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문제 정의
- 그러나 이처럼 다양한 방법들을 이용하여 영아의 호흡을 감시하기 위한 연구들이 진행되었지만 영아 돌연사 방지라는 근본적인 목적을 위해서는 영아 돌연사의 주 위험요소인 엎드려 누운 자세와 무호흡 검출에 초점을 맞춘 연구가 필요한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 도플러 레이더 시스템을 이용하여 비접촉 방식으로 영아의 무호흡을 검출할 수 있는 영아 호흡 감시 시스템을 제안하였으며, 이를 평가하기 위한 실험 프로토콜을 고안하여 기존의 접촉식 호흡 벨트와 비교 평가함으로써 제안한 시스템의 영아 돌연사 방지 가능성과 향후 연구 방향을 제시하였다.
제안 방법
- 데이터 획득 방법은 영아 시뮬레이터를 바로 누운 자세(Supine) 및 엎드려 누운 자세(Prone)로 구분하여 데이터를 획득하였으며, 도플러 레이더 센서는 영아 시뮬레이터 가슴으로부터 50 cm 거리에 고정한 후 기준신호로 호흡 벨트를 동기 화하여 데이터를 획득하였다. 데이터 획득 프로토콜은 그림 2와 같이 6개월 영아의 평균 정상 호흡수(30-60 bpm) 구간[20]과 무호흡(Apnea)을 조합하여 총 10분 데이터를 구성하였으며, 호흡 시 발생하는 시뮬레이터의 기계적 오차와 호흡수 변화 과정에서 발생하는 비선형적 특성을 고려하여 자세별로 각 10회씩 반복하여 데이터를 획득하였다.
- 도플러 레이더 센서를 통해 검출한 호흡수와 호흡 벨트를 통해 검출한 기준 호흡수 간의 상관분석을 하였고 이 차이를 보기 위하여 Bland-Altman 분석을 수행하였다. 또한, 무호흡 검출 성능을 평가하기 위하여 민감도(Sensitivity)와 양성 예측도 (Positive predictive value, PPV)를 계산하였다.
- 즉, 5초 마다 문턱치 값이 신호의 진폭에 맞게 변하여 실시간 호흡 검출에 쉽도록 하였고 이를 통하여 순간 호흡수들을 계산하였다. 또한, 영아의 수면중 무호흡은 호흡 신호의 진폭이 작아지고 그 지속시간이 일정 시간(20초) 이상을 유지하는 것이므로[11], 호흡 신호의 국소 정점(Local peak)이 20초 이상 검출되지 않는 구간을 무호흡으로 검출하였다.
- 본 논문에서 제안하는 도플러 레이더 시스템은 그림 1에 나타낸 것처럼 도플러 레이더 센서부, 호흡 신호 추출을 위한 아날로그 전처리부 그리고 ADC 및 통신을 위한 디지털부로 구성된다. 도플러 레이더 센서부는 연속 정현파(Continuous wave)타입의 도플러 레이더 센서(RMS-T10X, RFengine, 대한민국)를 사용하였으며 센서의 동작 주파수 대역은 license-free 대역으로 사용되고 있는 10.
- 본 논문에서는 적응가변문턱치(Adaptive threshold)를 이용하여 정상 호흡 신호의 국소 정점(Local peak)을 검출 하였다. 적응가변문턱치 값은 이전 데이터 5초 동안의 최댓값과 최솟값을 찾아 가중치를 적용한 식(1)에 의해 다음 데이터 5초 동안 적용된다.
- 본 연구에서는 영아 돌연사 방지를 위해 도플러 레이더를 이용하여 비접촉, 무구속 방식의 영아 호흡 감시 시스템을 제안하였고, 이를 평가하기 위해 영아 시뮬레이터를 대상으로 바로 누운 자세와 엎드려 누운 자세에서 영아의 정상 호흡 및 무호흡에 대한 검출 결과를 기준 신호로 사용된 접촉식 호흡 벨트 결과와 비교 평가 하였다. 정상 호흡 구간에 대한 상관 분석과 Bland-Altman 분석 결과 도플러 레이더 기반의 영아 호흡 모니터링 결과는 기준 신호로 사용된 호흡 벨트 결과와 통계적으로 유의한 차이가 없었고, 무호흡 검출에 대한 성능 평가 결과 민감도 및 양성예측도가 모두 100%로 우수한 성능을 보여주었다.
