[논문]웨어러블 심전도 측정과 임상 심전도 측정과의 상관관계에 대한 연구

이강휘; 이성수; 김상민; 이혁재; 민경진; 강현규; 이주현; 곽휘권; 고윤수; 이정환

doi:10.5370/kiee.2018.67.12.1690

웨어러블 심전도 측정과 임상 심전도 측정과의 상관관계에 대한 연구
A Study on the Correlationship between Wearable ECG and Clinical ECG Measurements 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.67 no.12, 2018년, pp.1690 - 1698

이강휘 (Dept. of Biomedical Engineering, KonKuk University) , 이성수 (Dept. of Biomedical Engineering, KonKuk University) , 김상민 (Dept. of Biomedical Engineering, KonKuk University) , 이혁재 (Dept. of Biomedical Engineering, KonKuk University) , 민경진 (Dept. of Biomedical Engineering, KonKuk University) , 강현규 (Dept. of Biomedical Engineering, KonKuk University) , 이주현 (Dept. of Clothing and Textiles, Yonsei University) , 곽휘권 (Hanwha Systems Co.,Ltd) , 고윤수 (Hanwha Systems Co.,Ltd) , 이정환 (Dept. of Biomedical Engineering, KonKuk University)

Abstract ▼ AI-Helper

Recent advances in ICT technology have transformed many of our daily lives and attracted a lot of attention to personal health. Heart beat measurement that reflects cardiac activities has been used in various fields such as exercise evaluation and psychological state evaluation for a long time, but its utilization method is limited due to its differentiation from clinical electrocardiogram. Therefore, in this study, we could observe the change of the measured signal according to the change of the distance and the position of the measuring electrodes which are non-standard electrode configuration. Based on the electric dipole model of the heart, correlation with clinical electrocardiogram could be confirmed by synthesizing multiple surface potentials measured with a shorter electrode distance than standard one. From the electromagnetic point of view, the distance between the measuring electrodes corresponds to the distance that the electric potential by the cardiac electric dipole moves, and the electric potential measured at the body surface is proportional to the moving distance of the electric potential. Therefore, it is preferable to make the distance between electrodes as long as possible, and to position the measuring electrode close to the ventricle rather than the atrium. In addition, it was found that standard electrocardiographic waveforms could be synthesized by using arithmetic sum of multiple measuring electrodes due to the relationship of electrical dipole vectors, which is obtained by dividing and positioning a plurality of measuring electrodes on a reference electrode line, such as Lead-I, Lead-II direction. Also, we obtained a significant Pearson correlation coefficient ($r=0.9113{\pm}0.0169$) as a result of synthetic experiments on four subjects.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1 심장활동을 측정하기 위한 대표적인 웨어러블 장치들 Fig. 1 Typical wearable devices for measuring heart activity
그림 그림 2 사지 유도 법에 의한 심전도 측정 원리 Fig. 2 Principles of Electrocardiography by Standard limb lead Method
그림 그림 3 전기 쌍극자의 기하학 구조 Fig. 3 The geometry of an electric dipole.
그림 그림 4 심장 전기쌍극자의 몸통 모델과 측정 전위와의 관계. Fig. 4 Relationship between body model and measured potential of cardiac electrical dipole
그림 그림 5 실험구성 및 다채널 생체전위 측정 모듈 Fig. 5 Experiment configuration and multi-channel biopotential measurement module
그림 그림 6 표준임상 심전도와 전극간 거리 및 위치에 따른 변화를 관찰하기 위한 전극배열 구성. Fig. 6 Electrode Arrangement for Observing Changes of Standard Clinical Electrocardiogram
그림 그림 7 측정 전극간 거리변화에 따른 심장전기활동 측정신호(실험 1; Lead-I 방향, Y축 고정) (a) E6-E1(LA-RA), (b) E5-E2 (c) E4-E3 Fig. 7 Measured signal of electrical activity of the heart according to change of distance between electrodes (Experiment 1; Lead-I direction, Fixed Y-scale)
그림 그림 8 측정 전극간 거리변화에 따른 심장전기활동 측정신호(실험1; Lead-II방향, Y축 고정) (a) E6-E1(LA-RA), (b) E5-E2 (c) E4-E3 Fig. 8 Measured signal of electrical activity of the heart according to change of distance between electrodes (Experiment 1; Lead-I direction, Fixed Y-scale)
그림 그림 9 측정전극의 위치변화에 따른 심장전기활동 측정신호(실험2; Lead-I방향) (a) E6-E1(LA-RA), (b) E3-E2 (c) E5-E4 Fig. 9 Measured signal of electrical activity of the heart according to change of electrode positions (Experiment 2; Lead-I direction)
그림 그림 10 측정전극의 위치변화에 따른 심장전기활동 측정신호(실험2; Lead-II 방향) (a) E6-E1(LL-RA), (b) E3-E2 (c) E5-E4 Fig. 10 Measured signal of electrical activity of the heart according to change of electrode positions (Experiment 2; Lead-II direction)
그림 그림 11 측정전극의 위치변화에 따른 심장전기활동 측정신호(실험2; Lead-II방향, Y축-고정) (a) E6-E1(LL-RA), (b) E3-E2 (c) E5-E4 Fig. 11 Measured signal of electrical activity of the heart according to change of electrode positions (Experiment 2; Lead-II direction, Fixed Y-Scale)
그림 그림 12 심전도 합성을 위한 다중전극을 이용한 측정 신호 Fig. 12 Measured signal of electrical activity of the heart using multiple electrodes for ECG synthesis
그림 그림 13 다중전극 측정신호의 오프셋에 의한 심전도 합성의 영향 Fig. 13 Effect of electrocardiogram synthesis by offset of multi-electrode measurement signal
그림 그림 14 다중전극 측정신호의 오프셋을 제거한 심전도 합성 Fig. 14 Electrocardiogram synthesis with offset of multielectrode measurement signal removed
표 표 1 심전도 합성파형과 다중전극 신호와의 피어슨 상관계수 Table 1 Pearson Correlation Coefficient of Electrocardiogram Synthesis Waveform and Multi-electrode Signal

