노력성 폐활량(FVC) 검사시 호식기류의 최대값인 최고호기유량(PEF)은 호흡기능의 평가에 매우 중요하게 활용되는 진단 매개변수이다. PEF는 검사 초기에 매우 짧은 순간에 크게 증가하는 양상을 띠기 때문에 호흡기류센서의 동특성이 충분하지 않은 경우 측정오차가 발생한다. 본 연구에서는 노력성 호식기류 상의 초기 상승속도($S_r$)를 산출하고 $S_r$ 값에 기초하여 센서 출력값을 보정하는 새로운 기법을 제안하였다. 미국 흥부학회(ATS)에서 제공하는 표준 기류신호 파형 26개를 생성하여(F) 속도계측형 호흡기류센서로 통과시키며 센서 출력신호(N)를 축적하였다. F의 최대값인 PEF와 N의 최대값인 $N_{PEF}$, 간에는 당초 예상했던 대로 2차함수 관계가 성립하였으나(상관계수 0.9997), ATS파형 #2 및 26은 상당한 이탈을 보였다(상대오차>10%). $N_{PEF}$의 상대오차와 $S_r$간의 관계를 분석하여 상호 선형적인 관계를 얻었으므로, 이를 이용하여 보정한 결과 PEF 상대오차의 99% 신뢰구간이 약 2.5% 이었다. 이는 국제표준인 ATS의 오차한계인 10%의 1/4 이내로써 매우 정확한 보정이 이루어졌다. 따라서 본 연구에서 제안하는 보정기법은 호흡기류센서 교정시 매우 유용하리라 판단된다.
노력성 폐활량(FVC) 검사시 호식기류의 최대값인 최고호기유량(PEF)은 호흡기능의 평가에 매우 중요하게 활용되는 진단 매개변수이다. PEF는 검사 초기에 매우 짧은 순간에 크게 증가하는 양상을 띠기 때문에 호흡기류센서의 동특성이 충분하지 않은 경우 측정오차가 발생한다. 본 연구에서는 노력성 호식기류 상의 초기 상승속도($S_r$)를 산출하고 $S_r$ 값에 기초하여 센서 출력값을 보정하는 새로운 기법을 제안하였다. 미국 흥부학회(ATS)에서 제공하는 표준 기류신호 파형 26개를 생성하여(F) 속도계측형 호흡기류센서로 통과시키며 센서 출력신호(N)를 축적하였다. F의 최대값인 PEF와 N의 최대값인 $N_{PEF}$, 간에는 당초 예상했던 대로 2차함수 관계가 성립하였으나(상관계수 0.9997), ATS파형 #2 및 26은 상당한 이탈을 보였다(상대오차>10%). $N_{PEF}$의 상대오차와 $S_r$간의 관계를 분석하여 상호 선형적인 관계를 얻었으므로, 이를 이용하여 보정한 결과 PEF 상대오차의 99% 신뢰구간이 약 2.5% 이었다. 이는 국제표준인 ATS의 오차한계인 10%의 1/4 이내로써 매우 정확한 보정이 이루어졌다. 따라서 본 연구에서 제안하는 보정기법은 호흡기류센서 교정시 매우 유용하리라 판단된다.
Peak expiratory flow rate(PEF) is a very important diagnostic parameter obtained from the forced vital capacity(FVC) test. The expiratory flow rate increases during the short initial time period and may cause measurement error in PEF particularly due to non-ideal dynamic characteristic of the transd...
Peak expiratory flow rate(PEF) is a very important diagnostic parameter obtained from the forced vital capacity(FVC) test. The expiratory flow rate increases during the short initial time period and may cause measurement error in PEF particularly due to non-ideal dynamic characteristic of the transducer. The present study evaluated the initial rise slope($S_r$) on the flow rate signal to compensate the transducer output data. The 26 standard signals recommended by the American Thoracic Society(ATS) were generated and flown through the velocity-type respiratory air flow transducer with simultaneously acquiring the transducer output signal. Most PEF and the corresponding output($N_{PEF}$) were well fitted into a quadratic equation with a high enough correlation coefficient of 0.9997. But only two(ATS#2 and 26) signals resulted significant deviation of $N_{PEF}$ with relative errors>10%. The relationship between the relative error in $N_{PEF}$ and $S_r$ was found to be linear, based on which $N_{PEF}$ data were compensated. As a result, the 99% confidence interval of PEF error was turned out to be approximately 2.5%, which was less than a quarter of the upper limit of 10% recommended by ATS. Therefore, the present compensation technique was proved to be very accurate, complying the international standards of ATS, which would be useful to calibrate respiratory air flow transducers.
