[헬로티]

사람이 생활하는데 있어 모든 정보를 수치화해 라이프 데이터로서 취급할 때, 살아 있다는 것을 체내로부터 알리는 신호인 바이탈 사인은 하나의 라이프 데이터로서 취급할 수 있다. 바이탈 사인의 정의에는 분야에 따라 다르지만, ‘맥박’, ‘호흡’, ‘체온’, ‘혈압’의 4가지가 주요 지표이다. 인간은 생명을 유지하기 위해 폐로 산소를 받아들이고, 심장의 수축으로 혈액에 의해 산소를 몸속의 세포에 보낸다. 이 장기의 움직임에 의해 열이나 혈류의 압력이 발생하기 때문에 이들 4가지의 지표를 라이프 데이터로서도 활용할 수 있다.

그림 1. 세계 각국의 운동량이나 신체에 관한 데이터를 본인에게 리포트하는 서비스 인지도 

일본에서 일상생활 속에서 바이탈 사인을 계측할 기회는 ‘의사로부터 지시받았다’, ‘컨디션에 이상을 느낀다’ 등 몸 상태에 이변이 발생하고 나서 계측하는 경우가 많다. 의사로부터 지시받은 경우에도 기상 시나 식사 전후 등 정해진 시간에 정기적으로 계측하는 경우가 많으며, 평상시에 연속적으로 계측하는 것은 일반적이지 않다.

그림 1은 일본 총무성에서 발표한 ‘운동량이나 몸에 관한 데이터를 본인에게 리포트하는 서비스의 인지도’를 각국별로 정리한 것이다. 이 데이터에서는 일본 국내 인지도는 50%를 밑돌고 있으며, 과반수가 바이탈 사인 데이터의 서비스가 있다는 것 자체를 알고 있지 않았다.

한편, 아시아권의 한국이나 인도에서는 80%를 넘으며, 중국에서는 90%를 넘는 인지도이다. 유럽과 미국 각국에서도 80% 전후의 인지도가 있으며, 일본의 인지도가 얼마나 낮은가를 알 수 있다. 그 원인의 하나로서 일본이 ‘IT 후진국’인 것을 들 수 있다.

이번 COVID-19의 소동에서도 재난지원금 지급 절차에 대해 유럽과 미국의 ‘IT 선진국’에서는 며칠 내에 지급이 이루어졌지만, 일본에서는 신청 단계에서부터 혼란을 초래해 결과적으로 지급까지의 시간이 많이 지연됐다.

이 IT 기술을 활용해 바이탈 사인을 계측하는 센서가 ‘웨어러블형 바이탈 사인 센서’의 대부분을 차지한다. 일반적으로는 바이탈 사인을 센서로 계측하고, 그 데이터를 IT 기술로 앱 등을 활용해 사용자에게 제공하는 서비스이다.

이 글에서는 바이탈 사인을 센싱할 때에 사용되는 주요 디바이스를 소개하는 동시에, 웨어러블형 바이탈 사인 센서의 동향에 대해 설명한다.

각종 센서 디바이스의 계측 원리

바이탈 사인을 계측할 수 있는 센서의 총칭으로서 ‘바이탈 사인 센서’라고 부른다. 이 정의에서는 체온계나 혈압계도 바이탈 사인 센서에 포함된다. 바이탈 사인 센서는 하나의 지표만을 센싱하는 타입과 복수의 지표를 센싱하는 타입으로 크게 나뉘며, 후자는 멀티 바이탈 사인 센서라고도 부른다. 여기에서는 바이탈 사인 센서 중에서 웨어러블 센서에 많이 사용되고 있는 센서에 대해 상세하게 설명한다.

