최대 사후 확률 추정법을 이용한 실시간 생체신호 Peak 검출에 관한 연구

윤종서 건국대학교 대학원 2025 국내석사

Real-time Peak Detection for General Biosignals: A Maximum A Posteriori Estimation Approach Yoon Jong Seo Department of Biomedical Engineering Graduate School of Konkuk University With the growing importance of real-time, personalized healthcare through wearable devices, the need for a general-purpose peak detection algorithm that is accurate, efficient, and applicable to various biosignals within resource-constrained environments has become critical. However, existing rule-based and signal processing-based algorithms, while computationally efficient, are often limited to specific signals and lack robustness. Conversely, deep learning-based models, despite their high accuracy, have fundamental limitations of excessive computational load and a lack of generality. To address these issues, this study proposes a novel real-time adaptive peak detection framework based on the 'Maximum a Posteriori (MAP) based Look-Around Algorithm (LAA)', which operates in a single pass without post-processing. The proposed algorithm dynamically adjusts the Look-Around Period (LAP) using the mode of recent RR-intervals to adapt to real-time changes in the cardiac cycle. Furthermore, to handle practical challenges such as T-wave misdetection, peak omission, and R/S waveform ambiguity, the algorithm's robustness is significantly enhanced by incorporating a multi-stage exception handling mechanism based on clear physiological principles, including amplitude comparison, a look-back search, and the 'Preceding Priority' rule. Through rigorous performance verification on the standard benchmark MIT-BIH Arrhythmia Database, the final proposed algorithm achieved an average F1-Score of 98.23%, surpassing the prior study (F1-Score 96.89%) which relied on non-real-time post-processing. Notably, the 'Preceding Priority' rule, based on physiological principles, improved the overall F1-Score by 3.19 percentage points compared to the basic adaptive algorithm and dramatically improved performance on records such as 107, where the empirical rule of the prior study had failed. Moreover, its generality was demonstrated by achieving stable peak detection on PPG and respiration signals with only minimal parameter changes. The significance of this study lies in its proposal of a new design paradigm: a hybrid approach combining an efficient probabilistic model with minimal physiological domain knowledge can be a powerful alternative to computationally intensive deep learning models. This work provides a practical foundation for the development of intelligent on-device healthcare technologies to be embedded in various wearable devices. Keywords: Real-time Peak Detection, General Biosignal Processing, Look-Around Algorithm, Maximum a Posteriori (MAP), Adaptive Algorithm, Wearable Healthcare

심장 쌍극자 모델에 기반한 생리학적 심전도 신호의 합성 연구

이수연 건국대학교 대학원 2025 국내석사

This research focuses on synthesizing physiological electrocardiogram (ECG) signals using a cardiac dipole model that mathematically represents the electrical activity of the heart. PR segments were used as the reference for signal normalization, and a three-dimensional vectorcardiogram (VCG) model was designed based on the Frank Lead system. The synthesized 3D VCG data were utilized to generate Lead I and Lead II signals through inner product calculations, and the results were compared with actual measured data to evaluate the reliability and accuracy of the model. The analysis confirmed a high correlation between the synthesized Lead I and Lead II signals and the actual measured data, demonstrating that the proposed cardiac dipole model can physiologically reflect the electrical activity of the heart. Additionally, key ECG waveforms (P wave, QRS complex, T wave) were quantitatively analyzed using a cardioid-based mathematical modeling approach. The Integral Pulse Frequency Modulation (IPFM) model was applied to generate synthetic ECG signals that incorporate heart rate variability (HRV), resembling actual physiological characteristics. This research demonstrates that synthetic ECG signals can serve as valuable resources for overcoming limitations in clinical and research environments, such as privacy concerns, data imbalance, and noise. The proposed model suggests potential applications in various fields, including early diagnosis, treatment evaluation, and the development of automated algorithms for cardiovascular diseases. Future research will focus on extending the model to incorporate pathological characteristics and further validating its clinical applicability. 본 연구는 심장의 전기적 활동을 수학적으로 표현하는 심장 쌍극자 모델을 활용하여 생리적 심전도(ECG) 신호를 합성하는 데 중점을 두었다. 신호 정규화를 위해 PR 세그먼트를 기준으로 설정하였으며, Frank Lead 시스템을 기반으로 3차원 벡터 심전도(VCG) 모델을 설계하였다. 설계된 3차원 벡터심전도 데이터를 활용하여 내적 계산을 통해 리드 I 및 리드 II 신호를 생성하였으며, 해당 결과를 실제 측정 데이터와 비교하여 모델의 신뢰성과 정확성을 평가하였다. 분석 결과, 합성된 리드 I 및 리드 II 신호와 실제 측정 데이터 간에 높은 상관관계가 확인되었으며, 제안된 심장 쌍극자 모델이 심장의 전기적 활동을 생리학적으로 반영할 수 있음을 입증했다. 심장형(Cardioid) 기반 수학적 모델링을 통해 주요 심전도 파형(P파, QRS군, T파)을 정량적으로 분석하였으며, IPFM(Integral Pulse Frequency Modulation) 모델을 적용하여 심박 변이도(HRV)를 반영한 실제 생리적 특성과 유사한 합성 심전도 신호를 생성하였다. 본 연구는 개인 정보 보호, 불균형, 노이즈와 같은 임상 및 연구 환경에서의 한계를 극복하는 데 있어 합성 심전도 신호가 귀중한 자원으로 활용될 수 있음을 보여준다. 제안된 모델은 조기 진단, 치료 평가, 심혈관 질환에 대한 자동화 알고리즘 개발 등 다양한 응용 분야에서 활용 가능성을 제시한다. 향후 연구에서는 병리학적 특성을 통합하여 모델을 확장하고, 임상적 적용 가능성을 더욱 검증하는 데 중점을 둘 예정이다.

