[논문]체압센서를 장착한 욕창예방 의료용 침대의 제어기법

선민주; 최지영; 이영대

doi:10.7236/jiibc.2021.21.2.89

체압센서를 장착한 욕창예방 의료용 침대의 제어기법
Control Technique of a Medical Bed for Ulcer Prevention Equipped with Body Pressure Sensors 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.21 no.2, 2021년, pp.89 - 95

선민주 ((주)나인벨 헬스캐어) , 최지영 ((주)나인벨 헬스캐어) , 이영대 ((주)나인벨)

초록
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욕창은 아직 해결되지 않은 인류의 난제이다. 본 연구에서는 건반형 의료용 침대를 개발하고 체압센서를 장착하여 욕창이 임계압력에 이르지 않도록 건반을 제어하는 방법을 제시한다. 이를 위해 4bar 링크를 이용한 건반형 매트리스를 개발하고 건반의 높낮이를 체압센서를 통해 임계압력 이내로 제어하는 방법을 사용한다. 압력x시간이 중요 요인인 욕창에서 건반을 승하강하며 시간제어만을 할 때는 신체의 불편감이 있으나, 제시한 방법을 사용하면 압력을 임계압력이내로 제어함으로서 편안한 상태에서 욕창을 예방하는 효과를 거둔다. 개발한 의료용 침대 시스템의 유효성과 타당성을 이론과 실험을 통해 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Pressure sores are an unresolved human challenge. In this study, a keyboard-type medical bed was developed and a body pressure sensor was installed to provide a method to control the keyboard so that the pressure sores do not reach the critical pressure. For this, a keyboard-type mattress using a 4bar link is developed, and a method of controlling the height adjustment of the keyboard within the critical pressure through a body pressure sensor is used. There is a feeling of discomfort in the body when the keyboard is raised and lowered from pressure sores, which is an important factor: pressure x time, and only time control is performed, but if the proposed method is used, pressure is controlled within the critical pressure, thereby preventing bedsores in a comfortable state. The effectiveness and validity of the developed medical bed system were verified through theories and experiments.

주제어

표/그림 (13)

그림 그림 1. 욕창 주요 발생 위치 Fig. 1. Areas of frequent pressure ulcer
그림 그림 2. 개발된 의료용 침대의 외관 Fig. 2. The appearance of the developed medical bed
그림 그림 3. 4bar 링크 메카니즘 Fig. 3. 4bar link mechanism
그림 그림 5. 시험에 사용된 체압센서 및 제어기 Fig. 5. The body pressure and the controller for experiment
그림 그림 4. 시스템 하드웨어 구성 Fig. 4. The organization of system hardware
그림 그림 6. PC 제어 프로그램의 GUI Fig. 6. PC Control Program GUI
그림 그림 7. PI 체압 제어기 Fig. 7. PI Body pressure controller
그림 그림 8. IP 체압 제어기 Fig. 8. IP Body pressure controller
그림 그림 9. PI 제어기 실험 결과 Fig. 9. PI Controller Experimental Result
그림 그림 10. IP 제어기 실험 결과 Fig. 10. IP Controller Experimental Result
표 표 1. PI 제어기 실험 파라미터 Table 1. PI Controller Experimental Parameters
표 표 2. IP 제어기 실험 파라미터 Table 2. IP Controller Experimental Parameters
표 표 3. PI 제어기 실험 결과 Table 3. PI Controller Experimental Result

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 개발된 건반 링크 메카니즘은 의료용 침대에 적용하기 위하여 설계되었다[2][3]..
본 연구에서는 4 bar링크로 구성된 침대 매트리스에체압센서를 각 건반에 장착한 의료용 침대에서 욕창 예방을 위하여 PI 제어와 IP 제어 기법을 실험하였다. 이를 위해 체압센서를 통하여 신체의 체압을 측정하고 피드백제어하고 체압을 임계압력 이내로 제어하는 방식을 최초로 제안하고 개발하였다.
실험은 PI제어기, IP제어기를 사용하여 건반의 높낮이를 조절하고 각 건반에 걸린 에러를 제거하여, 전체 에러가 0에 수렴하게 하는 것이 실험 목표이다. 건반을 하강시킬수록 해당 건반에 걸리는 체압도 같이 낮아지는 특성이 있지만, 급격히 건반이 하강할 경우 환자에게 무리가 갈 수 있으므로 주변 건반과의 높이차를 줄이는 방향으로 높이 조절이 되어야 한다.
압력 욕창의 지속시간 제어 방식인 건반 교대 승강 시 신체의 평안도를 해치는 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 욕창을 억제하기 위한 PI와 IP 제어를 제안하고 실험을 통해 제안된 접근법의 유효성을 검증한다. 개발된 시스템은 건반의 시간제어 방식인 교대 승강 방법과는 달리 사용자의 평안도를 해치지 않는 장점이 있다.

