비침습형 센서를 이용한 연속적 생체징후 측정 연구 = Investigation on the Continuous Vital Sign Monitoring using the Non-invasive Sensors

국문 초록 (Abstract)

일반적으로 집중 치료실(Intensive Care Unit, ICU)에서 사용되는 생체 신호 측정법은 고도의 정확도를 요구하기 때문에 침습적인 방법에 기반하는 경우가 많다. 하지만 침습적인 측정법은 감염이나 그로 인한 합병증의 우려가 높으며 환자에게 불쾌감을 느끼게 할 수 있다. 한편 접촉식 측정법은 비접촉식 방법보다는 구속감을 줄 수 있지만 생체 징후를 상대적으로 직접적으로 측정하게 됨으로 정확도는 향상될 수 있다. 본 연구에서는 3축 촉각 센서와 터치스크린을 이용하여 호흡과 혈압을 비침습적이면서 연속적으로 측정하기 위한 방법을 제안하였으며 기준값과 비교를 통해 높은 일치도를 확인하였다. 또한 각 측정법의 결과를 이용하여 혈압 및 호흡과 관련된 해부학적 및 생리학적 작동 기전이 반영된 수학적 모델링을 제시하였다.
3축 촉각 센서를 이용한 기립경 검사에서는 개인 내 혈압 변동이 급격하게 발생하는 경우에 대해서도 혈압 값을 연속적으로 측정이 가능함을 보임과 동시에 기립 자세를 유지하는 동안 발생되는 자율신경계의 조절 기전을 수축기 혈압의 포락선을 통해 수식적으로 표현하였다. 뿐만 아니라 3축 촉각 센서를 이용하여 동맥의 경직도 측정으로 알려져 있는 맥파 전달 속도 측정이 가능함을 보였으며, 동맥 경직도에 따른 혈압 및 맥파의 특징을 파동방정식을 통해 분석하였다. 터치스크린을 통한 호흡 측정은 후측 하단 늑골에서 호흡에 따라 발생하는 호흡 운동을 기록하여 측정하였으며 이를 바탕으로 호기와 흡기에서 발생되는 터치스크린과의 접촉 면적 변화를 바탕으로 흉곽과 늑골의 모델링을 통해 호흡과 관련된 근골격계의 움직임 범위를 추정하였다.
본 연구는 기존의 비침습적 측정법이 가지고 있었던 측정의 비연속성과 환자의 구속성의 문제를 새로운 측정법을 통해 해결하였으며 더 나아가 그로부터 자율신경계 및 호흡 기능의 수식적으로 분석하였다는 점에서 의미가 있다. 추후 3축 촉각 센서는 심실보조장치 이식 환자와 같이 지속적인 혈압 모니터링이 필요하지만 커프 기반의 혈압계로는 혈압 측정이 어려운 경우 그 활용도가 높을 것으로 보인다. 터치스크린을 이용한 호흡 측정법은 호흡 기능의 재활 치료에서 기능의 향상 평가를 하는 경우나 신생아 집중치료실에 있는 환아 대상의 무구속 호흡 측정법으로 활용 가능성이 높을 것으로 기대된다. 또한 3축 촉각 센서와 터치스크린을 함께 이용한다면 호흡 신호의 영향을 최소화한 심박변이도 분석에 적용될 수 있을 것으로 보인다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Vital signs are usually monitored using invasive techniques, especially in intensive care units, to ensure high accuracy in measurement, but they suffer from inconvenience in daily activities and potential risks of infection. Among others, contact based methods require patients to be constrained in specific postures, but is expected to more directly and correctly estimate vital signs compared to non-contact based methods. In this study, we proposed a non-invasive and continuous blood pressure and respiration monitoring mechanism using three-axis tactile force sensor and capacitive touchscreen, along with mathematical models reflecting anatomical and physiological factors. The extracted vital signs were compared with reference data to verify their reliability.
In head-up tilt test for evaluating orthostatic hypotension with three-axis tactile force sensor, we demonstrated the possibility of continuous data acquisition despite rapid gradients in blood pressure values and showed better performance than cuff-based non-invasive measurement. Regulatory responses from the autonomic nervous system were derived mathematically with signal envelope of systolic blood pressure. Moreover, three-axis tactile force sensor was also used to estimate pulse wave velocity, and the correlation between arterial compliance and its pulse waveform was investigated. The respiratory movement was detected at posterior lower ribs, and changes in touch screen contact area during exhalation and inhalation were examined to estimate movable range of the musculoskeletal system.
