심장 질환의 이상 현상은 항상 나타나는 것이 아니므로 오랜 시간 동안 심장상태를 관찰해야 한다. 하지만, 의료장비는 크기, 장비 조작, 비용 면에서 개인이 소유하여 장시간 동안 건강 체크를 하기에는 어려움이 있다. 본 논문에서는, 젤리스 금속 전극으로 측정 가능한 휴대용 디지털 심전도계를 제작하였다. 전극은 기존의 젤 타입 전극 대신 젤리스 금속 전극을 사용함으로써 기존 젤 타입 전극의 단점이었던 피부발진 또는 가려움증 유발 등의 문제점을 개선하였다. 전체 심전도계는 크게 아날로그 계측 회로부와 디지털 회로부로 구성하였다. 아날로그 계측 회로부는 동상모드 잡음을 효과적으로 제거할 수 있는 op-amp와 smd타입의 수동소자를 사용하여 18*25mm 크기로 설계 및 구현하였다. 디지털 회로부에서는 마이크로 컨트롤러를 이용하여 아날로그 신호인 심장신호를 디지털 신호로 변환하여 TFT-LCD에 디스플레이할 수 있도록 하였다. 완성된 휴대용 심전도계의 크기는 25*80*50mm이고, 무게는 약 150g 정도로써 가볍고 휴대하기 용이하게 소형으로 제작하였다.
심장 질환의 이상 현상은 항상 나타나는 것이 아니므로 오랜 시간 동안 심장상태를 관찰해야 한다. 하지만, 의료장비는 크기, 장비 조작, 비용 면에서 개인이 소유하여 장시간 동안 건강 체크를 하기에는 어려움이 있다. 본 논문에서는, 젤리스 금속 전극으로 측정 가능한 휴대용 디지털 심전도계를 제작하였다. 전극은 기존의 젤 타입 전극 대신 젤리스 금속 전극을 사용함으로써 기존 젤 타입 전극의 단점이었던 피부발진 또는 가려움증 유발 등의 문제점을 개선하였다. 전체 심전도계는 크게 아날로그 계측 회로부와 디지털 회로부로 구성하였다. 아날로그 계측 회로부는 동상모드 잡음을 효과적으로 제거할 수 있는 op-amp와 smd타입의 수동소자를 사용하여 18*25mm 크기로 설계 및 구현하였다. 디지털 회로부에서는 마이크로 컨트롤러를 이용하여 아날로그 신호인 심장신호를 디지털 신호로 변환하여 TFT-LCD에 디스플레이할 수 있도록 하였다. 완성된 휴대용 심전도계의 크기는 25*80*50mm이고, 무게는 약 150g 정도로써 가볍고 휴대하기 용이하게 소형으로 제작하였다.
Heart condition should be observed for long periods of time because it does not appear abnormal all the time. However, there are many difficulties checking our health for a long time due to its size, operation of equipment, and cost. To solve these problems, an electrocardiograms(ECG), specially int...
Heart condition should be observed for long periods of time because it does not appear abnormal all the time. However, there are many difficulties checking our health for a long time due to its size, operation of equipment, and cost. To solve these problems, an electrocardiograms(ECG), specially interfacing three gel-less metal electrodes for low cost portable applications, is designed and implemented. Gel-less metal electrodes are used for ECG monitoring system instead of gel-type electrodes that can cause skin rashes and itching problem. The whole ECG system consists of two parts-analog and digital circuits. The analog measurement circuit that has a 18*25mm size is made up of op-amps maintaining a sufficiently high common-mode noise rejection and passive elements of SMD type. Analog heart signal is converted to digital stream suitable for display on a TFT-LCD by an 8-bit microcontroller. The size of the completed ECG system is 25*80*50mm and its weighing is about 150g, which is small enough to be easily used. Therefore, the implemented ECG system can be used as a portable one.
