[논문]PVDF를 이용한 청진 센서 및 심폐음 무선 전송이 가능한 전자 청진기

임재중; 임영철

doi:10.7236/jiwit.2012.12.6.57

[국내논문] PVDF를 이용한 청진 센서 및 심폐음 무선 전송이 가능한 전자 청진기
Electronic Stethoscope using PVDF Sensor for Wireless Transmission of Heart and Lung Sounds 원문보기

한국인터넷방송통신학회 논문지 = The journal of the Institute of Internet Broadcasting and Communication, v.12 no.6, 2012년, pp.57 - 63

초록
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심장질환과 호흡기계 질환이 증가하는 가운데 기초진료를 위한 청진기의 성능 및 효과적인 사용은 매우 중요한 과정으로 적용되고 있다. 본 연구에서는 piezopolymer film을 사용하여 주위 소음을 최소화하고 5Hz까지의 저주파 대역을 수용할 수 있는 접촉형 진동센서를 개발하였고, 기존 전자청진기의 청진음보다 의사들이 익숙해 있는 청진음에 가깝도록 신호처리 기술을 적용하였다. 특히 저주파수 대역의 심음을 왜곡 없이 검출하고, 대부분의 전자청진기에서 취약한 호흡음의 질적 수준을 향상시켰으며, 블루투스를 적용하여 무선으로 송수신함으로써 u-헬스케어 환경에 적용이 가능한 전자청진시스템을 개발하였다. 본 연구의 결과는 일상생활중의 건강관리에 원격진료를 통한 의료산업 및 정보통신 산업 간의 융합기술 활성화에 적용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effective use of stethoscope is very important for primary clinical diagnosis for the increasing cardiovascular and respiratory disease. This study developed the contact vibration sensor using piezopolymer film which minimizes the ambient noise, and signal processing algorithm was applied for providing better auscultation sounds compare to the existing electronic stethoscopes. Especially, low frequency heart sounds were acquired without distortion, and the quality of lung sounds were improved. Also, auscultating sounds could be transmitted using bluetooth, which made possible to be used for the u-healthcare environment. Results of this study, auscultation of heart and lung sounds, could be applied to the convergence industry of medical and information communication technology through remote diagnosis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

검출된 청진 신호로부터 의미 있는 파형 특징점을 검출하고, 구축된 데이터베이스와 비교함으로써 정상 및 비정상 파형의 판단을 할 수 있도록 신호를 정량화 하고자 하였다. 신호 특징점 검출로는 제 1심음과 제 2심음의 시작점을 검출한 후 각 심음의 포락선 검출과 적분 과정을 거쳤으며, 호흡음의 경우에는 주파수 스펙트럼 분석을 통해 정량화 지표를 수립하였다.
본 연구에서는 PVDF(polyvinylidene fluoride)를 이용한 접촉형 마이크의 민감도를 최적화하고 주위 잡음을 최소화 하는 센서 모듈을 디자인하여 청진음의 질적 향상을 도모하였다. 또한 청진음 신호를 저장하고 분석하며 블루투스를 이용하여 무선으로 송수신 함으로써 u-헬스케어 사업과의 연결을 위해 무선 전송이 가능한 디지털 청진기를 개발하고자 수행하였다. 정확한 자가 진단을 통한 건강관리의 요구가 점차 증가하는 추세에 있는 현 시점에서 가정에서 일상생활 중에 상시적으로 관리가 필요한 청진음을 검사함으로써 지속적이고 적절한 건강관리가 이루어질 수 있도록 한다는데 큰 가치를 갖고 있다.
본 연구에서는 PVDF(polyvinylidene fluoride)를 이용한 접촉형 마이크의 민감도를 최적화하고 주위 잡음을 최소화 하는 센서 모듈을 디자인하여 청진음의 질적 향상을 도모하였다. 또한 청진음 신호를 저장하고 분석하며 블루투스를 이용하여 무선으로 송수신 함으로써 u-헬스케어 사업과의 연결을 위해 무선 전송이 가능한 디지털 청진기를 개발하고자 수행하였다.
본 연구에서는 소리의 민감도를 최적화하는 센싱 기술을 개발하여 청진음의 질적 향상을 도모하고, 청진음 신호를 블루투스를 이용하여 무선으로 송수신함으로써 사용자가 거부감 없이 편리하게 사용할 수 있는, u-헬스케어 환경에 적용이 가능한 전자 청진시스템을 개발하였다.
본 연구에서는 심폐음 검출을 위한 마이크로폰으로 PVDF 필름이 내장된 진동 센서를 개발하였으며, 그림 1은 개발된 센서의 구조 및 외관을 나타내고 있다. PVDF 는 압력이 가해지면 전하가 발생하게 되는 특성을 가지고 있으며, 심장의 운동 및 호흡이 기도 및 폐를 통과할 떄 발생되는 진동을 전기에너지로 변환하여 검출할 수 있는 구조로 설계되었다.
본 연구에서는 전자청진기에서 사용하는 센서를 설계하고, 센서 출력에 대한 아날로그 하드웨어 및 무선 전송을 위한 블루투스 기술을 적용하였으며, 청진음의 저장 및 분석을 위한 변수 추출 신호처리 알고리즘을 개발하였다.

