주간기술동향 2013. 10. 30. 헬스케어의 진화, 비접촉ㆍ비고통 방식의 생체 정보 측정 * 인체에 접촉하지 않고 고통을 주지 않으며 환자가 전혀 의식하지 못하는 가운데 생체 정 보를 측정하는 기술의 개발이 활발히 이루어짐에 따라 헬스케어는 이제 일상적인 건강 검진 모니터링 체계 구축 이라는 새로운 단계로 진화하기 시작 생체 정보를 측정하는 방법이 일렉트로닉스 관련 기술의 활용에 의해 지금까지와는 전 혀 다른 양상으로 전개될 조짐 - 지금까지 생체 정보 측정 방식은 환자를 움직이지 못하게 하고, 전극 등을 몸에 붙이 거나 혹은 불가피하게 환자에게 고통과 불편함을 주는 것이 일반적인 양상 - 예를 들어, 커프(압박대)를 팔에 감아 혈압을 측정하거나 전극을 몸에 붙여 심전도를 측정하는 것은 대부분의 사람들이 경험해 본 적이 있을 텐데, 사람에 따라 커프로 팔 을 압박하는 것이나 전극을 몸에 붙이는 과정에서 스트레스와 긴장을 느끼기도 함 - 이 같은 현행 방식을 개선하기 위해 최근에 비접촉, 그리고 비고통 의 방식으로 생 체 정보를 측정하는 기술 개발이 활발히 전개 중 새로운 기술은 피검자 또는 환자가 측정 과정을 거의 의식하지 않거나 못하게 함으로 써 측정 자체에 대한 스트레스 등으로부터 해방시키는 것이 가장 큰 특징 - 가령, 2011 년 11 월 독일에서 개최된 세계 최대 의료기기 전시회 MEDICA 2012 에서는 손가락을 대는 것만으로도 혈압을 측정할 수 있는 기술이 전시되어 관람객들 의 큰 관심을 불러일으킴 - 도요타는 2013 년 3 월 일본 의과 대학과 공동으로, 자동차의 운전대를 이용하여 운 전자의 혈압을 측정하는 기술을 선보였으며, 자동차를 매일 운전하는 사람이라면 운 전대를 잡고 있는 것 만으로 매일 혈압을 측정하고 관리할 수 있는 길이 열렸음 - 얼굴 영상에 의한 실시간 맥박 측정 기술도 2013 년 초 발표되었으며, PC 모니터에 웹 카메라를 부착하고 필요한 소프트웨어를 설치한 다음, 사무실에서 평소 컴퓨터 작 * 본 내용과 관련된 사항은 정보서비스팀( 042-710-1771)과 크로센트 박종훈 수석 아키텍트( 02-3446- 2287, soma0722@naver.com)에게 문의하시기 바랍니다. ** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA 의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다. 24 www.nipa.kr
현재의 생체정보 측정 앞으로의 생체정보 측정 비접촉, 비고통 의 시대로 측정항목의 예 개발 사례 [구속] 일렉트로닉스 관련기술의 활용 추정 호흡 심박 및 맥박 주파수의 차이 - LED 로 측정 - 화상처리로 측정 - 가속도센서로 측정 - 전파(2.4GHz, 10.5GHz, MIMO 등)로 측정 - 광섬유로 측정 [전극 부착] 혈압 스트레스 추정 - 심박의 전파속도로 측정 - 심박의 차이로 측정 혈액 - 향후 기술개발이 요구되 는 측정항목 [압박] <자료>: Nikkei Electronics, 2013. 