보다 건강한 삶으로 이끄는 생체모방 감지 기술의 발전

보다 건강한 삶으로 이끄는

생체모방 감지 기술의 발전

전자기기 기술 발전은 착용시에도 불편하지 않은 치료 장치와 신체 상태 및 건강을 언제 어디에서나 확인할 수 있는 새로운 생체모방 감지 기술과 모니터링 장치가 과제의 해결방안을 제시하고 있다. 이러한 발전은 대부분 오랜 세월에 걸쳐 대형 병원 시스템에서 소형화 되어 착용하는 장치로 기술 이전 된 결과이며, IC 기술은 안전 및 기동성과 다른 분야로도 확대되고 있다.

글: Nichole Oljaca / 월드 와이드, 의료사업부 및 개발 마케팅 매니저

텍사스 인스트루먼트(TI) / www.ti.com

반도체 기술의 발전으로 의료, 건강, 체력 향상에 도움을 주는 생체 감지 기술과 모니터링이 가능한 휴대형 및 웨어러블 디바이스가 등장하고 있다.

전 세계적으로 인구 고령화가 진행되면서 의료 서비스 자원을 늘려야 한다는 목소리도 커지고 있다. 유엔 인구조사 자료에 의하면, 20억 인구를 향해 가는 2025년 전 세계 인구의 연령은 다섯 명 중 한 명 이상이 60세가 넘게 될 것이라고 한다.

이 중 상당수는 높은 삶의 질을 기대하면서 인구 전반의 의료 서비스 요구 또한 높아지고 있는 개발도상국가에 편중되어 있다. 미국의 최근 정책 변화는 급변하는 의료 서비스 시스템 안에서 수백만 명 이상의 사람들을 혼동하게 했지만 인터넷의 도움으로 어느 때에 치료를 받아야 하는지에 대해 상세한 정보를 제공하고 있다.

여기에 현재와 다가올 미래에 있어 더 많은 사람들에게 보다 효과적인 의료 서비스를 제공할 수 있는 몇 가지 개발상을 조명해 보았다.

이 자원 문제를 해결함에 있어서 의사나 간호사, 병원, 제약회사, 그 밖에 전통적인 의료 관련기관에게 좀 더 의미가 있는 것도 어느 정도 사실이다. 그러나 보통의 병원 환경이라 하더라도 수요를 충족하기 위해서는 인력과 장비의 효율을 높일 필요가 있다. 또 의료진과 시설의 필요사항인 부분이긴 하지만 개인 스스로가 건강에 대해 좀 더 관심을 가질 필요가 있다. 개인의 체력과 건강을 살피어 전문 의료 서비스에 의존하지 않도록 스스로 건강을 관리해야 한다.


사회적으로는 미국이나 전 세계 다른 국가들이 보다 건강한 삶을 이끄는 길을 학습하는 한편, 우리 앞에 놓여있는 방대한 의료 서비스 문제를 해결할 수 있는 새로운 답안도 찾아야 한다. 임상이나 가정 환경에서 이러한 과제를 해결하는데 기여할 중요한 요소가 바로 가정 및 외부에서 활용할 수 있는 생체모방 감지 기술과 건강 모니터링 등의 전자 기술이다.

IC 기술 이전

집적회로(IC) 기술이 발전하지 않았다면 생체감지나 전자식 건강 모니터링 기술 전파 효과를 크게 체감하지 못 했을 수도 있다. 일반적으로 IC 발전은 이전에는 불가능했던 수준의 고차원 애플리케이션에 영향을 미쳤다. 그렇지만 성능은 반도체 “혁신의 3대 요소(나머지 둘은 전력 손실과 가격)” 중 하나에 불과하다.


이 세 가지 벡터가 함께 발전해야 새로운 시장 기회가 만들어진다. 고급 성능의 기술은 빠르게 성숙하고 최적화되어 고집적화 및 소형화와 함께 강력한 효율을 갖게 된다. 이런 진보로 고급 장치에서 더 많은 분야로 기술이 확대될 수 있는 한편, 고성능 시스템을 위한 신기술이 개발되면 다시 한 번 이 순환이 이루어진다.

