웨어러블 시스템 위한 NFC 기능 멀티파라미터 생체신호 모니터

생체신호 웨어러블은 신체에 착용하는 센서로 환자나 운동선수를 유선 허브에서 테더링 하지 않고 생리적, 심리적 파라미터를 연속 및 반연속으로 모니터링 할 수 있다.

체온, 혈압, 맥박(심박), 호흡율(호흡수)은 일반적으로 사람의 건강 상태를 평가하기 위한 바이탈 사인이다. 정상적인 바이탈 사인에서 벗어나는 것은 건강에 문제가 있다는 것이다. 바이탈 사인의 도움을 받으면 잠재적인 문제를 조기에 발견할 수 있을 뿐만 아니라 회복 과정도 도울 수 있다. 전통적으로 이러한 장기적인 모니터링은 임상 환경에서 의사가 하던 일인데 단점은 비용이 비싸다는 것이다.

인홈(in-home) 모니터링이 늘어나고 있는 추세로 환자는 스스로 자신의 바이탈 사인을 모니터링할 수 있다. 인홈 모니터링의 장점은 관리 접근성의 증가, 의료 전달 비용 및 이동시 불편, 애로사항의 감소, 전반적인 환자의 독립성 등이 있다. 올바르게 교육을 한다면 인홈 바이탈 사인 모니터링은 평범한 비전문가가 할 수 있는 절차가 될 수 있고 추가적으로 분석 및 지도에 대해 헬스케어 전문가와 데이터를 공유할 수 있다.

과거에는 인홈 모니터를 개발에 있어 시스템 처리 능력과 비용, 크기, 유용성 등이 장애가 됐다. 기술의 발달과 마이크로프로세서 및 센서의 비용, 크기 감소로 그 중 일부는 인홈 모니터링 실행 가능성에 더 이상 문제가 되지 않는다. 

멀티 파라미터 생체신호 모니터(Multi-parameter bio-signal monitor, MPBSM)는 개념 검증 웨어러블 레퍼런스 디자인으로 인홈 환자 모니터링 시스템의 서브시스템으로 사용할 수 있다. 심전도(ECG) 신호, 심박수, 호흡수, 피부 온도, 전기피부반응(galvanic skin response, GSR), 걸음 수 등은 멀티 파라미터 생체신호 모니터에서 측정이 가능하다. [그림1]은 생체신호로부터 추출되는 실행 가능한 데이터와 생체신호의 상관관계다.

생체신호란 인체에서 선천적으로 생산되는 신호로, 전자장치를 통해 기록된다. 바이탈 사인은 인체의 생리적인 상태 파악 및 사람의 전반적인 건강 평가에 도움이 된다. 4가지의 중요한 바이탈 사인은 체온, 심박수, 호흡수, 혈압이다. 

멀티 파라미터 생체신호 모니터 하드웨어
MPBSM 레퍼런스 디자인은 인체 형태에 적응하기 위해 유연하게 디자인되기 때문에 웨어러블 기술로 분류된다. 이 시스템은 심장을 가로질러 대각선 가슴에 부착하는데 피부 안전 접착 테이프로 붙인다. 이것은 오늘날 이용 가능한 웨어러블 디바이스 관련 문제를 해결하는 개발 플랫폼이다.

생체신호 센서 데이터는 근거리통신(near field communication, NFC)을 통해 스마트폰으로 무선 전송되는데 자가 모니터링 또는 헬스케어 전문가의 원격 모니터링을 제공하는 게이트웨이 역할을 한다. 바이오 패치의 일회용 사용으로 인해 이 솔루션의 일회용 속성 또한 환자의 안전 요건을 만족시키고 의료장비의 재사용 관련하여 병원의 감염 노출을 방지하는 데에도 도움이 된다.

