물리적 기법을 이용한 생체계측

물리적 기법을 이용한 생체계측 1. 생체전위(biopotential) (1) 생체전위의 근원 Excitable cell - 전기자극에 대해 반응하여 전기적 흥분을 보이는 세포 - 전기적 흥분에 따라 활동전위(action potential)을 유발, 신경섬유를 통해 전달 Volume conductor - 활동전위는 신체 내에 전기장 형성 - 신체는 전기장이 형성되는 물체(volume conductor)로 간주됨. Biopotential - 신체내 전기장의 강도를 특정부위의 전압으로 측정.   (2) 임상적 생체전위 신경전도(ENG, elctroneurogram) : 말초신경 부근에 전극을 설치하여 자극 후 생체전위 측정, 신경전도속도 및 지연시간 등을 계측 근전도(EMG, electromyogram) : 근육(motor unit) 근처에 전극을 설치하여 수축작용 측정. 심전도(ECG, electrocardiogram) : 신체표면에 전극을 설치하여 심장의 전기활동 측정 뇌전도(EEG, electroencephalogram) : 머리주변에 표면전극을 설치하여 뇌의 전기활동 측정. 망막전도(ERG, electroretinogram) : 망막의 내측면이나 각막에 전극을 설치하여 시각반응현상을 측정 Electro-oculogram(EOG) : 눈 주변에 표면전극을 설치하여 눈동자의 운 동상태를 측정 (3) 유발전위(EP, evoked potential) 말초감각기관을(시각, 청각) 동일한 형태로 반복자극 뇌파를 측정하여 자극시점을 기준으로 평균합산(ensemble average) 평균과정에서 잡음은 제거되고 신경반응은 증폭됨. 말초감각의 자극전달경로 평가 2. 혈압의 측정 (1) 직접측정법 혈관내로 fluid-filled catheter삽입. Catheter에 strain-gauge type의 압력센서를 연결하여 혈압파형계측. 혈압을 실시간적으로 계측 가능. 간혹 초소형 혈관내 압력센서를 직접 삽입하여 혈압측정 : 동특성 우수. (2) 간접측정(sphygmomanometry) -말단(팔) 부위에 압박주머니(cuff)를 부착한 후 압력 증가 -Cuff 내압(Pc)이 수축기 압력(Ps)보다 높으면 동맥 폐쇄, 혈액순환중지 -서서히 Pc를 내리며 말단표면에서 청진, 동시에 Pc관찰. -Pc=Ps에 이르면 혈액흐름이 시작되고 와류에 의한 소리(korotkoff sound) 발생 → Ps확인. -Pc=PD(이완기압력)에 이르면 와류가 사라져 소리소멸 → PD확인.   3. 심음의 측정(phonocardiography) 혈액의 가속과 감속, 심장밸브의 개폐 등으로 소리 발생. Heart sound : 정상적인 소리로 청진 혹은 마이크를 사용하여 심음 기록 - 1st, 2nd, 3rd, 4th sound로 구성 - 3rd, 4th sound는 청진불가 Murmur : 심혈관계 내에 와류가 발생하여 들리는 심음으로 진단에 사용. 4. 혈류의 측정 (1) Fick's technique을 이용한 CO의 측정 CO(Cardiac output) : 1분 동안에 좌심실이 대동맥으로 박출하는 혈액양, 대동맥 혈류와 동일(정상성인: 약 5l/min) 산소의 질량 보존원리에 입각하여 흡식 및 호식 공기중의 산소농도와 1분당 호흡량(minute ventilation), 동맥 및 정맥혈액의 산소농도를 측정하여 CO계산. 측정변수가 여러개이므로 다소 부정확함.   (2) Indicator dilution technique을 사용한 CO의 측정 가. Dye dilution technique Peripheral vein으로 dye용액을 bolus injection 혈액흐름에 따라 dye가 흘러가며 희석되고 희석되는 정도는 혈류에 관계 동맥혈액을 연속적으로 추출, dye농도를 계측하여 dye curve를 구성 CO=주입한 dye 질량(m)/dye curve의 면적(S) dye의 대사속도가 늦기 때문에 반복측정 불가 나. Thermo-dilution technique Dye대신 0 4℃의 찬 물을 우심방으로 주입 Swan-Ganz catheter를 폐동맥에 위치시킨 후 혈액온도 측정 온도 curve로부터 CO를 계산(dye방식과 유사) 반복측정 가능   (3) Electromagnetic flow meter 자장(B)내를 수직으로 운동(u)하는 도체에는 기전력(e) 발생 (Faraday's law of induction) 적혈구의 주성분은 Fe이므로 도체로 작용 혈관벽에 자장을 인가, 자장과 수직한 양 방향 벽에 백금전극을 부착하여 e측정 : 특정혈관의 혈류 계측 (4) 초음파유량계 가. 통과시간 유량계 초음파의 혈액내 음속 = 음속 + 혈류속도 초음파가 혈관을 통과하는 시간을 측정하여 혈류계산 나. 도플러 유량계 초음파가 적혈구에 반사될 때 주파수 변이 발생 입사파와 반사파 간의 주파수(진동수) 차이를 측정하여 혈류계산 다. 