KR100581727B1

KR100581727B1 - 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을측정하는 방법

Info

Publication number: KR100581727B1
Application number: KR1020040092035A
Authority: KR
Inventors: 차은종; 강신원; 김경아
Original assignee: 차은종; 강신원
Priority date: 2004-11-11
Filing date: 2004-11-11
Publication date: 2006-05-23
Also published as: KR20060046823A; US20060096591A1; US7387609B2

Abstract

질소(N2), 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)로 구성되는 호기가스(expiratory gas)에서 산소와 이산화탄소 가스의 농도를 측정하고 분석하여 간접적으로 질소의 농도를 측정하여 기능적 잔기 용량(Functional Residual Capacity)과 같은 절대폐용적(absolute lung volume)을 측정하는 방법이 개시된다. 본 발명은 피검자측에 단방향 밸브(120)를 연결하여 흡식경로(112)와 호식경로(114)를 분리한 다음, 호식경로(114)에 형성된 기류센서(130)를 통하여 호기가스의 유량(F)을 측정하고, 호식경로(114)에 형성된 산소 및 이산화탄소 계측센서(150)를 통하여 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 연속적으로 계측한 다음, 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)의 동특성이 시간적으로 일치하도록 보정한 후 하기의 식에 의하여 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 것이다.

Description

산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법{absolute lung volume measurement method based on O2/CO2 gas analysis}

도 1은 종래의 절대 폐용적을 측정하기 위한 질소세척법을 설명하기 위한 모식도이다.

도 2는 본 발명에 따른 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법을 설명하기 위한 모식도이다.

도 3은 본 발명에 사용되는 산소 계측 센서와 이산화탄소 계측센서의 응답특성을 보여주기 위한 그래프이다.

도 4는 본 발명에 사용되는 산소 계측 센서의 출력값을 보상하는 절차를 설명하기 위한 모식도이다.

도 5는 도 4에서 도시된 방법에 의하여 산소 계측 센서의 출력값 보상후 산소 계측 센서와 이산화탄소 계측센서의 응답특성을 보여주기 위한 그래프이다.

도 6(a)는 본 발명에 따른 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2) 및 호기가스의 유량(F)에 의하여 산출된 질소 가스의 농도를 보여주는 그래프이다.

도 6(b)는 본 발명에 따른 호식기류센서의 출력값을 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110 : 3L 실린저 112 : 흡식경로

114 : 호식경로 120 : 단방향밸브

130 : 기류센서 150 : 산소 및 이산화탄소 검출 센서

160 : 산소 및 이산화탄소 분석기 170 : A/D변환부

180 : 연산부

본 발명은 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법에 관한 것으로, 특히 질소(N2), 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)로 구성되는 호기가스(respiratory gas)에서 산소와 이산화탄소 가스의 농도를 측정하고 분석하여 간접적으로 질소의 농도를 측정하여 기능적 잔기 용량(Functional Residual Capacity)과 같은 절대폐용적(absolute lung volume)을 계측하도록 하기 위한 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 인체가 호흡할 때, 호식(expiration)동작을 통하여 배출되는 호기가스는 질소(N2), 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)로만 구성된다. 인체의 호흡을 통하여 배출되는 호기가스의 농도는 호흡 기능 평가를 위하여 중요하게 사용된다. 호흡 기능 평가는 예를 들어, 100%의 산소를 흡식한 후 폐내에서 생리적인 기체교환의 결과로 조성된 호식공기를 수집하여 농도 분석 예를 들어 산소, 이산화탄소, 질소 농도를 측정하는 것이다. 이러한 호흡 기능 평가의 일종인 기능적 잔기 용량(Functional Residual Capacity;이하 FRC라 함)과 같은 절대폐용적(absolute lung volume)은 만성 호흡기 질환의 진단시 매우 중요하게 사용되는 매개변수이다.

FRC는 평상 호식이 끝나는 시점에 폐내에 남아있는 공기의 부피(용적)를 말하는 것으로, 정상적으로 대략 1~2L의 범위내에 있다. FRC를 측정하는 방법으로 가장 정확한 방법은 전신체적기록법(whole-body plethysmography)인 데, 전신체적기록법은 복강내 존재하는 공기의 용적이 측정값에 포함되는 단점과, 피검자가 대형상자속에 투입되어 폐쇄된 상태에서 호흡을 하여야 하므로 폐쇄공포증환자나 호흡곤란 환자에게는 적용이 불가능한 단점이 있었다.

