요즘 좀 열일하죠?ㅋ
아직 제가 처리할 데이터가 없어서 뚱땅뚱땅 논문 읽고 나름대로 정리하고 있습니다(한가하지 않습니다...)
무튼 현재 진행중인 실험에서 얻은 생체신호 데이터를 처리하기 위해서는 나름대로 사전지식이 있어야 하잖아요
연구원님이 Biopac ecg에 대해 검색해서 읽어보면 좋을 거라고 해주셔서 함 달려보렵니다 ㅋ
ECG 데이터 수집 방법
Biopac 장치를 이용한 ECG(심전도) 데이터 수집은 심장의 전기적 활동을 측정하기 위한 것이다.
ECG는 심장의 박동과 관련된 전기 신호를 감지해 분석하는데, 피실험자에게 전극(센서)를 여러 위치에 부착한다.
1. 오른쪽 쇄골 근처: 일반적으로 심장의 오른쪽 부분과 상체의 전기 신호 감지, 오른쪽 팔과 상체를 대표하는 신호 제공
2. 갈비뼈 아래 양쪽: 왼쪽 전극은 심장의 왼쪽 부분과 왼쪽 다리의 전기적 활동 감지, 오른쪽 전극은 오른쪽 다리의 전기 신호 감지
Biopac 장치의 센서는 심장의 전기적 신호를 감지해 데이터를 기록한다. 즉, 심장은 전기적 신호를 생성하고, 이 신호가 심장 박동을 조절한다. 심장이 수축하고 이완하는 과정은 심장의 전기 전도 시스템에 의해 이루어지고, 혈액을 온몸에 순환시킬 수 있다.
P-R 간격: 심방(위쪽 방)이 수축해서 심실(아래쪽 방)로 신호가 전달되는 시간
내가 이해한 바로는 숨을 들이쉴 때 심장(우심방, 우심실)이 팽창하고 정맥을 통해 많은 혈액이 들어오기 때문에 심방은 혈액을 심실로 밀어내야 한다. 즉 P-R 구간은 심방이 수축해서 심실로 신호가 전달되는 간격이다.
Q-T 간격: 심실이 수축한 후 다시 준비 상태로 돌아가는 시간
앞전 심방에서 수축해서 심실로 혈액을 내보내니까 심실은 수축을 해서 다시 혈액을 내보내고 준비 상태로 돌아가야한다.
R-R 간격: 심박수와 두 심장 박동 사이의 시간
두 번의 심박 사이의 시간. 들숨과 다음 들숨의 시간 차이라고 이해하면 쉽다.
-> P-R 간격은 들숨 시의 심방 수축과 관련이 있고, Q-T 간격은 심실의 수축과 회복 과정과 관련이 있다.
간격(Interval)과 구간(Segement)에는 차이가 있다. 간격은 두 파형 사이의 시간이고, 구간은 특정 파형의 끝에서 다음 파형의 시작까지의 시간이다.
뇌가 깨질 것 같으므로 우선 간격만 이해하고 넘어갈게요...
저주파와 고주파
저주파: 느린 생리적 과정과 관련되고, 전파 거리가 멀고 진폭이 커 생체 신호에 많이 사용된다.
고주파: 빠른 생리적 반응와 관련되고, 전파 거리가 짧고 진폭이 작으며 생리적 반응 모니터링에 사용된다. 고주파 신호는 미세한 변화나 세부적인 특성을 파악할 수 있다.
필터
원하는 주파수 영역대를 통과시키고, 나오지 않아야하는 주파수 영역대는 차단하는 방법
필터의 종류로는 크게 4가지가 있다.
1. 고주파 신호를 걸러내는 LPF(Low-Pass Filter)
2. 저주파 신호를 걸러내는 HPF(High-Pass Filter)
3. 특정 주파수 대역만 통과시키는 BPF(Band Pass Filter)
4. 특정 주파수 대역을 걸러내는 BRF(Band Reject Filter)
여기서 대표적으로 LPF와 HPF에 대해 공부해보고자 한다!
Low Pass Filter란 낮은 주파수만 통과하는 필터로, 주파수(Frequency)가 높은 노이즈를 제거하는 필터이다. 고주파 노이즈를 제거하기 위한 방법으로 먼저 배우는 회로는 RC회로이다.(RC, LC 회로 둘 다 쓰이지만!)
(Z: 임피던스(옴), R: 저항(옴, 실수), j: 허수, X: 리액턴스(옴, 허수))
임피던스 Z는 교류(AC) 회로에서 전류의 흐름을 방해하는 정도를 의미한다.
리액턴스 X는 인덕터(코일)와 커패시터(축전기)의 영향을 포함한다.
인덕터의 리액턴스: XL = w * L
커패시터의 리액턴스: Xc = 1 / wC
전체 리액턴스: X = XL - Xc
RC회로는 R(저항)과 C(커패시터)만 있는 회로이다.
