KR100682026B1 - down-sized single directional respiratory air flow measuring tube - Google Patents
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Abstract
천식등 만성 호흡기 질환자들이 자가 검사에 사용할 수 있도록 하기 위한 전자식 호흡 기류 계측장치에 적합하도록 소형의 휴대용 호흡 기류 계측장치용 호흡관이 개시된다. 본 발명은 일회성의 종이 또는 플라스틱 재질로 구성되며 피검자의 입과 접촉되는 입구와 이에 대향된 출구를 포함하는 원통형 관; 원통형 관의 출구측에 근접하게 설치되며, 상부로부터 원통형 관을 관통하여 하부 외측으로 연장되며, 상부는 폐쇄되고 원통형 관의 중심과 벽면 사이의 유속을 포괄적으로 측정할 수 있도록 원통형 관의 입구방향의 일측에 호흡기류중 동압력을 측정하기 위한 다수의 샘플링 구멍을 갖는 감지로드를 포함한다.A small, portable respiratory air flow meter for a respiratory air flow meter for use in self-examination by chronic respiratory diseases such as asthma is disclosed. The present invention comprises a cylindrical tube made of a one-time paper or plastic material and including an inlet and an outlet facing the mouth of the subject; It is installed close to the outlet side of the cylindrical tube, extends outward through the cylindrical tube from the top, the top is closed and in the inlet direction of the cylindrical tube to comprehensively measure the flow velocity between the center and the wall of the cylindrical tube. It includes a sensing rod having a plurality of sampling holes on one side for measuring the dynamic pressure in the respiratory air flow.
Description
도 1은 동압력을 이용하여 호흡기류 계측의 원리를 보여주기 위한 도면이다.1 is a view for showing the principle of respiratory air flow measurement using the dynamic pressure.
도 2는 본 출원인에 의하여 출원된 한국특허 432640호의 호흡관의 구조를 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining the structure of the respiratory tract of Korean Patent No. 432640 filed by the present applicant.
도 3은 도 2의 호흡관에 삽입되는 감지로드의 구조를 나타내는 도면이다.FIG. 3 is a view illustrating a structure of a sensing rod inserted into the breathing tube of FIG. 2.
도 4는 본 발명에 따른 소형 단방향 기류 계측용 호흡관의 구조를 설명하기 위한 단면도이다.4 is a cross-sectional view for explaining the structure of a small unidirectional air flow measurement breathing tube according to the present invention.
도 5는 도 4의 호흡관의 규격을 결정하기 위한 동압력 측정 및 정압력 측정을 위한 시험장치의 블록도이다.FIG. 5 is a block diagram of a test apparatus for dynamic pressure measurement and static pressure measurement for determining the size of the respiratory tract of FIG. 4.
도 6은 도 5의 시험장치를 통하여 얻어진 호흡관의 직경과 최대 호흡 기류값과의 상관관계를 나타내는 그래프이다.FIG. 6 is a graph showing a correlation between a diameter of a respiratory tube and a maximum respiratory airflow value obtained through the test apparatus of FIG. 5.
도 7은 본 발명에 따른 호흡관의 직경과 동압력과의 상관관계를 나타내기 위한 그래프이다.7 is a graph showing the correlation between the diameter of the respiratory tract and the dynamic pressure according to the present invention.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
100 : 호흡관 110 : 원통형 관100: breathing tube 110: cylindrical tube
120 : 정압력 측정관 130 : 감지로드120: static pressure measuring tube 130: sensing rod
132 : 샘플링구멍 150 : 계측 모듈132: sampling hole 150: measurement module
151 : 정압력 변환부 152 : 동압력 변환부151: static pressure converter 152: dynamic pressure converter
154 : 전자회로 160 : PC154: electronic circuit 160: PC
본 발명은 휴대용 호흡 기류 계측장치용 호흡관에 관한 것으로, 특히 천식등 만성 호흡기 질환자들이 자가 검사에 사용할 수 있도록 하기 위한 전자식 호흡 기류 계측장치에 적합하도록 소형의 휴대용 호흡 기류 계측장치용 호흡관에 관한 것이다.The present invention relates to a respiratory tube for a portable respiratory air flow measuring device, and more particularly to a portable respiratory air flow measuring device suitable for electronic respiratory air flow measuring device for use in self-examination for chronic respiratory diseases such as asthma. will be.
