게이터 발진기 수면 단계

마지막 업데이트: 2022년 4월 11일 | 0개 댓글
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그림 1. Vitalview 하드웨어 구성은 각 혁명과 마이크로 스위치를 활성화하기 위해 설계되었습니다 쥐 실행 휠,로 시작합니다. 이 정보는 다음 QA4 모듈을 여행하고 DP24의 데이터 포트에 중계되고 마지막으로 Vitalview 시설이 완비 된 컴퓨터에 의해 기록됩니다. 컴퓨터가 매 10 분마다 채널에서 실행 륜 회전을 표현,이 데이터는 actogram 또는 periodogram로 나중에 볼 수 있습니다. 조명이 설정되는 방법에 따라, 그것들은 같은 Vitalview에 의해 원격하거나 제어 할 수 있습니다시설이 완비 된 컴퓨터 또는 전자 제품 가게에서 구입 한 벽 타이머에 의해.

쥐에 활동 륜 실행에 녹음 및 Circadian 리듬 분석

자원의 Circadian 리듬은 휠을 실행 포유류 활동은 단단히 뇌의 마스터 시계의 분자 진동에 커플 링된다. 따라서 행동이 일상 리듬이 circadian 시계의 기능에 대한 유전자, 약리, 환경 요인의 영향을 연구하는 데 사용할 수 있습니다.

Abstract

설치류가 자신의 홈 케이지에서 실행 휠을 무료로 이용하실 수 있습니다 때이 바퀴의 자발적인 사용은 일 1-5의 시간에 따라 달라집니다. 쥐, 햄스터, 그리고 마우스 등의 야행성 동물은 밤에 활성화되어 있으며 하루 동안 상대적으로 비활성. 많은 다른 행동과 생리 조치는 일상 리듬을 전시하지만, 동물에 실행 륜 활동이 마스터 circadian 시계, 시상 하부의 suprachiasmatic 핵 (SCN)의 출력 특히 안정적이고 편리한 측정 역할을합니다. 일반적으로 유입이라는 프로세스를 통해 실행 륜 활동의 일상 패턴은 자연 환경 빛 어두운주기 (; : 12 시간 - 어두운 예를 들어 12 시간 - 빛 LD 사이클)로 정렬됩니다. 그러나 circadian 리듬이 endogenously 일정한 어둠 속에서 ~ 24 시간 기간을 전시하고, 지속 행동의 패턴을 생성됩니다. 따라서, LD주기의 부재에, 실행 륜 활동의 기록 및 분석 할 수 있습니다시간의 일 주관적인를 결정하는 데 사용됩니다. 이러한 리듬은 circadian 시계가 감독하기 때문에 시간의 하루 주관적인는 circadian 시간 (중부 표준시)라고도합니다. 반면, LD주기가 존재할 때, 환경 LD주기에 의해 결정되는 시간의 하루는 zeitgeber 시간 (ZT)라고합니다.

실행 륜 활동에 circadian 리듬은 일반적으로 SCN 시계 6-8에 연결되어 있지만, 뇌와 몸 9-14의 많은 다른 지역에 circadian 발진기는 매일 활동 리듬의 규정에 관여 할 수있다. 예를 들어, 식품 예상 활동에 매일 리듬은 SCN 15,16을 필요로하지 않고 대신 추가 - SCN 발진기 17-20의 활동의 변화와 상관 있습니다. 따라서, 실행 륜 활동 녹음 마스터 SCN 시계의 출력에 대한뿐만 아니라, 매우 SCN 발진기의 활동에뿐만 아니라 중요한 행동 정보를 제공 할 수 있습니다. 우리는 descr 아래장비와 실험실 쥐에 circadian 전위의 활동 리듬을, 기록 분석하고 표시하는 데 사용할 방법을 ibe.

Protocol

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  1. 케이지 : 개별 쥐의 실행 륜 활동을 기록하기 위해, 각 케이지는 단일 쥐 및 실행 휠을 수용해야합니다. 실행 바퀴가 농축의 한 형태로 간주 될 수 있기 때문에, 모든 연구의 모든 동물은 실행 휠과 유사한 액세스 할 수 있어야합니다.
  2. 침대 변경 : 그들은 동물과의 접촉을 최소화하기 때문에 동물 처리뿐만 아니라 새장 또는 침구의 변화는 모든 circadian 리듬 21-23에 비 빛 영향을 미칠 수 있으므로, 메쉬 - 바닥이있는 케이지가 이상적입니다. 이러한 트레이 시스템의 가용성에도 불구하고, 침구 변경 사항이 실험의 중요한 단계 중에 피해야한다. 대안이 더 드문 케이지 변경 사항을 허용 오래 지속 침구, 또는 의사 난수 일정에 변경 새장을 사용하여 포함되어 있습니다.
  3. 절연 상자 : 연습장은 소리 감쇠, 빛 공동 아르 격리 상자에 보관해야합니다ntrolled, 그리고 환기가 잘되는. 격리 상자의 크기와 구성에 따라 각 상자 케이지의 수는 일반적으로 1-8까지 다양합니다. 단일 절연 상자에서 여러 새장을 주택 때, 하나는 다른 동물에서 나오는 각종 냄새와 소리가 개별 동물의 circadian 행동에 혼란 영향을 미칠 수 있다는 것을 알고 있어야한다. 이러한 문제를 방지하기 위해, 하나는 절연 상자 당 하나의 새장을 수용하려고 시도합니다.
  4. 환기 : 적절한 공기 흐름이 상자 설치류 동물을위한 편안한 가정 환경 만들기에 필수적입니다. 각 상자의 팬 내부에 도달 상자 외부에서 빛을 방지 할 수 있도록, 후드해야합니다. 또한 팬들은 일반적으로 상자에서 공기를 제거하고 방에 날려 것입니다. 작은 빛 빡빡 통풍구는 공기가 여러 지점에서 격리 상자를 입력 할 수 있으며 불편 바람을 방지하는 데 도움이됩니다. 적절한 환기, 절연 상자 안에 온도가 (가 있다는 것을 확인하기 위해)에 걸리면 몇 시간 동안 폐쇄는가 설치된 방에있는 온도에 거의 동일해야합니다.
  5. 조명 : 환경 광도 모든 케이지에서 동일해야합니다. 각 케이지 위의 비슷한 위치에서 하나의 빛을 정렬하고, 항상 같은 브랜드 / 전구 유형을 사용합니다. 케이지 수준에서 중간 강도 조명 (100-300 룩스)를 사용합니다. 오히려 circadian 시스템 이라기보다는 (예 : 마스킹)보다 빛에 기인 행동에 직접 변경 사항을 생산할 가능성이 더 높습니다 과도하게 높은 조명 수준을, 피하십시오.
  6. 암흑 / 흐리게 붉은 색 조명 :이 어둠 속에서 동물 (상수 어둠 또는 밤에 등) 처리하거나 처리 할 필요가있는 경우, 나이트 비전 고글을 사용합니다. circadian 시스템이 붉은 파장 상대적으로 문자를 구분하기 때문에 또는, 희미한 붉은 조명을 사용할 수 있습니다. 사용 특정 붉은 빛이 게이터 발진기 수면 단계 그 alte하지 않는지 확인하기위한 테스트해야R 실행 - 휠 활동 (예 : 마스킹) 또는 circadian 시계를 조정 (예 : 위상 편이를 생성).

