유비쿼터스 기술을 이용한 알츠하이머 환자 관리시스템 설계
Monitoring System for patients with Alzheimer's disease Using Ubiquitous Technology
고대식*
Dae-Sik Ko
*요 약
여러 종류의 센서, RFID, 유무선 통신, DBMS 관리, 동영상 전송을 포함하는 유비쿼터스 정보통신 기술은 산업분야 뿐만 아니라 의료분야 적용될 수 있다. 본 연구에서는 배설물 센싱, 리마인드 지원, 그리고 웹원격 모 니터링 시스템으로 구성되는 알츠하이머 환자관리 시스템을 설계하였다. 연구결과, 배설물 센싱시스템은 64명 의 환자를 중앙에서 관리할 수 있고, 리마인드 지원 시스템은 알츠하이머 환자들의 기억력을 도와줄 수 있고, 환자마다 맞춤형 재생시나리오를 편집할 수 있으며, 웝원격 모니터링 시스템은 15 프레임율을 가지고 환자를 실시간 모니터링 할 수 있음을 확인하였다.
Abstract
The IT communication technology including sensors, RFID, wire/wireless communication, DBMS and motion picture transmission can be applied to industry and medical fields. In this paper, patient monitoring system which composed of excrements sensing, remind supporting and web-remote monitoring system has been designed and implemented. It has been shown that excrements sensing system had capabilities of monitoring a maximum of 64 patients, remind support system can be used for helping memory of the patients with Alzheimer's disease, and web remote motion picture monitoring system can monitor patients over the internet with 1 to 15 frames/sec.
Keyword: Ubiquitous, Alzheimer's disease, U-healthcare, web monitoring, remote sensing
* 목원대학교 전자공학과(Division of Electronic Engineering, Mokwon University) ‧ 제1저자(First Author): 고대식
‧ 투고일자 : 2008년 5월 15일
‧ 심사(수정)일자 : 2008년 5월 16일 (수정일자 : 2008년 6월 26일) ‧ 게재일자 : 2008년 8월 30일
I. 서 론
유비쿼터스(Ubiquitous)란 라틴어로 언제, 어디서 나 존재한다. 도처에 널려 있다는 말로써, u-City 란 용어가 최근 몇 년 사이에 정부, 지자체, 산업계, 학 계 등의 관심을 끌고 있다. U-city 는 도시관리, 삶의
질 개선, 그리고 새로운 산업개발을 포함하는 도시혁 신을 기반으로 하는 미래 도시모델이며 기술, 공간, 라이프스타일 이라는 세가지 요소로 구성되어 있다.
한국에서 U-city는 삶의 질을 개선시키기 위한 유비
쿼터스 인프라와 기술, 그리고 서비스를 지원하는 첨
단기술도시건설로 정의할 수 있으며 이 정의에는 시
스템화된 관리기능과 프로세스에 의하여 도시의 가 치가 높아지는 것이 포함되어 있다. U-city의 여러 가 지 서비스중에서 U-헬스케어 분야는 고령화 시대에 있어서 매우 중요한 요소이다[1],[2].
우리나라는 이미 2000년에 고령화 사회(65세 이상 인구비율 7% 이상)에 접어들었고, 2026년에는 65세 인구비중이 20%를 넘는 초고령사회에 진입할 것으 로 예상되고 있으며, 이는 OECD 국가 중 가장 빠른 추세를 보이고 있다. 고령화 추세와 더불어 생활수준 향상에 따른 생활양식의 변화로 과거에 비해 당뇨, 고혈압, 고지혈증 등 만성질환이 급속도로 증가하고 있으며, 이에 따른 의료비용이 사회적인 부담으로 크 게 작용하고 있다. 선진국의 경우 이미 만성질환 관 련 의료비용이 전체 의료비의 50%를 초과하고 있는 것으로 보고되고 있다[3].
