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호흡수는 기본적인 활력징후(vital sign) 중 하나로 혈압, 맥박, 체온과 마찬가지로 임상적 가치가 크며 호흡부전 및 심기능 이상을 나타내는 지표로 사용된다¹. 특히 호흡수의 증가 혹은 저하는 임상 악화(clinical deterioration)의 조기 징후로, 다른 증상보다 수 시간 전에 감지될 수 있으며 강력한 사망 예측 요인으로도 제시되었다¹-³. 일반적인 호흡수 측정 방법은 임상의나 간호진이 환자의 흉부 움직임을 육안으로 관찰하며 특정 시간 동안의 호흡수를 추정하는 것이다. 이는 부정확할 뿐만 아니라 번거로우며, 지속적인 측정이 어렵다⁴. 결국 호흡수의 임상적 효용성에도 불구하고 병동 내 적절한 장비의 부재로 인하여 호흡수 측정이 간과되거나 아예 누락되는 경우가 빈번하다.

따라서 환자 호흡수를 정확하게 측정하여 진료 현장에서 의료인의 부담을 덜어주기 위하여 많은 측정 장비와 방법이 개발되고 있다⁵. 그중 하나는 차압유량계나 열선풍속계 등을 이용하여 직접적으로 호흡 유량을 측정하는 것이다. 이 방법은 높은 정확도와 민감도를 보이지만 얼굴에 밀착시키는 폐쇄형 마스크 등의 착용이 필요하기 때문에 환자들의 불편을 유발한다⁶. 이외의 방법으로 호흡 시 주변 공기의 온도와 습도 변화를 이용한 방법들이 있지만, 같은 이유로 환자의 불편함을 유발하고 주변 환경에 영향을 받을 수 있다. 마스크 착용이 필요 없는 방법으로는 호흡음을 이용하거나 흉곽의 움직임을 이용하는 방법 등이 있지만 각각 주변 소음과 신체 움직임에 크게 영향을 받는다는 한계가 있다⁷.

앞선 기존 장비들의 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 축전기의 전기 용량 변화를 이용하여 호흡수를 실시간으로 측정하는 새로운 센서를 제안하고자 한다. 해당 센서는 시중에서 판매되는 오픈형 위생마스크에 전극을 부착한 형태로 제작되었다. 오픈형 위생마스크는 착용 시 일반적인 폐쇄형 마스크보다 호흡과 움직임을 방해하지 않음으로써 환자의 불편함을 덜어준다. 또한 이 새로운 호흡수 측정 센서는 주변 환경과 신체 움직임에 의한 영향이 적으면서도 가볍고, 적은 비용으로 제작이 가능하다.

센서 디자인 및 작동 원리

센서의 디자인과 센서를 착용한 모습은 각각 Fig. 1, 2와 같다. 센서는 오픈형 위생마스크에 축전기의 위 전극과 아래 전극이 각각 부착된 형태로 제작되어 있다. 전극은 75 μm 두께의 알루미늄 증착 polyethylene terephthalate (PET) 필름을 잘라서 만들었으며, 위 전극의 양쪽 끝단에는 커팅을 통해 키리가미(kirigami) 구조를 제작하였다. 키리가미 구조는 위 전극의 양 끝단에서 스프링 역할을 하며, 약한 힘에도 보다 민감한 움직임이 가능하게 한다. 이외에 신호를 읽기 위한 구리 전선이 각각 위, 아래 전극과 연결되어 있다.

Figure 1. Overall design of open-mask respiratory rate sensor: (A) inside, (B) outside.

Figure 2. Demonstration of the sensor being worn by a person: (A) front, (B) side.

센서의 작동 방식은 날숨에 따른 축전기의 전기 용량 변화를 이용한다. 축전기의 전기 용량 C는 equation (1)과 같이 표현된다. A는 전극의 면적, ε는 두 전극 사이 물질의 유전율, 그리고 d는 위 전극과 아래 전극 사이의 간격을 의미한다. Fig. 3과 같이 센서를 착용한 환자가 호흡할 때 코에서 나오는 날숨에 의해 위 전극이 아래로 밀리는 힘을 받게 되고, 이로 인해 d가 d–∆d로 감소하며 전기 용량이 증가하게 되며, 이 전기 용량의 변화를 측정하여 호흡을 감지할 수 있다.

Figure 3. Working mechanism of the sensor: (A) before exhalation, (B) during exhalation.

