기회로(130)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention includes a
상기 위상동기회로(PLL : Phase Locked Loop)(130)는 상기 인버터(120)를 통해 출력된 변환된 생체 신호를 입력받아 입력받은 생체 신호가 주위 노이즈에 의해 변하지 않도록 상기 인버터(120)를 통해 변환된 생체 신호의 위상에 동기시키는 역할을 한다.The phase locked circuit (PLL) 130 receives the converted biosignal output through the
보다 상세하게는 상기 전극부(100)의 위치나 주변 환경의 변화 등으로 인해 상기 전극부(100)의 전기적 용량(커패시턴스)이 변함에 따라 상기 전극부(100)로부터 충전되는 전기적 용량에 의해 생체 신호의 발진이 결정되는 상기 LC 오실레이터(110)의 주파수가 변하게 된다. In more detail, the electrical capacity (capacitance) of the
이로 인해 상기 LC 오실레이터(110)의 주파수가 변하게 되고 주파수가 변함에 따라 전압이 변하게 되는데, 이때 상기 위상동기회로(130)의 가변저항을 변화시켜 상기 인버터(120)를 통해 출력되는 생체 신호에 외부 노이즈 간섭이 이루어지지 않도록 전압을 동기시키는 것이 바람직할 것이다.As a result, the frequency of the
또한, 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력되는 생체 신호의 노이즈를 보다 효과적으로 제거하기 위한 방법으로, VDD 입력 핀에 인접되어 커패시터를 추가로 설계할 수도 있을 것이다.In addition, as a method for more effectively removing noise of the biosignal output through the
즉, 기준 전압을 원하는 전압으로 높이게 되면, 원하는 기준 전압 이하의 노이즈들이 사라지게 되어 보다 깨끗한 신호를 출력할 수 있는 것이다.In other words, when the reference voltage is increased to a desired voltage, noises below the desired reference voltage disappear and a cleaner signal can be output.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 위상동기회로를 나타낸 회로도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 전극부 앞에 사람이 위치하지 않을 경우와 심장이 위치할 경우에 각각 위상동기회로를 통해 출력되는 전압을 나타낸 도면이다.6 is a circuit diagram illustrating a phase synchronization circuit for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 7 is an electrode for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention The figure shows the voltage output through the phase synchronization circuit when the person is not located in front and when the heart is located.
도 6을 참조하면, 상기 인버터(120)로부터 생체 신호가 출력되는 단자에 연결되도록 설계하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 6, it is preferable that the
그리고 도 7을 참조하면, 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력(C)되는 전압을 확인할 수 있다. 보다 상세하게는 상기 전극부(100)가 신체 피부 즉, 심장 박동을 측정할 수 있는 심장 위치에 위치하기 전(a)과 심장 위치에 위치할 때(b) 출력되는 각각의 전압을 확인 할 수 있다. In addition, referring to FIG. 7, the voltage outputted through the
상기 전극부(100) 앞에 아무것도 없을 경우에는 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력되는 전압이 2.9V로 측정되었고, 상기 전극부(100)를 심장 위치에 위치시켰을 경우에 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력되는 전압이 2.0V로 낮아진 것을 확인할 수 있다.When there is nothing in front of the
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 버퍼(140)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention includes a
상기 버퍼(buffer)(140)는 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력된 생체 신호를 버퍼링하는 역할을 한다. 즉, 상기 버퍼(140)는 상기 위상동기회로(130)로부터 출력되는 신호가 노이즈의 간섭을 받지 않고 출력된 신호 그대로 상기 RC 저역 통과 필터(150)로 입력될 수 있도록 하는 것이다.The
보다 상세하게는 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력된 생체 신호의 경우 회로의 전압에 의해서 노이즈 간섭을 받을 수도 있을 것이고, 이외에도 외부의 노이즈로부터 간섭을 받을 수도 있을 것이다. 이에 따라 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력된 생체 신호에 노이즈 간섭이 이루어지지 않고 출력된 생체 신호 그대로 상기 RC 저역 통과 필터(150)로 입력될 수 있도록 하는 것이다.In more detail, the biosignal output through the
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 버퍼를 나타낸 회로도이다.8 is a circuit diagram illustrating a buffer for explaining a non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 상기 버퍼(140)를 상기 위상동기회로(130)를 통해 출력되는 단자에 연결되어 설계하는 것이 바람직하다.Referring to FIG. 8, the
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 RC 저역 통과 필터(150)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention includes an RC
상기 RC 저역 통과 필터(LPF : Low Pass Filter)(150)는 상기 버퍼(140)를 통해 출력된 생체 신호를 필터링하는 역할을 한다.The RC low pass filter (LPF) 150 filters the biosignal output through the
보다 상세하게는 상기 버퍼(140)를 통해 출력된 생체 신호는 심장 박동에 의해 발생되는 생체 신호의 주파수를 외부의 노이즈로부터 간섭받지 않도록 하여 측 정된 생체 신호의 주파수를 그대로 측정한 심장 박동 신호이다.More specifically, the biosignal output through the
이렇게 측정된 심장 박동 신호를 상기 RC 저역 통과 필터(150)를 통해 원하는 특정 주파수 이하의 신호만을 통과시키는 것이다.The heart rate signal thus measured is passed through the RC
본 발명의 RC 저역 통과 필터(150)는 일예로 30㎐ 이하의 주파수 신호만을 통과시키도록 하는 것이 바람직하다.RC
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 RC 저역 통과 필터를 나타낸 회로도이다. 9 is a circuit diagram illustrating an RC low pass filter for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 상기 버퍼(140)의 출력단과 연결되도록 설계되어 버퍼(140)를 통해 출력된 생체 신호 중 30㎐ 이하의 주파수 신호만이 통과되도록 한다.9, it is designed to be connected to the output terminal of the
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 버퍼를 통과한 생체 신호를 나타낸 도면이고, 도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 버퍼를 통과한 생체 신호를 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a biosignal that passes through a buffer for explaining a contactless heartbeat measurement sensor according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11 is a view illustrating a contactless heartbeat measurement sensor according to an embodiment of the present invention. A diagram showing a biosignal that has passed through a buffer for the present invention.
