교사용가이드북내몸의활력징후측정하기 프로그램개괄 들어가며 그림.1 응급실내부 ( 좌, 광주첨단병원 ) 와활력징후측정모니터스크린 ( 우 ) 위의사진은병원응급실의모습이다. 우리가응급실이나중환자실에가면, 의사나간호사들은우리의몸상태를비파괴적인방법 (Non-invasive met

교사용가이드북내몸의활력징후측정하기 프로그램개괄 들어가며 그림.1 응급실내부 ( 좌, 광주첨단병원 ) 와활력징후측정모니터스크린 ( 우 ) 위의사진은병원응급실의모습이다. 우리가응급실이나중환자실에가면, 의사나간호사들은우리의몸상태를비파괴적인방법 (Non-invasive method) 으로알아보아몸의이상여부를판단하여야한다. 그런데모안을직접 들여다볼수없는상황에서, 많은경우위의사진처럼환자에게직접물어볼수없는상황에서의료진들은어떻게우리의몸상태를측정할수있을까 활력징후 (Vital signs) 는사람의생명활동상태변화를측정할수있는맥박, 호흡, 체온, 혈압을말하는것으로측정값의이상유무에따라몸의변화를알수있다. 맥박은심장의심실수축에의해만들어지는혈액의파동이며, 호흡은사람의몸안에있는세포들에게산소를공급하고반대로세포들로부터이산화탄소를제거하는작용을말한다. 호흡의조절은연수와뇌교에있는호흡중추의신경세포들에의해조절되며, 호흡의횟수나깊이는신체내부의산소포화도혹은혈액의 ph에의영향을받는다. 인간의체온은항상성유지에서매우중요하며, 열은방사, 전도, 대류, 증발등의열발산과정을통해몸으로부터방출된다. 체온의측정은심부조직의온도인심부체온 (Core body temperature) 을측정한다. 혈압은심장의심실이수축하는동안의압력인수축기압력 (Systolic pressure) 과심장의이완할때의이완기압력 (Diastolic pressure) 을수은주의높이 (mmhg) 로표시한다. 이단원에서는우리일상생활에서볼수있는바이오포토닉스 (Biophotonics) 가활용된대표적의료기기두종 ( 체온스캐너와맥박 / 산소포화도측정기 ) 을사용하여학생들스스로가어떻게빛의성질을이용하여인체내활력징후를측정할수있는지체험해보고더나아가이들기기를활용하여가설을세우고데이터를모으고분석하여세운가설을검증하는일련의 과학적방법 을따라해봄으로서과학연구의기본적과정을체험해보도록한다. - 1 -

프로그램내용 [ 활동 1] 활력징후에대해이야기해보자. 1. 활력징후가무엇일까? 사람의생명활동다시말하면사람이살아있음을 알수있는징후는어떤것이있는가? 맥박, 호흡, 체온, 혈압 2. 맥박은무엇인가. 심장의심실수축에의해만들어지는혈액의파동으로심장박동의빈도수와규칙성을 말해준다. 혈액순환의이상유무를알수있다. 3. 호흡에대해이야기해보자. 숨을쉬는이유는무엇인가? 사람의몸안에있는세포들에게산소를공급하고반대로세포들로부터이산화탄소를제거하기위한작용이다. 호흡의조절은연수와뇌교에있는호흡중추의신경세포들에의해조절되며, 호흡의횟수나깊이는신체내부의산소포화도혹은혈액의 ph에의영향을받는다. - 2 -

4. 인간은항온동물이다. 그뜻이무엇이라고생각하는가? 외부의온도변화에관계없이항상일정하게따뜻한체온을유지하는동물이다.. 5. 인간의정상체온은 36.5 이다. 이를유지해야하는이유는무엇이라고생 각하는가? 사람의몸은 100 조개가넘는세포들로이루어져있다. 이러한세포내생명활동을대사작용이라고하며, 체내에서일어나는모든화학반응들이이에속한다. 세포내화학반응들은수많은단백질의기능에의해조절되며, 단백질의기능은온도의영향을받으며, 정상체온에서최적의기능을한다. 신체가비정상적인체온 (35.5 미만또는 38.5 이상 ) 에노출되면신체내대사작용이급격히저해가되고이런상황이길어지면생명에위협을받게된다. 그렇기때문에정상체온을유지하는것은매우중요하다. - 3 -

