KR20220084675A - 고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법 - Google Patents

Abstract

환자의 귀에 장착된 프로브를 통해 외이도와 중이간 압력 차이를 계산하며, 상기 압력 차이가 소정의 기준값 이상이면 가압을 중단하고, 상기 기준값 미만이면 가압을 유지하는 고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 고막의 상태를 객관적으로 평가하여 의료 사고를 방지할 수 있다. 또한 안전하면서도 높은 효율로 고압산소챔버 치료를 수행할 수 있다.

Description

고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법{AUTOMATIC PRESSURE CONTROL METHOD OF HYPERBARIC OXYGEN CHAMBER}

본 발명은 고압산소챔버의 압력을 자동으로 제어하는 방법에 관한 것이다.

고압산소치료는 고압산소챔버를 이용하여 대기압보다 압력이 두 배 이상 높은 압력 상태에서 환자에게 100%산소를 공급하는 치료법이며 잠수병, 공기 색전증, 가스 중독, 상처 치료, 화상 치료 등에 주로 사용된다. 하지만 고압산소치료 시 가압환경에서 외이와 중이의 압력차로 인해 중이 바로트라우마가 발생할 수 있다. 중이 바로트라우마가 발생하면 경중에 따라 가벼운 통증부터 충혈, 출혈이 발생할 수 있으며 심한 경우에 고막이 파열될 수 있다. 중이 바로트라우마를 예방하기 위해 나잘 스프레이의 사용, 가압 속도를 매우 천천히 하는 방법 등을 시행하였다. 하지만 이러한 방법은 완전히 중이 바로트라우마를 예방할 수 없으며 가장 큰 문제점으로 치료 시 중이 바로트라우마의 발생을 의료인이 환자와 대화를 통해 환자의 주관적인 느낌에 의존하여 판단할 수밖에 없다는 것이다. 또한 기존의 고압산소챔버의 자동압력제어 시스템은 환자의 상태를 고려하지 않고 치료 테이블에 의존하여 압력이 제어되었다. 따라서 치료시 중이 바로트라우마의 발생 유무를 객관적으로 판단하고 환자 상태에 따라 가압정도를 변화시킬 수 있는 환자맞춤형 치료 시스템이 필요하다.

대한민국 등록특허 제10-0561209호(2006.03.08. 등록)

본 발명의 기술적 과제는 환자가 바로트라우마 현상을 겪지 않도록 고압산소챔버의 압력을 자동으로 제어함에 있다.

상기한 과제를 해결하기 위해 본 발명은 환자의 귀에 장착된 프로브를 통해 외이도와 중이간 압력 차이를 계산하며, 상기 압력 차이가 소정의 기준값 이상이면 가압을 중단하고, 상기 기준값 미만이면 가압을 유지하는 고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 고막의 상태를 객관적으로 평가하여 의료 사고를 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면 안전하면서도 높은 효율로 고압산소챔버 치료를 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고압산소챔버를 간략히 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 고압산소챔버의 자동제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 프로브가 환자의 귀에 삽입된 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프로브를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 MCU 모듈을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 스피커 구동회로를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크 구동회로를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명에 따른 자동 압력 제어 프로그램의 인터페이스를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명에 따른 자동 압력 제어 방법을 나타낸 순서도이다.
도 10은 어드미턴스 계산과 중이 압력 추정 알고리즘을 나타낸 순서도이다.
도 11은 MCU 모듈의 동작 방법을 나타낸 순서도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 어드미턴스(admittance) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 어드미턴스(admittance) 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 14는 발살바 호흡시 어드미턴스의 변화 패턴을 나타낸 그래프이다.
도 15는 침 삼키기시 어드미턴스의 변화 패턴을 나타낸 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명하기로 한다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 고압산소챔버를 간략히 나타낸 도면이다. 본 발명에 따른 고압산소챔버는 챔버, 프로브, MCU 모듈, 급기 밸브, 배기 밸브 및 제어부를 포함한다.

챔버는 환자가 내부로 들어가서 고압 산소 치료를 받기위한 구성이다. 이를 위해 챔버는 내부에 환자가 위치할 수 있는 공간이 형성되는 밀폐 용기 구조로 형성되며, 출입구가 구비될 수 있다. 바람직하게, 챔버는 원통형태로 구비될 수 있다. 이에 따라 챔버의 외부와 내부의 압력 차이를 견디는 내압 성능이 향상될 수 있다. 또한, 챔버 내부에는 침대 또는 의자 중 적어도 하나가 구비될 수 있다.

