KR102221527B1 - 임피던스 변화를 통해 검출되는 관절강 영역에 약물주입 또는 생검을 수행하는 관절강 검출 장치 - Google Patents

임피던스 변화를 통해 검출되는 관절강 영역에 약물주입 또는 생검을 수행하는 관절강 검출 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 체내 임피던스 변화를 기반으로 관절강을 검출하여 관절강에 약물 주입 또는 생검을 수행하는 관절강 검출 장치에 있어서, 길이 방향으로 신장된 중공형의 주사기 바늘을 구비하며, 상기 주사기 바늘의 말단에 전극이 마련되어, 일부가 체내로 삽입되는 주사기; 상기 전극에서 측정된 신호를 분석하여 임피던스를 산출하는 분석부; 및 산출된 임피던스가 관절강의 임피던스 범위에 속하는지 판단하는 판단부를 포함하여 관절강의 위치 검출을 통해 약물 주입 또는 생검이 가능한 것을 특징으로 한다.

Description

임피던스 변화를 통해 검출되는 관절강 영역에 약물주입 또는 생검을 수행하는 관절강 검출 장치{INTRA-ARTICULAR SPACE DETECTION DEVICE THAT INJECTS DRUGS OR PERFORMS BIOPSY IN THE AREA OF THE INTRA-ARTICULAR SPACE DETECTED THROUGH IMPEDANCE CHANGE}
본 발명은 관절강 검출 장치로서, 보다 상세하게는 체내 조직의 전기적 특성을 이용하여 목표 위치를 파악하고, 목표 위치에 약물을 주입하거나 조직을 채취하는 장치에 관한 것이다.
도 1은 두 개의 뼈와 그 사이에 형성된 관절강의 모습이다. 도 1을 참고하면, 관절강은 관절을 이루는 두 뼈 사이에 관절 주머니로 둘러싸인 공간임을 확인할 수 있다. 관절강 내 윤활액이 차 있어 운동을 원활하게 한다.
연골 악화는 골관절염(OA) 및 류마티스 성 관절염(RA)과 같은 다양한 종류의 관절염에서 전형적으로 발생하며, 환자의 삶의 질을 결정하는 데 큰 영향을 미친다. 골관절염은 관절을 지나치게 사용하거나 노화로 인한 퇴행성 변화로 인하여 연골이 닳는 질환이다. 연골은 두께가 3mm이며, 약하고 손상이 되면 자연스럽게 회복되지 않아 최대한 연골 손상을 예방하는 것이 최선이다. 관절염의 보존적인 치료로서 물리치료, 비스테로이드성 소염제, 진통제 투여, 주사치료, 운동요법 등이 사용된다.
그 중, 류마티스 관절염 및 골관절염 등의 관절 질환은 관절에 직접 주사를 주입하여 치료를 수행한다. 관절강 내 주사는 약물을 관절로 직접 주입함으로써 질병 활성도를 신속하게 약화시킬 수 있어 RA 및 OA와 함께 끈적끈적한 피막 염 및 관절질환 치료에 있어 중요한 치료요법이다. 다만, 관절강 내 주사의 효과와 부작용은 병변 내에 바늘이 정확하게 위치하여 목표로 하는 위치에 약물을 주입하였는가에 따라 결정된다. 그러나 주사기 주입에 의한 조직 손상이 바늘에 의해 직접적으로 발생할 수 있기 때문에 신경, 힘줄, 관절 연골, 혈관 등의 구조물과 바늘의 직접적인 접촉을 피하기 위한 각별한 주의가 필요하다.
특히, 관절강 내 주사 치료는 바늘 끝을 표적에 정확하게 맞추는 것이 중요하다. 바늘의 위치를 표적에 정확하게 맞추지 못하면 오진이 발생하고 치료가 지연되거나 효과가 나타날 수 있다. 그러나, 관절강 내 주사는 오래전부터 표면 해부학에 기초한 촉진을 통해 행해져 왔음에도, 시술자의 숙련도에 크게 영향을 받기 때문에 실제 관절강 내 주사의 성공률은 50% 정도밖에 되지 않는 문제점이 있다. 이는 시술자의 기술에 따라 결정되기 때문에 바늘의 직선 경로가 유지되지 않고, 바늘이 목표 위치에 도달하지 못할 수 있기 때문이다.
이에 주사의 정확성을 개선하기 위하여 컴퓨터 단층촬영, 자기 공명 영상, 형광 투시 및 초음파를 사용하여 실제 관절 내 분석 또는 바늘 주입 경로를 결정하는 데 도움이 되는 몇 가지 영상 기법이 사용된다. 이러한 방법은 주사기의 위치를 정확히 파악하지 않고 시술되는 일반적인 주사 치료보다는 유용하다.
