A[첨단 헬로티]
지금부터 가정에서 심전계(ECG)를 만드는 방법을 보여주려 한다. 이 기계의 용도는 심장이 만들어내는 자연 상태의 전위를 증폭시키고 측정하여 기록하는 것이다. ECG는 병리학적 상태를 직관적으로 알려주고 심장 조절에 관한 많은 정보를 밝혀준다. 이 자가 심전계 (DIY ECG) 프로젝트는 노이즈 저감용 구성부품을 제거하여 회로를 단순화하며, LabVIEW로 데이터를 처리하여 이를 가능케 한다.
1단계, 부품
▲ 아날로그 디스커버리2로 샘플링 속도, 수집 시간, 진폭을 나타내고 있다.
하드웨어
1) Analog Discovery 2 USB 오실로스코프 (Analog Discovery 2 USB Oscilloscope)
2) 2개의 OP482 Op Amp
3) 10개의 100 kΩ 저항
4) 7개의 10 kΩ 저항
5) 1 uF 전해 캐패시터(electrolytic capacitor)
6) 1 uF 자기 캐패시터(ceramic capacitor) (104M)
5) 6개의 다이오드 (50V 일반 용도 정류기 1N4001)
6) 브레드보드(Breadboard) (필자의 경우 Explorer 보드를 사용했다.)
7) DIN ECG 스냅 리드 또는 엘리게이터 클립
8) 3개의 표면 전극 또는 3개의 페니 동전 (동전을 사용하는 경우에는 보습용 로션이 필요하다)
*1, 7, 8을 제외한 모든 재료가 아날로그 부품 킷에 포함되어 있다
소프트웨어
1) WaveForms 버전 2.6.2 또는 이보다 최신 버전
2) LabVIEW (45일 간 무료로 사용 가능한 평가판을 다운로드해 설치하며 된다)
2단계. 회로 셋업
위에서, 회로를 구성하기 위해 사용하는 회로도와 더불어 저의 회로 셋업(그리고 Fritzing 도면)을 볼 수 있다. 또한 회로의 각 부품이 무엇을 수행하는지 명시한 op 앰프 회로도가 있다.
200k 저항은 100k 저항 2개를 직렬로 연결하여 구성이 가능하다. 모든 입력 장치에 걸쳐있는 다이오드는 감전 위험을 줄이는 역할을 한다. 이렇게 함으로써 두 전극에 걸쳐있는 최대전압은 0.7V가 될 것이다. 이것은 심장 신호보다 훨씬 더 높은 레벨이므로 다른 성능에는 영향을 주지 않을 것이다.
3단계.아날로그 디스커버리 2
• Scope Ch. 1 negative(1- 오렌지색 와이어 흰색 줄무늬)를 그 접지(아래 방향 화살표 검은색와이어)에 연결한다.
• Scope Ch. 1 positive(1+ 오렌지색 와이어)를 회로의 전압 출력에 연결한다.
• V- 파워 서플라이(V- 흰색 와이어)은 negative(-) 전압 허브에 연결한다.
• V+ 파워 서플라이(V+ 빨간색 와이어)은 positive(+) 전압 허브에 연결한다.
4단계. DIY 전극
전극은 온라인에서 구입하거나 또는 가정에서 만들 수 있다. 이 단계는 전극을 직접 만드는 경우에만 필요하다. 가정에서 만든 전극은 명료한 신호를 제공하지 않는다는 것을 참고하시기 바란다. 전도성을 가진 무엇이든지 전극을 만드는 데 사용할 수 있지만 페니 동전 사용을 권장한다(그 이유는 저렴하고 쉽게 구할 수 있기 때문이다). 와이어를 바로 동전에 납땜하거나 또는 제 방식처럼 게이터 클립을 사용할 수 있다. 동전에 조그만 양의 보습 로션을 발라 동전과 피부 사이의 전도성을 개선할 수 있다. 마지막으로, 전기 테이프(또는 스카치 테이프)를 사용하여 다음 단계에 명시된 피부 위치에 동전을 단단히 부착한다.
전극을 구입할 수 있다면 표면 전극의 구입을 권장하며, 이 경우 스냅 리드 대신에 게이터 클립을 사용할 수 있을 것이다.
5 단계. 전극 배치
전극은 두 가지 다른 방법으로 놓을 수 있다.
선택 1 : 접지 전극을 흉부의 우측에 놓고 음극을 흉부 반대편(즉 좌측)의 접지 전극과 같은 위치에 놓고, 마지막으로 양극은 음극과 나란히 복부에 놓는다.
