KR101981282B1 - 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치는, 수액을 수용하는 점적통의 외부면에 수액 점적이 낙하하는 종방향으로 간극을 두고 배치되어 상기 종방향으로 전기장을 형성하는 두개 이상의 도체로 형성되어 상기 수액 점적의 낙하에 따른 전기장 변화를 나타내는 센싱 신호를 출력하는 근접 감지 센서; 및 상기 센싱 신호를 입력받아 수액 점적의 낙하여부를 판별하고 그에 따른 수액 점적 검지 정보를 출력하는 센싱신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치 및 방법{Intravenous Infusion Monitoring Sensor and method Based on Longitudinal Electric Field Proximity Sensing Technique }

본 발명은 수액 주입 측정 센싱 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기장을 이용하여 수액 주입을 측정하면서 센서의 감도를 향상시켜 실사용 환경에서도 우수한 성능과 높은 신뢰성을 제공할 수 있는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치 및 방법에 관한 것이다.

정맥주사(IV infusion)를 이용하여 질환을 효과적으로 치료하기 위해서는 환자 정맥에 주입되는 수액 종류와 함께 환자 연령 및 건강 상태, 질환 종류 등을 종합적으로 고려하여 주입 속도(drip rate)를 조절하는 것이 중요하다(F. C. Flack and T. D. Whyte, "Variations of drop size in disposable administration sets used for intravenous infusion", J. Clin. Path., Vol. 28, 510-512, 1975). 또한 수액이 소진된 빈 수액 세트(IV set)가 장시간 환자에게 연결된 채 방치되지 않도록 주의해야 한다(H. S. Park, T. Y. Kim, E. S. Jung, K. W. Seong, M. N. Kim, and J.-H. Cho, "Optical Sensor of Coplanar Structure Study and Design for Intravenous Solution Exhaustion Alarm System", J. Sensor Sci. & Tech., Vol. 24, No. 2, pp. 113-118, 2015).

상기 수액의 주입 속도는 사용자가 설정하는 시간당 낙하 점적 수 및 수액 세트(점적통)의 점적 계수(drip factor) 즉, 체적당 점적 수(drops/ml)를 이용하여 계산할 수 있다. 이에 수액 세트를 사용할 경우, 단위 시간당 점적통으로 낙하하는 점적 수를 정확히 헤아릴 수 있으면 주입 속도를 계측할 수 있다(V. V. Kamble, P. C. Pandey, C. P. Gadgil, and D. S. Choudhary, "Monitoring of Intravenous Drip Rate", in Proc. Of ICBME, Dec 21-24, 2001, pp 51-55).

이에 종래에는 수액 주입 속도와 주입 상태 등을 모니터링하기 위해 다양한 수액 주입 측정 시스템들이 개발되었다. 예를 들어 수액 주입 감지 센서 모듈을 수액 세트의 점적통(drip chamber) 겉면에 결합하여 사용함으로써 분당 낙하 점적 수(drops/min)를 계측하는 기술이 제안되었다.

또한 주입 속도 및 주입 상태를 실시간으로 원격 모니터링하기 위해 수액 주입 측정 시스템에 다른 장치 등으로 정보를 전달할 수 있는 통신 모듈을 부가적으로 사용하기도 했다. 이때 효과적인 관리와 환자 이동 편의성을 높이기 위해 센서 모듈과 통신 모듈은 대부분 소형 배터리로 구동되었다(P. Bustamante, G. Solas, K. Grandez, U. Bilbao, "A new Wireless Sensor for Intravenous Dripping Detection", Int. J. on Adv. In Networks and Services, Vol 3, No 1&2, 2010).

상기한 수액 주입 측정 시스템의 핵심 요소인 수액 주입 감지 센서는 초음파, 광파(빛), 전기장 등 다양한 방식이 채용되었으나, 각 센서의 특성에 따라 각기 다른 장단점을 가지고 있다.

예를들어, 초음파를 이용한 방식은 외부 진동이나 환자 이동 등으로 인한 외란에 취약한 단점이 있다. 그리고 광파(빛)를 이용한 방식은 광원에서 지속적으로 방출되는 빛을 수광 소자가 감지하여 수액 주입상태를 모니터링하는데, 점적통이 기울어진 상태로 수액이 주입되면 오작동 우려가 높고, 외부 주변광의 세기에 따라 측정 정확도가 낮아지는 문제점이 있다(D.R. Kirkby, P.J. Hillson and C.A. Mosse, "Capacitance sensing drop counter", J. Biomed. Eng., Vol. 11, Issue 2, pp. 166-169, 1989.). 특히, 상기 광파를 이용한 방식은 센서 동작 과정에서 광원이 지속적으로 빛을 방출하므로 전력 소비가 크므로, 배터리로 구동되는 수액 주입 측정 시스템의 치명적인 단점으로 지적되고 있다.

