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문제 정의
- 본 논문에서는 사용이 편리한 소형, 경량의 패치형 무선 피부 온도 측정 시스템을 설계 및 구현 하였다. 구현된 시스템은 병원에서 사용 후 버릴 수 있도록(disposable) 저가의 센서를 사용하였으며, 피부 표면온도를 정확히 측정하기 위해 온도 트랜스듀서를 제작하였다.
- 본 논문에서는 환자가 사용하기에 편리한 경량의 패치형 무선 피부온도 측정 시스템을 설계 및 구현 하였다. 구현된 무선 시스템은 환자를 구속하지 않으며, 피부 피부온도를 검출 할 수 있다.
- Lee 등은 센서 네트워크 기반의 심전도 및 체온 측정 시스템을 연구 하였다[3,4]. 이 연구는 센서 네트워크를 기반으로 심전도 신호를 전송할 수 있는 장비에 대하여 잘 설명하고 있다. 그러나 체온의 경우, 측정이 가능하다고 되어 있으나, 어디에서 어떻게 체온을 측정한다는 설명이 없으며, 측정된 온도와 기존의 체온을 비교하지 않았다.
제안 방법
- 구현된 시스템은 병원에서 사용 후 버릴 수 있도록(disposable) 저가의 센서를 사용하였으며, 피부 표면온도를 정확히 측정하기 위해 온도 트랜스듀서를 제작하였다. 구현된 시스템은 매 11초마다 피부 온도를 측정하고, 간단한 온-오프 키잉(On Off Keying, OOK) 방법으로 측정한 데이터를 무선으로 전송하였다. 평균 소모 전력은 0.
- 본 논문에서는 사용이 편리한 소형, 경량의 패치형 무선 피부 온도 측정 시스템을 설계 및 구현 하였다. 구현된 시스템은 병원에서 사용 후 버릴 수 있도록(disposable) 저가의 센서를 사용하였으며, 피부 표면온도를 정확히 측정하기 위해 온도 트랜스듀서를 제작하였다. 구현된 시스템은 매 11초마다 피부 온도를 측정하고, 간단한 온-오프 키잉(On Off Keying, OOK) 방법으로 측정한 데이터를 무선으로 전송하였다.
- 구현된 시스템의 전체 무게는 5 g 밖에 되지 않으므로 쉽게 환자 피부에 부착이 가능하며, 잘 떨어지지 않는 장점이 있다. 구현된 시스템을 이용하여 쇄골 아래 피부 온도와 체온(귓속, 겨드랑이)을 측정하였으며, 낮은 상관관계를 얻을 수있었다. 그러나 길 등[2]의 논문에서 볼 수 있듯이, 피부 온도와 체온간의 상관관계가 높은 지점이 존재하며, 이러한 부위 중에서 패치형 시스템을 부착할 수 있는 부분에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 구현된 온도 패치가 피부 온도를 제대로 측정하는지 확인하기 위하여 열화상 카메라를 이용한 실험을 수행하였다. 사용된 열화상 카메라는 ThermaCAM S60(FLIR)을 사용하였으며, 0.
- 7 g이며, 외부에서 적당한 충격을 가하여도 내부 회로에 이상이 없도록 구현하였다. 구현된 패치의 부착을 위해서는 기존의 항알러지 테스트를 통과한 슈퍼픽스 ((주)밴드골드)를 이용하였으며, 구현된 시스템의 부착에 문제가 없었다.
- 보통의 온도 측정 실험은 항온조에서 온도를 측정한 것이므로, 케이스 전체에 거의 균등한 온도가 측정된다. 그러나 구현된 패치는 피부의 온도를 측정해야 하므로 일반적인 테스트 방법에서 약간 수정하여 테스트 하였다. 항온조 안에 0 ℃인 얼음을 넣고 온도 패치를 그위에 놓고 측정하였으며, 온도 센서의 측정 포인트인 0.
- 일종의 휜 구조로도 생각할 수 있으나, 재질이 동일하지 않고 주위의 온도가 일정하지 않고 표면 온도에 영향을 받으므로 일반적인 휜 해석을 하는 것은 적합하지 않다. 그러므로 본 논문에서는 단순한 1차원 정상 열전도만 해석하였으며, 이를 쉽게 보기 위하여 등가 회로를 이용하여 아래 그림 4와 같이 나타내었다. 전극과 온도 센서의 접촉 열저항을 줄이기 위하여 실리콘 타입의 써멀 컴파운드(thermal compound, 2 W/mK)를 사용하였다.
- 기존의 체온 측정은 귓속형 적외선 온도계(TB-100, Tommy Deluxe) 및 겨드랑이용 체온계(MT3001, Microlife)를 사용하여 측정하였다. 그림 13는 측정된 온도를 비교하는 것이며, 측정된 데이터는 Pearson correlation 검사를 이용하여 상관관계를 측정하였다.
