KR20030007535A - 생물학적 조직의 상태 측정 방법 및 기구 - Google Patents

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풀모소닉스 피티와이 리미티드
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Abstract

본 발명은 인간 및 동물에서 생물학적 조직의 특징을 측정하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 조직에 음향을 도입하고, 그 음향을 기록함으로써 폐 및 기도와 같은 조직의 특징을 측정하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 측정을 실시할 수 있는 기구를 포함한다. 본 발명의 제1 양태에서는 원위치(in situ)에서 생물학적 조직의 특징을 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다: 조직의 제1 지점에 음향을 도입하는 단계; 음향이 조직을 통해 이동한 후, 제1 지점과 이격된 다른 지점에서 음향을 검출하는 단계; 조직을 통해 제1 지점에서 다른 지점으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 단계; 및 검출된 음향의 속도 및 감쇠를 생물학적 조직의 특징과 상관시키는 단계.

Description

생물학적 조직의 상태 측정 방법 및 기구 {METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING CONDITIONS OF BIOLOGICAL TISSUES}
생물학적 조직의 상태를 비침습적으로 측정하는 것은 환자가 협조할 수 없거나, 조직을 용이하게 관찰할 수 없는 경우에 특히 유용하다.
생물학적 조직의 특징을 측정하기 위하여 현재 사용하고 있는 기술로는 X선, 자기공명 영상(MRI) 및 방사성 동위원소 영상이 포함된다. 이들은 일반적으로 고가이고, 통상적으로 X선, 방사성 물질 또는 감마선 조사를 이용하는 것과 관련하여 다소의 위험을 수반한다. 게다가, 이러한 기술들은 일반적으로 복잡하고, 대부분 부피가 크고 설치비가 비싼 설비를 요구하며, 질병으로 인해 움직일 수 없는 환자의 생물학적 조직에는 접근할 수 없다. 본 발명은 인간 및 동물에서 생물학적 조직의 상태를 평가 및 감시하기 위한 비침습적이고 저렴한 이동성 수단을 제공함으로써 이러한 난관들을 완화하는 방법을 제공한다.
태반 또는 태아와 같은 선택된 조직 및 환자의 상태를 감시 및 관찰하는 데는 특히 초음파 범위의 음파가 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 과정은 복잡하면서도 흔히 고가의 기술이 요구되며, 폐와 같이 상당량의 기체가 존재하는 조직에는 사용될 수 없다.
호주에서는 매년 약 5000명의 신생아들이 일정 기간 동안의 집중적인 보호를 요구하고 있다(ANZNN Annual Report, 1996-1997). 호흡 장애는 지원을 요하는 가장 보편적인 문제로서, 일반적으로 일정 기간의 기계적 호흡(mechanical ventilation)을 통해 치료된다. 지난 10년간, 호흡 장애를 겪는 유아의 사망률은 기계적 호흡에 사용된 기술의 적어도 부분적인 개선 및 계면활성제 대체 요법의 도입으로 인해 상당히 감소한 것으로 밝혀졌다(Jobe, 1993). 현재 대부분의 유아는 초기의 급성 호흡기병을 격고 있으나, 기계적 호흡과 관련된 폐 손상은 많은 유아에게서 "만성 폐 질환"을 초래한다. 만성 폐 질환은 지속적인 염증성 및 섬유성 (fibrotic) 변화를 특징으로 하며, 임신 28주 이내에 태어난 생존 유아의 90% 이상과, 임신 28-31주 사이에 태어난 유아의 30%에 달하는 유아가 생후 28일까지 보조 산소(supplementary oxyegn)에 의존하게 한다. 이중, 절반 이상은 임신 38주의 월경후 시기가 될 때까지도 여전히 보조 산소를 필요로 한다(ANZNN Annual Report, 1996-1997). 보편적으로, 지속성 기도양압(continuous positive airway pressure; CPAP) 또는 인공 호흡을 이용한 보조도 요구된다.
조직학적으로, 압력 상해(barotrauma) 및 산소 독성이 만성 폐 질환의 병인에 대한 주원인일 것으로 여겨져 왔다(Northway et al., 1976; Taghizaded &Reynolds, 1976). 그러나, 압력 상해를 감소시키고/감소시키거나 산소에 노출시킬 것으로 기대되었던 기계적 호흡에 있어서 새로운 방법의 시도는 실망스럽게도 흔히 만성 폐 질환의 발병률에는 거의 영향을 주지 못하였다(HIFI Study Group, 1989; Benstein et al, 1996; Baumer, 2000). 동물에서 종래의 기계적 호흡 방법에 대해 비교한 결과(Dreyfuss et al, 1985), 폐의 용적이 커질수록 폐 내의 압력이 높은 쪽이 손상을 더 잘 받을 수 있으며, 폐의 과팽창으로 인해 "용적 상해 (volutrauma)"가 초래될 수 있는 것으로 밝혀졌다. 동시에, 고주파 진동 호흡(high frequency oscillatory ventilation; HFOV)을 이용해 연구한 결과 저팽창의 기피도 마찬가지로 중요할 수 있는 것으로 나타났다. HFOV는 매우 높은 주파수에서 전달되는 주기적으로 변동하는 작은 용적을 예외적으로 활용하면 폐 손상을 감소시킬 수 있는 가능성을 제공한다. 그러나, 이 기술은 평균 폐 용적이 작은 경우에는 효과가 없으며(HIFI Study Group, 1989), 여전히 정상 용적이 유지되는 경우에만 성공적인 것으로 밝혀졌다(McCulloch et al, 1988; Gerstmann et al, 1996). 이는 무기폐(atelectasis) 경향이 있는 폐를 "개방" 상태로 유지시키는 것의 중요성을 강조해 준다(Froese, 1989). 이러한 종류의 증거는 폐 손상의 가능성이 최소화될 수 있는 폐 용적의 "안전창(safe window)"이 존재할 수 있다는 개념을 불러 일으켰다. 폐 손상을 예방하는 데 있어서의 해답은 폐의 용적을 안전창 이내로 유지시킴으로써 반복적인 과팽창 또는 지속된 무기폐를 피하는 데 있을 수 있다(도 1 참조).
임상 환경에서 최적의 폐 용적을 유지시키기 위한 시도는 폐의 팽창 정도를감시할 수 있는 적합한 방법의 결여로 인해 좌절되었다. 현재 활용되는 주된 기술은 산소 요구량의 평가 및 폐의 방사선학적 조사이다. 그러나, 산소 요구량은 폐 용적 이외의 다른 인자들(예를 들면, 심장내 또는 심장외 좌우 단란)에 의해 영향을 받을 수 있고, 요구되는 주파수에서 수행되는 방사선학적 조사는 방사선 노출의 위험으로 인해 활용이 어렵다.
기계적 호흡 동안 유아의 감시는 폐 태커그래프(pneumotachograph) 또는 고온 와이어 풍력계를 신생아의 호흡기 설계에 결합시킴으로써 지난 10년간 상당히 개선되었다. 이는 일호흡 용적(tidal volume) 및 컴플라이언를 감시하기 위한 유용한 기구를 제공하기는 하지만, 저팽창, 최적의 팽창 또는 과팽창의 설정 시 일호흡 용적이 전달되는 지의 여부에 대해 (압력-용적 곡선의 형태로부터) 극히 간접적인 지표만을 제공한다. 또한, 절대 폐 기체 용적은 질소(N2) 세척 또는 헬륨(He) 희석의 '표준(gold-standard)' 기술을 이용함으로써 측정이 가능하나, 이들은 일상적인 임상용으로는 실용적이지 못하다.
폐의 용적이 "안정창" 내에 유지된 경우에도, 전체적으로 손상되거나 미숙한 폐 상태로 인해서도 폐의 상태가 변할 수 있다. 체액 및 혈액이 폐에 축적되어 환자를 추가 위협할 수 있다. 폐에서 발생하는 청취 가능한 음향(호흡 소리) 또는 폐로 도입된 음향(충격에 의해, 또는 목소리로서)을 청진지를 이용해 평가하는 것은 일상적인 어떠한 의학 조사에서도 필수적인 부분이다. 그러나, 병든 신생아에서는 신생아의 작은 크기, 협조(co-operate) 불가능 또는 환경 잡음의 존재로 인해이러한 기술의 유용성이 크게 제한된다.
