[논문]체온측정용 온도 센서 및 모니터링 텔레메트리 시스템 구현

이정현; 성기웅; 김명남; 조진호

doi:10.5369/jsst.2010.19.6.435

문제 정의

본 논문에서는 기존 체온 측정 패치의 문제점인 기록 방법의 표준화를 위하여 ISO TS11073-92001에서 정한 MFER(medical waveform format encoding rules)에 적합한 전송프로토콜을 제안하고 이를 마이크로컨트롤러에 내장된 송신기를 통해 전송하여 MFER 규정에 부합하도록 저장하는 체온측정용 온도센서 및 모니터링 텔레메트리 시스템을 구현하고 실험을 통하여 구현 시스템을 검증하였다.
MFER은 이와 같은 부가정보를 포함함으로써 HL7 및 기타의 이종 시스템과 호환가능한 구조를 가지게 된다. 본 연구에서는 온도센서 패치에 할당된 ID정보와 체온 측정값을 전송하며 모니터링 서버에서 환자의 정보를 온도센서 ID 정보와 매칭 시켜 사용하도록 하였다. 이는 송신 데이터의 길이를 줄여 송신 전력을 최소화하면서 잡음에 의한 데이터 손상을 막기 위한 방법이다.
그 이유는 고양이의 털을 완전히 제거하고 체표 면에 부착을 시키지 못한 이유와 체표온도와 심내 체온의 차이를 보상하는 기전을 포함시키지 않았기 때문이다. 일반적으로 심내 온도가 아닌 체표의 온도를 측정한 경우 체표의 온도로 부터 심부온도를 추정하는 방법을 사용하고 있으나 본 연구에서는 절대적인 체온을 이용하는 일반적인 감염증에 대한 판단을 위해 패치를 사용하는 것이 아니라 중환자 혹은 수술 후 환자의 체온 변화 정도를 감시하거나 피부에 감염, 화상 등의 증상을 가진 환자의 피부 표면에서의 온도 변화를 통한 대상 병변 부위의 증상악화 및 호전에 대한 평가를 수행하기 위한 목적임으로 실험결과로부터 온도 측정 패치의 설계 및 제작이 적절하게 수행되었다고 할 수 있다. 추후 기존 연구 결과들과의 비교 및 추가적인 임상시험을 통해 부착 위치별 체표온도와 심내 체온과의 상관관계에 대한 연구를 수행하면 본 패치 시스템에서 측정된 체표온도로부터 심내 체온을 추정하는 것이 가능할 것으로 예상되며 본 연구결과물에서 하드웨어적인 변화 없이 모니터링 소프트웨어의 수정만으로도 심내 체온의 추정이 가능할 것이다.

