http://dx.doi.org/10.5369/JSST.2017.26.2.101 pISSN 1225-5475/eISSN 2093-7563
종방향 전기장 근접 감지 방식 수액 주입 측정 센서
김영철1 · 세이크 파이잘 아마드1 · 김현덕2,+
Intravenous Infusion Monitoring Sensor Based on Longitudinal Electric Field Proximity Sensing Technique
Young Cheol Kim1, Sheikh Faisal Ahmad1, and Hyun Deok Kim2+
Abstract
A novel intravenous (IV) infusion monitoring sensor is presented to measure the drop rate in the drip chamber of an IV infusion set.
It is based on a capacitive proximity sensor and detects the variation of the longitudinal electric field induced by the drop falling into the drip chamber. Unlike the conventional capacitor sensor with two semi-cylindrical conductor plates, the proximity sensor for IV mon- itoring is composed of a pair of conductor rings which are mounted on the outer surface of the drip chamber with a specific gap between them. The characteristics of the proximity sensor for IV monitoring were investigated through three dimensional electrostatic sim- ulations. It showed quite superior performances in comparison with the conventional capacitor sensor. Especially, the proposed prox- imity sensor exhibits consistent sensitivity regardless of its mounting position on the drip chamber, operates normally though the drip chamber is tilted and shows robustness to the changes of the drop size and the drip factor of the IV infusion set. Thus, the proximity sensor for IV monitoring is more suitable for use in actual environment of IV therapy compared with the conventional capacitor sensor.
Keywords: Intravenous therapy, Drip chamber, Proximity sensor, Capacitive sensor, Longitudinal electric field, drop detection
1. 서 론
정맥주사(IV infusion)를 이용하여 질환을 효과적으로 치료하 기 위해서는 환자 정맥에 주입되는 수액 종류와 함께 환자 연 령 및 건강상태, 질환종류 등을 종합적으로 고려하여 주입속도 (drip rate)를 조절하는 것이 중요하며[1], 수액이 소진된 빈 수 액세트(IV set)가 장시간 환자에게 연결된 채 방치되지 않도록 해야 한다[2]. 수액 주입속도는 사용자가 설정하는 시간 당 낙 하 점적 수 및 수액세트(점적통)의 점적계수(drop factor) 즉, 체
적 당 점적 수(drops/ml)를 이용하여 계산할 수 있으므로 특정 수액세트를 사용할 경우, 단위 시간 당 점적통으로 낙하하는 점 적 수를 정확히 헤아릴 수 있으면 주입속도를 계측할 수 있다[3].
수액 주입속도와 주입상태 등을 모니터링하기 위해 다양한 수 액 주입 측정 시스템들이 개발 되었는데, 기존 시스템들은 대부 분 수액 주입 감지 센서 모듈을 수액세트의 점적통(drip chamber) 겉면에 결합하여 사용함으로써 분 당 낙하 점적 수(drops/min) 를 계측한다. 한편, 주입속도 및 주입상태를 실시간으로 원격 모 니터링하기 위해 수액 주입 측정시스템에 다른 장치 등으로 정 보를 전달할 수 있는 통신 모듈을 부가적으로 사용하는데, 효과 적인 관리와 환자 이동 편의성을 높이기 위해 센서 모듈과 통 신 모듈은 대부분 소형 배터리로 구동된다[4].
수액 주입 측정 시스템의 핵심 요소인 수액 주입 감지 센서 는 초음파, 광파(빛), 전기장 등을 활용하여 다양하게 구현 가능 한데, 각 센서가 기반한 기술 특성에 따라 다양한 장단점을 가 지고 있다. 예를 들어, 초음파를 이용한 방식은 외부 진동이나 환자 이동 등으로 인한 외란에 취약한 단점이 있다. 광파(빛)를 이용한 방식은 광원에서 지속적으로 방출되는 빛을 수광 소자 가 감지하여 수액 주입상태를 모니터링하게 되는데, 점적통이 기울어진 상태로 수액이 주입되면 오작동 우려가 높고, 외부 주 변광의 세기에 따라 측정 정확도가 낮아지는 문제점이 있다[5].
