생명을 살리는 ICT Healthcare Wrist

1. 과제의 개요

사회적 이슈

대한민국의 현재 사회는 고령화 시대가 아닌 초 고령화 시대이다. 고령화 시대란 고령인구 비율이 증가하고 출생률이 감소하는 추세를 나타내며, 이로 인해 노약자 인구가 상대적으로 더 많아지는 시대를 가리킨다.

[그림 1] 행정안전부 자료에 따르면 2030년 에는 65세 이상의 노약자 인구 비율은 25.5%까지 늘어날 전망이며 2031년엔 국민 절반이 50대 이상이라는 전망이다. 초고령 시대를 직면한 대한민국은 고령화 추세에 대응하기 위해 정부는 노인 복지, 의료 서비스, 고용 기회, 요양시설 증가 등 다양한 정책으로 초 고령화 시대에 대비하고 있다. 노약자가 되어서도 살기 좋은 나라를 만들기 위해서이다.

다만 현재까지 대한민국의 요양시설 대부분은 많은 짐들을 떠안고 있다.

부족한 요양시설

“KOSIS 전국 요양 시설표”에 따르면 2022년 기준 노인복지 시설은 전국에 89,698개이며. 입소 정원은 358,447명이다. 자료에 나와 있지 않은 노인 여가 복지 시설 수용 인원 7만 명까지 포함한다면 정원은 43만 명 가까이 되며. 5,000만 명이 넘는 나라에서 2031년에는 50% 이상이 50세를 넘는다는 전망인데 요양 시설은 고작 정원이 61만 명이다.

현재의 인구 전망으로 봤을 때 미래에는 요양 시설 자체가 부족하게 될 것이며. 또는 자금난과 인력난으로 인해 제대로 된 관리를 해주지 못하는 요양 시설이 증가할 것 이다. 결국 경제적으로 어려워서 의료 서비스를 받기 어려운 노약자들은 초고령화 시대에 제대로 된 케어를 받지 못 하는 시대가 올 것이다.

간호법에 따라 대한민국 요양시설 대부분은 의무 고용표를 준수하여야 한다. 이는 요양시설에 큰 부담이 되며. 한 요양시설의 입소정원은 130명이지만 간호법에 따른 의무 고용표로 인하여 요양보호사를 구하지 못해 노약자를 받지 못하고 있는 상황이다.

요양 보호사의 가중된 업무와 부족한 임금

2023년 요양보호사의 월급은‘고용노동부고 시 제2022-67호’에 명시되어 있는 금액으로 측정되며 최저시급 이다. 9,620원을 월 단위로 환산 시 2,010,580원으로 매우 낮은 편에 속하며. 생계를 유지하기 어려운 급여이다. 요양보호사의 노동은 고강도로, 종종 신체적, 정신적 스트레스를 초래하며 희망하는 수준의 급여를 받지 못하는 경우가 많다. 급여를 제외한 복리후생 혜택도 부족한 경우가 많아, 이로 인해 요양보호사의 퇴직률이 상당히 높으며 신규 요양보호사가 부족한 상황이다.

요양원과 요양병원은 고령자 및 신체적 어려움을 겪는 노약자들을 돌보는 중요한 의료 기관으로, 고객들에게 최상의 의료 서비스를 제공하는 것이 중요하다. 그러나 요양시설 대부분은 재정적인 어려움과 가중되는 업무로 인한 인력 부족으로 인해 어려움에 직면하고 있다. 이로 인해 노약자 에게 품질 높은 의료 서비스를 제공하는 것이 어려워진다.

개발 목적과 필요성

수면시간 제외 모든 활동 시간 동안 노약자의 건강 상태를 모니터링 하는 CareWrist는 큰 잠재력이 있다. CareWrist는 노약자의 심박수, 체온, 산소포화도 등의 중요한 생체 데이터를 실시간으로 모니터링하고 기록하며. 이 정보를 활용하여 요양보호사는 노약자의 건강 상태를 빠르게 파악하고 조치를 취할 수 있다. 조치를 취할 수 있다.

