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문제 정의
- 본 논문에서는 2-3일 이상 연속적으로 생체 신호를 모니터링 할 수 있는 시스템을 개발하였다. 제안된 시스템은 전극센서와 LED/광검출기를 사용하여 소형, 저전력으로 개발되었다.
- 그러나 PPG와 ECG를 동시에 측정하고 혈압과 상관관계가 있는 PTT를 계산하여 며칠 동안 연속적으로 관찰 할 수 있는 저전력, 휴대용 시스템에 대한 연구는 소개되지 않고 있다. 본 연구에서는 전극센서를 이용한 ECG 신호를 측정함과 동시에 손가락에 발광다이오드(light emitting diode, LED)의 빛을 조사하고 반사되어 나온 빛을 측정하여 PPG 신호를 측정하도록 하였다. ECG측정을 위하여 높은 입력 임피던스와 높은 공통성분제거비를 가진 회로를 설계하였고 PPG측정을 위하여 일반적으로 사용하는 투과형 방식이 아닌 반사형 방식으로 개발하여 추후 패치형태로 몸에 부착하여 언제 어디서나 측정할 수 있게 하였다.
제안 방법
- 전극으로부터 리드선을 통해 신호가 인가된다. DC 전위 포화방지를 위해서 높은 입력 임피던스(1013 ohm 이상), 높은 동상신호제거비를 가진 계측용 증폭기를 설계하였다. 직류 성분의 변동을 억제하기 위해서 0.
- ECG측정을 위하여 높은 입력 임피던스와 높은 공통성분제거비를 가진 회로를 설계하였고 PPG측정을 위하여 일반적으로 사용하는 투과형 방식이 아닌 반사형 방식으로 개발하여 추후 패치형태로 몸에 부착하여 언제 어디서나 측정할 수 있게 하였다. ECG 및 PPG 신호의 검출과 증폭 그리고 필터링을 위한 아날로그 회로를 설계하였고 아날로그 신호를 신호처리 하기 위해서 원칩 마이컴을 사용하여 아날로그-디지털변환(ADC)을 하였고 개인용 컴퓨터(personal computer, PC)와 직렬통신하여 데이터를 전송하여 PC에서 데이터를 실시간 확인 할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 개발한 장치는 3볼트 단일 전원에 의하여 동작되도록 하여 장치의 소형화와 전력소모를 최소화하는 점에 염두를 두었다.
- 본 연구에서는 전극센서를 이용한 ECG 신호를 측정함과 동시에 손가락에 발광다이오드(light emitting diode, LED)의 빛을 조사하고 반사되어 나온 빛을 측정하여 PPG 신호를 측정하도록 하였다. ECG측정을 위하여 높은 입력 임피던스와 높은 공통성분제거비를 가진 회로를 설계하였고 PPG측정을 위하여 일반적으로 사용하는 투과형 방식이 아닌 반사형 방식으로 개발하여 추후 패치형태로 몸에 부착하여 언제 어디서나 측정할 수 있게 하였다. ECG 및 PPG 신호의 검출과 증폭 그리고 필터링을 위한 아날로그 회로를 설계하였고 아날로그 신호를 신호처리 하기 위해서 원칩 마이컴을 사용하여 아날로그-디지털변환(ADC)을 하였고 개인용 컴퓨터(personal computer, PC)와 직렬통신하여 데이터를 전송하여 PC에서 데이터를 실시간 확인 할 수 있는 프로그램을 개발하였다.
- 그림 5의 첫 번째 파형은 ECG를, 두 번째 파형을 PPG를 나타낸다. PTT 간격을 파형으로 나타내기 위하여 ECG의 R-파가 시작하는 점에서부터 값이 증가하기 시작하고 PPG의 피크에서 0으로 떨어지도록 하였다(그림 5의 밑의 파형). 개발된 생체신호측정기는 그림 6(a)와 같다.
- PPG 신호는 일반적으로 사용하는 투과형 대신 반사형을 사용하여 추후 환자의 몸에 부착시키기 용이하게 하였고 심전도는 Lead II 방식을 사용하여 기록하였다. PTT를 측정하기 위해서 아날로그 피크 검출 회로를 사용하여 ECG와 PPG의 최고점을 검출하였고 최고점 사이의 시간을 측정하여 PTT를 계산하였다. Biopac사의 모델 MP100을 사용하여 장시간 실험하여 개발한 장치의 ECG와 PPG 파형이 정확히 측정됨을 확인하였다.