특히, 이 방식은 센서 동작 과정에서 광원이 지속적으로 빛을
1경북대학교 첨단정보통신융합산업기술원(Institute of Advanced
Convergence Technology, Kyungpook National Unversity)
3D Convergence Technology Center, 70 Dongnae-ro, Dong-gu, Daegu 41061, Korea
2경북대학교 전자공학부(School of Electronics Engineering, Kyungpook National Unversity)
SoEE IT3-602, Kyungpook National University, 80 Daehak-ro, Buk-gu, Daegu 41566, Korea
+Corresponding author: hyundkim@ee.knu.ac.kr
(Received: Feb. 10, 2017, Revised: Mar. 20, 2017, Accepted: Mar. 21, 2017)
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방출하므로 전력소비가 큰데, 이는 배터리로 구동되는 수액 주 입 측정 시스템의 치명적 단점으로 작용할 가능성이 높다.
전기장을 이용한 방식은 점적통 겉면에 커패시터 센서 모듈 을 구성하고, 수액 점적(drop of fluid)이 점적통 내에서 중력에 의해 낙하하는 과정에서 초래되는 정전용량의 미세한 변화를 감 지한다. 이 방식은 초음파나 광파를 이용하는 방식에 비해 충격 이나 주변광 등 외부 요인에 의한 오작동 가능성이 낮은 장점 이 있다. 특히, 커패시터 센서가 작동하는 과정은 다른 방식에 비해 전력소비가 현저히 적을 뿐만 아니라 비교적 간단한 전자 소자들만 이용하여 구성이 가능하므로 배터리로 동작하는 초소 형 수액 주입 측정 시스템을 구현 하기에 적합한 장점이 있다.
하지만, 기존 전기장 활용 커패시터 센서는 실사용 환경에서 감 지 성능이 제한 될 가능성이 높다. 즉, 수액세트의 작은 원통형 점적통에 제한된 구조로 커패시터 센서를 결합하여 구현할 수 밖에 없기 때문에 유기되는 정전용량이 적어 근본적으로 센서 의 성능과 신뢰성이 낮은 문제점이 있다[6].
본 논문에서는 전기장을 이용한 기존 커패시터 센서의 장점 을 제공하면서도 기존 수액 주입 측정 시스템에 제기된 문제점 을 극복하여 실사용 환경에서도 우수한 성능과 높은 신뢰성을 제공할 수 있는 새로운 구조의 수액 주입 감지 센서를 제안하 고, 그 가능성을 검증한다.
2. 수액 주입 감지 센서
2.1 기존 커패시터 센서 구조 및 특징
전기장 방식 수액 주입 감지 센서들은 기본적으로 수액과 공 기의 유전율 차이에서 기인하는 정전용량 변화를 이용하여 수 액을 감지한다. 대표적인 기존 정전용량 변화 감지 센서는 원통 형 점적통 겉면에 서로 마주보며 배치된 두 도체판과 정전용량 을 측정하기 위한 전자소자들로 구성되는 커패시터 센서이다.
이 같은 커패시터 센서에서 두 도체판은 커패시터 전극(electrode) 으로 작용하며, 중력에 의해 점적통 내에서 낙하하는 수액 점적 들은 이 두 전극 사이를 통과하도록 구성된다. 공기보다 유전율 이 높은 일정 부피의 점적이 두 전극 사이를 통과할 때마다 커 패시터 정전용량에 미세한 변화가 초래되고, 이를 감지함으로써 수액 주입속도 및 주입상태 모니터링에 필요한 정보를 얻게 된다.
기존 수액 주입 감지 커패시터 센서는 점적통 겉면에 결합되 어 사용되기 때문에 원통형 점적통 구조가 센서 성능을 결정하 는 중요한 요소가 된다. 일반적으로 널리 사용되는 원통형 점적 통은 Fig. 1과 같이 높이(L) 50 mm, 내경(D) 15 mm 내외이고, 두께(T)가 약 1 mm 내외인 폴리염화비닐(PVC: Polyvinyl chloride) 소재로 제작되며, 수액 점적의 크기를 결정하는 점적계수는 20 drops/ml 이다. 한편, 수액 주입 과정에서는 점적통의 약 절반 (HL=25 mm) 정도까지 수액을 채워 사용되게 되며, 육안으로도
점적통을 통해 점적이 낙하하는 상황을 관찰할 수 있어야 하기 에 점적통 겉면에 부착되는 수액 주입 감지 커패시터 센서의 전 극 높이(H)는 현실적으로 10 mm 내외로 제한될 수 밖에 없다.
