논문 2012-49-9-44
모바일 플랫폼을 이용한 원격 건강 감시 시스템 구현
( The Implementation of Remote Health Monitoring System using a Mobile Platform )
류 근 택*, 김 창 영***
( Geun Taek Ryu and Chang Young Kim )
요 약
본 논문에서는 생체신호계측 시스템과 안드로이드 기반의 모바일 플랫폼을 이용한 게이트웨이와 그리고 네트워크 서버를 통하여 사용자의 모바일 클라이언트로 생체 데이터를 전송하여 개인 건강관리를 위한 유헬스케어 시스템을 제안하였다.
생체신호 계측 시스템은 심전도, 산소 포화도, 혈압, 호흡 등의 계측 기술을 바탕으로 구현하였으며 계측된 각종 정보는 헤 더와 데이터로 3바이트로 구성된 전송 프로토콜을 이용하여 모바일 게이트웨이로 전송하였다. 모바일 게이트웨이로 수신된 데 이터는 네트워크 서버를 통하여 모바일 클라이언트에 개인의 건강지수를 확인하였다.
본 논문에서는 제안한 안드로이드 기반의 게이트웨이와 클라이언트 그리고 방송형 네트워크 서버를 구현하고 실험하여 그 타당성을 가상실험 및 실제 사람을 통하여 검증하였다. 그 결과 제안한 유헬스케어 시스템은 근거리 및 원거리에서 개인의 건 강을 관리하는 데 효과적임을 보였으며 개인의 실시간으로 건강상태를 확인할 수 있었으며 보호자의 이동성을 보장 할 수 있 는 장점을 보였다.
Abstract
This paper suggests U-healthcare system for individual health management realizing the gateway, client, and Java-based network server by using the vital signal measuring system and android-based mobile platform.
This study realized the vital signal measuring system based on the technology to measure the ECG, oxygen saturation, blood pressure, and respiration, etc. And all the information of measurement was transmitted to the mobile gateway using the 3-bite transmission protocol consisting of headers and data. The data transmitted to the mobile gateway was used to examine the mobile client’s personal health indexes through the network server. This paper realized and tested the android-based gateway, client, and the broadcasting network server and verified their validity with simulations and actual humans.
As a result, the U-healthcare system suggested was proved to be effective in managing each individual’s health from short distance and long distance. And it could examine each individual’s health conditions in real-time and was found to be advantageous in that it could secure the guardian’s mobility.
Keywords : U-Healthcare, Biosignal, broadcasting server, Mobile Gateway
* 정회원, 강동대학교 보건의료공학과
(Dept. of Biomedical Eng, Kangdong University)
** 정회원, (주)대광정보통신
(Deakwang Information& Communication)
※ 이 논문은 2011학년도 강동대학교 교내학술연구비 지원에 의해 연구되었습니다.
접수일자: 2012년 6월7일 수정완료일: 2012년 9월6일
Ⅰ. 서 론
유비쿼터스의 패러다임으로 정보기술은 모든 공간에 서 네트워크로 연결된다. 유비쿼터스 IT를 통하여 컴퓨 터 자동차 생활기기 의료기기의 모든 사물은 전자공간 과 물리공간사이에서 연결된다. 이를 통해 우리의 삶은
편리하고 안전하며 효율적인 환경으로 구축될 것이다.
유헬스케어는 유비쿼터스 IT의 대표적인 실현방식이며 우리삶의 질을 가장 크게 기여할 분야로 부각되고 있다
[1～2]
. 유헬스케어를 통하여 보건의료는 병원중심의 진료 에서 생활과 진료공간을 자연스레 결합시키면서 일상 속에서 보편적으로 자리를 잡을 것이다. 즉, 병원중심에 서 시민중심으로 의료 환경변화를 촉진시키고 예방에서 진단 치료 사후관리의 모든 과정을 균형적으로 발전시 킬 것으로 전망된다[3～4].
유헬스케어 시스템은 정보통신 기술을 이용하여 의 료기관이 아닌 장소에서 일반인, 환자, 장애인, 고령자 등 사용자의 건강상태 체크와 건강관리 등의 의료서비 스를 제공하기 위해 네트워크와 연계한 시스템이다. 유 헬스케어 시스템은 주로 체온, 혈압, 혈당, 심전도, 심박 수, 산소포화도 등 주로 생체현상을 측정하여 건강상태 를 체크할 수 있도록 구성된다[5～6].
