본 연구에서는 피부 등가모델을 통한 세포 내액과 세포 외액 성분의 생체임피던스 특성을 파악하기 위해 개발한 휴대용 소형 임피던스 측정시스템을 이용하여 4 전극법에 의한 비 침습 방식으로 다양한 주파수 대역에서 전신의 생체전기 임피던스를 측정실험을 수행하였다. 측정은 10명의 남성 피 실험자(평균 나이 $24{\pm}3.0$세, (BMI) $20.3kg/m^2$)를 대상으로 4주간 실시하였으며, 생체임피던스 다중주파수(1 kHz, 5 kHz, 50 kHz, 70 kHz, 100 kHz, 500 kHz)대역에서 측정하였다. 실험결과, 저주파 대역인 1 kHz 대역에서 임피던스가 가장 높게 측정되었고, 고주파 대역인 500 MHz에서 임피던스가 가장 낮게 측정되었다. 특히 50 kHz 대역이상에서 임피던스가 급속히 낮아짐을 실험을 통해서 확인하였다. 또한, 피부 등가회로모델을 통한 세포 내액과 세포 외액의 임피던스 특성을 파악하는 모의실험에서도 본 연구의 생체임피던스 측정시스템의 측정값과 유사한 특성이 얻어짐을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 피부 등가모델을 통한 세포 내액과 세포 외액 성분의 생체임피던스 특성을 파악하기 위해 개발한 휴대용 소형 임피던스 측정시스템을 이용하여 4 전극법에 의한 비 침습 방식으로 다양한 주파수 대역에서 전신의 생체전기 임피던스를 측정실험을 수행하였다. 측정은 10명의 남성 피 실험자(평균 나이 $24{\pm}3.0$세, (BMI) $20.3kg/m^2$)를 대상으로 4주간 실시하였으며, 생체임피던스 다중주파수(1 kHz, 5 kHz, 50 kHz, 70 kHz, 100 kHz, 500 kHz)대역에서 측정하였다. 실험결과, 저주파 대역인 1 kHz 대역에서 임피던스가 가장 높게 측정되었고, 고주파 대역인 500 MHz에서 임피던스가 가장 낮게 측정되었다. 특히 50 kHz 대역이상에서 임피던스가 급속히 낮아짐을 실험을 통해서 확인하였다. 또한, 피부 등가회로모델을 통한 세포 내액과 세포 외액의 임피던스 특성을 파악하는 모의실험에서도 본 연구의 생체임피던스 측정시스템의 측정값과 유사한 특성이 얻어짐을 확인할 수 있었다.
In this study, we measured the bioelectrical impedance of whole body in various frequency bands by non-invasive method by four electrode method using a portable small impedance measurement system developed to understand the bioimpedance characteristics of intracellular fluid and extracellular fluid ...
In this study, we measured the bioelectrical impedance of whole body in various frequency bands by non-invasive method by four electrode method using a portable small impedance measurement system developed to understand the bioimpedance characteristics of intracellular fluid and extracellular fluid components through a skin equivalent model. The measurements were performed on 10 male subjects (mean age $24{\pm}3.0$, body mass index(BMI) $20.3kg/m^2$) for four weeks and the bioimpedances were measured at multi-frequencies (1 kHz, 5 kHz, 50 kHz, 70 kHz, 100 kHz and 500 kHz). Experimental results show that the impedance is the highest in the low frequency range of 1 kHz and the lowest in the high frequency range of 500 MHz. Especially, it was confirmed through experiments that the impedance is rapidly lowered above 50 kHz band. In addition, it was confirmed that similar characteristics to the measured values of the bioimpedance measuring system were obtained in the simulations for understanding the impedance characteristics of the intracellular fluid and the extracellular fluid through the skin equivalent circuit model.
