WO2020050568A1 - 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치 - Google Patents

생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치 Download PDF

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WO2020050568A1
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WO
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microelectrodes
measurement
bio
biosignal
bioelectrode
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최헌진
채영철
성재석
나주관
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연세대학교 산학협력단
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    • A61B5/72—Signal processing specially adapted for physiological signals or for diagnostic purposes
    • A61B5/7225—Details of analog processing, e.g. isolation amplifier, gain or sensitivity adjustment, filtering, baseline or drift compensation

Definitions

  • the present invention relates to a bio-signal measurement and stimulation device. Specifically, it relates to a bio-signal measurement and stimulation device equipped with a bio-electrode.
  • the present invention relates to a technique for measuring a neural biosignal and analyzing the signal, and then providing an appropriate stimulus.
  • the biosignal is precisely measured to identify the biological structure / function of a living body, an animal, or a plant.
  • Bio-signal measurement and stimulation structure for measurement and analysis.
  • the biosignal measurement and stimulation apparatus equipped with the bioelectrode according to the present invention has the following problems.
  • the present invention is a bio-signal measuring device in which a signal measuring unit provided with a plurality of microelectrodes is disposed on a substrate, wherein at least one of a signal measuring unit, a measuring signal processing unit and a driving power unit or a wireless communication unit is disposed on the substrate. It is a biosignal measurement and stimulation device equipped with a bioelectrode, which is arranged in the longitudinal or transverse direction and measures or stimulates a biosignal from the microelectrodes formed in an array pattern.
  • the microelectrode according to the present invention may be provided as a solder bump.
  • the solder bump according to the present invention may be in a round shape or a tapered cone shape in upper and lower light.
  • the power unit for driving according to the present invention is any one of a coin type battery, a film type thin film battery, a piezoelectric battery, a friction electric battery, a solar power wireless power transmitter, an RF wireless power transmitter, a bio fuel cell, and a super capacity. It is preferred.
  • the wireless communication unit according to the present invention may use any one of Bluetooth communication elements, Wi-Fi communication elements and BCC communication elements.
  • the microelectrodes formed in the array pattern are set of one microelectrode as a reference electrode and other microelectrodes located at the same distance from the reference electrode, and corresponding electrode groups are set for each corresponding electrode group. It is possible to average the measured values of the biosignal with each of the fine electrodes of the and corresponding electrode groups.
  • an average of measured values excluding at least one of an upper limit value or a lower limit value among measured values for each corresponding electrode group can be obtained.
  • the plurality of microelectrodes according to the present invention are patterns arranged in the same number in the longitudinal and transverse directions, and the reference electrode is preferably any one of the multiple microelectrodes.
  • the plurality of microelectrodes according to the present invention are arranged in the same number of odd numbers in the longitudinal and transverse directions, and the reference electrode may be set as a microelectrode located at the center.
  • the plurality of microelectrodes according to the present invention are patterns arranged in different numbers in the longitudinal and transverse directions, and the reference electrode is preferably any one of the multiple microelectrodes.
  • a plurality of microelectrodes according to the present invention are disposed on a circle center of a plurality of concentric circles and a circumference of each concentric circle, a reference electrode is a microelectrode disposed at the center of the circle, and a corresponding electrode group is a microelectrode disposed on the circumference of each concentric circle It is preferred to be electrodes.
  • the biosignal measurement and stimulation apparatus equipped with the bioelectrode according to the present invention has the following effects.
  • the signal measuring unit, the measuring signal processing unit, the driving power unit and the wireless communication unit are arranged in the longitudinal or transverse direction, thereby miniaturizing the biosignal measuring device.
  • a wireless communication device such as a Bluetooth communication device, a WiFi communication device, a BCC communication device, there is an effect of easily transmitting the measured value wirelessly.
  • FIGS. 1A to 1C are various embodiments of structural schematic diagrams of a bio-signal measuring apparatus according to the present invention.
  • FIGS. 2A to 2C show schematic diagrams of overall shapes and vertical cross-sections of a biosignal measuring apparatus according to the present invention.
  • 3A and 3B show an embodiment of a solder bump according to the present invention.
  • Figure 4 shows an embodiment in which the configuration of the bio-signal measuring apparatus according to the present invention is arranged in the lateral direction.
  • 5 to 7 show various embodiments of the microelectrode array pattern according to the present invention.
  • the present invention is a bio-signal measuring device in which a signal measuring unit provided with a plurality of microelectrodes is disposed on a substrate, wherein at least one of a signal measuring unit, a measuring signal processing unit and a driving power unit or a wireless communication unit is disposed on the substrate. It is a biosignal measurement and stimulation device equipped with a bioelectrode, which is arranged in the longitudinal or transverse direction and measures or stimulates a biosignal from the microelectrodes formed in an array pattern.
  • the meaning of “comprising” embodies certain properties, regions, integers, steps, actions, elements and / or components, and other specific properties, regions, integers, steps, actions, elements, components and / or It does not exclude the presence or addition of the military.
