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PVDF 필름 기반 센서를 이용한 무구속적인 누운 자세 추정
Unconstrained Estimation of Body Postures on Bed Using Polyvinylidene Fluoride Film-based Sensor 원문보기

Journal of biomedical engineering research : the official journal of the Korean Society of Medical & Biological Engineering, v.35 no.5, 2014년, pp.169 - 176  

서상원 (서울대학교 공과대학 협동과정 바이오엔지니어링 전공) ,  황수환 (서울대학교 공과대학 협동과정 바이오엔지니어링 전공) ,  윤희남 (서울대학교 공과대학 협동과정 바이오엔지니어링 전공) ,  정다운 (서울대학교 공과대학 협동과정 바이오엔지니어링 전공) ,  최재원 (서울대학교병원 수면의학센터) ,  이유진 (서울대학교병원 수면의학센터) ,  정도언 (서울대학교병원 수면의학센터) ,  박광석 (서울대학교 의과대학 의공학교실)

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As body postures on bed affects various sleep related diseases, it is considered as important information when monitoring sleeping in daily life. Though there have already been a few approaches to monitor body postures on bed conventionally, the development for simple and unconstrained methods is st...

주제어

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문제 정의

  • PVDF 필름은 마이크나 스피커 등에 많이 사용되는 소재로서, 미세한 압력 변화도 잘 감지하기 때문에, 심장 박동에 의한 몸의 미세한 떨림을 측정하기에 적합했다. PVDF 필름의 기본적인 사양은 기존 논문[2]에서 명시한 바와 같으며, 더 자세한 특성을 파악하고자 추가적인 실험을 진행하였다. PVDF 필름의 경우 가해준 힘의 변화량을 측정하기 때문에 기계적인 진동을 지속적으로 줄 수 있도록 지름 9 mm의 동전 형의 소형 진동 모터를 통해 실험을 진행하였다.
  • 먼저, 진동 모터를 그림 1(a)의 지점 4에 부착한 후 가해준 전압을 달리하여 진동의 세기를 변화시켰으며, 이를 통해 자극의 크기에 따라 센서 출력의 진폭에 변화가 있는지 보았다. 다음으로, 그림 1의 (a)에 표시된 지점마다 진동 모터를 부착하여 같은 크기의 자극을 주었으며 그 때의 센서 출력의 진폭을 측정하여 지점 별 출력 차이를 보고자 하였다. 자극은 두 실험 모두 10회씩 주었고, 각 실험의 결과는 각각 그림 1의 (c), (d)와 같다.
  • 물론, 앞서 언급했듯, Li 등이 심탄도를 이용한 자세 추정을 한 바 있지만[19], 이는 성능이 낮을 뿐만 아니라 누운 자세에 따른 심탄도 파형 변화가 과연 재현성이 있는가에 대한 의문을 충분히 해소하지 못했다. 따라서 본 연구는 새로운 방법을 이용하여 심탄도를 이용한 자세 추정의 성능을 높임과 동시에, 재현성에 대한 의문도 해소하여 심탄도를 이용한 자세 추정의 가능성을 확인하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 무구속적인 침대 위에서의 누운 자세 모니터링을 위해 기존에 거의 다루어지지 않았던 심탄도를 이용하여 자세 추정을 시도하였다. 실험 결과 PVDF 필름 센서를 통해 받은 심탄도로 자세 추정이 가능하며, 심탄도가 재현성이 있어 활용 가능성이 있음을 보였다.
  • 본 연구에서는 수면 자세를 장기적으로 모니터링을 할 수 있도록, 무구속적이면서도 간단한 형태의 수면 자세 모니터링 기술을 개발하는 것을 최종적인 목표로 삼았으며, 본 논문에서는 이를 위한 선행적인 연구로서, 심탄도 신호를 통한 침대 위에서의 누운 자세 추정이 가능성이 있는지를 보고자 하였다. 이는 심탄도 신호가 누운 자세에 따라 변화한다는 사실에 착안한 것으로, Alametsa 등에 의해서도 이와 관련된 사실이 보고된 바가 있다[20].

