KR101184657B1 - 호흡임피던스 측정장치 및 그 측정방법, 호흡임피던스 표시방법 - Google Patents

Abstract

노이즈제거를 실시하여 지극히 고정밀도로 호흡임피던스의 연속측정을 가능하게 한다. 라우드스피커(21)에 의해 구강내에 복수의 다른 주파수로부터 솎아내고 남은 주파수성분만을 갖도록 주파수 솎아진 오실레이션파에 의한 공기진동압을 가하여, 구강내의 압력을 검출하고, 호흡의 유량을 검출하며, 이 얻어진 신호를 푸리에변환수단(32)으로 푸리에변환하여 스펙트럼을 얻어, 이 푸리에변환결과에 대하여 솎아낸 주파수성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 잡음으로서 기여하는 호흡고주파성분을 추출수단(33)으로 구하고, 솎아내고 남은 주파수성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 이 호흡고주파성분을 감산하여 오실레이션파성분을 추출하고, 이 추출결과에 대하여 주파수마다 압력성분을 유량성분으로 나눗셈하는 연산을 연산수단(34)에 의해 실시하여 호흡임피던스를 얻는다.

Description

호흡임피던스 측정장치 및 그 측정방법, 호흡임피던스 표시방법{RESPIRATION IMPEDANCE MEASURING DEVICE AND METHOD, AND RESPIRATION IMPEDANCE DISPLAY METHOD}

본 발명은 사람 등의 호흡임피던스를 연속측정하는 것이 가능한 호흡임피던스 측정장치 및 측정방법, 그리고 호흡임피던스 표시방법에 관한 것이다.

종래, 이와 같은 종류의 장치는, 호흡기시스템에 정현파 공기진동압을 가하기 위한 정현파 가압장치와, 호흡기시스템의 기류속도를 검출하기 위한 기류속도 검출기와, 호흡기시스템의 기압을 검출하기 위한 기압검출기와 상기 기류속도검출기 및 기압검출기로 검출한 기류속도 및 기압으로부터 호흡저항을 산출하는 저항연산부를 갖는 것이 알려져 있다.

상기 종래의 장치는, 정현파 가압장치가 가하는 정현파 공기진동압의 신호를 기준신호로 변환하기 위한 기준신호 변환기와, 이 기준신호 변환기로부터의 정현파 공기진동압의 기준신호에 의해 기류속도의 신호를 처리하여 상기 기준신호와 동일한 주파수의 성분만을 취하는 벡터연산기가 설치되고, 이 벡터연산기에서 얻은 기류속도의 신호와 상기 기압검출기로 검출한 기압의 신호로부터 저항연산부에서 호흡저항을 산출하도록 구성한 것이다.

이와 같은 장치는 상기한 바와 같이, 벡터연산기에서 얻은 기류속도의 신호와 상기 기압검출기로 검출한 기압의 신호로부터 저항연산부에서 호흡저항을 측정하도록 하고 있기 때문에, 환기량이 적거나 또는 환기수가 많은 호흡이라도 노이즈를 제거할 수 있고, 정밀도가 높게 호흡저항을 측정할 수 있는 장점을 갖고 있는 것이다(특허문헌 1 참조).

그러나, 상기 종래의 장치에 의해서도 노이즈제거가 충분하다고는 할 수 없어서, 고성능 호흡임피던스 측정장치의 실현이 요구되고 있다.

특허문헌 1:일본특허공개 평03-39140호 공보

본 발명은 이와 같은 호흡임피던스 측정에 있어서의 현상을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은 한번에 복수의 주파수에 대한 임피던스의 연속측정을 가능하게 하는 호흡임피던스 측정장치 및 그 측정방법을 제공하는 것이다. 또한, 노이즈 제거를 실시하여, 지극히 고정밀도로 호흡임피던스 측정이 가능한 호흡임피던스 측정장치 및 그 측정방법, 호흡임피던스 표시방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 호흡임피던스 측정장치는 구강 내에 공기진동압을 가하기 위한 가압수단과, 이 가압수단을 구동하는 신호로서 복수의 다른 주파수로부터 솎아내고 남은 주파수 성분만을 갖도록 주파수 솎아진 신호인 오실레이션(oscillation)파에 의한 공기진동압을 발생시키는 제어수단과, 구강 내의 압력을 검출하는 압력검출수단과, 호흡에 의한 유량을 검출하는 유량검출수단과, 상기 가압수단에 의한 가압상태하에서 상기 압력검출수단과 상기 유량검출수단에 의해 얻어지는 신호를 얻어, 이 얻어진 신호를 푸리에변환하여 스펙트럼을 얻는 푸리에변환수단과, 이 푸리에변환수단에 의한 변환결과에 대하여 솎아낸 주파수성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파성분을 구하고, 솎아냄에 의해 남은 주파수성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 감산하여 오실레이션파 성분을 취하는 추출수단과, 이 추출수단에 의한 추출결과에 대하여 주파수마다 압력성분을 유량성분으로 나눗셈하는 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 측정장치에서, 제어수단은 주파수 솎아냄으로서, 주기(T)의 펄스파를 가함으로써, n/T(n:정수 T:실수)의 주파수성분만을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 주파수 솎아냄을 <주파수 솎아냄 1>이라고 한다. <주파수 솎아냄 1>에서는 T를 결정하면, n/T(n:정수)이외의 주파수성분을 솎아내고 남은 복수의 주파수성분으로 할 수 있다.