Peak expiratory flow rate(PEF) is a very important diagnostic parameter obtained from the forced vital capacity(FVC) test. The expiratory flow rate increases during the short initial time period and may cause measurement error in PEF particularly due to non-ideal dynamic characteristic of the transducer. The present study evaluated the initial rise slope($S_r$) on the flow rate signal to compensate the transducer output data. The 26 standard signals recommended by the American Thoracic Society(ATS) were generated and flown through the velocity-type respiratory air flow transducer with simultaneously acquiring the transducer output signal. Most PEF and the corresponding output($N_{PEF}$) were well fitted into a quadratic equation with a high enough correlation coefficient of 0.9997. But only two(ATS#2 and 26) signals resulted significant deviation of $N_{PEF}$ with relative errors>10%. The relationship between the relative error in $N_{PEF}$ and $S_r$ was found to be linear, based on which $N_{PEF}$ data were compensated. As a result, the 99% confidence interval of PEF error was turned out to be approximately 2.5%, which was less than a quarter of the upper limit of 10% recommended by ATS. Therefore, the present compensation technique was proved to be very accurate, complying the international standards of ATS, which would be useful to calibrate respiratory air flow transducers.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
또한 실제 피검자들을 대상으로 하는 것보다 본 연구에서와 같이 기계적인 시린지를 이용하는 것이 보다 일관성 있는 기기 품질을 보장해 준다고 보고된 바 있다[12]. 따라서 본 연구에서는 서보모터로 구동되는 syringe를 사용하여 PEF 측정결과를 가능한 정확하게 보정하는 새로운 기법을 연구하였다. PEF와 같은 중요한 진단 매개변수 측정을 위해 사용하는 병원용 기기인 임상 폐활량계는 사용하는 센서의 종류에 따라 일차적인 측정변수가 용적인 경우와 기류인 경우로 대분되며 용적과 기류 변수 간에는 미적분 관계가 성립하므로 어느 한 변수만 얻으면 나머지를 얻을 수 있다.
본 연구에서는 FVC 검사시 예상되는 PEI/] 측정오차를 정확하게 보정하는 새로운 교정(calibration) 기법을 고안하여 실험적으로 검증하고자 하였다. 이를 위해 그림 2 에 보인 것과 같은 실험장치를 구성하였다.
미국흉부학회(American Thoracic Society, ATS) 에서는 환자의 호식기류를 모사히는 표준적인 기류신호의 파형들을 제시하여 호흡기류센서의 동특성 교정 (calibmtion)에 사g하도록 권고하고 있다[2, 7]. 이에 본연구에서는 ATS 표준기류파형들이 호흡기 류센서를 통해 흐를 때 측정되는 압력센서 출력신호의 초기 상승속도를 산출한 후, 이를 이용하여 PEF를 매우 정호)하게 결정하는 새로운 보정기법을 고안하였다.
제안 방법
이와 같은 오차는 호흡기류센서의 계측특성을 실험적으로 결정할 때 정기류(steady flow) 만으로는 발견할 수 없는 오류이다. 따라서 본 연구에서는 ATS에서 센서의 동특성 검증을 위해 제시하는 표준기류파형 26개를 호흡기류 센서로 흐르게 하며 Sr 값을 측정한 후, 이를 고려하여 센서 출력값을 보정하는 새로운 기법을 제안하였다.
, Korea)를 구동하여 ATS 표준 기류 파형 26개(F)를 생성시켜 통과시켰다. 시린지의 회전축에 선형변위센서(LTM550, Gefran, Italy)를 부착하여 기류생성 과정의 시린지 용적변화(V)를 측정하였다. V 신호를 100samples/sec, 12bits/sample로 A/D 변환하여 PC 에 누적하였다.