U- 핼스캐어(U-healthcare) 위한 정보통신 시스템 은 센서, 유/무선 통신기술, DB 관리 및 동영상 전송 과 같은 정보통신기술을 의료복지 분야에 적용한 것 으로, 예를 들면, 센서를 이용하여 무선으로 환자의 위치와 상태를 메인 모니터링 장치에 송신함으로써 중앙 통제실에서 감시할 수 있는 무선 원격 모니터링 시스템, 인터넷 웹사이트를 통해 서비스요구자에게 환자의 데이터베이스 정보와 동영상을 제공하고 정 보들을 데이터베이스로 관리하여 통계 및 관리에 이 용할 수 있도록 한 웹 원격 동영상 모니터링 시스템, 그리고 당뇨.혈압.심전도와 같은 다양한 센서기술과 유비쿼터스 기술을 병합하여 적시에 의료서비스를 받을 수 있는 시스템이 있다[4]~[6].
본 연구에서는 요양원과 같은 집단 시설에서의 알 츠하이머 환자관리 시스템을 설계하였다. 이를 위하 여 대소변 센싱시스템, 웹동영상 모니터링 시스템, 그리고 알츠하이머의 유형에 따른 리마인드 지원시 스템을 설계하였다. 설계된 알츠하이머 관리 시스템 은 환자간호와 모니터링에 활용될 수 있고, 특히 동 영상, 이미지, 음성 컨텐츠를 편집할 수 있는 리마인 드 지원 시나리오 편집는 요양원이나 가정에서 알츠 하이머 환자의 기억을 반복적으로 리마인드 시켜줄 수 있음을 확인하였다.
II. 유비쿼터스 기술을 이용한 알츠하이머 환자 관리 시스템
알츠하이머 환자관리 시스템은 유비쿼터스 통신 및 컴퓨터 기술을 이용하여 알츠하이머환자 및 장애 인의 간호/관리를 지원하는 시스템이다. 알츠하이머 환자나 장애인처럼 정신과 신체기능이 온전하지 못 한 사람들의 특징은 현재 자신의 상태를 스스로 판단 할 수 없다는 것이다. 유비쿼터스 기술은 환자의 상 태를 자동으로 감지하여 중앙 통제실에 알려줌으로 써 적은 인력이 많은 환자를 효과적으로 관리할 수 지원해준다. 그림 1은 본 연구에서 설계된 알츠하이 머 환자관리시스템이다.
수신장치
중앙통제실 (간호사 모니터링) PC 카메라
PC 카메라
Audio/Video 재생 장치
Internet
1 2
3 5
6 7
8
9 대소변 센싱 원격 모니터링 시스템 : 1 - 2 - 3 치매환자 치료를 위할 리마인드 시스템 : 4 - 5 - 6 웹 원격 도영상 시스템 : 7 - 8 - 9
4
그림 1 알츠하이머 환자관리시스템의 구성도 Fig. 1 Block diagram of the patient with Alzheimer's
disease
알츠하이머 환자 관리시스템은 크게 세 가지 시스 템으로 구성되어 있으며 다음과 같은 기능을 수행한 다. 첫 번째는 환자의 배변상태를 점검하는 대소변센 싱 관리시스템이다.
두 번째로 알츠하이머환자의 기억력 감퇴 감소를
지원하는 리마인드 지원 시스템이다. 알츠하이머환
자의 리마인드 지원 시스템은 각각의 환자 상태에 따
라 중앙 통제실에서 리마인드 지원용 오디오/비디오
재생에 관한 스케쥴을 관리한다. 환자의 보호자나 간
호사는 환자에게 재생될 오디오/비디오 정보를 미리
저장하게 되고 이 정보는 전문의에 의해 환자에게 적
절하게 재생되도록 시나리오가 작성된다. 중앙 통제
실에서는 각 환자에 따라 사전에 전문의에 의해 작성 된 시나리오에 따라 오디오/비디오 정보를 재생하게 된다.
세 번째로 원격 모니터링 서비스는 병원이나 복지 시설 등에서 환자의 보호자를 위한 서비스 관점으로 도 볼 수 있을 것이다. 복지시설에서 관리자가 실시 간으로 환자의 상황을 모니터링 할 수도 있고 환자의 보호자나 친지들이 원격에 있을 경우 일일이 병원을 찾아와 환자의 상태를 매번 확인하는 번거로움을 덜 어주기 위해 환자의 실시간 상황을 웹을 통하여 동영 상으로 서비스 할 수 있는 시스템이다.
