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임상 상태 검사와 질병 진단을 위한 생체전기 임피던스 분석


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글/코시모 카리에로(Cosimo Carriero) FAE, 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)


생물학적 조직의 전기적 특성은 전기의 소스에 따라서 능동과 수동으로 분류할 수 있다. 생물학적 조직이 세포 내부의 이온으로 인해 전기를 발생하면 능동 반응이라고 한다. 이러한 전기적 신호를 생체전위라고 하며, 이를 활용하는 대표적인 예로서 심전도 검사와 뇌전도 검사를 들 수 있다. 생물학적 조직이 전류나 전압 발생기 같은 외부 전기 자극에 반응하는 것은 수동 반응이며, 이 경우에는 생체 임피던스를 다룬다.

생체전기 임피던스 분석

생체전기 임피던스 분석(bioelectrical impedance analysis, BIA)은 체성분을 측정하고 임상 상태를 검사하기 위해서 사용되는, 비용이 적게 들고 비침습적 기법이다. 생체 임피던스는, 주로 체내 총 수분량에 의한 것으로서 저항 값 R(실수부)과, 세포막에 의해서 발생되는 커패시턴스에 의한 것으로서의 반응 값 Xc(허수부)로 이루어진 복소수이다. 이 임피던스는 모듈 | Z |와 위상 각도 φ를 사용해서 벡터로 표현할 수도 있다. 위상 각도는 체성분을 확인하는 데 있어서 중요한 역할을 한다.
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단면적이 S이고 길이가 I인 도체의 저항 R과, 거리가 d이고 겉면적이 S인 평면 평행판 커패시터의 커패시턴스 C는 다음과 같은 공식으로 구할 수 있다:

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공식 4와 공식 5에서 볼 수 있듯이, 저항과 커패시턴스는 기하학적 파라미터(길이, 거리, 겉면적)에 따라 좌우되므로 어떤 측정 시스템을 사용하느냐와 관련이 있고, 또한 물리적 파라미터에 따라서 좌우되므로 저항률 ρ와 유전 상수 ε가 측정하려는 물질 유형(이 경우에는 생물학적 조직)과 긴밀한 연관성을 갖는다. 그림 1은 생체 임피던스와 이를 측정하기 위해 사용되는 장비의 개략적인 전기 모델을 보여준다. RE는 세포외액의 저항을 나타내고, RI는 세포내액의 저항을 나타내며, Cm은 세포막의 커패시턴스다. 측정 장비와 인체 간의 접속은 피부에 전극을 부착해서 이루어진다. 측정 장비는 전극에 여기 전압(excitation voltage)을 인가해서 그에 따라 발생하는 전류를 측정한다. 여기 신호는 다운스트림 드라이버에 연결된 디지털-아날로그 컨버터(DAC)에 의해 생성된다. 마이크로컨트롤러(MCU)를 이용해 이 DAC를 프로그램 함으로써 신호 진폭과 주파수를 설정할 수 있다. 전류 측정을 위해서는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)를 고분해능의 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 연결해서 정밀한 측정을 할 수 있다. 획득된 데이터는 시스템 MCU가 처리해서 분석에 필요한 정보를 추출한다.

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[그림 1] 생체 임피던스 측정 시스템 블록 다이어그램

생체 임피던스 측정을 위해서는 인체를 다섯 부위로 구분할 수 있다. 양쪽 팔과 다리, 몸통이다. 이러한 구분은 어떤 측정 기법을 사용할지 이해하기 위해서 중요하다. 가장 널리 사용되는 기법은 손 대 발(hand-to-foot), 발 대 발(foot-to-foot), 손 대 손(hand-to-hand)이다.
생체전기 임피던스 분석 테스트를 할 때는 키, 몸무게, 피부 두께, 체격 같은 신체 측정 파라미터를 비롯한 다양한 요소들을 고려해야 한다. 그 밖에도 성별, 연령, 인종, 환자의 건강 상태도 고려 대상이다. 즉, 어떠한 영양불량이나 탈수증상이 있는지도 고려해야 한다. 이러한 요소들을 고려하지 않으면 테스트 결과가 왜곡될 수 있다. 측정을 해석하는 것은 통계적 데이터와 이러한 다양한 요소들을 고려한 공식을 사용해서 할 수 있다.