오늘날 건강 기술의 여러 분야에서 기술 이전이 나타나고 있다. 예를 들어 [그림 1]을 살펴 보면, 1903년에 개발된 최초의 실용적인 심전도(ECG) 기기는 지나치게 크고 움직일 수 없었기 때문에 환자가 소금물이 담긴 통에 팔다리를 한 쪽씩 담근 후 그곳에서 ECG를 기록해야 했다.


당시의 기본 원리를 지금도 그대로 사용하고는 있지만, 크고 무겁던 실험 기기를 병원 어디에서나 사용할 수 있는 간결한 전자 시스템으로 바뀔 정도로 전자 기기도 많이 발달하였다. 또한 다양한 생체감지 기술과 스포츠 시계 및 심장박동을 이용하여 게임 난이도에 따라 참가자의 감정 상태를 실시간으로 감지하는 게임 시스템 등 전통적인 병원 환경을 벗어난 생체모방 분야에까지 널리 퍼져나가고 있다.

건강을 추적하는 새로운 방식

이러한 기술 이전이 계속되면서 새로운 방식의 생체감지 기술과 생활 속에서 건강 모니터링 장치를 구현하는 아날로그와 내부 처리 기술 기반의 전자 시스템도 현실화되고 있다. 현재 전자 기기는 [그림 2]처럼 손목이나 다리, 가슴 등 어디에 착용해도 불편함이 없을 뿐만 아니라, 심지어 패션 기능을 가지며 신변 데이터를 감지하는 휴대형 전자 액세서리 형태를 하고 있다.

이런 데이터 중 상당수는 자신의 건강 상태를 확인하는 지표로써 심장박동, 혈중 산소량, 혈당량, 그 밖의 활력 징후 등의 전통적인 수치와 관련이 있다. 이러한 생체감지 분야에서도 웨어러블 무선 전자 기기는 새로운 방식으로 건강 상태를 확인할 수 있도록 해준다. 몇 년 전까지만 해도 불규칙적인 심장박동이나 특정의 부정맥 진단이 문제가 되는 데에도 불구하고 병원 ECG 중에 부정맥이 나타나지 않으면 의사로서는 그 문제를 알아차릴 수가 없었다.


지금은 이벤트 모니터라는 것이 등장하여 기기를 착용한 채로 일상 생활을 하다가 증상이 나타나면 기록을 하고, 최대 2개월까지 추적을 지속할 수 있다. 많은 이벤트 모니터가 심장의 활동 기록을 의사에게 직접 전송한다. 즉 의사는 병원에 방문하지 않아도 환자에게 주의를 기울 수 있고 건강을 유지하려는 환자는 사후 진료를 위한 병원 방문 횟수를 줄일 수 있다.

이러한 기기에 사용하는 전자 회로의 크기와 전력 소비량은 줄어들고 있는 추세이며 점차 새로운 응용 분야가 등장하고 있다. 결과적으로 사전에 예방을 높이고 보다 효율적인 비용과 치료로 환자의 삶 전반을 포괄하며, 저렴하고 편리한 모니터링 시스템은 소매점에서 누구나 손쉽게 구입할 수 있어 건강을 관리하는데 적극적인 역할을 할 것이다.

새로운 분야로 퍼져가는 생체모방 기술

반도체의 발전으로 생체감지 및 모니터링 시스템은 사람들을 보다 안전하게 지키고 권한을 주는 새로운 생체모방 분야로 확대될 것이다. 예를 들어 소형화된 ECG 모니터에 사용하는 것과 유사한 기술로 연조직의 전기활성을 측정하여 근 활동량을 가늠하는 근전도 검사(EMG)가 상용화 될 것이다. EMG 기술을 이용하는 전자장치가 근육의 움직임을 모니터링 해줌으로써 다양한 근 조절 기반의 애플리케이션이 등장하게 될 것이다.


