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왕진 의사 역할을 하는 의료장비


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글/마크 패트릭(Mark Patrick), 마우저 일렉트로닉스


우리는 이미 많은 의료장비에 익숙하다. 예를 들어, 디지털 체온계, 혈압 측정 모니터, 혈당 측정 모니터, 혈중 산소 측정기, 맥박수/심박수 측정 모니터 같은 장치는 흔하게 볼 수 있는 비침투형 의료장비이다. 세월이 흐르면서 이러한 장비들은 병원을 벗어나 일반 가정에서도 사용되고 있다. 더욱 세밀한 측정 능력과 고급 알고리즘이 적용된 장비가 개발되어 병원이 아닌 곳에서도 진단 및 치료 기능을 사용할 수 있게 되면서 이러한 흐름은 지속되고 있다.
이러한 변화 과정에서 중요한 요소가 있다. 사용자가 매우 복잡하다고 간주하는 장치들을 손쉽게 사용할 수 있도록 만드는 지능형 작동 사용법이 바로 그것이다. 예를 들어, 지금 이 순간 의료 전문가가 없는 응급 상황에서 일부 의료장비는 도움이 된다. 이러한 장비들은 의사나 간호사를 ‘대신’해서 임무를 수행하며 병원 이외에서는 불가능했던 의료 서비스를 어느 정도 제공한다. 이러한 지능형 의료장비가 설계된 내용을 살펴보면 새로운 지능형 의료장비가 앞으로 발전할 방향, 우리가 기대할 수 있는 기능에 대해 조금 더 자세하게 예측할 수 있을 것이다.

지능형 작동 - 자동제세동기(AED)

자동제세동기(AED)는 가장 눈에 띠는 지능형, 휴대용 의료장비로, 공항, 회의장, 공공건물 등에서 흔하게 볼 수 있다. AED는 급성심정지(SCA)가 발생한 응급 환자에게 사용되며 전기 충격을 이용해서 심장 박동을 정상으로 돌리는 장비이다. 더욱이 의료 시설이 아닌 곳에 비치된 AED는 의료 전문가가 아니라 ‘일반인’이 사용할 수 있도록 설계되었다. 간단한 음성 및 영상으로 사용법을 전달해 사용자가 초기 구동, 진단, 치료 과정을 수행할 수 있으며, 심지어 응급 의료 서비스가 필요하다는 경고도 전달한다. 자동으로 환자의 상태를 측정해서 분석하고 가장 필요한 조치를 결정한다.
AED는 미래의 지능형 휴대용 의료장비가 지향할 방향 및 미래의 장비들이 제공할 수 있는 기능을 암시한다. 고급 센서와 마찬가지로 AED의 주요 요소인 아날로그 신호 처리, 디지털 필터링, 무선 통신, 데이터 저장, 오디오와 LCD로 전달되는 비디오 프롬프트와 인간 사이의 고급 인터페이스, 반복되는 안전 보장 처리 등은 지능형 의료장비에서 일반적인 요소로 자리잡을 것이다. AED에서 이러한 요소들이 사용되는 방법을 살펴보면 다른 유형의 의료장비에 지능형 서비스를 추가하는 방법에 대한 통찰력을 얻게 될 것이다.

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[그림 1] AED 장비(Defibtech 제공)

AED의 설계

AED를 설계할 때 다른 의료장비에도 적용되는 가장 분명한 측면은 아마도 아날로그 감지 및 필터링, 디지털 신호 처리, 인간 인터페이스 및 통신 기능일 것이다. 중요 기능을 설계하는 원리를 자세하게 살펴보면 차세대 휴대용 의료장비에서 사용될 기법들이 더욱 명확하게 드러날 것이다. 감지, 진단, 작동 기능을 더욱 잘 이해하기 위해 AED는 심장에 ‘동력을 전달’하는 전기 시스템이 어떻게 작동하는지 빠르게 요약해서 습득해야 한다.

