간접접촉 심전도(IDC-ECG) 측정에 공통 모드 잡음을 줄이기 위해 오른발 구동(Driven-right-leg) 접지 방법을 적용하고 그 접지의 성능을 조사하였다. 최근에 소개된 간접접촉 심전도 측정 기술은 전극과 인체 피부간의 직접 접촉이 필요하지 않기 때문에, 최근에 필요성이 대두되고 있는 가정에서의 장기간 무구속 심전도 측정에 적합한 측정방법으로서 현재 다양한 응용이 연구되고 있다. 그렇지만 간접접촉 심전도는 전원선에 의한 60Hz 잡음이 기존 측정 방법보다 크게 발생하여, 응용 범위의 확대에 제약 조건이 되고 있다. 본 연구에서는, 기존의 심전도 측정 방법에 사용되는 오른발 구동 접지 방법을 간접접촉 심전도 측정 방법에도 적용하여, 공통모드 잡음 성분을 반전 증폭하여 의자 좌판(seat)에 깔린 전도성 직물을 통해 인체에 feedback하였다. 이로써 피부와 직접 접촉이 없는 간접 접촉 방식의 오른발 구동 접지를 구현하였으며, 이 접지가 안정적으로 동작되고, 오른발 구동 이득이 약 1000정도에서 40dB 수준의 전원 잡음 감소 됨을 확인할 수 있었다. 이 연구의 결과로 간접접촉 심전도의 주파수 대역을 기존의 30Hz이하에서 100Hz 수준까지 높일 수 있게 되었으며, 접지 임피던스를 높일 수 있게 되어 간접접촉 심전도의 응용 분야를 더욱 넓힐 수 있게 되었다.
간접접촉 심전도(IDC-ECG) 측정에 공통 모드 잡음을 줄이기 위해 오른발 구동(Driven-right-leg) 접지 방법을 적용하고 그 접지의 성능을 조사하였다. 최근에 소개된 간접접촉 심전도 측정 기술은 전극과 인체 피부간의 직접 접촉이 필요하지 않기 때문에, 최근에 필요성이 대두되고 있는 가정에서의 장기간 무구속 심전도 측정에 적합한 측정방법으로서 현재 다양한 응용이 연구되고 있다. 그렇지만 간접접촉 심전도는 전원선에 의한 60Hz 잡음이 기존 측정 방법보다 크게 발생하여, 응용 범위의 확대에 제약 조건이 되고 있다. 본 연구에서는, 기존의 심전도 측정 방법에 사용되는 오른발 구동 접지 방법을 간접접촉 심전도 측정 방법에도 적용하여, 공통모드 잡음 성분을 반전 증폭하여 의자 좌판(seat)에 깔린 전도성 직물을 통해 인체에 feedback하였다. 이로써 피부와 직접 접촉이 없는 간접 접촉 방식의 오른발 구동 접지를 구현하였으며, 이 접지가 안정적으로 동작되고, 오른발 구동 이득이 약 1000정도에서 40dB 수준의 전원 잡음 감소 됨을 확인할 수 있었다. 이 연구의 결과로 간접접촉 심전도의 주파수 대역을 기존의 30Hz이하에서 100Hz 수준까지 높일 수 있게 되었으며, 접지 임피던스를 높일 수 있게 되어 간접접촉 심전도의 응용 분야를 더욱 넓힐 수 있게 되었다.
For the reduction of common-mode noise level in Indirect-contact ECG (IDC-ECG) measurement a driven-right-leg grounding method was a lied to the IDC-ECG. Because the IDC-ECG does not require any direct contact between the electrodes and the human skin. it is adequate for un-constraining long-term EC...
For the reduction of common-mode noise level in Indirect-contact ECG (IDC-ECG) measurement a driven-right-leg grounding method was a lied to the IDC-ECG. Because the IDC-ECG does not require any direct contact between the electrodes and the human skin. it is adequate for un-constraining long-term ECG measurement at home and its various applications are now under development. However, larger 60 Hz noise induced by power line a ears in IDC-BCG than in conventional ECG, that is a restriction of IDC-ECG a application. In this study, the driven-right-leg ground which has been used in conventional direct-contact ECG, was adapted to the IDC-ECG measurement by feedback of the inversion of amplified common-mode noise to the body through the conductive fertile laid on the chair seat By this study, indirect-contact driven-right-leg ground was developed and it was shown to work stably. It was shown that the level of 60Hz power line noise was reduced to about -40 dB when the driven-right-leg gain was 1000. This study shows that we can extend the upper limit of the frequency band of IDC-ECG to 100Hz from 30Hz which is conventional upper limit in IDC-ECG, and we can raise the ground impedance between the body and conductive textile. So it is expected that the application area of the IDC-ECG will be extended by the results of this study.
