서 론
호흡은 우리 몸에 필요한 성장, 운동, 유지에 필요한 에너지 를 획득하기 위한 생리현상이며, 호흡 측정을 통해 환자의 상 태를 알아보기 위해서 재활 및 수술분야에 다양하게 활용 되고 있다. 재활분야에서는 최근 의료 장비 기술의 발전으로 호흡 측정 장비를 이용한 만성 폐쇄성 폐질환 및 폐암 등 폐에 관련 한 증상들을 진단하여 호흡 연습을 통한 호흡 능력을 향상시키
는 재활 치료가 진행되고 있지만, 의료용 3차원 계측장비들의 높은 비용 문제가 크게 발생되고 있는 단점이 있다 [1-3]. 그 리고, 수술분야에서는 CT 기반 생검 시술을 통해 시술자가 환 자의 신체 내부에 투입된 생검 바늘의 위치 및 목표 종양 부위 를 영상을 통해 실시간 확인하면서 정확히 시료를 채취하지만, 환자의 호흡에 따른 영향 때문에 재생검, 고위험 장기 손상 등 의 위험 부담이 있는 단점이 있다 [4, 5]. 이러한 기존의 환자 호흡에 대한 단점을 대체하기 위한 방안으로, 최근에는 저비 용, 휴대가 간편하고 시중에 쉽게 구입할 수 있는 Wii 게임기 를 이용하여 3차원 공간으로 변환하고 실시간 좌표점을 트래 킹하는 연구가 진행되고 있다 [6].
Wii remote controller (Wiimote; Nintendo, Kyoto, Japan)은 3축의 가속도와 기울기를 인식할 수 있는
위모트를 이용한 호흡에 따른 움직임 측정
김민태∙조창노∙정현철∙장익규∙김광기 국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과
Measurement of Respiratory using WiiMote
Min Tae Kim, Chang Nho Cho, Hyun Chul Jung, Ik Gyu Jang, Kwang Gi Kim Biomedical Engineering Branch, National Cancer Center, Goyang, Korea
= Abstract =
The measurement of the respiratory motion of patients is essential for rehabilitation therapy and ro- botic surgeries. For a patient with chronic obstructive pulmonary disease, the measured motion data can be used in the training to improve the respiratory activity of the patient. On the other hand, during a lung biopsy, the robot must be able to reflect the respiratory motion of the patient in order to avoid damaging the surrounding tissues. In this study, a novel respiratory motion measurement system con- sists of two Wiimote controllers and an Infrared LED tag was developed. The developed system is low-cost, and it can measure the 3-D position of the tag and send the data to a PC via Bluetooth. To verify the performance of the system, we measured the respiratory motion at abdomen and chest of patients and analyzed the data. It was found that abdomen and chest showed different respiratory motions; the motion at abdomen showed the same magnitude in all three directions while the chest showed a bigger motion along z-axis. The developed system will be integrated to a master-slave type biopsy robot to compensate respiratory motion during a biopsy.
Key words: Wii game remote control, Respiration
통신저자: 김광기, (410-769) 경기도 고양시 일산동구 일산로 323 국립암센터 융합기술연구부 의공학연구과
Tel: 031-920-2241, Fax: 031-920-2006 E-mail: [email protected]
ADXL330 가속도계를 탑재하고 있다. 또한 광학 센서를 탑재 하고 있어, Wiimote가 어디를 가리키고 있는지를 감지할 수 있다. Wii 콘솔의 센서 바(RVL-014)로부터 빛을 감지하고, 20 cm 길이의 검정색 막대이며, 양 끝에 각각 5개의 적외선 LED가 붙어 있다. 이렇듯 현재 시중에서 상용되고 있는 Wiimote를 이용한 3차원 계측의 새로운 연구들이 응용되고 있다 [7-11].
