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사람의 인체에서 발생하는 신호를 검출하여 최종적으로 해석하여 활용하는 영역까지 전체의 흐름을 다음 그림에서 보이고 있습니다.

[그림-1] 생체계측해석 전체구성도.

신호 흐름은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하며, 크게 신호원 영역, 물리량 검출영역, 디지털 변환영역, 신호처리 영역, 의미해석 활용영역으로 구분하였습니다.

락싸에서는 신호원영역을 대상으로  위 최종 활용영역까지 전체 플로우의 모든 영역에서 기술집약형 제품을  개발하고 있습니다. 

각각의 영역별로 순서대로 의미를 설명하면 아래와 같습니다.

"신호원영역"이란 ...

신호가 발생하는 영역을 의미하며,. 인체의 경우 다양한 방식으로 외부에 신호를 출력하는 시스템으로 볼 수 있으며, 그 발생근원으로 뇌, 심장, 근육등이 있습니다(당연한 이야기지만, 이것 말고도 많습니다.). 그 중에서도 흥미로운 분야로써 생체 전자기학 관점에서 보면 전기장과 자기장의 발생과정은 맥스웰 방정식에 의해 "발생방식"은 완전히 기술가능합니다.  대표적인 생체전자기학적인 현상으로 피부표면전류가 발생하는 데,  뇌에 근원을 두고 있는 것이 뇌파, 심장에 근원이 있는 심전도, 근육에 근원이 있는 근전도등이 있습니다. 피부표면 전류를 검출하기 위하여 전극을 부착하게 됩니다. 한편, 동일한 원리에 의해 자기장도 발생하며 이는 인체 외부에 현재 극한기술이 도입된 초전도양자간섭소자(SQUID)를 이용하여 검출가능합니다.

"물리량검출영역"이란 ...

발생된 신호를 전기적인 신호로 변환하여 목표하는 신호를 추출하는 역할입니다. 이를 위해서는 검출의 첫 단계인 센서 부분이 요구되며, 앞에서 언급한 것 처럼 피부표면 전류를 검출하기 위해서는 전극을 사용하게 됩니다. 이와 같은 과정에서 초기확보된 신호를 보면 대상신호가 매우 미약하기 때문에 이후 과정에서 강력한 신호 증폭을 해야 합니다. 또한 동시에 측정환경에서 발생하는 필연적인 노이즈 성분을 제거하여 신호만을 추출하는 과정이 필요합니다.

"디지털변환영역"이란 ...

앞서 설명한 물리량 검출영역이란 전기적으로 아날로그 신호를 다루는 영역입니다. 아날로그 신호를 보기 위해서 오실로스코프를 이용하든지 혹은 종이 출력지에 파형을 나타내는 방법이 구식의 장비들에서 사용되고 있습니다. 그러나, 이같은 방식을 사용하게 되면 측정한 데이터의 재 사용이 불가능하게됩니다. 뿐만 아니라, 생체신호를 해석하고 의미를 찾기 위해서는 생체신호 본질적인 특성상 고도의 복잡한 계산이 요구되는 것이 필수인데 이에 대응할 수 없습니다. 이에 디지털변환영역이 필수로 요구됩니다.  디지털로 변환된 데이터는 컴퓨터로 전송하게 됩니다.

"신호처리영역" 이란...

컴퓨터로 디지털 형식으로 전달된 데이터를 처리하는 영역입니다. 간단하게는 파형을 실시간 디스플레이 하기 위한 처리, 파일로 저장하기 위한 처리, 저장된 파일을 다시 불러오는 것, 아스키 형태로 저장하여 다른 소프트웨어 툴에서 읽어오는 기능등 필수적인 데이터 처리를 위한 신호처리가 있고, 더 나아가서는 수학적인 처리로써 주파수 분석, 상관계수, 바이스펙트럼, 비선형계산등 수 많은 수학적 계산이 가능합니다. 한편, 신호원대상에 의존적인 방식의 처리로써는 뇌인 경우 유발전위 검출기법, 뇌기능 영역을 추적하는 Source Localization Method, 뇌전위 맵핑등이 있고, 심전도의 경우에는 파형파라메타 추출처리, 피크 검출처리, HRV검출 등이 있습니다. 이와 같은 계산법은 연구자들에 의해 지속적으로 활발히 개발되고 있으며, 그 목적은 아래에 소개된 내용 처럼 의미해석 활용을 위한 것이라 할 수 있습니다.

