Real-time Nutrient Monitoring of Hydroponic Solutions Using an Ion-selective Electrode-based Embedded System

한희조,김학진,정대현,조우재,조영열,이공인 (사) 한국생물환경조절학회 2020 시설원예‧식물공장 Vol.29 No.2

The rapid on-site measurement of hydroponic nutrients allows for the more efficient use of crop fertilizers. This paper reports on the development of an embedded on-site system consisting of multiple ion-selective electrodes (ISEs) for the real-time measurement of the concentrations of macronutrients in hydroponic solutions. The system included a combination of PVC ISEs for the detection of NO3, K, and Ca ions, a cobalt-electrode for the detection of H2PO4, a double-junction reference electrode, a solution container, and a sampling system consisting of pumps and valves. An Arduino Due board was used to collect data and to control the volume of the sample. Prior to the measurement of each sample, a two-point normalization method was employed to adjust the sensitivity followed by an offset to minimize potential drift that might occur during continuous measurement. The predictive capabilities of the NO3 and K ISEs based on PVC membranes were satisfactory, producing results that were in close agreement with the results of standard analyzers (R2 = 0.99). Though the Ca ISE fabricated with Ca ionophore II underestimated the Ca concentration by an average of 55%, the strong linear relationship (R2 > 0.84) makes it possible for the embedded system to be used in hydroponic NO3, K, and Ca sensing. The cobalt-rod-based phosphate electrodes exhibited a relatively high error of 24.7±9.26% in the phosphate concentration range of 45 to 155 mg/L compared to standard methods due to inconsistent signal readings between replicates, illustrating the need for further research on the signal conditioning of cobalt electrodes to improve their predictive ability in hydroponic P sensing.

First Case of TARDBP-Related Amyotrophic Lateral Sclerosis in Korea

한희조,박형준,윤운규,최영철 대한신경과학회 2020 Journal of Clinical Neurology Vol.16 No.4

Validation of the Individualized Neuromuscular Quality of Life Questionnaire in Korean Patients With Genetic Neuromuscular Diseases

한희조,이승아,최영철,Michael R. Rose,박형준 대한신경과학회 2022 Journal of Clinical Neurology Vol.18 No.5

Background and Purpose The Individualized Neuromuscular Quality of Life questionnaire (INQoL) is a widely used measure of the quality of life in patients with neuromuscular diseases. The purpose of this study was to translate and validate the Korean version of INQoL in Korean patients with neuromuscular diseases. Methods We translated the original INQoL version into Korean while applying appropriate language adaptations. The internal consistency, known-group validity, and test-retest reliability were also assessed. Construct validity was measured using the modified Rankin Scale (mRS) score and the manual muscle testing (MMT)-sum score based on the Medical Research Council scale, and concurrent validity was measured using the 36-item Short Form Survey (SF-36) questionnaire. Results This study enrolled 193 patients. The coefficients for internal consistency (Cronbach’s α=0.805 to 0.987) and test-retest reliability (Spearman’s ρ=0.453 to 0.886) were adequately high for all subscales except in the ‘treatment effects’ dimension. INQoL subscales other than those for locking, droopy eyelids, double vision, and swallowing difficulties were significantly associated with their relevant SF-36 domains (Spearman’s ρ=-0.274 to -0.833). Functional status and muscle strength were most strongly associated with independence (Spearman’s ρ=0.753 and p<0.001 for mRS score, Spearman’s ρ=-0.741 and p<0.001 for MMT-sum score). Conclusions The Korean INQoL is a reliable and validated measurement tool for Korean patients with neuromuscular diseases.

정치식 이온 분석기를 이용한 양액과 토양 추출물 내 주영양분 실시간 측정 연구

한희조 ( Hee-jo Han ),조우재 ( Woo-jae Cho ),정대현 ( Dae-hyun Jung ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.1

