전기체간스캔법(EIS, electro interstitial scan)은 미세 직류전류를 인체의 사지말단 또는 국소적 인가를 통해 인체의 전류 반응을 기준으로 인체의 질병 유무를 판별할 수 있는 비침습적인 질병 스크리닝 방법으로 가능성을 보이고 있다. 프랑스에서 개발된 DDFAO는 다채널 EIS로 다양한 질병, 특히 당뇨와 같은 내분비 기관의 진단에 효과적이라고 주장한다. 본 연구에서는 RC 팬텀 모델을 이용하여 DDFAO의 측정의 반복성과 민감도를 확인하고, 정상군과 당뇨 질환군을 대상으로 임상적 유용성을 검정하였다. 그 결과, 팬텀을 이용할 경우, 반복 측정시 값의 변화가 없고 팬텀 특성이 변화될 때 DDFAO의 측정 결과도 변화되었다. 그러나 임상 측정에 있어서 6개의 표면 전극을 이용하여 비침습적 방법으로 정상인과 당뇨병 환자의 구별은 어려울 뿐만 아니라 반복성과 정확성도 우수하지 않았다. 그러나, 이러한 문제점에도 불구하고 측정 방법의 편리성과 간편성으로 인해 국소적인 영역보다 인체 전반적인 특성을 파악하는 스크린 장비로써의 개발 가능성은 여전히 보이고 있기에 EIS에 대한 다양한 기반 연구가 필요하다.
전기체간스캔법(EIS, electro interstitial scan)은 미세 직류전류를 인체의 사지말단 또는 국소적 인가를 통해 인체의 전류 반응을 기준으로 인체의 질병 유무를 판별할 수 있는 비침습적인 질병 스크리닝 방법으로 가능성을 보이고 있다. 프랑스에서 개발된 DDFAO는 다채널 EIS로 다양한 질병, 특히 당뇨와 같은 내분비 기관의 진단에 효과적이라고 주장한다. 본 연구에서는 RC 팬텀 모델을 이용하여 DDFAO의 측정의 반복성과 민감도를 확인하고, 정상군과 당뇨 질환군을 대상으로 임상적 유용성을 검정하였다. 그 결과, 팬텀을 이용할 경우, 반복 측정시 값의 변화가 없고 팬텀 특성이 변화될 때 DDFAO의 측정 결과도 변화되었다. 그러나 임상 측정에 있어서 6개의 표면 전극을 이용하여 비침습적 방법으로 정상인과 당뇨병 환자의 구별은 어려울 뿐만 아니라 반복성과 정확성도 우수하지 않았다. 그러나, 이러한 문제점에도 불구하고 측정 방법의 편리성과 간편성으로 인해 국소적인 영역보다 인체 전반적인 특성을 파악하는 스크린 장비로써의 개발 가능성은 여전히 보이고 있기에 EIS에 대한 다양한 기반 연구가 필요하다.
Electro interstitial scan shows potential as a non-invasive screening method. It can discriminate some diseases based on electric current response to induce low intensity direct current to limbs or local area of body. DDFAO was invented in France and it is claimed that multi-channel EIS(Electro Inte...
Electro interstitial scan shows potential as a non-invasive screening method. It can discriminate some diseases based on electric current response to induce low intensity direct current to limbs or local area of body. DDFAO was invented in France and it is claimed that multi-channel EIS(Electro Interstitial Scan) is useful for various diseases, especially, diagnoses of endocrine system such as diabetics are very effective. In this study, we verified the repeatability and sensitivity of DDFAO by using a RC phantom model and its clinical usefulness using data obtained from normal and diabetes subject groups. As a result, it showed the repeatability and the output change according to change of phantom characteristic, but it was hard to distinguish normal and patient groups non-invasively with just six surface electrodes of DDFAO. The repeatability and the clinical accuracy was not sufficient for screening or diagnostic purposes, as well. In spite of the results with low repeatability and accuracy conducted in this study, we still need further investigations to improve the EIS-based measurement method; EIS is very convenient and simple and it shows potential as a screening tool of the whole body health conditions rather than localized disease diagnosis.
Electro interstitial scan shows potential as a non-invasive screening method. It can discriminate some diseases based on electric current response to induce low intensity direct current to limbs or local area of body. DDFAO was invented in France and it is claimed that multi-channel EIS(Electro Interstitial Scan) is useful for various diseases, especially, diagnoses of endocrine system such as diabetics are very effective. In this study, we verified the repeatability and sensitivity of DDFAO by using a RC phantom model and its clinical usefulness using data obtained from normal and diabetes subject groups. As a result, it showed the repeatability and the output change according to change of phantom characteristic, but it was hard to distinguish normal and patient groups non-invasively with just six surface electrodes of DDFAO. The repeatability and the clinical accuracy was not sufficient for screening or diagnostic purposes, as well. In spite of the results with low repeatability and accuracy conducted in this study, we still need further investigations to improve the EIS-based measurement method; EIS is very convenient and simple and it shows potential as a screening tool of the whole body health conditions rather than localized disease diagnosis.
