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헬스케어의 진화, 비접촉ㆍ비고통 방식의 생체 정보 측정*

□ 인체에 접촉하지 않고 고통을 주지 않으며 환자가 전혀 의식하지 못하는 가운데 생체 정

보를 측정하는 기술의 개발이 활발히 이루어짐에 따라 헬스케어는 이제 “일상적인 건강

검진 모니터링 체계 구축”이라는 새로운 단계로 진화하기 시작

○ 생체 정보를 측정하는 방법이 일렉트로닉스 관련 기술의 활용에 의해 지금까지와는 전

혀 다른 양상으로 전개될 조짐

- 지금까지 생체 정보 측정 방식은 환자를 움직이지 못하게 하고, 전극 등을 몸에 붙이

거나 혹은 불가피하게 환자에게 고통과 불편함을 주는 것이 일반적인 양상

- 예를 들어, 커프(압박 )를 팔에 감아 혈압을 측정하거나 전극을 몸에 붙여 심전도를

측정하는 것은 부분의 사람들이 경험해 본 적이 있을 텐데, 사람에 따라 커프로 팔

을 압박하는 것이나 전극을 몸에 붙이는 과정에서 스트레스와 긴장을 느끼기도 함

- 이 같은 현행 방식을 개선하기 위해 최근에 ‘비접촉’, 그리고 ‘비고통’의 방식으로 생

체 정보를 측정하는 기술 개발이 활발히 전개 중

○ 새로운 기술은 피검자 또는 환자가 측정 과정을 거의 의식하지 않거나 못하게 함으로

써 측정 자체에 한 스트레스 등으로부터 해방시키는 것이 가장 큰 특징

- 가령, 2011 년 11 월 독일에서 개최된 세계 최 의료기기 전시회 ‘MEDICA 2012’

에서는 손가락을 는 것만으로도 혈압을 측정할 수 있는 기술이 전시되어 관람객들

의 큰 관심을 불러일으킴

- 도요타는 2013 년 3 월 일본 의과 학과 공동으로, 자동차의 운전 를 이용하여 운

전자의 혈압을 측정하는 기술을 선보였으며, 자동차를 매일 운전하는 사람이라면 운

전 를 잡고 있는 것 만으로 매일 혈압을 측정하고 관리할 수 있는 길이 열렸음

- 얼굴 영상에 의한 실시간 맥박 측정 기술도 2013 년 초 발표되었으며, PC 모니터에

웹 카메라를 부착하고 필요한 소프트웨어를 설치한 다음, 사무실에서 평소 컴퓨터 작

* 본 내용과 관련된 사항은 정보서비스팀(☎ 042-710-1771)과 ㈜크로센트 박종훈 수석 아키텍트(☎ 02-3446-

2287, soma0722@naver.com)에게 문의하시기 바랍니다.

** 본 내용은 필자의 주관적인 의견이며 NIPA의 공식적인 입장이 아님을 밝힙니다.

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업을 하는 것만으로 맥박의 변화를 모니터링할 수 있게 되었음

- 위의 사례들은 비접촉, 비고통의 방식으로 생체 정보를 측정하는 개발 사례의 일부에

불과하며, 전세계적으로 다양한 측정 기술이나 기기들이 연이어 발표되고 있는 상황

○ 또한 비접촉, 비고통의 생체 정보 측정 방식은 지금까지와는 다른 유형의 환자나 다른

활용처를 촉진함으로써 새로운 시장을 창출시킬 가능성도 내포하고 있는 것이 특징

- 비접촉, 비고통 방식은 단순히 환자를 고통과 불편에서 해방시킬 뿐만 아니라 어린이

와 노인, 또는 질병 유형에 따라 몸을 고정시키거나 압박하는 것이 어려웠던 환자의

측정을 가능하게 하는 장점도 제공

- 또한 장기간 연속으로 모니터링하는 것이 용이해짐으로써 질병의 징후를 사전에 확

인하거나 고령자의 경우 일상적 모니터링 등에 활용하는 것도 가능하게 됨

- 즉, 비접촉ㆍ비고통의 측정 기술은 기존 측정 기술을 체하는 것이 아니라 새로운

헬스케어 시장을 개척하는 기술이라는 속성이 강하다고 할 수 있음

- 예를 들어, 아일랜드의 스타트업 BiancaMed 가 개발한 기술로 제작된 수면계(睡眠

현재의 생체정보 측정 앞으로의 생체정보 측정

‘비접촉’, ‘비고통’의 시 로

[구속]

[전극 부착]

<자료>: Nikkei Electronics, 2013. 7

(그림 1) 일렉트로닉스 기술의 활용으로 “비접촉ㆍ비고통 측정”의 시대로 진입

[압박]

