[논문]로드셀과 자이로센서를 융합한 수액 감지 시스템 설계 및 오차 검증

김선칠

doi:10.15207/jkcs.2021.12.1.127

로드셀과 자이로센서를 융합한 수액 감지 시스템 설계 및 오차 검증
Design and Error Verification of Intravenous Injection Detection System that Combines Load Cell and Gyro Sensor 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.12 no.1, 2021년, pp.127 - 132

초록
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의료기관에서 사용되는 수액 모니터링 시스템은 원격으로 환자에게 투입된 수액량과 투여의 종료시점 정보를 제공하기 위해서 개발되었다. 수액 투입량을 측정하기 위해서는 수액 내부에서 외부로 나가는 정량을 무게로 혹은 유량을 측정센서로 측정할 수 있다. 여기에 적용되는 장치의 기준은 정확성, 경계성이다. 또한 소형으로 환자에게 수액 설치시 사용에 용이해야 한다. 의료기관에서는 측정값의 정확도가 높아야 하며, 경제적으로 저가의 장치를 요구하고 있다. 본 연구에서는 저가의 소형 무게 중심 로드셀 센서를 적용하였으며, 측정값의 정확도를 위해 자이로센서와 융합하여 외부 움직임에 의한 아트펙트를 줄이는 알고리즘을 적용하였다. 그 결과 측정의 오차를 줄일 수 있어 수액 모니터링 측정값의 정확도를 향상시키는 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The intravenous injection monitoring system used by medical institutions was developed to remotely provide patients with the amount of intravenous injected and the termination point of the injection. In order to measure the amount of intravenous injection input, the weight or flow rate of the level going out from the inside to outside of the intravenous injection can be observed with a measuring sensor. The criteria for devices that apply herein are accuracy and vigilance. In addition, it is compact and should be easy to use when installing intravenous injection on patients. In medical institutions, the accuracy of the measured values must be high, and economically inexpensive devices are required. In this study, low-cost small-weight-centered load cell sensors were applied, and algorithms were applied to reduce the artefact by external movement by converging with gyro sensors for accuracy of measurements. As a result, it was possible to reduce the error of measurement, thereby improving the accuracy of the intravenous injection monitoring measurement value.

주제어

표/그림 (6)

그림 Fig. 1. Changes in the amount of infusion solution over time
그림 Fig. 2. Combined with load cell and gyro sensor
그림 Fig. 3. Automatic vibration generator
그림 Fig. 4. Method for measuring the amount of sap input using artificial arm
그림 Fig. 5. Correction of error value due to external vibration when infusion is injected
표 Table 1. Load cell measurement value and actual input capacity verification

