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Original Article
3D 프린팅 기술을 활용한 치매노인 전용 영양(수분)보충 식품섭취용기 개발
Development of 3D Printed Snack-dish for the Elderly with Dementia
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1순천향대학교 식품영양학과 일반대학원, 박사과정수료
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2순천향대학교 CAE 및 정밀가공 연구실, 엔지니어
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3순천향대학교 기계공학과, 교수
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4순천향대학교 식품영양학과, 교수
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5순천향대학교 화학과, 교수
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1PhD candidate, Graduate School of Food Science and Nutrition, Soonchunhyang University, Asan, Korea.
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2Research Engineer, CAE&Precision Processiong Lab, Soonchunhyang University, Asan, Korea.
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3Professor, Department of Mechanical Engineering, SoonChunHyang University, Asan, Korea.
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4Professor, Department of Food Science and Nutrition, Soonchunhyang University, Asan, Korea.
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5Professor, Department of Chemistry, Soonchunhyang University, Asan, Korea.
Corresponding author: Hee-Seon Kim. Department of Food Science and Nutrition, Soonchunhyang University, 22 Soonchunhyang-ro, Asan-si, Chungcheongnam-do 31538 Korea. Tel: +82-41-530-1263, Fax: +82-41-530-1257,
Email: hskim1@sch.ac.kr
Received July 20, 2021; Revised October 12, 2021; Accepted October 14, 2021.
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Objectives
This study was conducted to create a 3D printable snack dish model for the elderly with low food or fluid intake along with barriers towards eating.
Methods
The decision was made by the hybrid-brainstorming method for creating the 3D model. Experts were assigned based on their professional areas such as clinical nutrition, food hygiene and chemical safety for the creation process. After serial feedback processes, the grape shape was suggested as the final model. After various concept sketching and making clay models, 3D-printing technology was applied to produce a prototype.
Results
3D design modeling process was conducted by SolidWorks program. After considering Dietary reference intakes for Koreans (KDRIs) and other survey data, appropriate supplementary water serving volume was decided as 285 mL which meets 30% of Adequate intake. To consider printing output conditions, this model has six grapes in one bunch with a safety lid. The FDM printer and PLA filaments were used for food hygiene and safety. To stimulate cognitive functions and interests of eating, numbers one to six was engraved on the lid of the final 3D model.
Conclusions
The newly-developed 3D model was designed to increase intakes of nutrients and water in the elderly with dementia during snack time. Since dementia patients often forget to eat, engraving numbers on the grapes was conducted to stimulate cognitive function related to the swallowing and chewing process. We suggest that investigations on the types of foods or fluids are needed in the developed 3D model snack dish for future studies.
치매는 뇌의 기능이 만성적으로 저하되어 궁극적으로 한 인간의 사회기능과 일상생활 장애를 초래하는 질병으로 65세 이상 인구에서 전 세계적으로 발병률이 높다[1]. 2019년 기준 우리나라 65세 이상 추정 치매 환자 수는 약 75만 488명으로 보고되었다[2]. 65세 이상 치매노인에서 80%가 영양장애를 호소하며[3] 질병 진행에 따라 점차 음식을 입에 넣거나, 저작과 삼킴에 어려움을 보이며 치매 말기에는 음식을 보고도 입을 벌리지 않거나 뱉어내는 등의 식행동의 변화가 빈번하게 나타나는 것으로 보고된다[4].
치매환자의 영양관련 문제는 대표적으로 연하장애가 있는데 이는 식사섭취에 장벽을 만들고 체중감소, 영양불량 및 탈수 등의 심각한 부작용을 초래하는 것으로 알려져 있다[5]. 정상노인에 비해 치매노인의 영양결핍은 상당히 심각하다. 선행연구[6]에 따르면 치매노인을 대상으로 식사섭취실태 및 영양 상태를 분석한 결과 같은 연령대의 정상노인과 비교하였을 시 한국인 영양소 섭취기준[7] 대비 열량섭취를 포함한 대부분 영양소의 섭취상태가 저조한 것으로 분석되었다. 따라서 치매노인을 대상으로 한 효과적인 영양중재가 필요한 실정이다.