In this study, we measured the bioelectrical impedance of whole body in various frequency bands by non-invasive method by four electrode method using a portable small impedance measurement system developed to understand the bioimpedance characteristics of intracellular fluid and extracellular fluid components through a skin equivalent model. The measurements were performed on 10 male subjects (mean age $24{\pm}3.0$, body mass index(BMI) $20.3kg/m^2$) for four weeks and the bioimpedances were measured at multi-frequencies (1 kHz, 5 kHz, 50 kHz, 70 kHz, 100 kHz and 500 kHz). Experimental results show that the impedance is the highest in the low frequency range of 1 kHz and the lowest in the high frequency range of 500 MHz. Especially, it was confirmed through experiments that the impedance is rapidly lowered above 50 kHz band. In addition, it was confirmed that similar characteristics to the measured values of the bioimpedance measuring system were obtained in the simulations for understanding the impedance characteristics of the intracellular fluid and the extracellular fluid through the skin equivalent circuit model.
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문제 정의
본 연구의 인체 전기 임피던스 분석기는 다양한 인체 성분의 평가를 위해서 비 침습적이며, 정밀성과 실용성 있는 장비로 개발함으로써 누구나 쉽게 측정 및 분석이 가능하도록 하였다. 다중주파수를 사용하여 주파수에 따른 세포의 내액과 외액 성분의 생체임피던스를 측정을 위해서 소형의 휴대용 임피던스측정기는 정전류원과 신호 측정부 2개 장치로 구성되었다.
본 연구의 임피던스측정기는 저주파수영역과 고주파 영역으로 전류를 흘러서 인체의 세포 내액 성분과 세포 외액 성분을 통과하여 인체의 체성분 분석을 위한 연구를 실시하였다. 이를 증명하기 생체임피던스 등가회로모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
제안 방법
측정부의 전극 시스템은 4 전극법으로 생체의 체적 임피던스를 측정하는 방법으로 측정하고자 하는 체적 양단에 측정 전극을 두고, 그 측정 영역 바깥쪽에 전류 인가 전극을 부착함으로써 팔과 다리 부위 임피던스를 측정하였다. MCU 부는 ATmega 128을 사용하여 ADC(analog to digital converter)를 300 sampling rate, 기준전압은 DC 3 V로 sampling된 ADC 전압을 on/off 이진 binary 상태로 MAX7044를 통해 전송되고 수신된 값을 16비트 만큼 받아서 수신 값을 1바이트 값으로 변환 처리하도록 하였다. 무선송신용 RF 주파수는 402.
본 연구의 인체 전기 임피던스 분석기는 다양한 인체 성분의 평가를 위해서 비 침습적이며, 정밀성과 실용성 있는 장비로 개발함으로써 누구나 쉽게 측정 및 분석이 가능하도록 하였다. 다중주파수를 사용하여 주파수에 따른 세포의 내액과 외액 성분의 생체임피던스를 측정을 위해서 소형의 휴대용 임피던스측정기는 정전류원과 신호 측정부 2개 장치로 구성되었다. 임피던스 측정부는 측정한 값을 실시간으로 무선으로 전송 가능하여 장소에 구해 받지 않고 측정이 가능한 시스템이다.
임피던스 측정부는 측정한 값을 실시간으로 무선으로 전송 가능하여 장소에 구해 받지 않고 측정이 가능한 시스템이다. 또한, 임피던스 전기 등가 회로모델을 통해서 세포내액과 세포외액의 전기적 특성을 시뮬레이션을 분석 가능하였다. 앞으로 본 개발품은 휴대용 생체임피던스 측정기[15]로 활용 가능하여 간편하게 체지방 측정이 가능하고 인체 내부의 수분량을 측정할 수 의료기기로 활용 가능할 것이다.
본 연구에서 개발한 소형 임피던스 측정기는 다중주파수를 이용하여 주파수에 따른 생체의 체지방성분을 분석할 수 있다. 기존의 생체임피던스는 주파수 제어 및 신호측정을 위한 Lock in Amplifier(SR 830)을 이용하여 측정을 실시하는데 정전류원 간의 인터페이스 기술이 복잡하게 구성된 시스템이다.