"의미해석활용영역" 이란...

신호처리 과정에서 숱한 계산을 하는 목적이 무엇일까요? 그것은 바로 의미를 찾아내기 위한 것입니다. 현재 생체신호는 병원에서는 필수진단기로써  정착되어 있습니다. 필수진단에 사용되는 정보는 연구자들에 의해 이미 많이 연구되고 재현성이 인정된 "병적 현상과 신호의 결과" 사이의 의미있는 관계들을 이용하는 것입니다. 그러나 처음부터 진단에 도입될 것이 내정되어 있었던 것은 아닙니다. 왜냐하면 생체신호에서 의미를 찾는 과정은 발견적 연구 방법론을 사용하고 있고 대상의 특성상 이럴 수 밖에 없기 때문입니다. 예를 들어, 뇌파에 있어서 간질파형은 현재는 널리 알려져 있고 진단에서 유용하게 사용되고 있지만, 간질파형의  발견 초기에는 이를 진단에 이용한다는 것은 불가능할 수 밖에 없습니다. 즉, 간질이라는 현상과 간질파형의 관계성을 반복확인해야만 간질파형이라는 것을 진단에 이용할 수 있습니다.  다른 의미해석활용영역 모두 마찬가지입니다. 감성공학적 측면에서의 활용을 위해서는 감성적 현상과 신호에서 추출한 정보와의 관계성을 찾아내는 것이 핵심 연구주제가 됩니다. 


실제 예 - 근육의 활동시 발생하는 근전도 검출예제.

앞에서 설명한 것 중에서 사람의 인체에서 발생하는 신호중에서 근육의 활동시 발생하는 근전도를 검출하여 신호를 확보하고 디지털 변환하여 컴퓨터로 데이터를 전송하고 컴퓨터에서 실시간으로 파형을 확보하는 과정까지를 실사 활영된 사진과 더불어서 아래에 보이겠습니다. 대상 신호원의 차이가 있다고 해도 이후 진행과정은 뇌파든 근전도든 혹은 다른 생체신호들도 모두 유사하므로 시스템의 전반적인 구성 및 작동 과정은 동일한 방식으로 이해 가능합니다.

본 예제에서 최종적으로 보일 결과는 다음과 같이 컴퓨터 화면상에서 손을 움직일때 해당근육의 활동시 발생하는 근전도를 실시간으로 관측하는 상황까지를 순서대로 보이겠습니다.

[그림-2] 손을 움직일때 측정된 근전도 신호를 컴퓨터 프로그램(상품명: TeleScan)에서 실시간으로 확보한 모습.(그림설명 : 그래프의 앞부분은 해당 근육이 사진과 같이 이완되어 있는 상태, 중간부분은 근 수축이 생기도록 손을 뒤로 젖힌 경우 이때의 근전도 파형을 위 그래프에서 확인할 수 있습니다. 그래프의 마지막 부분은 다시 해당근육이 이완된 상태.)

"신호원 영역"

근전도에 있어서 신호원이란 인체에 분포하고 있는 수많은 근육들입니다. 근육이 활동할때 근섬유에서 발생하는 전류에 그 그원이 있으며, 피부표면까지 전류가 흐르게 되고 이것을 검출한 것을 근전도라고 합니다.

"물리량검출영역"

피부에 전극 부착

물리량 검출영역에서는 제일 먼저 생체전극을 부착하는 것으로 시작됩니다. 근전도의 경우 전해질 용액이 묻어 있는 일회용 전극을 많이 사용합니다.

 

일회용 전극과 스냅전극을 연결한 모습입니다. 

 

일회용 전극. 파스 붙이듯이 이것을 해당 근육이 있는 피부에 부착합니다.

일회용 전극과 계측장치간을 연결하는 스냅전극선 입니다.

본 실험에서 사용될 부위는 다음 사진과 같습니다. 이 사진에서 노란색 전극과 빨간색 전극이 측정대상이 되고 녹색전극은 접지전극입니다.  노란색은 기준전극 빨간색이 액티브 입니다. 이 말의 의미는 빨간색 전극이 있는 곳의 전위 에서 노란색의 전극위치의 전위를 뺀값(즉, 차동증폭한다는 의미입니다.)을 검출한다는 것입니다. 해당근육의 수축을 유발하기 위해 손을 뒤로 젖히는 동작을 예로 하여 이 경우의 근전도 측정상황을 단계별로 보입니다.

