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문제 정의
- 구성 이 요구된다. 본 논문에서는 구현된 무선 센서 노드로 실시간 전송이 가능하며, 전송의 단순화를 위하여 전용 통신 패킷을 설계하였다. 측정된 생체 신호는 블루투스 통신을 이용하여 모니터 링 컴퓨터로 무선 전송하여 모니터링 프로그램에 의하여 저장 및 출력되도록 구현하였다.
- 그림 1과 같다. 본 논문에서는 심전도, 혈압, 맥파, SpO2, 심박수를 측정할 수 있는 일체형 데이터 취득보드(data acquisition board)를 설계하였다. 이들 신호는 헬스 케어를 위한 필수적인 생체 신호로서 가정이나 병원에서 지속적인 모니터링을 통하여 이상 여부 판정 및응급 상황에 대한 대비가 가능하다[10].
- 본 논문에서는 헬스 케어 를 위한 근거리 무선 생 체 신호 모니터링 시스템을 구현하였다. 헬스 케어를 환경에 적합하도록 개인이 가정 또는 근거리 활동 환경에서 휴대하여 실시간 모니터링이 가능하도록 소형으로 설계하였다.
- 본 논문에서는 헬스 케어 를 위한 근거리 무선 생 체 신호 모니터링 시스템을 구현하였다. 헬스 케어를 환경에 적합하도록 개인이 가정 또는 근거리 활동 환경에서 휴대하여 실시간 모니터링이 가능하도록 소형으로 설계하였다.
제안 방법
- 구현된 무선 모니터링 시스템은 측정 대상자가 심전도의 전극을 사지 유도 중의 리드 I(leadl) 방법으로 부착하고 SpO2 모듈의 probe를 손가락에 착용하면 실시 간으로 측정된 데 이 터 가 자동으로 무선 전송을 하도록 설계하였다. 혈압의 경우는 아직까지 커프의 착용을 자동 인지하지 못하므로 모니터링 프로그램에서 측정 명령을 지 시하는 방식으로 구현하였다.
- 또한 CMOS로 되어 있어서 소비 전력(5V, 4MHz 에서 2mA 이하)이 때우 적고, 잡음 여유가 크고, 집적도가 높은여러 가지 장점이 있어 본시스템의 제작에 매우 적합한 프로세서이다[11]. 그러나 버퍼링을 위한 메모리가 부족하므로 이를 보완하기 위하여 128KB의 외부 메모리 를 추가하였다.
- 서 는 문제가 발생 한다. 따라서 혈압 데이터는 인터 럽트(ccp interrupt) 및 포트를 통한 가상 UART를 구현하여 데이터를 전송하게 하였다.
- 이들 신호는 헬스 케어를 위한 필수적인 생체 신호로서 가정이나 병원에서 지속적인 모니터링을 통하여 이상 여부 판정 및응급 상황에 대한 대비가 가능하다[10]. 또한 데이터 취득 보드에 블루투스 모듈을 장착하여 근거리 무선 통신이 가능하도록 하여 무선 센서 노드(wireless sensor node) 의 프로토타입(prototype)을 구현하였다.
- 사지 유도 중의 리드 I(leadl) 방법을 사용하여 측정된 신호는 높은 입력 임 피던스(high input impeamce)를 가지는 계측용 증폭기 (instrumentationamplifier)를사용하여 증폭하였다. 리고 주변 전원으로부터 혼입되는 6아五의 잡음을 제거하기 위하여 노치 필터(notchfilter)를 적용하였고, 신호의 오프셋(offset)을 교정하고 기 저 선 변동을 제거 하기 위 하여 0.3Hz의 고 역 통과필 터 (hi아I pass filter)를 사용하였 다. 마지막으로 심전도에 포함되는 고주파 잡음을 제거하기 위하여 勞Hz의 저역통과필터(lowpass filter)를 추가하였다.
- 혈압은 최대값, 최소값, 평균값, 오류 등을 위한 플래그 (flag) 등을 포함 하도록 5바이 트를 두었으며, SpO2, 심박수는 각각 2바이트씩을 할당하였다. 마지 막으로 오류검사를 위하여 4바이트를 할당하고 CRC 체크 값을 제공하였다.
- 본 프로토타입은 총 3층으로 구성되며 최상위에는 메인 프로세서와 메모리가 있으며, 두 번째층에는 블루투스 통신부, 혈압 모듈과의 인터페이스부및 전원 회로가 배치되었다. 마지막 층에는 심전도 측정회로와SpOz 모듈을 배치하여 심전도와 맥파, 동맥혈산소포화도, 심 박수를 측정할 수 있도록 설계하였다.