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 웨어러블 형태의 심전도 측정신호와 임상적 심전도 신호와의 상관관계를 고찰하고, 복수개의 측정 장치를 통하여 측정한 심장의 전기활동 신호가 어떻게 임상적으로 연계되는가를 살펴보려고 한다. 이를 위한 표준사지리드(Standard Limb Lead)의 Lead-I, Lead-II를 기준으로 거리를 나누어 측정되는 신호들의 상관관계를 고찰하고, 심장의 전기쌍극자(Electric Dipole) 모델에 의한 신호의 합성에 대하여 살펴보고자 한다.
따라서, 본 연구에서는 웨어러블 형태의 심전도 측정신호와 임상적 심전도 신호와의 상관관계를 고찰하고, 복수개의 측정 장치를 통하여 측정한 심장의 전기활동 신호가 어떻게 임상적으로 연계되는가를 살펴보려고 한다. 이를 위한 표준사지리드(Standard Limb Lead)의 Lead-I, Lead-II를 기준으로 거리를 나누어 측정되는 신호들의 상관관계를 고찰하고, 심장의 전기쌍극자(Electric Dipole) 모델에 의한 신호의 합성에 대하여 살펴보고자 한다.

가설 설정

우리의 몸통이 균질한 무한 도체라고 간주하는 모형을 사용하고, 모든 심근세포가 각 전극으로부터 동일한 거리에 있다고 가정한다.