  • the present invention is a bio-signal measuring device in which the signal measuring unit 200 provided with a plurality of micro-electrodes 210 is disposed on the substrate 100, on the substrate 100, the signal measuring unit 200 At least one of the measurement signal processing unit 300 and the driving power unit 400 or the wireless communication unit 500 is disposed in the longitudinal or transverse direction, and measures or stimulates a biosignal from the microelectrodes formed in an array pattern. It is characterized by.
  • the present invention relates to a basic device and a structure of a device for measuring / analyzing a high-precision and high-resolution device required for characterization of a biostructure and function as a device for measuring a biosignal and giving stimulation when necessary.
  • a 'signal measuring unit' for measuring a biosignal and a 'measurement signal processing unit' for processing the measured massive signal are required.
  • a 'power unit for driving' for driving these elements is included, and a 'wireless communication unit' for transmitting the obtained signals to the outside may be included.
  • a 'signal measurement unit' as the most important structure for measuring a biosignal, and additionally, the entire module is formed with a structure including a 'measurement signal processing unit', a 'power unit for driving', and a 'wireless communication unit'.
  • the substrate according to the present invention may be applied to both a flexible PCB substrate or a rigid PCB substrate.
  • a flexible substrate in order to increase the contactability of the biosensor, it will be desirable to use a flexible substrate.
  • FIG. 1 is a view showing various embodiments of a structural schematic diagram of a bio-signal measuring apparatus according to the present invention, in which a configuration according to the present invention is arranged in a longitudinal direction.
  • the bio-signal measuring apparatus includes a substrate 100, a signal measuring unit 200 and a measuring signal processing unit 300, and a driving power unit 400 and a wireless communication unit 500 can be selectively provided. have.
  • FIGS. 1A to 1C are schematic structural diagrams of a biosignal measuring device according to the present invention. As described above, it is possible to read a biosignal and to provide a 'neural signal measuring unit' for giving stimulation, and to be connected to a 'measurement signal processing unit' for processing it.
  • the 'power unit for driving' is not external, but may be integrally disposed in the module to have a structure for supplying power, and the 'wireless communication unit for sending and receiving the measured signal as shown in FIG. 1B.
  • 'A may be integrally disposed in the module, and also, as shown in FIG. 1C, such a' power unit for driving 'and a' wireless communication unit 'may be configured to be integrated in the module.
  • FIG. 1A is an embodiment in which the driving power unit 400-the measurement signal processing unit 300-the substrate 100-the signal measurement unit 200 is provided in the longitudinal direction from below.
  • 1B is an embodiment in which the wireless communication unit 500-the measurement signal processing unit 300-the substrate 100-the signal measurement unit 200 is provided in the longitudinal direction from below.
  • 1C is an embodiment in which the wireless communication unit 500-the driving power unit 400-the measurement signal processing unit 300-the substrate 100-the signal measurement unit 200 is provided in the longitudinal direction from below.
  • each technical configuration is arranged in the longitudinal direction, it is also possible an embodiment that is arranged in the horizontal direction on the horizontal surface as shown in FIG.
  • FIGS. 2A to 2C show schematic diagrams of overall shapes and vertical cross-sections of a biosignal measuring apparatus according to the present invention.
  • the electrode of the 'neural signal measurement unit' not only serves to measure the biosignal, but also can act as a stimulus that applies a constant current to the nerve.
  • the microelectrode 210 of the signal measuring unit 200 may be provided as a solder bump SB, and the solder bump SB is preferably provided in a round shape or a tapered cone shape toward the top. (See FIGS. 3 and 4).
  • solder bump on the electrode portion on the substrate 100, the solder bump itself is a 3D microelectrode. It can also be implemented as a structure.
  • Typical solder bumps are used for circuit-to-circuit connections, and round ball shapes are common.
  • the size of the spherical shape is about 100 to 200um, and in the case of micro bumps, the size is about 15 to 30um.
  • a micro micro bump in the form of a cone has also emerged.
  • the diameter of the cone bump is at least 2.5um, and this cone bump is also used for connection between circuits as it is soldered.
  • the micro bump itself in the form of a ball (round shape) or cone (tapered shape) is used as a fine 3D electrode. That is, for example, a cone-shaped bump is surface-mounted (SMT) on an electrode of a PCB substrate, and the surface-mounted bump itself is used as a bioelectrode without a separate additional soldering process.
  • SMT surface-mounted
  • the electrode forming process becomes very simple and has an advantage of improving contactability.
  • the bioelectrode is implemented in the form of an array electrode.
  • the microelectrodes formed in the array pattern are set of one microelectrode as a reference electrode and other microelectrodes located at the same distance from the reference electrode, and corresponding electrode groups are set for each corresponding electrode group. It is possible to average the measured values of the biosignal with each of the fine electrodes of the and corresponding electrode groups.
  • the bio-signal means a signal measured in vivo (invasive) or non-invasive (non invasive) of the human body phenomena.
