KR101079785B1

KR101079785B1 - 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치

Info

Publication number: KR101079785B1
Application number: KR1020100035977A
Authority: KR
Inventors: 최현석; 박인철
Original assignee: 주식회사 멕 아이씨에스; 강원대학교산학협력단
Priority date: 2010-04-19
Filing date: 2010-04-19
Publication date: 2011-11-03
Also published as: KR20110116519A

Abstract

본 발명은 환자의 상태나 마취제의 종류 등 상황에 맞게 마취심도를 감시할 수 있도록 파라미터를 선택하여 마취심도를 감시할 수 있도록 한 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치는 마취 중 뇌파 신호를 측정하기 위한 뇌파신호측정기와 ; 측정된 뇌파 신호를 분석하여 마취 심도 관련 뇌전도 파라미터들을 추출하기 위한 파라미터 추출기와 ; 추출된 파라미터들 중에 기준마취심도와 가장 연관성 높은 파라미터를 계산하는 상관성 분석기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

Description

마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치{EEG analyzer for index calculation of depth anesthesia}

본 발명은 뇌전도 검출 및 분석장치에 관한 것으로써, 상세하게는 환자의 상태나 마취제의 종류 등 상황에 맞게 마취심도를 감시할 수 있도록 파라미터를 선택하여 마취심도를 감시할 수 있도록 한 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치에 관한 것이다.

일반적으로 수술 및 치료와 같은 의료행위나 스킨 캐어(Skin care) 등의 영역에서 피대상자에 통증이 수반되는 경우, 마취를 통해 신경전달을 차단시킴으로써 통증을 제거하거나 저감시키게 된다.

특히, 병이나 증상이 심한 수술을 할 경우에는 신체반응 모두를 제거하는 전신마취가 이루어지며, 이러한 전신마취 상태에서는 지속적으로 환자의 마취 상태를 관찰하여야 한다.

즉, 마취심도를 감지하여 환자의 마취상태를 확인하여야 하고, 충분히 마취가 이루어진 상태에서 시술이 이루어짐에 따른 문제 즉, 수술 중 각성에 의해 환자가 정신적인 고통을 받는 문제가 있다.

따라서, 수술 중에는 지속적으로 마취심도를 측정하여야 하고, 이러한 마취심도를 측정하는 방법으로는 크게 임상 양상을 관찰하는 방법과 생체 전기적 신호를 분석하는 방법이 사용되고 있고, 생체 전기적 신호를 분석하는 방법에는 마취제가 중추신경계에 미치는 효과를 평가하기 위해 뇌파를 측정하고 분석하는 방법이 있으며, 뇌파를 이용한 방법이 이용되는 감시장치 역시 다양한 종류가 있으며, 이렇게 장치의 종류가 다양한 이유는 각각의 감시장치마다 뇌파를 분석하고 평가하는 알고리즘에 차이에 따른 것이다.

현재, 마취심도 감시장치로 가장 많이 사용되고 있는 것은 이중분광지수(Bispectral index, BIS) 모니터이다.

이 BIS모니터는 뇌파기반의 마취심도측정기술을 처음으로 개발하고 탑재한 장치의 하나로 BIS 모니터는 마취심도를 “BIS”라고 표시하고 0~100사이로 수치화하였으며, BIS를 기존의 마취심도 측정기준과 비교하거나 다른 마취심도장비에서 계산한 지표와 비교하여 임상에서 BIS의 신뢰성을 검증하고 있다.

이러한 BIS모니터를 포함하는 이러한 기존의 마취심도 감시장치는 사용자 즉, 마취심도 임상 시험자나 마취심도 감시자가 장비의 뇌파 분석 알고리즘을 개선 및 변경할 수 없어 환자의 특성에 맞는 알고리즘 적용할 수 없고 이에 따라 환자의 마취심도를 정확하게 감시할 수 없으며, 장비의 탑재된 분석 알고리즘의 세부 내용이 공개되어 있지 않아 마취심도 임상연구 목적에는 적합하지 않고 알고리즘 오류를 증명하는데 많은 어려움이 있었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 개발한 것으로써, 마취심도를 검사할 수 있는 파라미터들을 분석하여 파라미터 사이의 상관 관계를 분석하여 최적의 마취심도를 감지할 수 있는 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치를 제공함을 목적으로 한다.

