첨단 센서가 웨어러블 헬스케어 기술을 강화: 심박수부터 체온 정확도까지

웨어러블 기술과 의료 기기의 시너지는 애플 워치 시리즈 4가 다양한 심장 모니터링 기능으로 FDA(미 식품의약국) 승인을 받으며 명확히 입증되었다. AR(증강현실)과 VR(가상현실) 기능을 탑재한 히어러블(hearable) 설계에서도 유사한 이야기가 전개되고 있다.

이 애플리케이션에서 미세한 센서들은 유무선 통신과 함께 심리적 요인과 기타 지표를 기록하여 이상 징후와 예기치 못한 상황을 식별한다. 그러나 고도로 소형화된 의료용 웨어러블 기기는 체온과 심박수 같은 인체 생체 지표 측정에서 더 높은 정확도를 요구하므로 센싱 능력의 대폭적인 향상이 필요하다.

개인이 착용하여 건강 및 피트니스 정보를 기록하는 웨어러블 의료 센서는 혈압, 심장박동, 기타 대사 활동 같은 신체 신호를 모니터링할 수 있다. 이러한 웨어러블 센서는 신체의 생물학적·심리적 변화에 대한 중요한 정보를 제공하면서 심혈관, 신경, 폐 질환(천식, 고혈압 등)의 지속적인 치료를 모니터링한다.

그림 1: 첨단 모니터링 시스템 구축에 중요한 의료 등급 센서 (이미지: ams)

이 글은 웨어러블 헬스케어 기기 개발자가 휴대용 설계에 미세 센서를 선택하고 통합할 때 고려해야 할 세 가지 주요 설계 고려사항을 다룬다. 과정은 센서 디바이스의 민감도와 정확도에서 시작된다.

센서 측정의 정확도

정확도는 전반적으로 센서의 최우선 고려사항이지만, 웨어러블 기기는 작고 신체에 착용되기 때문에 특별한 설계 과제를 안고 있다. 열적 자가 발열과 지속적인 신체 접촉으로 인해 체온, 심박수, 혈중 산소 포화도(SpO₂) 같은 바이탈 사인 측정 정확도에 영향을 받을 수 있다.

ams의 AS7026 광학 센서(그림 1)는 정교한 알고리즘을 사용하여 피트니스 트래커와 스마트워치에서 심박수, 심박 변이도, 심전도(ECG), 혈압 측정의 정확도를 보장한다.

센서 IC 제조사들은 이러한 과제를 해결하기 위해 발전하고 있다. 예를 들어, 로옴 세미컨덕터(Rohm Semiconductor)의 BH1790GLC 심박수 모니터링용 광학 센서는 스포츠 밴드와 스마트워치 같은 웨어러블 기기에 최적화되어 LED 밝기가 낮아도 맥파를 고정밀도로 감지할 수 있게 하여 감도를 향상시켰다.

또한 맥심 인터그레이티드(Maxim Integrated)의 MAX30208 디지털 온도 센서는 열적 자가 발열을 제거하면서 30°C~50°C 범위에서 ±0.1°C 정확도를 제공한다. 이 임상 등급 온도 센서는 주변광을 제거하여 정확도를 높이고, 모션 보상 알고리즘을 사용하여 측정 정확도를 향상시킨다.

웨어러블 센서의 전력 딜레마

스마트워치와 스포츠 밴드에 심박수 모니터링을 통합하는 것은 제한된 배터리 용량으로 인해 과제였다. 즉, 심박수 모니터링용 광학 센서는 웨어러블 기기의 동작 시간을 연장하기 위해 전력 소비를 대폭 줄여야 한다.

맥심 인터그레이티드의 MAXM86161 인이어(in-ear) 심박수 모니터 및 맥박 산소 측정기를 예로 들어보자. 이 센서는 아날로그 프론트엔드(AFE)와 통합되어 별도 칩과 광학 모듈 연결이 필요 없다. 맥심은 MAXM86161이 가장 가까운 경쟁 제품보다 약 35% 적은 전력을 소비하며, 동작 모드에서 10µA 미만, 셧다운 모드에서 1.6µA를 기록한다고 주장한다.

