KR20170088674A

KR20170088674A - 인체 성분 분석 장치 및 그 분석방법

Info

Publication number: KR20170088674A
Application number: KR1020160008868A
Authority: KR
Inventors: 김철현; 송건형; 지준원; 임대식; 남윤영
Original assignee: 순천향대학교 산학협력단
Priority date: 2016-01-25
Filing date: 2016-01-25
Publication date: 2017-08-02

Abstract

BIA 법은 인체에 일정한 주파수의 교류전류를 흘려보내어 얻어지는 저항, 리액턴스, 임피던스를 얻는 방법이다. BIA 법에 의해서 얻어지는 전류에 대한 흐름을 방해하는 성질 중 임피던스를 체수분으로 회귀식을 만들어 사용하면, 정량적인 체수분, 제지방, 지방의 인체구성 성분의 량을 구할 수 있다. 즉, BIA 법은 임피던스를 회귀식에 의해 체수분으로 얻는 간접적인 과정뿐 아니라 저항, 리액턴스, 임피던스 자체의 직접적인 값들에 따른 인체구성 상태를 설명할 수 있는 원리를 가지고 있다. 따라서, BIA 법에 의해 직접적으로 얻는 저항은 체수분의 정량적인 성분과 인체의 크기에 대해 관련한 정보를 제공할 수 있으며, 리액턴스는 인체성분 중에서 세포질량과 세포의 구조적인 완성도와 그에 따른 세포 기능의 상태를 분석할 수 있는 정보를 제공한다. 또한 이 둘에 대한 관계를 나타낸 phase angle은 인체의 구성성분 상태와 영양상태, 그리고 질환에 대한 진단, 평가, 및 예후의 추적을 할 수 있는 정보를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.

Description

인체 성분 분석 장치 및 그 분석방법{ANALYSZER OF HUMAN BODY COMPONENT AND ANALYSIS METHOD THEREOF}

인체 성분 분석 장치 및 그 분석방법에 관한 것이다. 구체적으로는 생체전기 임피던스(Bioelectrical Impedance Analysis, BIA) 방법을 이용하여 인체를 구성하는 성분의 상태를 분석 및 평가할 수 있는 장치와 방법에 관한 것이다.

인체를 이루는 성분은 대표적으로 지방과 체수분, 단백질, 무기질의 4가지 성분으로 나눌 수 있다. 이러한 4가지 성분의 조합에 따라 인체 구성의 이분화모형인 지방과 체지방, 삼분화 모형인 지방, 체수분 및 잔기량 등으로 구분한다. 인체의 성분은 일정한 비율로 유지하여 상호 조화로운 상태가 되었을 때, 항상성(homeostasis)을 유지하며, 인체 기능이 원활하게 된다. 따라서, 인체의 성분에 대한 구성비를 구하는 것은 인체의 기능을 평가하는 중요한 수단이며, 전통적으로 인체의 성분을 평가하는 방법은 수중체중법, 이중수법, DXA법, BIA법 등이 사용되어 왔다. 이들 인체구성을 평가히는 방법 중에 현재 가장 실용적이고 안정적이며 적용의 편리성이 높은 방법은 BIA법이다(Heymsfield. Lohman. Wang, & Going, 2005: Wang, Pierson. & Heymsfield. 1992).

1940년 Barnett은 최초로 질환에 의한 임상적인 체수분 상태의 변화가 인체의 저항(resistance)과 리액턴스(reactance)와 관계가 있는 것을 보고하였다. 같은 해, Nyboer 등(1940)은 기관(organ)에 공급되는 혈류의 변화와 동맥의 맥박 파형이 인체의 임피던스의 변화와 관계되는 것을 보고 하였고(Nyboer. Bango, Barnett, & Halsey, 1940), 이후 많은 연구자들이 팔과 다리 및 여러 기관에서의 혈류량의 변화를 임피던스 혈량측정법 (Impedance plethysmography)을 적용하여 사용하면서 인체 임피던스가 혈류량의 변화에 의해 변화되는 것을 입증하게 되었다(Nyoer, 1970: Thomasett. 1962).

