체임피던스 방법을 이용한 PDA 기반의 휴대용 체지방 측정 및 진단 시스템 개발 Development of the PDA Based Mobile System for Body Fat Measurement and Diagnosis Using Bioelectrical Impedance Method원문보기
최근 건강에 대한 관심이 증가함에 따라 많은 사람들은 일상생활 중 언제 어디서나 체지방과 같은 자신의 건강 상태를 지속적으로 확인하고 싶어한다. PDA(Personal Digital Assistance, 개인 휴대용 단말기)는 휴대용 무선 장치의 특성으로 인해 그 수요가 점점 증가하고 있으며 휴대용 계측 시스템으로의 응용이 가능하다. 본 연구에서는 PDA 크래들 형태의 측정 모듈 및 WindowCE 운영 체제를 사용하는 소프트웨어 모듈로 구성된 PDA 기반 체지방 측정 시스템을 제작하였다. 또한 20∼32세 사이의 63명의(남 53, 여 10) 건강한 피검사를 대상으로 임상 실험을 통해 제지방량 산출 선형 회귀식을 도출하였다 (제지방량(kg) : 0.0005*신장$^2$ - 0.016*인피던스 + 0.3920*체중 - 0.0684*나이 - 5.8141*성별 + 25.984). 체지방 측정에 있어 본 연구에서 제작된 기기와 기존의 시판 중인 bionet사의 HTM1000plus (KFDA 승인) 기기와의 강호 상관 계수는 0.928로써 체지방 측정에 있어 본 기기의 신뢰성을 간접적으로 나타내었다. 이와 같은 결과는 본 연구에서 제작된 기기가 PDA 크래들 형태의 소형화 된 시스템임에도 우수한 성능을 보임을 알 수 있었다.
최근 건강에 대한 관심이 증가함에 따라 많은 사람들은 일상생활 중 언제 어디서나 체지방과 같은 자신의 건강 상태를 지속적으로 확인하고 싶어한다. PDA(Personal Digital Assistance, 개인 휴대용 단말기)는 휴대용 무선 장치의 특성으로 인해 그 수요가 점점 증가하고 있으며 휴대용 계측 시스템으로의 응용이 가능하다. 본 연구에서는 PDA 크래들 형태의 측정 모듈 및 WindowCE 운영 체제를 사용하는 소프트웨어 모듈로 구성된 PDA 기반 체지방 측정 시스템을 제작하였다. 또한 20∼32세 사이의 63명의(남 53, 여 10) 건강한 피검사를 대상으로 임상 실험을 통해 제지방량 산출 선형 회귀식을 도출하였다 (제지방량(kg) : 0.0005*신장$^2$ - 0.016*인피던스 + 0.3920*체중 - 0.0684*나이 - 5.8141*성별 + 25.984). 체지방 측정에 있어 본 연구에서 제작된 기기와 기존의 시판 중인 bionet사의 HTM1000plus (KFDA 승인) 기기와의 강호 상관 계수는 0.928로써 체지방 측정에 있어 본 기기의 신뢰성을 간접적으로 나타내었다. 이와 같은 결과는 본 연구에서 제작된 기기가 PDA 크래들 형태의 소형화 된 시스템임에도 우수한 성능을 보임을 알 수 있었다.
Recently, many people want to know their state of health, such as a body fat rate, anywhere and anytime. The Personal Digital Assistance(PDA) is the portable wireless apparatus that has become widely popular. There are many application areas of the IDA to be in mobile care devices. In this study, we...
Recently, many people want to know their state of health, such as a body fat rate, anywhere and anytime. The Personal Digital Assistance(PDA) is the portable wireless apparatus that has become widely popular. There are many application areas of the IDA to be in mobile care devices. In this study, we developed the PDA based body fat measurement system, composed of a cradle type measurement module and a WindowCE operated software module, a regression equation for predicting lean body mass (LBM). Sixty-three weight-stable subjects (53 men, 10 women) aged 20∼32yr participated in this study. A regression model, LBM = (0.0005*Height2 - 0.0160*Impedance + 0.3920*Weight - 0.0684*Age - 5.8141*Sex + 25.984, was found. The correlation coefficient( r) of body fat rate between developed system and HTM1000plus(BionetTM) was 0.928. HTM1000plus is a commercially available and approved by KFDA. These results indicated that developed system is reliable for estimation of body fat rate. Although developed system is the PDA based miniaturized, it shows good performance comparing with other commercial product.
