미국의 의료 예산 총액은 2007년에 국민 1인당 $7,439에 해당하는 2조 2600억 달러까지 증가했으며, 이러한 증가 추세는 계속 이어질 것으로 예측되고 있다. 이러한 막대한 비용에도 불구하고 CIA의 국가정보보고서(World Fact Book)에 나타난 미국의 예상 수명은 전세계 국가 중 45위에 불과하다(2007년 추정). 의료 비용이 지속적으로 상승되자 미국 정부는 질병을 더 효율적으로 치료 및 예방할 수 있는 새로운 방법을 찾는 데 고심하고 있다. 이 문서에서 제시하는 솔루션은 저전력의 저렴한 RF 디바이스의 전폭적인 사용을 전제로 한다.
글_ 프리스케일 / 쿠르트 자이페르트(Kurt Seifert)
-----------------------------------------------------------------
머리말
WHO(세계 보건 기구)에 따르면 환경으로 인한 질병이 예방 가능한 질병 사례 중 24%를 차지한다. 이는 전세계 수천 명의 사람들이 대기 및 수질 오염과 같은 비위생적인 환경 조건으로 인해 조기에 사망하고 있음을 의미한다. 미국 HHS(Health and Human Services, 보건복지부)는 흡연 및 운동 부족과 같은 개인적 행위와 함께 열악한 식품 품질도 비위생적인 조건의 원인으로 꼽았다. 매년 이러한 위험 요소의 직접적인 결과로 발생하는 질병의 치료에 수백만 달러가 소비된다. 정부가 위험 요소를 정기적으로 모니터링할 수 있다면 일부 질병이 더 심각하고 비용이 많이 소요되는 의료 상황으로 악화되기 전에 예방 또는 치료할 수 있을 것이다.
HHS는 또한 가장 흔한 인체 건강 위험 요소가 외식 빈도[1] [2]와 관련이 있다고 밝혔으며, 외식은 과도한 수준의 흡연에 노출될 수 있는 상황이기도 하다. 집 밖에서 하는 식사는 일반적으로 지방과 칼로리 함유량이 높고 양이 많다. 이러한 잉여분은 비만 및 제2형 당뇨와 같은 심각한 상황으로 이어질 수 있으며 심장 질환의 원인이 되기도 한다. 미국 내에서만 34초마다 한 명씩 심장병으로 사망하고 있다[3]. 아직까지는 이와 같이 다양한 위험 요소 및 각 위험 요소가 인체에 끼치는 영향을 충분히 정확하고 경제적으로 모니터링할 수 있는 방법이 없다.
흡연은 심장 질환, 호흡기 질환 및 몇 가지 종류의 암을 비롯한 심각한 건강 상태의 원인으로 알려져 있다. 하지만 인체에 나쁜 영향을 줄 수 있는 대기 오염물질은 흡연 외에도 매우 많다. 무의식적으로 이러한 오염물질에 노출되면 장시간에 걸쳐 오염물질에 포함된 독소가 인체 내에 축적될 수 있다.
이러한 모든 위험 요소를 모니터링하고 데이터를 축적할 수 있다면 관련된 질병 대부분을 예방 또는 배제할 수 있을 것이다. 솔루션을 구현하는 데 가장 큰 문제 중 하나는 한 개인에 대해 이러한 모든 위험 요소를 모니터링하는 데 따른 복잡성 및 정보를 효율적으로 처리하는 방법이다. 이 문제가 해결되면 치명적일 수 있는 질병을 심각한 단계에 이르기 전에 식별하고 예방 조치를 취하여 비용이 많이 드는 치료를 피할 수 있다.
인체 건강에 대한 주요 위험 요소는 잘 알려져 있지만, 현재 이러한 위험에 대한 정보를 수집하는 데 사용되는 프로그램은 매우 고가로 일반 대중이 쉽게 접할 수가 없다. 각국 정부는 이러한 위험 요소로 인해 발병되는 질병을 연구, 치료 및 예방하기 위해 매년 수많은 예산을 지출하고 있지만 위험 요소가 효율적으로 모니터링되지 않아 개선이 느리게 진행되고 있다. 사람이 일상적으로 접하게 되는 위험 요소 및 인체를 저렴한 비용으로 정확하게 모니터링할 수 있다면 전반적인 의료 환경이 개선될 것이다.