본 발명의 호흡임피던스 측정장치에서, 제어수단은 서로 다른 복수 주파수의 정현파를 복수합성함으로써, 주파수 솎아진 오실레이션파를 얻어 해당 오실레이션파에 의한 공기 진동압을 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 주파수 솎아냄을 <주파수 솎아냄 2>라고 한다. <주파수 솎아냄 2>에서는, 연속하는 정수로부터 원하는 정수를 솎아내고 남은 복수의 정수의 주파수성분만을 갖도록 하는 것도 가능하기 때문에, 홀수의 주파수성분을 솎아내고 남은 복수의 정수의 주파수성분으로 할 수 있다.

본 발명의 호흡임피던스 측정장치에서, 제어수단은 가압수단의 입력신호와 출력신호 및 상기 가압수단의 전달함수를 이용한 역연산에 따라 원하는 압파형(壓波形)의 오실레이션파가 출력신호가 되도록 상기 가압수단으로 입력신호를 가하는 신호입력수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 측정장치에서, 신호입력수단은 역연산에 의해 얻어진 신호의 각 주파수성분에 일정값을 더하거나 상기 출력신호의 온셋(on set)부분에 임펄스(impulse)를 가한 신호를 역연산하여, 얻어진 신호를 상기 가압수단에 입력신호를 가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 측정방법은, 구강내에 공기진동압을 가하기 위한 가압단계와, 이 가압단계를 제어하고, 복수의 다른 주파수로부터 솎아내고 남은 주파수성분만을 갖도록 주파수 솎아진 신호인 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 제어단계와, 구강내의 압력을 검출하는 압력검출단계와, 호흡에 의한 유량을 검출하는 유량검출단계와, 상기 가압단계에 의한 가압상태하에 있어서 상기 압력검출단계와 상기 유량검출단계에 의해 얻어지는 신호를 얻어, 이 얻어진 신호를 푸리에변환하여 얻어지는 스펙트럼을 얻는 푸리에변환단계와, 이 푸리에변환단계에 의한 변환결과에 대하여 솎아낸 주파수성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파성분을 구하고, 솎아냄에 의해 남은 주파수성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 이 호흡 고주파성분을 감산하여 오실레이션파 성분을 취하는 추출단계와, 이 추출단계에 의한 추출결과에 대하여 주파수마다 압력성분을 유량성분으로 나눗셈하는 연산단계를 구비하고, 상기 각 단계를 컴퓨터 처리?제어에 의해 실행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 측정방법에서, 제어단계는 주파수 솎아냄으로서, 주기(T)의 펄스파를 가함으로써, n/T(n:정수 T:실수)의 주파수성분만을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 주파수 솎아냄은 <주파수 솎아냄 1>이다.

본 발명의 호흡임피던스 측정방법에서, 제어단계는 다른 복수 주파수의 정현파를 복수 합성함으로써, 주파수 솎아진 오실레이션파를 얻어 해당 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것을 특징으로 한다. 이와 같은 주파수 솎아냄은 <주파수 솎아냄 2>이다.

본 발명의 호흡임피던스 측정방법에서, 제어단계는 가압단계의 입력신호와 출력신호 및 상기 가압단계의 전달함수를 이용한 역연산에 따라 원하는 압파형의 오실레이션파가 출력신호가 되도록 상기 가압단계에 입력신호를 가하는 신호입력단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 측정방법에서, 신호입력단계는 역연산에 의해 얻어진 신호의 각 주파수성분에 일정값을 더하거나 상기 출력신호의 온 셋부분에 임펄스를 가한 신호를 역연산하여, 얻어진 신호를 상기 가압단계에 가하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 표시방법은, 호흡임피던스 측정장치에 의해 측정된 호흡임피던스에 따라 표시장치에 표시하는 호흡임피던스 표시방법에 있어서, 임피던스축과 주파수축과 시간축에 의한 삼차원으로 값을 취하여 표시하고, 솎아진 주파수에 대하여 보간처리(補間處理)를 행하여 얻어지는 호흡임피던스를 상기 삼차원으로 값을 취하여 표시하는 경우에 포함시킨 화상을 작성하여 표시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 표시방법은, 시간축방향의 길이를 날숨과 들숨의 조를 적어도 2개조 반복하는 길이로 하여, 화상을 작성하여 표시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 호흡임피던스 표시방법은, 임피던스값의 대소를 색의 변화 또는 농담(濃淡)변화에 의해 표현한 화상을 작성하여 표시하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 구강내에 주파수 솎아진 오실레이션파에 의한 공기진동압을 가하여, 구강내의 압력을 검출하고, 호흡의 유량을 검출하며, 이 얻어진 신호를 푸리에변환하여 스펙트럼을 얻어, 이 푸리에변환결과에 대하여 솎아낸 주파수성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 잡음으로서 기여하는 호흡 고주파성분을 구하여, 솎아내고 남은 주파수성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 이 호흡 고주파성분을 감산하여 오실레이션파 성분을 추출하여, 이 추출결과에 대하여 주파수마다 압력성분을 유량성분으로 나누는 연산을 행하여 호흡임피던스를 얻기 때문에, 호흡 고주파성분을 확실하게 제거한 오실레이션파 성분을 이용하여 호흡임피던스를 얻을 수 있고, 지극히 고정밀도로 호흡임피던스 측정이 가능하게 된다.