2-1 대소변 센싱 시스템
본 연구에서는 대소변 센싱 시스템을 설계하기 위 하여 습도센서중 경로센서를 이용하고 경로센서의 반응영역을 조절하는 회로를 추가하여 소변 센싱 오 동작을 감소시키고 단일화된 구성이 아닌 기능별 회 로의 모듈화를 통하여 적용 대상 제품에 따라서 경보 음 변경, 경보음 재생주기, 소변검출 인지 시간, 소변 검출 알람통보 대기시간 등의 변경을 가능하도록 하 여 건전지 절약 효과를 설계하였다. 땀이나 약간의 실금(소변배설)현상에 대해 민감하게 동작하는 습기 센서의 동작을 둔감하는 기술과 1회용이 아닌 반영 구적 수명을 가진 센서 및 인터페이스 회로부 그리고 휴대용이므로 건전지를 최대한 절약시키는 기술, 마 지막으로 적용 대상 제품에 따라서 경보음 변경, 경 보음 재생주기, 소변검출 인지 시간, 소변검출 알람 통보 대기시간 등의 변경을 지원하는 소변 자동센싱 및 경보기 회로를 구현하여야 한다.
이러한 본 연구의 목적을 달성하기 위하여, 습도 센서중에서 가장 비선형적인 동작특징을 가지고 있 는 경로센서를 이용하고 경로센서의 검출능력을 최 대한 둔감하기 위하여 센서부에 추가적인 저항값을 추가하고 소변이 접촉하게될 센서의 노출면적을 작 게 설계하였으며 건전지의 수명을 길게 하기 위하여 첫째로는 역방향 저항특성을 경로센서를 이용하고, 둘째로는 경보음의 발생도 주기적으로 동작하도록 구성한 특징을 가지고 있다. 아울러, 적용대상에 따 른 갖는 회로의 동작특성을 용이하게 변경시킬 수 있 도록 회로를 단일화가 아닌 모듈화 시킨 특징을 가지
고 있다.
2-2 알츠하이머환자를 위한 리마인드 지원 시 스 설계[7]
알츠하이머환자용 리마인드 지원 시스템은 알츠 하이머 환자 간호 및 관리용 시스템으로써 환자관리 를 위한 음성, 사진 및 동영상 데이터들을 미리 저장 해 놓고, 환자의 관리 시나리오에 따라 저장된 오디 오/비디오를 재생하며 환자의 알츠하이머증상 및 호 전상태에 따라 관리 시나리오를 편집할 수 있는 시스 템이다. 회상 관리 시스템은 크게 회상 에디터 시스 템, 회상 뷰어 시스템, 미디어서버, 멀티미디어 데이 터베이스와 시나리오 데이터베이스로 구성되어 있으 며 그림 2와 같이 설계하였다.
시나리오 데이타베이스 리마인드 에디터 시스텀
멀티미디어 디렉토리 데이타베이스
리마인드에디터시스템
리마인드 뷰어 시스템
리마인드 뷰어 시스템 미디어서버
멀티미디어데이타저장 멀티미디어데이타검색
시나리오저장 시나리오검색 멀티미디어데이타 이동
그림 2. 회상 관리 시스템 전체 구성도 Fig. 2 Block diagram of remind management system
그림 2에서 회상지원 시스템의 에디터는 의사가 환자의 관리를 위해 환자의 기본 멀티미디어 데이터 와 추가 멀티미디어 데이터를 미디어서버를 통하여 멀티미디어 데이터베이스에 저장하고, 저장된 멀티 미디어 데이터들로 각 환자의 기본 관리 시나리오와 추가 관리 시나리오를 편집하여 시나리오 데이터베 이스에 저장하는 시스템이다.
