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문제 정의
- 의료진은 심전도 파형의 피크치 간격, 크기, 형태, 주기에 따라 빈맥, 부정맥과 같은 심장질환을 확인하게 된다. 따라서 본 연구에서는 의복형 웨어러블 디바이스를 통해 수치화된 심전도 데이터를 무선으로 서버에 전송하고, 복원된 파형을 홀터 모니터링 장비와 비교하여 설계한 시스템의 신뢰성을 확인하였다.
- 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하고자 생체신호 측정 모듈이 부착된 의복 형태의 웨어러블 디바이 스(CWD)와 착용자의 건강 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 환자 모니터링 시스템을 구현하였다. 구현된 시스템은 측정된 생체신호를 블루투스를 통해 간호스테이션 상의 서버로 전송하며 전송된 생체신호 데이터는 환자 모니터링 시스템에서 의료진이 확인할 수 있는 그래프 파형과 수치로 표현된다.
제안 방법
- 본 시스템은 의료진이 시스템 화면 상에 여러 환자의 건강상태를 확인할 수 있도록 그림 9과 같이 환자의 심전도 파형을 실시간으로 나타내고, 산소포화도와 맥박을 수치로 표시하였다. 의료진의 편의를 고려하여 CWD 의 착용 여부, 신호 끊김, 심전도 파형에 따른 응급 상태 알림 등의 기능도 구현하였다.
- CWD에서 측정된 생체신호는 블루투스 AP에서 수신하여 서버에 저장된다. 블루투스 AP를 통해 서버에 전송된 환자들의 생체신호를 그림 8과 같이 모니터링 시스템에서 실시간으로 확인이 가능하도록 설계하였다.
- 심전도 데이터는 심전도 전극을 통해 받아들인 신호를 통합모듈에서 250Hz의 샘플링을 거쳐 서버로 전송하고 MATLAB을 이용하여 파형으로 복원하였다. 블루투스를 이용하여 서버로 전송 중에 손실데이터가 없는지 확인하고 환자 모니터링 시스템과 홀터모니터의 심전도 파형을 비교하였다.
- 5mm의 크기로 전극과 의복 간 스냅 단추를 이용하여 탈 부착하는 형태이다. 생체신호를 계측하는 접촉면은 금속 플라즈마 코팅이 된 전도성 섬유를 이용 하여 피부 마찰과 접촉력을 고려하였으며, 특수코팅 처리로 내구성을 향상시켰다. 심전도 전극을 통해 측정된 생체 신호는 의복형 웨어러블 디바이스에 재봉 된 디지털실에 의하여 통합모듈에 전달된다.
- 설계된 모니터링 시스템은 기존 웨어러블 헬스케어 장치의 1:1 건강관리 시스템에서 탈피하여 다수의 피측정자에게서 수집된 다중 생체신호를 모니터링 시스템을 통하여 한눈에 확인 할 수 있다는 장점을 갖도록 설계하였다.
- 구현된 시스템은 측정된 생체신호를 블루투스를 통해 간호스테이션 상의 서버로 전송하며 전송된 생체신호 데이터는 환자 모니터링 시스템에서 의료진이 확인할 수 있는 그래프 파형과 수치로 표현된다. 설계한 시스템을 통해 수집된 데이터와 기존 측정 장비에서 얻어진 데이터를 비교하여 본 시스템의 유효성을 검증하였다.
- 심전도 데이터는 심전도 전극을 통해 받아들인 신호를 통합모듈에서 250Hz의 샘플링을 거쳐 서버로 전송하고 MATLAB을 이용하여 파형으로 복원하였다. 블루투스를 이용하여 서버로 전송 중에 손실데이터가 없는지 확인하고 환자 모니터링 시스템과 홀터모니터의 심전도 파형을 비교하였다.
- 심전도 센서에서 측정된 데이터를 생체신호 측정 모듈에 전송하기 위한 통신회로로 한국생산기술원에서 개발한 디지털실을 이용하였다.
- 위와 같은 병원 내 애로사항을 블루투스를 이용한 무선통신 기술을 통하여 해결하고자 의복형 웨어러블 디바이스를 이용하여 무구속 상태에서 환자의 생체신호를 측정할 수 있는 환자 모니터링 시스템을 설계하였다.
- 본 시스템은 의료진이 시스템 화면 상에 여러 환자의 건강상태를 확인할 수 있도록 그림 9과 같이 환자의 심전도 파형을 실시간으로 나타내고, 산소포화도와 맥박을 수치로 표시하였다. 의료진의 편의를 고려하여 CWD 의 착용 여부, 신호 끊김, 심전도 파형에 따른 응급 상태 알림 등의 기능도 구현하였다.
- 피측정자 15명의 심박 수를 각각 홀터모니터와 CWD 로 5분간 측정하여 비교한 결과를 표 1과 같이 나타내었다. 측정한 평균 심박 수는 홀터모니터에서 75.
- 환자의 환부를 고려하여 의복의 면적을 최소화하고, 간호 인력이 환자를 검진할 때 방해가 되지 않도록 그림 3과 같이 CWD를 설계하였다.
