글: Bryce Beamer
흔히 약자 ECG 또는 EKG로 표현하는 심전도 검사는 1900년대 초반에 처음 등장했으며 심장 상태를 진단하고 모니터링하는 데 중요한 기술로 계속 이용되고 있습니다. 하드웨어 혁신으로 ECG 기술의 크기와 비용이 줄어들었고, ECG 파형과 심박수 변동성을 기반으로 건강 및 웰니스 통찰력을 얻을 수 있는 새로운 기회가 열렸습니다. ECG 심장 모니터링은 웨어러블 IoT 인프라 및 AI와 결합한다면 평생 심장 건강을 지원하는 새로운 통찰력을 얻는 열쇠가 될 수 있습니다.
ECG에는 몇 개의 전극이 사용될까요?
ECG는 신체에 배치된 여러 전극 사이의 차동 전하를 측정하는 전류 감지 회로를 생성합니다. 아래 그림은 ECG 전극 배치가 전극선의 방향에 따라 세 가지 다른 ECG 파형을 제공하는 방법을 보여 줍니다.
간단한 단일 전극선(전극 두 개) ECG는 스포츠 및 웰니스 분야의 심박수 측정 및 심박수 변화 측정에 적합합니다. 적절한 위치에 추가 전극을 배치하면 심장 기능을 더욱 자세하게 확인할 수 있습니다. 고급 의료 진단의 경우 ECG 시스템에는 최대 전극 10개에 전극선 12~18개가 있어 의사가 복잡한 부정맥을 진단하기 위해 심장의 기능과 구조를 평가할 수 있습니다.
ECG 전극은 어떻게 작동할까요?
전류 감지 회로의 신호 품질은 모든 심장 모니터링 기기에서 실행 가능한 통찰력으로 이어질 수 있는 깨끗한 데이터를 캡처하는 데 필수적입니다. ECG의 경우 이 모든 것은 전극 설계에서부터 시작됩니다. 전극 결합은 소음을 줄이고 ECG 파동을 보존하는 데 중요합니다.
신체의 이온 전류에서 나온 이온이 전극의 전해질에 도달하면 전극 표면에서 산화환원 반응에 관여합니다. 이러한 반응에서 전자는 이온에서 전극으로 이동하여 이온 전류를 전기 전류로 변환합니다. 이는 헬름홀츠 이중층이라고 하는 현상 덕분에 가능합니다.
ECG 신호는 일반적으로 진폭이 0.5mV~1mV에 불과하므로 다양한 유형의 소음이나 왜곡에 매우 취약합니다. 움직임 아티팩트는 센서가 피부 표면에서 움직이거나 미끄러지는 경우, 피부가 늘어나거나 인터페이스 영역이 변경되는 경우, 전극과 피부 사이의 거리가 변경되거나 완전히 단절되는 경우 등 소음의 가장 일반적인 원인입니다. 환자가 단순히 자세를 바꾸는 것만으로도 움직임 아티팩트가 발생할 수 있습니다.
이러한 문제를 완화하려면 전극 설계를 신중하게 고려해야 합니다. 소재, 모양, 크기 및 접착 방법 모두 움직임 아티팩트 및 기타 소음원을 최소화하는 역할을 합니다. 의료 응용 분야에서는 전극 움직임을 방지하기 위해 접착식 전극이 사용됩니다. 그러나 스포츠 및 피트니스 응용 분야에서 일반적으로 사용되는 웨어러블 ECG 모니터와 의류 기반 전극은 배치 정확도를 개선하고 편안함을 향상하여 규정 준수 수준을 높여 줄 수 있습니다.
ECG 전극의 종류
전극의 두 가지 주요 종류는 "습식" 전극과 "건식" 전극입니다. 두 유형 모두 수행하는 기능은 동일합니다. 다만 습식 전극에는 피부와 접촉하는 전해질이 포함되어 있습니다. 반대로 건식 전극은 피부의 수분과 땀을 사용하여 필요한 이온 전도체를 생성합니다.
이온 전도체는 위에서 설명한 헬름홀츠 층을 형성하는 데 필수적입니다. 적절한 전해질 층이 없으면 신호 소음 및 임피던스 문제로 인해 신호 대 소음비가 크게 감소합니다. 체모, 로션, 피부 트리트먼트, 각질 등 인간 피부의 변화로도 오염 물질이 유입되거나, 임피던스가 증가하거나, 전해질 기능에 영향이 미칠 수 있습니다.
습식 전극을 사용하는 것은 양호한 전해질 층을 확보하고 임피던스가 낮은 피부-전극 인터페이스를 빠르게 생성하는 한 가지 방법입니다. 그러나 시간이 지남에 따라 전극이 건조해지면서 예측할 수 없는 신호 진폭 감소가 발생할 수 있습니다. 폼 접착제가 금속 스냅(Ag AgCl)과 피부 사이의 전해질 겔을 캡슐화하는 접착식 전극은 습식 전극의 가장 일반적인 형태입니다.
건식 전극은 사용자의 입장에서 편리하고 편안합니다. 탄소 도핑 폴리머 필름, 금속 직물 또는 스크린 인쇄 전도성 링크와 같은 다양한 형상 계수로 제공됩니다. 그러나 많은 경우 피부와 전극 사이에 적절한 전해질 경계면을 구축하는 데 어느 정도 시간이 필요합니다. 이 프로세스는 신호 소음이 ECG 파동을 마스킹하는 시작 소음이라는 현상으로 이어집니다.
습식 또는 건식 전극 응용 분야에서 전해질 층이 건조해지면서 임피던스의 동적 변화가 발생할 수 있는데, 이러한 변화는 신호의 진폭에는 큰 영향을 주지만 주기에는 영향을 주지 않습니다. 이러한 이유로, 신호 대 소음비가 필요한 특징을 감지할 수 있을 만큼 낮다면 많은 응용 분야에서 진폭을 동적으로 보상할 수 있습니다.
ECG 시스템 설계 요점
적절한 전극과 실사례를 선택하는 것은 ECG 시스템을 설계하는 데 중요합니다. 그러나 먼저 제품의 가치 제안에 필요한 데이터 통찰력을 식별하여 새로운 응용 분야에 대한 시스템 요구 사항을 개략적으로 설명하는 것이 가장 좋습니다. 이러한 기본 기술 요구 사항과 사용자 및 의료 서비스 제공자의 요구 사항을 결합하면 제품 요구 사항에 대한 전체적인 관점이 형성됩니다.
차세대 ECG 제품 개발은 심장 건강에 대한 새로운 통찰력을 얻는 데 도움이 되지만, 이때 유용성과 기술적 성능 사이의 균형을 찾아야 합니다.
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