KR20210097344A - 무선 다채널 심전도 센서와 마이크로폰을 이용한 심장 진단장치 - Google Patents

무선 다채널 심전도 센서와 마이크로폰을 이용한 심장 진단장치 Download PDF

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Abstract

심전도 센서와 마이크로폰을 이용한 심장 진단장치가 개시된다. 본 발명의 진단장치는 심전도를 측정하기 위해 환자 가슴에 부착하는 복수 개의 전극과 복수 개의 마이크로폰을 구비하여, 심전도를 측정하고 심장 소리를 검출하여 심장관련 병을 진단할 수 있다.

Description

무선 다채널 심전도 센서와 마이크로폰을 이용한 심장 진단장치{Wireless Apparatus for Diagnosing Cardiac Diseases Using Multi Channel Electrocardiogram Sensors and Microphones}
본 발명은 사람의 심장부위에서의 심전도와 소리를 측정하여 환자의 심장 관련 병을 진단할 수 있는 무선 심장 진단장치에 관한 것이다.
심전도(Electrocardiogram)는 심장의 전기적 활동을 해석하는 것인데, 피부에 전극을 부착하여 심장 활동에 의한 전기적 신호를 측정한다. 심전도는 심장박동의 비율과 일정함을 측정하는데 사용할 뿐만 아니라, 심장의 크기와 위치, 심장에 생긴 손상을 확인할 수 있기 때문에, 심장의 비정상적인 리듬을 측정하고 진단하는 방법으로 널리 사용된다. 예를 들어, 흔히 심장마비라고 하는 심근경색의 원인이 될 수 있는 심근의 특정 부분의 손상을 심전도를 측정하여 알아낼 수 있다.
특히, 심전도는 전기적 신호를 전달되기 때문에, 전기적 신호를 전달하는 전도조직의 손상으로 인한 비정상적인 리듬을 측정하는데 좋다. 심전도는 심장의 수축능력을 알아낼 수는 없다.
한편 심장 박동에 의한 소리를 측정해서도 심장 관련 병을 진단할 수 있는데, 이런 청진 기술은 이미 오래전부터 발전해 왔다. 통상 의사들의 기본적인 진료수단도 청진기였다. 최근에는 전자공학의 발달로 전자 청진기의 형태로 발전하고 있다. 소리를 듣고 병을 진단하는 것은 순전히 의사의 경험에 의존할 수밖에 없다. 의사의 가청대역을 벗어난 소리도 발생할 수 있지만, 의사마다 경험치가 달라서 청진에 의한 진단이 한계를 가질 수밖에 없다.
본 발명의 목적은, 사람의 심장부위에서의 심전도와 소리를 측정하여 환자의 심장 관련 병을 진단할 수 있는 무선 심장 진단장치를 제공함에 있다.
본 발명은 환자 심장의 심전도와 소리를 측정하는 심장 관련 병을 진단하는 진단장치를 제안한다.
본 발명의 심장 진단장치는 전극부, 센서모듈, 데이터처리모듈 및 분석모듈을 포함하여 심장관련 병을 진단할 수 있다. 전극부는 환자의 가슴에 부착하는 복수 개의 전극을 포함하여 심전도를 측정하고, 센서모듈은 환자의 가슴에 부착하는 복수 개의 마이크로 폰을 포함한다. 데이터처리모듈은 상기 전극부를 이용하여 복수 개 리드의 심전도를 측정하고, 상기 복수 개 마이크로폰이 수집한 오디오 신호를 디지털 신호로 변환하고 고속 푸리에 변환을 수행하여 상기 오디오 신호의 주파수 정보를 획득한다. 분석모듈은 무선 인터페이스를 통해 상기 데이터처리모듈과 연결되며, 상기 데이터처리모듈이 제공하는 심전도를 사용자에게 표시하고, 상기 데이터처리모듈이 제공하는 주파수 정보를 이용하여 상기 복수 개의 마이크로 폰이 생성하는 오디오 신호들 중에서 환자의 가슴에서 발생하는 심장 소리를 구분하여 분류한다.
본 발명의 진단장치는 환자의 심장에서의 심전도와 소리를 측정하여 급성 심근 경색 등을 포함한 다양한 심장관련 병을 조기 진단할 수 있다.
본 발명의 진단장치는 인공지능 알고리즘에 따른 학습 프로그램을 적용하여 12 리드의 심전도 신호 파형과 심장에서 수집한 오디오 신호를 반복 학습함으로써, 특정 심장 병과 관련된 신호 형태가 발생할 때를 추적할 수 있다.
도 1은 본 발명의 심장 진단장치의 블록도,
도 2는 본 발명의 심장 진단장치의 일 예를 도시한 도면,
도 3의 본 발명에 따라 심전도 측정용 전극을 부착하는 위치를 표시한 도면, 그리고
도 4는 본 발명에 따라 마이크로폰을 부착하는 위치를 표시한 도면이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 심장 진단장치(100)는 환자의 피부에 부착하는 전극부(111)와 센서모듈(113), 데이터처리모듈(130) 및 분석모듈(170)을 포함하여, 환자의 심장의 심전도와 심장에서 발생하는 소리를 수집한다.
