[논문]당뇨병 환자를 위한 실내자전거 기반 운동 코칭 시스템

박제창; 이제훈

doi:10.5392/jkca.2019.19.01.086

당뇨병 환자를 위한 실내자전거 기반 운동 코칭 시스템
Exercise Coaching System based on Indoor Bicycle for Diabetic Patients 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.19 no.1, 2019년, pp.86 - 95

박제창 (강원대학교 공학대학 전자정보통신공학부) , 이제훈 (강원대학교 공학대학 전자정보통신공학부)

초록
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당뇨 환자는 혈당을 정상 범위로 유지하기 위해 운동, 식이, 투약요법을 병행해야만 한다. 운동은 혈당 강하와 정서적 안정에 효과가 크고, 유산소 운동 부하와 혈당 강하간 관계를 규명하려는 많은 연구들이 있다. 그러나, 환자들이 가정에서 쉽게 적절한 운동 부하를 산출하고, 이에 따라 개인별로 운동을 코칭하는 운동 시스템 연구는 부족하다. 본 논문은 실내자전거를 기반으로 운동 정보 자동취득 장치와 모바일 앱을 개발하였고, 이를 통해 개인별 간이 운동 부하 검사와 운동 코칭 알고리즘을 제안하였다. 실험을 통해, 실내 자전거를 이용한 운동 부하 검사와 코칭에 따른 운동전후 혈당 변화를 측정하였다. 모든 실험자의 혈당은 운동 후 감소되었고, 당뇨 환자는 운동 종료 30분 후에도 낮아진 혈당이 유지되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Diabetic patients need exercise, diet and medication to keep normal glucose levels. Therapeutic exercise is good to control the glucose level and emotional stability. There are many studies to identify the relationship between them glucose drop and exercise load. However, there are few studies on exercise system that patients can easily calculate appropriate exercise tolerance at home and coaching exercise by individual. This paper presents simple exercise tolerance test and exercise coaching algorithm with indoor bicycle. We measure the change of glucose level before and after exercise. Then, the coaching program for the exercise is established by the proposed exercise tolerance test. From the simulation results, glucose levels were decreased after exercise for all experimental participants. The diabetics kept the lowered glucose level after 30 minutes of exercise.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 제안한 실내자전거와 스마트폰앱 연동
그림 그림 2. 실내자전거 운동 정보 자동 취득 장치
그림 그림 3. 실내자전거 운동 정보 신호 취득 방법
그림 그림 4. 실내자전거와 앱간 데이터 동기화
표 표 1. 실내자전거에 저장하는 운동 정보
표 표 2. 제안하는 실내자전거 운동파라미터 실시간 전송, 데이터 동기화를 위한 BLE GATT 프로파일
표 표 3. 지원하는 시스템 시나리오
그림 그림 5. 시스템 동작 알고리즘
그림 그림 6. 운동 상태 확인과 자동 종료 알고리즘
표 표 4. 상용 앱들과 제안된 앱의 기능 비교
그림 그림 7. 운동 정보 자동 취득 장치 PCB 패턴 결과
그림 그림 8. 제안한 스마트폰 앱 UI (가) 장치 등록 화면, (나) 실시간 운동 코칭 화면
그림 그림 9. 운동부하실험 심박수
그림 그림 10. 운동부하실험시 실험자 혈당 변화

