Brain Fitness 제품개발동향및산업공학의역할 The Development Trend of Brain Fitness Products and Roles of Industrial Engineering 연영희 1, 권준엽 1, 정하영 2, 이원섭 3, 유희천 3, 나덕렬 4 1 포항공과대학교기술경영대학원과정 2 휴머노피아 3 포항공과대학교산업경영공학과 4 성균관대학교의과대학삼성서울병원신경과 Abstract 고령사회가되면서노년층을위한두뇌건강 (brain fitness) 관련산업및기술이중요시되고있다. 본연구는특허및기존출시된제품분석을토대로 brain fitness 산업의동향을파악하고, 향후 brain fitness 분야융합산업의발전을위한산업공학의역할을고찰하였다. Brain fitness 제품개발및연구동향은관련논문, 특허, 그리고기존출시된제품에관한자료들을기반으로분석되었다. 제품개발동향분석결과, 사회적 (social), 신체적 (physical), 감성적 (emotional), 그리고인지적 (cognitive) 측면을고려한 SPEC 개념의 brain fitness 제품에개발전략이제시되었다. 마지막으로, 고령자들의삶의질과의료서비스의효율성을향상시키며국가적의료비용을절감시킬수있는통합적해결책으로서의 brain fitness 제품개발융합연구를위한산업공학의역할이제시되었다. 1. Introduction (1 page) 혁신제품은사회가요구하는중요문제를해결을통해새로운가치와시장을창출하고시장을키워경제성장동력이된다. 특별히의료산업에서의혁신제품은의학지식뿐만아니라의료서비스, 사용자인의료진및환자의사용성을고려한인간공학, information communication technology (ICT), 기계공학, 컴퓨터공학, 전기전자공학등의다양한분야의 요소를융합하여연구개발되고있다. 최근사회가급속히고령화되면서고령자의치매예방과인지능력향상을위한두뇌건강 (brain fitness) 운동에대한사회적관심이증대되고있으며관련제품이개발되고있다. 2013년총인구에서 65세이상차지하는비율은 12.2% ( 통계청, 2013) 로서 2030년에는우리국민 4명중 1명이 65세이상고령인구가될것으로전망된다. 또한, 2012년치매유병률은 9.2% 로추정된다 ( 보건복지부, 2013). 치매환자개인적으로는삶의질이낮아지고독립적인생활이어려워지며, 치매환자의가족은경제적, 육체적, 정신적고통을책임지게된다. 2010년기준으로 1인당치매진료비는연간 310만원으로치매의사회적비용은암, 심장질환, 뇌졸증의세가지질병을모두합한비용을초과한다 ( 보건복지부, 2012). 급증하는치매문제를해결하기위해관련제품개발및보급을포함한국가치매관리종합계획을수립하여시행하고있다 ( 보건복지부, 2013). 한편, 치매중 30% 는뇌혈관질환을예방하면발생이방지되므로예방가능한혈관치매로서 ( 구본대외, 2011) brain fitness는혈관치매의효과적인예방책이될수있으므로 (Lee et al., 2010) 관련제품또는의료서비스개발이요구된다.. 의학지식, IT 기술, 사용자중심설계, 이해관계자의요구, 시장에대한이해, 관련정책등이체계적으로고려된 brain fitness 제품개발을위해서는다학제적융합연구가필요하다. 두뇌건강의조기검진, 정밀검진,
그리고예방체제의확립을위해서는두뇌활동특성에대한의학적이해가필요한데, 뇌과학, 인지과학, 신경정신의학등의전문적협조를기반으로한제품의 concept 개발과임상실험이필요하다. Data 측정, 수집, 분석, 전송을위한시스템구조설계및사용자중심설계는산업공학, 기계공학, 컴퓨터공학, 그리고전기전자공학분야의전문지식이요구된다. 또한, 성장하는고령친화형두뇌건강운동제품시장에성공적으로진입하기위해서는고객의요구를기반으로시장경쟁력을제고한제품개발이필요하며, 상품화및임상에활용되기위해서는의료및보건정책과도부합될필요가있다. Brain fitness 제품과같은융합산업기반의첨단의료제품개발에있어산업공학의시스템적관리및통합적운영역량이요구된다. 성공적인 brain fitness 제품개발을위해서는거시적인연구개발체계를이해하고의사소통및협업일정을조율함으로써다양한전문성을가진다학제적연구자들이유기적으로협력되도록하는것이중요하다. 