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문제 정의
- 본 연구에서는 ECG, PPG 신호를 나타내는 양방의 환자 모니터링 장비에 한방에서 활용하고 있는 홀센서가 구비된 집게형 맥진기로 획득한 맥진 데이터를 가시화하여 한양방 협진에 활용할 융합형 환자감시장치를 개발하였다. ECG, 요골 동맥 맥진파, PPG를 동시에 측정하여 맥파수와 맥파전달속도(PWV: Pulse Wave Velocity)와 공간맥파전달속도(SPWV: Spatial Pulse Wave Velocity)의 생체정보신호를 얻는 기기를 개발하였고, 이를 이용하여 한양방 협진이 가능한 의료기기 시스템을 제안하였다.
- 필터링과 증폭을 거친 아날로그 신호는 파형의 Peak 추출, 분석 및 LCD에 표현하기 위해 디지털화 된 값으로 변환될 필요가 있다. 이에 본 논문에서는 MCP3204 ADC 칩(chip)을 사용하여 아날로그 형태의 맥진 파형을 디지털화할 수 있도록 설계하였다[14]. MCP3204는 입력되는 0~5 V 사이의 전압을 12 bit로 분해 가능하며, 최대 1초당 100 ksps(sps 단위는 symbol per second로 인터넷 정보전달속도)까지 샘플링이 가능하다.
제안 방법
- 본 연구에서는 ECG, PPG 신호를 나타내는 양방의 환자 모니터링 장비에 한방에서 활용하고 있는 홀센서가 구비된 집게형 맥진기로 획득한 맥진 데이터를 가시화하여 한양방 협진에 활용할 융합형 환자감시장치를 개발하였다. ECG, 요골 동맥 맥진파, PPG를 동시에 측정하여 맥파수와 맥파전달속도(PWV: Pulse Wave Velocity)와 공간맥파전달속도(SPWV: Spatial Pulse Wave Velocity)의 생체정보신호를 얻는 기기를 개발하였고, 이를 이용하여 한양방 협진이 가능한 의료기기 시스템을 제안하였다.
- Module, 맥파 측정을 위한 맥진 모듈과 혈압 측정을 위한 M3200 NIBP Module을 내장하였다. 또한 데이터 저장, 외부 unit과의 연동 및 메인 CPU의 Software update를 가능하게 하기 위해 USB Memory Stick, SD Card와 같은 저장 장치와 연동이 가능하도록 설계하였다. 마지막으로 환자 정보 입력 및 출력 파형의 크기 조절 등을 위해 간단한 입력부(Knob 및 button)를 추가하였다.
- ), 비침습적 혈압(NIBP: Non-Invasive Blood Pressure), 호흡수(Respiration), 맥파전달속도(PWV: Pulse Wave Velocity), 공간맥파전달속도(SPWV: Spatial Pulse Wave Velocity)를 표시할 수 있도록 설계하였다. 또한 특정 메뉴를 두어, Pulse Beep, 알람 소리에 대한 크기 조절 및 각 측정 값에 대한 Alarm Limit 설정이 가능한 메뉴를 구성하였다. 마지막으로 현재 측정하고 있는 환자의 정확한 데이터 산출을 위해 필요한 환자의 신체적 특징과, 측정 값 출력 시 환자 구분 및 Data 저장에 활용할 수 있도록 환자 정보 입력 메뉴를 별도로 구성하였다.
- 3번째 창에는 PPG Waveform을 표시하였으며. 마지막으로 4번째 Wave 영역에는 ECG 모듈을 통해 측정된 호흡 파형을 표시 할 수 있도록 설계하였다.
- 또한 특정 메뉴를 두어, Pulse Beep, 알람 소리에 대한 크기 조절 및 각 측정 값에 대한 Alarm Limit 설정이 가능한 메뉴를 구성하였다. 마지막으로 현재 측정하고 있는 환자의 정확한 데이터 산출을 위해 필요한 환자의 신체적 특징과, 측정 값 출력 시 환자 구분 및 Data 저장에 활용할 수 있도록 환자 정보 입력 메뉴를 별도로 구성하였다.
