[논문]직물 전극의 형상 특성이 자계 유도성 전도율 기반의 비접촉식 심장활동 센싱에 미치는 효과의 분석

지선옥; 이영재; 구혜란; 강선아; 박희정; 김경섭; 이주현; 이정환

doi:10.5370/kiee.2013.62.6.803

[국내논문] 직물 전극의 형상 특성이 자계 유도성 전도율 기반의 비접촉식 심장활동 센싱에 미치는 효과의 분석
An Analysis on the Effect of the Shape Features of the Textile Electrode on the Non-contact Type of Sensing of Cardiac Activity Based on the Magnetic-induced Conductivity Priciple 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.62 no.6, 2013년, pp.803 - 810

지선옥 (연세대학교 의류환경학과) , 이영재 (건국대학교 대학원 의학공학부) , 구혜란 (연세대학교 의류환경학과) , 강선아 (연세대학교 대학원 의류환경학과) , 박희정 (건국대학교 대학원 의학공학부) , 김경섭 (건국대학교 의학공학부) , 이주현 (연세대학교 의류환경학과) , 이정환 (건국대학교 의학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this research is to analyze the effect of shape of the inductive textile electrode on the non-contact heart activity sensing, based on the magnetic-induced conductivity principle. Four types of the inductive textile electrodes were determined according to the combinations of the two shape features. A fiber-metal hybrid-typed conductive thread was developed and applied to materialization of the textile electrodes by embroidery method. The heart activity was extracted through the textile electrode sewn on a T-shirt. The experiments were implemented to constantly measure the heart activity for 20 seconds, in each case of 5 healthy male subjects. The heart activity signals acquired in each type of the inductive textile electrode were analyzed, 1)by drawing a comparison of morphology with those of ECG signal (LeadII), and 2)by calculation of the normalized mean and standard deviation of magnitude of the heart activity signals. The analysis resulted that the relatively better quality of signals were acquired in the 'square' types in the matter of whole shape, while the better results were obtained in 'donut' types in the matter of center hole. Accordingly, the relatively best quality of signals was obtained in the case of 'Square-Donut' type of the inductive textile electrode.

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문제 정의

상기한 연구의 필요성을 토대로, 본 연구에서는 비접촉 방식인 자계 유도성 전도율 기반의 심장활동 센싱 방식에 직물 전극을 적용하는 방안을 연구하였다.
본 연구의 목표는 자계 유도성 전도율 기반 심장활동 센싱에 영향을 미치는 제 요인들[12] 중, 직물 전극의 형상 특성이 자계 유도성 기반의 비접촉식 심장활동 센싱에 미치는 효과를 분석하는 것이다.
본 연구의 전도사가 폴리에스테르와 금속사의 혼합 구성으로 이루어진 이유는, 전극 구현을 위한 후속 직물화 과정에서 직물화 기기로부터 전도사에 걸리는 장력 등을 고려한 것으로, 다시 말해 직물화를 위한 후속 가공과정에 요구되는 최소한의 유연성과 내구성을 전도성과 함께 갖추기 위한 것이다.
이와 동일한 방법으로 기존의 연구에서 금속 코일을 이용 하여 호흡을 측정하거나 심장활동 신호를 얻은 결과가 있었으며 그 결과로서 폐활량계에서 측정된 값과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다[16]. 이 사례들은 심장의 움직임보다 폐의 수축/팽창 운동으로 인한 물질의 변화를 측정한 연구이다.
본 연구에서는 전극의 형상에 따라 자계 발생의 차이가 발생한다는 이론에 기초하여, 직물 전극의 형상 특성이 자계 유도성 전도율 기반의 심장활동 센싱에 미치는 효과를 살펴보았으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

