제3장 트랜스듀서와 생체신호 의공학(Medical Engineering) 01831075 최 상 환

▶ C o n t e n t s 3.1 트랜스듀서 3.2 바이오센서 3.3 맥파의 기록 3.4 심음의 기록 3.5 체온의 측정 3.6 호흡 기능의 측정

3.1 트랜스듀서 임상진단에 유용한 생체정보 중에는 맥박, 심음, 체온, 혈압, 혈류량, 호흡, 혈액의 pH, pO2, PCO2 등 전기신호는 아니지만 측정가치가 높은 생체현상 들이 존재합니다. 이러한 생체현상도 전기현상으로 에너지 변환 증폭ㆍ기록 이 가능한데 이를 위해 쓰이는 소자를 트랜스듀서(Transducer)라 합니다 전 기 세포의 흥분, 전기 임피던스 등 기 계 신체ㆍ장기의 운동, 순환, 호흡, 눈의 운동 등 음 향 심음, 음성, 음향 임피던스 등 화 학 화학반응, 체액의 성분, pH, 호기 성분 등 빛 체표의 색깔, 성분분석, 혈액량 등 열 체온, 적외선 방사 등 방사선 흡수에 의한 측정, 치료 등 표 3-1. 생체 계측 제어에 이용되는 각종 현상

3.1 트랜스듀서 3.1.1 트랜스듀서와 센서 센서(Sensor); 검지대상(Target)의 양을 선택적으로 포착하여 유용한 정보로 변환ㆍ출력하는 장치 트랜스듀서(Transducer); 감지된 신호를 측정량에 대응하여 처리하기 쉬운 유용한 출력정보로 변환해주는 변환기(Converter) 감각 기관 센서 시각 눈 광센서 청각 귀 음파센서 촉각 피부 압력센서, 물리센서, 감온센서 후각 코 가스센서 미각 혀 이온센서, 화학센서, 바이오센서 오감 외 중력센서, 자기센서 등 표 3-2. 감각 기관과 센서의 대비

3.1 트랜스듀서 3.1.2 트랜스듀서의 변환기능 3.1.3 트랜스듀서의 변환방식 물리 현상, 화학현상, 생물현상의 변환기능에 크게 응용 그 중 물리현상에 속하는 변환기능이 가장 많이 활용되고 있음 물리현상에 속하는 주된 변환으로는 광전변환, 열전변환, 압전변환, 자전변환 등 3.1.3 트랜스듀서의 변환방식 직접변환방식; 생체신호를 직접 기전력으로 변환시키는 것 - 열전대, 이온전극 간접변환방식; 기전력 이외의 다른 형태의 에너지로 변환시킨 뒤 전기신호화 하는 방식 - 많은 트랜스듀서가 취하는 방식

3.1 트랜스듀서

3.1 트랜스듀서 3.1.4 의용 트랜스듀서의 특성 3.1.4.1 주파수 특성 3.1.4.2 동작범위와 직선성 기본적으로 센서는 우수한 감도, 선택도, 안정도, 복귀도를 갖추어야 한다. 그렇지만 의용 트랜스듀서에서는 측정대상이 살아있는 인체에 적용되는 것 임상용으로 사용되는 센서는 일반적인 물리계측에서 요구되는 특성 뿐만 아니라, 높은 안정성과 생리학적ㆍ심리학적인 문제 등 인간에 따른 배려도 함께 있어야 한다 3.1.4.1 주파수 특성 3.1.4.2 동작범위와 직선성 3.1.4.3 오차와 잡음

3.1 트랜스듀서 3.1.5 의용 트랜스듀서의 설계 생체내의 여러 활동 중 특정 활동신호만 찾아내는 것은 쉬운 일이 아니며, 특히 체외 생체계측기술은 신호의 품질이 낮기 때문에 트랜스듀서의 설계가 중요하다. 심장의 운동에 의한 흉벽의 미소진동을 측정하기 위한 트랜스듀서를 예를 들어볼 때, 체표의 진동은 수십 μm 정도이다. 이를 감지하는 정도의 트랜스듀서는 어려운 일이 아니나 흉벽은 호흡이나 몸의 움직임 등에 의해 수mm의 커다란 변위를 생기게 한다. 이것이 나중 신호처리의 의해 제거하고 필요한 신호를 추출하려 한다면 트랜스듀서는 대단히 넓은 Dynamic Range(동적 범위)가 요구된다.

3.1 트랜스듀서

3.2 바이오센서 3.2.1 바이오센서의 원리 효소를 응용하여 용액속의 들어있는 소량을 물질을 감지 하는 센서가 대표적인 바이오 센서이다. 온도나 압력과 같은 물리적인 정보를 식별하는 것이 아니라 특정의 물질에 대해서만 반응하는 원리를 이용하는 방법

3.2 바이오센서 3.2.2 검출 신호의 표시 3.2.3 Lab-on-a-chip 바이오센서를 이용하여 측정하고자 하는 물질의 양을 정량적으로 표시해야 한다는 문제가 있다. 이를 위해 정량적인 측정을 위해 생물학적 또는 화학적 신호를 전기신호나 광학신호로 바꾸는 트랜스듀서가 추가적으로 필요하다. 형광물질을 사용해 측정된 결과를 빛의 세기로 변환시키거나, 수 μm 크기의 금 입자 표면에 항체를 부착시켜 전기적 신호를 얻어내는 방법도 있다. 3.2.3 Lab-on-a-chip 반도체와 미세가공 기술이 바이오센서에 접목되어, 실험실에서 하는 분석시험을 수 μm의 실리콘 칩 위에서 할 수 있도록 만든 바이오센서를 Lap-on-a-chip 이라 한다.

