생체계측 및 의료기기 (2004, 3rd quarter) 의과대학 의학공학교실 김 덕 원 교수 의과대학 종합관 501호 361-5402 (kdw@yumc.yonsei.ac.kr)

수업안내 출석 시간엄수 강의 시간 중 정숙 강의 중 휴대전화 사용 금지 지각 및 조퇴 3회 = 결석 1회 실제수업 일수의 1/3 이상 결석 시 성적에 관계없이 학칙에 따라 ‘F’ 처리 기본교재 의공학 개론, 여문각

강의 계획 1주 : 의료기기 개론 2주 : 생체계측 개론 3주 : 변환기, 센서, 전극 4주 : ECG, EEG, EMG, EOG, Patient Monitor 5주 : 최신진단장비 6주 : 최신치료장비 7주 : 최신의료장비 견학 8주 : 기말시험

1.의공학 이란? 공학 의공학 의학 전자공학 기계공학 정보공학 재료공학 … 의료 전자 생체 역학 생체 재료 인공 장기 기초 의학 (해부학, 생리학) 임상의학 (내과학, 외과학)

의공학 활용분야 : 의학적 관점 질병의 조기발견 및 정확한 진단 적정한 치료 및 치료후 상태의 명확한 판단 의료용 소재 및 기기 개발 의료 시스템의 구축을 통한 병원 업무의 능률화 업무 및 정보 유통의 원활화 의료의 질적 향상 및 고도화 의료시혜의 지역차 해소

의공학 활용분야 : 공학적 관점 인체 및 생체 생체내 정보처리,기억능력, 자동제어 기전 의학분야의 연구에서 밝혀진 생체의 기능  오랜 기간의 진화 과정을 거쳐 최적화된 시스템 생체내 정보처리,기억능력, 자동제어 기전  공학분야에 아주 좋은 본보기 역할 의학분야의 연구에서 밝혀진 생체의 기능  공학분야에서 최적의 모델로 이용

의공학의 표기 영문: "Biomedical Engineering" "Medical Engineering", "Medical & Biological Engineering" 주의) "Bioengineering", "Clinical Engineering" 한글: "의용생체 공학" "의학공학" "의료공학" "의료전자공학"

2. 의료기기의 주요 연구 개발사 18세기 Fahrenheit (네덜란드) 온도계 발명 1819년 Laennec (프랑스) 청진기 발명 (stethoscope) 19세기 중반 Helmholz (독일) 검안경 발명 (ophthalmoscope) 1895년 Roentgen (독일) X선 발견 (1901년 제1회 노벨 물리학상 수상) 1903년 Gullstrand (네덜란드) 심전계(ECG)개발 (1924년 제19회 노벨 의학상 수상)

Wilhelm Conrad Roentgen Born in Lennep, Germany(1845-1923) Educated at the University of Zurich. In November 1895 Report of his discovery of short-wave radiations that he called X-rays (Roentgen rays) The Nobel Prize in Physics 1901 "in recognition of the extraordinary services he has rendered by the discovery of the remarkable rays subsequently named after him"

Einthoven, Willem 1860-1927, Dutch physiologist, b. Java, M.D. Univ. Of Utrecht, 1885. Professor at the Univ. of Leiden from 1886. Measurement of electric currents developed by the heart Invention of a string galvanometer Electrocardiogram (EKG);  a graphic record of the action of the heart The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1924 "for his discovery of the mechanism of the electrocardiogram"

1924년 Berger(독일) 뇌파계(EEG) 개발 1928년 Bovie(미국) 전기수술기구 개발 1938년 Wiles 최초의 “total hip” 이식 1944년 Kolff 인공 신장기의 개발 1951년 Lars Leksell Gamma knife 개발 1956년 Defibrillator의 최초 임상이용 Cournand(미국) Forssmann(미국) 심장 카테터 방법의 개발과 임상응용 (제 47회 노벨 의학상수상) 1957년 Houry 초음파의 최초의 임상적 응용 1958년 Anger 감마선 카메라의 개발

Hans Berger 1873(May 21)-1941 Born in Neuses near Coburg, Germany Neurologist Recorded the first human Electroencephalogram (EEG) in 1929. Christened by Gibb in 1953,  the father of electroencephalography  founder of psychophysiology . First EEG recorded by Hans Berger, circa 1928.

