의학과 공학기술을 상호 접목시켜 효율적인 질병의 의료기술의 개발과 향상을 목적으로 하는 협동적인 학문

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1 의학과 공학기술을 상호 접목시켜 효율적인 질병의 의료기술의 개발과 향상을 목적으로 하는 협동적인 학문
의공학 이란? 의공학의 정의 의학과 공학기술을 상호 접목시켜 효율적인 질병의 진단, 치료, 예방 등을 위한 의료기술의 개발과 향상을 목적으로 하는 협동적인 학문 의공학의 역사 1958년 : Medical Electronics – 전자공학기술 도입에 근거 1965년 : Medical Electronics and Biological Engineering - 기초 및 다양한 공학기술이 접목 1967년 : Medical and Biological Engineering 오늘날 : Medical Engineering

2 의공학은 의학과 공학의 협동적인 학문 - 공학적 원리와 방법을 의학분야에 적용하여 새로운 현상 및 사실을 탐구하고 임상적 진료에 적용 - 생체 및 인체 시스템의 원리를 공학 분야에 활용 질병의 조기발견, 정확한 진단, 적정한 치료, 치료 후 상태의 명확한 평가 - 병원 업무의 능률화, 의료의 질적 향상 및 고도화, 의료의 지역차 해소 * 의공학의 표기 - Biomedical Engineering, Medical Engineering, Medical & Biological Engineering - 의용생체 공학, 의학공학, 의료공학, 의료전자공학 등

3 의공학의 특징

4 의공학의 분류 공학적 측면 분류 의학적 측면 분류 전기 및 전자공학(생체신호 분석) 기계 및 시스템 공학
자동제어 공학 (제어장치) 컴퓨터 공학(자료 및 데이터 정리) 정보통신공학 재료금속 섬유공학 분자생물공학 의약학, 화공학 산업 및 인간공학 첨단공학 의 공 학 분 류 생체신호의 처리 및 분석 인공생체재료 인공장기(인공신장,관절 등) 생체 역학 생체 시스템 모델링 재활공학 의료기기 및 의료영상 의료정보시스템 생명 정보학 및 유전공학 신약 개발 및 약물전자 인간공학 시스템 공학

5 의공학의 주요 사건 18세기 Fahrenheit(네덜란드) 온도계 발명 1819년 Laennec(프랑스) 청진기(stethoscope)발명 1851년 Helmholz(독일) 검안경(ophthalmoscope)발명 1895년 Roentgen(독일) X선 발견 (1901년 1회 노벨 물리학상 수상) 1903년 Einthoven(네덜란드) 심전계(ECG)개발 (1924년 19회 노벨 의학상 수상) 1910년 Gullstrand(스웨덴) 안과 광학 이론의 개척 (제11회 노벨 의학상 수상) 1924년 Berger(독일) 뇌파계(EEG)개발 1928년 Bovie(미국) 전기수술기구 개발 1938년 Wiles 최초의 “total hip” 이식(인공 고관절) 1944년 Kolff 인공 신장기 개발 1956년 Defibrillator(제세동기)의 최초 임상 이용

6 1956년 Cournand(미국) 심장 카테터방법의 개발과 임상 응용 Forssmann(독일) (제 47회 노벨상 의학상 수상) 1957년 Houry 초음파의 최초의 임상적 응용 1958년 Anger 감마선 카메라의 개발 1958년 국제의공학회(IFMBE)발족 1960년 Chardack Pacemaker(인공심박조율기) 최초로 사람에게 이식 1960년 Star, Edward 임상적 이용 가능한 인공판막의 개발 1961년 Bekesey(헝가리) 내이와 우각내 자극 현상 발견 (제 51회 노벨 의학상 수상) 1963년 Huxley(영국) 신경막 전위의 측정에 관한 연구 Hodgikin(영국) (제 54회 노벨 의학상 수상) 1972년 Hounsfield(영국) X선 CT개발 Cormack(미국) (1979년 제 70회 노벨 의학상 수상) 1979년 대한 의용생체 공학회 창립 1982년 Kolff(미국) 인공심장을 사람에게 최초로 이식 1982년 MRI의 임상적 응용

