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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 밴드형 호흡검출 시스템 사용에 있어, 측정 위치에 따른 호흡 검출률을 비교함으로 최적 측정위치를 조사해보고자 한다. 이를 위하여 호흡 신호를 측정할 수 있는 스트립 형태의 힘센서를 제작하고, 센서 측정 위치에 따른 호흡 신호 검출률을 기준호흡과 비교하여 가장 오차가 적은 위치를 분석하였다.
제안 방법
- 모듈의 크기는 65.5 × 2.5 cm로 싱글 매트리스 크기에 적합하도록 설계 되었고 다양한 측정 위치에서 동시에 호흡신호를 검출하기 위해 동일한 구조의 센서를 3개를 제작하였다.
- 일반적으로 호흡의 주파수 대역은 0.15 ∼ 0.5 Hz로 알려져 있으므로, 측정된 신호에서 호흡성분을 강화 및 추출하기 위해 0.15 ∼ 0.5 Hz 통과대역을 가지는 FIR(Finite Impulse Response) 대역통과 필터를 사용하여 주된 호흡 성분을 추출하였다.
- 따라서 본 연구에서는 밴드형 호흡검출 시스템 사용에 있어, 측정 위치에 따른 호흡 검출률을 비교함으로 최적 측정위치를 조사해보고자 한다. 이를 위하여 호흡 신호를 측정할 수 있는 스트립 형태의 힘센서를 제작하고, 센서 측정 위치에 따른 호흡 신호 검출률을 기준호흡과 비교하여 가장 오차가 적은 위치를 분석하였다.
- 본 연구에서는, 개발한 스트립 힘센서를 이용해 호흡에 의한 직접적인 움직임이 발생되는 위치인 머리(귓구멍), 흉부(명치), 복부(배꼽)에서 호흡에 의한 움직임을 기록하고, 기준 호흡신호와 비교하여 각 위치에서의 호흡 검출률 차이를 분석하였다. 기준 호흡신호는 코로 숨 쉴 때 들숨과 날숨에 의해 바뀌는 온도차를 이용해 측정하였고, 측정에는 BIOPAC MP150(Biopac Systems, inc.
- 본 연구에서는, 개발한 스트립 힘센서를 이용해 호흡에 의한 직접적인 움직임이 발생되는 위치인 머리(귓구멍), 흉부(명치), 복부(배꼽)에서 호흡에 의한 움직임을 기록하고, 기준 호흡신호와 비교하여 각 위치에서의 호흡 검출률 차이를 분석하였다. 기준 호흡신호는 코로 숨 쉴 때 들숨과 날숨에 의해 바뀌는 온도차를 이용해 측정하였고, 측정에는 BIOPAC MP150(Biopac Systems, inc., CA, USA)과 TSD202A 온도센서가 사용 되었다. TSD202A는 콧구멍 바로 아래에 부착하였고, 머리, 흉부, 복부에서 출력되는 압력신호는 BIOPAC MP150의 아날로그 입력을 사용하여 온도 신호와 동시에 기록 되었다.
- 각 위치에서 측정된 신호가 얼마나 호흡성분을 잘 반영하고 있는지 관찰하기 위하여 호흡간격을 계산하였다. 호흡간격은 흡기-흡기간 간격 또는 호기-호기간 간격을 통해 유도될 수 있는데, 본 연구에서는 최대 호기-최대호기 간격에서부터 호흡간격을 유도 하였다.
- 각 위치에서 측정된 신호가 얼마나 호흡성분을 잘 반영하고 있는지 관찰하기 위하여 호흡간격을 계산하였다. 호흡간격은 흡기-흡기간 간격 또는 호기-호기간 간격을 통해 유도될 수 있는데, 본 연구에서는 최대 호기-최대호기 간격에서부터 호흡간격을 유도 하였다. 호흡간격을 유도할 때에는 먼저 흡기 호기에 따라 위-아래로 변동되는 신호의 상단 극점(최대 호기)를 검출하고 검출된 지점간 시간차이를 계산하였다.