이후 1962년 Thomasett과 1969년 Hoffer 등이 인체 임피던스와 체수분(TBW: Total body water)에 대한 관계를 보고하면서 임피던스를 이용한 체수분 및 인체구성 분석에 대한 가능성을 구명하였다. 그러나 임피던스에 의한 체수분의 분석에 대한 연구는 이후 20여 년간 공백기를 갖으면서, 1983년 Nyboer가 임피던스 혈량 측정법으로 인체임피던스를 측정하면서 현재 보편화되어 사용되고 있은 BIA 분석기가 처음 만들어지는데 결정적인 역할을 하였다. 이 당시 Nyboer의 도움으로 BIA 분석기가 최초로 상용화되어 일반인에게 사용되었는데, 분석 방식은 50kHz의 단주파수 인체임피던스 분석(Whole Body Single Freqeuncy Bioimpedance Analyzer) 의 방법이였다. 이 분석법은 검사를 위해서 피검자가 누워있는 상태에서 손과 발에 전극을 붙여 50kHz의 단주파수를 보내어 인체의 임피던스값을 얻는 방법이며, 현재까지도 세계적으로 보편화되어 있는 모형이다. 한편, 단주파수 인체임피던스 분석 방법 보다 복잡한 방식이 이후에 개발되었는데, 1989년 Patterson은 분절 인체임피던스(segmental bioimpedance)가 신체 구성의 변화에 대한 민감성을 보고한 후 기존의 Whole Body Impedance 방식과 함께 Segmental Body Impedance 방식에 대한 연구가 진행되고 있으며, 1994년에는 Chumlea와 Guo는 임상연구에서 내포내액과 내포내액의 균형 및 변화를 다주파수를 이용한 인체임피던스를 분석하여 보고하면서 다주파수 인체임피던스 연구가 같이 실행되고 있는 중이다. 현재 세계적으로 보편화되어 응용되는 BIA 법은 50kHz 의 단주파수 인체임피딘스 분석법이며, 분절 인체임피던스 분석법과 다주파수 인체임피던스 분석법은 현재 타당성에 대한 연구가 진행되고 있는 중이다. 국내의 경우 1990년초부터 BIA 법에 대한 연구가 활발하게 이루어져 2007년 현재는 다주파수 분절 임피딘스 분석법이 개발되어 세계적으로 가장 진화되어진 모형이 개발되어 인체의 분절별 세포내수분, 세포외수분, 지방, 제지방 등을 분석하는데 응용되고 있다.

인체 성분 분석 장치 및 그 분석방법을 제공한다. 구체적으로는 생체전기 임피던스(Bioelectrical Impedance Analysis, BIA) 방법을 이용하여 인체전기저항, 리엑턴스, 임피던스를 측정하고, 이를 통해 인체를 구성하는 성분의 상태를 분석 및 평가할 수 있는 장치와 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인체 성분 분석 장치는, 인체의 특정부위에 일정한 전류를 공급하는 정전류 발생회로부; 상기 정전류 발생회로부와 별도로 상기 인체의 특정부위에 교류를 공급하는 교류 발생회로부; 및 상기 발생된 정전류와 교류를 혼합하여 상기 인체의 특정부위에서 내부 저항을 측정하는 혼합회로부;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인체 성분 분석 장치에서, 상기 혼합회로부에서 리액턴스 또는 임피던스를 더 측정한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인체 성분 분석 장치에서, 상기 인체의 특정부위는 근육 또는 골격근이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 인체 성분 분석 장치에서, 상기 혼합회로부는 CMOS 회로로 구성된다.

도 1은 BIA 법에서 저항(R)과 리액턴스(Xc)에 의한 Phase Angle을 나타내는 도면이다.

이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐리는 경우 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 당업계의 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

BIA법은 인체에 미세한 교류 전류를 흘려보내 인체에서 생겨나는 임피던스 인덱스(Impedance index: Z index = 신장2/Z)를 얻어 체수분을 측정하는 방법(TWB = ρ × Z index)이다. 체수분은 제지방의 0.73의 비율(TBW = FFM × 0.73)로 존재하기 때문에 체수분량에 대한 0.73의 비를 적용 (FFM = TBW ÷ 0.73) 하여 제지방을 얻게 되며, 다시 체중에 대한 제지방을 제외하면 지방을 얻을 수 있다. 현재 보편적으로 사용되는 BIA법은 위의 방법과 같이 사용하는데, 이때 잔류에 대한 인체의 고유 전도 상수값(ρ) 또는 TWB와 Z index와의 관계가 나이, 성별, 인종 및 질병상태에 따라 다르기 때문에 단순히 TWB = p × Z index틀 사용하지 못하고 경험변수를 Z index와 함께 고려한 회귀식(regression equation)을 이용하여 체수분량을 구하고 있다(Azcue. Wesson. Neuman. & Pencharz. 1993: Baumgartner. Chumlea. & Roche. 1988: Heymsfield. Lohman. Wang, & Going, 2005: Heyward. & Wagner. 2004).

BIA법에서 체수분과 제지방을 구하는 과정에서 체수분이 제지방의 0.73 비를 차지한다는 가정과 체수분을 구하기 위해 회귀식을 구하는 과정은 체성분을 얻기 위한 필연적인 과정이지만, 이 두 과정은 BIA법에 대한 오류를 가져오는 원인으로 작용한다. 예를 들어 제지방의 0.73가 체수분을 차지한다는 가정은 모든 사람에게 일괄적으로 적용되지 않는다. 일반 성인의 경우 제지방의 0.73로부터 큰 차이를 가지고 있지는 않으나, 어린 유아, 운동선수, 환자의 경우 체수분의 범위가 최대 제지방의 0.80까지 증가하며, 이로 인한 체지방률의 오차가 8%까지도 일어날 수 있는 문제를 가지고 있다(Heymsfield. Lohman. Wang, & Going, 2005. Ellis. 2000: Heymsfield. Wang, Baumgartner. & Ross. 1997).