이에대해산업공학은시스템적관점으로 healthcare system 구조및제품개발동향에대해이해하고, 가용자원과인적 network를고려하여체계적인연구추진체제및 business model을구축하며, 연구 group을구성및운영하는데기여할수있다. 본연구는특허및기존출시된제품분석을토대로 brain fitness 산업의동향을파악하고, 향후 brain fitness 분야융합산업의발전을위한산업공학의역할을분석하였다. 제품개발동향을위해특허및기존출시된 brain fitness 제품들이사회적 (social, S), 신체적 (physical, P), 감성적 (emotional, E), 그리고인지적 (cognitive, C) 측면 (SPEC 측면 ) 에서분석되었다. 고령자들의두뇌건강을증진시키고뇌관련질환을조기선별하며맞춤형진단및치료와연계시킬수있는차별화된제품개발전략이파악되었다. 마지막으로, 고령자들의삶의질과의료서비스의효율성을향상시키며국가적의료비용을절감시킬수있는 brain fitness 제품개발융합연구를위한산업공학의역할이 제시되었다. 2. Brain Fitness 특허동향분석 Brain fitness 관련국내외특허현황을분석하여 brain fitness 연구및제품개발동향을그림 1의절차에따라파악하였다. 특허는 WIPS ON (http://www.wipson.com) 사이트에서 brain fitness, cognitive training, brain training, system, device, method와같은 keyword를사용하여 2000년이후에국내외에출원된건에대해조사되었다. 초기검색결과로약 300건의특허가조사되었는데, brain fitness 제품과의연관성이없는분야 ( 예 : 음식관련, 의약품관련 ) 를제외시키고, 연구자 3인의 title과 abstract review를통해최종적으로 50건 ( 미국 : 18건, 한국 : 23건, PCT 및유럽 : 13건 ) 의주요특허가선정되었다. 특허로출원된제품의특성을체계적으로파악하기위해출원국, 출원기관, interface 방식, interaction 방법, 제품의주요기능등과같은측면에서연도별로특허를분류하여특허출원동향이파악되었다. S1. 특허검색 keyword 및검색식개발 S2. 특허조사 S3. 검색결과 screening S4. 주요특허및핵심특허선별 S5. 특허 review 및분석 그림 1. 특허조사및분석절차 특허분석결과, 기존 brain fitness 제품들은사회적 (S), 감성적 (E) 측면에서의 interactive한 contents 개발과 multi-modal을이용하여측정된사용자정보 (DB) 의체계적관리측면에서특허화될가능성이있는것으로파악되었다. 기존특허들은 SPEC 측면중인지적 (C) 훈련을주로고려 (100%) 하고있으며, 인지적활동과신체적 (P) 운동을병행한기술은전체의 30%, 인지활동과함께감성적 (E) 및사회적 (S) 측면을고려한기술은
전체의 20% 로파악되었다. 따라서향후 SPEC을두루반영한제품개발이보다경쟁력을가질수있을것으로판단된다. Brain fitness 제품에사용된 sensing 기술중, 시각적 (visual) 기술은 70%, multi-modal 기술 ( 시청각, 시촉각, 시청촉각 ) 은 26%, 기타 sensing 기술 ( 청각또는촉각 ) 은 4% 가사용되었는데, 향후시청촉각뿐아니라사용자의동작 ( 예 : motion, gesture, eye movement) 이나생체신호 ( 예 : ECG, EEG, EMG) data를이용한 sensing 기술이 brain fitness 제품에적용될수있을것으로기대된다. 한편, 기존기술들중 84% 는 PC 기반의 system인것으로분석되었는데, 향후상용 mobile 제품 ( 예 : smart phone, tablet) 이나전용 wireless controller 등과연계된 interface를보유한제품개발가능성을발견할수있었다. 