수경재배 시스템에서 작물의 생산 효율성을 높이기 위해서는, 작물 재배에 사용되는 양액의 이온 농도를 실시간 모니터링과 관리가 중요하다. 현재 사용하는 관수 시스템의 경우, 양액의 pH 와 EC를 조절하여 작물을 재배하지만, 이는 양액을 구성하고 있는 전체 이온의 변화량만을 관찰하기 때문에 작물 생육에 따라 변하는 개별 이온 농도 측정은 어렵다. 본 연구팀의 선행 연구에서 상수원 등의 현장에서 수질을 분석하기 위해 이온 선택성 전극과 임베디드 보드를 이용하여 정치식 이온분석기를 개발하였고, 본 연구에서는 개발한 정치식 분석기를 이용하여 양액과 토양 추출물 내의 주 영양분을 측정할 수 있는지를 실험적으로 구명하고자 하였다. 이를 위해 PVC membrane 기반의 이온선택성 전극으로 질산(NO3), 칼륨(K), 칼슘(Ca) 이온을, 코발트 전극으로 인산(P) 이온을 측정하는 시스템을 구성하였으며 정확도를 높이기 위해 전극에 발생하는 드리프트를 2점 정규화로 보정을 진행하였다. 각 이온의 측정 결과는 임베디드 시스템을 통해 실시간 모니터링으로 확인할 수 있게 제작하였다. 시료 제조는 야마자키 엽채류 양액으로 스파이킹하여 임의의 농도를 나타내는 가지도록 하는 용액과 Bray P1, Kelowna 용액을 이용 밭토양 내 이온을 추출하여 토양 추출물을 얻어냈다. 정치식 분석기를 이용하여 예측한 결과는 분석실결과와 비교하여 측정 성능을 구명하였다.

수경재배용 전기전도도 및 pH 전극 온도 보상 회로 설계

한희조 ( Hee-jo Han ),조우재 ( Woo-jae Cho ),권준기 ( Jun-ki Gwon ),김학진 ( Hak-jin Kim ),정대현 ( Dae-hyun Jung ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

수경재배에서 작물에게 관수되는 양액은 pH와 EC (Electrical Conductivity, 전기전도도)를 기반으로 제어가 이루어진다. 양액의 온도가 바뀌게되면 양액 내 이온의 활성도가 변화게 되어 측정된 pH와 EC 값이 자동 제어기반의 관수 시스템의 오차로 작용하여 잘못된 EC, pH 값을 가진 양액의 조성을 야기 할 수 있다. 본 연구에서는 최종적으로 온도 보상이 가능한 pH/EC 측정시스템을 개발하기 위하여 온도에 의해 영향을 받은 양액 센서 신호를 기준온도(25°C)에서의 신호 값으로 보정 유지 할 수 있는 회로와 관련 알고리즘을 개발하여 그 효과를 실험적으로 구명하고자 하였다. 온도측정은 기존 상용시스템과 같이 NTC(Negative Temperature Coefficient) 써미스터를 이용하였다. EC, pH 센서의 온도영향 반응성은 양액 농도범위인 EC 0.5~2.5 ds/m이고, pH 5.0~7.0에 대해 각각 5개씩 용액을 제작하여 농도 범위에서 양액 센서의 온도 반응 특성 곡선을 구하였다. 이때 나타난 온도 반응 특성에 맞추어 NTC 기반의 OP amp 회로를 설계하고 이에 대한 전달함수를 기반으로 온도 보상회로의 증가 값을 결정하는 저항 소자들에 대해 각각 100Ω 단위로 저항값을 변화시키면서 각 용액의 농도별로 보상 후의 신호 값과 기준온도에서의 신호 값의 차이의 평균제곱근편차(RMSD)를 구하였다. 전체 용액 구간에서 가장 낮은 RMSD를 갖는 저항소자를 결정하는 연산식을 구성한 뒤 이를 기반으로 주어진 양액 센서의 온도 반응 특성에 대해 가장 보상성능이 우수한 회로를 구성하였다. 최적화된 온도 보상회로를 기반으로 양액 센서에 대해 온도에 따른 신호값을 측정하고 이를 온도 보상회로 적용 전의 신호와 RMSD를 비교한 결과 RMSD가 줄어들면서 온도 보상이 이루어짐을 확인하였다.

몰리브덴 비색법을 이용한 양액 내 인산이온 센싱 연구

한희조 ( Hee-jo Han ),조우재 ( Woo-jae Cho ),정대현 ( Dae-hyun Jung ),김학진 ( Hak-jin Kim ) 한국농업기계학회 2019 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.24 No.2