- ECG 및 PPG 신호의 검출과 증폭 그리고 필터링을 위한 아날로그 회로를 설계하였고 아날로그 신호를 신호처리 하기 위해서 원칩 마이컴을 사용하여 아날로그-디지털변환(ADC)을 하였고 개인용 컴퓨터(personal computer, PC)와 직렬통신하여 데이터를 전송하여 PC에서 데이터를 실시간 확인 할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 개발한 장치는 3볼트 단일 전원에 의하여 동작되도록 하여 장치의 소형화와 전력소모를 최소화하는 점에 염두를 두었다. 또한 내장된 메모리에 2-3일간 데이터를 연속적으로 저장하게 하여 피측정자가 외부 간섭 없이 장시간 생체신호를 측정하여 분석할 수 있도록 하였다.
- 그림 9는 하바드스탭 테스트 20 cm 계단 오르내리기 100회(3분 소요) 운동 전과 후에 개발된 생체신호 측정시스템을 이용하여 PTT를 측정한 결과를 보여 주고 있다. 건강한 젊은 남자 4명을 대상으로 각각 3번씩 총 12회 측정하였고, 같은 실험을 다른 날 다시 반복하였다. PTT는 약 18초의 데이터를 이용하여 계산하였다.
- 3 Hz인 저역통과필터(LPF)를 설계하였다. 그리고 신호의 포화방지를 위해서 직류 성분의 변동을 줄이기기 위해서 차단 주파수가 0.16 Hz인 고역통과필터(HPF)를 설계하였다. 또한 포토트랜지스터로부터 검출된 신호는 ADC 하기에 미약한 신호이므로 연산증폭기를 사용하여 신호를 증폭하였다.
- ECG와 PPG는 아날로그 피크 검출기 회로를 거쳐서 마이크로프로세서 외부 인터럽트 핀에 각각 입력된다. 그림 4와 같이 ECG 신호의 R-파와 PPG 신호의 최고점사이의 시간을 맥파전달시간(PTT)으로 사용하였으며 ADuC812 내부 타이머를 이용하여 PTT를 계산하였다. 심전도와 광전용적맥파는 각각 8비트로 사용하여 신호처리 하였다.
- PPG 센서는 광원을 이용한 특성상 광의 변동에 의한 잡음과 동 잡음 등에 따른 잡음이 존재할 수 있다. 따라서 고주파 잡음을 제거하기 위해서 차단주파수가 5.3 Hz인 저역통과필터(LPF)를 설계하였다. 그리고 신호의 포화방지를 위해서 직류 성분의 변동을 줄이기기 위해서 차단 주파수가 0.
- 개발한 장치는 3볼트 단일 전원에 의하여 동작되도록 하여 장치의 소형화와 전력소모를 최소화하는 점에 염두를 두었다. 또한 내장된 메모리에 2-3일간 데이터를 연속적으로 저장하게 하여 피측정자가 외부 간섭 없이 장시간 생체신호를 측정하여 분석할 수 있도록 하였다.
- 개발된 생체신호측정기는 그림 6(a)와 같다. 또한 직렬통신을 통해 PC나 PDA에서 데이터를 저장 할 수 있도록 하였다. PC로 전송 된 데이터는 자체적으로 개발한 Visual C++ 프로그램을 통해서 실시간으로 파형을 확인할 수 있다(그림 6(b)).
- 16 Hz인 고역통과필터(HPF)를 설계하였다. 또한 포토트랜지스터로부터 검출된 신호는 ADC 하기에 미약한 신호이므로 연산증폭기를 사용하여 신호를 증폭하였다. 전체 시스템 블록도는 그림 3에서 보는 바와 같다.
- 그림 4와 같이 ECG 신호의 R-파와 PPG 신호의 최고점사이의 시간을 맥파전달시간(PTT)으로 사용하였으며 ADuC812 내부 타이머를 이용하여 PTT를 계산하였다. 심전도와 광전용적맥파는 각각 8비트로 사용하여 신호처리 하였다. 채널 당 300 Hz로 샘플링 하였으며 필요에 따라 샘플링한 신호를 하드웨어에 내장된 SD 메모리에 저장하도록 하였다.
- PTT 신호를 측정하기 위해서 PPG, ECG 신호는 각각 아날로그 피크 검출기 회로를 거쳐서 각 신호의 최대값이 되는 시점을 검출하게 된다. 이 두 개의 최대값에 해당되는 펄스 파형을 마이크로프로세서의 외부 인터럽트 핀에 인가하여 PTT 시간을 계산하였다. 이 때 PTT시간은 마이크로프로세서의 921.
