기계/조선

계측과 제어_2022.8 특집 요약 (547~550)

집이 사람을 지킨다, 집과 의료를 연결

● 총론: 디지털 헬스와 비접촉 바이탈 모니터링의 전망

1. 디지털 헬스 시장, 56조엔 규모로 성장

‘빅테크’라고 불리는 세계 시가총액 랭킹 10위 안에 드는 메가 플랫포머인 애플, 마이크로소프트, 구글(Alphabet), 아마존, 메타플랫폼(구 페이스북)은 최근 의료 및 헬스케어 영역에서의 연구개발과 기업 인수를 강하게 추진하고 있다.

특히 애플, 구글, 아마존은 ‘생체 정보’의 수집 및 활용에 주목하고 있다. 예를 들어, 애플은 2018년, 애플워치4에 심전도 기능을 탑재해 뇌졸증의 중요한 위험 인자인 심방 세동 징후를 감지할 수 있도록 했다.

구글은 2021년에 출시한 ‘Google Nest Hub 2세대’에 독자적인 레이더 기술을 탑재해 사용자 수면 패턴을 해석. 아마존도 2020년, 웨어러블 디바이스인 ‘Amazon Halo’를 시장에 투입해 식사 및 운동 지원 서비스를 제공하기 시작했다.

이처럼 세계 유력 기업들의 참여가 이어지고 있는 디지털 헬스 시장은 2025년까지 약 56조엔 규모로 확대될 것으로 예측되고 있는 성장 시장이다.

2. 집에서 일어나는 질환 및 사고를 조기에 발견

진화하는 디지털 헬스 기술을 통해서 ‘생체 정보’를 수집·활용해 대응해야 할 중요한 사회 과제 중 하나가 집에서 일어나는 질환 및 사고를 조기에 발견하는 것이다.

2.1 기술 개발로 교통사고 사망자 수 감소
일본에서는 연간 약 1.4만명이 ‘자택에서의 사고’로 사망하고 있으며, 그 중 익사가 5,000여명, 전도/추락이 약 2,000명이다. 자택에서의 사고와 교통사고로 인한 사망자 수를 비교하면 1996년에는 두 가지 모두 약 1만명이었지만, 이후 교통사고 사망자 수는 4,000명 이하로 감소하고 있다. 2021년에는 신형 국산차에 충돌 피해 경감 브레이크(자동 브레이크) 탑재가 의무화되는 등, 정부와 자동차회사들이 자동차 안전을 위한 제도 수립, 기술개발을 추진해 온 성과로 보인다.

2.2 뇌졸중의 79%가 ‘집’에서 발생
자택에서 특히 자주 발생하는 질환으로는 순환기 질환이 있다. 순환기 질환 중 뇌졸중은 연간 약 29만명이 발병/ 재발하고 있으며, 그 중 79%가 '집’에서 발생한다는 보고가 있다.

뇌졸중의 효과적인 치료법인 혈전용해용법(t-PA 치료)은 발병 후 4.5시간 이내에 약제를 투여해야 한다는 시간적 제약이 있어, 투여해야 할 증상 사례 중 실제로 투여에 성공한 케이스는 약 5%에 그친다. 4.5시간이라는 제한된 시간 중 긴급 신고 후 병원 도착까지는 코로나19 확산 전의 데이터로 전국 평균 39.4분이며, 병원 도착부터 치료 시작까지는 약 1.5시간이 예상되기 때문에 약 2시간 이내에 집에서 조기에 발견해 조기 치료로 이어지도록 하는 것이 중요한 과제인 것이다.

2.3 ‘집에서의 조기 발견’을 위한 주택시공업체의 도전
이런 배경을 중요한 사회적 과제로 꼽고 있은 대형 주택시공업체인 세키스이(積水)하우스는 2019년, 복수의 선도 기업들과 대학병원, ‘생체 정보’ 전문가들의 협력을 얻어 주택에서의 급성 질환 대응 시스템 ‘HED-Net’ 개발에 나선다고 발표했다.

