[26호] ICT 융합 공모전 – 베고파

글 | 단국대학교 전자전기공학부 학술동아리 연구방 김재현, 김용진, 안새롬, 양희문

1. 작품의 목적 및 설명
사용자로 하여금 ‘베고파’를 베고 싶은 베개라는 느낌을 주기 위해 이름을 ‘베고파’로 짓게 되었다. 기존 코골이 베개는 공기압력펌프를 통해 사용자의 기도를 확장하지만 ‘베고파’는 사용자의 고개를 다른 측면으로 돌려 기도를 확장한다는 점에서 기존의 제품과 차별성을 두고자 하였다. 또한, ‘베고파’는 기존 코골이 베개에서 코골이 인식뿐만 아니라 알람기능을 추가하였고 나아가 수면 패턴 체크기능까지 발전할 수 있는 가능성이 있다. 이러한 기능을 추가했음에도 기존에 상품으로 나와있는 다른 제품보다 원가를 절감함으로써 합리적인 가격으로 이 상품을 공급할 수 있다는 점에서 큰 장점이 된다.

· 프로젝트 일반 사항
- 프로젝트 명 : 아두이노 기반의 코골이 베개 개발
- 프로젝트 기간 : 14/03/15 ~ 14/03/31

· 프로젝트 주요 사항
- 기존 코골이베개와 ‘베고파’의 차별성
- 코골이의 효과적인 예방법에 따른 ‘베고파’의 원리

2. 코골이 베개의 제작배경
1) 코골이의 원인

그림 1. 열린 기도와 닫힌 기도 출처 : (재미있는 인체 이야기, 2006.12.13., 가나출판사)

21세기 현대 사회인들은 많은 스트레스를 받고 있다. 34개의 OECD국가 중 대한민국은 행복지수가 31위를 차지할 정도로 많은 스트레스를 받고 있다. 이러한 스트레스는 코골이의 원인 중 하나가 된다. 우리가 집에서 흔히 들을 수 있는 코골이는 우리가 누워서 잠을 잘 때, 물렁 입천장의 근육이 느슨해지면서 좁아진 기도를 지나면서 공기가 울림으로서 발생한다. 이때, 사람이 피곤하면 물렁 입천장의 근육이 더 느슨해지면서 기도가 더 좁게 되어서 코골이가 더 심해지게 된다.

그림2. 폐쇄성 호흡장애 환자와 정상적인 사람의 호흡 (출처 : http://cafe.naver.com/reviewhome/38797)

코골이가 발생하는 원인에는 근육의 이완이외에 여러 가지 이유가 있다. 그 중 하나는 비만이다. 비만인 환자의 경우 목 주위 부위에 지방이 축적되거나 혀, 편도 등의 조직이 비대해진 경우에도 목 안의 공간이 줄어들고 상기도가 좁아져 코골이 및 수면 무호흡이 나타날 수 있다. 다른 이유에는 턱이 비정상적으로 작거나 목이 짧고 굵은 사람에게서 이러한 증상이 나타나는 경우도 많다. 코골이가 심해지면 수면 무호흡증으로 이어진다. 수면 무호흡증이란, 수면 중에 호흡이 10초 이상 멈추는 증상을 말한다. 수면 무호흡증에는 기도주위의 늘어진 근육들 때문에 기도가 막혀서 발생하는 폐쇄성무호흡증과 기도가 막히지 않은 상태에서 숨을 쉬게 명령을 내리는 호흡 중추가 일시적으로 작동을 멈추어서 초래되는 중추성무호흡증 그리고 중추성과 폐쇄성을 혼합한 혼합성무호흡증이 있다. 이때, 무호흡증의 90%이상은 폐쇄성무호흡증이다.

2) 수면 무호흡의 증상
수면무호흡증의 특징은 심한 코골이와 거친 숨소리가 동반되다가 무호흡으로 조용해진 다음 매우 시끄러운 소리와 함께 호흡이 다시 시작되는 것이다. 심한 코골이 환자 중에 35%정도가 수면무호흡증 증상이 나타난다고 한다. 수면무호흡증 환자들에게 나타나는 주간증상에는 주간 졸림증, 피로감, 공격적 성격이나 자극 과민성 불안감 우울반응 등 성격의 변화, 성충동 감소, 발기부전, 이산화탄소 축적으로 인한 심한 두통 등의 증상이 나타날 수 있다. 수면 중에는 야간 빈뇨, 식도역류, 과다발한, 심한 잠꼬대, 몽유병 등의 증상 등이 나타난다.
수면 중에 코골이를 그냥 방치하게 되면 무호흡이 일어날 수 있는 확률이 높아진다. 수면 중 무호흡이 발생하면 뇌에 산소 공급이 부족해 자주 잠에서 깨게 된다. 그렇기 때문에 양질의 수면을 취할 수 없을 뿐 아니라 각성상태로 인해 심장을 비롯한 혈관계에 해로운 영향을 미쳐 심장질환등 대사증후군의 발생빈도를 높이게 된다. 이에 대한 연구결과를 살펴보면, 코를 자주 골수록 높은 혈압, 공복 고혈당, 고중성지방, 저고밀도지단 백콜레스테롤, 복부 비만의 유병률이 증가하였고 더불어 대사증후군의 유병률도 증가하였다. 그러므로 코골이 빈도의 증가는 대사증후군 및 대사증후군의 개별 대사 이상 항목과 유의한 관련성이 있었고, 특히, 일주일 동안 4일 이상의 코골이는 나이, 음주, 흡연, 체질량지수와 독립적으로 대사증후군의 위험 증가와 관련이 있었다.