프로브는 고막의 상태를 측정하기 위해 소리를 발생시키고 반사되는 소리를 입력받는 구성이다. 상세하게, 프로브는 환자의 귀에 장착되고, 환자의 고막을 향해 소리를 발생시키며 환자의 고막으로부터 반사되는 소리의 크기를 입력받는다. 후술하는 제어부는 입력받은 소리의 크기에 기초하여 고막의 상태를 측정한다. 이에 대하여는 도 2를 참조하여 상세히 후술하도록 한다.

MCU 모듈은 상기 프로브와 전기적으로 연결되어 프로브에서 발생되는 소리를 제어하고 프로브로부터 반사되는 소리를 입력받는 구성이다.

제어부는 상기 MCU 모듈에서 입력된 소리의 크기에 기반하여 고막의 상태를 추정하며, 이에 따라 챔버 내부 압력의 제어 신호를 생성하는 구성이다. 제어부는 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.

급기 밸브는 상기 제어 신호에 따라 챔버에 연결된 급기로를 개방하거나 차단시키는 구성이다. 즉, 급기 밸브가 개방되면 챔버 내부로 공기가 유입되어 챔버 내부의 압력이 상승한다.

배기 밸브는 상기 제어 신호에 따라 챔버에 연결된 배기로를 개방하거나 차단시키는 구성이다. 즉, 배기 밸브가 개방되면 챔버 내부의 공기가 외부로 배출되어 챔버 내부의 압력이 감소한다.

도 2는 본 발명에 따른 고압산소챔버의 자동제어 시스템을 나타낸 도면이다.

고압산소챔버의 자동제어 시스템은 도 2와 같이 PID컨트롤에 의해 제어된다. 치료가 시작되면 급기, 배기 Solenoid valve가 개방되고, 치료 테이블의 압력 값이 PID제어기의 SP로 제시된다. 압력센서를 통해 챔버 내부의 압력 값을 얻어 PID제어기의 PV로 제시하고 PID연산을 통해 MV값을 얻어내어 급기, 배기 Proportion valve를 제어함으로써 챔버의 자동제어가 동작한다.

고압산소챔버를 이용하여 고압산소치료 시 압력을 가압하는 과정에서 신체 내부에 존재하는 기관들의 세포 내부와 외부의 압력차이로 인해 바로트라우마(barotrauma)가 발생한다. 바로트라우마란 압력을 뜻하는 baros와 손상을 뜻하는 trauma의 합성어로 정의된다. 고압산소치료 시 발생하는 바로트라우마는 외이 바로트라우마(External auditory canal barotrauma), 중이 바로트라우마(Middle ear barotrauma), 내이 바로트라우마(Inner ear barotrauma), 부비강 바로트라우마(Sinus barotraum), 폐의 바로트라우마(Lung barotrauma), 치아바로트라우마(Teeth barotrauma)가 존재한다. 그 중 가장 빈번하게 발생하는 것이 외이와 중이간의 압력평형이 이루어지지 않아 발생하는 중이 바로트라우마이다. 중이 바로트라우마가 발생하게 되면 환자는 가벼운 통증부터 난청, 출혈이 발생할 수 있고 심한 경우에는 고막 파열에 이를 수 있다. 이관(Eustachian Tube)을 개방하여 외이와 중이간의 압력평형을 이룸으로써 중이 바로트라우마를 방지할 수 있는데 압력평형을 이루기 위한 방법으로는 토인비(Toynbee) 호흡법, 발살바(Valsalva) 호흡법, 프렌젤(Frenzel) 법, 로우리(Lowry )법, 애드몬즈 테크닉(Edmonds Technique), 침 삼키기, 하품하기 등이 존재한다.

고압산소치료 시 발생하는 중이 바로트라우마를 예방하기 위해 기존의 방법으로 나잘 스프레이의 사용, 압력평형을 위한 호흡법의 숙련 등이 있다. 하지만 치료 도중 중이 바로트라우마의 판단은 환자와 의료인의 대화에 의존하기 때문에 적절한 예방조치를 취하더라도 중이 바로트라우마가 발생할 위험성은 여전히 존재한다. 따라서 치료중 실시간으로 고막의 상태를 직접 모니터링 함으로써 환자의 느낌에 의존하는 것이 아닌 객관적으로 중이 바로트라우마를 판단하는 방법이 필요하다.

