KR100594930B1 - 휴대형 심부전 진단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형압전센서로 심혈관에서 말초의 지첨으로 전달되는 맥동파를 측정하고 측정된 맥파로부터 심부전을 진단할 수 있는 휴대형 심부전 진단장치를 제공한다.

그 휴대형 심부전 진단장치는, 압전센서를 상단에 수납하는 압전센서 및 맥파신호처리부 수납부를 구비하며, 압전센서에서 맥동압을 용이하게 감지하도록 지첨을 압전센서측으로 압박시켜 주는 지첨압박대가 압전센서 수납부에 설치되고, 저전력 전원 공급용 보턴형 직류전원이 상기 압전센서 수납부에 설치되며, 맥파증폭기는, 그 저전력 전원공급용의 보턴형 직류전원로 장시간 구동이 가능한 단일칩으로 된 단일의 맥파증폭기이고, A/D변환기, 중앙연산처리장치 및 저장장치가 하나의 칩으로 된 단일의 마이크로프로세서로서 상기 맥파증폭기 및 대역필터와 함께 맥파신호처리부를 구성하여 상기 압전센서 수납부 내에 수납된 것을 특징으로 한다.

Description

휴대형 심부전 진단장치{portable diagnostic device for congestive heart failure}

도 1은 본 발명에 관한 심부전 진단장치의 사용상태도이다.

도 2는 본 발명에 관한 휴대형 심부전 진단장치의 구성을 알 수 있도록 단면한 단면도 및 블럭도이다.

도 3은 본 발명에 의하여 측정된 맥파와 맥파 피크간격 과 심전신호피크간격을 상관도를 표시한 그래프이다.

도 4는 본 발명에 의하여 측정된 연속 심박변동의 분포와 심부전 진단용 심박 변동지수를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명)

1: 압전센서 수납부 2: 지첨압박대

3: 데이타전송선 4: 휴대형 모니터

5: 압전센서 6: 맥파신호처리부

7: 보턴형 전지 8: 맥파증폭기

9: 대역필터 10: 마이크로프로세서

본 발명은, 휴대형 심부전 진단장치에 관한 것으로, 더상세하게는, 증폭기와 전원이 내장되고 지첨맥파센서와 단일의 마이크로프로세서를 사용하여 맥동파와 심박변동을 심부전(CHF, congestive heart failure)을 진단할 수 있는 휴대형 심부전 진단장치에 관한 것이다.

전 세계에서 사망의 제1원인은 심장질환으로 알려져 있다. 이러한 심장질환 중에서 대표적인 것이 심부전이며, 이는, 심장의 기능장해로 인하여 신체의 필요 부분에 충분한 혈액을 공급하지 못하는 상태를 말한다. 구체적으로는 심장의 좌심실이 약화되어 심장이 적절하게 혈액을 펌프하지 못할 때 일어난다. 현재 40대 이상의 인구 중에서 2-5%는 이러한 심부전증을 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 이러한 심부전은 주로 관상동맥이 막히거나 허혈로 인하여 좌심실이 손상을 입었을 때 그리고 고혈압이 적절하게 제어되지 못하거나 심장밸브가 비정상일 때 발생한다. 심부전이 선천성인 경우와 후천적으로 흡연, 고콜레스테롤식 섭취, 비만, 당뇨병, 고혈압 등에서 촉발되는 경우가 있다. 그리고 심부전의 자각현상으로서는 조금의 운동에도 숨이 차거나 심한 피로감, 빨라지는 호흡으로 인한 불수면, 팔다리의 부종이 있다.

현재, 심부전을 진단하는 장치로서 심근의 활동을 영상으로 관찰하는 초음파진단장치, 팔이나 다리의 동맥에 폴리튜브와 염색물질을 좌심실까지 투입하여 좌심실을 직접 관찰하는 카테테르장치, 그리고 혈액 속에 방사선물질을 투입하여 X선사진을 통하여 심장의 펌프활동을 관찰하는 X선사진장치, 그리고 24시간장시간 심전도를 일상 생활 중에 측정하여 심박변동의 저하를 통하여 심근의 활동 저하를 관찰하는 24시간 홀터심전계가 있다.