폐활량 검사(spirometry)등 모든 호흡기능검사를 수행하는 경우에 호흡 기류의 계측은 필수적이다. 호흡 기류의 계측은 사람의 호흡에 의한 폐의 용적 변화 신호를 연속적으로 기록한 후, 이를 분석하기 위한 임상 검사의 일종이다.Measurement of respiratory airflow is essential when performing all respiratory function tests such as spirometry. The measurement of respiratory airflow is a kind of clinical test for analyzing the volume change signal of the lungs caused by human breathing and analyzing it.
현재 가장 광범위하게 사용되는 호흡기류 계측 방법으로는 뉴모타코그라프(pneumotachography) 및 터비노메트리(tubinometry)가 있는 데, 이들 호흡 기류 계측 방법은 호흡 경로상에 호흡기류를 계측 가능한 물리적 변수로 변환하는 센서소자를 위치하여야 한다. 예를 들어 뉴모탁(pneumotach) 방식의 호흡기류 계측 방법은 호흡 경로를 형성하는 호흡관의 중앙에 유체 저항체를 설치하고, 유체 저항체의 양측에서 얻어진 정압력 차이를 측정하여 호흡 기류를 계측하도록 구성된다.Currently, the most widely used respiratory flow measurement methods are pneumotachography and tubinometry, which convert respiratory flows into measurable physical variables on the respiratory path. Sensor element shall be located. For example, the pneumotach type respiratory air flow measurement method is configured to measure a respiratory air flow by installing a fluid resistor in the center of a respiratory tube forming a respiration path, and measuring a static pressure difference obtained from both sides of the fluid resistor. .
뉴모탁 방식의 호흡 기류 계측장치는 피검자의 호흡 경로 상에 유체 저항체 가 위치하여 피검자의 호흡을 방해하므로, 피검자의 호흡 기능을 나타내는 유량 신호를 변화시켜 검사신뢰도를 하락시키는 원인이 된다. 또한, 호흡 경로에 위치한 유체 저항체의 구조는 매우 복잡하고, 제조비용이 많이 들어 유체 저항체가 부착된 호흡관은 일회용으로 제조하는 것이 불가능하다. 따라서 다수의 피검자가 호흡기능검사를 수행하는 경우에는 피검자간의 감염의 소지가 있는 등의 문제점이 있었다.In the New Mothak type respiratory air flow measurement device, a fluid resistor is placed on the respiratory path of the subject, thereby interfering with the subject's respiration, thereby causing a decrease in test reliability by changing a flow rate signal representing the subject's respiratory function. In addition, the structure of the fluid resistor located in the breathing path is very complicated, the manufacturing cost is high, it is impossible to manufacture a breathing tube attached to the fluid resistor is disposable. Therefore, when a large number of subjects perform the respiratory function test, there was a problem such as a possibility of infection between the subjects.
이러한 뉴모탁 방식의 호흡 기류 계측장치의 문제점을 극복하기 위하여 정압력 측정 대신 동압력의 측정을 통해 호흡 기류를 계측하도록 호흡 기류 계측장치가 개발되었다.In order to overcome the drawbacks of the New Mothak type respiratory air flow measurement device, a respiratory air flow measurement device has been developed to measure respiratory air flow by measuring dynamic pressure instead of static pressure measurement.
도 1은 동압력을 이용하여 호흡기류 계측의 원리를 보여주기 위한 도면이다. 1 is a view for showing the principle of respiratory air flow measurement using the dynamic pressure.