- 센서의 유효 등방성 방사 전력(EIRP)은 최대 25 mW로 휴대전화의 경우인 2,000 mW와 비교하였을 때 상당히 작은 수치이며, 국제 비전리 방사선 안전 규격에 만족하는 값이다[19]. 아날로그 전처리 부는 레이더 출력 신호로부터 호흡 신호를 추출하기 위해 0.1-2.1 Hz의 대역통과 필터와 증폭부 그리고 오프셋(Offset) 조정 회로로 구성되었으며 호흡 신호의 유효성을 평가 하기 위한 기준신호로 접촉식 호흡 벨트(chest-belt)를 동기 화하여 측정하였다. 디지털 부에서는 MCU(PIC18F4523, Microchip, USA)를 사용하여 아날로그 전처리부 출력 신호를 아날로그-디지털 변환(12-bit ADC)하고 샘플링 주파수는 120 Hz로 데이터를 획득하였으며 획득한 데이터는 PC로 전송하였다.
- 적응가변문턱치 값은 이전 데이터 5초 동안의 최댓값과 최솟값을 찾아 가중치를 적용한 식(1)에 의해 다음 데이터 5초 동안 적용된다. 즉, 5초 마다 문턱치 값이 신호의 진폭에 맞게 변하여 실시간 호흡 검출에 쉽도록 하였고 이를 통하여 순간 호흡수들을 계산하였다. 또한, 영아의 수면중 무호흡은 호흡 신호의 진폭이 작아지고 그 지속시간이 일정 시간(20초) 이상을 유지하는 것이므로[11], 호흡 신호의 국소 정점(Local peak)이 20초 이상 검출되지 않는 구간을 무호흡으로 검출하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 생후 6개월 정도의 영아와 해부 생리학적 으로 유사한 구조로 영아의 호흡 패턴과 유사하게 흉부에서 물리적 변위가 발생하는 영아 시뮬레이터(Simbaby, Laerdal Medical, Norway)를 이용하여 데이터를 획득하였다. 데이터 획득 방법은 영아 시뮬레이터를 바로 누운 자세(Supine) 및 엎드려 누운 자세(Prone)로 구분하여 데이터를 획득하였으며, 도플러 레이더 센서는 영아 시뮬레이터 가슴으로부터 50 cm 거리에 고정한 후 기준신호로 호흡 벨트를 동기 화하여 데이터를 획득하였다. 데이터 획득 프로토콜은 그림 2와 같이 6개월 영아의 평균 정상 호흡수(30-60 bpm) 구간[20]과 무호흡(Apnea)을 조합하여 총 10분 데이터를 구성하였으며, 호흡 시 발생하는 시뮬레이터의 기계적 오차와 호흡수 변화 과정에서 발생하는 비선형적 특성을 고려하여 자세별로 각 10회씩 반복하여 데이터를 획득하였다.
- 본 논문에서 제안하는 도플러 레이더 시스템은 그림 1에 나타낸 것처럼 도플러 레이더 센서부, 호흡 신호 추출을 위한 아날로그 전처리부 그리고 ADC 및 통신을 위한 디지털부로 구성된다. 도플러 레이더 센서부는 연속 정현파(Continuous wave)타입의 도플러 레이더 센서(RMS-T10X, RFengine, 대한민국)를 사용하였으며 센서의 동작 주파수 대역은 license-free 대역으로 사용되고 있는 10.525 GHz로 동작한다. 센서의 방위각(Azimuth)과 고도각(Elevation)은 각각 70o , 30o 로 호흡으로 인한 흉복부의 움직임을 감지하기에 충분한 방사 범위를 가진다.
- 1 Hz의 대역통과 필터와 증폭부 그리고 오프셋(Offset) 조정 회로로 구성되었으며 호흡 신호의 유효성을 평가 하기 위한 기준신호로 접촉식 호흡 벨트(chest-belt)를 동기 화하여 측정하였다. 디지털 부에서는 MCU(PIC18F4523, Microchip, USA)를 사용하여 아날로그 전처리부 출력 신호를 아날로그-디지털 변환(12-bit ADC)하고 샘플링 주파수는 120 Hz로 데이터를 획득하였으며 획득한 데이터는 PC로 전송하였다. PC로 전송된 신호는 LabVIEW(National Instrument Co, USA)를 이용하여 디스플레이 및 저장하였으며 MATLAB(MathWorks Inc.
