KR20170037704A - 흉부임피던스를 측정을 위한 다중 전극 및 이를 이용한 흉부 임피던스 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하나의 흉부임피던스 전극 안에 점대칭 형태로 위치된 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 제1전극은 전류를 출력하는 전류 출력용 전극이고, 제2전극은 전압 검출용 전극으로 이루어지며, 흉부 임피던스를 측정하기 위해서는 2개의 흉부임피던스 전극을 이용하되, 하나는 일측 유두점 위에 장착하고, 다른 하나는 다른 일측 유두점 아래에 장착하여, 폐용적을 모니터링하기 위한 흉부 임피던스 신호를 검출하도록 이루어진, 흉부임피던스를 측정을 위한 다중 전극 및 이를 이용한 흉부 임피던스 측정방법에 관한 것이다.
본 발명은, 2개의 흉부 임피던스 전극을 흉부에 장착하여 폐용적을 모니터링하기 위한 흉부 임피던스 전극에 있어서, 하나의 시트 상에 전류출력 전극과 전압검출 전극을 구비하되, 전류출력 전극과 전압검출 전극이 서로 점대칭을 이루도록 장착되어 있으며, 전류출력 전극의 피부접촉면의 면적은 전압검출 전극의 피부접촉면의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다.
폐용적을 모니터링하기 위해 2개의 흉부 임피던스 전극이 흉부에 장착되되,하나의 흉부 임피던스 전극은 일측 유두점 위에 장착하고, 다른 하나의 흉부 임피던스 전극은 다른 일측 유두점 아래에 장착하여, 흉부 임피던스 신호를 검출한다.

Description

흉부임피던스를 측정을 위한 다중 전극 및 이를 이용한 흉부 임피던스 측정방법{Multielectrode to measure chest impedance and measuring method of chest impedance using the multielectrode}

본 발명은, 하나의 흉부임피던스 전극 안에 점대칭 형태로 위치된 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 제1전극은 전류를 출력하는 전류 출력용 전극이고, 제2전극은 전압 검출용 전극으로 이루어지며, 흉부 임피던스를 측정하기 위해서는 2개의 흉부임피던스 전극을 이용하되, 하나는 일측 유두점 위에 장착하고, 다른 하나는 다른 일측 유두점 아래에 장착하여, 폐용적을 모니터링하기 위한 흉부 임피던스 신호를 검출하도록 이루어진, 흉부임피던스를 측정을 위한 다중 전극 및 이를 이용한 흉부 임피던스 측정방법에 관한 것이다.

일반적으로 체 임피던스를 측정하기 위해서는 전류출력용 전극들과 전압검출용 전극들을 측정부위에 장착하여야 하며, 이들 전극의 위치에 따라서 구하여지는 값은 다르게 된다.

흉부 임피던스를 측정하기 위해서, 기존 연구들에서는 일측의 유두 밑에 전극들을 장착하여 측정하거나, 가슴 중앙부에 가로로 일렬로 배치하여 연구하는 경우가 많았다.

그러나, 호흡에 따른 폐용적을 모니터링하기 위해서, 이는 적정한 위치가 아니다. 폐(허파)는 흉곽안에 있으며 심장을 사이에 두고 오른허파와 왼허파로 나뉘어 존재하며, 그 자체가 크기와 부피를 가지기 때문이다.

흉부에서 임피던스를 측정하기 위해서는 전류출력용 전극들과 전압검출용 전극들을 흉부의 어디에 어떻게 장착할 것인가가, 그리고 장착시 시간소모가 적게 들며, 초보자도 쉽게 장착할 수 있도록 이루어지며, 뚱뚱한 사람이든 마른 사람이든 사용할 수 있는 것이 관건이다.

선행기술로, 국내 등록특허 제10-1159209호 '양손 임피던스를 이용한 폐기능 모니터링 장치 및 방법'이 있다. 이 발명은 평가 대상의 양손 각각에 전류출력용 전극과 전압검출용 전극을 장착하고, 양손 임피던스를 검출하여 폐 용적의 변화 추이를 검출하는 것으로, 양손은 폐로부터 멀리 떨어져 있어, 추출된 폐 용적에 대한 정보의 정확도가 떨어진다.

즉, 폐기능 모니터링을 위한 흉부 임피던스 전극으로, 장착시 시간소모가 적게 들며, 초보자도 쉽게 장착할 수 있도록 이루어지며, 뚱뚱한 사람이든 마른 사람이든 사용할 수 있는, 전류출력용 전극과 전압출력용 전극의 일체형 흉부 임피던스 전극이 요망된다.

다른 선행기술로, 국내 등록특허 제10-0459903호의 '피부의 국부적인 영역의 임피던스를 측정하는 측정 시스템 및 이에 이용되는 임피던스 측정 전극'이 있다. 이 발명은 하나의 전극 내에 2개의 전류출력 전극과 2개의 전압검출 전극을 구비하여 국부적인 임피던스를 측정하지만, 이로써는 폐기능을 측정하기 위한, 흉부 임피던스를 측정할 수 없다. 또한, 만약 어떠한 형태로든 측정한다고 해도, 그 정확도는 떨어진다.

