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문제 정의
- 치매환자의 경우 자기관리 능력의 현저한 저하로 낙상과 골절의 위험이 크며, 일상생활활동에 어려움이 있다.21) 따라서 본 연구의 대상은 보호대상약자 중 노화에 따른 치매환자를 중심으로 진행하고자 한다.
- 따라서 일반 외상환자와는 다른 치매환자의 신체 및 행동 특성을 고려한 디자인이 설계되어야 할 것이다. 따라서 본 연구에서 치매환자복 상의에 탈부착이 가능한 디바이스 위치를 선정하기 위해 선행 연구와 디바이스 부착 위치 선정을 위한 실험 조사 및 환자 관찰을 통해 거동이 불편한 고령 치매 환자의 신체 및 행동 특성을 연구하였다.
- 치매환자의 신체 및 행동특성을 연구한 결과, 치매환자의 신체 특성은 일반적인 노인의 신체 특성과 유사하게 나타났다. 따라서 본 연구의 주 대상인 보호대상약자 중 치매에 따른 거동불편 노인을 위한 제품 개발을 위해 치매노인 중 높은 비율을 차지하고 있는 노년기 여성의 상반신 체형에 대한 분석을 하였다. 관련 연구 중 김혜경28)은 일반적인 노년층의 신체 특징이 키는 줄어들고 머리는 앞으로 숙여지며 가슴 배 엉덩이 부위는 증가하는 반면, 사지가 가늘어지고 등과 어깨가 두꺼워져 등이 굽은 형태를 나타낸다고 밝혔다.
- 이에 본 연구는 보호대상약자와 같이 생체 정보모니터링이 지속적으로 필요한 대상을 중심으로 이들이 상용할 수 있는 웨어러블 디바이스 디자인을 개발하고자 한다. 보호대상약자의 범주 중 일차 대상자는 그 비율이 점차 증가하고 있는 치매 환자로 이들의 건강 및 위치정보 모니터링을 위한 웨어러블센싱 디바이스를 개발함으로써, 보다 개방적인 보호시스템을 만드는데 일조하고자 한다. 이를 위하여 일상생활에서 착용 가능한 디바이스의 구조, 위치 분석 및 치매 환자의 행동 특성에 따른 속옷형태의 센서를 개발하고, 치매 환자들의 우발적 행동에 의해서 훼손되거나 분리되지 않는 센싱 패치의 숨김 기능과 안정성을 반영한 디자인을 개발하고자 한다.
- 본 연구는 생체 정보 모니터링이 지속적으로 필요한 보호대상약자를 중심으로 상용할 수 있는 웨어러블 디바이스 디자인을 개발하여 보다 개방적인 보호시스템을 제안하고자 하였다. 먼저 선행연구와 직접관찰을 통해 노년기 여성의 대표 체형을 4가지로 분류하였으며 노인 신체 특성 및 치매환자 행동 특성을 분석하여 그에 따른 통신패치의 위치와 센싱 웨어의 디자인 요소를 자체적으로 도출하였다.
- 본 연구에서는 선행연구를 기반으로 보호대상약자의 웨어러블 센싱 웨어에 적합한 의류형 탈부착 부자재를 선정하기 위해 다음과 같은 요소를 고려하였다. 첫 번째는 통신패치와 전도성 직물 센서 간 전기신호 전달을 위해 탈부착 부자재는 반드시 전도성재질로 이루어져야 하며 둘째, 일상생활과 활동 시통신패치의 안정성을 최대한 유지할 수 있는 탈부착 부자재여야 한다는 점.
- 보호대상약자의 범주 중 일차 대상자는 그 비율이 점차 증가하고 있는 치매 환자로 이들의 건강 및 위치정보 모니터링을 위한 웨어러블센싱 디바이스를 개발함으로써, 보다 개방적인 보호시스템을 만드는데 일조하고자 한다. 이를 위하여 일상생활에서 착용 가능한 디바이스의 구조, 위치 분석 및 치매 환자의 행동 특성에 따른 속옷형태의 센서를 개발하고, 치매 환자들의 우발적 행동에 의해서 훼손되거나 분리되지 않는 센싱 패치의 숨김 기능과 안정성을 반영한 디자인을 개발하고자 한다. 치매 환자를 위한 웨어러블 센싱 디바이스의 디자인 개발과 웨어러블 센서의 착용감, 디자인 평가를 위해 경상남도 진영 소재의 ‘ㅎ’요양원 입소자 6명을 대상으로 총 3회에 걸쳐 디자인 착의실험을 실시하였으며 최종 제품 개발 후 이를 10일간 착용시킨 후 인터뷰를 통해 착의 평가를 실시하였다.
- 이에 본 연구는 보호대상약자와 같이 생체 정보모니터링이 지속적으로 필요한 대상을 중심으로 이들이 상용할 수 있는 웨어러블 디바이스 디자인을 개발하고자 한다. 보호대상약자의 범주 중 일차 대상자는 그 비율이 점차 증가하고 있는 치매 환자로 이들의 건강 및 위치정보 모니터링을 위한 웨어러블센싱 디바이스를 개발함으로써, 보다 개방적인 보호시스템을 만드는데 일조하고자 한다.
가설 설정
- A3-a1과 A3-a2 디자인의 경우는 여밈의 유무에 차이가 있는데, 체형에 관계없이 여밈이 있는 A3-a2디자인이 더 착용감이 좋다고 평가되었다. 두 디자인 모두 어깨 위에 통신패치를 부착한 디자인이었는데 의식되었으나 불편함은 느껴지지 않는다고 평가하였다. B1-a는 체형에 구애받지 않고 모두 다 편안하다는 평가를 받았고 엎드렸을 때도 통신패치가 가슴위에 위치하여 크게 결리지 않았다.
제안 방법
- 1차 프로토타입의 디자인과 통신패치의 위치를 기본으로 통신패치의 위치를 변형하는 디자인, 직물 센서의 위치를 다양화하는 디자인을 진행하였다. 또한 치매노인의 신체 및 활동 특성을 반영한 통신패치의 은폐기능 등을 추가하였으며 다양한 체형의 피험자를 대상으로 체형과 센서의 위치 등에 연계성이 있는지 파악하기 위하여 2차 디자인을 확장하였다.
