[논문]실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템의 설계

조병호

doi:10.7236/jiibc.2018.18.4.161

실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템의 설계
Design of U-healthcare System for Real-time Blood Pressure Monitoring 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.4, 2018년, pp.161 - 168

초록
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고혈압은 현대 주요 성인병이며 기존의 혈압계로는 실시간 혈압 측정 및 원격 모니터링이 어렵다. 그러나 실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템은 효과적인 건강관리가 가능하도록 해준다. 실시간 혈압 모니터링을 위해 본 논문에서는 손목형 혈압계, 스마트폰 및 u-헬스케어 서버로 구성된 실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템의 구조를 제시한다. 그리고 손목형 혈압계의 하드웨어 설계를 위한 주요 핵심 기능인 맥파검출 아날로그 회로 구성과 손목형 혈압계를 구성하는 디지털 하드웨어 구성을 제시한다. 또한 이들 하드웨어 시스템을 동작시키는 소프트웨어 개발을 위한 UML 분석방법과 소프트웨어 설계를 위한 플로우차트와 화면 설계를 보여준다. 따라서 본 논문에서 제시한 설계방법은 실시간 모니터링 u-헬스케어 시스템 구현에 매유 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

High blood pressure is main today's adult disease and existing blood pressure gauge is not possible for real-time blood pressure measurement and remote monitoring. But real-time blood pressure monitoring u-healthcare system makes effect health management. In my paper, for monitoring real-time blood pressure, an architecture of real-time blood pressure monitoring system which consisted of wrist type-blood pressure measurement, smart-phone and u-healthcare server is presented. And the analog circuit architecture which is major core function for pulse wave detection and digital hardware architecture for wrist type-blood pressure measurement is presented. Also for software development to operate this hardware system, UML analysis method and flowcharts and screen design for this software design are showed. Therefore such design method in my paper is expected to be useful for real-time blood pressure monitoring u-healthcare system implementation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

혈압 측정에 필요한 동맥혈압은 혈액의 양, 혈관의 탄력성, 수축 저항 등에 의해 결정되고 있다. 그러나 현재 사용하고 혈압계의 단점은 연속으로 혈압 값을 측정하기 어렵기 때문에 손목형 혈압계를 이용해서 비침습적으로 심장 대동맥의 혈압값을 제공하고자 한다. 손목형 혈압계는 대동맥 혈압계 뿐만 아니라 전달 함수를 적용하여 대동맥 펄스를 추정하고 이로부터 대동맥 탄성도를 나타내는 지표인 증강지수 값도 제공한다.
기존의 혈압계로는 수시로 실시간 사용자의 혈압을 측정하기가 어렵다. 따라서 혈압을 실시간으로 측정하기 편리하고 블루투스 통신모듈을 혈압계에 통합하여 설계함으로써 스마트폰으로 수시로 측정하는 혈압 데이터를 전송이 가능한 손목형 혈압계를 개발하고자 한다.
본 논문에서는 손목시계형 혈압계와 스마트폰 및 유 헬스케어 서버로 구성된 실시간 혈압 모니터링 유-헬스케어 시스템의 소프트웨어를 설계하기 위한 방법을 제시하고자 한다. 이를 위한 본 논문의 구성은 다음과 같다.