그리고 전기장을 이용한 방식은 점적통 겉면에 커패시터 센서를 부착하고, 수액 점적(drop of fluid)이 중력에 의해 점적통 내에서 낙하하는 과정에서 초래되는 정전용량의 미세한 변화를 감지하는 방식이다. 이러한 방식은 초음파나 광파를 이용하는 방식에 비해 충격이나 주변광 등 외부 요인에 의한 오작동 가능성이 낮은 장점이 있다. 특히 커패시터 센서가 작동하는 과정은 다른 방식에 비해 전력 소비가 현저히 적을 뿐만 아니라 비교적 간단한 전자소자들만 이용하여 구성이 가능하므로 배터리로 동작하는 초소형 수액 주입 측정 시스템을 구현하기에 적합한 장점이 있었다. 하지만 전기장 활용 커패시터 센서는 실사용 환경에서 감지 성능이 제한될 가능성이 높다. 즉, 수액세트의 작은 원통형 점적통에 제한된 구조로 커패시터 센서를 결합하여 구현할 수밖에 없기 때문에 유기되는 정전 용량이 적어 근본적으로 센서의 성능과 신뢰성이 낮은 문제점이 있었다(P. Bustamante, U. Bilbao, G. Solas, and N. Guarretxena, "A new wireless sensor for intravenous dripping detection", in Proc. of Int. Conf. on Sensor Technologies and Applications, Valencia, 2007, pp. 30-35.).

종래의 수액 주입 감지를 위한 커패시터 센서에 대해 좀더 상세히 설명한다.

전기장 방식으로 수액 주입을 감지하는 커패시터 센서는 수액과 공기의 유전율 차이에서 기인하는 정전 용량 변화를 이용하여 수액을 감지한다. 상기한 정전 용량 변화를 감지하는 커패시터 센서는 원통형의 점적통 겉면에 서로 마주보며 배치된 두 도체판과 정전 용량을 측정하기 위한 전자 소자들로 구성될 수 있으며, 이를 예시한 것이 도 1이다.

이와 같은 커패시터 센서에서 두 도체판은 커패시터 전극(electrode)으로 작용하며, 중력에 의해 점적통 내에서 낙하하는 수액 점적들은 이 두 전극 사이를 통과하도록 구성된다.

공기보다 유전율이 높은 일정 부피의 점적이 두 전극 사이를 통과할 때마다 커패시터 정전용량은 미세하게 변화되며, 이 변화를 토대로 수액 주입 속도 및 주입 상태 모니터링에 필요한 정보를 획득할 수 있다.

종래의 수액 주입 감지를 위한 커패시터 센서는 점적통 겉면에 결합되어 사용되기 때문에 원통형 점적통 구조가 센서 성능을 결정하는 중요한 요소가 되었다.

도 1은 일반적으로 널리 사용되는 원통형 점적통을 예시한 것으로, 상기 원통형 점적통은 높이(L) 50 mm, 내경(D) 15 mm 내외이고, 두께(T)가 약 1 mm 내외인 폴리염화비닐(PVC: Polyvinyl chloride) 소재로 제작되며, 수액 점적의 크기를 결정하는 점적계수는 20 drops/ml이다.

이러한 점적통을 이용한 수액 주입시에서는 점적통의 약 절반(HL=25mm) 정도까지 수액을 채워 사용하며, 육안으로도 점적통을 통해 점적이 낙하하는 상황을 관찰할 수 있어야 하기에 점적통 겉면에 부착되는 수액 주입 감지 커패시터 센서의 전극 높이(H)는 현실적으로 10mm 내외로 제한되었다.

이러한 구조적 특성으로 인해 커패시터 센서의 정전용량은 수 pF을 넘지 않고, 특히 점적통 직경에 비해 점적 크기도 상대적으로 작기 때문에 점적이 커패시터 센서의 두 전극 사이를 통과할 때 초래되는 정전용량 변화도 매우 작다.

예를 들어 설명하면, 현재 널리 사용되는 점적계수 20 drops/ml인 점적통을 가정하면 구형 점적 직경은 약 4.6 mm로 점적통 내부 직경의 약 30% 수준이고, 수액 점적 통과시 초래되는 정전 용량 변화는 수 fF 정도로 매우 작다.

