KR20220063344A - 리액턴스 성분을 이용한 심박출량 측정 장치 및 이를 포함한 체중계 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정장치는, 센서부와 심박출량 연산부를 포함하고, 상기 센서부는 인체 일부에 접촉할 수 있는 복수의 전극을 포함하고, 전극이 접촉되는 측정 부위에 전류를 인입하여 전기적인 수집 신호에서 시간에 따른 심장의 혈류량 변화에 따른 위상의 변화를 이용하여 상기 심박출량 연산부에 의해 심박출량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

리액턴스 성분을 이용한 심박출량 측정 장치 및 이를 포함한 체중계{Cardiac output measuring device using reactance component and weight scale including same}

본 발명은 심박출량 측정 장치 및 이를 포함하는 체중계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 심박출량을 대변하는 리액턴스 성분을 이용한 심박출량 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

심박출량(Cardiac output)은 심장 박동을 통해 전신으로 나가는 분당 혈액의 양으로써, 심장 기능뿐만 아니라 전체 순환계의 상태를 반영하는 지표이며, 전신 조직의 자율적인 조절을 통해 통제된다.

최근 의료 서비스의 패러다임이 치료/병원 중심에서 예방/소비자 중심으로 변화하면서 자신이 건강상태를 기록, 관리하는 ‘자가 건강 측정’ 트렌드가 확산되고 있다.

급속한 고령화 및 만성질환 증가로 사회/경재제적 부담이 심각하다. 2017년 전체인구의 33.6%(약1,730만명), 만성질환 진료비는 전체 진료비의 41%(28.2조), 심혈관계 진료비 증가 추세이다.

심혈관계 질환의 건강 모니터링으로 혈관 및 혈압 측정이 위험도평가 인자로 많은 연구를 통해 알려져 있다. 하지만 건강지표 중 심박출량이 중요한 인자이나, 병원 아닌 곳에서 비침습적으로 측정할 솔루션이 없다. 자가 건강측정 솔루션으로는 운동분야 및 보건, 병원 등 다양한 곳에 사용되는 체성분분석장치가 있으나, 이는 인체의 피지컬한 측정으로 외형적 발란스만 측정하는 상황이다. 우리나라 10대 사망질병을 보면 심뇌혈관계 질환이 1위로 실질적인 건강은 신체의 내부에 신호를 평가해야 한다. 비침습적 측정방법은 인체 외부에 전극을 부착하여 필요한 생체신호를 계측하는 방법이며 이러한 계측방법은 간단하고 쉽게 사용할 수 있기 때문에 건강검진 센터나 가정에서 사용이 가능하다. 따라서 비침습적인 측정방법은 병원이 아닌 일상생활에서 체중계처럼 간편히 측정할 수 있다.

오래전부터 심박출량을 측정하는 방법은 카테터를 이용하는 침습적인 (invasive) 방법을 통해 실제 심장에 분출되는 혈액의 양을 측정하는 방식이 사용되어 왔으나, 이러한 방식은 카테터의 삽관 시술과 관련되어, 시술자의 숙련된 기술을 요구하며, 시술자가 시술 중 실수를 하게 되는 경우 환자에게 합병 흉곽 내 용적의 변화는 흉부 생체교류저항(thoracic electrical bioimpedance)의 변화를 일으키는 문제가 있다.

한편, 교류저항 심장박동법은 비침습적인 방법으로써 네 쌍의 심전도 전극을 흉부에 부착하여 표본 미세전류를 방출하고 흉부 양측의 생체교류저항을 감지하게 된다. 그러나 비침습적 방법 중 하나인 ICG(Electrical Impedance Cardiography)는 인체에 전류를 가해 심장 박동시 비침습적으로 각 심장 박동마다의 데이터를 획득하고 나아가서 심박출량 및 1회 박출량(Stroke Volume : SV) 및 심근육의 수축력 등 심장의 역학적 기능을 감시할 수 있지만 임피던스는 절대적인 신호 상태 및 크기 결과에 의존하여 잡음(noise)에 민감하고, 이로 인해 심박출량의 추정치에 오류가 쉽게 발생하는 단점이 있다.

따라서, 전술한 문제를 해결하기 위하여 비침습적 방법이면서 신호대잡음비(SNR)를 향상시켜서 심박출량 신호를 유의하게 대변할 수 있는 심박출량 측정장치에 대한 연구가 필요하게 되었다.

