WO2024039188A1

WO2024039188A1 - 심전도 측정 장치

Info

Publication number: WO2024039188A1
Application number: PCT/KR2023/012134
Authority: WO
Inventors: 황인덕
Original assignee: 헥사첵 주식회사
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2023-08-16
Publication date: 2024-02-22

Abstract

본 발명의 일측면에 의한 심전도 측정 장치는, 접촉한 인체 부위의 심전도 전압 2개를 각각 수신하는 첫 번째 전극 및 두 번째 전극; 상기 첫 번째 전극과 두 번째 전극으로부터 상기 심전도 전압 2개를 각각 수신하는 2개의 증폭기; 구동 전압을 출력하는 하나의 전극 구동부; 상기 전극 구동부의 출력을 수신하여 접촉한 인체 부위에 상기 전극 구동부의 출력을 전달하는 세 번째 전극; 상기 전극 구동부의 입력에 하나의 심전도 전압을 전달하는 네 번째 전극;을 포함하며, 상기 2개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 전압을 동시에 수신하여 증폭하며, 상기 4개의 전극은 오른손, 왼손, 왼 다리에 접촉하여 본 발명 에 의한 장치는 6개의 심전도 림브 리드 신호를 얻는 것을 특징으로 한다.

Description

심전도 측정 장치

심전계는 환자의 심장의 상태를 분석하기 위하여 간편하게 얻을 수 있으며 매우 유용한 정보를 포함하는 전기신호의 파형 즉 심전도를 제공한다. 심전계는 심전도 측정 장치(측정 센서)와 컴퓨터로 구성된다고 볼 수 있다. 한편 근래에 거의 모든 개인은 스마트폰을 사용한다. 스마트폰은 무선통신이 가능하며 훌륭한 디스플레이를 제공하는 컴퓨터로 간주할 수 있다. 그러므로 심전도 측정 장치(측정 센서)와 스마트폰의 연합체는 훌륭한 심전계가 될 수 있다. 본 발명은 개인이 스마트폰과 연합하여 사용할 수 있는 심전도 측정 장치(측정 센서)에 관한 것이다. 본 발명은 심전도를 측정하기 위한 장치로서 International Patent Classification (IPC)에 의하면 신체의 생체전기 신호를 검출, 측정, 기록 (Detecting, measuring or recording bioelectric signals of the body or parts thereof) 이 속하는 A61B 5/04 클래스로 분류된다.

심전계는 환자의 심장 상태를 편리하게 진단할 수 있는 유용한 장치이다. 심전계는 사용 목적에 따라 여러 종류로 분류할 수 있다. 가능한 많은 정보를 얻기 위한 병원용 심전계로는 10개의 습식전극(wet electrodes)을 사용하는 12 채널 심전계가 표준으로 사용된다. 환자감시장치는 적은 수의 습식 전극을 환자의 몸에 부착한 상태에서 환자의 심장 상태를 계속적으로 측정하기 위하여 사용된다. 사용자가 스스로 이동하며 사용할 수 있는 홀터 레코더(Holter recorder)와 이벤트 레코더(Event recorder)는 다음과 같은 필수적인 특징을 갖는다. 이들 특징은 소형이며, 배터리를 사용하며, 측정된 데이터를 저장하는 저장장치와 데이터를 전송할 수 있는 통신장치를 구비하는 것을 포함한다. 홀터 레코더는 주로 4 내지 6개의 습식 전극과 이 전극들에 연결된 케이블을 사용하며 multi-channel ECG를 제공한다. 하지만 홀터 레코더는 케이블에 연결된 습식전극을 몸에 부착하므로 사용자가 불편을 느끼는 단점을 가지고 있다. 최근에 공개된 패치형 등의 심전계도 전극들을 몸에 계속적으로 부착하여야 하는 형태이다.

한편 이벤트 레코더는 사용자가 휴대하여 가지고 다니다가 심장에 이상을 느낄 때 즉석에서 스스로 ECG를 측정 할 수 있도록 한다. 따라서 이벤트 레코더는 소형이며, 주로 전극을 연결하기 위한 케이블을 구비하지 않으며, 이벤트 레코더의 표면에 건식전극(dry electrodes)들을 구비한다. 종래의 기술에 의한 이벤트 레코더는 주로 양손을 두 개의 전극들에 각각 접촉하여 1개의 ECG 신호를 측정하는 1 채널 즉 1 lead 심전계였다.

본 발명이 추구하는 즉 요구되는 심전도 측정 장치는 개인이 사용하기 편리하여야 하며 정확하고 풍부한 심전도 측정치를 제공하여야 하며 휴대하기 쉽도록 소형 이어야 한다. 개인이 사용하기 편리하기 위하여 요구되는 장치는 스마트폰으로 무선통신을 통하여 데이터를 송신할 수 있어야 한다. 이를 위하여 요구되는 장치는 배터리로 동작되어야 한다. 배터리의 사용시간을 증가시키고 장치를 소형화하기 위하여 요구되는 장치는 디스플레이를 포함하지 않아야 하며 심전도는 스마트폰에 표시하여야 한다.

정확하고 풍부한 심전도 측정치를 제공하기 위하여 본 발명에서는 2개의 림브 리드(Limb Leads)를 동시에 직접 측정한다. 후술하는 바와 같이 본 발명에서는 동시에 측정한 2개의 림브 리드 측정치로부터 4개의 리드를 계산하여 제공할 수 있다. 통상 심전도와 관련하여 “채널”과 “리드”(lead)는 같은 의미로 사용되며 하나의 심전도 신호 혹은 심전도 전압을 뜻한다. 심전도와 관련하여 “동시에”라는 단어는 매우 조심스럽게 사용되어야 한다. “동시에”라는 단어는 “순차적”이 아니라는 뜻을 가지고 있다. 즉 동시에 2개의 리드를 측정한다는 말은 문자 그대로 실질적으로 어느 한 순간에 두 개의 심전도 전압을 측정한다는 것을 의미하여야 한다. 구체적으로 기술하면 리드 I(lead I) 전압을 일정한 샘플링 주기로 샘플링 하면서 리드 II를 샘플링 한다면 리드 II를 샘플링 하는 매 시점은 리드 I을 샘플링 하는 매 시점에서부터 샘플링 주기보다 작은 시간 안에 이루어져야 동시에 측정하였다고 할 수 있다. 또한 “측정(measurement)”이라는 단어의 사용에도 주의하여야 한다. “측정”이라는 단어는 실제로 물리적 양을 측정하였을 때만 측정이라고 하여야 한다. 디지털 계측에서 하나의 측정이란 실질적으로 하나의 AD변환을 뜻하여야 한다. 후술하는 바와 같이 심전도 측정에서 예를 들어 리드 I과 리드 III를 측정하면 키르히호프 전압 법칙에 따라 리드 II를 계산할 수 있다. 이 경우 리드 II는 “계산하였다”고 표현하여야 정확하고 “측정하였다”고 표현하면 혼란이 야기될 수 있다.

심전도 측정에서 가장 어려운 문제 중의 하나는 심전도 신호에 포함되는 전력선 간섭(power line interference)을 제거하는 것이다. 전력선 간섭을 제거하기 위하여 잘 알려진 것은 Driven Right Leg (DRL) 방법이다. 실질적으로 거의 모든 심전계는 DRL 방법으로 전력선 간섭을 제거한다. DRL 방법의 단점은 오른발 혹은 몸통의 오른쪽 아래 부위에 하나의 DRL 전극을 부착해야 하는 것이다. 따라서 DRL 방법을 사용하여 2개의 림브 리드를 측정하려면 종래의 기술에서 DRL 전극을 포함하여 4개의 전극을 신체에 접촉시켜야 한다. 그러나 이때 중요한 문제점은 DRL 전극을 오른쪽 하복부에 접촉시켜야 하므로 케이블을 사용해야 하거나 장치의 크기가 커진다는 것이다. 즉 DRL 전극을 사용하여 두 개의 리드를 측정하는 심전도 측정 장치를 신용카드 크기로 만들기는 어렵다. 또한 중요한 점은 만약 DRL 전극을 다른 전극에 인접하여 인체에 접촉시키면 DRL 전극의 전압은 심전도 신호 성분을 포함하고 있으므로 인접한 전극의 전압이 왜곡되게 된다는 점이다. DRL 전극을 사용하지 않으면서 전력선 간섭을 제거하기는 매우 어려우며 특수한 회로를 사용할 필요가 있었다(In-Duk Hwang and Jhon G. Webster, Direct Interference Cancelling for Two-Electrode Biopotential Amplifier, IEEE Transaction on Biomedical Engineering, Vol. 55, No. 11, pp. 2620-2627, 2008). 전력선 간섭을 제거하기 위해서는 Q (Quality factor) 가 상당히 큰 복수 개의 필터가 요구될 수 있으며 이러한 복수 개의 필터의 제작과 교정은 어려울 수 있다.

건식 전극은 전극 임피던스가 커서 건식 전극은 더욱 큰 전력선 간섭을 발생시킨다. 그러나 사용자의 편의를 위한 심전도 측정에서는 케이블에 연결되는 습식전극을 사용하지 않고 심전도 측정 장치의 케이스 표면에 부착되는 건식 전극을 사용할 필요가 있다. 또한 사용자의 편의를 위해서 건식 전극의 수를 적게 할 필요가 있다. 또한 DRL 전극을 오른발 혹은 몸통의 오른쪽 아래 부위에 접촉하지 않을 것이 요구된다. 그러나 종래의 기술에서 케이블을 사용하지 않으며, 최소한의 개수의 전극을 사용하며 전력선 간섭을 제거하는 심전도 측정 장치를 제공하기는 어려웠다.

상기의 문제점과 필요성을 해결하기 위하여 본 발명에서는 사용자의 편의를 위하여 케이블을 사용하지 않으며 건식전극을 사용하며 2개의 림브 리드를 동시에(simultaneously) 측정하기 위하여 2개의 증폭기와 하나의 전극 구동부와 연결되는 3개의 전극을 사용한다. 본 발명에 의한 심전도 장치는 사용자의 편의를 위하여 한쪽 표면에 서로 떨어진 2개의 건식전극과 다른 쪽 표면에 1개의 건식전극을 구비한 판상형 심전도 장치를 제공한다. 또한 본 발명은 DRL 전극을 사용하지 않기 위한 전력선 간섭 제거 방법을 제공한다.

후술하는 바와 같이 본 발명에서는 3개의 전극을 포함하며, 전력선 간섭 전류는 전극 구동부에 연결된 1개의 전극을 통하여 집중되어 흐르며, 상기 3개의 전극 중에서 상기 전극을 제외한 나머지 2개의 전극에 연결되는 2개의 증폭기를 사용하며, 상기 2개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 신호를 증폭하여서, 동시에 2개의 심전도 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 심전계 측정 장치를 공개한다. 여기서 하나의 증폭기는 하나의 신호를 증폭한다는 의미이며 실제 구성에서는 하나의 증폭기는 직렬로 연결된(cascaded) 다수의 증폭단 혹은 능동 필터로 구성된 집합체를 의미할 수 있다.

아래에 기술하는 바와 같이 종래의 기술은 본 발명에서 제공하는 기술적인 해결 방법을 제시하지 못하였으며 정확하게 기술하지 못하였다.

Righter (US. Pat. No. 5,191,891, 1993)은 워치(watch)형의 장치에 3개의 전극을 구비하여 단지 하나의 ECG 신호를 얻었다.

Amluck (DE 201 19965, 2002) 는 윗면에 두 개의 전극을 구비하고 아랫면에 하나의 전극을 구비한 심전계를 공개하나 단지 하나의 리드를 측정한다. 또한 본 발명과는 다르게 Amluck는 디스플레이와 입출력 버튼을 구비한다.

Wei 등(US Pat. No. 6,721,591, 2004)은 접지 전극인 RL전극을 포함하여 총 6개의 전극을 사용한다. Wei 등은 4개의 리드를 측정하여 나머지 8개의 리드를 계산하는 방법을 공개하였다.

Kazuhiro (JP2007195690, 2007)는 디스플레이를 포함하는 장치에 접지(Ground) 전극을 포함하는 4개의 전극을 구비하였다.

Tso (US Pub. No. 2008/0114221, 2008)는 3개의 전극을 포함하는 메터를 공개하였다. 그러나 Tso는 하나의 림브 리드, 예를 들면 리드 I 을 측정하기 위하여 두 개의 전극을 한쪽 손으로 동시에 접촉한다. 이런 방식으로 한번에 하나의 리드를 측정하므로 3개의 림브 리드를 얻기 위하여는 3번의 측정을 순차적으로 수행하여야 한다. 또한 Tso는 직접 측정할 필요가 없는 증강 림브 리드(augmented limb lead)도 직접 측정하였으며 이 측정을 위하여 별도의 플랫폼(platform)을 사용하였다.

Chan 등(US Pub. No. 2010/0076331, 2010)은 3개의 전극을 포함하는 워치를 공개한다. 그러나 Cho 등은 3개의 차동증폭기를 사용하여 3개의 리드를 측정한다. 또한 Chan 등은 신호의 잡음을 감소시키기 위하여 상기 증폭기의 각각에 연결되는 3개의 필터를 사용한다.

Bojovic 등(US. Pat. No. 7,647,093, 2010)은 3개의 특수한(비표준적) 리드를 측정하여 12 리드 신호를 계산하는 방법을 기술한다. 그러나 하나의 림브 리드(리드 I)와 2개의 가슴에서 얻는 특수한(비표준적) 리드를 포함하는 3 리드를 측정하기 위하여 판상형 장치의 양면에 1개의 접지 전극을 포함하는 5개의 전극과 3개의 증폭기를 구비한다.

Saldivar(US Pub. No. 2011/0306859, 2011)는 셀룰러폰의 크래들(cradle)을 공개한다. Saldivar는 크래들의 한쪽 면에 3개의 전극을 구비한다. 그러나 Saldivar는 리드 셀렉터(lead selector)를 사용하여 3개의 전극 중에서 2개의 전극을 하나의 차동증폭기 68에 연결하여 하나의 리드를 순차적으로 측정한다.(그림 4C 및 [0054] 문단) 즉 Saldivar는 3개의 리드를 순차적으로 한번에 하나씩 측정한다.

Berkner 등(US. Pat. No. 8,903,477, 2014)은 하우징(housing)의 양면에 배치된 3개 혹은 4개의 전극을 사용하여 장치를 순차적으로 이동시키면서 수행하는 순차적 측정을 통하여 12 리드 신호를 계산하는 방법에 관한 것이다. 그러나 각 전극이 내부적으로 어떻게 연결되는 것인지를 포함하여 장치의 상세한 구조와 형태를 제시하지 못하고 있다. 가장 중요하게는 Berkner는 하나의 증폭기 316과 하나의 필터 모듈 304를 사용한다. 하나의 증폭기 316과 하나의 필터 모듈 304를 사용하면 예를 들어 2개의 리드를 측정하려면 2번의 측정은 순차적으로 이루어지게 된다. 구체적으로 Berkner는 “3전극으로 구성되는 시스템에서 기준 전극은 다르고 각 리드 측정에서 교대된다. 이것은 선택적으로 스위치를 포함하는 지정된 소프트웨어 혹은 하드웨어에 의하여 이루어진다.”(... so in a system comprising only 3 electrodes, the reference electrode is different and shifts for each lead measurement. This may be done by a designated software and/or hardware optionally comprising a switch.) 라고 기술하고 있다. 상기 기술은 Berkner가 하나의 증폭기 316과 하나의 필터 304를 사용하여 한번에 하나의 리드를 측정하며 순차적으로 복수의 측정을 수행한다는 것을 나타낸다. 즉 Berkner 등의 방법은 본 발명에서 제시하는 3개의 전극과 2개의 증폭기를 사용하여 동시에 2개의 리드를 측정하는 방법에 비하여 많은 단점을 갖는다.

Amital (US Pub. No. 2014/0163349, 2014)는 4개의 전극이 구비된 장치에서 세 개의 전극으로부터 공통모드 제거 신호(a common mode cancellation signal)를 생성하고 그 공통모드 제거 신호를 나머지 하나의 전극에 결합하여(청구항 1 참조) 공통모드 신호를 제거하였다. 이것은 Amital 이전에 잘 알려진 전통적인 DRL 방법이다.

Thomson 등(US Pub. No. 2015/0018660, 2015)은 3개의 전극이 부착된 스마트폰 케이스를 공개하였다. Thomson의 스마트폰 케이스는 전면부에 구멍이 있어 스마트폰 화면을 볼 수 있도록 하였다. 그러나 2개의 증폭기를 사용하여 동시에 2개의 리드를 측정하는 방법을 제시하지는 않았다. 또한 Thomson의 장치는 초음파 통신을 사용하므로 스마트폰과 상기 장치가 조금만(1 foot 정도) 떨어져도 통신에 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다. 또한 Thomson의 스마트폰 케이스는 사용자가 스마트폰을 변경할 경우 기존의 스마트폰 케이스를 사용하지 못할 가능성이 있다.

Drake (US Pub. No. 2016/0135701, 2016)는 6 리드를 제공하기 위하여 모바일 장치의 한쪽 면에 3개의 전극을 구비한다. 그러나 Drake는 “3개의 전극으로부터 수신한 아날로그 신호를 증폭하기 위하여 하나 혹은 그 이상의 증폭기로 이루어지는” (문단 [0025]와 청구항 4, “comprises one or more amplifiers configured to amplify analog signals received from the three electrodes") 이라고 기술한다. 그러므로 Drake는 발명의 핵심적인 부분 즉 몇 개의 증폭기를 사용 하는지와 상기 증폭기를 상기 세 개의 전극에 어떻게 연결하는지에 대하여 모호하다. 또한 Drake는 “The ECG device 102 can include a signal processor 116, which can be configured to perform one or more signal processing operations on the signals received from the right arm elctrode 108, from the left arm electrode 110, and from the left leg electrode 112" ( 문단 [0025] ) 라고 기술한다. 그러므로 Drake는 3개의 신호를 수신한다. 또한 Drake는 3개의 신호를 수신하는 것이 동시인지 순차적인지도 모호하다. 또한 Drake는 “Various embodiments disclosed herein can relate to a handheld electrocardiographic device for simultaneous acquisition of six leads."( 문단 [0019] ) 라고 기술한다. 여기서 Drake는 ”simultaneous"의 단어를 부정확하고 부적절하고 불명확하게 사용한다. Drake 의 장치의 구조는 상기 Thomson 장치의 구조와 유사하다고 볼 수 있다. Drake는 3개의 전극을 장치의 한쪽 면에 배치한다. 그러므로, 상기 Thomson 등과 마찬가지로, 3개의 전극을 두 손과 몸통에 동시에 접촉시키기 어렵다.

Saldivar (WO 2017/066040, 2017)의 장치는 리드 선택단(Lead Selection Stage) 250을 사용하여 3개의 전극을 하나의 증폭기 210에 연결시킨다. 또한 Saldivar는 6개의 리드를 얻기 위하여 하나씩 순차적으로 6번의 측정을 한다. 즉 Saldivar는 복수의 리드를 동시에 측정하지 않는다. Saldivar는 3개의 증강 림브 리드(augmented limb leads)도 순차적으로 직접 측정한다.

본 발명은 상기의 문제점과 필요성에 의하여 안출된 것으로서, 3 개의 전극을 갖는 하나의 심전도 장치로 2개의 림브 리드를 동시에(simultaneously) 측정하기 위하여 상기 2개의 림브 리드와 연관된 2개의 증폭기를 사용하는 심전도 장치를 제공하고자 한다. 2개의 림브 리드를 동시에 측정하는 것은 의학적으로 상당히 중요하다. 왜냐하면 2개의 리드를 순차적으로 측정하기에는 시간이 더욱 소요되고 불편하기 때문이다. 더욱 중요한 것은 다른 시기에 측정된 2개의 림브 리드는 서로 상관 관계가 없을 수 있고 상세한 부정맥 판별에 혼란을 줄 수 있기 때문이다. 본 발명에 의한 심전도 장치는 사용자의 편의를 위하여 한쪽 표면에 서로 떨어진 2개의 건식전극과 다른 쪽 표면에 1개의 건식전극을 구비한 판상형 심전도 장치를 포함한다. 또한 본 발명은 DRL 전극을 사용하지 않기 위한 전력선 간섭 제거 방법을 제공하고자 한다. 본 발명에서는 두 손을 두 개의 전극에 각각 접촉시키고 몸에 하나의 전극을 접촉시키는 편리한 심전도 측정 방법과 이에 합당한 구조의 심전도 측정 장치를 공개하는데 그 목적이 있다.

상기의 해결하려는 과제를 위한 본 발명에 따른 심전도 장치의 외형, 동작 원리, 구성, 사용 방법은 다음과 같다. 본 발명은 계통적이고 분석적인 회로 설계와 소프트웨어 제작을 통하여 상기의 문제들을 해결한다.

본 발명은 2개의 심전도 신호를 측정하는 심전도 측정 장치에 있어서, 상기 심전도 측정 장치는,

접촉한 인체 부위의 심전도 전압 2개를 각각 수신하는 첫 번째 전극 및 두 번째 전극;

상기 첫 번째 전극과 두 번째 전극으로부터 상기 심전도 전압 2개를 각각 수신하는 2개의 증폭기;

구동 전압을 출력하는 하나의 전극 구동부;

상기 전극 구동부의 출력을 수신하여 접촉한 인체 부위에 상기 전극 구동부의 출력을 전달하는 세 번째 전극;

상기 2개의 증폭기의 각각의 출력단자와 연결되어 상기 2개의 증폭기의 출력 신호를 2개의 디지털 신호로 변환하는 AD변환기;

상기 AD변환기의 2개의 디지털 신호를 수신하는 마이크로콘트롤러;

상기 2개의 디지털 신호를 송신하는 통신 수단을 포함하며,

상기 마이크로콘트롤러는 배터리의 전력을 공급받으며,

상기 마이크로콘트롤러는 상기 AD변환기 및 상기 통신 수단을 제어하며,

상기 2개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 전압을 동시에 수신하여 증폭하며, 상기 전극 구동부의 출력 임피던스는 상기 2개의 증폭기의 각각의 입력 임피던스보다 작은 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)를 나타낸다. 상기 심전도 측정 장치(100)는 표면에 세 개의 전극(111, 112, 113)을 포함한다. 상기 심전도 측정 장치(100)의 한쪽 면에는 소정 간격으로 이격된 두 개의 전극(111과 112)이 설치되고 다른쪽 면에는 하나의 전극(113)이 설치된다.

도 2는 사용자가 본 발명에 따른 심전도 측정 장치(100)를 사용하여 6 채널 모드에서 심전도를 측정하는 방법을 나타낸다. 상기 사용자는 심전도 측정 장치(100)의 한쪽 면에 구비된 전극 111과 112를 양 손으로 각각 접촉하고 다른 면에 구비된 전극 113을 사용자의 왼쪽 하복부(혹은 왼쪽 다리)에 접촉시킨다. 이런 방식으로 3 개의 전극을 인체에 접촉시키면 2 개의 림브 리드를 측정할 수 있으며 아래에 기술하는 바와 같이 4개의 리드를 계산하여 추가적으로 구할 수 있다. 도 2의 측정 방법은 가장 편리하게 6 채널의 심전도를 얻기 위하여 본 발명에서 제공하는 방법이다. 또한 본 발명은 도 2의 측정 방법에 가장 알맞은 장치를 제공한다. 상기 측정 방법의 원리는 다음과 같다.

전통적인 12-lead ECG 에 대하여는 예를 들면 [ANSI/AAMI/IEC 60601-2-25:2011, Medical electrical equipment-part 2-25: Particular requirements for the basic safety and essential performance of electrocardiographs] 에 기술되어 있다. 전통적인 12-lead ECG중에서 3개의 림브 리드 (Limb lead)는 다음과 같이 정의된다. 리드 I= LA-RA, 리드 II= LL-RA, 리드 III=LL-LA이다. 위 식들에서 RA, LA, LL은 각각 오른 손(right arm), 왼손(left arm), 왼다리(left leg) 혹은 이들 림브와 가까운 몸통 부위의 전압이다. 이때 전력선 간섭을 제거하기 위해서 종래의 기술에서는 통상적으로 오른다리(DRL) 전극을 사용한다. 상기 관계로부터 하나의 림브 리드는 다른 두 개의 림브 리드로부터 구할 수 있다. 예를 들면 리드 III= 리드 II - 리드 I 이다. 증강 림브 리드 (Augmented limb leads) 3 개는 다음과 같이 정의된다. aVR= RA-(LA+LL)/2, aVL= LA-(RA+LL)/2, aVF= LL-(RA+LA)/2. 따라서 3개의 증강 림브 리드는 2개의 limb lead로 부터 구할 수 있다. 예를 들면 aVR= -(I+II)/2 로 구할 수 있다. 따라서 두 개의 림브 리드를 측정하면 나머지 4개의 리드를 계산하여 구할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 6개의 리드를 제공하기 위하여 3개의 전극과 두 개의 증폭기를 사용하여 두 개의 리드를 동시에 측정하기 위한 장치를 공개한다. 여기서 하나의 증폭기는 하나의 신호를 증폭한다는 의미이며 실제 구성에서는 하나의 증폭기는 직렬로 연결된(cascaded) 다수의 증폭단 혹은 능동 필터의 집합체로 구성될 수 있다. 표준적인 12-리드 심전도는 상기 6개의 리드와 V1부터 V6까지의 6개의 프리코디얼 리드(precordial leads)로 이루어진다.

MCL(Modified Chest Leads)은 상기 프리코디얼 리드와 유사하여 의학적으로 매우 유용하다. 한편 본 발명의 원리에서 3개의 전극 중에서 증폭기에 연결되지 않는 하나의 전극의 전압은 후술하는 바와 같이 신호 주파수 대역에서 실질적으로 거의 회로공통과 같아진다. 따라서 본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)는 MCL1 부터 MCL6까지 6개의 MCL중에서 하나의 MCL을 측정하기에 적합하다. 각각의 MCL은 왼손이 연결되는 몸통 부위의 전압을 기준으로 해당되는 프리코디얼 리드의 위치에서의 전압이기 때문이다.

도 3은 본 발명에 따른 심전도 장치를 MCL 모드로 사용하여 사용자가 MCL1을 측정하는 방법을 나타낸다. 본 발명에 따른 심전도 장치를 사용하여, 예를 들어, MCL1을 측정하기 위해서는 사용자는 도 3에서와 같이 심전도 측정 장치(100)의 한쪽 면에 구비된 전극 111과 112를 양 손으로 각각 접촉하고 다른 면에 구비된 전극 113을 MCL 위치(예를 들어 MCL1을 측정할 때는 V1 위치)에 접촉시키면 된다. 본 발명에서 사용자가 MCLn을 측정하기 위해서는 사용자가 상기 전극 113을 사용자 몸통의 MCLn 위치 즉 Vn 위치에 접촉시키면 된다.

이제부터 도 4와 도 5를 이용하여 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 하나의 실시예에 대하여 기술한다. 도 4는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 전력선 간섭을 제거하는 원리와 실시예를 설명하는 전기적 등가회로 모델이다. 도 5는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 2 개의 싱글 엔디드 입력 증폭기와 하나의 전극 구동부를 사용하여 심전도의 2 채널을 동시에 측정하는 실시예의 전기적 등가회로 모델이다.

도 4에서 전력선 간섭을 모델링하기 위하여 전류원 450을 사용하였다. 또한 도 4에서 인체를 430으로 표시하였으며 하나의 점에서 서로 연결되는 3개의 전극 저항 (431, 432, 433)으로 모델링하였다. 또한 도 5에서는 하나의 심전도 신호를 두 개의 전극 저항 사이에 존재하는 하나의 전압원(461과 462)으로 모델링하였다. 본 발명에서는 3 개의 전극을 사용하므로 도 5에서 인체에 두 개의 심전도 전압원(461과 462)이 있는 것으로 모델링하였다. 이것은 3 개의 전극에는 3 개의 심전도 전압이 존재하지만(이것은 3 개의 전극 중에서 두 개의 전극을 선택하는 경우의 수가 3이기 때문이다.) 두 개의 심전도 전압 만이 독립적이기 때문이다. 상기 도 4의 전력선 간섭에 대한 모델링과 도 5의 심전도 신호에 대한 모델링은 간략화된 것이다. 그러나 상기 모델들은 풀어야 할 문제를 명확히 하기 위하여 적합하다. 또한 상기 모델들은 본 발명에서 무엇을 고안해야 할지를 명확히 제시한다. 또한 상기 모델들을 사용하면 본 발명을 쉽게 이해할 수 있다. 본 발명은 상기 모델들을 기반으로 고안되었다. 종래의 기술들은 상기와 같은 모델들을 사용하지 않았기 때문에 종래의 기술들은 문제의 해결 방법을 정확하게 제시할 수 없었다.

본 발명은 이후 설명하는 바와 같이 여러가지 실시예로 표현될 수 있다. 그러나 본 발명의 여러가지 실시예는 공통적으로 다음과 같은 본 발명의 원리를 기반으로 한다. 본 발명의 원리는 본 발명을 위하여 본 발명에서 고안된 것이다. 본 발명의 원리는 종래의 기술에서 사용되었던 DRL에 비하여 DRL 전극을 사용하지 않는다는 차이점이 있다.