상호작용 (interaction) 측면에서, 기존기술의 90% 는사용자가기기또는타인과의사소통하지않고사용자혼자기기를사용하도록제안되었는데, 사회적 (S) 측면의두뇌운동을위해서는상호작용을고려한 interface ( 예 : 음성대화, 화상, 아바타이용 ) 및 contents 개발이필요할것이다. 마지막으로, 기존기술들중 28% 는정량적인 brain fitness 훈련결과를보여주지않았고, 34% 는일회적으로점수를제시하였으며, 30% 는기기내에점수를기록하여점수변화를확인할수있도록한반면, 8% 만이 network를이용하여 brain fitness 결과를의료기관에전달하여 전문의의 feedback 을받을수있도록하는 개념을포함하고있었다. 향후, 기존특허에서 고려하지못한기술적부분들이보완된 brain fitness 제품관련기술들이특허로출원될 것으로전망되었다. 3. Brain Fitness 제품개발동향분석 특허, 논문, 그리고 web 을통해검색된 brain fitness 제품들의특성이분석되었다. 조사된 제품들은 clinical process 관점에서 훈련 (training), 조기선별 (early screening), 진단 (diagnosis), 그리고치료 (treatment) 의 4 가지로제품의특성을구분할수있다 (Table 1). 두뇌훈련에관련된제품으로는 BrainHQ (PositScience, USA), Lumosity (Lumos Lab, USA), 그리고 Dakim Brain Fitness (Dakim, USA) 등 10 개제품이조사되었다. 기존제품들은 기억력, 주의력, 두뇌처리속도등을 향상시키기위한다양한훈련 program 들로 구성되어있는데, 대체적으로다양한난이도의 훈련 contents 를제공하고있으며, 훈련결과를 기록하고사용자의인지능력상태변화를 추적할수있는기능을구비하고있다. 이들 제품들중일부는제품의활용빈도를높이기 위해게임과유사하게흥미를유발할수 있도록하거나일상생활과관련된흥미로운 주제들을적용한것이특징이다. 다양한 Table 1. 주요 brain fitness 제품예 Clinical process Training Early Screening Product name Characteristics SPEC S P E C Brain HQ 기억력, 주의력및두뇌처리속도향상 O Lumosity 두뇌능력의포괄적인향상 O Dakim Brain Fitness 두뇌능력의포괄적인향상 O O RehaCom 인지능력회복 O Brain Fitness Gym 신체활동및사교를통한노인의지위향상 O O CoCoTa 치매예방 O E-CoRe 신체활동을통한인지능력향상 O O CoTras-M 치매위험환자대상의인지훈련 O CoTras-C 인지장애아동재활 O CoTras 인지재활훈련 O CoCoMo 경도인지장애조기선별 O CoSAS 뇌기능손상여부조기선별 O Diagnosis Co-Kiosk 경도인지장애진단 O Treatment CoTras-G 인지재활치료 O O
다양한실험연구를통해이들제품들의 고령자의인지능력향상효과가입증되었으며 (Dickinson et al., 2010; Fisher et al., 2009; Hall et al., 2009; Kesler et al., 2013; McGurk et al., 2007; Scalf et al., 2007; Wolinsky et al., 2009), 이들중대부분상용화되었다. 조기선별및진단은주로지필검사를이용하고있으며, system화된 brain fitness 제품개발은미흡한실정이다. 경도인지장애 (mild cognitive impairment; MCI) 는 mini-mental state examination (MMSE), K-MMSE, 그리고 Seoul neuropsychological screening battery (SNSB) 등의지필검사, CogState software, 그리고상담에의해진단되고있다. 그러나이들검사들은민감도가떨어지거나검사가지나치게번거롭다는문제점이있는데 (Kwon et al., 2013), 최근국내에서이러한문제를해결하기위한제품들이개발되었다. 