본 연구에서는 호흡량 측정에 영향을 주는 요인들로부터 정확한 유량을 산출해내는 방법에 대해 고찰하고, 마취용 인공호흡기에 적용하여 수술환자의 호홉특성을 알아내는 호흡측정기를 구현하였다. 차동압력형 유량센서를 이용하여 압력, 온도, 가스구성의 상관관계에 따라 호흡량을 계측하였으며, 휴대형 기기에 적합하도록 전력 효율을 최대화 할 수 있게 시스템을 설계하였다. 구현 시스템은 크게 아날로그 인터페이스(analog interface)부, 신호처리부, 그리고 화면출력부로 나눌 수 있다. 아날로그 인터페이스부는 차동 압력 유량 센서와 차동 압력 센서로 구성된다. 전력소모를 최소화하기 위하여 여러 가지 기능을 단일소자로 수행할 수 있고, 저전력의 8비트 RISC 계열인 AVR프로세서를 중앙처리장치로 선택하였다. 데이터 전송부에서는 직렬(serial)통신(RS232, SPI)으로 측정된 값들의 출력 파형을 PC화면에 표시하거나 마취기로 전송한다. 차동 압력과 유량의 비선형적 관계를 선형화하였고, 센서 보정 기능은 일정 주기로 보정을 자동적으로 수행함으로써, 보다 안정적인 동작이 가능하게 한다. 아날로그 필터와 고속의 디지털 신호처리알고리즘 구현으로 생체신호의 노이즈를 줄일 수 있었다. 작고, 가벼우며, 저전력인 시스템의 특징은 응급 환자나 이동중인 환자에게 적용될 수 있으며, 가래, 침, 습기와 같은 이물질에 영향이 적은 유량 센서의 사용으로 점액의 발생이 많은 마취기에서 유용하게 사용될 수 있다.
본 연구에서는 호흡량 측정에 영향을 주는 요인들로부터 정확한 유량을 산출해내는 방법에 대해 고찰하고, 마취용 인공호흡기에 적용하여 수술환자의 호홉특성을 알아내는 호흡측정기를 구현하였다. 차동압력형 유량센서를 이용하여 압력, 온도, 가스구성의 상관관계에 따라 호흡량을 계측하였으며, 휴대형 기기에 적합하도록 전력 효율을 최대화 할 수 있게 시스템을 설계하였다. 구현 시스템은 크게 아날로그 인터페이스(analog interface)부, 신호처리부, 그리고 화면출력부로 나눌 수 있다. 아날로그 인터페이스부는 차동 압력 유량 센서와 차동 압력 센서로 구성된다. 전력소모를 최소화하기 위하여 여러 가지 기능을 단일소자로 수행할 수 있고, 저전력의 8비트 RISC 계열인 AVR프로세서를 중앙처리장치로 선택하였다. 데이터 전송부에서는 직렬(serial)통신(RS232, SPI)으로 측정된 값들의 출력 파형을 PC화면에 표시하거나 마취기로 전송한다. 차동 압력과 유량의 비선형적 관계를 선형화하였고, 센서 보정 기능은 일정 주기로 보정을 자동적으로 수행함으로써, 보다 안정적인 동작이 가능하게 한다. 아날로그 필터와 고속의 디지털 신호처리 알고리즘 구현으로 생체신호의 노이즈를 줄일 수 있었다. 작고, 가벼우며, 저전력인 시스템의 특징은 응급 환자나 이동중인 환자에게 적용될 수 있으며, 가래, 침, 습기와 같은 이물질에 영향이 적은 유량 센서의 사용으로 점액의 발생이 많은 마취기에서 유용하게 사용될 수 있다.
This paper considerated about exact flow volume calculation method from factors having an influence on measurement and introduced in anesthesia ventilator realized spirometry system. System used differential pressure sensing method with factors, that is temperature, pressure, gas density, humidity a...
This paper considerated about exact flow volume calculation method from factors having an influence on measurement and introduced in anesthesia ventilator realized spirometry system. System used differential pressure sensing method with factors, that is temperature, pressure, gas density, humidity and mucus etc. System optimized for low power system for mobile system. System composed analog interface part, signal processing part, display part. Analog interface part have differential pressure flow sensor and defferential pressure sensor. Signal processing part have AVR processor for low power system display part use serial port (RS232, SPT). so it display at pc monitor or send to anesthesia ventilator. System is stable by linearizing 2th characteristics of flow-differential pressure, auto correction of sensor. Noise reduced by algorithm with analog filter and digital processing. Small, light, low power system is good at mobile system and applied to patient in emergency or mobile. and, System is useful at anesthesia ventilator by using flow sensor.