- 또한 데이터 저장, 외부 unit과의 연동 및 메인 CPU의 Software update를 가능하게 하기 위해 USB Memory Stick, SD Card와 같은 저장 장치와 연동이 가능하도록 설계하였다. 마지막으로 환자 정보 입력 및 출력 파형의 크기 조절 등을 위해 간단한 입력부(Knob 및 button)를 추가하였다.
- 특히 홀센서가 구비된 집게형 맥진기 모듈을 접목시켜 맥진 파형과 파생된 한양방 융합의료 생체정보 수치 데이터들을 가시화하였다. 맥진 모듈과 각 파형간의 상관관계를 맥파전달속도 (PWV)와 공간맥파전달속도(SPWV) 값으로 표현하여 실시간으로 각 인자들 간의 상관관계를 분석할 수 있는 양한방 협진 모니터링 장비를 설계하였다. 본 연구를 통해 개발된 장비는 한방과 양방의 의료용 저장 매체와 새롭게 시도되거나 융합 연구되고 있는 동맥류 및 말초 혈관 특성 파악과 관련한 연구와 환자감시장치 응용에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
- 맥진파, ECG, PPG를 표현할 모니터링 장치는 Fig. 6과 같이 상용 AC 전원 사용이 가능하며, 리튬 이온 배터리를 장착하여 구급 차량이나 헬리콥터와 같이 이동 중에도 측정 가능 하도록 전원을 설계하였다. 장착된 배터리는 재충전이 가능한 리튬 이온 배터리이며, AC 상용 전원이 인가되면 자동으로 재충전이 될 수 있도록 배터리 충전 회로도 구성하였다.
- 이렇게 산출된 ECG의 R-peak, PPG의 최고점과 연동하여 PWV와 SPWV를 산출하기 위해서는 맥파의 S파(시작파)와 P파(충격파)에 검출이 필요하다. 본 논문에서 설계된 Main Software에서는 이러한 파형 검출을 위해 맥진 모듈로부터 전송된 디지털 값을 수신할 때마다 지정된 링 버퍼에 대입하여, 현재 입력된 값이 기존에 입력된 값보다 작은지 비교한다. 만일 입력된 값이 기존의 값보다 작을 경우 특정 변수에(Min) 대입하고, 클 경우 이전에 대입한 Min 변수의 값을 최소값으로 판단하여 S파를 검출하게 된다.
- TLV2464는 2채널 OP Amp로 첫 번째 채널을 통해 필터링 된 신호를 두 번째 채널로 입력받아 비 반전 증폭이 가능하다. 본 논문에서는 다수의 측정 테스트(Test)를 통해 파형 표현에 가장 적절한 300배로 증폭할 수 있도록 주변 회로를 구성하였다.
- 요골동맥에서 생성되는 맥진파는 혈관을 통해 전달되는 운동에너지로 이를 수치화 및 파형으로 표현하기 위해서는 전기적 신호로 변환할 필요가 있다. 본 논문에서는 이러한 변환을 요골동맥 위에 영구자석을 밀착시킨 뒤 일정한 수직 거리 위치에 홀 소자를 두어, 맥이 뛸 때마다 영구자석의 위치가 변하면서 발생하는 자기장의 세기를 홀 소자를 통해 전기적인 아날로그 신호로 변환하였다[13, 14]. 이렇게 생성된 전기 신호는 본래의 신호 이외에 많은 잡음을 포함하고 있어 필터링(Filtering) 과정을 필요로 하게 되는데 이 과정을 Rail to Rail OP Amp인 TLV2464의 입력 신호로 받아 주변의 하드웨어적인 회로를 구성하여 저대역 통과 필터를 설계하여 필터링될 수 있도록 하였다.
- 본 논문을 위해 개발하고자 하는 맥진기 모듈은 요골 동맥의 팽창과 수축으로 인해 발생하는 미세한 움직임을 전기 신호로 변환하여 해석 및 표현할 수 있도록 설계하였다[13]. Fig.