자계용적맥파를 이용한 실시간 혈압 추정 시스템 구현

강승진 건국대학교 일반대학원 2016 국내석사

The necessity of real-time blood pressure estimation system rises especially for preparing sudden occurrence of an accident due to vascular disease or hypertension. However, the existing blood-pressure monitoring devices are mostly using a cuff method intermittently. This blood- pressure monitor is using a prevents the flow of blood, the measurement is difficult more than 5 times a day and the output vary depending on a patient's sitting position and position of a cuff. For the same reason, the false diagnosis often can happen because the result value differ from depending on the location or pressure of a cuff. With other blood pressure measurement, there is an invasive blood-pressure monitoring method to be placed directly inside a blood vessel. but, this method can impose the burden to the patient at each measurement as well as to the risk of bleeding and infection. Therefore, in this paper, complements the above method, to obtain the PWV with the MPG and secondly, Blood pressure estimation system was investigated by the correlation analysis between cuff blood-pressure and PWV. PTT is required to estimate PWV. PTT implies the time difference between the reference point of pulse wave and R peaks of ECG. Using the inductor of the tank circuit of the Colpitts oscillator with the sensor coil so that the magnetic field was generated change with time. Two sets of experiments were conducted for each subject in the protocol of 10 seconds rest, 30 seconds measurement of blood pressure(cuff), 30 seconds rest measured with a double set to determine the linear characteristics of the signal made by using the Valsalva breathing pressure displacement. As a result, the correlation coefficient of obtained in a time difference between the inflection point of MPG and R-peak of ECG and diastolic pressure measured by cuff blood pressure monitor is -0.8045 which denoted a linear relationship strong negative. For systolic blood pressure is -0.5576 which shows a linear relationship weak negative. The correlation coefficient of obtained in a time difference between the inflection point of MPG and R-peak of ECG and diastolic pressure measured by cuff blood pressure monitor is -0.7742 which showed a linear relationship strong negative. For systolic blood pressure is -0.5781 which showed a linear relationship weak negative. Removing the possibility of sudden changes in blood pressure and calculating the mean value of systolic and diastolic blood pressure and comparing with respectively. As a result, the correlation of the mean value of cuff blood pressure and is -0.8040, showed a linear relationship, strong negative. and the correlation of the mean value of cuff blood pressure and is -0.7933, also showed a linear relationship, strong negative. -0.7933. Inflection point of MPG is useful for PWV calculation and systolic BP, diastolic BP and mean BP showed that the correlation coefficient is high in this order. 혈관 질환이나 고혈압 환자 같은 경우에 갑자기 발생하는 사고를 대비하기 위한 실시간 혈압 추정 시스템에 대한 수요가 늘어나고 있다. 하지만 기존 혈압계 제품 들은 간헐적으로 측정하는 커프(cuff)식이 대부분이다. 이러한 커프식 혈압계는 인위적으로 혈액의 흐름을 막기 때문에 하루 5회 이상 측정이 어려우며 커프 압력계의 착용 위치, 사용자의 앉은 자세나 팔의 위치 등에 따라 결과 같이 달라 정상인을 고혈압 환자로 오진하거나, 고혈압 환자를 정상으로 판별하는 등의 의료 사고를 종종 볼 수 있다. 또 수술이 필요한 환자나 심각한 상태의 고혈압 환자 등의 연속적인 관찰이 필요한 환자에게는 혈관 내부에 직접 위치시켜 측정하는 침습적 혈압 감시 방법(invasive blood pressure monitoring method)이 사용되어지고 있는데, 이러한 침습적 방법은 출혈 및 감염에 위험할 뿐 만 아니라 측정 시마다 사용자에게 부담을 줄 수 있다. 따라서 본 논문에서는 위 방법을 보완하여 자계용적맥파(MPG)를 이용해 맥파전달속도(PWV)를 구하고 커프 혈압계와 상관 분석을 통해 MPG 혈압 추정 시스템을 고찰하였다. PWV를 구하기 위해서는 맥파전달시간(PTT)가 필요하다. PTT는 심전도의 R 피크와 맥파의 기준 지점간의 시간차이로 구하기 때문에 심전도와 맥파를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 구현하였다. 콜피츠 발진기의 탱크회로(tank circuit) 내부 인덕터 부분을 코일 센서로 제작하여 시간에 따라 변하는 자기장이 발생되도록 하였다. 코일 센서는 3 cm x 24 cm의 인덕턴스 8.0 uH의 코일이며 13턴으로 고정하였고 발생 주파수는 2.0 MHz이다. 시간에 따라 변하는 자기장이 측정하고자 하는 손가락에 발생되면 혈액에 와전류가 발생되고 와전류에 의한 2차 자기장이 전체 자기선속을 변화시켜 콜피츠 발진 주파수를 변동시킨다. 발생된 주파수는 위상동기루프(PLL)의 주파수 복조 원리로 기준 주파수와 비교를 통해 주파수 변화량을 전압으로 보상한다. PLL의 출력은 동기 보상 원리의 락인앰프(LIA)로 입력된다. LIA는 내부에 입력되는 555타이머의 기준 주파수가 입력된 신호를 스위칭하여 여러 주파수 성분의 잡음에서 MPG 신호를 분리 시킨다. 또 끝 단에 위치한 증폭기로 분리 시킨 신호를 10배에서 10000배 증폭시켜 MPG 신호를 출력한다. 심전도(ECG) 시스템은 AD8232('TI)를 사용했으며 아인트호벤 3전극법을 사용해 LeadII를 측정하였다. 제작한 시스템을 사용해 MPG의 변곡점과 피크점을 기준으로 , 를 구해 PWV를 각각 구하였다. 실험은 피험자 한명 당 두 세트로 진행하였다. 10초 휴식, 30초 커프 혈압계, 30초 휴식을 1세트로 두 번 측정하며 신호의 선형적인 특성을 확인하기 위해 발살바 호흡법을 사용하여 혈압 변위를 만들었다. 그 결과 MPG의 변곡점과 ECG 피크 간 시간으로 구한 와 커프 혈압계로 측정한 이완기 혈압과의 상관계수는 -0.8045의 강한 음의 선형 관계를 보였고, 수축기 혈압과는 -0.5576으로 약한 음의 선형 관계를 보였다. MPG의 피크점과 ECG 피크 간 시간으로 구한 와 커프 혈압계로 측정한 이완기 혈압과의 상관계수는 -0.7742로 와 이완기 혈압 간 상관계수 보다 적지만 -0.7이상의 강한 음의 선형 관계를 볼 수 있었고 수축기 혈압과 비교 했을 때 상관계수 -0.5781로 약한 음의 선형 관계를 보였다. 갑자기 변할 수 있는 혈압의 가능성을 제거하고 수축기와 이완기 혈압의 평균(Mean)값을 구하여 와 각각 비교하였다. 결과 커프 평균 혈압과 와 평균혈압의 상관계수는 -0.8040으로 강한 음의 선형 관계를 보였고 와 평균혈압의 상관계수는 -0.7933으로 또한 강한 음의 선형관계를 보였다. PWV 계산을 위해 MPG 기준점으로 변곡점이 유용하며 수축기 혈압, 이완기 혈압, 평균 혈압 순으로 상관계수가 높은 것을 확인하였다.