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문제 정의
본 연구에서는 EIS의 기본 측정 원리가 무엇인가에 대해서 조사해 보고, 관련 장비 중인 하나를 이용하여 팬텀과 임상 데이터를 얻어 그 기기의 반복성과 임상에서의 효용성 유무를 당뇨 환자군을 대상으로 평가하였다.
가설 설정
1회 측정 시 소요되는 시간은 3분 미만으로 총 소요 시간은 휴식을 포함하여 최대 15분 이내였다. 측정이 이루어지는 15분은 짧은 시간으로 보고 측정 대상에는 큰 변화가 없을 것이라고 가정하고 1차와 2차 측정을 비교하여 반복 측정의 유효성을 확인하였다.
제안 방법
반복성 확인을 위해 사용된 팬텀은 생체 전극 모델인 RC 모델을 기반하여 그림 5(a)와 같이 PCB 기판으로 구현하였다 DDFAO가 6개의 전극과 연결되므로 6개의 노드로 구성하고 각 이마, 목, 몸통, 팔, 그리고 다리의 각 세그먼트로 구성하였다. 그림 5(b)는 팬텀 기판을 이용해서 실험하는 장면이다.
DDFAO의 분석인자에서 정상군과 환자군에 대하여 박스 플롯을 통하여 평균과 편차의 분포를 관찰하였다. 그림 9와 같이 몇몇 변수들은 정상군과 환자군 간의 통계적으로 평균값의 유의한 차이를 보이는 경우도 있으나 데이터 분포가 정규분포를 갖지 않을 뿐만 아니라 편차에서 많이 벗어난 경우도 있었다.
개별 인자대신 6개의 인자를 조합하여 선형 회귀 방정식(linear regression equation)으로 분류기를 만들어 평가해 보았으나 그 정확도도 또한 60% 내외로 높지 않았다.
관련 의료기기 중 국내 식약처로부터 피부저항측정기로 의료기기 인가를 받은 DDFAO를 이용하여 데이터의 신뢰도와 임상적 유효성을 평가하였다. 전자 회로 팬텀을 활용한 반복 측정과 민감도 평가 결과를 볼 때 장비의 구동, 분석, 입력 변화의 결과 반영 등은 잘 이루어지고 있었다.
이마에 2개의 Ag/AgCl 전극을 부착하고 양손과 양 발을 측정 전극위에 올려놓기만 하면 된다. 모든 데이터는 반복성 확인을 위해 1차 측정 후, 측정 전극에서 손과 발을 떼고 내려온 다음 5분 이후에 다시 측정기로 올라서서 측정하였다. 이마에 부착한 전극은 2차 측정에서도 1차에서 사용한 전극을 그대로 이용하였다.
. 반복성과 함께 값의 변화에 얼마나 민감하게 반응하는가를 관찰하기 위해 3%, 5% 그리고 10%로 그 변화폭을 서서히 증가시켰다.
비침습적으로 표면 전극만을 이용하여 생체 내 이온 농도나 땀샘의 특성을 분석하여 이를 질병의 스크린용으로 활용하고 있는 장치의 원리에 대해서 알아보고, 현재 국내 의료기 승인을 받은 장비중 하나인 DDFAO를 이용하여 팬텀에서의 데이터와 임상 데이터를 얻어 기기의 활용 가능성에 대해 실험을 통해서 확인하였고, DDFAO라는 EIS기반의 비침습 진단장비를 이용해서 당뇨병 진단 가능성을 구체적 임상 데이터에 기반하여 검토한 최초의 연구이다.
그림 1(b)는 기본 RC 회로로 세포를 전기 모델로 가정할 때 사용하는 가장 단순한 형태로 세포 외부의 저항과 세포막으로 인한 용량성 성분과 내부 저항성 성분을 고려한 모델이다[17]. 시스템의 민감도는 R과 C값을 변경하며 평가하였다.
정상인 21명(남:9명, 여:12명)과 당뇨 환자 71명(남:21, 여:50명)을 대상으로 얻은 DDFAO의 분석 결과에 대해서도 반복성 확인을 위해 2회 측정한 결과를 바탕으로 상관관계를 살펴보았다.
