NUS의 배터리 없는 피부 센서, 잠잘 때도 혈압 변화를 추적할까

싱가포르국립대(NUS) 연구진이 배터리를 센서마다 부착하지 않고도 수면과 운동 중 수축기 혈압을 연속적으로 추정하는 피부 부착형 센서 네트워크를 개발했다. 이 시스템은 손목시계 안에 배터리와 전자부품을 모두 넣는 대신, 피부에 붙이는 센서 2개와 스마트폰, 전도성 섬유가 들어간 의류를 하나의 웨어러블 네트워크로 묶는다.

다만 현재는 상용 의료 모니터가 아닌 연구용 개념 검증 단계다. 보고된 시험에는 5명이 참여했기 때문에, 임상적으로 검증된 혈압 장비를 대체하려면 더 큰 규모의 추가 연구가 필요하다.

왜 혈압을 계속 측정해야 할까

일반적인 혈압 측정은 팔에 커프를 감고 앉아서 움직이지 않는 상태에서 이뤄진다. 안정 시 혈압을 확인하는 데는 유용하지만, 하루 동안 혈압이 어떻게 변하는지 전체 흐름을 보여주지는 못한다.

수면과 기상 직후의 변화

병원이나 가정에서 간헐적으로 혈압을 재면 깊은 수면 중이나 잠에서 깬 직후의 수치를 놓치기 쉽다. 밤사이 혈압 변화나 기상 직후 나타나는 급격한 상승도 마찬가지다. NUS의 시스템은 특정 시점의 안정 시 수치만 확인하는 대신, 혈압 변화가 실제로 발생하는 상황을 포착하는 것을 목표로 한다.

운동 중 반응

운동을 하면 수축기 혈압이 빠르게 변한다. 활동 중 혈압을 측정하면 휴식 상태의 커프 측정만으로는 알기 어려운 비정상적으로 높거나 낮은 반응을 연구할 수 있다. 연구진은 출퇴근, 수면, 운동 상황에서 시스템을 시험했으며, 강도 높은 운동 중 측정도 포함했다.

커프형 기기와 손목형 웨어러블의 한계

팔 커프형 혈압계는 여전히 익숙한 기준 장비다. 하지만 측정할 때 팔을 압박하고 사용자가 가만히 있어야 하며, 밤중에 커프가 부풀면 수면을 방해할 수 있다. 손목형 웨어러블은 계속 착용하기 편하지만 충전이 필요하고, 커프 없이 혈압을 추정하는 방식은 기존 기준 측정법과 비교해 신중한 검증을 거쳐야 한다.

NUS 시제품은 피부에 붙인 센서를 일상적인 움직임 속에서도 유지하고, 센서별 배터리를 없애는 방식으로 이 두 가지 불편을 줄이려 한다. 그러나 착용이 편리하다는 점과 임상적으로 사용할 수 있다는 점은 별개의 문제다.

가슴과 손목 센서는 혈압을 어떻게 추정하나

이 시스템은 팔을 조이는 커프 대신 심장의 전기 신호와 손목에 도착하는 맥파 사이의 시간 차이를 이용한다.

1. 가슴 센서가 심장의 전기 활동을 기록한다. 건식 백금 전극이 심장이 수축해 혈액을 내보낼 때 발생하는 전기적 사건을 감지한다.
2. 손목 센서가 도착한 맥파를 감지한다. 광학 센서가 손목 주변 혈액량의 박동성 변화를 측정한다.
3. 두 신호 사이의 지연 시간을 계산한다. 심장에서 손목으로 맥파 관련 파동이 이동하는 데 걸리는 시간으로, ‘맥파 전달 시간(pulse-transit time)’이라고 부른다.
4. 이 시간을 이용해 수축기 혈압을 추정한다. 일반적으로 전달 시간이 길수록 혈압은 낮아지는 경향이 있어, 시스템은 이 관계를 바탕으로 혈압 변화를 추정한다. 커프처럼 압력을 직접 측정하는 방식은 아니다.

따라서 이 장치는 ‘무커프 혈압 추정기’라고 부르는 편이 정확하다. 결과는 센서 신호와 시간 계산, 보정 과정에 영향을 받기 때문에 사람마다, 또 수면·운동 등 상황마다 기존 기준 측정값과 비교해 성능을 확인해야 한다.

