미숙아의 근력측정을 위한 악력, 흡입력 측정 장치 개발

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미숙아의 근력측정을 위한 악력, 흡입력 측정 장치 개발
Year 2020
Title 미숙아의 근력측정을 위한 악력, 흡입력 측정 장치 개발
Authors 배현진, 유승선, 장종원, 한소영
Abstract The grip strength of an infant is one of the parameters that can indirectly check the development of the psychomotor development system. For newborn babies, communication is impossible and grip force is small, making it impossible to induce by measuring only the vertical force of the existing grip system. A chamber was used to receive pressure applied to measure a force independent of the direction by a single device, and membrane was used to convert the pressure of fluid changing with the movement of the chamber into a vertical. These subtle changes in the position of membrane were quantified by measurements using sensitive magnetic sensors. The chamber we have conceived can detect external pressure changes within the range of 0 to 8 kpa, and the membrane shows a distance change of 0 to 2 mm depending on the external pressure changes. If there is a change in the station of the membrane, the magnet attached to the membrane eventually moves together to change the magnetic field, and the magnetic sensor can confirm the change in the magnetic field by measuring the -1 mV to 1 mV voltage difference. This allows the calculation of the degree of external pressure change. The device we suggest is easy to measure the grip of newborn babies in both sensitivity and size. In addition, accumulation of data through long-term measurements can contribute to further study of the correlation between other diseases and grip forces by establishing a table for the existing normal range of infant grip forces.
Keywords Premature infant, strength of grasp, PHR sensor, chamber, membrane, pressure, nervous system development

Introduction

미숙아의 근력측정을 위한 악력, 흡입력 측정 장치 개발
제안자 이성원
자문교원 이성원
연도 2020
타입 A형 과제
코스 장영실
매칭여부 Yes
참여학생수 4
소개동영상


제안 배경

저출산 문제와 더불어 늦은 결혼 및 노산에 따른 미숙아와 조산아 출산율은 세계적으로 계속 증가해 오고 있다. 2017년 기준, 세계 출생아 수 대비 조산아의 비율은 약 11.1%으로 신생아 10명 중 1명 이상이 미숙아로 태어난다. 미숙아의 경우 정상아 대비 체중 및 힘과 같은 신체적인 능력이 저하된 상태로 출산되며 신생아의 사망원인 중 조산에 의한 사망은 약 37%에 해당할 정도로 위험하기 때문에 적절한 후속 관리가 필요하다. 그렇기 때문에, 미숙아는 출생 후 인큐베이터에서 일정기간 관리가 된 후 부모의 품으로 돌아간다. 미숙아가 인큐베이터를 나오기 위한 판단 요건은 적절한 악력과 흡입력이다. 이는 생존을 위해 스스로 엄마의 젖을 먹기 위해 필요한 능력들이다. 하지만 현재까지 미숙아의 흡입력과 악력측정은 의사가 자신의 손을 이용해 측정하는 직감적인 방법에만 의존해 오고 있다. 이 방법은 정밀한 측정에 의한 객관적인 수치가 아닌 의료진의 경험과 주관에 의해 좌우되는 방법이기에 오진의 확률이 높다고 할 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 기존 압력센서의 틀을 벗어나 새로운 메커니즘의 센서를 개발하여 미숙아의 흡입력과 악력을 정밀하게 측정 할 수 있는 디바이스에 응용할 계획이다.


                                         

과제 목표

자석, 자성센서 그리고 고분자 구조체를 이용하여 미숙아가 가하는 악력과 흡입력(압력)에 따라 자석과 자성센서간의 거리 변화를 유도. 그로 인해 미숙아의 악력과 흡입력을 측정 할 수 있는 디바이스를 제작.