전극부(111)는 심전도를 측정하기 위해 환자의 가슴에 부착하는 복수 개의 전극을 포함한다. 도 1의 전극부(111)는 10개의 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)을 구비하며, 각각의 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)은 전극과 전극을 피부에 부착하기 위한 접착패드(미도시)를 포함한다.
심전도의 측정에는 두 개 이상의 전극이 사용되어 쌍으로 사용되며, 각 쌍에서 나온 결과를 리드(Lead)라고 한다. 예를 들어 왼쪽팔(LA) 전극, 오른쪽팔(RA) 전극 그리고 왼쪽다리(LL) 전극은 왼쪽팔(LA)-오른쪽팔(RA)의 쌍, 왼쪽팔(LA)-왼쪽다리(LL)의 쌍, 그리고 오른쪽팔(RA)-왼쪽다리(LL)의 쌍인 3개의 리드가 가능하다. 각 리드는 심장에서 다른 각도로 되어 있다. 도 3에서처럼, 본 발명은 10개의 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)을 사용하여, 12개 리드의 심전도를 측정할 수 있다. 12 리드 심전도는 12개의 서로 다른 신호들이 동시에 기록된다는 것이다. 다음의 표 1은 12 리드 심전도 측정을 위해 10개의 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)을 부착하는 위치를 나타내며, 대략 도 3에 도시된 것과 같다.
전극명칭 부 착 위 치
RA 오른팔 위
LA 왼팔 위
RL 오른쪽 다리
LL 왼쪽 다리
V1 네 번째 늑간격 오른쪽 흉골 바로 위
V2 네 번째 늑간격 왼쪽 흉골 바로 옆
V3 V2와 V4 사이
V4 다섯 번째 늑간격 정중쇄골선
V5 V4와 수평적으로 평행하게, 앞쪽 겨드랑이의 왼쪽
V6 V4, V5와 수평적으로 평행하게, 중간 겨드랑이 선
실시 예에 따라, 12 리드 심전도의 검출 민간도를 높이기 위해, 전극 수를 늘릴 수도 있다.
데이터처리모듈(130)은 전극부(111)을 이용하여 환자의 12 리드-심전도를 측정하게 되고, 분석모듈(170)은 데이터처리모듈(130)이 측정한 12 리드-심전도를 그래프 형태로 제공하거나, 급성 심근경색, 비후성 심근병증, 확장성 심근병증, 조기흥분 증후군(WPW Syndrome), QT 연장 증후군(Congenital Long QT Syndrome), 브루가다 증후군(Brugada Syndrome), 우심실이형성증(Right Ventricular Arrhythmogenic Cardiomyopathy) 및 Early Repolarization Syndrome을 진단하는데 필요한 정보를 제공할 수 있다.
센서모듈(113)은 환자의 심장에서 나는 소리를 검출하기 위해 환자의 피부에 부착하는 5개의 마이크로 폰(Microphone)(113a. 113b, 113c, 113d, 113e)과, 마이크로 폰(113a. 113b, 113c, 113d, 113e)을 개별적으로 수용하는 접착패드(미도시)를 구비한다.
외부의 잡음이 마이크로 폰(113a. 113b, 113c, 113d, 113e)으로 수집되는 것을 최대한 방지하기 위하여, 마이크로 폰(113a. 113b, 113c, 113d, 113e)이 접착패드에 수용되더라도, 마이크로 폰(113a. 113b, 113c, 113d, 113e)의 소리 수집면이 환자 몸에 부착할 수 있는 형태가 좋다. 한편, 마이크로 폰(113a. 113b, 113c, 113d, 113e)이 수집하는 소리는 가청대역과 비가청대역의 소리를 모두 포함할 수 있어서, 가청대역인 2㎐~2㎑, 비가청대2㎑ ~ 80㎑의 오디오 신호를 처리할 수 있는 대역폭을 가지는 것이 좋다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 본 발명에서는 5개의 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e)을 제시한다. 제1 마이크로폰(113a)은 2번째 갈비 사이 공간의 흉골 우연(胸骨右緣, Right Sternal Border)에 부착하여 대동맥판 부위를 청음하며, 대동맥 판막협착이나 대동맥판 폐쇄부전 등을 진단하는데 사용한다. 