헬스테크
웨어러블의 다음 물결: 초음파 패치를 통한 더 스마트한 진단 헬스케어
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웨어러블 기술, 혹은 ‘웨어러블’은 개발 및 사용 측면 모두에서 큰 관심을 받고 있습니다.
이 전자 기기들은 사용자의 몸에 액세서리 형태로 착용하도록 설계되었습니다. 심지어 의복에 삽입하거나 내장될 수도 있습니다. 실제로, 우리가 공유한 바와 같이, 연구원들이 최근 웨어러블 기술에서 획기적인 성과를 달성하여 움직임과 온도에 반응하는 섬유를 만들 수 있게 되었습니다. 얼마나 흥미로운 일인가요!
하지만 웨어러블은 어떻게 이를 실현할까요? 음, 이들은 사용자 건강, 피트니스 및 환경 조건과 관련된 데이터를 수집하기 위해 센서가 장착되어 있습니다. 한편, 프로세서는 계산을 처리하고 의도된 작업을 수행하도록 합니다.
이 기기들은 또한 무선 기술을 통해 다른 기기와 통신하도록 설계되어, 데이터를 동기화하고 앱을 통해 추가 기능에 접근할 수 있게 합니다.
웨어러블 기술은 내비게이션, 인터랙티브 게임, 효율성 향상, 비접촉 결제 등 다양한 사용 사례를 가지고 있어 전반적인 사용자 경험을 향상시킵니다.
오늘 우리가 집중할 웨어러블의 중요한 실제 적용 분야는 의학 및 헬스케어입니다. 웨어러블 헬스케어 기기는 실제로 두 가지 큰 범주로 나뉩니다: 소비자용 웨어러블과 의료용 웨어러블.
시계, 의류, 반지와 같은 소비자용 웨어러블은 걸음 수, 소모된 칼로리, 심박수, 산소 수준, 수면 패턴 등과 같은 지표를 추적함으로써 사용자가 자신의 건강과 피트니스를 모니터링하도록 돕습니다. 실시간으로 귀중한 데이터에 접근함으로써 사용자는 자신을 더 잘 돌볼 수 있습니다.
한편, 의료용 웨어러블에는 혈압 모니터, ECG 모니터, 바이오센서, 혈당 모니터가 포함되며, 이는 만성 질환 관리에 필요한 귀중한 데이터를 제공함으로써 인기를 얻고 있습니다. 환자에게 자신의 건강 데이터를 수집하고 접근한 뒤 보고할 수 있는 능력을 부여함으로써, 이 기술은 대면 진료의 필요성을 없애줍니다.
이 기기들은 또한 의료 전문가에게 실시간으로 활용 가능한 인사이트를 제공하며 원격으로도 접근 가능해 보다 개인화된 치료를 제공하도록 돕습니다. 흥미롭게도, 곧 우리는 일반 스마트폰을 혈당 측정기로 활용할 수 있게 될지도 모릅니다.
웨어러블 기술의 방대한 이점을 고려할 때, 스마트 웨어러블 헬스 디바이스에 대한 수요가 급증하고 있으며, 이는 향후 4년 내에 700억 달러 규모가 될 것으로 예상됩니다.
소비자용 웨어러블은 가용성과 접근성이 높고, 스마트폰이 널리 보급되어 데이터 관리가 용이하기 때문에 웨어러블 시장에서 가장 큰 비중을 차지합니다. 반면 의료용 웨어러블은 임상 연구를 거쳐 관련 정부 기관의 승인을 받아야 임상 의사결정에 데이터를 활용할 수 있습니다.
웨어러블 초음파 혁신, 헬스케어 혁신
웨어러블을 둘러싼 이러한 흥분과 개발 속에서, 연구원들은 근육 활동을 무선으로 모니터링하는 웨어러블 초음파 장치를 고안했습니다. 이 새로운 기술은 헬스케어와 인간-기계 인터페이스 분야에 잠재적인 응용 가능성을 가지고 있습니다.
웨어러블 근전도(EMG) 장치는 이미 근육 활동을 식별하여 건강을 모니터링하고 신체 움직임을 추적할 수 있습니다. 그러나 EMG 신호는 공간 해상도, 안정성 및 신호 대 잡음비가 낮아 이 접근 방식은 다소 제한적입니다.
여러 근섬유에서 발생한 EMG 신호는 섞이기 쉬워 특정 근섬유의 기여도를 분리하기 어렵게 만듭니다.
게다가 정상적인 근육 활동 중에는 본래 신호가 약합니다. 이를 보완하기 위해서는 큰 전극을 피부에 부착해 전기 근육 활동을 기록해야 하는데, 이는 공간 해상도를 감소시킵니다.
이러한 임상 표준에 대한 유망한 대안은 초음파 근육촬영(EcMG)으로, 초음파 파를 이용해 근육 움직임을 감지할 수 있습니다. 초음파는 깊은 조직을 관통해 고해상도 영상을 제공함으로써 근육 기능에 대한 상세한 통찰을 제공합니다.