혈류역학적 특성을 이용한 혈류 시뮬레이터 구현에 관한 연구

김경남 건국대학교 글로컬캠퍼스 2016 국내석사

In this study, the physical characteristic of blood flow is proposed in terms of physical movement of a heart. With this aim to a bloodflow simulator is implemented to measure flow and magnetic plethysmography(MPG) module is applied to estimate the flow movement. MPG measures a inductance difference caused by time-varying magnetic field and it compare with photo-plethysmography. experiments about hemodynamic reliance between measurement signal of the MPG is sought as the velocity of fluid, waveform cycle and volume change. Bloodflow simulator is implemented for the purpose of controlling flow based on Arterial blood pressure(APV) wave. Simultaneously MPG measurement module measures PPG, MPG, Electrocardiography(ECG) and flowsensor signal. On drinking-water and saline solution MPG, PPG measurement reveal the relationship between MPG signals of drinking water and saline solution have differences and the correlation coefficient decreases relative to PPG signal. In MPG signal tests of change waveform cycle results, the intensity of MPG signal at 30 bpm power spectrum is smaller than 60 bpm MPG signal. However, between MPG signal at 80 bpm and 100 bpm is relatively small the difference. Concerning the result of MPG volume control test, volume supression test result shows the improved signal quality when waveform cycles increase, but signal quality of diastolic peak period and signal amplitude is not improved. In contrast, volume non-supression test result signals show that the increased signal quality and decreased signal amplitude when waveform cycles increased. Finally, if the quantitative criteria provided by the correlation study of the hemoydnamic characteristics of bloodflow simulator and physical properties of the MPG, it is expected to be used in a new system for planting the prevention and treatment of cardiovascular disease. 근래 대한민국의 사망원인 1위는 악성신생물(암)으로 조사되었으며, 2013년까지만 해도 뇌혈관 질환에 의한 사망이 2위를 차지하고 있었으나 2014년 기준으로 심장 질환에 의한 사망률은 뇌혈관 질환에 의한 사망률을 제치고 2위가 되었다. 이와 같은 심장 질환에 의한 사망률 증가는 심장 질환의 예방 및 치료에 대한 소요를 증가시키게 되며, 따라서 심장의 움직임에 대한 다양한 측정방법 연구의 중요성이 증대되고 있다. 따라서 심장의 물리적 운동 요소 중 혈류의 물리적 특정에 기반한 측정방법 연구를 진행하게 되었다. 본 연구에서는 혈류역학적 특성을 이용한 혈류 시뮬레이터를 구현하였으며, 자계용적맥파 측정 모듈을 이용하여 유체의 움직임을 측정하였다. 자계용적맥파는 시변 자기장의 변화에 의해 발생하는 인덕턴스 변화를 측정하며, 따라서 기존에 생체 신호 측정에 사용되고 있는 광용적맥파와의 비교 실험을 진행하였다. 또한 자계용적맥파의 측정 신호와 유체의 속도, 파형주기, 용적 변화에 따른 혈류역학적 상관관계에 대한 실험을 진행하였다. 혈류 시뮬레이터는 동맥혈압파형을 기반으로 유체의 흐름을 제어하도록 설계하였으며 여러 종류의 유체와 파형 형태에 대한 실험을 진행하였다. 신호 측정을 위한 장비로는 자계용적맥파 측정 모듈을 이용하였으며, 해당 모듈은 광용적맥파, 자계용적맥파, 심전도 신호 그리고 유체 속도 센서 신호를 동시에 측정 할 수 있다. 음용수와 식염수 비교 실험 결과 광용적맥파 측정 신호간의 실험결과에 비해 상대적으로 자계용적맥파 측정 신호간의 파워 스펙트럼 그래프의 차이가 발생하였으며 자계용적맥파의 PPG 측정 신호와 MPG 측정 신호간의 상관계수가 감소함을 알 수 있었다. 파형주기 변화에 따른 자계용적맥파 실험 결과 60 bpm에서 측정된 신호의 파워 스펙트럼이 30 bpm에서의 파워 스펙트럼보다 더 작은 것을 확인하였다. 이에 비하여 80 bpm, 100 bpm에서 측정된 파형은 거의 차이가 발생하지 않았다. 용적 제어 실험 결과 파형주기가 증가 할수록 용적제어 자계용적맥파 신호의 품질이 상승하였으나 이완기 구간의 신호 품질은 거의 증가하지 않으며 진폭 또한 거의 변하지 않음을 확인하였다. 이에 반해 용적비제어 자계용적맥파 파형은 파형주기가 증가함에 따라 진폭이 감소하였으며 용적제어 파형에 비해 신호의 품질이 상대적으로 양호한 것을 확인하였다. 따라서 본 연구에 따라 혈류 시뮬레이터의 혈류역학적 특성과 자계용적맥파의 물리적 특성에 대한 상관관계 연구를 통해 정량적 기준을 마련한다면 심혈관 질환 예방 및 치료를 위한 새로운 시스템 개척에 활용될 것으로 기대된다.