또한, 체수분을 구하기 위한 회귀식은 연령과 성별, 인종이 포함되어야 하며, 이로 인해 연령별, 성별, 인종별 회귀식이 펼요한 문제를 가지고 있고, 이를 고려한 적절한 회귀식을 사용하지 못할 경우 부정확한 체성분을 분석하게 된다. 이상의 내용을 요약하면, BIA법에서 사용되는 체수분에 대한 제지방의 O.73의 비는 일정하게 모든 사람에게 적용될 수 없으며, 임피던스 인덱스를 체수분으로 추정하는 과정에서 적절한 연령, 성별, 인종을 고려한 회귀식을 사용해야 한다는 문제를 가지고 있다. 따라서, BIA법을 통해 인체 구성을 추정하는 것은 한정된 집단의 건강한 성인일 경우 정확하며, 이 범위를 벗어나는 경우 BIA법에 대한 인체 구성 추정은 부정확하게 되는 문제를 가지고 있다(Barak. Wall-Alonso. & Sitrin. 2003: Barbosa Silva. Barros. Post. Waitzberg, & Heymfield. 2003: Ellis. 2000: Heymsfield. Lohman. Wang, & Going. 2005. Heymsfield. Wang, Baumgartner. & Ross. 1997: O'Brien. Yung, & Sawka. M. N. 2002).

그러나, BIA 법에서 얻어지는 인체 저항 요인들의 결과값은 임피던스 인덱스만을 얻는 것이 아니다. BIA 분석기에 의해 인체에 보내지는 교류 전류는 전류의 흐름과 평행하게 흐르는 체수분을 통과하면서 얻어지는 저항(resistance) 값이 얻어지며, 축전지와 같은 구조를 가지고 있는 세포의 원형질막에서 저항을 생성하는 용량 리액턴스(capacitive reactance. Xc) 값을 가지며, 총 저항 값인 임피던스 (impedance), 저항(resistance) 대 리엑턴스(reactance)의 역탄젠트 값인 phase angle을 얻을 수 있다(Baumgarner. et al.. 1988: Barnett and Bagno. 1936: Kyle. Gentn. Slosman. & Pichard. 2001: Lukaski & Bolonchuk, 1987: Barnett. 1937; Spence, Baliga, Nyboer, Sdftick, & Fleischmann, 1979: Subramanyan Manchanda. Nyboer. & Bhatia. 1980: VanderJagt, Huang, Chuang, Bonnet. & Glew, 2002). 이들 인체 저항 요인들은 인체의 기능적인 상태에 따라 민감한 변화를 나타내며, 따라서 BIA볍에서 제지방의 0.73의 가정과 체수분 추정을 위한 회귀식을 얻는 추정값이 아닌 저항값 자체를 이용하여 직접적으로 인체구성 상태를 측정하고 평가할 수 있다. 또한, 질환적인 상태에 대한 진단 및 예후, 영양상태에 대한 평가도 가능하다.

본 특허에서는 현재 보편적으로 사용되고 있는 BIA의 체수분 추정이 아닌 BIA법에 의해 얻지는 인체 저항 요인들에 대한 특징을 살펴보고 인체의 구성 상태를 평가할 수 있는 원리를 논하고자 한다.

첫째, BIA 법에서의 전기저항에 대해서 살펴본다.

전기 현상에서 전자의 흐름은 전류이며, 전자의 흐름을 방해하는 성질은 전기 저항(resistance, R)으로 단위는 옴(ohm, Ω)으로 나타낸다. 모든 물체는 전류에 대한 전기저항의 성질을 가기고 있으며, 각 물체마다 전류에 대한 고유한 저항 값(ρ, 저항률)을 가진다. 예를 들어, 철은 니크롬보다 고유의 전기저항이 10배 낮은 좋은 전도체이다. 저항은 같은 물질이라도 그 단면적의 크기(굵기)와 길이에 따라 저항이 다르다. 저항은 단면적이 클수록 저항이 작아지며 길이가 늘어날수록 저항은 증가한다. 즉, 길이가 2배로 늘어나면 저항도 2배로 증가되며, 단면적이 2배로 증가하면 저항은 1/2로 감소한다. 따라서, 저항은 그 길이에 비례하고, 단면적에 반비례한다. 이상의 내용은 옴의 법칙에 따르며 이에 대한 식은 마음과 같다.

저항의 단위는 μΩ이고, 길이의 단위는 ㎝이며, 단면적의 단위는 ㎠ 이다.

