서 론
최근 암의 발병률이 높아지고 있고 특히 여성암중 갑상선 암 과 유방암의 비율이 매우 높다. 이러한 암을 치료하기 위한 방
법으로 많은 연구가 진행되고 있고 치료과정에서 부종이 생기 는 경우가 빈번하다. 유방암 수술에서의 림프절을 같이 절제하 는 경우에는 부종의 발생확률이 매우 높다[1-3]. 이러한 부종 이 생기면 환자에 불쾌감을 줄 뿐만 아니라 감염도 쉽게 올 수 있으며 팔, 다리의 기능도 저하된다. 환자의 상태에 따른 적절 한 치료와 고통을 경감시켜주기 위하여 빠른 부종의 진단이 요 구되고 있다.
부종(Edema)은 조직 내에 림프액이나 조직의 삼출물 등의 액체가 고여 과잉 존재하는 상태를 말한다. 부종의 발생은 혈 관계 내의 정수압이 증가하거나 교질삼투압이 감소하면 부종
피부탄성을 이용한 부종 검출 시스템 개발
서종현1∙김성천1∙양나리1∙손재범1∙정승현2∙고은실2∙김광기1
1국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과
2국립암센터 지원진료센터 재활의학클리닉
Development of Skin Elasticity-based Lymphedema Detector
Jong Hyun Seo1, Sung Chun Kim1, Na Ri Yang1, Jae Bum Son1, Seung Hyun Jung2, Eun Sil Ko2, Kwang Gi Kim1
1Biomedical Engineering Branch, National Cancer Center, Goyang, Korea
2Center for Clinical Specialty, Rehabilitation Clinic , National Cancer Center, Goyang, Korea
= Abstract =
The incidence rate of cancer, such as breast cancer, is increasing rapidly. Usually, a surgery is per- formed to remove the cancerous cells. Edema is a common side effect of such a surgery. Thus, the ability to quantitatively measure edema is essential in treating cancer. Many solutions were proposed to detect and measure edema, but they are not practical as they require a long time to make a mea- surement. Furthermore, most of them are only applicable after edema is fully developed. In this study, we propose a novel edema detector which can quantify edema even if it is not fully developed. The proposed detector is based on the fact that when edema occurs, the amount of lymph increases, which leads to the change in the elasticity of the skin. Thus, by deforming and recording the restora- tion time of the skin, one can estimate the change in the elasticity of the skin. This method can effec- tively and reliably detect the presence and amount of edema. We built a prototype of the proposed de- tector, and we were able to confirm that the restoration time varies with the elasticity of skin. This con- firms that the proposed device can be used to quantify edema.
Key words: Edema, Lymphedema, Skin elasticity, Edema detector
본 연구는 국립암센터 기관고유사업(NCC1210183)으로 수행되었습 니다.
통신저자: 김광기, (410-769) 경기도 고양시 일산동구 일산로 323 국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과
Tel: 031-920-2241, Fax: 031-920-2006 E-mail: [email protected]
이 발생할 수 있고 혈관의 통합성이 상실되는 경우에도 부종이 발생할 수 있다. 병태생리학적으로는 모세혈관 내의 체액이 혈 관 밖으로 빠져 나와 간질조직에 고여 있는 상태이며, 임상적 으로는 피하조직에 알아볼 수 있을 정도로 수분이 축적되어 부 어 오른 상태를 말한다. 크게 전신부종과 국소부종으로 나눌 수 있으며 전자는 일반적으로 3-4 kg 이상의 조직간액이 축적 되어야 나타난다 [1]. 또한 부종은 함요 부종과 비함요 부종으 로 나눌 수 있다. 전자는 들어간 자리가 그대로 있는 것이고, 후자는 눌러도 푹 들어가지 않는 경우이다. 이는 부종이 관찰 된 부위의 피부를 엄지손가락으로 누르면 함몰을 일으키는데 이 소견으로 부종의 정도와 형태를 알 수 있다. 우선, 엄지로 약 10초간 해당 부위를 눌렀다 뗀 후 함몰의 깊이를 잰다. 함 몰 정도는 +1에서 +4까지 있는데, 엄지손가락 크기만큼 함몰 이 남아있으면 +4로 판단한다 [4]. 이와 동시에 함몰이 얼마 간 유지되는지를 측정하여 만약 15초 이내에 함몰이 사라지면 교질 삼투압이 낮은 것이 부종의 원인일 가능성이 높고 더 오 랜 시간 뒤에 함몰이 사라지면 모세혈관의 수압, 즉 정맥압의 상승을 더 의심해 볼 수 있다 [5]. 부종이 있지만 함몰이 일어 나지 않는 비함몰 부종의 원인으로는 점액수종, 만성염증, 만 성정맥울혈 등이 있다 [6].
