An Application for Pairing with Wearable Devices to Monitor Personal Health Status

Yu-Chen Yeh; Ang Yeh; Shih-Han Hung; Chia-Ching Wu; Yu-Hsin Tung; Sung-Yueh Liu; William C. Sullivan; Chun-Yen Chang

doi:10.3791/63169

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Medio ambiente

개인 건강 상태를 모니터링하기 위해 웨어러블 장치와 페어링하는 응용 프로그램

Published: February 03, 2022

doi:

10.3791/63169

Yu-Chen Yeh¹, Ang Yeh¹, Shih-Han Hung¹, Chia-Ching Wu², Yu-Hsin Tung¹, Sung-Yueh Liu¹, William C. Sullivan^2,3, Chun-Yen Chang¹

¹Department of Horticulture and Landscape Architecture,National Taiwan University, ²Department of Landscape Architecture,University of Illinois, Champaign, ³Smart, Healthy Community Initiative, Office of the Provost,University of Illinois, Champaign

Summary

본 프로토콜은 심리적 체중계, GPS 위치, 심박수 및 혈중 산소 포화도 수준 및 애플리케이션의 작동 절차를 포함하는 실시간 현장 데이터를 수집하기 위한 비상업적 자체 개발 애플리케이션을 소개합니다. 2020년 대만에서 실시된 실증적 연구가 적용 사례로 사용되었습니다.

Abstract

현재 프로토콜은 기술 통합을 보여주기 위해 국립 대만 대학 (HLHP-NTU)의 건강한 풍경 및 건강한 사람 연구소에서 개발 한 HealthCloud 앱을 스마트 폰 및 스마트 워치에 채택하여 사용자의 실시간 심리적, 생리적 반응 및 환경 정보에 대한 데이터를 수집하는 방법에 대한 자세한 설명을 제공합니다. 조경 및 야외 레크리에이션 연구의 현장 연구에서 개인 데이터의 다차원 적 측면을 측정하기 어려울 수 있기 때문에 유연하고 통합 된 연구 방법이 제안되었습니다. 2020 년 국립 대만 대학 캠퍼스에서 실시한 현장 연구가 적용 사례로 사용되었습니다. 유효하지 않은 샘플을 제외한 후 385 명의 참가자 데이터 세트가 사용되었습니다. 실험 중에 참가자들은 심박수와 심리적 척도 항목을 여러 환경 지표와 함께 측정 할 때 30 분 동안 캠퍼스를 걸어 다니도록 요청 받았습니다. 이 작업은 현장 연구가 주변 요인과 일치하는 실시간 인간 반응을 추적하는 데 도움이 되는 가능한 솔루션을 제공하는 것을 목표로 했습니다. 앱의 유연성으로 인해 웨어러블 장치에서의 사용은 다학문 연구 연구에 탁월한 잠재력을 보여줍니다.

Introduction

실시간 데이터 수집
일상 생활에서 사람들은 여러면에서 물리적 환경의 혜택을받습니다. 예를 들어, 심리적¹ 및 심박수 회복²과 같은 긍정적 인 결과가 널리 발견되었습니다. 또한 온도 및 습도와 같은 주변 요인과 정신 건강 간의 관계가 논의되었습니다 ^3,4. 연구는 또한 심박수 및 스트레스 5,6,7,8과 같은 생리적 및 심리적 반응 사이의 연관성을 탐구했습니다. 자연 노출로 인한 심리적, 생리적 이점에 대한 광범위한 증거가 잘 통제 된 실험실 연구 ^9,10에서 발견되었으며, 이는 현장에서 다양한 영향력있는 요인을 나타내지 않았을 수 있습니다. 따라서, 실시간 인간 반응 사이의 관계를 측정하기 위해, 현장 연구는 실험실 시뮬레이션(¹¹)보다 실제 시나리오 경험 및 환경에 대한 반응을 반영하는 것이 더 나은 것으로 간주된다. 더욱이, 환경에 대한 인간의 반응은 상황¹²에 의존 할 수있다. 사람들의 심리적, 생리적 건강과 환경의 질 사이의 관계를 이해하는 것이 중요하다는 점을 감안할 때 다양한 정보 측정을 수집 할 수있는 실시간 자체 추적 측정이 시급합니다.