대상 데이터
. 가천의대 길병원의 임상시험심사위원회 (IRB, GFIRB2014-16)의 승인을 얻어 임상진단검사와 EIS 장치의 데이터를 수집하였다. 전극을 이용한 생체 신호 측정은 전극의 상태와 피검자의 협조 정도에 따라 측정값의 정확성에 영향을 줄 수 있다.
인체를 대상으로 하는 실험의 경우, 인체 자체가 시시각각 변화될 수 있어 값의 변화가 없는 전자 회로로 구성된 팬텀을 이용하여 평가하였다. 전기화학적 평가 방법이라 화학적으로 EIS의 기본 원리가 되는 코트렐방정식의 비침습적 측정에 적용할 수 있는가에 대한 타당성까지 확인하는 것이 정확하다 볼 수 있다.
임상적 유용성 확인을 위해 관련 장치가 널리 이용되는 대표 질환인 당뇨 질환을 대상으로 진행하였다[10~12]. 가천의대 길병원의 임상시험심사위원회 (IRB, GFIRB2014-16)의 승인을 얻어 임상진단검사와 EIS 장치의 데이터를 수집하였다.
DDFAO에서 보여주는 결과 분석 인자에 대해서도 1차와 2차 측정값을 비교하였다. 총 52개의 인자 중에는 43개의 연속인자와 9개의 이산인자가 있다. 그림 7은 몇 개의 연속 인자에 대한 1차와 2차 측정 결과를 각 축으로 하여 정상군과 환자군에 대해서 데이터 분포와 상관관계를 보여준다.
데이터처리
DDFAO에서 보여주는 결과 분석 인자에 대해서도 1차와 2차 측정값을 비교하였다. 총 52개의 인자 중에는 43개의 연속인자와 9개의 이산인자가 있다.
이외에도 12개의 변수(Aa_1, Aa_4, Na_1, Na_4, Main_risk_1, Main_risk_2, BMI, Ideal_weight, Lean_mass, Fat_mass, Davenport_calories_advised, Davenport_diagram)가 계산되어 총 52개의 결과 값을 얻게 된다. 반복성 확인을 위해 위 변수들 중에서 전극으로부터 측정된 원 데이터로 추정되는 Aa와 Na 22개의 결과 값을 비교하였다.
이론/모형
전기화학적 평가 방법이라 화학적으로 EIS의 기본 원리가 되는 코트렐방정식의 비침습적 측정에 적용할 수 있는가에 대한 타당성까지 확인하는 것이 정확하다 볼 수 있다. 본 연구에서 사용한 EIS 장비는 임상기기로 식약처 허가를 받은 DDFAO (MEDI.L.D., France)이다. DDFAO는 피부저항측정기로 명명되어 있어 RC 네트웍에서도 동작할 것으로 예상된다.
성능/효과
고정된 R과 C 값에 대해서는 5회 이상 반복 측정하여도 매번 22개의 Aa, Na 값들은 동일하였다. R과 C 값 변화에 대해서는 기존의 값에서 3%이상의 변화가 있을 경우 22쌍의 Aa, Na 값이 변화되는 것을 관찰하였다. 이로써 DDFAO의 전기회로적인 구성된 팬텀을 이용할 경우에는 측정의 반복성도 있으며 외부 상태의 변화에 따라 결과가 변경됨을 확인하였다.
당뇨와 직접적인 관계가 있을 것으로 예상한 glucose나 insulin 변수의 경우에도 환자군과 정상군을 구분하는데 도움을 주지 못하는 결과를 보였다. 개별 변수들의 분포만을 보더라도 정상군과 환자군의 구별이 용이하지 않음을 예상할 수 있었다.
R과 C 값 변화에 대해서는 기존의 값에서 3%이상의 변화가 있을 경우 22쌍의 Aa, Na 값이 변화되는 것을 관찰하였다. 이로써 DDFAO의 전기회로적인 구성된 팬텀을 이용할 경우에는 측정의 반복성도 있으며 외부 상태의 변화에 따라 결과가 변경됨을 확인하였다.
임상 데이터에 대한 DDFAO 반복성은 있으나 그림 7과 같이 반복성이 낮은 변수와 감도가 낮은 변수들도 상당수 존재하는 것으로 확인하였다. 이산 변수의 경우에도 1차 측정과 2차 측정값을 비교하여 다르게 나온 경우가 환자군의 경우 28%, 정상군의 경우 30%로, 평균적으로 29%가 상이하였다.