  • bio signals such as electrocardiogram, electroencephalogram, and electromyography, and can be measured in various forms such as capacitance and impedance.
  • 5 to 7 show various embodiments of the microelectrode array pattern according to the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a new method for measuring an array-type electrode presented in the present invention.
  • the present invention it is possible to dramatically improve precision and reliability by using a large number of array-type electrodes, measuring various bio signals between a large number of surrounding electrodes, and observing the amount of change.
  • an average of measured values can be obtained for each corresponding electrode group.
  • the array pattern structure of the microelectrode according to the present invention can be implemented in various embodiments.
  • the plurality of microelectrodes 210 are patterns arranged in the same number in the longitudinal and transverse directions, and the reference electrode may be any one of a plurality of microelectrodes.
  • the plurality of microelectrodes 210 are arranged in the same number of odd numbers in the longitudinal and transverse directions (see FIGS. 5 and 6), and it is preferable that the reference electrode is set as a centrally located microelectrode. However, it does not mean that a plurality of microelectrodes 210 are arranged in the same number in the longitudinal and transverse directions from the right range.
  • the plurality of microelectrodes 210 are patterns arranged in different numbers in the longitudinal and transverse directions (not shown), and the reference electrode may be any one of the plurality of microelectrodes.
  • the 'longitudinal direction' and 'transverse direction' used in the present specification are not limited to the vertical direction and the horizontal direction, and include concepts arranged in a diagonal direction.
  • the microelectrodes may be freely arranged in a vertical direction, a horizontal direction, a diagonal direction, and a random direction.
  • a feature is that a pattern is formed so that a plurality of other electrodes corresponding to the same distance as the reference electrode are provided.
  • FIG. 5 shows a pattern structure in which 25 microelectrodes are configured in an array form.
  • the center electrode P13 is set as a reference electrode, four microelectrodes (P8, P12, P18, and P14) having the same distance closest to the P13 electrode are described.
  • microelectrodes located at the same distance from the reference electrode are referred to as corresponding electrode groups.
  • Four microelectrodes of the closest equal distance are referred to as the first corresponding electrode group.
  • the first corresponding electrode group exists as four fine electrodes P8, P12, P18, and P14 on lines a1-a2 and a3-a4 in FIG. 5, and four measurement values with the reference electrode exist. .
  • the four microelectrodes P7, P9, P17, and P19 located at the same distance from the reference electrode become the second corresponding electrode group.
  • the four microelectrodes, and four measurement values with the reference electrode exist.
  • microelectrodes P3, P11, P15, and P23 of the same close distance after the second corresponding electrode group become the third corresponding electrode group.
  • microelectrodes P6, P20, P2, P24, P4, P22, P10, and P16 of the same distance close to the third corresponding electrode group become the fourth corresponding electrode group.
  • microelectrodes P6, P20, P2, P24, P4, P22, P10, and P16 of the same distance close to the fourth corresponding electrode group become the fifth corresponding electrode group.
  • FIG. 6 shows an example in which, for example, another electrode position P1 is set as a reference electrode.
  • a total of 24 measurement values can be obtained by setting a corresponding electrode group having the same distance from the closest equivalent electrode group to the farthest distance and measuring between electrodes with a reference electrode.
  • the number of measured values that come out in one measurement is n (n-1) / 2, and in the case of 100 electrodes, 4,950 measured values appear at a time.
  • FIG. 7 shows an embodiment in which the microelectrode array has a concentric circle pattern structure.
  • a plurality of microelectrodes 200 are disposed on a circle center of a plurality of concentric circles and a circumference of each concentric circle
  • a reference electrode is a microelectrode disposed at the center of the circle
  • a corresponding electrode group is a concentric circle It is possible to be fine electrodes disposed on the circumference of the.
  • the present invention can display a distribution of measurement values with numerous measurement values, and enables remarkably precise measurement.
  • the driving power unit 400 is any of a coin type battery, a film type thin film battery, a piezoelectric charging battery, a friction electric charging battery, a solar power wireless power transmission unit, an RF wireless power transmission unit and a bio fuel cell. It is possible to be one.
  • an ultra-compact coin type battery may be used, or a film type thin film battery battery may be used.
  • a supercapacitor type capacitor instead of a normal battery for instantaneous high energy storage.
  • the wireless communication unit 500 can use any one of the Bluetooth communication device, a Wi-Fi communication device and a BCC communication device.
  • It can be composed of RF communication elements such as Bluetooth or Wifi for wireless communication.
  • the wireless communication module When the wireless communication module is implanted into a living body, a problem that RF performance is reduced in the living body may occur. Accordingly, in order to prevent such attenuation, it is also possible to configure a device for BCC (Body Channel Communication) communication using a body, thereby giving or receiving a signal through BCC communication. In addition to this, wireless communication using various types of wireless communication elements is also possible.