측정항목의 예 개발 사례

호흡

심박 및 맥박

혈압

스트레스

혈액

일렉트로닉스

관련기술의 활용

- LED로 측정

- 화상처리로 측정

- 가속도센서로 측정

- 전파(2.4GHz, 10.5GHz,

MIMO 등)로 측정

- 광섬유로 측정

- 심박의 전파속도로 측정

- 심박의 차이로 측정

- 향후 기술개발이 요구되

는 측정항목

주파수의 차이

추정

추정

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計)는 자고 있는 사람의 주변 1.5m 이내 머리맡에 놓아 두면 호흡 등을 측정하여 수

면 상태를 판정해 줌

- 이 수면계는 10.5GHz 의 전파를 자고 있는 사람의 가슴 등에 투사하여 반사되어 오

는 파장과 입사파의 위상 차이에서 호흡 등을 감지하는 표적인 비접촉 생체정보

측정 기기

- 현재 수면 상태를 측정하는 방법으로는 수면 폴리그래프 검사(PSG 검사) 등이 있으

나 전극 등을 몸 곳곳에 장착하는 손이 많이 가는 방법이어서, 피검자가 측정 행위

자체를 의식하지 않을 수 없으므로 도리어 잠을 제 로 자지 못하는 경우도 많음

- 시판된 지 약 1 년 정도된 이 수면계는 당초 판매 목표를 웃돌아 판매 호조를 보이고

있고, 건강에 관심이 높은 40~50 남성에게 좋은 반응을 얻고 있으며, 비접촉이라

는 특징으로 새로운 시장을 개척한 좋은 사례라 할 수 있음

○ 이러한 선행 사례에 뒤이어 새로운 비접촉ㆍ비고통 생체정보 측정 기술들의 개발 진행

도 활발한데, 부분 심장 박동과 맥박 측정에 초점을 맞추고 있는 경향

- 통틀어서 생체 정보라고 표현하지만 사실 측정되는 데이터의 범위는 매우 폭이 넓으

며, 심박과 맥박에 주목하는 것은 심장이 다양한 정보를 알게 해주는 중요한 생체정

<자료>: Nikkei Electronics, 2013. 7

(그림 2) ‘비접촉∙비고통 측정’의 컨셉을 구현하고 있는 다양한 측정 기기들

① 손가락 터치만으로 혈압을 측정하는 기기 ② 운전 를 통해 혈압을 측정하는 기기

③ 웹캠이나 스마트 기기 내장 카메라로 맥박을 측정하는 기기 ④ 전파를 이용하여 수면 상태를 측정하는 기기

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보 중 하나이기 때문

- 1 분간 심장의 움직임이 심장 박동이고, 1 분간 손발에 있는 동맥의 움직임이 맥박인

데, 건강한 사람은 심장 박동과 맥박 수가 일치하므로, 이를 자세히 모니터링하면 스

트레스 정도나 혈압 등을 심장으로부터 추정하는 것이 가능하기 때문

- 특히, 심장 박동 간격으로부터 스트레스 정도를 유추할 수 있다는 점은 널리 알려져

있는 것으로서, 심박의 간격이 띄엄띄엄 하다면 편안한 상태이며, 심장 박동 간격이

짧다면 스트레스가 쌓여 있는 상태로 볼 수 있음

- 맥박과 심박이 일치한다는 점을 응용하면, 앞서 언급한 것처럼 웹캠과 맥박 측정 기

술을 기반으로 사무실에서 일상적인 컴퓨터 작업을 하는 동안에도 스트레스 상태를

모니터링 하는 등 보다 유용한 시스템으로 변환시키는 것이 가능

- 앞서 기술한 도요타의 혈압 측정방식 역시 맥박을 측정한 후 그 데이터로부터 혈압

을 산출하고 있으며, 맥박의 전달 시간과 여러 데이터베이스를 조합하여 혈압을 추정

할 수 있도록 하고 있음

- 이처럼 심장 데이터는 지금까지 심전도(electrocardiogram: ECG) 검사 등에서 얻는

것이 일반적이었으나, 심박과 맥박을 비접촉ㆍ비고통의 방식으로 측정할 수만 있다

면 스트레스 상태 여부나 혈압 상태를 환자가 인지하지 못하게 하는 것도 가능

- 비접촉ㆍ비고통의 심박 및 맥박 측정을 위해 현재 개발이 진행 중인 기술은 “①

LED, ② 화상 처리, ③ 가속도 센서, ④ 전파, ⑤ 광섬유’ 등 크게 다섯 가지로 분류

○ LED 를 이용한 심장 박동과 맥박 측정은 도요타 자동차 등이 도입, 채택하여 개발 중

- 도요타 자동차는 운전 의 손가락이 닿는

부분에 LED 발광부와 포토 트랜지스터 등

에 의한 제어 감지기를 설치

- 혈액 중에 포함된 헤모글로빈이 녹색 등 특

정 파장의 빛을 쉽게 흡수하는 특성을 이용

하여 손가락에 쏘인 LED 의 반사광에서 맥

