[논문]심폐소생술에서 두 개의 가속도 센서를 활용한 흉부 압박 깊이 추정

송영탁; 오재훈; 서영수; 지영준

doi:10.9718/jber.2010.31.5.407

심폐소생술에서 두 개의 가속도 센서를 활용한 흉부 압박 깊이 추정
Estimation of Chest Compression Depth using two Accelerometers during CPR 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.31 no.5, 2010년, pp.407 - 411

송영탁 (울산대학교 의용생체공학 협동과정) , 오재훈 (안양병원 응급의학과) , 서영수 (울산대학교 전기전자시스템공학부) , 지영준 (울산대학교 의공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

During the cardiopulmonary resuscitation (CPR), the correct chest compression depth and period are very important to increase the resuscitation possibility. For the feedback of chest compression depth, the depth monitoring device based on the accelerometer is developed and widely used. But this method tends to overestimate the compression depth on the bed. To overcome this limitation, the chest compression depth estimation method using two accelerometers is suggested With the additional accelerometer between the patient and mattress on the bed, the compression of the mattress is also measured and it is used to compensate the overestimation error. The experimental results show that the single accelerometer estimates as 61.4mm for the actual compression depth of 43.6mm on the mattress. The depth estimation with the dual accelerometer was 44.6mm which is close to the actual depth. With the automatic zeroing in every single compression, the integration error for the depth can be reduced. The dual accelerometer method is effective to increase the accuracy of the chest compression depth estimation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하나의 가속도 센서만을 사용하는 경우는 환자의 바닥에 어떤 재료가 깔려 있을지 모르므로 Perkins등이 보고한 문제를 피할 수 없다[3,7]. 본 논문에서는 이러한 오차를 줄이기 위해, 환자의 등과 매트리스 사이에 가속도 센서를 하나 더 추가하여 두 개의 가속도 센서를 사용한 흉부 압박 깊이 모니터링 시스템을 제안한다.
하지만 이 방법을 사용하려면 압력 스위치를 추가로 장창해야 하는 단점을 지닌다. 본 연구에서는 흉부압박을 수행할 때 발생하는 가속도 신호의 주기성과 최고점에서 최저점에 이르는 상대적인 거리(peak-to-peak distance)만이 유효한 정보임을 활용하여 그림2와 같은 압박 깊이 추정 알고리즘을 개발하였다.
한 번 적분한 속도 v(t)에 대해 직선 성분의 드리프트를 제거한다(de-trending, 그림 2의 네 번째 단계). 속도에 대해 한 번 더 적분한 거리 신호 d(t)의 드리프트 제거를 정밀하게 수행하게 되므로 (그림 2의 여덟 번째 단계), 속도에 대한 de-trending은 일정 구간에 대한 선형 성분을 제거함으로써, 적분 계산시 데이터가 변수의 범위를 벗어나지 않게 하는 데에 목적이 있다. 보다 정확하게 주기 마다 0점으로 되돌리기 알고리즘은 거리 신호 d(t)에 대해 적용한다.
그림 1과 같이 환자의 흉부상단과 하단에 두 개의 가속도 센서를 장치시켜, 각각 디지털로 변환한 후 그 차이 신호를 구하여 사용한다. 종래의 시스템이 가슴 상단에 있는 하나의 센서(al)로만 측정하여 매트리스가 눌린 깊이를 함께 측정하여 오차를 만든 것을, 두 번째 가속도 센서(a2)를 사용하여 매트리스가 눌린 깊이를 측정하여 빼 줌으로서 오차를 줄여 보고자 하는 것이다. 가속도 센서인 MMA7260QT(Free Scale Semiconductor Inc.