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

당뇨 환자를 위한 운동요법은 유산소 운동을 중심으로 수행되며, 환자에게 적정한 운동 강도와 운동 시간을 알기 위해 운동 부하 검사를 수행한다. 본 논문은 실내자전거를 기반으로 환자 스스로 간이 운동 부하 검사와 이를 통해 결정된 운동 코칭 알고리즘으로 운동할 수 있는 실내자전거 및 스마트폰 어플리케이션을 제안한다. 운동 부하 검사 동작을 검증하기 위해 일반 성인 실험자 3인의 개인 최대 심박수검사와 심박수를 사용한 운동부하검사, 혈당 변화를 측정하였다.
운동요법과 혈당간 영향 분석에 관한 연구는 많으나, 운동기구에 IoT 기술을 접목하여 개인별 운동 코칭을 수행하는 연구 혹은 이를 지원할 수 있는 헬스케어 시스템 개발에 대한 연구는 부족하다. 본 논문은 이를 해결하기 위해 가정용 유산소 운동기구인 실내자전거에 두 가지 기능을 추가하였다. 첫째, 서로 다른 체력에 따라 환자별로 운동 부하를 검사한다.
본 논문은 환자들이 가정에서 실내자전거를 이용하여 환자에게 적합한 운동 부하를 쉽게 측정할 수 있는 방법과 측정된 운동 부하에 따라 개인별로 적합한 운동 방법을 결정하고 운동중에 실시간으로 코칭하는 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 매 운동시 운동 정보를 자동으로 획득하고, 사용자가 운동 전후 기록한 혈당 측정값과 비교하여 환자는 혈당 관리에 적합한 운동 강도를 알 수 있다.
본 연구는 당뇨 환자가 실내에서 쉽게 운동요법을 할 수 있는 실내자전거와 운동요법 스마트폰 애플리케이션을 제안하였다. 실험을 위해 상용 실내자전거에 운동 정보 자동 취득 장치를 추가하였고, 안드로이드 기반 애플리케이션을 개발하였다.