[ 활동 2] 활력징후를측정해보자. «산소포화도 / 맥박측정기의빨간불빛이보이는곳 (A) 에아래의그림과같이 (B) 집게손가락손톱쪽이가도록삽입한후에전원버튼을누르면측정화면이나타나며약 5초후측정결과를볼수있다 (C). 측정이완료되면모니터에산소포화도, 맥박수, 맥박그래프가표시된다. 그림.2 산소포화도 / 맥박측정기사용방법 1 산소포화도 / 맥박측정기를사용하여측정해보자. 실험노트에측정기일련번호 와측정값을기록한다. 그리고다른학생들과측정기를서로교환하여다시측정 해보고같은방법으로실험노트에기록한다. 주의사항 측정중에는절대움직이지않는다. 측정중전원버튼을누르면숫자가 180 반대반향으로 표시된다. «체온스캐너의측정버튼 (ON) 을누르면이마모양의모드가액정화면에나타 나면이마의중앙으로부터약 2-3 cm 떨어져측정버튼을누른후 삐릭 소 리가날때까지체온스캐너와이마의거리를유지한다. 그림.3 체온스캐너 - 4 -

2 체온스캐너를사용하여서로의체온을이마에서측정해보자. 측정기기의일련 번호와측정값을실험노트에기록한다. 그리고다른학생들과측정기를서로교환 하여다시측정해보고같은방법으로실험노트에기록한다. 주의사항 측정중에는절대움직이지않는다. 각각의측정기로적어도 3 회씩측정하고그측정 값을기록한다. [ 활동 3] 측정값데이터를모아분석해보자. 1 측정 : 각조에서체온스캐너와산소포호도 / 맥박측정기를사용하여조원들의활력징후를측정해보자. 실험노트에데이터를기록할표를먼저그려서조원들의데이터를쉽고간단하게기록할수있을지생각해보자. 학생들이먼저생각해보게하고, 어떤항목들이들어가면쉽게데이터를정리하며 기록할수있는지생각해보도록유도한다. 예를들면, 세로열에는조원들의이름 ( 샘플번호 ), 가로행에는데이터값 (3 회반복측정값 ) 등등. 조원 1 조원 2 조원 3 측정값 1 측정값 2 측정값 3 2 기록 : 실험노트에기기들을사용하며, 관찰한것들을자세하게기록한다. 똑 같은부위를 3 회측정한다. 측정하는사람을바꾸어측정한다. 다음의질문에답해보자. 측정값에어떤특징이나패턴이보이는가? 측정하는사람을바꾸어측정했을때측정값에차이가나는가? - 5 -

3 위의질문들에대한대답을실험노트에기록한다. 측정값에어떤특징이나패턴이보이는가?. 측정하는사람을바꾸어측정했을때측정값에차이가나는가? 4 그림그리기 / 사진찍기 : 사용한기기들을자세히살펴보고실험노트에직접스 케치하거나사진을찍어부착한다. 사용한기기들이빛과연관되어보이는부분이 있는가? - 6 -

[ 활동 4] 모델을활용하여작동원리를설명해보자. «원리모델만들기 : 측정에사용된각각의기기들의작동원리를상상해보자. 조원들과서로토론하여, 각조에배당된칠판에서로의아이디어를간단한그림과함께모델을만들어설명해보자. 할까? 1. 빛을성질을이용하여맥박 / 산소포화도측정기를만들었다면어떻게작동 2. 체온스캐너는어떻게몸에닿지않고빛의성질을이용하여체온을측정 할수있을까? «생각나누기 : 각조에서만든원리모델을서로다른조에게설명해보자. «인터넷에서정보찾아보기 : 각조별로준비된노트북컴퓨터를이용하여, 인터넷에서각각의기기들의작동원리에대해찾아보자. 그리고찾은정보들을바탕으로각조에서만든원리모델을수정, 보완해보자. 수정된부분은컬러펜으로노트북에표시한다. 인터넷에서찾은정보중에서모델을수정하는데사용된정보는그출처를반드시밝혀야한다. - 7 -

3. 새로얻은정보를바탕으로여러분의상상으로시작한작동원리모델을 수정해보자. 그리고완성된원리모델을발표해보자. [ 활동 5] 과학적방법체험하기 1 각각의기기를이용하여실험을통해테스트할수있는가설을세워보자. - 8 -

2 그가설을실험하기위한물품및조건들을실험노트에적어보자. 3 과학적방법 에대해토론해보고종속변수와독립변수에대해토론해보자. 예 : 가설 토끼뜀같은운동은맥박수를증가시킨다. 운동시간 ( 토끼뜀을한시간 ): 독립변수 실험대상자의맥박수 : 종속변수 4 가설과실험방법, 실험순서, 안정성에대해자세히실험노트에기록한다. ( 주의 ) 학생들이세운가설과자세한실험방법등은선생님의검증이필요하다. 특히안전사고에유의하여야한다. - 9 -