DRL 전극을 사용하지 않는 종래의 심전도 측정 장치에서 해결하지 못하였으며 필수적으로 해결이 요구되는 문제는 전력선 간섭을 제거 혹은 감소시키는 것이다. 심전도 측정 장치에서의 전력선 간섭은 도 4에서와 같이 출력 임피던스가 상당히 커서 실질적으로 무한대인 출력 임피던스를 갖는 전류원에 의하여 발생한다. (도 4에서 전력선 간섭 전류원은 450으로 나타내었다.) 따라서 전력선 간섭을 제거하기 위해서는 상기 전력선 간섭 전류원에서 인체를 들여다 보는 임피던스를 최소화할 것이 요구된다. 상기 전력선 간섭 전류원에서 인체를 들여다 보는 임피던스는 인체 자체의 임피던스와 심전도 측정 장치의 임피던스의 합이다. 결국 3개의 전극을 통하여 들여다 보는 심전도 측정 장치의 임피던스를 최소화 할 것이 요구된다. 한편 심전도를 측정하기 위하여 사용하는 전극과 인체 사이에는 소위 전극 임피던스 혹은 전극 저항(도 4에서 431, 432, 433)라고 하는 임피던스가 존재한다. 따라서 전극 임피던스에 의한 영향을 최소화하고 심전도 전압을 측정하기 위해서는 심전도 측정 장치는 높은 임피던스를 갖어야 한다. 따라서 심전도 측정 장치는 전력선 간섭을 제거하기 위해서는 낮은 임피던스를 가져야 하며 심전도 전압을 측정하기 위해서는 높은 임피던스를 가져야 하는 두 개의 서로 상반되는 조건을 만족시켜야 한다.

상기 두 개의 서로 상반되는 조건을 만족시키기 위해서 가능하다고 생각할 수 있는 방법은 예를 들어 3개의 전극을 사용하는 경우 3개의 전극에 값이 큰 저항 3개를 각각 연결하고 상기 3개의 저항의 다른 쪽 끝을 하나의 점으로 함께 몪으며 3개의 전극의 공통모드 신호를 저항 3개가 묶인 상기 하나의 점으로 네가티브 피드백하는 것이다. 그러나 이 방법은 실질적으로 사용하기에 어렵다. 왜냐하면 전력선 간섭 전류원의 임피던스가 커서 전력선 간섭 전류의 크기가 줄어들지 않기 때문이다. 따라서 이 경우에 상기 3 개의 저항에 유도되는 전력선 간섭 전압은 여전히 상당히 크다. 혹은 증폭기가 포화될 수 있다. 또한 전력선 간섭 전류의 크기가 줄어들지 않았으며 각각의 전극 임피던스는 서로 다를 수 있기 때문에 각각의 전극에는 서로 다른 전력선 간섭 전압이 상당히 높게 유도된다. 그러므로 설사 차동증폭기를 사용하여도 각각의 전극에 유도된 전력선 간섭을 제거하기 어렵다. 이것이 종래 기술의 어려움이었다.

따라서 본 발명에서는 심전도 측정 장치에 설치된 전극들 중에서 하나의 전극으로만 전력선 간섭 전류가 집중되어 흐르도록 한다. 이렇게 하기 위하여 3개의 전극이 인체에 연결된 상태에서 전력선 간섭 전류원이 상기 하나의 전극을 통하여 심전도 측정 장치를 들여다 보는 임피던스를 최소화한다. 그러면 전력선 간섭 전류원에 의하여 인체에 유도되는 전력선 간섭 전압(도 4에서는 440 로 표시함)이 최소화된다. 그러면 인체에 유도되는 전력선 간섭 전압이 최소화되었으므로 심전도 측정 장치의 다른 전극의 입력 임피던스를 크게 할 수 있으며 심전도 전압을 정확하게 측정할 수 있다. 이때 중요한 점은 전력선 간섭 전류가 집중되어 흐르는 상기 하나의 전극에는 전력선 간섭 전압이 높게 유도되므로 상기 하나의 전극은 측정에 사용되지 말아야 한다는 점이다. 그러므로 본 발명에서는 3개의 전극을 사용하는 경우 2 개의 전극과 상기 2 개의 전극으로부터 심전도 신호를 받는 2 개의 증폭기를 측정에 사용한다는 특징을 갖는다. 특히 주목하여야 할 점은 3 개의 전극을 사용하는 심전도 측정 장치에서 2 개의 전극만을 측정에 사용하여야 하므로 2 개의 차동증폭기를 사용할 수 없다는 점이다. 또한 주의할 점은 네가티브 피드백을 사용하는 경우 모든 주파수 대역에서 네가티브 피드백이 이루어지면 심전도 신호가 피드백되는 전극 쪽에 발생하여 전력선 간섭 전압과 혼합되므로 전력선 간섭 주파수에서만 네가티브 피드백이 이루어져야 한다는 점이다. 이하 본 발명에 대한 상세한 설명을 도면을 사용하여 기술한다.

도 4 및 이후의 도면에서 본 발명에 의한 심전도 측정장치 100은 편의상 본 발명에 의한 장치의 일부만을 나타내고 있다. 도 4에서 본 발명에 의한 심전도 측정장치 100은 3 개의 전극 111, 112, 113과 2 개의 증폭기 411과 412와 하나의 전극 구동부(구체적으로는 대역통과필터) 413을 포함한다. 도 4 및 도 5에서 본 발명에서 사용하는 상기 2 개의 증폭기 411과 412는 차동증폭기가 아니고 싱글 엔디드 입력 증폭기인 특징이 있다.

본 발명의 도 4에 나타낸 실시예의 중요한 특징은 본 발명에 의한 심전도 측정 장치 100이 대역통과필터로 표시된 전극 구동부 413을 포함하는 것이다. 즉 도 4 등에서 전극 구동부 413은 대역통과의 주파수 특성을 가질 수 있다. 따라서 본 발명에서 전극 구동부 413을 대역통과필터로 기술할 수 있다. 상기 전극 구동부 413의 입력은 하나의 전극 112에 연결된다. 상기 전극 구동부 413의 출력은 저항 423을 통하여 전극 113을 구동한다(전극 113으로 피드백 된다). 상기 전극 구동부 즉 대역통과필터 413의 공진주파수 즉 피크주파수는 전력선 간섭의 주파수와 동일하다. 또한 상기 대역통과필터 413은 Q가 큰 특징이 있다. 도 4에서 대역통과필터 413의 입력 임피던스는 상당히 크며 출력 임피던스는 상당히 작다. 저항 423의 소자값은 로 나타내었다. 본 발명에서 편의상 저항 423을 전극 구동부 413의 출력 임피던스로 간주한다.

본 발명에서 3개의 전극 중에서 2개의 전극은 값이 인 저항 421과 422를 통하여 아날로그 회로공통으로 연결된다. 저항 421과 422는 증폭기 411과 412의 입력 임피던스로 간주한다.

도 4에서 430은 인체의 모델이다. 인체와 전극 사이에는 통상 전극 임피던스로 불리우는 접촉 저항이 존재한다. 도 4에서 인체 430과 3 개의 전극 111, 112, 113 사이에 존재하는 전극 임피던스(전극 저항)를 각각 저항 431, 432, 433으로 나타내었다. 전극 저항 431, 432, 433의 소자값은 각각 로 표시하였다.

도 4에서 450은 전력선 간섭을 모델링하기 위한 전력선 간섭 전류원이다. 전력선 간섭 전류원 450의 전류 은 인체 430과 상기 3개의 전극 111, 112, 113을 통하여 본 발명에 의한 심전도 장치 100의 회로공통으로 흐른다. 상기 3개의 전극 111, 112, 113을 통하여 흐르는 전력선 간섭 전류를 각각 으로 나타내면 키르히호프의 전류 법칙에 의하여 다음이 성립한다.

회로해석을 위하여 인체 430에 유도되는 전력선 간섭을로 나타내었다. 도 4에서 는 각각 전극 111, 112, 113의 전력선 간섭 전압을 나타낸다. 상기 식 1에서 각각의 전류는 다음과 같다.

여기서

위에서 상기 대역통과필터 413의 전달함수는 로 표시하였다. 위 식들을 이용하면 다음을 얻는다.

본 발명에서 다음의 근사(식 7과 식 8)가 가능하도록 도 4의 회로의 소자값을 사용한다. 식 7과 식 8은 본 발명의 중요한 구성 요소이다.

그러면 다음의 근사가 성립한다.

위 식 9로부터 다음을 얻는다.

그러면 다음의 근사가 성립한다.

위 식 9로부터 다음을 얻는다.

식 10에서 피드백이 없으면 즉 만일 이면 아래가 성립한다.

if

식 10과 식 11을 비교하여 우리는 본 발명의 효과로 전력선 간섭 전류 의 영향을 피드백 양(the amount of feedback) 즉 으로 감소시키는 것을 알 수 있다. 따라서 대역통과필터의 공진주파수에서의 이득의 크기 이면 이 된다. 이상과 같이 본 발명에서 전력선 간섭을 제거하는 원리를 증명하였다.

식 2와 식 10을 사용하여 다음을 확인할 수 있다.

이제 에 대하여 다음의 결과를 얻는다. 위 결과로부터 과 을 사용할 수 있다.

식 12와 식 13으로부터 다음을 알 수 있다.

이것은 피드백의 결과로 |H(f)| 가 크면 거의 모든 전력선 간섭 전류가 피드백이 되는 전극 (도 4에서는 전극 113)을 통하여 흐르므로 피드백이 되는 전극은 전력선 간섭에 오염되는 한편 피드백이 되지 않는 전극 (도 4에서는 전극 111과 112)은 전력선 간섭의 영향을 거의 받지 않는 것을 의미한다. 이것은 심전도 측정을 위하여는 피드백이 되는 전극은 사용하지 말고 피드백이 되지 않는 전극만을 사용해야 함을 의미한다. 따라서 전극 111과 전극 113에 입력이 연결되는 차동증폭기 혹은 전극 112와 전극 113에 입력이 연결되는 차동증폭기를 사용하면 전력선 간섭의 영향을 제거하지 못한다. 이것은 종래 기술의 중요한 문제점 중의 하나이다.

이제부터 본 발명에 의하여 3 개의 전극을 사용하여 2 개의 심전도 채널 신호들을 얻는 원리를 기술한다. 도 5는 본 발명에 의한 심전도 장치를 이용하여 심전도를 측정할 때의 등가회로이다. 도 5에서 는 각각 전극 111, 112, 113의 심전도 신호 전압을 나타낸다. 중첩의 원리를 이용하여 이 등가회로를 해석하여 전극 112의 전압 을 구하면 다음과 같다.

상기 식 15에서 기호 ||은 병렬 저항의 값을 나타낸다. 앞에서와 마찬가지로 식 15에서 식 7과 식 8의 조건을 가정하는 것이 가능하다. 그러면 전압 는 다음과 같이 근사된다.

그러므로 상기 식7과 식 8의 조건에서 전압 은 다음과 같다.

위 식으로부터 신호 대역에서 이면 임을 알 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 사용되는 대역통과필터의 주파수 응답을 보여준다. 도 6에서 대역통과필터의 공진 주파수는 60Hz이며 공진 주파수에서의 이득은 20이고 이다. 도 7은 도 6의 상기 대역통과필터를 사용하였을 때 주파수가 40Hz 이하에서 98%의 정확도로 를 구할 수 있음을 보여준다.

마찬가지로 전극 1의 전압 을 구하면 다음과 같다.

식 7과 식 8의 조건을 사용하면 전압 은 다음과 같이 근사된다.

위 식은 식 16을 사용하여 구하였다. 위 식으로부터 다음의 식 20을 얻고 이 식에 의하여 를 구할 수 있다. 식 20으로부터 대역통과필터의 영향 없이 를 구할 수 있음을 알 수 있다.

이로써 본 발명에 의하여 두 개의 싱글 엔디드 증폭기를 사용하여 두 개의 심전도 채널의 신호들을 얻는 원리를 기술하였다.

도 8은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 두개 전극의 공통모드 신호를 사용하여 전력선 간섭을 제거하는 원리와 실시예를 설명하는 전기적 등가회로 모델이다. 당연히 공통모드 신호를 사용하여도 전력선 간섭 전류는 전극 구동부 813의 출력이 피드백되는 전극 832를 통하여 집중되어 흐르며 상기 전극 832에는 전력선 간섭 전압이 존재한다. 도 9는 도 8의 방법으로 즉 공통모드 신호를 사용하여 전력선 간섭을 제거할 때 하나의 차동증폭기 811과 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기 812를 사용하여 심전도의 2 채널을 동시에 측정하는 실시예의 전기적 등가회로 모델이다. 앞에서 두개의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 때처럼 두개의 심전도 전압을 구할 수 있다.

편의상 도 8 및 도 9의 회로 해석은 생략한다. 도 8 및 도 9의 실시예에서 주목할 것은 앞의 도 4 및 도 5의 실시예에서처럼 하나의 전극 구동부 즉 대역통과필터 813는 출력 임피던스 와 하나의 전극 112를 통하여 상기 전극 112가 접촉하는 인체부위에 구동 전압을 인가하는 것이다. 즉 전극 112는 심전도 전압을 측정하기 위한 증폭기와 연결되지 않으며 출력 임피던스 823을 통하여 전극 구동부 813과 연결된다. 즉 전극 112는 심전도 전압 측정에 사용되지 않는다. 대역통과필터의 피크값이 큰 경우 신호대역에서 을 실현하기 위해서는 대역통과필터의 전달함수 에 대한 보정 혹은 보상을 할 수 있다.

도 8에서는 하나의 전극 구동부로 하나의 대역통과필터 813을 사용하였지만 도 10에서는 하나의 전극 구동부로 하나의 정전압원 1013을 사용한다. 상기 정전압원 1013은 작은 저항값 를 갖는 저항 1023과 전극 112를 통하여 상기 전극 112가 접촉하는 인체 부위에 구동 전압을 인가한다. 대부분의 전력선 간섭 전류는 상기 전극 112를 통하여 흐르게 된다. 전력선 간섭 전류를 더욱 집중시키기 위해서는 상기 전극 구동부 1013의 출력 임피던스 1023을 작게 할 수 있다. 이 방법은 대역통과필터를 사용하는 앞의 방법보다는 전력선 간섭 제거 효과가 작다. 도 10의 실시예에서도 전력선 간섭 전류가 집중되어 흐르는 전극을 제외한 두개의 전극에 연결되는 두개의 증폭기를 사용하여 동시에 2개의 심전도 전압을 증폭한다. 도 10의 실시예에서는 하나의 차동증폭기 1011과 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기 1012를 사용한다. 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기 1012의 출력은 작은 전력선 간섭을 포함할 수 있으며 더욱 전력선 간섭을 감소시키기 위하여 대역통과필터 1033을 사용할 수 있다.

도 5, 도 9 및 도 10에서 공통적으로 중요한 것은 전력선 간섭을 감소시키기 위해서 출력 임피던스가 작은 전극 구동부를 사용하여 하나의 전극을 구동하는 것이다. 상기 전극 구동부의 출력은 상기 전극을 통하여 상기 전극이 접촉하는 인체 부위로 전달된다. 일단 전력선 잡음을 감소시키면 2개의 전극으로부터 전달받은 2개의 심전도 전압을 증폭하기 위해서는 2 개의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 수도 있으며 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기와 하나의 차동증폭기를 사용할 수도 있다.

본 발명의 원리를 요약하면 다음과 같다. 상기 전력선 간섭 전류원이 심전도 측정 장치를 들여다보는 입력 임피던스를 작게 해야 하는 조건은 하나의 전극에 연결되는 전극 구동부의 출력 임피던스를 작게 하여 충족시키고, 심전도 신호 전압이 상기 심전도 측정 장치를 들여다보는 입력 임피던스를 크게 해야 하는 조건은 다른 두 개의 전극을 통하여 각각 들여다보는 입력 임피던스를 크게 함으로써 충족시킨다. 이렇게 함으로써 본 발명에 의한 심전도 측정 장치는 전력선 간섭을 감소시키면서도 심전도 신호 전압을 정확히 측정할 수 있다. 따라서 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 상기 전극 구동부의 출력 임피던스는 상기 2개의 증폭기의 각각의 입력 임피던스보다 작은 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하여 하나의 전극 구동부의 출력을 하나의 전극에 인가하여 전력선 간섭을 제거하면서 두개의 전극으로부터 두개의 심전도 전압을 수신하는 입력 임피던스가 큰 두개의 증폭기를 사용하여 상기 두개의 심전도 전압을 동시에 측정하는 실시예에 대하여 기술하였다.

본 발명에 따른 심전도 측정 장치는 가장 적은 수의 전극 (구체적으로는 3 개의 전극)을 사용하여 동시에 얻은 6 개의 심전도 리드를 제공한다. 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 MCL 모드에서 사용하면 하나의 림브 리드(구체적으로는 Lead I)와 하나의 MCL을 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 휴대용 심전도 측정 장치는 하나의 신용카드 크기이므로 휴대하기에 편리하여 시간과 장소에 구애 받지 않고 가장 편리하게 복수의 심전도를 얻을 수 있고, 무선으로 스마트폰과 통신하므로 본 발명에 의한 심전도 측정 장치와 스마트폰 사이의 거리에 실질적인 제한없이 편리하게 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 상기 심전도 측정 장치는 사용하지 않을 때는 전류감지기를 제외한 모든 회로가 power off 되고 마이크로콘트롤러만 슬립 모드(sleep mode)에 들어가도록 하며, 사용할 때는 필요한 회로에만 전력을 공급하고 상기 마이크로콘트롤러는 활성화 모드로 들어가도록 하므로 심전도 측정 장치에 내장된 배터리의 전력소모를 최대로 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 상기 심전도 측정 장치는 기계적인 전원 스위치나 선택 스위치를 포함하지 않도록 하여 소형, 박형화를 가능하게 하며, 사용자가 스위치를 사용하는 불필요한 번거로움, 스위치의 고장 가능성과 유한한 수명, 제조 가격의 상승을 초래하지 않는다.

또한, 본 발명에 의한 상기 심전도 측정 장치 장치는 LCD 등의 디스플레이를 포함하지 않으므로 디스플레이의 고장 가능성과 열화, 제조 가격의 상승을 초래하지 않으며 소형으로 제작이 가능하고 휴대하기 편리하다.

도 1은 본 발명에 따른 3개의 전극을 구비한 심전도 측정 장치의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 사용하여 6 채널 모드에서 심전도를 측정하는 방법.

도 3은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 사용하여 MCL 모드에서 심전도를 측정하는 방법.

도 4는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 전력선 간섭을 제거하는 원리와 실시예를 설명하는 전기적 등가회로 모델.

도 5는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 2 개의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하여 심전도의 2 채널을 동시에 측정하는 실시예의 전기적 등가회로 모델.

도 6은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 사용되는 대역통과필터의 주파수 응답.

도 7은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 하나의 신호 채널의 주파수 응답.

도 8는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 공통모드 신호를 사용하여 전력선 간섭을 제거하는 원리와실시예를 설명하는 전기적 등가회로 모델.

도 9는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 공통모드 신호를 사용하여 전력선 간섭을 제거할 때 하나의 차동증폭기와 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하여 심전도의 2 채널을 동시에 측정하는 실시예의 전기적 등가회로 모델.

도 10은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에서 하나의 차동증폭기와 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하여 심전도의 2 채널을 동시에 측정하는 다른 실시예

도 11은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치에 내장된 회로의 블록도.

도 12는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 동작 흐름도.

도 13은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 사용하기 위하여 스마트폰 앱을 실행시켰을 때 스마트폰의 초기 화면

도 14는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 사용할 때의 스마트폰 앱의 흐름도.

도 15는 혈액 시험 스트립 삽입구가 구비된 본 발명에 따른 심전도 측정 장치

도 16 은 본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 스마트 워치 형태로 구현한 예.

도 17 은 본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 반지 형태로 구현한 예.

도 18 및 도 19는 본 발명에 의하여, 바지에 결합하여 심전도를 측정하고자 할 때 심전도 측정 장치의 예들.

도 20 및 도 21는 본 발명에 의하여, 심전도 측정 장치를 전극 역할을 하는 두개 혹은 하나의 슬라이드 가이드를 사용하여 워치의 밴드에 결합시킬 수 있는 형태들.

도 22는 본 발명에 따른 4개의 전극을 구비한 심전도 측정 장치의 사시도.

도 23은 종래의 기술임.

도 24는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 하나의 실시예.

도 25는 도 24에 나타낸 본 발명에 따른 실시예를 해석하기 위한 전기적 등가회로 모델.

도 26은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 또 하나의 실시예.

도 27은 본 발명에 따른 그룹A의 실시예들을 나타내는 표1.

도 28은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 또 하나의 실시예.

도 29는 본 발명에 따른 그룹B의 실시예들을 나타내는 표2.

도 30은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 또 하나의 실시예.

도 31은 도 30에 나타낸 본 발명에 따른 실시예를 해석하기 위한 전기적 등가회로 모델.

도 32는 본 발명에 따른 그룹C의 실시예들을 나타내는 표3.

도 33은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 또 하나의 실시예.

도 34는 본 발명에 따른 그룹D의 실시예들을 나타내는 표4.

도 35는 도24 및 도 25에 나타낸 본 발명에 따른 실시예의 모션 잡음을 해석하기 위한 전기적 등가회로 모델.

도 36은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 또 하나의 실시예.

도 37은 도36에 나타낸 본 발명에 따른 실시예의 모션 잡음을 해석하기 위한 전기적 등가회로 모델.

도 38은 본 발명에 의한 4개의 심전도 전극을 포함하는 심전도 측정 장치를 반지 형태로 구현한 실시예.

도 39는 본 발명에 의한 4개의 심전도 전극을 포함하는 심전도 측정 장치를 반지 형태로 구현한 다른 실시예.

도 40은 본 발명에 의한 4개의 심전도 전극을 포함하는 심전도 측정 장치를 워치 형태로 구현한 실시예.

도 41은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 또 하나의 실시예.

도 42는 도41에 나타낸 본 발명에 따른 실시예의 모션 잡음을 해석하기 위한 전기적 등가회로 모델.

도 43은 본 발명에 따른 그룹F의 실시예들을 나타내는 표5.

도 44는 동일한 워치를 왼 손과 오른 손에 착용한 모습.

도 45는 전극들과 내부의 측정 회로의 연결 및 구성에 따라 하나의 워치에 해당되며 서로 대칭인 실시예들을 나타내는 표 6.

도 46은 착용하는 팔을 나타내는 파라메터를 미리 설정하고 측정하는 심전도 측정의 순서도.

도 47은 측정된 심전도 리드의 에러에 의하여 발생되는 계산되는 심전도 리드 신호의 에러를 나타내는 표 7.

이하, 도면을 참고하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 본 실시예에서 심전도(ECG) 측정 장치는 3 개의 전극을 포함하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 국한되지는 않고 상기 심전도 측정 장치는 3 개 이상의 전극을 포함한 장치일 수 있다. 본 발명에 대한 중요한 실시예는 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 앞에서 이미 도 4부터 도 10까지 사용하여 기술하였다.

본 발명에 따른 휴대용 심전도 측정 장치는 휴대성을 높이기 위하여 신용카드 형태이고 두께는 6 mm 이하가 바람직하다. 본 발명에 따른 휴대용 심전도 측정 장치는 휴대용이므로 배터리를 사용하며 CR2032형 배터리를 사용하는 경우 2년 정도의 사용시간이 가능하다.

또한, 휴대용 심전도 측정 장치의 소형화를 위하여 기계적 전원 스위치나 선택 스위치가 없을 수 있고, 전력소모를 감소시키기 위하여 디스플레이를 사용하지 않는다.

본 발명에 의한 휴대용 심전도 측정 장치에서는 기계적 전원 스위치나 선택 스위치를 사용하지 않기 위하여 전류감지기를 사용할 수 있다. 상기 전류감지기는 동작에 필요한 전력을 항상 공급받으며 이벤트가 발생하면 출력신호를 발생시키기 위해 대기한다. 사용자가 심전도를 측정하기 위하여 복수의 전극들을 인체에 접촉시키면 인체를 통하여 미세한 전류가 흐를 수 있는 루프가 생성된다. 따라서 상기 인체가 상기 전류감지기와 전기적으로 연결되면 상기 전류감지기가 상기 인체에 미세 전류가 흐르도록 하며, 상기 전류감지기는 상기 미세 전류를 감지하여 출력신호를 발생시킨다. 배터리의 사용시간을 증가시키기 위해서 휴대용 심전도 측정 장치를 사용하지 않을 경우에는 상기 전류감지기만 동작하고 나머지 회로들은 power off 되며 마이크로콘트롤러는 슬립(sleep) 모드로 대기한다. 이때 양쪽 손을 2개의 전극들에 터치하는 이벤트가 발생하여 전류 감지기가 출력신호를 발생하면 상기 마이크로콘트롤러는 활성화되어 심전도 회로를 power on 시키고 심전도 측정을 수행한다. 상기 전류감지기가 감지하는 상기 전류는 상기 휴대용 심전도 측정 장치에 구비된 배터리로부터 공급되며 직류 전류인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)는 혈당 레벨, 케톤(Ketone) 레벨, 혹은 INR(International Normalized Ratio) 등 혈액 특성을 측정하는 기능을 추가하여 포함할 수 있다. 그러므로 본 실시예에서 심전도 측정 장치(100)는 심전도와 혈액 특성을 함께 측정하기 위한 예를 들어 설명한다. 상기의 혈당레벨이나 케톤 레벨은 암페로메트릭 (amperometric) 방법을 사용하여 측정 할 수 있다. 상기의 INR은 혈액응고 경향을 나타내는 척도로서 모세혈에 대한 전기 임피던스 방법, 암페로메트릭 방법, 기계적 방법 등을 사용하여 측정 할 수 있다. 상기 혈액 특성 시험에 필요한 혈액 시험 스트립을 삽입할 수 있는 하나의 혈액 시험 스트립 삽입구는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치의 케이스에 구비할 수 있다.

본 발명에 따른 심전도 측정 장치(100)의 실시예에서는 체온계 기능을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 심전도 측정 장치(100)에 체온계 기능을 포함시키기 위하여 적합한 형태는 접촉식이며 적합한 온도 센서는 써미스터(thermistor)이다. 체온계 기능이 포함된 본 발명에 따른 심전도 측정 장치(100)를 사용하여 체온을 측정하기 위해서는 온도 센서가 부착된 심전도 측정 장치(100)의 부위를 사용자가 사용자의 이마 혹은 겨드랑이에 접촉시킨다. 정확한 체온 측정을 위하여는 상기 온도 센서가 부착된 상기 심전도 측정 장치(100)의 상기 부위에 의하여 피부의 온도가 변화되지 않도록 하여야 한다.

도 11은 본 발명에 따른 심전도 측정 장치(100)에 내장된 회로의 블록도를 나타낸다. 본 발명을명확히 하기 위하여 도 11에는 표시하지 않았으나 본 발명에 의한 심전도 측정 장치는 혈액 시험 회로 및 혈액 시험 스트립 삽입구 등을 포함할 수 있다. 도 11의 각 블록의 기능과 동작은 다음과 같다. 사용자가 한 쌍의 전극(111, 112)을 양쪽 손으로 터치하였을 때 심전도 전류감지기 (1140)은 상기 양쪽 손을 통하여 미세한 전류가 흐르도록 하며 상기 양쪽 손을 통하여 흐르는 상기 미세한 전류를 검출한다. 그러면 상기 전류감지기(1140)은 상기 마이크로콘트롤러(1180)를 슬립 모드에서 활성화 모드로 변경되도록 신호를 발생한다. 그러면 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 상기 심전도 측정회로(1160)와 상기 AD변환기(1170)를 power on시킨다. 상기 심전도 측정회로(1160)는 2개의 심전도 신호를 2개의 증폭기에서 증폭하여 2개의 출력을 발생한다. 상기 AD변환기(1170)는 상기 심전도 측정회로(1160)의 2 개의 출력을 받으며 상기 AD변환기(1170)의 출력들은 상기 무선통신 수단(1190)과 안테나(1192)을 통하여 상기 스마트폰(210)으로 송신된다. 데이터를 수신한 상기 스마트폰(210)은 복수의 심전도 파형을 디스플레이한다. 일정한 시간 동안의 측정이 끝나면 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 슬립 모드로 들어가서 다음번 양쪽 손의 터치를 기다린다.

본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 양손과 왼쪽 하복부에 접촉시키면 한번에 6개의 리드를 표시할 수 있지만 상기 심전도 측정 장치를 왼쪽 하복부에 접촉시키는 것이 불편하거나 1개의 리드만 측정하고 싶을 때에는 1개의 리드만 측정할지 6개의 리드를 측정할지를 상기 심전도 측정 장치가 자동으로 사용자의 의도를 파악하도록 할 수 있다. 사용자가 1개의 리드만 측정하기 위하여 상기 심전도 측정 장치를 양손으로만 접촉하면 상기 전류감지기 (1140) 하나만 전류를 감지한다. 그러면 Lead I만 스마트폰에 표시되도록 한다. 사용자가 6개의 리드를 측정하려고 상기 심전도 측정 장치를 양손과 왼쪽 하복부에 접촉시키면 전류 감지기 (1140)과 전류 감지기 (1150)이 함께 전류를 감지한다. 그러면 6개의 리드를 스마트폰에 표시되도록 한다. 도 11에 표시된 블록의 각각은 상용화된 부품을 사용하여 종래의 기술로 구현이 가능하다.