제안 방법

A)를 버퍼를 사용하였다. 1차 증폭단에서 10배의 증폭을 얻도록 설계하였으며 2차 증폭단에서는 20배의 증폭을 통해 총 200배의 증폭비를 가지도록 회로를 설계하였다. 이렇게 구성된 단일칩 생체신호 AFE를 통해 0.
기분으로 Lead-I의 전극(E1-E6)를 측정하고 동시에 E1'-E2', E2'-E3', 그리고 E3'-E4' 전극으로 심장전기활동 신호를 동시에 측정하였다(그림 12).
기존의 흉부 유도 법은 공통 접지를 두고서 각 전극에서의 단일 신호를 측정하였지만 연구에서 사용된 방법은 공통 접지를 둔 채로 두 점 간의 신호의 차동신호를 분석하였다.
기준신호인 표준 심전도는 Biopac MP150C(Biopac systems, Inc, U.S.A.)플랫폼에 ECG100C 모듈을 이용하여 데이터를 측정(fs=1 kHz) 및 저장을 하였다.
따라서 심박(heart beat)을 측정하는 것을 목표로 하는 경우에는 측정 전극을 심실에 가까운 부위에 위치하여야 한다. 또한 본 연구에서는, 하나의 측정전극만을 이용하여 심장의 활동을 모니터링 하기 보다는 다수의 측정전극을 체표면에 위치하여 임상적으로 유의한 표준 심전도 신호를 유도하는 방법을 실험하였다. 즉, 임상적으로 심장의 전기활동의 의미를 판단해야 하는 상황에서 다른 심전도기기를 연결하기보다는, 기본 소형의 측정장치에 측정전극과 신호처리 모듈을 추가적으로 부착 또는 연결함으로서 임상적으로 유의한 생체신호를 측정하는 것이 더 편리하고 효율적일 수 있기 때문이다.
본 연구에서 기준으로 사용한 유도전극(Lead-I, Lead-II)는 표준 사지유도 전극을 움직임에 의한 잡음을 최소화하기 위하여 몸통(torso)에 부탁하는 방법을 기준으로 하였다.
이러한 이유로 심장의 전기활동을 측정하는 표준 전극들의 위치는 상대적으로 먼 거리에 전극을 위치시키게 된다. 본 연구에서는 측정전극의 간격을 심장크기 정도(약 7~13 cm)의 길이로 선정하여 심장을 중심으로 좌, 우에 위치시키면서 전기활동을 측정하였다. 그 결과 전극의 위치에 따른 측정 파형의 변화를 보다 정확히 확인할 수 있었다.
실험 1은 표준전극의 신호에 대하여, 측정 전극간 거리의 변화에 따른 생체신호의 변화를 관측하기 위하여, 그림 6과 같은 전극을 부착하고 측정실험을 시행하였다. 전극 E1-E6의 위치는 양극 사지유도의 Lead-I의 신호에 대응하며, 이를 기준으로 파형의 변화를 비교하였다.
실험 2는 고정된 측정 전극간 거리(약 6.7 cm)를 유지 하면서, 흉골을 중심으로 좌측과 우축에서 심장의 전기활동을 동시에 측정하였다. 전극간의 거리를 6~7 cm로 고정한 이유는 흉골을 중심으로 좌측에 E2-E3전극, 그리고 E4-E5와 대칭을 이루고 있어서이며, 심장을 중심으로 좌우측의 심근의 수축을 잘 반영하고 있기 때문이다.
이렇게 구성된 단일칩 생체신호 AFE를 통해 0.01 Hz~120 Hz 대역의 심전도를 검출 할 수 있도록 설계하였다.
즉, 임상적으로 심장의 전기활동의 의미를 판단해야 하는 상황에서 다른 심전도기기를 연결하기보다는, 기본 소형의 측정장치에 측정전극과 신호처리 모듈을 추가적으로 부착 또는 연결함으로서 임상적으로 유의한 생체신호를 측정하는 것이 더 편리하고 효율적일 수 있기 때문이다. 이를 위하여 Lead-I전극 방향과 Lead-II전극 방향으로 측정전극간 거리를 3개의 구간으로 나누어 표면전위를 측정하였으며, 심장의 전기쌍극자 모델에 의거하여, 각각의 측정전극에서 측정된 신호를 합하여 하나의 합성 심전도를 만들고, 이를 기준 심전도와 상관성을 분석하였다. 전체적으로 90 %이상r=0.
이에 본 연구에서는 체표면에서 표준 심전도 전극의 구성을 따르지 않은 경우의 측정신호에 대하여, 측정전극 거리 변화와 위치에 따른 측정신호의 변화실험을 진행하였으며, 심장의 전기 쌍극자 모델에 근거하여, 임상표준보다 짧은 거리의 전극 구성으로 측정된 다수의 표면전위를 합성하여 임상 심전도와의 유사성을 확인할 수 있었다.
전극 E1-E6는 양극 사지유도의 Lead-I 또는 Lead-II의 신호에 대응하도록 하였으며, 이를 기준파형으로 변화를 비교하였다.
전극 E1-E6의 위치는 양극 사지유도의 Lead-I의 신호에 대응하며, 이를 기준으로 파형의 변화를 비교하였다.
측정 실험은 표준 임상에서 기준이 되는 Lead-I과 Lead-II 측정을 기준으로, 전극간의 거리가 변화하였을 때와 기준 전극의 측정 궤적 안에 위치하는 복수개의 전위측정을 시행하였다.