외국의 경우 영양불량이 만연하고 이로 인해 식행동과 영양소 섭취의 개선이 필요한 치매노인을 대상으로 먹고 마시는 등의 식사행동을 용이하게 하는 보조도구와 식기를 전문적으로 판매하는 인터넷 사이트를 쉽게 찾아볼 수 있다. 일례로 영국의 알츠하이머 협회가 제공하는 환자 전용용품의 주된 특징으로는 안전사고를 예방할 수 있도록 집기 편한 단순한 디자인과 실리콘 등의 깨지지 않는 소재를 사용하는 점과 치매 환자의 행동 특성 상 집는 행위에서 발생하는 손 떨림을 줄일 수 있도록 손에 쥐는 데 용이한 디자인의 수저, 포크 및 집기 등이 주로 판매되고 있다[8]. 미국 ‘Eat Well’ 사의 경우 치매 투병 중인 노인의 식사를 수발한 경험을 바탕으로 환자에서 발생하는 여러 식사 문제에 착안한 디자인을 개발하였다. 음식과 식기의 분별이 어려운 환자의 특성을 고려하여 원색 대비가 극명하고 둥근 형태의 그릇 제품을 제공함으로써 치매노인에게 저하된 인지능력을 고려하여, 식사하는 것을 잊지 않도록 메시지를 전달 할 수 있는 녹음 기능을 제공하는 사례도 있었다[9].
그러나 현재 국내에서 치매노인을 대상으로 식사 보조도구 또는 관련 용품을 전문적으로 판매하는 경우가 드물고 외국 사례와 제품을 소개한 정도에 그쳐 전문적 서비스의 부재를 여실히 드러내고 있다. 종합해보면 음식 섭취와 관련된 신체기능이 만성적 퇴화상태에 이른 이상 식행동을 보이는 치매노인에게 단순한 섭취 증량을 권고하기에는 무리가 있으므로 인지기능, 신체상태 및 식사 섭취 관련 행동 특성 등 다각도에서 접근하는 영양 도구의 개발과 적극적인 활용이 시급하다. 특히 국내외 요양시설에 재소하는 치매노인의 경우 여러 선행연구[10, 11]에서 다양한 식사관련 환경 요인의 자극과 긍정적인 변화를 시도할 필요성이 강조된 것으로 나타났다. 따라서, 식사섭취나 만성적 영양불량의 위험에 처한 치매노인을 대상으로 먹는 행위에 대한 호감을 향상시키고 저하된 인지기능을 자극하는 등 다각적 측면이 고려된 영양중재 도구를 개발할 필요성을 파악하였다. 본 연구는 영양중재 도구 개발의 일환으로 치매노인이 식사를 통해 충분히 섭취하지 못하는 수분이나 영양소를 보충하고자 하였다. 이를 위해 식사 외의 시간에 영양 혹은 수분 보충을 위해 섭취하는 스낵 개념의 식품을 제공하는 맞춤형 용기를 3D 프린터를 활용하여 개발하고자 하였다.
1. 연구 협의체 구성 및 아이디어 창출
아이디어의 창출을 위하여 다양한 분야의 전문가들이 협의체를 구성하고 정기적인 회의를 통해 제작 아이디어를 교환하였다. 대학 내 사전 지식이 충분하다고 판단된 전문가로 교수, 대학원생, 임상영양사로 이루어진 협의체를 구성하였다(Table 1). 개발 용기를 적용하고자 하는 대상자인 치매노인에 대한 임상영양 관리과정에 관한 전반적인 지식이 있는 식품영양학 전공 교수 1명과 식품의 맛과 물성 조절 및 식품용기에 대한 전공을 한 식품영양학과 교수 1명 및 대학원생인 임상영양사 1명을 주축으로 영양학적 근거 타당성을 논의하였다. 해당 구성원들은 치매노인의 영양상태 증진 및 중재시도에 관련한 선행연구 고찰, 현재 동향 및 외국 자료를 탐구하여 치매노인에게 인지능력을 향상하며 식품 섭취량을 증진할 수 있는 용기를 개발하기 위한 디자인을 고안하였다. 아이디어 창작물의 실제 제작을 위하여 기계공학전공 교수 1명 및 설계 전담 엔지니어를 섭외하였으며 초기 아이디어가 구체적으로 출력이 가능하도록 3차원 모델링 작업 및 자문을 담당하였다. 또한 시제품을 사용하여 여러 종류의 음식 혹은 물 또는 수분보충제를 담아 제공할 때 식품안전성과 식품위생에 큰 위험이 없어야 하므로 출력 소재의 안정성 및 식품 용기로서의 안전성과 물질 취급에 관한 안전관리를 담당하기 위하여 화학 전공 교수 1명이 자문단으로 참가하여 정기적인 피드백을 제공하였다. 협의체 구성원은 담당 분야별로 아이디어 개발 계획을 착수하였고 2019년 9월부터 11월까지 2주마다 1회씩 정해진 날짜에 모여 담당 주제의 아이디어 회의를 진행하여 초기 설계 계획의 틀을 잡았다. 브레인스토밍 기법을 사용하여 각자의 아이디어를 최대한 수용하고 효과적으로 치매노인을 위한 영양중재 도구로서의 기능을 수행할 개발 용기의 다각적 측면에 대해 토의하였다. 브레인스토밍 기법 중 본 연구에서는 각 개인이 아이디어 개발작업을 진행하고 중간마다 회의를 진행하는 하이브리드 브레인스토밍[12]을 적용하였다.
