건강벨트시스템 2012. 12. 장용원 생체신호연구팀 / 바이오헬스 IT 융합연구부
발표순서 I. 기술개발배경 II. 측정원리 III. ETRI 건강벨트시스템 IV. 기존제품비교 V. 추가개발일정 VI. 결과활용
I. 기술개발배경 세계비만통계 http://www.worldometers.info/obesity/ 3
I. 기술개발배경 국내비만유병률 비만기준 : BMI > 25kg/m 2 국내성별, 연령별비만유병률 (2005 년, 질병관리본부 ) 4
I. 기술개발배경 국내비만유병률추이 성인비만추이 소아비만추이 출처 : 질병관리본부 5
I. 기술개발배경 복부비만 복부비만의위험성-내장지방형복부비만 대사증후군 ( 혈당, 혈압상승등 ) 위험증가 당뇨병, 고지혈증, 고혈압발생률증가 유방암및골다공증발생위험증가 치매위험증가 대장선종위험증가 위험도 : 과체중 < 복부비만 비만측정방법 BMI (body mass index) 허리둘레 / 엉덩이둘레 ( 남 :0.9, 여 :0.85) 복부의피부의두께를캘리퍼를이용하여측정 초음파나복부 CT 촬영 6
I. 기술개발배경 비만인구의급격한증가 국내비만인구 1,126만명 (2005년) 매년 40만명씩증가 비만을만성질환으로간주 (WHO) 건강벨트개발 ( 운동량및복부비만 ) 체중감량시장의급성장 7천만명이체중감량프로그램시작, 이중 5% 가성공 전세계적으로체중감량을위해 1조 4천억달러소비 비만성질병증가및관련비용증가 당뇨, 심혈관질환, 고혈압, 뇌졸중증가 미국 : 년간 ~1000 억불지출 국내 : 사회경제적비용 1.8 조원 (05 년 ) 운동량및복부비만측정기필요 간편, 효율적인운동량 측정기필요 장기적인복부비만 측정기필요 7
II. 측정원리 - 운동량 2 H 2 18 O 기법 DLW(doubly labeled water) 방법 Lifson et al, 1949 간접적으로에너지소모량측정 주기적으로체액샘플링 일상생활에서긴시간동안측정 gold standard 안전하지만고비용 시간에따른분해능낮음 -k 18 = 18 O 소비율 -K 2 = 2 H 소비율 C 6 H 12 O 6 + 6H 2 O + 6O 2 6CO 2 + 12H 2 O + 에너지 ( 열 +38ATP) 8
II. 측정원리 - 운동량 호흡가스분석법 기본원리 산소흡입량및이산화탄소배출량분석을통한간접측정방식 H2O 에너지소모량 (Energy expenditure) EE = 3.91VO2+1.10VCO2-3.34N 안정에너지소모량 (Rest Energy expenditure) REE = [3.91VO2+1.10VCO2]*1.44-2.17N 9
II. 측정원리 - 운동량 호흡가스분석법 Whole Room Calorimetry 밀폐공간에서산소소모 (VO2) 및이산화탄소발생 (VCO2) 분석 짧은시간동안에너지소모계측이어려움 10
II. 측정원리 - 운동량 호흡가스분석법 K4b2 (COSMED) 휴대형 calorimetry 호흡가스 (VO2, VCO2) 분석통한간접방식 무선통신기능 GPS 내장 11
II. 측정원리 - 운동량 가속도분석법 Accelerometer 이용방법 DLW, K4b2와비교하는방식 IDEEA 9축가속도신호를이용 신체활동량및행동패턴분석 에너지소모량분석 * B. Marije et al, Eur J Physiol (2003) 12
II. 측정원리 - 운동량 MET 기반 정확한칼로리소모량측정의어려움 운동상태에따른칼로리소모량테이블사용 정확한속도측정이관건 ( 보수, 속도 ) (kcal/kg h) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 MET (kcal/kg mile) 2 0 2 4 6 8 10 12 속도 (mph) 1.8 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 형태 걷기 뛰기 속도 (mph) MET (kcal/kg h) MET (kcal/kg mile) 2.0 이하 2.0 1.333 2.0 2.5 1.250 2.5 3.0 1.200 3.0 3.3 1.100 3.5 3.8 1.086 4.0 5.0 1.250 4.5 6.3 1.400 5.0 8.0 1.600 5 8.0 1.600 5.2 9.0 1.731 6 10.0 1.667 6.7 11.0 1.642 7 11.5 1.643 7.5 12.5 1.667 8 13.5 1.688 8.6 14.0 1.628 9 15.0 1.667 10 16.0 1.600 10.9 18.0 1.651 13
II. 측정원리 - 복부비만 복부비만측정 허리둘레측정방법 BMI (body mass index: kg/m 2 ) 허리둘레 / 엉덩이둘레 ( 남 :0.9, 여 :0.85) 허리둘레측정 복부의피부두께를캘리퍼로측정 초음파영상 CT 영상 14
Waist Circumference (cm) 98 96 94 92 90 88 N th Trial Measuring Tape, actual WC Measuring Tape, on the Pants Belt system, actual WC Belt system, on the pants III. ETRI 건강벨트시스템 기술개념및구성도 기술의개념 복부비만관리와운동량모니터링을하나의시스템에서수행 별도의기기를사용하지않고평상시착용하는벨트에 2가지기능탑재 기술의구성도 자동허리둘레측정과운동량측정기능을벨트버클에동시구현 86 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 허리둘레측정기능 건강벨트시스템 운동량측정기능 15
