스마트 스피커로 비접촉 심박 모니터링: 혁신적 시스템

스마트 스피커는 심정지 감지나 아기 호흡 모니터링 등 특정 건강 문제를 집에서 모니터링하는 데 능숙함을 입증해 왔다. 이제 스피커 앞 앉은 사람의 개별 심박 미세 움직임을 추적하는 데도 사용할 수 있다.

이 시스템은 물리적 접촉 없이 규칙적·불규칙적 심박을 모두 모니터링한다. 스피커에서 들리지 않는 소리를 방으로 내보내고, 소리가 어떻게 반사돼 돌아오는지에 기반해 개별 심박을 식별하고 모니터링한다. 심박은 가슴 표면에서 매우 미세한 움직임이기 때문에, 시스템은 머신러닝을 사용해 스피커가 규칙적·불규칙적 심박 신호를 모두 찾도록 돕는다. 건강한 참가자와 입원 심장 환자 테스트에서 스마트 스피커가 감지한 심박이 표준 심박 모니터와 거의 일치했다.

많은 사람들이 심박수(heart rate) 개념에 익숙하지만 의사들은 심박 리듬(heart rhythm) 평가에 더 관심이 있다. 심박수는 시간당 평균 심박이고, 심박 리듬은 심박 패턴을 설명한다. 분당 60회 심박수라도 규칙적 리듬(매초 1회)일 수도, 불규칙적 리듬(그 분 안에 무작위 분포지만 평균 60회)일 수도 있다.

심박 리듬 장애는 다른 잘 알려진 심장 질환보다 실제로 더 흔하다. 심장 부정맥은 뇌졸중 같은 주요 이환을 일으킬 수 있지만 발생이 매우 예측 불가해 진단이 어렵다. 심박 리듬 평가의 핵심은 개별 심박 식별에 있다. 이 시스템에서 심박 탐색은 사람이 스피커 앞 30~60cm(1~2피트) 내 앉으면 시작된다.

시스템은 사람이 반사돼 스피커로 돌아오는 비가청 연속음을 재생한다. 반환된 소리가 어떻게 변했는지에 기반해 시스템은 사람 몸의 움직임(호흡에 따른 가슴 오르내림 포함)을 분리할 수 있다.

호흡으로 인한 가슴 벽 움직임은 심박 움직임보다 크기가 몇 자릿수 더 크다. 또한 호흡 신호가 규칙적이지 않아 단순히 필터링하기 어렵다. 스마트 스피커에 여러 마이크가 있으므로 빔포밍 알고리즘을 설계해 스피커가 심박을 찾도록 도왔다.

팀은 실시간으로 학습하는 자기지도 머신러닝 알고리즘을 설계했다. 이 알고리즘은 스피커의 모든 마이크 신호를 결합해 찾기 힘든 심박 신호를 식별한다.

스마트 스피커가 감지한 심박 신호는 전통적 심박 모니터와 관련된 파형과 다르게 보인다. 연구자들은 두 번째 알고리즘을 사용해 신호를 개별 심박으로 분할해 시스템이 소위 심박간 간격(inter-beat interval, 두 심박 사이 시간)을 추출할 수 있게 했다.

연구자들은 이 시스템을 실행하는 프로토타입 스마트 스피커를 두 그룹으로 테스트했다: 26명 건강한 참가자와 심방세동, 심부전 등 다양한 심장 질환이 있는 24명 입원 환자. 팀은 스마트 스피커의 심박간 간격을 표준 심박 모니터 것과 비교했다. 건강한 참가자 약 12,300회 심박 측정에서 스마트 스피커 중앙값이 표준 모니터와 28밀리초 이내 차이였다. 심장 환자 5,600회 이상 심박에서는 30밀리초 이내 차이로 거의 비슷하게 잘 수행했다.

현재 시스템은 즉석 검진용으로 설정되어 있다. 심박 리듬이 걱정되면 스마트 스피커 앞에 앉아 판독을 얻을 수 있다. 하지만 팀은 미래 버전이 사람들이 잘 때 지속적으로 심박을 모니터링할 수 있기를 희망한다. 이는 수면무호흡증 같은 상태 진단을 의사들에게 도울 수 있다.