5 검증받은가설및실험방법은실험및측정을진행한다. 실험이끝난학생들은 실험리포트를자세히작성한다. ü 학생들이모든실험과정을자세히기술하도록한다. ü ( 실험 ) 주제에대한질문에답을한다. ü ( 한문단정도길이로 ) 실험의결과가어떻게처음세웠던연구주제와그것을설명하기위한가설 / 모델에영향을미쳤는지적어본다. ü 새로얻은지식과정보를바탕으로어떻게가설을수정했는지에대해적어본다. ü ( 적어도한문단이상 ) 실험을통해배운점들중에서가장중요하다고생각한점에대해적어본다. - 10 -

< 참고자료 > 맥박 / 산소포화도측정기 (Pulseoximeter) 산소포화도 헤모글로빈은적혈구세포내의대표적인단백질이다. 헤모글로빈의기능은폐로부터산소를우리몸의모든조직에공급하는역할을한다. 폐에서우리몸의구석구석으로산소를운반하는헤모글로빈을산소가포화 ( 결합 ) 된옥시헤모글로빈이라고부르며, 조직에산소를공급하고난헤모글로빈은디옥시헤모글로빈이라고부른다. 산소포화도측정기는이들두종류헤모글로빈의차이를이용하여인체내산소포화도를측정하는기기이다 ( 그림. 4). 그림.4 2개의다른파장의 ( 적색광, 660 nm vs. 적외선 910 nm) 빛에서옥시헤모글로빈 (HbO 2 ) 과디옥시헤모그로빈 (Hb) 의흡광도차이 (http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/finalpr ojects/f2012/prd47/pulseoximeter/pulse_ox.html) 맥박 / 산소포화도측정기는 4가지중요부분으로이루어져있는데 2개의발광부분 (light emitting systems) 과특정파장의빛을검출하는 2개의광검출기 (detectors) 를가지고있다 ( 그림. 5). 좀더자세히이야기하면, 맥박 / 산소포화도측정기는적외선발광기와적색발광기를가지고있으며, 각각의발광기 그림.5 바이오포토닉스를활용한맥박 / 산소포화도측정기의원리 (http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/finalprojects/f201 2/prd47/PulseOximeter/Pulse_ox.html) 에서발생한빛을검출할수있는각각의검출기로구성되어있다. 각각의발광기에서발생한적외선과적색광은각각손가락을투과하여, 반대편에있는검출기에도달하게된다. 이때에두종류의빛은손가락에있는혈관내의적혈구세포에있는헤모글로빈에의해각기달리흡광된다. 만약에산소의양이혈액내에더많으면, 다시말해옥시헤모글로빈의빈도가높으면, 더많은적외선이흡광되며, 반대로산소의양이적으면헤모글로빈은더많은적색광을흡광한다. 발광기에서방출된빛그림.6 맥박 / 산소포화도이손가락을지나반대편에있는검출기에도달하면, 검출기는적외선과측정기적색광의비율을계산한다. 이비율이혈액내산소포화도를알려주게되는것이다.( 그림. 6). - 11 -

맥박심장은쉬지않고, 혈액을체내구석구석으로펌프해내는데맥박은이러한심장박동수를말한다. 심장은먼저혈액으로심장안을채운후, 이혈액을체내조직으로펌프해낸다. 인체내조직중에서혈액이심장안을채울동안 ( 맥박과맥박사이 ) 에는혈액공급이안되는조직들이있는데손가락이그들중하나이다. 맥박과맥박사이엔손가락에혈액공급이되지않는다. 이것이우리가손가락에서맥박수 (1분당심장박동수 ) 를감지할수있는원리가되는것이다. 더자세히이야기하면, 맥박 / 산소포화도기에있는두광원에서발생한빛이손가락을투과하면서, 빛의흡광도가혈액공급에의해 ( 심장박동에따라 ) 차이를보이게된다. 이러한흡광도의차이를검출기가측정하여분당맥박수 ( 심장박동수 ) 로전환시켜우리에게보여주는것이다. 맥박 / 산소포화도측정기는모든수술실, 중환자실, 응급실, 응급차에비치되어사용되는없어서는안되는인체의활력징후를모니터링하는중요한의료기기이다. 심장이멈추면생명을연장할수없기에맥박수를측정하는것은살아있음을감지하는첫번째방법이며, 인체내산소포화도의측정은환자에게호흡을통한산소공급이원활히이루어지고있는가를알려주는중요한지표가된다. 특히, 의식이없는환자의상태에서산소포화도의측정은더중요하다. 그렇기때문에모든수술실, 중환자실에서는환자의활력징후를꾸준히살펴보기위해반드시맥박 / 산소포화도측정기를사용한다. 체온스캐너온도를가지는모든물체들은인간이볼수없는파장의적외선을방사한다. 물체의온도가올라갈수록물체는가시광선을방사한다. 이현상은낮은온도와높은온도의숯에서관찰할수있다. 숯에불을부치고어느일정온도가되면숯은가시광선을방사하게되고, 빨간빛으로달아오는것을우리가볼수있게된다. 체온을가진사람도적외선을방사한다. 사람의체온은인체의어느부분에서측정했는가에따라조금씩차이가난다. 적외선체온측정기는대상자의이마에서발광되는적외선에너지를측정하여체온을감지한다. 이마에서체온을측정하는이유는이마엔중요한관자동맥이지나가기때문이다 ( 그림. 7). 그림.7 이마의관자동맥을이용한체온측정 (http://www.google.com/patents/ US20120179049) - 12 -

