[논문]경동맥 혈류 속도 및 산소 포화도 측정을 위한 다중모드 패치형 프로브 개발

윤상연; 이기준; 김재관; 황재윤

doi:10.7776/ask.2019.38.4.443

[국내논문] 경동맥 혈류 속도 및 산소 포화도 측정을 위한 다중모드 패치형 프로브 개발
A development of a multimodal patch-type probe for measuring blood flow and oxygen saturation in carotid artery 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.38 no.4, 2019년, pp.443 - 449

윤상연 (대구경북과학기술원 정보통신융합전공) , 이기준 (대구경북과학기술원 기초학부) , 김재관 (광주과학기술원 의생명공학과) , 황재윤 (대구경북과학기술원 정보통신융합전공)

초록
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심혈관계 질환 환자가 발생 하였을 때, 환자의 뇌와 내부 장기를 보호하고 생존율을 높이기 위해서는 사건발생 이후 신속하게 응급 의료 서비스를 제공하여 경과 시간을 줄이는 것이 가장 중요하다. 뿐만 아니라 심폐소생술의 실시를 위한 판단은 경동맥의 맥을 직접 짚는 '경동맥 촉진법'은 실시자의 주관적인 판단과 약해진 심혈관 기능에 따른 뇌혈류 차단을 할 수 있다. 본 연구는 개발된 다중 초음파 도플러 채널 쌍과 산소포화도 측정 모듈이 결합된 패치형 프로브를 이용하여 경동맥의 혈류 속도, 맥박, 산소포화도를 생체 내 실험을 통해 정성적으로 측정하였다. 따라서 본 시스템은 응급 상황에서 정량적이고 신속하게 환자의 심폐 기능을 모니터링 하여 심폐소생술 판단 여부를 객관적으로 제공하여 응급 상황 시 심혈관계 질환 환자의 생존률을 높일 수 있는 차세대 진단 기기로 활용 될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