무선 감지 및 모니터링 솔루션
개인의 외식 횟수와 운동량을 모니터링하고 배기 가스 센서 및 대기 오염 센서를 사용하여 대기 오염도를 측정하면 개인별 특정 질환의 발병 가능성을 예측할 수 있다. 또한 이러한 질병이 더 심각하고 비용이 많이 소요되는 질환으로 악화되기 전에 예방적 치료를 실시할 수 있다. 현재 최신 저전력 기술이 발전됨에 따라 통합형 ARM7 기반 MCU(마이크로 컨트롤러)를 채택한 프리스케일 MC13224V PIP(Platform-in-Package, 플랫폼 인 패키지)와 같은 스마트 무선 디바이스를 사용하여 경제적이고 효율성 높은 무선 모니터링 솔루션을 개발 및 구현할 수 있게 되었다.
모니터링 솔루션은 지정된 시점에 개인의 환경을 측정하거나 목록으로 분류할 수 있다는 사실을 기반으로 구현된다. 이는 측정 대상이 일상적인 생활을 영위하는 동안 대상을 가능한 많이 모니터링할 수 있도록 저전력 무선 센서를 전략적으로 배치하는 것으로 달성할 수 있다. 솔루션을 성공적으로 구현하려면 고정식과 이동식의 두 가지 무선 센서 노드를 사용해야 한다. 대다수의 사람은 가정, 직장 또는 경우에 따라 두 곳 사이를 이동하는 데 대부분의 시간을 보낸다고 가정할 수 있다. 이 가정에 따라 개인의 직장, 가정 및 이동 수단에 고정식 센서 노드를 설치하여 흡연, 연소 가스, 유해 화학 물질 등과 같은 환경 품질에 대한 정보를 수집할 수 있다. 또한 식당에 고정식 노드를 배치하여 이동식 노드에 사용자가 외식을 했다는 정보를 간단히 전달하도록 할 수 있다. 이 시스템은 개인이 칼로리를 얼마나 섭취했는지 또는 식품의 품질이 충분한지에 대해서는 기록하지 않지만, HHS의 발표를 고려할 때 이 정도 정보만으로도 애플리케이션에서 요구하는 개인의 영양 섭취 습관에 대한 일반적인 개념을 파악하기에는 충분하다.
이러한 유형의 솔루션으로 개인을 모니터링하는 방법에는 여러 가지가 있다. 예를 들어, 식당에서 보낸 시간을 수집하거나 식사 비용을 계산할 때 개인별 이동식 노드에 신호를 전송할 수 있다. 그림 2에는 하드웨어 요구사항이 나와있다. 이 솔루션에는 IEEE 802.15.4 무선 통신 프로토콜이 완벽한 조합이다. 이 프로토콜은 중간 데이터 속도(약 250Kbps)의 저전력 네트워크를 지원하며, 적절히 구현된 경우 전력 사용량이 매우 적은 통신 시스템에서 리튬 코인 셀 배터리로 수년 동안 사용이 가능하다. 프로토콜의 IEEE 802.15.4 MAC 계층 자체는 충분하다고 할 수 없지만 지그비(ZigBee) 무선 등의 네트워크 계층을 통해 필요한 모든 네트워크 서비스를 제공할 수 있다. 그림 3에는 제시된 스택이 나와있다.
지그비 계층에는 다양한 유형의 디바이스가 존재한다. 소비 전력에 제한이 있으므로 고정식 노드는 지그비 코디네이터가 되어야 하고, 그 주요 역할은 네트워크의 시작 및 관리이다. 스택의 지그비 계층은 타이밍, 수신 데이터, 해당 계층에 대한 프레임 생성, 최근 수신된 데이터 처리 등과 같은 다양한 작업을 수행하면서 건강 데이터를 관리한다. 애플리케이션의 특성상 전송 작업은 10초 이상의 간격으로 수행할 수 있다. 고정식 노드의 일반 프레임에는 모니터링 대상자의 숫자 ID, 환경의 품질에 대한 정보, 대상자에게 건강 경보와 같은 특수한 메시지가 존재하는지 여부 등의 정보가 포함되어야 한다.