상기한 수액 주입 감지를 위한 커패시터 센서의 성능을 정량적으로 분석하기 위해 도 1에 예시한 조건에서 두 전극의 크기 및 형태를 결정하는 각(θ)의 변화에 따른 정전용량 및 정전용량 변화를 전산 모의(simulation)하였으며, 그 결과를 도 2에 나타냈다. 이때 수액은 이상적인 경우를 가정하여 원통형 점적통의 종축(z축) 중 따라 낙하하고, 점적은 완전한 구형으로 유전상수(dielectric constant)가 81인 증류수라 가정하였다. 또한 커패시터 센서의 중간 지점(H/2)이 점적통 밑면에서 40 mm(윗면에서 10 mm) 지점에 위치하도록 커패시터 센서를 설치하였다고 가정하였으며, 수액 점적이 낙하하여 커패시터 센서의 중간 지점(H/2)에 존재하여 감지되는 경우(Cw/drop)와 수액 점적이 커패시터 센서 영역에 없는 경우(Cw/o drop)의 정전용량을 각각 나타냈다.

상기 커패시터 센서의 전극 형태를 결정하는 각(θ)이 커지면 전극 면적도 증가하므로 커패시터 센서의 정전용량도 증가하지만, 최대 0.7 pF를 넘지 않았다. 특히, 커패시터 센서 감지 영역에 수액 점적 유무에 따른 정전용량 차이(difference)를 낙하하는 수액 점적을 감지하기 위한 센서의 감도(sensitivity)라 정의하면 감도는 2.2 ~ 7.1 fF 범위였다. 특히, 감도는 전극 형태 및 크기를 결정하는 각(θ)이 150도일 때까지는 증가하지만, 그 이상에서는 큰 변화가 없는데, 이는 설계 개선 등의 방법으로 커패시터 센서의 감도를 향상시키는 데 한계가 있음을 의미한다.

참고로 상기 전산모의를 위해 COMSOL　사의 3차원(3D) 다중 물리 해석 소프트웨어 툴을 사용하였다. 예를 든 수액 주입 감지를 위한 커패시터 센서에 대해 전산 모의를 통해 얻은 결과는 비슷한 조건에서 실험을 통해 계측한 결과들과 일치하였으며, 커패시터 센서에 유기되는 것과 같이 간단한 구조의 정전장(Electro-static field)에 대한 전산모의 결과는 정확도가 매우 높은 것으로 알려져 있다(M. Z. Aslam and T. B. Tang, "A High Resolution Capacitive Sensing System for the Measurement of Water Content in Crude Oil", Sensors, vol. 14, pp. 11351-11361, 2014. ).

상술한 바와 같이 전기장을 이용한 커패시터 센서는 초음파나 광파를 이용하는 방식에 비해 충격이나 주변광 등 외부 요인에 의한 오작동 가능성이 낮고 전력 소비가 현저히 적을 뿐만 아니라 비교적 간단한 전자소자들만 이용하여 구성이 가능하므로 배터리로 동작하는 초소형 수액 주입 측정 시스템을 구현하기에 적합한 장점이 있으나 감도를 향상시키는 데에는 한계가 있었다.

이에 종래에는 전기장을 이용한 센서의 장점들은 그대로 유지한채 감도를 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 절실하게 요망되었다.

한국공개특허 제10-2016-0059499호 일본등록특허 제4405147호 일본공개특허 제2005-074215호

본 발명은 전기장을 이용하여 수액 주입을 측정하면서터 센서의 감도를 향상시켜 실사용 환경에서도 우수한 성능과 높은 신뢰성을 제공할 수 있는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치는, 수액을 수용하는 점적통의 외부면에 수액 점적이 낙하하는 종방향으로 간극을 두고 배치되어 상기 종방향으로 전기장을 형성하는 두개 이상의 도체로 형성되어 상기 수액 점적의 낙하에 따른 전기장 변화를 나타내는 센싱 신호를 출력하는 근접 감지 센서; 및 상기 센싱 신호를 입력받아 수액 점적의 낙하여부를 판별하고 그에 따른 수액 점적 검지 정보를 출력하는 센싱신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 전기장을 이용하여 수액 주입을 측정하면서 센서의 감도를 향상시켜 실사용 환경에서도 우수한 성능과 높은 신뢰성을 제공할 수 있는 효과를 야기한다.

도 1은 종래 기술에 따른 수액 주입 측정을 위한 커패시터 센서의 구조도.
도 2는 종래 기술에 따른 수액 주입 측정을 위한 커패시터 센서의 성능을 정리한 표.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치의 구성도.
도 4는 도 3의 근접 감지 센서의 구조도.
도 5는 종래 기술에 따르는 커패시터 센서와 본 발명에 따르는 근접 감지 센서의 전기장 형성예를 도시한 도면.
도 6 내지 도 9는 종래 기술에 따르는 커패시터 센서와 본 발명에 따르는 근접 감지 센서의 성능을 정리한 표.