예를들어, KIST와분당서울대학병원에서개발된 CoCoMo는사용자친화적인컴퓨터기반인터페이스환경을제공하고있으며, 임상실험결과 MMSE보다우월한 MCI 조기검진능력을보이는것으로분석되었다 (Kwon et al., 2013). NetBlue 사의 Co- Kiosk 및 CoSAS 역시컴퓨터기반의상호적조기선별및진단기능을갖추고있다. 하지만전문적인의학지식이요구되는두뇌건강진단과치료기능을갖춘 brain fitness 제품들은상대적으로개발이미흡한것으로파악되었다. 한편, 최근 brain fitness 제품들의 user interface가다양화되고있으나보급화및임상적목적으로사용하기위해서는제품에대한검증이요구된다. BrainHQ나 CoTras-M (NetBlue, 한국 ) 등의제품은 smart phone version을제공하고있으며, KIST와분당서울대학병원이공동개발한 E-CoRe는 tabletop 형태의조리기구모형으로이루어져있다. E-CoRe는사용자의가상조리활동을감지및기록하고 network를이용하여 feedback을제공하는방식인데, Kwon et al. (2013) 은실제생활과유사한인터페이스를통하여컴퓨터환경에익숙하지않는노인들이적극적으로활용할수있을것으로예측하였다. 한편, 인지훈련을위한제품과프로그램은다양해졌지만이들의실질적인효과에대한 보다엄밀한검증이필요하다는지적이제기되었다 (Owen et al., 2010). 이러한문제는대부분의제품이나프로그램이특정기능에만초점을두고있기때문이라고가정해볼수있다. 현재까지개발된제품중에는 SPEC 개념을포괄적으로탑재한제품이부재하므로향후 SPEC 개념을적용한제품의시장성이기대된다. SPEC의개별요인에대한훈련이노인들의두뇌건강향상에도움이된다는증거는다양한연구를통해서드러나고있다. 사회활동에정기적으로참여하는노인이그렇지않은노인보다인지능력감퇴위험이줄어든다 (Bassuk et al., 1999; Holtzman et al., 2004; Seeman et al, 2001). 신체적활동은심혈관자극을통해두뇌의산소공급을증가시키며 (Etnier et al., 2006), 노인의규칙적인운동은인지능력감퇴를막는효과가있다 (van Gelder et al., 2004; Yaffe et al., 2001; Weuve et al., 2004). 또한노인들의감성은기억력을비롯한인지능력에영향을미친다 (Carstensen., et al., 2006). 마지막으로, 교수, 조종사, 물리학자, 건축가등인지활동을많이요구하는직업을가진노인은그렇지않은노인보다기억능력이뛰어나며 (Salthouse, 2006), chess나 bridge와같은게임활동을통해서도작업기억능력이나추론능력을향상시킬수있다 (Mireles and Charness, 2002). 하지만기존제품들의 70% 이상은인지적 (C) 측면만을주로고려하고있으며, 사회적 (S), 신체적 (P), 감성적 (E) 측면은잘고려되지못하고있어 (Table 1, Figure 2), 향후 SPEC 측면이두루고려된제품개발가능성이확인되었다. 11% S P 11% 6% C 72% Figure 2. Brain fitness 제품들의 SPEC 기능분포 E
노인들의지속적인참여와장기적인 측면에서의인지능력개발을위해서는 SPEC 요소를전체적으로고려한제품의개발이 필요하다. 현재두뇌건강운동제품개발은 SPEC 의특정영역에만집중되어있는경우가 많다. 최근시장에출시된 Smart Harmony 는 SPEC 의모든요소를포괄함으로써이러한 문제를해결할수있는차세대제품으로서 주목을받고있다. 노인들이협력하여, 음악으로주어지는문제를신체활동과사고를 통해해결해나가게되어있는것이특징이다. Smart Harmony 는예술, 의학, 과학기술의 융합을바탕으로하고있으며, 향후많은 노인들의 brain fitness 향상에기여할것으로 기대되고있다. 4. 산업공학의역할및사례 Brain fitness 제품은다학제적융합연구에기반하여개발되어야하므로자료분석, 전략개발, 연구운영및관리에있어서의산업공학의역할이중요하다. 향후개발될미래형 brain fitness 제품및 system은다양한 IT sensing 기술을기반으로일상생활중에측정될방대한양의 interactive multi-modal data를분석하여질환징후를조기선별함으로써질병을보다효과적으로대비할수있도록설계될필요가있다. 