이러한 구조적 특성으로 인해 기존 커패시터 센서의 정전용량 은 수 pF을 넘지 않고, 특히 점적통 직경에 비해 점적 크기도 상대적으로 작기 때문에 점적이 커패시터 센서의 두 전극 사이 를 통과할 때 초래되는 정전용량 변화도 매우 작다. 예를 들어 현재 널리 사용되는 점적계수 20 drops/ml인 점적통을 가정하 면 구형 점적 직경은 약 4.6 mm[7]로 점적통 내부 직경의 약 30% 수준이고, 수액 점적 통과 시 초래되는 정전용량 변화는 수 fF 정도로 매우 작다.
기존 수액 주입 감지 커패시터 센서의 성능을 정량적으로 분 석하기 위해 Fig. 1에서 예를 든 조건에서 두 전극의 크기 및 형태를 결정하는 각(θ)의 변화에 따른 정전용량 및 정전용량 변 화를 전산모의(simulation)하여 그 결과를 Fig. 2에 나타내었다.
이때 수액 점적은 이상적인 사용환경을 가정하여 원통형 점적 통의 종축(z축) 방향으로 점적통의 중앙으로 자유낙하 하고, 점 적의 형태는 완전한 구형으로 유전상수(dielectric constant)가 81 인 증류수라 가정 하였다. 또, 커패시터 센서 모듈의 중간 지점
Fig. 1. Configuration of the conventional capacitor sensor to monitor drops of fluid in IV infusion system.
Fig. 2. Capacitances sensitivities of the conventional capacitor sen-
sors with different electrode angles (θ).
(H/2) 이 점적통 밑면에서 40 mm (윗면에서10 mm) 지점에 위치 하도록 센서를 설치하였다고 가정하였으며, 점적이 낙하하여 센 서 모듈의 중간 지점(H/2)에 존재하여 감지되는 경우(Cw/ drop) 와 점적이 센서 영역에 없는 경우(Cw/o drop)의 정전용량을 각 각 도시하였다. 커패시터 센서의 전극 형태를 결정하는 각(θ)이 커지면 전극 면적도 증가하므로 커패시터 센서의 정전용량도 증 가하지만, 최대 0.7 pF를 넘지 않았다. 특히, 센서 감지 영역에 점적 유무에 따른 정전용량 차이(difference)를 낙하하는 수액 점 적을 감지하기 위한 센서의 감도(sensitivity)라 정의하면 감도는 2.2~7.1 fF 범위였다. 특히, 감도는 전극 형태 및 크기를 결정하 는 각(θ)이 150도일 때까지는 증가하지만, 그 이상에서는 큰 변 화가 없는데, 이 것은 설계 개선 등의 방법으로 기존 커패시터 센서의 감도를 향상시키는 데 한계가 있음을 의미한다.
참고로 본 논문에서는 전산모의를 위해 COMSOL®사의 3차 원(3D) 다중물리해석 소프트웨어 툴[8]을 사용하였다. 예를 든 기존 수액 주입 감지 커패시터 센서에 대해 전산모의를 통해 얻 은 결과는 비슷한 조건에서 실험을 통해 계측한 결과[5]들과 매 우 잘 일치하였으며, 일반적으로 본 논문에서 제시하는 커패시 터 센서에서 유기되는 것과 같이 간단한 구조의 정전장 (Electro- static field)에 대한 전산모의 결과는 정확도가 매우 높은 것으 로 알려져 있다[9].
2.2 근접 감지 센서 구조 및 특징
수액 주입 측정 시스템이 실제 사용되는 환경에서는 다양한 외란 요인이 있는데, 기존 수액 주입 감지 커패시터 센서는 정 전용량이 적고, 감도가 매우 낮기 때문에 실사용 환경에서 외란 으로 오작동할 가능성이 높다. 본 논문에서는 이 문제를 해결하 기 위해서 두 도체가 기존 커패시터 센서와 같이 점적통 양측 에서 서로 마주하는 것이 아니라 수액 낙하 방향을 따라 일정 간극(G)을 두고 점적통 겉면에 상하로 부착된 것을 특징으로 하 는 새로운 구조의 수액 감지 센서를 제안한다. 즉, 제안된 센서 는 Fig. 3과 같이 두 도체가 점적통의 종축(z축) 방향으로 분리 되어 점적통 겉면에 부착된다. 두 도체는 각각 반드시 완전한 링(ring) 형태일 필요가 없지만, 본 논문에서는 도체링(conductor ring) 을 사용한다고 가정하고, 또 두 도체링의 높이(H1, H2)도 반드시 동일할 필요가 없지만, 구조를 간단히 하기 위해 두 도 체링의 높이가 같다고 가정한다.