AI 본문요약
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문제 정의

간호사의 업무 조절과 간병인 및 보호자의 효율적인 환자 관리를 위해 본 연구에서는 수액 모니터링 시스템을 개발 검증하였다. 그 결과 로드셀과 자이로센서를 융합 사용하여 2% 이내의 오차를 줄이는 방법을 제시하였고 동시에 효과성도 검증하였다.
기존 수액모니터링 제품을 분석한 결과 모두 고가이고 부피가 커서 경제성과 이동성, 부착성 등에 어려움이 있으며, 무엇보다 정확성과 측정 오차를 줄이는 방법에 대한 제시가 부족한 것으로 나타났다[8]. 따라서 본 실험에서는 기본적으로 무게 중심의 수액 용량을 계산하고 환자의 움직임에 따라 발생되는 센서 측정값의 오차를 줄이기 위한 방법을 연구 제안하였다. 수액의 투입 종료시점과 투입시간에 대한 시간 투입정보를 시각화하여 얻는 방법이 기존 방법이라면 본 연구에서는 무게중심의 원리를 적용하여 시간 대비 용량의 변화를 정량적으로 관찰하고자 한다.
[12, 13] 탄성체의 물리적인 변형정도를 저항으로 측정하는 스트레인 게이지(Strain Gage)를 이용하여 중량을 측정하였으며, 이는 측정 계량 정밀도가 높으면 부피 및 무게가 작다는 장점이 있다[14]. 따라서 본 연구에서는 로드 셀을 이용하여 초기의 수액 무게를 측정 입력하는 표준 데이터를 정하고 이후에 변화하는 무게로 잔여 수액의 양을 추정하는 방법으로 기존의 시간을 적용하는 방법보다 정확도를 높이고자 하였다. 이러한 수액 시스템의 가장 문제점은 정확성과 경제성이다.
본 연구 개발기술은 무게를 감지하는 로드셀 센서로 투입 수액의 잔량을 확인하는데 적용하고자 한다. 먼저 센서로 수액 무게를 측정하여 전달하면 제어부의 프로그램에서 전기 신호로 재해석하면 무게 단위로 표시할 수 있으며, 이를 수액 잔량으로 환산하는 매칭 알고리즘을 통해 정보를 기입하는 방식을 적용하였다.
수액의 투입 종료시점과 투입시간에 대한 시간 투입정보를 시각화하여 얻는 방법이 기존 방법이라면 본 연구에서는 무게중심의 원리를 적용하여 시간 대비 용량의 변화를 정량적으로 관찰하고자 한다. 본 연구방법에서 중요한 문제는 수액 시스템에 전달되는 움직임의 노이즈 문제를 해결하는 것이다. 바닥에서 1.
본 연구에서는 수액의 주입방식을 고려하여 이동 휴대용 거치대를 통해 수액을 투여할 경우 로드셀과 자이로센서를 이용하여 투입량에 대한 오차를 줄이는 정량 측정 개선 연구방법을 제시하여 본 장치의 설계방식을 제안하고자 동일한 조건으로 센서의 측정 정확성을 평가하였다.
따라서 간호사의 업무를 줄이기 위해 수액주사에 대한 원격 전산 모니터링을 구현할 수 있는 환경이 필요하며, 이를 위한 시간관리 및 주입량 조절에 기술개발도 필요하다[7]. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자 무게중심의 로드셀 센서를 이용한 수액 원격감지 시스템을 개발하고자 한다. 기존 수액모니터링 제품을 분석한 결과 모두 고가이고 부피가 커서 경제성과 이동성, 부착성 등에 어려움이 있으며, 무엇보다 정확성과 측정 오차를 줄이는 방법에 대한 제시가 부족한 것으로 나타났다[8].
따라서 본 실험에서는 기본적으로 무게 중심의 수액 용량을 계산하고 환자의 움직임에 따라 발생되는 센서 측정값의 오차를 줄이기 위한 방법을 연구 제안하였다. 수액의 투입 종료시점과 투입시간에 대한 시간 투입정보를 시각화하여 얻는 방법이 기존 방법이라면 본 연구에서는 무게중심의 원리를 적용하여 시간 대비 용량의 변화를 정량적으로 관찰하고자 한다. 본 연구방법에서 중요한 문제는 수액 시스템에 전달되는 움직임의 노이즈 문제를 해결하는 것이다.
8∼2 M에 위치하는 수액 팩과 수액 거치대의 움직임은 로드셀 센서에 영향을 준다. 이러한 문제점을 해결하고자 자이로 센서와 융합하여 움직임에 대한 보정값을 적용하는 알고리즘을 개발하여 정확성을 높이고자 연구 개발하였다.