7 생체현상의 계측 1. 생체전기현상의 발견 BC 1세기 – 전기물고기를 이용하여 두통, 탈홍(직장이 탈출) 치료를 시도한 기록이 최초 1876, 갈바니 - 개구리 다리근육을 사용하여 실험 - 금속 격자에 걸어놓은 다리근육이 바람에 흔들려 금속격자가 접속 시 근육이 수축하는 현상 관찰 볼타 – 2종의 금속이 접촉하면서 생기는 접촉전기가 원인이라고 주장 1842, Matteuci – 근육의 2차성 수축의 발견으로 결론 볼타 전기현상연구에 업적을 세우며, 갈바니는 전기생리학의 시초가 됨

8 생물에서 발생하는 전기현상은 대단히 작은 신호 검출에 감도가 높고 안정된 전류계가 요구
2. 생체전기현상의 검출 생물에서 발생하는 전기현상은 대단히 작은 신호 검출에 감도가 높고 안정된 전류계가 요구 독일의 Reymond를 위시하여 많은 학자들이 자침형 코일검류계, 모세관 수은검류계 등을 고안, 개량 1903년 네덜란드 생리학자 Einthoven은 현선 전류계를 고안 - 인체표면으로부터 심장활동에 수반하는 전기현상을 유도 기록하는데 성공 - 심전도(ECG : Electorcardiogram)의 임상응용 1906년 Forest에 의해 3극진공관이 발명됨으로써 미소신호를 증폭할 수 있게 됨 1924년 H. Berger는 증폭기를 이용하여 뇌파를 기록 1926년 얼랭어, 개서에 의해 브라운관을 이용하여 생체의 활동전위를 기록하는데 성공 – 고주파 특성이 좋으며 왜곡이 적다 – 노벨상 수상 1944년 1946년 쇼클리에 의해 트랜지스터가 발명되면서 반도체의 발전에 따라 생체 신호의 계측은 비약적인 발전을 하고 있다.

9 ECG(EKG)? Electrocardiogram - 심전도 심장의 수축에 따른 전류의 변화를 기록한것

10 Electroencephalography(EEG)
뇌파 전위 기록술 두피 표면에 전극들을 부착시켜 전류 변화를 기록 빛이나 소리를 들으면 뇌파가 변화하기 때문에 자극을 둔뒤에 뇌파를 비교해서 환자의 청력 테스트나 태어난 어린 아이들이 귀머거리인지 아닌지 판단하기 위해 사용

11 Electrodiagnosis(전기 진단법)
역치 이상의 자극을 흘리면 근육이 자극을 느낄수 있다 근육을 간접적으로 흥분하게 할수 있다.

12 Electromyography(EMG)근전도
근육의 전기적 활동을 기록 진단의 목적 신경근육의 전도시간 측정(운동신경의 자극과 근전계 반응의 도착시간의 시간) 인공적인 조종을 돕는데 사용 몸의 표면으로부터 가져온 근전도 신호의 관리 아래 움직이도록 만들어짐 인공 두뇌 장치에 연결해서 몸을 움직이게 가능

13 Defibrillator? 제세동기, 세동제거기 심장 박동을 정상화시키기 위해 전기 충격을 가하는 데 쓰는 의료 장비

14 혈압, 혈류, 맥박, 체온, 탄소나 탄산가스 분압, PH 등 전기신호로 변환하여 기록
3. 비전기적 생체현상의 검출 혈압, 혈류, 맥박, 체온, 탄소나 탄산가스 분압, PH 등 전기신호로 변환하여 기록 EX) 심음 (heart sound) - 마이크로 폰을 장착하여 심음을 전기신호로 변환 - 일단 변환된 전기 신호는 전기적 계측방법으로 증폭, 필터링이 가능 마이크로 폰과 같이 에너지를 다른 에너지로 변환하는 소자를 - 트랜스듀서(transducer, 에너지 변환소자, 센서)라고 한다. 비전기적 생체현상은 다양한 트랜스듀서를 이용하여 전기신호처럼 안정되게 기록

