본 논문에서는 신체 성분 분석을 위한 다주파수 생체전기 임피던스 분석법에 대하여 소개하고 이를 기반으로 다주파수 생체전기 임피던스 분석 시스템을 구현하고 그 과정 및 결과를 제시하였다. 시스템의 구성요소들을 다주파수 교류 신호 발생부, 위상 신호 검출부, 전압 신호 검출부, 제어부, 입 출력부, 전극부, 전원부로 구분하여 설명하고, 구체적으로 구현 기법을 소개하였다. 체성분 데이터의 임상적 의의를 검토하고자 세계 최고 수준의 기술을 적용하여 높은 재현도와 고정밀도의 데이터를 제공하는 전문가용 체성분 분석기로 측정한 데이터와 비교 검토하고 두 측정치간의 상관관계를 구한 결과 시스템에 의한 체성분 분석은 상당히 높은 재현성을 나타낸다고 할 수 있다.
본 논문에서는 신체 성분 분석을 위한 다주파수 생체전기 임피던스 분석법에 대하여 소개하고 이를 기반으로 다주파수 생체전기 임피던스 분석 시스템을 구현하고 그 과정 및 결과를 제시하였다. 시스템의 구성요소들을 다주파수 교류 신호 발생부, 위상 신호 검출부, 전압 신호 검출부, 제어부, 입 출력부, 전극부, 전원부로 구분하여 설명하고, 구체적으로 구현 기법을 소개하였다. 체성분 데이터의 임상적 의의를 검토하고자 세계 최고 수준의 기술을 적용하여 높은 재현도와 고정밀도의 데이터를 제공하는 전문가용 체성분 분석기로 측정한 데이터와 비교 검토하고 두 측정치간의 상관관계를 구한 결과 시스템에 의한 체성분 분석은 상당히 높은 재현성을 나타낸다고 할 수 있다.
In this paper, we introduce the multiple frequency bio-electrical impedance analysis method for body composition analysis. And then we implement the multiple frequency bio-electrical impedance analysis system. Overall system consists of: multiple frequency alternating current signal generator contai...
In this paper, we introduce the multiple frequency bio-electrical impedance analysis method for body composition analysis. And then we implement the multiple frequency bio-electrical impedance analysis system. Overall system consists of: multiple frequency alternating current signal generator contained alternating current signal, phase signal detector, voltage signal detector, micro controller, in-out device(key-pad LCD), conductivity electrodes, system power. We explain the architecture of the system and required theory to implement the system. In order to investigate the clinical significance of the body composition data, compare to the data measured by the expert body composition analyzer which provide high reproduction and precision. Finally, experimental results which are the correlation between the measured data show the very high reproduction performance of the body composition analysis in the proposed system.
In this paper, we introduce the multiple frequency bio-electrical impedance analysis method for body composition analysis. And then we implement the multiple frequency bio-electrical impedance analysis system. Overall system consists of: multiple frequency alternating current signal generator contained alternating current signal, phase signal detector, voltage signal detector, micro controller, in-out device(key-pad LCD), conductivity electrodes, system power. We explain the architecture of the system and required theory to implement the system. In order to investigate the clinical significance of the body composition data, compare to the data measured by the expert body composition analyzer which provide high reproduction and precision. Finally, experimental results which are the correlation between the measured data show the very high reproduction performance of the body composition analysis in the proposed system.
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문제 정의
다주파수 생체전기 임피던스 분석(Multiple Frequency Bio-electrical Impedance Analysis:MFBIA)법은 이러한 단일 주파수법의 한계를 벗어나 1kHz에서 1MHz에 이르는 주파수를 사용함으로써 총 체수분량과 함께 내·외 세포 액량의 구성 비율 추정이 가능하기 때문에 체 성분을 정확히 분석해 낼 수 있다[5]. 따라서 본 논문에서는 신체성분 분석을 위한 다주파수 생체전기 임피던스 분석법에 대하여 소개하고 이를 기반으로 다주파수 생체전기 임피던스 분석 시스템을 구현하여 체 성분을 측정하고 시스템이 어느 정도의 정확도 및 재현성을 나타내는지도 알아보고자 한다. 이를 위해 2장에서는 다주파수 생체전기 임피던스 분석 시스템의 구현 방법을 제시하고 시스템 구성 요소의 기술적인 특성을 설명한다.
