대부분의 모바일 웨어러블 헬스케어 모니터링 의류 시스템은 생체신호를 측정할 수 있는 센서와 데이터 취득과 무선 통신 및 제어를 담당하는 회로부, 이들을 내장하는 의복으로 구성된다. 기존의 의복형 헬스케어 시스템은 센서를 의복에 장시간 내장하기가 어렵고, 피부 접촉 시 시간에 따라 저항 값이 변화하기 때문에 장기적인 생체 신호 모니터링이 쉽지 않으며, 센서 전극과 회로 사이에 존재하는 신호선의 물리적 장애 요인도 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, PVDF에 PEDOT 재료를 코팅하여 만든 패브릭나노웹ECG 전극과 PVDF 필름을 사용한 호흡 센서를 $10\;{\mu}m$ 두께의 디지털 실을 이용하여 사용자의 의류와 일체화하였다. 탈부착이 가능한 무선 블루투스(Bluetooth) 내장 스테이션과 디지털실로 기존 의류와 일체화한 생체 신호 측정용 의류 제작을 통해, 휴대폰에서 손쉽게 심전도(ECG)와 맥박신호를 표시 할 수 있었다.
대부분의 모바일 웨어러블 헬스케어 모니터링 의류 시스템은 생체신호를 측정할 수 있는 센서와 데이터 취득과 무선 통신 및 제어를 담당하는 회로부, 이들을 내장하는 의복으로 구성된다. 기존의 의복형 헬스케어 시스템은 센서를 의복에 장시간 내장하기가 어렵고, 피부 접촉 시 시간에 따라 저항 값이 변화하기 때문에 장기적인 생체 신호 모니터링이 쉽지 않으며, 센서 전극과 회로 사이에 존재하는 신호선의 물리적 장애 요인도 가지고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점들을 해결하기 위하여, PVDF에 PEDOT 재료를 코팅하여 만든 패브릭 나노웹 ECG 전극과 PVDF 필름을 사용한 호흡 센서를 $10\;{\mu}m$ 두께의 디지털 실을 이용하여 사용자의 의류와 일체화하였다. 탈부착이 가능한 무선 블루투스(Bluetooth) 내장 스테이션과 디지털실로 기존 의류와 일체화한 생체 신호 측정용 의류 제작을 통해, 휴대폰에서 손쉽게 심전도(ECG)와 맥박신호를 표시 할 수 있었다.
Most wearable system for mobile healthcare applications consists of three parts. The first part is the sensing elements based on bio-signal, the second is the circuit module for control, data acquisition and wireless communication and control and the third is garment with a built-in electrodes and c...
Most wearable system for mobile healthcare applications consists of three parts. The first part is the sensing elements based on bio-signal, the second is the circuit module for control, data acquisition and wireless communication and control and the third is garment with a built-in electrodes and circuits. The existing healthcare garment systems have to find a solution to signal-wire and uncomfortable and inappropriate electrode to long-term attachment. Even if the wireless communication is used for healthcare garment system, the interface between sensors and circuits have to use wires. To solve these problems, this paper use electrode using PEDOT coated PVDF nanoweb for ECG signal and PVDF film sensor for respiratory signal. And, we constructed garment network using digital yarn of 10um, and transmitted ECG and respiratory signal to mobile phone through the integrated circuit with bluetooth called station To evaluate feasibility of the proposed mobile healthcare garment system, we experimented with transmission and measurement of ECG and respiratory signal using nanoweb electrode and digital yarn. We got a successful result without noise and attenuation.
