Cardiovascular disease is a general term used to describe disorders that can affect heart and blood vessels systems. Most cardiovascular diseases reflect chronic conditions that develop or persist over a long period of time. In this thesis, vital signs such as heart rate, pulse wave velocity, respiration, body temperature is measured from the electrical properties of human body. Bio-impedance method is a good candidate for the future hand-held health monitoring devices since it is simple, inexpensive and noninvasive. Bio-impedance plethysmography is usually associated with volume changes due to the heartbeats and respiration. Classically, pulse wave velocity and respiration are measured using transducer such as laser, ultrasonic and capacitive sensor that convert signal from mechanical movement to electrical charge flow.
In this thesis, respiration measuring methods are presented. Respiration monitoring in everyday life enables the early detection of the disease and disorders that can suddenly manifest in a life threatening episode. Suggested methodology monitor the body volume change in order to capture the respiration rate. In addition, the signal quality is analyzed according to the position of the electrodes to find their optimum position. It is also presented that how much air flows when the respiration occurs as well as respiration rate.
To measure the pulse wave velocity low power analog front end is designed. It enables that heart rate and pulse wave velocity can both be monitored using only small body area. The proposed switched current-controlled current source is also low power solution removing static power dissipation. This novel method can increase the efficiency which is ratio of the injected current and dissipation current. The sample and hold circuitry is used as a frequency down converter that has sinc filter property. This method can reduce the capacitor size of the filter and save much power. Body channel communication also adapted to remove the bulky and complex wires.
Moreover, the measurement equipment was bulky and uncomfortable to patients, and it had to be used under the doctors` assistance. However, using wireless sensors, the complex wire in existing medical equipment can be removed, enabling the patients to measure important physiological indicators without visiting hospital.
The impedance measurement technique is applied to the respiration sensor. To measure the respiration, four electrodes are attached on the abdomen area. When the impedance is measured from heartbeat, the strongest parameter is motion, when the subject move slightly, the measured voltage reacts sensitively and the signal is saturated. However, if the properties are used to monitor to motion, bio-impedance methods can be applied to the respiration sensor. The low power and low voltage temperature sensor is proposed. It uses the temperature dependent ring oscillator and counter. It employs the 1st order quantization noise to enhance resolution.
All non-electrical vital sings are measured using electrical method and all vital sign sensors are integrated.
본 연구에서는 심박, 체온, 호흡 및 혈관 탄성도를 나타내는 맥파속도(pulse wave velocity: PWV)를 전기적으로 측정할 수 있는 집적화된 U-health 센서를 개발하였다. 개발된 생체 신호 센서는 기존의 측정 장비의 불편함을 없애기 위해 소형화, 저전력화 및 저가격화를 목표로 CMOS 집적회로 설계를 통해 개발되었다. 특히 기존의 장비들에서 많이 사용되었던 기계적이거나 광학적인 소자를 일체 사용하지 않고 기계적인 신호인 호흡과 맥파속도를 전기적인 방법으로 측정하는 방식을 제안하고 구현 하였다. 이를 위한 핵심 기술로 생체전기저항 (bio-impedance: BI)측정 방법을 제안하였으면 반도체 설계 기술을 이용하여 집적화에 성공하였다.
첫 번째로 심박 신호를 측정하기 위해서는 기존 연구에서 널리 쓰이는 electrocardiogram(ECG)를 심장 부근에서 측정 하였다. 아울러 본 연구에서는 심박 신호를 측정하는 또 다른 방식을 제안하였는데, 바로 손목의 bio-impedance를 이용하는 것이다. 기존의 ECG 측정 방식은 전극이 두 개가 필요한데 이 전극이 심장에서 멀어질수록 전극을 몸의 양쪽으로 붙어야 한다는 단점이 있었다. BI 측정을 통하여 이러한 불편을 없애고 손목에서만 심박을 측정할 수 있었다. 두 번째로 맥파속도(PWV)는 가슴에서 측정한 ECG 신호와 손목에서 측정한 BI 신호의 시간차를 알아냄으로써 측정하였다. 이는 기계적인 신호인 PWV를 기존의 기계적 또는 광학적 방식을 사용하지 않고 전기적으로만 측정이 가능한 방법이다. PWV를 측정하기 위해서는 ECG와 BI가 동시에 측정되고, 이 신호는 Signal Processing Unit(SPU)로 전선을 통해 전달되며 이곳에서 신호의 최대값을 갖는 시간의 차이를 측정하게 된다. 이전의 연구들은 집적화된 시스템이 아니고 많은 외부 소자들을 사용하였다. 또한 긴 전선을 사용하여 측정에 큰 불편함을 초래하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 인체통신을 사용하였다. ECG는 가슴에서 측정을 하고 BI는 손목에서 측정을 하는데 가슴에서 측정된 ECG신호를 손목으로 전달하기 위해 인체 통신의 TX를 통해 변조된 신호를 인체로 보내주게 된다. 인체 통신의 RX는 손목에 위치하게 되는데 이를 통해 인체를 통과하면서 감쇄된 신호의 크기를 복원하며 변조된 신호를 복원하여 ECG와 BI를 하나의 DSP로 가져오게 된다. 이 과정에서 두 센서에서 사용되는 기준 주파수의 차이로 인한 문제를 해결하기 위해 아날로그 방식을 인체 통신을 새롭게 제안하였다.
세 번째로 호흡은 복부에서 BI를 측정하는 방식을 통해 전기적인 방식으로 측정하는 센서를 개발하였다. 전기적인 방식으로 측정이 되기 때문에 기존의 측정 방식에 비해 정확도를 높이면서 측정을 보다 편하게 할 수 있도록 하였다. 마지막으로 체온을 측정하기 위한 온도 센서는 oversampled noise shaping 기법으로 온도의 정밀도를 높이고 저전력, 저전압으로 동작하는 CMOS ring oscillator를 통하여 구현하였다.
