1.1 연구의 배경

우리나라는 2000년도 이후 UN 기준 고령화 사회에 진입하였으며 추후 2025년에는 초고령사회에 진입할 것이라고 예측되고 있다^[1]. 노인 인구 증가에 따라 국내에서는 노인성 질환을 대표하는 질병 중 하나인 치매에 대한 관심 역시 높아지고 있으며 국가적으로 치매검진사업 등의 복지정책이 실시되고 있다^[2]. 치매란 여러 가지 원인에 의한 뇌손상에 의해 기억력을 비롯한 여러 인지기능의 장애가 생겨 일상생활을 유지하는 데에 어려움이 있는 상태를 포괄적으로 나타내는 말로 흔히 우리가 사용하는 ‘알츠하이머 병’ 은 치매의 발생 원인이 되는 병을 말한다^[3]. 치매의 증상으로는 기억력 감퇴 등의 인지적 증상뿐만 아니라 우울, 불안, 망상, 환청 등 심리적 증상과 과잉 행동, 육체적 공격 등의 행동 증상까지 나타나게 되는데 이를 의학계에서는 Behavioral and Psychological Symptoms in Dementia(BPSD)라고 정의하고 있다^[4]. 이러한 BPSD 증상 완화를 위하여 사용되는 치료법으로는 약리학적인 방법 뿐만 아니라 시각을 자극하는 라이트 테라피, 후각을 자극하는 아로마 테라피, 청각을 자극하는 뮤직 테라피, 다감각을 자극하는 스누젤렌(Snoezelen) 등 비약리학적 방법들 또한 다양하게 이루어지고 있다.

스누젤렌(Snoezelen)은 네덜란드 어로 탐색이라는 뜻의 ‘snuffelen’과 긴장을 푼다 라는 뜻의 ‘doezelen’이 합쳐져 만들어진 단어로 1970년대 후반 네덜란드 치료사에 의해 개발된 다감각 치료법이다. 초기 개발 목적은 지적 장애가 있는 사람들에게 감각적 경험을 증가시키는 것이었지만 이후 후천적 뇌손상 환자, 치매 환자 등 다양한 환자들에게 적용할 수 있도록 발전하였다. 스누젤렌은 환자들의 다양한 감각을 자극할 수 있도록 꾸며진 스누젤렌 룸에서 환자들이 자율적으로 활동하거나 치료사의 주도하에 활동을 함으로써 치료가 이루어지며^[5] 실제 128명의 치매환자를 대상으로 스누젤렌 치료를 시행한 연구 결과 스누젤렌 치료를 받은 환자 그룹에서 공격적인 행동, 우울증 수준과 같은 지표들이 유의미하게 개선되었다는 결과가 나왔다^[6].

다감각을 자극하는 스누젤렌 치료법은 치매환자의 BPSD 완화에는 도움을 주지만 별도의 스누젤렌 룸을 통해 이루어지기 때문에 환자가 직접 치료실로 이동을 해야 하고 치료 시간 이외에는 감각에 대한 자극을 받지 못한다는 한계가 존재한다. 본 연구는 기존 다감각 치료법의 한계를 극복해 환자들이 일상에서도 다감각 자극을 받을 수 있는 다감각 병실을 조성하고자 한다. 또한 이 과정에서 거동이 불편하거나 기기 사용이 익숙하지 않은 고령의 환자들의 편의성을 위해 각 자극들이 자동으로 조절되는 스마트 다감각 시스템을 구축하고자 한다. 스마트 다감각 병실의 구축 과정은 아래 Fig. 1 으로 나타내었다.

Fig. 1. Smart multi-sensory ward development process

2.1 시각

라이트 테라피란 치매 환자에게 조명을 이용하여 시각을 자극하는 비 약리학적인 치료법으로 그 중에서도 높은 조도의 조명을 사용해 치매 환자의 일주기 리듬 개선과 우울증, 초조 현상 완화 등의 도움을 주는 방법을 Bright Light Therapy(BLT)라고 부른다^[7]. 27명의 알츠하이머형 치매 환자를 대상으로 오전 9시부터 11시까지 3000lx의 밝은 빛을 제공했을 때 Mini–Mental-State Examination(MMSE) 점수와 낮잠 수면 시간 비율이 유의미하게 감소하였으며^[8], 알츠하이머 형 치매 환자가 오전 9시부터 10시까지 하루 1시간씩 라이트 박스 앞에 앉아 5000lx의 빛을 쐬었을 때 환자들의 수면장애가 개선되었다는 선행연구 결과가 존재한다^[9].