그러나 이러한 방법에는 몇 가지 제한 사항이 있다. 초음파는 빠르고, 방사선이 방출되지 않는 장점이 있으나, 깊은 조직을 통과할 때 감쇠되므로 깊이에 따른 해상도의 한계가 있어 초음파만으로는 바늘 위치를 정확하게 식별하기가 어렵다. 또한, 초음파 촬영을 위해 시술자는 한 손으로 프로브를 잡아야 하므로, 주사기는 다른 한 손으로 조작할 수밖에 없다. 따라서 주사기를 섬세하게 조작하기 어렵다.
이미징 기술은 각도에 따라 바늘의 반사도가 상이하며, 특정 각도에서 특히 바늘의 반사도가 높아 특정 각도에서 보이지 않는 문제가 있고, 바늘의 끝을 찾기 어렵다.
또한, 형광 투시 유도 주사는 바늘의 위치를 파악하는데 도움이 될 수는 있지만 피시술자에게 방사선이 노출되는 문제가 있고, 형광 투시는 신경이나 혈관과 같은 연조직을 관찰할 수 없다는 문제가 있다. 따라서 이렇게 영상을 이용한 주사 시술은 각각 한계를 가지고 있어 정확한 바늘의 위치를 파악하여 주사하기 어려운 실정이다.
이에 본 출원인은 체내의 각 조직에 따라 임피던스가 다른 전기적 특징을 이용하여 임피던스 변화를 통해 관절강 영역의 위치를 정확하게 파악하여 관절강에 약물을 주입시킴으로써 관절강 내 주사치료의 정확도를 높이고자 한다.
한편, 생검은 세포, 조직 등을 검사용으로 추출하거나 조직 일부를 제거하여 질병의 존재나 확산 양상을 파악하는 것으로, 암 검진이나 염증성 질환에 대한 검사에 주로 활용된다. 생검에 있어서도 전술한 체내 약물 주입 치료와 유사하게 생검 바늘의 정확한 위치 파악이 요구되고, 생검 바늘이 채취하고자 하는 목표 조직에 정확히 도달하였는지 파악하는 기술이 요구된다.
본 발명은 관절강 검출 장치로서, 체내 관절강의 위치를 정확하게 파악하여 파악된 관절강에 약물을 주입하거나 조직성분을 채취할 수 있는 장치를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 체내 임피던스 변화를 기반으로 관절강을 검출하여 관절강에 약물 주입 또는 생검을 수행하는 관절강 검출 장치에 있어서, 체내로 삽입되는 길이 방향으로 신장된 중공형의 주사기 바늘과, 상기 주사기 바늘의 말단에 마련된 전극과, 관절강에 삽입될 약물을 담지하거나 채취된 생체 조직을 보관하는 몸체를 포함하는 주사기; 상기 전극을 통해 10Hz 이상 100kHz 이하의 주파수 범위에서 측정된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 푸리에 변환을 통해 변환된 주파수 신호로부터 임피던스를 산출한 후, 임피던스의 노이즈를 제거하고 저대역 필터를 사용하여 정규화 임피던스를 산출하는 분석부; 및 10Hz 이상 100kHz 이하의 주파수 범위에서 관절강 영역에 해당한다고 판단하는 기준인 임피던스 판단 범위를 800Ω 이상 26000Ω 이하에서 설정하며, 상기 분석부를 통해 산출된 정규화 임피던스가 상기 임피던스 판단 범위에 속하는지 판단하는 판단부를 포함하며, 상기 판단부는, 하기 [수학식 3]을 통해 상기 임피던스 판단 범위의 상한(UCL)과 하한(LCL)을 설정하는 것을 특징으로 한다. [수학식 3] UCL = μ + (σ×3), LCL = μ - (σ×3), (μ는 중앙 한계(CL)로서 복수의 임피던스의 평균을 의미하고, σ는 복수의 임피던스 표준편차를 의미한다.)
바람직하게, 상기 주사기는, 상기 몸체에 담지된 약물은 상기 주사기 바늘을 통해 관절강으로 주입되고, 상기 전극은 상기 주사기 바늘이 체내에 삽입된 위치에서의 전기 임피던스 신호를 측정하여, 상기 주사기 바늘의 말단이 관절강에 삽입된 경우 관절강에 약물을 주입할 수 있다.
바람직하게, 상기 주사기 바늘은, 길이 방향으로 절연층이 형성될 수 있다.
바람직하게, 상기 주사기 바늘은, 관절강 조직을 채취하며, 측면에 형성된 흡인 구멍을 통해 음압으로 채취한 관절강 조직을 흡인하고, 상기 주사기는, 상기 주사기 바늘에서 채취된 생체 조직을 저장하는 길이 방향으로 연장된 실린더를 더 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 분석부는, 상기 전극에서 측정된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 푸리에 변환을 통해 변환된 주파수 신호로부터 임피던스를 산출할 수 있다.