- 1차로 현재 시판되는 의류용 부자재 총 30여개를 수집하고, 전도성 측정기를 이용하여 전도성 기능을 테스트 하였으며, 탈부착 동작의 반복 테스트 20회 이상 하였다. 2차로 통신패치의 전자기판에 연결되어야 하는 점을 고려해, 전자기판 설계도에 삽입 가능한 높이, 길이, 면적을 가졌는지 고려하여 2종류의 스냅 타입, 1종류의 후크 타입 등 총 3가지 타입을 최종 선정하여 통신패치에 적용하였다.
- 또한 전체 디자인중 2개 디자인에 여밈을 추가하여 착탈의 시 불편함을 개선하였다. 2차 착의실험을 통해 통신패치의 위치가 암홀에 가까이 위치한 B1-b, D2-b는 상지 이동시 통시패치가 걸리며 옆으로 누울 시 불편함이 따르고 통신패치 제거가 용이한 점을 감안하여 디자인을 삭제하였다.
- 1차로 현재 시판되는 의류용 부자재 총 30여개를 수집하고, 전도성 측정기를 이용하여 전도성 기능을 테스트 하였으며, 탈부착 동작의 반복 테스트 20회 이상 하였다. 2차로 통신패치의 전자기판에 연결되어야 하는 점을 고려해, 전자기판 설계도에 삽입 가능한 높이, 길이, 면적을 가졌는지 고려하여 2종류의 스냅 타입, 1종류의 후크 타입 등 총 3가지 타입을 최종 선정하여 통신패치에 적용하였다.<표 3>
- 수정된 디자인 방향성에 따라 제작된 3차 프로토타입 6종에 대한 착의실험 및 통신패치 기능 확인을 위해 3차 착의실험을 실시하였다. 3차 착의실험은 2차와 동일한 치매환자 요양시설에서 진행되었으며, 동일한 피험자를 대상으로 동일한 방법으로 디자인 개선여부를 평가하였다. 센싱 기능 및 통신패치의 기능실험을 위해서 요양원의 실내, 공동 공간 등에 수신기를 설치하여 위치 전송 시스템을 설치하고, 사무실에 피험자의 생체정보 현황 파악을 할 수 있는 노트북을 설치하였으며, 3차 프로토타입을 착용한 상태에서 심전도 센싱과 데이터 전송 등이 원활히 되는지 측정하였다.
- 1차 착의실험 이후, 총 11벌의 디자인을 추가로 전개하였다. 디자인 개발을 위해 통신패치의 변형 위치를 A: 왼쪽 어깨 위, B: 왼쪽 가슴 위, C: 가슴중앙, D: 왼쪽 가슴 아래, E: 왼쪽 배 위 총 5가지로 확장하고, 부착되는 통신패치 3가지 유형에 따라 1:A타입(강낭콩형), 2: B타입(원형), 3: C타입(사각형)으로 구분하였으며 은폐기능의 유무는 유: a, 무:b 로 구분하였다. 속옷 형태의 디자인이라는 점을 감안하여 민소매의 속내의 형태로 디자인하였으며 직물 센서를 안쪽에 넣어 피부와의 접촉이 이루어지도록 구성하였다.
- 또한 본 연구에서는 통신패치의 형태를 디자인하는데 있어 직물센서의 위치 및 유형이 고려되었는데 직물센서가 어느 부분에 위치하는지, 어느 부위를 통과하는지, 직물센서의 전체적인 유형이 어떤 형태를 띠고 있는지 등을 파악하여 직물센서와 조화를 이룰 수 있도록 통신패치의 디자인을 선정하였다.
- 본 연구에서는 12가지의 웨어러블 센싱 위치를 선정하였는데 선행연구에서 제시한 내용을 참고로 하여 심장부 흉근유도 부위를 지날 수 있도록 설계하였으며 인체 표면의 굴곡을 고려하여 전극의 접촉이 불안정하지 않도록 전도성 섬유의 길이 밎 크기를 조정하였다. 또한 전극간의 거리를 최소한으로 좁혀 심전도측정의 정확도를 높이기 위해 뒤판을 제외한 앞판 왼쪽 흉부 상에 전극을 집중 위치시켰다.<그림 4>
- 본 연구에서는 웨어러블 센싱 웨어의 기본 요소인센서, 전도성 직물(연결선), 생체신호 처리/ 발신 패치를 기본 구성 요소로 삼고 디자인을 전개하였으며, 전력소모량이 블루투스 보다 상대적으로 적은 지그비 무선통신을 활용한 통신 패치를 활용하였다. 또한 전도성 직물 센서를 사용하여 센싱 및 착용에 따른 이물감을 최소화하도록 하였다. 전도성 직물 센서를 활용한 조하경 외19)의 연구를 살펴보면 ECG측정용 스마트 의류에서 사용된 전도성 직물의 폭은 일반적으로 3-5cm 내에서 결정되고 있는데, 본 연구에서는 전도성 직물 센서의 폭을 4cm로 설정하여 제작하였다.
- 1차 프로토타입의 디자인과 통신패치의 위치를 기본으로 통신패치의 위치를 변형하는 디자인, 직물 센서의 위치를 다양화하는 디자인을 진행하였다. 또한 치매노인의 신체 및 활동 특성을 반영한 통신패치의 은폐기능 등을 추가하였으며 다양한 체형의 피험자를 대상으로 체형과 센서의 위치 등에 연계성이 있는지 파악하기 위하여 2차 디자인을 확장하였다.
- 본 연구는 생체 정보 모니터링이 지속적으로 필요한 보호대상약자를 중심으로 상용할 수 있는 웨어러블 디바이스 디자인을 개발하여 보다 개방적인 보호시스템을 제안하고자 하였다. 먼저 선행연구와 직접관찰을 통해 노년기 여성의 대표 체형을 4가지로 분류하였으며 노인 신체 특성 및 치매환자 행동 특성을 분석하여 그에 따른 통신패치의 위치와 센싱 웨어의 디자인 요소를 자체적으로 도출하였다.
