[논문]동잡음 저감을 위한 심전도 전극 특성에 대한 연구

강영환; 박재순; 조범기; 최상동; 정연호

doi:10.4313/jkem.2017.30.6.366

동잡음 저감을 위한 심전도 전극 특성에 대한 연구
Study on Characteristics of ECG Electrodes for Motion Artifact Reduction 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.30 no.6, 2017년, pp.366 - 371

강영환 (한밭대학교 전자제어공학과) , 박재순 (한밭대학교 전자제어공학과) , 조범기 (한밭대학교 전자제어공학과) , 최상동 (엠텍) , 정연호 (한밭대학교 전자제어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we introduce an electrocardiogram (ECG) system designed to solve problems caused by wetgels and motion artifacts in measuring active movement. The system is called a dry-contact ECG and was designed by considering impedance matching between skin and electrode as well as the frictional electricity between electrode and clothes. In order to create the system, we measured impedance on the skin-electrode interface, and the result was applied to the electronic circuit scheme. Moreover, we added an electrode on the back of the measurement electrode to make a flow path to ground the electrical noise. The final ECG circuit and novel electrode were used to detect real human cardiac signals from a subject who was tested while standing still and walking. The signals obtained from the two activities were nicely shaped, without any motion artifact noise. We took electrode size into account in this study because the impedance depended on the area of the electrode. An electrode of 50 mm diameter showed the best curve for the ECG signal without any electrical noise.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 젤타입의 전도성 연고로 인한 피부 자극의 문제를 해결하기 위하여 dry-contacttype 전극을 사용하였으며 짧은 검사시간으로 인해 부정맥 포착에 한계가 있는 기존 12 유도 심전도 검사와 동잡음으로 인한 신호의 신뢰성 저하 문제를 갖고 있는 홀터검사의 단점을 보완하기 위해 활동 심전도 측정회로와 전극을 개발하여 일상생활 중 심전도 신호측정이 가능하도록 하고자 한다.
본 논문에서는 피부와 전극 사이에 전도성 연고를 사용하지 않고 피부발진의 가능성을 줄이고자 drycontact 방식의 다양한 구조 및 크기의 전극을 설계, 제작한 후 심전도 신호를 측정하였다. dry-contact 심전도 시스템은 전극과 피부 사이의 높은 소스 임피던스 발생하는데 이를 해결하기 위해 피드백 회로에 소스 임피던스와 비슷한 수준의 임피던스를 갖는 회로를 설계하여 1 MΩ 이상의 높은 소스 임피던스에서도 신호가 측정됨을 확인할 수 있었다.
dry-contact 심전도 시스템은 전극과 피부 사이의 높은 소스 임피던스 발생하는데 이를 해결하기 위해 피드백 회로에 소스 임피던스와 비슷한 수준의 임피던스를 갖는 회로를 설계하여 1 MΩ 이상의 높은 소스 임피던스에서도 신호가 측정됨을 확인할 수 있었다. 활동 중 심전도 검사에서 신뢰성 하락의 원인이 되는 동잡음의 영향을 줄이기 위하여 전극의 구조와 크기에 따른 동잡음의 영향에 대하여 연구하였다. 신체의 움직임에 따라 전극과 의복 사이의 마찰기전력의 영향을 개선하고자 전극과 의복 사이에 폴리이미드를 위치시키고 한 개의 전극을 회로의 접지와 연결시켜 마찰기전력을 효과적으로 제거할 수 있었다.

가설 설정

개발한 ECG측정회로의 동작을 확인하기 위해 그림6(a)와 같이 Tektronix사의 DPO2024B 오실로스코프와 심전도 시뮬레이터인 Techman사의 ES-100을 이용하여 다른 상태의 심장 동작을 가정하여 실험하였다.그림 6(b)와 (c)는 각각 35 bpm (bat per minute)과130 bmp의 심박 상태에 대한 측정 결과이다.