Table 1
Professional experties and roles of committee members
2. 드로잉 스케치 및 초기 입체모형 제작
개발 모델인 식품섭취 용기는 교육 교구의 특성을 갖고 동시에 영양보충 식품섭취 혹은 수분보충을 위한 용기로서의 기능을 고려하여 제작할 것을 합의하였다. 인지기능이 저하된 노인에게 숫자놀이를 통해 인지기능을 자극하는 등의 교구로서의 효과를 갖추면서도 음식에 대한 흥미를 유발할 수 있는 모형을 개발하기 위해 시중에 개발된 유아 교구 모델들의 특성을 탐색하였다. 영양학적 측면을 고려하여 보충식을 섭취할 때를 잊지 않으면서도 섭취하는 동안 숫자놀이를 통해 인지기능을 자극하는 다양한 이점이 있을 것으로 의견이 수렴된 포도송이 디자인을 구상하였으며, 이를 ‘3D 프린팅 포도 용기’라 칭하였다(Fig. 1a). 또한 식품위생을 고려하여 뚜껑을 여는 방식의 용기모양을 구상하였다. 결정된 아이디어를 초기 디자인 설계를 위한 2D 데이터로 표현하기 위하여 우선 볼펜을 이용한 드로잉 스케치 작업을 진행하였다(Fig. 1b). 설계엔지니어에게 아이디어를 효과적으로 전달하기 위해서 국산 백색 점토(천사점토, ㈜도너랜드, 대한민국)를 활용하여 입체 형태를 제작하였다. 아이디어 토의를 바탕으로 결정된 디자인을 점토로 제작한 결과물을 Fig. 1c에 나타내었다.
3. 3D 모델링 및 3D 데이터 변환작업
고안된 아이디어를 구현하여 실제 시제품으로 제작하기 위하여 3D 프린팅 기술을 적용하였다. 3D 프린팅 기술은 개인의 니즈를 충족시키며 소규모 맞춤 제작에 적합하다고 알려져 있으며, 다양한 산업분야에 적용이 가능하고 고안한 디자인을 직접 확인할 수 있어 생산 공정과 소요 시간을 단축시킬 수 있다는 장점이 있기에[13, 14] 해당 용기 제작을 위한 적합한 기술로 판단되었다. 본교 내 여러 업체들과 협업 경험이 있는 3D 모델 설계 전문 연구실(순천향대학교 CAE및 정밀가공 연구실)을 섭외하고 제작 협의와 발주 과정을 논의하였다.
4. 용기의 제공량 설정
용기가 식품 또는 수분 보충의 다양한 목적으로 쓰일 수 있는 점을 고려하여 용기에 최대 제공할 수 있는 용량의 단위는 부피(mL)로 설정하였다. 수분보충을 위한 기준을 설정하기 위하여 한국인영양소섭취기준(Dietary Reference Intakes for Koreans: KDRIs 2015) 및 선행연구를 참고하여 적정한 수준을 설정하고 창작 과정에 반영하였다.