For the reduction of common-mode noise level in Indirect-contact ECG (IDC-ECG) measurement a driven-right-leg grounding method was a lied to the IDC-ECG. Because the IDC-ECG does not require any direct contact between the electrodes and the human skin. it is adequate for un-constraining long-term ECG measurement at home and its various applications are now under development. However, larger 60 Hz noise induced by power line a ears in IDC-BCG than in conventional ECG, that is a restriction of IDC-ECG a application. In this study, the driven-right-leg ground which has been used in conventional direct-contact ECG, was adapted to the IDC-ECG measurement by feedback of the inversion of amplified common-mode noise to the body through the conductive fertile laid on the chair seat By this study, indirect-contact driven-right-leg ground was developed and it was shown to work stably. It was shown that the level of 60Hz power line noise was reduced to about -40 dB when the driven-right-leg gain was 1000. This study shows that we can extend the upper limit of the frequency band of IDC-ECG to 100Hz from 30Hz which is conventional upper limit in IDC-ECG, and we can raise the ground impedance between the body and conductive textile. So it is expected that the application area of the IDC-ECG will be extended by the results of this study.
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문제 정의
본 연구에서는 오른발 구동 접지(Driven-rightTeg ground)의 IDC-ECG 측정에의 적용 가능성을 조사하였으며, 실제로 적용하여 60Hz 전원 잡음을 포함하는 공통 모드 잡음 (common-mode noise)의 감소 효과를 분석하였다.
위에서 언급된 IDC-ECG의 주파수 대역 및 접지 임피던스의 제약 조건을 개선하기 위해 본 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 오른발 구동 접지(Driven-rightTeg ground)의 IDC-ECG 측정에의 적용 가능성을 조사하였으며, 실제로 적용하여 60Hz 전원 잡음을 포함하는 공통 모드 잡음 (common-mode noise)의 감소 효과를 분석하였다.
가설 설정
① 두 전극 간의 임피던스 차가 크다.
② 측정기의 접지와 인체 사이의 접지 임피던스가 크다.
④ 인체와 전원선 간의 전기적 결합도(electrical coupling) ZN: 주변 전원선와 인체간의 전기적 용량은 측정 환경에 따라 큰 폭의 변화가 있을 것이다. 선행 연구들[13][18]에서는 전기적 용량값을 수 pF 정도로 추정했다.
선행 연구들[13][18]에서는 전기적 용량값을 수 pF 정도로 추정했다. 본 논문에서는 3pF으로 가정하였다. 식 (6)에 의해 계산된 공통모드 잡음의 크기를 그림 7에 나타내었다.
제안 방법
공통모드 잡음을 효과적으로 줄이기 위해, 그림 4와 같은 모델을 통해 공통모드 잡음을 분석하였다.
정상적인 간접접촉 심전도 측정에서는, DRL 증폭기의 출력이 높은 임피던스의 옷을 통과해서 인체에 전달되므로 기존의 직접 접촉 측정 방법보다 안전하다. 그렇지만, 인체의 피부와 전도성 직물이 직접 접촉할 경우의 안전을 위해, DRL 증폭기 출력과 전도성 직물 사이에 전류 제한용 저항 Rp(lkQ)를 삽입하였다.
얻는다. 두 전극 신호의 평균을 공통모드 성분(Vcm)으로 삼았으며, 두 전극 신호의 평균은 계측용 증폭기의 gain 조절 저항의 중간에서 탭을 내어 얻었다. 공통모드 성분은 반전증폭기로 구성된 DRL회로에 입력되어 증폭되었다.
아날로그 신호는 National Instrument사의 DAQ, USB-6255S. 디지털로 변환되고, 디지털 필터를 이용하여 신호의 최종 대역을 100Hz이내로 만들었다. 피검자는 면(cotton) 소재의 내복을 입고, 그 위에 면 소재의 바지와 면으로 된 셔츠를 입었다.
수동접지 (Gf=0)에서 측정된 Vcm의 크기를 기준으로 하여, 각 DRL 이득에서의 Vcm의 크기를 수동 접지시의 Vcm에 대한 비로 나타내었다. 백색 잡음 속에 섞여 있는 60Hz 성분의 크기를 측정하기 위해 측정 데이터를 FFT하여 60Hz 성분의 크기를 계산하였다. 측정값이 실선으로 나타낸 예측값과 약 5dB 이내에서 일치하는 결과를 얻었다.
본 연구를 통해, 전원선에 의한 공통모드 잡음을 줄이기 위한 오른발구동 접지 (Driven-rightTeg ground, DRL)회로를 공통모드 잡음이 심하게 발생하는 간접접촉 심전도 측정 방식에 적용하여 공통모드 잡음 감소 효과를 조사하였다. 60Hz notch filter를 사용하지 않고도, DRL 회로만으로 약 -40dB 수준의 잡음 감소 효과를 볼 수 있었다.
