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문제 정의
- 본 연구는 기존의 흉부에서의 임피던스 심박출량 측정 방법을 기초하여 심박출량 측정 시 흉부에 부착되는 리드를 제거하고 양손에서 편리하게 측정할 수 있도록 하며, 고가의 일회용 전극의 사용을 대신하여 반영구적인 hand-held 타입 전극으로 대체하여 시술자의 도움 없이도 측정이 가능한 편리성을 제공하고자 한다. 따라서 본 연구는 기존의 침습적 또는 비침습적의 방법을 모두 개선시킨 전기적 임피던스 방법을 통한 hand-held 타입의 1회 박출량 및 심박출량 검출 시스템을 개발하며, 개발된 시스템의 임상적 검증을 목적으로 한다.
- 본 연구는 기존의 흉부에서의 임피던스 심박출량 측정 방법을 기초하여 심박출량 측정 시 흉부에 부착되는 리드를 제거하고 양손에서 편리하게 측정할 수 있도록 하며, 고가의 일회용 전극의 사용을 대신하여 반영구적인 hand-held 타입 전극으로 대체하여 시술자의 도움 없이도 측정이 가능한 편리성을 제공하고자 한다. 따라서 본 연구는 기존의 침습적 또는 비침습적의 방법을 모두 개선시킨 전기적 임피던스 방법을 통한 hand-held 타입의 1회 박출량 및 심박출량 검출 시스템을 개발하며, 개발된 시스템의 임상적 검증을 목적으로 한다.
제안 방법
- B point에서 X-point 사이의 시간은 좌심실방출시간(Left ventricular ejection time, LVET)으로 측정되며, 임피던스 심박출량 측정 신호의 최대 진폭을 Dz/dtMAX 로 측정하였다. 미분과 제로크로싱 검출 방법은 임피던스 심박출량 측정 신호의 특징점 검출을 위해 유용하게 사용된다[11].
- Physioflow를 통해 1회 박출량 과 심박출량의 데이터를 획득하였다. Physioflow는 흉부에서의 임피던스 신호를 통해 심박출량을 측정하는 여러 연구에 사용되었다.
- 과정 1을 수행한 후, 10분의 안정 시간을 가졌으며, 4개의 hand-held 타입의 전극을 통해 심전도와 임피던스 심박출량 측정을 동시에 수행하였다. 개발된 시스템의 재현성 검증을 위해 연령대별 각 1명씩(남자 3명, 여자 2명)에 대해 5회 반복 측정하였다. 5회 반복 측정에 대한 실험 프로토콜(안정 10분, ECG/ICG 측정 5분, 그리고 휴식 3분)은 그림 4(a)와 같다.
- 심박출량 주기에 따른 전압 변화는 두 개의 전압 전극 사이의 차동 증폭을 통해 검출이 가능하며, 이때 검출된 신호는 교류 신호에 대한 진폭 변화로 나타난다. 검출된 교류 신호는 직류 형태의 신호로 변환해야 하는데, 이를 위해 2MHz의 대역폭과 0.2%의 오차를 갖는 전파정류회로를 통해 직류 형태의 전압 신호로 변환하였다. 본 연구에서는 초기 전파 정류회로를 통해 변환된 직류 신호 기저 임피던스는 1회 박출량 및 심박출량 검출을 위한 정보를 포함하는 신호이다.
- 실험 전 모든 피검자에 대해, 실험에 관한 자세한 설명 및 동의서 작성을 수행하였다. 과정 1을 수행한 후, 10분의 안정 시간을 가졌으며, 4개의 hand-held 타입의 전극을 통해 심전도와 임피던스 심박출량 측정을 동시에 수행하였다. 개발된 시스템의 재현성 검증을 위해 연령대별 각 1명씩(남자 3명, 여자 2명)에 대해 5회 반복 측정하였다.
- 따라서 흉부에 부착된 전극을 통해 Physioflow의 데이터를 획득하고, 흉부에 부착된 전극을 제거 후, 제안된 시스템의 데이터를 획득하였다. 그림 4(b)와 같이, Physioflow를 통하여 5분 동안 10초 간격으로 1회 박출량, 심박출량 그리고 심박수를 저장한 후, 제안된 시스템을 통해 5분 동안 1회 박출량, 심박출량 그리고 심박수를 측정하였다.
