사물인터넷(IoT)센서 기반 바이탈 센싱 전송시스템 개발

2-1 바이탈 센싱 및 전송시스템 개발의 필요성

2-2 IoT기반 헬스케어 디바이스 및 플랫폼 동향

웨어러블 디바이스(Wearable device)는 의료서비스분야와 접목되어 다양한 의료서비스의 시도가 가능하다. 예를 들면 사물인터넷(IoT)기반 헬스케어 디바이스는 디바이스 장치에서 측정된 생체정보(맥박, 혈압, 체중, 체지방률, BMI, 심박수, 공기오염도 등)WiFi 또는 블루투스를 통하여 스마트폰 디바이스로 전송할 수 있다. 단점으로는 폐쇄형은 스마트폰 디바이스 없이 통신이 불가능하다는 것이다. 그림1의 핏빗 플렉스(Fitbit Flex)는 사용자가 팔목에 착용하는 장치로서, 사용자의 걸음 수, 이동거리, 칼로리 소모량, 활동적 시간, 수면시간, 수면의 효율 등의 정보를 측정. 측정된 정보는 스마트폰 또는 웹을 통해 서비스 플랫폼으로 전송 가능하다.

Fig. 1.

Fitbit Flex[9]

그림 2의 템프트랙(Temp Track)은 베터리 내장형으로 아이의 몸에 붙여 사용하며 24시간동안의 연속된 체온 변화를 지속적으로 기록한다(그림 2).

Fig. 2.

Temp Track[10]

오라링(Oura Ring)은 반지내부에 신체리듬을 측정하는 센서가 내장되어 심장 박동, 호흡, 체온 등 정보를 수집하고, 별도의 조작 없이도 수면 및 기상과 운동량, 휴식시간 등을 측정한다. 분석한 데이터는 이해하기 쉽도록 통계를 내고 어플리케이션을 통해 보여주며 이를 토대로 개인 별 권장 사항도 제공한다. 또한 스마트폰과 연동 없이도 최대 3주간의 데이터를 자체 저장할 수 있는 메모리가 내장되어 있다(그림 3).

Fig. 3.

Oura Ring[11]

3-1 제안한 시스템 구성

본 연구는 사물인터넷(IoT)센서 기반 바이탈 센싱 전송시스템(Vital Sensing Transmission System) 개발을 제안하고 연구하였다(그림 4). 본 시스템은 신체의 심박수, 체온을 측정하여 3G통신을 통해 정보를 전송하여 서버에서 데이터를 가공하여 저장하고, 이를 DB시스템으로 구성한다. 그리고 저장된 데이터에 대한 결과를 분석하여 위험을 해석하고 건강에 대한 평가를 완료하여 필요시 원하는 고객에게 전송 가능하도록 설계하였다. 본 연구에서 설계 시 주안점은 다음과 같다.

Fig. 4.

Vital sensing and transmission system configuration diagram

첫째, 휴대성이 편리하도록 최대한 가벼운 무게로 제작되어야 한다. 둘째, 이동시에도 실시간으로 측정이 가능해야한다. 이는 무선통신방식을 이용해 체온과 심박수 전송을 해야 하기 때문이다. 셋째, 장시간 사용해야 하므로 전력의 사용을 줄이기 위하여 일정한 주기를 설정하여 정해진 시간에 정보를 획득 할 수 있도록 설계하여야 한다.

따라서 가볍고 휴대하기 용이하며 무선통신방식을 활용하고 장시간으로 사용하기 위해서는 스마트폰과 통신 없이도 3G 통신을 통하여 정보를 서버에 전달하고 데이터 가공 알고리즘을 사용하여 이상신호를 클라이언트에게 전달하도록 해야 한다. 이러한 모든 특성을 반영하여 주·야간보호센터 및 요양기관에 있는 노인과 이를 활용하고자 하는 의료서비스 대상자들이 심박수, 체온을 측정할 수 있다. 특히, 노인들이 편리하게 이용할 수 있는 신체에 부착하기 편리한 밴드형 센싱 시스템으로 제작하는 것이 용이하다. 밴드형 디바이스는 장치내부에 정보를 수신할 수 있는 서버를 구축하여 획득한 정보는 기관 내에 있는 게이트웨이를 통해 서버로 이동하여 정보가 저장되며, 디바이스 정보는 클라이언트가 수신할 수 있도록 어플리케이션을 제작하여 원하는 클라이언트에게 정보가 수신되도록 설계하도록 하였다.