펄스 도플러 펄스형태의 짧은 기간동안 초음파 발사 혈류의 여러 층에서 반사되는 초음파 감지 혈류속도의 분포를 영상화 와류부분을 색깔로 표시(pseudo-color)하여 진단에 활용.   (5) Photo-plethysmography 광원으로부터의 빛이 모세혈관을 통과, 투과하거나 뼈에서 반사되는 빛을 감지 모세혈관 내 광 흡수량은 심장박동과 동기되어 주기적으로 변화하므로 심장박동의 측정이 가능. 주로 손가락이나 귀에 부착하여 수술중 환자감시용으로 활용. 5. 호흡기의 기능평가법 (1) 기본원리 외부환경으로부터 폐모세혈관으로 산소가 얼마나 잘 유입되는지가 관건 (이산화탄소의 경우에는 반대방향) 공기의 공급경로의 기능을 반영하는 지표를 설정, 측정하여 평가. (2) 평가기능 환기능(ventilation) : 외부공기가 기도를 통하여 폐포로 잘 전달되는 기능 분포능(distribution) : 폐 내에서 공기가 폐포 간에 균형있게 분포하는 기능 확산능(diffusion) : 폐포내 공기과 폐 모세혈관 내 혈액 간에 O2, CO2를 잘 교환하는 기능 (3) 측정이 필요한 생체변수 기체압력 폐용적(부피) 호흡기류 기체농도 6. 기체압력의 측정 (1) 차동압력계(differential pressure transducer) 대기압을 기준으로 호흡하므로 대기압에 대한 상대적 압력차이(차동압력)의 계측이 필요. strain-gauge type의 압력센서 사용 차동압력을 측정하고자 하는 부위에 P1, P2 catheter를 연결하여 △P 계측 (2) Intraesophageal balloon technique 식도내압의 변화 늑막내압의 변화 : 폐포내압의 변화를 반영 다음과 같은 balloon-catheter system을 식도로 삽입시키고 balloon을 약간 부풀린 후 식도 balloon catheter로 전달되는 압력을 strain-gauge type의 압력센서로 계측 7. 폐용적의 측정 (1) Water spirometer 폐 내 공기와 연결됨과 동시에 외부공기와 단절된 closed system 형성 외부공기와의 단절은 물을 사용 폐 용적의 변화는 연결된 closed system의 용적변화로 나타남. (2) He dilution technique 폐 모세혈관으로 확산되지 않는 inert gas인 He이 폐 내에서 희석되는 정도로부터(He의 질량보존) 폐용적 측정 - 부피가 Vsp이고 He 농도가 [He]i인 water spirometer를 폐용적이 VL 인 상태의 환자와 연결. - 환자는 water spirometer내의 공기로 rebreathing - 일정시간 후 공기를 소량 추출하여 He농도 [He]f 측정 - He 질량보존원리를 이용하여 VL 계산 Vsp·[He]i = (Vsp+VL)·[He]f (3) N2 washout technique 폐 모세혈관으로 확산되지 않는 inert gas인 폐 내의 N2를 외부로 모두 씻어내어 폐용적 측정 - 폐용적이 VL인 환자가 100% O2를 흡식 - 분리된 경로로 호식하되 호식공기를 보관 - 수 분간 계속한 후 호식한 공기 중의 N2농도 측정 - N2가 빠져 나온 상태에서 N2의 질량보존원리를 이용하여 폐용적 계산 (4) Whole body plethysmography(WBP) 밀폐된 상자안에 전신을 위치시키고 기도를 폐쇄한 후 자발적으로 폐 내 공기를 압축, 팽창(panting)시켜 전신의 용적변화 유발 전신용적의 변화에 따라 상자내 공기의 압축, 팽창 유발 상자 내 공기의 압력 변화와 폐내 공기의 압력변화로부터 Boyle-Charles의 법칙에 따라 폐용적 계산 폐포내압 및 기도저항의 측정에도 활용   8. 호흡기류의 측정(pneumotachography) 기류가 유체저항을 통과할 때 마찰에 의해 에너지를 손실하고 압력강하발생 유체저항 양단의 차동압력을 strain-gauge type 압력센서로 측정하여 기류 계산 기류흐름의 안정을 위해 adaptor 사용   9. 기체농도의 측정 (1) Mass spectroscopy Sample gas를 추출하여 고전압으로 이온화시킨 후 진공용기 내로 살포. 기체 분자 별로 일정거리를 비행하므로 거리에 따라 기체분자를 분리, 이온 전류를 측정하여 농도계산(O2, CO2, N2, He) (2) Thermal conductivity detector 기체가 가열소자를 지날 때 빼앗는 열이 기체 조성에 관계되는 성질 이용 가열소자 4개를 Wheatstone bridge의 형태로 배열하고 기준기체와의 열손실을 비교하여 농도 계산 (3) Infrared Spectroscopy 적외선이 기체에 의해 흡수되는 정도를 측정하여 농도 계산. CO2, CO, N2O 등의 농도 측정 (4) Emission Spectroscopy N2 함유기체가 이온화된 후 발생시키는 빛의 에너지(파장:310-480nm)를 측정하여 농도 측정 (5) Paramagnetic O2 analyzer O2는 자성을 띄므로 O2 함유기체가 발휘하는 자성을 측정하여 농도 계산   출처 : (미소.원봉윤.삼성의료원 시설관리팀)님.