생체 모니터링 기술의 발전과 솔루션

인공지능, IoT, 센싱 기술의 급속한 발전으로, 바이오 모니터링 솔루션은 전통적인 접촉 기반 및 간헐적 측정에서 더 지능적이고 연속적이며 비침습적인 건강 모니터링 모델로 전환되고 있습니다. 병원의 생체 신호 추적부터 스마트 홈, 원격 의료, 공공 안전 시나리오에 이르기까지 바이오 모니터링은 의료 효율성과 정확성을 향상시키는 데 중요한 역할을 할 뿐만 아니라 예방 건강 관리, 만성 질환 관리, 갑작스러운 건강 이벤트에 대한 조기 경고 시스템에서 엄청난 가치를 보여줍니다. 이 기사에서는 Ballistocardiography (BCG)와 압전 필름 감지 바이오 모니터링 솔루션의 응용 및 발전, 그리고 Murata에서 제공하는 관련 솔루션을 소개합니다.

BCG 기술은 심장 수축 및 혈액 배출로 인해 발생하는 미세한 기계적 진동을 감지하여 심장 활동 정보를 간접적으로 얻는 비접촉 생리 모니터링 방법입니다. 이 기술은 전극 패치나 착용 장치를 필요로 하지 않으며, 편안한 환경에서 지속적인 생체 신호 추적이 가능합니다. 최근 몇 년 동안, 비접촉 생체 모니터링에서 점점 더 널리 적용되고 있습니다.

Murata의 BCG (Ballistocardiogram) 센서는 인간의 신체 내 심장 박동과 혈액 흐름에 의해 생성되는 미세한 진동과 움직임을 감지하여 작동합니다. 아래는 그 작동 원리에 대한 간단한 설명입니다:

요약하자면, Murata의 BCG 센서는 민감한 MEMS 구성 요소를 사용하여 심장에 의해 유발된 신체 진동을 포착하고 이를 건강 모니터링 목적으로 전기 신호로 변환합니다.

BCG는 병원 병동과 중환자실(ICU), 스마트 홈 및 수면 모니터링, 노인 낙상 및 건강 경고, 원격 건강 관리에 적용될 수 있습니다. 예를 들어, 병원 병동과 ICU에서는 BCG가 심박수, 심박 간격 변동성(HRV), 그리고 일회 박출량을 지속적으로 모니터링하여 접촉 센서와 관련된 피부 자극 및 감염 위험을 줄일 수 있습니다. 스마트 홈 및 수면 모니터링에 적용하면 수면 중 심박수, 호흡, 신체 움직임, 수면 단계를 분석할 수 있습니다. 매트리스, 베개 또는 침대 프레임에 숨겨놓아 비접촉식 모니터링을 구현할 수 있습니다.

추가적으로, 노인의 낙상 및 건강 알림에서 BCG는 사용자 협력이 필요하지 않아 노인 인구에 적합하며, 장기적인 심장 기능 변화를 모니터링하고 비정상 패턴 탐지를 결합하여 심장 사건을 예방할 수 있습니다. BCG는 또한 원격 건강 관리를 위해 사용되며, IoT 플랫폼과 연결하여 BCG 데이터를 클라우드에 업로드하고 분석 및 의료 평가를 진행하며, 다중 사용자 동시 모니터링 및 데이터 비교를 지원합니다.

BCG는 완전히 비접촉 방식으로, 매트리스, 좌석 또는 바닥을 통해 사용자 활동이나 수면에 영향을 주지 않고 모니터링할 수 있습니다. 이는 장기적인 지속 모니터링을 가능하게 하며, 24시간 지속적인 모니터링이 필요한 고위험 환자나 노인들에게 적합합니다. BCG는 심박수, 호흡수, HRV, 혈류역학 지표를 포함한 다양한 매개변수를 획득할 수 있습니다. 사용자들이 어떤 장치를 착용할 필요가 없고, 카메라와 관련된 사생활 문제도 없기 때문에 높은 편안함과 프라이버시를 제공합니다.

그러나 BCG 기술은 신호 잡음 간섭과 같은 문제에 직면하기도 합니다. 신체의 움직임, 매트리스 탄성 차이, 외부 진동과 같은 요인들이 데이터 정확성에 영향을 미칠 수 있습니다. 알고리즘의 정밀도와 표준화 또한 주목해야 하며, 다양한 체형과 자세에 걸쳐 안정성을 개선하기 위해 강화된 AI 및 신호 처리 모델이 필요합니다. 또한, 임상 진단 분야에 진입하려면 엄격한 의료 기기 인증과 대규모 임상 검증이 필요합니다. 미래에는 BCG가 밀리미터파 레이더, 광학 PPG 및 기타 기술과 통합되어 탐지 정확성과 환경 적응성을 향상시킬 것입니다.

