기관사의 각성상태 평가를 위한 소형 피부전기활성도 측정 시스템 개발 Development of the Electrodermal Activity Monitoring System for the Evaluation of Train Driver's Arousal State원문보기
Typically, studies through the simulation system have been progressed, because the evaluation of the driver's arousal state about the service of a actual train has risk of safety for the driver. When configured event same as the real in simulation system, the ability to cope with an accident situati...
Typically, studies through the simulation system have been progressed, because the evaluation of the driver's arousal state about the service of a actual train has risk of safety for the driver. When configured event same as the real in simulation system, the ability to cope with an accident situation may be the same each other. But the difference in the state of tension or arousal will occur. In this study, requested to cooperate with the railways in order to escape from these constraints, and the target of the experiment was to real engineer service. I was set about experiment when the train was stopped as safe as possible. As a result, the beta wave of EEG signals that representing complex calculations or anxiety is increased rapidly on the basis of a flag station from at the time of departure. The size of the electrodermal activity signal in response to movement of the body gave a noticeable. In terms of HRV, if the train approach a flag station gradually and the R-R interval is narrowed. So that the driver can be estimated as arousal state. In accordance with this study, if the quantitative standard of arousal state be based on the driver's biosignals will provide, it will be able to take advantage of development the system that would prevent train accidents caused by human error.
Typically, studies through the simulation system have been progressed, because the evaluation of the driver's arousal state about the service of a actual train has risk of safety for the driver. When configured event same as the real in simulation system, the ability to cope with an accident situation may be the same each other. But the difference in the state of tension or arousal will occur. In this study, requested to cooperate with the railways in order to escape from these constraints, and the target of the experiment was to real engineer service. I was set about experiment when the train was stopped as safe as possible. As a result, the beta wave of EEG signals that representing complex calculations or anxiety is increased rapidly on the basis of a flag station from at the time of departure. The size of the electrodermal activity signal in response to movement of the body gave a noticeable. In terms of HRV, if the train approach a flag station gradually and the R-R interval is narrowed. So that the driver can be estimated as arousal state. In accordance with this study, if the quantitative standard of arousal state be based on the driver's biosignals will provide, it will be able to take advantage of development the system that would prevent train accidents caused by human error.
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문제 정의
먼저, 기관차 운전 조작의 편의성을 위해 반지타입의 건식 EDA전극과 그에 맞는 모듈을 제작, 기존 패치타입의 EDA측정모듈과 비교 및 상관성을 검토하고자 한다. 그리고 운전 여건 및 상황에 따른 뇌전도의 변화를 분석하여 그 특성을 파악한 후, 뇌전도의 변화를 기반으로 EDA 및 심전도와의 연계성을 찾아 그 특성을 알아내고자 한다. 최종적으로 각성상태 평가의 정확성을 높이기 위하여 EDA와 광용적맥파 신호를 이용한 열차사고 예방시스템 활용 가능성을 고찰하고자 한다.
본 연구에서는 제천역∼천안역 구간의 누리로 실제 열차 기관사 7명을 대상으로 사고와 판단, 기억 등 감성상태의 지표가 되는 뇌전도와, 흥분과 안정 상태를 나타내는 자율신경의 땀 반응 즉, 피부전기활성도(EDA, Electrodermal Activity) 그리고 긴장과 스트레스에 대한 근거를 찾을 수 있는 심전도의 심박변동율에 초점을 두고 연구를 진행하였다. 먼저, 기관차 운전 조작의 편의성을 위해 반지타입의 건식 EDA전극과 그에 맞는 모듈을 제작, 기존 패치타입의 EDA측정모듈과 비교 및 상관성을 검토하고자 한다. 그리고 운전 여건 및 상황에 따른 뇌전도의 변화를 분석하여 그 특성을 파악한 후, 뇌전도의 변화를 기반으로 EDA 및 심전도와의 연계성을 찾아 그 특성을 알아내고자 한다.