제안된 센서는 기존 수액 주입 감지 커패서터 센서와 동일하 게 수액에 의한 자기장 세기 변화 감지하는 방식으로 작동하지 만, 두 도체링을 점적통 겉면에 수액 낙하 방향을 따라 상하에 배치한 까닭에 여러 가지 다른 특성을 나타낸다. 즉, Fig. 4와 같이 기존 커패시터 센서에서는 수액 낙하 방향 기준 횡방향 전 기장(lateral electric field)이 형성되는데 반해, 제안된 센서에서 는 수액 낙하 방향과 동일한 종방향 전기장(longitudinal electric field)이 형성되는 차이가 있다.
특히, 기존 센서에서는 수액 점적이 두 전극 사이를 통과 하 는데 반해, 제안된 센서에서는 상하로 배치된 두 도체링을 순차 적으로 통과한다. 즉, 제안된 센서에서는 점적이 두 도체링에 의 한 주변 전기장(fringe electric filed) 영역을 통과하게 되며, 이 과정에서 점적이 도체링에 근접하였음 감지하는 방식 즉, 일종 의 가장자리 전기장을 이용한 근접 감지(proximity sensing) 방 식으로 동작한다. 따라서 제안된 센서는 종방향 전기장을 이용 한 근접 감지 센서라 할 수 있다.
근접 감지 방식으로 동작하는 감지 방식의 차이와 함께 제안 된 센서에서는 두 도체링 사이의 간극(G)을 점적통 구조에 사 실상 제한 받지 않고, 임의로 조절할 수 있도록 구성된 특징이 있다. 이것은 수액 주입 감지 근접 센서 모듈의 설계 자유도를 높임과 동시에 설계 최적화를 통해 감도를 높이거나, 기존 커패 시터 센서의 여러 문제점들을 극복할 수 있는 가능성을 제공한다.
Fig. 3. Configuration of the proposed proximity sensor to monitor drops of fluid in IV infusion system.
Fig. 4. Electric field distributions of the conventional capacitor sen-
sor and proximity sensor.
3. 근접 센서 설계 및 분석
3.1 간극의 변화에 따른 센서 특성
제안된 수액 주입 감지 근접 센서의 성능을 검증하기 위해 기 존 커패시터 센서와 동일한 조건(Fig. 2의 결과를 얻은 조건)에 서 전산모의를 통해 정전용량 및 센서 감도 등을 분석하였다.
이 때 제안된 근접 센서를 구성하는 두 도체링의 높이(H1, H2) 는 5 mm로 동일하다고 가정한 후, 두 도체링 사이의 간극(G)을 변화시키면서 전산모의로 구한 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 수 액 점적이 낙하하여 근접 센서 모듈의 중간 지점(H/2)에 존재하 는 경우(Cdrop)와 그렇지 않은 경우(Cair) 대해 각각 정전용량 을 구하고, 두 경우를 비교하여 센서의 감도에 해당하는 정전용 량의 변화를 계산하였다. 또한, 기존 커패시터 센서에서 전극 크 기 및 형태를 결정하는 각(θ)이 150도 일 때, 정전용량 및 감도 를 전산모의를 통해 구한 결과도 함께 도시하였다.
기존 커패시터 센서에서 정전용량은 수액 점적이 있는 경우 와 없는 경우 모두 약 0.66 pF이고, 감도는 약 0.71 fF인데 반 해, 제안된 근접 센서의 정전용량과 감도는 기존 센서에 비해 큰 편인데, 두 도체링 사이의 간극이 1 mm인 경우, 정전용량은 점적이 있는 경우와 없는 경우 모두 약2.2 pF이고, 감도는 약 8.4 fF이었다. 또한, 제안된 센서에서 도체링 사이의 간극이 5 mm까지 증가하더라도 정전용량과 감도는 모두 기존 커패시터 센서의 그것들 보다 큰 것으로 나타나 성능이 더 우수한 것으 로 분석되었다. 특히, 제안된 근접 센서의 구현에서 있어서 두 도체링 간극이 중요한 요소인데, 간극이 1~5 mm인 구간에서 정전용량은 간극이 증가할수록 감소하지만, 센서의 감도는 큰 변동을 나타내지 않았다. 이는 제안된 근접 센서에서 좁은 간극 의 두 도체링을 구현하는 과정에서 일부 오차가 발생하더라도 이 오차와 상관없이 일정한 성능(감도)을 제공할 수 있음을 의미한다.
