서지주요정보
Multi-modal electro-optical systems for healthcare applications = 헬스케어 어플리케이션을 위한 다중모드 전기 광학 시스템
서명 / 저자 Multi-modal electro-optical systems for healthcare applications = 헬스케어 어플리케이션을 위한 다중모드 전기 광학 시스템 / Yongsu Lee.
저자명 Lee, Yongsu ; 이용수
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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8033273

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초록정보

In this dissertation, two types of multi-modal electro-optical systems based on three ICs are proposed. The first IC is designed for hybrid integration of the CMOS and organic optical sensors for PPG signal monitoring as a sticker-type system. The P-FCB technology is adopted for connecting the CMOS IC with organic optical sensors. The proposed IC is implemented with 0.18 μm CMOS technology and five features are provided in the hybrid system for continuous PPG signal monitoring. 1) Power-efficient low-molecular weight based OLEDs are adopted as the light emitting elements. 2) In the CMOS IC, an analog front-end processor and a digital processor are integrated to achieve a small form-factor, and low-noise system. 3) The natural degradation of the organic optical sensors is compensated with the CMOS IC. 4) The large parasitic elements of the organic sensors are considered in the analog front-end design. 5) Motion artifact is rejected with the contact impedance sensor and cascaded adaptive filters. The second IC is implemented as clock synchronized multi-node WBAN transceiver for biomedical system. The 240 MHz clock signal is broadcasted from the hub IC and synchronized in every node IC. Multi-node ICs construct the channel environment-adapted ad-hoc network with the SR-RSSI scheme. So that, the 72 % power is reduced even in the harsh channel condition (<-50 dB attenuation). The proposed IC is implemented with 0.18 μm CMOS technology with consumes 274 μW in node IC and 2.8 mW in hub IC, respectively. By combining first and second ICs, multi-node sticker-type $SpO_2$/ExG monitoring system is hybrid integrated on the convenient/flexible PET substrate demonstrates small area (5.5cm x 2.5cm), light weight (2g including batteries) and the lowest power consumption (141 μW) in the comparison table. In the proposed system, the OLED driver and OPD sensor readout with optical calibration loop measures $SpO_2$ values and ExG signal from the various body parts while dissipating only 141 μW. The measured $SpO_2$/ExG data from the SN-SoCs is transferred to the hub-SoC through the BCC transceiver. In addition, the clock transmitter in the hub-SoC broadcasts the clock of 240 MHz to the SN-SoCs to remove the bulky off-chip crystal. Accurate $SpO_2$/ExG data were successfully acquired from the 20 human subjects and the extracted $SpO_2$ results’ maximum standard error with 1000 samples is 1.13 compared with commercial reference device. The third IC is designed for patch-type optical and electrical tomographic imaging system for skin disease diagnosis. The proposed IC is fabricated in 0.18 μm high voltage CMOS process with 7.54 mW average power consumption. From 2.8 ~ 4.2 V input voltage converts to 1.8 V for VDD and to 7 V for $V_{LED}$. CDMA DOT current driver operates with 16 MHz clock frequency and 3.9 kHz chip rate to achieve 7.0 fps hemodynamics imaging speed. Current range is wide from 0.05 mA to 6.4 mA with a 0.05 mA step. DOT receiver achieves fast settling time of DC rejection (50 μs) and wide dynamic range (100.4 dB). Weaver demodulator based EIT receiver operates with I/Q mismatch calibrator within current range of 0.1 to 1 mA. As a result,0.5 mm sensitivity and 2 mm selectivity dual tomographic imaging can be obtained for skin disease diagnosis.

