관성측정장치를 이용한 기관내삽관 시 경추 움직임 모니터링 시스템 개발 및 유용성 검증

Abstract

Endotracheal intubation is the most critical technique for airway management in emergency medicine. In order to intubate using a laryngoscope, the glottis should be sufficiently exposed. Ideally, the atlanto-occipital joint should be extended and the lower cervical spine should be flexed (the "sniffing position"). However, the anatomical differences between individuals make it impossible to accurately predict the optimal position of the head or neck. Therefore, the posture must be adjusted while the endotracheal intubation is performed. Endotracheal intubation in a patient with a suspected cervical spinal injury should be performed while maintaining cervical spine immobilization. Alternatively, to prevent the damage from worsening, intubation should be performed as carefully as possible while two or three people use manual in-line stabilization on the cervical spine. However, in the clinical setting, the person intubating cannot objectively monitor the extension angle of the cervical spine and can only rely on his or her subjective assessment. In addition, measuring the cervical motion using fluoroscopy, known as the gold standard, requires specific equipment or a separate space. Also, the measurement process is complicated, so real-time monitoring is almost impossible. The inertial measurement unit (IMU) is a new option for tracking cervical spine motion. The IMU is a nine-axis sensor, comprised of three different types of sensors for the x, y, and z axes: an accelerometer, a gyroscope, and a geomagnetic sensor. This device can find acceleration, velocity, distance, rotation angle, and other quantities by measuring and computing the changes in acceleration acting on an object. In this study, we developed a wearable IMU-based angle measuring device and assessed its accuracy. We then built a cervical spine motion monitoring system by merging it and evaluated clinical effectiveness using a mannequin simulation experiment. The IMU-based angle measuring device was manufactured with a size of about 36 mm x 33.8 mm and a weight of 23 g. These dimensions include the IMU, microcontroller unit (MCU), Bluetooth module, and rechargeable battery. The data measured by the IMU is configured to be calculated in the MCU and wirelessly transmitted to the computer through the Bluetooth module. While I arbitrarily changed the digital goniometer angle from 0 to 40 degrees, the accuracy was verified with a value simultaneously measured via an IMU-based angle measuring device. In the Bland-Altman plot, the mean difference was 0.06 degrees, the limit of agreement was from -0.16 to 0.3 degrees, and there was a high correlation between the two measurements (Pearson's correlation coefficient=0.999, P<0.001). The cervical spine motion monitoring system consisted of two IMU-based angle measuring devices attached to the forehead and back of the cervical spine, as well as the Euler angle viewer program that visualized and displayed the measurement results in real time. The cervical spine extension angle was evaluated by summing the values measured by the two devices. The angle at the time of the furthest extension during the intubation was defined as the maximum cervical spine extension angle. Clinical effectiveness was evaluated by conducting a mannequin simulation test with direct laryngoscope and video laryngoscopes and 20 medical staff. First, we compared the maximum cervical spine extension angles when endotracheal intubation was performed with two laryngoscopes in the simulated cervical spinal injury patient. Second, we compared whether the maximum cervical spine extension angle decreased when the assistant voice-guided the measured values displayed in the cervical spine motion monitoring system during intubation (IMU-guided) in the same setting. The maximum cervical spine extension angle, expressed as a median and interquartile range (IQR) when intubating with a direct laryngoscope, was 37.41 (28.22-43.24) degrees, and it was 15.07 (7.96-20.05) degrees when intubating with a video laryngoscope; this difference was statistically significant (P=0.018). In the second experiment, comparing the difference in extension angle of the cervical spine according to the presence or absence of the IMU-guided, the maximum cervical spine extension angle decreased significantly when the guide was provided in the direct laryngoscope (37.41 vs 24.94, P=0.028). However, there was no significant difference when using the video laryngoscope (15.07 vs 13.17, P=0.917). The cervical spine motion monitoring system was first proposed in this study. The simulation experiment showed the possibility that the cervical spine motion could be continuously monitored during the entire endotracheal intubation, and the cervical spine extension angle could be reduced through IMU guidance in direct laryngoscope intubation. This system can help prevent excessive cervical spine extension in cases where cervical spine injury is suspected. In order to apply it to the actual clinical setting, verification by human studies and comparative evaluation with previous cervical spine motion measurement methods are required.| 기관내삽관은 응급의학 영역에서 가장 중요한 응급 기도관리의 핵심 술기이다. 후두경을 이용하여 삽관하기 위해서는 기본적으로 성문을 충분히 노출시켜야 하고 이를 위해서는 경추 하부가 굴곡되고 후두부가 신전되는 형태의 ‘냄새 맡는 자세’를 유지해야 한다. 하지만 실제로는 사람마다 해부학적 구조의 차이가 있어서 머리나 목의 최적 위치를 정확히 예측할 수 없고 삽관자가 기관내삽관 할 때마다 경험적으로 자세를 조정할 수밖에 없다. 경추 손상이 의심되는 환자에게 기관내삽관이 필요하다면 손상 악화를 방지하기 위해서 경추 고정 장치를 유지한 채 기관내삽관 하거나 두세 명이 수기 선상 고정방법으로 경추를 고정하면서 최대한 조심스럽게 삽관할 것을 권고하고 있다. 그러나 임상 현장에서 삽관자는 기관내삽관 중에 경추가 신전되는 각도를 객관적으로 확인할 수 없고 오직 삽관자의 주관적인 평가에만 의존할 수밖에 없다는 한계점이 있다. 또한, 표준방법으로 알려진 기존의 투시영상검사를 이용한 경추 움직임 측정방법은 특수한 장비나 별도의 공간을 필요로 하고 측정 과정도 복잡하여 사실상 실시간 모니터링이 거의 불가능하였다. 이런 배경에서 관성측정장치(Inertial Measurement Unit, IMU)의 도입은 경추 움직임 모니터링에 대한 새로운 가능성을 제공하였다. IMU 센서는 x, y, z축에 대해 가속도 센서, 각속도 센서, 지자기 센서의 3가지 센서가 포함된 9축 센서로 물체에 작용하는 가속도의 변화를 측정하고 연산하여 속도, 거리, 회전각 등을 도출할 수 있는 장치이다. 본 연구에서는 IMU 센서를 이용하여 신체에 부착할 수 있는 각도 측정 장치를 개발하여 정확성을 검증한 다음 이를 조합하여 경추 움직임 모니터링 시스템을 구현하고 마네킹 시뮬레이션 실험을 통해 임상적 유용성을 평가하고자 하였다. IMU 센서를 이용한 각도 측정 장치는 IMU, 마이크로 컨트롤러(microcontroller unit, MCU), 블루투스 모듈, 충전식 배터리 등을 포함하여 약 36 mm x 33.8 mm 크기, 23 g의 무게로 제작되었다. IMU에서 측정된 데이터는 MCU에서 연산된 후 블루투스 모듈을 통해 컴퓨터로 무선 전송되도록 구성하였다. 디지털 각도기에 IMU 센서를 이용한 각도 측정 장치를 부착하고 0도부터 40도까지 임의로 각도를 변화시켜 가면서 동시에 두 장비에서 측정된 값을 비교하여 장비의 정확도를 검증하였다. Bland-Altman plot에서 두 측정값의 평균 차이는 0.06도, 일치한계(limit of agreement)는 (-0.16∼0.3)도이었으며, 높은 상관관계를 보임이 확인되었다(Pearson’s correlation coefficient= 0.999, P<0.001). 경추 움직임 모니터링 시스템은 이마와 경추 후면에 부착한 두 개의 IMU 센서 기반 각도 측정 장치와 측정 결과를 시각화해서 실시간으로 보여주는 Euler angle viewer 프로그램으로 구성되었다. 경추 신전 각도는 두 장치에서 측정된 값을 합산하여 평가하였고 삽관 과정 중 경추가 최대로 신전된 시점의 각도를 최대 경추 신전 각도로 정의하였다. 의료진 20명을 대상으로 직접후두경과 비디오후두경을 이용한 마네킹 시뮬레이션을 시행하여 임상적 유용성을 평가하였다. 첫 번째 실험은 경추 손상을 가정한 상황에서 두 가지 후두경으로 각각 삽관했을 때의 최대 경추 신전 각도를 비교하였다. 두번째는 동일한 세팅에서 삽관 중에 경추 움직임 모니터링 시스템에 나타난 측정값을 보조자가 음성으로 가이드했을 때 최대 경추 신전 각도가 감소하는지를 비교하였다. 경추 손상을 가정한 상황에서 직접후두경으로 삽관한 경우의 최대 신전 각도는 37.41 (28.22-43.24)도의 중앙값과 사분위 범위를 보였고 비디오후두경으로 삽관한 경우에서는 15.07 (7.96-20.05)도로 통계적으로 유의한 차이를 보였다(P=0.018). 두 번째 실험에서 음성 가이드의 유무에 따른 경추 신전 각도의 차이를 비교하면 직접후두경에서는 음성 가이드를 받았을 때 최대 신전 각도가 유의하게 감소하였으나(37.41 vs 24.94, P=0.028) 비디오후두경에서는 유의한 차이를 보이지 않았다(15.07 vs 13.17, P=0.917). 경추 움직임 모니터링 시스템은 본 연구에서 처음 제안하였으며, 마네킹 시뮬레이션 실험을 통해 기관내삽관 전체 과정 중 경추의 움직임을 지속적으로 모니터링할 수 있고 특히 직접후두경을 이용한 기관내삽관에서 음성 가이드를 통해 경추 신전 각도를 줄일 수 있다는 가능성을 보여주었다. 향후 실제로 경추 손상이 의심되는 경우에서 과도한 경추 신전을 예방하는 데 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다. 그렇지만 임상 현장에 직접 적용하기 위해서는 인체를 대상으로 한 검증과 기존 경추 움직임 측정방법과의 비교 평가가 후속 연구로 진행되어야 할 것으로 생각된다.