격리 중환자실 인공호흡기 원격 모니터링 및 호흡 데이터 분석 시스템 개발

Abstract

코로나바이러스감염증-19 (COVID-19)는 2019년 말 중국 우한에서 처 음 보고되어, 전 세계적으로 광범위하게 확산하였다. COVID-19를 일으키 는 코로나바이러스는 SARS-CoV-2라고 한다. 이 바이러스를 포함한 대부 분 바이러스는 시간이 지남에 따라 진화하여 새로운 변이를 출현시키고, 이는 인류에게 엄청난 영향을 미치고 있다. COVID-19 이외에도 간염, 결 핵, 바이러스성 출혈열, 동물 인플루엔자 인체감염증, 신종인플루엔자 등 다양한 감염병이 있다. 최근 이러한 바이러스의 감염으로 인한 환자들이 급격히 늘어나며 중증 환자의 비율도 증가하였다. COVID-19 감염은 무증 상에서 사망에 이르기까지 다양한 임상 양상을 보이며, 초기에는 증상이 경미하다 갑작스럽게 중증으로 진행하는 경우가 있다. 또한, 경증 호흡기 감염부터 중증 폐렴, 급성호흡곤란증후군(acute respiratory distress syndrome, ARDS), 패혈증 및 패혈성 쇼크로 진행할 수 있다. 환자들의 병원 내 2차 감염 예방 및 감염병 확산을 방지하기 위해 격리된 입원 치 료 시설에서의 치료가 필요하다. 격리 중환자실에서의 치료가 필요한 환자는 인공호흡기(ventilator), 체 외막산화장치(extra-corporeal membrane oxygenation, ECMO), 환자 모니터 등의 여러 생명 유지 장치를 통해 집중치료가 필요하다. 또한, 격 리된 중환자실(intensive care unit)에서 장비를 작동하고 모니터링하기 위한 전담 의료팀이 필요하다. 의료진은 감염 위험을 줄이기 위해 개인 보 호 장비를 착용하고 격리 중환자실에서 환자들을 치료하고 상태를 확인해 야 한다. 최근 의료 분야에서도 비대면 기술과 서비스가 급격히 성장하고 있다. 원격의료(Telemedicine)는 의료 서비스 공급자가 정보통신기술을 이용하 여 다른 의료인이나 환자에게 의료기술 및 서비스를 제공하는 것을 말한 다. 여기에는 원격으로 환자데이터를 모니터링하거나 로봇을 활용하여 다 른 의료진들과의 협진을 통한 원격 수술, 원격으로 진료하고 처방하는 원 격진료가 포함되어 있다. 원격의료 시스템을 활용한다면 시공간적 제약 해 소할 수 있고, 환자의 의료 접근성을 높일 수 있다. 본 연구에서는 감염병 환자의 모니터링을 돕기 위한 격리 중환자실 원 격 모니터링 시스템을 제안한다. 원격 모니터링 시스템은 인공호흡기 화면 모니터링 시스템, 인공호흡기 호흡 데이터 모니터링, 향후 데이터 분석시 스템 세 가지 부분으로 구성된다. 이 시스템은 인공호흡기 조작 과정이나, 원격 로봇 이용과 같은 장애물이 있는 상황에서 인공호흡기 화면을 모니 터링하고, 호흡 데이터를 수신 및 저장하며, 실시간 모니터링 및 데이터 분석을 제공할 수 있다. 제안된 원격 모니터링 시스템은 이전 연구와 비교 하여, 두 대의 카메라 영상 재구성을 위한 영상 정합 알고리즘을 포함하 며, 구조 유사도 지수(SSIM)와 피크 신호 대 잡음비(PSNR)를 사용하여 영 상의 품질을 평가한다. 이 시스템은 장애물이 없는 경우 SSIM 0.948, PSNR 23.414dB의 결과를 보였다. 또한, 장애물이 있는 경우, SSIM 0.901과 PSNR 18.13dB로 인공호흡기 화면의 사각지대를 줄여 실시간 모 니터링이 가능하다. 또한 본 연구의 원격 모니터링 시스템은 유선 및 무선 통신 모두와 호 환되어 다양한 상황에서의 접근 가능성을 높이며, 두 대의 카메라를 사용 하는 영상 모니터링과 실시간 데이터 모니터링을 동시에 사용하여 서로의 단점을 보완할 수 있다. 이 시스템에는 종합적인 데이터베이스와 분석 도 구도 포함되어 있어 의료진이 인공호흡기 사용에 대한 데이터를 수집 및 분석하여 환자의 상태를 한눈에 볼 수 있다. 이 시스템을 구현함으로써 코 로나19 팬데믹과 같은 상황에서 환자 상태를 실시간 모니터링하며 환자 치료에 도움을 줄 수 있으며, 의료진들의 부담을 감소시킬 수 있다.|The COVID-19 pandemic and discovery of new mutant strains have a devastating impact worldwide. Patients with severe COVID-19 require various equipment, such as ventilators, infusion pumps, and patient monitors, and a dedicated medical team to operate and monitor the equipment in isolated intensive care units (ICUs). Medical staff must wear personal protective equipment to reduce the risk of infection. This study proposes a tele-monitoring system for isolation ICUs to assist in the monitoring of COVID-19 patients. The tele-monitoring system consists of three parts: medical-device panel image processing, transmission, and tele-monitoring. This system can monitor the ventilator screen with obstacles, receive and store data, and provide real-time monitoring and data analysis. The proposed tele-monitoring system is compared with previous studies, and the image combination algorithm for reconstruction is evaluated using structural similarity index (SSIM) and peak signal-to-noise ratio (PSNR). The system achieves an SSIM score of 0.948 in the left side and a PSNR of 23.414 dB in the right side with no obstacles. It also reduces blind spots, with an SSIM score of 0.901 and a PSNR score of 18.13 dB. The proposed tele-monitoring system is compatible with both wired and wireless communication, making it accessible in various situations. It uses camera and performs live data monitoring, and the two monitoring systems complement each other. The system also includes a comprehensive database and an analysis tool, allowing medical staff to collect and analyze data on ventilator use, providing them a quick, at-a-glance view of the patient's condition. With the implementation of this system, patient outcomes may be improved and the burden on medical professionals may be reduced during the COVID-19 pandemic-like situations.