  • BCC Body Channel Communication

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Abstract

본 발명은 다수의 미세전극(210)으로 된 생체전극이 구비된 신호측정부(200)가 기판(100)에 배치되는 생체신호 측정장치로서, 기판(100) 상에, 신호측정부(200), 측정신호처리부(300) 및 구동용 파워부(400) 또는 무선통신부(500) 중 적어도 하나가 종방향 또는 횡방향으로 배치되며, 어레이 패턴으로 형성된 상기 미세전극들로부터 생체신호를 측정하거나 자극하는 것을 특징으로 한다.

Description

생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치
본 발명은 생체신호 측정 및 자극 장치에 관한 것이다. 구체적으로는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치에 관한 것이다.
본 발명은 신경계(Neural) 생체신호를 측정하고, 신호를 분석한 후 적절한 자극을 주는 기술에 관한 것으로서, 인체, 동물 및 식물 등의 생물의 생체 구조/기능을 규명하기 위하여, 생체 신호를 정밀하게 측정 및 분석하기 위한 생체신호 측정 및 자극 구조에 관한 것이다.
이러한 신경계(Neural) 생체신호를 정밀하게 측정하기 위한 다양한 방법이 연구되고 있다. 또한, 신경 주위에 일정 자극을 주어서 통증 등을 감소 및 신경관련 문제를 치료하는 방법에 대한 연구가 되고 있다.
다만, 생체신호 측정 관련하여, 종래 기술로는 많은 생체 신호들을 동시에 측정하는 것이 불가능하고, 신호측정의 해상도 측면에서도 많은 한계가 존재하는 문제점이 있었다.
또한, 별도의 미세전극을 기판에 솔더링 등으로 결합시키는 공정이 까다로워, 제조공정 시간이 많이 소요되는 등의 문제점이 있었다.
본 발명에 따른 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치는 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 생체신호 측정장치를 소형화 할 수 있도록 구성을 배치하고자 한다.
둘째, 다수의 생체신호 측정값을 동시에 확보하고자 한다.
셋째, 무선통신 기술을 이용하여, 측정값을 무선송신하고자 한다.
넷째. 미세전극을 만드는 공정을 단순화하고자 한다.
다섯째, 생체신호의 해상도 측면의 한계를 극복하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명은 다수의 미세전극으로 된 생체전극이 구비된 신호측정부가 기판에 배치되는 생체신호 측정장치로서, 기판 상에, 신호측정부, 측정신호처리부 및 구동용 파워부 또는 무선통신부 중 적어도 하나가 종방향 또는 횡방향으로 배치되며, 어레이 패턴으로 형성된 상기 미세전극들로부터 생체신호를 측정하거나 자극하는 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치이다.
본 발명에 따른 미세전극은 솔더 범프로 구비될 수 있다.
본 발명에 따른 솔더 범프는 라운드 형상 또는 상협하광의 테이퍼진 콘 형상이 가능하다.
본 발명에 따른 구동용 파워부는 코인 타입 배터리, 필름타입 박막전지, 압전방식 충전지, 마찰전기방식 충전지, 태양광방식 무선전력 전송부, RF 무선전력 전송부, 바이오 연료전지 및 슈퍼 캐패시티 중 어느 하나인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 무선통신부는 블루투스 통신소자, 와이파이 통신소자 및 BCC 통신소자 중 어느 한 통신소자를 사용할 수 있다.
본 발명에 있어서, 어레이 패턴으로 형성된 미세전극들은 기준 전극인 일 미세전극 및 기준 전극으로부터 서로 다른 동일 거리에 위치한 타 미세전극들로 구비된 대응 전극군들이 설정되며, 각 대응 전극군 별로, 기준 전극과 대응 전극 군들의 각 미세 전극과의 생체신호의 측정값들의 평균을 구할 수 있다.
본 발명에 있어서, 각 대응 전극군 별 측정값들 중 상한값 또는 하한값 중 적어도 하나의 값을 제외한 측정값의 평균을 구할 수 있다.
본 발명에 따른 다수의 미세전극들은 종방향과 횡방향에 동일 개수로 배치되는 패턴이며, 기준 전극은 다수의 미세전극 중 어느 한 전극인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 다수의 미세전극들은 종방향과 횡방향에 동일한 홀수 개수로 배치되며, 기준 전극은 중앙에 위치한 미세 전극으로 설정될 수 있다.
본 발명에 따른 다수의 미세전극들은 종방향과 횡방향에 서로 다른 개수로 배치되는 패턴이며, 기준 전극은 다수의 미세전극 중 어느 한 전극인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 다수의 미세전극들은 복수 개의 동심원의 원중심 및 각 동심원의 원주 상에 배치되고, 기준 전극은 원 중심에 배치된 미세 전극이며, 대응 전극군은 각 동심원의 원주상에 배치된 미세전극들인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치는 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 신호측정부, 측정신호처리부, 구동용 파워부 및 무선통신부를 종방향 또는 횡방향으로 배치하여 생체신호 측정장치를 소형화하는 효과가 있다.