- 치매환자의 경우 반복적 실험이 어려운 점을 감안하여 체형에 따른 디자인 적합성 평가를 위한 4차착의실험은 50대 후반~60대 중반의 일반 여성을 대상으로 진행하였다. 본 연구에서 분류한 대표체형 4인을(유형 1 : 작은 키, 마르고 숙인 자세, 유형 2 :작은 키, 중정도의 비만, 바른 자세, 유형 3 : 보통키, 중정도의 비만, 바른 자세, 유형 4 : 큰 키, 상정도의 비만, 숙인 자세) 대상으로 모든 디자인(11벌)에 대한 착의실험을 실시하였다. 측정 항목은 체형별로 디자인에 대한 착탈의 시, 자세 변화에 따른 불편함 정도와 소재, 사이즈 및 절개선 등 디자인에 대한 불편함에 차이가 있는지를 평가하였고, 통신패치 결림 등에도 체형에 따른 차이가 있는지에 대해 평가하였다.
- 본 연구에서는 12가지의 웨어러블 센싱 위치를 선정하였는데 선행연구에서 제시한 내용을 참고로 하여 심장부 흉근유도 부위를 지날 수 있도록 설계하였으며 인체 표면의 굴곡을 고려하여 전극의 접촉이 불안정하지 않도록 전도성 섬유의 길이 밎 크기를 조정하였다. 또한 전극간의 거리를 최소한으로 좁혀 심전도측정의 정확도를 높이기 위해 뒤판을 제외한 앞판 왼쪽 흉부 상에 전극을 집중 위치시켰다.
- 선행 연구를 살펴보면 피험자 연령에 따른 집단분포 정도가 다르고 전신 체형과 상반신 체형으로 연구 체형의 부위가 다른 것, 10년 이상의 시간적인 차이와 지역적인 차이 등에 의해 유형 분포도에 다소 차이가 있으나 체형의 유형을 비만과 키, 자세요인에 의해 대표적으로 4가지로 분류한 점에서 공통점을 보였다. 본 연구에서는 선행 연구들의 공통 분류 요인인 비만 정도와 키, 자세를 중심으로 노년기 여성의 대표 체형을 간소화하여 4가지로 정리하였고, 대표 체형 간 디자인 착용감에 차이가 있는지 분석하였다. 분류된 유형별 내용은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 웨어러블 센싱 웨어의 기본 요소인센서, 전도성 직물(연결선), 생체신호 처리/ 발신 패치를 기본 구성 요소로 삼고 디자인을 전개하였으며, 전력소모량이 블루투스 보다 상대적으로 적은 지그비 무선통신을 활용한 통신 패치를 활용하였다. 또한 전도성 직물 센서를 사용하여 센싱 및 착용에 따른 이물감을 최소화하도록 하였다.
- 1차 센싱 웨어 디자인 개발은 센싱의 가장 기본적인 위치인 왼쪽 가슴을 중심으로 한 2채널 센싱 웨어를 기본으로 진행되었다. 생체신호의 센싱 효율성을 높이기 위해 직물센서는 인체 표면 굴곡을 고려하여 몸을 감싸는 구조를 가지고 피부와의 접촉을 최대화 하였으며 위치는 왼쪽 심장부의 6개의 흉부유도를 지나가도록 설계하여 1차로 왼쪽 가슴을 사선으로 지나는 형태, 수평선으로 지나는 형태, 수직선으로 지나는 형태 총 3가지의 프로토타입을 제작하였다.<표 4>
- 외부 충전기를 꽂을 수 있는 커넥터를 삽입하여 충전이 가능한 구조로 제작하였으며 통신패치 탈부착이 가능한 부자재를 부착하여 의복에 부착할 수 있는 기본 구조를 만들었다. 설계된 통신패치는 각 단말기마다 고유의 ID를 가지고 생체신호를 무선으로 발신하므로 본 연구의 통신패치는 다수의 패치를 동시에 사용할 수 있어, 요양기관 및 시설 등의 관제센터에서 전체 데이터를 식별 관리할 수 있도록 설계되었다. 각 통신패치가 적합한 직물 센서의 위치와 유형에 대한 세부적인 내용은 앞의 통신패치의 아웃 쉘 형태 항목에 기술되어 있으며 최종 결정된 통신패치 디자인은 <그림 8>과 같다.
- 전도성 직물 센서를 활용한 조하경 외19)의 연구를 살펴보면 ECG측정용 스마트 의류에서 사용된 전도성 직물의 폭은 일반적으로 3-5cm 내에서 결정되고 있는데, 본 연구에서는 전도성 직물 센서의 폭을 4cm로 설정하여 제작하였다. 센서는 가장 기본적인 2채널 센싱의 구조를 적용하였다.
- 3차 착의실험은 2차와 동일한 치매환자 요양시설에서 진행되었으며, 동일한 피험자를 대상으로 동일한 방법으로 디자인 개선여부를 평가하였다. 센싱 기능 및 통신패치의 기능실험을 위해서 요양원의 실내, 공동 공간 등에 수신기를 설치하여 위치 전송 시스템을 설치하고, 사무실에 피험자의 생체정보 현황 파악을 할 수 있는 노트북을 설치하였으며, 3차 프로토타입을 착용한 상태에서 심전도 센싱과 데이터 전송 등이 원활히 되는지 측정하였다. 피험자들은 7일 동안 웨어러블 센싱웨어를 상시 착용하고 생활하였으며, 7일 간 데이터의 수신 내용에 문제가 없었는지 확인하였으며, 10명의 환자들이 동시에 착용하였을 때 각각의 ID별로 위치정보와 생체신호 인지에 문제가 없는지를 파악하였다.
- 센싱 웨어는 총 세 번의 착의 실험을 걸쳐 통신패치 및 직물센서의 위치나 신체 부분별 사이즈, 절개 등의 디테일, 재질, 디자인 등이 수정 보완되었으며 마지막 4차 착의실험에서 착용감 및 통신패치 탈부착기능성에 대한 큰 문제점이 발견되지 않아 통신패치가 결합된 총 11가지의 최종 디자인을 도출시켰다. 통신패치의 위치는 A: 왼쪽 어깨 위, B: 왼쪽 가슴위, C: 가슴 중앙, D: 왼쪽 가슴 아래, E: 왼쪽 배위 총 5가지로 결정하고, 부착되는 통신패치 3가지 유형에 따라 1: A타입(강낭콩형), 2: B타입(원형),3: C타입(사각형)으로 구분하였으며 은폐기능의 유무는 유: a, 무: b 로 구분하여 디자인을 개발하였다.
