심전도와 맥파를 측정함으로써 구해질 수 있는 맥파전달시간은 심혈관계의 상태를 진단하기 위한 의미 있는 지표가 된다. 그러나 맥파를 측정하는 동안 움직이거나, 측정 시에 가해지는 압력이 부정확할 경우, 잘못된 측정 결과를 얻을 수 있다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 심전도, 압력맥파 및 광전용적맥파를 동시에 측정할 수 있는 일체형 센서 시스템과 심전도를 지속적으로 측정할 수 있는 금속 전극을 개발하였으며, 실험을 통해 일체형 센서시스템 및 금속 전극의 유용성을 입증하였다.
심전도와 맥파를 측정함으로써 구해질 수 있는 맥파전달시간은 심혈관계의 상태를 진단하기 위한 의미 있는 지표가 된다. 그러나 맥파를 측정하는 동안 움직이거나, 측정 시에 가해지는 압력이 부정확할 경우, 잘못된 측정 결과를 얻을 수 있다. 이를 해결하기 위하여 본 논문에서는 심전도, 압력맥파 및 광전용적맥파를 동시에 측정할 수 있는 일체형 센서 시스템과 심전도를 지속적으로 측정할 수 있는 금속 전극을 개발하였으며, 실험을 통해 일체형 센서시스템 및 금속 전극의 유용성을 입증하였다.
The pulse transit time(PTT), which is determined by measuring the electrocardiogram(ECG) and pulse wave, gives comprehensive information about the cardiovascular system. However, a little movement of body and/or inaccurate pressure applied to skin during the measurement of pulse wave leads to acquir...
The pulse transit time(PTT), which is determined by measuring the electrocardiogram(ECG) and pulse wave, gives comprehensive information about the cardiovascular system. However, a little movement of body and/or inaccurate pressure applied to skin during the measurement of pulse wave leads to acquire incorrect results. To overcome such problem, we developed an integrated sensor system which makes it possible to measure ECG, pressure pulse wave(PPW) and photoplethysmograph(PPG) at the same time. Futhermore, we implemented a new metal electrode which enables to continuously measure ECG. We verified that both integrated sensor system and new electrode provide useful effect.
The pulse transit time(PTT), which is determined by measuring the electrocardiogram(ECG) and pulse wave, gives comprehensive information about the cardiovascular system. However, a little movement of body and/or inaccurate pressure applied to skin during the measurement of pulse wave leads to acquire incorrect results. To overcome such problem, we developed an integrated sensor system which makes it possible to measure ECG, pressure pulse wave(PPW) and photoplethysmograph(PPG) at the same time. Futhermore, we implemented a new metal electrode which enables to continuously measure ECG. We verified that both integrated sensor system and new electrode provide useful effect.
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문제 정의
본 논문에서는 ECG 및 압력맥파와 마3G 신호를 이용하여 비침습적인 방법으로 맥파전달시간 및 맥파전달속도를 측정할 수 있도록 일체형 센서 시스템과 새로운 금속전극을 개발하고, 실험을 통해 유용성을 검증하였다. 본 논문에서 제안하는 새로운 금속전극은 12x12 關의 면적으로도 심전도 측정이 가능함을 볼 수 있었고, 금속전극을 흉부, 팔 등 계측의 편이성에 따라 신체의 다양한 부위에 부착하더라도 PTT 연산을 위한 R 정점의 검출이 가능함을 알 수 있었다.
본 논문에서는 ECG, 압력맥파와 PPG 신호를 이용하여 비침습적인 방법으로 맥파전달시간 및 맥파전달속도를 측정할 수 있도록 구현한 일체형 센서 시스템과 일체형 센서 시스템을 지속적으로 부착할 수 있도록 하기 위해 개발된 새로운 금속전극에 대해 기술하고, 유용성을 검증한다.