5. 3D 프린팅 모델링 및 어셈블리 조건 설정
개발 협의는 총 3회에 걸쳐 이루어졌고 합의된 요구사항을 바탕으로 엔지니어의 설계 작업이 진행되었다. 매 중간 출력물 제작 시 연구진이 함께 모여 회의를 진행하여 보완점을 발견하고 이에 따른 수정사항을 요구하는 방식으로 진행되었다. 3D 디자인 모델링 작업을 위해 3D CAD 소프트웨어인 SolidWorks (Dassault Systemes, France) version 2016[15]이 사용되었다. 출력에 사용된 3D 프린터는 FDM (Fused Deposition Modeling) 출력방식 프린터인 DP200 (Sindoh, 2017)을 사용하였다. 어셈블리(assembly, 조립) 공정은 3D 모델링 작업 시 디자인의 연결부위가 발생하는 경우 사용하는 기능으로서, 연결 부분의 교섭(마찰부위 발생) 여부를 사전에 파악하여 적절한 수치 설정이 가능하게 하는 과정을 칭한다[16]. 따라서 복잡한 디자인일수록 모든 부품을 빠짐없이 디자인 한 후 반드시 해당 공정을 미리 수행하여 조립 시 실수를 범하지 않고 각 부분의 매끄러운 연결이 가능토록 해야 한다.
6. 출력용 필라멘트 결정
3D 프린팅 출력 소재는 흔히 필라멘트라 칭하며 FDM 방식에 주로 쓰이는 필라멘트 소재로는 플라스틱인 경우가 많다. FDM 방식은 기기 자체의 예열 과정을 통해 필라멘트를 녹이고 3D 디자인에 따라 층층이 쌓아올리는 적층과정을 통해 출력을 완성한다. 본 연구에서는 창작물이 식품을 담는 용기로 사용되기에 각별히 취급 시 안전을 갖춰야 했으므로 협의체 구성위원인 화학 전공 교수의 피드백을 통해 유해물질 검사인준이 확인되어 식품위생과 안전에 있어 안전하다고 판단된 옥수수 전분 소재로 만든 PLA (PolyLactic Acid) 필라멘트가 사용되었다[17, 18].
1. 최초 디자인 설계를 통한 아이디어 구현 가능성 확인
브레인스토밍 과정을 통해 용기는 포도 모양으로 고안되었다. 이렇게 모양이 고안된 이유는 치매 환자가 인지기능의 소실로 먹는 것 자체를 잊는 기억 소실의 문제를 해소하기 위함이다. 따라서 해당 모델은 작업 치료 시 효과가 높은 숫자 놀이를 수행함과 동시에 먹는다는 감각을 지속적으로 자극하기 위한 디자인이다. 또한 용기 안에 담긴 음식을 흥미롭게 인식할 수 있도록 하였다. 아이디어 창출 회의를 통해 제작된 드로잉 스케치 등의 2D 디자인과 수작업으로 제작된 점토 모형을 확인한 엔지니어가 최초로 설계한 3D 모델 디자인은 Fig. 2와 같다.
2. 수치 설계 및 용기 당 식품 제공량 설정
본 용기는 치매노인이 식사를 통해 충분하게 섭취하기 어려운 수분이나 영양소의 보충을 위해 식사 외의 시간에 영양 혹은 수분 보충을 위해 섭취하는 스낵 개념의 식품을 제공하고자 개발되었다. 따라서 충분한 수분 제공을 목표로 하루에 식사 시간 이외에 나누어 섭취할 수 있는 양을 고려하여 6번 보충할 수 있도록 포도 용기의 알맹이 6개를 포함하도록 개발되었다. 연구에 적용 가능했던 3D 프린터의 최적 출력 사양과 보충해야 할 수분의 양을 고려하여 가로와 세로 크기가 각각 20 cm 이하 크기로 제한하여 제작하였다.
외부 오염 방지 등 식품안전과 위생을 고려하여 용기 뚜껑을 설계하도록 요청하였는데 이 과정을 수행하기 위하여 프로그램 상 어셈블리와 각 연결 부분의 매끄러운 조립이 가능한지 여부를 확인하는 단계인 교섭확인 공정이 요구되었다.
이후 진행된 협의과정을 통해 디자인된 용기모양 중 상판 연결부위(포도 잎 부분)의 모서리가 뾰족하여 대상자들이 사용 시 안전에 위험할 수 있겠다는 의견을 수렴하여 둥근 곡선을 최대한 사용하여 디자인 설계를 진행할 것을 요청하였다. 최초 3차원 디자인 설계 후 창작 아이디어와 디자인의 일치됨을 확인하였으며 다음 단계로 영양학적 근거를 갖춘 용기의 제공기준을 설정할 것을 논의하였고 음식을 담을 수 있는 용기의 적정 크기, 높이 및 제공량(mL)을 설정하였다. 특히, 치매환자의 임상 영양학적 관리 측면에서 이들은 식품섭취량 저하뿐 아니라 수분섭취 저조로 인한 탈수가 꾸준한 문제로 보고되고 있기에[19] 개발된 용기가 수분을 보충할 수 있는 용도로 사용될 수 있도록 디자인을 구상하게 되었다.
