KR100773512B1 - 안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치에 관한 것으로, 그 목적은 지속적 기도양압 호흡장치의 안면마스크 내의 압력을 직접 측정하여 환자의 정확한 호흡을 감지하여 제어하는 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 구성은 지속적 기도양압 호흡장치에 있어서, 상기 안면마스크 내의 압력(P_m)을 직접 측정토록 일측은 도관 내부에서 안면마스크와 도관이 연결되는 부위에 감지구멍이 위치하도록 설치하고, 타측은 도관에 형성된 관통홀을 통해 도관 외부의 압력센서와 연결된 압력감지관과;안면마스크 내의 압력(P_m)을 직접 측정토록 일측은 도관 내부의 안면마스크와 도관 연결부위에 감지구멍이 위치하도록 설치하고, 타측은 도관에 형성된 관통홀을 통해 도관 외부의 압력센서와 연결된 압력감지관과; 상기 압력감지관의 타측과 연결되어 감지관의 일측에 형성된 감지구멍의 압력을 측정하고 그 값을 제어회로수단에 출력하는 압력센서와; 상기 압력센서로부터 입력된 안면마스크 내의 압력(P_m) 값에 따라 평균양압과 환자의 자발적 호흡에 의한 압력을 분리 후 설정된 양압을 공급하도록 기류발생장치의 속도를 제어하는 제어회로수단과; 상기 제어회로수단에 따라 안면마스크 내의 압력(P_m)이 적정 양압을 유지하도록 기류를 발생시키는 기류발생장치로 구성된 것을 특징으로 한다.

지속적 기도 양압, 호흡, 안면마스크, 감지구멍, 압력 감지관

Description

안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치{Continuous positive airway pressure device by controlling the pressure in the face mask}

도 1은 본 발명 기도양압(CPAP) 장치의 개략적인 구성도이고,

도 2는 본 발명 압력감지관의 구조를 보인 예시도이고,

도 3은 본 발명 압력감지관에 2개 이상의 감지구멍이 형성시 이웃하는 구멍과의 형성각도를 나타낸 예시도이고,

도 4는 본 발명 제어회로수단의 제어기전을 나타낸 회로도이고,

도 5는 본 발명 압력감지관의 평균적인 압력 측정원리를 나타낸 예시도,

도 6은 종래 기도양압(CPAP) 장치의 개략적인 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(1) : 안면마스크 (2) : 도관

(3) : 압력감지관 (4) : 압력센서

(5) : 제어회로수단 (6) : 기류발생장치

(21) : 관통홀 (31) : 감지구멍

(32) : 끝단

본 발명은 안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치에 관한 것으로, 자세하게는 환자의 호흡상황을 정확히 측정하는 구조를 구비하여 적절한 양압이 공급되도록 제어하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 잠이 들면 우리 몸을 구성하고 있는 모든 근육의 긴장이 풀어지게 되는데, 숨구멍주위의 근육도 예외는 아니어서 목젖이나 목안의 근육들도 긴장이 풀어져서 숨구멍이 좁아지게 된다. 대부분은 잠잘 때 숨구멍이 다소 좁아져도 숨 쉬는데 지장이 없지만, 일부 사람들에게서는 좁아진 숨구멍 때문에 숨을 들이마실 때 목젖이 떨리면서 코를 골게 되거나, 심지어는 숨이 아주 막혀 버리는 수면중 무호흡 현상이 나타나게 된다.

이와 같이 수면 중 호흡정지가 계속되면 동맥혈 산소포화도가 심하게 줄어들어 고혈압, 부정맥, 허혈성심장질환, 심부전증, 뇌중풍 등과 같은 순환기질환이 생기기 쉽다. 또 당뇨병의 원인인 인슐린 부족상태로 발전할 수도 있고 폐질환이나 심장질환이 있는 경우 이를 악화시키는 원인이 될 수 있고, 자는 동안 갑자기 사망하는 돌연사(突然死)의 원인이 되기도 한다. 통계에 따르면 수면무호흡증이 있는 사람은 보통 사람에 비해 고혈압은 2배, 부정맥은 2배, 관상동맥질환은 3배, 뇌혈관질환은 4배, 교통사고는 3∼7배나 발생률이 높다고 한다.