PWV는 동맥의 상태를 진단하기 위한, 중요한 지표이다. 본 논문에서는 X. Teng과 Zhang이 제시한 방법의 문제점을 해결하고 정확한 혈압을 측정하기 위해서 ECG의 계측과 동일 부위에서 PPW, PPG오]■ PWV를 동시에 측정하는 방법을 제시한다.
본 논문의 금속전극의 유용성을 평가하기 위하여 소형심전도 신호 증폭기를 이용하여 전극 크기 및 전극 부착위치에 따른 전극-피부간 접촉 임피던스를 평가하였다. 이를 위해 사용된 소형 심전도 신호 증폭기는 금속전극용 고입력 임피던스 차동 증폭기이며, 전원은 9 V 저전력, 동상제거비는 85 dB인 높은 CMRR, 신호잡음비(SNR, signal to noise ratio)는 49.
본 연구에서는 이러한 단점을 해결하기 위하여 재사용이 가능한 소형 생체전위용 금속전극을 제작하였다. 제작된 금속전극의 외형은 그림 3과 같다.
제안 방법
장착하였다. 그리고 PPG 신호를 측정하기 위하여 반사형 PPG 센서를 구성하였다. 적외선 발광 다이오드(ET-23G, Kodenshi Co.
하였다. 그리고 센싱 소자들과 피부 접촉면 사이에는 적외선 투과 및 압력 전달이 가능하도록 하기 위하여 실리콘 고무(KE441K-T, Shin-Etsu Co., JAPAN)를 주입하여 경화시켰다.
피부에 인가되는 압력은 5 단계로 구분, 즉 80 mtiHg에서부터 120 mmHg까지 10 mniHg 간격으로 변화시키면서 압력맥파와 PPG 신호를 계측하였다. 그리고 피부에 인가시키는 압력을 계측하기 위하여 압력맥파 증폭 및 필터부의 출력을 수은주 혈압계의 커프에 연결하여 측정하였다. 피부에 인가하는 압력의 변화에 따른 압력맥파 신호의 변화 양상을 그림 14의 (a), PPG 신호를 그림 14의 (b)에 나타내었다.
그림 6에서 볼 수 있듯이 압력맥파 센서와 PPG 센서를 PCB 기판에 배열하여 일체형 센서를 제작하였으며, 컨넥터와 벨트를 이용하여 리드선의 연결 및 피부 부착이 용이하도록 하였다. 그리고 센싱 소자들과 피부 접촉면 사이에는 적외선 투과 및 압력 전달이 가능하도록 하기 위하여 실리콘 고무(KE441K-T, Shin-Etsu Co.
금속전극의 유용성 평기를 위하여 세 가지 실험을 수행하였다. 첫째, 전극의 크기가 심전도 신호의 측정에 미치는 효괴를 관찰하기 위하여 금속전극 12x12 tn< 18x18 nn; 24x23 飾와 은/염화은 전극 16x16 mirf을 이용한 심전두 신호를 계측하였다.
브릿지 회로에서 발생하는 전압 신호는 크기가 작기 때문에 신호를 전달하는 신호선의 용량 결합 및 신호선의 흔들림 현상, 피 검자의 움직 임에 의한 잡음이 발생하여 압력 신호에 혼입되며, 이러한 잡음의 영향을 감소하기 위하여 고입력 임피던스를 내장한 계측용 증폭기를 사용하였다. 또한 전원선에 혼입되는 잡음과 상기에서 언급한 기타 잡음들을 제거하기 위하여 50 Hz 저역통과필터 및 60 Hz 노치 필터를 구성하였다.
있다. 브릿지 회로에서 발생하는 전압 신호는 크기가 작기 때문에 신호를 전달하는 신호선의 용량 결합 및 신호선의 흔들림 현상, 피 검자의 움직 임에 의한 잡음이 발생하여 압력 신호에 혼입되며, 이러한 잡음의 영향을 감소하기 위하여 고입력 임피던스를 내장한 계측용 증폭기를 사용하였다. 또한 전원선에 혼입되는 잡음과 상기에서 언급한 기타 잡음들을 제거하기 위하여 50 Hz 저역통과필터 및 60 Hz 노치 필터를 구성하였다.