본 발명에 의하면, 주기(T)의 펄스를 가함으로써, n/T(n:정수 T:실수)의 주파수성분만을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키므로, 솎아진 주파수성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파성분을 구하여, 솎아내고 남은 주파수성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 이 호흡 고주파성분을 감산하여 호흡 고주파성분을 확실하게 제거하여, 지극히 고정밀도로 호흡임피던스 측정이 가능하게 된다.

본 발명에 의하면, 서로 다른 복수 주파수의 정현파를 복수합성함으로써, 주파수성분 솎아진 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키므로, 솎아낸 주파수성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파성분만이 포함되고, 호흡 고주파성분을 확실하게 제거하여, 지극히 고정밀도로 호흡임피던스 측정이 가능하게 된다.

본 발명에 의하면, 가압 입력신호와 출력신호 및 가압실행부분의 전달함수를 이용한 역연산에 따라 원하는 파형의 오실레이션파가 출력신호가 되도록 가압실행부분으로 입력신호를 가하기 때문에, 원하는 압파형의 오실레이션파를 이용하여 측정을 행하는 것이 가능하게 되어, 지극히 고정밀도로 호흡임피던스 측정이 가능하게 된다.

본 발명에 의하면, 역연산에 의해 얻어진 신호의 각 주파수성분에 일정 값을 더하거나 상기 출력신호의 온 셋부분에 임펄스를 가한 신호를 역연산하여, 얻어진 신호를 입력신호로 하기 때문에, 역연산 결과의 신호파형을 안정시키고, 이에 따라 원하는 파형의 오실레이션파를 이용하여 측정을 행하는 것이 가능하게 되어, 지극히 고정밀도로 호흡임피던스 측정이 가능하게 된다.

본 발명의 호흡임피던스 표시방법에 의하면, 호흡임피던스 측정장치에 의해 측정된 호흡임피던스에 따라 표시장치에 표시하는 호흡임피던스 표시방법에 있어서, 임피던스축과 주파수축과 시간축에 의한 삼차원으로 값을 취하여 표시하고, 솎아진 주파수에 대하여 보간처리를 행하여 얻어지는 호흡임피던스를 상기 삼차원으로 값을 취하여 표시하는 경우에 포함시킨 화상을 작성하여 표시하므로, 보간처리의 결과에 대해서도 화상화하여 표시하기 때문에, 임피던스 값의 변화가 치밀하고 매끄럽게 표시되어 주파수 전체에 대하여 임피던스의 파악을 적절히 실시하는 것이 가능해진다.

본 발명의 호흡임피던스 표시방법은, 시간축방향의 길이를, 날숨과 들숨의 조를 적어도 2개조 반복하는 길이로 하여, 화상을 작성하여 표시하므로, 돌발적인 변화가 아닌 어느 정도의 스팬(span)을 가진 관측이 가능해져, 적절한 관측이 확보된다.

본 발명의 호흡임피던스 표시방법은, 임피던스값의 대소를 색의 변화 또는 농담변화에 의해 표현한 화상을 작성하여 표시하므로, 임피던스값의 대소를 일목요연하게 용이하게 식별하는 것이 가능해져, 호흡임피던스에 의한 각종의 연구, 검사에 지극히 도움될 것으로 기대된다.

도 1은 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 이용하는 오실레이션파인 삼각펄스파의 일예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 이용하는 오실레이션파인 해닝펄스파의 일예를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 이용하는 오실레이션파인 잡음파의 일예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 이용하는 오실레이션파를 역연산에 의해 생성하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 의해 오실레이션파인 삼각펄스파를 이용하여 호흡임피던스를 구하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 사용되고 있는 필터의 주파수특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 의해 오실레이션파인 삼각펄스파를 이용하여 호흡임피던스를 구하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 의해 오실레이션파인 삼각펄스파를 이용하여 호흡임피던스를 구하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에의 호흡임피던스 측정장치에 의해 오실레이션파인 삼각펄스파를 이용하여 호흡임피던스를 구하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 의해 얻어진 호흡임피던스를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 방법을 이용하지 않는 호흡임피던스 측정장치에 의해 얻어진 호흡임피던스를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 의해 오실레이션파인 잡음파를 이용하여 호흡임피던스를 구하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치에 의해 오실레이션파인 잡음파를 이용하여 호흡임피던스를 구하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예의 호흡임피던스 측정장치를 이용하여 건강한 사람과 건강하지 않은 사람에 대하여 호흡임피던스를 표시한 일예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조해 본 발명의 호흡임피던스 측정장치 및 그 측정방법의 실시예를 설명한다. 도 1에, 본 발명의 호흡임피던스 측정장치의 실시예의 구성도를 나타낸다. 이 호흡임피던스 측정장치는, 사람의 구강에 선단이 취부되고, 호흡흐름이 흐르는 튜브(11)와, 튜브(11)에 취부되는 구강내의 압력을 검출하는 압력검출수단을 구성하는 압력센서(12)와, 압력센서(12)와 같은 위치에서 호흡에 의한 유량을 검출하는 유량검출수단을 구성하는 유량센서(13)와, 구강내에 공기진동압을 가하기 위한 가압수단을 구성하는 라우드스피커(21)와, 컴퓨터(30)를 주된 구성요소로 한다.

