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문제 정의
- 논문은 일상생활 중 생체신호를 측정하는 의복형 웨어러블 시스템의 디자인을 위한 기초 연구로서, 의복 모듈이 전극의 위치 안정화에 영향을 주어 일상활동 중으로 안정된 생체신호 획득에 도움을 주는지를 연구하고자 한다. 측정하고자 하는 생체신호에 따라 부착되는 센서의 위치들이 상이하므로, 본 논문에서는 연구범위를 심장활동 신호로 한정하고자 한다.
- 그러나 이러한 가로 방향 압박밴드형 의복 모듈은 장기간 지속적으로 착용하기에는 착용감, 쾌적성이 떨어질 뿐 아니라 착탈의도 용이하지 않다는 문제점을 지닌다. 따라서 본 연구에서는 기존의 가슴을 압박하는 가로선 모듈 대신 세로선 모듈을 의복에 적용하고, 이 모듈로 인한 전극 위치 안정화 효과를 살펴보았다.
- 본 연구에서는 일상생활에 사용할 수 있는 의복형 웨어러블 시스템 디자인을 위한 기초 연구를 수행하였다. 일상생활에서 안정된 심장활동 신호를 획득하기 위해서는 특히 동작 중 전극의 위치 이동으로 인한 동잡음의 감소가 가장 중요하다.
제안 방법
- 3(a)]와 모듈이 없는 티셔츠(tee-shirt without Motion Artifact-Reducing Module: 비MARM형)[Fig. 3(b)] 등, 총 두 가지 의복형 웨어러블 시스템 타입을 디자인하고 실물로 제작한 후, 양 의복의 효과를 비교 고찰하였다.
- 22~28세의 남자 피험자 8명을 대상으로 심장활동 모니터링 의복형 웨어러블 시스템을 착용한 채, 앉아있는 상태, 서있는 상태에서의 심장활동의 파형과 직물 전극의 위치 이동을 측정하였다. 동작은 앉아있기 → 서있기의 연속된 동일 동작으로 이루어졌으며 각 동작은 18초간 유지하고, 각 동작 사이에는 동작 변경을 위한 2초간의 간격을 두었다.
- ECG 신호와 직물 전극 신호의 연관성을 평가하기 위해, ECG의 R-R 피크 간격과 직물 전극의 피크 간격의 유사성을 비교하여 ECG와의 상관 계수를 도출하였다 (Table 3). 즉, [Table 3]의 상관 계수는 해당 동작 시간 동안 각 3회씩 측정된 ECG의 R-R 피크 간격과 본 연구의 직물 전극-의복을 통해 측정된 심장활동 신호 간격간의 상관계수를 산출한 결과이다.
- 4]와 같다. 네크라인의 형태나, 소매의 유무 등 다른 변인이 실험 결과에 미치는 영향을 통제하기 위하여, 모든 의복형 웨어러블 시스템은 라운드 네크라인과 민소매로 통일하였다.
- 동작은 앉아있기 → 서있기의 연속된 동일 동작으로 이루어졌으며 각 동작은 18초간 유지하고, 각 동작 사이에는 동작 변경을 위한 2초간의 간격을 두었다.
- 본 연구에서는 심근의 물리적인 움직임을 대상으로 심장활동 신호를 측정하였으며, 이는 ECG의 Q-RS파(심장활동 신호)에 상응한다. 또한 의류에 적합한 비접촉식 방식을 사용하였으며, 이 중 자계 유도성 전도율 기반의 심장활동 센싱 방법을 이용하였다.
- 심장에서 측정 가능한 신호에는 심전도로 측정되는 전기적 신호와 심근의 수축, 이완을 나타내는 기계적 신호가 있다. 본 연구에서는 심근의 물리적인 움직임을 대상으로 심장활동 신호를 측정하였으며, 이는 ECG의 Q-RS파(심장활동 신호)에 상응한다. 또한 의류에 적합한 비접촉식 방식을 사용하였으며, 이 중 자계 유도성 전도율 기반의 심장활동 센싱 방법을 이용하였다.