바람직하게, 상기 판단부는, 상기 분석부에서 산출된 임피던스 크기를 정규화한 후, 관절강 영역의 임피던스 크기의 상한 또는 하한 경계를 설정할 수 있다.
바람직하게, 상기 판단부는, 상기 분석부에서 산출된 임피던스가 10Hz 이상 100kHz 이하 범위의 주파수 범위에서 800Ω 이상 2600Ω 이하 범위에 속하는 경우 상기 전극이 관절강 영역에 위치하는 것으로 판단할 수 있다.
바람직하게, 상기 분석부에서 산출된 임피던스 값 또는 상기 판단부의 판단 결과를 표시하는 표시부를 더 포함하며, 상기 표시부는, 상기 전극이 관절강 영역에 위치하는 경우 알람, 색 변화 또는 소리를 통해 사용자에게 알릴 수 있다.
본 발명에 따르면, 체내 조직에 따라 각 위치에서의 임피던스를 실시간으로 측정할 수 있다. 본 발명은 종래의 관절강 주사치료가 갖는 관절강의 위치를 정확하게 파악하지 못하여 약물이 병변에 제대로 작용하지 못한다는 문제점을 해결할 수 있다. 즉, 체내 관절강 위치를 정확하게 파악할 수 있고, 파악된 관절강 영역에 약물을 주입함으로써 관절강 내 주사치료의 효과를 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명을 통한 관절강 주사 시술은 시술자의 경험에 의한 숙련도에 좌우되지 않는 장점이 있으며, 시술자는 주사기의 위치를 편하고 정확하게 파악할 수 있으므로 시술자의 편의가 향상되는 장점을 가진다.
다른 조직에 미치는 영향에 있어서도, 바늘이 체내 주입될 때 병변을 제외한 신경, 힘줄, 관절 연골, 혈관 등의 다른 조직과의 접촉을 최소화하여 부작용을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 체내 임피던스 변화는 약물 주입 여부뿐만 아니라 주입된 약물의 양에 의해서도 영향을 받으므로, 관절강에 약물이 주입됨에 따라 변화하는 임피던스를 관찰할 수 있다. 이를 고려하여 관절강에 주입되는 약물의 양을 조절할 수 있고 약물이 관절강에 모두 주입되었는지도 확인할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 채취하고자 하는 생체 조직에 주사기 바늘을 정확히 위치시킬 수 있으므로 생검의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 두 개의 뼈와 그 사이에 형성된 관절강의 모습을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 관절강 검출 장치의 구성도를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실험 예로서, 분석부에서 임피던스를 산출하는 과정을 나타낸 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 실험 예로서, 주사기 바늘이 삽입된 깊이에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 보다 상세하게 도 4a는 임피던스의 크기 분포 그래프이며, 도 5b는 임피던스 위상 분포 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험 예로서, 돼지 고기의 여러 조직 층에서의 임피던스 스펙트럼을 나타내며, 보다 상세하게 도 5a는 각 조직 층에서의 주파수에 따른 임피던스 크기 그래프이며, 도 5b는 정규화된 임피던스 크기 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실험 예로서, 주사기 바늘이 관절강 영역에 삽입된 모습을 나타낸 초음파 영상이다.
도 7은 본 발명의 실험 예로서, 1차 Low Pass Butterworth 필터 적용 전후에 주사기 바늘이 체내 피하 조직에서 관절강으로 이동할 때 100kHz에서 측정된 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실험 예로서, 관절강에 조영제를 주입하기 전(도 8a)과 후(도 8b)에 형광 투시법에 의한 X-선 이미지이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 관절강 검출 장치를 이용하여 관절강을 감지하는 과정을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.
본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 관절강 검출 장치(1)의 구성도를 나타낸다.
관절강 검출 장치(1)는 체내 임피던스 변화를 기반으로 관절강의 위치를 파악하여 관절강에 약물을 주입하거나 생체 조직, 보다 상세하게는 관절강 조직을 채취할 수 있는 장치이다. 관절강 검출 장치(1)는 주사기(11), 상대 전극(13), 분석부(15), 판단부(17) 및 표시부(19)를 포함할 수 있다. 관절강 검출 장치(1)는 주사기(11), 보다 상세하게 주사기 바늘(110)이 체내에 삽입되면서 위치에 따른 생체 조직의 전기적 임피던스 특성을 실시간으로 분석함으로써 생체 내에서 주사기 바늘(110)의 위치를 감지할 수 있는 비파괴적 시스템이다. 신체 조직은 수분 함량, 지방, 연속 조직 등의 조건에 따라 생물학적 특성이 결정되며, 이러한 특징으로 전기적 특성도 다양하게 나타날 수 있다. 본 발명은 그 중 특히 관절강 영역을 파악하고자 한다.
주사기(11)는 길이 방향으로 신장된 중공형의 주사기 바늘(110), 약물을 담지하는 몸체(113), 생체 조직을 저장하는 길이 방향으로 연장된 실린더(115)를 포함할 수 있다.