제안 방법

일반적으로 심전도 시뮬레이터와 측정 회로가 전기적으로 직접 연결 된 경우 소스 임피던스가 낮아 임피던스 매칭을 위해 설계된 버퍼의 동작 확인은 다소 어려움이 있다. 따라서 본 논문에서 제안된 버퍼의 동작을 확인하기 위해 높은 임피던스를 갖는 dry-contact전극을 인체 피부에 부착하여 심전도 측정을 수행하였다. 그 결과, 그림 7과 같이 정적인 상태에서 명확한 심전도 신호 측정이 가능하였으며 설계한 필터의 대역폭을 확인하기 위해 오실로스코프의 FFT (fast ouriertransform) 기능을 사용하여 주파수성분을 확인한 결과 심전도 신호의 주파수 대역인 0.
본 연구에서는 버퍼의 설계를 위해 HP (hewlettpackard) 사의 4192A LF Impedance analyzer를 사용하여 그림 3과 같이 피부와 전극사이의 임피던스를 측정하였다.
본 연구에서는 위와 같은 실험을 통해 측정된 임피던스 값을 이용하여 이에 맞게 임피던스 매칭 회로를 구성, 다양한 심전도 신호 측정을 실시하였다.
본 연구에서는 의복 내에 심전도 전극을 위치시켜 실험을 진행하였는데 신체의 움직임에 따라 전극과 의복 사이의 마찰기전력으로 인한 동잡음이 발생함을 확인할 수 있었으며 이를 해결하기 위해 전극과 의복 사이에 절연체이며 생체 적합물질인 유연한(flexible) 50 ㎛ 두께의 폴리이미드를 사용하여 그림 5와 같이 다양한 구조의 전극을 제작하여 실험하였다.
심전도 신호의 주파수 대역인 0.05~100 Hz에서 피부와 전극 사이의 임피던스 ZS는 1 MΩ 이상이었으며 매우 높은 임피던스를 가진 생체신호가 접지로 흘러들지 않도록 Ra에 ZS에 비해 매우 큰 입력 임피던스(Zin)를 갖도록 저항을 연결하였으며 피드백 회로에 소스 임피던스 ZS와 같은 크기의 임피던스 Zf를 갖도록 구성하여 생체신호를 손실 없이 전달하도록 하였다.
05~100Hz의 주파수대역을 가지며 mV 단위의 매우 작은 신호로 구성된다 [4]. 외부 잡음에 대한 영향이 많은ECG검출을 위한 회로는 피부와 측정전극 사이의 임피던스 매칭을 위한 버퍼, 몸과 검출회로 사이에서 발생되는 동상의 신호를 몸으로 피드백하여 동상전압을 제거하기 위한 driven right leg (DRL)회로 [5], 측정된 신호를 통해 심전도 신호를 검출하기 위한 계측증폭기, 심전도 신호의 대역폭(0.05~100 Hz) 이외의 주파수 성분을 제거하기 위한 고역통과필터 및 저역통과필터, 무선통신을 위한 블루투스 모듈, MCU등으로 그림 1과같이 구성하였다.
전극 구조에 따른 신호 특성 실험은 심전도를 측정하기 위한 50 mm 지름의 전극을 의복 속에 위치시키고 진행하였으며 동잡음의 영향을 확인하기 위하여 제자리 걷기 상태에서의 실시하였다. 그림 8(a)는 그림5(a)에 대한 실험 결과이고 의복과 전극사이의 움직임에 따른 마찰전기로 인해 잡음이 심하게 발생하여 피크검출만이 가능하였다.
전극의 크기와 이에 따른 임피던스 영향에 대한 심전도 신호의 변화를 측정하기 위하여 표 1에서 제안한 다양한 크기(10, 40, 50, 60, 70 mm)의 전극을 제작, 제안된 회로를 이용해 생체에서 발생하는 심전도를 측정하였다. 그 결과 상용화된 제품의 크기와 비슷한 전극(지름 40, 50, 60 mm)은 제자리 걷기와 같은 움직임에서도 동잡음 발생이 적음을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용할 Dry-contact 전극의 경우 피부와 전극 사이를 병렬로 연결된 저항과 커패시터로 그림 2와 같이 묘사할 수 있다 [6].
223 V로 매우 낮아 생체 신호 측정을 위한 전극으로 많이 사용된다. 하지만 본 논문에서는 비교적 낮은 반전지전위(+0.314 V)를 가지며 Ag/AgCl에 비해 싼 가격과 가공이 용이한 구리를 전극의 재질로 사용하였다.

