I. 서 론
II. 연구 및 실험 방법
2.1 다중모드 패치형 프로브 구동 시스템 구성
2.2 도플러 신호 측정용 초음파 변환자 제작
2.3 연속 구동 초음파 도플러 신호 처리
2.4 경동맥 혈류 속도 및 산소포화도 측정을 위한 생체 내 실험
III. 실험 결과 및 논의
3.1 제작된 다중모드 패치형 프로브 및 초음파 변환자의 음향 특성 평가
3.2 제작된 패치형 프로브의 경동맥 혈류 속도 측정을 위한 생체 내 실험
3.3 생체 내 실험을 통한 제작된 패치형 프로브의 경동맥 산소포화도 측정 평가
IV. 결 론
I. 서 론
심혈관 질환은 현재 가장 높은 사망률을 가진 치명적인 질병 중 하나이다.[1] 갑작스런 심장마비가 발생했을 때, 응급 의료 서비스는 뇌와 내장기관에 대한 심각한 부상을 최소화하고 환자의 생존율을 향상시키는데 가장 중요한 역할을 한다.[2] 따라서 심장 질환을 보다 빠르게 인식하고 신속한 응급처치 실시 여부는 환자의 생존율을 높이기 위한 주요 요인 중 하나이다.[3]
심장 질환 환자 발생 시 목격자가 있는 경우에도 10명의 환자 중 1.1명만이 뇌와 내부 장기에 대한 큰 손상 없이 병원에 후송 된다.[2],[4],[5] 이와 같은 낮은 응급 의료 서비스의 시행율을 높이기 위해 정확한 심폐소생술 프로토콜 제공, 전화를 이용한 응급 의료 서비스 등 다양한 시도가 시행되고 있다.[6],[7],[8] 하지만 이러한 방법들은 여전히 주관적이고 기기의 성능을 향상시키지 않기 때문에 보다 정확하고 사용이 용이한 기기 개발이 우선적이다.
또한, 현재 심폐소생술의 실시 여부를 판단하기 위해서 주로 경동맥의 맥을 짚어 판단하는 방식을 이용한다.[9] 이는 경동맥에서 측정하는 심장 기능의 판별이 실시자의 주관적 판단으로 진행될 뿐만 아니라 심장 기능이 약해진 상태에서 무리하게 경동맥에 압박을 가할 경우 뇌혈류를 차단시킴으로써 뇌 손상을 초래 할 수 있다.[10]
따라서 본 연구에서는 각각 3개 채널의 초음파 변환자 쌍 및 산소포화도 측정 모듈로 구성된 가요성 패치타입 프로브를 개발하였고, 이는 각각의 여러 채널로부터 가장 신뢰성 있는 도플러 신호 및 산호소화도 정보를 획득함으로써, 심폐 소생술 실시자에게 보다 정확한 정보를 쉽게 제공 할 수 있는 시스템을 소개한다.
II. 연구 및 실험 방법
2.1 다중모드 패치형 프로브 구동 시스템 구성
경동맥 혈류속도 및 산소 포과도 측정을 위한 다중모드 패치형 프로브는 크게 3개 채널의 연속 초음파 도플러 신호 획득 부와 산소포화도를 측정 할 수 있는 Pulse-Oxymeter 모듈(MAX30101EVACC KIT, MAXIM intergrated, USA) 로 이루어져 있다(Fig. 1). 초음파 도플러 시스템은 다채널 초음파 펄스 발진기. 저소음 증폭기 및 I/Q 변환기로 구성된 초음파 수신기, 다채널 초음파 변환자로 구성된다. 개개인 별로 경동맥의 해부학적 위치 차이에 비교적 쉽게 관심 영역 색출하고, 경동맥 내부의 관심 영역을 임의로 설정해야 하는 펄스형 구동이 아닌, 연속구동으로 작동한다.
