Respiratory air flow measuring technique without sensing element on the flow stream

호흡경로 상에 감지소자가 없는 새로운 호흡기류 계측기술

이인광·박준오·이수옥

·신은영

·김경천

·김경아·차은종

Respiratory air flow measuring technique without sensing element on the flow stream

In-Kwang Lee, Jun-Oh Park, Su-Ok Lee

, Eun-Young Shin

, Kyung-Chun Kim

, Kyung-Ah Kim, and Eun-Jong Cha

Abstract

Cardiopulmonary resuscitation(CPR) is performed by artificial ventilation and thoracic compression for the patient under emergent situation to maintain at least the minimum level of respiration and blood circulation for life survival. Quality of the pre-hospital CPR not only significantly affects the patient's survival rate but also minimizes side effects caused by CPR. Good quality CPR requires monitoring respiration, however, traditional respiratory air flow transducers cannot be used because the transducer elements are located on the flow axis. The present study developed a new technique with no physical object on the flow stream but enabling the air flow measurement and easily incorporated with the CPR devices.

A turbulence chamber was formed in the middle of the respiratory tube by locally enlarging the cross-sectional area where the flow related turbulence was generated inducing energy loss which was in turn converted into pressure difference. The turbulence chamber was simply an empty enlarged air space, thus no physical object was placed on the flow stream, but still the flow rate could be evaluated. Both inspiratory and expiratory flows were obtained with symmetric measurement characteristics. Quadratic curve fitting provided excellent calibration formula with a correlation coefficient>0.999 (P<0.0001) and the mean relative error<1 %. The present results can be usefully applied to accurately monitor the air flow rate during CPR.

Key Words :cardiopulmonary resuscitation, respiratory air flow rate transducer, turbulence chamber

1. 서 론

심폐소생술(cardiopulmonary resuscitation, CPR)이란

“심정지환자를소생시키기위해환자의흉부를압박 하고인공호흡을행하는치료술기” ^{의미하는용어로}

사용되다가, 심정지환자의치료방법이발달하면서현 재는심정지환자를소생시키기위한모든치료방법을

의미하는용어로통용되고있다^[1]. 심정지는대부분집,

공공장소, ^{체육시설등병원이외의장소에서발생한다}.

따라서응급상황발생후환자가병원으로이송되기 전에수행되는 CPR은환자의생존율에중요한영향을 미친다. ^{심정지발생후즉시조치를취하지않으면}

4~5분이후부터뇌손상이시작되어 CPR 수행이 1분

지연될때마다생존율이 7~10 % 정도감소한다고알

려져있다^[2]. 우리나라의심정지환자생존율은불과

3~4 %로서, 선진국의 20~40 %에비해현격히낮은수 준이며^[3], ^{이는병원전}(pre-hospital) ^{단계에서신속한}

CPR 처치를받지못함을반증한다. CPR은대부분전

문구조사들이행하게되므로, 환자의생존율은이들의 숙련도에의존할수밖에없으며, ^{아직까지우리나라에}

는 CPR 표준지침이없어국제적기준에대한적합성

이미흡한상태이다^[4]. 또한심정지환자의일회호흡량

충북대학교의대의공학교실(Department of Biomedical Engineering, School of Medicine, Chungbuk National University)

충북대학교의학전문대학원, BK21 차세대선도의과학전문인력양성 사업단*대전보건대학치위생과(Department of Dental Hygiene, Daejeon Health Sciences College)

**충북대학교의대생화학교실(Department of Biochemistry, School of Medicine, Chungbuk National University)

†Corresponding author : [email protected] (Received : April 22, 2009, Revised : June 15, 2009 Accepted : June 29, 2009)

(tidal volume)에대한정확한수치를결정하기에는아

직까지과학적근거가충분하지않고, CPR ^상황하에

서호흡상태에대한데이터베이스가구축되지않았기 때문에흉부압박과인공호흡횟수의비율을 15:2 또는

30:2의매우넓은범위로권장하는등혼란이상존하고

있다^[5].