대상 데이터

생체신호를 차동 증폭하기 위해 계장 증폭기(Instrument Amplifier)가 내장된 ADS1299 Chipset(Texas Instruments, U.S.A.)을 사용하여 회로를 구성하였다.
최종 출력단에는 낮은 오프셋 전압(5 μV), 단일전원 구동의 특성을 갖는 증폭기 OPA235 (Texas Instruments, U.S.A)를 버퍼를 사용하였다.
측정 대상은 특별한 심장관련 질환이 없는 성인남자(23±2세) 4명을 대상으로 측정하였으며, 측정 위치는 다음의 그림 6과 같다.

이론/모형

전원잡음 제거를 위한 Notch필터 등의 후처리를 위한 신호처리 알고리즘은 Python(2.7.13), Numpy(1.13.1), Matplolib(2.0.2)를 이용하여 구현하였다.

성능/효과

각각의 양극 전극에서 측정된 신호는, 심장을 중심으로 심방, 심실의 수축신호가 전극에 근접하는 경우와 멀어지는 경우에 생체표면 전위가 변화하는 것을 확인할 수 있다. 결국, 심장을 하나의 전기쌍극자로 본다면, 각각의 전극에서 측정된 신호의 벡터적인 합은 하나의 전위를 만들어 낼 것이며, 결국 인체가 완벽한 매질, 즉 전계를 손실 없이 그대로 전파(propagation)할 수 있는 매질이 아니기 때문에 근소한 오차를 포함하고 있을 것이다.
본 연구에서는 측정전극의 간격을 심장크기 정도(약 7~13 cm)의 길이로 선정하여 심장을 중심으로 좌, 우에 위치시키면서 전기활동을 측정하였다. 그 결과 전극의 위치에 따른 측정 파형의 변화를 보다 정확히 확인할 수 있었다. 심근의 수축으로 인한 탈분극(depolarization)과 재분극(repolarization)으로 인한 심근의 쌍극자 모델은 표면전극에서 측정되는 전위(potential)의 방향을 나타내고 있으며, 전극에 다가오는 쌍극자는 양(+) 전위를, 멀어지는 쌍극자는 음(-) 전위를 나타내었으며, 심방(atrium)과 심실(ventricle)의 수축에 따른 전위를 확인할 수 있었다[11].
실험에 참여한 4명의 합성된 심전도는 기준 심전도(Lead-I, Lead-II)대비 0.9113(±0.0169)의 피어슨 상관계수(Pearson correlation coefficient)를 보이고 있어 매우 유사한 결과를 얻을 수 있었다.
이 실험에서도 전극간 거리에 의한 영향은 그림 11처럼, 전극간 거리가 긴 쪽에서 측정된 전위신호가 더 크게 측정된다는 것을 확인할 수 있다. 결국, 전극간 거리는 가능한 길게 하는 것이 더 유리하다는 결론을 얻을 수 있다.
전체적으로 90 %이상r=0.9113±0.0169)의 피어슨 상관계수를 보여줌으로써, 임상에서 유의하게 활용될 수 있다는 가능성을 보여주었다.

