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문제 정의
- 이러한 방법은 중환자실이나 제한된 범위 내에서만 사용이 가능하며 센서를 인체에 부착시켜야 하므로 이동 중 휴대하여 무선으로 호흡신호를 측정하는 것은 불가능하다. 따라서 본 연구에서는 호흡수를 측정하기 위해 비접촉 압전센서를 휠체어 방석형으로 제작하여 얻은 심탄도 신호를 이용하여 이동 중 호흡수를 검출하였다.
- 광전용적맥파는 소정 개수의 LED와 광검출기를 이용하여 심장박동에 관련된 정보를 추출하는 방법으로 간단한 센서모듈로 신체와의 단 하나의 접촉점을 통해 심박수를 검출할 수 있기 때문에 2개 이상의 전극을 부착해 야 하는 심전도를 이용하는 방법에 비하여 사용자에게 불편함을 주지 않으므로, 의료적 또는 비 의료적 목적의 기기에 많이 이용되고 있다[11]. 본 연구에서는 무선전송이 가능한 휴대형 심전도 장치를 개발하여 심박수를 검출하였다. 그리고 호흡수(respiratory rate)는 숨을들이마시는 흡기와 숨을내쉬는 호기를 1회로 하여 1분 동안 몇 회 반복하는지를 측정하는 것으로 성인의 정상 호흡수는 18회/분, 신생아는 35~45 회/분으로 나이가 들어감에 따라 적어진다.
제안 방법
- 개발된 장치의 심박수의 정확성 을 알아보기 위하여 바이오팩을 이용하여 R-R 간격을 비교 하였다. 5명의 피검자를 대상으로 휠체어가정지 시와 이동 중에 4개의 Ag/AgCl 전극을 부착하여 얻은 1분 동안의 심전도 Lead I 과 Lead II 신호를 획득하고 R파의 개수만을 카운트하여 심박수를 즉정 하였고 동시에 심탄도 신호도 획 득하였다.
- 개발된 장치는 전극이 탈착되거나, 심박수의 허용범위를 벗어나 거 나, 이벤트 버튼을 누르는 등 세 가지의 상황에서 이벤트가 발생 하며 본 연구에서는 전극을 탈착시키는 이벤트를 발생시키고, 이때 원격 서 버 로 심 전도와 심탄도 그리고 가속도 데 이 터 가 정확하게 전송되는지 확인하였다.
- 개발된 장치의 검증을 위해 사무실 의자에서 사전 실험을 시행 하였다. 표 2는 호흡수 측정 기 준장치 로 사용한 SKT(Skin Temperature Amplifier) 센서와 개발된 장치인 방석형 센서에서 얻는 심탄도 신호를 신호 처 리하여 얻은 호흡수를 비교한 결과이다.
- 따라서 본 연구에서는심탄도신 호를 2회의 이동 평균 신호처리를 통하여 정지시는 물론 이동 중 에도 호흡수를 간단하고 정확히 측정하였다. 그렇지만 심박수의 측정에 있어서는 이동 중 휠체어의 움직임이나 인체의 움직임 등의 외부 노이즈로 인해 심 박수가 소실되거나 비정 상적으로 생성 되는 경우가 발생 하여 심탄도 신호보다 심 전도신호를 이용하여 심 박 수를 측정하였다. 그리고 가속도 센서를 이용하여 환자의 이동 상 황에 대한 정보를 획득하였다.
- 그렇지만 심박수의 측정에 있어서는 이동 중 휠체어의 움직임이나 인체의 움직임 등의 외부 노이즈로 인해 심 박수가 소실되거나 비정 상적으로 생성 되는 경우가 발생 하여 심탄도 신호보다 심 전도신호를 이용하여 심 박 수를 측정하였다. 그리고 가속도 센서를 이용하여 환자의 이동 상 황에 대한 정보를 획득하였다.
- 심전도 신호 Lead I 과 Lead II를 측정하기 위하여 4개의 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 그리고 심탄도 측정을 위하여 개발된 방석형 센서 (Electromechanical film sensor ; EMFi sensor)를 휠체어의 좌석에 장착하였다. 심전도신호Lead I 과Lead II 그리고 심탄도의 샘플수는 초당 200Hz이며, 가속도 센서 X, Y, Z 축 의 샘플수는 초당 20Hz이다.
