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무구속 심탄도 모니터링 시스템을 이용한 스트레스 분석 기초연구
Basic Study for Stress Analysis Using an Unconstrained BCG Monitoring System 원문보기

Journal of sensor science and technology = 센서학회지, v.20 no.2, 2011년, pp.118 - 123  

노윤홍 (동서대학교 대학원 유비쿼터스IT) ,  정도운 (동서대학교 컴퓨터정보공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Heart related diseases mainly caused by heavy work load and increasing stress in human daily life. Therefore, researches on mobile healthcare monitoring for daily life has been carried out. Notably, wearable healthcare monitoring system which has least restriction has been tried to provide an emerge...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 먼저 웨이브렛을 이용하여 기저선 변화 및 잡음성분을 제거하였으며, 템플릿 매칭을 이용하여 피검자의 무게에 따른 신호의 크기 변화를 정규화 하였다. 또한 적응 문턱치 기법을 적용하여 정확한 피크를 검출하고자 하였다. 본 연구에서 적용한 심탄도 신호처리 과정을 Fig.
  • 본 연구에서 가정이나 사무실에서 피검자가 일상생활을 하는 중 무구속, 무자각 상태에서 신호를 계측하여 건강상태를 모니터링하기 위한 의자형 무선 심탄도 계측시스템을 구현하였다. 심탄도에 포함된 기저선변화 및 잡음성분의 제거, 신호의 크기를 정규화하기 위해 웨이브렛 및 템플릿 매칭 기법을 적용하였고 적응 문턱치기법을 이용하여 피크검출을 수행하였다.
  • 본 연구에서 적용한 웨이브렛 신호처리와 템플릿 매칭 기법을 적용한 심탄도 신호처리기법의 성능평가를 위하여 심전도와 심탄도를 동시에 계측하여 심박동 검출성능을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 실험대상은 건강한 대학생 10명을 대상으로 30분간 심전도와 심탄도를 동시에 계측하는 실험을 수행하였으며, 실제 계측된 심탄도와 심전도의 일례를 Fig.
  • 본 연구에서는 HRV의 시간, 주파수 영역 분석을 통해 스트레스에 따른 HRV의 변화를 관찰하고자 하였다. 이를 위하여 피실험자로부터 인위적으로 숨을 참고 강제호기를 통해 흉강내압을 증가시켜 인위적인 육체적 스트레스를 가하는 발살바 조작을 유도하였으며, 안정 상태와 스트레스 상태를 비교하여 심탄도 모니터링을 통해 스트레스 상태의 판별 가능성을 확인하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 가정 또는 사무실에서 무구속적인 방법으로 심장의 활동상태를 모니터링 하기 위하여 심탄도(ballistocardiogram, BCG)를 계측하고 이로부터 스트레스 모니터링에 유효한 HRV를 분석하고자 하였다. 심탄도는 심장의 수축과 이완에 따라 심장과 혈관에서의 혈류변화에 따른 탄도를 계측한 신호로서 심전도와 유사하게 심장의 활동 상태를 나타내는 지표이지만 신체에 전극을 부착할 필요가 없다.
  • 본 연구에서는 가정 또는 사무실에서 무구속적인 방법으로 지속적인 심장의 활동상태의 모니터링이 가능한 무구속 의자형 심탄도 계측 시스템을 이용하여 신호를 계측하고 전처리 과정 및 적응 문턱치를 통해 HRV을 검출하고자 하였다. HRV는 임상에서 일반적으로 사용되고 있는 분당 평균 심박동수와 다르게 박동과 박동사이의 변화 추이를 정량화한 것으로써 하나의 심장 주기로부터 다음 심장주기 사이의 변이를 측정하며, 일반적으로 심전도 신호에서 RR간격을 시계열 신호로 변환하여 시간 축에 재배열한 신호이다.
  • 본 연구에서는 스트레스 판별 및 무구속 건강 모니터링의 가능성을 평가하기 위하여 피검자 10명으로부터 총 5회의 발살바 조작을 유도하여 심탄도를 계측하였다. 계측 전 피험자에게 실험에 대한 취지를 충분히 설명하였으며, 피험자로부터 동의를 획득 후 실험을 수행하였다.
  • 본 연구에서는 심탄도로부터 추출한 HRV신호를 이용하여 스트레스의 모니터링 가능성을 평가하고자 하였으며, HRV의 계산 수식은 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
스트레스가 오래 지속될 경우 어떠한 문제가 발생하는가? 일상생활에서 현대인들의 정신적, 신체적 건강을 해치는 요인으로 잘 알려진 스트레스는 오랜 기간에 걸쳐 지속될 경우 산소요구량이 많아지고, 관상동맥경련, 심장 전도 시스템의 전기적인 불안정을 유발한다. 또한 이러한 증상들에 따른 불규칙한 혈액의 흐름을 정상적으로 유지하기 위하여 심장의 과부하를 유발하고 심혈관계에 부정적인 영향을 준다. 따라서 과도한 만성적 스트레스는 신체의 모든 기관에 부정적 영향을 미쳐 관련된 모든 질병을 야기할 수 있기 때문에 건강유지 차원에서의 스트레스 관리가 매우 중요하다[1].
HRV의 주파수 영역분석에서 HF 파라미터의 특징은 어떠한가? 특히 HF는 호흡주기와 관계가 있으며, 인체의 반사 시스템과 밀접한 관계를 가지고 있어 호흡 영역이라고도 한다. 특히 부교감신경계의 활성도가 감소하면 심질환이 발생할 수 있으며, 스트레스 또는 통증이 나타나고, 매우 긴장된 상태를 유지하게 된다.
심탄도란 무엇인가? 본 연구에서는 가정 또는 사무실에서 무구속적인 방법으로 심장의 활동상태를 모니터링 하기 위하여 심탄도(ballistocardiogram, BCG)를 계측하고 이로부터 스트레스 모니터링에 유효한 HRV를 분석하고자 하였다. 심탄도는 심장의 수축과 이완에 따라 심장과 혈관에서의 혈류변화에 따른 탄도를 계측한 신호로서 심전도와 유사하게 심장의 활동 상태를 나타내는 지표이지만 신체에 전극을 부착할 필요가 없다. 따라서 무구속, 무자각 상태에서 신호계측이 가능하며, 장시간 동안 심장상태의 모니터링에 유용하게 활용할 수 있다[4].
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참고문헌 (13)