초음파 펄스 발진기(STEVAL-IME009V1, STMicroelectronics, Switzland)에서 발생된 전기 신호는 T/R 스위치를 지나 초음파 변환자에 인가되어 전기 신호에 상응하는 초음파를 연속적으로 발진한다. 동 채널 내의 다른 초음파 변환자는 연속적으로 발진된 초음파 신호의 반사 신호를 획득하여 저소음 중폭기로(AD9670,Analog Devices, USA) 송신하여 신호를 증폭시킨다. 증폭된 신호는 I/Q 변환기를 통해 동일위상 신호와 직교 위상 편이 신호로 변조된다. 이와 같이 획득한 신호는 데이터 수집기(CSE1442, Gage, USA)를 통해 획득되며 신호처리를 통해 도플러 신호로 변환 된다.
산소포화도 측정 시스템은 세 개 채널 연속 초음파 발진 모듈 산소 포화도 측정 모듈과 이를 구동할 수 있는 구동기로 구성된다. 산소 포화도 모듈은 주로 두 파장대(660 nm 및 960 nm)의 LED와 광수집기, 광학 부품 및 저소음 전자기기로 구성되어 있다. 수집된 산소 포화도 정보는 I2C 통신을 통해 수집 된다.
2.2 도플러 신호 측정용 초음파 변환자 제작
다채널 패치형 도플러 초음파 변환자는 실리콘 패드와 결합된 6개의 초음파 변환자 요소로 구성된다. 초음파 신호를 연속적으로 발진시키는 변환자와 연속적으로 회신되는 반향신호를 수신하는 변환자로 각각의 쌍을 이룬다. 각각의 변환자는 압전소자, 초음파 빔 전파 중 음향 에너지 손실을 줄이기 위한 정합층 및 압전소자 내부에서 진동하면서 생기는 Ringing 효과를 줄이기 한 후면층으로 구성되고, 압전소자는 높은 초음파 세기를 발진하기 위해 0.72의 높은 결합계수 (Kt)를 갖는 압전소자(NCE55, Noliac, Czech Republic)로 구성된다. 피부 표면으로부터 2 cm ~ 2.5 cm 깊이에 약 6.5 mm의 직경을 갖는 경동맥 내의 혈액 속도를 측정하기 위해서 초음파 빔 크기 5 mm를 갖고 2 cm의 초점 거리를 갖는 주파수인 5 MHz로 변환자의 중심주파수가 설계 되었다. 압전소자의 전극은 크롬과 금의 Sputtering 공정을 통해 제작되었다. 정합층은 1 ㎛ ~ 3 ㎛ 크기의 은가루와 에폭시 혼합물(Epotek 301, Epoxy technology, USA)을 사용하였으며 이론상으로 100 %의 투과 효율을 보이는 122 ㎛의 두께로 제작 되어 초음파 변환자의 높은 민감도를 갖도록 설계 되었다.[11] 후면층은 두께 2 mm의 은 에폭시(E-solder 3022, Von Roll, Switzerland)로 압전소자의 상단 부분에 부착되어 제작 되었다. 제작된 초음파 변환자는 가요성 인쇄기판(flexible PCB)에 결합되며 다중모드 프로브 회로는 실리콘 패드(RTV- 664, Momentive, USA)에 감싸지게 된다. 실리콘 패드는 회로를 수분 및 외부의 물리, 전기적 충격으로부터 보호하는 역할 뿐만 아니라 초음파 변환자와 인체 조직 사이의 음향임피던스를 줄임으로써 투과 효율을 높이는 역할 또한 수행한다.
