[논문]휴리스틱을 이용한 의료 수액 낙하 속도 측정 시스템 개발

김정숙; 정준호

doi:10.5391/jkiis.2014.24.5.542

문제 정의

스마트 폰을 사용한 관련 연구는 스마트 폰에 설치된 앱을 실행하여 점적통에서 수액이 떨어지면 이를 직접 간호사 및 사용자가 손으로 스마트 폰 화면을 터치하여 수액 속도를 측정하는 방법이다. 본 기술에서는 수액 낙하 속도를 측정하기 위해 사용자가 5번의 수액 낙하에 맞추어 스마트폰의 화면을 동시에 터치를 한다. 화면 터치를 통해 얻은 낙하 시간을 수액의 총량으로 나누면 얼마만큼의 시간이 소요되며, 수액 낙하 속도가 얼마인지를 알 수 있다.
특히 스마트폰에 부착되어 있는 성능 좋은 카메라를 이용하여 영상을 생성하고, 생성된 영상을 스마트폰에 내장되어 있는 영상 처리 기술을 이용하는 다양한 응용 기술과 제품들이 개발되고 있다. 본 논문에서 개발하고자 하는 수액 주입 속도 측정 기술도 스마트폰을 이용해 환자에게 가장 적합한 속도로 수액을 투여할 수 있는 환경을 제공하기 위한 것이 목적이다. 수액에 섞어 쓰는 여러 가지 약재 (항함제, 항생제, 생물학적 제재 등) 에 따라 수액의 낙하 주입 속도를 다르게 하여 투여를 해야 하며, 특히 환자의 상태에 따라 정확한 수액 주입 속도와 양이 측정되어야 하고, 투여가 이루어져야 한다.
기존의 관련 연구[4]의 적외선 센서를 이용한 속도측 정의 경우 낙하하는 수액을 인지하여 속도를 측정하였다. 본 논문에서는 스마트폰의 카메라를 이용하여 영상을 촬영 하고 이를 분석하였다. 그런데 스마트 폰 카메라를 이용하여 수액 낙하 영상을 촬영하는 과정에서 다음과 같은 제약사항이 발생한다.
본 논문은 스마트 폰에 탑재되어 병원에서 환자에게 투여하는 수액 낙하 속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 따라서 수액 투여가 종료되는 시간을 파악할 수 있는 의료 IT 융합 시스템을 개발하였다. 스마트폰의 급속한 보급으로 많은 스마트폰을 활용한 의료IT 융합 시스템용 응용 프로그램들이 개발되고 있다.
본 논문은 의료 IT 융합 시스템을 개발하였다. 노령화 시대에 접어들면서 수액 치료가 증가하고 있으나, 환자 상태와 다양한 상황을 고려한 의사 처방에 따른 수액량과 적절한 수액 주입 속도를 측정할 수 있는 기술이 부족하다.
현재 대부분의 병원에서는 간호사의 경험에 의해 조절되고 있다. 이에 본 논문에서는 스마트 폰에 탑재되어 병원에서 환자에게 투여하는 수액 주입 속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 따라서 수액 투여가 종료되는 시간을 파악할 수 있는 의료 IT 융합 시스템을 개발하였다. 먼저 스마트 폰으로 수액 낙하를 촬영하고, 촬영된 프레임을 이진화 영상으로 처리하여 휴리스틱 기법을 적용한 수액 낙하 속도를 측정하는 모바일 응용 프로그램을 안드로이드 환경에서 개발하였다.
현재 대부분의 병원에서는 숙련된 간호사의 경험으로 수액 주입 속도를 조절하여 투여하고 있다. 이에 본 논문에서는 스마트 폰의 성능 좋은 카메라를 이용하여 수액이 주입되는 영상을 촬영하고, 이를 스마트폰 내부의 영상처리 기술과 휴리스틱 방법을 이용하여, 정확한 수액 주입 속도를 측정할 수 있는 모바일 응용 프로그램을 개발하였다. 또한 수액을 환자에게 투입 할 때, 언제 수액이 다 투여되는지를 알 수 있도록 수액 투여 마감 시간을 정확하게 측정할 수 있다.

