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간접접촉 심전도 측정에서의 오른발구동 접지의 효과와 한계
The Effect and the Limitation of Driven-right-leg Ground on Indirect-contact ECG measurement 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.39 no.2, 2018년, pp.103 - 108  

임용규 (상지대학교 한방의료공학과)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study reviews the common-mode noise model of indirect-contact ECG measurement which uses capacitive electrode and capacitive ground, and shows the reason of the large common-mode noise in indirect-contact ECG. And then, this study shows driven-right-leg ground in indirect-contact ECG measuremen...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 간접접촉 심전도 측정에서 간접 접지에 의한 높은 접지 임피던스가 공통모드 잡음(common-mode noise)에 미치는 영향을 분석하고, 간접접지의 단점을 효과적으로 보완하는 방법인 오른발구동 접지(driven-right-leg ground)를 간접접촉 심전도에 적용하는 데에 있어서 고려할 점들을 제시하였다.

가설 설정

  • (4) 공통모드 잡음원은 여러 가지가 있을 수 있는데, 본 연구에서는 가장 영향이 크고 일반적으로 발생하는 전원선과 인체간의 전기적 용량성 결합에 의한 전원 잡음을 가정하였다. 전원선과 인체간의 전기적 용량은 여러 연구에서는 조건에 따라 다양한 값을 가정하였는데, 본 연구에서는 3pF으로 가정하였다[5,6,9].
  • 그림5는 오른발 구동 증폭기의 이득에 따른 차동 증폭기 입력단에서의 공통모드 잡음의 크기를 나타낸 것이다. 공통모드 잡음원 VN은 1V로 가정하였다. 이득이 낮은 경우 1 Hz 이하의 낮은 주파수 대역에서 공통모드 잡음이 감소하는 것을 볼 수 있는데, 이는 용량성 전극의 특성에 의해 낮은 주파수 이득이 감소하기 때문으로 분석된다.
  • 그림 2는 간접접촉 심전도 측정 장치의 공통모드 잡음 모델을 나타낸 것이다. 두 전극의 전극 임피던스 ZE와 초단 증폭기의 입력 임피던스 ZA가 동일하다고 가정하였다. 차동증폭기의 입력단에서 관측되는 공통모드 잡음은 VCM으로 표시하였고, 차동증폭기는 공통모드 잡음에 대해서는 1/CMRR의 이득을 가지는 증폭기로 나타내었다.
  • 본 연구에서는 RA를 일반적으로 사용되는 5GΩ으로 가정하였다.
  • 본 연구에서는 전극면의 크기를 4 cm × 4 cm (16 cm2), 전극면과 피부 사이의 의복의 두께 1 mm 그리고, 의복의 유전율을 2라고 가정하였다.
  • 는 접지판과 인체간의 전기적 용량에 의해 결정된다. 의자의 좌판 위에 놓인 넓은 전도성 직물과 인체간의 대면 유효 면적은 신체조건, 의복 등에 따라 다양하게 변화하겠지만, 본 연구에서는 800 cm2 정도로 가정하였다. 이에 따라 CG를 1.
  • 의자의 좌판 위에 놓인 넓은 전도성 직물과 인체간의 대면 유효 면적은 신체조건, 의복 등에 따라 다양하게 변화하겠지만, 본 연구에서는 800 cm2 정도로 가정하였다. 이에 따라 CG를 1.5nF으로 가정하였다.
  • (4) 공통모드 잡음원은 여러 가지가 있을 수 있는데, 본 연구에서는 가장 영향이 크고 일반적으로 발생하는 전원선과 인체간의 전기적 용량성 결합에 의한 전원 잡음을 가정하였다. 전원선과 인체간의 전기적 용량은 여러 연구에서는 조건에 따라 다양한 값을 가정하였는데, 본 연구에서는 3pF으로 가정하였다[5,6,9].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
간접접촉 심전도 측정장치는 무엇으로 구성되는가? 용량성 전극(capacitive electrode)를 이용하여, 인체의 피부에 전극을 직접 접촉하지 않고 의복 위에서 심전도를 측정하는 간접접촉 심전도 측정 (Indirect-contact ECG, IDC-ECG) 기술이 개발되었다[1-3]. 간접접촉 심전도 측정장치는, 의복 위에 부착하는 용량성 전극과 피부와 직접 접촉 없는 접지판 그리고 고입력 임피던스 증폭기로 구성된다[1,4]. 
오른발 구동 접지를 사용할 때 나타날 수 있는 단점은 무엇인가? 오른발 구동 접지는 접지 임피던스를 줄이는 효과를 가져오며, 오른발 구동 회로의 이득이 높을수록 효과가 커진다. 그러나 간접접촉 심전도 측정에서는 오른발 구동 회로의 이득을 높일 경우에, 오른발 구동 회로의 출력이 포화되는 현상이 발생하기 쉽다. 이 출력이 포화되면, 공통모드 잡음의 감소 효과도 줄어드는 것과 더불어, 공통모드 잡음의 비선형적 왜곡에 따른 고조파 잡음이 발생할 수 있다. 이 연구는, 간접접촉심전도 측정의 특수성에 의해, 오른발 구동 접지가 간접접촉 심전도 측정에 미치는 효과와 한계를 규명함으로써, 간접접촉 심전도 측정 시스템의 성능 개선 및 응용 연구에 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
간접접촉 심전도 측정 방법이 가지는 장, 단점은 무엇인가? 간접접촉 심전도 측정 방법은 기존의 심전도 측정에 비해서, 피부와의 직접 접촉을 필요로 하지 않는 장점에 의해 일상생활에서의 무구속 심전도 측정 분야로 활용될 수 있는 가능성이 있는 반면에 기존의 심전도 측정 방법에 의한 심전도보다 신호의 질이 떨어진다는 단점을 가지고 있다[1]. 기존의 심전도 측정보다 전극과 인체간의 상호 움직임에 의한 동잡음의 영향을 많이 받으며, 전원 잡음(60 Hz 잡음)도 크게 발생한다.
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참고문헌 (11)