심장 모니터링


현재 AED가 다룰 수 있는 가장 전형적인 유형의 심장부정맥은 심실세동(V-Fib)과 심실성 빈맥(V-Tach)이다. AED로 조치를 취할 수 있는 이 두 가지 경우에서 심장은 뛰고 있지만 제대로 기능을 하지 않고 있으며 심장 마비로 발전할 수 있다. 심실성 빈맥이 발생하면 심장이 너무 빠르게 뛰어 혈액이 효과적으로 순환되지 않는다. 심실성 빈맥을 치료하지 못하면 심실세동으로 이어진다. 심실세동에서는 심장을 제어하는 전기적 활동이 혼돈 상태에 빠져 심실에서 정상적으로 혈액이 순환되지 않는다. 시간이 지나면서 심장의 떨림은 감소하고 결국 ‘수평선’ 또는 무수축 상태가 된다. 심장의 전기적 작동을 간단하게 살펴보면 심박계의 설계 방식을 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.
전기적 활성은 심방을 통해 확산되는 과정에서 동방결절에서 방실결절까지 전달된다. 방실결절은 전도 체계에서 중요한 지연 역할을 수행하며, 심전도(ECG) 그래프에서 PR 간격으로 표시된다. ECG에서 QRS 구간은 좌우심실의 급속한 탈분극 현상을 표시한다. 대동맥에는 근육량이 매우 많아서 QRS 컴플렉스의 진폭은P파보다 훨씬 크다. T파는 심실의 재분극을 표시한다. 지속 시간은 P파가 약 80ms, QRS 컴플렉스는 80~120ms, T파는 약 160ms이다.

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[그림 2] 심장의 구조와 정상 작동하는 심장의 심전도심장 구조에 관한 내용은 Agateller(Anthony Atkielski)가 위키미디어 공용(Wikimedia Commons)에서 작성한 심전도 참조(GFDL 또는 CC-BY-SA-3.0), 위키미디어 공용에서 atom이 svg로 변환

아날로그 방식 감지

대부분의 AED는 센서 패드 2개를 이용해서 심장의 전기적 활성을 측정한다. 이러한 센서들은 불규칙적인 심장 박동을 규칙적이고 안전한 리듬으로 회복시킬 때 사용하는 전기 충격의 소스로도 작동한다. 패드는 심장 구성요소의 분극과 탈분극 과정에서 발생하는 전압을 측정한다. 이런 전압은 보통 약 10mV에 불과하다. 센서를 부착하는 환자와 위치에 따라 신호에 차이가 있기 때문에 장비가 가장 효율적으로 작동하려면 정확한 측정이 필수 요건이다. 따라서 최대한 정확하게 신호를 수집하려면 고성능 ADC(아날로그-디지털 변환기)가 필요하다. 이번 글에서는 생리학적 과정을 다루기 때문에 신호를 수집하는 빈도가 높지 않다. 따라서 가청 주파수를 다루는 ADC의 성능은 충분한 것 이상으로 높아야 한다(ECG에서 여러 파장의 주기가 약 80~160mS임을 기억하자). 오늘날 생산되는 MCU는 보통 가청 주파수를 처리할 수 있도록 충분한 성능을 갖춘 ADC 주변장치가 칩에 내장되어 있다.
일부 의료장비는 더욱 복잡한 측정값을 요구할 수도 있으므로 AFE(아날로그 프론트엔드)를 사용할 필요가 있을 것이다. 피트니스, 의료용 모니터 같은 웨어러블 장치에서는 펄스 옥시미터와 심박 감지용 LED를 사용하는 새로운 기법이 개발되어 왔다. 이러한 기법은 소비 전력이 적고 크기가 작아 다른 휴대용 애플리케이션에서도 자리잡을 가능성이 높다. 예를 들어 Maxim의 MAX30100은 센서와 LED가 소자 1개에 집적되어 있다. 이 센서는 높은 신호대잡음비를 갖춰 운동인공물을 제거하며, 높은 샘플링 속도, 빠른 데이터 출력 속도도 제공해 이상적인 MCU용 AFE로 사용할 수 있다.

아날로그 필터링

AED는 대부분의 지능형 의료장비처럼 신호를 처리하기 위한 다중 필터가 필요하다. 첫 번째 필터링 작동은 필수 신호 구성품에서 발생하는 배경 잡음을 제거하는 데 사용된다. 종종 고대역 필터를 사용해 관련 없는 저주파 신호를 제거하며 AED에서는 보통 0.05Hz으로 설정한다. 저대역 필터는 관련 없는 고주파 신호를 제거하는 데 사용되며 AED에서는 보통 150Hz으로 설정한다. 다른 의료장비는 이와 다르게 필터를 설정해서 사용하겠지만 거의 대부분의 장치들은 진단 알고리즘에 가장 중요한 신호의 구간에 대해서 필터를 ‘윈도우 인(window-in)’으로 설정할 필요가 있을 것이다.

