[논문]블루투스-LE 기반 심전도/근전도/맥박 무선 모니터링 회로 및 시스템 구현

이욱준; 박형열; 신현철

doi:10.5573/ieie.2014.51.6.261

블루투스-LE 기반 심전도/근전도/맥박 무선 모니터링 회로 및 시스템 구현
Implementation of a Bluetooth-LE Based Wireless ECG/EMG/PPG Monitoring Circuit and System 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.6, 2014년, pp.261 - 268

이욱준 (광운대학교 전파공학과) , 박형열 (광운대학교 전파공학과) , 신현철 (광운대학교 전파공학과)

초록
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본 논문에서는 저전력 블루투스인 블루투스-LE를 기반으로 하여 심전도, 근전도, 맥박 신호의 무선 모니터링 시스템을 설계 및 구현하였다. 심전도와 근전도 신호를 얻기 위한 센서 인터페이스 아날로그 회로부는 상용칩을 이용하여 설계 및 제작하였다. 저전력 블루투스 통신 모듈로는 Texas Instruments에서 제공하는 CC2540DK를 이용하였다. 2개의 CC2540DK를 사용하여 각각 Peripheral과 Central 노드 역할을 하도록 했다. Peripheral은 획득한 아날로그 생체신호를 ADC를 이용해 디지털 신호로 변환한 후 무선으로 Central로 전송하는 역할을 한다. Central은 Peripheral로부터 데이터를 수신한 후 UART 통신을 통해 PC로 전송한다. 전송된 생체신호는 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 파형 또는 결과값의 형태로 표시된다. 이와 같은 시스템은 블루투스 4.0기반 무선 생체신호 모니터링 헬스케어 시스템에 적극 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents a electrocardiogram(ECG), electromyogram(EMG), and Photoplethysmography(PPG) signal wireless monitoring system based on Bluetooth Low Energy (BLE). ECG and EMG sensor interface analog front-end circuits are designed by using off-the-shelf parts. Texas Instruments(TI)'s CC2540DK is used for BLE-based communication. Two CC2540DK modules are used as Peripheral and Central nodes. In peripheral device, vital signals are acquired by the analog front-ends and fed to ADC for analog-to-digital conversion. The peripheral transmitts the data through the air to the central device. The central device receive the data and sends them to PC using UART. GUI is designed using Labview for displaying the acquired vital signals. The developed system can be used for future ubiquitous wireless healthcare system based on bluetooth 4.0.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

. 따라서 본 논문에서는 U-healthcare 기기에 적합한 BLE를 기반으로 심전도(ECG), 근전도(EMG), 맥박(PPG) 신호의 무선 모니터링 시스템을 설계하고 구현하고자 하였다. BLE통신을 위해서는 Texas Instrument(TI) 社의 CC2540 Development Kit(CC2540DK)를 사용하였으며^[7], 블루투스 프로파일 구현을 위해 모듈을 사용하는 방법 대신 CC2540DK의 8051 MCU 프로그래밍을 통해 블루투스 통신 프로파일을 구현하였다.
최근 생체신호를 활용한 U-healthcare 산업은 사용자의 편의를 위해 저전력과 소형화가 중요한 이슈이다. 따라서 본 논문에서는 저전력 무선통신 표준인 블루투스-LE을 기반으로 하여 ECG, EMG, PPG 신호의 무선 획득 회로 및 시스템과 관련 소프트웨어를 프로그래밍하여 PC로 모니터링할 수 있는 시스템을 구현하였다. 개발된 결과는 앞으로 블루투스 4.
Peripheral의 주소를 GAP 계층으로 전달하여 연결이 완료되면, 서로 연결을 암호화하거나 키 교환을 한다. 이렇게 GAP에서 연결 작업 수행을 완료한 후, 연결이 되어있는지 확인한다. 이때 연결이 되어있지 않다면 이벤트를 수행하지 않고, 4초 후에 다시 연결 작업을 수행하도록 하였다.