- 따라서 1회 박출량과 심박출량의 정보를 포함하는 기저 임피던스 신호는 기저임피던스 신호와 PWM 시스템을 통해 피드백 된 신호의 차동 증폭을 통해 1회 박출량 및 심박출량의 정보만을 포함하는 신호로 변경된다. 더욱이 본 연구에서 제안된 임피던스 방법을 통한 심박출량 측정 시스템은 4개의 hand-held 타입의 전극을 통해 심전도(Lead I) 신호의 동시 획득도 가능하다.
- 두 C-point 사이에서 최소값을 가지거나 또는 C-point 후 기울기가 변화하는 변곡점을 검출하여 X-point (대동맥 판막이 닫히는 순간)로 검출한다. 동시에 역추적 알고리즘을 통해 B-point (대동맥 판만이 열리는 순간)를 검출하였다.
- 설정된 초기 임계값은 C-point (대동맥에서의 혈액의 최대 흐름)를 검출하기 위해 사용된다. 두 C-point 사이에서 최소값을 가지거나 또는 C-point 후 기울기가 변화하는 변곡점을 검출하여 X-point (대동맥 판막이 닫히는 순간)로 검출한다. 동시에 역추적 알고리즘을 통해 B-point (대동맥 판만이 열리는 순간)를 검출하였다.
- 그러나 두 신호는 기저 임피던스 신호에 비해 매우 작은 신호임에 따라, 1회 박출량 및 심박출량 신호만의 검출을 위해 분해능 높은 신호 생성이 필요하다. 따라서 본 연구에서 개발된 hand-held 타입의 심박출량 검출 시스템은 PWM 피드백 시스템(Pulse width modulation feedback system)을 포함한다. PWM 피드백 시스템을 통해 1회 박출량 및 심박출량의 검출이 가능한 향상된 분해능을 가지는 신호의 검출이 가능하다.
- 더불어 Bland-Altman 분석과 윌콕슨 부호순위 검정을 통해 제안된 시스템과 Physioflow를 통해 획득된 1회 박출량과 심박출량의 측정 결과 값이 통계적으로 유의함을 확인하였다. 따라서 제안된 시스템은 기존의 제한점을 보완한 편리하고 유의성 있는 측정 방법으로써 이는 임피던스 방법을 기반으로 한 새로운 측정 방식으로 사료된다. 본 연구를 통해 개발된 hand-held 타입의 임피던스 방법을 이용한 심박출량 측정시스템을 통해 병원 내원 없이, 시술자의 도움 없이도 편리하고 간단하게 1회 박출량과 심박출량의 측정이 가능할 것으로 판단된다.
- 검출된 파라미터들은 Kubicek 방정식(수식 1)을 통하여 1회 박출량으로 산출되며, 수식 2를 통해 심박출량으로 계산된다[12, 13]. 모든 신호 처리는 제안된 시스템의 마이크로프로세서인 Cortex-M3(STM32F103RE, ST-micro, Switzerland)에서 실시간 처리를 수행한다.
- 본 연구에서 개발된 hand-held 타입의 임피던스 심박출량 검출 시스템은 양손을 통해 정 전류를 주입하며, Physioflow는 흉곽을 통해 정 전류를 주입하는 장비이다. Physioflow와 본 연구에서 개발된 시스템은 모두 흉부나 양손에 전류를 주입하기 때문에 서로 간섭이 생기는 부작용을 나타낼 수 있으므로, 동시에 전극을 부착한 실험이 불가하다.
- 본 연구에서는 양손 임피던스 방법을 이용한 hand-held 타입의 1회 박출량 및 심박출량 측정 시스템을 제안하였으며, 측정 결과에 대한 임상 검증을 수행하였다. 임피던스 방법을 이용한 심박출량 측정 시스템은 크롬 도금된 hand-held 타입의 전극을 사용하며, 실시간 PWM 피드백을 통해 기저 임피던스와 피드백 신호의 차이를 증폭함에 따라 심장에서 대동맥을 통해 방출되는 혈액 양의 변화에 따른 임피던스 신호의 분해능을 향상하였다.
- 본 연구에서는 흉곽에 직접 전극을 부착하는 대신에 hand-held 타입의 전극을 사용하였다. Hand-held 타입의 전극은 그림 1과 같이 전류 전극(Current high, CH), 전류 전극(Current low, CL), 전압 측정 전극(Voltage high, VH), 그리고 전압 측정 전극(Voltage low, VL), 총 4개의 전극으로 구성된다.