부종을 진단하는 방법으로는 위에서 언급한 피부의 함몰 정 도로 판단하는 방법 외에도 여러 가지 방법이 연구되었다. 가 장 간단한 방법은 둘레를 측정하는 방법이다. 먼저 측정하고자 하는 부위에 줄자나 기타 도구를 이용하여 둘레를 측정 후 정 상시와 비교하여 판단하는 방법이다. 이 방법은 간편하지만 부 종의 발생 후에만 측정이 가능하고 부기의 정도는 측정가능 하 지만 함요, 비함요 같은 부종의 상태는 측정하기 힘들다. 둘째, Volumeter를 이용한 방법이 있다. 물속에 손, 팔, 다리 등을 넣어 넘치는 물의 양을 측정하는 방법으로 간단하지만 부종의 부기만 측정가능하고 함요 정도는 측정이 불가능하며 물에 측 정부위를 담가야 하는 번거로움이 있다. 셋째, 조직유전상수 (Tissue Dielectric Constant)를 이용한 방법이 있다. 조직의 조직수와 조직유전상수 이용하여 부종을 측정하는 방법으로서
개방단말 동축선 프로브(Open-ended coaxial probe)를 사용 하여 피부의 깊이에 따른 조직유전상수를 측정하고 판단하는 방법이지만 그 관계가 명확하지 않다. 넷째, Tissue compli- ance meter를 이용하여 조직의 경직 정도를 측정하는 방법이 있다. TCM의 압력 플렌저를 조직표면에 여러 레벨의 힘을 주 면서 침투 깊이에 따른 조직의 상대적 강성을 감지하여 측정하 는 방법이다. 간편하게 측정할 수 있지만 깊이 조절이 힘들고 측정자에 의한 오차가 있을 수 있다. 다섯째, Lymphatic scintigraphy를 이용한 방법이다. 이 방법은 방사선약품을 투 입 후 Lumphatic scintigraphy 영상을 찍는 방법으로 림프 절의 위치까지 찾는 등 매우 정확한 측정이 가능하지만 비용이 비싸고 방사능에 노출되거나 방사선약품에 의한 부작용이 있 을 수 있다. 이외에도 Tonometer를 이용하여 가압을 측정하 고 함몰 정도를 알아보는 방법, Force Indicator와 Penetration Depth Indicator를 이용하여 침투 깊이와 가압 을 측정하는 방법 등, 부종을 측정하는 많은 방법들이 제안되 어 있으나 여러 가지 단점이 존재한다 [7-12] (Fig. 1).
본 연구는 이러한 부종의 객관적 측정을 위한 시스템으로 조 직에 힘을 가하여 일정한 깊이만큼 누른 후 복원되는 피부의 복귀시간을 측정하여 조직의 탄성도를 계측하도록 하였다. 부 종이 발생할 때 여러 가지 요인에 의하여 피부의 탄성도가 변 화되고 피부의 탄성력도 변화된다. 탄성력의 원리에 의해 피부 의 탄성도와 피부를 누른 깊이에 따라 누른 힘과 피부의 복귀 시간이 달라진다. 즉, 부종의 상태에 따른 피부의 복귀시간과 누른 힘을 이용하여 함요, 비함요 등의 부종의 정도를 정량화 함은 물론 누를 때가 아닌 피부가 나올 때의 특성을 알 수 있고 부종의 발생 도중에도 그 변화를 감지하여 신속하게 부종을 측 정할 수 있는 시스템을 구축하였다.