박을 검출하는 방법

- 도요타 자동차는 맥박 전달 시간을 통해 혈

압을 측정하는 것이 아니라 하나의 맥박 파

<자료>: Toyota

(그림 3) 맥박 감지를 위한 운전대의 LED

LED의 발광부,

제어감지부

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형에서 혈압을 직접 산출할 수 있는 알고리즘을 정립했다고 설명

- 이런 방식은 비교적 널리 사용되고 있는 기술로서 녹색 LED 와 포토 트랜지스터를

하나의 패키지에 집적한 별도의 맥박 센서도 현재 시판 중

- LED 를 이용한 맥박 측정 기술에 ‘위상 변위(shift)법’이라는 기술을 조합하기도 하며,

구체적인 방식은 공개되지 않았지만 S/N(신호 잡음비)이 폭 향상되어 높은 정

밀도의 맥박 파형을 얻을 수 있고, 이를 혈압으로 변환할 수 있다고 함

- MEDICA 2012 를 통해 소개된 이후 위상 변위법에 한 전세계 기업들의 관심이 높

아지고 있으며, 최근 위상 변위법에 의한 데이터 처리를 포함해서 핵심 모듈을 원칩

화 하는데 성공했다는 소식도 들림

- 원칩은 현재 1cm2 정도의 크기이지만, 수 mm2 정도로 소형화한다는 계획이며, 이렇

게 되면 스마트폰에 탑재되는 플래시용 LED 를 활용하여 스마트폰으로 맥박과 혈압

을 측정하는 것도 가능하게 될 전망

○ 화상 처리를 이용해서 심장 박동과 맥박을 측정하는 기술로 얼굴 동영상의 색 성분을

분석함으로써 맥박을 감지

- LED 응용 기술과 마찬가지로 헤모글로빈이 녹색 빛을 흡수하기 쉬운 속성을 가진다

<자료>: Fujitsu Laboratories

(그림 4) 얼굴 이미지 화상 처리를 이용한 맥박 측정 기술

얼굴 동영상 촬영 얼굴 검출 RGB의 색성분으로 나누고 평균 휘도를 산출

웹 카메라

이미지 처리 기술 맥박 수의 산출

각 색에서 공통 잡음을 제

녹색파형의 휘도 변화를 추출

파장 시간

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는 점에 착안하여 얼굴 표면의 녹색의 밝기 변화를 포착하여 맥박을 감지하는 기술

- 우선 촬영한 얼굴 동영상에서 프레임마다 얼굴의 색을 RGB 색상 성분으로 나누고

각각의 평균 휘도를 산출하며, 여기에서 각 색깔 별로 일반적인 잡음을 제거한 후 녹

색 밝기의 파형만을 추출하는 방식

- 동영상을 촬영하고 최소 5 초 정도 지나면 측정이 가능하며, 필요한 비디오 해상도는

VGA 급 20 프레임/초 정도면 충분하기 때문에, 현재 시판 중인 웹 카메라나 스마트

폰에 내장되는 카메라로 충분히 이용이 가능

- 따라서 하드웨어를 새로 구비할 필요 없이, 화상 처리 소프트웨어를 앱의 형태로 PC

나 스마트폰에 설치하는 것만으로 사용할 수 있는 것이 장점이며, 2013 년 내로 상용

화될 것으로 예상됨

- 마이크로소프트가 2013 년 6 월 E3 게임쇼에서 선보인 키넥트(Kinect)를 이용한 맥

박 측정 기능도 화상 처리 기술을 응용한 것으로 추정

○ 가속도 센서를 활용한 심박 측정 기술은 체중계형 기기에 올라서는 것만으로 심박을

측정하는데, 심탄도(BCG)에 주목하는 것이 특징

- 심탄도(ballistocardiogram: BCG)는 심장의 물리적 움직임에 따라 생기는 약간의 몸

의 움직임을 전기적으로 기록한 것으로서 심장이 박출한 혈액의 운동량을 나타내며,

심전도에 비해 조금 늦게 피크가 나타나는 것이 특성

- 심탄도는 질환에 따라서 파형이 다르게 나타난다고 보고, 심박동에 수반되는 전신의

운동을 확 기록하여 심장 질환의 진단 혹은 심기능을 평가하려는 방법

- 현재 체중계형 장치에 가속도 센서를 내장한 후 이를 통해 심탄도를 감지하고 심장

체중계형 측정장치 ECG의 피크 후 일정시간 후에 BCG 피크가 나타남

<자료>: Murata Manufacturing

(그림 5) 가속도계를 내장한 체중계를 이용해 심탄도(BCG)를 측정하고 심장 박동을 추정

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박동을 측정하려는 기술이 개발되고 있으며, BCG 가 매우 세세한 움직임이기 때문에