2. 데이터 수집 (그림 1 참조 - Vitalview 하드웨어 구성)

  1. 바퀴를 실행하면 : 직경 실행중인 휠의 인체 공학적는 사용 24의 양이 변경됩니다. 따라서, 마우스의 작고 가벼운 바퀴를 사용하며, 쥐에 대한 큰 무거운 바퀴. 바퀴를 세척하고 다시 설치하는 경우, 바퀴가 탁 트인, "동요"하지 않으며, 녹화 마이크로 스위치 휠의 각 회전에 의해 활성화되는 돌리고 할 수 있습니다 있는지 확인하십시오.
  2. 마이크로 스위치 : 실행중인 휠의 각 혁명은 자기 또는 기계적 마이크로 스위치를 활성화해야합니다. 마이크로 스위치의 정보는 하나의 채널을 통해 전송하고 컴퓨터에 의해 기록 된 수 빈 시간이 지남에 따라 데이터 (예 : 매 2, 5, 6, 또는 10 분).
  3. 컴퓨터 하드웨어 : 우리 runniNG 륜 녹음 Vitalview, 미니 Mitter (에 의해 개발 된 하드웨어 및 소프트웨어 플랫폼을 만들어 http://www.minimitter.com/vitalview_software.cfm ). 그러나, 이러한 Actimetrics (에 의해 개발 ClockLab 같은 다른 녹음 플랫폼 있습니다 http://www.actimetrics.com/ClockLab/가 ). 두 플랫폼은 하나의 컴퓨터 파일에 많은 단일 채널 소스에서 데이터를 (예를 들어 하나의 실행 휠에 의해 활성화 한 마이크로 스위치) 함께 가져. 개인 채널의 데이터는 그래프로 작성할 수 있으며 나중에 개별적으로 분석 할 수 있습니다.
  1. 파일 : 위에서 언급 한 소프트웨어 플랫폼은 개별 파일은 각각의 실행 륜 기록이 생성되는 수 있도록 하나의 채널을 분리하는 데 사용할 수 있습니다. 이러한 데이터는 가장 시각화과 특별히 고안와 그래프이러한 Actiview (Minimitter, 벤드, OR), Circadia, 또는 모든 periodograms과 actograms를 생성 할 수 있습니다 Clocklab (Actimetrics, Wilmette, IL)와 같은 D 프로그램. 그러나, 단일 채널 파일도 열 및 엑셀 (마이크로 소프트, 레드몬드, WA)와 같은 일반적인 스프레드 시트 프로그램을 사용 분석 할 수 있습니다.
  2. Circadian 시간 (중부 표준시) 계산 : 중부 표준시 12은, 정의에 의해, 야행성 동물에서 실행 륜 활동의 발병입니다. 24 시간 하루와 병렬로, 국제 대회에서 한 circadian 일 24 circadian 시간으로 나뉩니다. circadian 자유 실행 기간이 벽 시계에 의해 측정으로 24 시간 30 분 인 경우 따라서,, CT 0 CT12 후 약 12​​ 시간 15 분 발생합니다.

