[헬로티]

COVID-19 감염이 세계적으로 확대됨에 따라 사람들의 위치를 탐지하고 체류 장소나 이동 경로, 집합 상태의 정보를 얻거나, 체온과 손씻기 상태를 측정하거나 해서 사람에 관련된 정보를 사회생활의 유지에 도움이 되도록 사용하는 대응이 현실화되고 있다.

최근 이러한 라이프 데이터를 취득하는 것은 기술적으로 쉬워졌으며, 긴급 사태 하에서 여러 가지 데이터 취득의 구조가 즉석에서 도입되어 데이터 활용이 이루어지고 있다. 그 한 가지 예로서 스마트폰을 이용해 감염 경로를 특정하려고 하는 ‘농후 접촉 추적 앱’이 있다. 기존 취득되고 있던 GPS의 위치 정보를 이용하는 추적 시스템과 위치 정보를 수집하지 않고 블루투스를 이용해 접근한 스마트폰끼리 식별 코드를 교환해 농후 접촉자의 기록을 보존해 두는 시스템이 있다. 이 앱은 자신이 스스로 감염을 등록할 필요가 있지만, 사람들의 이동 경로 정보로부터 농후 접촉자를 판정하거나 감염 경로를 추적하거나 할 수 있다(그림 1).

 

그림 1. 감염 경로 추적 시스템의 이미지도

후자는 사생활 보호를 고려한 시스템으로, 위치 정보를 수집하지 않음으로써 이용자에게 안심감을 주어 이용을 촉진하는 효과를 기대할 수 있다. 라이프 데이터 취득의 보급에 있어서는 개인 정보를 지키는 구조가 본래 반드시 필요하다고 할 수 있지만, 이러한 긴급 사태의 상황 하에서는 공공의 이익이 우선시되어 신속하게 도입이 진행된 나라도 있다. 한편 일본에서는 앱 이용자 수가 적고, 판정의 기반이 되는 데이터를 충분히 얻지 못하고 있어 그 효과가 충분히 발휘되고 있다고는 할 수 없는 상황이다.

또한, 사회생활 속에서 안전 안심을 확보하기 위해 사람의 생체 데이터 취득도 이루어지게 됐다. 공항 등 특별한 장소에서 감염병 대책으로서 이루어지고 있던 체온의 모니터링이 상업 시설이나 오피스 빌딩 등의 일상 사회생활 속에 도입되어, 발열하고 있는 사람의 검출에 이용되고 있다. AI로 사람의 얼굴을 인식하고 서멀 카메라로 이마에 초점을 맞춰 피부 표면 온도를 측정하는 것으로, 발열자를 비접촉으로 순식간에 감지하는 디바이스가 제품화되어 있다. 사람의 얼굴을 검출하기 위해 개인을 특정하는 것도 기술적으로는 가능하다.

기업에서는 종업원의 건강관리 지원을 위해 체온과 혈압, 활동량이나 수면 시간 등의 라이프 데이터를 수집하는 시스템을 도입하는 움직임을 볼 수 있다. 건강 진단 데이터와 함께 웨어러블 디바이스 등에서 취득되는 일상의 바이탈 데이터를 계속적으로 축적함으로써 심신의 활동 상태, 단기적․장기적인 건강 상태의 해석 모델이 연구되어 AI를 활용한 질병 예측, 건강 진단 지원 시스템이 개발되고 있다. 앞으로는 감염 방지를 위한 ‘새로운 생활 양식’의 실천이 요구되는 가운데, 생체 정보를 포함한 라이프 데이터의 취득이 한층 더 발전할 가능성이 있다.

최근 일상 속의 생체 데이터를 취득되게 된 배경에는 기술적 측면과 사회적 측면이 있다. 우선 네트워크 인프라가 정비되는 동시에, 스마트폰이 보급되어 언제 어디서나 네트워크로 연결되는 환경이 갖추어졌다. 또한, Apple watch로 대표되는 생체 센서를 탑재한 스마트 디바이스가 등장해 생체 데이터의 취득이 쉬워졌다. 스마트폰과 연계시켜 이용할 수 있는 앱이 제공되어 데이터의 취득․축적․활용을 원활하게 할 수 있게 됐으며, 계속적인 이용에 의한 데이터 응용의 가능성이 확대되고 있다. 많은 사람으로부터 수집된 생체 데이터는 빅데이터로서 해석되어 의료와 헬스케어, 스포츠, 마케팅 등 여러 분야에서, 데이터 속에 잠재하는 가치 있는 정보를 얻기 위한 시도가 이루어지고 있다. 개인에게 있어서도 자신의 데이터로그에서 휴리스틱(Heuristic)한 유용 정보를 얻는 것이 가능해진다. 이러한 서비스 제공이 확대됨으로써 생체 데이터 취득에 의한 이점이 조금씩 인식되고 있다.

