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 Bio-electric signal

용량성 결합의 생체신호 측정 전극

비접촉 생체신호 측정 전극으로 알려진 용량성 결합의 전극은 피부와의 전기적인 접촉 없이 생체신호의 취득을 가능하게 한다. 기존의 전극에서 이온전류의 흐름을 감지함으로 측정이 이루어진다면, 용량성 전극에서는 변위전류의 감지로부터 측정이 이루어진다. 이 때 전극과 피부와의 인터페이스는 의복, 머리카락 등의 절연물질로 대체된다. 용량성 결합의 전극은 의복을 착용한 상태에서 심전도/근전도 측정, 절연처리를 통하여 수중에서의 심전도/근전도 측정은 물론 머리카락위에서 뇌전도 측정도 가능하게 한다. 이론적으로 피부와 전극사이에 결합되는 캐패시턴스가 수pF으로 작기 때문에 매우 높은 입력임피던스의 초단증폭기와 biasing, guarding 그리고 shielding 방법이 매우 중요하다. 우리는 기술적인 이론부터 u-, e-, m-health 그리고 뇌-컴퓨터 인터페이스 (BCI)까지 용량성 결합의 생체신호 전극에 대한 폭넓은 연구를 수행하고 있다. 용량성 전극은 생체신호를 사전정보로 사용하는 모든 의공학기술 분야에 있어 더욱 무구속적이며 유연한 차세대 기술을 제공할 것이라 기대하고 있다.


Figure 1. Capacitive electrode model including the electrode-skin interface model


Figure 2. Three dimensional conceptual drawing of the capacitive electrode that contains electrode face, pre-amplifier circuit and shielding>


Capacitive bio-potential electrodes, also known as non-contact bio-potential electrodes, allow acquiring bio-potentials without galvanic contact with the bare skin. They operate with displacement currents instead of ionic current flow, and the electrolytic electrode-skin interface is replaced by a dielectric insulation layer. The use of capacitive electrodes enable electrocardiogram (ECG) measurement through clothing, electromyogram (EMG) measurement through clothing or water-proof materials, and even electroencephalogram (EEG) measurement through hair. In the principle, coupling capacitances are of the order of pF calling for ultra-high input impedance amplifiers and careful biasing, guarding and shielding. We have studied wide aspects of capacitive electrode from technological principles to applications for u-, e-, m-health and brain-computer interface (BCI) for translating laboratory examination to practical daily care service. We expect that our capacitive electrode provides a more flexible and non-intrusive tool that should be further studied in the next generation of all biomedical technology that uses bio-potentials as a prior information.

 Bio-optical signal

무구속 광용적맥파(PPG)

일상 생활중에 건강을 모니터링 하는 기술에 대한 관심이 많아지면서 무구속적으로 생체신호를측정하는 연구에 대한 관심으로 발전되고 있다. 대부분의 무구속 측정 시스템의 경우 가전제품이나 가구, 옷 등에 전극을 삽입하여 피부와의 직접적인 접촉을 통해 생체신호를 측정한다. 하지만 일반적으로 사람들은 아주 작은 부위의 피부만 드러난 옷을 일상생활 중에 입으므로 그러한 시스템을 사용하는 것에는 한계가 있다. 그렇기 때문에 옷을 통과해서 생체신호를 측정하는 기술이 필요하여 본 연구실에서는 무구속으로 광용적맥파를 측정하는 시스템을 개발하였다.
Beer-Lambert의 법칙에 따르면 빛을 흡수하는 성질을 가진 일정한 매질을 통과하는 빛의 세기는 기하급수적으로 감소하며 그 크기는 물질의 흡수계수와 빛이 지나가는 물질의 길이에 영향을 받는다. 일반적인 PPG 측정의 경우, 빛은 피부의 색소나 뼈, 정맥, 동맥을 지나가게 된다. PPG를 옷 위에서 측정하게 되면 빛은 추가적으로 옷을 통과해야 하며 출력 신호는 옷에 의해 더 작아지게 된다. 게다가 여러 종류의 옷들의 흡수계수와 광학거리가 종류마다 다르므로 PPG 신호를 얻기 위해서는 높은 광량의 빛을 사용하는 것이 필수 적이다. 그래서 본 연구실에서는 Figure 1과 Figure 2와 같은 센서를 개발 하였다.