- 디자인 개발을 위해 통신패치의 변형 위치를 A: 왼쪽 어깨 위, B: 왼쪽 가슴 위, C: 가슴중앙, D: 왼쪽 가슴 아래, E: 왼쪽 배 위 총 5가지로 확장하고, 부착되는 통신패치 3가지 유형에 따라 1:A타입(강낭콩형), 2: B타입(원형), 3: C타입(사각형)으로 구분하였으며 은폐기능의 유무는 유: a, 무:b 로 구분하였다. 속옷 형태의 디자인이라는 점을 감안하여 민소매의 속내의 형태로 디자인하였으며 직물 센서를 안쪽에 넣어 피부와의 접촉이 이루어지도록 구성하였다.
- 수정된 디자인 방향성에 따라 제작된 3차 프로토타입 6종에 대한 착의실험 및 통신패치 기능 확인을 위해 3차 착의실험을 실시하였다. 3차 착의실험은 2차와 동일한 치매환자 요양시설에서 진행되었으며, 동일한 피험자를 대상으로 동일한 방법으로 디자인 개선여부를 평가하였다.
- 통신패치는 기판 1개와 기판을 삽입한 쉘 상단부와 하단부로 총 3피스로 구성되었으며, 기판이 흔들리지 않도록 고정장치를 하였다. 외부 충전기를 꽂을 수 있는 커넥터를 삽입하여 충전이 가능한 구조로 제작하였으며 통신패치 탈부착이 가능한 부자재를 부착하여 의복에 부착할 수 있는 기본 구조를 만들었다. 설계된 통신패치는 각 단말기마다 고유의 ID를 가지고 생체신호를 무선으로 발신하므로 본 연구의 통신패치는 다수의 패치를 동시에 사용할 수 있어, 요양기관 및 시설 등의 관제센터에서 전체 데이터를 식별 관리할 수 있도록 설계되었다.
- 또한 선행연구 내용을 참고로 하여 12가지의 웨어러블 센싱 위치를 선정하였으며 주로 심장부 흉근유도 부위를 지날 수 있도록 앞판 왼쪽 흉부 상에 전극을 위치시켰다. 웨어러블 센싱 위치에 따라 표면굴곡이나 형태적인 면을 고려하여 통신패치의 디자인을 유형화하였으며 전자기판 설계도에 삽입 가능을 고려하여 스냅 타입 2종류, 후크 타입 1종류 등총 3가지 타입을 통신패치에 적용하여 제작하였다. 제작된 통신패치는 모두 2리드 구조이고 직각 센싱타입인 A형은 가슴 밑, 가슴 사이, 가슴 위, 배 등과같이 인체의 곡선이 있는 부위에 적합하도록 45도 각도를 가진 둥근 형태로 디자인하였으며 사방 센싱타입인 B형은 직물센서의 위치나 방향에 관련하지 않으며 직물센서가 맞물리는 경우를 대상으로 특정한 방향성을 갖지 않는 원형의 형태로 디자인하였다.
- 제작된 통신패치는 모두 2리드 구조이고 직각 센싱타입인 A형은 가슴 밑, 가슴 사이, 가슴 위, 배 등과같이 인체의 곡선이 있는 부위에 적합하도록 45도 각도를 가진 둥근 형태로 디자인하였으며 사방 센싱타입인 B형은 직물센서의 위치나 방향에 관련하지 않으며 직물센서가 맞물리는 경우를 대상으로 특정한 방향성을 갖지 않는 원형의 형태로 디자인하였다. 일자형/ 직선형 센싱 타입인 C형은 가슴 밑, 가슴위, 어깨, 옆 솔기 등 인체 표면 굴곡이 적은 부위와 같이 일직선상에서 센서가 패치에 맞물리는 경우에 적합하도록 폭을 최소화한 긴사각형 형태로 디자인하였다.
- 또한 전도성 직물 센서를 사용하여 센싱 및 착용에 따른 이물감을 최소화하도록 하였다. 전도성 직물 센서를 활용한 조하경 외19)의 연구를 살펴보면 ECG측정용 스마트 의류에서 사용된 전도성 직물의 폭은 일반적으로 3-5cm 내에서 결정되고 있는데, 본 연구에서는 전도성 직물 센서의 폭을 4cm로 설정하여 제작하였다. 센서는 가장 기본적인 2채널 센싱의 구조를 적용하였다.
- 웨어러블 센싱 위치에 따라 표면굴곡이나 형태적인 면을 고려하여 통신패치의 디자인을 유형화하였으며 전자기판 설계도에 삽입 가능을 고려하여 스냅 타입 2종류, 후크 타입 1종류 등총 3가지 타입을 통신패치에 적용하여 제작하였다. 제작된 통신패치는 모두 2리드 구조이고 직각 센싱타입인 A형은 가슴 밑, 가슴 사이, 가슴 위, 배 등과같이 인체의 곡선이 있는 부위에 적합하도록 45도 각도를 가진 둥근 형태로 디자인하였으며 사방 센싱타입인 B형은 직물센서의 위치나 방향에 관련하지 않으며 직물센서가 맞물리는 경우를 대상으로 특정한 방향성을 갖지 않는 원형의 형태로 디자인하였다. 일자형/ 직선형 센싱 타입인 C형은 가슴 밑, 가슴위, 어깨, 옆 솔기 등 인체 표면 굴곡이 적은 부위와 같이 일직선상에서 센서가 패치에 맞물리는 경우에 적합하도록 폭을 최소화한 긴사각형 형태로 디자인하였다.
- 직물센서의 배치 유형은 착용자의 심장이 있는 왼쪽 가슴을 중심으로 직각 방향으로 센서가 맞물리는 경우, 수평 및 수직과 같이 일직선상에서 직물센서가 패치에 맞물리는 경우, 특정한 방향에 구애받지 않고 직물센서가 맞물리는 경우를 고려하여 3가지 타입으로 선정하였다. 직각 방향으로 센서가 맞물리는 경우는 가슴 밑과 같이 인체의 곡선이 있는 부위에 착장이 되므로, 45도 각도를 가진 둥근 형태로 디자인하였으며 탈부착 부자재의 경우 움직임에 유연성을 가진 스냅 형태를 선정하였다. 또한 가슴 밑, 옆 솔기와 같이 일직선상에서 센서가 패치에 맞물리는 경우에는 폭을 최소화한 긴사각형 형태로 후크형의 탈부착 부자재를 부착한 디자인을 선정하였다.