그러므로 임상적으로 널리 사용되는 FRC계측 기법으로는 질소세척법(N2 wash-out test)이 사용된다. 질소세척법은 질소가 폐모세혈관으로 확산되지 않는다는 성질을 이용한다. 질소세척법은 도 1에서 보는 바와 같이, 공기를 호흡하는 피검자(40)측에 3방향 밸브(50)를 연결하여 공기의 호흡 경로(13)와 피검자(40)의 흡식경로(11)와 호식경로(12)를 각각 형성한다. 피검자(40)의 흡식경로(11)와 호식경로(12)는 단방향밸브(one-way valve)들(10)(20)로 분리하고, 호식경로(12)에는 공기주머니(30)를 연결하여 호식기체를 모으도록 한다.

피검자(40)가 공기의 호흡경로(13)를 통하여 공급되는 공기로 호흡하던 중에 피검자(40)가 FRC상태일 경우 즉 피검자(40)가 호식말기일 경우에는 피검자(40)의 폐는 공기로 가득 차게 되고 공기중의 질소농도는 79%이므로, 피검자의 폐의 질소 총용적(V_N2)은 <식 1>에서와 같이 0.79 ×FRC상태가 된다.

V_N2= 0.79 × FRC ........................<식1>

이 상태에서 3방향 밸브(50)를 조정하여 흡식경로(11)를 통하여 100% 산소를 흡식하게 하고, 호식기체는 호식경로(12)를 통하여 공기주머니(30)로 모으게 된다. 흡식경로(13)를 통하여 100%산소를 흡식하게 되면 피검자(40)의 폐내로 들어간 산소에 의하여 폐내의 공기가 희석된다. 피검자가 산소에 의하여 희석된 폐내의 공기를 호식하면 호식되는 기체중의 질소농도는 최초의 79%보다 낮아지고, 이 과정을 반복하면 피검자(40)의 폐는 산소로 가득차게 되고 궁극적으로 호식기체중의 질소의 농도는 0%가 된다.

피검자의 폐가 질소농도 79%를 포함한 공기로 가득찬 상태인 FRC 상태에서 100%산소를 흡식하는 과정을 반복하여 호식기체중의 질소의 농도가 0%가 될 때까지의 공기주머니(30)에 호식기체를 모으게 되면 피검자(40)의 폐내에 있던 질소가 모두 공기주머니로 이동한 것이 된다.

공기주머니의 부피(V_B)와 공기주머니내의 기체의 질소농도비율(F_N2)로부터 공기주머니(30)내의 질소의 용적(V_N2)을 계산하면 <식 2>에서와 같이 V_B ×F_N2가 된다.

V_N2= F_N2V_B ........................<식2>

이때, <식 2>에서의 공기주머니(30)내의 질소의 용적(V_N2)과 <식 1>에서의 폐내의 질소 용적(V_N2)은 같아야 하므로 <식 1>과 <식2>에서 <식3>과 같이 FRC가 계산된다.

FRC = F_N2V_B /0.79....................<식3>

그러나, 이러한 질소세척검사시에는 질소농도 분석기를 이용하여 질소의 농도를 측정하여야만 하는 데 이 질소 농도 분석기는 고가라는 단점과 함께 소음과 부피가 큰 진공펌프를 부가적으로 사용하여야 하므로 그 절차가 복잡한 단점이 있어서 대형병원이외에서는 질소세척검사에 의하여 FRC 검사를 수행하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 상대적으로 가격이 저렴하고 범용적인 산소/이산화탄소 분석기를 통하여 호식기체중 산소와 이산화탄소의 농도를 측정하고, 측정된 산소/이산화탄소의 농도를 연산하여 간접적으로 질소의 농도를 측정함으로서 정확한 FRC를 산출하도록 하는 것은 물론 측정이 간단하고 측정장비가 저렴한 산소 및 이산화탄소 가스를 분석 방법에 의하여 절대 폐용적을 측정하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

