기계/조선

계측과 제어_Vol.60 No.2 총론 (p99~??)

생체신호 계측의 정확성과 리스크
각계 전문가들의 제언
신슈대학대학원 의학계연구과 하야시 료이치(林 良一) 교수

1. 머리말
생체현상을 생체신호로서 파악하기 위한 목적으로 계측이 이루어진 경우, 얻어진 계측 값이 생체현상의 무엇을 반영하고, 무엇을 반영하지 않는지, 얻어진 데이터가 측정 목적과 합치하고 있는지 여부를 검토할 필요가 있다. 이 계측 값을 평가하는 과정에서는 측정치의 ‘정확성’과 ‘리스크’가 중요한 키워드가 된다. 본 특집에서는 각계의 전문가가 사례에 근거해 ‘정확성’과 ‘리스크’를 해설한다.

2. 생체신호 계측의 정확성과 리스크
아인슈타인은 자신의 이론을 전개하는 데 있어서 “물리학의 개념은 인간의 마음의 자유로운 창작”이며, 어느 현상에 대해 자유로운 발상으로 개념을 창작하고, 그 현상을 자연 속에서 실험을 통해 검증하고, 거기에 모순이 없으면 “마음의 자유로운 창작”은 자연과 매치한다(객관적 진리)라고 말했다.

이 사고 과정을 사람의 생체현상을 연구하는 경우에 적용시키면, 어느 생체 현상을 연구하는 경우는 1)개념을 창작한다, 2)그 개념을 검증하기 위한 실험계를 구축한다, 3)그 실험계에서 계측된 데이터가 창작 개념과 모순되지 않는다는 것을 검증함으로써 그 생체 현상에 대한 개념의 객관성을 담보할 수 있다는 것이다.

오늘날의 기술 진전에 따라 계측기기는 고성능화, 소형화, 다채널화, 저비용화되었다. 또한 소프트웨어의 충실화를 통해 이전과 비교해 보다 쉽게 사용할 수 있게 된 것은 연구 진행에 있어서 이점이다. 그러나 그 편리함으로 인해 ‘개념을 검증하기 위한 실험’을 실시하기 위한 계측 환경, 계측 장치 및 해석 방법에 대한 엄격한 검증이 자칫하면 소홀해지는 경향에 있다. 계측된 데이터가 생체 현상의 무엇을 반영하는 것이며, 또한 무엇이 반영되지 않았는가를 엄격하게 검증함으로써 비로서 계측 데이터를 ‘생체 현상에 대한 개념의 객관성을 담보하는’ 데이터로 간주할 수 있다.

생체 계측의 목적과 계측의 여러 문제점을 여기서는 생체와 공업용 로봇을 비교 검토함으로써 생각해 본다. 공업용 로봇은 1)그 로봇의 작업 목적이 명확하고, 2)현재까지 축적된 이론∙기술에 근거해 설계되고, 3)현재 입수할 수 있는 이미 알려진 재료를 조합해 만들 수 있다. 이렇게 해서 만들어진 완성품을 보면 시스템으로서의 설계 사상인 ‘개념’을 상상할 수 있다. 또한 로봇의 전체 시스템 및 그 서브시스템 별로 동작을 확인하는 ‘실험(계측)’이 가능하다. 동작 확인의 결과로 제작된 로봇이 작업 목적에 합치된 것인지를 검토할 수 있다. 또한 전체 시스템은 최적인지 리던던시(Redundancy)가 있는지 여부도 검토할 수 있다.

생체 계측의 일례로서 서서 공을 손으로 던지는 동작을 생각해 보자. 공 던지기는 근육 활동으로 이루어지는 것은 분명하다. 사람의 골격근은 약 400이며, 그 중의 어느 근육이 공 던지기에 관여하고, 관여하는 근육 활동의 상호 작용은 어떤지를 밝히기 위해서는 관측점을 어디로 할 것인가, 어떻게 계측할지를 검토할 필요가 있다.

근육 활동은 신경계(중추신경 및 말초신경)가 관여하고 있다는 것은 분명하지만, 운동과 관련해서는 신경계에서는 무엇을 어떻게 계측해야 하는가, 근육 활동의 에너지 공급원이 되는 혈액순환계는 운동 전∙운동 중∙운동 후에 변화하는 것이 알려져 있지만 공 던지기와 관련해서는 혈액순환계에서는 무엇을 어떻게 계측해야 하는가를 검토할 필요가 있다. 또한 공 던지기 운동에는 신경-근계∙순환기계 이외의 장기∙조직도 관여하고 있는 것을 생각할 수 있다.

우리들의 생체에 대한 지식은 불충분하기 때문에 신경-근계∙순환기계 이외를 생체 구성의 서브시스템으로 간주한 경우는 현단계에서는 각각을 블랙박스로서 취급할 수밖에 없다. 게다가 근육세포 및 신경세포의 활동은 일정하지 않고, 활동에는 ‘흔들림’을 동반한다. 따라서 근육세포의 집합체인 근육 전체, 또는 신경세포의 집합체인 신경계의 활동에는 ‘흔들림’이 동반된다. 공 던지기 운동에 관련하는 신경-근계∙순환기계 이외의 장기 활동이 이 ‘흔들림’을 더욱 수정(Modify)할 가능성이 있다.

생체는 이처럼 복잡하기 때문에 공 던지기의 계측점은 아인슈타인의 “마음의 자유로운 창작”에 근거해 결정하고, 실제 계측에 의해 검증할 필요가 있고, 그 계측 결과가 “마음의 자유로운 창작”에 합치하며 모순되지 않는가 여부를 검증할 필요가 있다. 또한 생체 현상에 대한 “마음의 자유로운 창작”은 오늘날까지 축적되어 온 연구성과에 근거해 이루어지는 것은 말할 필요도 없는 것이다.

 -- 끝 --