본 발명은 전기장을 이용하여 수액 주입을 측정하면서 센서의 감도를 향상시켜 실사용 환경에서도 우수한 성능과 높은 신뢰성을 제공할 수 있다.

좀더 설명하면, 수액 주입 측정 시스템이 실제로 사용되는 환경에는 다양한 외란 요인이 존재한다.

이에 본 발명은 수액 낙하 방향을 따라 일정 간극을 두고 점적통 겉면에 상하로 두 도체를 부착한 근접 감지 센서를 제안한다. 이 근접 감지 센서는 수액 낙하 방향과 동일한 종방향 전기장(longitudinal electric field)이 형성하며, 이 종방향 전기장은 수액 낙하에 따라 변화된다. 이에 상기 근접 감지 센서는 수액 점적의 낙하에 따라 변화되는 센싱신호를 생성하여 출력할 수 있다. 이러한 근접 감지 센서는 점적통의 종축 방향으로 전기장을 유도하고 두 도체의 간극을 비교적 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 큰 정전용량 및 높은 감도를 얻을 수 있게 한다.

특히, 본 발명에 따르는 근접 감지 센서는 종래의 커패시터 센서에 비해 수액세트가 실제 사용되는 환경에서 상대적으로 더 우수한 성능을 제공할 수 있다. 즉, 점적통이 기울어져 수액 점적이 점적통의 횡단면 중앙점로 낙하하지 않는 경우에도 높은 감도로 수액 주입 감지가 가능하고, 다양한 점적계수에 따라 수액 점적의 크기가 다른 수액 세트에 대해서도 감도 열화없이 사용할 수 있게 한다.

또한 본 발명에 따르는 근접 감지 센서는 설치 위치나 점적통 내부에 잔류하는 수액의 높이에 상관없이 일정 수준 이상의 감도를 제공하므로 수액 주입 측정 시스템에 대한 전문적인 지식이 없어도 쉽게 사용할 수 있게 한다.

이와 같이 본 발명은 종방향 전기장을 이용한 근접 감지 방식을 활용하여 종래의 커패시터 센서보다 우수한 성능을 나타낸다. 이러한 본 발명에 따르는 근접 감지 센서의 특성은 실사용 환경에서 보다 신뢰성이 높고, 사용이 편리한 수액 주입 측정 시스템을 구현할 수 있게 한다.

<종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치의 구성>

상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치의 구성을 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.

상기 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치는 근접 감지 센서(100)와 센싱신호 처리부(102)와 전원부(104)로 구성된다.

상기 근접 감지 센서(100)는 두개의 도체로 구성되어 점적통에 설치되어 수액 점적의 낙하방향과 동일한 종방향의 전기장을 형성하고, 상기 점적통내에서의 수액 점적의 낙하를 지시하는 센싱신호를 출력한다. 상기 센싱신호는 상기 센싱신호 처리부(102)로 제공된다.

상기 센싱신호 처리부(102)는 상기 센싱신호로부터 수액 점적의 낙하를판별하고 그 판별에 따르는 수액 점적 낙하 검지정보를 출력한다. 상기 수액 점적 낙하 검지 정보는 수액 주입 측정을 위해 사용되며, 미도시된 통신모듈을 통해 외부로 전송될 수도 있다. 또한 이러한 센싱신호 처리부(102)는 커패시터 센서가 출력하는 센싱신호로부터 수액 점적 낙하를 검지하는 기술이 공지된바 그 상세한 설명은 생략한다.

상기 전원부(104)는 상기 근접 감지 센서(100)와 센싱신호 처리부(102)로 구동전원을 공급한다.

<근접 감지 센서의 구성>

상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 근접 감지 센서(100)의 구성 및 구조를 도 4를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.

상기 근접 감지 센서(100)는 제1 및 제2도체(200,202)로 구성된다.

상기 제1 및 제2도체(200,202)는 수액(302)이 수용되는 점적통(300)의 외부면에 수액 낙하 방향(z축)인 종축을 따라 일정 간극(G)만큼 이격된 상태로 부착된다.

상기 제1 및 제2도체(200,202)는 반드시 완전한 링(ring) 형태일 필요는 없지만, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 도체링(conductor ring)을 채용한다.

상기 제1 및 제2도체(200,202)의 폭(H1,H2)은 반드시 동일할 필요가 없지만 제조 및 구성의 간소화를 위해 동일하게 정해질 수 있다.

상기 제1 및 제2도체(200,202) 사이의 간극(G)은 사용 환경에 따라 가변될 수 있다.

