한국표준과학연구원 - 의료용 생체자기 측정 분석 진단 시스템

Author(s):
김기웅 선임연구원 - 한국표준과학연구원 생체자기계측센터

Industry:
Medical/ Medical Instrumentation

Products:
PXI/CompactPCI, Developer Suite

The Challenge:
무엇보다 중요한 것은 생체자기측정시스템(심자도, 뇌자도)의 시장 경쟁력을 위해서 데이터 측정 및 분석이 Windows, PC 기반으로 저렴하고 효율적으로 구성되어야만 했다.

The Solution:
우리는 NI 6033E DAQ보드의 DIO와 AI를 이용하여, 64채널의 스퀴드 센서열을 제어하고, 생체자기신호를 측정-분석하여 임상 진단까지 내려줄 수 있는 소프트웨어를 개발하였다. Labview로 작성된 소프트웨어는 User friendly한 간편한 조작 및 자동화를 염두에 두고 개발하였다.

요약
뇌자도(magnetoencephalography) 및 심자도(magnetocardiography)는 뇌신경 혹은 심근의 흥분으로부터 발생되는 전류에 의한 미세 자기장을 측정하여, 여러 가지 병증을 진단하거나 생리학 및 인지기능의 연구에 사용되는 기술이다. 이러한 생체자기측정은 완전히 비침습적으로 안전하고 정확하게 고해상도로 뇌기능 및 심장이상을 국지화(localize)하는 것이 가능하여, 차세대 최신의료진단장비로서 주목 받고 있다.
생체자기장의 크기는 지자기의 1억 분의 1수준이므로, 지구상에서 가장 정밀한 자기측정센서인 SQUID 센서를 사용하여 측정한다. SQUID센서는 초전도현상을 이용한 장치로서, 최적 동작점을 결정하기 위해서 여러 가지 파라메터의 조정을 필요로 한다. 더욱이, 신호원의 공간국지화를 위해서는 수십 채널 급의 동시측정이 이루어져야 한다. 또한 측정 후에도 미약한 자기신호를 외부자기잡음으로 분리하기 위하여, 필터링, 기저선보정, triggered averaging, PCA, ICA 등의 신호처리과정을 거친다. 이렇게 획득된 자기신호로부터 전류원의 위치를 추정하기 위해서는 전역 최적화를 이용한 역문제 해법과정을 사용하여야 한다. 마지막으로 추정된 전류원을 가시화(visualize)하고, 임상학적 의미를 분석하여 병증을 판단하는 진단과정을 통하여 실제 임상에 활용된다.
우리는 NI 6033E DAQ보드의 DIO와 AI를 이용하여, 64채널의 스퀴드 센서열을 제어하고, 생체자기신호를 측정-분석하여 임상 진단까지 내려줄 수 있는 소프트웨어를 개발하였다. Labview로 작성된 소프트웨어는 User friendly한 간편한 조작 및 자동화를 염두에 두고 개발하여, 환자데이터 관리에서부터 센서제어, 측정, 분석, 진단은 물론, 결과 가시화에 있어서 Word 및 Excel로의 레포트 작성, 생체 전류원 변화의 동영상 작성기능까지 손쉽게 처리할 수 있도록 하였다.
본 시스템 및 소프트웨어는 연세대 세브란스 심혈관센터 및 대만 국립대학 병원에 설치되어, 일반환자를 대상으로 심근허혈 및 관상동맥질환 진단에 성공적으로 활용되고 있다. 적합한 사양의 M-series DAQ 보드 및 Labview를 이용하여 간결하고 효율적인 데이터 획득이 가능하였고, 공학 분야는 물론 의료 현장에서도 직접 활용 가능한, 신뢰성 및 완성도 높은 어플리케이션 소프트웨어를 개발할 수 있었다는데 의미가 있다.