재료 및 방법
1. 부종측정장치의 구성
사람의 피부는 탄성을 지니며 따라서 외부로부터 힘이 가해
a b
Fig. 1. Detecting methods of lymphedema:
(a) open-ended coaxial probe (b) tissue com- pliance meter.
져 변형되더라도 외력이 제거되면 다시 원상 복귀된다. 이러한 성질을 이용하면 효과적으로 부종의 탄성을 측정할 수 있다.
부종이 생기면 피부의 탄성이 변하게 되며 따라서 외력으로 인 한 변형으로부터 복귀되는 시간이 달라지게 된다. 이러한 시간 의 차이를 측정하기 위해서 Fig. 2과 같은 부종 측정 장치를 개발하였다. 시스템의 구조는 크게 실제 측정을 담당하는 프로 브(Probe)와 센서 신호를 처리하여 정량적으로 나타내는 컨트 롤러(Controller) 으로 구성된다 (Figs. 2, 3). 프로브는 효과 적인 부종 측정을 위해 로드셀(Load cell, 압력센서, CBFS- 1109K, BONGSHIN, Korea)를 장착하였으며 이를 통해 정 량적으로 프로브가 피부에 가한 힘을 알 수 있다. 또한 변형으 로부터의 피부의 회복시간을 측정하기 위해 프로브의 경통을 따라 상하 운동하는 볼플렌저(Ball plunger)를 추가하였으며 이 볼플렌저의 움직임을 홀센서(Hall sensor, A1120, Allegro MicroSytems, USA)를 통해 측정하였다 (Fig. 4).
홀 센서에 의해 측정된 시간은 LCD(Liquid crystal display) 에 표시되고 로드셀에 의해 측정된 압력은 인디케이터 (Indicator)에 표시된다 (Figs. 2, 3). 로드셀 신호는 DSP 보 드(Digital signal processing board, TMS320F2811, Texas Instruments, USA)로 전달되며 DSP 보드는 이 신호 를 받아서 인디케이터에 그 값을 표시한다. 가한 힘은 뉴턴(N) 단위로 표시된다.
동작 메커니즘의 원리는 다음과 같다. Fig. 5에서 보이는 바 와 같이 먼저 피스톤을 밀어 삽입시키면 피스톤이 고정해제버 튼(Lock button)에 의해 고정이 되고 이때 볼 플렌저 또한 같 이 고정 된다. 그 후 피부에 프로브를 밀착시키면 볼 플렌저가 피부에 압력을 가해 피부가 변형을 일으키게 된다. 이때 가해 진 외력은 로드셀을 이용해 측정 할 수 있다. 이후 피스톤 고정 해제버튼을 누르면 피스톤과 볼 플랜저의 고정이 해제되며 따 라서 피부가 원상 복귀하면서 볼 플랜저를 처음 위치로 밀어 올리게 된다. 이때 볼플렌저에 부착된 자석이 홀센서1 에서부 터 홀센서2 까지 이동한 시간을 측정하게 된다(Fig. 5). 프로 브가 피부를 누르는 깊이는 `1~5 mm까지 조정 가능하며 조 절한 깊이만큼 볼플렌저가 피부를 누르게 된다. 이렇게 측정된 아날로그 신호를 입력 받아 DSP 보드로 보내면 DSP 보드는 이를 디지털 신호로 변환하고 이로부터 시간차를 계산하여 LCD에 표시하게 된다. 측정된 시간은 ms(millisecond)로 표 시된다. 그리고 측정이 끝나면 사용자에게 이를 부저(Buzzer) 로 알리게 된다. 이 시간은 피부의 탄성에 따라 바뀌게 되는데
Fig. 2. System overview test unit.
Fig. 3. Flowchart for controller system process diagram.
Fig. 4. Mechanical structure of probe (a) lock button, (b) load cell, (c) hall sensor 1, (d) hall sensor 2 and (e) ball plunger.
Fig. 5. Operation principle of detector.
탄성력이 강하면 시간은 짧게 나타나고 탄성력이 약하면 길게 나타난다.
탄성력은 탄성복원력 또는 복원력이라고도 하는데 탄성력과 피부가 변형된 양 사이에는 식1과 같은 관계가 있다.