또한 제1 및 제2도체(200,202)의 설치 위치 역시 사용 환경에 따라 가변될 수 있다.

<근접 감지 센서의 기능>

상기한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 근접 감지 센서(100)의 기능을 종래의 커패시터 센서와 대비하여 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근접 감지 센서(100)는 종래의 커패시터 센서와 동일하게 수액에 의한 자기장 세기의 변화를 감지하는 방식으로 작동한다. 그러나 본 발명의 근접 감지 센서(100)는 링형태의 제1 및 제2도체(200,202)가 점적통(300) 겉면에 수액 낙하 방향(Z축)인 종축을 따라 상하로 배치된 이유로 여러 가지 다른 특성을 나타낸다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 근접 감지 센서(proximaty sensor)(100)와 종래의 캐패시터 센서(capacitor sensor)의 특성을 예시한 도 5를 참조하면, 커패시터 센서는 수액 낙하 방향에 대해 횡방향의 전기장(lateral electric field)을 형성하고, 근접 감지 센서(100)는 수액 낙하 방향과 동일한 종방향 전기장(longitudinal electric field)을 형성한다.

이와 같이 점적통(300)에 전기장이 형성된 상태에서 수액 점적은 점적통(300)의 상부에서 하부로 낙하되어 수용된다. 여기서, 상기 수액 점적은 캐패시터 센서가 설치된 경우에는 두 도체 사이를 통과하는 데 반해, 근접 감지 센서가 설치된 경우에는 상하로 배치된 두 도체링을 순차적으로 통과한다.

다시 말해, 본 발명의 근접 감지 센서(100)에서는 수액 점적이 두 도체링에 의한 주변 전기장(fringe electric filed) 영역을 통과하게 되며, 이 과정에서 수액 점적이 도체링에 근접하였음 감지한다. 즉 본 발명의 근접 감지 센서(100)는 가장자리 전기장을 이용한 근접 감지(proximity sensing) 방식으로 동작한다. 따라서 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)는 종방향 전기장을 이용한 근접 감지 센서라 할 수 있다.

또한 본 발명은 근접 감지 센서(100)는 링형태의 제1 및 제2도체(200,202) 사이의 간극(G)을 점적통(300) 구조에 사실상 제한받지 않고, 임의로 조절할 수 있다. 이는 근접 감지 센서 모듈의 설계에 대한 자유도를 높여줌과 아울러 설계 최적화를 통해 감도를 높일 수 있게 한다.

<근접 감지 센서의 성능>

<간극 변화에 따른 센서 특성>

본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 근접 감지 센서(100)의 성능을 검증하기 위해 종래 커패시터 센서와 동일한 조건에서 전산 모의를 통해 정전용량 및 센서 감도 등을 분석하였다. 이때 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)를 구성하는 링 형태의 제1 및 제2도체(200,202)의 폭(H1, H2)은 5mm로 동일하다고 가정한 후, 제1 및 제2도체(200,202)의 간극(G)을 변화시키면서 전산모의로 구한 결과를 도 6에 나타내었다. 수액 점적이 낙하하여 근접 센서 모듈(100)의 중간 지점(H/2)에 존재하는 경우(Cdrop)와 그렇지 않은 경우(Cair) 대해 각각 정전용량을 구하고, 두 경우를 비교하여 근접 감지 센서(100)의 감도에 해당하는 정전용량의 변화를 계산하였다. 또한 종래의 커패시터 센서에서 전극 크기 및 형태를 결정하는 각(θ)이 150도일 때, 정전용량 및 감도를 전산모의를 통해 구한 결과도 함께 도시하였다.

상기 도 6을 참조하면, 종래 커패시터 센서에서 정전용량은 수액 점적이 있는 경우와 없는 경우 모두 약 0.66 pF이고, 감도는 약 0.71fF인데 반해, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 근접 감지 센서(100)의 정전용량과 감도는 종래 커패시터 센서에 비해 큰 편으로, 제1 및 제2도체(200,202) 사이의 간극이 1mm인 경우, 정전용량은 수액 점적이 있는 경우와 없는 경우 모두 약2.2 pF이고, 감도는 약 8.4fF이었다.

또한 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)에서 제1 및 제2도체(200,202) 사이의 간극이 5mm까지 증가하더라도 정전용량과 감도는 모두 종래 커패시터 센서보다 큰 것으로 나타나 성능이 더 우수한 것으로 분석되었다.