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Representative Results

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  1. 컴퓨터 프로그램 : 전문 컴퓨터 프로그램은 일반적으로 actograms와 circadian 기간의 계산의 생성에 사용됩니다. 이 프로그램은 포함하지만, (Minimitter, 벤드, OR)와 Circadia Actiview에 제한되지 않습니다.
  2. Actograms : Actograms가 실행 륜 활동의 일상 패턴 그래픽 그림을 제공합니다. 단일 해본 (x-축 = 24 시간) 두 번 해본 (x-축 = 48 시간) actograms가 있습니다. 두 가지 방법은 위에서 아래로 플롯 연속 일하지만, 두 번 해본 actograms 계획 각 수평 라인에 두 일. 특히, actograms는 등등까지 각 줄의 오른쪽뿐만 아니라, 두 번째 수평 라인의 시작시에 "둘째 날"을 표시하고, 두 번 꾸몄다. 두 번 플로팅은 비-24 시간의 리듬을 시각화 할 특히 유용합니다.
  3. Periodogram : A periodogram 시간이 지남에 실행중인 휠 활동의 스펙트럼 분석에서 구성되어 있습니다. Periodograms은 상대적으로 탕을 보여미리 설정된 기간의 범위에 대한 어,하고는 일반적으로 무료로 실행 기간을 결정하는 데 사용됩니다.
  4. 검색 결과 : 실험실에서 동물은 보통 24 시간 LD주기에 따라 자리 잡고 있습니다. 이러한 조건에서 활동의 리듬이 실행 륜 활동의 일상 패턴이 정확한 24 시간 게이터 발진기 수면 단계 LD주기에 맞게 정렬되도록 혼입 된 것입니다. 그림 2A에서이 왼쪽에 actogram을 두 번 해본는 환경 불이 꺼져 된 직후, 같은 시간에 매일 활성화 된 쥐의 실행 륜 활동을 보여줍니다. 오른쪽에있는 periodogram은 정확한 24 시간 LD주기에 유입과 일치 24 시간에서 강한 피크를 보여줍니다. 그림 2B는 끊임없이 어둠에 자리 잡고 된 쥐의 실행 휠 사용을 보여줍니다. 이 경우에는 실행 륜 활동의 매일 증상은 rightward "드리프트"를 작성, 매일 약간 나중에 발생했습니다. 이 rightward "드리프트"는 내생 circadian 기간이 더 THA을 나타냅니다N 24 시간,하지만이 기간을 단정 지을 periodogram의 피크입니다. periodogram에 따르면, 최대 전력은 24.33 시간에 관찰된다. 자동 periodogram 분석 대조적으로, 그림 3은 수동으로 실행 륜 활동의 발병의 시간을 사용하여 무료로 실행 기간을 계산하는 방법을 보여줍니다. 그것은 손으로 기간을 계산하고 periodogram로 계산하는 것은 약간 다른 결과를 얻을 수 있다는 것을 염두에 두어야합니다.
    실행 륜 활동의 일상 패턴은 여러 가지 방법으로 중단 할 수 있습니다. 그림 4는 SCN의 전해 병변에 의해 생산 실행 륜 활동의 arrhythmic 패턴을 보여줍니다. 실험이 유형의 SCN은 "마스터"circadian 시계 7,8를 포함하는 첫 번째 증거의 일부를 제공했습니다. 오른쪽에있는 periodogram은 circadian 범위 (20-30 시간)의 모든 기간 동안 equivalently 낮은 전력을 보여주는 활동이 arrhythmic 패턴을 확인합니다. circad실행 - 휠 사용 이안 패턴은 일정한 빛의 주택 쥐가 중단 될 수 있습니다. 그림 5는 이미 설명 된 조명 조건의 여러에 순차적으로 노출 쥐에서 actogram을 보여줍니다. 첫째, 쥐가 지속적으로 어둠에 자리하고 약 24.33 시간에서 실행중인 휠 활동 리듬을 전시했다. 둘째, 환경 빛에 보관하였으며, 쥐가 일정한 빛 환경에 자리 잡고되었습니다. 지속적인 빛이 SCN 기반 시계를 방해하고 SCN의 병변과 유사한 실행 륜 활동 arrhythmic 패턴을 생산하는 것으로 알려져 있습니다. 빛으로이 중단 그러나, 2-3 주에 걸쳐 점차적으로 발생합니다. 따라서 실행 륜 기록이 일정한 빛의 초기 3 주 후에도 분석 할 때, periodogram는 피크를 얻을하지 않습니다. 마지막으로, 세 번째 단계에 쥐가 12 시간에 다시 넣어되었습니다 : 12 시간 LD주기와 실행중인 휠 활동 리듬은 거의 즉시 복구 할 수 있습니다.
    실행의 양, 그리고 하루의 시간이 OCcurs은 또한 환경 요인에 의해 조작 할 수 있습니다. 설치류는 금식과 매일 시간적 제한 식사를 제공하는 경우 예를 들어,이 제한된 먹이를 일정 식품 예상 활동의 매일 시합을 유발합니다. 그것은이 매일 식사의 도착하기 전에 발생하기 때문에 "예상"이라고한다, 그리고 식사가 하루의 중간에 야행성 동물은 비교적 운영 중지 된 시간을 제공 할 때 특히 분명 있습니다. 실험 매일 하나의 2 시간 식사를 제공하는 경우 예를 들어, 음식 ZT 4 (4 시간 불이 켜져 후)에서 케이지에 추가 할 수 있으며, ZT 6 (2 시간 이상)에 삭제되었습니다. 이게 불가능 쥐가 음식을 숨겨 나중에를 위해 저장, 따라서 쥐가 실제로 소정의 식사 내의 모든 음식이 소요됩니다 것을 보장 할 수있게하기 때문에 또한, 케이지의 철망 바닥은 이런 유형의 실험에 바람직하다. 마지막으로, 정확한 실행 륜 활동 기록의 주요 장점 중 하나는 상관 관계에 대한 수 있다는 것입니다S는 뇌와 몸 전체에 circadian 시계 유전자 발현의 표현에서 실행 륜 활동 및 일상 진동 사이에 만들 수 있습니다.
  5. 일반적인 함정 :
    1. 대부분의 소프트웨어 플랫폼이 자동으로 시간이 변경 사항을 저장하지 일광을 위해 조정할 수 있습니다. 매년 시간이 변경시에 실험을 수행 할 때이 옵션이 레코딩 소프트웨어뿐만 아니라 컴퓨터 운영 체제 소프트웨어에서 해제되어 있는지 확인합니다. 이러한 예방책은 녹음 및 외부 빛을주기 사이의 불일치를 방지하는 데 도움이됩니다.
    2. 데이터 또는 행동의 예상치 못한 변화에 차이를 확인 할 수 있도록, 침구 변경, 실험 조작, 그리고 발생할 수있는 다른 혼란을 공급하고, 물, 모든 상자 열기의 정확한 시간과 날짜가있는 텍스트 파일을 보관. 정확한 시작과 끝 데이터 녹화 시간은이 파일에 또한 주목해야한다.
    3. 그것은 불이와 해제되어 있는지 정기적으로 확인하는 것이 중요합니다t 예상 시간. 대부분의 문제는 전구에서 정전 및 점화를 포함하여 발생할 수 있습니다. 일부 실행 륜 플랫폼은 빛 센서가 장착되어 있지만 다른 조명 조건을 확인하지 않습니다.