제안 방법

(1) 요골동맥으로부터 두 개의 어래이(array) 압력센서를 이용하여 혈압 값을 측정한다.
(2) 두 개의 압력 센서 중 팔뚝 쪽의 센서에 연결된 모터가 동작하여 가압을 하였을 때의 두 맥파 파형을 검출하고 그 크기를 비교한다.
(3) 최적의 압력값이 설정되면 그 설정된 압력으로 두 압력센서의 출력을 검출하고 특징점 검출 알고리즘을 적용하여 수축기혈압(높은 혈압값)과 확장기혈압(낮은 혈압값)을 측정한다.
따라서 본 논문에서는 u-헬스케어 중에서도 가장 중요요소인 혈압을 모니터링하기 위한 “실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템”을 설계하기 위하여 스마폰을 활용하였다. 그리고 상시 실시간으로 혈압을 쉽게 측정하기 위해서 손목형 혈압계 하드웨어를 설계하고, 이 손목형 혈압계에서 블루투스 통신 모듈이 내장되도록 하여 스마트폰으로 혈압값을 전송하고 스마트폰에서 이를 임시저장하고 사용자 선택에 따라 단순 수치형태의 실시간으로 보여주거나 통계 그래프 형태로 보여주는 스마트폰 앱을 제작하기 위한 소프트웨어 분석/설계 방법을 제시하였다. 또한 u-헬스케어 서버로 스마트폰에서 받은 혈압 값을 전송하여 DB에 저장하고 필요시에 의사가 언제든지 환자의 혈압변동치를 살펴볼 수 있어 환자의 스마트케어가 가능한 소프트웨어 개발을 위한 분석/설계 방법도 보여주었다.
소프트웨어 측면에서의 시스템의 기능적인 사항을 살펴보면 손목형 혈압계에서의 임베디드 소프트웨어를 개발하기 위한 기능은 우선, 요골동맥으로부터 두 개의 어래이(array) 압력센서를 이용하여 혈압 값을 측정한다. 두 개의 압력 센서 중 팔뚝 쪽의 센서에 연결된 모터가 동작하여 가압을 하였을 때의 두 맥파 파형을 검출하고 그 크기를 비교한다. 최적의 압력 조건은 팔뚝쪽의 압력을 증가할 때 두 맥파 파형 크기의 차이가 최대로 나타나는 시점과 최소로 나타나는 시점의 평균 압력 값에 적절한 비율을 적용한 압력 값으로 설정하고 이러한 과정을 거쳐서 최적의 압력값이 설정되면 그 설정된 압력으로 두 압력센서의 출력을 검출하고 특징점 검출 알고리즘을 적용하여 수축기혈압(높은 혈압값)과 확장기혈압(낮은 혈압값)을 측정한다.
따라서 본 논문에서는 u-헬스케어 중에서도 가장 중요요소인 혈압을 모니터링하기 위한 “실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템”을 설계하기 위하여 스마폰을 활용하였다.
본 논문에서는 “실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템” 설계방법으로 시스템 구조를 제시하였고 이를 구현하기 위해 UML 객체지향분석 방법에 의해 요구사항 분석과 플로우차트 작성 및 화면 설계에 의한 설계명세서도 제시하였다.
본 논문에서는 그림1에서 보듯이 실생활에 많이 사용하고 있는 스마트폰을 이용해서 사용자의 혈압측정을 실시간으로 처리하여 통계 그래프 표시되도록 하고 고혈압 환자의 경우 병원의 u-헬스케어 서버로 전송하여 전문가인 의사가 판단을 해서 환자상태를 파악하고 적절한 처방 및 조치를 취할 수 있도록 한다. 또한 환자가 혈압이 갑자기 올라 위험상태가 되면 스마트폰 앱에서 자동으로 위험신호를 사용자에게 알리고 응급시에 자동으로 119 안전센터로 전화가 걸리도록 한다.
손목형 혈압계와 스마트폰 및 u-헬스서버로 구성되어 혈압을 실시간 모니터링 가능한 시스템의 전체 구성은 그림 1과 같이 손목형혈압계, 스마트폰, u-헬스케어서버로 구성되는데 손목형혈압계에서 혈압을 측정하고 이를 블루투스 통신으로 스마트폰으로 전송한다. 스마트폰에서는 이를 수치화하여 표시하고 그래프 등으로 표시한다.
압력센서의 출력 처리를 위한 아날로그 회로를 설계하였으며, 채널 간 간섭 제거 및 정확한 맥파 신호의 검출 및 신뢰성 향상을 기하였다. 맥파 검출을 위한 하드웨어 구성도가 그림 2에 나타나 있으며, 회로 구성을 위한 전원 및 전원 분리부, 동상신호 제거 및 신호 증폭을 위한 차동증폭부, 정확한 신호 추출 및 전원 잡음 제거를 위한 필터부를 포함하고 있다.
스마트폰에서 혈압값은 서버로도 전송이 되어 의사가 필요할 때 환자의 혈압 변동값을 수시로 조회할 수 있다. 이러한 시스템 개발에 있어 제일 중요한 부분은 요구사항 분석이 되겠으며 UML 객체지향 분석 방법에 의한 다이아그램 작성 방법을 기술한다.
이와 같이 실시간으로 사용자의 혈압을 측정하여 블루투스 통신 방식을 이용하여 사용자 스마트폰으로 전송하고 스마트폰은 다시 u-헬스케어 서버로 혈압 측정치를 전송하는 방식을 사용하기 위해서는 손목형 혈압측정 장치를 설계하도록 한다. 그동안 손목형 혈압측정 장치가 많이 연구되어 왔지만 정확도가 떨어지고 크기가 커서 사용하기가 불편하였지만 최근에 하드웨어 및 센서의 기술 발달로 인해 정확도가 높고 소형화가 가능하다.
두 개의 압력 센서 중 팔뚝 쪽의 센서에 연결된 모터가 동작하여 가압을 하였을 때의 두 맥파 파형을 검출하고 그 크기를 비교한다. 최적의 압력 조건은 팔뚝쪽의 압력을 증가할 때 두 맥파 파형 크기의 차이가 최대로 나타나는 시점과 최소로 나타나는 시점의 평균 압력 값에 적절한 비율을 적용한 압력 값으로 설정하고 이러한 과정을 거쳐서 최적의 압력값이 설정되면 그 설정된 압력으로 두 압력센서의 출력을 검출하고 특징점 검출 알고리즘을 적용하여 수축기혈압(높은 혈압값)과 확장기혈압(낮은 혈압값)을 측정한다.

