개요
생체 신호모니터링(VSM) 기기는 심전도(ECG), 광혈류측정(PPG), 생체 전기 임피던스(Bio-Z)와 같은 다양한 전기생리학적 신호를 포착할 수 있으며, 이러한 신호들은 인체의 생리적 상태를 다각도로 반영한다. VSM 기기는 건강 모니터링, 질병 예방, 보조 치료 등 다양한 분야에서 널리 활용되고 있다.

 

임피던스 심장도법(ICG)은 중요한 전기생리학적 신호 중 하나로, 흉부의 순간 평균 임피던스 변화 추이를 추적함으로써 심박출량(SV)을 측정하고, 이를 통해 인체의 심장 혈역학적 기능을 평가한다. 이 글은 ICG의 기본 원리와 측정 방법을 소개하고, 아나로그디바이스(ADI)의 고집적 아날로그 프런트엔드(AFE) 칩을 기반으로 ICG 신호 획득 및 SV 계산을 위한 솔루션을 설계 및 구현하는 방법에 대해 설명한다.

 

머리말
임피던스 심장도법(impedance cardiography, ICG)은 심장 활동에 따라 발생하는 흉부 생체 전기 임피던스 변화를 측정함으로써 심혈관 기능을 평가하는 비침습적 기법이다. 심장 주기 동안 혈류량이 변화하면 이에 상응하는 임피던스 변화가 발생하며, 이를 통해 임피던스 심전도 파형과 해당 1차 미분 신호(dZ/dt)를 도출할 수 있다.

 

dZ/dt 파형에는 심장 주기의 주요 생리적 사건을 반영하는 뚜렷한 특성 지점들이 포함돼 있으며, 이를 기반으로 심박출량(stroke volume, SV), 좌심실 박출 시간(left ventricular ejection time, LVET)과 같은 중요한 혈역학적 파라미터를 추출할 수 있다. ICG는 비침습적이라는 특성, 측정의 간편성, 연속 모니터링이 가능하다는 장점으로 인해 생체 신호 모니터링(vital signs monitoring, VSM)과 심혈관 기능 평가 분야에서 널리 활용되고 있다.

 

임피던스 심전도
임피던스 심전도(impedance cardiogram)는 ICG 신호라고도 하는데, 생체 전기 임피던스(Bio-Z) 기술을 이용해 획득되며 혈류량의 변화를 반영한다. 그림 1은 통상적인 임피던스 심전도 파형을 보여준다.

 

 

여기서 ΔZ는 흉부의 전체 임피던스를 의미하며, dZ/dt는 그 1차 미분 값이다. dZ/dt 파형에는 뚜렷한 특성 지점과 파형 성분이 포함돼 있다. 이러한 특성 지점의 위치와 진폭을 기반으로 심박출량(SV)과 같은 파라미터를 계산할 수 있다. 하나의 심장 주기에서 나타나는 주요 특

 

성 지점은 다음과 같다.

 

• A 포인트: ICG 신호에서 하향 편위로 나타나며, 심방 수축에 의해 발생한다.
• B 포인트: 등용적 수축기의 종료, 반월판 개방, 심실 급속 박출 단계의 시작을 나타낸다. ICG 신호에서는 수축기 파형의 시작 지점으로 나타나며, 혈류 가속도가 최대가 되는 시점에 해당한다.
• C 포인트: 대동맥 혈류가 최대에 도달하는 시점을 나타내며, 급속 박출 단계의 종료와 감속 박출 단계로의 전이를 의미한다. ICG 신호에서는 수축기 파형의 피크(최대값)로 표현된다.
• X 포인트: 심실 수축의 종료와 반월판 폐쇄의 시작을 나타낸다. ICG 신호에서는 수축기 파형 이후에 나타나는 최소값으로 표현되며(심박수에 따라 달라짐), 혈류 감속도가 최대가 되는 지점에 해당한다.
• O 포인트: 좌 심방실판의 개방과 심실 충전의 시작을 나타낸다.

 

생체 임피던스 측정 원리
인체 조직에 약한 교류 전류를 인가했을 때 발생하는 임피던스 변화를 측정함으로써, 혈류량 변화가 반영된 심장 임피던스 신호를 획득할 수 있다. 인체는 수많은 세포로 구성돼 있으며, 생체 조직의 전기적 모델은 그림 2에 제시된 등가 회로로 표현할 수 있다. 이 모델에서 Cm은 세포막의 병렬 커패시턴스를, Re는 세포외액의 저항을, Ri는 세포내액의 저항을 의미한다. 단, 이 회로에서의 Cm, Re, Ri는 단일 세포의 세포막 커패시턴스나 세포 내·외 저항을 나타내는 것이 아니라, 전체 생체 조직을 등가적으로 표현한 커패시턴스와 저항임을 유의해야 한다. 이러한 회로는 생체 임피던스의 RC 3요소 모델로도 불린다.

