KR200363794Y1 - 사운드카드용 부정맥 모니터링 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 컴퓨터에 표준 장착된 사운드카드에 단일증폭기와 필터로 구성된 심전계를 연결하여 표시프로그램에 의하여 표시되고 해석되는 심박변동에 의하여 부정맥을 모니터링 하는 사운드카드용 부정맥 모니터링 장치를 제공한다.

이러한 장치는 심장의 활동전위를 전기적 신호로 변환하여 증폭시키는 증폭기로 구성된 하드웨어부와 출력된 신호를 사운드카드에 입력하여 컴퓨터에 재현하여 표시와 해석을 하는 소프트웨어부로 구성되어 있다. 하드웨어의 구성요소는, 심전신호를 체표면으로부터 감지하기 위한 양전극과 음전극과 접지전극으로 구성된 표면유도전극(10), 단일증폭기(18), 증폭기에 초절전형 전원을 공급하는 안정화 전원공급부(19), 저역필터부(20),신호출력단자(21), 코넥터(14), 마이크로폰입력단자(15)로 구성되어 있으며 입력된 심전신호를 처리하는 방법으로서 해석프로그램에 의하여 디스플레이(17)에 표시하고 심박변동 및 부정맥을 모니터링 하는 것을 특징으로 하고 있다. 본 고안의 효과는 저 전력용의 단일 증폭기에 의하여 증폭된 신호를 별도의 조정 장치 없이 컴퓨터 본체에 표준 장착된 마이크로폰 입력단자에 직접 입력하여 사운드카드로 처리된 심전신호를 심박변동 표시 해석프로그램에 의하여 실시간 표시, 해석, 저장, 편집이 가능하고 디지털 녹음기에 저장되거나 해석할 수 있는 신규 부정맥 모니터링 장치를 제공할 수 있다는 장점이 있다.

Description

사운드카드용 부정맥 모니터링 장치{arrhythmia monitoring device with sound card module}

본 고안은 소형심전도 측정 장치를 만들어서 재택, 집단검진, 소형진료소에서 쉽게 부정맥을 진단할 수 있는 장치에 관한 것이다.

심근의 불규칙한 리듬을 말하는 부정맥은 심장발작의 원인이 되는 심근조직의 손상 혹은 자율신경의 이상 등으로 발생한다. 부정맥이 일어나면 심장박동이 너무 늦게(동성여맥:1분당 50박이하) 또는 너무 빠르게(동성빈맥:1분당 100박 이상) 뛰는 현상이 일어난다. 특히 심실빈맥은 심장발작이 가장 일어나기 쉬운 것으로 그것은 비정상적인 전기적인 신호가 심실에 전달되지 않아 산소를 충분히 품은 혈액을 조직과 기관에 정상적으로 전달 할 수 없기 때문에 허혈현상이 일어난다. 이러한 산소결핍은 어지러움, 의식불명 결국은 심장발작과 돌연사로 이어지게 된다. 이외에도 위험한 부정맥으로 심실성 기외수축, 심실세동, 발작성 상실성 기외수축 등이 있다.

부정맥을 방치하면 사망의 제1원인이 되는 심질환, 특히 급사와 돌연사로 이어지기 때문에 부정맥에 대한 정확한 예측과 진단이 필요하다.

부정맥을 진단하는 방법으로서 심장의 심방에서 심실로 전해지는 심근의 수축과 확장에 관련된 전기적인 연속적인 흥분을 기록하는 심전도 검사법이 가장 간단한 방법으로 알려져 있다. 기록된 심전도는 자극전달계의 전기적인 흥분을 나타내는 것이 아니고 전기적인 흥분이 심장전체의 근육을 자극함에 따라 발생하는 심방과 심실의 근육의 전기적인 변화이다. 따라서 단시간 기록된 심전도의 패턴을 통하여 부정맥을 관찰하는 방법과 장시간 기록된 심전도에서 심박변동을 계산하여 부정맥을 관찰하는 방법이 있다.

