Wearable Sensor 의개발방향
Mobile & Wearable Healthcare Device Wrist device Smart Shirts
IoT & Smart Sensor IoT 실현시점은언제? Connected Device 시장전망 (source : Cisco) 인터넷에연결된기기나사물의수가지구상에존재하는총인구수보다많아질때 (IBSG, CICSO 보고서 ) 2003년 : 63억명세계인구 / 인터넷연결기기 5억대 2010년 ( 스마트폰등장이후 ) : 68억명세계인구 / 인터넷연결기기 125억대 (1인당 1.84개 ) 이미사물인터넷시대가도래했음 2020년 : 76억명세계인구 / 인터넷연결기기 500억대 (1인당 6.58개 )
IoT & Smart Sensor 사물인터넷에필요한기술 1) 온도 / 습도 / 위치 / 모션 / 영상 / 생체신호등의데이터센싱기술 2) 사물로부터받은데이터를저장하고분석하는미들웨어소프트웨어기술 3) 데이터를의미있는결과물로해석, 표현, 처리하는애플리케이션소프트웨어기술 IoT 의핵심은센서기술 스마트폰시장확대와 IoT 시장이본격화되면서센서기술의성장속도는더욱빨라질전망 전세계센서시장 : 2020 년 1,417 억달러로연평균 9.4% 성장전망 국내센서시장 : 2020 년 99 억달러로연평균 10.4% 성장전망 ST-Microelectronics : 연간 6.4 억달러공급 ( 전세계스미트폰 / 태블릿 PC 시장에서 MEMS 센서를가장많이공급하는기업 ) 국내시장에서는스마트폰용이미지센서만자급율이 50% 수준에달할뿐 압력, 가속도, 자기, 영상, 레이더등일반시장부터국방분야까지대부분응용분야에서전량수입
IoT & Smart Sensor Smart Sensor 의 Paradigm shift 최근웨어러블기기시장이부상하면서센서의응용범위가확대 ~ 2012 년 : 1 세대 단순히가속도센서만사용 ~ 2013 년 : 2 세대 압력센서가동시에사용되면서고도측정 ~ 2014 년 : 3 세대 고가의자이로센서, 광센서적용 2015 년 ~ : 4 세대 온 / 습도센서등주변상황의인지가가능한복합센서개발전망 Wearable smart sensor 의진화 (source : Invensense)
Physiological Signals Heart Rate & Oxygen Saturation
Oxygen Saturation Monitoring Terminology PaO2 (Arterial oxygen pressure, 산소분압 ) : 정상 80-100mmHg 동맥혈액의산소화상태반영 폐의산소화능력 ( 폐에서산소가잘섭취되는지알수있음 ) 연령이중가함에따라산소분압감소 폐조직의탄력감소로폐에서동맥혈액으로확산하는산소의 양이적어지기때문 (60 세이후 1 세중가에 80mmHg 부터 1mmHg 씩감소 80 세는 60mmHg 정도 ) SaO2 (Saturation of arterial blood, 동맥혈산소포화도 ) : 정상 95-100% 전체혈색소중에서산소와실제로결합한혈색소가차지하는비율 (100% = 혈색소가완전히포화 ) SaO2 와 PaO2 는대략일치하지만, PH 와체온에따라영향을받음 SpO2 (Oxygen saturation, 산소포화도 ) pulse oximeter 로측정 임상에서의 SpO2 는 70-100% 범위내에서 SaO2 와거의비슷한개념으로쓰임 혈중산소포화도에대한간접적인측정 ( 조직으로의산소운반에대한측정 ) 혈류량의변화에의한 PPG(photoplethysmograph) 제공 맥박수의측정가능
Oxygen Saturation Monitoring Pulse Oximeter 광혈류량측정의원리 - 파장에따라조직에흡수되는빛의흡수율차이를이용 cb - Beer-Lambert Law : I 0 b I 0 e I c : 입력되는빛의강도 : 매질을통과한후의빛의강도 : 감쇄계수 : 매질농도 : 매질을통과하는빛의투과거리 I 적색광 (RED, 660nm) 와적외선광 (IR, 940nm) 을혈관에투사 적색광 ON(125usec), 투과빛검출 (375usec) / OFF(500usec) / 적외선광 ON(125usec), 투과빛검출 (375usec) 산소를포함한헤모글로빈은적외선을더많이흡수하고산소가포함되지않은헤모글로빈은적색광을더흡수이흡수차이의비율이 SpO2 값
Oxygen Saturation Monitoring Pulse Oximeter 조직을통과하여 Photodiode 에서검출되는신호 - AC 성분 : pulsating arterial blood 에의해흡수된부분 - DC 성분 : venous blood, capillary blood, nonpulsatile arterial blood 포함 tissue bed 에의해흡수된부분 Pulse Oximeter Calibration Curve 97% - 99% : healthy individual > 95% : clinically accepted in a patient with a normal hemoglobin level
Oxygen Saturation Monitoring Pulse Oximeter UC Berkeley (2014. 12. 10) 실리콘을유기물또는탄소에흡착 얇고, 저렴하고, 유연한기기개발 적색과녹색유기 LED를사용하여 Flexible plastic 위에서광검출기를통해시험기존적색광과적외선광을사용했을때의결과와유사함발표
Heart Rate Monitoring PPG (photoplethysmograph) 적색광과적외선광이교대로점멸하면서투사되었을때, 반대편 ( 혹은동일편의 ) 광다이오드에도달하는산란된빛의강도가증폭되어나타나는혈액흐름의맥동성분 Apple Watch Samsung GEAR Fitbit Garmin