특히 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)의 구현에서 있어서 제1 및 제2도체(200,202) 사이의 이격거리인 간극은 중요한 요소인데, 상기 간극이 1~5mm인 구간에서 정전용량은 간극이 증가할수록 감소하지만, 센서의 감도는 큰 변동을 나타내지 않았다. 이는 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)에서 좁은 간극의 두 도체(200,202)를 구현하는 과정에서 일부 오차가 발생하더라도 이 오차와 상관없이 일정한 성능(감도)을 제공할 수 있음을 의미한다.

이와 같이 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)는 제1 및 제2도체(200,202) 사이의 거리를 임의로 조절할 수 있고, 유기되는 정전용량과 감도가 동일한 방식으로 수액 점적에 의한 전기장 세기 변화를 감지하는 종래 커패시터 센서에 비해 크기 때문에 보다 우수한 성능의 수액 주입 감지 측정 시스템을 구현하는데 적합하다.

<수액 점적 낙하 위치 이탈에 따른 감도>

종래 커패시터 센서는 동작 조건에 따라 성능 변동이 심하기 때문에 실제 사용 과정에서 오작동할 가능성이 높았다. 예를 들어, 점적통이 수직으로 똑바로 세워진 상태가 아니면 낙하하는 수액 점적이 전극 사이를 통과하는 횡단면 위치가 달라져 감도가 나빠졌다. 전산모의에서 가정한 바와 같이 센서 모듈의 중간 지점(H/2)이 점적통 밑면에서 40mm에 위치하도록 설치한 경우, 점적통이 약 11.7도만 기울어져도 해당 지점에서 점적이 통과하는 횡단면 위치는 약 2mm 정도 달라진다. 이는 점적통 내부 반경이 7.5mm이고, 점적 직경이 수mm인 점을 고려하면 매우 큰 변동에 해당된다. 따라서 실사용 환경에서 환자의 움직임이나 수액 주입 세트에 가해지는 외력 등에 의해 점적통이 기울어지는 경우에는 커패시터 센서의 신뢰성이 낮은 문제가 있었다.

이러한 실사용 환경에서 발생할 수 있는 문제점에 대해 근접 감지 센서(100)의 성능이 어떻게 달라지는지를 확인하기 수액 점적이 통과하는 위치가 점적통(300)의 횡단면 중앙점에서 x축 및 y축 방향으로 벗어(deviation)나는 정도에 따른 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)의 감도를 전산모의를 통해 구하여 도 7에 나타냈다. 참고로 점적 부피와 점적통(300) 내경을 고려하면 수액 점적이 통과하는 위치가 횡단면 중앙점으로 약 5.2 mm 벗어나면 점적이 점적통(300) 내면에 닿게 되므로 이탈 거리의 최대값은 이 값으로 제한하였다. 상기 도 7을 참조하면, 종래 커패시터 센서는 수액 점적의 위치뿐만 아니라 횡단면 중앙점으로부터 이탈된 방향에 따라서도 감도 변동이 매우 급격하게 나타났는데, 수액 점적이 y축 방향으로 벗어나면 전기장 세기가 상대적으로 강한 영역을 수액 점적이 통과하므로 감도가 증가하지만, x축 방향으로 벗어나면 전기장 세기가 상대적으로 약한 영역을 수액 점적이 통과하므로 감도가 25% 정도 감소한다. 이에 반해 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)는 횡단면 중앙점으로부터 이탈 방향에 관계없이 오직 이탈된 거리에 의해서만 감도 변화가 일어나는데, 이탈 거리가 증가할수록 상대적으로 수액 점적이 전기장이 더 강한 영역을 통과하므로 오히려 감도는 증가한다. 또한 종래 커패시터 센서에 비해 모든 경우에 대해 감도가 우수한 것으로 나타났다. 이는 점적통(300)이 기울어진 조건에서도 본 발명에 따르는 근접 감지 센서(100)를 사용하면 감도 감소가 없음을 의미하며, 실사용 환경에서 높은 신뢰성을 제공할 수 있음을 의미한다.

또한 본 발명에 따르는 근접 감지 센서에서 점적이 횡단면 중앙점을 통과할 때 감도가 가장 낮고, 방향에 관계없이 오직 이탈 거리에 따라 감도 변화가 결정되므로 이러한 특성을 이용한 점적통이 기울어져 있는 상태 등을 감지하는 것도 가능하게 된다. 이는 실사용 환경에서 수액세트의 종류별로 별도의 수액 주입 감지 센서를 구비할 필요가 없다는 것을 의미하며, 비용절감과 활용성 측면에서 우수한 특성을 가지고 있음을 의미한다.