- 본 연구는 피검자가 휠체어를 타고 이동 또는 정지 시에 심탄도와 심전도 신호를 실시간으로 동시에 획득하고, 심탄도 신호에서 호흡수를 심전도 신호에서 심박수를 측정한다. 그리고 획득된 신호를 저 장매 체 에 기록하고 이벤트 발생 시 CDMA(Code Division Multiple Access) 모듈(Bellwave의 BSM-860s)을 통하여 심탄 도와 심전도 그리고 가속도 신호를 원격지 서버로 전송하고자 하였다.
- 본 연구에서는 휠체어에 타고 있는 피검자로부터 이동 및 정지 시 심전도와 심탄도 신호 및 가속도 신호를 획득하였고 심탄도 신 호와 심 전도 신호를 처리하여 호흡수와 심박수를 측정하였다. 그리고 휠체어에서 발생할 수 있는 응급상황에 대한 이벤트 발생 시 심 전도와 심 탄도 신호 및 가속도 신호가 저장된 48 Kbyte의 데 이 터를 CDMA망을 이용하여 원격지 서버로 전송하고 디스플레이 하는 시스템을 구죽하였다.
- 호흡수는 심탄도 신호를 이용하여 측정하고 심박수는 심전도 신호에서 측정하고자 하였다. 그림 3은 본 연구에서 사용한 신호처리 방법으로 개발한 장치를 통해 심탄도 신호를 이용한 호흡수 검 출은 250 샘플의 데이터를 두 번 이동 평균하는 신호처리 알고리 즘(Moving Average ; MA)을 적용하였다.
- 하지만 심전도 신호를 이용하는 방법은 심탄도 신호를 이용하여 호흡수를 구하는 방법에 비해 알고리즘이 복잡하며 이동 중에 측정이 어려운 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는심탄도신 호를 2회의 이동 평균 신호처리를 통하여 정지시는 물론 이동 중 에도 호흡수를 간단하고 정확히 측정하였다. 그렇지만 심박수의 측정에 있어서는 이동 중 휠체어의 움직임이나 인체의 움직임 등의 외부 노이즈로 인해 심 박수가 소실되거나 비정 상적으로 생성 되는 경우가 발생 하여 심탄도 신호보다 심 전도신호를 이용하여 심 박 수를 측정하였다.
- 본 연구는 피검자가 휠체어를 타고 이동 또는 정지 시에 심탄도와 심전도 신호를 실시간으로 동시에 획득하고, 심탄도 신호에서 호흡수를 심전도 신호에서 심박수를 측정한다. 그리고 획득된 신호를 저 장매 체 에 기록하고 이벤트 발생 시 CDMA(Code Division Multiple Access) 모듈(Bellwave의 BSM-860s)을 통하여 심탄 도와 심전도 그리고 가속도 신호를 원격지 서버로 전송하고자 하였다.
- 본 연구에서는 휠체어에 타고 있는 피검자로부터 이동 및 정지 시 심전도와 심탄도 신호 및 가속도 신호를 획득하였고 심탄도 신 호와 심 전도 신호를 처리하여 호흡수와 심박수를 측정하였다. 그리고 휠체어에서 발생할 수 있는 응급상황에 대한 이벤트 발생 시 심 전도와 심 탄도 신호 및 가속도 신호가 저장된 48 Kbyte의 데 이 터를 CDMA망을 이용하여 원격지 서버로 전송하고 디스플레이 하는 시스템을 구죽하였다.
- 심박수를 측정 할 수 있는 방법은 다양하지 만, 본 연구에서는 심박수를 측정하기 위하여 개발된 2-채널 심전도 장치를 이용하여 획득한 ECG 신호를 이용하였다. 개발된 장치의 심박수의 정확성 을 알아보기 위하여 바이오팩을 이용하여 R-R 간격을 비교 하였다.
- 이동시 호흡 신호를 측정하기 위하여 피검자는 휠체어에 앉은상태에서 휠체어를 이동하면서 1분 동안 심탄도 신호를 측정하였다. 그리고 측정 시작 전 10초 동안 호흡을 정지하였으며 시작과 함께 1분 동안호흡을 하였다.
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1) 정지 시와 이동 시의 호흡 신호 측정
정지 시 호흡수신호측정을위하여 5명의 피검자를 휠체어에 앉히고 1분 중20초씩 2회 심탄도신호를 얻었다. 시작 10초간은 호 흡을 정지하고 그 후20초간은 호흡을 하고 다시 20초간 호흡을 정지하였으며 마지막20초는 호흡을 하였다.
