[논문]증기직접가열방식의 비염치료기 개발

전창완; 강태삼

doi:10.5302/j.icros.2013.13.1861

증기직접가열방식의 비염치료기 개발
Development of a Direct-Vapor Heating Inhalator 원문보기

제어·로봇·시스템학회 논문지 = Journal of institute of control, robotics and systems, v.19 no.4, 2013년, pp.322 - 327

전창완 (순천향대학교 전기공학과) , 강태삼 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently many people have been troubled with perennial allergic rhinitis. But there is no way to cure for root of it until now. Therefore many medical treatments to release symptoms of perennial allergic rhinitis have been researched. One of them is localized aerosol hyperthermia, which injects $42^{\circ}C{\sim}43^{\circ}C$ vapor into nasal cavity. Vapor inhalator for localized aerosol hyperthermia has been researched in foreign country. But on the other hand it has rarely been researched inside of the country. Since most clinics and hospitals have used imported vapor inhalator, it is needed to develop domestic vapor inhalator. In the paper, a superior vapor inhalator compared to former developed one is developed. The superiority of it comes from direct-vapor heating instead of water heating to control vapor temperature. The developed vapor inhalator has shorter rising time than the existing one because of direct-vapor heating. Furthermore vapor generation part and control part of the vapor inhalator developed as one piece mock-up. It enables the vapor inhalator to have smaller size. Many laboratory tests are performed and compared to existing results to prove its performance.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

온증기의 물의 온도는 상온이므로 상온에서 42~43℃로의 빠른 가열과 온도편차를 ±1℃ 이내로 하였고, 적어도 30분 이상 일정한 온도를 유지하도록 했으며 적절한 양의 증기가 환자의 양비공을 향해 분사 될 수 있도록 제작하였다. 기존의 제품들처럼 병원에서만 사용할 수 있었던 크고 고가의 장비가 아닌 가정에서도 부담 없이 사용할 수 있는 저가형을 목표로 하였다. 또한 마이크로프로세서를 사용하여 작고 휴대가 가능하며 PC에서의 제어가 가능하도록 하였다.
기존의 제품들처럼 병원에서만 사용할 수 있었던 크고 고가의 장비가 아닌 가정에서도 부담 없이 사용할 수 있는 저가형을 목표로 하였다. 또한 마이크로프로세서를 사용하여 작고 휴대가 가능하며 PC에서의 제어가 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 어린이의 15%가 앓고 있는 것으로 나타나고 있으나 아직 근원적 치료법이 아직 개발되지 않은 알레르기성 비염의 증상 개선을 위한 국소 온증기를 개발하였다. 본 논문에서는 수증기의 온도를 직접 제어하는 방식을 고안하여 개발에 적용하였고 가습부분과 제어부를 일체형으로 하여 상품화 전단계인 실물 크기의 형태(mock-up)로 개발하였다.
본 논문에서는 이전 연구의 단점이었던 긴 초기가열시간을 줄이기 위하여 물을 가열하지 않고 수증기를 직접 가열하는 방식을 고안하여 사용하였고 상품화를 목적으로 크기와 형태를 실물 크기의 형태(mock-up)로 개발하였다. 온증기의 물의 온도는 상온이므로 상온에서 42~43℃로의 빠른 가열과 온도편차를 ±1℃ 이내로 하였고, 적어도 30분 이상 일정한 온도를 유지하도록 했으며 적절한 양의 증기가 환자의 양비공을 향해 분사 될 수 있도록 제작하였다.
새로 개발한 온증기의 성능을 시험하기 위하여 실험을 실시하였다. 26℃~27℃의 상온에서부터 시작하여 목표온도인 42.