<센서와 잔류 수액 이격 정도에 따른 센서 감도>

그리고 전기장 세기 변화를 감지하도록 동작하는 센서 주변에 반드시 형성되는 주변 전기장이 센서 감도 등에 영향을 미칠 수 있으므로 이를 고려할 필요가 있다. 특히 센서를 이용하여 점적통(300) 내로 낙하하는 수액 점적에 의한 전기장 세기 변화를 감지함에 있어서 점적통(300) 하단에 채워진 수액 잔량이 영향을 미칠 수 있다. 즉, 점점통(300) 하단에 채워진 수액은 공기와 유전율이 다르므로 센서의 주변 전기장 분포를 변화시키고, 이로 인해 센서 감도 등이 영향을 받게 된다.

일반적으로 센서는 점적통(300)에서 수액이 채워지지 않은 상태에 설치되는데, 그 위치는 사용자에 의해 빈번하게 달라질 수 밖에 없고, 이로 인해 주변 전기장 분포에 영향을 미치는 점적통(300) 내의 수액 잔류 영역과 센서의 이격 거리도 수시로 변하게 된다.

또한 사용자가 센서를 정해진 위치에 설치할 수 있다고 하더라도 점적통(300) 내에 잔류하는 수액의 높이도 조작에 따라 빈번하게 변하게 된다. 따라서 센서를 사용할 때마다 센서와 수액 잔류 영역(수액 높이)과의 이격 거리를 정확히 조절하는 것이 불가능하므로 센서의 안정적 동작과 신뢰성 확보를 위해 이격 거리가 미치는 영향을 분석할 필요성이 있다.

상술한 전산모의와 동일한 조건에서 점적통(300) 내에 잔류하는 수액의 높이만 변경하면서 센서의 감도를 분석한 결과를 도 8에 나타내었다. 참고로 이격 거리가 0인 경우는 잔류 수액 높이가 40mm인 경우로 종래의 커패시터 센서 및 본 발명에 따르는 근접 감지 센서의 중간 지점(H/2)의 중간 지점이 잔류 수액 높이와 일치함을 의미한다. 상기 도 8을 참조하면, 종래의 커패시터 센서는 이격 거리가 10mm 미만인 경우, 감도가 급속하게 감소하는데 반해 본 발명에 따르는 근접 감지 센서는 이격 거리에 관계없이 일정 수준 이상의 감도를 제공하는 것을 확인할 수 있다. 이는 종래의 커패시터 센서에는 상대적으로 큰 주변 전기장이 존재하는 반면, 본 발명에 따르는 근접 감지 센서에서는 주변 전기장의 상대적 크기가 작기 때문이다. 따라서 본 발명에 따르는 근접 감지 센서는 사용자의 조작에 크게 영향을 받지 않고, 일정한 수준의 감도를 유지할 수 있기에 사용 편의성이 매우 높음을 의미한다.

<점적 크기(점적계수) 변화에 따른 센서 감도>

그리고 수액 주입속도와 직접 관련된 수액세트 규격은 점적계수로 정의된다. 즉, 점적계수가 달라지면 한 점적의 부피(크기)가 달라지는데, 특정 점적계수를 가진 수액세트를 사용하면 분 당 낙하 점적 수만 사용자가 결정하면 수액 주입속도가 결정되게 된다.

이와 같이 점적계수가 다른 다양한 수액세트가 사용되고 있는 현실을 감안하면 수액 주입 측정 시스템은 수액세트의 점적계수가 변하더라도 수액 점적을 잘 감지할 수 있는 바람직할 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 매크로 수액세트는 점적계수가 30 이하인 것이고, 점적계수가 증가하면 1ml의 수액을 더 많은 점적으로 나누어 주입하는 관계로 점적 부피는 감소한다. 수액 점적 부피가 감소하면 점적통에서 낙하하는 수액 점적에 의해 초래되는 정전용량 변화도 감소하기 때문에 센서 감도도 감소할 가능성이 있다.

따라서 다양한 수액세트에 적용할 수 있는 수액 주입 감지 시스템을 구현하기 위해서는 높은 점적계수 즉, 수액 점적 크기가 감소하더라도 최악의 조건(worst case)에서 일정 수준 이상의 감도를 유지할 수 있는 센서가 필요하다.

이에 전산모의를 통해 점적 크기를 결정하는 점적 계수에 따른 수액 주입 감지 센서의 감도 변화를 분석하여 그 결과를 도 9에 나타내었다. 여기서, 점적은 완전한 구형이라 가정하면 점적 계수가 15이면 점적 반경은 약 2.5 mm이고, 40이면 1.8 mm에 해당한다. 상기 도 9를 참조하면, 상기 점적 계수가 증가하면 종래의 커패시터 센서와 본 발명에 따르는 근접 감지 센서 모두 감도가 나빠지지만, 모든 경우에 대해 근접 감지 센서의 감도가 더 우수한 것으로 나타났다. 상기 점적 계수가 40인 조건에서도 본 발명에 따르는 근접 감지 센서의 감도는 4.5 fF으로 종래의 커패시터 센서의 약 1.9배 수준이며, 이는 일반적인 전자소자 및 회로를 이용하여 감지 가능한 수준이다. 특히, 점적계수가 15에서 40으로 증가할 때, 종래의 커패시터 센서의 감도는 70%나 감소하지만, 본 발명에 따른 근접 감지 센서는 57%만 감소하므로 본 발명에 따르는 근접 감지 센서의 성능이 점적 크기 변화에 따라 덜 변동함을 알 수 있다.