제안 방법

8채널 이상의 동시 측정을 위하여 8개의 센서를 5 m×15 m 넓이의 실험실 내부에 배치하고 동시에 온도를 측정하는 실험을 수행하였다.
8채널 이상의 동시 측정을 위하여 8개의 센서를 5 m×15 m 넓이의 실험실 내부에 배치하고 동시에 온도를 측정하는 실험을 수행하였다. 각 센서의 위치는 에어컨 냉기 토출 부분, 두 개의 출입문 앞, 창가 두 곳 및 책상 아래와 두 명의 피험자의 좌측 가슴 부근에 부착 시켜 10시간 동안의 온도변화를 관찰하였으며 그 결과는 Fig. 9와 같았다. 이 때 측정 온도의 전송 간격은 20분으로 하였다.
제작한 온도 측정 패치 시스템을 모니터링 서버 프로그램과 연동시켜 동작 테스트를 수행하였다. 동작 테스트는 항온조에 온도를 인가하면서 원하는 온도까지 온도를 프로그래밍 하여 상승시킨 결과를 측정함과 동시에 고양이에게 체온 측정 패치를 부착하여 온도변화를 관찰하였다. 이때 실제 설계된 데이터 전송 간격인 20분의 전송간격 대신 실험의 편의를 위하여 두 개의 온도 패치를 동시에 동작시키면서 2분 간격으로 데이터를 전송하도록 하였다.
본 연구에서는 LabView(national instruments사, USA)를 이용하여 모니터링 서버 프로그램을 구현하였다.
또한 외부 장치에 의해서 동작여부가 결정되는 칩 활성화(chip enable) 단자가 있어 마이크로컨트롤러에서 필요한 시점에만 온도센서를 작동시켜 전원 소비를 줄일 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 이러한 장점을 이용하기 위해 마이크로 컨트롤러에서 일정 시간 동안 전력 증폭기와 온도센서 등 대부분의 장치의 동작을 정지시키고 내부 카운터만을 동작시켜 대기전류를 최소화 시키고 일정 시간에 한 번씩 온도 측정이 필요한 시점에 만 전원을 모두 동작시켜 측정과 전송을 수행하도록 하였다. 이를 통해 하나의 소형 버튼 전지로 장시간 동작이 가능한 구조의 무선 온도측정 창치를 설계하였다.
본 연구에서는 체온 측정용 텔레메트리 센서 시스템을 구현하고 이를 MFER에 적합한 형태로 무선 전송하여 실시간 모니터링과 함께 장시간 저장을 수행하는 시스템을 구현하였다. 구현한 시스템을 측정에 적용한 결과 8명 이상의 환자에 대하여 동시에 체온변화를 주기적으로 장시간 측정하는 것이 가능함을 확인하였으며 사용 전지의 수명이 약 5일 이상 지속가능함을 확인하였다.
실험은 Fig. 6과 같이 고양이에 부착한 체온 패치와 온도 챔버 내부에 위치한 패치의 온도변화를 동시에 측정하였으며 그 측정결과는 Fig. 7과 같이 모니터링 서버로 전송되어 저장된다. 측정데이터는 실시간 모니터링이 가능하도록 Fig.
실험을 위하여 Fig. 6의 (a)와 같이 고양이의 허리부근에 체온측정패치를 부착하고 탈락을 방지하기 위하여 붕대로 고정하였으며 온도 챔버의 경우 시간에 따라 온도가 상승하도록 한 상태에서 상용 온도계와 온도패치를 동시에 챔버내부에 넣어 둔 채로 실험을 수행하였다. 온도챔버 내부 온도 변화는 Fig.
동작 테스트는 항온조에 온도를 인가하면서 원하는 온도까지 온도를 프로그래밍 하여 상승시킨 결과를 측정함과 동시에 고양이에게 체온 측정 패치를 부착하여 온도변화를 관찰하였다. 이때 실제 설계된 데이터 전송 간격인 20분의 전송간격 대신 실험의 편의를 위하여 두 개의 온도 패치를 동시에 동작시키면서 2분 간격으로 데이터를 전송하도록 하였다. 고양이와 항온 챔버를 이용한 실험 장면은 Fig.
5의 (c)와 (d)에서와 같이 생체적합성이 검증된 3M 사의 전극부착용 테이프를 사용하여 패치를 피부에 부착할 수 있도록 하였다. 이때 온도센서의 패키지가 바로 피부에 닿을 수 있도록 부착용 테이프를 센서 패키지의 형태와 같이 절개 하여 센서의 패키지 부분이 드러나도록 제작하였다. 안테나와 전원전지를 포함시켜 Fig.
본 연구에서는 이러한 장점을 이용하기 위해 마이크로 컨트롤러에서 일정 시간 동안 전력 증폭기와 온도센서 등 대부분의 장치의 동작을 정지시키고 내부 카운터만을 동작시켜 대기전류를 최소화 시키고 일정 시간에 한 번씩 온도 측정이 필요한 시점에 만 전원을 모두 동작시켜 측정과 전송을 수행하도록 하였다. 이를 통해 하나의 소형 버튼 전지로 장시간 동작이 가능한 구조의 무선 온도측정 창치를 설계하였다.
이에 따라 공급 전압의 변화가 없다면 반도체 온도센서의 특성상 선형성이 좋으므로 일정한 오차만을 가지는 결과를 출력한다. 이에 따라 전원 변화를 줄이기 위해 전원전지는 리튬 코인전지를 사용하였으며 리튬코인전지의 특성상 전지 용량의 80 % 소비 시점까지의 전압 변동이 거의 없으므로 본 실험에서는 전지를 교체한 경우에 한하여 센서의 측정 온도와 실측온도를 보정하는 1점 보정방법을 사용하여 측정치에 대한 실제 온도를 보정하였다. 실험결과 Fig.
전체 시스템은 체온을 측정하는 체온 센서부, 무선신호를 수신하는 수신부 및 환자체온을 모니터링 하는 모니터링 서버의 세부분으로 구현하였다. 이때 하드웨어 구성 부는 체온 센서부와 수신부이며 구현된 시제품을 Fig.
제작한 온도 측정 패치 시스템을 모니터링 서버 프로그램과 연동시켜 동작 테스트를 수행하였다. 동작 테스트는 항온조에 온도를 인가하면서 원하는 온도까지 온도를 프로그래밍 하여 상승시킨 결과를 측정함과 동시에 고양이에게 체온 측정 패치를 부착하여 온도변화를 관찰하였다.

