의료용 웨어러블 기기의 이용 확대

  • 2017-03-03
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글 | 토니 암스트롱(Tony Armstrong, tarmstrong@linear.com) 전력 제품 사업부 제품 마케팅 디렉터 리니어 테크놀로지


의료용 제품은 AC 주 전원, 배터리 백업, 심지어 수확된 주변 에너지 소스를 포함하고 있어 다양한 전원에서의 적절한 동작, 전원 간의 매끄러운 전환이 이뤄져야 한다.

시장조사기관 마켓앤마켓(Marketsandmarkets)의 조사에 따르면 의료용 전자기기의 전체 시장규모는 2015년 30억 달러에서 매년 평균 5.4%씩 성장해 오는 2022년에는 44억 1,000만 달러에 이를 것으로 전망된다. 이러한 조사결과는 의료용 전자기기의 주요 성장요인이 증가하는 고령 인구, 생활방식에 따른 질병의 증가, 사용이 간편한 개인화된 첨단 헬스케어 기기에 대한 수요 증대 및 꾸준히 증가하는 웨어러블 전자 의료기기의 사용 등을 고려하면 그리 놀라운 일이 아니다.

이와 동시에 환자가 병원에 장기간 입원할 경우 발생하는 비용이 의료기관과 환자 모두에게 경제적으로 지속 가능한 수준을 넘어서고 있다. 이에 따라 병원은 환자의 완벽한 회복에 나쁜 영향을 미치지 않으면서 가능한 신속하게 환자의 건강과 자율성을 실현함으로써 비용 부담을 줄이는 방법을 찾고 있다.

이러한 목표를 달성하는 한 가지 방법은 퇴원 환자에게 원격 모니터링 및 진단장치를 제공해 환자가 집으로 돌아갈 수 있도록 하는 것이다. 원격 환자 모니터링 기능은 보통 심박수, 혈압, 호흡수, 수면 무호흡증, 혈당수치 및 체온을 포함한다. 이는 휴대형 및 무선 의료기기의 성장을 촉진하는 최근의 동향 중 하나가 외래 환자 관리라는 가정을 지지해준다.

따라서 이러한 휴대형 전자 모니터링 시스템은 대부분 환자의 모니터링 시스템으로부터 수집된 데이터를 손쉽게 병원의 관리 시스템에 직접 전송할 수 있도록 RF 송신기를 통합하고 있으며, 이렇게 전송된 데이터는 이후에 담당 의사의 검토와 분석을 받는다.

저전력의 정밀한 부품은 휴대형 및 무선 의료용 계측기의 빠른 성장을 가져왔다. 그러나 이러한 유형의 의료용 제품은 다른 많은 애플리케이션과 달리 통상 신뢰성과 사용 시간, 견고성에 대한 훨씬 높은 표준을 갖는다. 이러한 요구의 많은 부분은 전력 시스템과 그 부품에 반영되고 있다.

의료용 제품은 AC 주 전원, 배터리 백업, 심지어 수확된 주변 에너지 소스를 포함한 다양한 전원에서 적절히 동작해야 하며, 이들 전원 간에 매끄럽게 전환해야 한다. 뿐만 아니라 장시간에 걸쳐 다양한 오류 조건으로부터 견디고 보호되어야 하며, 배터리 구동 시 동작 시간을 극대화하고, 유효 전원이 존재할 때는 항상 신뢰할 수 있는 정상 시스템 동작을 보장해야 한다.

환자 모니터링 시스템을 위한 해결책 

위의 경우를 고려할 때 환자가 가정에서 사용할 수 있도록 환자에게 적절한 의료용 계측기를 제공하는 비용은 같은 목적으로 환자를 병원에 입원시키는 비용에 의해 상쇄되는 것보다 크다고 볼 수 있다. 그러나 무엇보다 중요한 것은 환자가 사용하는 의료기기는 신뢰성이 높아야 할 뿐 아니라 안전해야 한다는 점이다.

따라서 의료기기 제조업체와 설계자는 제품이 백업 소스를 포함한 다양한 전원 소스에서 매끄럽게 동작하고, 환자로부터 수집된 데이터가 높은 신뢰성을 갖는 것은 물론 99.999% 무결성의 무선 데이터 전송을 보장해야 한다. 이는 시스템 설계자가 전력 관리 아키텍처를 견고하고 유연하면서 작고 효율적으로 구현해야 한다는 것을 의미한다. 이와 같은 방식에서 병원과 환자의 요구는 만족된다.

다행히 리니어 테크놀로지 같은 다수의 아날로그 업체들이 혁신 제품을 출시함으로써 이러한 문제를 해결하는 솔루션을 내놓고 있다. 의료용 전자 시스템의 많은 애플리케이션은 주 전원의 작동이 중단되어도 전원을 계속 공급 받아야하기 때문에 낮은 무부하 전류로 배터리 수명을 연장하는 것이 핵심 요구사항이다.