도 12는 심전도를 측정할 때의 본 발명에 의한 상기 심전도 측정 장치(100)의 동작 흐름도이다. 사용자가 심전도를 측정하기 위해서 상기 심전도 측정 장치(100)의 상기 한 쌍의 전극(111, 112)을 각각 양쪽 손으로 접촉한다(1210). 그러면 양쪽 손 사이에 인체를 통하여 흐르는 미세 전류를 감지한 상기 전류감지기가 출력신호를 발생시킨다(1215) 이 출력신호는 상기 마이크로콘트롤러(1180)의 인터럽트를 발생시켜 상기 마이크로콘트롤러(1180)를 활성화시킨다(1220). 활성화된 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 상기 무선통신 수단(1190)을 활성화시킨다. 지금부터 상기 무선통신 수단(1190)이 블루투스 로우 에너지 장치인 경우에 대하여 기술한다. 상기 심전도 측정 장치(100)의 상기 무선통신 수단(1190)이 블루투스 로우 에너지 주변장치(peripheral)로서 광고(advertizing)한다(1225). 이때 블루투스 로우 에너지 중앙장치(central)로서 스캐닝(scanning)하고 있던 스마트폰이 상기 심전도 측정 장치(100)를 발견하여 연결을 시도한다. 이때 상기 심전도 측정 장치(100)가 연결을 승인하면 상기 스마트폰과 상기 심전도 측정 장치(100)는 블루투스 로우 에너지 연결 상태(connected)가 된다(1230). 이때 상기 심전도 측정 장치(100)는 사용자가 실제로 심전도 측정을 하기 위하여 사용자가 스마트폰의 심전도 측정 버튼을 터치하였는지 확인할 수 있다(1235).

이제 심전도 측정을 요구 받은 것을 확인하였으면 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 상기 심전도 측정회로(1160)를 power on 시킨다(1240). 이것은 심전도 측정회로(1160)에 상기 마이크로콘트롤러(1180)의 출력 핀을 연결하고 상기 출력핀의 전압을 High로 하여 수행할 수 있다. 다음으로 상기 한 쌍의 전극(111, 112)이 양쪽 손에 터치되고 있는 상태인지를 상기 전류감지기를 이용하여 확인한다(1245). 이 단계는 상기 마이크로콘트롤러(1180)가 심전도 측정을 언제부터 시작할지 즉, AD변환을 언제부터 시작할지를 결정하기 위한 것이다. 즉 상기 전극들(111, 112)에 양쪽 손이 계속적으로 접촉되어 있는지를 확인하기 위한 것이다.

상기의 과정 후에 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 심전도 측정을 시작한다(1250). 즉 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 미리 설정된 AD변환 주기에 맞추어서 AD변환을 수행하고 AD변환 결과를 가져온다. 본 발명에서는 두 개의 심전도 신호를 측정한다. 측정된 심전도 데이터는 상기 스마트폰(210)으로 송신되고(1255) 미리 설정된 측정 시간, 예를 들면 30초가 경과하면 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 슬립모드로 된다(1260).

도 11의 모든 회로는 상기 심전도 측정 장치(100)에 내장된 배터리에 의하여 구동된다. 도 11에는 어떠한 기계적 전원 스위치, 기계적 선택 스위치, 디스플레이가 없을 수 있다. 도 11에서 상기 심전도 측정 장치(100)가 측정을 하지 않을 때는 상기 심전도 전류감지기와 상기 마이크로콘트롤러(1180)는 각각 대략 1 uA를 소모하며 다른 모든 블록은 완전히 power off 된다.

본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)는 스마트폰(210)과 함께 사용된다. 도 13은 본 발명에 따른 스마트폰 앱을 실행시켰을 때 스마트폰의 초기 화면을 보여준다. 스마트폰 앱이 실행되면 스마트폰(210)의 디스플레이(1320)에 터치 버튼들(1331, 1332, 1334, 1336, 1342, 1344, 1346, 1350)을 보여준다. 심전도와 관련된 버튼들(1331, 1332, 1334, 1336)은 심전도 박스(1330) 내에 구성된다. 본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)가 혈액 특성을 측정하는 기능을 포함하는 경우에는 혈액 특성과 관련된 버튼(1342, 1344, 1346)이 혈당 박스(1340) 내에 구성된다. 사용자가 심전도를 측정하기 위해서는 측정하고자 하는 심전도 측정 모드 버튼(1331, 1332)의 하나를 선택하여 터치한다. 사용자가 6-채널 모드에서 심전도를 측정할 때는 버튼 1331을 터치한다. 사용자가 MCL 모드에서 심전도를 측정할 때는 버튼 1332을 터치한다. 그런 후 사용자가 상기 심전도 측정 장치(100의 상기 한 쌍의 전극(111과 112)을 각각 양쪽 손으로 터치하고 있으면 위에서 기술한 바와 같이 상기 심전도 측정 장치(100)가 심전도를 측정한다. 측정된 심전도 데이터는 상기 스마트폰 디스플레이(1320)에 차트 형태로 나타나고 상기 스마트폰(210)에 저장된다. 과거에 저장된 심전도 측정 데이터를 다시 차트 형태로 보려면 열기 버튼(1334)을 터치한다. 의사나 병원으로 저장된 데이터를 보내려면 전송 버튼(1336)을 터치한다. 설정 버튼(1350)은 사용자의 이름, 생년월일, 성별, 주소 등을 기록하거나 선택사항들을 설정하고자 할 때 터치한다.

도 14는 본 발명에 따른 스마트폰 앱의 흐름도를 나타내었다. 편의상 심전도를 측정하는 과정에 대하여만 기술한다. 도 14에 보인 것과 같이 심전도를 측정할 때의 흐름은 중심 줄기(1422, 1424, 1426, 1428, 1430, 1432)와 블루투스 로우 에너지(BLE) 줄기(1452, 1454)의 두 개의 줄기로 구성된다. 앱이 시작되면 스마트폰 디스플레이(1320)에 각종 버튼들이 나타난(1410) 후 블루투스 로우 에너지 통신 수행을 위한 상기 BLE 줄기(1452, 1454)가 시작된다. 심전도를 측정하고자 하는 사용자는 상기 심전도 측정 버튼들(1331과 1332)의 하나를 터치한다(1422).

사용자가 상기 심전도 측정 버튼들(1331 혹은 1332)의 하나를 터치(1422)하면 심전도 측정 요구 신호가 상기 BLE 줄기(1452, 1454)로 보내진다(1424). 또한 상기 스마트폰 디스플레이(1320)에는 상기 심전도 측정 모드에 맞추어서 전극들을 접촉하라는 메시지가 표시된다(1424). 상기 BLE 줄기(1452, 1454)에서는 상기 심전도 측정 장치(100)로 심전도 측정 요구 신호를 보낸다(1454).

심전도 측정 요구 신호를 받은 상기 심전도 측정 장치(100)에서는 도 12에서 기술한 심전도 측정 임무를 수행하여 다시 상기 BLE 줄기(1452, 1454)로 측정된 심전도 데이터를 전송한다. 상기 BLE 줄기(1452, 1454)는 상기 심전도 측정 장치(100)로 부터 수신한 상기 심전도 데이터를 상기 중심 줄기(1422, 1424, 1426, 1428, 1430, 1432)로 전달한다. 이제 상기 중심 줄기(1422, 1424, 1426, 1428, 1430, 1432)가 상기 심전도 데이터를 수신한다(1426). 수신한 상기 심전도 데이터를 상기 중심 줄기(1422, 1424, 1426, 1428, 1430, 1432)에서 상기 스마트폰 디스플레이(1320)에 차트 형태로 디스플레이 한다(1428). 모든 심전도 측정이 끝나면 측정된 심전도 데이터를 화일 형태로 스마트폰 저장장치에 저장한다(1430). 측정된 심전도 데이터가 상기 스마트폰 디스플레이(1320)에 차트 형태로 디스플레이 되고 있는 상태에서 스마트폰 앱은 사용자가 앱 종료 버튼을 눌러서 앱을 끝내기를 기다린다(1432).

본 발명에 의하면 사용자가 아무런 기계적 스위치나 선택 스위치, 디스플레이를 구비하지 않은 심전도 측정 장치(100)와 사용법이 간소화된 스마트폰 앱을 사용하여 가능한 모든 작동 순서의 경우의 수에 대하여 이상 없이 원하는 결과를 제공받을 수 있다.

이상과 같이 하나의 휴대용 심전도 측정 장치(100)와 스마트폰 앱을 사용하여 심전도를 측정하고자 하는 경우에 대해서 본 발명을 구체적으로 설명하였으나, 본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)는 이에 한정되지 않고 여러 가지 측정항목을 추가로 측정할 수 있다.

앞에서 기술한 바와 같이 본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)는 혈액 특성을 측정하는 기능을 추가하여 포함할 수 있다. 이 경우 본 발명에 의한 혈액 특성을 측정하는 기능이 추가된 심전도 측정 장치(1500)의 하나의 실시예는 혈액 특성 시험 스트립(1520)을 삽입할 수 있는 혈액 특성 시험 스트립 삽입구(1510)를 포함하여 구성되며 그 형태의 하나는 도 15와 같을 수 있다.

지금까지 본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)는 판상형으로 구현되는 것으로 기술되었다. 그러나 본 발명에 의한 심전도 측정 장치는 원리적으로 최소한의 필터를 사용하며 회로 구성이 간단하여 소형으로 제작이 가능하다. 그러므로 본 발명에 의한 심전도 측정 장치는 배터리의 소모전력이 작은 특징을 갖는다. 따라서 본 발명에 의한 심전도 측정 장치는 워치형 혹은 반지형으로 구현하기에 적합하다. 특히 본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 워치형 혹은 반지형으로 구현하면 사용자가 항상 착용하기에 적합하며 광용적계(Photoplethysmograph: PPG)와 연동하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

광용적계는 LED를 사용하여 피부로 빛을 방사하고 반사되거나 투과된 빛을 측정한다. 최근 스마트 워치에 내장된 광용적계는 심박수, 심박변이도(Heart rate variability: HRV), 호흡수(Breathing rate: BR)를 제공할 수 있다. HRV는 개인 건강 상태에 관한 많은 정보를 제공한다. HRV는 수면 분석이나 스트레스 분석에 사용되며 심방세동(Atrial Fibrillation) 등 부정맥(Arrhythmias)의 검출에도 사용된다. 통상적으로 HRV 분석은 ECG를 사용하여 이루어졌으나 최근에는 광용적계를 사용하여서도 이루어지고 있다. 병원에서 사용하는 환자감시장치에 포함되는 광용적계는 산소포화도를 측정하며 산소포화도가 낮아지면 알람을 발생시킨다. 최근에는 스마트폰에 설치된 카메라를 이용하여 광용적 신호를 얻고 이 신호를 이용하여 부정맥 증상의 발생을 검출할 수도 있다. 따라서 워치나 반지에 광용적계를 설치하면 부정맥 증상의 발생을 검출하기에 편리하다. 따라서 워치나 반지에 광용적계와 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 함께 설치하면 광용적계가 부정맥 증상의 발생을 검출하였을 때 알람 신호를 발생시키고 상기 알람 신호를 수신한 사용자는 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 이용하여 심전도를 측정할 수 있다.

사용자의 편의성과 심전도 측정의 정확성을 위하여 심전도 전극의 위치는 중요하다. 도 16을 사용하여 본 발명에 따른 심전도 측정 장치를 워치에 구현하는 복수의 예를 기술한다.

첫번째 예에서는 3개의 심전도 전극을 워치의 밴드 양면에 설치할 수도 있다. 도 16에서 하나의 심전도 전극(111)은 밴드의 안쪽 표면 즉 밴드가 손목과 접촉하는 표면에 설치되며 두개의 전극(112와 113)은 밴드의 바깥쪽 표면 즉 밴드가 손목과 접촉하지 않는 표면에 설치된다. 이 예에서 사용자가 상기 워치를 왼손에 착용하면 전극 111은 왼손 손목과 접촉하며 사용자가 심전도 측정을 하려면 전극 112를 왼쪽 하복부 혹은 가슴에 접촉시키며 전극 113에 오른 손 손가락을 접촉시킨다.

두번째 예에서는 워치 밑면에 하나의 심전도 전극 1610을 설치할 수 있다. 이 경우 전극 1610은 워치를 착용한 손목과 항상 접촉하며 사용자가 심전도 측정을 하려면 전극 112를 왼쪽 하복부 혹은 가슴에 접촉시키며 전극 113에 워치를 착용하지 않은 손의 하나의 손가락을 접촉시킨다.

세번째 예에서는 도 16의 전극 113 대신에 워치 본체의 다른 부분 예를 들면 1640을 활용할 수도 있다.

사용자의 편의성과 심전도 측정의 정확성을 위하여, 워치 혹은 워치 밴드에 전극들을 설치하는 상기의 모든 경우에, 손목의 안쪽(손등 쪽이 아니고 손바닥 쪽) 부분에 위치하는 밴드의 부위에서 밴드의 바깥쪽 표면 즉 밴드가 손목과 접촉하지 않는 표면에 하나의 전극 112를 설치함에 주목하여야 한다. 이것은 전극 112를 사용자의 왼쪽 하복부 혹은 가슴 부위에 편안하게 접촉시키기 위해서이다. 또한 워치 혹은 워치 밴드에 전극들을 설치하는 상기의 모든 경우에 워치 밑면에 설치된 광용적계(1630)가 광용적 신호를 분석하여 사용자에게 알람을 발생시킬 수 있다.

상기 본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 반지 형태로 구현할 수 있다. 이때 반지는 심전도 측정을 편리하도록 하기 위하여 엄지 혹은 새끼 손가락에 착용한다. 도 17은 본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 반지 형태로 구현한 하나의 예이다. 도 17에서 3개의 전극 중 하나의 전극 111은 착용한 손가락과 접촉하며 전극 112와 전극 113은 손가락과 접촉하지 않는 즉 엄지 혹은 새끼 손가락의 바깥쪽 부분에 위치하며 전극 112와 전극 113은 서로 떨어진 위치에 설치된다. 상기의 반지를 왼손 엄지손가락에 착용한 경우 전극 111은 왼손 엄지와 접촉하며 전극 112에는 왼쪽 하복부가 접촉되며 전극 113에는 오른손 둘째 손가락을 접촉시킬 수 있다. 반지와 피부가 닿는 면에 설치된 광용적계(1730)가 광용적 신호를 분석하여 사용자에게 알람을 발생시킬 수 있다.

본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 항상 착용하기 위하여 다른 물체에 결합하기 쉬운 형태로 구현할 수 있다. 도 18과 도 19에는 바지에 결합하여 심전도를 측정하고자 할 때 즉시 심전도를 측정할 수 있는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 하나의 예를 나타내었다. 도 18에는 바지의 안쪽에 즉

바지와 사용자의 몸 사이에 본 발명에 의한 심전도 측정 장치 100을 부착하기 위하여 두 개의 전극 역할을 하는 두 개의 클립 111과 112를 사용한다. 사용할 때 심전도 측정 장치 100을 바지의 왼쪽 하복부 위치에 클립 111과 클립 112를 사용하여 부착하면 전극 113와 광용적계 1830은 사용자의 왼쪽 하복부에 자동적으로 접촉한다. 광용적계 1830이 알람을 보내거나 심전도 측정을 원할 때는 사용자가 왼손의 손가락을 클립 111에, 오른손의 손가락을 클립 112에 접촉한다.

도 19의 본 발명에 의한 심전도 측정 장치 100은 바지의 바깥쪽에 부착된다. 심전도 측정 장치 100과 바지 안쪽의 클립 113은 바지를 압박하여 심전도 측정 장치 100은 바지에 고정된다. 심전도를 측정할 때는 클립 113은 자동적으로 사용자의 왼쪽 하복부에 접촉하며 사용자는 왼손의 손가락을 전극 111에, 오른손의 손가락을 전극 112에 접촉한다.

도 20과 도 21는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 전극 역할을 하는 두개 혹은 하나의 슬라이드 가이드를 사용하여 워치의 밴드에 결합시킬 수 있는 형태이다. 도 20에서 본 발명에 의한 심전도 측정 장치 100과 전극 역할을 하는 슬라이드 가이드 112와 113의 사이에 워치 밴드를 끼우면 심전도 측정 장치 100은 워치의 밴드에 고정된다. 워치를 왼손에 착용하는 경우 전극 111과 광용적계 2030는 왼쪽 손목에 자동적으로 접촉된다. 광용적계 2030이 알람을 보내거나 심전도 측정을 원할 때는 사용자가 왼쪽 하복부를 슬라이드 가이드 113에 접촉하고 오른손의 손가락을 슬라이드 가이드 112에 접촉한다.

도 21에서 본 발명에 의한 심전도 측정 장치 100과 슬라이드 가이드 111의 사이에 워치 밴드를 끼우면 심전도 측정 장치 100은 워치의 밴드에 고정된다. 워치를 왼손에 착용하는 경우 전극 111은 왼쪽 손목에 자동적으로 접촉된다. 심전도 측정을 원할 때는 사용자가 왼쪽 하복부를 전극 113에 접촉하고 오른손의 손가락을 전극 112에 접촉한다.

앞에서 설명한 바와 같이 도 18과 도 20의 광용적계 1830 및 2030이 추가된 본 발명에 의한 심전도 측정 장치는 사용자의 심박수를 항상 모니터링할 수 있는 장점이 있다. 편의상 별도의 그림을 추가하지는 않지만 도 20과 도 21에서 표시한 슬라이드 가이드 대신 도 18 혹은 도 19에 표시한 형태의 클립을 사용하여 본 발명에 의한 심전도 측정 장치를 워치의 밴드에 결합할 수 있음은 자명하다.

상기의 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 실시예에서 상기 심전도 측정 장치(100)는 3개의 전극을 포함하는 것으로 기술하였으나 본 발명에 의하면 심전도 측정 장치의 다른 실시예에서 4개의 전극을 포함하도록 할 수 있다. 상기 4개의 전극을 포함하는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 동작 원리는 3개의 전극을 포함하는 경우에 대한 앞의 설명과 같다. 중요한 점은 본 발명에 의한 4개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치는 3개의 전극으로부터 심전도 신호를 받는 3개의 증폭기로 구성되며 상기 3개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 신호를 증폭하여서 상기 장치는 동시에 3개의 심전도 신호를 실제로 측정한다는 점이다.

상기 4개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치는 앞의 설명에 의하여 쉽게 구현할 수 있다. 본 발명에 의한 상기 4개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치의 사용 방법은 상기 3개의 전극을 포함하는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치(100)의 사용 방법과 거의 같다. 본 발명에 의한 4개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치가 측정하는 상기 3개의 심전도 신호는 예를 들면 2개의 림브 리드와 하나의 MCL을 포함한다. 혹은 상기 3개의 심전도 신호는 1개의 림브 리드와 두개의 MCL일 수 있다 상기 4개의 전극을 포함하는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 하나의 실시예를 도 16에 나타내었다. 도 16에서 4개의 전극(111, 112, 113, 114)은 판상형의 하나의 넓은 면에 각각 2개씩 두개의 넓은 면에 설치된다.

지금부터 기술되는 실시예들은 한국 특허청에 출원된 HWANG(Application No.: KR10-2023-0003099, Filing Date: Jan. 09, 2023)과 미국 특허청에 출원된 HWANG(Provisional Application No: 63/444,228, Filing Date: Feb. 09, 2023)을 기반으로 한다. 또한 지금부터 기술되는 실시예들의 일부는 이미 유럽 특허청과 미국 특허청에 등록된 디자인들을 기반으로 한다. 지금부터 기술되는 실시예와 관련된 종래의 기술은 다음과 같다.

Chan 등(US Patent No.: US 7,894,888 B2, Date of Patent: Feb. 22, 2011, H. Chan, et al.)은 Lead I, Lead II, Lead III를 측정하는 워치에 구현되는 심전계에서 3개의 차동 증폭기(Difference Amplifiers or differential amplifiers)를 사용하였다. Chan 등은 이를 위하여 3개의 전극을 사용하였다.

4개의 전극을 이용하는 핸드헬드 디바이스에 대하여 Amitai 등(US Patent No.: US 10,092,202 B2, Date of Patent: Oct. 9, 2018, D. Amitai, et al.)은 3개의 차동 전압을 측정한다. 즉 Amitai는 3개의 차동 증폭기를 사용한다. 또한 Amitai는 식 (3)과 V_W로 표현되는 Wilson Central Terminal을 사용한다.

Wilson Central Terminal의 전압을 생성하는 구조(configuration)는 VAJDIC 등(US Pub. No.: US 2022/0125363 A1, Pub. Data: Apr. 28, 2022, B. VAJDIC, et al.)의 Fig. 3B와 같다. Wilson Central Terminal의 전압을 생성하기 위해서는 3개의 버퍼 증폭기와 3개의 정합된 저항을 사용하여 오른손, 왼손, 왼 다리에 접촉하는 3개의 전극으로부터 유도되는 3개의 심전도 전압들을 균등하게 수신한다.

앞에서 기술한 종래의 기술을 종합하면 도 23과 같다. 도 23은 6개의 심전도 리드를 구하기 위한 측정 장치에 대한 종래의 기술을 나타낸다. 3개의 버퍼 증폭기의 출력에 연결된 3개의 정합된 저항을 사용하여 Wilson Central Terminal을 구현한다. 상기 Wilson Central Terminal의 전압은 하나의 전극 드라이버 2340의 입력에 인가되고 상기 전극 드라이버 2340의 출력은 오른 다리에 접촉하는 오른다리 전극(RL: Right Leg)에 인가된다. Lead I, Lead II, Lead III는 오른손(RA: Right Arm), 왼손(LA: Left Arm), 왼다리(LL: Left LEg) 혹은 왼쪽 하복부(앞으로 편의상 왼쪽 하복부는 생략하고 기술하기로 한다. 즉 이제부터 왼다리는 왼다리 혹은 왼쪽 하복부를 뜻하기로 한다.) 사이의 차동 전압을 3개의 차동 증폭기를 사용하여 증폭한다.

도 23은 대표적인 종래의 기술을 나타낸다. 하지만 2개의 차동 증폭기를 사용하는 종래의 기술들도 있다. Charkravarthi 등(US Pub. No.: US 2021/0113108 A1, Pub. Date: Apr. 22, 2021, V.S. Charkravarthi, et al.)은 적은 수의 프로브(probes) 즉 전극들(electrodes)을 사용하는 소자에서 Wilson Central Terminal과 2개의 차동 증폭기들을 사용하였다. 한편 Charkravarthi 등은 Wilson Central Terminal의 신호를 오른 다리(RL)에 인가하였다.

R. F. A. Santala 등(US Patent No.: US 10,405,765 B2, Date of Patent: Sep. 10, 2019, R. F. A. Santala, et al.)은 오른손, 왼손, 왼 다리에 접촉하는 3개의 전극에 연결되는 2개의 차동 증폭기와 출력을 오른 다리에 접촉하는 전극에 인가하는 오른 다리 드라이버(RLD: Right Leg Driver)를 사용하였다. 결국 Sanatala 등은 4개의 전극, 두개의 차동 증폭기와 하나의 전극 드라이버를 사용한다. 각각의 차동 증폭기의 -입력 단자(a negative input terminal)에는 오른 손(RA: Right Arm) 전극을 연결하여 차동 전압을 측정하였다. 한편 Santala 등은 Wilson Central Terminal을 사용하지 않았다. Santala 등은 오른 다리 드라이버(RLD: Right Leg Driver)의 입력을 오른 손(RA) 전극에서 받아서 상기 오른 다리 드라이버의 출력을 오른 다리(RL: Right Leg) 전극에 인가하였다.

지금부터 기술하는 실시예들은 3개의 전극들을 포함하는 심전도 측정 장치를 이용하여 6개의 심전도 리드 신호를 얻는 본 발명자의 선행 발명(WO2019/108044A1, 국제공개일: 2019년 6월 6일, 국제 출원번호: PCT/KR2018/015193, 국제출원일: 2018년 12월 3일)과 동일한 개념을 사용하는 변화된 실시예들로 볼 수 있다.

상기 선행 발명은 본 출원의 전반부에서 기술되었다. 지금부터의 본 발명에서는 필요에 따라 편의상 상기 선행 발명을 간략히 3전극 실시예라고 부르기로 한다. 지금부터의 본 발명에서는 상기 선행 발명과의 차이점을 위주로 기술한다. 그러므로 지금부터 기술하는 본 발명에서 기술하지 않은 사항은 상기 3전극 실시예에 기술된 내용(즉 본 출원의 앞 부분에 기술된 내용)을 적용할 수 있다. 지금부터 기술하는 본 발명은 전반부에 기술된 내용을 포함한다.

3전극 실시예에서 가장 큰 특징은 3개의 전극들 중에서 첫번째와 두번째의 전극에 유도되는 2개의 심전도 리드 신호를 센싱하기 위하여 적어도 1개의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 포함하는 두개의 증폭기를 사용하는 것이다. 또한 3개의 전극들 중에서 세번째 전극에 하나의 전극 드라이버의 출력을 인가하는 것이다. 이것은 출력 임피던스가 작은 전극 드라이버 출력 단자를 세번째 전극에 연결함으로써 전력선 간섭 전류원의 실질적으로 모든 전류가 세번째 전극을 통하여 흐르게 함으로써 전력선 간섭을 감소시키는 효과를 얻기 위함이다.

2개의 심전도 리드 신호를 동시에 측정한 후 4개의 심전도 리드 신호를 추가적으로 계산하여 구하였다. 추가적으로 구한 4개의 심전도 리드 신호는 스마트폰에 디스플레이 될 수 있다. 지금부터 기술하는 실시예 들에서는 2개의 심전도 리드 신호를 동시에 측정하는 내용을 중점적으로 기술한다.

3전극 실시예의 상기 특징들은 4개의 전극을 이용하는 지금부터의 실시예에 의한 심전도 측정 장치에서 그대로 적용된다. 지금부터의 실시예에 의한 장치는 상기 3전극 실시예에 의한 장치에 하나의 전극이 추가되는 실시예이다. 다른 모든 필수 구성 요소 및 사용 방법 등은 동일하다. 본 실시예에 의한 장치는 워치, 반지, 패치형 혹은 가슴 스트랩 등의 웨어러블 장치로 구현하기에 적합하다.

3전극 실시예에서 전력선 간섭을 감소시키기 위해서는 전력선 간섭 전류원이 인체를 통하여 심전계 측정 장치를 들여다보는 입력 임피던스를 감소시켜야 하므로 출력 임피던스가 작은 전극 드라이버 출력 단자를 하나의 전극에 연결한다. 앞으로 기술하는 4전극 실시예에서도 같은 공통점을 갖는다.

본 발명에서는 심전계의 국제 표준인 [ANSI/AAMI/IEC 60601-2-25:2011, Medical electrical equipment-part 2-25: Particular requirements for the basic safety and essential performance of electrocardiographs]의 기준을 달성하는 것을 목표로 한다. 상기 표준에서 정의하는 심전도 전압을 얻는 것을 목표로 하되 간단하고 편리한 장치를 구현한다. 본 발명에서는 작고, 가볍고, 전력 소모가 작은 웨어러블 장치를 구현하는 것을 목표로 한다.

지금부터 기술하는 실시예들은 4개의 전극을 사용하지만 인체의 3군데에 접촉한다. 왜냐하면 4개의 전극을 사용하므로 인체의 4군데에 접촉할 수 있지만 웨어러블 장치에서는 오른손, 왼손, 왼 다리의 3군데에 접촉하는 것이 편리하기 때문이다. 하나의 웨어러블 장치로 인체의 4군데에 접촉하는 것은 매우 불편할 수밖에 없다.

또한 지금부터 기술하는 모든 실시예에서는 하나의 전극 드라이버를 이용하여 네가티브 피드백을 사용한다. 모든 실시예에서 사용하는 전극 드라이버의 주파수 대역은 전력선 간섭 주파수와 ANSI/AAMI/IEC 60601-2-47:2012에 따르는 심전도 신호의 주파수 대역 즉 0.67Hz 부터 40Hz를 포함하는 특징을 갖는다. 전극 드라이버의 주파수 대역이 0.67Hz 이하를 포함하면 ST segment measurement 혹은 recording ECGs from infants을 수행할 수 있다. 또한 기저선 변동(baseline wandering)을 감소시키는 추가적인 효과를 얻을 수 있다.

본 발명을 간략히 기술하면 두개의 증폭기에 연결되는 두개의 전극과, 하나의 전극 드라이버의 입력에 연결되는 하나의 전극이 3군데의 인체 부위에 접촉하며, 상기 전극 드라이버의 출력과 연결되는 하나의 전극이 상기 3군데의 인체 부위의 한곳에 접촉하는, 4개의 심전도 전극을 사용하는 웨어러블 심전계라고 표현할 수 있다.