  1. S. J. Chang, S. B. Koh, H. R. Choi, J. M. Woo, B. S. Cha,J. K. Park, Y. H. Chen, H. K. Chung,“ Job stress, heartrate variability and metabolic syndrome”, Korean JOccup Environ Med, vol. 16, no. 1, pp.70-81, 2003. 

  2. J. Muhlsteff, O. Such, R. Schmidt, M. Perkuhn, H. Reiter,J. Lauter, J. Thijs, G. Musch, and M. Harris “Wearableapproach for continuous ECG and activity patientmonitoring”Engineering in Medicine and Biology Society,San Francisco, CA, USA, pp. 2184-2187, 2004. 

  3. J. Ottenbacher, S. Romer, C. Kunze, U. Großmann, and W. Stork “Integration of a bluetooth based ECG system into clothing”Eighth IEEE International Symposium on Wearable Computers, Arlington, VA, USA, pp. 186-187, 2004. 

  4. J. Alihanka, K. Vaahtoranta, and I. Saarikivi, “A newmethod for long-term monitoring of theballistocardiogram, heart rate, and respiration”Am JPhysiol, vol. 240, no. 9, pp. 289-297, 1993. 

  5. X. Yu, D. J. Gong, C. Osborn, and D. Dent,“ A wavelet multireolution and neural network system for BCG signal analysis”, IEEE TECON-Digital signal processing Applications, Perth, WA, Australia, pp. 491-495, 1996. 

  6. A. Akhbardeh, S. Junnila, M. Koivuluoma, T.Koivistoinen, V. Turjanmaa, T. Koobi, and A. Varri,“Towards a disease diagnosing system based on forcesensitive chair's measurement, biorthogonal waveletsand neural networks”, Engineering Applications ofArtificial Intelligence, vol. 20, no. 4, pp. 493-502, 2007. 

  7. O. Postolache, P. S. Girao, and G. Postolache, “New approach on cardiac autonomic control estimation based on BCG processing”, Electrical and Computer Engineering, Vancouver, BC Canada, pp. 876-879, 2007. 

  8. K. Yamakoshi, M. Kuroda, S. Tanaka, I. Yamaguchi, andA. Kawarada,“ Non-conscious and automatic acquisitionof body and excreta weighttogether with ballistocardiogramin a lavatory”, Engineering in Medicine and BiologySociety, Amsterdam, Netherlands, pp. 67-68, 1996. 

  9. M. Brink, C. H. Muller, and C. Schierz, “Contact-freemeasurement of heart rate, respiration rate, and bodymovements during sleep”, Behavior Research Methods,vol. 38, pp. 511-521, 2006. 

  10. Y. H. Noh and D. U. Jeong, “Development of thewearable ECG measurement system for healthmonitoring during daily life”, J. Kor. Sensors Soc., vol.19, no. 1, pp. 8-16, 2010.. 

  11. S. H. Kim, H. J. Hwang, J, W, Kim, J. Y. Shim and H.R. Lee,“ The relationship between heart rate variabilityand illness severity”, Korean J. Fam. Med., vol. 26, no.3, pp. 152-157, 2005. 

  12. S. Cerutti, A. M. Bianchi, and L. Mainardi, “Spectralanalysis of the heart rate variability signal. In : MalikM, Camm AJ, eds. Heart rate variability”. Armonk, NY :Futura Publishing Company, Inc, pp. 63-74, 1995. 

  13. M. Bland and D. G. Altman,“ Staticstical methods forassessing agreement between two methods of clinicalmeasurement”, Lancet, vol. 327, pp. 307-310, 1986. 

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