탄산염암 산처리 공법을 위한 유화산 제조 및 반응 역학에 관한 실험적 연구

송차영 전남대학교 2022 국내석사

탄산염암 저류층의 투과도를 개선하고 생산성을 증진하기 위해 암체 산처리 공법(matrix acidizing)을 수행하며, 이때 염산(HCl)이 주로 사용된다. 하지만 염산의 강한 반응성 때문에 낮은 주입률에서는 표면 용해(face dissolution) 현상이 일어나고, 고온에서는 생산설비에 대한 높은 부식성 때문에 고가의 부식방지제를 대량으로 사용해야 하는 문제가 있다. 이러한 문제를 개선하기 위해 유화산(emulsified acid)을 사용하며, 유화산은 산과 암석의 반응을 지연시킬 뿐만 아니라 생산설비의 부식을 방지하기도 한다(Al-Mutairi et al., 2009). 본 연구에서는 하이브리드 형태의 새로운 유화산을 개발하고 이를 이용하여 석회암(limestone), 백운암(dolomite), 백악암(chalk) 시료를 대상으로 회전식 디스크(rotating disk apparatus, RDA) 실험을 수행한 후 투과도가 낮거나 불균질한 탄산염암에서 각 암석 시료에 따른 용해도(dissolution rate)와 확산계수(diffusion coefficient)를 도출하여 염산과 유화산의 산-암석 반응 특성을 분석하였다. 유화산 제조를 위해 양이온성 유화제 CTAB (cetyltrimethyl ammonium bromide)과 비이온성 유화제 SPAN 80 (sorbitan monooleate)을 친수성-친유성 균형(hydrophile-lipophile balance, HLB) 기준으로 두 유화제를 혼합하여 사용하였고, 액적 시험(droplet test)과 상분리 시험(separation test)을 통해 W/O (water-in-oil) 유화산의 안정성을 확인하였다. 산-암석 반응 실험을 위해 탄산염암 시료의 기초 물성 측정 결과, 공극률은 14% ~ 27% 사이의 일반적인 값으로 나타났으나 투과도는 2 ~ 6 md 사이로 낮게 측정되었다. XRF (X-ray fluorescence) 분석 결과, 탄산염암 시료에 SiO2 등의 불순물이 함유되어 기존에 알려진 물성과 상이함을 보여 불규칙적인 결과가 예상되었다. RDA 실험은 상온과 고온(90℃)에서 수행되었으며, 일정 시간 간격으로 반응액을 샘플링하고 시간 경과에 따른 이온 함량 그래프와 용해도를 산출하였다. 용해도와 유화산 유체의 특성 및 디스크의 회전 속도를 활용하여 확산 계수를 도출하였다. 유화산 제조 결과, 양이온성 유화제와 비이온성 유화제를 단독으로 사용하는 것 보다 두 유화제를 혼합하여 사용하였을 때 안정성 측면에서 우수하다. 산-암석 반응 실험 결과, 세 암종 모두 동일한 디스크 회전 속도에서 유화산을 사용한 경우보다 염산을 사용하였을 때 코어 시료의 무게 손실이 1.17 ~ 4.36배 높게 일어났다. 특히, 유화산의 경우 디스크 회전속도가 빨라질수록 용해도 증가 경향이 가팔라지는 현상이 나타났으며, 동일한 디스크 회전속도와 온도 조건에서 석회암-백운암-백악암 순으로 용해도가 산출되었다. 이는 디스크의 회전속도가 산과 탄산염암의 반응성에 영향을 크게 미치는 인자이며, 석회암-백운암-백악암 순으로 유화산과 반응성이 높다는 것을 의미한다. 확산계수 산출 결과, 유화산은 염산에 비해 석회암은 약 3,410배, 백운암은 약 50,600배, 백악암은 약 16,200배 낮게 나타났다. 이를 통해 개발한 유화산이 투과도가 낮고 조성이 불균질한 탄산염암에서 염산의 강한 반응성을 지연시키는 데 효과적임을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 탄산염암 저류층에서 유화산 산처리공법 수행을 위해 안정성을 확보한 유화산을 성공적으로 제조하였으며, 산-암석 반응 분석 실험 결과 제조한 유화산의 반응지연효과를 확인하였다. 본 연구에서 제시한 유화산 제조법 및 개발한 유화산은 향후 탄산염암 저류층 현장에서 유화산 제조 가이드라인을 제공할 수 있을 것으로 기대된다. Matrix acidizing treatments to enhance the permeability and productivity of carbonate reservoirs are used, mainly hydrochloric acid (HCl). However, due to the strong reactivity of hydrochloric acid, face dissolution occurs at low injection rates, and at high temperatures high corrosion resistance to production facilities requires the use of expensive corrosion inhibitors. Emulsified acids are used to improve this problem, which not only slow the reaction of acids and rocks, but also prevent corrosion of production facilities (Al-Mutairi et al., 2009). In this study, a new emulsified acid in hybrid form was developed, and the dissolution rate and diffusion coefficient of each rock sample were derived from low permeability