The growing interest in health monitoring during daily life has led to many studies on unconstrained biological signal measurements. Most of the systems for unconstrained measurement have used “fixed-on-environment” electrodes installed on appliances, furniture, or clothing that require exposed skin for direct contact with sensors. However, people normally wear clothes with only a small area of bare skin exposed during their daily life and, therefore, the application scope for “fixed-on-environment” electrodes is limited. Thus, the ability to measure biological signals through clothing is required for the practical application of this kind of sensory system. So, our group has developed nonintrusive PPG measurement system.
 According to the Beer-Lambert law of spectrophotometry, the intensity of light traveling through a uniform medium containing an absorptive substance decreases exponentially with the absorptive coefficient and the optical path through the medium. In conventional PPG measurements, light travels through various media, including skin pigmentation, bones, and venous and arterial blood. Since cloth can be thought of as an additive layer of light-absorptive medium, an output signal through cloth will be relatively weaker than that of conventional PPG measurement. Additionally, because of the various absorptive characteristics and optical path lengths of different cloth types, acquisition of an acceptable PPG signal through these materials necessitates the use of a high-intensity light source and a sensor that can vary according to cloth type. So, in our group, we developed PPG sensor as Figure 1 and Figure 2.


Figure 1. 3개의 광원을 사용한 PPG 센서의 개념도
Conceptual diagrams of the proposed PPG sensor with three light


Figure 2. 광량을 자동으로 조정할 수 있는 기능이 포함된 PPG 측정 시스템의 블록 다이어그램
Block diagram for the proposed PPG measurement system that includes an adaptive light intensity control function using dc components

 

Figure 3. 여러가지 옷 종류 위에서 측정된 PPG 신호의 파형들: (a) white dress shirt, (b) black dress shirt, (c) white T-shirt, (d) red T-shirt, (e) blue T-shirts, (f) upper business suit at the back region, as well as (g) beige cotton pants, (h) dark blue cotton pants, (i)blue jeans, and (j) lower business suit at the thigh region.
 

Figure 4. 무구속적으로 PPG를 허벅지에서 측정할 수 있는 시스템을 포함한 의자
Completed chair with nonintrusive photoplethysmogram(PPG) measuring system

 Bio-physical signal

심탄도(Ballistocardiogram, BCG)

심장주기 동안 심실로부터 배출된 혈액이 대동맥을 통과하는 순간 우리 몸에 반동을 전달하게 된다. 이와 관련된 심장 및 혈관에서의 혈류변화에 따른 진동(탄도)을 계측한 신호를 심탄도(Ballistocardiogram, BCG)라고 한다.

When the heart beats, blood is ejected into the arteries, which causes action-reaction processes such as vibrations of the body surface according to Newton’s third low. Ballstocardiogram is recording the ballistic force imparted by the motion of blood and heart during each cardiac cycle.
 Similar to the electrocardiogram, it works as indicator for monitoring heart activity.

Figure 1. Example of a BCG signal

심탄도는 심전도와 유사하게 심장의 활동상태를 나타내는 지표로서 심박출량, 심근기능 손상에 따른 역류 및 이상혈류 현상에 대한 정보를 포함하는 것으로 알려져 있다. 따라서 이 생체신호는 심장기능 평가, 심장병(심근장애 등) 진단, 치료효과 확인 및 회복 정도 관찰 등 임상적으로 활용할 수 있는 잠재성을 가지고 있다.
심탄도 신호는 가속도 센서, 로드셀 센서, PVDF필름 센서, EMFi 센서 등을 통해 측정할 수 있다. 이러한 센서들을 이용하면 신체에 전극을 부착할 필요가 없기 때문에 무구속•무자각 상태에서 신호를 계측할 수 있으며, 장시간 또는 일상생활 중 건강 모니터링에 유용하게 활용될 수 있다.

The signal has been measured from accelerometer, load cell sensor, PVDF film sensor, EMFi sensor and so on. Because there are no electrodes required to be attached to the body during measurement, ballistocardiogram has potential to be long-term non-invasive and non-intrusive measurement of biological signals in daily life.

Figure 2. (a) Schematic diagram of non-constrained biological signal measurement system. The BCG was measured from a weighing scale sensor under the feet and the ECG was measured from (a) the hands (b) the feet using dry electrodes.


Figure 3. Measurement of BCG signal  (a) on a chair using PVDF film sensor (b) on a bed using load cell.

