Development of Pulse Analysis System Based on Convenience and Compactness

학 술 논 문

168

사용 편의성과 소형화 기반의 맥파 측정장치 개발

조정희

·배장한

·김영민

·전민호

·양태헌

·전영주

1한국한의학연구원, ²한국표준과학연구원

Development of Pulse Analysis System Based on Convenience and Compactness

JungHee Cho

, JangHan Bae

, YoungMin Kim

, MinHo Jun

, TaeHeon Yang

and YoungJu Jeon

1

Korea Institute of Oriental Medicine,

2

Korea Research Institute of Standards and Science

(Manuscript received 3 July 2017 ; revised 31 July 2017 ; accepted 12 August 2017)

Abstract: To improve and downsize the KIOM-Pulse Analysis System(KIOM-PAS), which has been traditionally used in clinical trials, a miniaturized PAS(M-PAS) with a pneumatic pump has been developed. M-PAS is composed of a measurement module and an arm-mounting module, on which an arm can be placed. The measurement module is equipped with a pressing component and sensor, which is a wearable wristband. The arm-mounting module includes a pneumatic motor, data acquisition board and valves. In addition, the measurement module is divided into a fixing module of band type for attachment to a pulsation site and a sensing module, which includes a sensor and a tube. The fixing module and sensing module are constructed independently, and the detachable fastening method improves the posture convenience of the subject during measurement. M-PAS has been reduced to 1/6 the size of KIOM-PAS, and the measurement time is shortened by 22%. Using a simulator, the difference between the wave- forms measured by the two devices exhibited a high degree of similarity of within 3.65%. M-PAS represents improve- ments in size and convenience compared with KIOM-PAS, and it is expected to be widely used in clinics in the future because it improves the attachment method of the fixing module.

Key words: Pulse analysis system, Korean medicine, Compactness, Convenience, Pneumatic pump

I. 서 론

맥진은 한의사의 지감을 통해 요골동맥의 맥동을 감지하 여 맥상을 판단하고 이를 통해 장부의 기능적 병리 상태를 파악하는 한의학의 대표적인 진단방법이다. 맥진에 관한 내용 이 처음 기록된 문헌은 기원전 11세기 경 써진 주례( 周周 ) 로 알려져 있으며, 초기에는 전신의 맥동을 감지하여 진단하다 가 요골동맥의 맥만을 이용하여 진단하는 형태로 발전하였

다[1,2]. 하지만, 맥진은 현재 한의 진단 영역에서 활발히 활 용되고 있지 못한 실정이다. 그 이유로는 맥진 시 주요한 판 단기준이 되는 맥상이 대부분의 고서에 추상적으로 표현되 어 있고, 이 맥상들의 의미를 정확하게 정의하기가 어렵기 때문이다. 또한 맥진을 임상에서 능숙하게 활용하기 위해서 는 한의사마다 오랜 학습과 경험을 필요로 한다. 따라서 요 골동맥 맥파를 정량적으로 측정하기 위해 맥진기 개발에 대 한 다양한 연구가 진행되어 왔다[3-6].

국내에서는 1968년 이봉교에 의해 처음으로 개발되어 희 수식, 소드식, 유니온 맥진기 등이 개발되었으며, 2005년 ( 주)대요메디의 3D-Mac이 시장에 출시되었다. 해외 제품 중 널리 알려진 요골동맥 맥파 분석기는 Sphygmocor(ArtCor, 호주)와 HEM-9000(Omron, 일본)으로 요골동맥에서 측정 한 맥파로부터 혈관의 경직도를 평가하는 장비들이다.

Corresponding Author : YoungJu Jeon

1672, Yuseong-daero, Yuseong-gu, Daejeon, Republic of Korea TEL: +82-42-868-9306 / FAX: +82-42-868-9480

E-mail: [email protected]

이 연구는 한국한의학연구원 “사용편의성과 소형화 기반의 맥진 상

용화 시스템 개발(K16680)”과제와 “지능로봇 기술 기반 능동형 맥

측정 기술 개발(K17022)” 과제의 지원을 받아 수행하였음.

