LabVIEW, Multisim, myRIO를 사용한 INNO-MEDU100 개발

INNOTEMS Ltd.

INNOTEMS는 PC 기반 제어 및 계측 R&D, 시스템 검사 및 테스트, 시스템 컨설팅, 자동차, 기계, 항공 우주, 의료, 교육 분야를 전문으로 합니다. INNOTEMS는 LabVIEW 소프트웨어를 기반으로 한 시스템 통합 서비스를 사용합니다.

소개

디지털 의료는 한국을 비롯하여 세계적으로 중요한 화두이지만 디지털 의료를 위한 연구 또는 교육 시스템은 찾아보기 어렵습니다. 우리는 NI 그래픽 시스템 설계를 활용해 ECG, EMG, 펄스 옥시미터, NIBP 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 디바이스와 LabVIEW를 사용하여 생체 신호를 수집하고 분석합니다. 뿐만 아니라 Multisim을 사용하여 프런트엔드 회로 설계에 신호 처리를 위한 증폭기와 필터를 추가했습니다.

INNO MEDU100의 구조

학생들은 구현하려는 센서에 맞는 아날로그 신호 처리 회로부를 설계했습니다. 신호는 아날로그에서 디지털로 변환되었고, 분석 알고리즘을 통해
원하는 데이터가 표시되었습니다. 데이터는 유/무선 지원을 통해 전송되었으며 이 기능은 노트북이나 태블릿 PC에서 지원합니다.

아날로그 신호 처리 설정

회로는 사용되는 센서에 따라 다르게 설계됩니다. 기본적으로 생체 신호의 특성상 증폭과 필터 작업을 거치도록 설계해야 합니다. 또한 피부와 접촉하게 되면 안전을 고려하여 전원이 분리되도록 설계해야 합니다.

소프트웨어의 설정

각 프로그램은 노트북에서 표시하고자 하는 디바이스에 따라 myRIO와 LabVIEW를 통해 FPGA와 리얼타임 어플리케이션으로 개발됩니다. 태블릿 PC로 데이터 대시보드가 있는 프런트패널을 구성하십시오.

데이터를 표시하는 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 하위 화면이 나타납니다.

의료용 센서

• ECG 센서

심전도 신호는 심장의 전기적 활성 단계를 반영하는 신체 표면에서 측정 가능한 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 개의 파형으로 반영됩니다.

• EMG 센서

표면 근전도 (EMG)는 피부 표면에 전극을 부착하는 무통증, 비 침습적인 방식으로 측정합니다. 따라서 근운동 단위 하나의 전기적 활동만을 측정하는 바늘 근전도와는 달리 고통 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 흡수하거나 전달하는 혈액 내 헤모글로빈의 양을 감지하여 측정합니다.

• NIBP 센서

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

결론

• 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.
• myRIO를 내장함으로써 INNO-MEDU100의 크기를 축소할 수 있었습니다. FPGA와 리얼타임 프로세서에도 쉽게 접근 가능합니다. 또한 myRIO WiFi 네트워크를 사용함으로써 디지털 의료 시스템 교육 플랫폼을 개발할 수 있었습니다.
• Multisim을 활용한 회로 설계 시뮬레이션 덕분에 출력되는 신호를 가상 계측기에서 확인 가능하므로 신호 처리 과정을 쉽게 이해할 수 있습니다. 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 측정할 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.

저자 정보:

남상우
시스템 통합부 INNOTEMS
South Korea
전화: 042-936-0615
swnam@innotems.com