주사기 바늘(110)은 일부가 체내, 보다 상세하게는 관절경 영역에 삽입될 수 있으며, 말단에 전극(1101)을 구비할 수 있다. 몸체(113)에 담지된 약물은 주사기 바늘(110)을 통해 체내에 주입될 수 있다.
주사기 바늘(110)의 말단 또는 주사기 바늘(110)의 주변에 전극(1101)이 마련될 수 있다. 전극(1101)은 주사기 바늘(110)이 체내에 삽입됨에 따라 변하는 위치 또는 접촉하는 주변 세포의 전류 신호를 측정할 수 있다. 이때, 전극(1101)에 인가되는 전류는 임피던스 측정 대상 조직 및 관절강에 최소한의 손상을 주도록 약한 교류 전류가 사용될 수 있다.
또한, 주사기(11)는 전극(1101)에서 측정된 신호를 기반으로 관절강 영역에 약물을 주입하므로, 전극(1101)은 주사기 바늘(110)과 결합되어 일체형인 단극 주입 바늘로 형성될 수 있다.
주사기 바늘(110)은 말단의 전극(1101)이 마련된 부분을 제외한 그 이외의 부분에 외벽을 길이 방향으로 절연체로 둘러싸여 절연층(1103)을 형성할 수 있다. 따라서 절연층(1103)으로 인해 전극(1101)이 접촉하여 약물 주입의 목표가 되는 지점 이외의 부분은 표면이 절연되므로 다른 조직 또는 세포에 의한 전기적 영향을 차단할 수 있다.
또한, 주사기 바늘(110)은 말단의 날카로운 부분으로 생체 조직, 보다 상세하게는 관절강 조직을 절단할 수 있다. 주사기 바늘(110)의 측면에는 흡인 구멍이 형성될 수 있고, 흡인 구멍을 통해 절단된 조직을 음압으로 채취할 수 있다. 주사기(11)는 길이 방향으로 연장된 실린더(115)를 더 포함할 수 있으며, 실린더(115)는 주사기 바늘(110)에서 채취된 생체 조직을 저장할 수 있다.
분석부(15)는 전극(1101)에서 측정된 신호를 분석하여 임피던스를 산출할 수 있다. 분석부(15)는 전극(1101)에서 측정된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 푸리에 변환을 통해 변환된 주파수 신호로부터 임피던스를 산출할 수 있다. 분석부(15)는 전극(1101)의 위치 또는 깊이 변화에 따른 임피던스 변화를 모니터링하기 위해 특정 주파수와 샘플링 시간에 대해 연속적으로 임피던스 스펙트럼을 분석할 수 있다.
분석부(15)는 전극(1101)으로부터 발생되는 응답 신호를 아날로그로 수신하되 응답 신호로부터 세포의 임피던스 측정을 위한 진폭과 위상 특성은 디지털로 분석할 수 있다. 분석부(15)는 전극(1101)으로부터 발생된 아날로그의 응답 신호를 수신하고, 응답 신호를 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이때 분석부(15)는 컴퓨터 버스를 포함하여, 컴퓨터 또는 별도의 포터블 디바이스 등의 메인보드에 카드처럼 꽂아 사용가능하고, 다양한 기기에 인터페이스를 연동시킬 수 있다.
또한, 분석부(15)는 ADC(analog to digital converter), DAC(digital to analog converter) 및 아날로그 전단(analog front end)를 포함할 수 있다. DAC는 Ag/AgCl를 상대 전극(13)으로 하여 생체 조직에서 단극 주사가 측정할 수 있는 10Hz부터 100kHz까지의 주파수 범위에서의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변화시킬 수 있다. ADC 채널은 전극(1101)의 입력 신호가 인가됨에 따라 아날로그의 응답 신호를 수신하여 디지털 신호로 변환할 수 있다.
또한, 분석부(15)는 주사기(11) 말단의 전극(1101) 위치를 신속하게 감지하기 위해 디지털 신호를 주파수 성분으로 변환함에 있어 이산 푸리에 변환(DFT)을 이용하여 세포의 임피던스 특성을 분석할 수 있다. 본 발명의 실시예에 있어, 신호 변환 및 DFT 변환은 LabVIEW 등의 프로그램을 기반으로 한 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)를 사용할 수 있다.
판단부(17)는 분석부(15)에서 산출된 임피던스가 관절강의 임피던스 범위에 속하는지를 판단할 수 있다. 판단부(17)는 분석부(15)에서 산출된 임피던스 크기를 정규화한 후, 관절강 영역의 임피던스 크기의 상한 또는 하한 경계를 설정할 수 있다.
