자계용적맥파를 이용한 실시간 혈압 추정 시스템 구현

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The necessity of real-time blood pressure estimation system rises especially for preparing sudden occurrence of an accident due to vascular disease or hypertension. However, the existing blood-pressure monitoring devices are mostly using a cuff method intermittently. This blood- pressure monitor is using a prevents the flow of blood, the measurement is difficult more than 5 times a day and the output vary depending on a patient's sitting position and position of a cuff. For the same reason, the false diagnosis often can happen because the result value differ from depending on the location or pressure of a cuff. With other blood pressure measurement, there is an invasive blood-pressure monitoring method to be placed directly inside a blood vessel. but, this method can impose the burden to the patient at each measurement as well as to the risk of bleeding and infection. Therefore, in this paper, complements the above method, to obtain the PWV with the MPG and secondly, Blood pressure estimation system was investigated by the correlation analysis between cuff blood-pressure and PWV.
PTT is required to estimate PWV. PTT implies the time difference between the reference point of pulse wave and R peaks of ECG. Using the inductor of the tank circuit of the Colpitts oscillator with the sensor coil so that the magnetic field was generated change with time.
Two sets of experiments were conducted for each subject in the protocol of 10 seconds rest, 30 seconds measurement of blood pressure(cuff), 30 seconds rest measured with a double set to determine the linear characteristics of the signal made by using the Valsalva breathing pressure displacement. As a result, the correlation coefficient of obtained in a time difference between the inflection point of MPG and R-peak of ECG and diastolic pressure measured by cuff blood pressure monitor is -0.8045 which denoted a linear relationship strong negative. For systolic blood pressure is -0.5576 which shows a linear relationship weak negative. The correlation coefficient of obtained in a time difference between the inflection point of MPG and R-peak of ECG and diastolic pressure measured by cuff blood pressure monitor is -0.7742 which showed a linear relationship strong negative. For systolic blood pressure is -0.5781 which showed a linear relationship weak negative. Removing the possibility of sudden changes in blood pressure and calculating the mean value of systolic and diastolic blood pressure and comparing with respectively. As a result, the correlation of the mean value of cuff blood pressure and is -0.8040, showed a linear relationship, strong negative. and the correlation of the mean value of cuff blood pressure and is -0.7933, also showed a linear relationship, strong negative. -0.7933. Inflection point of MPG is useful for PWV calculation and systolic BP, diastolic BP and mean BP showed that the correlation coefficient is high in this order.

국문 초록 (Abstract)