압력센서(12)의 출력신호는 앰프(14)에 의해 증폭되고, A/D변환기(15)에 의해 디지탈화되어 컴퓨터(30)에 입력된다. 또한, 유량센서(13)의 출력신호는 앰프(16)에 의해 증폭되고, A/D변환기(17)에 의해 디지탈화되어 컴퓨터(30)에 입력된다.

컴퓨터(30)에는, 제어수단(31), 푸리에변환수단(32), 추출수단(33), 연산수단(34)이 구비되어 있다. 또한, 제어수단(31)은 신호입력수단(35)을 구비하고 있다. 제어수단(31)은 가압수단인 라우드스피커(21)를 구동하는 신호를 출력하고, 홀수 주파수성분 또는 짝수 주파수성분만을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것이다. 제어수단(31)의 출력은 D/A변환기(22)에 의해 디지탈화되어 드라이버(23)로 보내지고, 드라이버(23)가 라우드스피커(21)를 구동하여, 구강내에 공기진동압이 가해진다.

상기에 있어서, 제어수단(31)은 T초주기의 펄스파를 가함으로써, n/T(n:정수, T:실수)의 주파수성분을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것이다(<주파수 솎아냄 1>). 펄스파로서는 여러가지 파형을 생각할 수 있지만 예를 들면 삼각펄스는, 도 2(a)에 나타내는 바와 같이, 베이스 레벨의 시간폭이 25ms정도의 것이다. 이 삼각펄스를 예를 들어 T=0.5초 주기로 출력하면 2, 4, 6, 8Hz,???의 스펙트럼을 갖는 삼각펄스파를 가할 수 있다(도 2(b)). 또한, 상기 삼각펄스를 예를 들어 T=0.333초 주기로 출력하면 3, 6, 9, 12Hz,???의 스펙트럼을 갖는 삼각펄스파를 가할 수 있다.

또한, 다른 예로서의 해닝펄스는, 도 3에 나타내는 바와 같이 베이스 레벨의 시간폭이 25ms정도의 것이다. 삼각펄스파의 경우와 동일하게 작성되어 출력된다.

또한, 제어수단(31)은, 서로 다른 복수 주파수의 정현파를 복수합성함으로써, 합성에 의해 얻어지는 파를 가하는 것에 의해, 원하는 실수 주파수성분만을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시킨다(<주파수 솎아냄 2>). 이 경우에는, 잡음파로서 도 4에서 나타내는 신호가 출력된다. 여기서, 예를 들면 2,4,6,???,34Hz와 같이 짝수 주파수를 갖는 정현파를 합성함으로써, 짝수 주파수성분만을 갖는 잡음파를 얻는다. 또한, 예를 들면 1,3,5,???,33Hz와 같이 홀수 주파수를 갖는 정현파를 합성함으로써, 홀수 주파수성분만을 갖는 잡음파를 얻는다. 잡음은 각 정현파의 위상을 랜덤화함으로써 실현된다.

제어수단(31)에 구비되어 있는 신호입력수단은, 라우드스피커(21)의 입력신호와 출력신호 및 라우드스피커(21)의 전달함수를 이용한 역연산을 기초로 하여 원하는 파형의 오실레이션파가 출력신호가 되도록 라우드스피커(21)에 입력신호를 가하는 것이다.

구체적으로는, 예를 들어 삼각펄스를 이용하여 설명하면, 도 5(a)에 나타내는 바와 같은 삼각펄스를 입력하여 라우드스피커(21)를 구동했을 경우에는, 라우드스피커(21)의 출력신호는, 도 5(b)에 나타내는 바와 같은 제로 레벨의 상하에 극대점을 갖는 신호가 된다. 그러므로, 도 5(c)에 나타내는 바와 같은 모델을 생각한다. 라우드스피커(21)의 전달함수를 H(ω), 입력신호를 X(ω), 출력신호를 Y(ω)로 하면, 이하와 같이 되므로, 역변환에 의해 x‘(t)를 구하여 구동신호로 한다.

[수 1]

위에서 구한 Y(ω)는, 높은 주파수까지의 성분을 갖지 않기 때문에, (식 1)로부터 얻어지는 x‘(t)는 불안정하게 된다. 이 때문에 (식 2)와 같이 분모에 정수 A0를 더한 것을 푸리에역변환하여 x‘(t)를 구해 구동신호로 한다. 이것은 또한, 도 5(b)에 나타내는 바와 같은 라우드스피커(21)의 출력신호에 대하여, 도 5(d)에 나타내는 바와 같이 온 셋 부분에 임펄스를 가한 신호를 역연산하여 도 5(e)에 나타내는 신호 x‘(t)를 얻을 수도 있다.