- 직물센서의 배치 유형은 착용자의 심장이 있는 왼쪽 가슴을 중심으로 직각 방향으로 센서가 맞물리는 경우, 수평 및 수직과 같이 일직선상에서 직물센서가 패치에 맞물리는 경우, 특정한 방향에 구애받지 않고 직물센서가 맞물리는 경우를 고려하여 3가지 타입으로 선정하였다. 직각 방향으로 센서가 맞물리는 경우는 가슴 밑과 같이 인체의 곡선이 있는 부위에 착장이 되므로, 45도 각도를 가진 둥근 형태로 디자인하였으며 탈부착 부자재의 경우 움직임에 유연성을 가진 스냅 형태를 선정하였다.
- 직물센서의 위치와 유형에 따른 통신패치의 형태를 A형, B형, C형 3가지로 나누어 프로토타입을 제작하였다. 소재는 가볍고 충격에 강한 ABS소재로 제작되었으며, 3D프린터를 이용해 출력 후 디자인별로 각각 흰색과 검정색으로 도색하였다.
- 2차 착의실험 결과에 따라 면/폴리우레탄 소재 중무게가 적은 소재로 모두 변경하고, 등과 옆구리 등매시 소재를 적용하여 통기성을 개선시켰다. 착용감개선을 위해 전체 디자인의 목선과 암홀을 밑으로 내리고, 타입 A 가슴형의 경우, 가슴 밑 절개선과 통신패치 위치를 아래로 조정하였다. 또한 전체 디자인중 2개 디자인에 여밈을 추가하여 착탈의 시 불편함을 개선하였다.
- 본 연구에서 분류한 대표체형 4인을(유형 1 : 작은 키, 마르고 숙인 자세, 유형 2 :작은 키, 중정도의 비만, 바른 자세, 유형 3 : 보통키, 중정도의 비만, 바른 자세, 유형 4 : 큰 키, 상정도의 비만, 숙인 자세) 대상으로 모든 디자인(11벌)에 대한 착의실험을 실시하였다. 측정 항목은 체형별로 디자인에 대한 착탈의 시, 자세 변화에 따른 불편함 정도와 소재, 사이즈 및 절개선 등 디자인에 대한 불편함에 차이가 있는지를 평가하였고, 통신패치 결림 등에도 체형에 따른 차이가 있는지에 대해 평가하였다.
- 치매 환자를 위한 웨어러블 센싱 디바이스의 디자인 개발과 웨어러블 센서의 착용감, 디자인 평가를 위해 경상남도 진영 소재의 ‘ㅎ’요양원 입소자 6명을 대상으로 총 3회에 걸쳐 디자인 착의실험을 실시하였으며 최종 제품 개발 후 이를 10일간 착용시킨 후 인터뷰를 통해 착의 평가를 실시하였다.
- 통신패치 기판의 기본 구성은 동일하며, 아웃 쉘의 3가지 종류에 따라 최소한의 부피와 면적을 갖도록 프로토타입이 설계되었으며, 최종 디자인 선정을 위해 형태에 따른 프로토타입의 센싱 및 통신기능을 각각 3회씩 테스트하였다. 각 형태 및 기판설계에 따른 센싱 및 통신기능에 문제가 없었으며, 형태에 따른 센싱 기능의 차이는 없었다.
- 소재는 가볍고 충격에 강한 ABS소재로 제작되었으며, 3D프린터를 이용해 출력 후 디자인별로 각각 흰색과 검정색으로 도색하였다. 통신패치는 기판 1개와 기판을 삽입한 쉘 상단부와 하단부로 총 3피스로 구성되었으며, 기판이 흔들리지 않도록 고정장치를 하였다. 외부 충전기를 꽂을 수 있는 커넥터를 삽입하여 충전이 가능한 구조로 제작하였으며 통신패치 탈부착이 가능한 부자재를 부착하여 의복에 부착할 수 있는 기본 구조를 만들었다.
- 센싱 웨어는 총 세 번의 착의 실험을 걸쳐 통신패치 및 직물센서의 위치나 신체 부분별 사이즈, 절개 등의 디테일, 재질, 디자인 등이 수정 보완되었으며 마지막 4차 착의실험에서 착용감 및 통신패치 탈부착기능성에 대한 큰 문제점이 발견되지 않아 통신패치가 결합된 총 11가지의 최종 디자인을 도출시켰다. 통신패치의 위치는 A: 왼쪽 어깨 위, B: 왼쪽 가슴위, C: 가슴 중앙, D: 왼쪽 가슴 아래, E: 왼쪽 배위 총 5가지로 결정하고, 부착되는 통신패치 3가지 유형에 따라 1: A타입(강낭콩형), 2: B타입(원형),3: C타입(사각형)으로 구분하였으며 은폐기능의 유무는 유: a, 무: b 로 구분하여 디자인을 개발하였다.
- 통신패치의 위치는 사전 실험에서 가장 이물감이 낮은 위치인 왼쪽 가슴 밑으로 1차 프로토타입을 제작하였으며, 통신패치의 위치에 따른 이물감, 평가를 위한 통신패치의 종류는 통신패치와 전도성 섬유, 인체가 유기적으로 조화되도록 굴곡을 활용한 A형을 기본으로 실험하였다. A형은 두개의 리드 접합점의 각도에 구애받지 않도록 90도 2리드 센싱 형태에도 활용 가능하여 수평과 수직 모두에 사용 가능하므로 1차 실험에 적합하다고 판단하였기 때문이다.
- 2차 착의실험은 경상남도에 위치한 ‘ㅎ’ 치매환자요양시설에서 진행되었으며, 피험자는 치매환자 중 인지능력이 많이 결여되지 않아 디자인에 대한 평가와 인터뷰가 가능한 환자들을 대상으로 하였으며, 본 연구에서 나눈 4가지 체형에 해당하는 4명을 선정하여 실험을 진행하였다. 피험자가 치매환자인 점을 고려하여 1차 착의실험 때와 같이 행동과 자세를 실험하되, 연계 행동(착탈의 동작, 누운 상태 움직임, 앉기 일어서기, 팔 움직이기) 등으로 묶어서 평가하도록 하였다.