대한민국 공개 특허 제10-2014-0058570호(2014년05월14일 공개)

Stroke volume equation for impedance cardiography, Medical & Biological Engineering & Computing 2005, Vol. 43

본 발명의 목적은 침습적 방법과 유사한 측정값을 얻을 수 있도록 수집 신호에 포함된 임피던스성분 신호 중 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호로 분리하고, 각 분리된 신호에 대한 잡음 필터링 과정을 거쳐 출력할 수 있는 심박출량 측정 장치 및 이를 포함한 체중계를 제공하는 것이다.

또한 본 발명은 체중계의 형태로 구현되어 피트니스 센터, 보건소, 공공장소에 비치되어 개인 사용자가 병원에 가지 않고도 손쉽게 측정할 수 있는 리액턴스 기반 심박출량 측정 장치로서 피지컬적인 외적인 변화보다 내적인 심혈관계의 건강 상태를 측정할 수 있는 심박출량 측정 장치 및 방법을 제공하는데 다른 목적이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 장치는, 사용자로부터 복수의 생체신호를 측정하는 센서부; 및 상기 생체신호로부터 심박출량(cardiac output)을 연산하되, 상기 심박출량의 연산은 상기 센서부로부터 수집된 신호의 위상차에 의해 연산하는 심박출량 연산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 센서부는 사용자의 인체 일부에 접촉할 수 있는 복수의 전극을 포함하고, 상기 복수의 전극이 접촉되는 측정 부위에 전류를 인입하여 전기적인 수집 신호를 획득하는 것을 특징으로 한단.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수집 신호는 신호에 포함된 임피던스성분 신호 중 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호로 분리하여, 상기 리액턴스 성분 신호의 위상차에 의해 심박출량을 측정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 장치는, 또한 상기 전기적인 수집 신호에서 시간에 따른 심장의 혈류량 변화에 따른 위상의 변화를 이용하여 심박출량을 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 장치는, 상기 분리된 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호에 대한 잡음 필터링 과정을 거치는 것을 특징으로 한다.

상기 심박출량 측정 장치는 체중계에 포함되는 형태인 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 전극은 상기 체중계에서 상기 인체의 하지 부분(양발)에 접촉되는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 전극은 상기 인체의 하지 중, 개별 발마다 최소 두군데 이상을 전기적으로 접촉할 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 복수의 전극은 각각 발의 앞발(forefoot)과 뒤발(hindfood)에 각각 전압을 인가하고 전류를 측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 전극은 상기 체중계에서 상기 인체의 두 하지가 맞닿는 복수의 부위 중, 4영역에 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 체중계는 상기 심박출량 이외에 체중, 체지방을 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 심박출량 연산부는 인체에 전극을 흘려보내기 위해 주파수와 크기가 조절되며 사인파를 발생시키는 사인파생성부; 상기 사인파를 해당 대역이 아닌 잡음이 포함된 대역에 대해서 필터링하기 위해 마련되는 대역통과필터; 상기 대역통과필터를 통과한 사인파의 출력을 정전류로 변환하여 인체에 공급하는 정전류생성부; 인체에서 측정된 전기적 신호인 수집 신호를 증폭하는 계측증폭부; 상기 계측증폭부에서 증폭된 수집 신호에서 저잡음을 증폭하는 저잡음증폭부; 상기 저잡음증폭부에서 증폭된 수집 신호를 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호로 복조하는 신호복조부; 상기 신호복조부에서 복조된 수집 신호의 신호대잡음비를 향상시키기 위해 수집 신호의 성분을 분리하고 잡음 필터링을 위해 마련된 SNR향상부; 상기 SNR향상부에 의해 신호대잡음비가 향상된 수집 신호를 디지털 신호로 변환하는 컨버터; 상기 수집 신호에 대해 심지수, 좌심실박출시간, 1회 심박출량지수, 심박출량지수, 심박동수, 1회심박출량(SV), 심박출량을 연산하는 연산부; 상기 심지수, 좌심실박출시간, 1회 심박출량지수, 심박출량지수, 심박동수, 1회심박출량(SV), 심박출량을 화면상에 출력하는 표시부;를 포함한다.

상기 표시부는 전술한 특징들 이외에도 상기 체중계를 통해 획득한 상기 체중, 상기 체지방을 화면상에 출력할 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 심박출량 연산부로부터 상기 심박출량의 연산이 어려운 경우, 상기 복수의 전극의 채널을 순차적으로 변경해서 재측정하는 것을 특징으로 한다.