시설재배에 활용되는 양액은 작물의 최적화된 재배를 위해 사용되며, 이를 위해서는 사용되는 양액에 포함되는 이온 농도가 일정하게 유지되어야 한다. 그중 다량에 속하는 인산은 작물의 생장과 에너지 대사에 영향을 미치는 무기 이온으로 적정 농도를 벗어나는 결핍과 과잉증상에 따라 생육은 크게 달라진다. 인산측정은 용액 내 산도에 따라 H₂PO₄^-, HPO₄^2-, PO₄^3- (인산 수소, 인산 2 수소, 인산염) 등 다양한 이온형태를 가지기 때문에, 이온 센서로 측정하는데 어려움이 존재한다. 선행 연구에서 수행된 코발트 전극을 이용한 인산 측정은 넓은 농도 대역에서는 측정 가능성을 보였지만 양액 내 100 ppm 내외의 저농도에서는 전극의 기전력이 안정성이 떨어져 반복 측정성능이 저하되는 문제점이 나타났다. 본 연구에서는 표준 측정방식으로 보고된 몰리브덴 비색법을 이용하여 양액 내 인산 이온을 센싱할 수 있는지를 실험적으로 구명하고자 하였다. 기본적인 실험방법은 Molybdate 와 Ascorbic Acid로 양액 샘플에 시약 처리를 하고 일정시간 반응을 시킨 후 분광기로 양액 시료의 스펙트럼을 얻어 그 결과를 분석하였다. 실험에 사용된 양액 시료는 호글랜드 엽채류 양액 제조 방식을 사용하였으며, 본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 코발트 전극을 이용하여 얻어진 데이터와 퓨져닝하는 센싱 기술을 개발할 예정이다.

Real-time Nutrient Monitoring of Hydroponic Solutions Using an Ion-selective Electrode-based Embedded System

Hee-Jo Han(한희조),Hak-Jin Kim(김학진),Dae-Hyun Jung(정대현),Woo-Jae Cho(조우재),Yeong-Yeol Cho(조영열),Gong-In Lee(이공인) (사)한국생물환경조절학회 2020 생물환경조절학회지 Vol.29 No.2

본 연구는 양액 내 존재하는 다량 영양소의 농도를 실시간으로 측정하기 위해 이온 선택 전극 (ISE) 으로 구성된 임베디드 시스템의 개발을 보여준다. NO₃, K 및 Ca 이온을 감지하기위한 PVC ISE, H₂PO₄를 감지하기위한 코발트 전극, 기준 전극, 샘플 용액이 담기는 챔버, 펌프 및 밸브를 사용하여 측정하는 시스템으로 구성된다. 양액 샘플양 조절과 데이터 수집을 위해서 데이터 Due 보드가 사용되었고, 각각의 샘플 측정 전에, 측정 중 발생하는 드리프트를 최소화시키기 위해 2 점 정규화 방법을 사용하였다. PVC 멤브레인을 기반으로 한 NO₃ 및 K 전극의 농도 예측 성능은 표준 분석기의 결과와 근접한 일치 (R² = 0.99) 나타내며 만족스러운 결과를 나타냈다. 하지만, Ca Ⅱ 이온 투과체 제조된 Ca 전극은 고농도 양액 농도에서 Ca 농도를 55 %로 낮게 측정하였다. 코발트 전극 기반 인산 측정은 반복측정 중에 발생한 코발트 전극의 불안정한 신호로 인해 표준 방법과 비교하여 45 ~ 155 mg / L의 인산 농도 범위에서 24.7 ± 9.26 %의 비교적 높은 오차를 나타냈다. 수경 P 감지의 예측 능력을 향상시키기 위해 코발트 전극의 신호 컨디셔닝에 대한 추가 연구가 필요함으로 판단된다. The rapid on-site measurement of hydroponic nutrients allows for the more efficient use of crop fertilizers. This paper reports on the development of an embedded on-site system consisting of multiple ion-selective electrodes (ISEs) for the real-time measurement of the concentrations of macronutrients in hydroponic solutions. The system included a combination of PVC ISEs for the detection of NO₃, K, and Ca ions, a cobalt-electrode for the detection of H₂PO₄, a double-junction reference electrode, a solution container, and a sampling system consisting of pumps and valves. An Arduino Due board was used to collect data and to control the volume of the sample. Prior to the measurement of each sample, a two-point normalization method was employed to adjust the sensitivity followed by an offset to minimize potential drift that might occur during continuous measurement. The predictive capabilities of the NO₃and K ISEs based on PVC membranes were satisfactory, producing results that were in close agreement with the results of standard analyzers (R² = 0.99). Though the Ca ISE fabricated with Ca ionophore II underestimated the Ca concentration by an average of 55%, the strong linear relationship (R² > 0.84) makes it possible for the embedded system to be used in hydroponic NO₃, K, and Ca sensing. The cobalt-rod-based phosphate electrodes exhibited a relatively high error of 24.7±9.26% in the phosphate concentration range of 45 to 155 mg/L compared to standard methods due to inconsistent signal readings between replicates, illustrating the need for further research on the signal conditioning of cobalt electrodes to improve their predictive ability in hydroponic P sensing.

