첨단의료과학의 발달과 활용
01
고등학교
STEAM ⑩ 첨단영상의료기기의 발달과 활용
1 주제 개요
첨단의료기기들의 원리 및 사용법을 숙지하고 과학 교과속의 분야별 이론을 바탕으로 전공교 과와 수학교과, 미술교과와 연계하여 창의적인 디자인과 개선된 성능을 낼 수 있는 의료기기를 연구, 개발하는 인재양성을 목표로 한다. 모든 의료기기 개발의 시작점은 필요성에 있고 필요에 의한 발명이고 필요에 의한 개선이다. 하지만 개발의 의지가 있다하더라도 기초적인 동작 원리 나 구동 원리를 모르면 그 벽을 넘을 수가 없다. 이번 교재 개발은 이러한 기초 적인 이론을 현실의 개선으로 발전시킬 수 있는 과정과 제품 개발과정을 배우고 실천에 옮겨 첨단의료기기 개발을 위한 과학적인 원리를 활용하는 방법을 익히는데 그 목적이 있다. 첨단 의료기기 영상 처리를 위한 과정과 의료기기 자동제어 및 첨단 의료기기의 대표적 예인 MRI를 배우고 익히면 서 초등 과정, 중등 과정을 거쳐 오면서 배운 내용의 결과물을 얻기 위한 과정으로 꾸며져 있 다.
2 학습 목표
○ 내용목표
- 병을 진단하기 위한 장치의 과학적 원리를 이해한다.
- 의학에 쓰이는 자기장의 원리를 알고 이를 적용할 수 있다.
- 의료용 첨단 로봇에 들어가는 첨단부품들을 알고 기초적인 과학적 원리를 이해한다.
- 의족 및 각종 의료에 쓰이는 첨단과학소재들을 이해하고 특성을 안다.
- 물리적 진단기구들의 발달사를 알고 이들의 원리를 이해한다.
○ 과정목표
- 융합 기술 프로젝트의 창의적 해결을 통해 기술이 융합된 사회를 이해한다.
- 전류와 자기장 관계를 이해하고 이를 의료기기에 어떻게 사용하고 있으며 앞으로 활용된 범 위에 대한 것을 예측한다.
- 병의 내부를 진단할 수 있는 초기의 방법인 X선을 이용한 CT촬영에 대해 알고 이들이 병원 에서 쓰이는 사례들은 살펴보고 장단점을 분석한다.
- 첨단과학과 질병치료 교과단원을 통하여 이해하고 우리 몸속을 들여다 볼 수 있는 의료영상 에 대한 적용사례와 앞으로의 적용방법을 알게 한다.
- 고분자 물질의 구조와 특성을 바탕으로 합성섬유, 나노 물질 등의 다양한 첨단 소재의 원리 를 이용하여 의료기기 및 의료용 로봇에 적용사례들을 이해한다.
- 센서를 활용하여 첨단 의료기기를 자동제어하는 원리를 배우고 개선점을 반영한 자동제어 시스템을 설계 제작한다.
- 의료기구의 디자인에 대해 이해, 독창적인 아이디어로 새로운 제품 디자인을 표현할 수 있게 인공관절 모형 제작한다.
- MRI와 같은 모형을 지닌 솔레노이드를 직접 제작해 보고 전류를 걸어 자기장을 만들어 자기장의 세기를 측정하여 본다.
3 STEAM 과목 요소
◎ S : 자기장, 디지털 신호처리, 센서의 원리를 이해한다.
◎ T : CT, MRI, 센서, 제동제어 시스템의 원리를 이해한다.
◎ E : 창의적인 영상 표현 장치, 자동제어시스템, MRI 모형을 제작한다.
◎ A : 심미적이고 독창적인 의료기구 디자인을 표현한다.
◎ M : 측정하기(길이/무게/부피/X선량/자력)
4 STEAM 단계 요소
◎ 상황제시
1) 스토리텔링을 이용한 첨단과학을 이용한 의료의 발전사 찾아 토론 2) 인간의 체내 조직을 촬영하기 위한 X선의 원리 찾아 분석
2) X선의 문제점 및 의료와 첨단과학의 연계점 찾기
2) MRI장치의 원리, 진단기기의 사용 예 찾고 활용할 방법 토론 3) 새로운 의료 첨단기기와 사람에게 적용했을 때의 문제점 토론
◎ 창의적 설계
1) 첨단 의료기기의 영상 구현 위한 반도체 디지털 신호처리 과정 및 원리를 파악한다.
2) 방사선 진단기기인 X선을 이용한 CT영상 분석과 촬영기를 이해하고 이를 활용하여 새로 운 첨단기기의 탄생을 안다.
3) 의료용 첨단장비로써 로봇을 활용할 수 있는 각종 센서의 원리와 병의 진단기기들의 과학 적인 원리를 이해한다.
4) 센서를 활용하여 첨단 의료기기를 자동제어하는 원리를 배우고 개선점을 반영한 자동제어 시스템을 설계 제작한다.
5) 심미적인 안정감을 줄 수 있는 의료기기 모델을 제작한다.
6) 의료기구의 디자인에 대해 이해, 독창적인 아이디어로 새로운 제품 디자인을 표현할 수 있 게 인공관절 모형 제작한다.
◎ 감성적 체험
1) MRI와 같은 모형을 지닌 솔레노이드를 직접 제작해 보고 전류를 걸어 자기장을 만들어 자 기장의 세기를 측정하여 본다.
2) 모둠별(조별)로 만든 의료 보조기구 및 MRI소형 모형장치에 대한 발표를 하고 모둠과 토 론과 토의를 통하여 더 나은 개선점이 나올 수 있게 한다.
5 지도안 총괄표
과목 과학, 물리 I, 수학, 미술 총차시 총 3차시
단원
[과학] Ⅳ. 정보통신과 신소재, Ⅴ. 첨단과학과 질병치료 [수학] Ⅳ. 미분, 적분
[물리 I] Ⅵ. 반도체와 신소재, 영상장치의 색의 구현 [미술 I] I. 주제 표현
교육과정
2009 개정교육과정_고등1학년군_과학_인류의 건강과 과학기술 ○ 진단의 치료의 어제와 오늘을 안다.
○ 동서양 의학의 차이점을 알고 오늘날 사용되고 있는 첨단기기들의 원리를 이해한다.
2009 개정교육과정_고등3학년군_수학_미분과 적분 ○ 미분계수의 기하학적 의미를 안다.
○ 미분가능성과 연속성의 관계를 이해한다.
2009 개정교육과정_고등2학년군_물리 I_전류와 자기장
○ 병을 진단하기 위한 영상장치에서 색을 구성하는 과정을 이해한다.
○ 빛의 3원색을 이용하여 의료장치의 구성되는 화소를 안다.
○ 의료영상장치를 구현하기 위한 반도체 소자인 발광다이오드(LED)의 원리를 안다.
학습목표
1. 융합 기술 프로젝트의 창의적 해결을 통해 기술이 융합된 사회를 이해하고 실천하 는 태도를 가진다.
2. 물리적 진단기기의 원리를 알고 이를 활용한 첨단의료기기를 이해한다.
3. 우리 몸속을 들여다 볼 수 있는 X선을 이용한 CT에 대한 적용사례와 앞으로 의 적용방법을 알게 한다.
4. CT로 인체 내부를 촬용했을 때의 단층사진의 문제점과 이를 활용한 첨단의 료기기로 발달된 과정을 이해하고 이를 활용한다.
5. 뇌 CT영상과 CT촬영기의 원리를 알고 이를 활용할 수 있다.
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ ) 상황 제시
첨단의료과학 의 발달과 활용(첨단과학
의료의 발전사)에 대한 탐구
도입 (10분) 1/3차시
학습 활동 (30분) 1/3차시
S, T, E, A
(스토리 텔링)
지난 주 철수의 아빠가 수술을 받았다고 한다. 친 구 아빠의 병문환을 가기 위해 친구들이 모여 이야 기를 나눈 중에 이미 퇴원하여 집에 있다는 애기를 들었다. 어떻게 된 일일까? 철수의 말인 즉‘ 우리나 라가 로봇 수술이 활성화 되어 개복 수술이 아닌 로 봇을 이용한 수술을 받았다고 한다. 인간보다 섬세 하고 10배나 확대하여 보기 때문에 수술의 실패가 없고 매우 작은 곳도 수술이 가능하기 때문에 정확 하다고 한다. 또한 개복이 아니라 복강경으로 하기 때문에 회복기간이 매우 빠르다고 한다. 이러한 로 봇수술은 현재는 비용이 많이 들지만 언젠가는 의료 보험 적용이 되어 단가가 내려가면 보편화 되면서 로봇 수술이 활성화 될 것이란 전망이다.
