Due to population aging, an increase in the number of patients with chronic illnesses, and an increase in the number of single-person households, monitoring of health status in everyday life without the need for a hospital has become very important. For this reason, researches on various health care...
Due to population aging, an increase in the number of patients with chronic illnesses, and an increase in the number of single-person households, monitoring of health status in everyday life without the need for a hospital has become very important. For this reason, researches on various health care devices have been attempted, among which wearable devices are attracting much attention. In this paper, we propose a new ring-type wearable device for next generation healthcare. On the inner side of the ring, a metal electrodes for GSR measurement and an optical sensor for measurement of pulse wave signals of two wavelengths of red and near-infrared light were mounted. In addition, it was equipped with an acceleration sensor, and information about the degree of motion could be obtained. In this paper, it is shown that a health monitoring device can be implemented in the form of a ring, and the measured signals can be used to calculate heart rate, oxygen saturation, sleep time and sleep efficiency. Through the advanced algorithm, it is expected that we can extract various health information, especially sleep related health information by using the ring device, and it is also expected that it can contribute to the implementation of wearable healthcare effectively.
Due to population aging, an increase in the number of patients with chronic illnesses, and an increase in the number of single-person households, monitoring of health status in everyday life without the need for a hospital has become very important. For this reason, researches on various health care devices have been attempted, among which wearable devices are attracting much attention. In this paper, we propose a new ring-type wearable device for next generation healthcare. On the inner side of the ring, a metal electrodes for GSR measurement and an optical sensor for measurement of pulse wave signals of two wavelengths of red and near-infrared light were mounted. In addition, it was equipped with an acceleration sensor, and information about the degree of motion could be obtained. In this paper, it is shown that a health monitoring device can be implemented in the form of a ring, and the measured signals can be used to calculate heart rate, oxygen saturation, sleep time and sleep efficiency. Through the advanced algorithm, it is expected that we can extract various health information, especially sleep related health information by using the ring device, and it is also expected that it can contribute to the implementation of wearable healthcare effectively.
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문제 정의
본 연구에서는 무자각적이면서도 연속적으로 건강 모니터링을 할 수 있도록 반지 형태의 디바이스를 제안하였다. 경연성 인쇄 회로 기판을 이용하여 제작된 측정 보드는 소형이면서도 원형의 모양인 반지에 유연하게 감싸지면서 동시에 부품실장은 견고하게 할 수 있도록 해 주었다.
본 연구에서는 차세대 헬스케어용 웨어러블 디바이스로서 손가락에 착용하여 무자각적이면서도 연속적으로 다양한 건강 정보를 제공할 수 있는 반지형 디바이스를 제안하고자 한다.
제안 방법
PPG 측정을 위하여 전용 아날로그 프론트 엔드 (AFE4490, Texas Instrument, Inc)를 활용하였는데, 센서부에 적색 (660nm) 및 근적외선 파장 (890nm)의 LED 2쌍 및 포토 다이오드를 연결하여 2채널의 PPG 신호를 획득할 수 있도록 하였다. GSR은 저전력 연산증폭기 (TSU111, ST Microelectronics)를 활용한 응용회로를 이용하여 땀으로 인한 피부 저항을 전압으로 변환하여 측정하였다.
향후 연구에서 수면상태를 모니터링 하는데 사용하기 위한 예비신호로 남겨두기로 한다 [9]. IR파장의 PPG신호를 이용하여 맥박을 측정하였다. 맥박 측정을 위해서 전달함수 H(z,n)와 적응 메카니즘을 갖는 시변 2차 IIR 대역통과 필터로 구성된 주파수 추적 알고리즘을 활용하였다 [10, 11].
8mm이다. PPG 측정을 위하여 전용 아날로그 프론트 엔드 (AFE4490, Texas Instrument, Inc)를 활용하였는데, 센서부에 적색 (660nm) 및 근적외선 파장 (890nm)의 LED 2쌍 및 포토 다이오드를 연결하여 2채널의 PPG 신호를 획득할 수 있도록 하였다. GSR은 저전력 연산증폭기 (TSU111, ST Microelectronics)를 활용한 응용회로를 이용하여 땀으로 인한 피부 저항을 전압으로 변환하여 측정하였다.
현재는 다양한 신호를 측정 가능한 반지 형태의 디바이스를 제안한 수준이나, 향후 센서 운영 전략 최적화 및 저전력 펌웨어 설계, 그리고 저전력 IC를 이용한 최적 설계를 통해 1회 충전으로 최소 하루 이상 사용할 수 있도록 전원 설계를 잘 하는 것이 필요하겠다. 또한 반지에서 측정된 GSR신호를 보다 구체적으로 검증하고 보완하고, 이를 이용하여 자동으로 수면 구간을 인지할 수 있는 알고리즘, 산소포화도 값을 이용하여 수면 중 무호흡을 검출할 수 있는 알고리즘을 적용해 보려 한다[9, 15].