or heterogeneous carbonate rock after rotating disk (RDA) experiment. The cationic emulsifier CTAB (cyltrimethylammonium bromide) and the nonionic emulsifier SPAN 80 (sorbitan monoleate) were mixed with hydrophilic-lipophilic balance (HLB) for preparation of emulsified acids. Then, stability of W/O (water-in-oil) emulsions was confirmed through a droplet test and a separation test. For acid-rock reaction experiments, the basic properties of carbonate rock samples showed that the porosity was between 14% ~ 27%, but the permeability was between 2 ~ 6 md. X-ray fluoresce (XRF) results showed that carbonate rock samples contained impurities such as SiO2, which were different from existing physical properties, and irregular results were expected. The RDA experiment was carried out at room temperature and high temperature (90℃). The reaction solution was sampled at regular intervals, and the ion content chart and dissolution rate were calculated over time. Diffusion coefficient is derived by utilizing the dissolution rate, emulsified acid characteristics and disk rotation speed. As a result of the preparation of emulsified acids, it is more stable to mix the two emulsifiers than to use cationic emulsifiers and nonionic emulsifiers alone. The results of acid-rock reaction showed that the weight loss of core samples was 1.17 ~ 4.36 times higher than that of emulsified acids at the same disk rotation speed. Especially in the case of emulsified acid, the faster the disk rotation speed, the stronger the dissolution rate tendency, and the dissolution rate was calculated in order of limestone–dolomite- chalk under the same disk rotation speed and temperature conditions. This is a factor that affects the reactivity of acid and carbonate rocks, and is judged to be highly reactive with emulsified acids in the order of limestone–dolomite-chalk. As a result of calculation of diffusion coefficient, emulsified acid was 3,410 times lower in limestone, 50,600 times lower in dolomite and 16,200 times lower in chalk than in hydrochloric acid. Therefore, it is confirmed that emulsified acids developed in this study are effective in delaying the strong reactivity of hydrochloric acid in carbonate rocks with low permeability and heterogeneous composition. In this study, emulsified acid was successfully prepared for matrix acidizing in carbonate reservoir. According to acid-rock reaction experiments, the developed emulsified acid is effective in delaying the quick reactivity of hydrochloric acid. The emulsified acid manufacturing method and the emulsified acid developed in this study are expected to provide guidelines for matrix acidizing using emulsified acid in carbonate reservoirs.