피검자측에 단방향 밸브(120)를 연결하여 흡식경로(112)와 호식경로(114)를 분리한 다음, 상기 호식경로(114)에 형성된 기류센서(130)를 통하여 호기가스의 유량(F)을 측정하고, 상기 호식경로(114)에 형성된 산소 및 이산화탄소 계측센서(150)를 통하여 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 연속적으로 계측한 다음, 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)의 동특성이 시간적으로 일치하도록 보정한 후 하기의 식에 의하여 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면중 도 2는 본 발명에 따른 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법을 설명하기 위한 모식도이고, 도 3은 본 발명에 사용되는 산소 계측 센서와 이산화탄소 계측센서의 응답특성을 보여주기 위한 그래프이다.

도 4는 본 발명에 사용되는 산소 계측 센서의 출력값을 보상하는 절차를 설명하기 위한 모식도이며, 도 5는 도 4에서 도시된 방법에 의하여 산소 계측 센서의 출력값 보상후 산소 계측 센서와 이산화탄소 계측센서의 응답특성을 보여주기 위한 그래프이다. 그리고, 도 6(a)는 본 발명에 따른 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2) 및 호기가스의 유량(F)에 의하여 산출된 질소 가스의 농도를 보여주는 그래프이며, 도 6(b)는 본 발명에 따른 호식기류센서의 출력값을 나타낸 그래프이다.

본 발명에 따른 절대 폐용적을 측정하는 방법은, 기본적으로 인체가 호식(expiration)동작함으로서 배출되는 호기가스는 질소(N2), 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)로만 구성되므로, 각각의 기체의 농도비율의 합을 1(=100%)이라 하면, 질소(N2)의 농도를 계측하여 피검자의 FRC를 산출하는 <식 3>은 다음과 같은 <식4>로 변환된다.

.......................<식4>

<식4>에서, F_O2와 F_CO2는 각각 산소와 이산화탄소의 농도비를 나타내며, 산소와 이산화탄소의 농도는 운동기능 평가나 대사량 측정검사등에 널리 사용되는 범용적이고 가격이 비교적 저렴한 산소/이산화탄소 분석기를 통하여 측정할 수 있다.

또한, 호식경로에 기류를 계측하기 위한 기류센서를 연결하고, 산소 및 이산화탄소 분석기를 이용하여 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 연속적으로 계측한다면, <식4>는 적분식으로 다음<식5>와 같이 변환된다.

......................<식5>

여기서 F는 기류센서에서 측정한 호기가스의 유량이다. <식5>에서 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2) 및 호기가스의 유량(F)는 시간의 연속함수이므로, 질소(N2)의 농도측정 없이도 FRC를 측정할 수 있음을 증명한다.

본 발명에 따른 산소와 이산화탄소의 농도를 측정하여 간접적으로 질소의 온도를 측정하기 위한 장치의 모식도는 도 2에서 보는 바와 같이, 공기를 호흡하는 피검자의 폐를 대신하여 도 2에서는 미국흉부학회의 표준 측정기구인 3L 시린지(110)을 이용한다. 시린지(110)의 상부에 단방향 밸브(120)를 연결하여 흡식경로(112)와 호식경로(114)를 각각 형성한다. 호식경로(114)에는 기류를 연속으로 측정할 수 있는 기류센서(130)를 형성하여 호기가스의 유량(F)을 측정한다.

또한, 단방향밸브(one-way valve)(120)의 사이에는 산소 및 이산화탄소의 농도를 계측하기 위한 산소 및 이산화탄소 계측센서(150)를 형성하고, 산소 및 이산화탄소 계측센서(150)의 출력측에는 산소 및 이산화탄소 계측센서(150)의 출력신호를 이용하여 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 연속적으로 계측하기 위한 산소 및 이산화탄소 분석기(160)를 형성한다. 산소 및 이산화탄소 분석기(160)의 출력측에는 아날로그 신호의 형태로 입력되는 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2) 및 기류센서(130)에서 측정된 호기가스의 유량(F)에 관련된 신호를 디지털 신호로 변환시키기 위한 A/D변환기(170)를 형성하고, A/D변환기(170)의 출력측에는 입력된 산소의 농도(F_O2), 이산화탄소의 농도(F_CO2) 및 호기가스의 유량(F)을 연산하여 절대 폐용적을 연산하기 위한 연산부(180)를 형성한다.

