GUI 기반 제세동 훈련기의 패들 위치 및 압력 모니터링 시스템 개발

국문 초록 (Abstract)

최근 스트레스와 서구화된 식습관, 노령화 등으로 심장 질환 환자의 수가 늘어나고 있다. 심장은 순환계의 중심 장기로 혈액을 순환시켜 생명활동을 유지하게 해주는 기관이다. 제세동은 심장에서 발생한 세동(fibrillation)을 제거(defibrillation)해 주는 것으로 성공적인 제세동은 정확한 위치와 정확한 압력, 적절한 에너지를 통해 이루어진다.
본 논문에서는 패들의 위치와 압력을 모니터링 하는 새로운 제세동훈련장치를 제안했다. 제안된 장치는 패들 위치를 검출하기 위해 무선 충전 방법 중 전자기 공진기(electromagnetic resonator)를 사용한다. 전자기 공진은 송신 안테나로부터 넓은 주파수 범위의 신호(전계)가 방출될 때, 수신안테나의 공진주파수와 일치하는 신호를 수신한다.
제세동은 환자의 우측 상단 위치인 Sternum과 좌측 하단 위치인 Apex에 패들을 접촉하여 전기자극을 주게 된다. 따라서 제세동 훈련을 위해선 흉부모델과 패들이 필요하다. 패들의 위치 검출을 위해 패들에는 신호코일을 배치하였고, 흉부모델에는 검출코일을 배치하였다. 신호코일에 순차적으로 신호를 보내면 흉부모델의 검출코일 중 신호코일의 주파수와 일치하는 코일의 전압 값을 A/D 변환 후 마이크로프로세서에 저장된 좌표 값 따라 패들의 위치를 알 수 있다.
전자기파를 사용하는 회로는 고주파일수록 효율이 좋지만 사용한 마이크로프로세서의 한계주파수로 인해 34 [kHz]를 사용하였고 나란히 배치 된 신호코일에 순차 신호를 보내기 위해 멀티플렉서를 사용하였다. 34 [kHz]의 신호에 공진 할 수 있도록 검출코일은 LC공진회로를 사용하였다.
위치 검출 성능을 알아보고자 X-Y 위치조절스테이지를 사용하여 위치별 전압 측정 실험을 수행하였으며, 측정된 각 검출코일별 전압 값을 문턱전압(Threshold voltage)으로 적용하여 문턱전압 이상 값들의 비율을 통해 위치 검출 알고리즘을 구성하였다. 제세동은 정확한 위치와 정확한 압력이 필요하기 때문에 압력 검출 장치 또한 필요하다. 압력은 면적에 힘을 가하는 것으로 면적상에 힘의 분포를 알 필요가 있으며 힘의 양을 측정해야 한다. 패들에 변위센서와 스프링 장치를 네 곳에 배치하였다.
힘의 측정은 훅의 법칙에 따라 스프링 상수와 변위 값을 통해 힘을 측정하여 1 [kg]씩 무게를 추가하여 0∼15 [kg]의 범위를 20회 측정한 표준 값을 사용하였다. 제세동 훈련 실습 장치는 GUI(Graphical User Interface)를 사용하여 실습자가 제세동을 실시하는 동안 모니터링이 가능하도록 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently the number of heart disease patients is increasing due to stress, westernized eating habit, and aging etc. Heart is an essential organ of the circulatory system and it maintains a life activity by circulating a blood. defibrillation removes fibrillation originated from a heart and a successful defibrillation comes true by applying the difibrillator paddles at correct location, pressure and voltage. In this thesis, I proposed A novel defibrillation training apparatus which monitors the locations and pressures of paddles.
The proposed apparatus uses an electromagnetic resonator among wireless charging methods to detect the paddle location. The electromagnetic resonator receives method of receiving the signal coinciding with the resonant frequency of a receiving antenna when a signal (electric field) with a wide frequency range is emitted from a receiving antenna.
defibrillation gives a electrostimulation by making a paddle contact a sternum at the right upper part of a patient and an apex at the left lower part of the patient. Therefore a brest model and a paddle are needed for a defibrillation training. To find out the location of paddles on the brest model, coils are allocated at the brest model and paddle. The signal coil was arranged in parallel on the paddle, and the detection coil was arranged in the lattice on the brest model. When the signal is sequentially transmitted to the signal coil, the voltage value of the coil coinciding with the frequency of the signal coil in the detection coil of the brest model can be A/D converted and the position of the paddle can be known according to the coordinate value stored in the microprocessor.
It is recommended to use a high frequency for the circuit that uses electromagnetic wave, but I used 34[kHz] because of the threshold frequency of micro-processor used. I used a multiplexer to send a sequential signal to the signal coil allocated in parallel, and an LC resonant circuit as a detection coil so that it can resonant to the signal with 34[kHz].
I used a X-Y Positioning stage to find the performance of location detection and then I carried out a voltage measurement Test. By applying the voltage value per detection coil as threshold voltage, I constituted a location detection algorithm through the percentage of outliers of the threshold voltage.
As defibrillatior needs correct Paddles location and pressure, a pressure detection equipment is also needed. Pressure is applying force to an area and it is necessary to measure the distribution of force and therefore the amount of force has to be measured. I placed a displacement sensor and a spring device at the paddle in 4 locations.
For the measurement of force, the force was measured by the spring constant and the displacement value according to the Hook's Law, and the standard value was measured 20times in the range of 1 to 15[kg] by adding the weight by 1[kg].
The defibrillation training exercise device uses a graphical user interface(GUI)so that the practitioner can monitor during the exercise.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 목차 ⅰ
• List of Figures ⅲ
• List of Tables ⅳ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구배경 및 필요성 1
• 2. 제세동기(defibrillator) 2
• 3. 연구목표 3
• 4. 논문의 구성 4
• Ⅱ. 위치검출장치 5
• 1. 위치감지코일의 특성 5
• 1) LC공진회로의 특성 6
• 2) 코일의 제원 7
• 3) 실험의 필요성 및 방법 8
• 2. 최적조합검출실험 8
• 1) 실험 목적 8
• 2) 실험 제원 8
• 3) 실험 방법 9
• 4) 회로도 9
• 5) 실험 결과 9
• 3. 위치 별 전압특성분석 10
• 1) 실험 목적 10
• 2) 실험 제원 10
• 3) 실험 방법 11
• 4) 회로도 11
• 5) 실험 결과 12
• 4. 회전각도에 따른 전압특성 15
• 1) 실험 목적 15
• 2) 실험 제원 15
• 3) 실험 방법 16
• 4) 회로도 16
• 5) 실험 결과 16
• 5. 코일의 위치검출성능분석 16
• Ⅲ. 압력검출 장치의 구성 19
• 1. 압력검출장치 구성요소선정 19
• 2. 압력검출회로도 21
• 3. 압력검출알고리즘 22
• Ⅳ. 제세동 훈련 장치 23
• 1. 패들어댑터의 구성 23
• 1) 조건 및 구성 23
• 2) 패들어댑터의 구동 회로도 24
• 3) 압력검출센서의 ADC 교정(calibration) 25
• 2. 흉부모델의 구성 27
• 1) 조건 및 구성 27
• 2) 위치검출 알고리즘 29
• 3) GUI 시스템 30
• Ⅴ. 결과 31
• 1. 제세동 훈련 시나리오 31
• 2. 제세동 훈련 시뮬레이션 32
• 3. 제세동 훈련 시뮬레이터 분석 34
• Ⅵ. 결론 및 토의 35
• Ⅶ. Reference 36
• Ⅷ. 부록 37