제안 방법

낙하가 되지 않은 일반적인 수면 상태에서 중단 부분의 이진화 임계값과 낙하 후 프레임들의 중단 부분의 임계값들을 비교하여 값이 증가하고 감소함에 따라 임계값을 결정한다. 감소하면 어두워졌다고 판별 하고 이진화 임계값을 밝기가 가장 어두운 0부터 10% 개수에 해당하는 값으로 설정하고, 증가하면 밝아졌다고 판별하고 이진화 임계값을 밝기가 가장 밝은 255부터 10%의 개수에 해당하는 값으로 선정하여 임계값으로 이진화를 진행한 다. 카메라는 갤럭시 s3로 찍은 영상을 사용했으며, 점적통이 위치한 주위배경을 흰색으로 제한하여 실험하였다.
먼저 사용자가 스마트폰으로 일정시간 동안(약 2~3방울) 수액이 떨어지는 장면을 촬영하면, 각각의 프레임들에 대하여 반복적 이진화 방식으로 임계값을 도출한다. 구해진 임계값들을 비교하여, 다른 임계값들에 비해 값이 높거나 낮게 변하는 프레임들을 구분하며, 또한 값이 변하지 않는 프레임 중 하나를 낙하가 되지 않은 화면으로 설정하고 검출 한다. 임계값이 변하지 않은 프레임의 히스토그램을 작성하고, 그에 따른 0과 255부터 전체픽셀에서 각각 10%해당하는 지점의 밝기 값을 구한 후, 임계값이 변한 프레임들과 변하지 않았던 프레임을 각각 상단(1/5구간), 중단(상단 이후 3/5구간), 하단(중단 이후 1/5구간)으로 3등분한 후 각단을 반복적 이진화 방법을 통하여 임계값을 구한다.
이렇게 영상 분석의 결과를 바탕으로 수액 낙하 판별을 위한 기법을 설계함에 있어 비교적 영상분석에 작은 자원만을 소비하기 위해서 영상을 이진화하여 촬영된 수액 점적통의 수면의 변화를 측정하여 분석하였다. 그리고 이진화시 사용되는 임계값에 따라 상이한 결과를 도출하기에 이진화 임계값에 따른 수면변화를 인지하고 분석하여 영상의 이진화를 통한 수액 낙하 판별을 위한 휴리스틱 기법을 설계하였다. 다음 그림 2는 실제 수액 낙하 속도를 측정하기 위한 의료 IT 융합 시스템의 기본 구조도를 보여주고 있다.
본 논문에서의 프레임 포착 기준은 수액방울이 낙하되기 직전 프레임부터 낙하 후 다시 초기상태(파동이 없는 상태)로 회복되는 것을 기준으로 정하였다. 마지막으로 고려되어야 할 사항이 낙하한 수액 표면의 상황이 최상인 경우와 최악의 경우를 구분하고 그 외의 경우에 일반적인 상황으로 구분하였다. 낙하순간에 나타나는 파장에 따라서 음영이 발생하거나, 수액이 튀어 오르는 정도가 큰 차이가 나는 경우 최악이나 최상으로 구분하고, 그렇지 않은 경우 일반적인 경우만 표기하였다.
카메라는 갤럭시 s3로 찍은 영상을 사용했으며, 점적통이 위치한 주위배경을 흰색으로 제한하여 실험하였다. 마지막으로 현재 프레임에서 임계값을 넘었다면 이전에 임계값을 넘어선 프레임에서 경과한 프레임의 수를 비교하여 수액이 투여된 간격을 계산하여 수액의 속도를 측정한다. 수액 낙하 판단 기법을 바탕으로 수액이 낙하된 프레임과 이후에 낙하된 프레임사이의 프레임 수를 계수하여 아래의 식을 바탕으로 수액의 점적 속도를 측정할 수 있다.
이에 본 논문에서는 스마트 폰에 탑재되어 병원에서 환자에게 투여하는 수액 주입 속도를 정확하게 측정할 수 있으며, 따라서 수액 투여가 종료되는 시간을 파악할 수 있는 의료 IT 융합 시스템을 개발하였다. 먼저 스마트 폰으로 수액 낙하를 촬영하고, 촬영된 프레임을 이진화 영상으로 처리하여 휴리스틱 기법을 적용한 수액 낙하 속도를 측정하는 모바일 응용 프로그램을 안드로이드 환경에서 개발하였다. 개발된 응용 프로그램을 이용하여 실제 병원 환경에서 실험한 결과 수액 낙하 속도를 보다 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있었다.
수액 낙하 속도를 측정하기 위한 의료 IT 융합 시스템은 스마트 폰을 이용하여 의료 기기인 수액 점적통의 수액 낙하에 따라 변화하는 수액 표면의 영상을 촬영하여 분석하는 시스템이다. 먼저 촬영된 영상의 촬영거리에 따른 영상에 대해 측정한 후 분석을 진행하였고[5] 또한 스마트폰에 따른 카메라 장치의 차이와 내부요소의 차이에 따른 영상의 차이를 분석하였다. 이렇게 영상 분석의 결과를 바탕으로 수액 낙하 판별을 위한 기법을 설계함에 있어 비교적 영상분석에 작은 자원만을 소비하기 위해서 영상을 이진화하여 촬영된 수액 점적통의 수면의 변화를 측정하여 분석하였다.