7 (그림 1) 일렉트로닉스 기술의 활용으로 비접촉ㆍ비고통 측정 의 시대로 진입 업을 하는 것만으로 맥박의 변화를 모니터링할 수 있게 되었음 - 위의 사례들은 비접촉, 비고통의 방식으로 생체 정보를 측정하는 개발 사례의 일부에 불과하며, 전세계적으로 다양한 측정 기술이나 기기들이 연이어 발표되고 있는 상황 또한 비접촉, 비고통의 생체 정보 측정 방식은 지금까지와는 다른 유형의 환자나 다른 활용처를 촉진함으로써 새로운 시장을 창출시킬 가능성도 내포하고 있는 것이 특징 - 비접촉, 비고통 방식은 단순히 환자를 고통과 불편에서 해방시킬 뿐만 아니라 어린이 와 노인, 또는 질병 유형에 따라 몸을 고정시키거나 압박하는 것이 어려웠던 환자의 측정을 가능하게 하는 장점도 제공 - 또한 장기간 연속으로 모니터링하는 것이 용이해짐으로써 질병의 징후를 사전에 확 인하거나 고령자의 경우 일상적 모니터링 등에 활용하는 것도 가능하게 됨 - 즉, 비접촉ㆍ비고통의 측정 기술은 기존 측정 기술을 대체하는 것이 아니라 새로운 헬스케어 시장을 개척하는 기술이라는 속성이 강하다고 할 수 있음 - 예를 들어, 아일랜드의 스타트업 BiancaMed 가 개발한 기술로 제작된 수면계( 睡 眠 정보통신산업진흥원 25
주간기술동향 2013. 10. 30. 1 손가락 터치만으로 혈압을 측정하는 기기 2 운전대를 통해 혈압을 측정하는 기기 3 웹캠이나 스마트 기기 내장 카메라로 맥박을 측정하는 기기 4 전파를 이용하여 수면 상태를 측정하는 기기 <자료>: Nikkei Electronics, 2013. 7 (그림 2) 비접촉 비고통 측정 의 컨셉을 구현하고 있는 다양한 측정 기기들 計 )는 자고 있는 사람의 주변 1.5m 이내 머리맡에 놓아 두면 호흡 등을 측정하여 수 면 상태를 판정해 줌 - 이 수면계는 10.5GHz 의 전파를 자고 있는 사람의 가슴 등에 투사하여 반사되어 오 는 파장과 입사파의 위상 차이에서 호흡 등을 감지하는 대표적인 비접촉 생체정보 측정 기기 - 현재 수면 상태를 측정하는 방법으로는 수면 폴리그래프 검사(PSG 검사) 등이 있으 나 전극 등을 몸 곳곳에 장착하는 손이 많이 가는 방법이어서, 피검자가 측정 행위 자체를 의식하지 않을 수 없으므로 도리어 잠을 제대로 자지 못하는 경우도 많음 - 시판된 지 약 1 년 정도된 이 수면계는 당초 판매 목표를 웃돌아 판매 호조를 보이고 있고, 건강에 관심이 높은 40~50 대 남성에게 좋은 반응을 얻고 있으며, 비접촉이라 는 특징으로 새로운 시장을 개척한 좋은 사례라 할 수 있음 이러한 선행 사례에 뒤이어 새로운 비접촉ㆍ비고통 생체정보 측정 기술들의 개발 진행 도 활발한데, 대부분 심장 박동과 맥박 측정에 초점을 맞추고 있는 경향 - 통틀어서 생체 정보라고 표현하지만 사실 측정되는 데이터의 범위는 매우 폭이 넓으 며, 심박과 맥박에 주목하는 것은 심장이 다양한 정보를 알게 해주는 중요한 생체정 26 www.nipa.kr