Recently, many people want to know their state of health, such as a body fat rate, anywhere and anytime. The Personal Digital Assistance(PDA) is the portable wireless apparatus that has become widely popular. There are many application areas of the IDA to be in mobile care devices. In this study, we developed the PDA based body fat measurement system, composed of a cradle type measurement module and a WindowCE operated software module, a regression equation for predicting lean body mass (LBM). Sixty-three weight-stable subjects (53 men, 10 women) aged 20∼32yr participated in this study. A regression model, LBM = (0.0005*Height2 - 0.0160*Impedance + 0.3920*Weight - 0.0684*Age - 5.8141*Sex + 25.984, was found. The correlation coefficient( r) of body fat rate between developed system and HTM1000plus(BionetTM) was 0.928. HTM1000plus is a commercially available and approved by KFDA. These results indicated that developed system is reliable for estimation of body fat rate. Although developed system is the PDA based miniaturized, it shows good performance comparing with other commercial product.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
것이다. 그리고 KFDA(Korea Food & Drug Administration) 승인을 받아 시중에 시판되고 있는 HTMlOOOplus (Bionet사) 기기에서 측정한 제지방 값과 본 시스템에서 측정한 생체임피던스 값을 이용하여 제지방량을 구하는 회귀식을 도출하고, 각각의 기기에서 측정된 체지방률 사이의 관계 계수를 구하여 본 시스템의 신뢰성을 나타내고자 한다.
따라서 본 연구의 목적은 PDA와 결합 가능한 PDA 크래들 형태의 체지방 측정 모듈을 개발하고 PDA와 연동되는 전체적인 시스템 운영 소프트웨어를 개발하는 것이다. 그리고 KFDA(Korea Food & Drug Administration) 승인을 받아 시중에 시판되고 있는 HTMlOOOplus (Bionet사) 기기에서 측정한 제지방 값과 본 시스템에서 측정한 생체임피던스 값을 이용하여 제지방량을 구하는 회귀식을 도출하고, 각각의 기기에서 측정된 체지방률 사이의 관계 계수를 구하여 본 시스템의 신뢰성을 나타내고자 한다.
요한다. 이에 본 연구에서는 수중 체밀도법을 사용하여 제작된 bionet사의 HTMIOOOplus 기기의 데이터를 기반으로 회귀식을 제작하여 비교하였다.
가설 설정
임피던스 방법을 이용한 체지방 측정에 있어 부분 4 전극 임피던스 법은 신체의 일부분에서 임피던스를 측정하여 몸 전체의 체지방률을 산출해내는 방법으로써 상체 비만형과 하체 비만형에 대해 오차가 생기는 경우가 있지만, 신체가 고른 체지방의 분포로 구성되어 있다는 가정을 전제로 하였다.
제안 방법
[그림 3]에서 볼 수 있듯이 타겟 보드에 내장된 300 Q 및 1200Q 기준 저항 값과 생체 임피던스 값을 12bits A/D 변환 후 전송된 데이터를 LabView 인터페이스 상에서 확인 할 수 있었다. PDA에 전송되는 임피던스 데이터는 20번의 샘플링 값 중에서 5번째부터 14번째까지의 데이터를 평균한 값이므로 측정 초기와 후기에서 발생할 수 있는 측정 오차를 제거해 주었다. 측정 시 피검자의 전극에 대한 접촉이 떨어지거나(Open Current), 잘못 측정되었을경우 PDA에 에러 코드를 전송하여 재 측정 할 수 있도록 하였다.
소프트웨어 GUI는 사용자가 쉽게 사용할 수 있도록 버튼 형태로 제작하였다. [그림 4]에서 보는 바와 같이 메인 창에서 피검자의 기본정보(성명, 성별, 키, 체중, 나이)를 입력받아 텍스트 파일 (피검자 성명.TXT)로 데이터베이스화하였고, 매 측정 시마다 측정 일자, 측정 시간, 결과 값을 저장하여 체지방의 난짜별 변화를 쉽게 확인할 수 있게 하였다. 측정 모듈과 연동하는 운영 소프트웨어의 개요도는 [그림 5]에 도시하였다.