3.3 맥파의 기록 3.3.1맥파 진료를 할 때 환자의 맥을 짚어본다. 맥박수, 리듬, 크기, 긴장, 행동, 좌ㆍ우의 차이, 혈관의 성상 등 많은 정보가 제공된다. 이 맥파(Pulse wave)는 어떻게 형성 되는가? 심장의 펌프기능에 의해 혈액이 순환하고 일시에 말초신경까지 보내진 못하고 혈관의 탄력성에 의해 확장되어 혈액의 일부가 수용된다. 시간의 경과에 따라 심장으로부터 혈액이 방출됨에 따라 점점 말초신경까지 퍼져나간다. 한쪽끝에서 보낸 진동이 다른쪽 끝까지 전파는 되는 것 이것을 맥파라 한다

3.3 맥파의 기록 3.3.2 광전식 Plethysmography 광전식 용적 맥파계는 근적외선을 피검부위에 조사하여 헤모글로빈 에 흡수되지 않고 투과된 투과광 또는 반사광으로 혈액량의 변동을 보는 것이다.

3.3 맥파의 기록 Ex.) Finger Plethysmography

3.3 맥파의 기록 3.3.3 용적 Plethysmography 물을 채운 원통안에 팔을 집어넣어 봉하고 다른 끝에는 가는 유도관 을 삽입하여 여기에 트랜스듀서를 접속시킨 맥파계

3.3 맥파의 기록 3.3.3 임피던스 Plethysmography 생체조직의 전기전도도가 조직량에 비례하는 원리는 이용하는 것 교류회로의 임피던스 변화에서 회로내 조직의 체적변화를 구하는 법

3.4 심음의 기록 3.4.1 심음 심장의 심장주기에 따라 일정하게 수축과 확장을 반복하여 혈액을 순환시키며 이와 함께 판막의 개폐, 혈액의 흐름 및 근육의 긴장에 수반하여서 생기는 복잡한 소리를 심음(Heart Sound)이라 한다 의사는 환자의 가슴에 청진기를 대고 심음을 청취하는데, 여러 결점이 있다 청진법의 문제점을 줄이고 곡선으로 기록하여 시각적이고 객관화시킨 방법이 심음도(PCG)이다.

3.4 심음의 기록 3.4.2 심음계 심음도를 기록하는데는 마이크로폰을 사용한다. 이는 소리를 전기 신호로 변환시키는 트랜스듀서이다.

3.4 심음의 기록

3.4 심음의 기록

3.4 심음의 기록 3.4.3 심음도 왼쪽은 정상 심음도와 심전도의 동시기록 예이다. 그림에 출현하는 Ⅲ~Ⅳ음은 일반 청진기로 청취하는 것은 대단히 어렵지만 심음도 상에선 명료하게 기록할 수 있다. 오늘날 심음도는 심장질환에 불가피한 수단이 되었다.

3.5 체온의 측정 체온이나 생체조직온도의 측정에는 열전소자를 사용할 수 있다. 이 열전소자 중 온도측정에는 서미스터와 열전대가 이용되며 이를 이용한 트랜스듀서를 사용하여 체온이외의 생체현상도 기록 가능하다. 3.5.1 열전대

3.5 체온의 측정 3.5.2 서미스터 니켈(Ni), 코발트(Co), 망간(Mn), 구리(Cu), 티탄 등 산화물을 적당한 저항률과 온도 계수를 가지도록 2~3종류를 혼합하여 소결한 반도체

3.5 체온의 측정 3.5.3 심부체온계 환자의 심부체온을 장시간 모니터링하기 위하여 아래 그림과 같은 심부체온계가 고안되었다. 임상적으로 심부의 순환장해나 염증 등의 발견에 이용되고 있다

3.6 호흡 기능의 측정 3.6.1 호흡 생리 우리는 호흡에 의하여 바깥 공기로부터 산소를 섭취하고 있으며, 호흡기계의 주기관은 폐(Lung)이다. 호흡운동은 폐용량의 증가, 감소를 일으키는 근육운동에 의하여 제어 되고 있으며, 상황에 따라 최소/최대 용량이 변화한다.

3.6 호흡 기능의 측정 3.6.2 호흡운동의 측정 3.6.3 호흡 유량의 측정 상대적인 호흡운동은, 호흡에 따라서 같이 변화하는 신체부분의 물리적 변화나 콧구멍을 통과하는 공기 흐름을 조사하여 검출한다. 절대치는 필요하지 않으므로, 트랜스듀서도 간단한 것이 쓰인다. 3.6.3 호흡 유량의 측정 환기역학에서 중요한 파라미터는 기류속도, 환기량, 내압으로, 이들을 측정해서 흉부ㆍ폐ㆍ기도의 상황을 추정한다. 일반적으로 사용되는 것은 차압을 이용한 차압 유량계이다. 공기 흐름의 도중에 우체 저항을 주고, 전후의 압력차를 측정하여 유속을 측정하는 것이다.

3.6 호흡 기능의 측정

3.6 호흡 기능의 측정 3.6.4 호흡량 측정 일반적으로 호흡량(폐활량)은 호흡계로 측정한다. 폐용량의 시간에 따른 변화 기록은 spirogram 이라 한다.

3.6 호흡 기능의 측정 3.6.5 호기 가스 모니터 호기중의 가스(O2, CO2)를 동시에 분석하는 장치이다. ICU, 수술실 등에서 호흡관리, 마취효과의 감시 등에 쓰이고 있다