따라서, 흉부 임피던스를 이용하여 폐기능을 측정하기 위해서, 전류출력 전극들과 전압검출 전극들이 폐 기능을 모니터링하기에 보다 적합한 위치에 장착하며, 또한, 이를 위해 하나의 흉부 임피던스에 전류출력 전극과 전압검출 전극의 위치가 보다 적합한 위치에 놓이는 것 요망된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 하나의 흉부임피던스 전극 안에 점대칭 형태로 위치된 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 제1전극은 전류를 출력하는 전류 출력용 전극이고, 제2전극은 전압 검출용 전극으로 이루어지며, 흉부 임피던스를 측정하기 위해서는 2개의 흉부임피던스 전극을 이용하되, 하나는 일측 유두점 위에 장착하고, 다른 하나는 다른 일측 유두점 아래에 장착하여, 폐용적을 모니터링하기 위한 흉부 임피던스 신호를 검출하도록 이루어진, 흉부임피던스를 측정을 위한 다중 전극 및 이를 이용한 흉부 임피던스 측정방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 2개의 흉부 임피던스 전극을 흉부에 장착하여 폐용적을 모니터링하기 위한 흉부 임피던스 전극에 있어서, 하나의 시트 상에 전류출력 전극과 전압검출 전극을 구비하되, 전류출력 전극과 전압검출 전극이 서로 점대칭을 이루도록 장착되어 있으며, 전류출력 전극의 피부접촉면의 면적은 전압검출 전극의 피부접촉면의 면적보다 큰 것을 특징으로 한다.

전류출력 전극은, 시트 위에 위치되며 염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진 전극 도전체; 전극 도전체 위에 위치되며 전해성 젤(GEL)로 이루어진 하이드로겔을 포함하여 이루어진다.

전압검출 전극은, 시트 위에 위치되며 염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진 전극 도전체; 전극 도전체 위에 위치되며 전해성 젤(GEL)로 이루어진 하이드로겔;을 포함하여 이루어진다.

하이드로겔은 고체타입의 하이드로겔이며, 실버 잉크(silver ink) 와 전도성 카본 물질(conductive carbon substrates)로 이루어진다.

시트는 폴리에틸렌 폼(PE Form)으로 이루어진다.

폐용적을 모니터링하기 위해 2개의 흉부 임피던스 전극이 흉부에 장착되되, 하나의 흉부 임피던스 전극은 일측 유두점 위에 장착하고, 다른 하나의 흉부 임피던스 전극은 다른 일측 유두점 아래에 장착하여, 흉부 임피던스 신호를 검출한다.

또한, 본 발명은, 2개의 흉부 임피던스 전극을 흉부에 장착하여 폐용적을 모니터링하기 위한 흉부 임피던스 측정방법에 있어서, 2개의 흉부임피던스 전극을 이용하되, 하나의 흉부임피던스 전극은 일측 유두점 위에 장착되고, 다른 하나의 흉부임피던스 전극은 다른 일측 유두점 아래에 장착되어, 흉부 임피던스 신호를 검출하는, 흉부임피던스 검출단계; 흉부임피던스 검출단계로부터 수신된 흉부임피던스 신호에서 기 저장된 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호를 검출하고, 검출된 폐기능 임피던스 신호를 기 저장된 기준 폐기능 임피던스 신호와 커브 피팅(curve fitting)을 행하는 디지탈 신호 전처단계; 디지탈 신호 전처리단계로부터 출력된 폐기능 임피던스 신호를 수신하여, 폐기능 평가 파라미터인, 노력성 폐활량, 1초간 호기량, 1초간 호기량과 노력성 폐활량의 비율, 노력성 최고 중간 호기유속 파라미터 중 하나 이상을 검출하는 파라미터 추출단계;를 포함하여 이루어진다.

디지탈 신호 전처단계에서, 폐기능 임피던스 신호를 검출하기 전에, 흉부임피던스 검출부로부터 수신된 흉부임피던스 신호를 저역통과 필터링을 행하고, 저역통과 필터링된 흉부임피던스 신호에서 기 저장된 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호를 검출한다.

파라미터 추출단계는, 폐기능 평가 파라미터를 검출하기 전에, 커브 피팅된 폐기능 임피던스 데이터를 이동평균 필터링과 칼만필터링을 순차적으로 행한다.

폐기능 평가 파라미터들은, 칼만필터링을 행하여진 폐기능 임피던스로부터, 진폭의 피크치와 최저치를 구하고, 상기 피크치와 최저치의 시간차, 진폭차를 이용하여 구하여진다.

본 발명의 흉부임피던스를 측정을 위한 다중 전극은, 하나의 흉부임피던스 전극 안에 점대칭 형태로 위치된 제1전극 및 제2전극을 구비하되, 제1전극은 전류를 출력하는 전류 출력용 전극이고, 제2전극은 전압 검출용 전극으로 이루어진다.

따라서, 폐기능 모니터링을 위한 흉부 임피던스 전극으로, 종래의 방식으로는 전극 장착시에 2개의 전류출력 전극과 2개의 전압검출 전극을 각각 적당한 위치에 부착하기에 시간소모가 많이 되는데, 본 발명은 이를 하나의 흉부임피던스 전극에 전류 출력용 전극과 전압 검출용 전극을 구비함으로 써, 시간소모가 적게 들며, 초보자도 쉽게 장착할 수 있다. 또한 상기 흉부임피던스 전극을 뚱뚱한 사람일 경우에는 이격구간을 넓히고, 마른 사람의 경우에는 이격구간을 좁히므로써, 뚱뚱한 사람이든 마른 사람이든 사용할 수 있다.

본 발명은 흉부 임피던스를 측정하기 위해서는 2개의 흉부임피던스 전극을 이용하되, 하나는 일측 유두점 위에 장착하고, 다른 하나는 다른 일측 유두점 아래에 장착하여, 폐용적을 모니터링하기 위한 흉부 임피던스 신호를 검출하도록 이루어진다.

그러므로, 흉부임피던스 전극 안에 점대칭 형태로 전류출력 전극과, 전압검출전극이 위치되고, 이렇게 이루어진 흉부임피던스 전극을 흉부에 점대칭 형태로 위치시킴으로써, 폐의 위치와 크기 등을 고려하여 위치됨으로 써, 폐 기능을 모니터링하기에 보다 적합한 위치에 장착되며, 이로 인해, 보다 정확도를 높일 수 있다.