William Bovie True electrosurgery involves the cutting or coagulation of tissues by passing a high-frequency current through the target tissue. It was first practiced in 1924, by Dr. Harvey Cushing, a famous neurosurgeon. Cushing enlisted the help of William Bovie, a Harvard physicist, and ever since Bovie's name has become synonymous with electrosurgical units (ESUs). (a) Continuous cutting arc, (b) Interrupted random coagulation arc

Willem J. Kolff Born in the Netherlands  14th Feb, 1911 Received his M.D. in Leiden (1938), Ph.D. in Univ. of Groningen in Holland (1946) Cleveland Clinic Foundation (1950-1967), the Division of Artificial Organs at the School of Medicine of the University of Utah(1967- ) Invented the artificial kidney dialysis machine.  More than 55,000 applications in USA Invented and tested an artificial heart.

Lars Leksell Professor of Karolinska Institute in Stockholm, Sweden, and biophysicist Professor Borje Larsson of the Gustaf Werner Institute at the University of Uppsala in Sweden. As early as 1951, Leksell found that a single dose of radiation could destroy almost any deep-brain structure, without the risk of bleeding or infection. He called this technique stereotactic radiosurgery and defined it as the delivery of a single, high dose of radiation to a small and critically located target in the brain.

1958년 국제의공학회(IFMBE)발족 1960년 Chardack Pacemaker를 최초로 사람에게 이식 Star, Edward 임상적 이용 가능한 인공판막의 개발 1961년 Bakesey(헝가리) 내이 와우각내 자극 현상 발견 (제 51회 노벨 의학상 수상) 1963년 Huxley (영국) Hodgikin (영국) 신경막 전위의 측정에 관한 연구 (제 54회 노벨 의학상 수상) 1972년 Hounsfield(영국) Cormack(미국) X선 CT 개발 (제 70회 노벨 의학상 수상) 1979년 대한 의용생체공학회 창립

Cormack and Hounsfield Sir Godfrey N. Hounsfield, UK Central Research Laboratories, EMI, London, UK 1919 - Allan M. Cormack USA Tufts University Medford, MA, USA 1924 - 1998 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1979 "for the development of computer assisted tomography"

1975년 PET scanner의 상용화 1982년 Kolff(미국) 인공심장의 최초 임상실험 Paul C. Lauterbur & Sir Peter Mansfield MRI 임상적 응용 (The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003) 1987년 Robotic surgery 도입 2000년 캡슐형 내시경 개발

Michael E. Phelps one of the first to show in striking detail how different parts of the brain are activated when performing mental tasks such as hearing, reading, talking, thinking, etc.

Paul C. Lauterbur & Sir Peter Mansfield Technique that evolved from their work and others' is now routinely used within medical diagnostics. More than 60 million investigations with MRI are performed each year across the globe. It has found wide application for diagnosing multiple sclerosis, identifying the causes of lower back pain, and assisting in diagnosis, treatment, and follow-up of cancer, to name a few. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2003 "for their discoveries concerning magnetic resonance imaging"

Robotic Surgery Robots were first introduced in 1987 with the first laparoscopic surgery, a cholescystecotomy. This surgery is known as minimally invasive as incisions are smaller, there is less risk of infection, hospital stays are shorter, and recuperation is reduced. RoboDoc, first surgical robotic machine Master & Slave teleoperator

Endoscopic Microcapsule                            Endoscopic Microcapsule

3. 의공학의 분류 생체 신호처리 의학 영상처리 및 분석 의료기기 모델링 및 시뮬레이션 생체역학; 유체 압력, 속도, 기계적 스트레스 생체재료 재활공학 인공장기; 인공심장, 인공판막,인공심장 의료정보 진단보조 시스템