보 중 하나이기 때문 - 1 분간 심장의 움직임이 심장 박동이고, 1 분간 손발에 있는 동맥의 움직임이 맥박인 데, 건강한 사람은 심장 박동과 맥박 수가 일치하므로, 이를 자세히 모니터링하면 스 트레스 정도나 혈압 등을 심장으로부터 추정하는 것이 가능하기 때문 - 특히, 심장 박동 간격으로부터 스트레스 정도를 유추할 수 있다는 점은 널리 알려져 있는 것으로서, 심박의 간격이 띄엄띄엄 하다면 편안한 상태이며, 심장 박동 간격이 짧다면 스트레스가 쌓여 있는 상태로 볼 수 있음 - 맥박과 심박이 일치한다는 점을 응용하면, 앞서 언급한 것처럼 웹캠과 맥박 측정 기 술을 기반으로 사무실에서 일상적인 컴퓨터 작업을 하는 동안에도 스트레스 상태를 모니터링 하는 등 보다 유용한 시스템으로 변환시키는 것이 가능 - 앞서 기술한 도요타의 혈압 측정방식 역시 맥박을 측정한 후 그 데이터로부터 혈압 을 산출하고 있으며, 맥박의 전달 시간과 여러 데이터베이스를 조합하여 혈압을 추정 할 수 있도록 하고 있음 - 이처럼 심장 데이터는 지금까지 심전도(electrocardiogram: ECG) 검사 등에서 얻는 것이 일반적이었으나, 심박과 맥박을 비접촉ㆍ비고통의 방식으로 측정할 수만 있다 면 스트레스 상태 여부나 혈압 상태를 환자가 인지하지 못하게 하는 것도 가능 - 비접촉ㆍ비고통의 심박 및 맥박 측정을 위해 현재 개발이 진행 중인 기술은 1 LED, 2 화상 처리, 3 가속도 센서, 4 전파, 5 광섬유 등 크게 다섯 가지로 분류 LED 를 이용한 심장 박동과 맥박 측정은 도요타 자동차 등이 도입, 채택하여 개발 중 - 도요타 자동차는 운전대의 손가락이 닿는 부분에 LED 발광부와 포토 트랜지스터 등 에 의한 제어 감지기를 설치 - 혈액 중에 포함된 헤모글로빈이 녹색 등 특 정 파장의 빛을 쉽게 흡수하는 특성을 이용 하여 손가락에 쏘인 LED 의 반사광에서 맥 박을 검출하는 방법 - 도요타 자동차는 맥박 전달 시간을 통해 혈 압을 측정하는 것이 아니라 하나의 맥박 파 <자료>: Toyota LED 의 발광부, 제어감지부 (그림 3) 맥박 감지를 위한 운전대의 LED 정보통신산업진흥원 27
주간기술동향 2013. 10. 30. 형에서 혈압을 직접 산출할 수 있는 알고리즘을 정립했다고 설명 - 이런 방식은 비교적 널리 사용되고 있는 기술로서 녹색 LED 와 포토 트랜지스터를 하나의 패키지에 집적한 별도의 맥박 센서도 현재 시판 중 - LED 를 이용한 맥박 측정 기술에 위상 변위(shift)법 이라는 기술을 조합하기도 하며, 구체적인 방식은 공개되지 않았지만 S/N(신호 대 잡음비)이 대폭 향상되어 높은 정 밀도의 맥박 파형을 얻을 수 있고, 이를 혈압으로 변환할 수 있다고 함 - MEDICA 2012 를 통해 소개된 이후 위상 변위법에 대한 전세계 기업들의 관심이 높 아지고 있으며, 최근 위상 변위법에 의한 데이터 처리를 포함해서 핵심 모듈을 원칩 화 하는데 성공했다는 소식도 들림 - 원칩은 현재 1cm 2 정도의 크기이지만, 수 mm 2 정도로 소형화한다는 계획이며, 이렇 게 되면 스마트폰에 탑재되는 플래시용 LED 를 활용하여 스마트폰으로 맥박과 혈압 을 측정하는 것도 가능하게 될 전망 화상 처리를 이용해서 심장 박동과 맥박을 측정하는 기술로 얼굴 동영상의 색 성분을 분석함으로써 맥박을 감지 - LED 응용 기술과 마찬가지로 헤모글로빈이 녹색 빛을 흡수하기 쉬운 속성을 가진다 얼굴 동영상 촬영 얼굴 검출 RGB 의 색성분으로 나누고 평균 휘도를 산출 웹 카메라 파장 시간 이미지 처리 기술 맥박 수의 산출 각 색에서 공통 잡음을 제 녹색파형의 휘도 변화를 추출 <자료>: Fujitsu Laboratories (그림 4) 얼굴 이미지 화상 처리를 이용한 맥박 측정 기술 28 www.nipa.kr