- 3Hz의 고 역 통과필 터 (hi아I pass filter)를 사용하였 다. 마지막으로 심전도에 포함되는 고주파 잡음을 제거하기 위하여 勞Hz의 저역통과필터(lowpass filter)를 추가하였다. 추출된 심전도 신호는 아날로그 신호이므로 12bit의 해상도로 디지털 신호로 변환하여 메인 프로세서로 전송하게 된다.
- 구현된 시스템은 생세 신호 측정부와무선 통신부로 구성된 센서 노드(sensornode)와 원격 시스템의 모니터링 프로그램으로 구성된다. 먼저 생체 신호 측정부는 심 전도(electrocardiogram: ECG), 혈압(blood pressure: BP), 맥파(pulse wave), 동맥혈산소포화도(blood oxygen saturation: SpO2), 심 박수(heart rate: HR)를 즉정 할 수 있도록 설 계하였다. 무선 센서 네트워크 구현은 최근 근거리 통신 의 표준으로 자리 잡은 블루투스(bluetooth)를 사용하였다[9].
- 0을 이용하여 제작하였다. 모니터링 프로그램에서 실시간 모니터링이 필요한 심전도와 맥파는 모니터의 좌측에 그래프의 형태로 나타내어 의사 및 보호자가 그 변화를 쉽게 확인할 수 있도록 프로그램하였다. 프로그램의 우측 상단은 센서 노드로 부터의 무선 통신 연결을 확인할 수 있도록 하여송.
- 었다. 무선 전송된 생 체 신호 정 확도를 파악하기 위하여 시판중인 생체 신호 측정 장비 인 P400을 통하여 혈압, SpO2) 심 박수를 측정하고 표2에 나타내었다. 측정 대상은 건강한 남자 성인이며, 10회 반복 측정 후 평균값을 비교하였다.
- 이때 정확한샘플링 시간을 위하여 혈압 측정 과정의 직렬 통신을 위한ccp 인터럽트를 공용으로 사용한다. 버퍼링 및 패킷 생성 과정 (Buffering & Packet Creating)에서 측정된 생 체 신호가 버퍼에 저장되고, 무선 통신이 이루어질 경우에 연결 상태에서 오류 제어가 가능하도록 전용 데이터 패킷을 생성하게 하였다. 마지막으로 생성된 패킷은 블루투스를 통한 무선 전송을 통하여 모니 터 링 파트로 생 체신호를 전송하게 된다.
- 그림 3은 본 논문에서 구현한 심전도 측정 회로의 구성도이다. 사지 유도 중의 리드 I(leadl) 방법을 사용하여 측정된 신호는 높은 입력 임 피던스(high input impeamce)를 가지는 계측용 증폭기 (instrumentationamplifier)를사용하여 증폭하였다. 리고 주변 전원으로부터 혼입되는 6아五의 잡음을 제거하기 위하여 노치 필터(notchfilter)를 적용하였고, 신호의 오프셋(offset)을 교정하고 기 저 선 변동을 제거 하기 위 하여 0.
- 그림 4는 센서 노드 펌웨어 플로우차트이다. 센서 노드가 동작하면서 블루투스 초기 화(bluetooth initializing) 과정을 거치면서 블루투스 모듈 및 관련 변수들을 초기화하여 통신 이 가능하도록 송 , 수신 모드를 유지 하게 한다. 블루투스 체크 과정 (bluetooth checking)에서는 송, 수신 모드가 유지되고 있는지를 체크하여 무선 연결이해제 된 경우를 확인하여 강제 접 속 종료를 명 령 하고 다시 초기 화하여 접속을 대 기 하도록 한다.
- 프로그램의 우측 상단은 센서 노드로 부터의 무선 통신 연결을 확인할 수 있도록 하여송. 수신 상태가 되면 체크를 표시하게 하였고, 그 아래로 혈 압, Spa, 심 박수가 수치 데 이 터 로 실시간 표시 하도록 구현하였다.
- 모니터링 시스템을 구현하였다. 심전도, 맥파, 동맥혈산소포화도, 심박수는 측정자에게 센서를 부착하면 자동으로 실시간 무선 모니터링이 가능하도록 구현하였다. 무선 모니 터 링 부분은 윈도우 환경 하에 GUI로 구현하여 누구나 쉽게 실시간 모니터 링이 가능하다.