실험에 사용한 호흡기류센서로는 본 연구팀에서 기 개발한 속도계측형 호흡기류센서를 채택하였다[4, 5]. 호흡기류센서의 기류 -압력 변환소자(단방향 호흡관)를 입력센서(MPXV10G, FreeScale, U. S. A.)에 연결하고 개인용 컴퓨터(PC)가 제어하는 서보모터(CSDJ plus, Samsung Electronics, Korea) 로 8L 시린지(Svr8.0, CKInt., Korea)를 구동하여 ATS 표준 기류 파형 26개(F)를 생성시켜 통과시켰다. 시린지의 회전축에 선형변위센서(LTM550, Gefran, Italy)를 부착하여 기류생성 과정의 시린지 용적변화(V)를 측정하였다.
대상 데이터
이를 위해 그림 2 에 보인 것과 같은 실험장치를 구성하였다. 실험에 사용한 호흡기류센서로는 본 연구팀에서 기 개발한 속도계측형 호흡기류센서를 채택하였다[4, 5]. 호흡기류센서의 기류 -압력 변환소자(단방향 호흡관)를 입력센서(MPXV10G, FreeScale, U.
데이터처리
ATS#2, 26의 두 측정점들은 Sr 값이 매우 컸으며 (>25000) e% 역시 약 10%를 상회하였다. 따라서 그림 5 에서 찬 원(closed circle)으로 표기한 e%<±10% 범위의 평균 대표점(i=0)과 이들 두 점(i=l(ATS#2), 2(ATS#26)) 들을 대상으로 e%와 Sr 간의 관계를 조사하기 위하여 식 (4)와 같이 선형 회귀분석(linear regression analysis)을 수행하였다. 수식에서 a는 회귀직선의 기울기이며, b는 절편을 나타낸다.
성능/효과
ATS의 표준기류파형에 따라 움직이는 서보 시린지의 용적 신호로부터 산출한 ATS 표준기 류신호의 최대값인 PEF와 호흡기류센서 출력신호의 최대값 Npef 간에는 Sr 값이 너무 크지 않은 경우(<17000) 그림 3에서와 같이 2 차함수식으로 정확하게 fitting 되었다. 이는 표준파형 26 개 중 대부분인 24개 파형 모두에 적용되었다.
각 PEF 값들에 대해 상대오차의 절대값을 취한 후 평균한 결과, 0.738±0.577%가 얻어졌다. 평균값인 0.
따라서 Npef 측정값들이 fitting 곡선으로부터 이탈한 정도를 나타내는 e%와 센서 출력신호의 초기 상승속도 S을 산출하여 상호 관계를 분석한 결과 그림 5에서와 같이 e%-S, 이 선형관계에 있음을 확인하였다. 따라서 ATS#2, 26 파형에 대해 S, 을이 회귀직선식에 대입하여 Npef를 보정한 결과 두 점 모두 앞서 구한 Npef-PEF 관계식과 잘 일치하였다. 이 두파형은 PEF 역시 10 L/sec 이상으로 매우 큰 최대호식기류 범위에 있었으므로 본 연구에서 제안하는 기법은 PEF 및 &이 모두 큰 경우까지 정확하게 보정할 수 있다.
그러나 ATS#2, 26의 두 개 파형에서 측정한 Npef는 2차함수식에서 상당히 벗어나 있었으며 호식 초기에 급격한 기류증가를 나타낸 파형이었다(SL25000). 따라서 Npef 측정값들이 fitting 곡선으로부터 이탈한 정도를 나타내는 e%와 센서 출력신호의 초기 상승속도 S을 산출하여 상호 관계를 분석한 결과 그림 5에서와 같이 e%-S, 이 선형관계에 있음을 확인하였다. 따라서 ATS#2, 26 파형에 대해 S, 을이 회귀직선식에 대입하여 Npef를 보정한 결과 두 점 모두 앞서 구한 Npef-PEF 관계식과 잘 일치하였다.
00이). 따라서 SQ] 커지면 Npef*와 Npef 간의 차이(상대오차)인 e%도 함께 선형적으로 비례하여 커진다는 사실을 알 수 있었다. ATS#2, 26 파형에 대해 측정한 는 ATS의 오차 한계를 크게 벗어나므로 적절히 보정해야 한다.