- 또한 연성 기판을 이용하였으므로 트랜스듀서에 사용된 온도센서와 회로와의 연결이 용의하다. 또한 케이스의 두께를 얇게 설정하여 경량화 하였다. 케이스는 충분한 강도가 나오면서도, 시제품 제작에 용의한 신속조형장비(Rapid Prototype, RP)를 이용하여 제작하였으며, 적당한 강도를 가지는 두께 (1 mm)를 결정하였다.
- 본 논문에서는 패치의 부착이 용이하며, 온도 편차가 적고, 활동에 따른 피부 온도의 변화가 적은 쇄골 부분을 선택하였다. 쇄골 아래에는 쇄골하동맥이 있으므로 주위에 피부 온도에 비하여 온도가 높으며, 부착이 용의하고, 외부에서 보이지 않으므로 거부감이 적은 장점이 있다.
- 일반적으로 판매하는 열전대 센서의 경우, 높이가 1 mm에 달하므로 피부 온도를 측정하기에 적당치 않으며, 높이가 낮다고 하더라도 추가적인 증폭 및 필터가 필요하므로 시스템의 크기를 증가시키는 단점이 있다. 본 논문에서는 피부 온도를 측정할 정도의 소형 실리콘 타입의 온도 센서(TMP102, 텍사스 인스트루먼트 코리아)를 이용하여 피부 온도를 측정하였다. 사용된 센서는 그 크기가 1.
- 여기서 M은 측정된 데이터, k는 경험적으로 얻어진 상수(empirical constant), E는 주변 온도이고, p는 측정 주기이다. 상기의 식을 이용하여 주변의 온도 변화에 따른 피부온도 측정 오차를 보간 하였다. 보간 결과 그림 10과 같이 주변온도가 섭씨 60 ℃에서 평균 0.
- 15 ℃의 오차가 발생하였다. 측정은 총 10번 수행하였으며, 온도의 평형을 유지하기 위하여 5분의 안정화 시간을 두고 측정하였다. 측정된 실험 데이터들은 정규분포를 이루고 있음을 확인하였다.
- 그림 11은 측정된 열화상과 구현된 온도 패치의 결과를 보여주고 있으며, 실험은 방의 온도가 23 ℃에서 사람을 대상으로 하였으며, 실험을 위해서 옷을 벗고 오랜 시간 있었으므로 측정된 피부 온도가 다소 낮게 나왔다. 측정을 위하여 패치를 먼저 부착 후, 패치에서 측정되는 온도가 안정화되면 패치를 제거 후 열화상 카메라로 동일 위치를 측정하였다.
- 5 mW로 소형의 배터리도 구동이 가능하고 동작 시간은 5일 이상이었다. 케이스 및 배터리를 포함한 시스템의 무게는 5g로서, 패치를 몸에 부착하여도 떨어지지 않을 정도의 경량으로 구현하였다.
- 또한 케이스의 두께를 얇게 설정하여 경량화 하였다. 케이스는 충분한 강도가 나오면서도, 시제품 제작에 용의한 신속조형장비(Rapid Prototype, RP)를 이용하여 제작하였으며, 적당한 강도를 가지는 두께 (1 mm)를 결정하였다. 구현된 케이스의 총 무게는 1.
대상 데이터
- 구현된 패치와 기존 체온과의 상관관계를 보기 위하여 총 17 (남 15명, 여 2명, 평균 나이 30.1세, 표준편차 4.36)명의 지원자들을 대상으로 실험하였다. 구현된 시스템은 그림 12의 (a)와 같이 점착제를 패치 표면에만 부착하여도 떨어지지 않지만, 점착제의 모양을 패치와 같이 절단하고 부착하는 작업이 필요하다.
- 96으로 설정하였으며, 거리, 습도는 자동으로 교정되는 조건에서 실험하였다. 그림 11은 측정된 열화상과 구현된 온도 패치의 결과를 보여주고 있으며, 실험은 방의 온도가 23 ℃에서 사람을 대상으로 하였으며, 실험을 위해서 옷을 벗고 오랜 시간 있었으므로 측정된 피부 온도가 다소 낮게 나왔다. 측정을 위하여 패치를 먼저 부착 후, 패치에서 측정되는 온도가 안정화되면 패치를 제거 후 열화상 카메라로 동일 위치를 측정하였다.
- 구현된 온도 패치가 피부 온도를 제대로 측정하는지 확인하기 위하여 열화상 카메라를 이용한 실험을 수행하였다. 사용된 열화상 카메라는 ThermaCAM S60(FLIR)을 사용하였으며, 0.08 ℃의 분해능을 가지고 있다. 복사율은 0.