Heart condition should be observed for long periods of time because it does not appear abnormal all the time. However, there are many difficulties checking our health for a long time due to its size, operation of equipment, and cost. To solve these problems, an electrocardiograms(ECG), specially interfacing three gel-less metal electrodes for low cost portable applications, is designed and implemented. Gel-less metal electrodes are used for ECG monitoring system instead of gel-type electrodes that can cause skin rashes and itching problem. The whole ECG system consists of two parts-analog and digital circuits. The analog measurement circuit that has a 18*25mm size is made up of op-amps maintaining a sufficiently high common-mode noise rejection and passive elements of SMD type. Analog heart signal is converted to digital stream suitable for display on a TFT-LCD by an 8-bit microcontroller. The size of the completed ECG system is 25*80*50mm and its weighing is about 150g, which is small enough to be easily used. Therefore, the implemented ECG system can be used as a portable one.
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문제 정의
본 논문에서는 기존 심전도계의 단점이었던 크기, 장비조작, 고가의 가격 등의 문제점을 개선하기 위해 전체 크기를 25*80*50mm, 무게는 150g으로 소형화 하여 휴대성을 개선한 휴대용 디지털 심전도계를 설계 및 제작하였다.
또한, 젤 타입 전극을 피부에 직접 접촉함으로써 피부발진 또는 가려움증 유발 등의 단점이 있었다[5]. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 젤리스 금속 전극을 사용하여 피부 부작용을 예방할 수 있고, 시간과 공간의 제약없이 언제 어디서나 자신의 심장상태를 보다 쉽게 측정 할 수 있는 휴대용 심전도계를 설계 및 제작하였다.
제안 방법
또한, 표준사지유도법중 제1유도법인 두 손목과 오른다리 접지 대신 손가락 끝부분과 두 엄지 사이의 전위차를 이용하여 심전도 파형을 얻을 수 있도록 하였다. 금속과 피부간의 접촉이 불안정하면 두꺼운 60Hz 전원잡음이 발생할 수 있기 때문에 측정을 시작하기 전 약 5분간 전극을 부착한 후 안정된 상태에서 심장파형을 측정하기 시작하였다. 또한, 기저선 변동을 최대한 줄이기 위해 동일한 압력으로 금속을 접촉시켰다.
5[Hz] 고역통과 필터로 DC성분을 제거한 후 다시 100배 증폭하여 전체 이득을 1100으로 신호 증폭을 하였다. 노치 필터는 기존의 4개의 op-amp를 사용한 상태변수 대역저지필터 대신 2개의 op-amp를 사용한 Fliege 노치 필터를 사용하였다. 이때, 동일한 값을 가진 저항(R1=R6, R2=R11)을 이용하여 Q 값을 16.
제작된 심전도계는 측정된 심장 신호를 실시간으로 그래픽 LCD 상에 잘 나타내었다. 또한, 기저부분에 약 -40dm크기의 두꺼운 60Hz 전원잡음이 나타나지만, 젤타입의 일회용 전극대신 반복 사용이 가능하고 측정이 편리한 젤리스 금속 전극을 사용함으로써 측정시의 불편함과 알레르기성 피부 부작용을 최소화할 수 있도록 하였다.
금속과 피부간의 접촉이 불안정하면 두꺼운 60Hz 전원잡음이 발생할 수 있기 때문에 측정을 시작하기 전 약 5분간 전극을 부착한 후 안정된 상태에서 심장파형을 측정하기 시작하였다. 또한, 기저선 변동을 최대한 줄이기 위해 동일한 압력으로 금속을 접촉시켰다. 실험결과, 피부와 전극사이의 임피던스가 젤 타입의 Ag/Cl전극에 비해 상대적으로 크기 때문에 Fig.