현재병원전단계 CPR 시호흡신호의모니터링은

환자의숨소리를청진하거나흉부의상하운동등을 시각적으로관찰하여환자의호흡유무를판단하는매 우초보적인수준에머무르고있다. ^{또한시각적관찰}

과더불어기관내관(endotracheal tube) 삽입시식도로 삽입되는것을방지하기위해호식기체중이산화탄소 에의해색이변하는기구를사용하는정도이다. ^인공

호흡을위한공기주입은기관내관의한쪽끝에연결 되어있는고무주머니(ambu-bag)를손으로눌렀다폈 다하는수동적동작으로이루어진다. ^{이때공기주입}

의속도및용적은전문구조사의경험에만의존하기 때문에실제환자에게공급된공기용적에관한객관 적이고 정량적인 자료가 전무한 실정이다. ^따라서 CPR 시호흡신호를정량적이고객관적으로측정하는 기술개발이시급하다.

CPR이필요한응급환자들은미세하게자발적호흡 을하거나의식이없어인위적으로호흡을유도해야 한다. ^호흡기류(respiratory air flow rate)^{의크기는최}

대 3 L/sec 이하로서, 환자의호흡신호를모니터링하기

위해서는작은기류를정확하게측정할수있어야하 고, ^{흡식과호식을모두측정해야하므로양방향기류}

계측이가능해야한다. 또한호흡기류를감지하는센서

소자가 CPR 수행을방해하거나지연시키지않아야하

며기존장비들에신속히연결하여적용할수있어야 한다. 그리고환자가수시로배출하는타액, 혈담과같 은이물질의침착으로인해계측특성이변화하지않아 야한다. ^{호흡신호를계측할수있는대표적인센서로}

는 pneumotachometer^[6,7]와 turbinometer^[8]가 있는데,

두장치모두호흡경로상에유체저항이나회전체와 같은기류감지소자가위치하고있어상술한요구조 건들을모두만족시킬수없다. 호흡경로상에감지소 자가위치하면이를지나는기류에포함되어있는환 자의타액이감지소자내에침착되어계측특성이민감 하게변화하고따라서정확한호흡기류신호를얻을수 없다. ^{구강을통하지않고흉부및복부의둘레변화를}

측정하는호흡신호모니터링기술도있으나, inductive

coil^[9]이나 conductive band^[10,11]등의감지기구를환자 의몸통부위에감아야한다. ^{통상응급환자들은의식}

이없는상태로누워있으므로몸통부위에감지기구

를감는것은매우비실용적일뿐만아니라환자의생 존을위해필수적이고시급하게행해야하는 CPR ^처

치를크게지연시킬수있다. 이에본연구에서는호흡 경로상에감지소자가없는새로운호흡기류계측기술 을고안하였으며, CPR 시호흡기류센서로사용할수 있는지의가능성을실험적으로평가하였다.

2. 호흡기류센서 설계·제작

2.1. 동작원리

본연구에서는별도의기류감지소자를배제하기위 해와류(turbulence) 현상을응용하였다. Fig. 1과같이 호흡기류가흐르고있는경로의단면적이갑자기넓어 졌다가좁아지는원형관형태의호흡관을고려해보자.

관의단면적이갑자기넓어지면유속이급속히감소하 고유선변경으로와류가생성되어에너지손실을가 져온다^[12]. 단면적이갑자기넓어질때기류흐름의주

류(main stream)는단면적이넓어지는경계면벽면에

서유리되어진행한후다시관의벽면에접하게된다.

이확대관의앞부분에서는분류(branch)가주위의유 체를교란시켜와류를형성하므로에너지손실이발생 하게된다. 단면적이갑자기좁아지면좁아지는위치로 부터유동박리(flow separation)가일어나서유선이오 목해지는부위(^축류, vena contracta)^{가형성된다}. ^따라

서이부위에서는기류속도가상류측보다빨라진다. 이 경우부차적손실은주로유동이확산되는과정에서 생기는난류혼합현상에기인한다. ^{이러한와류생성에}

의해발생하는에너지손실량은단면적이변화하는전·

후위치에서의압력(lateral pressure) 차이로나타난다.