제안 방법

새로 개발한 온증기의 성능을 시험하기 위하여 실험을 실시하였다. 26℃~27℃의 상온에서부터 시작하여 목표온도인 42.5℃까지 온도가 상승되는 것과 목표온도에 도달하여 그 온도로 얼마나 잘 제어가 되는가를 살펴보았다. 데이터의 신뢰도를 높이기 위하여 총 10회의 실험을 실시하여 평균을 내었다.
이전 연구에서는 시중의 복합 가습기를 구입하여 가습 부분으로 활용하였다. 가습기를 분해하여 물속에 온도센서를 설치하여 물의 온도를 읽은 후 그 온도를 개발된 제어부에 입력하여 물의 온도를 제어하는 방식으로 개발되었다. 수증기의 온도를 일정 온도(42℃)로 유지하기 위하여 실험에 의하여 물의 온도를 얼마로 하여야 할까를 정해야하는 번거로움이 있었다.
본 논문에서 개발한 온증기의 구성도는 그림 2와 같다. 구성도에서 보듯이 본 시스템은 물을 공급해주는 물통, 수량을 측정하는 수량센서, 물을 초음파로 수증기로 만들어주는 초음파 가습부. 초음파 가습된 수증기를 온증기의 입구까지 분무해주는 분무기, 분무기의 통로에서 수증기를 가열해주는 가열부, 가열된 수증기의 온도를 측정하는 온도센서, 수증기의 설정 온도 및 현재 온도 등 시스템의 상태를 보여주는 LED 디스플레이, PC와의 인터페이스를 위한 USB 포트, 그리고 이 모든 부분을 제어하는 마이크로프로세서가 장착된 제어부로 구성되어 있다.
이와 같은 결과는 그림 7에 나타난 이전 연구의 상승시간 약 200초 보다 훨씬 빠른 상승시간을 나타내고 있다. 그리고 이전 연구에서는 물의 온도를 제어하기 위하여 실험적으로 물의 온도를 58℃에 맞추어야함을 알아냈어야만 했는데 본 논문에서는 수증기의 온도를 직접 제어함으로써 그와 같은 과정을 제거하였다.
본 논문에서는 수증기의 온도를 직접 제어하는 방식을 고안하여 개발에 적용하였고 가습부분과 제어부를 일체형으로 하여 상품화 전단계인 실물 크기의 형태(mock-up)로 개발하였다. 마이크로프로세스와 배터리를 사용하여 이동성을 확보하였고 전원이 없이도 자체적으로 동작하면서도 필요할 경우 USB 통신을 이용하여 컴퓨터로 제어 및 내부 상태를 모니터링 할 수 있도록 개발하였다. 소프트웨어는 마이크로프로세서 부분과 PC 부분이 각각 개발되었으며 PC 부분은 LabVIEW를 이용하여 사용자 인터페이스가 효율적으로 이루어지도록 개발하였다.
본 논문에서는 어린이의 15%가 앓고 있는 것으로 나타나고 있으나 아직 근원적 치료법이 아직 개발되지 않은 알레르기성 비염의 증상 개선을 위한 국소 온증기를 개발하였다. 본 논문에서는 수증기의 온도를 직접 제어하는 방식을 고안하여 개발에 적용하였고 가습부분과 제어부를 일체형으로 하여 상품화 전단계인 실물 크기의 형태(mock-up)로 개발하였다. 마이크로프로세스와 배터리를 사용하여 이동성을 확보하였고 전원이 없이도 자체적으로 동작하면서도 필요할 경우 USB 통신을 이용하여 컴퓨터로 제어 및 내부 상태를 모니터링 할 수 있도록 개발하였다.
새로운 온증기는 물을 가열하지 않고 수증기를 직접 가열하는 방식을 사용하였다. 이와 같이 함으로써 수증기의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 물의 온도를 얼마로 해야할까하는 실험적 과정을 생략할 수 있게 되었다.
마이크로프로세스와 배터리를 사용하여 이동성을 확보하였고 전원이 없이도 자체적으로 동작하면서도 필요할 경우 USB 통신을 이용하여 컴퓨터로 제어 및 내부 상태를 모니터링 할 수 있도록 개발하였다. 소프트웨어는 마이크로프로세서 부분과 PC 부분이 각각 개발되었으며 PC 부분은 LabVIEW를 이용하여 사용자 인터페이스가 효율적으로 이루어지도록 개발하였다.
소프트웨어는 마이크로프로세스 보드에서 온도제어를 실행하는 제어 소프트웨어 부분과 PC에서 모니터링하고 간단한 명령을 내릴 수 있는 모니터링 소프트웨어 부분으로 나누어 개발되었다.
온증기의 물의 온도는 상온이므로 상온에서 42~43℃로의 빠른 가열과 온도편차를 ±1℃ 이내로 하였고, 적어도 30분 이상 일정한 온도를 유지하도록 했으며 적절한 양의 증기가 환자의 양비공을 향해 분사 될 수 있도록 제작하였다.
∙ 초기 온도 상승 시간 단축: 기존의 온증기는 물을 가열하는 방식이어서 물의 양에 따라 원하는 온도까지 가열하는데 긴 시간이 소모되는 단점이 있다. 이를 개선하기 위하여 물을 가열하는 대신 수증기를 가열하는 방식의 아이디어를 내어 수증기를 가열하는 설계를 하였다.
하드웨어 개발의 핵심 아이디어는 물이 아닌 수증기를 가열하는 것이다. 이를 위하여 고안한 아이디어 중의 하나는 수증기가 통과하는 관을 열선으로 감고 수증기가 관을 통과하는 시간이 길게 하기 위하여 관 내부를 나선형으로 하였다. 이렇게 함으로써 수증기가 열선으로 뜨거워진 나선형 구조의 관을 통과하면서 가열이 된다.

