[논문 리뷰] An Inexpensive Arterial Pressure Wave Sensor and its application in different physiological condition

Shantanu Sur, S.K. Ghatak|ArXiv.org|2005. 12. 08.

Heart Rate Variability and Autonomic Control참고 문헌 8인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 맥박파의 동맥 벽 직경 변화를 감지하기 위해 저주파수 피에조전기 재료를 사용한 저비용 수축압 파동 센서를 제시한다. 시스템은 압력 파형과 그 도함수를 모두 캡처하여 정확한 심장 주기 변동성 검출이 가능하며, 다양한 생리 상태에서 carotid 및 radial 동맥에서 검증된 신호 변동성을 보여준다.

ABSTRACT

Arterial Blood Pressure wave monitoring is considered to be important in assessment of cardiovascular system. We developed a novel pulse wave detection system using low frequency specific piezoelectric material as pressure wave sensor. The transducer detects the periodic change in the arterial wall diameter produced by pressure wave and the amplified signal after integration represents the pressure wave. The signal before integration is proportional to the rate of change of pressure wave and it not only reproduces the pressure waveform faithfully, but also its sharper nature helps to reliably detect the heart period variability (HPV). We have studied the position-specific (e.g. over carotid or radial artery) nature of change of this pulse wave signal (shape and amplitude) and also the changes at different physiological states.

연구 동기 및 목표

• 심혈관계 평가를 위한 저비용이고 접근성이 높은 동맥 수축압 파동 측정 시스템을 개발하기 위해.
• 맥박파 형태 및 진폭이 동맥 위치(예: carotid 대비 radial 동맥)에 따라 어떻게 변하는지 조사하기 위해.
• 다양한 생리 상태에서 심장 주기 변동성(HPV)을 검출하는 센서의 성능을 평가하기 위해.
• 압력파의 도함수 신호(압력파의 변화율)가 향상된 파형 충실도 및 분석을 위해 신뢰성 있는지 검증하기 위해.

제안 방법

• 맥박파로 인한 주기적인 동맥 벽 직경 변화를 감지하기 위해 저주파수 피에조전기 재료를 변환기로 활용하였다.
• 센서에서 얻은 원시 신호를 증폭하고 통합하여 압력 파형을 복원하였다.
• 압력 변화의 변화율을 캡처하기 위해 통합하지 않은 신호를 유지하여 파형의 날카운 특징 감지 능력을 향상시켰다.
• 동일한 센서 설정을 사용하여 carotid 및 radial 동맥 부위에서의 신호 특성(진폭, 형태)을 비교하였다.
• 휴식 상태, 운동 후 상태, 혈류역학 변화 상태 등 다양한 생리 상태에서의 신호 행동을 평가하였다.
• 압력파 및 그 도함수를 추출하기 위해 신호 통합 및 미분을 활용하여 심장 주기 변동성 분석을 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 carotid 동맥과 radial 동맥에서 측정했을 때 맥박파 신호의 형태와 진폭은 어떻게 달라지나?
• RQ2 다양한 생리 상태에서 압력파 신호의 도함수가 심장 주기 변동성(HPV)을 신뢰성 있게 감지할 수 있는가?
• RQ3 활동 수준나 혈류역학 변화와 같은 생리적 조건의 변화가 감지된 맥박파의 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 저비용 피에조전기 센서를 사용할 경우 동맥 수축압 파형을 얼마나 잘 유지하는가?
• RQ5 통합된 신호에 비해 비통합 신호가 미세한 혈류역학적 변화를 감지하기 위해 더 뛰어난 시간 해상도를 제공하는가?

주요 결과

• 압력 변화율에 비례하는 비통합 신호는 동맥 맥박파형을 정확히 재현하며 날카운 특징 감지 능력을 향상시킨다.
• 도함수 신호는 심장 주기 변동성(HPV)의 신뢰성 있는 측정을 가능하게 하여 자율신경계 평가에 활용 가능성을 높인다.
• carotid 및 radial 동맥 부위 간에 신호 진폭과 형태에 유의미한 차이가 있었으며, 이는 위치에 따라 다른 맥박파 특성을 나타낸다.
• 운동 후 또는 혈류역학 변화가 있는 상태에서의 생리적 변화를 센서 시스템이 맥박파 패턴의 변화로 성공적으로 캡처하였다.
• 저주파수 피에조전기 재료의 사용으로 복잡한 신호 조정 없이도 저비용이고 고감도의 동맥 맥박파 감지가 가능했다.
• 원시 신호의 통합은 표준 동맥 수축압 파형과 유사한 파형을 생성하여 시스템의 파형 복원 정확도를 검증하였다.