15 4. 데이터 전송과 연속감시 연속감시 (집중환자감시)
ICU (intensive care unit), SCU, CCU, NBCU 중증환자를 대상으로 ECG,EEG,BP등 24시간 동안 경과를 연속감시 – 돌발상황에 신속대응 목적 원격전송 (telemetering) 통신기술의 발달 우주비행사의 생체정보 전송, 위장관내 생체정보 검색 원격진료 , 유비쿼터스 진료, 스마트 폰 생 체 신 호 트랜스듀서 전극 전 기 증폭기 telemeter monitor recorder stroage computer 생체정보전송

16 5. 생체정보와 컴퓨터 다양한 생체신호를 트랜스듀서등에 의해 전기신호화 되면 디지털 신호로 변환 컴퓨터로 처리가 가능함
공학기술의 진보로 처리하여야 할 생체정보량이 증가하게 되었으며 다양하고 막대한 양의 의료정보를 처리하는 것은 매우 중요함 환자감시 데이터의 처리, 검사, 수술의 예약, 검사데이터의 처리, 의용 영상처리, 약품 관리, 의료비 계산, 병원 사무관리 등 의료 전 분야에 컴퓨터는 필수적이다. 의료시스템공학 or Hospital Automation – 컴퓨터를 이용하여 효율적으로 의료 정보를 관리하는 개념이 등장

17 의료 영상 공학 Discovery of X-ray
시각우위의 인간에게 생체 내부의 영상데이터는 의료 대상의 진단정보를 판단하는데 대단히 중요 Discovery of X-ray Wilhelm Conrad Röntgen ( ) 독일 물리학자 실험 중 우연히 고에너지 방사선 발견(1895/11/8) 최초 노벨 물리학상 수상(1901) Discovered fortunately when roentgen investigating the behavior of cathode rays in high energy cathode ray tube

18 1. X-ray 영상

19 2. RI 신티그래프 방사성 동위원소(RI : radioisotope) 가 있는 방사성 의약품을 체내 투여하여 인체의 특정장기에 집적시켜 해당장기를 체외에서 섬광카메라(scintigraphy camera)로 그려냄. 99mTC-MDP : 뼈 신티그래프 99mTC-DTPA : 신장 신트그래프 99mTC-MAA : 폐 신티그래프 99mTC-DMSA : 신장 신티그래프 핵의학 영상법은 다양한 생화학적,  기능적 상태를 볼 수 있도록  해 주는 방사성 추적자를 환자에게 투여한 후  이들의 분포를 영상화함으로써  생체의 생화학적 변화나 기능상의 문제를  평가하는 영상 진단법이다.  SPECT 영상을 얻기 위한 촬영법

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21 단일광자 단층촬영 (single photon emission computed tomography, SPECT)
평면 영상에 더해 단층 영상을 얻음으로써 병소를 정확히 평가할 수 있는 방법이다.  목적에 따라 해당하는 방사성 의약품을 환자에게 투여한 후  감마카메라를 인체 주위로 회전시키며 여러 방향의 2차원 투사상(projection)을 얻고,  이를 사이노그램 형태로 변환한 후 이에 영상 재구성 기법을 적용하면 CT와 마찬가지로  체내 단층영상(tomogram)을 얻을 수 있다.  (참고로 사이노그램(Sinogram)이란 한 방향에서 획득한 투사 데이터를  투사 방향에 따라 순차적으로 배열한 것으로  각 행이 갖는 화소값들은 해당 프로파일의 해당 위치에서의 크기(amplitude)와 같다.)

22 3. 초음파 영상

23 초음파 영상(ultrasound imaging)이란
우리 귀에 들리지 않는 높은 주파수의 음파를 인체 표면에서 인체 내부로 보낸 후 내부에서 반사되는 음파를 영상화시킨 것. 초음파검사(ultrasound examination, ultrasonography, sonography)는 초음파 영상을 실시간으로 얻기 때문에, 장기의 구조뿐 아니라 운동도 관찰할 수 있으며, 혈관 내부의 혈류도 측정할 수 있다. 인체에 해로운 방사선을 사용하지 않으며, 통증없이 신속하게 검사를 할 수 있어 환자가 가진 질환을 진단하거나 그 치료 경과를 판단하기에 매우 쉽고 편리한 영상검사법. 초음파검사는 환자의 몸을 얇은 단면으로 자른 형태의 2차원 영상을 실시간으로 보면서 몸 속의 병변을 찾는 검사입니다. 최근에 초음파 기술이 발전되어 3차원으로 몸 속의 장기나 태아를 보여주는 3차원 초음파검사(3D ultrasonography)가 널리 행해지고 있으며, 3차원 영상의 움직임까지 표현되는 4차원 초음파검사(4D ultrasonography)도 이용.