1) 생체신호처리 생체에서 발생하는 신호를 검출, 처리 및 분석하여 진단에 유용한 정보 제공 Biomedical Signal Processing 1) 생체신호처리 생체에서 발생하는 신호를 검출, 처리 및 분석하여 진단에 유용한 정보 제공 전기적인 신호(심전도, 뇌전도 등) 기계적인 신호(혈류속도, 유량 등) 화학적인 변수 (산소포화도, pH등) 의료기기 형태로 의학의 임상 분야에 사용 생체 계측공학

2) 의학영상 처리 및 분석 컴퓨터의 의학에의 이용 활발 초음파, X선영상, MRI영상, 핵의학 영상 및 현미경 영상 등 Medical Image Processing and Analysis 2) 의학영상 처리 및 분석 컴퓨터의 의학에의 이용 활발 초음파, X선영상, MRI영상, 핵의학 영상 및 현미경 영상 등 새로운 영상 촬영, 처리 및 분석 방법의 연구 및 개발 2차원적, 3차원적, 4차원적 신호

3) 의료기기 의공학적 기술을 임상응용 목적으로 기기화 개발 핵심적인 기술, 안전성, 신뢰성, 경제성 등 고려 Medical Instrumentation 3) 의료기기 의공학적 기술을 임상응용 목적으로 기기화 개발 핵심적인 기술, 안전성, 신뢰성, 경제성 등 고려 고부가가치, 벤쳐형 산업 Programmer for Bradycardia and Tachycardia Products Implantable Pulse Generator 3.0 Tesla MRI form Medison

4) 모델링 및 시뮬레이션 생체현상의 특성분석 및 반응예측 알려져 있는 사실과 관측된 결과를 이용하여 모델 설정 Modeling and Simulation 4) 모델링 및 시뮬레이션 생체현상의 특성분석 및 반응예측 알려져 있는 사실과 관측된 결과를 이용하여 모델 설정 여러 가지 조건에 대한 반응과 결과를 분석하여 실제 생체 시스템의 결과 예측

5) 생체역학 6) 생체재료 생체내의 유체 및 고체에 대하여서 역학적인 분석 압력,속도,유량의 상관관계 및 기계학적 특성 연구 Biomechanics 5) 생체역학 생체내의 유체 및 고체에 대하여서 역학적인 분석 압력,속도,유량의 상관관계 및 기계학적 특성 연구 뼈등의 고체에 가해지는 기계적인 스트레스의 추정 Biomaterials 6) 생체재료 생체의 연조직 및 경조직 대신 사용 생체에 삽입하는 기구의 생체내의 접합성 향상 인공적인 재료의 개발에 관하여 연구

7) 재활공학 기능이 정지된 인체의 기능을 회복 근육마비 환자에게 전기자극을 주어 기능 회복 Rehabilitation Engineering 7) 재활공학 기능이 정지된 인체의 기능을 회복 근육마비 환자에게 전기자극을 주어 기능 회복  Functional Electrical Stimulation 의수 및 의족에 대한 연구

8) 인공장기 다른 어떠한 방법으로도 기능의 회복이 불가능한 경우 기관의 기능을 대신할 수 있는 인공적인 생체장기 이식 Artificial Organs 8) 인공장기 다른 어떠한 방법으로도 기능의 회복이 불가능한 경우 기관의 기능을 대신할 수 있는 인공적인 생체장기 이식 인공심장, 인공판막, 인공신장, 인공심폐기 등 Artificial Valve SNU Artificial Heart

Medical Informatics 9) 의료정보 의료정보의 체계적 관리 와 처리 분석적으로 활용 EMR PACS

10) 진단보조 시스템 컴퓨터의 논리를 이용한 진단 시스템 개발  전문가 시스템, 자동 진단 시스템 등 Diagnostic Aid System 10) 진단보조 시스템 컴퓨터의 논리를 이용한 진단 시스템 개발  전문가 시스템, 자동 진단 시스템 등 진단에 보조적인 방법으로 사용 대용량의 데이터의 분석/ 장시간의 데이터 분석