To protect the patient's internal organs when a patient with cardiovascular disease occurs, it is important to reduce the elapsed time by providing emergency medical services. Decisions for conducting cardiopulmonary resuscitation are mainly made using the carotid palpation method, which directs the pulse of the carotid artery, which can diagnose the patient's condition according to one's own subject and cause cerebral blood flow to be blocked by excessive pressure in the carotid due to the weaken cardiopulmonary function. In this study, we developed a multimodal patch-type probe based on multi-channel ultrasound Doppler pairs and oxygen saturation measurement modules which can monitor cardiopulmonary functions. From the in-vivo experiments, the developed probe can be utilized as a novel tool that can increase the survival rate of cardiovascular disease patients by objectively monitoring the cardiopulmonary function of the patient quantitatively and promptly in an emergency situation.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Conceptual diagram of a developed multimodal patch-type probe system.
그림 Fig. 3. Measured impulse response profiles for each fabricated ultrasound Doppler transducer elements.
그림 Fig. 2. (a) Conceptual design diagram and (b) Photograph of an ultrasound Doppler transducer elements and multimodal patch-type probe.
표 Table 1. Acoustic properties for fabricated 5 MHz single element transducers.
그림 Fig. 4. Doppler spectrum measured by (a) commercial diagnosis equipment and (b) developed multimodal patch-type probe.
그림 Fig. 5. The intensity profile of red and infrared obtained by each pulse oximeter channels (a) and measured heart rate and SpO₂ information.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 각각 3개 채널의 초음파 변환자 쌍 및 산소포화도 측정 모듈로 구성된 가요성 패치타입 프로브를 개발하였고, 이는 각각의 여러 채널로부터 가장 신뢰성 있는 도플러 신호 및 산호 소화도 정보를 획득함으로써, 심폐 소생술 실시자에게 보다 정확한 정보를 쉽게 제공 할 수 있는 시스템을 소개한다.
따라서 본 연구에서는 경동맥 혈류 속도 및 산소 포화도와 맥박 정보를 동시에 제공함으로써 심장 기능의 진단을 단순화 하고 심폐소생술의 실시 여부 결정에 도움을 줄 수 있는 정량적 모니터링 시스템을 개발하였다. 개발된 다중모드 패치형 프로브는 다채널 초음파 변환자 쌍과 산소포화도 측정 모듈을 사용하여심장기능을 성공적으로 측정 하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 경동맥 혈류 속도 및 산소 포화도와 맥박 정보를 동시에 제공함으로써 심장 기능의 진단을 단순화 하고 심폐소생술의 실시 여부 결정에 도움을 줄 수 있는 정량적 모니터링 시스템을 개발하였다. 개발된 다중모드 패치형 프로브는 다채널 초음파 변환자 쌍과 산소포화도 측정 모듈을 사용하여심장기능을 성공적으로 측정 하였다. 결론적으로 이 연구는 개발된 다중모드 패치형 프로브는 일반인도보다 쉽게 사용 가능하고 안전한 심폐 소생술 구현을 위한 새로운 도구로서의 가능성을 가지고 있을 뿐만 아니라 불확실한 의료 응급 상황에서 심폐소생술 환자들에 대한 심혈관계 정보를 정량적으로 모니터링할 수 있는 시스템으로 활용될 수 있다.
개발된 시스템을 이용하여 획득한 정보의 유효성을 평가하기 위해서 도플러 천이 주파수와 산소 포화도를 동시에 획득 할 수 있는 생체 내 실험을 실시했다. 사람의 경동맥에서 순차적으로 각 채널별 도플러 신호와 산소 포화도를 동시에 측정 했다.
개발된 프로브에서 산소 포화도 측정 모듈의 효용성을 평가하기 위해 초음파 도플러 획득 실험을 진행함과 동시에 경동맥 산소 포화도 측정 실험을 동시에 진행했다. Fig.
상용 진단 기기는 펄스모드로 128개의 선형 어레이 변환자를 사용하여 도플러 스펙트럼과 B-mode 이미지를 획득하였다. 도플러 스펙트럼은 경동맥 내에 2 mm의 관심 영역을 설정하여 특정 영역에서 혈류 속도 정보를 획득 하였다.
혈액의 반향 신호는 속도가 빠르기 때문에 도플러 천이 주파수가 크게 변하게 된다. 도플러 천이 주파수 영역의 신호를 추출하기 위해 직교위상 편위 신호와 동위상 신호로 나누어 각각의 신호를 초기 발진 주파수와 혼합시킨다. 혼합된 신호의 주파수 영역은 f_d와 2f₀ + f_d의 성분을 갖고 추후 획득된 I/Q 신호로부터, 대역 통과 필터를 이용하여 도플러 천이 주파수 (f_d)을 제외한 저, 고주파 소음을 제거 한다.
개발된 시스템을 이용하여 획득한 정보의 유효성을 평가하기 위해서 도플러 천이 주파수와 산소 포화도를 동시에 획득 할 수 있는 생체 내 실험을 실시했다. 사람의 경동맥에서 순차적으로 각 채널별 도플러 신호와 산소 포화도를 동시에 측정 했다. 초음파 신호는 5 MHz의 10V_pp의 전압으로 연속하여 발진 되었고 발진 후 20 s 동안 수신 초음파 변환자로부터 정보를 수집하여 신호처리를 통해 채널 별 데이터를 획득하였다.
우리는 본 연구를 통해 경동맥 내의 혈류 속도 및 산소포화도, 맥박수를 보다 쉽고 빠르고 측정 할 수 있는 초음파 도플러 및 산소포화도 농도 측정 시스템 기반 심폐소생술 실시 판단 여부에 도움을 줄 수 있는 다중모드 프로브를 개발하였다. 심혈관 질환이 발생 했을 때 치료 시간을 줄이는 것은 환자의 생사여부에 큰 영향을 미치고, 뇌에 심각한 부상을 예방하는 중요한 요인이다.
초음파 신호는 5 MHz의 10V_pp의 전압으로 연속하여 발진 되었고 발진 후 20 s 동안 수신 초음파 변환자로부터 정보를 수집하여 신호처리를 통해 채널 별 데이터를 획득하였다. 이렇게 획득된 도플러 스펙트럼의 정확도를 판단하기 위해 상용 초음파 진단기기(Sonixtouch Q+,Sonix concept, Canada)를 이용해 획득한 도플러 스펙트럼과 비교했다.
압전소자의 전극은 크롬과 금의 Sputtering 공정을 통해 제작되었다. 정합층은 1 ㎛ ~ 3 ㎛ 크기의 은가루와 에폭시 혼합물(Epotek 301, Epoxy technology, USA)을 사용하였으며 이론상으로 100 %의 투과 효율을 보이는 122 ㎛의 두께로 제작 되어 초음파 변환자의 높은 민감도를 갖도록 설계 되었다. ^[11] 후면층은 두께 2 mm의 은 에폭시(E-solder 3022, Von Roll, Switzerland)로 압전소자의 상단 부분에 부착되어 제작 되었다.
제작된 패치형 멀티모드 초음파 변환자를 이용하여 같은 사람의 도플러 신호를 획득하였으며, 상용진단기기를 이용하여 도플러 신호를 획득한 위치에 개발된 다중모드 프로브의 채널 2를 동일하게 위치시켜 각각의 채널에서 획득되는 신호를 측정하여 분석하였다. [Fig.
제작된 패치형 프로브 내의 초음파 변환자를 이용한 각 채널별 혈류 속도 측정을 통해 도플러 시스템의 유효성을 평가하였다. [Fig.
추가적으로 경동맥의 도플러 천이 주파수 측정과 동시에 3개 채널 산소 포화도 모듈을 이용하여 경동맥의 적색파장 및 근적외선 파장대를 이용하여 혈액에서 반사된 빛들의 세기를 시간의 흐름에 따라 획득하여 20 s 동안의 산소포화도와 맥박 수를 획득하였다. 측정 대상은 논문의 제 1저자가 자원하여 생체 내 실험을 진행하였다.
89 Vpp의 크기를 갖는다(Table 1). 추가적으로 초음파 신호의 효율적인 송/수신을 위해 음향특성이 비슷하게 변환자 쌍을 이뤄 다중모드패치형 프로브가 제작 되었다.
72의 높은 결합계수 (Kt)를 갖는 압전소자(NCE55, Noliac,Czech Republic)로 구성된다. 피부 표면으로부터 2 cm~ 2.5 cm 깊이에 약 6.5 mm의 직경을 갖는 경동맥 내의 혈액 속도를 측정하기 위해서 초음파 빔 크기 5mm를 갖고 2 cm의 초점 거리를 갖는 주파수인 5 MHz로 변환자의 중심주파수가 설계 되었다. 압전소자의 전극은 크롬과 금의 Sputtering 공정을 통해 제작되었다.
도플러 천이 주파수 영역의 신호를 추출하기 위해 직교위상 편위 신호와 동위상 신호로 나누어 각각의 신호를 초기 발진 주파수와 혼합시킨다. 혼합된 신호의 주파수 영역은 f_d와 2f₀ + f_d의 성분을 갖고 추후 획득된 I/Q 신호로부터, 대역 통과 필터를 이용하여 도플러 천이 주파수 (f_d)을 제외한 저, 고주파 소음을 제거 한다. 이후에 포락선 검출 알고리즘 및 이산 시간 퓨리에변환을 이용하여 시간에 따른 도플러 스펙트럼을 획득 할 수 있다.