그리고 수액 점적통의 배경화면이 고려되어야 한다. 배경화면의 경우 먼저 흰 배경(병원의 경우 전반 적으로 밝은 색조)과 어두운 배경(일반적인 배경은 다양한 색조가 존재)으로 구분하여 실험하였다. 여기에 프레임 포착 기준이 중요하다.
여기에 프레임 포착 기준이 중요하다. 본 논문에서의 프레임 포착 기준은 수액방울이 낙하되기 직전 프레임부터 낙하 후 다시 초기상태(파동이 없는 상태)로 회복되는 것을 기준으로 정하였다. 마지막으로 고려되어야 할 사항이 낙하한 수액 표면의 상황이 최상인 경우와 최악의 경우를 구분하고 그 외의 경우에 일반적인 상황으로 구분하였다.
먼저 수액 점적통과 스마트폰과의 각도를 잘 조절해야 한다. 수액 방울이 낙하 후 수면의 내부와 외부의 변화를 측정하기 위해 수면과 스마트폰을 수평으로 하여 촬영하였다. 그리고 수액 점적통의 배경화면이 고려되어야 한다.
센서의 후면 부에는 센서 전원 및 신호처리 회로가 부착되어 있으며 증폭된 적외선 센서 신호는 마이크로프로세서로 입력되어 수액 방울 간의 낙하시간 측정 데이터로 활용된다. 수액 주입 속도 측정을 위해 점적통의 둘레에 한 쌍의 발광 센서와 수광 센서를 부착하여 수액 방울 낙하방향에 대해 직각방향으로 적외선을 조사한다. 수액방울이 점적통의 상단에서 낙하 하여 조사된 적외선을 통과하게 되면 수액내의 수분에 의해 조사된 적외선이 일부 흡수되므로 수광 적외선 센서에서 계측되는 적외선의 양은 수액 방울의 통과 유무에 따라 그림 1과 같이 변화한다.
광원은 형광등이며, 일반적인 병원 환경에서 촬영하였다. 스마트 폰의 성능에 따라 다르나 영상을 처리하는데 많은 시간이 소요되므로 실시간으로 속도를 맞추어야 하는 현실에 맞게 5번 낙하하는 영상을 촬영하여 가능한 빠른 속도 측정을 해야 하여 실시간 처리가 가능하도록 하였다.
실험은 먼저 다양한 색의 점적통과 수액을 아래의 표 1과 같이 4가지 조합을 통해 실험하였다. 그리고 실험에 사용한 스마트 폰은 갤럭시 S3이며, 수액 낙하 속도를 측정하기 위해 5번의 수액이 낙하하는 동안 영상을 촬영하였다.
다음의 그림 7과 8 및 9의 결과는 차 영상을 이용한 점적통 수액 낙하 판정의 방법에서 배경 및 임계값의 변화를 주며 각 배경에서 최적의 임계값을 찾기 위한 실험을 진행한 결과이다. 실험은 일반적인 형광등의 환경에서 흰색배경, 검은색 배경으로 진행하였고, 그래프의 x축은 영상의 각 프레임을 나타내고 y축은 휴리스틱 기법의 적용 결과로 얻어진 흰색 영역의 넓이이다.
먼저 촬영된 영상의 촬영거리에 따른 영상에 대해 측정한 후 분석을 진행하였고[5] 또한 스마트폰에 따른 카메라 장치의 차이와 내부요소의 차이에 따른 영상의 차이를 분석하였다. 이렇게 영상 분석의 결과를 바탕으로 수액 낙하 판별을 위한 기법을 설계함에 있어 비교적 영상분석에 작은 자원만을 소비하기 위해서 영상을 이진화하여 촬영된 수액 점적통의 수면의 변화를 측정하여 분석하였다. 그리고 이진화시 사용되는 임계값에 따라 상이한 결과를 도출하기에 이진화 임계값에 따른 수면변화를 인지하고 분석하여 영상의 이진화를 통한 수액 낙하 판별을 위한 휴리스틱 기법을 설계하였다.
구해진 임계값들을 비교하여, 다른 임계값들에 비해 값이 높거나 낮게 변하는 프레임들을 구분하며, 또한 값이 변하지 않는 프레임 중 하나를 낙하가 되지 않은 화면으로 설정하고 검출 한다. 임계값이 변하지 않은 프레임의 히스토그램을 작성하고, 그에 따른 0과 255부터 전체픽셀에서 각각 10%해당하는 지점의 밝기 값을 구한 후, 임계값이 변한 프레임들과 변하지 않았던 프레임을 각각 상단(1/5구간), 중단(상단 이후 3/5구간), 하단(중단 이후 1/5구간)으로 3등분한 후 각단을 반복적 이진화 방법을 통하여 임계값을 구한다. 그림 5에서 이를 보여주고 있다.

