의료 보건 웨어러블 생체 감지 프런트 엔드를 설계하는 것은 어려운 일이며, 이러한 개발 키트가 생명선 역할을 할 수 있습니다.

잘 모를 수도 있지만, 여러분은 항공 우주 엔지니어인 Edward Murphy에 대해 이미 잘 알고 있습니다. Edward는 안전이 중요한 시스템에서 일했지만, 생명공학자라면 누구든 '잘못될 가능성이 있는 것은 반드시 잘못된다'(머피의 법칙)라는 격언에 공감할 수 있습니다. 각 개별 부분에 대한 충분한 지식과 이해가 있고 겉으로는 간단해 보이는 시스템에서도, 각 부분이 결합되어 각각의 합계에 훨씬 미치지 못하는 결과를 나타낼 수도 있습니다.

정확한 측정치를 제공할 수 있는 건강 및 피트니스 웨어러블을 위한 맞춤형 설계를 구축하고 있다면 이 현상(머피의 법칙)에 대해 잘 알게 될 것입니다.

광용적맥파(PPG) 또는 심전도(ECG)를 이용하여 생명 징후를 측정하는 개념은 특히 잘 알려져 있습니다. 엔지니어는 말초혈관의 혈액량 변화를 측정하여 PPG 파생 심박수를 도출하거나 심장 근육에서 생성되는 생체 전기 활동을 모니터링하여 ECG 파생 심박수를 확인할 수 있습니다. 엔지니어는 옥시헤모글로빈과 데옥시헤모글로빈의 흡수 스펙트럼 차이를 활용하여 말초 산소 포화도(SpO2)를 측정하는 간단한 이론을 잘 알고 있습니다. 또한 엔지니어는 펄스 전달 시간(PTT) 또는 펄스 도달 시간(PAT)과 같은 더 정교한 측정 기능을 사용하여 커프리스 혈압 모니터를 구축하는 방법을 익히게 됩니다.

이러한 다양한 측정에서는 증폭기 및 필터의 유사한 신호 체인을 활용하여 아날로그 디지털 컨버터(ADC)에서 제공되는 센서 신호를 조정합니다. 마이크로 컨트롤러(MCU)에서는 변환된 데이터로 충분히 입증된 알고리즘을 실행하여 심박수, SpO2, 혈압 등의 값을 도출합니다.

선명한 생체 신호 습득

개발자는 다양한 저전력 고정밀 장치를 활용하여 맞춤형 신호 체인 및 처리 서브 시스템을 구축함으로써 자사의 건강 및 피트니스 제품을 차별화할 수 있습니다. 하지만 대부분의 경우 기성 특수 생체 센서의 출시로 이러한 응용 분야에서 생체 센서 신호 체인을 자체적으로 구축할 필요가 없습니다.

Analog Devices의 MAX86140 및 MAX86141과 같은 장치는 광학 PPG 방법을 위해 특별히 설계되었습니다. 생체 전위 ECG 측정 분야의 경우 Analog Devices의 MAX30003, AD8232A 및 AD8233A가 필요한 신호 체인을 구현합니다. Analog Devices의 ADPD4100 및 ADPD4101은 두 가지 유형의 측정을 모두 지원할 수 있습니다. 이러한 다중 모드 아날로그 프런트 엔드(AFE)는 트랜스 임피던스 증폭기(TIA), 대역통과 필터(BPF), 적분기, ADC로 구성되는 다중 채널 신호 조정 체인 쌍을 통합합니다.

개발자는 고객 웨어러블에 매우 적합한 이 AFE를 생체 전기 기반 단일 리드 ECG 측정(그림 1, 왼쪽)과 광학 기반 PPG 측정(그림 1, 오른쪽) 모두에 대한 토대로 활용할 수 있습니다.

그림 1: Analog Devices의 ADPD4100 및 ADPD4101 AFE는 PPG 측정(왼쪽)과 ECG 측정(오른쪽)을 모두 지원합니다. (이미지 출처: Analog Devices)

이러한 특수 생체 센서를 이용하면 개발 시간을 단축할 수 있지만 생물학 시스템을 처리할 때 잘못될 수 있는 모든 일들에서 벗어날 수는 없습니다. 과도 주변 소스, 피부 불균질성과 같은 예상은 가능하지만 예측할 수 없는 아티팩트는 PPG에 영향을 주고, 골격근 수축과 같은 전자파 장해(EMI) 및 모든 생리적 전기 신호 발생기는 ECG를 복잡하게 만듭니다. (논문 연구 중에 알게 된 것처럼 이러한 다양한 아티팩트가 신호 대 잡음비(SNR)에 미치는 영향이 압도적인 경우도 있습니다. 필자는 선명한 생체 신호를 습득하기 위해 기계 학습(ML) 기반 서브 시스템을 구축하려던 1차 목표를 연기해야 했습니다.)