제안 방법

5%의 정확도를 보였다. 또한, 환자의 운동 자각도를 1(쉽다)부터 5(매우 힘들다)까지 5단계 범위를 설정하고 심박수와 동일하게 30초 간격으로 개인이 느끼는 운동 강도를 질의를 통해 기록했다. 정확한 운동과 혈당간 영향 분석을 위해 운동은 식후 30분 실험을 수행하였고, 운동 시작 전, 운동 시작 후 10분 간격으로 혈당 측정기로 혈당 변화를 기록하여 유산소 운동 후 혈당 변화를 관찰하였다.
30분을 기본 운동 시간으로 설정하고, 환자는 운동 중 10분 간격으로 운동 시간을 늘릴 수 있다. 마지막으로, 환자의 운동전후 혈당 측정값과 운동량을 자동으로 자동 기록하여, 환자 스스로 운동전 미리 측정한 혈당값에 따라 운동량과 운동 강도를 조절토록 한다.
모듈 구성 및 스마트폰 앱 설계 후, 이들을 연동하여 운동 부하 검사 동작을 검증하였다. 일반 성인 실험자 3인의 개인 최대 심박수검사와 심박수를 사용한 운동부하검사, 혈당 변화를 측정하였다.
그 후 피검자가 운동을 지속할 수 없을 때까지 실시하고, 운동 중단은 운동부하검사시 중지기준[19]에 따른다. 본 연구는 에르고메터와 달리 운동부하를 Watts로 강제할 수 없기에 실내자전거 회전 속도로 운동 부하를 결정한다. 운동 부하 검사가 시작되면, 사용자는 초기 2분동안 20km/h의 속도까지 운동 속도를 상승시킨다.
본 장은 개인별 운동 코칭에 따라 환자가 실내자전거로 운동하고, 결과를 자동 기록할 수 있는 실내자전거 기능 추가 방법 및 모바일 앱 연동 방법을 제안한다.
본 연구는 당뇨 환자가 실내에서 쉽게 운동요법을 할 수 있는 실내자전거와 운동요법 스마트폰 애플리케이션을 제안하였다. 실험을 위해 상용 실내자전거에 운동 정보 자동 취득 장치를 추가하였고, 안드로이드 기반 애플리케이션을 개발하였다.
본 논문은 실내자전거를 기반으로 환자 스스로 간이 운동 부하 검사와 이를 통해 결정된 운동 코칭 알고리즘으로 운동할 수 있는 실내자전거 및 스마트폰 어플리케이션을 제안한다. 운동 부하 검사 동작을 검증하기 위해 일반 성인 실험자 3인의 개인 최대 심박수검사와 심박수를 사용한 운동부하검사, 혈당 변화를 측정하였다. 실내자전거에 채택한 심박 센서와 대조군으로 사용한 Polar T-34간 평균 오차는 1.
0 km/h씩 운동 속도를 증가시켰다. 운동 시간은 대한당뇨병학회에서 권장한 30분부터 1시간 사이로 설정하였다. 운동 부하 검사는 초기 10분은 15-20 km/h의 중강도, 10분부터 20분 사이는 20km/h 이상 고강도, 그리고 마지막 30분까지 다시 15-20 km/h의 중강도 운동으로 설정하였다.
모듈 구성 및 스마트폰 앱 설계 후, 이들을 연동하여 운동 부하 검사 동작을 검증하였다. 일반 성인 실험자 3인의 개인 최대 심박수검사와 심박수를 사용한 운동부하검사, 혈당 변화를 측정하였다. 최대심박수 검출을 위해 운동 속도를 처음에 20.
또한, 환자의 운동 자각도를 1(쉽다)부터 5(매우 힘들다)까지 5단계 범위를 설정하고 심박수와 동일하게 30초 간격으로 개인이 느끼는 운동 강도를 질의를 통해 기록했다. 정확한 운동과 혈당간 영향 분석을 위해 운동은 식후 30분 실험을 수행하였고, 운동 시작 전, 운동 시작 후 10분 간격으로 혈당 측정기로 혈당 변화를 기록하여 유산소 운동 후 혈당 변화를 관찰하였다.
당뇨 환자를 위해 제안된 운동 코칭 방법은 다음과 같다. 제안된 실내자전거의 운동 코칭은 환자의 운동 부하 검사 결과를 토대로 결정되며, 환자가 목표한 운동 강도 구간과 운동 강도 주기를 수동으로 조정할 수 있다. 첫째, 운동 강도 구간은 중강도와 고강도 운동으로 구성된다.
당뇨 환자는 혈당 관리를 위해 유산소 운동이 중요하고, 개인적 운동 능력과 운동량에 따른 혈당 강하량을 고려한 운동 코칭이 요구된다. 제안된 앱은 실내자전거에 IoT 기술을 추가하여, 운동 정보를 자동으로 기록한다. 뿐만 아니라, 사용자가 직접 간이 운동 부하 검사를 실시하고, 이 결과에 따라 개인별 운동 코칭을 지원한다.
제안된 시스템은 [그림 1]과 같이 구성되고, 네 가지 주요 기능을 갖는다. 첫째, 사용자가 운동할 때, 실내자전거와 웨어러블 밴드에서 운동 정보와 심박 정보를 수집하고, 이를 통해 간이 운동 부하 검사를 수행한다. 이 결과에 따라 개인별 운동 코칭 프로그램이 추천된다.
일반 성인 실험자 3인의 개인 최대 심박수검사와 심박수를 사용한 운동부하검사, 혈당 변화를 측정하였다. 최대심박수 검출을 위해 운동 속도를 처음에 20.0 km/h로 시작한 후, 운동을 지속할 수 없을 때까지 매 2분간 2.0 km/h씩 운동 속도를 증가시켰다. 운동 시간은 대한당뇨병학회에서 권장한 30분부터 1시간 사이로 설정하였다.
기존 당뇨 환자를 위한 운동요법 연구들은 주로 병원을 내원한 환자를 대상으로 1회성으로 시행되었다. 환자들을 연령과 성별로 나눈 후, 그룹별로 적정 운동 부하를 산출하거나, 단기간 운동요법의 효능을 산출한다.

이론/모형

기존 운동부하검사법은[5][7]은 에르고메터에 초기 20 혹은 25 Watts 부하로 운동을 시작하고, 매 2분 20 혹은 25 Watts의 부하를 증가시킨다. 그 후 피검자가 운동을 지속할 수 없을 때까지 실시하고, 운동 중단은 운동부하검사시 중지기준[19]에 따른다. 본 연구는 에르고메터와 달리 운동부하를 Watts로 강제할 수 없기에 실내자전거 회전 속도로 운동 부하를 결정한다.
환자가 운동 중일 때, 운동 정보를 실시간 전송하고, 그 외의 경우, 스마트폰이 운동 기기 근처에 있을 때 데이터를 동기화한다. 블루투스 GATT (generic attributes)는 [표 2]와 같고, Bluetooth SIG에서 정의한 Fitness machine 서비스[16]를 적용한다. 운동 정보 전송과 기기 동기화를 위해 날짜 시간 동기화, 디바이스 인증, 데이터 동기화의 서비스 프로파일을 수행한다.