제2 마이크로폰(113b)은 2번째 갈비 사이 공간의 흉골좌연(胸骨左緣, Left Sternal Border)에 부착하며 폐동맥판 부위를 청음하며, 폐동맥 판막협착, 폐동맥판막폐쇄부전 및 심방중격결손 등을 진단하는데 사용한다. 제3 마이크로폰(113c)은 3번째 갈비 사이 공간의 흉골좌연에 부착하며 Erb's area를 청음하며, 동맥관 개존 등을 진단하는데 사용한다. 제4 마이크로폰(113d)은 4번째와 5번째 갈비 사이 공간의 흉골좌연에 부착하며 삼천판 부분을 청음하며, 삼청판 폐쇄부전, 삼첨판 협착 및 심실중격결손 등을 진단하는데 사용한다. 제5 마이크로폰(113e)은 심천부에 부착하며 승모판 부분을 청음하며, 승모판 협착이나 승모판 폐쇄부전 등을 진단하는데 사용한다.
센서모듈(113)은 데이터처리모듈(130)로부터 동작 전원을 공급받고, 복수 개의 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e)이 획득하는 아날로그 오디오 신호는 데이터처리모듈(130)에게 제공된다.
데이터처리모듈(130)은 전극부(111) 및 센서모듈(113)과 연결되고 분석모듈(170)에게 데이터 처리결과를 전달한다.
데이터처리모듈(130)은 전극부(111)의 10개 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)을 통해 읽어온 12개 리드 전압을 증폭하고 리드 전압을 측정하여 12-리드 심전도를 측정한다. 또한 데이터처리모듈(130)은 센서모듈(113)에게 동작전원을 공급하고 센서모듈(113)이 검출한 심장 소리를 디지털 신호로 변환하고 주파수 정보를 추출하여 분석모듈(170)에게 제공한다.
이를 위해, 데이터처리모듈(130)은 제1 연결부(131a) 및 제2 연결부(131b), 통신인터페이스(133), 전원부(135), 심전도측정부(137), 청음부(139) 및 제어부(141)를 포함한다.
전원부(135)는 데이터처리모듈(130) 뿐만 아니라 전극부(111) 및 센서모듈(113)의 동작 전원을 공급한다. 센서모듈(113)의 5개 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e)으로의 전원 공급은 직렬 및/또는 병렬 접속을 통해 전원부(135)의 출력단을 각 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e)에 직접 연결한다.
제1 연결부(131a)는 전극부(111)의 10개 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)과의 기구적인 연결과 함께 전기적 연결을 제공하며, 10개 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)을 통해 읽어온 신호를 증폭하여 심전도측정부(137)에게 제공한다.
제2 연결부(131b)는 센서모듈(113)의 5개 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e)이 획득한 아날로그 오디오 신호를 청음부(139)에게 제공한다. 복수 개의 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e)이 수집하는 아날로그 오디오 신호는 개별 채널을 통해 청음부(139)에게 제공됨으로써 상호 구분되어야 한다.
통신인터페이스(133)는 심전도측정부(137) 및 청음부(139)와 분석모듈(170)를 연결하기 위한 통신 수단으로서, 심전도측정부(137)가 측정한 12 리드 심전도와 청음부(139)가 획득한 복수 개 채널의 디지털 오디오 신호와 그 디지털 오디오 신호의 주파수 정보(FFT 수행결과)를 분석모듈(170)에게 제공한다. 통신인터페이스(133)는 데이터처리모듈(130)과 분석모듈(170)이 별개의 장치로 구현된 경우에 사용된다. 따라서 통신인터페이스(133)는 본 발명의 필수적인 구성이 아니며, 데이터처리모듈(130)과 분석부(171)가 일체로 구현된 경우에 불필요할 수도 있다. 통신인터페이스(133)는 유선 인터페이스뿐만 아니라 무선 인터페이스를 사용할 수도 있다.
심전도측정부(137)는 제1 연결부(131a)를 통해 연결된 10개 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)의 전압을 이용하여 12 리드 전압을 측정하고 12 리드 심전도를 측정한다. 전극(RA, LA, RL, LL, V1, V2, V3, V4, V5, V6)을 이용하여 리드를 측정하는 방법은 종래에 알려진 측정방법을 그대로 이용할 수 있다.