안전하고 다재다능하며 접근성이 뛰어나지만, EcMG의 문제는 부피가 크고 복잡한 트랜스듀서 어레이에 의존한다는 점입니다. 이는 사용자의 이동성을 제한하고 전력 소비도 높습니다.
그래서 캘리포니아 대학교 샌디에이고(UC San Diego) 엔지니어들은 국립보건원(NIH)의 지원을 받아 완전 통합된 웨어러블 초음파 근육촬영 시스템을 개발했습니다.
UC San Diego의 Aiiso Yufeng Li 가족 화학·나노공학 학과 교수이자 Jacobs Faculty Scholar인 Sheng Xu는 이전에 이러한 초음파 패치를 보고한 바 있습니다.
지난 해, 팀은 이 패치에서 무선 기능을 달성했다고 보고했습니다. 그 연구의 핵심 요소는 초음파 회로 설계였습니다.
이 이전 장치에서 팀은 초음파 프로브에 연결된 유연한 케이블을 교체하고 이를 데이터 전송 및 전원 공급에 사용했습니다.
“(이 회로는) 초음파 데이터를 사전 처리하고 무선으로 백엔드 스테이션에 전송하여 추가 분석을 가능하게 합니다.”
– Xu는 그 시점에 말했습니다
지난 연구의 초점은 심혈관 건강에 있었으며, 머신러닝 알고리즘이 신호를 자동으로 처리하고 경동맥을 지속적으로 추적하여 패치를 착용한 사용자가 움직이는 동안에도 초음파 정보를 얻을 수 있게 했습니다.
“이 자동 추적 알고리즘은 의료 초음파와 운동 생리학에 전례 없는 기회를 제공합니다.”
– Muyang Lin, Xu 연구실의 주 저자이자 박사과정 학생
팀은 세 인종 그룹의 10명 건강한 피험자를 대상으로 AI 모델을 교차 검증했으며, 다음 단계는 더 큰 인구에서 패지를 검증하는 것이었습니다. Lin에 따르면:
“이러한 장치를 통해 가정 진료와 병원 진단 사이의 경계를 흐리게 만들고자 합니다. 무선 장치가 언제 어디서든 진단을 가능하게 하는 미래를 기대합니다.”
패치는 심혈관 기능 모니터링을 위해 평가되었지만, 최신 연구에서는 복부와 사지에 적용하여 각각 횡격막 및 말초 동맥을 모니터링하는 것이 목표였습니다. 몇 달 전, Xu 연구실의 Xinyi Yang은 웨어러블 초음파 패치를 관자놀이에 편안히 착용하여 뇌혈류에 대한 3D 데이터를 제공할 수 있음을 시연했습니다.
인간-기계 상호작용의 잠재력 열기
현재 최신 연구의 주요 혁신은 단일 초음파 트랜스듀서를 사용해 깊은 문제를 보다 효과적으로 감지하는 것이었습니다.
이 부드러운 초음파 패치는 유연한 실리콘 엘라스토머 케이스에 둘러싸여 있으며, 세 가지 주요 요소를 포함합니다—초음파 파를 송수신하는 단일 트랜스듀서, 데이터 처리 및 트랜스듀서 제어를 위한 맞춤형 무선 회로, 그리고 최소 3시간 동안 시스템에 전원을 공급하는 온보드 리튬 폴리머 배터리.
주요 혁신인 단일 초음파 트랜스듀서는 제어된 강도의 초음파 파를 방출하고 정보를 담은 라디오 주파수 신호를 포착합니다. 이는 횡격막 두께 측정과 같은 임상 응용을 가능하게 합니다.
이 장치는 이러한 신호를 활용해 높은 공간 해상도를 달성하며, 이는 특정 근육 움직임을 분리하는 데 중요합니다. 한편, 맞춤형 딥러닝 알고리즘은 연구자들이 이 신호에서 추가적인 통찰을 추출하도록 도왔습니다.
AI 알고리즘은 신호를 해당 근육 분포에 매핑하여 수집된 신호로부터 특정 움직임을 정밀하게 감지할 수 있게 합니다.
배터리 구동 장치는 접착층을 이용해 피부에 부착되어 근육을 정확하게 장기 무선 모니터링할 수 있습니다.
“이 기술은 개인이 일상 생활 중에 지속적이고 장기적인 모니터링을 위해 착용할 수 있을 것으로 기대됩니다.”
– 공동 저자 Xiangjun Chen, UC San Diego 재료과학·공학 프로그램 박사과정 학생
팀은 장치를 사용해 횡격막 활동을 감지함으로써 다양한 호흡 모드를 인식할 수 있음을 보여주었습니다. 그들은 단일 트랜스듀서 초음파 시스템이 서브밀리미터 해상도로 횡격막 활동을 추적하여 다양한 호흡 패턴을 실제로 추적하고 감지할 수 있음을 발견했습니다.
장치 테스트 중에, 이 장치는 갈비뼈 위에 착용되어 횡격막의 두께와 움직임을 모니터링했으며, 이는 호흡기 건강을 평가하는 데 도움이 됩니다.
