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문제 정의
- 따라서 본 연구목적은 차세대 U-헬스산업을 맞아 실생활에서 휴대가 가능하고 비가압식으로 통증없이 혈압 및 맥박을 동시에 측정할 수 있도록 벨트의 길이를 조절하고 피부에 접촉하는 센서는 요골 동맥을 가볍게 눌러 “부”, “중”, “침”으로 구분할 수 있게 하여 전통적인 맥진법보다 재현성이 뛰어나게 혈압 및 맥박을 측정하고 착용이 편리하도록 소형화하여 기술경쟁 우위를 실현하는데 있다[13, 14].
- 이의 소프트웨어를 통해 네트워크상에서 진료하고 처방하며 규칙적으로 운동하고 식사조절을 할 수 있도록 생체기초자료를 전송하여 개인의 건강상태를 실시간으로 관리할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 맥동과 영구자석에 의한 미세한 자기장 변화를 측정하는 자성 홀소자 맥진센서를 이용하여 손목 착용형 맥진기의 시제품을 제작하였으며 임상시험 데이터로부터 획득한 맥진파를 분석할 수 있도록 재현성이 뛰어난 혈압추정 알고리즘을 개발하였다.
- 혈압 및 맥박의 정확한 측정 데이터를 도출하기 위해 안정된 상태에서 측정하는 제품을 기반으로 하여 휴대성으로 용이하고 소형화가 가능하도록 연구하였다. 또한 전력소모를 최소화하도록 회로 구성을 설계하였으며 실생활에서 제품을 손목에 착용하여 지속적인 혈압 및 맥박 측정 데이터를 얻을 수 있도록 하였다.
가설 설정
- 혈압추정 알고리즘에 대하여 이미 언급한 인 앞절에서 심박수의 증가는 혈액공급량과 맥박수를 증가시켜 혈압이 상승한다는 사실에 이론적인 근거를 두었다.
제안 방법
- 65 W, respectively. The product testing of the proposed radial pulsimeter and the measuring feature, which are a wrist watch or bracelet, transfer the increased pressure to the skin-contacting part intact when the pressure of the constant pressure chamber is increased.
- 혈압추정 회귀식을 얻기 위한 맥파 측정인자 및 맥파 데이터 분석은 ① 증강압 지수, ② 절흔점 지수, ③ 반사파 도달 시간, ④ 주기(맥박수), ⑤ 맥파의 2차 미분의 첫 번째 미분 피크(peak)와 골(valley)값의 비, ⑥ 맥파의 2차 미분의 두번째 미분 피크(peak)와 골(valley)값의 비, ⑦ 수축기와 주기 시간비, ⑧ 수축기와 이완기 면적비 등 8가지 맥파 측정 인자들로 이루어져 있다. 그리고 맥진파의 1차 미분파와 영점에서의 맥파의 Y값과 대표 맥파의 미분파 분석으로부터 얻은 측정점과 자동검출 결과를 보완하였다. 여기서 데이터 분석은 상관분석 및 회귀분석인 SPSS(Statistical Package for the Social Sciences) 방법으로 실행하였다.
- 혈압 및 맥박의 정확한 측정 데이터를 도출하기 위해 안정시의 제품을 기반으로 휴대가 가능한 손목 착용형 맥진기의 시제품을 소형화 되도록 개발하였다. 또한 전력소모를 최소화 하게 회로 구성을 설계하였으며 손목 착용이 편리하게 비가압식을 이용한 맥진파 분석 알고리즘으로 지속적인 혈압 및 맥박 측정 데이터를 얻을 수 있도록 하였다. 대상자 13명의 임상시험으로 얻은 맥진파 데이터로 상관인자를 정하여 혈압 추정 알고리즘의 회귀식을 구하였다.