위의 식에서 ρ는 물체 고유의 전류에 대한 저항값(저항률)이며, L은 물체의 길이(Length: 인체의 경우 신장, height). A는 물체의 단면적(area. 인체의 경우 둘레, circumference)이다. 인체에 교류 전류를 보내면 전류가 전해질을 가지고 있는 체수분을 통하여 흐르면서 저항(resistance. R)이 생긴다. 옴의 법칙에 따라 저항은 전류의 도체역할을 하는 체수분의 길이와 비례하고 단면적에 반비례하여 관계한다. 예를 들어, 체수분을 담고 있는 인체의 길이가 1배에서 2배로 증가한다면 저항은 2배로 증가할 것이다. 또한, 체수분을 담고 있는 인체의 단면적이 1배에서 2배로 증가한다면 저항은 1배에서 0.5배로 반비례하여 감소하게 된다. 인체에서 전류에 대한 저항은 체수분에 의한 것이기 때문에 옴의 법칙에 의해 저항은 인체에서 도체인 체수분의 길이와 단면적의 크기에 대한 정도를 반영할 수 있다. 체수분은 우리의 인체에 담겨져 있으므로 인체의 길이(신장, height)가 길어지면 체수분의 길이가 길어진다. 즉, 신장의 길이가 길어지면 체수분의 길이도 열어지며, 이때 전류에 대한 저항값은 비례적으로 증가하게 된다. 또한 인체의 둘레가 커지면 체수분의 단면적이 커지게 된다(Bosy-Wstphal. Danielzik. Dorhofer. Piccoli. & Muller. 2005: Barbosa Silva. Barros. Wang, Heymsfield. & Person. 2005: Kim. Kim. Park Park. & Kim. 2007). 따라서, 저항값은 반비례하여 감소하게 된다. BIA 법에서 얻어지는 저항값은 신장(단위 : m) 으로 나눈 신장단위당 저항값(R/H: Ω/m)을 얻으면 신체의 둘레에 대한 정보를 얻을 수 있다. 즉, 신체의 마른 정도(thin. slim) 나 신체가 큰 정도(heavy)를 반영할 수 있다. 예를 들어, 단위 신장당 저항값(Resistance/Height. R/H)이 증가하면 단면적 즉 신체둘레가 커진 것을 의미한다. 만약 일반인이 저항성 운동을 하여 근육이 증가하고 이에 따른 신체의 둘레가 커진다면 저항값은 감소하게 될 것이다. 반대로 심한 체중감량을 통한 신체 크기의 감소는 신장은 변하지 않고 신체의 둘레가 감소하므로 신장당 저항값은 상대적으로 증가하게 된다. 이상으로 BIA 법에 얻어지는 저항 R은 체수분에 대한 부피와 인체의 신장과 둘레에 정보를 줄 수 있다. 특히 저항을 신장당 저항값으로 보정하게 되면 인체의 크기에 대한 정보를 얻을 수 있는 인자로 사용할 수 있다(Bosy Wstphal. Danielzik. Dorhofer. Piccoli. & Muller. 2005: Barbosa-Silva. et al .. 2005. Piccoli. Pillon. & Dumler. 2002: Kim. et al .. 2007).

둘째, BIA 법에서의 리액턴스에 대해서 살펴본다.

축전기 (capacitor: 또는 콘덴서)는 전하를 축적하는 장치이다. 전하를 축적하는 콘덴서에 교류 전압을 가하면 충전과 방전을 반복한다. 이때 콘덴서에서 전류를 저지하는 힘이 생기는데 이것이 용량성 리액턴스(capacitive reactance: Xc)이며, 단위는 저항(resistance. R)과 같은 옴(ohm. Ω)을 사용한다. 교류 전류를 가진 전기 회로에서 전류를 흘려주면 회로의 전선(도체)에서는 전류를 방해하는 저항이 일어나고 콘덴서에서는 전류를 방해하는 리액턴스가 생성된다. 인체성분을 평가하기 위한 BIA법은 교류 전류를 인체에 보내기 때문에 인체가 가지는 저항과 함께 리액턴스(Xc)를 얻는다(Azcue. et al., 1993: Baumgartner. Chumlea. & Roche. 1988: Heymsfield. Lohman. Wang, & Going, 2005: Heyward. & Wagner. 2004). 인체의 저항은 전하가 체수분을 도체로 하여 흐르면서 생기며, 리액턴스는 인체의 생명구성단위인 세포의 원형질막(세포막, plasma membrane)에서 일어난다. 세포의 원형 질막은 세포내액과 세포외액의 경계를 지으면서, 삼투압과 전해질 농도 차에 의해서 원형질막 주위에 전위차를 가지도록 유도한다. 이러한 전위차를 일으키고 유지하는 데는 세포의 원형질막에 구조에 의해 가능하다. 세포의 원형질막은 2개 층의 지단백질에 의해 안쪽에는 지방층을 형성하며 지방층의 양쪽 외부 쪽은 단백질 층을 형성하게 한다. 이때 지방층은 절연체의 역할을 하며, 양쪽의 단백질 층은 전도체로서의 역할을 한다. 이러한 구조는 교류 전류를 흐르게 할 때 콘덴서 역할을 하여, 전류에 대한 리액턴스를 가진다(Baumgartner. Chumlea. & Roche. 1988: Heymsfield. Lohman. Wang, & Going, 2005: Heyward. & Wagner. 2004)

인체에서 교류전류에 대한 콘덴서의 용량과 리액턴스는 다음의 식과 같다.

