생체계측기

Bioinstrumentation

생물 계측 또는 생물 의학 계측은 생물학적 시스템을 측정, 평가 및 치료하는 데 사용되는 장치 및 역학 개발에 초점을 맞춘 생물 의학 공학의 응용 프로그램입니다. 생의학 계측의 목표는 진단 및 질병 치료 목적으로 인간 또는 동물의 생리학적 특성을 모니터링하기 위해 여러 센서를 사용하는 것에 중점을 둡니다.[1] 이러한 장비는 NASA의 수성, 제미니, 아폴로 임무 동안 우주 비행사들의 중요한 징후들을 지속적으로 감시하기 위한 필요성으로 시작되었습니다.[2][dubious – discuss]

바이오 계측은 질병 치료에 집중하고 공학 및 의료계를 연결하는 새롭고 다가오는 분야입니다. 2022년 기준으로 이 분야의 혁신은 대부분 지난 15~20년 동안 이루어졌습니다. 바이오 기기는 의료 분야에 혁명을 일으켰고 환자를 훨씬 더 쉽게 치료할 수 있게 해주었습니다. 생체 계측 분야에서 생산되는 기기/센서는 신체 내에서 발견된 신호를 전기 신호로 변환하여 어떤 형태의 출력으로 처리할 수 있습니다.[3] 바이오 기기에는 생물 의학 옵션, 센서 생성, 유전자 검사 및 약물 전달 등 많은 하위 분야가 있습니다.[4] 전기공학, 생명의료공학, 컴퓨터공학 등 공학 분야는 바이오 계측과 관련된 과학입니다.[3]

생체 계측은 이후 심박수와 산소 포화도를 측정할 수 있는 센서 증강 스마트폰과 아이튠즈에서만 40,000개가 넘는 건강 추적 앱이 있는 피트니스 앱의 광범위한 가용성으로 많은 개인의 일상 생활에 통합되었습니다.[5] 손목 착용 피트니스 추적 장치도 인기를 끌었는데,[6] 사용자의 생체 인식을 측정하고 개선을 위해 정보를 기록하고 추적하는 앱으로 전달할 수 있는 일련의 온보드 센서가 있습니다.

일반적인 계측 시스템의 모델은 계측기, 센서, 신호 처리기 및 출력 디스플레이의 네 가지 부분만 필요합니다.[7] 더 복잡한 계측 장치는 데이터 저장 및 전송, 보정 또는 제어 및 피드백을 위한 기능을 지정할 수도 있습니다. 그러나 그 핵심에는 달리 인식할 수 없는 물리적 속성의 에너지 또는 정보를 사용자가 쉽게 해석할 수 있는 출력 디스플레이로 변환하는 계측 시스템이 있습니다.[8]

일반적인 예는 다음과 같습니다.

측정 기준은 시스템이 측정하고자 하는 물리적 속성, 양 또는 조건으로 분류할 수 있습니다. 생체 전위, 압력, 흐름, 임피던스, 온도 및 화학적 농도를 포함한 많은 유형의 측정기가 있습니다. 전기 회로에서 측정기는 저항기 전체의 전위차가 될 수 있습니다. 물리학에서 일반적인 측정 기준은 속도일 수 있습니다. 의료 분야에서 측정량은 생체 전위 및 온도에서 압력 및 화학 농도에 이르기까지 다양합니다. 이것이 계측 시스템이 현대 의료 기기의 많은 부분을 차지하는 이유입니다. 이를 통해 의사는 다양한 신체 과정에 대한 최신의 정확한 정보를 얻을 수 있습니다.

하지만 그 에너지를 인식하고 투사하는 정확한 센서가 없으면 측정기는 아무 소용이 없습니다. 위에서 언급한 측정은 대부분 물리적(힘, 압력 등)이므로 센서의 목적은 물리적 입력을 받아 전기적 출력을 생성하는 것입니다. 이 센서는 날씨, 기압, pH 등을 추적하는 데 사용하는 센서와 개념적으로 크게 다르지 않습니다.[9]

일반적으로 센서에 의해 수집된 신호는 너무 작거나 소음으로 인해 혼란스러워 이해할 수 없습니다. 신호 처리는 해당 전기 신호를 증폭, 필터링, 평균화 또는 의미 있는 것으로 변환하는 데 사용되는 전반적인 도구와 방법을 간단히 설명합니다.

마지막으로 출력 디스플레이는 측정 과정의 결과를 보여줍니다. 디스플레이는 인간 조작자가 읽을 수 있어야 합니다. 출력 디스플레이는 시각적, 청각적, 수치적 또는 그래픽적일 수 있습니다. 이산 측정을 수행하거나 일정 기간 동안 측정값을 지속적으로 모니터링할 수 있습니다.

그러나 생체 의료 기기는 의료 기기와 혼동되지 않습니다. 의료 기기는 질병 및 부상의 진단, 치료 또는 예방을 위해 사용되는 장치입니다.[10][11] 대부분의 경우 이러한 장치는 신체의 구조나 기능에 영향을 미칩니다. 가장 쉽게 차이를 구분할 수 있는 방법은 의료 기기가 측정, 감지 및 출력 데이터를 측정하는 반면 의료 기기는 그렇지 않다는 것입니다.

의료기기의 예:

  1. 링 튜브
  2. 카테터
  3. 보철물
  4. 산소마스크
  5. 붕대

역사

생물 의학 공학과 생물 계측은 새로운 용어이지만, 그 이면의 관행은 여러 세대에 걸쳐 존재해 왔습니다. 인류가 시작된 이래로, 인류는 그들이 직면한 의료 사고를 치료하기 위해 그들이 이용할 수 있는 것을 사용해 왔습니다. 생의학 공학은 19세기에 가장 발전했습니다. 최근 몇 년 동안 생물 의학 공학은 인기를 얻었으며 인간 생리학의 문제에 대한 해결책을 만드는 데 집중했습니다. 이후 엑스레이, 청진기 등의 발명이 발전하고 의료 분야에 혁명을 일으켰습니다.[12]

