ISSN 1226-3133 (Print)․ISSN 2288-226X (Online)
발진기의 2채배 고조파 주파수 천이를 이용한 생체신호 측정센서
Vital Sign Sensor Based on Second Harmonic Frequency Drift of Oscillator
구기영*’****․홍윤석**’***․이희조*****․윤기호******․육종관***․김강욱****
Ki-Young Ku*’****․Yunseog Hong**’***․Hee-Jo Lee*****․Gi-Ho Yun******․
Jong-Gwan Yook***․Kang-Wook Kim****
요 약
본 논문에서는 공진기와 인체와의 거리에 따른 근접 전자기장 변화에 의한 공진기 임피던스의 변화를 토대로 사람의 호흡 및 심박신호를 검출할 수 있는 센서를 제안한다. 제안된 생체신호 측정센서는 패치형 공진기가 결합된 발진기, 발 진주파수의 2채배 주파수만 통과시키기 위한 다이플렉서, 증폭기, SAW 필터 및 RF 검출기로 구성되어 있다. 호흡과 심박신호와 같은 인체의 주기적인 움직임은 근접 전자기장 영역 안에서 공진기의 임피던스 변화를 야기하며, 발진기의 주파수를 변화시킨다. 감도를 향상시키기 위해 발진주파수의 2채배 주파수 천이를 SAW 필터의 저지대역에 위치시킴으 로써, 제안된 센서의 검출 거리를 2배로 확장시킬 수 있다. 제안된 센서의 측정결과, 최대 40 mm까지 호흡 및 심박신호 가 안정적으로 측정되는 것을 확인하였다.
Abstract
In this paper, a vital sign sensor based on impedance variation of resonator is proposed to detect the respiration and heartbeat signals within near-field range as a function of the separation distance between resonator and subject. The sensor consists of an oscillator with a built-in planar type patch resonator, a diplexer for only pass the second harmonic frequency, amplifier, SAW filter, and RF detector.
The cardiac activity of a subject such as respiration and heartbeat causes the variation of the oscillation frequency corresponding impedance variation of the resonator within near-field range. The combination of the second harmonic oscillation frequency deviation and the superior skirt frequency of the SAW filter enables the proposed sensor to extend twice detection range. The experimental results reveal that the proposed sensor placed 40 mm away from a subject can reliably detect respiration and heartbeat signals.
Key words: Near-Filed, Oscillator, Patch Type Resonator, Second Harmonic Frequency Deviation, Vital Sign Sensor
「본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 ICT융합고급인력과정지원사업의 연구결과로 수행되었음(IITP-2015-H8601-15-1008).」
*국방기술품질원 기술분석팀(Technology Analysis Team, Defense Agency for Technology and Quality) **한화탈레스 레이더체계그룹(Radar and PGM Center, Hanwha Thales)
***연세대학교 전기전자공학과(Department of Electric and Electronic Engineering, Yonsei University)
****경북대학교 전자공학과(School of Electronics Engineering, College of IT Engineering, Kyoungpook National University) *****대구대학교 물리교육과(Department of Physics Education, Daegu University)
******성결대학교 정보통신공학부(Department of Information and Communication Engineering, Sungkyul University)
․Manuscript received November 11, 2015 ; Revised January 21, 2016 ; Accepted February 22, 2016. (ID No. 20151111-092)
․Corresponding Author: Jong-Gwan Yook (e-mail: jgyook@yonsei.ac.kr)
Ⅰ. 서 론 인구의 급속한 고령화와 국민소득 향상에 따라 의료서 비스 패러다임이 사후 치료에서 사전 예방 및 관리 중심
으로 변화되고 있으며, 최근 무선기기의 발달은 지속적으 로 생체신호의 측정 및 결과 전송을 가능하게 하였다[1],[2]. 주로 측정되어지는 생체신호는 호흡, 맥박(심전도), 혈중 산소포화도, 피부 전도도 및 운동량 등 다양하며, 심전도 측정을 위한 접촉 또는 비접촉식 심전도(ECG) 센서[3],[4], 혈중 산소포화도 측정을 위한 IR 센서 등 다수 센서들의 결합을 통해 u-헬스케어 시스템을 구축하기 위해 노력하 고 있다. 특히 심전도 센서들은 접촉식에서 비 접촉식 형 태로 연구개발이 진행되고 있다. 더불어 RF와 마이크로 웨이브영역에서도 비 접촉식 생체신호 측정을 위한 연구 들이 활발히 이루어지고 있다[5]. 이는 신체에 직접 부착 하지 않기 때문에 알레르기에 취약한 유아/성인이나 화상 환자 등의 생체신호 측정을 용이하게 한다.