앞에서 기술한 3전극을 사용하는 실시예와 비교하여 지금부터 기술하는 4개의 전극을 사용하는 실시예의 특징을 간략히 요약하면 다음과 같다.

i) 2개의 전극에 유도되는 2개의 심전도 리드 신호를 측정한다.

ii) 3번째 전극에 하나의 전극 드라이버의 출력을 인가한다.

iii) 6개의 심전도 리드 신호를 얻는다는 공통점을 갖는다.

iv) 3전극 심전계와의 차이는 1개의 전극이 추가되는 것이다.

v) 상기 추가된 1개의 전극을 상기 전극 드라이버 입력 단자에 연결한다. 이렇게 함으로써 우수한 전력선 감소 효과를 얻는다.

종래의 기술과 비교하여 지금부터 기술하는 실시예들의 우월성과 차이점을 기술하면 다음과 같다.

i) 본 발명에서는 2개의 차동 증폭기를 사용하지 않고 2개의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 실시예를 포함한다. 도 23에 나타낸 차동 증폭기들, 즉 종래의 기술에서 심전도 측정에 사용되는 차동 증폭기들은 정확히 표현하면 계측 증폭기들(instrumentation amplifiers)이다. 하나의 계측 증폭기는 입력 임피던스가 크고 출력 임피던스는 작은 하나의 차동 증폭기이다. 하나의 계측 증폭기는 통상 3개의 연산 증폭기(operational amplifiers)와 4개의 정합된 저항을 사용하여 구현된다. 이에 비하여 본 발명에 사용되는 싱글 엔디드 입력 증폭기는 하나의 연산 증폭기로 구현된다. 그러므로 도 23에서 나타낸 차동 증폭기는 본 발명에서 사용하는 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기 보다 상당히 복잡하고 크기가 크고 고가격이고 전력소모가 크다.

본 발명에서 채용하는 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 하나의 연산 증폭기로 구현되는 것은 매우 잘 알려져 있는 사항이다. 한편 하나의 차동 증폭기의 2개 입력 단자들 중에서 하나의 입력 단자를 신호 공통 즉 접지에 연결한 차동 증폭기는 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기로 동작한다. 그러므로 본 발명에서의 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기는 하나의 입력 단자를 신호 공통에 연결한 하나의 차동 증폭기 혹은 하나의 계측 증폭기를 포함한다. 차동증폭기의 하나의 입력 단자를 회로 공통에 연결하는 것은 상기 입력 단자를 하나의 큰 임피던스를 갖는 소자를 통하여 회로 공통에 연결하는 것을 포함한다.

또한 뒤에서 전극 드라이버의 입력에 연결된 전극의 전압은 0이 됨을 즉 가상 접지가 됨을 기술한다. 그러므로 하나의 입력 단자를 전극 드라이버의 입력에 연결한 하나의 차동 증폭기는 싱글 엔디드 입력 증폭기로 간주할 수 있다. 그러므로 본 발명에서 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기는 하나의 입력 단자를 전극 드라이버의 입력에 연결한 하나의 차동 증폭기를 포함한다. 여기서 하나의 차동 증폭기는 하나의 계측 증폭기를 포함한다.

종래의 기술에서 lead I, lead II, lead III의 3개의 심전도 리드 신호를 측정하기 위하여 3개의 차동 증폭기를 사용하는 것은 중복된 구현이다. 상기 3개의 심전도 리드 신호 중에서 두개를 알면 나머지 하나는 계산으로 구할 수 있기 때문이다. 그러므로 3개의 차동 증폭기를 사용하는 것은 2개의 차동 증폭기를 사용하는 것보다 비효율적이다. 그러므로 본 발명에서 2개의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 것은 3개의 차동 증폭기를 사용하는 것보다 효율적이다.

뒤에서 다시 기술하지만 차동 증폭기를 사용하여도 모션 잡음(motion artifact)은 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 때와 동일하게 발생한다. 이것은 본 발명에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용해야 하는 또 하나의 이유이다.

ii) 본 발명에서는 전통적인 Wilson Central Terminal을 사용하지 않는다. 본 발명의 실시예 들에서는 전극 드라이버의 입력을 하나의 전극으로부터 받는다 혹은 본 발명의 다른 실시예에서는 전통적인 Wilson Central Terminal을 개선하기 위하여 버퍼 증폭기를 사용하지 않고 저항 2개 혹은 3개 만으로 구현하는 더욱 단순화되고 실용적인 실시예를 포함한다.

종래의 기술에서는 병원의 수술실 등 전력선 잡음이 매우 강한 환경에서 림브 리드 외에 가슴 리드도 구현하기 위하여 Wilson Central Terminal을 사용하고 전극 드라이버의 출력을 오른 다리(RL: Right Leg)에 인가하였다. 종래의 기술은 웨어러블 심전도 장치에 적합하도록 종래의 RL 전극을 다른 위치에 배정하는 본 발명의 관점에서 보면 매우 비효율적인 것을 뜻한다. 그러므로 Wilson Central Terminal을 사용하고 전극 드라이버의 출력을 RL에 인가하는 종래의 기술은 종래에는 약간의 이익이 있을 수 있었지만 실질적으로는 필요하지 않은 요소를 추가한 것에 불과하다. 그러므로 종래의 기술은 웨어러블 심전계를 구현할 때 본 발명보다 비효율적이다.

iii) 본 발명에서는 전극 드라이버의 출력을 오른 다리에 인가하지 않는다. 본 발명에서는 전극 드라이버의 출력을 오른손, 왼손, 왼 다리 중의 한 곳에 인가하는 실시예들을 기술한다. 전극 드라이버의 출력을 오른 다리에 인가하지 않는 것은 웨어러블 장치를 소형화하기 위하여 절대 필수적인 조건이다. 하나의 웨어러블 장치에서 오른 다리에 전극을 접촉하려면 하나의 케이블과 상기 케이블의 한쪽 끝에 연결된 하나의 전극을 필수적으로 사용해야 한다. 이런 방법은 사용하기에 매우 불편하고 장치의 크기도 불필요하게 커진다. 본 실시예에서는 전극 드라이브의 출력을 실시예에 따라 RA, LA, LL의 3군데에 인가할 수 있으며 4개의 전극을 사용하여 6개의 심전도 리드를 얻을 수 있는 가능한 모든 방법을 공개한다.

iv) Santala등은 전극 드라이버의 입력을 RA에서 받는다. 본 실시예에서는 RA가 아닌 LA와 LL에서도 전극 드라이브의 입력을 받을 수 있다. 본 실시예에서는 전극 드라이브의 입력을 실시예에 따라 RA, LA, LL의 3군데에서 받을 수 있으며 4개의 전극을 사용하여 6개의 심전도 리드를 얻을 수 있는 가능한 모든 방법을 공개한다.

v) Santala등은 전극 드라이버의 입력을 RA에서 받으면서 두개의 차동 증폭기의 입력을 RA에 연결하였다. 즉 전극 드라이버의 입력을 두개의 차동 증폭기의 입력들에 연결하였다. 즉 전극 드라이버의 입력을 측정하는 증폭기들에 연결하였다. 그러나 본 실시예에서는 하나의 전극 드라이버의 입력과 출력은 심전도 리드 신호의 측정에 사용하지 않는다. 즉 상기 전극 드라이버의 입력과 출력에 연결되는 두개의 전극은 측정을 위해 사용되는 증폭기의 입력과 연결되지 않는다. 4개의 전극 중에서 상기 전극 드라이버의 입력이나 출력에 연결되지 않는 두개의 전극만을 2개의 증폭기에 연결하여 2개의 심전도 리드 신호를 측정한다.

vi) 본 발명은 판상형, 워치, 반지, 패치형, 등 다양한 형태의 웨어러블 장치를 대상으로 한다. 따라서 본 발명에서는 4개의 전극을 각각의 웨어러블 장치의 구조, 제조 방법, 사용방법에 적합하도록 배치한다. 이를 위하여 본 발명에 의한 전극 배치 규칙을 제공한다. 여기에 대해서는 아래에 더욱 상세히 기술한다.

vii) 심전도 전극들을 배치하기에 더욱 고려해야 할 사항 중에는 motion artifact가 있다. Motion artifact는 하나의 전극과 그 전극이 접촉하는 피부의 상대적인 위치와 압력이 변하면 발생하는 잡음이다. 상기 motion artifact는 일단 발생하면 제거하기가 어렵기 때문에 웨어러블 장치에서 특히 골치 아픈 문제가 된다. 편안하게 누운 resting 상태에서 습식 전극이 피부에 고정되도록 하고 측정하는 병원용 심전계에 비하여, 고정되지 않은 자세에서 건식 전극들을 사용자의 의지에 따라 미리 설정된 인체 부위에 접촉해야 하는 웨어러블 기기에서 motion artifact는 발생하기 쉽다. 하지만 정확하고 편안한 심전도 판독을 위하여 motion artifact를 감소시키는 것은 매우 중요하다.

웨어러블 기기에 설치되는 상기 4개의 전극들은 필연적으로 motion artifact의 영향을 받는다. Motion artifact는 기저선 변동(baseline wandering)의 중요 원인이다. 인체의 모션의 원인으로 심전도에서 기저선 변동의 결과가 발생한다고 표현할 수 있다. 기저선 변동 잡음도 모션 잡음과 마찬가지로 웨어러블 장치에서 발생하기 쉽다. 웨어러블 장치에서 기저선 변동 잡음 제거도 어렵고 기저선 변동 잡음을 감소시키는 것은 중요하다. 본 발명에서는 모션 잡음을 감소시키기 위한 규칙을 마련하고 그에 따른 실시예를 공개한다.

지금까지 본 발명을 실시하기 위하여 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 것으로 기술하였다. 본 발명에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 것이 차동 증폭기를 사용하는 것보다 크기, 가격, 전력 소모 등의 측면에서 더욱 유리하다. 그러나 본 발명을 구현하기 위하여 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 차동 증폭기를 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 모든 실시예는 그대로 차동 증폭기를 사용하는 실시예로 대체될 수 있다. 그러므로 특별히 차동 증폭기를 언급하거나 그림으로 나타내지 않아도 본 발명은 차동 증폭기를 사용하는 실시예를 포함한다.

본 발명에서 차동 증폭기를 사용할 때와 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 때의 차이에 대하여 더욱 고찰하면 다음과 같다.

하나의 차동 전압을 센싱하기 위해서는 하나의 차동 증폭기(Difference Amplifier)를 사용해야 한다. 하나의 차동 증폭기는 +입력 단자와 -입력 단자의 2개의 입력 단자에 두개의 신호가 각각 입력된다. 즉 하나의 차동 증폭기에는 2개의 심전도 전극을 연결해야 한다. 그러므로 두개의 차동 증폭기에는 적어도 3개의 심전도 전극을 연결해야 한다. 이때 세개의 심전도 전극 중에서 하나의 전극에는 두개의 차동 증폭기의 입력 단자와 연결된다. 이 상태에서 전극 드라이버의 입력과 출력을 2개의 전극에 연결해야 한다. Santala 등을 예로 들면 두개의 차동 증폭기의 입력은 공통적으로 RA전극에 연결되어 있다. 전극 드라이버가 작동하면 전극 드라이버의 입력은 가상 접지(Vertual Ground)가 된다(뒤의 본 발명의 실시예에서 설명됨.). 즉 전극 드라이버의 입력을 RA전극에 연결하면 RA전극의 전압은 실질적으로 0 Volt가 된다. 그러므로 공통적으로 RA 전극에 연결된 두개의 차동 증폭기의 입력은 실질적으로 0 Volt가 된다. 그러므로 차동 증폭기를 사용하여도 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 때보다 큰 차이는 없다.

한편 위의 예에서 전극 드라이버의 입력과 출력을 바꾸어서 연결하는 경우에 대해서 생각해 본다. 즉 전극 드라이버의 출력을 오른손 전극(RA와 구분하기 위해서 편의상 DRA로 부르기로 한다.)에 인가하고 상기 전극 드라이버의 입력을 다른 하나의 오른 손 전극(RA로 부르기로 한다.)에서 받는 경우를 생각한다. 그러나 이 경우에 전극 드라이버의 출력에는 전력선 간섭 전압이 매우 크게 존재하므로 상기 전극 드라이버 출력에 연결되는 DRA전극과 차동 증폭기의 입력 단자에는 큰 전력선 잡음이 인가된다. 즉 차동 증폭기에서 출력되는 심전도 신호의 신호대 잡음비는 상당히 저하된다. 그러므로 이 경우에 2개의 차동 증폭기를 사용하면 전력선 간섭이 제거된 양호한 심전도 신호를 얻기는커녕 상당히 나쁜 결과를 얻을 수밖에 없다. 그러므로 차동 증폭기의 입력은 전극 드라이버의 입력과 연결되어야 하며 전극 드라이버의 출력과 연결되면 안된다.

지금부터 기술하는 실시예들의 목적은 도23에 나타낸 종래의 기술을 웨어러블 장치에 적합하도록 단순화하고 최적화하는 것이다. 지금부터 기술하는 본 발명에 의한 실시예들은 여러 개의 그룹으로 나누어서 설명한다. 하나의 그룹은 공통점을 갖으며 다른 그룹사이에는 차이점이 있다.

지금부터의 실시예들을 실시예 그룹 A라고 부르기로 한다. 실시예 그룹A에서는 전극 드라이버의 입력과 출력 전극들이 같은 인체 부위에 접촉한다.

지금부터 기술하는 4개의 심전도 전극들을 포함하는 심전도 측정 장치와 앞에서 기술한 3개의 심전도 전극들을 포함하는 심전도 측정 장치는 공통적으로 3개의 전극이 오른손, 왼손, 왼 다리에 접촉한다. 4개의 심전도 전극들을 포함하는 심전도 측정 장치는 앞에서 기술한 3개의 심전도 전극들을 포함하는 심전도 측정 장치에 비하여 하나의 전극을 추가하여 포함한다.

상기 추가되는 하나의 전극은 하나의 전극 드라이버의 입력에 연결된다. 본 발명에서 추구하는 것은 웨어러블 장치이므로 상기 추가되는 하나의 전극도 오른손, 왼손, 왼 다리의 한 곳에 접촉해야 한다. 4개의 심전도 전극들을 3개의 인체 부위에 접촉하므로 오른손, 왼손, 왼 다리 중의 한 곳에는 2개의 전극이 접촉하게 된다. 상기 2개의 전극이 접촉하는 위치는 응용에 따라 즉 장치에 따라 선택된다. 즉 전극 드라이버의 입력과 연결되는 전극의 위치는 실시예에 따라 다르다. 전극 드라이버의 입력과 연결되는 전극의 위치는 심전도 신호에 잡음이 적게 발생하는 위치로 선택되어야 한다.

하나의 전극을 추가하기 전에 3개의 전극이 설치된 상황을 가정한다. 인체의 3군데에 2개의 증폭기 입력과 전극 드라이버의 출력이 연결되어 있다. 즉 각각의 3개 부위에는 이미 하나의 장치가 연결되어 있다. 이제 하나의 전극을 전극 드라이버 입력으로 선택해야 한다. 그러므로 전극 드라이버 입력을 3개의 인체 부위 중의 아무 곳에 하나의 전극을 설치하고 그 전극에 연결하여도 된다고 생각할 수 있다. 그러나 그렇지 않다. 그 이유는 다음과 같다.

전극 배치 규칙은 다음을 이해하는 것으로부터 시작한다. 4개의 전극을 사용하는 본 발명에서 하나의 전극 드라이버는 입력 임피던스가 상당히 큰 하나의 증폭기이다. 뒤에서 더욱 설명하지만 전극 드라이버의 입력은 전기적으로 가상접지가된다. 즉 전극 드라이버의 입력 단자의 전압은 0이 된다. 전극 드라이버 입력은 임피던스가 크므로 상기 전극 드라이버 입력의 전압은 상기 전극 드라이버가 설치된 인체 부위의 전압과 같다. 즉 하나의 전극 드라이버가 설치되는 인체 부위의 심전도 전압은 0이 된다. 그러므로 하나의 전극 드라이버 입력 전극이 설치된 인체 부위에 다른 전극을 설치하고 그 전극에 하나의 증폭기 입력을 연결하면 그 증폭기에 입력되는 심전도 전압은 0이 된다. 그러므로 중요한 결론을 얻는다.

전극 배치 규칙1: 하나의 전극 드라이버 입력 전극과 같은 위치에는 심전도 리드 측정용 증폭기의 입력과 연결되는 전극을 설치할 수 없다.

전극 배치 규칙2: 위의 전극 배치 규칙1을 고려하면 전극 드라이버 입력 전극은 전극 드라이버 출력이 연결된 전극과 같은 인체 부위에 설치해야 한다.

이에 따라 전극 드라이버의 입력 전극과 출력 전극은 같은 인체 부위에 설치한다. 그런데 전극 드라이버 입력과 출력을 설치하는 위치에 제한이 있지는 않다. 그러므로 전극 드라이버 입력과 출력에 각각 연결되는 두개의 전극을 오른손, 왼손, 왼 다리의 어느 곳에라도 설치할 수 있다. 즉 전극 드라이버 입력과 출력에 연결되는 두개의 전극을 설치하는 방법은 3가지가 있다. 이에 따라 심전도 신호 센싱을 위한 전극의 위치도 바꿔야 한다. 이것은 Santala등의 방식으로부터 유추할 수 없는 새로운 개념이다.

이제부터 도면을 참고하여 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 본 실시예에서 심전도(ECG) 측정 장치는 4 개의 전극을 포함하는 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 국한되지는 않고 상기 심전도 측정 장치는 5 개 이상의 전극을 포함한 장치일 수 있다.

본 발명의 실시예에서 사용되는 모든 도면들은 웨어러블로 구현되는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 측정 회로를 나타낸다. 전기적 등가 회로 모델링의 중요성은 아무리 강조해도 지나치지 않다. 심전도 측정 장치의 개발은 전기적 등가 회로 모델링으로부터 출발하고 개선할 내용도 이것을 기반으로 해야 한다.

도 24는 본 발명의 하나의 실시예를 나타낸다. 도 24의 실시예에서 두 개의 심전도 리드 신호 Lead I과 Lead III는 각각 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기에 의하여 센싱된다. 전극 드라이버 2430의 출력은 전극 DLA에 인가된다. 본 발명과 상기 3전극 발명과의 차이는 하나의 전극이 추가되고 상기 추가된 전극을 전극 드라이버의 입력에 연결하는 것이다. 도 24의 실시예에서 LA전극이 추가되고, 상기 LA전극은 전극 드라이버 2430의 입력에 연결된다. 도 24의 실시예는 도 23의 종래 기술에 비하여 매우 간단하다는 것을 알 수 있다. 도 24와 뒤따르는 도면들에서 4990은 본 발명을 홀터형의 심전계 혹은 케이블들을 사용하는 심전계로 구현하기 위하여 두 개의 전극을 인체에 접촉시키기 위하여 두 개의 연결선을 사용할 때 하나의 케이블로 묶을 수 있음을 나타낸다. 이것은 편리성을 제공하며 케이블에 대한 혼돈을 방지한다. 한편 본 발명에 의한 장치를 웨어러블 장치로 구현할 때 하나의 인체 부위에 배치할 수 있음을 나타낸다. 예를 들면 도24의 장치를 워치에 포함되는 장치로 구현할 때 워치를 착용한 손목에 접촉하는 워치의 밑면에 두 개의 전극을 배치할 수 있음을 나타낸다. 다른 예를 들면 도24의 장치를 반지에 포함되는 장치로 구현할 때 반지를 착용한 손가락에 접촉하는 반지의 안쪽 면에 두 개의 전극을 배치할 수 있음을 나타낸다. 도 24의 실시예는 하나의 워치 혹은 반지로 구현하기에 적합하다.

도 25는 도 24의 실시예의 전기적인 동작을 분석하기 위한 전기적 등가 회로를 나타낸다. 도25에서 편의상 RA전극을 그림 위쪽에 표시하고 LL전극을 그림 아래쪽에 표시하였다. 전력선 간섭은 전력선 간섭 전류원 2530에 의하여 발생한다. 전력선 간섭 전류원 2530은 전력선 간섭 전류 in을 사용자의 신체 2500을 통하여 본 발명에 의한 심전도 측정 장치 2400에 인가한다. 본 발명에 의한 장치 2400은 4개의 전극 RA, LA, DLA, LL을 포함한다. 각각의 전극의 전압을 v₁, v₂, v₃, v₄로 표시하였다. 두 개의 싱글 엔디드 입력 증폭기 2410과 2420은 각각 2개의 심전도 센싱용 전극(RA와 LL)에 연결된다. 하나의 전극 드라이버 2430의 입력은 전극 LA에 연결되고 출력은 전극 DLA에 연결된다. 전극 드라이버 2430의 전달함수는 -H(f)로 표시하였다. 전력선 간섭 주파수와 심전도 리드 신호 주파수 대역에서 상기 전달함수의 크기는 상당히 크다. 상기 두개의 증폭기와 하나의 전극 드라이버의 입력 임피던스를 R_in으로 나타내었다. 상기 4개의 전극은 인체 2500에 접촉하며 피부와 전극 사이에는 전극 임피던스 R_el이 존재한다. 통상 R_in은 매우 크다. 즉 R_in>>R_el 이다. 각각의 전극 임피던스 값은 다를 수 있다. 전극 임피던스 2541과 전극 임피던스 2542의 차이를 ΔR로 나타내었다. 통상 전극 드라이버의 출력 임피던스는 전극 임피던스 Rel 보다도 매우 작으므로 많은 경우에 0으로 간주한다. 전극 RA에 대한 전극 LA의 심전도 전압을 v_a로 나타내었다. 즉 v_a는 Lead I이다. 전극 LA에 대한 전극 LL의 심전도 전압을 v_b로 나타내었다. 즉 v_b는 Lead III이다.

상기 전기적 등가회로를 분석하면 다음의 결과를 얻는다. 상기 전력선 간섭 전류원 2530에 의하여 인체에 유도되는 전압 v_body는 상기 전극 드라이버 2430의 영향으로 매우 작아진다. v_body=in*R_el/(H(f)+1) 본 발명에서 실질적으로 모든 전력선 간섭 전류는 전극 드라이버의 출력에 연결된 하나의 전극을 통하여 흐른다. 이것은 3전극 발명에서와 같다. 도 25에서 실질적으로 모든 전력선 간섭 전류 in는 하나의 전극 DLA를 통하여 흐른다. 상기 전극 드라이버 2430의 영향으로 v₄는 매우 작아진다. 실질적으로 v₄는 0 Volt이다. 즉 v₄는 가상 접지(virtual ground)이다. 여기서 주의해야 하는 것은 가상 접지는 교류 신호에 대한 것이며 v₄는 직류 전압 성분을 포함할 수 있다. 이것은 일정한 DC 전압을 공급하는 정전압원이 교류적으로 접지인 것과 같다.

결과적으로 v₁=-v_a=-Lead I 이다. 또한 v₂=v_b=Lead III이다. 즉 전력선 간섭은 제거되고 두 개의 심전도 리드 신호(Lead I과 Lead III)를 측정하였다. 본 발명의 실시예에서 -Lead I은 역전된(inverted) Lead I이다. 하나의 배터리를 사용하는 웨어러블 측정 장치에서 아날로그 신호들은 배터리의 대략 중간값에 마련되는 교류 신호 공통(신호 접지)을 기준으로 한다. 교류 신호 공통(신호 접지)인 신호는 AD변환 범위의 대략 중간값으로 AD변환된다. 음수의 신호는 단지 AD변환 범위의 중간을 기준으로 위와 아래가 바뀌었을 뿐이다. 따라서 센싱된(측정된) -Lead의 음수의 값은 문제되지 않는다.

이것은 플러스 공급 전압과 마이너스 공급 전원을 사용하는 전자 회로에서 접지를 회로 공통으로 사용하면서 회로공통 즉 전압0을 기준으로 AD변환하는 심전도 측정 장치와 하나의 배터리를 사용하는 웨어러블 심전도 측정 장치와의 큰 차이점이다. 이 차이점은 중요하다. 이 차이점으로 인하여 본 발명의 다양한 실시예가 가능한 것이다. 즉 본 발명에서 역전된 신호 예를 들면 Lead I이 아닌 -Lead I을 측정하는 것이 가능하여 다양한 실시예를 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

도 26은 본 발명의 또 하나의 실시예를 나타낸다. 전극 드라이버 2630의 입력과 출력은 왼 다리에 연결된다. 오른손 전극 RA에서 센싱되는 신호는 -Lead II이다. 또한 왼손 전극 LA에서 센싱되는 신호는 -Lead III 이다.

도 26의 실시예는 도18에 나타낸 두 개의 클립에 의하여 바지에 부착되는 형태의 심전계 장치를 구현할 때 적용하기에 유리하다. 도18을 사용하여 앞에서 기술한 두 개의 클립에 의하여 바지에 부착되는 형태의 심전도 측정 장치를 착용하면 심전도를 측정하지 않을 때에도 두 개의 전극(전극LL과 전극DLL)은 왼쪽 하복부에 접촉을 유지한다. 심전도를 측정할 때에는 도 18의 두 개의 클립 111과 112에 두 손을 접촉한다.

지금까지 기술한 도24및 도26을 포함하는 실시예들을 실시예 그룹 A라고 하기로 한다. 실시예 그룹A는 3개이며 도27의 표1에 정리하였다. 그룹A에서 전극 드라이버의 입력 전극과 출력 전극이 접촉하지 않는 2군데의 인체 부위에 두개의 심전도 측정 전극이 각각 배치된다.

지금부터 기술되는 실시예들을 실시예 그룹 B라고 부르기로 한다. 실시예 그룹 B의 실시예에서 전극 드라이버의 입력 전극과 출력 전극은 다른 인체 부위에 접촉하도록 설치된다. 실시예 그룹 B가 가능한 이유는 다음의 전극 배치 규칙3 때문이다.

전극 배치 규칙3: 하나의 전극 드라이버 출력의 전극은 인체 3부위의 아무 곳에 설치할 수 있다.

그러므로 전극 드라이버 출력 전극을 하나의 심전도 측정용 증폭기가 연결된 부위에 설치할 수 있다. 이것이 가능함은 놀라운 사실이다. 이것의 실시예의 하나는 도28에서 보인다. 이것은 Santala등의 방식으로부터 유추하기 어려운 새로운 개념이다. 전극 배치 규칙3을 실제로 시행하기 전에 다음의 전극 배치 규칙4를 먼저 사용할 수 있다.

전극 배치 규칙4: 2개의 심전도 측정 전극이 설치되지 않은 세번째 인체 부위에 전극 드라이버 입력 전극을 배정한다. 이제 전극 드라이버 출력 전극을 3군데의 인체 부위 중에서 원하는 위치에 마음데로 배정한다.

상기 전극 배치 규칙 3과 4는 다음과 같이 표현할 수 있다. 3개의 전극을 각각 오른손, 왼손, 왼 다리에 설치하고, 3개의 증폭기의 입력을 상기 3개의 전극에 연결하고 상기 3개의 증폭기중의 하나의 증폭기를 전극 드라이버로 설정하며 그 전극 드라이버의 출력을 연결한 전극을 상기 3개 전극 중의 하나의 전극이 설치된 인체 부위와 같은 인체 부위에 설치한다.

상기 전극 배치 규칙들을 사용하면 다음의 결과를 얻는다. 전극 배치의 마지막 단계에서 다음의 전극 배치 규칙을 점검할 필요가 있다.

전극 배치 규칙5: 하나의 전극 드라이버 출력 전극이 설치되는 인체 부위에는 하나의 전극이 더욱 설치된다. 즉 그 인체 부위에는 2개의 전극이 설치된다. 이것은 다음과 같이 표현될 수 있다. 하나의 인체 부위에 두개의 전극이 접촉할 때 두개 전극 중에 하나는 반드시 전극 드라이버 출력 전극이다.

도 28은 본 발명의 또 하나의 실시예를 나타낸다. 도 28의 실시예에서의 장치는 오른손과 왼손에 유도되는 심전도 신호를 센싱한다. 도 28의 실시예에서 오른손과 왼손의 심전도 신호를 센싱하는 것은 도 26의 실시예에서와 같다. 전극 드라이버 2830은 입력 신호를 왼 다리에서 받으며 상기 전극 드라이버 2830의 출력 신호는 왼손에 인가한다. 그러면 오른손에서 센싱되는 신호는 -Lead II이다. 왼손에서 센싱되는 신호는 -Lead III 이다. 본 발명에 의한 실시예에서 하나의 전극 드라이버의 입력 전극과 출력 전극은 인체의 다른 부위에 각각 연결될 수 있음을 도 28의 실시예에서 알 수 있다. 도28의 실시예는 두개의 전극이 왼손에 접촉하는 특징을 갖는다.

도28의 실시예는 추가적인 정합된 저항들을 사용하는 그룹C 혹은 그룹D의 실시예에 비하여 제작하기에 유리하다. 전기적인 등가회로 모델 해석은 생략한다.

지금까지 전극 드라이버의 입력과 출력에 연결되는 전극이 접촉하는 위치를 다양하게 변화시킬 수 있음을 알았다. 상기의 그림을 통해서 알아본 바와 같이 본 실시예 들에서 사용되는 전극들의 위치는 오른손, 왼손, 왼 다리 혹은 왼쪽 하복부 혹은 가슴에 국한된다. 그 외에 전극의 위치에 대한 제한은 없다. 그러므로 그 방법의 수는 아래의 표에서 구체적으로 나타낸 바와 같이 총 6가지이다. 상기 6가지는 기계적인 형태의 차이는 있으나 두개의 심전도 리드 신호를 얻는다는 점은 동일하다. 실시예에 따라 도29에 나타낸 전극의 위치에 따라 각각의 전극 임피던스 Rel의 값들은 달라질 수 있다. 뒤에서 모션 잡음에 의한 차이를 더욱 기술한다.