생물 의학 공학의 개념은 제2차 세계 대전 이후에 개발되었습니다. 1952년 최초의 인공 심장 판막의 발명이 성공적으로 이식되었고, 1940년대에 최초의 인공 신장이 만들어졌으며, 1953년에는 심장 폐 기계가 인간의 심장 수술에 성공적으로 사용되었습니다.[13] 이러한 발전은 생명을 바꾸는 절차를 제공하기 때문에 의료 분야에서 중요한 이정표가 됩니다. 양전자 방출 단층 촬영(PET) 스캔의 개발은 생물 의학 분야에서 상당한 발전을 이루었습니다. PET 스캔은 Edward Hoffman과 Michael E에 의해 발명되었습니다. 1974년 펠프스.[14] 기계는 환자의 조직과 장기 내 대사 활동을 이해하기 위한 효과적인 영상 검사를 제공합니다.[15]

우주비행

생체 계측기는 NASA가 초기 우주 임무 동안 우주 여행에 의해 인간이 어떻게 영향을 받았는지에 대해 더 잘 이해하기 위해 본격적으로 개발했습니다. NASA가 구축한 이 초기 생체 계측 센서 어레이는 우주 비행사의 심전도, 호흡, 체온 등을 지속적으로 모니터링하고 이후 혈압을 측정했습니다.[16] 이를 통해 의사들은 우주 비행사들의 잠재적인 문제에 대한 활력 징후를 모니터링할 수 있었습니다. Apollo 15 ECG 바이오 기기에서 수집한 데이터는 심장 부정맥 기간을 보여주었는데, 이 기간은 의사와 플래너가 예상 작업량, 식단 및 탑재 의료 키트의 약물을 변경하는 데 사용되었습니다.[2]

개발 계측 장치

당뇨병과 같은 환자의 임상 상태를 결정하는 것부터 의료 기기를 개발하는 방법에 대한 일반화된 구조.[17] 그렇다면 측정해야 할 관련 생리학적 매개변수는 혈당 농도이지만, 다른 상황에서는 혈압, 심박수, 백혈구 수 또는 기타 신체의 신호와 양일 수 있습니다. 다음으로 이 생리적 파라미터를 취하는 방법을 결정해야 합니다. 제1형 당뇨병이 있는 사람의 경우, 포도당 농도를 측정할 수 있는 간질액의 피부 바로 아래에 배치된 센서가 있는 포도당 모니터링 시스템일 수 있습니다. 생체의료 계측기기 개발을 위해 다음으로 선택되는 파라미터는 변환기 설계입니다. 예를 들어, 글루코스 및 글루코스 산화효소 생성물로부터의 반응을 통해 글루코스 농도를 전압과 같은 측정 가능한 값으로 변화시키고, 환원 반응을 통해 전류가 전압 변화로 변환되어 측정되는 것입니다. 신호 디지털화, 처리 및 표시 전 장치 개발의 마지막 단계는 필터 및 증폭기 설계로 생리학적 신호를 장치에서 감지하고 판독할 수 있도록 세척하고 크기를 증가시킵니다.[18][19]

반

의료기기는 크게 세 가지 등급으로 나뉩니다.[20] 1등급은 가장 낮은 위험군으로 생명을 전혀 유지하지 못하는 의료기기입니다. 여기에는 붕대, 휠체어, 칫솔 등이 포함됩니다. 의료기기의 약 30%가 이 범주에 속합니다. 다음으로, 등급 2는 의료기기가 현재 중간 정도의 위험을 포함하는 모든 의료기기의 약 60%를 차지합니다. 카테터, X선 및 혈압 커프스가 포함됩니다. 마지막으로, 등급 3에는 의도된 사용과 관련하여 가장 위험이 높은 의료기기가 포함됩니다. 이전 등급보다 훨씬 엄격한 FDA 승인 전에 안전성에 대한 특별한 매개변수를 보여줘야 하기 때문에 의료기기의 약 10%만이 이 범주에 속합니다. 클래스 3 장치에는 심박조율기, 인공 달팽이관 임플란트 및 심장 판막이 포함됩니다.[21] 전반적으로 FDA는 승인 절차를 신속하게 처리하기 위해 이 의료기기 클래스 시스템을 개발했습니다. 의료기기가 하위 등급으로 분류되어 위험도가 낮아지면, 의료기기는 덜 엄격하게 검토되고 위험도가 높고 안전성과 위험 편익을 입증해야 하는 기기보다 훨씬 더 빨리 의료 분야와 시장에 진출할 수 있습니다.[22]

생물 의학 기구의 종류는 다음과 같습니다.

  1. 감지된 수량: 압력, 유량, 온도
  2. 전달 : 저항, 유도, 정전용량

전기 안전 및 위험 분류

의료 기기는 또한 다양한 전기 안전 및 위험 분류로 구분됩니다. 이러한 클래스에는 다음이 포함됩니다.

  1. 클래스1
  2. 클래스2
  3. 클래스3
  4. B타입 적용부위
  5. 타입 BF 적용부품
  6. 타입 CF 적용부위
  7. 제세동 방지형 CF 적용 부품
  8. 콘포미테 유러피언

등급 1, 등급 2 및 등급 3 기기 분류는 IEC에 의해 정의되며 기기가 감전으로부터 보호되는 방법을 정의하는 데 사용됩니다. 1급 의료기기는 전선 절연과 보호 접지를 통해 감전으로부터 보호가 이루어지는 모든 기기를 포함합니다.[23] 등급 2 의료기기는 적어도 두 개의 와이어 절연 층이 존재하는 것에 의해 분류됩니다 - 하나의 기본 층 절연 층과 하나의 보충 절연 층 또는 하나의 강화 절연 층.[24] 예를 들어, 심장 모니터는 일반적으로 IEC 클래스 2 장치입니다. 등급 3 의료 기기는 전압을 SELV보다 높지 않게 제한하는 것에 의존합니다. 이 종류의 장치는 사용자에게 입력 전압으로부터 보호할 필요가 없습니다. 그러나 SELV 구성 요소는 SELV에 대해 작동하는 구성 요소로부터 두 개의 보호 레이어에 의해 절연되어야 한다는 점에 유의해야 합니다.[25] IEC 클래스 3 장치의 일부 예는 심박조율기 및 AED입니다.