이처럼 제안된 근접 센서는 두 도체링 사이의 거리를 임의로 조절할 수 있고, 유기되는 정전용량과 감도가 동일한 방식으로 수액에 의한 전기장 세기 변화를 감지하는 기존 커패시터 센서
에 비해 크기 때문에 보다 우수한 성능의 수액 주입 감지 측정 시스템을 구현하는데 적합하다.
3.2 점적 낙하 위치 이탈에 따른 센서 감도
기존 커패시터 센서는 동작 조건에 따라 성능 변동이 심하기 때문에 실제 사용 과정에서 오작동할 가능성도 높다. 예를 들어, 점적통이 수직으로 똑바로 세워진 상태가 아니면 낙하 하는 수 액 점적이 전극 사이를 통과하는 횡단면 위치가 달라져 감도가 나빠질 우려가 있다. 앞서 전산모의에서 가정한 바와 같이 센서 모듈의 중간 지점(H/2)이 점적통 밑면에서 40 mm에 위치하도 록 설치한 경우, 점적통이 약 11.7도만 기울어져도 해당 지점에 서 점적이 통과하는 횡단면 위치는 약 2 mm 정도 달라진다. 이 는 점적통 내부 반경이 7.5 mm이고, 점적 직경이 수 mm인 점 을 고려하면 매우 큰 변동에 해당 된다. 따라서 수액 주입 센서 를 실제 사용하는 과정에서 환자의 움직임이나 수액 주입세트 에 가해지는 외력 등에 의해 빈번하게 점적통이 기울어질 수 있 기 때문에 이를 극복하여 센서의 신뢰성을 높이는 것이 중요하다.
실제 사용 과정에서 발생할 수 있는 문제점에 의해 센서의 성 능이 어떻게 달라지는 지 확인하기 수액 점적이 통과하는 위치 가 점적통의 횡단면 중앙점에서 x축 및 y축 방향으로 벗어(deviation) 나는 정도에 따른 센서의 감도를 전산모의를 통해 구하여 Fig.
6에 나타내었다. 참고로 점적 부피와 점적통 내경을 고려하면 점적이 통과하는 위치가 횡단면 중앙점으로 약 5.2 mm 벗어나 면 점적이 점적통 내면에 닺게 되므로 이탈 거리의 최대값은 이 값으로 제한하였다.
기존 커페시터 센서는 점적 위치 뿐만 아니라 횡단면 중앙점 으로부터 이탈 방향에 따라서도 감도 변동이 매우 심한 것으로 나타났는데, 점적이 y축 방향으로 벗어나면 전기장 세기가 상대 적으로 강한 영역을 점적이 통과하므로 감도가 증가하지만, x축 방향으로 벗어나면 전기장 세기가 상대적으로 약한 영역을 점 적이 통과하므로 감도가 25% 정도 감소하는 것을 알 수 있다.
이에 반해, 제안된 근접 센서는 도체링 형태이므로 횡단면 중앙 점으로부터 이탈 방향에 관계 없이 오직 이탈된 거리에 의해서 만 감도 변화가 일어나는데, 이탈 거리가 증가할수록 점적은 상 대적으로 전기장이 더 강한 영역을 통과하므로 오히려 감도는 증가한다. 또, 기존방식 센서에 비해 모든 이탈 방향에서 감도 가 더 우수한 것으로 나타났다. 전산모의에서 수액 점적이 횡단 면 중앙점에서 벗어나는 정도가 실제 사용 환경에서는 점적통 이 기울어져 수액 점적이 횡단면 중앙점에서 벗어나 낙하하는 상황과 동일하다. 이것은 점적통이 기울어진 조건에서 제안된 근접 센서를 사용하여도 기울어진 정도에 따른 감도 감소가 없 음을 의미하며, 실제 사용 환경에서 제안된 센서가 더 높은 신 뢰성을 제공할 수 있음을 의미한다. 또, 제안된 근접 센서에서 점적이 횡단면 중앙점을 통과할 때 감도가 가장 낮고, 방향에 관계 없이 오직 이탈 거리에 따라 감도 변화가 결정되므로 이 Fig. 5. Capacitances and sensitivities of two sensors with different
gap( G)s between conductor rings
러한 특성을 이용한 점적통이 기울어져 있는 상태 등을 감지하 는 것도 가능하게 된다. 이것은 실제 사용에 있어서 수액세트의 종류별로 별도의 수액 주입 감지 센서를 구비할 필요가 없다는 것을 의미하고, 제안된 센서는 비용절감과 활용성 측면에서 우 수한 특성을 가지고 있음을 의미한다.