  1. Y. G. Lim, K. K. Kim, and K. S. Park, "ECG measurement on a chair without conductive contact," IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 53, no. 5, pp. 956-959, 2006. 

  2. A. Ueno, Y. Akabane, T. Kato, H. Hoshino, S. Kataoka, and Y. Ishiyama, "Capacitive sensing of electrocardiographic potential through cloth from the dorsal surface of the body in a supine position: a preliminary study," IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 54, no. 4, pp. 759-766, 2007. 

  3. J. M. Lee, F. Pearce, A. D. Hibbs, R. Matthews, and C. Morrissette, "Evaluation of a Capacitively-Coupled, Non-Contact (through Clothing) Electrode or ECG Monitoring and Life Signs Detection for the Objective Force Warfighter," in RTO HFM Symposium St. Pete Beach, USA, 2004, pp. 1-10. 

  4. Y. G. Lim, K. K. Kim, and K. S. Park, "ECG recording on a bed during sleep without direct skin-contact," IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 54, no. 4, pp. 718-725, 2007. 

  5. R. Pallas-Areny, "Interference-rejection characteristics of biopotential amplifiers: a comparative analysis," IEEE Trans. Biomedical Engineering, vol. 35, no. 11, pp. 953-959, 1988. 

  6. B. B. Winter, and J. G. Webster, "Reductionl of Interference Due to Common Mode Voltage in Biopotential Amplifiers," IEEE Trans. Biomedical Engineering, no. 1, pp. 58-62, 1983. 

  7. B. B. Winter, and J. G. Webster, "Driven-right-leg circuit design," IEEE Trans. Biomedical Engineering, no. 1, pp. 62- 66, 1983. 

  8. K. K. Kim, Y. K. Lim, and K. S. Park, "Common mode noise cancellation for electrically non-contact ECG measurement system on a chair," IEEE-EMBC 2005, pp. 5881-5883. 

  9. A. C. Metting van Rijn, A. Peper, and C. A. Grimbergen, "High-quality recording of bioelectric events_Part 1_Interference reduction," Medical and Biological Engineering and Computing, vol. 28, no. 5, pp. 389-397, September 01, 1990. 

  10. S. M. Lee, K. S. Sim, K. K. Kim, Y. G. Lim, and K. S. Park, "Thin and flexible active electrodes with shield for capacitive electrocardiogram measurement," Medical & biological engineering & computing, vol. 48, no. 5, pp. 447-457, 2010. 

  11. T. Komensky, M. Jurcisin, K. Ruman, O. Kovac, D. Laqua, and P. Husar, "Ultra-wearable capacitive coupled and common electrode-free ECG monitoring system," IEEE-EMBC 2012, pp. 1594-1597. 

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