BLT 이외의 시각적 자극을 이용하는 방법으로는 빛이 일주기 리듬 등 인간에게 미치는 심리적, 생리적 영향을 고려하여 인간의 건강에 최적화한 조명인 “Human Centric Lighting”(HCL)이 있다^[10]. 주광 스펙트럼과 유사하게 조명의 조도와 색온도를 설정한 후 치매환자에게 사용하였을때 환자들의 야간 수면시간이 유의미하게 증가했으며 낮잠의 빈도수는 감소하였다^[11].

치매 환자에게 시각적 자극을 줄 수 있는 치료법에 관한 선행연구들을 통해 환자들에게 일정 시간 동안 높은 조도의 조명을 제공하는 것과 주광과 유사한 조명을 제공해 올바른 일주기 리듬을 가질 수 있도록 하는 것이 치매 환자의 수면 장애 개선 등에 도움을 줄 수 있다는 사실이 확인할 수 있었다. 본 연구에서는 다감각 병실의 시각적 자극을 위해 병실 실험 공간에 주광의 스펙트럼과 유사하게 스케줄링된 조명 설비를 별도로 설치하였다. 해당 조명 시스템은 창문으로부터 들어오는 주광을 모사하기 위해 색온도가 변경되도록 설정된 1 개의 벽 조명과 행위와 관련하여 조도 및 색온도 변화를 나타내는 4 개의 천장 조명으로 이루어져 있으며 해당 시스템의 환경 변화 모습은 아래 Fig. 2로 나타내었다.

Fig. 2. Changes in lighting facilities for visual stimulation

2.2 후각

아로마 테라피(Aroma Therapy)란 향을 가진 약용식물로부터 추출한 에센셜 오일을 이용하여 인체의 질환 혹은 정신적인 기능을 치료하는 행위를 말하는 것으로 방향 요법, 향기 요법이라고도 한다. 주로 흡입법, 마사지법, 습포법 등의 방법으로 시행되며 에센셜 오일이 후각이나 피부를 통해 인체에 흡수되며 작용하는 것이기 때문에 에센셜 오일에 종류에 따라 다른 효능을 볼 수 있다^[12]. 중증 치매 환자를 대상으로 라벤더 오일을 이용한 아로마 테라피를 시행한 결과 60%의 환자가 동요 행동이 개선되었다^[13]. 또한 치매가 있는 환자 49명과 치매가 없는 환자 10명을 대상으로 레몬 밤과 라벤더 오일을 이용한 아로마테라피를 시행하였을 때라벤더 오일을 사용해 아로마 테라피를 받은 치매 환자들의 Physical Non Aggressive Behaviour(PNAB) 행동이 감소되었다^[14].

본 연구에서 사용하는 후각 자극 기기는 스마트 디퓨저인 ‘Pium’과 ‘Moodo’이다. 두가지 모두 자체 앱을 통하여 기기 on/off, 원하는 향기 선택, 스케줄 작성 등이 가능하며 Amazon Alexa, Google Home 등 스마트 홈 플랫폼과 연동이 가능하다. 발향 방식으로는 ‘Pium’의 경우 아로마 액체가 들어있는 캡슐을 장착해 아로마 액체를 분사하는 방식으로 기기 안에 3개의 캡슐까지 내장이 가능하며 각각의 향을 섞어서 분사하지는 못한다. ‘Moodo’의 경우 아로마가 고체 형태로 들어있는 캡슐을 장착하는 방식으로 최대 4개까지 장착이 가능하며 캡슐 아래에 있는 팬을 조절해 발향이 되기 때문에 장착한 캡슐끼리 향을 섞어 새로운 향을 조향하는 것이 가능하다. 아래 Fig. 3으로 스마트 디퓨저인 ‘Pium’과 ‘Moodo’의 모습을 나타내었으며 각 기기에 사용하는 에센셜 오일의 효능은 Table 1로 정리하였다.