1. 용적 맥파 계측형 센서

‘웨어러블 센서’의 대표격이라고도 할 수 있는 것이 빛을 생체 내에 삽입해 헤모글로빈에 의한 광흡수 현상을 계측하는 광전용적맥파법(Photoplethysmography, PPG)이다. 이 센서는 혈관 내의 산화헤모글로빈의 흡수계수가 높은 약 550nm의 녹색 LED를 광원으로 사용한다. 광원으로부터 생체 내에 삽입된 녹색광은 모세혈관 내부에 있는 산화헤모글로빈에서 흡수되어 생체 외부에 반사된다. 이 반사광을 검출기로 검지한다. 이때 심장의 수축에 동반해 모세혈관 내의 산화헤모글로빈의 양이 변화하기 때문에 그 양에 따른 신호 강도가 검출된다.

계측되는 신호 강도 변화는 심장 수축에 대응 관계가 있기 때문에 계측된 신호의 피크 강도를 검출함으로써 심장의 박동 주기를 산출할 수 있고 맥박수로서 취급할 수 있다. 심장이 수축했을 때에 산화헤모글로빈이 가장 많아지기 때문에 계측되는 신호 강도는 수축 시의 출력이 가장 작아진다. 녹색광은 생체에 대한 침입 깊이가 짧기 때문에 보다 심부까지 들어가는 적외광을 사용한 투과형 센서도 개발되고 있다.

이 센서의 특징은 ‘장치가 소형’, ‘소비전력이 적고 장수명’인 것을 들 수 있다. 실제로 판매되고 있는 손목시계형의 웨어러블 센서에도 많이 채용되고 있으며, 대량 생산이 가능하고 가격이 저렴한 것도 특징으로 들 수 있다. 또한 체표면의 어느 부분에도 모세혈관은 존재하기 때문에 장착 위치는 어느 부위에나 가능하지만, 특히 모세혈관이 집중되어 있는 손가락 끝이나 귓불 부분에서는 S/N비가 높은 신호가 계측된다.

한편, 센서와 생체 간에 틈새가 생기면 빛이 산란돼 검출 신호의 S/N비가 크게 저하하기 때문에 장치의 밀착성이 필요하다는 특징도 있다. 또한, 운동 중의 체동 노이즈에 의해서도 신호 파형이 크게 흐트러지기 때문에 이 노이즈를 경감하기 위한 대처법에 대해서도 연구가 진행되고 있다.

2. 심전계형 센서

심장 박동에 따른 변화를 검출하는 대표적인 센서가 심전도(Electrocardiogram, ECG)이다. 생명을 유지하기 위해 항상 심장은 신축하고 있는데, 수축할 때에 전자의 흐름과 마찬가지로 마이너스 전극에서 플러스 전극으로 전기 신호가 흐르고, 이 신호를 계측하는 것이 심전도이다.

건강검진 등에서 사용되는 심전도 계측은 ‘표준 12유도 심전도’라고 부른다. 이 표준 12유도 심전도는 심장을 둘러싸듯이 6개의 전극이 배치되어 계측되는 ‘흉부 유도 심전도’와 팔다리의 3군데에 설치된 3개의 전극으로 계측되는 ‘3쌍극 유도 심전도’와 ‘3단극 유도 심전도’의 합계 12개의 유도 심전도가 조합된 것이다. ‘Einthoven의 삼각형’에 근거한 각 유도법의 전극 설치 위치와 계측 원리, 계측된 신호 판독법에 대해서는 전문서를 토대로 확인하기 바란다.

웨어러블 센서는 상세한 심장의 움직임을 계측할 필요는 없고, 심박수의 계측이나 부정맥을 검지하는 것이 주안점이다. 그렇기 때문에 여러 군데에 전극을 설치시키지 않고, 2개의 전극을 한 쌍으로 해서 심장 내의 전기 흐름에 의한 전위차를 계측하는 기법이 대부분이다. 심장이 수축했을 때의 전위차는 심장의 우심방에서 좌심실 방향으로 생기기 때문에 그 방향을 따라 전극을 배치하면 전위차를 가장 검출하기 쉬워진다. 계측되는 신호는 심장의 전위차 방향과 전극의 전위차 방향이 동일한 경우는 ‘＋측’으로, 역방향인 경우에는 ‘－측’의 출력으로 계측된다.