둘째, 미세전극 어레이 패턴 구조를 활용하여, 다수의 정밀도 높은 측정값을 확보하며, 측정 비용 및 측정 시간을 대폭 감축시키는 효과가 있다.
셋째, 블루투스 통신소자, 와이파이 통신소자, BCC 통신소자 등의 무선통신소자를 이용하여, 측정값을 용이하게 무선으로 송신하는 효과가 있다.
넷째, 솔더 범프를 미세전극으로 사용함으로써, 미세전극을 만드는 공정이 단순회되는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 생체신호 측정장치의 구조 모식도의 여러 실시예이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 생체신호 측정장치의 전체 형상 및 수직단면 모식도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 솔더범프의 일 실시예를 나타낸다.
도 4는 본 발명에 따른 생체신호 측정장치의 구성이 횡방향으로 배치된 실시예를 나타낸다.
도 5 내지 도 7는 본 발명에 따른 미세전극 어레이 패턴의 여러 실시예를 나타낸다.
본 발명은 다수의 미세전극으로 된 생체전극이 구비된 신호측정부가 기판에 배치되는 생체신호 측정장치로서, 기판 상에, 신호측정부, 측정신호처리부 및 구동용 파워부 또는 무선통신부 중 적어도 하나가 종방향 또는 횡방향으로 배치되며, 어레이 패턴으로 형성된 상기 미세전극들로부터 생체신호를 측정하거나 자극하는 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서는 도면을 참고하여 본 발명을 설명하고자 한다. 참고로, 도면은 본 발명의 특징을 설명하기 위하여, 일부 과장되게 표현될 수도 있다. 이 경우, 본 명세서의 전 취지에 비추어 해석되는 것이 바람직하다.
본 발명은 다수의 미세전극(210)으로 된 생체전극이 구비된 신호측정부(200)가 기판(100)에 배치되는 생체신호 측정장치로서, 기판(100) 상에, 신호측정부(200), 측정신호처리부(300) 및 구동용 파워부(400) 또는 무선통신부(500) 중 적어도 하나가 종방향 또는 횡방향으로 배치되며, 어레이 패턴으로 형성된 상기 미세전극들로부터 생체신호를 측정하거나 자극하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 생체신호를 측정하고, 필요시 자극을 주기 위한 소자로서 생체구조 및 기능 규명에 필요한 초정밀 고분해능 측정/분석을 위한 소자의 기본 장치 및 그 구조에 관한 것이다.
일반적으로 생체신호를 측정하거나, 자극을 주기 위해서는 생체신호를 측정하기 위한 '신호측정부' 및 측정된 방대한 신호를 처리하기 위한 '측정신호처리부'가 필요하게 된다.
그리고, 이러한 소자들을 구동시키기 위한 '구동용 파워부' 가 포함되며, 얻어진 신호들을 외부로 전송하기 위한 '무선통신부'가 포함될 수 있다.
즉, 생체신호 측정을 위한 가장 핵심 구조로 '신호측정부' 가 있으며, 추가적으로 '측정신호처리부', '구동용 파워부', '무선통신부' 등이 포함되는 구조로 전체 모듈이 형성되게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 기판은 플렉시블 PCB기판(Flexible PCB) 또는 리지드 PCB 기판(Rigid PCB) 형태 모두가 적용가능하다. 다만, 생체센서의 접촉성을 증가시키기 위해서는 플렉시블 기판을 사용하는 것이 바람직할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 생체신호 측정장치의 구조 모식도의 여러 실시예로서, 본 발명에 따른 구성을 종방향으로 배치한 실시예이다.
본 발명에 따른 생체신호 측정장치는 기판(100), 신호측정부(200) 및 측정신호처리부(300)를 구비하며, 구동용 파워부(400)와 무선통신부(500)는 선택적으로 구비할 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 생체신호 측정소자의 구조 모식도를 나타내었다. 전술한 바와 같이 생체신호를 읽고, 자극을 주기위한 '신경신호측정부'가 맨 끝단 표면에 위치하게 되고, 이를 처리하기 위한 '측정신호처리부'와 연결되게 되는 것이 가능하다.
예를 들어, 도 1a과 같이 '구동용 파워부'가 외부에 있지 않고, 모듈내에 일체형으로 배치되어 파워를 공급하는 구조를 가질 수 있고, 도 1b와 같이 측정된 신호를 보내고 받기 위한 '무선통신부'가 모듈내에 일체형으로 배치될 수 있고, 또한 도 1c와 같이 이러한 '구동용 파워부' 및 '무선통신부'가 모두 모듈내에 일체화되는 구조로 구성될 수 있다.
구체적으로, 도 1a의 실시예는 아래로부터 구동용 파워부(400)-측정신호처리부(300)-기판(100)-신호측정부(200)가 종방향으로 구비되는 실시예이다.
도 1b의 실시예는 아래로부터 무선통신부(500)-측정신호처리부(300)-기판(100)-신호측정부(200)가 종방향으로 구비되는 실시예이다.