Fig. 3. Smart diffusers “Pium” and “Moodo”

본 연구에서는 앞서 조사한 후각 관련 선행 연구 결과들과 스마트 디퓨저 기기를 활용해 다감각 시나리오 중 후각과 관련된 부분을 작성한 후 스마트 다감각 시스템을 구현하고자 한다.

2.3 청각

치매 환자와 청각과 관련된 연구로는 화이트 노이즈, 핑크 노이즈와 같이 소리와 관련된 연구와 음악과 악기 등을 사용하는 뮤직 테라피와 관련된 연구로 나누어 알아보았다. 화이트 노이즈란 백색 소음이라고도 불리며 넓은 주파수의 범위에서 거의 일정한 주파수 스펙트럼을 가져 그래프로 나타냈을 때 일자와 가까운 모양을 나타내는 소음을 말한다^[15]. 핑크 노이즈는 화이트 노이즈를 옥타브당 3dB씩 감쇠시켜 실제 청감에서 모든 주파수가 비슷한 레벨로 들리게 만든 노이즈를 의미한다^[16]. 고령자를 대상으로 수면 시 핑크 노이즈를 이용하여 자극을 준 후 기상했을 때에 기억력 테스트를 진행한 결과 자극을 받은 후가 자극을 받지 않았을 때보다 기억력이 향상되었다^[17]. 또한 소리와 뇌파에 관한 연구로 수술을 앞둔 환자들에게 432Hz의 음악을 들려주었을 때 그렇지 않은 환자들보다 더 편안함을 느낀다는 결과를 보이며 432Hz가 인간의 자연적인 주파수에 가장 가깝다는 사실을 확인할 수 있었다^[18].

치매 환자를 대상으로 뮤직 테라피를 적용한 연구로 알츠하이머 환자에게 친숙한 음악을 들려주었을 때가 그렇지 않은 음악을 들려주었을 때 보다 대뇌피질이 더욱 활성화되었다^[19]. 그 외의 연구에서는 7가지 오디오를 이용한 Soundscape 구성해 치매 환자의 BPSD를 완화에 도움이 되는 환경을 조성하는 연구를 수행하였다. 사용한 시간대 별 오디오는 Fig. 4로 나타내었다^[20].

Fig. 4. Configuring soundscape

본 연구에서는 앞서 조사한 Soundscape를 기반으로 다양한 청각 관련 연구 결과들을 활용해 다감각 시나리오 중 청각과 관련된 부분을 작성한 후 라즈베리 파이를 이용하여 자동으로 실행되는 스마트 다감각 시스템을 구현을 목표로 한다.

3.1 티처블 머신

본 연구에서는 환자의 자세와 상태를 파악한 후 다감각 자극이 자동으로 제어되는 스마트 다감각 시스템을 구축하고자 한다. 이 때 환자의 자세를 파악하는 데에는 구글에서 개발한 웹 기반의 머신러닝 툴인 ‘티처블 머신(Teachable Machine)’을 사용하였다^[21]. 이는 텐서플로우를 기반으로 개발된 학습도구이며 이미지 프로젝트, 포즈 프로젝트, 오디오 프로젝트 총 3가지의 종류를 학습시키는 것이 가능하다. 스마트 다감각 병실 조성에는 이 중 이미지 프로젝트를 활용하였으며 환자의 상태를 ‘Sleep’, ‘Wake-up’, ‘Table’, ‘Empty’ 총 4가지 클래스로 분류해 학습을 진행하였다. 학습에 사용된 이미지 샘플은 병실 실험 공간에 설치한 파이 카메라를 이용해 직접 사진을 찍어 업로드하는 방식을 이용하였다.

‘Sleep’ 클래스에서는 총 397개의 이미지 샘플, ‘Wake-up’ 클래스에서는 341개의 이미지 샘플, ‘Table’ 클래스에서는 총 292개의 이미지 샘플, ‘Empty’에서는 총 31개의 이미지 샘플을 이용해 학습과정을 거쳤으며, 학습 결과를 판단하는데 높은 정확도를 보였다(Fig. 5).