생태 학적 순간 평가 (EMA) 또는 경험 샘플링 방법 (ESM)은 현장 연구^13,14를위한 솔루션을 나타낼 수 있습니다. EMA 및 ESM은 실제 시나리오에서 현장에서 인간의 순간적인 반응을 평가하는 것을 목표로 합니다¹⁵. 셀프 트래킹 기술을 채택하여 반응, 반응 및 현장 경험을 새롭게 측정할 수 있습니다¹⁴. 참가자는 소위 신호-조건부 샘플링 방식(¹⁵)에서 평가를 구현하기 위해 텍스트 또는 알림과 같은 신호를 통해 통지를 받는다. “EMA”라는 용어는 주로 건강 관련 연구¹³에서 사용되는 반면, “ESM”은 레저 및 야외 레크리에이션 연구¹⁶에서 사용되는 경향이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 이 용어는 때때로 같은 의미로 사용되었습니다.¹².

환경 연구 연구에 EMA를 적용 할 가능성은 Beute et ^al.12에 의해 논의되었으며, 그는 단순히 “자연적”또는 “도시적”보다 더 다양한 환경을 다룰 수 있다고 지적했습니다. 예를 들어, 보행 측정(예: GPS 위치 추적을 통해)을 채택함으로써 보행 중 생리적 반응을 실시간 위치 데이터 세트와 일치시켜 환경 유형 및^{환경 특성7}에 대한 보다 풍부한 공간 해상도를 제공할 수 있습니다. 또한 EMA가 허용하는 실시간 데이터 수집은 높은 생태학적 타당성을 보장하여 실험실 연구에서 보완적인 관점을 제공합니다.

점점 더 많은 현장 실증 연구에서 웨어러블 장치와 스마트 폰을 채택하여 일상 생활 및 연구 목적에서 개인 건강 상태를 모니터링합니다^17,18,19,20. 이들 두 장치를 모두 채택하는 것은 스마트폰(¹²)만을 사용하는 것보다 더 많은 이점을 제공할 수 있다. 첫째, 스마트워치를 이용한 접속 시간이 폰(²¹)을 이용한 접속 시간보다 짧아서 중단 부담을 줄일 수 있다. 둘째, 시계는 스마트폰(²²)보다 더 큰 신체 밀착성을 제공하며, 휴대폰은 데이터를 저장하고 업로드하기 위한 순간 데이터베이스로서 사용될 수 있다. 셋째, 오늘날 스마트 워치는 심박수 변동성, 심전도 (ECG) 및 혈압^{23,24,25,26,27}과 같은 다양한 매개 변수에 여러 센서를 제공합니다. 인간 반응의 개인과 전반적인 측면은 특정 활동을 추론 할 수 있습니다¹². 마지막으로, 스마트 폰은 일반적으로 스마트 폰 기반 연구를 위해 주머니에 휴대되며, 설문지의 경우 스마트 워치를 사용하는 경우와 비교하여 추가 작업을 수행해야합니다.

그러나 심리적, 생리적 결과와 환경 정보 간의 관계를 탐구 한 연구는 거의 없습니다. 따라서 본 연구에서는 스마트워치, 스마트폰 등 웨어러블 기기에 비상업적 자체 개발 앱인 헬스클라우드(HealthCloud)를 도입해 실시간 심리적, 생리적, 환경적 정보를 수집하는 방안을 제시한다.

