KR102565228B1

KR102565228B1 - 심폐기능 측정 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR102565228B1
Application number: KR1020210110852A
Authority: KR
Inventors: 이경훈; 장극영
Original assignee: 주식회사 바이랩
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2023-08-09
Also published as: KR20230028947A

Abstract

본 발명은 심폐기능 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 피검체로부터 획득한 멀티리드(multi-lead) 임피던스 데이터(impedance data)로부터 호흡성분인 호흡용적신호와 혈류성분인 혈류용적신호를 추출하고, 호흡용적신호 및 혈류용적신호 각각에서 일회환기량 및 일회박출량 등을 포함하는 심폐기능 진단변수를 비침습적으로 동시에 연속하여 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

Description

심폐기능 측정 장치 및 그 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING CARDIOPULMONARY FUNCTIONS}

본 발명은 심폐기능 측정 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 피검체로부터 획득한 멀티리드(multi-lead) 임피던스 데이터(impedance data)로부터 호흡성분인 호흡용적신호와 혈류성분인 혈류용적신호를 추출하고, 호흡용적신호 및 혈류용적신호 각각에서 일회환기량 및 일회박출량 등을 포함하는 심폐기능 진단변수를 비침습적으로 동시에 연속하여 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

심장의 일회박출량(stroke volume)과 심박출량(cardiac output)은 환자의 혈류역학적 상태를 파악하는 주요 지표이다. 임상의학 분야에서 심박출량을 측정하는 종래의 방법은 폐동맥카테터법(PAC, pulmonary artery catheterization)이 대표적이다. 폐동맥카테터법에서는 온도센서가 내장된 카테터를 환자의 폐동맥에 삽입하고 차가운 생리식염수를 우심방에 주입하여 주입한 생리식염수에 따른 혈액의 온도변화를 폐동맥에서 측정하여 심박출량을 계산하는 열희석법(thermodilution)을 사용한다.

그러나 폐동맥카테터법은 오른쪽 심장을 통해 폐동맥까지 카테터를 삽입하는 불편함과 이로 인한 부작용이 있고 심박출량을 측정할 때마다 생리식염수를 주입해야 해서 심박출량을 연속적으로 측정하지 못하는 문제점이 있다.

폐동맥카테터법으로 심박출량을 측정하고 동시에 측정한 심전도(ECG, electrocardiogram)에서 심박수(heart rate)를 계산해서 심박출량을 심박수로 나누면 일회박출량을 구할 수 있다. 그러나 이렇게 계산한 일회박출량은 수 분 동안의 평균값이어서 일회박출량의 빠른 변화 정보를 제공하지 못한다. 현재 임상의학 분야에서는 일회박출량의 빠른 변화를 측정하기 위해 동맥파형분석법(PCA, pulse contour analysis)을 주로 사용한다. 동맥파형분석법에서는 동맥에 카테터를 삽입해서 연속적으로 혈압파형을 측정한 뒤 측정한 혈압파형으로부터 20초 간격으로 일회박출량을 추정한다. 그러나 혈관의 수축(vasoconstriction)과 이완(vasodilation)으로 혈관의 유체 임피던스 또는 유체 저항이 빠르게 변하는 경우와 심장의 수축력이 빠르게 변할 때는 동맥파형분석법으로 측정한 일회박출량은 큰 오차를 가질 수 있다.

비침습적으로 연속해서 일회박출량을 측정하기 위해 임피던스 심장도 검사법(impedance cardiography)이 사용되기도 한다. 임피던스 심장도 검사법은 임피던스 체척측정법(impedance plethysmography)의 일종으로 흉부 내부의 혈류량 변화에 따른 흉부의 임피던스 변화를 측정해서 일회박출량을 계산한다. 그러나 임피던스 심장도 검사법은 정확도가 낮아서 임상의학 분야에서의 사용이 제한적이다.

또한 일회환기량은 호흡 저하 증상이 있는 환자의 저환기 상태를 감지할 수 있는 주요 지표이며 삽관 또는 마스크를 이용해 기계환기를 수행하는 환자의 경우에는 환기관(breathing circuit)에 설치한 기류센서를 이용해 일회환기량을 연속 측정할 수 있다. 마스크를 착용하지 않은 비삽관 환자에서 일회환기량을 연속해서 장시간 측정하기 위해서는 임피던스 체적측정법(impedance plethysmography)을 사용하고 있으나 정확도가 낮고 호흡노력을 동반한 무호흡과 정상호흡을 구분하지 못하는 단점이 있다.

즉, 일회박출량과 일회환기량은 심폐기능의 진단에 있어서 매우 중요한 생리변수(physiological parameter)이나 서로 다른 침습적 또는 구속적 수단을 통해 개별적으로 측정되고 있다. 따라서 일회박출량과 일회환기량을 비침습적인 방법으로 동시에 연속해서 측정할 수 있다면 환자의 심폐기능을 효과적으로 모니터링할 수 있을 것이다.

한편 최근에는 환자의 흉부에 부착한 복수의 전극을 통해 전류를 주입하고, 상기 주입한 전류에 의해 발생한 전압을 측정한 뒤, 측정 전압을 주입 전류로 나누어 임피던스를 측정하며, 상기 측정한 임피던스 데이터를 이용하여 상기 환자의 흉부 내부에서 호흡에 의한 공기량의 정보와 심장박동에 의한 혈류량의 정보를 제공하는 영상을 재구성하고, 재구성한 영상을 기반으로 일회환기량과 일회박출량을 모니터링하는 전기임피던스 단층촬영법(EIT, electrical impedance tomography)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이때, 주입하는 전류의 크기를 알고 있으므로 측정한 전압 데이터와 임피던스 데이터는 서로 같은 정보를 제공한다.

일반적으로 현재 임상의학 분야에서 EIT 기술은 환자에게 기계환기를 수행하는 동안 해당 환자의 폐 내부의 지역적인 환기 영상을 측정하는데 사용되고 있다. 한편 상기 임피던스 데이터는 심장의 박동에 의한 혈류에 의해서도 영향을 받으나, 혈류의 영향은 환기의 영향에 비해 훨씬 약하기 때문에 종래의 EIT 기술에서 혈류에 대한 정보를 추출하는 것이 어렵다.

한편, 종래의 EIT 기술에서는 임피던스 데이터를 먼저 영상데이터로 재구성한 후, 상기 영상데이터로부터 호흡에 의한 공기량의 변화를 나타내는 호흡성분 및 혈류의 변화를 나타내는 혈류성분을 분리하며, 이 경우에는 영상데이터로 재구성하는 과정에서 데이터의 손실 또는 왜곡이 발생하기 때문에, 결국 혈류성분을 정확하게 분리하는 것이 더욱 어렵게 되는 문제가 발생하였다.

이에 따라 최근에는 주성분분석(PCA, Principal Component Analysis)과 독립성분분석(ICA, Independent Component Analysis)을 통해 피검체로부터 획득한 임피던스 데이터로부터 혈류성분과 호흡성분을 각각 분리하는 기술이 개발되었다.

그러나 PCA와 ICA는 측정한 시계열(time series) 임피던스 데이터가 통계적으로 어떠한 특성이 있음을 가정하는 통계적 데이터 처리 방법이어서 호흡 및 혈류성분의 추출이 성공적으로 수행되는 때도 있고 실패하는 때도 발생하는 문제점을 내포하고 있다.

이에 따라 본 발명에서는 측정 데이터의 통계적 특성에 무관하게 호흡에 의한 공기량의 변화에 대한 호흡용적신호와 심장박동에 의한 혈류량의 변화에 대한 혈류용적신호를 추출하여 영상을 재구성하지 않고 직접 일회환기량과 일회박출량을 비침습적으로 동시에 연속적으로 측정하는 방안을 제안하고자 한다.

또한 본 발명은 멀티리드 임피던스 데이터와 피검체로부터 획득한 심주기(cardiac cycle) 데이터를 이용하여 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하고, 상기 멀티리드 임피던스 데이터와 피검체로부터 획득한 호흡주기(respiratory cycle) 데이터를 이용하여 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출한 후, 상기 각 가중치벡터를 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 가중합(weighted sum)을 계산함으로써 혈류용적신호와 호흡용적신호를 비침습적으로 추출하여 일회환기량, 일회박출량 등을 포함하는 심폐기능을 동시에 연속하여 측정할 수 있도록 하는 방안을 제안하고자 한다.

다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.

먼저 미국등록특허 제9384549호(2016.07.05.)는 토모그래피 데이터를 처리하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것으로, 환자에 부착되는 복수의 전극을 통해 EIT 데이터 세트를 수집하고, ICA 혹은 PCA를 이용하여 EIT 영상의 특정 위치에서의 화소값의 시간에 따른 변화 패턴에 따라 CPRS(cardiac and perfusion related signals) 및 VRS(ventilation related signal)를 분류하는 토모그래피 데이터를 처리하기 위한 디바이스 및 방법에 관한 것이다.

즉, 미국등록특허 제9384549호는 PCA 혹은 ICA를 이용하여 EIT 영상의 특정 위치에서의 화소값으로부터 심장과 관류에 관련한 신호(즉, 혈류성분)와 환기에 관련한 신호(즉, 호흡성분)를 추출하는 것으로, 통계적 데이터 처리 방법인 PCA와 ICA의 한계에 의해 호흡 및 혈류 성분을 정확하게 추출하지 못하는 문제점을 여전히 극복하지 못하고 있다.

반면에 본 발명은 피검체로부터 획득한 멀티리드 임피던스 데이터를 이용하여 리드포밍 가중치벡터를 추출하고 상기 리드포밍 가중치벡터를 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 직접 적용하여 혈류용적신호와 호흡용적신호를 비침습적으로 추출하는 것으로 미국등록특허 제9384549호는 특히 EIT 데이터를 영상으로 복원한 다음에 CPRS, VRS 등의 신호를 추출하는 것으로, EIT 데이터로부터 영상을 복원하기 전에 혈류용적신호와 호흡용적신호를 추출하는 본 발명의 기술적 특징을 전혀 기재하거나 시사 혹은 그 어떠한 암시도 없다.

