전도성 섬유를 이용한 웨어러블 ECG 모니터링 시스템 설계 및 평가

Abstract

[한글]본 논문에서는 일상생활에서 환자 혹은 일반인의 생체신호 모니터링을 위한 방법으로 전도성 섬유를 이용한 웨어러블 컴퓨팅 시스템을 개발하였다. 현대는 기술의 발달로 정보화 사회로의 변화가 진행되고 있으며, 언제, 어디서나 컴퓨터를 활용할 수 있는 유비쿼터스 환경의 중요성이 부각되고 있다. 이러한 유비쿼터스 환경은 의료분야에도 적용이 되어 발병 후 신속히 치료를 받을 수 있을 뿐만 아니라 일상생활에서도 의료기기를 착용하여 꾸준히 여러 가지 생체신호를 모니터링 함으로서 질병들을 미리 예방을 하는데 기여를 하고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 유비쿼터스 환경에 맞추어 심장관련 질환을 예방하기 위하여 웨어러블 심전도 모니터링 시스템을 설계하여, 안정된 심전도 획득과 편안한 사용자의 착용감을 동시에 만족시키고자 하는 것이 목적이다. 일반적으로 병원에서 사용되는 Ag-AgCl 전극은 모든 심전도 측정전극 중 가장 깨끗한 파형을 얻을 수 있지만 피부 트러블과 일정시간마다 바꿔줘야 하는 점과 같은 문제점이 있기 때문에 일상생활에 적용하기 힘들다. 그래서 섬유의 유연성을 가지면서 전기적 신호를 전달할 수 있는 특징을 지닌 친인체적인 전도성 섬유를 이용하여 접촉식 방식으로 움직임에도 강인한 Array전극을 의복위에 구성하였다. 또한 접촉식 심전도 모니터링 의복은 일정시간 사용 후 필수적인 세탁을 해야만 하고, 전도성 섬유가 면과 유사한 성질을 지니고 있더라도 장시간 착용 시 면으로 구성된 옷을 입고 있는 것보다 불편함을 느낄 수도 있다. 이 문제점들을 해결하기 위해 Active 전극을 이용한 비접촉 측정 방식을 고안하여 옷을 입은 상태에서 전극을 직접 피부에 닿지 않고 측정할 수 있도록 하였다. 전극은 입력임피던스가 높은 Preamp를 사용하였고, Ground 및 노이즈 감쇠를 위한 쉴드도 전도성 섬유를 이용하여 구성하였다. 심전도 측정 모듈에는 지그비 무선전송시스템을 결합하고, 최적화 및 소형화하여 휴대가 용이하게 하였다. 비접촉 방식에서 안정된 심전도 신호 측정을 위하여 전극과 피부사이에 존재하는 파라메터들에 대하여 연구를 진행하였으며, 이 중 가장 영향이 큰 것은 캐패시턴스임을 확인할 수 있었다. 전반적인 시스템 구성으로는 전도성 섬유와 Preamp로 구성된 전극을 통하여 심전도 신호가 심전도 모듈로 전달되며, Atmega128 MCU에 의해 심전도 아날로그 신호가 디지털 신호로 변환된다. 이 신호는 지그비로 보내지게 되고 무선전송 되어 수신부로 전송 되고 컴퓨터의 디스플레이 프로그램에 의하여 실시간 확인이 된다. 본 연구를 통한 결과를 고려하여 유비쿼터스 헬스케어 환경에서 이를 적용한 시스템이 구축된다면 심전도 신호를 획득하기에 보다 편리하고 안정된 시스템이 될 것이며, 심전도 신호 뿐만 아니라 다른 생체신호를 측정하는 것에도 적용될 수 있을 것이다. 궁극적으로 일상생활에서 생체신호 모니터링을 통하여 발병 시에도 신속하게 대처하여 돌연사를 막고, 건강을 더욱 체계적으로 관리해줄 수 있는 유헬스 케어 환경을 구축하는데 기여할 수 있을 것이다.

[영문]The wearable computing system using conductive fabric for

biosignalmonitoring ofpatients ornormalpeople in daily life is

developedinthispaper.

Thevariation to theinformation oriented society by thereason

ofdeveloped technologiesisproceeding and theimportanceofthe

ubiquitous conception is raised. This ubiquitous conception is

applied to medicalfield,and itis make the patientrapidly care

aftertaken illaswellascontributethatpreventfrom diseasesby

monitoring biosignals constantly with medicalequipment.In this

study,the goalis notonly getstable ECG signal,butalso feel

comfortable foruserby designing the wearable ECG monitoring

system. In the acquisition of the ECG signal, attaching the

Ag-AgClconductivegelfilledelectrodestotheskinwasapopular

method.Theelectrodecan notapply to daily lifesystem because

conventionalmethodology has severalproblems during long-term

monitoring in daily life. Continuous contact may cause some

uncomfortable feelings during a long.term monitoring. The

Ag-AgClgelfilledelectrodeisrestrictedtothedurability andthe

reusability.Moreimportantly,theprobability ofoccurrenceofskin

troublescouldbeincreasedatthewetelectrodetypesystem.Also,

the dry metalelectrode is notable to use to people who have

metalallergies.Therefore the conductive fabric that have both

electric conduction and flexibility is used in this system.The

Array electrode thatwe was organized on cloth is strong about motion. Also, The ECG monitoring cloth in contact type is

necessary thelaundry aboutlong useaswellastheusercan be

feltuncomfortablethan which wearthecotton cloth forlong time

measurement.Tosolvethisproblems,itmakepossibletomeasure

usingActiveelectrodewithconditionthatdoesnotcontacttoskin,

wearthe cloth.The electrode use high inputimpedance Preamp,

and Shield for decreasing the noise by using conductive fabric.

The ECG measurementmodule is integrated ofZigbee wireless

communicationanditisportableby optimization andminimization.

We analyzed the characteristic of the contact and noncontact

impedanceoftheconductivefabricelectrodetoverify theusability

ofthissystem andconfirmedthatthemostimportantfactoristhe

capacitance.Inthissystem,theconductivefabricelectrodesofthe

preampareconnectedtotheskin.Thosetwooperationalamplifiers

areusedasbufferstothetwodifferentialinputsignals.TheECG

module processes signalamplification and noise filtering for the

outputsignalsfrom thebuffer.TheMCU isusedtoconvertECG

signal from analog to digital and control the wireless

communication.

The goal of this study is developing user-friendly and

nonintrusiveECG monitoring system.Although Ag-AgClelectrode

has been generally used to measure ECG signal,it could not

overcometheunpleasantfeelingsandtheskintroubles.Wesolved

theseproblemsby applying toseveraladvanced technologies.The

results of this study show that the developed system can

guarantee the nonintrusive measurement of biosignalfor homeapplianceusersashospitalpatientinreal-

time.