이러한 증상에 대한 치료방법으로 지속적 기도양압(CPAP) 치료 등이 대표적 인데 이중 지속적 기도양압(CPAP) 치료는 코 위에 밀착되는 마스크를 통하여 잠자는 동안 계속하여 압력을 지닌 공기를 목구멍으로 불어넣어서 기도의 폐쇄를 방지하는 방법이다. 즉, 지속적 기도양압(CPAP) 치료는 'Continuous Positive Airway Pressure(CPAP)'의 약자로 이러한 치료를 도와주는 것이 양압호흡기인데 수면 중에 호흡경로가 막혀서 발생하는 코골음과 수면무호흡 등의 증세를 수면 중 코에 마스크를 쓰고 이를 통해 양압의 공기를 공급받음으로써 원활한 호흡을 유지해 주어 수면무호흡을 사전에 차단하며 치료하는 것으로 비수술적 치료방법 중에 가장 확실하고 효과적인 방법이다.

상기와 같은 역할을 하는 수행하는 기존의 지속적 기도양압(CPAP) 장치는 도 6에 도시된 바와 같이 안면 마스크에 연결된 도관의 끝 부분에 유체저항을 사이에 둔 2개의 압력 센서들을 설치하여 구성되는 구조를 가진다.

도 6에 도시된 바와 같이 P₂는 도관 내 압력을 반영할 것이므로 원하는 압력값이 되도록 기류발생장치를 제어하게 된다. 이때 실제로 제어되어야 하는 것은 환자에게 공급되는 압력이므로 안면 마스크 내의 압력, P_m, 이지만 도관의 유체저항이 매우 작거나(R_c

0) P₂로부터 P_m을 추정할 수 있는 경우를 가정하여 P₁과 P₂ 신호를 사용하여 기류생성기를 제어하는 방식을 채택하고 있다.

이는 환자가 착용하는 안면 마스크 근처에 압력센서와 이를 연결하는 도관 및 전선을 설치하는 것이 번거롭기 때문이다.

또한 도시된 압력센서 P₂로부터 P_m을 추정하기 위해서 유체저항(R)과 압력센서(P₁) 각 1개씩을 추가로 사용해야 하는데, 그 이유는 안면마스크로 공급되는 기류(F)를 측정함으로써 P_m을 추정할 수 있기 때문이다. 즉, P₁과 P₂ 사이에 유체저항이 설치되므로 기류값은

(1)

가 되고 또한 같은 원리로 안면마스크에 연결하는 기류 공급용 도관의 유체저항을 R_c라 하면

(2)

이 되므로 상기 식 (1)과 (2)로부터

(3)

이 유도되어 P₁과 P₂로부터 P_m을 추정할 수 있게 된다. 이때 R_c=0이라면 P_m=P₂가 되지만 실제로 도관의 유체저항은 항상 0보다 크므로 P₂>P_m가 되고, 따라서 P₁과 P₂ 모두를 측정해야만 P_m을 추정할 수 있게 된다.

하지만 상기와 같은 종래의 지속적 기도양압(CPAP) 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.

① 먼저 2개의 압력값을 측정하여 상기 식(3)에 의해 P_m이 일정한 값(양압)이 되도록 기류를 생성해야 하는데 생성하는 기류값에 따라 P₁과 P₂가 모두 변화할 수 밖에 없으므로 제어변수가 2개가 되는 복잡성이 있으며 이는 회로 자원의 낭비를 초래하게 된다는 문제점과.

② 또한 식(3)에서 R_c를 0으로 가정하면 P₂=P_m이 되어 P₂만 제어하면 되지만 도관의 유체저항이 0이 될 수는 없으므로 부정확한 제어가 이루어질 수밖에 없다는 문제점과,

③ 또한 지속적 기도양압(CPAP) 장치는 환자가 수면 중 무호흡 상태가 되어 사망하는 것을 방지하기 위한 의료기기의 일종이므로 환자가 자발적으로 호흡하고 있음을 감시해야 한다. 이는 환자의 자발적인 호흡작용에 의해 안면 마스크 내의 압력 P_m이 목표 제어값을 기준으로 진동하는 것을 감지함으로써 가능하다. 이때 P₂가 P_m과 연동할 것이므로 P₂ 신호의 진동을 감지함으로써 환자의 자발적 호흡 유무를 가리는 방법을 사용한다. 그러나 도관의 길이가 상당히 길고(>70cm) R_c가 0이 아니므로 P₂의 진동 정도는 P_m 보다 작아지게 되어 호흡 감지 기능에 오류가 발생할 수 있다는 구조적인 문제점과,