더 중요한 점은 이 기기가 요양원 및 요양병원의 업무 부담을 크게 감소시켜주며 재정 문제를 개선할 수 있다는 것이다. 예를 들어, 노약자 상태의 변화를 미리 감지함으로써 응급 상황을 예방할 수 있으며. 이로써 의료 서비스의 효율성이 향상되며, 의료진은 보다 효율적으로 노약자를 돌볼 수 있게 된다.

또한, 손목 밴드는 노약자의 의료 기록을 자동으로 기록하고 저장하므로, 의료 서비스의 투명성 및 정확성을 높이고 의료 기록의 관리 부담을 감소시킨다. 이로써 재정 문제를 개선하고 노약자들에게 높은 수준의 의료 서비스를 지속해서 제공할 수 있는 도구로 작용할 것이다. 이러한 동기로 아이템을 개발하게 되었으며, 요양원과 요양병원 환경에서 의료 서비스를 향상하고 소프트웨어적 도움을 받아 노약자와 의료진의 생활을 향상하고자 한다.

타 제품과의 비

현 요양시설에서 사용하는 제품[그림 4]이며 가격은 100,000원이다. 요양시설 10곳에 대한 조사 결과 의료 서비스 관련해서 아침과 저녁에 요양사들이 직접 노약자를 찾아가서 산소포화도, 체온 및 심박 수를 수동으로 측정하고 이러한 데이터를 수기로 기록하고 있는 것으로 확인되었다. 이는 요양사들의 가중된 업무를 증가시키며 수기로 데이터를 기록하는 과정에서 휴먼 에러가 발생할 수 있고 데이터 정확성에 영향을 미칠 수 있다. 또한 하루(아침, 저녁) 2회 실시되는 것이기 때문에 긴급한 상황에 민감하게 대응하는 것이 어려울 수 있다.

따라서 현 요양시설에서 사용 중인 제품 대신에 CareWrist를 도입한다면 이러한 문제를 해결하고. 요양사들의 가중된 업무를 줄이고, 더 정확한 데이터를 기록하며 노약자들의 건강 상태를 실시간으로 모니터링 하여 긴급한 상황에 신속하게 대응할 수 있다.

2. 과제개발 주요과정

2-1. CareWrist 개념 설계

CareWrist는 요양시설 전반에 도움을 주기 위한 모델로 효율적인 의료 데이터 수집 및 모니터링 시스템으로, 노약자의 건강 상태를 실시간으로 파악하기 위해 [그림 6]과 같이 설계 하였다.

중요한 생체 데이터를 Processor가 수집한 뒤 RF 통신(RF; Radio Frequency/424MHz 대역)으로 데이터 처리 수행 후 무선 통신 과 RF 통신을 다시 한번 수행하여 CareWrist DB에 저장된다. 저장되는 내용은 Time(시간), Count(횟수), Heart(심박수), SpO2(산소포화도), temperature(체온), Warning(상황 알림)으로 저장되며 CareWrist의 가장 큰 장점은 자동 데이터 시각화 기능으로 보다 간편하게 데이터들을 확인할 수 있게 설계하였다.

2-2. 하드웨어 설계 구성

CareWrist는 [그림 7]과 같이 손목 보호대 형태로 디자인하였으며. 손목 보호대 형태로 디자인 된 이유는 노약자의 편안함과 안전을 최우선으로 고려한 결과이다. “손목터널증후군”은 보건복지부 통계 자료에 따르면 환자 20% 이상을 60대 이상 중년층이 차지하고 있다. 따라서 CareWrist는 노약자들을 위해 손목보호대로 디자인하였고, 이를 통해 손목을 안정적으로 고정하고 노약자들이 더 편안하게 착용하고 사용할 수 있다. 이로써 노약자들은 건강 데이터 수집 및 모니터링을 받으면서 손목 편안함을 유지할 수 있으며, 더 나은 의료 서비스를 경험하게 된다.

손목보호대 외형의 경우 본 연구에서는 85mm X 400mm X 5mm의 (WxHxD)이며, 다소 저렴한 가격으로 설계하였다. 다소 부담스러운 크기일 수 있으나 보다 작은 손목보호대로 제작 가능하며, 프로세서는 RP2040을 사용하고, 배터리의 소비를 최소화하기 위해 사용하였으며 7mm x 7mm의 크기로 손목보호대 내부에 내장돼 있다.