따라서 웨어러블 헬스케어 디바이스를 전자제품이 아닌 주얼리의 느낌이 나도록 구현하는 것이 매우 중요하다 [8]. 본 연구에서는 강도와 심미성을 위하여 반지의 주 몸체는 금속을 활용하면서도 무선 통신부의 안테나 방사를 위하여 안테나 방향의 반지 외측면은 금속느낌의 플라스틱을 이용한 덮개 형태로 제작하였다. 그림 1은 반지 프로토타입의 구조를 요소별로 나열한 그림이다.
손목 안쪽에 Ag/AgCl 전극을 부착하고 표준장비 (Biopac GSR-100C EDA amplifier)로 GSR을 동시에 측정하여 그 신호를 반지에서 측정된 신호와 비교하였다. 피험자는 측정이 시작되면 랜덤으로 IAPS (International Affective Picture System) 이미지를 보여주었다.
가속도의 파워 I(n)은 3축 가속도계의 각 축의 값의 제곱합근 (Root Sum of Squares)로 사용하였다. 수면 효율을 구하기 위해서는 수면 구간 안의 데이터를 60초를 1 epoch으로 나누고, 각 epoch의 activity, A(j)를 구해 줬는데 60초 동안 획득한 I(n)의 평균으로 그 값을 설정하였다. 이렇게 구한 각 epoch의 activity 값들을 이용하여 각 epoch에서의 수면/각성 판단 지표 B(n)를 구하였는데, 이는 식 (6)과 같이 현재 epoch을 기준으로 전 2개, 후 2개 epoch을 포함하는 총 5개의 epoch의 activity에 대한 가중 합으로 계산하였다.
3, 반지 두께 13mm이며 배터리공간을 다른 부분보다 돌출시켜 전면부의 주얼리 형상으로 적용될 수 있도록 하였다. 이러한 설계 구조를 통하여 금속으로 제작된 반지의 본체의 색상을 변경하거나 배터리 공간에 해당하는 부분의 반지 외측면 상에 디자인을 부여하여 전자제품이라는 느낌보다는 주얼리의 느낌을 받을 수 있도록 하였다.
산소포화도 측정을 위해서는 Peak and Valley 방법에 의하여 산출한 Ratio값을 산소포화도 값으로 변환시켜 줄 보정식이 필요하다. 이를 위하여 왼쪽 검지 혹은 중지 손가락에는 반지를 착용 하고, 오른쪽 검지 손가락에는 스마트폰에 연결하여 측정할 수 있는 산소포화도 측정기기 (iSpO2, Masimo)의 투과형 센서를 부착한 채로 동시에 산소포화도를 측정하였다. 피험자에게는 가능한 한 오래동안 숨을 참을 것을 요구하여 산소포화도가 일정 부분 떨어질 수 있도록 하였다.
판단지표 B(j)와 임계치를 비교하여 현 epoch의 상태가 수면상태인지 각성상태인지를 결정하고, 전체 수면 구간의 epoch개수에 대해서 수면이라고 판단된 epoch의 개수에 대한 비율을 수면 효율로 나타내었다. 이렇게 측정된 모든 결과는 그림 4에 보이는 테스트 앱에 디스플레이 되도록 하였다.
표 1은 3명의 피험자가 숨을 참기 직전과 숨을 참은 상태에서 다시 숨을 쉬기 직전에 반지에서 획득한 PPG신호로부터 계산한 Ratio값과 표준 측정장비에서 측정한 산소포화도 값을 나타낸 것이다. 표 1에 기입한 데이터에 대하여 선형회귀식을 통해 식 (6)과 같은 보정식을 도출하였고, MCU에서 이 식을 통해 산소포화도를 계산하여 스마트폰으로 전송할 수 있도록 하였다.
피험자가 비교장비인 Actiwatch (Philips Respironics)를 반지를 착용한 손의 손목에 착용하고 하루밤 수면을 한 후 측정된 수면효율값을 비교하였다. Actiwatch는 수면의 시작시간과 끝시간을 수기로 입력해 줘야 하기 때문에 피험자가 수기로 적어온 시간을 이용하였다.
3명의 건강한 남성(31세, 36세, 40세)을 대상으로 측정 실험을 진행하였다. 피험자의 손가락 굵기 차이가 있어 측정을 위하여 피험자는 22호 사이즈로 제작된 반지를 왼쪽 검지 혹은 중지 손가락 중 반지가 잘 맞는 손가락에 착용한 상태에서 비교장비와 동시에 측정하여 그 결과를 비교하였다.