또한 미국등록특허 제8321007호(2012.11.27.)는 기능적인 폐의 특성을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 기계환기를 수행하는 환자에 부착된 복수의 전극으로부터 수신되는 측정 신호에 따라 폐 영역의 임피던스 분포를 측정하여 EIT 이미지를 연속적으로 생성하고, 각 EIT 이미지를 활용하여 전체적인 임피던스 변화인 글로벌 임피던스 변화와 사전에 설정한 폐의 관심영역에 대한 임피던스 변화에 대한 비율을 계산함으로써 기능적인 폐의 특성을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

즉, 미국등록특허 제8321007호는 EIT 이미지를 재구성하여, 재구성한 EIT 이미지를 통해 특정 정보를 획득하기 위한 것일 뿐, 본 발명에서 제안하고 있는 피검체로부터 획득한 멀티리드 임피던스 데이터로부터 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것도 아니며, 상기 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합을 통해 호흡용적신호와 혈류용적신호를 추출함으로써 영상을 재구성하지 않고 비침습적으로 심폐기능 측정할 수 있도록 하는 방법 또한 전혀 기재하고 있지 않아 양 발명은 현저한 차이점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 피검체의 흉부에 부착한 복수의 전극을 통해 획득한 멀티리드 임피던스 데이터 자체로부터 혈류용적신호(CVS, Cardiac Volume Signal)와 호흡용적신호(RVS, Respiratory Volume Signal)를 추출함으로써, 상기 피검체의 흉부 내부에 대한 영상을 재구성하지 않고 일회환기량과 일회박출량 등을 포함하는 심폐기능 진단변수를 비침습적이고 동시에 연속적으로 측정하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 피검체로부처 획득한 멀티리드 임피던스 데이터, 심주기 데이터와 호흡주기 데이터를 이용하여 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터를 각각 산출하고, 이후에 측정하는 멀티리드 임피던스 데이터에 상기 각 리드포밍 가중치벡터를 적용하여 가중합(weighted sum)을 산출함으로써 혈류용적신호와 호흡용적신호를 간편하게 추출할 수 있도록 하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 멀티리드 임피던스 데이터로부터 산출한 전달컨덕턴스 벡터와 심전도데이터를 이용하여 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류용적신호를 추출하기 위한 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하고, 상기 멀티리드 임피던스 데이터로부터 산출한 전달저항 벡터를 이용하여 상기 멀티리드 임피던스 데이터로부터 호흡용적신호를 추출하기 위한 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하여 혈류용적신호와 호흡용적신호를 비침습적으로 추출할 수 있도록 하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 심주기 데이터의 각 심주기와 혈류용적신호의 각 심주기가 1:1로 대응되어야 한다는 사실과, 호흡주기 데이터의 각 호흡주기와 호흡용적신호의 각 호흡주기가 1:1로 대응되어야 한다는 사실에 기초해서 혈류용적신호와 호흡용적신호의 품질을 평가하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 혈류용적신호 및 호흡용적신호를 이용하여 일회박출량(SV, stroke volume), 일회박출량변화(SVV, stroke volume variation), 심주기(CC, cardiac cycle), 심박수(HR, heart rate), 심박출량(CO, cardiac output), 일회환기량(TV, tidal volume), 호흡주기(RC, respiratory cycle), 호흡수(RR, respiration rate), 분당환기량(MV, minute ventilation) 또는 이들의 조합을 포함한 피검체에 대한 심폐기능 진단변수를 측정하여 출력함으로써 피검체의 심폐기능을 모니터링할 수 있도록 하는 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치는, 복수의 전극을 통해 피검체로부터 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 임피던스 데이터 획득부, 상기 획득한 멀티리드 임피던스 데이터의 변화 성분으로부터 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 리드포밍 가중치벡터 추출부, 및 상기 추출한 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합(weighted sum)으로 혈류용적신호 또는 호흡용적신호를 각각 추출하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 리드포밍 용적신호 추출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 리드포밍 가중치벡터 추출부에서, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것은, 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합의 값들이 소정의 범위 내에 있거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합에 대한 값들의 차(difference)들이 소정의 범위 내에 있다는 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족해야 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 혈류 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 심주기에 대한 이완기말(end diastolic time), 수축기말(end systolic time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 호흡 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 호흡주기에 대한 흡기말(end inspiratory time), 호기말(end expiratory time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 리드포밍 용적신호 추출부는, 상기 추출한 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합(weighted sum)으로 상기 혈류용적신호 또는 호흡용적신호를 각각 추출하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 장치는, 상기 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 각각 소정의 상수를 곱하여 혈류용적신호 또는 호흡용적신호의 단위를 부피의 단위로 변경하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 장치는, 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 실수부 또는 허수부, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 이용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 장치는, 상기 멀티리드 임피던스 데이터, 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 저역통과필터, 고역통과필터, 대역통과필터, 대역제거필터 또는 이들의 조합을 포함하는 시간영역필터를 추가로 적용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 장치는, 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 이용하여 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량, 일회환기량, 호흡주기, 호흡수, 분당환기량 또는 이들의 조합을 포함하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 심폐기능 측정부, 및 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호, 상기 심폐기능을 측정한 결과, 또는 이들의 조합을 출력하는 출력부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 심주기는, 상기 혈류용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하고, 상기 일회박출량은, 상기 각 심주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하며, 상기 심박수는, 단위시간당 상기 심주기의 수를 계산하여 측정하고, 상기 심박출량은, 일분 동안의 상기 심박수에 상기 일회박출량을 곱하여 측정하며, 상기 일회박출량변화는, 일정시간동안 측정한 일회박출량의 최대값, 최소값, 평균값, 표준편차를 포함한 통계처리 값을 이용하여 측정하고, 상기 호흡주기는, 상기 호흡용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하며, 상기 일회환기량은, 상기 각 호흡주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하고, 상기 호흡수는, 단위시간당 상기 호흡주기의 수를 계산하여 측정하며, 상기 분당환기량은 일분 동안의 상기 호흡수에 상기 일회환기량을 곱하여 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 장치는, 상기 혈류용적신호의 심주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 심주기의 일치 여부에 따라 상기 혈류용적신호의 품질을 평가하고, 상기 호흡용적신호의 호흡주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 호흡주기의 일치여부에 따라 상기 호흡용적신호의 품질을 평가하는 신호품질 평가부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 장치는, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 주기적으로 다시 추출하여 업데이트하거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서의 각 가중합의 값들이 이전에 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하였을 때의 각 가중합의 값들로부터 각각 소정의 범위 내에 있지 않은 경우, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 다시 추출하여 업데이트하는 리드포밍 가중치벡터 업데이트부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 장치는, 또 다른 적어도 하나 이상의 장치에서 측정한 심전도, 맥파, 혈압, 체온, 산소포화도, 산소분압, 이산화탄소분압 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나 이상의 생리변수를 통합하여 출력하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 방법은, 복수의 전극을 통해 피검체로부터 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 임피던스 데이터 획득 단계, 상기 획득한 멀티리드 임피던스 데이터의 변화 성분으로부터 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 리드포밍 가중치벡터 추출 단계, 및 상기 추출한 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합(weighted sum)으로 혈류용적신호 또는 호흡용적신호를 각각 추출하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 리드포밍 용적신호 추출 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 리드포밍 가중치벡터 추출 단계에서, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것은, 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합(weighted sum)의 값들이 소정의 범위 내에 있거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합에 대한 값들의 차(difference)들이 소정의 범위 내에 있다는 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족해야 하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 리드포밍 가중치벡터 추출 단계는, 상기 혈류 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 심주기에 대한 이완기말(end diastolic time), 수축기말(end systolic time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 리드포밍 가중치벡터 추출 단계는, 상기 호흡 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 호흡주기에 대한 흡기말(end inspiratory time), 호기말(end expiratory time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 리드포밍 용적신호 추출 단계는, 상기 추출한 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합(weighted sum)으로 상기 혈류용적신호 또는 호흡용적신호를 각각 추출하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 방법은, 상기 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 각각 소정의 상수를 곱하여 혈류용적신호 또는 호흡용적신호의 단위를 부피의 단위로 변경하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 방법은, 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 실수부 또는 허수부, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 이용하는 것을 포함한다.

또한 상기 심폐기능 측정 방법은, 상기 멀티리드 임피던스 데이터, 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 저역통과필터, 고역통과필터, 대역통과필터, 대역제거필터 또는 이들의 조합을 포함하는 시간영역필터를 추가로 적용하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 방법은, 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 이용하여 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량, 일회환기량, 호흡주기, 호흡수, 분당환기량 또는 이들의 조합을 포함하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 심폐기능 측정 단계 및 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호, 상기 심폐기능을 측정한 결과, 또는 이들의 조합을 출력하는 출력 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서 상기 심주기는, 상기 혈류용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하고, 상기 일회박출량은, 상기 각 심주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하며, 상기 심박수는, 단위시간당 상기 심주기의 수를 계산하여 측정하고, 상기 심박출량은, 일 분 동안의 상기 심박수에 상기 일회박출량을 곱하여 측정하며, 상기 일회박출량변화는, 일정시간 동안 측정한 일회박출량의 최대값, 최소값, 평균값, 표준편차를 포함한 통계처리 값을 이용하여 측정하고, 상기 호흡주기는, 상기 호흡용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하며, 상기 일회환기량은, 상기 각 호흡주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하고, 상기 호흡수는, 단위시간당 상기 호흡주기의 수를 계산하여 측정하며, 상기 분당환기량은, 일 분 동안의 상기 호흡수에 상기 일회환기량을 곱하여 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 방법은, 상기 혈류용적신호의 심주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 심주기의 일치 여부에 따라 상기 혈류용적신호의 품질을 평가하고, 상기 호흡용적신호의 호흡주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 호흡주기의 일치여부에 따라 상기 호흡용적신호의 품질을 평가하는 신호품질 평가 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 방법은, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 주기적으로 다시 추출하여 업데이트하거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서의 각 가중합의 값들이 이전에 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하였을 때의 각 가중합의 값들로부터 각각 소정의 범위 내에 있지 않는 경우, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 다시 추출하여 업데이트하는 리드포밍 가중치벡터 업데이트 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 심폐기능 측정 방법은, 또 다른 적어도 하나 이상의 장치에서 측정한 심전도, 맥파, 혈압, 체온, 산소포화도, 산소분압, 이산화탄소분압 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나 이상의 생리변수를 통합하여 출력하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이상에서와 같이 본 발명의 심폐기능 측정 장치 및 그 방법은 피검체로부터 획득한 멀티리드 임피던스 데이터를 이용하여 혈류, 호흡 또는 이들의 조합을 포함하는 리드포밍 가중치벡터를 추출하고, 상기 추출한 각 리드포밍 가중치벡터를 통해 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 상기 멀티리드 임피던스 데이터로부터 직접적으로 추출하여 일회환기량, 일회박출량 등을 포함하여 상기 피검체의 호흡과 심장박동에 따른 심폐기능을 정밀하고 비침습적으로 동시에 연속적으로 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 일회환기량, 일회박출량 등을 그래프/텍스트(수치)로 출력하여 피검체의 심폐기능을 효과적으로 모니터링할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치 및 그 방법을 설명하기 위해 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 절차를 상세히 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리드포밍 가중치벡터를 업데이트하는 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기와 혈액의 관심용적(VOI, volume of interest)에 따른 전달컨덕턴스 차이 벡터를 더욱 상세하게 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티리드 임피던스 데이터와 리드포밍 가중치벡터를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류용적신호와 호흡용적신호를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리드포밍 가중치벡터 추출부의 구성을 상세히 나타낸 블록도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 피검체의 심폐기능을 측정하는 절차를 나타낸 흐름도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 일회박출량의 정확도를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 일회박출량의 정확도를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 일회환기량의 정확도를 나타낸 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 심폐기능 측정 장치 및 그 방법에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다. 또한 본 발명의 실시예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치 및 그 방법을 설명하기 위해 나타낸 개념도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치(100)는 피검체로부터 획득한 멀티리드 임피던스 데이터(multi-lead impedance data)의 변화 성분으로부터 리드포밍 가중치벡터(leadforming weight vector)를 산출하고, 상기 가중치벡터에 상기 멀티리드 임피던스 데이터를 적용하여 가중합(weighted sum)을 산출함으로써 호흡용적신호(RVS, respiratory volume signal), 혈류용적신호(CVS, cardiac volume signal) 또는 이들의 조합을 추출하여 일회환기량(TV, tidal volume), 일회박출량(SV, stroke volume) 등을 포함한 심폐기능 진단변수를 측정함으로써 상기 피검체의 심폐기능을 비침습적이고 연속적으로 동시에 측정하여 디스플레이(200)에 출력하는 기능을 수행한다.