심전도계는 사지유도방식에서 leadⅡ전극법으로 측정하였다. 본 연구에서는 각성상태의 변화를 분석하는데 초점을 두고 있으므로, 감성과 논리적 사고의 기능을 담당하는 전두엽에서 뇌파를 측정하고자 Fp1, Fp2, F7, F8위치에서 측정하였다. 생체신호는 조도나 온도와 같은 환경에 의해서도 변화가 일어나므로, 터널 유무에 대한 구분을 위하여 조도센서를 기관사의 시야방향으로 배치하였고, 열차의 흔들림을 측정하기 위한 3축 가속도센서 배치 및 운전실 내 이산화탄소량과 산소량에 대한 측정을 위한 공조 측정 장비 또한 배치하였다.
본 연구에서는 제천역∼천안역 구간의 누리로 실제 열차 기관사 7명을 대상으로 사고와 판단, 기억 등 감성상태의 지표가 되는 뇌전도와, 흥분과 안정 상태를 나타내는 자율신경의 땀 반응 즉, 피부전기활성도(EDA, Electrodermal Activity) 그리고 긴장과 스트레스에 대한 근거를 찾을 수 있는 심전도의 심박변동율에 초점을 두고 연구를 진행하였다.
피부전기활성도는 전류의 흐름이 직접적으로 관여하므로 피부전기활성도가 낮은 쪽으로 편중되는 경우 전원노이즈를 포함한 외부 잡음에 취약하게 된다. 이에 본 연구에서는 노이즈를 차단하기 위해 차동입력을 이용함과 동시에 아날로그 데이터 전송 거리를 최소화하기 위한 방안으로 반지타입 전극 그 위에 소형화된 생체신호 측정단 회로를 구성하였다. 전극에서 얻은 신호는 증폭시켜 피부전기활성도의 신호 대역에 적합한 필터를 통과시킨 후, MCU 모듈로 데이터를 전송하도록 하였다.
그리고 운전 여건 및 상황에 따른 뇌전도의 변화를 분석하여 그 특성을 파악한 후, 뇌전도의 변화를 기반으로 EDA 및 심전도와의 연계성을 찾아 그 특성을 알아내고자 한다. 최종적으로 각성상태 평가의 정확성을 높이기 위하여 EDA와 광용적맥파 신호를 이용한 열차사고 예방시스템 활용 가능성을 고찰하고자 한다.
가설 설정
대체적으로 쎄타파와 알파파는 안정된 감정상태, 베타파와 감마파는 긴장된 상태를 반영한다고 볼 수 있다. 여기서 델타파의 경우 영유아의 뇌파나 심수면기에 나타나며, 근전도 신호의 주파수 대역과 유사하여 본 연구에서는 고려하지 않았다.
제안 방법
3축 가속도 데이터는 각 축에 대한 벡터의 합을 구하고, 뇌파는 30초 단위로 분석하여 주파수 대역 별 각 파라미터를 구하였다. 다른 뇌파 측정위치보다 비교적 피부노출이 쉬운 전두엽 부분의 F7과 F8로부터 뇌파를 측정하고, 안전도(EOG)를 제하기 위해 Fp1과 Fp2 신호를 추출하였다.
05Hz의 극히 낮은 차단 주파수의 HPF를 설계하여 DC레벨의 신호를 제거하고, 오프셋전압을 약 1V로 띄워줌으로서 피부전기활성도의 급격한 하강 신호도 측정 가능하게끔 하였다. 각각의 SRR과 SRL의 마지막단에서 5Hz의 LPF를 설계하였다.
각성상태를 평가하기 위해서 뇌전도는 주로 alpha wave와 beta wave를 관찰하였고, 심박변이율은 R-R 간격와 심박수를 관찰하였다.
그리고 각 정차 구간에 대하여 정차 역 진입 시점을 기준으로 4분씩 전·후 뇌파와 피부전기활성도 및 심박 변이율을 비교분석하였다.
