KR20180090889A - 인체의 수분 결핍 측정 방법 - Google Patents

Abstract

일상 생활에서의 인체의 수분 부족 상태의 판정은, 저주파수 및 고주파에서 인체의 일부의 임피던스를 측정함으로써 행해진다. 연구 대상 체적의 체조직 내 체액의 양은 고주파에서의 임피던스를 기준으로 평가된다. 상기 체적 내 체조직의 세포 외액의 현재 양은 저주파에서의 임피던스에 기초하여 평가된다. 조직에서 평가된 세포 외액의 기준치는 측정 시작시 미리 선택된다. 보정 값은 현재 측정 시간에서의 체적 내 혈량 변화에 기초하여 결정된다. 수정된 평가 값을 이용하여, 물 결핍 개시가 결정된다.

Description

인체의 수분 결핍 측정 방법

본 발명은 진단에 관한 것으로, 특히 인체의 일부분의 임피던스 값을 측정함으로써 일상 생활 활동 중에 인체 내의 수분 결핍 상태를 판정하는 것에 관한 것이다.

저자들은 인체의 일부의 임피던스를 측정함으로써 일상 생활 활동 중에 인체 내의 물의 공급을 보충할 필요성을 결정하는 다른 방법을 알지 못한다.

주로 의학적 목적을 위해, 인체에서의 물의 균형 및 분포를 측정하기 위해 다양한 방법이 사용되는 것으로 알려져 있다.

예를 들어, 1995 년 11 월 28 일자로 공개된 미국 특허 제 5,469,859 호(IPC A61B 5/085)는 인체의 기본 심폐 기능 파라미터를 결정하는 방법을 개시한다. 파라미터는 환자의 손과 발에 전극을 적용하여 세포 외액의 양과 환자 몸 전체의 균형을 측정하여 결정된다. 측정은 의료 목적으로 이루어진다. 상기 특허는 일상 생활 활동 중에 인체에서 물 부족 상태를 결정하는 것을 가르치지 않는다.

2008 년 2 월 20 일 공개된 러시아 특허 번호 제2314750호(IPC A61B 5/05)는 인체의 혈액 및 유체 역학에 대한 시스템 관련 평가 방법을 가르치고 있다. 이 방법에 따르면, 전극은 환자의 머리 및 말단부에 적용되어 인체의 다양한 부분의 임피던스를 측정한다. 느린 그리고 격렬한 임피던스 변화가 등록되고 주변부 및 전체 인체의 혈액 및 유체 역학이 이러한 측정을 기반으로 계산된다. 이 방법은 환자의 건강 상태를 모니터링하고 치료 방법을 선택하는 것을 포함하여 의료 목적으로 사용된다.

2013 년 3 월 26 일에 공개된 미국 특허 제 8,406,865 호(IPC A61B5/00)는 본 발명에 가장 근접한, 부착되는 전극 및 결과적인 데이터 처리를 통해 인체 부분의 임피던스를 측정함으로써 인체의 생리적 파라미터를 결정하는 시스템을 개시하고 있다. 본 발명의 주요 목적은 임피던스 측정에 기초하여 심장 및 호흡 성능을 결정하는 것이다. 이 시스템은 제지방(lean body mass: 즉, 전체 체질량에서 체지방의 질량을 뺀 값) 중 수분의 비율, 전체 세포 외액의 총량, 및 환자 몸 전체의 체액 균형 지수를 결정할 수 있게 한다. 이 시스템은 의료용으로 의도되었으며 일상 생활 활동 중에 인체의 수분 결핍 상태를 파악하는 데 도움이 되지 않는다.

이들 방법에 공통적인 제한점은 의료 목적으로만 의도되고, 인체의 상이한 부분의 임피던스 측정에 기초하여 체액의 양을 결정하는 것을 제공한다는 것이다.

상기 방법이 주로 병원 환경에서 측정을 하기 위해 사용되기 때문에, 환자가 정지 상태에 있을 때, 일상 생활, 작업 중, 스포츠 활동 등에서 측정을 하는 데는 적용할 수 없다.