후속연구

즉, 임상적으로 유의미를 판단해야 하는 상황에서는 새로운 측정기기를 연결하기보다는 기본 측정 장치에 전극이나 모듈을 추가적으로 부착 또는 연결함으로서 임상적으로 유의한 생체신호를 측정하는 것이 더 편리하고 효율적일 수 있다. 그러나, 다양한 피검자들을 대상으로 심전도 합성의 일반적인 가능성을 언급하기에는 대상자의 수가 많이 부족한 점이 있으며, 심장 전기쌍극자의 3차원적인 움직임에 의한 영향 및 양극/단극 유도에 의한 임상 심전도와의 상관성 분석 등 향후 추가적인 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심전도는 어떻게 얻을 수 있는가?	심전도는 탈분극과 재분극 과정을 거치면서 각각의 시간에 심장의 전기적 활동을 해석하여 얻을 수 있으며 심장 박동 수, 심장의 크기와 위치, 심장의 손상 여부 등의 생체 정보를 포함하고 있기 때문에 임상에서 많이 사용되고 있는 생체 신호이다.
	심장의 전기활동을 정확하게 측정하기 위해서 전극의 위치를 어떻게 배치해야 하는가?	이에 본 연구에서는 체표면에서 표준 심전도 전극의 구성을 따르지 않은 경우의 측정신호에 대하여, 측정전극 거리 변화와 위치에 따른 측정신호의 변화실험을 진행하였으며, 심장의 전기 쌍극자 모델에 근거하여, 임상표준보다 짧은 거리의 전극 구성으로 측정된 다수의 표면전위를 합성하여 임상 심전도와의 유사성을 확인할 수 있었다.심장의 전기활동을 정확하게 측정하기 위해서는 전극간의 거리가 가능한 멀리 배치해야 한다는 점이다. 임상 사지리드 유도법은 인체에서 가장 멀리 떨어진 왼팔과 오른팔의 손목 부위에 전극을 위치시키는 것은 바로 이런 이유에서이다.
	병원에서 웨어러블 시계를 임상적인 심박측정기기로 사용하지 않는 이유는 무엇인가?	그러나 아직도 병원에서 임상적으로 활용방안을 찾아가지 못하고 있으며, 단순한 운동 보조장치로 인식되고 있다. 이런 이유에는 다양한 원인이 있을 것으로 사료되나, 가장 큰 이유는 임상적으로 심장의 전기적 활동을 측정하는 심전도(Electrocardiography)와의 연관성(correlation)이 다르고, 임상의들이 해석하는 심전도의 기전에 대한 의미가 서로 다르기 때문일 것이다. 특히, 심장의 전기 활동을 기록한 심전도의 경우, 심장의 해부학적 근육의 움직임에 의한 생체전기 현상의 기전이 명확하여 유관 질환과의 연계성이 학문적으로 밝혀져 있으나[4], 시장에서 구입 가능한 다양한 웨어러블 형태의 심박 측정 장치들은 측정하는 부위, 환경 등 다양한 환경변수들에 의하여 측정된 파형의 유의미를 정확히 임상에서 질환으로 연결할 수 없기 때문에, 단순한 심장의 활동, 즉 심박만을 측정하는 목적으로 활용될 수밖에 없다[5].

참고문헌 (11)

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상세보기
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상세보기
A. M. Chan, N. Selvaraj, N. Ferdosi, and R. Narasimhan, "Wireless patch sensor for remote monitoring of heart rate, respiration, activity, and falls", Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2013 35th Annual International Conference of the IEEE, pp. 6115-6118, 2013.
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J. E. Madias, "Manual-based versus automation-based measurements of the amplitude of QRS complexes and T waves in patients with changing edematous states: clinical implications", Journal of Electrocardiology, vol. 41, no. 1, pp. 15-18, Jan. 2008.

상세보기
J. E. Madias, "aVR, An Index of all ECG Limb Leads, with Clinical Utility for Monitoring of Patients with Edematous States, Including Heart Failure", Pacing and Clinical Electrophysiology, vol. 32, no. 12, pp. 1567-1576, Nov. 2009.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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