전 세계적으로 인구 고령화가 가속화되고 사용할 수 있는 자원은 줄어듦에 따라 의료 분야 역시 대대적인 변화가 필요하게 됐다. MEMS 기술을 기반으로 한 소형의 센싱 디바이스, 최신 ARM 코어를 채택하여 전력 효율이 우수한 프로세서, 경제성 뛰어난 무선 기술은 모두 이러한 변화에 기여할 수 있는 것들이다. 이미 시장에는 10년 전만 하더라도 상상조차 힘들었던 다양한 하드웨어 아이템들이 등장하고 있다. 이러한 변화를 위해서는 임상 측면의 문제들을 해결해야 할 뿐만 아니라, 소비자 측면에서의 문제들 또한 고려되어야 한다.

혈당 측정기, 스마트 깁스, 약물 주입 장치, 통증을 완화하기 위한 전기 신경 자극, 수명 패턴 분석 시스템 등이 등장하면서 그 전에는 전적으로 병원 내에서만 이루어졌던 의료 행위 중 상당 부분이 점점 가정으로 옮길 수 있게 됐다. 그 결과, 환자들이 병원에서 보내는 시간을 줄이는 대신 자신의 집에서 더 많은 시간을 보낼 수 있게 됐다. 또한 지속적인 모니터링을 통해 발병 징후를 조기에 발견할 수 있을 뿐 아니라, 병세가 더 심각해지기 전에 치료를 할 수 있게 됐다.

이와 함께 피트니스 밴드나 스마트워치 등 점점 더 다양한 웨어러블 기기들이 등장함에 따라서 개인이 자신의 건강 상태를 더 잘 돌볼 수 있게 됐다. 그럼으로써 비만이나 당뇨병 같은 질환의 발병을 좀 더 예방할 수 있으며, 이를 통해 더욱 건강한 삶을 살 수 있다.

의료용 웨어러블에 널리 사용되는 블루투스 LE

현재 웨어러블용으로 가장 많이 사용되고 있는 커넥티비티 기술은 블루투스 LE(Bluetooth low energy)이다. 블루투스 LE는 무선의 편리성은 물론, 에너지 효율적인 동작과 비교적 손쉬운 시스템 통합이 특징이다. 블루투스 LE는 기존 블루투스 기술과 마찬가지로 2.4GHz 대역을 사용하지만, 프로토콜 스택에 있어서 몇 가지 근본적인 차이가 있다.

블루투스 LE의 메시징 메커니즘은 보통의 컨수머 애플리케이션처럼 지속적인 데이터 스트림이 아니라 간헐적으로 짧은 버스트를 전송하기에 적합하도록 설계됐다. 전력을 크게 낮출 수 있기 때문이다. 송신 및 수신 시에 블루투스 LE의 피크 전력 소모는 보통의 블루투스보다 훨씬 낮다.

다른 무선 커넥티비티 기술들은 맞춤형 수신기 모듈과 독자적인 프로토콜을 사용할 수도 있는데, 블루투스 LE는 사용자의 스마트폰과 상호작용할 수 있도록 설계됐다. 따라서 웨어러블 기기가 해당 앱과 데이터를 공유하거나 이 데이터를 모바일 네트워크를 통해서 의료진에게 전송할 수 있다. 또한 어디서나 보편적으로 사용되고 있으므로, 시중에 나와 있는 어떤 스마트폰 모델과도 동작이 가능하다. 거의 모든 모델이 블루투스를 지원한다.

가정이나 병원에서 와이파이, 블루투스, 그밖에 다른 무선 장비들이 극히 혼잡스러운 2.4GHz 대역을 공유하기 때문에 간섭 문제가 발생될 수 있다. 이를 피하기 위해 블루투스 LE는 적응형 주파수 호핑(adaptive frequency hopping, AFH)이라고 하는 기술을 사용해서 간섭이 가장 적은 채널을 선택한다. 보안 기능으로는 128bit AES-CCM 암호화를, 키 생성 및 교환을 위해서는 타원형 곡선의 디피 헬만 기법(Diffie-Hellman scheme)을 각각 지원한다.

블루투스 LE는 보편적으로 널리 사용되고 있기 때문에 엔지니어들이 그리 비싸지 않은 다양한 무선 모듈을 사용할 수 있으며, 이와 함께 로열티가 없는 프로토콜 스택과 다양한 개발 키트를 사용할 수 있다. 오늘날 많은 블루투스 LE 모듈은 다양한 기능을 집적한 시스템온칩(SoC) 형태로 제공되며 마이크로컨트롤러를 내장하고 있기 때문에 포착한 데이터를 자체적으로 처리할 수 있다. 이는 의료용 웨어러블 애플리케이션에 특히 유용한 특성이다. 기기 제조회사들이 세련된 디자인에 가볍고 배터리 수명이 오래 가는 제품을 설계할 수 있기 때문이다.

소프트웨어가 커서 프로세싱 자원이나 메모리 용량을 많이 요구하는 경우에는, 블루투스 LE 모듈을 USB나 UART를 사용해서 표준 호스트 컨트롤러 인터페이스(HCI)로 인터페이싱 할 수 있다. 그러면 블루투스 LE 모듈은 시스템 내에서 무선 통신을 전담하고, 별도의 마이크로컨트롤러 유닛이 애플리케이션(및 블루투스 스택의 상위층들)을 처리하도록 할 수 있다.