도 1은 흉부 임피던스의 검출에 대한 설명도이다.
도 2는 본 발명의 흉부임피던스 전극의 피부접촉면인 상면의 모식도이다.
도 3은 도 2의 흉부임피던스 전극의 배면의 모식도이다.
도 4는 도 2의 흉부임피던스 전극의 측단면이다.
도 5a는 폐기능 모니터링을 위해 흉부임피던스를 검출하기 위해, 도 2의 흉부임피던스 전극을 장착한 모습을 나타낸다.
도 5b는 도 5a와 같이 흉부 임피던스 전극을 장착시의 신호검출을 설명하기 위한 모식도이다.
도 6은 흉부임피던스를 여러 위치에 부착하였을 때 측정되는 임피던스를 설명하기 위한 모식도이다.
도 7은 본 발명의 흉부임피던스를 이용한 폐기능 모니터링 장치의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 흉부임피던스를 이용한 폐기능 모니터링 장치의 개략적 구동방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9는 도 7의 잡음제거단계를 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 도 9의 칼만필터링 단계를 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 흉부임피던스를 이용한 폐기능 모니터링 장치의 사용상태도이다.

이하, 본 발명의 흉부임피던스를 측정을 위한 다중 전극 및 이를 이용한 흉부 임피던스 측정방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 흉부 임피던스의 검출에 대한 설명도이다.

흉부의 2개의 위치 사이에 교류 정전류원으로부터 미세 전류를 흘려주면, 그 전류는 흉부의 생체 조직의 임피던스, 즉 흉부 임피던스를 거쳐서 흐르게 되는 데, 상기 2개의 위치 사이의 전압을 검출하고, 그 검출된 전압과 흘려준 전류를 옴의 법칙에 의해 흉부 임피던스를 구한다. 여기서 교류 정전류원은 일반적으로 50KHz-1MHz의 주파수 범위, 20μA-20mA의 전류범위를 가지는 교류 정전류원을 사용한다.

따라서, 전류출력 전극 2개, 전압검출 전극 2개가 필요하다.

폐는 흉곽의 거의 전체에 걸쳐 위치되므로, 본 발명에서는 하나의 전류출력 전극과 하나의 전압검출 전극을 구비하는 흉부임피던스 전극을 사용하였다.

도 2는 본 발명의 흉부임피던스 전극의 피부접촉면인 상면의 모식도이고, 도 3은 도 2의 흉부임피던스 전극의 배면의 모식도이고, 도 4는 도 2의 흉부임피던스 전극의 측단면이다.

도 2에서와 같이, 흉부임피던스 전극(100)은 시트(130) 위에 전류출력 전극(110)과 전압검출 전극(120)을 구비하도록 이루어지되, 전류출력 전극(110)과 전압검출 전극(120)이 점대칭을 이루도록 배치된다. 즉, 전류출력 전극(110)과 전압검출 전극(120)은 사선을 이루도록 배치된다.

흉부임피던스 전극(100)의 피부접촉면에는 접착성 물질이 도포되어 있으며, 경우에 따라서, 접착성 물질을 포함하고 있는 하이드로겔(117)을 사용할 수 있다.

전류출력 전극(110)은 제세동기 전극과 같은 전극을 사용할 수 있으며, 염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진 전극 도전체(114)와 전해성 젤(GEL)로 이루어진 하이드로겔(117)을 포함하여 이루어진다.

전압검출 전극(120)은 심전도 측정 전극과 같은 전극을 사용할 수 있으며, 염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진 전극 도전체(114)와 전해성 젤(GEL)로 이루어진 하이드로겔(117)을 포함하여 이루어진다.

도 3에서와 같이, 흉부임피던스 전극(100)에서 피부접촉면의 반대측면인, 배면에는 전류출력 전극(110)의 스냅 코넥터(131)와 전압검출 전극(120)의 스냅 코넥터(132)가 장착되어 있다.

전류출력 전극(110)의 스냅 코넥터(131)는 전류출력 전극(110)과 아날로그 신호 전처리부(200)를 연결하기 위한 것이고, 전압검출 전극(120)의 스냅 코넥터(132)는 전압검출 전극(120)과 아날로그 신호 전처리부(200)를 연결하기 위한 것이다.

전류출력 전극(110)의 스냅 코넥터(131)와 전압검출 전극(120)의 스냅 코넥터(132)는 금 도금된 스냅코넥터로, 일종의 수 스냅단추와 같은 것으로, 아날로그 신호 전처리부(200)의 일단에 장착된 암 스냅단추와 같은 스냅 코넥터와 결합된다.

도 4에서와 같이, 전압검출 전극(120) 및 전류출력 전극(110)은 시트(130)의 위에 전극 도전체(114)가 장착되고, 전극 도전체(114)의 위에 하이드로겔(117)이 장착되어 있다.

시트(130)는 폴리에틸렌 폼(PE Form)으로 이루어지며, 전극 도전체(114)는 염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진다.

하이드로겔(117)은 고체타입의 하이드로겔(solid type hydrogel)로 이루어지며, 경우에 따라서 접착성 물질을 포함하고 있을 수 있다. 하이드로겔(117)은 전해성 젤(GEL)로 실버 잉크(silver ink) 와 전도성 카본 물질(conductive carbon substrates)로 이루어질 수 있다.

도 5a는 폐기능 모니터링을 위해 흉부임피던스를 검출하기 위해, 도 2의 흉부임피던스 전극을 장착한 모습을 나타내며, 도 5b는 도 5a와 같이 흉부 임피던스 전극을 장착시의 신호검출을 설명하기 위한 모식도이고, 도 6은 흉부임피던스를 여러 위치에 부착하였을 때 측정되는 임피던스를 설명하기 위한 모식도이다.