이에 따라 보통 9 μA 미만의 대기 무부하 전류를 갖는 스위칭 레귤레이터를 필요로 한다. 실제로 배터리와 주 전원 소스로 에너지 하베스팅을 결합해 동작하는 새로운 일부 시스템들은 한 자릿수의 마이크로암페어 범위의 무부하 전류를 요구하며, 심지어 나노암페어 수준을 요구하는 경우도 있다. 이것은 ‘가정에서 사용하는’ 환자용 의료 전자 시스템에 적용하기 위한 필수 선결 조건이다.

스위칭 레귤레이터는 선형 레귤레이터보다 많은 잡음을 발생시키지만, 효율은 훨씬 높다. 많은 민감한 애플리케이션에서도 스위처가 예측 가능한 방식으로 동작할 때에는 잡음과 EMI 수준을 관리할 수 있다는 것이 검증되었다. 만약 스위칭 레귤레이터가 정상 모드에서 정주파수 스위칭을 구현하고 오버슛이나 고주파 링잉 현상 없이 스위칭 에지가 깨끗하고 예측 가능하면 EMI가 최소화된다.

소형 패키지 크기와 높은 동작 주파수는 작고 조밀한 레이아웃을 제공할 수 있으며, 이는 EMI 방사를 최소화한다. 또한 레귤레이터를 낮은 ESR 세라믹 커패시터와 함께 사용하면, 시스템에 추가 잡음원이 되는 입력과 출력 전압 리플을 모두 최소화할 수 있다.

오늘날 기능이 풍부한 환자 모니터링 의료기기에 들어가는 전원 레일의 수는 증가하고 있지만, 동작 전압은 계속 감소하고 있다. 그러나 많은 의료 시스템은 여전히 저전력 센서, 메모리, 마이크로컨트롤러 코어, I/O 및 로직 회로를 구동하기 위한 3V, 3.3V 또는 3.6V 레일을 필요로 한다. 더욱이 이들 레일의 동작은 종종 핵심적이기 때문에 많은 시스템은 장치에 공급되는 주 전원이 고장 나는 경우에 대비해 배터리 백업 시스템을 갖추고 있다.

전통적으로 이러한 전압 레일은 스텝다운 스위칭 레귤레이터 또는 저전압 강하 레귤레이터를 통해 전원을 공급받았다. 그러나 이러한 종류의 IC는 배터리 셀의 전체 동작 범위를 이용하지 못하기 때문에 디바이스의 잠재 배터리 사용 시간을 단축시킨다. 이와 달리 전압을 낮추거나 높일 수 있는 벅-부스트 컨버터를 사용할 경우 배터리의 전체 동작 범위를 이용할 수 있으므로 동작 마진을 증가시키고 특히 배터리 방전 프로파일의 낮은 쪽에 가까워질 때 배터리 수명을 더 오래 사용할 수 있게 하므로 배터리 사용 시간을 증가시킨다.

전원 소스로서 에너지 하베스팅 

최근 에너지 하베스팅 분야에서 많은 혁신이 일어나고 있으며, 특히 인체의 체온을 잠재 에너지원으로 사용해 전자 모니터링 시스템을 구동하거나, 이들 시스템에 전력을 공급하는 배터리를 재충전하기도 한다. 이러한 발전은 밀리와트 또는 마이크로와트 전력 범위를 수용하기 위해 전자 의료기기 부품의 크기와 형태의 변화로 이어지고 있다. 이는 웨어러블 의료용 및 자율 장치와 같은 많은 복잡한 전자 시스템과 기기들이 이제 250 μW 미만 범위의 전력을 소비할 수 있게 된다는 것을 의미한다.

이 밖에 μW~100 mW 범위의 전력 레벨을 갖는 무선 센서 네트워크는 통상 배터리 전력으로 구동된다. 그러나 배터리 전력은 충전 수명 또는 적용 가능한 경우 주기 재충전 필요와 같은 내재 한계를 가지므로 ‘재충전 가능’ 배터리의 주기 재충전을 위해 열이나 진동 같은 주변 에너지원을 사용하는 가능성이 제시되고 있다.

리니어 테크놀로지는 거의 십여 년 전부터 에너지 하베스팅 IC를 생산해 왔다. 최초 제품으로 LTC3108을 2009년 12월에 출시했다. LTC3108은 여분의 에너지를 수집하고 분배하도록 특별히 설계된 초저전압 DC/DC 컨버터 및 전력 관리기로, 열원으로부터 극히 낮은 전압을 생성한다. 온도 변화가 1℃ 이상만 되어도 에너지 하베스팅이 가능하기 때문에 뜨거운 것은 더 뜨겁게 또는 차가운 것은 더 차게 할 수 있다.

최근에 출시된 LTC3107은 TEG(Thermoelectric Generator) 및 서모파일과 같은 극히 낮은 입력 전압 소스로부터 여분의 에너지를 수확하고 마지닝해 저전력 무선 시스템에서 일차전지 수명을 연장하도록 설계된 고집적도의 DC/DC 컨버터다.