비 접촉 형태의 RF 측정 센서는 크게 능동형과 수동형 으로 구분할 수 있다. 능동형은 신호를 송신한 후 신체에 부딪혀 되돌아오는 수신 신호와의 비교를 통해 생체신호 를 검출한다. 이러한 대표적 구조는 도플러 효과를 이용 한 원거리(또는 근거리) 생체신호를 검출하기 위한 FM- CW, CW 레이더 등이 있다[6]～[9]. 반면, 수동형은 송신신 호 없이 신체와 센서 사이의 근접 전자기장의 변화를 이 용하여 호흡 및 심박 신호를 검출하였다[10]～[13]. RF 공진 기를 신체에 근접시키면 공진기의 임피던스가 변화되며, 결합된 발진기의 주파수 천이(drift) 현상을 이용하여 검 출해 내는 방식이다. 주파수 천이를 DC로 검출하는 방식 중 SAW 필터와 RF 검출기[10],[11], Injection-locking[12] 및 위 상고정루프[13] 방법 등이 제안되었다.
본 논문에서는 감도 향상을 위해 발진기의 2차 고조파 주파수 변이 및 유사 검출시스템(SAW 필터 및 RF 검출 기)의 조합을 통해 기존 논문[10] 대비 2배의 검출거리를 갖는 비접촉식 생체신호 측정센서를 제안하였다.
Ⅱ. 센서 시스템
제안된 근접 생체신호 측정센서의 구성도는 그림 1과 같다. 센서는 평면형 공진기 및 일체형 발진기, 저역 및 고역통과필터가 결합된 다이플렉서, 증폭기, SAW 필터, RF 검출기, 연산증폭기 및 신호처리부분으로 구성되어 있다.
그림 1. 제안된 센서의 구성도
Fig. 1. Architecture of the proposed sensor.
그림 2. 근접 전자기장 내의 인체 영향이 고려된 평면형 공진기의 간략화 회로 모델
Fig. 2. Simplified circuit model of planar resonator asso- ciated with body proximity effect within near-field range.
평면형 공진기는 발진기의 직렬 궤환 소자로서 동작할 뿐만 아니라, 근접 전자기장 내의 안테나로써 동작한다.
근접 전자기장내의 인체 영향이 고려된 평면형 공진기의 단순화된 RLC 회로 모델을 그림 2에 나타내었다. 호흡 및 심박과 같은 신체의 주기적 움직임은 간단히 가변 캐 패시턴스(Cpv)로 모델링[13]할 수 있다. 가변 캐패시턴스의 변화는 공진기의 입력 임피던스의 변화, 즉 발진주파수의 변경을 의미한다. 주기적인 신체의 움직임(호흡 및 심박 활동)의 영향을 고려한 평면형 공진기의 입력 임피던스 는 다음과 같이 표현할 수 있다[13].
(1)
tan
(2)
║′ ║′ (3)
′
′
(4) 발진기의 출력주파수 중 관심 있는 주파수는 2차 고조 파 신호이며, 기본파(f0,～1.2 GHz)는 다이플렉서를 통과 하면서 차단되고, 원하는 주파수성분(2 ․ f0,～2.4 GHz)만 을 증폭기로 전달되도록 구성하였다. 이는 공진기를 저주 파대역으로 구현함으로써 소자의 오차 및 온도 등의 영 향에 둔감하면서 발진주파수를 SAW 필터의 최대 감쇄율 (dB/MHz)을 보이는 주파수 영역에 위치시키기가 용이하 다. 더불어 2차 고조파 신호에 의한 주파수 편이(Δf )를 2 배로 증가시켜 감도 개선을 가능하게 한다. 증폭기를 통 해 증폭된 2차 고조파 신호는 SAW 필터에 입력되고, 필 터의 차단 영역에서 기울기가 가파른 영역의 중심에 위 치하게 된다. 따라서 신체의 움직임에 따른 주파수 천이 는 SAW 필터를 거치면서 진폭의 변화가 생긴다[12]. 이를 RF 검출기를 사용하여 DC로 변환 및 신호처리를 수행함 으로써 호흡 및 심박과 같은 신체의 주기적인 움직임을 효과적으로 측정할 수 있다.
