다양한 임피던스 측정을 위한 전천후 AFE 사용하기

  • 2019-03-05
  • 글 / 얀 하인 브로더스(Jan-Hein Broeders), 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)




웨어러블 및 배터리 구동 시스템에 어떠한 이점 주나


‘옴의 법칙(Ohm′s law)’을 모르는 엔지니어는 거의 없을 것이다. DC 전압에서 옴의 법칙은, 도체의 두 지점 사이를 흐르는 전류는 이 두 지점을 가로지르는 전압에 정비례한다는 것을 말한다. 즉, 도체의 저항은 전류와 관계없이 일정하다. AC 전압에서는 상황이 완전히 달라져 훨씬 복잡해진다. 주파수 영역에서 저항은 임피던스가 되고, 전압과 전류의 비로 정의된다. 크기 또는 실수 부분은 전압과 전류 간의 비율을 나타내는 반면, 위상 또는 허수 부분은 전압과 전류 간의 위상 편이를 나타낸다.

의료 산업 분야에서는 임피던스 측정을 적용하는 많은 용례가 있다. 이 기술은 특정 인체 파라미터 검색, 질병 탐지 또는 혈액이나 타액과 같은 체액 분석 등 광범위한 애플리케이션에 사용할 수 있다. 이들은 임피던스 측정을 사용한다는 점에서는 같지만, 주요 요구사항들은 저마다 다르다.

아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)는 새로운 임피던스 측정 제품군 ‘AD594x’를 개발했다. 이 제품군은 매우 정확하며, 무작위 추출 검사 또는 연속 측정을 지원하는 다양한 전력 모드를 제공한다. 이 글에서는 이 칩의 기능과 주요 애플리케이션을 살펴보기로 한다.

임피던스 분석

임피던스 분석을 위한 칩은 비교적 새로운 개념이다. 약 15년 전, 아나로그디바이스는 최초의 임피던스 분석 칩 제품군인 AD5933/AD5934를 출시했다. 2015년에는 2세대 제품인 ADuCM350을 출시했다. 두 제품군 모두 높은 판매고를 올리고 있지만, 최근의 새로운 애플리케이션을 지원하기에 항상 최적의 솔루션을 제공하는 것은 아니다.

웨어러블 기기와 배터리 구동 시스템 같은 최근의 동향과 관련한 주요 과제는 가능한 작은 폼팩터에서 매우 적은 전력을 소비하면서 필요한 성능 수준을 만족하는 것이다. AD594x는 오늘날의 웨어러블 시장을 지원하고 높은 정확도, 작은 크기, 저전력을 포함하여 모든 핵심적인 요구사항을 충족하도록 개발됐다.

AD594x(그림 1)는 의료 및 산업용 애플리케이션을 위해 설계된 다양한 기능의 임피던스 분석기이다. 아날로그 프런트엔드는 완벽하게 구성 가능하며, 피부 전기 활동(electrodermal activity, EDA) 또는 전기 피부 반응(galvanic skin response, GSR), 인체 임피던스 분석, 수분 측정, 생화학 측정을 포함하여 다양한 활용 사례를 지원하도록 조정할 수 있다. 이 글은 의료 관련 애플리케85이션에 초점을 맞추고 있지만, AD594x는 유독가스 분석, 산도(PH) 측정, 전도율 또는 수질 측정과 같은 산업용 애플리케이션에도 사용할 수 있다.




EDA/GSR을 위한 상대 측정

2-와이어 측정 원리를 사용하여 상대 임피던스 또는 임피던스 변화를 측정할 수 있다. 이와 관련한 주요 애플리케이션 중 하나는 EDA 또는 GSR을 통해 스트레스 또는 정신 건강을 검사하는 것이다. 스트레스가 많은 상황은 시간이 지나면 당뇨병, 심장병 또는 암과 같은 만성 질환으로 악화할 가능성이 있으므로 정신 상태나 스트레스 검사는 중요하다. 정신적인 변화를 겪거나 스트레스를 받을 때 인체의 교감 신경계는 피부의 땀샘을 자극한다. 그 결과 피부 전도율이 증가하고, 이에 따라 임피던스가 감소한다.

피부 임피던스 모니터링은 전압 전류법 측정이다. 여기 신호(excitation signal)를 알려지지 않은 임피던스(여기서는 피부)에 인가하고, 임피던스를 가로지르는 전압을 측정한다. 그 다음에는, 임피던스를 통과하는 전류를 측정하고, DFT를 ADC 결과에서 실행하여 임피던스 변화를 계산한다. 그림 2는 EDA 또는 GSR 측정의 높은 수준의 측정 원리를 보여준다. 이 측정은 DC에 가까운 여기 주파수를 활용해 수행된다.