세 번째부터 여섯 번째 신호는 차례대로 뇌파의 Theta, alpha, beta, gamma wave의 변화 양상을 나타낸 것이다. 뇌파는 전두부 F7과 F8에서 측정하여 Fp1과 Fp2의 신호를 제거하는 방법으로 안전도를 상쇄시킨 후, FFT분석을 통해 뇌파의 각 파라미터 별 신호를 나타내었다. 그림 상단의 알 파벳 A∼I구간은 각 정차역 진입에 대한 기준을 나타낸다.
3축 가속도 데이터는 각 축에 대한 벡터의 합을 구하고, 뇌파는 30초 단위로 분석하여 주파수 대역 별 각 파라미터를 구하였다. 다른 뇌파 측정위치보다 비교적 피부노출이 쉬운 전두엽 부분의 F7과 F8로부터 뇌파를 측정하고, 안전도(EOG)를 제하기 위해 Fp1과 Fp2 신호를 추출하였다. 심전도와 피부전기활성도의 신호는 4분 간격으로 1분씩 밀어내는 방식으로 관련된 파라미터를 추출하였다.
다음은 심박변이율을 도출하여, 앞서 분석한 뇌파 및 피부전기활성도와 함께 유의성을 관찰하였다. 심전도는 뇌파나 피부전기활성도 측정부위에 비해 열차 운행 시 신체의 움직임이 상대적으로 크다.
하지만, 심박변이율은 심전도의 R피크만을 검출하면 된다. 따라서 심전도는 소프트웨어 대 역통과필터(BPF)를 통해 baseline이 흔들리는 것을 보정한 후, threshold값에 따른 R피크를 검출하여 심박변이율을 도출하였다. 그리고 각 정차 구간에 대하여 정차 역 진입 시점을 기준으로 4분씩 전·후 뇌파와 피부전기활성도 및 심박 변이율을 비교분석하였다.
단전원 rail to rail 연산 증폭기는 회로 구성이 간결하지만 출력 전압이 스윙할 수 있는 최대 진폭이 그라운드를 기준으로 VCC전압까지 가능하므로 피부전기활성도가 0V 이하로 포화되면 관찰이 불가능하게 된다. 따라서 이러한 회로의 결함을 해결하기 위해서 약 0.05Hz의 극히 낮은 차단 주파수의 HPF를 설계하여 DC레벨의 신호를 제거하고, 오프셋전압을 약 1V로 띄워줌으로서 피부전기활성도의 급격한 하강 신호도 측정 가능하게끔 하였다. 각각의 SRR과 SRL의 마지막단에서 5Hz의 LPF를 설계하였다.
표에서 보면, 개발한 모듈의 유효성을 검증하기 위해 비장애 인원을 대상으로 20명에 대한 데이터를 수집하였다. 또한 열차 내에서 기관사의 각성상태에 영향을 주는 요소로서 시각과 청각을 자극하는 동영상을 제작하여 동영상시청, 휴식, 수면의 세 가지 상태로 구분하여 상관성을 분석하였다. 표 4에서 알 수 있듯이 20명에 대한 각 실험조건 별 상관계수는 최고 0.
그리고 피험자의 운전 조작에 따른 생체신호변화를 예측하기 위한 가속도센서를 부착하였다. 또한, 착용감 개선을 위해 블루투스를 이용한 무선 통신 방식을 구성하였다.
최초 제천역에서 생체신호 측정을 위한 장비를 운전실 내에 설치하고, 출발하기 전에 모든 전극을 부착하여, 운행 중인 기관사의 신호와 비교 및 대조할 레퍼런스 신호를 안정 상태에서 10분간 측정한다. 레퍼런스 측정이 끝난 후 설문지를 통해 기관사는 스스로 감성상태와 컨디션에 대해 평가한다. 제천역에서 발차가 이루어지면 기관사는 본래 업무대로 운행을 시작하며, 전의역에 도달할 때까지 생체신호 데이터를 누적하게 된다.
본 연구에서는 뇌파의 4개 채널, 피부전기활성도, 심전도의 생체신호 및 3축가속도 그리고 조도를 측정하였다.