도 5a에서와 같이, 폐기능 모니터링을 위해 흉부임피던스를 검출하기 위해, 흉부임피던스 전극(100)을 일측 유두점 위(예로, 피검자의 우측 유두점 위)의 흉곽부분에 장착하고, 다른 하나는 다른 일측 유두점 아래(예로, 피검자의 좌측 유두점 아래)에 장착하여 흉부 임피던스 신호를 검출한다. 즉, 2개의 흉부임피던스 전극(100)을 점대칭 형태로 장착하였다. 즉, 2개의 흉부임피던스 전극(100)을 사선을 이루도록 장착하였다.

도 5b에서와 같이, 일측의 전류출력 전극(A)와 다른 일측의 전류출력 전극(B)로 전류를 인체에 인가하고, 일측의 전압검출 전극(A')와 다른 일측의 전압검출 전극(B')을 통해 전압을 검출하며, 즉, 일측의 전압검출 전극(A')와 다른 일측의 전압검출 전극(B')는 인체를 통해 흐르는 전류를 측정하는 역할을 한다. 결과적으로, 전체 몸에 흐르는 전류는 측정단에서 전압을 발생시키며 A-B’와 B-A’두 가지의 전압을 측정하게 된다.

예를들어, 전류출력 전극(A)과 전압검출 전극(A')은 거리가 가깝기 때문에 그 크기가 매우 미세하게 변화하나, 반면 전류출력 전극(A)과 전압검출 전극(B')는 흉부 전체의 거리와 유사하기 때문에 그 크기가 흉부의 호흡에 따라 변화한다. 이는 전류출력 전극(B)을 기준으로 할때도 마찮가지이다.

따라서, 일측의 전류출력 전극과 다른 일측의 전압검출 전극의 흉부의 임피던스, 즉, 이와 같이 서로 교차하여 흉부 임피던스를 2가지의 형태로 측정할 수 있다. 도 5b의 화살표는 전류의 교차 쌍을 의미한다.

본 발명에서 전류출력 전극는 사각형을 나타내며, 전압검출 전극은 원형을 나타내나, 이는 본 발명을 한정하기 위함이 아니며, 전류출력 전극 및 전압검출 전극은 여러가지 다각형으로 나타낼 수 있다.

전류출력 전극의 면적은 전압검출 전극의 면적보다 크다.

전류출력 전극(A)과 전압검출 전극(A')의 사이의 거리는 약 1cm가 바람직하다. 전류출력 전극(B)과 전압검출 전극(B')의 사이의 거리도 마찮가지이다.

도 6의 (a)는 흉부임피던스 전극(100)을 좌우의 손목에 장착한 경우로, 여기서 는 양팔의 사이부분의 임피던스(도 6의 (a)의 파란색 부분)가 구하여 진다.

도 6의 (b)는, 본 발명과 같이, 2개의 흉부임피던스 전극(100)을 피검자의 흉곽에 점대칭 형태로 장착한 경우로, 여기서는 흉곽의 전체에 걸쳐진 임피던스(도 6의 (b)의 파란색 부분)가 구하여 진다.

도 6의 (c)는 2개의 흉부임피던스 전극(100)을 피검자의 흉곽의 중앙에 일직선을 이루도록 장착한 경우로, 여기서는 흉곽 중앙부의 임피던스(도 6의 (a)의 파란색 부분)가 구하여 진다.

폐가 흉곽의 거의 전체에 걸쳐있다는 점을 고려할 때, 도 6의 (a) 및 (c)에서 구하여진 흉부 임피던스는 폐 기능 정보를 잘 반영하고 있다고 볼 수 없다. 본 발명과 같은, 도 6의 (b)에서 구하여진 흉부임피던스가 폐기능 정보를 보다 잘 반영하고 있다. 즉, 도 6의 (b)의 흉부임피던스의 전극 위치가 폐기능 모니터링을 위해서는 보다 적합한 위치이다.

본 발명은 도 6의 (b)와 같이 흉부임피던스의 전극을 위치시켜, 흉부임피던스, 즉, 호흡에 따른 폐 용적(volume)의 시간적 변화를 나타내는 폐기능 임피던스 신호(IPFS)를 포함한 신호를 검출해낸다. 여기서 폐 용적의 변화는 부피를 나타내는 값이고, 임피던스의 변화도 폐 용적의 변화를 나타내는 전압 값임에 따라 두 값은 서로의 연관성을 유지하는 값임을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 흉부임피던스를 이용한 폐기능 모니터링 장치의 구성도로, 폐기능 임피던스 분석기(10)와 모니터링 단말기(300)로 이루어진다.

폐기능 임피던스 분석기(10)는 폐기능 임피던스를 검출하여, 검출된 폐기능 임피던스로부터 폐기능 평가 파라미터들을 검출하기 위한 수단이다. 폐기능 임피던스 분석기(10)는 흉부임피던스 검출부(50), 폐기능 임피던스 연산처리부(250), 폐기능 임피던스 메모리부(260)를 포함하여 이루어진다.

흉부임피던스 검출부(50)는 피부로부터 흉부임피던스를 검출하는 수단으로, 제1 흉부임피던스 전극(101), 제2 흉부임피던스 전극(102), 파형 발생부(95), 정전류원(97), 아날로그 신호 전처리부(200), A/D 변환부(240)를 포함하여 이루어지며, 아날로그 신호 전처리부(200)는 차동 증폭부(210), 교류/직류 변환부(220), 필터링부(230)를 포함한다.

제1 흉부임피던스 전극(101) 및 제2 흉부임피던스 전극(102)은 전류출력 전극(110)과 전압검출 전극(120)을 구비하며, 전류출력 전극(110)을 통해 미세전류가 피부로 출력되며, 전압검출 전극(120)을 통해 전압을 측정하여 흉부 임피던스를 검출한다. 즉, 제1 흉부임피던스 전극(100)은 제1 전류 전극(CH)과 제1 전압 전극(VH)을 구비하며, 제2 흉부임피던스 전극(100)은 제2 전류 전극(CL)과 제2 전압 전극(VL)으로 이루어진다. 정전류원(97)에서 공급되는 정전류를 제1 전류 전극(CH)과 제2 전류 전극(CL)을 통해 피측정자의 측정부위에 전류를 공급하게 되며, 그에 따라 두 측정부위에 발생되는 전위차를 제1전압전극(VH)과 제2전압전극(VL)을 통해 측정하게 된다.