2.3 연속 구동 초음파 도플러 신호 처리
초음파 빔 경로에서 반사되는 초음파 신호의 주파수는 초음파 빔이 경동맥의 맥박에 의해 변화하는 혈류 속도 및 혈관, 주변 조직의 위치 이동에 의해 변화가 생긴다. 이 때문에 수신 변환자에서 획득한 에코신호 (fD=f0+fd))에는 발진 초음파의 주파수(f0)에 도플러 천이(fd)의 주파수 성분이 합쳐진다. 혈액의 반향 신호는 속도가 빠르기 때문에 도플러 천이 주파수가 크게 변하게 된다. 도플러 천이 주파수 영역의 신호를 추출하기 위해 직교위상 편위 신호와 동위상 신호로 나누어 각각의 신호를 초기 발진 주파수와 혼합시킨다. 혼합된 신호의 주파수 영역은 fd와 2f0+fd의 성분을 갖고 추후 획득된 I/Q 신호로부터, 대역 통과 필터를 이용하여 도플러 천이 주파수 (fd)을 제외한 저, 고주파 소음을 제거 한다. 이후에 포락선 검출 알고리즘 및 이산 시간 퓨리에 변환을 이용하여 시간에 따른 도플러 스펙트럼을 획득 할 수 있다.[12],[13]
2.4 경동맥 혈류 속도 및 산소포화도 측정을 위한 생체 내 실험
개발된 시스템을 이용하여 획득한 정보의 유효성을 평가하기 위해서 도플러 천이 주파수와 산소 포화도를 동시에 획득 할 수 있는 생체 내 실험을 실시했다. 사람의 경동맥에서 순차적으로 각 채널별 도플러 신호와 산소 포화도를 동시에 측정 했다. 초음파 신호는 5 MHz의 10Vpp의 전압으로 연속하여 발진 되었고 발진 후 20 s 동안 수신 초음파 변환자로부터 정보를 수집하여 신호처리를 통해 채널 별 데이터를 획득하였다. 이렇게 획득된 도플러 스펙트럼의 정확도를 판단하기 위해 상용 초음파 진단기기(Sonixtouch Q+,Sonix concept, Canada)를 이용해 획득한 도플러 스펙트럼과 비교했다.
추가적으로 경동맥의 도플러 천이 주파수 측정과 동시에 3개 채널 산소 포화도 모듈을 이용하여 경동맥의 적색파장 및 근적외선 파장대를 이용하여 혈액에서 반사된 빛들의 세기를 시간의 흐름에 따라 획득하여 20 s 동안의 산소포화도와 맥박 수를 획득하였다. 측정 대상은 논문의 제 1저자가 자원하여 생체 내 실험을 진행하였다.
III. 실험 결과 및 논의
3.1 제작된 다중모드 패치형 프로브 및 초음파 변환자의 음향 특성 평가
제작된 다중모드 패치형 프로브의 길이와 높이는 각각 44 mm와 54 mm이고 각 채널 사이의 거리는 12 mm 이며 각각의 초음파 변환자는 구동회로의 출력임피던스인 50Ω로 변환을 위한 임피던스 변환 회로를 거쳐 가요성 인쇄기판에 연결되었다(Fig. 2).
제작된 변환자의 시간 영역 임펄스 응답 및 주파수 스펙트럼은 Fig. 3와 같다. 각각의 변환자의 중심주파수는 4.11 MHz ~ 5.85 MHz의 범위에 있으며, 민감도는 2.41 Vpp ~ 2.89 Vpp의 크기를 갖는다(Table 1). 추가적으로 초음파 신호의 효율적인 송/수신을 위해 음향특성이 비슷하게 변환자 쌍을 이뤄 다중모드 패치형 프로브가 제작 되었다.
Table 1. Acoustic properties for fabricated 5 MHz single element transducers.
| -6 dB Center frequency (MHz) | -6 dB Bandwidth | Sensitivity (Vpp) | |
| 1 | 5.2 | 61.5 % | 1.58 |
| 2 | 5.6 | 51.8 % | 2.6 |
| 3 | 5.3 | 59.4 % | 2.25 |
| 4 | 5.2 | 64.1 % | 1.82 |
| 5 | 5.0 | 64.0 % | 2.6 |
| 6 | 5.45 | 60.6 % | 2.67 |
3.2 제작된 패치형 프로브의 경동맥 혈류 속도 측정을 위한 생체 내 실험
제작된 패치형 프로브 내의 초음파 변환자를 이용한 각 채널별 혈류 속도 측정을 통해 도플러 시스템의 유효성을 평가하였다. [Fig. 4(a)]는 타 상용 장비로부터 획득한 혈류속도 스펙트럼과 B-Mode 이미지를 나타낸다. 상용 진단 기기는 펄스모드로 128개의 선형 어레이 변환자를 사용하여 도플러 스펙트럼과 B-mode 이미지를 획득하였다. 도플러 스펙트럼은 경동맥 내에 2 mm의 관심 영역을 설정하여 특정 영역에서 혈류 속도 정보를 획득 하였다.
