[논문]욕창 예방 및 치유를 위한 의료용 로봇 침대 제어 시스템

이영대; 김창영; 장창준; 김정애; 임재영

doi:10.17703/jcct.2020.6.3.353

욕창 예방 및 치유를 위한 의료용 로봇 침대 제어 시스템
The Control System of a Medical Robot Bed for Prevention and Healing of Pressure Ulcer 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.6 no.3, 2020년, pp.353 - 359

이영대 ((주)나인벨 연구소) , 김창영 ((주)나인벨 연구소) , 장창준 ((주)나인벨 연구소) , 김정애 (초당대학교 간호학과) , 임재영 (서울대학교 의과대학 재활의학교실)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 욕창 예방과 치유를 위해 개발된 의료용 로봇 침대의 제어기 구조와 제어 알고리즘에 대해 기술한다. 상용의 기존 욕창 예방 매트리스는 수동으로 동작하고 잔존 최대 체압이 욕창 발생 임계 체압을 넘어서기 때문에 이론적으로는 항상 욕창이 발생할 여지가 있지만, 본 연구에 개발된 시스템은 능동형 전기구동 건반을 사용하여 침대의 건반이 하강하면 체압이 0으로 떨어져서 욕창이 발생하지 않는다. 또한, 침대의 건반이 상승하여 욕창 임계 체압 이상이더라도 지속시간을 욕창 발생 임계시간 이내로 하도록 기구와 제어 알고리즘이 설계되어 있어서 욕창 발생 자체가 일어나지 않으며, 이는 바로 상용화가 가능한 욕창 예방 로봇 침대임을 뜻한다. 침대 건반의 모터는 의료용으로 적합한 BLDC 서보 드라이버를 설계한 모터로 되어있고 전장이 단순하여 쉽게 사용할 수 있도록 설계되었으며, CAN(Car Area Network)방식으로 서로 통신한다. 제작된 시스템은 욕창 예방에 효과적인 새로운 의료용 로봇 침대로 욕창으로 고통받는 많은 환자들에게 제공될 수 있도록 보급할 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the controller structure and control algorithm of medical robot bed developed for pressure ulcer prevention and healing are described. The existing pressure ulcer prevention mattress is operated manually and the remaining maximum body pressure exceeds the pressure of ulcer generation, so there is always room for pressure ulcers. However, the system developed in this study does not generate the pressure ulcers because the body pressure drops to zero when the keyboard of the bed descends using the active electric driving keyboard. In addition, even if the bed is raised and the pressure above the critical body ulcer pressure is abnormal, the device and the control algorithm are designed so that the lasting time is within the pressure ulcer generation critical time and the pressure ulcer itself is not generated. The bed key board motor is a motor designed with the BLDC servos suitable for medical use and these can communicate each other easily through CAN(Car Area Network). The system is new medical robot bed that is effective in preventing pressure ulcers and will be distributed to many patients suffering from pressure ulcers.

주제어

표/그림 (12)

그림 그림 1. 욕창예방 기술의 진화 Fig.1. Evolution of the Prevention Technique of Bedsore
그림 그림 2. 개발된 의료용 침대의 외관 Fig.2. Appearance of the Developed Medical Bed
그림 그림 3. 새로운 자동시트교환장치(ASX) Fig.3. A Novel Automatic Sheet Exchange (ASX)
그림 그림 4 새로운 제어시스템의 구성도 Fig.4. The Diagram of a New Control System
표 표 1. BLDC 서보의 사양 Table 1. Specification of BLDC Servo
그림 그림 5. 서보 드라이버의 하드웨어 블록도 Fig.5. Hardware Block Diagram of Servo Driver
그림 그림 6. 서보 드라이버의 외관 Fig. 6. Appearance of the Servo Driver
그림 그림 7.서보 드라이버의 제어 블록도 Fig. 7. Control Block Diagram of Servo Driver
그림 그림 8. Cortex M3 내부 Fig. 8. Inside of Cortex M3
그림 그림 9. 메인 제어기의 외관 Fig. 9. Appearance of the Main Controller
그림 그림 10. 욕창예방 동작 Fig.10 Operation of Bedsore Prevention
표 표 2. 매트리스의 엉덩이에서 최대 및 평균압력 Table 2. Maximum and Average Pressure over the Buttuck in Different Positions on the Mattress

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구는 욕창 예방을 위한 로봇 침대의 개발에 대해 논의하였다. 본 개발품은 침대에 전기구동 욕창 예방 로봇 매트리스를 일체화한 것으로 건반 교대 승강형으로 동작한다.
시트 교환은 간호간병인에게 번거롭고 귀찮은 일로 본 연구에서는 이들의 편의성을 도모하기 위해 자동화된 시트 교환장치를 개발하였다. 기존 시트교환장치는 순차적으로 건반이 하강한 빈공간에서 ASX가 시트 교환을 행하지만, 이 방식은 시트 교환을 위한 ASX와 건반 링크의 동기화 문제가 있고 시트 교환시간이 많이 걸리는 문제가 있다.