본 논문에서는 생체신호계측 시스템과 안드로이드 기반의 모바일 플랫폼을 이용한 게이트웨이 그리고 방 송형 네트워크 서버를 통하여 실시간으로 생체계측 데 이터를 검색할 수 있는 모바일 클라이언트 시스템을 제 안하였다.
생체신호 계측 시스템은 심전도, 산소 포화도, 혈압, 호흡 등의 계측 기술을 바탕으로 구현하였으며 계측된 각 모듈에서 신호처리된 정보들은 헤더와 데이터로 3바 이트로 구성된 전송 프로토콜을 이용하여 모바일 게이 트웨이로 전송하였다. 전송된 데이터는 안드로이드 기 반 모바일 게이트웨이에서 수신데이터는 해석하여 출력 하고 WiFi/3G망을 이용하여 네트워크 서버로 전송하게 된다. 네트워크 서버에서는 원격 모니터링을 위하여 방 송형으로 각 사용자의 클라이언트에게 전송하게 된다.
그러면 각 사용자는 근거리와 원거리에서 이동성을 보 장하면 개인의 건강을 관리하고 감시할 수 있다.
이와 같이 무선 생체신호 계측, 안드로이드 기반의 모바일 게이트웨이, 그리고 원격 건강 모니터링을 위한 방송용 서버 그리고 모바일 클라이언트를 구현하여 활 용함으로써 개인건강 관리 및 다양한 U-Life 분야에 적 용가능 하도록 하였다.
Ⅱ. 모바일 유헬스케어 시스템
제안한 개인 건강관리를 위한 유헬스케어 시스템은
먼저 생체계측 시스템과 모바일 게이트웨이로 구성되며 그 다음은 실시간으로 개인건강을 모니터링할 수 있는 네트워크 서버와 모바일 클라이언트로 구성된다.
1. 생체 계측 시스템 및 모바일 게이트웨이
제안한 유헬스케어 시스템은 실시간으로 각종 생체 신호를 모니터링할 수 있으며 생체 신호로는 심전도(맥 박), 혈중 산소포화도, 호흡, 혈압, 체온 등을 선택하였 다. 제안한 생체 계측 시스템과 안드로이드 기반의 모 바일 게이트웨이의 구성은 그림 1과 같다.
본 연구에서 구현한 생체신호 시스템의 측정 모듈은 에서 센싱부는 각 개인의 생체 신호를 계측하고 잡음 제거 및 증폭부에서는 측정된 생체신호에서 발생할 수 있는 잡음을 제거하고 생체신호처리가 가능한 신호형 태를 생성한다. 증폭된 생체신호는 ADC를 거쳐 헬스 신호처리부에서 건강지수로 산출되며 산출된 건강지수 는 블루투스를 통해 안드로이드 기반의 게이트웨이로 전송된다.
생체 신호 계측 시스템에서 심전계는 심장활동에 대 한 많은 정보를 줄 수 있으므로 심장의 기능을 알아보
그림 1. 유핼스케어 시스템의 구성도 Fig. 1. Structure of U-Healthcare System.
그림 2. 모바일 게이트웨이 순서도 Fig. 2. Mobile gateway flowchart.
는데 필수적인 검사로 심전도 검출을 위해 윌슨 중앙점 의 원리를 이용하였다. 또한 혈중 산소포화도는 헤모글 로빈 중에 어느 정도가 산소가 포함되어 있는가를 계측 할 수 있으며 혈압은 심장 혈관상태를 나타내 주는 좋 은 생리적 변수로 위험한 고혈압 증상을 미리 경고해 줌으로써 사망으로부터 생명을 구할 수 있다. 또한 호 흡측정은 임피던스 뉴모 그래프인 피검자의 흉부에서의 교류 임피던스가 호흡에 따라 변한다는 성질을 이용하 여 측정하였다. 다음은 안드로이드 기반의 모바일 게이 트웨이에 대하여 설명하고자한다. 그림 2는 안드로이드 기반의 모바일 플랫폼을 이용한 게이트웨이의 흐름도이 다. 모바일 게이트웨이의 알고리즘은 두 가지 영역으로 구분하여 설명할 수 있다. 첫 번째는 수신된 데이터를 프로토콜 해석을 위한 파서를 통해 헤더와 데이터로 분 석하고 분석된 데이터를 그래픽 유저 인터페이스를 통 하여 출력한다. 그리고 혈압은 원격으로 양방향 통신을 이용하여 측정하수 있도록 하였다. 두 번째는 수신된 원 데이터를 무선 인터넷 망으로 WiFi/3G망을 통하여 전송한다.