성능/효과

운동중 환자에게 추천된 최대심박수 구간을 벗어날 때 환자에게 이를 알려준다. 둘째, 최대심박수의 60% 수준의 중강도 운동과 간헐적으로 최대심박수의 70% 수준의 고강도 운동을 각각 9대 1 비율로 10분 간격으로 한 세트를 구성하고, 사용자는 이를 수정할 수 있다. 30분을 기본 운동 시간으로 설정하고, 환자는 운동 중 10분 간격으로 운동 시간을 늘릴 수 있다.
첫째, 서로 다른 체력에 따라 환자별로 운동 부하를 검사한다. 둘째, 환자가 운동할 때마다 운동량을 자동 기록하고, 환자가 목표한 운동 부하에 따라 운동할 수 있도록 코칭한다.
이어진 중강도 운동 구간에서 심박수가 안정상태로 하강하는 경향을 보였다. 또한, 모든 실험자가 운동 속도가 증가함에 따라 운동 부하 즉, 심박 수가 비례적으로 증가함을 보였다.
2014년 합병증이 없는 당뇨 환자는 연평균 118만원을 의료비로 지출하나, 대혈관 합병증을 가진 환자들은 연평균 1,047만원을 지출한다고 보고되었다. 마지막으로, 만성당뇨는 육체적 고통뿐만 아니라 정신적 스트레스로 환자의 삶의 질이 크게 저하된다. 따라서, 당뇨 환자가 생애 전주기간 꾸준히 혈당을 관리하도록 돕는 혈당 관리 프로그램 개발이 필수적이다.
운동부하 측정은 심박수를 기준하였다. 실내자전거에 채택한 심박 센서와 대조군으로 사용한 Polar T-34간 평균 오차는 1.92, 오차율 평균은 1.5%로 98.5%의 정확도를 보였다. 또한, 환자의 운동 자각도를 1(쉽다)부터 5(매우 힘들다)까지 5단계 범위를 설정하고 심박수와 동일하게 30초 간격으로 개인이 느끼는 운동 강도를 질의를 통해 기록했다.
운동부하 실험에 대한 혈당 변화 결과는 [그림 10]과 같다. 실험 시작 전 혈당과 유산소 운동 후 혈당은 차이가 있으며 모든 실험자에 대해서 운동 종료 10분 후 혈당은 운동 시작 전 혈당 대비 감소했다. 그러나 고강도 운동 종료 후 모든 실험자에게서 혈당 상승을 보이는데 이는 선행 연구[18]과 같이, 고강도의 짧은 운동 수행 시 포도당 생성이 증가해 발생한 혈당 증가로 보인다.
5%의 정확도를 보였다. 운동부하 실험에 대한 혈당 변화는 실험 시작 전 혈당과 유산소 운동 후 혈당은 차이가 있으며 모든 실험자에 대해서 운동 종료 10분 후 혈당은 운동 시작 전 혈당 대비 감소하였다. 제안된 실내자전거를 이용한 헬스케어 시스템을 이용하여 당뇨병 환자는 저혈당에 대한 걱정 없이 스스로 적합한 운동 강도를 파악하고, 이에 따라 운동하여 효과적으로 혈당을 관리할 수 있다.
본 논문은 환자들이 가정에서 실내자전거를 이용하여 환자에게 적합한 운동 부하를 쉽게 측정할 수 있는 방법과 측정된 운동 부하에 따라 개인별로 적합한 운동 방법을 결정하고 운동중에 실시간으로 코칭하는 시스템을 제안한다. 제안된 시스템은 매 운동시 운동 정보를 자동으로 획득하고, 사용자가 운동 전후 기록한 혈당 측정값과 비교하여 환자는 혈당 관리에 적합한 운동 강도를 알 수 있다. 운동과 혈당 강하량에 따라 환자 스스로 운동 코칭에 제시된 운동 부하를 조절함으로써 효율적인 운동요법을 지속할 수 있도록 코칭한다.
그 후, 매 2분마다 운동 속도를 2km/h씩 증가시키고, 환자가 운동을 지속할 수 없는 상태까지 운동한다. 제안된 실내자전거는 사용자가 운동 속도가 검사 목표치보다 낮을 경우 사용자에게 안내한다. 운동부하검사가 종료된 후, 검사 시간내 측정된 심박수중 최대값을 사용자의 최대심박수로 결정한다.
운동부하 실험에 대한 혈당 변화는 실험 시작 전 혈당과 유산소 운동 후 혈당은 차이가 있으며 모든 실험자에 대해서 운동 종료 10분 후 혈당은 운동 시작 전 혈당 대비 감소하였다. 제안된 실내자전거를 이용한 헬스케어 시스템을 이용하여 당뇨병 환자는 저혈당에 대한 걱정 없이 스스로 적합한 운동 강도를 파악하고, 이에 따라 운동하여 효과적으로 혈당을 관리할 수 있다. 향후, 본 연구를 다른 유산소 운동 기구에 적용하는 방법에 대한 추가 연구가 필요하다.
이는 운동 코칭 알고리즘에서 설정한 운동 강도 변화에 따라 운동한 실험자의 심박 수 변화를 나타낸다. 중강도 운동 시 모든 실험자에게서 심박수 상승을 보였고 고강도 운동 구간에서 개인 최대 심박수의 80%까지 심박 수치 상승을 보였다. 이어진 중강도 운동 구간에서 심박수가 안정상태로 하강하는 경향을 보였다.
저강도, 중강도 및 고강도 운동을 각각 수행한 결과, 운동에 따른 혈당 강하량은 운동 강도와 운동 시간 모두에 비례한다[5]. 지속적인 중강도 운동보다 간헐적인 고강도 운동을 포함시 혈당 수치가 더 많이 감소하였다. 즉, 짧은 시간 고강도 운동을 하는 대신, 중강도와 간헐적인 고강도 운동을 45분 이상 하는 것이 혈당 강하에 유리하다.