○ 우리 조상들의 병에 대한 대처 방법 알아보기 - 우리 조상들은 병에 걸리면 어떻게 했을까요?
- 조상들의 병의 진단 및 치료 방법은 무엇이 있나 요?
- 서양의료는 언제 들어왔고 진단 및 치료방법은 무엇인가요.
- 우리나라의 과거의료의 진단과 치료를 알아봅시 다.
- 서양의학의 진단과 치료에 대해 알아봅시다.
[ 동영상 내용 ]
◽우리나라 세브란스 병원에서 로봇 수술 5000회를 기념하여 여러 나라의 의사들이 찾아와서 수술을 배우 고 가는 것과 로봇 수술 모습을 영상으로 보여주고 있 다.( 4분)
동영상에서 나온 로봇 수술의 모습을 보고 미래 에는 로봇 수술이 어디까지 가능할 것인지를 상 상해서 말해보게 한다.
▶ ppt 1. 도입장면
우리나라 최초의 근대식 병원인 제중원의 모습
▶ ppt 2.
동영상자료 1
로봇 수술대 동영상 링크
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ )
마무리 (10분) 1/3차시
[ 세부 미션 조건 ]
- 과학의 어떤 요소가 병을 진단하고 치료하는 지를 조사한다.
- 진단을 위한 의료의 발전사를 모둠별로 조사 하여 발표합니다.
- 자기장외에 과학을 이용한 발달사에 대해 조 사하고 토론합니다.
- 전류가 만드는 다양한 자기장의 형태를 학습 하고 이를 모둠별로 토의합니다.
Tip! 아이디어 캐치!
조상들의 의료가 대부분 경험에 의한 것이라는 것 을 이해하고 이들의 과학적인 근거를 찾을 수 있 도록 지도하고, 현대 과학의 원리를 이해하여 조 상들의 의료경험과학을 반영하여 첨단의료에 활용 할 수 있도록 지도한다.
우리의 조상들의 의료와 현대의 의료의 차이점 과 발달사를 이용하고, 현대의 첨단의료와 과학 과의 연계점을 이해한다.
※ 동영상을 보고 과거와 현재의 의료 모습을 비교하여
서양의학이 우리나라 의학과 차이점을 발표해 봅시다.
▶ ppt 3.
※ CT와 MRI의 원리 동영상을 보고 첨단 의료기기 발전의 현주소를
알아본다.
▶ 활동지(1) (학생용 교재 p3~4)
: 첨단 과학 의료의 발전사
▶ 활동지(2) (학생용 교재 p5~8) : 인간의 체내 조직을
촬영한 CT의 원리와 문제점 창의적 설계
첨단의료과학 의 발달과
활용 (인간의 체내 조직을 촬영한
CT의 원리와
S, T, E, M <실험실습 탐구학습>
○ 방사선의 종류에 대해 설명하고 이들의 실생활 사용 사례를 이해하기
- 병의 진단에 사용했던 초기의 의학은 무엇일까 요?
- X선 사용 이전에 병을 진단하는 방법은 무엇인가 요?
- X선의 어떤 원리가 병을 진단하고 이들의 문제점 은 무엇인가요?
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ ) 문제점)
도입 (10분) 2/3차시
학습활동 (30분) 2/3차시
[ 세부 내용 ]
◽ 병을 진단하거나 치료하기 위한 방사선의 종 류 조사하기
◽ 실생활에 쓰인 사례 조사하고 발표하기
◽ 방사선의 양이 인체에 미치는 양과 장단점 분 석하기
활동03. 방사선의 종류 및 실사용 사례 알아보고 발 표하기
[ 동영상 내용 ]
생활 속의 방사선 피폭의 문제점에 대한 뉴스 내 용으로 방사선을 해빛 속에서 나오는 자연방사능 과 핵발전소나 원자력 병원에서 나오는 인공방사 선이 있다. 이러한 방사선이 인체에 미치는 영향 에 대한 뉴스가 영상임
교과서, 과학도서, 컴퓨터 및 스마트폰으로 방사 선의 종류를 조사한다.
방사선의 종류 중 병 진단 및 치료에 쓰인 사례 를 안다.
병을 진단하기 위한 방사능의 어떤 원리가 적용 되는지 학습한다.
방사선을 가지고 활용한 사례 중 X선을 이용한 사례가 CT임을 안다.
모둠 별로 나누어 X선을 활용한 CT의 작동원리와 장단점을 조사한다.
▶ ppt 4.
※ CT와 MRI의 비교 영상을 보고 장단점을
토론해 본다.
▶ ppt 5.
※ 방사선 피폭의 문제점을 토론해본다.
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ )
마무리 (10분) 2/3차시
활동04. 각 기기의 작동원리와 장단점 조사하기
활동 03 에서 열거한 기기들을 모둠별로 나누어 좀 더 자세히 조사한다.
작동원리를 모둠별로 발표하게 하고 이를 활용할 수 있는 사례들을 조사한다.
방사선인 X선의 양이 인간에게 해를 주는 정도를 조사하고 그 내용을 PPT에 정리하여 발표한다.
인간에게 해를 주는 CT이외에 의료에 활용할 수 있는 첨단의료를 조사하게 한다.
[ 세부 미션 조건 ]
의료기기의 종류 장점 단점
청진기 초음파기기
내시경 CT MRI
X선을 이용한 CT의 장단점을 정확히 집어주며 특 징을 잘 이해하도록 안내한다.
Tip! CT 원리를 알려주는 동영상 자료 활용하기 인간에게 해를 주지 않는 첨단의료에 대해 알게 한다.
Tip! 아이디어 캐치!
- 과학은 인간에게 이득을 많이 주지만 그에 반 해 피해도 많이 주고 있다는 것을 알게 한다. 이러 한 단점을 계속해서 꾸준히 극복하려고 할 때에 과학에 발전이 됨을 알게 하고 첨단의료에서도 인 간을 위한 의료기기가 될 수 있게 창의적인 아이 디어를 창출하는 태도를 갖게 하도록 한다.
▶ ppt 6.
※ PET CT의 소개와 촬영과정
※ 각종 진단용 첨단 의료기기의 장단점을
분석한다.
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ ) 감성적체험
(성공의 경험)
첨단의료과학 의 발달과
활용 (X선을 이용한
CT사진 분석)
도입 (10분) 3/3차시
학습활동 (30분) 3/3차시
S, T, E, A, M <실험실습 탐구학습>
○ 의료장비인 CT의 원리 알기
- 전자기파의 특성 및 성질을 이해한다.
- 반사선의 양을 계산 할 줄 안다.
- 이미지를 표한 할 줄 안다.
- X선을 이용한 CT의 원리를 모형으로 표현해보자.
- 첨단 진단기기의 원리 중 X선의 원리를 정리하고 모형화 한다.
[ 세부 내용 ]
◽ CT의 분석법을 이해하고 간단한 CT의 분석방 법을 모둠별로 이해하고 표현한다.
◽ 모둠별로 가능한 방안을 양상방법을 고안하여 발표하고, CT를 대처할 수 있는 다른 방법을 안다.
활동05. CT의 사진분석 원리 및 수학적 원리 활용 하기
[ 동영상 내용 ]
◽ CT 촬영과정 동영상으로 수박의 단면을 자라 서 보는 것처럼 CT는 인체의 한 단면을 찍게 되 는 것으로 여러 각도에서 찍게 되면 3차원 처럼 입체사진도 얻게 된다. 비용이 저렴하다는 것을 영상에서 보여줌
X선을 사용한 CT의 분석법을 안다.
X선량을 계산할 수 있는 기기나 수학적 원리를 적용한다.
사진의 내부 이미지를 가지고 병의 진단 포인트 를 찾는다.
▶ ppt 8.
※ 종류, 부위별 CT 사진을 보고 과학의 어떤 요소를 사용하여 촬영하는
기기인지 조사하여 발표해보자.
▶ ppt 9.
※ CT 촬영과정 동영상
▶ ppt 10. 조별 발표 - 조별로 구성된 내용
발표
- 다양한 형태의 PT 이용
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ )
마무리 (10분) 3/3차시
[ 세부 미션 조건 ]
- 물리적 진단 기기인 CT는 과학의 어떤 요소를 사용하여 촬영하는 기기 인지 조사해 보고 발 표해보세요.