169 한국한의학연구원에서는 맥파 측정기(KIOM-Pulse An-

alysis System ver2.0, 이하 KIOM-PAS)를 개발하여 임 상연구에 활용해오고 있다. KIOM-PAS는 압저항 소자를 이 용한 7채널 맥진센서와 사선방향 가압이 가능한 힌지 구조 의 가압 기구물, 그리고 1축 DC모터로 구성되어 있다. 기 기에 팔을 거치 후 측정자가 가압 기구물을 이용하여 측정 위치에 센서를 거치시킨 후 연속 가압을 통해 최대 압맥파 를 자동 검출하고 최대 압맥파의 가압값에서 일정시간 맥파 를 측정하도록 개발하였다[7,8].

KIOM-PAS 는 임상시험에 활용하기 위해 임상 GMP를 획득하고 식약처의 임상시험계획 승인을 득한 후 맥파 데이 터를 획득하고 있다[9]. 2014년부터 다년간 KIOM-PAS를 활용한 임상연구를 수행해 오면서 KIOM-PAS의 측정과정 중 불편한 점들에 대해 개선 필요성이 제기되었다. 대표적 으로 두 가지 문제점들이 있는데, 첫 번째로는 사선 방향 가 압을 위한 일정 높이의 가압 구조물이 피험자의 정면부에 위치함으로써 측정 자세의 불편을 야기하였다[10]. 두 번째 로 맥파 측정을 위해 피험자는 평균적으로 200초간 고정된 자세를 유지해야 하는데, 일부 피험자들이 이 시간을 유지 하는 데 불편함을 호소하였다. 즉, 측정 자세의 불편함을 해 소하고 측정 시간 단축에 대한 요구사항이 제기되었다.

본 연구는 이러한 KIOM-PAS의 문제점들을 보완하기 위 해 공압펌프를 이용한 가압방식 변경을 통해 측정 과정의 편의성 확보와 측정 시간 단축이 가능한 소형화 맥파 측정 장치(Miniaturized-PAS, M-PAS) 개발에 대한 것이다.

II. 본 론

1. 소형화 맥파 측정 장치

한국한의학연구원에서 자체 개발한 소형화 맥파 측정 장 치는 기존 KIOM-PAS 측정 방식과 동일하게 가압을 인가 하면서 맥파를 측정하는데 있어 기존의 1축 DC 모터 대신 공압펌프를 이용하였다.

KIOM-PAS 의 가압 기구물은 그림 1(a)와 같이 센서와 모 터로 구성된 가압 기구물이 상판에 매달려 있는 형태이며 사선 방향 가압을 위해 넓은 상판 면적을 필요로 한다.

그림 1(b)의 소형화 맥파 측정 장치는 맥 측정 위치에서 맥파 신호를 측정하는 측정모듈(Measurement Module)과 팔을 거치할 수 있는 팔 거치부(Arm-mounting Module) 로 구성된다. 측정모듈은 그림 2와 같이 측정위치에 부착하 기 위한 손목 착용형 밴드 형태의 고정모듈(Fixing Moudle) 과 센서 및 튜브가 포함된 센싱모듈(Sensing Module)로 나 뉜다. 고정모듈과 센싱모듈이 분리되어 있어 측정 시 센싱 모듈을 용이하게 탈부착 할 수 있다. 또한, KIOM-PAS에 서는 측정 시 가압 기구물에 부착된 센서를 측정 위치로 이

동하여 맥파를 측정하기 때문에 피험자는 최대한 고정된 자 세가 요구되었으나, 소형화 맥파 측정 장치에서는 측정모듈 이 독립적으로 구성되어 있어 측정 시 피험자가 보다 편안 한 자세를 유지할 수 있다.