예를 들어 ECG 리드와 같은 많은 재사용 의료장비 대부분의 위생 절차 후에 항생물질 저항 병원균이 함유하고 있는 것으로 알려져 있다. 또 MPBS 모니터 폼팩터는 보다 정확한 데이터 수집이 가능한 다른 재사용 웨어러블 솔루션에 비해 더욱 직접적으로 피부에 접촉할 수 있다. 
MPBS 모니터는 신체의 움직임으로 인한 인위적인 잡음이 최소화되도록 인체 부위에 배치될 수도 있다.

MPBS 개념 검증 서브시스템은 피부에 붙이도록 디자인된 것이기 때문에, 내구성과 유연성을 모두 갖춰야 한다. MPBSM 레퍼런스 디자인에서 모든 전자 컴포넌트는 시스템 하부에 배치된 GSR과 ECG 서브시스템에 필요한 탐침(Probe)을 제외하고 시스템 상부에 배치된다. 이 탐침은 산화를 방지하고 전도율을 높이기 위해 도금이 돼 있다. [그림2]는 시스템의 앞뒷면이다.

유연성과 쾌적함을 유지하는 동안 전력소비와 비용 및 무게를 줄이기 위해 이 레퍼런스 디자인은 디스플레이를 구현하지 않는다. 오늘날 스마트폰의 유비쿼터스 특성 덕분에 이 레퍼런스 디자인은 스마트폰의 풍부한 기능을 활용하고 화면을 디스플레이로 사용하는 장점이 있다.

센서가 수집한 데이터는 근거리통신(NFC)를 통해 이 화면으로 전송된다. NFC는 스마트폰 OEM 업체가 사용하는 단거리 무선 통신 기술로 블루투스 및 블루투스 저에너지 기술의 저전력 대안으로 빠르게 자리잡고 있다. MPBSM 스마트폰 애플리케이션은 안드로이드 운영체제를 위해 개발됐다. [그림3]은 이 개념 검증 디자인의 블록 다이어그램이다.

MPBSM 시스템 중심에는 초저전력 마이크로컨트롤러(MCU)가 있다. MCU는 다양한 센서로부터 데이터를 수집하고 또 NFC 트랜스폰더 인터페이스 디바이스를 통해 통신을 제어한다. MCU의 낮은 전류 소비 덕분에 MPBSM은 20㎃h 배터리에서 66시간 동안 사용할 수 있다.

또 MPBSM 레퍼런스 디자인에는 2개의 24비트 델타 시그마 차동 ADC(analog-to-digital converters)가 탑재된 ECG 아날로그 프론트엔드가 있다. 각각의 델타 시그마는 24비트 해상도와 8KSPS의 최대 샘플링 속도를 갖추고 있다. 이 ECG 아날로그 프론트 엔드는 ECG 신호와 호흡수를 모두 측정할 수 있는데 심박수는 이 MCU의 ECG 신호에서 추출된다.

게다가 ECG 아날로그 프론트 엔드는 리드오프 감지 능력이 있는데 전극이 환자에게 제대로 연결돼 있는지 아닌지를 감지할 수 있는 IC다. 이 MCU는 SPI 직렬 프로토콜을 통해 ECG 아날로그 프론트 엔드와 서로 연결된다.

MPBSM 레퍼런스 디자인은 전기피부반응(galvanic skin response, GSR) 회로에 2개의 개별 아날로그 IC 컴포넌트를 이용하는데 그 중 하나는 정밀 전압 레퍼런스를 생성하고 싱글 마이크로파워 정밀 Op 증폭기와 여러 가지 표준 패시브 전기 컴포넌트로 시스템에 GSR 감지 능력을 제공하는 GSP 서브회로를 구축한다.

이름에서 알 수 있듯이 GSR은 땀으로 인한 피부 저항을 측정한다. 높은 저항은 건조한 표면을, 낮은 저항은 습한 표면을 의미하고 GSR 서브회로는 피부 저항을 전압으로 변환한다. 낮은 피부 저항은 높은 전압을, 높은 피부 저항은 낮은 전압을 의미하고 GSR 서브회로의 출력은 0V부터 3V까지 움직일 수 있다.