전극의 분극화를 방지하고 인체 조직에 피해가 없도록 하려면 DC 전압으로 측정할 때보다 낮은 주파수 여기를 사용하는 것이 좋다. 일반적으로 최대 200Hz의 여기 주파수를 인가한다. 이보다 더 높은 주파수는 인체 내부로 침투해 피부 표면에서만 측정되지 않기 때문이다. 인체에서 전극의 위치가 어디인가에 따라, 전도율은 피검사자의 감정적 또는 정신적 상태에 따라 달라진다.

임피던스 변화와 정신적 스트레스 간의 관계를 직접적으로 나타내는 식은 없으므로, 보통 이러한 측정은 심박수 및 심박수 변동성과 같은 다른 측정과 함께 시행된다. 또한 다양한 측정 결과를 취합하여 이를 스트레스 수준에 대한 측정으로 변환하는 알고리즘이 필요하다. 스트레스에 대한 EDA/GSR 기술은 24시간, 7일 내내 연속적인 측정이 필요하며, AD59xx는 이러한 측정에 적합하도록 설계됐다. 전력 소모는 4Hz 출력 데이터 속도에서 80μA 미만이다. EDA/GSR 측정은 수면 분석과 같은 애플리케이션에도 사용할 수 있다.

인체 임피던스 분석을 위한 4-와이어 측정

의료용 애플리케이션에서 많이 이용되는 유형의 임피던스 측정은 생체 임피던스 분석(bioimpedance analysis, BIA)이다. BIA는 4-와이어 측정 원리를 적용한 분석으로, 이 구성은 절대적 정확도가 요구되는 애플리케이션을 지원한다. AD59xx는 최대 50kHz 수신 대역폭과 100dB의 신호 대 잡음비(SNR)로 이러한 애플리케이션을 지원할 수 있다. 가장 일반적인 4-와이어 BIA 애플리케이션의 하나는 제지방량(fat free mass)을 알아내 체성분을 검사하는 것이다.

이 구성은 인체 내 수분량을 검사하거나 생체 임피던스 분광법을 통해 심장의 활동을 측정하는 데에도 사용할 수 있다. 측정 원리는 모두 동일하지만, AC 여기 주파수와 인체에서 전극의 위치를 변화시켜 활용 사례를 달리 적용할 수 있다. 그림 3은 4-와이어 측정 원리의 구성을 보여준다. 이 구성에서 알려지지 않은 Z는 인체를 나타낸다. 전압을 테스트 중인 임피던스에 인가해 특정한 공통 모드 전위차가 되도록 하고, AC 여기 전압을 인가하여 고속 트랜스임피던스 증폭기로 응답 전류를 측정한다. 마지막으로 임피던스를 Z = VCOMMON/I로 계산할 수 있다.



그림 3의 블록 다이어그램에서는 임피던스가 저항과 커패시터에 의해 측정 프런트엔드와 절연되는 것을 볼 수 있다. 저항은 인체에 흐를 수 있는 최대 전류를 제한한다. CISO는 DC 신호가 전극과 접지 사이 또는 다른 전극에 발생하지 못하도록 보장한다. 이는 IEC 60601과 같은 의료 안전 표준을 달성하기 위한 요건 중 하나이다.

앞서 언급했듯이, 여기 주파수와 인체에서의 전극 위치에 따라 측정되는 결과값은 달라진다. 최대 수백 Hz의 저주파는 피부 표면에 머무르는 데 반해, 이보다 더 높은 고주파는 인체 내부에 보다 깊숙이 침투한다. 건강한 사람의 경우 전체 몸무게의 약 60%가 수분으로 구성된다. 인체의 전체 수분의 3분의 1은 세포외액(ECF)이며, 나머지는 세포 구조체 내에 존재한다. 세포 구조체의 전기적 모델로 인해, 최대 50kHz의 AC로는 세포외액을 통해 측정이 가능하다.

