A Study on the Blood Flow Measurement System for the Diagnosis of Raynauds Phenomenon using Nail-Fold Capillaries

학위논문 (석사)-- 서울대학교 대학원 : 협동과정 바이오엔지니어링전공, 2012. 2. 김희찬.레이노드 증후군은 손가락 끝 모세 혈관의 구조가 변형되고 기능이 저하되어, 기온이 낮아지면 손 끝이 창백해지거나 파랗게 변하는 허혈적 증상이 특징적인 질환이다. 전체 인구의 12% 정도에서 관찰될 정도로 매우 흔한 질병이지만, 명확한 원인이 알려져 있지 않으며, 초기 증상이 가벼워 자칫 질병으로 인식하지 못하는 경우도 많다. 하지만 심해질 경우 말초부터 궤양이 생기고 조직이 괴사되어, 극단적인 경우에는 손가락을 절단하는 경우도 생기므로 무엇보다도 초기진단이 매우 중요한 질환이라 하겠다. 모세 현미경 검사는 레이노드 증후군을 진단하는 방법 중 하나로 혈관의 형태 또는 모세 혈관 내의 혈류 속도를 측정하기 위하여 시행된다. 임상에서는 이 중 형태 검사가 비교적 더 많이 시행되지만, 초기환자를 진단하는데 있어서는 혈류 속도가 더욱 유의미한 것으로 알려져 최근에는 혈류 속도 측정 방법에 관한 연구가 많이 진행되고 있다. 그러나 아직 개발된 시스템이 신뢰할 수 있는 수준으로 정확한 값을 도출하는 것인지 검증할 수 있는 표준(gold standard) 방법이 확립되어 있지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 레이노드 증후군 진단을 위해, 정량적으로 검증된 손가락 모세 혈관 혈류 속도 측정 시스템을 개발하고자 한다. 이를 위하여, 우선 마이크로 칩과 선형 엑츄에이터를 이용하여 시스템이 정확도 3% 미만의 오차 범위에서 속도측정이 가능함을 확인하였다. 다음으로, 정상인에게 상완 커프를 이용해 혈류 속도를 정상 상태의 17%까지 감소시켜 측정해 봄으로써 다양한 임상 조건에서의 사용 가능성을 검증하였다. 마지막으로, 개발된 시스템을 환자와 정상인에게 적용한 결과 정상군에서 713.51um/s, 환자군에서 86.91um/s의 통계적으로 유의한 (p<0.01) 평균속도 차이를 확인할 수 있었으며, 추가적으로 사용자에 따른 오차 정도가 2.32~7.70% 발생함을 정량적으로 확인할 수 있었다. 향후, 사용자에 따른 측정 오차를 줄이기 위한 알고리즘 개선과 임상의들이 사용하기 편리한 사용자 인터페이스가 마련된다면 이 시스템이 레이노드 증후군의 진단 및 임상 연구에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.Raynauds phenomenon(RP) is caused by malfunction and transform of micro capillaries in fingers. Usually patients show color change of their fingers to white or blue when they are exposed to cold or emotional stimulus. An exact cause of this disease is not clearly known. However, when the disease is getting serious, fingers can be ulcerated and finally some patients need to amputate their fingers. For this reason, an early diagnosis is very important to prevent a progress of disease with prevention of RP and proper treatments. Nail-fold microcapillaroscopy is one of the methods diagnosing RP. It can check the morphology and measure the blood flow velocity of microcapillaries. A capillarys morphology inspection is more widely used, but for the early stage patients, a decrease of blood flow velocity is more remarkable than morphological change. Also, the blood flow velocity is known to reflect the close relations of the state of the disease. For this reason, many research groups are developing systems and methods analyzing blood flow. However, there is no golden standard to examine the accuracy of the developed methods or techniques for analyzing blood flow velocity. In this study, we developed a program which can measure the velocity of blood flow and quantitatively evaluated the accuracy of it. In addition, for the purpose of evaluation for clinical use, we tested it for 10 healthy people and 10 RP patients. Linear actuator was taken to make a standard velocity. A glass chip with a micro channel and micro beads were also used as an imitation of a humans micro capillary and red blood cells. The developed program through this experiment showed a great accuracy with an error under 3%. In clinical test, patients indicated remarkably decreased blood flow velocity compared to a healthy group (Healthy group = 713.51um/s, Patients group = 86.91um/s, P value < 0.01). Also, even in healthy people, when they had tissue ischemia, the velocity slowed down to only 17% of their resting conditions(Occlusion = 123.25um/s). Inter-observer variation error was 2.32~7.7%. In conclusion, we confirmed that this system is accurate and reliable for clinical use. With further studies on the improvement of algorithm and hardware optimization, we expect that this system will be valuably used for diagnosing RP.Maste