신생아에서도 폐의 상태를 측정 및 감시하기가 어렵지만, 환자가 무의식 상태이거나 협조가 불가능한 상태인 경우에는 성인의 경우에도 역시 폐의 상태를 측정하기가 곤란할 수 있다. 이는 폐의 상태를 감시하기 위해 현재 활용되는 기술을 추가로 제한한다. 따라서, 임상 환경에서 폐의 상태를 면밀히 감시할 수 있는 간단하고 비침습적이며 편리한 방법이 요구된다. 또한, 병인 또는 기타 이유로 인해 특성이 변하는 경향이 있을 수 있는 다른 생물학적 조직의 상태를 측정하는 간단하고 비침습적이며 편리한 방법도 필요하다.
따라서, 본 발명은 종래 기술의 문제를 극복하거나, 적어도 경감시킨다.
본 발명은 인간 및 동물에서 생물학적 조직의 특징을 측정하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 조직에 음향을 도입하고, 그 음향을 기록함으로써 폐 및 기도와 같은 조직의 특징을 측정하는 것에 관한 것이다. 본 발명은 또한 이러한 측정을 실시할 수 있는 장치를 포함한다.
도 1은 중등도 질병 폐의 압력-용적 곡선을 도시한 것으로, 폐 용적의 위험 부위 2개가 예시되어 있으며, 그 사이에는 최적의 "안전"창(Froeses, 1997)이 표시되어 있다.
도 2의 A는 5명의 성인 대상으로부터 호흡을 억제한 상태에서 잔류 용적(RV), 기능성 잔류 용량(FRC) 및 전체 폐 용량(TLC)에 대해 얻은 결과를 조합해 음압 수준(dB) 및 음속(m/s) 대 주파수(Hz)로 도시한 것이고, B는 건강한 폐를 갖는 임신 26주의 유아로부터 얻은 결과를 도시한 것으로, 각각의 데이터 점은 5개의 측정치의 조합한 평균 ± S.E.를 나타낸 것이다. 성인은 변환기를 이용해 앞쪽 흉벽 상의 오른쪽 두 번째 늑간 공간의 참조 지점에 결과를 얻었으며, 신생아는 오른쪽 상부 흉부 상의 참조 지점에서 결과를 얻었다. 마이크로폰은 성인 및 유아 모두에서, 변환기를 일렬로 반대쪽 흉벽에 직접 배치하였다.
도 3은 평균 폐 밀도 및 조직의 용적 비율(h)과 음속 사이의 관계를 예시한 것이다.
도 4의 (a)는 기흉의 음향 특성을 모델로 하는 전기 회로를 예시한 것이다. 도 4의 (b)는 입력 SPL이 105 dB인 경우 흉부 마이크로폰에서 측정할 때와 같이 출력 SPL를 나타내는, 전기 회로 모델을 이용해 측정한 (1) 거대 음향 손실, (2) 중등도 음향 손실, 및 (3) 작은 음향 손실을 예시한 것이다.
도 5(a)는 3명의 조산 유아에서 계면활성제의 투입 전후에 기록된, 흉부 마이크로폰에서 측정된 SPL을 나타내며, 이때 변환기에 의해 생성되는 음향 수준은 105 dB(Sheridan 2000)이었다. 도 5의 (b)는 도 5의 (a)의 전기 모델 시뮬레이션을 도시한 것으로, 흉벽에서 측정된 SPL의 변화에 이어 폐 기체 컴플라이언스가 3배 증가하는 것으로 나타나 있으며, 이때 변환기에 의해 생성되는 음향 수준 역시 105 dB이었다.
도 6은 조직 비율(h)을 변수로 작도한 감쇠 계수(α) 및 주파수 사이의 관계를 나타낸다.
본 발명의 제1 양태에서는 원위치(in situ)에서 생물학적 조직의 특징을 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
조직의 제1 지점에 음향을 도입하는 단계;
음향이 조직을 통해 이동한 후, 제1 지점과 이격된 다른 지점에서 음향을 검출하는 단계;
조직을 통해 제1 지점에서 다른 지점으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 단계; 및
검출된 음향의 속도 및 감쇠를 생물학적 조직의 특징과 상관시키는 단계.
본 발명의 다른 양태에서는 생물학적 조직의 특징을 측정하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 다음을 포함한다:
음향을 생성하는 음향 생성기;
음향이 생물학적 조직의 한 지점에서 조직을 통해 조직의 다른 지점으로 이동한 후 음향을 기록하는 기록기; 및
조직을 통해 이동하는 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 분석기, 바람직하게는 기록된 데이터에 대해 분광 분석을 수행할 수 있는 분석기.
본 발명의 바람직한 양태에서는 환자에서 기도 내 상부 기도의 상태를 원위치에서 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
상부 기도의 제1 지점에 음향을 도입하는 단계;
음향이 상부 기도를 통해 제1 지점과 이격된 다른 지점으로 이동한 후, 음향을 검출하는 단계;
상부 기도를 통해 제1 지점에서 다른 지점으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 단계; 및
음향의 속도 및 감쇠를 상부 기도의 상태와 상관시키는 단계.
상기 방법은 수면 무호흡을 감시하는 데 특히 유용하다.
본 발명의 바람직한 양태에서는 폐의 상태를 원위치에서 감시하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
음향의 속도와 속도 분포 및 감쇠를 폐의 상태와 상관시키는 단계.
이전의 연구에서는 음향 속도의 측정만이 폐 밀도를 평가하기 위한 기술로서 제공될 수 있으며, 폐의 팽창 정도에 대한 견해를 제공할 수 있는 것으로 나타나 있다. 그러나, 음향의 속도 및 감쇠의 측정의 임상 기구로서의 잠재적 활용 가능성은 평가된 적이 없다.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태에서는 폐의 팽창을 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
음향의 속도 및 감쇠를 폐의 용적 및 팽창과 상관시키는 단계.
본 발명의 또 다른 양태에서는 유아에서 만성 폐 질환을 예측하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
측정된 음향의 속도 및 감쇠를 만성 폐 질환이 없는 정상 폐에서의 음향의 속도 및 감쇠와 비교하는 단계.
본 발명의 또 다른 양태에서는 폐 질환을 진단하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
음향의 속도 및 감쇠를 폐의 밀도와 상관시키고, 진단한 폐가 질환을 앓고 있는지를 측정하기 위하여 진단한 폐의 밀도와 정상 폐의 밀도를 비교하는 단계.
본 발명의 또 다른 양태에서는 폐 손상을 예방하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동함에 따른 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계;
음향의 속도 및 감쇠를 폐의 용적과 상관시키는 단계; 및
폐가 무기폐 또는 과대 팽창(용적 상해)을 실질적으로 갖지 않도록 폐의 용적을 최적의 용적으로 유지시키는 단계.
본 발명의 또 다른 양태에서는 폐의 상태를 감시하는 장치가 제공되며, 상기 장치는 다음을 포함한다:
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 통해 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을통해 음향을 생성하는 음향 생성 수단;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동한 후 음향을 기록하는 기록 수단; 및
기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동한 음향 속도 및 감쇠를 산출하는 분석기, 바람직하게는 기록된 데이터에 대해 분광 분석을 수행할 수 있는 분석기.
본 발명의 제1 양태에서는 원위치에서 생물학적 조직의 특징을 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
조직의 제1 지점에 음향을 도입하는 단계;
음향이 조직을 통해 이동한 후, 제1 지점과 이격된 다른 지점에서 음향을 검출하는 단계;
조직을 통해 제1 지점에서 다른 지점으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 단계; 및
검출된 음향의 속도 및 감쇠를 생물학적 조직의 특징과 상관시키는 단계.
생물학적 조직의 특징은 조직을 통해 전달됨에 따라 음향의 속도 및 감쇠를 측정함으로써 측정할 수 있다. 이는 조직 상의 특정 위치 또는 지점으로 음향을 도입하고, 조직을 통해 음향을 전달시킨 뒤, 음향이 근원지로부터 도착지까지 이동하는 속도 및 감쇠를 측정함으로써 달성될 수 있으며, 여기서 도착지는 음향의 공급원으로부터 공간적으로 떨어져 있는 수신기(receiver)를 포함한다.
생물학적 조직의 특징은 구성, 용적, 상태 또는 체내 위치를 포함하는 조직의 특징을 포함할 수 있다.
생물학적 조직은 기관 또는 신체의 일부 또는 국부를 구성하는 조직의 군 또는 단일 조직일 수 있다 조직은 균질 세포 물질을 포함하거나, 또는 예를 들면 폐 조직, 기체, 골격 조직 및 근육 조직을 포함할 수 있는 기흉을 포함하는 신체의 부위에서 발견되는 복합 구조일 수도 있다. 그러나, 조직은 기체 및 조직로 구성된 복합 구조를 포함하는 다공성이거나, 골 조직에서 발견되는 것과 같이 높고 낮은 밀도 부위를 갖는 것이 특히 바람직하다.