- 또한 이렇게 샘플링 되어 디지털 값으로 변환된 데이터들은 MCP3204에 내장된 Serial Interface(SPI) 통신을 통해 외부 유닛(unit)으로 전달할 수 있다. 본 연구에서는 1초당 250개(4 ms 단위)의 샘플링을 수행하여 맥진 파형을 ADC하였고, 이를 통해 맥진 파형의 표시, peak 추출 및 분석을 수행할 수 있었다[14].
- 이렇게 생성된 전기 신호는 본래의 신호 이외에 많은 잡음을 포함하고 있어 필터링(Filtering) 과정을 필요로 하게 되는데 이 과정을 Rail to Rail OP Amp인 TLV2464의 입력 신호로 받아 주변의 하드웨어적인 회로를 구성하여 저대역 통과 필터를 설계하여 필터링될 수 있도록 하였다. 설계된 저대역 통과 필터의 주파수 값은 맥파를 구성하는 대부분의 신호 성분이 30 Hz 이하에 존재하고 있다는 정보에 근거하여 10 kΩ의 저항과 470 nF 케패시터를 병렬로 연결하여 33 Hz로 설정하였다[10]. TLV2464는 2채널 OP Amp로 첫 번째 채널을 통해 필터링 된 신호를 두 번째 채널로 입력받아 비 반전 증폭이 가능하다.
- 수치 데이터들은 각 모듈을 통해 수신된 정보를 화면 우측에 별도의 표시 영역을 두어 맥진 모듈로부터 측정된 맥박수(Pulse rate), 혈중 산소 포화도(SpO2), 비침습적 혈압(NIBP: Non-Invasive Blood Pressure), 호흡수(Respiration), 맥파전달속도(PWV: Pulse Wave Velocity), 공간맥파전달속도(SPWV: Spatial Pulse Wave Velocity)를 표시할 수 있도록 설계하였다. 또한 특정 메뉴를 두어, Pulse Beep, 알람 소리에 대한 크기 조절 및 각 측정 값에 대한 Alarm Limit 설정이 가능한 메뉴를 구성하였다.
- 요골 동맥의 중앙에 위치한 “관”이란 곳에 영구자석을 부착하여 맥의 움직임에 따라 발생하는 자기장의 변화를 측정할 수 있는 홀 센서를 이용해 개발된 집게형 맥진기를 심전계(ECG)와 광용적맥파계(PPG)와 연계하여 심전도파와 맥파를 동시 측정하였다. 특히 홀센서가 구비된 집게형 맥진기 모듈을 접목시켜 맥진 파형과 파생된 한양방 융합의료 생체정보 수치 데이터들을 가시화하였다.
- 같은 방법으로 현재 입력된 값이 기존에 입력된 값보다 큰지 비교하는 과정을 통해, 입력된 값이 기존의 값보다 크면 특정 변수에(Max) 대입하고, 작을 경우 이전에 대입한 Max 변수의 값을 최대값으로 판단하여 P파를 검출하게 된다. 이렇게 검출된 S파와 P파는 사람의 심장박동 수가 1분에 300회 이상 뛸 수가 없다는 점을 감안하여 검출 이후 200 ms(1분 기준 300회의 맥박) 이내에 최소값과 최대값을 검출할 경우 잡음으로 간주하여 표시하지 않도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 이러한 변환을 요골동맥 위에 영구자석을 밀착시킨 뒤 일정한 수직 거리 위치에 홀 소자를 두어, 맥이 뛸 때마다 영구자석의 위치가 변하면서 발생하는 자기장의 세기를 홀 소자를 통해 전기적인 아날로그 신호로 변환하였다[13, 14]. 이렇게 생성된 전기 신호는 본래의 신호 이외에 많은 잡음을 포함하고 있어 필터링(Filtering) 과정을 필요로 하게 되는데 이 과정을 Rail to Rail OP Amp인 TLV2464의 입력 신호로 받아 주변의 하드웨어적인 회로를 구성하여 저대역 통과 필터를 설계하여 필터링될 수 있도록 하였다. 설계된 저대역 통과 필터의 주파수 값은 맥파를 구성하는 대부분의 신호 성분이 30 Hz 이하에 존재하고 있다는 정보에 근거하여 10 kΩ의 저항과 470 nF 케패시터를 병렬로 연결하여 33 Hz로 설정하였다[10].