따라서 본 발명은 프로브를 통해 객관적으로 바로트라우마를 판단하는 것을 특징으로 한다. 즉, 프로브를 통해 고막의 어드미턴스를 측정하여 고막의 상태를 파악한다. 어드미턴스란 임피던스의 역수로써 전류가 흐르기 쉬운 정도를 나타내고 어드미턴스의 수치가 높을수록 전류는 잘 흐르게 되는 성질을 뜻하며 단위는 mho를 사용한다.

프로브는 고막에 검사음을 제시할 수 있는 스피커, 고막으로부터 반사되는 소리를 입력받을 수 있는 마이크로 구성되어있다. 스피커는 226Hz의 단일음을 출력하며 단일음은 외이의 공기 입자를 진동시킨다. 고막은 진동에 공명하여 소리를 수용하고, 흡수되지 못한 소리는 반사되어 마이크로 입력된다. 외이의 압력에 따라 고막은 외이방향 및 중이방향으로 휘어지게 된다. 고막은 휘어짐 정도에 의존하여 흡수하는 소리의 양과 반사하는 소리의 양이 변하게 되는데 이 때 스피커로부터 출력된 단일음은 음압, 마이크로 입력된 반사음은 음속(volume velocity)이 된다. 이렇게 얻어진 음압과 음속을 이용하여 압력변화에 따른 고막의 어드미턴스를 측정할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 프로브가 환자의 귀에 삽입된 상태를 나타낸 도면이다.

본 발명에 따른 프로브는 스피커(222) 및 마이크(223)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

스피커(222)는 MCU 모듈로부터 검사음에 대한 전기 신호를 전달받아, 소리로 변환시켜 검사음을 발생시키는 구성이다. 상세하게, 스피커는 환자의 외이(external ear)에 삽입되어 고막(ear drum) 방향을 향해 소리를 발생시키도록 구비된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 스피커의 출력 주파수 범위는 200Hz에서 5.5kHz이며 이는 개발한 시스템에서 발생시키는 226Hz를 출력할 수 있는 범위이다. 최대 출력 음압은 127dB이며, 모든 주파수대역에서 고른 출력 능력을 보장한다.

마이크(223)는 고막으로부터 반사된 소리를 전기 신호로 변환하는 구성이다. 상세하게, 마이크는 환자의 외이에 삽입되어 고막 방향을 수음 방향으로 한다. 이에 따라, 마이크는 고막으로부터 반사된 소리를 전기 신호로 변환하여 MCU 모듈로 전달한다. 본 발명의 일 실시예에 마이크의 입력 주파수 범위는 20Hz에서 10kHz이며 이는 고막을 통해 반사되는 226Hz 단일음을 입력받기에 충분한 주파수 범위이다.

또한, 프로브에는 외이의 압력을 챔버 내부의 압력과 동일하게 하기 위한 통로(224)가 구비될 수 있다. 통로(224)를 통해 챔버 내부 및 외이로 공기가 이동함으로써 외이의 압력이 챔버 내부의 압력과 동일하게 맞춰진다. 또한, 챔버에는 압력 센서가 구비될 수 있다. 챔버 내부의 압력을 측정함으로써 외이의 압력을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 프로브를 나타낸 도면이다. 바람직한 실시예로서, 프로브는 헤드셋(head-set)의 형태로 구비될 수 있다. 상세하게, 프로브는 밴드(band, 21) 및 이어 패드(ear-pad, 22)를 포함하는 헤드셋의 형태로 구비되고, 상기 마이크 및 스피커는 헤드셋이 귀에 접하는 면으로부터 돌출(221)되어 환자의 외이에 삽입될 수 있다. 이에 따라 프로브가 환자들에게 익숙한 형태로 구비됨으로써 착용법에 대한 안내가 용이해지는 효과가 있다.

도 5는 본 발명에 따른 MCU 모듈을 나타낸 것이다.