도 1에 도시된 바와 같이, 동압력을 이용하여 호흡기류를 계측하기 위한 호흡관(1)은 호흡관(1)의 중앙부에 피토관(2,2')을 좌우대칭으로 형성하고, 호식과 흡식시에 차동 압력을 측정하게 된다. 동압력을 이용하여 호흡기류를 계측하기 위한 호흡관은 호흡기류가 관내를 흐를 때 기류가 보유하는 운동에너지와 위치에너지의 합이 보존된다는 베르누이의 법칙에 기반한다. 즉, 동압력을 이용하여 호흡 기류를 계측할 때, 양방향 기류속도(u)는 다음과 같이 <식1>로 표현된다.As shown in Figure 1, the respiratory tube (1) for measuring the respiratory air flow using the dynamic pressure forms a pitot tube (2, 2 ') in the center of the respiratory tube (1) symmetrically, at the time of arc and suction The differential pressure is measured at. The respiratory tract for measuring respiratory airflow using dynamic pressure is based on Bernoulli's law that the sum of the kinetic energy and potential energy held by the airflow is preserved when the respiratory airflow flows through the pipe. That is, when measuring the respiratory air flow using the dynamic pressure, the bi-directional air flow rate (u) is expressed by <
u≡u L- u R ∝ ± u≡u L- u R ∝ ±
= S · (1)= S (One)
(여기서, S : 비례 상수, PD : 동압력(PL-PR), u: 기류속도, u L : 호식기 류속도 , u R : 흡식기류속도)Where S: proportionality constant, PD: dynamic pressure (PL-PR), u: airflow velocity, u L: evaporator flow velocity, u R: intake airflow velocity
식 (1)에서 동압력을 이용한 호흡 기류 계측시 피토관(2)이 좌우대칭이므로 위치에너지 성분은 서로 상쇄되고, 호식기류 및 흡식 기류에 의한 차동압력(PL-PR)이 동압력(PD)을 반영한다. 식(1)은 호흡 기류와 동압력의 제곱근( )이 비례하며, 비례상수(S)가 하나만 존재함을 나타낸다. 따라서, 동압력을 이용한 호흡 기류 계측 시스템은 상술한 뉴모탁 방식의 호흡 기류 계측 장치에 비해 유체 저항체에 의한 호흡 방해 및 복잡한 유체 저항체 구조와 같은 문제점을 해결할 수 있다.Since the pitot tube (2) is symmetrical when measuring the respiratory air flow using dynamic pressure in Equation (1), the potential energy components cancel each other, and the differential pressure (PL-PR) by the arc and air flows reflects the dynamic pressure (PD). . Equation (1) is the square root of respiratory airflow and dynamic pressure ( ) Is proportional, and there is only one proportional constant (S). Accordingly, the respiratory air flow measurement system using dynamic pressure can solve problems such as respiratory obstruction by a fluid resistor and a complicated fluid resistor structure, compared to the above-described Pneumotax type respiratory air flow measurement apparatus.
본 출원인에 의하여 출원된 한국 특허 432640호에서는 이러한 동압력을 이용한 호흡기류계측장치가 개시된다. 한국 특허 432640호는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 종이 재질의 원통형 관(220)에 탈착 가능하게 삽입되는 감지로드(240)로 구성된다. 원통형 관(220)은 입구(222)와 이에 대향된 출구(224)를 포함하며, 입구(222)에는 호흡 공기의 유선을 안정시키는 그물망 형태의 스크린 캡(screen cap)(260)이 장착되어 구성된다. 원통형 관(220)내에 장착되어 호흡 유속을 샘플링하여 동압력으로 변환시키는 감지로드(240)는 복수의 샘플링 구멍(244)에 수직으로 이어져서 상기 계측 모듈 내의 차압센서로 통하는 두 개의 공기 유통관(242)으로 구성된다.Korean Patent No. 432640 filed by the present applicant discloses a respiratory air flow measurement device using such dynamic pressure. Korean Patent 432640 is composed of a
본 출원인에 의하여 출원된 호흡 기류 계측 장치는 감지로드(240)가 등면적 분할법에 의한 샘플링 구멍을 갖게 되어 호흡 기류 계측의 정확도를 높이면서 제조비용이 절감되며, 종이 재질의 일회용 호흡관을 제공함으로써 다수의 피검자가 호 흡 기류 계측시 감염의 문제를 완전하게 해소시킨다.Respiratory airflow measurement device filed by the applicant has a
한편, 환경오염과 산업화에 따라 만성 호흡기 질환자가 급증하고 있는 추세로 볼 때 만성 호흡기 질환자의 자가 관리는 필수적이다. 즉, 호흡기 질환의 대표적인 천식의 경우에는 기도가 좁아지며 호흡곤란을 유발하고 천식발작으로 인하여 사망에 이르기도 한다.On the other hand, self-management of chronic respiratory diseases is essential, as the trend of chronic respiratory diseases is rapidly increasing due to environmental pollution and industrialization. That is, in the case of asthma, a typical respiratory disease, the airways become narrow and cause respiratory distress and death due to asthma attacks.
만성 호흡기 질환자가 행하는 통상적인 자가 관리는 일 2회 최대호식기류(PEF; peak expiratory flow rate)를 측정하는 방법을 사용하는 데, 여기에 사용하는 상용화된 최대호식기류계는 스프링기전으로 동작하여 단순히 최대호식기류만을 측정하므로 만성호흡기 질환자의 자가 관리에는 한계가 있다. 만성호흡기 질환자의 실질적인 자가 관리를 위해서는 강제폐활량(FVC ; forced vital capacity)과 일초량(FEV 1.0; forced expiratory volume in 1 second)등 폐활량검사의 매개변수들이 중요한 데, 이는 최대호식기류의 검사시 호식기류파형을 누적하여야 하므로 전자식 폐활량계가 필수적이다.A typical self-care practice for chronic respiratory disease uses a method to measure peak expiratory flow rate (PEF) twice a day. Since only bays are measured, self-management of chronic respiratory disease is limited. For practical self-management of chronic respiratory illnesses, parameters of lung capacity test such as forced vital capacity (FVC) and forced expiratory volume in 1 second (FEV 1.0) are important. Electronic spirometry is essential because waveforms must be accumulated.