생물학 시스템의 특성을 고려할 때 PPG, ECG, PAT/PTT 및 기타 생물물리학 방법의 이론을 완벽히 이해하더라도 개발자가 건강 또는 피트니스 웨어러블을 설계하는 것은 보이는 것만큼 쉬운 일이 아닙니다. 개발자가 신호 체인과 알고리즘에만 집중할 경우 정작 해야 할 일은 제쳐두고 생체 신호를 습득하는 부수적인 일에 매달리게 될 수 있습니다.

하지만 생체 센서 개발 키트를 사용하여 개발자는 시제품을 빠르게 제작하여 다양한 빛의 파장 및 전극 위치의 효과를 파악하고 다양한 방법으로 생체 신호 습득을 최적화하거나 바로 작업에 적용할 수 있습니다.

건강 웨어러블 시제품 제작을 위한 특수 키트

Analog Devices의 EVAL-ADPD4100Z-PPG 평가 키트 및 MAXREFDES103# 의료 보건 센서 밴드와 같은 키트는 건강 웨어러블 개발 시간을 단축하기 위해 특별히 고안되었습니다. 개발 중에 키트 보드의 USB 마이크로 커넥터 포트를 통해 연결되는 자사의 EVAL-ADPDUCZ Cortex-M3 마이크로 컨트롤러 기반 마더보드를 사용하여 EVAL-ADPD4100Z-PPG를 프로그래밍합니다. USB 케이블을 분리한 후 개발자는 보드의 컷아웃을 통해 제공된 손목 밴드를 연결하여 제자리에서 설계를 테스트할 수 있습니다(그림 2).

그림 2. Analog Devices의 EVAL-ADPD4100Z-PPG 평가 기판을 손목에 착용하여 실제 생체 감지 조건을 파악할 수 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

MAXREFDES103# 키트는 MAX86141 생체 센서 기반 센서 서브 시스템을 사전 제작된 웨어러블 패키지의 MAX32630 MCU를 기반으로 하는 포괄적인 호스트 서브 시스템과 결합합니다. 장치 상태 표시를 위한 버튼 및 컬러 발광 다이오드(LED)와 함께, 웨어러블 패키지에는 펌웨어 업데이트를 위해 제공된 어댑터를 연결하기 위한 USB Type-C 커넥터가 제공됩니다(그림 3).

그림 3: MAXREFDES103# 의료 보건 참조 설계에는 현장에서 생체 센서 애플리케이션 학습을 위한 웨어러블이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: Analog Devices)

개발자가 다양한 감지 구성으로 연속적으로 측정하는 동안 생성되는 파형을 파악하고 의도적이거나 우연적인 아티팩트의 영향을 확인할 수 있도록 각 키트에는 측정된 데이터를 분석하기 위한 소프트웨어 패키지가 포함되어 있습니다. 개발자는 Analog Devices의 Wavetool 평가 소프트웨어를 사용하여 SpO2, ECG를 비롯한 다양한 애플리케이션 모드에서 EVAL-ADPD4100Z-PPG를 실행할 수 있습니다.

Analog Devices의 MAXREFDES103# 참조 설계 소프트웨어 패키지에는 개발자가 심박수 및 SpO2에 대한 생체 센서 및 포함된 알고리즘을 구성할 수 있는 DeviceStudio 애플리케이션이 포함되어 있습니다. 수면의 질, 호흡수 및 심박수 변동(HRV)에 대한 추가 알고리즘을 제공하는 Android 앱인 Analog Devices의 의료 보건 센서 플랫폼을 사용할 수 있습니다. 후자의 지표는 개인의 자율 신경계 변화를 모니터링하는 비침습적 방법으로 의료계의 특별한 관심을 받고 있습니다.

결론

웨어러블용 생체 감지 신호 체인을 처음부터 설계하는 것은 심약자를 위한 것이 아닙니다. 하지만 본인이 사용하기 위해 제작한다면, 생체 감지와 관련한 실제 문제점을 처리할 때 여기에 설명된 특수 개발 키트가 생명선 역할을 할 수 있습니다.