△ 생체신호 수집 기술이 잇따라 개발됐다.

국내에서 건강 상태를 모니터링 할 수 있는 웨어러블 의료기기 기술을 잇따라 개발해 상용화가 기대되고 있다.

25일 의료계 등에 따르면 국내 연구팀은 최근 실시간 생체신호 모니터링 시스템, 초저전력 뉴로모픽 기반 일체형 AI 디스플레이 소자 플랫폼, 스마트워치로 우울증 예측 기술 등을 개발했다.

전북대학교 신소재공학부 전자재료공학전공 이한얼 교수팀은 최근 국립금오공과대학교, 미국 코넬대학교 연구팀들과 함께 3차원(3D) 다공성 그래핀을 활용한 실시간 생체신호 모니터링 시스템을 개발했다.

기존 그래핀 제조 방식은 비용이 높고 생산 과정이 복잡하며 원하는 성능을 얻기가 어려워 상용화가 쉽지 않았다.

연구팀은 플래시광을 조정하는 방법을 최적화해 고순도·고전도성을 갖춘 3D 다공성 그래핀을 단시간 내에 합성할 수 있게 됐다.

이 기술로 만들어진 그래핀은 기존보다 표면적이 넓고, 생체 신호 감지 능력이 우수해 웨어러블 센서로 활용할 때 우수한 감지 성능을 제공한다.

연구팀은 이를 활용해 피부에 부착해 실시간 생체신호를 모니터링할 수 있는 웨어러블 생체신호 모니터링 센서를 개발했다.

이 센서는 피부에 부착해 신체 움직임, 체온, 땀 속 이온 변화를 정밀하게 감지할 수 있으며 의료기기나 헬스케어 디바이스에 적용할 수 있고 다른 전자소자와도 집적되어 다양한 분야로의 적용이 가능하다.

이번 연구로 개발된 기술은 웨어러블 기기뿐만 아니라 의료, 스포츠, 재활 치료 등 다양한 분야에서 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

예를 들어 당뇨병 환자의 땀 속 혈당 변화를 실시간으로 측정하는 센서나 환자의 체온 변화를 지속적으로 모니터링하는 의료용 패치에도 적용할 수 있다.

운동선수들의 근육 움직임과 피로도를 분석하는 스포츠 센서로도 유용하게 쓰일 수 있다.

연구팀은 플래시광을 이용한 저차원 소재 합성 기술을 더욱 발전시켜 웨어러블 전자소자의 활용 범위를 넓혀갈 계획이다.

연세대 박철민 교수와 고려대 왕건욱 교수팀은 최근 센서-시냅스-디스플레이 기능을 단일 소자로 융합한 '초저전력 뉴로모픽 기반 일체형 AI 디스플레이 소자 플랫폼'을 개발했다.

연구팀은 생체 신경망을 모방한 '뉴로모픽 기술'과 데이터를 단말기에서 실시간 처리하는 '엣지 컴퓨팅 방식'을 적용해 전기화학발광 이온겔(반고체 상태의 물질의 전해질 소재)과 유기 전기화학 트랜지스터를 단일 소자로 융합한 초저전력 AI 디스플레이 소자를 구현했다. 

이 소자는 센서-시냅스-디스플레이 기능이 집적된 뉴로모픽 기반 소자로, 입력 자극을 인공신경망을 통해 실시간 학습해 판단하고 결과를 빛의 강도와 색상으로 출력하는 AI 기기다.

이 소자는 1와트 수준의 전력을 소모해 스마트워치에 비해 약 3만 배 적다고 연구팀은 설명했다.

연구팀은 이 소자를 활용해 신체 모니터링이 가능한 뉴로모픽 웨어러블 플랫폼으로 구현해 관절 재활에 적용했다.

동작할 때마다 빨강, 초록, 파랑 불빛이 점점 밝아지는 표시를 통해 모니터링이 가능했다. 

또 심장 이상 패턴도 분석해 정상일 때는 빨간색, 경미한 이상은 초록색, 심각한 이상은 파란색 등으로 디스플레이에 구현됐다.

연구팀은 이번 연구를 통해 기존 웨어러블 시스템의 높은 전력 소모와 복잡한 구조적 한계를 극복했으며 건강 상태 모니터링뿐만 아니라 스마트 센서, 사물인터넷(IoT) 기반 AI 디바이스 등 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 내다봤다.

한국과학기술원(KAIST) 뇌인지과학과 김대욱 교수팀은 최근 미국 미시간대 수학과 대니엘 포저 교수팀과 함께 스마트워치(손목시계형 웨어러블 기기)에서 수집된 활동량·심박수 등 데이터를 통해 우울증 관련 증상을 예측하는 기술을 개발했다.

연구팀은 멜라토닌 호르몬 농도의 24시간 변화를 추정할 수 있는 시계열 분석 기법을 이용, 웨어러블 기기로 측정된 심박수와 활동량 데이터를 바탕으로 생체시계의 일주기 리듬을 분석하는 데 성공했다.

디지털 트윈 기술(Digital Twin·현실 세계의 기계, 장비, 사물 등을 가상 세계에 구현한 기술)을 통해 뇌 속 중심시계와 심장 생체시계(말초시계) 간 비 동기화를 시뮬레이션해 냈다.

잦은 야근이나 교대 근무 등으로 인한 중심시계와 수면 각성 주기 사이의 비 동기화는 도파민 등 호르몬 시스템 교란을 일으키며, 이는 인지능력과 행복감 감소 등 문제로 이어진다.

연구팀은 실제 미시간대 신경과학 연구소 스리잔 센 교수, 정신건강의학과 에이미 보너트 교수 연구팀과 협업해 800명의 야간 교대 근무자를 대상으로 대규모 전향 코호트(동일 집단) 연구를 수행했다.

연구 결과 연구팀이 개발한 디지털 바이오마커가 내일의 기분은 물론 우울증의 대표적인 증상인 수면 문제, 식욕 변화, 집중력 저하 등 6가지 증상을 예측할 수 있음을 확인했다.

연구팀은 이번에 개발한 비침습적인 정신건강 모니터링 기술을 사회적 약자를 대상으로 한 정신건강 관리에 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

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• 강찬우 기자
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