콘덴서가 전하를 모을 수 있는 콘덴서 용량은 피코페릿(pico-farads, Capactance_picofarads)이며, 1 × 10^- ¹²을 상수값 2와 파이(π, 3.1425) 값과 주파수 값인 50000Hz(50 kHz)와 리액턴스 값(Xc_parallel)이다. 이 식에서 주파수를 50kHz로 고정하였는데, 이 때문에 리액턴스 값만이 변수이며, 이에 따라 콘덴서 용량이 정해지는 것을 알 수 있다. 이때 식에서 분자의 값은 분수인데 이로 인해서 리액턴스 값은 콘덴서 용량에 따라서 비례적으로 증가한다. 역으로 콘덴서의 용량이 증가하면 리액턴스 값이 증가한다. 인체에서 콘덴서의 역할은 세포의 원형질막이 하게 되며, 따라서 원형질막과 원형질막의 구조적 완성도(integrity)에 비례하여 콘덴서 용량이 결정된다. 다시 말해, 세포수가 증가하거나 세포의 크기가 증가하면 콘덴서 용량이 증가한다. 또한, 원형질막의 구조적으로 완성도가 높을수록 콘덴서의 용량이 증가한다. 예를 들어, 저항성 운동을 통한 근육 세포 크기의 증가는 원형질막의 크기를 증가시켜 콘덴서 용량을 증가시킨다. 반면, 말기암환자가 심한 체중감소를 얻을 경우 체세포의 감소로 인해 콘덴서 용량은 감소시킨다. 앞에서 콘덴서 용량은 리액턴스에 의해 얻을 수 있었다. 이는 역으로 리액턴스를 알면 콘덴서 용량을 알 수 있으며, 따라서 리액턴스에 의해 인체 세포 질량과 세포의 완성도 및 기능을 예측할 수 있다, 특히, 리액턴스를 신장(단위. m)으로 나누면 신장단위 당 리액턴스값 (Xc/H, Ω/m)을 구하여 인체의 세포 질량에 대한 밀도를 구할 수 있다, 이는 신장 1 미터(m) 당 세포의 질량이 얼마나 많은지에 대한 정보를 얻게 되는데, 같은 1미터의 크기에서 보다 많은 세포질량을 가진 사람은 체중, 특히 제지방 혹은 근육량이 많다는 정보를 줄 수 있다. 또한, 신장단위당 리액턴스 값이 크다는 것은 세포의 구조적 완성도 그리고 이에 따른 가능이 활발한 것을 나타낸다. 따라서 리액턴스(Xc) 혹은 신장단위당 리액턴스(Xc/H)를 이용하게 되면 인체의 세포질량 및 세포질량의 밀도, 세포의 구조적 완성도 및 기능의 발달 정도를 파악할 수 있게 된다(Azcue. et al., 1993: Baumgartner. Chumlea. & Roche, 1988: Heymsfield, Lohman, Wang, & Going, 2005: Heyward. & Wagner. 2004).

셋째, BIA 법에서의 임피던스에 대해서 살펴본다.

인체에서 교류 전류를 보내게 되면 인체는 저항(resistance: R) 과 리액턴스(reactance: Xc)를 생성한다. 저항 R은 전류가 체수분을 따라 흐를 때 방해하는 작용이며, 리액턴스(Xc)는 전류가 교류로 흐르면서 세포의 원형질막에서 전류의 흐름을 방해하는 작용이다. 전류가 흐르는 것을 방해하는 저항과 리액턴스를 합친 것을 임피던스(Impedance : Z)라고 한다. 고전적으로 BIA 법(bioelectrical impedance analysis) 에서 체지방을 구하는 방법에서 사용하는 것이 임피던스를 이용하는 방법이다. 임피던스는 저항의 제곱을 리액턴스의 제곱을 더한 값에 제곱근으로 얻은 값이다. 이 값에 대한 수식은 다음과 같으며, 단위는 임피던스, 저항, 리액턴스 모두 Ω(Ohm) 이다.

Z²=R²+Xc²

현재 인체의 구성성분을 분석하는 BIA 법은 바로 임피던스 Z를 이용한다. 옴의 볍칙에 따른 임피던스가 체수분과 밀접한 관계를 가지고 있기 때문인데, 임피던스는 고유한 저항률(ρ)을 가지고 있는 도체의 길이에 비례하고 단면적에 반비례한다

또한, 위의 식에서 분자인 길이(L) 과 분모인 단면적(A)에 동일하게 길이의 단위를 곱하여도 식의 값은 변하지 않으며, 이에 대한 식은 아래와 같다. 이때 분모와 분자에 곱해준 길이 단위에 의해서 분자는 길이의 제곱으로 분모는 길이의 세제 곱으로 된다. 길이의 세제곱은 바로 부피를 구할 수 있는 단위이다. 따라서, 임피던스를 구하면 전류가 흐르는 도체의 부피를 알 수 있게 되며, 인체의 임피던스는 체수분에 대한 임피던스이므로 체수분에 대한 부피를 얻게 된다

위의 식에서 부피에 대한 식으로 바꾸면 다음과 같다.

체수분에 대한 부피는 체수분 고유의 상수값인 저항률(ρ) 에 대하여 L²/Z에 의해 결정된다. 따라서, 체수분에 대한 고유의 상수 값을 알게 되면 L²/Z을 구하면 체수분의 부피를 알 수 있는데, L²는 신장을 제곱하여 얻을 수 있으며, Z는 전류에 대한 임피던스 값을 얻으면 알 수 있다. 따라서 인체의 체수분은 신장과 임피던스 값을 얻어서 구할 수 있다. 다시 체수분에 대한 임피던스 식을 구하면 다음과 같다.