- 호흡간격은 흡기-흡기간 간격 또는 호기-호기간 간격을 통해 유도될 수 있는데, 본 연구에서는 최대 호기-최대호기 간격에서부터 호흡간격을 유도 하였다. 호흡간격을 유도할 때에는 먼저 흡기 호기에 따라 위-아래로 변동되는 신호의 상단 극점(최대 호기)를 검출하고 검출된 지점간 시간차이를 계산하였다. 신호의 극점을 검출하기 위해서는 극점의 미분특성을 기반으로 신호의 극점을 검출하는 영점교차(zero-crossing)방법을 사용하였다.
- 스트립센서로부터 추출된 호흡간격은 호흡을 검출하지 못하거나, 과검출한 경우 기준호흡에서 추출된 호흡간격과 정확히 1:1로 대응될 수 없 기 때문에 1:1비교 및 통계분석이 불가능하다. 따라서, 본 연구에서는 기준 호흡간격 및 도출된 호흡간격을 전체시간에 대하여 보간한 후 기준 호흡과 스트립센서에서 측정된 호흡간격의 평균절대오차(Mean Absolute Error, MAE)를 계산하여 각 위치별 호흡 검출 성능을 평가하였다. ,<그림 3>은 이상의 과정을 보여준다.
대상 데이터
- 8cm인 스펀지 소재의 매트리스 위에 <그림 2>와 같이 압력센서를 위치하였다. 머리 아래는 라텍스 소재 베개를 두고 베개 아래에 압력센서를 위치시켰으며, 피험자는 매트리스 위에 편안한 자세로 누워 실험을 실시하였다. 실험에는 20대 성인 12명(남4, 여8)이 참여하였다.
- 머리 아래는 라텍스 소재 베개를 두고 베개 아래에 압력센서를 위치시켰으며, 피험자는 매트리스 위에 편안한 자세로 누워 실험을 실시하였다. 실험에는 20대 성인 12명(남4, 여8)이 참여하였다. 피험자의 평균나이, 평균키, 체중은 각각 21.
- 본 연구에서 개발한 스트립 힘센서는 FSR-408 압전센서(Interlink Electronic, MA, USA) 및 펠트 커버를 사용하여 과 같이 제작하였다.
- 일반적인 수면환경을 고려하여 두께 7.8cm인 스펀지 소재의 매트리스 위에 와 같이 압력센서를 위치하였다.
이론/모형
- 호흡간격을 유도할 때에는 먼저 흡기 호기에 따라 위-아래로 변동되는 신호의 상단 극점(최대 호기)를 검출하고 검출된 지점간 시간차이를 계산하였다. 신호의 극점을 검출하기 위해서는 극점의 미분특성을 기반으로 신호의 극점을 검출하는 영점교차(zero-crossing)방법을 사용하였다.
성능/효과
- <그림 4>는 온도센서 및 스트립센서(머리, 가슴, 배)에서 측정된 호흡 성분과 검출된 최대-호기 지점의 예를 보여준다. 측정된 신호의 개인별 차이는 존재하지만 직관적인 관찰에 의하면 호흡성분은 머리 부분의 센서에서 가장 작게, 복부에 위치한 센서에서 가장 명확하게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
- <그림 5>는 기준호흡에서 도출된 호흡간격과 비교하여 머리, 흉부, 복부에서 도출된 호흡간격의 MAE에 대한 박스도(boxplot)를 보여준다. 이상에서 언급한 바와 같이 복부에서의 MAE가 가장 적은 오차를 보이고 있음을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이상의 결과는 스트립센서를 통한 호흡검출의 가능성을 제공하고, 더욱 향상시키는데 일조할 수 있지만 보다 견고한 결과 제시를 위해 몇 가지 연구가 추가로 시행될 수 있다. 먼저, 기준호흡센서로 사용한 온도 센서 역시 실제 호흡과 비교하여 오차를 가지고 있게 되므로, 본 실험에 사용한 비교방법은 오차의 누적을 가져올 수 있다.
- 또한, 통계적 유의성의 향상을 위한 피험자수의 보강도 요구된다. 향후 연구로는 호흡간격을 제어하는 프로토콜 등을 적용하여 실제 호흡 검출률에 대한 정량적 비교를 수행함으로 호흡검출의 정확성을 평가하는 것을 고려해 볼 수 있다.
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