는 점에 착안하여 얼굴 표면의 녹색의 밝기 변화를 포착하여 맥박을 감지하는 기술 - 우선 촬영한 얼굴 동영상에서 프레임마다 얼굴의 색을 RGB 색상 성분으로 나누고 각각의 평균 휘도를 산출하며, 여기에서 각 색깔 별로 일반적인 잡음을 제거한 후 녹 색 밝기의 파형만을 추출하는 방식 - 동영상을 촬영하고 최소 5 초 정도 지나면 측정이 가능하며, 필요한 비디오 해상도는 VGA 급 20 프레임/초 정도면 충분하기 때문에, 현재 시판 중인 웹 카메라나 스마트 폰에 내장되는 카메라로 충분히 이용이 가능 - 따라서 하드웨어를 새로 구비할 필요 없이, 화상 처리 소프트웨어를 앱의 형태로 PC 나 스마트폰에 설치하는 것만으로 사용할 수 있는 것이 장점이며, 2013 년 내로 상용 화될 것으로 예상됨 - 마이크로소프트가 2013 년 6 월 E3 게임쇼에서 선보인 키넥트(Kinect)를 이용한 맥 박 측정 기능도 화상 처리 기술을 응용한 것으로 추정 가속도 센서를 활용한 심박 측정 기술은 체중계형 기기에 올라서는 것만으로 심박을 측정하는데, 심탄도(BCG)에 주목하는 것이 특징 - 심탄도(ballistocardiogram: BCG)는 심장의 물리적 움직임에 따라 생기는 약간의 몸 의 움직임을 전기적으로 기록한 것으로서 심장이 박출한 혈액의 운동량을 나타내며, 심전도에 비해 조금 늦게 피크가 나타나는 것이 특성 - 심탄도는 질환에 따라서 파형이 다르게 나타난다고 보고, 심박동에 수반되는 전신의 운동을 확대 기록하여 심장 질환의 진단 혹은 심기능을 평가하려는 방법 - 현재 체중계형 장치에 가속도 센서를 내장한 후 이를 통해 심탄도를 감지하고 심장 <자료>: Murata Manufacturing 체중계형 측정장치 ECG 의 피크 후 일정시간 후에 BCG 피크가 나타남 (그림 5) 가속도계를 내장한 체중계를 이용해 심탄도(BCG)를 측정하고 심장 박동을 추정 정보통신산업진흥원 29
주간기술동향 2013. 10. 30. 박동을 측정하려는 기술이 개발되고 있으며, BCG 가 매우 세세한 움직임이기 때문에 일반 가속도 센서에 비해 약 50 배 정도 민감한 센서를 이용 - 핀란드의 VTI Technologies 가 개발한 가속도 센서는 중력 가속도 1G 의 1/1,000 에 해당하는 작은 진동을 감지할 수 있고, 건설장비 및 의료기기, 항공기용 계측 시 스템 등에 이용되며, 이를 탑재한 체중계의 개발이 진행 중 - 체중계를 통해 측정한 심장 박동의 간격 데이터를 이용하면, 앞서 본 다른 예에서처 럼 스트레스의 정도를 손쉽게 파악할 수 있음 호흡 측정을 통해 수면상태를 파악하는 수면계는 전파를 이용하여 심박을 측정하는 기 술이 적용되는 사례 - 수면계는 호흡을 모니터링하는 것으로 심장 박동까지 측정할 수는 없지만, 사람의 움 직임을 보정하는 필터링 처리나 잡음 제거 등의 기술을 도입하면 기술적으로 심박 측정에 적용하는 것도 가능 - 심박은 호흡이나 신체 움직임 등에 비해 움직임이 작기 때문에, 잡음 성분을 제거하 고 측정 정확도를 높이는 것이 가능하다면, 동일 기술의 연장선상에서 심박 측정이 실현되는 셈 - 수면계 외에도 