활동06. CT의 이외에 창의적인 병의 진단법 찾기
방사선 이외의 방법으로 병을 진단할 수 있는 방법을 찾는다.
모둠별로 협동하며 창의적인 아이디어를 찾고 그외의 진단방법을 토의한다.
간단한 제작 또는 그림을 그려 발표한다.
현재의 의료기기들의 문제점과 개선점을 찾게 하고 이미지화된 그림을 그려본다.
CT 촬영을 위한 병원에서의 직업의 세계를 탐구 하고 토론하게 하여 진로를 결정하는데 도움이 되게 한다.
활동07. CT의 분석과 관련 직업 찾기
X선을 이용한 CT의 사진 분석과 수학적 원리를 활용하여 X선의 양을 계산할 수 있다.
X선 분석을 색연필을 사용하여 간단한 그림을 그려보게 하고, 병의 진단원리를 발표한 것은 분 석한다.
병원에서 근무하고 있는 방사선과에 대해 간단 히 소개하고 직업의 적성을 고려한 선택을 하게 한다.
▶ ppt 11. 수업 활동 마무리
- 개인평가표, 조별 평가표 작성
▶ 활동지(4) (학생용 교재 p14) : 수업 한줄 소감문
연번 평가 기준 방법 1 의료와 첨단과학은 어떤 연계점을 가지고 있고 어떠한 원리가 인체
내부의 사진을 찍을 수 있나요? 학습평가
2 CT은 어떤 것을 가지고 측정하고 있고 그 양이 인간에게 주는 해는
무엇인가요? 토론 및 관찰평가
3 X선량을 가진 CT사진을 그림으로 잘 표현하고 있나요? 관찰평가
4 모둠별 첨단기기와 의료에 적용사례들을 잘 조사하고 발표하고 있
나요? 관찰평가
5 CT사진을 대체할 수 있는 다른 첨단의료기기가 어떤 것이 있는지
모둠별로 조사하고 발표하고 있나요? 관찰평가
6 의학에 쓰이는 자기장의 원리를 어떤 것이 있으며 다른 분야에 쓰 이는 예는 어떤 것이 있나요?
관찰 및 학습내용 평가
7 우리 몸을 들여다 볼 수 있는 다른 첨단기기는 무엇이고 그것의 과
학적 및 기술적 원리를 무엇인가요? 관찰평가
8 첨단의료기기의 장단점을 분석하고 단점을 보완할 수 있는 방법은
무엇인가요? 관찰평가
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및
유의점(※ )
Tip! 아이디어 캐치!
- CT사진 분석과 더불어 방사능이 인체에 미치 는 효과를 알게 하고, 인간에게 해가 되지 않 은 양을 반드시 조사하여 알게 한다. 이를 바 탕으로 새로운 진단기기가 있음을 알게 하고 그 다음 학습단원인 솔레노이드의 원리를 이 용한 MRI에 관심을 가질 수 있게 유도한다.
6 평가 계획
7 수업 자료
◆ PPT자료
◆ 사용 동영상
<로봇 수술 장명 동영상> <미세한 부분까지 가능하게 하는 로봇 동영상>
<CT사진 촬영단계 동영상> <자외선 이용한 뼈사진 촬영실습영상>
<병원의료기기에서 방출되는 방상선 영상> <CT영상 촬영 영상과 조영제 영상>
생각 두드리기
고등학교 1∼2학년
STEAM ① 첨단의료과학의 발달과 활용
◆ 학생용 워크북
첨단과학과 의료
과학과 의료는 항상 같이 해왔다. 몸이 아파 병원에 가게 되면 맥박과 혈압, 체온을 재고, 청진기 를 사용하여 우리 몸속에 있는 소리를 들어 병의 원인을 진단한다. 이때, 쓰이는 것이 바로 기구가 과학적 원리를 이용한 것들이다. 유능한 의사는 얼마나 정확하게 환자의 질병을 진단하느냐에 달려 있다. 정확한 진단을 위해서는 과학적 원리를 이용한 의료기구들은 정확하고 확실하게 알고 있어야 한다.
수세기 동안 의사들은 환자가 제공하는 주관적인 정보와 직접보고 느끼고 들을 수 있는 정보에 기반을 두고 진단하였다. 그러나 매우 다른 원인을 가진 질병들이 다양하고 복잡하게 나타나면서 이를 위한 의료기기들의 발달과 진화도 불가피해졌다. 청진기 하나로 병을 진단하기에는 병의 종류 가 너무 많아지고 복잡해진 것이다. 어쩌면 예전에 발견하지 못한 질병들을 발견하고 있다는 것이 더 정확한 표현일 것이다.
예전에 우리 조상들은 원인 모를 병으로 죽어가는 사람들이 많았다. 질병의 치료는 원인을 알아 야 한다. 그 원인을 찾기 위해 많은 노력을 해왔던 것이다. 이러한 노력은 서양의약이 들어오면서 비약적인 발전을 하게 된다.
우리나라는 최초의 근대식 병원인 제중원이 1885년에 미국의 선교사 알렌에 의하여 세워졌으 며, 의사와 간호사를 양성하고 근대식 의술을 펼치기 시작하였다. 이때부터 과학이 의료에 적용되 었다고 봐도 틀린 것은 아닐 것이다.
공학의 발달은 의료의 발달을 가져왔다. 첨단의료진단기기라고 할 수 있는 초음파, MRI 등이 과 학적 원리를 이용하여 정확한 진단을 할 수 있게 되었다. 오늘날에는 로봇수술을 이용하여 보다 정 확한 처지와 빠른 회복을 할 수 있게 되었고 앞으로도 계속 이 분야에 발달할 것이다.
< 수술대의 모습>
<우리나라 최초의 근대식 병원인 제중원의 모습>
첨단의료의 발달은 우리의 평균수명을 늘리는 것이고 건강한 삶을 유지하는 것이라고 할 수 있 다. 특히 로봇을 이용한 의료는 더욱 발전할 것이라고 보며 기존의 수술과 치료의 방식이 많은 발전 을 보일 것이다.
< 플루 바이러스>
진단과 과학
병의 원인을 알아야 치료가 가능하다. 이는 동양의학이나 서양의학 모두의 공통점이라고 할 수 있다. 이러한 진단을 위해서 과학이 필요하다. 정확학고 신속한 진단은 무엇보다도 치료와 예방이 중요한 과정이다. 특히 감염성 질병의 조기 발견과 처방은 환자뿐 아니라 확산방지를 위한 대중을 위해서도 매우 중요하다. 최근 감염성이 강한 신종 플루 바이러스 검사에 환자의 콧물에 있는 유전 자를 증폭시킨 후 바이러스 유전자의 존재를 확인하여 최종 감염 여부를 확인하는 방법을 이용하고 있다. 이러한 방법은 3시간 만에 확진 판정을 내릴 수 있는 검사방법이라고 한다.
이처럼 진단은 정확성과 신속성을 지녀야 한다. 그래야 병의 확산을 막고 조기에 치료가 가능한 것이다. 이러한 진단에 물리적 진단과 화학적 진단 원리가 쓰이고 있다.
물리적 진단
1880년대 초에는 돌돌 말은 종이를 통해 폐의 소리를 들었으며 이것이 바로 청진기를 발명하게 된 계기가 되었고 물리적 진단기구의 시초라고 할 수 있다. 글 다음으로 X선이 발견과 초음파, 자기 장을 이용한 진단기구, 컴퓨터 영상, 생물학적 의학에 의한 지식 축적으로 질병을 조기에 발견할 수 있게 되었다.
청진기, 혈압계, 체온계, 내시경, 초음파 진단기, CT, MRI, 심전계 등은 물리적 진단기구들이며 이것들은 대부분 물리학 또는 생물학의 기반을 두고 병의 원이를 측정하고 있다.
화학적 진단
화학적 검사는 혈액과 대소변 및 타액에 포함된 화학적 물질을 분석하여 질병에 나타나는 증상을 발견하는 것을 말한다.
혈액검사는 소량의 혈액을 채취하여 백혈구, 지질, 철분함량 등을 측정함으로써 간암, 고지혈증, 빈혈, 동맥경화, 면역결핍 등 매우 광범위한 이상 징후를 검진하고 있는 방법이다.
소변 검사는 검사지의 색 변화로 당뇨, 단백뇨 등의 여부를 검진할 수 있는 간단한 방법이 있고 또 냄새를 맡아보는 방법으로 몸의 대사 여부를 아는 방법이다.
최근에는 유전자 정보와 단백질 분자를 이용한 바이오칩의 개발되어 이를 이용하는 분자 진단법 도 있다.
