Wearable healthcare is a promising research area which expects to shift the healthcare paradigm from the expensive hospital-centric therapies to the low-cost patient-centric disease management in personal daily life. To address this demand, this dissertation investigates unique Wearable-Body Sensor Network (W-BSN) environment. The scope of this dissertation includes from wearable healthcare system level considerations to bio-potential readout integrated circuit level design issues.
To measure weak bio-potential signals, such as Electroencephalography (EEG), Electrocardiography (ECG), and Thoracic Impedance Variance (TIV) with low-power consumption and high Signal-to-Noise-Ratio (SNR), 1) Common-Mode (CM) interference related issues; and 2) problems on Skin-Electrode-Interface imperfection were investigated based on experiments, and derived a wearable bio-potential signal acquisition model so as to provide the requirements of designing a low-noise bio-potential readout front-end. An ultra-low power continuous-time Chopper-Stabilized Capacitive-Coupled Instrumentation Amplifier (CS-CCIA), which optimizes circuit noise; enhances CMRR and gain accuracy; boosts input impedance; and enlarges the Electrode DC Offset (EDO) tolerable range, is proposed for wearable EEG monitoring. Compared with the state-of-the-art IA designs, the proposed IA improves the most of the challenging requirements specified in IFCN standards. To continuously monitor cardiac rhythms, a low-power System-on-Chip (SoC) is developed to record TIV of 0.1ohm and ECG signals with sensitivity of 3.17V/ohm and SNR >40dB. It is possible because of a high quality (Q-factor >30) balanced sinusoidal current source and low-noise reconfigurable readout electronics. A cm-range 13.56MHz fabric inductor coupling is adopted to start/stop the SoC remotely. In addition, a 5% duty-cycled Body Channel Communication (BCC) is exploited for 0.2nJ/b 1Mbps energy efficient external data communication. The proposed SoC occupies 5mm×5mm including pads in UMC 0.18??m 1P6M CMOS technology. It dissipates a peak power of 3.9mW when it operates in body channel receiver mode, and consumes 2.4mW when it operates in TIV and ECG detection mode. For in-vitro test, the SoC is integrated on a 15cm×15cm fabric circuit board together with a flexible battery to form a compact wearable sensor patch. With 25 adhesive screen-printed fabric electrodes, detection of TIV and ECG signals at 16 different sites of the heart is possible, allowing optimal detection sites to be configured to accommodate different user dependencies.
웨어러블 헬스케어는 최근 각광을 받고 있는 연구분야로서 사용자가 일상 생활 속에서 저 비용으로 간편하고 지속적으로 건강상태를 관리할 수 있게끔 한다. 본 논문에서는 웨어러블이라는 특수한 환경을 분석하고 이에 적합한 패치형태의 저 에너지 무선 헬스케어 센서장치구조를 새롭게 제시하였다.
뇌전도, 심전도, 심혈관 임피던스 등의 미약한 생체신호들을 웨어러블 환경속에서 안정적이고 저전력으로 검출하기 위해: 1) 인체에 유입되는 동상간섭 (common-mode interference)문제; 2) 피부 부착 시 사용자의 움직임에 의한 전극상태의 변화 등 문제를 실험을 통하여 분석하고 이를 토대로 높은 신호 대 잡음 비의 생체신호 검출 등가회로를 제시함으로써 헬스케어 센서 검출 부 설계에 대한 조건을 유도였다. 특히 증폭률의 높은 정확도, 저 잡음 특성, 검출회로의 입력 임피던스 강화, AC-Coupling의 효율성을 비교 및 분석하여 저 전력 저 잡음 Chopper-Stabilized Capacitive-Coupled Instrumentation Amplifier구조를 제안하였다.
위의 실험과 분석을 통하여 저전력 narrow-band 전류 주입회로 및 저 잡음, 높은 동상제거능력 (common mode rejection ratio)를 가진 AC-Coupled 생체신호 검출회로, 그리고 저 에너지 인체통신 송수신기, 및 fabric inductive-coupling을 이용한 원격센서제어장치를 함께 집적한 센서 Sytem-on-Chip (SoC)를 제작하였고 최대 4 이하의 power noise efficiency, 0.1ohm의 임피던스 감도 및 40dB이상의 신호 대 잡음 비 성능을 실험을 통하여 검증하였으며, 1Mb/s의 인체통신에서 0.2nJ/b의 저 에너지 특성을 보였다. 위의 센서 칩과, flexible battery, fabric inductor, fabric inductor array 등을 Fabric Circuit Board공정을 활용하여 파스형태의 프로토타입 센서장치를 구현하였으며 웨어러블 환경에서 최대 3.9mW의 전력소모로 심전도 및 심혈관 임피던스 등 생체신호를 모니터링하고 인체통신을 통하여 전송가능 함을 보였다.