심장 전기 활동 계측용 정전용량성 결합 전극 및 측정 시스템 개발

이재호 건국대학교 대학원 2014 국내석사

기관사의 각성상태 평가를 위한 소형 피부전기활성도 측정 시스템 개발 및 유의성 검증

임민규 건국대학교 대학원 2014 국내석사

고구마 표피썩음병 방제 최적 음역대 선발

강예은 전북대학교 일반대학원 2020 국내석사

The optimal sound frequency for the inhibition of Fusarium surface rot in sweet potato (Ipomoea batatas [L.] Lam.) was selected in this study. The spores of Fusarium commune causing Fusarium surface rot was exposed from 100Hz to 15kHz to determined the effect of frequency-specific sound waves on germination and growth of F. commune. Of the frequencies tested in F. commune, 2.4 kHz sound wave significantly inhibited spore germination and fungal growth. Furthermore, the disease rate was also most effective at 2.4 kHz, when the specific sound wave frequencies are treated on sweet potato and detached Arabidopsis thaliana leaves with inoculated fungus. I analyzed the gene expression of F. commune on the PDA media and infected Arabidopsis leaves after sound wave treatment. While the expression of germination and pathogenicity related genes of F. commune were decreased compared to the untreated group, the hormone-mediated defense genes in Arabidopsis were increased in the sound wave treated leaves. These results suggest that 2.4 kHz sound wave treatment could be used to reduce the occurrence of Fusarium surface rot on sweet potato by regulation of the expression levels fungus germination- and pathogenicity-related genes, and plant defense-related genes. In order to investigate the effects of sound wave on the resistance of A. thaliana against F. commune, I next screened fungus disease resistant Arabidopsis T-DNA mutant lines under sound wave treatment(100 and 250Hz). From this approach, I identified T-DNA insertion sites of these mutant lines by T-DNA flanking sequencing and DNA genotyping analyses, and further confirmed four fungus disease resistant-related genes. Taken together, these results suggest that sound wave treatment could represent an environmentally-friendly alternative to chemical fungicides and further expand our knowledge regarding the effective management of noxious fungal pathogens by a non-chemical approach such as sound wave. 본 연구는 수확 후 저장 중인 고구마에서 주로 발생하는 표피썩음병(Fusarium surface rot) 방제를 위한 최적의 음역대를 선발하기 위해 수행되었다. 이를 위하여 표피썩음병의 원인균인 Fusarium commune 의 포자와 균총에 다양한 음역대의 음파를(100Hz-15kHz) 처리하여 F. commune 에 대한 포자발아 및 균총생장에 대한 효과를 확인하고자 하였고 그 결과, 2.4kHz 처리구에서 포자발아와 균총생장이 현저히 억제되었으며 고구마와 애기장대에 균을 접종하여 음파처리 시에도 동일하게 2.4kHz 처리구에서 병이 가장 억제되는 것을 확인하였다. 음파처리가 균과 애기장대 유래 유전자들의 발현에 미치는 영향을 분석한 결과, 무처리에 비해 음파처리구에서 F. commune 의 포자발아 및 균총 생장 유전자와 병원성 관련 유전자는 감소하는 경향을 보였고 애기장대의 호르몬 의존적 방어 관련 유전자의 발현은 증가하는 경향을 보였다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때, 2.4kHz 음파처리가 병원균의 발아 및 병원성 관련 유전자와 기주식물 유래 방어 유전자들의 발현을 인위적으로 조절하여 표피썩음병을 억제시키는 것으로 추정되었다. 다음으로 F. commune 에 대한 애기장대의 저항성을 증가시키는 음파(100Hz, 250Hz)의 영향을 조사하기 위하여 애기장대 T-DNA 돌연변이체를 이용해 음파처리 시 병원균에 대한 저항성·감수성 라인을 선발하였다. 선발된 라인의 T-DNA 삽입위치를 확인하기 위하여 T-DNA flanking sequencing과 genotyping 분석을 하였고 음파에 의해 조절되는 4개의 병 저항성 관련 유전자를 확인하였다. 본 연구의 결과는 고구마에서 표피썩음병을 방제하기 위한 친환경적이고 지속가능한 방제방법으로서 음파가 활용가능하다는 것을 제시하고 있으며 작물병저항성 유전자들의 발현을 인위적으로 조절하는 기작을 구명함으로써 기존 화학농약 사용에 의해 야기되는 문제점을 해결하는데 기여할 수 있을 것이다.