III. ETRI 건강벨트시스템 HW 구성도 하드웨어 가속도측정 : 3축가속도센서 허리둘레측정 : Magneto-Resistive Sensor 와 Neodymium 자석 허리띠의버클속에모듈내장 허리둘레및운동량의자동측정 PC, 스마트폰과연동가능 자석 MCU 자장센서 가속도센서 16
Waist Circumference (cm) III. ETRI 건강벨트시스템 복부비만측정기능 특징 모듈내부자장센서로허리띠에삽입된자석에의한자장변화측정 제공정보 허리둘레 정보표시 내장 LCD 또는 PC 화면 (USB 연결 ) 98 96 94 ubelt ( 옷위 ) 버튼 자장센서 92 90 88 줄자 ( 옷위 ) ubelt 줄자 86 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N t h Trial 17
III. ETRI 건강벨트시스템 운동량측정기능 특징 3축가속도신호측정 신경회로망 /MET 기반칼로리소모량측정 K4b2 이용데이터 calibration 제공정보 속도, 이동거리, 걸음수, 칼로리소모량등 걷기 / 뛰기판별 정보표시 내장 LCD 또는 PC 화면 (USB 연결 ) 18
III. ETRI 건강벨트시스템 운동량측정기능 - 알고리즘 가속도신호를이용한운동량정보분석알고리즘 가속도신호 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 733 734 735 736 737 738 오차율 % 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 걸음수전체오차율 0.47% false positive, % missing, % 상대오차 % 20 15 10 5 0 구간별속도평균상대오차 7.83% 운동강도, 시간 2 3 4 5 6 7 8 속도, km/h 0 2 3 4 5 6 7 8 속도, km/h 19
III. ETRI 건강벨트시스템 운동량측정기능 -K4b2 실험 시제품과간접칼로리측정기 (K4b2) 를착용하고실험 (20~60 대 180 명 ) 50 40 Activity Data 수집을위한실험모습 30 20 10 0 남여합 20대 30대 40대 50대 60대연령대별측정인원분포 실험과정 20
calorie by K4b2, kcal/min calorie by K4b2, kcal/min III. ETRI 건강벨트시스템 운동량측정기능 - 성능평가 MET( 속도기준 ) 에의한칼로리소모량분석 신경회로망에의한칼로리소모량분석 K4b2 칼로리소모량과비교 상관계수 평균상대오차 상대오차의표준편차 MET에의한칼로리소모량 0.90 0.25 0.30 신경회로망에의한칼로리소모량 0.94 0.20 0.23 16 16 14 y = 1*x + 0.68 14 y = 0.99*x + 0.052 12 12 10 10 8 8 6 6 4 2 r = 0.89842 mean(rel E) = 0.25119 std(rel E) = 0.30205 0 0 5 10 15 calorie by MET, kcal/min MET 에의한칼로리소모량 4 2 r = 0.93551 mean(rel E) = 0.19929 std(rel E) = 0.23413 0 0 2 4 6 8 10 12 14 calorie by NN, kcal/min 신경회로망에의한칼로리소모량 21
III. ETRI 건강벨트시스템 기술성숙도 (TRL:Technology Readiness Level) 단계 허리둘레측정모듈 : 5 단계 칼로리소모량분석모듈 : 6 단계 22
IV. 기존제품비교 경쟁기술비교 경쟁기술 운동량측정기 -가속도분석 -Lifecorder (Suzuken-Kenz사), Fitbit tracker (Fitbit Inc.) 등 체지방측정기 -Bioelectric impedance 기반 -Inbody (Biospace사), X-scan ( 자원메디칼 ) 등 기술비교 경쟁기술 본기술의우수성 운동량측정기 -2가지기능을벨트에내장 ( 휴대모듈불필요 ) -신경회로망기법을이용하여운동량측정정확도향상체지방측정기 -복부비만도변화추이를간편 / 지속적관찰가능 23
V. 추가개발일정 기술개발일정 1차시제품 ( 11년 5월완료 ) 운동량및허리둘레측정기능을벨트에통합 BT 통신모듈및스마트폰앱개발 ( 11년 12월예정 ) BT 기본회로및연동테스트 안드로이드기반앱개발 2차시제품개발 ( 12년중예정 ) BT 통신모듈통합 보유특허 출원 / 등록구분 특허명 출원국 ( 등록 ) 출원 ( 등록 ) 번호 출원 ( 등록 ) 년도 출원 운동량측정장치, 운동정보제공시스템및방법 한국 2008-0124281 2008 등록허리둘레자동측정벨트한국 0964976 2010 24
VI. 결과활용 활용방안및기대성과 ( 활용방안1) 일상생활중소모되는칼로리의측정을통해활동수준을판별하여개인운동관리및비만관리기기로상품화 ( 활용방안2) 피트니스센터등운동관리서비스센터에서고객의운동상태모니터링, 운동량측정, 비만관리시스템으로상품화 ( 기대성과 ) 급격히증가하는비만인구와운동에대한관심증가로체중감량프로그램및전문운동프로그램에대한수요증가 시장창출및건강산업활성화에기여 시장전망매년세계적으로약 7천만명이체중감량프로그램을시작하고, 성공비율이 5% 인데, 체중감량시장은지속적증가추세 7천만명의체중감량인구중 10% 가건강벨트 ( 단가 $100) 를사용할경우연간 7억달러의시장형성이가능국내비만인구 2005년 1,126만명으로매년 4% 씩증가추세. 체중감량시장 3조원에이름. 비만인구중 20% 가체중감량을시도하고, 이중 20% 가건강벨트를사용할경우, 연간 500 억원의시장형성이가능 25