혈관 질환이나 고혈압 환자 같은 경우에 갑자기 발생하는 사고를 대비하기 위한 실시간 혈압 추정 시스템에 대한 수요가 늘어나고 있다. 하지만 기존 혈압계 제품 들은 간헐적으로 측정하는 커프(cuff)식이 대부분이다. 이러한 커프식 혈압계는 인위적으로 혈액의 흐름을 막기 때문에 하루 5회 이상 측정이 어려우며 커프 압력계의 착용 위치, 사용자의 앉은 자세나 팔의 위치 등에 따라 결과 같이 달라 정상인을 고혈압 환자로 오진하거나, 고혈압 환자를 정상으로 판별하는 등의 의료 사고를 종종 볼 수 있다. 또 수술이 필요한 환자나 심각한 상태의 고혈압 환자 등의 연속적인 관찰이 필요한 환자에게는 혈관 내부에 직접 위치시켜 측정하는 침습적 혈압 감시 방법(invasive blood pressure monitoring method)이 사용되어지고 있는데, 이러한 침습적 방법은 출혈 및 감염에 위험할 뿐 만 아니라 측정 시마다 사용자에게 부담을 줄 수 있다. 따라서 본 논문에서는 위 방법을 보완하여 자계용적맥파(MPG)를 이용해 맥파전달속도(PWV)를 구하고 커프 혈압계와 상관 분석을 통해 MPG 혈압 추정 시스템을 고찰하였다.
PWV를 구하기 위해서는 맥파전달시간(PTT)가 필요하다. PTT는 심전도의 R 피크와 맥파의 기준 지점간의 시간차이로 구하기 때문에 심전도와 맥파를 동시에 측정할 수 있는 시스템을 구현하였다. 콜피츠 발진기의 탱크회로(tank circuit) 내부 인덕터 부분을 코일 센서로 제작하여 시간에 따라 변하는 자기장이 발생되도록 하였다. 코일 센서는 3 cm x 24 cm의 인덕턴스 8.0 uH의 코일이며 13턴으로 고정하였고 발생 주파수는 2.0 MHz이다. 시간에 따라 변하는 자기장이 측정하고자 하는 손가락에 발생되면 혈액에 와전류가 발생되고 와전류에 의한 2차 자기장이 전체 자기선속을 변화시켜 콜피츠 발진 주파수를 변동시킨다. 발생된 주파수는 위상동기루프(PLL)의 주파수 복조 원리로 기준 주파수와 비교를 통해 주파수 변화량을 전압으로 보상한다. PLL의 출력은 동기 보상 원리의 락인앰프(LIA)로 입력된다. LIA는 내부에 입력되는 555타이머의 기준 주파수가 입력된 신호를 스위칭하여 여러 주파수 성분의 잡음에서 MPG 신호를 분리 시킨다. 또 끝 단에 위치한 증폭기로 분리 시킨 신호를 10배에서 10000배 증폭시켜 MPG 신호를 출력한다. 심전도(ECG) 시스템은 AD8232('TI)를 사용했으며 아인트호벤 3전극법을 사용해 LeadII를 측정하였다. 제작한 시스템을 사용해 MPG의 변곡점과 피크점을 기준으로 , 를 구해 PWV를 각각 구하였다.
실험은 피험자 한명 당 두 세트로 진행하였다. 10초 휴식, 30초 커프 혈압계, 30초 휴식을 1세트로 두 번 측정하며 신호의 선형적인 특성을 확인하기 위해 발살바 호흡법을 사용하여 혈압 변위를 만들었다. 그 결과 MPG의 변곡점과 ECG 피크 간 시간으로 구한 와 커프 혈압계로 측정한 이완기 혈압과의 상관계수는 -0.8045의 강한 음의 선형 관계를 보였고, 수축기 혈압과는 -0.5576으로 약한 음의 선형 관계를 보였다. MPG의 피크점과 ECG 피크 간 시간으로 구한 와 커프 혈압계로 측정한 이완기 혈압과의 상관계수는 -0.7742로 와 이완기 혈압 간 상관계수 보다 적지만 -0.7이상의 강한 음의 선형 관계를 볼 수 있었고 수축기 혈압과 비교 했을 때 상관계수 -0.5781로 약한 음의 선형 관계를 보였다. 갑자기 변할 수 있는 혈압의 가능성을 제거하고 수축기와 이완기 혈압의 평균(Mean)값을 구하여 와 각각 비교하였다. 결과 커프 평균 혈압과 와 평균혈압의 상관계수는 -0.8040으로 강한 음의 선형 관계를 보였고 와 평균혈압의 상관계수는 -0.7933으로 또한 강한 음의 선형관계를 보였다. PWV 계산을 위해 MPG 기준점으로 변곡점이 유용하며 수축기 혈압, 이완기 혈압, 평균 혈압 순으로 상관계수가 높은 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구의 필요성 1
• 2. 연구 목적과 목표 3
• 3. 관련 연구 및 시장 동향 4
• Ⅱ. 연구 기본 이론 7
• 1. 와전류(Eddy current) 발생원리 7
• 2. 와전류에 의한 인덕턴스의 변화 원리 9
• 3. 표면효과(Skin effect)에 의한 영향 10
• Ⅲ. 생체신호 측정 원리 12
• 1. 광용적맥파(PPG) 측정 원리 12
• 2. 심전도(Electrocardiography)측정 원리 14
• Ⅳ. 맥파전달속도를 이용한 혈압 추정 방법 17
• 1. 측정 알고리즘 19
• Ⅴ. 혈압 측정 통합 시스템 설계 22
• 1. 측정 센서 22
• 2. 자계용적맥파 시스템 24
• 3. 심전도 시스템 30
• 4. AD 보드 및 컨트롤 모듈 31
• Ⅵ. 실험 34
• 1. 실험 구성 및 방법 34
• Ⅶ. 결과 37
• 1. 자계용적맥파 및 광용적맥파 상관관계 분석 37
• 2. 추정 혈압과 자계용적맥파 간 비교 실험 39
• Ⅷ. 결론 47
• 참고문헌 49
• ABSTRACT 51
• 발표논문 54