측정 모듈과의 통신을 위한 통신 프로토콜 초기화를 비롯하여 측정 모듈로부터 전달된 생체 임피던스 데이터의 수신, 분석 작업을 한다. 그리고 측정 전에 저장된 사용자 정보와 임피 던스 정보를 제지방 산출 회귀 식에 대 입하여 제 지방 및 체지방률에 대한 진단 및 결과를 GUI를 통해 보여준다. 체지방률에 따른 비만 진단 가이드의 적용에 있어 정확한 기준이 없는 실정이므로, 임피던스 방법을 이용한 체지방 기기에서 일반적으로 사용되는 비만 진단 기준을 사용하였다[표 1].
측정 시 피검자의 전극에 대한 접촉이 떨어지거나(Open Current), 잘못 측정되었을경우 PDA에 에러 코드를 전송하여 재 측정 할 수 있도록 하였다. 또한, 보정 회로(calibration circuit)를 통하여 매 측정 시 마다 300Q과 1.20의 기준 저항(reference resistors)을 측정한 후 생체 임피던스를 측정함으로서 온도와 습도 등 주변 환경에 따른 측정 오차를 최소화 하였다.
[그림 2]와 같다. 마이크로 컨트롤러를 통하여 A/D 변환부 및 I/O 포트, 50kHz 정현파 발생부, RS-232C 직렬통신을 제어하여 PDA에서 전송되는 명령에 정확히 동작하도록 구성하였다. 모듈의 전원은 PDA의 4.
본 시스템에서 운영되는 소프트웨어는 WindowsCES.O 운영체제를 사용하는 iPAQ H3600(Compaq사) PDA를 기반으로, MicrosoftTM의 eMbedded Visual C++3.0을 사용하여 개발하였다. 프로그램의 구성은 Dialog 기반으로 작성을 하였고, 각각의 Dialog는 메모리의 점유 및 해제가 유연한 Modaless Dialog를 사용하였다.
본 연구에서 체지방 측정을 위해 개발한 시스템은 휴대용 계측기기에 중점을 두어 PDA 크래들 형태의 일체형으로 제작 되었다[그림 1] 또한 최대한 안정적이고 정밀한 측정을 위하여 각 부품 사양 검토 및 최적 동작에 관한 연구를 선행하였으며 휴대용 시스템에 적합하도록 회로 설계 시부터 최적화된 부품 배치 및 저 전력소비에 중점을 두었다.
예를 들어 많은 수분을 포함하고 있는 근육이나 혈액과 같은 성분들은 높은 전도성을 보이는 반면 지방이나 뼈, 폐 등과 같이 수분을 거의 포함하고 있지 않은 성분들의 전도성은 상당히 낮다. 이와 같은 인체 성분의 특성을 이용하여 인체 내로 약한 교류전류를 흘려주고 인체 임피던스를 측정한다. 본 연구에서 체지방 측정에 사용하고자 한 체지방 측정 방법은 부분 4전극 임피던스 법으로써, 체지방 측정에 있어 98%이상의 신뢰성이 있으며 가장 많이 사용되는 방법이다.
지시하였다. 전극의 위치는 HTM1000plus의 경우 양손 엄지와 검지에 전극이 부착될 수 있게 기기의 양 측면에 전극이 배치되어 있고, 본 시스템의 경우 모듈을 파지했을 때 쉽고 정확하게 측정할 수 있도록 기기의 하단 상면과 양 측면에 배치하여 왼쪽 손바닥 양 측면과 오른손 중지와 검지가 부착될 수 있도록 하였다[그림 6], 또한 측정 시 전극에 접촉되어 있는 양 손이 서로 붙지 않고 떨어져 있도록 유의하였다. 측정 횟수는 각각의 기기에서 총 3 번씩 실시하여 각각의 데이터의 평균값을 산출하였다.
대부분의 단일 주파수 생체 임피던스 측정기 (single frequency BIA)는 측정 주파수로써 50kHz를 사용하는데 이는 인체에 해가 없는 안정성을 고려하였을 뿐만 아니라 근육 조즈} (muscle tissue) 의 평균 특정 주파수 (mean characteristic frequency)를 나타내기 때문이다[13, 14]. 제작된 타겟 보드의 검증 및 예비 실험을 위하여 National instrumen 사의 Lab VIEW 프로그램을 제작하여 PC(personal computer)와의 RS232C 인터페이스를 구현하였다. [그림 3]에서 볼 수 있듯이 타겟 보드에 내장된 300 Q 및 1200Q 기준 저항 값과 생체 임피던스 값을 12bits A/D 변환 후 전송된 데이터를 LabView 인터페이스 상에서 확인 할 수 있었다.