실제 사람의 가슴 등에 전파를 발신하고 반사되는 파장과 입사파의 위상 차에서 신체의 움직임을 감지하는 원리에 착안한 기기들이 다수 공개되고 있음 - 알프스 전기가 개발한 RF 모션 센서 는 2.4GHz 대역의 전파를 이용하여 심박 등을 측정하며, 2.4GHz 대역을 선택한 것은 생체 정보 측정과 측정 데이터의 통신을 양립 시키기 위해서라고 설명 - 알프스 전기는 실제로 감지를 위해 인체 에 발신하는 전파를 데이터 통신 주파수 로도 이용할 수 있는 시제품을 개발 중이 며, 2014 년부터 양산을 계획 중 - 일본의 규슈 대학은 10.5GHz 대역의 전 파를 이용한 심박 측정을 통해 운전자의 스트레스 상태를 측정하는 기술을 개발 중 - 스트레스 상태를 산출하기 위해서는 정확 <자료>: Alps Electric (그림 6) Alps 의 RF 모션 센서 탑재 수면계 30 www.nipa.kr
도가 더 높은 심박 데이터가 요구되며, 10.5GHz 대역은 2.4GHz 대역보다 파장이 짧아 소형화와 해상도(정밀도) 측면에서 유리한 장점이 있기 때문 - 규슈 대학은 정확도를 높이기 위해 10.5GHz 를 채택하는 것과 아울러 호 흡 요소의 영향이 큰 가슴이 아니라 운 전 중에 비교적 움직임이 적은 왼발 허 벅지를 측정하거나 자체 알고리즘을 개 발하는 등으로 정확도를 높이고 있음 - 한편 LTE 에 사용되는 기술로서, 여러 개의 안테나를 사용하여 빠른 데이터 전송을 실현하는 MIMO(multiple input multiple output)을 이용함으로써 더욱 감도를 증가시키는 연구도 진행 중 감도(dB) 40 <자료>: Iwate University - 송신과 수신을 각각 2 채널로 한 실험에서는 1 채널씩의 경우에 비해 호흡 요소의 주 파수 검출 감도가 8.3dB 로 높아지는 결과가 나온다고 하는데, 단지 MIMO 를 이용 하면 크기가 커진다는 단점은 향후 해결해야 할 과제 15 1 2 채널 2 1 채널 1 1 채널 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 호흡 요소 주파수(Hz) (그림 7) MIMO 기술의 주파수 검출 감도 향상 도파관의 일부 부위에 인위적으로 지름이 다른 관을 삽입한 헤테로 코어(hetoro core) 형 광섬유(optical fiber)를 이용하여 심박을 측정하려는 시도도 이루어지고 있음 35 30 25 20 8.3dB 2 2 채널 (MIMO) - 지름이 다른 관을 삽입한 곳에서는 빛의 전송이 불안정하게 되고, 바깥 부분의 광섬 외벽 빛의 일부가 새어나옴 도파관 헤테로 코어 광섬유가 부착된 침대에서 측정 불안정한 곳을 의도적으로 만듦 <자료>: Soka University 지름이 다른 도파관을 삽입 (그림 8) 헤테로 코어 광섬유의 구조( 左 )와 이를 이용한 수면 중 심박의 측정( 右 ) 정보통신산업진흥원 31