여기서 중요한 점은 의료용 웨어러블 시장을 위한 센서에서 에너지 절약과 소형화는 함께 간다는 것이다. MAXM86161 인이어 심박수 모니터는 2.9×4.3×1.4mm OLGA 패키지로 제공되며 적색, 적외선(SpO₂용), 녹색(심박수용) 3개의 LED를 포함한다.

더 작고 가볍고 덜 거슬리는 바이오포텐셜 AFE 칩은 심장 모니터링 기기에서 환자가 착용하기 불쾌하지 않고 배터리 수명이 길어지도록 보장한다. 아나로그 디바이시스(ADI)의 AD8233 칩은 일반적인 휴지 전류 50µA를 특징으로 하여 전력 소비를 마이크로암페어 수준으로 낮춘 ECG 프론트엔드로 설계되었다.

의료용 웨어러블을 위한 센서 플랫폼

다른 휴대용 설계와 마찬가지로 모듈형 센서 플랫폼이 의료용 웨어러블을 위한 즉시 사용 가능한 솔루션을 제공한다. 예를 들어, 아이프롯시(iProtoXi)의 Aistin Blue 개발 키트는 피트니스 및 활동 추적용 애플리케이션 샘플과 함께 제공된다. 이 키트는 현재 로옴 세미컨덕터의 일부인 키오닉스(Kionix)의 최신 센서를 통합한다. 키트에는 센서 구성과 데이터 수집을 간소화하는 키오닉스 윈도우 센서 평가 소프트웨어가 포함된다.

또 다른 예는 맥심 인터그레이티드의 MAXREFDES101 헬스 센서 플랫폼 2.0(그림 2)로, 체온, 심박수, ECG의 정확한 모니터링을 위한 신속한 프로토타이핑, 평가, 개발을 지원한다. 이 플랫폼은 디스플레이, 배터리, 마이크로 보드, 센서 보드를 수용하는 시계 인클로저로 구성된다.

그림 2: ECG, 심박수, 체온 측정을 위한 손목 착용형 기기용 센서 집약 플랫폼 (이미지: 맥심 인터그레이티드)

센서 보드에는 광학 센서, 통합 바이오포텐셜 및 바이오임피던스 AFE, 온도 센서, 생체인식 센서 허브가 포함된다. 여기서 MAX32664 생체인식 센서 허브는 임베디드 펌웨어와 알고리즘을 제공하고 광학 센서와의 원활한 통신을 가능하게 하여 개발 과정을 간소화한다.

헬스 센서 플랫폼 2.0은 스포츠 워치부터 ECG 모니터, 피트니스 트래커까지 다양한 웨어러블 설계를 지원한다. 또한 개발자가 자체 분석과 온보드 알고리즘 평가를 수행할 수 있게 한다.

센서 알고리즘의 역할

스마트워치, 피트니스 트래커, 기타 의료용 웨어러블 내의 바이오센서는 다양한 건강 파라미터를 모니터링하는 데 매우 정확해야 한다. 가장 일반적인 바이오센서 유형 중 하나인 광학 센서가 좋은 예다. 이 센서는 결광원과 비결광원과 상호작용하며, 흡수, 반사, 산란 또는 분산되어 센서 신호 정확도를 변경시킬 수 있다.

따라서 광학 센서는 주변광 제거와 기타 모션 제거 과제를 적절히 해결하는 바이탈 사인 모니터링 알고리즘과 통합되어 제공된다. 둘째, 앞서 언급했듯이 의료 센서는 매우 작은 폼팩터를 제공하여 초소형 웨어러블에 잘 맞고 최소 전력을 소비해야 한다.

마지막으로, 레퍼런스 디자인과 개발 키트의 가용성은 웨어러블 설계 엔지니어의 개발 작업을 수개월 단축시키면서 새로운 센서의 간편한 통합을 위한 첨단 도구를 제공한다. 이 모든 것이 웨어러블 센서의 첨단 모니터링 시스템 채택과 함께 지금 일어나고 있다.