가설 설정

  • 8초 길이의 박동 데이터를 생성하였다. 박동 데이터의 길이는 알고리즘의 단순화를 위해, 피실험자들의 평균 심박수를 반영하지 않고 모든 피실험자에 대해 똑같이 0.8초로 정하였다. 박동의 기준이 되는 J-피크는 심전도를 참고하여 수동으로 찾았으며, 움직임에 의해 심탄도 신호가 명확하지 않은 구간은 모두 제거하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
침대 위에서의 누운 자세를 추정하기 위해 사용되는 용량성 전극을 통한 무구속적인 방법의 단점은 무엇인가? 여러 생체 신호 중 심전도(electrocardiogram, ECG)를 이용한 누운 자세 추정이 비교적 다양하게 연구되어 왔는데[16-17], 그 중 Lee 등은 용량성 전극을 통한 무구속적인 방법으로 심전도를 계측하여 침대 위에서의 누운 자세를 추정한 바 있다[17]. 그러나 용량성 전극의 경우 몸과 전극 사이의 임피던스에 크게 영향을 받기 때문에 옷의 재질이나 온습도에 매우 민감하다는 단점이 있다. 심전도를 이용한 방법 외에 무구속적으로 측정한 호흡신호[18] 혹은 심탄도(ballistocardiogram, BCG)[19]를 통한 추정 연구가 진행된 바 있지만 평균 자세 추정 성능이 각각 71%, 80% 정도로 좋지 않은 편이다.
침대 위에서의 누운 자세와 관련된 대표적인 수면 질환은 무엇인가? 침대 위에서의 누운 자세는 다양한 질환에 영향을 끼치는 중요한 정보로서, 특히 수면 건강을 모니터링할 때 주요하게 고려된다. 침대 위에서의 누운 자세와 관련된 대표적인 수면 질환은 수면 무호흡증으로 일상 생활에서 더 간편하게 수면 무호흡증을 진단하고 치료하기 위한 연구들이 최근까지 계속 발표되고 있다[5]. Penzel 등과 Itasaka 등은 일부 수면 무호흡증의 경우, supine 자세에 비해 lateral 자세에서 무호흡증 증상이 감소한다는 결과를 보고한 바 있다[6-7].
침대 위에서의 누운 자세는 어떤 정보로 고려되는가? 침대 위에서의 누운 자세는 다양한 질환에 영향을 끼치는 중요한 정보로서, 특히 수면 건강을 모니터링할 때 주요하게 고려된다. 침대 위에서의 누운 자세와 관련된 대표적인 수면 질환은 수면 무호흡증으로 일상 생활에서 더 간편하게 수면 무호흡증을 진단하고 치료하기 위한 연구들이 최근까지 계속 발표되고 있다[5].
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참고문헌 (22)

  1. J.H. Shin, Y.J. Chee, D.U. Jeong, and K.S. Park, "Nonconstrained Sleep Monitoring System and Algorithms Using Air-Mattress With Balancing Tube Method," IEEE Trans. Inf. Technol. Biomed., vol. 14, no. 1, pp. 147-156, 2010. 

  2. S.H. Hwang, H.J. Lee, H.N. Yoon, D.W. Jung, Y.J.G. Lee, Y.J. Lee, D.U. Jeong, and K.S. Park, "Unconstrained Sleep Apnea Monitoring Using Polyvinylidene Fluoride Film- Based Sensor," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 61, no. 7, pp. 2125-2134, 2014. 

  3. C.W. Wang, A. Hunter, N. Gravill, and S. Matusiewicz, "Unconstrained Video Monitoring of Breathing Behavior and Application to Diagnosis of Sleep Apnea," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 61, no. 2, pp. 396-404, 2014. 

  4. D.W. Jung, S.H. Hwang, H.N. Yoon, Y.J.G. Lee, D.U. Jeong, and K. S. Park, "Nocturnal Awakening and Sleep Efficiency Estimation Using Unobtrusively Measured Ballistocardiogram," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 61, no. 1, pp. 131-138, 2014. 

  5. Junghun Lee, Jeon Lee, Hyo-Ki Lee and Kyoung-Joung Lee, "Sleep Apnea Detection using Estimated Stroke Volume," J. Biomed. Eng. Res., vol. 34, no. 2, pp. 97-103, 2013. 

  6. T. Penzel, M. Moller, H.F. Becker, L. Knaack, and J.H. Peter, "Effect of Sleep Position and Sleep Stage on the Collapsibility of the Upper Airways in Patients with Sleep Apnea," Sleep, vol. 24, no. 1, pp. 90-95, 2001. 