본 논문에서는 신체 성분 분석을 위한 다주파수 생체 전기 임피던스 분석법에 대하여 소개하고 이를 기반으로 다주파수 생체전기 임피던스 분석 시스템을 구현하고 그 과정 및 결과를 제시하였다. 시스템의 구성요소들을 다주 파수 교류 신호 발생부, 위상신호 검출부, 전압신호 검출부, 제어부, 입·출력부, 전극부, 전원부로 구분하여 설명하고, 구체적으로 구현 기법을 소개하였다.
제안 방법
시스템의 구성요소들을 다주 파수 교류 신호 발생부, 위상신호 검출부, 전압신호 검출부, 제어부, 입·출력부, 전극부, 전원부로 구분하여 설명하고, 구체적으로 구현 기법을 소개하였다. 또한 구현한 시스템을 이용하여 얻어진 체성분 데이터의 임상적 의의를 검토하고자 세계 최고 수준의 기술을 적용하여 높은 재현도와 고정밀도의 데이터를 제공하는 전문가용 체성분 분석기로 측정한 데이터와 비교 검토하고 두 측정치 간의 상관관계를 구하기 위해 InBody 3.0과 MFBIA 시스템에 의한 체지방률을 각각 5회 측정하였다. 그 결과 각시기간의 상관은 MFBIA 시스템에서 r= 0.
연산 증폭기 1과 2는 높은 입력임피던스와 전압이득을 가지는 비반전 증폭기이고, 연산 증폭기 3은 단위이득 차동 증폭기로 사용한다. 본 연구에서는 5V에서 동작하는 마이크로프로세서에서 전압 측정 시 오차를 최대한 줄이기 위하여 전압을 4V까지 증폭해 준다. 이를 위해서 이득특성이 좋은 OP-AMP를 사용하였다.
는 커패시터의 정전용량이다. 본 연구에서는 생성되는 사인파의 주파수를 마이크로프로세서의 명령에 의해 디지털적으로 조절할 수 있도록 하기위하여 8-bit 분해능을 갖는 A/D 컨버터 AD7524을 이용하여 아날로그 전압 VIN을 발생시키고 저항 RIN을 통과시켜 MAX038의 IIN 에 공급하였다. 다 주파수 교류 신호 발생부 회로는 그림 3과 같다.
제어부에서는 ADC에 입력된 전압을 측정하고, 위상 신호의 차이를 측정하여 키패드에서 입력된 개인 파라미터 정보인 신장, 체중, 성별, 나이를 토대로 체 성분을 계산한다. 뿐만 아니라 LCD제어, 전원 절약 모드를 지원하도록 하였다.
시스템의 구성요소들을 다주 파수 교류 신호 발생부, 위상신호 검출부, 전압신호 검출부, 제어부, 입·출력부, 전극부, 전원부로 구분하여 설명하고, 구체적으로 구현 기법을 소개하였다.
하지만 원하지 않는 잡음이 입력에나타날 수 있다. 이 잡음전압은 입력전압에 중첩되어 비교기 출력상태를 전환시키는 원인이 되므로 약 1%의 히스테리시스를 갖는 정귀환의 슈미트 트리거 회로를 설계하였다. 히스테리시스를 갖는 슈미트 트리거 회로를 통해 변환된 두 개의 구형파 신호는 X-OR 논리 게이트에서 비교하여 위상차 신호를 만들어낸다.
본 연구에서는 5V에서 동작하는 마이크로프로세서에서 전압 측정 시 오차를 최대한 줄이기 위하여 전압을 4V까지 증폭해 준다. 이를 위해서 이득특성이 좋은 OP-AMP를 사용하였다.
전체 시스템은 좌우 손바닥을 접촉하기 위한 전도성의 전극부, 5,50,250kHz의 주파수와 800uA의 전류를 생성하여 각 전극판으로 보내기 위한 다 주파수 교류신호 발생부, 전극판 사이에서 전압을 측정하기 위한 전압신호 검출부, 그리고 인체에 입력하는 입력신호와 인체에서 측정한 신호간의 위상차를 측정하기 위한 위상신호 검출부, 피 측정자의 신장, 연령, 성별 및 체중을 입력시키기 위한 입력부다.
회로를 구성한후 프로그램 상에서 설정된 주파수에 따라 아날로그 전압 VIN을 디지털 값으로 변환하였고 MAX038 주변 회로의 CF 값을 릴레이로 선택하여 사용함으로써 원하는 주파수를 선택할 수 있도록 하였다[6].