본 연구에서는 호흡에 따른 3차원 좌표의 움직이는 값을 예 측하기 위한 초기 단계 연구로서, 저가형 Wiimote 두 대를 이 용하여 3차원 공간상에서 실제 사람의 흉부와 복부의 움직임 을 적외선 LED 태그 장치(4개의 적외선 LED)를 부착하여 x, y, z축의 움직임을 측정하였다. 또한, 호흡에 대한 각 축 방향 의 움직임을 실시간으로 확인할 수 있는 시뮬레이션을 3차원 영상 좌표 처리 기법을 이용하여 프로그램을 구현하였다. 측정 되는 각 축 방향의 거리는 사람의 호흡 주기와 직접적인 관련 이 있으므로, 인체 부위에서 가장 호흡에 따른 변화가 많이 보 이는 흉부와 복부부위에 호흡 측정이 이루어지도록 한다. 즉, 호흡 측정 주기 설정은 사람이 침대에 누운 상태에서 편하게 숨을 들이 마시고, 내쉬었을 때를 1 주기로 보고, 10 주기를 5 번 반복하게 된다. 이러한 기능은 환자의 호흡과 같은 일정한 패턴을 분석하여, 호흡 연습과 재활치료 및 수술에서와 같은 상황에 유용할 수 있다.
재료 및 방법
사용된 Wiimote 시스템
본 연구에서는 두 대의 Wii를 기계 프레임에 부착할 수 있게 고정 장치를 제작하였고, 사용자가 원하는 위치와 각도를 조정 할 수 있는 손잡이 조정장치를 만들었다(그림 1a). 두 대의 Wiimote 장치에 5 V 전원을 공급해주는 전원 어댑터를 부착 하여 가볍고 휴대가 편하게 제작하였다. 각각의 Wiimote는 독
립적으로 적외선 신호를 지속적으로 블루투스 USB 동글 (BT-0001; Billionton Systems Inc., Hsinchu, China)을 통해 데이터를 컴퓨터에 전송하여 2차원 정보를 나타나게 된 다. 두 개의 Wiimote에서 얻은 2차원 위치 정보는 스테레오 정합 기술로 통합하여 3차원 위치를 계산되어 사용하게 만들 었다.
가상의 2차원 공간 설정을 하기 위하여 Cubic Box (Withrobot Co., Ltd., Seoul, Korea)를 사용하였다 (그림 1b). 각 표면에 균일한 간격(5 cm)으로 4 × 4행렬로 배열된 16개의 적외선 LED를 포함하고 있다. 적외선 LED는 왼쪽과 오른쪽 측면에 순차적으로 Wiimote에 동시에 위치를 감지하 고 32개의 적외선 LED를 설정하여 3차원 가상 공간 좌표 설 정을 하게 된다.
공간상의 좌표에서 움직임을 감지할 수 있는 적외선 태그를 구성하였다(그림 1c). 휴대가 편하고 흉부와 복부에 부착이 가 능하며 5V 전원 공급이 가능하도록 AA배터리 형식으로 4개의 950 nm 정도의 발광 다이오드 소자로 구성하였다. 공간 좌표 오차율을 줄이기 위해 4개의 위치 평균 값을 적용할 수 있는 평면으로 구성하였다.
Wiimote 시뮬레이터 개발
시뮬레이션은 Wiimote 2차원 위치 정보를 가지고 가상의 3 차원 좌표로 정합하여 화면에 효과적으로 확인할 수 있도록 하 기 위해, 시뮬레이션 인터페이스 화면에 나타난 3차원 좌표 영 상(그림 2a)이며, 왼쪽 Wiimote (그림 2b), 오른쪽 Wiimote(그림 3b)방향에서 Cubic Box의 가상의 2차원 공간 좌표 지점을 검출한 영상을 함께 제공하도록 하였다. 단, 왼쪽 과 오른쪽 각 방향에서 16개의 적외선 LED가 모두 검출되어 야 한다는 가정하에서 이루어져 있다.