신호 처리


다른 잡음 소스로부터 신호가 분리되면 수집된 ECG 파형의 필수 타이밍과 진폭의 특성에 대한 주요 값을 측정할 수 있다. 심장에서 문제가 발생해서 악화되기 시작하면 심장 박동의 변화(또는 무변화)를 파악하기 위해 ECG에 표시되는 P, QRS, T 구역의 주기와 진폭을 측정하는 것이 중요하다. AED의 성능을 개선하기 위해 다른 고급 분석 측정 결과를 이용해서 진단할 수도 있다. 예를 들어, 심장의 평균 전기 벡터의 방향(진폭의 반대 방향)을 이용하면 폐색나 심장병이 존재하는지 결정할 수 있어 정확한 진단에 중요한 요소이다. 제대로 작동하는 AED는 AED가 필요한 심장의 리듬이 감지되지 않는 경우 작동하지 않는다. 표면상 AED는 훈련 받은 사람이 사용하도록 개발되었다. 그러나 AED를 사용하지 않아서 환자가 사망할 가능성이 있다면 AED의 명령을 따라, 특히 의료진의 (원격) 지시를 따라 사용할 가치가 있다.

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[그림 3] Maxim MAX30100 펄스 옥시미터 및 심박수 센서, LED와 센서 집적

인간 인터페이스

심장 마비는 혼돈스럽고 불확실한 상태이므로 AED를 조작하는 사람은 분명하고 간단하며 쉽게 설명되는 사용법을 제공 받는 것이 중요하다. 사용자를 지원하는 가장 유용한 기능은 자신감 있고 안심시키는 음성으로 내용을 전달하는 오디오 프롬프트이다. 프롬프트는 사용자의 언어로 전달되어야 하며, 장비를 작동하기 전 터치 스크린에서 선택할 수 있어야 할 것이다. 영상 사용법은 음성 명령을 보완할 수 있으며, 고해상도 LCD 패널을 설치해 MCU와 간편하게 통신할 수 있으면 영상 자료도 간편하게 사용할 수 있다. 대용량 직렬 플래시 메모리 장치가 있으면 영상으로 다양한 사용법을 저장해서 진단 및 치료 절차에 관해 실제 발생 가능한 여러 상황에서 대처할 수 있다. 환자를 처음 발견한 사용자가 AED를 이용해서 치료하는 과정을 직렬 플래시 메모리를 이용해 음성과 영상 데이터로 저장할 수도 있다. 음성과 영상으로 전달된 사용법대로 사용했는지 확인할 수 있고 병원 치료진은 적합한 추후 치료법을 결정하는 데 활용할 수도 있을 것이다.

응급 상황을 개선하는 통신 능력


AED 사용자와 응급 서비스 간 응답 지능형 모니터링 및 통신 또한 치료 결과를 개선할 수 있다. 쉽게 눈에 띠는 키오스크에 보관되는 AED는 충전 상태가 유지되어야 하고 정기적으로 성능을 검사 받아야 한다. 검사에 불합격하면 서비스 제공 기관에 AED를 교체하도록 경고 메시지를 전달해야 한다. 만약 누군가가 자가 검사에서 불합격된 AED를 제거하려고 한다면, AED는 지역 통신 네트워크를 이용해서 제대로 작동하고 가장 가까운 장소에 있는 AED를 찾아서 사용자에게 위치를 자동으로 전달할 수 있을 것이다. 이러한 기능은 지진이나 화재 등 중요한 응급 상황에서 반드시 필요한 항목이다. AED가 파손되었거나 전력이 전달되지 않을 수도 있기 때문이다.

결론

차세대 휴대용 의료장비는 지금까지 병원이나 의사 진료실에서만 볼 수 있었던 지능형 진단 및 치료 방법을 제공한다. 따라서 가정이나 응급 상황, 공공 건물, 사무실에서도 사용법을 훈련 받지 않은 사람들이 이러한 장비들을 간편하게 사용할 수 있을 것이다. “집에 의사 없나요?”라는 질문에 대해 언제나 “있어요”라고 대답할 수 있는 날이 머지않아 올 것이다. 의사는 당신이 될 것이다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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