- 혈압 및 맥박의 정확한 측정 데이터를 도출하기 위해 안정된 상태에서 측정하는 제품을 기반으로 하여 휴대성으로 용이하고 소형화가 가능하도록 연구하였다. 또한 전력소모를 최소화하도록 회로 구성을 설계하였으며 실생활에서 제품을 손목에 착용하여 지속적인 혈압 및 맥박 측정 데이터를 얻을 수 있도록 하였다. 재현성이 뛰어난 손목 착용형 맥진기를 상품화하기 위해 제품 디자인 및 기구 설계를 소형화하고 혈압 및 맥박 측정기로 얻은 다중 생체신호를 비교 분석하는 소프트웨어를 개발하고 시스템을 구축하였다.
- 맥진파는 계측 증폭회를 통해 증폭되었으며 자동 영점 세팅, 고출력 이득, 노이즈 필터, 출력 감쇄기를 통해 맥진파 신호를 얻었다. 이를 다시 12 bit 해상도로 30 FPS(frame per second), RS232C의 출력을 통해 낮은 파워에 컴퓨터 시뮬레이션으로 파형을 얻었다.
- 혈압추정 알고리즘에 대하여 이미 언급한 <맥진파 분석을 통한 혈압추정 주요 상관인자>인 앞절에서 심박수의 증가는 혈액공급량과 맥박수를 증가시켜 혈압이 상승한다는 사실에 이론적인 근거를 두었다. 맥파 형태에 의한 구분으로 가능한 수축기 혈압과 평균 동맥압의 맥박 상관관계에서 정상인과 고혈압 환자를 구별하였다.
- 손목 착용형 맥진기를 제작하기 위해 자성 홀소자를 일정한 배열로 정렬하여 이에 따른 파형을 읽어 들여 공간적인 맥의 형태를 구현하고자 얻은 실험 데이터를 분석하였다. 홀(Hall)소자의 홀 효과를 이용한 자성변환소자의 핵심재료는 일반적인 인듐안티모나이드(InSb), 인듐아세나이드(InAs), 게르마늄(Ge), 실리콘(Si) 등으로 구성된 반도체를 사용하였다[15].
- 혈압추정 알고리즘에 대한 임상적인 방법으로 임상시험의 대상자는 상지대학교 한방의료공학과 재학생과 대학원생 및 교직원으로 남자 7명과 여자 6명을 포함하여 13명이었으며 나이는 20대 초반에서 60대 초반까지 골고루 분포되게 하였다. 실험방법은 5초간 비가압식 맥진기로 맥진파를 측정하여 혈압추정 값을 얻은 후 바로 오른팔에서는 전자혈압계로, 왼팔에서는 수은혈압계로 혈압을 측정하였으며 한 사람당 3개의 맥진파를 선택하여 각각의 인자들을 추출하였다.
- 9으로 혈압국제규격 허용치와 근사하여 비가압 혈압 및 맥진기로 상용화 할 수 있을 것으로 사료된다. 이러한 영구자석의 미세한 자기장 변화를 감지한 자성 홀소자를 이용한 비가압 맥진파 분석으로 한의학의 새로운 혈압추정 진단 알고리즘을 제시하였다.
- 맥진파는 계측 증폭회를 통해 증폭되었으며 자동 영점 세팅, 고출력 이득, 노이즈 필터, 출력 감쇄기를 통해 맥진파 신호를 얻었다. 이를 다시 12 bit 해상도로 30 FPS(frame per second), RS232C의 출력을 통해 낮은 파워에 컴퓨터 시뮬레이션으로 파형을 얻었다. 다중 홀소자를 이용한 맥박계의 파형을 분석하기 위해 LabVIEW와 연동한 실시간 영상, 다중소자의 2차원 영상, 연속 무제한 저장 데이터, Matlab을 이용한 파형분석 저장 데이터 등을 32개의 채널에서 각각 분석하였으며 5점 이동평균필터를 통해 얻은 대표적인 맥진파(분당 맥박수 = 약 64회)는 Fig.