Murata는 병원과 가정에서 수면 중인 사람들의 상태를 모니터링할 수 있는 새로운 가능성을 열어주는 개선된 2세대 BCG 솔루션을 도입했습니다. 이 솔루션은 맥박, 호흡률, 호흡 지속 시간과 같은 생체 신호를 감지하여 침대 점유 여부를 확인하고 수면 상태를 분석할 수 있습니다.

Murata의 솔루션은 알고리즘이 탑재된 사전 프로그래밍된 마이크로컨트롤러(BCGMCU-D01)와 저소음 SCL3300-D01 경사계를 고객의 PCB 설계에 통합하여 소프트웨어 솔루션 제공업체, 서비스 제공업체 및 OEM 시스템 통합업체를 대상으로 하는 구성 요소 수준 솔루션을 형성하며, 다양한 헬스케어 제품에 BCG 측정 통합을 가능하게 합니다.

이 새로운 침대 부착형 센서는 BCG 원리를 활용합니다. 심장이 박동할 때, 신체의 움직임으로 인해 침대는 미세한 진동을 겪게 됩니다. 이 약한 신호는 초민감 가속도계를 통해 감지되고, 생체 신호(예: 맥박)를 추출하기 위해 마이크로컨트롤러에 내장된 알고리즘에 의해 처리됩니다. BCG 제품을 통해 센서 노드는 맥박, 호흡률, 심박수 변동성(스트레스 관련), 박출량, 침대 점유 상태 등을 포함한 다양한 생체 신호를 감지할 수 있습니다.

BCGMCU는 연속적이고 간섭 없는 모니터링을 위한 비접촉 측정을 사용합니다. 이는 광범위한 통합 옵션과 참조 설계 접근법을 제공하며, 사실상 무제한 수명을 가진 저전력 MEMS 가속도계를 특징으로 합니다. 일반적인 제조 공정에 호환되며, 사용하기 쉬운 직렬 UART 인터페이스를 포함합니다. 다양한 심박수(HR) 및 심박 변동성(HRV) 지표를 계산하기 위해 박동 간 간격 데이터를 제공합니다. 주요 적용 분야로는 병원, 요양 시설 및 도움 제공 생활 환경이 포함되며, 박동 간 심박수 감지, 호흡수 모니터링, 침대 점유 모니터링, 수면 품질 측정 및 스트레스와 이완 분석을 지원합니다. Murata의 BCGMCU-D01은 3.3V DC 출력 전압, 6.7 mA 미만의 정지 전류, 1Hz의 출력 데이터 속도(ODR), 40-120 bpm의 맥박 감지 범위를 지원합니다.

Murata의 SCL3300은 기울기 측정에서 뛰어난 성능을 제공하는 고성능 3축 경사계입니다. 크기가 7.6 × 8.6 × 3.3 mm(W × L × H)로 compact하며, 특정 응용 프로그램 및 요구 사항에 맞추어 사용자가 선택 가능한 네 가지 측정 모드를 지원합니다. 초저소음 밀도와 높은 해상도(0.001°/√Hz), SPI 디지털 인터페이스, 우수한 기계적 감쇠 특성, -40 ~ 125°C의 작동 온도 범위, 그리고 3.0–3.6V의 공급 전압에서 1.2 mA의 소비 전류를 특징으로 합니다. 검증된 capacitive 3D-MEMS 기술을 활용하며, leveling, tilt 보상, 기계 제어, 구조적 건강 모니터링, IMU(inertial measurement unit), 로봇 공학, 위치 지정 및 가이드 시스템과 같은 harsh 환경에서 안정성을 요구하는 애플리케이션에 대해 높은 성능과 견고한 디자인을 제공합니다.

무라타는 SCL3300 SERIES PCB, 디지털 가속도계/경사계 센서 보드도 제공합니다. 이 칩 캐리어 PCB는 제품 평가 및 설계를 용이하게 하기 위해 MEMS 디지털 경사계 SCL3300 시리즈가 장착되어 있습니다. 또한, 무라타는 CA10H-SAL 수면 분석 라이브러리를 제공하며, 이는 순간 및 누적 야간 응용 데이터 출력을 지원합니다. 이 라이브러리는 고주파 및 저주파 심박수 변동성, 호흡 깊이 및 호흡 변동성을 감지하여 야간 회복 분석에 활용됩니다. 이는 각성을 비롯해 REM, 얕은, 깊은 수면 단계를 자동으로 평가하며, 감지된 회복, REM, 얕은 및 깊은 수면 점수 및 총 수면 시간을 기반으로 한 수면 품질 지수를 지원합니다. 현재 지원되는 운영 체제는 Ubuntu 18.04 이상 및 CentOS 6.0과 7이 포함됩니다.