대상 데이터

그리고 실험에 사용한 스마트 폰은 갤럭시 S3이며, 수액 낙하 속도를 측정하기 위해 5번의 수액이 낙하하는 동안 영상을 촬영하였다. 광원은 형광등이며, 일반적인 병원 환경에서 촬영하였다. 스마트 폰의 성능에 따라 다르나 영상을 처리하는데 많은 시간이 소요되므로 실시간으로 속도를 맞추어야 하는 현실에 맞게 5번 낙하하는 영상을 촬영하여 가능한 빠른 속도 측정을 해야 하여 실시간 처리가 가능하도록 하였다.
실험은 먼저 다양한 색의 점적통과 수액을 아래의 표 1과 같이 4가지 조합을 통해 실험하였다. 그리고 실험에 사용한 스마트 폰은 갤럭시 S3이며, 수액 낙하 속도를 측정하기 위해 5번의 수액이 낙하하는 동안 영상을 촬영하였다. 광원은 형광등이며, 일반적인 병원 환경에서 촬영하였다.
본 논문에서는 낙하하는 수액자체를 인지하는 것이 아니라 그림 3에 표현된 흰 점선의 영역, 즉 수액 표면을 수액 낙하의 인지를 위해서 사용하였다. 수액이 낙하하여 표면이 변화할 경우 기존의 화면 이미지와 크게 변화하는 점을 이용한 것이다.
첫째 스마트 폰의 카메라를 이용하여 그레이스케일로 영상을 획득한다. 투명한 수액의 경우 최악의 경우인 수액방울 낙하 시 음영이 적게 발생하는 경우에도 최상의 경우만큼은 아니지만 수면내부에서 발생한 음영의 윤곽은 이진화시 구분이 가능하다.
감소하면 어두워졌다고 판별 하고 이진화 임계값을 밝기가 가장 어두운 0부터 10% 개수에 해당하는 값으로 설정하고, 증가하면 밝아졌다고 판별하고 이진화 임계값을 밝기가 가장 밝은 255부터 10%의 개수에 해당하는 값으로 선정하여 임계값으로 이진화를 진행한 다. 카메라는 갤럭시 s3로 찍은 영상을 사용했으며, 점적통이 위치한 주위배경을 흰색으로 제한하여 실험하였다. 마지막으로 현재 프레임에서 임계값을 넘었다면 이전에 임계값을 넘어선 프레임에서 경과한 프레임의 수를 비교하여 수액이 투여된 간격을 계산하여 수액의 속도를 측정한다.