부정맥을 진단하기 위한 단시간 심전도 검사법과 장시간 심전도 검사법(홀터 검사법이라고 불리움)의 문제점은 측정과 진단장치가 초고가라는 점과 사용법과 해석법이 시간이 걸리고 대단히 복잡하다는 것이다. 따라서 사망의 제1원인이 심질환임에도 불구하고 학교나 군대의 집단 건강검진현장, 고령자양로시설, 순환기 계통의 전문적인 심질환 진단시설이 없는 농의촌과 소도시의 진료소 등에는 정기적이고 상시적인 심전도 검사는 불가능한 상태이다.

특히 이미 심질환으로 진단되어 치료를 위하여 투약을 받고 있는 재택환자들의 경우, 고혈압증이나 당뇨병을 가진 환자들이 가정에서 상시적으로 혈압계 또는 혈당계를 사용하는 것과 같은 자가체커 할 수가 있는 수단이 없기 때문에 언제 다가올지 모르는 심장발작과 급사에 대한 불안으로 생활의 질을 급격히 저하시키는 문제점을 지니고 있다.

따라서 재택, 특수요양시설, 집단 건강검진에 누구나 쉽게 사용할 수 있는 부정맥 진단장치가 강하게 요구되고 있다.

최근 전자기술 산업의 급격한 발달로 사용자의 편의대로 음성신호 및 화상신호를 디지털 신호로 변환하여 사용자의 편의에 따라 컴퓨터나 특정한 메모리장치에저장, 재생, 편집, 전송할 수 장치들이 등장하고 있다. 특히 휴대할 수 있는 소형PDA(퍼스널 디지털 어시스튼스), 소형컴퓨터, 소형휴대폰도 컴퓨터와 거의 동일한 기능을 가지고서 데이터를 자유롭게 입출력하고 저장, 재생, 전송할 수 있는 형태로 시판되고 있다.

특히, 종래의 의료기기들이 고가이고 부피가 큰 점을 고려하여, 예를 들면 소형디지털 녹음기, 소형컴퓨터, PDA기능을 가진 스마트폰을 사용하여 심전도의 기록장치 및 재생 및 전송장치로 사용하기 위한 다양한 시도가 되고 있다.

문제는 종래의 컴퓨터, 소형PC/PDA에 심전신호를 간단하게 입력하고 재생하고 해석하기 위해서는 심전도 측정 장치와 별도로 디지털신호의 변환장치를 필요로 하고 있었다.

예를 들면 생체 아날로그신호를 컴퓨터나 PDA에 입력시키는 방법으로는 일단 마이크로프로세서로 구동되는 A/D변환기로 디지털화 시킨 후 별도의 제어장치와 제어프로그램에 의하여 구동되는 USB(유니버셜시리얼버스) 또는 RS232C 시리얼포트를 통하여 컴퓨터에 입력시키는 장치와 방법이 있다.

따라서 종래에 측정한 심전신호를 컴퓨터에 입력하기 위해서는 별도의 마이크로프로세서, A/D변환기, 메모리장치, 필터회로로 구성되는 별도의 장치가 필요하기 때문에 부피가 커지고, 고가화되는 동시에 사용이 복잡해지는 문제점들이 있었다.

최근 아날로그 음성신호를 가장 간단히 디지털로 바꾸어 주는 장치로서 모든 종류의 컴퓨터(데스크탑, 노트북, 소형PC), 스마트폰, MP3플레이어, 디지털 녹음기에 표준 장착되어 있는 사운드카드가 있다.

사운드카드는 아날로그로 입력된 음원을 고성능 A/D변환기(샘플링주파수 22K-48KHz)를 통하여 디지털 음원으로 변환되어지고, 음원에 포함된 각종 잡음을 필터링하고 필요한 음원만을 가공하는 DSP (Digital Signal Processor, 디지털 신호프로세서)로 구성되어 1채널(모노)이 장착되어 있고 최고 8채널까지 신호를 입력할 수 있게 구성되어 있다.

가청할 수 있는 범위의 음성신호는 샘플링주파수가 22KHz이상으로 디지털화되어 오디오파일(WAV), 윈도우파일(WMA), MP3등의 파일의 형태로 저장될 수 있는데 차지하는 용량이 대단히 크다. 예를 들면 오디오파일의 경우 1시간 저장하는데 600메가바이트를 차지한다.