 

이 글에서는 인체 생체 임피던스를 측정하기 위해 널리 사용되는 4전극 방식을 적용한다. 이 방식의 원리는 한 쌍의 전극을 통해 여기 전류(excitation current)를 인가하고, 다른 한 쌍의 전극을 통해 전압을 추출하는 것이다.

 

 

그림 3에 보이는 것과 같이, ICG 신호 획득을 위해 표준 구성에 따라 3M Ag/AgCl 젤 전극 4개를 부착한다. D1과 D4는 여기 전극 쌍으로 사용되며, D2와 D3는 감지 전극 쌍으로 사용된다. 고주파 전류는 D1을 통해 인체에 인가되고 D4를 통해 칩으로 되돌아온다. 흉부에 일정한 전류가 인가되면 D2와 D3 전극 사이에 전위차가 형성된다. 흉부 임피던스는 심장 활동에 따라 변화하므로, 이 전위차 역시 이에 따라 변화한다. 이러한 변동 전위 신호가 바로 ICG 신호이다.

 

신호 획득 시 최적의 전극 배치는 다음과 같다:

 

• D1 여기 전극: 좌우 귀 뒤쪽의 오목한 부위에 부착
• D4 여기 전극: 상복부에 부착
• D2 감지 전극: 양쪽 쇄골 위에 대칭으로 부착
• D3 감지 전극: 검상돌기(xiphoid process) 아래 오목한 부위의 좌우에 부착

 

 

SV 계산
임피던스 신호 획득의 목적은 ICG 신호의 특성 지점을 도출하고, 이를 기반으로 혈역학적 파라미터인 심박출량(SV)을 추출·계산하는 데 있다. SV는 ICG 신호의 주요 특성 지점과 파형

 

정보를 이용해 산출되며, 계산식은 다음과 같다.

 

 

여기에서, W(kg)와 H(cm)는 각각 피검자의 체중과 신장을 의미한다. (dZ/dt)max는 ICG 신호의 피크 진폭을, LVET는 좌심실 박출 시간을 나타내며, Z₀는 인체 조직의 기준 임피던스이다. IW는 이상적인 체중(ideal weight)을 뜻하는데, 공식 (2)에 제시된 계산식으로 구할 수 있다.

 

 

생체 임피던스 측정을 위한 고집적 AFE(MAX30009) 솔루션
이 생체 임피던스 측정 애플리케이션에는 ADI의 고집적 아날로그 프런트엔드(AFE) 솔루션이 적용됐다. 이 솔루션은 여러 가지 장점을 제공한다.

 

첫째, 송신 채널에는 정현파 전류 소스를 통합하고 있어, 16Hz ~ 500kHz까지의 넓은 주파수 범위에서 교류 여기 전류를 출력할 수 있으며, 전류 진폭은 16nA rms ~ 1.28mA rms까지 설정할 수 있다. 주파수와 전류 모두 전 범위에서 유연성 있게 설정이 가능하다. 또한 유연한 입력·출력 멀티플렉서(mux)를 통해 바이폴라 또는 테트라폴라 전극 측정 구조를 지원한다. 수신 채널은 높은 입력 임피던스, 저잡음 특성, 높은 공통 모드 제거비(CMRR) 특성을 갖추고 있으며, 프로그래머블 이득, 설정 가능한 저역통과 및 고역통과 필터를 제공한다. 또한 20비트 분해능의 고해상도 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 2개를 통합하고 있어 동기식 IQ 신호 획득이 가능하다.

 

둘째, MAX30009는 생체 임피던스 분석·분광(BIA/BIS)이나 자동제세동기(AED)의 인체 임피던스 측정과 같이 절대 임피던스 정확도가 중요한 애플리케이션을 위해 다양한 보정 옵션을 제공한다. 전용 4선식 보정 포트에 외부 정밀 저항을 연결하면 최고 수준의 정확도를 구현할 수 있으며, 내부에 트리밍된 정밀 저항을 사용하더라도 우수한 보정 성능을 확보할 수 있다. 그림 4는 내부 시스템 블록 다이어그램을 보여준다.