제안 방법

따라서 수액 변화량의 오차를 줄이기 위해 사용된 자이로센서를 검증하기 위해 상하 좌우 자동 진동발생기를 Fig 3과 같이 제작하여 실험연구에 적용하였다. 1차 실험은 1000cc 수액을 시간당 40cc로 수액량을 고정하여 인공팔에 주입하였으며, 주입된 양을 1차적으로 검증하였다. 시간당 주입량은 임상에서 사용되는 20cc과 60cc사이에서 40cc를 적용하였으며, 총 10회 실험을 통해 평균값과 표준편차를 구해서 로드셀센서 추출값의 정확성을 검정하였다.
시간당 주입량은 임상에서 사용되는 20cc과 60cc사이에서 40cc를 적용하였으며, 총 10회 실험을 통해 평균값과 표준편차를 구해서 로드셀센서 추출값의 정확성을 검정하였다. 2차 실험은 동일한 조건에 자동 진동발생기를 작동하여 받은 수액량을 10분, 20분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간 동안 센서에서 얻은 값을 1차 실험에서 얻은 값과 비교하여 자이로센서의 역할을 확인하였다. 따라서 로드셀 센서만 사용한 경우와 로드셀과 자이로센서를 융합하여 얻은 측정값을 비교하여 차이가 있는지를 Fig.
로드셀 센서는 힘이나 하중과 같은 물리량을 측정할 수 있는 센서이며, 로드셀에 힘이 가해지면 정량적 크기만큼 전기 신호가 발생하게 된다. [12, 13] 탄성체의 물리적인 변형정도를 저항으로 측정하는 스트레인 게이지(Strain Gage)를 이용하여 중량을 측정하였으며, 이는 측정 계량 정밀도가 높으면 부피 및 무게가 작다는 장점이 있다[14]. 따라서 본 연구에서는 로드 셀을 이용하여 초기의 수액 무게를 측정 입력하는 표준 데이터를 정하고 이후에 변화하는 무게로 잔여 수액의 양을 추정하는 방법으로 기존의 시간을 적용하는 방법보다 정확도를 높이고자 하였다.
그러나 투입속도를 제어할 수 있는 타 방법이 없어 본 연구에서 사용된 유량조절 주입기를 기반으로 실험하게 되어 실험의 한계점으로 사료된다. 기본적으로 병원에서 가장 많이 사용되어지는 수액은 NS(Normal Saline) 이며 100ml, 250ml, 500ml, 1000ml, 3000ml 단위로 사용되고 있으며, 본 연구에는 각각의 용도를 다 사용하여 개발된 장치를 평가하였다. 그 표준 결과는 1000ml 를 제시하였으나, 용량의 차이에 따른 변화 연구 결과는 아직 없다.
2와 같이 설계하여 배터리와 보드, 모니터링 액정을 삽입하는 형태로 설계하였다. 기존의 로드셀과 자이로센서의 보드는 Fig. 2와 같은 형태로 만들수 있어 최종 구현 목적에 맞는 고리형태의 외형 디자인을 제시하였다.
이와 같은 형태는 모션 아트펙트(Motion Artifact)로 범위를 예측할 수 없기 때문에 큰 오차범위에서 움직인다면 잘못된 정보를 전달할 수 있다. 따라서 본 실험에서는 자이로센서를 이용하여 움직임을 센서에서 미리 감지하는 기술을 적용하였다. 이때 발생되는 주파수 성분을 퓨리에 변환을 통해 움직임에 대한 총량을 제거하는 기술을 실험하였다.
융합을 적용하였다. 따라서 수액 변화량의 오차를 줄이기 위해 사용된 자이로센서를 검증하기 위해 상하 좌우 자동 진동발생기를 Fig 3과 같이 제작하여 실험연구에 적용하였다. 1차 실험은 1000cc 수액을 시간당 40cc로 수액량을 고정하여 인공팔에 주입하였으며, 주입된 양을 1차적으로 검증하였다.
먼저 센서로 수액 무게를 측정하여 전달하면 제어부의 프로그램에서 전기 신호로 재해석하면 무게 단위로 표시할 수 있으며, 이를 수액 잔량으로 환산하는 매칭 알고리즘을 통해 정보를 기입하는 방식을 적용하였다. Fig.
본 실험에서 수액량 변화를 감지하기 위해 로드셀 센서를 이용하였으나, 무게 측정값의 오차를 보정하기 위해 자이로센서 융합을 적용하였다. 따라서 수액 변화량의 오차를 줄이기 위해 사용된 자이로센서를 검증하기 위해 상하 좌우 자동 진동발생기를 Fig 3과 같이 제작하여 실험연구에 적용하였다.
있다. 수액 윗부분에 설치할 측정장치는 Fig. 2와 같이 설계하여 배터리와 보드, 모니터링 액정을 삽입하는 형태로 설계하였다. 기존의 로드셀과 자이로센서의 보드는 Fig.
소형 단말기 개발에서 시작된다. 수액의 양을 제어하는 방법은 유량 조절 주입기(Flow Regulator)로 가능하며, 본 연구에서도 유량조절 주입기(DoSI FLOW, M1-002-009) 를 기준으로 조절된 양을 로드셀 센서로 측정하는 방식을 선택하여 실험하였다. 현재 시판되는 유량 조절 주입기 정확성은 대체로 부정확한 점도 있었다 [15].
따라서 본 실험에서는 자이로센서를 이용하여 움직임을 센서에서 미리 감지하는 기술을 적용하였다. 이때 발생되는 주파수 성분을 퓨리에 변환을 통해 움직임에 대한 총량을 제거하는 기술을 실험하였다.
본 연구와 같이 의료기관에서 메뉴얼에 의해 수행하는 관리모드는 간호사 업무 중 여러 가지가 있으며, 그 중 혈압, 체온과 같이 생체정보 측정과 수액관리는 많은 비중을 차지하고 있어 매우 중요한 업무 중 하나이며, 수액 투여가 완료된 후 주입 도구인 수액 세트의 제거가 늦어지면 일시적인 혈액 응고로 위험한 요소가 발생된다[11]. 이러한 문제점을 해결하고자 원격관찰과 관리가 가능한 로드셀 기반의 수액 관리시스템을 개발하였다. 로드셀 센서는 힘이나 하중과 같은 물리량을 측정할 수 있는 센서이며, 로드셀에 힘이 가해지면 정량적 크기만큼 전기 신호가 발생하게 된다.