소형화 맥파 측정 장치에서 공압펌프 부는 팔 거치부 구 조물 내부에 삽입하고 튜브만 센싱모듈 내에 위치시켜 측정 모듈의 크기를 소형화 시켰다. 팔 거치부에는 제어 및 측정 을 위한 NI-DAQ(National Instruments, USA)와 튜브에 공압을 인가하기 위한 가압펌프, 튜브의 잔류 공기를 제거 하기 위한 진공펌프, 미세배출밸브 및 공압펌프 제어용 모 터드라이버와 튜브내 압력 측정을 위한 압력센서, 맥파 신 호 측정을 위한 아날로그 하드웨어가 내장되어 있다. 그림 3 에 공압펌프를 이용한 가압모듈 구성도를 나타내었다.

그림 2. 소형화 맥파 측정 장치 구성 부품.

Fig. 2. Components of miniaturized pulse analysis system.

그림 1. KIOM-PAS와 소형화 맥파 측정 장치.

Fig. 1. KIOM-PAS and Miniaturized PAS.

170

공압을 이용한 가압은 가압펌프의 회전속도를 이용하여 가압속도를 조절한다. 제어프로그램을 통해 데이터 수집 (Data Acquisition, DAQ) 에서 생성된 펄스 주기에 대한 펄 스 폭 비율(Pulse Width Modulation, PWM)을 모터드라 이브에 전달하면 모터드라이브의 전압이 PWM 신호에 비 례하여 변경된다. 이를 통해 가압펌프의 회전속도가 조절되 고, 가압펌프에 의해 발생된 튜브 내 압력의 크기를 압력센 서를 통해 측정한 후 이 값을 제어프로그램의 제어변수로 사 용한다. 제어프로그램에서는 비례-적분-미분 제어(Propor- tional-Integral-Derivative controller, PID) 신호를 DAQ 에 전달하여 가압펌프의 회전속도를 조절한다. 공압 압력은 0~350 mmHg 사이에서 ± 1 mmHg, 가압은 0~10 mmHg/

sec 수준으로 제어하였다.

맥파 측정을 위해 피험자는 고정모듈을 측정 위치에 부착 하고, 본체의 팔 거치부에 팔을 올려놓은 후, 센싱모듈을 고 정모듈과 결합한다. 이후 예비 측정을 하여 센싱 모듈의 위 치와 결합이 잘 되었는지 확인하고 본 측정을 시작하면 자 동으로 맥파를 측정하고 저장한다. 맥파 예비측정 단계에서 는 10 mmHg/sec로 가압하면서 실시간으로 맥파 신호를 확 인하고 측정 위치가 맥파 신호 측정에 적절한지를 확인한다.

예비측정에서 문제가 없다면 프로그램 상의 저장 버튼을 눌 러 본 측정을 진행하게 되는데, 본 측정은 5 mmHg/sec로 가압을 인가한다.

2. 센싱 모듈

그림 4에 센싱 모듈의 내부구조를 나타내었다. 그림에서 보듯이 센싱 모듈은 맥파 측정 센서와, 센서 홀더, 표면형상 대응 스프링, 공압 튜브, 케이블 등으로 구성되어 있다. 센 서부에 연결되어 있는 스프링은 센서부를 밀어 올려 튜브와 연결되도록 하고 공압 튜브를 통해 가압이 인가될 때 센서의

피부 접촉면이 피부 표면 형상에 대응되도록 설계하였다. 맥 파 측정 센서는 기존 KIOM-PAS와 동일한 센서로 절대압 방식의 압저항 센서(C33, Epcos, Germany)를 이용하였으 며 선형성이 검증된 일자 형태의 7채널 센서이다[11].