그러나 종래의 임상 폐활량계와 같은 호흡기류 계측장치는 임상용으로 제작된 것이므로 고가이며 크기가 커서 만성호흡기 질환자가 휴대하면서 간편하게 호흡기류를 측정하기가 사실상 불가능하다. 전자식 폐활량계를 휴대 가능한 소형으로 제작하는 경우에 가장 큰 어려움은 직접 계측할 수 없는 생체변수를 계측 가능한 물리 변수로 변환하는 호흡기류 계측을 위한 센서소자의 소형화이다.However, since the conventional respiratory flow measuring device such as clinical spirometer is manufactured for clinical use, it is expensive and large in size so that it is practically impossible to carry out the respiratory flow easily while carrying a chronic respiratory disease. The biggest difficulty in making the electronic spirometer small and portable is the miniaturization of the sensor element for respiratory airflow measurement that converts biometric variables that cannot be directly measured into measurable physical variables.
종래의 뉴모탁 방식의 계측기(pneumotachography) 의 경우에는 호흡경로(호흡관) 상에 유체 저항을 삽입시켜야 하는 데 그물망(mesh)스크린, 캐필러 (capillary)튜브등으로 구성되는 유체 저항의 구조상 소형화가 불가능하며, 터빈 방식의 계측기(tubinometry) 역시 호흡경로(호흡관)상에 회전하는 터빈을 장착하여야 하므로 소형화가 불가능한 문제점이 있었다.In the case of the conventional pneumotachography, a fluid resistance composed of a mesh screen, a capillary tube, or the like has to be inserted into the respiration path (breathing tube). Impossible, because the turbine-type instrument (tubinometry) also needs to be equipped with a turbine that rotates on the respiratory path (breathing tube), there was a problem that miniaturization is impossible.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위하여 발명된 것으로, 호흡관내에 호흡방해효과를 방지하면서 호흡관의 직경과 길이를 획기적으로 축소함으로서 만성호흡기 질환자가 휴대하면서 간편하게 호흡기류를 측정하기에 적합한 소형 단방향 기류 계측용 호흡관을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been invented to solve the above problems, and by minimizing the diameter and length of the respiratory tract while preventing the respiratory interference effect in the respiratory tract, a compact one-way suitable for measuring the respiratory air flow easily while carrying a chronic respiratory disease The purpose is to provide a breathing tube for airflow measurement.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,The present invention for achieving such an object,
일회성의 종이 또는 플라스틱 재질로 구성되며 피검자의 입과 접촉되는 입구와 이에 대향된 출구를 포함하는 원통형 관; 및A cylindrical tube made of a one-time paper or plastic material and including an inlet contacting the mouth of the subject and an outlet opposite thereto; And
원통형 관의 출구에 근접하여 상부로부터 원통형 관을 관통하여 하부 외측으로 연장되도록 형성되며, 상부는 폐쇄되고 하부는 개방된 관형으로 형성되고, 원통형 관의 호흡경로상에서 원통형 관의 입구측으로 기류를 계측하기 위한 다수의 샘플링 구멍이 길이방향으로 형성된 감지로드를 포함한다.It is formed so as to extend outwardly through the cylindrical tube from the upper side to the outlet of the cylindrical tube, the upper portion is closed and the lower portion is formed into an open tubular shape, to measure the air flow from the respiratory path of the cylindrical tube to the inlet side of the cylindrical tube. A plurality of sampling holes for includes a sensing rod formed in the longitudinal direction.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