이로써 노인이나 환자 및 장애인이 멀리 있는 전등이나 텔레비전을 쉽게 켤 수 있도록 돕거나 모션 컨트롤 비디오 게임과 가상 훈련 등 기기의 가능성은 무궁무진하다. 다른 모션 전자장치를 결합한 EMG 기반의 기술은 걸을 때와 자전거 페달을 밟을 때의 종아리 수축 간 편차를 해석하는 데 쓰일 수도 있다.

또 다른 새로운 전자 기술이 사용될 수 있는 분야로 맥박-산소 측정 전자기기가 있다. 이 전자기기의 경우, 환자의 손가락 끝에 광다이오드(photodiode)를 연결하여 두 가지 파장의 빛으로 혈중 산소량을 측정한다. 각 파장에서 산소 흡수량 변화도를 측정하여 맥동 동맥혈만의 흡수량을 알아본다. 이러한 광학적 측정에 이용하는 전자기기가 새로운 방식의 심장박동 모니터 장치 기능을 하도록 할 수 있다.

이러한 형식의 고급 생체모방 전자 기술은 미래형 애플리케이션에서 좀 더 유용하게 쓸 수 있다. 다양한 생리학적 시스템에 의해 피부로 가는 혈류를 조절할 수 있으므로, 이와 같은 광학적 방식의 호흡이나 다른 순환계의 상태를 모니터 하는데 이용할 수 있다. 자동차의 조향 휠 같이 다른 시스템에서 사용하고 있는 광학 센서를 활용하여 간단한 손의 접촉만으로 심장박동 및 호흡을 측정하여 운전자의 분노나 피로도 정보를 수집할 수 있을 것이다. 이를 포함한 다양한 생체모방 감지 기술은 의료, 건강, 안전 등 우리 삶의 모든 영역에 꾸준히 소개될 것이다.

시스템 요건을 채워주는 TI 솔루션

건강 및 체력관리를 위한 전자기기는 크기가 아주 작고 무게는 가벼우면서, 두께는 얇아야 사람들이 쉽게 착용하거나 휴대형 액세서리로 이용할 수 있다. 이런 전자기기는 매일 충전하기 번거롭기 때문에 미충전 대기시간도 길어야 한다. 이런 요건을 충족하려면 전자기기 회로에 고급 감지 기술과 신호 조절 기술을 접목하여 최적화 된 완전 통합형 아날로그 프론트 엔드(AFE) 제품 형태가 요구된다.


데이터를 별도로 추가 처리해야 한다면 초저전력 마이크로 컨트롤러로 알고리즘을 저장하여 필요한 계산을 수행할 수 있다. 무선으로 스마트폰 및 다른 기기에 정보를 접속하거나 표시하고 의료인이 볼 수 있는 중앙 시스템까지 전달하는 기능을 할 수도 있다. 이런 핵심적인 시스템 기능은 모두 배터리 전원을 사용하고, 저장하는 전원 관리 장치에 의존할 수밖에 없다. 경우에 따라 착용자의 체열이나 동작으로 에너지를 모으는 다른 IC를 사용할 수도 있다.

이러한 요건을 바탕으로 TI는 생체모방 및 여러 감지 애플리케이션 설계자를 위한 고집적 AFE 디바이스를 포함한 차세대 건강 및 체력관리를 위한 다양한 신기술을 개발하고 있다. TI의 다른 기술로는 광대역 MSP430™ MCU도 있다. 저전력 ZigBee와 블루투스 무선 연결 솔루션 및 앞서가는 전원관리 장치는 신체의 열과 동작으로 에너지를 생산할 수 있다. 그 외에 생체모방 감지 기술을 이용할 수 있는 또 다른 중요한 분야는 TI의 첨단 패키징으로 WCSP(Wafer-Scale Chip Packaging) 을 위한 옵션을 통해 웨어러블 장비에 얇고 작은 칩을 장착할 수 있게 도와준다.