F = -kx = -E x (1)
여기서 F는 탄성력, k는 용수철 상수, E는 피부의 탄성계 수, A는 접촉면, L은 피부 전체 깊이, x는 피부의 변형량이다.
음(-)의 부호는 변형량과 탄성력의 방향이 서로 반대됨을 표시 하는 것이다. 이를 후크의 법칙(Hooke’s law)이라 한다. 접촉 면과 피부 전체 깊이는 고정이므로 탄성력은 변형량에만 영향 을 받는다. 곧 변형량이 같다면 탄성계수에 따라 탄성력이 달 라질 것이고 부종에 의하여 피부 탄성계수가 달라진다면 탄성 력이 달라져서 홀 센서에 의한 측정 시간이 달라짐을 알 수 있 다.
2. 부종의 측정
부종측정장치를 이용하여 부종을 측정하는 순서는 다음과 같다. 모든 실험은 정확도를 위해 푸시풀 게이지 스탠드
(Push-pull gauge stand, SLR, Sundoo, China)에 장착한 후 측정하였다.
1) 측정하고자 하는 프로브의 깊이 게이지를 설정한다 (1~5 mm 설정 가능).
2) 프로브의 피스톤을 삽입 한 후 측정하려는 피부에 접촉시 킨다.
3) 피부에 수직이 되도록 프로브를 밀착하고 이때 피부에 가 해진 압력을 인디케이터로 확인한다.
4) 위의 3)의 상태에서 고정해제버튼을 눌러 고정상태를 해 제하고 볼플렌저가 튀어 오르며 측정된 시간을 LCD로 확인한다.
5) 측정자가 데이터를 기록하여 분석한다.
3. 측정대상
실험은 팬텀(Biopsy Training Phantom, Model051, CIRS, Norfolk, USA)과 사람의 팔에 대하여 테스트 하였다.
팬텀과 정상 상태의 팔에 위에 명시된 부종 측정 순에 따라 다 양한 프로브 깊이에서 실험을 진행하였다(Fig. 6). 프로브가 밀착될 때의 압력을 확인하면서 각각 10회 반복 측정하였다.
A L
a b
Fig. 7. Return time at various probe depth (a) measurement of phantom and (b) measurement of arm.
a b
Fig. 6. Experimental set-up: (a) measure- ment of arm and (b) measurement of phan- tom.
결 과
처음 시험에서 무 부하시의 복귀 시간을 측정하였다. 이때 무 부하상태란 프로브를 어디에도 접촉시키지 않은 상태에서 로드셀에 볼플렌저를 접착시킨 후 고정해제버튼을 눌렀을 때 이다. 즉 접촉력이 0 N일 때 피스톤의 힘만으로 이동한 시간을 말한다. 총 10회의 측정을 하였고 결과의 평균값은 0.57 ms이 였다. 프로브의 깊이가 1~5 mm때 각각 10회 측정을 하였고 그 결과는 Fig. 6과 같다. 1 mm일 때 2 N, 2 mm일 때는 3 N, 3 mm일 때 4 N, 4 mm일 때 6 N, 5 mm일 때 7 N의 힘 을 가하였다.
Fig. 7의 결과에 따르면 프로브의 깊이가 증가함에 따라 복 귀 시간이 증가하였으며 Fig. 8에 나타낸 프로브 깊이에 대한 10회 평균복귀시간으로부터 확인 할 수 있다. 이는 식 1에서 정의한대로 실제로 프로브의 깊이와 가해진 힘 그리고 복귀시 간은 서로 비례함으로 제안된 시스템이 복귀 시간을 잘 측정함
을 알 수 있다. 또한 프로브의 깊이가 1 mm일 때 팬텀과 팔의 시간 차이는 1.5~2 ms정도 였지만 5 mm일때는 거의 차이가 없었다. 이는 프로브의 길이가 너무 낮을 때에는 측정치 차이 가 있음을 알 수 있었다(Fig. 9).
토의 및 결론
서론에서 언급한 바와 같이 부종의 원인은 여러가지가 있다.
