[논문]손목형 생체신호수집 장치에 대한 연구

김희훈; 김경호

doi:10.5370/kiee.2016.65.5.857

손목형 생체신호수집 장치에 대한 연구
A Study on Wrist Band Type Vital Sign Acquisition Device 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.5, 2016년, pp.857 - 861

김희훈 (Dept. of Electronic and Electrical Engineering, Dankook University) , 김경호 (Dept. of Electronic and Electrical Engineering, Dankook University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we proposed a new method that can be measure ECG (Electrocardiography) and PPG (Photoplethysmography) in realtime on the site of the wrist for check the state of health in daily life. For convenience measurement of ECG the lead I method was used on the wrist, and omit the reference junction ECG I was measured in the right hand and the left hand of the potential difference. Then the measured electrocardiogram was amplified by the differential amplifier and the signals were passed HPF, LPF, and BPF filters. For removing the PPG's noise from the Motion artifact and temperature, we apply the reflective photoelectric volume pulse wave measurement method using green LED as a light source. The circuits was designed to be able to check the waveform using higher active amplification method at weak signals. For the validation of our device, the measured signals were compared with E2-KIT on same time. The results shows that the error does not exceed the maximum one, most of the data is confirmed to be issued Peak inspection of the same number.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 개발한 생체정보 수집장치와 비교를 위해 비교장비를 함께 착용하고서 동시에 측정을 하였다. 비교장비는 KTMED사의 E2-KIT를 사용하여 비교심전도와 비교맥파를 측정하였고 NATIONAL INSTRUMENTS사의 NI-DAQ을 연결해 데이터를 수집하여 Signal Express 프로그램으로 샘플링하였다.
본 연구에서는 실시간으로 자신의 건강상태를 체크하고 관리하도록 두 가지의 생체신호 ECG와 PPG를 손목에서 함께 수집할 수 있는 장비를 개발하였다. 표준유도Ⅰ 방식으로 심전도 데이터를 수집하여 샘플링 한 결과 ECG의 각 Peak점이 검출 되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 활동 중에도 손목에서 생체정보를 실시간으로 측정해야 하는 목적으로 그림 1과 같이 제작한 PCB 기판에 직접 도금을 시켜 전극으로 피부와 직접 맞닿도록 하여 측정하도록 하였다. ECG측정 방식으로는 표준유도, 사지유도, 흉부유도 등이 있는데, 표준유도 방식에서 리드Ⅰ 측정 방식은 오른손과 왼손의 전위차를 이용하여 ECG를 측정하는 방법이다.

가설 설정

제작장비로 측정한 데이터에서 ECG의 R Peak와 PPG의 P Peak를 기준으로 잡고 1분 내에 몇 회의 Peak 점이 검출 되는지를 아래에 표와 그래프로 나타내었다. ECG와 PPG 모두 동일한 횟수 혹은 1회의 차이가 있었다. 1회의 검출 횟수 차이가 나타나는 이유는 앞서 설명한대로 소프트웨어의 데이터 처리 속도가 달라 생긴 오차로 인하여 시작점 혹은 끝지점에서 Peak 점이 다른 한쪽은 포함되었으나 다른 한쪽은 포함되지 못해 생긴 차이로 보인다.

제안 방법

본 연구에서는 웨어러블 디바이스가 가장 먼저 보편화되고 시계, 팔찌, 아대등으로 다양하게 제작 가능한 손목에서 생체신호를 측정하도록 장비를 개발함으로써 심전도(ECG)와 광전용적맥파(PPG)의 파형을 수집한 뒤 각 생체신호의 Peak점을 검출하여 심박수와 맥박을 측정하도록 하였다.
맥파는 생체수집장치 양면에 모두 발·수광부가 탑재되어 있어 양손 모두에서 측정할 수 있게 되어있다. 비교장비는 전극을 양쪽팔과 오른쪽 발목에 부착하고 연결하여 비교심전도를 측정하였고 생체수집장치를 착용한 손목의 손가락에 맥파측정장비를 착용하여 비교맥파를 측정하였다. 생체정보 수집장치 측정 실험을 위해 피험자군을 건장한 남성 5명을 대상으로 하여 진행하였다.
ECG측정 방식으로는 표준유도, 사지유도, 흉부유도 등이 있는데, 표준유도 방식에서 리드Ⅰ 측정 방식은 오른손과 왼손의 전위차를 이용하여 ECG를 측정하는 방법이다. 손목에서 ECG를 측정하기에 가장 적합하다 판단되어 리드Ⅰ 방식을 사용하여 ECG를 측정하도록 설계하였다. 또한 손과 발, 심장 등에 전극을 부착하면 활동에 불편함이 생기기에 오른발에 부착하는 접지 전극을 생략하여 오른손과 왼손, 두 곳에서의 전극으로만 심전도를 측정할 수 있도록 하였다.
이 때 혈량이 많으면 흡수되는 광원이 많아 반사광원이 적어지고 혈량이 적으면 흡수되는 광원이 적어지므로 반사되는 광원은 늘어나게 된다. 하지만 반사되는 광원의 양은 투과되는 광원보다 상대적으로 적어 투과형 방식에 비해 신호가 작아 더 많은 증폭을 필요로 하지만 본 연구에서는 광원이 투과하기에 두터운 손목에서 맥파를 측정하기에 반사형 방식을 사용하였다.
현 사회는 U-헬스케어의 시장 규모가 국내나 세계에서 모두 상승세를 이루고 있다. 현재 가장 큰 스마트폰 시장이 거의 포화 상태가 되어 점차 시장의 한계점이 보이게 되면서 다양한 글로벌 기업들과 대기업들에서도 U-헬스 관련 프로젝트 등을 발표하며 관심을 표현하고 연구를 진행하며 시장이 확대됨에 따라 트렌드에 맞춰 본 연구를 진행하였다.