조직은 호흡계인 것이 바람직하다. 보다 바람직한 조직은 폐 조직 또는 호흡계의 상부 기도로부터 유래된 것이다. 상부 기도는 폐로 유입되기 전의 기관(trachea)으로 연장되는 구강 부위를 포함하는 것이 바람직하다.
본 명세서의 상세한 설명 및 청구범위 전반에서, "포함"이라는 용어 및 그의 어미 변화된 형태는 다른 첨가제, 성분, 정수 또는 단계도 포괄한다.
조직 내에서의 음향 전달의 이론적 측면을 이해하는 것은 본 발명을 이용해얻어지는 생-음향 데이터를 최상으로 이용하는 데 있어 필수적이다.
폐 실질을 통한 음향 전달의 독특한 특징은 음속이 조직(1500 ms-1) 또는 공기(343 ms-1) 중 하나에서 기대되는 음속보다 작다는 것이다. 이는 부분적으로는 음향이 전달되는 폐 조직의 물리적 특성과 음속(ν) 사이의 기본적인 관계를 조사함으로써 설명될 수 있다. 이 관계는 다음과 같다:
상기 식에서,p는 밀도이고,C는 단위 부피당 역용적 경직(inverse volumetric stiffness) 또는 용적 컴플라이언스이다. 공기 중에서 음속을 측정하는 경우에는 1.2 kgm-3의 공기 밀도 및 7.14×10-6Pa-1의 공기 컴플라이언스를 대입하면 342 ms-1의 공기 중 음속이 산출된다.
Rice(1983)에는 폐의 세포 구조와 유사한 조밀한 세포 구조를 갖는 복합 다공질 물질의 경우에는 이러한 관계가 유지되지만, 이때는p및C가 조직의 평균 또는 합성값으로 치환된다. 이 값을 조직(h) 및 기체(1-h)의 용적 비율 그리고 구성 밀도 및 컴플라이언스로 표시하면 조직 밀도 및 용적 컴플라이언스가 산출된다:
상기 식에서,p, p g 및P t 는 각각 복합체, 기체 및 조직의 밀도이고,C, C g 및C t 는 각각 복합체, 기체 및 조직의 용적 컴플라이언스이다.
방정식(2) 및 방정식(3)으로 방정식(1)을 치환하면 물질을 구성하는 기체 및 조직 모두의 물리적 특성 및 용적 비율에 대해 복합 구조를 통한 음속과 관련된 표시값이 산출된다:
공기의 밀도는 대부분 조직의 밀도보다 대략 3배 정도로 작고 , 공기의 용적 컴플라이언스는 대부분 조직의 용적 컴플라이언스보다 약 4배 가량 크다. 이는 폐에서 발견되기 쉬운 용적 비율의 범위에 대해 폐를 통한 음향의 전달 속도를 측정하는 데 사용될 수 있다(TLC에서 0.05 내지 완전 무기폐/허탈 폐(collapsed lung)에 대해 0.5 내지 0.9). 이 속도는 다음과 같이 방정식(4)을 간단화함으로써 측정할 수 있다:
방정식(5)은 도 3과 함께 음속이 조직의 용적 비율, 공기의 용적 비율, 조직 밀도 및 기체 컴플라이언스에 대해 갖는 의존성을 설명한다. 조직 컴플라이언스 및 기체 밀도는 속도 결정에서 필수적인 역할을 담당하지 않는다.
복합 물질 내에서의 음속은 조직 밀도와 기체 컴플라이언스를 곱함으로써 결정된다. 그 결과는 음향 전달이 고려되는 한, 폐의 실질은 균질의 질량-부하 공기와 유사하게 작용함으로써, 조직을 통한 음향 전파 속도가 공기를 통한 전파 속도보다 현저히 느리다는 것이다. 방정식(5)에서 조직 밀도에 대한 기지의 값(p t ) 및 기체 컴플라이언스(C g )를 치환하면 다음과 같은 식이 얻어진다:
방정식(6)의v를h에 대해 미분하면,v= 23.6 ms-1인h= 0.5에서 속도의 최소값이 결정된다.h< 0.5인 값의 경우에는 폐의 밀도가 증가할수록 속도가 증가하고,h> 0.5인 값의 경우에는 폐의 밀도가 증가할수록 속도가 감소한다. 이는 도 3에 예시된 그래프를 통해 명확히 확인된다.
방정식(6)의 2차 특성에 의해 측정된 속도의 특정한 값에 대해 2개의h값이 존재하게 된다. 그 값은 다음과 같다:
그러므로,h가 0.5 이상 또는 인하인지는h가 측정값 사이에서 변하는 경우 짝지은 속도 측정을 수행하거나, 물리적인 근거를 바탕으로 측정되어야 한다. 이어서, 이와 관련된 속도 변화의 방향(증가 또는 감소)은h가 0.5 이상 또는 이하인지를 나타내는 데 사용될 수 있다. 그러므로, 폐에서 조직 및 기체의 용적 비율및 폐의 밀도는 음향이 조직을 통해 전파될 때 음향의 속도를 측정함으로써 직접적으로 측정할 수 있다.
음향은 청각적 음향을 생성할 수 있는 기계적, 전기적 또는 기타 변환기를 이용하거나, 혹은 충격을 이용하는 것과 같은 비침습적인 방식으로 도입될 수 있다. 조직으로 도입되는 음향은 존재할 수 있는 환경 잡음과 도입한 음향을 용이하게 구별되게 하는 특성을 가져야 한다. 예로는 단일 음조(tone) 또는 사인파가 포함된다. 본 발명의 바람직한 구현예에서는 전기적 음향 변환기에 의해 모조의 무작위 잡음(pseudo-random noise)이 생성되어 조직으로 도입된다. 변환기는 음속이 측정되는 생물학적 조직의 표면에 부착되는 것이 바람직하다. 사용되는 모조의 무작위 잡음 신호는 백색 잡음 신호와 유사한 특성을 가지며, 어느 시점에서도 그 크키를 규정할 수 있는 수학적 특성을 갖는 것이 바람직하다. 나아가, 조직으로의 모조의 무작위 잡음 신호의 도입은 바람직하게는 0.1 내지 20초 내에 급속으로 발생하는 것이 바람직하고, 음향은 1 내지 100 파스칼의 음압 수준에서 20 Hz 내지 25 kHz 범위의 주파수로 생성되는 것이 바람직하다.
그런 다음, 음향이 도입된 지점과 이격된 위치, 바람직하게는 변환기의 위치와 공간적으로 떨어져 있는 생물학적 조직의 표면에서 청각 범위, 바람직하게는 20 Hz 내지 25 kHz 범위에서 평평한 주파수 응답을 하는 가속도계와 같은 진동 측정기 또는 마이크로폰과 같은 음향 검출 수단을 이용해 음향을 기록할 수 있다. 음향을 측정하기 위해서는 적어도 2개의 검출기가 존재하는 것이 바람직한데, 하나는 음향-생성 음향 변환기 근처에 위치하고, 다른 하나는 평가할 조직의 제1 지점에서이격된 지점에 배치된다. 이는 음향 변환기(입력 신호)에 의해 생성되는 신호의 음압 수준, 위상 및 주파수 용량(content)이 공간적으로 분리된 제2 검출기에 의해 검출되기 전에 정확하게 규정될 수 있게 된다. 제2 검출기는 음향 변환기 및 제1 검출기와 실질적으로 한 줄로 배치하는 것이 바람직하다.
검출기 또는 바람직하게는 마이크로폰 입력은 평가할 조직의 음향 특성에 따라 좌우되는 롤-오프(roll-off) 특성 및 차단 주파수로 여과된 통과 주파수 대역(band-pass) 및 낮은 잡음 격리 증폭기를 이용해 증폭될 수 있다. 예를 들면, 신생아의 폐를 측정하는 경우, 대역은 4차선형 위상 여과기(4th order linear phase filter)의 롤-오프에 해당하는 롤-오프를 갖는 50 Hz 내지 2 kHz 범위가 바람직하다. 이들 여과기는 여과된 신호가 공급될 수 있는 자동-스케일링 증폭기의 성능에 부정적인 영향을 줄 있는 매우 낮은 어떠한 주파주의 환경 잡음(예를 들면, 10 Hz 이하)도 제거해 준다.