첨부된 도면중 도 4는 본 발명에 따른 소형 단방향 기류 계측용 호흡관의 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 도 5는 도 4의 호흡관의 규격을 결정하기 위한 동 압력 측정 및 정압력 측정을 위한 시험장치의 블록도이다.4 is a cross-sectional view illustrating a structure of a small unidirectional air flow measurement respirator according to the present invention. 5 is a block diagram of a test apparatus for dynamic pressure measurement and static pressure measurement for determining the size of the respiratory tract of FIG. 4.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 호흡관(100)은 일회성의 종이 또는 플라스틱 재질로 구성되며, 피검자의 입과 접촉되는 입구(112)와 이에 대향된 출구(113)를 갖는 원통형 관(110)과 이 원통형 관(110)의 출구측에 근접하여 형성되며 내경 1mm를 갖는 가는 막대형 관으로 구성된 감지로드(130)를 포함한다.Referring to Figure 4, the
감지로드(130)는 원통형 관(110)의 출구측으로부터 5mm 이내로 근접하게 형성되며 원통형 관(110)의 상부로부터 원통형 관(110)을 관통하여 하부 외측으로 연장된 내경 1mm를 갖는 가는 막대형의 원형 관으로 구성된다. 감지로드(130)의 상부는 폐쇄되고 하부는 개방된다. 원통형 관(110)의 내부에 형성되는 감지로드(130)의 일측 즉, 원통형 관(110)의 입구측에는 유속을 측정하기 위한 다수의 샘플링 구멍(132)이 길이방향으로 일정간격으로 이격하여 형성된다.The
여기서, 본 발명에 따른 호흡관의 원통형 관(100)은 길이가 35mm이고, 직경이 15mm를 갖으며, 호흡관(100)의 호흡경로인 원통형 관(110)의 내부에는 내경 1mm의 가는 막대형의 원형 관인 감지로드(130)만이 위치하여 유체저항이 거의 존재하지 않으며, 감지로드(130)의 일측(원통형 관의 입구측)에 형성된 3개의 샘플링 구멍(132)은 기류가 흐르는 중심축, 중심축 ±2.5mm 지점에 각각 형성되어 총 3개로 구성된다.Here, the
여기서, 호흡관(100)을 구성하는 원통형 관(110)의 길이는 피검자가 원통형관(110)을 입에 물고 호흡하기 용이하고, 원통형 관(110)의 내부에 유속을 측정하기 위한 감지로드(130)가 삽입되기 위한 최소 길이인 35mm로 설정한다. 원통형 관 (110)의 길이가 설정되면 설정된 길이에 따라 원통형 관(110)의 직경 및 감지로드(130)의 형성위치가 결정되어야 하는 데, 본 발명에 따른 호흡관(100)의 직경은 미국 흉부학회(ATS, American Thoracic Society)의 표준을 만족시키도록 제작된다.Here, the length of the
미국 흉부학회에서는 임상용 폐활량계의 유체저항 최대치가 1.5 cmH2O/ℓ/sec가 되도록 권고하고, 자가 진단용 폐활량계의 유체저항 최대치가 2.5 cmH2O/ℓ/sec가 되도록 권고하며, 측정하여야 하는 최대 호흡 기류값(F)이 14 ℓ/sec가 되도록 권고하고 있다.The American Thoracic Society recommends that the maximum fluid resistance of clinical spirometers be 1.5 cmH2O / ℓ / sec, and that the maximum fluid resistance of self-diagnosed spirometers is 2.5 cmH2O / ℓ / sec. ) Is recommended to be 14 L / sec.
호흡관의 유체저항은 호흡관내를 흐르는 유체의 정압력(Ps)을 측정하여 계산될 수 있는 데, 정압력(Ps)은 다음 <식 2>와 같이 유체저항(R)과 호흡기류(F)의 곱에 의하여 표현된다.The fluid resistance of the breathing tube can be calculated by measuring the static pressure (Ps) of the fluid flowing in the breathing tube, the static pressure (Ps) is the fluid resistance (R) and respiratory air flow (F) as shown in It is expressed by the product of.