청음부(139)는 제2 연결부(131b)를 통해 입력되는 각 채널별 아날로그 오디오 신호를 디지털 신호로 변환하여, 분석부(171)에게 제공한다. 청음부(139)는 화이트 노이즈나, 기설정된 크기 미만의 소리와 같은 잡음을 제거하는 기본적인 노이즈 필터링(Noise Filtering)을 수행할 수 있다.
청음부(139)는 ADC(151), 노이즈필터부(153) 및 FFT처리부(155)를 포함한다. ADC(151)는 제2 연결부(131b)를 통해 각 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e) 별로 제공되는 아날로그 오디오 신호를 샘플링(Sampling)하고 양자화(Quantization)하여 디지털 신호로 변환한다. 마이크로 폰(113a, 113b, 113c, 113d, 113e)의 대역이 최대 80㎑로 할 경우에, 샘플링 주파수는 나이퀴스트(Nyquist) 정리에 따라 대략 2배인 160㎑ 이상이 되어야 한다. 노이즈필터부(153)는 변환된 디지털 신호에서 화이트 노이즈와 같은 1차적인 노이즈를 제거한다. FFT처리부(155)는 각 채널별 디지털 오디오 신호에 대한 주파수 스펙트럼 분석을 위해 고속 푸리에 변환(FFT: Fast Fourier Transform)을 수행하여, 스캔 셀별로 오디오 신호의 주파수 정보를 추출한다.
도 1에 도시된 분석모듈(170)은 데이터처리모듈(130)과 분리되어 통신 채널을 통해 연결된다. 다만, 분석모듈(170)과 데이터처리모듈(130)이 일체로 구현될 수 있다.
분석모듈(170)은 데이터처리모듈(130)의 심전도측정부(137)가 측정한 12 리드 심전도를 이용하여 각종 심장병을 진단하고, 데이터처리모듈(130)의 청음부(139)가 제공하는 디지털 오디오 신호와 주파수 정보를 이용하여 심장병과 관련한 진단 위험을 감시한다. 이를 위해, 분석모듈(170)은 분석부(171) 및 표시부(173)를 포함한다.
분석부(171)는 데이터처리모듈(130)을 통해 측정한 심전도와 심장 소리 데이터를 그래프 형태로 표시부(173)를 통해 표시한다.
또한, 분석부(171)는 데이터처리모듈(130)을 통해 측정한 심전도와 심장 소리 데이터를 기초로 각종 심장관련 병을 진단할 수 있는 정보를 추적한다. 분석부(171)의 분석에는 인공지능 알고리즘이 사용된다. 인공지능 알고리즘은 많은 환자들로부터 측정된 데이터를 이용하여 스스로 학습함으로써 심전도와 심장 소리를 이용하여 특정 신호 형태가 발생하는 지점을 추적하여 심장관련 병을 진단한다. 특정 심장 병과 관련되어 심전도 파형의 변화나 심장에서 수집한 오디오 신호의 특이점은 종래에 이미 연구되어 보고된 바가 있어서 기본적으로 종래 학습된 특정 파형을 추적하는 방식으로 추적하고 진단하지만, 반복적인 학습에 따라 연구되고 보고되지 않은 파형을 발견하고 학습할 수 있다.
또한, 종래에 심전도 결과를 단순히 이용하거나 심장 소리를 이용하는 방법을 단순히 이용하는 것을 넘어서, 분석부(171)는 심전도 결과와 심장 소리를 복합적으로 이용하여 심장관련 병을 진단할 수 있다.
이상의 방법으로 본 발명의 심장 진단장치가 동작한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 될 것이다.

Claims (1)

  1. 심장 진단장치로서,
    환자의 가슴에 부착하는 복수 개의 전극을 포함하여 심전도를 측정하는 전극부;
    환자의 가슴에 부착하는 복수 개의 마이크로 폰을 포함하는 센서모듈;
    상기 전극부를 이용하여 복수 개 리드의 심전도를 측정하고, 상기 복수 개 마이크로폰이 수집한 오디오 신호를 디지털 신호로 변환하고 고속 푸리에 변환을 수행하여 상기 오디오 신호의 주파수 정보를 획득하는 데이터처리모듈; 및
    무선 인터페이스를 통해 상기 데이터처리모듈과 연결되어, 상기 데이터처리모듈이 제공하는 심전도를 사용자에게 표시하고, 상기 데이터처리모듈이 제공하는 주파수 정보를 이용하여 상기 복수 개의 마이크로 폰이 생성하는 오디오 신호들 중에서 환자의 가슴에서 발생하는 심장 소리를 구분하여 분류하는 분석모듈을 포함하여 심장관련 병을 진단할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 심장 진단장치.
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