MPBSM 레퍼런스 디자인은 체온 감지 능력을 시스템에 제공하기 위해 고정밀 저전력 체온 센서 IC를 이용한다. TWI 통신 프로토콜을 이용하여 MCU와 통신하는데 0.5°C 간격으로 0°C부터 +65°C까지, 1°C 간격으로 -40°C부터 +125°C까지 측정할 수 있다. 체온 센서는 환자의 피부온도를 측정하는데 쓰이며 피부온도는 환자의 건강 상태를 알려준다. 체온 센서는 열전도를 최소화하기 위해 MPBSM부터 약 15㎜ 돌출돼 있다.

인체가 땀을 배출하는 것은 주로 체온조절을 의미한다. 체온조절은 주변 온도가 크게 다를 때 특정 범위 내에서 인체가 체온을 유지하는 능력이다. 피부 표면에서 땀의 발산은 증발로 인한 냉각 효과이다. 그러므로 날씨가 덥거나 운동으로 인해 근육에 열이 발생한 경우 더 많은 땀이 생성된다. 땀은 여러 가지 심리적 및 생리학 자극에 의해 발생될 수 있다.

심리적 자극으로 신경과민, 흥분, 공포 등이 있고 생리적 자극으로는 운동이나 스포츠 등이 있다. GSR과 결합한 피부 온도의 측정은 탈수를 감지한다. 체온 센서 및 GSR 서브회로는 MPBSM 개념 검증 디자인에 탈수 감지 능력을 더한다.

또 MPBSM 레퍼런스 디자인은 디지털 3축 가속 센서를 사용한다. 모션 센서는 -2g부터 +16g까지 가속 범위를 측정할 수 있고 I2C를 통해 MCU와 연결돼 있고 사용자의 걸음 수와 리듬을 계산하는데 쓰인다. 걸음 수와 자세는 바이탈 사인과 관련이 없음에도 불구하고 치료와 회복의 일환으로 환자의 신체 운동 수준을 알려준다.

MPBSM 서브시스템은 인체 피부에 붙이도록 설계돼 있기 때문에 내구성과 유연성을 모두 갖추어야만 하며 두 개의 20㎃h 일회용 플렉시온(Flexion) 리튬폴리머 전지 배터리가 장착된다. 배터리는 MPBSM 레퍼런스 디자인을 계속해서 사용했을 때 약 66시간 지속된다. [그림4]는 MPBSM 서브시스템 및 에코시스템이다.

인홈 모니터링 웨어러블은 미래의 흐름이고, 더 이상 컴포넌트의 비용과 크기는 문제가 아니다. 인홈 모니터링에는 관리 접근성 증가, 의료 전달 비용 감소, 이동 불편 및 애로사항의 감소, 환자의 독립성 유지 등을 포함한 많은 장점이 있다.

게다가 잠재적인 건강 문제를 조기에 발견할 수 있는 가능성도 높여주고 회복 또한 도와준다. 전통적으로 임상 환경 모니터링을 바로 대체할 수 없음에도 불구하고 환자 모니터링의 범위를 넓혀준다.

MPBSM 개념 검증 레퍼런스 디자인은 오늘날 이용 가능한 웨어러블 디바이스 관련 문제의 대안을 제공한다. 패치 범프처럼 피부에 붙이고 나면 별 생각 없이 며칠 동안 계속 붙일 수 있다. 또 한 번만 붙이면 되기 때문에 환자가 잊어버릴 문제가 없다. 전통적인 웨어러블과 비교했을 때 최소한의 불편함만 가지는 것이다.

■ 참고문헌
- 전기피부반응(Galvanic Skin Response)
- 자극(Arousal)
- 원격 환자 모니터링(Remote patient monitoring)
- 바이탈 사인(Vital signs)
- TIDM-BIOSIGNMONITOR
- 멀티파라미터 생체신호 모니터 소개의 전체 개요

<글: 다니엘 토레스(Daniel Torres) TI 애플리케이션 엔지니어링 매니저>