3. 소프트웨어 및 맥파 측정 과정

소형화 맥파 측정 장치의 제어와 측정을 위한 프로그램은 LabVIEW 2016(National Instruments, USA) 을 이용해 개발하였으며, 사용자 편의성을 고려해 직관적이고 시안성 이 높은 사용자 인터페이스를 구성하였다. 측정 프로그램은 크게 환자정보 입력, 맥파 측정, 측정 결과 화면으로 구성되 어 있으며 그림 5에 나타내었다.

맥파 측정을 위해서는 우선 환자정보 화면에서 환자의 이 름과 나이, 성별 등의 정보를 입력 한다. 그 후 손목에서 측 정하고자 하는 맥파의 정확한 위치를 찾아 마킹한 후, 고정 모듈의 가운데에 마킹 부위가 위치하도록 고정모듈을 조절 한다. 스트랩을 이용해 고정모듈을 손목에 고정한 후에는 센 싱모듈을 고정모듈과 결합한다. 본체의 팔 거치부에 편한 자

Fig. 3. Block diagram of applied pressure module using pneumatic pump.

그림 4. 센싱 모듈의 내부 구조.

Fig. 4. Internal structure of sensing module.

171 세로 팔을 올려놓으면 맥파 측정을 위한 준비단계는 마무리

된다.

다음으로 측정 프로그램의 맥파측정 화면에서 측정하고자 하는 부위를 좌우 촌, 관, 척 중에서 선택한 후 시작을 클 릭하면 센싱모듈에 예비측정을 위한 공압이 빠르게 인가된 다. 측정센서가 측정부위에 닿으면 센서의 각 채널에서 맥 파 신호가 나타나는데, 이 때 가운데 채널인 4번 채널의 신 호가 다른 채널에 비해 상대적으로 크고 또렷하게 나타나도 록 측정모듈의 위치를 조절 한다. 맥파 신호의 모양이 올바 르게 나타나는 것을 확인한 후에는 저장을 클릭해 본 측정 을 시작한다. 본 측정 시에는 센싱모듈에 공압이 서서히 인 가되며 최대 압맥파가 나타날 때까지 측정 부위를 계속해서 가압한다. 최대 압맥파가 나타나는 시점을 자동으로 감지한 후에는 그 시점의 가압 값을 유지시키기 위해 공압을 조절 하고, 일정한 가압 하에서 60초 동안 맥파를 측정하게 된다 [12]. 측정된 맥파는 측정결과 화면에서 확인할 수 있으며 파일로도 저장되어 추후 분석에 활용할 수 있다.

III. 실 험

1. 평가방법

본 연구에서는 KIOM-PAS를 이용한 임상시험에서 나타 낸 개선 요구 사항들을 해결하기 위해 맥파 측정 장치를 소 형화하고 측정시간 단축 및 측정 자세 개선을 통해 측정의 편의성을 향상시키고자 하였다.

맥파 측정 장치의 소형화를 위해 기존의 1축 DC 모터 대 신 공압펌프를 이용하였으며 KIOM-PAS의 체적과 소형화 맥파 측정 장치의 체적 비교를 통해 소형화를 평가하였다.

측정 시간 단축은 표 1과 같이 측정단계에 따라 각 장비를 3 회 반복 측정하여 측정단계별 소요 시간을 측정 및 비교하 여 평가하였다.

소형화 맥파 측정 장치에서 측정한 맥파와 KIOM-PAS 에서 측정한 맥파가 유사하게 나타나는지 확인하기 위해 한 국표준과학연구원에서 개발한 맥파 시뮬레이터를 활용하였 다. 맥파 시뮬레이터는 지능형 캠(cam)구조와 피스톤/실린 더 및 모터를 조합하여 연령대별 압력파형을 캠의 교환을 통해 생성할 수 있도록 설계되었다. 두 기기 간에 측정된 파 형의 평가를 위해 시뮬레이션 출력 조건을 동일하게 설정한 후 시뮬레이터에서 발생하는 맥파를 소형화 맥파 측정 장치 로 5회, KIOM-PAS로 2회 측정하였다. 그림 6에 KIOM- PAS 와 소형화 맥파 측정 장치에서 맥파 시뮬레이터를 이용 한 데이터 측정 모습을 사진으로 나타내었다.