지금부터 전극 드라이버의 입력 단자와 출력 단자에 각각 연결되는 전극을 간단히 부르기 위해서각각 드라이버 입력 전극과 드라이버 출력 전극이라고 부르기로 한다.

실시예 그룹B의 실시예 목록을 검토하면 다음의 장점을 얻을 수 있다.

i) 인체의 어느 부위에 두개의 전극을 설치할지 결정할 수 있다.

ii) 뒤에서 기술하는 바와 같이 모션 잡음을 감소시키려면 어느 실시예를 선택할지 결정할 수 있다.

iii) 어떤 가능한 실시예가 존재하는지 검ㅊ토한 후 사용할 수 있다.

실시예 그룹B에서 심전도 리드 측정용 전극 한 개는 전극 드라이버 출력 전극의 위치와 같으며 다른 심전도 측정용 전극 하나는 전극 드라이버 입력과 출력 전극이 아닌 위치에 배치된다.

지금까지 본 발명을 실시하기 위하여 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 것으로 기술하였다. 그러나 앞에서 기술한 바와 같이 본 발명은 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 차동 증폭기를 사용하는 것을 포함한다. 앞에서 기술한 바와 같이 본 발명에서 차동 증폭기를 사용할 필요성이 있는 것은 아니다. 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 것이 차동 증폭기를 사용하는 것보다 크기, 가격, 전력 소모 등의 측면에서 더욱 유리하다. 그러나 본 발명을 구현하기 위하여 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 차동 증폭기를 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 모든 실시예는 그대로 차동 증폭기를 사용하는 실시예로 대체될 수 있다. 그러므로 특별히 차동 증폭기를 언급하거나 그림으로 나타내지 않아도 본 발명은 차동 증폭기를 사용하는 실시예를 포함한다. 실시예 그룹B의 실시예에서 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 차동 증폭기를 사용하는 것이 가능하다. . 본 발명에서 차동 증폭기를 사용하는 방법에 관해서는 뒤에서 기술한다.

지금부터의 실시예들을 실시예 그룹 C라고 부르기로 한다. 실시예 그룹C에서는 정합된 저항 2개를 사용하여 하나의 전압 분배기를 구성하고 그 전압 분배기의 교점에서 전극 드라이버의 입력 신호를 받을 수 있다.

도 30은 본 발명의 실시예 그룹C에 속하는 하나의 실시예를 나타낸다. 도 30의 실시예에서 오른손 전극과 왼손 전극 사이에 두 개의 정합된 저항을 배치한다. 상기 두 개 저항은 하나의 전압 분배기로 작동한다. 상기 두 개 저항의 연결점을 전극 드라이버의 입력 단자에 연결한다. 도 30은 전극 드라이버의 출력을 왼손에 인가하는 경우이다. 다른 실시예에서는 하나의 전압 분배기는 다른 인체 부위에 접촉하는 두 개의 전극사이에 형성할 수 있다.

도 31은 도 30의 실시예의 동작을 분석하기 위한 전기적 등가 회로를 나타낸다. 오른 손 전극에서 -Lead I/2 가 센싱된다. 왼 다리 전극에서 Lead I/2 + Lead III=aVF가 센싱된다. 상기 두 개의 센싱된 신호로부터 Lead I과 Lead III를 계산한다. 상기 계산은 상기 두 개의 센싱된 신호를 AD변환한 후에 실행될 수 있다. 상세한 설명은 생략한다.

도30의 실시예는 계산없이 직접 aVF를 측정할 수 있다는 장점을 갖는다. 실사예 그룹C에서도 3전극의 실시예에서와 같이 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 하나의 차동 증폭기를 사용할 수 있다. 예를 들면 그림 31의 실시예에서 싱글 엔디드 입력 증폭기 3010대신에 RA와 LA에서 입력을 받는 하나의 차동 증폭기를 사용할 수 있다. 실시예 그룹C의 실시예는 9개이며 그림32의 표3과 같다. 상세한 설명은 생략한다.

지금부터의 실시예들을 실시예 그룹 D라고 부르기로 한다. 그룹C와 그룹D에서 사용되는 저항은 적어도 10MOhm 이상의 고저항이다. 예전에 비하여 요즈음은 상용화된 10MOhm 이상의 소형 칩 저항 혹은 박막 저항을 구하기 쉽다. 도23의 종래의 기술에서 사용되는 정합된 저항들은 통상 10kOhm 정도의 저항들을 사용할 수 있었다.

도 33은 본 발명의 또 하나의 실시예를 나타낸다. 3개의 정합된 저항들을 사용하여 Wilson Central Terminal 전압을 얻는다. 도33의 실시예는 도 23의 종래의 기술에 보인 Wilson Central Terminal보다 Wilson Central Terminal을 단순하게 구현한다. 도 33의 실시예는 상기 얻어진 Wilson Central Terminal 전압을 왼 손의 LA전극에 인가한 경우이다. 이 경우에 오른 손에서는 -2/3 Lead I - 1/3 Lead III 가 센싱된다. 왼 다리에서는 1/3 Lead I + 2/3 Lead III 가 센싱된다. 상기 두 개의 센싱된 값으로부터 Lead I과 Lead III를 계산한다.

도33에서 전극 드라이버의 출력 전극은 오른손, 왼손, 왼 다리의 어느 곳에도 접촉할 수 있다. 실시예 그룹D의 실시예는 3개이며 그림34의 표4와 같다.

디지털 방식으로 Wilson Central Terminal을 구현하는 실시예에서는 정합된 3개의 저항을 사용하지 않는 것이 가능하다. 3개의 저항을 사용하지 않고, 2개의 전극에서 측정된 심전도 전압을 사용하여 추가적으로 하나의 심전도 전압을 구한 후 계산에 의하여 윌슨 센트럴 터미널 전압을 구할 수 있다.

지금부터의 실시예들을 실시예 그룹 E라고 부르기로 한다. 그룹E의 실시예에서는 앞에서 기술한 다양한 실시예들 중에서 motion artifact를 감소시키기에 우월한 실시예들을 기술한다. 앞에서 기술한 바와 같이 사용자의 편의성과 심전도 측정의 정확성을 위하여 심전도 전극들이 심전도 측정 장치에 설치되는 위치와 형태는 중요하다.

4개의 전극을 사용하는 실시예에서는 앞에서 기술한 3개의 전극을 사용할 때에 비하여 전극 드라이버의 입력과 연결되는 1개의 심전도 전극이 추가된다. 이제부터 앞에서 기술한 다양한 실시예 중에서 모션 잡음을 감소시키기 위해서 우월한 실시예를 선택한다. 그러나 사용 목적 및 방법에 따라 아래에 기술되는 방법으로부터의 변화가 가능하다. 그러므로 그룹A부터 그룹D까지의 실시예들을 다음에 기술되는 실시예들과 유사하도록 변화시켜서 사용하는 실시예 들도 본 발명의 범위에 포함된다.

심전도 전극들을 배치하기에 더욱 고려해야 할 사항 중에는 motion artifact가 있다. Motion artifact는 하나의 전극과 그 전극이 접촉하는 피부의 상대적인 위치와 압력이 변하면 발생하는 잡음이다. 상기 motion artifact는 일단 발생하면 제거하기가 어렵기 때문에 웨어러블 장치에서 특히 골치 아픈 문제가 되는 것이 잘 알려져 있다(H. Halvaei, L. Sornmo, and M. Stridh, Signal quality assessment of a novel ECG electrode for motion artifact reduction, Sensors, 2021, 21, 5548.). 편안하게 누운 resting 상태에서 습식 전극을 피부에 고정되도록 부착하고 측정하는 병원용 심전계에 비하여, 고정되지 않고 움직이는 자세에서 건식 전극들을 사용자의 의지에 따라 미리 설정된 인체 부위에 접촉하고 사용해야 하는 웨어러블 기기에서 motion artifact는 발생하기 쉽다. 하지만 정확하고 편안한 심전도 판독을 위하여 motion artifact를 감소시키는 것은 매우 중요하다.

웨어러블 기기에 설치되는 상기 4개의 전극들은 필연적으로 motion artifact의 영향을 받는다. Motion artifact는 기저선 변동(baseline wandering)(L. Zhong, Pub. No.: US2014/0023134A1, Pub. Date: Jan. 23, 2014)의 중요 원인이다. 인체의 모션의 원인으로 심전도에서 기저선 변동의 결과가 발생한다고 표현할 수 있다. 기저선 변동 잡음도 모션 잡음과 마찬가지로 웨어러블 장치에서 발생하기 쉽다. 웨어러블 장치에서 기저선 변동 잡음 제거도 어렵고 기저선 변동 잡음을 감소시키는 것은 중요하다.

지금까지 기술한 다양한 실시예들에서 어떤 웨어러블 기기에 어떤 실시예를 사용하는 것이 좋은지를 판단하기 위한 기준을 마련하기 위해서 모션 잡음을 분석한다. 도35는 도25의 전기적 등가회로 모델에 모션 잡음 전압원들을 삽입한 전기적 등가회로 모델이다. 하나의 전극에는 하나의 독립적인 모션 잡음 전압원이 연결된다. 모션 잡음 전압원은 전극 저항 혹은 전극 임피던스와 직렬로 연결된다. 일반적으로 전극 저항이 크면 모션 잡음도 커진다. 도35를 해석하면 다음의 결과를 얻는다. 편의상 전력선 간섭은 생략하였다.

v₁=-v_a+v_m1-v_m4 ……………………………… (식 21)

v₂=v_b+v_m2-v_m4. ……………………………….. (식 22)

각각의 전극에는 당연히 각각의 모션 잡음이 인가된다. 즉 v₁에는 v_m1이 인가되고 v₂에는 v_m2가 인가된다. 그러나 주목해야 되는 것은 측정되는 두개의 심전도 전압 v₁과 v₂에 전극 드라이버의 입력 전극에서 발생하는 -v_m4가 공통적으로 인가되는 것이다.

이러한 결과를 얻는 이유는 전극 드라이버 입력 전극의 전압은 motion artifact 혹은 기저선 변동이 있더라도 실질적으로 0이 되기 때문이다. 즉 전극 드라이버 입력 전극은 가상 접지가 되기 때문이다. 이 결과는 전극 드라이버 입력 전극에서 발생한 모션 잡음이 심전도 측정 전극으로 유도된다는 것을 의미한다.

위의 결과는 놀라운 결과로 간주된다. 특히 전극 드라이버 입력 전극이 가상접지임을 생각하면 가상접지인 전극에서 발생하는 모션잡음이 모든 측정 전극으로 전달된다는 것은 매우 놀랍다. 위의 식들이 의미하는 것은 다음과 같다. 다음을 모션 잡음에 관한 고려사항 혹은 규칙이라 부르기로 한다.

i) 전극 드라이버 입력 전극에서 발생하는 모션 잡음은 모든 심전도 측정 전극들로 전달된다. 4개의 전극을 사용할 때는 2개의 측정용 증폭기로 전파되며 추가적으로 가슴 전극들을 사용하는 경우에는 가슴 전극들 까지에도 전파된다. 그러므로 전극 드라이버 입력 전극에서 발생하는 모션 잡음을 감소시키는 것이 중요하다. 심전도 리드 측정용 전극을 motion artifact 혹은 기저선 변동이 덜 발생하도록 설치해야 하는 것은 당연하고 잘 알려진 사실이다. 그러나 심전도 리드 측정 전극뿐 아니라 전극 드라이버의 입력 전극도 motion artifact나 기저선 변동이 약한 위치에 설치하는 것을 우선적으로 고려해야한다.

ii) 또 한가지 놀라운 결과는 v₁과 v₂에 공통적으로 v_m3가 나타나지 않는 것이다. 전극 드라이버 출력 전극에서 발생하는 모션 잡음은 어떤 심전도 측정 전극으로도 전파되지 않는다. 그러므로 모션 잡음이 클 것으로 예상되는 위치에는 전극 드라이버 출력 전극을 배치하는 것이 유리하다는 결론을 얻을 수 있다.

iii) 상기 i)에 의하여 하나의 심전도 리드 신호 증폭기에는 두개의 모션잡음이 인가된다는 것을 알 수 있다. 첫번째 모션잡음은 심전도 신호를 측정하기 위하여 연결되는 전극에서 발생하는 것이다. 두번째 모션잡음은 전극 드라이브 입력이 연결되는 전극에서 발생한다. 이것은 본 발명을 구현하는 실시예에서 고려해야 하는 매우 중요한 고려사항이다.

iv) 본 발명에 의하면 두개의 심전도 리드 신호를 측정하여 구한 후에 4개의 심전도 리드 신호를 계산하여 구한다. 이때 생성되는 4개의 심전도 리드 신호에도 상기 두개의 심전도 리드 신호에 인가된 모션 잡음들이 혼합된다. 그러므로 모션 잡음들이 발생하지 않도록 두개의 심전도 리드 신호를 측정하는 것이 중요하다.

v) 앞에서 여러 번 기술한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용한다. 참고로 차동 증폭기를 사용하는 경우에 대하여 도 37을 해석해 본다. 전극 RA와 전극 LA사이의 전압을 차동 증폭기를 사용하여 증폭할 때 다음의 결과를 얻는다.

V(RA)-V(LA)= -v_a+v_m1-v_m4= v₁……………………………… (식 23)

즉 차동 증폭기를 사용하여도 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 때와 모션 잡음의 결과는 같다. 그러므로 본 발명에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 필요가 더욱 있다.

이로써 motion 잡음에 어떻게 대응해야 할지에 관한 중요한 고려사항 혹은 규칙들을 얻었다. 각각의 심전도 전극에 어느 기능을 부여할지를 고려하여 심전도 전극을 설치하는 것이 중요하다. 앞에서 기술한 그룹A부터 그룹D까지의 다양한 실시예들 중에서 motion artifact와 기저선 변동에 유리한 전극 배치를 신중하게 고려하고 그에 따른 실시예를 선택하는 것은 매우 중요하다. 즉 잡음이 적은 심전도 측정 장치를 구현하기 위해서는 앞에서 기술한 전극 드라이버의 전극 배치에 관한 고려사항에 더하여 위의 모션 잡음에 관한 고려사항을 적용해야 한다.

잡음이 적은 심전도 측정 장치를 구현하기 위해서는 각각의 심전도 전극의 형태와 설치 위치를 고려해야 한다. 또한 각각의 심전도 전극을 어느 구성 요소에 연결할지를 고려해야 한다. 이를 위하여 적합한 웨어러블 장치의 형태를 디자인하여야 한다. 지금까지 기술한 본 발명에서 전극 드라이버 입력 전극이 접촉하는 인체 부위를 결정하면 나머지 2군데의 인체 부위에는 심전도 측정용 전극이 자동적으로 배정된다. 그러므로 전극들의 배정에서 전극 드라이버 입력 전극을 우선적으로 고려하는 것이 편리하다. 이제부터 반지, 워치, 클립형 등의 구체적인 형태에 대하여 선호되는 실시예를 차례데로 제시할 때 전극 드라이버 입력 전극을 우선적으로 고려하겠다.

앞의 도24 등에서 4개의 전극을 갖는 심전도 측정 장치를 하나의 손가락에 착용하는 반지 형태로 구현할 수 있음을 기술하였다. 이제부터 반지에 포함되는 4개의 전극을 갖는 심전계에서 모션 잡음을 감소시키기 위하여 선호되는 첫번째 실시예에 대해서 기술한다. 첫번째 실시예에서 반지의 안쪽 면에 두 개의 전극을 설치할 수 있다. 반지의 안쪽 면에 접촉하는 손가락의 피부는 부드러워서 전극 저항이 작으며 습기를 포함한다. 그러므로 여기에 접촉하는 전극은 모션 잡음을 적게 발생시킨다. 모션 잡음을 적게 발생시키는 상기 전극을 전극 드라이버 입력 전극으로 선택한다.

반지의 안쪽 면에 설치되는 상기 두개의 전극은 각각 전극 드라이버 입력 전극과 출력 전극으로 설정한다. 이것은 도24에 나타낸 전기적 연결 즉 실시예 A2에 해당된다. 모션 잡음을 감소시키기 위해서 반지의 안쪽 면에 설치되는 상기 두개의 전극은 도17에 나타낸 전극 111과 전극114보다 크게 설치할 필요가 있다.

나머지 두개의 전극은 심전도 측정용 증폭기로 연결된다. 상기 나머지 두개의 전극은 반지의 바깥쪽 면에 설치되어 각각 다른 손의 손가락과 왼다리에 접촉한다. 바깥쪽 면에 설치되는 도17의 전극 112와 전극 113도 크게 설치하는 것이 모션 잡음을 감소시키기에 유리하다.

위에서 기술한 실시예 외에 반지의 안쪽 면에 두개의 전극을 설치하되 각각 전극 드라이버의 출력과 하나의 심전도 센싱 전극으로 사용하는 실시예도 가능하다. 이때 반지의 윗 면과 아랫 면에 설치된 두개의 전극은 각각 전극 드라이버의 입력 전극과 또 다른 하나의 심전도 리드 센싱용 전극으로 사용된다. 이것들은 각각 실시예 B3와 실시예 B4에 해당된다. 반지의 경우 이 실시예들은 모션 잡음의 관점에서 볼 때 일반적으로 위의 실시예 A2에 비해 우월하지는 않다고 생각된다. 하지만 반지의 디자인에 따라 이 실시예들을 실시하는 것이 가능하다.

한편 반지에는 심전계와 함께 광용적계를 설치할 필요가 있다. 앞에서 기술한 바와 같이 광용적계가 광용적 신호를 분석하여 부정맥이 발생하였을 때 사용자에게 알람을 발생시킬 수 있다. 광용적계는 손가락에 접촉하도록 반지 안쪽 면에 설치되어야 한다. 그러므로 반지 안쪽 면에 두개의 심전도 전극을 설치할 공간이 부족할 수 있다. 또한 반지의 안쪽 면에 면적이 넓은 전극 1개를 설치하고 이 전극을 전극 드라이버 입력 전극으로 사용하면 모션 잡음을 감소시키기에 유리하다.

이 경우에 반지의 바깥 면에 3개의 전극을 배치할 수 있다. 반지의 바깥 면에 3개의 전극을 배치하는 실시예의 전기적 연결을 도36에 나타내었다. 도36은 반지의 경우에 선호되는 두번째 실시예를 나타낸다. 예를 들어 도 36의 실시예를 반지로 구현하는 경우에 왼손의 손가락에 착용한 반지의 안쪽 면에 전극 드라이버 입력 전극 LA를 배치하고, 반지의 바깥 면에 3개의 전극을 배치할 수 있다.

도37은 도36 실시예의 전기적 등가회로 모델이다. 이 모델을 분석하면 다음의 결과를 얻을 수 있다. 편의상 전력선 간섭은 생략하였다.

v₁=-v_a+v_m1-v_m4 ……………………………… (식 24)

v₂=v_b+v_m2-v_m4. ……………………………….. (식 25)

상기 식들은 도35 즉 도24의 해석 결과와 같다. 이것은 전극 드라이버의 위치가 같기 때문이다. 본 실시예에서는 전극 드라이버 입력 전극의 면적을 크게 하므로 오른손 전극의 심전도 전압 v₁과 왼다리 전극의 심전도 전압 v₂에 공통적으로 인가되는 전극 드라이버 입력 전극의 모션 잡음 -v_m4를 감소시킬 수 있다.

상기의 실시예에서는 반지를 왼손의 손가락에 착용하면 오른 손 손가락을 두 개의 전극(RA와 DRA)에 접촉하고 하나의 전극(LL)을 왼다리에 접촉시킨다. 이 경우 두개의 전극을 도38에 나타낸 것과 같이 반지의 위쪽에 설치할 수 있다.

본 발명에서는 4개의 전극을 3개의 인체 부위에 접촉시킨다. 반지나 워치를 왼손에 착용하는 경우 심전도를 측정할 때 왼손을 왼다리에 올려 놓는다. 그러므로 이 경우 3개의 인체 부위에서 가장 불안정한 부위는 오른손이다. 그러므로 오른손을 고정시킬 수 있으면 오른손에서 발생하는 모션 잡음을 감소시킬 수 있다. 도38의 반지에 포함된 심전계를 사용하는 경우 오른손을 왼손 혹은 왼다리에 올려 놓고 하나의 오른손 손가락을 두개의 전극 3810과 3820 위에 올려 놓으면 오른손이 안정되고 모션 잡음을 감소시킬 수 있다.

한편 반지의 안쪽 면에 하나의 전극을 설치하는 다른 실시예를 도39에 나타내었다. 이 실시예에서는 오른손 손가락을 하나의 전극 3910(RA전극)에 접촉하고, 왼다리에 두개의 전극 3920과 3930(LL전극과 DLL전극)을 접촉하도록 반지를 구현한다. 이 실시예에서 반지 안쪽의 전극들 3940과 3950을 하나로 연결하여 전극 드라이버 입력 전극으로 할당한다. 심전도 측정시에 두개의 전극 3920과 3930도 왼다리에 안정되게 접촉시키기에 유리하다. 또한 오른손 전극 3910도 면적을 크게 할 수 있다. 그러므로 이 실시예는 모션 잡음 감소에 유리하다. 이 경우에 반지의 아래쪽을 통상적인 반지보다 두껍고 폭이 넓고 기계적으로 강하게 구현할 수 있다.

반지에 포함되는 심전계에서 모션 잡음을 감소시키기 위하여 선호되는 위에서 기술된 실시예들은 전극 드라이버 입력 전극을 반지 안쪽 면에 설치한다는 공통점을 갖는다.

지금까지 본 발명을 실시하기 위하여 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 것으로 기술하였다. 그러나 앞에서 기술한 바와 같이 본 발명은 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 차동 증폭기를 사용하는 것을 포함한다. 앞에서 기술한 바와 같이 본 발명에서 차동 증폭기를 사용할 필요성이 있는 것은 아니다. 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 것이 차동 증폭기를 사용하는 것보다 크기, 가격, 전력 소모 등의 측면에서 더욱 유리하다. 그러나 본 발명을 구현하기 위하여 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 차동 증폭기를 사용하는 것이 가능하다. 본 발명에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하는 모든 실시예는 그대로 차동 증폭기를 사용하는 실시예로 대체될 수 있다. 그러므로 특별히 차동 증폭기를 언급하거나 그림으로 나타내지 않아도 본 발명은 차동 증폭기를 사용하는 실시예를 포함한다.

. 본 발명에서 차동 증폭기를 사용하는 방법은 다음과 같다.

i) 본 발명에서 사용하는 두개의 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 두개의 차동 증폭기를 사용한다.

ii) 차동 증폭기의 두개의 입력 단자중에서 하나는 싱글 엔디드 입력 증폭기의 입력 단자로 연결하고 다른 하나는 전극 드라이버의 입력과 연결되는 전극으로 연결한다. 본 발명에서 두개의 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하므로 두개의 차동 증폭기를 연결하는 방법은 정해진다. 차동 증폭기의 입력 단자들의 극성은 중요하지 않다. 이것은 측정치를 극성에 따라 취급하면 되기 때문이다.

iii) 본 발명에서 하나의 전극 드라이버를 사용하며 윌슨 센트럴 터미널을 사용하지 않는다. 차동 증폭기를 사용할 때에도 전극 드라이버와 관련된 사항들은 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 때와 같다. 전극 드라이버의 입력은 하나의 전극으로 연결한다.

iv) 전극 드라이버의 출력은 하나의 전극으로 연결한다.

v) 본 발명은 웨어러블 장치를 목적으로 하며 6개의 림 리드를 얻는 것을 목적으로 하므로 3개의 인체 부위에 접촉하는 4개의 전극을 사용한다. 이러한 내용들은 싱글 엔디드 입력 증폭기 대신에 차동 증폭기를 사용할 때에도 달라지지 않는다.

그러므로 본 실시예에서 차동 증폭기를 사용하는 경우 두개의 차동 증폭기는 공통적으로 하나의 입력 단자를 반지의 안쪽 면에 설치되는 전극과 연결된다.

차동 증폭기를 사용하여도 모션 잡음은 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용할 때와 같음을 회로 해석을 통하여 알 수 있다. 이것은 본 발명에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용해야 하는 또 하나의 이유이다.

앞의 3전극의 예에서 상황에 따라 혹은 필요에 따라 리드 I만 측정하는 것이 필요할 수 있음에 대하여 기술하였다. 도24와 도36의 실시예는 왼다리 전극을 접촉시키지 않고 리드 I만 측정하는 것이 가능하다. 도24와 도38의 실시예에서는 왼다리 전극을 접촉시키지 않아도 전력선 간섭을 감소시킬 수 있다. 참고로 도26과 도39의 실시예는 리드 I만 측정하고자 할 때 불리하다. 도26과 도39의 실시예는 왼다리 전극을 왼다리에 접촉시키지 않으면 전력선 간섭을 감소시킬 수 없다.

상기 하나의 손가락이 접촉하는 반지의 안쪽 면에 설치된 광용적계가 광용적 신호를 분석하여 이상이 있다고 판단될 때 알람 발생을 지시할 수 있다. 반지는 알람 발생 지시 신호를 반지와 무선으로 연결되는 스마트 기기로 송신할 수 있다.

이제부터 4개의 심전도 전극을 워치 본체 및 워치 밴드에 설치하는 실시예들에 대하여 기술한다. 이 경우에 선호되는 실시예는 세개이다.

선호되는 첫번째 실시예는 다음과 같다. 전극 드라이버의 입력 전극을 설치하기에 가장 선호되는 위치는 워치 본체의 밑면이다. 이것은 워치 밑면은 항상 사용자의 손목과 접촉하며 심전도 전극을 배치하기 위하여 워치 밑면이 가장 넓은 공간을 제공하기 때문이다. 또한 워치 밑면이 접촉하는 손목의 피부는 부드러우며 습기가 있으므로 모션 잡음이 적게 발생한다. 그러므로 그림 16에서 워치 본체 밑면에 설치된 전극 1610과 전극 1620의 두개의 전극을 각각 전극 드라이버 입력 전극과 출력 전극이 되도록 배정한다. 이것은 도24에 나타낸 전기적 연결 즉 실시예 A2에 해당된다. 이 실시예는 앞에서 기술한 반지의 첫번째 선호되는 실시예와 매우 유사하다.

나머지 두개의 전극은 두개의 심전도 측정용 증폭기로 연결된다. 나머지 두개의 전극 중에서 하나의 전극 도16의 1640은 워치의 본체에 설치되어 다른 손의 손가락과 접촉할 수 있다. 다른 하나의 전극 도16의 112는 워치 밴드의 바깥쪽 면에 설치되어 왼다리에 접촉할 수 있다.

워치 본체의 밑면에 두개의 전극이 설치되는 다른 실시예에 대하여 검토한다. 워치 본체에 설치되는 전극 도16의 1640을 전극 드라이버 입력으로 선택하고 워치 밑면에 설치된 전극 1610 혹은 1620을 전극 드라이버 출력으로 선택하는 실시예를 고려할 수 있다. 그러나 이 실시예는 불안정한 오른손을 면적이 작은 도16의 전극 1640에 접촉하므로 모션 잡음이 상대적으로 크게 발생한다. 그러므로 이 실시예는 좋은 실시예가 아니다.

한편 위에서 기술한 워치에 포함되는 심전계를 구현할 때 선호되는 첫번째 실시예에서는 전극의 크기가 가장 작고 전극에 접촉하는 인체 부위가 가장 불안정한 오른손에 접촉하는 오른손 전극(RA)을 심전도 측정 전극으로 사용한다. 그러므로 이 실시예의 RA전극에서 모션 잡음이 발생할 수 있다. 그러므로 본 발명에서는 모션 잡음을 감소시키기 위해서 한 손에 착용한 워치를 다른 손으로 고정하는 방법을 고안한다.

모션 잡음을 감소시키기 위해서 한 손에 착용한 워치를 다른 손으로 고정하는 하나의 실시예를 도16을 사용하여 기술한다. 도16의 워치를 착용하지 않은 다른 손의 엄지와 검지로 워치의 밴드 한쪽과 전극 113을 동시에 각각 잡아서 워치를 고정시킨다. 전극 113을 전극 드라이버 입력에 연결한다. 워치 밑면의 하나의 전극 1610을 전극 드라이버 출력에 연결한다. 워치를 왼손에 착용하였을 때 워치 밑면의 또 다른 하나의 전극 1620은 심전도 리드 측정 증폭기에 연결하여 Lead I을 측정한다. 워치 밑면의 전극 1620에서 측정되는 심전도는 모션 잡음의 영향을 덜 받을 수 있는 장점을 갖는다. 워치 밴드 바깥면에 설치된 전극 112를 왼다리에 접촉한다. 이것은 실시예 B3에 해당한다. 이 실시예는 워치에 포함되는 심전계를 설치하기에 선호되는 두번째 실시예이다. 이 실시예에서 전극 113이 설치된 밴드를 마주 보는 밴드에 전극 113을 마주 보는 전극을 추가로 설치하고 다른 손으로 전극 113을 잡을 때 같이 잡도록 할 수 있다.