본 연구에서는 피부전기활성도를 측정하기 위해 단전원 연산 증폭기를 사용하였다. 단전원 rail to rail 연산 증폭기는 회로 구성이 간결하지만 출력 전압이 스윙할 수 있는 최대 진폭이 그라운드를 기준으로 VCC전압까지 가능하므로 피부전기활성도가 0V 이하로 포화되면 관찰이 불가능하게 된다.
분석구간이 너무 짧은 경우, 순간적인 외부잡음이나 환경요인에 의해 극히 다른 결과를 보일 수 있고, 분석구간이 너무 길게 되면 분석결과의 양상이 어느 요인에 대한 반응인지 평가하는데 무리가 있으므로, 기 연구의 동일한 생체신호 분석 방법에 따라, 4분의 시간에 대한 데이터를 분석하였다.
본 연구에서는 각성상태의 변화를 분석하는데 초점을 두고 있으므로, 감성과 논리적 사고의 기능을 담당하는 전두엽에서 뇌파를 측정하고자 Fp1, Fp2, F7, F8위치에서 측정하였다. 생체신호는 조도나 온도와 같은 환경에 의해서도 변화가 일어나므로, 터널 유무에 대한 구분을 위하여 조도센서를 기관사의 시야방향으로 배치하였고, 열차의 흔들림을 측정하기 위한 3축 가속도센서 배치 및 운전실 내 이산화탄소량과 산소량에 대한 측정을 위한 공조 측정 장비 또한 배치하였다.
실험 장비는 운전실 내 환경 측정을 위한 공조 측정 장비와 조도계, 가속도계를 설치하였고, 생체신호 측정전용 DAQ모듈인 MP-150(BIOPAC system, USA)을 설치하였다. 센서 부착위치는 그림 7과 같다.
다른 뇌파 측정위치보다 비교적 피부노출이 쉬운 전두엽 부분의 F7과 F8로부터 뇌파를 측정하고, 안전도(EOG)를 제하기 위해 Fp1과 Fp2 신호를 추출하였다. 심전도와 피부전기활성도의 신호는 4분 간격으로 1분씩 밀어내는 방식으로 관련된 파라미터를 추출하였다. 이러한 측정 방법을 이용하여 정차역과 터널 진입 등의 이벤트에 대해서 정확한 시점을 기록하여 이벤트를 기준으로 이벤트 발생 전·후 각각 4분간의 데이터를 분석하였다.
운행 중인 열차 기관사의 EDA모듈의 착용감과 편의성을 증진시키기 위하여 개발한 반지타입 피부전기활성도 측정모듈은 기존에 잘 알려진 DAQ모듈인 BIOPAC사의 MP-150 에 포함된 EDA모듈과 동시 측정하여 비교실험을 하였다.
이러한 측정 방법을 이용하여 정차역과 터널 진입 등의 이벤트에 대해서 정확한 시점을 기록하여 이벤트를 기준으로 이벤트 발생 전·후 각각 4분간의 데이터를 분석하였다.
피부전기활성도는 외부전원을 소스로 이용하므로, 다른 생체신호에 비해 측정되는 신호의 크기가 충분하다는 장점이 있으나, 블루투스를 통해 데이터를 전송하기 위한 순간 소모 전류량이 크기 때문에 주기적으로 피부전기활성도의 크기 감쇠가 생긴다. 이를 보완하기 위해 디지털 버퍼 역할을 하는 전압 팔로워 회로를 구성하였다. 전압 팔로워는 gain은 1이지만 전류가 증폭되어, 입력된 전압을 전압 강하 없이 출력전압으로 보낼 수 있다.
이에 본 연구에서는 노이즈를 차단하기 위해 차동입력을 이용함과 동시에 아날로그 데이터 전송 거리를 최소화하기 위한 방안으로 반지타입 전극 그 위에 소형화된 생체신호 측정단 회로를 구성하였다. 전극에서 얻은 신호는 증폭시켜 피부전기활성도의 신호 대역에 적합한 필터를 통과시킨 후, MCU 모듈로 데이터를 전송하도록 하였다. 그리고 피험자의 운전 조작에 따른 생체신호변화를 예측하기 위한 가속도센서를 부착하였다.