특히 유방암 같은 수술 뒤에는 높은 확률로 부종이 나타난다 [13]. 따라서 이러한 부종을 조기에 발견하고 적절한 치료를 하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 효과적이고 빠른 부 종 측정을 위해 피부탄성을 이용한 부종 측정기를 제안하였다.
부종은 피부 탄성을 변화시키며 따라서 피부에 외력이 가해졌 을때 피부의 복귀 시간을 측정함으로써 부종을 정량화하였다.
또한 후크의 법칙에 기반하여 이러한 피부탄성에 대한 모델을 제안하였다. 이를 검증하기 위해 부종 측정기의 시험기를 제작 하여 사람의 피부 및 팬텀의 복귀 속도를 측정하였다. 실험 결
a b
Fig. 8. Average return time at various probe depth (a) measurement of phantom and (b) measurement of arm.
a b
Fig. 9. Return time at fixed depth (a) at probe depth of 1 mm and (b) at probe depth of 5 mm.
과와 제시한 모델은 일치하였으며 이를 통해 제안된 부종 측정 기가 실제 환자의 부종을 측정하는데 사용될 수 있음을 확인하 였다. 제시된 방식은 부종의 초기 단계, 즉 붓기는 없고 탄성도 만 달라진 상태에서도 부종을 발견할 수 있음으로 정확하고 빠 르게 부종을 검출 할 수 있다.
한편 제시된 부종 측정기는 프로브의 깊이를 조절 할 수 있 도록 되어 있는데 프로브의 깊이가 너무 낮을 경우 피부의 표 층에만 외력이 가해짐으로 실제 부종의 영향이 측정된 복귀 시 간에 반영이 안 될 가능성이 있다. 하지만 프로브의 깊이가 지 나치게 높아지면 환자에 불쾌감을 줄 수 있음으로 따라서 프로 브의 깊이와 부종 측정의 정확성에 대한 연구가 필요하다. 실 제로 측정 결과 프로브 깊이가 1 mm였을 경우 팬텀과 팔과의 측정결과 오차가 가장 크게 나타나고, 프로브 깊이가 5 mm일 경우 팬텀과 팔의 오차가 가장 적음을 알 수 있었다. 따라서 앞 으로 부종의 상태에 따라 최적의 프로브 깊이를 산출하는 작업 이 필요할 것으로 보인다.
본 연구는 기존의 방법이 가지고 있던 여러가지 단점을 보완 하였으며 압력만 측정하거나 피부가 들어갔을 때의 경우만 측 정하는 것은 물론 피부가 눌렸다 복귀하는 시간을 이용하여 피 부가 나올 때의 상태도 측정 가능했다. 본 연구를 통해 개발된 부종 측정 장치는 객관적 부종 측정을 통해서 재활환자들에게 많은 도움을 줄 것으로 판단된다.
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=초 록=
최근 유방암 등의 암 발병률이 높아 지고 있다. 암의 치료방법으로는 주로 수술을 하는데 수술 후 부종이 생기 는 경우가 빈번하다. 따라서 수술 후 부종의 검출이나 그 범위의 정량적 측정이 암치료에 중요한 요소가 되었다.
이를 위하여 많은 진단적 방법이 제안되어 왔으나 시간이 많이 소요 되거나 이미 부종이 생긴 이후에만 측정할 수 있는 등의 문제가 있어 실제 환자에 적용이 제한되었다. 본 연구에서는 부종이 생길 경우 림프액 증가로 인한 피부의 탄성도가 변하는 것을 이용하여 부종이 진행된 후뿐만 아니라 진행 중일 때에도 부종을 정량적으로 측정 할 수 있는 방법을 제안한다. 피부의 탄성력을 확인하기 위하여 피부를 누른 후 원래대로 복귀되는 시간을 측정 하였고 결과는 탄성력의 원리대로 눌린 깊이가 깊어질수록 복귀시간도 길어짐을 확인할 수 있었다. 제안된 방법 은 쉽고 간단하게 부종을 측정할 수 있어 실제 환자에 적용이 용이하다. 본 연구에서는 제시된 부종 측정기의 시 험기를 제작하였으며 실험을 통하여 그 성능을 검증하였다.