이상의 설명에서는, 삼각펄스의 경우를 설명했지만, 해닝펄스에 대해서도 동일하게 하여 역연산에 의해 신호를 얻어, 이 신호에 의해 라우드스피커(21)를 구동할 수 있다. 또한, 정현파에 대해서도 마찬가지로 역연산에 의해 신호를 얻는 것이 가능하고, 이 신호합성에 의해 잡음파를 얻는 것도 가능하다.

펄스파, 잡음파 그리고, 단일 주파수를 갖는 정현파 중 어느 것을 이용할 것인지에 관해서는, 도시하지 않은 키보드 등에 의해 컴퓨터(30)로 지시할 수 있고, 이에 따라 선택한 신호파형을 제어수단(31)이 출력한다.

컴퓨터(30)에 구비되어 있는 푸리에변환수단(32), 추출수단(33), 연산수단(34)에 대하여 설명한다. 푸리에변환수단(32)은, 라우드스피커(21)가 상기와 같이 하여 구동된 구강내의 가압상태하에서, 압력센서(12)와 유량센서(13)에 의해 신호를 얻어, 이 얻어진 신호를 푸리에변환하여 스펙트럼을 얻는 것이다. 푸리에변환수단(32)의 전단에는, CIC 필터(36)가 설치되어 압력센서(12)와 유량센서(13)에 의해 얻어지는 호흡신호와 오실레이션 성분의 분리가 행해진다. 또한, 푸리에변환수단(32)은 처리 전에 필요하다면, 해닝 윈도우(窓)에 의해 신호의 추출을 실시한다.

추출수단(33)은, 푸리에변환수단(32)에 의한 변환결과에 대하여 솎아낸 주파수성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파성분을 구하여, 솎아내고 남은 주파수성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 감산하여 오실레이션파 성분을 취하는 것이다. <주파수 솎아냄 1>로 설명하면, 푸리에변환수단(32)에 의해 얻어진 스펙트럼에 대하여 n/T(n:정수)의 주파수성분을 제외한 다른 주파수에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파성분을 구하여, 솎아내고 남은 주파수성분(n/T의 주파수성분)에 대응하는 스펙트럼으로부터 감산하여 오실레이션파 성분을 취하는 것이다.

추출수단(33)은, <주파수 솎아냄 2>로 설명하면, 푸리에변환수단(32)에 의해 얻어진 스펙트럼에 대하여 상기 라우드스피커(21)에 가한 주파수성분(여기에서는, 짝수 주파수성분 또는 홀수 주파수성분)과는 다른 주파수성분(홀수 주파수성분 또는 짝수 주파수성분)에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파성분을 구하여, 상기 라우드스피커(21)에 가한 주파수성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 감산하여 오실레이션파 성분을 취하는 것이다.

연산수단(34)은, 추출수단(33)에 의한 추출결과에 대하여 주파수마다 압력성분을 유량성분으로 나눗셈함으로써 호흡임피던스를 산출하는 것이다. 즉, 호흡임피던스를 Z(ω), 구강내 압력의 오실레이션파 성분을 P(ω), 유량의 오실레이션파 성분을 F(ω)로 하고, 호흡임피던스(Z(ω))가 저항성분(R(ω))과 리액턴스(reactance)성분(X(ω))으로 이루어지는 것이라고 하면, 다음의 식에 의해 호흡임피던스(Z(ω))가 구해진다.

[수 2]

연산수단(34)에 의해 구해진 호흡임피던스(Z(ω))는, 컴퓨터(30)에 접속된 LCD 등의 표시부(40)용 표시신호로 되어 표시부(40)에 출력되어 표시가 이루어진다.

이상과 같이 구성된 호흡임피던스 측정장치에 의한 동작을 설명한다. 이 예에서는, 삼각펄스파가 선택되어 측정동작이 개시된다. 제어수단(31)및 신호입력수단(35)에 의해, 역연산된 파형에 의해 스피커(21)가 T초주기로(예를 들어 0.5초 간격으로) 구동된다.

이 때, 압력센서(12)와 유량센서(13)에 의해 얻어지는 신호의 파형은, 모두 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 호흡신호에 삼각펄스파가 중첩된 파형으로 되어 있고, 이것이 CIC 필터(36)를 통과시켜져서 호흡파와 오실레이션파(삼각펄스파)의 분리가 행해진다. 도 7에 CIC 필터(36)의 주파수 특성을 나타내었다. CIC 필터(36)에 의해 위상의 변화없이 분리를 행 할 수 있다. 단, 호흡신호에는 고주파성분(오실레이션 신호와 동일한 주파수대)이 포함되기 때문에 완전하게는 분리할 수 없다.

CIC 필터(36)에 의한 분리 후에는 도 6(b)에 나타내는 바와 같이, 오실레이션파에 대하여, 두 개의 삼각펄스의 중간점으로부터 1초간의 구간을 취하여, 신호처리에 이용한다. 다음으로 도 8에 나타내는 바와 같이, T초의 구간을 취한 각 펄스에 해닝 윈도우에 의한 처리를 실시하여, 펄스의 추출을 실시한다.