이어서, 검출기 또는 마이크로폰으로부터 나온 증폭된 출력 신호는 필요한 수단에 의해 처리되고, 입력 신호 및 출력 신호는 교차-상관 분석(cross-correlation 분석) 처리될 수 있다.
교차-상관 함수는 입력 신호(x(t))로서 음향 변환기와 근접하게 위치하는 마이크로폰의 출력을 이용하고, 및 출력 신호(y(t))로서 조직의 다른 쪽에 배치된 제2 마이크로폰의 출력을 이용해 산출할 수 있으며, 여기서 이러한 교차-상관 함수는 다음과 같은 식으로 산출할 수 있다:
상기 식에서,T는 관찰 시간이고,t는R xy (t)가 산출되는x(t)와y(t)사이의 지연 시간이다.
시간 도메인 내의 시스템의 임펄스 응답도 측정할 수 있다. 임펄스 응답은 신호가 주파수 도메인으로 변환되고 조직의 전달 함수가 측정될 수 있는 Fast Fourier Transformation을 진행하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 전달 함수는 조직의 특징을 정량적으로 나타내 주며,
(a) 변환 크기는 주파수의 함수로서 조직으로 통해 음향이 전파될 때 음향 전달과 관련된 데이터를 제공하고(Rife 및 Vanderkooy, 1989);
(b) ("비포장(unwrapping)" 후) 변환 위상은 음향 변환기에 의해 조직으로 도입되는 모조의 무작위 잡음 신호에 존재하는 각 주파수에 대한 음향의 속도, 시간 지연 및 위상 차이를 산출하는 데 사용될 수 있다.
모조의 무작위 잡음 신호를 생성하고, 초기 데이터를 처리하는 데는 시판되는 음향 하드웨어 및 소프트웨어 패키지가 사용될 수 있다. 모조의 무작위 잡음 신호의 일부로서 조직으로 도입되지 않는 외부 잡음은 교차-상관 처리에 의해 강력히 억제되므로 측정의 질이 개선된다.
조직을 통한 음향의 상대적인 전달을 개별적으로 분석하는 것은 평가할 조직의 공진 및 항-공진 주파수를 동정하는 데 이용될 수 있다. 이어서, 이러한 주파수 내에서의 변화는 병인과 관련되어 있을 수 있는 조직 형태에 있어서의 국부적 차이를 평가하는 데 이용될 수 있다.
음향의 근원이 구강에 위치하는 폐를 통한 음향 전달에 대한 실험을 통한 많은 연구(Kraman 1983, Goncharoff et al. 1989, 째야참 및 Shannon 1990)에도 불구하고, 기흉을 통한 음향의 전달을 설명하는 이론적 모델은 존재하지 않는다. 본 발명은 폐 내에 존재하는 종속 공기층(compliant air layer)에 의해 분리된 이중벽 음향 감쇠 효과를 설명하기 위해 인공 음향에 사용되는 이중벽 전달 모델(Fahy 1985)을 기본으로 하는 간단한 모델을 사용한다.
이 모델의 필수적인 특징은 이것이 기흉과 관련이 있기 때문에 기흉을 통한 음향 전달과 관련된 특징을 설명하는 데 사용될 수 있는 전기적 등가 회로에 의해 제시될 수 있다. 이 모델은 도 4의 (a)에 예시하였다. 기흉을 통한 음향 전달을 분석하는 이러한 접근 방법은 모델 변수의 변화 효과를 조사하는 SPICE와 같은 복잡한 회로 에뮬레이션 소프트웨어를 이용해 분석을 용이하게 한다. 등가 전기 회로 모델에서,
R cw 는 흉벽 및 실질과 관련된 손실 성분이고;
M cw 및M p 는 각각 융벽 및 실질의 표면 질량이고,
C gl 은 폐의 기체 컴플라이언스이고;
P in 및P o 는 각각 청각적인 입력 및 출력 음압 수준이고;
R 0 은 유리 공간의 음향 임피던스이다(414 MKS Rayls)
도 4b에 예시된 바와 같이, 상기 모델은 흉부를 나타내는 등가 회로의 전달 함수에 대해 변화(R cw )가 갖는 효과를 시뮬레이션하는 데 사용될 수 있다. 이 전달 함수는P o (f)/P in (f)로서 수학적으로 설명될 수 있으며,P o (f)및P in (f)는 각각 입력(변환기) 및 출력(흉부 마이크로폰) 음압 수준(SPL)이다.R cw 가 감소하면, 전달 함수가 도 4의 (b)의 곡선 1 및 3에 예시된 바와 같이 점진적으로 더욱 예리해지거나 공진을 하게 된다.
충분히 높은 주파수에서, 2개 곡선 모두에 대한 입력 음압 수준이 자각 증상 없이 10단위마다 60 dB의 비율로 감소한다. 주파수가 공진 주파수 이상으로 증가하는 경우, 응답은 인접 흉벽 및 원거리 흉벽의 관성 질량에 의해 지배된다. 이들은 함께 작용해 10단위마다 60 dB씩 감소시킴으로써, 요컨데 기흉이 3차 낮은-통과(low-pass) 전기 여과기와 같이 작용하도록 한다. 등가 회로의 분석은 감소를 무시하고 기흉의 공진 주파수(f o )가 하기 방정식을 이용해 결정될 수 있음을 보여준다:
또한, 전달 함수가 등가 회로의 분석을 이용해f o 및f o 이상의 다른주파수(3f o )에서 측정되는 경우, 폐의 기체 컴플라이언스(C gl )에 대한 뚜렷한 표시값이 다음과 같은 형태로 감소할 수 있다:
상기 식에서, G = │P o (f)/P in (f)│로서, 3f o 에서 측정된 기흉의 전달 함수의 크기이다. 이 방정식은 SPICE 시뮬레이션을 이용해 입증된다. 이어서, 기체 용적(V gl )은 하기 방정식(9)을 이용해 컴퓨터로 처리될 수 있다:
상기 식에서r은 단열 기체상수이고,P o 는 대기압이다.
이 모델의 다른 중요한 용도는 도 5a 및 도 5b에 예시하였다. 도 5의 (a)는 전달 직후 계면활성제를 투여하기 전(pre) 및 계면활성제를 투여한 후(post)에 조산 유아에서 실험적으로 측정한 기흉 전달 함수를 나타낸다(Sheridan 2000). 1000 Hz 이상의 주파수에서는 음향 전달이 급격히 감소하며, 이러한 감소의 왼쪽 방향으로의 이동에는 계면활성제 투여 후 10 dB의 감쇠 증가가 수반된다. 유사한 10 dB 변화는 도 5의 (b)에 예시된 바와 같이 다른 변수는 일정하게 유지하면서 약 3개의 인자에 의해C gl 을 증가시킴으로써 모델 내에서 시뮬레이션될 수 있다. 폐의 기체 컴플라이언스의 측정은 이러한 실험 동안에는 이루어지지 않으며, 현재 활용 가능한 기술을 이용해서는 실행할 수 없으나, (기체 용적의 증가와 관련된) 이러한 컴플라이언스 증가는 계면활성제 투여 후 발생하는 것으로 예상된다.
등가 회로를 이용해 모델링될 수 있는 음향 전달의 중요한 성분은 흉벽 및 실질 내에서의 음향 손실을 포함하는 도 4의 (a)에 예시된 손실 성분 Rcw이다. 흉벽은 청각적으로 얇기 때문에, 벽에서의 소산적인 손실은 무시할 수 있으나, 실질 구조를 포함하는 기체 및 조직으로 이루어진 일련의 질량-컴플라이언스 인터페이스를 다수 포함하는 실질에서의 손실은 상당히 클 수 있다. 실질에서의 음향 손실에 대한 원인으로 제안된 한가지 모델은 이미 분석된 수중 기포를 포함한다. 이 모델에서, 음향 작업에는 이들 기포를 교대로 압착 및 팽창시키는 것이 요구되기 때문에 흡수 현상이 발생한다.
거리(x)에 걸쳐 N 기포에 의해 생성되는 평면파 감쇠는 하기 방정식으로 주어지는 것으로 밝혀졌다(Wodicka 1989):
상기 식에서,σ = 16π 2 r 0 4 p t c t R{R 2 + (wM - 1/wC) 2 }
P(x)는x에서의 SPL이고,
P 0 은x = 0에서의 SPL이고,
r 0 는 기포 반경이고,
c t 는 조직 내에서의 음속이고,
R, M, C는 각각 기포의 유효한 기계적 저항, 질량 및 컴플라이언스이다.