판단부(17)가 판단의 기준으로 하는 임피던스는 체내 각 조직의 전기적 특성을 반영한다. 다양한 조직은 형태학적 구조와 수성 물질, 지방 및 순차적 조직과 같은 생물학적 조건에 의해 결정되는 생물 조직의 전기적 특성에 따라 분류될 수 있다. 그러므로 피부, 피하 지방, 근육 및 관절강은 임피던스를 포함하여 전도도 및 투과성과 같은 전기적 특성이 상당히 차이가 있다.
판단부(17)는 분석부(15)에서 산출된 임피던스가 10Hz 이상 100kHz 이하 범위의 주파수 범위에서 800Ω 이상 26000Ω 이하 범위에 속하는 경우 전극(1101)이 관절강 영역에 위치하는 것으로 판단할 수 있다.
표시부(19)는 분석부(15)에서 산출된 임피던스 값 또는 판단부(17)의 판단 결과를 표시할 수 있다. 표시부(19)는 전극(1101)이 관절강 영역에 위치하는 경우 색 변화 또는 소리를 통해 사용자에게 알릴 수 있다. 다만, 표시부(19)에서 임피던스 값 또는 판단 결과 등이 표시되는 방법은 이에 제한되지 않고 다양한 방법으로 가능하다.
[본 발명의 실험 례]
본 연구는 단극 전극을 사용하며 이산 푸리에 변환 (DFT)을 이용한 EIS(전기화학적 임피던스 측정법)와 관절강 내 약물 주사를 이용하여 주사기 바늘(110)이 관절 내 공간에 위치하도록 하는 알고리즘 및 관절강에 약물을 주입할 수 있는 장치에 관한 것이다.
본 연구는 돼지의 무릎, 팔꿈치 관절을 대상으로 실험하였는데, 돼지 조직의 전기적 특성(전도성, 유전 상수)이 인간의 피부와 유사하기 때문에 선택되었다. 본 연구에서 사용된 돼지는 체중이 약 32kg인 7개월된 암컷 돼지이며, 전신 마취를 후 실험이 진행되었다. 본 연구에서 단극 주사기 바늘(110)은 돼지의 무릎과 팔꿈치 관절의 슬개 아래 부위에 삽입되어 피부 피하 근육층을 통과하여 관절강으로 주입되었다.
본 연구는 인접 조직에 영향을 미치지 않고 정확하게 관절강을 감지하도록 전극(1101)을 제외한 주사기 바늘(110)에 절연층(1103)이 구비된 것을 전제로 한다. 본 연구에서 사용된 단극 주사기 바늘(110)을 2cm, 4cm, 6cm로 다양한 침지 깊이를 가질 때 임피던스 값의 변동의 영향을 보기 위해 실험하였다. 주사기 바늘(110)의 절연층(1103)은 말단의 전극(1101)을 제외하고 직경과 길이가 각각 0.64mm와 75mm이다. 전기 임피던스는 단극의 주사기 바늘(110)이 주입되는 동안 주변 조직에 의해 임피던스가 영향을 받지 않는지 확인하기 위해 다른 바늘을 0.9% 식염수 용액에 넣어 임피던스를 측정하였다.
주입되는 주사기 바늘(110)은 작동 전극으로 사용하는 2전극으로 구성되었으며, 10Hz ~ 100kHz의 주파수 범위에서 Ag/AgCl을 기준 전극(또는 카운터 전극)으로 사용하였다.
본 연구는 샘플링 시간 및 주파수를 각각 30ms와 100kHz로 설정하여 측정하였다. 관절강이 100kHz인 단일 주파수 영역에서 주사기 바늘(110)이 피부를 통해 관절강 내로 들어가는 동안 조직층의 임피던스 크기와 위치를 모니터링했다. 또한, 혈관과 민감한 조직을 보호하기 위해 초음파 검사를 함께 사용했고, 주사기 바늘(110)의 끝 부분도 초음파를 보완적으로 이용하였다.
관절강에 주사기 바늘(110)이 주입된 후 조영제를 주입하며 전기 임피던스를 측정하였고, 염료 주입 후 조영제가 관절강에 정확하게 주입되었는지 여부를 판단하기 위해 형광 투시법도 함께 사용하였다.
도 3은 분석부(15)에서 임피던스를 산출하는 과정을 나타낸 블록 다이어그램이다. 도 3을 참고하면, 본 연구의 분석부(15)는 (a)전압 제어 발진기를 통해서만 여기 신호를 생성하고, (b)효과적인 27 비트 직접 디지털 합성기 (DDS)를 가지고 있으며, (c)테스트 중인 장치를 통과하는 전류를 감지하여 임피던스를 산출한다. (DUT)내부 12 비트, 1MSPS 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 및 1024 포인트 이산 푸리에 변환(DFT) 엔진을 사용하여 전류를 전압으로 변환하여 실제 및 가상 임피던스 구성 요소를 분리한다.