의료에 쓰이는 X선
X선이란? 대전입자의 감속이나 원자 내 전자의 전이에 의해서 생성되는 극히 짧은 파장의 전자 기복사라고 한다. X선의 파장은 0.05Å에서 수백 Å(1Å=10－10m)에 이른다(→ 옹스트롬). X선은 진공에서 다른 전자기복사(감마선⋅자외선⋅가시광선⋅적외선⋅전파)와 같은 속도(3×108㎧)를 가지며 간섭⋅회절⋅편광과 같은 파동성과 관련된 현상을 나타낸다.
X선은 1895년 11월 8일 독일의 뷔르츠부르크에서 빌헬름 콘라트 뢴트겐에 의해서 발견되었 다. 뢴트겐은 저압의 기체를 통한 전기방전에 의해서 생기는 음극선(방전관의 음극에서 방출되는 전자들)의 효과를 연구하던 중에 X선을 발견하게 되었다. 많은 과학자들이 음극선의 특성을 연구 했지만, 뢴트겐은 이들 이전의 연구자들이 지나쳤던 효과, 즉 방전관 밖의 시안화 백금산 바륨이 얇게 입혀진 표면이 기체 방전관의 가시광선과 자외선으로부터 가려져 빛(형광)을 발하는 것을 발 견했다.
그는 방전관에서 나오는 보이지 않는 복사가 공기를 통해 스크린에 닿아 형광을 발하게 한다고 추론했다. 그는 이 이상한 새로운 광선을 그 미지의 성격을 나타내기 위해 X선이라고 했다.
< 부분 CT 사진>
X선을 이용한 CT
X선을 이용한 엑스선 전산화 단층 촬영(X-ray Computed Tomography) 또는 컴퓨터 단층 촬 영(Computer Tomography, CT)은 컴퓨터 처리가 만들어내는 단층 촬영을 이용하는 의학 화상 처리 방식의 하나이다. 디지털 지오메트리 처리(Digital Geometry Processing)는 하나의 회전 축 주위에서 촬영한 일련의 2차원 엑스선 영상으로부터의 물체 내부의 3차원 영상을 만드는 데 쓰인다.
CT라고 하는 컴퓨터 단층촬영은 측정하고자 하는 시료가 360° 회전하는 동안 연속적으로 촬영 된 X-ray 2차원 투사이미지를 수학적으로 조합하여 3차원 시료이미지를 획득할 수 있는 방법이다.
X-ray 소스의 반대편에 X-ray검출기를 설치하고 투과된 X-ray의 세기를 측정하면 내부의 구조와 재질의 영향이 중첩된 X-ray 투과영상으로 나타나게 된다.
첨단과학과 의료의 발전사 1차시 병을 진단하는 방법으로 동서양을 비교하고 의료의 발전사를 알아보자.
손을 대서 진단하는 법(촉진 혹은 절진)
손을 대서 진단하는 우리 의학의 방법은 크게 두 가지가 있습니다. 하나는 맥을 짚어 보아 진단하는 맥진이요, 다른 하나는 배의 모혈을 눌러보아 장부 의 상태를 확인하는 복진입니다. 둘 다 우리 조상 들의 지혜가 담겨 있는 뛰어난 진단법들입니다. 다 른 기계장비나 도구 없이도 어느 정도 확실하게 환 자의 상태를 확인할 수 있는 좋은 비법이니 필히 잘 익혀두면 좋은 일이 있을 것입니다.
생각 열기
서양 의학은 주고 기기를 이용하여 병은 진단하고 양약에 의존하는 반면 한의학은 주로 손을 이용하여 진단하고 경험에 의한 경우가 많 다. 약초에 의하여 약을 제조하여 처방하는 경우가 많다.
우리조상들의 병에 대한 대처 방법을 알아봅시다.
맥을 짚어 병을 어떻게 진단했는지 말해봅시다.
맥을 집어 진단하는 법을 절진라고 하는데, 환자의 양 손목의 맥을 집어 맥박의 성질과
상태를 살피게 된다.
배의 모혈을 왜 눌렀으며 어떤 상태에서 병을 알아내는지 서로 토론하고 말해봅시다.
모혈을 눌렀을 때 배꼽 양 옆이 아픈 경우는 대장이 아픈 경우, 배 중앙이 아픈 경우는 위장이 안 좋은 경우, 갈비뼈 밑이 아픈 경우는 간담이 허약한 경우, 명치뼈가 아픈 경 우는 심장에 이상이 있는 경우 아랫배가 아픈 경우는 방광에 이상이 생긴 경우라고 할 수 있다.
서양의학이 들어온 때와 우리나라 의학의 차이점을 조사하여 발표해봅시다.
<학습문제> 전류에 의한 자기장의 원리에 대해 설명하시오.
전류가 만드는 다양한 자기장의 형태에 대해 말해보세요.
자기장의 세기를 이용한 병을 진단하는 장치는 무엇이며 그 원리는 어떻게 되 는가?
과학적 원리를 이용한 병의 진단장치를 시대별로 정리하시오.
각 진단장치들의 간단한 원리를 쓰고 그에 따른 장단점을 분석하여 토론해 봅 시다.
과학의 원리 중 병을 진단하는지를 알아봅시다.
전류가 흐르면 전류에 방향에 수직으로 자기장이 형성이 된다. 전류의 세기가 클수록 자 기장의 세기도 증가한다. 자기장의 세기의 공명현상을 이용한 기기가 바로 MRI라는 첨단 의료 진단기기이다.
과학을 이용한 의료의 발달사에 대해 조사하고 토론하여 봅시다.
의료의 발전사는 읽기자료의 각종 첨단기기에 기록되어 있으며 이를 바탕으로 간단한 원
리를 학생들이 알 수 있도록 한다.(뒤의 교사용 읽기자료 참고)
전자기파의 종류 특징 실생활 및 의료 적용 사례 r선(감마선) 투과력이 강하다. 전하량을 띄지
않는다. 전자기장에서 직진한다. 의료용 암치료
X선(뢴트겐선) 투과력이 강하다. 물질의 내부 구조를 알아 보고, 인체내부의 구조를 찍은데 활용된다.
자외선 물질의 화학반응을 일으켜 피부 의 노화를 촉진한다. 살균작용을
한다. 식기 소독기
가시광선 우리 눈으로 볼 수 있는 것으로
사물을 보기위해 필요하다. 광학기기
적외선 발열체에서 주로 발생이 되고 열
선이라고도 한다. 적외선 온도계, 적외선 카 메라, 리모컨
생각 펼치기
인간의 체내 조직을 촬영한 CT의 원리와 문제점 2차시 CT에 사용되는 방사선에 대해 알아보고 기기들의 장단점을 파악해봅시다.
의료기기의 종류 장점 단점
청진기 간편하고 인체 내부의 작은 소리
로 들을 수 있음(읽기자료참고) 의사에 경험에 의존 (읽기자료 참고)
초음파기기 MRI나 CT에 비해 가격이 저렴 인체에 해가 없음(읽기자료 참 고)
단단한 두 개골의 내부는 볼 수 없다. 잠재적인 생리 학적 영향을 줄 수 있다.
내시경 직점 몸의 일부를 눈으로 불 수 있고 직접 시술도 가능하다.(읽
기 자료 참고) 검사비용이 비싸다.
CT 2차원의 X선 영상을 3차원의 영상 화 할수 있다. MRI에 비해 비용이 저렴하다. 장기촬용에 유리하다.
환자가 방사선에 노출이 된 다.
조영제의 부작용이 있다.
MRI CT와는 달리 방사선 노출이 되지 않는다, 해상도가 매우 높다. 내 경색의 경우에 유리하다.
의료보험의 되지 않는 경우 가 많아 비용이 많이 든다.
전자기파 종류와 특징에 대해 조사하고 실생활 및 의료에 사용된 사례를 알아봅시다.
각 의료기기들의 장단점을 분석해 봅시다.
활동 1에서 열거한 기기 들을 모둠별로 나누어 좀 더 자세히 조사한다.
Ÿ 같은 기기를 두 모둠 정 도가 조사하도록 하여 교 차 점검이 가능하도록 진 행한다.
Ÿ 한 모둠은 두 가지 정도 의 기기를 조사하고 그 내용을 PPT나 전지에 정 리하여 발표한다.
CT 원리 설명 소아 뇌 초음파 설명
대장내시경(애니메이션)
CT의 촬영에 쓰이는 방사선의 종류를 알고 방사선의 양이 인간에게 어떤 피해를 주는지 에 대해 토론해 봅시다.