심전도의 경우는 높은 샘플링주파수로 디지털 신호로 변환되는 음성신호와는 달리 샘플링주파수가 500Hz만으로도 충분하기 때문에 종래의 사운드카드에서 표준적으로 사용되고 있는 22K-48KHz의 높은 샘플링주파수를 500Hz로 리샘플링 하면서 메모리 공간을 고려하여 바이너리파일로 저장하면 차지하는 메모리 사이즈를 훨씬 줄일 수 있다.

본 고안은, 종래의 심전계나 홀터 심전계가 가지는 고가, 사용의 복잡성, 큰 부피 등의 단점을 전부 극복하면서 표면전극과 초저전력의 단일심전증폭기로 구성된 장치로부터 컴퓨터 및 PDA가 표준으로 장착하고 있는 사운드 카드를 통해서 심전신호를 디지털 신호로 입력하고, 동시에 입력된 심전신호의 심박변동을 추출하여 부정맥을 진단하는 장치를 제공하고자 한다.

도1은 본 고안에 관한 사운드카드용 부정맥 모니터링 장치를 표시한 것이다.

도2는 본 고안에 관한 사운드카드용 부정맥 모니터링 장치의 블록선도를 표시한 것이다.

도3은 본 고안에 의한 심박변동과 부정맥 해석 처리과정을 나타낸 것이다.

도4a 및 도4b는 본 고안에 의하여 표시되는 심박변동 분포도의 원리의 일례를 나타낸 것으로 도4a는 심전도이고, 도4b는 심박변동 산포도이다.

도5는 본 고안에 의하여 해석되는 심박변동 분포도에 의한 정상심박(a)과 부정맥(b,c,d)의 실시 예를 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10, 10a: 표면전극 11, 11a: 장치홀더

12, 12a: 증폭부 13, 13a: 디지털녹음기

14, 14a: 연결라인 15, 15a: 마이크로폰 입력단자

16, 16a: 컴퓨터 본체 17, 17a: 디스플레이

18: 단일차동증폭기 19: 안정화 전원공급부

20: 저역필터부 21: 신호출력단자

이러한 목적을 달성하기 위하여 부정맥을 진단하는 장치는 체표면의 활동전위를 유도하는 전극, 초저전력 직류전원공급회로, 단일증폭기, 저역필터회로, 커넥터, 사운드카드, 심전도 표시 및 심박동해석 프로그램으로 구성하였다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 고안의 구성의 일예는 도1과 같이 심장에 있어서 심근의 전기적인 흥분의 경과를 나타내는 미세한 전기적인 신호를 감지하기 위한 유도전극으로서 염화은(AgCl)으로 만들어져 1회용으로 사용하고 버릴 수 있는 양전극, 음전극, 접지전극으로 구성된 표면전극(10)을 통해서 얻어진 신호를 증폭하고 저장하는 장치를 담는 장치홀더(11,11a)로 구성된다.

표면전극(10)을 통해서 얻어진 심전신호는 수 밀리 볼트 단위의 미세한 전기신호이기 때문에 신호를 증폭시킬 필요가 있다. 따라서 이러한 신호를 증폭하는 증폭부(12)와 처리된 신호를 바로 녹음하는 디지털 녹음기(13)로 구성된다.

디지털 녹음기(13)에 저장된 심전신호는 연결라인(14)을 통하여 컴퓨터본체(16)의 마이크로폰 입력단자(15)를 통하여 사운드카드에 입력되어지고 본 고안의 의한 표시 프로그램에 의하여 디스플레이(17)에 표시되어진다.

부정맥을 진단하기 위한 심전신호는 짧게는 5-10시간(안정위검사법, 안정좌위, 운동부하검사법), 길게는 24시간(홀터법) 동안 측정하는 것을 기본으로 하고 있는데, 1 시간 단위의 측정을 통해서 얻어진 심전도의 패턴과 심박변동으로도 부정맥을 충분히 진단할 수 있는 것으로 알려져 있다.