대상 데이터
본 연구에서 주제어 CPU는 내부에 10비트 분해능의 8채널 A/D변환기와 4Kbyte의 SRAM과 EEPROM, 128K byte의 플래쉬 메모리가 내장된 ATMEL사의 ATmega128을 사용하였다[7].
따라서 5, 50, 250kHz의 다주파수 사인파와 800uA의 정전류를 생성하여 전극부에 보내게 된다. 본 연구에서는 다 주파수 사인파를 생성하기 위하여 함수 발생기용 IC인 MAX038을 사용하였다. 주파수 f0는 다음 식 (1)에 의해 0.
실험 대상은 19∼29세까지의 건강한 성인 남자 10명과 여자 5명이며 피험자의 연령 및 신체 특징, 그리고 구현된 시스템으로 체성분을 분석한 결과 값은 표 2과 같다.
데이터처리
본 연구에서 구현된 시스템의 정확도 및 재현성을 알아보기 위해 Biospace사의 InBody 3.0 정밀 체성분 분석 기를 이용하여 체성분을 비교 측정하였다. 신체의 성분을 측정하기 위해 본 논문에서 사용한 매개변수들의 기호와 단위, 측정 또는 계산 시 정상인의 결과 값은 표 1과 같다.
본 연구에서의 재현성은 동일한 시간과 장소에서 연속 10회 측정하여 얻어진 신체 조성치 간의 상관계수로서 처리했으며 또 개인 내 변동은 그들의 평균치에 대한 표준편차의 비율(Coefficient of Variation : CV(%))에 의해 평가했다. 그 결과는 표 4와 같다.
이론/모형
영점교차 비교부에서는 다 주파수 교류신호 발생부에서 생성된 사인파와 측정신호 증폭부에서 증폭된 측정사인파를 구형파 형태로 변환하기 위해서 영점교차 동작을 하는 슈미트 트리거(Schmitt trigger)회로를 사용한다. 영점교차 비교기(Zero Cross Comparator)는 사인파가 0점을 교차할 때에 펄스를 발생시키는 것으로써 정확하게 0점으로 동작시키기 위해서는 R3, R6=∞ 즉, 히스테리시스를 걸지 않는다.
성능/효과
그 결과 각시기간의 상관은 MFBIA 시스템에서 r= 0.8455∼0.9482, InBody 3.0은 r= 0.9768∼0.9926으로 MFBIA시스템이 InBody 3.0대비 다소 낮은 상관을 보이지만 InBody 3.0이 99%의 재현도를 보장하는 세계 최고 수준의 기기임을 비추어 볼 때 MFBIA 시스템에 의한 체성분 분석은 상당히 높은 재현성을 나타낸다고 할 수 있다.
0이 99%의 재현도를 보장하는 세계 최고 수준의 기기임을 비추어 볼 때 MFBIA 시스템에 의한 체성분 분석은 상당히 높은 재현성을 나타낸다고 할 수 있다. 또한 InBody 3.0의 변동 계수는 1.6%, MFBIA 시스템의 변동 계수는 6.9%로 개인내 변동은 약간 큰 것을 알 수 있다. 향후 MFBIA 시스템의 성능을 향상시키는 작업이 필요하며, 한국인의 체형에 맞는 체성분 상관식의 데이터베이스 구축도 필요하다.
표 3는 InBody 3.0에 의한 체지방률과 MFBIA 시스템에 의한 체지방률에 대한 측정시기간의 상관계수를 나타낸 것으로 정확도는 InBody 3.0 대비 82.4%로 다소 떨어지지만 재현성 측면에선 97.8%의 안정도를 보였다.
후속연구
9%로 개인내 변동은 약간 큰 것을 알 수 있다. 향후 MFBIA 시스템의 성능을 향상시키는 작업이 필요하며, 한국인의 체형에 맞는 체성분 상관식의 데이터베이스 구축도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 논문에서는 다주파수 생체전기 임피던스 분석 시스템을 어떻게 구분하여 설명하는가?