- 센싱 기능 및 통신패치의 기능실험을 위해서 요양원의 실내, 공동 공간 등에 수신기를 설치하여 위치 전송 시스템을 설치하고, 사무실에 피험자의 생체정보 현황 파악을 할 수 있는 노트북을 설치하였으며, 3차 프로토타입을 착용한 상태에서 심전도 센싱과 데이터 전송 등이 원활히 되는지 측정하였다. 피험자들은 7일 동안 웨어러블 센싱웨어를 상시 착용하고 생활하였으며, 7일 간 데이터의 수신 내용에 문제가 없었는지 확인하였으며, 10명의 환자들이 동시에 착용하였을 때 각각의 ID별로 위치정보와 생체신호 인지에 문제가 없는지를 파악하였다.
- 피험자의 체형은 본 연구에서 나눈 4가지 유형 중 ‘보통 키에 중정도의 비만, 바른 자세’에 속하며 측정 항목은 각 자세의 (입고 벗을 때, 정자세로 누울 때, 왼쪽으로 누울 때, 오른쪽으로 누울 때, 엎드려 누울 때, 앉아있을 때, 서있을 때) 행위 유형에 따른 불편함 정도를 5점 척도로 측정하였다.
대상 데이터
- 1차로 제작된 3가지 기본 프로토타입에 대하여 치매 노인들의 일상생활 동작 및 취침자세에 따른 착의성 평가를 60대 여성을 대상으로 실험하였다. 피험자의 체형은 본 연구에서 나눈 4가지 유형 중 ‘보통 키에 중정도의 비만, 바른 자세’에 속하며 측정 항목은 각 자세의 (입고 벗을 때, 정자세로 누울 때, 왼쪽으로 누울 때, 오른쪽으로 누울 때, 엎드려 누울 때, 앉아있을 때, 서있을 때) 행위 유형에 따른 불편함 정도를 5점 척도로 측정하였다.
- 2차 착의실험은 경상남도에 위치한 ‘ㅎ’ 치매환자요양시설에서 진행되었으며, 피험자는 치매환자 중 인지능력이 많이 결여되지 않아 디자인에 대한 평가와 인터뷰가 가능한 환자들을 대상으로 하였으며, 본 연구에서 나눈 4가지 체형에 해당하는 4명을 선정하여 실험을 진행하였다.
- 세 번째, 착용자인 치매환자들이 조작을 통해 탈부착하기 쉽지 않으면서 동시에 보호자가 탈부착하기에 어렵지 않은 방식이어야 한다는 점이다. 따라서 일반 패브릭, 플라스틱 등 비전도성 물질로 구성되는 벨크로나 지퍼, 버튼, 스토퍼등은 본 연구에 쓰이는 탈부착 방식에서 제외되었으며 전도성 물질로 제작된 스냅, 후크, 힌지 등 나머지 고려 요소들을 충족시키는 탈부착 부자재를 선정하였다.
- 직물센서의 위치와 유형에 따른 통신패치의 형태를 A형, B형, C형 3가지로 나누어 프로토타입을 제작하였다. 소재는 가볍고 충격에 강한 ABS소재로 제작되었으며, 3D프린터를 이용해 출력 후 디자인별로 각각 흰색과 검정색으로 도색하였다. 통신패치는 기판 1개와 기판을 삽입한 쉘 상단부와 하단부로 총 3피스로 구성되었으며, 기판이 흔들리지 않도록 고정장치를 하였다.
- 또한 가슴 밑, 옆 솔기와 같이 일직선상에서 센서가 패치에 맞물리는 경우에는 폭을 최소화한 긴사각형 형태로 후크형의 탈부착 부자재를 부착한 디자인을 선정하였다. 직물센서의 위치나 방향에 구애받지 않고 직물센서가 맞물리는 경우를 위해서는 특정한 방향성을 갖지 않는 원형의 형태로 디자인을 하였으며, 선정된 탈부착 부자재는 변형된 스냅형을 사용하였다. 직물센서의 위치 및 유형에 따른 통신패치의 형태에 대한 이미지는 다음과 같다.
- 치매환자의 경우 반복적 실험이 어려운 점을 감안하여 체형에 따른 디자인 적합성 평가를 위한 4차착의실험은 50대 후반~60대 중반의 일반 여성을 대상으로 진행하였다. 본 연구에서 분류한 대표체형 4인을(유형 1 : 작은 키, 마르고 숙인 자세, 유형 2 :작은 키, 중정도의 비만, 바른 자세, 유형 3 : 보통키, 중정도의 비만, 바른 자세, 유형 4 : 큰 키, 상정도의 비만, 숙인 자세) 대상으로 모든 디자인(11벌)에 대한 착의실험을 실시하였다.
성능/효과
- 이들 보호대상 약자 중 거동 불편노인은 나이가 들면서 인지능력이 저하되어 그에 따라 노화된 신체를 움직이는데 많은 어려움을 일으키며 이러한 현상은 일상생활 및 사회생활에 큰 장애로 이어진다.2) 이들은 보행, 착탈의, 식사 배뇨 등 일상생활 수행 능력이 약해져 자립적인 생활에 어려움을 겪고 있으며, 착탈이 용이한 기능적인 의복 등과 같이 고령자의 신체 특성과 신체 기능 저하에 대응한 제품을 필요로 한다.3) 특히, 거동 불편 고령자 중 치매환자와 같은 중증 질환자의 경우에는 신체능력 저하 뿐 아니라 인지능력이 현저히 떨어지고 행동 예측성이 낮기 때문에 요양시설 수용이 불가피하고 일반 요양시설과는 차별적인 보호 시스템이 필요한 상황이며, 신체 능력저하 외에 인지 능력 저하로 인한 돌발적 행동 등으로 지속적인 신체 상황 및 위치 파악에 대한 모니터링이 필요한 대상이다.