유도성 직물 전극을 구현하기 위하여, 금속-섬유 혼합형 전도사(conductive thread)를 개발하였다. 전극에 사용된 전도사는 폴리에스테르사와 금속사(은 플레이팅된 니켈사)가 조합된 형태이며, 전도사는 75데니아(denier; 실의 굵기 단위)의 폴리에스테르사 1가닥과 50㎛ 굵기의 금속사 2가닥(2 ply), 30㎛ 굵기의 금속사 6가닥(6 ply) 등, 총합 9개 가닥이 꼬여 있는 실(그림 1) 9개가 조합된 합사 형태로 구성되었다.
전도사를 사용하여 구현된 코일형 직물 전극은, 두 형태 변인의 조합에 따른 총 4가지 유형으로 구현되었다. 즉 구현된 전극들은 전체 형태(원형/사각형)와 중앙 홀(hole)의 유무에 따른 두 형태(중앙 홀이 있는 Donut형/중앙 홀이 없는 Filled형)의 조합에 의한 것으로, 구체적 내용은 표 1과 같다.
모든 직물 전극은 컴퓨터 기계자수 기기를 통해 총 10개의 코일선이 일반적 폴리에스테르 직물 위에 자수되는 방식으로 구현되었으며, 구현된 전극의 형상 등 상세 내역은 표 1과 같다.
5 mm로 최대한 통제되었으나, 기 자수 방식의 특성상 1 mm 미만의 단위로 간격을 통제하는 것에는 한계가 있었다. 중앙 홀이 있는 전극 유형의 경우, 동일한 코일선 수를 유지하기 위해 전극 전체 크기가 커진 것과 각 직물 전극의 인덕턴스를 네트워크분석기를 이용 하여 측정하여 표 1에 함께 제시하였다.
모든 피험자는 직물 전극이 의복 표면에 봉제된 스포츠용 민소매 셔츠를 착용하고 지시된 동작을 수행하였다. 각 피험자가 동작하는 동안 직물 전극 및 하드웨어를 통한 비접촉식 심장활동 측정과 심전도 리드Ⅱ를 통한 심장활동 측정이 동시에 수행되었다.
모든 피험자는 직물 전극이 의복 표면에 봉제된 스포츠용 민소매 셔츠를 착용하고 지시된 동작을 수행하였다. 각 피험자가 동작하는 동안 직물 전극 및 하드웨어를 통한 비접촉식 심장활동 측정과 심전도 리드Ⅱ를 통한 심장활동 측정이 동시에 수행되었다.
본 연구에서 개발된 4가지 형상 유형의 전극 중 1개씩의전극을 동일한 스포츠용 민소매 셔츠(폴리에스테르 니트 소재)에 차례로 부착하여 실험을 실시함으로써, 각 피험자마다 모든 유형의 직물 전극들을 통해 심장활동 신호가 반복 측정되도록 실험을 설계하였다.
모든 피험자들은 실험 시 동일한 동작들을 수행하였으며, 동작은 의자에 앉아 있기 10초와 일어서서 서있기 10초의 연속 동작으로 총 20초 동안의 2개 유형으로 구성되었다(그림 6).
본 연구의 실험결과로서, 5명의 피험자로부터 4개 유형의 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 파형과 심전도 리드Ⅱ를 동시에 측정하여 획득한 심장활동 파형 데이터를 비교분석 하였다. 또한 이들 심장활동 파형 데이터를 토대로, 각 피험자 별 심장활동 신호 크기의 정규화 산술평균과 정규화 표준편차를 산출하여 제시하였다.
본 연구의 실험결과로서, 5명의 피험자로부터 4개 유형의 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 파형과 심전도 리드Ⅱ를 동시에 측정하여 획득한 심장활동 파형 데이터를 비교분석 하였다. 또한 이들 심장활동 파형 데이터를 토대로, 각 피험자 별 심장활동 신호 크기의 정규화 산술평균과 정규화 표준편차를 산출하여 제시하였다.
본 연구에서는 유도성 직물 전극의 형상에 따라 자계 발생의 차이가 있을 수 있다는 가설을 기반으로 하여, 형상이 서로 다른 직물 전극들을 각 피험자에 적용하여 실험하였고, 실험을 통하여 얻은 직물 전극 유형 별 심장활동 신호의 크기를 다음과 같이 비교 고찰하였다.
본 연구에서는 금속-섬유 혼합형 전도사를 사용하여, 두가지 형태 변인의 조합(전체 형태 및 중앙 홀(hole)의 유무) 에 따른 총 4가지 유형의 직물 전극을 제작하고, 이 4개 전극 유형에 따른 심장활동 신호를 측정하였다. 4개 유형의 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 신호를 심전도 리드 II의 R-peak와 형상학적으로 비교한 결과, 전반적으로 양 신호들의 주기는 일치하였다.