자체 개발 한 앱 및 웨어러블 장치
웨어러블 기기에서 사용할 수 있는 앱은 국립 대만 대학교(HLHP-NTU)의 건강한 풍경 및 건강한 사람 연구소에서 개발하여 인간의 반응과 환경 데이터를 추적하는 보다 접근하기 쉽고 유연한 방법을 제공하여 연구원들이 인간의 건강과 환경 정보 간의 관계를 추가로 분석할 수 있도록 했습니다(그림 1).

iOS 기반 앱은 여러 작업과 수동 데이터 수집 기능을 제공합니다. 이 앱은 사용자가 빠르고 쉬운 평가를 위해 별 1개에서 5개까지 응답을 평가할 수 있는 Pop Quiz 질문을 통해 측정된 심리적 척도 항목과 같이 스마트워치에서 자가 보고 데이터를 수집합니다. 이러한 유형의 질문 개입은 마이크로-EMA(μEMA)-주의가 덜 필요하고 스마트워치-EMA-28보다 더 큰 응답률을 갖는 현장 데이터 수집 방법의 한 유형으로 간주될 수 있습니다. 심박수, 심박수 변동성 및 혈중 산소 포화도를 포함하여 센서로 모니터링되는 생리적 반응 데이터는 iOS의 기능을 사용하여 측정할 수 있습니다. 심박수는 광용적맥파²⁹라는 기술을 사용하여 스마트워치의 광학 심장 센서를 통해 측정됩니다. 이 앱은 빛에 민감한 포토다이오드가 있는 녹색 LED 조명을 사용하여 혈류량을 감지하고 분당 심장 박동도 계산합니다. 심박수 변동성(HRV)과 혈중 산소 농도(SpO2)는 앱을 사용하여 감지할 수 있습니다. 스마트폰의 경우 스트룹 테스트(그림 2B), 이미지 캡처 작업(그림 2C) 및 환경 사운드 작업(그림 2D)과 같은 작업, 상대 습도, 날씨 및 고도를 포함한 주변 조건 데이터가 여러 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스에서 수동적으로 수집됩니다.

그림 1: 앱 개요. 스마트 워치, 스마트 폰 및 데이터베이스에서 앱의 기능. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 앱 작업. 앱에서 사용할 수 있는 작업의 예: 왼쪽에서 오른쪽으로 (A) 팝업 질문이 있습니다. (B) 스트룹 테스트. (C) 이미지 캡처 작업. (D) 환경 사운드 작업. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

모든 데이터는 백엔드 웹 사이트에 업로드됩니다 (협력 연구원에 대한 액세스, 자료 표 참조). 웹 사이트는 사용자의 현재 위치와 심박수를 보여주는 지도 디스플레이(그림 3), 데이터 검색 및 추출을 위한 데이터시트(그림 4), 작업의 빈도, 우선 순위 및 내용을 수정하기 위한 작업 구성(그림 5)과 같은 몇 가지 주요 기능을 제공합니다. 이러한 뛰어난 유연성과 광범위한 측정을 통해 연구원은 연구 목표에 따라 이전에 언급 한 작업 기능을 쉽게 선택할 수 있습니다. 또한 이 앱은 사용자와 연구원 모두에게 도움이 될 수 있습니다. 앱은 답변한 질문과 선택한 경로에 따라 상태 보고서와 GPS 위치 궤적(그림 6)을 제공합니다. 따라서 당일 건강 상태에 대한 빠른 아이디어를 얻고 건강 데이터를 계속 추적 할 수 있습니다.

그림 3: 앱 데이터베이스에 표시된 지도. 앱 데이터베이스의 지도 디스플레이는 위치 및 심박수를 포함한 최신 정보를 연구원에게 제공합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 앱 데이터베이스의 데이터시트. 앱 데이터베이스에 있는 표시 맵의 데이터 보고서로, 시간, 필드 또는 테스터 ID를 필터링하여 데이터를 내보낼 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 앱 데이터베이스의 작업 구성 설문지의 작업 우선 순위, 시간 간격, 언어 및 내용을 수정할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 앱 사용자에 대한 상태 보고서 앱을 사용한 후 사용자는 자동으로 생성된 개별 결과 집합을 받을 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

