초음파 센싱 방식을 이용한 이동형 호흡량 측정 진단기의 설계 및 구현 Design and Implementation of Mobile ]Respiration Detection Diagnostic System using Ultrasound Sensing Method fficient Multicasting Environment원문보기
폐 기능 검사는 임상에서 환자의 진단 및 치료 판단에 널리 이용되고 있을 뿐 아니라 폐의 연구, 특히 폐의 생리학 및 폐질환의 역학 연구에 일찍부터 사용되어 왔다. 여러 가지 폐 기능 검사 중 가장 쉽고 경제적으로 시행할 수 있는 기본적인 검사법으로 폐활량 검사법(Spirometer)이 있다. 폐활량 검사기는 호흡 기체의 용적 유량의 순간적인 변화량을 측정하는 의학 기기이다. 과거에는 기계식 폐활량기가 주로 사용되었으며, 현재까지도 많이 사용되는 방법은 유체 흐름의 "양" 변화를 유체의 압력 변화로 전환시키는 차압식 방식이다. 그러나 이러한 형태는 압력 손실과 유지 보수가 힘들고, 특성 검사 주기가 짧은 단점을 가지고 있다. 본 논문에서 구현하고자 하는 것은 관성의 오차 및 압력의 오차에 영향을 거의 받지 않는, 그리고 반영구적으로 사용이 가능한 초음파 센싱 방식을 이용한 임베디드 환경의 호흡 량 측정기의 개발을 최종 목표로 하여, 호흡 기체 특성에 적합한 센서, 신호 측정 구현 회로를 포함한 유량 측정 단말부 개발과 측정신호를 이용한 호흡 측정 알고리즘과 진단 알고리즘 구현에 중점을 두었다.
폐 기능 검사는 임상에서 환자의 진단 및 치료 판단에 널리 이용되고 있을 뿐 아니라 폐의 연구, 특히 폐의 생리학 및 폐질환의 역학 연구에 일찍부터 사용되어 왔다. 여러 가지 폐 기능 검사 중 가장 쉽고 경제적으로 시행할 수 있는 기본적인 검사법으로 폐활량 검사법(Spirometer)이 있다. 폐활량 검사기는 호흡 기체의 용적 유량의 순간적인 변화량을 측정하는 의학 기기이다. 과거에는 기계식 폐활량기가 주로 사용되었으며, 현재까지도 많이 사용되는 방법은 유체 흐름의 "양" 변화를 유체의 압력 변화로 전환시키는 차압식 방식이다. 그러나 이러한 형태는 압력 손실과 유지 보수가 힘들고, 특성 검사 주기가 짧은 단점을 가지고 있다. 본 논문에서 구현하고자 하는 것은 관성의 오차 및 압력의 오차에 영향을 거의 받지 않는, 그리고 반영구적으로 사용이 가능한 초음파 센싱 방식을 이용한 임베디드 환경의 호흡 량 측정기의 개발을 최종 목표로 하여, 호흡 기체 특성에 적합한 센서, 신호 측정 구현 회로를 포함한 유량 측정 단말부 개발과 측정신호를 이용한 호흡 측정 알고리즘과 진단 알고리즘 구현에 중점을 두었다.
Pulmonary function tests are widely used to diagnose and determine patients' therapy in clinic. And it was also applied in the research of the physiology and dynamics for lung disease. Among the pulmonary function tests, spirometry is the most easy and economic test. Spirometers are medical instrume...
Pulmonary function tests are widely used to diagnose and determine patients' therapy in clinic. And it was also applied in the research of the physiology and dynamics for lung disease. Among the pulmonary function tests, spirometry is the most easy and economic test. Spirometers are medical instruments that measure the instantaneous rate of volume flow of respired Bas. The mechanical spirometer was mostly used in the past. Up to the present, the most popular method of spirometer is the differential pressure technique with which change in the volume of flow are transferred to change in pressure. This kind of instrument suffers from several limitations, pressure drop, difficulty in maintenance and short period of calibration. Therefore, this study has begun to implement ultrasound spirometer, which is free of pressure loss and has wide range, focusing on the flow measurement technique and diagnostic algorithm.
Pulmonary function tests are widely used to diagnose and determine patients' therapy in clinic. And it was also applied in the research of the physiology and dynamics for lung disease. Among the pulmonary function tests, spirometry is the most easy and economic test. Spirometers are medical instruments that measure the instantaneous rate of volume flow of respired Bas. The mechanical spirometer was mostly used in the past. Up to the present, the most popular method of spirometer is the differential pressure technique with which change in the volume of flow are transferred to change in pressure. This kind of instrument suffers from several limitations, pressure drop, difficulty in maintenance and short period of calibration. Therefore, this study has begun to implement ultrasound spirometer, which is free of pressure loss and has wide range, focusing on the flow measurement technique and diagnostic algorithm.
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문제 정의
본 논문에서는 압력 손실이 없고 측정 범위가 넓은 초음파 폐활량 측정기 개발을 최종목표로, 호흡 기체 특성에 적합한 센서 및 신호 측정 구현 회로를 포함한 유량 측정 단말부 개발과 측정 신 호를 이용한 호흡 측정 알고리즘과 진단 알고리즘 구현에 중점을 두었다.