본 고안의 부정맥진단장치는 해석시간 및 인터넷 또는 전화를 통한 데이터의 전송단시간을 고려하여 기본적으로 단시간 검사법을 채용하여 빠른 시간에 간단하게 데이터를 처리할 수 있도록 하였으며 필요한 경우에 24시간 측정할 수 있도록 구성하였다.

5-10분 동안의 단시간 측정할 경우에는 안정위의 자세 또는 운동부하(자전거, 트레이드밀, 계단)의 상태에서 심전신호의 증폭부(12)를 커넥터(14)를 통해서 바로 컴퓨터본체(16)의 마이크로폰 입력단자(15)에 연결시켜서 측정한다.

장시간 측정할 경우에는 도1과 같이 증폭부(12)와 디지털녹음기(13)를 넣은 장치홀더(11) 를 허리에 차고서 연결된 심전전극(10)을 통해서 심전신호를 저장하고, 디지털 녹음기(13)에 저장된 신호는 연결라인(14)와 마이크로폰 입력단자(15)에 연결된 사운드카드를 통해서 컴퓨터 본체(16)에 전송되어진다. 여기서 디지털 녹음기는 일반적인 음성-음악 녹음용의 디지털 녹음기(SONY, 모델명ICD-ST10), 아날로그신호/디지털신호변환기, 대용량 메모리(최대6시간 녹음), 디지털신호/아날로그신호 변환기가 표준으로 내장되어 있으며 연결커넥터(14)는 외부잡음을 차폐하는 오디오용 커넥터이다.

컴퓨터 본체 (16)에 장착된 마이크로폰 입력단자(15)를 통하여 입력된 심전신호는 심전신호 표시, 심박변동해석, 부정맥진단프로그램에 의하여 디스플레이(17)에 표시되어지고 해석되어진다. 모든 컴퓨터에 표준 내장된 사운드카드는 16비트의 22KHz-48KHz의 샘플링주파수로 신호를 변환시키는 A/D변환기, 자동 필터링 기능을 가진 디지털 신호 프로세서로 구성되어 있다.

도2는 본 고안의 사운드카드용 부정맥 모니터링 장치의 블록선도를 나타내고 있다. 심전신호증폭기(12a)는 심장의 활동전위를 감지하고 유도하는 표면전극(10a)를 통하여 입력된 심전신호(V+, V-)는 소형 리튬 보턴전지(3V)를 초저전력으로 안정화시켜 양전압(+3V)과 음전압(-3V)을 공급시키는 안정화 전원공급부(19)와 이러한 안정된 전원공급부에 의하여 구동되는 단일 차동증폭기(18)로 구성되어진다.

본 고안에서 사용된 안정전원공급기(19)는 맥심사에서 제조된 스위치 캐패시터 전압변환기(칩모델:CL76시리즈)이며, 단일 차동증폭기(18)로는 버브라운사에서 제조된 초정밀, 저전력 차동증폭기 (칩모델:INA시리즈)를 사용하였다. 차동증폭기(18)의 증폭이득 G=1+(50000/R1)으로 계산되어지며 본 고안에서는 변환저항(R1)을 부착하여 증폭이득을 500-1,000배로 조정할 수 있도록 구성하였다.

단일 차동증폭기(18)에서 증폭된 심전신호의 출력전압치Vo=((V+)-(V-))xG으로 얻어지며 이 신호에는 여전히 체동에 의한 외부잡음이 들어 있을 가능성이 있기 때문에 RC필터(R2-C1, R3-C2)를 사용하여 잡음을 제거하는 저역필터(20)를 설치하였다. 여기서 콘덴서(C)는 극성탄탈륨콘덴서를 사용한다.

저역필터(20)의 신호출력잭(21)은 휴대용으로 착용할 경우에는 연결라인(14a)을 통하여 디지털 신호로 녹음이 가능한 디지털 녹음기(13a)에 연결되어지고, 안정위치에서 컴퓨터에 연결하여 측정할 경우에는 연결라인(14)을 통하여 컴퓨터 본체(16a)에 표준 장착되어 있는 사운드카드의 마이크로폰(15a)에 연결되어진다. 또한 운동부하중이나 일상생활 가운데 측정된 심전신호 데이터가 저장되어 있는 경우에는 디지털 녹음기(13a)를 바로 컴퓨터 본체(16a)의 마이크로폰잭 (15a)에 연결하여 심전신호를 전송하여 디스플레이(17a)를 통해서 볼 수 있다.