본 출원인은 일상 생활 활동 중에 인체의 수분 결핍 상태를 판정하여 체내의 수분 공급을 보충할 필요성을 경고하는 임의의 방법을 알지 못한다.

청구된 발명의 기술적 결과는 인체의 일부의 임피던스 값을 측정함으로써 일상 생활 활동 중에 인체의 수분 결핍 상태를 결정하는 것이다. 위의 기술적 결과는 일상 생활 중 일시적 또는 우발적인 사고로 인해 다양한 신체 부위의 체액 재분포에 의해 야기되는 동일 신체 부분 내 혈량 변화를 고려하면서 연구 대상 인체의 일부분 내 체액량을 평가함으로써 실현된다.

상기 언급된 기술적 결과는 다음과 같이 달성된다.

인체 내의 수분 결핍을 검출하는 방법은 다음 단계를 포함한다:

저주파 및 고주파에서 인체의 일부의 임피던스 값을 측정한다. 현재 측정 시간에 고주파수에서 측정된 임피던스에 기초하여 연구 대상 체적 내의 체조직 내 체액량을 평가한다. 저주파수에서 측정된 임피던스 값에 기초하여 현재 측정 시간에 연구 대상 체적 내의 세포 외액의 양을 평가한다. 기준 측정 시간에 연구 대상 체적 내의 세포 외액의 양의 기준 평가 값을 미리 선택한다. 그 다음, 현재 측정 시간에 연구 대상 체적 내의 혈량 변화와 관련된 보정 값이 결정된다. 더욱이, 현재 측정 시간에서 연구 대상 체적 내의 체조직 내의 혈량 변화와 관련되는, 연구 대상 체적 내의 체조직 내의 체액량의 보정된 평가 값을 결정한다. 연구 대상 체적 내의 체액량의 보정된 평가값을 이용하여 인체의 수분 결핍 개시를 결정한다.

당 분야에 알려진 바와 같이, 저주파수에서 임피던스 측정은 연구 대상 체적 내 세포 외액의 양을 평가할 수 있게 하고, 반면 고주파수에서 임피던스 측정은 연구 대상 체적 내 총 체액량을 평가할 수 있게 한다. 발명의 방법은 현재 측정 시간에 연구 대상 체적 내 혈량 변화를 고려함으로써 인체 내 수분 부족 상태에 관한 결정을 행할 수 있다. 이 방법은 예를 들어, 물리적 운동 또는 측정 결과에 대한 다른 일시적 또는 임의적 요인에 의해, 야기되는 주어진 신체부 내 혈량 변화의 영향을 제거할 수 있고, 연구 대상 체적 내 체조직의 체액량을 보정 평가할 수 있다. 이러한 보정 평가는 인체 내 수분 결핍 개시에 관한 결정을 행할 수 있다.

특정 실시예에서, 인체 일부분의 임피던스 값은 인체에 부착된 이격된 전극들을 이용하여 측정된다.

특정 실시예에서, 연구 대상 체적의 혈량 변화와 관련된 연구 대상 체적 내 체액량의 보정된 평가 값을 결정하기 위해 헤마토크릿 값이 고려된다.

특히, 현재 측정 시간에서 연구 대상 체적 내 혈량 변화와 관련된 연구 대상 체적 내 체조직의 체액량의 보정된 평가 값의 최대값에 기초하여, 인체 내 수분 결핍 상태의 개시에 관한 결정이 이루어진다.

특히, 체온 센서의 판독 값을 이용하여 상기 저주파수 및 고주파수에서 측정된 인체 부분의 임피던스 값이 보정된다.

추가적으로, 상기 기준 측정 시간은 상기 인체를 측정 센서에 적응시키기 위해 필요한 전이 시간의 종료에 이어 미리 선택된다.

