[논문]체압센서를 장착한 의료용 침대 시스템의 개발

선민주; 이영대

doi:10.17703/jcct.2021.7.1.646

체압센서를 장착한 의료용 침대 시스템의 개발
Development of medical bed system equipped with body pressure sensors 원문보기

Journal of the convergence on culture technology : JCCT = 문화기술의 융합, v.7 no.1, 2021년, pp.646 - 653

선민주 ((주)나인벨 헬스캐어) , 이영대 ((주)나인벨)

초록
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본 연구에서 개발된 의료용 침대는 N개의 건반으로 이루어져 각각이 엑츄에이터에 의해 수직으로 구동된다. 각 건반에는 M개의 센서가 실장되어 체압을 측정하므로 체압지도의 해상도는 MN에 의해 결정된다. 각 건반에는 센서 제어기가 실장되어 M개의 센서로부터 측정한 체압값을 CAN(Car Area Network)와 같은 직렬 통신 네트워크를 통해 메인제어기로 전달한다. 각 건반에는 모터를 구동하는 서보 드라이버가 하나씩 장착되며 메인 제어기와 CAN으로 연결되어 메인 제어기에서 지시된 변위값대로 건반의 높낮이를 제어하며 향후 개발될 인공지능 제어 알고리즘을 위해 신체 각부의 편안도를 조사하여 건반의 높낮이를 맞추었다. 또한, 건반 각부에 걸리는 최대 체압값과 체압비를 계산하여 인공지능에 의한 침대 편안도 제어를 위해 기초 데이터로 활용한다. 결과적으로 제시된 시스템은 향후 개발될 인공지능에 의한 신체의 안락함과 욕창 방지 제어를 위해 활용될 수 있는 토대가 될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The medical bed developed in this study consists of N keys and each is driven vertically by an actuator. Since M sensors are mounted on each keyboard to measure body pressure, the resolution of the body pressure map is determined by the MN. A sensor controller is mounted on each keyboard, and the body pressure values measured from M sensors are transmitted to the main controller through a serial communication network such as CAN (Car Area Network). Each keyboard is equipped with a servo driver that drives a motor, and it is connected to the main controller via CAN to control the height of the keyboard according to the displacement value indicated by the main controller. In addition, the maximum body pressure value and body pressure ratio applied to each part of the keyboard are calculated and used as the basic data for controlling bed comfort by artificial intelligence. As a result, the proposed system can be a foundation that can be used for the control of body comfort and pressure sore prevention by artificial intelligence to be developed in the future.

주제어

표/그림 (18)

그림 그림 1. 개발된 의료용 침대의 외관 Fig. 1. The appearance of the developed medical bed
그림 그림 2. 인공지능 기반 스마트 욕창 제어 침대 시스템의 일례 Fig. 2. An example of an artificial intelligence-based smart bedsore control bed system
그림 그림 3. 4 바 링크 메카니즘 Fig. 3. 4 bar link mechanism
그림 그림 4. 시스템 하드웨어 구성 Fig. 4. The organization of system hardware
그림 그림 6. PC 스크린 상의 GUI 화면 Fig. 6 The GUI on PC screen
그림 그림 5. 시험에 사용된 체압센서 및 제어기 Fig. 5. The body pressure and the controller for experiment
표 표 1. 피실험자들의 인체정보 Table 1. The body information of participants for experiment
그림 그림 7. 건반 매트리스 구역분할과 체압센서 Fig. 7. The reginal division of the keyboard matrix and the body pressure sensors
그림 그림 8. 체압지도의 일례: (a)바로 누운 자세 (b)우로 누운 자세 (c)좌로 누운 자세 Fig. 8. An illustration of body pressure map: (a) suspine (b)right (c)left lying position
그림 그림 9. 바로 누운 자세에서 조정 전, 후의 체압비와 건반높이 Fig. 9. The body pressure ratio and keyboard height adjusting before and after the supine position
그림 그림 10. 옆으로 누운 자세에서 조정 전, 후의 체압비와 건반 높이 Fig. 10. The body pressure ratio and keyboard height adjustment before and after sideways lying position
그림 그림 11. 바로 누운 자세에서 조정 전, 후의 최대체압값과 건반높이 Fig. 11. The maximum body pressure and keyboard height adjusting before and after the supine position
그림 그림 12. 옆으로 누운 자세에서 조정 전, 후의 최대체압값과 건반높이 Fig. 12. The maximum body pressure and keyboard height adjusting before and after sideways lying position
그림 그림 13. 바로 누운자세에서 Rohrer's index와 건반 높이 Fig. 13. Rohrer's index and keyboard height in the supine lying position
그림 그림 14. 옆으로 누운자세에서 Rohrer's index Fig. 14. Rohrer's index and keyboard height in sideways lying position
그림 그림 15. 바로 누운 자세에서 불편도 수정 Fig. 15. The correction of discomfort in the supine position
그림 그림 16. 옆으로 누운 자세에서 불편도 수정 Fig. 16 The correction of discomfort in the sideways position
표 표 2. Rohrer's index와 베개 높이 조절 Table 2. The height adjustment of pillow and Rohrer's index