제안 방법

(1+R18/R17=1+100kΩ/39kΩ)로 만들어서 최종적인 증폭기 역할도 하도록 하였다.
그림 1은 개발하고자 하는 BLE 기반 ECG, EMG, PPG 신호의 무선 모니터링 시스템의 구성도이다. 2개의 CC2540DK를 사용하여 각각 Peripheral과 Central의 역할을 하도록 했다. Peripheral은 아날로그 생체신호를 검출하고 디지털 신호로 변환하여 무선으로 Central 소자로 전송한다.
따라서 본 논문에서는 U-healthcare 기기에 적합한 BLE를 기반으로 심전도(ECG), 근전도(EMG), 맥박(PPG) 신호의 무선 모니터링 시스템을 설계하고 구현하고자 하였다. BLE통신을 위해서는 Texas Instrument(TI) 社의 CC2540 Development Kit(CC2540DK)를 사용하였으며^[7], 블루투스 프로파일 구현을 위해 모듈을 사용하는 방법 대신 CC2540DK의 8051 MCU 프로그래밍을 통해 블루투스 통신 프로파일을 구현하였다. 또한 ECG, EMG 신호를 얻기 위한 센서 인터페이스 회로를 소형화를 위해 상용칩을 이용하여 설계 제작하였다.
PC로 전송된 생체신호 데이터는 National Instruments社의 LabView 를 사용하여 GUI를 만들었다. GUI는 ECG, EMG, PPG 신호의 파형이 그대로 나오게 구성하였으며, PPG 신호를 활용해 분당 맥박수를 계산하여 나오게 했다. 그림 8(c)는 구현된 BLE 기반 생체신호 모니터링 시스템을 이용하여 ECG 신호를 측정하는 모습이다.
따라서 Notch filter를 사용하여 ECG 신호에 섞여있는 60Hz의 잡음을 제거하였다. Notch filter는 Twin-T 구조로 설계하였으며 Quality factor(Q)를 높이기 위해 feedback 용도의 Opamp를 추가하여 구성하였다. Notch filter의 차단주파수는 다음의 식 (2)로 결정된다.
그림 8(b)는 PC에서 구현된 Graphic User Interface(GUI)이다. PC로 전송된 생체신호 데이터는 National Instruments社의 LabView 를 사용하여 GUI를 만들었다. GUI는 ECG, EMG, PPG 신호의 파형이 그대로 나오게 구성하였으며, PPG 신호를 활용해 분당 맥박수를 계산하여 나오게 했다.
그림 6에서 보이듯이 PC와 같은 어플리케이션과 CC2540DK는 주로 GAP와 GATT를 통해 데이터 통신을 한다. 그렇기 때문에 본 논문에서는 GAP와 GATT 를 주로 수정하여 프로그래밍 하였다.
다만 EMG 신호는 일반적으로 500 Hz이하의주파수 대역을 갖기 때문에 Sallen-Key 저역통과필터의 R13 과 C8의 값을 조절하여, 차단주파수가 482 Hz (fc=1/(2π x R13 x C8) = 1/(2π x 330kΩ x 1nF))가 되게 설계하였다.
또한 TI社에서는 SimpleBLEPeripheral, SimpleBLECentral과 같은 기본적인 프로파일과 어플리케이션을 제공한다. 따라서 이러한 프로파일들을 바탕으로 하여 프로그래밍을 하였다.
심전도 신호는 일반적으로 100Hz이하의 주파수 범위를 갖는다. 따라서 저주파 영역에서 널리 사용되는 능동필터 중 하나인 Sallen-Key 저역통과필터를 사용하여 고주파를 차단시켰다. Sallen-Key 저역통과 필터는 필터의 증폭률에 따라 Q값을 조절할 수 있으며 그 식은 식 (3)과 같다^[^9].
GAP layer는 BLE 디바이스가 어플리케이션 또는 프로파일과 바로 연결할 수 있게 해준다. 또한 BLE 디바이스의 검색 및 연결, 보안 절차를 수행한다. GATT는 두 디바이스 간에 명령, 요청, 응답, 지시, 알림, 확인 등의 데이터를 전송을 ATT를 사용하여 수행한다.
BLE통신을 위해서는 Texas Instrument(TI) 社의 CC2540 Development Kit(CC2540DK)를 사용하였으며^[7], 블루투스 프로파일 구현을 위해 모듈을 사용하는 방법 대신 CC2540DK의 8051 MCU 프로그래밍을 통해 블루투스 통신 프로파일을 구현하였다. 또한 ECG, EMG 신호를 얻기 위한 센서 인터페이스 회로를 소형화를 위해 상용칩을 이용하여 설계 제작하였다. 본 논문의 Ⅱ장에서는 설계한 시스템의 구조를 설명하고, 생체 신호의 획득을 위해 설계한 회로와 BLE 통신을 위해 작성한 구동 소프트웨어에 대해서 기술하였다.
또한 Sallen-Key 저역통과필터의 차단주파수는 R13 과 C8의 값에 의해 결정되며, 차단주파수가 159 Hz (fc=1/(2π x R13 x C8) = 1/(2π x 100kΩ x 0.01uF))가 되게 설계하였다.
비반전 증폭기의 이득은 11 (=1+R9/R8=1+330kΩ/33kΩ)로 설계하였고, 482Hz (fc=1/(2π x R9 x C5=1/(2π x 330kΩ x 1nF)의 차단주파수를 갖도록 하였다.
RP520의 블록도는 그림 4와 같다^[10]. 센서의 LED에서 나온 빛을 손가락에 조사하여 반사되는 광량을 포토다이오드(Photodiode)로 검출한다. 반사된 광량은 I-V변환기를 통해 전압으로 변환된다.
그림 5(b)는 EMG 신호의 측정결과다. 손목의 근육부위에 두 개의 전극을 근접하게 부착하고 주먹을 쥘 때 생기는 EMG 신호를 측정하였다. 힘을 줄 때 EMG 신호가 제대로 생기는 것을 확인할 수 있다.
33Hz의 차단주파수를 갖는다. 오프셋을 제거한 신호는 비반전 증폭기를 이용하여 ECG 신호를 증폭시켰고, C₅를 추가해 저역통과필터의 특성을 갖게 하였다. 비반전 증폭기의 이득은 11 (=1+R₉/R₈=1+330kΩ/33kΩ)로 설계하였고, 482Hz (f_c=1/(2π x R₉ x C₅=1/(2π x 330kΩ x 1nF)의 차단주파수를 갖도록 하였다.
TI社에서는 BLE 프로토콜 스택을 object code로 제공하는 것에 비해, OSAL과 HAL은 full source code를 제공한다. 이러한 OSAL과 HAL을 이용하여 이벤트를 셋팅하고, ADC와 UART 통신을 할 수 있도록 프로그래밍 하였다. 또한 TI社에서는 SimpleBLEPeripheral, SimpleBLECentral과 같은 기본적인 프로파일과 어플리케이션을 제공한다.
01uF))가 되게 설계하였다. 이렇게 설계한 Sallen-Key 저역통과필터 2개를 이어 차단주파수에서 신호가 40 dB/decade로 감쇠되도록 하였다.