천안역에 도착해서는 기관사의 운행시간에 맞춰 기숙사 내에서 충분한 휴식을 취하게 되며, 천안역에서 출발하기 30분 전 다시 하행선의 생체신호와 비교할 대조군 레퍼런스 측정을 한다.
생체신호를 측정할 구간은 그림 6과 같다. 최초 제천역에서 생체신호 측정을 위한 장비를 운전실 내에 설치하고, 출발하기 전에 모든 전극을 부착하여, 운행 중인 기관사의 신호와 비교 및 대조할 레퍼런스 신호를 안정 상태에서 10분간 측정한다. 레퍼런스 측정이 끝난 후 설문지를 통해 기관사는 스스로 감성상태와 컨디션에 대해 평가한다.
대상 데이터
분석구간이 너무 짧은 경우, 순간적인 외부잡음이나 환경요인에 의해 극히 다른 결과를 보일 수 있고, 분석구간이 너무 길게 되면 분석결과의 양상이 어느 요인에 대한 반응인지 평가하는데 무리가 있으므로, 기 연구의 동일한 생체신호 분석 방법에 따라, 4분의 시간에 대한 데이터를 분석하였다. 분석을 위한 정차 역은 최초 발차 지점인 제천역과 실험장비 정리를 위한 전의역을 제외하여 총 9개 역에 대하여 분석하였다. 다음에 나오는 표 5는 각 정차 구간 별 뇌전도의 파라미터와 피부전기활성도 그리고 HRV의 변화를 나타내었다.
실험에 대한 정보와 시스템 검증을 위한 상관계수는 다음의 표 4와 같다. 표에서 보면, 개발한 모듈의 유효성을 검증하기 위해 비장애 인원을 대상으로 20명에 대한 데이터를 수집하였다. 또한 열차 내에서 기관사의 각성상태에 영향을 주는 요소로서 시각과 청각을 자극하는 동영상을 제작하여 동영상시청, 휴식, 수면의 세 가지 상태로 구분하여 상관성을 분석하였다.
데이터처리
데이터 분석을 위해 5Hz의 차단주파수를 갖는 IIR LPF를 설계하였고, 상관계수 분석을 위해 linear interpolation의 과정을 거쳐 동일한 샘플에 대한 상관계수를 도출하였다. 그림 10은 데이터 비교 분석을 위해 아날로그신호로부터 상관 계수를 도출하는 과정을 나타낸다.
이론/모형
누리로 열차는 주로 오른손으로 운전 조작을 하므로 왼손에 EDA 모듈을 부착하였다. 심전도계는 사지유도방식에서 leadⅡ전극법으로 측정하였다. 본 연구에서는 각성상태의 변화를 분석하는데 초점을 두고 있으므로, 감성과 논리적 사고의 기능을 담당하는 전두엽에서 뇌파를 측정하고자 Fp1, Fp2, F7, F8위치에서 측정하였다.
성능/효과
정차 역 진입구간에서는 불안 상태와 긴장을 나타내는 베타파, 초조한 상태나 추리, 판단 등 고도의 인지정보처리 시 활성되는 감마파가 상승하는 것을 보인다. 그리고 긴장이완이나 불안해소와 관련된 쎄타파와 알파파는 정차 역 진입 구간에서 감소하는 양상을 보였다. 그에 반해 터널 진입구 간에서는 정차 역 진입과 반대의 양상을 나타냈다.
전극 자체에서 노이즈필터와 증폭을 시킨 후 아날로그신호를 전송하므로, 외부 노이즈에 더욱 좋은 특성을 갖는다. 또한 배터리 충전식 손목 착용모듈로 생체신호를 무선 전송하게 되므로, 기관사가 운행하는 상황에 대한 불편함을 최소화 하였다. 다만, 피부전기활성도는 두 전극 사이의 피부전도도에 의해 나타나므로, 모든 생체신호 가 그렇듯 물리적인 압력이나 습도에 의해 크게 변화되기 쉽다.
