본 논문에서는 감성공학에 기반하여 일상생활 속에서 비자각적으로 생체신호를 계측하고 해석하여 신체적 건강과 정신적 건강의 상태를 확인 할 수 있는 휴대형 임베디드 시스템에 관하여 연구하였다. 본 연구는 일상생활에서 발생하는 다양한 상황에 따라 변화하는 감성을 일관적이며 신뢰성 있는 자율신경계의 활성도 분석법으로 해석하기 위하여 생체신호를 측정하고 분석하는 방법을 사용하였다. 시스템에서 측정한 ...
본 논문에서는 감성공학에 기반하여 일상생활 속에서 비자각적으로 생체신호를 계측하고 해석하여 신체적 건강과 정신적 건강의 상태를 확인 할 수 있는 휴대형 임베디드 시스템에 관하여 연구하였다. 본 연구는 일상생활에서 발생하는 다양한 상황에 따라 변화하는 감성을 일관적이며 신뢰성 있는 자율신경계의 활성도 분석법으로 해석하기 위하여 생체신호를 측정하고 분석하는 방법을 사용하였다. 시스템에서 측정한 생체신호는 광전용적맥파(Photoplethysmograph:PPG), 피부전기활성도(ElectroDermal Activity:EDA), 피부온도(Skin Temperature:SKT), 움직임이며, 비자각적으로 측정하기 위하여 일상생활에서 자주 사용하는 용품인 펜(Pen)을 활용하였다. 특히, 이 생체신호들은 신체의 손 부분에서 모두 비 침습적으로 측정이 가능하며, 자율신경계의 변화에 대한 지표를 잘 반영하기 있기 때문에 공학적 응용의 의미가 매우 높다. 시스템을 펜에 적용하며 소형화 및 저전력화 설계를 하면서 이전 연구들을 통하여 검증된 의료기기들과 수준이 유사한 결과를 얻기 위하여 주파수 여파기 및 증폭기 회로를 간소화 설계하고, CAD 시스템을 활용하여 PCB제작을 하였다. 광적용적맥파는 펜과 접하는 검지에서 수광부와 발광부가 함께 있는 초소형의 반사형포토인터럽터(SG-105LF,Kodenshi)를 사용하고, 교류증폭기 및 Lossy 적분기 회로를 응용하여 0.5~5Hz대역의 주파수를 신호를 검출하였다. 피부전기활성도는 검지 부분과 펜과의 접하는 또 다른 부분에 표면전극을 설계하여 계측하는 전위차법을 사용하고, DC~0.5Hz 대역의 주파수로 피부전도도 수준 검출하며 대역통과여파기를 이용하여 0.03~0.5Hz 대역의 주파수로 피부 전도도 반응을 검출하였다. 피부온도는 온도에 따라 저항이 변화하는 NTC형의 서미스터를 사용하고, 온도에 따라 저항의 미세한 변화를 전압으로 검출하기 위하여 휘스톤브릿지 및 차동증폭기를 설계하여 계측하였다. 움직임은 3축 가속도센서를 펜에 적용하여 X,Y,Z축의 동작에 대한 전압의 변화를 계측하였다. 또한 사용자의 위치 및 환경인식을 기반하여 상태변화를 해석하기 위하여 환경온도를 계측하였으며, 계측된 아날로그의 생체신호는 마이크로컨트롤러를 이용하여 디지털신호로 변환하고 근거리 무선통신기기인 블루투스(Bluetooth)를 활용하여 실시간으로 주변의 임베디드 시스템에 전송하였다. 마이크로컨트롤러는 아날로그-디지털 변환기능과 비동기식 통신 기능이 내장된 ATmega8L을 사용하였고, 전원은 저전력화를 위하여 3.3V LDO 정전압변환기를 설계하였다. 수신된 생체신호 중 광전용적맥파 신호는 자율신경계의 활성도를 평가하기 위한 중요한 지표로 peak검출 및 전처리알고리즘을 통하여 심박동변동성(Heart rate Variability:HRV)에 대한 시계열정보로 변환하고, 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform:FFT)과 전력스펙트럼 밀도 분석(Power Spectrum Density:PSD) 방법으로 주파수를 해석하여 상황에 따른 자율신경계의 교감신경과 부교감신경의 활성도 변화를 관측하였다. 