대상 데이터

ECG 회로는 크게 Instrumentation Amplifier(IA), Driving Right-Leg(DRL) 회로, Pre-Amplifier, Sallen-Key 저역 통과 필터, Post Amplifier로 구성하였다. IA는 Analog Devices社의 AD620을 사용하였고, DRL 회로에 사용된 Opamp는 Analog Devices社의 OP97을 사용하였다. 나머지 회로의 Opamp는 TI社의 TL084를 사용하였다.
PPG 신호는 락싸社의 반지형 맥파센서 PPG(Photo Plethysmo Graphy) RP520을 사용하여 검출하였다. RP520의 블록도는 그림 4와 같다^[10].

이론/모형

그림 3은 설계된 ECG 회로의 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션은 Pspice를 활용하여 수행하였다. 그림 3(a) 는 Notch filter의 AC 시뮬레이션 결과이다.
그림 5(a)는 ECG 신호의 측정결과다. 심전도 신호는 기본적으로 착석하여 가만히 있는 상태에서 정확한 측정이 가능하며, 양 손목과 발목에 전극을 부착하는 표준사지유도법(standard limb lead)을 활용하여 측정하였다. 3개의 전극의치를 바꾸면 61채널의 ECG 신호를 얻을 수 있어 보다 정밀한 진단이 가능해진다.

성능/효과

그림 3(a) 는 Notch filter의 AC 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 결과를 통해 60Hz 성분이 제거됨을 확인할 수 있다. 그림 3(b)는 ECG 회로의 AC 시뮬레이션 결과이다.
3개의 전극의치를 바꾸면 61채널의 ECG 신호를 얻을 수 있어 보다 정밀한 진단이 가능해진다. 측정을 통해 ECG 신호의 특징인 P, Q, R, S, T파가 정상적으로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 이러한 P, Q, R, S, T 파의 시간 간격을 통해 심장 질환을 진달할 수 있게 된다.