추출된 실수 및 허수 값은 I2C 인터페이스를 통해 액세스할 수 있는 칩 레지스터에 저장된다. ARM Cortex-M4 마이크로 컨트롤러는 I2C 인터페이스를 통해 임피던스 측정 칩을 제어하는데 사용되며, 생물학적 샘플의 정확한 측정을 위해 외부 아날로그 프론트 엔드(AFE)가 포함될 수 있다.
LabVIEW 기반 프론트 엔드는 크기와 위상, 즉 실제 및 가상 구성 요소의 결과를 분석하기 위해 설계되었다. 개발된 프레임 워크는 시리얼 통신과 함께 LabVIEW를 사용하여 운영되었다. 본 연구의 관절강 검출 장치(1)는 단일 주파수 및 샘플링 시간에서 지속적으로 임피던스를 측정할 수 있다. 또한, 본 연구는 개발한 관절강 검출 장치(1)의 정확도를 저항-저항-커패시터(RRC) 회로를 통해 평가하여 검사하여 확인하였다.
본 연구의 판단부(17)는 분석부(15)에서 산출된 임피던스 데이터를 처리하여 관절강에 해당되는 임피던스 범위를 결정할 수 있다. 관절강에 삽입된 주사기 바늘(110)의 임피던스 크기(x)에 대한 유한 값의 집합을 ‘M’이라 하면, 하기의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다. 이때, x값은 샘플링 시간인 30ms 간격으로 일정하게 기록된 수치이다.
Figure 112020110461054-pat00001
주사기 바늘(110)을 체내 삽입할 때 노이즈가 발생하고, 노이즈는 임피던스 크기 값에 영향을 미친다. 이에 본 연구에서는 노이즈를 제거하고 임피던스 크기를 정규화하기 위해 Low Pass Butterworth 필터를 사용하였다. Low Pass Butterworth 필터는 하기의 [수학식 2]와 같이 차수(order, N) 및 차단 주파수(cutoff frequency, wn) 두 가지 매개변수로 표현될 수 있다.
Figure 112020110461054-pat00002
여기서는 측정 시스템의 시간 복잡도는 N의 증가와 함께 증가하기 때문에 측정 시스템을 향상시키기 위해 N=1로 고려했다. wn의 경우 여러번 시도하여 적정값으로 0.04로 결정하였다. Butterworth 함수는 각각 분자와 분모에 해당하는 두 개의 값, 즉 B와 A를 최종 정규화하였다.
크기 값을 정규화한 후 판단부(17)에서 관절강에 삽입된 주사기 바늘(110)의 임피던스 크기의 하한과 상한을 결정하였다. 식별 프로세스를 위해 중앙 한계(CL), 제어 상한(UCL) 및 제어 하한(LCL)을 설정하였다. 본 연구에서는 두 한계 사이에 데이터가 있을 확률이 99.73%임을 나타내는 표준 편차 3이 선정되었다. 측정된 임피던스 크기 값이 LCL보다 크거나 UCL보다 낮으면 삽입된 주사기 바늘(110)은 관절강에서 전류가 흐르지 않는다. 따라서, LCL, UCL과 체내 임피던스 변화의 관계는 측정된 체내 임피던스가 LCL보다 크고 UCL보다 낮은 범위인 경우는 주사기 바늘(110)이 관절강에 있음을 나타낼 수 있지만, 이 범위를 벗어난 경우에는 주사기 바늘(110)이 다른 조직층에 있음을 나타낸다.
UCL, LCL 및 CL은 하기의 [수학식 3]과 같이 정의될 수 있다.
Figure 112020110461054-pat00003
실험 결과
도 4는 본 발명의 실험 예로서, 주사기 바늘(110)이 삽입된 깊이에 따른 임피던스 스펙트럼을 나타낸 그래프이며, 보다 상세하게 도 4a는 임피던스의 크기 분포 그래프이며, 도 5b는 임피던스 위상 분포 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실험 예로서, 돼지 고기의 여러 조직층에서의 임피던스 스펙트럼을 나타내며, 보다 상세하게 도 5a는 각 조직층에서의 주파수에 따른 임피던스 크기 그래프이며, 도 5b는 정규화된 임피던스 크기 그래프이다. 관절강 영역을 검출하기에 앞서 도 4 및 도 5를 통해 조직층, 즉 주사기 바늘(110)이 삽입된 깊이에 따라 임피던스 수치가 변화함을 확인할 수 있다.
본 연구에 실험 결과, 관절강 검출 장치(1)는 10Hz ~ 100KHz의 주파수 범위에서 800Ω ~ 2600Ω 범위의 임피던스 크기를 보여 우수한 정확도를 가진다. 본 연구는 주사기 바늘(110)이 체내로 삽입되면서 전극(1101)의 위치에 변함에 따라 다양한 조직층에서의 임피던스를 빠르고 실시간으로 측정한다. 도 6은 주사기 바늘(110)이 관절강 영역에 삽입된 모습을 나타낸 초음파 영상이다. 본 연구에서는 실시간 임피던스 변화와 함께 초음파도 사용하여 주사기 바늘(110) 위치를 파악함으로써 정확도를 보다 높일 수 있다. 도 6의 빨간색 화살표를 참고하면, 주사기 바늘(110) 끝이 관절강에 위치했음을 확인할 수 있다.