기기 등급 지정은 전기 보호 방법을 지정함에 따라, 기기의 유형 지정은 전기 충격에 대한 보호 정도를 의미합니다. 이는 장치에서 허용되는 최대 누설 전류로 정량화됩니다. 형식 지정은 IEC 60601 표준에 의해 정의됩니다. B타입 적용 부품은 최대 누설 전류가 100μA로 심장에 직접 연결할 수 없습니다. BF 타입 적용 부품은 최대 누설 전류에 대한 요구 조건은 동일하지만, 사용자와 전도성 접촉이 있는 절연형 또는 부유형 장치라는 점에서 차이가 있습니다.[26] 여기에는 혈압 모니터와 같은 장치가 포함됩니다. 타입 CF 적용 부품은 가장 엄격한 요구사항을 가지고 있으며 심장과 직접 접촉하는 장치에 사용됩니다. 최대 누설 전류는 10μA입니다. CF 적용 부품의 예로는 투석기가 있습니다.[27]

구성 요소들

생체 의료 기구의 기본적인 기본 부품은 다음과 같습니다.[28]

  1. 측정 기준: 계측 시스템이 측정하는 물리적 양입니다. 인체는 생체 신호를 생성하는 측정원 역할을 합니다. 여기에는 신체 표면이나 심장의 혈압이 포함됩니다.
  2. 센서/변환기: 변환기가 한 형태의 에너지를 다른 형태로 변환하는 곳이며, 이는 일반적으로 전기 에너지입니다. 기계적 진동을 전기 신호로 변환하는 압전 신호가 그 예입니다. 측정값에 따라 사용 가능한 출력이 변환기에 의해 생성됩니다. 소스는 센서가 소스의 신호를 감지하는 데 사용되므로 신호를 인간과 인터페이스하는 데 사용됩니다.
  3. 신호 조절기: 신호 조절 회로는 변환기의 출력을 전기적 값으로 변환하는 데 사용됩니다. 계측기 시스템은 수량을 디스플레이 또는 기록 시스템으로 전송합니다. 신호 조정 프로세스에는 증폭, 필터링, 아날로그-디지털 및 디지털-아날로그가 포함됩니다.
  4. 디스플레이: 차트 레코더 및 음극선 오실로스코프(CRO)와 같이 측정된 파라미터 또는 수량을 시각적으로 표현합니다. 알람을 사용하여 도플러 초음파 스캐너에서 발생하는 신호와 같은 오디오 신호를 들을 수도 있습니다.
  5. 데이터 스토리지 및 데이터 전송: 데이터 스토리지는 미래의 참조 및 사용을 위해 데이터를 기록하는 것을 의미합니다. 예를 들어 인터넷을 통해 한 장소에서 다른 주문형으로 데이터를 전송할 수 있도록 데이터 전송이 발생하는 원격 측정 시스템을 들 수 있습니다.

센서의 회로/생성

센서는 생체 계측의 가장 잘 알려진 측면입니다. 체온계, 뇌 스캔 및 심전도가 포함됩니다. 센서는 몸에서 신호를 받아들여 증폭시켜 엔지니어와 의사가 연구할 수 있도록 합니다. 센서의 신호는 회로를 사용하여 증폭되며, 전압원을 입력하고 저항기, 커패시터 및 인덕터와 같은 회로 구성 요소를 사용하여 수정합니다.[29] 그런 다음 출력되는 전압과 관심 측정치 사이의 일부 관계를 기반으로 분석에 사용되는 일정량의 전압을 방출합니다. 센서를 이용해 수집한 데이터는 컴퓨터 프로그램에 표시되는 경우가 많습니다. 이 바이오 계측 분야는 전기 공학과 밀접한 관련이 있습니다.[4]

심장 및 뇌의 전기적 활동과 같은 생체 신호를 측정하는 데 사용되는 회로는 일반적으로 신호 처리 및 데이터 분석을 위해 상대적으로 미세한 신호를 증폭하는 수단으로 op-amp를 통합합니다.[30] 일반적으로 사용되는 증폭기는 계측 증폭기입니다. IC(Integrated Circuit) AD620 증폭기와 같은 계측 증폭기는 오프셋 전압이 거의 없고 높은 CMRR을 유지하면서 서로 다른 두 전압 입력 사이의 차이를 증폭할 수 있으므로 노이즈를 제거하면서 저주파 신호를 증폭할 수 있습니다.[31]

또한 생체 신호에 대한 작은 규모는 dc 오프셋, 다른 생체 신호로부터의 간섭 또는 사용되는 장비로부터의 전기적 잡음과 같은 요인에 의해 발생하는 잡음을 설명하기 위해 광범위한 필터링을 필요로 하기 때문에 이러한 회로는 원하지 않는 잡음을 더 잘 설명하기 위해 필터를 통합할 수도 있습니다.

현재사용량

페이스메이커

심박조율기는 환자의 심장박동을 모니터링하고 전기 펄스를 전송하여 너무 느릴 때 이를 조절하기 위해 이식됩니다. 전극은 심장의 방으로 전기 펄스를 보내 심장이 수축하고 혈액을 펌핑할 수 있게 합니다.[32] 심박조율기는 심장이나 심장이 손상되어 제대로 작동하지 않는 사람들을 위한 것입니다. 심장의 정상적인 전기 전도는 SA 노드에 의해 생성된 자극이 심장 근육을 자극하고 수축하게 합니다. 심장의 효율적인 수축을 가능하게 하는 것은 근육의 질서 있는 자극이며, 우리 몸 전체에 혈액을 쏟아냅니다. 자연적인 심박조율기가 오작동하면 심장박동이 비정상적으로 발생하여 매우 심각하고 심지어 사망에 이를 수 있습니다.[33]

