• 검색 결과가 없습니다.

3.1. 개인용 청진 시스템 PCB 및 케이스 제작

3.1.1. PCB 제작:

그림 10은 제안한 개인용 청진 시스템의 PCB로써, 단층 에폭시 PCB (FR-4) 구조이며, 98×40×1.6 mm 크기로 제작하였다. PCB의 상단 표면은 생체신호 측정을 위한 센서, 전원 공급을 위해 4.7 V 350mAh 리튬 재충전 배터리 및 USB-C 타입의 포트, 통신 부품을 배치하였다. 심음 측정을 위 해 선택한 디지털 MEMS 음향 센서는 하단 포트 마이크 센서인 점을 고려 하여 작은 구멍이 PCB를 통과하도록 하여 음향 센서와 청진판 부분의 벨 을 연결해 측정된 진동을 전달하도록 설계하였다. 또한 무선 통신의 강도를 높이기 위해 2.4 GHz 주파수에서 블루투스 통신이 가능한 인터디지털 (Interdigital) 모양 패턴 안테나를 적용하고, 다른 전기 구성 요소에 의해 발생하는 노이즈를 차단하여 원활한 블루투스 통신이 가능하도록 음영 라 인도 설계하였다. PCB 하단에는 0.91인치 크기의 OLED 화면을 배치함으 로써 사용자가 측정된 심음 및 PPG 신호와 배터리 잔량을 확인할 수 있도 록 고정하였다. 전체 시스템은 단일 칩 CMOS OLED 제어 드라이버에 의 해 구동되며, I2C 인터페이스를 통해 마이크로프로세서에 연결하였다.

3.1.2. 케이스 제작:

케이스 설계 과정에서는 SoildWorks®(Dassuault Systems, USA)를 이용 하여 기구설계를 진행하였고, 이를 바탕으로 고품질 3D 프린터를 통해 초 기 형상을 제작하고, 내부와 외부의 매끄러운 질감을 위해 후가공을 통해 광택 처리를 함으로써 그림 11(a), (b)와 같이 케이스를 제작하였다. 제작된

케이스는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(Acrylonitrile-Butadiene-Styrne, ABS) 재질로 되어 있으며, 크기는 10×5×3 cm, 무게는 8 g으로 제작하였 다. 그림 11(a)에서와 같이 PPG 센서가 배치된 부분은 두께 1 mm의 투명 유리로 제작하여 사용자의 PTG 측정을 위한 최적의 구조로 설계하였다.

그림 11(b)에 나타난 벨 부분의 진동막은 기존 청진기의 표준 크기와 같이 4.5 cm의 상용화된 제품 CK-S601PF(Spirit, Taiwan)을 사용하였으며, 링 모양의 파스너(fastener)를 사용해 진동막을 고정하였다. 제작 및 조립된 개 인용 청진 시스템을 착용한 모습은 그림 11(c), (d)에 나타내었다.

3.2. 개인용 청진 시스템 성능평가

3.2.1. 개발한 청진 시스템 심음과 맥파 측정 정확도 성능평가:

개발한 개인용 청진 시스템의 심음 및 PPG 측정의 정확도를 평가하기 위해 MP160(Biopac Systems, USA) 시스템을 기준으로 하여 비교 실험을 수행하였다. 심음 및 PPG는 심혈관계 관련 기저질환이 없는 건강한 성인 20명(남성, 24~27세)를 대상으로 수집하였다. 연구 대상자들은 본 연구의 목 적, 실험 절차, 위험 요소, 보상 등 연구와 관련된 내용에 대해 충분한 설명 을 듣고 동의서에 서명을 한 이후 실험에 참여하였다.

연구 대상자의 긴장 상태를 완화하고 편안한 분위기를 조성하기 위해 실 내 적정 온도인 25°C 및 습도 50%를 유지한 독립된 공간에서 준비된 책상 과 의자에 편안한 자세로 앉아 5분간 휴식을 취하게 하였다. 이후 그림 12 와 같이 오른손에는 개발한 청진 시스템을 착용해 왼쪽 가슴 부근에 위치 시키고, MP160에서 지원하는 음향 변환기와 PPG 센서는 각각 왼쪽 가슴 표면과 왼손 중지 손가락에 부착하였다. 실험의 전체 소요 시간은 약 10분 으로써, 1분간 신호를 측정한 뒤, 1분은 휴식을 취하는 방식으로 총 5회 진 행하였다. 실험을 통해 측정 및 수집된 신호는 PC로 전송하여 .mat 형태로 저장하여 비교 분석을 통해 정확도 평가를 수행하였다.

