글 / 얀 하인 브로더스(Jan-Hein Broeders) 헬스케어 사업 개발 매니저,
아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

단일 칩 생체의학 아날로그 프런트엔드 설계

오늘날에는 일상 생활 중에 환자를 모니터링해서 이상 증상을 조기에 감지하거나, 환자가 보다 편안한 환경에서 회복할 수 있도록 돕기 위해 퇴원 후 집에서 모니터링을 실시하기도 한다. 이들 측정이 공통적으로 요구하는 사항이 있다. 측정 결과가 정확해야 하고, 장비는 크기가 작아야 하며, 한 번의 배터리 충전으로 보다 오래 사용할 수 있어야 한다는 것이다. 이러한 요구를 충족하기 위한 설계 방법이 무엇인지 알아본다.


산소 포화도, 심전도, 혈압, 호흡수 같은 항목들은 기존에는 병원 내 의료 장비를 사용해서만 측정할 수 있었다. 사고를 당해서 수술을 하거나 심각한 질병을 진단받은 환자들은 이러한 인자들을 모니터링하는 것이 중요하다. 노령 인구가 증가하고 의료비 지출에 대한 부담이 커지면서 병원 바깥에서 의료 모니터링을 하는 사례들이 점점 늘고 있다.

오늘날에는 일상 생활 중에 환자를 모니터링해서 이상 증상을 조기에 감지하거나, 환자가 보다 편안한 환경에서 회복할 수 있도록 돕기 위해 퇴원 후 집에서 모니터링을 실시하기도 한다. 환자가 아니더라도 예방 차원에서 이러한 인자들을 측정할 수도 있다.

이들 측정이 공통적으로 요구하는 사항이 있다. 측정 결과가 정확해야 하고, 장비는 크기가 작아야 하며, 한 번의 배터리 충전으로 보다 오래 사용할 수 있어야 한다는 것이다. 바로 이러한 요구를 충족하기 위해 새로운 단일 칩 생체의학(biomedical) 아날로그 프런트엔드(AFE) 제품군이 개발되었다.

ADPD4000의 제품 특징

시중에는 두 가지 혹은 그 이상의 측정 기능을 결합한 다기능 시스템들이 많이 나와 있다. 심박 측정기와 활동을 추적하기 위한 모션 센서를 결합하거나, 스트레스 모니터링이나 수면 분석 같은 애플리케이션용으로 심박 변이도와 임피던스 센싱을 결합한 것이 그러한 예이다.

대부분의 경우, 각각의 측정 용도별로 전용 AFE가 측정을 수행하기 때문에 여러 개의 AFE가 사용되고, 이들은 저마다 다른 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 메인 프로세서와 인터페이스, 그리고 분리될 필요가 있는 몇몇 전원, 레퍼런스 전압 등을 필요로 하기 때문에 결과적으로 칩 수가 늘어날 수밖에 없다. 이는 많은 중복된 기능 블록들을 포함하므로 크기 면에서나 전력 면에서 비합리적이다.

웨어러블 시스템에서 하나의 메인 신호 체인으로 각각의 센서를 연결할 수 있다면 그보다 더 좋을 수는 없을 것이다. 바로 이와 같은 요구를 충족하는 제품이 ADI의 새로운 ADPD4000 생체의학 AFE 제품군이다. 그림 1은 ADPD4xxx 제품군 중에서 고성능 제품의 블록 다이어그램을 나타낸 것이다. 이 AFE는 2개의 동일한 수신 채널을 기반으로 설계되었으며, 이들 채널을 동시에 샘플링 할 수 있다. 각 채널은 차동으로 설계되었으므로, 센서 입력을 싱글 엔드(single-ended)나 차동 측정(differential) 모드로 측정할 수 있다.