제안 방법

검출된 청진음을 저장하여 질환별로 분류되어 있는 데이터베이스와 비교하여 주관적인 진단뿐만 아니라 저장된 청진음으로부터 의미 있는 파형 특징점을 검출하여 정상/비정상의 판단을 할 수 있도록 신호를 정량화 하였다. 이를 위해 제 1심음과 제 2심음 시작점을 검출하였으며, 각 신호에 대하여 포락선 검출 및 적분, 그리고 주파수 스펙트럼 분석을 수행하였다.
이는 일반적으로 저렴한 가격의 acoustic 마이크로폰은 저주파 대역 특성이 50-60Hz 이상이지만 본 연구에서 개발한 접촉형 마이크로폰은 저주파 대역 5Hz까지 수용이 가능하여 정확한 심음의 검출에 강한 특성이 있다. 그리고, 기존 전자청진기의 청진음의 질적 수준은 기계음의 형태로서 의사들이 교육받은 소리와는 질적 차이가 있으나 본 기술의 청진음은 의사들이 익숙해 있는 청진음에 가장 가깝도록 신호처리 기술을 적용하였다. 특히 대부분의 전자청진기에서 취약한 호흡음의 크기와 질적 수준이 향상되었으며, 전자식으로 인한 백색잡음과 주변 소음에 대한 신호대 잡음비를 향상시켰다.
특히 대부분의 디지털청진기에서 취약한 호흡음의 크기와 질적 수준이 향상되었으며, 전자식으로 인한 백색잡음과 주변 소음에 대한 신호대 잡음비를 향상시켰다. 또한 대부분의 디지털청진기는 유선(cable 혹은 USB)으로 연결하여 사용하지만 본 기술은 블루투스를 적용하여 무선으로 사용이 가능함으로써 원격 진료가 가능하도록 설계하였다.
특히 대부분의 전자청진기에서 취약한 호흡음의 크기와 질적 수준이 향상되었으며, 전자식으로 인한 백색잡음과 주변 소음에 대한 신호대 잡음비를 향상시켰다. 또한 블루투스를 적용하여 무선으로 사용이 가능함으로써 휴대가 간편하고 조작하기가 용이하도록 설계 되었다.
검출된 청진 신호로부터 의미 있는 파형 특징점을 검출하고, 구축된 데이터베이스와 비교함으로써 정상 및 비정상 파형의 판단을 할 수 있도록 신호를 정량화 하고자 하였다. 신호 특징점 검출로는 제 1심음과 제 2심음의 시작점을 검출한 후 각 심음의 포락선 검출과 적분 과정을 거쳤으며, 호흡음의 경우에는 주파수 스펙트럼 분석을 통해 정량화 지표를 수립하였다. 그림 6은 심음의 경우 제 1심음과 제 2심음의 검출에 대한 프로그램 결과 화면을 나타내고 있으며, 본 연구를 통하여 개발된 전자청진기의 성능 및 규격이 표 1에 요약되어 있다.
우선 기존의 전자청진기는 공기층을 거치는 acoustic 마이크로폰을 사용하지만 본 기술에서는 PVDF를 이용한 접촉형 마이크로폰을 적용하였다. 이는 일반적으로 저렴한 가격의 acoustic 마이크로폰은 저주파 대역 특성이 50-60Hz 이상이지만 본 연구에서 개발한 접촉형 마이크로폰은 저주파 대역 5Hz까지 수용이 가능하여 정확한 심음의 검출에 강한 특성이 있다.