    그림 1


    그림 1. Vitalview 하드웨어 구성은 각 혁명과 마이크로 스위치를 활성화하기 위해 설계되었습니다 쥐 실행 휠,로 시작합니다. 이 정보는 다음 QA4 모듈을 여행하고 DP24의 데이터 포트에 중계되고 마지막으로 Vitalview 시설이 완비 된 컴퓨터에 의해 기록됩니다. 컴퓨터가 매 10 분마다 채널에서 실행 륜 회전을 표현,이 데이터는 actogram 또는 periodogram로 나중에 볼 수 있습니다. 조명이 설정되는 방법에 따라, 그것들은 같은 Vitalview에 의해 원격하거나 제어 할 수 있습니다시설이 완비 된 컴퓨터 또는 전자 제품 가게에서 구입 한 벽 타이머에 의해.

    그림 2


    그림 2는 12 시간에 자리 잡은 남성 Wistar 쥐에 대한 대표 actograms 및 periodograms :. 12 시간 LD 사이클 (A) 지속적인 어둠 속에서 (B). actograms (왼쪽 열)가 조명 상단의 조건, X-축을 따라 실행 륜 활동 48 시간, 그리고 위에서 아래로 플롯 연속 일을 설명 두 번 꾸몄다. Periodograms (오른쪽 열)은 actograms에 도시 된 실행 휠 데이터를 스펙트럼 분석을 수행합니다. 그림 1A는 24 시간 LD주기에 따라 자리 잡고 된 쥐의 동작을 보여줍니다. 이러한 조건에서 쥐가 periodogram으로 정확한 24 시간 피크를 보여주는, 동시에 매일에 사용하실 수 있습니다. 그림 1b는 지속적으로 어둠에 자리 잡고 된 쥐의 동작을 보여줍니다. thes 아래 전자 조건은 쥐가 약간 나중에 따라서 rightward actogram에서 표류하고 periodogram에서 24.33 시간 피크 매일 활동했다.

    그림 3


    그림 3. 기간도 손으로 추정 할 수 있습니다. 첫 번째 작업의 일상 발병 (빨간색 선)에 따라 최적의 선을 그립니다. 다음 H / 일의 기울기를 계산, 리듬을

    그림 4

    다닐 "강한 : 유지 - together.within 페이지 ="항상 ">
    SCN의 그림 4. 전해 병변이 실행 륜 활동 arrhythmic 패턴을 생성합니다. "마스터"circadian 시계가 lesioned 되었기 때문에이 경우에는 쥐가 일정한 어둠 아래 자리 잡고 있으며되고, 쥐가 실행 륜 활동 내생 circadian 리듬을 표시하지 못합니다. 오른쪽에있는 periodogram은 circadian 범위에 상당한 리듬이없는 것을 확인합니다.

    그림 5


    그림 5. 조명 조건은 휠 활동을 실행의 패턴에 강력한 효과가 있습니다. 이 기록에서 쥐가 처음 레코드의 그늘진 부분에 의해 표시된대로, 일정한 어둠 (DD)에서 자리 잡고 있습니다. 이 conditi 아래에, circadian 시계는 periodogram (오른쪽 상단)로 표시 24.33 시간의 기간과 실행 륜 활동에 circadian 리듬을 조절합니다. actogram의 흰색 부분에 의해 표시된대로 다음, 쥐가 일정한 빛 (LL) 아래 자리 잡고 있습니다. 이 조건에서 내생 circadian 시계는 2~3주을 통해 점진적으로 중단되고, 같은 쥐 arrhythmic됩니다 periodogram (가운데 오른쪽)이 표시. 마지막으로, 일반 12 시간은 : 12 시간 LD 사이클은 복원되었으며 periodogram (오른쪽 하단)에 의해 그림과 같이 실행 륜 활동 리듬이 정확한 24 시간 리듬으로 복원되었습니다.

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    Discussion

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    실행 바퀴를 사용하여 매일 활동 리듬을 모니터링하는 것은 야행성 동물의 마스터 circadian 시계의 출력을 평가하기위한 가장 일반적으로 사용하고 신뢰할 수있는 방법입니다. 휠 - 실행 활동은, 그러나, 행동과 지속적으로 모니터링 할 수 있습니다 생리학의 여러 측면 중 하나입니다. 실행 륜 활동의 대부분은 밤에 발생하지만, 총 잠이 오지 않음의 30 % 이상이 낮 25,26 동안 발생합니다. 다른 끝점은 ​​일반적으로 활동, 식품 빈 접근 음주, 수면, 그리고 체온 등의 circadian 리듬을 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 따라서, 연구의 특성에 따라, 연구자가 동시에 여러 리듬을 기록 할 수 있습니다.

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    Disclosures

    관심 없음 충돌이 선언 없습니다.

    Acknowledgments

    저자는, 드 라 공들인 실내 santé 퀘벡 (FRSQ), 건강 연구의 캐나다 연구소 (CIHR), 자연 과학 및 캐나다의 공학 연구위원회 (NSERC) Fonds에서 급여 상, 장비 보조금, 운영 자금을 인정하고 싶습니다 그리고 Concordia는 대학 연​​구 의자 프로그램 (CRUC)뿐만 아니라, 박사 제인 스튜어트에서이 게이터 발진기 수면 단계 원고에 대한 의견.

    건강기능식품 관리 강화…유통판매업자도 이력추적관리 의무화

    식품의약품안전처는 이런 내용의 건강기능식품에 관한 법률 시행규칙 일부 개정안을 입법 예고하고 12월 24일까지 의견을 수렴하고서 공포 후 시행할 계획이라고 20일 밝혔다.