3-2 메인보드

그림 5의 마이크로 컨트롤러(Micro Controller Unit)는 STM32F205RGT6모델로 최대 클록 주파수 120MHz 이며 코어는 ARM Cortex M3이다. 이 장치의 역할은 3G 네트워킹과 심장박동 수 센서의 데이터 처리를 위한 중앙처리 장치이다. 또한 3G 네트워크 통신을 위하여 Ublox사의 SARA-U270 모듈을 사용하였다. 이러한 장치들은 KC 인증 및 SK 텔레콤, KT의 인증을 획득한 검증된 3G모듈이여 별도의 인증을 받을 필요가 없다는 장점이 있다. 리튬 폴리머 배터리 충전 회로 및 전압, 잔량 측정 회로가 탑재 되어 있으며, 아두이노(Arduino)의 라이브러리가 대부분 호환 가능하여 복작한 언어의 사용 없이 펌웨어 개발과 쉬운 유지보수가 가능하다는 장점이 있다.

Fig. 5.

Ublox's SARA-U270 motherboard

3-3 리튬폴리머 배터리

그림6은 3.7v 기준 전압과 900mAh의 용량을 가지는 리튬 폴리머 배터리이다. 자체적으로 과 방전 보호 회로를 가지고 있고, 완전 충전 시 4.2v에 근접한 전압을 출력한다. 배터리 셀 보호 목적으로 자체 과 방전 보호회로는 3.1v 부근에서 출력을 차단한다. 900mAh의 비교적 큰 용량의 배터리를 사용함으로서 데이터의 측정과 서버로의 송신 주기를 30분으로 제한한다면, 3박 4일 이상의 가용시간을 기대해 볼 수 있으며, 크기는 가로 48mm, 세로 30mm, 높이 5mm이다.

Fig. 6.

Lithium polymer battery(900mAh)

3-4 디스플레이 장치

그림7은 디스플레이 장치이며, 124 x 64 의 DotMatrix를 가지는 SSD1306 OLED 디스플레이 장치를 사용하였다. 화면 크기는 0.96 인치이며, 기판을 포함한 전체 크기가 27mm X 27mm 로서 협소한 스마트밴드 부피에 사용하기 적절하다고 판단되며, I2C(Inter-Intergrated Circuit)방식의 통신으로 메인보드와 연결되고, 메인보드의 3.3v 출력을 전원으로 사용한다.

Fig. 7.

SSD1306 OLED Display

3-5 심박수 측정 센서

그림8에서는 오스람에서 제작한 자동 건강상태 관리용도로 사용 가능한 통합형 광센서이며, 현재 대다수 손목형 심박 측정 기기에서 채택하여 범용적으로 사용하고 있는 센서이다. 각각 세 개의 각각 파장을 가진 LED(Green 525nm, Red 660nm, Infrared 950nm)를 이용하여 손목의 모세 혈관에서 반사되어 나오는 빛을 센싱하여 아날로그 신호로 출력한다. 빛이 나는 곳과 빛이 들어오는 장치 사이에는 광학장벽이 있어 빛이 나는 곳에서 산란되는 빛이 직접 빛이 들어오는 장치로 들어가지 않도록 해준다. 측정치의 신뢰도나 출력 신호의 품질은 매우 양호하지만, 비교적 가격이 높다는 단점이 있다. 하지만 손목을 활용하여 측정 할 수 있는 심박 신호는 손가락의 모세 혈관에 비하여 신호의 크기가 100분의 1 수준밖에 되지 않으므로, 가격이 비싸더라도 믿을 수 있는 센서를 선정하였다. 시중에 출시된 저가형 손목 심박 측정기의 경우, 실제로는 손목에서 정확한 심박 신호를 측정할 수 없는 경우가 많고, 측정된 결과를 대충의 심박 수로 임의적으로 해석하여 설정하는 경우도 있다.