개발 배경
SQUID 센서 동작점 결정 및 파라메터 최적화를 수동으로 진행할 경우, 기존에는 SQUID 센서에 대한 물리학적 센서 지식을 지닌 전문가가 센서 하나하나에 대하여 시간과 노력을 들여 조정하여야만 했다. 특히, 의료용으로 사용될 경우, 64 채널에 이르는 SQUID센서를 병원에서 즉시 수동 조정하는 것은 불가능하므로 PC를 이용한 신속, 정확한 자동조정이 요구되었다. 센서 조정 후, 64 채널의 1 KHz이상의 대역폭을 갖는 생체 자기장 데이터를 리얼타임으로 디지털 필터링 후, 모니터링 하면서 저장 가능하여야 했다. 신호보다 상대적으로 큰 외부 자기잡음을 처리하기 위해서 넓은 Dynamic range 가 요구되므로 16 bit 이상의 해상도를 필요로 하였다. 또한 생체자기 신호자체가 매우 미약하여 잡음제거를 위한 효과적인 신호처리 과정을 필요로 하였고, 파형 데이터에서부터 자기장의 공간적 분포 및 전류원을 재구성하는데 적합한 수학적 알고리즘을 구현할 수 있어야만 했다. 덧붙여, 의료 진단용으로 적합한 User Interface, 영상표시, 환자데이터관리 및 Report와 동영상 제작 기능을 요구하였다. 무엇보다 중요한 것은 생체자기측정시스템(심자도, 뇌자도)의 시장 경쟁력을 위해서 데이터 측정 및 분석이 Windows, PC 기반으로 저렴하고 효율적으로 구성되어야만 했다.

본론
1. 생체자기측정 시스템의 구조 및 소프트웨어 구성도

2. 소프트웨어 특징
- MS windows 고유의 프로그램과 유사한 메뉴 및 다이얼로그박스 방식의 UI로 구성: 직관적인 사용 가능
- Call by reference VI 를 이용하여, 동시에 여러 VI의 Front panel 의 조작이 가능
- 데이터 수집 및 신호처리, 분석, 진단 과정까지 최소한의 클릭과 조정과정으로 완료할 수 있도록 구성된 자동화 처리 및 자동 파일 생성 기능
- 현재의 파라메터 및 상황을 configuration file 에 기억, 기본 데이터 수집 환경 설정 기능
- 각 단계에서의 자동 Word, Excel Report 작성 기능 및 발표용 동영상 작성 기능

3. Front panel overview

4. Block diagram overview

결론 및 솔루션 개발 후 얻게 된 이점
1. M 시리즈 PCI-DAQ (NI 6033E)의 기능을 최대한 사용하여, PC 기반으로 센서의 제어 및 다채널 정밀 생체신호측정 장치를 효율적으로 구성함으로써, 특수 고속 A/D converter 및 전용 제어회로를 사용한 Workstation 기반의 시스템보다 복잡도를 낮추고, 가격 경쟁력을 획득할 수 있었다.
2. LabVIEW를 사용하여 윈도우 기반에서 유저가 사용하기 편리한 User Interface를 지원하는 소프트웨어를 개발함으로써, 자동 SQUID 센서 제어 및 데이터 획득, 자동 신호 후처리, 신호 분석 및 임상 진단까지를 공학적인 지식이 없는 의료인이나 일반인도 빠르고 손쉽게 수행할 수 있도록 하였다.
3. LabVIEW Report Generation Toolkit 및 IMAQ Vision을 이용하여 환자의 데이터 및 분석 진단 결과를 Word, Excel 포멧으로 효과적으로 기록하고, Presentation용 동영상을 제작하는 기능을 추가함으로써, 병원에서의 의료 진단용이나 의사들의 연구내용 발표용에 유용한 소프트웨어를 만들 수 있었다.
4. Graphic 기반의 언어인 LabVIEW가 지원하는 많은 유용한 수학적, 공학적 분석 VI를 사용하면, 새로운 생체자기진단 임상 알고리즘을 메뉴에 추가하거나 Upgrade하는 것이 수월하다.
5. 생체자기계측 분야가 세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있는 시점에서 LabVIEW를 이용한 빠른 아이디어의 적용 및 새로운 데이터의 연구방법 개발은 그룹의 큰 경쟁력이 되었다.

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김기웅 선임연구원
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