측정한 맥파 데이터 중 일정가압 하의 60초 데이터를 대상 으로 잡음 제거와 기저선 보정 등의 신호처리를 하였으며, 각 맥파의 특징점을 검출한 후 심박수 75회로 정규화한 평균 파형을 생성하였다. 소형화 맥파 측정 장치에서 측정한 평 균파형과 KIOM-PAS에서 측정한 평균파형의 유사도 평가 는 percent root-mean-square difference(PRD)를 사용하 였다[13]. PRD의 정의는 아래 식 (1)과 같다. 식에서 S(i) 와 Sc(i)는 비교하고자 하는 입력 파형들이고, N은 샘플의

Fig. 5. Miniaturized PAS program UI.

172

개수를 의미한다.

식 (1)

IV. 결과 및 결론

KIOM-PAS 가 다년간의 임상연구를 수행하면서 발생한 요구사항들을 해결하기 위해 공압 가압 방식의 소형화 맥파

측정 장치를 개발하였다. 소형화 맥파 측정 장치는 가압 방 식의 변경을 통해 기존 KIOM-PAS의 1/6 (KIOM-PAS : 380 mm*380 mm*453 mm → 소형화 맥파 측정 장치 : 408 mm*164 mm*154 mm) 크기로 소형화를 이루었다.

또한, KIOM-PAS의 측정과정에서 피험자 자세 불편함 및 측정 시간 감소에 대한 요구사항에 대해서는 소형화 맥파 측정 장치의 고정모듈과 센싱모듈을 독립시키고 착탈 방식으 로 체결되도록 변경함으로써 일정부분 해소가 가능하였다. 맥 파 측정시간 역시 소형화 맥파 측정 장치가 KIOM-PAS에 PRD S i() S –

i()

i 1=

∑

^S

ⁱ⁽⁾

∑

⁄

=

그림 6. KIOM-PAS와 소형화 맥파 측정 장치에서 맥파 시뮬레이터를 이용한 파형 측정.

Fig. 6. Pulse waveform measurement using the pulse simulator between KIOM-PAS and Miniaturized PAS.

표 1. 측정 단계 정의.

Table 1. Definition of measurement steps.

KIOM-PAS M-PAS

Preparation for Measurement

·측정 위치를 촉진

·측정 위치에 펜으로 마킹

·측정 위치를 촉진

·측정 위치에 펜으로 마킹

·고정모듈의 중심이 마킹한 위치에 오도록 밴드 부 장착

Preliminary Measurement

·가압기구물과 모터를 이용하여 마킹한 부위에 센서를 위치

·올바른 맥파 파형이 나타나는지 확인

·측정 모듈을 밴드부에 안착

·올바른 맥파 파형이 나타나는 지 확인

Measurement

·측정 버튼을 눌러 자동으로 측정 및 저장 ·저장 버튼을 눌러 자동으로 측정 및 저장

173

비해 측정시간이 45초(22%) 단축되었으며, 이 결과를 표 2 에 나타내었다. 측정준비 단계는 측정자의 숙련도에 따라 차 이가 날 수 있어서 예비측정 및 본 측정에 소요되는 시간만 나타내었다. 다만, 소형화 맥파 측정 장치에서 고정 모듈 스 트랩의 재질 문제로 체결 시 어려움이 있어 개선이 필요한 것으로 파악되었다.

예비측정 단계에서 KIOM-PAS의 경우 측정자가 가압 모 듈을 조정해 센서를 측정 부위에 위치하도록 한 후, 모터 상 /하 버튼을 통해 가압에 따른 맥파를 관찰하면서 측정 위치 가 맞는지 확인해야 한다. 반면, 소형화 맥파 측정 장치에서 는 고정모듈과 센싱모듈의 결합 후 가압에 따른 맥파를 관 찰함으로써 센서가 올바른 측정위치에 놓여 있는지를 확인 할 수 있다.