즉, 마취심도를 감지할 수 있는 여러 가지의 파라미터들 중 환자의 상황이나 마취제의 종류 등 상황에 적절한 마취심도를 감지할 수 있는 최적의 파라메타를 선택하여 마취심도를 감지할 수 있도록 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치는 마취 중 뇌파 신호를 측정하기 위한 뇌파신호측정기와 ; 측정된 뇌파 신호를 분석하여 마취 심도 관련 뇌전도 파라미터들을 추출하기 위한 파라미터 추출기와 ; 추출된 파라미터들과 기준마취심도를 비교하여 상관성을 산출하는 상관성 분석기를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

본 발명은 뇌파신호 측정부에서 감지된 뇌파신호들을 분석하여 여러종류의 파라미터를 얻고 이렇게 얻어진 파라미터들 중 임상 실험을 통해 얻어진 마취심도기준과 가장 상관성을 갖는 두 개 이상의 파라미터를 찾아 환자의 마취심도를 측정할 수 있도록 마취심도 지표를 추출하여 마취심도를 감지하는 장치에 적용함으로써 최적의 마취심도를 감지할 수 있게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 장치를 구성하는 파라미터 추출기의 구성도이고,
도 3은 스펙트럼에지 주파수(SEF)와 미디엄주파수(MF)를 보인 그래프이고,
도 4는 바이스펙트럼 영역의 그래프이고,
도 5는 엔트로피 분석신호의 그래프이고,
도 6은 마취심도기준과 스펙트럼에지주파수의 상관성 분석방법을 설명하기 위한 그래프의 일예이고,
도 7은 마취심도기준과 미디엄주파수의 상관성 분석방법을 설명하기 위한 그래프의 일예이다.

이하, 본 발명에 따른 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 마취 중 뇌파 신호를 측정하기 위한 뇌파신호측정기(1)와 ; 측정된 뇌파 신호를 분석하여 마취 심도 관련 뇌전도 파라미터들을 추출하기 위한 파라미터 추출기(2)와 ; 추출된 파라미터들 중에 기준마취심도와 가장 연관성 높은 파라미터를 계산하는 상관성 분석기(3)를 포함하여 구성된다.

상기 뇌파신호측정기(1)는 환자의 뇌파를 측정하는 데 사용되는 통상의 외파신호측정기의 하나로 환자의 소정 위치에 설치되는 다수의 센서로 구성되어 뇌파 신호를 수신한다. 즉, 상기 뇌파신호측정기(1)는 신체의 각 센서로부터 감지되는 아날로그 측정 회로를 이용하여 계측된 1채널 뇌파는 16bits ADC(Analog-digital converter)를 통하여 디지털 신호로 변환한 것이다.

상기 파라미터 추출기(2)는 도 2에 도시한 바와 같이, 파워스펙트럼 분석기(21), 바이스펙트럼 분석기(22) 및 엔트로피 분석기(23)로 구성되며, 상기 파라미터는 스펙트럴에지 주파수(Spectral Edge Frequency), 미디엄 주파수(Median Frequency), 싱크 패스트 슬로우(Synch Fast Slow), 베타비율(Beta ratio), 새논엔트로피(Shannon Entropy), 근접엔트로피(Approximate Entropy), 및 스팩트럴엔트로피(Spectral Entropy)가 있다.

상기 상관성 분석기(3)에서는 파라미터 추출기(2)에서 추출된 파라미터들과 기준마취심도를 비교하여 그 상관성을 산출하는 것으로 기준마취심도와 상관성이 높은 두 개 이상의 파라미터를 추출하고, 이렇게 추출된 두 개 이상의 파라미터를 이용하여 마취심도를 감지함으로써 보다 정확한 마취심도를 확인할 수 있는 마취심도 감지장치를 구현할 수 있는 것이다.

상기 파워스팩트럼 분석기(21)는 뇌파 신호를 주파수 영역으로 분석하는 것으로써, 뇌파 신호 중 스펙트럴에지 주파수와 미디엄 주파수를 출력한다.

즉, 파워스팩트럼 분석기(21)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 뇌파신호측정기(1)로부터 수신된 뇌파 신호를 주파수 영역으로 분석하여 분석 신호를 생성하고, 생성된 분석 신호의 상기 스펙트럴에지 주파수와, 미디엄 주파수를 계산한다.

상기 스펙트럴에지 주파수는 뇌파 신호를 주파수들 파워 스팩트럼 기반으로 분석하고 분석 신호의 전체 파워의 90%내지 95%에 해당하는 파워에서의 주파수이고, 미디엄 주파수는 뇌파 신호를 주파수 영역에 대해 파워 스팩트럼 기반으로 분석하고 분석 신호의 전체 파워의 50%내지 55%에 해당하는 주파수이며, 스펙트라 엔트리피는 뇌파 신호를 파워 스팩트럼 기반으로 분석하여 분석 신호에 대한 불규칙성을 산출한 값이다.

즉, 분석 신호(Hsp)는

식을 만족하고, 분석 신호에 대한 불규칙성을 나타내는 스펙트라 엔트로피(SpEn)는

상기 분석 신호(Hsp)에 대한 불규칙성을 나타내는 스펙트라 엔트로피를 구하는 구체적인 과정은 널리 알려진 공지의 기술이므로 그에 따른 상세한 설명은 생략한다.

상기 바이스펙트럼 분석기(22)는 뇌파 신호를 바이스팩트럼 기반으로 분석하고 이에 대한 분석 신호로부터 싱크패스트슬로우와 베타비율을 구하는 수단으로 상기 싱크패스트슬로우는 40-47Hz영역의 바이스펙트럼 피크합과 0.5-47Hz영역의 바이스펙트럼 피크합의 로그 비율이다.