여기서, 호흡용적신호는 피검체의 호흡에 의한 신체 내부에서의 공기량의 변화(즉, 공기의 용적변화)인 호흡용적의 변화에 대한 신호를 의미하며, 혈류용적신호는 상기 피검체의 심장박동에 의한 신체 내부에서의 혈액량의 변화(즉, 혈액의 용적변화)인 혈류용적의 변화에 대한 신호를 의미한다.

또한 멀티리드 임피던스 데이터는 피검체의 흉부에 부착한 복수의 전극을 통해 연속적으로 전압을 측정하여 획득되는 것으로, 상기 전압은 복수의 전극 중 인접한 전극 쌍을 순차적으로 선택하여 순차적으로 전류를 각각 주입하고, 나머지 전극쌍을 통해 측정된다. 즉, 멀티리드 임피던스 데이터는 상기 주입한 전류에 대응하는 전압을 측정함으로써 획득되는 것으로, 도 2를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 리드포밍 가중치벡터(leadforming weight vector)를 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출한다.

본 발명에서는, 전류를 주입하는 전극쌍과 전압을 측정하는 전극쌍의 한 조합을 하나의 리드로 정의하여 한 개의 리드에서 한 개의 임피던스를 측정한다. 복수의 전극으로 복수의 리드를 구성해서 획득한 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 가중치벡터를 적용해서 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합(weighted sum)을 계산하는 것은 멀티리드 임피던스 데이터에 포함된 특정 정보를 추출하는 과정이며 이를 리드포밍(leadforming)이라 한다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 심전도측정장치(ECG, electrocardiogram) 등과 같은 어느 하나의 장치로부터 각 심주기의 시간 정보를 측정하고 각 심주기의 시간 정보와 멀티리드 임피던스 데이터를 이용하여 혈류용적신호를 추출하기 위한 가중치벡터(이하 혈류 리드포밍 가중치벡터로 칭함)를 추출하고, 기계환기 장치와 같이 호흡주기를 측정하는 어느 하나의 장치로부터 피검체의 호흡주기의 시간 정보를 획득하고 호흡주기의 시간 정보 데이터와 멀티리드 임피던스 데이터를 이용하여 호흡용적신호를 추출하기 위한 가중치 벡터(이하, 호흡 리드포밍 가중치벡터로 칭함)를 추출한다.

한편 본 발명에서는, 피검체에 한 쌍의 전극을 통해 전류를 주입하고 다른 한 쌍의 전극 사이에서 상기 주입한 전류에 대응하는 전압을 측정하여 임피던스 성분을 측정한다는 개념으로부터 전달임피던스(trans-impedance)라는 용어를 사용하며, 전달임피던스는 복소수 값을 가진다. 전달임피던스의 실수부는 전달저항(trans-resistance) 성분이며, 허수부는 전달리액턴스(trans-reactance) 성분인데, 혈류나 호흡에 따라 저항, 저항의 역수인 컨덕턴스(conductance), 리액턴스, 리액턴스의 역수인 서셉턴스(susceptance), 또는 이들의 조합을 포함한 성분을 사용한다.

예를 들어, 호흡성분은 저항성분으로 구성되고, 혈류성분에는 리액턴스 성분이 일정 부분 포함되어 있을 수 있다. 따라서 상기 성분들이 경우에 따라 선택적으로 사용될 수 있으며, 전달(trans)이라는 용어를 앞에 붙이거나 붙이지 않아도 물리적인 개념의 차이는 없다. 왜냐하면 전류를 주입하는 전극쌍과 전압을 측정하는 전극쌍이 서로 다른 경우에는 전달(trans)이라는 용어를 붙이는 것이 더 바람직할 뿐이기 때문이다. 본 발명에서는 전류 주입 전극쌍과 전압 주입 전극쌍이 서로 다른 경우와 동일한 경우를 모두 취급하므로 비록 전달이라는 용어를 사용하지 않더라도 전류 주입 전극쌍과 전압 주입 전극쌍이 서로 다른 경우에는 당연하게 전달임피던스, 전달저항, 전달리액턴스, 전달어드미턴스(trans-admittance), 전달컨덕턴스, 전달서셉턴스를 각각 의미한다.

이후, 심폐기능 측정 장치(100)는 각 리드포밍 가중치벡터를 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 리드포밍 가중합을 산출함으로써 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출하게 된다. 한편, 상기 리드포밍 가중합은 도 3을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 이용하여 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량, 일회환기량, 호흡주기, 호흡수, 분당환기량 또는 이들의 조합을 포함하는 심폐기능 진단변수를 측정함으로써 피검체에 대한 심폐기능을 측정하여 디스플레이(200)에 출력한다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 심폐기능을 측정한 결과와 함께 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 디스플레이(200)에 출력하며, 상기 심폐기능을 측정한 결과는 그래프, 텍스트(수치) 또는 이들의 조합으로 출력하여 피검체의 심폐기능을 효과적으로 모니터링할 수 있도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 방법을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티리드 임피던스 데이터는 16개의 전극을 피검체의 흉부에 부착하고, 전류를 주입하기 위한 인접한 두개의 전극(전류주입 전극쌍)을 순차적으로 선택하여 선택하지 않은 나머지 13쌍의 전극쌍(전압측정 전극쌍) 사이에서 13개의 전압데이터를 순차적으로 측정함으로써 복수의 전극을 통해 형성한 복수의 채널(즉, 리드)을 통해 획득된다. 이때, 전류주입 전극쌍을 포함한 3개의 전극쌍에서 측정되는 전압데이터는 전류주입 전극쌍의 접촉 임피던스의 영향을 받을 수 있기 때문에 제외된다.

즉, 전압측정 전극쌍은 전류를 주입하기 위한 서로 다른 13개의 전극쌍을 통해 주입한 전류에 대응하는 전압 데이터를 측정하게 되는 것이다.

이때, 16개의 전극쌍 사이에 전류를 순차적으로 주입하면 208개의 채널을 통해 연속하여 측정한 전압데이터에 대한 멀티리드 임피던스 데이터가 최종 획득되며 이는 피검체의 흉부에 대한 한 번의 스캔을 구성한다. 즉, 100 frames/s의 연속 스캔(즉, 초당 100번의 스캔)에서 208(16 x (16 - 3))개의 연속한 전압데이터에 대한 시계열의 멀티리드 임피던스 데이터가 연속적으로 획득되는 것이다. 여기서, 주입 전류의 진폭은 일정하게 유지되기 때문에 각 전압 데이터는 각 임피던스 데이터와 동일하다.

또한 전류주입 전극쌍에 따른 전압측정 전극쌍이 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하기 위한 멀티리드(즉, 208개의 리드)가 된다.

한편, 본 발명에서의 멀티리드는 복수의 전압측정 전극쌍과 전류주입 전극쌍으로 형성되며, 각 리드는 측정한 각 임피던스 데이터를 심폐기능 측정 장치(100)로 제공한다. 즉, 16개의 전극을 통해 전류를 주입하고 전압을 측정하면 208채널의 멀티리드 임피던스 데이터를 획득할 수 있다.

여기서 멀티리드 임피던스 데이터는 다음의 [수학식 1]과 같이 N x 208의 데이터 매트릭스로 표현된다.

[수학식 1]

이때, 리드의 민감도 맵(sensitivity map)은 (Jv·Ji)에 의해 결정된다. 여기서 Jv는 전압측정 전극쌍에 전류를 주입했을 때 내부에 형성되는 전류밀도 분포이고, Ji는 전류주입 전극쌍에 전류를 주입했을 때 내부에 형성되는 전류밀도 분포이다. 도 2에서 Jv와 Ji는 원들로 표현되어 있다.

또한 멀티리드 임피던스 데이터의 시간적 변화는 흉부 내부의 전도도의 시간적 변화에 의해 결정된다. 여기서 전도도(σ)는 위치(r) 및 시간(t)에서 심장박동으로 인한 흉부 내에서의 혈류량의 변화(혈류용적의 변화)와 호흡으로 인한 폐환기에 따른 흉부 내에서의 공기량의 변화(호흡용적의 변화)와 같은 생리적 기능으로 인해 시간에 따라 변화된다. 이러한 변화는 동시에 발생하기 때문에 그 효과는 각 채널의 임피던스 데이터에 혼합된다.

따라서 본 발명은 리드포밍 가중치벡터를 통해 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류량의 변화에 비례하는 혈류용적신호와, 공기량의 변화에 비례하는 호흡용적신호를 추출하여, 심폐기능을 측정하고자 한다.

이때, 심폐기능 측정 장치(100)는 흉부 내의 공기량이 증가함에 따라 저항이 크게 증가하는 성질을 이용하여 멀티리드 임피던스 데이터로부터 전달저항 벡터(trans-resistance vector)를 산출하여 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하고, 혈류의 경우에는 혈액의 양이 증가하면 컨덕턴스가 증가하기 때문에 멀티리드 임피던스 데이터로부터 전달컨덕턴스 벡터(trans-conductance vector)를 산출하여 혈류 리드포밍 가중치벡터를 벡터를 추출하고, 상기 각 리드포밍 가중치벡터를 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 리드포밍 가중합을 산출함으로써 호흡용적신호, 혈류용적신호 또는 이들의 조합을 연속적으로 추출한다.

이하에서는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 과정을 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 과정을 설명하기 위해 나타낸 도면이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하기 위해, 다음의 [수학식 2] 및 [수학식 3]과 같이 멀티리드 임피던스 데이터로부터 전달컨덕턴스 벡터(trans-conductance vector)를 각 채널별로 산출함으로써 멀티리드 임피던스 데이터에 대한 전달컨덕턴스 벡터를 산출한다.

[수학식 2]

여기서 z(t)는 시간 t에서 208 X 1의 멀티리드 임피던스벡터를 의미하며, T는 벡터의 행과 열을 전치(transpose)함을 의미한다.

[수학식 3]

여기서 g(t)는 시점 t에서의 전달컨덕턴스 벡터를 의미하며, 각 채널의 멀티리드 임피던스 데이터 값의 실수부에 대한 역수를 취함으로써 산출된다.

본 발명의 배경 개념을 이해하기 위해, 주입된 전류에 의해 생성된 전류밀도가 일정 크기 이상인 피검체의 흉부 내부의 3차원 영역(Y)을 고려한다. 이 영역은 리드의 민감도가 확보되는 영역이며, 피검체의 심장과 폐 영역의 대부분을 포함한다. 여기서 수치적인 계산을 위해 상기 3차원 영역을 M개의 복셀(voxel)로 이산화(discretize)하면 i번째 복셀의 전도도(conductivity)는 σ_i(t)로 나타낼 수 있으며, M개의 복셀에는 흉부 내 조직용적, 혈류용적(혈류량), 호흡용적(공기량)이 포함된다.

3차원 영역(Y)에서 이산화한 전도도 벡터는 다음의 [수학식 4]로 표현할 수 있다.

[수학식 4]

이때, 리드필드 이론(lead field theory) 혹은 전기 임피던스 단층촬영(EIT, electrical impedance tomography)의 민감도 행렬(sensitivity matrix) 방법을 사용하면 전달컨덕턴스 벡터는 다음의 [수학식 5]로 표현할 수 있다.

[수학식 5]

여기서 S는 208 X M의 민감도 행렬을 의미하며, 민감도 행렬은 3차원 영역(Y)에서의 시변 전도도와 3차원 영역의 경계 모양 및 전극 위치에 따라 달라질 수 있다. 이때, 민감도 행렬과 시변 전도도는 알 수 없으며, 그 값이 시간에 따라 변화한다.