- 표 2에서 비교 논문에서 명시하지 않아서 알 수 없는 부분은 NM (Not Mention)으로 표시하였으며, 그림 8에는 구현된 연성 인쇄회로기판과 열전달 전극을 보여주고 있다. 열전달을 위한 전극은 0.02 mm 두께의 스테인리스 판과 0.5 mm 두께의 알루미늄 판으로 구성되어 있고, 이를 결합하기 위하여 전기 용접기를 사용하였다. 그림 8에서 보이는 홈들은 두 금속을 연결하기 위해 사용한 전기 용접기의 흔적이며, 이는 레이저 용접기를 사용하여 깨끗하게 연결할 수 있다.
- 케이스의 경량화를 위해서는 안테나, 센서, 회로, 배터리 등의 부피가 줄여야 그 무게가 줄어든다. 이를 위하여 소형의 부품을 사용하였으며, 연성 인쇄회로기판(flexible PCB)을 이용하여 회로의 높이를 1.2 mm로 줄였다 . 또한 연성 기판을 이용하였으므로 트랜스듀서에 사용된 온도센서와 회로와의 연결이 용의하다.
- 그러므로 본 논문에서는 단순한 1차원 정상 열전도만 해석하였으며, 이를 쉽게 보기 위하여 등가 회로를 이용하여 아래 그림 4와 같이 나타내었다. 전극과 온도 센서의 접촉 열저항을 줄이기 위하여 실리콘 타입의 써멀 컴파운드(thermal compound, 2 W/mK)를 사용하였다. 실리콘 타입은 전기 전도도가 매우 낮으므로 센서와 통신에 문제를 발생시키지 않는 장점이 있다.
데이터처리
- 기존의 체온 측정은 귓속형 적외선 온도계(TB-100, Tommy Deluxe) 및 겨드랑이용 체온계(MT3001, Microlife)를 사용하여 측정하였다. 그림 13는 측정된 온도를 비교하는 것이며, 측정된 데이터는 Pearson correlation 검사를 이용하여 상관관계를 측정하였다. 그 결과 귀속형 온도계와 겨드랑이는 상관계수가 0.
- 박 등[10]은 적외선 체열 영상을 이용하여, 인체 부위의 평균 온도와 그 편차를 측정하였으며, 이를 그림 1에 나타내었다. 먼저 신체의 각 부분을 번호로 나타내고, 적외선 체열 카메라를 이용하여 평균 온도와 표준편차를 나타내었다. 피부 표면에서 측정되는 온도는 기존의 체온과는 많이 다르며, 평균적으로 32~33 ℃이다.
이론/모형
- 일반적인 저전력 무선 송신기로는 지그비(ZigBee)가 있으나, 그 소모 전력이 높아 초소형의 배터리로 구동이 어려운 단점이 있다. 그러므로 구현된 패치에서는 고전적인 온- 오프-키잉(On-Off-Keying) 방식의 송신기(MAX7044, Maxim)를 이용하여 시스템을 구성하였다. 온-오프 키잉 방식의 장점은 시스템의 크기가 작고, 소모 전력(15 mW @ −3 dBm)이 낮으며, 단가를 줄일 수 있는 장점이 있다.
성능/효과
- 사용된 센서는 그 크기가 1.7×1.7×0.5 mm이며, 높이가 낮아 피부 온도의 측정이 용이하며, 센서의 부피가 작아 실리콘 온도센서의 단점인 열용량이 큰 문제도 많이 해결되었다.
- 측정은 총 10번 수행하였으며, 온도의 평형을 유지하기 위하여 5분의 안정화 시간을 두고 측정하였다. 측정된 실험 데이터들은 정규분포를 이루고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 구현된 시스템을 이용하여 쇄골 아래 피부 온도와 체온(귓속, 겨드랑이)을 측정하였으며, 낮은 상관관계를 얻을 수있었다. 그러나 길 등[2]의 논문에서 볼 수 있듯이, 피부 온도와 체온간의 상관관계가 높은 지점이 존재하며, 이러한 부위 중에서 패치형 시스템을 부착할 수 있는 부분에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 만약 피부온도와 체온간의 상관관계가 측정되면, 주성분 분석(Principle Component Analysis, PCA) 등의 방법으로 체온을 유추할 수 있다.
- 만약 피부온도와 체온간의 상관관계가 측정되면, 주성분 분석(Principle Component Analysis, PCA) 등의 방법으로 체온을 유추할 수 있다. 향후 체온 및 피부온도에 대한 데이터베이스를 구축한 후 데이터마이닝 기술을 이용하여 효율적인 저장 및 그 상관관계의 연구에도 사용될 예정이다.
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