선택 2 : 접지 전극을 좌측 손목 안 쪽에 놓고, 양극은 좌측 발목의 안 쪽에 놓고, 마지막으로 음극은 우측 손목의 안 쪽에 놓는다. 선택 2는 일반적으로 노이즈가 더 많고 신호는 더 약하지만, 흉부의 털 때문에 선택 1을 사용하기가 어려운 경우에 적합한 선택이다.
6 단계. WaveForms
• WaveForms를 열고 장치 관리자에서 Analog Discovery 2를 선택한다.
• ‘Supply’(WaveForms 2015의 경우) 또는 ‘Voltage’(WaveForms 2014의 경우)를 선택한다.
• VP+를 5V로, VP-를 -5V로 각각 설정하고 전원 버튼을 선택하여 전원을 켠다.
• 다음에, WaveForms의 메인 메뉴에서 ‘Scope’를 선택한다.
• 우측에 있는 ‘time(시간)’ 설정에서, Pos를 0으로 Base는 500 ms/div로 각각 설정한다.
• 시간 설정 아래에 있는 ‘C1’ 설정에서, Offset을 0V로 그리고 Range를 200 mV/div로 설정한다.
• 그래프 위의 ‘Run(작동)’ 버튼을 선택한다.
이제 위의 그림과 유사한 출력이 나타날 것 이며, 전극 위치의 변화가 ECG의 형태와 다르다는 것을 알게 될 것이다. ECG가 아래와 위가 뒤집힌 형태로 보인다면 리드(선)을 거꾸로 하라. 다음 단계로 가기 전에 반드시 Waveforms에서 나와야 한다.
7 단계. LabVIEW 코드
우선, 전극을 몸통에 놓는다면 아래의 LabVIEW 파일 ‘ECG.vi’를 다운로드 받고, 만일 전극을 손목과 발목에 놓는다면 ‘ECG_wrist_ankle.vi’를 다운로드 받아야 한다. 반드시 아날로그 디스커버리 2가 USB를 통해 연결된 상태에서 프로그램을 열어야 한다. 프로그램을 연 상태에서는, 장치명이 ‘Analog Discovery 2’로 되어 있고, ‘아날로그 디스커버리 MSO 세팅(Analog Discovery MSO Settings)’의 아날로그 채널은 ‘mso/1’으로 되어 있어야 한다. 또한 ‘Master Enable’이 ‘Analog Discovery 2 Power Supplies’에서 켜져 있어야 하며, Toggle voltage supplies는 positive와 negative 5V에 설정되어 있어야 한다. 회로와 전극이 정확하게 구성 및 연결되어 있으면 이제 프로그램을 시작할 수 있다.
이제 5개의 그래프를 확인할 수 있다. 첫 번째 그래프는 필터 되지 않은 신호를 보여주지만, 나머지 그래프는 노이즈를 줄이기 위하여 각각 다른 필터가 적용됐다. 두 번째 그래프는 특정 수의 포인트의 평균을 취한다. 샘플 수를 평균에 맞도록 늘리거나 줄일 수 있다. 세 번째 그래프는 이전의 필터와 대역통과(bandpass) 필터를 사용하며 네 번째 그래프 역시 대역차단(bandstop) 필터를 사용한다. 위와 아래의 차단 대역은 조정할 수 있지만, 지나치게 많이 필터링하는 경우 신호의 중요한 부분을 잃을 수 있으므로 주의해야 한다. 마지막으로 다섯 번째 그래프는 평탄 필터(smootihing filter)를 사용하여 남아있는 노이즈를 제거한다.
이 프로그램을 셋업하여 심박동수도 검출할 수 있다. 피크 수를 확인하여 심박동수를 확인합니다(각각의 피크는 심장박동을 나타낸다). 원하는 형태의 그래프가 나타난다면 ‘심박동수(Mean Heart Rate)’ 부분의 ‘on’ 스위치를 클릭할 수 있다. 각 심장박동의 피크가 HT(고역치)와 LT(저역치) 위에 오고, 나머지 신호는 LT 아래에 오도록 HT와 LT를 조정해야 한다.
8 단계. LabVIEW – 간이 버전
이것은 필자의 프로그램을 간소화한 버전이다. 여기에는 최종 ECG와 심박동수 계산만 있습니다. 이 회로를 구성하여 ECG를 일반적으로 사용할 때는 극도로 주의해야 한다. 절대로 벽의 콘센트 전원을 사용해서는 안되며, 또한 프로세스에 관해 정확히 파악하기 전에는 회로를 절대 변경하지 말아야 한다.
자세한 내용 및 구매는 이니프로(주) (http://www.inipro.net/goods_detail.php?goodsIdx=617163) 에서 확인 가능하다.