계측 증폭단은 110[dB] 동상모드 제거비를 가진 INA333 증폭기를 사용하여 구성하였다. 또한, 전극간의 큰 전위차로 인하여 심전도 신호가 크게 증폭되어 신호 대역을 벗어나는 문제를 방지하기 위하여 계측된 심장 신호는 다음과 같이 두 번 으로 나누어 증폭되도록 설계하였다[6-9]. 즉, 먼저 계측 증폭단에서 R1과 R2의 저항값을 조정하여 입력 신호를 약 11배 증폭하고, 0.
본 논문에서 제작한 심전도계는 측정 시 마다 젤 타입의 일회용 전극을 사용해야 하는 불편함과 젤로 인한 알레르기성 피부 염증 유발 등의 부작용을 개선하기 위해 일회용 전극 대신 젤리스 금속 전극을 사용하였다. 또한, 표준사지유도법중 제1유도법인 두 손목과 오른다리 접지 대신 손가락 끝부분과 두 엄지 사이의 전위차를 이용하여 심전도 파형을 얻을 수 있도록 하였다. 금속과 피부간의 접촉이 불안정하면 두꺼운 60Hz 전원잡음이 발생할 수 있기 때문에 측정을 시작하기 전 약 5분간 전극을 부착한 후 안정된 상태에서 심장파형을 측정하기 시작하였다.
본 논문에서 구현한 심전도계는 생체 신호의 증폭과 필터링를 위한 아날로그 계측 회로부, 인체 신호인 아날로그 신호를 LCD에 디스플레이하기 위한 디지털 회로부 및 시스템 구동을 위한 전원부로 구성하였다. 설계된 휴대용 심전도계의 전체 블록도는 Fig.
본 논문에서 제작한 심전도계는 측정 시 마다 젤 타입의 일회용 전극을 사용해야 하는 불편함과 젤로 인한 알레르기성 피부 염증 유발 등의 부작용을 개선하기 위해 일회용 전극 대신 젤리스 금속 전극을 사용하였다. 또한, 표준사지유도법중 제1유도법인 두 손목과 오른다리 접지 대신 손가락 끝부분과 두 엄지 사이의 전위차를 이용하여 심전도 파형을 얻을 수 있도록 하였다.
휴대 가능한 심전도 시스템을 구현하기 위해, 저전력형 마이크로컨트롤러인 ATmega-2561를 사용하였다. 아날로그 계측 회로부에서 전송된 데이터를 마이크로 컨트롤러에서 심전도 파형으로 재구성하였고, ADCSRA 레지스터를 이용하여 분주비는 128, 변환 주파수는 125kHz로 설정하였다. LCD는 소형화와 저가격을 위해 32bit MCU를 내장한 TFT-LCD 대신 저가형 2.
또한, 전극간의 큰 전위차로 인하여 심전도 신호가 크게 증폭되어 신호 대역을 벗어나는 문제를 방지하기 위하여 계측된 심장 신호는 다음과 같이 두 번 으로 나누어 증폭되도록 설계하였다[6-9]. 즉, 먼저 계측 증폭단에서 R1과 R2의 저항값을 조정하여 입력 신호를 약 11배 증폭하고, 0.5[Hz] 고역통과 필터로 DC성분을 제거한 후 다시 100배 증폭하여 전체 이득을 1100으로 신호 증폭을 하였다. 노치 필터는 기존의 4개의 op-amp를 사용한 상태변수 대역저지필터 대신 2개의 op-amp를 사용한 Fliege 노치 필터를 사용하였다.
대상 데이터
아날로그 계측 회로부에서 전송된 데이터를 마이크로 컨트롤러에서 심전도 파형으로 재구성하였고, ADCSRA 레지스터를 이용하여 분주비는 128, 변환 주파수는 125kHz로 설정하였다. LCD는 소형화와 저가격을 위해 32bit MCU를 내장한 TFT-LCD 대신 저가형 2.8인치 TFT-LCD인 PH240320T-030XP1Q에 디스플레이하였다. 이때, 인터페이스는 시리얼 인터페이스(RS-232C) 대신 3인치 이하의 저해상도 LCD 모듈에 사용하는 시스템 인터페이스를 사용하였다.