대상 데이터

비교장비는 전극을 양쪽팔과 오른쪽 발목에 부착하고 연결하여 비교심전도를 측정하였고 생체수집장치를 착용한 손목의 손가락에 맥파측정장비를 착용하여 비교맥파를 측정하였다. 생체정보 수집장치 측정 실험을 위해 피험자군을 건장한 남성 5명을 대상으로 하여 진행하였다. 또한 5명 모두에게 제작장비를 왼쪽 손목에 착용하도록 통일화 시켜 실험하였다.

데이터처리

본 연구에서는 개발한 생체정보 수집장치와 비교를 위해 비교장비를 함께 착용하고서 동시에 측정을 하였다. 비교장비는 KTMED사의 E2-KIT를 사용하여 비교심전도와 비교맥파를 측정하였고 NATIONAL INSTRUMENTS사의 NI-DAQ을 연결해 데이터를 수집하여 Signal Express 프로그램으로 샘플링하였다. 우선 생체수집장치를 한쪽 손목에 착용하여 연결한 뒤 다른 한손을 생체수집장치의 발광부와 도금부분에 올린다.

후속연구

향후에는 ECG와 PPG 뿐만 아니라 체온, 근전도, 스트레스 지수 등등 다른 생체정보들도 함께 수집할 수 있는 연구와 수집한 생체정보를 이용하여 다양한 분야에서의 적용을 위한 연구를 진행 할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심전도 검사를 하기 전에 해야하는 것은?	심전도는 비침습적이며 반복적으로 측정이 가능하며 비용도 저렴한 장점이 있어 심장을 검사 할 때 널리 이용되고 있다. 하지만 일반적인 심전도 검사는 검사 전에 자극적인 음식과 운동을 피하고 안정을 취해야 하며 털이나 모발이 많은 경우 부분적인 면도도 필요하며 전기의 전도 향상을 위해 젤리 등을 몸에 바르기도 한다. 또한 많은 양의 전극을 몸에 부착하고 측정을 한다.
	심전도 검사시 문제점은?	또한 많은 양의 전극을 몸에 부착하고 측정을 한다. ECG 측정시에는 보통 1회용 젤형 습식전극이나 집게형의 건식전극을 사용하는데 습식전극의 경우 시간이 지날수록 젤이 마르고 고형화 되기에 짧은 시간동안만 사용이 가능한 소모성이고 건식전극은 외부요인을 많이 받아 깔끔한 파형을 취득하기가 어렵다는 단점들이 있다.
	심전도 검사의 장점은?	심전도는 비침습적이며 반복적으로 측정이 가능하며 비용도 저렴한 장점이 있어 심장을 검사 할 때 널리 이용되고 있다. 하지만 일반적인 심전도 검사는 검사 전에 자극적인 음식과 운동을 피하고 안정을 취해야 하며 털이나 모발이 많은 경우 부분적인 면도도 필요하며 전기의 전도 향상을 위해 젤리 등을 몸에 바르기도 한다.

참고문헌 (10)

Seung-Chul Shin, Dong-Jun Kim, Kyung-Ho Kim "A Study on Sensing System of Sleeping ECG Using a Textile-based Eletrode", Conference on Information and Control System (CICS 2010), pp. 278-279, Oct. 2010.
Dong-Ki Hong, Kyung-Ho Kim "A Study on Wrist type ECG Measurement Device Using Textile-based Electrode", Information and Control Symposium (ICS 2014), pp. 35-36, 2014.
K.Y. Chang, H.C. Ko, J.J. Lee, Y.R. Yoon "The Verification of Photoplethysmography Using Green Light that Influenced by Ambient Light", the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, vol. 35, No. 5, pp. 125-131, 2014.
Min-Ho Kim, Tae-Wook Kim, Sung-Hwan Jang, Da-Hee Ban, Byung-Seok Min, Sung-Oh Kwon "Noise-Robust Algorithm for PPG Signal Measurement", The Journal of Korean Institute of Communications and information Sciences(J-KICS), Vol. 38C, No. 12, 2013.
Chung-Luyl Lee, Ji-Min Yoon, Kyung-Ho Kim "A study on Wavelength in the motion state of comparative noise in accordance with PPG", The Korea Society of Computer and Information Summer Conference(KSCI 2012), Vol. 20, No. 2, pp. 233-234, 2012.
In-Hui Lee, Chang-Jin Choi, Chul-Min Kim, Sang-Ah Yoon, Ji-Young Hong, Ja-Yeon Kim "The Examination of the Acute Vascular Changes Due to Smoking Using Second Derivative of Photoplethysmogram", The Korean Academy of Family Medicine, Vol. 31, No. 9, pp 679-687, Sep 2010.

상세보기
Hong-Yeop Kim, Kyung-Ho Kim "Comparative Studies on the Measurement of Photoelectric Plethysmography between Reflection and Transmission", KIEE Summer Conference 2010, pp. 1948-1949, July 2010.
Korea Health Industry Development Institute, http://www.khidi.or.kr/kps
National health information portal, http://health.mw.go.kr/HealthPromotionArea/HealthInfo/View.do?idx1020&subIdx3&searchCate&searchType&searchKey&pageNo
American Heart Association, http://www.heart.org/

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