소음

소음 (Noise)

 

대부분의 생체의학 신호는 진폭이 약하고 특히 다양한 소스의 다른 신호가 많은 환경에서 쉽게 왜곡될 수 있다. 정보를 전달하지 않는 원치 않는 신호를 간섭, 인공물 또는 단순히 노이즈라고 한다. 생체의학 신호에서 발생하는 인공물의 특성은 다양하며 그에 따라 신호 처리 성능이 저하된다. 생리적, 도구적 또는 실험적 환경은 잠재적인 소음원이 될 수 있다.

 

ECG 검사를 받는 환자는 모든 생리적 과정과 시스템을 제어하지 못할 수 있다. 산모의 ECG가 관심 있는 태아의 ECG에 추가되고 외부 제어가 바람직하지 않기 때문에 영아를 다룰 때는 훨씬 더 어렵다. 기침과 호흡은 생리적 간섭 또는 운동 인공물의 일부 예이며 관련 활동의 수준에 따라 달라질 수 있다. 정상적인 호흡의 경우, 흉부 근육의 관련 EMG가 원하는 ECG 신호를 방해할 수 있다. 환자가 몇 초 동안 숨을 참으면서 신호를 녹음하는 것이 효과적인 해결책이 될 수 있다. 단, 환자가 위독한 경우 또는 영아의 ECG 기록 중에는 적용되지 않는다. 전극 특성, 전해질 특성, 피부 임피던스, 그리고 환자의 움직임은 인공물의 피크 진폭과 지속 시간에 영향을 미친다. 따라서 의사는 생리적 간섭을 제거하거나 줄이는 데 효과적인 솔루션을 개발해야 한다.

 

열 소음 (Thermal noise)

 

열 노이즈는 사용되는 전기 장비에 항상 존재하며 소스에서 약한 수준의 생물 의학 신호에 영향을 줄 수 있는 주요 노이즈 소스 중 하나이다. 열 잡음은 1926년 John B. Johnson에 의해 처음 감지 및 측정되었으며 나중에 Harry Nyquist에 의해 설명되었다. 따라서 열 노이즈는 Johnson-Nyquist 노이즈, Johnson 노이즈 또는 Nyquist 노이즈라고도 한다. 열잡음은 도체 내 전하 캐리어의 진동으로 인해 발생하며 인가 전압에 관계없이 온도에 정비례한다. 열 노이즈 제거는 불가능하다. 그러나 작동 온도를 낮추거나 전기 회로의 저항 값을 줄임으로써 줄일 수 있다. 열 잡음 전력은 대역폭에 비례하며 사실상 백색 잡음이다. 그러나 전력 스펙트럼 방정식은 100Hz보다 높은 주파수에서 열 잡음 수준이 떨어지기 시작함을 시사한다.

 

플리커 노이즈 (Flicker noise)

 

열잡음과 달리 플리커 잡음이나 1/ f 잡음은 주파수의 함수로 전자 부품의 저주파에서 그 영향이 일반적으로 관찰된다.

 

플리커 노이즈는 무작위로 포획되어 두 재료의 계면 사이에서 방출되는 전하 캐리어에 의해 발생하는 것으로 믿어진다. 이 현상은 일반적으로 전기 신호를 기록하기 위해 계측 증폭기에 사용되는 반도체에서 발생한다. 플리커 노이즈는 증폭기 오프셋 전압이 감소되는 초퍼 안정화 또는 초퍼라는 기술로 효과적으로 감소될 수 있다. 실제로 입력 단자는 약간 다른 DC 전위에 있다. 오프셋 전압은 제로 출력을 생성하기 위해 연산 증폭기의 입력에 적용되어야 하는 차동 전압이다. 초퍼 안정화 기술은 구형파를 사용하는 변조와 동일하며 신호가 교대로 두 번 쵸핑된다.

 

전력선 간섭 (Power-line interference)

 

전력선 간섭 (PLI)은 50–60Hz 주파수를 도입하고 검사실에서 모니터링 장비로 신호를 전달하는 케이블에 존재한다. PLI는 근처에 배치된 전기 기계, 컴퓨터 또는 기타 전기 장비의 전자기 간섭 또는 전자기장 (EMF) 방사의 존재로 인해 ECG 또는 EEG와 같은 생리학적 측정을 완전히 지배할 수 있다. 잡음 간섭을 지배하는 다른 요인으로는 전극과 케이블의 임피던스 불일치, ECG 기계 또는 환자의 부적절한 접지로 인한 표류 전류가 있다. PLI로 왜곡된 ECG 신호를 보여 신호 품질을 저하시키고 모니터링 및 진단에 중요할 수 있는 중요한 작은 레벨 신호 기능을 잠재적으로 마스킹한다.

 

PLI로 왜곡된 ECG 신호는 신호 품질을 저하시키고 모니터링 및 진단에 중요할 수 있는 중요한 기능을 방해한다. (A) 깨끗한 ECG 신호 (B) PLI   (50Hz)로 손상된 ECG