감쇠α = P(x)/P 0 는 dB/cm 단위로 다음과 같을 수 있다:
이는R, M, C의 복합 함수이지만, 감쇠에 대한 간단한 표시값은 공진보다 훨씬 작은(즉, 실재 폐포 크기에 대해 < ~ 10 kHz) 기포(폐포)의 음향 진동이 기포 컴플라이언스(C)에 의해 지배되는 것을 인식함으로써 감소될 수 있다. 따라서, 감쇠는 다음과 같이 감소할 수 있다:
단위 용적당 기포의 수(N)는 하기 방정식에 따라 기체 비율(1-h)에 대략적으로 비례한다:
따라서, 방정식(13)은 다음과 같이 정리될 수 있다:
상기 방정식들로부터 다음을 알 수 있다:
(a) 흡수는 기체 비율(1-h)의 제곱에 비례하고; 조직 비율(h)에서의 작은 증가는 고주파수 감쇠의 상당한 감소와 연관된다(도 6). 이는 폐의 폐렴성 경화에 이어 고주파수에서 임상적으로 관찰될 수 있는 흉벽을 통한 음향의 전달 증가를 설명할 수 있고;
(b) 감쇠는 주파수(f) 및 폐포 직경(r0)의 강력한 함수이다. 이는 부분적으로는, 성인 및 신생아 대상 모두에서 발견되는 고주파수로 전달되는 음향의 급속한 감소를 설명할 수 있다. 기포 직경에 대한 의존은 기종 동안의 기흉을 통한 전달 감소를 설명할 수 있다.
나아가, 상기 방정식들은 다음을 시사한다:
(a) 흡수는 기체 비율(1-h)의 제곱에 비례하고;
(b) 음향 전달 감쇠는 주파수 및 폐포 직경 모두에 대한 강력한 함수이다.
조직 내 음향 전달 속도와 조직 특징 사이의 이러한 관계를 이용함으로써, 음향 측정과 폐의 병인 또는 다른 생물학적 조직의 병인 또는 상태 사이의 실행 가능한 관계를 얻을 수 있다.
이 방법은 규정된 음향이 조직을 통해 전파될 때에 음향의 속도 및 감쇠를 분석함으로써, 조직의 특징에 대한 실질적이고 연속적인 실시간 측정을 제공한다. 상기 방법은 성인 및 유아, 그리고 인간 및 동물 모두에게 적용될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명은 음성 협조가 요구되는 호흡 상태의 측정에 사용될 수 있다.본 발명은 또한 환자가 위태로운 상태이거나, 무의식 상태인 경우, 또는 폐의 상태를 측정하는 데 사용될 수 있는 소리를 낼 수 없거나, 응답할 수 없는 경우에도 유용하다.
본 발명의 바람직한 양태에서는 환자에서 기도 내 상부 기도의 상태를 원위치에서 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
상부 기도의 제1 지점에 음향을 도입하는 단계;
음향이 상부 기도를 통해 제1 지점과 이격된 다른 지점으로 이동한 후, 음향을 검출하는 단계;
상부 기도를 통해 제1 지점에서 다른 지점으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 단계; 및
음향의 속도 및 감쇠를 상부 기도의 상태와 상관시키는 단계.
상부 기도의 상태는 폐쇄 또는 개방 기도와 같은 상부 기도의 상태를 포함할 수 있다. 상부 기도의 폐색 또는 허탈의 측정은 폐색성 수면 무호흡 또는 OSA에서와 같은 상태에 특히 유용하다.
무호흡, 특히 폐색성 수면 무호흡(OSA)은 수면 중 호흡에 있어 상부 기도의 폐색 또는 감소와 연관있다. 본 발명을 이용하면, 바람직하게는 Silastic 관취(nosepiece) 어댑터를 통해 상부 기도의 위치에서 수행될 수 있는 음향 변환기를 이용함으로써 모조의 무작위 잡음을 기도로 도일할 수 있다. 정상 호흡 동안, 기도는 개방되어 있고, 음향은 기관을 통해 기도를 따라 폐로 전달되고, 이곳에서 음향은 폐의 실질 및 기흉을 통해 흉부 표면으로 전달된다. 마이크로폰과 같은 음향-검출기는 흉부에 부착될 수 있다. 흉부에서 측정되는 음향 수준의 변동은 상부 기도의 개방 정도를 모델링하는 데 사용될 수 있다. 흉부는 목 아래에서 폐 아래까지 연장되는 부위를 포함할 수 있다.
마이크로폰은 일반적으로 목 아래에서 폐 바로 위까지의 상부 흉부에 배치되는 것이 바람직하다.
기도가 폐쇄된 경우에는 조직을 통한 음향의 전달이 감소하므로 흉부 상에 위치하는 마이크로폰에 의한 검출이 불가능할 수 있다. 그러므로, 음향이 특정값 이하로 떨어지는 경우에는 기도가 폐쇄되기 쉽다. 흉부 상에 위치하는 마이크로폰 검출기에 의해 검출되는 신호가 특정한 소정의 한계값 이하로 떨어지는 경우에는 경보가 활성화되어 기도의 폐쇄를 알리게 된다. 이 경보는 대상을 깨움으로써, 대부분은 기도를 재개방시키거나, 환자의 간호자에게 주의를 줌으로써 OSA 또는 그 밖의 기도 기능장애를 감시하도록 할 수 있을 것이다. 기도 폐색 또는 폐쇄를 검출하는 이러한 방법에는 다음과 같은 여러 가지 이점이 있다:
(a) 기법이 비침습적이고;
(b) 기법이 신생아 및 성인, 그리고 인간 또는 동물에게 사용될 수 있으며,
(c) 기법이 다른 무호흡 검출기의 경우에서와 같은 산소 고갈 또는 운동 부족 없이 기도의 개방을 감시한다. 그 결과, 산소가 고갈되기 전에 산소 고갈에 대한 대상의 감수성이 검출되고, 규칙적인 호흡 및 산소 부족 시 일시 정지 또는 감소의 연장으로 인해 발생할 수 있는 조직 손상 및 불편의 가능성이 감소된다. 이 방법은 또한 기도 개방을 유지하기 위하여 환장에게 적용하는 CPAP를 최적의 수준으로 설정하는 데 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태에서는 폐의 상태를 원위치에서 감시하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
음향의 속도와 속도 분포 및 감쇠를 폐의 상태와 상관시키는 단계.
이전의 연구 결과는 음향 속도의 단독 측정이 폐 밀도의 평가 기술을 제공하고 폐의 팽창 정도에 대한 견해를 제공할 수 있는 것으로 나타나 있다. 그러나, 지금까지는 임상 기구로서 음향의 속도 및 감쇠의 잠재된 유용성이 전혀 평가된 바 없었다.
폐의 상태는 비제한적으로 다음으로 이루어지는 군에서 선택될 수 있다:
(a) 폐의 조직 밀도;
(b) 폐의 기체 용적;
(c) 국부적 허탈(regional collapse; 무기폐)
(d) 국부적 혈액 용적, 간질성 부종; 및
(e) 종양을 포함하는 국소 폐 질환 및 전체 폐 질환.
이러한 폐의 상태는 이어서 정상의 건강한 폐의 상태와 비교될 수 있다.
폐의 상태를 측정하기 위하여, 본 발명의 방법은 음향을 기흉 및 폐로 도입하고, 바람직하게는 흉부 한쪽의 기흉에 음향 변환기를 적용하고, 흉부의 다른 쪽에 부착되어 있는 전달된 음향을 검출하는 검출기 또는 마이크로폰을 이용해 음향의 속도 및 감쇠를 산출함으로써 적용하는 것이 바람직하다. 이전의 폐의 상태 및 용적은 기흉을 통해 음향을 폐 조직으로 도입함으로써 측정될 수 있었다. 그러나, 이 경우에는 기흉과 흉벽 사이의 거리를 알지 못하기 때문에, 상기 방법을 폐에 적용하는 데 문제가 있었고, 도입된 음향의 속도에 대한 폐 실질의 효과와 기도의 효과를 선택적으로 구별하는 능력이 없다는 것도 문제였다. 다른 측정 기술에서, 음향은 대상으로부터 호흡, 기침 또는 말을 통해 생성되거나, 충격에 의해 도입되었다. 그러나, 이러한 음향의 청각적 특성이 대상에 따라 차이가 나고, 특히 요청에 따라 확실하게 요구된 소리를 낼 수 없는 신생아의 경우에는 차이나고 제어가 불가능하다는 중요한 한계가 있었다.
