KR20060005094A

KR20060005094A - 휴대형 심전도-호흡신호 동시측정 장치

Info

Publication number: KR20060005094A
Application number: KR1020040053962A
Authority: KR
Inventors: 주기환; 전기한
Original assignee: 주식회사 씨아이디
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-01-17

Abstract

본 발명은 본 발명은 표면전극과 압전센서를 사용하여 심전도-호흡신호를 동시에 측정장치에 관한 것이다.

이러한 장치는 심근의 전기적인 흥분의 경과를 나타내는 미세한 전기적인 신호를 감지하기 위한 장치로서 염화은으로 만들어진 양전극(1)과 음전극(2)과 접진전극(3), 호흡에 따른 횡격막의 이동에 의하여 흉부의 위치변화를 감지함으로써 호흡리듬신호를 감지하는 압전센서(4)를 장착하는 장착벨트(5), 각 전극과 센서에서 추출된 심전신호와 호흡신호를 입력하여 증폭하고 필터링하는 장치인 신호증폭장치(6), 증폭되어지고 필터링 된 두 개의 신호를 전송하는 선이 통신선(7), 즉 RS232C 혹은 USB입력단을 통해서 입력되어 실시간을 표시할 수 있는 휴대형 소형컴퓨터(PDA)을 포함하여 구성된다. 본 발명의 효과는 호흡리듬 측정용 압전센서와 심전전극, 각각의 단일 증폭기에서 얻어진 심전도와 호흡신호를 A/D변환기를 내장한 단일 마이크로프로세스에 통합하여 신호처리를 할 수 있고 소형 단말장치와 연결하여 휴대형으로 심전도와 호흡신호를 동시에 표시함으로서 홈닥터가 심질환의 재택환자를 진료할 경우, 외래환자를 상시적으로 진찰하는 전문의들이 진찰하는 경우, 입원환자를 살피는 간호사들이 상시적으로 휴대하면서 간단히 심전신호와 호흡신호를 얻을 수 있다는 발명의 효과를 지니고 있다.

Description

휴대형 심전도-호흡신호 동시측정 장치{portable device for simultaneously measuring an electrocardiogram and a respiration signal}

도1은 본 발명에 관한 휴대형 심전도-호흡신호 동시 측정장치의 실시예를 표시한 것이다.

도2는 본 발명에 관한 휴대형 심전도-호흡신호 동시 측정 장치의 구성의 블록선도를 나타낸 것이다.

도3은 본 발명에 관한 휴대형 심전도-호흡신호 동시 측정장치의 회로를 나타낸 것이다.

도4는 본 발명에 관한 휴대형 심전도-호흡신호 동시 측정장치에 의해 측정된 심전도와 호흡신호를 나타낸 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

1: 양전극 2: 음전극

3: 접지전극 4, 4a: 압전센서

5: 압전센서 장착벨트 6, 6a, 6b: 신호증폭장치

7, 7a, 7b: 통신선 8, 8a, 8b: 소형컴퓨터

9: 압전판 10: 플라스틱용기

11: 실리콘고무 12: 출력선

S1:호흡측정센서 S2:심전전극센서

OP1: 압전신호 증폭칩 OP2: 심전신호 증폭칩

RC1,RC2: 저역필터회로 DC: 공급전원부

MIC: 마이크로프로세서 RAM: 메모리

PDA: 소형컴퓨터 D1: 다이오드

R1,R2, R3, R4, R6, R7: 저항 R5: 가변저항

C1, C2, C3: 콘덴서

본 발명은 심전전극과 압전센서로 심전도와 호흡신호를 동시 측정하여 단일 증폭칩, 저역필터회로, 단일마이크로프로세서로 두 신호를 처리하여 휴대형 소형컴퓨터에 심전도-호흡신호를 표시하는 장치에 관한 것이다.

전 세계에서 사망의 제1원인은 심장질환으로 알려져 있다. 심장질환에는 심근경색, 관상동맥질환, 부정맥등 여러 가지가 있지만 방치하면 돌연사와 급사의 주원인이 되는 것으로 알려져 있다. 이러한 심장질환을 진단하는 가장 간단한 장치와 방법은 혈압계와 온도계와 같이 심전도와 호흡신호를 측정하여 판단하는 것이다.

종래, 병원이나 진료소에서 심장질환을 진단하기 위하여 측정하는 장치는 고전적인 청진기, 5-10분정도의 심전도를 측정하여 심전도의 변화를 직접적으로 보는 심전도계, 24시간 측정할 수 있는 휴대형 홀터심전계 등의 장치가 있다.