The contribution of this study is to suggest a new method for monitoring blood pressure and respiration non-invasively, addressing issues regarding continuous measurement and constraint minimization for patients, and also to analyze the autonomic nervous system and respiratory functions from each results. As an example, blood pressure monitoring with 3-axis tactile sensor can be applied for patients with implanted ventricle assistance device, for which the conventional cuff-based NIBP cannot take into account both natural and artificial pulse waves. Respiration monitoring with touch screen is applicable for rehabilitation treatment of respiratory functions and for infants, especially in neonatal intensive care unit, as a unconstrained method. The two monitoring schemes can also be combined for more specific analysis of autonomic nervous system and heart rate variability by dividing the respiration signal from the pulse information.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1. 연구의 배경 1
• 1.2. 기존의 생체 징후 측정법과 문제점 4
• 1.2.1. 혈압 측정법 4
• 1.2.1.1. 침습적 혈압 측정법 8
• 1.2.1.2. 비침습적 혈압 측정법 9
• 1.2.2. 호흡 측정법 15
• 1.2.2.1. 비접촉식 호흡 측정법 19
• 1.2.2.2. 접촉식 호흡 측정법 20
• 1.2.3. 심박수 및 체온 측정법 21
• 1.2.3.1. 심박수 측정법 21
• 1.2.3.2. 체온 측정법 23
• 1.3. 요약 및 연구의 목표 24
• 제 2 장 비침습형 센서를 이용한 연속적 생체 징후 측정법의 제안 27
• 2.1. 3축 촉각 센서를 이용한 혈압 측정법 27
• 2.1.1. 3축 촉각 센서의 작동 원리 및 특성 분석 27
• 2.1.2. 요골동맥에서의 혈압 측정을 위한 특성 분석 32
• 2.1.2.1. 요골동맥에서의 맥박 감지 배경 32
• 2.1.2.2. 맥파 감지를 위한 요골동맥의 특성 분석 34
• 2.1.2.3. 3축 촉각 센서의 압력 조건 분석 39
• 2.1.3. 3축 촉각 센서를 이용한 혈압 측정 45
• 2.1.3.1. 실험 설정 45
• 2.1.3.2. 데이터 분석 47
• 2.1.3.3. 결과 분석 50
• 2.1.3.3.1. 선형회귀분석 결과 51
• 2.1.3.3.2. 블랜드-앨트먼 분석 결과 53
• 2.1.3.3.3. 급내 상관계수 분석 결과 55
• 2.1.4. 요약 56
• 2.2. 터치스크린을 이용한 호흡 측정법 58
• 2.2.1. 터치스크린의 작동 원리 및 특성 분석 58
• 2.2.2. 터치스크린 기반의 호흡 측정을 위한 조건 분석 63
• 2.2.2.1. 접지 조건에 따른 특성 분석 64
• 2.2.2.2. 접촉 물체의 움직임에 따른 특성 분석 70
• 2.2.2.3. 노이즈 분석과 제거 방법 73
• 2.2.2.3.1. 스파이크 노이즈 73
• 2.2.2.3.2. 공통 모드 노이즈 80
• 2.2.2.3.3. 센싱 라인에 의한 오류 82
• 2.2.3. 터치스크린을 이용한 호흡 측정 84
• 2.2.3.1. 실험 설정 84
• 2.2.3.2. 데이터 및 결과 분석 85
• 2.2.4. 호흡 기능 평가를 위한 늑골의 모델링 90
• 2.2.5. 요약 94
• 제 3 장 비침습형 센서를 이용한 연속적 혈압 측정과 자율신경계 균형 분석 95
• 3.1. 기립경 검사를 통한 자율신경계 균형 분석 95
• 3.1.1. 기립성 저혈압과 기립경 검사 95
• 3.1.2. 실험 설정 97
• 3.1.3. 데이터 분석 98
• 3.1.4. 결과 분석 101
• 3.1.5. 측정 결과의 생리학적 근거에 기반한 모델링 109
• 제 4 장 비침습형 센서를 이용한 혈관 경직도 분석 118
• 4.1. 3축 촉각 센서를 이용한 맥파 전달 속도 분석 118
• 4.1.1. 맥파 전달 속도 118
• 4.1.2. 실험 설정 122
• 4.1.3. 데이터 및 결과 분석 122
• 4.2. 혈관 경직도와 맥파 전달 속도의 모델링 124
• 4.2.1. 혈관 탄성도에 따른 혈압 변화 특성의 수식적 분석 125
• 4.2.2. 파동 방정식을 통한 혈관 경직도에 따른 맥파 특성 분석 126
• 제 5 장 결론 및 향후 연구 방향 130
• 5.1. 결론 및 고찰 130
• 5.2. 향후 연구 방향 133
• 5.2.1. 3축 촉각 센서를 이용한 심박변이도 분석 133
• 5.2.2. 터치스크린을 이용한 NICU에서의 호흡 측정 136
• 5.2.3. 호흡 변이도를 고려한 심박변이도 분석 141
• 참고문헌 144
• Abstract 164