이를위해서는 SPEC data sensing, 비접촉식무자각 sensing, long-term & large-scale의 multi-modal data 분석기술, healthcare service platform, network platform, 맞춤형예방 / 진단 / 치료지원시스템, 임상평가용 test bed, 실용화및사업화를위한분석및전략수립역량등의융합이필요하다. 따라서 brain fitness 제품개발을위해서는의학지식, IT 기술, 사용자중심설계, SPEC 기반 contents 개발, 이해관계자들의요구, 시장에대한이해, 의료및고령사회관련정책등과관련된이해를가진다학제적연구자들이유기적으로협력하여야한다. 이에대해산업공학은시스템적관점으로 healthcare system 구조및제품개발동향에대해이해하고, 가용자원과인적 network를고려하여체계적인연구추진체제및 business model을구축하며, 연구 group을구성및운영하는데 기여할수있다. 성공적인 brain fitness 제품개발을위해서는정밀하고과학적인융합기술들을기반으로한 SPEC 기능구현과고령자친화형 interface 설계가고려될필요가있다. 본연구는기존특허, 연구, 출시제품들의 review를통해기존제품들은고령자또는환자의인지적 (C) 능력개선만을목적으로하고있어지루하고사용이복잡하며, 치료효과가단편인한계를파악할수있었다. 한편, 본연구에서제안하고있는 SPEC은인지적 (C) 인두뇌훈련 ( 예 : 기억, 주의집중, 반응시간, 공간추론, 문제해결 ) 과더불어고령자의사회적 (S), 신체적 (P), 감성적 (E) 활동을통해두뇌건강을증진시키는개념으로서, SPEC 활동기반의 brain fitness 제품및 contents는고령자의흥미유발에도움이되고두뇌훈련동기를고취시킬수있다. 또한, 산업공학 ( 인간공학 ) 은이론및실험을기반으로한사용자중심의 user interface (UI) 및 user experience (UX) 를설계하기에적합하다. 이와같은산업공학의역할을토대로사용자및이해관계자들의요구사항을만족하며보다경쟁력있는 brain fitness 제품이개발될수있을것으로기대된다. 산업공학을기반으로한 brain fitness 제품개발협업의예로, 포항공과대학교산업경영공학과의유희천교수는삼성서울병원, 제품개발및양산전문업체, 전문판매및관리업체등과의협업을통해 SPEC 개념을가진두뇌운동음악게임인 Smart Harmony를개발하여상용화하였으며, 평가를통해 brain fitness 제품으로서의사용성및임상적가치를검증하는연구를진행중에있다. 5. Discussion 본연구는기존두뇌건강훈련에관한제품개발동향분석을통해향후 brain fitness 제품연구방향및제품개발전략을수립할수있었다. 특허, 연구논문, web 검색을통해수집된자료는제품의구조, 기능, 특성, 사용방법등을기준으로분석되었으며, 분석을
토대로향후 brain fitness 제품개발연구의 거시적인방향이파악되었다. Brain fitness 제품은사용자의인지적 (C) 능력훈련뿐 아니라사회적 (S), 신체적 (P), 감성적 (E) 측면이 복합적으로고려된 SPEC 개념의훈련 contents 를제공할필요가있다. 또한사용자의 특성 ( 예 : 고령자, 치매환자등 ) 을고려한 직관적이고사용하기편한제품조작을위해서 미래형 user interface( 예 : touch interface, motion capture, ECG, wireless EMG or EEG, eye tracking) 의도입이검토될수있을것이다. 그리고제품을직접사용하지않는중에도 일상생활에서발생되는 healthcare 관련 정보들 ( 예 : 수면, 혈압, 심전도, 사회성 ) 을 무자각적으로수집하여 database 화하는기술의 상용화가요구된다. SPEC sensing 기술들을 이용하여수집된 lifestyle big data 는건강상태 monitoring 및질환의조기발견을위해 과학적이고통계적으로분석될필요가있다. 이와같은제품의상용화및보급화를 위해서는의료및 healthcare system 의구조, 관련국내외시장, 그리고관련정책등에 대한포괄적인고려가수반되어야한다. 