2. 네트워크 서버 및 모바일 클라이언트
원격 건강관리 유헬스케어 시스템은 안드로이드 기 반 모바일 플랫폼을 이용한 게이트웨이에서 전송된 데 이터는 원격 모니터링 하고자 하는 사용자에게 전송할 수 있도록 네트워크 서버와 모바일 클라이언트로 구현 한다. 그림 3은 무선 게이트웨이로 부터 전송된 데이터 가 인터넷 망을 통하여 서버로 전달되고 서버에서는 다 양한 사용자에게 전달하고 전달된 데이터는 각 사용자 의 모바일 클라이언트를 통하여 그래프와 숫자 데이터
그림 3. 제안된 네트워크 서버 및 모바일 클라이언트 구성
Fig. 3. Configuration of proposed network server and mobile client.
로 출력된다.
그림 4는 네트워크 서버의 흐름도로서 방송용 서버 와 서비스로 구분된다. 방송용 서버는 네트워크 접속한 클라이언트의 추가와 삭제를 관리하고 접속한 클라이언 트의 정보를 활용하여 전송한다. 방송용 서비스는 신호 를 수신하고 클라이언트에게 전송하는 역할을 담당하도 록 한다.
그림 5는 모바일 클라이언트의 전체 시스템 흐름을 나타내었다. 먼저 네트워크에 접속하기 위해 소켓을 초
그림 4. 네트워크 서버의 흐름도
Fig. 4. Flow diagram of a network server.
그림 5. 모바일 클라이언트 흐름도 Fig. 5. Mobile client flowchart.
기화하고, 네트워크에 접속 한 후 생성된 쓰레드를 통 해 데이터의 송수신을 하게 된다. 원격지에서 계측 데 이터는 안드로이드 기반의 게이트웨이를 통하여 서버에 전달하고 네트워크 서버를 통하여 모바일 클라이언트에 서 모니터링하기 위한 것으로 접속과정을 제공한다. 클 라이언트 표시정보로는 분당 맥박수, 산소포화도, 혈압, 체온 등의 기초정보를 나타내게 된다.
Ⅲ. 제안 시스템 구현 및 실험
본 논문에서 구현하고자 하는 유헬스케어 시스템은 생체 신호 계측 시스템과 실시간 원격으로 데이터 전송 을 위한 네트워크 서버 그리고 원격 생체 데이터 감시 를 위한 클라이언트로 구성 구성하였다.
1. 제안 시스템의 구현
생체계측 센서 모듈로는 심전도와 호흡 모듈, 산소 포화도 모듈 그리고 혈압 모듈로 구성하였으며 메인보 드는 생체 신호처리 부분으로 부터 얻어지는 여러 가지 생체신호를 화면 표시 장치로 보내어 표시하는 기능, 생체신호로 부터 얻어지는 결과의 위험 여부를 사용자 에게 알려주는 알람 기능, 사용자가 각종 모니터링의 알람 수치를 조정하거나, 기록을 확인하는 등의 목적을 위한 사용자 인터페이스 기능, 무선 데이터 전송 부분 으로 구성하였다. 그림 6은 생체계측 시스템의 블록도
그림 6. 통합형 생체계측 시스템 구성도
Fig. 6. Integrated biomedical instrumentation system configuration.
를 표현하였다.
안드로이드 기반 게이트웨이에서는 수신 프로토콜을 통하여 헤더와 데이터로 나눈다. 분석된 헤더와 데이터 를 그래픽모드에서 웨이브와 숫자 데이터를 디스 플레 이 하도록 한다. 그리고 WiFi/3G망을 이용하여 수신 원 데이터를 네트워크 서버로 전송한다. 네트워크 서버 는 그림 7과 같이 생체신호를 전송하는 게이트웨이에 서 보낸 신호를 게이트웨이의 커넥션 스레드로 수신하 게 된다.
방송용 서버와 서비스를 구분해서 동작시키며 서버 는 네트워크의 접속과 접속한 클라이언트의 추가와 삭 제를 관리하고 방송도 한다. 하지만 방송에 관한 구체 적인 기능은 방송용 서비스가 신호를 받는 용도와 보내 는 용도로 구분하여 기능을 수행한다.