    개정안에 따르면 건강기능식품 이력추적관리 의무화 대상자가 연 매출액 1억원 이상의 품목을 유통, 판매하는 건강기능식품 유통판매업자로 확대된다.

    건강기능식품 제조에서 판매에 이르기까지 단계별로 식품정보를 기록, 관리해 안전관리에 활용할 수 있게 하기 위해서다.

    지금까지는 건강기능식품제조업자에 대해서만 이력추적관리시스템에 등록하도록 했기 때문에 중간 유통단계에서 안전관리의 사각지대가 발생한다는 지적이 많았다.

    이력추적관리제도는 식품의 생산가공에서 유통, 판매, 소비에 이르는 모든 단계에서 소비자가 식품의 이력 정보를 한눈에 파악할 수 있게 해서 식품안전사고 발생 때 유통차단, 회수·폐기 조치 등을 신속하게 할 수 있게 하는 시스템이다.

    건강·웰빙에 대한 관심이 높아지면서 건강기능식품에 대한 수요 증가와 함께 부작용 이상 사례도 늘고 있다.

    식품의약품안전처의 '건강기능식품 부작용 현황' 자료를 보면, 2016년부터 2018년 8월 현재까지 건강기능식품 부작용 등 이상 사례 신고 건수는 2천232건에 달했다.

    연도별로는 2016년 696건, 2017년 874건, 2018년 8월 현재 662건 등이었다.

    최근 3년간 건강기능식품 이상 사례 발생으로 신고된 업체는 총 216곳이었다.

    이 중에서 2회 이상 신고가 들어온 업체는 124곳으로 전체의 절반에 달하는 수치다.

    이들 건강기능식품 복용 후 주요 이상 증상 사례로는 메스꺼움이 463건으로 가장 많았다.

    이어 소화불량(456건), 설사(355건), 복통(340건) 등이었다.

    이외에 두통, 피부발진, 수면불안 등의 증상도 확인됐다.

    2017년 건강기능식품 판매규모는 2조2천374억원으로, 품목 수만 2만1천500개에 이른다.

    건강기능식품 관리 강화…유통판매업자도 이력추적관리 의무화

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    Consumer

    초록
    원격 모니터링을 위해 센서 노드로부터 데이터를 무선으로 전송하는 시스템에서 정확성, 효율성, 신뢰도가 중요한 경우, 이를 설계하는 데에는 상당한 어려움이 뒤따른다. 용액의 pH는 농업이나 의료 등 여러 산업 분야에서 흔히 고려해야 하는 측정 사항이다. 이 글의 주된 목표는 pH 유리 탐침을 평가함으로써 하드웨어와 소프트웨어 설계의 다양한 어려움을 해결해 보고, 무선 주파수 트랜시버 모듈을 사용하여 탐침으로부터 무선 데이터 전송의 해결책을 제시한다.

    개요
    이 글에서는 먼저 pH 탐침에 대해 설명하고, 설계시 프론트엔드 신호 조정 회로와 관련된 여러 문제점을 점검하고 데이터 변환 시 낮은 비용으로 높은 정밀도와 신뢰도를 제공하는 방법을 알아본다. 또한, 데이터 처리에서 정확도와 정밀도를 향상시키는 방법으로 최소자승법(least square method)를 사용해서 분산된 선정의 데이터(predefined data)의 근사값을 구한 뒤 이를 바탕으로 pH를 보정하는 일반다항적합(general polynomial fit) 같은 보정 방식에 대해서도 논한다. 이 글의 마지막에서는 무선 모니터링 시스템용 레퍼런스 회로 설계도 포함되어 있다.

    pH 탐침 이해하기
    pH 정의
    수용액은 산성, 알칼리성, 중성 정도로 분류될 수 있다. 화학에서 이는 pH라는 단위로 측정될 수 있다. 칼스버그 재단(Carlsberg Foundation)에 따르면 pH는 수소이온 농도(power of hydrogen)를 뜻한다. 이 수치는 로그값이며, 최소 1에서 최대 14까지의 값을 가진다. pH를 수식으로 나타내면 pH = –log(H + )와 같다. 따라서 수소이온 농도가 리터당 1.0 × 10 –2 몰이면, pH = –log(1.0 × 10 –2 )가 되어서 2가 된다. 증류수 같은 수용액은 pH가 7이며, 이는 중성에 해당된다. pH가 7보다 낮은 용액은 산성, 7보다 높은 용액은 알칼리성을 띤다. 로그값은 용액의 산성 정도를 특정 기준에 비교해 알려준다. 예를들면, pH가 5인 용액은 pH가 6인 용액보다 산성도가 10배 높으며, pH가 8인 용액보다는 1,000배 높다.

    pH 지시약
    수용액의 pH를 측정하는 방법에는 여러가지가 있다. 측정을 위해 리트머스 종이나 유리 탐침을 사용할 수 있다.

    리트머스 지시약
    리트머스 지시약은 보통 pH를 표시하는 역할을 하는 지의류에서 추출한 염료로 만들어진다. 지시약이 용액에 닿으면 화학 반응으로 인해 특정 pH 농도를 나타내는 색으로 변한다. 리트머스 지시약은 기본적으로 두 가지 방식으로 사용할 수 있다. 첫 번째는 이미 pH를 알고 있는 기준 색과 완충액을 사용해 테스트 용액에 첨가한 리트머스 지시약의 색을 서로 비교하는 것이다. 또 다른 방법은 지시약을 침투시킨 pH 시험지를 준비해서 이를 테스트 용액에 담근 뒤 나타난 색을 기준 색과 비교하는 것이다. 두 가지 모두 쉽게 해 볼 수 있는 방법이지만, 테스트 용액의 온도나 외부 물질에 따라 오차가 발생하기 쉽다.