대상 데이터

유도성 직물 전극을 구현하기 위하여, 금속-섬유 혼합형 전도사(conductive thread)를 개발하였다. 전극에 사용된 전도사는 폴리에스테르사와 금속사(은 플레이팅된 니켈사)가 조합된 형태이며, 전도사는 75데니아(denier; 실의 굵기 단위)의 폴리에스테르사 1가닥과 50㎛ 굵기의 금속사 2가닥(2 ply), 30㎛ 굵기의 금속사 6가닥(6 ply) 등, 총합 9개 가닥이 꼬여 있는 실(그림 1) 9개가 조합된 합사 형태로 구성되었다. 완성된 합사 상태에서의 저항은 0.
실험은 실험실 환경에서, 건강한 20대 남성 5명을 대상으로 하여 다음과 같이 실시되었다.

데이터처리

직물 전극 유형 별, 피험자 별 심장활동 신호 크기를 비교하기 위하여 각 심장활동 신호(peak-to-peak)의 정규화산술평균과 정규화 표준편차를 산출하였으며, 그 결과는 표 2에 표시하였다.

성능/효과

결과적으로 유도된 자선속은 코일의 배치에 따른 결합에 대한 누설 선속으로 간주할 수 있으며 이 원리를 이용하여 심장의 움직임으로 인해 변화되는 코일의 인덕턴스의 변화를 임피던스로 보아 알 수 있다(식 4)[15].
그림 7은 본 논문에서 사용한 4개 전극 유형별로 측정한 심장활동 신호와 심전도 신호의 예를 나타내고 있다. 전반 적으로 볼 때, 안정 상태(전반 약 10초간)에서의 심장활동 신호는 재현성 및 신뢰성 면에서 뛰어나지만, 일어서는 동작 시(약 10초 경과 전후)에는 많은 동잡음(motion artifacts)이 발생함을 보였으며, 일어선 자세가 고정된 상태(후반부)에서는 다시 신호가 안정되는 결과를 얻었다(그림 7).
4개 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 신호들과 심전도 리드Ⅱ의 R-peak를 형상학적으로 비교 분석해 봤을 때, 양 신호들의 주기가 일치하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 각각의 직물 전극 간에도 심장활동 신호의 경향은 전반적으로 비슷한 양상을 보였으며, Square-Donut 유형의 전극의 경우에 심장 활동 신호의 크기가 상대적으로 가장 큰 것으로 나타났다 (그림 7).
4개 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 신호들과 심전도 리드Ⅱ의 R-peak를 형상학적으로 비교 분석해 봤을 때, 양 신호들의 주기가 일치하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한 각각의 직물 전극 간에도 심장활동 신호의 경향은 전반적으로 비슷한 양상을 보였으며, Square-Donut 유형의 전극의 경우에 심장 활동 신호의 크기가 상대적으로 가장 큰 것으로 나타났다 (그림 7).
이러한 결과는 피험자 4를 제외한 나머지 모든 피험자들에 있어, Square-Donut 유형의 전극을 적용한 경우에 상대 적으로 가장 우세한 신호가 획득되었음을 의미하며, 전반적으로 round형 보다는 square형 전극들의 경우에 상대적으로더 우세한 신호를 획득하였음을 의미한다(그림 8). 한편 전극 중앙 홀의 유무에 따른 형상 특성(donut형, filled형) 간의 차이를 비교할 때, filled형 전극들보다는 donut형 전극들의 경우에서 다소 우세한 신호를 얻을 수 있었다.