해닝 윈도우에 의한 처리에 계속하여, 푸리에변환수단(32)에 의한 푸리에변환이 행해져서 스펙트럼이 얻어진다. 이 때, 얻어지는 스펙트럼에 대해서는, 예를 들면 펄스가 0.5초 주기로 구동되었을 경우, 도 9에 나타내는 바와 같이, 솎아낸 주파수성분에 대응하는 1, 3, 5,???의 홀수 주파수의 스펙트럼에는 오실레이션파 성분이 포함되지 않는 호흡신호 스펙트럼으로 이루어져 있다. 또한, 솎아내고 남은 주파수성분에 대응하는 2, 4, 6,???의 짝수 주파수의 스펙트럼에는 오실레이션파 성분과 호흡신호성분이 포함되어 있다.

그러므로, 추출수단(33)에서는, 도 10에 나타내는 바와 같이 상기 짝수 주파수의 스펙트럼으로부터, 홀수 주파수의 스펙트럼에 의해 추정된 잡음성분을 감산하여 오실레이션파 성분을 취한다.

상기 추출수단(33)에 의한 처리에 의해서, 종래, 호흡신호에 포함되지 않았다고 되어있던 3Hz이상의 호흡 고주파신호가 제거되고, 고정밀도의 호흡 임피던스 측정이 가능해지고 있다. 이어서 연산수단(34)은, 추출수단(33)에 의한 추출결과에 대하여 주파수마다 식(2)에 의해 나타낸 대로, 압력성분을 유량성분으로 나눔으로써, 호흡임피던스를 산출한다. 산출된 호흡임피던스의 표시신호가 작성되고, 표시부(40)로 출력되어 표시가 이루어진다.

이와 같이 하여 측정되어 표시된 호흡임피던스를 도 11에 나타내었다. 또한, 도 12에 호흡 고주파신호가 제거되지 않는 경우의 호흡임피던스를 나타내었다. 이들 도면에서는, 가로축은 하나의 눈금이 1Hz의 주파수축이고, 세로축이 임피던스이다. 경사진 축이 시간축이고, 도면의 상측에 순저항분을 표시하고, 도면의 하측에 리액턴스분을 표시하고 있다. 여기에서는 0.5초 마다 삼각펄스파를 계속 가함으로써, 새로운 임피던스의 표시가 차례차례로 나타나 갱신되는 것에 의해 임피던스의 연속측정이 행해진다. 이 도 11과 도 12부터 명백한 바와 같이, 노이즈가 제거되어 고정밀도의 호흡임피던스 측정이 가능해지고 있는 것을 알 수 있다. 그리고, 상기 추출수단(33)에 의한 뺄셈 처리로부터 명백한 바와 같이, 감산에 의해 남는 성분은, 솎아내고 남은 주파수성분에 대응하는 2, 4, 6,???의 짝수 주파수의 성분이고, 솎아낸 주파수성분에 대응하는 1, 3, 5,???의 홀수 주파수의 성분은 존재하지 않는다. 그래서, 연산수단(34)이 보간처리를 실시하여 존재하지 않는 성분에 관해서도 호흡임피던스 측정이 가능해지고 있다.

다음으로, 삼각펄스파를 대신하여, 잡음파가 선택되어 측정동작이 개시되었을 경우(<주파수 솎아냄 2>)에 대하여 설명한다. 제어수단(31) 및 신호입력수단(35)에 의해, 합성된 파형에 의한 짝수 주파수 성분만의 잡음파에 의해 라우드스피커(21)가 구동된다. 이 때, 압력센서(12)와 유량센서(13)에 의해 얻어지는 신호의 파형은, 모두 도 13(a)에 나타내는 바와 같이, 호흡신호에 잡음파가 중첩된 파형으로 이루어져 있고, 이것이 CIC 필터(36)를 통과시켜져서 호흡파와 오실레이션파(잡음파)의 분리가 이루어진다(도 13(b)).

CIC 필터(36)에 의한 분리 후에는 도 14(a)에 나타내는 바와 같이, 오실레이션파에 대하여, 1초간의 구간을 취해내어 신호 처리에 이용한다. 즉, 도 14(b)에 나타내는 바와 같이, 1초간의 구간을 취한 잡음파에 대하여, 푸리에변환수단(32)에 의한 푸리에변환을 실시하여 스펙트럼을 얻는다.

이 푸리에변환에 의해서 얻어지는 스펙트럼에 대해서는, 제어수단(31)과 신호입력수단(35)에 의해서 합성된 짝수 주파수성분만을 갖는 잡음파에 의해 라우드스피커(21)를 구동시키고 있으므로, 솎아낸 주파수성분에 대응하는 1, 3, 5,???의 홀수 주파수의 스펙트럼에는 오실레이션파 성분이 포함되지 않은 호흡신호 스펙트럼으로 되어 있다. 또한, 솎아내고 남은 주파수성분에 대응하는 2, 4, 6,???의 짝수 주파수의 스펙트럼에는 오실레이션파 성분과 호흡신호성분이 포함되어 있다.