건강 체력관리 분야를 위한 레퍼런스

디자인

헬스 및 피트니스 분야의 신제품 개발자 중에는 시스템 설계에 대한 전문성이 적은 기업의 혁신적인 경우가 종종 있으므로 IC 솔루션은 지원이 잘 되고 유연성이 있으며 사용하기 쉬워야 한다. TI는 TI 디자인 레퍼런스 디자인 라이브러리를 통해 개발자의 이러한 요구에 가까이 다가가고 있다. 설계자는 도면이나 블록 다이어그램, BOM, 설계 파일, 시험 보고서를 포함한 이 종합 레퍼런스 디자인 라이브러리를 활용하여 시스템을 손쉽게 설계하고 시장 진출 속도를 높일 수 있게 된다.


TI의 아날로그, 임베디드 프로세서, 커넥티비티 제품 포트폴리오로 시스템 및 제품에 대한 지식이 있는 전문가가 레퍼런스 디자인을 개발했다. 센서와 신호 조정을 위한 AFE에 초저전력 MCU와 블루투스 저전력 커넥티비티까지 갖춘 완벽한 엔드 투 엔드 솔루션으로 다양한 헬스 및 피트니스용 TI 디자인이 나와 있다.

[그림 4]에 나와 있는 TIDesign (TIDA-00011)은 대표적인 손목형 광학 심장박동계 애플리케이션이다. 이 손목형 심장박동 모니터 레퍼런스 디자인 제품은 TI의 기술이 어느 정도로 완벽한 솔루션인지 단적으로 보여주는 사례이다. LED-광다이오드 빛 신호로 TI의 AFE4400는 착용자의 피부에서 심장박동을 감지하여 증폭한 후 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이 신호는 MSP430 MCU를 지나간다.


Tl의 SimpleLink™ 블루투스 저에너지 CC2541 무선 MCU 기반 모듈은 스마트폰이나 로컬 시스템과 무선으로 연결할 수 있다. 비휘발성 FRAM(ferroelectric ran dom access memory)는 데이터를 기록하고 가속도계는 몸의 움직임을 감지한다. 배터리의 전원과 다양한 시스템 기능을 관리하는 레퍼런스 디자인도 있다. 이런 종류의 완제품 설계를 찾는 개발자라면 TI에서 원하는 시스템을 구축하여 빠르게 사용할 수 있을 것이다. 자신이 갖고 있는 재능만 투자한다면 개발자는 구미에 맞는 솔루션을 만들 수 있다.

모니터링의 발전으로 더 건강한 세상

전 세계적으로 고령화가 진행되고 있다. 개발도상국 삶의 기준도 점점 높아지고 있다. 환자의 요구는 점점 복잡해지며 이런 요소로 의료인 능력 향상과 일반인 스스로가 효과적인 건강관리를 할 수 있는 새로운 의료 서비스에 대한 요구가 커지고 있다.

전자기기 기술 발전은 착용시에도 불편하지 않은 치료 장치와 신체 상태 및 건강을 언제 어디에서나 확인할 수 있는 새로운 생체모방 감지 기술과 모니터링 장치가 과제의 해결방안을 제시하고 있다. 이러한 발전은 대부분 오랜 세월에 걸쳐 대형 병원 시스템에서 소형화되어 착용하는 장치로 기술이전된 결과이며, IC 기술은 안전 및 기동성과 다른 분야로도 확대되고 있다.

의료, 건강, 피트니스 분야의 모든 IC를 갖춘 TI는 많은 전문가와 함께 고성능 및 대형 애플리케이션이 안고 있는 과제를 해결하기 위해 고군분투하고 있다. 세계적으로 모든 의료 서비스에 대한 수요 확대 과제를 해결하는 새로운 방법을 찾기 시작하면서 TI는 사람들이 좀 더 행복하고, 좀 더 건강하게 살 수 있는 IC 기술을 제공하기 위하여 하루하루 혁신을 이루고 있다.

추가 정보

- TI의 의료, 건강, 체력관리 웹 페이지: www.ti.com/corp-inn-innmed-wp-lp

- TI 디자인스 광학 심장박동 장치 레퍼런스 디자인: www.ti.com/corp-inn-innmed-wp-tidesigns