특성화사업참가결과보고서 작성일 2017 12.22 학과전자공학과 참가활동명 EATED 30 프로그램지도교수변상원 연구주제명 circuit development for wearable ecg sensor 학번 201401107 성명김진 I. OBJECTIVES 현재시중에애플워치나, 갤럭시기어, 구글글래스와같은 wearable healthcare 제품들이많이나와있지만, 값이비싸고, 효용성이낮아많은사람들이쓰지않습니다. 이는이런제품들이광범위한사람들에게쓰이게하기위해, 단지 wearable 이라는이름만붙인스마트기기에지나지않는제품들을만든것이라생각했고, 저희는특정한환자들을위해쓰이는특정한목적을가지는제품을개발하려했습니다. 그래서저희는간질발작환자들을위해이상이생기면바로감지할수있는 ecg sensor 를생각했고, 따라서이 ecg sensor 가필요한것은항상작용하게하기위해서아주작은휴대용이여야했고, 또이를위해건전지를사용해야했다. 여기서 ecg sensor 를사용하는이유는 ecg sensor 는 hrv, 즉심박변이도를측정할수있는데, 심박변이도는신체의균형을조절하고, 신체의위급한상황에대처해주는자율신경의활동을보여주는보편적인지표가되기때문이다. 그리고심장의우심방에서일어나는동방결절로인해나오는전기적신호들이나오는데, 그신호들을몸에전극을붙여측정되는전위차를이용해전압을측정하여 figure1 와같은전압-시간그래프가나오게하는것이다. figure1 ( 심장의동방결절에의한 qrs 파형 )
그리고측정방법에는 figure2 와같이세가지가있는데, 12유도법처럼전극이많을수록좋지만, 우리는작은크기, 적은전력을소비하는휴대용 ecg sensor를개발해야하기때문에, 3전극시스템을이용하기로하였다. 그리고 3전극시스템으로도 ad8232 과같은많은휴대용 ecg sensor 에쓰이기때문이기도하였다. figure2 (ecg 의 3 가지측정방법 ) 따라서 figure1 과같은표가나오기위해서우리는차동증폭기를이용할것이다. 차동증폭기는두입력신호의차이를증폭시키는것인데, figure3 처럼양팔에전극을붙이고, 그차이를증폭시켜다음과같은명확한파형이보이는신호로바꾸는것이다. 그리고 figure4 은 figure2 의 3전극시스템을크게넓혀양팔과, 오른쪽다리에전극을붙여측정하는것인데, I,II,III 세개의유도를함으로써정확성을높이고, 벡터값이므로유도I+ 유도III= 유도II 을이용해정확도를측정할수있다. figure3 ( 차동증폭기를이용한측정법 ) figure4 ( 표준사지유도법 )
II. TECHNICAL APPROACH 먼저, development of low cost wireless ecg data acquisition system 라는논문을참고하여회로를구성했습니다. 먼저이회로의특징은 ad620과 ca3010 이라는 2개의증폭기와, 9v전원을 5v로바꿔주는 lm7805를썼다는것이다. 먼저 ad620은증폭을최대 11.5배정도까지시켜주는계측증폭기이며, 단전원이아닌양전원을이용하고, 값이저렴하다. figure5 ( 참고논문의회로, lm7805회로도, 전극 ) 또 ca3130은최대 51배정도까지증폭을시켜주는증폭기이다. 그리고둘의 high pass filter 와 low pass filter 를합친 band pass filter 는 159hz 이상, 0.03hz 이하이다. 또양전원을쓰는 ad620을사용했기때문에양전원을단전원으로바꿔주는 lm7805를이용했다.
논문에나와있는것과같이 ad620과 ca3130은증폭이 10배, 50배정도로나왔다. 그렇다면 ad620과 ca3130 을같이연결했을경우에는증폭이 500배정도나와야하지만, 증폭이안됐을뿐측정이되지않았다. 그이유는정확히는파악할수없으나서로받아들일수있는주파수영역이다르기때문인것으로추정했다. figure6 (ca3130 의출력전압 ) figure7 (ca3130 의출력전압 ) 또이논문에나와있는회로의문제점은휴대하기에는너무많은소자들을갖고있고, ad620이양전원이필요한증폭기이므로단전원변환기인 lm7805 를꼭붙여줘야한다는것이었다. 생체신호는매우작은신호이므로많은소자가있다면노이즈가더많이생기기때문에, 최소한의소자가필요하고, 휴대용배터리를쓰기때문에단전원을사용하는증폭기를사용해야했으므로우리는 ad627 계측증폭기를사용했다.