체지방 측정 방법은 피검자가 편안히 앉아 양팔을 편 상태에서 체지방 측정 모듈의 4전극에 정확히 접촉할 수 있도록 지시하였다. 전극의 위치는 HTM1000plus의 경우 양손 엄지와 검지에 전극이 부착될 수 있게 기기의 양 측면에 전극이 배치되어 있고, 본 시스템의 경우 모듈을 파지했을 때 쉽고 정확하게 측정할 수 있도록 기기의 하단 상면과 양 측면에 배치하여 왼쪽 손바닥 양 측면과 오른손 중지와 검지가 부착될 수 있도록 하였다[그림 6], 또한 측정 시 전극에 접촉되어 있는 양 손이 서로 붙지 않고 떨어져 있도록 유의하였다.
측정 모듈과 연동하는 운영 소프트웨어의 개요도는 [그림 5]에 도시하였다. 측정 모듈과의 통신을 위한 통신 프로토콜 초기화를 비롯하여 측정 모듈로부터 전달된 생체 임피던스 데이터의 수신, 분석 작업을 한다. 그리고 측정 전에 저장된 사용자 정보와 임피 던스 정보를 제지방 산출 회귀 식에 대 입하여 제 지방 및 체지방률에 대한 진단 및 결과를 GUI를 통해 보여준다.
나누어진다. 측정 모듈은 PDA 크래들 형태로 제작이 되었고, 소프트웨어는 WindowCE3.0 운영 체제를 사용하는 PDA 에 eMbedded Visual C++3.0을 사용하여 개발하였다.
PDA에 전송되는 임피던스 데이터는 20번의 샘플링 값 중에서 5번째부터 14번째까지의 데이터를 평균한 값이므로 측정 초기와 후기에서 발생할 수 있는 측정 오차를 제거해 주었다. 측정 시 피검자의 전극에 대한 접촉이 떨어지거나(Open Current), 잘못 측정되었을경우 PDA에 에러 코드를 전송하여 재 측정 할 수 있도록 하였다. 또한, 보정 회로(calibration circuit)를 통하여 매 측정 시 마다 300Q과 1.
전극의 위치는 HTM1000plus의 경우 양손 엄지와 검지에 전극이 부착될 수 있게 기기의 양 측면에 전극이 배치되어 있고, 본 시스템의 경우 모듈을 파지했을 때 쉽고 정확하게 측정할 수 있도록 기기의 하단 상면과 양 측면에 배치하여 왼쪽 손바닥 양 측면과 오른손 중지와 검지가 부착될 수 있도록 하였다[그림 6], 또한 측정 시 전극에 접촉되어 있는 양 손이 서로 붙지 않고 떨어져 있도록 유의하였다. 측정 횟수는 각각의 기기에서 총 3 번씩 실시하여 각각의 데이터의 평균값을 산출하였다.
대상 데이터
체지방 측정 모듈에 사용된 마이크로 컨트롤러는 ATMEL사의 ATmegal63을 사용하였고 전체 블록 다이어그램은 [그림 2]와 같다. 마이크로 컨트롤러를 통하여 A/D 변환부 및 I/O 포트, 50kHz 정현파 발생부, RS-232C 직렬통신을 제어하여 PDA에서 전송되는 명령에 정확히 동작하도록 구성하였다.
한양대학교 의공학교실 및 의과대학 학생들 중 실험에 참가하고자 하는 20세에서 32세 사이의 남자 53명과 여자 10명을 대상으로 실험하였다. 이들의 신체적 득성은 표 2 에 나타내었다.
데이터처리
(A) 와 (B) 로 표기된 측정값은 각각 HTMlOOOplus 기기와 본 연구에서 제작된 기기에서 측정된 데이터를 나타낸다. 본 연구에서 제작된 기기의 제지방산출을 위한 회귀식은 피검자의 신장 및 체중, 나이, 성별 등 기본 정보와 함께 측정된 임피던스를 변수로 하여, HTMlOOOplus 기기에서 측정된 제지방량 데이터와의 선형 회귀분석을 통하여 식⑴과 같은 관계식을 얻을 수 있었다.