- 치매란 일상생활에 손상을 주는 기억과 인지능력의 점차적인 악화를 의미하며 노화의 과정에서 나타나는 인지기능저하와 구별되는 인지기능의 손상을 의미한다.20) 치매의 원인은 다양하나 노화에 따른 알쯔하이머형 치매발생의 비중이 높은 편이며, 뇌신경이 파괴되는 현상 때문에 기억력의 감퇴, 우울증, 무기력감, 피해망상증이 나타나며, 일상생활에서 자기보호능력이 현저히 떨어지는 특성이 있다. 치매환자의 경우 자기관리 능력의 현저한 저하로 낙상과 골절의 위험이 크며, 일상생활활동에 어려움이 있다.
- 3차 착의실험 결과 3차 프로토타입 디자인은 경량감 있는 면/ 폴리에스테르/ 폴리우레탄, 매쉬 소재사용으로 인해 착용감 및 통기성 등이 매우 개선되었다는 평가를 받았다. 또한 목, 암홀의 조임이 개선되었고, 품의 경우 소재 변경으로 신축성이 향상되어 착용감 및 착탈의 시 불편함이 개선되었으며 배나 가슴 등 체형에 따른 부분적인 조임 현상도 보완되었다는 평가를 받았다.
- 7일 간 진행된 직물센서의 센싱 및 통신패치의 생체데이터 전송 실험은 실험한 3차 프로토타입 모두 센싱 및 발신기능이 정상적으로 작동되어, 개발된 디자인들이 기능상 문제가 없는 것으로 평가되었다.
- 8) 즉 심전도 검사를 위해 상체 앞면, 손, 발에 전극 부착하여 심박동을 측정할 수 있는데 상체 앞면인 흉부 중에서는 심장 근처인 왼쪽 가슴 주변에 전극을 부착하는 것이 가장 일반적이며 흉부에 전극이 집약되어 센싱에 필요한 전극간의 거리가 짧기 때문에 스마트 의류에 적용하기도 적합하다.<그림 2>9)10) 따라서 생체 신호의 센싱에 필요한 센서의 위치는 왼쪽가슴을 중심으로 분포되어야 한다.
- 또한 외부로 노출되어 있더라도 가슴 위나 어깨 등 시야에 들어오지 않는 위치에 있는 통신패치는 인지를 잘하지 못하여 제거하기 어려워했다. 넷째, 개발디자인 중 암홀형은 통신패치가 상지의 움직임에 큰 방해가 되어 불편하다고 하였고 특히 옆으로 누우면 몸에 결려서 주로 누워서 생활하는 치매환자의 생활형태에 맞지 않음을 파악하였다. 다섯째, 프로토타입 제작에 사용된 면/폴리우레탄 소재가 타이트 하여 전반적으로 조이고 더운 느낌이 든다고 하여 소재의개선과 통풍의 기능을 보강할 필요성이 파악되었다.
- 넷째, 개발디자인 중 암홀형은 통신패치가 상지의 움직임에 큰 방해가 되어 불편하다고 하였고 특히 옆으로 누우면 몸에 결려서 주로 누워서 생활하는 치매환자의 생활형태에 맞지 않음을 파악하였다. 다섯째, 프로토타입 제작에 사용된 면/폴리우레탄 소재가 타이트 하여 전반적으로 조이고 더운 느낌이 든다고 하여 소재의개선과 통풍의 기능을 보강할 필요성이 파악되었다.
- 첫째, 피험자들의 체형 특성에 따라 하수가 심해 가슴선에 위치한 절개선을 불편해 했으며 이에 따라 절개선 및 통신패치의 위치를 아래로 더 내릴 필요성이 파악되었다. 둘째, 팔의 움직임이 크지 않아 착탈 시 불편함을 호소하였으며, 신축성 있는 속옷이라도 여밈 구조가 있거나, 부분적으로 열리는 구조가 되어야 착탈이 용이하다는 것을 파악하였다. 셋째, 통신패치 제거 행동을 관찰한 결과 주머니 안에 은폐된 디자인이 통신패치 제거가 가장 어려웠으며 가슴에 위치한 통신패치는 비교적 제거가 용이했다.
- 3차 착의실험 결과 3차 프로토타입 디자인은 경량감 있는 면/ 폴리에스테르/ 폴리우레탄, 매쉬 소재사용으로 인해 착용감 및 통기성 등이 매우 개선되었다는 평가를 받았다. 또한 목, 암홀의 조임이 개선되었고, 품의 경우 소재 변경으로 신축성이 향상되어 착용감 및 착탈의 시 불편함이 개선되었으며 배나 가슴 등 체형에 따른 부분적인 조임 현상도 보완되었다는 평가를 받았다. 이에 따라 전반적인 눕고, 서고, 팔 드는 등의 신체활동성도 높아졌음을 알 수 있었다.
- 착용감개선을 위해 전체 디자인의 목선과 암홀을 밑으로 내리고, 타입 A 가슴형의 경우, 가슴 밑 절개선과 통신패치 위치를 아래로 조정하였다. 또한 전체 디자인중 2개 디자인에 여밈을 추가하여 착탈의 시 불편함을 개선하였다. 2차 착의실험을 통해 통신패치의 위치가 암홀에 가까이 위치한 B1-b, D2-b는 상지 이동시 통시패치가 걸리며 옆으로 누울 시 불편함이 따르고 통신패치 제거가 용이한 점을 감안하여 디자인을 삭제하였다.
- 디바이스를 쉽게 떼어낼 수 있는 팔의 행동반경에 위치한다면 기능상의 문제가 생길 수 있기 때문에 눈에 잘 띄지 않거나 팔이 쉽게 닿지 않는 위치선정이 필요하며, 치매환자들은 일반 노인보다 팔의 움직임 범위가 더욱 작다는 점을 감안할 필요가 있다. 또한 치매 환자가 쉽게 통신패치나 센싱 디바이스를 떼어낼 수 없도록 주머니, 레이어드 등의 은폐기능이 필요하며, 스냅과 같이 강도가 있는 탈부착장치나 손의 조작이 필요해 자립적으로 탈부착이 쉽지 않은 후크, 힌지 타입의 탈부착장치 등이 가능함을 알 수 있다.