3.3 센서와 잔류 수액 이격 정도에 따른 센서 감도
전기장 세기 변화를 감지하도록 동작하는 센서 주변에 반드 시 형성되는 주변 전기장이 센서 감도 등에 영향을 미칠 수 있 으므로 이를 고려할 필요가 있다. 특히 수액 주입 감지 센서를 이용하여 점적통 내부로 낙하하는 점적에 의한 전기장 세기 변 화를 감지함에 있어서 점적통 하단에 채워진 수액 잔량이 영향 을 미칠 수 있다. 즉, 점점통 하단에 채워진 수액은 공기와 유 전율이 다르므로 센서의 주변 전기장 분포를 변화시키고, 이로 인해 센서 감도 등이 영향을 받게 된다.
일반적으로 수액 감지 센서는 점적통에서 수액이 채워지지 않 은 빈 영역에 설치되는데, 그 위치는 사용자에 의해 빈번하게 달라질 수 밖에 없고, 이로 인해 주변 전기장 분포에 영향을 미 치는 점적통 내의 수액 잔류 영역과 센서의 이격 거리도 수시 로 변하게 된다. 또, 사용자가 센서를 정해진 위치에 설치할 수 있다고 하더라도 점적통 내에 잔류하는 수액의 높이도 조작에 따라 빈번하게 변하게 된다. 따라서 센서를 사용할 때마다 센서 와 수액 잔류 영역(수액 높이)과의 이격 거리를 정확히 조절하 는 것이 불가능하므로 센서의 안정적 동작과 신뢰성 확보를 위 해 이격 거리가 미치는 영향을 분석할 필요성이 있다.
앞서 제시한 전산모의와 동일한 조건에서 점적통 내에 잔류 하는 수액의 높이만 변경하면서 센서의 감도를 분석한 결과를 Fig. 7에 나타내었다. 참고로 이격 거리가 0인 경우는 잔류 수 액 높이가 40 mm인 경우로 기존 커패시터 센서 및 제안된 근 접 센서 모듈의 중간 지점(H/2)의 중간 지점이 잔류 수액 높이 와 일치함을 의미한다. 기존 커패시터 센서는 이격 거리가 10
mm 미만인 경우, 감도가 급속하게 감소하는데 반해 제안된 근 접 센서는 이격 거리에 관계없이 일정 수준 이상의 감도를 제 공한다. 이것은 기존 커패시터 센서에는 상대적으로 큰 주변 전 기장이 존재하는 반면, 제안된 센서에서는 주변 전기장의 상대 적 크기가 작기 때문이다. 따라서 제안된 근접 센서는 사용자의 조작에 크게 영향을 받지 않고, 일정한 수준의 감도를 유지할 수 있기에 사용 편의성이 매우 높음을 의미한다.
3.4 점적 크기(점적계수) 변화에 따른 센서 감도
수액 주입속도와 직접 관련된 수액세트 규격은 점적계수로 정 의된다. 즉, 점적계수가 달라지면 한 점적의 부피(크기)가 달라 지는데, 특정 점적계수를 가진 수액세트를 사용하면 분 당 낙하 점적 수만 사용자가 결정하면 수액 주입속도가 결정되게 된다.