과제 내용

유사한 원리를 가진 전기용량 및 압저항 타입의 압력센서의 경우, 일정한 방향(수직)으로 가해진 힘만을 측정 할 수 있다는 한계점과 정해진 위치를 눌러야하는 단점이 있음. 신생아의 경우, 악력을 일정한 위치와 방향으로 가하기 힘들기 때문에 기존의 측정 방식으로는 정확한 측정이 불가능 함. 본 과제는 이를 극복하고자 특정 구조체를 만들어 어느 방향 또는 위치에서 압력을 가하더라도 가해진 압력을 절대치로 환산 할 수 있는 시스템을 구축할 예정이다. 그리고 기존 압력센서 보다 정밀한 측정을 위해 새로운 타입의 자성센서를 사용한다. 이를 통해 인큐베이터에 있는 미숙아의 악력과 흡입력을 측정하고 분석하고 정상아의 악력과 흡입력 정보를 측정하여 데이터화 할 예정이다. 그 후, 프로토타입 장치를 만들고 추후 병원과 임상실험을 통하여 정상치에 대한 스탠다드 레퍼런스 제공함과 동시에 미숙아의 상태를 분석할 하여 의료진의 합리적인 판단을 유도하는 것이 궁극적인 목적이다.

Abstract

The grip strength of an infant is one of the parameters that can indirectly check the development of the psychomotor development system. For newborn babies, communication is impossible and grip force is small, making it impossible to induce by measuring only the vertical force of the existing grip system. A chamber was used to receive pressure applied to measure a force independent of the direction by a single device, and membrane was used to convert the pressure of fluid changing with the movement of the chamber into a vertical. These subtle changes in the position of membrane were quantified by measurements using sensitive magnetic sensors. The chamber we have conceived can detect external pressure changes within the range of 0 to 8 kpa, and the membrane shows a distance change of 0 to 2 mm depending on the external pressure changes. If there is a change in the station of the membrane, the magnet attached to the membrane eventually moves together to change the magnetic field, and the magnetic sensor can confirm the change in the magnetic field by measuring the -1 mV to 1 mV voltage difference. This allows the calculation of the degree of external pressure change. The device we suggest is easy to measure the grip of newborn babies in both sensitivity and size. In addition, accumulation of data through long-term measurements can contribute to further study of the correlation between other diseases and grip forces by establishing a table for the existing normal range of infant grip forces.

Theory

기존에 시장에 존재하는 악력계의 경우 수직적인 강한 힘을 측정하기위한 목적을 가지고 있다. 그러나 우리가 목표로하는 미숙아의 악력계의 경우 전방위적이며 매우 미세한 압력 변화를 감지할 필요가 있다. 따라서 첫째로 우리는 전방위적인 힘에 따른 움직임을 수직적인 움직임으로 바꾸어줄 장치를 고안했으며, 둘째로 미세한 움직임 변화를 잡아내기 위해 PHR 센서를 사용했다. 우선 전방위적인 힘에 따른 움직임을 수직적인 움직임으로 나타내기 위해서 치약과 같은 구조를 생각했다. 치약의 경우 어느 부분을 어떤 방향에서 누르는지에 관계 없이 가해진 힘의 총량만큼에 해당하는 유체가 밖으로 빠져나오게 된다. 이러한 현상에서 착안하여 우리는 figure 1에서 볼 수 있는 것 처럼 silicon rubber로 chamber를 만들고 끝부분에 membrane을 붙여서 chamber의 부피변화가 membrane의 위치 변화로 변환될 수 있는 구조를 만들었다. 두번째로 PHR(Planar Hall magnetoResistance) sensor를 사용하여 미세한 움직임 변화를 잡아냈다. PHR 센서는 자기장의 변화에 따라 출력 전압을 바꾸는 센서인데, Hall Effect가 그 원리이다. Hall Effect는 conductor의 내부에 전류가 흐르고 있는 상황일 때, 전류에 수직인 방향으로 자기장을 가하면 도체 내부에 전류의 흐름과 수직한 방향의 전위차가 발생하는 현상이다. PHR 센서는 십자가 모양으로 생겼는데, 좌우 방향으로 전류가 흐르는 상황이라고 가정하자. 이때 PHR 센서의 평면 방향벡터와 같은 방향으로 자기장을 가해주게 되면 PHR센서의 위 아래 방향의 전위차가 발생하게 된다. 따라서 이때 발생한 전위차를 측정하게 되면 얼마나 큰 자기장 변화가 발생했는지를 알 수 있다.