다양한 새싹 보리 품종의 사포나린 생합성 유전자의 RNA 발현 및 DNA 다형성 분석

이한결 전북대학교 일반대학원 2020 국내석사

Flavonoids found in many plant species are known as secondary metabolites with important biological and pharmacological functions. Especially, saponarin, one of the flavonoids found in barley (Hordeum vulgare L.), accumulates at a high level in young leaves. Among the various barley varieties, the Keunal, which contains high levels of saponarin, is being considered for a patent, supporting technology transfer at the National Institute of Crop Science. Therefore, in this study, we analyzed the RNA expression levels of known saponarin biosynthesis pathway genes [chalcone synthase (CHS), chalcone isomerase (CHI), and UDP-Glc:isovitexin 7-O-glucosyltransferase (OGT)] and saponarin contents during the early developmental stages of Keunal. In addition, RNA expression levels of three saponarin biosynthesis genes during the developmental stage in various barley varieties were analyzed, and DNA polymorphism of the HvCHS1 gene was confirmed. Firstly, I searched NCBI and JGI databases using the nucleotide sequences of the known saponarin biosynthesis genes (HvCHS, HvCHI, and HvOGT) in barley. I found three HvCHSs (HORVU2Hr1G116390.2, HORVU2Hr1G004170.4, and HORV-U2Hr1G005220.3), one HvCHI (HORVU5Hr1G112670.5), and two HvOGTs (HORVU7Hr1G031800.2 and HORVU3Hr-1G110110.2) in the barley genome, and based on the sequences observed, we designed the primers for reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) and real time-quantitative PCR (RT-qPCR) analyses. In Keunal, RNA expression was observed only for HvCHS1, HvCHI, and HvOGT1, and hence, RNA expression levels of these genes were primarily investigated in subsequent analyses. In Keunal, RNA expression of HvCHS1 and HvOGT1 was highest on day 3, and that of HvCHI was highest on day 1, while the saponarin content showed the greatest accumulation between day 3 and 6. Various abiotic stress treatments (light/dark transfer, drought, and low and high temperatures) significantly affected RNA expression levels of HvCHS1 and HvCHI, however, there was no significant difference in the RNA expression of HvOGT1 and the saponarin content under same conditions. Furthermore, the levels of RNA expression of HvCHS1 and HvCHI were observed only in the stem, while that of HvOGT1 was similar in both root and stem. Secondly, I investigated RNA expression levels of three saponarin biosynthesis genes in a variety of barley seedlings. According to their expression patterns, I classified three groups as follows: In group 1 (Keunal, Nuri, and Saessal), RNA expression decreased gradually, while in group 2 (Heugdahyang and Huinchal), RNA expression exhibited a sharp decrease, following the high initial expression. In group 3 (18CPB4, 10, 11), the decrease in RNA expression after the observed high expression was lower than in other varieties. Lastly, I examined the DNA polymorphism of HvCHS1 genes in a variety of barley. As a result, no significant DNA and protein polymorphisms were observed in the HvCHS1 nucleotide and deduced amino acid sequences of eight barley varieties. Taken together, this study provides a molecular basis for metabolic engineering research that can increase the saponarin content in sprouting barley. However, saponarin biosynthesis genes still need to be discovered, and also biochemical studies such as their enzyme activities are required.