- 정상적 인 송수신 모드에서는 먼저 혈압 모듈로부터 입력을 받고 측정된 혈압 값을 기억하게 되며, 부족한 UART를 보완하기 위하여 ccp 인터 럽 트(capture/compare /PWMinterrupt) 및 포트를 통한 가상 UART를 구현하는 포트 에뮬레이션(port emulation)으로 데이터를 수신하게 하였다(BP process). 다음으로는 SpO2 모듈로 부터 120S/S의 맥파와 동맥혈산소포화도 및 심박수 데이터를 입 력 받게 된다(SpO process).
- 무선 센서 네트워크 구현은 최근 근거리 통신 의 표준으로 자리 잡은 블루투스(bluetooth)를 사용하였다[9]. 측정된 생 체 신호는 무선으로 모니 터 링 컴퓨터에 전송되며, 모니터링 프로그램에 의하여 GUI 환경에서 간호사 또는 간병인 등에 의한 실시간 감시가 가능하도록 하였다.
- 본 논문에서는 구현된 무선 센서 노드로 실시간 전송이 가능하며, 전송의 단순화를 위하여 전용 통신 패킷을 설계하였다. 측정된 생체 신호는 블루투스 통신을 이용하여 모니터 링 컴퓨터로 무선 전송하여 모니터링 프로그램에 의하여 저장 및 출력되도록 구현하였다. 센서 노드로부터 모니터링된 생체 신호들은 인터 넷을 통하여 연구실 및 의료 기관에 전송될 수 있으며, 이를 통하여 헬스 케어 서비스, 응급 서비스 등의 여러가지 의료 서비스를 제공 받을 수 있다.
- 모니터링 시스템을 구현하였다. 헬스 케어를 환경에 적합하도록 개인이 가정 또는 근거리 활동 환경에서 휴대하여 실시간 모니터링이 가능하도록 소형으로 설계하였다. 구현된 시스템은 생세 신호 측정부와무선 통신부로 구성된 센서 노드(sensornode)와 원격 시스템의 모니터링 프로그램으로 구성된다.
- 많은 데이터 가 발생하는 심 전도 신호와 맥파 신호를 위하여 2바이트 크기의 디지털 신호 10개를 저장하도록 구성하였다. 혈압은 최대값, 최소값, 평균값, 오류 등을 위한 플래그 (flag) 등을 포함 하도록 5바이 트를 두었으며, SpO2, 심박수는 각각 2바이트씩을 할당하였다. 마지 막으로 오류검사를 위하여 4바이트를 할당하고 CRC 체크 값을 제공하였다.
- 혈압의 경우는 아직까지 커프의 착용을 자동 인지하지 못하므로 모니터링 프로그램에서 측정 명령을 지 시하는 방식으로 구현하였다.
대상 데이터
- SpOz 모듈은 MEKICS사의 MM100을 사용하였다. 손가락 프루브에 손가락을 삽입하면 자동으로 적색 광 (Red-RED)과 적외선 광(IR-LED)을 조사하여 측정된 광량을 이용하여 맥파와 혈액내의 산소량을 측정하게 되며, 측정된 데이터는 직 렬 전송(19.
- 페이로드에 4바이트의 헤더(header)를 두어 전송되는 패킷의 시작, 신호의 순서에 관련된 내용을 저장한다. 많은 데이터 가 발생하는 심 전도 신호와 맥파 신호를 위하여 2바이트 크기의 디지털 신호 10개를 저장하도록 구성하였다. 혈압은 최대값, 최소값, 평균값, 오류 등을 위한 플래그 (flag) 등을 포함 하도록 5바이 트를 두었으며, SpO2, 심박수는 각각 2바이트씩을 할당하였다.
- 본 연구에서 구현된 블루투스 무선 네트워크는 Hrmtech사의 FB151AS를 사용하였다. 이 모듈은 2.
- 6과 같다. 본 프로토타입은 총 3층으로 구성되며 최상위에는 메인 프로세서와 메모리가 있으며, 두 번째층에는 블루투스 통신부, 혈압 모듈과의 인터페이스부및 전원 회로가 배치되었다. 마지막 층에는 심전도 측정회로와SpOz 모듈을 배치하여 심전도와 맥파, 동맥혈산소포화도, 심 박수를 측정할 수 있도록 설계하였다.
- 센서 노드의 블록다이어그램이다. 센서 노드의 메인 프로세서는 8-bit 마이크로 컨트롤러 인 Microchip사의 18F6520이다. 이 프로세서는32KB의 플래시 타입의 프로그램 메모리와4KB의 데이터메모리(RAM)과 1KB 의 EEPROM으로 구성되며, 두 개의 UART를 지원한다.