본 연구에서 개발한 휴대용 무선 다중주파수용 임피던스 측정기는 다양한 대역의 주파수의 임피던스를 측정하기 위해서는 다중주파수 발생용 모듈, 정전류 발생부, 생체 신호 측정부, MCU부, 무선 송·수신 장치부, 디스플레이부로 구성되었다.
본 연구에서는 4 전극법으로 오른 손목 2곳과 오른 발목 2곳에 전류인가 전극과 측정 전극을 각각 부착하여 생체의 체적 임피던스 측정할 목적으로 (주) Biopac Bioimpedance Strip Electrode(EL 506)의 8mm 전극을 사용하였다. 주변 온도를 (23-25℃) 범위를 일정하게 유지한 상태에서 피실험자 측정을 실시하였다.
본 연구에서는 소형으로 제작된 다중주파수 측정기로 생체임피던스 측정을 실시하였다. 생체임피던스 측정기는 체지방성분을 알기위해서 주파수에 따른 임피던스측 정값을 비교할 수 있다.
생체임피던스 전기등가회로는 생체임피던스 측정값의 객관적인 값을 증명하기 모델을 통해서 시뮬레이션을 실시하였다. 등가회로 모델은 생체 조직의 전기적 특성을 연구하는 모델로 널리 활용되는 기술이다.
주변 온도를 (23-25℃) 범위를 일정하게 유지한 상태에서 피실험자 측정을 실시하였다. 생체임피던스를 측정하기 위한 주파수는 1kHZ, 5kHz, 50kHz, 70kHz, 100kHZ, 500kHz 주파수 범위에서 전기적으로 안전이 검증된 800uA 이하로 인가했으며 측정 주파수를 6개 영역에 대하여 생체임피던스를 측정하였다. 그림 3은 생체 임피던스를 피실험자를 대상으로 측정을 위한 전극의 부착 위치를 나타내고 있다.
본 연구에서는 4 전극법으로 오른 손목 2곳과 오른 발목 2곳에 전류인가 전극과 측정 전극을 각각 부착하여 생체의 체적 임피던스 측정할 목적으로 (주) Biopac Bioimpedance Strip Electrode(EL 506)의 8mm 전극을 사용하였다. 주변 온도를 (23-25℃) 범위를 일정하게 유지한 상태에서 피실험자 측정을 실시하였다. 생체임피던스를 측정하기 위한 주파수는 1kHZ, 5kHz, 50kHz, 70kHz, 100kHZ, 500kHz 주파수 범위에서 전기적으로 안전이 검증된 800uA 이하로 인가했으며 측정 주파수를 6개 영역에 대하여 생체임피던스를 측정하였다.
3 kg/m2) 를 대상으로 10명에 대해서 실험을 실시하였다. 측정 전극 시스템은 4개의 전극을 이용하여 생체의 임피던스를 측정할 수 있고, 피부에 부착된 전극의 개수에 따라서 4가지 전극법(2전극, 3전극, 4전극)으로 나눌 수 있다.
생체신호 측정부는 전극을 통해서 측정되고 정확한 생체 신호를 측정하기 위해서 회로부는 미세신호 증폭부인 차동증폭기, 신호처리용 필터부는 노치 필터, HPF(high pass filter), LPF(low pass filter)부로 구성되었다. 측정부의 전극 시스템은 4 전극법으로 생체의 체적 임피던스를 측정하는 방법으로 측정하고자 하는 체적 양단에 측정 전극을 두고, 그 측정 영역 바깥쪽에 전류 인가 전극을 부착함으로써 팔과 다리 부위 임피던스를 측정하였다. MCU 부는 ATmega 128을 사용하여 ADC(analog to digital converter)를 300 sampling rate, 기준전압은 DC 3 V로 sampling된 ADC 전압을 on/off 이진 binary 상태로 MAX7044를 통해 전송되고 수신된 값을 16비트 만큼 받아서 수신 값을 1바이트 값으로 변환 처리하도록 하였다.