도 1c의 실시예는 아래로부터 무선통신부(500)-구동용 파워부(400)-측정신호처리부(300)-기판(100)-신호측정부(200)가 종방향으로 구비되는 실시예이다.
한편, 도 1a 내지 도 1c의 실시예에서는 각 기술구성을 종방향으로 배치하였으나, 도 4와 같이 수평면 상에서 횡방향으로 배치되는 실시예도 가능하다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 생체신호 측정장치의 전체 형상 및 수직단면 모식도를 나타낸다. 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이 '신경신호측정부'의 전극은 생체신호를 측정하는 역할을 할 뿐만 아니라, 반대로 신경부에 일정 전류를 가하는 자극의 역할도 할 수 있다.
본 발명에 있어서, 신호측정부(200)의 미세전극(210)은 솔더 범프(SB)로 구비될 수 있고, 솔더 범프(SB)는 라운드 형상 또는 상부로 갈수록 테이퍼진 콘 형상으로 구비되는 것이 바람직하다(도 3 및 도 4 참조).
본 발명에서는 기존의 상용 전극을 사용하는 것도 가능하며, 또한, 생체와의 접속성을 높이기 위하여, 기판(100)상의 전극 부분에 솔더범프(sloder bump)를 형성시켜서, 솔더범프 자체를 3D 미세전극 구조로 구현할 수도 있다.
일반적인 솔더범프는 기판의 회로간 연결을 위해 사용되는 것으로서, 둥근 구(ball) 형상이 일반적이다. 구 형상의 크기는 100~200um 정도이고, 마이크로 범프(micro bump)의 경우에는 15~30um 정도로 크기가 소형화 되고 있다. 이러한 소형화 개발이 발전됨에 따라 최근에는 콘(cone) 형태의 초소형 마이크로 범프도 나오고 있다. 콘 범프(cone bump)의 직경은 최소 2.5um 까지 나오고 있는데, 이러한 콘 범프(cone bump) 역시 솔더링(soldering)되면서 회로간 연결을 위한 용도로 사용되고 있다.
본 발명에서는 볼 형태(라운드형상) 또는 콘 형태(테이퍼진 형상)의 마이크로 범프 자체를 미세 3D 전극으로 활용하는 것을 특징으로 한다. 즉, 예를 들어, PCB 기판의 전극에 콘(cone) 형태의 범프를 표면실장(SMT) 하고, 별도의 추가 솔더링 공정없이 표면실장된 범프 자체를 생체전극으로 사용하는 것이다.
이 경우 PCB 기판의 종래 2D 전극에 비해 생체와의 접촉성을 크게 높일 수 있어, 접촉 임피던스를 낮출 수 있고, 이로서 생체신호 모니터링을 잘 할 수 있게 되고, 또한 전류 자극의 역할도 더 용이하게 수행할 수 있다.
한편, 본 발명에서 제시한 바와 같이 솔더범프(solder bump)를 생체전극으로 사용할 경우, 전극형성 프로세스가 매우 간단해지고, 접촉성을 향상시킬 수 있다는 장점을 가진다.
본 발명에서는 생체전극을 어레이 전극(array electrode) 형태로 구현한다. 이를 통해, 한번에 매우 많은 데이터를 얻을 수 있는 장점이 있다. 많은 데이터로부터 평균을 취한다면, 높은 신뢰도를 얻는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 어레이 패턴으로 형성된 미세전극들은 기준 전극인 일 미세전극 및 기준 전극으로부터 서로 다른 동일 거리에 위치한 타 미세전극들로 구비된 대응 전극군들이 설정되며, 각 대응 전극군 별로, 기준 전극과 대응 전극 군들의 각 미세 전극과의 생체신호의 측정값들의 평균을 구할 수 있다.
본 발명에 있어서, 생체신호(Bio-signal)란 인체의 생체현상을 침습적(invasive) 또는 비침습적(non invasive)으로 계측한 신호를 의미한다. 예를 들어 심전도, 뇌전도, 근전도 등 다양한 생체신호를 포함하며, 정전용량, 임피던스 등의 다양한 형태로 측정할 수 있다.
도 5 내지 도 7은 본 발명에 따른 미세전극 어레이 패턴의 여러 실시예를 나타낸다.
도 5에는 본 발명에서 제시한 어레이 형태의 전극의 새로운 측정방법을 설명하는 모식도를 나타내었다. 본 발명에서는 수많은 어레이 형태의 전극을 사용하고, 주위의 수많은 전극간의 여러 가지 생체 신호를 측정하고 그 변화량을 관찰함으로써 정밀도 및 신뢰도를 획기적으로 높일 수 있는 것이다.
본 발명은 각 대응 전극군 별로 측정값들의 평균을 구할 수 있다.
본 발명은 각 대응 전극군 별 측정값들 중 상한값 또는 하한값 중 적어도 하나의 값을 제외한 측정값의 평균을 구하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 미세전극의 어레이 패턴 구조는 다양한 실시예로 구현될 수 있다.