3. 선행연구
1) 기존 코골이 베개의 한계
가. 일반적인 코골이 베개
일반적인 코골이 베개는 휴대하기 편하다는 장점이 있지만 잠을 자는데 다소 불편함이 있다. 코골이가 몸에 이상이 생겨서 생기는 경우가 있지만 과도한 스트레스 때문에 코골이가 발생할 수가 있으므로 코골이를 안 하는 사람도 어느 하루는 갑자기 코골이를 하는 경우가 발생한다. 이런 사람들에게는 일반적인 코골이 베개를 사용하는 것은 비효율적이다. 그리고 반드시 정자세로 자야 코골이 베개를 효율적으로 사용할 수가 있다는 단점도 있다.

그림 3. 약선 경추 베개 (출처 : http://blog.naver.com/hbhi0180/130180723301)

● 비효율성

코골이가 비염이나 몸에 이상이 있는 경우에 발생을 하지만 과도한 스트레스 때문에도 코골이가 발생을 한다. 과도한 스트레스 때문에 자신도 모르게 코를 고는 경우가 발생하게 된다. 하지만 이러한 경우에도 다소 불편한 코골이 베개를 사용하는 것은 비효율적이다.

● 조정의 불가능
일반적인 코골이 베개는 사람의 체형이 다름에도 불구하고 사용자의 체형에 따라 조정을 할 수가 없다. 코골이 베개를 베고 자도 기도가 덜 확보가 되어서 계속 코를 고는 경우가 발생을 하고 너무 지나치게 기도확보를 해서 목에 무리가 갈 수가 있다.

나. 스마트 코골이 베개
스마트 코골이 베개는 베개에 장착되어 있는 마이크로 소리를 인식하여 자는 사람의 기도를 자동으로 확보를 해준다. 그리고 마이크의 민감도와 베개가 부풀어 오르는 정도를 사용자가 조정을 할 수가 있다. 하지만 본인이 어느 정도 기도가 확보되어야 코를 골지 않은지 알 수가 없기 때문에 조정하는데 어려움이 있다. 그리고 주변 잡음이나 렘수면(Rem Sleep)일 때 발생하는 잠꼬대를 코골이 소리로 잘못 인식을 하는 경우가 있을 수가 있다.

그림 4. 코골이 베개 (출처 : http://www.ebn.co.kr/news/view/660709)

● 조정의 어려움

사람마다 몸의 체격과 체형이 다르기 때문에 기도확보를 위한 베개의 높낮이가 다르다. 베개를 너무 높게 조정을 하면 잠을 자는데 불편함을 느낄 수가 있고 너무 낮게 조정을 하게 되면 기도확보가 덜 되어서 계속 코골이를 하는 경우가 생긴다. 그러므로 본인 스스로가 이 베개가 작동함에도 코를 고는지 골지 않은지 모르기 때문에 혼자 사는 사람들에게는 이 코골이 베개를 조정하기 어려움이 있다.

● 주변 잡음으로 인한 오작동
밖에서 천둥이 치거나 렘수면(Rem sleep)일 때 발생하는 잠꼬대 소리 같은 잡음 때문에 불필요하게 베개가 부풀어 오르는 경우가 생긴다. 그러므로 잠꼬대를 자주 하거나 잠자는 방에 방음처리가 잘 안 되는 경우 이 베개의 오작동이 자주 일어나는 불편함이 있다.

다. 공통
● 조정의 어려움
사람마다 각자에게 맞는 높이가 있는데 일반적인 코골이 베개는 그 조정이 불가능 하고 스마트 코골이 베개는 다른 사람의 도움을 받아야 조정을 할 수가 있는 불편함이 있다.

● 비싼 가격
위에서 소개한 일반적인 코골이 베개의 경우 소비자의 취향에 따라 베개를 따뜻하게 하는 온환, 베개를 차갑게 하는 냉환을 선택할 수 있다. 그러나, 그 기능 때문에 가격이 무려 12만원이나 한다. 또한, 스마트 코골이 베개의 경우는 무려 16만원이나 한다.