본 발명에 따른 산소와 이산화탄소의 농도를 측정하여 간접적으로 질소의 농도를 측정하기 위한 방법은 공기가 들어 있는 상태의 3L 시린지(110)를 밀고 당기는 과정을 일정 시간동안 일정횟수 반복하여 피검자의 폐에서 호흡하는 과정을 재현한다. 즉, 초기 상태의 시린지 용적을 0,1,2L의 3가지 위치중 특정 위치에서 흡식을 시작한 다음 2분 동안 1L의 용적으로 흡식과 호식을 10~15회 반복하여 피검자의 폐에서 하는 호흡과정을 재현한다.

호흡과정에서 산소 및 이산화탄소 계측센서(150)에서 출력된 신호를 산소 및 이산화탄소 분석기(160)를 통하여 분석하여 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 연속적으로 계측한다. 또한, 호식경로(114)에 형성된 기류센서(130)를 통하여 호기가스의 유량(F)을 계측한다.

여기서, 연산부(18)에서는 동작원리가 상이하여 계측 특성이 다른 이종의 가스센서인 산소와 이산화탄소 계측 센서의 출력값중 계측 특성이 상대적으로 느린 산소의 계측값을 보상하여 이산화탄소의 계측값과 동일한 계측 특성을 보이도록 한다. 즉, 산소와 이산화탄소의 계측 센서는 각각 지연시간을 가지고 있으며, 단일 시정수를 가지고는 있으나, 도 3에서 보는 바와 같이, 산소 및 이산화탄소 분석기(160)에 유입되는 기체의 계단 응답(step response)을 측정하는 경우에 산소 계측 센서의 응답특성이 이산화탄소 계측 센서의 응답특성보다 느리다. 그러므로 도 4에서 보는 바와 같이 산소 센서의 계단 응답신호를 시간축상에서 적절히 이동시켜 이산화탄소 계단응답신호와 시간적으로 일치시키고, 산소센서의 계단 응답신호를 미분하여, 산소 센서의 출력 신호중 급격하게 변화하는 고주파 성분을 추출하고, 적절한 이득상수(K)를 곱한 다음, 이득 상수를 곱한 출력신호를 5점 이동 평균(5 point moving average)하여 잡음을 제거한 다음 최초의 산소센서 계단응답신호에 더함으로서 고주파 보상신호를 얻는다.

여기서, 이득상수(K)는 도 4에 도시된 방법에 의하여 보상된 산소 계측 센서의 계단 응답신호에서 이산화탄소의 계단 응답 신호를 감산하고, 감산된 신호를 제곱하고, 제곱된 신호를 적분한 다음, 적분된 신호의 평균값에 제곱근을 취하여 RMS(root-means-square)오차를 산출하고, 산출된 RMS오차가 최소가 되었을 때의 K값을 최적으로 설정한다.

이와 같은 방법에 의하여 산소 계측 센서의 출력값을 보상한 다음 이산화탄소의 출력센서값과 비교하면, 도 5에서 보는 바와 같이 두 센서의 출력값이 거의 일치함을 볼 수 있다. 즉, 도 3에서 보는 바와 같이 보상 이전의 산소 계측 센서의 출력값과 이산화탄소 계측 센서의 출력값의 계단 응답 신호의 시정수는 0.27초(산소) 및 0.19초(이산화탄소)로서 산소 계측 센서의 계단응답신호가 0.08초 느린 응답특성을 보였으나, 도 4에 도시된 방법에 의하여 산소 계측 센서의 계단응답신호를 보상한 결과 산소 계측 센서의 출력값과 이산화탄소 계측 센서의 출력값의 계단 응답 신호를 시간적으로 일치시킬 수 있었다.