센서 사용 실험

센서 사용을 실험한 결과는 Fig. 4와 같다. 전기 용량은 LCR Meter (E4980A; Keysight)를 사용하여 측정하였다. Fig. 4에서 확인할 수 있듯이 날숨에 따라 전기 용량이 일시적으로 크게 증가하였으며, 호흡수는 전기 용량의 피크(peak) 수와 같다. 호흡에 맞추어 실시간으로 전기 용량이 변하기 때문에 호흡수의 지속적인 모니터링이 가능하다는 장점이 있다.

Figure 4. Respiration rate measured using the sensor.

머리 움직임 시 센서 사용 실험

지속적이며 정확한 호흡수 모니터링이 가능하기 위해서는 착용한 환자가 호흡 외의 움직임을 보일 시에도 안정적인 신호를 읽어낼 수 있어야 한다. 이를 확인하기 위하여 센서 착용 후 머리의 다양한 움직임을 실험해 보았다. Fig. 5는 머리의 상하좌우 움직임, Fig. 6은 머리의 회전에 따른 실험 결과를 나타낸 것이다. 두 실험 모두 움직임만에 대한 신호 변화를 확인하기 위하여 움직임을 취할 때에는 호흡을 멈추도록 하였다.

Figure 5. Sensor data while nodding and shaking the head side- to-side.

Figure 6. Sensor data while turning the head side-to-side.

먼저 Fig. 5를 보면 머리를 좌우로 젓거나 상하로 끄덕일 때 신호의 노이즈가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 최대 노이즈가 호흡 신호 평균의 25% 이하로 호흡수 측정에 영향을 줄 정도의 큰 노이즈는 확인되지 않았다. 다음으로 Fig. 6의 머리 회전 실험의 경우는 최대 노이즈가 호흡 신호 평균의 40% 정도로 커진 모습이었지만 평균적인 노이즈는 25% 이하로 작아 충분히 호흡 신호와 구분이 가능함을 보였다. 결과적으로 해당 센서는 고개 및 머리 움직임에도 호흡수를 안정적으로 측정할 수 있음을 확인하였다.

본 연구에서는 축전기의 전기 용량 변화를 이용한 새로운 방식의 호흡수 측정 센서를 제작하였다. 이 센서는 오픈형 위생마스크에 전극을 부착한 형태로 제작되어 착용 시 일반적인 폐쇄형 마스크에 비해 환자의 호흡을 방해하지 않고, 환자의 불편함을 덜어 준다. 또한 환자의 움직임에 의한 영향이 적어 환자의 활동을 제한하지 않으면서도 안정적인 호흡수 측정이 가능함을 보였다.

해당 센서는 오픈형 위생마스크와 알루미늄 증착 PET 필름이 전극의 주 재료로 사용되었다. 알루미늄 증착 PET 필름은 낮은 가격 덕분에 공예용, 공업용, 혹은 인쇄용 등으로 흔히 쓰이는 재료로, 센서 제작에 쓰인 필름의 가격은 10원 정도로 매우 경제적이다. 또한 오픈형 위생마스크는 시중에서 250원 정도에 판매되고 있어, 센서의 총 제작 가격은 300원 이하로 경제적이기 때문에 위생적인 일회용 사용에 적합하다. 또한 알루미늄 증착 PET 필름은 무게 또한 매우 가벼워 장시간 착용 시에도 환자에게 느껴지는 불편함이 적다.

센서의 예상되는 단점은 개개인의 코와 얼굴의 모양에 따라 신호 값의 차이가 발생할 수 있다는 점이다. 특히 코의 크기, 코 끝의 각도와 콧구멍의 위치 등은 측정 전기 용량 값에 큰 변화를 줄 수 있다. 하지만 호흡수 측정은 절대적인 전기 용량 값이 아닌 전기 용량의 순간적인 변화 양상을 사용한다. 따라서 개개인의 호흡에 따른 상대적인 신호 변화를 이용한다면 호흡수 측정에 문제가 없을 것으로 예상된다.

해당 센서의 이용은 병동에서의 호흡수 측정 과정에서 임상의와 간호진의 부담을 덜어 줌과 동시에 보다 정확한 호흡수 모니터링이 가능하게 할 것이다. 이는 결과적으로 병동 내 환자의 심정지, 만성심부전, 폐색전증 등의 임상 악화를 빠르게 예측할 수 있도록 해주어 환자의 응급상황에 적극적으로 대처하고 병동 내 인력을 효율적으로 활용하는 데 도움이 될 것이다.

The authors thank the Korean Innovative Medical Technology Society for providing the medical challenges that inspired this work.

No potential conflict of interest relevant to this article was reported.

This work was supported by the New Faculty Startup Fund from Seoul National University.