애기장대의 MADS-box 단백질과 PRC1 단백질간의 상호작용 분석

윤아미 전북대학교 일반대학원 2020 국내석사

식물의 생장 및 발달 과정 중에서 성공적인 생식은 식물이 후세를 잇기 위한 중요한 과정이다. 이러한 생식 과정은 외부의 다양한 환경 요인들과 내부의 발달 프로그램에 의해 조절된다고 알려져 있다. 특히, 하루 또는 계절적인 온도의 변화는 식물의 생식에 중요한 역할을 미치는 외부 환경 요인 중 하나이다. 모델 식물인 애기장대의 다양한 돌연변이체 및 생태형에 대한 분자 유전학적 연구를 통하여 주변온도 경로 (ambient temperature pathway)가 하나의 식물 개화시기 경로로 확립이 되었다. 특히, 이 개화시기 경로에서 MADS-box 전사조절인자를 암호화하는 MADS-box 관련 유전자인 SHORT VEGETATIVE PHASE (SVP), FLOWERING LOCUS C (FLC) 및 FLOWERING LOCUS M/MADS AFFECTING FLOWERING1 (FLM/MAF1)가 중요한 역할을 하는 것으로 알려져 있다. 그리고, 후성유전학 조절 (epigenetic regulation)에 관여하는 다양한 조절인자들도 식물의 개화시기를 조절하는 것으로 알려져 있다. 대표적으로 PRC1 complex 중 하나인 Like Heterochromatin Protein 1/Terminal Flower 2 (LHP1/TFL2) 유전자가 FLOWERING LOCUS T (FT) 유전자를 비롯한 여러 개화시기 유전자들의 발현을 억제한다. 최근의 보고에 따르면 SVP 단백질과 LHP1/TFL2 단백질의 상호작용에 의해 식물의 꽃 발달이 조절된다고 알려져 있다. 이러한 결과는 대기온도 감지경로에서 후성유전학 조절 기작이 관여할 가능성을 제시한다. 따라서, 본 연구에서는 식물 발달 과정의 주요 조절자로 작용하는 PRC1 관련 단백질 (LHP1/TFL2, AtRING1A/B, AtBMI1A/B/C)과 온도 반응 개화시기 조절에 있어 중요한 역할을 하는 MADS-box 단백질 (SVP, FLM, FLC)간의 분자 생물학적, 유전학적 및 생화학적 상호작용 기작을 밝히고자 하였다. 첫번째로 16℃와 23℃에서 생장한 야생형 (Col-0) 애기장대와 여러 PRC1 관련 유전자 돌연변이체 및 MADS-box 유전자 돌연변이체에서 각각의 유전자들의 RNA 발현 양상을 분석하였다. PRC1 관련 유전자들의 발현은 야생형 (Col-0) 애기장대에서 온도에 의해 영향을 받았지만, 각 온도별 서로 다른 발달 시기에 의해서는 영향을 받지 않았다. MADS-box 관련 돌연변이체에서는 PRC1 관련 유전자 중 일부 (AtBMI1A, AtBMI1B, AtBMI1C)의 발현 양상이 변하였다. 따라서, 일부 PRC1 관련 유전자는 대기온도 감지 경로의 MADS-box 유전자들 (SVP, FLM, FLC)에 의해 전사 수준에서 조절될 가능성을 보여준다. 두번째로, 여러 PRC1 관련 단백질과 MADS-box 단백질간의 상호작용 분석을 위해 yeast two-hybrid assay를 수행하였다. 그 결과, SVP-AtBMI1A, FLMβ-AtBMI1A/B, FLMβ-AtJMJ14, FLC-AtBMI1A의 단백질-단백질 상호작용을 확인할 수 있었다. 이 결합을 in vitro pull down assay로 확인하기 위하여 대장균에서 Histidine (His) 및 Glutathione S-transferase (GST) tag을 가진 단백질들을 발현시켰다. 그 결과, LHP1/TFL2, AtBMI1B/C, AtRING1A/B는 단백질 발현이 약하거나 확인되지 않았으며, 일부 단백질은 western blotting assay에서도 예측되는 크기에서 발현되지 않았다. 그러나, AtBMI1A-His와 positive control로 사용하기 위한 FLMβ-His 단백질은 발현이 강하고 western blotting assay에서도 강한 강도의 band를 확인하였다. 따라서, 향후 연구에서 더 다양한 조건에서 단백질 발현 여부를 조사할 계획이다. 마지막으로 PRC1 관련 유전자와 MADS-box 유전자간의 유전학적 분석을 위해 svp-32, flm-3, flc-3 단일 돌연변이체와 lhp1-6/tfl2 단일 돌연변이체를 교배한 후에 각각의 단일 돌연변이체 및 이중 돌연변이체의 개화시기 표현형 분석을 위해 23℃와 16℃ 배양실에서 배양 중에 있다. 본 연구를 통해 대기온도 감지경로에서 중요한 전사조절인자로 작용하는 MADS-box 단백질이 온도 반응 개화시기를 조절하기 위해서 후성유전학 조절을 하는 PRC1 관련 단백질을 recruit할 갈 가능성을 제안하며, 후속 연구를 통해 이러한 가설을 입증할 필요가 있음을 제시 한다.