상기 심박출량 연산부에 있어서, 상기 SNR향상부는 상기 수집 신호에서 임피던스성분 신호 중 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호로 분리하는 복조된신호부; 상기 각 저항성분 신호 및 리액턴스성분 신호의 고대역 잡음을 필터링하기 위해 마련된 저대역통과필터; 상기 저항성분신호 및 리액턴스성분 신호에 대해서 각각 오프셋 제거 및 증폭을 수행하는 오프셋제거및증폭부; 상기 오프셋제거및증폭부의 후단에 마련되어 수집 신호의 크기, 단위를 정합하거나 상호 균형을 맞추기 위한 버퍼; 상기 분리된 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호 각각에 대해서 각각 구비된 컨버터로 전달하는 신호출력부;를 더 포함한다.

상기 심박출량 연산부에 있어서, 상기 오프셋제거및증폭부는 상기 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호에서 저대역 잡음을 제거하기 위해 마련되는 고대역통과필터; 상기 고대역통과필터를 통과한 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호는 각각 증폭하여 상기 신호출력부로 전달하는 제1증폭부를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 심박출량 측정 장치는 양발 이외에도, 상체, 양손에 전류를 인입하여 리액턴스 해석 방법을 이용하여 심박출량을 측정할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 따른 리액턴스 성분을 이용한 심박출량 측정 방법은, 심박출량 측정 장치에서 정전류원을 생성하고, 인체 일부에 접촉할 수 있는 복수의 전극에 의해 정전류가 인체로 인입되는 단계; 인체에서 측정된 수집 신호를 증폭하는 단계; 상기 증폭된 수집 신호에서 케리어주파수를 분리 및 제거하고 수집 신호를 복조하여 저항 성분과 리액턴스 성분으로 분리하는 단계; 복조된 수집 신호의 신호대잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 수집 신호의 저항 성분과 리액턴스 성분에서 AC와 DC을 분리하고 증폭을 수행하는 단계; 분리된 각 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호에 대해서 컨버터로 전달하여 디지털 신호로 변환하는 단계; 상기 심지수, 좌심실박출시간, 1회 심박출량지수, 심박출량지수, 심박동수, 1회심박출량(SV), 심박출량 연산을 수행하면, 표시부를 통하여 연산된 결과를 파형이나 그래프 형태로 출력하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 심박출량 측정 장치 및 방법은 저항성분 신호(I)와 리액턴스성분 신호(Q)를 AC 성분과 DC 성분으로 분리하여 리액턴스를 해석하고 심박출량을 측정할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 대역 필터링 및 증폭을 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호로 분리된 신호에 대해서 각각 수행함으로써, 잡음에 덜 민감하고 강인하도록 위상 차이를 이용한 리액턴스 성분의 검출에 의해 잡음이 억제된 무결성 심박출량을 출력할 수 있어서, 심박출량 측정에 유리한 효과가 있다.

임피던스 해석 방법과 리액턴스 해석 방법에 의한 심박출량 신호는 심장박동에 따라 반복되는 주기가 측정자가 움직이지 않는 안정 상태에서 유사하게 측정되지만, 과호흡과 같은 미세한 움직임에도 임피던스 해석 방법에 의한 심박출량 신호가 왜곡이 발생하게 되므로 임피던스 해석 방법보다 본 발명의 리액턴스 해석 방법이 상대적으로 해석에 유리한 효과가 있다.

본 발명에 따른 심박출량 장치는 심박출량을 연산하는 데 있어서, 전기적인 수집 신호 중 리액턴스 성분을 이용해 심박출량을 연산하는데, 리액턴스 방식은 잡음에 취약한 임피던스 방식과 달리 체내 캐패시터 성분에 의해 변화하는 주파수 천이를 계측하는 방식을 사용하므로, 상대적으로 잡읍에 강인하다는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 심박출량 장치 또는 그를 포함한 체중계는 흉부에 전극을 접촉시키지 않아도 되므로, 측정의 간편함을 도모할 수 있다.