- 0) 프로그램을 사용하여 실시간으로 디스플레이 하였다. 장시간 연속적으로 데이터를 저장하기 위해서 Compile Technology사의 SD-COM을 인터페이스하여 SD 메모리에 원 신호를 저장할 수 있도록 하였으며 주 신호처리 부분을 제외한 부가 기능을 제어하기 위해서 또 다른 ADuC812 칩을 하나 더 사용하였다. 파형의 실시간 시간정보를 위해서 사용한 RTC(real time clock)와 전력소모를 줄이기 위해 PPG의 LED를 제어하는 부가기능은 추가로 사용한 마이크로프로세서에서 제어했다.
- 48 Hz HPF를 설계하였고, 전원에 포함된 60 Hz 잡음을 제거하기 위한 notch filter와 고주파 잡음을 제거하기 위해서 40 Hz LPF를 설계하였다. 전극을 통해 입력된 ECG 신호는 미약한 신호이므로 연산증폭기를 사용하여 증폭하였다.
- 전체 시스템의 구성도(그림 3)에서 보는 바와 같이 신체로부터의 측정된 센서신호를 각각의 아날로그 신호처리부를 거쳐 PPG와 ECG 신호를 얻게 되고 모델 ADuC812(Analog Device사, USA) 원칩 마이크로컨트롤러를 사용하여 각각 PPG와 ECG신호를 300 Hz ADC 샘플링하게 된다. PTT 신호를 측정하기 위해서 PPG, ECG 신호는 각각 아날로그 피크 검출기 회로를 거쳐서 각 신호의 최대값이 되는 시점을 검출하게 된다.
- 본 논문에서는 2-3일 이상 연속적으로 생체 신호를 모니터링 할 수 있는 시스템을 개발하였다. 제안된 시스템은 전극센서와 LED/광검출기를 사용하여 소형, 저전력으로 개발되었다. PPG 신호는 일반적으로 사용하는 투과형 대신 반사형을 사용하여 추후 환자의 몸에 부착시키기 용이하게 하였고 심전도는 Lead II 방식을 사용하여 기록하였다.
- DC 전위 포화방지를 위해서 높은 입력 임피던스(1013 ohm 이상), 높은 동상신호제거비를 가진 계측용 증폭기를 설계하였다. 직류 성분의 변동을 억제하기 위해서 0.48 Hz HPF를 설계하였고, 전원에 포함된 60 Hz 잡음을 제거하기 위한 notch filter와 고주파 잡음을 제거하기 위해서 40 Hz LPF를 설계하였다. 전극을 통해 입력된 ECG 신호는 미약한 신호이므로 연산증폭기를 사용하여 증폭하였다.
- 심전도와 광전용적맥파는 각각 8비트로 사용하여 신호처리 하였다. 채널 당 300 Hz로 샘플링 하였으며 필요에 따라 샘플링한 신호를 하드웨어에 내장된 SD 메모리에 저장하도록 하였다. 측정된 파형은 실시간으로 직렬통신을 통하여 PC로 전달하여 표시된다.
- 장시간 연속적으로 데이터를 저장하기 위해서 Compile Technology사의 SD-COM을 인터페이스하여 SD 메모리에 원 신호를 저장할 수 있도록 하였으며 주 신호처리 부분을 제외한 부가 기능을 제어하기 위해서 또 다른 ADuC812 칩을 하나 더 사용하였다. 파형의 실시간 시간정보를 위해서 사용한 RTC(real time clock)와 전력소모를 줄이기 위해 PPG의 LED를 제어하는 부가기능은 추가로 사용한 마이크로프로세서에서 제어했다. 전체 시스템은 저전압인 3 V 단일전원을 사용함으로 전력소모를 줄일 수 있었다.
대상 데이터
- 본 연구에서 PPG와 ECG측정에 사용된 센서는 그림 1과 같다. PPG를 측정하기 위해서 Kodenshi사의 모델 EL-23G 940 nm 적외선 발광 다이오드와 모델 ST-23G 포토트랜지스터를 사용하였다(그림 1(a)).
- 전체 시스템은 전력소모를 최소화 하고 독립 전원인 건전지 사용을 위해서 3 V 단일 전원을 사용하였다. ECG 측정 시 소모전류는 23 mA 정도였으며 PPG, PTT 측정을 위해 적외선 LED 구동을 하였을 때 32 mA 가량의 전류가 소모되었다.
데이터처리
- 6 kHz의 내부 타이머를 이용하여 계산하여 미세한 PTT 시간의 변화도 측정할 수 있게 하였다. 측정된 파형을 확인하기 위해서 직렬통신으로 데이터를 PC로 전송한 후 PC에서 Visual C++(마이크로소프트 버전 6.0) 프로그램을 사용하여 실시간으로 디스플레이 하였다. 장시간 연속적으로 데이터를 저장하기 위해서 Compile Technology사의 SD-COM을 인터페이스하여 SD 메모리에 원 신호를 저장할 수 있도록 하였으며 주 신호처리 부분을 제외한 부가 기능을 제어하기 위해서 또 다른 ADuC812 칩을 하나 더 사용하였다.