데이터처리

개발된 국소 온증기는 실제 실험을 통하여 기존의 연구와 비교하였다. 실험 결과 기존의 물의 온도를 제어하는 방식보다 상승 시간이 상당히 개선된 것을 볼 수 있었으며 부피와 이동성 등의 기능면에서도 탁월함을 볼 수 있었다.
5℃까지 온도가 상승되는 것과 목표온도에 도달하여 그 온도로 얼마나 잘 제어가 되는가를 살펴보았다. 데이터의 신뢰도를 높이기 위하여 총 10회의 실험을 실시하여 평균을 내었다. 그림 5는 10회의 결과를 종합한 것을 평균치와 함께 나타낸 그래프이고 그림 6은 실험 결과를 이전 연구와 비교하기 위하여 이전 연구 결과를 나타낸 그래프이다.

이론/모형

PC측의 모니터링 소프트웨어는 LabVIEW를 사용하여 개발하였다[18]. 개발된 모니터링 프로그램의 프런트 패널은 그림 4와 같다.
제어 방식은 설정온도와 현재온도를 비교하여 수증기를 가열하는 열선의 스위치를 on/off하는 방식의 on/off제어를 사용하였다[17]. 다음 장에서 기술한 것처럼 이 시스템은 느린 시스템이므로 온도제어를 on/off 방식으로 하여도 충분히 원하는 성과를 거둘 수 있었다.

성능/효과

제어 방식은 설정온도와 현재온도를 비교하여 수증기를 가열하는 열선의 스위치를 on/off하는 방식의 on/off제어를 사용하였다[17]. 다음 장에서 기술한 것처럼 이 시스템은 느린 시스템이므로 온도제어를 on/off 방식으로 하여도 충분히 원하는 성과를 거둘 수 있었다.
이와 같이 함으로써 수증기의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 물의 온도를 얼마로 해야할까하는 실험적 과정을 생략할 수 있게 되었다. 또한 일정 온도까지 도달하는 가열시간이 물보다 짧은 수증기를 직접 가열하는 방식을 고안함으로써 초기 가열 시간을 현격히 줄일 수 있었다. 이전 온증기에 비해 새로운 온증기의 장점은 가습부분과 제어부를 일체형으로 하여 상품화 전단계인 실물 크기의 형태(mock-up)로 개발하였다는 점이다.
개발된 국소 온증기는 실제 실험을 통하여 기존의 연구와 비교하였다. 실험 결과 기존의 물의 온도를 제어하는 방식보다 상승 시간이 상당히 개선된 것을 볼 수 있었으며 부피와 이동성 등의 기능면에서도 탁월함을 볼 수 있었다. 향후에는 수증기 관의 구조와 관의 재질이 온증기 성능에 미치는 영향을 분석하여 온증기의 성능을 더 향상시키는 것이 필요하다[19,20].
5cm 부분에 분사하는 형태로 코 속의 압력을 증가시키지 않았고, 환자에게 불쾌감도 초래하지 않았다. 이 연구에서 콧구멍 안쪽 약 2.5cm지점의 온도를 43℃로 유지하면서 매 2시간마다 30분씩 세 번 흡입시키면, 알레르기성 비염환자의 증상이 1주에 75%, 1달에 68%에서 호전됨을 보였다. 1994년에는 Fruta등이 온증기를 이용하여 57명의 환자를 대상으로 43도와 32도의 수증기를 4주동안 1주에 2-3회씩 한번에 15분씩 쐬어서 비교하였더니 effeciency가 2주 동안 각각 46.
7%였음을 발표하였다[14]. 이 외에도 많은 연구가 있었고 그 연구 결과들을 종합해 보면 약 42℃~43℃ 정도 되는 수증기가 코 속에 일정 주기로 분사되면 감기나 알레르기 비염으로 인한 코막힘 현상이 현저히 완화된다는 것이다. 현재에는 이러한 연구를 바탕으로 개발된 온증기를 이용하여 이비인후과 등에서 온증치료요법이 광범위하게 사용되어지고 있다.
이 두 가지 연구는 물을 가열하는 방식으로 스위치를 켠 후에 초기 가열시간이 있다는 단점이 있었다. 형태와 크기 면에서도 컴퓨터를 이용한 방식은 거치식으로 컸고, 포터블한 방식도 본 논문의 개발품 보다는 더 크고 디자인도 떨어졌었다. 형태였다.