- 혈압추정 알고리즘에 대한 기술적인 방법으로 저장된 맥파 데이터를 불러와 대표 맥파를 자동적으로 구하거나 특정점을 지정하여 선택하였다. 자동 입력된 맥파 데이터는 자동연산을 거쳐 8가지 검출 데이터로 8가지 인자값이 생성되도록 하였다. 만약 자동입력이 오동작시 수동으로 입력하여 자동연산 단계에 도달하게 되면 자동연산에서는 대표맥파를 판단하고 이를 처리하여 주기와 맥박수를 얻고 1차 미분파의 5번째, 6번째 영점 바로 앞의 맥파를 주기의 시작과 끝으로 지정하였다.
- 1과 같다. 자성 홀소자를 이용하여 요골 동맥에 놓여 있는 영구자석의 위치 변화에 따른 전압의 변화를 전기적 신호로 얻었다. 전기적 신호는 맥의 파형 신호를 의미하는데 이 신호는 다시 회로의 하드웨어를 통해 신호들을 미분하여 자기장 변화에 따른 신호만 얻는다.
- 또한 전력소모를 최소화하도록 회로 구성을 설계하였으며 실생활에서 제품을 손목에 착용하여 지속적인 혈압 및 맥박 측정 데이터를 얻을 수 있도록 하였다. 재현성이 뛰어난 손목 착용형 맥진기를 상품화하기 위해 제품 디자인 및 기구 설계를 소형화하고 혈압 및 맥박 측정기로 얻은 다중 생체신호를 비교 분석하는 소프트웨어를 개발하고 시스템을 구축하였다. 이의 소프트웨어를 통해 네트워크상에서 진료하고 처방하며 규칙적으로 운동하고 식사조절을 할 수 있도록 생체기초자료를 전송하여 개인의 건강상태를 실시간으로 관리할 수 있을 것이다.
- 혈압 및 맥박의 정확한 측정 데이터를 도출하기 위해 안정시의 제품을 기반으로 휴대가 가능한 손목 착용형 맥진기의 시제품을 소형화 되도록 개발하였다. 또한 전력소모를 최소화 하게 회로 구성을 설계하였으며 손목 착용이 편리하게 비가압식을 이용한 맥진파 분석 알고리즘으로 지속적인 혈압 및 맥박 측정 데이터를 얻을 수 있도록 하였다.
- 혈압추정 알고리즘에 대한 기술적인 방법으로 저장된 맥파 데이터를 불러와 대표 맥파를 자동적으로 구하거나 특정점을 지정하여 선택하였다. 자동 입력된 맥파 데이터는 자동연산을 거쳐 8가지 검출 데이터로 8가지 인자값이 생성되도록 하였다.
- 혈압추정 알고리즘을 개발하기 위한 맥진파의 주요 인자는 영구자석이 장착되어 있는 기낭의 공기가 상대적인 압력에 따라 바뀔 수 있으므로 진행파와 반사파가 도달하는데 걸리는 시간과 각 시간과의 비율을 적용하여 추출하였다. 보다 정확한 혈압추정 값을 얻기 위해 20대 초에서 60대 초반까지 10단위로 5개의 모드를 나누어 임상시험의 데이터를 분석한 결과, 상관인자를 고려한 수축기와 이완기의 혈압추정 회귀식은 수축기 혈압(SBP), 이완기 혈압(DBP), 수축기 시간(ST), 절흔점 시간(NT), 가속도 맥파에서의 최고값(a)과 최저값(b), 반사파 시간(RT), 맥박수(PN), 절흔점지수(NI) 아래의 식 (1)과 식 (2)로 나타났다.
- 6은 혈압추정 알고리즘을 적용한 예로 혈압추정 회귀식에 대한 주요 상관인자의 정의를 보여주고 있다. 혈압추정 회귀식 도출에 필요한 주요 상관인자인 수축기 시간, 반사파 시간, 절흔점 시간, 주기, 맥진파에서의 가속도, 면적비(수축기면적/이완기 면적), 증강압 지수(반사파 크기 피크/수축기 크기 피크) 등을 각각 나타내었다.