종래의 심전도계를 사용한 심부전과 돌연사에 관련된 연구보고에서 최근 가장 주목을 받고 있는 것은 장시간 심전도를 측정하여 추출된 심박변동의 급격한 저하치를 통하여 심부전에 의한 돌연사를 예측할 수 있다는 것이다(Farrell TG: Journal of American College Cardiology 1991;18;687-697). 심박변동의 저하와 심부전에 관하여 연구한 Farrell씨의 보고를 주시하고 검증하는 연구가 지난 10년 동안, 전 세계에서 이루어져 현재 심박변동지수는 심근경색에 의한 돌연사에 대하여 92%의 감도를 가지고 있으며, 급격한 저하치를 기준으로 심부전의 진단과 치료제의 투약에 따른 치료효과, 생존율 등이 예측되고 있는 수단으로 사용되고 있다.

가장 큰 문제는 이러한 종래의 네 가지의 심부전 진단장치들이 심부전을 가지고 있는 환자들의 입장에서는 상시적이고 정기적으로 진단을 받을 수 있는 것이 아니라는 것이다. 심부전이 만성적으로 일어나는 경우도 있지만, 대개 쉽게 자각할 수 없는 상태가 지속되어 오다가 급성으로 일어나는 경우, 그리고 불규칙적으로 발생하는 경우가 많기 때문에 1년에 한 두 번 정도의 문진이나 청진요법 그리고 정기검진으로는 중증인 환자를 제외하고는 심부전의 예후를 진단하는 것을 불가능하다.

최근 심부전에 대하여 항부정맥약, 베타신경 차단약, 지키타리스, 스코포라민 ACE저해약 등 치료효과가 높은 치료제들이 많이 등장하고 있다. 이러한 치료제를 임상현장에서 진단과 진단후의 투약효과를 관찰하기 위해서도 상시적이고 쉽게 심박변동과 심부전증상을 진단할 수 있는 간단한 장치가 강하게 요구되고 있고, 또한 치료중이거나 치료 후의 환자편에서도 가정용 혈압계와 같이 자가 진단할 수 있 는 간단한 심박변동 측정 장치가 요구되고 있다.

초기증상의 심부전이라도 방치하면 돌연사와 연결되기 때문에 심부전으로 인하여 오는 돌연사를 미연에 방지하기 위하여서도 환자가 쉽게 갈 수 있는 진료소에서의 문진과 청진과 더불어 간단히 진단할 수 있으며, 가정 내에서 환자 스스로 측정할 수 있는 휴대용 장치가 요구되고 있다.

일상생활중에 호흡곤란, 심한 피로감, 부종 등으로 인한 생활의 질이 급격히 저하하는 생활습관병의 형태로 시작된 심부전은 돌연사와 연결된다. 이러한 생활의 질 저하와 돌연사를 미연에 방지하기 위하여 소규모 진료소와 재택 시에 쉽게 진단할 수 있는 심부전 진단장치가 개발하는 것은 중요하다. 이러한 심부전 증상을 객관적이면서도 저비용으로 진단할 수 있는 장치가 심전도와 맥파로부터 추출되는 심박변동의 변화를 진단할 수 있는 장치이다.

종래에 이러한 심전도와 맥파를 측정하는 장치가 많이 개발되어 있지만 대부분이 임상용으로서 고가이며 사용하기가 복잡하고 교류를 사용함으로 인한 감전의 위험성과 휴대가 가능하지 않는 등의 많은 단점들이 있다.

특히 현재 심질환을 진단하는데 가장 많이 사용되어지고 있는 장시간 심전도측정기인 홀터의 경우 초고가라는 점과 흉부통증, 호흡곤란, 불규칙적인 심장박동등 환자가 자각할 수 있는 상황이나 심근경색의 직전의 비상적인 상황임에도 불구하고 임상현장에서는 실제적인 장시간의 측정-해석-진단에까지 이르는 많은 시간과 비용이 든다는 단점이 있다.
본 발명자가 발명한 특허10-0383459호(가속도맥파측정장치)은, 지첨용 압전센서를 사용하여 가속도 맥파를 측정하는 압전형 가속도 맥파측정장치로서 압반사용 실리콘 고무, 압전형 동압감지 세라믹, 동압 출력부 및 기준압 출력부를 포함하여 구성되는 것이지만, 여전히 측정후, 해석 및 진단을 위한 별도의 장치를 필요로 하기 때문에 그 해석 및 진단에 이르기까지에는 많은 시간과 비용이 든다는 문제가 있다.