하기의 [표 1]은 돼지의 무릎 및 팔꿈치 관절에서 측정된 임피던스 데이터의 평균 및 표준편차를 계산한 것이다.
Figure 112020110461054-pat00004
평균과 표준 편차에서 UCL, LCL, CL은 [수학식 3]을 사용하여 계산하였다. 그 결과, 팔꿈치와 무릎 관절의 임피던스 크기 사이에는 상당한 차이가 있다. 팔꿈치의 평균 임피던스는 무릎 관절보다 높고, 반대로 무릎 관절은 팔꿈치 관절에 비해 활액이 과다하여 전도성이 더 높았다.
도 7은 1차 Low Pass Butterworth 필터 적용 전후에 주사기 바늘(110)이 체내 피하 조직에서 관절강으로 이동할 때 100kHz에서 측정된 임피던스 변화를 나타낸 그래프이다. 도 7을 참고하면, 임피던스의 크기는 주사기 바늘(110)의 위치 변화에 따라 함께 변화하는 것으로 상관관계가 높음을 확인할 수 있다.
조영제를 관절강에 주입하고 조직 임피던스를 동시에 측정하는 단계는 다음과 같다. (a)주사기 바늘(110)이 8.85초 동안 피하 조직에 주입되는 단계, (b)주사기 바늘(110)이 10.77s부터 22.89s까지 약 12.12초 동안에 피하 조직에서 관절강으로 이동하는 단계, (c)조영제가 관절강으로 27.98초까지 로딩되는 단계로 진행된다. 본 연구는 각 단계에서 임피던스 크기의 변화를 측정하고 주사기 바늘(110) 위치를 초음파로 실시간 모니터링되었다.
주사기 바늘(110)이 피하 조직에 있는 8.85초 동안 임피던스 크기는 매우 높다. 그러나 바늘이 10.77s부터 22.89s 기간 후 피하 조직을 통과하여 관절강으로 들어가면 임피던스 크기는 피하조직의 임피던스 크기에 비해 감소한다. 그 후 관절강으로 조영제 로딩이 22.98s에 시작되면서 임피던스가 다시 약간 증가한다. 27.98s에서 관절강에서 염료 로딩 부피가 증가함에 따라 임피던스 크기가 급격히 증가한다.
전기 임피던스는 각 조직층마다 상당히 다르므로 임피던스 값의 변화를 모니터링함으로써 특정 조직에서의 바늘의 위치를 예측할 수 있다. 지방층의 전도도가 상대적으로 낮기 때문에 지방 조직의 전기 임피던스 크기는 근육보다 높다. 관절강은 다양한 체액을 함유하고 있어 높은 전도도를 가지므로 측정된 임피던스는 근육보다 낮다. 조영제의 전도도는 관절강 내부의 관절액 보다 낮기 때문에 조영제를 관절강에 주입하는 동안 전기 임피던스가 증가한다. 따라서, 조직 임피던스 모니터링을 통해 주사기 바늘(110) 끝의 위치를 정확하게 구별할 수 있다.
도 7의 검은색(진한) 선은 디지털 1차 Low Pass Butterworth 필터를 적용하기 전(Before filter)의 실시간 데이터이고, 빨간색(옅은) 선은 필터를 적용한 후(After filter)의 데이터이다. 저역 통과 필터링 후 얻은 실시간 데이터는 부드럽게 처리되었다.
도 8a는 관절강에 조영제를 주입하기 전 형광 투시법에 의한 X-선 이미지이며, 도 8b는 관절강에 조영제를 주입한 후 광 투시법에 의한 X-선 이미지이다. 도 8b와 같이 조영제 주입 후 형광 투시를 시행한 결과, 조영제가 관절강에 성공적으로 주입되었음을 확인하였다. 무릎 관절에 비해 팔꿈치의 관절강은 간격이 좁고 크기가 작아 접근이 쉽지 않고, 피하 지방과 관절강에서 측정된 임피던스 사이에 큰 차이가 없었기 때문에 분류가 제한되었다. 무릎 관절과 팔꿈치 관절은 각각 관절의 크기, 피하 조직과 활액의 양 등이 다르므로, 관절의 특성에 따라 임피던스가 달라진다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 관절강 검출 장치(1)를 이용하여 관절강을 감지하는 과정을 나타낸 순서도이다. 본 발명의 관절강 검출 장치(1)는 임피던스를 측정하는 시스템을 포함할 수 있다. 임피던스 측정 시스템은 먼저 LabVIEW 기반 GUI에서 주파수와 샘플링 시간을 설정한다.