제공량을 설정하기 위하여 KDRIs 수분 섭취 권고기준을 검토한 결과, 65세 이상 남녀 노인에서 총 수분을 통해 남녀 각각 2,100 mL과 1,900 mL(액체에 대해서는 각각 1,000 mL과 900 mL로 설정) 섭취하도록 권고되고 있으나 노인에게서 수분 섭취 상태는 저조한 경우가 빈번하게 보고되며 시설 재소 중인 노인의 경우 그 부족 정도가 더 심각하다고 꾸준히 보고되고 있다[20, 21]. 충청남도 홍성군 소재 노인장기요양시설에서 행한 선행연구[22]에 따르면 요양시설에서 치매노인의 영양섭취상태 조사 결과 수분의 경우 2015 KDRIs 섭취기준 대비 남자노인에게서 41%와 여자노인에게서 54%의 수준에 그치는 것으로 보고되었는데, 이는 순수한 음식 섭취량을 배제하고서라도 수분 섭취량이 상당히 저조함을 확인할 수 있는 결과였다. 따라서 시설 치매노인의 경우 권고기준에 적합한 수분 섭취를 위하여 적어도 30% 이상의 수분을 더 섭취할 필요가 있다는 사실을 확인하여 용기 제공 후 권장 가이드라인에 반영할 것을 결정하였다. 따라서, 액체에 대한 남녀 권고기준의 평균의 30%인 285 mL를 제공하는 것이 적합하다고 판단되었다.
제작 시 이용되는 기기 및 장비의 출력사양도 충분히 고려될 필요가 있어 설계담당 엔지니어의 의견 또한 반영하였다. 협의 과정을 통해 영양학적 관점 및 실제 제작 시 사용 여건 등을 고루 반영하기 위하여 최종 시제품 제작에 적합한 조건을 설정하기 위한 주기적인 중간토의과정을 거쳤다. 출력 사양을 고려하여 디자인 크기의 경우 가로와 세로 모두 최대 20 cm를 기준점으로, 높이는 적층(layer-by-layer) 작업의 경우 향후 출력 작업 소요 시간의 효율을 고려하여 결정되었다. 알맹이 1개(hemisphere)당 47.5 mL의 수분제공이 가능하다. 반지름 2.25 cm의 반 구(hemisphere)의 모양을 갖추며 사이 간격을 4 mm로 설정하였다. 용기의 구체적인 수치가 부여된 1차 수정작업 후 3D 디자인 설계 시안은 Fig. 3과 같았다.
3. 교육 교구로서의 작동 및 인지기능 향상을 위한 특성
1차 수정 디자인의 중간 출력물을 확인하여 제품의 크기 및 제공량의 이상이 없는지 확인하고 실제 출력물을 검토하며 보완점을 논의하였다. 개선하고자 했던 2차 수정사항으로는 해당 용기를 사용하여 먹는 행위에 대한 흥미를 유발하며 인지기능이 저하된 대상자들이 먹는다는 행동을 꾸준히 기억할 수 있도록 인지기능을 자극하며 식사 중에도 교육효과를 제공하자는 점이 논의되었다. 제공되는 급식 외에 간식 또는 후식 제공 시 해당 용기를 사용함으로써 포도의 알맹이마다 부여된 숫자(1부터 6까지)를 확인하는 놀이 과정을 통해 인지능력이 저하된 대상자에게 식사 외 영양소 섭취 증진을 늘릴 수 있도록 간식 섭취에 대한 흥미를 돋우면서 숫자를 세는 행위를 통해 뇌의 수행기능을 자극하리라 기대되었다. 포도알은 하나씩 분리되도록 하였고, 향후 환자들이 수분보충을 위해서는 용기를 들고 물을 마시는 것이 아니라 각각의 포도알에 점도증진제가 포함된 수분 보충을 위한 젤리 형태의 보충식이 포함될 수 있도록 포도알을 칸칸이 서로 독립시켰다.
이후 최종적인 디자인(Fig. 4a)을 확정하고 실제 출력을 진행하였다. 최종 협의된 디자인 세부 수정사항을 엔지니어에게 요청하였고 이에 따른 최종 작업에 따라 결정된 시제품의 최적 제작사양(spec)을 Table 2에 나타내었다.