입력 스테이지는 트랜스임피던스 증폭기(TIA)로서 이득을 프로그램 할 수 있으며, 그 다음에는 대역통과 필터와 샘플당 7.5pC를 적분할 수 있는 적분기가 이어진다. ADC는 14비트 SAR(successive approximation register) 컨버터이고 최대 샘플링 레이트는 1MSPS이다. 각 신호 체인 앞에 있는 8채널 다중화기는 AFE에 다양한 센서 신호를 연결할 수 있는 유연성을 제공한다.



그림 1에서 보듯이, 이 칩을 사용해서 다양한 신호들을 측정할 수 있다. 예컨대, 이 AFE를 광학 AFE로 구성하면 광학적 방식으로 심박수나 산소 포화도를 측정할 수 있다. 이 경우에는 광전류를 측정하므로 전류를 전압으로 변환하기 위해서 트랜스임피던스가 높은 입력 스테이지가 필요하다. 주변 빛으로부터 간섭도 제거해야 한다. 또 다른 활용 사례로 심전도(ECG)나 EMG 센서를 활용한 생체전위 신호 측정을 들 수 있다.

이를 위해서는 다른 입력 신호 체인 설정이 필요하므로 AFE 설정을 다르게 해야 한다. 수신 신호 체인과 함께, 이 칩은 8출력 드라이버도 지원하므로 이것을 사용해서 자극을 제공할 수 있다. 광학 측정을 위해 1개 이상의 출력을 LED 구동용으로 구성할 수 있으며, 또는 임피던스 측정용으로 1개 이상의 드라이버 출력을 주파수 발생(excitation)으로 사용해서 생체전위 측정을 하면서 피부 임피던스(피부전기 활동(EDA))나 전극 임피던스를 측정할 수 있다.

이 칩은 사용자가 특정한 시간 슬롯으로 각각의 구성이나 측정을 사전에 프로그램 할 수 있다. 최대 12개의 시간 슬롯을 지원하며, 일단 구성을 하고 나면 시스템을 매우 손쉽게 사용할 수 있다. 또한 이 칩은 추가적인 프로세서 자원을 필요로 하지 않으므로, 시스템의 전반적인 전력 소모를 최소한으로 유지한다. 칩 상에서 오버샘플링(oversampling) 및 애버리징(averaging)을 함으로써 ADC의 유효 비트 수(ENOB)를 향상시킬 수 있다. 데시메이션 된 데이터 경로는 32비트 폭이다. 측정 결과는 256바이트 또는 512바이트의 딥 FIFO(각각 ADPD400x 및 ADPD410x)에 저장할 수 있다.



시간 스탬프 기능이 있어서 여러 개의 연결된 센서들로부터 들어오는 데이터 샘플들 사이에 동기화를 할 수 있다. 이는 여러 개의 센서 데이터를 사용해서 다중의 측정 결과들 사이에 상관관계를 구하고자 하는 경우에 필요하다. 그림 2는 이 칩을 사용해서 어떻게 ECG와 광혈류측정(PPG)을 동기화할 수 있는지 보여준다. 펄스 전이 시간(PPT) 측정 기술을 기반으로 하여, 연속 모드로 혈압을 측정할 수 있다. 이 측정은 고혈압 환자들에게 매우 유용한데, 시간 스탬프 기능은 이를 가능하게 해준다.



그림 3a는 시간 슬롯 동작이 어떻게 이루어지는지 보여준다. 각각의 시간 슬롯은 사전 조정 펄스로 시작해서, 자극 펄스가 뒤를 잇고, 끝으로 포토다이오드 전류나 ADC에 의해 샘플링되는 또 다른 센서 신호로부터 신호가 이어진다.

그림 3b는 동작 시퀀스를 보여준다. 파워업을 한 후에 리셋 동작이 이어지고 칩은 슬립 모드가 된다. 이 칩을 깨운 후에 2개의 ECG 신호(예를 들면 LEAD I과 LEAD II)를 순차적으로 샘플링하고, 이어서 광학적 측정으로 SpO₂ 리딩과 임피던스 측정을 수행해서 피부 전도도(EDA/스트레스)를 측정한다. 그러면 이들 각각의 측정에 대해서 좀더 알아보자.

