[기고] 첨단 기술, 신체의 신호에 귀 기울이기 시작했다

  • 2019-07-08
  • 글 / 루디 라모스(Rudy Ramos), 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics) , www.mouser.com




의사들은 종종 환자들에게 자신의 몸에 ‘귀를 기울여’ 몸이 하는 말에 주의를 기울이라고 말한다. 이제 신체의 신호를 감지하고 이러한 신호를 처리하여 최선의 조치를 찾아내도록 도와주는 기술들이 개발되고 있다.


노년 인구가 꾸준히 증가하는 가운데 전 세계 출산율이 지속적으로 감소하고 있다. 이러한 추세가 맞물려 향후 수십 년 간 더 많아진 노년층을 돌볼 수 있는 인구는 더욱 줄어들 전망이다. 단기적으로 이와 같은 사회적 통계를 바꾸기 위해 할 수 있는 일은 아무것도 없지만, 기술은 비유적으로나, 어쩌면 문자 그대로 도움의 손길을 내밀 수 있을 것 같다.

통합 반도체 크기가 지속적으로 작아지고 기능이 확대됨에 따라 인공 지능, 클라우드 컴퓨팅, 유비쿼터스 커넥티비티의 개념이 합쳐져 의료 산업을 완전히 혁신적으로 변화시키면서 더욱 발전 중이다. 가능성은 방대하며, 수요는 증가하고 있다. 동시에 긍정적인 변화를 만들고자 하는 의지는 인간 고유에 내재한다.

오늘날 웨어러블 기술은 흔히 손목에 착용하여 활동량과 착용자의 통계(맥박 등)를 모니터링하는 소형 기기로 대표되지만, 간단히 말하면 이는 착용자가 의식하지 않을 수 없는 부착하는 형태이다. 기술이 발전함에 따라 미래의 기술은 우리가 입는 섬유에 직접 삽입돼 덜 거추장스럽고, 따라서 훨씬 쉽게 사용할 수 있게 될 것이다.

일명 스마트 섬유로 불리는 신 섬유는 많은 사물을 모니터링하는 방식을 바꿀 수 있는 잠재력을 가지고 있지만, 아마도 가장 큰 잠재력은 의료 분야에 있을 것이다. 이러한 기술을 사용하여 환자의 상태를 모니터링하고 약물을 처치하는 연구가 매우 활발히 진행되고 있으며, 이미 그 결과가 나타나고 있다.

압력을 감지하다

환자의 회복 기간에 신체 부위에 의하거나 해당 부위에 가해지는 압력은 주의가 필요한 특정 원인이 될 수 있다. 부종은 회복 과정의 일부이지만, 2차 감염의 전조가 될 수 있기 때문에 면밀하게 모니터링해야 한다. 마찬가지로 환자가 정기적으로 움직이지 못할 경우 이는 회복을 더디게 할 수 있는 압박궤양으로 빠르게 발전할 수 있다. 해결책은 환자의 상처와 일반적인 움직임 또는 움직임의 부족을 모니터링하는 것이다.

이를 달성하는 한 가지 방법으로 침대 시트나 의류에 삽입하는 센서를 사용할 수 있다. 실리콘으로 코팅된 전도성 실이 개발돼 침구류에 삽입된다. 이 실은 습도와 움직임을 모니터링할 수 있고 환자가 주의가 필요할 때 간병인에게 알려준다. 동일한 기술을 병원 침대에 적용할 수 있는데, 이 경우 환자의 필요에 맞춰 자동으로 침대가 움직이므로 간병인의 부담을 덜어준다.

같은 원리를 드레싱과 붕대에 결합해 회복 과정에서 신체에 의한 압력을 모니터링하여, 예를 들어 드레싱이 너무 조이지 않는지 또는 환부의 붓기가 얼마나 빨리 가라앉는지 등을 알 수 있다.