대상 데이터
- 이를 다시 12 bit 해상도로 30 FPS(frame per second), RS232C의 출력을 통해 낮은 파워에 컴퓨터 시뮬레이션으로 파형을 얻었다. 다중 홀소자를 이용한 맥박계의 파형을 분석하기 위해 LabVIEW와 연동한 실시간 영상, 다중소자의 2차원 영상, 연속 무제한 저장 데이터, Matlab을 이용한 파형분석 저장 데이터 등을 32개의 채널에서 각각 분석하였으며 5점 이동평균필터를 통해 얻은 대표적인 맥진파(분당 맥박수 = 약 64회)는 Fig. 5와 같다. Fig.
- 증강점과 절흔점은 정상혈압의 맥파와 6차 미분의 2번째 혹은 3번째 영점으로, 고혈압의 맥파와 6차 미분의 3번째 혹은 4번째 영점으로 각각 정하였다. 혈압추정 알고리즘에 대한 임상적인 방법으로 임상시험의 대상자는 상지대학교 한방의료공학과 재학생과 대학원생 및 교직원으로 남자 7명과 여자 6명을 포함하여 13명이었으며 나이는 20대 초반에서 60대 초반까지 골고루 분포되게 하였다. 실험방법은 5초간 비가압식 맥진기로 맥진파를 측정하여 혈압추정 값을 얻은 후 바로 오른팔에서는 전자혈압계로, 왼팔에서는 수은혈압계로 혈압을 측정하였으며 한 사람당 3개의 맥진파를 선택하여 각각의 인자들을 추출하였다.
- 손목 착용형 맥진기를 제작하기 위해 자성 홀소자를 일정한 배열로 정렬하여 이에 따른 파형을 읽어 들여 공간적인 맥의 형태를 구현하고자 얻은 실험 데이터를 분석하였다. 홀(Hall)소자의 홀 효과를 이용한 자성변환소자의 핵심재료는 일반적인 인듐안티모나이드(InSb), 인듐아세나이드(InAs), 게르마늄(Ge), 실리콘(Si) 등으로 구성된 반도체를 사용하였다[15]. 자기장에 의해 홀 기전력이 발생하여 그 크기로 자기장의 세기를 측정할 수 있어서 자기장이나 미소 부분의 자기장을 측정할 수 있는 장점이 있으며 자기장의 변화가 위치 등에 기인할 때 이들 위치의 측정이 가능하였다.
데이터처리
- 또한 전력소모를 최소화 하게 회로 구성을 설계하였으며 손목 착용이 편리하게 비가압식을 이용한 맥진파 분석 알고리즘으로 지속적인 혈압 및 맥박 측정 데이터를 얻을 수 있도록 하였다. 대상자 13명의 임상시험으로 얻은 맥진파 데이터로 상관인자를 정하여 혈압 추정 알고리즘의 회귀식을 구하였다. 동시에 왼쪽 손목에서 5초간 비가압 맥진기로 맥진파를 수집한 혈압추정값과 오른쪽 위팔에서 전자혈압계로, 왼쪽 위팔에서 수은혈압계로 얻은 혈압의 측정값을 비교한 결과, 비가압 맥진기로 얻은 최고혈압과 최저혈압의 표준편차는 각각 12.
- 그리고 맥진파의 1차 미분파와 영점에서의 맥파의 Y값과 대표 맥파의 미분파 분석으로부터 얻은 측정점과 자동검출 결과를 보완하였다. 여기서 데이터 분석은 상관분석 및 회귀분석인 SPSS(Statistical Package for the Social Sciences) 방법으로 실행하였다.
- 초당 30 프레임의 데이터가 신속하게 처리된다. 처리된 하드웨어의 출력 신호들은 RS 232C로 연결된 소프트웨어의 회로 부분으로 전달되며 이때의 신호를 디지털로 변환하여 이미지 메트릭스를 거쳐 Mat-Lab 프로그램으로 영상을 모니터로 나타내었다.