생체임피던스 측정기는 체지방성분을 알기위해서 주파수에 따른 임피던스측 정값을 비교할 수 있다. 피 실험자에게서 측정된 생체임 피던스 값들은 각 주파수당 10번 반복하여 실험을 실시 하였다. [Fig 7]에서는 휴대용 소형 임피던스 측정기를 통해서 측정된 값의 평균값을 다중주파수(1 kHz, 5 kHz, 50 kHz, 70 kHz, 100 kHz, 500 kHz)에 따른 임피던스를 측정한 결과 저주파 대역인 1 kHz에서 가장 높은 임피던 스(1104.
대상 데이터
실험에 참가한 피실험자들은 임상적으로 정상인이라고 판단되는 성인 (평균 24.3.0±0.45, (BMI) 20.3 kg/m2) 를 대상으로 10명에 대해서 실험을 실시하였다.
이론/모형
본 연구의 임피던스측정기는 저주파수영역과 고주파 영역으로 전류를 흘러서 인체의 세포 내액 성분과 세포 외액 성분을 통과하여 인체의 체성분 분석을 위한 연구를 실시하였다. 이를 증명하기 생체임피던스 등가회로모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 임피던스측정기에서 측정한 값과 등가회로모델의 비교를 해본 결과 세포 내액을 통과하는 주파수 대역인 50 kHz에서 임피던스가 급격히 낮아지는 결과를 나타냄으로써 유사한 결과를 나타내었다.
성능/효과
기존의 생체임피던스는 주파수 제어 및 신호측정을 위한 Lock in Amplifier(SR 830)을 이용하여 측정을 실시하는데 정전류원 간의 인터페이스 기술이 복잡하게 구성된 시스템이다. 기존 제품과 비교 시 주요한 주파수 대역을 쉽게 조정이 가능하고 측정시간 단축 및 정확성을 가지고 있음을 확인하였다. 휴대형 소형임피던스 측정기는 기존의 문제점을 개선하여 휴대 및 이동이 편리해서 장소에 제약을 받지 않고 측정 가능한 장치이다.
임피던스측정기에서 측정한 값과 등가회로모델의 비교를 해본 결과 세포 내액을 통과하는 주파수 대역인 50 kHz에서 임피던스가 급격히 낮아지는 결과를 나타냄으로써 유사한 결과를 나타내었다. 또한 10 kHz 미만의 주파수 대역에서는 높은 임피던스를 기록함으로써 세포 외액 성분임을 알수 있었다. 따라서 임피던스 측정을 위한 주파수 성분전체를 분석하지 않아도 주요 주파수대역을 이용하여 인체 내의 세포 내액과 세포 외액의 임피던스 저항 성분을 효율적으로 분석가능한 장비로서 활용가치가 높을 것이다.
MCU 부는 ATmega 128을 사용하여 ADC(analog to digital converter)를 300 sampling rate, 기준전압은 DC 3 V로 sampling된 ADC 전압을 on/off 이진 binary 상태로 MAX7044를 통해 전송되고 수신된 값을 16비트 만큼 받아서 수신 값을 1바이트 값으로 변환 처리하도록 하였다. 무선송신용 RF 주파수는 402.94 MHz이며, 측정된 생체 신호를 OOK/ASK 바식 데이터 전송으로 컴퓨터에 부착되어 있는 USB용 수신기는 RF 주파수는 392.29MHz로 컴퓨터를 통해서 모니터링 가능하도록 구현되었다. 그림 1은 본 연구의 휴대용 무선 다중주파수용 생체임피던스 측정 장치는 정전류원(Fig 1(a), 신호 처리부 및 무선 송·수신부(Fig 1(b))로 구성되어있다.
0 Ω)가 측정되었다. 이 결과는 저주파 대역인 1kHz와 10kHz 대역에서는 세포외액의 임피던스를 측정할 수 있었으며, 10kHz 이상 대역인 50kHz, 70kHz, 100kHz와 500kHz 사이에서는 비교적 높은 주파수에서는 세포외액뿐만 아니라 세포내액까지 임피던스를 측정할 수 있어서 생체임피던스 저항값이 낮게 측정됨을 확인할 수 있었다. 측정값의 비교 및 분석을 위해서 평균값과 표준편차를 [Table 1]에서 나타내었다.