대상 데이터

1에서와 같이 온도센서와 온도센서의 동작을 제어하고 데이터를 가공하여 전송하는 무선 송신부가 포함된 마이크로 컨트롤러로 구성된다. 본 논문에서는 무선전송의 편의성과 온도센서 칩의 원활한 제어를 위하여 rfPIC12F675(microchip사, USA)를 사용하였다. 사용한 rfPIC12F675의 구조는 Fig.
본 연구에서는 출력 신호에 대한 별도의 보정이 필요 없이 동작 가능한 디지털 온도센서인 LM74(national semiconductor사, USA)를 사용하였다. LM74는 0.
제작한 온도 패치 시스템은 Fig. 5에서와 같이 가로 14 mm, 세로 19.5 mm의 소형 PCB 상에 회로를 구현하고 온도센서를 제외한 모든 부품을 회로를 윗면에 부착하고 체온 측정용 센서만 아랫면에 부착하였다. 패치의 피부 부착을 위하여 Fig.

이론/모형

2에서와 같이 일반적인 마이크로 컨트롤러 구조이외에 무선 통신을 위한 RF 변조기와 FSK 스위치 및 전력 증폭기가 포함되어 있다. FSK 스위치에 의해 무선 전송 시 진폭 변조(amplitude shift keying, ASK)와 주파수 변조(frequency shift keying, FSK) 중에서 하나를 선택할 수 있도록 하며 본 연구에서는 송수신의 간략화를 위하여 ASK 방식을 이용하였다.
무선 전송을 위한 부호화기는 ISO TS11073-92001이 정한 MFER(medical waveform format encoding rules)을 만족하는 부호화를 수행하도록 rfPIC12F675에 설계를 수행 하였다. MFER 규약을 채용한 이유는 환자 정보의 저장과 이기종간의 정보교환을 용이하게 하기위한 것으로 이러한 전송 포맷을 사용할 경우에 병원정보시스템과의 연동이 가능해짐으로 모니터링 서버의 저장 내용을 바로 병원정보시스템에 연동시켜 환자 차트에 기록할 수 있는 장점이 있다.

성능/효과

본 연구에서는 체온 측정용 텔레메트리 센서 시스템을 구현하고 이를 MFER에 적합한 형태로 무선 전송하여 실시간 모니터링과 함께 장시간 저장을 수행하는 시스템을 구현하였다. 구현한 시스템을 측정에 적용한 결과 8명 이상의 환자에 대하여 동시에 체온변화를 주기적으로 장시간 측정하는 것이 가능함을 확인하였으며 사용 전지의 수명이 약 5일 이상 지속가능함을 확인하였다.
측정 데이터 중 오후 12시경에서 2시 사이의 대상자 1 및 2의 온도 데이터가 없는 이유는 식사를 위해 무선 수신 범위 밖으로 이동했기 때문이다. 본 실험의 결과로부터 Fig 9.와 같이 8 채널의 온도측정 패치로부터 신호를 10시간 이상 동시에 측정하고 기록하는 것이 가능함을 확인하였다.
이에 따라 전원 변화를 줄이기 위해 전원전지는 리튬 코인전지를 사용하였으며 리튬코인전지의 특성상 전지 용량의 80 % 소비 시점까지의 전압 변동이 거의 없으므로 본 실험에서는 전지를 교체한 경우에 한하여 센서의 측정 온도와 실측온도를 보정하는 1점 보정방법을 사용하여 측정치에 대한 실제 온도를 보정하였다. 실험결과 Fig. 8에서와 같이 온도 챔버 내부에서 상용 온도계에 의해 측정된 온도 데이터와 본 연구에서 제작한 온도 패치에서 측정된 데이터는 1회 보정 이후 거의 동일한 온도를 표시하는 것을 확인하였다. Fig.
장시간 온도 변화 측정을 위하여 고양이와 온도 챔버를 이용한 실험을 수행하여 장시간 온도 변화에 대한 모니터링과 저장이 가능함을 확인하였다. 실험의 결과 중 체표 온도만을 측정함으로 실제 체온에 해당하는 심부 체온을 측정하기 어렵다는 문제점이 있으나 이는 추후 임상실험 및 기존 연구결과를 통합하여 측정 부위별 체표 온도에 따른 심부 체온을 추정하는 알고리즘을 모니터링 서버에 소프트웨어로 삽입하여 개선이 가능할 것으로 예상된다.