- 호흡수는 심탄도 신호를 이용하여 측정하고 심박수는 심전도 신호에서 측정하고자 하였다. 그림 3은 본 연구에서 사용한 신호처리 방법으로 개발한 장치를 통해 심탄도 신호를 이용한 호흡수 검 출은 250 샘플의 데이터를 두 번 이동 평균하는 신호처리 알고리 즘(Moving Average ; MA)을 적용하였다.
대상 데이터
- 그림 2는 개발된 장치로 CDMA 모듈, 이벤트 버튼, 심전도회로 와 심탄도 회로로 구성되어 있으며 휠체어에 장착하여 실험을 하였다. 심전도 신호 Lead I 과 Lead II를 측정하기 위하여 4개의 Ag/AgCl 전극을 사용하였다.
- 그림 2는 개발된 장치로 CDMA 모듈, 이벤트 버튼, 심전도회로 와 심탄도 회로로 구성되어 있으며 휠체어에 장착하여 실험을 하였다. 심전도 신호 Lead I 과 Lead II를 측정하기 위하여 4개의 Ag/AgCl 전극을 사용하였다. 그리고 심탄도 측정을 위하여 개발된 방석형 센서 (Electromechanical film sensor ; EMFi sensor)를 휠체어의 좌석에 장착하였다.
데이터처리
- 심박수를 측정 할 수 있는 방법은 다양하지 만, 본 연구에서는 심박수를 측정하기 위하여 개발된 2-채널 심전도 장치를 이용하여 획득한 ECG 신호를 이용하였다. 개발된 장치의 심박수의 정확성 을 알아보기 위하여 바이오팩을 이용하여 R-R 간격을 비교 하였다. 5명의 피검자를 대상으로 휠체어가정지 시와 이동 중에 4개의 Ag/AgCl 전극을 부착하여 얻은 1분 동안의 심전도 Lead I 과 Lead II 신호를 획득하고 R파의 개수만을 카운트하여 심박수를 즉정 하였고 동시에 심탄도 신호도 획 득하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 인체의 심장질환의 이상 유무를 알 수 있는 심전도(Electrocardiograph: ECG)를 이용한다. 심전도는 1903년 아 이트호벤이 단선 검류계 (string gal.
성능/효과
- 그리고 측정 시작 전 10초 동안 호흡을 정지하였으며 시작과 함께 1분 동안호흡을 하였다. 그림 5의(a)를 보면 이동시는 정지시에 비해 휠체어 자체 흔들림과 이동 중 발생하는몸의 움직임 등으로 인해 심탄도 원 신호에 대하여 기 저선(base line)의 변화가 나타났다. 하지만(b)에서와 같이 이동 중 휠체어에서 획득한심탄도 신호를 처리해서 얻은 호흡 신호는 정확하게 나타났다.
- 그림 6은휠체어에 타고정지한상태에서 피검자자신이 직접 카운트한 호흡수와 개발 장치를 이용하여 호흡을 하는 동안 획득된 심탄도 신호를 처리한 후 신호 패턴(신호의 상승구관과 하강구간을 하나의 호흡으로 판단)을 이용하여 정지 시 호흡수를 측정한 결과이다. 심탄도 원 신호에서 10초간 호흡을 정지 하고(period 1), 이후 20초간 호흡을 하였으며 (period 2) 그리고 20초간 호흡을 정 지 하고(period 3) 다시 20초간 호흡했을 때 (period 4) 획득된 원신호를 2회의 MA(Moving Average : size of window = 250) 신호처리를 한 후에 호흡정지구간과 호흡구간이 정확하게 구별되는 호흡신호를 얻었다.
- 개발된 장치의 안정한 동작과 데이터의 손실이 없는지를 알아보기 위해 바이오팩 시스템을 함께 비교하였으며 그 결과 100% 일치하는 데이터를 얻을 수 있었다. 기존의 상용화된 장치의 대부분은 유선으로 연결되고 국한된 장소에서 생체신호(심전도 심 탄 도)를 측정하여 야 하며 이동 중 응급한 상황에 대한 대비가 되어 있지 않았다.