CT는 어떤 원리에 의해 몸의 병을 찾아내는지 말해봅시다.
X선 전산화 단층촬영 장치로 측정하고자 하는 시료가 360°회전하는 동안 연속적으로 촬 영된 2차원 투사이미지를 수학적으로 조합하여 3차원 시료이미지를 획득한다.
CT에 쓰이는 방사선인 X선은 인체에 어떤 피해를 주는지 조사하여 토론해 봅시다.
x선량은 방사능으로 소량은 인간에게 해를 주지 않지만 과다가 되었을 때는 정상적인 세 포의 오염을 일으킨다.
CT를 대신하여 인체의 내부를 얻을 수 있는 첨단의료기기가 있는지 알아봅시다.
방사선 오염이 되지 않는 MRI가 있다. MRI는 자기장의 공명을 이용한 것으로 현재까지는
인체에 해를 주는 것은 발견되지 않았다.
CT 찍은 뇌 사진 CT로 찍은 코 사진
CT로 찍은 치아 사진 CT로 찍은 폐암 사진
생각 다지기
X선을 이용한 CT사진 분석 3차시
우리 의료 장비인 CT의 원리를 알고 사진을 분석해봅시다.
서양CT로 찍은 사진을 보고 느낀 점을 말해봅시다.
X선은 투과력이 매우 강한 전자기파로 인체의 내부에서 반사되는 것을 이용하여 인체 내부를 촬영하여 단면을 찍을 수 있다. 이러한 단면을 여러각도로 촬영하여 3차원 영상을 얻는 것이 CT이다.
CT에 이용되는 방사선은 X선이다. 이러한 X선은 인간의 정상적인 세포 를 오염되게 한다.
물리적 진단 기기인 CT는 과학의 어떤 요소를 사용하여 촬영하는 기기인지 조사해 보고 발 표해보세요.
CT에 사용되는 방사선은 어떤 종류이고 이러한 방사선은 어떤 기능을 하는가?
이번에 나는?
어떤 활동을 하였는지 이야기하여 봅시다.
무엇을 알게 되었나요?
내가 학습한 내용을 평가해 본다면?
자신에게 맞는 숫자에 동그라미하세요. 모른다 안다 1. 의료에서 CT에 쓰이는 방사선은 인간 1 2 3 4 5
어떤 영향을 끼치는지 알고 있나요?
2. CT 사진 보고 병을 진단할 수 있나요? 1 2 3 4 5
나의 느낌은?
이번 시간에 활동한 느낌을 표현하여 보세요.
모둠원에 대해 말해주세요
우리 조원들은?
모둠원 이름 아무 것도 하지 않았다 열심히 했다
1 2 3 4 5
선생님의 의견은?
모두 끝나고!
이번 활동을 통하여 더욱 알고 싶어진 것은 무엇인가요?
생각 되돌아보기
우리들의 활동을 평가하여 봅시다.
의료용 첨단 장비와 로봇 센서
02
고등학교
STEAM ⑪ 의료용 첨단 장비와 로봇 센서
1 주제 개요
첨단의료기기들의 원리 및 사용법을 숙지하고 과학 교과속의 분야별 이론을 바탕으로 전공교 과와 수학교과, 미술교과와 연계하여 창의적인 디자인과 개선된 성능을 낼 수 있는 의료기기를 연구, 개발하는 인재양성을 목표로 한다. 모든 의료기기 개발의 시작점은 필요성에 있고 필요에 의한 발명이고 필요에 의한 개선이다. 하지만 개발의 의지가 있다하더라도 기초적인 동작 원리 나 구동 원리를 모르면 그 벽을 넘을 수가 없다. 이번 교재 개발은 이러한 기초 적인 이론을 현실의 개선으로 발전시킬 수 있는 과정과 제품 개발과정을 배우고 실천에 옮겨 첨단의료기기 개발을 위한 과학적인 원리를 활용하는 방법을 익히는데 그 목적이 있다. 첨단 의료기기 영상 처리를 위한 과정과 의료기기 자동제어 및 첨단 의료기기의 대표적 예인 MRI를 배우고 익히면 서 초등 과정, 중등 과정을 거쳐 오면서 배운 내용의 결과물을 얻기 위한 과정으로 꾸며져 있 다.
2 학습 목표
1) 과학적 태도
- 병을 진단하기 위한 장치의 과학적 원리를 이해한다.
- 의학에 쓰이는 자기장의 원리를 알고 이를 적용할 수 있다.
- 의료용 첨단 로봇에 들어가는 첨단부품들을 알고 기초적인 과학적 원리를 이해한다.
- 의족 및 각종 의료에 쓰이는 첨단과학소재들을 이해하고 특성을 안다.
2) 과학적 탐구
- 융합 기술 프로젝트의 창의적 해결을 통해 기술이 융합된 사회를 이해한다.
- 전류와 자기장 관계를 이해하고 이를 의료기기에 어떻게 사용하고 있으며 앞으로 활용된 범위에 대한 것을 예측한다.
- 영상정보 전달과정을 교과단원을 통하여 이해하고 우리 몸속을 들여다 볼 수 있는 의료영 상에 대한 적용사례와 앞으로의 적용방법을 알게 한다.
- 고분자 물질의 구조와 특성을 바탕으로 합성섬유, 나노 물질 등의 다양한 첨단 소재의 원 리를 이용하여 의료기기 및 의료용 로봇에 적용사례들을 이해한다.
3) 창의적 도전
- 창의적인 영상 표현 장치의 모형을 제작한다.
- 센서를 활용하여 첨단 의료기기를 자동제어하는 원리를 배우고 개선점을 반영한 자동제어 시스템을 설계 제작한다.
- 의료기구의 디자인에 대해 이해, 독창적인 아이디어로 새로운 제품 디자인을 표현할 수 있게 인공관절 모형 제작한다.
- MRI와 같은 모형을 지닌 솔레노이드를 직접 제작해 보고 전류를 걸어 자기장을 만들어 자기장의 세기를 측정하여 본다.
3 STEAM 과목 요소
◎ S : 자기장, 디지털 신호처리, 센서의 원리를 이해한다.
◎ T : MRI, 영상 표현 장치, 제동제어 시스템의 원리를 이해한다.
◎ E : 창의적인 영상 표현 장치, 자동제어시스템, MRI 모형을 제작한다.
◎ A : 심미적이고 독창적인 의료기구 디자인을 표현한다.
◎ M : 측정하기(길이/무게/부피/자력)
4 STEAM 단계 요소
◎ 상황제시
1) 스토리텔링을 이용한 문제점 및 의료와 첨단과학의 연계점 찾기 2) MRI장치의 원리, 진단기기의 사용 예 찾고 활용할 방법 토론 3) 새로운 의료 첨단기기와 사람에게 적용했을 때의 문제점 토론
◎ 창의적 설계
1) 첨단 의료기기의 영상 구현 위한 반도체 디지털 신호처리 과정 및 원리를 파악한다.
2) 영상 표현 장치의 기능과 구성요소를 분석한다.
3) 의료용 첨단장비로써 로봇을 활용할 수 있는 각종 센서의 원리와 병의 진단기기들의 과학 적인 원리를 이해한다.
4) 센서를 활용하여 첨단 의료기기를 자동제어하는 원리를 배우고 개선점을 반영한 자동제어 시스템을 설계 제작한다.
5) 심미적인 안정감을 줄 수 있는 의료기기 모델을 제작한다.
6) 의료기구의 디자인에 대해 이해, 독창적인 아이디어로 새로운 제품 디자인을 표현할 수 있 게 인공관절 모형 제작한다.
◎ 감성적 체험
1) MRI와 같은 모형을 지닌 솔레노이드를 직접 제작해 보고 전류를 걸어 자기장을 만들어 자 기장의 세기를 측정하여 본다.
2) 모둠별(조별)로 만든 의료 보조기구 및 MRI소형 모형장치에 대한 발표를 하고 모둠과 토 론과 토의를 통하여 더 나은 개선점이 나올 수 있게 한다.
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ )
상황 제시 첨단 의료용
첨단장비와 로봇 센서에
대한 탐구
센서란?
S, T, E, M <이론 및 탐구수업>
○ 세상을 알려주는 정보 (센서 란?) - 인간의 오감과 센서에 대해 학습한다.
- 다양한 센서의 원리를 알고 이용되는 예를 학습한 다. (화학, 압력, 광, 가속도, 온도센서)
- 첨단 의료장비에 들어가는 센서의 종류를 알아본 다.