이관자동맥의온도는심부온도에매우가까워정확한체온을잴수있다. 체온측정기 는적외선검출기를가지고있어서, 이를이마에가까이대면, 그사람의이마에서발광되 는적외선을검출하여, 그사람의체온으로전환시켜보여준다 ( 그림. 2). 수업하면서같이할수있는감성적체험활동들 M&M Scientific method activity 준비물 : 그룹당 M &M 초콜릿 1 봉지 학생들에게질문을던져토론을시작한다. 봉지안에있는 M & M 초콜릿에대해무엇을알고싶은지질문한다. 학생들의대답 ( 예시 ): 몇개의새알초코릿한봉지안에들어있을까요? 무슨색깔의초콜릿이들어있을까요? 각각의색깔의초콜릿의개수는몇개일까요? M&M 초콜릿의한개의합을얼마일까요? 모든초콜릿의무게의합은얼마일까요? 선생님은학생들의대답중에서하나의질문을선택하여감성적체험을지도한다. ( 예시 ): 선택된질문 : M&M 초콜릿한봉지에는몇개의초콜릿이들어있을까? 학생들이숫자를추측하도록한다. 학생들이말하는것을토대로과학적방법의이론과 이에관계된단어들을소개한다. ( 예시 ): 학생들이추측한개수는 가설 이다. 선생님은관련새단어들에대한정의를쉽고자세하게설명한다. 선생님은학생들이충분히가설에대해이해한후에, 어떻게가설, 즉추측한숫자가맞는지확인할수있는지학생들에게질문한다. ( 예시 ) 학생들은주로봉지를열어보라고대답한다. 선생님은데이터 (data) 를얻는방법에대해학생들에게이야기한다. 학생들중한명에게봉지를열어숫자를세어서데이터를얻도록하고, 기록하게유도한다. 또다른학생들에게반복적으로데이터를얻게하여왜데이터를여러번측정해야하는가에대해그중요성을일깨워준다. 그룹별로데이터를얻게한후데이터를모아데이터를분석해볼수있도록유도한다. ( 예시 ) 데이터표 그룹 봉지안의 전체초콜 릿의개수 초록색초 콜릿의개 수 밤색초콜 릿의개수 노랑색초 콜릿의개 수 주황색초 콜릿의개 수 파랑색초 콜릿의개 수 - 13 -

각각의그룹에서나온개수의차이가있다면선생님은오차및개수차이의원인분석을 학생들이할수있도록유도한다. 학생들이평균값, 오차, 중간값등을계산하고그래프로그 려보도록유도한다. 참고문헌 Pulseoximeter Patent. http://www.freepatentsonline.com/4883353.html Thermoscanner Patent. http://www.google.com/patents/us20120179049 Biophotonics principle of Pulseoximeter. http://people.ece.cornell.edu/land/courses/ece4760/finalprojects/f2012/prd47/pulse Oximeter/Pulse_ox.html Principles of Non-Contact Temperature Measurement http://support.fluke.com/raytek-sales/download/asset/ir_theory_55514_eng_re VB_LR.PDF Pulse oximetry: principles and limitations. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/9928703 Pulse oximetry http://en.wikipedia.org/wiki/pulse_oximetry Pulse oximetry principles video https://www.youtube.com/watch?v=2v3rae-73jc Scientific methods http://www.sciencekids.co.nz/projects/thescientificmethod.html Scientific methods worksheets http://www.schoolofdragons.com/how-to-train-your-dragon/us/how-to-train-your -dragon/the-scientific-method/scientific-method-worksheets M&M activity h t t p : / / w w w. s c i e n c e t e a c h e r p r o g r a m. o r g / g e n s c i e n c e / A M e y e r 0 5. h t m l - 14 -