후속연구

실험 결과 기존의 물의 온도를 제어하는 방식보다 상승 시간이 상당히 개선된 것을 볼 수 있었으며 부피와 이동성 등의 기능면에서도 탁월함을 볼 수 있었다. 향후에는 수증기 관의 구조와 관의 재질이 온증기 성능에 미치는 영향을 분석하여 온증기의 성능을 더 향상시키는 것이 필요하다[19,20].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국소 온열요법은 무엇에 효과가 있는가?	이러한 국소 온열요법은 바이러스증식과 알레르기반응에 대하여 작용함으로 알레르기성 비염의 치료에서 약물요법 이상의 증상개선 효과를 보인다고 하여 유럽과 일본에서 널리 사용되는 치료법[5]으로 감기[6,7]나 알레르기성 비염[6,7-11], 통년성 알레르기성 비염[5], 계절성 알레르기성 비염[9], 운동유발성 천식[12], 부비동염[13], 수술후 관리요법[13], 임산부의 비염[14] 그리고 동물모델에서의 급성 폐손상에도 효과가 있다고 알려지고 있다. 우선 약물치료에 제한이 많은 임산부, 수험생과 같이 통원치료가 어려운 경우에 용이하게 사용할 수 있다.
	기존에 사용되고 있는 알레르기 비염의 비약물성 수술외적인 방법에는 무엇이 있는가?	이것은 만성화에 따른 비점막의 조직학적변화로 인해 약물요법만으로는 불충분하기 때문으로 생각되며, 따라서 통년성 알레르기 비염의 치료에서는 약물요법의 효과를 높이기 위하여 비점막을 정상으로 회복시켜 주기 위하여 약물외 치료방법을 사용해야할 필요성이 대두된다[3,4]. 그동안 사용되어오는 비약물성 수술외적인 방법으로는 국소 온열요법, 광선 치료, 성상 신경절 차단술이 있다.
	알레르기 비염에 사용되는 약물들의 장단점은 무엇인가?	알레르기 비염에 사용되는 약물들은 즉효성이 있으나 지속효과가 떨어지며, 계절성 알레르기성 비염에는 효과가 우수한 편이나 통년성비염인 경우에는 기대에 미치지 못하는 경우가 많다. 이것은 만성화에 따른 비점막의 조직학적변화로 인해 약물요법만으로는 불충분하기 때문으로 생각되며, 따라서 통년성 알레르기 비염의 치료에서는 약물요법의 효과를 높이기 위하여 비점막을 정상으로 회복시켜 주기 위하여 약물외 치료방법을 사용해야할 필요성이 대두된다[3,4].

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Y. S. Lee, J. H. Yang, S. Y. Kim, W. S. Kim, and O. G. Kwon, "Development of a rapid control prototyping system based on matlab and USB DAQ boards," Journal of Institute of Control, Ronotics and Systems (in Korean), vol. 18, no. 10, pp. 912-920, Oct. 2012.

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표제어: PCR

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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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