본 발명은 연구 기구로서 기지의 정확히 규정된 범위의 음량으로 음향을 도입함으로써 상부 기도 및 기흉을 포함하는 생물학적 조직의 음향 특성을 조사하는 새로운 방법을 제시한다. 폐의 경우에는 기흉의 벽으로 직접 도입되는 이러한 음향을 이용하고, 기흉을 거쳐 전달된 후의 음향을 기록함으로써, 기관을 통해 도입된 잡음과 관련된 불확실한 음향이 제거된다. 특정 이론으로 제한되지는 않으나, 이러한 연구는 음향이 기흉을 통해 전파될 때의 음속 변화의 1차적인 원인인 폐 조직의 유형은 폐 실질이고, 기도에 의해 만들어지는 음파 속도 및 감쇠에 있어서의 변화에 대한 기여가 중요하다.
많은 폐 질환은 흉부 청진법을 이용해 검출될 수 있는 독특한 특징과 연관이있다(Lowe 및 Robinson, 1970). 정상 폐에서, 300-400 Hz 이상의 주파수는 기흉 조직에 의해 심하게 감쇠되고, 청진 시 호흡 소리는 부드럽고, 대화 소리는 작아지며, 속삭이는 소리는 지워진다. 반면, 폐의 경화(consolidation)는 고주파수 음향의 감쇠를 크게 감소시킴으로써, "기관지 호흡"이라 알려진 특징적인 호흡 소리, 및 "속삭임 펙트릴로큐(pectriloquy)"라고 알려진 속삭이는(고주파수) 소리가 강하게 전달된다. 반면, 늑막 유출은 고전적으로 저주파수 음향의 감소를 증가시킴으로써 목소리를 "에코포니(aegophony)"라고 알려진 고도로 예리한 비음으로 만든다.
건강한 인간의 폐에서 발생하는 음향 감쇠에 대한 폐 상태의 영향을 조사한 연구 결과들이 발표되어 왔다. 그러나, 이러한 연구에서는 음향 감쇠에 대한 폐 팽창의 영향이 측정되지 못하였다. 본 발명은 기흉을 통해 도입되는 음향을 이용하고, 바람직하게는 음향의 속도 및 감쇠를 측정함으로써 폐의 상태를 측정한다. 본 발명을 이용해 평가되는 폐의 상태에는 폐의 밀도 및 폐의 용적이 포함될 수 있다. 그러나, 그 밖의 폐의 상태는 음향의 속도 및 감쇠와 기지의 폐의 상태와 관련된 음향의 속도 및 감쇠에 있어서의 변화와 정상의 건강한 폐를 이용해 측정한 음향의 속도 및 감쇠를 상관시킴으로써 측정할 수 있다.
조직 밀도는 음속만을 이용해 측정할 수 있다. 그러나, 음향 감쇠도 조직 밀도의 측정을 위한 변수로 도입될 수 있다. 조직 밀도는 조직 내 체액 또는 혈액의 양을 측정하는 것일 수 있다. 폐에서, 이는 정상의 건강한 폐와 비교될 수 있는 기체 용적, 국부적 허탈(무기폐), 국부적 혈액 용적, 간질성 부종, 그리고 국소 폐 질환(예를 들면, 종양) 및 전체 폐 질환(예를 들면, 기종)을 나타낼 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태에서는 폐의 팽창을 측정하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
음향의 속도 및 감쇠를 폐의 용적 및 팽창과 상관시키는 단계.
폐의 기체 용적은 폐의 밀도에 역비례하며, 음속 및 바람직하게는 음향 감쇠를 이용해 측정할 수 있다. 또한, 음향이 기흉의 한쪽에서 폐 조직을 통해 기흉의 다른 쪽으로 전파될 때의 음속의 측정은 폐의 용적 변화(팽창)와 연관이 있을 수 있다. 이는 분리 시 또는 폐의 팽창 정도를 변화시키는 임상적 조사 도중 혹은 후에 이루어질 수 있다. 측정은 다음과 같은 시점에 이루어질 수 있다:
(a) 계면활성제를 처리하기 전 및 처리하고 일정 기간 후;
(b) 유리질막병(hyaline membrane disease) 및/또는 무기폐 존재 하에 폐의 용적을 보충하는 지속성 기도양압(CPAP)의 개시 전 및 개시하고 일정 기간 후;
(c) 기계적 호흡의 개시 전 및 개시하고 일정 기간 후; 및
(d) 기관내 튜브 석션(suction) 전 및 직후.
음속 및 바람직하게는 음향 감쇠에 있어서의 변화의 정도는 폐가 팽창하는 정도의 보다 결정적인 표시값을 제공하는 데 함께 사용될 수 있다. 폐의 팽창은 단일 측정을 이용해 측정되거나, 연속적으로 측정함으로써 폐 질환의 경과를 감시하고 이를 치료할 수도 있다. 이는 일정 기간에 걸쳐 조산 유아에서 폐 질환을 치료 및 감시하는 데 특히 유용하다.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태에서는 유아에서 만성 폐 질환을 예측하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
측정된 음향의 속도 및 감쇠를 만성 폐 질환이 없는 정상 폐에서의 음향의 속도 및 감쇠와 비교하는 단계.
폐의 과팽창 또는 저팽창으로 인한 비정상 폐의 밀도는 유아에서 만성 폐 질환의 발생에 대한 성향 및 폐 손상의 증가와 관련이 있을 수 있다. 그러므로, 조산 유아에서 (폐의 밀도와 관련된) 음향의 속도 및 감쇠를 측정하면 팽창을 최적화할 수 있고, 만성 폐 질환의 위험을 감소시킬 수 있다.
음향의 속도 및 감쇠의 측정은 약 36주까지는 1일, 2일, 3일, 5일, 7일, 10일 및 14일 간격 또는 임의의 다른 간격으로 수행한 뒤, 이어서 1주일 간격으로 수행될 수 있다. 비교로서, 본 발명을 이용해 이루어진 보완 측정에 대해, 절대 폐 용적은 음향 측정 시 표준 및 장기간 안정된 헬륨 희석 기술을 이용해 측정할 수 있다. 그 결과로서 만성 폐 질환이 발병한 유아(28일 또는 36주의 월경후 연령에 산소 의존성 중 하나로 규정된)로부터 얻은 결과를 그렇지 않은 유아로부터 얻은결과와 비교할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태에서는 폐 질환을 진단하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함하는 폐의 밀도 측정 과정이 수반된다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
음향의 속도 및 감쇠를 폐의 밀도와 상관시키고, 진단한 폐가 질환을 앓고 있는지를 측정하기 위하여 진단한 폐의 밀도와 정상 폐의 밀도를 비교하는 단계.
폐 질환의 진단을 돕기 위하여, 음파가 기흉의 한쪽에서 폐를 통해 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 음파를 기흉으로 도입하는 유사한 기술이 이용될 수 있다. 이어서, 측정되는 음속 및 바람직하게는 음향 감쇠를 정상의 건강한 폐의 음속 및 음향 감쇠와 비교한다. 폐 질환은 흔히 폐의 용적이 감소된 경우에 뚜렷하게 나타나기 때문에, 대상의 폐가 폐 질환의 성향을 나타내는 지의 여부에 대한 지표를 제공하기 위해 비교가 이용될 수 있다. 통상적인 폐 질환은 기종, 천식, 국부적 허탈(무기폐), 간질성 부종, 그리고 국소 폐 질환(예를 들면, 종양) 및 전체 폐 질환(예를 들면, 기종)을 포함할 수 있다. 이들 각각은 질병이 있는 폐를 통해 전달되는 음향의 속도 및 감쇠를 측정해 정상 상태의 측정치와 비교함으로써 검출할 수 있다.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태에서는 폐 손상을 예방하는 방법이 제공되며, 상기 방법은 다음과 같은 단계를 포함한다:
음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동함에 따른 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계;
음향의 속도 및 감쇠를 폐의 용적과 상관시키는 단계; 및
폐가 무기폐 또는 과대 팽창(용적 상해)을 실질적으로 갖지 않도록 폐의 용적을 최적의 용적으로 유지시키는 단계.
본 발명은 폐의 밀도 및 부피를 원위치에서 감시하기 위한 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다. 그러나, 본 발명은 또한 음파가 기흉의 한쪽에서 폐를 통해 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음파를 도입함으로써, 폐 손상을 예방하는 방법에도 사용될 수 있다. 음속은 기흉의 한쪽에서 폐를 통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때 측정할 수 있으며, 측정은 무기폐 또는 과팽창(용적손상(volutrauma))이 실질적으로 없는 최적의 폐 용적을 유지하는 데 이용될 수 있는 폐의 용적을 나타내는 데 이용될 수 있다. 이러한 최적의 폐 용적은 도 1에 그래프로 예시되어 있으며, 여기에는 폐 손상을 일으킬 수 있는 가능성이 최소화될 수 있는 창이 표시되어 있다. 폐의 용적이 이 창 내에서 유지되는 경우 폐의 손상 가능성이 감소할 것이다. 그러나, 용적이 지나치게 커지거나 무기폐 수준으로 떨어지지 않도록 보장하기 위해서는 폐의 용적을 끊임없이 감시할 필요가 있다.