- 또한 엎드린 자세에서 불편함을 표현했다. 또한 통신패치가 가슴 아래 위치하고 가슴 절개선이 있는 디자인은 중비만, 상비만 체형 피험자들로부터 불편하다는 평가를 받았다. D3-a는 주머니와 그 안의 통신패치가 바로 가슴 위에 위치하여 모든 체형에서 불편하다는 평가를 받았다.
- 첫 번째는 통신패치와 전도성 직물 센서 간 전기신호 전달을 위해 탈부착 부자재는 반드시 전도성재질로 이루어져야 하며 둘째, 일상생활과 활동 시통신패치의 안정성을 최대한 유지할 수 있는 탈부착 부자재여야 한다는 점. 세 번째, 착용자인 치매환자들이 조작을 통해 탈부착하기 쉽지 않으면서 동시에 보호자가 탈부착하기에 어렵지 않은 방식이어야 한다는 점이다. 따라서 일반 패브릭, 플라스틱 등 비전도성 물질로 구성되는 벨크로나 지퍼, 버튼, 스토퍼등은 본 연구에 쓰이는 탈부착 방식에서 제외되었으며 전도성 물질로 제작된 스냅, 후크, 힌지 등 나머지 고려 요소들을 충족시키는 탈부착 부자재를 선정하였다.
- 둘째, 팔의 움직임이 크지 않아 착탈 시 불편함을 호소하였으며, 신축성 있는 속옷이라도 여밈 구조가 있거나, 부분적으로 열리는 구조가 되어야 착탈이 용이하다는 것을 파악하였다. 셋째, 통신패치 제거 행동을 관찰한 결과 주머니 안에 은폐된 디자인이 통신패치 제거가 가장 어려웠으며 가슴에 위치한 통신패치는 비교적 제거가 용이했다. 또한 외부로 노출되어 있더라도 가슴 위나 어깨 등 시야에 들어오지 않는 위치에 있는 통신패치는 인지를 잘하지 못하여 제거하기 어려워했다.
- 중비만, 상비만 체형은 의복이 꼭맞기 때문에 통신패치가 노출되었음에도 불구하고 덜렁거림과 움직임이 적고 안정감이 있어서 통신패치 부착의 방식에 영향이 적었다. 전체적으로 통신패치가 주머니에 은폐된 디자인은 체형에 관계없이 착탈의 시 통신패치가 움직이지 않아 편안했고, 착용시에도 통신패치가 덜렁거리지 않아 안정감이 있다고 평가되었다. 또한 통신패치 제거도 어려웠으며 통신패치 보호에도 유용했다.
- 주머니에 은폐된 통신패치 디자인이 아닌 노출형 통신패치는 유형 1의 마르고 숙인 자세 체형의 경우 몸을 숙였을 때 통신패치가 피부로부터 뜨게 되어 생체신호 센싱에 에러가 나는 경우가 있어 주머니에 통신패치를 넣어 들뜨는 것을 막는 디자인이 적절함을 알 수 있었다. 중비만, 상비만 체형은 의복이 꼭맞기 때문에 통신패치가 노출되었음에도 불구하고 덜렁거림과 움직임이 적고 안정감이 있어서 통신패치 부착의 방식에 영향이 적었다.
- 착의실험 결과 전체적으로 유형 1의 마른 체형은 옷이 넉넉하게 맞아 불편함이 적으나 가슴부분이 말라 가슴위쪽에서 센싱이 되는 디자인의 경우 센싱부위가 피부에 밀착되지 않는 문제가 있었다. 유형 2, 3, 4의 중비만과 상비만은 전체적으로 몸에 타이트하게 맞아 센싱 부위가 잘 밀착되어 통신패치가 뜨는 문제는 없었으며, 가슴부분과 암홀 부분이 조이는 불편함이 있을 수 있기 때문에 체형별 사이즈 제시가 중요함 알 수 있었다.
- 착의실험 결과 2차 디자인의 문제점은 다음과 같았다. 첫째, 피험자들의 체형 특성에 따라 하수가 심해 가슴선에 위치한 절개선을 불편해 했으며 이에 따라 절개선 및 통신패치의 위치를 아래로 더 내릴 필요성이 파악되었다. 둘째, 팔의 움직임이 크지 않아 착탈 시 불편함을 호소하였으며, 신축성 있는 속옷이라도 여밈 구조가 있거나, 부분적으로 열리는 구조가 되어야 착탈이 용이하다는 것을 파악하였다.
- 총 4차 착의실험을 통해 얻어진 디자인 개발 주안점은 첫째, 체형별로 착의성이 다소 다르게 평가됨에 따라 신체 부분별 사이즈 및 디자인 등이 체형 유형별로 달라져야 한다는 점과 둘째, 기본적으로 치매환자의 생활이나 행동 특성이 가장 고려되어야 한다는 점이다. 이에 따라 충분한 신축성 및 여밈을 추가하여 타인에 의한 착탈의가 편리해야 하며, 착용자가 직접 통신패치를 쉽게 제거하지 못하도록 통신패치의 적절한 위치 선정 및 탈부착 방식, 은폐 여부를 부여해야 해야 한다.
- 치매환자의 신체 및 행동특성을 연구한 결과, 치매환자의 신체 특성은 일반적인 노인의 신체 특성과 유사하게 나타났다. 따라서 본 연구의 주 대상인 보호대상약자 중 치매에 따른 거동불편 노인을 위한 제품 개발을 위해 치매노인 중 높은 비율을 차지하고 있는 노년기 여성의 상반신 체형에 대한 분석을 하였다.
- 이에 따라 전반적인 눕고, 서고, 팔 드는 등의 신체활동성도 높아졌음을 알 수 있었다. 특히 앞이나 옆쪽에 부분적으로 지퍼 여밈이 추가된 디자인은 착탈의 편리성이 높아졌으며, 주머니형태의 은폐구조나 이중 레이어드 구조로 통신패치가 겉으로 드러나지 않는 통신패치는 착용자에 의해 쉽게 인지되지 않았고 구조적으로 꺼내기가 힘들어 임의로 떼어내기 어렵다는 평가를 받았다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 스마트 웨어의 사용 목적 및 사용자 범위를 확대하고, 착용자 특성을 반영한 차별적 웨어러블 센서 개발의 기초 자료로 활용될 수 있으며, 나아가 보호대상약자를 위한 디자인 개발의 확장에 기여할 수 있을 것이다.
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