수면 건강 혁신: 기능성 직물 전도성 전극을 활용한 심전도 측정 기술의 최신 연구와 발전 방향

 http://dx.doi.org/10.9718/JBER.2023.44.1.80

첨단 바이오센서 기술이 일상생활에 깊숙이 침투하면서, 우리의 수면 건강 모니터링 방식에도 혁신적인 변화가 일어나고 있습니다. 특히, 기존의 불편한 습식 전극(Ag/AgCl)의 단점을 극복하고, 침대나 스마트 의류와 같은 편안한 환경에서 생체신호를 측정할 수 있는 기능성 직물 전도성 전극(Conductive textiles Electrode) 기술은 헬스케어 분야의 미래를 이끌 핵심 동력으로 주목받고 있습니다. 본 컬럼은 기능성 직물 전도성 전극을 활용하여 침대 형태에서 심전도(ECG)를 측정하는 방법에 대한 최근의 파일럿 연구(Pilot Test) 결과를 심도 있게 분석하고, 이 기술이 가져올 수면 관련 질환 탐지 및 자율신경계 변화 분석의 잠재력을 세계적인 전문가 수준의 지식으로 해설하고자 합니다. 

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1. 서론: 차세대 생체신호 측정 기술, 기능성 직물 전도성 전극

생체신호(Bio signal) 측정은 심전도(ECG), 근전도(EMG)와 같은 중요한 건강 지표를 파악하는 핵심 수단이며, 이 중심에는 전극(Electrode)이 있습니다. 전통적으로 의료 분야에서 가장 널리 사용되는 것은 피부에 직접 부착하는 은 염화은($\text{Ag/AgCl}$) 습식 전극입니다. 그러나 이 습식 전극은 피부 알레르기 유발, 부착 불편함, 그리고 옷 착용 시의 어려움 등 여러 가지 단점을 내포하고 있습니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 바로 기능성 직물 전도성 전극입니다. 이 전극은 기존 전극과 마찬가지로 생체신호 측정이 가능하면서도, 유연하고 신축성이 뛰어나다는 장점을 가집니다. 특히, 스마트 의류에 적용되어 전극을 부착하지 않고도 심전도 신호 획득이 용이하며, 이를 통해 건강 활동 모니터링이 가능하다는 기대를 받고 있습니다.

본 컬럼에서 분석할 파일럿 연구는 침대와 유사한 환경에서 기능성 직물 전도성 전극의 새로운 위치 배치를 통해 심전도(ECG) 신호 수집 정도와 주파수 분석을 통한 자율신경계 변화 및 노이즈 정도를 파악하고자 진행되었습니다. 이는 궁극적으로 수면 관련 질환을 감지하는 시스템 개발의 초석이 될 수 있습니다.

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2. 연구 방법론: 침대 환경에서의 심전도 측정 파일럿 테스트

연구팀은 근골격계 질환이 없는 성인 남녀 3명(나이: 35.67 +- 10.21세, 몸무게: 61.33 +- 11.81 kg, 키: 165 +- 2.16 cm)을 대상으로 실험을 진행했습니다. 연구 과정은 연세대학교 미래캠퍼스 생명윤리위원회(IRB)의 승인을 받았으며, 참가자들에게 충분한 설명과 동의를 구한 후 진행되었습니다.

2.1. 실험 환경 및 전극 배치

실험 환경은 침대와 유사한 조건을 구현하기 위해 참가자가 바닥에 누운 상태에서 진행되었습니다. 사용된 직물 전도성 전극은 Cellotex사의 제품이며, Ag/AgCl 전극과 비교 분석을 위해 동시에 사용되었습니다.

이 연구의 가장 큰 특징 중 하나는 기능성 직물 전도성 전극의 새로운 위치 선정입니다. 기존 연구들을 참고하여, 기능성 직물 전도성 전극은 실험 참가자의 뒷목이 닿는 머리 위치, 왼팔, 그리고 양 다리가 접촉할 수 있도록 배치되었습니다. Ag/AgCl 전극은 직물 전극 부착 위치 내에서 심전도 측정이 가능한 위치에 부착되었습니다.