위의 식에서 H²/Z을 임피던스 인덱스(Impedance Index) 라고 한다. 결국 현재 BIA 법에 의해 체성분을 구하는 것은 임피딘스 인덱스를 얻어 체수분을 구한다. 체수분은 제지방에 0.73의 비로 존재한다고 가정한다. 임피던스 인덱스를 이용하여 체수분을 얻게 되면 체수분의 0.73의 비로 나누면 제지방이 된다. 제지방을 구하면 체중에서 제지방을 뺀 질량은 바로 제지방이 된다. 요약하면 임피던스 인덱스는 체수분을 구하여 제지방을 구하고 다시 지방을 구할 수 있다. 현재까지 BIA 법이 체수분, 제질량, 지방을 얻는 과정이 위의 이론을 근거하여 사용되고 있다(Azcue, et al., 1993: Baumgartner. Chumlea, & Roche. 1988: Heymsfield, Lohman, Wang, & Going, 2005: Heyward. & Wagner, 2004).

그러나, BIA법에 의해 체수분을 구하려면 BIA법으로 임피던스 인덱스를 사용하기 전에 인체가 가지는 체수분 고유의 상수값을 정해야만 한다. 안타깝게도 체수분의 저항률(ρ)에 대한 고유 상수값은 모든 사람에게 일치하지 않으며, 나이, 체중, 성별, 인종 등의 경험변수에 의해 영향을 받기 때문에 저항률은 경험 변수를 고려한 회귀식을 이용하여 얻게 된다.

고전적으로 사용해 온 BIA 법은 체성분을 구하는데 크게 두가지 문제점을 가진다(Barak. Wall-Alonso, & Sitrin. 2003: Barbosa Silva. Barros. Post. Waitzberg, & Heymfield, 2003: Ellis, 2000: Heymsfield, Lohman. Wang, & Going, 2005, Heymsfield, Wang, Baumgartner. & Ross, 1997: O'Brien. Yung, & Sawka, M. N. 2002). 첫 번째 문제점은 임피던스 인덱스와 함께 고려돼야 할 저항률(ρ) 은 여러 경험 변수에 영향을 받는다. 앞에서 언급한 것과 같이 나이, 인종, 성별, 체중에 의해 저항률(ρ)이 영향을 받으므로 각 경험변수를 해결한 회귀공식을 구해야 한다. 경험변수에 대한 회귀공식은 사례수가 충분할 정도로 많은 대상자들로부터 얻어져야 하며 체성분을 추정할 때도 회귀공식에 고려된 집단에 적합하게 적용해야 하는 문제를 가지고 있다. 두 번째 문제점은 BIA 법에서 얻은 임피던스 인덱스로 체수분을 구한 후 제지방을 구할 때 체수분이 제지방의 0.73을 차지한다고 가정하여 모든 대상자에게 적용하는 것이다, 질환이 없는 외관상의 건강한 일반 성인의 경우 체수분은 제지방의 약 0.73을 차지한다. 그러나, 어린 소아에서 어린이의 경우 체수분은 제지방의 0.81 ~ 0.75의 높은 수분량을 차지한다. 운동선수의 경우도 근육량이 많은 바디빌딩 선수의 경우 제지방의 0.75의 수준을 차지한다. 한편, 질환자의 경우도 체수분에 대한 제지방의 0.73의 비는 적용되지 않는다. 따라서, BIA 법을 적용하여 체수분 및 인체구성을 구하는 데는 일부 집단에만 국한되어서 정확성을 가지게 된다. 임피던스 인덱스를 이용한 체수분의 추정은 정량적인 량을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 제한된 집단에게만 사용할 수 있는 문제점을 가지게 된다. 이러한 문제를 해결하여 인체구성 상태를 평가할 수 있는 것은 BIA 에서 얻어지는 임피던스, 저항, 리액턴스를 직접적으로 사용하는 것이다. BIA에 의해 얻어지는 저항은 체수분 상태를 예측할 수 있으며, 리액턴스는 인체내 세포질량(Cell Body Cell Mass)과 세포의 구조적 상태를 얻을 수 있고, 임피던스는 저항과 리액턴스의 상대적 위치를 알려줄 수 있기 때문이다.

넷째, BIA 법에서의 Phase Angle에 대해서 살펴본다.

BIA 법을 이용하여 인체로 교류전류를 보내면 직접적으로 얻어지는 결과값은 전류의 흐름을 방해하는 전기 저항 R과 리액턴스 Xc의 값이다. 그리고, 각각의 제곱의 합인 임피던스 Z의 값을 얻는다(R² + Xc² = Z²). 임피던스는 전기 저항과 리액턴스 값에 대한 정량적인 값을 나타낼 뿐만 아니라 벡터의 값을 구할 수 있으며, 삼각함수의 관계를 가진다(Baumgarner, et al., 1988: Barnett. 1937: Barnett and Bagno, 1936: Kyle. Gentn. Slosman, & Pichard, 2001; Lukaski & Bolonchuk, 1987: Spence, Baliga, Nyboer. Sdftick, & Fleischmann. 1979: Subramanyan \1anchanda. Nyboer. & Bhatia, 1980: VanderJagt, Huang, Chuang, Bonnet, & Glew, 2002). 도 1과 같이 벡터에 대한 값의 요인들이 삼각형을 형성할 때 밑변을 저항으로 윗변을 리액턴스로 하여 빗변이자 벡터의 값인 임피던스를 얻는다 여기서 리액턴스를 저항으로 나눈 값의 역탄젠트를 계산하면 밑변인 저항과 빗변인 임피던스가 가지는 각도인 Phase angle의 값을 얻게 된다(도 1).

