Development of PVDF sensor and system to detect breathing sounds during deep sedation

진정 마취 시 호흡음 검출을 위한 PVDF 센서 및 시스템 개발

Abstract

Respiration is one of the important vital signs to determine the condition of the patient. Especially during deep sedation, since the patient's apnea and hypopnea are difficult to detect without continuous monitoring, there is a need for a continuous respiration monitoring method that can accurately and simply determine the patient's respiratory condition. Currently, respiration monitoring methods using various devices have been developed, but these methods have not only late response time but also low reliability at the clinical stage. In this study, attachable sensor using PVDF(polyvinylidene fluoride) film and a monitoring device which could detect abnormal symptoms of breathing in early stage during deep sedation. The results of this study can be used in various medical fields including not only in the area of remote monitoring for respiration related sleep monitoring but also in routine monitoring during deep sedation.

호흡은 환자의 상태를 판단하는 중요한 생체 신호 중 하나이다. 특히 진정 마취 시 환자의 무호흡 및 저호흡은 지속적인 모니터링 없이는 탐지하기가 어렵기 때문에 환자의 호흡 상태를 정확하고 간편하게 판단할 수 있는 지속적인 호흡 모니터링 방법이 필요하다. 현재 호흡 상태의 모니터링을 위한 다양한 장치들이 사용되고 있으나 임상 사용단계에서 응답 시간이 느릴 뿐 아니라 사용에 불편한 단점을 안고 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름을 이용한 부착형 센서와 회로를 설계하고 제작하였으며, 진정 마취 시 호흡 신호를 감지하여 이상 호흡 징후를 조기에 발견할 수 있는 알고리즘을 포함하는 모니터링 시스템을 개발하였다. 본 연구의 결과는 진정 마취 시 뿐만 아니라 수면 관련 호흡 상태의 원격진료를 통한 다양한 의료산업 분야에 적용될 수 있을 것이다.

Ⅰ. 서론

호흡 상태에 대한 측정은 주로 폐쇄성 수면 무호흡증,질식, 호흡기 계통 질환 등의 진단을 위한 정보를 제공하는 것이 주목적이다. 이러한 호흡의 측정은 호흡기 관련 질환의 진단에 주로 활용되고 있으며, 특히 병원에서 진정 마취 중 시술 시에 환자의 호흡이 정상적으로 이루어지고 있는지에 대한 판단에도 유용하게 활용될 수 있다. 실제로 진정마취 중 호흡 이상 징후를 알지 못하여 사망하는 경우가 다수 발생하고 있다. 사망률 뿐만 아니라 합병증 발생률 및 후유증도 존재하기 때문에 진정 마취는 조심스러운 상태에서 적용되어야 한다.^{[1][2][3][4][5]} 이러한 상황을 방지하기 위해 진정 마취 중 호흡을 지속적으로 모니터링하는 것은 매우 중요하다.^[6]

국내에서 발생한 마취 관련 의료분쟁에 관해 대한마취통증의학회가 5년간 자문한 105건을 살펴보면, 호흡기 관련 질환이 53.3%로 가장 높았으며, 진정마취가 39건이었다. 이 39건 중에는 호흡부전과 기도폐쇄가 24건으로 대다수를 차지하고 있으며, 이는 의료분쟁 중에서도 대한 마취통증의학회가 자문한 경우만을 다뤘기 때문에 실제로는 이보다 더 많은 사고가 일어났을 것으로 보고 있다.^[7]

이러한 사고를 막기 위해 병원에서는 진정 마취 중 호흡모니터링을 실시하고 있으며 주로 많이 쓰이는 기기로는 맥박 산소포화도 측정기로서 적혈구 중 헤모글로빈과 실제 결합하고 있는 비율을 백분율로 표시하여 호흡이 정상적으로 이루어지지 않게 되면 산소 운반 능력이 낮아져 위험한 상황임을 알 수 있다. 산소포화도는 귀나 손가락에서 모니터링 할 수 있으며 안전하고 비침습적이기 때문에 많은 곳에서 유용하게 쓰이고 있다.^[8][9] 그러나 호흡에 이상이 생기고, 저산소혈증에 도달하는 시간이 길기 때문에 환자가 호흡이 멈춘 이후 즉각적인 반응이 나타나지 않는다는 단점이 있다.^[10] 이 외에도 사용되고 있는 기기는 호기말 이산화탄소 분압측정기로서 이는 환자가 기관을 통해 내뱉고 있는 이산화탄소의 양을 측정함으로써 환자의 호흡 상태를 확인한다. 그러나 이 기기는 코나 입을 통해서 측정하기 때문에 내시경 검사 중이나 치과 치료를 받기 위해 구강을 열어야하는 상황에서는 사용하지 못한다는 단점이 있다.