- 로봇을 구동하기 위한 센서와 제어 알고리즘을 알
▶ ppt 1. 도입장면
5 지도안 총괄표
과목 과학, 수학, 미술 총차시 총 3차시
단원
[과학] Ⅰ. 정보 통신과 신소재 (정보통신 사회와 반도체-센서, 정보를 읽어라) [수학] Ⅳ. 미분, 적분
[미술] 5. 다양한 표현, 11. 생활 속의 디자인
교육과정
2009 개정교육과정_고등1학년군_과학_정보통신과 신소재
○ 정보를 인식하는 여러 가지 센서의 기본 작동 원리를 과학적으로 이해하고 휴대전화, 광통신 등 첨단 정보 전달기기를 통하여 정보가 다른 형태로 변 환되어 전달되는 과정을 이해한다.
2009 개정교육과정_고등3학년군_수학_미분과 적분 ○ 미분계수의 기하학적 의미를 안다.
○ 미분가능성과 연속성의 관계를 이해한다.
2009 개정교육과정_고등1학년군_미술
○ 생활 속에서 미술이 활용되는 예를 찾아보고 다양한 시각 문화에 관심을 갖는다.
○ 다양한 주제를 탐색하여 자유롭게 표현한다
학습목표
1. 첨단 의료기기에 활용된 센서의 종류와 동작 원리를 이해한다.
2. 센서를 활용하여 첨단 의료기기를 자동제어하는 원리를 배우고 개선점을 반 영한 자동제어 시스템을 설계 제작한다.
3. 마이크로 프로세서를 이용한 자동제어 사례를 기반으로 의료장비 자동제어 를 모둠별로 구현한다.
4. 로봇 의족의 구동 원리와 소재를 파악하여 조별로 모형을 제작해 본다.
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ ) (20분)
1/3차시
첨단 의료용 첨단장비와 로봇 센서에
대한 탐구
나만의 센서 해부도 만들기
(30분) 1/3차시
아본다.
활동01. 조별로 탐구수업 진행 후 내용을 발표한다.
[ 동영상 내용 ]
◽ 센서를 종류별로 활용하여 구동하는 모습
- 탐구 주제 : Sensor Anatomy (센서 해부학) = 제출 결과물 : 센서 해부도, 비용 산출 자료
[ 세부 미션 조건 ]
- 인체의 기능과 연계한 센서를 찾도록 지시 - 센서의 종류와 수량도 같이 명시하도록 지시 - 같은 종류의 센서도 감도와 사용 환경에 따라 다르다는 것을 학생들에게 반드시 주지해야 한다.
다양한 센서를 이용하여 센서 해부 도면을 작성 한다.
실제 사용되어지는 센서를 조사하여 해부도에 배 치하고 구성하기 위한 비용도 산출하여 발표한다.
조별로 인터넷과 미디어를 이용하여 탐구하고 제 작하여 발표한다.
과연 센서 만으로 로봇 구동이 가능할까?
아직 개발되지 못한 센서가 있다면?
센서의 기본 구동 사양을 조사하여 센서를 동작 시키기 위한 환경변수를 파악한다.
개발된 로봇의 센서 활용에 대한 동영상을 보고 본인이 설계한 내용과 비교해 본다.
4대강 사업 ‘로봇 물고기’의 문제점을 이야기해
▶ ppt 2. 동영상자료 1
동영상 링크 ▲
※ 동영상을 보고 무엇이 문제인지 학생들이 스스로
찾아내도록 유도한다.
인간의 오감을 닮다.
첨단 센서
▶ ppt 3.
※ 센서를 인간의 해부도면에 배치하여
자연스럽게 센서의 활용도를 이해하도록
유도한다.
▶ ppt 4. 로봇 동영상
동영상 링크 ▲
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ ) 본다.
Tip! 아이디어 캐치!
- 센서 라는 첨단 장비의 기능을 탐구 활동을 통하여 학생들이 체계화하는데 그 목적이 있다. 너무 센서의 기능과 작동 원리에 치우치면 내용의 난이도가 높아져 서 학생들의 학습 효과를 오히려 떨어뜨릴 수 있다.
- 다음 차시에 진행하는 ‘센서의 자동제어’ 와 연계하 여 탐구 활동을 진행하면 된다.
▶ ppt 5. 로봇의 문제점 파악
▶ 활동지(1) (학생용 교재 p3~4) : 나만의 Sensor
Anatomy 만들기
창의적 설계 센서를 이용한
첨단의료기기 자동제어
센서보드를 이용한 자동화
시스템 설계하기
(50분) 2/3차시
S, T, E, M <실험실습 탐구학습>
○ 센서를 이용한 자동화 시스템 만들기 (센서보드) - 다양한 센서가 탑재된 센서보드를 이용하여 센서
의 동작을 실험한다.
- 음성, 광, 가속, 적외선, 자기 센서의 기능을 이해 한다.
- 센서를 동작시키기 위한 프로그래밍을 학습한다.
- 조별로 알고리즘을 적용한 프로그램을 설계한다.
활동02. 조별로 실험수업 진행 후 내용을 발표한다.
[ 동영상 내용 ]
◽ 센서보드를 이용하여 프로그래밍 하는 모습
- 탐구 주제 : 센서보드를 이용한 첨단의료 자동화 시스템 설계하기
= 제출 결과물 : 알고리즘 발표자료, 프로그램
▶ 활동지(2) (학생용 교재 p5~8)
: 센서를 이용한 자동화시스템
만들기
▶ ppt 6. 센서보드 작동법
▶ ppt 7. 동영상
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ ) [ 세부 미션 조건 ]
- 다양한 센서를 이용하여 첨단 의료기기의 자동 화 시스템의 시뮬레이션을 구축한다.
- 조별로 구현할 첨단 의료기기를 정하고 의료기 기의 동작 알고리즘을 분석하여 센서보드에 프 로그래밍 한다.
- 센서보드를 구동하여 조별로 설계한 알고리즘 이 정상적으로 작동하는지 확인한다.
센서의 종류별 기능이 골고루 적용할 수 있도록 적용한다.
첨단 의료기기의 종류별 동작 알고리즘을 정확히 분석한다.
조별로 작성된 프로그램을 시연하고 동작 확인 후 디버깅 과정을 거쳐 조별로 과제물을 발표한 다.
자동제어의 적용사례는 무엇이 있을까?
자동제어에서 센서의 역할은 무엇일까?
첨단 의료기기의 발전과 자동제어 시스템의 발전 과는 어떤 상관관계가 있을까?
다양한 스크래치 완성 파일과 조별로 작성한 프 로그램을 비교해 본다.
◀ 동영상 링크
▶ ppt 8. ‘스크래치’
프로그래밍
▶ ppt 9. 프로그램 시연
▶ ppt 10. 프로그램 시연
▶ ppt 11. 프로그램 시연
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ )
Tip! 아이디어 캐치!
- 자동제어 및 자동화설비의 개념과 동작 원리를 파 악하여 첨단 의료기기의 동작 원리와 알고리즘을 이해 하는 실험 수업이다. 센서와 마이크로프로세서 및 스크 래치 프로그램의 동작에 너무 비중을 두면 과학 수업 이 아닌 전공 심화 수업으로 진행 될 수 있으니 유의 한다.
- 다음 차시에 진행하는 ‘인공 관절 및 의족 모형 만 들기’ 와 연계하여 탐구 활동을 진행하면 된다.
감성적 체험 (성공의 경험) 첨단소재를
활용한 인공관절 및 의, 보족 모형
만들기
나만의 의, 보족 모형
만들기
(50분) 3/3차시
S, T, E, A, M <실험실습 탐구학습>
○ 인공관절 및 의, 보족 모형 만들기 - 의, 보족의 원리를 이해한다.
- 다양한 소재와 작동 원리를 파악한다.
- 의족을 만들기 위해서 필요한 기술과 주안점을 학 습한다.
- 조별로 창의적인 내용을 반영한 나만의 의, 보족 을 만들어본다.
활동03. 조별로 탐구수업 진행 후 내용을 발표한다.
[ 동영상 내용 ]
◽ 활동을 보조하는 의, 보족 로봇의 모습
- 탐구 주제 : 나만의 의, 보족 만들기
= 제출 결과물 : 의, 보족 설계도, 의, 보족 모형
▶ ppt 12. 로봇 의족 동영상
◀ 동영상 링크
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ ) [ 세부 미션 조건 ]
- 인체의 기능을 보조하고 장애인 뿐만 아니라 일반 사람도 작업 환경 개선을 위한 의족을 개발 - 현재 개발 형태를 분석하여 개선점 모색 - 일잔 의족과 로봇 의족을 구분하여 개발
조별로 현재 개발된 의족의 형태와 소재를 분석 하고 개선점을 모색하여 창의적인 의족이 가능하 도록 한다.