일 실시예로서, 다수의 미세전극(210)들은 종방향과 횡방향에 동일 개수로 배치되는 패턴이며, 기준 전극은 다수의 미세전극 중 어느 한 전극인 실시예가 가능하다.
이러한 실시예의 경우, 다수의 미세전극(210)들은 종방향과 횡방향에 동일한 홀수 개수로 배치되며(도 5 및 도 6 참조), 기준 전극은 중앙에 위치한 미세 전극으로 설정되는 것이 바람직하다. 다만, 다수의 미세전극(210)들이 종방향과 횡방향에 동일한 짝수 개수로 배치되는 것을 권리범위에서 배제하는 의미는 아니다.
다른 실시예로서, 다수의 미세전극(210)들은 종방향과 횡방향에 서로 다른 개수로 배치되는 패턴이며(미도시), 기준 전극은 다수의 미세전극 중 어느 한 전극인 것이 가능하다.
한편, 본 명세서에서 사용된 '종방향'과 '횡방향'은 수직방향과 수평방향에 국한되지 않으며, 사선방향으로 배치되는 것도 포함하는 개념이다.
예를 들어, 수직방향, 수평방향, 사선방향, 랜덤(random)한 방향 등으로 자유로이 미세전극이 배치될 수도 있을 것이다. 다만, 기준 전극과 동일한 거리에 해당되는 타 전극들이 복수개 구비되도록 패턴이 형성되는 것이 특징인 것이다.
도 5에는 일 실시예로서, 25개의 미세전극이 어레이 형태로 구성되어 있는 패턴 구조를 나타내었다. 이 중 정가운데 전극인 P13을 기준 전극으로 설정하여 설명하면, P13 전극으로부터 가장 가까운 동일 거리의 미세전극은 총 4개(P8, P12, P18, P14)이다.
본 발명에서는 기준 전극으로부터 동일 거리에 위치한 미세전극들을 대응 전극군이라고 명명한다. 이에 가장 가까운 동일 거리의 미세전극 4개를 제1 대응 전극군으로 명명한다.
제1 대응 전극군은 도 5의 a1-a2 선 및 a3-a4 선 상에 4개의 미세전극들(P8, P12, P18, P14)로 존재하게 되며, 기준 전극과의 측정값 4개가 존재하게 된다.
이 경우 기존에는 두 전극간 측정값이 1개 존재하게 되나, 본 발명의 경우 가장 가까운 전극들이 4개 있어, 4개의 측정값이 존재하게 된다.
제1 대응 전극군 다음으로 기준 전극과 가까운 동일 거리에 있는 4개의 미세전극들(P7, P9, P17, P19)은 제2 대응 전극군이 된다. 도 5의 b1-b2 선 및 b3-b4 선 상에 4개의 미세전극들로 존재하게 되며, 기준 전극과의 측정값 4개가 존재하게 된다.
제2 대응 전극군 다음으로 가까운 동일 거리의 4개의 미세전극들(P3, P11, P15, P23)은 제3 대응 전극군이 된다. 도 5의 a1-a2 선 및 a3-a4 선 상의 4개의 미세전극들로 존재하게 되며, 기준 전극과의 측정값 4개가 존재하게 된다.
제3 대응 전극군 다음으로 가까운 동일 거리의 8개의 미세전극들(P6, P20, P2, P24, P4, P22, P10, P16)은 제4 대응 전극군이 된다. 도 5의 c1-c2선, c3-c4선, c5-c6선 및 c7-c8선 상의 8개의 미세전극들로 존재하게 되며, 기준 전극과의 측정값 8개가 존재하게 된다.
제4 대응 전극군 다음으로 가까운 동일 거리의 4개의 미세전극들(P6, P20, P2, P24, P4, P22, P10, P16)은 제5 대응 전극군이 된다. 도 5의 b1-b2선, b3-b4선 상의 4개의 미세전극들로 존재하게 되며, 기준 전극과의 측정값 4개가 존재하게 된다.
정리하면, P13 전극을 기준 전극으로 설정하는 경우에, 총 24개의 전극간 측정값들을 얻을 수 있게 되어, 기존 측정방식 대비 매우 높은 정밀성과 신뢰성을 갖는 특성값을 얻을 수 있게 되는 것이다.
도 6에는 예를 들어, 다른 전극위치(P1)를 기준 전극으로 설정하는 실시예를 나타낸다. 이 실시예도 가장 가까운 동일 거리의 대응 전극군부터 가장 먼 동일 거리의 대응 전극군을 설정하고 기준 전극과의 전극간을 측정하면, 총 24개의 측정값을 얻을 수 있다.
이러한 방법으로 총 25개의 미세전극 각각 위치에서 인접한 전극간의 측정값을 얻을 수 있게 되고, 이와 같이 25개 전극인 경우에는 한번에 총 300개의 측정값이 나오게 된다. 이를 통해 획기적으로 정밀하면서 신뢰성있는 측정값을 얻을 수 있게 되는 것이다.
