LabVIEW, Multisim, myRIO를 이용한 디지털 헬스케어 시스템,INNO-MEDU100 개발 사례

Nam Sang-Woo, System Integration Dept. Ltd. INNOTMES

"우리는 NI 그래픽 시스템 설계 플랫폼을 사용하여 디지털 의료 업계에서 사용할 수 있는 INNO-MEDU100을 개발했습니다. 이 제품은 많은 연구원, 교수, 학생들에게 효율적이고 유용한 기능을 제공합니다."

- Nam Sang-Woo, System Integration Dept. Ltd. INNOTMES

과제

우리는 모바일 기반의 임베디드 무선 생체신호계측분석 시스템인 디지털 헬스케어 시스템의 개념을 설명하기 위해 FPGA와 리얼타임을 처리할 수 있는 연구 및 교육 제품을 개발하고, 데이터 분석 활성화에 필요한 특수 알고리즘을 적용하여 생체 신호를 측정할 수 있는 고속 데이터 수집 시스템을 구현하며, 수집한 데이터를 무선으로 전송하고 태블릿 PC나 스마트폰으로 전송해야 했습니다. 또한, 회로 설계 기능을 제공하여 생체신호의 프론트엔드 설계 기능을 제공해야 했습니다.

솔루션

INNO-MEDU100은 의료용 센서를 이용한 교육용 생체 신호 계측 시스템 개발 키트입니다. 4가지 센서(ECG, EMG, SpO2, NIBP)를 이용해 생체 신호를 측정하며 신호처리 회로와 FPGA 기반의 소프트웨어를 제작하여 사용자가 직접 하나의 시스템을 개발할 수 있도록 구성되어 있습니다. INNO MEDU100은 추가적인 센서를 사용하여 설정할 수 있으며 브레드 보드 또는 외장형 애드온 PCB 액세서리가 내장되어 있어 필요 시 생체신호의 증폭 및 노이즈 필터 등의 아날로그 회로를 설계할 수 있습니다. 또한 모바일을 기반으로 하여 무선으로 데이터를 스마트폰으로 전송하고 DB 연동이나 빅데이터 분석 등을 가능하게 하여 IoT(사물인터넷) 기반으로 완전한 형태의 디지털 헬스케어 시스템이 됩니다.

주식회사 이노템즈

이노템즈는 PC 기반 제어 및 인스트루멘테이션 R&D 분야를 전문으로 하며 자동차, 기계, 항공, 우주, 의료, 교육 분야에 시스템 검사와 테스트, 시스템 컨설팅 서비스를 제공하고 있습니다. 이노템스는 LabVIEW 소프트웨어를 기반으로 한 시스템 통합 서비스를 사용합니다.

 

개요

디지털 헬스케어 시스템은 한국을 비롯하여 세계적으로 중요한 화두이지만, 정작 이러한 분야의  연구 또는 교육을 위한 적합한 시스템은 찾아보기 어려운 실정입니다. 우리는 NI 그래픽 시스템 설계를 사용하여 ECG, EMG, 펄스 옥시미터, NIBP(혈압) 측정 기능 및 정밀한 분석 기능을 갖춘 모바일 의료 시스템을 개발했습니다.

 

하드웨어와 소프트웨어의 구분이 없는 하나의 통합 시스템을 통해 의공학을 공부하는 학생들이 개발에 대한 경험과 이해를 높일 수 있도록 했습니다. 학생들은 이러한 시스템을 응용하여 다른 시스템을 개발하고 개인 프로젝트를 수행할 수 있었습니다.

 

INNO-MEDU100은 myRIO 장비와 LabVIEW, Biomedical toolkit를 사용하여 생체 신호를 수집하고 분석합니다. 뿐만 아니라 Multisim을 사용하여 프런트 앤드 회로 설계에 신호 처리를 위한 증폭기와 필터를 추가했습니다. 또한, NI Data Dashboard를 이용하여 태블릿 PC나 스마트폰과 연동하며, DB 연동과 지속적인 데이터 모니터링과 분석을 통한 빅데이터(IoT) 분석을 가능하게 하는 솔루션입니다.

 

INNO MEDU100의 구조

학생들은 구현하려는 센서에 맞는 아날로그 신호 처리 회로부를 설계합니다. 신호는 아날로그에서 디지털로 변환되며, 분석 알고리즘을 통해
원하는 데이터를 디스플레이 합니다. 데이터 전송은 유/무선이 모두 지원되며 노트북이나 태블릿 PC로도 가능합니다.