This paper considerated about exact flow volume calculation method from factors having an influence on measurement and introduced in anesthesia ventilator realized spirometry system. System used differential pressure sensing method with factors, that is temperature, pressure, gas density, humidity and mucus etc. System optimized for low power system for mobile system. System composed analog interface part, signal processing part, display part. Analog interface part have differential pressure flow sensor and defferential pressure sensor. Signal processing part have AVR processor for low power system display part use serial port (RS232, SPT). so it display at pc monitor or send to anesthesia ventilator. System is stable by linearizing 2th characteristics of flow-differential pressure, auto correction of sensor. Noise reduced by algorithm with analog filter and digital processing. Small, light, low power system is good at mobile system and applied to patient in emergency or mobile. and, System is useful at anesthesia ventilator by using flow sensor.
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문제 정의
본 논문에서는 수술실에서 사용하는 마취기에 연결 되어 환자의 호흡 기류를 측정하는 차동 압력방식의 호흡 측정 시스템을 구현하였다. 본 시스템은 차동 압력과 유량의 비선형적 관계를 선형화하였고, 압력 센 서 보정 기능은 일정 주기로 보정을 자동적으로 수행함으로써, 보다 안정적인 동작이 가능하게 한다.
제안 방법
그림 9는 본 논문에서 구현한 시스템이며, 그림 10 은 구현된 호흡측정 시스템과 동일 기능을 하는 열대류 방식의 유량측정기이다. TSI4010은 TSI사에서 제조한 제품으로서 온도 보상과 압력 보상기능을 가진 유량계로서 본 논문에서 구현한 시스템과 압력 1002.60 cmH2O, 온도 25.2 °C, 허용오차 1.8%(土 0.050LPM:기준상태), 일반 대기로 교정된 TSI4010을 비교하여 시스템의 성능을 시험하였다. [11]
즉 그림 5에서 곡선 Q를 직선 L로 바꾸어야 한다. 구현된 시스템에서는 선형화를 위해 유량을 여러 구간으로 나누고 각 구간별 증폭율을 변화시켰다. 증폭율의 변화로 인해 각 구간의 기저 전압(offset voltage)이 변하게 되므로 DAC를 이용하여 이를 제거하였다.
배기 비율 1:2, 흡기 시간 2초로 설정하고 일회 호흡량 (Tidal Volume)을 다르게 설정했을 때, 각 장비들의 유량측정 실험 결과를 나타낸다. 그리고 각 설정유량 에서 가스의 속도를 3가지로 나누어 실험하였다. 가스 의 속도에 따라 유량이 달라지기는 하지만, 여러 기존의 타사제품과 큰 오차를 나타내지는 않았다.
본 논문에서 제안한 차동 압력방식의 호흡 측정기는 아직 국내에서는 마취기에 적용된 사례가 없기때문 에 아직 초보 단계에 있는 국내 마취기 관련기술의 발전을 도모하며, 호흡 측정기의 수입 대체효과와 생체 정보 계측을 위한 변환기(센서) 기술의 국내.외 기술 격차를 줄일 것으로 보인다.
본 논문에서는 환자가 기도를 통해 실제 호흡하는 가스의 용적 유량의 순간적인 속도를 압력의 차로 변환하여 측정하는 차동 압력 방식의 휴대형 호흡측정 시스템을 구현하여 마취기에 적용하였다. 본 시스템은 압력-유량의 비선형적인 관계를 선형화하는 알고리즘을 제안하였으며, 외부 환경에 따라 영점 조정기능을 수행하여 압력 센서 기준압력의 변화 및 센서의 노후에 따른 오차를 줄였다.
본 논문에서는 환자가 기도를 통해 실제 호흡하는 가스의 용적 유량의 순간적인 속도를 압력의 차로 변환하여 측정하는 차동 압력 방식의 휴대형 호흡측정 시스템을 구현하여 마취기에 적용하였다. 본 시스템은 압력-유량의 비선형적인 관계를 선형화하는 알고리즘을 제안하였으며, 외부 환경에 따라 영점 조정기능을 수행하여 압력 센서 기준압력의 변화 및 센서의 노후에 따른 오차를 줄였다.