          

위 사진에서 팔뒤로 보이는 것이 시스템 구성품을 기능별로 모듈로 분리하여 구성한  근전도 측정장치 입니다(회사내부적으로만 개발과정에서 사용되는 것입니다.).  실제 제품에서는 위의 기능 모듈들이 모두 압축되어  3장 정도의 PCB로 통합되어 제조되고 있습니다.

아날로그 신호 확보부의 전체 기능블럭도 

이제 앞에서 전극을 장착하고서 검출회로부에 연결시켜야 하는데, 검출회로부에서 신호를 증폭하고 노이즈를 제거하여 신호성분만을 추출하게 됩니다. 해당 기능을 수행하는 검출회로부의 전체 기능블벌럭도는 다음과 같습니다.

[그림-3] 근전도 신호확보를 위한 아날로그 신호처리부의 전체기능블럭도.

위 그림에서 전극선이 연결되는 곳이 INA 라고 적혀있는 곳입니다. 실제 상황은 다음 사진과 같습니다

그림-3]에서 초단증폭기의 출력부인 TP1이라고 되어 있는 곳의 파형을 오실로스코프로 확인해 보겠습니다. 이 지점은 전체 신호흐름상 첫번째 과정이며, 여기서 대상신호원과 노이즈가 포함되어 있는 모습을 볼 수 있는 곳입니다.

아래에 오실로스코프로 관측되는 파형을 보이고 있습니다. 동시에 손 동작도 보이고 있습니다. 파형을 처음에 보기에는 여기에 어디에 신호가 있는지 알기가 힘들정도로 노이즈가 많이 보입니다.

그러나, 손을 뒤로 젖히는 동작이 있는 기간을 유심히 보면 뭔가 다른 것처럼 보일 것입니다. 뭔가 있긴 있다..

이제 회로의 나머지 처리과정에서 노이즈 성분 제거하고 신호영역만을 추출하는 과정이 진행되게 됩니다. 이 과정을 하나하나 설명하기에는 너무 길어지므로 최종적인 아날로그 출력부를 살펴보겠습니다.

앞의 [그림-3]에서 TP11이 최종적인 아날로그 출력이 나오는 곳입니다. 이곳을 오실로스코프로 보는 화면이 다음과 같습니다.

이것과 초단영역의 파형을 비교해보면 충분한 신호대 잡음비가 확보되었음을 알수 있을 것입니다. 그리고 손을 젖히고 있지 않은 영역의 경우 두껍게 보이는 것은 완전한 근육 이완상태가 아니기 때문에 나타나는 근전도 신호입니다.

여기까지가 아날로그 수준에서 신호를 확보하는 과정이었습니다.

이제 남은 작업은 이들 아날로그 신호를 디지털로 변환하고 컴퓨터로 전송하는 일이 남았습니다.

"디지털변환영역"

디지털 변환영역이 아날로그 신호를 디지털로 변환하고 이것을 실시간을 컴퓨터로 데이터를 전송하는 과정입니다. 이 과정을 달성하기 위해서는 전자회로만으로 되는 것이 아니라 컴퓨터측의 장치드라이브(윈도우즈 운영체제만을 가정하고 이야기 합니다.) 및 해당 데이터 수집 소프트웨어까지가 포함되어 전체 디지털 변환 영역이 완성됩니다.

아나로그를 디지털로 변환하고 컴퓨터로 USB 로 연결하는 장치  예를 아래에 보입니다. 사진에서  usb 케이블이 연결된 모듈이 아날로그 신호를 디지털로 변환하고 이것을 컴퓨터로 실시간 데이터 전송하는 장치 입니다. 통상 집적 회로가 많이 사용되기 때문에 소형화 제작이 가능합니다.

이제 컴퓨터 측에서 장치를 제어하고 실시간 데이터 수집, 저장 및 이후 처리할 수 있는 프로그램이 요구 됩니다. 락싸의  "TeleScan" 을 이용한 실시간 측정 모습 아래.

 

이와 같은 일련의 과정을 통하여 컴퓨터에서 작동되는 프로그램에서 실시간으로 근전도 신호를 검출하는 과정을 보였습니다. 이후의 작업은 위와 같이 검출된 파형을 이용하여 처리, 계산과정이 이뤄지고 유의미한 정보를 추출하게 됩니다.  

   
 
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