Murata는 독자적인 압전 기술을 사용하여 개발한 유연하고 얇은 센서인 압전 필름 센서(Picoleaf™)도 선보였습니다. 이 센서는 높은 민감도로 굽힘, 비틀림, 압력 힘 및 진동을 감지할 수 있습니다. 기존 센서에 비해 설치 공간을 절약하고, 박형화, 조립 성능 및 내구성을 향상시킵니다.

더불어 Picoleaf에 사용된 압전 필름은 식물에서 추출한 전분을 발효시켜 얻은 젖산으로 합성된 폴리유산으로 만들어집니다. 식물은 대기 중의 이산화탄소를 흡수하여 전분을 생성하므로 이 소재는 탄소 중립적이며 지구 온난화 감소에 기여합니다.

Picoleaf 감지 회로는 I/V 변환기와 증폭 회로로 구성됩니다. 압전 필름이 압력이나 변형으로 인해 뒤틀릴 경우, 뒤틀림의 정도에 비례하는 분극이 생성됩니다. 생성된 전하는 I/V 변환기에 의해 전압으로 변환되어 아날로그 신호로 출력됩니다. 전압으로 변환된 신호는 증폭되고 일반적인 AD 변환기나 CPU에 의해 처리될 수 있도록 필요에 따라 조정됩니다.

Picoleaf의 압전 특성으로 "변위 방향"과 "변위 속도"를 모두 감지할 수 있습니다. "산골" 변형의 경우 변위 방향은 Picoleaf의 기준 전압의 양극 방향으로 출력되며, "계곡골" 변형의 경우 음극 방향으로 출력됩니다. 변위 방향 외에도 변위 속도는 변위 속도에 비례하여 증가하는 피크 전압을 기준으로 계산할 수 있습니다. 또한, Picoleaf 센서의 출력 반전 특성을 활용함으로써 UI에서 누르기 및 놓기 동작을 매끄러운 스위치로 사용할 수 있습니다. Picoleaf가 주기적인 진동을 가진 물체에 부착되면 이러한 진동을 감지하여 상태 감지 센서로 동작할 수 있습니다.

Picoleaf는 매우 얇은 두께(0.2mm 이하)와 소형 크기(2 × 10mm)로 디스플레이나 터치 패널과 결합해도 공간을 절약할 수 있습니다. 또한 복잡한 디자인의 장치나 원통형 표면을 포함한 곡면에도 장착할 수 있습니다. Picoleaf는 1 마이크론만큼 작은 변위를 감지할 수 있으며, 하나의 센서를 사용하여 대형 디스플레이 전체 표면에서 압력을 측정할 수 있습니다. 이 센서는 떨림, 잡기, 맥박처럼 무의식적인 근육 움직임을 감지할 수 있습니다. 비열전 효과(non-pyroelectric)를 가지므로 열(예: 체온, 햇빛 또는 반도체)에 의해 발생하는 드리프트를 방지하여 더 낮은 노이즈와 더 쉬운 알고리즘 개발이 가능합니다. 추가적으로, 센서 자체는 전력을 소비하지 않으며, 증폭 회로는 낮은 전력 소비(약 10µA)로 설계할 수 있습니다.

Picoleaf의 광투과율은 90%를 초과하며, 투명성을 요구하는 디스플레이 패널 영역에 설치할 수 있습니다. Picoleaf의 압력 감지 기능과 터치 패널 UI 기능을 결합하여 기존 터치 패널과는 다른 HMI를 구현하며, 인간 행동 원칙에 더욱 근접합니다. Picoleaf의 얇고 짧으며 유연한 디자인은 디자인의 무결성을 유지하면서 새로운 기능을 가능하게 합니다. 또한 설치 유연성은 좁은 공간이나 곡면과 같은 도전 과제를 쉽게 해결하여 맥박과 호흡과 같은 생체 신호를 감지할 수 있는 웨어러블 디바이스에 적합합니다.

생체 모니터링 솔루션은 높은 정밀도, 다중 파라미터 분석, 실시간 운영 및 지능화를 향해 빠르게 발전하며 의료 진단, 건강 관리, 스포츠 모니터링 및 공공 안전 분야에서 점점 더 중요한 역할을 하고 있습니다. Murata의 BCG 솔루션과 Picoleaf 압전 필름 센서는 24시간 내내 부재중 생체 신호 모니터링을 가능하게 하며 이상 상태에 대한 실시간 경고를 제공하여 전체적인 안전성과 건강 관리 효율성을 향상시킵니다. 이러한 혁신은 모든 시나리오에서 연중무휴 생체 신호 추적 및 건강 평가를 실현하며, 개인과 사회를 위한 보다 정확하고 효율적이며 지속 가능한 건강 관리 솔루션을 제공하고 의료 산업을 지능화의 새로운 시대로 이끌어갑니다.