이론/모형
- ECG 측정을 위해서 전도성 젤이 부착된 일회용 은/염화은(Ag/AgCl) 전극을 사용하였다(그림 1(b)). ECG 신호는 일반적으로 QRS 파형이 잘 측정되는 LEAD II 방식으로 측정하였다. 전극으로부터 리드선을 통해 신호가 인가된다.
- 제안된 시스템은 전극센서와 LED/광검출기를 사용하여 소형, 저전력으로 개발되었다. PPG 신호는 일반적으로 사용하는 투과형 대신 반사형을 사용하여 추후 환자의 몸에 부착시키기 용이하게 하였고 심전도는 Lead II 방식을 사용하여 기록하였다. PTT를 측정하기 위해서 아날로그 피크 검출 회로를 사용하여 ECG와 PPG의 최고점을 검출하였고 최고점 사이의 시간을 측정하여 PTT를 계산하였다.
- PPG의 경우 동 잡음이나 외란 광에 매우 민감하기 때문에 손가락형태의 고형물에 센서를 부착하였다. PPG 측정을 위해서 일반적으로 많이 사용하는 투과형 방식이 아닌 그림 2와 같은 반사형 방식을 사용하였다. 반사형 방식을 사용한 이유는 추후 패치형태의 작은 시스템으로 개발하여 환자의 몸에 부착하여 일상생활을 하면서 사용할 수 있도록 하기 위함이다.
성능/효과
- PTT를 측정하기 위해서 아날로그 피크 검출 회로를 사용하여 ECG와 PPG의 최고점을 검출하였고 최고점 사이의 시간을 측정하여 PTT를 계산하였다. Biopac사의 모델 MP100을 사용하여 장시간 실험하여 개발한 장치의 ECG와 PPG 파형이 정확히 측정됨을 확인하였다. 시스템에 내장된 SD 메모리를 사용하여 측정된 실시간 데이터를 저장하도록 하였기 때문에 장시간 관찰이 필요한 환자나 측정 대상자에게 유용한 시스템이 될 것이다.
- PTT는 약 18초의 데이터를 이용하여 계산하였다. 운동 후 PTT가 평균 19 % 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
- 파형의 실시간 시간정보를 위해서 사용한 RTC(real time clock)와 전력소모를 줄이기 위해 PPG의 LED를 제어하는 부가기능은 추가로 사용한 마이크로프로세서에서 제어했다. 전체 시스템은 저전압인 3 V 단일전원을 사용함으로 전력소모를 줄일 수 있었다. 아날로그 필터의 경우에는 같은 특성을 유지하는 조건에서 저항 값을 높이고 커패시턴스 값을 낮추도록 하여 전력소모를 줄일 수 있었다.
후속연구
- 5 V 건전지를 이용하여 2-3일의 생체신호를 실시간으로 측정하여 데이터를 저장할 수 있다. 본 시스템을 이용하여 심장질환자의 모니터링, 수면 무호흡 환자의 측정이나 원격진료 등 여러 분야에서 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 향후 본 시스템을 기반으로 하여 현재 사용되고 있는 다수의 전자부품을 시스템온칩 기술을 이용하여 2-3개의 칩으로 만들어 초소형화를 실현시키고자 계획하고 있다. 초소형화된 시스템을 패치 형태로 몸에 부착시키고 측정 생체신호를 Zigbee나 active RFID 등의 무선전송방법을 통하여 의료서비스센터로 보낼 수 있게 하면 혁신적인 ubiquitous health monitoring의 방법이 될 것이다.
- 시스템에 내장된 SD 메모리를 사용하여 측정된 실시간 데이터를 저장하도록 하였기 때문에 장시간 관찰이 필요한 환자나 측정 대상자에게 유용한 시스템이 될 것이다. 향후 본 시스템을 기반으로 하여 현재 사용되고 있는 다수의 전자부품을 시스템온칩 기술을 이용하여 2-3개의 칩으로 만들어 초소형화를 실현시키고자 계획하고 있다. 초소형화된 시스템을 패치 형태로 몸에 부착시키고 측정 생체신호를 Zigbee나 active RFID 등의 무선전송방법을 통하여 의료서비스센터로 보낼 수 있게 하면 혁신적인 ubiquitous health monitoring의 방법이 될 것이다.
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