이때 사전에 설정한 시점(예: t = 0)을 기준으로 현재(t)의 전도도 벡터의 차이인 시변 전도도 차 벡터(time-varying conductivity difference vector)(△σ(t))와 전달컨덕턴스 차 벡터(time-varying trans-conductance difference vector)(△g(t))의 관계는 다음의 [수학식 6]으로 표현할 수 있다.

[수학식 6]

여기서 기준시점에서의 민감도 행렬 S₀는 전극이 동일한 간격으로 부착되는 원형 또는 타원형 경계 모양의 균일 모델을 통해 미리 계산되어 생성된 것이며, 시불변이다. 통상의 EIT 기술에서는, 시변 전도도 차 벡터에 대한 이미지를 정규화한 S₀의 의사 역행렬(pseudo-inverse)을 시변 전달컨덕턴스 차 벡터에 곱함으로써 재구성한다.

이때, 재구성된 이미지는 폐의 공기량(즉, 호흡용적)의 변화에서 비롯된 전달컨덕턴스 벡터의 큰 차이에 대한 정보는 잘 보존하지만 혈류량(즉, 혈류용적)의 변화와 관련된 전달컨덕턴스 벡터의 차이에 관한 정보는 S₀에 포함된 모델링 오류로 인해 심각하게 왜곡될 수 있다.

따라서 본 발명은 호흡성분인 혈류용적신호와 호흡성분에 비해 매우 약한 혈류성분인 혈류용적신호를 연속적으로 추출하기 위해서, 영상을 재구성하지 않고 각 시간에서 측정한 전달컨덕턴스 벡터의 차이에 대한 데이터로부터 직접적인 리드포밍 가중치벡터의 추출을 시도한다.

한편, 3차원 영역(Y)은 호흡용적, 혈류용적 및 조직(tissue)용적을 포함하게 되는데, 본 발명에서는 호흡용적, 혈류용적 및 조직용적을 각각 관심용적(VOI, volume of interest)으로 정의하며, 각 관심용적은 다음의 [수학식 7]과 같이 각 관심용적 내부의 복셀들의 합집합으로 표현할 수 있다.

[수학식 7]

여기서, A', B'및 T'은 3차원 영역(Y)에서의 공기의 관심용적(호흡용적), 혈액의 관심용적(혈류용적) 및 조직의 관심용적(조직용적)을 나타내며, A, B, T는 각각 공기(air), 혈액(blood) 및 조직(tissue)을 의미한다. 또한 3차원 영역(Y)은 A', B' 및 T'의 합집합으로 표현할 수 있다. 한편 공기의 관심용적은 호흡에 따른 공기량에 대한 관심용적을 의미하고 혈액의 관심용적은 심장박동에 따른 혈류량에 대한 관심용적을 의미한다. 이하에서는 공기의 관심용적을 호흡의 관심용적으로 지칭하고, 혈액의 관심용적은 혈류의 관심용적으로 지칭하도록 한다.

또한 [수학식 7]에 따라 시변 전도도 차 벡터를 다음의 [수학식 8]과 같이 분해하여 표현할 수 있다.

[수학식 8]

여기서, △σ_A(t), △σ_B(t) 및 △σ_T(t)는 각각 호흡, 혈류 및 조직의 관심용적에 대한 시변 전도도 차 벡터를 각각 의미한다. 다만 상기 각 관심용적은 심장, 폐와 같은 해부학적 영역으로 이해되어서는 안 된다. 예를 들어, 혈류의 관심용적은 3차원 영역에서의 모든 혈액에 대한 용적을 포함하며, △σ_B(t)는 심장 및 주요 혈관의 혈류뿐만 아니라 폐관류에 대해서도 영향을 받는 것이다.

또한 피검체의 조직용적의 전도도는 거의 변하지 않으므로, 3차원 영역(Y)에서 조직의 관심용적에 대한 시변 전도도 차 벡터의 값을 0으로 설정하여 복셀을 재정렬하면 호흡 및 혈류에 대한 시변 전도도 벡터는 다음의 [수학식 9]와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 9]

여기서, △σ_A,i(t)는 호흡의 관심용적에서 i번째 복셀의 전도도 변화를 의미하며, △σ_B,j(t)는 혈류의 관심용적서 j번째 복셀의 전도도 변화를 의미한다.

또한 각 관심용적에 해당하는 열을 그룹화하여 민감도 행렬 S₀를 재정렬하면 다음의 [수학식 10]과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 10]

한편 3차원 영역(Y)에서 각 관심용적에 대한 σ(t₀)을 알 수 없기 때문에 S_A, S_B 및 S_T의 값을 알 수는 없다. 이때, S₀의 두 열벡터(column vector)는 해당 두 복셀 사이의 거리가 클 때 직교하는 경향이 있으나 일반적으로 서로 직교하지 않는다.

또한 재정렬한 민감도 매트릭스(S₀)를 이용하면 각 관심용적에 대한 전달컨덕턴스 벡터는 다음의 [수학식 11]과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 11]

도 3에 나타낸 것과 같이, 전달컨덕턴스 벡터에 대한 벡터공간(vector space)적 표현을 보면 호흡의 관심용적(A')에 대한 전달컨덕턴스 차 벡터(△g_A(t))와 혈류의 관심용적에 대한 전달컨덕턴스 차 벡터(△g_B(t))는 각각 일정한 범위 내에서 변화함을 알 수 있다.

이때, 신호원 일관성(source consistency) 이론에 따라 짧은 시간 간격 [0, T₁] 내에서의 각 관심용적의 시변 전도도 차 벡터(△σ(t))는 다음의 [수학식 12]와 같이 주기성을 가지는 것으로 가정한다.

[수학식 12]

여기서, n은 정수이며, T_A는 호흡주기의 기간(period)이고, T_B는 심주기의 기간을 의미하며, 서로 다른 관심용적의 시변 전도도 차 벡터는 서로 동기화되지 않은 것으로 가정한다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 멀티리드 임피던스 데이터에 리드포밍 가중치벡터를 적용하여 혈류용적신호를 추출하기 위해 혈류의 관심용적에 초점을 맞춘 벡터 노름(vector norm)의 값이 1인 208 X 1의 혈류 리드포밍 가중치벡터 w_B를 결정하여 추출한다. 즉, 각 리드별로 혈류 리드포밍 가중치를 추출함으로써 전체 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출한다.

이때, [수학식 8]에 따른 전달컨덕턴스 차 벡터에 혈류 리드포밍 벡터를 적용하면 다음의 [수학식 13]과 같이 표현할 수 있다. 이때, 조직의 관심용적에 대한 전달컨덕턴스 차 벡터는 0으로 설정함은 상술한 바와 같다.

[수학식 13]

이때, 혈류의 관심용적에 초점을 맞춘 혈류 리드포밍 가중치벡터는 다음의 [수학식 14]에 따른 동일한 의미를 가지는 두 가지 조건 중에서 하나를 충족해야 된다. 이때, 혈류 리드포밍 가중치벡터는 전달컨덕턴스 차 벡터의 변화에 적용하였을 때 두 개의 조건 중에서 #C1 조건을 만족하도록 한다.

즉, 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 가중치벡터와 상기 멀티리드 전달컨덕턴스 차 벡터의 가중합의 값들이 동일하거나, 소정의 범위 내에 있다는 조건을 만족하거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 가중치벡터와 상기 멀티리드 전달컨덕턴스 차 벡터의 가중합의 차(difference)가 동일하거나, 0이거나, 소정의 범위 내에 있다는 조건을 만족하여야 한다. 여기서 동일하거나 0인 조건은 동일하다고 인정되거나 0이라고 인정되는 정도의 범위 내에 있으면 된다.

[수학식 14]

즉, 혈류 리드포밍 가중치 추출 조건을 나타내는 [수학식 13]의 따른 조건을 보면, 제1 혈류 리드포밍 가중치 추출 조건(#C1)은 특정 시점(t)에서 혈류 리드포밍 가중치벡터와 멀티리드 임피던스 데이터(더욱 자세하게는 멀티리드 임피던스 데이터로부터 산출한 전달컨덕턴스 차 데이터 벡터)의 가중합의 값들이 동일하다는 것을 의미하며, 제2 혈류 리드포밍 가중치 추출 조건(#C2)을 보면 특정 시점에서 혈류 리드포밍 가중치벡터와 멀티리드 임피던스 데이터(더욱 자세하게는 멀티리드 임피던스 데이터로부터 산출한 전달컨덕턴스 차 데이터 벡터) 중에서 호흡성분 데이터 벡터와의 가중합은 0임을 의미한다. 따라서, 혈류 리드포밍 가중치벡터 w_B는 호흡성분을 제거하고 혈류성분 만을 추출하는 특성을 가지게 된다.

이때, 본 발명은 [수학식 14]의 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출 조건에서 가중합의 값들이 동일하거나 가중합의 차가 0이 되는 조건에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명은 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출할 때, 사전에 설정한 복수의 기준시점(예: 복수의 심주기에 대한 확장기말 시점, 수축기말 시점 또는 이들의 조합)에서 혈류 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합의 값들이 동일하거나, 소정의 범위 내에 있다는 제1 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출 조건(#C1)을 만족하거나, 상기 혈류 리드포밍 가중치벡터와 상기 호흡성분 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합이 0 근처의 소정의 범위 내에 있다는 제2 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출 조건(#C2)을 만족하여야 한다. 여기서 동일하거나 0인 조건은 동일하다고 인정되거나 0이라고 인정되는 정도의 범위 내에 있으면 되며, 상기 조건을 만족하는 상기 혈류 리드포밍 가중치벡터를 결정함으로써 상기 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출한다. 이하에서는 혈류 리드포밍 가중치 벡터를 추출하는 과정을 보다 상세히 설명하고자 한다.

제1 혈류 리드포밍 가중치 추출 조건(#C1)을 이용하여 혈류 리드포밍 가중치벡터를 결정하기 위해 [0, T₁]에서 복수의 심주기에 대한 확장기말 시점(T_D,i)(이때, 확장기말 시점이 기준시점이 됨)을 각각 선택한다. 이는 심전도 데이터에서의 R파를 검출함으로써 수행될 수 있다. 이때, 신호원 일관성 이론에 따라 시변 전도도 벡터의 주기성으로 부터 다음의 [수학식 15]를 도출할 수 있다.

[수학식 15]

여기서, N은 N번째 심주기이며, c₁은 0이 아닌 상수를 나타낸다. 상기 [수학식 15]의 각 원소를 결합하여 다음의 [수학식 16]과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 16]

여기서, G_D는 N x 208의 확장기말 전달컨덕턴스 차 데이터 벡터에 대한 행렬을 나타내며, l은 N x 1의 행렬을 나타낸다. 이때, c₁을 1로 설정하면 혈류 리드포밍 가중치벡터의 최소노름해(minimum-norm solution)는 다음의 [수학식 17]과 같이 계산된다.

[수학식 17]

여기서, 혈류 리드포밍 가중치벡터는 노름(norm)의 크기가 1(즉, ||w_B||= 1)로 정규화된다.

또한 심주기 내에서 확장기말(T_D)과 수축기말 시간(T_s)에 해당하는 두 가지의 다른 시점(이 경우, 확장기말과 수축기말이 기준시점이 됨)을 이용하면 다음의 [수학식 18]에 따른 확장기말과 수축기말 사이의 전달컨덕턴스 차 벡터의 차이를 이용할 수 있으며, [수학식 19]에 따라 혈류 리드포밍 가중치벡터를 계산할 수 있다.