블루투스 LE 기반 웨어러블 기기의 또 다른 장점은, 펌웨어 업데이트를 편리하게 무선으로 할 수 있다는 것이다. 따라서 새로운 기능의 추가 또는 버그 교정을 비교적 쉽게 처리할 수 있다. 사용자는 유선 연결을 할 필요 없이 스마트폰을 통해서 새로운 펌웨어 업데이트를 다운로드하기만 하면 된다. 많은 주요 제조사(텍사스 인스트루먼트, 실리콘랩스, 노르딕 세미컨덕터 등)의 블루투스 LE 모듈이 이 기능을 지원한다.



점점 인기가 높아지는 NFC

스마트폰이 일상화되고 블루투스 LE 커넥티비티가 보편적으로 사용됨에 따라서 의료용 웨어러블 기기도 큰 기회를 맞고 있다. 하지만 눈여겨보아야 할 기술은 이뿐만이 아니다. NXP와 텍사스 인스트루먼트 같은 칩 제조사들이 밀고 있는 NFC(근거리 통신)도 갈수록 더 인기가 높아지고 있다. 블루투스 LE가 수십 미터의 도달거리를 지원하는 것과 달리, NFC는 연결하고자 하는 기기가 불과 수십 센티미터 정도로 지극히 가까운 거리에 떨어져 있을 때 사용하기 위한 것이다. 데이터 속도는 블루투스 LE의 절반에 못 미치는 수준이다(NFC는 424kbps, 블루투스 LE는 1Mbps).

NFC가 블루투스 LE에 비해서 쓸모가 있을까 하고 생각할 수도 있다. 사실상 이 둘은 직접적인 경쟁 관계라기보다는 보완적인 관계이다. NFC는 갖다 대기만 하면 데이터 전송이 이루어지도록 설계되었기 때문에 차세대 의료 애플리케이션으로 더할 나위 없이 유용하게 쓰일 수가 있다. 인근 기기 목록 중에서 원하는 기기를 선택하고 비밀번호를 입력할 필요 없이, 사용자가 해당 기기들을 서로 갖다 대기만 하면 NFC 통신 시퀀스가 자동으로 이루어지기 때문이다.



또 다른 장점은, NFC는 블루투스 LE보다도 풋프린트를 더 작게 차지할 수 있다는 것이다. 웨어러블 기기를 더 작은 하우징 안에 집어넣을 수 있으므로 사용자 편의성을 높일 수 있고, 내장된 전원을 사용하지 않고도 작동할 수 있으므로 웨어러블 기기의 배터리를 절약할 수 있다. 환자가 착용하는 웨어러블 기기에 통합된 수동 NFC IC는 의료진이 가지고 있는 휴대형 장비에 통합된 능동 NFC IC에 의해서 생성된 RF 필드로부터 전력을 공급받을 수 있다. 따라서 배터리가 필요 없이 포집한 RF 에너지만을 사용하는 웨어러블 기기 설계가 가능하다.

이러한 특성들에 힘입어, NFC는 간편하게 의료 데이터를 공유할 수 있다. 복잡한 페어링 절차를 거칠 필요 없이 기기들을 서로 가까이 갖다 대기만 하면 되므로 여러 기기들로부터 데이터를 빠르게 가져올 수 있다. 이는 이미 과중한 업무에 시달리고 있는 직원들의 시간을 절약할 수 있게 해준다. 또, 환자의 피부에 부착된 스티커에 수동 NFC를 통합하면 의료진이 치료에 관한 기록을 편리하게 업데이트할 수 있다.

이 기술은 체온, 혈당, 혈압 등을 모니터링하기 위한 단일 센서 패치에도 적용될 수 있다. 이 경우, 측정을 위한 각종 케이블 등 거추장스러운 연결 장치가 필요 없으므로 착용자들의 불편도 최소화할 수 있다.

웨어러블 기기와 판독기를 서로 가까이 갖다 대야 한다는 점에서 NFC는 데이터 보호 측면에서도 유리하다. 데이터 보호 문제는 의료 분야 전반에 걸쳐서 갈수록 더 중요한 문제가 되고 있다. 데이터 전송이 이처럼 극히 짧은 거리에서 이루어지기 때문에 ‘중간자(man-in-the-middle)’에 의한 보안 공격의 위험성을 방지할 수 있는 것이다. 이에 반해 블루투스는 이러한 중간자의 보안 공격이 심각한 문제가 될 수 있다. NFC 역시 블루투스 LE와 마찬가지로 타원형 곡선의 디피 헬만 키 방식과 AES 암호화를 지원한다.

NFC를 지원하는 스마트폰들이 점점 늘어나고 있기는 하지만, 현재 거의 보편적으로 널리 사용되고 있는 블루투스 LE와 같은 수준에 도달하려면 아직도 갈 길이 멀다. 하지만 시간이 갈수록 각종 휴대기기들로 점점 더 일반화될 것임은 확실해 보인다. 이렇게 되면 의료용 애플리케이션에서는 블루투스 LE와 NFC가 중추적인 역할을 할 것이다.

의료 분야 애플리케이션 지원

갈수록 더 다양한 의료용 웨어러블 기기가 등장하고 있으며, 이는 현대 사회에 중대한 변화를 가져올 것이다. 사람들은 자신의 건강 상태를 더 잘 살피고, 문제가 발생하기 전에 미리 예방 조치를 취할 수 있을 것이다. 또 심각한 만성 질환을 앓는 환자들의 삶의 질을 크게 개선할 수 있으며, 노인들이 가능한 더 오랫동안 독립적인 생활을 유지할 있도록 도울 것이다. 마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)는 일찍부터 의료 분야의 애플리케이션들을 지원해 왔으며, 의료용 웨어러블과 관련한 경험과 지식을 축적하고 있다.

http://www.mouser.it/applications/medical/에 방문하면 이와 관련한 다양한 설계 프로젝트 사례와 그 밖의 자원들을 활용할 수 있다.