MCU 모듈은 프로브와 4극 Aux케이블을 통해 신호를 상호 교환할 수 있다. 상세하게, 프로브의 스피커로 검사음을 전송하며, 마이크를 통해 반사된 소리를 전기 신호로 전송받는다. 획득한 마이크 신호를 제어부로 전송한다.

전체 시스템의 제어 및 연산을 위해 32bit microprocessor인 ARM-Cortex M3코어를 사용한 STM32F103RCT6을 사용하여 제어부를 구성하였다. 제어부는 시스템의 상태를 알려주는 LED부, 제어부와 통신을 위한 UART부, 스피커와 마이크를 구동하기 위한 음향부로 구성하였다. 또한 프로브의 스피커, 마이크와 신호 교환을 위해 4극 이어폰 단자인 FC6818을 이용하였다.

스피커 구동의 경우 도 6의 스피커 구동회로를 이용하여 스피커를 제어한다. 음향부는 MCU의 DAC(Digital to analog converter)을 이용하여 스피커 구동회로의 DAC 입력단에 주파수 226Hz, 진폭 0-2.5V의 정현파 신호를 인가한다. 이때 STM32F103RCT6의 DAC 해상도는 12bit이다. 0에서 2.5V의 진폭을 가지는 정현파는 스피커를 구동하기에 큰 전압이므로, OPAMP 전압 분배 회로를 이용하여 0에서 100mV로 전압을 낮춘다. 진폭이 낮아진 정현파 신호는 스피커 내부의 콘덴서를 진동시켜 음압을 발생시킨다.

마이크 구동의 경우 도 7의 마이크 구동회로를 이용한다. 마이크로 입력된 공간속도는 전압으로 변환되어 마이크 구동회로에 입력된다. 마이크의 진폭은 0-1.3V이다. 이때 226Hz 신호의 최대 진폭은 132mV이다. MCU의 ADC(Analog to digital converter) 핀의 입력 범위는 0-3.3V이며 별다른 증폭 및 필터링 없이 ADC 하는 것이 가능하나, 해상도를 최대로 변환하기 위해 마이크 구동회로를 이용하여 마이크 신호의 DC offset을 1.65V로 재설정한 뒤 226Hz의 신호만 25배 증폭하게 된다. 증폭된신호는 MCU의 ADC핀에 입력되어 PC로 전송한다.

MCU 모듈로부터 고막의 어드미턴스 값을 획득하고, 획득한 값을 이용하여 자동 압력제어 알고리즘을 구현하기 위해 윈도우 프로그램 LabView2010(National Instruments, USA)기반의 프로그램을 직접 개발하여 도 8과 같이 구성하였다. 프로그램의 설명은 다음과 같다.

① : X축은 시간, Y축은 압력인 그래프로 써 치료 과정에 따라 챔버 내부의 실제 압력을 그래프로 표시한다.

② : 챔버의 실제 압력과 PID알고리즘에 의해 챔버의 압력이 도달해야하는 Sep Point를 표시한다.

③ : 제어부로써 치료의 시작과 종료를 위한 버튼이 있다. 또한 Serial통신을 위하여 Port를 설정해주고, 피험자의 이름을 입력하고, 피험자의 고막 어드미턴스의 최대값과 최소값을 측정하고 알고리즘에 적용될 Threshold 값을 계산하여 입력한다.

④ : 왼쪽과 오른쪽의 중이의 압력을 추정하여 그래프로 표시한다.

⑤ : 현재 챔버 내부의 실제 압력과 추정된 중이의 압력을 이용하여 외이와 중이간의 압력차이를 계산하여 그래프로 표시한다.

⑥ : 측정되는 고막의 어드미턴스를 실시간으로 그래프로 표시한다.

도 9는 본 발명에 따른 자동 압력 제어 방법을 나타낸 순서도이며, 도 10은 어드미턴스 계산과 중이 압력 추정 알고리즘을 나타낸 순서도이다.

자동 압력 제어 방법(이하, 1번 프로세스)은 PID제어기 속도에 의존하여 1Hz로 동작하고, 중이 압력 추정 알고리즘(이하, 2번 프로세스)은 MCU 모듈에서 데이터를 송신하는 속도에 의존하므로 7232Hz의 속도로 동작한다. 두 프로세스는 유기적으로 동작하며 Middle ear pressure는 추정된 중이의 압력, Chamber pressure는 측정된 챔버의 실제 압력으로써 Global변수로 사용된다.