24 초음파를 생성하는 탐촉자를 검사 부위에 밀착시켜 초음파를 보낸 다음 되돌아오는 초음파를 실시간 영상화하는
초음파를 생성하는 탐촉자를  검사 부위에 밀착시켜  초음파를 보낸 다음 되돌아오는 초음파를  실시간 영상화하는 방식으로 검사가 진행된다.   초음파 검사는  - 간편하고,  검사 시  - 환자가 편안하며,  인체에  - 해가 없기 때문에  영상 검사 중  -가장 기초가 되는  검사법이다.

25 4. MRI (Megnetic Resonance Imaging)
자장을 발생하는 커다란 자석 통 속에 인체를 들어가게 한 후  고주파를 발생시켜 신체부위에 있는 수소원자핵을 공명시켜  각 조직에서 나오는 신호의 차이를 측정  컴퓨터를 통해 재구성하여, 영상화하는 기술.  자석으로 구성된 장치에서 인체에 고주파를 쏘아 인체에서  신호가 발산되면 이를 되받아서 디지털 정보로 변환하여 영상화한 것 

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27 5. Thermography(서모그래피) 피부 표면의 온도를 측정하여 병소의 유무를 조사하는 기구.
-1956년 캐나다의 의사 레이 로슨이 최초로 사용, 피부표면의 온도를 측정하여 암조직(癌組織)을 발견. 암조직은 세포활동이 활발하기 때문에 정상조직보다 약간 온도가 높다는 점에서 진단의 원리를 얻은 것.

28 생체 기능의 대행 1. 고분자 화학 고분자 - 분자량이 1만이상인 화합물, 대체로 중합체(Polymer)
특징 : 첫 번째로 분자량이 일정하지 않아 과 끊는점과 녹는점이이 일정하지 않고 , 두 번째로 액체 또는 고체로 존재한다. 세 번째로 반응을 잘 하지 않아 안정적이다. 나일론 – 최초의 중합체(듀폰)로 명주실을 대체하고자 개발 이를 계기로 고분자 화합물이 일상생활에 널리 사용 전기적으로 높은 저항률을 갖고 있으므로 절연체 등에 사용되어 전기전자공학기술에 혁신을 가지고 왔다. 생체적합성이 우수 – 비이커 표면의 실리콘 처리 관절이나 피부와 같은 생체 대체

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30 2. 인공장기 생체장기의 기능을 대행시킬 목적으로 만들어진 장치 인공요도, 인공기관, 인공심장판막
심장페이스메이커 – 심장에 직접 전기적 자극을 주면서 부정맥이나 심정지 치료 동방결절기능

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32 의공학과 치료 조직의 절제 일반적인 pincet, forcets, kelly등 수술의 자동화 로봇 메스 방사선치료 전기자극
스테인리스 합금 소재 수술의 자동화 로봇 메스 레이저메스, 초음파메스 방사선치료 전기자극 온요법 약물투여

33 어려운 여러 조건에 대하여 시스템의 반응과 결과를
의료기기의 모델링 및 시뮬레이션 실제의 상황에서 구현이 불가능 하거나, 어려운 여러 조건에 대하여 시스템의 반응과 결과를 분석하여 실제 생체 시스템의 결과를 예측한다

34 경추 및 흉.요추의 고정 시스템 모델링 다분절 모델 흉.요추부의 유한 요소 모델 구축 및 해석 단분절 모델

35 임상적 연구 설계 및 FEM 생체역학적 실험 시제품 제조
Heat 임상적 연구 설계 및 FEM 생체역학적 실험 시제품 제조

36 의공학의 발전 방향 의학 공학 “이런것이 필요한데요?” “만들었는데 써보시지요” NEED SEED

37 What Happen During the 21th Century ?