    pH 유리 탐침
    pH를 확인하는 데 가장 흔히 사용되는 것은 pH 탐침이다. 탐침은 전극과 기준 전극을 측정하는 유리로 이루어져 있다. 대표적으로 사용되는 유리 탐침은 염화수소(HCl) 용액을 감싸고 있는 얇은 유리막으로 이루어져 있다. 막 안에는 염화은(AgCl)으로 덮인 은 전선이 들어 있는데, 이 전선은 HCl 용액과 연결되는 기준 전극 역할을 한다. 유리막 밖의 수소이온은 유리막을 통과해 확산된 뒤 대부분의 유리에 보통 포함되어 있는 나트륨이온(Na + )을 내보내고, 그 자리를 차지한다. 이러한 양이온은 감지가 힘들며, 대부분이 막을 기준으로 농도가 낮은 쪽의 유리 표면에 흡착된다. Na + 로부터 전하가 과하게 생기면 센서의 출력부에 전위(전압)을 발생시킨다.
    탐침은 배터리와 원리가 비슷하다. 탐침을 용액에 넣으면 측정용 전극에서 용액의 수소이온 활동도(hydrogen activity)에 따라 전압이 생성되는데, 이 전압과 기준 전극의 전위와의 비교가 이루어진다. 용액의 산성도가 높아지면(pH 값이 낮아지면) 유리 전극의 전위가 기준 전극보다 양의 방향으로 증가(+mV)하고, 용액의 염기도가 증가하면(pH 값이 높아지면) 유리 전극의 전위가 기준 전극보다 음의 방향으로 증가한다(−mV). 이들 두 전극 사이의 전위차를 측정 전위라고 한다. 일반적인 pH 탐침은 이상적인 조건에서 25°C일 때 59.154mV/pH를 발생시킨다. 이는 보통 아래의 네른스트식(Nernst Equation)으로 나타낼 수 있다.

    E = 산성도를 모르는 수소이온의 전압
    a = ±30mV, 영점 오차
    T = 25°C, 주위 온도
    n = 25°C일 때 1, 원자가(이온전하 수)
    F = 96485C/mol, 패러데이 상수
    R = 8.314J/mol?K, 아보가드로 수
    pH = 모르는 용액의 수소이온 농도
    pHISO = 7, 기준 수소이온 농도

    이 식은 생성된 전압의 크기가 용액의 산성도나 염기도에 좌우되며, 여기에 해당되는 것 중 하나가 수소이온의 농도다. 용액의 온도가 변하면 수소이온의 농도도 변한다. 용액의 온도가 올라가면 수소이온이 더 빨리 움직이며, 그 결과 두 전극 사이의 위상 차가 커진다. 또한, 용액의 온도가 내려가면 수소이온 농도가 낮아져서 위상 차가 감소한다. 이상적인 조건에서 전극은 pH 값이 7인 완충액에 담갔을 때 0V의 전위를 생산하도록 설계된다.
    다음의 표에서는 대표적인 pH 탐침의 사양을 확인할 수 있다.

    표 1. pH 유리 탐침의 기본적인 사양

    측정 범위 pH 0~pH 14
    0V에서 pH pH 7.00 ±0.25
    정확도 20°C~25°C의 온도 범위에서 pH 0.05
    해상도 pH 0.010.1mV
    작동 온도 최대 80°C
    반응 시간 최종 값의 95%에 대해 1초 이하

    pH 탐침은 이 연구에서 중요한 역할을 게이터 발진기 수면 단계 하는데, 데이터 신뢰도가 센서의 정확도와 안정성에 좌우되기 때문이다. pH 탐침을 선택할 때 고려해야 할 중요한 두 가지 요인은 완충액에서 온도 변화 후의 안정화 시간과 pH 변화 후의 안정화 시간이다. 그 예로 들 수 있는 것이 젠웨이(Jenway)의 애플리케이션 노트인 ‘젠웨이 성능 pH 전극의 평가’ 1 에서 얻은 데이터다. 데이터시트에서는 주어진 테스트 환경에서 온도 변화 후의 안정화를 테스트하여 젠웨이 탐침의 성능을 보여준다. 테스트에서는 20°C, pH 7인 용액과 60°C, pH 4인 완충액을 비교했으며, 각 전극은 200rpm의 속도로 젓고 있는 pH 7의 완충액에서 안정화되도록 두었다. 안정화된 전극은 탈염수로 씻어낸 뒤 pH 4의 완충액 부분 표본으로 옮겨 4분 간 두었다. 그런 다음 전극을 다시 탈염수로 씻어서 pH 7 완충액으로 다시 옮겼다. 그 뒤 10초간 안정된 상태로 유지될 때까지 걸리는 시간을 측정헸다. 테스트는 각 탐침마다 세 번씩 반복했다.

    표 2. 완충액 온도를 바꾸었을 때의 안정화 시간

    범용 pH 탐침 젠웨이(35xx 시리즈 pH 탐침)
    1 77 36
    2 77 33
    3 49 34
    평균 67.6667 34.3333

    표 3. 완충액 pH를 바꾸었을 때의 안정화 시간
    범용 pH 탐침 젠웨이(35xx 시리즈 pH 탐침)
    1 29 21
    2 31 26
    3 38 21
    평균 32.6667 22.6667

    젠웨이의 성능은 범용 pH 탐침과 비교했을 때 위에서 말한 조건에서 반응 시간이 50% 더 빨랐다. 이와 같은 기기를 사용하면 높은 샘플 처리율 덕분에 데이터 분석에 필요한 시간을 크게 줄일 수 있다는 장점이 있다.

    센서 아날로그 신호 조정 회로
    적절한 신호 조정 회로를 만들기 위해서는 센서의 등가 전기 다이어그램을 이해하는 것이 중요하다. 앞에서 설명했듯이, pH 탐침은 최소 1MΩ에서 최대 1GΩ에 이를 수 있는 높은 저항을 생성하는 유리로 이루어져 있으며, 그림 1과 같이 pH 전원과 직렬로 연결되어 있을 때 저항의 역할을 한다.