문제는 전문의들이 가장 많이 사용하고 있는 청진기로는 중증의 심질환을 제외하고는 일반적인 심질환을 예측한다는 것은 불가능한 일아며 임상에서 심질환자의 진단에 필수적으로 사용되는 심전계나 장시간 홀터의 장치들이 환자 편에서는 상시적으로 측정 받을 수 없다는 점, 초고가라는 점과 반드시 병원에 가서 측정해야 한다는 단점이 있다.

장시간 측정이 가능한 홀터심전계에서 얻어진 심전신호는 많은 잡음신호를 가지고 있어서 정확한 부정맥을 예측하는데는 많은 어려움이 있다. 특히 부정맥이 원인이 되는 급성 혹은 만성적인 심근경색환자의 경우 심근경색후 3개월에서 1년사이에 대개 돌연사 하는 경우가 대부분이므로 심장질환자의 경우 가정에 상시적으로 휴대하면서 측정할 수 있는 장치가 절대적으로 필요하다.

심질환의 환자의 경우, 투약효과를 보는 휴대용의 심전도측정장치와 심박변동장치는 필수적인 것은 물론이고 건상자의 경우에 있어서도 사망의 제1원인인 심장질환의 발병을 미리 예방하는 차원에서 자신의 심박변동을 정기적으로 측정하여 그 이상변동에 미리 대처함으로써 돌연사를 미연에 방지할 수 있는 수단이 될 수 있을 것이다.

심질환자의 경우 호흡성질환과도 연결되기 때문에 심전도의 측정과 더불어 호흡신호의 측정도 반드시 필요하다. 심호흡을 하였을 경우 또는 운동부하에 따른 호흡변화와 관련된 심전도의 측정이 필요하다. 지금까지 스포츠의학분야를 제외하고는 호흡신호의 측정을 심전도와 분리하여 측정하는 경우가 많고, 호흡신호의 측정도 고가의 장비를 이용하여야 가능하다는 문제점을 지니고 있다.

돌연사에 관련된 심장질환을 생리학적, 객관적으로 정확히 판달할 수 있는 기초적인 방법은 심전도와 호흡신호를 동시에 측정하여 판단하는 것이다.

돌연사의 원인이 되는 중중의 부정맥이 발생하는 원인은 심근의 갑작스러운 활동이라고 불리는 심근의 격발활동과 자율신경의 이상활동으로 생긴다. 중증의 부정맥 현상이 일어나면 호흡이 거칠어지고 어리러움증이 일어나면 그대로 방치하게 되면 심장경색과 더불어 갑작스럽게 사망하는 돌연사의 원인이 되기도 한다. 따라서 돌연사를 예방하는 수단으로 심전도와 호흡신호를 정기적으로 측정하여 살펴보는 것은 대단히 중요하다.

현재 심전도를 측정하는 장치가 많이 개발되어 있지만 대부분이 임상용이며 사용하기가 복잡하고 고가이며 또한 교류를 사용함으로 인한 감전의 위험성과 휴대가 가능하지 않는 등의 많은 단점들이 있다.

심질환을 진단하기 위하여 장시간 측정하는데 사용되는 홀터심전계의 경우 초고가라는 점과 흉부통증, 호흡곤란, 불규칙적인 심장박동 등 환자가 자각할 수 있는 심근경색의 직전 즉 돌연사에 직간접적으로 연결될 수 있는 상황임에도 불구하고 임상현장에서는 실제적인 심전도의 장시간 측정-해석-진단에 까지 이르는 많은 시간과 비용이 든다는 단점이 있다.

사망의 제1원인이 되는 심질환을 예측하고 예방하기 위한 가장 기초적인 방법인 심전도와 호흡신호를 측정하기 위하여 소형이면서 동작이 간편하고 저가의 비용만을 요구하는 측정장치를 개발하는 것이 기술적인 과제이다.

심전도와 호흡측정장치를 소형화시키기 위하여 소형보턴전지를 사용한 공급전원으로 구동되는 단일 증폭장치, 단일 필터회로, 다중채널의 A/D변환기(아날로그-디지털 변환기)가 내장된 단일 마이크로프로세서의 구성이 되어야 하며 이러한 장치를 통하여 얻어진 신호를 전문의 또는 환자가 직접 보기 위해서는 소형컴퓨터(PDA)에 전송되어지는 구성이 되어야 한다.