POEMS 증후군 환자의 뇌혈관병증에 의한 뇌졸중

강성우,최보규,한희조,조수미,차지훈,남효석,허지회,김영대 대한신경과학회 2018 대한신경과학회지 Vol.36 No.4

Ischemic stroke caused by the cerebral vasculopathy is a rare complication of polyneuropathy, organomegaly, endocrinopathy, monoclonal gammopathy, and skin changes (POEMS) syndrome. We present a case of recurrent ischemic strokes caused by cerebral vasculopathy in a patient with POEMS syndrome. A 34-year-old man presented with gait disturbance and dizziness. Brain magnetic resonance imaging demonstrated acute ischemic stroke in the middle cerebral artery-anterior cerebral artery (MCA-ACA) border zones of bilateral hemispheres. Repeated angiographic studies showed progressive worsening of the left distal internal carotid artery, ACA, and MCA stenoses, along with sustained steno-occlusion of right MCA

국내최초 본선상공형 휴게시설 시흥 휴게소 10월 개장

이강훈,이득순,한희조,김재형 한국건축시공학회 2017 건축시공 Vol.17 No.2

수경재배용 전기전도도 및 pH 전극 자동 보상/진단 시스템

조우재 ( Woo-jae Cho ),한희조 ( Hee-jo Han ),김학진 ( Hak-jin Kim ),정대현 ( Dae-hyun Jung ),양승환 ( Seung-hwan Yang ) 한국농업기계학회 2018 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.23 No.2

수경재배 환경에서 작물은 생육에 필요한 양분을 양액을 통해 공급받으며 이때 작물의 건강한 생육을 위한 적정한 양분의 공급은 양액의 전도도(electrical conductivity, EC)와 산도(pH) 값에 기반하여 조절되기 때문에 EC, pH 센서의 정확한 계측이 요구된다. 관행적인 양액 관리 시스템에 적용되고 있는 전기전도도와 pH 센서는 신호 드리프트에 대한 보정을 실시간으로 수행할 수 없는 구조로 되어 있어 사용자의 경험이나 휴대용 분석기를 통한 간접적인 측정값 비교를 통해 보정이 이루어지는 것이 일반적이다. 본 연구에서는 양액 센서의 정확성과 신뢰성을 확보하기 위해 주기적으로 EC/pH 복합 보정액을 자동으로 주입하여 센서의 드리프트 영향성을 최소화하면서 센서 신호의 보정과 센서의 작동상태를 진단하는 알고리즘을 적용한 자동 보상 및 진단 시스템을 개발하고자 하였다. 개발 시스템은 KIST 강릉분원 u-Farm에 설치된 비순환식 수경재배 시스템에 적용하여 케일 재배 중인 양액 센서에 대한 주기적 보상을 수행하고 정확도 개선 성능을 평가하였다. 또한 교정액 측정에서 발생한 양액 드리프트 값을 기반으로 전극상태를 진단할 수 있는 상태 진단 지수를 설계하였다. 적용 실험에서 1점 보상은 하루 2회, 오전 9시와 오후 5시에 수행되었으며 이때 1점 보상이 적용된 양액 센서값과 적용되지 않은 센서값의 정확도를 비교 평가하기 위해 양액 시료를 농생명과학공동기기원(NICEM)에 분석 의뢰를 수행하여 실제값 대비 양액센서 측정값들의 정확도를 분석하였다. 측정 결과에서 양액에 대해 1점 보상이 적용되지 않은 측정값의 RMSE (평균 제곱근 편차)와 1점 보상이 적용된 측정값의 RMSE를 비교하였을 때, EC는 50 μS/cm에서 28.5 μS/cm로, pH는 0.43에서 0.17로 감소하여 1점 보상 시스템이 양액 센서의 측정 정확도를 개선하였음을 확인하였다. 특히 5~10일 구간에서 미보상 EC센서값의 경우 드리프트가 10% 이상으로 나타나 양액센서 상태 진단 기준에서 ‘관리 필요’로 나타났으나 1점 보상이 적용된 EC센서값은 드리프트를 7% 수준으로 감소시켜 정상 수준의 양액 센서값을 보여주었다. 향후 기존 1점 보상만으로는 평가할 수 없는 감도지수를 획득하고 이에 대한 보상 및 보다 정밀한 양액 센서 진단 평가 알고리즘을 개발하기 위해 2점 정규화 방법을 적용한 양액 센서 자동 보상 및 진단 시스템을 개선하고자 하며 이를 양액 제어 시스템에 적용할 경우 양액 센서의 정확도와 신뢰성을 개선하고 상태 진단 지수를 통해 사용자에게 보다 편의적인 양액 센서 관리를 제공할 수 있을 것으로 기대한다.