게이트웨이에서 보낸 신호를 받게 되면 접속한 모든 모니터용 클라이언트에게 신호를 보내는 역할을 담당한 다. 그림 8은 모바일 클라이언트가 클래스 다이어그램 으로 모바일 클라이언트와 방송용 서버간의 통신 흐름 을 프로그램 함수를 보여 주고 있다. 모바일 클라이언
그림 7. 네트워크 서버의 클래스 다이어그램 Fig. 7. The class diagram of the network server.
그림 8. 모바일 클라이언트 클래스 다이어그램 Fig. 8. Mobile client class diagram.
트에서 메인화면을 맡고 있는 모바일 모니터에서 모바 일 클라이언트가 동작 할 수 있도록 시작한다. 모바일 네트워크 수신 서비스가 소켓을 연다. 클라이언트 쓰레 드를 이용하여 수행한다. 클라이언트가 방송용 서버로 부터 정보가 있다면 이를 감시한다. 수신한 정보를 모 니터 클래스에게 핸들로 정보를 전송하여 처리 하도록 한다.
2. 제안 시스템의 실험
구현된 시스템의 평가를 위하여 생체계측데이터를 이용하여 모의 실험하였다. 모의실험은 각 모듈에서 발 생 할 수 있는 임의의 가상 데이터를 만들어 전송하고 전송된 데이터를 각 설계 시스템에서 정상 동작여부를 실험하였다. 그리고 직접 사람을 대상으로 실험하였다.
그림 9는 가상의 데이터를 전송한 실험 결과로 전송된 데이터를 프로토콜 분석한 숫자 데이터를 출려한 결과 이다. 그림 10은 모바일 클라이언트에서의 안드로이드 기반 갤럭시 탭에서 웨이브 데이터와 숫자 데이터를 출
그림 9. 모바일 클라이언트의 생체데이터 Fig. 9. Biomedical data of Mobile client.
그림 10. 모바일 클라이언트 디스플레이(겔럭시 탭용) Fig. 10. Mobile client display(For the Galaxy tab).
력할 수 있음을 보여 주고 있으면 그림 11은 모바일 클 라이언트인 안드로이드 기반의 스마트폰에서 숫자 데이 터만을 출력한 결과이다.
다음은 사람을 대상으로 실험하는 모습을 그림 12과 같이 설정하고 실험하였다. 생체 계측 시스템 과 안드 로이드기반의 모바일 게이트웨이를 보여주고 있다. 그 리고 제안한 유헬스케어 시스템에서 직접 사람을 대상 으로 실험한 결과 그림 13과 같다. 그림에서는 설계한 모바일 게이트웨이, 네트웨크 서버, 그리고 각 모바일 클라이언트를 보여 구고 있으며 각 시스템의 화면에서 는 생체계측 후 전송 신호의 결과를 보여주고 있다.
u-Healthcare 시스템에서 환자의 상태를 나타내는 생체신호는 매우 중요하다. 따라서 첫 번째로 무선과 유선 환경에서 수집된 심전도 신호의 상태를 측정하였 다. 심전도 신호 상태를 평가하기 위하여 두 센서 노드
그림 11. 스마트폰 디스플레이 Fig. 11. Displays for smartphones.
그림 12. 구현된 시스템의 생체 계측 실험
Fig. 12. Experimental measurement of the biometri system implemented.
그림 13. 제안한 유 헬스 케어 시스템의 결과 Fig. 13. The results of the proposed U-healthcare.
계측신호 종류 패킷 전달율
심전도 (ECG) 98%
산소포화도 (SpO2) 99%
혈압 (NIBP) 97%
표 1. 센서 노드에 의해 수집된 어플리케이션에 따른 QoS 요구사항
Table 1. QoS requirement for applications by sensor nodes.
간의 패킷 전달율 (packet delivery ratio)을 산출하였다.
실험을 통하여 유선 환경에서는 패킷 전달율 100%, 무 선 환경에서는 평균적으로 패킷 전달율 98%를 얻었다.
표 1은 센서 노드에 의해본 논문에서 측정된 패킷 전달 율 98%는 표 1에서 나타난 QoS 요구사항인 패킷 전달 율 95%를 만족한다. 따라서 센서그리드 게이트웨이에 서 모니터링 되는 심전도 신호는 매우 안정적이라고 할 수 있다
다음으로는 ECG 센서로부터 얻은 데이터가 클라이 언트로 수집되는데 걸리는 지연시간을 측정하였다. 1초 동안 ECG 데이터가 클라이언트에 도착하는 패킷의 양 은 약 1260 bytes로 이것을 바탕으로 1패킷이 도달하는 시간을 계산하면 약 61.28 ms의 결과를 얻을 수 있다.
