[논문]비데용 유비쿼터스 헬스케어 모듈 개발

한영오

doi:10.13067/jkiecs.2012.7.4.931

비데용 유비쿼터스 헬스케어 모듈 개발
Development of the ubiquitous health care module for a bidet 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.7 no.4, 2012년, pp.931 - 936

초록
AI-Helper

본 연구에서는 가정에 널리 보급되어 있는 비데에 장착하여 체지방 및 심박동수 혈중산소포화도를 측정할 수 있는 모듈을 개발하였다. 또한 노인, 만성피로환자, 심장질환자, 과로한 업무종사자 등의 사용자들이 일상생활에서 체지방 혈중산소포화도 평균심박동수 등의 모니터링을 통하여 건강상태를 확인하고, 급작사를 예방할 수 있도록 비데에 장착될 수 있는 구조로 모듈을 제작하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the module which can measure body fat, heart rate and $SpO_2$ has been developed for being mounted on widespread bidets in the home. This moudule was manufactured by a structure that can be mounted on a bidet, users such as elderly, patients with chronic fatigue, heart disease and overworked workers checking their health status in every life through monitoring their body fat, heart rate and $SpO_2$ and preventing of sudden death.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 가정에 널리 보급되어 있는 비데에 장착하여 체지방 및 심박동수·혈중산소포화도를 측정할 수 있는 모듈을 개발하였다.
본 연구에서는 비데에 장착할 수 있는 구조로 설계된 체지방 및 SpO₂ 측정 모듈을 개발하였으며 또한 이러한 모듈이 장착된 시제품을 제작하였다.