Method

Figure1

우리는 figure 1 -(a)와 같이 Air chamber, magnet, PHR sensor의 순서로 기기를 구성하였다. figure 1- (b)에서 볼 수 있듯이 Air chamber는 silicon rubber를 사용하였고, membrane은 base와 curing agent를 섞은 PDMS를 재료로 하였다. Magnet의 이동 거리를 측정하기 위해 magnet sensor로 PHR sensor를 사용하였다. 각각의 세 부분을 PLA 재질의 scaffold를 이용해 하나의 system으로 이어 붙였다.

figure1-(c)와 같이 air chamber 부분을 손으로 누르면 magnet이 붙어있는 membrane 부분이 팽창하게 된다. 이 때 자석의 수직 방향 이동 정도를 membrane의 팽창 정도로 보고자 하였다. 또한 PHR sensor 로 자기장을 측정함으로써 자석의 수직 이동 방향을 측정하는 방식으로 air chamber의 내부 압력 변화를 PHR sensor의 자기장 변화 값을 통해 유추 할 수 있는 시스템을 만들었다.

                                                                       

Result

Figure2

챔버에 가하는 압력을 측정하기 위해서는 4가지 parameter가 필요하다.

첫 번째 parameter로 figure 2-(a)에 보이는 것 처럼 chamber 외부에서 가해지는 압력에 대한 chamber 내부의 압력 변화에 관여하는 2가지 parameter에 대해 측정을 진행하였다. figure 2-(b)에 보이는 것은 chamber의 두께에 대한 외부압 대비 내부압을 나타낸 그래프 인데, chamber의 두께가 두꺼워질수록 그래프의 기울기가 완만해 지는 것을 확인할 수 있다. figure 2-(c)에 보이는 것은 chamber의 길이에 대한 외부압 대비 내부압을 나타낸 그래프인데, chamber의 길이가 길어질수록 그래프의 기울기가 완만해 지는 것을 확인할 수 있다.

두 번째 parameter로 figure 2-(d)에 보이는 것 처럼 chamber 내부 압력에 대한 membrane의 위치 변화에 관여하는 2가지 parameter에 대해 측정을 진행하였다. figure 2-(e)에 보이는 것은 membrane의 물성 차이가 chamber의 내부 압력에 대한 membrane 위치 변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프이다. membrane은 base와 agent를 비율에 맞게 섞어서 제작하게 되는데, base의 비율이 줄어듦에 따라 그래프의 기울기가 완만해지는 것을 확인할 수 있다. figure 2-(f)에 보이는 것은 membrane의 두께 변화가 chamber의 내부 압력에 대한 membrane의 위치 변화에 미치는 영향을 나타낸 그래프인데, membrane의 두께가 두꺼워짐에 따라 그래프의 기울기가 완만해지는 것을 확인할 수 있다.

Figure3

세 번째 parameter로 figure 3-(a)에 보이는 것 처럼 membrane의 위치 변화에 대한 자기장의 크기 변화를 측정하였다. figure 3-(b)에 보이는 것은 membrane의 위치변화를 mm단위로 측정하고 이에 따른 자기장 변화를 kOe단위로 측정하였다.

네 번째 parameter로 figure 3-(c)에 보이는 것 처럼 자기장의 크기 변화에 대해 PHR sensor 출력 전압의 크기 변화를 측정하였다. figure 3-(d)에 보이는 것은 자기장의 크기 변화를 Oe단위로 측정하고 이에 따른 출력 전압을 mV 단위로 측정하였다.