실험은 총 40분으로 구성되었습니다:

• 휴식 시간 (Break time): 시작 전 5분
• 데이터 수집 (Data collection): 최대 30분 동안 심전도 신호 수집
• 실험 종료 (End of experiment): 데이터 수집 후 5분 휴식

아래는 실험 환경 및 실험 과정을 시각적으로 보여주는 자료입니다.

그림 1. 실험환경 및 실험 과정; 실험은 5분 휴식, 최대 30분 데이터 수집, 5분 실험 종료의 순서로 진행되었다. 기능성 직물 전도성 전극은 머리/목, 왼팔, 양 다리에 접촉 가능하게 배치되었으며, Ag/AgCl 전극도 해당 위치 내에서 부착되었다.

2.2. 심전도 측정 및 전처리

심전도 신호는 다중 생체신호 측정 장비(biosignalsplux Professional)를 사용하여 1000 Hz의 샘플링 속도로 측정되었습니다. 획득된 신호는 정확한 분석을 위해 전처리 과정을 거쳤습니다.

 

그림 2. 심전도 전처리 과정; 영상 판독 내용: 심전도(ECG) 신호는 1000  Hz의 샘플링 속도로 측정되었으며, 4차 대역 통과 필터(Band-pass, 3-45 Hz를 거쳐 필터링되었다. 필터링된 신호를 이용하여 심박수(HR)와 저주파 대역 성분(normLF: 0.04-0.15 Hz)을 계산했다.

전처리 과정은 다음과 같습니다:

• 필터링: 3-45 Hz의 4차 대역 통과 필터(BPF)를 사용.
• HRV 시간 영역 분석 (HR): 필터링된 신호를 이용해 심박변이도(HRV) 분석을 수행했으며, 심박수(HR) 계산을 위해 Pan & Tomkins Algorithm이 사용되었습니다.
• HRV 주파수 영역 분석 (normLF): 고속 푸리에 변환(FFT)을 사용하여 0.04 ~ 0.15 Hz의 저주파 대역 성분(Low Frequency Power)인 normLF를 계산했습니다. normLF는 식 (1)을 통해 저주파 비율로 분석되었습니다.

normLF} = LF/(LF)+(HF)

 

• 통계 분석: 두 전극 형태에 따른 HR 수치와 normLF를 5분 간격으로 계산하고, 시간에 따른 두 전극 간 결과에 대해 유의 수준 0.05에서 Wilcoxon 부호순위 검정을 수행했습니다. 또한, 참가자 간 차이와 시간별 HR 감소 경향을 파악하기 위해 이원배치 분산분석(Two-way ANOVA)을 수행했습니다.

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3. 결과 분석: 심박수(HR)와 자율신경계(normLF) 변화

3.1. HR 및 normLF 변화 추세 비교

연구 결과는 5분 간격으로 기능성 직물 전도성 전극과 Ag/AgCl 전극 간의 HR 및 normLF 변화 추세를 보여줍니다. 

그림 3. 5분 간격으로 관찰한 두 전극간 (a) HR, (b) normLF 변화 추세; (a) HR 변화 추세: 기능성 직물 전도성 전극과 Ag/AgCl 전극 모두 0분에서 15분 내로 HR이 떨어지는 추세를 보이다가 이후 상승하는 경향이 나타났다. 기능성 직물 전도성 전극이 Ag/AgCl 전극에 비해 전체적으로 높은 HR 수치를 보였다. (b) normLF 변화 추세: 기능성 직물 전도성 전극은 15분 전 증가 후 감소하는 경향을, Ag/AgCl 전극은 전반적으로 증가하는 경향을 보였다. 두 전극 간 HR 및 normLF는 모든 시간대에서 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다 (p > .05).

