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Bioelectromagnetism Research Group

 

 

Bioelectromagnetics (생체 전자기학)

 

생체에 대한 전자기 현상을 연구하는 학문으로 생체에서 발생되는 신호를 검출하여 해석하고 최종적으로 활용하는 영역까지를 다루며 전체적인 흐름은 다음과 같다.

 

 

 

 

[생체계측해석 전체 구성도]

 

 

 

생체 신호의 흐름은 왼쪽에서 오른쪽으로 진행하며, 크게 신호원 영역, 물리량 검출영역, 디지털 변환영역, 신호처리 영역, 의미해석 활용영역으로 구분할 수 있다. 각각의 영역별로 간단히 설명하면 다음과 같다.

 

 

 

신호원 영역

 

신호가 발생하는 영역을 의미한다. 인체의 경우 다양한 방식으로 외부에 신호를 출력하는 시스템으로 볼 수 있으며 그 발생근원으로 뇌, 심장, 근육 등이 있다. 그 중에서도 흥미로운 분야로써 생체 전자기학 관점에서 보면 전기장과 자기장의 발생 과정은 Maxwell 방정식에 의해 완전히 기술 가능하다. 대표적인 생체 전자기학적인 현상으로 피부표면전류가 발생되는데 뇌에 근원을 두고 있는 뇌전도/뇌자도, 심장에 근원이 있는 것으로는 심전도/심자도 등이 있다. 피부표면전류를 검출하기 위해서는 전극을 부착하고, 자기장은 인체 외부에 초전도양자간섭소자(SQUID)를 이용하여 검출 가능하다.

 

 

 

물리량 검출영역

 

발생된 신호를 전기적인 신호로 변환하여 목표하는 신호를 추출한다. 이를 위해서는 검출의 첫 단계인 센서 부분이 필요하며 전기장에는 전극을, 자기장에는 초전도양자간섭소자를 사용하게 된다. 초기 신호를 보면 대상신호가 매우 미약하기 때문에 이후 과정에서 강력한 신호 증폭이 필요하다. 또한 측정 환경에서 발생되는 필연적인 노이즈 성분을 제거하여 필요한 신호만을 추출하는 과정이 필요하다.

 

 

 

디지털 변환영역

 

앞서 설명한 물리량 검출영역에서는 전기적으로 아날로그 신호를 다룬다. 아날로그 신호를 보기 위해서는 오실로스코프를 이용하든지 혹은 종이 출력지에 파형을 나타내는 방법이 구식의 장비들에서 사용되고 있다. 그러나 이같은 방식을 사용하게 되면 측정한 데이터의 재사용이 불가능하게 된다. 뿐만 아니라 생체 신호를 해석하고 의미를 찾기 위해서는 생체신호 본질적인 특성상 고도의 복잡한 계산이 요구되는데, 이에 대응할 수 없다. 따라서 디지털 변환영역이 필수적이며 변환된 데이터는 컴퓨터로 전송된다.

 

 

 

신호처리 영역

 

컴퓨터로 전달된 디지털 형식의 데이터를 처리하는 영역이다. 간단하게는 파형을 실시간 디스플레이 하기 위한 처리, 파일로 저장하기 위한 처리, 저장된 파일을 다시 불러오는 것, 아스키 형태로 저장하여 다른 소프트웨어 툴에서 읽어오는 기능 등의 데이터 처리를 위한 신호 처리가 있고, 더 나아가서는 수학적인 처리로써 주파수 분석, 상관계수, 비선형 계산 등의 수학적 계산이 가능하다. 한편 신호원대상에 의존적인 방식의 처리로써는 뇌의 경우 유발전위 검출기법, 뇌기능 영역을 추적하는 source localization method, 뇌전위 매핑등이 있고, 심장의 경우에는 파형계수추출처리, HRV 검출 등이 있다. 이와 같은 계산법은 연구자들에 의해 지속적으로 개발되고 있으며, 그 목적은 의미해석 활용을 위한 것이라 할 수 있다.

 

 

 

의미해석 활용영역

 

현재 생체신호는 병원에서 필수 진단기로써 정착되어 있다. 필수진단에 사용되는 정보는 연구자들에 의해 이미 많이 연구되고 재현성이 인정된 병적 현상과 신호의 결과사이의 의미있는 관계들을 이용하는 것이다. 예를 들어, 뇌파에 있어서 간질파형은 현재는 널리 알려져 있고 진단에서도 유용하게 사용되고 있다.

 

 

 

Our research works

 

우리 팀에서 현재 진행되고 있는 연구는 다음과 같은 3 가지로 구성된다.

 

1) Bioelectromagnetic source localization (Forward/inverse problem)

2) MRI segmentation

3) Brain-computer Interface