본 논문에서는 신체 성분 분석을 위한 다주파수 생체전기 임피던스 분석법에 대하여 소개하고 이를 기반으로 다주파수 생체전기 임피던스 분석 시스템을 구현하고 그 과정 및 결과를 제시하였다. 시스템의 구성요소들을 다주파수 교류 신호 발생부, 위상 신호 검출부, 전압 신호 검출부, 제어부, 입 출력부, 전극부, 전원부로 구분하여 설명하고, 구체적으로 구현 기법을 소개하였다. 체성분 데이터의 임상적 의의를 검토하고자 세계 최고 수준의 기술을 적용하여 높은 재현도와 고정밀도의 데이터를 제공하는 전문가용 체성분 분석기로 측정한 데이터와 비교 검토하고 두 측정치간의 상관관계를 구한 결과 시스템에 의한 체성분 분석은 상당히 높은 재현성을 나타낸다고 할 수 있다.
단일 주파수법은 어떤 한계가 있는가?
생체전기 임피던스 분석 (Bio-electrical Impedance Analysis : BIA)법은 측정의 정밀성과 실용성, 이 두 가지 조건을 만족하는 방법으로 연령과 성별에 관계없이 환자에게도 쉽게 이용될 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 측정을 위해 특별한 기술을 필요로 하지 않는 간편성 또한 지니고 있다[3,4]. 그러나 기존의 생체전기 임피던스의 연구는 골격근육 조직에 특성 주파수인 50kHz의 단일 주파수에 작동하는 장비들을 사용하였는데, 단일 주파수법은 내·외 세포 액량의 비율을 구별해 내지 못하는 한계가 있다. 다주파수 생체전기 임피던스 분석(Multiple Frequency Bio-electrical Impedance Analysis:MFBIA)법은 이러한 단일 주파수법의 한계를 벗어나 1kHz에서 1MHz에 이르는 주파수를 사용함으로써 총 체수분량과 함께 내·외 세포 액량의 구성 비율 추정이 가능하기 때문에 체 성분을 정확히 분석해 낼 수 있다[5].
생체전기 임피던스 분석법은 어떤 장점을 갖는가?
현재 신체 성분분석 방법으로 여러 가지 방법이 소개되고 있는데, 컴퓨터 단층촬영법, 이중 에너지 X선 흡수 측정법, 중성자 활성화법, 자기공명 영상법, 수중체중 측정법 등은 측정의 정밀성이 높기는 하나 공간적, 경제적 부담이 크고 훈련된 전문가에 의해서만 활용이 가능하다는 제한이 뒤따른다[1,2]. 생체전기 임피던스 분석 (Bio-electrical Impedance Analysis : BIA)법은 측정의 정밀성과 실용성, 이 두 가지 조건을 만족하는 방법으로 연령과 성별에 관계없이 환자에게도 쉽게 이용될 수 있다는 장점을 가지고 있으며, 측정을 위해 특별한 기술을 필요로 하지 않는 간편성 또한 지니고 있다[3,4]. 그러나 기존의 생체전기 임피던스의 연구는 골격근육 조직에 특성 주파수인 50kHz의 단일 주파수에 작동하는 장비들을 사용하였는데, 단일 주파수법은 내·외 세포 액량의 비율을 구별해 내지 못하는 한계가 있다.
참고문헌 (8)
Sjostrom L, Kvist H, Cederblad A, Tylen U. Determination of total adipose tissue and body fat in women by computed tomography, 40K, and tritium. Am J Physiol 1986.
Sohlstrom A, Wahlund LO, Forsum E. Adipose tissue distribution as assessed by magnetic resonance imaging and total body fat by magnetic resonance imaging, underwater weighing, and body-water dilution in healthy women. Am J Clin Nutr 1993.
Deurenberg, P., Weststrate, J.A., & Seidell, J.C., Sex and age specific population prediction formulas for estimating body composition from bioelectrical impedance : Across-validation study. International Journal of Obseity, 15, 17-25, 1991.
Nakadomo, F., Tanaka, K., Haxama, T. & Maeda K., Validation of body composition assessed by bioelectrical impedance analysis. Japanese Journal of Applied Physiology, 20; 321-330. 1990.
Lukaski, H.C., "Validation of tetrapolar bioelectrical impedance method to assess human body composition ", J. Appl. Physial., Vol. 60(4), pp. 1327-1332, 1996.
Cornish B.H., Thomas B.J. & Ward L.C., "Improved prediction of extracellular and total body water using impedance loci generated by multiple frequency bioelectrical impedance analysis", Phys Med. Biol. 38, pp. 337-346. 1993.
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