또한 본 발명에 따른 심박출량 장치 또는 그를 포함한 체중계는 체중 및 체지방 및 심박출량을 동시에 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따른 심박출량 장치 또는 그를 포함한 체중계는 복수의 전극이 각각 왼쪽발/오른쪽발의 앞발/뒤발 영역에 형성되고, 심박출량의 연산이 부정확하거나 인체로부터의 전기적인 수집 신호가 부정확한 경우, 복수의 전극에 형성된 채널을 순차적으로 변경해서, 재측정함으로써, 심박출량 연산의 정확도를 개선하고, 인체에 전극을 별도로 재부착하는 등의 번거로운 과정을 거치지 않아도 되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정장치의 전체적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 장치를 포함한 체중계 및 체중계에 형성된 센서부를 구성하는 복수의 전극 및 상기 복수의 전극의 채널 변화를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 연산부의 세부적인 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4는 도 3의 SNR향상부의 내부 구성을 세부적으로 보인 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 오프셋제거및증폭부의 내부 구성을 세부적으로 보인 도면이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 방법의 순서도이다.
도 7은 본 발명의 심박출량 측정 장치를 이용하여 측정된 신호에서 리액턴스 위상차를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 심박출량 측정 방법에 의해 심박출량을 실제 측정한 결과를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 리액턴스 해석 방법에 의한 심박출량 신호와 임피던스 해석 방법에 의한 심박출량 신호의 비교 측정 예를 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 심박출량 연산부의 세부적인 구성을나타낸 것으로, 인체에서 측정되는 생체전압신호와 정전류를 동시에 측정하는 전류측정부가 부가된 블록도이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 장치의 전체적인 구성을 나타낸 블록도이다.

본 발명의 심박출량 측정장치(10000)는 도 1에 도시된 것과 같이, 사용자로부터 복수의 생체신호를 측정하는 센서부(1100) 및 상기 생체신호로부터 심박출량(cardiac output)을 연산하되, 상기 심박출량의 연산은 상기 센서부로부터 수집된 신호의 위상차에 의해 연산하는 심박출량 연산부(1200)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 심박출량 측정장치(10000)는 인체(P)에 전류를 인입하여 심박출량을 측정하는 장치로, 사용자의 인체(P)의 일부-바람직하게는 상체, 양발 또는 양손-에 접촉할 수 있는 센서의 형태로, 복수의 전극을 포함하고, 전극이 접촉되는 측정 부위에 전류를 인입하여 시간에 따른 심장의 혈류량 변화에 따른 위상의 변화를 이용하여 심박출량 신호로 대변하여 심박출량을 출력할 수 있도록 구성된다.

또한 심박출량 측정 장치(10000)는 측정 부위의 다양성을 위해 양발을 측정부위로 하는 저울계 형태, 양손을 측정 부위로 하기 위해 손에 쥐는 형태인 핸드헬드형으로 제작되거나, 양손이나 상체를 측정부위로 하는 집게 형태 등으로 제작될 수 있다.

예시적으로 양발을 이용하여 심박출량을 측정하는 체중계 형태는 한쪽 발에 전류를 흘려 보내고 반대측 발에 도달한 시간을 이용하여 심박출량을 측정할 수 있으며, 양손을 이용하여 심박출량을 측정하는 핸드헬드 형태는 양손에 전류를 흘려보내어 전기적 변화를 이용하여 심박출량을 측정할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 장치(10000)를 포함한 체중계(20000)를 도시하고 있다.

보다 구체적으로, 상기 심박출량 측정 장치(10000)는 상기 체중계(20000)에 포함되는 형태일 수 있다.

또한, 보다 구체적으로 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 체중계(20000)에 형성된 상기 심박출량 측정 장치(10000)의 센서부(1100)를 도시하고 있다.

상기 센서부(1100)는 도 2에 도시된 것과 같이, 인체 일부에 접촉할 수 있는 복수의 전극의 형태로 구현될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 센서부(1100)는 상기 복수의 전극이 접촉되는 측정 부위에 전류를 인입하여 전기적인 수집 신호를 획득하는 형태로 구현될 수 있다.

또한, 도 2에서는 상기 체중계(20000)에서 상기 센서부(1100)를 구성하고 있는 상기 복수의 전극의 채널을 변화하는 것 또한 도시하고 있다.

또한, 상기 복수의 전극은 도 2에 도시된 것처럼, 상기 체중계에서 상기 인체의 하지 부분(양발)에 접촉되도록 형성된다.

보다 구체적으로는, 상기 복수의 전극은 상기 인체의 하지 중, 개별 발마다 최소 두군데 이상을 전기적으로 접촉할 수 있다.

또한, 일 실시예로 상기 복수의 전극은 각각 발의 앞발(forefoot)과 뒤발(hindfood)에 각각 전압을 인가하고 전류를 측정하며, 상기 복수의 전극은 상기 체중계에서 상기 인체의 두 하지(양발)가 맞닿는 복수의 부위 중, 도 2에 도시된 것과 같이 4영역에 형성되도록 구현될 수 있다.