본 발명의 실시 예에서는 최대 샘플링 시간과 샘플링 주파수는 각각 30ms 및 100kHz가 사용되었다. 임피던스 측정 시스템은 임피던스 값을 계산한 다음 차단 주파수(fc)를 0.66 Hz로 설정하고, 1차 Low Pass Butterworth 필터를 통과시킨다. 그 후, 설정된 상한 및 하한 제어 한계에 따라 시스템은 바늘이 관절 내 공간에 있는지 여부를 결정한다. 주사기 바늘(110)이 이동하다가 관절강에 위치하면 LabVIEW 기반 GUI의 LED는 시술자가 이를 감지하도록 켜질 수 있다. 주사기 바늘(110)의 위치가 파악되면 시술자는 관절강에 약물을 주입할 수 있다. 그러므로, LED가 켜지기 전까지는 주사기 바늘(110)이 관절강에 도달하지 못한 것으로 판단하여 계속하여 주사기 바늘(110)을 이동시켜 관절강 영역을 찾을 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.
1 : 관절강 검출 장치
11 : 주사기
110 : 주사기 바늘
1101 : 전극
1103 : 절연층
113 : 몸체
115 : 실린더
13 : 상대 전극
15 : 분석부
17 : 판단부
19 : 표시부

Claims (8)

  1. 체내 임피던스 변화를 기반으로 관절강을 검출하여 관절강에 약물 주입 또는 생검을 수행하는 관절강 검출 장치에 있어서,
    체내로 삽입되는 길이 방향으로 신장된 중공형의 주사기 바늘과, 상기 주사기 바늘의 말단에 마련된 전극과, 관절강에 삽입될 약물을 담지하거나 채취된 생체 조직을 보관하는 몸체를 포함하는 주사기;
    상기 전극을 통해 10Hz 이상 100kHz 이하의 주파수 범위에서 측정된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 푸리에 변환을 통해 변환된 주파수 신호로부터 임피던스를 산출한 후, 임피던스의 노이즈를 제거하고 저대역 필터를 사용하여 정규화 임피던스를 산출하는 분석부; 및
    10Hz 이상 100kHz 이하의 주파수 범위에서 관절강 영역에 해당한다고 판단하는 기준인 임피던스 판단 범위를 800Ω 이상 26000Ω 이하에서 설정하며, 상기 분석부를 통해 산출된 정규화 임피던스가 상기 임피던스 판단 범위에 속하는지 판단하는 판단부를 포함하며,
    상기 판단부는,
    하기 [수학식 3]을 통해 상기 임피던스 판단 범위의 상한(UCL)과 하한(LCL)을 설정하는 것을 특징으로 하는 관절강 검출 장치.


    [수학식 3]
    UCL = μ + (σ×3)
    LCL = μ - (σ×3)
    (μ는 중앙 한계(CL)로서 복수의 임피던스의 평균을 의미하고, σ는 복수의 임피던스 표준편차를 의미한다.)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 주사기는,
    상기 몸체에 담지된 약물은 상기 주사기 바늘을 통해 관절강으로 주입되고, 상기 전극은 상기 주사기 바늘이 체내에 삽입된 위치에서의 전기 임피던스 신호를 측정하여, 상기 주사기 바늘의 말단이 관절강에 삽입된 경우 관절강에 약물을 주입하는 것을 특징으로 하는 관절강 검출 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 주사기 바늘은,
    길이 방향으로 절연층이 형성되는 것을 특징으로 하는 관절강 검출 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 주사기 바늘은,
    관절강 조직을 채취하며, 측면에 형성된 흡인 구멍을 통해 음압으로 채취한 관절강 조직을 흡인하고,
    상기 주사기는,
    상기 주사기 바늘에서 채취된 관절강 조직을 저장하는 길이 방향으로 연장된 실린더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 관절강 검출 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석부는,
    상기 전극에서 측정된 전류 신호를 전압 신호로 변환하고 푸리에 변환을 통해 변환된 주파수 신호로부터 임피던스를 산출하는 것을 특징으로 하는 관절강 검출 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 분석부에서 산출된 임피던스 크기를 정규화한 후, 관절강 영역의 임피던스 크기의 상한 또는 하한 경계를 설정하는 것을 특징으로 하는 관절강 검출 장치.

  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 분석부에서 산출된 임피던스 값 또는 상기 판단부의 판단 결과를 표시하는 표시부를 더 포함하며,
    상기 표시부는,
    상기 전극이 관절강 영역에 위치하는 경우, 알람, 색 변화 또는 소리를 통해 사용자에게 알리는 것을 특징으로 하는 관절강 검출 장치.
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WO2023101068A1 (ko) * 2021-11-30 2023-06-08 주식회사 엑솔아이티 침윤 감지 및 통보를 위한 초박 패치형 생체 임피던스 측정 시스템

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