상기 두개의 실시예는 다음과 같이 표현할 수 있다. 전극 드라이버의 입력 전극이 워치 본체의 밑면 혹은 워치 밴드의 바깥쪽 면에 설치된 전극에 배정되며 워치 밴드에 설치되는 또 하나의 전극이 왼다리에 접촉하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.

오른손 전극에서 발생하는 모션 잡음을 감소시키기에 적합한 워치의 또 하나의 구조를 도40에 나타내었다. 도40의 실시예는 워치에 포함되는 심전계를 설치하기에 선호되는 세번째 실시예이다. 도40의 워치를 왼손에 착용하는 경우에 두개의 전극 4010과 4020을 오른손의 엄지와 다른 손가락으로 각각 붙잡으면 워치는 오른손에 고정되므로 모션 잡음을 감소시킬수 있다.

오른손 엄지와 다른 손가락으로 붙잡는 두개의 전극 4010과 4020은 각각 전극 드라이버 출력 전극과 심전도 리드 측정 전극으로 배정한다. 이 실시예는 전기적으로는 도36의 실시예에 해당된다. 즉 이 실시예는 실시예 B1에 해당한다. 이 실시예에서 전극 드라이버 입력 전극은 워치 본체의 밑면에 설치되므로 모션 잡음이 적게 발생된다. 이 실시예는 바람직하다.

이 실시예에서 워치 본체의 밑면에 설치된 전극 도40의 4030은 워치를 착용한 왼손에 접촉하며 워치 밴드의 바깥쪽 표면 4080에 설치된 전극 4050은 왼다리에 접촉한다. 이 실시예는 Motion artifact를 감소시키기 위해서는 크기가 가장 작고 전극에 접촉하는 인체 부위가 가장 불안정한 오른손 전극(DRA)을 전극 드라이버 출력으로 사용하는 전극 사용 규칙을 만족시킨다.

도40의 워치에 대하여 다른 실시예를 적용할 수 있다. 오른손 엄지와 다른 손가락으로 붙잡는 두개의 전극 4010과 4020을 전기적으로 연결하고 전극 드라이버 입력으로 배정한다. 워치 본체 밑면의 두개의 전극중에서 하나를 전극 드라이버 출력 전극으로 배정하고 다른 하나를 심전도 리드 측정 전극으로 배정한다. 워치 밴드의 바깥 면에 설치된 전극은 왼다리에 접촉하는 심전도 리드 측정 전극이 된다. 각각의 심전도 리드 측정 전극에서 리드 I과 리드 II가 측정된다. 이 실시예도 모션 잡음에 대하여 우수한 실시예이다.

상기 도40의 워치를 사용하는 두개의 실시예는 다음과 같은 표현이 가능하다. 전극 드라이버의 입력 전극이 워치를 착용하지 않은 손으로 워치를 고정할 수 있도록 워치 본체에 설치되는 두개의 전극중의 적어도 하나에 배정되며 워치 밴드의 바깥 면에 설치되는 또 하나의 전극이 왼다리에 접촉하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.

이와 같이 모션 잡음 분석에 의하여 실시예의 우월을 판단할 수 있다. 워치에 포함되는 심전계에서 모션 잡음을 감소시키기 위하여 선호되는 실시예 A2와 실시예 B1은 전극 드라이버 입력 전극을 워치 본체 밑면에 설치한다는 공통점을 갖는다.

워치에 포함되는 심전계에 대하여도 앞에서 기술한 반지에 포함되는 심전계에 대한 다음의 생각이 그대로 적용된다. 앞에서 상황에 따라 혹은 필요에 따라 리드 I만 측정하는 것이 필요할 수 있음에 대하여 기술하였다. 도24의 실시예 A2와 실시예 B3와 도36의 실시예 B1은 왼다리 전극을 접촉시키지 않고 리드 I만 측정하려는 경우에 유리하다. 상기의 실시예 A2와 실시예 B3와 도36의 실시예 B1에서는 왼다리 전극을 접촉시키지 않아도 전력선 간섭을 감소시킬 수 있다. 참고로 도26과 도28의 실시예는 리드 I만 측정하고자 할 때 불리하다. 도26과 도28의 실시예에서는 왼다리 전극을 왼다리에 접촉시키지 않으면 전력선 간섭을 감소시킬 수 없다.

상기 워치 밑면에 설치된 광용적계가 광용적 신호를 분석하여 사용자에게 알람을 발생시킬 수 있다.

앞의 도18과 도26을 이용하여 기술한 바와 같이 바지에 결합하여 심전도를 측정하고자 할 때 즉시 심전도를 측정할 수 있도록 심전도 측정 장치를 구현할 수 있다. 바지의 안쪽에 즉 바지와 사용자의 왼쪽 하복부 사이에 심전도 측정 장치를 부착하기 위하여 두 개의 전극 역할을 하는 두 개의 클립을 사용한다. 상기 심전도 측정 장치를 바지의 왼쪽 하복부 위치에 두 개의 클립을 사용하여 부착하면 두 개의 전극과 광용적계는 사용자의 왼쪽 하복부에 자동적으로 접촉한다. 광용적계가 알람을 보내거나 심전도 측정을 원할 때는 사용자가 왼손의 손가락을 첫번째 클립에, 오른손의 손가락을 두번째 클립에 접촉한다.

상기 심전도 측정 장치는 왼쪽 하복부에 두개의 전극을 접촉하는 실시예 그룹A3에 해당된다. 왼쪽 하복부에 접촉하는 두개의 전극들은 부드럽고 습기찬 피부에 접촉하므로 하나의 전극을 전극 드라이버 입력 전극으로 배정하기에 적합하다. 두개의 전극이 인접하여 같은 인체 부위에 접촉하므로 다른 하나의 전극은 전극 드라이버 출력 전극으로 배정된다.

전반부에서 판상형이라고 기술한 도1에 나타낸 심전도 측정 장치는 납작하며 길이가 폭보다 길다. 상기 심전도 측정 장치에 설치되는 3개의 전극들 중에서 어느 하나를 두개로 나누어서 상기 장치가 4개의 전극을 갖도록 할 수 있다. 즉 어느 하나의 전극을 작게 하고 그 근처에 하나의 전극을 추가할 수 있다. 바람직하게는 도1에서 하나의 전극113을 2개의 전극으로 나누고 그 2개의 전극을 왼 다리 혹은 왼쪽 하복부에 접촉시키면 모션 잡음을 감소시키기에 유리하다.

모션 잡음을 감소시키기 위해서는 나노전극을 사용할 수 있다. 나노전극의 전극 임피던스는 낮으며 나노전극은 통상적인 금속이 아닌 재료로 제작된다.(S. Yao, and Y. Zhu, Nanomaterial-Enabled Electrodes for Electrophysiological Sensing: A Review, The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society, Vol. 68, PP. 1145-1155, 2016.) 상대적으로 제조 비용이 적게 들며 성능이 우수한 나노 전극의 재료는 세라믹일 수 있다.

나노 전극의 전기적 접촉 저항을 감소시키고 부서짐을 방지하여 기계적 강도를 강화하기 위하여 나노전극과 금속 전극을 결합하여 사용할 수 있다. 이 실시예에서 나노전극과 금속 전극의 두가지 물질과 잘 결합하며 전기적 저항이 작은 접착 물질을 사용하여 두 물체를 결합한다.

본 발명에 의한 모든 실시예 들에는 디지털 신호처리(Digital Signal Processing)를 채용할 수 있다. 즉 하나의 증폭기에서 증폭한 전압을 AD변환한후 마이크로콘트롤러에서 필요한 연산을 수행할 수 있으며 연산의 결과를 DA변환기를 통하여 출력할 수 있다. DA변환기의 출력은 전극 드라이버의 입력에 인가될 수 있다. 즉 본 발명의 실시예 들에서 전극 드라이버의 입력을 DA변환기로부터 받을 수 있다.

그러나 디지털 신호처리를 사용하더라도 심전도 신호는 미약하므로 증폭기를 사용하는 전압 증폭은 필수적이다. 심전도 신호를 증폭하여야 해상도가 적합한 AD변환을 수행할 수 있다. 하나의 전극으로부터 수신한 심전도 리드 신호를 증폭한후 AD변환한 후, 디지털 신호처리한후, DA변환기의 출력을 전극 드라이버 입력에 인가한다.

모든 실시예에 대한 분석에서 전극 드라이버의 출력 임피던스를 작은 것으로 가정하였다. 그러나 전극 드라이브가 인체에 과도한 전류를 인가하지 않도록 전극 드라이브의 출력에 직렬 저항을 삽입할 수 있다.

3전극 실시예에서 기술한 바와 같이 전류 감지기에 의하여 전극들을 접촉시키면 자동적으로 심전도 측정 장치를 파워 온 시킬 수 있다. 또한 심전도 측정을 시작할 수 있다. 그러므로 상기 전류 감지기를 사용하면 기계적 스위치를 사용하지 않을 수 있다. 상세한 내용은 3전극 실시예를 따른다.

본 발명은 전력선 간섭, 모션 잡음, 기저선 변동 등의 잡음을 감소시키며 다채널 심전도 리드 신호를 획득하는 장치를 공개하는 것이다. 본 발명은 딥러닝에 의한 전력선 잡음, 모션 잡음, 기저선 변동, 및 고주파 잡음을 감소시키는 방법을 포함한다. 특히 전력선 간섭은 일정한 주파수를 갖는 신호이므로 훈련용 데이터의 제작이 용이하고 훈련 또한 용이하며 결과는 효과적이다. 또한 모션 잡음, 기저선 변동, 및 고주파 잡음의 제거도 딥 러닝 방식을 사용하여 훈련용 데이터를 제작하고 훈련시키는 방법을 수행할 수 있다.

앞의 3전극의 실시예에서 MCL을 측정하는 실시예에 대하여 기술하였다. 4전극을 사용하는 본 실시예에서도 실시예 A2(도 24), 실시예 B1(도36), 실시예 B6는 LA전압을 기준으로 가슴 리드를 MCL로 측정하기에 적절하다. 혹은 가슴 리드를 5개의 전극을 사용하여 Wilson Central Terminal을 기준으로 측정할 수 있다.

지금까지의 심전도 측정 장치의 실시예에서 심전도 측정장치는 4개의 전극을 포함하는 것으로 기술하였으나 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 다른 실시예에서 5개의 전극을 포함할 수 있다. 상기 5개의 전극을 포함하는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 동작 원리는 4개의 전극을 포함하는 경우에 대한 앞의 설명과 같다. 중요한 점은 본 발명에 의한 5개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치는 3개의 전극으로부터 심전도 신호를 각각 받는 3개의 증폭기를 포함하며 상기 3개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 신호를 증폭하여서 상기 장치는 동시에 3개의 심전도 신호를 실제로 측정한다는 점이다.

상기 5개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치는 앞의 설명에 의하여 쉽게 구현할 수 있다. 본 발명에 의한 상기 5개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치의 사용 방법은 상기 4개의 전극을 포함하는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치의 사용 방법과 거의 같다.

본 발명에 의한 5개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치가 측정하는 상기 3개의 심전도 신호는 예를 들면 2개의 림브 리드와 하나의 가슴 리드를 포함한다. 혹은 상기 3개의 심전도 신호는 1개의 림브 리드와 두개의 가슴 리드일 수 있다 상기 5개의 전극을 포함하는 본 발명에 의한 심전도 측정 장치는 상기 사용 방법과 기능에 적합한 형태로 구현될 수 있다.

전반부에서 기술한 4개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치 혹은 지금까지 기술한 5개의 전극을 포함하는 심전도 측정 장치가 2개의 림브 리드와 하나의 가슴 리드를 구한 후 표준 12리드 심전도를 계산하여 구할 수 있다. 이를 위해서는 Dower 등(Patent No.: US4,850,370, Patent Date: Jul. 25, 1989)와 유사한 방법을 사용하거나 딥 러닝에 의한 방법을 사용할 수 있다.

적어도 4개의 전극을 포함하는 가슴 스트랩에 설치되는 하나의 심전도 측정 장치는 7개 이상의 심전도 리드 신호를 얻는데 사용될 수 있다. 가슴 스트랩에 설치되는 하나의 심전도 측정 장치는 예를 들면 워치에 포함되는 하나의 심전계와 병행하여 사용될 수도 있다.(Hwang, WO2023/018318A1, Pub. Date: Feb, 16, 2023) 이 경우에 상기의 Dower 등과 유사한 방법을 사용하거나 딥 러닝에 의한 방법을 사용하여 12채널의 심전도를 생성할 수 있다.

지금부터의 실시예들을 실시예 그룹 F라고 부르기로 한다. 지금부터는 전반부에서 기술한 3개의 전극을 이용하는 실시예들과는 다른 실시예들을 기술한다. 지금부터 기술하는 실시예는 다음과 같이 표현할 수 있다.

첫번째 인체 부위에 접촉하는 첫번째 심전도 전극;

상기 첫번째 심전도 전극에 연결되는 첫번째 증폭기;

두번째 인체 부위에 접촉하는 두번째 심전도 전극;

세번째 인체 부위에 접촉하는 세번째 심전도 전극;

입력 단자와 출력 단자가 상기 두번째 전극과 세번째 전극에 연결되는 하나의 전극 드라이버;

전극 드라이버 출력 단자에 연결되는 두번째 증폭기:를 포함하며,

상기 2개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 전압을 동시에 수신하여 증폭하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.

지금까지 4개의 전극을 사용하여 6개의 림 리드(limb lead) 신호를 얻는 실시예들을 공개하였다. 4개의 전극과 전극 드라이버를 사용하면 전력선을 감소시키기에 유리하다. 그러나 4개의 전극을 설치하는 공간이 부족할때에는 3개의 전극을 사용하는 실시예를 사용할 필요가 있다. 즉 웨어러블 심전계를 소형으로 제작하고자 할 때는 4개의 전극을 설치하는 것이 블리할 수 있다. 웨어러블 심전계에는 병원의 수술실 등에서 사용하는 심전계에서 보다 전력선 간섭이 일반적으로 작게 발생하므로 3개의 전극을 사용하면서 전력선 간섭 감소 결과를 얻는 것이 가능하다.

도41에 3개의 전극을 사용하여 6개의 심전도 림 리드 신호를 얻는 실시예를 나타내었다. 도41에 나타낸 실시예를 포함하는 실시예를 그룹F로 분류한다. 그룹F의 실시예에서는 인체에 접촉하는 하나의 전극과 연결되는 전극 드라이버의 출력을 하나의 싱글 엔디드 입력 증폭기의 입력 단자에 연결시킨다. 도41의 실시예는 도36의 실시예에 나타낸 두개의 전극 RA와 DRA를 하나의 전극으로 합친 것으로 볼 수 있다. 그룹F의 실시예는 전극 드라이버의 출력을 하나의 심전도 리드 신호로 사용하는 특징을 갖는다. 전극 드라이버의 출력을 하나의 심전도 리드 신호로 사용하는 실시예는 아직껏 유사한 사례가 없는 매우 놀라운 발명이다. 또 하나의 심전도 리드 신호를 전극 드라이버의 입력이나 출력에 연결되지 않은 전극으로부터 받아서 또 하나의 증폭기 4120에서 증폭한다.

그룹F의 실시예는 앞에서 기술한 3개의 전극을 사용하는 실시예에서와 마찬가지로 2개의 심전도 신호를 동시에 측정한다. 하지만 그룹F의 실시예는 앞에서 기술한 3개의 전극을 이용하는 실시예와는 큰 차이가 있다. 그룹F의 실시예는 하나의 전극 드라이버를 이용하여 네가티브 피드백을 사용하는 4개의 전극을 사용하는 실시예와 유사하다. 그룹F의 실시예는 본 출원의 전반부에서 기술한 3개의 전극을 이용하고 밴드패스필터를 사용하는 실시예와 유사하게 보인다. 하지만 그룹F의 실시예에서 사용하는 전극 드라이버의 주파수 대역은 전력선 간섭 주파수와 ANSI 60601-2-47에 따르는 심전도 신호의 주파수 대역 즉 0.67Hz 부터 40Hz를 포함하는 특징을 갖는다. 전극 드라이버의 주파수 대역이 0.67Hz 이하를 포함하면 기저선 변동(baseline wandering)을 감소시키는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.

도42는 도41의 전기적 특성을 분석하기 위한 도41의 전기적 등가회로 모델이다. 도42를 분석하면 싱글 엔디드 입력 증폭기 4110의 입력 전압 v1과 싱글 엔디드 입력 증폭기 4120의 입력 전압 v1는 각각 다음과 같이 표현된다.

v₁= -v_a+v_m1-v_m3 - i_nR_el ………………………… (식 26)

v₂= v_b+v_m2-v_m3 + i_nR_el/(H(f)+1) …………………….. (식 27)

상기 두개의 분석식을 살펴보면 다음의 결론을 얻는다.

i) 두개의 측정된 심전도 전압에는 공통적으로 전극 드라이버의 출력과 연결된 전극의 모션 잡음 v_m3를 포함한다. 이것은 4개의 전극을 사용할 때 전극 드라이버 압력과 연결된 전극의 모션 잡음이 포함되는 것과 비교된다. 즉 3개의 심전도 전극과 하나의 전극 드라이버로 네가티브 피드백을 사용하여 두개의 심전도 리드 신호를 측정할 때에는 전극 드라이버 출력에서 발생하는 모션 잡음을 감소시킬 필요가 있다. 이 실시예에서도 하나의 심전도 리드 신호에는 두개의 모션 잡음이 혼합된다.

ii) 도42의 v₂의 전력선 간섭이 1/(H(f)+1)로 감소된다. 이것은 도42에 표시된 것과 같이 실질적으로 거의 모든 전력선 간섭 전류 i_n이 전극 드라이버 4130의 출력단자로 흐르며 전극 드라이버 4130의 출력 임피던스는 매우 작기 때문이다. 전력선 간섭 제거 효과가 앞에서 기술한 3개의 전극을 이용하고 밴드패스필터를 사용하는 실시예와 같다. 그러나 본 실시예는 밴드패스필터를 사용하는 실시예보다 구현이 쉽다. 본 실시예의 전력선 간섭 제거 효과는 4개의 전극을 사용할 때와 같다.

iii) 주목해야 할 점은 v₁은 증폭되지 않은 v_a를 포함한다. 이것은 증폭기 4130이 네가티브 피드백 증폭기로 작용하기 때문이다. 따라서 증폭된 v_a를 얻기 위해서는 하나의 증폭기 4110을 포함해야 한다. 심전계에서 심전도 신호를 센싱하기 위해서는 증폭이 필수적이다. 이것은 통상 심전도 신호의 전압은 매우 작기 때문이다. 심전도 신호에서 가장 큰 R파의 크기가 통상 1mV 정도로 매우 작다.

3개의 전극을 사용하는 본 실시예가 또 하나의 중요한 이유는 다음과 같다. 앞에서 도 37을 사용한 모션 잡음 해석을 수행하였다. 이 해석 결과를 자세히 보면 도 37에서 하나의 전극 드라이버를 사용하였으나 상기 전극 드라이버는 모션 잡음을 감소시키기 위해서는 도움이 되지 않는다는 것이다. 앞에서 4개의 전극을 사용하는 이유는 전극 드라이버를 사용하여 전력선 간섭을 감소시키기 위해서이다.

그러므로 모션 잡음 감소의 측면에서는 오히려 3개의 전극을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 예를 들어 4개의 전극을 사용하는 도 38에서 전극 3810과 전극 3820을 합쳐서 하나의 전극으로 만들면 전극의 면적이 넓어진다. 따라서 상기 면적이 넓어진 전극과 오른손 손가락이 접촉하는 면적이 넓어지고 따라서 모션 잡음을 줄일 수 있다. 이것은 매우 중요한 결론의 하나이다.

실시예 그룹F는 6개이며 도43의 표5에 나타내었다. 상세한 설명은 생략한다. 하나의 웨어러블 심전계에 그룹F의 실시예들 중에서 하나를 선택하려면 모션 잡음이 작은 전극에 전극 드라이버 입력을 연결해야 한다. 이것은 4개의 전극을 사용하는 실시예에서의 가르침과 같은 것이다. 도 41의 실시예에서는 전극 드라이버 입력 전극을 왼손에 접촉시킨다. 도41의 실시예는 워치 혹은 반지형 심전계로 구현하기에 적합하다. 4개의 심전도 전극을 사용하는 앞에서 기술한 실시예에서와 마찬가지로 워치 본체의 밑면 혹은 반지의 안쪽 면에 설치된 전극에 전극 드라이버 입력을 연결할 수 있다. 두개의 클립을 사용하는 장치의 실시예에서는 전극 드라이버 입력을 왼다리 전극 LL에 연결한다.

앞에서 기술한 심전도 측정 장치의 실시예들은 심전도 측정 전극을 3개 혹은 4개를 포함할 수 있다. 그러나 앞에서 기술한 모든 실시예들에서 추구하는 공통적인 목적은 심전도 측정 장치에서 6개의 심전도 리드(ECG leads)를 얻는 것이다. 이 목적을 달성하기 위하여 측정하여 구하는 심전도 리드의 수는 2개이면 충분함을 기술하였다. 즉 앞에서 기술한 심전도 측정 전극을 3개 혹은 4개를 포함하는 모든 실시예들에서 2개의 심전도 리드 신호를 측정하여 구하면 4개의 심전도 리드 신호를 추가적으로 구할 수 있다. 즉 3개의 심전도 리드 신호를 측정하여 구하는 것은 불필요하고 비효울적이며 중복된(redundant) 방법이며 본 발명의 범위에 속한다. 앞에서 기술한 모든 실시예에서 싱글 엔디드 입력 증폭기를 사용하더라도 하나의 증폭기 출력은 하나의 심전도 리드 신호인 특징을 갖는다.

앞에서 기술한 4개의 심전도 전극을 포함하는 실시예에서 3개의 심전도 전극을 포함하는 실시예에 비하여 추가되는 하나의 심전도 전극은 하나의 전극 드라이버의 입력으로 연결된다. 이것 외에는 4개의 심전도 전극을 포함하는 실시예들과 3개의 심전도 전극을 포함하는 실시예들은 많은 면에서 동일하다.

앞에서 기술한 모든 실시예들은 오른손(right arm, RA), 왼손(left arm, LA), 왼 다리(left leg, LL)의 3개의 인체 부위에 접촉하는 적어도 3개의 심전도 전극을 포함하는 심전도 측정 장치에 관한 것이다.

통상 심전도와 관련하여 “채널”과 “리드”(lead)는 같은 의미로 사용되며 이들은 하나의 심전도 신호 혹은 심전도 전압을 뜻한다. 또한 심전도 채널, 심전도 리드, 심전도 리드 신호 혹은 심전도 신호 전압 등으로 상황과 필요에 따라 다양하게 표현할 수도 있다.

추가적으로 4개의 심전도 리드 신호를 구하기 위해서는 상기 2개의 심전도 리드 신호에게 요구되는 사항을 명확하게 하여야 한다. 즉 2개의 심전도 리드 신호를 측정하기 위한 심전도 측정 장치에 요구되는 사항을 명확하게 하여야 한다. 지금부터는 적어도 2개의 심전도 리드 신호를 측정하기 위하여 심전도 측정 전극을 3개 혹은 4개를 포함하는 심전도 측정 장치에 요구되는 사항에 대하여 기술한다.

지금부터 기술되는 실시예들의 부분적인 내용들은 WO2023/018318A1 (국제 출원일: 2022년 8월 16일, 발명자: HWANG, In-Duk) 을 기반으로 한다. 또한 지금부터 기술되는 실시예들은 중복하여 기술하지 않아도 상기 출원의 내용을 적용할 수 있다.

착용하는 팔을 나타내는 파라메터를 미리 설정하는 심전도 측정 장치.

심전도 측정 전극을 3개 혹은 4개를 포함하는 심전도 측정 장치에 요구되는 사항의 하나는 다음과 같다. 측정하여 구한 2개의 심전도 리드 신호가 무엇들인지 확정되어야 한다. 이에 대하여 예를 들어 기술한다.

도 16에서 나타낸 워치를 사용하는 실시예에서, 상기 워치를 왼손에 착용하는 경우 워치 본체의 밑면에 설치된 전극 1610과 전극 1620은 왼쪽 손목에 접촉하며 워치 본체의 오른쪽에 설치된 전극 1640은 하나의 오른손 손가락에 접촉한다. 워치 밴드에 설치된 전극 112는 왼 다리에 접촉한다. 상기 4개의 전극들과 워치 내부에 설치되는 심전도 측정 회로의 연결 및 구성에 따라 이 워치는 도24의 A2, 도28의 B4, B3, 도30의 C4, C5, C6, 도33의 D2의 실시예에 해당될 수 있다. 당연히 상기 7개의 각 실시예에서 측정되는 2개의 심전도 리드 신호는 서로 다르다.

도 44에 왼 손에 착용한 상기 워치와 오른 손에 착용한 상기 워치를 나타내었다. 상기 워치를 왼손에 착용하는 경우 전극 1640은 워치 본체의 오른쪽에 설치되어 있다. 상기 워치를 오른손에 착용하는 경우 전극 1640은 워치 본체의 왼쪽에 설치되어 있다. 이것은 오른손에 착용한 워치는 왼손에 착용한 상기 동일한 워치 자체를 그림에 수직한 축을 중심으로 시계 반대 방향으로 약 150도 회전시켰기 때문이다. 도44의 두 개의 워치는 동일한 워치이다. 다만 오른손에 착용한 워치에 나타낸 디스플레이는 왼손에 착용한 워치에 나타낸 디스플레이를 그림에 수직한 축을 중심으로 180도 회전시킨 것이다. 다시 강조하지만 도44의 두 개의 워치는 동일한 워치이다. 이에 대하여 뒤에서 더욱 기술한다.

상기 워치를 오른손에 착용하는 경우 상기 워치 워치 본체의 밑면에 설치된 전극 1610과 전극 1620은 오른쪽 손목에 접촉하며 전극 1640은 왼손 손가락에 접촉한다. 왼다리에 접촉하는 전극 112는 워치를 왼손에 착용하던 오른손에 착용하던 왼다리에 접촉한다. 상기 4개의 전극들과 상기 워치의 내부에 설치되는 심전도 측정 회로의 연결 및 구성은 상기 왼손에 착용한 워치와 동일하다. 상기 워치를 오른손에 착용하는 경우 상기 워치는 A1, 도36의 B1, B2, C1, C2, C3, D1의 7개의 실시예에 해당될 수 있다.

상기 워치를 왼손에 착용하는 경우의 7개의 실시예와 상기 워치를 오른손에 착용하는 경우의 7개의 실시예는 각각 서로 대칭인 관계가 있으며 이 관계를 도45의 표 6에 나타내었다. 표 6에서 왼쪽 항과 오른 쪽 항은 동일한 심전도 측정 장치, 예를 들면 워치를 손을 바꾸어서 착용한 경우이다. 예를 들면 A1과 A2는 도 24의 장치를 손을 바꾸어서 착용한 경우이다. 주목해야 하는 것은 워치를 손을 바꾸어 착용하더라도 왼 다리 전극 112는 그대로 왼 다리에 접촉하는 것이다.

상기 워치를 왼손에 착용하고 심전도를 측정하는 경우, 즉 도24의 A2의 실시예에서 측정되는 심전도 리드 신호들은 -리드 I 과 리드 III이다. 그러나 이 워치를 오른손에 착용하는 경우 즉 실시예 A1에서 측정되는 심전도 리드 신호는 리드 I과 리드 II이다. 즉 동일한 워치를 손을 바꾸어서 착용하면 그 워치에서 측정되는 2개의 심전도 리드 신호들이 변경된다. 그러므로 상기 워치를 이용하여 측정한 2개의 심전도 리드 신호가 무엇인지 알려면 상기 워치를 착용한 손이 어느 손인지 알아야 한다.

이것은 상기 워치를 정해진 한쪽 손에만 착용할 때는 발생하지 않는 문제이다. 따라서 본 실시예는 본 문제를 해결하기 위하여 다음을 포함한다: 왼손에 착용하는 워치와 오른 손에 착용하는 워치의 2종류의 워치. 본 실시예는 다음을 포함한다: 왼손 착용형 반지 혹은 오른 손 착용형 반지. 앞에서 기술된 길고 납작한 형태 즉 스틱형(stick-shaped) 심전도 측정 장치는 좌우를 바꾸어 사용하지 않으면 상기 문제가 발생하지 않는다.

왼손에 착용하는 상기의 워치의 실시예는 다음을 포함한다: 왼손과 접촉하는 하나의 전극; 상기 전극에 입력이 연결되는 하나의 전극 드라이버;와 왼 다리에 접촉하는 전극에 유도되는 리드 III를 증폭하는 증폭기;를 포함하며, 리드 II를 계산하여 구하는 워치.

애플사의 워치는 하나의 심전도 리드 신호 즉 리드 I만 측정한다. 애플 워치가 측정한 심전도 리드 신호를 소프트웨어가 분석하여 애플 워치를 어느 손에 착용하고 심전도를 측정하였는지를 자동으로 결정하는 방법을 Dusan이 공개하였다. (Sorin V. Dusan, Pat. No.: US10,045,708B2, Aug. 14, 2018) 그러나 Dusan이 공개된 상기 방법의 신뢰도는 충분히 높지 않다. 그러나 이 방법은 신뢰도가 높지 않을 수 있다.