대상 데이터
3명의 건강한 남성(31세, 36세, 40세)을 대상으로 측정 실험을 진행하였다. 피험자의 손가락 굵기 차이가 있어 측정을 위하여 피험자는 22호 사이즈로 제작된 반지를 왼쪽 검지 혹은 중지 손가락 중 반지가 잘 맞는 손가락에 착용한 상태에서 비교장비와 동시에 측정하여 그 결과를 비교하였다.
이는 경성 회로 기판에 연성 인쇄 회로 기판이 결합된 구조로 유연하면서도 부품 표면 실장의 신뢰성을 제공할 수 있기에 반지 형태의 디바이스에 최적의 솔루션이라 판단하였다. 계측 보드는 3.7V, 25mAh의 리튬폴리머 배터리를 이용하여 각 회로부에 전원을 공급하는 전원부, 광용적맥파 (PPG: Photoplethysmography) 측정부, 피부전기반응 (GSR: Galvanic Skin Response) 측정부, 가속도 측정부 (LIS2SHTR, ST Microelectronics), 아날로그 신호처리 및 시스템 컨트롤을 위한 MCU (Cortex M4, STM32F401, ST Microelectronics) 그리고 스마트폰으로 데이터를 전송하기 위한 무선통신부(BLE, CSR1012)로 구성된다. 전체 보드의 크기는 약 59.
계측용 보드가 양 옆면 커버의 가이드를 받아 반지 본체를 감싸며 탑재 되게 되고, 그 위로 금속 느낌의 플라스틱으로 제작된 반지 외측면이 덮개 형식으로 감싸게 된다. 반지 프로토타입은 내경이 19.8mm로 일반적인 남성 반지 사이즈인 22호로 제작되었다. 반지의 내측면의 크기와 두께를 조절한다면 반지 사이즈를 다르게 제작할 수도 있다.
심박 비교 실험을 위해서 피험자들은 트래드밀 위에서 자유롭게 조깅을 하도록 하였다. 비교장비로는 Polar의 Chest Belt를 사용하였다. 그림 6은 반지에서 측정된 HR과 Chest Belt에서 측정된 HR간의 오차를 나타낸 Bland-Altman plot이다.
그림 3은 반지에 탑재될 수 있도록 제작된 생체 계측용 보드이다. 이 계측 보드는 반지 디바이스 내에서 원형으로 감싸질 수 있도록 하기 위해 휴대전화 카메라 모듈에 많이 사용되는 경연성 인쇄 회로 기판 (Rigid Flex Printed Circuit Board)를 이용하여 제작되었다. 이는 경성 회로 기판에 연성 인쇄 회로 기판이 결합된 구조로 유연하면서도 부품 표면 실장의 신뢰성을 제공할 수 있기에 반지 형태의 디바이스에 최적의 솔루션이라 판단하였다.
손목 안쪽에 Ag/AgCl 전극을 부착하고 표준장비 (Biopac GSR-100C EDA amplifier)로 GSR을 동시에 측정하여 그 신호를 반지에서 측정된 신호와 비교하였다. 피험자는 측정이 시작되면 랜덤으로 IAPS (International Affective Picture System) 이미지를 보여주었다. 그림 5는 피험자 1로부터 측정된 GSR신호를 대표로 표현한 것이다.
이론/모형
IR과 R파장의 2채널 PPG신호에 대하여 Peak and Valley 방법을 이용하여 산소포화도(SpO2)도 계산하였다. Peak and Valley 방법은 Beer-Lambert 법칙을 근거로 옥시헤모글로빈과 디옥시 헤모글로빈의 흡수계수의 차가 큰 R파장 PPG신호, 그리고 그 차가 작은 IR파장 PPG의 DC성분과 AC성분의 진폭의 비를 이용하여 식 (5)와 같은 방법으로 산소포화도를 계산한다[12].
IR파장의 PPG신호를 이용하여 맥박을 측정하였다. 맥박 측정을 위해서 전달함수 H(z,n)와 적응 메카니즘을 갖는 시변 2차 IIR 대역통과 필터로 구성된 주파수 추적 알고리즘을 활용하였다 [10, 11].
성능/효과
경연성 인쇄 회로 기판을 이용하여 제작된 측정 보드는 소형이면서도 원형의 모양인 반지에 유연하게 감싸지면서 동시에 부품실장은 견고하게 할 수 있도록 해 주었다. 개발된 프로토타입을 이용하여 두 파장 의 PPG신호와 GSR신호, 그리고 가속도 신호를 측정할 수 있었고, 측정된 신호를 이용하여 심박수와 산소포화도, 수면효율을 측정할 수 있었다.