파형 발생부(95)는 전극에 공급하기 위한 정현파 신호를 발생시키는 장치이다.

정전류원(97)은 파형 발생부(95)에서 출력된 정현파 신호를 정전류원으로 변환하여 전류출력 전극을 통해 피부에 출력하게 되는 장치로서, 파형 발생부(95)의 출력을 정전류로 변환하여 전류 전극으로 내보낸다.

차동 증폭부(210)는 두 전압 전극(VH, VL)에서 측정되는 전위차를 차동 증폭하여 인체의 두 지점에 대한 임피던스 신호의 차이값을 출력한다.

교류/직류 변환부(220)는 차동 증폭부(210)를 통해 증폭된 전위차를 직류 형태로 변환하여 출력한다. 즉 증폭된 전위차를 직류 형태로 변환하여 차동 증폭부를 통해 증폭 및 직류 바이어스된 임피던스 신호에서 인체 임피던스값, 즉 흉부 임피던스를 추출한다.

필터링부(230)는 교류/직류 변환부(220)에서 출력된 흉부임피던스 신호에서 잡음을 제거하기 위한 수단으로, 차단주파수 0.03Hz의 고역통과필터, 차단주파수 100Hz의 저역통과필터를 포함하여 이루어질 수 있다. 경우에 따라서는 필터링부(230)는 베이스 임피던스 신호 차감부를 더 구비할 수 있다.

A/D 변환부(240)은 필터링부(230)를 통해 잡음이 제거된 흉부임피던스 신호(폐기능 임피던스 신호)를 연산처리부로 전송한다.

폐기능 임피던스 연산처리부(250)는 디지탈 신호 전처리부(251)와 파라미터 추출부(252)를 포함하여 이루어진다. 경우에 따라서 디지탈 신호 전처리부(251)는 마스터 보드이고, 파라미터 추출부(252)는 슬레이브 보드로 이루어질 수 있다.

디지탈 신호 전처리부(251)는 A/D 변환부(240)로부터 수신된 흉부임피던스 신호를 필터링(저역 필터링)하여 잡음을 제거하여 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키고, 필터링된 데이터에서 기 저장한 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호(IPFS)를 검출하고, 보정을 위해, 구하여진 폐기능 임피던스 신호(IPFS)를 기 저장된 기준 폐기능 임피던스 신호와 커브 피팅(curve fitting)을 행하는, 폐기능 임피던스 데이터 포맷팅을 행한다.

폐기능 임피던스 데이터 포맷팅은 폐기능 임피던스 신호가 보다 실제 폐기능 임피던스 신호에 가깝도록 만들어준다.

베이스 임피던스는 테스트의 초기 일정한 시간동안 A/D 변환부(240)로부터 수신된 흉부임피던스 신호를 필터링하고, 필터링된 데이터를 이용하여 검출된 흉부 임피던스에서 베이스 라인을 검출하여 평균을 구하고, 상기 구하여진 평균을 베이스 임피던스로 검출한다. 베이스 임피던스는 측정부위가 갖는 기본적인 임피던스로, 이는 폐용적 변화와는 무관한 신호이다. 따라서, A/D 변환부(240)로부터 수신된 신호에서 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호(IPFS)를 검출한다. 폐기능 임피던스 신호(IPFS)는 호흡에 따른 폐 용적(volume)의 시간적 변화를 나타내는 신호이다. 여기서 폐 용적의 변화는 부피를 나타내는 값이고, 임피던스의 변화도 폐 용적의 변화를 나타내는 전압 값임에 따라 두 값은 서로의 연관성을 유지하는 값임을 알 수 있다.

파라미터 추출부(252)는 잡음 제거를 위해, 폐기능 임피던스 데이터 포맷팅이 행하여진 폐기능 임피던스 데이터를 수집하여, 이동평균 필터를 사용하여 고주파의 노이즈를 제거하고, 이동평균 필터링된 신호를 칼만 필터로 필터링을 행하여 외부의 노이즈와 동잡음에 강해지게 한다. 이렇게 잡음 제거를 행하여진 폐기능 임피던스 데이터에서 피크치와 최저치를 순차적으로 검출하며, 순차적 검출을 통해 피크치와 최저치가 획득되면 각 값의 시간지수와 진폭정보를 이용하여 피크치와 최저치 사이의 시간 간격과 진폭을 계산하고, 그 계산된 두 정보의 결과를 이용하여 폐기능 평가 파라미터인, 노력성 폐활량, 1초간 호기량 및 그 1초간 호기량과 노력성 폐활량의 비율, 노력성 최고 중간 호기유속 파라미터를 획득한다. 이렇게 획득된 폐기능 평가 파라미터들을 모니터링 단말기(300)의 데이터베이스에 저장한다.

폐기능 임피던스 메모리부(260)는 파라미터 추출부(252)로 부터 수신된 폐기능 평가 파라미터들을 임시 저장한다. 또한, 추출된 베이스 임피던스를 저장하고, 기준 폐기능 임피던스 신호를 저장하고 있으며, 보정함수도 저장하고 있다. 여기서 기준 폐기능 임피던스 신호는 공장 출하시 저장될 수도 있고, 사용자를 사용초기에 측정하여 저장된 신호일 수 있다.

모니터링 단말기(300)는 폐기능 임피던스 분석기(10)의 폐기능 임피던스 연산처리부(250)로부터 수신된 폐기능 임피던스 신호와 폐기능 평가 파라미터들을, 사용자의 설정에 따라, 디스플레이하여, 폐기능 임피던스를 관찰하게 한다.