3. 실험 결과 및 평가
본 논문에서 제안하고 구현한 시스템은 무선생체계 측과 안드로이드 기반의 모바일 게이트웨이 그리고 방 송형 서버 또한 모바일 클라이언트이다. 제안한 시스템
을 평가하고자 가상 실험과 실제 사람을 대상으로 실 험을 하였다. 각 실험결과 제안하여 구현한 시스템은 안정적으로 동작을 하는 것을 확인할 수 있었다. 따라 서 제안 시스템은 안드로이드 기반의 모바일 플랫폼을 이용하여 게이트웨이와 클라이언트를 실험한 결과 유 헬스케어 시스템으로 발전 가능성을 보였다. 앞의 결과 들을 보았을 때 게이트웨이에 의하여 전달되는 생체신 호는 무선 단말기를 통한 모니터링이 가능함을 알 수 있었다.
향후에는 제안한 시스템의 실제 적용을 위하여 시스 템 및 알고리즘의 최적화를 통하여 시스템 안정화에 대 한 연구가 요구된다.
Ⅳ. 결 론
본 논문에서는 개인의 건강관리를 위한 주기적인 감지를 통하여 병의 악화와 예상치 못한 합병증을 방지하는데 크게 기여하기 위하여 생체신호의 측정 분석 측정된 생 체신호의 산출된 건강지수를 전송하기 위한 무선통신기 술과 원격으로 데이터 전송을 위한 안드로이드 모바일 플랫폼을 이용하여 게이트웨이와 클라이언트를 제안하 였다. 그리고 실시간으로 개인의 건강을 모니터링 할 수 있는 방송형 네트워크 서버를 구현하였다.
제안한 안드로이드 기반의 게이트웨이와 클라이언트 그리고 방송형 네트워크 서버를 구현하고 실험하여 그 타당성을 가상실험 및 실제 사람을 통하여 검증하였다.
그 결과 제안한 모바일 플랫폼을 이용하여 유헬스케어 시스템은 근거리 및 원거리에서 개인의 건강을 관리하 는 데 효과적임을 보였으며 개인의 실시간으로 건강상 태를 확인할 수 있었으며 보호자의 이동성을 보장 할 수 있는 장점을 보였다.
이는 유비쿼터스 사회구현에 일조 및 지속적 지능적 원격 유 헬스케어로 인한 생활의 변화에 영향을 주며 환 자의 의료서비스에 대한 비용절감 행정의 효율성 임상연 구의 용이성 및 접근성 향상을 위한 유 헬스 의료 정보 서비스 시스템에 좋은 본보기가 될 수 있다고 본다.
참 고 문 헌
[1] 남명현, 김산, “휴대형 유헬스케어 의료기기 평가 방법,” 전자공학회논문지, 제 49권 SC편, 제2호,
저 자 소 개 류 근 택(정회원)
대한전자공학회 논문지 제46권 IE편 4호 p.16
1996년～현재 강동대학교 보건의 료공학과 부교수
<주관심분야 : 의용생체계측, 생 체신호처리, 의료정보 시스템, U-Healthcare >
김 창 영(정회원)
2001년～현재 ㈜대광정보통신 총괄 책임자
<주관심분야 : 의료정보통신, 컴 퓨터네트워크>
157-164쪽, 2012년 3월
[2] 한국무선관리사업단 “유비쿼터스의 개요와 동향”, 2005.
[3] 류석상 외, “유비쿼터스 사회의 발전추세와 미래 전망”, 유비쿼터스 사회연구시리즈 한국전산원, Vol3. 2005.
[4] 오성준, 김웅식, “모바일 단말기 기반의 생체신호 측정 시스템 구현,” 전자공학회논문지, 제45권 CI 편 제6호, 604-612쪽, 2008년 11월.
[5] 한재웅, 이순흠, “유‧무선 통신 방식을 지원하는 홈 네트워크 게이트웨이 개발,” 전자공학회 논문 지, 제 45권 TC편, 제12호, 114-119쪽, 2008년 12 월
[6] 이용희, 이주영, “생체정보 보안기능을 갖는 원격 모니터링 시스템에 관한 연구,” 보안공학연구 논문 지, 제 5권 제6호, 475-484쪽, 2008년 12월