4. 시제품을 이용한 수분보충 방법
본 용기는 치매노인의 식사 중 편리성을 제공하고 영양 상태를 개선할 수 있도록 영양(수분) 보충을 위한 식품섭취용기를 제작한 것이다. 시제품이 완성된 후 실제 환자들에게 수분보충을 위해서 수분을 담을 때 액체 상태 그대로 담을 수 있는 용기는 아니므로, 점도증진제를 첨가하여 젤리 상태로 만든 후 이를 각각의 포도송이에 담아 환자에게 제공하는 형태로 제조하였다(Fig. 4b). 즉, 액체 상태나 식사를 통해 충분히 섭취되지 않는 수분을 식사 외의 시간에 젤리형태의 간식으로 제공할 수 있게 하였다. 따라서 용기를 디자인할 때 충분한 수분 제공을 목표로 하루에 식사 시간 이외에 나누어 섭취할 수 있는 양을 고려하여 6번 보충할 수 있도록 개발한 것이다. 따라서 이 용기는 궁극적으로 수분 혹은 수분에 영양소를 첨가하여 식사 시간 외에 스낵 형식으로 섭취하기 위한 목적으로 개발된 용기로서 포도알이 하나씩 분리되어 있고 환자들은 이 용기를 들고 마시는 것이 아니라 점도증진제가 포함된 수분이나 부족한 영양소 보충하기 위해 포도알 칸칸이 서로 독립된 용기에 젤리 형태의 간식이 담기도록 제작되었다. 점도가 증진된 물을 용기에 부어 섭취가능 여부를 사전 시험해본 결과 지름 약 4.5 cm의 포도송이 용기 안에 든 젤리는 티스푼을 이용하여 섭취가 가능하였으며 하나씩 꺼낼 수 있으므로 섭취에 불편함이 없었다.
치매노인은 인지기능 및 신체능력의 전반적 소실로 인한 식사섭취량의 감소 및 영양상태 불량의 위험이 있어 영양 중재가 필요한 집단이다. 선행연구[6]와 같은 인지능력이 저하된 대상자들은 식사섭취량 자체가 부족한 점이 문제인데, 이들이 섭취량을 늘리는 것은 실천하기 어려운 과제이다. 따라서 이러한 환자들에게 식사섭취량이 부족하므로 이를 증가시키는 것을 권장하는 것은 실효성이 없는 해결책이다. 실질적으로 해당 집단의 부족한 식사섭취량을 증가시킬 수 있는 방안을 모색하고자 본 연구에서와 같이 중재도구를 고안하게 되었다. 즉, 본 연구에서 개발된 3D 프린팅 포도용기는 우선적으로 인지장애 치매 환자들의 부족한 수분섭취를 증진시키기 위해서 개발하게 되었으며, 차후 다른 영양보충 식품용으로도 사용할 수 있도록 고안하였다. 중증 치매환자의 경우와 같이 신체의 전반적인 저하로 인해 식사섭취량이 감소하고 연하장애가 흔하여 급식으로 한 번에 먹는 양이 제한적일 경우 영양보충음료 또는 영양밀도가 높은 간식을 보충 제공하는 것이 바람직한 영양중재 전략이다[23]. 그러나 연하장애가 있는 환자는 음식을 먹는 데 고통과 불편으로 인해 먹기 행위 자체에 부담이 생기며 이로 인한 장벽은 만성 영양불량을 초래한다.
특히, 탈수 증상은 노인에서 만성 영양불량의 위험인자로 손꼽히며 물을 그대로 마실 시 흡인의 위험이 있으므로 반드시 물성(점도)이 조절된 수분을 공급하여야 한다[24]. 더군다나, 치매 특성상 먹는다는 행위 자체의 기억 소실 문제는 영양관리적 측면에서도 주의 깊게 해결해야 할 점으로 사료된다. 이러한 점에서 본 연구에서 개발된 식품용기를 사용하여 먹는 행위에 대한 흥미가 유발되면 치매 환자에게서도 먹는다는 행위 자체의 자극이 유지될 확률이 높고 간병제공자인 요양보호사의 식사 케어 과정 중에서도 자연스럽게 숫자 놀이 훈련이 진행될 수 있다. 선행연구[25]에서도 숫자 놀이치료를 통해 치매환자의 인지기능 향상에 긍정적인 영향을 주었던 결과를 고려하여 해당 용기를 사용함으로 긍정적인 효과를 기대한 바, 용기에 숫자를 새겨 넣었다. 향후 본 연구에서 개발된 용기를 직접 제공하고 대상자에 대한 식품섭취 조사 또는 영양중재과정을 진행할 시에는 노인요양시설의 시설 종사자 또는 전문적인 노인 케어 및 노인식 관련 전문가의 의견을 수렴하는 사전 과정의 필요성이 있다. 또한, 제공되는 식품의 적합성 분석을 위하여 제공 식품의 영양학적 측면 및 물성 조정에 대한 구체적인 토의가 필요하겠다.