인체의 수분 결핍을 검출하는 방법은 다음의 도면에 예시되어있다:
도 1은 서로 다른 주파수에서 측정된 임피던스 값의 시간 의존성을 보여준다.
도 2는 중앙값 필터를 사용한 중앙값 필터링 후 측정된 임피던스 값의 시간 의존성을 보여준다.
도 3은 연구 대상 체적 내 신체 조직 내의 유체의 양에, 그리고 상기 체적 내의 신체 조직 내의 세포 외액의 양에, 상응하는 전도도의 시간 종속성을 도시한다.
도 4는 연구 대상 체적 내 인체 조직의 체내 및 체외 유체의 양에 대응하는 상이한 주파수에서의 전도도의 시간 의존성과, 상기 체적의 인체 조직 내 유체의 양 빼기 현 측정 시간에서 혈량 변화의 값에 대응하는 전도도의 시간 의존성을 도시한다.
도 5는 연구 대상 체적 내의 신체 조직의 체액량 빼기 기준 측정 시간 이래 혈량 변화에 대응하는 전도도의 시간 종속성과, 수분 부족 상태의 임계치로 간주되는 전도도 값의 시간 의존성을 도시한다.

인체 내의 수분 결핍을 검출하는 방법은 다음과 같이 구현된다.

첫째, 전극이 인체에 부착된다. 특히, 신체의 일부분에 2 개의 전극을 부착하는 것으로 충분하다. 시험은 이 방법이 예를 들어, 사람의 손목에 부착된, 전극을 가진 인체의 수분 결핍 상태의 발병 여부를 결정할 수 있음을 입증했으나, 신체의 이 부분이 이 방법을 구현하는 데 가장 적합한 것은 아니다. 그러나 주어진 신체의 작은 부분에 대해 저주파수 f₀에서의 임피던스 값 Z_i ⁰ 및 고주파수 f₃에서의 판독 값 Z_i ³의 센서 판독은 신체 내 물부족 발병을 결정할 수 있게 한다. 상이한 주파수에서 임피던스 값을 측정할 때 가장 효율적인 샘플링 속도는 분당 약 1 ~ 4 회인 것으로 밝혀졌다.

도 1은 고주파수 f₃에서의 측정된 임피던스 값 Z₃ ^init (곡선 1)와, 저주파수 f₀에서 Z₀ ^init (곡선 2)의 시간 종속성을 보여준다.

간섭을 피하려면, 측정된 임피던스 값을 필터링하는 것이 유익하다. 다양한 유형의 필터링이 이 용도에 적합하며, 이러한 특별한 경우에 소위 "중간값 필터"가 적용된다.

도 2는 중앙값 필터를 사용하여 처리된 후에 측정된 임피던스 값의 시간 종속성을 보여준다. 고주파수 f₃에서 Z₃ ^init (곡선 1) 및 저주파수 f₀에서 Z₀ ^init (곡선 2). 도 2는 필터링된 임피던스 값이 무작위 요인으로 인해 발생하는 아웃 라이어(outliers)를 실제로 포함하지 않음을 보여준다.

이 방법은 인체의 온도를 무시하고 구현할 수 있다. 그러나 체온을 고려하면 이를 특의 정확도가 높아진다. 저주파수 f₀에서 측정되는 임피던스 값 Z⁰ _i 및 고주파수 f₃에서 Z³ _i는 다음의 관계를 이용함으로써 온도 센서 판독치를 고려하도록 보정된다:

여기서,

Z⁰ _i 및 Z³ _i는 주파수 f₀ 및 f₃에서 순간 임피던스 값이고,

Z⁰ _icorr 및 Z³ _icorr은 주파수 f₀ 및 f₃에서 순간 보정 임피던스 값이며,

T_i는 임피던스 측정 영역에서 인체 온도의 순간 값이고,

T₀는 임피던스 측정 영역에서 인체 온도의 기준 값이며,

k_T는 임피던스 값 측정에 사용되는 측정 전류가 통과하는 조직의 온도 저항 계수이다.

측정 시작시 온도 값은 기준 값 T0로 선택될 수 있다.