후속연구

따라서 본 논문에서는 저전력 무선통신 표준인 블루투스-LE을 기반으로 하여 ECG, EMG, PPG 신호의 무선 획득 회로 및 시스템과 관련 소프트웨어를 프로그래밍하여 PC로 모니터링할 수 있는 시스템을 구현하였다. 개발된 결과는 앞으로 블루투스 4.0기반 무선 생체신호 모니터링 시스템 개발에 적극 활용될 수 있을 것이다.
이러한 BLE의 특징은 안전성과 편의성이 중요한 U-healthcare 기기에 적합한 가술이다. 또한 블루투스 SIG는 체온계와 심박계 등의 헬스케어 기기들을 위한 응용 프로파일을 제공하여 블루투스 4.0을 기반으로 한 U-healthcare 시장은 앞으로 더 확대될 것으로 전망된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	블루투스의 장점은 무엇인가?	이러한 기기들의 무선 전송 표준으로는 대개 블루투스, Zigbee, Wi-Fi 등이 사용된다. 이중에서 블루투스는 다른 전송 계층에 비해 에너지 효율이 높고, 다양한 Application Profile을 제공하며, 다양한 모바일 디바이스와의 폭넓은 호환성을 갖는 이상적인 통신 표준이다. 따라서 최근 개발되는 U-healthcare 기기들은 대부분 블루투스 무선을 기반으로 하고 있다.
	U-healthcare 서비스란 무엇인가?	급속한 노령화와 건강에 대한 관심 증가로 IT 융합 무선 의료 모니터링 기기에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 언제 어디서나 자신의 생체 상태를 측정하고 모니터링 할 수 있는 U-healthcare 서비스 실현을 위해서는 생체 신호 측정기술과 무선통신 기능이 결합된 무선 생체신호 모니터링 시스템 개발이 필수적이다. 이러한 기기들의 무선 전송 표준으로는 대개 블루투스, Zigbee, Wi-Fi 등이 사용된다.
	블루투스 Low Energy의 장점은 무엇인가?	표 1에서처럼 BLE는 전력소모량을 최대 10분의 1 수준으로 줄여 장기간 배터리 교환 없이도 무선 통신이 가능하다. 이러한 BLE의 특징은 에너지 소비량을 줄이는 것이 중요한 이슈인 U-healthcare 기기에 적합하다할 수 있다[2]. 또한 스타-버스(star-bus) 토폴로지를 택해 이론상으로 무한개의 제품과 연결할 수 있어 일상생활에 사용되는 물품에 손쉽게 적용할 수 있게 되었다. 이 밖에도 통신거리의 증가, 낮은 duty cycle 등 에너지 효율을 증가 시키면서 무선접속 기능이 대폭 향상된 것을 볼 수 있다. 이러한 BLE의 특징은 안전성과 편의성이 중요한 U-healthcare 기기에 적합한 가술이다.

참고문헌 (12)

K. Byeon, S. Lim, B. Lee, J. Yun, Bluetooth Low Energy Wireless Technology, HONGRUNG PUBLISHING COMPANY, 2010.
A. Milenkovic, C. Otto, and E. Jovanov, "Wireless sensor networks for personal health monitoring: Issues and an implementation," Computer communications, vol. 29, no. 13-14, pp. 2521-2533, Aug. 2006.

상세보기
G. Ryu and H. Choi, "Implementation of U-Healthcare Systems for Chronic Disease Management", Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers, vol. 51, no. 1, pp. 233-240, Jan. 2014.

원문보기 상세보기
S. Lee, S. Woo and G. Ryu, "A Study on Distributed Gateway for The Bio-Signal Management in U-healthcare", Journal of The Electronics Engineers of Korea, vol. 49-IE, no. 2, pp. 58-64, Jun. 2012.
Y. Go, J. Kim, E. Lee, H. Kim, "Design and Implementation of Wireless Temperature Measurement Management System", IEIE Summer Conference, pp. 1535-1538, Jul. 2013.
H. Park, B. Jeon, W. Park, S. Park and S. Lee, "Smart-clothes System for Realtime Privacy Monitoring on Smart-phones", Journal of Korea Multimedia Society, vol. 16, no. 8, pp. 962-971, Aug. 2013.

원문보기 상세보기
Texas Instruments, "2.4-GHz Bluetooth(R) low energy System-on-chip", http://www.ti.com/lit/ds/symlink/cc2540.pdf/
K. Jin, A Practice of Biomedical Electronics Circuits Design, Sehwa, 2008.
R. Schaumann, M. E. Van Valkenburg, Design of Analog Filters, Oxford University Press, 2001.
Laxtha, "RP520", http://www.laxtha.com/
Texas Instruments, "Texas Instruments CC2540/41 Bluetooth(R) Low Energy Software Developer's Guide V1.3", http://ti.com/
W. Nam, H. Choi, D. Lee, S. Park, H. Jung, U. Lee, J. Choi and H. Shin, "Implementation of Bluetooth Based Wireless ECG Monitoring System", IEIE Fall Conference, pp. 316-317, Nov. 2013.

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표제어: PCR

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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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