본 발명에서는 호흡신호를 동시에 측정할 수 없는 종래의 심전계나 홀터 심전계가 가지는 단점을 극복하기 위하여 저전력 직류전원을 공급할 수 있는 초소형 보턴전지로 구동되는 단일 증폭기를 장착하면서 아날로그신호를 디지털신호로 변화시키는 A/D변환기가 내장된 저전력형 단일 마이크로프로세스를 사용하여 소형컴퓨터에 연결하여 실시간 표시, 해석, 저장, 전송이 가능한 휴대형 심전도-호흡신호 동시측정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 무전원의 호흡신호측정용 압전센서와 심전도측정용 염화은 전극, 초저전력 직류전원으로 구동되는 신호증폭기, 증폭된 신호를 필터링 하는 필터회로, 필터링 된 호흡신호와 심전신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기를 내장한 단일 마이크로프로세서, 이러한 마이크로프로세서로부터 호흡신호와 심전신호를 받아서 디스플레이에 실시간으로 표시하는 휴대형디지털 단말기로 구성한다.

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

본 발명의 구성의 일예는 도1과 같이 심장에 있어서 심근의 전기적인 흥분의 경과를 나타내는 미세한 전기적인 신호를 감지하기 위한 장치로서 염화은으로 만들어진 양전극(1)과 음전극(2)과 접진전극(3), 호흡에 따른 횡격막의 이동에 의하여 흉부의 위치변화를 감지함으로써 호흡리듬신호를 감지하는 압전센서(4)를 장착하는 장착벨트(5), 각 전극과 센서에서 추출된 심전신호와 호흡신호를 입력하여 증폭하고 필터링하는 장치인 신호증폭장치(6), 증폭되어지고 필터링 된 두 개의 신호를 전송하는 선이 통신선(7), 즉 RS232C 혹은 USB입력단을 통해서 입력되어 실시간을 표시할 수 있는 휴대형 소형컴퓨터(PDA)를 포함하여 구성된다.

압전센서는 어떤 압력을 받으면 전기적인 반응이 일어나는 압전효과를 이용한 것으로 흉부에 설치된 압전장착벨트(5)에 장착되어 호흡시에 횡격막의 이동에 따른 '들이쉼(호)'와 '내쉼(흡)' 흉부의 위치변화를 감지하는 원리로 호흡리듬신호를 전기적인 신호로 변환시킨다. 이러한 압전센서의 구조는 원형 압전판(9)으로 되어 있으며, 전체는 알루미니움 소재로 되어 있고 중심원에 SiO2의 분말이 전기피막된 형태로 되어 있으며 플라트틱 용기(10) 에 넣고서 표면에 신축성이 있는 실리콘고무(11)를 덮은 형태로 구성되며 출력선(12)이 연결되어 압력을 받을 때 그 압력이 전기신호로 변환되어 출력되어진다.

압전센서와 심전전극을 통해서 얻어진 심전신호와 호흡신호는 미세하기 때문에 신체의 흔들림이나 전기적인 잡음이 가해질 때 일어나는 감쇄현상을 해결하기 위하여 신호를 증폭시키는 증폭기와 외부에서 가해진 고주파 잡음을 제거하는 필터회로가 부착되어지고 얻어진 신호를 저장하거나 소형컴퓨터에 입력하기 위하여 단 일마이크로프로세서가 사용되어진다.

도2는 심전도-호흡신호 동시측정장치의 구성 블록선도를 나타낸 것으로 호흡신호 측정센서(S1)과 세 개의 표면전극으로 구성된 심전전극(S2)을 통해서 얻어진 신호는 1-50밀리볼트 이하의 미세한 신호이다. 이러한 미세한 신호를 증폭하는 증폭기(OP1, OP2)가 있으며 증폭된 신호중에 포함된 고주파잡음을 제거하기 위하여 저항과 콘덴서로 구성된 RC필터부(RC1, RC2)가 있고 증폭된 두 신호는 소형컴퓨터(8a)에 통신선(7a)를 통해서 전송되고 저장되기 위해서는 마이크로프로세서(MIC)와 메모리(RAM)에 입력되어 진다. 마이크로프로세서(MIC)는 8채널의 아날로그신호를 입력할 수 있고 최대 1KHz 샘플링 주파수로 디지털신호로 변환하는 A/D변환회로를 내장하고 있는 성능을 가지고 있도록 구성하고 있으며 전원공급부(DC)는 초저전력형의 보턴전지(3V)가 장착되며 인버터캐패시턴스칩에 의하여 안정화된 저전력소비전력을 공급하도록 구성하였다.