- QI는 획득된 심장박동의 신호 품질을 정량 평가하기 위한 지표이며, 그 도출 방법은 다음과 같다. 심장의 물리적인 수축이완은 심전도의 Q-R-S파 후에 나타나므로 R-R interval 간의 구간에서의 직물 전극 신호를 분석하였다. QI 의 분자는 각 구간의 최소값과 최대값 사이의 크기의 합을 전체 구간에서의 심장활동 수만큼 나눈 것이다.
- 의복형 웨어러블 시스템을 통해 획득한 심장활동 신호의 품질을 평가하기 위한 또 다른 지표로서, 심장활동 신호의 재현성과 명확성 및 ECG와의 상관성을 살펴보았다. 이를 위해 각피험자 내에서의 심장활동 신호의 피크간 간격과 ECG의 피크 간 간격을 비교하여 상관 계수를 도출하고, 기준 신호인 ECG 신호와 심장활동 신호 간의 형상학적 분석을 하였다.
- 의복형 웨어러블 시스템을 통해 획득한 심장활동 신호의 품질을 평가하기 위한 또 다른 지표로서, 심장활동 신호의 재현성과 명확성 및 ECG와의 상관성을 살펴보았다. 이를 위해 각피험자 내에서의 심장활동 신호의 피크간 간격과 ECG의 피크 간 간격을 비교하여 상관 계수를 도출하고, 기준 신호인 ECG 신호와 심장활동 신호 간의 형상학적 분석을 하였다. 직물 전극에서 획득한 신호의 재현성이 좋을수록, 즉, 피크가 일정하고 명확할수록 고품질의 신호라고 할 수 있다.
- 일상생활에서 안정된 심장활동 신호를 획득하기 위해서는 특히 동작 중 전극의 위치 이동으로 인한 동잡음의 감소가 가장 중요하다. 이를 위해 사용자의 편이성을 고려하면서도 양질의 심장활동 신호를 획득할 수 있는 의복형 웨어러블 시스템을 두 가지 타입 즉, MARM형 티셔츠와 비MARM형 티셔츠로 디자인하였다.
- 의복형 웨어러블 시스템을 통해 획득된 심장활동 신호의 품질을 평가하기 위해 정량적 ·정성적 평가 방식을 사용하였다. 정량적 평가를 위해서는 QI값과 전극 위치 변위를 살펴보고, 획득된 심장활동 신호와 ECG 신호와의 상관 계수를 도출하였다. 정성적 평가를 위해서는 기준 신호인 ECG 신호와 본 의복형 웨어러블 시스템의 신호 간의 형상학적 분석을 실시하였다.
- 정량적 평가를 위해서는 QI값과 전극 위치 변위를 살펴보고, 획득된 심장활동 신호와 ECG 신호와의 상관 계수를 도출하였다. 정성적 평가를 위해서는 기준 신호인 ECG 신호와 본 의복형 웨어러블 시스템의 신호 간의 형상학적 분석을 실시하였다.
- 234Ω/m이다. 직물 전극은 컴퓨터 자수기기를 통해 자수기법으로 구현하였으며, 전도사의 통전을 방지하기 위하여 전도사 사이에 0.2cm의 간격을 두었다. 구현된 전극의 상세내역은 [Fig.
- 모든실험은 세번 반복측정을 하고, Microsoft Excel을 이용하여 산술 평균과 표준편차를 구하였다. 직물 전극을 이용한 심장활동 데이터 검출 장비로는 Biopack사의 MP150(US)를 이용하였고, 획득된 데이터는 MATLAB을 이용하여 처리하였다. 심장활동 신호는 AcqKnowledge 4.
- , 2011)에서의 전극 위치 변위 측정 방식과 같이, 동작 전후에 마킹한 체표상의 점을 실측하였다. 직물 전극의 위치 변위는 동작을 시작하기 직전과 모든 동작이 끝난 직후, 직물 전극 중심 위치를 피부 표면에 0.5mm 굵기의 펜으로 마킹하였다.
- 논문은 일상생활 중 생체신호를 측정하는 의복형 웨어러블 시스템의 디자인을 위한 기초 연구로서, 의복 모듈이 전극의 위치 안정화에 영향을 주어 일상활동 중으로 안정된 생체신호 획득에 도움을 주는지를 연구하고자 한다. 측정하고자 하는 생체신호에 따라 부착되는 센서의 위치들이 상이하므로, 본 논문에서는 연구범위를 심장활동 신호로 한정하고자 한다.