성능/효과

(5) 혈압이 급격히 변동하거나 일정 수치 이상으로 위험군에 속하는 혈압 값을 초과하는 경우에는 위험 신호를 사용자에게 알리고 응급시에 자동으로 119 안전센터로 전화가 걸리도록 한다.
그리고 상시 실시간으로 혈압을 쉽게 측정하기 위해서 손목형 혈압계 하드웨어를 설계하고, 이 손목형 혈압계에서 블루투스 통신 모듈이 내장되도록 하여 스마트폰으로 혈압값을 전송하고 스마트폰에서 이를 임시저장하고 사용자 선택에 따라 단순 수치형태의 실시간으로 보여주거나 통계 그래프 형태로 보여주는 스마트폰 앱을 제작하기 위한 소프트웨어 분석/설계 방법을 제시하였다. 또한 u-헬스케어 서버로 스마트폰에서 받은 혈압 값을 전송하여 DB에 저장하고 필요시에 의사가 언제든지 환자의 혈압변동치를 살펴볼 수 있어 환자의 스마트케어가 가능한 소프트웨어 개발을 위한 분석/설계 방법도 보여주었다.

후속연구

본 논문에서 제시한 설계는 실제 “실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템” 제작에 매우 유용할 것으로 기대된다.
본 논문에서 제시한 설계는 실제 “실시간 혈압 모니터링 u-헬스케어 시스템” 제작에 매우 유용할 것으로 기대된다. 이 설계 예에 의한 실제 구현은 산학 개발과제를 통하여 이루어지도록 준비 중이며, 본 논문은 최근의 IT 융합 응용제품의 설계 사례로 기업의 실제 상용 시스템 제작에 많은 도움이 될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존에 가정에서 혈압을 체크하는 혈압계의 단점은?	기존에 가정에서 혈압을 체크하는 혈압계가 있는데 저가 제품은 정확도가 상당히 떨어지고 고가 제품은 구입해서 사용하기에는 금전적 부담이 있다.
	우리나라 고혈압 환자가 매년 증가하는 이유는?	고혈압으로 인한 사회적 비용지불이 상당하며 우리나라도 식생활이 서구화됨에 따라 고혈압 환자는 매년 증가하는 추세이다. 고혈압으로 인해 심근경색 및 뇌졸증으로 사망하거나 치료를 오랫동안 받는 환자가 많다.
	비침습적 방법은 측정 방법에 따라 어떤 종류가 있는가?	비침습적 방법으로 혈압을 측정하는 것으로 커프에 공기압을 가하였다가 천천히 공기압을 뺄 때 동맥혈관 위의 커프에 생기는 압진동(pressure oscillation)의 크기를 압센서(pressure sensor)에 의해 감지, 기록하여 혈압을 측정하는 방법이다. 측정방법에 따라 오실레이션 방법, 초음파감지법, 촉지법 등이 있다. 오실레이션 방법은 기낭의 압력을 서서히 내릴때 압력계의 바늘이 진동하기 시작하는 시점을 수축기혈압으로 간주하는 방법이며, 초음파 감지법은 청진기로 Korotkoff 음을 듣는 대신에 초음파 감지기를 사용하여 동맥벽의 운동을 탐지하는방법이다.

참고문헌 (10)

Ilhan Ilhan, Ibrahim Yildiz, Mehmet Kayrak, "Development of a wireless blood pressure measuring device with smart mobile device", Computer methods and programs in biomedicine, 2016.
Lim, J. J., "Development of personal u-healthcare device and cuffless hand type blood pressure measuring device", The Magazine of the IEEK, 2013.
Hee-Jung Park, Hae-In Jung*, Young-Jae Lee*, Jae-Ho Lee*, Min-Gyu Lim*, Jeong-Whan Lee*, ,"Blood Pressure control application using Android Open Accessory Development Kit", Korea Infprmations Association Paper, 2012.
Yeongjoon Gil, Jungtae Lee, "Design and Implementation of Real-time Blood Pressure Measuring System using Smartphone", KIISE Transactions on Computing Practices, 2015.
Kim, B. N., Park, H. J., Kwon K. L., "Trand of u-healthcare system", Korea Multimedia Paper, 2009.
Choo Jina, "Clinical Evaluation of the Accuracy of Electronic Home Blood Pressure Measuring Devices", Korean Academy of Fundamentals of Nursing, 2002.
Sangjun Koo, Jongwon Kwon, Yongman Park, Odgerel Ayuznara, Hiesik Kim, "Improvement of a sensor unit for wrist blood pressure monitor", , The Korean Institute of Electrical Engineers Association Paper, 2017.
Dong-Jun Kim, Young-Soo Kim, Hack-Yun Kim, "Development of an Oscillometric-Based Blood Pressure Estimation Technique for Automatic Blood Pressuremeter", Korean Institute Of Information Technology Association Paper, 2011.
Joo-Young Kim, Young-Soo Kim, Hyun-Min Lee, Dong-Jun Kim, Jeong-Whan Lee, "A Study on Development of Blood Pressure Measuring Algorithm for Automatic Sphygmomanometer", The Korean Institute of Electrical Engineers Association Paper, 2012.
Lee, Sangsik, Cho, Yoehan, Goo, Jihyun, Lee, Choongho, "Development of Electronic Circuit for Korotkoff Sounds Detecting Signal on Forearm Electronic Blood Pressure Monitor", Journal of Korea Institute of Information, Electronics, and Communication technology", 2010.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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