도3은 도2의 아날로그 신호 처리부를 구체적으로 도시한 것이다. 호흡신호를 측정하기 위하여서는 흉부의 신축성 장착벨트에 설치되는 무전원형 호흡리듬측정센서(S1)에서 얻어진 신호는 저항(R1, I메가 오옴이상)으로 임피던스가 조정되어 압전신호 증폭칩(OP1, LM칩시리즈)에 입력된다. 증폭배율(G=1+R3/R2)은 두 개의 저항(R2, R3)에 의하여 조절되며, 본 발명에서는 11배로 증폭되도록 구성하였다. 증폭칩(OP1)을 통해서 출력된 호흡신호는 다이오드(D1)을 통과한 후 저항(R4)과 콘덴서(C1)로 구성되는 RC필터에 입력되는데 30Hz이상의 고주파는 제거하도록 구성하였다.

한편, 도전성 접착젤리가 부착된 세 개의 전극을 통해서 심전활동을 유도하는 심전전극센서(S2)에서 얻어진 심전신호를 차동 증폭 시키는 단일 심전신호 증폭칩(OP2, INA칩시리즈)에 입력하며 증폭칩(OP2)는 저항(R5)에 의하여 증폭배율이 조정되고 본 발명에서는 원신호대비 500배까지 심전시호를 증폭하도록 구성하였다.

각각의 증폭칩(OP1, OP2)를 통해서 증폭된 아날로그 호흡신호와 심전신호는 단일 칩이며 저전력용 8비트처리 마이크로프로세서(MIC, Atmel칩)에 보내어진다. 마이크로프로세서(MIC)는 2.5볼트의 보턴식 전원(10) 으로 구동되고 아날로그 신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환호를 내장하고 있으며 최장 8채널까지 입력하여 변환할 수 있도록 구성되어 있다. 또한 마이크로프로세서(MIC)는 아중앙연산처리유니트(CPU)와 신호처리 및 디지털신호의 입출력과 저장을 제어하는 프로그램을 저장할 수 있는 프로그램 내장 메모리유니트(EPROM)를 가지고 있으며 처리프로그램은 미리 입력되어진다. 본 발명에서는 A/D변환의 샘플링 주파수로서 호흡신호에 대해서는 30Hz, 심전신호에 대해서는 500Hz로 설정하였다. 마이크로프로세서에 의하여 처리된 호흡신호와 심전신호를 RAM에 저장되는 동시에 직렬형 통신선(7b)를 통해서 소형컴퓨터(8b)의 RS232 또는 USB입력단을 통해서 입력되어 디스플레이에 표시되어진다. 디스플레이 표시 프로그램은 마이크로 소프트의 비주얼C++로 작성하였다.

도4는 휴대형 심전도-호흡신호 동시측정장치에 의하여 심전도와 호흡신호를 표시한 실시예이다. 표시된 바와 같이 흉부에 설치된 압전센서에 의하여 구해진 호흡신호와 심전전극을 통해서 얻어진 심전도를 실시간에 동시에 표시할 수 있도록 하였다.

상술한 바와 같이 본 발명은 호흡리듬 측정용 압전센서와 심전전극, 각각의 단일 증폭기에서 얻어진 심전도와 호흡신호를 A/D변환기를 내장한 단일 마이크로프로세스에 통합하여 신호처리를 할 수 있고 소형 단말장치와 연결하여 휴대형으로 심전도와 호흡신호를 동시에 표시함으로서 홈닥터가 심질환의 재택환자를 진료할 경우, 외래환자를 상시적으로 진찰하는 전문의들이 진찰하는 경우, 입원환자를 살피는 간호사들이 상시적으로 휴대하면서 간단히 심전신호와 호흡신호를 얻을 수 있다는 발명의 효과를 지니고 있다.

Claims

심전도와 호흡신호를 측정하기 위하여 흉부에 부착하는 표면전극과 흉부에 장착벨트에 설치한 무전원형 압전센서를 사용하여 추출된 심전도와 호흡신호를 저전력 직류전원으로 구동되는 단일 증폭칩으로 증폭하고 증폭된 두 개의 신호에서 고주파잡음을 제거하는 저주파 대역필터회로 구성되는 것을 특징으로 하는 휴대형 심전도-호흡신호 동시측정 장치.
동시에 측정된 심전도와 호흡신호를 디지털신호로 변환하기 위하여 A/D변환기를 내장하고 있고 초저전력으로 구동되고 처리프로그램을 설치할 수 있는 단일마이크로프로세서, 단일 마이크로 프로세서를 통해서 동시에 처리된 심전도와 호흡신호를 RS232 또는 USB타입의 직렬통신선을 통해서 소형컴퓨터에 실시간으로 표시하 고 저장하는 것을 특징으로 하는 휴대형 심전도-호흡신호 동시측정 장치.