대상 데이터

4(a)]는 타 상용 장비로부터 획득한 혈류속도 스펙트럼과 B-Mode 이미지를 나타낸다. 상용 진단 기기는 펄스모드로 128개의 선형 어레이 변환자를 사용하여 도플러 스펙트럼과 B-mode 이미지를 획득하였다. 도플러 스펙트럼은 경동맥 내에 2 mm의 관심 영역을 설정하여 특정 영역에서 혈류 속도 정보를 획득 하였다.
5 mm의 직경을 갖는 경동맥 내의 혈액 속도를 측정하기 위해서 초음파 빔 크기 5mm를 갖고 2 cm의 초점 거리를 갖는 주파수인 5 MHz로 변환자의 중심주파수가 설계 되었다. 압전소자의 전극은 크롬과 금의 Sputtering 공정을 통해 제작되었다. 정합층은 1 ㎛ ~ 3 ㎛ 크기의 은가루와 에폭시 혼합물(Epotek 301, Epoxy technology, USA)을 사용하였으며 이론상으로 100 %의 투과 효율을 보이는 122 ㎛의 두께로 제작 되어 초음파 변환자의 높은 민감도를 갖도록 설계 되었다.
제작된 다중모드 패치형 프로브의 길이와 높이는 각각 44 mm와 54 mm이고 각 채널 사이의 거리는 12mm 이며 각각의 초음파 변환자는 구동회로의 출력임피던스인 50로 변환을 위한 임피던스 변환 회로를 거쳐 가요성 인쇄기판에 연결되었다(Fig. 2).
사람의 경동맥에서 순차적으로 각 채널별 도플러 신호와 산소 포화도를 동시에 측정 했다. 초음파 신호는 5 MHz의 10V_pp의 전압으로 연속하여 발진 되었고 발진 후 20 s 동안 수신 초음파 변환자로부터 정보를 수집하여 신호처리를 통해 채널 별 데이터를 획득하였다. 이렇게 획득된 도플러 스펙트럼의 정확도를 판단하기 위해 상용 초음파 진단기기(Sonixtouch Q+,Sonix concept, Canada)를 이용해 획득한 도플러 스펙트럼과 비교했다.
추가적으로 경동맥의 도플러 천이 주파수 측정과 동시에 3개 채널 산소 포화도 모듈을 이용하여 경동맥의 적색파장 및 근적외선 파장대를 이용하여 혈액에서 반사된 빛들의 세기를 시간의 흐름에 따라 획득하여 20 s 동안의 산소포화도와 맥박 수를 획득하였다. 측정 대상은 논문의 제 1저자가 자원하여 생체 내 실험을 진행하였다.