센서를 대상자가 자주 찾는 장소에 배치하는 것만으로는 각 개인에 대한 완벽하고 정확한 데이터 세트를 수집할 수 없다. 운동과 관련된 데이터를 수집하려면 개인별 이동식 센서 노드가 필요하다. 이 이동식 노드에는 프리스케일의 3축 MMA7361L 저중력(Low-g) 가속도 센서와 같은 가속도계를 장착하여 사용자의 신체 활동 수준을 측정할 수 있다. 3축 가속도계를 사용한 인체 낙상 감지(Human Fall Detection Using 3-axis Accelerometer) 참조 설명서(MMA7260QHFDRM, www.freescale.com에서 다운로드 가능)에서 설명된 것과 같은 간단한 알고리즘을 사용하여 달리기, 걷기, 도약 등과 같은 특정 움직임을 기록할 수 있다. 특수한 조건이 적용되는 개인의 경우 이동식 노드에 온도 또는 혈당 수치와 같은 특정 정보를 기록하는 맞춤형 기능을 추가할 수도 있다. 또한 이동식 노드는 의료상 위험한 상태를 나타내는 패턴을 인식할 수 있는 기능을 적용함으로써 위급한 건강 상태에 대한 경보를 내보내 환자가 즉시 의학적 치료를 받도록 할 수 있다.
이동식 노드의 일반 프레임에는 개인별 ID와 함께 당일 수집된 위험 요소 측정치와 같은 통계 정보, 사용자에게 다른 종류의 모니터링이 필요할 경우의 특수한 정보 등이 포함되어야 한다. 이동식 노드 및 고정식 노드는 모두 무선 네트워크의 일부가 되어야 한다. 또한 IEEE 802.15.4 무선 프로토콜과 MCU를 포함한 동일한 데이터 전송 소프트웨어 및 하드웨어를 사용할 수 있다. 다시 언급하지만, 제시된 컨트롤러는 고성능 ARM7 컨트롤러와 모든 IEEE 802.15.4 무선 하드웨어를 갖춘 MC13224V PiP가 될 것이다. 이 이동식 노드의 설계에는 가속도계 외에도 특수한 환자를 위한 맞춤형 기능을 추가할 수 있도록 3가지 이상의 서로 다른 센서를 지원하는 유연한 센서 포트가 포함될 수 있다. 이 경우 이동식 노드는 지그비 엔드 디바이스가 되어야 한다.
디바이스가 이동식이며 배터리로 구동되므로 에너지 소비량은 매우 중요한 요소이다. MCU는 에너지 소비량 관리에 중요한 역할을 하며, 0.1%의 TX/RX 작업 주기가 사용되는 경우 평균 소비량을 최저 40uA까지 낮출 수 있다. 이는 일반 AA 충전지를 사용하는 경우에 수년 동안 사용이 가능한 수치이다.
이동식 노드는 저전력으로 작동하므로 장거리로 정보를 전송할 수 없다. 따라서 먼저 IEEE 802.15.4 무선 프로토콜을 통해 고정식 노드와 통신한 다음, 고정식 노드에서 GPRS(범용 패킷 무선 서비스)와 같은 무선 데이터 네트워크 또는 인터넷을 통해 진단 센터에 정보를 전송하게 된다. 인터넷을 사용할 수 없는 경우에는 GPRS를 통해 SMS(문자 메시지 서비스)로 정보를 전송하여 추가적인 인프라 유연성을 제공하고 인터넷 이외의 데이터 전송을 위한 비용 효율적인 솔루션을 구축할 수 있다.
진단 센터를 위험 요소의 특정 패턴을 인식하도록 프로그래밍하면 잠재적인 건강 위험 요소가 확인된 경우 전문의에게 발견 결과를 알릴 수 있다. 전문의는 데이터를 조기에 받아 이를 분석하고 환자에게 시기 적절하게 메시지를 전송할 수 있다. 시스템은 충분한 유연성을 제공하기 때문에 야간의 데이터를 다른 장소로 아웃소싱할 수 있어 야간 근무가 필요 없다. 각 사용자에게 고유한 ID가 지정되므로 개인별 데이터를 기록하고 잠재적인 건강 위험 요소가 있는지 여부를 판단하는 전문의가 데이터에 신속하게 액세스하고 검토할 수 있다. 건강 위험이 있다고 판단된 경우 진단 센터에서는 다시 고정식 노드와 통신하여 무선 기술을 통해 개인별 이동식 센서로 경보 메시지를 전송하게 된다. 그림 5에는 센서 노드와 진단 센터 간 통신의 논리 경로가 나와있다.