- 휠체어를 타고 정지 와 이동 시의 4개의 Ag/AgCl 전극을 이용하여 개발된 장치로 얻은 심전도 신호의 R파의 개수만을 카운트 한 결과와 바이오팩을 이용한 측정한 심박수는 정지시는 물론 이동 시에도 측정결과는 동일하였다. 결국 개발된 장치는 기존의 심전 도장치와같이 정확한 심박수를 측정할 수 있으며 이동 중에도 심 박수를 정확히 측정하였다.
- 3명의 피검자에서 SKT 센서에서 측정한 호흡수가 15회일 경우 개발된 장치에서도 15회로 측정되었다. 그리고 20회를 기준으로 하 였을 때도 100% 일치하는 결과를 얻었다.
- 그림 10은 개발된 장치의 R-R 간격과 바이 오팩 장치의 R-R 간격의 상관 분석 결과를 나타낸 것이다. 측정 결과 상관계수는 99.9%였다.
- 그리고 휴대용 장치라 하더라도 실시간으로 심전도와 심탄도를 이용한 심박수와 호흡수를 측정하기는 어려우며, 가능하더 라도 24시간 심전도를 측정 할 수 있는 휴대용 홀터 장치가 있으나 이벤트가 발생할 경우 기록은 가능하지만 실시간으로 무선전 송은 불가능한 상황이다. 하지만 본 연구에서 2채널 심전도 장치와 방석형 심탄도 장치를 이용하여 휠체어를 타고 일상생활 중 정 지 시는 물론 이동 중에도 심전도와 심탄도 그리고 가속도 신호가 저장매체에 저장되고 응급상황 발생 시 즉시 원격지 서버의 의료진에게 응급상황을 알릴 수 있게 되었다.
- 휠체어를 타고 정지 와 이동 시의 4개의 Ag/AgCl 전극을 이용하여 개발된 장치로 얻은 심전도 신호의 R파의 개수만을 카운트 한 결과와 바이오팩을 이용한 측정한 심박수는 정지시는 물론 이동 시에도 측정결과는 동일하였다. 결국 개발된 장치는 기존의 심전 도장치와같이 정확한 심박수를 측정할 수 있으며 이동 중에도 심 박수를 정확히 측정하였다.
- 그림 8은휠체어 이동 시 심탄도신호와신호처리 후호흡신호의 결과이다. 휠체어의 이동 시 호흡신호로 피검자 8명의 피검자가 각각 휠체어에 타고 10초간 호흡을 정지하고(Period 1) 1분간 이동하며 (Period 1), 직접 카운트한 호흡수와 개발 장치 를 이용하여 획득한 심탄도 원신호를 2회에 걸쳐 MA(Moving Average: size of window = 250) 신호처리 한 후 획득된 호흡 신호의 파형에서 가장 높은 지점을 카운트하여 호흡수를 측정한 결과 피검자를 대상으로 1분 동안 측정한 45회 전체 호흡수의 분포는 18-28회로 나타났으며 이때 실제 호흡수의 평균은23.6회이었고 개발 장치에서 호흡수의 평균은 23.5회이었다.
후속연구
- 본 연구에서 정지 시와 이동 중 생체신호를 전송하고 디스플레 이 한 것은 실험실 환경에서 진행하였으므로 실제 환경에서는 보다 정확한 정보를 획득하기 위해 다양한 사항들이 고려되어야 한다. 즉, 이동경로의 평탄성이나 휠체어의 내구성 및 안정성, 피검자의 협조등이 고려되지 않으면 이동 중 움직임에 의한노이즈가" 극대화되어 노이즈를 제거하는 부수적인 기술이 제시되어야한다.
- 즉, 이동경로의 평탄성이나 휠체어의 내구성 및 안정성, 피검자의 협조등이 고려되지 않으면 이동 중 움직임에 의한노이즈가" 극대화되어 노이즈를 제거하는 부수적인 기술이 제시되어야한다. 이에 3축 가속도계를 이용한 피검자의 상황을 인식하고 휠체어의 움직임에 의한 노이즈를 제거 할 수 있는 장치가 개발된다면 휠체어를 이용하는 사람, 노약자와 만성 질환자의 일상생활에 적용됨 은 물론 일반인에 대한 건강관리에도 적용될 수 있으며 이로 인해 시간과 장소에 제약을 받지 않고 평생 동안 양질의 의료서비스를 제 공받게 될 것으로 기대된다.
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