=R ˙ F (2) = R ˙ F (2)
<식 2>에 의하여 미국 흉부학회에서 권고한 유체저항(R)과 호흡기류(F)의 최대치를 곱하면 허용 가능한 호흡관의 정압력(Ps)값이 산출되는 데, <식 2>에 의하면 허용 가능한 호흡관의 정압력(Ps)값은 임상용 폐활량계에서는 21 cmH2O 이고, 자가 진단용 폐활량계에서는 35cmH2O 가 된다.Multiplying the maximum value of fluid resistance (R) and respiratory flow (F) recommended by the American Thoracic Society according to <
본 발명에 따른 호흡관(100)의 정압력(Ps)을 측정하기 위하여 도 5에서 보는 바와 같이, 원통형 관(110)의 입구(112)측으로부터 5mm지점에 원통형 관(110)의 하부와 연통되면서 원통형 관(110)에 대하여 수직하게 장착되어 원통형 관(100)을 흐르는 호흡기류의 정압력(Ps)을 측정하기 위한 내경 1mm를 갖는 막대형 원형 관인 정압력측정관(120)을 별도로 형성시킨다.In order to measure the positive pressure Ps of the
본 발명에 따른 호흡관(100)의 규격을 결정하기 위한 시험장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 시험을 위하여 입구측에서 5mm지점에 정압력 측정관(120)을 별도로 형성시킨 호흡관(100)과 연결된 계측모듈(150)로 구성된다.Test apparatus for determining the specification of the
계측모듈(150)은 그 내부에 호흡관(100)에 별도로 장착되는 정압력 측정관(120)과 연결되어 호흡기류의 위치 에너지를 나타내는 정압력을 전기신호로 변환하기 위한 정압력변환부(151) 및 본 발명에 따른 호흡관(100)의 감지로드(130)와 연결되어 감지로드(130)로부터 얻어진 호흡기류중 동압력을 전기신호로 변환하기 위한 동압력변환부(152)를 구비한다. 정압력 변환부(151) 및 동압력 변환부(152)는 통상의 압력감지 센서로 구성된다.The measuring
정압력변환부(151) 및 동압력변환부(152)에서 출력된 전기신호는 통상적인 방식에 따라 증폭되고, 잡음이 필터링(LPF)되며 A/D 변환을 위한 전자회로(154)를 통하여 검사되기에 적당한 신호로 처리되어진 후 계측모듈(150)의 하부에 설치된 인터페이스 연결선(155)을 통해 컴퓨터(160)에 전송되어 시험을 수행하게 된다.The electrical signals output from the
도 6은 도 5의 실험장치를 통하여 얻어진 호흡관의 직경과 최대 호흡 기류값과의 상관관계를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명에 따른 호흡관의 직경과 동압력과의 상관관계를 나타내기 위한 그래프이다.6 is a graph showing a correlation between the diameter of the respiratory tube and the maximum respiratory airflow value obtained through the experimental apparatus of FIG. 5, and FIG. 7 is a graph illustrating the correlation between the diameter of the respiratory tube and the dynamic pressure according to the present invention. It is a graph.
도 5의 시험장치에 의하여 호흡관(100)의 직경(D)에 따라 정압력(Ps)과 최대 호흡 기류값(F)과의 관계를 측정하고, 미국 흉부 학회에서 권고한 최대 정압력(Ps)값을 <식 2>에 대입하면 호흡관의 직경(D)에 따라 측정 가능한 최대 호흡 기류값(Fmax)이 산출된다. <식 2>에 의하여 미국 흉부학회에서 권고한 호흡관의 정압력 (Ps)값(임상용 폐활량계에서는 21cmH2O이고, 자가 진단용 폐활량계에서는 35cmH2O)에 대하여 호흡관(100)의 직경(D)값 별로 측정 가능한 최대 호흡 기류값(Fmax)를 산출한 결과는 도 6과 같다. 도 6은 호흡관의 직경이 설정되었을 경우에 직경별로 미국 흉부 학회(ATS)에서 허용하는 최대 유체 저항(R)을 보이는 최대 호흡 기류값(Fmax)을 나타낸다.The relationship between the static pressure (Ps) and the maximum respiratory air flow value (F) according to the diameter (D) of the
미국 흉부 학회(ATS)에서 규정하는 기류의 최대 측정 범위가 0~14 ℓ/sec(최대 호흡 기류값(Fmax)은 14 ℓ/sec 이하) 이므로 도 6에서 내삽법(interpolation)으로 최대 호흡 기류값(Fmax)이 14 ℓ/sec가 되는 D값을 계산하면 임상용 폐활량계에서는 14.7mm 이고, 자가 진단용 폐활량계에서는 12.8mm가 산출된다. Since the maximum measurement range of the air flow prescribed by the American Thoracic Society (ATS) is 0 to 14 L / sec (maximum respiratory air flow value (Fmax) is 14 L / sec or less), the maximum respiratory air flow value is determined by interpolation in FIG. 6. Calculating the D value at which (Fmax) is 14 L / sec yields 14.7 mm for clinical spirometry and 12.8 mm for self-diagnostic spirometry.
이들은 미국 흉부 학회(ATS)의 표준규격을 만족시키는 호흡관의 최소 직경이며, 임상용 폐활량계와 자가 진단용 폐활량계간의 최소 직경 차이가 1.91mm 밖에 되지 않으므로 본 발명에서는 허용 가능한 호흡관의 최소직경을 15mm로 설정하는 것이다.These are the minimum diameter of the respiratory tract meeting the standard of the American Thoracic Society (ATS), and the minimum diameter difference between the clinical spirometer and the self-diagnostic spirometer is only 1.91 mm, so the minimum allowable diameter of the respiratory tract is set to 15 mm in the present invention. It is.