본 발명의 다른 양태에서는 생물학적 조직의 특징을 측정하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 다음을 포함한다:
음향을 생성하는 음향 생성기;
음향이 생물학적 조직의 한 지점에서 조직을 통해 조직의 다른 지점으로 이동한 후 음향을 기록하는 기록기; 및
조직을 통해 이동하는 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 분석기, 바람직하게는 기록된 데이터에 대해 분광 분석을 수행할 수 있는 분석기.
본 발명의 또 다른 바람직한 양태에서는 폐의 상태를 감시하기 위한 장치가 제공되며, 상기 장치는 다음을 포함한다:
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 통해 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 생성하는 음향 생성 수단;
음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동한 후 음향을 기록하는 기록 수단; 및
기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동한 음향 속도 및 감쇠를 산출하는 분석기, 바람직하게는 기록된 데이터에 대해 분광 분석을 수행할 수 있는 분석기.
본 발명은 대상에서 폐의 팽창 수준을 측정하기 위하여 음속을 측정하고, 바람직하게는 음속 데이터와 음향 감쇠의 측정치를 조합하는 감시 시스템을 제공하는 데 사용될 수 있다. 임펄스 응답의 분광 분석은 다른 것들보다 현저하고 병리학적 또는 비정상 조직의 지표일 수 있는 음향 신호에서의 주파수 성분을 나타낼 수 있다. 폐의 상태는 폐 밀도 또는 폐 용적의 독립적인 측정을 통해 감시하는 것이 바람직하다.
생물학적 조직에 대한 음향 신호의 적용 및 검출과 관련된 장점은 폐, 기도 및 호흡과 관련된 기타 조직으로 제한되지 않는다는 것이다. 본 발명은 높거나 낮은 밀도를 갖는 다공성 조직에 대한 고형 조직의 비율이 측정되는 음향의 속도 및 감쇠를 변화시키는 임의의 복합적인 생물학적 조직 및 다공성 구조의 밀도를 검출하는 데도 사용될 수 있다.
본 발명은 첨부된 실시예 및 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명된다. 하기의 설명은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것으로, 어떠한 방식으로도 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.
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실시예
실시예 1 - 성인에서 폐의 용적 측정
5명의 건강한 성인 대상에서, 흉부의 한쪽에서 다른 쪽으로 전달된 50-1000 Hz의 주파수 범위의 음향의 속도 및 감쇠를 흉부 상의 지정된 다수의 지점에서 측정하였다. 이러한 측정은 폐의 용적이 잔류 용적(RV)과 전체 폐 용량(TLC) 사이에서 변화되었을 때에 수행되었다. 흉부의 오른쪽 상부 영역 상에 참조 지점을 설정하였다. 이 지점을 통해 음향 감쇠가 현저히 감소되고, 감쇠 정도가 폐의 팽창과 직접적으로 관련된(도 2의 A의 상부 패널 참조) 주파수 범위(약 100-125 Hz) 내의 부위가 발견되었다. RV와 TLC 사이의 감쇠에 있어서의 차이는 대략 7.5 dB이었고, 이는 통계학적으로 유의한 값이다(P = 0.028). 나아가, 음속은 평균 30 m/초 정도로 낮았으며, 폐의 팽창 정도에 대해 뚜렷하고 강한 감수성을 나타내는 것으로 관찰되었으며, 이러한 감수성은 RV보다는 TLC에서가 상당히 빠르게 나타났다. 이 연구에서는 속도 및 감쇠에 대한 팽창 효과는 기흉, 특히 하부 영역의 상이한 위치에서 다르다는 것을 시사하는 증거가 발견되었다. 이것이 음향 경로에서 심장 및 간(RV 에서)의 위치에 부분적으로 기여할 것으로 여겨진다.
분석 방법은 주파수의 함수로서 위상 이동 및 이로 인한 속도의 측정을 가능하게 한다. 이러한 연구는 폐 실질 내에서의 음속이 연구한 주파수 범위 전반에서 분산적이거나, 주파수 의존성임을 보여준다. 이는 속도와 주파수 사이의 관계가 폐의 국부적인 컴플라이언스 및 관성(즉, 질량 의존적) 특성에 따라 결정되기 때문에 상당히 중요하다. 이러한 특성들은 폐포 격벽의 상태, 폐 실질의 체액 침윤, 및 무기폐의 정도에 의해 부분적으로 결정되기 때문에, 폐에 대한 중요한 정보를 제공할 수 있다.
신생아를 위한 집약적인 보호 유닛에서 신생아로부터 예비 파일럿 데이터를 수집하였다. 도 2의 B는 건강한 폐를 갖는 임신 26주의 유아로부터 얻어진 샘플 결과를 나타낸 것이며, 이는 협조할 수 있고, 잡음 집약적 보호 세팅에서 수행되어야 하는 대상에 대해 본 발명을 이용해 측정할 수 있음을 예시한다. 흥미롭게도, 신생아에서 음향 감쇠가 가장 작은 주파수 범위는 성인에서보다 높다(대략 300 Hz). 또한, 속도와 주파수 사이의 관계는 성인에서의 125 Hz에 비해 약 300 Hz에서 최하이지만, 성인에서 명확한 음속의 분산 특성은 유아에서도 존재한다.
실시예 2 - 토끼에서 폐의 밀도 측정
1-2 kg의 뉴질랜드 흰색 토끼에 대해 실험을 수행하였다. 이들 동물은 인간 신생아와 크기가 비슷한 것으로 신생아의 계면활성제 결핍 모델로 광범위하게 사용되는 것으로 선별하였다. 동물들을 정맥내 티오펜톤으로 마취시킨 뒤, 통상적인 신생아 호흡기(Bournes BP200)를 이용해 3 mm 기관내 튜브를 기도로 삽입해 호흡시키면서 기관 절개술을 수행하였다. 정맥내 펜타닐을 이용해 마취를 유지시켰다.흉부를 면도하고, 오른쪽 상부 흉부 상의 참조 위치를 포함해 미리 정해놓은 여러 위치에 마이크로폰 및 변환기를 배치하였다. 이어서, 동물의 몸 전체를 플레티스모그래프로 처리하여 실험 내내 일정 간격으로 절대 폐 기체 용적을 감시하였다. 기관 절개 튜브에 부착된 호흡 유량계를 이용해 일호흡 용적을 연속적으로 감시하였다. 마이크로폰이 배치된 각각의 위치에서 음향의 속도 및 감쇠를 측정하고, 각각의 관찰 결과를 10회씩 반복 측정하여 평균을 구하였다.
다음과 같은 상이한 폐 상태를 갖는 3그룹의 토끼로부터 얻어진 결과를 비교함으로써 음향의 속도 및 감쇠에 대한 폐 질환의 결과로서 폐 밀도의 변화 효과를 조사하였다:
그룹 1 - 정상 폐(n=10)
그룹 2 - 식염수 세척에 의한 계면활성제 부족 상태의 폐(n=10)
그룹 3 - 좌동맥 기구 카테터의 팽창에 의한 부종 상태의 폐(n=10).
각 그룹의 동물에서, 역학적 및 정적 조건 하에서 측정을 수행함으로써 폐의 팽창 정도의 변화에서 기인된 폐의 밀도 변화 효과를 조사하였다.
(1) 기계적 호흡 동안의 역학적 측정
음향의 속도 및 감쇠는 0, 5, 10, 15 및 20 cmH2O를 포함하는 다양한 수준의 호기말 양압(positive end-expiratory pressure; PEEP)으로 기계적 호흡을 하는 동안 측정할 수 있다. 호기말의 절대 폐 용적 및 일호흡 용적은 각각의 PEEP 수준에 대해 측정될 수 있다. 광범위한 폐 용적에 대해 저팽창 내지 과팽창 및 최적의 팽창을 관찰하기 위하여 광범위한 PEEP가 활용될 수 있다.