‘HED-Net’은 거주자의 바이탈 데이터를 비접촉으로 검지 및 해석하고, 급성 질환 가능성이 있는 비정상 바이탈 데이터를 발견할 경우 긴급 신고 센터에 연락해 오퍼레이터의 안부 확인을 거치도록 한다. 거주자의 응답이 없을 경우에는 긴급 신고를 대행하여 구급대의 도착을 확인하고 현관도어의 원격 개폐까지 한 번에 제공하는 세계 최초의 시스템이다. 세키스이하우스는 2020년 12월부터 ‘생활자 참여 파일럿 프로젝트’를 통해 생활자가 거주하는 실제 주택에 비접촉 센서를 설치하여 생활 환경에서의 검증과 실용화를 위한 개선을 추진하고 있다.

2-4 3조엔의 사회비용 절감 가능성도
이러한 집에서의 조기 발견이 실현되어 사회에 널리 보급된다면 사회 비용(의료비, 간병비, 환자와 가족의 노동손실액, 기업의 생산성 저하)을 절감할 수 있을 것이다. 산업기술종합연구소와 이솔루션즈(e-solutions)는 뇌졸증, 심장질환, 히트쇼크/익사, 전도/ 추락의 ‘조기 발견’을 통해 최대 3조엔의 사회 비용을 절감할 수 있을 것으로 추산하고 있다.

고령화의 진전과 함께 일본의 의료비는 60조엔을 넘어 계속 증가하고 있는 추세로, 정부가 집에서의 안전을 지키는 시스템의 표준화와 도입 지원을 추진해 사회 비용 절감에 도전하는 사회적 의의는 상당히 크다고 할 수 있다.

3. ‘집’에서의 ‘경과 시간 데이터’를 통한 예방

3.1 ‘CES 2022’에서 본 트랜드
미국 라스베이거스에서 개최된 세계 최대 가전 및 IT 박람회 ‘CES’에서는 매년 디지털 헬스의 선진적인 움직임을 엿볼 수 있다. 이번 ‘CES 2022’에서는 코로나19의 영향으로 디지털 헬스에 대한 주목도가 높아져 디지털 헬스 전시에 세계 각국으로부터 112개 사가 참여했다.

‘CESS 2022’의 ‘Personal Health Meets Personal Wellness’ 섹션에서는 기술 진화에 의한 의료 및 헬스케어 제공 가치의 변화가 소개되었다.

기존에는 ‘병에 걸린 후’에 ‘병원’에서 ‘일시적인 데이터’를 취득해 ‘사람의 판단’으로 ‘획일적’인 ‘치료’를 시행했지만, 향후에는 ‘병에 걸리기 전’부터 ‘집’에서 ‘경과 시간 데이터’를 축적해 ‘AI 기술’을 활용하여 ‘개별적으로 최적’의 ‘예방 방법’을 제공하는 변화이다.

3.2 ‘병원’과 ‘집’과의 연계를 통한 포괄적 예방
이와 같은 의료 및 헬스케어의 변화에 따라 ‘병원’과 ‘집’과의 연계가 보다 중요해질 것으로 보인다.

‘집’에서의 일상적인 ‘경과 시간 데이터’의 취득 및 축적을 기점으로, ‘1차 예방’에서는 ‘경과 시간 데이터’를 통해 질환의 발병 리스크를 예측하여 건강을 위한 행동을 제안, ‘2차 예방’에서는 ‘경과 시간 데이터’의 변화에서 급성 질환 발병을 ‘조기 발견’하는 급성 질환 대응, ‘3차 예방’에서는 ‘경과 시간 데이터’의 온라인 진료로의 활용 등이 상정된다.

4. 비접촉 바이탈 모니터링의 중요성과 전망

이러한 흐름의 전제가 되는 ‘집’에서의 ‘경과 시간 데이터’ 취득을 뒷받침하는 핵심 요소가 바로 비접촉 바이탈 모니터링 기술이다.

애플워치와 같은 웨어러블 디바이스는 의료기기 수준의 정밀도로 심박수를 검출할 수 있기 때문에 예를 들어, 이미 심방세동 등의 위험이 높은 질환을 가지고 있는 사람에게는 매우 유용하다. 반면, 자기 자신이 건강하다고 인식하고 있는 사람에게 ‘집’ 안에서 웨어러블 디바이스를 계속 착용하고 있는 것은 답답할 수 있다. 총무성의 조사에 따르면, 웨어러블 디바이스를 이용하고 싶지 않은 이유로 47%가 ‘착용이 귀찮다’라고 답했다.