[수학식 18]

여기서 c₂는 0이 아닌 상수이다.

[수학식 19]

여기서, G_DS는 N X 208의 전달컨덕턴스 차이 벡터에 대한 데이터 행렬을 나타내며, 수축기말과 확장기말 사이에 대해서 다음의 [수학식 20]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 20]

즉, [수학식 14] 내지 [수학식 20]을 통해 설명한 것을 종합하여 간단하게 설명하면, 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출할 때, 심전도 데이터를 통한 복수의 심주기 각각에서 정한 복수의 시점(기준시점)(예: 확장기말, 수축기말 또는 이들의 조합에 대한 시점)에서 전달컨덕턴스 차 벡터에 혈류 리드포밍 가중치벡터를 적용하였을 때, 상술한 조건을 만족하는 혈류 리드포밍 가중치벡터를 결정함으로서 상기 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것이다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 멀티리드 임피던스 데이터에 리드포밍 가중치벡터를 적용하여 호흡용적신호를 추출하기 위해, 호흡의 관심용적에 초점을 맞춘 크기가 1인 208 X 1의 호흡 리드포밍 가중치벡터 w_A를 결정하여 추출한다.

이때, 심폐기능 측정 장치(100)는 3차원 영역(Y)에서 피검체의 호흡에 따라 공기량이 증가하면 저항 또한 증가하므로 전달컨덕턴스 벡터를 이용하지 않고 전달저항 벡터(trans-resistance vector)를 사용하여 채널별 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출함으로써 멀티리드 임피던스 데이터에 대한 전체 호흡 리드포밍 가중치벡터(w_A)를 추출한다.

전달저항 벡터는 다음의 [수학식 21]과 같이 멀티리드 임피던스 데이터의 각 채널의 실수부를 취함으로써 산출된다.

[수학식 21]

또한 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것은 전달저항 벡터를 이용하는 것만 다를 뿐, 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것과 동일한 과정을 통해 수행된다. 다시 정리하면, 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출할 때, 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족해야 된다. 즉, 사전에 설정한 복수의 기준시점(예: 복수의 호흡주기에서 호기말 시점, 흡기말 시점 또는 이들의 조합)에서 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터(더욱 자세하게는 멀티리드 임피던스 데이터로부터 산출한 전달저항 차 데이터 벡터)의 가중합의 값들이 동일하거나, 소정의 범위 내에 있다는 제1 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족하거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터(더욱 자세하게는 혈류성분 멀티리드 임피던스 데이터로부터 산출한 혈류성분 전달저항 차 데이터 벡터)의 가중합의 차가 0인 소정의 범위 내에 있다는 제2 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족하는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 결정함으로써 상기 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하게 된다.

따라서 호흡 리드포밍 가중치벡터는 다음의 [수학식 22]에 따라 산출된다.

[수학식 22]

여기서 T_Ij 및 T_Ej는 [0, T₁]의 i번째 호흡주기에서 흡기말 및 호기말 시점(기준기점)을 의미하며, 신호원 일관성 이론에 따라 모든 호흡주기에서 시변 전달저항 차 데이터 벡터(△r)가 주기성을 가지는 것으로 가정했으며, R_IE는 N X 208의 흡기말 시점과 호기말 시점 사이에 대해서 전달저항 차 데이터 벡터에 대한 데이터 행렬을 나타낸다.

즉, 상기에서 설명한 것과 같이, 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류, 호흡 또는 이들의 조합을 포함하는 리드포밍 가중치벡터를 추출할 때, 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 가중치벡터와 상기 멀티리드 데이터의 가중합의 값들이 동일하거나, 소정의 범위 내에 있다는 조건을 만족하거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 상기 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합이 0인 소정의 범위 내에 있다는 조건을 만족해야 한다. 여기서, 동일하거나 0인 조건은 동일하다고 인정되거나 0이라고 인정되는 정보의 범위 내에 있으면 되며 상기 조건을 만족하는 각 가중치벡터를 결정함으로써 상기 각 가중치벡터를 추출하는 것이다.

또한 상술한 바와 같이, 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출할 때, 피검체의 심주기에 대한 이완기말, 수축기말 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 각 기준시점을 사용하며, 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출할 때에는 피검체의 각 호흡주기에 대한 흡기말, 호기말 또는 이들의 조합을 포함하는 복수의 각 기준시점을 사용한다.

한편, 도 3에는 각 가중치벡터를 추출하기 위해 멀티리드 임피던스 데이터의 실수부를 이용하는 것으로 기재되어 있으나, 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 실수부 또는 허수부, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 이용할 수 있다.

이하에서는 도 4를 참조하여 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 과정을 상세히 설명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 절차를 상세히 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다.

한편, 혈류 리드포밍 가중치벡터는 멀티리드 임피던스 데이터로부터 산출한 전달컨덕턴스 벡터를 이용하고, 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출조건을 만족할 때 추출되며, 호흡 리드포밍 가중치벡터는 멀리리드 임피던스 데이터로부터 산출한 전달저항 벡터를 이용하여 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출조건을 만족할 때 추출됨은 상술한 바와 같다.

도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 절차는 우선, 심폐기능 측정 장치(100)는 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합에 대한 값들을 계산하고, 가중합에 대한 값들의 차(difference)들을 계산하여 각 리드포밍 가중치벡터 추출 조건 만족 여부를 계산한다(S10a).

다음으로, 상기 심폐기능 측정 장치(100)는 각 리드포밍 가중치벡터 추출 조건에 만족(S11a)하면 멀티리드 임피던스 데이터의 변화 성분으로부터 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 최종 추출하여 메모리에 저장(S12)하고, 이후 획득되는 멀티리드 임피던스 데이터에 상기 저장한 혈류, 호흡 리드포밍 가중치벡터 또는 이들의 조합을 적용하여, 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출한다.

이때, 심폐기능 측정 장치(100)는 사전에 설정한 복수의 기준 시점에서 각 리드포밍 가중치벡터와 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합들이 동일하거나, 소정의 범위 내에 있다는 제1 조건을 만족하거나 사전에 설정한 복수의 기준시점에서 각 리드포밍 가중치벡터와 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합이 0인 소정의 범위 내에 있다는 제2 조건을 만족하는 경우, 혈류 혹은 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출한다.

여기서, 동일하거나 0인 조건은 동일하다고 인정되거나 0이라고 인정되는 정보의 범위 내에 있으면 되여 상기 조건을 만족하는 각 가중치벡터를 결정함으로써 상기 각 가중치벡터를 추출하는 것이다.

이상에서는 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 과정을 설명하였다. 이하에서는 상기 추출한 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터를 각각 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 혈류용적신호와 호흡용적신호를 추출하는 과정을 설명하고자 한다.

심폐기능 측정 장치(100)는 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하였으면, 다음의 [수학식 23]에 따라 멀티리드 임피던스 데이터에 각각 적용하여 혈류용적신호와 호흡용적신호를 동시에 연속적으로 추출하게 된다.

[수학식 23]

[수학식 23]에 나타낸 것과 같이, 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합은 각 가중치벡터와 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합(weighted sum)으로 추출된다. 즉, 상기 각 가중치벡터를 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출하는 것이다.

이때, 각 가중치벡터를 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하는 것은, 멀티리드 임피던스 데이터에 대해 산출한 각 전달컨덕턴스 차이 벡터(즉, 전달컨덕턴스 차이 벡터에 대한 데이터)와 멀티리드 임피던스 데이터에 대해 산출한 각 전달저항 차이 벡터(즉, 전달저항 차이 벡터에 대한 데이터)에 적용하는 것을 의미한다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 상기 각 가중치벡터와 함께 고역통과필터(HPF, high pass filter)와 저역통과필터(LPF, low pass filter)를 포함하는 시간영역필터를 추가적으로 적용한다.

예를 들어, 혈류용적신호를 추출할 때, 혈류 리드포밍 가중치벡터와 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합에 특정 차단 주파수(예: 0.6Hz)이상의 주파수 신호만을 통과시키기 위한 고역통과필터를 추가적으로 적용하고, 호흡용적신호를 추출할 때, 호흡 리드포밍 가중치벡터와 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합에 특정 차단 주파수 이하(예: 0.6Hz)의 주파수 신호만을 통과시키기 위한 저역통과필터를 추가적으로 적용한다.

다만, 본 발명에서는 이에 한정하지 않으며, 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출하기 위해 저역통과필터, 고역통과필터, 대역통과필터(BPF, band pass filter), 대역제거필터(BRF, band reject filter) 또는 이들의 조합을 포함하는 시간영역필터를 추가로 적용할 수 있다.

한편, [수학식 8]을 통해 짧은 시간 동안 3차원 영역(Y)에 대한 미지의 전도도 분포는 시간에 따라 변하지 않는 것으로 가정하였다. 그러나 실제로 피검체의 생리적 기능의 변화에 의해 시간에 따라 변할 수밖에 없으므로 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터를 업데이트하여 정확한 혈류용적신호와 혈류용적신호를 추출할 수 있도록 하는 기능을 수행한다.

이하에서는, 각 리드포밍 가중치벡터를 업데이트하는 과정을 상세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 리드포밍 가중치벡터를 업데이트하는 절차를 나타낸 흐름도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 주기적으로 다시 추출하여 업데이트하거나, 혹은 사전에 설정한 복수의 기준시점에서의 각 가중합과 이전에 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하였을 때의 각 가중합의 값들을 계산(S10b)하여 리드포밍 가중치 업데이트 조건 만족여부를 계산(S10b)함으로써 리드포밍 가중치벡터 업데이트 조건에 만족(S11b)하면 멀티리드 임피던스 데이터의 변화 성분으로부터 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 다시 추출하여 업데이트한다(S13).

여기서, 리드포밍 가중치벡터 업데이트 조건은, [수학식 16]과 [수학식 18]에 나타낸 것과 같이, 사전에 설정한 복수의 기준시점(예: 혈류 리드포밍 가중치벡터의 경우 이완기말, 수축기말 또는 이들의 조합, 호흡 리드포밍 가중치벡터의 경우 흡기말, 호기말 또는 이들의 조합)에서의 각 가중합의 값들이 이전에 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하였을 때의 각 가중합의 값들로부터 각각 소정의 범위 내에 있지 않는 경우를 의미한다.

한편 심폐기능 측정 장치(100)는 신호 품질 지수(SQI, signal quality index)를 실시간으로 지속적으로 추정하여 리드포밍 가중치벡터를 업데이트할 수 있다.

이때, SQI가 사전에 설정한 임계값을 초과할 때, 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터에 대한 최소노름해는 이전의 멀티리드 임피던스 데이터와 현재의 멀티리드 임피던스 데이터를 이용하여 업데이트될 수 있다. 예를 들어, SQI를 이용하는 경우 [수학식 16] 및 [수학식 18]에서 가정한 상수 c₁ 또는 c₂의 표준 편차로 계산할 수 있다.

리드포밍은 어레이 센서(array sensor)를 사용하는 레이더나 초음파 분야의 빔포밍(beamforming)과 유사한 개념이다. 본 발명에서 최초로 그 개념과 구현 방법을 구체화한 리드포밍에 대한 이해를 돕기 위해 도 6과 7을 통해 리드포밍 가중치벡터의 의미를 더 설명한다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기와 혈액의 관심용적(VOI, volume of interest)에 따른 전달컨덕턴스 차 벡터를 더욱 상세하게 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터간의 관계를 나타낸 도면이다.