미디어서버는 회상 에디터 시스템에서 보내온 멀
티미디어 데이터를 멀티미디어 디렉토리 데이터베이
스에 저장하고, 검색한 데이터를 회상 에디터 시스템
에게 보내준다. 또한, 회상 뷰어 시스템에서 검색한
환자의 멀티미디어 데이터를 회상 뷰어 시스템에게 보내준다.
회상지원시스템의 뷰어 시스템은 회상 에디터 시 스템으로 편집된 환자의 시나리오를 시나리오 데이 터베이스에서 검색하고, 환자의 멀티미디어 데이터 를 멀티미디어 디렉토리 데이터베이스에서 검색하여 회상 뷰어 시스템으로 가져온다. 가져온 시나리오와 멀티미디어 데이터로 환자에게 시나리오를 재생하여 환자에게 보여준다.
멀티미디어 디렉토리 데이터베이스는 멀티미디어 데이터를 해당 환자의 디렉토리에 저장하는 시스템 으로 멀티미디어 데이터의 저장, 삭제, 검색은 미디 어 서버가 하게 된다. 시나리오 데이터베이스는 멀티 미디어 데이터로 시나리오를 만들기 위한 환자의 신 상정보, 의료정보, 시나리오정보, 멀티미디어 데이터 정보를 저장, 삭제, 검색 할 수 있는 데이터베이스이 다.
2-3 환자 원격모니터링 시스템
웹 원격 모니터링 시스템은 병원이나 복지시설 등 에서 환자의 보호자를 위한 서비스 관점으로도 볼 수 있을 것이다. 환자의 보호자나 친지들이 원격에 있을 경우 일일이 병원을 찾아와 환자의 상태를 매번 확인 하는 번거로움을 덜어주기 위해 환자의 동영상을 웹 상에서 확인할 수 있도록 해주는 시스템이다. 그림 3 은 웹 원격 동영상 모니터링 시스템의 구성을 보여준 다.
웹서버
PC 카메라 PC 카메라 PC 카메라
보호자1
보호자2 환자 모니터링
환자 모니터링 Internet
그림 3. 웹 원격 동영상 모니터링 시스템 Fig. 3. Web-remote moving picture monitoring
system
그림 3에서 각 PC카메라(IEEE-1394 등)로 입력되 는 동영상 정보는 인터넷상으로 전송하기 위해 낮은 전송률을 갖도록 우선 압축과정을 거친다. 이를 통해 여러 환자들의 동영상 정보를 웹 상에서 확인이 가능 하게 된다. 또한, 사용자를 미리 규정하여 다른 일반 사용자들이 환자의 동영상 정보를 접근하지 못하도 록 관리하게 된다.
III. 실험 및 고찰
본 연구에서는 그림 4와 같이 대소변 센싱 시스템 을 구현하였다. 그림 4에서 보이는 바와 같이 대․소변 상태를 센서부에서 감지하여 송신부의 MCU에 그 신 호를 전달하면 MCU는 기 내장된 데이터를 RF 송신 부를 통해 무선으로 수신부로 전달하고 이 데이터를 받은 수신부의 MCU는 데이터의 진위 여부를 판별하 여 인터페이스를 통해 모니터링 컴퓨터에 전달하여 디스플레이 하게 된다.
그림 4. 무선 원격 모니터링 시스템 구성도 Fig. 4 Block diagram of the wireless remote
monitoring system
회상 지원 시스템은 환자의 신상정보와 의료정보
를 저장하기 위해서 SQL Server 7.0을 사용하였다. 이
를 연결시키기 위해서 비주얼 베이직에서는 DAO
(Data Access Object), RDO(Remote Data Object), ADO(Active Data Object) 를 제공하여 데이터베이스와 효율적이 연결을 지원한다. DAO는 데스크탑 환경과 Client Server 환경, 혹은 원격 데이터베이스 환경을 모두 지원하지만, Client/Server나 원격환경에서 처리 속도가 문제가 된다. 이를 개선하기 위해 RDO가 제 공되지만 기존의 ODBC 드라이버를 통해서만 관계 형 데이터베이스를 액세스할 수 있다는 점에서 제한 적이다. 비주얼 베이직 6.0에서는 ADO를 제공하여 모든 데이터베이스 개발 환경을 ADO에 맞추어 놓았 다. ADO는 OLE DB가 제공하고 있는 다양한 데이터 에 동일한 방법으로 접근할 수 있는 능력을 좀 더 쉽 게 사용하기 위해 제공하고 있는 개체이다. 본 시스 템은 향후 멀티미디어 데이터베이스를 위해 ADO를 사용하여 데이터베이스와 연결하여 모든 데이터베이 스의 입출력을 관리한다.
