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기관사의 각성상태 평가를 위한 소형 피부전기활성도 측정 시스템 개발
Development of the Electrodermal Activity Monitoring System for the Evaluation of Train Driver's Arousal State 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.63 no.9, 2014년, pp.1286 - 1293  

임민규 (Biomedical Engineering, Konkuk University) ,  이영재 (Biomedical Engineering, Konkuk University) ,  이강휘 (Biomedical Engineering, Konkuk University) ,  강승진 (Biomedical Engineering, Konkuk University) ,  김경남 (Biomedical Engineering, Konkuk University) ,  박희정 (Biomedical Engineering, Konkuk University) ,  양희경 (Biomedical Engineering, GangDong University) ,  이정환 (Dept. of Biomedical Engineering, Konkuk University)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

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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.
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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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참고문헌 (11)

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  9. H. Taketsu, M. Munakata, O. Ozeki, K. Yokoyama, Y. Watanabe and K. Takata, "An Evaluation of the Quantitative Relationship between the Subjective Stress value and Heart Rate Variability," Transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan, vol. 120-C, no. 1, pp. 104-110, 2000. 

  10. A. Murata, "Measurement of mental workload by heart rate variability indexes", Ergonomics vol. 28, no. 2, pp. 91-98, 1992. 

  11. H. K. Yang, J. W. Lee, Y. J. Lee, K. S. Kim, K. H. Lee and H. J. Choi, "HRV Evaluation under Stress Condition by Using Patch Type Bipolar Heart Activity Monitoring System," Korean Society for Emotion and Sensibility, vol. 12, no. 2, pp. 161-168, 2009. 

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