한국컴퓨터정보학회 하계학술대회 논문집 제21권 제2호 (2013. 7)
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동적 상태의 신경변화 자극에 따른 피부전도도 신호 검출을 위한 반지형 통합 측정 시스템 개발
임민규○, 이영재*, 이재호*, 박희정*, 강승진*, 김경남*, 이정환*†
○건국대학교 의학공학과 e-mail:[email protected]
Development of Intergrated Ring-Type System for Measurement Signal of Electrodermal Activity
Based on Dynamic State
Min-Gyu Lim○, Young-Jae Lee*, Jae-Ho Lee*, Hee-Jung Park*, Seung-Jin Kang*, Kyung-Nam Kim*, Jeong-Whan Lee*†
○*Dept. of Biomedical Engineering, Konkuk University
● 요 약 ●
본 연구에서는 외부 자극과 내적인 교감신경의 변화에 따라 나타나는 땀 반응으로 얻어진 생체신호를 다루었다. 즉, 땀 반응을 지칭하는 피부전도도를 측정할 수 있는 시스템과, 더불어 차량 운전시 혹은 운동 등의 동적 자극에 의한 영향을 최소화하여 교 감신경에 의한 피부전도도의 신뢰도를 높일 수 있는 방안을 강구하였다. 기존의 두 개의 전극 간 리지스턴스(Resistance)를 측 정하는 방식을 내부에서 분리된 한 개의 전극을 사용하여 신체적 움직임의 제한점을 해소하고 피부전도도로 나타난 생체신호가 외적인 움직임에 따른 영향인지 내적인 신경의 변화에 따른 영향인지를 추정할 수 있는 모듈을 개발하였다. 20명의 건강한 청년 을 대상으로 피실험하여 기존의 생체신호 측정 장비인 MP-150의 EDA모듈과 동시 측정한 결과, 두 데이터가 약 88% 일치하 는 것으로 확인하였다.
키워드: 피부전도도(Skin Conductance Level), 교감신경(Sympathetic Nerve)
I. 서 론
국내에서는 약 1990년대부터 현재에 이르기까지 IT산업 분야 에 주력하고 있다. 최근에는 국가의 경제력이 상승함에 따라 복지 시스템 및 기업에서 의학과 의료기술을 IT융합기술로서 채택하여 의료기기개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 생체신호를 측정할 수 있는 대표적인 의료기기로는 심전도계(ECG)가 있으며 그 외에 근전도(EMG), 산소포화도(PPG), 뇌파(EEG) 등을 모니터링 할 수 있는 장비들이 있다. 본 연구에서는 다양한 생체신호들 중 피부 전도도 혹은 피부전기전도도라는 신호에 대해 초점을 두고 연구하 였다.
II. 관련 연구
1. 관련연구
1.1 국내 동향
피부전도도(EDA: Electrodermal Activity)는 갤배닉피부반사 (GSR: Galvanic Skin Reflex)라고도 부른다. 이는 흔히 거짓말 탐지기의 원리로 알려져 있다. 하지만 현재는 국내외에서 거짓말 탐기지로서 적용되고 있지 않는 생체신호이다. 피부전도도는 교감 신경의 변화에 따른 신호이므로 이를 변화시킬 수 있는 요인이 너 무나 다양하기 때문에, 단면적인 질의를 통해 거짓말인지 아닌지 를 판단하기에는 무리가 있다고 여겨지게 된 것이다. 예를들어, 주 변의 온도, 습도, 소리, 빛 그리고 피부에 닿는 감촉 등 우리 인체 의 오감에 따라 자율신경이 직접 관여하기도 하며, 감각에 따라 저 마다 갖는 감정이 상이하다. 따라서 현재에는 피부전도도를, 차량 운전자나 기술자들의 안전사고 예방장치의 개발을 위한 각성 혹은 졸음 상태의 지표로서 사용하고 있다.
한국컴퓨터정보학회 하계학술대회 논문집 제21권 제2호 (2013. 7)
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그림 1. 안전사고예방을 위한 피부전도도 측정 Fig. 1. Skin conductivity measurements for accident
prevention
하지만, 기존의 부직포를 이용한 밴드타입은 손가락 끝에 전극 을 부착하거나 장갑을 착용한 채 유선으로 장비에 연결되어야 하 기 때문에 행동에 제약이 생길 수 밖에 없다. 이에 본 연구에서는 EDA측정장비를 RF를 이용한 무선통신 모듈로서 경량화 및 소형 화하여 생체신호를 측정하는데 편의를 제공하면서 가속도센서를 부착하여 EDA 생체신호의 신뢰성를 높이고자 한다.
III. 본 론
먼저 피부전도도를 측정하기 위한 하드웨어는 손목에 악세서리 형태로 부착할 수 있게끔 작은 PCB로 제작하였다. 기존의 패치타 입 전극은 유연한 재질의 반지형태로 제작하여 운전과 같은 손을 이용한 조작의 제한을 최소화하였다.
그림 2. 피부전도도 측정 모듈의 하드웨어 구성 Fig. 2. Formation of EDA measurement module
회로는 그림 3과 같이, 기존에 알려진 전압분배 형태에서 버퍼 와 필터 그리고 DC레벨을 제거하기 위한 회로를 추가 구성하고, EDA신호로 피실험자의 상태를 판단하기에 모호한 경우 각성 및 졸음상태에 대한 신뢰성을 높이기 위해 가속도센서를 부착해 함께 모니터링 가능하도록 설계하였다.
그림 3. 피부전도도 측정 모듈의 기본 회로 Fig. 3. EDA module base circuit
아래 그림 4는 피실험자에게서 얻은 피부전도도의 일부 데이터 를 플롯시킨 그림이다. 실험방법은 20명의 건강한 남성에게 시각 및 청각을 자극하는 영상을 제공하여 MP-150과 통합모듈로 각 10분간 동시에 측정하였다. MP-150과 통합 EDA모듈의 샘플링 주파수는 각각 1kHz, 40Hz이다.
0 1 2 3 4 5 6
x 105 -0.2
0 0.2
MP-150
0 1 2 3 4 5 6
x 105 -100
0 100
Intergrated Ring-Type Module
그림 3. MP-150과 통합 EDA모듈에서 얻은 피부전도도 Fig. 3. Electrodermal Activity Signals from MP-150 and
Intergrated Ring-Type Module
IV. 결 론
MP-150과 통합 EDA모듈을 이용해 얻은 두가지 데이터를 MATLAB을 이용해 20명의 데이터를 분석한 결과 약 0.88의 상 관계수를 나타내는 것으로 확인할 수 있었다. 하지만 RF통신이 노 이즈에 취약하다는 점을 고려하여 생체신호측정 장비로서 더욱 정 밀한 필터설계를 구현해야 할 필요가 있다. 또한, 상관계수만으로 생체신호의 정량적인 값이 의미하는 바를 모두 충족한다고 볼 수 없기 때문에 개발한 모듈에서 얻은 신호의 유효성을 검증하기 위 한 다른 방법을 연구해야 할 것이다.
감사의 글
본 연구는 교육부와 한국연구재단의 지역혁신인력양성사업으로 수행된 연구결과임 (2013-A419-0009)
참고문헌
[1] 李榮範, 李明鎬, “Automobile System for Drowsiness Accident Detection using EDA Signal Analysis” KIEE Vol. 56(2), 2007.2, 432-435
[2] Woan-Kyu Lee, Han-Woo Ko, Youn-Ho Kim, "APortable arousal control system using electrodermal activities,"
Journal of the Korean Sensors Societ, Vol.5 No.3, 1996