AI 본문요약
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문제 정의

그림2는향후개 발될인공지능기반스마트욕창제어침대시스템의 일례를나타낸다.본연구에서는이러한인공지능기반 제어를위해개발된시스템의침대의편안도를측정하 는데초점을둔다.

제안 방법

data-checked="false">건반높이를조절한후불편정도의변화량을파악하기위해설문조사를실시하였다.조사방법은초기에침 대가평탄할때신체각부분의불편정도를측정하고, 조정후한번더불편정도를측정하였다.
data-checked="false">본연구에서는체압센서를장착한의료용침대를개발하고누운자세에서의신체의편안도를측정하였다. 이를위해4bar링크로구성된17개의건반으로구분된 침대에체압센서를각건반당10개씩총170개를장착 하였다.
본 연구에서 개발된 건반링크 메카니즘은 data-checked="false">의료용침대에적용하기위하여설계되었다.그림1은이런메 카니즘을17개장착한건반구조형구조물로욕창방지, 시트자동교환및환자이송을위한의료용전동침대이 다[2][3].
설문조사는 5점 척도에 대해 이루어졌으며 data-checked="false">건반의높낮이조절에따른신체각부분의편안도를조사하였 다.신체의각부분은목, 어깨, 요추, 엉덩이, 무릎, 발목 이고 5점 척도는 1-많이불편하지않다, 2-불편하지 않다.
각센서제어기에연결된M개 의 센서로부터 체압값을 수치로 읽어 처리하게 된다. 이렇게얻어진MN개의센서데이터값을욕창압력제 어알고리즘을통해적절히처리하여 침대의편안도개선이나욕창이예방되도록최적의 알고리즘을 구성하고해당되는건반높낮이값들을서보드라이버에 전송하며 각 건반의 모터 위치 값을제어한다.
data-checked="false">건반높이를조절한후불편정도의변화량을파악하기위해설문조사를실시하였다.조사방법은초기에침 대가평탄할때신체각부분의불편정도를측정하고, 조정후한번더불편정도를측정하였다.
침대가초기에평평한상태에서체압분포를관찰하며, 피실험자의의견을반영하여모터높이를조절한후편 안을느끼는체압분포와건반의조합을살펴보았다. 체압분포의측정결과를살펴보면체압이어깨, 엉덩이에 주로 집중이 되어있으며, data-checked="false">체형에따라편안함을느끼는건반높이조절량이달라지는것을관찰할수있 었다.
편안함은 주관적이지만 정량화시킨 방법으로측정하였으며, data-checked="false">체압이감소하면편안함을느끼기도하지만어떤경우에는체압이작용하여신체를받쳐주는느낌을 선호한다는것을알았다.

