기술기고문
환자 치료 향상에 기여하는 센서 및 디지털 기술의 발전
글: 주세페 올리바도티(Giuseppe Olivadoti), 마케팅 및 애플리케이션 디렉터 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)
휴대용 또는 웨어러블 모니터링 기기와 현장 진료 의료 장비를 사용하는 새로운 접근 방법은 환자의 예후를 향상시키고 공공 의료기관의 업무 부담을 줄여줄 것으로 보인다.
코로나바이러스감염증-19(COVID-19)를 유발하는 SARS-CoV-2의 출현이 의료 혁신에 새로운 자극을 주고 있지만, 의료 서비스 제공 방식은 팬데믹 이전부터 이미 대대적인 전환이 이루어져 왔다. 2020년 팬데믹 이전에는 선진국의 고령화 문제, 어디서나 이용할 수 있는 모바일 광대역 연결 기술, 정교한 센서 기술의 발달은 환자의 모니터링 및 진단을 위한 개인용 디지털 의료기기 또는 원격 의료기술의 채택을 촉진했다. 그러다 팬더믹 이후 한정된 병원 시설에 대한 수요가 늘어나면서 의료 서비스 사업자들은 병원 밖에서 테스트와 모니터링을 할 수 있는 새로운 기술 구현을 가속화하고 있다. 이제는 센서 기술의 혁신 덕분에, 일반 가정에서 임상 수준의 정확도로 생체 신호를 측정하고, 현장 진료에서 검체를 테스트할 수 있게 됨으로써, 멀리 있는 실험실로 샘플을 처리하러 보낼 필요가 없어졌으며 신속한 진단을 위해 더 빠른 결과를 얻을 수 있게 되었다.
이는 수십 년 간 이어져 온 표준 의료 운영 절차와의 결별을 의미한다. 전통적인 의료 모델에서는 증상이 분명해지면 환자가 병원을 찾거나 매년 정기 검진을 받기 위해 병원을 방문하여 한 번에 일련의 테스트를 받아야 했다. 이러한 테스트는 종종 실험실 분석을 거치고 난 후 진단이나 건강 평가가 내려진다. 많은 경우 이러한 진단은 초진 후 한참 시간이 걸리며, 환자의 상태에 대한 한 장의 촬영 사진에 기초한다.
이러한 접근 방법은 생체 신호와 증상을 모니터링하는 데 필요한 정교한 장비가 부족하거나, 병원이나 기타 전담 의료 시설에서만 장비 사용이 가능한 경우에만 타당하다.
새로운 의료 감지 기술의 발달은 의학 치료에 대해 근본적으로 다른 개념을 갖게 만들었다. 환자 모니터링에 대한 새로운 접근 방법은 병원에서 사용하는 고정식 대형 의료 모니터링 장비 대신 다음과 같은 특징을 갖는 장치를 사용한다:
? 작거나 착용 가능하다
? 전력 소모가 매우 적어 배터리로 작동할 수 있다
? 정확한 임상 수준의 측정을 제공한다
이는 의료 모니터링과 테스트를 중대형 병원이 아닌, 일반 병원이나 지역 의원, 심지어 환자의 가정에서도 시행할 수 있게 한다. 환자 입장에서 볼 때 더욱 편리한 것은, 패치와 같은 웨어러블 기기는 크게 신경 쓰지 않아도 지속적으로 작동하므로 어디서나 24시간, 일주일 내내 모니터링이 가능하다는 점이다.
일상생활에서 모니터링을 통한 진단 향상
새로운 원격 모니터링 기술을 구현하려는 동기 중에는 자원 부족 문제도 포함된다. 2020년에 COVID-19 감염이 절정을 이뤘을 때 환자들이 한꺼번에 병원에 몰린 사례는 급성 환자 치료에 대한 수요 증가로 인해 의료 시스템이 빠르게 포화될 수 있다는 것을 입증했다. 따라서 생체 신호 모니터링이 필요한 환자를 병원의 병상이 아닌 진료소나 환자의 가정으로 재배치하는 것은 장기적으로도 합리적인 전략이다.