특정 매체의 압력을 측정하는 많은 방법이 있다. 지금까지 혈압은 혈액의 흐름을 막는 데 얼마나 많은 압력이 필요한지를 측정함으로써 기록하였다. 현재 이 과정은 압력을 가하는 데 사용되는 압축된 공기와 함께 장착되는 압력 센서를 사용하여 자동으로 수행된다. 그 결과 오늘날 혈압계는 가정에서 편안하게 누구라도 사용할 수 있는 소비자 기기가 되었다. 동일한 기술을 스포츠 의류와 같은 섬유에 통합하는 것은 그다지 놀라운 일이 아니다.

압력 센서는 다른 방식으로도 이용되고 있는데, 신발 인솔 등에 사용돼 가령 말초신경병으로 뇌가 발과 같은 신체 부위로부터 정보를 수신하지 못하는 환자의 걸음걸이와 활동량을 모니터링한다. 그림 1은 인솔로부터 발생하는 데이터를 기록하고 이를 무선으로 스마트폰 애플리케이션에 전송하는 Orpyx의 시스템을 보여준다. 이러한 제품은 센서를 사용하여 발에 가해지는 압력을 모니터링하고 환자에게 피드백을 제공함으로써 극단적인 경우 사지를 절단할 수 있는 궤양 형성을 예방하는 데 도움을 줄 수 있다.

센서를 드레싱에 내장하면 피부 변형을 측정하여 부어오른 사지에 의해 가해지는 압력을 평가할 수 있다. 이 역시 ‘스마트 섬유’의 일종으로, 현재 연구진들에 의해 개발 중이다.

압력 모니터링을 스마트 섬유에 직접 통합하면 장기적 경과를 보다 쉽게 파악할 수 있어 심혈관 질환 등을 조기에 진단할 수 있다.



더 똑똑한 석고붕대


현재 나노 기술의 발전으로 피부의 전기적 특성의 변화를 모니터링하여 수화 레벨을 측정하는 것도 현실이 되고 있다. 피부에 직접 처치하는 신축성 있는 섬유에 가는 와이어를 내장하여 소형 전극이 수화를 모니터링하고 실시간으로 정보를 전달할 수 있다. 같은 기술을 의류에도 적용할 수 있다.

스마트 드레싱에 사용되는 유사하고 효과적인 진단 방법에는 임피던스 분광법이라 부르는 기법을 대폭 확장해 미세 전류를 인체의 세포에 흘려 임피던스를 측정하는 방법이 포함된다. 세포가 붕괴할 때 세포에서 나타나는 커패시턴스와 저항이 변화하는 것을 측정해 이를 이용하면 욕창이 육안으로 보이기 전에 식별할 수 있는 스마트 붕대를 만들 수 있다.

전자장치가 스마트 섬유 솔루션의 중요한 부분이 되면서 전통적인 의료 방식과 협력하여 개발되고 있으며, 여기에는 어떻게 하면 의약품을 보다 효과적으로 처치할 수 있을 것인가를 찾는 방안이 포함된다. 스마트 드레싱은 상처의 모니터링뿐 아니라 직접적인 약물의 처치에도 강력한 잠재력을 갖고 있음이 네브라스카-링컨 대학, 하버드 의과대학, MIT의 공동 연구진들에 의해 입증되었다.

연구진은 스마트 드레싱을 1회 분량씩 투여하는 진통제와 항생제 같은 약물뿐 아니라 빠른 치유와 조직 재생을 촉진하는 약물을 처치하는 일차 붕대에 적용했다. 기본적으로 약물을 젤에 삽입하고, 붕대 내에 삽입되는 와이어에 젤을 코팅함으로써 작동하는 방식이다. 또한 붕대에는 마이크로컨트롤러가 내장돼 와이어에 흐르는 전류를 제어하여 젤에 열을 가하고 적정 분량의 약물을 환부에 직접 투여할 수 있게 한다. 실험은 긍정적인 결과를 보여주었으며, 현재 연구진들은 약물 투여 과정을 완전 자동화하기 위해 센서를 통합하여 혈당과 pH 레벨과 같은 지표를 측정하는 기술을 개발하고 있다.