또한, 심박출량을 연산하는 상기 심박출량 연산부(1200)로부터 상기 심박출량의 연산이 어려운 경우, 양발에 위치한, 상기 복수의 전극의 채널을 순차적으로 변경해서 재측정함으로써, 심박출량의 모니터링의 정확도를 높이도록 할 수 있다. 특히 이러한 순차적인 변경은 가슴 부위에 전극을 붙이고 측정하는 방식보다 재측정의 번거로움이 적다는 장점을 제공한다.

보다 구체적으로, 상기 심박출량의 연산이 어렵다는 의미는, 상기 심박출량 연산부(1200)에서, 상기 전극에 인가되는 전류로부터 획득되는 전압의 값을 측정할 수 없다거나, 일반적으로 인체로부터 측정되는 전압의 값의 범위로부터 크게 벗어나 있다거나 해서, 실질적인 심박출량의 연산이 정상적으로, 이루어지지 않거나, 심박출량의 연산은 이루어지더라도, 연산된 심박출량이 일반적인 출력 범위를 벗어난 경우를 의미한다.

또한, 상기 체중계(20000)는 상기 심박출량 이외에 체중, 체지방을 동시에 측정하여, 사용자의 편의성을 높일 수 있고, 상기 심박출량을 이용하여 다른 신체의 지수(예를 들어 혈압)를 추정할 때, 같이 측정된 체중이나 체지방 등의 생체신호를 쉽게 같이 활용할 수 있다는 장점을 제공한다.

또한 후술되는 상기 표시부(900)는 전술한 특징들 이외에도 상기 체중계를 통해 획득한 상기 체중, 상기 체지방을 적절한 디스플레이를 통해 사용자에게 출력할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 연산부(1200)의 세부적인 구성을 나타낸 블록도이다.

또한 심박출량 연산부(1200)는 심박출량을 측정하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 사인파생성부(100), 대역통과필터(BPF, 110), 정전류생성부(200), 계측증폭부(300), 저잡음증폭부(400), 신호복조부(500), SNR향상부(600), 컨버터(ADC, 700), 연산부(800), 표시부(900)를 포함한다.

사인파생성부(100)는 인체(P)에 전극을 흘려보내기 위해 예컨대 100 KHz(킬로헤르츠)로, 주파수와 크기가 조절된 사인파를 발생시킬 수 있다.

대역통과필터(BPF, 110)는 사인파를 해당 대역이 아닌 잡음이 포함된 대역에 대해서 필터링하기 위해 마련되며, 정전류생성부(200)는 대역통과필터(110)를 통과한 사인파를 인체(P)에 보낼 적합한 전류인 1 mA의 정전류로 정밀하고 안정적으로 변환하여 인체(P)에 공급할 수 있다.

계측증폭부(300)는 인체(P)에서 측정된 전기적 수집 신호를 증폭하는 역할을 수행하며, 저잡음증폭부(400)는 계측증폭부(300)에서 증폭된 수집 신호에서 저잡음을 증폭하는 역할을 수행한다.

신호복조부(500)는 저잡음증폭부(400)에서 증폭된 수집 신호를 복조하며, 케리어주파수를 분리하고 저항 성분과 리액턴스 성분으로 분리하며, SNR향상부(600)로 전달한다.

SNR향상부(600)는 신호복조부(500)에서 복조된 수집 신호의 신호대잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 수집 신호의 저항 성분과 리액턴스 성분에서 AC와 DC을 분리하고 증폭하기 위해 마련된다.

컨버터(700)는 SNR향상부(600)에 의해 신호대잡음비가 향상된 아날로그 신호 형태인 수집 신호를 디지털 신호로 변환하는 역할을 한다.

연산부(800)는 측정된 수집 신호에 대해 본 발명의 리액턴스 방법으로 해석하고 심지수, 좌심실박출시간, 1회 심박출량지수, 심박출량지수, 심박동수, 1회심박출량(SV), 심박출량를 연산한다.

표시부(900)는 연산부(800)에서 계산된 결과를 수치, 파형, 그래프 형태를 시간 주기로 화면상에 출력할 수 있다.

도 4는 도 3의 SNR향상부의 내부 구성을 세부적으로 보인 블록도이다.

