더욱 건강한 삶을 위한 원격 센싱 기술
전 세계 병원과 치료센터에서 수십억 개의 센서가 환자 모니터링에 사용되고 있습니다. 코로나 바이러스(COVID-19)가 유행하기 전에도 헬스케어는 의료 시설들은 물론이고 가정과 직장으로도 확장되어 있었습니다. 다만, 이전까지 더디게 진행되던 원격 모니터링, 관리, 치료로의 전환이 2020년 봄 이후로 급속히 빨라졌습니다.
-설계 및 개발 관점에서 보면 1차 감염자와 노인 및 피트니스용 애플리케이션을 개발하는 기업들은 모두 똑같은 과제와 요건들을 마주하고 있습니다. 헬스 및 피트니스 데이터를 수집하는 주요 장치들로는 스마트워치나 피트니스 손목 밴드를 꼽을 수 있습니다. 애플워치는 심박수 센서를 내장하고 있는데, 이는 적외선 및 가시광선 LED, 포토다이오드를 사용합니다. 또한 위치 및 가속도 센서를 사용하여 움직임을 감지합니다. 다른 제조사들 역시 이와 비슷한 기술을 사용합니다.
-이번 포스팅에서는 헬스케어 모니터링용으로 설계된 다양한 센서 솔루션들을 살펴보겠습니다.
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더욱 건강한 삶을 위한 원격 센싱 기술 (출처: Andrey_Popov/Shutterstock.com)
-웨어러블 헬스 모니터 개발
스마트워치나 그 밖에 다른 웨어러블용 설계는 더 많은 기능, 더 긴 배터리 수명, 더 작은 크기 등 오늘날 소비자들의 높은 기대치 때문에 꽤 어려운 작업이 될 수 있습니다.
-도시바(Toshiba)의 스마트워치 솔루션(SmartWatch Solution)은 보다 작은 패키지에서 더 높은 성능을 구현하도록 엄선된 도시바 디스크리트 소자 기반의 레퍼런스 디자인을 제공합니다(그림 1). 도시바는 소형 MOSFET, 다이오드, 트랜지스터 등의 매우 다양한 소자 포트폴리오와 LDO(low dropout) 레귤레이터, 로드 스위치, 스마트한 eFuse IC 등을 제공합니다. 이들 소자는 보드의 가용 면적을 늘리고 수동 전류 소비량을 줄이며 배터리 수명을 길게 유지하도록 설계되었습니다.
그림 1: 보다 작은 패키지에서 더 높은 성능을 제공하도록 엄선된 도시바 디스크리트 소자 기반 ‘도시바 스마트워치 솔루션’ 레퍼런스 디자인의 블록 다이어그램. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
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스마트워치가 모든 기능을 다 갖출 필요는 없습니다. 최종 설계가 어떻든 간에, 웨어러블 헬스 모니터의 핵심은 센서 융합입니다. 심전도(ECG) 및 심박수 측정 애플리케이션 개발에 사용되는 ECG 6 클릭 (그림 2) 같은 MikroE 센서 클릭 보드는 이러한 개발을 시작하기에 좋은 솔루션입니다(그림 2).
-이 클릭 보드는 맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated)의 MAX86150 반사형 심박 모니터(Reflective Heart-Rate Monitor) 및 의료용 펄스 산소포화도 측정기(Medical-Grade Pulse Oximeter)를 기반으로 합니다. 이 보드는 ECG, 펄스 산소포화도 측정기, 심박수 모니터 센서 모듈을 통합하고 있습니다. ECG 6 클릭은 피트니스 보조 기기, 웨어러블 기기, 스마트폰 및 태블릿용으로 적합합니다.
그림 2: MikroE ECG 클릭 보드는 심전도 및 심박수 측정 애플리케이션 개발용으로 사용됩니다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)
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맥심의 바이오 센서 모듈(Bio-Sensor Module) MAX86150은 하나의 통합 패키지에서 광전용적맥파(PPG)와 ECG 측정 기능을 모두 제공합니다. 이 모듈은 내장 LED, 광검출기, ECG 아날로그 프런트엔드(AFE)를 절전형 소형 패키지에 통합하고 FDA 인증 가능한 PPG 및 ECG 성능을 제공합니다. ECG 기능은 건식 전극 동작(Dry Electrode Operation)에 최적화되어 있습니다.
-펄스 산소포화도 측정과 심박수 모니터링의 서로 다른 두 가지 기능이 MAX30102 센서 상에 통합되어 있습니다. 이 디바이스는 내장 LED, 광검출기, 광학 소자들, 그리고 주변광 제거 기능이 있는 저잡음 전자회로들이 포함되어 있습니다.
-이 센서는 MAX30102와 가속도계를 포함하는 도터보드인 MAX30102DBEVKIT, 그리고 마더보드 USBOSMB가 조합된 MAX30102 평가키트를 사용하여 평가할 수 있습니다(그림 3). 이 평가 키트는 USB를 통해 전원을 공급받아서 센서용으로 +1.8V, MAX30102의 내부 LED용으로 +4.5V, 그리고 가속도계용으로 +3.3V를 생성합니다.
그림 3: MAX30102 평가 키트는 USB를 통해 전원을 공급받아서 센서용으로 +1.8V, MAX30102의 내부 LED용으로 +4.5V, 그리고 가속도계용으로 +3.3V를 생성합니다. (마우저 일렉트로닉스)
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클라우드를 이용하는 헬스케어 데이터와 보안 문제
데이터 수집은 첫 번째 단계일 뿐입니다. 이들 데이터가 활용될 수 있으려면, 의사나 인공지능에게 전달되어서 해석이 되어야 합니다. 이를 위해서는 다른 많은 애플리케이션들과 마찬가지로 클라우드 기반 솔루션을 활용할 수 있습니다. 헬스케어 분야에서 클라우드 컴퓨팅을 도입하는 것은 이점도 있지만 그와 함께 상당한 걸림돌도 있습니다. 클라우드 도입에 가장 큰 걸림돌은 보안 관련 위험 가능성입니다. 환자 데이터는 본질적으로 민감한 개인정보를 담고 있으므로, 클라우드 호스팅된 의료 데이터는 높은 수준의 보호가 필수입니다. 데이터 암호화, 보안 액세스 키 사용, 데이터 보안을 위한 블록체인 사용 등은 환자의 중요한 데이터를 보호하기 위해 의료기관들이 활용할 수 있는 방법입니다.
-헬스케어 데이터 및 관련 애플리케이션은 HIPAA, HITECH 및 GDPR 같은 여러 데이터 규제 법령들을 준수해야 합니다. 헬스케어 사업자는 클라우드로 호스팅된 데이터를 확실하게 준수해야 하며, 이는 결코 쉬운 일이 아닙니다.