혈당모니터링

거의 모든 제1형 당뇨병 환자가 연속 혈당 모니터를 사용하고 제2형 당뇨병 환자를 선택합니다. 모니터는 환자의 피부에 적용되며 혈류에 얇은 금속 와이어를 삽입합니다. 마지막에, 이 선은 NAD+를 사용하여 글루코놀락톤으로, NAD+를 NADH로 산화시키는 작은 혈액 샘플을 채취하는 효소를 포함합니다. 그런 다음 이 NADH는 혈액에서 H+ 이온인 NAD+와 두 개의 부유 전자로 분해되어 전선으로 감지되고 송신기가 연결된 장치에 의해 표시되는 약 1mV의 작은 신호를 생성합니다.[34] 이러한 혈당 모니터를 개발하는 데 있어 가장 큰 문제 중 하나는 소량의 혈액 캔만 한 번에 샘플링되기 때문에 이러한 반응에서 나오는 미세한 신호를 필터링하고 증폭하는 것입니다.[35] 이것은 적은 양의 전압만이 생성되고, 몸 전체에 걸쳐 더 많은 전기 신호가 던져진다는 것을 의미합니다. 이 신호를 필터링하기 위해 회로는 보호 다이오드를 사용합니다. 보호 다이오드는 저항기와 커패시터를 사용하여 제너 다이오드를 사용하여 시스템에서 큰 신호를 제거하는 필터입니다.[34] 대형 신호가 필터링되면 다양한 연산증폭기를 사용하여 신호를 강화하여 디지털 온도, 아날로그 온도, 비교기 센서를 사용하여 환자의 실제 혈당을 보고할 수 있습니다.[34]

적외선 온도계

적외선 온도계는 일반 의료용 온도계와 유사한 환자의 온도 데이터를 수집하는 데 사용됩니다. 그러나 적외선 온도계는 비접촉식 판독이 가능한 거리에서 사용할 수 있도록 고유하게 설계되었습니다. 환자의 체온은 환자의 몸에서 지속적으로 방출되는 적외선을 포착하여 결정됩니다.[36] 이것은 신체의 여러 부분, 가장 확실하게 사람의 오른쪽 눈썹이나 손목의 끝을 겨냥하여 수행할 수 있습니다. 따라서 환자의 체온을 정확하고 신뢰할 수 있는 수치를 얻을 수 있습니다. [37] 이 장치는 적외선 복사 샘플을 전기 신호로 변환하는 센서를 통해 수집함으로써 작동합니다. 광학 및 써모파일을 사용하면 신호를 온도 판독값으로 원활하게 변환할 수 있습니다. 써모파일은 방사선을 흡수하고 열로 변환하여 온도에 비례하는 사용 가능한 전압을 만듭니다. 새로 수집된 데이터는 화면에 표시됩니다.[38]

기계식 환풍기

기계식 인공호흡기는 생명 유지 장치의 한 형태입니다. 수술 중 또는 환자 스스로 호흡할 수 없을 때 환자가 숨을 쉬거나 환기할 수 있도록 도와줍니다. 환자는 인공 기도라고 불리는 속이 빈 튜브를 통해 인공호흡기에 연결되어 한 달 안에 기관을 내려갑니다.[citation needed] 그들은 스스로 숨을 쉴 수 있을 때까지 인공호흡기에 남아 있습니다. 저희는 기계식 인공호흡기를 사용하여 환자가 더 이상 필요하지 않을 정도로 호전될 때까지 호흡 작업을 줄입니다. 이 기계는 환자가 충분한 산소를 공급받는지 확인하고 몸에서 이산화탄소를 제거합니다. 이것은 수술 중이거나 정상적인 호흡을 방해하는 중대한 질병이 있는 환자에게 필요합니다. 기계 환기의 이점은 환자가 숨쉬기 위해 열심히 일할 필요가 없기 때문에 환자의 호흡 근육이 쉴 수 있다는 것입니다. 환자는 회복하고 정상적인 호흡을 되찾을 시간을 가집니다. 환자가 충분한 산소를 공급받고 이산화탄소를 제거할 수 있도록 도와주며, 흡인으로 인한 부상을 방지하는 안정적인 기도를 보존합니다.[39]

피트니스 트래커

상업 시장에서 바이오 계측은 손목 착용 활동 추적 장치가 2012년 시장 가치 0.75억 달러에서 2018년 58억 달러로 급증하는 등 웨어러블 분야에서 큰 성장세를 보였습니다.[6] 스마트폰 디자인에도 바이오 기기가 추가되어 기기에 따라 심박수, 혈중 산소 농도, 걸음 수 등을 측정할 수 있게 되었습니다.

생체의학광학

바이오메디컬 옵틱스는 환자에게 비침습적 수술과 시술을 수행하는 분야입니다. 환자를 더 쉽게 열 수 있고 환자를 열 필요가 없기 때문에 이것은 성장하는 분야입니다.[4] 생체의료광학은 CAT(Computerized Axial Tomography) 스캔과 같은 영상촬영을 통해 가능합니다.[40] 생체 의학 광학의 한 예는 눈에 레이저 미세 수술인 라식 눈 수술입니다. 여러 눈 문제를 교정하는 데 도움이 되며 다른 수술보다 훨씬 쉽습니다.[40] 생체 의학 광학의 다른 중요한 측면으로는 현미경과 분광학이 있습니다.[41]

유전자검사

바이오 기기는 유전자 검사에 사용할 수 있습니다. 화학 및 의료 기구의 도움으로 수행됩니다. 이 분야의 전문가들은 다양한 사람들의 DNA를 비교할 수 있는 조직 분석 도구를 만들었습니다. 유전자 검사의 또 다른 예는 겔 전기영동입니다. 겔 전기영동은 DNA 샘플과 바이오 센서를 사용하여 개체의 DNA 서열을 비교합니다.[40] 게놈 발전과 관련된 다른 두 가지 중요한 도구는 마이크로어레이 기술과 DNA 시퀀싱입니다. 마이크로어레이는 개인의 활성화되고 억제된 유전자를 보여줍니다. DNA 염기서열 분석은 파장이 다른 레이저를 사용하여 다른 DNA 가닥에 존재하는 뉴클레오티드를 결정합니다. 바이오 기기는 유전자 검사의 세계를 변화시켰고, 과학자들이 DNA와 인간 게놈을 그 어느 때보다 더 잘 이해할 수 있도록 도와줍니다.[40]