Fig. 5. Teachable machine learning results

3.2 IoT 센서

스마트 다감각 시스템 구축을 위해 환자의 상황을 감지하는 데에는 ZigBee 통신을 이용하는 IoT 센서를 활용하였다. ZigBee란 zig-zag로 날아다니면서 정보를 전달하는 Bee의 정보전달체계에서 착안한 명칭으로 저속, 저전력 무선 통신 네트워크이며 주로 홈 오토메이션, 빌딩 자동화 등에 사용되는 통신 기술이다^[22]. 본 연구에서는 Raspbee를 이용해 모션 센서, 도어 센서, 스위치 형태로 통신하는 ZigBee 스위치를 연결하고 이를 스마트 다감각 시스템 구축에 사용하고자 한다. 각 센서의 사진과 사양은 Table 2로 나타내었다.

3.3 스마트 홈 플랫폼

스마트 다감각 시스템 구현을 위해서는 앞선 내용들에서 제시한 스마트 디퓨저와 스피커, 티처블 머신, Raspbee 등의 요소들을 연동하고 제어할 수 있는 스마트 홈 플랫폼과 이를 시나리오에 맞게 프로그래밍 하는 데에 사용할 툴이 필요하다. 본 연구에서는 Amazon Alexa와 Node-RED를 이용하여 스마트 다감각 시스템을 구축하였다.

Amazon Alexa는 Amazon에서 개발된 인공지능 프로그램으로 해당 플랫폼과 연동되는 IoT 기기들은 Alexa를 이용해 음성인식, 스케줄 작성 등의 제어가 가능해지며 Alexa를 Node-RED와 연동할 시 Alexa에 포함되어 있던 기기들의 Node-RED를 통한 조작이 가능해지기 때문에 이를 앞서 언급한 Pium과 Moodo를 연동하는 플랫폼으로 사용하였다^[23].

Node-RED는 웹 브라우저 환경에서 사용하는 flow 기반의 비주얼 프로그래밍 툴이다. Node.js 환경을 바탕으로 만들어졌으며 각각의 노드를 이용해 프로그래밍을 하기 때문에 프로그래밍 과정을 직관적으로 볼 수 있다는 장점이 있다^[24].

4.1 다감각 시나리오 작성

다감각 시나리오 작성에 앞서 치매 환자의 비율이 높은 요양 병원의 하루 일과를 참고하여 시간대 별로 병실에서 수행되는 활동들과 활동 시 필요한 환경을 아래에 Table 3으로 나타내었다.

다감각 시나리오 중 시각 환경은 전체적으로 주광의 스펙트럼에 따라 색온도가 변화해 HCL이 적용될 수 있도록 하였다. 또한 오전 9시에서 오후 12시 사이에는 천장 조명의 조도가 1000lx 되도록 설정하여 BLT의 효과를 줄 수 있게 하였으며 그 외의 조도는 IES 병실 조도 기준을 참고하여 설정하였다. 후각 환경의 경우 아로마 에센셜 오일 별 효능을 활용하여 각 상황에 적절한 향이 발향될 수 있도록 하였으며, 청각 환경의 경우 기존의 선행연구 결과들을 활용해 사용자의 심리를 안정시키고 집중력을 높일 수 있도록 시나리오를 구성하였다.

4.2 스마트 다감각 시스템 구축

Fig. 6은 다감각 시나리오를 기반으로 Node-RED를 이용해 구축한 다감각 시스템을 나타낸 것으로, 실제의 정보가 어떻게 연결되어 하드웨어 작동에 연계되는지를 보여주는 것으로, 프로그램 작성에 필요한 아이콘들로 표현되어 있다.

Fig. 6의 (A)는 ‘기상 및 세면’ 활동 시의 상황을, (B)는 ‘취침’ 활동 시의 상황이 실행되도록 작성한 Node-RED이다. 두 가지 상황 모두 티처블 머신을 이용해 환자의 자세에 따라 다감각 환경이 변화하도록 구성하였다. ‘기상 및 세면’의 경우 환자의 자세가 ‘Wake-up’ 상태일 때 적절한 다감각 환경이 조성되도록 하였으며 ‘취침’의 경우 환자의 자세가 ‘Sleep’일 때 다감각 환경이 조성되도록 하였다.