대상 데이터

data-checked="false">그림7은시험에사용된침대건반의구역분할을보여준다.건반은총N=17개이며건반의피치는11cm 이며건반의너비는880mm, 그리고건반당체압센서의수M=10이 고체 압센서 간 피치는 77mm 이다.
본 연구에서는 문헌[5]에서와 같은 방법으로 침대의편안도를측정하기위해총16명(남자12명, 여자4명) 의시험참가자를대상으로2회시험을행하였다.시험 방법은바로누운자세, data-checked="false">좌로누운자세및우로누운자세에대해침대각건반의높이를조절하여시험참가자 들이반응을조절전과조절후는표1과같다.
이를위해4bar링크로구성된17개의건반으로구분된 침대에체압센서를각건반당10개씩총170개를장착 하였다.

성능/효과

끼는것으로 나타났다.Rohrer’sIndex가130이하인집 단에서허리아래, data-checked="false">무릎뒤쪽부위와같이공간이생기는부위에매트리스를높여주면서해당부위를지지를 할경우편안함을느끼는것으로 나타났다.
다음으로옆으로누운자세를보면그림14에서와같이 Rohrer’sIndex가160이상인집단에서는6∼11번(허리 ∼엉덩이)건반을아래로낮춰줄경우편안함을느끼고 130이하인집단에서는16번(발목)을살짝올려줬을때 편안함을느끼는것으로 나타났다.

후속연구

향후 연구되어야 할 것은 문헌[6]과 같이 신체와개발된매트리스침대를유한요소로모델링하고, data-checked="false">침대와신체의정적인특성과동적인특성을고려한상호작용 을분석해보는것이욕창을고려한체압제어침대개발 과와편안도개선에도움이될수있다고사료된다.

참고문헌 (7)

Y.D. Lee, C.Y. Kim, C.J. Chang, M.S. Choi, J.A. Kim and J.Y. Lim, "The Control System of a Medical Robot Bed for Prevention and Healing of Pressure Ulcer". J. of the Convergence on Culture Technology, vol.6, no.3, pp.353-359, Aug.31, 2020.

원문보기 상세보기
Y.D. Lee, C.Y.Kim and M.S. Choi, "Enhancement of 4 Bar Parallelogram Linkage for a Medical Bed", J. of the Convergence on Culture Technology, vol.6, no.1, pp.515-520, Feb.29, 2020.

원문보기 상세보기
Y.D. Lee, M.S. Choi, I.H. Jang, C.Y. Kim, D.S. Choi, M.S. Kim, W.J. Kim and D.H. Kim, "Research on the Development of Automated MultifunctionIntegrated Motion Bed", J. of the Convergence on Culture Technology, vol.18, no.5, pp.215-222, Oct.31, 2018.
Y.D. Lee, J.A. Kim and H.K. Cho, "The Control System of a Robot Bed for Caring Pressure Ulcer", International Journal of Advanced Culture Technology Vol.8 No.3 253-258, Aug. 3. 2020.
S.J. Park, J.S. Kim, H.Y. Lee, C.J. Kim, B.C. Min, K.S. Kwon and K.H. Kim, "The Characteristics of Body Pressure Distribution on Sleeping Posture", Korean Journal of The Science of Emtion & Sensibility Vol.2 No.1 95-103 1999
H.S. Cho, J.C. Ryu, G.S. Kim, M.S. Mun and I.H. Lee, "Analysis of Body Pressure Distribution Characteristics According to The Design Factors of The Air-Cell Mattress for Preventing Decubitus Ulcer", Journal of the Korean Society of Precision Engineering Vol. 21, No. 00, January 2004.
Shine, J.S. Kim, S.J. Lee, J.H. Yu and Mi, "Factors Predicting the Interface Pressure Related to Pressure Injury in Intensive Care Unit Patients", J Korean Acad Nurs Vol.47 No.6, 794-805, 2017

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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