4. 의공학과 관련된 분야 공학분야 의공학의 세부분야 공학분야 의공학의 세부분야 ------------------------------------------------ 전자공학 Medical Instrumentation, Signal Processing 전기공학 Rehabilitation Engineering 정보공학 Medical Informatics 기계공학 Biomechanics, Hemodynamics 화학공학 Biochemistry,Cell Engineering,ClinicalLaboratory 전산공학 Computer application in medicine 제어공학 Biofeedback, Biological Simulation 통신공학 Medical networks 금속공학 Biomaterials (hard tissue) 재료공학 Biomaterials (soft tissue) 섬유공학 Biopolymer 원자력공학 MRI, Nuclear Medicine

5. 의공학의 특성 생체 시스템은 가변적 특성을 갖고 있다 고도의 안전성이 요구된다. 측정 대상이 대부분 신체의 내부이다. 측정 신호의 진폭이 작고 낮은 주파수 특성을 갖고 있다. 생체 시스템은 이물질에 대한 거부 반응이 있다. 생체 시스템의 변화에 대한 요인을 파악하기 어렵다. 측정 데이터의 수치화 및 정보화가 어렵다.

1) 생체 시스템의 가변적 특성 시변 시스템: 시스템의 특성이 시간에 따라서 변화  생체시스템은 고유의 가변성을 갖고 있다  생체시스템 고유 feedback:신경계,호르몬계, 정신적상태  외부로 부터 입력되는 여러가지 형태의 자극 생체시스템 계측을 어렵게 만드는 가장 큰 요인 재현성 부족:  통계학적 분석, 신호처리등 분석방법 이용

2) 고도의 안전성 요구 대부분 인체와 직접 접촉 되어 사용 접속된 사람들이 신체적 저항력이 약화된 환자 혈액, 체액 및 각종 진료 치료제등의 액체성 물질  전기 전도 특성에 의한 누전 현상, 감전사고  (의료기기에대한 전기안전대책 필요) 안전성(전기적,화학적,기계적)과 신뢰성

3) 신체 내부 측정 측정대상 : 신체 내부 현상 관혈적방법(invasive) 사용의 불가피 생체 시스템의 특성 변화 유발로 정확한 측정곤란 간접적 방법 사용  측정과정에서 영향을 미친 요소들의 효과 제거 고통이나 변화를 최소화 하면서, 원하는 생체 변수측정 비침습적 또는 비관혈적(noninvasive) 특성 요구 예) 심장의 기능 및 이상을 진단 (1) 청진기를 이용한 환자의 심음을 청진 (2) 심전도 검사 (3) 초음파를 이용하여 심장판막의 운동상태 분석 (4) MRI등 영상 진단장비 이용 (5) X선의 혈관 조영술 이용

4) 신호의 소진폭, 저주파 특성 신호의 진폭이 작고 (매우 미세한 신호), 주파수가 낮다 (저주파 신호). 생체신호 ECG 생체에서 발생되는 신호의 진폭과 주파수 범위 생체신호 ECG EEG EMG Blood Pressure Respiration Rate 주파수범위 0.01 ~ 250Hz DC ~ 150Hz DC ~ 10KHz DC ~ 50Hz 0.1 ~ 10Hz 진폭범위 0.5 ~ 4mV 0.005 ~ 0.05mV 0.1 ~ 5mV 10 ~ 400mmHg 2 ~ 50/min

5) 이 물질에 대한 거부 반응 6) 변화요인의 파악 곤란 생체 내에서 사용되는 각종 기구 및 재료 주요변수들에 대한 인과관계:  완전히 파악 되어 있지 못함. 다른 시스템과 완전한 기능 분리 불가능 시간에 따라서 변화하는 특성: non-stationary 시뮬레이션 방법 활용 반복적으로 측정하여 통계적 방법 적용 간접 측정 신호에서 원하는 변수 도출 분석적방법 이용