성능/효과

이진화 임계 값 설정기준은 수액의 색과 점적통의 투명, 불투명함에 따라 이진화를 위한 적절한 임계값은 다르게 결정된다. 각각의 조합된 경우별로 임계값을 설정해야 정확하게 수액의 낙하순간을 효과적으로 구분이 가능하다. 스마트 폰 갤럭시 s3의 경우 불투명 점적통과 투명수액의 조합을 제외한 경우 공통의 임계값으로도 수액낙하 판별이 가능함을 확인할 수 있었 다.
먼저 스마트 폰으로 수액 낙하를 촬영하고, 촬영된 프레임을 이진화 영상으로 처리하여 휴리스틱 기법을 적용한 수액 낙하 속도를 측정하는 모바일 응용 프로그램을 안드로이드 환경에서 개발하였다. 개발된 응용 프로그램을 이용하여 실제 병원 환경에서 실험한 결과 수액 낙하 속도를 보다 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있었다. 향후 연구 방향은 영상 촬영 시 손떨림이 발생할 수 있으며, 이를 해결하는 기법을 추가할 것이며, 본 연구 결과를 병원에서 실제 사용할 수 있도록 상용화 할 예정이다.
하지만 실험에서 수액의 속도를 조절하지 않았음으로 일정한 간격으로 수액이 낙하할 것이나 결과에서 세 번째 낙하의 경우는 불규칙한 경우로서 이는 긍정오류로 판별된다. 즉 총 25번의 결과 24번의 결과가 제대로 판별되었고 하나의 결과만 낙하하지 않았으나 낙하한 것으로 판별되었다. 또한 부정오류는 500의 임계값을 기준으로 발견되지 않음을 알 수 있다.
단순히 낙하 판별 여부로서만 즉 96%의 정확도를 보여준다. 측정한 500여개의모든 프레임을 기준으로 계산한다면 대략 10여 프레임만 오류가 발생한 것으로 98% 수준의 정확도를 보여준다고 할 수 있을 것이다. 또한 인위적인 배경요소를 배제하고 실험을 진행한 결과는 실험 배경이 검은색인 경우와 유사한 결과를 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 인위적인 배경요소를 배제하고 실험을 진행한 결과는 실험 배경이 검은색인 경우와 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 최근에 출시된 스마트폰의 경우 그 성능이 점차 향상됨에 따라 개선될 여지가 있으며, 최근 출시된 아이폰 5S 같은 경우 자체의 카메라에서 초당 120프레임까지 지원하므로 좀 더 정확한 수액의 낙하를 판별을 해낼 수 있을 것이다. 이를 표로 정리하면 다음 표 2와 같다.
개발된 응용 프로그램을 이용하여 실제 병원 환경에서 실험한 결과 수액 낙하 속도를 보다 정확하게 측정할 수 있음을 알 수 있었다. 향후 연구 방향은 영상 촬영 시 손떨림이 발생할 수 있으며, 이를 해결하는 기법을 추가할 것이며, 본 연구 결과를 병원에서 실제 사용할 수 있도록 상용화 할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	노인 인구의 빠른 증가는 어떤 문제를 야기하나요?	고령인구의 증가는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적인 추세로 선진국의 경우 2025년에 60세 이상 인구가 전체 인구의 25%를 넘을 것으로 전망되고 있다. 노인 인구의 빠른 증가는 급격한 의료서비스의 수요 증가, 이로 인한 의료비용의 급증, 평균수명의 연장과 노인의 삶의 질 저하, 전문 의료진의 부족현상 심화 등 다양한 문제를 야기하고 있다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 최근 IT기술이 의료분야에 융합되고 있다.
	수액 낙하 속도는 무엇에 영향을 받나요?	본 논문에서 개발하고자 하는 수액 주입 속도 측정 기술도 스마트폰을 이용해 환자에게 가장 적합한 속도로 수액을 투여할 수 있는 환경을 제공하기 위한 것이 목적이다. 수액에 섞어 쓰는 여러 가지 약재 (항함제, 항생제, 생물학적 제재 등) 에 따라 수액의 낙하 주입 속도를 다르게 하여 투여를 해야 하며, 특히 환자의 상태에 따라 정확한 수액 주입 속도와 양이 측정되어야 하고, 투여가 이루어져야 한다. 그러나 현재 사용 중인 수액 투여 의료기기의 유량 조절기는 유통 패턴이 선형화 되어 있지 않고 조절기 표면에 속도를 표시하고 있지만 실제 상황에서 여러 가지 변수를 고려하지 않고 있다.
	선진국의 경우 2025년에 60세 이상 인구가 차지하는 비율이 어느정도로 전망하나요?	고령인구의 증가는 우리나라뿐만 아니라 전 세계적인 추세로 선진국의 경우 2025년에 60세 이상 인구가 전체 인구의 25%를 넘을 것으로 전망되고 있다. 노인 인구의 빠른 증가는 급격한 의료서비스의 수요 증가, 이로 인한 의료비용의 급증, 평균수명의 연장과 노인의 삶의 질 저하, 전문 의료진의 부족현상 심화 등 다양한 문제를 야기하고 있다.

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