시간 간격 [0, T₁]에서 신호원 일관성 이론을 적용하면 공기의 관심용적(VOI, volume of interest) 및 혈류의 관심용적에 대한 시변 전도도 벡터에 대한 벡터 공간적 해석(vector space analysis)은 다음의 [수학식 24]와 같이 표현할 수 있다.

[수학식 24]

여기서, n은 정수이며, T_A는 호흡주기, T_B는 심주기를 나타낸다. 이때, [수학식 12]와 비교하면 호흡 및 혈류의 관심용적에 대한 모든 복셀에서 시변 전도도 벡터의 시간에 따른 변화가 각각 와 로 고정되기 때문에 [수학식 24]는 [수학식 12]보다 더 강력한 신호원 일관성 이론을 가정한 것이다. 또한, 와 는 동기화되지 않는다고 가정하여 다음의 [수학식 25]와 같이 호흡 및 혈류의 관심용적에 따른 전달컨덕턴스 차 데이터 벡터를 표현할 수 있다.

[수학식 25]

여기서, η_A 및 η_B는 시불변이며, 특정 시점(예: t = 0)에서 3차원 영역의 호흡 및 혈류의 관심용적에 의해 결정된다.

도 6에 도시한 바와 같이, 와 는 각각의 최대값과 최소값으로 정해지는 범위 내에서 시간에 따라 변화하기 때문에 호흡 및 혈류의 관심용적에 따른 각 전달컨덕턴스 차 벡터의 합으로 표현되는 전달컨덕턴스 차 데이터 벡터(△g(t))는 사선으로 채워진 평행사변형의 내부에 위치한 궤적을 형성한다.

이때, [수학식 14]에 나타낸 제1 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출 조건(#C1)에서 혈류의 관심용적에 초점을 맞추면, [수학식 16]을 다음의 [수학식 26]으로 표현할 수 있다.

[수학식 26]

여기서 [수학식 26]은 [수학식 17]에서와 같이 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하기 위한 동일한 공식을 도출할 수 있으며, [수학식 14]에 나타낸 제2 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출 조건(#C2)을 다음의 [수학식 27]과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 27]

일반적으로 는 0이 아니므로,이 된다. 이는 혈류 리드포밍 가중치벡터(w_B)가 η_A에 직교한다는 것을 의미한다. 즉, 혈류 리드포밍 가중치벡터는 벡터 η_A를 포함하는 벡터공간과 직교하는 것이다.

그러나 도 7에 도시한 바와 같이, 일반적으로 혈류의 관심용적에 대한 벡터공간과 η_A는 직교하지 않기 때문에 혈류 리드포밍 가중치벡터(w_B)는 전달컨덕턴스 차 벡터(△g(t))를 혈류 관심용적이 아닌 span{η_A}^ㅗ에 투영하며, 다음의 [수학식 28]의 관계가 성립한다.

[수학식 28]

여기서θ₁은 span{η_A}^ㅗ와 혈류의 관심용적의 각도이다. 또한 [수학식 28]과 유사하게 호흡 리드포밍 가중치벡터와 전달저항 차 데이터 벡터 사이의 관계를 다음의 [수학식 29]와 같이 나타낼 수 있다. 한편, 도 6 및 도 7은 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터를 함께 표시하기 위해 전달저항 대신에 전달컨덕턴스를 이용한 벡터공간에서의 상호 관계를 나타낸 것이다.

[수학식 29]

여기서, θ₂는 η_B ^ㅗ와 A의 각도이다.

상기의 설명에서는 강한 신호원 일관성 가정을 사용해서 설명했으나, 각 복셀을 서로 다른 복수의 하위 그룹으로 분류하면 신호원 일관성 가정을 일반화할 수 있다.

예를 들어, 혈류의 관심용적 A'에 포함되는 복셀들을 의 N_G,A개의 함수로 표현되는 N_G,A개의 하위 그룹으로 분류할 수 있다. 이는 의 부벡터공간(subspace)을 생성하며, 로 표현되는 N_G,B개의 하위 그룹들에 의한 의 부벡터공간으로 관심용적 A'를 표현할 수 있다.

이렇게 각 관심용적에서 여러 개의 하위 그룹을 사용하면, [수학식 17]과 [수학식 19] 및 [수학식 22]와 같이 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡 리드포밍 가중치벡터에 대해 강한 신호원 일관성 가정을 사용한 경우와 동일한 벡터공간 표현식을 도출할 수 있다. 따라서 강한 신호원 일관성 가정을 리드포밍의 개념을 쉽게 설명하기 위한 것일 뿐이며 본 발명의 리드포밍 방법은 강한 신호원 일관성 가정을 필요로 하지 않으며 피험자의 심폐기능이 짧은 기간 동안에 어느 정도의 주기성을 가지는 일반적인 경우에 적용이 가능하다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티리드 임피던스 데이터와 리드포밍 가중치벡터를 나타낸 도면이다.

도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 멀티리드 임피던스 데이터는 피검체의 흉부에 부착한 복수의 전극 중 인접한 전극쌍을 전류주입 전극쌍으로 순차적으로 선택하여 전류를 각각 주입하고, 나머지 인접한 전극쌍인 전압측정 전극쌍을 통해 상기 주입한 전류에 대응하는 전압을 각각 측정함으로써 멀티리드로 획득된다.

여기서, 멀티리드 임피던스 데이터는 정해진 크기의 전류를 주입하고 측정한 전압의 시계열적 변화에 따른 신호의 형태로 연속적으로 획득된다. 도 8을 보면 멀티리드 임피던스 데이터 또는 v로 표시된 멀티리드 전압 데이터는 혈류(즉, 심장박동에 따른 혈류용적)와 관련된 작고 빠른 변화(변동)뿐만 아니라 공기(즉, 호흡에 따른 호흡용적)와 관련된 크고 느린 변화를 모두 보여주고 있다.

또한 혈류 리드포밍 가중치벡터(w_B)와 호흡 리드포밍 가중치벡터(w_A)는 멀티리드 임피던스 데이터에 각각 적용되어 혈류용적신호와 호흡용적신호를 추출하는데 이용됨은 상술한 바와 같다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류용적신호와 호흡용적신호를 나타낸 도면이다.

도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 혈류용적신호는 혈류 리드포밍 가중치벡터를 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 가중합을 산출함으로써 추출되며, 호흡용적신호는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 가중합을 산출함으로써 추출된다.

이렇게 구한 혈류용적신호와 호흡용적신호에 각각 상수를 곱하여 혈류용적신호와 호흡용적신호가 부피의 단위를 가지게 한다.

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류용적신호와 호흡용적신호를 통해 피검체의 심폐기능을 측정하여 출력하는 기능을 수행한다.

심폐기능은 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량, 일회환기량, 호흡주기, 호흡수, 분당환기량 또는 이들의 조합을 포함하는 심폐기능 생리변수를 측정함으로써 측정된다.

또한 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량은 혈류용적신호를 이용하여 측정되며, 일회환기량, 호흡주기, 호흡수, 분당환기량은 호흡용적신호를 이용하여 측정된다.

여기서, 심주기는 혈류용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 검출함으로써 측정되며, 일회박출량은 상기 각 심주기에서 밸리에서 피크까지의 값을 계산하여 측정된다. 또한 심박수는 단위시간당 상기 심주기의 개수를 계산하여 측정되고, 상기 심박출량은 상기 심박수에 상기 일회박출량을 곱하여 측정되며, 상기 일회박출량변화는 다음의 [수학식 30]에 따라 일정시간동안(예: 4번의 심주기) 각각 측정한 일회박출량의 최대값과 최소값을 이용하여 측정된다. 또는 [수학식 30]에서 분모에 일회박출량의 평균값을 사용하고 분자에 일회박출량의 표준편차를 사용하는 것도 가능하다.

[수학식 30]

또한 호흡주기는 호흡용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 검출하여 측정되며, 일회환기량은 상기 각 호흡주기에서 밸리에서 피크까지의 값을 계산하여 측정되고, 호흡수는 단위시간당 상기 호흡주기의 수를 계산하여 측정되며, 분당환기량은 일분동안 산출한 호흡수에 상기 일회환기량을 곱하여 측정된다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치의 구성을 나타낸 도면이다.

도 10에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 심폐기능 측정 장치(100)는 피검체로부터 멀티리드 임피던스 데이터, 심전도 데이터와 호흡주기 데이터를 포함하는 데이터를 획득하는 데이터 획득부(110), 상기 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출하기 위한 리드포밍 가중치벡터를 각각 추출하는 리드포밍 가중치벡터 추출부(120), 상기 각 리드포밍 가중치벡터를 이용하여 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 포함하는 리드포밍 용적신호를 추출하는 리드포밍 용적신호 추출부(130), 상기 각 리드포밍 가중치벡터를 업데이트하는 리드포밍 가중치벡터 업데이트부(140), 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 이용하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 심폐기능 측정부(150), 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호, 상기 심폐기능을 측정한 결과 또는 이들의 조합을 디스플레이(200)에 출력하는 출력부(140), 상기 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합에 대한 신호품질을 평가하는 신호품질 평가부(170)를 포함하여 구성된다.

또한 데이터 획득부(110)는 피검체에 부착된 복수의 전극을 통해 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 임피던스 데이터 획득부(111), 또 다른 채널을 통해 ECG 장치와 같이 상기 피검체의 심전도를 측정하는 장치로부터 심전도 데이터를 획득하는 심전도 데이터 획득부(112) 및 또 다른 채널을 통해 기계환기 장치와 같이 상기 피검체의 호흡주기를 측정하는 장치로부터 호흡주기 데이터를 획득하는 호흡주기 데이터 획득부(113)를 포함하여 구성된다.

또한 리드포밍 가중치 벡터 추출부(120)는 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류용적신호를 추출하기 위한 혈류 리드포밍 가중치벡터와 호흡용적신호를 추출하기 위한 호흡 리드포밍 가중치벡터 또는 이들의 조합을 추출하기 위한 것으로, 상기 리드포밍 가중치 벡터 추출부(120)의 구성은 도 9를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

또한 리드포밍 용적신호 추출부(130)는 리드포밍 가중치벡터 추출부(120)를 통해 추출하여 저장된 혈류 리드포밍 가중치벡터, 호흡 리드포밍 가중치벡터 또는 이들의 조합(메모리에 저장된 값을 가져와서 이용할 수 있음)과 멀티리드 임피던스 데이터를 이용하여 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 포함하는 리드포밍 용적신호를 추출하기 위한 것으로, 상기 각 용적신호를 추출하는 것은 도 3 내지 도 8을 참조하여 설명하였으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

또한 리드포밍 가중치벡터 업데이트부(140)는 혈류 리드포밍 가중치벡터, 호흡 리드포밍 가중치벡터 또는 이들의 조합을 주기적으로 다시 추출하여 업데이트하거나, 리드포밍 가중치벡터 업데이트 조건을 만족하였을 때, 상기 각 가중치벡터를 다시 추출하여 업데이트하는 것으로, 상기 리드포밍 가중치벡터를 업데이트하는 것은 도 5를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 생략하도록 한다.