Fig. 6의 (C)는 ‘식사 및 투약’ 활동 시의 상황을 나타낸 Node-RED이다. ‘식사 및 투약’ 시에는 모션 센서를 활용하는 방식으로 작성되었으며 환자가 식사를 하는 테이블에 모션 센서를 부착해 식사 시간 시 환자가 센서에 감지되었을 때에는 해당 상황에 적합한 다감각 환경을 조성하도록 설정하였고, 감지되지 않았을 시에는 각 시간 별로 식사 시간을 알릴 수 있는 음성이 나오도록 구축하였다.

Fig. 6의 (D)는 ‘회진/처치/물리치료’ 활동 시의 상황이 실행되도록 작성한 Node-RED이다. ‘회진/처치/물리치료’ 시에는 Node-RED 내에 타임스탬프 기능을 이용해 정해진 시간에 다감각 환경이 조성될 수 있도록 구축하였다.

Fig. 6의 (E)는 ‘물리치료 및 산책’ 활동 시의 상황이 실행되도록 작성한 Node-RED이다. ‘물리치료 및 산책’ 시에는 모션 센서와 티처블 머신을 함께 활용하여 스마트 다감각 시스템을 구축하였다. 모션 센서의 환자가 감지되지 않고 티처블 머신의 판단 결과도 ‘Empty’ 일 때에는 환자가 산책을 나갔다고 판단하여 모든 기기의 전원을 off 하도록 구축하였으며 그 외에는 적합한 다감각 환경이 조성되도록 구축하였다.

Fig. 6의 (F)는 ‘요일 별 치료 프로그램’ 활동 시의 상황이 실행되도록 작성한 Node-RED이다. ‘요일 별 치료 프로그램’ 시에는 스위치와 도어 센서를 활용하여 스마트 다감각 시스템을 구축하였다. 교구 활용 프로그램 시 사용하는 교구가 들어있는 서랍에 도어 센서를 부착하여 해당 서랍이 열렸을 때 알맞은 다감각 환경이 조성되도록 하였으며 그 외의 활동 시에는 해당 활동에 알맞은 스위치를 눌러 다감각 환경이 조성될 수 있도록 하였다.

Fig. 6의 (G)는 ‘개인위생 점검 및 휴식’ 활동 시의 상황이 실행되도록 작성한 Node-RED이다. ‘개인위생 점검 및 휴식’ 시에는 티처블 머신을 활용하여 스마트 다감각 시스템을 구축하였다. 환자의 자세가 ‘Table’일 시에는 독서 등의 개인 활동에 알맞은 다감각 환경이 조성되도록 하였고 그 이외의 경우에는 휴식 상황에 알맞은 다감각 환경이 조성되도록 하였다.

Fig. 6. Smart multi-sensory system built with Node-RED

4.3 스마트 다감각 병실 조성

본 연구에서는 Node-RED를 이용해 구축한 스마트 다감각 시스템에 사용되는 기기들을 실제 병실 실험 공간에 배치한 후 실제 작동 모습을 확인하였다. 병실 실험 공간의 실제 모습 및 평면도는 Fig. 7과 같다.

Fig. 7. Room experimental space actual appearance and plan

병실에 다감각 환경이 조성되는 모습은 시각, 후각, 청각 세 가지로 분류해 나타내었다. 시각의 경우 조명의 조도 및 색온도 변화 모습을 사진 촬영을 통해 나타내었으며 병실 내 침대의 테이블을 올린 후 그 위에서 측정한 조도와 색온도 값을 나타내었다. 후각의 경우 각 기기의 동작을 나타내기 위해 SHINYEI사의 냄새측정기 OMX-SRM 을 사용해 냄새의 농도를 측정한 사진과 각 디퓨저의 동작 모습을 디퓨저 외부 LED와 어플 작동을 사진을 이용하였다. 청각의 경우 스피커가 작동하는 것을 나타내기 위해 데시벨 측정기를 이용하였다.

