Biomedical Engineering - Bioinstrumentation

 

안녕하세요! 오늘은 의료 공학의 근본인 Bioinstrumentation(생체 계측기술)을 살펴보려고 해요.
병원에서 환자의 생체 신호를 측정하거나, 실험실에서 세포·조직의 반응을 연구할 때, 이 기술이 모든 기반이 되죠.

 

Bioinstrumentation이란?                                                          

 

Bioinstruments는 생체 신호를 측정·처리·표시하거나 전송하는 센서나 액추에이터를 말합니다.
보통은 몸과 직접 연결돼서 생체 데이터를 얻습니다.

예를 들어:

• 병원에서 심전도(ECG) 모니터
• 연구실의 미세전극 어레이(MEA)
• 스마트워치의 산소포화도 센서
  이 모두가 Bioinstrumentation의 예죠.

이 데이터들은 진단, 치료를 위한 생체 신호 수집, 연구를 위한 생리현상 이해, 질병의 조기발견 등에 사용되곤 합니다.

 

Bioinstrument의 작동 방식                                                       

 

 

• 직접 측정: 실제 신호 자체를 바로 측정 (예: MEA 전극, 침습적)
• 간접 측정: 다른 물리량으로 환산 (예: fMRI, 산소포화도)
• 아날로그: 연속적 신호,
• 디지털: 샘플링·양자화된 이산적 신호
• real time vs delayed

또한 Nyquist 이론이라는 것도 있습니다.

 

 

생체 신호의 고유한 특성 중 하나는 파수 대역폭인데, 여기서 중요한 법칙이 나이퀴스트 샘플링 정리입니다!

 

즉, 신호의 최대 주파수의 2배 이상으로 샘플링해야, 원래 신호를 잃지 않고 복원할 수 있어요.

• 샘플링 전에 저역통과 필터(anti-alias filter)로 불필요한 고주파 성분을 제거해요.
• 이렇게 하면, 에일리어싱(aliasing)이라는 왜곡 현상을 줄일 수 있어요.

 

Bioinstrument의 성능 측정                                                        

 

Accuracy : 실제값과 측정값의 평균 오차

 

Precision : 같은 대상을 반복 측정했을 때의 일관성

 

Resolution : 최소한의 검출 가능한 변화량

 

Sensitivity : 입력 변화에 따른 출력의 민감도

 

조금 더 자세히 이야기해볼까요?

 

• TP (True Positive): 진짜 병이 있는데, 검사도 양성으로 맞춘 경우
• FP (False Positive): 병이 없는데, 검사에서 잘못 양성으로 나오는 경우
• FN (False Negative): 병이 있는데, 검사에서 놓친 경우
• TN (True Negative): 병이 없고, 검사도 음성으로 정확히 맞춘 경우

따라서,

 

검사 성능 평가                                                                       

 

진단검사나 바이오 계측기의 정확도를 평가할 때 가장 중요한 개념이 바로 민감도와 특이도예요.
이 두 가지는 검사 결과를 해석할 때 서로 균형을 맞춰야 하는 핵심 지표랍니다!

 

Sensitivity : 병이 있는 사람 중에서, 검사가 양성으로 정확히 판별하는 비율

=> 높을수록 병이 있는 환자를 놓치지 않아서 초기 질병 스크리닝에 사용

 

Specificity : 병이 없는 사람 중에서, 검사가 음성으로 정확히 판별하는 비율

=> 건강한 사람을 오진하지 않음

 

 

이 cut-off를 잘 조정하여 검사를 조정하는 것이 중요합니다. 

 

 

 

센서의 종류와 원리                                                              

바이오 계측에 사용되는 센서는 4가지로 나눌 수 있습니다:

열 센서 (Thermal Sensors)

체온을 측정하는 센서들입니다. 종류별로 살펴볼게요.