치료가 시작되면 1번 프로세스에서 MCU 모듈로 start 명령을 하달한다. start명령을 수신한 MCU 모듈은 도 11과 같이 동작한다. MCU 모듈로부터 Data를 입력받은 2번 프로세스는 Fixed point digital IIR filter를 취하여 배열에 저장한다. 설계된 digital filter는 2차 226Hz peak filter이며, 이때 Q-factor는 50이다. 디지털 필터링을 통해 226Hz 이외의 성분은 모두 제거되고 필터링 된 데이터의 배열이 1024개에 이르게 될 경우 1024 point FFT를 취하여 226Hz의 파워를 계산하고 파워 값을 이용하여 고막의 어드미턴스 값을 획득한다. 어드미턴스 값이 치료 시작 전에 설정해준 Threshold값보다 높으면 압력평형이 이루어진 상태로 판단하고 변수 Middle ear pressure에 현재 챔버의 압력 값인 Chamber Pressure를 대입한다. 획득한 어드미턴스 값이 Threshold값보다 낮으면 압력평형이 이루어지지 않았다고 판단하고 별다른 동작없이 2번 프로세스의 처음으로 돌아간다. 1024의 샘플을 얻어 최초의 음향어드미턴스를 계산한 뒤에는 MCU 모듈로부터 획득한 신호를 25% 오버랩하여 1번 프로세스가 종료될 때까지 반복한다.

압력평형을 판단하기 위한 Threshold값은 치료 전 환자의 고막 어드미턴스의 최대값과 최소값을 측정하여 두 값 사이의 40%의 해당하는 값으로 한다. 이 값은 알고리즘 개발단계에서 실험을 통해 다음과 같은 이유에 근거하여 결정하였다.

1. 외부환경의 압력이 계속 상승하기 때문에 침 심키기와 같은 압력평형법을 시행했을 때 고막의 상태가 100% 회복되지 않아 어드미턴스 값이 최대값까지 상승하지 않고 약 50~60%만 회복되는 현상이 발생했다.

2. 고막이 외부압력에 의해 중이방향으로 휘어 있는 상태에서 발살바 호흡법을 시행하게 되면 오히려 부비강과 중이의 압력이 외부압력보다 높게 되어 고막이 외이 방향으로 휘어지게 되는 경우가 있다. 2번 프로세스를 통하여 고막의 어드미턴스를 계산하여 얻는 데이터는 1초에 약 10개이다. 고막이 발살바 호흡을 통해 안쪽에서 바깥쪽 방향으로 변화함에도 불구하고, 순식간에 변화하기 때문에 고막의 어드미턴스 값이 약 40%까지 측정되었다. 만약 Threshold가 40%보다 높은 상태라면 압력평형이 이루어졌음에도 불구하고, 여전히 압력 불평형 상태가 유지된다.

개발된 시스템은 치료를 시작하기 전에 치료대기 프로세스에서 챔버의 압력을 압력센서를 통해 얻어오고 있으며, 치료가 시작되어 1번 프로세스가 동작하면 치료대기 프로세스는 종료된다. 이 때 측정된 챔버의 압력이 SP의 초기 값으로 입력되며 일반적으로 1ata의 값을 갖는다. 압력센서를 통해 치료 중 챔버의 현재 압력인 Chamber Pressure를 획득하여 PID제어기에 사용하기 위한 변수 PV에 대입한다. 현재 압력인 PV와 2번 프로세스 연산을 통하여 추정된 Middle ear pressure를 이용하여 외이와 중이의 압력차이인 DP(Difference Pressure)를 계산할 수 있다. Hold Flag는 DP의 값이 0.04을 초과하면 true가 되며 SP를 변화시키지 않음으로 압력이 유지되고 있음을 의미하고 초기 값은 false이다. Hold Flag가 false라면 가압이 되고 있는 상태이므로 DP의 값을 0.04와 비교하여 압력의 유지 또는 가압을 결정한다. 이미 외이와 중이의 압력차인 DP가 0.04를 초과하여 Hold Flag가 true인 상황이라면 DP의 값을 0.02와 비교하여 0.02 미만이 되면 압력 불평형이 해소됐다고 판단하고 Hold Flag는 false가 되며 기존 SP값에 0.002만큼 증가한 값을 대입하여 압력을 증가시킨다.