성능/효과
- 대상자 13명의 임상시험으로 얻은 맥진파 데이터로 상관인자를 정하여 혈압 추정 알고리즘의 회귀식을 구하였다. 동시에 왼쪽 손목에서 5초간 비가압 맥진기로 맥진파를 수집한 혈압추정값과 오른쪽 위팔에서 전자혈압계로, 왼쪽 위팔에서 수은혈압계로 얻은 혈압의 측정값을 비교한 결과, 비가압 맥진기로 얻은 최고혈압과 최저혈압의 표준편차는 각각 12.1과 5.9으로 혈압국제규격 허용치와 근사하여 비가압 혈압 및 맥진기로 상용화 할 수 있을 것으로 사료된다. 이러한 영구자석의 미세한 자기장 변화를 감지한 자성 홀소자를 이용한 비가압 맥진파 분석으로 한의학의 새로운 혈압추정 진단 알고리즘을 제시하였다.
- 많은 임상시험의 데이터를 축적하여 최고혈압인 수축기 혈압의 오차를 줄일 수 있는 혈압추정 알고리즘을 개발하면 비가압식 혈압 측정기를 상용화할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 혈압추정 알고리즘을 적용하여 얻은 결과로 명확한 기준으로 한 패턴을 연령별로 구분하였을 때의 유효한 값을 얻었고, 유사한 패턴을 갖는 맥진파별로 분류하여 회귀식을 구성할 수 있었다.
후속연구
- 더 나아가 손목 착용형 맥진기를 상시 착용하여 가정에서 개인의 건강을 관리하고 다양한 건강상태의 문제를 해결할 수 있는 새로운 정보를 얻을 수 있다. 또한 BT와 IT 기술을 접목시켜 새로운 U-헬스케어의 시스템을 개척하여 지속적인 생체신호의 데이터를 저장하고 유무선 네트워크를 통해 원격서비스로 데이터를 분석하며 개인의 건강관리뿐만 아니라 운동선수의 체력관리와 만성질환자를 위한 효율적인 의료서비스 등을 제공해 줄 수 있다.
- 여기서 최고혈압은 표준 혈압국제 규격(BP International Standard)의 오차범위 ± 10 보다 약간 높았지만 최저혈압은 ± 10 이내로 값을 유지하였다[16]. 많은 임상시험의 데이터를 축적하여 최고혈압인 수축기 혈압의 오차를 줄일 수 있는 혈압추정 알고리즘을 개발하면 비가압식 혈압 측정기를 상용화할 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 혈압추정 알고리즘을 적용하여 얻은 결과로 명확한 기준으로 한 패턴을 연령별로 구분하였을 때의 유효한 값을 얻었고, 유사한 패턴을 갖는 맥진파별로 분류하여 회귀식을 구성할 수 있었다.
- 상기의 문제들을 해결하기 위해서는 손목의 요골 돌출부에 센서를 고정시켜 효과적으로 홀소자를 이용하여 요골동맥의 맥진파를 측정하므로 혈압 및 맥박을 분석하고 모니터링하는 손목 착용형 혈압 및 맥박 측정기를 개발할 필요가 있다[8, 9]. 위와 같이 측정한 데이터는 유무선 네크워크를 통해 데이터를 전송함으로써 향후 U-헬스케어의 네트워크를 기반으로 온라인상에서 원격진료 및 건강관리를 할 수 있을 것이다.
- 재현성이 뛰어난 손목 착용형 맥진기를 상품화하기 위해 제품 디자인 및 기구 설계를 소형화하고 혈압 및 맥박 측정기로 얻은 다중 생체신호를 비교 분석하는 소프트웨어를 개발하고 시스템을 구축하였다. 이의 소프트웨어를 통해 네트워크상에서 진료하고 처방하며 규칙적으로 운동하고 식사조절을 할 수 있도록 생체기초자료를 전송하여 개인의 건강상태를 실시간으로 관리할 수 있을 것이다. 따라서 본 연구에서는 맥동과 영구자석에 의한 미세한 자기장 변화를 측정하는 자성 홀소자 맥진센서를 이용하여 손목 착용형 맥진기의 시제품을 제작하였으며 임상시험 데이터로부터 획득한 맥진파를 분석할 수 있도록 재현성이 뛰어난 혈압추정 알고리즘을 개발하였다.
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