④ 또한 압력센서 2개와 유체저항 1개를 사용하는 등 제조단가가 비싸다는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 지속적 기도양압 호흡장치의 안면마스크 내의 압력을 직접 측정하여 환자의 정확한 호흡을 감지하여 제어하는 장치를 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 지속적 기도양압 호흡장치의 안면마스크 내의 압력을 직접 측정하여 환자의 정확한 호흡을 측정하는 구조를 제공하되, 측정시 사용되는 장치구성을 줄여 제조단가를 낮춘 장치를 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 양압을 발생시키는 기류발생장치, 기류발생장치와 도관으로 연결된 안면마스크와, 안면마스크 내의 압력을 측정하는 압력센서와, 기류발생기를 제어하는 제어회로수단으로 구성되는 지속적 기도양압 호흡장치에 있어서,

상기 안면마스크 내의 압력(P_m)을 직접 측정토록 일측은 도관 내부에서 안면마스크와 도관이 연결되는 부위에 감지구멍이 위치하도록 설치하고, 타측은 도관에 형성된 관통홀을 통해 도관 외부의 압력센서와 연결된 압력감지관과;

상기 압력감지관의 타측과 연결되어 감지관의 일측에 형성된 감지구멍의 압력을 측정하고 그 값을 제어회로수단에 출력하는 압력센서와;

상기 압력센서로부터 입력된 안면마스크 내의 압력(P_m) 값에 따라 평균양압 과 환자의 자발적 호흡에 의한 압력을 분리 후 설정된 양압을 공급하도록 기류발생장치의 속도를 제어하는 제어회로수단과;

상기 제어회로수단에 따라 안면마스크 내의 압력(P_m)이 적정 양압을 유지하도록 기류를 발생시키는 기류발생장치로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 압력감지관의 직경은 도관 직경보다 작게 형성하고, 안면마스크 쪽 끝단은 밀폐되도록 형성하고, 감지구멍이 기류에 수직하게 형성된 것을 도관벽에 고정 또는 고정되지 않게 선택적으로 설치한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 고정되지 않게 설치시는 감지구멍이 기류에 수직하게 적어도 두 개 이상 형성하여 압력감지관 내로 물리적으로 평균된 주변 압력값이 측정되도록 구성한 것을 특징으로 한다.

또한 상기 압력감지구멍의 숫자가 자연수 N개인 경우 인접한 구멍 간의 각도는 360°/N이 되도록 형성한 것을 특징으로 한다

또한 상기 제어회로수단은 압력센서가 계측하는 P_m의 연속신호를 호흡주파수보다 낮게 저역여파(low pass filtering)한 신호를 사용하여 안면마스크 내의 압력을 일정한 원하는 수준으로 제어하고, 호흡주파수보다 높게 고역여파(high pass filtering)하여 호흡신호만을 검출하도록 회로 구성한 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명 기도양압(CPAP) 장치의 개략적인 구성도인데, 도시된 바와 같이 본 발명의 구성은 안면마스크(1) 내의 압력(P_m)을 직접 측정토록 일측은 도관(2) 내부의 안면마스크와 도관 연결부위에 감지구멍(31)이 위치하도록 설치하고, 타측은 도관(2)에 형성된 관통홀(21)을 통해 도관 외부의 압력센서(4)와 연결된 압력감지관(3)과; 상기 압력감지관(3)의 타측과 연결되어 감지관의 일측에 형성된 감지구멍의 압력을 측정하고 그 값을 제어회로수단에 출력하는 압력센서(4)와; 상기 압력센서로부터 입력된 안면마스크(1) 내의 압력(P_m) 값에 따라 평균양압과 환자의 자발적 호흡에 의한 압력을 분리 후 설정된 양압을 공급하도록 기류발생장치(6)의 속도를 제어하는 제어회로수단(5)과; 상기 제어회로수단(5)에 따라 안면마스크(1) 내의 압력(P_m)이 적정 양압을 유지하도록 기류를 발생시키는 기류발생장치(6)로 구성된다.

