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문제 정의
- 본 연구에서는 간접접촉 심전도 측정 기술과 심탄도 측정 기술을 결합해서 무구속적으로 심혈관계 역학 지표를 측정하는 장치를 연구하였다. 제안된 장치는 의자의 보조 등받이에 구현하였다.
- 이와 같이 심혈관계의 역학적 지표를 알아내기 위해서는 전기적 신호인 심전도와 기계적 신호인 맥파의 측정이 필수적이다. 본 연구에서는 일상생활에서의 무구속 심혈관계 진단을 위해, 무구속적인 심전도와 맥파 측정을 할 수 있는 의자 등받이를 개발하였다.
제안 방법
- 그림 12의 (a)는 심전도에서 측정된 R-R interval를 보여주며, (b)에서 , PEPm은 무구속 심전도와 무구속 심탄도에서 측정된 PEP를 나타낸다. PEPm은 심전도의 Q파와 심탄도의 첫 번째 peak사이의 시간으로 계산하였다. (b)에서 PEPi는 ICG로 측정된 PEP를 나타낸다.
- 간접 접촉 심전도 측정 기술을 적용한 무구속 심전도 측정 장치와 EMFi 센서를 활용한 무구속 심탄도 측정 장치를 의자의 등받이에 함께 설치하였다.
- 본 연구에서 개발된 무구속 심전도 심탄도 측정용 등받이를 이용하여 PEP 를 측정하고, 이를 ICG(impedance-cardiogram)을 이용하여 측정한 PEP와 비교하였다. 기준으로 사용된 ICG는 일반적인 ICG 측정 방법대로 strip 형태의 전극을 뒷 목 부분과 등의 아래 부분에 붙이고 측정하였다[10]. 측정 장비는 NICO100C (Biopac)을 사용하였으며, 주파수는 100kHz로 설정하였다.
- 피검자는 ICG 전극을 부착한 상태에서 무구속 심전도 심탄도 측정 등받이에 기대고 5분동안 측정하였다. 도중에 PEP를 변화시키기 위해 약 1분간 Valsalva maneuver를 실시하였다. 그림 12의 (a)는 심전도에서 측정된 R-R interval를 보여주며, (b)에서 , PEPm은 무구속 심전도와 무구속 심탄도에서 측정된 PEP를 나타낸다.
- 본 연구에서 개발된 무구속 심전도 심탄도 측정용 등받이를 이용하여 PEP 를 측정하고, 이를 ICG(impedance-cardiogram)을 이용하여 측정한 PEP와 비교하였다. 기준으로 사용된 ICG는 일반적인 ICG 측정 방법대로 strip 형태의 전극을 뒷 목 부분과 등의 아래 부분에 붙이고 측정하였다[10].
- 간접접촉 심전도 측정 시스템은 용량성 능동 전극(capacitive active electrode)과 용량성 접지로 구성된다[4]. 본 연구에서 적용한 용량성 능동 전극은 그림 1에 나타난 것처럼, 심전도에 의해 피부 표면에 발생하는 전위 변화를 인체의 피부 표면과 용량성 결합을 이루는 전극면을 통해서 감지하고, 전극면에 연결된 초단 증폭기를 통해 전극면에서 감지된 전위 변화를 증폭한다. 이 용량성 능동 전극을 이용해서 옷을 입은 상태에서 심전도를 측정하기 위해서는, 직물에 의해 피부와 전극면의 용량성 결합이 수십 pF 정도로 매우 적기 때문에 전극에 부착된 초단 증폭기의 입력 임피던스는 매우 높아야 한다.
- 심탄도를 측정하는 방법은 여러 가지가 있다. 본 연구에서는 심탄도에 의해 발생하는 압력 변화를 측정하는 방법을 적용하였다. 압력 변화를 측정하는 센서로서는 EMFi(Technical Research Center of Finland)를 사용하였다.
- 용량성 접지는 측정 시스템의 접지와 연결된 넓은 전도성 직물과 인체간의 용량성 결합에 의해 접지를 하는것을 의미하며, 인체의 피부와 직접 접촉 없이 의복을 통해서 접지가 된다. 본 연구에서는 접지의 성능을 높이기 위해서, 오른발 구동회로를 구성하고, 전도성 직물을 오른발 구동회로의 출력에 연결하였다.