- 본 논문에서는 생후 6개월 정도의 영아와 해부 생리학적 으로 유사한 구조로 영아의 호흡 패턴과 유사하게 흉부에서 물리적 변위가 발생하는 영아 시뮬레이터(Simbaby, Laerdal Medical, Norway)를 이용하여 데이터를 획득하였다. 데이터 획득 방법은 영아 시뮬레이터를 바로 누운 자세(Supine) 및 엎드려 누운 자세(Prone)로 구분하여 데이터를 획득하였으며, 도플러 레이더 센서는 영아 시뮬레이터 가슴으로부터 50 cm 거리에 고정한 후 기준신호로 호흡 벨트를 동기 화하여 데이터를 획득하였다.
데이터처리
- 디지털 부에서는 MCU(PIC18F4523, Microchip, USA)를 사용하여 아날로그 전처리부 출력 신호를 아날로그-디지털 변환(12-bit ADC)하고 샘플링 주파수는 120 Hz로 데이터를 획득하였으며 획득한 데이터는 PC로 전송하였다. PC로 전송된 신호는 LabVIEW(National Instrument Co, USA)를 이용하여 디스플레이 및 저장하였으며 MATLAB(MathWorks Inc. USA)을 이용하여 신호를 분석 및 평가하였다.
- 데이터 획득 프로토콜에 따라 도플러 레이더 센서와 호흡 벨트를 통해 검출한 순간호흡수(Beats per minute, bpm) 의 구간 및 자세별 차이가 있는지를 확인하기 위하여 일원 분산분석(One-way ANOVA)을 수행하였다. 도플러 레이더 센서를 통해 검출한 호흡수와 호흡 벨트를 통해 검출한 기준 호흡수 간의 상관분석을 하였고 이 차이를 보기 위하여 Bland-Altman 분석을 수행하였다.
- 데이터 획득 프로토콜에 따라 도플러 레이더 센서와 호흡 벨트를 통해 검출한 순간호흡수(Beats per minute, bpm) 의 구간 및 자세별 차이가 있는지를 확인하기 위하여 일원 분산분석(One-way ANOVA)을 수행하였다. 도플러 레이더 센서를 통해 검출한 호흡수와 호흡 벨트를 통해 검출한 기준 호흡수 간의 상관분석을 하였고 이 차이를 보기 위하여 Bland-Altman 분석을 수행하였다. 또한, 무호흡 검출 성능을 평가하기 위하여 민감도(Sensitivity)와 양성 예측도 (Positive predictive value, PPV)를 계산하였다.
성능/효과
- 도플러 레이더 센서를 이용하여 생체 신호를 추출하는 여러 연구에서는 2.4 GHz부터 60 GHz까지 다양한 주파수 대역의 센서를 사용하는데 이러한 다양한 주파수 대역의 센서 들로 생체 신호를 추출할 때 각 주파수 대역이 갖는 해상도를 비교 분석한 연구[21] 결과를 보면 본 논문에서 사용한약 10 GHz 대역의 도플러 레이더 센서가 타 대역들보다 생체 신호를 추출하는 데 있어서 적절한 해상도임을 알 수 있다. 기존의 접촉식 방법 중 가속도계를 이용하여 영아의 무호흡을 감시하는 연구[17]의 경우 엎드려 누운 자세(Prone) 에서는 데이터 획득 및 무호흡 검출이 불가능하다는 한계점이 존재하는 데 반해 본 연구에서는 바로 누운 자세(Supine) 는 물론 엎드려 누운 자세(Prone)에서도 우수한 검출 성능을 보였다.
- 93으로 나타났다. 도플러 레이더로부터 검출한 호흡수와 호흡 벨트로 검출한 호흡수의 차이가 상당히 작은 값임을 확인할 수 있고, 차이에 대한 값들이 도플러 레이더와 호흡 벨트의 호흡수 평균값에 고르게 분포되어 있음을 확인할 수 있다.
- 실험 프로토콜에서는총 5회의 무호흡 구간을 설정하였으며 영아의 무호흡 정의에 따라 설정한 무호흡 이벤트 중 20초 미만의 무호흡 구간(1)은 검출하지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 자세별 총 10회를 반복하여 발생하는 총 80번의 무호흡 이벤트에 대하여 자세별 무호흡 검출 성능을 평가한 결과 자세별 평균 민감도와 양성예측도 모두 100%임을 확인하였다. 이는 본 논문에서 제안한 시스템이 영아 돌연사의 주 위험요소인 엎드려 누운 자세에서도 영아의 정상 호흡을 비롯하여 무호흡을 정확하게 검출할 수 있다는 점을 나타낸다.