- 화면 구성은 총 4개의 파형과 6개의 수치 데이터를 동시에 표현할 수 있도록 설계하였다. 첫 번째 Wave 창에는 측정되고 있는 ECG Waveform을 표현할 수 있게 되어 있으며, Lead Button을 이용하여 측정되고 있는 ECG의 Lead를 변경 표시할 수 있도록 설계하였다. 두 번째 Wave 창에는 맥파를 표시하여 상단의 ECG 파형, 하단의 PPG 파형과 연계하여 파형의 변화를 동시에 관찰할 수 있도록 표시하였다.
- 측정되고 있는 환자 정보는 화면 표시 이외에도 내장된 프린터를 통해 출력 가능하도록 설계하여 다양한 환자들의 정보를 표시 및 보관할 수 있도록 설계하였다. 프린터를 통해 출력되는 데이터는 입력된 환자 이름(ID), 키, 손 크기, 측정 시간 등과 같은 환자의 기본 정보와 Pulse rate, 호흡수, 혈중산소포화도, NIBP 측정값, PWV, SPWV와 같은 수치 데이터 및 측정되고 있는 ECG, 맥진, PPG 3개의 파형을 동시에 표시할 수 있도록 설계하였다.
- “전기 에너지로 동작하는 모든 의료기기는 기기의 전원 회로와 환자에 대한 접촉 회로 또는 조작자가 접촉 가능한 부분(장착부)은 전기적으로 분리하여 감전(전기적 위험)을 방지하는 안전 대책을 취하여야 한다”라는 관련 규격에 의거 메인 CPU와의 통신 및 모듈 구동을 위한 전원부에 대한 절연을 설계하게 되었다[16]. 통신부에 대한 절연은 Fig. 6와 같이 메인 CPU와 시리얼 통신에 무리 없도록 ADUM2401으로 설계하였고, 모듈 구동을 위한 전원부에 대한 절연은 TGM240NS 및 주변 회로를 구성하여 설계하였다.
- 현재 시제품에서 피부접촉 부분의 자기 물질은 작은 원통형 영구자석과 맥박의 진동에 따라 쉽게 변화 될 수 있도록 되어 있다. 특히 피부를 국소적으로 누르지 않기 위하여 피부 접촉 부분의 표면이 탄성이 좋은 라텍스 고무를 이용하였다. 지름 2 mm, 높이 1 mm 크기의 원통모양이고, 표면에서 자기장이 약 300 Oe인 영구자석은 탄력있는 고무의 중심 위치에 자리해 에폭시로 붙여있다.
- 요골 동맥의 중앙에 위치한 “관”이란 곳에 영구자석을 부착하여 맥의 움직임에 따라 발생하는 자기장의 변화를 측정할 수 있는 홀 센서를 이용해 개발된 집게형 맥진기를 심전계(ECG)와 광용적맥파계(PPG)와 연계하여 심전도파와 맥파를 동시 측정하였다. 특히 홀센서가 구비된 집게형 맥진기 모듈을 접목시켜 맥진 파형과 파생된 한양방 융합의료 생체정보 수치 데이터들을 가시화하였다. 맥진 모듈과 각 파형간의 상관관계를 맥파전달속도 (PWV)와 공간맥파전달속도(SPWV) 값으로 표현하여 실시간으로 각 인자들 간의 상관관계를 분석할 수 있는 양한방 협진 모니터링 장비를 설계하였다.
- 측정되고 있는 환자 정보는 화면 표시 이외에도 내장된 프린터를 통해 출력 가능하도록 설계하여 다양한 환자들의 정보를 표시 및 보관할 수 있도록 설계하였다. 프린터를 통해 출력되는 데이터는 입력된 환자 이름(ID), 키, 손 크기, 측정 시간 등과 같은 환자의 기본 정보와 Pulse rate, 호흡수, 혈중산소포화도, NIBP 측정값, PWV, SPWV와 같은 수치 데이터 및 측정되고 있는 ECG, 맥진, PPG 3개의 파형을 동시에 표시할 수 있도록 설계하였다.