본 연구에서는 PVDF(polyvinylidene fluoride) 필름을 이용한 부착형 센서를 제작하여 호흡 시 기관을 출입하는 공기의 진동을 목에서 검출하고자 하였다. 또한 호흡음 신호를 저장하고 분석하는 알고리즘을 수립하여 호흡 이상 징후를 판단하고 이상 발생 시 환자 본인 및 의료진에게 경고음을 제공하고자 하였다. 본 기기는 진정 마취를 사용하는 모든 의료서비스 뿐만 아니라 수면 무호흡의 검출에도 적용하여 가정에서 간편하게 사용함으로써 수면 무호흡 등의 상시 모니터링에 적용할 수 있을 것이다.

Ⅱ. 방법

본 연구에서는 환자의 기도가 위치해 있는 목의 겉면에 부착하는 센서를 제작하고, 센서 출력 처리를 위한 아날로그 하드웨어 및 호흡 신호의 분석을 위한 신호처리알고리즘을 개발하였으며 그림 1에 전체적인 연구 과정이 나타나 있다.

그림 1. 연구 과정의 전체적인 블록 다이어그램.

Fig. 1. Overall block diagram of development process.

정확한 호흡 신호를 검출하기 위해 PVDF 패턴 디자인 및 센서 적용 구조물을 제작하였고, 출력 신호를 수집하기 위해 필터 및 증폭기 등을 포함한 아날로그 회로를 설계하였다. 아날로그 필터를 통과한 신호 중에 포함되어 있을 수 있는 잡음을 제거하기 위한 알고리즘을 적용하였으며, 그 결과를 토대로 호흡수 판단 알고리즘을 수립한 후 호흡 측정 결과를 검증하였다.

1. 센서 설계 및 제작

호흡 신호를 측정하기 위한 센싱 모듈의 각 부분은 PVDF 필름, 고무 커버, 임피던스 정합 회로 및 케이스,절연 필름, 하이드로젤, 그리고 하이드로젤을 보호하기 위한 PET필름으로 구성되었다. 그림 2(a)는 제작한PVDF 센서의 모식도이며, 2(b)는 각 부품의 실제 사진을 나타내고 있고, 조립 된 센서의 사진이 그림 3에 나타나 있다.

그림 2. PVDF 센서 설계도와 실제 부품 사진.

Fig. 2. Design of PVDF sensor and photo of actual parts.

그림 3. 조립 후 완성된 PVDF 센서.

Fig. 3. Complete sensor after assembly.

PVDF 필름은 많은 분야에서 연구되어 왔으며 어쿠스틱 임피던스가 인체 조직과 비슷하기 때문에 맥박 또는 그 이외의 생체 신호를 감지하는 등 다양한 분야에서 사용되어 왔다.^[11] PVDF 폴리머는 기계적으로 변형되는 동안 전기 신호를 생성하며 인가된 전기장의 축 또는 기계적 응력의 축에 따라 전기적 및 기계적 응답이 다르게 나타난다.^[12] 이를 이용하여 공기가 기도를 출입할 때 나타나는 진동을 검출하게 된다.

고무 커버 부분은 절연체이고 목에 부착할 수 있도록 휘어질 수 있는 탄성을 가지고, 센서를 고정시키도록 제작되었다. 피부에 부착하는 부분인 하이드로젤은 분산매가 물이 기본인 젤리 모양의 물질로써 피부에 잘 부착되지만 쉽게 떨어지지 않고 점착성이 오래 지속된다. 또한 사용 후 제거할 때에도 피부에 끈적임이 남지 않고 장시간 피부에 붙여도 유해하지 않다는 장점이 있다.

모듈 내부에는 임피던스 정합회로를 내장하여 필름 출력의 높은 임피던스를 보상하였으며, 하이드로젤로부터 임피던스 정합회로를 보호하기 위해 절연필름을 이용하였다. PVDF필름은 positive와 negative가 존재하는데이 두 부분은 서로 맞닿으면 단락이 되므로 PVDF필름의접지 역할로써 negative 전극은 하이드로젤을 통해 인체에 연결되도록 하였다. 즉, 절연필름에 작은 구멍을 뚫음으로써 PVDF필름의 단락 문제와 접지로써의 역할을 동시에 만족하도록 하였다.

