동물용 웨어러블 바이탈 모니터를 위한 계측 시스템

지난 2년 동안 저를 도와주신 분들이 많이 계십니다. 비록 부족하지만 논문을 완성할 수 있도록 도와주신 모든 분들께 감사의 말씀을 전하고 싶습니다.

서 론

연구 배경

의료서비스 수요 증가에 따라 국내 동물병원 및 동물의료기기 시장 성장도 더욱 가속화될 것으로 예상된다. 동물병원 및 동물의료기기 시장이 성장함에 따라 동물의 활력징후 모니터에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 본 연구의 목적은 기존 생체신호 모니터의 측정 방식을 개선하고, 편안함이 향상된 동물 생체신호 모니터 개발 가능성을 확인하는 것이다.

국내 의료기기 및 동물 생체신호 모니터 시장규모 도표입니다. 동물 활력징후 모니터는 동물 환자의 활력징후를 측정 및 표시하고, 미리 설정된 범위에 따라 경보음을 울리는 장치이다. 포유류 종의 정상적인 활력 징후를 쉬고 있습니다.

기존의 동물용 바이탈 사인 측정 방법과 문제점

적외선 온도계, 전자 온도계, 화학 온도계는 체온을 측정하는 데 사용됩니다. 기존 동물 활력징후 모니터의 측정 기술을 적용할 때 고려해야 할 여러 가지 문제가 있습니다. 심전도와 호흡 신호를 측정하려면 전극을 부착해야 하지만 동물은 인간보다 체모가 많고 임피던스도 더 높습니다.

지속적인 체온 모니터링을 위해 직장에 체온계를 삽입하는 것은 동물에게 심각한 스트레스를 유발합니다[7]. 어떤 경우에는 패치형 체온계를 사용하여 사람의 피부 온도를 지속적으로 모니터링합니다. 자신의 행동을 안정적으로 통제할 수 있는 인간과 달리 동물은 장기간 통제가 불가능하고 제한된 공간에서만 활용될 수 있다.

전극을 사용하여 사람의 EEG(뇌전도)를 측정하려는 시도가 있습니다. 이를 체모가 많은 동물에 적용하여 심전도를 측정하고자 한다. 스트레치 스트레인 센서를 흉강 외부에 국부적으로 부착하여 호흡 신호를 측정하였고, 동작 중 스트레치 스트레인 센서의 적용성을 활동성 수준으로 평가하였다.

일정한 장력을 유지하는 탄성 패드를 흉강 일부에 접촉시켜 착용 시 불편함을 줄이고 국소적으로 RIP를 적용하여 호흡 신호를 측정합니다. 체모가 많은 동물의 체온은 영열유속법(Zero Heat Flux Method)을 이용하여 측정합니다. 체모가 많은 동물에 적용해 심부 체온에 가까운 온도 측정이 가능한지 확인하는 것이 목적이다.

본 론

동물용 웨어러블 바이탈 모니터 설계

하드웨어 구성
하드웨어 동작 방식

동잡음 구간 검출을 위한 활동 수준 정량화

가속도계로부터 활동 수준을 산출하는 방법
동작의 정도에 따른 활동 수준 측정 결과

돌기형 건식 전극을 사용한 심전도 측정

돌기형 건식 전극
심전도 증폭기 설계
심박수 검출 알고리즘
심전도 측정 및 활동 수준에 따른 신호 품질 평가

신축성 센서를 이용한 호흡 신호 측정

신축성 센서의 호흡 측정 원리
호흡수 검출 알고리즘
호흡 신호 측정 및 활동 수준에 따른 신호 품질 평가

열유속 제로 방식 체온 측정

열유속 제로 방식 체온 프로브 설계
열유속 제로 방식 체온 측정 원리 및 알고리즘
열유속 제로 방식 체온 측정 결과

실시간으로 활동량을 측정하기 위해 epoch를 1초로 설정하였습니다. 활동량 측정 결과는 움직임의 양에 따라 달라집니다. 활동 정도를 측정하고 움직임에 따라 4개 구간으로 나누었습니다.

활동 수준에 따른 심전도 측정 및 신호 품질 평가. 88%에서는 조용한 움직임 이하의 활동 수준에서 건식 전극을 사용하여 ECG를 측정했습니다. 신축성 센서를 이용한 호흡 신호 측정.

활동 수준별 호흡 신호 및 호흡수 측정 결과입니다. 이를 측정된 신체 표면 온도와 비교했습니다.

토의 및 결론

토의

건식 전극을 이용한 심전도 측정 시스템은 부드러운 움직임 이하의 활동 수준에서도 심전도를 안정적으로 측정할 수 있었습니다. 접착전극은 신체 표면에 꾸준히 접촉하여 일정한 저항을 유지합니다. 건식 전극에 대한 모발 영향은 감소하지만 이동 후 접촉이 불안정해지고 임피던스가 변화하여 신호 품질에 영향을 미치는 것으로 보입니다.

건식전극으로 측정한 심전도보다 높은 활동량에서도 호흡 신호가 확인됐는데, 센서가 흉강 외부에 국부적으로 부착돼 움직임 소음의 영향을 덜 받은 것으로 추정된다. 영열유속법으로 측정한 체온은 고막온도와 차이가 있으나 체표온도보다는 고막온도에 더 가까운 것으로 나타났다. 이는 부분적으로 외부 환경의 영향을 받는 것으로 여겨진다.

결론

그러나 일부 ECG에서는 낮은 활동 수준에서도 R-peak를 명확하게 구별하기가 어려웠습니다. 신축성 스트레인 센서는 부드러운 움직임 시 활동 수준에서 안정적인 호흡 신호를 측정했으며, 정상적인 움직임 시 활동 수준에서 기준선의 변화가 있었지만 호흡을 반영하는 신호 측정이 가능했다. 그러나 영열유속법은 단열 및 열보상으로 인해 외부 요인의 영향을 덜 받았음에도 불구하고 이 방법으로 측정한 체온은 심부체온과 차이가 있었다.

외부 변수가 지속적으로 통제되는 동물병원 및 임상시험 환경에서 유용하게 활용될 것으로 기대됩니다. 본 실험 결과는 제안된 측정 시스템으로 매개변수를 측정할 수 있음을 확인하기 위한 것이다. 점점 더 다양한 대상에 대한 실험을 통해 데이터의 양을 늘리고 비교 분석을 통한 정량적 검증이 필요합니다.

향후 활용 방안

Validity, practicality and reliability of Actigraph accelerometry for measuring habitual physical activity in dogs.