제안 방법

버퍼에 저장된 데이터는 고주파 잡음이 혼입되어 있을 수 있으므로 8포인트 이동평균필터(moving average filter)와 미디언 필터를 적용하여 스파이크 잡음을 제거한다. AC 신호를 미분하여 zero-crossing 포인트를 찾아내고 문턱치를 적용하여 피크를 검출한다. 찾아낸 피크-피크 간의 카운터 값을 이용하여 맥박수를 계산하고 버퍼에 입력하여 맥박수 표시를 안정화한다.
측정 모듈은 비데장치에 장착하여 첫째, 비만도를 쉽게 측정할 수 있게 함으로써 사용자가 비만관리를 체계적으로 할 수 있고, 이에 따라 운동이나 식이요법 등을 통하여 만성퇴행성질환 예방에 활용할 수 있도록 하였다. 둘째, 개발된 측정 모듈에 SpO₂ 측정 센서를 연결하면 사용자의 손가락 등 신체의 일부분으로부터 수신한 신호를 분석하여 심박동수, 혈중산소포화도를 쉽고, 간편하게 측정할 수 있도록 함으로써 심박동수가 일정 수준 이상이면 위험을 감지하고 가족이나 타인에게 알려 사용자의 건강을 지킬 수 있도록 개발하였다.
또한 노인, 만성피로환자, 심장질환자, 과로한 업무종사자 등의 사용자들이 일상생활에서 비만·혈중산소포화도․평균심박수 등의 모니터링을 통하여 건강상태를 확인하고, 돌연사를 예방할 수 있도록 비데에 장착될 수 있는 구조로 모듈을 제작하였다.
그림 1과 같은 4접점 전극 방식은 사용자의 체성분 분석을 위한 생체임피던스를 측정하는데 보다 정확한 측정을 위해 전류를 흘리는 전극과 센싱하기 위한 전극을 달리 두는 방식으로, 이 방식은 전극과의 접촉저항 및 측정보드와 전극연결선의 손실 등을 보상할 수 있다. 또한 비데사용자가 무의식적으로 사용될 수 있도록 변기의 둔부 접촉면에 전극을 장치하여 측정할 수 있도록 개발하였다.
무독성 PVC, Plastic, Rubber 등, 금속성전극은 겨울에 전극의 냉기로 사용자에 온도충격을 줄 수 있어 이를 보완하기 위한 전도성 플라스틱 전극을 이용하여 비데부착 전도성 특수 전극 개발하였다.
본 연구에서 개발된 체지방 및 SpO₂ 측정 모듈은 비데장치에 장착하여 첫째, 비만도를 쉽게 측정할 수 있게 함으로써 사용자가 비만관리를 체계적으로 할 수 있고, 이에 따라 운동이나 식이요법 등을 통하여 만성퇴행성질환 예방에 활용할 수 있도록 하였다. 둘째, 개발된 측정 모듈에 SpO₂ 측정 센서를 연결하면 사용자의 손가락 등 신체의 일부분으로부터 수신한 신호를 분석하여 심박동수, 혈중산소포화도를 쉽고, 간편하게 측정할 수 있도록 함으로써 심박동수가 일정 수준 이상이면 위험을 감지하고 가족이나 타인에게 알려 사용자의 건강을 지킬 수 있도록 개발하였다.
측정은 혈관 속에 산소 공급에 주요한 역할을 하는 산소 헤모글로빈과 환원 헤모글로빈을 통해 인체의 산소 공급을 모니터링하는 기술로써, 두 개의 파장을 이용하여 산소 헤모글로빈과 헤모글로빈의 흡수 계수를 통해 PPG(Photo Plethysmo Graphy : 광적용적맥파) 신호를 측정하는 기술이다[4]. 본 연구에서는 산소 헤모글로빈과 환원 헤모글로빈이 적색광 영역(650^~750nm)과 적외광 영역(850^~1000nm)에서의 흡수특성이 서로 바뀌기 때문에 적색 발광소자(Red LED)와 적외 발광소자(Infrared LED)를 사용하여 구현하였다. SpO₂ 및 PPG 측정을 위한 모듈 회로설계 내역은 다음과 같다[5].
측정 모듈의 PCB 및 PCB 조립보드를 보여주고 있다. 비데의 제어부 내부에 장착할 목적으로 외형 변화를 고려하여 제작하였다. 그림 7은 이러한 모듈이 장착된 시제품을 나타낸다.
무독성 PVC, Plastic, Rubber 등, 금속성전극은 겨울에 전극의 냉기로 사용자에 온도충격을 줄 수 있어 이를 보완하기 위한 전도성 플라스틱 전극을 이용하여 비데부착 전도성 특수 전극 개발하였다. 생체적합성의 물질과 의료기기로써 생체적합성 시험에 결격사유가 없는 물질로 설계하였다. 그림 1과 같은 4접점 전극 방식은 사용자의 체성분 분석을 위한 생체임피던스를 측정하는데 보다 정확한 측정을 위해 전류를 흘리는 전극과 센싱하기 위한 전극을 달리 두는 방식으로, 이 방식은 전극과의 접촉저항 및 측정보드와 전극연결선의 손실 등을 보상할 수 있다.
이 방법은 인체에 약한 교류 전류 신호를 보낼 때 전기는 전도성이 높은 체수분을 따라 흐르며, 수분의 많고 적음에 따라 전기가 흐르는 통로의 넓고 좁음이 결정되는데, 이를 임피던스라는 측정치로 나타내고 이 임피던스를 기본으로 하여 준비된 수식을 통하여, 각 부위별 체성분을 정하는 분석방법이다. 생체전기 임피던스 측정분석법(BIA)을 적용한 체성분 측정 회로 설계는 그림 2와 같이 6개 부분으로 구성하여 개발하였다.
그 다음, AC 신호의 피크로부터 투과된 적색광과 적외광의 양을 표준화한 비율 R을 식 (1)로, 산소 포화 농도는 식 (2)를 이용하여 연산한다. 이 때 오차를 보정한 룩업 테이블을 사용하여 정확한 값을 계산한다. (여기서 K, M은 상수)
AC 신호를 미분하여 zero-crossing 포인트를 찾아내고 문턱치를 적용하여 피크를 검출한다. 찾아낸 피크-피크 간의 카운터 값을 이용하여 맥박수를 계산하고 버퍼에 입력하여 맥박수 표시를 안정화한다. 그 다음, AC 신호의 피크로부터 투과된 적색광과 적외광의 양을 표준화한 비율 R을 식 (1)로, 산소 포화 농도는 식 (2)를 이용하여 연산한다.