또한 심폐기능 측정부(150)는 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 이용하여 피검체에 대한 심폐기능을 측정하는 기능을 수행한다. 한편, 심폐기능을 측정하는 것은 혈류용적신호와 호흡용적신호를 이용하여 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량, 일회환기량, 호흡주기, 호흡수, 분당환기량 또는 이들의 조합을 포함하는 심폐기능 진단변수를 측정함으로써 수행됨은 상술한 바와 같다.

또한 출력부(160)는 혈류용적신호, 호흡용적신호, 심폐기능 측정결과 또는 이들의 조합을 디스플레이(200)에 출력하여 모니터링할 수 있도록 하는 기능을 수행한다. 여기서, 심폐기능 측정결과는 그래프(예: 파형), 텍스트(즉, 수치) 또는 이들의 조합으로 상기 디스플레이(200)에 출력함으로써 상기 심폐기능 측정결과에 대한 시인성을 향상시킬 수 있도록 한다.

또한 신호품질 평가부(170)는 혈류용적신호를 통해 측정한 심주기와 피검체로부터 획득한 심주가 데이터의 심주기에 대한 일치여부(혹은 일치비율)에 따라 상기 혈류용적신호의 품질을 평가하고, 호흡용적신호를 통해 측정한 호흡주기와 상기 피검체로부터 획득한 호흡주기 데이터의 호흡주기에 대한 일치여부(혹은 일치비율)에 따라 상기 호흡용적신호의 품질을 평가하는 기능을 수행한다.

이때, 신호품질 평가부(170)는 각 신호품질을 평가한 결과가 사전에 설정한 임계값을 초과(또는 미달)하여 신호품질이 낮다고 판단된 경우, 심폐기능 측정 결과의 출력을 일시적으로 중단하고 상기 신호품질을 평가한 결과를 관리자에게 알림으로 제공할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 리드포밍 가중치벡터 추출부의 구성을 상세히 나타낸 블록도이다.

도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 리드포밍 가중치벡터 추출부(120)는 피검체의 심장박동에 의한 혈류용적변화에 따른 혈류용적신호를 추출하기 위한 기반이 되는 전달컨덕턴스 벡터를 멀티리드 임피던스 데이터를 통해 산출하는 전달컨덕턴스 벡터 산출부(121a), 상기 산출한 전달컨덕턴스 벡터의 차이를 나타내는 전달컨덕턴스 차 데이터 벡터를 산출하는 전달컨덕턴스 차 벡터 산출부(121b), 상기 산출한 전달컨덕턴스 차 벡터를 이용하여 혈류용적신호를 추출하기 위한 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출부(121c)와, 피검체의 호흡에 의한 호흡용적의 변화에 따른 호흡용적신호를 추출하기 위한 기반이 되는 전달저항 벡터를 산출하는 전달저항 벡터 산출부(122a), 상기 산출한 전달저항 벡터의 차이를 나타내는 전달저항 차 데이터 벡터를 산출하는 전달저항 차 벡터 산출부(122b) 및 상기 전달저항 차 벡터를 이용하여 호흡용적신호를 추출하기 위한 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출부(122c)를 포함하여 구성된다.

또한 전달컨덕턴스 벡터 산출부(121a)는 멀티리드 임피던스 데이터에서, 각 리드별 임피던스 데이터의 실수부에 대한 역수를 각각 취하여, 각 리드별 전달컨덕턴스 벡터를 산출하여 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 대한 전체 전달컨덕턴스 벡터를 산출한다.

또한 전달컨덕턴스 차 벡터 산출부(121b)는 사전에 설정한 복수의 기준시점(예: 복수의 심주기에서 이완기 시점, 수축기 시점 또는 이들의 조합)을 기준으로, 각 채널별 전달컨덕턴스 벡터의 차이에 따른 전달컨덕턴스 차이 벡터를 각각 산출한다.

여기서, 전달컨덕턴스 차 벡터는 복수의 전극을 통해 전류주입 및 전압측정 전극쌍의 리드에 의해 피검체의 신체내부에 대한 3차원 영역(Y)에서, 피검체의 심장박동과 호흡에 따라 변화되는 혈류의 관심용적에 대한 전달컨덕턴스 차 벡터와 호흡의 관심용적에 대한 전달컨덕턴스 차이 벡터의 합으로 형성됨은 상술한 바와 같다.

또한 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출부(121c)는 상기 각 전달컨덕턴스 차 벡터를 이용하여 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족하는 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하여 메모리(미도시)에 저장하는 기능을 수행한다.

한편, 전달컨덕턴스 벡터와 전달컨덕턴스 차 벡터를 산출하는 것과 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것은 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명하였으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

또한 전달저항 벡터 산출부(122a)는 멀티리드 임피던스 데이터에서, 각 채널별 임피던스 데이터의 실수부를 각각 취하여 각 채널별 전달저항 벡터를 산출하여 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 대한 전체 전달저항 벡터를 산출한다.

또한 전달저항 차 벡터 산출부(122b)는 사전에 설정한 복수의 기준시점(예: 복수의 호흡주기에서 흡기말 시점, 호기말 시점 또는 이들의 조합)을 기준으로, 각 채널별 전달저항 벡터의 차이에 따른 전달저항 차 벡터를 각각 산출한다.

여기서, 전달저항 차 벡터는 복수의 전극을 통해 전류주입 및 전압측정 전극쌍의 리드에 의해 형성되는 피검체의 신체내부에 대한 3차원 영역(Y)에서, 피검체의 심장박동과 호흡에 따라 변화되는 혈류와 호흡의 관심용적에 대한 전달저항 차 벡터의 합으로 형성된다.

또한 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출부(122c)는 상기 각 전달저항 차 벡터를 이용하여 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하여 메모리에 저장하는 기능을 수행한다. 여기서 호흡 리드포밍 가중치벡터는 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건으로 추출됨은 상술한 바와 같다.

한편, 전달저항 벡터와 전달저항 차 벡터를 산출하는 것과 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것은 전달컨덕턴스 벡터와 전달컨덕턴스 차 벡터를 산출하는 것과 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것과 동일한 과정을 통해 수행되는 것으로, 도 3 내지 도 7을 참조하여 설명하였으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

한편, 도 10에 도시한 가중치벡터 업데이트부(140)를 보다 자세하게 설명하면, 가중치벡터 업데이트부(140)는 시계열적인 멀티리드 임피던스 데이터에서 일정 기간 동안 리드포밍 가중치벡터를 추출하고, 이후 상기 추출한 리드포밍 가중치벡터를 상기 멀티리드 임피던스 데이터에 적용하여 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는데, 상기 가중치벡터를 주기적으로 다시 추출하여 업데이트하거나, 상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서의 가중합이 상기 리드포밍 가중치벡터를 추출할 때의 가중합으로부터 소정의 범위 내에 있지 않는 경우에 해당하는 리드포밍 가중치벡터 업데이트 조건을 만족할 때, 상기 가중치벡터를 다시 추출하여 업데이트한다. 상기 리드포밍 가중치벡터는 기존에 메모리에 저장되어 있던 리드포밍 가중치벡터를 새로운 값으로 업데이트하여 저장되며, 이후에는 상기 업데이트된 리드포밍 가중치벡터를 이용하여 혈류용적신호, 호흡용적신호를 산출한다.

한편, 심폐기능 장치(100)는 또 다른 적어도 하나 이상의 장치에서 측정한 심전도, 혈압, 체온, 산소포화도, 산소분압, 이산화탄소분압 또는 이들의 조합을 포함하여 피검체에 대한 적어도 하나 이상의 생체신호를 실시간으로 수신하고, 상기 수신한 생체신호를 통합하여 디스플레이(200)에 출력함으로써 피검체에 대한 상태를 더욱 효율적으로 모니터링할 수 있도록 한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 피검체의 심폐기능을 측정하는 절차를 나타낸 흐름도이다.

도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 피검체의 심폐기능을 측정하는 절차는 우선, 심폐기능 측정 장치(100)는 피검체로부터 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 데이터 획득 단계를 수행한다(S110).

또한 심폐기능 측정 장치(100)는 복수의 전극을 통해 전류주입과 전압측정 전극쌍에 대한 리드가 형성하는 멀티리드 임피던스 데이터를 통해 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 추출하기 위한 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하여 메모리에 저장하는 단계(S120), 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하여 메모리에 저장하는 단계(S130) 또는 이들의 조합을 수행하는 리드포밍 가중치벡터 추출 단계를 수행한다.

또한 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 단계는, 멀티리드 임피던스 데이터에 대한 전달컨덕턴스 벡터를 산출하는 전달컨덕턴스 벡터 산출 단계(S121), 사전에 설정한 복수의 기준시점에 따라 전달컨덕턴스 벡터의 변화에 대한 전달컨덕턴스 차이 벡터를 산출하는 전달컨덕턴스 차이 벡터 산출 단계(S122) 및 전달컨덕턴스 차이 벡터와 심전도 데이터를 이용하여 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출 단계(S123)를 포함하여 구성된다.

또한 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 단계는 멀티리드 임피던스 데이터에 대한 전달저항 벡터를 산출하는 전달저항 벡터 산출 단계(131), 사전에 설정한 복수의 기준시점에 따른 전달저항 벡터의 변화에 대한 전달저항 차이 벡터를 산출하는 전달저항 차이 벡터 산출 단계(S132) 및 전달저항 차이 벡터와 호흡주기 데이터를 이용하여 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 단계(S133)를 포함하여 구성된다.

여기서 심전도 데이터는 ECG 장치와 같이 심전도를 측정하는 장치로부터 획득되고, 호흡주기 데이터는 기계환기 장치나 환자감시장치와 같이 호흡주기를 측정하는 장치로부터 획득된다.

한편, 혈류 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 과정과 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 과정은 도 4를 참조하여 설명하였으므로 여기서는 생략하도록 한다.

다음으로 심폐기능 측정 장치(100)는 메모리에 저장한 혈류 리드포밍 가중치벡터, 호흡 리드포밍 가중치벡터 또는 이들의 조합을 포함하는 리드포밍 가중치벡터를 이용하여 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 포함하는 리드포밍 용적신호를 추출하는 리드포밍 용적신호 추출 단계를 수행한다(S140).

이때, 리드포밍 용적신호를 추출하는 것은 상기 메모리에 저장한 각 리드포밍 가중치벡터와 멀티리드 임피던스 데이터의 가중합을 계산함으로써 수행된다.

이후, 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류용적신호와 호흡용적신호를 이용하여 피검체의 심폐기능을 측정하는 심폐기능 측정 단계를 수행한다(S150). 상기 심폐기능을 측정하는 것은 도 9를 참조하여 설명하였으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

다음으로 심폐기능 측정 장치(100)는 혈류용적신호, 호흡용적신호 및 심폐기능 측정결과를 디스플레이(200)에 출력하는 출력 단계를 수행한다(S160).

한편 도 12에는 도시하지 않았으나, 각 리드포밍 가중치 벡터를 업데이트하는 리드포밍 가중치벡터 업데이트 단계와 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합에 대한 신호품질을 평가하는 신호품질 평가 단계를 더 포함하며, 상기 리드포밍 가중치 벡터를 업데이트하는 것과 신호품질을 평가하는 것은 도 6 및 도 10을 참조하여 각각 설명하였으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.