고주파수 f₃에서 측정된 임피던스의 값을 토대로, 전도율 y^sum _i의 평가 값이 얻어지며, 이것은 현재 측정 시간에서 연구 대상 체적의 체조직 내 유체의 양에 비례한:

저주파수 f₀에서 측정된 임피던스의 값에 기초하여, 전도율 y^out _i의 평가 값이 얻어지며, 이것은 현재 측정 시간에서 연구 대상 체적 내의 신체 조직 내의 세포 외액의 양에 비례한다:

연구 대상 체적에서 체 조직의 체액 양에 해당하는 고주파 f₃에서 y^sum _i 를 특징으로 하는 전도도(곡선 1)와, 연구 대상 체적 내 체조직 내 세포외액의 양에 대응하는 저주파수 f₀에서 y^out _i를 특징으로 하는 전도도(곡선 2)가 도 3에 도시된다.

측정 시작시 기준 값 y^out _base가 미리 선택되고, 이는 기준 측정 시간에 연구 대상 체적 내 세포 외액의 양에 비례한다.

기준 측정 시간 t_base는 측정 센서 부착 후 측정 센서에 인체를 적응시키는데 필요한 전이 시간의 종료에 이어 미리 선택된다.

다음으로, 값 y^out _base는 현재 측정 시간에 연구 대상 체적 내 혈량 변화를 고려하는 보정 값 Δ^bl _i를 결정하는 데 사용된다.

여기서,

h는 적혈구 용적률(hematocrit), 즉, 혈장의 체적에 대한 혈액 세포의 약 99 %를 구성하는 적혈구의 체적의 비다; 여성의 헤마토크릿 값은 0.40으로 간주될 수 있는 반면, 남성의 경우 0.46으로 간주될 수 있다.

다음으로, 보정된 값 y^'sum _i이 발견되고, 이는 연구 대상 체적 내의 체액 내의 체액량에 비례하고, 현 측정 시간에 상기 체적 내 체조직 내의 혈량 변화와 관련된다:

여기서,

y^sum _i는 연구 대상 체적의 체조직 내 현재의 체액량에 비례하는 평가 전도도다.

연구 대상 체적 내 체조직의 혈양의 변화를 고려하면 상기 체적 내 세포 내액 및 세포 외액 양을 평가할 수 있다.

연구 대상 체적에서의 체조직의 체액량에 해당하는 전도도에서, 기준 측정 시간 y^'sum _i 대비 현 측정 시간에서의 혈량 변화를 뺀 값에 대응하는 전도도의 시간 관계(곡선 3)가 도 4에 도시된다. 명확한 설명을 위해, 동일한 플롯이, 연구 대상 체적의 체조직에서의 체액량 y^sum _i에 대응하는 전도도의 시간 관계(곡선 1) 및 연구 대상 체적 내 체조직 내 세포 외액의 양에 대응하는 전도도의 시간 관계(곡선 2)를 보여준다.

그래프로부터 알 수 있듯이, 연구 대상 체적의 체조직 내 체액량 빼기 현 측정 시간에서 관찰되는 혈량 변화를 반영하는 종속성 y^'sum _i (곡선 3)은 일시적인 외부 요인으로 인해 연구 대상 체적 내 체조직의 혈량 변화에 의해 야기되는 현저한 업 다운을 나타내지 않는다. 후자(일시적인 외부 요인)는 예를 들어, 물리적 활동 또는 부족, 생리적 상태 변화, 또는, 사람의 일상 활동과 관련된 다른 요인을 포함한다.

연구 대상 체적의 체조직 내 체액량에 비례하는 획득된 보정 평가 값 y^'sum _i에 기초하여, 인체 내 수분 결핍 상태의 발병이 위 보정 평가 값을 임계값과 비교함으로써 결정된다(도 5).

