[헬로티]
생체 신호 모니터링이 의료용 애플리케이션을 넘어서 다양한 분야로 확대되고 있다. 원래 생체 신호 모니터링은 병원에서 의료진의 엄격한 감독 하에 이루어져 왔다. 그런데 마이크로일렉트로닉스 기술이 진화하고 모니터링 시스템의 가격대가 낮아지면서 원격 의료, 스포츠, 피트니스, 웰빙, 작업장 안전, 그리고 자율주행이 가속화하고 있는 자동차 시장 같은 다양한 분야들에서도 생체 신호 모니터링 기술에 좀더 쉽게 접근할 수 있게 되었다. 접근이 용이해지긴 했다고는 해도, 건강과 관련된 이러한 애플리케이션의 특성상 여전히 높은 품질 기준이 요구된다.
생체 신호
생체 신호 모니터링은 여러 생리적 파라미터들을 측정해서 개인의 건강 상태를 파악할 수 있다. 심장 박동은 대표적인 파라미터 중의 하나로서, 심전도를 사용해서 측정할 수 있다. 심전도는 심박 주파수뿐 아니라 심박 변이도 측정도 가능하다. 심장 박동이 변화하는 것은 인체 활동으로 인한 것이다. 수면이나 휴식 중에는 심장 박동이 느린데, 신체 활동, 감정 반응, 스트레스, 불안 등으로 인해서 심장 박동이 빨라질 수 있다. 심박수가 정상 범위를 벗어나면 서맥(심박이 너무 느림)이나 빈맥(심박이 너무 빠름) 같은 이상을 나타낼 수 있다.
호흡 역시 주요한 생체 신호이다. 광혈류측정(PPG)이라고 하는 기법을 사용해서 혈중 산소 포화도(SpO2)를 측정할 수 있다. 산소 포화도가 낮으면 호흡기 계통과 관련한 질병이나 이상을 나타낼 수 있다. 개인의 신체 상태에 대해서 알려줄 수 있는 그 밖의 생체 신호로는 혈압, 체온, 피부 전도도 반응을 들 수 있다.
피부 전도도 반응은 피부 전기 반응이라고도 하며, 교감 신경계와 밀접한 연관성을 갖는다. 교감 신경계는 감정을 조절하는 역할을 한다. 피부 전도도를 측정함으로써 스트레스, 피로도, 심리 상태, 감정 반응 같은 것들에 대해서 지표를 얻을 수 있다. 체성분, 제지방량과 체지방률, 수분과 영양분을 측정함으로써 개인의 건강 상태를 파악할 수 있다. 또한 움직임과 자세를 측정함으로써 피시험자의 활동에 대한 유용한 정보를 얻을 수 있다.
그림 1. 광학 측정을 위한 신호 체인
생체 신호 측정을 위한 기술들
심박, 호흡, 혈압, 체온, 피부 전도도, 체성분 같은 생체 신호를 측정하기 위해서는 다양한 센서들을 사용해야 하며, 이들 솔루션은 크기, 에너지 효율, 신뢰성에 대한 요건들을 충족해야 한다. 생체 신호 측정을 위해서는 다음과 같은 측정 기술들을 사용할 수 있다:
- 광학 측정
- 생체 전위 측정
- 임피던스 측정
- MEMS 센서를 사용한 측정
그림 2. 생체 전위 및 생체 임피던스 측정을 위한 생체 전기 시스템
광학 측정
광학 측정을 위해서는 표준 반도체 기술 이상의 것들이 필요하다. 이 측정을 위해서는 광학 측정을 위한 도구들이 필요하다. [그림 1]은 광학 측정을 위한 툴 체인을 보여준다. 빛 신호를 생성하기 위해서 광원(통상적으로 LED)이 필요하며, 이 광원은 다수의 파장으로 이루어질 수 있다. 다수의 파장을 결합함으로써 측정 정밀도를 높일 수 있다. 광학 신호를 광전류라고 하는 전기 신호로 변환하기 위해서는 여러 실리콘 또는 게르마늄 센서(포토다이오드)가 필요하다.