- 화면 구성은 총 4개의 파형과 6개의 수치 데이터를 동시에 표현할 수 있도록 설계하였다. 첫 번째 Wave 창에는 측정되고 있는 ECG Waveform을 표현할 수 있게 되어 있으며, Lead Button을 이용하여 측정되고 있는 ECG의 Lead를 변경 표시할 수 있도록 설계하였다.
- 7와 같이 측정 파형, 수치 데이터 및 기타 정보를 표시하게 된다. 화면의 상단에는 장비 동작 시간과 리튬이온 배터리 잔량이 표시될 수 있게 하였고, 하단에는 시스템 설정 변경, 알람 Limit 변경 및 환자 정보를 입력할 수 있는 메뉴를 구성하였다.
대상 데이터
- ECG 측정 모듈은 (주) 메디아나에서 개발 및 상용화되고 있는 12ch ECG 측정 모듈로 Fig. 6과 같은 하드웨어로 구성되어 있다. 측정 케이블(3/5/12 Lead Cable)을 통해 입력된 환자의 전기 신호는 설계된 하드웨어적 증폭 및 필터링 회로를 거쳐 내장된 MCU의 ADC 포트로 입력되고, 입력된 아날로그 값은 자체 알고리즘을 통해 파형 및 수치 데이터로 변환된다.
- 본 논문에서 사용코자 하는 PPG 측정 모듈은 상용화되고 있는 Nell-1 SpO2 측정 모듈로 정하였다. 이와 함께 PPG를 측정하기 위해서는 호환되는 DS-100A Sensor를 사용하여야 하는데, 센서의 역할은 Nell-1 모듈을 통해 발생되는 발광부 신호를 수신하여 내장된 LED를 구동하고, 반대편에 위치한 수광부에서는 손가락을 통과한 광 신호를 받아 Nell-1 모듈로 전달하는 역할을 한다.
- 1(b)에 나타내었다. 실험에서 사용할 집게형 맥진기 시제품은 자성 물질인 영구자석으로 이루어진 피부에 접촉하는 부분과 자기장 변위를 감지하는 고감도 홀 소자 맥진센서로 배열하였다.
- 측정을 위해 장착된 모듈은 심전도와 호흡 측정을 위한 Mediana 12ch ECG Module, PPG 측정을 위한 Nell-1 SpO2 Module, 맥파 측정을 위한 맥진 모듈과 혈압 측정을 위한 M3200 NIBP Module을 내장하였다. 또한 데이터 저장, 외부 unit과의 연동 및 메인 CPU의 Software update를 가능하게 하기 위해 USB Memory Stick, SD Card와 같은 저장 장치와 연동이 가능하도록 설계하였다.
성능/효과
- 남은 화면 영역은 4등분하여 첫 번째 창에는 ECG 파형을, 두 번째 창에는 맥진 파형을, 세 번째 창에는 PPG 파형을 표시하였고, 마지막 창에는 호흡 파형을 표시하였다. 맥진 파형과 맥진을 통해 검출된 Pulse rate, PPG 파형과 혈중 산소 포화도 수치, 호흡 파형과 호흡수와 같이 연관성 있는 데이터들은 동일한 색을 적용하여 화면 분석의 가독성을 높였다.
후속연구
- 입력되는 환자 ID는 영문으로만 가능하며, 키와 손 크기는 cm 단위로 입력하게 되어 있다. 마지막으로 현재 측정되고 있는 환자에 대한 성별을 입력할 수 있게 되어 있어, 향후 다수의 임상 데이터 수집 및 분석을 시행하게 될 경우, 신체적 조건 및 남녀 성별 데이터 구분이 가능할 것으로 예상된다.
- 맥진 모듈과 각 파형간의 상관관계를 맥파전달속도 (PWV)와 공간맥파전달속도(SPWV) 값으로 표현하여 실시간으로 각 인자들 간의 상관관계를 분석할 수 있는 양한방 협진 모니터링 장비를 설계하였다. 본 연구를 통해 개발된 장비는 한방과 양방의 의료용 저장 매체와 새롭게 시도되거나 융합 연구되고 있는 동맥류 및 말초 혈관 특성 파악과 관련한 연구와 환자감시장치 응용에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 예상된다.
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