Electrical impedance tomography SoC & system for wearable healthcare

Abstract

본 논문은 웨어러블 헬스케어를 위한 전기 임피던스 단층촬영 (EIT, Electrical impedance tomography) SoC 및 시스템에 관한 것이다. 천에 전극을 구현하는 기술을 이용하여 기존의 EIT 시스템이 가지고 있던 불안정하고 불편한 전극 인터페이스를 안정적으로 하고, EIT SoC를 구현하고 천으로 된 시스템에 집적하여 초소형 시스템을 구현했다. 또한 전극 가까이에 칩이 집적되어 pre-processing이 완료된 디지털 신호만이 긴 선을 통해 전달되기 때문에 잡음 문제 또한 해결 가능함을 보였다. 이러한 EIT SoC 및 시스템 두 가지가 제안되었다. 첫째로, 유방암 조기 진단을 위한 EIT SoC와 웨어러블 시스템을 제안했다. 이 시스템을 위해 제안된 EIT SoC의 current stimulator는 0.2% 이내의 낮은 total harmonic distortion을 보이고, adaptive gain control 기능을 가지는 analog front-end를 통해 최소 4.9mΩ의 임피던스 차이를 센싱할 수 있다. 전체 시스템은 천에 전극을 구현하고 EIT SoC를 집적하여 사용자가 입기 편리한 브래지어 형태로 구현되었고, 모바일 기기에 연결하여 3D 이미징 결과를 볼 수 있도록 했다. 결과적으로 5mm까지의 초기 유방암을 발견할 수 있는 sensitivity를 가지는 유방암 조기 진단용 EIT 시스템을 제안하여 굳이 병원에 가지 않고도 집에서 과학적인 방법으로 조기 자가진단이 가능하도록 했다. 둘째로, 폐 환기 모니터링을 위한 EIT SoC와 웨어러블 시스템을 제안했다. 이 시스템을 위한 EIT SoC는 I/Q signaling을 통해 phase 정보까지 센싱하여 더 정확한 이미지 복원을 가능하게 했으며, 빠른 demodulation이 가능하게 하여 최고 20frame/sec의 실시간 이미징이 가능하도록 했다. 전력 소모도 10.4mW로 적게 하여 배터리 없이 전원을 모바일 기기에서 직접 받아 사용할 수 있도록 했다. 전체 시스템은 천에 전극을 구현하고 EIT SoC를 집적하여 벨트 형태로 구현되었고, 안드로이드 어플리케이션까지 구현하여 모바일 기기에서 실시간으로 폐의 이미지를 볼 수 있도록 했다. 이렇게 고성능 EIT SoC를 설계하고, 천에 회로를 구현하는 기술을 활용하여 전극을 구현하고 칩을 집적함으로써 신체 내부 이미지를 볼 수 있는 간편한 형태의 웨어러블 헬스케어 시스템이 구현되었다. 그리고 시스템들은 in-vitro 뿐만 아니라 in-vivo 측정을 통해 성공적으로 검증되었다.