Phase angle의 값은 최대 90^o부터 최소 O^o의 값을 가질 수 있다. Phase angle이 O^o라면 리액턴스의 값은 0이며, 저항의 값만 나타나게 된다. 반면 phase angle이 9O^o이면 리액턴스의 값이 최대이다. 결국 phase angle은 저항값이 상대적인 리액턴스의 값을 나타낸다. 리액턴스가 증가할수록 phase angle은 증가하며, 반면 리액턴스가 감소할수록 phase angle도 역시 비례적으로 감소한다. 교류전류에 대한 리액턴스는 인체에서 세포의 원형질막과 세포의 통합적인 기능과 비례한다. 따라서 원형질막의 증가는 비례적으로 리액턴스의 증가를 가져온다. 세포의 원형질막 구조 완성도 및 기능의 증가는 phase angle의 증가를 가져오며, 반면 세포의 원형질막에서 구조적 손상 및 기능 감소는 phase angle의 감소를 가져오게 된다.

이와 관련되어 보고된 연구결과들에서 남성이 여성보다 높은 phase angle를 가졌으며, 남자와 여자별로 구분한 각 연령 집단에서 남성 집단과 여성 집단 모두 연령이 성인에서 노인으로 증가하면서 phase angle 이 감소하였다(Barbosa-Silva, et al., 2005: Kim. et al., 2007). 남녀 성별에 따른 phase angle의 차이는 남자가 여성보다 많은 제지방을 가지며, 따라서 세포의 정량적인 양이 많아 phase angle이 높게 나타난다. 또한, 남자와 여자 모두 연령이 많을수록 즉, 노화가 진행될수록 phase angle은 낮았다. 낮은 phase angle의 원인은 노화로 인해 세포질량(cell body mass)이 감소하고 세포의 원형질막에 대한 구조 및 기능의 저하로 인해 phase angle이 낮아지는 것이다(Barbosa-Silva, et al., 2005: Kim. et al, 2007).

또 다른 보고에서 인체 성분 중에 운동선수의 경우 동일한 일반인보다 높은 phase angle를 가졌으며, 반면, 거식증 또는 심한 제지방의 감소를 가지고 있는 환자의 경우 현저히 낮은 phase angle을 가지는 것으로 보고되었다(Kim. Kim, Park Park, & Kim, 2007: Piccoli. 1998: Toso, Piccoli, Gusella, Menon, Bononi, Crepal0l=, & Ferrazzi. 2000). 운동에 적응된 운동선수는 근력 및 근지구력과 심 폐지구력의 발달로 인체의 장기가 발달하게 되는데 이때 발달되는 장기의 질량이 증가한다. 증가된 인체의 질량은 실제적으로 세포질량의 증가에 의한 것으로 phase angle을 증가시켰다. phase angle 증가의 또 다른 이유는 근육 발달과 운동에 대한 적응으로 세포 기능이 향상되고 세포막의 구조적 완성도와 이에 따른 기능적 발달에 대한 phase angle 이 높게 나타난다고 보고하였다(Kim, Kim, Park Park, & Kim). 한편, 거식증 환자가 악액질성 체중감소를 가진 상태(BMI 18.5 미만)의 경우 인체의 세포질량이 감소하고 기능이 저하되어 낮은 phase angle을 나타내였다. 또한 만성신부전증 환자들에서 정상인의 phase angle의 하한선 수준보다 낮을 경우 1년 이내의 생존가능성 0%에 가까웠으며, 상반되게 만성 신부전증 환자들이 정상인 수준의 phase angle을 유지할 때 높은 생존율을 나타내었다(Kim, et al., 2007: Nescolarde, Piccoli, Roman, Nunez, Morales, Tamayo, Donate, & Rosell, 2004: Piccoli, 1998: Toso, Piccoli, Gusella, Menon. Bononi, Crepaladi, & Ferrazzi, 2000). 이상의 연구들을 종합할 때, phase angle은 인체의 세포질량의 수준과 기능 상태 그리고 질병에 질적 수준과 관계하는 것을 보고하고 있다 많은 연구에서 phase angle은 인체의 세포질량과 세포의 구조적 완성도, 생리적 가능의 수준을 나타내는 지표로서 제시하고 있다. 이들 정보는 인체의 영양 상태를 BIA에 의해 쉽고 간편하며 짧은 시간에 설용적으로 판정할 수 있다. 특히 환자의 영양상태와 질환의 진단, 평가 및 예후에 적용하는데 실용적인 방법으로 사용가능성을 주장하고 있다. 그러나 현재까지 충분한 연구와 연구 결과 및 성과는 부족한 상태이다. phase angle이 가지는 정상적인 분포가 인종과 성별에 따라 다르게 나타나기 때문에 인종에 따른 준거집단의 정상적인 분포를 제시해야하는 문제가 있으며, 영양상태와 인체 구성 상태의 기준치와 평가 방법에 대한 문제는 앞으로 해결해야할 과제로 남고 있다.