대표 연구
스마트폰과 스마트워치에서 앱을 사용한 다양한 차원의 데이터 수집의 통합을 보여주기 위해 2020년 대만 타이베이에 있는 국립 대만 대학 캠퍼스에서 현장 연구가 수행되었습니다. 연구 참가자는 실험 1 주일 전에 온라인 양식을 통해 국립 대만 대학의 소셜 미디어 팬 페이지에서 모집되었습니다. 양식에는 연구 목적, 프로세스, 위치, 참여 조건, 착용 할 연구 장치의 개략도, 독자가 참여 의지와 참여할 수있는 시간을 표시 할 수있는 공간이 포함되었습니다. 완료 후 참가자는 일정 2일 전에 이메일로 실험의 정확한 시간과 위치를 통보받았습니다. 이 연구는 심리적 변화, 생리학, 신체 활동 (걷기), 소리 및 색 인식을 조사하기 때문에 참가자들은 다음 조건을 충족했습니다 : (1) 20-36 세 사이, (2) 좋은 신체 및 정신 건강, (3) 중추 신경계에 영향을 미치는 약물을 정기적으로 사용하지 않음, (4) 임신 중이거나 모유 수유를하지 않는 것, (5) 심혈관 질환의 병력이 없습니다. (6) 도보로 30 분 이상 걸을 수 있고, (7) 색을 식별 할 수 있습니다.

실험 당일, 참가자들에게는 스마트 폰과 스마트 워치 한 세트와 경로지도가 제공되었습니다. 연구진은 참가자들에게 연구의 목적, 연구과정, 웨어러블 기기, 연구과정에서 주의가 필요한 사항에 대해 통일된 설명을 제시했다. 걷는 동안 5 분마다 Pop Quiz 작업을 사용하여 심리적 반응을 평가했으며 심박수와 같은 생리적 반응은 스마트 워치의 센서로 매분 측정되었습니다. 실험 후 참가자는 200 NTD 상당의 기프트 카드 (~ 7 USD)로 보상을 받았습니다.

심리적 측정을 위해이 연구는 풍경 선호도와 지각 된 회복 척도 짧은 버전³⁰의 두 가지 측면, 즉 “멀리 떨어져있는 것”과 “매혹”을 고려했습니다. 이러한 측면은 참가자들에게 “이것은 일상적인 요구에서 벗어나 휴식을 취하고 관심있는 것에 대해 생각할 수있는 곳입니다.”와 “그 장소는 매력적입니다. 내가 사물을 발견하고 호기심을 가질 수 있을 만큼 충분히 크다.” 주의력 회복 이론에 기초하여 환경의 회복 요인에 대한 개인의 인식을 측정하기 위해 (1) “매우 동의하지 않음”에서 (5) “매우 동의함”까지의 5점 리커트 척도³¹. 풍경 선호도는 “어떤 이유로 든 설정을 얼마나 좋아합니까?”라는 단일 질문과 함께 5 점 리 커트 척도를 사용하여 평가되었습니다 (1) “매우 적음”에서 (5) “매우 많이”까지. 설문지는 5분 간격으로 “팝 퀴즈” 작업을 사용하여 전송되었으며, 이는 참가자가 5분마다 설문지를 받았음을 의미합니다.

생리학적 측정을 위해 걷는 동안 심박수(HR)를 사용하여 1분 간격으로 참가자의 생리적 결과를 나타냈습니다. GPS 데이터(위도 및 경도), 온도, 상대 습도, 풍속, 풍도 등 환경 정보를 스마트폰을 통해 수집했다.

Protocol

전체 프로토콜은 국립 대만 대학 연구 윤리위원회 사무소의 인간 관련 실험 수행 지침을 따릅니다. 참가자를 모집하는 동안 후보자는 말하기와 쓰기 모두에서 자신의 지침과 권리 및 실험의 위험에 대해 통보 받았으며 서명 된 동의서가 수집되었습니다. 이 앱은 스마트폰과 스마트워치에 설치할 수 있습니다( 자료표 참조). 1. 심리적, 생리적 실험의 준비</stro…