따라서, 추출수단(33)에서는, 짝수 주파수의 스펙트럼으로부터 홀수 주파수의 스펙트럼의 감산을 실시하여, 오실레이션파 성분을 취한다. 이 이후의 처리는, 삼각펄스파를 이용했을 경우의 처리(도 9와 도 10 및 식(2)에 의한 연산)와 동일하고, 산출된 호흡임피던스의 표시신호가 작성되어, 표시부(40)로 출력되어 표시가 이루어진다. 이와 같이 잡음파를 이용했을 경우에도, 노이즈가 제거되어 고정밀도의 호흡임피던스 측정이 가능함과 동시에, 잡음파를 연속하여 가함으로써, 새로운 임피던스의 표시가 차례차례로 나타나 갱신되는 것에 의해 임피던스의 연속측정이 행해진다. 잡음파를 이용했을 경우에도, 도 11에 나타낸 것과 동일하게 노이즈가 제거된 표시가 이루어져 임피던스의 연속 측정이 가능하다.

본 발명의 실시예에서는, 연산수단(34)이 표시장치에 표시하기 위한 화상을 작성하여 표시함으로써, 호흡임피던스 표시방법이 실현된다. 즉, 연산수단(34)은, 스스로가 산출한 호흡임피던스에 대해서, 예를 들면, 각 주파수를 화면의 안쪽부터 앞쪽으로 값을 취하도록 좌표를 정하고, 각 주파수마다 저항성분(Rrs)을 취하여, 이것을 표시장치의 화면에 있어서의 높이 방향으로 플롯(plot)하고, 측정시간을 화면의 오른쪽 방향으로 하여, 도 15에 나타내는 바와 같은 삼차원 화상을 작성하여 표시장치에 표시한다. 즉, 임피던스축과 주파수축과 시간축과에 의해 삼차원으로 값을 취하여 표시를 실시하는 것이다.

상기의 화상작성시에는, 솎아진 주파수에 대하여 보간처리를 실시하여 얻어진 호흡임피던스를 상기 삼차원으로 값을 취하여 표시하는 경우에 포함시킨 화상을 작성하여 표시한다. 예를 들면, 홀수의 주파수를 솎아낸 경우에는, 솎아낸 홀수에 인접하는 짝수 주파수에 대응하는 2개의 임피던스값이 구해지고 있기 때문에, 이 2개의 임피던스값의 평균을 구하고, 이것을 솎아낸 주파수에 대응하는 임피던스값으로 한다. 이와 같이 하여, 보간처리의 결과에 대해서도 화상화하여 표시하기 때문에, 임피던스값의 변화가 치밀하고 매끄럽게 표시되어 주파수 전체에 대하여 임피던스의 파악을 적절히 실시하는 것이 가능해진다.

샘플링 시간은 0.5초이고, 도 15(b)에 나타내는 바와 같이, 시간축방향의 길이를, 날숨과 들숨의 조를 적어도 2개조 반복하는 길이로 하여, 화상을 작성하여 표시한다. 도 15의 예에서는, 날숨과 들숨의 조를 3개조 반복하는 길이로 하고 있다.

그리고, 임피던스값의 대소를, 색 변화 또는 농담 변화에 의해 표현한 화상을 작성하고 표시한다. 도 15에서는, 저항값(Rrs)에 대하여, 도 15의 하측에 나타내는 컬러 스케일에 의한 착색을 실시하여, 화상을 작성해서 표시하고 있다.

이상의 각 처리에 의해 얻어지는 화상을 표시하므로, 피검사자는 날숨과 들숨을 반복하고 있는 것만으로, 자동적으로 도 15에 나타내는 바와 같은 화상이 시계열에 작성되어 표시되고, 게다가 호흡임피던스의 변화를 솎아낸 주파수에 대응하는 부분을 포함시켜, 색 변화 또는 농담 변화에 의해 표현한 화상으로 하여 눈으로 보며 관찰할 수 있다.

이 때문에, 도 15(a)에 나타내는 66세의 건강한 사람의 호흡임피던스 변화와, 도 15(b)에 나타내는 65세의 COPD(만성 폐색성 호흡질환)환자의 호흡임피던스 변화에서 명백한 바와 같이, 건강하지 않은 사람과 건강한 사람을 시각적으로 일목요연하게 용이하게 식별하는 것이 가능해져서, 호흡임피던스에 의한 각종 연구, 검사에 크게 도움될 것으로 기대된다. 그리고, 도 15(b)의 %FEV1은, 노력 폐활량의 몇%를 1초에 호출 할 수 있는지를 나타내는 값이다. 따라서, 이 예에서는 24.4%를 1초에 호출 할 수 있는지를 나타내고 있다.