데이터처리

1차 실험은 1000cc 수액을 시간당 40cc로 수액량을 고정하여 인공팔에 주입하였으며, 주입된 양을 1차적으로 검증하였다. 시간당 주입량은 임상에서 사용되는 20cc과 60cc사이에서 40cc를 적용하였으며, 총 10회 실험을 통해 평균값과 표준편차를 구해서 로드셀센서 추출값의 정확성을 검정하였다. 2차 실험은 동일한 조건에 자동 진동발생기를 작동하여 받은 수액량을 10분, 20분, 30분, 1시간, 2시간, 3시간 동안 센서에서 얻은 값을 1차 실험에서 얻은 값과 비교하여 자이로센서의 역할을 확인하였다.
4와 같이 실험하였다. 이때 자동진동발생기는 각 측정값에서 3초간 상하, 좌우로 동시에 작동하여 측정값의 평균 범위로 표현하였다.

성능/효과

검증하였다. 그 결과 로드셀과 자이로센서를 융합 사용하여 2% 이내의 오차를 줄이는 방법을 제시하였고 동시에 효과성도 검증하였다. 따라서 움직임에 따른 정확성을 개선한 수액 모니터링 시스템은 로드셀 센서와 자이로센서를 효과적으로 융합하는 기술이 필요하다고 사료된다.
본 실험 결과에서와 같이 로드셀 센서에서 측정값과실제 투입 수액용량을 측정해 본 결과 Table 1과 같이 정확성이 높게 나왔으며, 외부 움직임에 대한 노이즈도 효과적으로 제거가 된다는 것을 확인하였다.

후속연구

현재 시판되는 유량 조절 주입기 정확성은 대체로 부정확한 점도 있었다 [15]. 그러나 투입속도를 제어할 수 있는 타 방법이 없어 본 연구에서 사용된 유량조절 주입기를 기반으로 실험하게 되어 실험의 한계점으로 사료된다. 기본적으로 병원에서 가장 많이 사용되어지는 수액은 NS(Normal Saline) 이며 100ml, 250ml, 500ml, 1000ml, 3000ml 단위로 사용되고 있으며, 본 연구에는 각각의 용도를 다 사용하여 개발된 장치를 평가하였다.
그 표준 결과는 1000ml 를 제시하였으나, 용량의 차이에 따른 변화 연구 결과는 아직 없다. 그러나 향후에는 용량의 점도, 즉 수액 물질에 따른 투입속도에 대한 연구는 필요하다고 사료된다.

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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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