 

아날로그 신호 처리 회로 구성

회로는 사용되는 센서에 따라 다르게 설계됩니다. 기본적으로 생체 신호의 특성상 증폭과 필터 작업을 거치도록 설계해야 합니다. 또한 인체의 피부와 접촉할 수 있기 때문에 안전을 고려하여 전원을 분리할 수 있도록 설계해야 합니다.

 

소프트웨어의 설정

NI myRIO를 사용하여 FPGA와 리얼타임 어플리케이션에서 각 프로그램을 코딩하며, 디스플레이 하고자 하는 장치에 따라 노트북은 LabVIEW를 활용합니다. 또한 태블릿 PC는 NI Data dashboard를 활용하여 프런트패널을 구성합니다.

 

데이터를 디스플레이 하는 노트북의 메인 화면에는 네 개의 센서를 각각 분리하여 대표적인 파형의 형태로 아이콘을 구성하였습니다.

 

각 센서의 아이콘을 클릭하면 신호에 대한 데이터나 신호 분석 과정을 확인할 수 있도록 서브 화면이 구성되어 있습니다.


 

사용하는 의료용 센서

  • ECG 센서

               심전도(ECG)는 신체 표면에서 측정 가능하며 심장의 전기적 활성 단계를 반영하는 미약한 전기 신호입니다 심장의 전기적 활성 단계는                 크게 심방 탈분극, 심실 탈분극, 심실 재분극 시기로 나눌 수 있습니다. 이러한 각 단계는 다음 그림과 같이 P, QRS, T파라고 불리는 몇 개                   의 파형으로 반영됩니다.                                        

 

  • EMG 센서

             표면 근전도(EMG)는 피부 표면에 전극을 부착하는 무통증, 비 침습적인 방식으로 측정합니다. 따라서 근운동 단위 하나의 전기적 활동만                을 측정하는 바늘 근전도와는 달리 통증 없이 편안하게 근운동 단위 집합체의 총체적인 시너지 활동을 정량적으로 분석할 수 있습니다.

 

 

  • SpO2 센서

              PPG는 생체 신호 중 맥파 신호를 측정하는 것으로, 맥파 신호는 LED 빛을 집게손가락의 모세혈관에 조사하여 포토다이오드로 빛을 흡수                하거나 전달하는 혈액 내 헤모글로빈의 양을 감지하여 측정합니다.

 

  • NIBP(혈압) 센서

              혈압은 혈관을 따라 흐르는 혈액이 혈관의 벽에 주는 압력입니다. 혈압은 또한 중요한 생명 징후이기도 합니다. 혈압은 심장 박동에 따                     라최고 혈압과 최저 혈압을 넘나들며 변합니다. 따라서 최대 혈압, 최소 혈압, 심장 박동수를 측정할 수 있습니다.

 

 

결론

  • 우리는 NI 그래픽 시스템 설계 플랫폼을 사용하여 의료산업 분야 및 의공학 분야에서 사용할 수 있는 INNO-MEDU100을 개발했습니다. 이 제품은 많은 연구원, 교수, 학생들에게 효율적이고 유용한 기능을 제공합니다.
  • FPGA기반의 오픈소스 하드웨어 시스템인 NI myRIO를 내장함으로써 INNO-MEDU100의 크기를 축소할 수 있었습니다. FPGA와 리얼타임 프로세서에도 쉽게 접근 가능합니다. 또한 myRIO WiFi 네트워크를 사용함으로써 디지털 헬스케어 시스템의 교육 플랫폼을 개발할 수 있었습니다.
  • NI Multisim을 이용해 회로 설계 시뮬레이션을 진행하면 출력되는 신호를 가상 계측기에서 확인 가능하므로 신호 처리 과정을 쉽게 이해할 수 있습니다. NI Multisim에서는 다양한 가상의 장비(오실로스코프, 디지털 멀티미터, 전원 공급장치 등)를 구현할 수 있으며 이를 활용하여 다양한 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다.

 

INNO MEDU100을 이용하면 생체 신호를 쉽게 측정 할 수 있으며 필요에 따라 추가적인 설계도 가능합니다. 기존의 단순 생체 신호 측정에서 한 발짝 나가가 FPGA와 리얼타임 어플리케이션을 다루고 신호 분석을 직접 경험함으로써 임베디드 시스템의 구현과 의공학 기초 지식을 쌓는데 도움이 됩니다.

 

 

필자 정보

Nam Sang-Woo
System Integration Dept. Ltd. INNOTMES
South Korea
Tel: 042-936-0615
swnam@innotems.com

Figure 2. shows the configuration of the signal processing circuit of the ECG sensor.
Figure 3.
Figure 4.
Figure 5.
Figure 6.
Figure 7.
Figure 8.
Figure 9.