IoMT로 심장 치료 혁신: 지속적 모니터링으로 더 나은 결과 도모

미국 질병통제예방센터(CDC)에 따르면 미국에서 매년 약 61만 명이 심장병으로 사망 - 4명 중 1명꼴. 심장 건강은 개인의 전반적 건강에서 가장 중요한 지표 중 하나. 의료 사물 인터넷(IoMT)이 웨어러블, 다중 파라미터, 지속적 심장 모니터링 시스템 신세대 구현해 병원, 클리닉, 환자 케어, 가정 등 다양한 환경에서 헬스케어 관리 개선.

IoMT 아키텍처: 3대 핵심 요소

IoMT는 의료 기기와 서비스가 데이터를 수집·분석해 의료 제공자에게 전송하는 연결 인프라. 현재 센서로 온도, 습도, 진동 측정, 제한적 심장 질환 식별 알고리즘 포함.

차세대 설계는 더 넓은 범위 부정맥 식별 위해 더 스마트하고 복잡한 알고리즘으로 파라미터 추가 추진. 예: 몇 개 초소형 IC 탑재한 보이지 않는 밴드 같은 일회용 "패치"가 피부에 편안하게 장시간 부착돼 심장 건강 모니터링·관리.

커넥티드 심장 모니터링 시스템 3대 요소:

• 웨어러블 무선 센서 노드(들)
• 데이터 관리 서비스
• 클라우드 기반 분석 플랫폼

ECG 센서 노드와 데이터 관리

심전도(ECG) 센서 노드(예: ECG 패치, 심박 모니터링 전도성 의류)와 데이터 관리 서비스가 웨어러블 기기에서 심장 데이터 수집해 데이터센터로. 센서 노드는 일반적으로 전극(습식/건식) 최대 3개 부착된 1-3 리드 ECG 모니터링 기기.

클라우드 플랫폼이 복잡한 알고리즘과 AI 엔진으로 심장 데이터 수집·분석, 잠재적 비정상 심장 기능 식별. 결과 환자 의료 기록에 추가, 담당 의료기관과 심장전문의 활용 가능.

아날로그 프론트엔드(AFE): 신호 컨디셔닝 경로

ECG 신호 컨디셔닝 경로(그림 1)에 아날로그 단계 포함: 아날로그 파형 감지, 증폭, 정제. ECG 신호 진폭 수백 µV~약 5mV 범위. AC 라인에서 커플링된 저주파(50/60Hz) 노이즈, 신체 근육 고주파 노이즈, 근접 장비 RF 노이즈 포함. 웨어러블 경우 모션 아티팩트로 ECG 베이스라인 바람직하지 않은 변동 발생.

따라서 고도 복잡한 AFE가 ECG 신호 정제·디지털화에 주로 사용. AFE 구성:

• EMI 필터: RF 노이즈 제거
• 하이패스 필터(일반적 0.5Hz 코너): 베이스라인 변동 제거
• 로우패스 필터(일반적 150Hz 코너): 대역외 신호 필터링
• 노치 필터: 50/60Hz 노이즈 필터링
• 저잡음 프로그래머블 계측 증폭기: 신호 증폭
• ADC: 샘플링 데이터 후처리 위해 디지털화

AFE 핵심 요건: 환자 ECG 파형 특성을 신호 경로 전반에서 유지. 모든 동작 조건에서 노이즈와 부정확성(이득 오차, 오프셋 오차 등) 영향 최소화로 달성.

고성능 MCU: 후처리·하우스키핑

다음 단계는 디지털화된 ECG 데이터 후처리 및/또는 하우스키핑용 마이크로컨트롤러(MCU). 웨어러블 모니터링 기기 유형에 따라 샘플링된 원시 ECG 데이터가 즉석 분석돼 일반적인 심장 부정맥 감지 후 시스템 비휘발성 메모리에 저장, 또는 기기 수명 종료 시 오프라인 분석용으로 메모리 저장.

전자 방식이 최신 일회용 웨어러블 ECG에서 채택, DSP 엔진과 더 큰 코드/데이터 저장 메모리 갖춘 고성능 MCU 필요. 여러 일반 부정맥 즉석 정확 감지 외 더 많은 원시 데이터 저장 위해. 추가 요건: 소형 풋프린트 전자회로, 정밀 AFE, 저전력 소비.