후속연구

제안된 실내자전거를 이용한 헬스케어 시스템을 이용하여 당뇨병 환자는 저혈당에 대한 걱정 없이 스스로 적합한 운동 강도를 파악하고, 이에 따라 운동하여 효과적으로 혈당을 관리할 수 있다. 향후, 본 연구를 다른 유산소 운동 기구에 적용하는 방법에 대한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 당뇨 환자가 급증하고 있는 이유는 무엇인가?	당뇨병은 체내 혈당 조절을 하는 인슐린이 선천적으로 부족하거나, 후천적으로 유전, 잘못된 생활습관, 노화로 체내 인슐린이 부족해져 발생한다. 최근 고령 인구 증가와 생활 습관 변화로 당뇨 환자가 급증하고 있다. 2018년 국내 당뇨 환자는 501만 명으로 성인 10명 중 1명은 당뇨를 앓고 있다[1].
	당뇨병의 발생원인은 무엇인가?	당뇨병은 체내 혈당 조절을 하는 인슐린이 선천적으로 부족하거나, 후천적으로 유전, 잘못된 생활습관, 노화로 체내 인슐린이 부족해져 발생한다. 최근 고령 인구 증가와 생활 습관 변화로 당뇨 환자가 급증하고 있다.
	당뇨 환자의 운동요법 연구가 가진 한계는 무엇인가?	운동요법과 혈당간 영향 분석에 관한 연구는 많으나, 운동기구에 IoT 기술을 접목하여 개인별 운동 코칭을 수행하는 연구 혹은 이를 지원할 수 있는 헬스케어 시스템 개발에 대한 연구는 부족하다. 본 논문은 이를 해결하기 위해 가정용 유산소 운동기구인 실내자전거에 두 가지 기능을 추가하였다.

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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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