검출된 청진음을 저장하여 질환별로 분류되어 있는 데이터베이스와 비교하여 주관적인 진단뿐만 아니라 저장된 청진음으로부터 의미 있는 파형 특징점을 검출하여 정상/비정상의 판단을 할 수 있도록 신호를 정량화 하였다. 이를 위해 제 1심음과 제 2심음 시작점을 검출하였으며, 각 신호에 대하여 포락선 검출 및 적분, 그리고 주파수 스펙트럼 분석을 수행하였다.
청진음의 무선전송을 위해서는 USB 기술과 호환이 되는 표준화 버전인 WUSB 1.0, Bluetooth 2.1을 채택하여 디지털 청진기의 본체 내부에 내장하였으며, 무선으로 연결해 음성과 데이터 통신을 할 수 있는 주파수대역은 2,400∼2,483.5MHz으로 설정하였다.
필터는 심음의 검출을 위한 벨(bell) 모드는 30Hz∼100Hz 대역으로 설정하였고, 폐음의 검출을 위한 다이어프램(diaphragm) 모드는 100Hz∼500Hz로 설정하였다.
5MHz으로 설정하였다. 확장된 inquiry 응답은 접속하기 전에 프로세스 동안 정보를 제공하며, 저 전력 모드일 경우, 특히 asymmetric data flows로 연결되어 있을 경우 전력소비를 줄일 수 있도록 sniff subrating 기술을 적용하여 설계하였다. 이는 최소 3배에서 최대 10배까지 배터리의 수명을 증가할 수 있으며, 보안의 강화와 사용 시간의 증가로 무선 USB장치 간의 공유 기술 향상할 수 있도록 하였다.

성능/효과

우선 기존의 전자청진기는 공기층을 거치는 acoustic 마이크로폰을 사용하지만 본 기술에서는 PVDF를 이용한 접촉형 마이크로폰을 적용하였다. 이는 일반적으로 저렴한 가격의 acoustic 마이크로폰은 저주파 대역 특성이 50-60Hz 이상이지만 본 연구에서 개발한 접촉형 마이크로폰은 저주파 대역 5Hz까지 수용이 가능하여 정확한 심음의 검출에 강한 특성이 있다. 그리고, 기존 전자청진기의 청진음의 질적 수준은 기계음의 형태로서 의사들이 교육받은 소리와는 질적 차이가 있으나 본 기술의 청진음은 의사들이 익숙해 있는 청진음에 가장 가깝도록 신호처리 기술을 적용하였다.
확장된 inquiry 응답은 접속하기 전에 프로세스 동안 정보를 제공하며, 저 전력 모드일 경우, 특히 asymmetric data flows로 연결되어 있을 경우 전력소비를 줄일 수 있도록 sniff subrating 기술을 적용하여 설계하였다. 이는 최소 3배에서 최대 10배까지 배터리의 수명을 증가할 수 있으며, 보안의 강화와 사용 시간의 증가로 무선 USB장치 간의 공유 기술 향상할 수 있도록 하였다. 디지털 청진기는 컴퓨터 쪽에서는 음원을 입력 받는 마이크 형태의 프로파일인 hands-free unit으로 인식되게 된다.