이러한 결과는 피험자 4를 제외한 나머지 모든 피험자들에 있어, Square-Donut 유형의 전극을 적용한 경우에 상대 적으로 가장 우세한 신호가 획득되었음을 의미하며, 전반적으로 round형 보다는 square형 전극들의 경우에 상대적으로더 우세한 신호를 획득하였음을 의미한다(그림 8). 한편 전극 중앙 홀의 유무에 따른 형상 특성(donut형, filled형) 간의 차이를 비교할 때, filled형 전극들보다는 donut형 전극들의 경우에서 다소 우세한 신호를 얻을 수 있었다.
또한 4개 직물전극의 심장활동 신호의 정규화 산술평균값들과 각 직물 전극의 인덕턴스 값들(표 1)을 비교한 결과는 그림 9와 같다. 전반적으로 볼 때, 4개 직물전극의 심장활동 신호의 정규화 산술평균값의 경향과 각 직물 전극의 인덕턴스 값의 경향은 일치함을 알 수 있었다(그림 9).
본 연구에서는 금속-섬유 혼합형 전도사를 사용하여, 두가지 형태 변인의 조합(전체 형태 및 중앙 홀(hole)의 유무) 에 따른 총 4가지 유형의 직물 전극을 제작하고, 이 4개 전극 유형에 따른 심장활동 신호를 측정하였다. 4개 유형의 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 신호를 심전도 리드 II의 R-peak와 형상학적으로 비교한 결과, 전반적으로 양 신호들의 주기는 일치하였다. 또한 4개 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 신호의 정규화 산술평균의 분포 경향은 각 직물 전극의 인덕턴스 값들의 분포 경향과 일치하였다.
4개 유형의 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 신호를 심전도 리드 II의 R-peak와 형상학적으로 비교한 결과, 전반적으로 양 신호들의 주기는 일치하였다. 또한 4개 직물 전극들을 통해 얻은 심장활동 신호의 정규화 산술평균의 분포 경향은 각 직물 전극의 인덕턴스 값들의 분포 경향과 일치하였다.
4개 유형의 직물 전극들 중 Square-Donut형 전극의 경우에 신호의 크기가 상대적으로 가장 컸으며, 두 유형의 직물 전극의 전체 형태(round형, square형)를 상호 비교할 때 round형 전극들의 경우보다는 square형 전극들의 경우에서 더욱 우세한 심장활동 신호를 얻을 수 있었다.
결론적으로, 본 연구를 통하여 직물 전극의 형태 특성은 자계 유도성 기반의 비접촉식 심장활동 센싱에 영향을 미치며, 직물 전극의 두 가지 형상 요소들 중에서 중앙 홀의 유무(donut, filled) 요소보다는 전체 형상(square, donut) 요소가 더욱 큰 영향을 미침을 고찰할 수 있었다.
본 연구의 자계 유도성 기반의 비접촉식 심장활동 센싱은 안정 상태에서의 신호 획득은 재현성 및 신뢰성 면에서 뛰어나지만, 일어서는 동작 시에는 동잡음으로 인해 신호의 정확성이 저하되는 문제점을 보였다. 따라서 비접촉 방식에서의 대표적인 취약점인 동잡음 제거를 위한 추가적 연구가 필요하다고 하겠다.

후속연구

본 연구의 자계 유도성 기반의 비접촉식 심장활동 센싱은 안정 상태에서의 신호 획득은 재현성 및 신뢰성 면에서 뛰어나지만, 일어서는 동작 시에는 동잡음으로 인해 신호의 정확성이 저하되는 문제점을 보였다. 따라서 비접촉 방식에서의 대표적인 취약점인 동잡음 제거를 위한 추가적 연구가 필요하다고 하겠다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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