일반 가속도 센서에 비해 약 50 배 정도 민감한 센서를 이용

- 핀란드의 VTI Technologies 가 개발한 가속도 센서는 중력 가속도 1G 의 1/1,000

에 해당하는 작은 진동을 감지할 수 있고, 건설장비 및 의료기기, 항공기용 계측 시

스템 등에 이용되며, 이를 탑재한 체중계의 개발이 진행 중

- 체중계를 통해 측정한 심장 박동의 간격 데이터를 이용하면, 앞서 본 다른 예에서처

럼 스트레스의 정도를 손쉽게 파악할 수 있음

○ 호흡 측정을 통해 수면상태를 파악하는 수면계는 전파를 이용하여 심박을 측정하는 기

술이 적용되는 사례

- 수면계는 호흡을 모니터링하는 것으로 심장 박동까지 측정할 수는 없지만, 사람의 움

직임을 보정하는 필터링 처리나 잡음 제거 등의 기술을 도입하면 기술적으로 심박

측정에 적용하는 것도 가능

- 심박은 호흡이나 신체 움직임 등에 비해 움직임이 작기 때문에, 잡음 성분을 제거하

고 측정 정확도를 높이는 것이 가능하다면, 동일 기술의 연장선상에서 심박 측정이

실현되는 셈

- 수면계 외에도 실제 사람의 가슴 등에 전파를 발신하고 반사되는 파장과 입사파의

위상 차에서 신체의 움직임을 감지하는 원리에 착안한 기기들이 다수 공개되고 있음

- 알프스 전기가 개발한 “RF 모션 센서”는 2.4GHz 역의 전파를 이용하여 심박 등을

측정하며, 2.4GHz 역을 선택한 것은 생체 정보 측정과 측정 데이터의 통신을 양립

시키기 위해서라고 설명

- 알프스 전기는 실제로 감지를 위해 인체

에 발신하는 전파를 데이터 통신 주파수

로도 이용할 수 있는 시제품을 개발 중이

며, 2014 년부터 양산을 계획 중

- 일본의 규슈 학은 10.5GHz 역의 전

파를 이용한 심박 측정을 통해 운전자의

스트레스 상태를 측정하는 기술을 개발 중

- 스트레스 상태를 산출하기 위해서는 정확

<자료>: Alps Electric

(그림 6) Alps의 RF 모션 센서 탑재 수면계

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도가 더 높은 심박 데이터가 요구되며,

10.5GHz 역은 2.4GHz 역보다

파장이 짧아 소형화와 해상도(정밀도)

측면에서 유리한 장점이 있기 때문

- 규슈 학은 정확도를 높이기 위해

10.5GHz 를 채택하는 것과 아울러 호

흡 요소의 영향이 큰 가슴이 아니라 운

전 중에 비교적 움직임이 적은 왼발 허

벅지를 측정하거나 자체 알고리즘을 개

발하는 등으로 정확도를 높이고 있음

- 한편 LTE 에 사용되는 기술로서, 여러

개의 안테나를 사용하여 빠른 데이터

전송을 실현하는 MIMO(multiple input multiple output)을 이용함으로써 더욱 감도를

증가시키는 연구도 진행 중

- 송신과 수신을 각각 2 채널로 한 실험에서는 1 채널씩의 경우에 비해 호흡 요소의 주

파수 검출 감도가 8.3dB 로 높아지는 결과가 나온다고 하는데, 단지 MIMO 를 이용

하면 크기가 커진다는 단점은 향후 해결해야 할 과제

○ 도파관의 일부 부위에 인위적으로 지름이 다른 관을 삽입한 “헤테로 코어(hetoro core)

형” 광섬유(optical fiber)를 이용하여 심박을 측정하려는 시도도 이루어지고 있음

- 지름이 다른 관을 삽입한 곳에서는 빛의 전송이 불안정하게 되고, 바깥 부분의 광섬

<자료>: Iwate University

(그림 7) MIMO 기술의 주파수 검출 감도 향상

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

호흡 요소 주파수(Hz)