연결된 의학

IoT 전반에 걸쳐 무선 커넥티비티는 데이터를 클라우드까지 전송하는 방법을 제공하며, 여기서 AI는 '빅 데이터’ 방식으로 트렌드를 식별하는 데 사용할 수 있다. 이러한 과정을 IoMT에 적용하면 데이터는 궁극적으로 유사한 질환을 갖는 다른 환자들을 치료하는 방법을 개선하는 데 사용할 수 있게 될 것이다.

이를 위해 의료 분야는 기술을 사용하는 데 보다 전체적인 접근 방법이 필요하며, 여러 분야를 한데 합쳐 단일 솔루션을 만들어 내야 한다.

스완지 대학 부설 생명 과학 연구소 연구원들은 최신 나노 기술의 개발로 구현된 센서를 5G 커넥티비티를 포함하여 스마트 붕대에 통합함으로써 상처를 모니터링하고 이러한 정보를 실시간으로 간병인에게 원격으로 전달하는 방안을 찾고 있87다. 이 방법은 붕대를 제조하는 데 3D 프린터를 사용한다.

나노 기술은 생물학과 기술의 세계 사이에 놓인 간극을 좁히고 있으며 IoMT를 구현하는 기술이 될 전망이다. 나노 입자가 신체의 특정 세포에 치료제를 전달하는 방안을 찾는 연구가 활발히 진행 중이며, 이미 일부 긍정적인 결과를 보여주고 있다. 세포 수준에서 표적 치료의 초기 이점의 하나는 인체가 약물을 신체에 전달하기 위해 약물을 대사할 필요가 없다는 점이다. 이렇게 되면 투여 분량을 줄일 수 있고 보다 효과적인 치료가 가능할 뿐 아니라 궁극적으로 의료 제공 비용도 낮출 수 있다.



의료 부문의 MEMS


MEMS 기술은 이미 초소형 패키지에 정밀한 3, 6, 9축 모션 감지를 제공함으로써 모바일 폰 분야를 재편하는 데 기여했다. 동일한 기술이 웨어러블 피트니스 트래커에 광범위하게 사용되고 있다. MEMS 마이크로폰이 보청기를 혁신시켰지만, 그 잠재력은 훨씬 크다.

MEMS 마이크로폰을 일회용 콘택트렌즈에 직접 장착함으로써 눈의 안압(IOP) 변화를 측정하여 녹내장의 초기 징후인 각막 형태의 변화를 알아낼 수 있다. 무선 통신이 내장된 MEMS 지원 IOP 센서는 현재 스위스 센시메드(Sensimed)사에서 시판하고 있다. 그림 2는 시스템이 임베디드 센서와 트랜스듀서를 내장한 일회용 콘택트렌즈(1), 눈 주위에 착용하는 별도의 안테나(2), 그리고 가는 와
이어(3)에 연결된 데이터 레코더(4)의 3가지 구성 요소로 이루어져 있는 것을 보여준다.

시스템은 NFC 기술을 사용하여 무선으로 측정을 수행하고 정보를 다시 안테나에 보내는 데 충분한 전력을 센서에 공급한다. 이 방법은 시스템에서 가장 큰 부분을 차지할 수 있는 하드 와이어링 방식의 전원(주로 배터리)의 필요를 없애주므로 광범위한 IoMT 기기에 사용할 수 있는 잠재성을 갖는다. NFC의 기능을 이용하면 다른 많은 종류의 센서를 제어에 필요한 마이크로전자장치와 함께 스마트 섬유에 내장할 수 있다.

결론

스마트 섬유는 의료의 성격을 변화시키고 있으며, 기술의 전례 없는 상호 융합에 의해 실현되고 있다. 많은 연구는 아직 연구소 실험실에서만 존재하지만 개발 속도가 빨라지고 있으며, 의료용 사물 인터넷은 의사와 환자의 관계를 영구히 변화시킬 잠재력을 갖고 있다.
 

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