△ 신개념 웨어러블 의료기기 기술이 잇따라 등장하고 있다.

국내에서 건강 상태를 모니터링할 수 있는 웨어러블 의료기기 기술이 잇따라 개발됐다.

22일 의료계 등에 따르면 생체·행동데이터로 불면증 진단법, 당뇨발을 실시간 진단하는 스마트 드레싱 패치, 24시간 비침습 안압 모니터링 시스템의 개발에 성공했다.

고려대 안암병원 정신건강의학과 조철현 교수팀은 최근 19~70세 성인 338명을 대상으로 연구한 결과 웨어러블 기기와 스마트폰 애플리케이션에서 수집한 생체·행동 데이터를 바탕으로 불면증 증상군을 분류하고 그 임상적 의미를 해석했다.

연구팀은 불면증 심각도 지수(Insomnia Severity Index, ISI)에 따라 249명을 불면증군, 89명을 대조군으로 분류하고 참가자들이 4주 동안 웨어러블 기기와 스마트폰 애플리케이션을 사용하도록 했다. 

웨어러블 기기에서는 심박수, 걸음 수, 이동 거리, 운동 시간, 수면 지표 등이 자동으로 수집됐으며, 스마트폰 애플리케이션을 통해 스트레스, 카페인, 음주, 낮잠 등 일상생활 요인도 함께 기록됐다.

연구팀은 총 120개의 디지털 표현형 특성을 추출해 다양한 기계학습 모델을 비교했다. 

분석 결과 120개의 특성 중, 60개 특성을 사용한 LightGBM 모델이 가장 우수한 성능을 보였으며, 불면증 분류에서 F1 점수 0.868을 기록했다. 

F1 점수는 인공지능 모델이 불면증군을 놓치지 않고 찾아내는 능력과, 불면증군이라고 예측한 결과가 실제로 맞는 정도를 함께 반영한 지표다. 1에 가까울수록 성능이 좋다.

특히 연구팀은 설명가능 인공지능(XAI: eXplainable AI) 기법인 SHAP 분석을 통해 모델이 어떤 요인을 근거로 불면증을 예측하는지 확인했다. SHAP은 인공지능이 어떤 요인을 근거로 판단했는지 보여주는 분석 방법이다. 분석 결과 심박수 일주기 리듬의 최고점이 지연되는 양상, 높은 주관적 스트레스, 심박수 관련 변화 등이 주요 예측 요인으로 나타났다.

심박수 일주기 리듬의 최고점이 지연된다는 것은 수면과 각성의 리듬이 어긋나서 뒤로 밀려있거나, 밤이 되어도 몸이 충분히 안정되지 않는 상태일 수 있다. 연구팀은 이러한 변화가 불면증에서 관찰되는 생체 리듬 불균형을 반영할 가능성이 있다고 해석했다.

연구팀은 심박수 일주기 위상의 지연이 수면-각성 리듬의 불균형을 반영할 수 있으며 높은 스트레스와 심박수 관련 특징은 불면증의 핵심 병태생리 중 하나인 '과각성(hyperarousal)' 상태와 연결될 수 있다고 해석했다.

동시에 연구팀은 일부 웨어러블 기반 수면 지표가 기존 임상 지식과 상반되는 양상을 보일 수 있다는 점도 확인했다. 

이는 웨어러블 기기와 인공지능 모델을 임상 현장에 적용할 때 단순한 수치나 예측 결과만으로 판단해서는 안 되며 임상의의 해석과 임상적 타당성 검증이 반드시 병행되어야 함을 보여준다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 박인규 석좌교수팀은 최근 한밭대 하지환 교수, 한국기계연구원 정준호 연구원, 미국 캘리포니아공과대 웨이 가오 교수와 함께 여러 생체 정보를 동시에 측정할 수 있는 광전자(빛과 전기 신호를 함께 활용하는 기술) 센서와 기능성 드레싱을 결합한 '무선·무전원 기반 광전자 다중 모달 센서 패치'를 개발했다.

연구팀은 전기장을 이용해 머리카락보다 훨씬 가는 섬유를 만드는 전기방사 공법으로 기능성 나노섬유 드레싱을 제작했다. 이 드레싱은 당뇨발 환부에서 나타나는 포도당 증가와 산성도 변화에 반응해 색상이 변한다.

즉, 상처 상태가 악화하면 드레싱 색이 달라져 위험 신호를 육안으로도 쉽게 확인할 수 있는 것이다. 이를 통해 조직 괴사로 이어질 수 있는 이상 징후를 비침습적(피부를 절개하거나 채혈하지 않는 방식)으로 감지하고 장기간 추적 관찰할 수 있다.

연구팀은 여기에 광전자 시스템을 결합해 진단 정확도를 높였다.

패치에 내장된 유기발광다이오드(LED·전기를 빛으로 바꾸는 반도체 소자)와 빛을 감지하는 반도체 센서인 포토다이오드가 드레싱의 색 변화를 빛의 반사율로 측정한 뒤 이를 전기 신호로 변환한다.

이는 일반 카메라 촬영 방식보다 주변 조명 변화 영향을 덜 받아 더욱 정확하고 안정적인 데이터를 제공한다고 연구팀은 설명했다.

특히 해당 패치는 근거리무선통신(NFC·짧은 거리에서 데이터를 주고받는 무선 통신 기술) 기반 유연 회로를 적용해 별도의 배터리 없이 작동한다.

스마트폰을 센서 가까이 대면 무선으로 전력을 공급받아 작동하며, 측정된 데이터를 실시간으로 전송한다. 환자와 의료진은 별도의 복잡한 장비 없이 스마트폰 앱만으로 상처 상태를 즉시 확인하고 대응할 수 있다.

연구팀은 이번 기술은 향후 당뇨뿐만 아니라 다양한 만성질환의 무채혈 진단 기술로 확장될 수 있는 핵심 원천기술이 될 것으로 기대했다.

한양대학교 비욘드(Beyond)-G 글로벌 연구센터 유형석 교수(바이오메디컬공학과)팀은 최근 의과대학 안과학교실 김유정 교수팀이 차세대 무선 통신 기술을 활용한 '비침습적  안압 모니터링 시스템'을 개발했다.

연구팀이 개발한 시스템은 콘택트렌즈 플랫폼에 세르펜틴 스트레인 게이지(Serpentine Strain Gauge)와 2.45GHz ISM(산업·과학·의학) 대역 안테나를 결합한 형태다.

사용자가 렌즈를 착용하면 눈의 미세한 변화를 감지해 안압을 측정하고 측정 데이터는 스마트폰이나 노트북으로 실시간 전송된다. 이를 통해 환자는 별도의 병원 검사 없이도 자신의 안압 변화를 지속적으로 확인할 수 있다.

특히 연구팀은 기존 웨어러블 의료기기의 한계로 꼽혀온 배터리 문제 해결에도 성공했다고 설명했다. 고성능 안테나 시스템을 적용해 고속 데이터 전송과 안정적인 전력 공급을 동시에 구현하면서 별도 배터리 교체 없이 연속 모니터링이 가능하도록 했다.

또 환자가 움직이거나 눈을 깜박이는 상황에서도 데이터 전송이 끊기지 않도록 설계됐으며, 최대 3m 거리까지 안정적인 통신 성능을 확보했다. 전파인체흡수율(SAR) 분석에서도 국제 안전 기준을 충족해 생체 적합성 도 입증했다.

연구팀은 안압 변화에 민감한 환자들에게 실질적인 의료 혜택을 제공할 수 있을 것으로 기대했다.

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