Fig. 8.

SFH7050 integrated optical sensor

3-6 체온 측정 센서

그림 9는 체온 측정을 위하여 Texas Instruments사의 LM74 온도 측정 센서이다. 최대 섭씨 110도까지 측정 가능하며, SPI 방식의 통신 인터페이스를 내장하고 있어, MCU와 디지털 통신으로 연결된다. 센서의 크기를 고려하여 부피가 작은 BGA 타입으로 선정하였다. 이 장치는 아주 작은 납 볼이 칩 밑의 전극에 붙어있고, 특수한 장비를 이용하여 기판위에 위치시킨 후 열을 가해 붙이는 방식이다. 부피를 줄일 수 있으나, PCB의 제작이 어렵다는 단점이 있다.

Fig. 9.

LM74 SPI Temperature Sensor

3-7 상판 회로도

그림10은 제품의 상판 회로도 이다. 상판 PCB에서 하판PCB와의 연결은 회로도 우측 U8(12핀 헤더)를 통해 이루어진다. 회로도에는 제품 상면에 배치된 3개의 버튼 회로가 구성되어 있다. WKP버튼은 측정주기 중간 잠자기 상태에 빠져있는 장치를 강제로 활성화하기 위한 버튼이고, MODE와 ENTER는 장치의 펌웨어에 구현된 설정 메뉴 화면을 조작하기 위한 버튼이다. 회로도 4C구역에는 SSD1306 OLED Display가 연결되며, 회로도 654BA구역에는 MCU가 LCD_EN핀을 통하여 SSD11306으로 공급되는 전원을 제어할 수 있는 회로가 구성되어 있다. MCU에 할당된 LCD_EN핀을 펌웨어 상에서 활성화하거나 비활성화 할 경우, LCDVDD3V3으로 인가되는 전원이 연결되거나 차단된다. 이는 측정 주기 사이에 최대 절전을 위해 펌웨어 상에서 MCU이외의 부품 전원을 제어하려고 구성되었다. 절전 정책에 따라 측정이 종료되면 디스플레이를 완전히 종료할 수도 있고, 필요하다면 켜놓을 수 있게 되는 것이다. 회로도 65C구역에 표시된 U6-A, U6-B는 메인보드를 나타내는 것이며, 상판 PCB에 메인보드 한쪽면의 헤더핀이 연결되고, WKP, LCD_EN, ENTER, MODE핀을 사용하게 된다.

Fig. 10.

Top plate circuit diagram

3-7 구성부품 조립과 케이스

그림11는 조립된 제품과 제품의 케이스를 나타낸다. 최상부에서 좌측으로 치우치게 디스플레이가 배치되었으며, 우측으로는 3개의 스위치가 수직 방향으로 배열되어 있다. 디스플레이 밑으로 메인보드가 위치하게 되며, 메인보드 아래쪽으로 리튬폴리머 배터리가 겹쳐 배치되었다. 최하부에 하판 PCB가 바닥면을 구성하게 된다. 제품케이스는 위아래로 길쭉한 디자인을 시도하였다가 손목이 얇을 경우, 지나치게 커 보일 수 있다는 의견을 수렴하여, 좌우로 긴 디자인을 최종 확정하였다. 제품의 좌측면에 USB포트가 위치하고 있으며, 이 USB 포트를 통하여 배터리 충전을 하게 된다.

Fig. 11.

Assembled products and cases

3-7 펌웨어

그림12은 아두이노를 사용한 펌웨어이며 센서 신호 처리 로그와 3G 통신 로그 펌웨어이다. PPG는 측정한 심박수를 이동평균필터 처리하여 고주파 성분을 제거한 값을 의미하며, Temp는 온도 측정 센서에서 가져온 값을 실제 온도로 변환하는 공식을 거쳐 표시하였다. Celluar is ready를 출력함으로써 3G 통신의 연결을 의미하며, RSSI, QUAL 은 3G 통신의 신호세기를 출력한 것이다. 통신에 대한 결과로 서버측에서는 응답시의 현재시간을 utf-8 캐릭터셋으로 인코딩하여 json 형태로 전송하였고, 아두이노 시리얼모니터에 응답내용을 출력하였다.