2-1 평면형 공진기 일체형 발진기
제안된 평면형 패치형태의 공진기를 그림 3에 나타내 었다. 일반적인 λg/2의 사각패치 안테나 형태에서 소형 화를 위해 단락 포스트(shorting post)를 이용하여 λg/4 패 치 안테나 형태의 공진기를 구성하였다[14]. 공진기의 물리 적 크기는 그림 3에 세부적으로 나타내었으며, 두께 0.787 mm, 상대유전율 2.2 및 손실탄젠트 0.0009의 기판을 사용 하였다. 진기의 전체 크기는 55 mm×55 mm이며, 능동소 자가 배치된 층과는 비아(via)를 통해 연결하였다. 공진기 의 시뮬레이션 및 측정된 결과를 그림 4에 나타내었으며, 시뮬레이션 및 측정은 각각 3-D 전자기 해석 툴인 HFSS 와 E5017B(ENA)를 사용하였다. 측정결과로부터 공진주 파수 및 부하 Q(loaded Q)는 약 1.231 GHz에서 36을 나타 내었다. 발진주파수의 변화량은 안정도 계수(SF)로 나타
(a) 평면도 (b) 측면도
(a) Top view (b) Side view 그림 3. 제안된 패치 공진기 형상
Fig. 3. Geometry of the proposed patch resonator.
그림 4. 설계된 공진기의 반사 특성
Fig. 4. Amplitude(S11) characteristics of the designed reso- nator.
낼 수 있으며, 부하 Q에 비례하므로 낮은 Q를 갖도록 설 계하여 주파수 변화량을 크게 하였다[15].
∆
∆
(5) 주파수 가변 가능한 구조의 발진기 회로도를 그림 5에 나타내었으며, 직렬궤환 구조를 갖는다. 공진기는 BJT의 베이스 단자에 직접 연결되며, 출력 주파수 미세 조정을 위해 버랙터 다이오드를 사용하였다[16]. 발진기에 사용된 능동소자는 BFP420이며, 베이스 전류 50 uA, 컬렉테-에 미터 전압 4 V 및 컬렉터 전류 5.2 mA를 갖도록 설계하 였다. 그림 6에 기본주파수(1.2126 GHz, 0 dBm) 및 2차 고
그림 5. 발진기 회로도
Fig. 5. Schematic diagram of the oscillator.
그림 6. 발진기 출력 특성
Fig. 6. Output characteristics of the oscillator.
조파 성분을 나타내었으며, 본 논문에서 사용하고자 하는 주파수 성분은 2차 고조파 발진주파수인 2.4248 GHz의
—10 dBm 출력 신호이다.
발진기의 주파수 천이는 주로 공진기와 결합된 인체의 특성(유전율, 도전율 등) 및 인체와의 거리에 따라 영향을 받는다. 이와 관련하여 공진기의 입력 임피던스를 정확히 예측하기 위해 구조가 간단한 직육면체(300 mm×300 mm
표 1. 간략화 된 신체 모델 특성
Table 1. Characteristics of simplified body model.
Tissues Relative permittivity
Conductivity (S/m)
Thickness (mm)
Loss tangent
Fabric 1.52 - 3.2 0.012
Skin 40.2 0.97 1.3 0.360
Fat 5.42 0.06 10.5 0.163
Muscle 54.4 1.05 20.0 0.290
그림 7. 공진기의 군지연 특성
Fig. 7. Group delay(S11) characteristics of the designed re- sonator.
×35 mm) 형상의 인체모델을 공진기 전면에 위치시켰다.
시뮬레이션에 사용된 인체 모델의 세부적인 내용은 직물 (옷), 피부층, 지방층, 근육층으로 구분하여 표 1에 나열하 였다[17]. 그림 7은 인체와의 거리를 10 mm 간격으로 최대 40 mm까지 이격 거리에 따른 시뮬레이션 결과를 나타낸 다. 공진주파수는 인체모델이 없는 경우(free 조건)에 비 해서 이격 거리가 가까울수록 저주파 대역으로 이동하는 것을 알 수 있으며, 약 5 MHz의 공진주파수 천이를 보였 다. 일반적으로 공진 주파수는 군 지연 특성의 정점에서 결정되어진다[18].
2-2 주파수 천이 검출기
본 논문에서 사용된 주파수 천이 검출기의 동작 흐름 을 그림 8에 나타내었다. 인체와 결합된 공진기의 입력 임피던스의 변화에 의해 발진 주파수가 생성되며, 다이플
그림 8. 주파수 천이 검출 과정
Fig. 8. Procedure of oscillation frequency deviation to vol- tage conversion.
(a) 다이플렉스 및 SAW 필터 결합 특성
(a) Combination characteristics of the diplexer and SAW filter
(b) 감쇄 특성
(b) Attenuation characteristics 그림 9. 필터부 전달특성
Fig. 9. Transfer characteristics of the filters.