본 연구를 통해 제작된 시제품 중 액체류 식품을 제공하였을 시 수분량은 권고기준 대비 30%의 섭취를 만족시킬 수 있도록 남녀 각각의 기준치를 고려하여 285 mL를 해당 용기의 표준 제공기준으로 정하였다. 향후, 용기의 제공 시 적절한 섭취 가이드라인을 권고하면 시설 재소 치매노인들의 수분을 포함한 액체류의 섭취 상태를 향상시켜 해당 대상자들에게서 꾸준한 영양불량 문제점으로 지적되는 탈수로 인한 만성 건강악화의 해결방안을 제공할 수 있을 것이라 기대된다.
본 연구의 창작물인 치매노인 전용 용기의 디자인을 실제 창작물로 구현하기 위하여 제작 과정 시 여러 장점을 보유한 3D 프린팅 기술을 접목하였다. 해당 기술은 4차 산업혁명시대 핵심기술로 그 중요성이 주목되어 왔으며 맥킨지 보고서나 저명한 세계경제포럼에서도 중요성이 꾸준히 강조되어 해당 기술이 도입된 이래로 설계, 패션디자인, 의료 등 다양한 산업분야에서 각광받고 있다. 특히, 해당 기술은 개인의 니즈와 요구를 충족시키는 고유한 디자인 구현이 가능하면서도 소규모로도 맞춤 생산이 가능하다는 강점이 있다. 그리고 출력된 결과물은 실시간으로 확인할 수 있어, 고안된 디자인을 직접 모니터링 하면서 생산 기간을 단축할 수 있다는 장점도 있다[26].
이러한 다양한 장점을 검토하여 본 연구에서 고안된 아이디어를 구체화하고 시제품으로 제작하기 위해서 해당 기술을 적용하였고 연구결과를 통해 몇 가지 논점을 발견하였다. 본 연구를 수행하기 위하여 교내 협의체를 결성하여 협업을 진행하였고, 다학제적 긴밀한 융합 연구 활동으로 결과물을 제작하였다. 본 연구의 제작과정에서도 해당 기술 적용을 통하여 도안을 실시간으로 확인하면서 출력물을 빠르게 검토하여 생산 제작 공정에서의 편리성 및 여러 전문 분야에서의 응용가능성을 확인할 수 있었다. 또한 연구수행에 있어 연구자의 기술 관련 전문 지식수준에 따른 연구의 규모, 소요 비용 및 시간이 상이할 수 있음을 주요 시사점으로 강조할 수 있겠다.
즉, 4차 산업 시대 핵심기술이라 일컫는 3D 프린팅 기술은 도안을 실시간으로 확인하며 출력물을 빠르게 검토하는 장점이 있어 여러 분야에서 응용이 광범위하다고 평가되나, 이면에 비전문가와 일반인에게 디자인의 3D 데이터화 공정은 높은 난이도와 복잡성으로 진입장벽이 높다는 것이 문제로 꾸준히 보고되고 있다. 본 연구에서도 고안된 아이디어의 3D 모델링 작업 시 3D 데이터 변환 및 시제품 출력작업 수행을 위해 숙련된 설계전문 엔지니어의 협업이 필요하였고 그에 따른 비용도 지출되었다. 본 연구와 같이 스캔 작업을 할 수 없는 창작된 이미지를 구현하기 위한 작업에서는 개발하고자 하는 입체물의 형태가 수치의 정확한 구현이 어렵기에 관련 프로그램의 사용능력 등 여전히 해당 기술의 전문성이 요구되리라는 제한점이 존재한다. 이는 3D 프린팅을 이용한 모델 제작의 전반적 과정에서 개발자의 수준 높은 전문성이 요구되어야 한다는 점과도 상통한다[27]. 또 다른 한계점으로, 출력 후 조립이 필요한 디자인의 경우 수동 작업이 추가로 필요한 점은 대표적인 3D 프린팅 기술의 일반화된 장점인 투자 시간과 노동력 감소에 반하는 것으로, 향후 보완 방법을 논의해볼 필요가 있다.
