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문제 정의
- 본 연구에서는 정전 용량성 전극의 유의성을 평가하기 위하여, 정전 용량성 전극을 구현 후 최종적으로 의복에 적용하여, 임상심전도 측정법으로 기록된 심전도와의 비교평가를 수행하였다. 각각의 모듈은 소형화 작업을 통해 크기를 최소화 하며 불편함 없이 착용 가능하도록 설계하였다.
- 이에, 본 연구에서는 기존 전극의 단점을 보완하기 방법으로, 정전 용량성 결합(Capacitive-coupling) 방식의 비접촉식 전극구현에 대하여 제안하고, 이를 이용하여 무구속적이며, 웨어러블(wearable)하면서 간편한 생체신호 모니터링 의복 구현과, 잡음신호에서 원래의 심전도 신호를 복원하는데 필요한 신호처리 알고리즘에 대하여 설명하고자 한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 정전 용량성 전극의 유의성을 평가하기 위하여, 정전 용량성 전극을 구현 후 최종적으로 의복에 적용하여, 임상심전도 측정법으로 기록된 심전도와의 비교평가를 수행하였다. 각각의 모듈은 소형화 작업을 통해 크기를 최소화 하며 불편함 없이 착용 가능하도록 설계하였다.
- 대역소거 필터와 SG 필터의 성능 분석을 위해 그림 11과 같이 PR분절(segment)에서의 노이즈 크기와 R파 피크 크기를 이용하여 필터 적용 전후 각각의 신호잡읍비 (signal-to-noise ratio; SNR)을 구했다. 본 연구에서 정의한 SNR은 식(6)과 같이 정의하였다[14].
- 동적 저대역 통과 필터(Active Low Pass Filter)는 낮는 오프셋 전압(5µV (max), 과 거의 제로에 가까운 오프셋 전류전이 (0.05µV/°C (max)를 가지며, 단일 전원 구동의 특성을 갖는 증폭기(OPA235(TI, SINGLE-SUPPLY CMOS OPERATIONAL AMPLIFIERS Zerø-Drift Series)를 사용하였고, 주파 대역의 신호를20배 증폭하도록 하였다.
- 본 연구에서 제안한 정전용량 결합전극을 사용하여 심장의 전기적 활동을 보다 안정적으로 검출하기 위해서는 전극 모듈과 신체가 최대한 가깝게 배치되어야 한다. 따라서 입기 편리하면서 타이트한 구조로 제작 가능한 조끼(vest) 형태로 의복을 적용하였으며, 그림 6은 실험에서 사용한 조끼와 전극의 위치를 보여준다. 조끼는 탄성이 있는 스판덱스(spandex) 재질로 제작하였으며, 실험은 그림 7과 같이 구성하여 실험하였다.
- 정전용량성 결합으로 측정한 심전도 신호는 60Hz에 취약하기 때문에 디지털 필터를 이용하여 전원 노이즈를 제거할 필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 전원 잡음 필터로서, 1차의 IIR Butter worth 필터 (차단 주파수=59~61Hz)를 대역소거필터(Band-stop filter)로 사용하였다. 필터의 주파수 응답은 다음의 그림 10과 같다.
- 일반적으로는 디지털 저역통과필터나 동평균필터(moving average filter)를 많이 사용하지만, 이러한 필터들은 심전도 신호의 피크(peak)성분도 감쇄시킨다는 단점이 있다. 본 연구에서 사용한 SG filter는 원 신호에서 노이즈 성분은 제거하며 피크성분을 복원하기 때문에 저역통과 필터와 이동평균 필터가 갖는 평활화(flatening)와 확장(widening)의 단점을 보완하였다[11].
- 본 연구에서 제안한 정전용량 결합 전극을 이용하여 측정된 심전도는 동작과 전원에 의한 노이즈를 포함하고 있다. 이러한 노이즈를 제거하기 위해 아날로그 필터를 사용하지만 완만한 감쇄특성의 한계가 있다.
- 본 연구에서 제안한 정전용량 결합전극을 사용하여 심장의 전기적 활동을 보다 안정적으로 검출하기 위해서는 전극 모듈과 신체가 최대한 가깝게 배치되어야 한다. 따라서 입기 편리하면서 타이트한 구조로 제작 가능한 조끼(vest) 형태로 의복을 적용하였으며, 그림 6은 실험에서 사용한 조끼와 전극의 위치를 보여준다.
- 본 연구에서는 전원잡음과 주변의 잡음을 고려하여 실험적으로 차수를 3, 윈도우 길이를 21로 설정하여 분석하였고, 그림 9는 이때의 SG 필터의 주파수 응답을 나타내고 있다.
- 생체신호를 차동 증폭하기 위해 계장 증폭기(Instrument Amplifier)를 적용 했으며, 높은 동상잡음제거율과, 낮은 오프셋 전류(10µV (max), 낮은 오프셋 전류 변이(0.4µV/°C (max) 특성을 가지는 INA326(TI, Precision, Rail-to-Rail I/O INSTRUMENTATION AMPLIFIER)를 채택하여 구현하였다.
- 생체신호의 양자화를 위하여 Biopac-150(Biopac systems, Inc, Data Acquisition Hardware)을 이용하여 데이터를 1kHz로 샘플링하여 측정 및 저장을 했으며, 일반 심전도와의 비교를 위해 기준 신호로 심전도는 Biopac사의 무선 심전계(BN-RSPEC)를 사용했다.
- 정전용량 결합성 전극 모듈의 전체 블록다이어그램 구성은 그림 2와 같다. 신호 측정을 위한 센싱 전극판(Sensing plate)에서 검출된 신호를 고역통과필터(high pas filter)(cut-of frequency : 0.72Hz)를 통과 시킨 후, 신호 버퍼(voltage follower)를 거쳐 일반 심전도 신호 증폭단에서 받을 수 있도록 설계 되었다.