    회로(특히 측정 전극의 유리막)에 사용된 각 부품의 높은 저항을 통과하는 회로의 전류는 그 크기가 아무리 작다고 해도 저항에 상대적으로 높은 전압 강하를 발생시켜, 계측기에서 측정되는 전압의 크기를 크게 줄인다. 설상가상으로 측정 전압에 의해 발생한 전압차가 밀리볼트(mV) 수준으로 아주 작다(이상적인 조건일 경우 실온에서 pH 단위당 59.16mV). 이런 작업에 사용되는 계측기는 감도가 아주 뛰어나고 입력 저항이 매우 높아야 한다.

    아날로그-디지털 변환
    이러한 유형의 애플리케이션의 경우 센서의 반응 시간을 고려하면 데이터 수집을 위한 샘플링율이 문제가 된다. 주어진 센서의 해상도가 0.001V rms이고 ADC 풀스케일 전압 범위가 1V라고 할 때, 효과적인 9.96 비트의 해상도를 얻기 위해 고해상도 ADC를 사용할 필요는 없다. 잡음 없는 해상도는 다음의 식과 같이 비트의 단위로 정의된다. 무잡음 해상도 = log2 [풀스케일 입력 전압 범위/센서의 피크간 전압 출력 잡음]. ADC의 샘플링률은 전력 소비와 직결되어 있기 때문에 저전력 애플리케이션에서는 중요한 요인이 될 수 있다. 따라서 센서의 반응 시간을 고려했을 때, 일반적인 ADC 샘플링률은 최소 처리율로 설정될 수 있다. 부품 수를 줄이기 위해서는 ADC가 통합된 마이크로컨트롤러를 사용할 수도 있다.

    • 동작주파수
    • 최대 거리 범위
    • 데이터율
    • 라이선싱

    최대 거리 범위
    서브-1 GHz 주파수는 높은 전력을 수용할 수 있고 도달 거리가 25km 이상인 장거리 성능을 제공한다. 이러한 주파수는 단순한 점대점이나 스타 토폴로지에서 사용될 경우 효과적으로 벽이나 다른 장애물을 통과할 수 있다.

    데이터율
    데이터율 또한 전송 거리 성능과 트랜시버의 전력 소비에 영향을 미치기 때문에 미리 정해 두어야 한다. 데이터율이 높아지면 전력 소비가 낮으며 단거리 전송에 사용할 수 있고, 데이터율이 낮으면 전력 소비가 높으며 장거리 전송에 사용될 수 있다. 데이터율을 높이면 짧은 시간 동안 일시적인 전류만 사용하기 때문에 전력 소비 성능을 향상시키는 좋은 방법이 될 수 있지만, 이 역시 무선 도달 거리를 단축시킨다.

    트랜시버 소비 전력
    트랜시버의 소비 전력은 배터리로 구동되는 애플리케이션에서 중요하게 고려해야 할 요건이다. 이는 또한 데이터율과 거리 범위를 결정하기 때문에 여러 무선 애플리케이션에서 고려되어야 하는 요소이다. 트랜시버에는 두 가지 전력 증폭기(PA) 옵션이 제공되므로 다양하게 활용할 수 있다. 싱글 엔드 PA는 최대 13dBm의 RF 전력을 출력하며, 차동 PA는 최대 10dBm의 전력을 출력할 수 있다. 설명을 위해 표 4에서 일부 PA의 출력 전력 vs. 트랜시버 IDD의 전류 소비를 간단히 정리했다. 완성도를 높이기 위해, 수신 모드일 때의 전류 소비도 표시했다.

    마이크로컨트롤러
    그림 2에서 보는 것처럼 RF 시스템의 핵심은 프로세서 유닛, 다시 말해 마이크로컨트롤러(MCU)다. 마이크로컨트롤러는 데이터를 처리하고, RF 전송을 위한 트랜시버와 센서 측정을 위한 pH 레퍼런스 설계(RD) 보드에 접속된 소프트웨어 스택을 실행시킨다.

    • 주변장치
    • 메모리
    • 처리 능력
    • 소비 전력

    메모리
    마이크로컨트롤러는 프로토콜 처리와 센서 접속이 일어나는 곳이므로 충분한 양의 메모리가 필요하다. 플래시와 RAM 메모리는 모두 마이크로컨트롤러에서 아주 중요한 부품이다. 해당 시스템에서는 메모리 공간이 부족하지 않도록 128kB의 메모리가 사용되었다. 이 정도의 메모리가 있으면 애플리케이션과 소프트웨어 알고리즘이 매끄럽게 실행될 수 있으며, 이후 시스템을 업그레이드하거나 기능을 추가할 수 있는 공간의 여유가 있기 때문에, 이로 인해 이후에 시스템에 문제가 발생하는 일을 막을 수 있다.

    아키텍처와 처리 능력
    마이크로프로세서는 복잡한 계산과 처리가 가능할 정도의 속도를 갖추어야 한다. 해당 시스템은 32비트 마이크로컨트롤러를 사용한다. 비트 수가 낮은 프로세서로 성능이 충분할 수도 있지만, 이 시스템은 향후 애플리케이션과 알고리즘 사양이 높아질 것을 대비하여 32비트를 사용하기로 한다.

    마이크로프로세서의 소비 전력
    마이크로컨트롤러의 소비 전력은 매우 낮아야 한다. 배터리로 구동되는 애플리케이션의 경우 A/S 없이도 여러 해 동안 작동할 수 있어야 하기 대문에 전력은 이러한 애플리케이션에서 중요한 문제다.

    기타 시스템 고려사항
    오류 검사
    통신 프로세서는 송신 모드의 페이로드에 CRC를 추가한 뒤 수신 모드에서 CRC를 검출한다. 16비트 CRC가 추가된 페이로드 데이터는 맨체스터(Manchester) 방식을 사용해서 인코딩/디코딩할 수 있다.