✔ Thermocouple (열전대)

• 두 종류의 금속을 연결했을 때, 접점 온도 차이에 의해 전압이 발생합니다.
• 넓은 온도 범위 측정에 유리하지만, 미세한 온도 변화 측정엔 적합하지 않아요.
• 활용 예시: 수술 중 심부 체온 측정

✔ RTD (저항 온도 감지기)

• 온도 변화에 따라 금속(플래티넘 등)의 저항이 변하는 원리를 이용합니다.
• 정확도는 높지만 가격이 비싸고 반응이 느림
• 활용 예시: 인큐베이터, 이식형 시스템

✔ Thermistor (열저항체)

• 세라믹이나 폴리머 재질로 만든 저항체로, 온도가 오르면 저항이 줄어듭니다.
• 작은 온도 변화에 민감하지만 비선형적이어서 보정이 필요
• 활용 예시: 체온계, 웨어러블, 환자 모니터링

 

기계적 센서 (Mechanical Sensors)

✔ Strain Gauge (스트레인 게이지)

• 물체의 길이가 변하면 저항이 바뀌는 원리
• 압력 센서에 사용됨
• 측정 공식: ε = ΔL / L (변형률)

✔ Piezoelectric Sensor (압전 센서)

• 압력을 가하면 전압이 생기는 소재를 사용
• 외부 전력 없이 전압 생성 가능
• 활용 예시: 마이크, 혈압계, 전기기타 등

 

전기 센서 (Electrical Sensors)

전기 센서는 우리 몸에서 발생하는 미세한 전기 신호를 감지합니다.

 

✔ ECG (심전도, Electrocardiogram)

• 심장의 전기적 활동을 측정
• 가슴, 팔, 다리 등에 붙인 전극을 통해 심장 박동을 전기 신호로 기록
• 부정맥, 심장질환 진단에 핵심

✔ 심박 조율기 (Pacemaker)

• 심장이 너무 느리게 뛰거나 멈출 때 전기 자극으로 박동을 유도
• 전극을 통해 일정한 리듬을 유지

✔ 자동 심장충격기 (AED)

• 갑작스런 심정지 상황에서 부정맥 감지 후 자동으로 전기 충격을 줘 정상 리듬 복구
• 공공장소에 비치되어 응급 상황 대응

 

광학 센서 (Optical Sensors)

광학 센서는 빛과 관련된 생체 정보를 감지합니다. 아래 원리가 핵심입니다.

포토일렉트릭 효과 (광전 효과) : 

• 아인슈타인이 설명한 원리: 빛이 금속 표면에 닿으면 전자가 튀어나옴 → 전류 생성
• 이 원리를 이용해 아주 약한 빛도 전기 신호로 바꿀 수 있음

✔ 광증배관 (PMT, Photomultiplier Tube)

• 빛(광자)을 전자로 바꾸고, 연속적으로 증폭하여 아주 작은 빛도 감지 가능
• 고감도 요구 상황: 뇌영상, 현미경 촬영 등

✔ 포토다이오드 (Photodiode)

• 빛 세기에 따라 전류를 생성
• 작고 저렴하고 오래감
• 웨어러블, 산소포화도 센서 등에 적합

 

 

실제 의료기기 적용 예시                                                       

체온 측정

• 기초 건강 지표, 이상 신호 감지에 유용
• 귀 체온계: 고막에서 방출되는 적외선 감지 (pyroelectric 원리)

혈압 측정

• 심혈관 상태를 나타내는 핵심 지표
• 수축기/이완기 압력을 청진법 또는 자동 방식으로 측정
• 고혈압/저혈압 모두 위험 → 정기 측정 중요

산소포화도 측정 (Pulse Oximeter)

• 손가락 등에 센서를 부착해 혈액 내 산소포화도(SpO₂) 측정
• 2개의 파장(적색/적외선)을 이용해, 혈액 내 산소화된 헤모글로빈과 비산소화 헤모글로빈의 흡광도 차이를 감지
• 정상 범위: 97~99%