이보다 높은 주파수는 세포벽을 뚫고 세포내액까지 측정할 수 있다. 전극의 위치와 자기 주파수, 임피던스 측정을 해석하는데 사용되는 알고리즘에 따라 전체 체지방률 또는 인체 수분량(탈수 측정)과 같은 체성분을 확인할 수 있다. AD59xx는 이러한 애플리케이션을 각각 지원할 수 있다. 어떤 애플리케이션에는 단일 주파수 여기가 사용되며, 또 다른 애플리케이션에서는 다중 주파수 또는 주파수 스위프가 사용된다. 이 밖에 측정 횟수의 빈도가 다를 수 있다.

체성분 측정은 하루에 한 번 또는 주 1회 시행하지만, 탈수 측정은 보통 연속적으로 시행한다. 연속 측정의 경우 전력 소모가 매우 중요한데, 이것이 AD59xx의 유연성이 큰 이점을 갖는 이유이다.

AD59xx의 다른 애플리케이션으로는 흉곽 임피던스에 기반한 호흡수 측정, 경흉강 임피던스 측정을 통한 맥박 간 심장 출력 검사, 또는 임피던스 측정을 통한 방광 용적 추정 등이 있다.

생화학 측정을 위한 AD59xx

생화학 분석은 AD59xx의 또 다른 애플리케이션이다. 이 기술은 센서 상에서 전류 측정 방식/전위 측정 방식을 사용하는데, 이는 전형적인 전기화학적 세포를 모델링한 것이다. 센서는 종종 시료를 테스트하는 시약 스트립이다. 산화 또는 환원할 수 있는 모든 시약은 전류 측정 방식을 적용할 수 있다. 의료용 애플리케이션의 경우, 혈액이나 소변 또는 타액과 같은 다양한 체액 샘플을 분석할 수 있다. 이 시스템은(프로그래밍 가능한) 전류 소스와 전위 증폭기를 필요로 한다.

전류 측정 방식 중에서 가장 간단한 형식은 센서에 스텝 응답 전압을 인가하여 화학 반응을 일으켜 수행하는 것이다. 트랜스임피던스 증폭기의 경우, 반응에 대한 기준으로서 전류를 측정한다. AD59xx는 앞서 설명한 2-와이어 기법 외에 3-와이어, 4-와이어 전류 측정 방식 기법을 지원할 수 있다.

측정 기법은 항상 동일하므로 테스트 스트립이 시료를 결정한다. 혈당 측정은 가장 널리 사용되는 측정이며, 종종 당뇨병 환자의 생화학 측정을 위해 사용된다. 3-와이어 구성에서 전기화학적 세포는 반응이 발생하는 작동 전극(working electrode, WE), 일정한 전위차를 유지하는 기준 전극(reference electrode, RE), 그리고 반응 전류를 공급하는 카운터 전극(counter electrode, CE)으로 구성된다. 그림 4는 이러한 구성의 블록 다이어그램을 보여준다.



전위 측정 방식은 WE와 RE 간에 필요 전위차 VCELL을 공급하고 WE와 CE 간 반응 전류를 측정한다. 최근의 동향 중 하나는 혈당의 무작위 추출 검사에서 연속 혈당 측정(continuous glucose monitoring, CGM) 방식으로 옮겨 가고 있다는 것이다. 혈당 측정기가 연속으로 혈당 수준을 측정하고 인슐린 펌프에 데이터를 전송하면, 펌프는 필요한 인슐린 투여량을 인체에 주입한다. 이 인공 췌장 기술은 당뇨병이 있는 사람들의 삶을 향상시킨다. 당뇨 환자는 매일 혈당을 직접 관찰하지 않아도 되며, 시스템이 사람의 개입 없이 완전히 독립적으로 동작한다.

AD59xx는 매우 낮은 전력으로 초정밀 동작을 제공하고 모든 필요한 안전 검사를 수행하므로 이러한 애플리케이션에 이상적이다. 그림 4의 시스템은 3가지 주요 기능인 생화학 AFE, 마이크로컨트롤러, 전용 전력 관리 칩으로 구성된다. 조만간 AFE가 MCU에 통합돼 전체 보드 공간을 절감할 수 있게 될 것이다.

당뇨병 외에도 다른 많은 질병과 약물, 호르몬을 이 기술을 사용하여 테스트할 수 있다. 산업용 애플리케이션에서 이 기술은 주로 가스 센싱과 유체 분석에 사용된다.

AD59xx 기능과 주요 규격

AD59xx는 전류 측정 방식, 전압 전류법, 임피던스 측정과 같은 전기화학적 기반 측정 기법을 위해 설계된 고정밀 아날로그 프런트엔드(AFE)이다. 이 프런트엔드는 휴대용 기기와 배터리 구동 시스템을 지원하는 초저전력 모드를 제공한다. 더불어 임상용 기기 및 의료 실험실 등에서 필요한 고성능 및 진단 기반 애플리케이션을 지원할 수 있다.