후속연구

본 연구에서 개발한 시스템은 중환자 집중 치료실 혹은 수술 후 회복실 등에서 사용할 경우 환자의 체온 변화에 대한 장시간에 걸친 온도수집 및 중앙 집중 모니터링을 수행할 수 있어 간호 인력의 과도한 업무 부담을 줄임과 동시에 환자 바이탈에 대한 신뢰성 높은 데이터를 얻어 임상적 사용이 가능할 것으로 기대된다.
장시간 온도 변화 측정을 위하여 고양이와 온도 챔버를 이용한 실험을 수행하여 장시간 온도 변화에 대한 모니터링과 저장이 가능함을 확인하였다. 실험의 결과 중 체표 온도만을 측정함으로 실제 체온에 해당하는 심부 체온을 측정하기 어렵다는 문제점이 있으나 이는 추후 임상실험 및 기존 연구결과를 통합하여 측정 부위별 체표 온도에 따른 심부 체온을 추정하는 알고리즘을 모니터링 서버에 소프트웨어로 삽입하여 개선이 가능할 것으로 예상된다.
일반적으로 심내 온도가 아닌 체표의 온도를 측정한 경우 체표의 온도로 부터 심부온도를 추정하는 방법을 사용하고 있으나 본 연구에서는 절대적인 체온을 이용하는 일반적인 감염증에 대한 판단을 위해 패치를 사용하는 것이 아니라 중환자 혹은 수술 후 환자의 체온 변화 정도를 감시하거나 피부에 감염, 화상 등의 증상을 가진 환자의 피부 표면에서의 온도 변화를 통한 대상 병변 부위의 증상악화 및 호전에 대한 평가를 수행하기 위한 목적임으로 실험결과로부터 온도 측정 패치의 설계 및 제작이 적절하게 수행되었다고 할 수 있다. 추후 기존 연구 결과들과의 비교 및 추가적인 임상시험을 통해 부착 위치별 체표온도와 심내 체온과의 상관관계에 대한 연구를 수행하면 본 패치 시스템에서 측정된 체표온도로부터 심내 체온을 추정하는 것이 가능할 것으로 예상되며 본 연구결과물에서 하드웨어적인 변화 없이 모니터링 소프트웨어의 수정만으로도 심내 체온의 추정이 가능할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	rfPIC12F675 설계에 MFER 규약을 채용한 이유는 무엇인가?	무선 전송을 위한 부호화기는 ISO TS11073-92001이 정한 MFER(medical waveform format encoding rules)을 만족하는 부호화를 수행하도록 rfPIC12F675에 설계를 수행 하였다. MFER 규약을 채용한 이유는 환자 정보의 저장과 이기종간의 정보교환을 용이하게 하기위한 것으로 이러한 전송 포맷을 사용할 경우에 병원정보시스템과의 연동이 가능해짐으로 모니터링 서버의 저장 내용을 바로 병원정보시스템에 연동시켜 환자 차트에 기록할 수 있는 장점이 있다. MFER과 연동이 가능하도록 본 연구에서 제안한 데이터 전송 포맷의 구조는 Fig.
	MICS 표준은 무엇인가?	2009년 이 등[4]은 MICS 표준에 기반을 둔 무선 텔레메트리 시스템을 발표하였으나 MICS 표준은 생체내부에서 외부로의 데이터 전송에 관한 규약이며 현재 의료용 기록 데이터는 2007년 제정된 ISO TS11073-92001을 따라야 함으로 이 등이 개발한 시스템을 체온측정용 패치시스템에 적용하는 것은 바람직하지 않다.
	인체의 상태를 알려주는 활력징후로 무엇을 사용하는가?	인체의 상태를 알려주는 활력징후(vital sign)로 체온, 맥박, 호흡 그리고 혈압을 일반적으로 사용한다. 인간의 신체는 항상성 기전을 통하여 모든 활력징후가 일정한 정상 범위 내에 있도록 조절되며, 활력징후의 변화는 항상성 기전의 변화를 의미함으로 활력징후를 통해 사람의 건강상태 변화를 쉽게 확인할 수 있다.

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