모니터링 단말기(300)는 소정 응용프로그램을 설치한 단말기로, 일반 PC, 노트북, 아이패드 등일 수 있다.

모니터링 단말기 연산처리부(350)는 폐기능 임피던스 연산처리부(250)로부터 수신된 폐기능 임피던스 신호와 폐기능 평가 파라미터들을 피검자별로 데이터베이스부(360)에 저장하게 한다. 사용자가 키입력부(390)를 통해 선택한 폐기능 평가 파라미터들을, 디스플레이부(380)에서 소정 형태로 출력한다.

키입력부(390)는 GUI일 수 있다.

도 8은 본 발명의 흉부임피던스를 이용한 폐기능 모니터링 장치의 개략적 구동방법을 나타내는 흐름도이고, 도 9는 도 7의 잡음제거단계를 상세히 설명하기 위한 흐름도이고, 도 10은 도 9의 칼만필터링 단계를 상세히 설명하기 위한 흐름도이다.

흉부 임피던스 데이터 수집단계, 제1 흉부임피던스 전극(101) 및 제2 흉부임피던스 전극(102)으로부터 검출되어, 아날로그 신호 전처리부(200) 및 A/D 변환부(240)을 거쳐 폐기능 임피던스 연산처리부(250)의 디지털 신호 전처리부(251)로 흉부 임피던스 신호가 입력되며(S110), 디지털 신호 전처리부(251)는 파라미터 추출부(252)로 시작(start) 신호를 전송한다.

폐기능 임피던스 추출단계로, 흉부 임피던스 데이터 수집단계(S110)에서 수신된 흉부 임피던스를 저역 필터링하고, 필터링된 데이터에서 기 저장한 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호(IPFS)를 검출한다(S120).

여기서, 저역 필터링은 100Hz의 저역통과필터링 일 수 있으며, 경우에 따라서, 저역필터링은 생략할 수 있다. 즉, 폐기능 임피던스 추출단계는, 흉부 임피던스 데이터 수집단계(S110)에서 수신된 흉부 임피던스를 기 저장한 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호(IPFS)를 검출할 수 있다.

임피던스 데이터 포메팅단계로, 폐기능 임피던스 추출단계(S120)에서 검출된 폐기능 임피던스 신호(IPFS)를 기 저장된 기준 폐기능 임피던스 신호에 따라 커브 피팅(curve fitting)을 행하여 임피던스 데이터 포메팅을 행하고, 임피던스 데이터 포메팅이된 폐기능 임피던스 신호를 파라미터 추출부(252)로 전송한다(S130).

임피던스 커브 피팅은, 1차보정함수와 2차보정함수를 도출하고, 그 중 오차가 적은 보정 함수를 커브 피팅을 위한 보정함수로 선정하여 커브피팅을 행한다. 즉, 오차의 평균과 표준편차를 구하여, 오차의 표준편차와 평균이 적은 함수를 보정함수로 선정하여 이에 따라 커브 피팅을 행한다. 여기서, 2차 보정함수는 선형성을 유지하기 위해 측정범위를 10Ω에서 250Ω으로 제한한다.

예를들어, 1차 보정함수는

이고, 2차 보정함수는

이며, 이들 보정함수의 오차의 평균과 표준편차는 표1과 같다.

표 1의 경우에는, 2차보정함수를 사용하여 커브피팅을 행하게 된다.

이들 보정함수는 측정의 정확도를 보정하기 위해 사용된 것이다.

파라미터 추출부의 초기화 단계로, 파라미터 추출부(252)는 디지털 신호 전처리부(251)로부터 시작(start) 신호를 수신하면(S140), 파라미터 추출부(252)의 임시 메모리(폐기능임피던스메모리부(260)의 일부 메모리) 및 레지스터 등을 클리어하며, 데이터 수신준비를 한다(S150).

잡음 제거단계로, 임피던스 데이터 포메팅단계(S130)에서 포메팅 된 폐기능 임피던스 데이터를 임시 메모리(일종의 디지털 필터 적용을 위한 윈도우)에 저장하여 이동평균 필터링을 행하고, 이동평균 필터링이 된 폐기능 임피던스 데이터를 칼만 필터링을 행한다(S160).

잡음 제거단계는 도 9와 같이 이동평균 필터링단계과 칼만 필터링 단계를 포함하여 이루어진다.

이동평균 필터링단계는, 임피던스 데이터 포메팅단계(S130)에서 포메팅 된 데이터를 수집하여(S160), 이들 데이터가 임시 메모리(일종의 디지털 필터 적용을 위한 윈도우)를 채우면, 이동평균 필터링을 행하여 고주파의 노이즈를 제거한다(S163). 이렇게 되면 신호는 스무딩 효과가 나타나 전체적인 신호에 부드러운 연속성의 특징을 부여할 수 있다.

칼만 필터링 단계는, 이동평균 필터링단계에서 이동평균 필터링된 신호를 칼만 필터를 사용하여 필터링을 행하면, 외부의 노이즈와 동잡음에 강해질 수 있게 된다(S165). 칼만 필터는 일종의 추정하는 특징을 가지므로, 많은 변수가 적용되는 생체신호 측정환경에서 실시간으로 변화하는 신호의 오차를 벗어나지 않는 범위에서 추적성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다. 칼만 필터링 단계는 이미 공지된 것으로, 여기서 상세한 설명은 생략한다.