• HR 변화: 두 전극 모두 실험 초반(0분에서 15분)에 HR이 감소하는 추세를 보였고, 이후에는 상승하는 경향이 관찰되었습니다. Ag/AgCl 전극에 비해 기능성 직물 전도성 전극의 HR 수치가 전반적으로 높게 나타났는데, 이는 기능성 직물 전극이 움직임에 더 민감하여 감지되는 R Peak 주기가 짧아져 HR 수치가 높게 나타난 것으로 해석됩니다.
• 자율신경계 변화 (normLF): normLF는 교감신경계의 활성화와 관련이 있다고 알려져 있습니다. 기능성 직물 전도성 전극은 15분 전 증가 후 감소 경향을 보였으나, Ag/AgCl 전극은 증가하는 경향이 나타났습니다. 이 연구에서 전반적으로 normLF가 증가하는 경향이 나타났는데, 이는 실험 참가자들이 익숙하지 않은 환경(침대와 유사한 바닥에 누운 상태)에 대한 긴장 상태(교감신경계 활성화)를 유지한 결과로 추정됩니다.

두 전극 간의 HR 및 normLF는 Wilcoxon 부호순위 검정 결과, 모든 시간대에서 통계적으로 유의미한 차이는 없었습니다(p > .05).

3.2. 기능성 직물 전도성 전극과 Ag/AgC전극의 차이 비교

두 전극 간의 HR 및 normLF 차이는 다음과 같이 나타났습니다. 

그림 4. 시간에 대한 전극간 (a) HR, (b) normLF 차이; (a) HR 수치 비교: 실험 소요시간이 길어질수록 기능성 직물 전도성 전극과 Ag/AgCl 전극 간 HR 차이가 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 0분에서 8.36 ~ 9.95%, 30분에서 3.07 ~ 3.96%로 나타났다. (b) normLF 차이: 실험 소요시간에 따른 특정 경향성은 보이지 않았으며, 30분에 도달했을 때 두 전극 간 차이는 37.34 ~ 32.05%로 나타났다

• HR 차이의 감소: 가장 주목할 만한 결과는 실험 소요시간이 길어질수록 두 전극 간의 HR 차이가 현저히 줄어들었다는 점입니다.
• 실험 초기 (0분): 8.36 ~ 9.95% 차이
• 실험 종료 (30분): 3.07 ~ 3.96% 차이

이는 참가자가 움직임이 적어진 상태에 도달함에 따라 기능성 직물 전도성 전극의 수치가 Ag/AgCl 전극과 유사하게 나타난 것으로 해석됩니다. 특히, Ag/AgCl 전극 수치를 기준으로 했을 때, 30분에서의 기능성 직물 전도성 전극의 HR 정확도는 96.93 ~ 3.96%로 나타났습니다. 이 정확도는 이전 유사 연구의 84.2%에 비해 상당히 높은 수치입니다.

• normLF 차이의 변동: normLF의 경우, 시간에 따른 특정 경향성이 나타나지 않았으며, 30분에서의 두 전극 간 차이는 37.34 ~ 32.05%로 나타났습니다. 이 큰 차이는 이전 연구에서 보고된 바와 같이, normLF를 포함하는 낮은 주파수 영역(0-0.67 Hz)에서 많은 노이즈가 발생했음을 시사합니다.

3.3. 이원배치 분산분석 (Two-way ANOVA) 결과

이원배치 분산분석을 통해 참가자 간 HR 차이와 시간별 HR 감소율을 확인했습니다.

표 1. 실험참가자와 시간별 HR 감소율에 대한 이원배치 분산분석 결과

실험참가자간 HR 차이에 대한 P value는 .4687로 통계적으로 유의하지 않았다(p > .05). 시간별 HR 감소율에 대한 P value는 .0008로 통계적으로 매우 유의한 차이가 나타났다p < .001)

• HR 분석:
• 실험 참가자 간 HR 차이는 통계적으로 유의미하지 않았으나, 시간별 HR 감소율은 통계적으로 유의한 차이가 나타났습니다 (P < .001). 이는 시간이 경과함에 따라 HR이 감소하는 경향이 통계적으로 입증되었음을 의미합니다.