점적계수가 다른 다양한 수액 세액세트가 현재 사용되고 있는 현실을 감안하면 수액 주입 측정 시스템은 수액세트의 점적계 수가 변하더라도 점적을 잘 감지할 수 있는 것이 바람직 할 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 매크로 수액세트는 점적계수가 30 drops/ml 이하인 것이고, 점적계수가 증가하면 1 ml의 수액을 더 많은 점적으로 나누어 주입하는 관계로 점적 부피는 감소한 다. 수액 점적 부피가 감소하면 점적통에서 낙하하는 점적에 의 해 초래되는 정전용량 변화도 감소하기 때문에 센서 감도도 일 반적으로 감소할 가능성이 있다. 따라서 다양한 수액세트에 적 용할 수 있는 수액 주입 감지 시스템을 구현하기 위해서는 높 은 점적계수 즉, 수액 점적 크기가 감소하더라도 최악의 조건 (worst case) 에서 일정 수준 이상의 감도를 유지할 수 있는 센서 가 필요하다.
전산모의를 통해 점적 크기를 결정하는 점적계수에 따른 수 액 주입 감지 센서의 감도 변화를 분석하여 그 결과를 Fig. 8에 나타내었다. 여기서 점적은 완전한 구형이라 가정하면 점적계수 가 15이면 점적 반경은 약 2.5 mm이고, 40이면 1.8 mm에 해 당한다. 점적계수가 증가하면 기존 커패시터 센서와 제안된 근 접 센서 모두 감도가 나빠지지만, 모든 경우에 대해 근접 센서 Fig. 6. Sensitivities of the proximity sensors with different drip posi-
tions (deviations from the centers of drip chambers)
Fig. 7. Sensitivities for various distances between the sensor posi-
tions and the fluid surfaces in drip chambers.
의 감도가 더 우수한 것으로 나타났다. 점적계수가 40인 조건에 서도 제안된 근접 센서의 감도는 4.5 fF으로 기존 커패시터 센 서의 약 1.9배 수준이며, 이는 일반적인 전자소자 및 회로를 이 용하여 감지 가능한 수준이다. 특히, 점적계수가 15에서 40으로 증가할 때, 기존 커패시터 센서의 감도는 70%나 감소하지만, 제 안된 근접 센서는 57%만 감소하므로 제안된 센서의 성능이 점 적 크기 변화에 따라 덜 변동함을 알 수 있다.
4. 결 론
본 논문에서는 기존 수액 주입 감지 커패시터 센서의 문제점 을 두 개의 도체링이 점적통에서 점적이 낙하하는 방향으로 일 정 간극을 두고 상하로 배치되는 새로운 구조의 수액 주입 감 지 근접 센서를 제안하고, 그 세부 성능을 전산모의를 통해 검 증하였다. 제안된 근접 센서에서는 기존 커패시터 센서와 달리 점적통의 종축 방향으로 전기장이 유도되고, 두 도체링의 간극 을 비교적 자유롭게 조절할 수 있기 때문에 큰 정전용량 및 높 은 감도를 얻을 수 있었다. 특히, 제안된 근접 센서는 기존 커 패시터 센서에 비해 수액세트가 실제 사용되는 환경에서 상대 적으로 더 우수한 성능을 제공할 수 있는 것으로 분석되었다.
즉, 점적통이 기울어져 수액 점적이 점적통의 횡단면 중앙점로 낙하하지 않는 경우에도 높은 감도로 수액 주입 감지가 가능하 고, 다양한 점적계수에 따라 점점의 크기가 다른 수액세트도 제 안된 센서를 적용하면 큰 감도 열화 없이 사용할 수 있음을 확 인하였다. 또, 제안된 센서는 설치 위치나 점적통 내부에 잔류 하는 수액의 높이에 상관없이 일정 수준 이상의 감도를 나타내
므로 수액 주입 측정 시스템에 대한 전문적인 지식이 없어도 쉽 게 사용할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 제안된 센서는 종방향 전기장을 이용한 근접 감 지 방식을 활용하여 동일하게 수액에 의한 전기장 세기 변화를 감지하는 기존 커패시터 센서보다 우수한 성능을 나타낸다. 이 러한 센서의 특성은 실제 사용환경에서 보다 신뢰성이 높고, 사 용이 편리한 수액 주입 측정 시스템을 구현하는 핵심 기능을 수 행할 수 있을 것이다.
감사의 글
이 연구는 산업통상자원부 ‘3D융합기술지원센터 구축’ 사업 및 경북대학교 학술연구비(2012년) 지원을 받아 수행 되었음.
REFERENCES