- 그림 4는 본 연구의 제안된 시스템에 대한 임상 검증 실험 프로토콜이다. 실험 전 모든 피검자에 대해, 실험에 관한 자세한 설명 및 동의서 작성을 수행하였다. 과정 1을 수행한 후, 10분의 안정 시간을 가졌으며, 4개의 hand-held 타입의 전극을 통해 심전도와 임피던스 심박출량 측정을 동시에 수행하였다.
- 직류 전류는 인체 깊숙이 주입되지 못 함에 따라, 개발된 시스템은 교류 전류를 사용하였다. 윈 브리지 오실레이터(Wien-bridge oscillator)를 통해 100kHz의 정현파를 생성하였으며, 인체에 무해한 1mA 정 전류를 주입하였다. 주입된 정 전류는 옴의 법칙에 따라 임피던스 변화에 비례하는 전압의 변화를 발생시킨다.
- 모든 신호는 fs =1kHz(샘플링율, fs)로 샘플링 되었다. 임피던스 심박출량 측정 신호는 제안된 시스템의 실시간 PWM 피드백에 의해 향상된 분해능을 갖는 1회 박출량과 심박출량 신호로 변환되며, 원활한 특징점 검출을 위해 소프트웨어 20Hz 저역통과필터링을 수행하였다. 과도응답 및 노이즈 신호의 제거를 위해 초기 4초간 데이터는 삭제하였으며, 이후 3초간 데이터의 중간 값을 초기 임계값으로 설정하였다.
- 그림 2는 hand-held 타입의 심박출량 측정 시스템의 블록도이다. 직류 전류는 인체 깊숙이 주입되지 못 함에 따라, 개발된 시스템은 교류 전류를 사용하였다. 윈 브리지 오실레이터(Wien-bridge oscillator)를 통해 100kHz의 정현파를 생성하였으며, 인체에 무해한 1mA 정 전류를 주입하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 흉곽에 직접 전극을 부착하는 대신에 hand-held 타입의 전극을 사용하였다. Hand-held 타입의 전극은 그림 1과 같이 전류 전극(Current high, CH), 전류 전극(Current low, CL), 전압 측정 전극(Voltage high, VH), 그리고 전압 측정 전극(Voltage low, VL), 총 4개의 전극으로 구성된다. 두 개의 전류 전극은 전류 주입과 기준 전극으로 사용되며, 1회 박출량과 심박출량에 대한 임피던스 변화 측정 전극으로 두 개의 전압 측정 전극이 사용된다.
- 30명의 피검자 중 8명은 심각한 질병 상태 및 분석 불가의 이유로 임상실험 도중 제외되었다. 따라서 임상실험은 정상군 50명, 환자군 22명, 총 72명(남자 54명, 여자 18명)을 대상으로 수행되었다.
- Physioflow와 본 연구에서 개발된 시스템은 모두 흉부나 양손에 전류를 주입하기 때문에 서로 간섭이 생기는 부작용을 나타낼 수 있으므로, 동시에 전극을 부착한 실험이 불가하다. 따라서 흉부에 부착된 전극을 통해 Physioflow의 데이터를 획득하고, 흉부에 부착된 전극을 제거 후, 제안된 시스템의 데이터를 획득하였다. 그림 4(b)와 같이, Physioflow를 통하여 5분 동안 10초 간격으로 1회 박출량, 심박출량 그리고 심박수를 저장한 후, 제안된 시스템을 통해 5분 동안 1회 박출량, 심박출량 그리고 심박수를 측정하였다.
- 본 연구에서 개발된 hand-held 타입의 임피던스 심박출량 검출 시스템의 임상 검증을 위해 연세대학교 및 연세대학교 원주의과대학 내 총 80명을 대상으로 실험을 수행하였다. 80명의 피검자 중, 50명은 심혈관 관련 질병 기록을 가지고 있지 않았으며, 30명은 심혈관 관련 질병 기록, 혹은 현재 환자이다.
데이터처리
- 그림 5는 제안된 시스템과 Physioflow의 데이터 유효성 분석을 위해 Bland-Altman 분석을 수행하였다. 그림 6은 제안된 시스템과 Physioflow의 평균에 대한 두 시스템에 대한 차이를 나타낸다.