약물전달

바이오 계측기로 약물 전달 및 보조 기계가 크게 개선되었습니다. 마취, 인슐린 등의 약물을 전달하기 위한 펌프가 제작되었습니다.[42] 이전에는 환자가 더 정기적으로 의사를 방문해야 했지만 이 펌프를 사용하면 더 빠르고 저렴한 방법으로 치료할 수 있습니다. 보조 기계에는 보청기와 페이스 메이커가 포함됩니다. 이 두 가지 모두 센서와 회로를 사용하여 신호를 증폭하고 환자에게 문제가 있을 때 이를 알립니다.[4]

농업

생물 기구는 토양을 모니터링하고 샘플링하고 식물 성장을 측정하기 위해 농업 분야에서 크게 사용됩니다. 농업의 생명 공학은 복잡한 기기를 사용하여 수행되는 복합 식물 유전체를 처리해야 합니다. 농작물 성장에 가장 유리한 조건을 유지하는 데 도움이 되는 토양의 수분 함량을 측정하기 위해 텐시미터와 같은 장치가 사용됩니다. 전기 변환기를 부착하면 토양 수분 및 수분 프로파일 측면에서 작물 데이터를 일정한 간격으로 모니터링할 수 있습니다.[40]

식물학

식물학 분야에서는 식물의 소화를 측정하기 위해 바이오 기기가 널리 활용되고 있습니다. PTM-48A 광합성 모니터는 이산화탄소 거래, 잎의 젖음, 순 광합성 및 기공 전도도와 같은 식물의 생리학적 특성을 등록하는 데 사용됩니다.[40] PTM-48A는 4채널 자동 개방 시스템을 통해 CO2 교환 및 잎의 증산을 분석하는 데 사용됩니다. 이 장치의 기능에는 잎의 CO2 교환, 공기 중 CO2 농도, 광합성 활성 방사선, 공기 증기 결핍 등이 포함됩니다.[43] 장치용 패키지에는 PTM-48A 시스템 콘솔, LC-4B 리프 챔버(4pcs.), RTH-48 METER, 12VDC 전원 어댑터, 리프 챔버용 홀더(4pcs.), 4m PVC 트윈 호스(4pcs.), 스테인리스 삼각대, RS232 통신 케이블 for PC, 설명서 및 소프트웨어 설정 CD, CO2 흡수기, 스페어 에어 필터 및 사용 설명서가 포함됩니다.[43]

이미징 시스템

영상 시스템은 분석이 필요한 것에 따라 신체의 다양한 부분의 영상을 만드는 시스템입니다. 시스템은 상태가 너무 심각해지기 전에 진단하는 데 사용됩니다. 영상 시스템의 일부 예로는 X선, 컴퓨터 단층 촬영(CT 스캔), 자기 공명 영상(MRI) 및 초음파가 있습니다. 엑스레이는 뼈와 종양을 분석하는 비침습적인 절차입니다. X선 촬영의 단점은 다른 질환으로 이어질 수 있는 방사선에 노출된다는 것입니다. CT 스캔은 신체의 장기와 조직 층의 상세한 이미지를 제공하는 다양한 X선의 조합입니다. 단점은 이 비침습적인 절차가 환자를 방사선에 노출시키기 때문에 암의 위험이 약간 증가한다는 것입니다.

ChemiDoc Touch 프레임워크와 같은 바이오 기기는 슈퍼컴퓨터의 터치스크린과 통합된 전기영동 및 웨스턴 블롯 이미징을 위한 이미징 시스템입니다. 화학 발광 및 UV 식별을 위한 특정 트레이를 사용하여 높은 감도와 화질을 제공합니다.[45]

동맥혈압

혈압(BP) 측정 시스템, 특히 쓰기 결합 BP 모니터는 방사상 동맥에 설정된 반구형 플런저를 사용한 애플리케이션 측위법을 통해 작동합니다. 보행 혈압과 같은 장치는 고혈압 관리를 향상시켰지만 널리 사용되지 않고 불편한 상태로 남아 있습니다. 싱가포르의 HealthSTATS International과 같은 봉기 혁신은 동맥 톤계를 사용하여 BP를 측정할 수 있는 손목에 묶인 BPR 측정 장치(BPRO)를 만들었습니다.[46]

손목 혈압계 이전에는 동맥에 카테터를 삽입하여 침습적으로 혈압을 측정해야 했습니다. 카테터는 유체 백과 모니터에 연결되어 시간이 지남에 따라 동맥 압력을 감지합니다. 이것은 매우 침습적인 절차이기 때문에 의료 시설 내에서 수행되어야 했던 반면 혈압 커프스의 새로운 기술은 사람의 집에서 혈압을 모니터링할 수 있습니다. 침습적 혈압 모니터링은 기록 혈압 측정에 비해 더 정확한 판독을 유도하는 것으로 나타났지만 감염 위험과 같은 단점이 있습니다.[47]

공간

우주비행사 건강 모니터링 시스템의 중요성은 우주 임무 기간이 지속적으로 증가함에 따라 증가해 왔습니다. 기존의 우주복 바이오 계측 시스템으로 차세대 바이오 계측 시스템의 개발로 차량 외 활동 시 향상된 건강 모니터링을 제공할 수 있게 되었습니다. 이것은 특히 우주 비행에서 가장 물리적으로 어려운 단계에서 유용할 것입니다.[1] 미국항공우주국(NASA)은 센서스 2000! 프로그램에서 우주에 있는 동물 모델의 생리학적 변화를 관찰하기 위해 원격 측정 센서를 개발했습니다. 이 센서는 온도, 생체 전위, 압력, 유량 및 가속도, 화학 수준을 포함한 생리학적 측정값을 측정하고 이러한 신호를 동물에서 링크 연결을 통해 수신기로 전송합니다.[48]

수술.