인체 체성분 구성

체성분 검사를 하기 위해서는 다음과 같은 3구획 모델을 사용할 수 있다:
• 체지방량(fat mass)
• 체세포량(cell mass)
• 세포외 물질(extracellular mass)

그림 2는 제지방량(lean mass)과 체지방량을 비롯해 널리 알려진 2구획 모델의 주요 개념들을 나타낸 것이다. 체지방량은 필수 지방과 저장 지방의 두 성분으로 나뉜다. 제지방량은, 단백질량과 세포내액으로 이루어진 체세포량과, 세포외액과 골량으로 이루어진 세포외 물질로 나뉜다. 마지막 파라미터는 수분량을 알기 위해서 중요한 것으로서, 세포내액과 세포외액을 합쳐서 구한 총 체수분량이다.
전기적 관점에서 세포 내/외 전해질액은 좋은 도체이고, 지방과 뼈 조직은 나쁜 도체이다.

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[그림 2] 인체 체성분 구성

생체 임피던스 측정 기법

생체 임피던스 측정을 위해 사용되는 주요 기법들은 다양한 여기 신호 주파수를 사용함에따라 조금씩 차이를 나타낸다. 가장 단순한 장비는 고정 주파수를 이용해 측정하고(단일 주파수 생체전기 임피던스 분석, SF-BIA), 또 어떤 장비는 복수의 주파수를 사용하기도 하며(다중주파수 생체전기 임피던스 분석, MF-BIA), 고도의 정교한 장비는 전체 주파수 범위에 걸쳐서 분광법을 실시한다(생체 임피던스 분광법, BIS). 결과 분석에도 다양한 기법들이 사용되는데, 그 중에서 중요한 것이 생체전기 임피던스 벡터 분석과 실시간 분석이다.
SF-BIA 장비는 50kHz 주파수의 전류를 인체에 주입한다. 작동 원리는 측정되는 임피던스와 임피던스의 전도성 부분인 총 체수분량(TBW) 간의 반비례 관계를 활용하는 것이다. TBW는 다시 세포내액(ICW)과 세포외액(ECW)으로 나뉜다. 이 기법은 수분 상태가 정상인 대상에 대해서는 결과가 우수한 반면, 수분이 심하게 변화된 대상에는 효과가 떨어진다. 이는 무엇보다도 ICW의 변화를 검사하는 능력이 제한적이기 때문이다.
MF-BIA 기법은 낮은 주파수와 높은 주파수로 측정을 실시함으로써 SF-BIA의 한계점을 극복한다. 저주파수 측정은 ECW를 좀더 정확하게 계산할 수 있고, 고주파수는 TBW를 계산할 수 있다. ICW는 두 계산의 차이로 구할 수 있다. 하지만 이 기법 역시 완벽하지는 않으며 질병이 있는 노인들을 대상으로 체수분을 계산할 때 한계를 드러낸다.

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[그림 3] 생체전기 임피던스 벡터 - 분석 허용오차 타원

마지막으로, BIS는 제로 주파수와 무한대 주파수로 임피던스를 측정한다. 제로 주파수로 측정할 때는 그림 1의 모델에 의해 세포외액으로 인한 저항 RE이고, 무한대 주파수로 측정할 때는 RE와 RI의 병렬이다. 이 두 주파수의 극단에서는 세포막으로 인해 커패시턴스가 개방 회로나 단락 회로처럼 동작한다. 중간 주파수 측정은 커패시턴스 값에 관한 정보를 제공한다. BIS는 다른 기법들보다 좀더 상세한 정보를 제공하는 반면에, 측정에 좀더 시간이 걸린다.
생체 임피던스 벡터 분석(생체전기 임피던스 벡터 분석, BIVA)은 생체 임피던스 절대 측정에 기반한 신체 건강 평가 기법이다. 임피던스를 벡터로 표현한 그래프를 사용한다. 세로 좌표에는 저항 값을 표시하고, 가로 좌표에는 커패시턴스 반응 값을 표시한다. 두 값 모두 환자의 키로 정규화한다. 이 기법은 50%, 75%, 95%의 3가지 허용오차(tolerance) 타원을 사용한다. 50% 허용오차 타원은 평균적인 체성분을 갖고 있는 사람을 뜻한다. 이 타원의 수평 축을 따라서 오른쪽으로 갈수록 제지방량이 낮은 사람이고, 반대로 왼쪽으로 갈수록 제지방량이 높은 사람이다. 수직 축을 따라서는 수분량을 나타낸다. 즉, 수분량이 정상보다 낮은 사람은 타원의 위쪽에 자리하고, 정상보다 높은 사람은 아래쪽에 있게 된다.
제지방량, 지방량, 총 체수분량 등 체성분이 정상 값을 벗어나는지 여부를 살피는 것은 환자의 건강 상태를 판단할 수 있는 중요한 지표가 된다. 제지방량이 심하게 줄어들고 체수분이 불균형한 것은 질병을 진단하는 데 사용되는 주요 파라미터들이다. 오늘날 생체전기 임피던스 분석은 다음과 같은 신체 조직들의 질환을 진단하는 데 유용하게 사용된다:
• 폐기관계
- 폐암
- 폐부종
• 심혈관계
- 수술 후에 수분 축적
• 순환기계
- 혈관내 유효 혈액량
- 저나트륨혈증
- 수분량
• 신장계
- 혈액투석
- 건체중 검사
• 신경계
- 알츠하이머 질환
- 신경성 식욕부진증
• 근육계
- 운동 시의 체성분 변화
• 면역계
- HIV 감염 환자 검사
- 암 환자 검사
- 뎅기열