개발된 시뮬레이터는 Wiimote 시스템과 상호 통신이 되어 적외선 발광 다이오드 태그의 위치 정보를 실시간으로 입력 받
a b c
그림 1. 실험에 사용된Wiimote 시스템: (a) 2대의Wiimote와 프레임 고정 장치,(b) 적외선LED 공간 설정 박스,(c) 배터리 형식의 적외선 발광 다이 오드 태그.
a b c
그림 3. Wiimote에 감지된 적외선LED 태그: (a) 좌측Wiimote 4개의LED, (b) 우측Wiimote 4개의LED, (c) 3차원 공간 좌표상의4개의 좌표점과 중 간 평균 좌표점.
그림 2. Wiimote 시뮬레이터의 사용자 인터페이스 화면: (a) 2차원Wiimote 좌측 영상, (b) 2차원Wiimote 우측 영상, (c) 3차원 공간 좌표 영상.
a
b
c
a b c
그림 4. 실험 구성 및 측정: (a) 실험 대상3차원 공간 좌표계,(b) 3차원 공간 좌표 설정,(c) 적외선LED 태그를 부착한 실험 대상.
고, 태그의 실시간 위치와 3차원 공간 상의 좌표가 항상 일치 하도록 조절한다.
본 연구에서 개발된 시뮬레이터 프로그램은 Microsoft Visual StudioTM(Ver. 2005; Microsoft Corp., Seattle, USA)을 사용하여 개발하였다.
현재 시뮬레이터는 3차원 공간상에서 적외선 태그를 감지하 여 4개의 적외선 LED와 가운데에 평균 값으로 표시가 된 지 점의 정보를 제공하며 좌측 Wiimote (그림 3a), 우측 Wiimote (그림 3b)영상이다. 4개의 각 지점의 현재 좌표 지점 을 나타내도록 하는 것이 주 목적이다 (그림 3c).
실험 방법
구현된 시뮬레이터를 기반으로 실험 대상을 침대 위에 누워 있는 상태에서 호흡을 측정하도록 설정하였다. 실험 대상이 누 워 있는 기준으로 좌, 우 방향을 X축, 상, 하 방향을 Y축, 그리 고 위, 아래 방향을 Z축으로 설정하였다(그림 4a). 실험 대상 과 Wiimote와의 떨어진 거리는 약 60 cm이며, 실험 대상이 누워 있을 위치의 흉부와 복부 위치에 가상의 3차원 좌표 공간 을 설정하였다(그림 4b). 적외선 LED 태그는 실험 대상에 각 각 흉부와 복부에 부착을 하였고, 두 대의 Wiimote를 고정한 기계 프레임 장치를 흉부와 복부를 기준으로 평행하게 조절하 도록 하였다(그림 4c).
실험에 참가한 인원은 5명이며, 연령대는 20대 2명, 30대 3 명으로 모두 남자 실험자를 대상으로 측정을 하였다. 실험자는
침대 위에 편안히 누워 있는 상태에서 숨을 들이 마시고 내쉬 는 것을 1분을 기준으로 각각 5번 반복 측정하였고, 호흡 주기 를 측정하는 부분에서 숨을 들이 마실 때의 최대 값을 기준으 로 그 평균값을 계산하여 비교하였다.
결 과
그림 4 및 표 1은 시뮬레이터에서 사람의 복부 부분의 적외 선 발광 다이오드 태그를 부착하여 호흡 주기를 측정한 실험 결과를 나타낸다. 호흡 주기를 10번 반복하여 평균을 내었으 며, 호흡을 하였을 때, 최대의 값을 기준으로 측정을 하였다. X 방향(좌, 우)의 평균 호흡 거리는 1.01 mm 였으며, Y방향(상, 하)의 평균 호흡 거리는 0.44 mm 였다. Z방향(위, 아래)의 평 균 호흡 거리는 12.71 mm로 나타내었다. 특히 X, Y축 방향은 일정한 패턴을 유지하였지만, Z축 위, 아래 방향은 호흡이 불 규칙하게 나타났고, 호흡한 거리가 일정하게 나타나지 않았다.