    비용
    시스템은 최소의 부품 개수와 보드 크기에서도 작동되어야 한다. 비용이 중요한 요건 중 하나가 될 때 흔히 부품 개수와 보드 크기가 비용을 좌우하기 때문이다. 개별 부품을 사용하는 대신 MCU와 무선 장치로 구성된 통합 솔루션을 사용할지 여부를 반드시 고려해 보아야 한다. 통합 솔루션을 사용하면 설계 시 무선과 MCU의 상호 연결로 인한 어려움을 겪을 필요하지 않아 더 단순한 보드 설계, 수월한 설계 과정이 가능해지며, 결합용 전선의 길이도 짧아져서 간섭으로 인한 취약성이 줄어든다. ARM® Cortex® M 기반 MCU와 무선 트랜시버를 결합한 단일 칩들을 사용하면 보드 부품 수와 전체 비용이 줄어들고 보드 레이아웃이 단순해진다.

    보정
    높은 정확성을 달성하기 위한 열쇠 중 하나는 보정 루틴을 실행시키는 것이다. 네른스트식에서 설명한 pH 용액의 특징은 온도에 따라 pH가 크게 달라진다는 것이다. 센서 탐침은 모든 온도 수준에서 같다고 간주되는 일정한 오프셋 값을 줄 뿐이다. 온도에 따라 값이 크게 달라지기 때문에 용액 온도를 측정하는 센서가 이 시스템에 필요하다.

    • 1단계: 첫 번째 완충액으로부터 빼 낸 전극 장치를 탈염수나 증류수로 씻어낸 뒤 온도 센서가 부착된 해당 pH 탐침을 두 번째 완충액에 담근다.
    • 2단계: 1단계를 반복하되, 두 번째 완충액이 아닌 세 번째 완충액을 사용한다.
    • 3단계: 선택한 완충액을 사용해 측정한 값으로부터 식을 구한다.


    근사값의 최소제곱법은 2차 비선형 방정식 등 더 높은 수준으로 확장될 수 있다. 2차 일반방정식은 pHx = a + b × Vmx + c × Vmx2의 형태로 표현된다. a, b, c의 값은 다음과 같이 계산할 수 있다.


    이러한 방정식 체계는 치환, 소거, 또는 매트릭스법을 통해 주어진 미지수 a, b, c의 값을 구하는 데 사용될 수 있다.

    하드웨어 설계 솔루션
    버퍼 증폭기
    주어진 조건에서, 이러한 높은 소스 저항으로부터 회로를 절연하기 위해 고임피던스 입력과 초저입력 바이어스 전류를 지원하는 버퍼 증폭기가 필요하다. AD8603 저잡음 연산 증폭기는 이러한 애플리케이션에서 버퍼 증폭기로 사용될 수 있다. AD8603의 낮은 입력 전류는 전극 저항을 통과해 흐르는 바이어스 저항으로 인해 발생하는 전압 오차를 최소화해 준다. 입력 전류가 200fA(typ)일 때, 25°C에서 1GΩ의 직렬 저항을 가지는 pH 탐침에 대해 오프셋 오차는 0.2mV(0.0037pH)가 된다. 1pA의 최소 입력 바이어스 전류일 때에도 오차는 1mV에 불과하다. 필요하지 않더라도, 보호, 차폐, 고절연 저항 스탠드오프 및 기타 표준 피코암페어 방식을 사용해서 선택한 버퍼의 고임피던스 입력에서의 누설을 최소화할 수 있다.

    아나로그-디지털 변환기
    저전력 ADC는 이러한 애플리케이션에 가장 알맞은 변환기일 수 있다. 이를 구현하는 데에는 AD7792와 정밀 측정 애플리케이션 용 16비트 Σ-Δ ADC가 필요하다. 저전력 ADC은 저잡음 3채널 입력이 가능하다. 잡음 수준은 업데이트율이 4.17Hz일 때 40nV rms에 불과하다. 2.7V~5.25V의 전원 장치로 구동되며 소비 전류는 400μA(typ)이다. 16리드 TSSOP 패키지로 제공된다. 추가 기능으로 내부 대역 갭 래퍼런스, 4ppm/°C 드리프트(typ), 1μA의 최대 대기 모드 소비 전력, 내부 클록 발진기가 제공되어 부품 개수와 PCB 공간을 절약할 수 있다.

    • 280nA: 대기 모드, 수면 상태
    • 1.9μA: 대기 모드, 프로세서 메모리와 RF 트랜시버 메모리 유지
    • 210μA/MHz: Cortex-M3 프로세서 작동 모드
    • 12.8mA: RF 트랜시버 수신 모드, Cortex-M3 프로세서 대기 모드
    • 9mA~32mA: RF 트랜시버 전송 모드, Cortex-M3 프로세서 대기 모드

    결론
    이 글에서는 pH 무선 센서 모니터링 장치를 설계할 때 발생하는 여러 어려움과 그 해결책을 제시했다. ADI의 데이터 수집 제품이 상기 명시한 것과 같은 pH 측정 시 발생하는 여러 문제들을 해결하는 데 사용될 수 있다는 점은 이미 잘 알려져 있다. AD8603 연산 증폭기나 이와 동급의 높은 입력 임피던스를 지원하는 ADI 증폭기는 센서의 높은 출력 임피던스를 처리하고 그로 인해 시스템 부하를 방지할 충분한 보호를 제공하는 데 사용될 수 있다. ADuCRF101 데이터 수집 시스템 IC는 RF 데이터 전송을 위한 완벽한 해결책을 제공할 수 있다. 데이터 수집의 정확성은 정밀 증폭기와 ADC를 사용해서 하드웨어적으로 구현할 수도 있지만, 여러 곡선 맞춤 방식 같은 일반 방정식을 구하는 수학적 통계를 사용하여 보정함으로써 소프트웨어적으로 구현할 수도 있다.


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