이전의 연산 결과에 따라 결정되어 있는 SP와 PV를 PID제어기를 통해 연산함으로써 MV를 얻어내고 출력하여 비례제어밸브를 제어함으로써 챔버의 압력을 조절한다.

챔버의 실제 압력인 PV가 치료를 위해 도달해야하는 desired pressure 이상이 되면 가압이 완료되었다고 판단하고 MCU 모듈로 stop명령을 하달하며 알고리즘은 종료된다. 알고리즘은 오른쪽 귀와 왼쪽 귀에 각각 적용되며 양 귀 중 한쪽귀의 압력평형이 시행되지 않더라도 알고리즘은 적용된다.

환자가 챔버 내부에 위치된 후, 챔버의 압력을 조절하며 어드미턴스를 측정하였다. 0.002ata/sec의 속도로 압력이 상승하도록 고압산소챔버는 자동 동작하게 된다. 이 때 환자는 자발적으로 압력평형을 꾸준히 시행한다. 챔버의 압력이 1.1ata에 도달하게 되면 압력평형이 이루어질 수 있는 행위를 금지하고 압력 불평형 상태를 유지하도록 지시한다. 압력 불평형 상태를 유지함으로써 중이와 외이의 압력차이가 0.04ata이상 되었을 때 챔버의 압력이 유지됨을 확인 후 압력평형 시행을 지시한다. 챔버 압력이 1.2ata에 도달하였을 때 위와 같은 과정을 반복하고, 1.3ata에 도달하면 측정을 종료하고, 대기압으로 복귀한다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 어드미턴스(admittance) 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 각각, 도 12의 a는 챔버내부의 압력, 도 12의 b는 우측 귀의 압력차이, 도 12의 c는 우측 귀의 어드미턴스, 도 12의 d는 좌측 귀의 압력차이, 도 12의 e는 좌측 귀의 어드미턴스를 나타낸다. 각 그래프의 가로축은 시간을 나타낸다. 본 실시예에서 환자는 발살바 호흡법을 실시하였다.

압력불평형이 시작되는 지점부터 외이와 중이의 압력차이가 0.04ata가 될 때까지 가압이 지속되고 외이와 중이의 압력차이가 0.04ata가 되어 압력이 유지되는 것을 관찰할 수 있다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 어드미턴스(admittance) 측정 결과를 나타낸 그래프이다. 각각, 도 13의 a는 챔버내부의 압력, 도 13의 b는 우측 귀의 압력차이, 도 13의 c는 우측 귀의 어드미턴스, 도 13의 d는 좌측 귀의 압력차이, 도 13의 e는 좌측 귀의 어드미턴스를 나타낸다. 각 그래프의 가로축은 시간을 나타낸다. 본 실시예에서 환자는 침 삼키기를 실시하였다.

압력불평형이 시작되는 지점부터 외이와 중이의 압력차이가 0.04ata가 될 때까지 가압이 지속되고 외이와 중이의 압력차이가 0.04ata가 되어 압력이 유지되는 것을 관찰할 수 있다.

도 14는 발살바 호흡시 어드미턴스의 변화 패턴을 나타낸 그래프이다.

발살바 호흡법을 이용하여 압력평형을 수행하게 되면 폐의 공기가 부비동과 이관에 공기를 공급한다. 이관에 유입되는 공기로 인해 외부 압력에 의해 중이 방향으로 휘어져 있던 고막은 외이 방향으로 휘어진다. 이 때 고막은 100% 회복상태를 거쳐 외이 방향으로 휘어지지만 어드미턴스 값은 최대까지 상승하지 않는다. 이는 어드미턴스를 연산하는 과정에서 25%의 오버랩만을 사용하기 때문에 데이터를 연산하여 얻는 속도보다 고막의 변화가 더 빠름으로 인해 발생하는 데이터 유실 때문인 것으로 사료된다. 하지만 알고리즘을 통해 순간적으로 상승하는 부분을 압력평형 시점으로 판단할 수 있으며, 가압상태를 지속하게 된다. 발살바 호흡법을 수행한 직후에 고막의 어드미턴스 값은 최소가 된다. 고막의 어드미턴스 값만을 이용해서는 고막의 휘어진 방향을 알 수 없기 때문에 시스템은 고막의 상태를 압력 불평형 상태로 판단한다. 하지만 직전에 압력평형이 이루어졌기 때문에 챔버의 압력이 계속 상승함으로써 외이 방향으로 휘어진 고막은 다시 내이 방향으로 천천히 휘어지게 되어, 도 14와 같은 패턴을 나타내게 된다. 챔버의 압력은 1초에 0.002ata씩 증가하고, 발살바 호흡 직후부터 다음 압력평형시점 판단까지 10초 이내이기 때문에 추정된 외이와 중이의 압력차는 0.04ata 이하이다.