포토다이오드는 충분한 감도와 선형성으로 광원의 파장에 반응해야 한다. 그런 다음 광전류를 증폭하고 변환해야 한다. 따라서 LED를 제어하고, 아날로그 신호를 증폭 및 필터링하고, 요구되는 분해능과 정확도로 아날로그-디지털 변환을 할 수 있는 고성능 고효율 다채널 아날로그 프런트엔드(AFE)가 필요하다.
광학 시스템의 패키징 또한 중요한 요소이다. 이 패키지는 내용물을 담는 컨테이너일 뿐 아니라, 하나의 시스템이기도 하다. 이 시스템은 하나 혹은 그 이상의 광학적 창을 포함하고 있으며, 이 창을 통해 들어오고 나가는 빛을 신호 무결성에 영향을 미칠 수 있는 과도한 감쇠나 반사를 일으키지 않은 채 필터링할 수 있다.
컴팩트한 멀티칩 시스템을 달성하기 위해서는 광학 시스템 패키지로 LED, 포토다이오드, 아날로그 및 디지털 프로세싱 칩을 비롯한 많은 소자들을 통합해야 한다. 또한 애플리케이션이 필요로 하는 스펙트럼 부분을 선택하고 원치 않는 신호들을 제거하기 위해서, 광학 필터를 구현하기 위한 코팅 기술도 중요하다. 햇빛에 노출되어서도 애플리케이션을 실행할 수 있어야 한다. 광학 필터가 없다면, 신호 강도가 아날로그 체인을 포화시키고, 그러면 전자장치들이 제대로 작동하지 못할 것이다.
아나로그디바이스(Analog Devices)는 다양한 포토다이오드 제품과, 포토다이오드로부터 수신한 신호를 처리하고 LED를 제어할 수 있는 다양한 아날로그 프런트엔드 제품을 제공한다. 또한 ADPD1081 같이 LED, 포토다이오드, 프런트엔드를 단일 디바이스로 통합한 포괄적인 광학 시스템 제품도 함께 제공한다.
생체 전위 및 생체 임피던스 측정
생체 전위는 인체에서 전기화학적 활동에 의해 발생하는 전기 신호이다. 생체 전위 측정의 예로는 심전도(ECG)와 뇌전도를 들 수 있다. 이들 측정 기법은 여러 간섭 요인이 존재하는 주파수 대역에서 매우 낮은 수준의 신호들을 검출한다. 따라서, 신호를 처리하기 앞서 신호를 증폭하고 여과해야 한다. 아나로그디바이스는 이 용도로 AD8233 및 ADAS1000 칩 제품군, 그리고 ADuCM3029를 비롯한 다양한 제품들을 제공한다.
AD8233은 웨어러블 용으로 설계되었으며, Cortex-M3 기반의 시스템온칩(SoC)인 ADuCM3029와 결합하여 완전한 시스템을 달성할 수 있다. ADAS1000 제품군은 하이엔드 애플리케이션용으로 설계된 제품으로서, 에너지 소모가 낮은 것이 특징이다. 따라서 배터리 전원을 사용하는 휴대형 기기에 특히 적합하며, 전력과 잡음 측면에서 다양한 구성의 제품들을 갖추고(전력 소모가 높아지는 것에 비례해서 잡음 수준을 낮출 수 있음) ECG 시스템용으로 적합한 통합 솔루션을 제공한다.
생체 임피던스 측정 또한 신체 상태에 대한 유용한 정보를 제공할 수 있다. 임피던스 측정은 피부전기 반응, 체성분, 수분 상태에 관한 정보를 제공한다. 각 파라미터마다 서로 다른 방법으로 측정을 해야 한다. 각각의 측정마다 필요로 하는 전극 수, 전극을 부착하는 부위, 사용하는 주파수대가 다르다.
예를 들어서 피부 임피던스를 측정할 때는 저주파수(200Hz까지)를 사용하고, 체성분 측정에는 통상 50kHz의 고정 주파수를 사용한다. 마찬가지로 수분 측정이나, 세포내액과 세포외액의 정확한 측정에는 또 다른 주파수들을 사용한다.