우리 연구실에서는 심탄도 신호의 특성을 분석하는 연구를 진행하고 있다. 이를 위해 신호를 주파수 영역별로 구분하고, 각 피크 성분이 가지는 생리학적 정보를 찾고, 올바른 피크를 검출하는 알고리즘을 개발하고 있다. 또한 심탄도의 J파는 등용적성 수축기 다음에 진행되는 박출기의 최대 혈액배출과 관련된다는 생리학적 정보를 기반으로 하여, 심전도 신호와 심탄도 신호를 함께 분석한 정보로부터 혈압과 관련된 파라미터를 추출해 혈압을 추정하는 연구를 진행하고 있다.

Our laboratory has been intensively studying the ballistocardiogram characteristics. We have been analyzing the signal in the frequency domain, finding the physiological information from the signal and   developing proper peak detection algorithm. Also we have been investigating blood pressure estimation from the time interval parameter which derived from electrocardiogram and ballistocardiogram. It is based on physiological information that J wave of BCG is related to maximum impulse occurred just after isovolumetric contraction.


Figure 4. (a) Measured ECG and BCG signals and time interval parameter, R-J interval (b) correlation between the SBP and R-J interval.

Body Temperature

체온은 맥박, 호흡, 혈압과 함께 4가지 활력 징후를 구성하는 요소 중 하나로서 인체의 건강 상태를 반영하는 지표이다. 병원균이 체내에 침입하면 백혈구의 활동으로 내인성 발열 물질이 생산되고 이 물질들이 시상하부를 자극하여 체온이 증가한다. 따라서 병원균의 체내 유입이 의심될 경우, 체온 측정을 반드시 필요로 하며 이는 21세기의 대표적 전염병인 Swine flu가 창궐했을 당시, 영국 내 체온계의 판매량이 크게 증가한 현상에서도 관찰할 수 있다[1].

체온은 환경의 영향(방 온도, 방 습도, 기류 등)을 받기 쉬운 ‘피부 체온’과 환경의 영향에 관계없이 거의 일정하게 유지되는 ‘심부 체온’으로 구분할 수 있으며 현재 심부 체온을 측정하기 위해 전자 체온계, 귀 적외선 체온계, 직장 체온계, 식도 체온계 등이 상용화되어 있다. 임상적으로 주로 사용되는 전자 체온계와 귀 적외선 체온계의 경우, 측정 방법은 간단하지만 구속적인 방법으로 장시간의 심부 체온 모니터링에 적절하지 않다. 한편, 수술실이나 중환자실에서 연속적으로 심부 체온을 모니터링하기 위해 사용하는 직장 체온계나 식도 체온계는 매우 정확하게 심부 온도를 측정할 수 있지만 다소 침습적인 방법으로 외상의 위험이 있다.

본 연구팀에서는 u-Healthcare 중의 심부 체온 모니터링을 실현하기 위해 기존의 단속적, 침습적 체온계가 아닌, 비침습적이면서도 연속적 모니터링이 가능한 체온계에 대한 연구를 수행하고 있다.

 

Body temperature is one of the four vital signs that indicate human being’s overall physiological states. When pathogens invade the body, the leucocytic cells produce endogeneous pyrogens and then it stimulates the hypothalamus, which results in the increase of body temperature. Therefore, if people are doubtful about the break-in of the pathogenic bacterium, it is highly recommended to check the body temperature. The importance of checking the body temperature is already known from the case of England when Swine Flu spread all over the world and the sales of digital thermometers are notably grown.

Body temperature can be categorized into the skin temperature and deep body temperature. The former can be easily affected by environmental factors such as room temperature, humidity, and air flow. Whereas, the latter is relatively stable under the different circumstances. In general, the digital thermometers, ear infrared thermometers, rectal thermometers and oesophageal thermometers are used to measure the deep body temperature. Although the digital thermometers or infrared thermometers are easy to handle, they are not suitable for long-term deep body temperature monitoring because they can be intrusive. Meanwhile, the rectal thermometers or oesophageal thermometers used in ICU or operating room are too invasive that could cause injury to the patients.

Our research team is focusing on developing a noninvasive temperature monitor which can replace the previous discontinuous or invasive thermometers for u-Healthcare.

Reference
[1]http://blog.nielsen.com/nielsenwire/consumer/continued-swine-flu-concern-driving-uk-thermometer-sales/ (accessed Nov., 19, 2012)

 

 

 

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