6. 의공학의 필요성 임상적 진료의 과정에 필수적이다. 발생된 정보의 처리 및 분석능력이 필요하다. 의학의 연구에 필요하다  여러 가지 종류의 의료기구 또는 의료기기  진단방법의 개념 및 동작원리의 이해  제공되는 정보의 정확한 평가능력 발생된 정보의 처리 및 분석능력이 필요하다.  많은 양의 진단 데이터  자동진단 및 진단 보조장비의 개발  의료 정보의 교환을 위한 정보교환 및 통신시스템의 도입 의학의 연구에 필요하다  의학적 연구에 많은 실험적 방법 요구됨  발생된 결과의 처리 및 분석, 모델링이나 시뮬레이션 방법  새로운 진단 및 치료방법 연구

1) 전자의료기기 세계 시장 동향 성장율 증가 예상(`99년도 0.4%  2002년 5.1%) 백만불 성장율 증가 예상(`99년도 0.4%  2002년 5.1%) • 생체현상측정기 및 가정용 의료기기 시장 확대 예상

2) 전자의료기기 세계 시장 동향 국가별 전체 시장규모 (단위:백만불) 구분 97 98 99 2000 2001 2002 2003 세계시장 19,740 29,272 30,858 32,516 34,047 35,695 36,897 유럽 8,428 9,079 9,476 9,904 10,206 10,494 10,798 독일 693 814 863 906 933 961 1,000 프랑스 787 824 866 909 945 1,002 1,062 네델란드 521 542 575 615 652 678 705 영국 564 600 624 649 675 695 723 기타 1,256 2,041 2,137 2,263 2,363 2,647 2,572 일본 3,893 3,163 3,258 3,399 3,557 3,735 3,885 미국 9,660 10,634 11,378 12,061 12,785 13,424 13,961 한국 290 129 154 165 177 189 아시아 778 738 776 828 883 941 1,001 * 자료 : Yearbook of World Electronics Data ‘2000 - 선진국(연평균 5.6%)보다 동남아(연평균 9.9%)가 더 높은 증가율 시장점유율은 미국(약 42.8%), 일본(약23.9%), 독일(8.4%), 네덜란드(4.8%) 등 선진국이 약 90% 차지

3) 국내 전자의료기기 R&D 전략 정부 시험원 학계 산업체 연구소 병원 정보지원센터 품목별 전문 산•학•연 공동체 조직 학계 산업인력 및 연구인력 공급 - 중장기 R&D Master Plan 제공 중기적 전략 품목은 공동체 조직을 통해 지원 의공학 인력 공급 산업체 단기적 전략 품목 개발 시험, 인정 인정 규격 제공 품질관리 지원 중기적 전략 품목 개발 기술 지원 연구 인력 공급 최근시장 정보 최근 기술 동향 마케팅 전략 전문 인력 정보 임상 실험 제공 새로운 개발 ITEM 제공 연구소 장기적 전략 품목개발 병원 정보지원센터 임상 정보

4) 진료 형태의 변화 : ex) Telemedicine • Hospitals become a thing of the past - 2006?

Telemedicine Fetal Monitoring System The use of electronic information and communications technologies to provide and support health care when distance separates the participants To improve the delivery of health care and achieve better quality of care and health outcomes through effective and innovative use of health information Fetal Monitoring System Fetal Heart rate Uterine Activity Maternal ECG Maternal O2 Saturation Maternal blood Pressure

5) 사회 및 의료환경의 변화 노령자 인구 증가 의료기술 발전 전문의료 및 간호 인력 부족 의료서비스에 대한 욕구 증대 정보 통신 기술의 발전 원격진료 컴퓨터의 일반적인 보급 의료기관의 효율적인 경영

The 3 Ages -Where are We? Partners Directing Communicating