훨씬 쉬워진 ECG 측정

ECG는 심장이 발생하는 전기 신호를 측정하는 것이다. 이는 심장이 매번 박동할 때마다 심장 근육의 탈분극과 재분극이 일어나기 때문이다.

통상적으로 이 신호는 진폭이 0.5mV ~ 4mV이고 주파수 범위는 0.05Hz ~ 40Hz까지 이른다. ECG는 오직 심박 측정용으로만 실시할 수도 있으나, 많은 경우에 파형 자체에 좀더 관심이 있다. 이를 통해 심장 활동을 판단하거나 심방세동 또는 지속적인 고혈압 같은 심장 질환을 조기에 감지할 수 있기 때문이다. 피부에 전극을 부착해서 심장 활동을 모니터링할 수 있다. 진단 애플리케이션에서는 신체 접촉을 보다 좋게 하기 위해서 통상 습식 전극을 사용한다. 가장 널리 사용되는 것은 은/염화은(Ag/AgCl) 전극이다.

병원이 아닌 곳에서 사용하는 애플리케이션의 경우에는 이러한 전극이 매우 불편하고 쉽게 마르거나 피부에 자극을 일으킬 수 있다. 건식 전극이 자주 사용되기는 하지만, 이는 피부와 전극 사이에 접촉성이 떨어지고 모션 잡음에 민감해, 결과적으로 판독 정확도가 떨어진다.

병원 외부의 애플리케이션에서는 전극 품질과 편의성이 상충 관계이다. ADPD4000 제품군은 전극 품질에 상관없이 정확한 측정을 제공하므로 이러한 문제를 해결할 수 있다. ECG 회로는 전압 입력을 사용하는 것이 아니라 센싱 커패시터(capacitor)에 축적되는 전기 전하를 측정한다.

수동 RC 네트워크와 샘플링 레이트를 가지고 계산한 최적화 시간 상수를 사용함으로써, 충전 프로세스가 피부-대-전극 접촉 임피던스 변동성을 제거한다. 그림 1은 ECG 신호가 RC 네트워크에 의해 어떻게 이 칩과 결합되는지를 보여준다. 이 ECG회로는 피부-대-전극 접촉 임피던스 변동성에 대해 본질적으로 우수한 내성을 갖고 있다.



그림 4는 2개의 ECG 파형을 보여준다. 파란색 파형은 양호한 품질의 전극을 사용해서 측정한 것으로서, 직렬 임피던스는 51kΩ이고 커패시턴스는 47nF이다. 빨간색 파형은 불량한 품질의 전극을 사용해서 측정한 것으로서 직렬 임피던스가 높다. 접촉 임피던스는 510kΩ이고 커패시턴스는 4.7nF이다. 여기서 ADPD4000은 전극 품질에 상관없이 두 파형을 거의 동일하게 측정하고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 시중의 다른 솔루션들과 비교할 때 이 AFE가 제공하는 가장 큰 장점이다.

또 다른 장점은, 이 회로는 전력 효율이 매우 좋다는 것이다. 충전 커패시터 상에서 ECG 신호를 포착하면서 동작을 할 필요가 없기 때문이다. 이 디바이스가 150㎼ ~ 200㎼밖에 소모하지 않는다는 점 역시 이 디바이스의 또 다른 장점이다.

PPG와 생체임피던스 측정

광학적 측정이나 생체임피던스 측정을 위해서는 각각 빛을 방출하고 인체로 전류를 여자하기 위해 LED 드라이버가 필요하다. 많은 광학 시스템들이 1개 이상의 파장을 사용한다. 이 점에 있어서도 이 칩의 범용성은 빛을 발한다. ADPD4000은 8출력 드라이버를 제공한다. 이 중에서 4개 채널을 동시에 사용할 수 있으며, 출력 전류를 채널당 최대 200mA, 전체 드라이버 섹션을 400mA로 프로그램 할 수 있다.