개발한 개인용 청진 시스템과 MP160으로 측정된 심음 및 PPG 신호의 비교 분석 결과는 각각 그림 13 및 그림 14에 나타내었다. 그림 13(a)는 개 발한 청진 시스템으로 측정한 심음 신호이고, 그림 13(b)는 MP160으로 측 정한 심음의 원시 신호이다. 두 가지의 시스템으로 각각 측정된 심음 신호 간의 유사성 분석 결과를 그림 13(c)에 나타내었다. Pearson 상관관계 분석 을 통해 나타난 두 신호 간의 상관계수는 평균 0.98(r=0.98±0.02)로, 양의 선형 관계를 나타내었다.

그림 14(a)는 개발한 청진 시스템으로 측정한 PPG 신호이고, 그림 14(b) 는 MP160으로 측정한 PPG 원시 신호이다. 심음 신호의 유사성 분석과 마 찬가지로, 두 가지의 시스템으로 각각 측정된 PPG 신호 간의 유사성 분석 결과를 그림 14(c)에 나타내었다. PPG 신호 간의 유사성 분석 결과, Pearson 상관계수는 평균 0.96(r=0.96±0.03)로 계산되어 양의 선형 관계를 나타냈으며, 이를 통해 개발한 개인용 청진 시스템으로 측정되는 생체신호 성능을 신뢰할 수 있음을 입증하였다.

3.2.2. 구현한 심음 자동 분석 알고리즘 정확도 성능평가:

본 논문에서 구현된 VTT 기반의 심음 자동 분석 알고리즘의 정확도를 평가하기 위해, 기존에 심음 분석을 위해 많이 사용되고 있는 Shannon Entorpy 기반의 알고리즘을 비교 대상으로 선정하였다. 개발된 청진 시스 템을 통해 동시에 측정된 심음과 PPG 신호는 .mat 형식의 파일로 PC에 저 장되며, 이후 MATLAB® R2020b 환경에서 각각의 분석 알고리즘을 적용한 후 그 결과를 저장하였다. 이후 VTT 기반의 알고리즘과 Shanoon Entropy 기반의 알고리즘을 적용한 결과를 바탕으로 전체 데이터에 대해 올바르게 심음 분석이 이루어졌는지 평가하기 위해 식(5)를 이용해 정확도를 계산하 였다.

 





 (5)

는 알고리즘을 적용한 뒤 정확도를 평가한 결과이고, 는 S1 및 S2 가 나타나서 올바르게 감지한 경우, 은 S1 및 S2가 나타났으나 감지되 지 않은 경우, FP는 S1 및 S2가 나타나지 않아서 올바르게 감지하지 않은 경우, FN은 S1 및 S2가 나타나지 않았으나 다른 소리로 감지된 경우이다.

정확도 평가의 객관적 분석을 위해 윌콕슨 부호 순위 검정(Wilcoxon Signed Rank Test)을 사용한 결과를 그림 15에 나타내었다. 그림 15(a)는 윌콕슨 부호 순위 검정을 통해 나타낸 S1 시점 식별의 정확도이고, 그림 15(b)는 S2 시점 식별의 정확도이다. 분석 결과, 본 논문에서 제안한 VTT 기반 심음 자동 분석 알고리즘은 기존의 Shannon Entropy 알고리즘과 비 교하였을 때 S1 식별의 정확도는 4.15% 높은 99.57%, S2 식별의 정확도는 5.15% 높은 98.56%를 보였다. 이를 통해 멀티모달 생체신호 측정 기술을 활용하였을 때 높은 정확도로 심음 분석이 가능하다는 것을 확인하였다.

그림 10. 제안한 개인용 청진 시스템 PCB 제작

(a) (b)

(c) (d)

그림 11. 제안한 개인용 청진 시스템 케이스 제작 (a) 조립된 케이스 윗면, (b) 조립된 케이스 바닥면, (c) 청진 시스템을 착용한 윗면, (d) 청진 시스템을 착용한 옆면

그림 12. 개발한 개인용 청진 시스템 성능평가를 위한 실험 사진

(a)

(b)

(c)

그림 13. 개발한 개인용 청진 시스템과 MP160으로 측정된 심음 신호 비교 (a) 개인용 청진 시스템으로 측정한 심음, (b) MP160으로 측정된 심음,

(c) Pearson 상관관계 분석을 통한 심음 신호 유사성 분석 결과

(a)

(b)

(c)

그림 14. 개발한 개인용 청진 시스템과 MP160으로 측정된 PPG 신호 비교 (a) 개인용 청진 시스템으로 측정한 PPG, (b) MP160으로 측정된 PPG,

(c) Pearson 상관관계 분석을 통한 PPG 신호 유사성 분석 결과

(a)

(b)

그림 15. Wilcoxon 부호순위 검정을 통해 구현한 VTT 기반 심음 자동 분석 알고리즘과 기존의 Shanon Entropy 기반 알고리즘 정확도 평가 결과

(a) S1 시점 식별 정확도, (b) S2 시점 식별 정확도

관련 문서