도 10 및 도 11을 참조하면, 상기 버퍼(140)로부터 출력되어 입력(D)되는 625㎐의 노이즈가 제거되지 않은 생체 신호가 상기 RC 저역 통과 필터(150)를 통과(E)한 후 노이즈가 제거된 깨끗한 생체 신호가 출력됨을 알 수 있다.Referring to FIGS. 10 and 11, after the biological signal, in which the 625 kHz noise that is output from the
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 증폭기(160)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention includes an
상기 증폭기(amplifier)(160)는 상기 RC 저역 통과 필터(150)를 통해 필터링된 생체 신호를 증폭시키는 역할을 한다.The
보다 상세하게는 상기 RC 저역 통과 필터(150)를 통해 필터링 되어 출력되는 생체 신호는 심장 박동에 의해 발생되는 생체 신호의 주파수 중 상기 RC 저역 통과 필터(150)를 통과한 생체 신호 주파수 신호로써, 이러한 생체 신호 주파수는 사람의 귀로 들을 수 있는 신호가 아닌 매우 미세한 신호이다. 이러한 미세한 신호를 상기 증폭기(160)를 통해 사람이 들을 수 있는 신호의 크기로 증폭하는 것이다.In more detail, the biosignal filtered and output through the
본 발명의 일예에서 상기 증폭기(160)는 상기 RC 저역 통과 필터(150)를 통해 필터링된 생체 신호를 15 내지 25배 증폭토록 하는 것이 바람직할 것이다.In one embodiment of the present invention, the
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 증폭기를 나타낸 회로도이다.12 is a circuit diagram illustrating an amplifier for explaining a non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 12를 참조하면, 상기 증폭기(160)는 상기 RC 저역 통과 필터(150)의 출력단과 연결되도록 설계하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 설계된 증폭기(160)는 24배 증폭이 가능한 증폭기로 설계되었다. 위에서 언급한 바와 같이 상기 증폭기(160)는 ADC(Analog to Digital Converter) 특성에 따라 15 내지 25배의 증폭이 가능하도록 설계할 수 있을 것이다. 이는 최초 설계 목적에 따라 증폭 비율을 선택적으로 설계할 수 있을 것이다.Referring to FIG. 12, the
도 13은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 그라운드를 나타낸 회로도이고, 도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 비접 촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 전원부를 나타낸 회로도이다.13 is a circuit diagram illustrating a ground for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention, Figure 14 is a power supply for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention. It is a circuit diagram.
도 13 및 도 14를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서는 그라운드 및 전원부를 포함하는 것이 바람직하다.13 and 14, the non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention preferably includes a ground and a power supply.
상기 그라운드는 및 전원부는 본 발명에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서가 구동되도록 하는 역할을 한다. The ground and the power supply unit serve to drive the non-contact heart rate measuring sensor according to the present invention.
또한, 상기 그라운드는 본 발명의 비접촉식 심장 박동 측정 센서가 정상적인 작동을 위해서 출력에 전극을 달아 센서의 바깥쪽에 위치하도록 설계하는 것이 바람직하다. 나아가 외부 물체의 움직임에 영향을 받지 않도록 쉴딩(shielding) 설계를 하는 것이 바람직할 것이다.In addition, the ground is preferably designed so that the non-contact heart rate measuring sensor of the present invention is located on the outside of the sensor by attaching an electrode to the output for normal operation. Furthermore, it may be desirable to design shielding so that it is not affected by the movement of external objects.
그리고 본 발명은 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 이용한 신호 처리 방법을 제공한다. 이하, 상술한 비접촉식 심장 박동 측정 센서에 대한 기재와 공통되는 부분의 기재는 생략하거나 약술하기로 한다.And the present invention provides a signal processing method using a contactless heart rate measurement sensor. Hereinafter, descriptions of parts common to those of the above-described non-contact heart rate measuring sensor will be omitted or abbreviated.