이 글에서는 라이프 데이터 중에서도 일상생활 속에서도 계측할 수 있는 비교적 친숙한 생체 데이터에 대해, 최근의 센싱 기법과 그 활용 방법에 대해 다룬다. 또한 라이프 데이터 취득의 앞으로의 가능성에 대해 고찰해 보고 싶다.

생체 데이터의 일상 계측

일상생활 속에서 개인이 측정하는 바이탈 데이터라고 하면 체온이었는데, 포터블이나 웨어러블 디바이스와 스마트폰의 보급에 의해 혈압이나 맥박수 등의 생체 데이터도 일상적으로 계측할 수 있게 됐다(그림 2).

그림 2. 생체 데이터의 일상 계측

또한, 건강 의식의 고조와 건강 비즈니스, 의료․복지 서비스의 확대 속에서, 가정 내에서 무의식적으로 생체 데이터를 계측해 건강을 체크하거나 살펴보거나 할 수 있도록 맥파와 호흡, 체온 등을 비접촉으로 계측하는 센서를 설치한 스마트 하우스나, 심전(electrocardiogram, ECG)과 혈압, 심탄동도(ballistocardiography, BCG), 요온도, 요당치 등을 계측하는 센서를 내장한 스마트 화장실이나 욕조, 침대의 연구 개발이 진행되고 있다.

이와 같이 의료시설에서 치료나 진단 목적으로 생체 데이터를 계측하는 것이 아니라, 일상생활 속에서 건강관리나 심신 상태의 인식․기록을 위해 생체 데이터를 계측하는 개념이 확대되고 있다. 이러한 가운데 새로운 센싱 기법과 데이터 활용법에 대해, 이하에 몇 가지 생체 데이터 계측을 들어 설명한다.

1. 체온 계측

기존 체온 측정은 기상 시 등 특정 시간대에 하는 것이 일반적이었다. 따라서 겨드랑이 온도나 혀 밑 온도, 고막 온도를 측정하는 포터블로 소형의 체온계가 사용되고 있다. 전자체온계는 측정 시작부터 측정부의 온도 변화 정보를 바탕으로 평형온을 단시간에 예측해 체온을 산출하는 예측식이 많아지고 있다.

인간에게는 대략 24시간 주기의 리듬 신호를 발진하는 기구가 갖춰져 있으며, 이 서커디안 리듬(개일 리듬)에 의해 체온이 하루 동안에 변화하고 있다. 건강한 성인은 낮에 체온이 높고, 야간에 체온을 내려 몸을 쉬게 한다. 그러나 우울증 환자는 심부 체온이 높다는 것이 최근의 연구로 밝혀져 있으며, 특히 원래는 체온이 내려가는 야간 시간대에 체온이 충분히 내려가지 않는 것이 특징이다. 이 때문에 우울증의 치료 효과를 확인하기 위해 낮 체온과 야간 수면 중에 체온이 내려가는 것을 측정하는 빈도를 높인 체온 측정의 필요성이 알려져 있다.

이와 같이 간단히 무의식적으로도 체온을 계측할 수 있는 방법이 요구되고 있다. 또한, COVID-19의 감염 확대를 방지하는 대책으로도 일상생활 속에서 쉽게 체온을 비접촉으로 측정할 수 있는 구조가 필요하다.

2. 혈압 계측

체온과 마찬가지로 혈압도 거의 하루를 주기로 천천히 변동하는 바이탈 사인이며, 많은 환경 인자와 생리적 인자의 지배를 받아 보다 단기적으로도 변동하고 있다. 현재 일반적으로 계측되고 있는 외래 혈압이나 가정 혈압이 안정시의 혈압인 것에 대해, 하루 중의 이러한 혈압 변화는 생활 활동 하의 혈압으로서 계측되어 자유행동하 혈압(ambulatory blood pressure, ABP)라고 불린다. 혈압 측정에서는 병원 등에서 긴장으로 인한 스트레스에 의해 일과성 고혈압이 계측되는 백의고혈압이나, 병원에서 측정할 때에는 정상 혈압이라도 ‘새벽 고혈압’, ‘야간 고혈압’, ‘스트레스 고혈압’ 등 일정 시간대나 환경 하에서 혈압이 높아지는 가면고혈압을 볼 수 있다. 이러한 고혈압을 발견하려면, 아침, 낮, 저녁으로 하루 동안 여러 번 혈압을 측정하는 것이 바람직하다. 이를 위해 포터블이나 웨어러블 혈압계가 개발되고 있다.