이 계측 방법의 이점은 전극의 장착 위치에 관한 분해능이 필요하지 않다, 바꾸어 말하면 심장을 사이에 두고 생체 상의 임의의 2점에 전극을 배치하는 것만으로 신호를 계측할 수 있어 전문가가 아니어도 간단히 취급할 수 있다는 점이다. 한편 전극을 배치하기 위해서는 거리가 필요하기 때문에 센서의 사이즈는 PPG형보다 커진다.

ECG를 채용한 웨어러블 센서에는 패치형 및 의복에 도입한 타입이 있다. 후자는 고기능의 섬유 제품으로 ‘스마트 텍스타일(e-텍스타일)’이라고 부르며, 토요보사, 토레이사와 NTT docomo사 등 이미 일본 국내 메이커에서 개발․판매되고 있다. 이들 제품은 셔츠의 내부에 도전성 섬유를 삽입해 전극 간의 거리를 길게 두고, 셔츠를 입은 채로 심박수를 계측한다. 트랜스미터부를 떼어내서 100회 이상의 세탁도 가능하며, 이미 스포츠 선수의 트레이닝 평가, 장거리 드라이버의 건강 상태, 작업원의 열사병 대책 등으로 활용되고 있다.

3. 동맥의 맥동계측형 센서 (FBG 센서)

위에서 소개한 2개의 센서는 심박수(맥박수)를 계측하는 것이었다. 손목부의 맥동점인 요골동맥에서 계측되는 센서는 맥박수의 계측과 함께, 혈압계의 토노메트리법으로 대표되듯이 혈압을 산출할 수 있다. 이것은 계측하는 신호가 스트레인이며, 그 스트레인은 심장 수축에 따른 동맥의 전파 신호에 의하기 때문이다. 또한, 모세혈관에서 계측되는 PPG보다 심장에 가까운 부분의 계측이기 때문에 심장의 심박동에 의한 스트레인의 전파 거리가 짧고 그 정보가 많이 잔존해 있다는 것도 특징이다.

필자는 동맥의 맥동점에서 스트레인을 계측해 바이탈 사인을 산출하는 일을 하고 있으므로 그 연구에 대해 소개한다. 계측하는 센서에는 광파이버형의 고감도 스트레인 센서인 FBG(Fiber Bragg Grating) 센서가 사용된다. FBG 센서 시스템은 근적외 광원 및 검출기를 포함한 인터로게이터(Interrogator)부와 센서부인 광파이버로 구성된다. FBG 센서는 통상의 광파이버 코어의 일부에 유기 굴절률 변화에 따른 회절격자(센서부)가 설치되어 있다. 이 회절격자에 의해 코어 내를 진행해 온 1550nm대의 광대역 적외광은 센서부에서 (1)식에 의해 브래그 반사가 발생한다.

여기서 회절격자 간격 Λ에 대응하는 브래그 파장 λBragg만이 반사, 이 파장이 검출된다. 식(1)에서 코어부의 유효굴절률인 neff는 변화하지 않기 때문에 양자는 비례관계에 있으며, 센서부의 신축에 따라 브래그 파장도 변화한다. 즉, 센서부에 가해지는 스트레인이 크면 회절격자 간격의 변화폭도 커지고, 검출되는 브래그 파장의 파장 변위폭도 커진다. 따라서 FBG 센서에서는 센서부에 가해지는 압력을 브래그 파장 변위로 검출하고, 계측 시간을 가로축, 브래그 파장의 변위폭을 세로축으로 하는 신호가 계측된다.