본 논문에서는 초음파 폐활량 측정기기를 개발 하기 위해 기초 초음파 센서의 연구개발, 신호처 리를 위한 하드웨어 설계, 신호처리 소프트웨어 알고리즘 개발을 목표로 하였다. 하드웨어 부분에 서는 수학적 모델링을 기초로 하여 초음파 측정기 센서부, 송 .
본 연구에 적용한 방식은 위의 방식과는 조금 다르게 접근한 것으로 관내에 초음파 공진을 일으 켜 이 공진파의 이동을 측정에 이용한다. 제안된 초음파 호홉 측정기는 이동하는 가스 흐름의 현재 속도 측정 및 호식과 홉식 시의 호흡량의 측정을 위한 의료용 기기를 위해 고안되었다.
제안 방법
본 연구에 적용한 방식은 위의 방식과는 조금 다르게 접근한 것으로 관내에 초음파 공진을 일으 켜 이 공진파의 이동을 측정에 이용한다. 제안된 초음파 호홉 측정기는 이동하는 가스 흐름의 현재 속도 측정 및 호식과 홉식 시의 호흡량의 측정을 위한 의료용 기기를 위해 고안되었다.
이 음장 분 석을 통하여 측정 범위에 대한 측정 관의 규격이 결정된다. 측정 방식은 공기와 음향의 상호작용에 기반을 두고 있으며 측정 범위는 폐활량 범위를 고려하여 0.05에서 20m/s 범위의 유속측정으로 한정하였다.
폐활량은 폐활량측정기 초기부터 측정되어 왔으며 환자의 예비능력을 반영하는 지표로 사용되어 왔다. 환 자로 하여금 평상호흡(Tidal Breathing)을 하도록 하다 가 끝까지 숨을 들이마시게 한 후 시간에 관계없이 천 천히 가능한 끝까지 내쉬게 하여 폐활량 그리고 동시 에 호기 예비 량(Expiratory Reserve Volume)과 흡기 용량(Inspiratory Capacity)등을 측정한다. 그림1은 용 량 시간 곡선으로 구분한 폐 용적 범위를 나타낸 다.
대상 데이터
신호처리 시스템은 기존의 디지털신호처리기 (DSP)를 사용하지 않고, 요즘 각광받고 있는 32bit RISC 프로세서 인 ARM 프로세서를 사용하 였다. 플래쉬 롬과 램을 내장한 삼성반도체 모델 인 S3F441FX는 고성능을 발휘하면서도 저전력의 특징을 가지고 있다.
이론/모형
기기 특성을 확인하기 위해 로타미터(伊에이피 엠코리아)를 이용하여 도량형 검사 (Metrology test)를 측정하였다.
성능/효과
하드웨어 부분에 서는 수학적 모델링을 기초로 하여 초음파 측정기 센서부, 송 . 수신 신호 처리부를 개발하였고 그 특성을 실험하여 제안된 방식의 적용 가능성을 확 인하였다. 소프트웨어 부분에서는 센서 실험을 위 한 유속 계산식의 검증과 실험 데이터 추출을 확 인하였다.
수신 신호 처리부, 전 시스템 제어부로 나누어 볼 수 있 다. 첫째로 초음파 측정 프로브는 초음파 센서의 하우징 및 출력 케이블로 이루어져 있으며 초음파 폐활량 측정기 시스템의 센서 부분에 해당되고, 그 규격은 공진 주파수와 수학적 모델을 근거로 정해졌다. 둘째로 송 .
후속연구
유량 공급장치와 로타미터 를 이용하여 검증이 이루어지며 실제 임상적 적용 을 위해서는 상당한 시간의 검증 작업이 필요하 다. 또한 성능 개선과 안정성을 향상시키기 위한 연구도 계속될 것이다.
연구를 통해 최대 노력성 호기 시 유량의 감소 가 임시적인 호흡장애와 더 상관관계가 있다는 것 을 알게되어 피검자로 하여금 최대로 숨을 들이 마시게 한 후 가능한 빠르고 세게 내쉬게 하여 얻 은 최대 노력성 호기곡선을 진단에 이용하게 되었 다.(FEB : 1초간 노력 성 호기 량, FVC : 노력 성 폐 활량)
측정 값의 확인은 순수한 공기의 경우에만 실 험하였고, 실제 수증기 포화 기체에 대해서는 검 증이 계속될 예정이다. 유량 공급장치와 로타미터 를 이용하여 검증이 이루어지며 실제 임상적 적용 을 위해서는 상당한 시간의 검증 작업이 필요하 다.
참고문헌 (6)
Joh G, Webster 원저, 의공학 교육연구회 역편, 의용계측공학 p509-535
Steven M.Donna, Neonatal and pediatric pumonory graphic, Futura Publishing, 1998
Frank M.White, Fluid Mechanics, 3rd Edition 1995, McGraw-Hill Book Co
' Standard of spirometery.'.Am Rev Respir Dis 1979
Sly MR.,'Increasing asthma mortality-fact or artifact?'.J Allergy Clin Immunol 1988
Evans R.,'Recent observations reflecting increases in mortality from asthma.',J Allergy Clin Immunol 1987, vol 80
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