전극의 개수가 n개일 경우, 한번 측정으로 나오게 되는 측정값 개수는 n(n-1)/2 로, 100개의 전극인 경우에는 한번에 4,950개의 측정값이 나오게 되는 것이다.
한편, 도 7는 미세전극 어레이가 동심원 패턴 구조를 가지는 일 실시예를 나타낸다. 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 미세전극(200)들은 복수 개의 동심원의 원중심 및 각 동심원의 원주 상에 배치되고, 기준 전극은 원 중심에 배치된 미세 전극이며, 대응 전극군은 각 동심원의 원주상에 배치된 미세전극들인 것이 가능하다.
본 발명은 이와 같은 다양한 실시예에 제시된 바와 같이, 수많은 측정값으로 측정값의 분포도를 나타낼 수 있고, 획기적으로 정밀한 측정이 가능하다.
본 발명에 있어서, 구동용 파워부(400)는 코인타입 배터리, 필름타입 박막전지, 압전방식 충전지, 마찰전기방식 충전지, 태양광방식 무선전력전송부, RF 무선전력전송부 및 바이오 연료전지 중 어느 하나인 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 소자의 크기를 최소화 하기위해, 초소형의 코인타입 배터리를 이용하거나, 필름 타입의 박막전지 배터리를 이용할 수 있다. 그리고, 순간적으로 높은 에너지 저장을 위해 일반 배터리가 아닌 슈퍼캐패시터(supercapacitor) 형태의 캐패시터를 사용하는 것도 가능하다.
본 발명에 있어서, 무선통신부(500)는 블루투스 통신소자, 와이파이 통신소자 및 BCC 통신소자 중 어느 한 통신소자를 사용하는 것이 가능하다.
무선통신을 위해 Bluetooth 혹은 Wifi 같은 RF 통신소자로 구성할 수 있다.
무선통신 모듈이 생체 내부로 이식(implant) 되는 경우에는 생체 내에서 RF 성능이 감쇄되는 문제가 발생할 수도 있다. 이에, 이러한 감쇄를 방지하기 위해 생체 바디(body)를 이용하는 BCC(Body Channel Communication) 통신용 소자를 구성하여 BCC통신으로 신호를 주거나 받는 것도 가능하다. 이 외에도 다양한 방식의 무선통신 소자를 이용한 무선통신도 가능하다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 다수의 미세전극으로 된 생체전극이 구비된 신호측정부가 기판에 배치되는 생체신호 측정장치로서,
    기판 상에, 신호측정부, 측정신호처리부 및 구동용 파워부 또는 무선통신부 중 적어도 하나가 종방향 또는 횡방향으로 배치되며,
    어레이 패턴으로 형성된 상기 미세전극들로부터 생체신호를 측정하거나 자극하는 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 미세전극은 솔더 범프로 구비된 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 솔더 범프는 라운드 형상 또는 상협하광의 테이퍼진 콘 형상인 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 구동용 파워부는 코인 타입 배터리, 필름타입 박막전지, 압전방식 충전지, 마찰전기방식 충전지, 태양광방식 무선전력 전송부, RF 무선전력 전송부, 바이오 연료전지 및 슈퍼 캐패시티 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 무선통신부는 블루투스 통신소자, 와이파이 통신소자 및 BCC 통신소자 중 어느 한 통신소자를 사용하는 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    어레이 패턴으로 형성된 미세전극들은
    기준 전극인 일 미세전극 및 기준 전극으로부터 서로 다른 동일 거리에 위치한 타 미세전극들로 구비된 대응 전극군들이 설정되며,
    각 대응 전극군 별로, 기준 전극과 대응 전극 군들의 각 미세 전극과의 생체신호의 측정값들의 평균을 구하는 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치..
  7. 청구항 6에 있어서,
    각 대응 전극군 별 측정값들 중 상한값 또는 하한값 중 적어도 하나의 값을 제외한 측정값의 평균을 구하는 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    다수의 미세전극들은 종방향과 횡방향에 동일 개수로 배치되는 패턴이며, 기준 전극은 다수의 미세전극 중 어느 한 전극인 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    다수의 미세전극들은 종방향과 횡방향에 동일한 홀수 개수로 배치되며, 기준 전극은 중앙에 위치한 미세 전극으로 설정되는 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    다수의 미세전극들은 종방향과 횡방향에 서로 다른 개수로 배치되는 패턴이며, 기준 전극은 다수의 미세전극 중 어느 한 전극인 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    다수의 미세전극들은 복수 개의 동심원의 원중심 및 각 동심원의 원주 상에 배치되고, 기준 전극은 원 중심에 배치된 미세 전극이며, 대응 전극군은 각 동심원의 원주상에 배치된 미세전극들인 것을 특징으로 하는 생체전극이 구비된 생체신호 측정 및 자극 장치.
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