AD59xx는 입력 수신 신호 체인, 파형 발생기와 송신 채널, 그리고 복잡한 임피던스 측정을 위한 디스크리트 푸리에 변환(DFT) 엔진이 탑재된 시퀀서의 3가지 주요 빌딩 블록을 중심으로 설계됐다. 애플리케이션에 따라 수신기 채널과 함께 여기 루프를 차동으로 구성할 수 있다. DC ~ 최대 200Hz까지 다양한 센서 여기를 필요로 하는 애플리케이션의 경우, 저전력 DAC와 저잡음 전위 증폭기를 사용할 수 있다.

최대 200kHz의 더 높은 여기 주파수를 필요로 하는 애플리케이션에서는 통합 고속 DAC를 사용할 수 있다. DAC는 정현파와 사다리꼴 여기 파형을 발생할 수 있다. 이 각각의 모드에 적합한 저전력 또는 고속, 전용 트랜스임피던스 증폭기가 통합 지원되고 있다. 각각 개별적으로 프로그래밍 가능한 트랜스임피던스 증폭기를 내장하고 있어 AFE에 연결하는 다양한 센서를 지원할 수 있다.

TIA의 출력은 수신 채널의 2차 입력단에 다중화될 수 있으며, 이 지점에서 전원 전압, 다이 온도, 기준 전압과 같은 외부 전압 및 전류 또는 내부 진단 신호와 같은 보조 채널도 측정할 수 있다. 채널 선택기 역할을 하는 이 멀티플렉서의 출력은 버퍼, 프로그래머블 이득 증폭기(PGA), 안티앨리어싱 필터를 통해 16bit, 800kSPS 연속 근사 레지스터(SAR) ADC로 연결된다.

맺음말

웨어러블 전자기기, 현장 진단(point-of-care, PoC) 클라우드 커넥티드 시스템, RE, 사물 인터넷(IoT)은 우리가 거의 매일 접하는 용어들이다. 센싱은 이러한 모든 시스템에서 매우 중요한 요소이며, 임피던스 측정은 다양한 센싱 중에서도 특히 주목받는 방식이다. AD59xx는 오늘날의 이러한 요구와 목표를 충족하도록 개발되었다. 이 제품은 고성능에 유연한 프런트엔드로서 임피던스 분석, 생화학적, 전기화학적 애플리케이션을 위해 설계됐다.

이 제품은 고정밀, 초저전력, 소형 폼팩터 특성을 결합함으로써 광범위한 새로운 시장과 애플리케이션에 도전할 수 있는 기회의 문을 열어준다. 특히 이 소형 디바이스 제품군은 휴대용 및 배터리 구동 시스템에 막대한 이점을 제공한다. AD59xx 제품군은 AD8233, 단일 핀 ECG 프런트엔드와 함께 원활하게 동작한다.

두 칩은 모두 마스터/슬레이브 구성으로 동작할 수 있으며, 이러한 구성으로 동일한 전극 세트를 인체에 사용하여 임피던스와 ECG 측정을 수행할 수 있다. 프로세서로는 초저전력 ADuCM3029 Cortex®-M3을 ADP5350 전력 관리 및 리튬이온 충전기 디바이스와 함께 사용할 것을 권장한다.

다양한 애플리케이션을 위한 평가 보드도 제공되고 있어, 이를 사용하면 설계 사이클을 단축하고 제품 출시를 앞당길 수 있다.
 
저자 소개
얀 하인 브로더스(Jan-Hein Broeders)는 아나로그디바이스 유럽 및 중동아시아(EMEA)의 헬스케어 사업 개발 매니저이다. 헬스케어 업계와 긴밀히 협력하면서 헬스케어의 현재와 미래의 요구사항을 아나로그디바이스의 선도적인 선형 및 데이터 컨버터 기술을 기반으로 하는 솔루션과 디지털 신호 처리 및 전력을 위한 제품으로 구현하고 있다. 얀 하인 브로더스는 아날로그 FAE로 경력을 시작해 반도체 업계에서 20년 이상 경험을 쌓아왔으며 2008년부터 현재까지 헬스케어를 담당하고 있다. 네덜란드 스헤르토헨보스 대학에서 전기공학 학사학위를 받았다. 문의: jan.broeders@analog.com
 

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