Wearable healthcare is a promising research field which leads to shift the healthcare paradigm from the expensive and low quality of life (QoL) hospital-centric healthcare to the low-cost and high QoL patient-centric healthcare. Until now, previous wearable healthcare systems have been developed in two separate ways: 1) wearable sensors to monitor the patient’s health condition; and 2) wearable stimulators to provide electrical stimulation for remedial value. Consequently, optimized and safe electrical stimulation cannot be guaranteed. To solve these problems, this dissertation proposes two multi-modal biofeedback electrical stimu-lation ICs which contain both sensor circuit and stimulation circuit together for closed-loop controlled weara-ble healthcare. The proposed three ICs can measure the patient’s status or treatment status during the electrical stimulation for optimized and efficient treatment.
The first IC is multi-modal feedback electro-acupuncture (EA) controller IC. The proposed EA con-troller IC measures the electromyography (EMG) and the skin temperature to analyze the stimulation status as well as supplies programmable stimulation current ($40 \mu A$ - 1 mA) with five different stimulation modes. The large time constant (LTC) sample and hold (S/H) current matching technique achieves the high-precision charge balancing (< 10 nA) for the patient’s safety. The proposed EA controller IC consumes 6.8 mW at 1.2 V supporting 32 different current levels. Based on EMG and skin temperature analyses, the practitioner can adaptively change the stimulation parameters for the optimal treatment value.
The second IC is dual-impedance feedback iontophoresis controller IC. An iontophoresis stimulator front-end provides programmable stimulation current ($16 \mu A$ - $512 \mu A$ amplitude, DC - 500Hz frequency, and 3 % - 100 % duty cycle) for controllable drug delivery. For biofeedback operation, a dual-mode imped-ance sensor measures load and tissue impedances. The proposed IC consumes peak power of 2.2 mW. From the measured tissue impedance, the delivered drug dosage can be estimated. The user adaptively controls the stimulation parameters for optimized and accurate drug delivery. The third IC is the revised iontophoresis controller IC which contains the Bluetooth interface for wide compatibility with various smart devices.
These three ICs are integrated into fabric patches using planar-fashionable circuit board (P-FCB) tech-nology for comfortable feeling to the skin. In order to implement compact fabric patch, multi-layer P-FCB technology is adopted. Thanks to two multi-modal biofeedback electrical stimulation systems with three ICs, more functional, safe, and convenient treatments can be achieved. The proposed multi-modal biofeedback electrical stimulation systems are fully implemented and verified by both in-vitro and in-vivo experiments.
웨어러블 헬스케어는 기존의 고비용, 고위험의 병원 기반의 헬스케어를 저비용, 저위험의 환자 중심의 헬스케어로 헬스케어의 페러다임을 바꿀 수 있다는 측면에서 미래형 헬스케어로 매우 각광을 받고 있다. 지금까지 웨어러블 헬스케어 시스템은 1) 환자의 상태를 파악하는 웨어러블 센서, 2) 치료 효과를 얻기 위하여 전기 자극을 하는 웨어러블 자극기의 두 가지의 분리된 형태로 개발이 되어 왔다. 서로 분리되어 개발이 되어 왔기 때문에, 안전하고 최적화된 전기 자극을 보장할 수 없었다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 학위 논문에서는 센서 회로와 자극기 회로를 함께 내장하고 있는 생체 신호 피드백 전기 자극기 IC를 제안하여 웨어러블 센서와 웨어러블 자극기를 통합하고자 한다. 제안한 세 종류의 생체 신호 피드백 전기 자극기는 전기 자극을 하면서 환자의 상태와 치료 상태를 확인할 수 있기 때문에 보다 더 효과적이고 최적화된 전기 치료를 제공할 수 있다.
첫 번째 IC는 근전도와 체온을 피드백 할 수 있는 전기침 제어 IC이다. 제안한 전기침 IC는 5가지 서로 다른 파형의 프로그래머블한 전류 자극 ($40 \mu A$ - 1 mA)을 하면서 근전도와 피부 온도를 측정하여 환자 상태와 자극 상태를 파악한다. Large Time Constant (LTC) sample and hold (S/H) 전류 매칭 기법을 사용하여 10 nA 이하의 매우 정확한 charge balancing을 하여 환자의 안전성을 높였다. 제안한 전기침 IC는 1.2 V의 공급 전압에서 6.8 mW의 전력을 소모한다. 측정된 근전도와 피부 온도를 분석하여, 시술자 혹은 사용자는 최적의 치료효과를 얻기 위하여 전기 자극 변수를 실시간으로 조절할 수 있다.
두 번째 IC는 두 종류의 임피던스를 피드백하는 이온토포레시스 제어 IC이다. 제안한 이온토포레시스 IC는 조절 가능한 표피 약물 전달을 하기 위하여 프로그래머블한 전류 자극 ($16 \mu A$ - $512 \mu A$, DC-500Hz, 3%-100% 전류 비율)을 제공한다. 생체 신호 피드백 동작을 위하여, 이중 모드 임피던스 센서는 부하 임피던스와 생체 임피던스를 측정한다. 측정된 생체 임피던스로부터 전달된 약물의 양을 분석할 수 있다. 따라서 사용자는 현재 약물 전달 상태를 확인하면서 정확한 약물 전달을 할 수 있도록 전류 자극 변수를 조절할 수 있다. 제안한 이온토포레시스 IC는 2.2 mW의 전력을 소모한다. 세 번째 IC는 이온토포레시스 제어 IC를 수정한 것으로, 기존의 다양한 스마트 디바이스와의 호환성을 위하여 블루투스 인터페이스를 추가한 것이다.
위 세 종류의 IC들은 planar-fashionable circuit board (P-FCB) 기술을 이용하여 플렉서블한 직물 위에 패치형 시스템으로 구현이 되었다. 작고 가벼운 패치로 구현이 되기 위하여, 다층 구조의 P-FCB 기술이 도입이 되었다. 세 종류의 IC를 기반으로 한 두 종류의 새로운 다중 생체 신호 피드백 전기 자극기 시스템으로 인하여, 다양한 기능성의 안전하고 편리한 치료가 가능하게 되었다. 제안한 생체 신호 피드백 전기 자극기 시스템들은 in-vitro와 in-vivo 측정을 통해서 성공적으로 검증되었다.