의족과 다리의 근력을 보조하는 기구를 구분하여 접근하도록 한다.
모형의 디테일에 너무 신경 쓰지 말고 아이디어 를 도출하는데 주안점을 둔다.
다른 조 앞에서 아이디어를 발표하고 만든 모형 을 설명한다.
첨단 로봇 기술이 의족에 어떻게 접목 될 수 있 을지를 생각하여 발표한다.
이미 나누어준 개별, 조별 평가지를 작성하고 수 업에 대한 평가를 한다.
▶ ppt 13. 현재 의족 개발 형태
▶ 활동지(3) (학생용 교재 p9~13)
: 나만의 의족 모형 만들기
▶ ppt 14. 디자인과 소재가 차별화된 의족
◀ 동영상 링크
※ 다른 친구의 아이디어를 비웃지 않도록 하고 존중할
수 있도록 지도한다.
흐름 문제제시 & 제작활동 학습자료(▶) 및 유의점(※ )
Tip! 아이디어 캐치!
- 모형 제작이 주안점이 아니라, 창의적인 설계와 접 근 방법이다. 이미 이전 학년에 진행 되어진 창의적인 아이디어 도출 방법을 자유스럽게 활용하여 조별로 발 표하도록 유도한다.
[ PMI 기법 ]
◽ P(Plus): 아이디어에 대한 좋은 점 이야기하기
◽ M(Minus): 아이디어에 대한 나쁜 점 이야기하 기
※ 이번 수업에서는 나쁜 점 → 아쉬운 점, 보충할 점
◽ I(Interest): 아이디어에 대해 발견한 흥미로운 점 이야기하기
▶ ppt 15. 조별 발표 - 조별로 구성된 내용
발표
- 다양한 형태의 PT 이용
▶ ppt 16. 수업 활동 마무리
- 개인평가표, 조별 평가표 작성
▶ 활동지(4) (학생용 교재 p14) : 수업 한줄 소감문
6 평가 계획
연번 평가 기준 방법
1 자동제어 시스템의 계통을 이해하였는가? 관찰평가
2 모둠별로 설계한 제어 시스템의 프로그래밍이 잘 작동 하였는가? 형성평가
3 첨단 의료기기 자동제어 설계 모형은 명확한가? 형성평가
4 첨단 의료기기 자동제어 시스템 모듈 구축 및 발표는 잘하였는가? 관찰평가
생각 두드리기 7 수업 자료
◆ 학생용 워크북
고등학교
STEAM ⑩ 의료용 첨단 장비와 로봇센서
세상을 알려주는 정보(센서 Sensor란?)
센서(sensor)라는 단어가 생기기 훨씬 전부터 실제로 센서를 활용해 왔다. 실례로 나침반으로 방위를 감 지했고, 한란계를 만들어 온도를 측정하였다.
센서란 인간의 5감(본다, 듣는다, 냄새를 맡는다, 맛보다, 감촉하다) 대신에 그 역할을 다하는 기기이며, 또 인간의 5감으로 느낄 수 없는 현상, 예를 들면 적외선 등의 전자파, 에너지가 작은 초음파 등을 검출할 수 있는 기기이며, 또한 인간의 5감은 훨씬 넘는 에너지를 가지고 있는 현상도 검출할 수 있는 기기이다.
디지털방식의 공기압센서 압력센서를 사용한 저울
센서의 정의
센서가 과학, 기술면에서 이용되어 온 역사가 오래된 만큼 센서(sensor)에 대한 정의도 여러 가지 표현 으로 기술되어 왔다. 현재까지도 세계적으로 통일된 정의는 없지만 대체적으로
가. “측정 대상물로부터 정보를 검지 또는 측정하여 그 측정량을 인식 가능한 유용한 신호로 변하는 장치 (device)”
나. “물리, 화학량 등의 외계의 정보를 감지하여 신호처리하기 쉬운 전기나 빛의 신호로 변화하는 기능을 지닌 소자”
다. “신호나 자극에 반응하고 수신하는 장치”
라. “모든 정보 및 에너지의 검출 장치”라고 정의된다.
Sensor는 독립적인 기능은 없지만 다수의 검전기, 신호조절장치, 신호처리장치, 기억장치, 자료기록장 치, 작동장치와 같은 커다란 System에 일부가 된다. 장치에서 Sensor의 역할은 본질적이거나 부대적이다.
아마도 Sensor는 외부영향과 외부자극의 변화에 대한 신호 System을 감지하는 입력장치에 속할 것이다.
Sensor는 항상 다른 종류의 자료수집 장치에 일부분이다. 종종 각각의 System은 다양한 신호 반송 장치를 포함하고 있는 큰 제어 System의 일부가 될지도 모른다.
센서의 어원
센서를 이용한 역사는 인류역사만큼이나 오래된 것으로 볼 수 있으나, 센서라는 말이 언제쯤부터 사용되 게 되었는지는 정확히 알 수 없다. 다만, 지금부터 40~50여 년 전 자동화(Automation: Automatic op- eration) 관계서적을 보면 오늘날의 센서 대신 트랜스듀서(transducer)라는 용어가 등장하고 있다.
트랜스듀서란 변환기의 의미를 가지고 있다. 그리고 그 역할은 측정하고 싶은 양(예를 들면, 밝기나 따뜻 함)을 취급이 간단한 양(예를 들면, 전기, 힘, 길이 등)으로 바꾸는 의미로 사용되었다고 볼 수 있다. 오늘날 의 센서는 대부분의 경우 전기로 바꾸는 것을 의미한다.
센서라는 말은 결국 1960년대 초 무렵인 공업용 로봇이 생길 무렵부터 쓰이게 되었다고 짐작이 된다.
공업용 로봇의 부분들을 인간의 기능과 유사하게 작용할 수 있도록 만든 것이 바로 센서인 것이다
센서라는 단어는 라틴어의 “sens-(us)”에서 유래된 것인데, 1965년경까지도 문헌상에 나타나지 않았 다. 이 센서라는 낱말은 1967년 미국의 McGraw-Hill 출판사가 펴낸 “English─German Technical Engineering Dictionary”(2nd ed)에 정의 없이 최초로 출현하였다.
1974년 역시 McGraw-Hill 출판사가 “Dictionary of Scientific and Technical Terms”(1st ed)에 처음 으로 정의를 넣어서 [sensor]라는 단어를 수록하였는데, 그 정의는 “온도, 압력, 유량 또는 그들의 변화, 혹 은 빛, 소리, 전파 등의 강도를 감지하여 그 정보 수집시스템의 입력신호로 변환하는 디바이스(device)”라 고 되어 있다.
국내에서는 1982년 국어대사전에 센서라는 단어가 처음으로 등장하였다. 이 센서는 인간의 감각 능력 을 확대하기 위한 기술적 수단으로서 목표물로부터 반사 또는 방출되는 에너지에 의하여 지세, 군사적 표 적의 여부, 기타 인공 및 자연물의 활동 사항을 탐지, 지적해 내는 데 쓰이는 장비라고 되어 있다. 그러나 아 직도 센서란 낱말의 개념이 명확하게 정의되어 있다고는 할 수 없다.
왜냐하면 아직은 사용자나 분야에 따라서 약간씩 그 개념의 차이를 나타내고 있다. 이것은 센서 기술이 수요 지향적으로 성장해 왔고, 그 특성이 아주 학제적이고 복합적 기술이기 때문이다. 센서를 좁게 보느냐, 넓게 보느냐에 따라서 그 개념적 차이가 상당히 클 수 있다고 할 수 있다.
센서의 분류
① 구성방법에 의한 분류 : 기본센서, 조립센서
② 측정 대상에 의한 분류 : 광센서, 방사선 센서, 기계량 센서, 전자기 센서, 음파⋅초음파 센서, 온도센 서, 습도센서, 성분센서
③ 검출방법 : 역학적 센서, 전자적 센서, 광학적 센서, 전기 화학적 센서, 미생물학적 센서
④ 검지 메커니즘 : 구조형 센서, 물성형 센서
⑤ 검출량의 변환에 관계하는 형상 : 물리 센서, 화학 센서, 생물 센서
⑥ 구성재료의 종류 : 반도체 센서, 금속 센서, 세라믹센서, 고분자(유기) 센서, 효소 센서, 미생물 센서
⑦ 작용형식: 능동형 센서, 수동형 센서
⑧ 출력형식 : 아날로그형 센서, 디지털형 센서
⑨ 변환에너지 공급방식 : 에너지 변환형 센서, 에너지 제어형 센서
수동형 Sensor는 외부 자극에 반응하는 전기적 신호를 직접 만들어 낸다. 즉 자극에 의한 입력 에너지는 추가적인 동력 없이 Sensor에 의해 출력에너지로 전환된다. 열전지, 초전기적 검전기, 압전기 Sensor가 그 예다.