- 심전도 측정을 위해 전극 구성을 유도Ⅱ 방식을 사용했으며, 측정 전극 구성은 그림 5에 나타낸 것처럼, 왼발(LL; Left Leg,+), 오른팔(RA: Right Arm,-), 오른다리 구동 (Right Leg-Driven: RLD)으로 총 3개의 전극으로 구성하여 측정하였다. 여기서 신호의 입력인 왼발과 오른팔 전극은 본 연구에서 개발된 전극을 이용하였고, 신호의 출력인 오른다리 구동은 24cm x 21cm 크기의 전도성 직물 시트를 이용하여 오른다리 구동의 정전 용량성 결합을 최대화 할 수 있도록 하였다.
- 심전도 측정을 위해 전극 구성을 유도Ⅱ 방식을 사용했으며, 측정 전극 구성은 그림 5에 나타낸 것처럼, 왼발(LL; Left Leg,+), 오른팔(RA: Right Arm,-), 오른다리 구동 (Right Leg-Driven: RLD)으로 총 3개의 전극으로 구성하여 측정하였다. 여기서 신호의 입력인 왼발과 오른팔 전극은 본 연구에서 개발된 전극을 이용하였고, 신호의 출력인 오른다리 구동은 24cm x 21cm 크기의 전도성 직물 시트를 이용하여 오른다리 구동의 정전 용량성 결합을 최대화 할 수 있도록 하였다.
- cn은 필터 계수로 신호의 특징을 잘 보존 하면서 잡음을 제거할 수 있는 SG 필터의 계수를 찾아야 한다. 이를 위하여, 주어진 샘플(nL+nR+1)에서, k번째 샘플을 중심으로 선형회귀다항식(linear regression of a polynomial)의 계수가 되는 cn을 찾아, 1 ~ M 샘플들을 모두 이 다항식으로 평가하는 것이다. 선형회귀다항식은 식(2)와 같으며 -nL ≤j≤nR에서 fk + j에 대한 선형회귀다항식의 계산을 배열형태로 표현하면 식 (3)과 같이 표현할 수 있다.
- 쉴드는 케이스 내부에 동박테이프를 붙여 만들었다. 전극 모듈을 구성하는 모든 케이블은 쉴드 처리가 되어있는 생체신호 계측용(Conductor Size AWG : 28AWG, Cable Type : Braided Shield, Conductor Material : Coper, Capacitance :131pF/m)으로 사용하였다.
- 정전용량성 결합 전극으로 측정한 CCE와 Ag-AgCl 전극으로 측정한 ECG 각각의 평균 파형을 구하기 위해 SG 필터를 적용하고, PQRST를 성분을 갖는 CCE 10개 세트를 R-peak 기준으로 정렬 후 평균을 측정하여 그림 15에 나타내었다.
대상 데이터
- 특히 웨어러블 환경에서의 심전도 측정은 동잡음에 더 취약하기 때문에 일반 심전도보다 차단 주파수를 높게 설정하였다. 본 연구에서는 고역통과 필터의 차단 주파수를 1.592Hz로 설정하였다.
- 전극의 기본 구조는 검정 플라스틱 재질의 케이스를 사용하였고, 측정판과 쉴드는 두께 0.07 ± 0.01(mm)의 동박테이프(Coper tape)를 사용하였다.
- 따라서 입기 편리하면서 타이트한 구조로 제작 가능한 조끼(vest) 형태로 의복을 적용하였으며, 그림 6은 실험에서 사용한 조끼와 전극의 위치를 보여준다. 조끼는 탄성이 있는 스판덱스(spandex) 재질로 제작하였으며, 실험은 그림 7과 같이 구성하여 실험하였다.
데이터처리
- 그림 15에서 구한 평균 파형을 이용하여 그림 16과 같이 R-peak 기준으로 정렬 후 상관관계를 분석 했다. 이때 상관계수(pearson corelation coefficient)는 0.
성능/효과
- 본 연구에서 기존 습식형 전극의 문제점을 보완하기 위하여, 비접촉 측정방식인 정전 용량성 결합전극을 구현하여 심장의 전기활동을 반영하는 생체신호인 심전도를 측정해보았으며, 실험 결과 38dB의 SNR을 가지는 CCE 측정 모듈을 구현하였으며 임상 표준 전극의 구성으로 측정한 ECG와 0.9517의 높은 상관도를 가진다는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 아직까지도 피검자의 움직임과 전극의 밀착 성능 및 외부 잡음으로 인하여 측정된 생체신호에 잡음이 삽입되고, 또한 간헐적으로 전원 잡음이 다소 많이 끼는 경향이 있는데 이를 방지할 최적의 RLD의 면적과 증폭도를 찾거나, 노이즈 제거를 위한 신호를 인체로 피드백 해줄 수 있는 방법을 모색해야 할 것 같다.
후속연구
- 9517의 높은 상관도를 가진다는 것을 확인 할 수 있었다. 그러나 아직까지도 피검자의 움직임과 전극의 밀착 성능 및 외부 잡음으로 인하여 측정된 생체신호에 잡음이 삽입되고, 또한 간헐적으로 전원 잡음이 다소 많이 끼는 경향이 있는데 이를 방지할 최적의 RLD의 면적과 증폭도를 찾거나, 노이즈 제거를 위한 신호를 인체로 피드백 해줄 수 있는 방법을 모색해야 할 것 같다. 추가적으로 사각형 타입의 전극은 센싱판이 측정 표면에 일정하게 붙지 않고 모서리 부분이 뜨는 경향이 있었다.
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