이 논문에서는 3 개의 IC를 기반으로 한 두 가지 형태의 멀티 모달 전자 광학 시스템이 제안되었다. 첫 번째 IC는 스티커 형 시스템으로 PPG 신호 모니터링을위한 CMOS 및 유기 광 센서의 하이브리드 통합을 위해 설계되었습니다. P-FCB 기술은 CMOS IC와 유기 광 센서를 연결하기 위해 채택되었습니다. 제안 된 IC는 0.18μm CMOS 기술로 구현되었으며 연속 PPG 신호 모니터링을 위해 하이브리드 시스템에 5 가지 기능이 제공된다. 1) 발광 소자로는 저전력의 저전력 OLED가 채택되었다. 2) CMOS IC에서 아날로그 프런트 엔드 프로세서와 디지털 프로세서가 통합되어 소형 폼 팩터 및 저노이즈 시스템을 구현합니다. 3) 유기 광 센서의 자연적인 열화는 CMOS IC로 보상됩니다. 4) 유기 센서의 큰 기생 요소는 아날로그 프런트 엔드 설계에서 고려됩니다. 5) 접촉 임피던스 센서와 계단식 적응 필터를 사용하면 모션 인공물이 거부됩니다. 두 번째 IC는 생체 의학 시스템 용 클럭 동기화 다중 노드 WBAN 트랜시버로 구현됩니다. 240 MHz 클록 신호는 허브 IC에서 방송되고 모든 노드 IC에서 동기화됩니다. 다중 노드 IC는 채널 환경 적응 형 애드혹 네트워크를 SR-RSSI 방식으로 구성한다. 따라서 가혹한 채널 조건 (<-50dB 감쇄)에서도 72 % 전력이 감소합니다. 제안 된 IC는 노드 IC에서 274 μW, 허브 IC에서 2.8 mW를 소비하는 0.18 μm CMOS 기술로 구현된다. 제 1 및 제 2 IC를 결합함으로써, 다중 노드 스티커 형 SpO2 / ExG 모니터링 시스템이 편리하고 유연한 PET 기판에 하이브리드로 통합되어 작은 면적 (5.5cm x 2.5cm), 경량 (배터리 포함 2g) 및 최저 전력 소비량 (141 μW). 제안 된 시스템에서 광학 보정 루프가있는 OLED 드라이버 및 OPD 센서 판독 값은 다양한 신체 부위의 $SpO_2$ 값과 ExG 신호를 측정하며 단 141μW 만 방출합니다. SN-SoC에서 측정 된 $SpO_2$ / ExG 데이터는 BCC 트랜시버를 통해 허브 -SOC로 전송됩니다. 또한 hub-SoC의 클럭 송신기는 240MHz 클록을 SN-SoC에 브로드 캐스트하여 외부의 대형 크리스탈을 제거합니다. 20 명의 사람에게서 정확한 $SpO_2$ / ExG 데이터가 성공적으로 수집되었으며 추출 된 $SpO_2$ 결과의 1000 개 샘플의 최대 표준 오차는 상업용 기준 장치와 비교하여 1.13입니다. 세 번째 IC는 피부 질환 진단을위한 패치 형 광학 및 전기 단층 촬영 시스템을 위해 설계되었습니다. 제안 된 IC는 평균 전력 소비 7.54mW의 0.18μm 고전압 CMOS 공정으로 제작되었다. 2.8 ~ 4.2V 입력 전압에서 VDD의 경우 1.8V로, VLED의 경우 7V로 변환됩니다. CDMA DOT 전류 드라이버는 16 MHz 클럭 주파수 및 3.9 kHz 칩 속도로 작동하여 7.0 fps 혈류 역학 이미징 속도를 달성합니다. 전류 범위는 0.05mA 단계에서 0.05mA ~ 6.4mA까지 넓습니다. DOT 수신기는 DC 제거 (50μs) 및 넓은 동적 범위 (100.4dB)의 빠른 안정 시간을 달성합니다. 위버 복조기 기반 EIT 수신기는 0.1-1mA의 전류 범위 내에서 I / Q 불일치 교정기로 작동합니다. 결과적으로 0.5mm 감도와 2mm 선택성 이중 단층 촬영이 피부 질환 진단을 위해 얻을 수 있습니다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 19035
형태사항 vii, 114 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 이용수
지도교수의 영문표기 : Hoi-Jun Yoo
지도교수의 한글표기 : 유회준
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 References : p. 103-108
주제 auto calibration
body channel communication
clock synchronized
CMOS
hybrid integration
low-power
organic optical sensor
patch-type
PPG
skin disease diagnosis
$SpO_2$
sticker-type
자동 보정
인체매질통신
클럭 동기화
CMOS
하이브리드 통합
저전력
유기 광학 센서
패치 타입
PPG
피부질병진단
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