칼만 필터링 단계를 도 10을 참조하여 간략히 설명하면, 초기값 설정 단계는, 처음 수신된 흉부 임피던스 값을 통해 측정전에 초기 설정해주는 단계이고(S167), 동잡음 파라미터 결정단계는, 신체의 미세한 움직임을 통한 근전도 및 다른 생체신호로 인해 발생되는 노이즈를 측정하고 측정치와 추정치의 오차를 연산/저장하는 단계(S169)이다. 추정값과 오차 공분산 예측단계는, 저장된 오차를 통해 추정값의 범위와 오차 공분산을 구하여 칼만 필터의 펙터로써 가공하는 단계로, 추정값과 오차공분산은 기준 저항 하나를 지정하고 그에따라 측정되어야 하는 값과, 오차를 통해 도출한다(S171). 칼만이득계산단계는, 오차공분산을 통해 선형적인지 비선형적인지의 관계를 파악하고 이를 이용하여 칼만 이득을 도출하는 단계(S173)이다. 흉부임피던스 추적값 계산단계는, 추정치와 오차를 칼만 필터를 통해 보정하여 측정되어야 하는 값으로 추적하는 연산 단계(S177)이다. 흉부 임피던스 추적값 사용단계는 칼만 필터를 통해 연산된 추적값을 기존의 측정 치와의 차를 연산하여 오차공분산을 다시 결정하는 단계이다(S177). 이렇게 하여 오차가 줄어든다. 오차 공분산 업데이트단계는, 칼만필터를 통해 보정된 추적값을 통해 감소된 오차를이용하여 공분산을 구하고 그 값을 다시 칼만 필터를 하는데 사용하도록 하는 단계(S179)로 이 단계이다(S179).

일반적으로 칼만필터는 잡음이 표준정규분포를 따른다고 가정하기 때문에, 잡음의 분산을 결정하면 되는데, 이러한 이론적 기반에서 칼만필터에서 흉부임피던스(σ)의 상태모델의 잡음(Q)은 공분산 행렬로 표현될 수 있다.

본 발명에서 칼만필터는 생체신호를 추정하는데 2차원(x축, y축)정보를 가질 수 있으므로 흉부임피던스 데이터의 갯수 N값을 최대 2까지 나타낼 수 있다. 이론적으로, 상태모델의 잡음(Q)의 인자값이 커질수록 측정 값에 영향을 더 받게 되며, 작을수록 측정값의 영향을 덜 받고 변화가 완만한 추정값을 얻게 된다.

본 발명에서 칼만필터를 실시하는 예에 따른 동잡음 파라미터 결정단계(S169)는, 흉부임피던스 추적단계의 일예로 적용된 선형칼만필터 뿐만 아니라 시스템의 모델 설계방식에 따라 비선형 시스템을 다루는 확장칼만필터(Extended Kalman Filter)와 무향칼만필터(Unscented Kalman Filter) 등에도 적용될 수 있다.

흉부 임피던스 추적단계(S167~S179) 중, 동잡음파라미터 결정단계(S169) 후의 절차인 추정값과 오차공분산 예측단계(S171), 칼만이득 계산단계(S173), 흉부임피던스 추적값 계산단계(S175), 및 오차공분산 업데이트단계(S179)는 일반적으로 널리 알려진 칼만필터의 수행단계들로서 여기서 구체적 설명은 생략한다. 칼만 필터링 단계(S165)는 잡음 제거단계의 초기에 설정된 초기값과 칼만필터 상태모델의 잡음파라미터 값을 적용하여 추정값과 오차공분산을 예측하는 단계와 칼만이득을 계산하는 단계를 순차적으로 수행한다.

동잡음과 외부의 노이즈를 제거시켜 흉부임피던스를 측정하고자 사용되는 칼만필터는 흉부임피던스의 오차의 공분산 업데이트를 통해 계속적으로 오차를 줄여주고 적용함으로써 흉부임피던스의 노이즈 제거 성능 및 결과 도출 성능을 향상시킬 수 있다.

폐기능임피던스 평균값과 변화 패턴 분석단계로, 잡음 제거단계(S160)(구체적으로는, 칼만 필터링단계(S165))를 거친 페기능 임피던스 데이터에서 피크치와 최저치를 순차적으로 검출하며, 순차적 검출을 통해 피크치와 최저치가 획득되면, 각 값의 시간지수와 진폭정보를 이용하여 피크치와 최저치 사이의 시간 간격과 진폭을 계산하고, 그 계산된 두 정보의 결과를 이용하여 폐기능 평가 파라미터인, 노력성 폐활량(Forced Vital Capacity, FVC), 1초간 호기량(Forced Expiratiory Volume in 1s, FEV1), 1초간 호기량과 노력성 폐활량의 비율(FEV1/FVC), 노력성 최고 중간 호기유속 파라미터(FEF25-75%)를 획득하고, 획득된 폐기능 평가 파라미터들을 모니터링 단말기(300)로 전송하며, 그 후 파라미터 추출부(252)는 종료한다.

여기서, 노력성 폐활량은 최대한 숨을 들이마신 후에 최대한으로 내쉴 수 있는 공기의 양을 의미하고, 1초간 호기량은 초당 강제 호기량으로 1초 동안 내쉴 수 있는 최대 공기양을 의미하며, 1초간 호기량과 노력성 폐활량의 비율은 FEV1과 FVC의 비율이고, 노력성 최고 중간 호기유속 파라미터는 FEV1의 25 ~ 75% 해당하는 구간의 기울기를 의미한다.

USB 통신의 연결상태 체크단계로, 모니터링 단말기(300)는 파라미터 추출부(252)로부터 수신된 폐기능 평가 파라미터 및 폐기능 임피던스 신호가 수신되면, 모니터링 단말기(300)과 파라미터 추출부(252)의 USB 통신의 연결상태를 체크한다.

폐기능 평가 파라미터 저장단계로, USB 통신의 연결상태 체크단계에서 USB 통신의 연결이 온(ON)상태이면, 모니터링 단말기(300)는 파라미터 추출부(252)로부터 수신된 폐기능 평가 파라미터 및 폐기능 임피던스 신호를 모니터링 단말기(300)의 데이터베이스부(360)에 저장하고, 이를 디스플레이한다.

도 11은 본 발명의 흉부임피던스를 이용한 폐기능 모니터링 장치의 사용상태도이다.