그림 5 및 표 2는 사람의 흉부 부분의 호흡 주기를 관찰하기 위해 위의 복부 실험과 마찬가지로 실험 결과를 나타내었다.
호흡 주기를 10번 반복하여 평균을 내었으며, X방향(좌, 우)의 평균 호흡 거리는 1.82 mm 였으며, Y방향(상, 하)의 평균 호 흡 거리는 0.39 mm 였다. Z방향(위, 아래)의 평균 호흡 거리 는 4.80 mm로 나타내었다. 위의 복부 호흡 주기와는 달리 일 정한 호흡 패턴을 나타냈다.
고찰 및 결론
본 연구에서는 3차원 공간 좌표 기반에서 복부와 흉부의 호 흡 측정을 위해 Wiimote와 시뮬레이터를 연동하였다. 호흡하 는 정도가 사람마다 다르게 나타나는 것을 확인하기 위해 흉부 와 복부에 적외선 LED 태그를 부착하여 3차원(x, y, z) 각 방 향으로 호흡에 따른 이동되는 거리를 알아보고자, 시중에 쉽게 이용할 수 있는 Wiimote를 이용하여 정량적인 값을 측정하였 고, 각 축이 움직이는 방향을 실시간으로 볼 수 있어 움직임을 수치로 확인이 가능하였다.
앞선 비슷한 연구에서는 Wiimote를 이용하여 만성 폐질환 자들의 호흡 연습을 위하여 폐 재활 치료로써 호흡 패턴을 환
그림 5. 복부 호흡 주기 측정 그래프(x, y, z방향).
표 1. x, y, z 방향의 복부 호흡 주기 측정 데이터(mm)
자에게 보여주어 환자 자신이 호흡 능력을 향상하는데 도움을 주는 연구를 계측 장치를 이용하여 연구를 진행하고 있다. 분 당 호흡이 최대 오류 15%미만이며, RMSE는 전체 측정의 6%보다 낮은 에러율을 보였다[6].
결과적으로, 흉부와 복부는 뚜렷한 차이를 보였으며 수직 방 향(z 축)으로 이동되는 거리가 복부 쪽이 크다는 것을 알 수 있 었다. 복부에서 수직 방향은 불규칙하게 움직임을 보였고, 흉 부에서는 수직 방향이 일정한 값으로 측정 되었다. 호흡 속도 와 이동 거리도 개인마다 다르고 패턴이 일정 하지 않기 때문 에 정량적인 측정이라 할 수 없지만, Wiimote를 이용한 호흡 측정은 일정한 패턴과 속도로 반복 및 평균적으로 측정한 값을 도출할 것으로 기대된다.
결론적으로, 본 연구에서는 쉽고 간단하게 구성할 수 있는 Wiimote와 시뮬레이터를 연동하여 흉부와 복부에 호흡에 따 른 이동 거리를 측정하였다. 호흡 측정 시 3차원의 이동거리를 시뮬레이션을 통해 확인할 수 있었다. 본 연구의 결과를 활용 할 경우, 시중에 쉽게 구할 수 있는 Wiimote를 이용하여, 실시 간으로 3차원 모션과 같은 고가의 계측 장비 보다 빠르고 쉽게 정밀한 데이터 값을 얻을 것으로 기대된다.
향후 연구 계획으로는 흉부와 복부의 호흡측정을 하여 예상 되는 움직임을 예측하여 현재 국립암센터에서 개발하고 있는 마스터/슬레이브형 폐 생검 로봇에 적용했을 때, 생검을 통한 바늘이 인체에 삽입 되었을 경우 로봇에 고정되어 있는 바늘이
숨을 쉬는 방향으로 움직임을 보정을 할 수 있도록 정밀 계측 연구 방안을 마련하여야 할 것이다.