기류의크기에따라와류생성량이변화하므로압력의 차이는식 (1)과같이기류의함수로표현할수있으며 일반적으로 2차함수로근사시킬수있다. 따라서두지 점간에와류현상을발생시키고차압(Pdiff)^을측정함

으로써기류를산출할수있다.

Fig. 1.Flow streams in the turbulence chamber and energy loss principle.

where Pdiff=1, 2 ^{지점간의차압} (1) P1, 2=1, 2 지점의정압력

F=기류

a, b=상수 2.2. 센서 제작

위에설명한대로와류현상을응용하여호흡기류를 측정하기위해서는호흡관의중앙일부의직경을확장 하는와류챔버만을형성하면되므로공기가흐르는경 로상에는물리적으로공기흐름을방해하는아무런 감지소자도존재하지않는다. CPR 시사용되는 ambu- bag^{과기관내관의연결구조는규격화되어있으므로}

기존연결구조에부가적으로연결할수있도록호흡기 류센서를설계하였다. 호흡관양측이각각 ambu-bag

과기관내관에손쉽게연결되도록외경을각각다르게 설정하였고내경은 10 mm로동일하게설계하여기류 경로의대칭성을유지하였다. 호흡기류센서의장착위 치는 endo-tracheal tube^와 ambu-bag ^사이로서 ambu- bag 출구부분(endo-tracheal tube와연결되는부분)이다.

따라서와류챔버외경의크기는 ambu-bag 출구구조

물의외경보다크지않아야하므로챔버양측관의내·

외경의크기를고려하여와류챔버내경을양측관내 경의 3^{배로임의설정하였다}. ^{제작한호흡기류센서시}

작품사진을 Fig. 2(a)에보였다. Fig. 2(b)는실제 CPR

시사용하는기관내관과 ambu-bag 사이에호흡기류

센서시작품을연결한실물사진이다. Ambu-bag^과호

흡기류센서는탄성이있는실리콘관으로연결하여공 기가유출되지않도록밀폐하였으며, 기관내관과의연 결도동일한재질의실리콘관을사용하였다. ^센서양

측을실리콘관으로연결함으로써기존의 CPR 기구들

과손쉽게탈착할수있다. 기존의 CPR 기구에호흡기

류센서가추가되었지만호흡경로의길이가연장되는

부분은약 4 cm 정도로서응급구조사의 CPR 수행및

환자의호흡을거의방해하지않는다.

3. 압력-기류 관계식 산출

앞서제작한호흡기류센서시작품의 Pdiff-F 관계식을 산출하기위해실험을수행하였다. Fig. 3에보인대로 센서의 우측에는 기관내 관을 연결하고 좌측에는

ambu-bag 대신표준기류생성장치(SVSyr8.0, CKInter- national, Korea)^{를연결하였다}. ^{표준기류생성장치는서}

보모터(CSDJ-10BX2, Samsung Electronics Co., Ltd,

Korea)로구동하여임의의일정한기류를발생시킬수

있다. ^{서보모터의구동축에는선형변위센서}(LTM600S, Gefran, Italy)가연결되어있어, 시린지의이동에따른 위치(용적) 신호를기록함으로써센서를통과하는공 기의용적(V)^{을정확하게측정할수있다}. V^를시간(t)

에대해수리미분하면 F가얻어진다.

Fig. 3에서표준기류생성장치의시린지가우측으로이

동하면호흡기류센서와기관내관을통해공기가토출 되면서실제호흡에서의흡식상태를모사한다. 반대로 시린지가좌측으로이동하면호식상태가될것이다. 정 상인의평상호흡시호흡기류는약 200~500 mL/sec 정

도로서 CPR 과정시 안정한 상태의환자에게는약

500 mL/sec^{의호흡량이제공되며}, ^{위중한환자에게는}

순간적으로최대 3 L/sec의호흡량이제공된다. 따라서 본연구에서는흡식기류를양(+), 호식기류를음(−)으로 간주하여 3 L/sec ^{범위내에서} 0.5 L/sec ^{씩단계적으로}

일정한기류를생성시켜센서로흘려주었다. 표준기류

F가흐르는동안용적신호 V와차압신호 Pdiff를동시에

개인용 컴퓨터(PC) ^{상에 축적하였다}. ^{두 신호 모두}

12 bits/sample, 100 samples/sec로 A/D 변환(iDAQ400, PhysioLab, Korea)하였다. Pdiff는측정범위가 0~10cmH2O

인 용량성 차압센서(DP45-20, Validyne, U. S. A.)^로

측정하였다. F가일정하게유지되는시간동안 V는선 형적으로변화하므로그기울기를취하여 F를산출하 였다.

