[의학공학] 생체신호처리

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목차: 생체신호처리

생체신호처리 전체구성도

1. 신호원영역
*여러생체신호
생체전기신호
생체 임피던스 신호
생체 음향 신호
생체 자기 신호
생체 역학 신호
생화학 신호
생체 광학 신호
*생체신호의 분류
신호원에 따른 분류
신호 응용에 따른 분류
신호 특성에 따른 분류
표. 생체신호의 종류 및 특성
2. 물리량검출영역
3. 디지털변환영역
4.신호처리영역
5. 의미해석활용영역
6. 대표적 생체신호처리
뇌파(EEG, Electroencephalogram) 개요
근전도(EMG, Electromyogram) 개요
심전도(ECG or EKG) 개요
출처

본문내용: 생체신호처리

생체신호는 관찰하고자 하는 생체기관으로부터 얻어진 신호이다. 정보를 추출하기 위한 과정은 의사가 손가락 감각에 의해 심박수를 감지하는 단순한 방법에서 CT와 같은 첨단 의료장비에 의해 인체 내부조직의 구조를 분석하는 복잡한 방법이 있다. 이러한 생체신호에 포함된 정보를 얻는 데는 신호가 잡음을 많이 포함하고 있을 때 이를 깨끗이 해야 할 필요가 있거나 정보가 신호 내에서 잘 관찰되지 않을 때 신호처리과정이 필요하다. 후자의 경우에는 필요로 하는 정보를 얻기 위하여 변환과정을 거친다. 생체신호는 인체가 복잡하고 이의 측정이 간접적으로, 비관혈적으로 이루어지기 때문에 신호처리를 위한 고유의 독특한 문제점을 갖는다. 이의 처리를 위하여 여러 종류의 처리방법과 알고리즘이 가능하나, 최적의 방법을 적용하기 위하여 신호처리의 최종 목표, 테스트 조건, 측정신호의 특성을 잘 이해하여야 한다.

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

생체신호처리 전체구성도

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

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

*여러생체신호

생체신호란 인체에서 검출 되어지는 신호라는 점에서 다른 신호와 구분되어진다.

생체전기신호

생체전기신호는 신경세포나 근세포에 의해 발생 되어지는 전류 또는 전압 형태의 신호이다. 이의 근원은 막전위(membrane potential)인데 이는 어떠한 조건하에서 활동전위(action potential)를 만들도록 자극 되어질 수 있다. 단일세포에서의 측정은 특수한 미세전극을 이용할 수 있으며 이때 활동전위가 생체신호의 근원이 된다. 좀 더 큰 측정에서는 표면전극이 이용 되어지며 전극 주변에 분포되어 있는 많은 세포의 활동에 의해 발생되는 전계를 측정하게 된다. 생체전기신호는 가장 중요한 생체신호(biosignal)중의 하나이다. 생체시스템에서 흥분성 세포(excitable cell)를 이용한다는 사실은 인체의 주요 기능들을 연구하고 관찰하는데 생체신호의 이용을 가능케 한다. 생체를 통해 전계가 전파 되어지며 이때 전위는 체표면의 비교적 편리한 위치에서 얻어질 수 있다. 생체신호를 얻는데는 비교적 단순한 전극을 필요로 한다. 생체에서의 전기전도는 이온에 의해 이루어지나 측정 시스템에서는 전자에 의해 이루어지기 때문에 전극이 필요하게 된다. 이의 예로는 심전도, 근전도, 뇌전도 신호 등이 있으며 진단을 위하여 가장 폭넓게 이용 되어진다.

생체 임피던스 신호

인체조직의 임피던스는 인체의 구성, 혈액양, 혈액분포, 내분비계 활동, 자율신경계 활동 등에 관한 중요한 정보를 제공한다. 생체임피던스 신호는 보통 정현파신호(50KHz-1MHz의 주파수 범위, 20μA-20mA의 전류범위)를 조직에 주입함에 의해 측정 되어진다. 주파수 범위는 전극의 분극현상을 최소화하도록 선정 되어지고 전류는 열효과에 의한 조직의 손상을 피할 수 있도록 저전류를 선택하여야만 한다. 생체임피던스의 측정은 다수의 전극으로 이루어진다. 두 개의 전극은 전류원으로서 조직에 전류를 주입하기 위하여 이용되며, 또 다른 전극은 조직 임피단스와 전류에 의해 만들어진 전압강하를 측정하는데 이용 되어진다. 이러한 임피던스 신호를 이용하는 의료장비로는 임피던스를 이용한 심박출량계, 체지방 측정기 등을 들수 있다.

생체 음향 신호

많은 생체현상들은 음향잡음(acoustic noise)을 발생한다. 이와 같은 음향을 측정함에 의해 인체로 부터의 근원적 생체현상의 정보를 얻을 수 있다. 심장에서의 혈액의 흐름은 심장 판막 또는 혈관을 통과하며 중요한 음향잡음을 발생시키게 된다. 상, 하기도를 통한 공기의 흐름과 허파에서의 또다른 음향잡음을 발생시킨다. 기침, 코고는 소리, 흉부와 허파에서의 소리는 의학에서 중요하게 사용되어진다. 이러한 소리들은 소화기 계통이나 관절에서도 발생한다. 근육의 수축도 음향잡음을 발생시킨다. 이러한 에너지는 생체를 통하여 전달되기 때문에 음향 트랜스듀서(microphone 또는 accelerometers)를 이용하여 체표면에서 손쉽게 얻을 수 있다. 생체음향신호를 이용하는 대표적 장비로는 심음계(phonocardiograph), 청진기 등이 있다.

생체 자기 신호

뇌, 심장, 폐와 같은 많은 인체장기들은 아주 작으나마 자장을 형성한다. 이러한 자계의 측정은 다른 생체신호에서 포함하지 않는 정보를 제공하여 준다. 측정되어지는 자계의 크기가 작기 때문에 생체자기신호는 보통 매우 낮은 신호대 잡음비를 갖는다. 그러므로 이러한 신호를 획득하기위한 시스템을 설계하는데에는 매우 조심할 필요가 있다.

생체 역학 신호

생체역학신호는 생체시스템의 기계적 운동에 의해 발생되는 모든 신호를 포함한다. 이러한 신호들은 운동과 변위정보, 압력, 장력고 유속 정보와 그외의 다른 정보를 포함한다. 생체

참고문헌: 의공학, 이경성 최민주 공저 청구문화사
디지털생체신호처리, 고한우 외 11인 공저
(주)LAXTHA 홈페이지(http://www.laxtha.com/siteview.asp?x=7)

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