2-3. 심박수/SpO2/체온

CareWrist는 사용자의 건강 상태를 실시간으로 모니터링하고 필요한 정보를 제공하는 시스템으로 데이터 수집 및 데이터를 기록하는 DHT11(체온센서) 와 MAX30102(심박수, 산소포화도 센서)로 부터 데이터를 측정하여 데이터베이스에 저장하는 기능을 구현한다.

또한 노약자와 의료진의 편의성을 위해 장시간 운용할 수 있도록 추가적인 통신 기술을 구현하고자 [그림 9]와 같은 500mAh 배터리를 사용하여 편의성을 확보하였고 운용 환경에서 배터리의 테스트 결과 일반적인 상황에서 500mAh의 배터리를 사용하면 6시간이며 1000mAh의 배터리를 사용하면 12시간 측정이 가능하다.

HC-11 무선 통신 모듈은 여러 유형의 투명 전송 모드를 갖고 있으며, 여러 모드를 내장하고 있다. 또한 RF 통신(RF; Radio Frequency/424MHz 대역)의 주파수 대역을 사용하는 RF 통신용 모듈이며 각 모드는 명령에 따라 변경된다(V1.8). 사용자는 모듈을 프로그래밍 할 필요가 없으며, 사용이 편리하다.

선택된 모드에 따라 80μ A, 3.5mA 또는 22mA 조절 가능하며. 모든 기능과 매개변수는 명령에 의해 변경되며, 저장될 수 있다. 왼쪽에 있는 장치가 모듈로 시리얼 포트 데이터를 전송하면, 왼쪽 모듈의 RXD 포트가 시리얼 포트 데이터를 수신하고, 무선 파형을 통해 데이터를 자동으로 공중으로 전송한다.

오른쪽 모듈은 자동으로 데이터를 수신하고, 왼쪽 장치에서 원래 보낸 시리얼 포트 데이터를 TXD로 부터 복원할 수 있다.

3. 과제의 기술 내용

3.1. 하드웨어 구조

3.1.1. 온습도 센서(DHT-11)

DHT-11(체온 센서)의 원리는 [그림 10]과 같이 서미스터(thermistor)란 저항기의 일종으로, 온도에 따라 물질의 저항이 변화하는 성질을 이용한 전기적 장치입니다. 가변 저항기라고도 하며, 폴리머 나 세라믹 소재로 제작되며 높은 정확도로 온도를 측정할 수 있다.

[그림 11]과 같이 데이터 통신 방식은 1-wired 통신이다. 다시 말해 1개의 신호로 출력과 입력을 모두 사용하는 방식이며. MCU에서는 18ms의 Trigger 신호를 Active Low로 출력하게 되면 이후부터는 40bit의 데이터가 입력이 된다. 입력되는 신호의 0과 1의 구분은 Pulse width로 결정하고. 1개의 구형파 주기에서 high 구간이 26~28 us라면 0으로 인식하고 70 us라면 1로 인식한다.

3.1.2. MAX30100 센서

MAX30100(심박수, 산소포화도 센서)의 원리는 [그림 12]와 같이 빛 방출부에서 방출된 빛의 일부는 우리 몸의 헤모글로빈에 흡수되고 흡수되지 않은 빛은 반사되게 된다. 빛 검출부에서는 이 반사된 빛의 양을 검출해서 전기적 신호로 변환하게 되며. 이때 빛 검출부에서 검출되는 빛의 양은 우리 몸에 산소가 많으면(헤모글로빈이 많으면) 적어지고, 산소가 적으면(헤모글로빈이 적으면) 많아지게 된다. 따라서 검출부에서 검출되는 전기적 신호를 해석하여 우리 몸 안의 산소 포화도와 맥박을 알 수 있다.

그리고 이 과정을 그림으로 도식화 하면 [그림 13]과 같다. 센서 내부에서 2개의 LED를 통해 빛을 방출하고 빛 검출 부에서 감지된 빛을 노이즈 필터링 등의 과정을 거쳐서 신호로 출력한다는 것을 알 수 있다. 맥박 감지용으로는 적외선 LED만 사용되고, 산소포화도를 측정할 때는 빨간 LED와 적외선 LED가 동시에 사용된다.