그리고 이러한 변화를 눈으로 쉽게 확인하기 위하여 C#을 활용하여 해석결과를 그래프로 시각화하는 인터페이스 시스템을 설계하였다. 설계한 시스템을 활용하여 일상생활에서 생체신호를 계측하고 해석한 결과는 다양한 동작과 상황의 변화에도 불구하고 이전 연구들을 통하여 검증된 의료기기들의 측정결과와 유사하며 감성 및 사용자의 상태 평가에 유의한 결과였다. 광적용적맥파는 정지 상황 및 작은 움직임에도 peak를 검출할 수 있는 결과를 얻어 심박동변동성에 대한 해석이 가능하였다. 피부전기활성도의 피부전도도수준의 신호는 움직임의 정도에 따라 상승하고 하강하였으며, 피부전도도반응의 신호는 외부 자극에 대한 반응을 반영하는 결과를 얻었다. 움직임에 따른 피부온도의 변화차이는 크지 않았지만 환경온도의 변화에 따라 피부온도의 반응의 차이는 사용자의 주변 환경을 구분할 수 있었다. 또한 측정된 생체신호를 바탕으로 상황에 따라 변화하는 자율신경계의 활성도를 해석한 결과는 사용자의 감성상태에 대해서 구분이 가능하였다. 사용자가 안정된 상태에서는 저주파수대역이 활성화 되었으며 지속적인 정신활동으로 인한 피로 및 흥분된 상태에서는 고주파수대역이 활성화 되는 결과를 얻었다. 이는 일상생활에서 변화하는 생체신호를 비자각적으로 측정하고, 해석된 결과를 활용하여 신체적, 정신적 건강을 언제, 어디서나 관리할 수 있는 측면에서 매우 중요한 의미를 가진다. 특히 현대사회에서 스트레스로 인한 건강의 위험에 노출이 많이 되어 있는 학생 및 회사원들에게 있어서 그들이 자주 사용하는 펜을 이용하여 건강상태를 계측 및 해석한 본 연구의 결과는 매우 중요하다고 생각된다. 하지만 동일한 상황에 따라 사람마다 반응의 정도는 각각 다르기 때문에 향 후 본 시스템을 활용하여 다양한 표본에 대한 실험을 통하여 정량적인 기준을 구분하고 이에 따라 정확한 상황의 구별이 이루어져야 할 것이다. 그리고 사용자에게 보다 좋은 환경을 조성하거나 회복할 수 있는 피드백 서비스를 제공하는 시스템의 연구가 필요할 것이다.
본 논문에서는 감성공학에 기반하여 일상생활 속에서 비자각적으로 생체신호를 계측하고 해석하여 신체적 건강과 정신적 건강의 상태를 확인 할 수 있는 휴대형 임베디드 시스템에 관하여 연구하였다. 본 연구는 일상생활에서 발생하는 다양한 상황에 따라 변화하는 감성을 일관적이며 신뢰성 있는 자율신경계의 활성도 분석법으로 해석하기 위하여 생체신호를 측정하고 분석하는 방법을 사용하였다. 시스템에서 측정한 생체신호는 광전용적맥파(Photoplethysmograph:PPG), 피부전기활성도(ElectroDermal Activity:EDA), 피부온도(Skin Temperature:SKT), 움직임이며, 비자각적으로 측정하기 위하여 일상생활에서 자주 사용하는 용품인 펜(Pen)을 활용하였다. 특히, 이 생체신호들은 신체의 손 부분에서 모두 비 침습적으로 측정이 가능하며, 자율신경계의 변화에 대한 지표를 잘 반영하기 있기 때문에 공학적 응용의 의미가 매우 높다. 시스템을 펜에 적용하며 소형화 및 저전력화 설계를 하면서 이전 연구들을 통하여 검증된 의료기기들과 수준이 유사한 결과를 얻기 위하여 주파수 여파기 및 증폭기 회로를 간소화 설계하고, CAD 시스템을 활용하여 PCB제작을 하였다. 광적용적맥파는 펜과 접하는 검지에서 수광부와 발광부가 함께 있는 초소형의 반사형포토인터럽터(SG-105LF,Kodenshi)를 사용하고, 교류증폭기 및 Lossy 적분기 회로를 응용하여 0.5~5Hz대역의 주파수를 신호를 검출하였다. 