SNR향상부(600)는 도 4에 도시된 바와 같이, 복조된신호부(610), 저대역통과필터(620), 오프셋제거및증폭부(630), 버퍼(650), 신호출력부(660)를 포함할 수 있다.

복조된신호부(610)는 인체의 수집 신호에서 임피던스성분 신호 중 도 7과 같이 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호로 분리하는 역할을 수행한다. 이때, 혈류량, 심장의 운동에 의해 변화하는 위상 차이(Phase difference)를 이용하여 심박출량 변화량을 감지할 수 있다. 즉, 신호복조부(500)에 의해 분리된 저항 성분 신호와 임피던스 성분 신호의 위상 차이를 이용하여 심박출량의 변화량을 감지하는 것이다.

저대역통과필터(620)는 두 개로 구비되어, 각각 저항성분 신호 및 리액턴스성분 신호의 AC 영역을 분리하기 위해 마련된다.

오프셋제거및증폭부(630)는 저항성분 신호 및 리액턴스성분 신호에 대해서 각각 AC 성분을 획득하기 위한 오프셋 제거 및 증폭을 수행하기 위해 이중으로 구비된다.

버퍼(650)는 오프셋제거및증폭부(630, 633) 후단에 마련되어 수집 신호의 크기, 단위를 정합하거나 상호 균형을 맞추기 위한 완충기로서 마련될 수 있다.

신호출력부(660)는 분리된 DC성분 및 AC성분의 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호 각각에 대해서 각각 구비된 컨버터(700)로 전달하여 디지털 신호로 변환함으로써 신호대잡음비가 향상된 형태로 심박출량 출력이 가능하도록 제공할 수 있다.

본 발명의 리액턴스 해석 방법에 의하여 신호대잡음비가 향상된 형태로 심박출량이 가능한 이유는 임피던스 해석 방법은 절대적인 신호 상태, 크기에 결과가 의존되어서 미세한 잡음도 결과에 직접적인 영향을 받는 반면에, 리액턴스 해석 방법은 인체 내 커패시터 성분에 의해 변화하는 주파수 천이를 계측하는 방식으로서, 상대적으로 잡음에 영향에서 자유롭기 때문이다.

여기서, I는 높은 신호대잡음비로 해석되는 저항성분 신호이고, I_DC는 DC성분의 저항성분 신호이고 I_AC는 AC성분의 저항성분 신호이고, G는 SNR향상부(600)의 증폭율이다.

여기서, Q는 높은 신호대잡음비로 해석되는 리액턴스성분 신호이고, Q_DC는 DC성분의 리액턴스성분 신호이고 Q_AC는 AC성분의 리액턴스성분 신호이고, G는 SNR향상부(600)의 증폭율이다.

나아가, 증폭율(G)은 OPAMP에 의해 입력될 수 있으며, 증폭율 수치는 예시적으로 200이 될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 4의 오프셋제거및증폭부(630)의 내부 구성을 세부적으로 보인 도면이다.

오프셋제거및증폭부(630)는 고대역통과필터(HPF, 631), 제1증폭부(632)를 더 포함한다.

고대역통과필터(631)는 저항성분 신호(I)와 리액턴스성분 신호(Q)에서 저대역 잡음을 제거하기 위해 마련될 수 있다.

제1증폭부(632)는 고대역통과필터(631)를 통과한 저항성분 신호(I)와 리액턴스성분 신호(Q)는 각각 증폭하여 신호출력부(660)로 전달될 수 있다.

이와 같이, 저항성분 신호(I)와 리액턴스성분 신호(Q)을 AC 성분과 DC 성분으로 분리하고, 대역 필터링 및 증폭을 AC 성분과 DC 성분의 분리된 신호에 대해서 각각 수행한다.

본 발명의 리액턴스 해석 방법에 이용하여 심박출량에 의한 시간에 따라 변화하는 생체신호(S_t)는 다음 [수학식 3]과 같이 해석된다.

여기서

는 케리어 주파수,

는 시간에 따라 변화하는 위상,

는 해석하고 싶은 위상차,

는 주파수와 위상차로 변환하는 이득값이다.

위상차를 평가하기 위해 기준이 되는 로컬 오실레이터의

는 시간에 따라

만큼 위상이 변하게 되고, 신호복조부(500)에서 이를 측정한다.

복조된 저항성분 신호(I)와 리액턴스성분 신호(Q)를 통해 최종 위상은

와 같이 해석된다.