심장이 수축했을 때(혈액을 뿜을 때는) 혈액 내의 산소포화도가 증가하고 반대로 이완됐을 때는 산소포화도가 감소하게 된다. 그리고 이 증가한 시점과 감소한 시점 사이의 시간 차이를 계산하면 심장박동수도 알 수 있기 때문에 심박 센서로 활용할 수 있는 칩이다.

MAX 30100 칩은 2개의 LED로부터 반사되는 빛의 양을 검출하고 이 값을 버퍼에 저장하도록 설계됐기 때문에 아두이노에서는 이 버퍼에 저장된 값을 I2C 통신을 통해 손쉽게 읽어올 수 있다.

3.2 소프트웨어 설계/구현

CareWrist는 [그림 14]와 같이 생체 데이터 수집 후 RF 통신을 통해 중앙컴퓨터에 데이터 처리를 하며 시각 데이터화 한다. 산소포화도, 심박수, 체온 같은 데이터를 3분에 한 번 총 180번 수집 후 처리한다. 일정 값 이상.

혹은 이하로 떨어지는 경우 경고 표시 칸에 Warning을 표시하며 위험 신호를 알려주는 기능이며 노약자를 실시간 모니터링 하여 보다 좋은 의료 서비스를 제공할 수 있도록 설계하였다.

[그림 15]와 같이 6가지의 데이터를 시각화하며 노약자의 하루 건강 데이터를 쉽게 얻을 수 있으며. 이 데이터는 DB에 저장된다. 이런 기능은 사용자의 건강 상태를 실시간으로 감시하고, 위험한 변화에 대한 빠른 대응을 가능케 함으로써 의료 서비스의 효율성과 정확성을 높이며.

이 데이터를 시각화하여 중앙 컴퓨터에서 정보를 분석하고, 노약자 상태에 관한 심층적인 판단과 의사결정을 지원한다. 이를 통해 CareWrist는 노약자의 건강한 삶을 지원하고, 의료진에게 필요한 데이터를 정확하고 신속하게 제공할 수 있다.

CareWrist는 [그림 16]과 같이 산소포화도, 심박수를 측정하여 데이터가 출력되고 수집한 의료데이터를 바탕으로 심박수가 60 미만 이거나, 100 이상일 경우나 산소포화도가 90보다 낮을 경우 경고 메세지를 중앙 컴퓨터로 전송하여 즉각적인 의료 서비스를 제공할 수 있도록 설계하였다.

또한 데이터 시각화 자료는 별다른 교육 없이 데이터 분석을 할 수 있기에 별도의 데이터분석가 없이 요양보호사 혹은 간호조무사가 쉽게 노약자들의 건강 상태를 실시간으로 파악하여 요양사 혹은 의료진에게 즉각적인 조치를 할 수 있도록 유도한다.

4. 연구결과 및 활용 방안

시간이 지나 요양시설이 부족해지고 있으며 요양시설에 들어가지 못하는 사례가 번번이 일어나고 있다. 심지어 2030년에는 65세 이상의 노약자 인구 비율이 25.5%까지 늘어날 전망이며 2031년엔 국민 절반이 50대 이상이라는 전망이다. 요양시설의 자금난, 인력난을 해결하고 전반적인 요양시설이 많은 인원을 수용하려면 요양보호사들을 보조하는 소프트웨어적 도움이 필히 필요하며 이에 CareWrist 를 개발하였고 요양보호사의 가중된 업무를 줄여줄 수 있다.

미래를 대비한 기술이며 노약자 인구 증가 추세를 고려하면 CareWrist는 미래를 대비하는 효율적인 솔루션으로, 전반적인 요양시설과 노약자들을 위한 긍정적인 변화를 가져올 것으로 기대되며 또한 수면시간을 제외한 노약자들의 건강 상태를 실시간으로 파악하며 요양사 혹은 의료진에게 즉각적인 조치를 할 수 있게 만들어 더 높은 의료 서비스를 제공할 수 있을 것이라 기대한다.

캡스톤 디자인 결과물