그림 2. FBG 센서의 계측 신호와 동맥 스트레인의 관계

그림 2는 FBG 센서가 맥동점에 설치됐을 때의 스트레인과 계측 신호의 관계를 나타내고 있다. 심장 수축에 의한 스트레인의 전파가 FBG 센서부에 도달하기 전(그림 2 내 (a))에는 FBG 센서에 스트레인이 가해져 있지 않기 때문에 회절격자 간격이 변화하지 않고, 파장 변위가 ‘0’으로 계측된다. 스트레인이 FBG 센서부에 도달(그림 2 내 (b))했을 때에는 스트레인에 의해 회절격자 간격이 변화해 그에 따라 브래그 파장의 변위폭도 ＋측으로 시프트한다. 스트레인이 FBG 센서부를 통과한 후(그림 2 내 (c))에는 센서부에 가해지는 스트레인이 없어지고 도달 전과 동일한 상태가 되기 때문에 파장 변위가 ‘0’으로 되돌아간다. 따라서 맥동에 따른 스트레인을 시계열적인 신호로서 계측한다.

여기에서 계측된 신호의 피크 간격 시간으로부터 맥박수를, 호흡성 동성 부정맥에 의한 피크 간격 시간 변화의 추이로부터 호흡수를 산출할 수 있다. 또한 계측 신호의 파장 변위는 인공 모델을 사용한 실험에서 동맥 혈관에 가해지는 혈류의 압력에 의해 변화하는 동맥 직경의 변화폭과 일치한다는 것을 나타냈다. 따라서 계측 신호에 혈압 정보가 포함된다고 가정, 다변량 분석에 의한 검량선을 구축해 혈압을 산출했을 때에 약 ±3mmHg의 양호한 정도가 나타났다. 이러한 바이탈 사인은 동일한 계측 신호로부터 산출되기 때문에 FBG 센서는 멀티 바이탈 사인 센서로서 활용할 수 있다. 또한 소형이며 무선통신이 가능한 인터로게이터도 개발, 웨어러블 센서로서의 기대가 커지고 있다.

웨어러블형 센서의 동향

생체의 건강 상태를 파악하는데 있어 보다 정확한 정보를 취득하기 위해서는 계측 정보의 양이 필요하다. PPG, ECG, FBG 센서는 ‘생체에 장착이 가능’하다는 이점 때문에 바이탈 사인을 언제 어디서나 계측할 수 있다. 이것이 웨어러블 센서의 가장 큰 특징으로, 사용자는 센서를 장착하는 것만으로 일상생활을 하면서 항상 바이탈 사인을 연속적으로 계측할 수 있다. 이것에 의해 매일의 추이와 같은 상세한 정보를 얻을 수 있기 때문에 자신의 몸 상태를 보다 더 잘 알 수 있고, 의사로부터도 보다 많은 정보를 토대로 한 진단을 받을 수 있다. 이러한 요구를 배경으로 웨어러블 센서 산업은 고조되고 있다.

이 산업의 활성화는 다른 시점에서도 볼 수 있다. 2019년 11월에 독일 뒤셀도르프에서 개최된 세계 최대 규모의 의료기기 전시회인 MEDICA-COMPAMED 2019에서 전시 부스를 구성한 기업을 ‘eHealth’와 ‘Wearable technology’의 카테고리로 조사했더니, 그 수가 총 249개사였다. 또한, Wearable technology만의 코너도 설치되어 있는 것으로 보아 얼마나 주목도가 높은지를 알 수 있었다.

그림 3. 웨어러블 디바이스의 시장 규모 예측

(상단 : 일본 국내 시장 규모, 하단 : 각국 합계 시장 규모). HMD는 Head Mounted Display의 약자.

그림 3은 총무성에서 발표한 웨어러블 디바이스의 시장 규모 예측이다(출처 : 야노경제연구소 조사 ‘웨어러블 디바이스 세계 시장에 관한 조사(2016년)’). 이 그림에서 일본․세계 모두 시장 규모가 확대될 것으로 전망되어 있으며, 2015년부터 5년간 약 4배로 성장할 것이라고 예측했다. 특히 스마트워치형 센서의 출하 대수가 높아지고 있으며, Apple사, Fitbit사(모두 미국)와 일본의 세이코엡슨사에서 판매되고 있다. 이들은 PPG의 계측에 의한 것으로, 심박수 외에 수면 수준, GPS와 조합한 칼로리 소비 등 심박수를 메인으로 각 파라미터를 산출하고 있으며, 실제로 구입해 활용하고 있는 분도 많을 것으로 추측한다.