해석된 리액턴스 위상값은 0.1˚ 수준의 미세한 변화를 측정하기 때문에 추가적으로 신호대잡음비(SNR)를 높여 신호의 신뢰성을 높이는 복조된신호부(610)를 통과한다.

인체 내부 유체(혈류, 체액 등) 및 장기(심장, 혈관, 폐 등)에 의해 발생하는 세포막 커패시터의 변화로 위상 차이가 발생한다. 계산된 리액턴스 위상변화를 통해 심박출량(SV)을 아래 [수학식 4]와 같이 추정할 수 있다.

여기서, SV는 1회 심박출량, k는 비례상수, LVET(Left Ventricularlar Ejection Time)는 좌심실 개방시간, Φ는 위상이다. LVET는 도 6의

신호에서 대동맥 판막 개방지점인 B점과 대동맥 판막 폐쇄지점인 X점의 시간으로 해석된다. 도 6에서 B는

신호의 영점이고(Zero cross point), X는

인 C점을 기준으로 음의피크점을 나타낸다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 심박출량 측정 방법의 순서도이다.

먼저, 심박출량 측정 장치(10000)는 정전류원을 생성하고, 인체(P) 일부(상체, 양발 또는 양손)에 접촉할 수 있는 복수의 전극이 부착되면, 정전류가 인체(P)로 인입된다(S100).

그리고, 인체(P)에서 측정된 전기적 수집 신호를 증폭한다(S102).

그리고, 증폭된 수집 신호에서 케리어주파수를 분리 및 제거하고 수집 신호를 복조하여 저항 성분과 리액턴스 성분으로 분리한다(S104).

그리고, 복조된 수집 신호의 신호대잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 수집 신호의 저항 성분과 리액턴스 성분에서 AC와 DC을 분리하고 증폭을 수행한다(S106).

또한, 분리된 각 저항성분 신호와 리액턴스성분 신호에 대해서 컨버터(700)로 전달하여 디지털 신호로 변환된다(S108).

연산부(800)에서 디지털 신호로 변환된 수집 신호에 대하여 리액턴스 해석 방법을 이용하여 심지수, 좌심실박출시간, 1회 심박출량지수, 심박출량지수, 심박동수, 1회심박출량(SV), 심박출량 연산을 수행하면, 표시부(900)를 통하여 연산된 결과로서, 심지수, 좌심실박출시간, 1회 심박출량지수, 심박출량지수, 심박동수, 1회심박출량(SV), 심박출량을 파형이나 그래프 형태로 출력된다(S110).

아래 표 1은 임피던스 해석 방법 기반의 의료기기로 측정한 결과와 본 발명의 리액턴스 해석 방법을 이용한 심박출량 측정 장치의 심박출량 측정 결과를 비교한 예시이며, 비교예 1은 Kubicek 방정식을 이용한 것이고, 비교예 2는 Sramek 방정식을 이용한 것이다(Stroke volume equation for impedance cardiography, Medical & Biological Engineering & Computing 2005, Vol. 43 참조).

본 발명에서 적용한 방식은 키, 몸무게를 활용한 파라미터를 BMI로 변경한 수정된 Sramek 수식으로 측정한 결과이며, 측정수식은 다음 수학식 5와 같다.

여기서,

는 이상적인 BMI지수를 나눈 값

, L은 센서 측정거리이다. 또한, k는 비례상수, LVET는 좌심실 개방시간, Φ는 위상이며, LVET는 도 7의

신호에서 대동맥 판막 개방지점인 B점과 대동맥 판막 폐쇄지점인 X점의 시간으로 해석된다. 또한

는 임피던스 성분 신호 중, 직류성분의 값인 DC 성분값(Direct Current)을 의미한다.

도 7에서 B는

신호의 영점이고(Zero cross point), X는

인 C점을 기준으로 음의피크점을 나타낸다.

또한, 도 8은 본 발명의 심박출량 측정 방법에 의해 심박출량을 실제 측정한 결과를 비교하여 나타낸 그래프로, 표 1과 같이 인체(P)의 키와 몸무게를 기준으로 본 발명의 심박출량 측정결과 값과 대조군을 이루는 비교예1,2를 심박출량의 정확도가 높은 침습적 방법에 의한 측정결과와 비교해 본 결과, 본 발명의 심박출량 측정결과 값이 비교예 1 및 비교예 2에 비해서 현저히 유사한 것으로 나타남을 알 수 있다.