이론/모형
2V 자체 전원을 DC-to-DC 변환기에 의해 5V로 승압하여 사용하였다. 체지방 측정은 4개의 전극을 통하여 전류 변환부의 정 전류 원(Q1)에서 피검자의 신체로 50kHz, 300μA의 전류를 흘려주고 전압 측정부(Q2)에서 측정되는 전압을 받아들여 옴의 법칙(Ohm's law)에 의해 생체 임피던스 값을 산출한다. 대부분의 단일 주파수 생체 임피던스 측정기 (single frequency BIA)는 측정 주파수로써 50kHz를 사용하는데 이는 인체에 해가 없는 안정성을 고려하였을 뿐만 아니라 근육 조즈} (muscle tissue) 의 평균 특정 주파수 (mean characteristic frequency)를 나타내기 때문이다[13, 14].
그리고 측정 전에 저장된 사용자 정보와 임피 던스 정보를 제지방 산출 회귀 식에 대 입하여 제 지방 및 체지방률에 대한 진단 및 결과를 GUI를 통해 보여준다. 체지방률에 따른 비만 진단 가이드의 적용에 있어 정확한 기준이 없는 실정이므로, 임피던스 방법을 이용한 체지방 기기에서 일반적으로 사용되는 비만 진단 기준을 사용하였다[표 1].
0을 사용하여 개발하였다. 프로그램의 구성은 Dialog 기반으로 작성을 하였고, 각각의 Dialog는 메모리의 점유 및 해제가 유연한 Modaless Dialog를 사용하였다. 이는 비교적 작은 메모리 공간(64MB)을 가지고 있는 PDA에서 최적의 프로그래밍 방법이라 생각하고 결정하였다.
성능/효과
본 연구에서 제지방량을 추정하는데 여러 예측 인자들 가운데 체중과 임피던스, 신장의 제곱 항이 가장 중요한 인자임을 확인했다. 이 인자들을 주축으로 하여 회귀 식을 제작하였고, HTMIOOOplus 기기와의 체지방률 상호 상관계수가 0.
확인했다. 이 인자들을 주축으로 하여 회귀 식을 제작하였고, HTMIOOOplus 기기와의 체지방률 상호 상관계수가 0.928로 상당히 높게 나타남으로써 PDA 기반의 소형화 된 휴대용 기기임에도 체지방 측정에 있어 정확도 및 신뢰도를 간접적으로 확인 할 수가 있었다.
이에 표 4에서 나타난 바와 같이 각각의 시스템에서 산출된 체지방률 간의 상호 상관 계수가 0.928로 상당히 높음으로써 본 연구에서 제작된 기기 및 회귀식의 정확성 및 신뢰성을 간접적으로 확인 할 수 있었다[그림 8], 또한 각각의 시스템에서 남자와 여자에 대한 체지방률 상호 상관계수가 각각 0.922와 0.929로 나타나 남자의 경우 비교적 낮았지 만 성별에 따른 각 기 기 간의 차이는 크게 나타나지 않았다.
제지방 산출 회귀식의 도출에 있어 성별에 관련된 S 항은 남자와 여자에 각각 0과 1을 적용하여 산출하였고, 여자의 경 우 성별 항이 적 용되 어 남자의 경 우보다 제 지방량이 낮게 나타남을 알 수 있었다. 표 4는 피검자 63명에 대한 각 변수들 간의 상호 상관계수를 나타낸 것이다.
955) 양쪽 모두에서 가장 높게 나타나제지방 무게를 산출하는데 가장 중요한 인자임을 알 수가 있다[그림 7]. 피검자의 임피던스(제작된 기기: r =0.855, HTMlOOOplus : r =0.837) 및 신장의 제곱 항(제작된 기기: r =0.817, HTMlOOOplus : r =0.809) 또한 제지방과의 상관계수가 양쪽의 기기 모두에서 비교적 높게 나타나 제지방 무게와 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. 그러나 피검자 연령과의 관련성은 상당히 낮은 수치를 보임을 알 수 있다.
후속연구
향후 PDA 기반의 휴대용 생체 신호 계측 및 분석 기술은 휴대 및 보관의 편리함과 함께 재택 진료 시스템 및 병동 내 환자 모니터링과 같은 일상생활 중에서 생체 신호계 측 등 여러 연구 분야의 미래 의료 시스템으로의 응용이 가능하리라 전망한다.
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