추가 메모리와 고성능 MCU는 전력 성능과 다이 크기 과제 야기. 첨단 저전력 공정 노드와 작은 셀 지오메트리 활용, 시스템 레벨 효율적 전력 관리 스킴 위한 전력 관리 기능 포함으로 해결 필요.

시스템 MCU는 동작 주파수당 낮은 소비(50µA/MHz 이상) 필요, 유연한 시스템 레벨 전력 관리 위한 확장 가능한 주파수 갖춘 다양한 동작 모드 포함. 일반적인 방법: 시스템 커스텀 독점 사용 모델 기반 프로파일로 MCU "온/오프" 사이클링.

무선과 MCU가 시스템 전력 소비 지배하므로 사용 최소화 필수. 전력 사이클링 중 소비 제한 위해 MCU는 대기 모드에서 서브-마이크로암페어 전류 소비, 대기에서 정상 동작 모드 전환 시간 매우 빠름(수 마이크로초 이하)으로 스위칭 전력 손실 최소화 필요.

최신 AFE는 지속 동작 시 낮은 전력 소비(일반적 100µW 이하) 필요, 아날로그 신호 경로 외 전용 저전력 디지털 신호 처리 회로(예: R-R 피크 주기 측정) 포함으로 MCU 신호 처리량 감소. 향상된 진단, 활력 징후 파라미터 모니터링, 추가 신호 측정(예: Bio-Z) 등이 AFE 복잡도 증가 요인.

초저전력 연결

ECG 센서 노드 신호 경로 마지막 단계: 스마트폰이나 커스텀 센서 허브 같은 게이트웨이와 통신 위한 저전력 무선 연결. 클라우드 플랫폼과 의료 센터로 데이터 전송에 원시 ECG 데이터, 가능한 부정맥/정상 리듬 정보, 동작 중 측정된 기타 시스템 파라미터 포함. 현재 저전력 블루투스 가장 흔히 사용. NB-IoT와 CAT-M 타입 연결 미래용 평가 중.

더 작은 폼팩터, 더 비용 효율적, 현저히 오래가는 일회용 ECG 패치 추세는 초저전력 신호 경로의 더 높은 통합 요구: 작은 SoC나 SiP 디바이스. 전자 소형화 과제: 저전력 정밀 혼합신호(아날로그+디지털) 회로에 적합한 비용 효율적 반도체 공정 노드, 더 비용 효율적 소형 풋프린트 패키징 기술 가용성.

초저전력 소비는 이 신규 ECG 패치 유형 핵심 요건: 현재 7-15일인 지속적 심장 신호 모니터링/분석 수명 대폭 연장 가능. 저전력 소비로 개발자가 추가 활력 징후 모니터링 포함 가능, 경쟁 우위 확보.

현재 패치들 단일 코인 배터리 사용, 일반적 수억 mAh 용량. 하지만 더 작고 저용량, 더 비용 효율적 배터리에 실리콘-온-씬-베리드-옥사이드(SOTB), 서브스레숄드 공정 등 특화 신규 반도체 공정 기술 기반 "배터리리스" 센서 노드용 에너지 하베스팅 결합 노력 중.

에너지 하베스팅 기반 심장 모니터링 패치 연구실에서 시장으로 전환 과제: 사용 지점에서 수확 가능 지속적·일관된 에너지 소스 가용성. 업계 체열, 모션 진동, 주변 환경 전용 RF 에너지 등 소스 활용 탐구 중.

마지막으로 심장 모니터링 SoC 설계는 매우 작은 실리콘 조각에 혼합 모드 회로 성공적 통합, 레이아웃 할당 경계 간 간섭 없이 요구. 고주파 스위칭 디지털·RF 회로 발생 노이즈가 인접 정밀 아날로그 회로로 전파되지 않게 막는 특수 설계 전문성 필요.

IoMT는 전통적 반응형 헬스케어를 더 저렴한 예방 시스템으로 전환, 잠재적 비용 절감. 반도체, 연결, 소재 과학 기술 진보와 AI 파워 결합이 사회 개선 위한 인생 바꿀 애플리케이션 잠재력 제공.

> 이 기사는 자매 사이트 Electronic Products의 "Internet of medical things enables connected cardiac monitoring systems."에서 발췌되었습니다.

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애쉬 파텔(Ash Patel)과 바흐람 미르샤브(Bahram Mirshab)는 르네사스 일렉트로닉스 아메리카 헬스케어 세그먼트 소속.