이와같이, 본 발명의 심박출량 측정 장치는 저항성분 신호(I)와 리액턴스성분 신호(Q)을 AC 성분과 DC 성분으로 분리하고, 대역 필터링 및 증폭을 분리된 신호에 대해서 각각 수행함으로써, 잡음에 덜 민감하고 강인한 리액턴스 성분의 검출에 의해 잡음이 제거된 무결성 심박출량 신호를 출력할 수 있어서, 정확한 심박출량 측정에 유리한 효과가 있다.

특히 도 9를 참조하면, 임피던스 해석 방법과 리액턴스 해석 방법에 의한 심박출량 신호는 심장박동에 따라 반복되는 주기가 측정자가 움직이지 않는 안정상태에서 유사하게 측정되지만, 과호흡과 같은 미세한 움직임에도 임피던스 해석 방법에 의한 심박출량 신호가 왜곡이 발생하게 되므로 임피던스 해석 방법보다 본 발명의 리액턴스 해석 방법이 상대적으로 해석에 유리한 효과가 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 심박출량 연산부(1200)의 세부적인 구성을 나타낸 블록도이다. 상기 심박출량 연산부(1200)의 경우, 도 3에서 제시한 실시예에 비해, 인체에서 측정되는 생체전압신호와 정전류를 동시에 측정할 수 있도록 전류측정부(1300) 구성이 부가된 것이 특징이다.

보다 구체적으로, 상기 심박출량 연산부(1200)는 심박출량을 해석하기 위해 도 10에 도시된 바와 같이, 사인파생성부(100), 대역통과필터(BPF, 110), 정전류생성부(200), 계측증폭부(300), 저잡음증폭부(400), 신호복조부(500), 컨버터(ADC, 700), 연산부(800), 표시부(900), 전류측정부(1300)를 포함한다.

보다 구체적으로, 도 10의 실시예가, 도 3에서 제시한 실시예와 다른 점은 정전류 생성부(200)에서 생성된 정전류를 인체(P)에 전송하면서 동시에 전류 측정부(1300)에 보내, 정전류를 측정하게 하고, 이후 저잡음 증폭부(400)로 보내게 된다.

상기 전류측정부(1300)에서 측정된 신호와 사인파생성부(100)에서 생성된 기준신호의 리엑턴스 신호는 인체 심박출량신호와 무관하게 독립적으로 측정되기 때문에 위상 변화의 기준(reference)로서 활용될 수 있다.

그러므로, 상기 전류측정부(13000를 통해 측정된 리엑턴스 성분과 생체전압신호를 통해 측정된 리엑턴스 성분으로 보다 정확한 위상차 해석이 가능하다는 효과를 제공한다.

10000 : 심박출량 측정장치
1100: 센서부
1200: 심박출량 연산부
1300: 전류 측정부
20000 : 체중계
100 : 사인파생성부 110 : 대역통과필터
200 : 정전류생성부 300 : 계측증폭부
400 : 저잡음증폭부 500 : 신호복조부
600 : SNR향상부 610 : 복조된신호부
620 : 저대역통과필터 630 : 오프셋제거및증폭부
631 : 고대역통과필터 632 : 제1증폭부
650 : 버퍼 660 : 신호출력부
700 : 컨버터 800 : 연산부
900 : 표시부 P : 인체

Claims (6)

1. 사용자로부터 복수의 생체신호를 측정하는 센서부; 및
   상기 생체신호로부터 심박출량(cardiac output)을 연산하는 심박출량 연산부를 포함하며,
   상기 심박출량 연산부에 의해 수행되는 상기 심박출량의 연산은 상기 센서부로부터 수집된 신호의 위상차에 의해 연산하는 것을 특징으로 하는 심박출량 측정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 심박출량 측정 장치를 포함하는 체중계.
3. 제2항에 있어서,
   상기 센서부는 사용자에 접촉할 수 있는 복수의 전극을 포함하고, 상기 복수의 전극은 상기 체중계에서 상기 인체의 양발에 접촉되는 체중계.
4. 제3항에 있어서,
   상기 심박출량 이외에 체중, 체지방을 동시에 측정하는 체중계.
5. 제3항에 있어서,
   상기 복수의 전극은 각각 발의 앞발(forefoot)과 뒤발(hindfood)에 각각 전압을 인가하고 전류를 측정하는 체중계.
6. 제5항에 있어서,
   상기 연산부로부터 상기 심박출량의 연산이 어려운 경우, 상기 복수의 전극로 이루어진 채널을 순차적으로 변경해서 재측정하는 체중계.
   

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