사용되는 디지털 녹음기(13a)는 내장된 A/D변환기와 엔코더에 의하여 WAV파일, MPEG파일, WMA파일, MP3파일로 저장이 가능하고 D/A변환기를 통하여 아날로그로의 출력은 물론이고 USB출력포터를 통하여 컴퓨터에 연결하면 고속으로 디지털 파일을 전송, 저장이 가능하도록 되어 있다.

컴퓨터 본체(16a)에 표준으로 장착된 사운드 카드는 입력된 아날로그 심전신호를 디지털 신호로 변환하기 위하여 16-32비트, 샘플링 주파수로 최저 22KHz에서 최고 48KHz를 가진 A/D변환기와 외부잡음을 제거하면서 고속으로 연산하는 DSP (디지털 신호 프로세서)로 구성되어 있다. 사운드카드를 통과하여 디지털 신호로 바꾸어진 심전신호는 경시적인 표시, 해석, 결과가 디스플레이(17a)에 표시되어진다.

도3는 사운드카드에 입력된 심전신호에 대하여 심박변동 과 부정맥을 해석 처리하는 방법과 과정을 나타낸 프로그램의 흐름도이다. 먼저 컴퓨터 본체(16a)에 장착되어 있는 마이크로폰 입력단자(15a)를 통해서 심전신호가 입력되면 본 고안의 표시프로그램을 통하여 실시간으로 심전신호입력(31)이 이루어지고 사운드 카드에 표준으로 정해져 있는 샘플링주파수 22K-48KHz중의 하나를 선택하여 샘플링 주파수결정(32) 이 이루어진다. 심전신호가 차지하는 메모리용량을 절약하기 위하여 적응필터 및 평활화 과정을 거쳐 심전도를 표시하는데 최적상태인 재샘플링 (500Hz)(33)이 이루어져 디스플레이에 심전도 및 심박표시(34) 가 이루어진다. 디스플레이에 표시된 심전신호는 일시정지, 확대, 축소, 편집이 가능하고, Q.R.S.T로나타나는 심전신호의 최고피크치인 R파를 추출하는 피크추출과 R-R간격의 검출(35)이 이루어진다. R-R간격의 계산이 되어지면 홀수번째의 R-R간격과 짝수번째의 R-R간격을 좌표화시킨 심박변동분포도가 작성되어진다. 이러한 분포도를 통해서 정상맥박, 부정맥의 판단과 진단이 이루어진다.

도4에서 본고안의 장치에 의하여 심전도 파형에서 R-R간격의 추출과 심박변동 분포도를 도4a 및 도4b에 나타낸 것이다. 심전도 파형은 P,Q,R,S,T로 불리는 패턴으로 나누어지며 심박변동을 나타내는 경시적인 R-R간격은 미리 정해지는 역치보다 높은 최고피크 R-R가 추출되어진다.

심전도에서 동결절에 발생한 자극이 좌우의 심방에 전해져 심방의 작업심근이 흥분을 시작하면 P파가 발생한다. 즉 P파는 심방의 흥분의 시작과 끝을 나타내는 파형이다.

심장의 자극전도계를 통해서 전기적인 흥분이 심실의 작업심근이 흥분하게 되면 예리하게 파동하면서 나타나는 전기적인 흥분이 바로 Q.R.S파형이다.

심박은 심실이 수축할 때에 발생하는 것이다. QRS파형이 심실의 수축에 대응하기 때문에 R파와 R파의 시간간격은 바로 심박의 간격과 일치한다.

경시적으로 추출된 R-R간격에 의한 심박변동을 2차원으로 보기 위하여 도4b와 같이 홀수번째의 R-R간격(가로축, R-Rn)과 짝수번째의 R-R간격(세로축,R-R_n+1) 간의 분포를 표시한다. 최종적으로 산포도의 패턴(임상적으로 유선형은 정상)은 임상적으로 의미가 있는 정상심박의 범위인 정방형 800msX1600ms 안에 분포되어 있는지를 관찰하고서 부정맥을 판단-진단(37)하는 과정을 나타내고 있다.

