생체임피던스(Bioimpedance)는 생체조직에서 나타나는 전기적 물성으로, 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타낸다. 이러한 전기 물성과 전류 흐름을 생체임피던스 스펙트럼 분석기술(Bioimpedance Spectroscopy; BIS)을 사용하여 계측하면 조직의 생리적, 병리적 상태에 따른 성분 또는 조직 내 세포와 막으로 이루어진 구조 등의 정보를 예측할 수 있다. 많은 연구들에 의해 생체조직에 대한 전기적 물성 정보에 대한 연구가 진행되어, 이를 이용한 진단 및 ...
생체임피던스(Bioimpedance)는 생체조직에서 나타나는 전기적 물성으로, 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타낸다. 이러한 전기 물성과 전류 흐름을 생체임피던스 스펙트럼 분석기술(Bioimpedance Spectroscopy; BIS)을 사용하여 계측하면 조직의 생리적, 병리적 상태에 따른 성분 또는 조직 내 세포와 막으로 이루어진 구조 등의 정보를 예측할 수 있다. 많은 연구들에 의해 생체조직에 대한 전기적 물성 정보에 대한 연구가 진행되어, 이를 이용한 진단 및 분석 도구로 활용되고 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 기술 또한 측정에서 오차를 유발할 수 있는 다양한 요인을 내포하고 있다. 2 개의 전극을 이용한 측정방법은 측정값 내 전극과 측정대상 사이의 접촉 임피던스를 포함하기 때문에 생체조직의 전기적 물성을 정확하게 측정하기 어렵다. 반면에 이러한 접촉 임피던스의 영향을 제외하기 위해 4개의 전극을 이용한 4 전극법이 많이 사용되고 있으나, 측정 방식에서 유도된 Negative sensitivity 영역을 반드시 포함할 수밖에 없기 때문에 측정 오차가 발생한다. 또한, 측정 전류는 측정하고자 하는 영역 이외의 생체조직 내 전체 영역으로 흐르기 때문에 관심 영역 이외의 주변 조직의 전기 물성에 의해 큰 영향을 받게 된다. 이러한 측정 오차는 측정의 민감도를 감소시킨다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 민감도를 개선하기 위해 이전 연구에서 제안한 생체임피던스 스펙트럼 분석 텐서프로브 및 국소영역 전기에너지 집중화 알고리즘을 적용할 수 있는 다채널 배열전극 프로브를 이용한 생체임피던스 스펙트럼 분석기를 개발하였다. 그리고 EIDORS (Electrical Impedance and Diffuse Optical Tomography Reconstruction Software) 프로그램을 활용한 수치 시뮬레이션을 통해 측정 알고리즘에 대해 검증을 하였다. 개발된 다채널 배열전극 프로브와 생체임피던스 스펙트럼 분석기를 사용한 팬텀 실험의 결과로부터 다채널 배열전극 프로브의 국소 영역 전기물성 변화를 주파수 스펙트럼 정보와 함께 더욱 정밀하게 측정이 가능함을 확인하였다. 또한, 여러 직경의 다채널 배열전극 프로브는 깊이에 따른 전류밀도 변화를 통해 생체조직의 깊이있는 정보를 포함한 전기 물성 정보를 검출할 수 있다. 이는 생체조직의 다양한 병리학적 상태를 검사하는 새로운 조직검사 진단기기로 활용할 수 있다. 또한, 생명공학 분야에서 세포배양 및 조직 생성과정에서 조직의 기능적 상태와 형태적 변화를 비침습적이면서 연속적인 방법으로 모니터링하여, 세포배양 및 조직 생성의 효율성 및 균일성을 향상시켜 조직 생성 및 세포 배양 기반의 생명공학 분야에 활용 가능할 것으로 기대 된다.
생체임피던스(Bioimpedance)는 생체조직에서 나타나는 전기적 물성으로, 전류의 흐름을 방해하는 정도를 나타낸다. 이러한 전기 물성과 전류 흐름을 생체임피던스 스펙트럼 분석기술(Bioimpedance Spectroscopy; BIS)을 사용하여 계측하면 조직의 생리적, 병리적 상태에 따른 성분 또는 조직 내 세포와 막으로 이루어진 구조 등의 정보를 예측할 수 있다. 많은 연구들에 의해 생체조직에 대한 전기적 물성 정보에 대한 연구가 진행되어, 이를 이용한 진단 및 분석 도구로 활용되고 있다. 그럼에도 불구하고 이러한 기술 또한 측정에서 오차를 유발할 수 있는 다양한 요인을 내포하고 있다. 2 개의 전극을 이용한 측정방법은 측정값 내 전극과 측정대상 사이의 접촉 임피던스를 포함하기 때문에 생체조직의 전기적 물성을 정확하게 측정하기 어렵다. 반면에 이러한 접촉 임피던스의 영향을 제외하기 위해 4개의 전극을 이용한 4 전극법이 많이 사용되고 있으나, 측정 방식에서 유도된 Negative sensitivity 영역을 반드시 포함할 수밖에 없기 때문에 측정 오차가 발생한다. 또한, 측정 전류는 측정하고자 하는 영역 이외의 생체조직 내 전체 영역으로 흐르기 때문에 관심 영역 이외의 주변 조직의 전기 물성에 의해 큰 영향을 받게 된다. 이러한 측정 오차는 측정의 민감도를 감소시킨다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 민감도를 개선하기 위해 이전 연구에서 제안한 생체임피던스 스펙트럼 분석 텐서 프로브 및 국소영역 전기에너지 집중화 알고리즘을 적용할 수 있는 다채널 배열전극 프로브를 이용한 생체임피던스 스펙트럼 분석기를 개발하였다. 그리고 EIDORS (Electrical Impedance and Diffuse Optical Tomography Reconstruction Software) 프로그램을 활용한 수치 시뮬레이션을 통해 측정 알고리즘에 대해 검증을 하였다. 개발된 다채널 배열전극 프로브와 생체임피던스 스펙트럼 분석기를 사용한 팬텀 실험의 결과로부터 다채널 배열전극 프로브의 국소 영역 전기물성 변화를 주파수 스펙트럼 정보와 함께 더욱 정밀하게 측정이 가능함을 확인하였다. 또한, 여러 직경의 다채널 배열전극 프로브는 깊이에 따른 전류밀도 변화를 통해 생체조직의 깊이있는 정보를 포함한 전기 물성 정보를 검출할 수 있다. 이는 생체조직의 다양한 병리학적 상태를 검사하는 새로운 조직검사 진단기기로 활용할 수 있다. 또한, 생명공학 분야에서 세포배양 및 조직 생성과정에서 조직의 기능적 상태와 형태적 변화를 비침습적이면서 연속적인 방법으로 모니터링하여, 세포배양 및 조직 생성의 효율성 및 균일성을 향상시켜 조직 생성 및 세포 배양 기반의 생명공학 분야에 활용 가능할 것으로 기대 된다.