성능/효과

dry-contact 심전도 시스템은 전극과 피부 사이의 높은 소스 임피던스 발생하는데 이를 해결하기 위해 피드백 회로에 소스 임피던스와 비슷한 수준의 임피던스를 갖는 회로를 설계하여 1 MΩ 이상의 높은 소스 임피던스에서도 신호가 측정됨을 확인할 수 있었다.
전극의 크기와 이에 따른 임피던스 영향에 대한 심전도 신호의 변화를 측정하기 위하여 표 1에서 제안한 다양한 크기(10, 40, 50, 60, 70 mm)의 전극을 제작, 제안된 회로를 이용해 생체에서 발생하는 심전도를 측정하였다. 그 결과 상용화된 제품의 크기와 비슷한 전극(지름 40, 50, 60 mm)은 제자리 걷기와 같은 움직임에서도 동잡음 발생이 적음을 확인하였다. 하지만 지름 10 mm 크기의 전극은 5 kHz의 주파수에서 260 kΩ의 높은 임피던스로 인해 신호의 크기가 작고 왜곡이 발생하였는데 이는 측정회로의 피드백 임피던스 값의 재설계로 해결될 것으로 예상된다.
따라서 본 논문에서 제안된 버퍼의 동작을 확인하기 위해 높은 임피던스를 갖는 dry-contact전극을 인체 피부에 부착하여 심전도 측정을 수행하였다. 그 결과, 그림 7과 같이 정적인 상태에서 명확한 심전도 신호 측정이 가능하였으며 설계한 필터의 대역폭을 확인하기 위해 오실로스코프의 FFT (fast ouriertransform) 기능을 사용하여 주파수성분을 확인한 결과 심전도 신호의 주파수 대역인 0.05~100 Hz이외의 주파수대역이 필터에 의해 억제됨을 확인할 수 있었다.
신체의 움직임에 따라 전극과 의복 사이의 마찰기전력의 영향을 개선하고자 전극과 의복 사이에 폴리이미드를 위치시키고 한 개의 전극을 회로의 접지와 연결시켜 마찰기전력을 효과적으로 제거할 수 있었다. 또한 크기에 전극의 크기에 따른 임피던스의 측정을 통해 전극 크기가 증가함에 따라 임피던스 값은 작아짐을 확인 할 수 있었다. 이때 지름 10 mm의 전극의 경우 설계한 회로의 피드백 임피던스보다 소스 임피던스가 월등히 커서 신호 측정에 어려움이 있었고 지름 40, 50, 60, 70 mm 경우 신호는 모두 선명하게 측정 되었으나 지름 70 mm의 전극은 피부와의 밀착 문제로 인해 잡음이 발생하였다.
활동 중 심전도 검사에서 신뢰성 하락의 원인이 되는 동잡음의 영향을 줄이기 위하여 전극의 구조와 크기에 따른 동잡음의 영향에 대하여 연구하였다. 신체의 움직임에 따라 전극과 의복 사이의 마찰기전력의 영향을 개선하고자 전극과 의복 사이에 폴리이미드를 위치시키고 한 개의 전극을 회로의 접지와 연결시켜 마찰기전력을 효과적으로 제거할 수 있었다. 또한 크기에 전극의 크기에 따른 임피던스의 측정을 통해 전극 크기가 증가함에 따라 임피던스 값은 작아짐을 확인 할 수 있었다.
측정 결과 병렬로 연결된 저항과 커패시터에 의한 합성 임피던스는 주파수의 상승에 따라 하강함을 볼 수 있었다. 이는 합성 임피던스에서 저항은 주파수의 변화에 의한 임피던스의 영향이 없는 반면 커패시터는 주파수와 반비례 관계에 있어 주파수가 상승함에 따라 임피던스가 작아짐으로 합성 임피던스의 크기는 다음수식에 의해 작아진다.