도 2는 본 발명 압력감지관의 구조를 보인 예시도이고, 도 3은 본 발명 압력감지관에 2개 이상의 감지구멍이 형성시 이웃하는 구멍과의 형성각도를 나타낸 예시도인데, 압력감지관(3)은 기류공급용 도관의 벽에 설치할 수도 있으나 그 위치는 장치의 동작에 무관하다. 그러나 압력은 기류에 수직한 방향으로 측정해야(lateral pressure) 하므로 압력감지관의 끝단(32)을 밀폐하고 측면에 압력감지 구멍(31)을 형성해야 한다. 이때 압력감지관(3)의 위치가 고정되어 있지 않은 경우를 상정하여 측면 원주방향으로 2개 이상의 감지 구멍을 형성한다. 또한 감지구멍을 2개 설치하는 경우 도시된 바와 같이 180°간격으로 하고 3개를 설치하는 경우는 120°간격으로 하여 가능한 여러 방향의 압력값이 측정되도록 한다.

즉, 압력감지구멍이 N개인 경우 인접한 구멍 간의 각도는 360°/N이 된다

도 4는 본 발명 제어회로수단의 제어기전을 나타낸 회로도인데, 본 발명은 환자의 자발적인 호흡에 의해 진동하는 P_m을 직접 측정하므로 호흡상태를 손쉽게 감지할 수 있다. 이를 위하여 압력센서가 계측하는 P_m의 연속신호를 호흡주파수보다 낮게 저역여파(low pass filtering)한 신호를 사용하여 안면마스크 내의 압력을 일정한 원하는 수준으로 제어하고 호흡주파수보다 높게 고역여파(high pass filtering)하여 호흡신호만을 검출하는 기법을 사용하면 된다. 양압은 일정하게 유지하는 것이므로 주파수가 0인 직류에 가까운 신호인데 반해 호흡주파수는 대략 0.2Hz 이므로 차단주파수를 0.1Hz로 설정하면 호흡에 의한 P_m 진동 성분만을 추출할 수 있다.

구체적으로, P_m(t)=P_cp(t)+P_BR(t)인데, 여기서 P_cp(t)는 일정하게 유지되는 P_m(t)의 평균 양압성분이고 P_BR(t)는 자발적인 호흡에 기인하는 P_m(t)의 진동 성분인데 압력센서로 계측되는 P_m은 이 두 신호성분들의 합으로 나타난다.

따라서 저역통과필터로 분리한 P_cp(t)는 기류생성기 제어와 구동에 이용하여 안면마스크를 통해 환자에게 인가되는 평균적인 양압을 제어하기 위한 신호로 사용하고 고역통과필터로 분리한 P_BR(t)는 역치(threshold) 회로를 통과시켜 자발적인 호흡 시점을 감지하는데 사용할 수 있다. 즉, 안면마스크 앞의 압력신호를 직접 계측함으로써 평균적인 양압을 유지함과 동시에 환자의 호흡유무를 정확하게 감지하게 된다.

또한 상기와 같은 회로구성에서는 압력센서 1개만을 사용하므로 제조원가가 대폭 감소된다.

도 5는 본 발명 압력감지관의 평균적인 압력 측정원리를 나타낸 예시도인데, 압력감지관이 도관 벽에 붙지 않고 중앙에 위치하는 경우에 복수개의 감지구멍이 형성시 안면마스크 내의 압력(P_m)을 직접 측정하는 압력 감지관의 구조로 인해 물리적으로 평균적인 실제 압력을 측정할 수 있다.

즉, 도시된 P₁, P₂의 압력은 압력감지관 내에서 물리적으로 평균되어 평균압력 P_m이 되는데 그 값은 하기의 식으로 표현된다.

(여기서 N은 감지 구멍의 수이다)

따라서 종래 기술에서는 압력을 측정할 때 도관의 벽에 작은 구멍을 내고 사 이드 탭(side tap, 도시없음)을 설치하여 압력센서로 연결하는 기법을 사용하므로 관 내 1점에서의 압력값을 대표값으로 사용하게 되지만 본 발명에서는 가는 압력감지관을 기류공급용 도관 내로 삽입하여 설치하고 끝단을 밀폐한 뒤 주변에 2개 이상의 감지구멍들을 형성하면 각각의 구멍들이 관찰하는 압력값들이 압력감지관 내로 전달되어 물리적으로 자동 평균 되기 때문에 주변 압력값들의 정확한 평균값이 측정된다.