본 발명에서는 종래의 커패시터 센서의 문제점을 두 개의 도체가 점적통에서 점적이 낙하하는 방향으로 일정 간극을 두고 상하로 배치되는 새로운 구조의 수액 주입 감지 근접 센서를 제안하고, 그 세부 성능을 전산모의를 통해 검증하였다.

본 발명에 따르는 근접 감지 센서에서는 종래의 커패시터 센서와 달리 점적통의 종축 방향으로 전기장이 유도되고, 두 도체의 간극을 비교적 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 큰 정전용량 및 높은 감도를 얻을 수 있었다.

또한 본 발명에 따르는 근접 감지 센서는 커패시터 센서에 비해 수액세트가 실사용 환경에서 상대적으로 더 우수한 성능을 제공할 수 있는 것으로 분석되었다. 즉, 점적통이 기울어져 수액 점적이 점적통의 횡단면 중앙점으로 낙하하지 않는 경우에도 높은 감도로 수액 주입 감지가 가능하고, 다양한 점적계수에 따라 점점의 크기가 다른 수액세트도 제안된 센서를 적용하면 큰 감도 열화없이 사용할 수 있음을 확인하였다.

또한 본 발명에 따르는 근접 감지 센서는 설치 위치나 점적통 내부에 잔류하는 수액의 높이에 상관없이 일정 수준 이상의 감도를 나타내므로 수액 주입 측정 시스템에 대한 전문적인 지식이 없어도 쉽게 사용할 수 있다.

이상과 같이 제안된 센서는 종방향 전기장을 이용한 근접 감지 방식을 활용하여 동일하게 수액에 의한 전기장 세기 변화를 감지하는 기존 커패시터 센서보다 우수한 성능을 나타낸다. 이러한 센서의 특성은 실제 사용환경에서 보다 신뢰성이 높고, 사용이 편리한 수액 주입 측정 시스템을 구현하는 핵심 기능을 수행할 수 있을 것이다.

100 : 근접 감지 센서
102 : 센싱신호 처리부
104 : 전원부

Claims (8)

1. 수액 주입 측정 센서 장치에 있어서,
   수액을 수용하는 점적통의 외부면에 수액 점적이 낙하하는 종방향으로 간극을 두고 배치되어 상기 종방향으로 전기장을 형성하는 두개 이상의 도체로 형성되어 상기 수액 점적의 낙하에 따른 전기장 변화를 나타내는 센싱 신호를 출력하는 근접 감지 센서; 및
   상기 센싱 신호를 입력받아 수액 점적의 낙하여부를 판별하고 그에 따른 수액 점적 검지 정보를 출력하는 센싱신호 처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 두개 이상의 도체는 상기 점적통의 외부면을 감싸는 링형태로 형성됨을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 간극은 사용 환경에 따라 변동되며, 1~5 mm 범위내로 정해짐을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 두개 이상의 도체는 동일 폭을 가진 링 형태임을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센서 장치.
5. 수액 주입 측정 센싱 방법에 있어서,
   수액을 수용하는 점적통의 외부면에 수액 점적이 낙하하는 종방향으로 간극을 두고 배치되어 상기 종방향으로 전기장을 형성하는 두개 이상의 도체로 형성되는 근접 감지 센서가 상기 수액 점적의 낙하에 따른 전기장 변화를 나타내는 센싱 신호를 출력하는 단계;
   센싱신호 처리부가, 상기 센싱 신호를 입력받아 수액 점적의 낙하여부를 판별하고 그에 따른 수액 점적 검지 정보를 출력하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센싱 방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 두개 이상의 도체는 상기 점적통의 외부면을 감싸는 링형태로 형성됨을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센싱 방법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 간극은 사용 환경에 따라 변동되며, 1~5 mm 범위내로 정해짐을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센싱 방법.
8. 제5항에 있어서,
   상기 두개 이상의 도체는 동일 폭을 가진 링 형태임을 특징으로 하는 종방향 전기장 근접 감지 방식의 수액 주입 측정 센싱 방법.

Images