인체 건강 네트워크를 구축하는 절차는 아주 간단하다(그림 6 참조). 먼저 다른 노드가 연결되지 않은 상태에서 고정식 노드가 자체적으로 네트워크를 구성한다. 그런 다음 다른 고정식 노드를 추가하면 대규모 무선 네트워크를 만들 수 있다. 이 작업이 완료되면 모든 신규 이동식 노드에서 비컨 요청을 전송하여 네트워크에 합류하게 된다. 모든 고정식 노드는 이동식 노드에서 네트워크를 감지할 수 있도록 요청에 응답하게 된다. 각 이동식 노드는 어떤 고정식 노드에 합류할 것인지를 신호 품질에 따라 결정한다. 결정이 완료되면 해당되는 특정 고정식 노드에 합류하기 위한 연결 요청이 전송된다. 네트워크의 모든 멤버가 동일한 환경 조건을 공유하므로 해당 데이터는 브로드캐스트 형태로 모든 멤버에게 전송된다. 고정식 노드는 또한 특정 이동식 노드에 대한 메시지 전송도 제어하지만, 이는 진단 센터에서 특정 이동식 노드에 잠재적인 위험이 있다고 판단한 경우에 한정된다.
이론적으로 단일 고정식 노드에는 최대 65,536개의 이동식 노드를 연결할 수 있다. 네트워크에 여러 개의 고정식 노드가 배치될 것으로 예상되므로 실질적으로 토폴로지 문제는 존재하지 않는다. 가장 흔한 위험 요소의 모니터링에 저가형 저전력 디바이스를 사용하면 의료기관은 현실적이고 비용 효율적인 기술 플랫폼을 구축함으로써 특별히 고위험 그룹을 위한 효율적인 예방 치료에 필요한 핵심 데이터를 얻을 수 있다. 저전력 고성능 MC13224V PIP 및 IEEE 802.15.4 프로토콜로 구현한 솔루션은 전체 의료 예산에 비해 높은 투자 수익률을 제공하므로 이러한 용도에 최적의 디바이스가 될 것이다. 또한 필요한 추가 구성요소를 최소 수준으로 유지하면서도 다양한 용도 변화에 적합하도록 폭넓은 맞춤 기능을 제공할 수 있다.
결론
위와 같은 유형의 무선 감지 및 모니터링 시스템을 활용하면 의료 비용을 절감하고 개인의 예상 수명을 높일 수 있다. 더불어 시스템 자체는 1회 투자로 구축 가능하며, 일단 설치된 디바이스에는 주기적인 재충전과 센서 트리밍 외에는 다른 유지보수가 거의 필요하지 않다. 전체적으로 볼 때 의료 네트워크는 의료에 투자되는 시간 및 경제적 자원을 절감하는 동시에 전반적인 삶의 품질을 높여 주는 선제적인 의료 점검 기능을 제공할 수 있다.
References
[1] “Away-from-Home Foods Increasingly Important to Quality of American Diet,” Lin BH, Guthrie J, Frazao E., Economic Research Service, U.S. Department of Agriculture, Agriculture Information Bulletin No. 749; 1999
[2] “Eating out in America, 1987 - 2000: Trends and Nutritional Correlates,” Kant AK, Graubard BI., Preventive Medicine 2004; 38:243 - 9
[3] American Heart Association, “Heart Disease and Stroke Statistics - 2005 Update”
--------------------------------------------------------------------
쿠르트 자이페르트는 멕시코 과달라하라에 있는 서부 상급 기술대학(Instituto Tecnologico y de Estudios Superiores de Occidente)에서 통신 분야를 주제로 전자공학 학위를 받았다. 현재 프리스케일 무선 연결기술 사업부에 근무하고 있으며, 주요 업무는 소프트웨어 애플리케이션의 테스트, 설계 및 유지보수이다.
오승모 기자 (oseam@icnweb.co.kr)
Technology섹션 목록으로