혈압의 측정 방법으로는 가정에서 사용되는 전자혈압계는 오실로메트릭(Oscillometric)법이 대부분이다. 오실로메트릭법의 혈압계는 팔의 동맥 혈관 위에 장착한 커프를, 일단 수축기 혈압을 넘어 가압한 후 감압해 가서 심장의 박동에 동조한 혈관벽의 진동을 반영한 커프압의 변동(압맥파)를 봄으로써 혈압치를 산출하고 있다. 장치의 구조가 단순하며 사용하기 쉽고 측정 오차도 적기 때문에 안정시 혈압 측정에 적합하다. 그러나 커프를 사용하기 때문에 연속 계측에는 적합하지 않다. 따라서 토노메트리(Tonometry)법에 의한 혈압계의 연구 개발도 진행되고 있다.

토노메트리법은 몸 표면에 가까운 요골동맥에 변형하지 않는 감압소자를 몸 표면에서 바짝 대어, 측정 대상인 혈관의 압력에 균형하는 압력을 작용시킴으로써 경피적으로 혈압을 검출한다. 동맥 위치에 정확하고 안정적으로 센서를 유지할 필요가 있으며, 측정 정도를 향상시키기 위해 자동적인 조정기구를 도입하는 등 기기 구성이 복잡하고 고가이다. 한편으로 커프를 이용하지 않기 때문에 비관혈적으로 연속 계측이 가능하며, 수축․확장기 혈압과 맥박수의 측정이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 최근 연구가 더 활발한 혈압 측정 방법으로서 맥파 전파 시간법이 있다. ECG와 용적 맥파(photoplethysmograph, PPG)를 측정, 2점 사이의 맥파 전파 속도를 바탕으로 혈압을 산출하는 방법이다. 맥파 전파 속도는 혈관의 상태 등 많은 요소에 영향을 받기 때문에 혈압의 절대치를 고정도로 측정하는 것은 어렵다. 그래서 많은 건강한 성인과 고혈압 환자들의 데이터를 활용, 혈압 추정 모델을 보정해 측정 정도를 향상시키기 위한 연구가 이루어지고 있다. 현재 이 방식으로 하나의 디바이스에 여러 개의 센서를 탑재해 멀티모달로 평가하는 시스템에는 정도에 한계가 있지만, 계속 개선을 하고 있으며 이미 실용화의 움직임도 볼 수 있다.

일본인의 사인 중 워스트 4에 들어가는 심장 질환과 뇌혈관 질환은 고혈압이 큰 리스크 요인이다. 또한 고혈압은 대사증후군(대사증)이나 동맥경화와 밀접한 관계가 있다. 고혈압은 대사증의 진단 기준 중 하나인 동시에, 대사증이 고혈압을 악화시키는 요인이 되기도 하며, 고혈압과 동맥경화도 동일한 관계에 있다. 그 밖에도 당뇨병이나 신장병 등 여러 가지 질환과 관련되어 있으며, 건강관리 상 고혈압 대책은 매우 중요하다. 따라서 일상생활 속에서 혈압을 측정하고 관리하기 위한 방법이 요구되고 있다.

3. 혈당 계측

일상생활 속에서 혈당치 측정도 중요하다. 세계의 당뇨병 인구는 폭발적으로 계속 증가하고 있으며, 국제당뇨병연합(IDF)의 발표에 따르면, 2019년 현재 당뇨병 유병자 수는 4억6300만 명을 넘는다. 당뇨병은 혈중의 글루코오스 농도를 정상적으로 조절할 수 없게 되는 병이므로 당뇨병 환자는 식사와 운동을 통한 혈당치 변화를 스스로 확인하고, 혈당치를 관리하는 것이 필요하다.