Pdiff≡P1–P2=aF²+bF

Fig. 2.Proto-type air flow transducer(a) connected with

the CPR devices(b). Fig. 3.Block diagram of the experimental set-up.

상기 실험에서 얻은 F=2 L/sec 일 때의 신호 예를 Fig. 4에 제시하였다. Fig. 4(a)는 표준기류생성장치가 토출 또는 흡입하는 V(t) 신호로서 시린지를 일정한 속 도로 구동시켰으므로 선형적으로 증가하였다가 다시 감소하였다. 선형 구간의 기울기를 산출한 결과 거의 정확하게 F=2 L/sec의 기류가 발생하였다. Fig. 4(b)는 V와 동시에 측정한 Pdiff 신호로서 동일 구간 동안 일정 한 압력이 발생하였고 흡식과 호식이 서로 거의 대칭 적인 크기를 나타내고 있음을 볼 수 있다.

F=±3.0 L/sec 범위 내에서 0.5 L/sec씩 전 구간에 걸 쳐 측정된 Pdiff와 F 데이터에 대해 식 (1)에 따라 2차함 수 fitting을 수행하여 Pdiff-F 관계식을 산출한 후, Fig.

5에 원 데이터와 함께 도시하였다. 흡식(+), 호식(−) 간 에 대칭성을 나타내었으며, 두 경우 모두 상관계수가 0.999 이상으로 매우 정확한 fitting이 이루어졌다 (P<0.0001). 이 관계식에 Pdiff 값들을 대입하여 추정기

류값(Fpred)을 구한 후 F 값과 함께 Fig. 6에 비교하였다.

평균 상대오차가 약 0.4 % 정도로서 매우 정확한 기류 추정이 가능함을 확인하였다.

4. 고찰 및 결론

심정지와 같은 응급상황 발생 후 병원 전 단계에서 행해지는 양질의 CPR은 환자의 생존율에 큰 영향을 미칠 뿐만 아니라 병원으로 이송된 이후에도 CPR 수 행에 따른 여러 부작용들을 최소화할 수 있다. 최근 연 구에 따르면 CPR 시 호흡상태를 객관적으로 파악할 Fig. 4.Signal examples at F=2 L/sec. (a) Volume (b)

Differential pressure

Fig. 5.Quadratic relationship between Pdiff and F.

Fig. 6.Comparison between Fpred and F.

만한장비나장치가미흡한상황에서데이터베이스또 한구축되지않아대부분전문구조사들의숙련도에의

존하고있는실정이다^[13,14]. 따라서 CPR 시호흡신호

를실시간으로모니터링할수있다면환자의상태를 객관적으로판단하여대처할수있고, 병원이송과정에 서의호흡상태를정량화함으로써치료과정에활용할 수있을것이다.

CPR 시호흡상태를모니터링하기위해서는호흡경

로즉, 기관내관과 ambu-bag 사이에호흡기류센서가

위치해야하는데, ^{응급상황이므로갑작스럽게혈담}, ^침

등이배출될수도있다. 기존의호흡기류센서들은호흡 경로상에기류감지소자가위치하고있어응급환자로 부터배출되는이물질들에매우취약할수밖에없는 반면, 본연구에서개발한호흡기류센서는와류생성을 위한챔버가속이빈매우단순한통형태이므로호흡 경로상에는실질적인감지소자가존재하지않는다. ^또

한이와류챔버가이물질들을일시적으로모으는 water

trap의역할도할수있다는잇점을가지고있다. 물론

와류챔버에이물질이너무많이모이면 Pdiff-F ^특성이

변화할것이지만, 일시적으로이물질이모이면새로운 챔버로손쉽게교체할수있으므로매우실용적이라

생각된다. 나아가기존 CPR 장비들에추가적인기구

없이신속히연결할수있으며, CPR을방해하거나지

연시키지않는다는장점도있다.