렉스를 통해 원하는 2차 고조파 주파수만을 걸러내어 SAW 필터의 입력으로 전달한다. SAW 필터는 발진기의
발진주파수 천이(호흡 및 맥박의 움직임에 따라 변화됨) 를 진폭의 크기로 나타내며, 최종 RF 검출기를 통해 입력 전력의 진폭을 전압으로 나타낸다[10]. 그림 9(a)는 다이플 렉서, 증폭기 및 SAW 필터가 연결된 상태의 전달 특성을 보여주고 있으며, 기본파가 생성되는 1.2 GHz 대역의 주 파수 성분을 약 —60 dBc 이상 차단함으로써 주파수 천이 검출기는 전적으로 2차 고조파 주파수에 의해서만 영향 을 받는 것을 알 수 있다. SAW 필터의 주파수 대비 감쇄 특성을 그림 9(b)에 나타내었으며, 약 17 MHz(2.418～
2.435 GHz) 영역에서 우수한 감쇄특성을 보이며, 최소 0.8 dB/MHz에서 최대 1.5 dB/MHz의 감도를 갖는다.
Ⅲ. 측정 결과
그림 10의 센서는 공진기 및 능동소자 회로부분을 각 각 독립적으로 제작한 후 적층하였다. 제안된 센서의 성 능을 검증하기 위해 그림 11과 같이 압력식 맥박센서를 동시에 측정하여 상호비교를 통해 측정결과의 신뢰도를 확보하였다. 측정은 신체 부착형과 40 mm의 이격 거리를 두고 측정하였다. 신호처리 부분은 데이터 획득 장비 (DAQ, NI9234)로부터 출력된 디지털 신호를 FFT 처리에 의해 주파수축으로 변환하여 호흡 및 심박 수를 확인하 였다. 그림 12(a)는 호흡과 심박신호를 포함하고 있는 시 간 축 순시데이터이며, 이를 FFT 처리한 결과를 그림 12(b)에 나타내었다. 측정결과로부터 호흡신호는 0.38 Hz
(a) 공진기 (b) 능동회로 파트
(a) Resonator (b) Active circuit part 그림 10. 제작된 센서
Fig. 10. Photograph of the fabricated sensor.
그림 11. 측정 구성도 Fig. 11. Measurement setup.
(a)
(b)
그림 12. 생체신호 측정 결과(이격거리: 40 mm). (a) 시간 축에서 RF 검출기를 통해 측정된 결과와 압력 식 맥박센서 결과, (b) 주파수 축에서의 결과 Fig. 12. Measured results of vital signal at 40 mm away
from subject. (a) Measurement result based on RF detector and finger pressure sensor in time domain, (b) Spectrum result.
(22.8회/분), 심박신호는 0.92 Hz(55.2회/분)을 나타냈다.
측정된 심박신호는 기준신호로 사용된 압력식 맥박센서 의 측정결과와 일치하는 것을 확인할 수 있다. 호흡신호
그림 13. 생체신호 측정 결과(의복 부착형)
Fig. 13. Measured output signal of attached vital sensor(10 mm, 20 mm).
를 배제하기 위해 의복 부착형 구조를 고려하여 측정한 결과를 그림 13에 나타내었다. 측정된 심박 신호는 분당 58～59회의 횟수를 나타내며, 기준 센서와 측정결과가 일 치하는 것을 알 수 있으며, 이격 거리에 따라 신호 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 공진기와 인체와의 이격 거리에 따른 근접 전자기장 변화에 의한 공진기 입력 임피던스의 변화 를 토대로 발진주파수의 천이(draft)를 SAW 필터 및 RF 검출기를 사용하여 원하는 생체 신호를 추출하였다. 감도 향상을 위한 방법으로 기본 발진 신호의 2차 고조파 주파 수 이용하였으며, 이를 SAW 필터에 입력시켜 필터의 감 쇄기울기가 우수한 영역에서 생체움직임을 검출하도록 하였다. 그 결과, 기존 연구[10]대비 유사 검출시스템(SAW 필터 및 RF검출기)의 구조에서 검출거리가 2배 확장됨을 확인하였다. 제안된 센서의 확장된 검출거리로 인해 스마 트 의자/침대, 운전자 상태 모니터링 및 헬스케어 관련 다 양한 적용이 가능할 것으로 판단된다.
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2010년 2월: 연세대학교 전기전자공학과 (공학박사)
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2012년 4월～2013년 11월: 연세대학교 융 합기술연구원 연구교수
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1996년 12월: University of Michigan 전기 전자공학과 (공학박사)
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1998년 10월～1999년 2월: Qualcomm Inc. Senior Engineer 1999년 3월～2000년 2월: 광주과학기술원 조교수 2000년 3월～현재: 연세대학교 전기전자공학과 교수 2012년～2013년: IEEE Distinguished Lecturer (EMC Society) [주 관심분야] 수치 해석, 바이오 센서, 마이크로파 구조 해석,
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[주 관심분야] 마이크로파 통신 시스템 및 서브시스템, 마이크 로파 및 밀리미터파 부품 및 패키징, 무선 통신용 안테나, 전 자기 상호 작용 및 전자기 수치 해석, 핵융합 플라즈마 진단
