피부형 센서로 ALS 환자, 미세 안면 근육 움직임으로 의사소통

근위축성 측삭 경화증(ALS) 환자는 근육 조절 능력이 점진적으로 저하됩니다. 그 결과 말하기 능력을 잃어 타인과 소통하기 어렵게 됩니다. 연구팀이 환자 얼굴에 부착해 경련이나 미소 같은 작은 움직임을 측정하는 신축성 피부형 장치를 설계했습니다. 이 접근법으로 환자는 장치가 측정·해석하는 작은 움직임으로 다양한 감정을 전달할 수 있습니다.

연구자들은 이 장치가 번거로운 장비 없이 더 자연스러운 소통을 가능케 하길 희망합니다. 부드럽고 일회용인 착용형 센서는 얇고 화장으로 피부톤에 맞춰 위장할 수 있어 눈에 띄지 않습니다. 초기 버전은 ALS 환자 두 명에게 테스트했고, 미소·입 벌리기·입술 오므리기 세 가지 안면 표정을 정확히 구별할 수 있음을 보였습니다.

장치는 얇은 실리콘 필름에 내장된 네 개의 압전 센서로 구성됩니다. 센서는 질화알루미늄으로 만들어져 피부 기계적 변형을 감지해 쉽게 측정 가능한 전기 전압으로 변환합니다. 모든 구성요소가 대량생산 용이해 장치당 약 10달러 비용이 들 것으로 추산됩니다.

팀은 건강한 지원자들에게 디지털 이미지 상관(DIC) 기법을 사용해 센서 부착에 가장 유용한 위치를 선정했습니다. 얼굴에 무작위 흑백 반점 패턴을 그리고, 지원자가 미소 짓기, 볼 경련, 특정 글자 입모양 만들기 등 안면 동작을 할 때 다중 카메라로 수많은 이미지를 촬영했습니다. 이미지는 소프트웨어로 처리돼 작은 점들이 서로 어떻게 움직이는지 분석해 단일 영역의 변형률을 결정했습니다.

또한 피부 변형 측정값으로 머신러닝 알고리즘을 훈련시켜 미소, 입 벌리기, 입술 오므리기를 구별하게 했습니다. 이 알고리즘으로 두 ALS 환자 테스트에서 약 75% 정확도로 다른 움직임을 구별했습니다. 건강한 피험자에서는 87% 정확도였습니다.

이 감지 가능한 안면 움직임을 기반으로 다양한 조합에 해당하는 문구·단어 라이브러리를 만들 수 있습니다. 기술적으로 수천 개 메시지 생성이 가능합니다. 센서 정보는 휴대용 처리 장치로 전송돼 안면 움직임을 구별하도록 훈련된 알고리즘으로 분석됩니다. 현재 프로토타입에서는 유선 연결이지만 무선으로도 전환 가능해 더 편리해질 것입니다.

환자 소통 돕는 것 외에도, 이 장치는 환자 질병 진행 추적이나 치료 효과 측정에도 활용될 수 있습니다.