후속연구

본 연구를 통해 개발된 전자청진기는 원격 진료 산업의 발전에 따라 의료산업 및 정보통신산업, 기타 산업 간의 시너지 효과 증대에 활용될 수 있을 것이며, 건강관리 신기술 분야의 선도적 위치를 확보할 수 있을 것이다. 특히, 일상생활 중에 지속적인 질병의 예방, 관리를 통하여 활동적인 생활환경을 제공함으로써 정보통신 인프라 및 홈네트워크 시스템에 헬스케어 서비스를 연동하는 기술에 적극적으로 활용될 수 있을 것이다.
본 연구를 통해 개발된 전자청진기는 원격 진료 산업의 발전에 따라 의료산업 및 정보통신산업, 기타 산업 간의 시너지 효과 증대에 활용될 수 있을 것이며, 건강관리 신기술 분야의 선도적 위치를 확보할 수 있을 것이다. 특히, 일상생활 중에 지속적인 질병의 예방, 관리를 통하여 활동적인 생활환경을 제공함으로써 정보통신 인프라 및 홈네트워크 시스템에 헬스케어 서비스를 연동하는 기술에 적극적으로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PVDF의 특징은?	본 연구에서는 심폐음 검출을 위한 마이크로폰으로 PVDF 필름이 내장된 진동 센서를 개발하였으며, 그림 1은 개발된 센서의 구조 및 외관을 나타내고 있다. PVDF 는 압력이 가해지면 전하가 발생하게 되는 특성을 가지고 있으며, 심장의 운동 및 호흡이 기도 및 폐를 통과할 떄 발생되는 진동을 전기에너지로 변환하여 검출할 수 있는 구조로 설계되었다. 황동 재질의 필름 지지대 상면에 필름이 놓이게 되고, 필름의 위쪽에는 고무팁이 놓이게 되며, 이들 구조물은 상하에 하우징으로 고정된다.
	디지털 청진기 개발을 위해 필요한 기술에는 어떤 것들이 있는가?	디지털 청진기 개발 기술의 핵심은 청진 시 포함되어 함께 들릴 수 있는 주변의 소음을 제거함으로써 보다 깨끗하고 선명한 청진음을 제공하는 것이며, 특히 저주파의 심음과 고주파의 호흡음에 대한 분리가 정확하게 이루어져야 한다. 즉, 심음 및 호흡음의 검출을 위한 센서의 개발, 주위 잡음을 제거 하는 잡음 제거기술 개발, 검출된 청진음의 무선 전송기술 개발, 청진음의 분석을 위한 신호처리 기술 개발 등이 포함되어야 한다.
	기존의 청진기의 문제점은?	청진기는 의사에게 있어서는 환자의 진료에 가장 기본적이며 필수적인 장치이며, 최근 들어 기존의 튜브 방식에서 벗어나서 전자식으로 증폭된 음을 제공하는 다양한 방식의 디지털청진기가 보급되고 있는 추세이다.[3][4][5] 그러나, 의사들이 기존의 청진기로 많은 환자를 대하다 보면 청진을 위해 귀에 삽입함으로 인한 귀의 통증이 심각한 문제로 대두되어 왔으나 그에 대한 대처 방안이 마련되지 못하고 있으며, 또한 의사의 청진음에 대한 주관적이며 경험적인 판단으로 인한 문제점도 제기되고 있다.[6] 국내에서는 심음측정에 관한 연구가 일부 진행 중이지만 단순한 모니터링 수준이며,[7] 폐음의 측정 결과에 의한 질환분류는 임상의의 청진기술에만 의존하고 있을 뿐 이를 보조할 수 있는 장비는 현재 전무한 상황이다.

참고문헌 (14)

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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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