본 연구의 회상지원 시스템은 선행연구 [7]에서 제 시한바와 같은 알츠하이머환자 특성에 따른 효과적 인 관리요법, 환자의 남녀 구분별 그리고 경증, 중증, 자녀동반여부와 부부생존여부에 따른 관리 시나리오 를 이용한다.
환자 상태 모니터링을 위한 웹원격 모니터링 서버 프로그램은 크게 Automatic Camera Select, Camera Initialize, Video View, Image Capture, JPEG Compress, Image Saving 으로 구성된다. 모니터링 서버 프로그 램은 모든 밴더와 USB , IEEE-1394등의 특정방식에 국한되지 않는 지원을 위하여 DirectX의 DirectShow 기반의 프로그래밍을 사용하였다. 기존에 이용되던 VFW(Video For Windows) 기반의 프로그래밍과 비교 하여 더 빠른 수행 속도와 안정성 그리고 카메라의 종류에 구애받지 않는 호환성을 제공한다. 또한, VFW 보다 DirectShow는 더 하위 레벨의 프로그래밍 을 지원하기 때문에 각각의 화면에 따라서 카메라를 설정해 주는 작업의 자동화가 가능해진다. 하나의 서 버는 선택적으로 다수개의 카메라를 지원할 수 있으 며 각 카메라에서 입력되는 영상은 JPEG 방식으로 압축되어 자동으로 서버에 저장된다. 사용자 요구 및 Event 는 미리 정의된 자료구조 및 구성요소의 Message 전송방식으로 처리된다. 저장된 영상 이미 지는 인터넷 프로토콜(TCP/IP)인 HTTP를 이용하여
클라이언트에 전송된다. 이 때문에 다중의 클라이언 트 접속이 가능하여 서버의 효율성을 높일 수 있다.
Image Capture 는 RenderStream을 통하여 입력되는 영 상을 JPEG방식의 이미지로 변환을 위한 초기작업으 로 현재의 영상을 DIB 방식으로 캡쳐한다. 본 프로그 램에서 영상압축을 위하여 사용되는 JPEG 압축 Q-Factor 는 70으로 원 영상과 거의 유사한 화질을 제 공하며 영상 압축비율은 약 15:1 이다.
표 1. JPEG 압축률과 화질 Table 1. JPEG compression
압축률 화질
1/32 - 1/16 Moderate 1/16 - 1/10 Good
1/10 - 1/5 Excellent 1/5 - 1/2 Undistinguishable from
Original Image
실험결과, 대소변 센싱 및 경보장치는 소량의 수 분도 접촉하는 즉시 감지할 수 있기 때문에 환자가 대소변을 배설하였을 경우 이를 감지하고 경보음이 발생하여 보호자가 그 즉시 상황에 대처할 수 있게 한다. 이 시스템은 알츠하이머환자나 장애인이 있는 일반 가정에서도 사용할 수 있는 장치로 환자의 기저 귀에 착용하여 사용할 수 있을 것이다. 웹 원격 모니 터링 시스템 인터넷을 통해 원격에 있는 보호자가 환 자를 실시간 동영상으로 모니터링 할 수 있게 하는 시스템이다. 이는 환자의 상태가 경미하거나 환자를 24 시간 돌볼 수 없는 경우 적절하게 적용할 수 있는 시스템이다. 또한, 복지시설이나 병원 등에서는 원격 에 있는 보호자들을 위한 부가서비스로도 적용될 수 있는 시스템이다. PC카메라(IEEE-1394)를 통해 입력 되는 영상을 압축 처리하고 실시간으로 1-15프레임 정도의 화면을 재생할 수 있었다.
