기능성근적외분광법 기반의 착용형 뇌활동계측장치를 위한 광학신호계측

Abstract

서론: 본 논문에서는 시분할 다중 방식을 적용한 기능성 근적외선 분광기를 착용 가능하도록 하고, 이 장치에 최고전압-유지 기법(peak-hold technique)을 활용하여 측정 정확도를 향상시키고자 하였다. 최종적으로 광원으로서 4쌍의 근적외선-적선회로와 16개의 광검출 회로를 구성하였다.

방법: 광원의 빛이 두개골과 대뇌피질을 투과할 수 있으면서도 착용 가능한 근적외선 분광기를 구현하기 위하여, 파워 LED를 광원으로 선택한 다음 250us가량의 구간만 전류 펄스를 줌으로써 보다 강한 빛을 LED가 견디며 방사할 수 있도록 하였다. 다음으로는 소형화된 광검출기로서 PIN 포토다이오드를 선택하여, 광발전 방식(Photovoltaic mode)으로 설계하였다. 그리고 LED로부터 빛을 전달받는 특정 구간 내에서 최대값만을 유지시킨 후 신호를 디지털화하는 최고 전압 유지 기법을 적용하였다. 제작한 기기의 착용 안전성에 대한 실험으로 광원과 광검출기 온도를 관찰하였다. 다음으로는 동일 조건에서 기존의 디지털화 방법과 첨두치 유지 기법의 변동성을 비교하는 실험을 수행했다. 그리고 심박에 의한 총 헤모글로빈의 변화를 관찰할 광용적맥파 측정을 실행하였다. 나아가, 팔 앞쪽에서 정맥 폐색과 대뇌 피질의 전전두엽 영역에서 숨 참기에 의한 뇌혈액 공급 변화, 암산에 의한 뇌 활성도 변화를 유도한 후, 총 헤모글로빈 뿐만 아니라 산화 헤모글로빈과 탈산화 헤모글로빈의 농도 변화를 관찰하였다.

결과: 온도에 대한 안전성 실험에서 광원과 광검출기가 각각 37.92℃와 26.5℃에 수렴하는 결과를 얻을 수 있었다. 유효성 검증을 위하여, 광용적맥파 측정 결과 연속적인 PPG 신호에서 관찰할 수 있는 2차 맥파에 의한 홈(notch)까지 관측할 수 있었다. 다음으로 정맥과 대뇌 피질 속 산소 공급 변화에 대하여 관찰한 결과, 헤모글로빈의 산화 정도 변화를 관찰할 수 있었다.

결론: 광원 구동회로와 광 검출기의 온도가 체온과 유사한 일정 범위에 수렴하여 안전함을 검증하였으며, 광용적맥파와 혈액 공급에 따른 산소 포화상태, 뇌의 혈액공급 요청에 따른 헤모글로빈 변화 등을 관찰할 수 있는 착용 가능한 근적외선 분광기를 구현하였다.