[논문 리뷰] A Bioimpedance Measurement System for Pulse Wave Analysis

Roman Kusche, Turner Adornetto외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 28.

Non-Invasive Vital Sign Monitoring참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 50 kHz 정현파 전류 주입과 동기화된 광plethysmography(PPG)를 사용하여 24비트, 1000샘플/초의 비침습적 생체저항 측정 시스템을 제시한다. 시스템은 심장 주기당 40 mΩ의 저항 변화를 동반한 전지의 팔뚝에서 맥박파 형태를 성공적으로 측정하여, 불편함을 동반하지 않고 동맥경화증 평가의 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

The morphology and velocity of the pulse wave in the arteries provide meaningful information about the cardiovascular system. Nowadays, the pulse wave is usually acquired using common blood pressure cuffs at the extremities. This work describes a new measurement device which detects changes in bioimpedance due to the pulse wave. The system is able to measure up to 1000 bioimpedances per second with a resolution of 24 bits. For comparison purposes, an additional synchronized photoplethysmography circuit is implemented. Initial measurements proved that the system is able to acquire the pulse wave at the forearm.

연구 동기 및 목표

• 동맥경화증 평가를 위해 지속적인 맥박파 모니터링이 가능한 비침습적이고 통증이 없는 방법을 개발하기 위해.
• 기존의 케이지 기반 혈압 측정 방식의 한계를 극복하기 위해, 불편하고 장기적 사용에 부적합한 방식을 개선하기 위해.
• 향상된 맥박파 형태 분석을 위해 고해상도 생체저항 측정(1000샘플/초, 24비트 해상도)을 가능하게 하기 위해.
• 검증 및 신호 비교를 위한 기준 신호로 동기화된 PPG 통합을 위해.
• 임상 및 장기 모니터링 응용 분야에 적합한 이동성 있고 저전력 시스템을 구축하기 위해.

제안 방법

• 32비트 마이크로컨트롤러(SAM4S16C)가 내장 DAC를 통해 50 kHz 정현파 자극 신호를 생성한다.
• 신호는 DC 오프셋과 고조파를 제거하기 위해 역방향 4차 버터워스 저역통과 필터와 1차 고역통과 필터를 조합하여 필터링된다.
• 하울랜드 유형의 전압 제어 전류원(VCCS)이 두 전류 전극을 통해 피험자의 조직에 1 mA AC 전류를 공급한다.
• 조직과 시mlin 저항소자 사이의 전압 강하를 인스트루멘테이션 앰프(INA128)를 사용하여 차동적으로 측정한다.
• 차동 신호는 배율기 IC(MPY634)를 통해 제곱되고, 이후 4차 고역통과 필터(절곡 주파수 30 Hz)를 거쳐 필터링된다.
• 6채널, 24비트 ADC(ADS131E06)가 1000샘플/초 속도로 생체저항 및 PPG 신호를 디지털화하며, USB를 통해 PC로 데이터를 전송하여 실시간 GUI 및 신호 처리를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고해상도, 비침습적 생체저항 시스템이 1000샘플/초, 24비트 해상도로 맥박파 형태를 감지할 수 있는가?
• RQ2 생체저항 신호는 맥박파 감지에서 형태와 시기 측면에서 PPG와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 시스템은 심장 박동 동안 조직 저항의 변화를 신뢰성 있게 기록할 수 있는가?
• RQ4 이 설정을 사용할 경우 팔뚝에서 심장 주기당 저항 변화의 크기는 얼마인가?
• RQ5 운동 아티팩트와 신호 안정성은 실제 환경 조건에서 측정에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 시스템은 젊고 건강한 남성 피험자의 팔뚝에서 1000샘플/초의 샘플링 속도로 맥박파 형태를 성공적으로 확보하였다.
• 심장 주기당 약 40 mΩ의 일관된 저항 변화가 관찰되어 조직 저항의 감지 가능한 파ulsatile 변동성을 나타내었다.
• 생체저항 신호 형태가 PPG 신호와 유사하여 동맥 맥박파의 신뢰할 수 있는 감지를 시사하였다.
• 생체저항 신호는 PPG 신호에 존재하지 않는 고주파 성분을 포함하고 있어, 추가적인 순환계 또는 조직 특성에 대한 민감도를 시사하였다.
• 최대 1 mA의 전류 주입을 통해 IEC60601-1 안전 기준과 호환됨을 입증하였다.
• 동기화된 PPG 통합으로 효과적인 신호 검증이 가능해졌으며, 맥박파 감지에 대한 신뢰도가 향상되었다.