본연구에서제시하는호흡기류센서는호흡관중앙 에위치하는챔버내에서와류를생성시켜유체에너 지를손실시키고이에기인하는차압을측정하는원리 로동작한다. 에너지손실은두지점간에압력차를발 생시키므로범용압력센서를사용하여손쉽게측정할 수있으며, ^{이로부터호흡기류를산출할수있다}. ^또한

기존장비에연결되었을때센서의전체길이가약

4 cm로기존 CPR 시의호흡경로보다는다소길지만

일반적인 CPR ^{기구의전체길이가약} 40 cm^로상당히

길다는것을감안하면기존의 CPR 상황과크게다르

지않다고판단된다(Fig. 2(b) 참조).

Pdiff-F 데이터를 2차함수로 fitting한결과상관계수가

0.999 이상으로충분히높은값을나타내었으며(Fig. 5

참조), ^{이관계식으로추정한기류측정의평균상대오}

차는 1 % 미만으로서매우정확하게기류를계측할수

있었다(Fig. 6 참조). 미국흉부학회에서임상폐활량검

사시 F^{의한계오차를} 5 %^{로권고하고있음을보면[15]},

실험적상황에서 1 % 이내의상대오차는충분히정확

한측정치라할수있다. 또한흡식과호식간에거의 대칭적인특성을나타내었으므로인공적으로공급한 신선한공기의양과환자로부터배출된호식공기의양

을비교함으로써기관내관주변으로공기유출이있 는지의유무도함께판단할수있으리라생각된다. ^본

연구에서제시하는새로운호흡기류센서는기류변화에 대한차압신호를충분히정확하게측정할수있고, 기 류흐름을방해하지않는구조이므로 CPR 시호흡신 호의모니터링이나장시간평상호흡을모니터링할때 새로운호흡기류계측기술로유용하게응용되리라기 대된다.

감사의 글

본연구는보건복지가족부보건의료기술진흥사업의 지원(A040032)^과 2009^년도정부(^{교육과학기술부})^의

재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임

(No. R11-2008-014-02001-0).

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이 인 광

• 2006년 충북대학교 자연과학대학 물리학과 (이학사)

• 2008년 충북대학교 의용생체공학과(공학 석사)

• 2008년~현재 충북대학교 의용생체공학과 박사과정

• 주관심분야: 호흡기계, 물리센서

이 수 옥

• 1999년 대전보건대학 치위생과(학사)

• 2005년 충남대학교 보건학과(석사)

• 2005년~현재 대전보건대학 치위생과 겸 임교수

• 2009년~현재 충북대학교 의과대학 의학 과 박사과정

• 주관심분야: 치과의료기기, 치과의료장비

박 준 오

• 2003년 충북대학교 의과대학 의학과(학사)

• 2007년 충북대학교 의학대학 의학과 의 공학전공(의학석사)

• 2009년~현재 충북대학교 의과대학 의학 과 박사과정

• 주관심분야: 재택의료기, 호흡기류센서

신 은 영

• 1992년 충북대학교 자연과학대학 생화학 과(이학사)

• 1995년 충북대학교 의과대학 의학과 생 화학전공(의학석사)

• 1999년 충북대학교 의과대학 의학과 생 화학전공(의학박사)

• 2003년~현재 충북대학교 의과대학 생화 학교실 부교수

• 주관심 분야: 암발생, 세포분화, 세포신 호전달

김 경 천

• 1979

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• 1981

(

)

• 1987

(

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• 1986

1990

• 1990

1995

• 1995

•

: 3D3C Micro-PIV, Bio- MEMS, micro/nanoscale energy transport, turbulence measurement based on PIV/

LIF, heat exchanger, biomechanics, bio- medical engineering, POCT development for early detection of OP, wind turbine, fuel cell

차 은 종

• 1980

(

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• 1987

, Research Associate

• 1988

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• 2001

~

•

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김 경 아

• 1991

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• 1993

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• 2001

(

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• 2005

•

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,

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