본 측정 단계에서는 두 기기 모두 자동으로 정해진 속도 에 의해 가압하면서 맥파 측정 및 저장을 수행하게 된다. 본 측정에서 KIOM-PAS는 설정된 모터 속력으로 등속 가압 을 하면서 맥파를 측정한 후 최대압맥파 시점을 자동으로 감지한다. 이 후 최대압맥파 시점의 가압으로 감압하여 일 정시간 맥파를 측정하게 된다. 반면, 소형화 맥파 측정 장치 는 최대압맥파가 나타나는 시점을 자동으로 감지한 후 순간

적인 공기 배출을 통해 최대압맥파 시점의 가압으로 감압하 여 일정시간 맥파를 측정하게 된다. 즉, 최대압맥파 시점의 가압으로 감압하는 과정에서 소형화 맥파 측정 장치가 더 짧은 시간이 소요된다. 또한, 측정 종료 후 초기 상태로 돌 아오는 시간도 순간적인 공기 배출을 통해 동작하기 때문에 소형화 맥파 측정 장치의 본 측정 단계 시간이 KIOM-PAS 에 비해 11초 단축되었다.

한국표준과학연구원의 맥파 시뮬레이터를 이용하여 두 기 기에서 측정한 맥파 파형으로부터 평균맥파 파형을 구하고 파형간의 일치도를 평가하였다. 두 기기 간의 평균 파형의 PRD 는 3.65%로 파형 일치도는 높은 것으로 확인되었다.

특히, 그림 7에서 KIOM-PAS를 이용하여 2회 측정한 파 형간의 차이와 소형화 맥파 측정 장치에서 5회 측정한 파형 간의 차이를 비교했을 때 소형화 맥파 측정 장치를 통해 측 정한 파형간의 차이가 더 작음을 알 수 있었다. 하지만, 이 러한 특성은 실제 사람을 대상으로 반복성과 재현성 평가를 수행해야 그 의미를 둘 수 있을 것이다.

본 논문에서는 KIOM-PAS에 대한 개선 요구사항들을 바 탕으로 개발한 소형화 맥파 측정 장치에 대해 기술하였다.

개발한 소형화 맥파 측정 장치는 KIOM-PAS의 측정 자세 불편함을 개선하였고, 크기는 1/6로 감소하였으며 측정 시 간은 45초(22%) 단축되었다. 측정 자세 불편함 개선에 대 해서는 측정자 또는 피험자를 대상으로 설문조사를 통해 객 관적인 데이터를 제시해야 하나, 소형화 맥파 측정 장치가 아직 임상시험에 투입할 수 있는 단계가 아니라는 한계점이 존재하였다. 다만, KIOM-PAS에서 제기되었던 자세의 고 정으로 인한 불편함은 소형화 맥파 측정 장치에서 측정모듈 의 독립적 구성으로 충분히 해결이 가능한 것으로 판단이 되었다. 소형화 맥파 측정 장치는 향후 스트랩 장착 문제, 측정시간 차이로 인한 분석 변수 유효성 확보 등 지속적 개 선을 통해 임상에서 활용할 수 있도록 개발해 나갈 예정이다.

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Fig. 7. Average pulse waveform between KIOM-PAS and Miniaturized PAS.

표 2. KIOM-PAS와 소형화 맥파 측정 장치의 측정 단계별 소요 시간.

Table 2. Measurement time by steps between KIOM-PAS and Miniaturized PAS.

Steps KIOM-PAS M-PAS

Preliminary

Measurement 51 ± 4sec 17 ± 1sec

Measurement 150 ± 2sec 139 ± 4sec

Sum 201 ± 6sec 156 ± 5sec

174

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