Fig. 12.

Firmware using Arduino

특히 측정된 심박수의 이상 신호를 확인하기 위하여 시계열 분석법(Time Domain Methods)를 사용하였다. 이 방법은 수신된 심박수 데이터가 x1, x2,…, xn이라 하고 그 (산술)평균을 m이라 할 때, 표준편차를 이용하여 심박변이의 변이도를 체크 하는 것이다. 수식은 아래와 같다(1).

본 제품은 12시간 기록 마다 이상 상태를 확인하며, SDNN 값이 50 이하의 경우 정상, 그 이외의 값은 이상 상태로 표시하여 보호자에 경고하는 어플리케이션을 제작하였다.

그림 13은 측정된 값을 보여주는 어플리케이션이며, 체온과 심박수, 전일평균 심박수의 차이, 1시간 전 대비 심박수의 차이, 그리고 심박수 이상상태를 시각화하여 보여주고 있다.

Fig. 13.

Body temperature heart rate measurement application

4-1 제품의 특징과 측정 방법

웨어러블(Wearable)시스템의 특징은 원하는 신체 부위에 착용하여, 이동성이 편하며, 양손을 마음대로 사용가능 하기 때문에 업무를 효과적으로 수행 할 수 있다는 장점이 있다. 웨어러블(Wearable) 시스템의 경우 사용자가 직접 착용한다는 부분에서 제품의 성능과 기술적인 측면 외에 연속성, 자유성, 편안함, 디자인적인 측면이 사용자의 제품 사용에 많은 부분을 차지하고 있다.

식품의약품안전처는 심(맥)박수계를 의료기기와 구분해서 관리하는 내용으로 “의료기기 품목 및 품목별 등급에 관한 규정”고시를 개정하면서 운동·레저용으로 사용되는 기기에 관해서는 의료기기에 해당되지 않는다. 따라서 본 시스템은 의료진단의 도구가 아니라 예방과 모니터링을 서비스 범위로 한정한다.

(1) 체온계 : 귀적외선 체온계는 귀(고막)에서 나오는 적외선 파장을 적외선 센서를 감지하여 체온을 측정하는 제품이다. 사용법은 귀를 약간 잡아당겨 이도를 편 후, 측정부와 고막이 일직선이 되도록 한다. 측정은 3회를 권장하며, 값이 다른 경우에는 최고 값을 사용한다.

(2) 심박수 : 식품의약품안전청에 따르면 심박수 측정 범위는 적어도 어른은 30bpm에서부터 200bpm, 신생아 및 소아에서는 30bpm에서부터 250bpm까지로 하여야 한다. 검출되는 심박수의 정확도는 ±10% 또는 5bpm 중에서 큰 쪽으로 한다.

Table 1.

Thermometer and Heart rate

Fig. 14.

Heart rate meter (left) and thermometer (right)

4-2 성능 측정 결과

1) 성능 시험 1차 결과

5개 제품으로 5명이 성능 시험 결과 아래 표와 같이 심박수의 정확도는 10% 이내로 나타났다. 체온은 최대 –2.5%에서 0%사이로 나타났다.

2) 성능 시험 2차 결과

5개 제품으로 5명이 성능 시험 결과 아래 표와 같이 심박수의 정확도는 ±10% 이내로 나타났다. 체온은 최대 –7.7%에서 2.6%사이로 나타났다.

3) 성능 시험 3차 결과

5개 제품으로 5명이 성능 시험 결과 아래 표와 같이 심박수의 정확도는 ±10% 이내로 나타났다. 체온은 최대 –8.9%에서 3.9%사이로 나타났다.

4) 성능 시험 평균 결과

성능 시험 평균의 결과는 다음과 같으며, 식품의약품안전청 전자의료기기 기준규격에 해당되는 심박수의 정확도 ±10% 제품으로 확인된다. 체온은 표피온도 측정으로 차이가 났으며, 추후 보정 값을 사용 예정이다.

Table 2.

Differences of Thermometer and Heart rate