또한, 상기 베타비율은 11-20Hz영역의 바이스펙트럼 피크합과 30-47Hz영역의 바이스펙트럼 피크합의 로그 비율이다.

상기 싱크패스트슬로우는

이고,

로그비율은

이다.

상기 엔트로피 분석기(23)는 뇌파 신호의 불규칙성을 분석하는 수단으로, 새논엔트로피는 뇌파의 히스토그램의 불규칙성을 분석하여 산출한 값이고, 근접엔트로피의 뇌파 신호의 시간 영역 패턴의 불규칙성을 분석하여 산출한 값이고, 스펙트라 엔트로피는 뇌파의 파워스펙트럼의 불규칙성을 분석하여 산출한 값이다.

여기서, 히스토그램 기반의 분석 신호(Hsb)는

이고,

새논엔트로피(ShEn)은

이다.

상기 상관성 분석기(3)는 위와 같이 파라미터 추출기(2)로부터 구해진 파라미터와 마취심도기준을 비교하여 마취심도기준과 파라미터 사이의 상관성을 분석하기 위한 것으로 피어슨 상관계수 분석법에 의해 상관성을 분석한다.

피어슨 상관계수 분석법은 통계학 등에서 이미 사용되고 있는 상관성 분석 방법의 하나로 상관계수(r)를 구하는 식의 일예로는

가 있으며,

상관계수는 1과 -1사이의 값이며, 1과 -1은 연관이 있고, 0은 연관이 전혀 없는 것이다.

즉, 1은 양의 연관성을 갖고, -1은 음의 연관성을 갖는다.

이러한 연관성은 본 발명에서는 모두 연관성이 있는 것으로 판단할 수 있다.

즉, 도 6은 마취심도기준과 스펙트럴에지 주파수의 상관관계를 나타낸 그래프로 도시한 바와 같이, 마취심도기준이 지속적으로 증가할 때 스펙트럴에지 주파수또한 지속적으로 증가할 수 있고 이때 마취심도기준과 스펙트럴에지 주파수는 양의 상관성을 갖는다.

물론, 도 6은 상관성을 설명하기 위한 것으로 마취심도기준이 증가함에 따라 스펙트럴에지 주파수는 감소할 수도 있다.

도 7 또한, 상관성을 설명하기 위한 그래프로 음의 상관성을 갖으며, 이렇게 음의 상관성을 갖는다 하더라도 마취심도기준이 달라짐에 따라 파라미터값이 종속하여 변한다는 것은 서로 상관성이 있음을 의미하므로 음의 상관성을 갖는다 하더라도 마취심도를 확인하기 위한 값으로 이용될 수 있는 것이다.

1 : 뇌파신호 측정기
2 : 파라메타 추출기
21 : 파워스펙트럼 분석기
22 : 바이스펙트럼 분석기
23 : 엔트로피 분석기
3 : 상관성 분석기

Claims

마취 중 뇌파 신호를 측정하기 위한 뇌파신호측정기(1)와 ;
측정된 뇌파 신호를 분석하여 마취 심도 관련 뇌전도 파라미터들을 추출하기 위한 파라미터 추출기(2)와 ;
추출된 파라미터들과 기준마취심도를 비교하여 상관성을 산출하는 상관성 분석기(3)로 구성됨을 특징으로 하는 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 파라미터는 스펙트럴에지 주파수(Spectral Edge Frequency), 미디엄 주파수(Median Frequency), 싱크 패스트 슬로우(Synch Fast Slow), 베타비율(Beta ratio), 새논엔트로피(Shannon Entropy), 근접엔트로피(Approximate Entropy), 및 스팩트럴엔트로피(Spectral Entropy) 중 두개 이상인 것을 특징으로 하는 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 상관성 분석기(3)는 피어슨 상관계수 분석법에 의해 상관성을 분석함을 특징으로 하는 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치.
제 3 항에 있어서,
상기 파라미터 추출기(2)는
전체 파워의 90%내지 95%에 해당하는 주파수인 스펙트럴에지 주파수(SEF)와, 전체 파워의 50%내지 55%에 해당하는 주파수인 미디엄주파수(MF)를 구하는 파워스펙트럼 분석기(21)와 ;
40-47Hz영역의 바이스펙트럼 피크합과 0.5-47Hz영역의 바이스펙트럼 피크합의 로그 비율인 싱크패스트슬로우과, 11-20Hz영역의 바이스펙트럼 피크합과 30-47Hz영역의 바이스펙트럼 피크합의 로그 비율인 베타비율을 구하는 바이스펙트럼 분석기(22)와 ;
뇌파 신호의 히스토그램의 불규칙성을 분석하여 산출한 값인 새논엔트로피와, 뇌파신호의 시간영역 패턴의 불규칙성을 분석하여 산출한 값인 근접엔트로피와, 뇌파의 파워스펙트럼의 불규칙성을 분석하여 산출한 값인 스펙트라 엔트로피를 구하는 엔트로피 분석기(23)로 구성됨을 특징으로 하는 마취심도 지표 산출을 위한 뇌전도 분석 장치.