능동형 Sensor는 전압이라는 외부 동력이 요구된다. 전압은 출력 신호를 만들어 내는 Sensor에 의해 전 환된다. 때때로 능동형 Sensor는 외부 영향에 반응하여 자기만의 특성으로 변화하기 때문에 Parametric (매개변수)이라고 일컬어지고 결과적으로 이 특성들은 전기적 신호로 변환 될 수 있다. 예를 들면 Thermister는 온도에 민감한 저항체다. 어떤 신호가 발생하지 않음에도 불구하고, 전압을 통해 전류가 통 과함으로써 저항은 Thermister를 통과한 전압과 전류에서 탐지된 변화량에 의해 측정될 수 있다. 저항에 서 출력된 이러한 변화량은 온도에 직접적으로 연관된다.
센서 공학의 전망
센서기술 자체가 단일 기술이 아닌 여러 기술의 복합과 조화의 바탕에서 형성되는 복합 기술이고 다학문 적이기 때문에 센서로서의 구비조건을 가지는 소자가 출현되기까지에는 긴 시일이 소요되었기 때문이다.
현재의 센서기술은 특정한 물리량이나 화학량 등을 검출해 내는 데는 인간의 능력을 초월하고 있다. 그 러나 감각기관의 경우에는 인간의 능력을 초월하지 못하고 있다. 이와 같은 문제점을 안고 센서의 개발 방 향은 생체모방화가 필요하다. 즉 이를 달성하기 위해 센서연구는 하드웨어적으로는 기능과 재료의 발달을 목표로, 소프트웨어적인 측면에선 지능화를 목표로 하고 있다.
< 시대의 센서 네트워크>
위 동영상에서 언급한 센서의 기능에 대해 생각해 봅시다.
인간의 오감과 센서와의 관계에 대해서 발표해 봅 시다.
생각 열기
“인간의 오감을 닮다. 첨단센서” 1차시
다양한 센서의 원리를 알고 이용되는 예를 학습한다.
X선 전산화 단층촬영 장치로 측정하고자 하는 시료가 360°회전하는 동안 연속적으로 촬영된 2차원 투사이미지를 수학적으로 조합하여 3차 원 시료이미지를 획득한다.
탐구 주제01. Sensor Anatomy(센서 해부학), 나만의 센서 해부도 만들기 탐구 주제02. 다양한 센서를 이용한 의료 자동화 시스템 만들기(센서보드) 탐구 주제03. 의족관절 및 의족 모형 만들기, 나만의 의족 모형 만들기 다음 동영상을 보고 물음에 답해봅시다.
조별로 센서의 기능 탐구 수업 진행 후 내용을 발표한다.
오늘의 학습문제를 알아봅시다.
생각 펼치기➊
Sensor Anatomy(센서 해부학) 1차시 나만의 센서 해부도 만들기
X선 전산화 단층촬영 장치로 측정하고자 하는 시료가 360°회전하는 동안 연속적으로 촬영된 2차원 투사이미지를 수학적으로 조합하여 3차 원 시료이미지를 획득한다.
실제 사용되어지는 센서를 조사하여 해부도에 배치하고 구성하기 위한 비용도 산출하여 조별로 발표한다(조별로 미디어 검색으로 조사 후 배치).
인간의 오감을 대체하는 첨단 센서들의 의료기기 사용에 대한 의견을 나눠봅시다.
센서만으로 로봇이나 자동화 시스템이 구동되는지 ‘로봇 물고기’ 동영상을 보고 의견을 나누어 봅 시다.
4대강 사업으로 제작된 로봇 물고기는 현재 강바닥의 환경을 고려하 지 못한 개발로 장착된 센서 및 촬영 기기는 아주 맑고 유속이 느리곳 에서만 동작할 수 있도록 제작되어졌다.
실제로 개발된 로봇의 센서 활용에 대한 동영상을 보고 본인이 설계한 내용과 비교하여 문제점을 파악해 봅시다.
4대강 사업 ‘로봇 물고기’의 문제점을 동영상을 보고 적어봅시다.
NEO Robot 원리 동영상
4대강 로봇 물고기 동영상
생각 펼치기➋
다양한 센서를 이용한 자동화 시스템 만들기 2차시 센서보드를 이용한 첨단의료 자동화 시스템 설계하기
다양한 센서를 이용하여 첨단 의료기기의 자동화 시스템의 시뮬레이션을 구축합니다.
조별로 구현할 첨단 의료기기를 정하고 의료기기의 동작 알고리즘을 분석하여 센서보드에 프로 그래밍 합니다.
‘스크래치’ 프로그램을 이용하여 조별로 설계한 알고리즘이 정상적으로 작동하는지 확인합니다.
예제 프로그램 “스크래치에서 로봇 움직여 보기”
의료기기 자동제어 알고리즘을 그려보세요.
<MRI 구조>
생각 펼치기➌
인공관절 및 의⋅보족 모형 만들기 3차시
첨단 소재를 활용한 인공 관절 및 의⋅보족 모형 만들기
세부 미션 조건
인체의 기능을 보조하고 장애인뿐만 아니라 일반 사람도 작 업 환경 개선을 위한 의족을 개발
현재 개발 형태를 분석하여 개선점 모색 일반 의족과 로봇 의족을 구분하여 개발
의⋅보족의 원리를 이해하고, 다양한 소재와 작동원리를 동영상을 통해 이해해 봅니다.
의⋅보족을 만들기 위해서 필요한 기술과 주안점을 학습하고, 조별로 창의적인 내용을 반영한 나망의 의, 보족을 만들어 봅니다.
➊ 조별로 현재 개발된 의족의 형태와 소재를 분석하고 개선점을 모색하여 창의적인 의족이 가능하도록 한다.
➋ 의족과 다리의 근력을 보조하는 기구를 구분하여 접근하도록 한다.
➌ 모형의 디테일에 너무 신경 쓰지 말고 아이디어를 도출하는 데 주안점을 둔다.
의⋅보족
제품명
다리 근력이 약한 사람들을 위한 좌석이 달린 보족
제품 디자인 및 설명
생각 다지기
조별로 활동한 내용을 서로 평가해 봅시다. 3차시 동료 평가(서술형)
조 이름
장점이나 따라하고 싶은 점(Plus)
단점이나 아쉬운 점(Minus)
재미있거나 창의적인 점(Interesting)
센서보드를 활용한 프로그래밍이나 창의적인 의⋅보족 아이디어를 보고 각 조의 장점이나 따라 하고 싶은 점(Plus), 단점이나 아쉬운 점(M inus), 재미있거나 창의적인 점(Interesting)을 찾아 적어보도록 합시다.
생각 되돌아보기
수업 돌아보기 3차시
이번 수업 활동에 대하여 수업 소감문을 간단히 작성하여 발표해봅시다.
1 수업에 적극적으로 참여하였나요?
2 첨단의료기기나 산업체 전반에 쓰이는 센서의 기능 에 대해서 이해하였나요?
3 주어진 조건을 고려하여 창의적으로 나만의 의료기 기 자동화 시스템을 구축하였나요?
4 친구들의 발표를 들으며 장점, 단점, 재미있는 점 등을 찾아 의견을 나누었나요?
5
수업 소감문 : 활동을 통해 느낀 점, 새롭게 알게 된 점 등을
자유롭게 적기
6
스크래치 프로그래밍 또는 첨단의료기기에 대하여 더
알고 싶은 점
이번 수업에서는 나날이 발전하고 있는 첨단의료기기의 중추적인 기능을 하고 있는 다양한 센서 들을 활용해 보는 수업이 진행되었습니다. 수업을 마치며 스스로 수업에 대한 평가도 해보고, 소 감문도 간단히 작성해봅시다. 그리고 스크래치 프로그래밍 또는 첨단의료기기에 대하여 더 알고 싶은 점이 있으면 적어봅시다.
스크래치 프로그래밍 또는 첨단의료기기에 대하여 더 알고 싶은 점에 대하여 집에서 인터넷이나 참고 서적 등을 이용하여 더 알아봅시다.