셋째, 심전도 전극의 부착 위치에 따른 심전도 신호 파형의 변화 양상을 관찰하였다. 이를 위해 심전도 전극을 팔과 흉부에 각각 부착한 후 동시에 계측하였으며, 측정된 결과를 그림 11에 나타내었다.
셋째, 일체형 센서를 부착한 후 센서의 피부 가압에 따른 압력맥파 및 PPG 신호의 변화 양상을 관찰하였다. 일체형 센서를 손가락에 고정시키고 피부에 인가시키는 압력을 조정하기 위하여 벨트를 제작하였다.
이를 위해 그림 2와 같은 센서 부착 방법을 제안하였다. 심전도 측정을 위한 전극은 가슴, 압력맥파 및 PPG 센서는 일체형으로 손가락에 부착하기 위하여 벨트를 이용하였다.
압력맥파 및 PPG 신호 검출용 일체형 센서의 유용성을 평가하기 위하여 요골동맥과 손가락에서 다음의 평가실험을 수행하였다.
압력맥파 신호를 측정하기 위하여 반도체 스트레인게이지 방식을 적용한 직경 10 imi의 압력센서(MPX2040D, Motorola)# 피부 부착면과 평행한 방향으로 장착하였다. 그리고 PPG 신호를 측정하기 위하여 반사형 PPG 센서를 구성하였다.
센서 부착은 피검자에게 편한 자세를 제공할 수 있어야 하고, 장시간부착 시 피부자극을 최소화시켜야 한다. 이를 위해 그림 2와 같은 센서 부착 방법을 제안하였다. 심전도 측정을 위한 전극은 가슴, 압력맥파 및 PPG 센서는 일체형으로 손가락에 부착하기 위하여 벨트를 이용하였다.
평가하였다. 이를 위해 사용된 소형 심전도 신호 증폭기는 금속전극용 고입력 임피던스 차동 증폭기이며, 전원은 9 V 저전력, 동상제거비는 85 dB인 높은 CMRR, 신호잡음비(SNR, signal to noise ratio)는 49.6 dB로 저잡음 특성을 지니도록 설계되었다、설계된 금속진극과 소형 심전도 신호 증폭기의 외형은 그림 8고} 같다.
변화 양상을 관찰하였다. 이를 위해 심전도 전극을 팔과 흉부에 각각 부착한 후 동시에 계측하였으며, 측정된 결과를 그림 11에 나타내었다. 그림 11에서 알 수 있듯이 흉부에서 측정한 채널 2의 심전도 신호가 손목에서 계측한 채널 1의 심전도 신호보다 2배 정도 진폭이 높게 측정되었으나 심전도 파형에는 큰 차이가 없었다.
일체형 센서를 손가락에 고정시키고 피부에 인가시키는 압력을 조정하기 위하여 벨트를 제작하였다. 피부에 인가되는 압력은 5 단계로 구분, 즉 80 mtiHg에서부터 120 mmHg까지 10 mniHg 간격으로 변화시키면서 압력맥파와 PPG 신호를 계측하였다.
그리고 PPG 신호를 측정하기 위하여 반사형 PPG 센서를 구성하였다. 적외선 발광 다이오드(ET-23G, Kodenshi Co., KOREA)와 수광 소자인 광 트랜지스터(ST-23G, Kodenshi Co., KOREA)를 사용하였고, 이들 소자들을 압력맥파 센서의 양 옆에 위치하도록 설계하였다.
첫째, 전극의 크기가 심전도 신호의 측정에 미치는 효괴를 관찰하기 위하여 금속전극 12x12 tn< 18x18 nn; 24x23 飾와 은/염화은 전극 16x16 mirf을 이용한 심전두 신호를 계측하였다. 계측한 결과 파형에 대해 금속전극 12x12 丽와 은/염화은 전극 16x16 顽의 계측 결괴를 그림 9에 나타내었다.