그림 8은 신호처리부에서 하는 기능의 순서를 나타내고 있다. 센서부분에서 입력된 아날로그 데이터 백색 노이즈(white noise), 전원 노이즈를 차단 주파수 30Hz인 2차 아날로그 LPF(low-pass filter)로 필터링 (filtering), 증폭한 다음 디지털(digital)데이터로 바꾸어 환형 버퍼와 병렬 처리 기법을 이용한 32차 디지털 LPF를 거친다.[9] 이렇게 해서 얻어진 차동 압력과 가스 구성, 온도, 압력에 대한 정보가 복잡한 상호 관계 에 대한 알고리즘을 통해 유량을 계산하는데 사용된 다.
구현된 시스템은 식 (8), 식 (11), 식 (12)의 가스구 성, 온도, 압력에 관한 식을 기초로 선형화하여 유량과 볼륨을 산출해냈다. 실험은 구현된 시스템과 기존의 타사제품을 비교, 검토하는 방식으로 수행하였다.
차동 압력 센서 #2는 대기압에 대한 기도압 (airway pressure)를 측정하여 마취기에 전달하고, 압력 보상을 위해 사용되는데 0에서 100 次 丑2。까지 측정 가능하다. 압력 센서들은 온도 보상이 이루어졌기 때문 에 압력 센서에 대한 온도 보상없이 유량 센서에 대한 보정만 수행하였다.⑻
압축 공기를 유량 조절기로 조절하고 안정된 흐름을 위해 버퍼를 거치고 난 후 구현된 시스템과 RT- 200 calibration analyzer로 각각 측정하여 선형화 알고리즘을 수행한 후 설정값과 측정값의 오차를 나타내는 그림 U을 얻었다. 그림 11에서 에러율이 6%미만 임을 볼 수 있다.
구현된 시스템에서는 선형화를 위해 유량을 여러 구간으로 나누고 각 구간별 증폭율을 변화시켰다. 증폭율의 변화로 인해 각 구간의 기저 전압(offset voltage)이 변하게 되므로 DAC를 이용하여 이를 제거하였다.
대상 데이터
[9] 이렇게 해서 얻어진 차동 압력과 가스 구성, 온도, 압력에 대한 정보가 복잡한 상호 관계 에 대한 알고리즘을 통해 유량을 계산하는데 사용된 다. 전력소모를 최소화하기 위하여 여러 가지 기능을 단일소자로 수행할 수 있고, 저전력 고속의 32비트 RISC 계열인 ARM프로세서를 중앙처리장치로 선택하 였다. 화면출력부에서는 직렬(serial)통신으로 데이터를 받아 측정된 값들의 출력 파형을 PC화면에 표시한 다.
성능/효과
본 논문에서는 수술실에서 사용하는 마취기에 연결 되어 환자의 호흡 기류를 측정하는 차동 압력방식의 호흡 측정 시스템을 구현하였다. 본 시스템은 차동 압력과 유량의 비선형적 관계를 선형화하였고, 압력 센 서 보정 기능은 일정 주기로 보정을 자동적으로 수행함으로써, 보다 안정적인 동작이 가능하게 한다. 아날 로그 필터와 고속의 디지털 신호처리 알고리즘 구현으로 생체신호의 노이즈를 줄일 수 있었다.
실험적으로 시스템에 사용한 유량 센서의 유출 계수 C志 유량이 7에서 8 L/min 일 때 0.75이고, 유량이 10배 중가되거나 감소되었을 때 0.65로 감소되는 것으로 알려졌다.⑸
본 시스템은 차동 압력과 유량의 비선형적 관계를 선형화하였고, 압력 센 서 보정 기능은 일정 주기로 보정을 자동적으로 수행함으로써, 보다 안정적인 동작이 가능하게 한다. 아날 로그 필터와 고속의 디지털 신호처리 알고리즘 구현으로 생체신호의 노이즈를 줄일 수 있었다. 작고, 가벼우며, 저전력인 시스템의 특징은 웅급 환자나 이동중인 환자에게 적용될 수 있으며, 가래, 침, 습기와 같은 이 물질에 영향이 적은 유량 센서의 사용으로 점액의 발생이 많은 마취기에서 유용하게 사용될 수 있다.
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