생의학 계측기는 초기부터 수술의 의료계에서 사용되어 왔으며 환자 치료를 향상시키기 위해 계속 진화하고 있습니다. 영상 및 보조 로봇 공학의 지속적인 통합으로 수술이 더 정확할 뿐만 아니라 덜 침습적일 수 있게 되었습니다. 카메라, 초음파, X선, MRI, PET 및 CT 스캔과 같은 영상 시스템 장치는 신체 내의 장애를 정확하게 파악하는 데 사용되었습니다. 수술 중 초음파 및 장치 부착 카메라를 사용하여 치료 부위를 볼 수 있습니다.[49]

로봇 보조 장치는 의사가 최소 크기의 절개로 수술을 완료할 수 있는 의료 기구입니다. 보조 장치를 사용하면 복잡한 수술을 더 짧은 시간에 완료할 수 있습니다. 로봇은 신체 내 의사의 움직임을 정확하게 모방하여 시술의 안전성을 보장합니다. 로봇 보조 기술에는 일반적으로 카메라, 기계 팔 및 제어를 허용하는 일종의 콘솔이 포함됩니다.[50] 최소 침습 시술을 위해 보조 장치를 사용할 때 많은 사람들이 다른 결과가 더 짧은 회복 시간임을 발견합니다. 보조 로봇 공학이 수술에 사용되고 사용에 대한 몇 가지 장점이 있지만 몇 가지 주요 고려 사항이 있습니다. 수술에 큰 문제가 생기면 로봇 시스템이 제거되고 이전 방법을 사용해야 합니다. 로봇 보조 기술은 여전히 비용이 많이 들기 때문에 더 많은 연구와 개선이 지속적으로 이루어지고 있습니다.[51]

기기의 혁신으로 마취제의 발전도 이루어졌습니다. 수술 중 마취과 의사는 환자의 심박수, 호흡, 통증, 체온, 수액 균형, 혈압 및 기타 여러 생체 징후를 모니터링하고 평가해야 합니다. 이 때문에 한 마취과 의사 스테이션에는 의료기기가 가득합니다. 주요 장치 중 하나는 마취 기계로 증기 마취 약물 투여, 산소화 및 환기에 중점을 둡니다.[52]

심전도

심전도는 심장의 전기적 활동을 추적하는 데 사용되는 의료 기구입니다.[53] 뇌는 뇌의 신경이나 척수를 통해 신호를 보내고 심장전도계(CCS)를 통해 심장에서 생성되고 전파됩니다. 자극은 결절 조직에서 시작되어 심방 심근을 통해 빠르게 동절로 이동하여 동시에 심방을 수축시킵니다. 그리고 마침내 뇌실이 채워질 수 있는 방실 노드에 도달하면서 속도가 느려지기 시작합니다. 그 충격은 그의 다발로 들어가면서 다시 속도를 내고 푸르킨제 섬유에서 왼쪽과 오른쪽으로 나뉘고 마침내 대동맥과 폐동맥으로 혈액을 펌핑하는 탈분극을 일으키는 심실 작동 심근세포에 도달합니다.[56] 이 전기 활동은 모두 ECG로 측정하고 기록할 수 있습니다.

심전도는 전극과 납선을 이용하여 심장의 전기적 활동을 판독하여 모니터에 표시합니다. 이러한 전기적 신호를 모니터링하기 위해 우리는 피부에 전극을 배치할 수 있습니다. 이러한 전기적 변동을 감지할 수 있습니다. 여기서 리드를 향한 전기적 활동은 위쪽으로 편향을 일으키지만 리드에서 떨어진 전기적 활동은 아래쪽으로 편향을 일으키며 이러한 전기적 충격에 의해 생성된 그래프를 분석하여 무엇을 확인할 수 있습니다. 마음속에서 일어나는 일입니다. 이것은 심전도 또는 심전도라고 알려져 있으며 심장의 전기적 자극과 움직임을 기록하여 심장의 전기적 활동을 측정합니다.

기본 파동 패턴은 P파, QRS 복합체 및 T파로 구성됩니다. 여기서 P파는 심방 탈분극을 나타내고, QRS 복합체는 심실의 서로 다른 영역에서 심실 탈분극의 세 가지 파동이며(심방 재분극 가면), T파는 심실 재분극을 나타냅니다. 이 시각적 표현은 약간의 이상도 충분히 조기에 발견하고 치료하지 않으면 치명적인 결과를 초래할 수 있기 때문에 이해하는 것이 중요합니다.

심전도는 부정맥, 비후성 심근병증과 같은 다양한 심장 상태를 진단하는 데 사용됩니다. ECG가 감지할 수 있는 일반적인 심장 문제 중 일부는 심장의 부정맥 진단 및 장기간의 파동 간격(심실 부정맥의 위험 요소인 QT 간격)을 포함하며, 이 두 상태 모두 ECG를 통해서만 진단됩니다. 파동 상승과 변화는 또한 관상 동맥 질환과 심근 경색을 포함한 근본적인 건강 문제의 지표입니다. 심근염, 심낭염, 심근 섬유증, 아밀로이드증 등을 포함한 다른 심혈관 질환도 곡선 변화로 표현될 수 있습니다. 심혈관 질환은 연간 약 1,790만 명이 사망하는 전 세계 사망 원인 1위이기 때문에 이러한 변화를 조기에 잡기 위해서는 어느 때보다 중요합니다. 심전도의 사용은 심장 문제를 진단하는 데 도움이 될 뿐만 아니라, 곡선 변화는 전해질 불균형, 갑상선 기능 저하증, 그리고 다양한 중추신경계 장애를 경고할 수 있습니다.

기존 기술에는 주로 임상 환경에서 사용되는 전통적인 심전도 기계와 심장을 더 오래 모니터링하기 위해 장기간 착용할 수 있는 휴대용 모니터가 포함됩니다. 기존의 심전도는 12개의 리드로 구성되어 있다는 점에서 훨씬 더 정확하지만 환자의 편안함과 기능이 함께 제공됩니다. 전통적인 ECG의 12개 리드는 양극성 사지 리드 3개, 단극성 사지 리드 3개 및 단극성 흉부 리드 6개로 더 나은 공간 정확도를 제공하며 보행 치료 및 심장의 활동을 모니터링하는 운동 스트레스 테스트에 가장 많이 사용됩니다. ECG 기술 개발이 진행됨에 따라 다양한 수의 전극과 부착된 리드를 사용하여 제한을 제한하는 패치 센서, 흉부 하니스 등의 혁신으로 이어졌습니다. ECG의 요구 사항에는 안전한 사용을 위한 지침, 전극 배치, 전기 충격에 대한 보호, 그리고 기본적인 안전에 대한 요구사항.