  7. Y. Itasaka, S. Miyazaki, K. Ishikawa, and K. Togawa, "The influence of sleep position and obesity on sleep apnea," Psychiatry. Clin. Neurosci., vol. 54, pp. 340-341, 2000. 

  8. A. Oksenberg, D. Silverberg, D. Offenbach, and E. Arons, "Positional Therapy for Obstructive Sleep Apnea Patients: A 6-Month Follow-Up Study," Laryngoscope, vol. 116, no. 11, pp. 1995-2000, 2006. 

  9. H. Nakano, T. Ikeda, M. Hayashi, E. Ohshima, and A. Onizuka, "Effects of Body Position on Snoring in Apneic and Nonapneic Snorers," Sleep, vol. 26, no. 2, pp. 169-172, 2003. 

  10. M.Y. Agargun, M. Boysan, and L. Hanoglu, "Sleeping Position, Dream Emotions, and Subjective Sleep Quality," Sleep Hypnosis, vol. 6, no. 1, pp. 8-13, 2004. 

  11. J.D. Koninck, P. Gagnon, and S. Lallier, "Sleep Positions in the Young Adult and Their Relationship with the Subjective Quality of Sleep," Sleep, vol. 6, no. 1, pp. 52-59, 1983. 

  12. R.B. Berry, R. Brooks, C.E. Gamaldo, S.M. Harding, R.M. Lloyd, C.L. Marcus, and B.V. Vaughn for the American Academy of Sleep Medicine, The AASM Manual for the Scoring of Sleep and Associated Events: Rules, Terminology and Technical Specifications, Version 2.0.3, www.aasmnet. org, Darien, IL, USA: Amer. Acad. Sleep Med., 2014. 

  13. K.M. Chang and S.H. Liu, "Wireless portable electrocardiogram and a tri-axis accelerometer implementation and application on sleep activity monitoring," Telemed. J. E. Health, vol. 17, no. 3, 2011, pp. 177-184. 

  14. C.C. Hsia, K.J. Liou, A.P. Aung, V. Foo, W. Huang, and J. Biswas, "Analysis and comparison of sleeping posture classificationmethods using pressure sensitive bed system," in Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. Conf., pp. 6131-6134, 2009. 

  15. R. Yousefi, S. Ostadabbas, M. Faezipour, M. Farshbaf, M. Nourani, L. Tamil, and M. Pompeo, "Bed posture classification for pressure ulcer prevention," in Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. Conf., pp. 7175-7178, 2011. 

  16. C.M. Yang, C.M. Chou, S.G. Chen, B.J. Li, S.H. Hung, C.H. Yang, C.C. Wu, M.C. Hsieh, T.L. Yang, "Sleeping ECG and body position monitoring system," in Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. Conf., pp. 1856-1859, 2009. 

  17. H.J. Lee, S.H. Hwang, S.M. Lee, Y.G. Lim, and K.S. Park, "Estimation of Body Postures on Bed Using Unconstrained ECG Measurements," IEEE J. Biomed. Health Inform., vol. 17, no. 6, pp. 985-993, 2013. 

  18. Z.T. Beattie, C.C. Hagen, and T.L. Hayes, "Classification of Lying Position Using Load Cells under the Bed," in Proc. IEEE Eng. Med. Biol. Soc. Conf., pp. 474-477, 2011. 

  19. Y. Li, J. Zhu, Z. Cao, M. Yu, "A Noncontact Method for Detecting Horizontal Positions from the Ballistocardiogram under the Bed," Journal of Electrical and Control Engineering, vol. 3 no. 2, pp. 18-23, 2013. 

  20. J. Alametsa, J. Viik, J. Alakare, A. Varri and A. Palomaki, "Ballistocardiography in sitting and horizontal positions," Physiol. Meas., vol. 29, pp. 1071-1087, 2008. 

  21. F. Wang, M. Tanaka and S. Chonan, "Development of a PVDF Piezopolymer Sensor for Unconstrained In-sleep Cardiorespiratory Monitoring," J. Intell. Mater. Syst. Struct., vol. 14, pp. 185-190, 2003. 

  22. S. Rajala and J. Lekkala, "Film- Type Sensor Materials PVDF and EMFi in Measurement of Cardiorespiratory Signals - A Review," IEEE Sens. J., vol. 12, no. 3, pp. 439-446, 2012. 

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