감사의 글
본 연구는 국립암센터 기관고유사업(NCC1110160)으로 수 행 되었습니다. 실험에 참여해주신 김영재 선생님, 전웅기 선 생님, 박찬수 선생님께 감사 드립니다.
참 고 문 헌
1. Anto J, Vermeire P, Vestbo J, Sunyer J. Epidemiology of chron- ic obstructive pulmonary disease. European Respiratory Journal 2001;17:982-994
2. Gosselink R. Breathing techniques in patients with chronic ob- structive pulmonary disease(COPD). Chronic Respiratory Disease 2004;1:163-172
3. Collins E, Laghi F, Langbein W, et al. Can ventilation-feedback training augment exercise tolerance in patients with chronic obstructive pulmonary disease?. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine 2008;177:844-852 4. Gupta S, Ahrar K, Morello F, Wallace M, Hicks M. Masses in
or around the pancreatic head: CT-guided coaxial fine-needle aspiration biopsy with a posterior transcaval approach.
Radiology 2002;222(1):63-69
5. Noriyuki T, Naoki M, Munehiro M, Takeshi J, Osamu H, Seiki H, Shigeyuki Y, Hironobu N. CT-guided needle biopsy of small pulmonary nodules: value of respiratory gating.
Radiology 2000;217:907-910
6. Guirao J, Bellika JG, Fernande L, Traver V. Respiration track- ing using the Wii remote game controller. Studies in Health Technology and Informatics 2011;169:455-459
7. Kim JB, Nam KW, Jang IG, Yang HK, Kim KG, Hwang JM.
Nintendo Wii Remote Controllers for Head Posture Measurement: Accuracy, Validity, and Reliability of the Infrared Optical Head Tracker. IOVS 2012;53(3):1388-1396 8. Attygalle S, Duff M, Rikakis T. Low-cost, at-home assessment
system with Wii Remote based motion capture. IEEE Virt Rebabil 2008;168-174
9. Lee JC. Hacking the Nintendo Wii Remote. IEEE Pervasive Computing Magazine 2008;7:39-45
10. Wang D, Huang D. Low-cost motion capturing using Nintendo Wii remote controllers. University of Toronto CSC2228 Project Report 2008
11. Scherfgen D, Herpers R. 3D tracking using multiple Nintendo Wii Remotes: a simple consumer hardware tracking approach.
Proceedings of the 2009 conference on Future Play 2009;31-32 그림 6. 흉부 호흡 주기 측정 그래프(x, y, z방향).
표 2. x, y, z 방향의 흉부 호흡 주기 측정 데이터(mm)
대한의학영상정보학회지 2012;18:63-68
=초 록=
호흡 측정은 재활치료 및 수술에서 중요하게 작용되는 부분이다. 만성 폐질환자의 경우 폐 재활 치료를 위해 호 흡 연습을 통하여 호흡 능력을 향상시키고 폐에 종양의 여부를 알아보고자 생검 시술 시 환자의 호흡에 따라 몸 의 내부 주요 신경을 피하여 일정한 호흡 패턴을 알고 생검이 이루어져야 한다. 본 논문은 저가형 Wiimote 두 대 와 배터리 형태의 적외선 LED테그를 구성하여 사람의 흉부, 복부에 부착하여 호흡주기에 대하여 분석해 보았 다. 본 연구팀에서 개발한 시뮬레이터를 블루투스로 연동하여 실시간 3차원 좌표값을 측정할 수 있게 하였다. 결 과로는 흉부와 복부의 움직이는 이동범위가 각각 달랐으며, 흉부의 호흡 주기 패턴이 일정함을 보였지만, 복부는 수직축(z축) 방향의 움직임이 큰 차이가 있음을 확인하였다. 추후 연구로는 측정한 값의 데이터를 기반으로 마스 터/슬레이브 방식의 폐생검 로봇 시스템에 적용하여 숨 보정 정밀 제어를 피드백하는 연구를 진행할 것이다.