심전도 회로의 주된 목표는 상대적으로 작은 심장에서 오는 신호를 증폭시키는 것입니다.[69] 심전도는 Class II 의료기기로 간주됩니다.[70]

조사.

연구 중인 바이오 기기는 표준 데이터 수집에서 프로토타입 테스트에 이르기까지 다양한 응용 분야가 있습니다. 한 가지 독특한 예는 스트레인 게이지 및 경골 로딩을 통해 다양한 동물 모델의 뼈 표현형을 특성화하기 위한 생물 계측기의 사용입니다. 스트레인 게이지는 변형을 전기 저항으로 변환하며, 분석 소프트웨어와 함께 사용하면 기계적 하중에 대한 뼈의 반응을 파악할 수 있습니다. 동물이나 품종에 따라 기계적 하중에 대한 물리적 반응이 다를 수 있으므로 하중을 수반하는 실험은 하중이 아닌 변형으로 정규화됩니다.[71] 스트레인 게이지를 사용하면 연구자가 다양한 피험자에 걸쳐 다양한 하중을 가하여 동일한 스트레인을 유도할 수 있으며, 이는 새로운 뼈 형성과 직접적인 상관관계가 있습니다. 바이오 기기는 새로운 바이오 기기의 개발에서 새로운 의료 기기로의 새로운 통합에 이르기까지 연구에 더 많은 응용 프로그램을 가지고 있습니다.

실시간 측정

바이오 기기는 다양한 환자에게 사용되는 새로운 진단 도구에 통합되었습니다. 가볍고 편안하며 효율적인 실시간 측정 시스템을 구현하는 데는 충분한 과제가 있기 때문에 보다 유연하고 컴팩트한 생체 계측기의 새로운 개발에 대한 추진력이 높아졌습니다. 환자의 수준을 감지하고 모니터링하기 위한 3D 프린팅 이온 선택적 전계 효과 트랜지스터(ISFET)의 개발이 대표적인 예입니다.[72]

실시간 측정 시스템의 또 다른 예는 병원 진료에서 취약한 신생아의 전해질 수치를 모니터링하기 위해 개발된 스마트 생체 전기 고무 젖꼭지입니다. 고무 젖꼭지는 미세 유체 채널을 통해 침의 섭취를 통해 기능하며, 이 채널은 부드러운 플라스틱 고무 젖꼭지 내 감각 마디로 채워진 저장고로 침을 안내합니다. ISFETS와 통합된 작은 회로는 타액 내 전압 변화를 능동적으로 측정할 수 있으며, 이는 신생아의 타액 내 이온 농도와 직접적인 상관 관계가 있으며, 타액 내 이온 농도와 혈액 내 이온 농도 사이의 알려진 상관 관계로 인해 혈액 내 이온 농도와 직접적인 상관 관계가 있을 수 있습니다.[73]

생체 계측의 새로운 발전은 환자를 더 잘 모니터링하기 위해 유연성, 소형성 및 효율성을 제공할 수 있는 실시간 측정 시스템 개발에 계속해서 도움을 주고 있습니다.


혈중 산소 포화도

팬데믹 기간 동안 사용이 눈에 띄게 증가한 또 다른 중요한 의료 기기는 산소 측정기입니다.[74] 산소 측정기는 말초 순환에서 혈액의 산소 포화도를 측정하는 장치입니다. 이러한 산소 측정기는 수년간 상당한 발전을 거듭하여 사람의 혈중 산소 농도를 비침습적으로 측정할 수 있고 환자 자신이 집에서 사용할 수 있는 작은 상자 크기로 압축되었습니다.[75] 산소 측정기는 광혈류측정의 원리로 작동합니다. 구체적으로, 산소 측정기의 작동은 옥시헤모글로빈과 디옥시헤모글로빈의 광흡수 스펙트럼의 차이에 기초합니다. 옥시헤모글로빈은 적외선(파장 940nm)을 더 많이 흡수하고, 데옥시헤모글로빈은 붉은 빛(파장 660nm)을 더 많이 흡수합니다. 이 조명은 연속적으로 손가락 끝을 밝힐 수 있습니다.[76] 산소 측정기에 존재하는 포토다이오드는 혈류를 통과할 수 있는 빛을 감지하고, 이것은 두 빛의 흡수 곡선을 만드는 데 도움이 됩니다.

빛 흡수를 통과하는 물질의 특성과 연관시키는 Beer Lambert's Law에 따르면 이러한 결과는 혈액의 산소 포화도를 나타낼 수 있습니다. 그런 다음 포토다이오드에서 감지된 빛의 결과로 생성된 신호를 여러 개의 연산 증폭기를 사용하여 필터링하여 센서에 도달하는 환경의 빛으로 인해 생성되었을 수 있는 측정의 불규칙성을 제거합니다.[77] 그런 다음 신호가 증폭되어 ADC(아날로그-디지털 변환기) 회로를 사용하여 디지털 신호로 변환됩니다. 이러한 신호는 MATLAB 프로세서를 사용하여 처리되어 SpO2 값을 표시합니다.[78]

이식된 압력 센서

녹내장은 가지고 있는 사람들의 시야가 점차 감소하는 원인이 되며, 전 세계적으로 실명의 약 8%를 차지합니다.[79] 녹내장 검사는 일반적으로 병원에서 시행할 수 있는 안압(IOP)을 측정해야 합니다. 그러나 측정이 돌아오는 데 시간이 오래 걸리고 환자의 IOP가 하루 종일 변할 수 있기 때문에 IOP 측정 방법이 오래 지연되었습니다.[80] 현재 제안된 솔루션은 하루 종일 IOP를 측정하기 위해 눈 안에 이식되는 연속 압력 센서입니다. 이를 통해 제공자는 녹내장을 조기에 진단하고 예방 치료를 더 빨리 시작할 수 있으며 치료가 얼마나 잘 작동하는지 모니터링할 수 있는 방법을 제공합니다. 임플란트는 IOP의 변화를 감지할 수 있는 압력 감지 커패시터를 사용하여 작동합니다. 이러한 압력 민감 커패시터는 ASIC의 공진 주파수를 변경합니다. ASIC의 공진 주파수는 정전용량에 따라 달라지므로 공진 주파수를 기반으로 IOP를 도출할 수 있습니다. 대부분의 기기는 아직 시장에 출시되지 않았지만, 환자들에게 유망한 결과를 얻어 테스트되고 있습니다.[81]