후속연구

향후 전극과 피부 사이에 생체 적합하고 높은 유전율 갖는 물질을 코팅하여 동잡음 없는 심전도 측정이 가능한 non-contact 방식의 심전도 측정 전극을 개발하여 본 연구에서 개발한 dry-contact방식의 심전도신호와 비교를 통해 심전도 측정 중에 발생하는 동잡음의 영향을 연구할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	dry-contact 심전도 시스템의 단점은?	본 논문에서는 피부와 전극 사이에 전도성 연고를사용하지 않고 피부발진의 가능성을 줄이고자 drycontact 방식의 다양한 구조 및 크기의 전극을 설계,제작한 후 심전도 신호를 측정하였다. dry-contact 심전도 시스템은 전극과 피부 사이의 높은 소스 임피던스 발생하는데 이를 해결하기 위해 피드백 회로에 소스 임피던스와 비슷한 수준의 임피던스를 갖는 회로를설계하여 1 MΩ 이상의 높은 소스 임피던스에서도 신호가 측정됨을 확인할 수 있었다. 활동 중 심전도 검사에서 신뢰성 하락의 원인이 되는 동잡음의 영향을줄이기 위하여 전극의 구조와 크기에 따른 동잡음의영향에 대하여 연구하였다.
	심전도 신호는 어떻게 구성되는가?	인간의 심장박동으로 인해 발생하는 심전도 신호는association for the advancement of medicalinstrumentation (AAMI)의 자료에 따르면 0.05~100Hz의 주파수대역을 가지며 mV 단위의 매우 작은 신호로 구성된다 [4]. 외부 잡음에 대한 영향이 많은ECG검출을 위한 회로는 피부와 측정전극 사이의 임피던스 매칭을 위한 버퍼, 몸과 검출회로 사이에서 발생되는 동상의 신호를 몸으로 피드백하여 동상전압을 제거하기 위한 driven right leg (DRL) 회로 [5], 측정된신호를 통해 심전도 신호를 검출하기 위한 계측증폭기,심전도 신호의 대역폭(0.
	젤타입(gel-type)의 전도물질을 사용할 떄의 문제점은?	기존의 심전도 측정 장치는 장소와 측정시간에 따라 표준 12 유도 심전도와 홀터 심전도로 나뉘는데, 표준12 유도 심전도의 경우 정지된 상태에서의 심전도를 측정하며, 신호의 전기 전도를 증가시키기 위해 젤타입(gel-type)의 전도물질을 전극과 피부사이에 사용한다[3]. 그러나 이러한 젤 연고 전도물질은 환자의 피부 특성에 따라 생체 거부반응이 발생할 수 있으며, 신호 기록시간이 짧아 환자의 현재 상태만이 측정 가능할 뿐,심근경색 및 부정맥 등 급작성 증상(acute symptom)에 대해서는 진단이 불가능하다. 기존 12 유도 심전도의 단점을 보완하기 위해 일상 활동 중 심전도 측정이 가능한 홀터 심전도 측정 장치를 사용하지만, 활동 시전극과 피부와의 접촉상태에 따라 동잡음(motionartifact)이 발생, 측정 신호의 신뢰성 확보가 어렵다는 단점이 있다.

참고문헌 (7)

H. J. Park, Ph. D. Implementation of Wireless Portable ECG Monitoring System, p. 4, Chosun University, Gwangju (2010).
D. C. Lee, S. K. Choi, G. J. Lee, Y. B. Jeon, and W. S. Yu, Korean Circ. J., 21, 646 (1991). [DOI: http://dx.doi.org/10.4070/kcj.1991.21.3.646]

상세보기
D. N. Mathias, S. I. Kim, J. S. Park, and Y. H. Joung, Trans. Elec. Electron. Mater., 16, 16 (2015). [DOI: https://doi.org/10.4313/TEEM.2015.16.1.16]

원문보기 상세보기
J. Pan and W. J. Tompkins, IEEE Transactions on Biomedical Engineering, 3, 230 (1985). [DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TBME.1985.325532]
S. Y. Kang, K. S. Bang, J. P. Choi, J. K. Kim, and W. Heo, Journal of Myongji Institute of Industrial Technology, 22, 111 (2003).
A. A. Uvarov, I. A. Lezhnina, K. V. Overchuk, A. S. Starchak, S. D. Akhmedov, and I. A. Larioshina, J. Phys. Conf. Ser., 671, 1 (2016). [DOI: https://doi.org/10.1088/1742-6596/671/1/012032]
D. N. Mathias, S. I. Kim, J. S. Park, Y. H. Joung, and W. S. Choi, Trans. Elec. Electron. Mater., 16, 42 (2015). [DOI: https://doi.org/10.4313/TEEM.2015.16.1.42]

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