우리의 목표는 figure 2-(a)의 외부 압력을 측정하는 것이나, 실제 측정이 가능한 것은 figure 3-(c)의 PHR sensor 출력 전압이다. 따라서 위 4가지 parameter를 조합하면 PHR sensor의 출력 전압을 통해 chamber에 가해지는 외부 압력을 역산할 수 있다. 우선 2-(a)에서 외부 압력의 변화는 2~10(kpa)의 범위로 변화할 때 내부 압력은 이에 비례하게 변화한다. 각각의 조건에 따라 2-(b)와 2-(c)에서 알 수 있듯이 0~4(kpa) 범위부터 0~8(kpa)의 범위까지 챔버의 두께 및 높이를 변화시킴에 따라 조절할 수 있다. 신뢰도 높은 측정치를 얻기 위해서는 3-(b)의 그래프에서 선형성을 나타내는 부분의 변화를 보아야하는데, 이때 membrane의 distance change가 0~1(mm)임을 확인할 수 있다. 따라서 선행되는 내부압력에 따른 membrane의 위치 변화를 0~1(mm)이내로 조정해야 한다는 것을 알 수 있다. membrane의 구성에서 base : agent의 비율이 10:1일 때 0~8(kpa)의 내부압 변화가 0~0.6(mm)의 membrane distance change를 만들어내는데 적합하다는 것을 알 수 있다. 그러나 우리가 원하는 membrane distance는 0~1(mm)의 변화이기 때문에 기울기를 증가시켜서 맞추어야 한다. 이러한 조정은 membrane 제작에서 두께를 감소시켜 해결할 수 있기 때문에 membrane thickness를 400µm로 조정함으로써 범위를 맞출 수 있다. 위의 과정을 따라 거친 0~1(mm)의 변화는3-d에서 선형성을 띄는 그래프를 통해 변하는 자기장 값을 변화시키며, 변화된 자기장 값은 -100~100(Oe)의 범위 내에서 신뢰성 있는 값을 가진다. 따라서 최종 측정 값인 -1~1(V)의 전압차를 측정할 수 있다면 이를 역산하여 최초에 외부에서 가해진 압력을 구해낼 수 있다.


                                                                  

Conclusion

우리는 방향에 무관하면서, 0kPa 에서 8kPa 압력 범위에서 신생아의 악력을 측정하는데 적절한 크기와 민감도를 가지는 악력 측정장치를 개발하였다. 개발된 악력 측정 장치로 임상 측정을 통해 신생아의 악력에 대한 데이터를 축적할 것이다. 이후 축적된 신생아의 악력 데이터를 바탕으로 기존에 없던 신생아 악력의 기준치를 확립하는데 기여할 수 있을 것이라 기대한다. 또한 이후 병원과의 긴밀하고 꾸준한 소통을 통해, 신생아 악력과 다른 신경계 질환과의 연관관계를 밝히는 데에도 많은 도움이 될 것이라 기대된다. 또한 이 장치의 원리를 그대로 적용하여 chamber의 모양만 바꾼다면 신생아의 흡입력을 측정하는 데에도 활용 될 수 있으며, 더 나아가 흡입력과 악력과의 관계에 대한 정량적인 데이터도 얻을 수 있을 것이다.

Reference

[1]Ozel, S., Keskin, N., Khea, D., & Onal, C. (2015, October 30). A precise embedded curvature sensor module for soft-bodied robots. Retrieved November 02, 2020, from https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424715301588

[2] Moraes, M. V., Dionisio, J., Tan, U., & Tudella, E. (2017). Palmar Grasp Reflex in Human Newborns. Pediatrics & Therapeutics, 07(01). doi:10.4172/2161-0665.1000309, from https://www.longdom.org/open-access/palmar-grasp-reflex-in-human-newborns-2161-0665-1000309.pdf

[3] Mirzanejad, H., & Agheli, M. (2019, April 20). Soft force sensor made of magnetic powder blended with silicone rubber. Retrieved November 02, 2020, from https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0924424718322039?via=ihub

[4] 영남대학교 교수님과의 인터뷰 영상 - 1, https://youtu.be/g_A4wRyCrf0

[5] 영남대학교 교수님과의 인터뷰 영상 - 2, https://youtu.be/ydmE3By6vYs