도 15는 침 삼키기시 어드미턴스의 변화 패턴을 나타낸 그래프이다.

침 삼키기를 수행하게 되면 순간적인 근육의 움직임으로 인해 이관이 짧은 시간동안 개방되어 중이 공간으로 외부 공기가 유입된다. 이관을 통하여 중이 공간으로 공기를 강하게 밀어 넣는 발살바 호흡법과는 달리 침 삼키기는 이관이 순간적으로 개방되는 동안 외부 공기가 자연스럽게 유입되는 것이기 때문에 고막이 100% 회복되지 않으며 사람에 따라 약 50~60%의 회복률을 보인다. 실제로 침 삼키기를 수행한 피험자의 어드미턴스를 측정했을 때 어드미턴스 값의 최대치는 더 높은 값을 갖는다. 하지만 알고리즘의 Threshold를 하기의 수학식 1과 같이 어드미턴스의 최대값과 최소값의 40%로 설정함으로써 압령평형 시점으로 판단할 수 있다.

[수학식 1]

Threshold값을 어드미턴스의 최대, 최소값의 40%로 설정하게 되면 알고리즘을 통해 압력평형이라고 판단한 지점이 이미 실제 외이와 중이의 압력차는 사람에 따라 약 0.005ata ~ 0.015ata가 된다. 하지만 알고리즘에서는 그 지점의 압력차를 0ata로 추정하고 그 지점부터 0.04ata가 증가하면 압력을 유지하도록 되어있다. 이 때 실제 외이와 중이의 압력차는 0.045ata ~ 0.055ata로 예측할 수 있고, 중이 바로트라우마의 초기 증상이 발생하는 압력차는 0.08ata이므로 알고리즘의 안전성이 확보된다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적으로 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 상기의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서, 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로, 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

10: 챔버
20: 프로브 30: MCU 모듈
40: 제어부
50: 급기 밸브 60: 배기 밸브
222: 스피커 223: 마이크

Claims (4)

1. 고압산소챔버의 압력을 자동으로 제어하기 위한 방법에 있어서,
   가압 개시 단계;
   챔버 내부의 압력을 측정하는 단계;
   환자의 귀에 장착된 프로브를 통해 외이와 중이간 압력 차이를 계산하는 단계;
   상기 압력 차이가 소정의 기준값 이상이면 가압을 중단하고, 상기 기준값 미만이면 가압을 유지하는 단계;를 포함하며,
   상기 프로브는 환자의 귀에 장착되고 환자의 고막을 향해 소리를 발생시키며 환자의 고막으로부터 반사되는 소리의 크기를 측정하고,
   상기 외이와 중이간 압력 차이를 계산하는 단계는, 반사된 소리의 크기에 기반하여 고막의 상태 및 외이와 중이간 압력 차이를 계산하는 것을 특징으로 하는 고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 프로브는,
   환자의 외이에 삽입되어 고막 방향을 수음 방향으로 하는 마이크; 및
   환자의 외이에 삽입되어 고막 방향을 향하여 소리를 발생시키는 스피커;를 포함하며,
   상기 스피커에서 발생된 소리의 에너지 레벨과 고막으로부터 반사되어 마이크에 수신된 소리의 에너지 레벨에 기반하여 어드미턴스(admittance)를 측정하여 고막의 상태를 추정하고,
   추정된 고막의 상태에 기초하여 중이 압력과 챔버의 내부 압력의 차이값을 추정하며,
   상기 차이값이 최소가 되는 지점을 압력 평형 상태로 판단하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 가압 개시 단계는,
   초당 0.002ata의 속도로 압력을 상승시키는 것을 특징으로 하는 고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 기준값은 0.04ata 이하인 값인 것을 특징으로 하는 고압산소챔버의 자동 압력 제어 방법.

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