본 발명에서는 종래 심박변동을 측정할 수 있는 심전계가 가지는 단점을 전부 극복하여 초저가인 소형의 압전센서를 사용하여 간단히 심박변동을 측정할 수 있는 장치를 제공한다. 본 발명에서 제공하는 소형의 압전센서는 별도의 전원을 필요로 하지 않고 지첨의 심혈관에서 전달되는 맥동압을 감지하기 때문에 심전계와 같이 전기적인 흥분을 계측하기 위한 심전도 전극이나 전도성 젤리를 사용할 필요가 없다.

또한, 저전력직류전원을 공급할 수 있는 초소형 보턴전지로 구동되는 단일의 증폭기를 장착한 압전맥파센서와 아날로그신호를 디지털신호로 변화시키는 A/D변환기가 내장된 저전력형 단일의 마이크로프로세스를 설치하여 휴대용 디지털단말기(PDA)에 맥동파신호를 직렬로 전송함으로써 실시간 자유롭게 단시간 혹은 장시간의 심박변동의 측정과 해석을 통하여 간단히 심부전을 진단할 수 있는 장치를 개발하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일실시예에 따른 휴대형 심부전 진단장치는, 심혈관에서 지첨으로 전달되는 맥동압을 감지하여 전기적인 신호인 맥파신호를 발생하는 압전센서와, 상기 맥파신호를 증폭시키기 위한 맥파증폭기와, 증폭된 맥파신호에 포함될 수 있는 지첨의 진동과 호흡성분에 의한 외부잡음신호를 제거하기 위한 대역필터와, 그 맥파증폭기 및 대역필터를 통해서 나온 맥파신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기, 디지털화된 맥파신호를 처리하고, 저장 그리고 입출력을 제어하는 중앙연산처리장치, 및 각 구성요소를 제어하고 디지털화된 맥파신호를 처리하기 위한 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 저장장치를 포함하여 구성되는 휴대형 심부전 진단장치에 있어서, 압전센서를 상단에 수납하는 압전센서 및 맥파신호처리부 수납부를 구비하며, 상기 압전센서에서 맥동압을 용이하게 감지하도록 지첨을 압전센서측으로 압박시켜 주는 지첨압박대가 압전센서 수납부에 설치되고, 저전력 전원 공급용 보턴형 직류전원이 상기 압전센서 수납부에 설치되며, 상기 맥파증폭기는, 그 저전력 전원공급용의 보턴형 직류전원로 장시간 구동이 가능한 단일칩으로 된 단일의 맥파증폭기이고, 상기 A/D변환기, 중앙연산처리장치 및 저장장치가 하나의 칩으로 된 단일의 마이크로프로세서로서 상기 맥파증폭기 및 대역필터와 함께 맥파신호처리부를 구성하여 상기 압전센서 수납부 내에 수납된 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 맥파신호처리부로부터 디지털 신호를 입력받아 상기 맥파신호처리부의 처리결과와 맥파신호를 화상으로 표시할 수 있도록 PDA와 같은 휴대형 단말 표시부에 그 압전센서 수납부의 맥파신호처리부를 연결시키기 위한 데이타전송선이 연결되는 연결포트가 압전센서 수납부에 형성된 것이 바람직하다.

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

본 발명의 구성의 일예는 도 1 및 도 2와 같이 심혈관에서 지첨으로 전달되는 맥동압을 감지하기 위한 압전센서(5) 및 맥파신호처리부(6)를 일체로 수납하는 압전센서 및 맥파신호처리부 수납부(1), 심혈관에서 지첨에 전달되는 맥동압을 감지하여 전기적인 신호로 바꾸어 주기 위하여 지첨과 압전센서를 압박시켜 주는 지첨압박대(2), 압전센서를 통해서 얻어진 전기적인 맥동파(이하 맥파라 부름)를 디지털신호로 변환하여 처리하는 맥파신호처리부(6). 및 그 맥파신호처리부(6)로부터의 출력을 데이타전송선(3)을 통해 휴대용 단말표시부(4)로 전송시키기 위하여 연결되는 RS232C통신선과 같은 데이타전송선(3)의 연결포트를 포함하여 구성된다.

압전센서(5) 및 맥파신호처리부(6)에 대하여 구체적으로 설명하면 도 2에 나타나 있는 바와 같이 압전센서(5)는 압전센서 및 맥파신호처리부 수납부(1)의 상단에 장착되며, 압전센서의 특성을 미세한 기계적인 압력을 받을 때 센서의 표면에 이중의 음극판과 양극판의 압력전위(1-5mV)가 맥파의 형태를 나타내면서 발생한다.