III. TECHNICAL ACCOMPLISHMENTS 따라서앞선논문을참고한것으로부터개선점을찾아서, 우리는웨어러블기기에많이쓰이고, 단전원을사용하는 flora 보드를사용하기로하였다. 그러므로단전원을사용하는 ad627을사용할수있게되었다. 또 ad627을사용하는이유는 datasheet 에따르면 ad627은낮은전압오프셋, 오프셋드리프트를갖고있기때문이다. figure8 (flora 보드 ) 또한 ad627은단전원을이용해 +in, -in에하나의전원만입력하기때문에차동즉폭기의특성을가지므로, 반전핀과비반전핀의전압차이는프로그래밍된이득으로증폭됩니다. 출력신호는그림과같이출력핀과 REF 핀의외부인가전압간의전압차이로나타납니다. 그리고이득은다음과같이설정된다. Gain = 5 + (200 kω/rg) or RG = 200 kω/(gain 5) 따라서얻을수있는최소이득은 5이고, 저항에따라서 1000배가까이까지나올수있다. AD627 은전류피드백과단간피드포워드주파수보상을함께사용하여 dc ( 특 figure9 히 50 Hz ~ 60 Hz의라인주파수 ) 이상 (ad627 의내부회로도 ) 의주파수에서우수한공통모드제거비를가진다. 여기서 50hz 와 60hz 사이에서우수한 CCMR 을가져야하는이유는첫번째로생체신호가 50~60hz 사이에서발생하기때문에이구간에서노이즈가심하게생기기때문이다. 두번째로는 DC 전압은작더라도증폭을최대한저지시켜야하고, 생체 AC 신호는충분히크게증폭시켜야하기때문이다.
figure10 ( 차동증폭기의내부회로도 ) 여기서차동증폭기란그림과같이 2개의입력과 2개의출력을갖고있고, 이미터가공통으로연결되어있는데, 여기서우리는반대의극성을갖는두입력신호를인가하는차동입력동작을사용한다. 차동입력동장에서는입력의차이가두컬렉터에출력된다. 또같은입력신호가들어가면공통모드동작이라고하는데, 이때신호가각컬렉터에크기는같지만반대의극성으로출력되어서로상쇄되고, 결국출력신호는 0이된다. 그러나실제회로에서는출력이완전히상쇄되지않고, 아주작은신호가출력된다. 여기서공통신호가입력됐을때아주작은신호가출력되는데비해, 반대의신호가입력되면아주큰신호가출력되고, 공통모드이득에대한차동모드이득의비를공통모드제거비라고한다. 그리고위에서말한것처럼공통모드동작에서, 출력신호가완전히 0이되지않는데, 그러면신호가증폭되는과정에서많은잡음이일어나게된다. 따라서이신호를없애기위해 ad627은다음과같이 + 단자에입력오프셋전압을넣었다. 그리고출력오프셋전압은 Vo=[1+R2/R1]Voi 로계산된다. figure11 ( 차동증폭기에서의공통모드제거 )
figure12 (Rg 값에 390Ω 을넣엇을때의출력전압 ) Desired Gain 1% Standard Table value of Resulting Gain Rg 5 5.00 6 200kΩ 6.00 7 100kΩ 7.00 8 68.1kΩ 7.94 9 51.1kΩ 8.91 10 40.2kΩ 9.98 15 20kΩ 15.00 20 13.7kΩ 19.60 25 10kΩ 25.00 30 8.06Ω 29.81 40 5.76Ω 39.72 50 4.53Ω 49.15 60 3.65Ω 59.79 70 3.09Ω 69.72 80 2.67kΩ 79.91 90 2.37kΩ 89.39 100 2.1kΩ 100.24 200 1.05Ω 195.48 500 412Ω 490.44 1000 205Ω 980.61 figure13 ( 저항에따른이득값 ) figure13 은저항에따라얻을수있는이득이고, 이를실험해보았다. 입력전압을생체 신호와같은 10mv정도주었고, 저항 Rg를 1kΩ로했을때 200배, 1k 1k 하여 500Ω을 주었을때약 300배, 333Ω일때 210 배, 390Ω 일때 268 배로나왔다. 왼쪽의표와정확히같지는않았지만, 어느정도이상의증폭은나왔다고볼수있다. figure12 은 390Ω 의저항값을주었을때의파형을나타낸다.