Most wearable system for mobile healthcare applications consists of three parts. The first part is the sensing elements based on bio-signal, the second is the circuit module for control, data acquisition and wireless communication and control and the third is garment with a built-in electrodes and circuits. The existing healthcare garment systems have to find a solution to signal-wire and uncomfortable and inappropriate electrode to long-term attachment. Even if the wireless communication is used for healthcare garment system, the interface between sensors and circuits have to use wires. To solve these problems, this paper use electrode using PEDOT coated PVDF nanoweb for ECG signal and PVDF film sensor for respiratory signal. And, we constructed garment network using digital yarn of 10um, and transmitted ECG and respiratory signal to mobile phone through the integrated circuit with bluetooth called station To evaluate feasibility of the proposed mobile healthcare garment system, we experimented with transmission and measurement of ECG and respiratory signal using nanoweb electrode and digital yarn. We got a successful result without noise and attenuation.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 사람의 몸에는 단지 ECG 전극과 호흡 센서만을 부착한 후, 이를 디지털실을 이용하여 ECG 신호와 호흡 신호를 전송하는 것이다. 구동회로, 배터리와 제어 및 통신회로 등은 탈부착이 가능한 통합 모듈로 구성하여 옷의 한 부분에 장착하도록 하였다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 연구에서는 PVDF 에 PEDOT 재료를 코팅하여 만든 패브릭 나노웹 ECG 전극과 PVDF 필름을 이용한 호흡센서를 사용자의 의류와 일체화시켰다. 측정된 생체신호는 디지털실과 무선 블루투스 (Bluetooth)가 내장된 스테이션을 이용하여 휴대폰에 전송되도록 하였다.
제안 방법
이러한 문제점 때문에 본 연구에서는 디지털 의복은 전원의 공급이 별도로 필요로 하지 않는 센서와 디지털실 만을 연결시켜 의류의 디자인 자유도를 침범시키지 않고, 세탁의 문제점을 해결하도록 하였다. 관련 회로와 배터리 및 전원부 등은 스테이션에 장착하며, 스테이션은 헬스케어 의류와 커넥터로 연결되도록 함으로써, 스테이션은 주머니를 비롯 하여, 의복의 모양 및 디자인에 상관없이 탈부착이 가능하도록 하였다. 스테이션은 전원부를 제외급이 l디자나노웹 센서의 필터링과 증폭을 위한 구동회로부와 데이터 취득과 동작의 제어를 위한 마이크로컨트롤러부로 나누어진다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 본 연구에서는 사람의 몸에는 단지 ECG 전극과 호흡 센서만을 부착한 후, 이를 디지털실을 이용하여 ECG 신호와 호흡 신호를 전송하는 것이다. 구동회로, 배터리와 제어 및 통신회로 등은 탈부착이 가능한 통합 모듈로 구성하여 옷의 한 부분에 장착하도록 하였다. 사용된 디지털 실은 10μm정도의 두께를 가지기 때문에, 옷 디자인의 자유도를 저해시키지 않을 뿐 아니라, 센서에 의해 측정된 원신호가 감쇄와 잡음 없이 전달될 수 있음을 실험을 통해 입증하였다.
나노웹을 이용한 ECG 전극과 PVDF 필름을 이용한 호흡 센서에 의해 측정된 신호를 디지털 실을 이용하여 탈부착이 가능한 스테이션으로 전송하며, 무선 블루투스(Bluetooth)가 내장된 스테이션에 의해 휴대폰에 전송되도록 하였다. 제안된 디지털 실을 이용한 모바일 헬스케어 의류 시스템의 유용성을 입증하기 위한 실험이 진행되었으며 성공적인 실험 결과를 얻을 수 있었다.
노이즈를 제거하기 위해 5차 버터워스 노우패스 필터와 하이패스 필터를 사용하여 0.1㎐∼20㎐의 주파수만을 통과시키고 증폭기를 사용하여 약 40배 이상을 증폭시켰다.
데이터 전송속도의 측정을 위해 두 대의 컴퓨터를 디지털 실로 연결하고 FTP로 파일을 전송하여 속도를 측정하였다.
또한, 착용성, 내구성 및 세탁성 등의 문제를 향상시키기 위하여 본 연구에서는 ECG 전극을 패브릭(Fabric) 전극으로 사용하고 있으며, 호흡측정을 위해서는 PVDF(Polyvinylidene Fluoride) 필름을 사용하고 있다. PVDF 필름은 실리콘을 부착 하여 의복에 내장함으로써 세탁의 문제를 해결할 수 있었다.
PVDF 필름 센서를 이용하며 호흡을 측정하기 위하여, (그림 7)과 같은 회로를 구성하였다. 맥박과 호흡을 측정하기 위해서, 보통 Voltage mode와 Current mode를 사용하는데, 본 연구에서는 voltage mode를 사용하였다. 보통 저항 R은 100MΩ이상이 사용되는 것이 보통이기 때문에, 높은 입력 임피던스를 가지는 OP-AMP를 이용하여 버퍼회로를 구성하여야 한다.