도5는 본 고안의 장치에 의하여 안정위에서 10분간 측정한 심전도로부터 추출한 심박변동을 2차원으로 표시한 분포도의 실시예이며, 도5a는 정상심박의 심박변동분포도인데 유선형의 패턴을 가지고 있는 것을 관찰할수 있다.

도5b는 심박이 분당 50회 이하로 천천히 박동하는 여맥성 부정맥을 나타내고 있다.

도5c는 치사적인 부정맥이라고 할 수 있는 심실세동부정맥을 나타내고 있다. 심실세동은 심장이 정지한 상태와 동일한 상태를 보이는 것으로서 심실의 근육이 분산되어 수축하여 심실이 규칙적으로 정돈되어 수축하지 않는다. 심근경색, 심부전, 심근증, 심근염 등이 이러한 심실세동의 원인으로 알려져 있다.

도5d는 경시적인 심전도의 중간에 QRS파형이 나타나지 않는 심방블록 부정맥을 도시하고 있다. 심방에서 심실로 전기적인 흥분이 전달되지 않음으로 발생하는 부정맥이다.

상술한 바와 같이 본 고안의 장치는 체표면 유도전극, 초저전력 증폭기, 저항-콘덴서를 통해서 얻어진 심전신호를 디지털 신호로 장시간 녹음할 수 있는 디지털 녹음기에 저장, 재생할 수 있고, 또한 컴퓨터에 표준으로 장착되어 있는 마이크로폰에 입력하여 사운드카드를 이용하여 처리된 디지털 심전신호를 컴퓨터 디스플레이에 표시, 해석, 저장, 재생, 전송할 수 있도록 하였다.

종래 전원 분리기가 반드시 필요하였던 교류전원용 심전계와는 달리 초소형 보턴전지를 사용하는 초저전력형 단일 증폭기를 사용함으로써 허리에 장착하고서장시간 녹음이 가능한 디지털녹음기에 의한 심전신호를 저장할 수 있다는 효과와 더불어 종래에 초고가인 홀터심전계를 대신하여 사용할 수 있다는 효과가 있다.

또한 심박변동을 실시간으로 처리하여 분포도의 패턴에 따라 정상심박변동과 치사적인 심박변동을 간단하여 해석할 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (4)

1. 심전신호를 얻을 수 있는 표면전극과, 사운드카드에 입력할 수 있는 범위의 심전신호를 출력시키도록 표면전극으로부터 추출된 심전신호를 증폭하기 위한 저전력 직류전원의 단일 차동증폭기와, 외부잡음을 제거하기 위한 저역필터를 포함하여 구성된 것으로 특징으로 하는 사운드카드용 부정맥 모니터링 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 재생되어 휴대폰, PDA 및 컴퓨터중 하나에 의해 심전표시 및 해석프로그램에 의하여 심전도 피크와 심박변동을 추출하고 부정맥을 판별하여 디스플레이장치를 통해 표시하기 위해 상기 단일 차동증폭기와 저역필터를 통해서 출력되는 심전신호를 디지털 신호로 장시간 녹음, 저장, 재생할 수 있는 디지털 녹음기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 사운드카드용 부정맥 모니터링 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 휴대폰, PDA 및 컴퓨터중 하나에 의해 심전표시 및 해석프로그램에 의하여 심전도 피크와 심박변동을 추출하고 부정맥을 판별하여 디스플레이장치를 통해 표시하기 위해 상기 단일 차동증폭기와 저역필터를 통해서 출력되는 심전신호를, 휴대폰, PDA 및 컴퓨터중 하나의 사운드카드에 입력시키도록 상기 저역필터나 디지털녹음기를 휴대폰, PDA, 및 컴퓨터중 하나의 마이크로폰 입력단자에 연결시키는 연결라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 사운드 카드용 부정맥 모니터링 장치.
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