다양한고려가필요한 brain fitness 제품의 개발을위한다학제적융합연구에는 산업공학의역할이요구된다. 본연구는 brain fitness 를예시로, 미래 u-healthcare 산업의 현실화를위한산업공학의역할을고찰하였다. 산업공학은거시적인 system( 예 : 의료 system, 시장, 정책 ) 에대한이해, 다양한필요기술의 효율적인융복합, 최적자원활용, 체계적이고 과학적인 big data 분석, 시스템적조직관리, 통합적운영, business model 개발, R&D roadmap 구축등측면에서의역량을갖추고있다. 따라서성공적인 brain fitness 제품개발을 위해서는거시적인연구개발체계를이해하고 의사소통및협업일정을조율함으로써다양한 전문성을가진다학제적연구자들이 유기적으로협력되도록하는것이중요하며, 이에대한산업공학의역할이기대된다. 고령자들의두뇌건강을증진시키고 뇌관련질환을조기선별하며맞춤형진단및 치료와연계시킬수있는전략적인 brain fitness 제품과서비스개발을통해고령자들의삶의 질과의료서비스의효율성을향상시키고 국가적의료비용을절감할수있을것으로 기대된다. 현재 brain fitness 운동제품개발은 일반훈련용과치료용으로구분되어개발되고 있으나향후 brain fitness 제품은고령자또는 환자의상태를 monitoring 하고문제를조기 선별하여적극적인질환예방이가능하도록 구현될것이다. 또한, 본연구에서제안하는 첨단 brain fitness 제품은향후보편화될 smarthealthcare system 의구성품으로서생애 전주기적으로건강및생활습관을관리하고 맞춤형예방, 진단, 치료서비스를제공하는 미래형건강관리제품으로서발전될수있을 것으로기대된다. Acknowledgement The present research was jointly supported by Chonbuk National University Hospital and IT Consilience Creative Program of MKE and NIPA (C1515-1121-0003). Reference 구본대, 김신겸, 이준영, 박기형, 신준현, 김광기, 윤영철, 이영민, 홍창형, 서상원, 나덕렬, 김성윤, 정해관, 김도관, 이재홍, 김상윤, 연병길, 김수영, 한설희 (2011). 한국형치매임상진료지침소개. 한국의사협회지, 54(8), pp.861-875. 보건복지부 (2012). 국가치매관리종합계획. 보건복지부 (2013). 2012년치매유병률조사. 통계청 (2013). 고령자통계. Bassuk, S. S., Glass, T. A., and Berkman, L. F. (1999). Social disengagement and incident cognitive decline in community-dwelling elderly persons. Annals of Internal Medicine, 131(3), pp.165-173. Carstensen, L. L., Mikels, J. A., and Mather, M. (2006). Aging and the intersection of cognition, motivation and emotion. In J. Birren and K. W. Schaie (Eds.), Handbook of the Psychology of Aging. pp.343-362. Dickinson, D., Tenhula, W., Morris, S., Brown, C., Peer, J., Spencer, K., Li, L., Gold, J. M., and Bellack, A. S. (2009). A Randomized, controlled trial of computer-assisted cognitive remediation for schizophrenia. American Journal of Psychiatry,167, pp.170-180
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