그리고, 그와 마찬가지로 중요한 또 다른 점은, 휴대용 또는 웨어러블 장치를 이용한 모니터링이 보다 유용한 데이터를 제공하고 심지어 더 나은 예후를 가져다 줄 수도 있다는 것이다. 새로운 의료 모니터링 기술은 심박수, 심박 변이, 혈중산소포화도(SpO2), 체온과 같은 보다 확장된 생체 신호들을 추적할 수 있게 해준다. 지속적인 모니터링을 통해 경향과 패턴을 발견할 수 있는데, 이는 의료진이 환자와 시간을 예약해서 촬영한 한 장의 의료 영상으로는 알아낼 수 없는 정보들이다. 여기에 인공 지능(AI) 진단 기술을 결합한 개발은 데이터 스트림 모니터링을 자동화할 수 있다는 것을 의미한다.
이 AI 기반 방법은 환자의 담당 의사가 데이터에 매몰될 필요 없이, 기술을 사용하여 생체 신호의 패턴을 모니터링하고 의사의 개입이 필요할 때만 플래그를 생성한다. 질병으로 악화할 수 있음을 나타내는 전조 신호를 찾아냄으로써 환자와 의료진은 투약, 생활 방식 또는 식생활을 바꾸도록 협력함으로써, 응급실 방문으로 이어질 수 있는 상황을 미연에 방지한다.
또한 가정이나 현장 진료 시설에서 시행하는 모니터링은 병원 병동의 인위적이고 종종 스트레스를 주는 환경이 아닌 실생활에서 생활하는 환자의 건강 상태에 대한 정보를 알려준다. 최신 다중 파라미터 웨어러블 센서는 생체 신호를 환자가 활동 중 또는 수면 중 같은 다른 측정 지표들과 결합함으로써, 환자의 생활 방식의 맥락에서 의료 데이터를 파악한다.
반도체 기술 애플리케이션의 새로운 돌파구
이러한 새로운 환자 모니터링 방식의 도입은 21세기의 반도체 기술과 컴퓨터 과학의 일련의 발전 결과이다.
광전자공학 분야에서 광혈류측정(PPG)을 수행할 수 있는 광 센서 솔루션이 개발되었다. PPG는 비침습적 광학 방법을 활용하여 심박수, 호흡수, SpO2를 계산한다. 이와 유사하게 초소형 MEMS 모션 센서는 운동 세션과 수면 품질과 같은 환자의 활동을 측정하여 맥락적으로 생체 신호를 파악한다.
병원에서 생체 신호 모니터링을 위해 사용하는 대부분의 장비들은 부피가 크고 전력 소모가 많다. 아나로그디바이스(ADI) 같은 반도체 제조기업은 칩 스케일로 이러한 측정 기능을 구현함으로써, 의료용 패치와 같은 제품을 만들 수 있게 해준다. 이러한 의료용 패치는 피부에 붙여 며칠 또는 몇 주 동안 배터리로 작동하면서 측정 결과를 스마트폰과 같은 호스트 장치에 무선으로 전송한다. 측정 결과는 이러한 호스트를 통해 클라우드 진단 서비스에 안전하게 업로드되며, 그런 다음 클라우드 진단 서비스가 원래의 전기 신호 스트림을 의학적으로 실행 가능한 데이터로 변환한다.
기술 전문성과 애플리케이션 노하우가 만나다
환자의 생체 신호를 모니터링 할 수 있는 웨어러블 스마트워치나 패치를 구현하도록 반도체와 컴퓨팅 시스템의 기능 요건을 기술하는 것과, 이러한 기술을 실제 제품에 사용하여 솔루션을 구현하는 것은 별개의 일이다.
아나로그디바이스는 의료 기술 혁신자들을 위한 우리의 서비스가 반도체 기술에서 시작하지만 거기서 끝나지 않는다는 것을 알고 있다. 그러한 이유로 우리는 의료 시장의 기술 전문가 및 분야별 전문가들과 함께 고객사를 지원한다.
의료 분야 전문가는 애플리케이션 요구사항과 시장을 특징짓는 규정 및 개인정보보호 같은 핵심 특징을 충분히 이해하고 있다. 복잡한 의료 제품을 개발하는 고객은 그들의 기술과 애플리케이션을 이해하는 전문가의 지원을 받을 때 보다 자유롭고, 성공에 대한 더 큰 확신을 갖고, 더 신속하게 혁신할 수 있다.