- 피험자 간 비교를 위해 의복형 웨어러블 시스템의 타입별 Quality Index값을 정규화하여 앉아있는 상태와 서있는 상태로 나눠서 살펴보았다(Table 2). 모든 QI값은 세 번 반복 측정의 정규화 산술 평균을 의미한다.
대상 데이터
- MARM형 웨어러블 시스템에 사용한 주소재는 일반 의류에서 흔히 사용되며 신체에 잘 밀착할 수 있는 92%폴리에스터, 8% 폴리우레탄 신축성 소재를 사용하고, 세로선 모듈에는 직물 전극을 안정적으로 지지하기 위하여 신축성이 없는 면 100% 직물을 사용하였다. 면 100%세로선 모듈의 너비는 5.
- 의복형 웨어러블 시스템에 적용하기 위해 폴리에스터사와 은-니켈사를 조합한 전도사를 사용하였으며, 사용한 전도사의 저항은 0.234Ω/m이다. 직물 전극은 컴퓨터 자수기기를 통해 자수기법으로 구현하였으며, 전도사의 통전을 방지하기 위하여 전도사 사이에 0.
- 5]와 같다. 직물 전극과 센서 하드웨어 간의 체결 구조로는 일반 의류에서 보편적으로 쓰이는 스냅버튼을 사용하였다.
- 2 프로그램을 사용하여 디스플레이 하였다. 측정된 심장활동 신호와의 비교를 위해 임상용 Ag/AgCl ECG 전극을 직물 전극 신호와 동시에 측정하여 평가를 위한 기준 신호로 사용하였다. ECG 전극 위치는 LEAD II 방향으로 (−)전극은 오른쪽 어깨, (+)전극은 몸통의왼쪽 하단부에 붙였고, RLD는 몸통의 오른쪽 하단부이다.
데이터처리
- 모듈 이외의 다른 조건은 통제하기 위해 동작순서는 통일하였다. 모든실험은 세번 반복측정을 하고, Microsoft Excel을 이용하여 산술 평균과 표준편차를 구하였다. 직물 전극을 이용한 심장활동 데이터 검출 장비로는 Biopack사의 MP150(US)를 이용하였고, 획득된 데이터는 MATLAB을 이용하여 처리하였다.
- 직물 전극을 이용한 심장활동 데이터 검출 장비로는 Biopack사의 MP150(US)를 이용하였고, 획득된 데이터는 MATLAB을 이용하여 처리하였다. 심장활동 신호는 AcqKnowledge 4.2 프로그램을 사용하여 디스플레이 하였다. 측정된 심장활동 신호와의 비교를 위해 임상용 Ag/AgCl ECG 전극을 직물 전극 신호와 동시에 측정하여 평가를 위한 기준 신호로 사용하였다.
이론/모형
- 의복형 웨어러블 시스템을 통해 획득된 심장활동 신호의 품질을 평가하기 위해 정량적 ·정성적 평가 방식을 사용하였다.
-
3) 심장활동 신호 품질의 정량적 평가 방법 및 Quality Index의 정의
의복형 웨어러블 시스템을 통해 획득한 심장활동 신호의 품질을 평가하기 위한 지표로 선행논문(Koo et al., 2014)에서 정의한 Quality Index를 사용하였다. QI는 획득된 심장박동의 신호 품질을 정량 평가하기 위한 지표이며, 그 도출 방법은 다음과 같다.
- 전극의 위치 변위는 선행연구(Cho et al., 2011)에서의 전극 위치 변위 측정 방식과 같이, 동작 전후에 마킹한 체표상의 점을 실측하였다. 직물 전극의 위치 변위는 동작을 시작하기 직전과 모든 동작이 끝난 직후, 직물 전극 중심 위치를 피부 표면에 0.
성능/효과
- 즉, [Table 3]의 상관 계수는 해당 동작 시간 동안 각 3회씩 측정된 ECG의 R-R 피크 간격과 본 연구의 직물 전극-의복을 통해 측정된 심장활동 신호 간격간의 상관계수를 산출한 결과이다. 비MARM형과 MARM 형 모두 최소 0.70 이상의 상관성을 보였다. 앉아있는 상태에서는 비MARM형과 MARM형 모두 높은 상관성을 보이나, 동작 후 서있는 상태에서는 MARM형에서 상대적으로 높은 상관성을 보였다.