본 연구에서는 PEDOT를 코팅한 PVDF 나노웹을 디지털 의류내의 3군데에 부착하여 ECG 신호를 측정하며, 측정된 센서의 신호는 헬스케어 의류의 내부에 있는 디지털 실에 의하여 스테이션에 전달된다. 노드로부터 스테이션까지의 디지털실의 길이는 최대 약 1m 정도이다.
이러한 높은 입력 임피던스를 가지는 버퍼회로 때문에 60Hz 부근에서 전원 노이즈가 발생하거나, 높은 주파수에서 잡음이 발생하게 된다. 이 문제를 해결하기 위하여 20Hz의 차단주파수를 가지는 5차 버터워스 저역 통과필터(5th Butterworth Low-Pass Filter)를 사용하였으며, 마지막으로 이득회로를 통해 전압 증폭을 하였다.
이러한 문제점 때문에 본 연구에서는 디지털 의복은 전원의 공급이 별도로 필요로 하지 않는 센서와 디지털실 만을 연결시켜 의류의 디자인 자유도를 침범시키지 않고, 세탁의 문제점을 해결하도록 하였다. 관련 회로와 배터리 및 전원부 등은 스테이션에 장착하며, 스테이션은 헬스케어 의류와 커넥터로 연결되도록 함으로써, 스테이션은 주머니를 비롯 하여, 의복의 모양 및 디자인에 상관없이 탈부착이 가능하도록 하였다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 연구에서는 유연한 전도성 고분자 물질인 PEDOT [poly(ethylene dioxy thiophene)]을 PVDF에 코팅하여 만든 ECG 나노웹 전극을 사용하였다. PEDOT은 그 자체만으로 전도성을 가지고 있지만, 현재까지의 연구에서는 ITO 또는 웨이퍼 상에 박막으로 올리는 형태여서 의복에 적용되기에는 유연성, 경량성 등에서 문제가 있었기 때문에 섬유 형태의 PEDOT 물질을 얻을 수 있는 전기방사 방식을 사용하였다.
이러한 문제점들을 해결하기 위하여, 본 연구에서는 PVDF 에 PEDOT 재료를 코팅하여 만든 패브릭 나노웹 ECG 전극과 PVDF 필름을 이용한 호흡센서를 사용자의 의류와 일체화시켰다. 측정된 생체신호는 디지털실과 무선 블루투스 (Bluetooth)가 내장된 스테이션을 이용하여 휴대폰에 전송되도록 하였다. 10μm두께의 디지털실의 사용을 통해, 기존 의류와 일체화될 수 있는 신호네트워크를 가진 의류제작이가능해졌으며 탈부착이 가능한 스테이션을 통해 휴대폰에 손쉽게 ECG 신호와 맥박신호를 전송 및 표시가 가능했다.
대상 데이터
ECG 신호의 구동회로부의 첫 번째 단은 Analog Device 사의 Instrumentation Amplifier인 AD620을 사용하였다. AD620은 전력소모가 적고 입력전압에 대한 노이즈가 작아 생체신호를 측정하기에 적합하다.
필터와 증폭기를 통과한 신호는 마이크로 프로세서를 통해 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환시킨다. 본 논문에 사용된 마이크로 프로세서는 마이크로칩사의 PIC18F452이며 A/D 변환은 프로세서에 내장된 10비트 컨버터를 이용하였다. 변환된 디지털 신호는 블루투스 모듈을 통해 외부 컴퓨터로 전송이 가능하다.
본 연구에서 사용된 디지털 실은 한국생산기술연구원의 스마트 섬유팀이 개발에 성공하였으며, 구리를 주성분으로 하는 직경 10～16μm의 금속 마이크로와이어이다.
(그림 15)는 스테이션에서 블루투스를 이용하여 휴대폰으로 전송된 ECG 신호와 호흡 신호를 보여주고 있다. 휴대폰은 (주)삼성전자의 스마트 폰이 사용되었으며, 휴대폰에서 사용자의 정보를 입력하고 헬스케어 의류를 통해 측정된 데이터를 블루투스를 통해 휴대폰으로 전송한다. 휴대폰 화면에서 보이는 (A)번 그래프는 ECG 신호를 나타내며, 신호의 주기는 5초이다.