제안 방법

PI 제어기 실험은 체압센서를 장착한 의료용 침대에서 175cm, 88kg의 성인남자를 대상으로 바로 누운 자세에 대해 체압 제어를 시험하였다. 비례항만 갖는 경우 (P제어)와 비례-적분항을 갖는 경우(PI제어)로 나누어서 실험하였다.
건반을 하강시킬수록 해당 건반에 걸리는 체압도 같이 낮아지는 특성이 있지만, 급격히 건반이 하강할 경우 환자에게 무리가 갈 수 있으므로 주변 건반과의 높이차를 줄이는 방향으로 높이 조절이 되어야 한다. 본 실험에서는 단계적으로 건반이 하강하고, 최소한의 움직임으로 전체 에러가 0이 되는 것을 비교 검토하였다.
본 연구에서는 각 건반에 걸린 압력과 욕창 임계 압력과의 에러를 조절하기 위해 PI제어기, IP제어기를 사용했다. 건반의 높이는 PI, IP제어기에 의해 제어된다.
대해 체압 제어를 시험하였다. 비례항만 갖는 경우 (P제어)와 비례-적분항을 갖는 경우(PI제어)로 나누어서 실험하였다. 아래 그림 9에서 보는 것과 같이 I제어를 하는 경우의 PI제어가 잔류 편차를 줄여주고 있기 때문에 더 빠르게 전체 에러가 0으로 수렴하는 것을 볼 수 있다.
실험을 통하여 PI 제어기와 IP 제어기의 0으로 수렴하기까지 건반의 동작 횟수를 비교 검토함으로써 욕창 제거를 위한 침대에서는 PI제어기가 압력 제어 속도나 건반의 이동량에서 유리함을 실험을 통하여 관찰하였다.
이를 위해 체압센서를 통하여 신체의 체압을 측정하고 피드백제어하고 체압을 임계압력 이내로 제어하는 방식을 최초로 제안하고 개발하였다..
움직여 잔류체압을 방지할 수 있다. 즉, 건반을 아래로 이동시켜 체압을 0으로 낮추고 임계시간 이내로 키를 올려서 체압의 체류 시간을 조정한다. [2][3] 이 방식은 압력 욕창의 지속시간 제어에 속한다.
체압센서는 그림 5와 같은 FSR방식의 박막 체압 센서를 개발하여 사용하였다. 체압센서는 각 건반에 실장 되며 M개의 센서들이 제어기에 연결된다.
침대 시스템에서 건반의 높이를 조절하며, 변화된 높이에 대해 체압값의 변동이 발생할 때의 _의 특성을 비교 검토하였다.

성능/효과

0으로 수렴하는 시간이 빠르다. IP 제어는 안정적으로 0으로 수렴해가지만 더디고, 그동안 건반이 계속 진동하는 상태이기 때문에 환자가 편안함을 느끼지 못할 가능성이 있음을 관찰하였다.
인체 플랜트의 전달함수 특징은 정확히 알려진 바는 없지만 개발된 의료용 침대에서 PI제어와 IP제어를 통한 체 압제 어가 가능함을 확인할 수 있었고 욕창의 임계체압 (32mmHg)이하로 조절이 가능함을 알았다.

참고문헌 (6)

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J.A.Kim, Y.D.Lee, H.K.Cho, "The Control System of a Robot Bed for Caring Pressure Ulcer", Int. J. of Advanced Culture Techonology. Vol.8, No.3, pp. 253-258, Aug.3.2020. DOI https:/doi.org/10.1703/IJACT.2020.8.3.253
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.

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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 Multifunction Integrated Motion Bed", J. of the Convergence on Culture Technology, vol.18, no.5,pp.215-222, Oct.31, 2018.
Ahmed F.I, EI-Tobshy A.M. "P-I AND I-P controllers in a closed loop for DC motor devices", Power Conversion Conference, Vol. 2, pp. 613-618, 1997.
H.W. Kim, H.W. Kim, K.Y. Cho, J.K. Ji "IP Voltage Controller of Three-phase PWM Converter for Power Supply of Communication System", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol. 12, No. 6 pp. 2722-2728, 2911

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