이를 증명하기 생체임피던스 등가회로모델을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 임피던스측정기에서 측정한 값과 등가회로모델의 비교를 해본 결과 세포 내액을 통과하는 주파수 대역인 50 kHz에서 임피던스가 급격히 낮아지는 결과를 나타냄으로써 유사한 결과를 나타내었다. 또한 10 kHz 미만의 주파수 대역에서는 높은 임피던스를 기록함으로써 세포 외액 성분임을 알수 있었다.
후속연구
[Fig 9]의 생체모델을 이용한 시뮬레이션 결과 50kHz 대역 이상에서 임피던스가 급격하게 낮아짐을 확인할 수 있으며 50 kH 이상의 대역은 세포내액을 통과하는 주파수 대역으로써 임피던스저항의 변화를 통해서 세포외액의 임피던스와 세포내액의 임피던스값을 분석하는데 중요한 근거로 활용 가능할 것이다.
또한 10 kHz 미만의 주파수 대역에서는 높은 임피던스를 기록함으로써 세포 외액 성분임을 알수 있었다. 따라서 임피던스 측정을 위한 주파수 성분전체를 분석하지 않아도 주요 주파수대역을 이용하여 인체 내의 세포 내액과 세포 외액의 임피던스 저항 성분을 효율적으로 분석가능한 장비로서 활용가치가 높을 것이다.
앞으로 가정에서 일반인들을 대상으로 체지방 정도, 인체 내 수분량, 피부 수분 상태 정도를 손쉽게 측정할 수 있어서 개인 건강용 헬스 케어 장비로 활용 가능하다. 또한, 병원 의료장비로 활용도를 넓혀서 임상기기로도 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
앞으로 가정에서 일반인들을 대상으로 체지방 정도, 인체 내 수분량, 피부 수분 상태 정도를 손쉽게 측정할 수 있어서 개인 건강용 헬스 케어 장비로 활용 가능하다. 또한, 병원 의료장비로 활용도를 넓혀서 임상기기로도 사용할 수 있을 것으로 사료된다.
또한, 임피던스 전기 등가 회로모델을 통해서 세포내액과 세포외액의 전기적 특성을 시뮬레이션을 분석 가능하였다. 앞으로 본 개발품은 휴대용 생체임피던스 측정기[15]로 활용 가능하여 간편하게 체지방 측정이 가능하고 인체 내부의 수분량을 측정할 수 의료기기로 활용 가능할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
임피던스 분석 방법의 장점은 무엇인가?
대표적인 연구로는 임피던스 단층 영상장치 (impedance tomography), BHI(체지방성분 분석)[3,4], 체액 성분 분석을 위한 연구[5] 등이 있다. 임피던스 분석 방법 등에서는 생체 신호 측정을 통한 진단이나 X선, 초음파 혹은 자기공명을 이용한 영상 진단[6]에서 얻을 수 없는 정보 획득이 가능할 뿐만 아니라, 작은 규모의 간단한 장치를 통해서도 비 침습적이며[7], 안정적으로 장시간 연속적인 진단이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 생체전기 임피던스분석기 연구는 피부의 노화 및 체지방 측정 등 병원과 가정 등에서도 사용이 편리하기 때문에 많은 연구가 이루어지고 있는 분야[8,9]이다.
다중주파수 측정법의 장점은 무엇인가?
단일 주파수의 사용에서는 측정시간이 빠른 반면, 세포내액과 세포외액 성분을 측정하기는 어려운 문제점이 있다[10,11]. 이에 비해 다중주파수 측정법[12,13,14]은 주파수 성분을 다양하게 분석할 수 있는 장점을 가지고 있다.
저주파 대역에서 생체임피던스 전기등가회로의 커패시터에 전류가 흐르지 않고 세포 주변만을 흐르는 이유는 무엇인가?
저주파 대역에서는 전류는 C를 통해서 흐를 수 없고, 세포 주변만을 흐른다. 이유는 0 주파수일 때 저항은 세포외액 저항과 같다.
참고문헌 (15)
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