압전센서는 지첨의 미세한 맥동파를 감지하기 위하여 압전센서의 표면에 2-3mm의 연질실리콘고무로 코팅된다. 이러한 압전센서는 종래에 초음파센서, 소형이어폰, 소형부저 등에 사용되어온 것들과 유사하다. 압전센서를 통해서 얻어진 맥파는 미세할 뿐만 아니라, 지첨의 진동이나 외부잡음이 개입할 때 감쇄현상이 일어나기 때문에 이러한 문제를 해결하기 위하여 맥파를 100-500배로 증폭시킬 필요가 있다. 이러한 증폭을 위하여 저전력 전원공급용(2.5V)의 보턴형 직류전원(7)로 장시간 구동이 가능한 MXIM계열의 단일칩(AMP, INA122시리즈, 60마이크로, 1.5볼트로 100-500배 증폭)으로 된 단일의 맥파증폭기(8)를 구비한다.

증폭된 맥파신호에 포함될 수 있는 지첨의 진동과 호흡성분에 의한 외부잡음신호를 제거하기 위하여 10Hz-100Hz의 대역필터(9)가 포함되며, 맥파증폭기(8)와 대역필터(9)를 통해서 나온 맥파를 디지털신호로 변화하는 A/D변환기(250Hz샘플링), 디지털화된 맥파신호에서 심박을 계산하거나 저장 그리고 입출력을 8비트로 제어 처리하는 중앙연산처리장치(CPU), 처리하는 프로그램이 탑재되는 프로그램 저장장치(EPROM 등), 기록된 맥파데이타를 저장하는 데이타저장장치(SRAM)를 하나의 칩내에 가지고 있는 PIC계열의 단일의 마이크로프로세서(10)가 포함된다.

도 3은 도 2에 표시된 장치에 의하여 측정된 맥파의 일실시예이다. 맥파는 동맥혈압파와 유사한 형태를 가지고 있으며, 심혈관의 수축과 확장을 나타내는 맥동파를 반영하고 있다. 이러한 맥파는 다섯 개의 고조파를 가지고 있으며 피크치(P)와 피크치의 간격(PP)은 심전도파형의 RR간격과 동일하다는 것이 임상적으로 검증되어 있으며, 그 상관도가 어떤가를 관찰하기 위한 실시예로서 도3의 하단부의 그래프에 나타난 바와 같이 한 사람의 건상자를 피트니스용 정지자전거에 태워서 1시간동안 본 발명의 구성장치로 추출한 맥파 피크간격(PP)과 종래의 심전계를 사용하여 측정한 심전신호(QRST파형)의 피크간격(RR)의 상관관계를 조사해본 결과 상관도가 99%임이 관찰되었다. 흉부수술이나 복부수술로 인하여 심전도용 전극을 가슴에 붙힐 수 없는 환자들의 심박을 측정하기 위한 심박모니터센서로서 손가락 끝에 설치하는 지첨포토센서가 임상에서 사용되고 있다.

지첨포토센서의 단점은 광센서를 사용하기 때문에 설치된 손가락이 조금만 흔들려도 신호의 베이스라인이 크게 흔들려서 정확한 심박을 추정하는 것은 어렵다. 현재로서는 수술중의 마취환자 혹은 혼수상태의 부동의 환자만을 대상으로 사용되고 있다. 기본적으로 맥파의 피크간격과 심전도의 피크간격은 생리학적으로 동 일한 심박정보를 가지고 있다는 것이다.

구체적으로 도 3에 나타나 있는 바와 같이 A/D변환기를 통하여 디지털신호로 변환된 맥파는 맥동의 피크치를 보이면서 나타난다. 이러한 연속적인 맥파에서 피크 검출프로그램에 의하여 자동으로 피크간격(PP1, PP2......PPn)이 추출되어진다. 디지털 맥파의 피크간의 간격(PP1, PP2....)의 역수가 바로 심박수(=1/PP)를 나타내며 맥파의 피크간의 간격 변동이 심박변동을 가르키는 것이다.