2. 하드웨어 설계

생체신호는 그 신호 자체가 워낙 작을 뿐 아니라 원하는 신호만을 추출하는 것이 쉽지 않으므로 PVDF 센서로부터 정확한 호흡 신호를 얻을 수 있도록 아날로그 하드웨어를 설계하였다. 제작된 PVDF 센서의 출력에는 실제 호흡 신호 이외에 환자의 움직임 등에 의한 노이즈가 포함이 될 수 있으므로 차단주파수가 200Hz인 고역통과필터와 450Hz의 저역통과필터, 그리고 60Hz 노치필터를 포함하는 그림 4와 같은 회로를 설계하였다.

그림 4. 센서 출력 처리를 위한 아날로그 회로.

Fig. 4. Analog circuit for processing sensor output.

3. 데이터 수집 및 분석

본 실험에서는 호흡 시 기도를 통해 출입하는 공기가 발생시키는 진동으로 나타나는 호흡음을 검출하고자 하였다. 데이터 수집의 참가자는 19세에서 29세 사이의 호흡 관련 질환이 없는 신체가 건강한 10명이었으며, 누운 상태에서 센서를 목에 부착하고 진행되었다. 각 데이터는 2kHz의 샘플링 주파수로 Biopac (MP150,USA)을 이용하여 5분 동안 수집되었다.

센서의 출력에는 호흡 신호뿐만 아니라 환자의 움직임으로 인한 노이즈도 존재할 수 있으므로 정확한 데이터 분석을 위해 MATLAB을 이용하여 노이즈 제거 알고리즘을 구축하였다. 그림 5에 노이즈 제거 알고리즘의 처리 과정이 나타나 있다. 그림 5(a)는 노이즈 제거 알고리즘을 적용하지 않은 원 신호이고, 그림 5(b)는 원 신호의 절대 값을 취한 후 포락선을 적용한 파형이다. 그 후 호흡 신호와 노이즈를 구별하기 위해 전체적인 신호를 0.1초 단위로 구분하여 이전 및 이후 값들과 비교 하는 과정을 거치게 된다. 이 때 0.1초 구간 중 최댓값을 이전 및 이후 0.1초 구간의 최댓값과 비교하게 된다. 만약 현재 구간의 최댓값이 이전 및 이후 구간의 최댓값보다 1.5배 이상 크게 되면 현재 구간의 값들을 노이즈로 판단하게 된다. 이는 실제 호흡 신호의 경우라면 급격한 크기 차이가 나타나지 않고 점차적으로 신호의 크기가 변화하기 때문이다.

그림 5. 노이즈 제거 알고리즘 적용 과정.

Fig. 5. The process for applying noise removal algorithm.

그 결과 그림 5(c)에서 볼 수 있듯이 대부분의 노이즈가 제거되었으며 제거된 부분은 모두 영 값으로 나타나게 된다. 이는 호흡 신호가 연속적이 아닌 파형 모양으로 나타나게 되므로 잡음이 제거되어 영 값으로 나타나는 구간에는 그 이전 구간의 신호 크기만큼의 동일 파형을 삽입함으로써 신호의 연속성을 유지하였고, 그 결과 파형이 그림 5(d)에 나타나 있다.

잡음 제거를 거친 신호로부터 호흡수를 판단하기 위한 알고리즘을 수립하였다. 분당 호흡수를 결정하기 위해서는 흡기와 호기 한 주기의 호흡이 최소 2회 이상은 포함될 수 있도록 하기 위해 분석 데이터 구간은 15초로 설정하였으며, 호흡수를 판단하기 위한 알고리즘 적용과정이 그림 6에 나타나 있다.

그림 6. 호흡 카운팅 알고리즘의 과정.

Fig. 6. The process of the breath counting algorithm.

잡음 제거 후 신호인 그림 6(a)의 신호에 절대 값을 적용한 결과가 그림 6(b)에 나타나 있다. 호흡 신호로부터 호흡수를 판단하기 위해서는 흡기와 호기 신호를 분리하고 그 크기를 비교하는 과정이 필요하게 된다. 따라서 절대 값으로 표현된 신호로부터 흡기 및 호기 신호 분리를 위해 포락선을 적용하였으며 그 결과가 그림 6(c)에나타나 있다. 포락선이 적용된 신호에는 일정한 패턴의 흡기 및 호기 신호가 나타나지만 그 외에 기저선 노이즈도 포함되어 있으므로 호흡수의 판단을 위해서는 문턱치를 설정하여 흡기 및 호기 신호만을 구분하는 과정이 필요하게 된다. 그림 6(d)에 나타나 있는 두 개의 점선 중하단의 점선은 호흡이 아닌 구간의 잡음을 나타내고, 상단의 점선은 흡기 및 호기 구간에 대한 문턱치를 나타낸다.