제세동기

제세동기는 비정상적인 심장 리듬, 특히 심실세동과 심실빈맥을 교정하기 위해 전하를 투여하는 생명을 구하는 의료기기입니다. 이러한 부정맥은 심장이 효과적인 펌핑 리듬을 잃는 갑작스러운 심장 마비로 이어질 수 있습니다. 제세동기는 크게 두 가지 종류가 있습니다. 자동화된 외부 제세동기(AED) 및 이식형 심장이식형 제세동기(ICD). 공용 공간에서 종종 볼 수 있는 AED는 방관자가 신속하게 사용할 수 있도록 설계된 휴대용 및 사용자 친화적인 장치입니다. 그들은 사용자에게 과정을 안내하는 음성 지침을 제공합니다. 반면 ICD는 심장 리듬을 자동으로 모니터링하고 정확한 시간에 맞춰 전기 신호를 전달해 생명을 위협할 수 있는 부정맥 위험이 높은 환자의 심장 손상이나 사망을 예방하는 수술로 이식된 장치입니다.[82]

교육 및 인증

교육

바이오 인스트루먼트와 함께 작업하기 위해서는 상당한 양의 지식과 훈련이 필요합니다. 생명의료공학은 공학의 주요 줄기이며, 이 아래에는 장비 사용, 회로 및 안전에 대한 교육을 찾을 수 있는 생명의료 계측이라고 하는 분야가 있습니다. 이 분야에서 일하기 위해서는 생물학뿐만 아니라 공학 원리에서도 상당한 양의 지식이 필요합니다. 이뿐만 아니라 일반적으로 학사(B) 학위도 필요합니다.Sc., B.S., B.영어 또는 B.S.E.) 또는 석사(M.S.Sc., M.S.E. 또는 M.Eng.) 또는 바이오메디컬 엔지니어링 박사(Ph.D. 또는 MD-Ph[83][84][85].) 학위가 필요합니다.

라이선스/인증

참고 항목: Professional Engineer

대부분의 직업과 마찬가지로 PE(Professional Engineer)가 되기 위한 특정 요구 사항이 있지만, 미국에서는 산업 면제로 알려진 예외 때문에 대부분의 상황에서 면허증이 엔지니어로서 직원일 필요가 없습니다.[86] 현재 모델은 일반인 또는 기업에 대한 엔지니어링 서비스의 직접적인 제공 없이 엔지니어링이 민간 산업에 종사하는 동안 공공복리, 안전, 건강 또는 재산에 영향을 미치는 서비스를 제공하는 실무 엔지니어만 라이센스를 받도록 하고 있습니다.

생의학 공학은 호주와 같은 일부 국가에서 규제되지만 등록은 일반적으로 권장될 뿐 필요하지 않습니다.[87]

제약조건 및 향후발전

바이오메디컬 계측기 개발에도 제약이 뒤따릅니다. 현재 많은 측정 수단이 측정 수단을 손상시키지 않고 접근할 수 없습니다. 결과적으로 대부분 간접적으로 측정해야 합니다. 두 가지 생리학적 시스템이 동일하지는 않지만 이러한 한계 때문에 측정 변동을 "표준"과 비교해야 하며 이 또한 달라질 수 있습니다. 환자 안전 또한 생체 의료 계측의 핵심 측면이자 한계입니다. 특히 두 사람이 같지 않기 때문에 생물학적 조직의 손상(결과를 변경할 수 있음)을 피하면서 데이터를 얻는 데 필요한 적절한 에너지 양을 결정하는 것은 어려울 수 있습니다. 결과적으로 장비의 신뢰성과 조작의 어려움이 높은 기준으로 유지되고 있습니다.[88]

이러한 한계에도 불구하고 바이오메디컬 엔지니어링 및 의학 분야는 빠르게 성장하고 있으며 바이오 계측은 계속해서 진행될 것입니다. 이 분야의 주요 초점은 의료계를 더 빠르고 효율적으로 만드는 것이기 때문에 이러한 측면뿐만 아니라 기술과 과학자들이 인체를 이해하는 방법에 있어서도 주요 개선 사항이 계속해서 증가할 것입니다. 이 분야의 미래를 위한 주요 초점에는 셀룰러 스캐닝 장치와 로봇이 포함됩니다.[12]

셀룰러 스캐닝 장치

올림푸스는 대학과 연구기관에서 생명과학 연구의 초점을 맞추기 위해 Fluoview FV1200 생물공초점 레이저 주사현미경과 Fluview FV1200MPE 다광자 레이저 주사현미경 두 가지 새로운 현미경을 선보였습니다. 이 현미경은 레이저 빔으로 시료를 스캔하고 형광을 감지하여 대조도가 높은 3D 영상을 기록합니다. 쉽게 사용할 수 있고 더 많은 강성, 더 높은 감도 및 더 낮은 소음을 제공합니다. FV1200MPE는 조직 투명도를 높일 수 있는 IR 레이저를 사용합니다. 이는 특히 FV1200에서 어려울 수 있는 두꺼운 세포와 조직을 이미징하는 데 유용할 것입니다.[89]

로봇

조립, 운반 등 산업용 로봇이 공장을 제조하는 작업의 일부가 된 것은 현대 세계에서 기술이 사람들의 일상생활의 일부가 된 것에 불과합니다. 이것들은 미래에 인기를 끌 것으로 예상되는 개인용 로봇 중 하나이며 인간과의 공동 작업 및 공동 생활에서 작동할 것입니다. 작품 속 휴머노이드 로봇의 몇 가지 예로는 소니사가 개발한 엔터테인먼트 휴머노이드 큐리오(QRIO)가 있습니다. 로봇에서 감정, 행동, 성격을 사람과 같은 방식으로 통합하는 연구는 여전히 이해되고 연구되고 있습니다.[90]

참고 항목

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