성능/효과
10μm두께의 디지털실의 사용을 통해, 기존 의류와 일체화될 수 있는 신호네트워크를 가진 의류제작이가능해졌으며 탈부착이 가능한 스테이션을 통해 휴대폰에 손쉽게 ECG 신호와 맥박신호를 전송 및 표시가 가능했다.
사용된 디지털 실은 10μm정도의 두께를 가지기 때문에, 옷 디자인의 자유도를 저해시키지 않을 뿐 아니라, 센서에 의해 측정된 원신호가 감쇄와 잡음 없이 전달될 수 있음을 실험을 통해 입증하였다.
전체시스템에서 신호 측정 회로는 단지 스테이션에만 집적되기 때문에, 스테이션만을 간단히 제거함으로서, 의복을 이용한 생체신호 측정 시스템에서 발생하는 세탁 등의 문제를 쉽게 해결할 수 있다. 사용된 디지털실은 기존의 실과같이 직조형태로 네트워킹이 가능하며, 디지털실의 사용에따라 착용성과 편리성의 향상을 가져올 수 있다.
나노웹을 이용한 ECG 전극과 PVDF 필름을 이용한 호흡 센서에 의해 측정된 신호를 디지털 실을 이용하여 탈부착이 가능한 스테이션으로 전송하며, 무선 블루투스(Bluetooth)가 내장된 스테이션에 의해 휴대폰에 전송되도록 하였다. 제안된 디지털 실을 이용한 모바일 헬스케어 의류 시스템의 유용성을 입증하기 위한 실험이 진행되었으며 성공적인 실험 결과를 얻을 수 있었다.
(그림 4)는 나노웹 센서를 통해 측정된 ECG 신호를 보여 주고 있다. 측정된 ECG 신호를 통해 알 수 있듯이, Q파, R파 및 S파는 명확히 구분되어 나오고 있음을 알 수 있다. P 파의 경우는 거의 구분되고 있지 않으며, T파의 경우도 구분되기 어렵다.
참고문헌 (12)
Crossing the Quality Chasm: A New Health System for the 21st Century, Committee on Quality of Healthcare in America, Institute of Medicine, Washington, D.C., 2001.
R. Rajamanickam, S. Park, and S. Jayaraman, "A structured methodology for the design and development of textile structures in a concurrent engineering environment,"J. Textile Inst., Vol. 89, no. 3, pp.44-62, 1998.
The Georgia Tech Wearable Motherboard : The Intelligent Garment for the 21st Century. Available: http://www. smartshirt.gatech.edu
Lorincz K, Malan D, Fulford-Jones TRF, Nawoj A, Clavel A, Shnayder V, et al. Sensor networks for emergency response: challenges and opportunities. In: IEEE pervasive computing, special issue on pervasive computing for first response, pp. 16-23, 2004.
Carter GS, Coyle MA, Mendelson WB. Validity of a portable cardio-respiratory system to collect data in the home environment in patients with obstructive sleep apnea. Sleep Hypnosis, pp.85-92, 2004.
Wilhelm FH, Pfaltz MC, Grossman P. Continuous electronic data capture of physiology, behavior and experience in real life: towards ecological momentary assessment of emotion. Interacting Comput, pp.171-86, 2006.
Young-Dong Lee, Wan-Young Chung,., "Wireless sensor network based wearable smart shirt for ubiquitous health and activity monitoring, Sensors and Actuators B 140, pp.390？ 395, 2009.
Philippe Jourand, Hans De Clercq, Rogier Corthout, Robert Puers, "Textile Integrated Breathing and ECG Monitoring System", Procedia Chemistry 1, pp.722？725, 2009.
Di Rienzo M, Rizzo F, Parati G, Brambilla G, Ferratini M, Castiglioni P. MagIC System: a new textile-based wearable device for biological signal monitoring. Applicability in daily life and clinical setting. Proc IEEE-EMBS, pp.7167-9, 2005.
Di Rienzo M, Rizzo F, Parati G, Ferratini M, Brambilla G, Castiglioni P. A textile-based wearable system for vital sign monitoring: applicability in cardiac patients. Comput Cardiol 32, pp.699-701, 2005.
Samjin Choi, Zhongwei Jiang, "A novel wearable sensor device with conductive fabric and PVDF film for monitoring cardiorespiratory signals", Sensors and Actuators A 128, pp.317-326, 2006.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.