AD5940 - 유연성 뛰어난 고정밀 아날로그 프론트 엔드

아나로그디바이스(ADI)는 임피던스 분석용으로 ADuCM35x를 포함한 다양한 종류의 디바이스 제품을 제공한다. ADuCM35x는 전적으로 임피던스 분광법에 사용하기에 적합하도록 설계된 고도로 통합된 시스템온칩(SoC) 제품이다. 최근에 출시된 AD5940은 전력 소모가 낮은 고정밀 아날로그 프론트 엔드 제품으로서, 휴대용 애플리케이션에 적합하다. 생체 임피던스와 피부 전도도 측정용으로 적합한 AD5940은 2개의 여기 루프와 공통적인 측정 채널로 구성되었다. 첫 번째 여기 루프는 200Hz의 최대 주파수로 신호를 발생할 수 있으며 다양한 유형의 전기화학적 세포를 측정하기 위해서 정전위기(potentiostat)로 구성할 수 있다. 기본 소자들로서 듀얼 출력 DAC, 여기 신호를 제공하는 정밀 증폭기, 전류 측정을 위한 트랜스임피던스 증폭기를 포함한다. 이 루프는 낮은 주파수로 동작하며 전력 소모가 낮아 저전력 루프라고 한다. 두 번째 루프 역시 구성은 비슷하지만, 최대 200kHz의 신호를 처리할 수 있어 고속 루프라고 한다. 이 디바이스는 16bit 800kSPS SAR ADC와 아날로그 신호 처리 체인을 사용하는 신호 수집 채널을 지원한다. 아날로그 신호 처리 체인은 버퍼, 프로그래머블 이득 증폭기(PGA), 프로그래머블 안티앨리어싱 필터를 포함한다. 또한 이 아키텍처는 스위칭 매트릭스 먹스(MUX)를 포함하므로 다양한 내외부 소스들로부터 들어오는 여러 신호들을 ADC로 연결할 수 있다. 일차적인 임피던스 측정 기능 외에, 정확한 시스템 진단을 통해 장비의 전체적인 기능성 검사 작업도 수행할 수 있다.

그림 4는 인체의 절대 임피던스 측정을 위해서 4와이어 구성을 통해 AD5940을 연결하는 것을 보여준다. 이 측정의 경우에는 고주파 루프를 사용한다. 프로그래머블 AC 전압 발생기가 여기 신호를 제공한다. 두 번째 발생기가 공통 모드 전압을 제공하는데, 이것은 정확한 측정을 위해서 유용하다. 인체의 임피던스로 인해서 발생하는 전류를 트랜스 임피던스 증폭기(TIA)로 측정하고 이것을 16bit ADC를 사용해서 변환한다. 이 시스템은 최대 200kHz의 주파수를 측정하고, 50kHz로 100dB의 신호대 잡음비(SNR)를 제공한다. 디지털 데이터를 하드웨어 가속기로 전송해서 원하는 수치, 즉 임피던스의 실수부와 허수부를 도출할 수 있다.
의료 장비로서 생체 임피던스 분석기는 IEC 60601 표준을 충족해야 한다. 이 표준은 인체에 가할 수 있는 전압과 전류 한계를 정하고 있다. 이러한 요건을 충족하기 위해서 저항 Rlimit을 사용해서 최대 전류를 제한하고 4개의 커플링 커패시터 CisoX를 사용해서 DC 성분이 인체로 가해지지 않도록 한다.

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[그림 4] 생체전기 임피던스 분석을 위해 4와이어 구성으로 AD5940을 연결

맺음말

생체 임피던스 측정은 체성분을 검사하고 특정 질병을 진단하기 위한 범용의 빠르고 비침습적이며 비용이 적게 드는 방법이다. AD5940 같은 디바이스를 사용하면 배터리 구동 방식의 컴팩트한 고성능 저전력 생체 임피던스 분석기를 구현할 수 있다. AD5940은 여러 기능을 통합하고 있을 뿐 아니라 크기가 작고 전력소모가 적어 특히 웨어러블 애플리케이션에 적합하다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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