금속전극의 전극.피부간 접촉 임피던스 변화를 관찰하기 위하여 양 팔의 동일한 위치에 전극을 부착한 후 임피던스측정기(SI 1260, Solartron Co., USA)를 이용하여 전극-피부간 접촉 임피던스를 측정하였다. 측정결과주파수에 따른 피부-전극간 접촉 임피던스의 변화 특성은 그림 10과 갇으며, 이를 정리하여 표 I에 나타내었다.
일체형 센서를 손가락에 고정시키고 피부에 인가시키는 압력을 조정하기 위하여 벨트를 제작하였다. 피부에 인가되는 압력은 5 단계로 구분, 즉 80 mtiHg에서부터 120 mmHg까지 10 mniHg 간격으로 변화시키면서 압력맥파와 PPG 신호를 계측하였다. 그리고 피부에 인가시키는 압력을 계측하기 위하여 압력맥파 증폭 및 필터부의 출력을 수은주 혈압계의 커프에 연결하여 측정하였다.
대상 데이터
제작된 금속전극의 외형은 그림 3과 같다. 금속전극은 24 x23 疏의 크기로서 에폭시 판에 금(Au)으로 도금되었으며, 1~50 Hz 주파수 범위에서 피부-전극 접촉 임피던스가 40-450 kQ인 특성을 지닌다. 금속전극에 심전도 리드선의 접합은 황동으로 구성된 패드에 납땜으로 연결하였다.
성능/효과
구현된 압력 센서를 이용하여 요골동맥과 손가락에서 간편하게 맥파를 검출할 수 있음을 확인하였으며, 또 이를 이용하여 PPG 센서가 피부에 인가하는 압력을 조절함으로써 기존 방법에 비해 보다 정확한 PPG 신호의 계측이 가능할 뿐 아니라 피검자가 움직이더라도 측정이 가능함을 알 수 있었다.
그림 10 및 표 에서 알 수 있듯이 분석 주파수가 낮을수록 전극-피부간 접촉 임피던스는 상승하였으며, 금속전극 중에는 크기가 가장 작은 12 * 12 mnf 크기의 금속전극이 접촉 임피던스가 가장 높았다.
둘째, 상용 심전도 전극인 일회용 은/염화은 전극과 크기별 금속전극의 전극.피부간 접촉 임피던스 변화를 관찰하기 위하여 양 팔의 동일한 위치에 전극을 부착한 후 임피던스측정기(SI 1260, Solartron Co.
아울러 피부에 인가하는 압력의 변화에 따른 PPG 신호의 형태 변화, 즉 변곡점의 위치이동 및 변곡저의 수 등에 대한 분석도 고려하여야 함을 나타낸다. 따라서 본 논문의 일체형 센서 시스템은 기존의 £CG와 PPG를 이용한 시스템보다 정확한 계측이 가능함을 의미한다.
검증하였다. 본 논문에서 제안하는 새로운 금속전극은 12x12 關의 면적으로도 심전도 측정이 가능함을 볼 수 있었고, 금속전극을 흉부, 팔 등 계측의 편이성에 따라 신체의 다양한 부위에 부착하더라도 PTT 연산을 위한 R 정점의 검출이 가능함을 알 수 있었다. 이 같은 결과는 기존 일회용 은/염화은(Ag/AgCl) 전극에 비해 피부 자극을 줄여 지속적착용 가능하며 다양한 부위에 부착할 수 있다는 장점을 제공한다.
이 같은 결과들을 바탕으로 본 논문에서 제안하는 일체형 센서 시스템과 금속전극이 이동성이 보장되어야 하는 u-Heath 환경에서 정확한 심혈관계 정보를 얻기 위하여 유용하게 사용될 수 있음을 확인할 수 있었다.
참고문헌 (8)
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