이하에서는 본 발명을 통해 측정한 일회환기량과 일회박출량에 대한 정확도를 분석한 결과를 설명하도록 한다. 상기 분석은 복수의 피검체(예: 5마리의 돼지)에 대한 10회의 반복된 유체도전(fluid challenges)을 실시하는 동안 수행되었으며, 실제 일회박출량은 침습적인 방법으로 일회박출량을 측정하는 방법 중의 하나인 동맥압을 기반으로 일회박출량을 측정하는 장치(EV1000, Edwards Lifesciences, U.S.)를 이용해 측정하였다. 실제 일회환기량은 기계환기 장치에서 측정한 것을 이용하였다. 상기 분석은 선형 회귀 분석(linear regression analysis) 방법과 Bland-Altman 분석 방법을 통해 수행하였다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 일회박출량의 정확도를 나타낸 도면이다.

도 13에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 본 발명을 통해 측정한 일회박출량과 실제 측정한 일회박출량에 대한 총 370쌍의 데이터 사이의 선형 회귀 분석을 통해 본 발명의 일회박출량에 대한 정확도를 분석하였다.

선형 회귀분석을 통해 분석한 결과, 본 발명의 일회박출량과 실제 측정한 일회박출량간의 추정 슬로프(estimated slope)는 0.98이었고, 추정 절편(estimated intercept)은 0.77로 나타났다. 또한 본 발명의 일회박출량과 실제 측정한 일회박출량간의 선형적인 상관관계를 나타내는 결정계수(coefficient of determination)와 피어슨 계수(pearson correlation coefficient)는 각각 0.98 및 0.99로 나타났다. 즉, 본 발명은 매우 높은 정확도로 일회박출량을 측정하는 것을 알 수 있다.

도 14는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 일회박출량의 정확도를 나타낸 도면이다.

도 14에 도시한 바와 같이, 본 발명을 통해 측정한 일회박출량과 실체 측정한 일회박출량에 대한 쌍(370쌍)간의 Bland-Altman 분석을 통해 본 발명의 일회박출량에 대한 정확도를 분석하였다.

분석결과, 본 발명의 일회박출량과 실제 측정한 일회박출량 간의 편향(bias)은 0.00mL/beat였으며, 95% 신뢰구간에서 LoA(limits of agreement)는 +-2.87 mL/beat였다. 또한 백분율 오차(percentage error)는 9.5%로 나타났다. 즉, 본 발명은 매우 높은 정확도로 일회박출량을 측정하는 것을 알 수 있다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 일회환기량의 정확도를 나타낸 도면이다.

도 15에 도시한 바와 같이, 본 발명에서 측정한 일회환기량과 기계환기 장치를 통해 실제 측정한 일회환기량간의 평균 백분율 오차는 0.5% 내지 5.4%로 나타났다. 즉, 본 발명은 매우 높은 정확도로 일회환기량을 측정하는 것을 알 수 있다.

이처럼, 본 발명은 피검체로부터 획득한 멀티리드 임피던스 데이터를 이용하여 피검체의 신체 내부에 대한 영상을 재구성하지 않고, 멀티리드 임피던스 데이터 자체에 대한 리드포밍 가중치벡터를 통해 혈류량의 변화에 따른 혈류용적신호와 공기량의 변화에 따른 호흡용적신호를 비침습적으로 동시에 연속하여 추출함으로써, 피검체의 심폐기능을 효과적으로 측정할 수 있도록 하는 효과가 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 판단되어야 할 것이다.

100: 심폐기능 측정 장치 110: 데이터 획득부
111: 임피던스 데이터 획득부 112: 심전도 데이터 획득부
113: 호흡주기 데이터 획득부 120: 리드포밍 가중치벡터 추출부
121a: 컨덕턴스벡터 산출부 121b: 컨덕턴스 차이 벡터 산출부
121c: 혈류 리드포밍 가중치벡터 추출부 122a: 저항벡터 산출부
122b: 저항 차이 벡터 산출부 122c: 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출부
130: 리드포밍 용적신호 추출부 140: 리드포밍 가중치벡터 업데이트부
150: 심폐기능 측정부 160: 출력부
170: 신호품질 평가부

Claims

복수의 전극을 통해 피검체로부터 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 임피던스 데이터 획득부;
상기 획득한 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 리드포밍 가중치벡터 추출부; 및
상기 획득한 멀티리드 임피던스 데이터에 상기 추출한 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 적용하여 산출한 가중합(weighted sum)으로 혈류용적신호 또는 호흡용적신호를 각각 추출하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 리드포밍 용적신호 추출부;를 포함하며,
사전에 설정한 복수의 기준시점에서, 상기 획득한 멀티리드 임피던스 데이터의 각 값이 소정의 범위 내에 있거나, 서로 다른 기준시점에서 각 값의 차(difference)가 소정의 범위 내에 있다는 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족해야 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 혈류 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 심주기에 대한 이완기말(end diastolic time), 수축기말(end systolic time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 호흡 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 호흡주기에 대한 흡기말(end inspiratory time), 호기말(end expiratory time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 멀티리드 임피던스 데이터의 실수부 또는 허수부, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 멀티리드 임피던스 데이터, 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 저역통과필터, 고역통과필터, 대역통과필터, 대역제거필터 또는 이들의 조합을 포함하는 시간영역필터를 추가로 적용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 각각 소정의 상수를 곱하여 혈류용적신호 또는 호흡용적신호의 단위를 부피의 단위로 변경하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 이용하여 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량, 호흡주기, 일회환기량, 호흡수, 분당환기량 또는 이들의 조합을 포함하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 심폐기능 측정부; 및
상기 혈류용적신호, 호흡용적신호, 상기 심폐기능을 측정한 결과, 또는 이들의 조합을 출력하는 출력부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 심주기는, 상기 혈류용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하고,
상기 일회박출량은, 각 상기 심주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하며,
상기 심박수는, 단위시간당 상기 심주기의 수를 계산하여 측정하고,
상기 심박출량은, 상기 심박수에 상기 일회박출량을 곱하여 측정하며,
상기 일회박출량변화는, 일정시간동안 측정한 일회박출량의 최대값, 최소값, 평균값, 표준편차를 포함한 통계처리 값을 이용하여 측정하고,
상기 호흡주기는, 상기 호흡용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하며,
상기 일회환기량은, 각 상기 호흡주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하고,
상기 호흡수는, 단위시간당 상기 호흡주기의 수를 계산하여 측정하며,
상기 분당환기량은, 상기 호흡수에 상기 일회환기량을 곱하여 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 혈류용적신호의 심주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 심주기의 일치 여부에 따라 상기 혈류용적신호의 품질을 평가하고, 상기 호흡용적신호의 호흡주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 호흡주기의 일치여부에 따라 상기 호흡용적신호의 품질을 평가하는 신호품질 평가부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 주기적으로 다시 추출하여 업데이트하거나,
상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서의 각 가중합의 값들이 이전에 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하였을 때의 각 가중합의 값들로부터 각각 소정의 범위 내에 있지 않는 경우, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 다시 추출하여 업데이트하는 리드포밍 가중치벡터 업데이트부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 심폐기능 측정 장치는,
또 다른 적어도 하나 이상의 장치에서 측정한 심전도, 맥파, 혈압, 체온, 산소포화도, 산소분압, 이산화탄소분압 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나 이상의 생리변수를 통합하여 출력하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 장치.
심폐기능 측정 장치에서, 복수의 전극을 통해 피검체로부터 멀티리드 임피던스 데이터를 획득하는 임피던스 데이터 획득 단계;
상기 심폐기능 측정 장치에서, 상기 획득한 멀티리드 임피던스 데이터로부터 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 리드포밍 가중치벡터 추출 단계; 및
상기 심폐기능 측정 장치에서, 상기 획득한 멀티리드 임피던스 데이터에 상기 추출한 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 적용하여 산출한 가중합(weighted sum)으로 혈류용적신호 또는 호흡용적신호를 각각 추출하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 리드포밍 용적신호 추출 단계;를 포함하며,
사전에 설정한 복수의 기준시점에서, 상기 멀티리드 임피던스 데이터의 각 값이 소정의 범위 내에 있거나, 서로 다른 기준시점에서 각 값의 차(difference)가 소정의 범위 내에 있다는 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터 추출 조건을 만족해야 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
삭제
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 혈류 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 심주기에 대한 이완기말(end diastolic time), 수축기말(end systolic time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 호흡 리드포밍 가중치벡터의 추출에서, 상기 피검체의 각 호흡주기에 대한 흡기말(end inspiratory time), 호기말(end expiratory time) 또는 이들의 조합을 포함하는 각 상기 기준시점을 사용하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 멀티리드 임피던스 데이터의 실수부 또는 허수부, 또는 이들의 조합 중 적어도 하나를 이용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 멀티리드 임피던스 데이터, 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 저역통과필터, 고역통과필터, 대역통과필터, 대역제거필터 또는 이들의 조합을 포함하는 시간영역필터를 추가로 적용하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 혈류용적신호 또는 호흡용적신호에 각각 소정의 상수를 곱하여 혈류용적신호 또는 호흡용적신호의 단위를 부피의 단위로 변경하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 혈류용적신호, 호흡용적신호 또는 이들의 조합을 이용하여 일회박출량, 일회박출량변화, 심주기, 심박수, 심박출량, 호흡주기, 일회환기량, 호흡수, 분당환기량 또는 이들의 조합을 포함하여 상기 피검체의 심폐기능을 측정하는 심폐기능 측정 단계; 및
상기 혈류용적신호, 호흡용적신호, 상기 심폐기능을 측정한 결과, 또는 이들의 조합을 출력하는 출력 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 20에 있어서,
상기 심주기는, 상기 혈류용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하고,
상기 일회박출량은, 각 상기 심주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하며,
상기 심박수는, 단위시간당 상기 심주기의 수를 계산하여 측정하고,
상기 심박출량은, 상기 심박수에 상기 일회박출량을 곱하여 측정하며,
상기 일회박출량변화는, 일정시간동안 측정한 일회박출량의 최대값, 최소값, 평균값, 표준편차를 포함한 통계처리 값을 이용하여 측정하고,
상기 호흡주기는, 상기 호흡용적신호에서 밸리-피크-밸리가 연속되는 것을 탐지하여 측정하며,
상기 일회환기량은, 각 상기 호흡주기에서 밸리값에서 피크값을 계산하여 측정하고,
상기 호흡수는, 단위시간당 상기 호흡주기의 수를 계산하여 측정하며,
상기 분당환기량은, 일분동안의 상기 호흡수에 상기 일회환기량을 곱하여 측정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 혈류용적신호의 심주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 심주기의 일치 여부에 따라 상기 혈류용적신호의 품질을 평가하고, 상기 호흡용적신호의 호흡주기와 상기 피검체로부터 별도로 획득한 호흡주기의 일치여부에 따라 상기 호흡용적신호의 품질을 평가하는 신호품질 평가 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 주기적으로 다시 추출하여 업데이트하거나,
상기 사전에 설정한 복수의 기준시점에서의 각 가중합의 값들이 이전에 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 추출하였을 때의 각 가중합의 값들로부터 각각 소정의 범위 내에 있지 않는 경우, 상기 혈류 또는 호흡 리드포밍 가중치벡터를 다시 추출하여 업데이트하는 리드포밍 가중치벡터 업데이트 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 심폐기능 측정 방법은,
또 다른 적어도 하나 이상의 장치에서 측정한 심전도, 맥파, 혈압, 체온, 산소포화도, 산소분압, 이산화탄소분압 또는 이들의 조합을 포함하는 적어도 하나 이상의 생리변수를 통합하여 출력하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 심폐기능 측정 방법.