기존 일반적으로 사용되고 있던 혈당치 측정장치는 천자 침으로 손가락 끝 등에서 미량의 피를 내어 측정 칩에 스며들게 하고, 측정기로 혈당치를 판독하는 천자형이다. 글루코오스의 측정에는 산소 농도를 검출하는 전극 위에 글루코오스 산화 효소를 고정화한 전극 방식의 글루코오스 센서가 주로 이용되고 있다. 센서가 용액에 닿으면, 용액 속의 글루코오스가 고정화된 효소에 의해 산화된다. 동시에 용액 속의 용존 산소가 이 요소에 의해 환원되어 과산화수소가 생성된다. 전극에 전위를 가함으로써 이 과산화수소가 전극 산화되며, 이때에 흐르는 전류가 과산화수소의 양, 즉 글루코오스 농도에 비례하는 것을 이용해 글루코오스값을 도출하는 것이 동작 원리이다.

센서의 검출 감도는 얻어지는 전류가 클수록 향상되기 때문에 많은 효소가 전극 상에 고정화되도록 센서의 개선이 진행되어 감도도 향상되고 있다. 이러한 센서의 개선과는 별도로 천자에 의한 침습성을 낮춰 계측 시의 통증이나 불쾌감, 감염 리스크를 저감시키는 비관혈식 측정 방법의 연구도 진행되어 왔다. 그 중에서 혈당치와 서로 관계하는 피하의 조직간질액의 글루코오스값을 판독해 혈당치를 추정하는 방식의 측정장치가 실용화되어 있다.

바늘형의 센서 끝을 피하 조직간질액 중에 유치해 글루코오스 농도를 측정하는 지속 혈당 측정(Continuous Glucose Monitoring, CGM) 방식은 계속적인 혈당 측정이 가능하다. 디바이스에 따라서는 정도를 유지하기 위해 하루에 여러 번 천자형 혈당치 측정기로 측정을 하고, 그 혈당치로 캘리브레이션할 필요가 있다.

간질액 중의 글루코오스 농도를 측정하는 CGM 방식으로는 바늘형 센서를 유치하는 이외에도, 피부의 삼출액에 의해 측정하는 방법이 있다. 일종의 전기 침투 현상인 이온토포레시스(iontophoresis)를 이용한 방법으로, 전극 센서에서 미량의 전류를 흘려 삼출한 간질액의 글루코오스값을 글루코오스 센서로 판독하는 것이다.

최근 이루어지고 있는 연구에서는 손목 피부에 붙이는 패치에 탑재하는 센서로, 가볍고 얇고 튼튼하며 유연한 고도전성 소재로서 주목받는 그래핀이 사용되고 있다. 고도의 스크린 인쇄 기술을 이용해 센서를 그물눈처럼 배열, 소형 어레이 센서가 각각의 모낭에 대응한 작은 영역에 작동하도록 고안하고 있다. 이 센서로 전기 침투 추출에 의해 간질액 중의 글루코오스를 흡입, 미약한 전류를 흘려 글루코오스값을 측정하고 있다. 이전에 실용화된 동일한 방식의 손목시계형 디바이스는 피부에 접촉하는 전극 대 센서의 면적이 크고, 피부 내나 피부 간의 글루코오스 추출 변동의 영향으로 충분한 정도를 얻을 수 없었지만, 최근의 연구에서는 센서부를 고안함으로써 정도가 향상됐다.

4. 맥파․심전․체동 계측

맥파 및 심전은 웨어러블 디바이스에 의한 일상 속의 연속 계측이 가장 많이 진행되고 있는 생체 데이터이다. 일반적으로 디바이스에는 가속도 센서가 함께 내장되어 있어, 움직임이 동시에 계측된다. 맥파나 체동 데이터는 손목시계형이나 밴드형의 디바이스에 의해 쉽게 측정할 수 있기 때문에 주로 활동량계나 수면계로 이용되고 있다. 운동 중의 활동 부하, 소비 칼로리, 주행 기록이나 수면 중의 수면 심도, 수면의 질, 잠깨는 횟수, 취침 시간, 기상 시간 등 하루 생활 속의 행동 이력이나 활동을 라이프로그로서 취득할 수 있다. 심전계는 자율신경 활동의 평가(스트레스 평가) 등에도 이용되고 있다. 이들 센서에 대해서는 다음에 상세하게 설명하기로 하고, 여기서는 생략한다.