피부전기활성도는 검지 부분과 펜과의 접하는 또 다른 부분에 표면전극을 설계하여 계측하는 전위차법을 사용하고, DC~0.5Hz 대역의 주파수로 피부전도도 수준 검출하며 대역통과여파기를 이용하여 0.03~0.5Hz 대역의 주파수로 피부 전도도 반응을 검출하였다. 피부온도는 온도에 따라 저항이 변화하는 NTC형의 서미스터를 사용하고, 온도에 따라 저항의 미세한 변화를 전압으로 검출하기 위하여 휘스톤브릿지 및 차동증폭기를 설계하여 계측하였다. 움직임은 3축 가속도센서를 펜에 적용하여 X,Y,Z축의 동작에 대한 전압의 변화를 계측하였다. 또한 사용자의 위치 및 환경인식을 기반하여 상태변화를 해석하기 위하여 환경온도를 계측하였으며, 계측된 아날로그의 생체신호는 마이크로컨트롤러를 이용하여 디지털신호로 변환하고 근거리 무선통신기기인 블루투스(Bluetooth)를 활용하여 실시간으로 주변의 임베디드 시스템에 전송하였다. 마이크로컨트롤러는 아날로그-디지털 변환기능과 비동기식 통신 기능이 내장된 ATmega8L을 사용하였고, 전원은 저전력화를 위하여 3.3V LDO 정전압변환기를 설계하였다. 수신된 생체신호 중 광전용적맥파 신호는 자율신경계의 활성도를 평가하기 위한 중요한 지표로 peak검출 및 전처리 알고리즘을 통하여 심박동변동성(Heart rate Variability:HRV)에 대한 시계열정보로 변환하고, 고속 퓨리에 변환(Fast Fourier Transform:FFT)과 전력스펙트럼 밀도 분석(Power Spectrum Density:PSD) 방법으로 주파수를 해석하여 상황에 따른 자율신경계의 교감신경과 부교감신경의 활성도 변화를 관측하였다. 그리고 이러한 변화를 눈으로 쉽게 확인하기 위하여 C#을 활용하여 해석결과를 그래프로 시각화하는 인터페이스 시스템을 설계하였다. 설계한 시스템을 활용하여 일상생활에서 생체신호를 계측하고 해석한 결과는 다양한 동작과 상황의 변화에도 불구하고 이전 연구들을 통하여 검증된 의료기기들의 측정결과와 유사하며 감성 및 사용자의 상태 평가에 유의한 결과였다. 광적용적맥파는 정지 상황 및 작은 움직임에도 peak를 검출할 수 있는 결과를 얻어 심박동변동성에 대한 해석이 가능하였다. 피부전기활성도의 피부전도도수준의 신호는 움직임의 정도에 따라 상승하고 하강하였으며, 피부전도도반응의 신호는 외부 자극에 대한 반응을 반영하는 결과를 얻었다. 움직임에 따른 피부온도의 변화차이는 크지 않았지만 환경온도의 변화에 따라 피부온도의 반응의 차이는 사용자의 주변 환경을 구분할 수 있었다. 또한 측정된 생체신호를 바탕으로 상황에 따라 변화하는 자율신경계의 활성도를 해석한 결과는 사용자의 감성상태에 대해서 구분이 가능하였다. 사용자가 안정된 상태에서는 저주파수대역이 활성화 되었으며 지속적인 정신활동으로 인한 피로 및 흥분된 상태에서는 고주파수대역이 활성화 되는 결과를 얻었다. 이는 일상생활에서 변화하는 생체신호를 비자각적으로 측정하고, 해석된 결과를 활용하여 신체적, 정신적 건강을 언제, 어디서나 관리할 수 있는 측면에서 매우 중요한 의미를 가진다. 특히 현대사회에서 스트레스로 인한 건강의 위험에 노출이 많이 되어 있는 학생 및 회사원들에게 있어서 그들이 자주 사용하는 펜을 이용하여 건강상태를 계측 및 해석한 본 연구의 결과는 매우 중요하다고 생각된다. 하지만 동일한 상황에 따라 사람마다 반응의 정도는 각각 다르기 때문에 향 후 본 시스템을 활용하여 다양한 표본에 대한 실험을 통하여 정량적인 기준을 구분하고 이에 따라 정확한 상황의 구별이 이루어져야 할 것이다. 그리고 사용자에게 보다 좋은 환경을 조성하거나 회복할 수 있는 피드백 서비스를 제공하는 시스템의 연구가 필요할 것이다.
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