따라서, 보다 많은 사람을 대상으로 집에서의 ‘경과 시간 데이터’를 취득하기 위해서는 프라이버시를 고려한 비접촉의 바이탈 모니터링 기술이 중요하다.

4.1 비접촉 바이탈 모니터링의 선진 사례
최근, 레이더 기술을 활용한 바이탈 모니터링 연구개발이 국내외에서 추진되고 있다. 바이탈 모니터링이란 레이더 센서에서 대상자로 전파를 송신하고 대상자의 생체신호를 포함한 반사파를 수신해서 신호처리를 통해 심박수 및 호흡의 성분을 추출하는 기술이다.

‘CES 2022’에 참여해 ‘Innovation Awards’를 수상한 캐나다의 Xandar Kardian는 6.5~8㎓대의 IR-UWB(Impulse Radio Uitra Wide Band) 레이더를 이용한 비접촉 바이탈 모니터링을 개발하고 있다. 측정 대상자의 동작을 해석해 몸의 움직임이 80% 안정되었을 경우에만 심박수 및 호흡수를 계측하는 독자적인 알고리즘을 통해 실험 환경에서 안정적일 때의 심박수를 97%, 호흡수를 95%의 정밀도로 검출 할 수 있다고 한다. 검출 한계 거리는 심박수가 약 2m, 호흡수가 약 7m이다. 2021년 4월에 FDA(미국 식품의약국)로부터 의료기기 승인을 받았으며, 뇌졸증, 심질환 등의 순환기질환 환자용 주택 모니터링 솔루션을 올 여름에 미국에서 발매할 예정이다. 하지만 이 솔루션은 유스케이스로, 환자의 침대에서의 모니터링을 상정하고 있기 때문에 여러 사람의 바이탈 검출에는 대응하지 않는다.

5.46~7.25㎓대의 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이터를 이용한 MIT 연구에서는 센서에서 피험자까지의 거리가 8m라도 심박수, 호흡수를 99%의 정밀도로 검출할 수 있다. 이 연구 알고리즘의 특징은 심박수와 호흡을 검출하는 전단계 처리로서 사람으로부터의 반사파와 가구 등의 정지 물체로부터의 반사파를 분리한다는 것이다. 이 특징을 이용함으로써 여러 사람을 대상으로 측정하는 데 있어서도 심박수는 90.1%, 호흡수는 99.2%의 정밀도로 검출할 수 있다. 단, 사람과 사람의 간격이 1m 이상 떨어질 필요가 있다는 점이 문제점으로 꼽히고 있다.

4.2 센서의 고도화에 따른 미래 전망
앞에서 소개한 2가지 사례는 마이크로파 레이더를 이용한 것이다. 최근에는 지금까지 이용이 충분히 추진되지 않았고, 정보 전송 용량이 큰 밀리미터파의 활용이 주목 받고 있다. 특히 차량용 센서 부분에서 유럽을 중심으로 차량 간 거리 제어 시스템 등에 밀리미터파 레이더가 활용되고 있다.

밀리미파 레이더는 거리, 속도, 각도에서 마이크로파 레이더보다 뛰어난 분해능을 가지고 있다. 79㎓대 레이더의 경우 수 센티미터~수십 센티미터의 뛰어난 거리 분해능을 갖고 있으며, 측정 대상을 고정밀도로 검지 및 분리하는 것이 가능하다. 또한 밀리미터파는 파장이 짧고 소형이며 고감도 안테나를 실현할 수 있기 때문에 이를 이용한 복수의 안테나를 조합한 MIMO(Multiple Input Multiple Output)와 그것으로부터 얻은 신호를 제어하는 디지털 빔 포밍 등 다양한 고도화 기술들이 연구되고 있다. 이러한 기술들을 비접촉 바이탈 모니터링에 응용한다면, 근접해 있는 여러 사람들의 심박수 및 호흡수를 고정밀도로 검지할 수 있을 것으로 전망된다.

이 글을 읽은 독자들 중에는 자신의 연구가 디지털 헬스의 발전에 기여할 수 있을 것이라고 느끼는 사람도 있을 것이다. 그런 분들은 필자에게 꼭 연락을 주길 바라며, 함께 오픈 이노베이션으로 이어나갈 수 있길 기대한다.

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