그림 4. 웨어러블 센서형별 출하 대수

그림 4는 유럽과 미국의 ‘Wearable Technologies’ 기관이 발표한 웨어러블 센서형별 세계의 출하 대수이다. 이 조사에서는 2020년 이후도 예측되어 있으며, 앞으로도 웨어러블 센서의 출하 대수는 증가할 것으로 전망하고 있다. 형태별로 보면 스마트워치와 리스트밴드 타입형과 보청기를 포함한 귀 장착형 센서의 출하 대수는 최근 몇 년의 기세가 다소 정체될 것으로 전망된다.

한편, 앞으로 출하 대수가 크게 증가하게 되는 것이 생체에 장착하는 패치형 센서이다. 패치형 센서는 Dupont사(미국), Cortrium사(덴마크), BioBeat사(이스라엘)과 같이 건강기구의 기어와 같은 것에 ECG 센서를 도입시켜 바이탈 사인을 계측하는 것이다. 이 패치형 센서의 특징은 워치형보다 생체에 대한 밀착도가 높고, 심장에 가까운 체간부에 장착할 수 있기 때문에 S/N비가 높은 신호를 계측할 수 있다는 점이다. 한편 장시간 생체에 장착하기 위해 패치형 센서에는 ‘경량, 신축성’, ‘생체적합성이 우수하다’ 등이 요구된다. 이들도 Quad Industries사(벨기에), Holst Centre사(네덜란드)에서 신축성이 있는 프린트 기판 기술이, Covestro사(독일)에서 폴리우레탄 재료의 박막 필름이 개발되어 있으며, 유럽과 미국에서는 차세대 웨어러블 센서를 위한 자재 개발도 착실히 진행되고 있다.

비접촉형 바이탈 사인 센서

위에서 소개한 센서의 공통점은 ‘생체에 접촉시킨다’는 것이다. 그렇기 때문에 센서의 사이즈 다운, 소비전력의 억제, 다양한 환경 하의 계측, 정보통신량의 증가 등의 연구 개발이 추진됨으로써 웨어러블 센서로서의 편리성과 기능성을 한층 더 높여갈 것이다.

한편, 제5세대 이동통신 시스템인 ‘5G’ 환경의 도입 및 전 세계에서 만연하는 COVID-19에 의해 사회생활의 형태는 크게 변화해 갈 것으로 예측된다. 실제로 ‘사회적 거리두기’, ‘3밀 피하기’, ‘외출 자제하기’ 등의 새로운 말이 나왔듯이 회사, 학교, 음식점 등을 포함한 모든 사회생활 현장에서 사람과 사람의 거리를 유지하는 것이 요구되고 온라인 시스템의 보급도 진행되고 있다.

이 거리를 연결하는 것이 정보통신 기술이며, 웨어러블 센서에서도 이 기술을 활용한 제품이 개발될 것으로 쉽게 생각할 수 있다. 실제로 차세대형 센서라고 할 수 있는 새로운 센싱 방법에 대해서도 발표되고 있다. 그것은 생체를 촬영한 동영상에서 바이탈 사인을 계측하는 기법으로, 이른바 ‘생체에 접촉하지 않는다’는 특징을 가진 새로운 계측 기술이다.

비접촉형의 계측에 대해 Wu 등은 초광대역 레이더(UWB)를 생체에 조사, 피부 변위에 의한 위상차를 계측해 컨볼루션 뉴럴 네트워크(convolutional neural network)로 심박수를 산출하는 것을 보고했다. 테즈카 등은 자연광이 조사되고 있는 얼굴부를 카메라로 촬영해 맥박에 따른 피부색 성분 변화로부터 R-R 간격을 구하고, 맥박수를 산출하는 기술을 보고했다.