주간기술동향 2013. 10. 30. 유에 닿게 되면 전송되는 빛의 양이 달라지며, 이 변화를 광섬유 끝의 포토 다이오드 에서 검출하면 센서로 사용할 수 있다고 함 - 예를 들어, 이 광섬유를 의류나 침구 등에 붙이면 몸의 움직임을 측정할 수 있게 되 며, 심박을 측정할 수 있을 정도의 정확도를 갖추고 있음 이상 5 가지 기술을 이용한 심박 측정은 앞으로도 더욱 활발히 이어질 전망이며, 만약 비접촉ㆍ비고통 방식으로 혈액을 분석할 수 있다면 헬스케어의 혁명은 가속화될 것 - 가령, 일부 연구소들은 혈당에 따라 빛의 강도가 변화하는 센서를 쥐의 귀에 삽입하 여 체외에서 조명함으로써 혈당치를 측정하는 기술을 개발하는 중 - 이러한 기술들의 연장선상에 있는 기술 개발도 향후 활발히 전개될 것으로 예상되며, 비접촉 방식으로 온도를 측정하는 기술도 이미 개발 중인 것으로 알려짐 - 자기에 의해 비접촉으로 온도를 감지하는 기술은 퀴리 온도(강자성체가 항상 자성을 띠는 물체에 상전이 할 때의 온도)를 이용한 것으로, 만약 상용화된다면 체온계 없는 측정도 가능해 짐 비접촉ㆍ비고통 방식의 헬스케어는 인간의 본성에 맞게 의료의 기본 패러다임을 바꾸 어 냄으로써 인류의 장수 실현 및 의료비용 감소 등에 결정적 기여를 가능하게 함 - 한때 사망선고나 다름없었던 암도 이제는 만성질환으로 분류될 정도로 치료 기술은 나날이 발전하고 있기 때문에, 조기검진만 제때 이루어진다면 사망이나 치명적 상태 환자가 의식하지 못하는 자연상태에서 정보측정이 가능 고통, 불안감, 번거로움이 없는 측정 비접촉, 비고통 생체정보 측정 시대 측정대상자의 확대 유아, 노인, 질병에 의해 몸을 고정하거나 압박하는 것이 어려웠던 환자 장기(연속) 모니터링을 실현 연속적인 변화 관찰로 질병 징후 발견, 고령자의 상시 모니터링 가능 <자료>: Nikkei Electronics, 2013. 7 (그림 9) 헬스케어의 패러다임을 변화시킬 비접촉 비고통 방식의 생체 정보 측정 32 www.nipa.kr
에 이를 위험은 현격히 줄어들고 있는 상황 - 그럼에도 조기 검진이 제대로 이루어지지 않고 있는 것은 비용이라는 요소 외에, 검 진 행위 자체에 대한 거부감이나 불안감이 있고, 시간을 내어 병원을 찾아야 하는 번 거로움이 있기 때문 - 비접촉ㆍ비고통 방식의 측정은 사람이 의식하지 못하는 가운데 일상 생활 과정에서 생체 데이터를 얻기 때문에 거부감이나 불안감, 번거로움 없이 상시적인 검진 체계를 구축할 수 있는 가능성을 제시 - 이러한 기술이 스마트폰 등 모바일 기기나 사물인터넷 기기에 탑재된다면, 뒤늦은 검 진으로 위험에 처하게 되는 환자의 수를 급감시킬 것이며, 중증 상태의 환자 치료에 소요되는 막대한 의료비용의 문제도 해결할 수 있을 것으로 기대 <참 고 자 료> [1] 小 谷 卓 也, 非 接 触 非 侵 襲 がヘルスケアを 変 える", 日 経 エレクトロニクス, 2013. 10. 17. [2] Jacques Coetzee, Xbox Fitness lets Kinect monitor your pulse, muscles and energy, gearburn, 2013. 9. 27. [3] Takuya Otani, Electrocardiogram, Pulse Wave Measured With Steering Wheel, Tech-On, 2013. 3. 27. [4] Kazumi Tako, Fujitsu Laboratories develops 'webcam' pulse monitor, The Asahi Shimbun, 2013. 3. 19. 정보통신산업진흥원 33