Fig. 8은 ‘기상 및 세면’ 활동과 ‘취침’ 활동 시 조성되는 병실의 환경을 나타낸 것이다. ‘기상 및 세면’ 활동 시 시각 환경은 주광의 스펙트럼에 따라 낮은 조도와 색온도 값을 가졌으며 환자의 뇌 기능의 도움을 줄 수 있는 후각 환경과 선행연구의 Soundscape를 활용한 청각 환경이 조성 되었다. ‘취침’ 활동 시 시각 환경은 ‘기상 및 세면’ 활동 시 실행된 것보다도 낮은 조도 및 색온도가 실행되었으며 환자의 숙면을 유도하는 후각 환경과 환자의 기억력을 증진시킬 수 있는 청각 환경이 실행되었다.

Fig. 8. Ward environment during “Wake Up, Wash Up” and “Sleep” activities

Fig. 9는 아침, 점심, 저녁의 ‘식사 및 투약’ 활동 시 조성되는 병실의 환경을 나타낸 것이다. 시각 환경으로는 아침, 점심, 저녁 시간 변화에 따라 조명의 조도와 색온도가 증가한 후 다시 감소하는 모습을 확인할 수 있었다. 청각 환경의 경우 기존 선행연구의 Soundscape를 기반으로 조성되는 모습을 확인할 수 있었으며 식사 시 식욕 저하 방지를 위해 후각 환경은 제공되지 않았다.

Fig. 9. Ward environment during ‘diet and medication’ activities

Fig. 10은 ‘회진/처치/물리치료’ 활동 시 조성되는 병실의 모습을 나타낸 것이다. 3시간에 걸쳐 진행되는 활동이기 때문에 조명의 조도와 색온도가 증가하는 모습을 확인할 수 있었으며 환자에게 안정감을 줄 수 있는 후각 환경이 실행되는 모습을 확인할 수 있었다. 청각 환경의 경우 원활한 의사소통을 위해 사용하지 않았다.

Fig. 10. Ward environment during ‘rounding/treatment/physical therapy’ activities

Fig. 11은 ‘물리치료 및 산책’ 활동 시 조성된 병실의 환경을 나타낸 것이다. 낮 시간대이기 때문에 상대적으로 높은 조도와 색온도 값을 가지며 환자의 긴장을 완화시키고 근육 질환에 효과가 있는 후각 환경이 실행되었다. 청각 자극은 치료 중 원활한 의사소통을 위해 제공하지 않았다.

Fig. 11. Ward environment during ‘physical therapy and walking’ activities

Fig. 12는 ‘요일 별 치료 프로그램’ 활동 시 조성되는 병실의 모습을 각 활동 별로 나누어 나타낸 것이다. 세 가지 활동 모두 3시간에 걸쳐 진행되는 활동이기 때문에 시각 환경에서 조명의 조도와 색온도가 감소하는 모습을 확인할 수 있었다. 후각 환경의 경우 시 낭송과 미술 치료 활동에서는 환자의 집중력을 증가시킬 수 있는 환경이 실행되었고, 교구 활용 프로그램의 경우 환자가 평온함을 가질 수 있도록 하는 환경이 실행되었다. 청각 환경의 경우 미술 치료 활동 시에만 환자의 집중력을 높일 수 있는 환경이 실행되었다.

Fig. 12. Hospital environment during “weekly therapy program” activities

Fig. 13은 ‘개인위생 점검 및 휴식’ 시 조성되는 병실의 모습을 활동 별로 나누어 나타낸 것이다. 두 가지 활동 모두 시각 환경은 낮은 조도와 색온도 값을 가지는 것을 확인할 수 있었으며 독서 활동 시에는 환자의 집중력을 높일 수 있는 후각 환경과 청각 환경이 실행되었으며 휴식 시에는 환자의 긴장 완화에 도움이 되는 후각 환경과 청각 환경이 실행되는 모습을 확인할 수 있었다.

Fig. 13. Ward environment during ‘Personal hygiene inspection and rest’ activities