덧붙여 필자가 실제로 체험한 Binaha AI사(이스라엘)에서 개발된 비접촉 센서에 대해 보고한다. 이 센서는 스마트폰이나 태블릿 단말에 탑재되어 있는 카메라를 사용해 계측자 자신의 얼굴을 약 2분간 동영상으로 촬영해 표정을 측정한다. 계측된 동영상 데이터는 앱 내의 AI 기술의 해석에 의해 심박수, 정신적 스트레스 상태, 혈중 산소포화도, 호흡수를 산출한다. 데모에서는 연설자의 동영상을 전송, 그 동영상 내의 표정으로부터 바이탈 사인 산출을 실시하고 있었다. 그렇기 때문에 텔레비전에서 방송되고 있는 캐스터나 의원의 연설 등 표정을 2분간 방송하고 있으면, 앱을 통해 대상자의 바이탈 사인을 알 수 있고 심박수 변화로부터 흥분 상태나 스트레스 등을 해석할 수 있게 된다. 이 기술을 이용하면 의사가 환자에 대해 온라인으로 문진을 하고 있는 동안에 바이탈 사인을 계측하는 것이 가능해지고, 환자의 컨디션을 원격으로 알 수 있다. 당사에서는 혈압도 산출할 수 있게 한다는 목표를 세우고 있으며, 가까운 장래에 이러한 ‘비접촉형’ 바이탈 사인 센서가 보급될 것으로 예측된다.

맺음말

이 글에서는 라이프 데이터의 하나인 바이탈 사인을 계측하는 PPG나 ECG 디바이스, 동맥의 스트레인을 계측하는 FBG 센서에 주목해 개략적으로 설명했다. 전자의 경우는 이미 제품화되어 시장에 나와 있으며 현재의 웨어러블 센서의 중심이 되어 있는 한편, 후자에 대해서는 아직 연구 수준이지만 많은 생체 정보를 동시에 계측할 수 있는 등 이점도 많으므로 빠른 시일 내에 제품화가 요망된다. 또한, 세계의 웨어러블 센서 개발 동향에도 주목했다. 여기에서는 성장이 현저한 웨어러블 센서 산업에 있어, IT 선진국인 중국이나 유럽, 미국보다 일본은 크게 뒤쳐져 있음을 보였다.

일본은 초고령사회의 한 가운데에 있으며 독거 생활을 하고 있는 고령자의 증가, 동일본대지진 시에는 원격 의료체제의 정비 등 웨어러블 센서를 활용할 수 있는 수요는 많다. 또한, 도쿄 마라톤 참가 신청자가 30만 명을 넘는 등 마라톤 붐과 함께 워킹자의 증가, 연기는 됐지만 도쿄올림픽도 앞두고 있으며 한층 더 건강 지향이 고조될 것으로 충분히 생각할 수 있다. 유럽과 미국보다 약간 늦었지만 5G의 통신망 정비가 시작되어 전국적으로 완료될 예정이며, COVID-19로 재택근무를 중심으로 한 온라인 시스템을 보급시킨 새로운 생활이 시작되려 하고 있다.

이와 같이 일본은 웨어러블 센서를 활용하는 수요와 환경이 갖추어져 있으며, 최고의 순풍이 불고 있는 상태이다. 앞에서도 말했지만 일본은 ‘IT 후진국’이지만, 어떻게 보면 해당 분야의 성장 여지가 충분하다고도 할 수 있다.

90년대에는 ‘기술대국 일본’이라고 불렸지만, 현재는 중국 등의 약진에 의해 이 간판은 이미 내걸 수 없는 것이 현실이다. 이것을 되돌리기 위해서도 웨어러블 센서를 비롯한 라이프 데이터를 활용한 산업이 하나의 돌파구가 될지도 모른다. 

코야마 쇼헤이, 신슈대학 섬유학부