5. 뇌파 계측

두피 표면상에 전극을 장착해서 계측하는 뇌파(Electroencephalogram, EEG)는 신호 레벨이 작기 때문에 노이즈에 묻히기 쉽고, 또한 깜박임이나 안구 운동에 의한 아티팩트의 영향을 받으므로 일상생활 속에서 계측되는 데이터로부터 유용한 정보를 취득하는 것은 어려웠다. 이 때문에 오로지 임상검사나 연구실 연구에서 안정․폐안 시나 수면 시의 뇌파를 국제 10/20법의 다채널 전극 배치로 계측해 분석하는 경우가 많았다. 그러나 노이즈 캔슬링 기술이나 뇌파의 해석 기술이 발달해 간단히 계측할 수 있는 웨어러블 뇌파계도 등장, 다양한 사용법이 가능해졌다.

예를 들면, 뇌파는 뇌의 활동 상태를 나타내고 인간의 내부 상태를 반영하고 있기 때문에 한정된 채널 수의 뇌파를 계측함으로써 일상 속에서 감정이나 메디테이션의 상태 평가에 사용되고 있다. 잘 알려진 것은 감각 입력, 인지 활동, 각성 상태의 변화에 따라 주파수 성분이 변화하는 것을 이용해 뇌파를 주파수 해석해 얻어지는 α파, β파, θ파 등의 주파수 대역 성분을 정량적으로 평가하는 방법이다.

또한, 스위치나 키보드를 조작하는 등의 브레인 머신 인터페이스(Brain-machine Interface, BMI)로서 이용하는 것도 예상된다. 최근에는 다양한 상태의 많은 뇌파 데이터를 심층학습 등의 최신 기계학습 기법에 의해 학습시킴으로써 뇌파로부터 보다 상세하게 감정이나 의식, 각성도 등의 상태를 평가하는 것이 가능해졌다.

생체 데이터의 해석

생체 데이터는 움직이고 변화하는 것으로, 절대값과 함께 그 변동이 중요한 의미를 가진다. 인간은 시간이 지남에 따라 나이가 들고 유아에서 어린이, 성인, 노인으로 인생의 과정을 거쳐간다. 나이와 함께 심신의 상태는 변화하지만, 식사, 운동, 휴식, 주변 환경 등의 다양한 요인이 영향을 미치기 때문에 사람의 상태를 진단․예측하기 위해서는 그 인과관계를 정확하게 분석․평가할 필요가 있다. 그러기 위해서는 시계열 데이터로서 라이프 데이터의 취득이 반드시 필요하다. 기존에 이러한 데이터의 축적은 충분히 이루어지지 않았지만, 최근 장기간의 라이프 데이터를 축적하는 움직임을 볼 수 있다. 웨어러블 디바이스는 이것에 기여하고 있다고 할 수 있다.

개인의 장시간의 데이터나 그 가족의 데이터가 충분히 축적되면, 의료나 헬스케어에 도움이 되는 많은 지견을 얻을 수 있을 것으로 생각된다. 또한, 경제나 사회학적으로 유용한 지견도 얻을 수 있을 것이다. 이를 위한 데이터 사이언스 기법도 크게 진보하고 있다.

맺음말

세계적인 바이러스 감염증의 유행은 사람들의 생활을 크게 변화시켰다. 일상 행동을 대폭으로 규제하고 가상의 커뮤니케이션을 증가시키며, 사람들의 생활 의식을 변화시켰다. 매일의 체온 측정이 습관화되고, 자신의 건강 상태나 생활양식을 검토하는 가운데 라이프 데이터의 취득이 조금씩 발전할 가능성도 있다.

현실 공간과 가상공간의 활동이 앞으로 공존해 가는 가운데, 가상공간을 보다 현실화하기 위한 수단으로서 라이프 데이터가 취득될 것으로 생각된다. 라이프 데이터를 활용해 생기는 가상공간과 아바타는 보다 현실화되고, 그 역할도 넓어진다. 이러한 흐름은 라이프 데이터를 취득하기 위한 다양한 디바이스의 개발을 촉진하고, 데이터를 활용하게 되는 경우는 더욱 증가할 것이다. 라이프 데이터 취득의 앞으로의 가능성은 이러한 상황 속에서 사람들의 의식이 어디까지 변화할지, 무엇에 가치를 발견하고 무엇을 추구할지에 달려 있다고 할 수 있다.

스기모토 치카, 요코하마국립대학 대학원 이공연구원