회상지원 시스템의 회상 에디터는 회상지원을 위
하여 치료 시나리오에서 요구되는 동영상, 이미지,
그리고 오디오 편집기능을 지원하며 제작된 비디오
내용을 XML형태의 파일로 저장할 수 있기 때문에
차후 편집을 용이하게 지원함을 확인하였다. 회상 에
디터 시스템은 음성 및 사운드, 동영상을 편집할 수
있는 기능이 있으며 이들 동영상, 음성 및 사운드 그 리고 사진등의 이미지 파일등을 사니리오에 의하여 편집할 수 있는 기능이 있기 때문에 환자의 신상정 보, 의료정보와 멀티미디어 자료 저장 및 관리 시나 리오 편집기능 이외에도 동영상 편집기로 활용될 수 도 있을 것이다.
IV. 결 론
본 연구에서는 요양원과 같은 집단 시설에서의 알 츠하이머 환자관리 시스템을 설계하였다. 이를 위하 여 대소변 센싱시스템, 웹동영상 모니터링 시스템, 그리고 알츠하이머의 유형에 따른 회상지원시스템을 설계하였다. 설계된 알츠하이머 관리 시스템은 대소 변관리, 환자의 실시간관리, 기억력 감퇴감소 지원을 동시에 수행하는 환자간호와 모니터링에 활용될 수 있음을 확인하였다. 실험결과, 대소변 센싱 및 경보 장치는 소량의 수분도 접촉하는 즉시 감지할 수 있기 때문에 환자가 대소변을 배설하였을 경우 이를 감지 하고 경보음이 발생하여 보호자가 그 즉시 상황에 대 처할 수 있게 한다. 웹 원격 모니터링 시스템 인터넷 을 통해 원격에 있는 보호자가 환자를 실시간 동영상 으로 모니터링할 수 있게 하는 시스템이다. 이는 환 자의 상태가 경미하거나 환자를 24시간 돌볼 수 없는 경우 적절하게 적용할 수 있는 시스템이다. 회상지원 시스템은 알츠하이머환자의 기억력 감퇴를 방지해 줌으로써 환자의 상태가 악화되는 것을 방지할 수 있 는 효과가 있을 것으로 기대된다.
참 고 문 헌
[1] SK 텔레콤컨소시엄, “복지기관과 의료기관을 연 계한 u-헬스 서비스”,
한국정보사회진흥원 보고 서, 전문, 2006.11
[2] 한국전산원,“u-City 응용서비스 모델 연구”
한국 전산원 보고서, 2005.10
[3] 김기훈, 김강민, 한덕연, “복지통신의 현황과 발 전방향에 관한 연구”,
한국정보문화센타.
연구보고서
[4] 이준혁, “USN 환경에서 U-Healthcare Monitoring System 구현”,
한국통신학회논문지 제33
권 제2
호, pp. 75-81, 2008.2
[5] 윤석권, 송정영, “환자관리를 위한 EMR 관리시 스템”,
한국정보기술학회 논문지, 제 4권 2호, pp.
11-16, 2006.4
[6] 정원수, 오영환, “U-healthcare 기반의 환자모니터 링 시스템”,
대한전자공학회2007
년도 하계종합 학술대회논문집, 제30권 제1호, pp. 589-590, 2007. 7
[7] 고대식, “치매환자를 위한 회상지원 시스템 설 계”,
한국정보기술학회 논문지, 제 5권 2호, , pp.76-82, 2007.6
고 대 식(高大植)
1982년 : 경희대학교 전자공학 학사 1987년 : 경희대학교 전자공학 석사 1991년 : 경희대학교 전자공학 박사 1994년 ~ 1995년 : UCSB Post-Doc 2001년 ~ 2003년 : 목원대학교 학술
정보처장
1989년 ~ 현재 : 목원대학교 전자공 학과 교수
2007년 ~ 현재 : 목원대학교 공학교육혁신센터장 관심분야 : 인터넷 멀티미디어 통신, U-city, SSD