제안 방법

3 volt 의 전압 신호로 변환하였다. NI-DAQ920S와 Labview를 사용하여 (National Instrument Co., USA) 디지털 변환(샘플링 주파수 1kHz) 및 컴퓨터 인터페이스를 구현하였다. 측정된 신호로부터 압박 깊이를 추정하기 위한 프로그래매을 Matlab R2008a (Mathwork Co.
종래의 시스템이 가슴 상단에 있는 하나의 센서(al)로만 측정하여 매트리스가 눌린 깊이를 함께 측정하여 오차를 만든 것을, 두 번째 가속도 센서(a2)를 사용하여 매트리스가 눌린 깊이를 측정하여 빼 줌으로서 오차를 줄여 보고자 하는 것이다. 가속도 센서인 MMA7260QT(Free Scale Semiconductor Inc., USA)를 사용하여, -2g 에서 +2g사이의 가속도를(여기서 g는 중력 가속도로서 9.8m/s)0~+3.3 volt 의 전압 신호로 변환하였다. NI-DAQ920S와 Labview를 사용하여 (National Instrument Co.
, USA)를 깔고 흉부압박을 행할 때의 데이터를 취득하였다. 각각의 경우에 마네킹 내부의 센서에서 측정된 값을 기준으로 하여, 하나의 가속도 센서만을 활용한 경우와 두 개의 센서를 사용한 경우를 비교하여 제안된 시스템과 알고리즘의 유효성을 검증하였다.
심폐소생술의 특성상 훈련용 마네킹 (Skill Reporter, Leardal Medical, Orpington, UK)을 대상으로 그림 4와 같은 검증 실험을 진행하였다. 마네킹에는 흉부 압박 깊이를 측정할 수 있는 센서가 내장되어 있고, 이를 컴퓨터에 연결할 수 있도록 장치가 되어있어, 이 값을 기준으로 하여, 가속도 센서로부터 추정한 압박 깊이의 정확도를 분석하였다. 시술자는 마네킹에 연결된 컴퓨터 프로그램을 보면서 규정된 압박 깊이와 압박 주기를 유지하면서 데이터를 취득하였다.
이를 위한 압박 깊이 모니터링 장비는 압박 깊이를 정확하게 측정해야 할 필요가 있으나, 하나의 가속도 센서만을 사용하여 압박 깊이를 추정하는 것은 바닥재의 다양한 환경에 대해 큰 오차를 만들 수 밖에 없다[3]. 이를 보완하기 위하여 두 개의 가속도 센서를 사용하여 압박 깊이를 추정하는 시스템을 개발하고 압박 깊이 추정 알고리즘을 제안하였다. 유효성을 검증하기 위한 실험을 통해, 단단한 바닥에서는 하나의 센서를 사용하거나 두 개의 센서를 사용하거나 차이가 없으나, 매트리스 위에서 사용할 때에는 두 개의 센서를 사용한 경우가 더욱 정확한 추정이 됨을 확인하였다.
제안된 시스템을 제작하여 기준으로 삼을 수 있는 변위센서(linear potentiometer)를 사용하여 영점 조정 및 깊이 추정 알고리즘의 교정(calibration) 작업을 진행하였다. 심폐소생술의 특성상 훈련용 마네킹 (Skill Reporter, Leardal Medical, Orpington, UK)을 대상으로 그림 4와 같은 검증 실험을 진행하였다.
, USA) 디지털 변환(샘플링 주파수 1kHz) 및 컴퓨터 인터페이스를 구현하였다. 측정된 신호로부터 압박 깊이를 추정하기 위한 프로그래매을 Matlab R2008a (Mathwork Co., USA)로 구현하여 제안된 시스템의 성능을 확인하는 실험을 진행하였다.

대상 데이터

또 하나의 가속도 센서는 마네킹의 등 뒤에 위치하여 매트리스의 눌린 범위를 측정한다. 마네킹 등에 아무것도 깔지 않은 바닥(floor)에서 수행할 때와 의료현장에서 사용되는 매트리스(두께 75mm, 표면 재질 폴리우레탄, 내부는 스펀지 종류의 foam, 1059-326-140, Stryker Co., USA)를 깔고 흉부압박을 행할 때의 데이터를 취득하였다. 각각의 경우에 마네킹 내부의 센서에서 측정된 값을 기준으로 하여, 하나의 가속도 센서만을 활용한 경우와 두 개의 센서를 사용한 경우를 비교하여 제안된 시스템과 알고리즘의 유효성을 검증하였다.
마네킹에는 흉부 압박 깊이를 측정할 수 있는 센서가 내장되어 있고, 이를 컴퓨터에 연결할 수 있도록 장치가 되어있어, 이 값을 기준으로 하여, 가속도 센서로부터 추정한 압박 깊이의 정확도를 분석하였다. 시술자는 마네킹에 연결된 컴퓨터 프로그램을 보면서 규정된 압박 깊이와 압박 주기를 유지하면서 데이터를 취득하였다. 그림 4의 마네킹 가슴에 제작된 가속도 센서가 시술자의 손 아래 위치하고 있고 선으로 연결되어 있다.
제안된 시스템을 제작하여 기준으로 삼을 수 있는 변위센서(linear potentiometer)를 사용하여 영점 조정 및 깊이 추정 알고리즘의 교정(calibration) 작업을 진행하였다. 심폐소생술의 특성상 훈련용 마네킹 (Skill Reporter, Leardal Medical, Orpington, UK)을 대상으로 그림 4와 같은 검증 실험을 진행하였다. 마네킹에는 흉부 압박 깊이를 측정할 수 있는 센서가 내장되어 있고, 이를 컴퓨터에 연결할 수 있도록 장치가 되어있어, 이 값을 기준으로 하여, 가속도 센서로부터 추정한 압박 깊이의 정확도를 분석하였다.

데이터처리

표 1. 바닥재에 따른 압박 깊이 추정 결과의 종류별 평균치와 표준편차.