결론적으로 해당기술은 고객 맞춤형 영양중재 도구개발 시 아이디어 구현에 정확도와 편의성을 부여하였으나 해당 기술 관련 지식수준에 따라 발생하는 투자 비용 발생 부분과 외부 전문가 의존에 대한 한계점을 확인할 수 있었다. 추후 연구로는 고안된 용기를 사용한 맞춤형 제공 음식 및 액체류 식품의 물성 탐구의 필요성이 대두되었다. 그리고 재소 치매노인에게 이러한 식품을 적용한 후 만족도 조사와 활용 적합성 등을 분석하는 연구가 필요할 것으로 사료된다. 향후 영양학적 측면의 다양한 연구에 해당 기술을 응용하여 독창성과 편의성을 확보할 수 있을 것이라 기대된다.
본 연구는 전반적 신체기능 소실, 음식 섭취량의 만성적 저하의 특징을 갖는 치매노인에서 만성적 영양불량 해소에 도움을 줄 수 있도록 수분이나 영양소의 보충을 위한 스낵 개념의 식품을 제공하는 맞춤형 용기를 개발하고자 하였다. 아이디어 창출 협의체 구성 후 선행연구 탐색 및 브레인스토밍을 통하여 포도 모양의 디자인이 적합하다고 판단하였다. 드로잉 스케치와 점토모형 제작 후 시제품 제작을 위해 개인니즈를 충족시키며 소규모 제작에 적합하다고 알려진 3D 프린팅 기술을 적용하였다. 3차원 설계는 3D CAD 소프트웨어 SolidWorks을 이용하였고 한국인의 영양소섭취기준과 관련 선행연구 및 기존 연구결과를 종합하여 용기 당 최대 수분제공량 및 수치를 결정하였다. 필라멘트를 녹인 뒤 층층이 쌓아올리는 출력 방식(FDM) 3D 프린터(DP200)를 사용하였고 식품용기 위생과 안전을 고려하여 사전유해물질 인준이 확인된 옥수수 전분 유래 PLA 필라멘트를 이용해 출력하였다. 용기 당 수분을 기준으로 수분 섭취기준대비 30%를 충족하는 285 mL를 설정하였다. 제작 크기를 고려하여 포도 알맹이는 총 6개로 결정되었다. 알맹이 1개당 47.5 mL의 수분제공이 가능하였는데, 이를 통해 반지름 2.25 cm의 반 구로 설계하였다. 이때 사이 간격을 4 mm로 설정하였다. 사용 시 안전사고 예방을 위해 조작이 쉽고 모나거나 뾰족하지 않은 외형을 갖추며 위생을 위한 뚜껑도 설계하였다. 인지기능이 저하된 치매노인이 해당 용기를 사용할 때 흥미를 느끼고 식사섭취 중 교육 교구로 응용될 수 있도록 뚜껑과 포도 알맹이 바닥면에 숫자를 각인하여 최종 출력 및 조립하였다. 조립 시 수동 작업이 요구된 점은 3D 프린팅 기술의 대표적 장점인 편리성에 반하는 점으로 향후 보완논의가 필요하다고 사료된다. 신체기능이 퇴화되어 만성적으로 섭취량이 제한된 치매 노인에게 단순 섭취 증량을 권고하기에는 무리가 있으므로 맞춤형 영양중재 실시는 상당히 중요하다. 따라서 추후 연구를 통해 개발된 치매노인 전용 식품섭취용기의 만족도 분석을 실시하고 영양밀도를 높인 전용 음식 개발 과정이 논의되어야 하겠다. 4차 산업 핵심기술인 3D 프린팅을 연구에 적용하여 아이디어 구현에 정확도와 편의성이 확인되었으나 관련 기술수준에 따라 발생하는 비용 지출과 외부 전문가 의존에 대한 한계점은 향후 해결이 필요한 부분이라 사료된다. 추후 영양중재 도구개발 시 연구 다양성을 위해 식품영양 전공자에게 해당기술의 융합교육을 통한 자급 활용 빈도를 높이고 진입장벽을 낮추기 위한 다방면의 시도가 필요하겠다.
This paper was supported by Soonchunhyang University.
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KSCN
, 김철호
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