이처럼 사용하는 주파수가 다양한데, AD5940을 사용하면 이 모든 생체 임피던스 및 임피던스 측정에 단일한 프런트엔드를 사용할 수 있다. 이 디바이스는 주파수 발생 신호와 포괄적인 임피던스 측정 체인을 제공한다. 측정 요구에 맞게 다양한 주파수를 생성할 수 있다. AD5940와 AD8233을 함께 사용하면 [그림 2]에서 보는 것과 같은 포괄적인 생체 임피던스 및 생체 전위 측정 시스템을 구축할 수 있다. ADI는 임피던스 측정을 위한 또 다른 제품으로 ADuCM35x SoC 제품군도 제공하는데, 이 제품은 전용 아날로그 프런트엔드와 함께 Cortex-M3 마이크로컨트롤러, 메모리, 하드웨어 가속기, 통신 주변장치를 포함하므로 전기화학 센서와 바이오센서에 사용하기에 적합하다.
MEMS 센서를 사용한 모션 측정
MEMS 센서는 중력 가속도를 측정할 수 있으므로, 불안정한 보행, 낙상, 뇌진탕 같은 이상이나 사고를 감지할 수 있으며, 피시험자가 휴식하고 있을 때 자세를 모니터링하는 것도 가능하다. 또한 MEMS 센서를 사용하여 광학 센서를 보완할 수도 있다. 광학 센서는 움직임으로 인한 잡음의 영향을 받는다. 이럴 때 가속도계가 수집한 정보를 사용해서 보정을 할 수 있다. ADXL362는 의료용 분야에 널리 사용되고 있는 제품으로서, 업계에서 에너지 소모가 가장 낮은 3축 가속도계이다. 측정 범위를 2g ~ 8g까지 설정할 수 있으며 디지털 출력을 제공한다.
ADPD4000: 범용성 뛰어난 아날로그 프런트엔드
스마트 팔찌나 스마트 워치처럼, 다양한 생체 신호를 모니터링 할 수 있는 기능을 갖춘 웨어러블 기기들이 점점 더 늘어나고 있다. 대표적인 예로 심박 측정기, 만보기, 칼로리 계산기 등을 들 수 있다. 혈압과 체온 기능도 흔하게 사용되며, 피부전기 활동이나 혈류량 변화(광혈류측정) 같은 측정 기능들도 선보이고 있다.
이처럼 측정할 수 있는 기능들이 늘어남에 따라 고도의 통합 솔루션이 요구되고 있다. ADPD4000은 극히 유연한 아키텍처를 기반으로 하며, 바로 이러한 요구를 충족하는 솔루션을 제공한다. 이는 광학 측정 프런트엔드를 관리하고, LED를 제어하며, 포토다이오드를 검출하고, 생체 전위 및 생체 임피던스를 판독한다.
또한 ADPD4000은 보정을 위한 온도 센서를 내장하고, 스위치 매트릭스를 통합함으로써 싱글 엔디드나 차동 전압 신호에 따라서 필요한 출력을 제공하고 신호를 포착할 수 있다. ADC의 입력 요구에 따라서 출력을 싱글 엔디드나 차동으로 선택할 수 있다. 또한 서로 다른 특정 센서를 처리하도록 12가지의 시간 대역을 설정할 수 있다. [그림 3]은 ADPD4000의 특징과 애플리케이션 사례를 보여준다.
그림 3. ADPD4000을 사용한 광학 측정과 생체 전위, 생체 임피던스, 체온 측정
맺음말
기술이 진화함에 따라서 생체 신호 모니터링을 다양한 분야에 사용할 수 있게 되었다. 치료를 위한 것이든 예방을 위한 것이든, 건강과 관련한 이러한 솔루션에는 신뢰할 수 있고 견고한 기술이 필요하다. 아나로그디바이스는 다양한 유형의 방대한 신호처리 제품 포트폴리오를 제공하므로, 생체 신호 모니터링 시스템 설계 엔지니어가 자신의 설계에 적합한 솔루션을 편리하게 선택할 수 있다.
글 : 코시모 카리에로(Cosimo Carriero) 아나로그디바이스(Analog Devices) FAE(필드 애플리케이션 엔지니어)