- 804)로 높은 상관성을 보임을 확인하였다. 더불어 Bland-Altman 분석과 윌콕슨 부호순위 검정을 통해 제안된 시스템과 Physioflow를 통해 획득된 1회 박출량과 심박출량의 측정 결과 값이 통계적으로 유의함을 확인하였다. 따라서 제안된 시스템은 기존의 제한점을 보완한 편리하고 유의성 있는 측정 방법으로써 이는 임피던스 방법을 기반으로 한 새로운 측정 방식으로 사료된다.
- 전체 피검자 72명에 대하여, Physioflow를 통해 획득된 1회 박출량, 심박출량 데이터는 제안된 시스템의 1회 박출량, 심박출량 데이터와 통계적 교차 검증을 통해 상관계수(Pearson product moment correlation coefficient, r)를 산출하였다. 더불어 제안된 시스템과 Physioflow의 1회 박출량과 심박출량 결과에 대한 차이를 검증하기 위해 대응 표본 t-검정에 대응하는 비모수적 검정 방법인 윌콕슨 부호 순위 검정(Wilcoxon signed ranks test)을 수행하였다. 윌콕슨 부호순위 검정 분석은 제안된 시스템의 결과 값이 비정규분포인 연속변수 또는 순위 변수일 때 사용된다[17].
- 모든 데이터는 SPSS 17.0(SPSS Inc., an IBM Company, USA)과 Medcalc(MedCalc Software bvba, Belgium)를 통해 분석되었으며, 산출된 통계치는 (평균 ± 표준편차)의 형태로 표현되었다.
- , an IBM Company, USA)과 Medcalc(MedCalc Software bvba, Belgium)를 통해 분석되었으며, 산출된 통계치는 (평균 ± 표준편차)의 형태로 표현되었다. 전체 피검자 72명에 대하여, Physioflow를 통해 획득된 1회 박출량, 심박출량 데이터는 제안된 시스템의 1회 박출량, 심박출량 데이터와 통계적 교차 검증을 통해 상관계수(Pearson product moment correlation coefficient, r)를 산출하였다. 더불어 제안된 시스템과 Physioflow의 1회 박출량과 심박출량 결과에 대한 차이를 검증하기 위해 대응 표본 t-검정에 대응하는 비모수적 검정 방법인 윌콕슨 부호 순위 검정(Wilcoxon signed ranks test)을 수행하였다.
- 제안된 시스템의 유효성 검증을 위해 Physioflow의 1회 박출량과 심박출량을 비교·검증하였다.
- 추가적으로, 제안된 시스템과 Physioflow의 1회 박출량과 심박출량 결과에 대한 차이를 검증하기 위해 윌콕슨 부호순위 검정을 수행하였다. 수행 결과 1회 박출량_남(p=0.
이론/모형
- 미분과 제로크로싱 검출 방법은 임피던스 심박출량 측정 신호의 특징점 검출을 위해 유용하게 사용된다[11]. 검출된 파라미터들은 Kubicek 방정식(수식 1)을 통하여 1회 박출량으로 산출되며, 수식 2를 통해 심박출량으로 계산된다[12, 13]. 모든 신호 처리는 제안된 시스템의 마이크로프로세서인 Cortex-M3(STM32F103RE, ST-micro, Switzerland)에서 실시간 처리를 수행한다.
성능/효과
- 본 연구에서 개발된 hand-held 타입의 임피던스 심박출량 검출 시스템의 임상 검증을 위해 연세대학교 및 연세대학교 원주의과대학 내 총 80명을 대상으로 실험을 수행하였다. 80명의 피검자 중, 50명은 심혈관 관련 질병 기록을 가지고 있지 않았으며, 30명은 심혈관 관련 질병 기록, 혹은 현재 환자이다. 임상실험 진행 전, 80명의 모든 피검자를 대한으로 실험 프로토콜을 설명하였으며, 실험 동의서를 작성하였다.
- 따라서 본 연구에서 개발된 hand-held 타입의 심박출량 검출 시스템은 PWM 피드백 시스템(Pulse width modulation feedback system)을 포함한다. PWM 피드백 시스템을 통해 1회 박출량 및 심박출량의 검출이 가능한 향상된 분해능을 가지는 신호의 검출이 가능하다. PWM 피드백 시스템은 초기 기저 임피던스를 통해 획득된 데이터를 마이크로컨트롤러 Cortex-M3(STM32F 103RE, ST-micro, Switzerland)를 통해 실시간 피드백을 수행한다.