(2) 무호흡 동안의 정적 측정
단기 과호흡 기간을 통해 자연 호흡을 억제시킨 후 폐가 일정한 용적으로 일시 고정되었을 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하였다. -10과 + 30 cmH2O 사이에서 기도 압력을 변화시킴으로써 기능적 잔량 이하에서 TLC에 이르는 다양한 폐 용적이 달성되었다. 정적 조건 하에서의 폐에 대한 연구를 통해 폐 용적의 극한 상태를 관찰할 수 있었다. 그 결과를 호흡 정지된 동안의 성인 대상에서 관찰한 결과와 직접 비교하였으며, 이는 호흡 소리 간섭에 대한 시스템의 소음을 증가시키는 본 발명에 사용되는 교차-상관 기술의 확인을 가능하게 하였다.
(3) 사후 정적 측정
상기 (2)가 완성되었을 때, 치사량의 마취제를 투여하고, (2)에서와 동일한 폐 용적 범위에 걸쳐 음향의 속도 및 감쇠를 반복 관찰하였다. 이어서, 폐를 절개하기 전 기관을 10 cmH2O의 팽창 압력에서 클램프하고 흉부로부터 이들을 유리시키고 중량 및 밀도를 측정하였다. 성인 연구에서 관찰된 음향의 속도 및 소리 감쇠에 있어서의 국부적 차이에 대한 문제를 해결하기 위하여, 손상되지 않은 기관에서 연구한 바와 동일한 수준에서 절제된 폐의 음향 특성을 최종 측정하였다. 이 분석의 중요한 측면은 사망 전후에 얻어진 결과를 비교함으로써 사용된 교차-상관 기술이 심장 소리에 의한 간섭에 대해 내성인지를 정립하는 것이다.
실시예 3 - 유아에서 폐 팽창 측정
유용한 임상 기구이기 위하여, 음향의 속도 및 감쇠가 임상적으로 관련된 크기의 폐 팽창 변화에 민감해야 한다. 확실하게 예측한 임상적 개입 후 발생하는 음향의 속도 및 감쇠에 있어서의 측정 가능한 크기의 변화가 폐의 팽창 정도를 변화시키는 지의 여부를 테스트하였다. 폐 팽장에서 유의한 변화를 초래하는 임상적 개입은 본 발명을 이용해 측정 가능한 음향 전달 및 음속에 있어서의 변화와 상관이 있는 것으로 밝혀졌다.
실시예 4 - 만성 폐 질환의 예측
비정상적인 폐 밀도의 음향 측정 결과는 저팽창 또는 과팽창 중 하나를 암시하므로, 만성 폐 질환의 발병과 상관이 있는 지를 결정하는 것도 필요하다. 생후 초기의 비정상적인 폐 밀도는 이후 만성 폐 질환이 발병한 유아에서가 그렇지 않은 유아에서보다 보편적이었다. 임신(<30주)에 의해 만성 폐 질환이 발병할 위험이 큰 사후 유아(n=30) 군에서 음향의 속도 및 감쇠를 일련 측정하였다. 이 군에서 본 발명을 이용해 측정한 결과, 군의 약 65%는 28일 후에도 여전히 산소 의존성이고, 약 30%는 생리후 36주 후에도 여전히 산소 의존성일 것으로 추정되었다.
끝으로, 본 명세서에 설명된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 변형 및/또는 변경이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims (26)

  1. 원위치(in situ)에서 생물학적 조직의 특징을 측정하는 방법으로서,
    조직의 제1 지점에 음향을 도입하는 단계;
    음향이 조직을 통해 이동한 후, 제1 지점과 이격된 다른 지점에서 음향을 검출하는 단계;
    조직을 통해 제1 지점에서 다른 지점으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 단계; 및
    검출된 음향의 속도 및 감쇠를 생물학적 조직의 특징과 상관시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 특징이 조직의 구성, 용적, 상태 또는 체내 지점 중 하나를 포함하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 생물학적 조직이 기관 또는 신체의 일부 또는 국부를 포함하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 생물학적 조직이 균질 세포 물질 또는 복합 구조를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복합 구조가 다공성인 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 조직이 폐 조직 또는 상부 기도의 조직을 포함하는 호흡계의 조직인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향이 환경 잡음과 구별되는 모조의 무작위 잡음(pseudo-random noise)인 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 모조의 무작위 잡음이 20 Hz 내지 25 kHz 범위의 주파수로 생성되는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 잡음이 1 내지 100 파스칼의 음압 수준으로 생성되는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 음향이 청각 범위에서 평평한 주파수 응답을 하는 마이크로폰 또는 진동 검출기를 포함하는 음향 검출 수단에 의해 검출되는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    청각 범위에서 평평한 주파수 응답이 20 Hz 내지 25 kHz인 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    환자에서 기도 내 상부 기도의 상태를 원위치에서 측정하기 위하여
    상부 기도의 제1 지점에 음향을 도입하는 단계;
    음향이 상부 기도를 통해 제1 지점과 이격된 다른 지점으로 이동한 후, 음향을 검출하는 단계;
    상부 기도를 통해 제1 지점에서 다른 지점으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 단계; 및
    음향의 속도 및 감쇠를 상부 기도의 상태와 상관시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 상부 기도의 상태가 폐쇄 또는 개방된 기도로서 측정되는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 상부 기도의 상태는 폐색성 수면 무호흡을 감시하기 위해 측정되고, 상기 음향의 속도 및 감쇠에 있어서의 변화는 상부 기도 내에서의 변화를 시사하는 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상부 기도 내의 제1 지점은 비강 부위이고, 제1 지점과 이격된 다른 지점은 목 아래에서 폐 위쪽의 상부 흉부인 방법.
  16. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    폐의 상태를 원위치에서 감시하기 위하여
    음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
    음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
    음향의 속도와 속도 분포 및 감쇠를 폐의 상태와 상관시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 폐의 상태가
    (a) 폐의 조직 밀도;
    (b) 폐의 기체 용적;
    (c) 국부적 허탈(regional collapse; 무기폐)
    (d) 국부적 혈액 용적, 간질성 부종; 및
    (e) 종양을 포함하는 국소 폐 질환 및 전체 폐 질환
    으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법.
  18. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    폐의 팽창을 측정하기 위하여
    음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
    음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
    음향의 속도 및 감쇠를 폐의 용적 및 팽창과 상관시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    유아에서 만성 폐 질환을 예측하기 위하여
    음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
    음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
    측정된 음향의 속도 및 감쇠를 만성 폐 질환이 없는 정상 폐에서의 음향의 속도 및 감쇠와 비교하는 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    폐 질환을 진단하기 위하여
    음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
    음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동할 때에 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계; 및
    음향의 속도 및 감쇠를 폐의 밀도와 상관시키고, 진단한 폐가 질환을 앓고 있는지를 측정하기 위하여 진단한 폐의 밀도와 정상 폐의 밀도를 비교하는 단계
    를 포함하는 폐 밀도의 측정 과정을 포함하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 폐 질환이 기종, 천식, 국부적 허탈(무기폐), 간질성 부종, 국소 폐 질환 및 전체 폐 질환으로 이루어지는 군에서 선택되는 방법.
  22. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    폐 손상을 예방하기 위하여
    음향이 폐를 통해 기흉의 한쪽에서 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 도입하는 단계;
    음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동함에 따른 음향의 속도 및 감쇠를 측정하는 단계;
    음향의 속도 및 감쇠를 폐의 용적과 상관시키는 단계; 및
    폐가 무기폐 또는 과대 팽창(용적 상해)을 실질적으로 갖지 않도록 폐의 용적을 최적의 용적으로 유지시키는 단계에 의해 폐 상태를 조사하는 과정을 포함하는 방법.
  23. 생물학적 조직의 특징을 측정하기 위한 장치로서,
    음향을 생성하는 음향 생성기;
    음향이 생물학적 조직의 한 지점에서 조직을 통해 조직의 다른 지점으로 이동한 후 음향을 기록하는 기록기; 및
    조직을 통해 이동하는 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 분석기
    를 포함하는 창치.
  24. 폐의 상태를 감시하기 위한 장치로서,
    음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 통해 기흉의 다른 쪽으로 이동하도록 기흉을 통해 음향을 생성하는 음향 생성 수단;
    음향이 기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동한 후 음향을 기록하는 기록 수단; 및
    기흉의 한쪽에서 폐를 관통해 기흉의 다른 쪽으로 이동한 음향의 속도 및 감쇠를 산출하는 분석기
    를 포함하는 창치.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 분석기가 기록된 데이터에 대해 분광 분석을 추가로 수행하는 장치.
  26. 실시예를 참조하여 이상에서 실질적으로 설명된 제1항에 따르는 방법.
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