Impedance spectrum analysis method for biological tissue is simple to measure and apply for various fields. Electrical conductivity can represent physiological and pathological condition of the examined biological tissue because it is highly affected by cell structure and compositions in the extra- ...
Impedance spectrum analysis method for biological tissue is simple to measure and apply for various fields. Electrical conductivity can represent physiological and pathological condition of the examined biological tissue because it is highly affected by cell structure and compositions in the extra- and intra-cellular space. Many researches have been studied on the electrical properties of living tissues and this information has been used as a diagnostic and analysis tool. However, these techniques have various measurement errors. The measurement method using two electrodes has the measurement error due to the contact impedance between the electrode and the biological tissue. The conventional four-electrode measurement method has the limitation of negative sensitivity caused by the measuring electrodes even though this method can eliminate the influence of contact impedance. Since sensing current can flow the entire body outer than region of interest in both cases, the measurement can be influenced by the electrical properties of surrounding tissues other than the region of interest. For this reason, it is difficult to accurately measure the electrical properties of the biological tissue and increase the sensitivity of the measurement. Therefore, in this paper, we developed the bioimpedance spectroscopy using the multi-electrode probe that can apply the bioimpedance tensor probe and the local region electriccal energy concentration algorithm proposed in the previous study to improve the sensitivity. The measurement algorithm was verified by numerical simulation using electrical impedance and diffuse optical tomography reconstruction software(EIDORS) program. From the results of the phantom experiments using the developed multi-electrode probe and the bioimpedance spectroscopy, it has been verified that changes of the local electrical properties measured by the multi-electrode probes was more accurate for frequency spectrum. Also, probes of various diameters can detect electrical property with different depth information. It can be used as a new virture biopsy tool for diagnosis of various pathological conditions in the biological tissue. Also, non-invasive and continuous monitoring of functional state and morphological changes of tissues in the cell in-vitro culture and tissue production process in the field of biotechnology improves the efficiency and uniformity of cell culture and tissue production in the field of biotechnology.
Impedance spectrum analysis method for biological tissue is simple to measure and apply for various fields. Electrical conductivity can represent physiological and pathological condition of the examined biological tissue because it is highly affected by cell structure and compositions in the extra- and intra-cellular space. Many researches have been studied on the electrical properties of living tissues and this information has been used as a diagnostic and analysis tool. However, these techniques have various measurement errors. The measurement method using two electrodes has the measurement error due to the contact impedance between the electrode and the biological tissue. The conventional four-electrode measurement method has the limitation of negative sensitivity caused by the measuring electrodes even though this method can eliminate the influence of contact impedance. Since sensing current can flow the entire body outer than region of interest in both cases, the measurement can be influenced by the electrical properties of surrounding tissues other than the region of interest. For this reason, it is difficult to accurately measure the electrical properties of the biological tissue and increase the sensitivity of the measurement. Therefore, in this paper, we developed the bioimpedance spectroscopy using the multi-electrode probe that can apply the bioimpedance tensor probe and the local region electriccal energy concentration algorithm proposed in the previous study to improve the sensitivity. The measurement algorithm was verified by numerical simulation using electrical impedance and diffuse optical tomography reconstruction software(EIDORS) program. From the results of the phantom experiments using the developed multi-electrode probe and the bioimpedance spectroscopy, it has been verified that changes of the local electrical properties measured by the multi-electrode probes was more accurate for frequency spectrum. Also, probes of various diameters can detect electrical property with different depth information. It can be used as a new virture biopsy tool for diagnosis of various pathological conditions in the biological tissue. Also, non-invasive and continuous monitoring of functional state and morphological changes of tissues in the cell in-vitro culture and tissue production process in the field of biotechnology improves the efficiency and uniformity of cell culture and tissue production in the field of biotechnology.
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