표 2. 실험참가자와 시간별 normLF 감소율에 대한 이원배치 분산분석 결과

실험참가자간 normLF 차이의 P value는 .5126으로 통계적으로 유의하지 않았다( p > .05). 시간별 normLF 감소율의 P value는 .6785로 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았다(p > .05).

• normLF 분석:
• 실험 참가자 간 normLF 차이 및 시간별 normLF 감소율 모두 통계적으로 유의한 차이가 나타나지 않았습니다 (p > .05).

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4. 고찰 및 결론: 수면 건강 모니터링의 미래

본 파일럿 연구는 침대와 유사한 환경에서 기능성 직물 전도성 전극의 새로운 위치 배치를 통해 심전도 HR 수집의 유효성을 성공적으로 입증했습니다.

4.1. HR 측정의 높은 정확도 확보

가장 중요한 성과는 Ag/AgCl 전극과 비교했을 때, 실험 시간이 경과함에 따라 HR 정확도가 96.93 ~ 3.96%에 도달했다는 점입니다. 이는 기능성 직물 전극의 임상적 활용 가능성을 시사하는 매우 고무적인 결과입니다. 특히, HR 차이가 감소한 것은 실험 참가자의 움직임이 줄어들면서 직물 전극이 노이즈의 영향을 덜 받게 되었기 때문으로 보입니다. 기능성 직물 전도성 전극의 HR 수치가 Ag/AgCl 전극보다 높게 나타나는 현상은 움직임으로 인한 R Peak 주기의 오류 때문인 것으로 기존 연구에서도 지적된 바 있습니다.

4.2. 자율신경계 분석 및 노이즈 문제

normLF 분석을 통한 자율신경계 변화 관찰에서는 예상과 달리 부교감신경계 활성화(수면 상태 시 나타남) 대신 교감신경계 활성화 경향이 나타났습니다. 이는 참가자들이 낯선 실험 환경에 대한 긴장 상태를 유지했기 때문으로 추정됩니다.

더 나아가, normLF의 두 전극 간 큰 차이(37.34 ~ 32.05% at 30 min)는 normLF 대역인 낮은 주파수 영역(0.04-0.15 Hz)에서 노이즈가 많이 발생했음을 재확인시켜 주었습니다. normLF의 정확한 수치 파악을 통한 자율신경계 변화의 정밀한 관찰을 위해서는 향후 이 노이즈를 감소시키는 연구가 필수적입니다.

4.3. 연구의 한계와 향후 연구 방향

본 연구는 3명의 적은 수의 참가자로 진행되어 통계적으로 유의미한 결과를 도출하는 데 한계가 있었습니다. 향후 연구에서는 참가자 수를 늘려 통계적 검증력을 확보해야 합니다.

또한, 실험 초기 움직임으로 인한 노이즈가 관찰되었으므로, 데이터를 수집하기 전 충분한 휴식 시간을 제공하거나, 움직임에 대한 노이즈 제거 알고리즘 개발이 병행되어야 합니다.

4.4. 결론

이번 연구를 통해 기능성 직물 전도성 전극은 침대와 유사한 환경에서 HR 측정의 높은 신뢰도를 보여주며, 향후 수면 중 심전도 분석 및 다양한 수면 관련 병증(예: 수면 무호흡증, 부정맥 등)의 탐지를 위한 비부착형, 비침습적 모니터링 시스템의 핵심 기술로 자리매김할 가능성을 확인했습니다. HR외에도 이 전극을 통해 다른 생체신호 수집도 가능할 것으로 전망됩니다. 이 기술의 발전은 개인 맞춤형 수면 건강 관리 시대를 앞당기는 중요한 열쇠가 될 것입니다.

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