구성에 따라서 여러 시간 슬롯을 사용할 수 있으며, 각각 서로 다른 파장을 사용해서 이를 테면 광학적 심박, SpO₂, 체수분, 탈수를 측정할 수 있다. 각 수신 신호 체인은 프로그래머블 트랜스임피던스 증폭기와 여기에 연결된 듀얼 스테이지 제거 블록을 사용해서 주변 빛 간섭을 제거한다. 송신/수신 신호 체인의 신호대 잡음비(SNR)는 ADPD41xx 제품군의 경우 최대 100dB로서, 산소 포화도 측정이나 혈압 측정 같이 잡음에 민감한 광학 측정에 사용하기에 매우 유용하다.

이 광학 시스템의 전력 소모는 샘플링 및 데시메이션 레이트와 사용하는 LED 전류 같은 시스템 구성에 따라서 크게 달라질 수 있다. 신체 부위와 사용자의 피부 톤에 따라서도 영향을 받는다.

많은 웨어러블 시스템이 EDA, 스트레스, 심리 상태 모니터링 같은 애플리케이션용으로 피부 전도도를 측정할 수 있다. 전압 강하를 측정하기 위해서는 여자 전류가 필요하다. ADPD4000 제품군은 이러한 용도로도 적합하다. 이 칩을 2와이어 또는 4와이어 측정 모드로 구성할 수 있다.

향상된 파형 생성기와 DFT 엔진은 포함하지 않으므로, 임피던스 분광법이 필요한 경우에는 ADPD4000과 AD5940을 함께 사용해야 한다. 이 임피던스 기능을 사용해서 전극 품질을 측정하거나 리드가 끊어진 것을 감지할 수도 있다.

ADPD4xxx는 8채널 다중 보조 입력들을 사용해서 전압, 커패시턴스, 온도, 모션 등도 측정할 수 있다.

만능이면서 이상적인 솔루션 제공

ADPD4000/ADPD4001을 사용함으로써 설계자들은 웨어러블 디바이스, 신체 패치, 약물 주입 시스템 개발 시 직면하는 많은 과제들을 해결할 수 있다. 이러한 활용 사례들 모두 성능, 크기, 전력 소모를 중요 시 한다. 이 새로운 생체의학 AFE는 높은 성능, 듀얼 채널 센서 입력 스테이지, 자극 채널, 디지털 프로세싱 엔진, 타이밍 제어를 특징으로 함으로써 이러한 모든 요구를 충족하는 솔루션을 제공한다.

ADPD4000과 ADPD4001은 현재 양산공급 중이며, 차세대 제품인 ADPD4100/ADPD4101은 2020년 1분기에 공급을 시작한다. 이 차세대 제품은 SNR을 향상시켰으며 전반적인 시스템 전력 소모를 더욱 낮출 수 있는 기능들을 추가했다. 이 모든 기능들을 단일 칩에 포함하면서도 전자 설계 엔지니어의 작업을 어렵게 만들지 않는다. 시스템마다 필요에 따라서 인자들을 유연하게 구성할 수 있기 때문이다.


필자 소개  얀 하인 브로더스(Jan-Hein Broeders)

얀 하인 브로더스(Jan-Hein Broeders)는 아나로그디바이스 EMEA 지역 헬스케어 사업 개발 매니저이다. 헬스케어 업계와 긴밀히 협력하여 헬스케어 산업의 현재와 미래의 요구사항을 아나로그디바이스의 선도적인 리니어 및 데이터 컨버터 기술을 기반으로 하는 솔루션들과 디지털 신호 처리 및 전원 제품들로 구현하고 있다. 얀 하인 브로더스는 FAE로 경력을 시작해 20년 이상 반도체 업계에서 일해 왔으며, 2008년부터 현재의 헬스케어 업무를 담당해 오고 있다. 네덜란드 스헤르토헨보스 대학에서 전기공학을 전공했다. 문의: jan.broeders@analog.com