성능/효과

59)의 결과를 보이고 있다. 7cm두께의 매트리스 위에서 흉부 압박을 하는 경우, 하나의 가속도 센서만을 사용하여 압박 깊이를 모니터링 하면 실제 압박 깊이보다 40%나 큰 값으로 표현해 줄 가능성이 있음을 확인할 수 있었다. 여기에 두 번 째 가속도 센서를 부가하여 신호를 측정하는 경우, 이러한 오차가 보상되어 정확한 값으로 표현해 줄 수 있음을 보여주는 결과라 하겠다.
이를 보완하기 위하여 두 개의 가속도 센서를 사용하여 압박 깊이를 추정하는 시스템을 개발하고 압박 깊이 추정 알고리즘을 제안하였다. 유효성을 검증하기 위한 실험을 통해, 단단한 바닥에서는 하나의 센서를 사용하거나 두 개의 센서를 사용하거나 차이가 없으나, 매트리스 위에서 사용할 때에는 두 개의 센서를 사용한 경우가 더욱 정확한 추정이 됨을 확인하였다.

후속연구

스마트폰에서도 기본 인명 구조술에 필요한 절차를 알려주고, 흉부 압박 주기를 지킬 수 있도록 하는 일정 주기의 신호음을 발생시키는 어플리케이션이 개발되어 있다. 여기에 더하여 본 연구에서 제안하는 가속도 센서를 활용하는 압박 깊이 추정시스템이 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
향후 제안된 알고리즘의 보다 다양한 환경에서의 검증과 보완을 거쳐, 컴퓨터 연결 없이 휴대형 기기로 구현하고, 이를 위한 실시간 신호처리를 통하여 완성된 제품으로 개발할 계획이다. 선한 사마리아법으로 불리는 '응급의료에 관한 법률'에 따르면 생명이 위급한 응급환자에게 행한 응급행위에 대해 민사나 형사상 책임을 감면하도록 되어 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	심폐소생술은 어떤 것이 주요 내용을 이루는가?	심폐소생술(cardiopulmonary resuscitation, CPR)은 병, 가정, 사고 현장에서 인명구조를 위한 가장 중요한 술기로 흉부압박과 인공호흡이 주요 내용을 이룬다. 인공호흡의 중요성은 과거에 비하여 줄어들고 있으나, 적절한 흉부압박을 통해 전문 의료시설에 이르는 동안 혈액을 뇌에 공급하는 것에 대한 중요성은 더욱 강조되고 있다[1,2].
	성인의 경우에서 소생율이 가장 높은 흉부압박 방법은 무엇인가?	대한심폐소생협회를 포함한 국내외의 많은 전문 기관과 협회에서는 정확하고 유효한 흉부압박의 기준을 제시하고 있다. 성인의 경우 분당 100회의 속도로 38~51mm(1.5~2 inch)의 압박 깊이로 체중을 실어 눌러 줄 때 가장 소생율이 높은 것으로 알려져 있다. 그러나 숙련된 사람이라 하더라도 응급 환경에서 정확한 속도와 압박 깊이로 흉부 압박을 수행하기는 쉽지 않다.
	흉부 압박의 압박 주기 관련 문제는 무엇을 활용하여 해결할 수 있는가?	정확하고 효과적인 흉부 압박 갚이를 모니터링 하기 위한 기술이 개발되어 사용되고 있다. 압박 주기의 문제는 비교적 단순하여 페트로놈을 활용하여 소리로 알려 줌으로서 해결될 수 있다. 훈련과정에는 마네킹을 사용하여 압박깊이를 그래프로 표현하여 실시간으로 피드백 해 줌으로서, 적절한 깊이로 압박을 하도록 훈련을 받는다.

참고문헌 (7)

A. J. Handley, R. Koster, K. Monsieurs, G. D. Perkins, S. Davies, and L. Bossaert, "European Resuscitation Council guidelines for resuscitation 2005 Section 2. Adult basic life support and use of automated external defibrillators", Resuscitation, vol.67 (Suppl. 1):S7-23, 2005.

상세보기
A. J. Handley, L. B. Becker, M. Allen, A. Drenth, E. B. Kramer, and W. H. Montgomery, "Single-rescuer adult basic life support" An Advisory Statement from Basic Life Support Working Group of the International Liason Committee on Resuscitation, vol. 34, no.2, pp.101-108, 1997.
G. Perkins, L. Kocierz, and S. Smith, "Compression feedback devices over estimate chest compression depth when performed on a bed", Resuscitation, vol.80, pp.79-82, 2009.

상세보기
S. O. Aase, and H. Myklebust, "Compression Depth Estimation for CPR Quality Assessment Using DSP on Accelerometer Signals", IEEE Trans. on Biomedical Engineering, vol.49, no.3, pp.263-268, 2002.

상세보기
K. Seifert, and O. Camacho, "Implementing positioning algorithms using accelerometers", Free Scale Semiconductor Application Note, AN3397, www.freescale.com/support
J. A. Palazzolo, R.D. Berger, H.R. Harperin, D.R. Sherman, "Methods of determining depth of compressions during cardiopulmonary resuscitation", United States Patent, US 6,27,659 B2, 2004.
A. E. Tomlinson, J. Nysaether, J. Kramer, P. A. Steen, E. and Dorpih, "Compression force-depth relationship during out-of-hospital cardiopulmonary resuscitation", Resuscitation, vol.72, pp.364-370, 2007.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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