따라서, 산소 계측 센서의 출력값과 이산화탄소 계측 센서의 출력값의 계단 응답 신호를 시간적으로 일치하도록 산소 계측 센서의 출력값을 보상하고, 산소 계측 센서의 출력값과 이산화탄소 계측 센서의 출력값의 지연 시간을 호식경로(114)에 형성된 기류센서(130)를 통하여 계측된 호기가스의 유량(F)신호와 일치하도록 시간축을 이동시키면, 시간적으로 일치하는 호기가스의 유량(F), 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 산출할 수 있으며, 이것으로, 질소(N2)의 농도측정없이도 상기<식5>에 의하여 FRC를 측정할 수 있다.

도 6(a)는 도 2의 장치에서 3L 시린지(110)의 위치가 1L일때 산출된 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)로부터 질소의 농도(F_N2)를 계산한 그래프이고, 도 6(b)는 기류센서(130)의 출력값을 나타낸 그래프이다. 즉, 호식기류는 산소, 이산화탄소 및 질소로만 이루어지므로, 질소의 농도(F_N2)는 1-(산소의 농도(F_O2) + 이산화탄소의 농도(F_CO2))가 되는 데, 도 6(a)에서 보는 바와 같이 호흡이 반복됨에 따라 그 농도가 감소함을 알 수 있고, 도 6(b)의 기류센서(130)의 출력값은 호식기류만을 측정하므로 흡식과정에서는 그 출력값이 0이 됨을 알 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 산소의 농도(F_O2) + 이산화탄소의 농도(F_CO2)로부터 간접적으로 질소의 농도를 측정한 결과와 질소분석기를 통하여 직접적으로 질소의 농도를 측정한 결과, 상관계수는 0.9984로 매우 밀접한 결론에 도달하였다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법은 고가이면서 사용이 번거로운 질소분석기대신에 상대적으로 저렴하고 사용이 간편한 산소 및 이산화탄소 분석기를 이용하여 FRC를 계측함으로서 임상적으로 중요한 FRC를 쉽게 측정함으로서 진료의 질을 높일 수 있는 효과가 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.

Claims

피검자측에 단방향 밸브(120)를 연결하여 흡식경로(112)와 호식경로(114)를 분리한 다음, 상기 호식경로(114)에 형성된 기류센서(130)를 통하여 호기가스의 유량(F)을 측정하고, 상기 호식경로(1140)에 형성된 산소 및 이산화탄소 계측센서(150)를 통하여 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 연속적으로 계측한 다음, 상기 산소의 농도(F_O2)와 이산화탄소의 농도(F_CO2)의 동특성이 시간적으로 일치하도록 보정한 후 하기의 식에 의하여 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법.

여기서, FRC는 기능적 잔기용량이다.
제1 항에 있어서, 상기 산소 계측 센서(150)에서 출력되는 계단 응답 신호는 시간축상에서 이동시켜 이산화탄소 계단응답신호와 시간적으로 일치시키고, 상기 산소 계측 센서(150)의 계단 응답신호를 미분하여 급격하게 변화하는 고주파 성분을 추출하고, 특정한 이득상수(K)를 곱한 다음, 상기 이득 상수(K)를 곱한 출력신호를 5점 이동 평균(5 point moving average)하여 잡음을 제거한 보상신호를 상기 산소 계측 센서(150)의 계단 응답신호에 더함으로서 보상하는 것을 특징으로 하는 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법.
제 2 항에 있어서, 상기 이득상수(K)는 상기 보상된 산소 계측 센서의 계단 응답신호에서 이산화탄소의 계단 응답 신호를 감산하고, 감산된 신호를 제곱하고, 제곱된 신호를 적분한 다음, 적분된 신호의 평균값에 제곱근을 취하여 RMS(root-means-square)오차를 산출하고, 산출된 RMS오차가 최소가 되었을 때의 값임을 특징으로 하는 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법.
제 1 항에 있어서, 측정된 상기 산소의 농도(F_O2)와 상기 이산화탄소의 농도(F_CO2)를 다음 식에 의하여 연산하여 간접적으로 질소의 농도(F_N2) 측정하는 것을 특징으로 하는 산소 및 이산화탄소 가스를 분석하여 절대 폐용적을 측정하는 방법.

F_N2= 1-(F_O2 + F_CO2)