IV. REPRESENTATIVE RESULTS figure12 에그래프를보면파가조금씩튀고, 잡음이조금씩있는것을알수있는데, 이를방지하기위해우리는하이패스필터를넣은회로를넣어 ad627과사용했다. 또이를 pspice로나타낸것은 figure14 과같다. figure14 ( 직접만든회로도 ) 이를 figure15 과같이실제회로로구성하여측정하였고, 이를통해 figure 16 과같은깔 끔한파형이나왔고, 얻는이득도 49.6v 로 500 배가까이나왔다. figure15 ( pspice 회로도 ) figure16 ( 회로의출력전압 =496 배 )
figure17 (ad8287 의출력파형 ) figure18 (ad627 의출력파형 ) 따라서우리는위에서만든회로를 pcb로제작할것이고, 소자들은칩저항, 칩커패시터로대체되기때문에매우작은크기를가질것이다. 그런데플로라와회로를같이연결하면노이즈가생겨이문제를해결한뒤에만들예정이다. 하지만만약만든다면 figure19의오른쪽의작게보이는 6개의소자, ad627만쓰이기때문에초소형, 저가의휴대용 ecg sensor 가만들어질것이다. 또 figure19 에서빨간보드가보일텐데, 이는시중에나와있는휴대용 ecg sensor 인 ad8287 인데이는우리가만들보드보다약 50배는클것이다. 또 figure17 은 ad8287 의파형이고, figure18 는 ad627의파형인데둘을비교해보아도 ad627것이더선명하고, 잡음이덜한것을알수있엇다. 따라서 ad627을이용한 ecg sensor 는시중의나와있는것보다더작고, 싸면서, 파형은더깔끔하게나온다는것이다. figure19 (ad8287 과 ad627 의크기비교 )
V. FURTHER STUDY (NEXT PLAN) 우리연구실의목표는이번연구결과를논문으로작성하는것이다. 따라서논문을작성하기위해서아직해결해야할문제들을개선하고, 제대로된결과를내야한다. 따라서먼저회로와플로라보드를연결했을때, 왜노이즈가생기는지알아보고, 해결해야할것이고, 그리고나서회로를 pcb로제작하고, 플로라와연결해작은배터리로얼마의시간동안작동하는지도알아보아야한다. 그리고다른파트를맡은팀원들과합작해논문을만드는것이다. 이번연구를하고, 논문을만들면서배운것을바탕으로 wearable health care 기기들에대해더연구하고싶고, 연구실에심전도, 근전도, 피부전도도등등의신체신호를측정할수있는기기가있으므로, 기회가있다면다른생체신호로인한다른좋은영향이있는지연구할예정이다. 그리고이번엔 2학년으로참가해회로설계를맡다보니, 다이오드나, op amp같은경우는아직배워가는단계라잘알지못하여, 3학년선배들의도움을많이받았다. 그래도알기위해서어느정도공부를해서 3학년때도움이될것같다. 다음에는조금더알고지원해서더열정적이고, 심도있는연구를하고싶다. 그러기위해선기본실력을닦는게중요하다생각해서, 먼저이번방학에토익공부를할예정이다. 또이번학기 eated와전공공부를하면서회로설계와통신쪽에관심이생겼는데둘중하나를제대로정하지는않았고, 방학때조금더알아보며생각해공부의방향을정할것이다.
출처 : figure1: https://m.blog.naver.com/postview.nhn?blogid=rnalskarh&logno=150143813535&proxyrefer er=https%3a%2f%2fwww.google.co.kr%2f figure2: https://m.blog.naver.com/postview.nhn?blogid=ceoyangsj&logno=100161559488&proxyrefer er=https%3a%2f%2fwww.google.co.kr%2f figure3: http://egloos.zum.com/meinster/v/7138260 figure4: https://m.blog.naver.com/postview.nhn?blogid=glitteran&logno=130072804496&proxyrefere r=https%3a%2f%2fwww.google.co.kr%2f figure5: Development of Low Cost Wireless ECG Data Acquisition System 논문참조 figure8: http://vctec.co.kr/product/%ed%94%8c%eb%a1%9c%eb%9d%bc-%ec%9b%a8%ec%96%b 4%EB%9F%AC%EB%B8%94-%EC%A0%84%EC%9E%90-%ED%94%8C%EB%9E%AB%ED%8F%BC -%EC%95%84%EB%91%90%EC%9D%B4%EB%85%B8-%ED%98%B8%ED%99%98-flora-wearable -electronic-platform-arduino-com/6059/ figure9: http://www.analog.com/media/en/technical-documentation/data-sheets/ad627.pdf figure10: https://m.blog.naver.com/postview.nhn?blogid=dhghtjrdl&logno=220624170810&proxyrefer er=https%3a%2f%2fwww.google.co.kr%2f figure11: http://rnrlehddl.tistory.com/126