물론 압력감지관을 기류공급용 도관 내에 설치하면 관의 단면적 만큼 기류 공급이 제한되는 단점이 있을 수 있으나, 압력을 전달하는 감지관의 직경이 작을수록 신속한 압력전달이 이루어지므로 감지관의 직경을 충분히 작게 하면 기류 제한은 무시할 수 있게 됨. 혹은 기류 생성량을 다소 크게 함으로써 양압 유지에 필요한 충분한 기류용량을 얻을 수 있을 것이므로 문제가 되지 않는다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

상기와 같은 본 발명은

제어변수가 P_m 한 개이므로 제어기법이 매우 단순하고 따라서 제어회로가 단순하고 저렴해 진다는 장점과,

종래처럼 R_c=0으로 가정하거나 종래기술에서 설명한 식(3)과 같이 P_1,2로부터 P_m을 추정할 필요가 없어지므로 매우 정확한 압력제어가 이루어지고 따라서 원하는 양압을 정확하게 인가할 수 있다는 장점과,

환자의 자발적인 호흡에 의해 진동하는 P_m을 직접 측정하므로 호흡상태를 손쉽게 감지할 수 있다는 장점과,

압력센서 1개만을 사용하므로 제조원가가 대폭 감소된다는 장점과,

가는 압력감지관을 기류공급용 도관 내로 삽입하여 설치하고 끝단을 밀폐한 뒤 주변에 2개 이상의 감지구멍들을 형성하면 각각의 구멍들이 관찰하는 압력값들이 압력감지관 내로 전달되어 물리적으로 평균되기 때문에 주변 압력값들의 정확한 평균값이 측정된다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 양압을 발생시키는 기류발생장치, 기류발생장치와 도관으로 연결된 안면마스크와, 안면마스크 내의 압력을 측정하는 압력센서와, 기류발생기를 제어하는 제어회로수단으로 구성되는 지속적 기도양압 호흡장치에 있어서,

   상기 안면마스크(1) 내의 압력(P_m)을 직접 측정토록 일측은 도관(2) 내부에서 안면마스크(1)와 도관(2)이 연결되는 부위에 감지구멍(31)이 위치하도록 설치하고, 타측은 도관(2)에 형성된 관통홀(21)을 통해 도관(2) 외부의 압력센서(4)와 연결된 압력감지관(3)과;

   상기 압력감지관(3)의 타측과 연결되어 압력감지관(3)의 일측에 형성된 감지구멍(31)의 압력을 측정하고 그 값을 제어회로수단(5)에 출력하는 압력센서(4)와;

   상기 압력센서로(4)부터 입력된 안면마스크(1) 내의 압력(P_m) 값에 따라 평균양압과 환자의 자발적 호흡에 의한 압력을 분리 후 설정된 양압을 공급하도록 기류발생장치(6)의 속도를 제어하는 제어회로수단(5)과;

   상기 제어회로수단(5)에 따라 안면마스크(1) 내의 압력(P_m)이 적정 양압을 유지하도록 기류를 발생시키는 기류발생장치(6);로 구성된 것을 특징으로 하는 안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 압력감지관(3)의 직경은 도관(2) 직경보다 작게 형성하고, 안면마스크(1) 쪽 끝단은 밀폐되도록 형성하고, 감지구멍(31)이 기류에 수직하게 형성된 것을 도관(2) 벽에 고정 또는 고정되지 않게 선택적으로 설치한 것을 특징으로 하는 안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 압력감지관(3)을 도관(2) 벽에 고정되지 않게 설치시는 감지구멍(31)이 기류에 수직하게 2개 ~ N개를 형성하여 압력감지관(3) 내로 물리적으로 평균된 주변 압력값이 측정되도록 구성하고, 압력 감지구멍(31)의 숫자가 N개인 경우 인접한 구멍 간의 각도는 360°/N이 되도록 형성한 것을 특징으로 하는 안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 제어회로수단(5)은 압력센서(4)가 계측하는 P_m의 연속신호를 호흡주파수보다 낮게 저역여파(low pass filtering)한 신호를 사용하여 안면마스크 내의 압력을 일정한 원하는 수준으로 제어하고, 호흡주파수보다 높게 고역여파(high pass filtering)하여 호흡신호만을 검출하도록 회로 구성한 것을 특징으로 하는 안면 마스크 압력 제어 방식의 지속적 기도양압 호흡장치.

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