Dusan의 방법이 신뢰도가 높지 않을 수 있는 이유는 다음과 같다. 첫째, Dusan은 해당 특허의 Fig. 3A, 3B, 3C를 lead inversion 즉 손을 바꾸어서 워치를 착용하고 측정한 심전도라고 가정하였다. 그러나 이 가정은 많은 경우에 진실이지만 적지 않은 경우에 옳지 않을 수 있다. 옳지 않은 경우의 대표적인 경우는 하나의 심전도가 Right axis deviation(RAD)인 경우이다. 심전도가 Right axis deviation인 경우에 R파(R-wave)는 반전되어 나타난다. RAD의 원인은 Right ventricular hypertrophy 일 수 있다. Dusan의 가정이 옳지 않을 수 있음은 다음의 3개의 레퍼런스를 참조할 수 있다.

Reference 1: Thomas B. Garcia, "12-Lead ECG, The Art of Interpretation", 2nd Ed., Jones & Bartlett Learning, 2015, pp. 359-360.

Reference 2: Keith Wesley, "ECG AND 12-LEAD INTERPRETATION", 5th Ed., Elsevier, 2017, p. 215.

Reference 3: James H. OKeefe, et. al., "The Complete Guide to ECGs", 4th Ed., Jones & Bartlett Learning, 2017, p. 578 and p. 581.

둘째, Dusan은 측정한 심전도를 워치의 enrollment phase에서 측정한 심전도와 비교한다. 그러나 부정맥 등이 발생한 경우에 측정한 심전도와 enrollment phase에서 측정한 심전도를 비교하기는 어려울 수 있다.

셋째, 일부의 사용자의 리드 I은 시간에 대한 신호의 크기의 변화가 너무 작어서, 즉 심전도 파형이 밋밋하여서 아무런 분석을 하기 어렵기 때문이다. 리드 I의 크기의 변화가 너무 작은 경우는 심장의 전기 축 방향이 aVF 방향 즉 아래로 향할 때이다. 이 경우에 시간에 대한 크기의 변화는 6개의 림 리드 중에서 aVF 리드에서 가장 크게 나타난다. 그러나 리드 I에서는 신호의 파형이 밋밋하다. 이 현상은 리드 I 외에 다른 심전도 리드가 필요한 대표적인 이유이며 심전도학(cardiology)에서 매우 잘 알려진 사실이다.

따라서 Dusan이 공개한 방법은 많은 경우에 유효할 수 있지만 일부의 경우에 오류를 발생시킬 수 있다. 의료 진단에서 진단을 옳게 하는 것보다 틀리지 않게 진단하는 것이 더욱 중요하다. 그러므로 Dusan의 방법의 유효성은 떨어진다. Dusan의 방법은 사용자에게 잘못된 결과를 나타내어 혼란을 주고 위험을 초래할 수 있다.

앞에서 기술한 바와 같이 본 발명에서는 Dusan의 방법은 불완전하다고 판단한다. 그러므로 불완전성을 배제하기 위하여 본 발명에서는 Dusan의 방법과 다른 아래의 방법을 공개한다.

본 발명에서는 리드 I 외에 하나의 심전도 리드를 추가로 측정한다. 즉 착용하는 손에 따라 리드 III 혹은 리드 II를 추가로 측정한다. 그러나 심장의 전기 축이 aVF인 사용자의 경우 두 개의 심전도 파형만 보고 추가로 측정한 심전도 리드가 리드 III인지 리드 II인지 단정하기는 어렵다. 또한 이미 Dusan의 방법을 사용하여 리드 I만으로 워치를 착용한 손을 판단하기는 어려움을 설명하였다. 그러므로 본 발명에서 리드 III 혹은 리드 II를 더욱 측정함에도 불구하고, 심장의 전기 축이 aVF 방향인 사용자의 경우 심전도 측정 장치를 어느 손에 착용하고 두 개의 심전도 리드 신호들을 측정하였는지 판단하기 어렵다고 판단한다.

상기의 판단에 따라 본 발명의 실시예는 다음의 방법을 포함한다. 웨어러블 장치, 대표적으로 워치나 반지를 착용하는 손을 사용자가 미리 정하는 방법이다. 사용자가 워치나 반지를 처음 사용할 때 스마트폰 앱에 장치를 등록하여야 한다.

사용자는 사용자의 정보를 워치에 혹은 스마트폰에 저장한다. 즉 상기 등록 단계에서 스마트폰이나 스마트 워치의 디스플레이(화면)에 착용하는 손(wearing hand)을 선택하는 두개의 버튼을 표시하고 사용자가 하나의 버튼을 선택한다. 두 개의 버튼은 각각 왼 손과 오른 손을 표시한다. 사용자가 하나의 버튼을 선택하면 착용하는 손이 설정된다. 착용하는 손이 설정되면 착용하는 손을 나타내는 파라메터를 워치 혹은 스마트폰의 메모리에 저장한다.

착용하는 손을 나타내는 파라메터를 사용하여야 심전도 측정을 수행하여 측정된 2개의 심전도 리드가 어느 심전도 리드인지 지정할 수 있다. 예를 들면 측정된 2개의 심전도 리드가 리드 I과 리드 II인지 리드 I과 리드 III인지 결정될 수 있다. 상기 파라메터는 또한 추가로 계산하여 심전도 리드 신호를 구하기 위한 계산 식을 선택하기 위하여 사용된다.

앞에서 도 44에 보인 두 개의 동일한 워치에 표시된 두 개의 디스플레이에서 하나의 디스플레이는 다른 디스플레이를 180도 회전 시킨 것이라고 기술한 바 있다. 이것은 사용자가 워치의 앱(application) 혹은 스마트폰 앱에서 디스플레이 방향을 설정한 결과이다. 디스플레이 방향의 설정은 워치를 착용하는 손의 설정과 동등하다. 따라서 디스플레이 방향을 설정하면 심전도를 측정하기 위하여 워치를 착용하는 손의 설정은 불필요하다. 즉 위에서 기술한 버튼을 사용하여 착용하는 손을 설정하는 단계는 불필요하다. 이것은 심전도를 측정하기 위한 워치의 앱에서 워치를 착용하는 손의 설정 파라메터로 디스플레이 방향 설정 파라메터를 사용하면 되기 때문이다. 따라서 이제부터의 실시예에서 워치의 디스플레이의 표시 방향을 선택하는 것은 워치를 착용하는 손을 설정한 것으로 간주한다.

공장에서 워치나 반지를 제작할 때 착용하는 손을 미리 설정할 수도 있지만 착용하는 손을 최종적으로 사용자가 확인하고 변경할 수 있어야 한다.

착용하는 손을 한번 설정한 후에는 심전도 리드 신호를 측정할 때 매번 착용하는 손을 설정할 필요는 없다. 사용자가 설정을 다시 하지 않고 워치 등 장치를 착용하는 손을 바꾸어서 심전도를 측정하는 경우에 측정한 심전도리드와 전에 측정한 심전도 리드를 비교하여 리드 I이 바뀌었는지 판단하고 바뀐 경우 사용자에게 착용한 손이 어느 손인지 사용자에게 확인을 받는 팝업 창을 열 수 있다. 사용자의 확인에 따라 다른 계산 식을 사용하여 계산되는 심전도 리드 신호들을 수정할 수 있다.

위에서 기술된 내용에 따르는 실시예들은 다음을 포함한다: 적어도 3개의 심전도 전극을 포함하며, 적어도 2개의 심전도 리드 신호를 측정하며, 착용하는 손을 선택하는 버튼을 워치의 디스플레이에 표시하는 워치.

또는 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 심전도 측정 장치를 착용하는 손을 나타내는 파라메터를 메모리에 저장한 워치 혹은 스마트폰.

또는 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 워치 디스플레이에 표시되는 버튼의 선택에 따라서 계산 식을 선택하여 추가의 심전도 리드 신호를 계산하여 구하는 심전도 측정 장치. 상기 버튼은 워치를 착용하는 손을 선택하거나 워치의 디스플레이 방향을 설정하는 버튼.

또는 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 스마트폰 디스플레이에 표시되는 버튼의 선택에 따라서 계산 식을 선택하여 추가의 심전도 리드 신호를 계산하여 구하는 심전도 측정 장치. 상기 버튼은 심전도 측정 장치를 착용하는 손을 선택하는 버튼.

또는 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 착용하는 손을 설정하며, 설정된 파라메터에 따라서 계산 식을 선택하여 추가의 심전도 리드 신호를 계산하여 구하는 심전도 측정 장치.

하나의 손과 접촉하는 하나의 전극; 상기 전극에 입력이 연결되는 하나의 전극 드라이버;와 왼 다리에 접촉하는 전극에 유도되는 리드 II혹은 리드 III를 증폭하는 하나의 증폭기; 착용하는 손을 나타내는 파라메터를 이용하여 구하는 식을 선택하고 리드 III 혹은 리드 II를 계산하여 구하는 스마트폰;을 포함하는 심전도 측정 장치.

심전도 측정 웨어러블 소자가 충분히 넓은 디스플레이를 포함하지 않는 경우에는, 착용하는 손을 선택하는 버튼을 스마트폰 디스플레이에 표시하며, 선택된 버튼에 따라 추가로 심전도 리드를 구하기 위한 계산 식을 선택할 수 있다. 디스플레이를 포함하지 않는 심전도 측정 웨어러블 소자에는 반지, 두 개의 클립을 포함하는 형태 등 앞에서 그림과 함께 기술한 장치들을 포함한다.

위에 따라 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 반지를 착용하는 손을 선택하는 버튼을 스마트폰 디스플레이에 표시하며, 선택된 버튼에 따라 추가로 심전도 리드 신호를 구하기 위한 계산 식을 선택하는 스마트 폰.

지금까지 기술한 내용은 도 46의 순서도의 단계들로 구현할 수 있다. 이제부터 앞에서 기술한 착용하는 팔을 나타내는 파라메터를 미리 설정하고 측정하는 심전도 측정의 단계를 순서별로 기술한다. 편의상 심전도 측정 장치를 워치나 반지로 표현한다. 앞에서 기술한 바와 같이 본 실시예에서는 착용하는 팔을 나타내는 파라메터를 미리 설정한다. 이것은 워치나 반지를 스마트폰에 등록하는 단계 461에서 이루어진다. 이 단계에서 사용자는 사용자의 개인 정보 등을 포함하여 상기 워치나 반지를 스마트폰에 등록한다.

앞에서 기술한 바와 같이 착용하는 손의 설정은 워치나 스마트폰의 디스플레이에 표시되는 버튼을 선택하는 방법일 수도 있고 워치의 디스플레이 방향을 설정하면 워치를 착용하는 팔이 선택되는 방법일 수도 있다. 착용하는 팔이 선택되면 착용하는 팔의 파라메터 즉 설정값은 워치, 혹은 반지, 스마트폰의 메모리에 저장된다. 이로써 착용하는 팔의 설정은 종료된다.

심전도 리드 신호의 측정은 단계 463에서 시작된다. 단계 463에서 사용자는 측정할 심전도 리드 신호의 수를 선택한다. 이 선택은 사용자가 워치나 스마트폰의 디스플레이에서 직접 선택할수도 있고 전류 감지기가 접촉한 인체 부위의 수를 판단하여 이루어질 수도 있다. 리드 I만 측정할 경우 측정할 심전도 리드의 수는 1이다. 6개의 심전도 리드 신호를 얻으려면 측정할 심전도 리드의 수는 2이다. 측정할 심전도 리드의 수에 따라 워치나 반지는 심전도 측정을 시작한다.

측정된 심전도 리드 신호가 무엇인지는 워치나 반지를 착용하는 팔을 나타내는 파라메터에 의하여 결정된다. 도 46의 단계 465에 표시된 4개의 측정 단계에서 측정되는 심전도 리드 신호는 모두 각각 다르다. 도 46은 하나의 워치 혹은 하나의 반지에서 이루어질 수 있는 심전도 측정의 4개의 경우를 나타낸 것임을 상기할만하다. 심전도 리드를 측정하는 동안 워치는 워치의 디스플레이에 적어도 하나의 심전도 리드를 나타낼 수 있다.

단계 465의 4가지 경우에 측정된 심전도 데이터는 스마트폰으로 송신될 수 있다. 워치나 반지가 송신하는 심전도 데이터는 1개 혹은 2개의 심전도 리드 신호를 샘플링한 값이다. 송신하는 심전도 데이터에는 착용하는 팔의 파라메터와 측정된 심전도 리드의 수를 포함할 수도 있다. 워치와 반지는 스마트폰과 블루투스 로우 에너지 방식으로 교신할 수 있다.

단계 467에서 스마트폰은 적어도 하나의 측정된 심전도 리드 신호를 수신한다. 스마트폰은 수신한 데이터가 무엇인지 판별할 수 있다. 착용한 팔의 파라메터는 스마트폰의 메모리에 저장되어 있을 수도 있고 수신된 심전도 데이터에 포함될 수도 있다. 또한 수신한 심전도 데이터는 측정한 심전도 리드의 갯수에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이에 따라 단계 467에서 스마트폰은 수신한 심전도 데이터를 판별하고 판별한 내용에 따라 후속 동작을 수행한다. 리드 I을 측정하였을 때는 리드 I의 부호를 판별할 수 있다. 2개의 심전도 리드를 측정하였을 때 계산에 사용할 식을 선택하고 각각의 심전도 리드를 계산하여 구하고 디스플레이한다.

스마트폰은 측정을 종료하기 전에 측정한 데이터를 클라우드 서버에 저장할 수 있다. 스마트폰 혹은 클라우드 서버에서 측정된 심전도 데이터에 대한 자동 진단을 수행될 수 있다. 자동 진단 결과는 사용자뿐 아니라 의료진에게 전송될 수도 있다.

리드 I만 측정하는 실시예들

앞에 기술된 모든 실시예들이 6개의 심전도 리드 신호를 구하는 심전도 측정 장치에 관한 것이지만, 앞에서 기술한 3개의 심전도 전극을 포함하는 실시예에서 편의상 리드 I만 측정할 필요가 있을 수 있음에 대하여 기술하였다. 또한 바로 앞에서는 착용하는 손이 설정되는 심전도 측정 장치에 대하여 기술하였다. 이제부터 사용자의 선택에 따라 편의상 리드 I만 측정하는 실시예에 필요한 조건, 장치, 방법에 대하여 기술한다.

편의상 양손 사이의 심전도 리드 신호만을 측정할 필요가 있다. 이것은 어떤 사용자에게는 리드 I만으로도 어느 정도 충분한 정보를 얻을 수 있으며, 사용자가 심전도 측정 장치를 왼 다리에 접촉하기 불편하거나, 사용자의 복장이 적합하지 않은 경우 등을 포함한다.

앞에서 4개의 심전도 전극을 사용하는 많은 실시예에 대하여 기술하였다. 이 실시예들에서 리드 I만 측정하기 위해서는 전극 드라이버의 입력에 연결되는 전극이나 출력에 연결되는 전극이 왼 다리에 접촉하지 않아야 한다. 이것은 앞에서 기술된 4개의 심전도 전극을 사용하는 실시예들에서 전극 드라이버의 피드백 루프가 형성되어야 하기 때문이다. 즉 리드 I만 측정하기 위하여, 왼 다리에 심전도 측정 장치를 접촉하지 않으면 전극 드라이버의 피드백 루프가 끊어지게 된다. 그러므로 리드 I만 측정하기 위해서는 전극 드라이버의 입력 전극이나 출력 전극이 모두 하나의 손에 접촉하거나 양 손에 하나씩 접촉하여야 한다.

앞의 실시예들에서 전극 드라이버 출력 전극이 접촉하는 인체 부위에는 다른 하나의 전극이 접촉한다. 그러므로 리드 I만 측정하기 위해서는 3개의 전극이 오른 손(RA)과 왼 손(LA)에 접촉하여야 한다. 즉 하나의 손에는 2개의 전극이 접촉하며 다른 손에는 하나의 전극이 접촉한다. 즉 측정에 사용되지는 않지만 왼 다리에 접촉하는 전극은 하나의 증폭기의 입력에 연결되어야 한다.

편의상 양손 사이의 심전도 리드 신호만을 측정하는 예를 앞에서 기술한 표 6을 사용하여 기술한다. 표 6에 보인 7개의 대칭 쌍 중에서 전극 드라이버의 입력에 연결되는 전극이나 출력에 연결되는 전극이 왼다리에 접촉하지 않는 쌍은 3개이다. 이것들은 A1과 A2, B1과 B3, C1과 C4이다. 이들 대칭 쌍은 손을 바꾸어서 워치를 착용할 때에 해당되므로 실제로 물리적인 구조가 다른 것은 A2, B3, C4라고 할 수 있다. 즉 이들만이 리드 I을 측정하기에 적합하다. 이 3개는 전극 드라이버의 출력에 연결되는 하나의 전극과 양손 사이의 심전도 리드 신호를 증폭하는 증폭기의 입력에 연결되는 전극이 하나의 같은 손에 접촉하여 양손 사이의 심전도 리드 신호를 측정하는 특징을 갖는다.

반지 등의 형태를 갖는 심전도 측정 장치에서 반지는 디스플레이를 포함하지 않을 수 있다. 또한 반지는 심전도 측정을 기계적 시작 스위치 없이 시작할 필요가 있다. 특히 리드 I만 측정하고자 하는 사용자의 의도를 반지가 수용할 필요가 있다. 이 경우 양손의 접촉이 전류감지기에 의하여 감지된 후 왼 다리 전극이 왼 다리에 일정한 시간 동안 접촉하는 것이 전류 감지기에 의하여 감지되지 않으면 리드 I만 측정할 수 있다.

앞에서 기술한 바와 같이 하나만의 심전도 리드 신호의 측정은 심전도 측정 장치를 어느 손에 착용하였는지의 판단 이전에 혹은 이후에 이루어진다.

지금까지 편의상 리드 I만 측정하는 필요성과 방법에 대하여 기술하였다. 심장의 전기 축(electrical axis)이 aVF인 사용자의 경우는 리드 I만 측정하면 안된다는 경고 메시지를 발생할 수 있다. 사용자가 리드I을 측정하였을 때 리드 I의 크기가 충분히 크지 않으면 스마트폰 혹은 스마트 워치에서 “당신은 리드 I의 크기가 충분히 크지 않으므로 리드 I만 측정하면 안됩니다”라고 경고 메시지를 발생할 수 있다. 혹은 “왼발에 장치를 접촉하세요”하는 경고 메시지를 표시할 수 있다.

지금까지 기술하거나 앞으로 기술하는 모든 실시예에서 전극 드라이버(전극 구동부)는 디지털 신호처리를 이용하여 구현할 수 있다. 하나의 전극에 유도된 심전도 리드 신호를 하나의 증폭기로 증폭하고 상기 증폭기의 출력을 AD변환한 후 디지털 신호처리한 후에 DAC의 출력을 증폭하여 드라이버 출력으로 사용할 수 있다. 이 방법은 전극 드라이버의 출력을 정교하게 제어할 수 있다.

위의 조건에 따르는 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 전극 드라이버의 입력에 연결되는 전극과 출력에 연결되는 전극이 한쪽 팔에 같이 접촉하거나 양쪽 팔에 각각 하나씩 접촉하는 심전도 측정 장치.

또는 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 사용자의 선택에 따라 전극 드라이버의 출력에 연결되는 하나의 전극과 양손 사이의 심전도 리드 신호를 증폭하는 증폭기의 입력에 연결되는 전극이 하나의 같은 손에 접촉하여, 필요에 따라 양손 사이의 심전도 리드 신호만을 측정하는 심전도 측정 장치.

또는 하나의 실시예는 다음을 포함한다: 전류 감지기가 양손의 접촉을 감지하여 심전도 측정을 시작하며 왼 다리에 하나의 전극이 접촉한 것이 감지되지 않으면 양손 사이의 심전도 리드 신호만 측정하는 심전도 측정 장치.

허용 오차에 관한 요구 사항들

이제 워치 혹은 반지 등의 웨어러블 심전도 측정 장치를 어느 손에 착용하였는지 알고, 따라서 측정된 두 개의 심전도 리드 신호가 무었인지 확정할 수 있다. 이제부터는 측정된 두 개의 심전도 전압을 이용하여 4개의 심전도 전압 혹은 심전도 리드 신호를 계산하여 구하는 실시예에 대하여 기술한다. 다음 내용의 일부분은 본 발명과 같은 발명자의 Publication No.: WO 2023/018318A1, Feb. 16, 2023, (Application No.: PCT/KR2022/012211, Aug. 16, 2022)의 일부를 이용하여 기술한다.

먼저 통상적으로 알려져 있는 6개의 사지 유도 심전도 리드에 관한 식을 정리하면 다음과 같다. 다음의 식 28부터 식 33은 국제 의료기기 표준인 ANSI/AAMI/IEC 60601-2-25:2011, Medical electrical equipment-part 2-25: Particular requirements for the basic safety and essential performance of electrocardiographs에 기술된 표준 12 리드들에 관한 식 중에서 6개의 사지 유도(limb lead)에 관한 식이다. RA, LA, LL은 각각 오른손(right arm), 왼손(left arm), 왼다리(left leg) 혹은 이들 림브(limb)와 가까운 몸통 부위에서 심전계가 측정한 전압이다.

I= LA-RA (식 28)

II= LL-RA (식 29)

III= LL-LA (식 30)

aVR= RA-(LA+LL)/2 (식 31)

aVL= LA-(RA+LL)/2 (식 32)

aVF= LL-(RA+LA)/2 (식 33)

앞에서 기술한 바와 같이 본 발명에 의하여 측정된 두 개의 심전도 리드 신호가 무엇인지 결정된 후에는 4개의 심전도 리드 신호를 계산하여 구해야 한다. 4개의 심전도 리드 신호를 구하는 공식은 다음과 같이 두 경우가 있다. 측정된 두 개의 심전도 리드 신호에 따라서 계산하는 공식과 결과가 다름에 주목해야 한다. 이제부터 본 실시예에서 심전도 측정 장치가 측정한 두 개의 심전도 리드 신호에 따라서 4개의 심전도 리드 신호를 추가로 계산하여 얻기 위한 공식들을 선택하여 사용하는 심전도 측정 장치와 방법을 공개한다.

본 실시예에 따른 심전도 측정 장치가 리드 I과 리드 II를 측정한 경우에는 다음의 식을 사용하여 4개의 심전도 리드를 구한다. 예를 들어서 그림 24의 장치를 오른손에 착용하였을 때 즉 그림 44의 경우에는 리드 I과 리드 II를 측정하므로 다음의 식들을 이용한다.

III= -I + II (식 34)

aVR= -(I + II)/2 (식 35)

aVL= I - II/2 (식 36)

aVF= -I/2 + II (식 37)

본 실시예에서 위의 식 34부터 식 37까지 사용하는 것은 매우 독창적인 것이다. Thomson 등은 식 35부터 식 37까지를 공개하였다.(U.S. Patent Application Publication, Pub. No.: US2015/0018660 A1, Pub. Date: Jan. 15, 2015, Appl. No.: 14/328,962, Claim 28) 그러나 Thomson 등은 상기 3개의 식을 사용하기 위하여 RA, LA, LL의 3개의 전압을 측정한다. 반면에 본 실시예에서는 2개의 심전도 리드 신호 즉 심전도 전압을 측정한다. 그러므로 본 실시예는 Thomson 등 보다 효과적이다. 또한 Thomson 등은 식 30, 즉 III= LL-LA을 사용한다. 즉 Thomson 등은 식 34를 사용하지 않는다.(위에서 Thomson등은 식 35부터 식 37까지만 사용함을 기술하였다.) 또한 본 발명은 식 34부터 식 37까지에 추가하여 아래의 식 38부터 식 41을 공개한다. 그러므로 본 실시예는 Thomson 등과는 다르다.

본 실시예에 따른 심전도 측정 장치가 리드 I과 리드 III를 측정한 경우에는 다음의 식을 사용하여 4개의 심전도 리드를 구한다. 예를 들어서 그림 24의 장치를 왼 손에 착용하여 -리드 I과 리드 III를 측정했을 때는 다음의 식들을 이용한다.

II= I + III (식 38)

aVR= -I - III/2 (식 39)

aVL= (I - III)/2 (식 40)

aVF= I/2 + III (식 41)

본 실시예에 따른 심전도 측정 장치가 리드 II와 리드 III를 측정한 경우에는 위의 식들과 다른 식을 사용하여 4개의 심전도 리드를 구할 수 있다. 편의상 이러한 실시예는 생략한다.

본 실시예를 구현하기 위해서는 여러 가지 주의할 점이 있다. 상기 식 38의 각 항을 시간의 함수로 표현하면 다음과 같다.

Lead II(to + nT) = Lead I(to + nT) + Lead III(to + nT) (식 42)

상기 식 42는 측정된 두 개의 심전도 리드로부터 다른 심전도 리드를 구하기 위해서는 측정된 두 개의 심전도 리드가 같은 시점에 샘플링되어야 함을 의미한다. 상기 식 42에서 T는 샘플링 주기(sampling period), n은 샘플링 번호를 나타낸다. 심전도 측정 시작 명령이 t=0에서 발생한 것으로 생각한다. 그러면 to는 첫 번째 (n=0) 샘플링이 수행될 때(t=to)까지 경과한 시간을 나타낸다. 총 샘플링 개수가 N+1일 때 NT는 측정한 총 시간을 나타낸다. 하나의 실시예에서 샘플링 율(sampling rate)이 300sps(samples/second) 이면 T=3.333ms 이다. 30초동안 측정한다면 N= 30s/3.333ms= 9,000 이다.

식 42는 두 개의 심전도 리드 신호, 즉 리드 I과 리드 III가 같은 샘플링 율로 샘플링되었음을 나타낸다. 그러므로 본 실시예에서 상기 식 34부터 식 41을 사용하려면 심전도 측정 장치는 같은 샘플링 율로 두 개의 심전도 리드 신호를 샘플링해야 한다. 물론 샘플링 율이 다른 경우에 보간법(interpolation)을 사용하여 샘플링 율이 같도록 변환하여 사용하는 것이 가능하다. 그러나 같은 샘플링 율을 사용하는 것이 훨씬 효과적이다.

추가적인 심전도 리드를 계산으로 구한 후에는 6개의 심전도 리드를 스마트폰의 디스플레이에 디스플레이할 수 있다. 또한 클라우드 서버에 저장하고 의사가 자기 사무실에서 6개의 심전도 리드를 분석할 수 있다. 클라우드 서버에서 6개의 심전도 리드를 자동 진단하여 진단 결과를 의사에게 제공할 수 있다. 자동 진단 결과가 위급한 상황을 나타날 때는 의사에게 경보를 보낼 수 있다.

위에서 기술된 내용에 따라서 본 실시예는 다음을 포함한다: 적어도 3개의 심전도 전극을 포함하며, 심전도 측정 장치를 착용하는 손을 나타내는 파라메터를 이용하여 심전도 리드 신호를 계산하여 구하기 위한 공식을 선택하여 사용하는 심전도 측정 장치.

이제부터 식 34부터 식 37, 혹은 식 38부터 식 41을 사용하기 위해서 본 실시예에서 구현하는 두 개의 증폭기를 포함하는 심전도 측정 장치와, 상기 장치를 사용하여 측정한 두 개의 심전도 리드 신호가 만족해야 하는 추가적인 조건들에 대해서 기술한다.

본 실시예에 의한 웨어러블 디바이스는 의료기기이다. 본 실시예들에서 구현하는 심전도 측정 장치는 의료기기 인증 표준에 적합하여야 한다. 이때 적용되는 국제 표준은 ANSI/AAMI/IEC 60601-2-47:2012, Medical electrical equipment-part 2-47: Particular requirements for the basic safety and essential performance of ambulatory electrocardiographic systems 이다.

본 실시예를 구현하기 위해서는 다음의 조건이 필요하다: 본 실시예에서 사용되는 두 개의 증폭기의 이득은 동일해야 한다.

이득이 동일하지 않은 두 개의 증폭기로 측정된 두 개의 심전도 리드 신호를 상기 식 34부터 식 37까지의 어느 하나에 적용하면 적합하지 않은 결과를 얻게 된다. 여기서 이득이란 심전도 측정 장치에 사용된 증폭기의 이득을 포함하되, AD변환된 후 디지털 신호처리를 수행한 후에 얻어지는 최종적인 이득을 뜻한다. 즉 디지털 주파수 필터 등을 포함하는 디지털 신호처리 과정을 거친 최종적인 이득을 뜻한다. 그러므로 이득의 의미는 주파수 응답 특성을 포함할 수 있다. 상기 디지털 신호처리는 상기 AD변환을 수행한 웨어러블 디바이스에서 수행하여야 하는 것은 아닐 수 있다. 즉 상기 디지털 신호처리는 심전도 측정 장치와 무선 통신으로 연결되는 스마트폰 앱에서 수행될 수도 있다.