2와 같이 계측 증폭단, 1차저고역필터단 그리고 노치 필터단으로 구성된다[4,6,7]. 계측 증폭단은 110[dB] 동상모드 제거비를 가진 INA333 증폭기를 사용하여 구성하였다. 또한, 전극간의 큰 전위차로 인하여 심전도 신호가 크게 증폭되어 신호 대역을 벗어나는 문제를 방지하기 위하여 계측된 심장 신호는 다음과 같이 두 번 으로 나누어 증폭되도록 설계하였다[6-9].
이론/모형
3과 같다. 휴대 가능한 심전도 시스템을 구현하기 위해, 저전력형 마이크로컨트롤러인 ATmega-2561를 사용하였다. 아날로그 계측 회로부에서 전송된 데이터를 마이크로 컨트롤러에서 심전도 파형으로 재구성하였고, ADCSRA 레지스터를 이용하여 분주비는 128, 변환 주파수는 125kHz로 설정하였다.
성능/효과
또한, 기저선 변동을 최대한 줄이기 위해 동일한 압력으로 금속을 접촉시켰다. 실험결과, 피부와 전극사이의 임피던스가 젤 타입의 Ag/Cl전극에 비해 상대적으로 크기 때문에 Fig. 7과 같이 기저선 부분에서 젤 타입 전극을 사용할 때 보다 두꺼운 잡음이 나타남을 확인할 수 있었다.
8에 나타내었다. 심근세포에서 발생하는 활동전위의 혼합효과에 의해 생산된 심장 표면의 두 지점 사이의 전위차가 최대치에 도달할 때의 P파, 그리고 상향 편향을 나타내는 전위차를 생성하여 순간 뛰었다 내려오는 QRS파, 마지막으로 심실의 재 분극이 생성하는 T파가 잘 나타나 있음을 확인할 수 있다. 그 결과 오실로스코프 파형과 동일한 파형이 구해짐을 알 수 있다.
후속연구
따라서 본 논문에서 설계 및 구현된 심전도계는 유비쿼터스 헬스케어 시스템과 연계함으로써, 환자뿐만 아니라 일반인도 시간과 장소에 구애 받지 않고 실시간으로 본인의 심전도 파형을 확인함으로써 부정맥, 협심증, 심근경색과 같은 심장 질환을 예방하는데 사용할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
심장 질환의 이상 현상을 오랜 시간 동안 심장상태를 관찰해야 하는 이유는?
심장 질환의 이상 현상은 항상 나타나는 것이 아니므로 오랜 시간 동안 심장상태를 관찰해야 한다. 하지만, 의료장비는 크기, 장비 조작, 비용 면에서 개인이 소유하여 장시간 동안 건강 체크를 하기에는 어려움이 있다.
오랜 시간 동안 심장상태를 관찰하기 어려운 이유는?
심장 질환의 이상 현상은 항상 나타나는 것이 아니므로 오랜 시간 동안 심장상태를 관찰해야 한다. 하지만, 의료장비는 크기, 장비 조작, 비용 면에서 개인이 소유하여 장시간 동안 건강 체크를 하기에는 어려움이 있다. 본 논문에서는, 젤리스 금속 전극으로 측정 가능한 휴대용 디지털 심전도계를 제작하였다.
젤리스 금속 전극의 장점은?
본 논문에서는, 젤리스 금속 전극으로 측정 가능한 휴대용 디지털 심전도계를 제작하였다. 전극은 기존의 젤 타입 전극 대신 젤리스 금속 전극을 사용함으로써 기존 젤 타입 전극의 단점이었던 피부발진 또는 가려움증 유발 등의 문제점을 개선하였다. 전체 심전도계는 크게 아날로그 계측 회로부와 디지털 회로부로 구성하였다.
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