LTC3107을 사용할 경우 POL(Point-Of-Load) 에너지 수확 장치는 LTC3107의 불과 3×3 mm DFN 패키지 크기에 몇 개의 외부 부품을 위한 작은 면적만 있으면 된다. LTC3107은 기존 일차전지에 일치하는 출력 전압을 발생시키므로 자유롭게 사용할 수 있는 열 에너지 하베스팅을 새로운 설계나 기존 배터리 구동 설계에 매끄럽게 적용해 비용을 절감할 수 있다.

뿐만 아니라 LTC3107과 소형의 열 에너지 소스를 함께 사용하면 경우에 따라서는 배터리의 저장 수명까지 배터리 수명을 연장할 수 있다. 따라서 배터리 교체와 관련된 유지보수 비용 발생이 적다.

 

LTC3107은 부하 조건과 수확된 사용 가능한 에너지에 따라 배터리를 충전하도록 하거나 부하에 전력을 전부 공급하도록 설계됐다. 〈그림 1〉은 LTC3107이 얼마나 손쉽게 열 에너지를 수확해 무선 센서 노드(WSN)에 전력을 공급하고, 사용 가능한 주변 에너지원이 없을 때 얼마나 매끄럽게 배터리 전력으로 전환하는지 보여준다.

또 다른 예로 다양한 기능의 주변 에너지 수확장치 LTC3331이 있다. 이 디바이스는 최대 50 mA의 연속 출력 전류를 제공해 수확 가능한 에너지를 이용할 수 있을 때 배터리 수명을 연장하는 완벽한 레귤레이팅 에너지 하베스팅 솔루션을 제공한다(그림 2 참조).

 

LTC3331은 수확된 에너지로부터 부하로 레귤레이트 된 전력을 공급할 때는 배터리에서 공급 전류를 전혀 소비하지 않으며, 무부하 조건에서 배터리로부터 전력을 공급하는 경우에는 단 950 nA만 소비한다. LTC3331은 고전압 에너지 하베스팅 전원 장치 외에도 재충전 가능한 배터리로부터 전력을 공급받는 동기 벅-부스트 DC/DC 컨버터를 통합해 무선 센서 노드(WSN)와 IoT 기기 같은 에너지 하베스팅 애플리케이션을 위한 단일 무정전 출력을 생성한다.

LTC3331의 에너지 하베스팅 전원 장치는 AC 또는 DC 입력을 받아들이는 전파(Full-Wave) 브리지 정류기와 높은 효율의 동기 벅 컨버터로 구성되며 압전(AC), 태양광(DC) 또는 자기(AC) 소스로부터 에너지를 수확한다. 10 mA 션트는 수확된 에너지로 배터리를 간단하게 충전할 수 있게 하며, 로우 배터리(Low Battery) 분리 기능은 배터리가 심하게 방전되는 것을 방지한다.

재충전 가능한 배터리는 입력에서 1.8~5.5V 범위로 동작하는 동기 벅-부스트 컨버터에 전력을 공급하며, 수확된 에너지를 사용할 수 없을 때 입력이 출력보다 높거나 낮거나 같아도 출력을 레귤레이트하는 데 사용된다. LTC3331의 배터리 차저는 마이크로전력 소스를 다루는 경우 매우 중요한 배터리 관리 기능을 제공한다. LTC3331은 배터리 차저의 로직 제어를 통합하고 있어 수확된 전원에 여분의 에너지가 있을 때만 배터리를 충전한다.

이 같은 로직 기능이 없다면 수확된 에너지 소스가 시동 시 최적이 아닌 동작 지점에 그대로 고착함으로써 시동이 끝나고도 의도된 애플리케이션에 전력을 공급하지 못할 수 있다. LTC3331은 에너지 하베스팅 소스를 더 이상 이용할 수 없을 때 배터리로 자동 전환한다. 이 기능의 부가 이점은, 배터리를 사용하는 WSN이 적절한 주변 에너지 하베스팅 전원 소스를 동작 시간의 최소 절반 동안 이용할 수 있다면 10년에서 20년 이상까지 동작 수명을 연장할 수 있으며, 에너지 하베스팅 소스가 더 광범위하게 존재한다면 이보다 더 늘릴 수 있다는 점이다.

결론 

스마트 의료용 웨어러블 시장은 병원의 높은 환자 진료비와 급증하는 고령화 인구가 맞물리면서 본격적인 성장 가도에 진입하고 있다. 센서를 탑재한 의료용 헬스 및 웰니스 웨어러블 기기를 포함한 새로운 흐름의 제품들은 병원 밖에서 심박수나 혈압 같은 주요 생체 신호를 모니터링할 수 있어 더 적극적이고 건강한 라이프스타일을 가져다 준다. 스마트 웨어러블 기기의 핵심 아키텍처는 제품 유형에 따라 달라지지만, 기본적으로 마이크로컨트롤러, MEMS 센서, 무선 커넥티비티, 배터리 및 지원 소자로 구성된다.

현재 다양한 형식의 주변 에너지를 이용해 건강 모니터링 기기를 구동할 수 있는 풍부한 기능의 에너지 하베스팅 및 IoT 솔루션이 확산되고 있다. 이는 환자가 회복을 늦추지 않으면서 보다 빨리 퇴원해 집으로 돌아갈 수 있게 도와준다.  

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