Representative Results

원래 샘플은 423 명으로 구성되었으며, 그 중 18 명은 베타 버전의 앱 불안정으로 인한 데이터 품질 저하로 인해 제외되어야했고 다른 20 명은 모든 팝 퀴즈 질문을 완료하지 못했습니다. 이로 인해 유효 샘플 레이트는 0.91이 되었습니다. 국립 대만 대학에서 385 명의 학생 (여성 213 명, 남성 172 명)의 데이터 세트가 모집되었습니다. 참가자는 20-36 세 사이였습니다 (M = 23.38, SD = 2.268). 심…

Discussion

연구의 목적과 중요한 결과
스마트 폰 및 스마트 워치와 같은 웨어러블 장치는 생리적 지표 또는 증후군 32,33,34^, 심리적 상태^22,35를 조사하는 데 널리 사용되었습니다. 환경 정보 또는 행동^18,36. 스마트 장치의 대부분의 응용…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

대만 농업 위원회는 2018년부터 2020년까지 연구 프로젝트와 HealthCloud 앱 개발에 자금을 지원했습니다[109 농업 과학 – 7.5.4-보충-#1(1)] ([109 -7.5.4–#1(1)]).

Materials

Apple Watch 6	Apple	For the use of the HealthCloud app, such as Pop-up questions, heart rates measurement.
iPhone	Apple	For the use of the HealthCloud app, such as GPS location collection, weather data colledction, data storage, data transfer.
HealthCloud	Self-developed	The HealthCloud app, adopting Apple Watch and iPhone, was developed by Healthy Landscape and Healthy People Lab, National Taiwan University (HLHP-NTU) to track human responses. It adopted several APIs such as HealthKit, ResearchKit, Weather API and AppleWatch applications including Breathe app, and Blood Oxygen app to collect physiological status and psychological states, and environmental data in aims of further analyzing the relationships between human health and the environmental information. The link to the app in APP Store is as following: https://apps.apple.com/tw/app/healthcloud/id1446179518?l=en
backend website		The backend website of HealthCloud app for the use of the configuration of the tasks, data exportation, and the display of users. http://healthcloud.hort.ntu.edu.tw/
HealthKit	Apple	For the use of retrieving the data of physiological responses such as heart rate, heart rate variability, and blood oxygen saturation level. The link to the HealthKit: https://developer.apple.com/documentation/healthkit
ResearchKit	Apple	This kit includes a variety of tasks for the use of research purposes. The functions adopted in HealthCloud app include Image Capture task, environment sound task, Stroop Test, to the Pop Questions of psychological state measurements such as perceived restorativeness scale, landscape preferences. The link to the ResearchKit: https://www.researchandcare.org/
Weather API	OpenWeather	For the use of collecting the real-time environmental data, including humidity, weather, global positioning system location, altitudes, etc., from the nearest weather station. The link to the Weather API: https://openweathermap.org/api
Breathe app	Apple	For the use of assessing the real-time heart rate variability (HRV). This app was not included in the procedures of this pilot study. However, the HealthlCloud is now capable of retrieving the HRV data collected from Breathe app. The link to the Breathe app: https://apps.apple.com/us/app/breathe/id1459455352
Blood Oxygen app	Apple	For the use of assessing the real-time Blood Oxygen Concentration level (SpO2). The latest version of HealthlCloud is capable of retrieving the SpO2 data collected from app. This app was not included in the procedures of this pilot study. However, The measurement of Blood Oxygen app: https://support.apple.com/en-us/HT211027 The link to the Blood Oxygen app: https://apps.apple.com/us/app/breathe/id1459455352"
IBM SPSS Statistics 25	IBM	For the use of statistical analysis. The link to the Blood Oxygen app: https://www.ibm.com/support/pages/downloading-ibm-spss-statistics-25

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Yeh, Y., Yeh, A., Hung, S., Wu, C., Tung, Y., Liu, S., Sullivan, W. C., Chang, C. An Application for Pairing with Wearable Devices to Monitor Personal Health Status. J. Vis. Exp. (180), e63169, doi:10.3791/63169 (2022).