여기서, 임계값은 전도도의 보정 평가 값으로 취하여지며, 이는 대상 체적 내 체조직의 체액량에 비례하고, 고려되는 주어진 시간 주기 동안 혈량 변화와 관련된다. 임계값은 소정 값만큼 전체 선행 측정 시간에 걸쳐 최대 값 미만이어야 한다.

여기서,

y'^sum _thresh는 전도도의 임계값이고,

y'^sum _maxk는 이전 측정에서 전도도의 최대값이며,

Δ_thresh는 임계 전도도 값이 최대 값에 비해 얼마나 작아야하는 지를 결정하는 값이다.

수분 결핍 사용자가 먹거나 마시는 과정에서 요구되는 양의 물을 소비한 후 이 방법이 적용될 경우, 장치의 첫번째 몇시간 내의 값 y'^sum _maxk가 매우 높게 성장할 수 있다.

플롯(도 5)은 y^'sum _i (곡선 1)와 임계 값(곡선 2)의 시간 변화를 보여 주며, 이러한 임계값보다 낮으면 신체의 수분 결핍이 발생한다.

문턱 값 y^'summ _maxk는 일상 생활에서 특정인의 수분 균형을 유지하는 데 필요한 물의 최대 양을 보다 정확히 반영하기 때문에 관측치가 길어질수록 인체의 물 부족의 시작을 결정하는 신뢰도가 증가한다.

본 발명의 방법은 건강한 인체에서 물의 현재 결핍을 결정하도록 지정되고, 인체의 상태를 모니터링하기 위한 다양한 장치 또는 자동 시스템을 개발하는 데 사용될 수있다. 이 방법은 충분히 많은 수의 대상자에 대해 시험되었다.

Claims (6)

1. 인체의 수분 결핍을 검출하는 방법에 있어서,
   저주파 및 고주파에서 인체의 일부의 임피던스 값을 측정하는 단계;
   현재 측정 시간에 고주파수에서 측정된 임피던스에 기초하여 연구 대상 체적 내의 체조직 내 체액량을 평가하는 단계;
   현재 측정 시간에 저주파수에서 측정된 임피던스 값에 기초하여 연구 대상 체적 내의 세포 외액의 양을 평가하는 단계;
   측정 시작시 연구 대상 체적 내의 세포 외액의 양의 기준 평가 값을 미리 선택하는 단계;
   현재 측정 시간에 연구 대상 체적 내의 체조직의 혈량 변화와 관련된 보정 값을 결정하는 단계;
   현재 측정 시간에서 연구 대상 체적 내의 체조직 내의 혈량 변화와 관련되는, 연구 대상 체적 내의 체조직 내의 체액량의 보정된 평가 값을 결정하는 단계;
   연구 대상 체적 내의 체조직 내 체액량의 보정된 평가값을 이용하여 인체의 수분 결핍 상태의 개시를 결정하는 단계를 포함하는
   수분 결핍 검출 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 인체에 부착된 이격된 전극을 사용하여 상기 인체의 일부의 임피던스 값을 측정하는 단계를 더 포함하는 수분 결핍 검출 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 연구 대상 체적의 체조직 내 혈량 변화와 관련된 연구 대상 체적 내 체조직 내 체액량의 보정된 평가 값을 결정하기 위한 헤마토크릿 값을 사용하는 단계를 더 포함하는 수분 결핍 검출 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 현재 측정 시간에서 연구 대상 체적 내 체조직 내 혈량 변화와 관련된 연구 대상 체적 내 체조직의 체액량의 보정된 평가 값의 최대값에 기초하여, 인체 내 수분 결핍 상태의 개시를 결정하는 단계를 더 포함하는 수분 결핍 검출 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 체온 센서의 판독 값을 이용하여 상기 저주파수 및 고주파수에서 측정된 인체 부분의 임피던스 값을 보정하는 단계를 더 포함하는 수분 결핍 검출 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 기준 측정 시간은 상기 인체를 측정 센서에 적응시키기 위해 필요한 전이 시간의 종료에 이어 미리 선택되는 수분 결핍 검출 방법.

Images