생체 신호 모니터링 분야에서 이러한 애플리케이션 전문지식은 개발 플랫폼에 의해 지원된다. 예를 들어 생체 신호 모니터링(VSM) 스터디 워치(study watch)는 다중 파라미터 오픈 개발 플랫폼이다. 편리한 웨어러블 폼팩터에 다양한 센서들을 탑재한 이 워치는 생체의학 알고리즘 개발에 사용할 수 있는 일련의 연속적인 생체 신호 측정 결과를 제공한다.
그림 1. 아나로그디바이스가 제작한 VSM 스터디 워치 개발 플랫폼
VSM 스터디 워치는 PPG 및 ECG를 구현하여 심박수와 심박 변이를 측정한다. 내장된 MEMS 가속계는 걸음수를 측정하며, 동작 잡음에 민감한 알고리즘을 향상시키고 알리는 데 사용된다. 이 워치의 센서는 체온과 임피던스를 측정한다. 이 값들은 스트레스와 체성분을 모니터링하기 위한 알고리즘에 사용되는 값이다. 이러한 기능은 의료 및 학술 기관에서 수행하는 연구를 지원하여 원격 환자 모니터링을 위한 새로운 사용 사례를 평가할 수 있게 한다.
환자 모니터링 작업을 병원에서 분리함으로써 얻게 되는 보상은 명백하다. 센서, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 디지털 신호 프로세서(DSP) 같은 정밀한 저전력 초소형 부품을 기반으로 한 아나로그디바이스의 견고한 VSM 워치 및 기타 이와 같은 개발 플랫폼은 혁신적인 의료 기기 제조회사들이 미래의 모니터링 장치를 제작할 수 있는 토대를 마련한다.
저자 소개
주세페 올리바도티(Giuseppe Olivadoti)는 2000년에 아나로그디바이스에 입사했다. ADI에서 엔지니어링, 세일즈, 비즈니스 리더십 분야의 다양한 직책을 거쳐 현재 디지털 헬스케어 사업부의 마케팅 및 애플리케이션 디렉터로 재직 중이다. 이에 앞서 유럽과 미국에서 세일즈 리더십 직책을 맡았다. 노스이스턴 대학에서 전기공학 학사학위를, 피닉스대학에서 경영학 석사학위를 받았다. 현재 보스턴 지역에 살고 있다. 문의: giuseppe.olivadoti@analog.com.
휴대용 또는 웨어러블 모니터링 기기와 현장 진료 의료 장비를 사용하는 새로운 접근 방법은 환자의 예후를 향상시키고 공공 의료기관의 업무 부담을 줄여줄 것으로 보인다.
코로나바이러스감염증-19(COVID-19)를 유발하는 SARS-CoV-2의 출현이 의료 혁신에 새로운 자극을 주고 있지만, 의료 서비스 제공 방식은 팬데믹 이전부터 이미 대대적인 전환이 이루어져 왔다. 2020년 팬데믹 이전에는 선진국의 고령화 문제, 어디서나 이용할 수 있는 모바일 광대역 연결 기술, 정교한 센서 기술의 발달은 환자의 모니터링 및 진단을 위한 개인용 디지털 의료기기 또는 원격 의료기술의 채택을 촉진했다. 그러다 팬더믹 이후 한정된 병원 시설에 대한 수요가 늘어나면서 의료 서비스 사업자들은 병원 밖에서 테스트와 모니터링을 할 수 있는 새로운 기술 구현을 가속화하고 있다. 이제는 센서 기술의 혁신 덕분에, 일반 가정에서 임상 수준의 정확도로 생체 신호를 측정하고, 현장 진료에서 검체를 테스트할 수 있게 됨으로써, 멀리 있는 실험실로 샘플을 처리하러 보낼 필요가 없어졌으며 신속한 진단을 위해 더 빠른 결과를 얻을 수 있게 되었다.
이는 수십 년 간 이어져 온 표준 의료 운영 절차와의 결별을 의미한다. 전통적인 의료 모델에서는 증상이 분명해지면 환자가 병원을 찾거나 매년 정기 검진을 받기 위해 병원을 방문하여 한 번에 일련의 테스트를 받아야 했다. 이러한 테스트는 종종 실험실 분석을 거치고 난 후 진단이나 건강 평가가 내려진다. 많은 경우 이러한 진단은 초진 후 한참 시간이 걸리며, 환자의 상태에 대한 한 장의 촬영 사진에 기초한다.