도 15는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 이용한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.15 is a schematic flowchart illustrating a signal processing method using a non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 15를 참조하면, 심장 박동에 의한 생체 신호를 측정하는 단계(S100); 인버터를 통해 상기 측정된 심장 박동 생체 신호를 기계가 알 수 있는 구형파로 변환시키는 단계(S200); 위상동기회로를 통해 상기 구형파로 변환된 생체 신호의 위상에 동기시키는 단계(S300); 상기 위상이 동기된 생체 신호를 버퍼링하는 단계(S400); 상기 버퍼링된 생체 신호를 필터링하는 단계(S500); 및 상기 필터링된 생체 신호를 증폭하는 단계(S600)를 포함한다.Referring to Figure 15, the step of measuring the bio-signal by the heart rate (S100); Converting the measured heart rate biosignal into a square wave known by a machine through an inverter (S200); Synchronizing with the phase of the biosignal converted into the square wave through a phase synchronization circuit (S300); Buffering the phase-synchronized biosignal (S400); Filtering the buffered biosignal (S500); And amplifying the filtered biosignal (S600).
상기 스텝 S100은 전극부 및 LC 오실레이터를 통해 심장 박동에 의한 생체 신호의 측정이 가능하다.In step S100, the biosignal may be measured by heartbeat through the electrode unit and the LC oscillator.
상기 스텝 S500은 30㎐ 이하의 주파수 대역의 생체 신호만을 통과시키도록 하는 것이 바람직하다.In step S500, it is preferable to allow only a biological signal of a frequency band of 30 Hz or less to pass therethrough.
상기 스텝 S600은 상기 스텝 S500을 거친 생체 신호의 주파수를 15 내지 25배 증폭되도록 하는 것이 바람직하다.In step S600, the frequency of the biosignal having passed through step S500 may be amplified 15 to 25 times.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the above has been described with reference to a preferred embodiment of the present invention, those skilled in the art will be able to variously modify and change the present invention without departing from the spirit and scope of the invention as set forth in the claims below. It will be appreciated.
도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 개략적인 블록도이다.1 is a schematic block diagram illustrating a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 LC 오실레이터와 인버터를 나타낸 회로도이다.2 is a circuit diagram illustrating an LC oscillator and an inverter for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 LC 오실레이터를 통해 출력되는 파형을 나타낸 도면이다.3 is a view showing a waveform output through the LC oscillator for explaining the non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 인버터로 입력되는 생체 신호의 파형을 나타낸 도면이다.4 is a view showing a waveform of a biosignal input to an inverter for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 인버터를 통과한 출력 파형을 나타낸 도면이다.5 is a view showing an output waveform passing through the inverter for explaining the non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 6은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 위상동기회로를 나타낸 회로도이다.6 is a circuit diagram showing a phase synchronization circuit for explaining a non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 7은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 전극부 앞에 사람이 위치하지 않을 경우와 심장이 위치할 경우에 각각 위상동기회로를 통해 출력되는 전압을 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a diagram illustrating voltages output through a phase synchronization circuit when a person is not positioned and a heart is positioned in front of an electrode for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 8은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 버퍼를 나타낸 회로도이다.8 is a circuit diagram illustrating a buffer for explaining a non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 9는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 RC 저역 통과 필터를 나타낸 회로도이다. 9 is a circuit diagram illustrating an RC low pass filter for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 10은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 버퍼를 통과한 생체 신호를 나타낸 도면이다.FIG. 10 is a diagram illustrating a biosignal that passes through a buffer for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 11은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 버퍼를 통과한 생체 신호를 나타낸 도면이다.FIG. 11 is a diagram illustrating a biosignal that passes through a buffer for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 12는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 증폭기를 나타낸 회로도이다.12 is a circuit diagram illustrating an amplifier for explaining a non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
도 13은 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 그라운드를 나타낸 회로도이다.FIG. 13 is a circuit diagram illustrating a ground for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 14는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 설명하기 위한 전원부를 나타낸 회로도이다.14 is a circuit diagram illustrating a power supply unit for explaining a non-contact heart rate measuring sensor according to an embodiment of the present invention.
도 15는 본 발명의 일실시예에 의한 비접촉식 심장 박동 측정 센서를 이용한 신호 처리 방법을 설명하기 위한 개략적인 흐름도이다.15 is a schematic flowchart illustrating a signal processing method using a non-contact heart rate measurement sensor according to an embodiment of the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *Brief description of the main parts of the drawing
100 : 전극부 110 : LC 오실레이터100: electrode 110: LC oscillator
120 : 인버터 130 : 위상동기회로120: inverter 130: phase synchronization circuit
140 : 버퍼 150 : RC 저역 통과 필터140: buffer 150: RC low pass filter
160 : 증폭기160: amplifier
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