- 무선 전송된 생 체 신호 정 확도를 파악하기 위하여 시판중인 생체 신호 측정 장비 인 P400을 통하여 혈압, SpO2) 심 박수를 측정하고 표2에 나타내었다. 측정 대상은 건강한 남자 성인이며, 10회 반복 측정 후 평균값을 비교하였다. 본 연구에서 제작한 프로토 타입에서 무선 전송된 생 체 신호의 측정 값은 실체 측정 장비 의 측정 결과와 오차 범위 내에서 정확한 값을 나타냄을 알 수 있다.
- 구조를 나타내었다. 페이로드는 센서 노드에서 획 득된 생체 신호인 심 전도, 맥파, 혈압, SpO2, 심박수로 구성되며 총 57바이트로 구성하였다. 페이로드에 4바이트의 헤더(header)를 두어 전송되는 패킷의 시작, 신호의 순서에 관련된 내용을 저장한다.
이론/모형
- 먼저 생체 신호 측정부는 심 전도(electrocardiogram: ECG), 혈압(blood pressure: BP), 맥파(pulse wave), 동맥혈산소포화도(blood oxygen saturation: SpO2), 심 박수(heart rate: HR)를 즉정 할 수 있도록 설 계하였다. 무선 센서 네트워크 구현은 최근 근거리 통신 의 표준으로 자리 잡은 블루투스(bluetooth)를 사용하였다[9]. 측정된 생 체 신호는 무선으로 모니 터 링 컴퓨터에 전송되며, 모니터링 프로그램에 의하여 GUI 환경에서 간호사 또는 간병인 등에 의한 실시간 감시가 가능하도록 하였다.
성능/효과
- 무선 모니 터 링 부분은 윈도우 환경 하에 GUI로 구현하여 누구나 쉽게 실시간 모니터 링이 가능하다. 구현된 시스템의 성능을 평가하기 위하여 생체신호 측정 장비와 비교 측정한 결과 오차율 범위안에서 측정 이 가능하였다. 개발된 시스템은 홈케어(home-care)에 응용이 가능하며 치료기관 또는 일상생활에서 지속적이고 집중적인 환자의 모니터링과 위험 요소 발생시 즉각적인 대처를 위한 상황에 적용이 가능하다.
- 그림7에 제시한 무선 전송되어 모니터링된 신호와 오실로스코우프 상의 신호에서 사람에 따라 다양한 형태로 출력되는 생체 신호의 파형 특성이 동일하게 나타남을 확인하였다.
- 측정 대상은 건강한 남자 성인이며, 10회 반복 측정 후 평균값을 비교하였다. 본 연구에서 제작한 프로토 타입에서 무선 전송된 생 체 신호의 측정 값은 실체 측정 장비 의 측정 결과와 오차 범위 내에서 정확한 값을 나타냄을 알 수 있다.
후속연구
- 구현된 시스템의 성능을 평가하기 위하여 생체신호 측정 장비와 비교 측정한 결과 오차율 범위안에서 측정 이 가능하였다. 개발된 시스템은 홈케어(home-care)에 응용이 가능하며 치료기관 또는 일상생활에서 지속적이고 집중적인 환자의 모니터링과 위험 요소 발생시 즉각적인 대처를 위한 상황에 적용이 가능하다. 향후 연구로는 임상에서 사용되는 다양한 모니 터 링 장비 와의 비교 평가, 많은 임상 환경과 환자를 대상으로 개발된 시스템의 성능 시험 및 보완이 필요하다.
- 향후 연구로는 임상에서 사용되는 다양한 모니 터 링 장비 와의 비교 평가, 많은 임상 환경과 환자를 대상으로 개발된 시스템의 성능 시험 및 보완이 필요하다. 또한 다양한 주변 환경 정보를 함께 모니 터 링 할 수 있도록 하여 야 하며, 이동성이 보장되는 무선 모니터 링 이 구현되고, 원격 접속에 대한 문제가 해결되면 헬스 케어를 위한 보다 다양한 의료서 비스가 제공될 수 있을 것이다.
- 개발된 시스템은 홈케어(home-care)에 응용이 가능하며 치료기관 또는 일상생활에서 지속적이고 집중적인 환자의 모니터링과 위험 요소 발생시 즉각적인 대처를 위한 상황에 적용이 가능하다. 향후 연구로는 임상에서 사용되는 다양한 모니 터 링 장비 와의 비교 평가, 많은 임상 환경과 환자를 대상으로 개발된 시스템의 성능 시험 및 보완이 필요하다. 또한 다양한 주변 환경 정보를 함께 모니 터 링 할 수 있도록 하여 야 하며, 이동성이 보장되는 무선 모니터 링 이 구현되고, 원격 접속에 대한 문제가 해결되면 헬스 케어를 위한 보다 다양한 의료서 비스가 제공될 수 있을 것이다.
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