도 4는 단일의 마이크로프로세서에 의하여 검출된 맥파의 간격과 빈도수를 도시한 일예이며, 이러한 간격과 빈도를 가지고 계산된 심박변동지수(A,B)는 신호처리부에 연결된 휴대용 단말표시부(PDA 혹은 휴대용 소형 컴퓨터의 모니터)에 표시되고, 저장수단에 저장된다. 여기서 심박변동지수(A)는 임상에서 삼각지수(Triangular Index)로 알려져 있으며, 이러한 지수는 환자가 심부전 혹은 심근경색에서 돌연사나 치사적인 부정맥에 이르는 위험지수를 잘 나타내는 것으로 사용된다. 또한, 심박의 평균치에 대한 표준편차인 심박변동지수(B)의 급격한 저하는 심부전의 사전예측을 가능하게 하는 진단파라메타로 사용되어진다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 지첨으로 전달되는 심혈관의 맥동압을 감지하는 압전센서, 저전력용 단일의 증폭기와 대역필터, 저전력용 단일의 마이크로프로세서, 및 이들을 일체로 수납시키고 지첨압박대를 설치시킨 압전센서 및 맥파신호처리부 수납부로 구성함으로써 소형화, 저렴화 및 휴대화를 달성하였고, 휴대형모니터에 연결하여 이동시와 재택시에 심부전을 진단할 수 있는 심박변동의 지수를 용이하게 해석할 수 있는 효과를 지니고 있다.

특히, 종래 교류전원을 사용하거나 대형의 종래의 심전계와는 달리 저가의 단일의 지첨압전센서를 사용하여 맥파와 심박변동을 측정할 수 있고 신호처리회보를 구동하기 위한 초소형 보턴형 직류전원을 사용하는 효과와 단일의 증폭기, A/D변환기, 처리용 CPU, 프로그램용 EPROM, 기록용 SRAM을 내장하고 있는 단일의 마이크로프로세서를 장착시켜 맥파신호를 실시간 연산처리하여 데이타전송선을 통해 PDA와 같은 휴대형 표시단말기에 상시에 연결하여 사용할 수 있는 효과를 지니고 있다. 또, 신호변환과 입출력과 전송을 위한 단일의 마이크로프로세서 내에서 맥파에서 심박변동을 실시간으로 추출하여 심부전을 진단할 수 있는 심박변동지수를 계산하는 프로그램을 내장시킬 수 있는 장점과 이러한 추출된 신호를 모니터에 고속으로 전송할 수 있는 등의 효과를 지니고 있다.

Claims (3)

1. 심혈관에서 지첨으로 전달되는 맥동압을 감지하여 전기적인 신호인 맥파신호를 발생하는 압전센서와, 상기 맥파신호를 증폭시키기 위한 맥파증폭기와, 증폭된 맥파신호에 포함될 수 있는 지첨의 진동과 호흡성분에 의한 외부잡음신호를 제거하기 위한 대역필터와, 그 맥파증폭기 및 대역필터를 통해서 나온 맥파신호를 디지털신호로 변환하는 A/D변환기, 디지털화된 맥파신호를 처리하고, 저장 그리고 입출력을 제어하는 중앙연산처리장치, 및 각 구성요소를 제어하고 디지털화된 맥파신호를 처리하기 위한 프로그램과 데이터를 저장하기 위한 저장장치를 포함하여 구성되는 휴대형 심부전 진단장치에 있어서,

   압전센서를 상단에 수납하는 압전센서 및 맥파신호처리부 수납부를 구비하며, 상기 압전센서에서 맥동압을 용이하게 감지하도록 지첨을 압전센서측으로 압박시켜 주는 지첨압박대가 압전센서 수납부에 설치되고, 저전력 전원 공급용 보턴형 직류전원이 상기 압전센서 수납부에 설치되며, 상기 맥파증폭기는, 그 저전력 전원공급용의 보턴형 직류전원으로 장시간 구동이 가능한 단일칩으로 된 단일의 맥파증폭기이고, 상기 A/D변환기, 중앙연산처리장치 및 저장장치가 하나의 칩으로 된 단일의 마이크로프로세서로서 상기 맥파증폭기 및 대역필터와 함께 맥파신호처리부를 구성하여 상기 압전센서 및 맥파신호처리부 수납부 내에 수납된 것을 특징으로 하는 휴대형 심부전 진단장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 맥파신호처리부로부터 디지털 신호를 입력받아 상기 맥파신호처리부의 처리결과와 맥파신호를 화상으로 표시할 수 있도록 PDA와 같은 휴대형 단말 표시부에 그 압전센서 수납부의 맥파신호처리부를 연결시키기 위한 데이타전송선이 연결되는 연결포트가 압전센서 수납부에 형성된 것을 특징으로 하는 휴대형 심부전 진단장치.
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