본 연구의 실험에서 피부전기활성도는 각성상태를 평가하기 위해 사용하는 뇌전도 및 심박변이율의 변화와 유의한 결과를 보여주었다. 각성상태를 평가하기 위해서 뇌전도는 주로 alpha wave와 beta wave를 관찰하였고, 심박변이율은 R-R 간격와 심박수를 관찰하였다.
또한 열차 내에서 기관사의 각성상태에 영향을 주는 요소로서 시각과 청각을 자극하는 동영상을 제작하여 동영상시청, 휴식, 수면의 세 가지 상태로 구분하여 상관성을 분석하였다. 표 4에서 알 수 있듯이 20명에 대한 각 실험조건 별 상관계수는 최고 0.90이상, 최저 0.67로 비교적 안정적인 상관성을 보였다
후속연구
이 피부전기활성도 모듈은 반지형태의 건식전극으로, 열차 운행뿐만 아니라 승용차 운전자 대상으로도 적용이 가능하다. 따라서 기관사를 포함한 일반 승용차 운전자를 대상으로 하는 안전운행 각성시스템으로써 적용 가능할 것으로 기대한다.
따라서 하나의 반지에 광용적맥파를 측정하기 위한 설계와 피부전기활성도를 측정할 수 있는 전극이 조화된다면 심전도의 모듈을 대체가능 할 것이다. 또한 열차에서의 가속도센서와 손목에서의 피부전기활성도 모듈 내 가속도센서를 보정하여 실제 기관사의 움직임에 의한 피부전 기활성도 변화를 자율신경계에 의한 변화로부터 분리가 가능할 것이다. 이 피부전기활성도 모듈은 반지형태의 건식전극으로, 열차 운행뿐만 아니라 승용차 운전자 대상으로도 적용이 가능하다.
이에 따라 운전자들로부터 인적오류로 인한 안전사고를 예방하기 위해 각성상태 평가 시스템 관련 연구가 활성화되고 있다[5]. 운전자에 대한 각성상태 평가 연구를 통해 각성도가 저조해지는 시점을 검출하고 운전자에게 알려준다면 사고발생율의 감소와 불필요한 재산 손실을 막을 수 있을 것으로 기대할 수 있다. 이에 각성상태 평가를 통해 안전사고예방 시스템을 구축하기 위한 첫걸음으로 생체신호데이터의 누적과 분석이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
피부전기활성도가 무엇인가?
피부전기활성도는 교감신경에 의한 신체의 땀 반응으로, EDA라고 부른다. 교감신경은 항상성을 위한 생리작용뿐만 아니라 감성에 의한 생리작용 또한 작용하므로 EDA에 반영되어 뇌파와 함께 각성의 분석을 위한 생체신호로 중요한 역할을 한다.
피부전기활성도의 장점과 단점은 무엇인가?
피부전기활성도는 외부전원을 소스로 이용하므로, 다른 생체신호에 비해 측정되는 신호의 크기가 충분하다는 장점이 있으나, 블루투스를 통해 데이터를 전송하기 위한 순간 소모 전류량이 크기 때문에 주기적으로 피부전기활성도의 크기 감쇠가 생긴다. 이를 보완하기 위해 디지털 버퍼 역할을 하는 전압 팔로워 회로를 구성하였다.
피부전기활성도를 SRR(Skin Resistance Response)와 SRL(Skin Resistance Level)로 분리하여 측정하는 이유는?
피부전기활성도는 일반적으로 SRR(Skin Resistance Response)와 SRL(Skin Resistance Level)을 분리하여 측정한다. 그 이유는 피험자 마다 다른 평균피부저항을 동일한 시스템의 알고리즘에 적용시키기 위해, 느리게 변화하는 DC레벨의 신호인 SRL을 기반으로 자율신경계에 지배되어 빠르게 변화하는 SRR 신호를 분석하기 위함이다.
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