11 튜브
12 압력센서
13 유량센서
21 라우드스피커
30 컴퓨터
31 제어수단
32 푸리에변환수단
33 추출수단
34 연산수단
35 신호입력수단
36 CIC 필터
40 표시부

Claims (13)

1. 구강내에 공기진동압을 가하기 위한 가압수단과,
   이 가압수단을 구동하는 신호로서, 복수의 다른 주파수로부터 솎음대상의 주파수 성분을 솎아내고, 솎음대상 이외의 주파수 성분의 신호인 오실레이션파를 얻고, 이 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 제어수단과,
   구강내의 압력을 검출하는 압력검출수단과,
   호흡에 의한 유량을 검출하는 유량검출수단과,
   상기 가압수단에 의한 가압상태하에 있어서 상기 압력검출수단과 상기 유량검출수단에 의해 얻어지는 신호를 얻어, 이 얻어진 신호를 푸리에 변환하여 스펙트럼을 얻는 푸리에 변환 수단과,
   이 푸리에 변환 수단에 의한 변환결과에 대하여 솎음대상인 주파수 성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파 성분을 구하여, 솎음대상 이외의 주파수 성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 상기 호흡 고주파 성분을 감산(減算)하여 오실레이션파 성분을 취하는 추출수단과,
   이 추출수단에 의한 추출결과에 대하여 주파수마다 압력성분을 유량성분으로 나눗셈하는 연산수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   제어수단은 주파수를 솎아내어, 주기 T의 펄스파를 가함으로써, n/T(n:정수, T:실수)의 주파수 성분만을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   제어수단은, 다른 복수 주파수의 정현파를 복수 합성함으로써, 주파수 솎아진 오실레이션파를 얻어 해당 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   제어수단은, 가압수단의 입력신호와 출력신호 및 상기 가압수단의 전달함수를 이용한 역연산을 기초로 하여 원하는 압파형의 오실레이션파가 출력신호가 되도록 상기 가압수단으로 입력신호를 가하는 신호입력수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   신호입력수단은, 역연산에 의해 얻어진 신호의 각 주파수성분에 일정 값을 더하거나 상기 출력신호의 온 셋 부분에 임펄스를 가한 신호를 역연산하여, 얻어진 신호를 상기 가압수단으로 입력신호를 가하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정장치.
6. 구강내에 공기진동압을 가하기 위한 가압단계와,
   이 가압단계를 제어하고, 복수의 다른 주파수로부터 솎음대상의 주파수 성분을 솎아내고, 솎음대상 이외의 주파수 성분의 신호인 오실레이션파를 얻고, 이 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 제어단계와,
   구강내의 압력을 검출하는 압력검출단계와,
   호흡에 의한 유량을 검출하는 유량검출단계와,
   상기 가압단계에 의한 가압상태하에 있어서 상기 압력검출단계와 상기 유량검출단계에 의해 얻어지는 신호를 얻어, 이 얻어진 신호를 푸리에 변환하여 얻어지는 스펙트럼을 얻는 푸리에 변환 단계와,
   이 푸리에 변환 단계에 의한 변환결과에 대하여 솎음대상인 주파수 성분에 대응하는 스펙트럼에 의해 호흡 고주파 성분을 구하여 솎음대상 이외의 주파수 성분에 대응하는 스펙트럼으로부터 상기 호흡 고주파 성분을 감산하여 오실레이션파 성분을 취하는 추출단계와,
   이 추출단계에 의한 추출결과에 대하여 주파수마다 압력성분을 유량성분으로 나눗셈하는 연산단계를 구비하고, 상기 각 단계를 컴퓨터 처리?제어에 의해 실행하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정방법.
7. 제 6 항에 있어서,
   제어단계는 주파수 솎아냄으로 하여, T주기의 펄스를 가함으로써, n/T(n:정수T:실수)의 주파수성분만을 갖는 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정방법.
8. 제 6 항에 있어서,
   제어단계는, 다른 복수 주파수의 정현파를 복수합성함으로써, 주파수 솎아진 오실레이션파를 얻어 해당 오실레이션파에 의한 공기진동압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 호흡임피던스 측정방법.
9. 제 6 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   제어단계는, 가압단계의 입력신호와 출력신호 및 상기 가압단계의 전달함수를 이용한 역연산을 기초로 하여 원하는 압파형의 오실레이션파가 출력신호가 되도록 상기 가압단계로 입력신호를 가하는 신호입력단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    신호입력단계는, 역연산에 의해 얻어진 신호의 각 주파수 성분에 일정 값을 더하거나 상기 출력신호의 온 셋부분에 임펄스를 가한 신호를 역연산하여, 얻어진 신호를 상기 가압단계로 가하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 측정방법.
11. 호흡임피던스 측정장치에 의해 측정된 호흡임피던스에 따라 표시장치에 표시하는 호흡 임피던스 표시방법에 있어서,
    임피던스축과 주파수축과 시간축에 의한 삼차원으로 값을 취하여 표시하고,
    솎아진 주파수에 대하여 보간처리를 실시하여 얻어지는 호흡 임피던스를 상기 삼차원에 값을 취하여 표시할 경우에 포함시킨 화상을 작성하여 표시하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 표시방법.
12. 제 11 항에 있어서,
    시간축방향의 길이를, 날숨과 들숨의 조를 적어도 2개조 반복하는 길이로 하여, 화상을 작성하여 표시하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 표시방법.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    임피던스 값의 대소를 색의 변화 또는 농담 변화에 의해 표현한 화상을 작성하여 표시하는 것을 특징으로 하는 호흡 임피던스 표시방법.

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