Correction of temperature measured by insole sensors for diabetic foot diagnosis based on pressure effect reduction

Abstract

서론: 발 건강을 모니터링 하는 것은 몸의 종합적인 건강상태를 알려준다. 특히 발바닥에 가해지는 압력과 피부 온도를 모니터링 함으로서 당뇨로 인한 족부 궤양의 조기 진단이 가능하다. 이러한 이유로 센서가 부착된 깔창을 사용함으로써 일상생활에서도 모니터링을 하는 연구가 진행되었었지만 피부온도를 모니터링 하는 데에 있어서 영향을 주는 요소들로 인하여 특히 양 발의 대응점 (엄지, 1st, 3rd 중족 그리고 뒤꿈치)에서의 차이 (≥1.2 C˚차이로 족부 궤양의 조기발견)를 모니터링 하는데 있어서 잘못된 결과를 줄 수 있다. 이 연구에서는 오직 압력만을 오차 요소로 두고 압력이 발바닥 피부온도에 어떠한 영향을 주는지 알아보고 압력으로 인한 오차를 줄이는 방법을 제시하였다.

방법: 실험을 하는 데에 앞서서 서미스터 (thermistor)를 25도에서 40도사이에서 온도교정을 하였다. 그리고 이 서미스터를 깔창에 부착하여 이 깔창을 사용하여 발바닥의 관심 부위, 즉 엄지, 1st, 3rd 중족 그리고 뒤꿈치의 피부온도를 측정하였다. 압력에는 압력센서를 이용하여 세 단계의 압력 (무압력, 기준, 집중)을 발바닥의 관심부위에서 측정하였고 각 단계에서 서미스터에서 받은 전압 값을 매트랩을 사용하여 서미스터 교정에서 얻은 식들을 사용하여 온도로 전환하였다. 데이터를 받은 후 압력이 증가할수록 온도가 어떻게 변하는지 경향을 분석하고 또한 압력값과 온도변화량 간의 관계도 분석하여 오차를 줄이는 압력보정함수를 얻을 수 있었다. 그리고 피험자에게 왼발이나 오른발에 다른 발보다 더 큰 압력을 주었을 때 이 함수를 사용하여 과연 얼마나 오차를 줄일 수 있는지도 확인실험을 하였다.

결과: 실험 결과 압력이 증가할수록 피부 온도가 감소하는 것이 보여졌다. 이것은 곧 사람 몸의 다른 부위의 피부온도가 압력의 영향 때문에 생기는 혈류의 감소로 인해 받는 경향과 비슷하다는 것을 보여준다. 또한 실험을 통해 얻은 압력보정함수를 이용하여 피험자에게 적용을 하였을 때 오차가 줄어드는 결과를 보여주었고 이것은 이 방법을 사용하면 오경보 (false alarm)의 확률을 줄일 수 있다는 것을 뜻한다.

고찰: 이 연구는 발바닥에 주어지는 압력으로 인해 피부온도가 줄어드는 것을 보여주었다. 또한 압력보정함수를 제안함으로써 압력으로 인한 피부온도 변화량의 오차를 줄이는 것을 보여주었다. 센서가 부착된 깔창에 이 압력보정함수를 적용하면 사람이 어떠한 서있는 습관에서도 올바른 결과를 낼 수 있다는 것을 보여주었다.

Introduction: The foot health monitoring gives clues about bodys overall health and it has been known that by monitoring pressure and temperature of plantar foot, the early diagnosis of diabetic foot ulcer is possible. Because of this, monitoring plantar foot in daily life using sensor-embedded insole has been researched

however, there are factors that affect in monitoring plantar foot skin temperature which bear error in the result especially when comparing the temperature difference of corresponding points (Toe, 1st, 3rd metatarsal and Heel) between left and right foot (≥1.2 C˚ difference for early diagnosis of foot ulcer). In this study, we only focused on pressure as the only factor that affects foot plantar skin temperature and we investigated how the pressure affects the skin temperature in plantar foot and propose the function to correct the error caused by the pressure.

Methods: We performed calibration for each thermistor before the experiment in the temperature range from 25 to 40°C. We used thermistor-embedded insole in measuring skin temperature of corresponding points which are toe, 1st, 3rd metatarsal and heel from both feet. We used pressure sensor and three stages of pressure (No pressure, standard, focused) were applied on plantar foot surface and in each stage, the voltage values were received and converted into the temperature values using the equations obtained from calibration by using Matlab. Once the data were received, we analyzed the trend of temperature changes as the pressure increases. Also, by investigating relationship between the amount of temperature changes and that of pressure changes, we were able to get the pressure-error-correction function. By using this function, we applied this to the subjects while they put more pressure on either left or right foot, so that we can check if the function can reduce the error.

Results: The experimental results show that as the pressure increases, the temperature decreases. This implies that because of less blood flow caused by pressure applied on the plantar foot surface, the skin temperature decreases and this trend is similar to those on other parts of the body. When we applied the pressure-error-correction function to the subjects, the errors were reduced and this shows that by using this method, we were able to reduce the false alarm.

Conclusions: This study proved that as the pressure on the plantar foot surface increases, the plantar foot skin temperature decreases. We were also able to reduce the error in skin temperature monitoring caused by the pressure using pressure-error-correction function and showed that it can be applied to sensor-embedded insole independent from the persons standing habit.