옷이 전원 공급망이 되는 구조

시제품에서는 평범한 긴소매 셔츠가 웨어러블 네트워크의 일부가 된다. 구리-니켈 전도성 섬유 트랙이 센서 위치를 연결하고, 사용자는 스마트폰을 위팔에 착용한다.

전원 공급과 데이터 전송에는 서로 다른 무선 통신 방식이 쓰인다.

• 13.56MHz NFC 전력 전송: 스마트폰의 코일이 자기장을 만들면 센서의 코일이 근거리 자기장 에너지를 전류로 바꾼다.
• 2.4GHz 블루투스 데이터 통신: 전원이 공급된 센서가 측정한 생체 신호를 스마트폰으로 보낸다.

전도성 섬유는 근거리 전력 전송 채널과 블루투스 데이터 채널을 분리하도록 설계됐다. 결과적으로 스마트폰이 네트워크의 허브가 되어 피부에 붙은 여러 센서에 전력을 공급하고 데이터를 수집한다. 센서 자체에 배터리가 필요 없는 이유다.

이 구조는 신체 여러 부위의 배터리 없는 센서를 근거리 무선 의류로 연결하려 했던 이전 연구를 바탕으로 발전했다.

국제 협력과 연구를 시작한 계기

보도에 따르면 개발은 2021년 NUS 무선 바이오전자 연구 그룹에서 시작됐으며, 미국 애리조나대와 칭화대 연구진이 협력했다. 연구 결과는 배터리 없는 무선 피부 부착형 센서 네트워크를 이용한 연속 수축기 혈압 모니터링 기술로 학술지 Nature Electronics에 보고됐다.

연구를 추진한 데에는 개인적인 계기도 있었다. 연구자 셀만 쿠르트의 아버지는 병원 같은 임상 환경에서 혈압이 높게 측정되는 ‘백의 고혈압’을 경험했다. 또 24시간 커프 측정에서는 수면 중 커프가 부풀어 불편함을 겪었다. 이 경험은 밤낮으로 혈압을 관찰하면서도 일상과 수면을 덜 방해하는 방법의 필요성을 보여줬다.

상용화 전 해결해야 할 과제

스마트폰에서 실시간으로 읽기

완성형 시스템에는 스마트폰 앱에서 혈압 추정값을 실시간으로 보여주는 기능이 필요하다. 센서 신호를 사용자가 이해하기 쉬운 정보로 바꾸고, 이를 안정적으로 제공해야 연구실 시연을 넘어 실제 웨어러블 제품으로 발전할 수 있다.

전도성 섬유의 내구성 개선

현재 전도성 섬유는 약 10회 세탁한 뒤 전원과 데이터를 전달하는 성능이 저하되기 시작한다. 의류에 통합된 센서 시스템이 일상적으로 쓰이려면 반복 세탁과 마찰을 훨씬 더 안정적으로 견뎌야 한다.

더 큰 규모의 임상 검증

5명을 대상으로 한 시험은 시스템 구조가 작동한다는 점을 보여주는 데는 의미가 있지만, 전체 인구를 대표하는 정확도나 진단 적합성을 입증하기에는 부족하다. 앞으로는 더 많은 참가자와 다양한 활동·건강 상태를 대상으로, 허용된 기준 혈압 측정법과 추정값을 비교해야 한다. 상업적 임상 사용 전에는 규제기관의 검증도 필요하다.

결론

NUS 시스템의 핵심 성과는 센서 하나의 성능보다 전체 구조에 있다. 피부 부착형 센서, 의류를 통한 배터리 없는 전력 공급, 스마트폰 기반 데이터 수집을 하나의 네트워크로 결합했기 때문이다. 이 방식이 발전하면 수면, 기상, 운동, 출퇴근 같은 상황에서 혈압 패턴을 관찰하기 쉬워질 수 있다. 간헐적인 커프 측정만으로는 이런 맥락을 충분히 보기 어렵다.

현재로서는 검증된 팔 커프형 혈압계를 대체하는 제품이 아니라 가능성을 보여준 연구 시제품으로 보는 것이 타당하다. 상용화의 관건은 더 많은 사람을 대상으로 정확도를 입증하고, 전도성 섬유의 내구성을 높이며, 스마트폰에서 신뢰할 수 있는 실시간 결과를 제공하는 데 있다.