바이오 임피던스 측정 기반 체액 모니터링 시스템의 펌웨어 업그레이드 및 새로운 체액변화 추정식 개발

Abstract

수술실에서는 수술로 인해 손실되는 체액의 양을 보충하기 위해 지속적 수액 요법을 통해 정상혈량을 유지한다. 이것이 중요한 이유는 적절한 혈관 내 용적이 장기의 기능을 보전하며 결과적으로 신체의 항상성을 보존시키며, 수술 후 합병증을 줄이고 재원 기간을 단축시키는 것과 연관이 있기 때문이다. 하지만 수액의 양을 적절히 조절하지 못할 경우 크게 저혈량증과 과혈량증의 문제가 나타난다. 현재 저혈량증으로 인해 생기는 변화들은 수술 중 모니터링을 통해 즉각적으로 진단하여 빠르게 대응할 수 있지만, 과혈량증의 경우 임상적인 증상이 나타난 후 진단하거나 수술 전과 비교를 통한 진단에 그치고 있기에 즉각적으로 진단하기는 어렵다. 그렇기 때문에 수술 중 과혈량증을 실시간으로 비침습적으로 진단하기 위한 방법으로 생체 임피던스 측정법(Bioimpedance analysis)을 사용하였다.

생체 임피던스 측정 장치의 경우, 4 전극 측정법으로 국소 부위의 임피던스를 측정하는 방식이며 임피던스와 커패시턴스, 저항을 측정한다. 또한, 사용 함에 있어 공간제약을 줄이기 위해 휴대용으로 개발되었다. 측정 데이터는 0.5 SPS(Sample per second)의 속도로 PC로 유선통신을 통해 전송되며, 측정 주파수는 단일 주파수 모드(48.8 KHz), 다중 주파수 모드(7.8, 15.6, 31.2, 62.5 KHz)로 이루어져 있다. 전송된 데이터는 PC에서 LabVIEW 프로그램을 사용하여 계산되며, 사용자 친화적으로 개발된 GUI를 통해 시각적으로 표현되도록 개발하였다. 또한, 수술 중 다양한 변수로 인해 발생하는 데이터 손상을 대비하여 장치 내 저장 공간인 SD card에 자동 저장되도록 펌웨어를 개발하였다.

개발된 장치의 측정 정확도와 신뢰도를 검증하기 위해 임의로 구성된 R-C회로를 장시간 측정하였으며, 이론 값과 비교를 통해 오차율을 분석하였다. 검증이 끝난 후, 동물 실험을 계획된 프로토콜에 맞게 진행하여 총 10마리의 돼지 데이터(임피던스, 커패시턴스, 저항 및 다양한 모니터링 변수)를 얻었다. 예측 식 개발에 앞서 체액과 연관있는 체중을 독립변수로 선정하였고, 데이터 비교를 통해 절대 체중 값을 예측하는 것이 아닌 체중 변화율을 예측하는 식을 개발하였다. 예측의 정확도를 높이기 위해 다양한 변수들의 일관성을 판단하였고, 그 중 임피던스, 커패시턴스, 저항만이 종속 변수로 선정되었다. 선정된 변수들을 바탕으로 단일 주파수 모드로 얻은 변수들로만 개발한 예측 식, 다중 주파수 모드로 얻은 변수들로만 개발한 예측 식, 두 가지 모드로 얻은 변수들로 개발한 예측 식을 다중 회귀분석을 통해 각각 구하였고, 비교 계수로 선정된 결정 계수(r²)를 바탕으로 정확도를 평가하였다. 그 결과, 두 가지 모드를 전부 사용해서 얻은 변수들로 개발한 예측 식이 가장 우수한 성능을 보였다.

또한, 사용자가 위험하다고 판단되는 Target 변화율을 입력하였을 경우, 실시간 측정 값을 바탕으로 추세 식을 만들어 Target 변화율까지 남은 시간을 예측하도록 시스템을 개발했고, 실제 도달한 시간과 비교를 통해 검증하였다.