흡기 및 호기 신호에 해당하는 상단 문턱치 점선을 넘는 구간은 호흡으로 판단하게 되고, 호흡수의 계산을 위해 직사각형 파형으로 표시되었다. 이러한 호흡 수 계산을 통해 분당 호흡수가 표준보다 낮은 상태가 지속되거나 호흡이 없는 무호흡 등의 비정상적인 호흡 상태를 판단하게 된다.

Ⅲ. 결과 및 토의

본 연구를 통하여 개발된 센서를 이용한 데이터 수집 및 분석 과정을 거쳐서 얻어진 호흡수에 대한 검증을 위해 Biopac MP150을 이용하여 측정된 실제 호흡 신호로부터의 호흡수와 비교하였다. 표 1은 총 10명의 피험자를 대상으로 각각 5분 간 5회 측정하였을 때의 실제 분당 호흡수, 개발한 기기로 측정한 호흡수, 그리고 두 값의 오차를 요약한 것이다.

표 1. 1분당 실제 호흡수와 개발한 기기로 측정한 호흡수

Table 1. Actual respiration rate per minute andmeasured respiration rate calculated from the developed device

a : 실제 호흡수 b : 개발 기기로 측정한 호흡수

개발한 기기로 측정한 호흡수의 평균은 16.7회이고, 실제 호흡수의 평균은 16.3회로 0.37회 차이를 보였다. 표준편차 또한 개발한 기기로 측정한 호흡수는 3.06, 실제 호흡수는 2.36으로 0.7의 차이가 있었다. 표 1의 피험자 6의 첫 번째 시간대와 피험자 8의 두 번째 시간대가 비정상적인 움직임으로 인한 잡음으로 실제 호흡수보다 6회 및 13회의 차이를 나타냈다. 이 경우를 제외하고는 모든 경우에서 1회 미만의 오차 값을 나타내어 본 연구에서 개발한 기기와 실제 호흡수를 비교하였을 때 높은 신뢰도를 바탕으로 정확도가 높음을 확인하였다.

본 기기의 호흡수 판단 알고리즘은 코골이와 움직임으로 인한 잡음에 취약한데 그 이유는 움직임으로 인한 잡음에서는 호흡 신호만 추출이 불가능하기 때문이고, 코골이의 경우에는 문턱치 값이 비정상적으로 변동하기 때문이다. 이와 같은 부분은 향후 다양한 피험자 및 환경의 설정을 통한 데이터 수집 및 알고리즘 구축으로 개선해야할 것이다.

Ⅳ. 결론

진정 마취 및 수면 중 저호흡 및 저산소혈증이 이환율 및 사망률의 주요 원인으로 보고되어 있고, 지속적인 모니터링이 필요한 영역임은 의심의 여지가 없다. 그러나 현재 사용되고 있는 호흡 모니터링 기기는 사용상 불편하거나 호흡 이상에 대한 즉각적인 판단이 어렵다는 단점을 안고 있다. 따라서 간편한 방법으로 호흡의 실시간측정이 가능한 센서 및 시스템을 개발하고, 호흡 이상을 판단할 수 있는 알고리즘을 개발하였다.

목에 붙이는 일회용 센서로 활용될 수 있는 PVDF 필름을 적용한 센서는 환자의 호흡을 간편하게 모니터링할 수 있는 가능성을 제시하였다. 또한 호흡수의 판단에 있어서도 주변 잡음 등을 효과적으로 제거하고 흡기 및 호기 신호를 분리하는 알고리즘 적용으로 정확한 호흡수를 제공함을 확인하였다.

본 연구를 통하여 개발된 시스템은 비정상적인 호흡 증상의 조기 발견에 사용될 수 있으며, 진정 마취 중인 환자의 실시간 호흡 모니터링을 위한 정확하고 신뢰할 수 있는 정보를 제공함으로써 진정 마취 중 환자의 호흡이 멈출 경우 알람을 제공하여 의료진에게 진정 마취로 인해 일어나는 사고를 줄이고 안전하게 치료를 시행할 수 있는데 활용될 수 있을 것이다. 현 단계에서는 호흡수 만을 판단하였으나 향후 호흡 주기 및 강도의 변화에 대한 종합적인 판단을 통해 무호흡뿐만 아니라 호흡 이상에 대한 변화 추세의 분석 결과에 대한 제공도 포함하는 기기로도 개발이 가능할 것이다.

본 연구의 결과는 향후 병원에서의 사용뿐만 아니라 가정에서 코골이, 수면무호흡 및 저호흡 등의 관리를 위한 개인용 수면관리를 위한 시스템으로도 개발이 가능할 것이다. 또한, PVDF 필름의 전극 패턴 적용에 대한 다양한 기술의 개발로 의료 및 산업 분야에서도 활용될 수 있을 것이다.