측정된 두 개의 심전도 리드 신호를 이용하여 4개의 심전도 리드 신호를 구하기 전에 측정된 두 개의 심전도 리드 신호에 대한 디지털 신호 처리를 수행해야 한다. 예를 들어서 앞에서 기술한 전력선 잡음 혹은 모션 잡음 등의 잡음을 제거하기 위한 디지털 신호 처리를 해야 한다. 그러지 않으며 모션 잡음이 계산으로 구한 4개의 심전도 리드에도 나타난다. 즉 4개의 심전도 리드를 구한 후에 6개의 심전도 리드에 대하여 디지털 신호 처리를 하지 않는다. 측정된 2개의 심전도 리드에 대하여 잡음 제거에 대한 디지털 신호 처리를 수행한 후 4개의 심전도 리드를 구하면 전체 6개의 리드에서 잡음을 제거할 수 있다. 즉 위의 식들을 사용하여 구한 4개의 리드들에서는 잡음을 제거하기 위한 디지털 신호 처리를 하지 않아도 된다.

위에서 기술한 측정된 두 개의 심전도 리드 신호에 대한 디지털 신호처리에는 잡음 제거뿐 아니라 심전도 리드를 디스플레이 하기 위한 스케일링 변환을 포함한다. 예를 들어 AD변환된 디지털 숫자 얼마당 혹은 픽셀 얼마당 1 mV 인지를 확정한다. 또한 심전도 리드 들을 mV 단위로 표시하고 저장하기 위한 정규화 등을 포함한다. 이러한 신호처리를 일반적으로 스케일링 혹은 정규화라고 표현할 수 있다. 그러므로 디지털 신호처리에서 이득을 보정해 줄 수 있다.

디지털 신호처리 방법을 사용하여 진폭 측정의 정확도를 향상시키기 위하여 측정되는 신호의 진폭을 교정할 수 있다. 예를 들어 증폭기의 이득이 작아서 심전도 리드 신호의 진폭이 작게 측정되면 측정치에 1보다 큰 값을 곱해서 증폭기의 이득을 교정할 수 있다. 이때 심전도 측정 장치의 하나의 증폭기와 하나의 AD변환기는 선형적이며 상기 AD변환기의 분해능은 충분히 작아야 한다.

본 실시예에서 측정된 심전도 리드 신호들과 계산된 심전도 리드 신호들의 총 6개의 심전도 리드 신호는 스마트폰에 디스플레이한다. 본 실시예에서 측정된 심전도 리드 신호를 스마트폰에 디스플레이하는 경우에 심전도 측정 장치의 이득이 동일하다는 것은 동일한 입력 신호를 두 개의 증폭기에 입력시켰을 때 스마트폰 디스플레이에 표시되는 두 개의 심전도 데이터가 허용 오차 범위 내에서 동일함을 의미한다. 스마트폰 디스플레이의 횡축과 종축의 세밀한 그리드(grid)를 이용하면 스마트폰 디스플레이에 나타낸 심전도 신호 파형의 상세한 정보를 얻을 수 있다.

본 실시예에서 스마트폰 없이 워치를 사용하여 심전도를 측정할 때에는 워치의 디스플레이(화면)에 하나 혹은 두 개의 심전도 리드 신호를 나타낼 수 있다. 이 경우에 워치의 디스플레이에 나타내는 심전도 리드 신호는 의학적으로 가장 중요한 리드 II를 포함할 수 있다.

본 실시예는 다음을 포함한다: 적어도 3개의 심전도 전극을 포함하며, 워치의 디스플레이에 리드 II를 나타내는 워치.

나중에 스마트폰과 워치가 무선으로 연결되면 자동으로 워치에서 스마트폰으로 측정된 심전도 데이터를 전송할 수 있다. 스마트폰은 전송 받은 심전도 데이터를 이용하여 6개의 심전도 리드 신호를 디스플레이할 수 있다.

위에서 동일하다는 의미는 두 개의 수치의 차이의 크기가 허용 오차 (tolerable error, tolerance)보다 작다는 의미이다. 상기 국제 표준에 의하면 이득의 정확도(Gain accuracy)는 최대 진폭에러(maximum amplitude error)가 +/- 10% 이내 이어야 한다. 상기 국제 표준에서 상기 요구 사항(requirement)에 대한 적합성 테스트(compliance test)는 다음의 단계를 포함하여 수행된다: "Apply a 5 Hz, 2 mV p-v sinusoidal signal to all ECG input channels."

따라서 본 실시예는 동일한 2개의 증폭기를 사용하여 2개의 심전도 리드 신호를 동시에 증폭하는 특징을 갖는다. 심전도 리드 신호를 추가로 구하는 상기 식들을 사용하기 위해서는 동일한 2개의 증폭기로 동시에 측정한 2개의 심전도 리드 신호가 필요하다.

지금까지 상황을 이해하고 개념을 도입하였으나 앞에서 기술된 내용을 이제부터더욱 엄밀하게 기술한다. 상기 표준에서는 정확도라는 용어를 사용하였으나 정확도보다는 허용 오차가 더욱 적절한 용어일 수가 있다. 따라서 앞으로는 상황에 따라 허용 오차 혹은 허용 오차 범위라는 용어를 사용할 수 있다.

또한 허용 오차 혹은 허용 오차 범위라는 용어를 2가지로 구별하여 사용하기로 한다. 즉 “장치에 요구되는 허용 오차” 혹은 “장치에 요구되는 허용 오차 범위”라는 용어와 “증폭기에 요구되는 허용 오차” 혹은 “증폭기에 요구되는 허용 오차 범위”라는 용어를 사용하기로 한다. 이러한 용어들을 사용하는 이유와 의미는 아래의 사례에서 더욱 명확해질 것이다. 장치에 요구되는 허용 오차 혹은 장치에 요구되는 허용 오차 범위는 상기 국제 표준에서 요구하는 허용 오차 혹은 기업에서 제작하려는 심전도 측정 장치에 요구되는 성능 목표를 뜻한다. 한편 증폭기에 요구되는 허용 오차 혹은 증폭기에 요구되는 허용 오차 범위는 전극에 유도되는 심전도 리드 신호를 증폭하여 스마트폰 디스플레이에 나타나는 즉 측정한 결과의 허용 오차를 뜻한다.

도 47의 표 7을 사용하여 사례를 들어 본다. 표 7은 측정된 심전도 리드의 오차에 의하여 발생되는 계산되는 심전도 리드 신호의 오차의 사례를 나타낸다. 표 7의 사례는 테스트 신호로 리드 I에 0.60mV를, 리드 II에 1.00mV를 인가할 때, 사용된 두 개의 증폭기의 이득의 오차(error)로 인하여 리드 I=0.54mV로, 리드 II=1.10mV로 각각 측정되는 경우이다. 이 경우 두 개 측정치의 정확도는 상기 국제 표준에서 허용하는 범위이다. 그러나 이 측정치들로 식 37을 사용하여 aVF를 계산하면 0.83mV가 되며 이것은 에러가 없을 때의 값 0.70mV의 119%이다. 이 경우에 에러가 19% 발생하였다. 이것은 상기 표준의 허용 오차 범위 +/- 10%를 초과한다. 리드 I과 리드 II의 측정 허용오차를 5%로 하면, 식 37에 의한 aVF=0.765mV가 된다. 즉 에러가 9% 발생하여 상기 국제 표준을 만족할 수 있다. 따라서 본 실시예를 구현하는 경우 두 개 증폭기 이득의 정확도는 국제 표준보다 우수할 것이 요구된다. 예를 들어서 두 개 증폭기 이득의 허용오차는 +/- 5%이내 이어야 한다. 이 경우에 최대 측정 허용 오차는 5%이다.

표 7의 사례에서 얻는 결론은 계산된 심전도 리드 신호의 허용 오차는 심전도 측정 장치의 “장치에 요구되는 허용 오차”를 만족시켜야 하며, 그러기 위해서는 측정된 심전도 리드 신호의 허용 오차는 상기 심전도 측정 장치의 “장치에 요구되는 허용 오차”보다 작아야 한다는 것이다. 측정된 심전도 리드 신호의 허용 오차가 만족시켜야 하는 것은 “증폭기에 요구되는 허용 오차”이다. 그러므로 “증폭기에 요구되는 허용 오차”는 “장치에 요구되는 허용 오차”보다 작으며 약 절반 정도이다.

표 7은 심전도 리드 신호를 실제로 측정할 때 발생할 수 있는 상황이다. 그러나 실제 측정시의 예는 사용자에 따라 심전도 리드들의 크기가 다양하므로 오히려 일반적인 결론을 도출하기 어려울 수 있다. 따라서 두 개의 심전도 측정 전극에 입력되는 입력을 같게 하여 표 7에서와 같은 에러 분석을 수행할 수 있다. 이 경우에도 표 7에서 얻는 결론과 같은 결론을 유출할 수 있다. 즉 계산된 심전도 리드 신호의 에러는 측정된 심전도 리드 신호의 에러보다 항상 커지게 된다.

이에 따라 본 실시예는 다음을 포함한다: 적어도 3개의 심전도 전극;과 이득의 크기가 증폭기에 요구되는 허용 오차 범위 내에서 동일한 2개의 증폭기;를 포함하는 심전도 측정 장치.

이득의 크기가 동일한 2개의 증폭기에 동일한 입력 신호를 인가하였을 때 스마트폰 화면에 표시되는 두개의 심전도 리드 신호의 파형은 동일하게 표시된다. 그러므로 본 실시예는 다음을 포함한다: 적어도 3개의 심전도 전극을 포함하며, 동일한 입력 신호를 두 개의 증폭기에 입력시켰을 때, 스마트폰 디스플레이에 표시되는 두 개의 측정된 심전도 리드신호의 크기가 증폭기에 요구되는 허용 오차 범위 내에서 동일한 심전도 측정 장치.

두 개의 증폭기들이 동일한 특성을 갖기 위해서는 두 개의 증폭기가 동일한 구조를 가질 필요가 있다. 그러므로 본 실시예는 다음을 포함한다: 하나의 동일한 구조를 갖는 2개의 증폭기를 포함하는 심전도 측정 장치.

본 실시예에서 포함하는 증폭기들은 기본적으로 연산 증폭기를 사용하여 제작된다. 연산 증폭기를 사용하는 증폭기에서 이득과 주파수 응답 등 증폭기 특성의 오차는 주로 저항과 커패시터의 부품값의 오차에 의하여 발생한다. 그러나 이러한 증폭기의 오차는 부품값의 허용 오차를 고려한 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 설계와 검증에 의하여 통제될 수 있다. 이를 위하여 저항과 커패시터는 고정밀 즉 low tolerance 소자를 사용한다. 저항과 커패시터의 허용 오차는 +/- 1%일 수 있다. 연산 증폭기는 저잡음 증폭기를 사용한다. 2개 증폭기의 입력 임피던스는 10MOhm이상이어야 한다. 본 실시예에 필요한 동일한 2개의 증폭기는 이러한 고려사항을 적용하여 제작할 수 있다.

본 실시예를 구현하기 위해서는 다음의 조건이 필요하다: 본 실시예에서 사용되는 두 개의 증폭기의 이득의 정확도는 상기 국제 표준에서 요구하는 이득의 정확도보다 우수하여야 한다. 예를들면 두 개의 증폭기의 최대 진폭에러가 +/- 5%이내 이어야 한다. 그렇지 않으면 상기 식 34부터 식 37까지를 적용하였을 때 산출되는 심전도 리드 신호의 정확도는 최대 진폭에러가 +/- 10% 이상이 될 수 있기 때문이다. 이것은 표 7의 사례로부터 이해할 수 있다.

위의 사례로 부터 장치에 요구되는 허용 오차를 갖는 계산된 심전도 리드 신호들을 구하기 위해서는, 측정된 심전도 리드 신호들의 허용 오차는 상기 장치에 요구되는 허용 오차보다 작아야 함을 알 수 있다. 앞으로 본 실시예에 의한 심전도 측정 장치에서 얻는 심전도 리드 신호를 각각 측정된 심전도 리드 신호들과 계산된 심전도 리드 신호들이라고 구별하여 부르기로 한다.

주목해야 하는 것은 위의 상황은 심전도 리드 신호를 3개 측정하고 3개의 심전도 리드 신호를 계산하여 구해도 마찬가지로 발생한다는 것이다. 또한 측정하는 심전도 리드가 림 리드이건 증강 림 리드(Augmented limb lead)이건 상관없이 위의 상황은 발생한다. 그러므로 본 실시예는 심전도 리드 신호를 3개 측정하는 실시예와 증강 림 리드를 측정하는 실시예를 포함한다.

앞에 기술한 실시예에서 측정된 2개의 심전도 리드 신호가 완전히 정확하게 측정되었다면 계산하여 구한 추가의 4개의 심전도 리드 신호도 완전히 정확할 것이다. 그러나 측정 장치에 의한 오차는 항상 존재하므로 측정치에는 오차가 발생하고 계산하여 구한 추가의 4개의 심전도 리드 신호도 오차를 발생한다. 앞에 기술한 실시예에서 측정된 심전도 리드 신호의 정확도는 요구되는 표준에서 보다 우수할 것이 요구된다. 즉 장치에 요구되는 정확도를 갖는 계산된 심전도 리드를 구하기 위해서는 측정된 심전도 리드의 정확도는 더욱 높아야 한다.

측정된 심전도 리드 신호의 정확도보다 계산된 심전도 리드 신호의 정확도는 항상 낮아진다. 측정 장치의 정확도는 측정 장치의 중요한 사양이다. 그러므로 심전도 측정 장치의 사양을 표시할 때 계산된 심전도 리드 신호의 정확도를 표기해야 한다. 혹은 측정된 심전도 리드의 정확도와 계산된 심전도 리드의 정확도를 같이 병기해야 한다.

마찬가지로 실제 측정한 것은 측정된 2개의 심전도 리드이지만 이것들의 정확도를 심전도 측정의 정확도라고 표현하는 것은 정확한 표현이라고 할 수 없다. 사용자에게 혼돈을 주지 않기 위해서는 최종 결과를 알려 줘야 한다. 측정된 심전도 리드들은 최종 결과가 아니다. 최종 결과는 계산된 심전도 리드들이다. 그러므로 계산된 심전도 리드들의 정확도를 심전도 측정 장치의 정확도로 표시하고 나타내야 한다. 심전도 측정 장치의 정확도는 오차가 가장 크게 나타날 수 있는, 즉 최악의 경우가 발생할 수 있는 계산된 심전도 리드들의 정확도로 표시해야 한다. 측정된 심전도 리드와 계산된 심전도 리드를 구분하여 2개의 정확도를 표시할 수도 있다.

이제부터 계산된 심전도 리드들에 요구되는 정확도를 심전도 측정 장치의 허용 오차라고 부를 수 있다. 따라서 계산된 심전도 리드들에 요구되는 허용 오차는 심전도 측정 장치의 허용 오차와 같다. 한편 측정된 심전도 리드들에 요구되는 허용 오차는 심전도 측정 장치의 허용 오차 보다 작아야 한다. 측정된 심전도 리드들에 요구되는 허용 오차는 심전도 측정 장치의 허용 오차의 절반으로 정할 수 있다.

계산된 심전도 리드들의 정확도를 심전도 측정 장치에 요구되는 정확도로 정해야 한다. 의료기기 인증 기관에서 테스트 받거나 자체적으로 시험 결과를 제시할 때 측정된 심전도 리드의 정확도를 제시하면 안된다. 계산된 심전도 리드의 정확도가 제시되어야 한다.

측정된 심전도 리드의 정확도 뿐 아니라 계산된 심전도 리드의 정확도는 스마트폰 디스플레이를 보고 측정 할 수 있다. 혹은 자동 테스트 소프트웨어를 사용할 수 있다.

측정된 심전도 리드의 정확도를 높이기 위해서는 심전도 측정 장치의 디자인 단계에서부터 사용하는 부품의 선택 등을 고려해야 한다. 심전도 측정 장치를 생산한 후 심전도 측정 장치의 정확도를 테스트할 때도 측정된 심전도 리드의 정확도가 계산된 심전도 리드의 정확도보다 높아야 하는 점이 고려되어야 한다.

위에 따라 본 실시예는 다음을 포함한다: 정해진 허용 오차를 갖는 계산된 심전도 리드를 구하며, 상기 정해진 허용 오차 보다 작은 허용 오차를 갖는 측정된 심전도 리드를 측정하는 심전도 측정 장치.

또한 본 실시예는 다음을 포함한다: 정해진 허용 오차를 만족하는 계산된 심전도 리드를 구하며, 측정된 심전도 리드는 상기 정해진 허용 오차의 대략 절반인 허용 오차를 만족하는 심전도 측정 장치.

AD변환기 혹은 계산을 수행하는 스마트폰 마이크로프로세서에서 발생하는 오차는 심전도 측정 장치의 허용 오차보다 상당히 작다. 그러므로 본 실시예는 다음을 포함한다: 심전도 측정 장치의 허용 오차 보다 작은 허용 오차를 발생하는 2개의 동등한 증폭기를 포함하는 심전도 측정 장치.

또한 본 실시예는 다음을 포함한다: 계산된 심전도 리드의 정확도보다 높은 정확도의 이득을 갖는 2개의 증폭기를 포함하는 심전도 측정 장치.

본 실시예는 다음을 포함한다: 스마트폰 디스플레이에 측정된 심전도 리드들과 계산된 심전도 리드들이 표시되며, 측정된 심전도 리드들의 허용 오차는 계산된 심전도 리드들의 허용 오차보다 작은 심전도 측정 장치.

본 실시예는 다음을 포함한다: 스마트폰 디스플레이에 표시되는 계산된 심전도 리드들이 장치의 요구 사항으로 정해진 허용 오차를 만족하는 심전도 측정 장치.

본 실시예는 다음을 포함한다: 오른팔, 왼팔, 왼다리의 3개의 인체 부위에 접촉하는 적어도 3개의 심전도 전극을 포함하며, 측정된 심전도 리드 신호들을 계산에 사용하여 얻은 계산된 심전도 리드 신호들의 허용 오차가 장치의 요구사항에 부합되는 심전도 측정 장치.

본 실시예를 구현하기 위해서는 다음의 조건이 필요하다: 본 발명에서 사용되는 두 개의 증폭기의 주파수 응답 특성은 “증폭기에 요구되는 허용 오차 범위” 내에서 동일해야 한다. 주파수 응답 특성이 동일하지 않은 두 개의 증폭기로 측정된 두 개의 심전도 리드 신호를 상기 식 34부터 식 37까지의 어느 하나에 적용하면 적합하지 않은 결과를 얻게 된다. 상기 국제 규격에 의하면 싸인파(sinewave)로 시험할 때의 주파수 응답 요구사항은 다음과 같다: 주파수 범위 0.67 Hz부터 40 Hz까지의 진폭응답(amplitude response)은 5 Hz에서의 진폭응답의 140%와 70% 이내이어야 한다. 시험은 0.67 Hz, 1 Hz, 2 Hz, 5 Hz, 10 Hz, 20 Hz, 40 Hz에서 수행한다.

위에 따라 본 실시예는 다음을 포함한다: 주파수 응답(frequency response)의 크기가 “증폭기에 요구되는 허용 오차 범위” 내에서 동일한 2개의 증폭기를 포함하는 심전도 측정 장치.

주파수 응답이 동일한 2개의 증폭기에 동일한 입력 신호를 인가하였을 때 스마트폰 화면에 표시되는 두개의 측정된 심전도 전압 데이터는 허용 오차 범위 내에서 동일하게 표시되어야 한다. 이것은 스마트폰 화면에 표시되는 측정된 두개의 심전도 전압 데이터는 상기의 표준에서 요구하는 주파수 응답보다 더욱 엄격한 요구사항을 만족시켜야 하는 것을 의미한다.

그러므로 본 실시예는 다음을 포함한다: 동일한 입력 신호를 두 개의 증폭기에 입력시켰을 때 스마트폰 디스플레이에 표시되는 측정된 두 개의 심전도 전압의 주파수 응답이 증폭기에 요구되는 허용 오차 범위 내에서 동일한 심전도 측정 장치.

본 실시예를 구현하기 위해서는 다음의 조건이 필요하다: 본 발명에서 사용되는 두 개의 증폭기의 주파수 응답 특성은 상기 국제 표준의 요구사항보다 우수하여야 한다. 그 이유는 앞에서 기술한, 보다 우수한 정확도의 이득 특성을 갖는 증폭기가 필요한 이유와 같다. 즉 계산하여 얻는 심전도 리드 전압의 허용오차는 측정된 심전도 리드 신호의 허용오차보다 커지기 때문이다. 예를 들면 주파수 범위 0.67 Hz부터 40 Hz까지의 두 개의 증폭기의 진폭응답은 5 Hz에서의 진폭응답의 120%와 85% 이내이어야 한다.

하나의 실시예는 다음을 포함한다: 심전도 측정 장치의 허용 오차 보다 주파수 응답의 허용 오차가 작은 2개의 증폭기를 포함하는 심전도 측정 장치.

지금까지 기술한 실시예를 통합하면 본 실시예는 다음을 포함한다: 국제 표준에서 요구하는 허용 오차 범위보다 작은 허용 오차 범위 내에서 동일한 특성을 갖는 2개의 증폭기를 포함하는 심전도 측정 장치.

또한 본 실시예는 다음을 포함한다: 측정된 심전도 리드들을 이용하여 추가의 심전도 리드들을 계산하는 동작과 6개의 심전도 리드 신호들을 디스플레이에 나타내는 동작을 스마트폰에서 수행하는 심전도 측정 장치.

부정맥은 간헐적이며 무증상일 수 있다. 따라서 워치에 광용적계(Photoplethysmograph: PPG)를 탑재하고 상기 광용적계를 사용하여 연속적으로 맥박 혹은 심장 활동을 감시할 수 있다. 광용적계는 한쪽 손에 착용하기만 하면 측정이 가능하다는 장점을 갖는다. 심장 활동을 감시하던 PPG가 심장 활동의 이상을 검출하면 즉 부정맥의 발현을 검출하면 PPG가 알람을 발생시킬 수 있다. 알람은 소리, 진동 혹은 빛의 형태일 수 있다. 사용자는 알람을 감지한 후 심전도를 측정할 수 있다. 특히 본 실시예에서는 6 개의 심전도 리드 신호를 구할 수 있다.

알람을 감지한 사용자는 워치를 착용한 반대편 손을 워치의 해당 전극에 접촉시킨다. 그러면 워치의 전류감지기는 반대편 손의 접촉을 감지하고 리드 I의 측정 준비를 마치고 블루투스 로우 에너지 연결을 시도한다. 또한 사용자가 왼 다리에 해당 전극을 접촉시키면 전류감지기의 전류가 왼 다리와 워치를 착용한 손 사이에 흐른다. 그러면 전류감지기가 왼 다리의 접촉을 감지하고 출력을 발생시킨다. 그러면 심전도 측정 장치의 마이크로콘트롤러는 심전도 측정 준비를 마치고 심전도 측정을 수행할 수 있다.

이상과 같이 두 개의 심전도 리드를 측정하고 측정된 상기 두 개의 심전도 리드를 계산하여 4개의 심전도 리드를 구하는 장치와 방법에 대한 실시예들을 공개하였다. 그러기 위해서 상기 실시예들에서는 3개의 인체 부위에 접촉하는 3개 혹은 4개의 전극을 사용하였다.

이상과 같이 본 발명은 매우 다양하게 구현될 수 있음을 보였다. 본 발명에 따르면 지금까지 보인 실시예와 다르게 실시예를 구성할 수 있다. 하나의 특정한 디자인의 웨어러블 장치에 적합한 하나의 실시예를 선택할 수 있다.

본 발명에 따른 심전도 측정 장치는 휴대하기에 편리하며, 시간과 장소에 구애받지 않고 쉽게 사용할 수 있으며, 복수 채널의 심전도 정보를 얻을 수 있는 휴대형 심전도 측정 장치에 이용할 수 있다.

Claims

심전도 측정 장치에 있어서,

접촉한 첫 번째와 두 번째 인체 부위의 첫 번째와 두 번째 심전도 전압을 각각 수신하는 첫 번째 전극 및 두 번째 전극;

상기 첫 번째 전극과 두 번째 전극으로부터 상기 첫 번째와 두 번째 심전도 전압을 각각 수신하는 2개의 증폭기;

구동 전압을 출력하는 하나의 전극 구동부;

세 번째 인체 부위에 접촉하여 상기 전극 구동부의 입력에 세 번째 심전도 전압을 전달하는 세 번째 전극;

상기 3개의 전극 중의 하나에 인접하며, 접촉한 인체 부위에 상기 전극 구동부의 출력을 전달하는 네 번째 전극;

상기 2개의 증폭기의 각각의 출력단자와 연결되어 상기 2개의 증폭기의 출력 신호를 2개의 디지털 신호로 변환하는 하나의 AD 변환기;

상기 AD 변환기의 2개의 디지털 신호를 수신하는 마이크로콘트롤러; 및 상기 2개의 디지털 신호를 송신하는 통신 수단을 포함하며,

상기 마이크로콘트롤러는 배터리의 전력을 공급받으며, 상기 AD 변환기 및 상기 통신 수단을 제어하며,

상기 2개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 전압을 동시에 수신하여 증폭하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 전극 구동부의 입력에 연결되는 전극과 출력에 연결되는 전극이 인체의 같은 부위에 접촉하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 전극 구동부 입력에 연결되는 전극과 출력에 연결되는 전극이 인체의 다른 부위에 접촉하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 구동부의 입력은 첫째, 둘째, 셋째의 전극 중에서 두 개의 전극으로부터 받는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 전극 구동부의 입력은 첫째, 둘째, 셋째의 세 개의 전극으로부터 받는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 심전도 측정 장치의 상기 2개의 증폭기 중에서 적어도 하나는 싱글 엔디드 입력 증폭기인 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 심전도 측정 장치의 상기 2개의 증폭기는 차동 증폭기이며 상기 차동 증폭기들의 두 개의 입력 단자 중에서 하나의 입력 단자는 상기 전력 구동부의 입력 단자와 연결되는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 심전도 측정 장치와 상기 4개의 전극은 워치 또는 워치 밴드에 설치되는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제8항에 있어서,

상기 전극 구동부의 입력 전극이 워치 본체의 밑면 혹은 워치 밴드의 바깥 쪽 면에 설치된 전극에 배정되며 워치 밴드에 설치되는 또 하나의 전극이 왼 다리에 접촉하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제8항에 있어서,

상기 전극 구동부의 입력 전극이 워치를 착용하지 않은 손으로 워치를 고정할 수 있도록 워치 본체에 설치되는 두개의 전극중의 적어도 하나에 배정되며 워치 밴드에 설치되는 또 하나의 전극이 왼 다리에 접촉하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 심전도 측정 장치와 상기 4개의 전극은 하나의 손가락에 착용하는 반지에 설치되는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제11항에 있어서,

상기 전극 구동부의 입력 전극이 상기 반지의 안쪽 면에 설치되는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제11항에 있어서,

상기 반지의 바깥쪽 면에 3개의 심전도 전극이 설치되는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 심전도 측정 장치는 착용하는 손을 나타내는 파라메터를 메모리에 저장하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

착용하는 손을 설정하며, 설정된 파라메터에 따라서 계산 식을 선택하여 추가의 심전도 리드 신호를 계산하여 구하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 전극 구동부의 입력에 연결되는 전극과 상기 전극 구동부의 출력에 연결되는 전극이 한쪽 팔에 같이 접촉하거나 양쪽 팔에 각각 하나씩 접촉하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

전류 감지기가 양손의 접촉을 감지하여 심전도 측정을 시작하는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 2개의 증폭기는 이득의 크기가 증폭기에 요구되는 허용 오차 범위 내에서 동일한 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
제1항에 있어서,

스마트폰 디스플레이에 측정된 심전도 리드들과 계산된 심전도 리드들이 표시되며, 측정된 심전도 리드들의 허용 오차는 계산된 심전도 리드들의 허용 오차보다 작은 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.
심전도 측정 장치에 있어서,

접촉하는 인체 부위의 심전도 전압 3개를 각각 수신하는 첫 번째 전극, 두 번째 전극 및 세 번째 전극;

상기 첫 번째 전극, 두 번째 전극과 세 번째 전극으로부터 심전도 전압 3개를 각각 수신하는 3개의 증폭기;

구동 전압을 출력하는 하나의 전극 구동부;

네 번째 인체 부위에 접촉하여 상기 전극 구동부의 입력에 네 번째 심전도 전압을 전달하는 네 번째 전극;

상기 4개의 전극 중의 하나에 인접하며, 접촉한 인체 부위에 상기 전극 구동부의 출력을 전달하는 다섯 번째 전극;

상기 3개의 증폭기의 각각의 출력단자와 연결되어 상기 3개의 증폭기의 출력 신호를 3개의 디지털 신호로 변환하는 하나의 AD 변환기;

상기 AD 변환기의 3개의 디지털 신호를 수신하는 마이크로콘트롤러; 및 상기 3개의 디지털 신호를 송신하는 통신 수단을 포함하며,

상기 마이크로콘트롤러는 배터리의 전력을 공급받으며, 상기 AD 변환기 및 상기 통신 수단을 제어하며,

상기 3개의 증폭기는 각각 하나의 심전도 전압을 동시에 수신하여 증폭하며,

적어도 하나의 가슴 심전도 신호를 얻는 것을 특징으로 하는 심전도 측정 장치.