5%로써 ATS 오차 한계의 1/4이었다. 따라서 국제 규격인 ATS 기준이 규정하는 것보다 적어도 4배 이상의 정확도가 확보되었다.
이 두파형은 PEF 역시 10 L/sec 이상으로 매우 큰 최대호식기류 범위에 있었으므로 본 연구에서 제안하는 기법은 PEF 및 &이 모두 큰 경우까지 정확하게 보정할 수 있다. 보정된 NPEF 값들을 2차함수 교정식에 대 입하여 PEF 값을 추정한 결과 모든 측정점들이 identity line에 매우 근접하였다. PEF 추정값들의 최대 오차는 약 2.
본 연구에서 제안하는 상승속도를 고려한 PEF 보정기법은 본 연구의 실험에 사용한 속도 계측형 호흡기류 센서에만 국한되는 것이 아니며 임의의 센서에 대해서도 일반적으로 적용할 수 있다. 또한 국제 표준 규격보다 월등히 정확한 측정 결과를 제공하므로 호흡기류센서 교정기법으로 매우 유용하리라 기대된다.
따라서 ATS#2, 26 파형에 대해 S, 을이 회귀직선식에 대입하여 Npef를 보정한 결과 두 점 모두 앞서 구한 Npef-PEF 관계식과 잘 일치하였다. 이 두파형은 PEF 역시 10 L/sec 이상으로 매우 큰 최대호식기류 범위에 있었으므로 본 연구에서 제안하는 기법은 PEF 및 &이 모두 큰 경우까지 정확하게 보정할 수 있다. 보정된 NPEF 값들을 2차함수 교정식에 대 입하여 PEF 값을 추정한 결과 모든 측정점들이 identity line에 매우 근접하였다.
출력값인 Npef를 얻었다. 이들 중 PEF가 0~10 L/sec 범위에 있는 23개 파형을 대상으로 Npef-PEF 관계식(추정 식)을 산출한 결과 그림 3에 보인 것처럼 2차함수 curve-fitting으로 매우 정확한 결과를 얻을 수 있었다(상관계수=0.9997, p<0.0001). 이는 Npef-PEF 관계를 2차 함수로 규정할 수 있음을 나타내는 것으로써 속도 계측형 호흡 기류 센서의 이론적 특성과 일치한다[9].
모든 (PEF, Npef) 측정점들이 하나의 2차함수를 만족함을 확인하였으므로 이는 센서의 유일한 교정식(calibration equation)으로 활용할 수 있다. 즉, S, 이 매우 큰 경우에만 e%-Sr 직선식으로 Npef를 보정함으로써 모든 측정점들을 하나의 공통적인 교정식으로 나타낼 수 있었다.
5%로 산출되었으며 이 수치는 ATS에서 규정하는 PEF 오차 한계(<10%) 의 1/4에 불과한 크기이다. 즉, 본 연구에서 제시하는 새로운 보정기법은 ATS가 규정하는 국제 규격보다 적어도 2배 이상의 정확도로 PEF를 보정할 수 있다.
후속연구
적용할 수 있다. 또한 국제 표준 규격보다 월등히 정확한 측정 결과를 제공하므로 호흡기류센서 교정기법으로 매우 유용하리라 기대된다.
참고문헌 (15)
차은종. “호흡기 시스템이 측정”, In: 의용계측공학, 의공학 교육연구회 역편, 여문각, pp. 509-598, 1993.
American Thoracic Society, "Standardization of spirometry", Eur Respir J., Vol. 26, pp. 319-338, 2005.
R. A. Peura, J. G. Webster, "Basic transducers and principles", In: Medical instrumentation, ed. by J. G. Webster, Houghton Mifflin Company, pp. 49-102, 1978.
American Thoracic Society, "Standardization of spirometry", Am. J. Respir. Crit. Care Med., Vol. 152, pp. 1107-1136, 1995.
M. K. Ninabar, R. Schot, L. Fregonese, "A syringe simulation of biological controls for quality assessment of prospective lung volume measurements", Respiration, Vol. 76, No. 2, pp. 187-192, 2008.
M. C. Townsend, J. L. Hankinson, L. A. Lindesmith, "Is my lung function really that good? Flow-type spirometer problems that elevate test results", Chest, Vol. 125, No. 5, pp. 1902-1909, 2004.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.