Heart Rate Monitoring Fitbit ChargeHR 광센서 ( 심박수모니터링 ) / 3 축가속도센서 / 고도센서 ( 이동거리, 칼로리소모량등 ) Fitbit Surge ( 출시예정 ) 광센서, 3 축가속도센서, 고도센서 GPS, 디지털나침반, 환경센서
Future of Personal Healthcare Device 2015 년 2 분기의헬스케어기능지원글로벌웨어러블시장규모 : 1810 만대 - 전년같은기간 560 만대와수준과비교할때 223.2% 증가 소비자들의헬스케어에대한관심이그어느때보다높음 - 국내외주요제조사 : 헬스케어를미래주력산업의한축으로확신 ( 치열한경쟁예상 ) - 트렌드에맞춰스마트워치및스마트밴드등제품에헬스케어기능추가 Fitbit : 출하량 1 년새 170 만대에서 440 만대로 158.8% 중가 그러나, 시장점유율은 30.4% 에서올해 24.3% 로 6.1% 하락 라몬르라마스 (IDC 애널리스트 ) Fitbit 은기본적인기능만을갖춘웨러러블기기이므로향후시장점유율은계속떨어질것임 Apple 이막강한생태계의영향력을바탕으로성장해머지않아선두를차지할것임
Future of Personal Healthcare Device Blood Pressure 전통적인방법비침습적 / 침습적 ABPM (Ambulatory BP Monitoring) 자동혈압계병원용및가정용 Cuffless 혈압계 ㆍ CBPM( 병원에서의혈압측정 ) 이아닌 ABPM(24 시간혈압 ) ㆍ낮시간이아닌밤시간수면중 ABPM(night-time 혈압 )
Future of Personal Healthcare Device Blood Pressure 수면중혈압측정 - Cuffless & Continuous 제품 / 제조사 특징 가격 ( 천원 ) 단점 차별화방안 WatchPAT (Itamar Medical) BPro (HealthSTATS, Singapore) 가정용손목형혈압계 수면중말초동맥혈압측정 압력센서를이용한손목형 cuffless 혈압계 대동맥혈압의추정가능 혈압계를이용한 calibration 필요 800 600 ( 개인용 ) 5,000 ( 병원용 ) 심장에서멀어질수록말초혈압값은부정확함 손목혈압으로부터대동맥혈압의추정에따른오차 사용시마다자동혈압계로기준값설정이필요 수면중숙면을방해하지않고혈압을측정할수있는 cuffless 기기개발 Visi Mobile (Sotera Wireless, USA) 요골맥파천이시간적용 연속혈압측정 ( 병원용 ) 혈압계를이용한 calibration 필요 1,500 손목혈압의부정확 사용시마다자동혈압계로기준값설정이필요 착용시마다자동혈압계측정을필요로하지않는지능형기기개발 Freescan (Maisense, Switzerland) 압력센서와심전도전극 휴대형기기 일정시간잡고있어야함 500 손으로인가하는압력이일정하지않으므로부정확 연속혈압측정불가능 대동맥혈압및탄성도의정확한측정가능기기 - 경동맥펄스활용 - 어레이센서활용 H 2 (H 2 Korea) 손목시계형맥박및혈압계 압력센서사용 20초동안센서를누르고있어야함 300 한손사용이불가능 단순맥박수측정으로만족 연속혈압측정불가능 수면혈압값을바탕으로정량화된심혈관관리지표제공
Future of Personal Healthcare Device Blood Pressure 목표개발내용비고 센서 아날로그 / 디지털 및 센싱모듈 저항성압력센서 용량성압력센서 반도체형압력센서 점탄성이높은젤과필름을씌워측정 Applanation tonometry 센서개발 (capacitive 압력센서 ) - 센서 SPEC 설정 - 임상실험을위한단일센서개발 데이터수집프로그램포함 센서샘플개발 - 혈압측정을위한 SPEC 맞춤형 - 센서개발 요골맥파를이용한혈압측정회로 - 아날로그 / 디지털회로, LCD 디스플레이 손목시계형펄스측정회로및시제품 - 검출, 디스플레이, 저장, 전송 압력센서내장요골맥파검출센싱모듈 2 array 센서내장모듈 펌프인가노즐및센서출력단자포함
Future of Personal Healthcare Device HR & SpO2 IR & LED Photodi ode Oxygen Saturation 혈중산소포화도의간접적측정 Critical 환자의경우에사용 IR & LED Photodi ode Pressur e Sensor PVDF Straing age Heart Rate 맥박수및변화추세 심박변이도 (HRV, heart rate variability) - 스트레스 ( 자율신경계변화추정 ) 혈압 ( 상완및대동맥혈압 ) - 일상생활및수면중 맥박수및변화추세 심박변이도 (HRV, heart rate variability)
Future of Personal Healthcare Device 6개월쓰니 ' 재미없다 헬스케어기능에대한고객만족도조사결과발표 ( 아거스인사이츠, 미국시장조사업체 ) - 헬스케어기기구매후소비자들의초반만족감도는상당히높지만, 시간이갈수록제품의활용빈도가급속도로감소 ( 대다수의사용자가단 6개월만에헬스케어기기에대한관심을잃었다 - 비전문가인사용자가보면건강상태를정확히알수없음 - 스마트워치는스마트폰과연계해실시간으로건강상태를확인할수있는제품이라구입해썼는데, 처음에는새로운경험이라서흥미로웠지만요즘은잘사용하지않는다 단순한개인건강관리의참고용기능은한계가있음 - 전문적인건강정보의제공이필요 ( 전문정보제공이가능한센서선택이필요 ) 의료기관과의연계가관건 - 전문의료진이자신의건강정보를분석하여, 이를기반으로하는진단 / 치료및생활습관의관리가이루어져야관련제품을적극적으로사용함