 

 

그림 5에서 보이는 것과 같이, 이 시스템은 완전한 생체 임피던스 측정 솔루션이다. 이 시스템은 고집적 및 프로그래머블 전력관리 IC인 MAX20356을 사용해 전원 레일을 관리하며, 저전력 블루투스 지원 마이크로컨트롤러(MCU)를 통해 생체 임피던스 AFE인 MAX30009와 통신한다. 앞서 소개한 생체 임피던스 측정 원리를 기반으로 하여, 이 AFE의 송신 채널은 내부 직접 디지털 합성기(DDS)와 디지털-아날로그 컨버터(DAC)를 사용해 주파수를 조절할 수 있는 사인파 스위핑 전압을 생성한다. 이 전압은 바이어스 저항을 통해 전류 자극으로 변환되어 인체에 인가된다. 응답 신호는 입력 핀에서 측정된 후 AFE 수신 채널을 통해 획득된다. ICG 측정에서 일반적으로 사용되는 여기 신호 주파수 범위는 20kHz ~ 200kHz이며, 여기 전류의 실효값(rms)은 약 0.12mA로, 이는 인체의 교류 임피던스 범위 0.1Ω ~ 0.4Ω에 해당한다. 이번 연구에서는 임피던스 측정을 위해 65.536kHz, 256μA의 여기 신호를 인체에 인가했다.

 

 

ICG 특성 포인트 검출 알고리즘
처리되지 않은 원래의 임피던스 신호는 50Hz 노치 필터, 중간값 필터, 저역통과 필터를 순차적으로 거친 다음, 잡음이 제거되어 비교적 깨끗해진 임피던스 신호로 나오게 된다. 이후 이 신호를 한 번 미분해 ICG 신호를 생성한다. ICG 신호의 피크 지점, 즉 C 포인트는 미분 임계값 방법을 사용해 검출한다. ICG 신호에서 검출된 C 포인트를 기준으로, B 포인트와 X 포인트를 검출하기 위한 시간 윈도우를 결정한다. 각 시간 윈도우 내에서의 검출 과정은 다음과 같다:

 

B 포인트 검출 알고리즘 : B 포인트 시간 윈도우 내에서, ICG의 2차 미분값이 최대가 되는 지점을 B 포인트로 정의한다. 만약 이 최대값이 Cpeak의 15%보다 작다면, ICG 신호의 영교차점(zero-crossing point)을 B 포인트로 사용한다. 영교차점이 검출되지 않으면, 0.15 × Cpeak에 가장 가까운 지점을 B 포인트로 선택한다.

 

X 포인트 검출 알고리즘 : X 포인트 시간 윈도우 내에서, 먼저 ICG 신호의 국부 최대값을 검출하며, 이는 O 포인트에 해당한다. 그런 다음, 해당 시간 윈도우 내에서 O 포인트를 기준으로 기울기가 최대가 되는 지점을 X 포인트로 선택한다. 만약 이러한 지점이 검출되지 않으면, 해당 시간 윈도우 내의 최소값을 X 포인트로 사용한다. Cpeak은 (dZ/dt)max로 정의되며, B 포인트와 X 포인트 사이의 시간 차이는 LVET를 의미한다. 그림 6은 ICG 특성 포인트 검출 알고리즘의 흐름도를 보여준다.

 

 

결과
그림 7은 그림 5에 제시된 시스템을 사용해 획득한 인체 임피던스 신호를 보여준다. 그림 8은 임피던스 신호에 ICG 특성 포인트 검출 알고리즘을 적용해 얻은 ICG 신호를 나타내며, 심박출량(SV) 계산에 사용되는 특성 포인트인 C, B, X 포인트가 신호 상에 표시돼 있다.

 

 

 

결론
ICG 신호는 심혈관 건강을 평가하는 데 있어 중요한 생체 신호 중 하나로, 심장 기능 및 혈류역학과 밀접한 관련이 있다. 따라서 ICG 신호의 정확한 획득과 분석은 심장 건강 모니터링에 있어 매우 중요하다. MAX30009는 사인파 스윕과 같은 다양한 자극 신호를 생성할 수 있는 전용 생체 임피던스 AFE 디바이스로, 직교 복조를 통해 생체 임피던스를 정밀하게 측정할 수 있다. 이 디바이스를 활용하면 ICG 신호를 획득해 심장 활동에 대한 상세한 분석이 가능하다. 또한 이 디바이스는 다른 바이오센서와의 동기화 측정을 지원해, 웨어러블 심혈관 모니터링 애플리케이션에서 기존 솔루션 대비 우수한 장점을 제공한다. 이러한 특성들을 종합적으로 고려할 때, MAX30009는 고정밀 ICG 신호 측정 시스템을 구축하기 위한 이상적인 선택이다.

 

톈 주(Tian Zhu) 필드 애플리케이션 엔지니어, 엘빈 첸(Elvin Chen) 애플리케이션 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.). |