Motion artifact reduced multi-channel bio-signal sensor for sleep monitoring system is introduced. To prevent signal saturation due to large motion artifact, adaptive DC level control (ADLC) is adopted at the analog-front-end and independent component analysis (ICA) is implemented in FPGA to reduce large motion artifact at the digital domain. The bio-signal sensor is implemented to 4 channels and analog-front-end is reconfigurable to gather 4 kinds of bio-signal at once. The current-controlled level shifter (CCLS) is used in ADLC for the shifting voltage step as small as 3mV and the largest shifting voltage step is 100mV. The shift-ed DC level is extracted and removed with motion artifact through ICA. To reduce standby power dissipa-tion, the ICA also detects the channels suffered from motion artifact and enables ADLC circuit of those se-lected channels. The proposed 4-channel sleep monitoring sensor is implemented in a 0.13μm CMOS process, and consumes only 46μW to 73μW. With the proposed ADLC, 17.7 times larger motion artifact cannot saturate signal.
최근 수면의 중요성이 증대되면서, 수면 검사 시스템을 위한 연구가 계속되고 있고, 최근에는 집에서 환자가 직접 측정할 수 있는 간편한 웨어러블 형 수면 검사 시스템이 개발되고 있다. 그러나 수면 검사 시, 특히 웨어러블 환경의 경우 생체 신호를 측정하는 데에 있어 잠을 자는 환자의 무의식적인 움직임에 의해 큰 진폭으로 기준선이 흔들리는 현상이 발생하여 문제가 된다. 기존의 연구는 아날로그 단을 지나 디지털 단에서 움직임에 의한 신호의 왜곡을 없애는 연구가 진행되어 왔으나, 수면 검사 시 큰 진폭으로 기준선이 흔들리는 현상에 의해 신호가 전원 전압을 넘는 신호의 포화를 가져오고 이 경우 신호의 정보가 사라져 디지털 단에서는 신호의 왜곡을 없애더라도 이미 사라진 신호의 정보를 되살릴 수 없다.
이를 방지하기 위하여 아날로그 단에서 신호의 포화를 막고 신호의 정보를 보존하는 ADLC (adaptive DC level control) 블록을 제안하였고, 디지털 단에서 ICA (independent component analysis) 를 통해 큰 진폭의 신호 왜곡을 제거하도록 했다. 센서는 뇌파, 안전도, 심전도, 근전도의 4가지 생체 신호를 한 번에 측정할 수 있도록 총 4채널로 구성 되었고, 각 생체 신호의 특성에 맞도록 증폭률과 주파수 대역을 조절 가능하게 구현했다. 특히 ADLC 블록에서는 신호가 포화되는지의 여부를 찾아내고, 그에 알맞은 전류를 제어함으로써 신호의 DC level을 옮겨 주면서 신호의 포화를 방지했다. 이때 DC level은 약 3mV 단위로 100mV까지 이동 가능하다. 옮겨진 DC level로 인한 신호의 변화는 디지털 단에서 ICA를 통해 움직임에 의한 신호의 왜곡와 함께 분리되고 제거 된다. 또한 ICA에서 움직임에 의한 신호의 왜곡이 일어나고 있는 채널을 찾아 그 채널의 ADLC 블록을 켜주도록 함으로써 평소의 대기 전력 소모도 줄여 저전력이 가능하게 했다.
이러한 수면 검사용 생체 신호 센서는 0.13 μm CMOS 공정을 통하여 칩으로 구현되었고, 4 채널에 해당하는 총 전력은 최대 73 μW이다. 또한 기존 대비 최대 17.7 배 큰 진폭의 신호 왜곡이 발생해도 신호가 포화되지 않고 그 신호의 정보가 보존되며, 그 후 ICA를 통해 움직임에 의한 신호의 왜곡까지 제거하여 움직임에 의해서도 왜곡되지 않은 수면 검사 생체 신호를 얻는 데에 성공하였다.