폐기능 모니터링을 위해 흉부임피던스를 검출하기 위해, 흉부임피던스 전극(100)을 일측 유두점 위(예로, 피검자의 우측 유두점 위)의 흉곽부분에 장착하고, 다른 하나는 다른 일측 유두점 아래(예로, 피검자의 좌측 유두점 아래)에 장착하며, 흉부임피던스 전극(100)들과 연결된 전선들은 페기능 임피던스 분석기(10)의 커넥터에 연결된다.

페기능 임피던스 분석기(10)는 폐기능 평가 파라미터들을 검출하고, 이 폐기능 평가 파라미터와 폐기능 임피던스 신호를 USB통신을 통해 모니터링 단말기(300)로 전송하여 저장하며, 사용자는 모니터링 단말기(300)의 디스플레이부(380)을 통해 폐기능 평가 파라미터와 폐기능 임피던스 신호를 관찰할 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10 : 폐기능 임피던스 분석기 50 : 흉부임피던스 검출부
95 : 파형 발생부 97 : 정전류원
100 : 흉부임피던스 전극 101 : 제1 흉부임피던스 전극
102 : 제2 흉부임피던스 전극 110 : 전류출력 전극
114 : 전극 도전체 117 : 하이드로겔
120 : 전압검출 전극 130 : 시트
131 : 전류출력 전극의 스냅 코넥터 132 : 전압검출 전극의 스냅 코넥터
200 : 아날로그 신호 전처리부 210 : 차동 증폭부
220 : 교류/직류 변환부 230 : 필터링부
240 : A/D 변환부 250 : 폐기능 임피던스 연산처리부
251 : 디지털 신호 전처리부 252 : 파라미터 추출부
260 : 폐기능 임피던스 메모리부 300 : 모니터링 단말기
350 : 모니터링 단말기 연산처리부 360 : 데이터베이스부
380 : 디스플레이부

Claims (11)

1. 2개의 흉부 임피던스 전극을 흉부에 장착하여 폐용적을 모니터링하기 위한,
   흉부 임피던스 전극에 있어서,
   하나의 시트 상에 전류출력 전극과 전압검출 전극을 구비하되,
   전류출력 전극과 전압검출 전극이 서로 점대칭을 이루도록 장착되어 있으며,
   전류출력 전극의 피부접촉면의 면적은 전압검출 전극의 피부접촉면의 면적보다 큰 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 전극.
2. 제1항에 있어서, 전류출력 전극은
   시트 위에 위치되며 염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진 전극 도전체;
   전극 도전체 위에 위치되며 전해성 젤(GEL)로 이루어진 하이드로겔;
   을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 전극.
3. 제1항에 있어서, 전압검출 전극은
   시트 위에 위치되며 염화은(Ag/AgCl)으로 이루어진 전극 도전체;
   전극 도전체 위에 위치되며 전해성 젤(GEL)로 이루어진 하이드로겔;
   을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 전극.
4. 제2항 또는 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   하이드로겔은 고체타입의 하이드로겔인 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 전극.
5. 제4항에 있어서,
   하이드로겔은, 실버 잉크(silver ink) 와 전도성 카본 물질(conductive carbon substrates)로 이루어진 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 전극.
6. 제1항에 있어서,
   시트는 폴리에틸렌 폼(PE Form)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 전극.
7. 폐용적을 모니터링하기 위해 2개의 흉부 임피던스 전극이 흉부에 장착되되,
   하나의 흉부 임피던스 전극은 일측 유두점 위에 장착하고, 다른 하나의 흉부 임피던스 전극은 다른 일측 유두점 아래에 장착하여, 흉부 임피던스 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 전극.
8. 2개의 흉부 임피던스 전극을 흉부에 장착하여 폐용적을 모니터링하기 위한, 흉부 임피던스 측정방법에 있어서,
   2개의 흉부임피던스 전극을 이용하되, 하나의 흉부임피던스 전극은 일측 유두점 위에 장착되고, 다른 하나의 흉부임피던스 전극은 다른 일측 유두점 아래에 장착되어, 흉부 임피던스 신호를 검출하는, 흉부임피던스 검출단계;
   흉부임피던스 검출단계로부터 수신된 흉부임피던스 신호에서 연산처리부는 기 저장된 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호를 검출하고, 검출된 폐기능 임피던스 신호를 기 저장된 기준 폐기능 임피던스 신호와 커브 피팅(curve fitting)을 행하는 디지탈 신호 전처단계;
   디지탈 신호 전처리단계로부터 출력된 폐기능 임피던스 신호를 수신하여, 연산처리부는 폐기능 평가 파라미터인, 노력성 폐활량, 1초간 호기량, 1초간 호기량과 노력성 폐활량의 비율, 노력성 최고 중간 호기유속 파라미터 중 하나 이상을 검출하는 파라미터 추출단계;
   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 측정방법.
9. 제8항에 있어서, 디지탈 신호 전처단계에서,
   폐기능 임피던스 신호를 검출하기 전에, 연산처리부는 흉부임피던스 검출단계로부터 출력된 흉부임피던스 신호를 저역통과 필터링을 행하고,
   저역통과 필터링된 흉부임피던스 신호에서 기 저장된 베이스 임피던스를 차감하여 폐기능 임피던스 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 측정방법.
10. 제9항에 있어서, 파라미터 추출단계는,
    폐기능 평가 파라미터를 검출하기 전에, 연산처리부가 커브 피팅된 폐기능 임피던스 데이터를 이동평균 필터링과 칼만필터링을 순차적으로 행하는 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 측정방법.
11. 제10항에 있어서,
    폐기능 평가 파라미터들은, 연산처리부가 칼만필터링을 행하여진 폐기능 임피던스로부터, 진폭의 피크치와 최저치를 구하고, 상기 피크치와 최저치의 시간차, 진폭차를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 흉부 임피던스 측정방법.
    
    
    
    
    
    

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