40

35

30

25

20

15

10

감도(dB)

8.3dB

2×2채널

(MIMO)

1×2채널

2×1채널1×1채널

외벽 빛의 일부가 새어나옴 도파관 헤테로 코어 광섬유가 부착된 침 에서 측정

지름이 다른 도파관을 삽입 불안정한 곳을 의도적으로 만듦

<자료>: Soka University

(그림 8) 헤테로 코어 광섬유의 구조(左)와 이를 이용한 수면 중 심박의 측정(右)

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유에 닿게 되면 전송되는 빛의 양이 달라지며, 이 변화를 광섬유 끝의 포토 다이오드

에서 검출하면 센서로 사용할 수 있다고 함

- 예를 들어, 이 광섬유를 의류나 침구 등에 붙이면 몸의 움직임을 측정할 수 있게 되

며, 심박을 측정할 수 있을 정도의 정확도를 갖추고 있음

○ 이상 5 가지 기술을 이용한 심박 측정은 앞으로도 더욱 활발히 이어질 전망이며, 만약

비접촉ㆍ비고통 방식으로 혈액을 분석할 수 있다면 헬스케어의 혁명은 가속화될 것

- 가령, 일부 연구소들은 혈당에 따라 빛의 강도가 변화하는 센서를 쥐의 귀에 삽입하

여 체외에서 조명함으로써 혈당치를 측정하는 기술을 개발하는 중

- 이러한 기술들의 연장선상에 있는 기술 개발도 향후 활발히 전개될 것으로 예상되며,

비접촉 방식으로 온도를 측정하는 기술도 이미 개발 중인 것으로 알려짐

- 자기에 의해 비접촉으로 온도를 감지하는 기술은 퀴리 온도(강자성체가 항상 자성을

띠는 물체에 상전이 할 때의 온도)를 이용한 것으로, 만약 상용화된다면 체온계 없는

측정도 가능해 짐

○ 비접촉ㆍ비고통 방식의 헬스케어는 인간의 본성에 맞게 의료의 기본 패러다임을 바꾸

어 냄으로써 인류의 장수 실현 및 의료비용 감소 등에 결정적 기여를 가능하게 함

- 한때 사망선고나 다름없었던 암도 이제는 만성질환으로 분류될 정도로 치료 기술은

나날이 발전하고 있기 때문에, 조기검진만 제때 이루어진다면 사망이나 치명적 상태

<자료>: Nikkei Electronics, 2013. 7

(그림 9) 헬스케어의 패러다임을 변화시킬 비접촉∙비고통 방식의 생체 정보 측정

환자가 의식하지 못하는 자연상태에서 정보측정이 가능

고통, 불안감, 번거로움이 없는 측정

측정 상자의 확 장기(연속) 모니터링을 실현

‘비접촉’, ‘비고통’ 생체정보 측정 시

유아, 노인, 질병에 의해 몸을 고정하거나 압박하는 것이 어려웠던 환자

연속적인 변화 관찰로 질병 징후 발견, 고령자의 상시 모니터링 가능

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에 이를 위험은 현격히 줄어들고 있는 상황

- 그럼에도 조기 검진이 제 로 이루어지지 않고 있는 것은 비용이라는 요소 외에, 검

진 행위 자체에 한 거부감이나 불안감이 있고, 시간을 내어 병원을 찾아야 하는 번

거로움이 있기 때문

- 비접촉ㆍ비고통 방식의 측정은 사람이 의식하지 못하는 가운데 일상 생활 과정에서

생체 데이터를 얻기 때문에 거부감이나 불안감, 번거로움 없이 상시적인 검진 체계를

구축할 수 있는 가능성을 제시

- 이러한 기술이 스마트폰 등 모바일 기기나 사물인터넷 기기에 탑재된다면, 뒤늦은 검

진으로 위험에 처하게 되는 환자의 수를 급감시킬 것이며, 중증 상태의 환자 치료에

소요되는 막 한 의료비용의 문제도 해결할 수 있을 것으로 기

<참 고 자 료>

[1] 小谷 卓也, “「非接触」「非侵襲」がヘルスケアを変える", 日経エレクトロニクス, 2013. 10. 17.

[2] Jacques Coetzee, “Xbox Fitness lets Kinect monitor your pulse, muscles and energy,” gearburn,

2013. 9. 27.

[3] Takuya Otani, “Electrocardiogram, Pulse Wave Measured With Steering Wheel,” Tech-On,

2013. 3. 27.

[4] Kazumi Tako, “Fujitsu Laboratories develops 'webcam' pulse monitor,” The Asahi Shimbun,

2013. 3. 19.