Actiwatch는 수면의 시작시간과 끝시간을 수기로 입력해 줘야 하기 때문에 피험자가 수기로 적어온 시간을 이용하였다. 비교 결과 수면효율 오차는 각각 5.64%, 0.16%, 2.14%으로 평균오차는 2.65%로 계산되었다(표 2).
후속연구
GSR은 신호 자체를 측정만 하고, 건강 관련 지표를 계산하기 위하여 본 논문에서는 사용되지 않았다. 향후 연구에서 수면상태를 모니터링 하는데 사용하기 위한 예비신호로 남겨두기로 한다 [9]. IR파장의 PPG신호를 이용하여 맥박을 측정하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
웨어러블 디바이스의 보급이 빠른 이유는?
정보기술 시장 분석기관인 IDC에 따르면 2017년 웨어러블 디바이스 제품의 전 세계 출하량은 1억 1천 3백만개에서 2021년에는 약 2억대 규모로 2배 가량 증가할 전망으로 예상하였다[5]. 이처럼 헬스케어 분야에서 웨어러블 디바이스의 보급이 다른 디바이스보다 빠른 이유는 예방 중심의 웰니스 (Wellness)에 보다 큰 관심이 집중되면서 자기 자신의 건강 데이터를 스스로 진단하고 관리하려는 Quantified-Self 트렌드가 확산되고 있기 때문이다[6]. 이를 통해 개인 맞춤 헬스케어 서비스를 제공하기 위해서는 보다 다양하면서도 정확한헬스데이터를 지속 가능한 형태로 획득할 수 있어야 한다.
스마트 헬스케어의 의미는?
정보통신 기술의 발전과 보급 그리고 유비쿼터스 컴퓨팅의 개념이 보편화되기 시작하면서 병원에 내원하지 않고도 일상생활을 영위하는 중 언제, 어디서나 자연스럽게 건강관리를 할 수 있는 스마트 헬스케어가 주목을 받은 지도 오랜 시간이 흘렀다[1-4]. 스마트 헬스케어는 그 의미에는 조금씩 차이가 있지만 정보통신 기술과의 접목을 통해 건강 관련 데이터의 추적 및 관찰의 범위를 언제, 어디서나 가능하도록 일상생활로 확대시키려는 노력이라는 관점에서 보았을 때, 유비쿼터스 헬스케어 (Ubiquitous Healthcare), 커넥티드 헬스케어 (Connected Healthcare), 모바일 헬스케어 (Mobile Healthcare), 디지털 헬스케어 (Digital Healthcare) 등의 많은 이름으로 꾸준히 연구개발이 진행되어 온 분야이다.
손목 착용형 스마트워치의 문제점은?
심지어는 이마저도 정확하지 못하여 헬스 데이터로서의 신뢰성이 떨어진다는 보고도 있다[7]. 손목 착용형 디바이스의 경우 손목에 디바이스가 타이트하게 착용하는 경우가 드물기 때문에 손목이 움직이는 동안에 광센서가 피부에 견고하게 접촉되지 못함으로서 측정된 맥파 신호에 심각한 운동잡음을 초래하게 된다. 수면 모니터링의 경우도 가속도 단일 센서 신호만을 사용하는 경우가 대부분이기 때문에 수면에 대하여 분석하기에는 그 정보량이 부족하다고 판단이 된다.
참고문헌 (15)
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S.H. Hwang, S. Seo, H.N. Yoon, D.W. Jung, H.J. Baek, J. Cho, J.W. Choi, Y.J. Lee, D.-U. Jeong, K.S. Park, "Sleep period time estimation based on electrodermal activity", IEEE J Biomed Health Inform, vol. 21, pp. 115-122, 2017
S. Fallet, J.-M. Vesin, "Robust heart rate estimation using wrist-type photoplethysmographic signals during physical exercise: an approach based on adaptive filtering", Physiol. Meas., vol. 38, pp. 155-170, 2017
R. Gauronskaite, I. Liustrickyte, R. Zablockis, E. Danila, A. Komarovec, V. Kumpauskaite, "Screening for sleep apnea using overnight home pulse oximetry", Sleep Med, vol. 40, pp. e108, 2017.
D.W. Jung, S.H. Hwang, J.G. Cho, B.H. Choi, H.J. Baek, Y.J. Lee, D.-U. Jeong, K.S. Park, "Real-time automatic apneic event detection using nocturnal pulse oximetry", IEEE Trans Biomed Engin, vol. 65, pp. 706-712, 2018.
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