2) 렘수면 (Rapid eye movement)
수면무호흡증의 대표적인 증상인 코골이는 대부분 렘수면 상태에서 일어난다. 우리가 코골이를 예방하기 위해서는 렘수면에 대해 알아보아야 한다. 일반적으로 수면단계에는 크게 렘수면 (Rapid eye movement)과 비렘수면 (non rapid eye movement)로 나뉜다. 비렘수면 (Non rapid eye movement)은 4단계로 나눌 수 있다. 첫 번째 단계인 N1단계는 잠에 빠져드는 구간이다. 이 구간은 매우 짧아서 몇 분 이내로 N2단계로 넘어간다. 이 구간에서는 환각과 환청이 일어나기도 한다. N1 단계의 뇌파는 알파파에서 세타파로 점차 넘어가고 점점 의식이 사라진다. 일반 성인의 잠에서 40~50%를 차지하는 N2 단계는 N1단계보다 조금 더 깊이 잠에 빠져드는 단계이다. 이 단계에서는 시간이 지날수록 무슨 일이 일어나는지 거의 의식을 하지 못한다. N3 단계는 수면 단계 중 가장 깊이 잠에 빠져드는 단계이다. 이 단계에서는 델타파라는 아주 낮은 뇌파가 많이 나타난다. 이 구간에서 다음에 일어나면 기억을 할 수 있는 렘수면 행동장애와 달리 일어나서 기억을 하지 못 하는 수면장애 현상이 자주 일어난다. 이 단계에서는 시간이 지날수록 델타파가 점점 더 많이 나타난다. N4 단계는 델타파가 50%이상 나타나는 구간을 말한다.

그림 5. 수면단계에 따라 나타나는 수면 상태

4. 작품의 기능 및 설계

렘수면(Rapid eye movement)은 뜻 그대로 안구가 활발히 움직이는 수면상태를 말한다. 또한 수면 중에 뇌의 활동이 가장 활발할 때이다. 이때 뇌파를 분석해 보면 다른 수면단계들 보다 깨어있을 때의 뇌파와 가장 유사하다. 일반적으로 렘수면일 때 다음날 일어나서 기억할 수 있는 꿈을 꾸게 된다. 렘수면의 주기는 수면 후 90~110분이다. 렘수면 상태일 때는 안구가 움직일 뿐 아니라 온몸의 근육이 이완이 되며 코골이가 일어난다.

1) ‘베고파’의 기능
1. Rotary Encoder를 통한 시간 체크 및 알람기능
2. 코골이 인식 및 서보 모터를 이용한 사용자의 기도 확보

2) ‘베고파’의 설계
1. 알람기능
- 알람 시간 조정 -

2. 수면패턴체크

3.코골이 인식 및 DC모터를 이용한 사용자의 기도 확보

5. Total Flow Chart

6. Making Cuts

7. Part of Product

8. 기대효과
1) 무호흡증의 예방
‘베고파’가 코골이를 인식하여 사용자의 기도를 확장함으로써 코골이가 심해져 무호흡증으로 이어지는 것을 예방한다.

2) 알람기능
마이크와 진동센서를 통해 사용자의 수면상태가 렘수면일 때 기상할 수 있도록 확인함으로서 베개 사용자가 보다 상쾌하게 일어나게 해줄 수 있는 효과를 기대할 수 있다. 또한 휴대전화나 알람시계의 알람기능과는 달리 베개 안의 알람기능은 사용자들에게 보다 더 신선하게 다가갈 수 있다.

3) 상품 상용화
이번 프로젝트에서 만드는 코골이베개의 사용대상은 코골이환자, 코골이로 인한 수면장애환자로 설정했다. 코골이의 대부분 원인인 스트레스가 큰 비중을 차지하고 있고, 뿐만 아니라 성인 남자의 50%, 성인 여자의 30%가 코골이 질환을 앓고 있다는 자료결과를 참고했을 때, 많은 사람들이 코골이 문제를 앓고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 현대인들은 코골이베개에 관심을 기울이게 되고 이 아이디어를 상품화하여 상용화 시킬 수 있다.

9. 한계
첫째로 보유하고 있던 캐릭터 LCD의 고장으로 인하여 Rotary Encoder의 알람기능을 실시간으로 확인할 수 없어 테스트 당시 PC의 시리얼 모니터로 확인해야 했던 점이 아쉽다.
둘째로 디바이스마트에서 구입한 12V 에어펌프는 사람의 머리를 들기에 출력이 떨어지고 많은 양의 전류를 소모하여 자칫 아두이노를 다운시킬 수 있기 때문에 이번 설계에서는 제외하였다.
셋째로 생각보다 밀도가 높은 메모리폼 베개 때문에 서보모터가 제 출력을 발휘하지 못했지만 수면 중 사용자가 충분히 자극을 느낄 수 있다고 생각한다.

10. 회로도 및 소스코드

http://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=djyedent&logNo=10181639742

기타

http://Arduino.cc

12. 출처
그림1 및 3-1 : (재미있는 인체 이야기, 2006.12.13., 가나출판사)
그림2 : http://blog.naver.com/hbhi0180?Redirect=Log&logNo=130180723301http://cafe.naver.com/reviewhome/38797 (수면무호흡증 사진)
그림3 : http://www.ebn.co.kr/news/view/660709
그림4 : http://cafe.daum.net/ConjugialLove/DHK9/41?q=%B7%BD%BC%F6%B8%E9%20% C1%D6%B1%E2&re=1
그림 5 : http://blog.naver.com/rozerie/100172660605