- 그 결과 5.38%(1회 박출량_남), 5.37%(심박출량_남), 5.55%(1회 박출량_여) 그리고 5.54%(심박출량_여), (P<0.05)의 오차를 확인하였다.
- 각 연령대 별로 3% 미만의 오차를 확인하였다. 본 결과를 통해 제안된 hand-held 타입의 임피던스 심박출량 측정 시스템의 재현성을 확인하였으며, Physioflow 결과와 높은 상관성을 보임을 검증하였다.
- 본 연구에서 개발된 hand-held 타입의 심박출량 측정 시스템을 통해 획득되어진 1회 박출량과 심박출량은 Physioflow(PF104D, Manatec Biomedical, France)와 비교된다.
- 본 연구에서는 양손 임피던스 방법을 이용한 hand-held 타입의 1회 박출량 및 심박출량 측정 시스템을 제안하였으며, 측정 결과에 대한 임상 검증을 수행하였다. 임피던스 방법을 이용한 심박출량 측정 시스템은 크롬 도금된 hand-held 타입의 전극을 사용하며, 실시간 PWM 피드백을 통해 기저 임피던스와 피드백 신호의 차이를 증폭함에 따라 심장에서 대동맥을 통해 방출되는 혈액 양의 변화에 따른 임피던스 신호의 분해능을 향상하였다. 이를 통해 기존 방법들이 가진 문제점을 해결 및 hand-held 타입의 전극을 통해 양손에서 1회 박출량 및 심박출량의 데이터 획득을 가능하게 하였다.
- 이를 통해 기존 방법들이 가진 문제점을 해결 및 hand-held 타입의 전극을 통해 양손에서 1회 박출량 및 심박출량의 데이터 획득을 가능하게 하였다. 제안된 시스템에 대한 재현성 평가 결과 각 연령대 별 3% 미만의 오차를 확인하였으며, 1회 박출량과 심박출량에 대한 검증 결과 1회 박출량_남(r=0.715), 1회 박출량_여(r=0.704), 심박출량_남(r=0.826), 심박출량_여(r=0.804)로 높은 상관성을 보임을 확인하였다. 더불어 Bland-Altman 분석과 윌콕슨 부호순위 검정을 통해 제안된 시스템과 Physioflow를 통해 획득된 1회 박출량과 심박출량의 측정 결과 값이 통계적으로 유의함을 확인하였다.
후속연구
- 향후 연구 과제로써 성별, 나이, 심장 질환 등의 다양한 범주의 표본을 획득하고 병적 상태에 대한 분류를 통한 통계적 분석이 시행되어야 한다. 또한 Swan-Ganz 카테터를 사용한 열희석법을 이용해 1회 박출량 및 심박출량을 획득하고, 제안된 시스템의 결과 값 비교를 통한 확실한 검증이 필요하다.
- 따라서 제안된 시스템은 기존의 제한점을 보완한 편리하고 유의성 있는 측정 방법으로써 이는 임피던스 방법을 기반으로 한 새로운 측정 방식으로 사료된다. 본 연구를 통해 개발된 hand-held 타입의 임피던스 방법을 이용한 심박출량 측정시스템을 통해 병원 내원 없이, 시술자의 도움 없이도 편리하고 간단하게 1회 박출량과 심박출량의 측정이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 연구의 제한점으로는 질병군과 정상군의 표본은 존재하지만, 성별에 따른 분석만이 이루어졌다는 것과 심박출량 측정의 표준법인 Swan-Ganz 카테터를 사용한 열희석법을 통한 측정 데이터와의 비교가 없다는 것이다. 향후 연구 과제로써 성별, 나이, 심장 질환 등의 다양한 범주의 표본을 획득하고 병적 상태에 대한 분류를 통한 통계적 분석이 시행되어야 한다.
- 본 연구의 제한점으로는 질병군과 정상군의 표본은 존재하지만, 성별에 따른 분석만이 이루어졌다는 것과 심박출량 측정의 표준법인 Swan-Ganz 카테터를 사용한 열희석법을 통한 측정 데이터와의 비교가 없다는 것이다. 향후 연구 과제로써 성별, 나이, 심장 질환 등의 다양한 범주의 표본을 획득하고 병적 상태에 대한 분류를 통한 통계적 분석이 시행되어야 한다. 또한 Swan-Ganz 카테터를 사용한 열희석법을 이용해 1회 박출량 및 심박출량을 획득하고, 제안된 시스템의 결과 값 비교를 통한 확실한 검증이 필요하다.
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