결론적으로, 본 발명에 따른 호흡관의 길이는 피검자의 측정의 편의 및 감지로드의 삽입을 고려하여 35mm로 설정하고, 이 길이에 따라 미국 흉부 학회(ATS)의 표준규격을 고려하여 최소직경은 15mm로 설정된다. 즉, 호흡관의 길이를 35mm로 할 때 미국 흉부 학회(ATS)의 표준규격을 만족하는 최소 직경은 15mm 가 되며 이를 부피로 환산하면 약 6.2㎤ 이 되므로 본 발명에 따른 호흡관은 휴대형 기기에 장착 가능한 크기가 되는 것이다.In conclusion, the length of the respiratory tract according to the present invention is set to 35 mm in consideration of the measurement convenience and insertion of the sensing rod, and the minimum diameter is 15 mm in consideration of the standard of the American Thoracic Society (ATS) according to this length. Is set to. That is, when the length of the respiratory tube is 35mm, the minimum diameter that satisfies the standard of the American Thoracic Society (ATS) becomes 15mm and the volume is about 6.2 cm 3, so the respiratory tube according to the present invention is mounted on a portable device. It will be as large as possible.
또한, 본 발명에 따른 호흡관(100)은 호흡 경로상에 위치한 감지로드(130)의 3개의 샘플링 구멍(132)을 통하여 검출된 호흡기류는 감지로드(130)의 하단에 장착된 도 5의 동압력변환부(152)와 같은 압력센서에서 동압력()값으로 변환된다. 여기서, 본 발명에 따른 호흡관(100)의 감지로드(130)는 원통형 관(110)의 출구(113)로부터 5mm 범위내에 위치시킨다. 호흡관(100)의 압력측정은 대기압을 기준으로 하는 상대적인 압력으로 이루어지므로 감지로드(130)의 위치가 외부대기에 근접하게 되면 호흡기류의 위치에너지 성분은 외부 대기와 같아지므로, 위치에너지 성분을 상쇄할 필요가 없으므로 호흡관(100)의 감지로드(130)에서는 동압력()값만이 검출된다. 즉, 도 1에서 보는 바와 같이 2개의 피토관을 사용하여 차압을 측정하여 위치에너지 성분을 상쇄할 필요없이 하나의 관만을 사용하여 단순한 구조로 저렴하게 제작할 수 있다.In addition, the
동압력()값에 관련한 <식 1>을 변환하면 <식 3>과 같이 동압력()은 기류속도(u)의 제곱에 비례하고, 연속성의 원리에 의하여 <식 4>와 같이 호흡기류 F는 기류속도(u)에 호흡관의 면적(A)을 곱하여 산출되며, 관의 단면적은 <식 5>와 같이 표현되므로, <식 3, 식 4, 식 5>를 연립하여 동압력()을 산출하면 <식 6>이 산출된다.Dynamic pressure ) If you convert <
= S ˙u2 (3) = S ˙u2 (3)
(4) (4)
(5) (5)
=16SF2/π2 . 1/D4 ∝ 1/D4 (6) = 16SF2 / π2. 1 / D4 ∝ 1 / D4 (6)
(여기서, A : 호흡관의 단면적, S : 비례상수, : 동압력 , u : 기류속도, D : 관의 직경)(Where A is the cross-sectional area of the respiratory tract, S is the proportional constant, : Dynamic pressure, u: air velocity, D: diameter of pipe)
상기 <식 6>에서 동압력()과 1/D4 간에는 서로 비례하는 관계가 있으므로, 실제 동압력()을 측정한 결과 도 7에서 편의상 관의 직경(D)의 단위를 10-1cm로 변환하였을 때 직선의 선형회귀식을 나타내었다.In <Equation 6> dynamic pressure ( ) And 1 / D4 are proportional to each other, so the actual dynamic pressure ( 7 shows the linear regression equation of the straight line when the diameter (D) of the tube is converted to 10-1 cm for convenience.