제안 방법

BLDC 모터에 엔코더가 있으면 정밀한 위치제어가 되긴 하지만 의료용 침대에 장착되는 건반 링크의 위치 제어에는 그다지 정밀도가 필요하지 않으며, 엔코더가 없이도 홀센서의 신호정보만으로도 위치제어가 가능하므로 3상의 홀센서로 위치 정보를 계산하는 알고리즘을 dsPIC 마이크로프로세서에 탑재하고, CAN통신과 RS485 통신 지원을 행하도록 서보 드라이버의 하드웨어를 그림 5와 같이 구성하였다. CAN(Controller Area Network)이란, 차량 내에서 호스트 컴퓨터 없이 마이크로 컨트롤러나 장치들이 서로 통신하기 위해 설계된 표준 통신 규격이다.
본 연구에서는 능동형 전기식 모터를 사용한 분절 건반 매트리스를 침대와 일체화시켜 설계하였다.
원리적으로 체압 조절을 위한 체위 변경 시간은 두 시간 이내이면 되는 것으로 알려져 있으나 짧으면 짧을수록 좋으므로, T₁(=7min) 동안은 짝홀수 건반이 하강하고, T₂(=3min) 동안은 평탄한 침상 건반을 유지하는걸 T₁+T₂(=10min)마다 반복하도록 욕창 제어 프로그램을 작성하였다. 체압 변경 주기 10분의 근거는 문헌[18]에서와 보인 바와 같이 100mmHg에서 30분만에 조직학적인 변화가 생기므로, 이보다 훨씬 이른 10분마다 체압을 변동하여 조직학적인 변화가 생기지 않도록 일단 설정하였다.
(=10min)마다 반복하도록 욕창 제어 프로그램을 작성하였다. 체압 변경 주기 10분의 근거는 문헌[18]에서와 보인 바와 같이 100mmHg에서 30분만에 조직학적인 변화가 생기므로, 이보다 훨씬 이른 10분마다 체압을 변동하여 조직학적인 변화가 생기지 않도록 일단 설정하였다. T₁, T₂는 티치펜던트에서 설정 가능하도록 하여 욕창 예방 주기를 변경할 수 있도록 하였으며 환자의 편안함과 효과적인 욕창 예방을 위해 최적으로 설정될 필요가 있다.
침대 로봇이 홈위치에서 욕창 예방 동작을 수행하며, 짝수 번 건반과 홀수 번 건반이 교대로 움직이게 된다. 체압 제어는, 건반을 하강하여 체압을 0으로 하거나, 건반이 상승되었을 때에 체압 지속시간을 통상의 체위변동시간(2시간) 보다 훨씬 짧게 하여 원리적으로 욕창이 발생하지 않도록 하였다. 건반 상승은 임계지속시간이 지나면 자동으로 다시 하강하여 해당 부분 접촉 체압이 0으로 된다.

대상 데이터

개발된 의료용 로봇 제어시스템은 그림 4와 같이 건반 링크를 구동하는 모터 드라이버 16개와 이들과 CAN(Car Area Network)통신으로 연결되는 메인 제어기, 그리고 침대의 동작 모드를 지시하는 티치 펜던트(Teach Pendant)로 구성된다.
본 연구는 욕창 예방을 위한 로봇 침대의 개발에 대해 논의하였다. 본 개발품은 침대에 전기구동 욕창 예방 로봇 매트리스를 일체화한 것으로 건반 교대 승강형으로 동작한다.

이론/모형

개발된 의료용 로봇 침대의 건반의 구동 메카니즘은 위상 옵셋이 있는 사중평행 사변형 링크를 사용한다.

성능/효과

이것에 근거하여 강영식 등은 휠체어 시트쿠션의 공기주입 쿠션의 공기 주입량 변동에 따른 접촉압력 특성을 분석하였다. 분석 결과, 공기를 과다 주입하였을 경우에는 접촉면적은 감소하는 반면 고압면적은 증가하는 것으로 나타났다[20]. 지속적인 공기주입 쿠션은 접촉면적의 감소와 고압면적 증가를 동시에 발생시키는 것으로, 이를 혁신하기 위해서는 접촉면적과 고압면적을 분절시키는 본 개발품과 같은 피아노 건반 형태의 매트리스 침대를 생각할 수 있다.

후속연구

앞으로 연구할 과제는, 건반 링크에 체압 센서를 부착하여 직접 체압을 센싱하고, 이 정보를 인공지능형제어기에 전송하여 적절히 건반 링크의 승하강을 인공지능을 통해 제어함으로서 체압을 분산하고 이를 통해 욕창을 제어하는 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	욕창은 무엇인가?	욕창(pressure ulcer)은 뼈 돌출부위와 같은 신체의 일정한 부위에 지속적인 압력이 가해졌을 때 모세혈관의 순환장애가 일어나서 피부와 그 밑의 조직에 국소적인 손상을 일으키는 조직 괴사를 의미하는 것으로[1] 지속적 혹은 반복적으로 가해지는 체압 및 접촉면과의 전단력에 의한 허혈성 괴사이므로 압박 궤양이라고도 한다.
	욕창은 발생하기 전에 예방하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?	특히 거동이 불편한 장애인들은 더 많은 욕창을 경험할 수 있어서, 2002년 장애인들의 95%는 둔부 욕창으로 치료 경험이 있다고 보고되었다[8]. 욕창은 일단 발생이 되면 회복이 어려운 특성을 가지고 있으며, 전반적인 예후를 나쁘게 하여 사망위험을 높인다[9]. 그러므로 욕창은 발생하기 전에 예방하는 것이 가장 중요하다.
	욕창 발생의 큰요인은 무엇인가?	욕창 발생의 큰 요인은 고령을 들 수 있는데, 노인들은 체중을 분산시켜 주는 피하지방이 점차 소실되어 표피가 얇아짐과 동시에 한선과 피지선 등의 활동이 감소하고 표피세포의 재생도 감소하기 때문에 욕창이 호발하며[5], 신체적 장애, 인지 장애, 영양상태 불량, 요실금, 당뇨나 말초혈관 순환장애[6]와 저체중[7]도 욕창 발생의 큰 요인으로 작용하고 있다. 그렇기 때문에 장기간 누워서 지내는 대상자들은 체중의 대부분이 등과 둔부에 집중되기 때문에 이곳에 과도한 체압의 집중으로 인해 욕창 발생을 더욱 촉진하게 된다.

참고문헌 (20)

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상세보기
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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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