성능/효과

[1]갑작스런 심장마비가 발생했을 때, 응급 의료 서비스는 뇌와 내장기관에 대한 심각한 부상을 최소화하고 환자의 생존율을 향상시키는데 가장 중요한 역할을 한다.^[2] 따라서 심장질환을 보다 빠르게 인식하고 신속한 응급처치 실시 여부는 환자의 생존율을 높이기 위한 주요 요인 중 하나이다.
이의 결과로 채널 2에서 가장 신뢰도 높은 맥박수와 산소 포화도를 측정 할 수 있다. 따라서 개발된 다채널 다중모드 패치형 프로브내의 다채널 산소 포화도 측정 모듈을 이용함으로써 신뢰 할 수 있는 경동맥의 산소포화도와 맥박을 모니터링 할 수 있다.
4(b)]은 각 초음파 변환자 쌍이 순차적으로 획득한 도플러 스펙트럼을 나타낸다. 채널 2의 주파수 스펙트럼은 다른 채널들로부터 획득된 신호와 비교했을 때 가장 명확하게 혈류 속도를 측정 가능하였으며 이는 상용 진단기기와 비교하였을 때,같은 맥박과 혈류 속도의 추이를 보여준다. 추가적으로 도플러 천이 주파수와 혈액의 진행방향과의 각도에 따라 혈류 속도 계산치가 달라지기 때문에 추후에 초음파 빔 방향과 혈류 사이의 각도를 추적 할 수 있다면 개발된 프로브는 경동맥의 혈류에 대해보다 정량적인 정보를 제공 할 수 있을 것이다.

후속연구

개발된 다중모드 패치형 프로브는 다채널 초음파 변환자 쌍과 산소포화도 측정 모듈을 사용하여심장기능을 성공적으로 측정 하였다. 결론적으로 이 연구는 개발된 다중모드 패치형 프로브는 일반인도보다 쉽게 사용 가능하고 안전한 심폐 소생술 구현을 위한 새로운 도구로서의 가능성을 가지고 있을 뿐만 아니라 불확실한 의료 응급 상황에서 심폐소생술 환자들에 대한 심혈관계 정보를 정량적으로 모니터링할 수 있는 시스템으로 활용될 수 있다.
채널 2의 주파수 스펙트럼은 다른 채널들로부터 획득된 신호와 비교했을 때 가장 명확하게 혈류 속도를 측정 가능하였으며 이는 상용 진단기기와 비교하였을 때,같은 맥박과 혈류 속도의 추이를 보여준다. 추가적으로 도플러 천이 주파수와 혈액의 진행방향과의 각도에 따라 혈류 속도 계산치가 달라지기 때문에 추후에 초음파 빔 방향과 혈류 사이의 각도를 추적 할 수 있다면 개발된 프로브는 경동맥의 혈류에 대해보다 정량적인 정보를 제공 할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	다중모드 프로브는 어떤 일을 수행하는가?	우리는 본 연구를 통해 경동맥 내의 혈류 속도 및 산소포화도, 맥박수를 보다 쉽고 빠르고 측정 할 수 있는 초음파 도플러 및 산소포화도 농도 측정 시스템 기반 심폐소생술 실시 판단 여부에 도움을 줄 수 있는 다중모드 프로브를 개발하였다. 심혈관 질환이 발생 했을 때 치료 시간을 줄이는 것은 환자의 생사여부에 큰 영향을 미치고, 뇌에 심각한 부상을 예방하는 중요한 요인이다.
	경동맥의 맥을 짚어 판단하는 방식의 심폐소생술의 문제점은?	또한, 현재 심폐소생술의 실시 여부를 판단하기 위해서 주로 경동맥의 맥을 짚어 판단하는 방식을 이용한다.[9] 이는 경동맥에서 측정하는 심장 기능의 판별이 실시자의 주관적 판단으로 진행될 뿐만 아니라 심장 기능이 약해진 상태에서 무리하게 경동맥에 압박을 가할 경우 뇌혈류를 차단시킴으로써 뇌 손상을 초래 할 수 있다. [10]
	정량적 모니터링 시스템의 특징은?	따라서 본 연구에서는 경동맥 혈류 속도 및 산소 포화도와 맥박 정보를 동시에 제공함으로써 심장 기능의 진단을 단순화 하고 심폐소생술의 실시 여부 결정에 도움을 줄 수 있는 정량적 모니터링 시스템을 개발하였다. 개발된 다중모드 패치형 프로브는 다채널 초음파 변환자 쌍과 산소포화도 측정 모듈을 사용하여심장기능을 성공적으로 측정 하였다.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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