관련 의료기기 중 국내 식약처로부터 피부저항측정기로 의료기기 인가를 받은 DDFAO를 이용하여 데이터의 신뢰도와 임상적 유효성을 평가하였다. 전자 회로 팬텀을 활용한 반복 측정과 민감도 평가 결과를 볼 때 장비의 구동, 분석, 입력 변화의 결과 반영 등은 잘 이루어지고 있었다. 그러나 사람을 대상으로 한 실험에서는 분석결과 값이 측정 시 변화가 많이 발생하는 경우도 있었다.
첫 번째 원인으로 측정 결과의 신뢰성 문제가 있을 수 있다. 팬텀을 이용하였을 경우에는 안정적인 반복 측정이 가능하였고 민감도도 3% 정도로 높다고 할 수 없었다. 인체를 대상으로 한 반복 측정의 경우, 5분이라는 짧은 시간의 휴식 전후에서 반복실험에서 측정 결과에 있어 큰 변화(변동계수>20%)를 보이는 경우가 있었다.
후속연구
학술 논문으로 당뇨에 대한 민감도와 특이도를 명확하게 언급한 것은 EZSCAN과 Sudoplus 장비로 DDFAO를 이용하여 얻은 당뇨 임상관련 논문은 찾아보기 어렵다[10～12]. ESCAN이나 Sudoplus 장비는 임상시험 당시에 식약처 임상승인이 되어 있지 않아 본 연구에서는 사용하지 못하였다.
이상의 것들을 고려해 볼 때, 측정 방법의 간편성과 비침습적인 방법으로 국소적인 영역을 보기보다 인체 전반적인 특성을 파악하여 질병 유무를 스크린 할 수 있다는 접근 방식은 측정방식의 개선과 분석 알고리즘의 개선을 바탕으로 더욱 발전시켜 나갈 수 있을 것으로 사료된다.
이상의 결과를 종합해 보면 DDFAO의 진단방법인 6개의 표면 전극을 이용하여 비침습적으로 정상인과 당뇨병 환자의 구별이 어려울 뿐만 아니라 기존에 제안하는 방식에 대한 검증에서도 정확성과 반복성이 검증되지 않아 그 유효성에 대해서는 좀 더 깊은 고찰이 요구된다.
향후 연구 방향으로 지금과 같이 DDFAO 장비에서 제공되는 결과 값을 기반으로 한 시스템 검증보다 각 측정 단계에서 기기에서 직접 얻을 수 있는 신호로부터 전압의 크기 변화, 반응시간, 반응의 기울기 등을 분석을 통해 임상에 유용한 정보를 얻는 시도가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전기체간스캔법이란?
전기체간스캔법 (EIS, Electro Interstitial Scan, ElectroSomatoGram (ESG), Electrochemical Skin Conductance (ESC))은 미세전류를 사지말단 또는 국소적 부위에 인가하여 인체의 전기적 반응을 분석하여 질병 유무를 진단하고 모니터링하는 방법이다[10～15]. 이 방법은, 4개 혹은 6개의 피부 전극만을 이용하여 10분 내외의 검사만으로 다양한 질환 분석이 가능한 장점이 있으며, 현재 당뇨 질환의 스크린용으로 적합하다고 부각되는 의료기기들이 시장에 나오고 있다.
EIS의 기본 원리는 무엇인가?
EIS의 기본 원리가 되는 것은 크게 2가지로 보인다. 하나는 코트렐방정식(Cottrell equation)이고 다른 하나는 피부 전도도(skin conductance)의 개념이다. 코트렐 방정식은 식 (1)과 같이 전류는 양 손바박과 발바닥 그리고 양쪽 이마에 붙이는 전극의 면적(A)과 확산계수(D), 그리고 초기 농도(c)에 비례하고, 시간(t)에 반비례한다.
비침습적인 방법은 어떠한 단점이 존재하는가?
당뇨병전증은 초기 진단이 매우 중요하지만 그 평가 비용과 진단 방법이 불편하여 스크린이 잘 이루어지지 않고 있다. 기존의 방법은 채혈을 통한 OGTT(Oral Glucose Tolerance Test), FGT(Fasting Glucose Test)와 같은 기존의 당뇨 검사법을 이용하거나 FINDRISC(Finnish Diabetes Risk Score)와 같은 설문지나 AGEP (Advanced Glycation End Product) 바이오마커를 이용한 VeraLight SCOUT DS 등의 비침습적인 방법이 있으나 정확하지 않아 진단에의 활용에 제한적이고 또한 스크린용으로 활용하기에도 비용적인 부담이 크다[8]. 그러므로 당뇨나 기타 만성질환의 예방과 관리를 위해 측정이 간편하고 저비용으로 스크린이 가능한 장비가 시장에서 매우 필요하다.
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