RC에서 저항값 R은 주파수에 관계없이 일정하기 때문에 커패시터에 의한 리액턴스만 고려하면 된다.
Xc = 1 / wC = 1 / 2파이f 이기 때문에 주파수 f가 커지면 Xc는 작아지게 된다. (Xc가 작으면 임피던스 Z도 작음)
V = Z * I 이기 때문에 V도 작아진다. 결론적으로, 주파수 f가 높으면 출력 전압이 낮아지기 때문에 고주파 신호가 출력되지 않고, 저주파 신호가 잘 통과하게 된다.
그렇다면
저항 R 자리에 인덕터 L을 놓은 LC회로는 어떻게 될까?
주파수 f가 낮을 때, 인덕터의 리액턴스 XL은 작아질 것이고, 커패시터의 리액턴스 Xc는 커지게 된다.
따라서, 주파수 f가 낮다면 X(XL-Xc)값이 작아지고, Z도 작아지고, V도 작아져서 출력단이 낮을 것이고
주파수 f가 높다면 공진 주파수(XL과 Xc가 상쇄될 때)에선 신호가 잘 통과되어도, 너무 높은 주파수에서는 인덕터가 전류 흐름을 방해하기 때문에 출력이 낮아지게 된다.
(V=ZI인데 주파수가 높아지면 Z가 커지게 되어 전류 I가 낮아져서 출력이 낮아짐)
공진주파수란 무엇일까?
공진: 진동계가 그 고유진동수와 같은 진동수를 가진 외력을 주기적으로 받을 때 진폭이 뚜렷하게 증가하는 현상
-> 진동계에 작용하는 외력의 진동수와 그 계의 고유진동수가 일치할 때 발생하는 것
L(인덕터)은 저항이 0옴인 도체이다.(재료가 구리이기 때문)
C(커패시터)는 저항이 무한대 옴인 절연체이다.
XL은 0옴에서 출발하고, Xc는 무한대 옴에서 출발하는데 주파수 f가 증가하게 되면 XL은 증가하고, Xc는 감소한다.
그러다가 어느 주파수가 되면 XL과 Xc가 같아지는 순간이 온다.
여기에서 주파수 f는 고유주파수를 의미한다.
그런데 외부에서 공급해주는 전원의 주파수가 어떤 조건에 의해 이 고유주파수와 같은 값을 가지면 회로에 공진 현상을 일으키고, 이때의 주파수를 공진주파수라고 한다.
RC 회로에서는 공진이 없는데
굳이 LC 회로를 사용하는 이유는 무엇일까?
저항 R에 의한 열손실과 관련이 있다. RC회로는 저항 R 이 포함되어 있기 때문에 전류가 흐를 때 항상 열 손실이 발생한다. 이로 인해 전체 에너지의 일부가 열로 변환되어 손실되어 전력 변환 효율이 낮아진다.(linear regulator와 관련되어 있고, lr은 저항에 의한 열손실이 커서 전력변환 효율이 좋지 않다는데... 우선 넘어가자)
오늘은 LPF에 대해 공부를 해봤다.
그러다보니 어느 순간 회로에 대해 공부하게 되고 전류, 전압에 대해 찾아보고 있는 나 자신을 보며...
여긴 어디. 나는 누구.... 이 생각만 들었다.
생체신호 데이터를 다루기 전부터 박사님께서 전자공학과 관련되다보니 Filter와 같은 개념을 공부하는게 좋을 것이라고 언질을 해주셨는데 진지하게 이 학문에 임해야겠다고 생각했다.
다만 걱정인건... 모든 학문이 그렇다시피 처음부터 기초를 탄탄히 쌓고 공부해야하는데
현재 나는 Filter를 공부하면서 갑자기 옴의 법칙이 뭐고... W가 뭐고... 이러면서 기초 지식을 구글링으로 접하게 되니
뭔가 학습의 과정이 어긋나진 않을까 걱정이 된다.
뭐. 마음 먹고 처음부터 개론 이런 수업이나 유튜브 강의를 찾아봐야겠다.
오늘 이 글을 통해 내가 갖고 가야 할 지식은
Z = R + jX
XL = wL = 2파이f * L
Xc = 1/wC = 1/2파이f * C
Z는 임파던스, X는 리액턴스, 리액턴스는 인덕터와 커패시터와 관련된 저항(커패시터 이름 디지게 안 외워지네 ㅜㅜ)
공진주파수는 L과 C가 같아지는 순간의 주파수인 고유주파수와 외부에서 공급해주는 주파수가 같아질 때의 주파수, 즉 공진주파수 = 고유주파수 = 전원주파수
오늘 이 글의 기록으로 많이 배워갔다고 생각한다.
오늘의 기록은 성공적!
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