따라서, BIA 법은 인체에 일정한 주파수의 교류전류를 흘려보내어 얻어지는 저항, 리액턴스, 임피던스를 얻는 방법이다. 고전적으로 BIA 법에 의해서 얻어지는 전류에 대한 흐름을 방해하는 성질 중 임피던스를 체수분으로 회귀식을 만들어 사용하여 왔으며, 이를 통해 정량적인 체수분, 제지방, 지방의 인체구성 성분의 량을 구할 수 있었다. 그러나 고전적으로 사용되는 BIA 법은 임피던스를 회귀식에 의해 체수분으로 얻는 간접적인 과정뿐 아니라 저항, 리액턴스, 임피던스 자체의 직접적인 값들에 따른 인체구성 상태를 설명할 수 있는 원리를 가지고 있다. BIA 법에 의해 직접적으로 얻는 저항은 체수분의 정량적인 성분과 인체의 크기에 대해 관련한 정보를 제공할 수 있으며, 리액턴스는 인체성분 중에서 세포질량과 세포의 구조적인 완성도와 그에 따른 세포 기능의 상태를 분석할 수 있는 정보를 제공한다. 또한 이 둘에 대한 관계를 나타낸 phase angle은 인체의 구성성분 상태와 영양상태, 그리고 질환에 대한 진단, 평가, 및 예후의 추적을 할 수 있는 정보를 제공할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

최근에는 근육의 손상 및 상처 정도를 알아보기 위해 BIA 방법을 이용한 시도가 있다. 축구 선수들 사이에서 하체 근육 부상은 일반적으로 발생하고 있으며, BIA 법을 이용하여 비침습적으로 연조직 수화(soft tissue hydration) 및 세포막 보전을 분석할 수 있다. 또한, BIA 법을 이용한 경우, BIA 변수를 통해 근육의 손상과 회복의 정도에 대한 영향을 분석할 수 있다. 3명의 남자 축구 선수들을 대상으로 근육 손상의 정도, 회복하는 동안에 BIA 법의 변수들의 변화를 측정하기 위해, 상기 축구 선수들의 대퇴부 근육, 햄스트링, 및 종아리 근육에 대해 연속하는 4개의 극성(serial tetra-polar), 상 민감형(phase sensitive) 50 kHz를 가하였고, BIA 변수들은 저항(R), 리액턴스(Xc) 및 phase angle(PA)이다. 근육이 손상되지 않았을 때와 손상되었을 때의 저항(R), 리액턴스(Xc) 및 phase angle(PA) 값을 비교해 보면, 근육의 손상이 증가함에 따라 저항(R), 리액턴스(Xc) 및 phase angle(PA) 값은 감소한다: grade III (23.1%, 45.1% 및 27.6%), grade II (20.6%, 31.6% 및 13.3%), grade I (11.9%, 23.5% 및 12.1%). 여기서, grade III는 근육의 찢어진 부위가 전체로 확장되고 근육의 기능이 완전히 상실된 그룹이며, grade II는 근육의 손상 정도가 보통이며 근육의 수축과 이완 등 그 기능의 일부가 손상된 정도의 그룹이며, grade I은 근육의 손상 정도가 가벼우며, 근섬유 중의 일부만이 찢어지고 움직임에 있어서 약간의 불편함을 가지고 있는 그룹이다.

이로부터, 저항(R)이 감소한다는 것은 젖산 축적이 발생하였다는 것을 알 수 있으며, 리액턴스(Xc) 및 phase angle(PA) 값이 감소한다는 것은 세포막의 보존이 붕괴되고 손상되었다는 것을 알 수 있다. 따라서, 상기와 같이 대퇴부 근육, 햄스트링, 및 종아리 근육에 대한 BIA 변수들을 측정하면, 연조직의 손상 및 피로도를 실제적으로 감지 및 분석할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면 인체의 특정 부위인 대퇴부 근육, 햄스트링, 종아리 근육, 그리고 골격근에 대해 BIA 법을 통한 BIA 변수 값들을 측정하며, 상기 인체의 특정 부위의 손상 정도, 피로도 등을 알 수 있다. 이는 MRI(magnetic resonance imaging)을 통해서도 BIA 법의 변수 값들인 저항(R), 리액턴스(Xc), 임피던스(Z), 및 위상 각(phase angle, PA)과 인체의 특정 부위의 손상 정도 및 피로도 등의 상관 관계를 알 수 있다. 결과적으로, 인체의 특정 부위에 대한 BIA 법을 이용하고, BIA 법의 변수들의 값으로부터 그 특정부위에 대한 정량적이고 정성적인 분석이 가능할 것이다.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

생체전기 임피던스 방법을 이용하여 인체를 구성하는 성분을 분석하는 장치로서,
인체의 특정부위에 일정한 전류를 공급하는 정전류 발생회로부;
상기 정전류 발생회로부와 별도로 상기 인체의 특정부위에 교류를 공급하는 교류 발생회로부; 및
상기 발생된 정전류와 교류를 혼합하여 상기 인체의 특정부위에서 내부 저항을 측정하는 혼합회로부;를 포함하는 인체 성분 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 혼합회로부에서 리액턴스 또는 임피던스를 더 측정하는 것을 특징으로 하는 인체 성분 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 인체의 특정부위는 근육 또는 골격근인 것을 특징으로 하는 인체 성분 분석 장치.
제1항에 있어서,
상기 혼합회로부는 CMOS 회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 인체 성분 분석 장치.