이론/모형

본 연구에서는 체지방을 측정하기 위하여 생체전기 임피던스 분석법을 적용하였다[3]. 이 방법은 인체에 약한 교류 전류 신호를 보낼 때 전기는 전도성이 높은 체수분을 따라 흐르며, 수분의 많고 적음에 따라 전기가 흐르는 통로의 넓고 좁음이 결정되는데, 이를 임피던스라는 측정치로 나타내고 이 임피던스를 기본으로 하여 준비된 수식을 통하여, 각 부위별 체성분을 정하는 분석방법이다.

후속연구

본 연구 결과는 향후 유비쿼터스 정보사회 및 고령사회에 대비한 유비쿼터스 헬스케어 시스템 구축 및 재택진료, 원격진료, 응급진료 분야에의 기술 활용에기여할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비만 및 심장질환 환자가 빠른 속도로 증가하고 있는 이유는?	최근 세계적으로 식생활 변화, 환경 악화 등으로 비만 및 심장질환 환자가 빠른 속도로 증가하고 있고, 이로 인해 현대인들의 건강에 큰 문제점으로 대두되고 있는 실정이다. 비만에 의한 만성퇴행성질환이 급증하고 있고, 심혈관계 질환은 예상하지 못한 때에 급속하게 발병하며 따라서 지속적인 분석, 예방, 조기 치료가 매우 중요하다.
	BIA 기술의 측정 방법은?	전류는 인체 내에서 수분을 포함한 조직을 통하여 흐르는데, 이러한 원리를 이용하여 전기적인 방법으로 체수분을 측정하는 방법이다. 이 방법은 인체에 약한 교류 전류 신호를 보낼 때 전기는 전도성이 높은 체수분을 따라 흐르며, 수분의 많고 적음에 따라 전기가 흐르는 통로의 넓고 좁음이 결정되는데, 이를 임피던스라는 측정치로 나타내고, 이 임피던스를 기본으로 하여 준비된 수식을 통하여, 각 부위별 체성분(예를 들면, 체지방, 근육, 등)을 측정하는 분석방법이다. BIA 기술 관련특허를 많이 출원하고 있는 국내 회사로서는 (주)바이오스페이스가 대표적이고, 최근에는 이미 공지되어 있는 BIA 기술을 최대한 활용하여, 그 세부적인 변형이나, 다른 기술과의 조합을 통하여 보다 정밀한 측정기술을 개발하고 있으며 보다 간편하게 생활 속에서 이용 가능하도록 다양하게 변형시키는 연구가 진행 중에 있다.
	유비쿼터스 헬스케어 시스템이란?	세계적으로 고령화 사회의 가속과 경제 발전에 따라 유비쿼터스 헬스케어(Ubiquitous Healthcare) 시스템에 대한 연구가 집중적으로 이루어지고 있는데, 유비쿼터스 헬스케어 시스템이란 무선인터넷과 단말기를 생체계측기와 치료기기에 융합시켜 시간적 · 공간적 제약 없이 환자의 질병 및 건강관리가 가능한 시스템을 말하는 것으로서 기존의 생체계측기와 치료기기의 크기와 중량을 최소화하여 사용자가 항상 휴대함으로써 언제 · 어디서나 편리하게 사용 가능한 시스템을 말한다[1][2].

참고문헌 (7)

이민호, "U Health Care 동향", EIC 매거진, Vol. 5, pp. 16-21, 2009.
Berler A., Pavlopoulos S., and Koutsouris D., "Design of an interperability framework in an regional healthcare system", In Proceedings of Engineering in Medicine and Biology Society, Vol. 2, pp. 3093-3096, 2004.
Ursula G. Kyle, "Bioelectrical impedance analysis-part I: review of principles and methods", Clinical Nutrition, Vol. 23, pp. 1226-1243, 2004.

상세보기
Johnson L, "A new method for pulse oximetry processing inherent insensitivity to artifact", IEEE BME, Vol. 5, pp. 2110-2118, 2001.
한영오, "혈중산소포화도/맥파 신호 측정 및 무선 전송을 위한 모듈 개발", 한국전자통신학회논문지, 6권, 6호, pp. 981-986, 2011.

원문보기 상세보기
M.E. Van Valkenburg : Analog Filter Design, Holt-Saunder Interational, pp. 218-240, 1998.
E.C. Ifeachor and B.W. Jervis, "Digital Signal Processing", Addison Wesley, pp. 374-427, 2000.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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