- 앉아있는 상태에서 두 가지 타입의 의복형 웨어러블 시스템을 비교해 봤을 때, 5명의 피험자에서 비MARM 형 티셔츠의 QI값이 MARM형 티셔츠보다 높게 나타났다. 이처럼 동작하기 전인 앉아있는 상태에서도 QI값이 차이가 나는 것은 심장과 전극 사이의 거리에 기인한다고 추측된다.
- 70 이상의 상관성을 보였다. 앉아있는 상태에서는 비MARM형과 MARM형 모두 높은 상관성을 보이나, 동작 후 서있는 상태에서는 MARM형에서 상대적으로 높은 상관성을 보였다.
- 연구결과, MARM형 티셔츠와 비MARM형 티셔츠일 모두 앉아있는 상태에서의 QI값이, 동작 후 서있는 상태에서의 QI값보다 높게 나타났다. 이는 동작으로 인해 전극의 위치가 이동하였음에 기인한다고 하겠다.
- 이는 동작 시 MARM형 티셔츠의 모듈이 전극의 위치 변동의 최소화에 도움을 주어 안정된 신호를 획득하게 한 데에서 비롯된 것으로 보인다. 정성적 평가 지표인 심장활동 신호와 ECG 신호와의 상관성 비교에서도 MARM형 티셔츠가 비MARM형 티셔츠보다 재현성이 더 좋아, 심장활동 신호의 품질을 향상시키는 데에 기여하는 것으로 보였다. 따라서 일상생활에 적용할 수 있는 의복형 웨어러블 시스템을 위해서는 단순히 가슴에 압박, 밀착하는 MARM형보다는 기능부(모듈)를 설치하는 ‘MARM형 디자인’이 더 효율적이라고 할 수 있다.
- 전극 위치의 변위는 세 번 반복 측정한 결과의 평균값이다. 피험자 2를 제외한 나머지 피험자 전체에서 MARM형의 의복형 웨어러블 시스템에서 변위가 적은 것으로 나타났으며, 두 의복형 웨어러블 시스템의 전극 변위산술 평균을 비교해보면, 비MARM형에서 MARM형보다 대략 두배의 변위를 나타냈다. 이는 MARM형이 비MARM형보다 동작 시 전극 위치를 안정화시키는데 도움이 된다고 할 수 있다.
- 모든 QI값은 세 번 반복 측정의 정규화 산술 평균을 의미한다. 한 피험자 내에서, 같은 의복형 웨어러블 시스템을 착용했을 때의 앉아있는 상태와 서있는 상태를 비교하면, 모든 피험자의 경우 앉아있는 상태에서의 QI값이 더 높았다. 따라서 앉아있는 상태가 서있는 상태보다 심장활동 파형의 크기가 크거나, 신호 간 편차가 작다고 할 수 있다.
- 9]와 같다. 형상학적 분석을 할 때, MARM형 티셔츠와 비MARM형 티셔츠 모두에서 앉아있는 상태에서는 심장활동 신호의 재현성이 좋고, 피크의 명확성, ECG와의 상관성이 높았다. 그러나 동작 후 서 있는 상태에서의 파형을 살펴보면, 비MARM형 티셔츠인 경우 동작후의 서있는 상태[Fig.
후속연구
- 본 연구는 앉아있다가 일어서는 단순한 동작만을 대상으로 고찰했다는 한계를 지닌다. 따라서 복잡 다양한 일상동작을 동작 프로토콜로 적용한 후속연구가 필요할 것이다.
- 따라서 일상생활에 적용할 수 있는 의복형 웨어러블 시스템을 위해서는 단순히 가슴에 압박, 밀착하는 MARM형보다는 기능부(모듈)를 설치하는 ‘MARM형 디자인’이 더 효율적이라고 할 수 있다. 본 연구는 앉아있다가 일어서는 단순한 동작만을 대상으로 고찰했다는 한계를 지닌다. 따라서 복잡 다양한 일상동작을 동작 프로토콜로 적용한 후속연구가 필요할 것이다.
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