- 측정 결과는 그림 12에 나타내었다. 피검자는 ICG 전극을 부착한 상태에서 무구속 심전도 심탄도 측정 등받이에 기대고 5분동안 측정하였다. 도중에 PEP를 변화시키기 위해 약 1분간 Valsalva maneuver를 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 5GΩ 을 RB로 사용하였다.
- 본 연구에서는 사양 상으로 입력 임피던스가 수십 TΩ인 OPA124 (TI)를 사용하였다.
- 사용된 전극은 높이 6mm, 가로 세로 35x45 mm 로 제작되었다. 그림 3은 용량성 능동 전극의 사진을 보여준다.
- 기준으로 사용된 ICG는 일반적인 ICG 측정 방법대로 strip 형태의 전극을 뒷 목 부분과 등의 아래 부분에 붙이고 측정하였다[10]. 측정 장비는 NICO100C (Biopac)을 사용하였으며, 주파수는 100kHz로 설정하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 심탄도에 의해 발생하는 압력 변화를 측정하는 방법을 적용하였다. 압력 변화를 측정하는 센서로서는 EMFi(Technical Research Center of Finland)를 사용하였다. EMFi 센서는 압력 변화에 의해 전압이 발생하는 일종의 압전 소자의 특성을 보인다.
성능/효과
- 그림 9의 (a)는 보조 등받이에 부착된 용량성 전극으로 측정된 간접접촉 심전도를 보여주며, (b)는 보조 등받이에 부착된 EMFi 압력 센서에서 측정된 신호를 보여준다. (b)의 파형에는 호흡에 의한 낮은 주파수의 등받이 압력 변화가 큰 진폭으로 나타나고, 여기에 상대적으로 작은 높은 주파수의 심탄도 (BCG)신호가 더해져 있는 것을 볼 수 있다.
- 측정된 BCG 에서 특징점으로 사용할 수 있는 peak를 검출할 수 있었으며, 이 peak 와 심전도의 Q peak간의 시간차는 pre-ejection period와 높은 상관관계가 있음을 보였으며. 따라서 본 연구에서 개발된 등받이를 무구속적인 pre-ejection period 측정에 적용 가능함을 확인하였다.
- Valsalva maneuver를 실시한 구간을 포함한 전 측정구간에서 두 PEP 의 차가 일정함을 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서 개발된 무구속 심전도 심탄도 측정 등받이를 무구속적인 PEP 측정에 적용할 수 있음을 볼 수 있다.
- 본 연구에서 등받이에 부착된 용량성 전극과 EMFi 압력 센서를 이용하면 무구속적으로 심전도와 호흡 신호가 포함된 BCG를 측정할 수 있음을 보였다.
- 측정된 BCG 에서 특징점으로 사용할 수 있는 peak를 검출할 수 있었으며, 이 peak 와 심전도의 Q peak간의 시간차는 pre-ejection period와 높은 상관관계가 있음을 보였으며. 따라서 본 연구에서 개발된 등받이를 무구속적인 pre-ejection period 측정에 적용 가능함을 확인하였다.
후속연구
- 이것은 개인적인 신체 조건이 다르고, 의자에 앉는 자세도 다르기 때문에 발생하는 것으로 이해된다. 따라서 본 측정 방법으로 BCG를 측정할 경우, 각 개인별 맞춤 형태로 분석이 이루어져야 할 것으로 예상된다.
- 본 연구를 통해 개발된 측정 시스템은, 향후의 일상생활에서의 무구속적인 호흡, 심전도, 그리고 Pre-ejection period 측정에 적용하며 , 향후 추가적인 연구를 통해 무구속 혈압 측정 연구에도 적용할 계획이다.
- 실제 개발된 시스템은 제작상의 편리를 위해 의자의 등받이가 아닌 보조 등받이에 설치되었는데, 향후 개발이 완료되면 의자의 등받이에 쉽게 설치할 수 있을 것으로 기대한다.
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