대상 데이터
- 설계된 CWD에서 측정한 생체신호를 모니터링 시스템에 전송하기 위하여 SENA사의Parani MSP1000 블루투스 AP(Access Point)를 사용하였다. CWD에서 측정된 생체신호는 블루투스 AP에서 수신하여 서버에 저장된다.
- 설계된 건식 심전도 전극은 가로 52mm, 세로 35mm, 오차율 ±0.5mm의 크기로 전극과 의복 간 스냅 단추를 이용하여 탈 부착하는 형태이다.
- 설계한 시스템의 테스트를 위하여 포괄병동과 유사한 구조의 테스트베드를 구성하여 60∼80대 고연령층 남성 15명을 대상으로 심전도를 측정하여 생체신호 데이터를 수집하였다.
- 시스템의 구성은 센서와 모듈이 내장된 의복형 웨어러블 디바이스와 생체신호 데이터(심전도, 산소포화도) 를 무선으로 수집, 서버에 전송하여 화면에 표시하기 위한 모니터링 시스템으로 구성되어진다. 이에 대한 시스템의 전체 블록도를 그림 1에 도시하였다.
데이터처리
- Wilcoxon signed rank test를 통해 두 군 간의 정확도를 비교하였으며 P<0.05인 경우를 유의성으로 판단하였다.
성능/효과
- 그러나 본 논문에서는 사용된 클립형 산소포화도 측정기는 손가락 말단에 착용하여 동잡음이 문제되므로 움직임이 적은 귀나 이마 부위로 센서를 이동시킬 필요가 있는 것으로 평가되었다. 또한, 설계한 환자 모니터링 시스템은 심전도와 산소포화도만을 측정하기 때문에 병원에서 환자감시장치의 용도로 쓰이기 위해서는 체온, 혈압에 대한 추가 개발이 요구되어 2차 개발을 준비중에 있다.
- 또한, 산소포화도 측정 장비에서 측정된 산소포화도가 통합모듈을 거쳐 서버와 모니터링 시스템 상에 왜곡없이 정상적으로 전송되고 있음을 확인할 수 있었다.
- 보다 정확한 측정을 위하여 병원에서 사용되고 있는 홀터 모니터 장비로 측정된 동일한 피측정자의 심전도를 그림 10-(b)에 나타내었다. 모니터링 시스템과 홀터 모니터의 심전도 파형을 대조한 결과 두 시스템의 파형이 일치함을 확인할 수 있었다.
- 측정한 평균 심박 수는 홀터모니터에서 75.2회, 모니터링 시스템에서 79.3회로 피측정자 15명의 데이터를 통계처리한 결과, P<0.002 오차범위 내의 결과로 본 실험 데이터의 유의성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 지속적인 연구를 통하여 환자 모니터링 시스템이 상용화 단계까지 개발된다면 병원 의료 인력 부족 문제를 해결하고 의료 업무의 효율성과 병원 합리화에 효과적인 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 멀지 않은 시기에 5G 이동통신망과 더불어 사전예방 및 응급 상황 대처를 통한 효율적인 국민 복지분야의 원격진료 및 의료서비스 개발의 기반기술로 활용이 가능하여 환자의 진료와 삶의 질 향상에 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.
- 그러나 본 논문에서는 사용된 클립형 산소포화도 측정기는 손가락 말단에 착용하여 동잡음이 문제되므로 움직임이 적은 귀나 이마 부위로 센서를 이동시킬 필요가 있는 것으로 평가되었다. 또한, 설계한 환자 모니터링 시스템은 심전도와 산소포화도만을 측정하기 때문에 병원에서 환자감시장치의 용도로 쓰이기 위해서는 체온, 혈압에 대한 추가 개발이 요구되어 2차 개발을 준비중에 있다.
- 환자 모니터링 시스템의 개발 핵심은 신뢰성이 있는 계측과 전송, 감시, 경고에 있기 때문에 심전도의 파형 및 기타 생체신호들의 이상 유무를 컴퓨터가 자체적으로 판단하고, 이상 있는 환자를 화면상에 알람과 함께 띄워 보여줄 수 있어야한다. 설계한 시스템에서는 심전도 파형과 심박수가 설정범위를 벗어나면 응급알림을 경보와 화면에서 적색 점멸로 알려주고 있으나, 추후 심전도 분석을 통하여 부정맥 등을 분석하고 진단할 수 있는 통합 시스템으로의 개발이 필요하다.
- 지속적인 연구를 통하여 환자 모니터링 시스템이 상용화 단계까지 개발된다면 병원 의료 인력 부족 문제를 해결하고 의료 업무의 효율성과 병원 합리화에 효과적인 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다. 또한, 멀지 않은 시기에 5G 이동통신망과 더불어 사전예방 및 응급 상황 대처를 통한 효율적인 국민 복지분야의 원격진료 및 의료서비스 개발의 기반기술로 활용이 가능하여 환자의 진료와 삶의 질 향상에 도움을 줄 것으로 기대하고 있다.
- 환자의 검진에는 심전도, 산소포화도, 체온, 혈압과 같이 개인 고유의 생체정보가 내재되어 있는 생체신호 가 요구되며, 이러한 생체정보의 처리 기술과 빅데이터 기반의 분석 및 응용 기술을 필요로 한다.
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