도 6에서 보는 바와 같이, 본 발명에 따른 호흡관(100)의 직경을 15mm로 하고 길이를 35mm로 하는 경우(1/D4=1975)에 약 75 cmH2O의 최대 동압력을 산출할 수 있었으며, 이는 현재 임상학적으로 가장 널리 사용되는 뉴모탁(pnuemotach)방식의 최대 정압력이 10 cmH2O임을 볼 때 7배 이상의 감도향상을 가져오는 것을 의미한다.As shown in FIG. 6, the maximum dynamic pressure of about 75 cmH 2 O could be calculated when the diameter of the
본 발명에 따른 호흡관(100)은 소형화를 위하여 호흡기류속도를 동압력으로 변환하는 감지로드(130)의 구조를 양방향 기류가 아닌 호식 단방향 만을 측정하도록 단순화한다. 진단 폐활량 검사종목 중 가장 중요하고 널리 사용되는 강제 폐활랑(FVC)검사는 피검자가 최대한의 노력으로 호식할 때 얻어지는 호식기류 신호를 분석하여 각종 임상진단용 매개 변수값들을 산출하는 검사이다. 이는 호식노력에 따라 기도가 좁아지는 호식기류제한(expiratory flow limitation) 현상에 기초하여 호흡기구의 역학적 특성을 얻는 검사로써 대부분의 진단변수가 호식기류신호로부터 얻어진다.The
특히 만성 호흡기 질환자의 자가관리에는 호식기류신호에서 얻을 수 있는 5개 미만의 매개 변수값들만이 사용되므로 흡식 기류는 측정할 필요가 없다. 그러므로, 본 발명에 따른 호흡기류 계측장치용 호흡관(100)에서는 호흡경로를 관통하면서 전면부(원통형 관(110)의 입구측)에 형성된 3개의 샘플링 구멍(132)을 통하여 검출된 호식기류를 측정하는 것이다. 측정된 호식기류는 통상의 압력센서인 동압력변환부(152)에서 동압력값을 나타내는 전기신호로 변환된다. In particular, self-management of chronic respiratory illnesses requires less than five parameter values that can be obtained from eosinophilic signals, so no intake airflow needs to be measured. Therefore, in the
감지로드(130)는 굵기가 가는 막대형의 관이므로 유체저항은 거의 존재하지 않으며 호흡관(100)의 직경이 좁아지면 <식 6>에서 보는 바와 같이 동압력은 증가하므로 일정 기류에 대하여 호흡관(100)이 소형화 됨에 따라 상대적으로 높은 동압력이 얻어진다. 이는 감도 향상을 의미하며 호흡관(100)을 소형화 함에 따라 계측감도는 오히려 증진되고, 이는 저가의 소형 압력센서로도 호흡 기류 계측장치를 제작하는 것이 가능하다.Since the
피검자의 호흡을 방해하는 유체저항은 호흡관(100)의 직경이 작아질수록 커지므로 호흡관(100)의 소형화에 제약조건이 되는 데, 본 발명에 따른 호흡관(100)의 호흡경로상에 위치하여 동압력을 계측하기 위한 감지로드(130)는 내경 1mm의 가는 막대형의 원형관에 불과하여 유체저항이 거의 존재하지 않는다.Since the fluid resistance that interferes with the breathing of the subject increases as the diameter of the
따라서, 본 발명에 따른 호흡관(100)은 만성 호흡기 질환자를 위한 휴대용 호흡기류 계측 장치에 적합하도록 기능성 일회용 호흡관의 길이를 실용성에 문제가 없는 범위에서 35mm로 설정한 다음 호흡관(100)의 정압력 측정관(120)로부터 유체 저항성을 반영하는 정압력(Ps) 측정결과를 호흡관의 직경에 따라 분석하여 호흡관(100)의 직경이 최소 15mm 이상이 되도록 하는 것이다.Therefore, the
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 휴대용 호흡 기류 계측장치용 호흡관은 최근 활성화 되는 휴대용 의료기기중 특히 천식과 같은 만성 호흡기 질환자의 자가관리를 위한 휴대용 호흡기류계측장치의 소형화에 가장 적합하며, 임상적으로 널리 보편화된 타 호흡기류 계측장치의 호흡관에 비하여 현저히 향상된 감도향상과 원가 절감 및 일회성의 재질을 사용하여 다수의 검사자간 감염의 위험도 피할 수 있는 효과가 있다.As described above, the respiratory tube for portable respiratory air flow measuring device according to the present invention is most suitable for miniaturization of the portable respiratory air flow measuring device for self-management of chronic respiratory diseases such as asthma among the recently activated portable medical devices, and clinical Compared to the respiratory tract of other widely used respiratory air flow measuring instruments, the remarkably improved sensitivity, cost reduction, and one-time use of materials make it possible to avoid the risk of infection among multiple examiners.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당업자에 의해 그 개량이나 변형이 가능하다.Although the preferred embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the accompanying drawings, the present invention is not limited thereto and may be improved or modified by those skilled in the art within the scope of the technical idea of the present invention.
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