그림 9의(X)마크의 그래프는 실험장치에서 측정된 60Hz Vcm의 크기를 나타낸 것이다. 수동접지 (Gf=0)에서 측정된 Vcm의 크기를 기준으로 하여, 각 DRL 이득에서의 Vcm의 크기를 수동 접지시의 Vcm에 대한 비로 나타내었다. 백색 잡음 속에 섞여 있는 60Hz 성분의 크기를 측정하기 위해 측정 데이터를 FFT하여 60Hz 성분의 크기를 계산하였다.
5mm 정도였다. 실험은 일반적인 측정기들이 있는 일반적은 전자 회로 실험실에서 수행하였다. 실험 장소의 주위에는 전원선이 많이 놓여 있었지만, 전원선 잡음의 크기에 영향을 줄 수 있는, 주변에 대한 특별한 조치는 하지 않았다.
앞 절에서 심전도 측정 장치에서 공통모드 잡음에 대한 일반적인 분석과 간접접촉 심전도 측정 방법에 있어서의 공통모드 잡음의 영향에 대한 분석을 했다. 식 (3)에서 공통모드 잡음을 줄이기 위해서는 인체와 전원선 간의 결합을 줄이거나, 접지 임피던스를 낮추는 방법을 적용해야 한다.
디지털로 변환되고, 디지털 필터를 이용하여 신호의 최종 대역을 100Hz이내로 만들었다. 피검자는 면(cotton) 소재의 내복을 입고, 그 위에 면 소재의 바지와 면으로 된 셔츠를 입었다. 면 셔츠의 두께는 대략 0.
성능/효과
0.5Hz 이상의 전 주파수에서 DRL에 의해공통모드 잡음이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
60Hz notch filter를 사용하지 않고도, DRL 회로만으로 약 -40dB 수준의 잡음 감소 효과를 볼 수 있었다. 적용된 DRL회로는 0.
간접접촉 심전도 측정에서는 기존의 심전도 측정에 비해서, 증폭기의 입력 임피던스에 대한 전극 임피던스의 크기가 크며, 전극의 임피던스 ZE 자체도 측정조건에 따라 시간적인 그리고 전극간의 변화 폭이 크다. 그 때문에 간접접촉 심전도 측정에서는, 식 (2)로 설명되는, 두 전극 임피던스 차에 의한 공통모드 잡음의 차동모드 전환 효과가 더욱 크게 나타난다.
이 연구를 통해, 간접접촉 심전도 측정에서도 DRL이 적용될 수 있음이 확인됨에 따라서, 두꺼운 하의를 입고 있거나, 방석 밑에 전도성 직물을 까는 측정 상황에서도 안정적으로 동작하는 간접접촉 심전도 측정 장치의 개발 가능성을 보였으며, 또한 60Hz notch filter를 쓰지 않아도 심전도를 측정할 수 있게 되어, 간접접촉 심전도의 주파수 대역을 기존의 30Hz에서 60Hz나 그 이상으로 확장할 수 있게 되었다.
이로써본 연구에서 설계한 간접접촉 심전도용 DRL회로는 소자 값에 상관없이 항상 안정함을 확인할 수 있다.
60Hz notch filter를 사용하지 않고도, DRL 회로만으로 약 -40dB 수준의 잡음 감소 효과를 볼 수 있었다. 적용된 DRL회로는 0.5Hz 이상의 주파수 대역에서 공통모드 잡음을 저감할 수 있는 것으로 분석되었는데, 일반적인 심전도는 0.5Hz이상의 주파수 대역으로 측정되므로, 본 연구에서 설계 적용한 DRL 회로를 간접접촉 심전도에 사용하는 것은 주파수 대역 측면에서는 문제가 없을 것으로 분석된다.
백색 잡음 속에 섞여 있는 60Hz 성분의 크기를 측정하기 위해 측정 데이터를 FFT하여 60Hz 성분의 크기를 계산하였다. 측정값이 실선으로 나타낸 예측값과 약 5dB 이내에서 일치하는 결과를 얻었다. 예측과의 일치는 그림 6과 식 (5)의 공통모드 잡음 모델의 적용이 타당함을 의미하며, 구성 요소의 파라메터 값들에 대한 추정이 적절했음을 보여준다.
후속연구
이 때문에 접지용 전도성 직물의 면적과 접지와 인체 사이의 옷의 두께에 제한이 있다. 같은 60Hz 잡음의 수준에서 접지용 전도성 직물의 면적을 줄일 수 있거나, 좀 더 두꺼운 하의를 입을 수 있다면 IDC-ECG의 응용 범위가 더욱 넓어질 수 있을 것으로 기대한다.
실험에 사용된 IDC-ECG 심전도 측정기는 연구용으로 제작되었기에 외부 잡음 유입및 내부 잡음 발생을 줄이기 위한 설계가 충분히 반영되지는 않았다. 이 결과로부터 향후의 IDC-ECG 심전도 측정기의 잡음 개선을 위해서는, 공통모드 잡음 외에 다양한 경로로 전달되는 전원 잡음을 줄이는 연구가 필요함을 알게 되었다.
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