이러한 접근 방법은 생체 신호와 증상을 모니터링하는 데 필요한 정교한 장비가 부족하거나, 병원이나 기타 전담 의료 시설에서만 장비 사용이 가능한 경우에만 타당하다.
새로운 의료 감지 기술의 발달은 의학 치료에 대해 근본적으로 다른 개념을 갖게 만들었다. 환자 모니터링에 대한 새로운 접근 방법은 병원에서 사용하는 고정식 대형 의료 모니터링 장비 대신 다음과 같은 특징을 갖는 장치를 사용한다:
? 작거나 착용 가능하다
? 전력 소모가 매우 적어 배터리로 작동할 수 있다
? 정확한 임상 수준의 측정을 제공한다
이는 의료 모니터링과 테스트를 중대형 병원이 아닌, 일반 병원이나 지역 의원, 심지어 환자의 가정에서도 시행할 수 있게 한다. 환자 입장에서 볼 때 더욱 편리한 것은, 패치와 같은 웨어러블 기기는 크게 신경 쓰지 않아도 지속적으로 작동하므로 어디서나 24시간, 일주일 내내 모니터링이 가능하다는 점이다.
일상생활에서 모니터링을 통한 진단 향상
새로운 원격 모니터링 기술을 구현하려는 동기 중에는 자원 부족 문제도 포함된다. 2020년에 COVID-19 감염이 절정을 이뤘을 때 환자들이 한꺼번에 병원에 몰린 사례는 급성 환자 치료에 대한 수요 증가로 인해 의료 시스템이 빠르게 포화될 수 있다는 것을 입증했다. 따라서 생체 신호 모니터링이 필요한 환자를 병원의 병상이 아닌 진료소나 환자의 가정으로 재배치하는 것은 장기적으로도 합리적인 전략이다.
그리고, 그와 마찬가지로 중요한 또 다른 점은, 휴대용 또는 웨어러블 장치를 이용한 모니터링이 보다 유용한 데이터를 제공하고 심지어 더 나은 예후를 가져다 줄 수도 있다는 것이다. 새로운 의료 모니터링 기술은 심박수, 심박 변이, 혈중산소포화도(SpO2), 체온과 같은 보다 확장된 생체 신호들을 추적할 수 있게 해준다. 지속적인 모니터링을 통해 경향과 패턴을 발견할 수 있는데, 이는 의료진이 환자와 시간을 예약해서 촬영한 한 장의 의료 영상으로는 알아낼 수 없는 정보들이다. 여기에 인공 지능(AI) 진단 기술을 결합한 개발은 데이터 스트림 모니터링을 자동화할 수 있다는 것을 의미한다.
이 AI 기반 방법은 환자의 담당 의사가 데이터에 매몰될 필요 없이, 기술을 사용하여 생체 신호의 패턴을 모니터링하고 의사의 개입이 필요할 때만 플래그를 생성한다. 질병으로 악화할 수 있음을 나타내는 전조 신호를 찾아냄으로써 환자와 의료진은 투약, 생활 방식 또는 식생활을 바꾸도록 협력함으로써, 응급실 방문으로 이어질 수 있는 상황을 미연에 방지한다.
또한 가정이나 현장 진료 시설에서 시행하는 모니터링은 병원 병동의 인위적이고 종종 스트레스를 주는 환경이 아닌 실생활에서 생활하는 환자의 건강 상태에 대한 정보를 알려준다. 최신 다중 파라미터 웨어러블 센서는 생체 신호를 환자가 활동 중 또는 수면 중 같은 다른 측정 지표들과 결합함으로써, 환자의 생활 방식의 맥락에서 의료 데이터를 파악한다.
반도체 기술 애플리케이션의 새로운 돌파구
이러한 새로운 환자 모니터링 방식의 도입은 21세기의 반도체 기술과 컴퓨터 과학의 일련의 발전 결과이다.
광전자공학 분야에서 광혈류측정(PPG)을 수행할 수 있는 광 센서 솔루션이 개발되었다. PPG는 비침습적 광학 방법을 활용하여 심박수, 호흡수, SpO2를 계산한다. 이와 유사하게 초소형 MEMS 모션 센서는 운동 세션과 수면 품질과 같은 환자의 활동을 측정하여 맥락적으로 생체 신호를 파악한다.