- 또한, 각 구간에서 자세별 유의성 및 도플러 레이더와 호흡 벨트의 유의성을 검정 하기 위하여 일원 분산분석을 수행한 결과 전 구간에서 자세별로 도플러 레이더 센서 및 호흡 벨트 간의 유의한 차이가 나타나지 않음(P > 0.05)을 확인하였다.
- 그림 6은 영아의 정상 호흡 도중 무호흡 이벤트가 발생하는 상황을 모사한 실험 프로토콜에 따라 엎드려 누운 자세에서 측정한 도플러 레이더 신호 및 호흡 벨트 신호와 검출된 무호흡 이벤트의 예시를 나타낸다. 실험 프로토콜에서는총 5회의 무호흡 구간을 설정하였으며 영아의 무호흡 정의에 따라 설정한 무호흡 이벤트 중 20초 미만의 무호흡 구간(1)은 검출하지 않는 것을 확인할 수 있다. 따라서 자세별 총 10회를 반복하여 발생하는 총 80번의 무호흡 이벤트에 대하여 자세별 무호흡 검출 성능을 평가한 결과 자세별 평균 민감도와 양성예측도 모두 100%임을 확인하였다.
- 따라서 자세별 총 10회를 반복하여 발생하는 총 80번의 무호흡 이벤트에 대하여 자세별 무호흡 검출 성능을 평가한 결과 자세별 평균 민감도와 양성예측도 모두 100%임을 확인하였다. 이는 본 논문에서 제안한 시스템이 영아 돌연사의 주 위험요소인 엎드려 누운 자세에서도 영아의 정상 호흡을 비롯하여 무호흡을 정확하게 검출할 수 있다는 점을 나타낸다.
- 기존의 접촉식 방법 중 가속도계를 이용하여 영아의 무호흡을 감시하는 연구[17]의 경우 엎드려 누운 자세(Prone) 에서는 데이터 획득 및 무호흡 검출이 불가능하다는 한계점이 존재하는 데 반해 본 연구에서는 바로 누운 자세(Supine) 는 물론 엎드려 누운 자세(Prone)에서도 우수한 검출 성능을 보였다. 이를 통해 본 논문에서 제안한 시스템이 영아 돌연사의 주 위험요소인 엎드려 누운 자세에서도 영아의 호흡 및 무호흡을 즉각적으로 검출할 수 있다는 가능성을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서는 영아 돌연사 방지를 위해 도플러 레이더를 이용하여 비접촉, 무구속 방식의 영아 호흡 감시 시스템을 제안하였고, 이를 평가하기 위해 영아 시뮬레이터를 대상으로 바로 누운 자세와 엎드려 누운 자세에서 영아의 정상 호흡 및 무호흡에 대한 검출 결과를 기준 신호로 사용된 접촉식 호흡 벨트 결과와 비교 평가 하였다. 정상 호흡 구간에 대한 상관 분석과 Bland-Altman 분석 결과 도플러 레이더 기반의 영아 호흡 모니터링 결과는 기준 신호로 사용된 호흡 벨트 결과와 통계적으로 유의한 차이가 없었고, 무호흡 검출에 대한 성능 평가 결과 민감도 및 양성예측도가 모두 100%로 우수한 성능을 보여주었다.
후속연구
- 본 연구는 실험 대상이 실제 영아가 아닌 영아 시뮬레이터를 대상으로 데이터를 획득했다는 점과 자세별로 각 10회씩 반복 측정한 데이터를 대상으로 검출한 성능이기 때문에 추후 연구로는 실제 영아를 대상으로 다양한 환경 및 자세에서 시스템을 평가하는 임상 평가가 필요하다.
- 본 연구에서의 측정 대상인 영아 시뮬레이터는 움직임이 거의 없는 상태에서 오직 호흡으로 인한 흉복부의 변위만 발생하기 때문에 호흡 측정에 우수한 성능을 보여주고 있지만 측정대상이 움직이거나 주변 환경에서 움직임이 발생하는 경우, 호흡 측정에 있어서 성능이 저하될 수 있다는 한계점이 있다. 하지만 도플러 레이더 센서를 이용하여 수면 단계를 분류하는 연구[22]의 경우 움직임이 발생하면 이를 따로 검출하여 “Wake” 단계로 분류하는데, 마찬가지로 돌연사 방지를 위한 호흡 감시 시스템에서도 움직임이 발생한다는 것은 근본적으로 생명이 유지되고 있다는 것으로 해석 할 수 있다.
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