제작된 패치형 멀티모드 초음파 변환자를 이용하여 같은 사람의 도플러 신호를 획득하였으며, 상용 진단기기를 이용하여 도플러 신호를 획득한 위치에 개발된 다중모드 프로브의 채널 2를 동일하게 위치시켜 각각의 채널에서 획득되는 신호를 측정하여 분석하였다. [Fig. 4(b)]은 각 초음파 변환자 쌍이 순차적으로 획득한 도플러 스펙트럼을 나타낸다. 채널 2의 주파수 스펙트럼은 다른 채널들로부터 획득된 신호와 비교했을 때 가장 명확하게 혈류 속도를 측정 가능하였으며 이는 상용 진단기기와 비교하였을 때, 같은 맥박과 혈류 속도의 추이를 보여준다. 추가적으로 도플러 천이 주파수와 혈액의 진행방향과의 각도에 따라 혈류 속도 계산치가 달라지기 때문에 추후에 초음파 빔 방향과 혈류 사이의 각도를 추적 할 수 있다면 개발된 프로브는 경동맥의 혈류에 대해 보다 정량적인 정보를 제공 할 수 있을 것이다.
3.3 생체 내 실험을 통한 제작된 패치형 프로브의 경동맥 산소포화도 측정 평가
개발된 프로브에서 산소 포화도 측정 모듈의 효용성을 평가하기 위해 초음파 도플러 획득 실험을 진행함과 동시에 경동맥 산소 포화도 측정 실험을 동시에 진행했다. Fig. 5은 선택된 산소 포화도 획득 채널에 따른 시간별 반사된 각 파장별 빛의 세기 추이를 나타내며 채널 2의 각 파장에 따른 시간별 빛의 세기 변환가 가장 명확하게 나타난다. 이의 결과로 채널 2에서 가장 신뢰도 높은 맥박수와 산소 포화도를 측정 할 수 있다. 따라서 개발된 다채널 다중모드 패치형 프로브내의 다채널 산소 포화도 측정 모듈을 이용함으로써 신뢰 할 수 있는 경동맥의 산소포화도와 맥박을 모니터링 할 수 있다.
IV. 결 론
우리는 본 연구를 통해 경동맥 내의 혈류 속도 및 산소포화도, 맥박수를 보다 쉽고 빠르고 측정 할 수 있는 초음파 도플러 및 산소포화도 농도 측정 시스템 기반 심폐소생술 실시 판단 여부에 도움을 줄 수 있는 다중모드 프로브를 개발하였다. 심혈관 질환이 발생 했을 때 치료 시간을 줄이는 것은 환자의 생사 여부에 큰 영향을 미치고, 뇌에 심각한 부상을 예방하는 중요한 요인이다. 그러나 자신감 결여와 실시자의 망설임으로 인한 낮은 심폐소생술 실시율과 잘못된 심폐 소생술로 인해 급성 심실 세동은 환자를 죽음으로 이끄는 가장 큰 질병 중에 하나이다. 이를 해결하기 위한 여러 가지 정책적, 교육적 많은 노력이 실시되고 있지만 이는 여전히 실시자의 주관적인 판단이 필요하고 환자의 심장 기능을 정량적으로 나타내지 못하는 한계가 있다.
따라서 본 연구에서는 경동맥 혈류 속도 및 산소 포화도와 맥박 정보를 동시에 제공함으로써 심장 기능의 진단을 단순화 하고 심폐소생술의 실시 여부 결정에 도움을 줄 수 있는 정량적 모니터링 시스템을 개발하였다. 개발된 다중모드 패치형 프로브는 다채널 초음파 변환자 쌍과 산소포화도 측정 모듈을 사용하여 심장기능을 성공적으로 측정 하였다. 결론적으로 이 연구는 개발된 다중모드 패치형 프로브는 일반인도 보다 쉽게 사용 가능하고 안전한 심폐 소생술 구현을 위한 새로운 도구로서의 가능성을 가지고 있을 뿐만 아니라 불확실한 의료 응급 상황에서 심폐소생술 환자들에 대한 심혈관계 정보를 정량적으로 모니터링 할 수 있는 시스템으로 활용될 수 있다.