병원에서 생체 신호 모니터링을 위해 사용하는 대부분의 장비들은 부피가 크고 전력 소모가 많다. 아나로그디바이스(ADI) 같은 반도체 제조기업은 칩 스케일로 이러한 측정 기능을 구현함으로써, 의료용 패치와 같은 제품을 만들 수 있게 해준다. 이러한 의료용 패치는 피부에 붙여 며칠 또는 몇 주 동안 배터리로 작동하면서 측정 결과를 스마트폰과 같은 호스트 장치에 무선으로 전송한다. 측정 결과는 이러한 호스트를 통해 클라우드 진단 서비스에 안전하게 업로드되며, 그런 다음 클라우드 진단 서비스가 원래의 전기 신호 스트림을 의학적으로 실행 가능한 데이터로 변환한다.
기술 전문성과 애플리케이션 노하우가 만나다
환자의 생체 신호를 모니터링 할 수 있는 웨어러블 스마트워치나 패치를 구현하도록 반도체와 컴퓨팅 시스템의 기능 요건을 기술하는 것과, 이러한 기술을 실제 제품에 사용하여 솔루션을 구현하는 것은 별개의 일이다.
아나로그디바이스는 의료 기술 혁신자들을 위한 우리의 서비스가 반도체 기술에서 시작하지만 거기서 끝나지 않는다는 것을 알고 있다. 그러한 이유로 우리는 의료 시장의 기술 전문가 및 분야별 전문가들과 함께 고객사를 지원한다.
의료 분야 전문가는 애플리케이션 요구사항과 시장을 특징짓는 규정 및 개인정보보호 같은 핵심 특징을 충분히 이해하고 있다. 복잡한 의료 제품을 개발하는 고객은 그들의 기술과 애플리케이션을 이해하는 전문가의 지원을 받을 때 보다 자유롭고, 성공에 대한 더 큰 확신을 갖고, 더 신속하게 혁신할 수 있다.
생체 신호 모니터링 분야에서 이러한 애플리케이션 전문지식은 개발 플랫폼에 의해 지원된다. 예를 들어 생체 신호 모니터링(VSM) 스터디 워치(study watch)는 다중 파라미터 오픈 개발 플랫폼이다. 편리한 웨어러블 폼팩터에 다양한 센서들을 탑재한 이 워치는 생체의학 알고리즘 개발에 사용할 수 있는 일련의 연속적인 생체 신호 측정 결과를 제공한다.
그림 1. 아나로그디바이스가 제작한 VSM 스터디 워치 개발 플랫폼
VSM 스터디 워치는 PPG 및 ECG를 구현하여 심박수와 심박 변이를 측정한다. 내장된 MEMS 가속계는 걸음수를 측정하며, 동작 잡음에 민감한 알고리즘을 향상시키고 알리는 데 사용된다. 이 워치의 센서는 체온과 임피던스를 측정한다. 이 값들은 스트레스와 체성분을 모니터링하기 위한 알고리즘에 사용되는 값이다. 이러한 기능은 의료 및 학술 기관에서 수행하는 연구를 지원하여 원격 환자 모니터링을 위한 새로운 사용 사례를 평가할 수 있게 한다.
환자 모니터링 작업을 병원에서 분리함으로써 얻게 되는 보상은 명백하다. 센서, 아날로그-디지털 컨버터(ADC), 디지털 신호 프로세서(DSP) 같은 정밀한 저전력 초소형 부품을 기반으로 한 아나로그디바이스의 견고한 VSM 워치 및 기타 이와 같은 개발 플랫폼은 혁신적인 의료 기기 제조회사들이 미래의 모니터링 장치를 제작할 수 있는 토대를 마련한다.
저자 소개
주세페 올리바도티(Giuseppe Olivadoti)는 2000년에 아나로그디바이스에 입사했다. ADI에서 엔지니어링, 세일즈, 비즈니스 리더십 분야의 다양한 직책을 거쳐 현재 디지털 헬스케어 사업부의 마케팅 및 애플리케이션 디렉터로 재직 중이다. 이에 앞서 유럽과 미국에서 세일즈 리더십 직책을 맡았다. 노스이스턴 대학에서 전기공학 학사학위를, 피닉스대학에서 경영학 석사학위를 받았다. 현재 보스턴 지역에 살고 있다. 문의: giuseppe.olivadoti@analog.com.
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