두께는 횡격막 기능 장애를 평가하고 인공호흡 환자의 예후를 예측하는 데 사용됩니다. 근육 움직임을 분석함으로써 다양한 호흡 패턴을 감지할 수 있으며, 이는 폐렴, 천식, 만성 폐쇄성 폐질환(COPD) 등 호흡 불규칙과 관련된 질환 진단에 도움이 될 수 있습니다.
소규모 그룹 시험에서 이 장치는 건강한 사람과 COPD 환자의 호흡 패턴을 성공적으로 구분하여 호흡기 치료 분야에서의 잠재력을 보여주었습니다.
“횡격막 활동을 추적함으로써 이 기술은 호흡기 질환 환자와 기계 환기 의존 환자를 지원할 가능성이 있습니다.”
– 연구 공동 저자 Joseph Wang, Aiiso Yufeng Li 가족 화학·나노공학 학과 교수
그 후 이 장치는 전완에 적용되어 손과 손목 근육 활동을 감지했습니다. 전완 근육에서 감지된 단일 채널 라디오 주파수 초음파 신호를 통해 손 제스처를 성공적으로 인식하는 것으로 나타났습니다.
맞춤형 딥러닝 알고리즘을 통해 팀은 초음파 신호만으로 다양한 손 제스처를 보다 정확하게 감지할 수 있었습니다. 총 13개의 손 관절이 평균 오차 7.9°만으로 인식되는 것으로 보고되었습니다.
이 움직임 감지는 10개의 손가락 관절과 3개의 손목 회전 각도를 포함했으며, 시스템이 미세한 손가락 및 손목 움직임도 높은 감도로 포착할 수 있음을 보여줍니다. 이 테스트는 가상 게임을 플레이하거나 로봇 팔을 제어하는 인간-기계 인터페이스로서 장치 사용의 잠재력을 입증합니다.
UC San Diego 동일 학과 박사과정 학생인 연구 공동 저자 Wentong Yue에 따르면:
“이러한 시연은 기술이 보철, 게임 및 기타 인간-기계 인터페이스 응용 분야에서 가질 잠재력을 강조합니다.”
앞으로 연구자들은 이 기술의 에너지 효율성, 휴대성, 정확성 및 계산 능력을 더욱 향상시키는 것을 목표로 할 것입니다.
웨어러블 초음파의 부상, 의학의 미래를 열다
웨어러블 초음파는 의료 분야의 획기적인 혁신으로 헬스케어를 혁신할 수 있습니다. 그러나 이 발전은 이미 오랜 기간 진행되어 왔습니다. 수년에 걸쳐 과학자들은 다양한 도전을 해결하고 환자의 중요한 생리 기능을 원격으로 보다 잘 모니터링하기 위해 다양한 웨어러블 초음파를 개발해 왔습니다.
출처: Wiley Online Library
올해 초, 연구원들은 트랜스듀서에 의존하는 초음파 시스템에서 발생하는 음향 임피던스 문제를 극복하기 위해 액체 금속을 발견했습니다. 보통 이 문제는 매칭 레이어를 통해 해결되지만, 대부분 사용되는 재료는 웨어러블 장치에 너무 경직되었습니다.
보다 유연하면서도 기능적인 매칭 레이어를 설계하기 위해, 연구원들은 부드러운 실리콘에 다양한 크기와 부피의 갈륨 기반 드롭릿을 사용했습니다. 실리콘을 약 70%의 드롭릿으로 포화시킴으로써 매칭 레이어의 밀도가 향상되어 음향 임피던스를 400% 이상 개선했습니다. 스트레인될 경우, 웨어러블 장치의 매칭 레이어가 겪을 수 있는 상황과 유사하게 임피던스는 단지 13%만 감소했습니다.
팀은 이후 신축성 매칭 레이어를 웨어러블 초음파 프로토타입에 통합했으며, 이는 시뮬레이션된 움직임을 성공적으로 기록하여 진단 장치로서의 잠재력을 입증했습니다.
몇 년 전, MIT의 Dr. Xuanhe Zhao가 이끄는 NIH 지원 연구팀은 두꺼운 우표 크기의 웨어러블 초음파 패치를 개발했으며, 이는 건조 및 습윤 환경 모두에서 피부에 부착될 수 있었습니다.
테스트 결과, 이 패치는 최소 48시간 동안 편안하게 착용될 수 있었으며 근육, 혈관, 심장, 횡격막, 폐, 위 등의 연속 영상을 제공할 수 있었습니다. 그러나 패치는 집중적인 데이터 처리를 위해 컴퓨터 시스템에 연결되어야 했습니다. 그러나 최근 발전은 이러한 제한을 제거하고 시스템 효율성을 높이는 데 초점을 맞추었습니다.
“우리는 몸의 여러 부위에 몇 개의 패치를 부착하고, 이 패치들이 스마트폰과 통신하여 AI 알고리즘이 필요에 따라 이미지를 분석하는 모습을 상상합니다.”
– Zhao는 그 시점에 말했습니다
이제 이것은 현실화되기 시작했으며, 스코틀랜드 헬스테크 기업 Novosound가 올해 초 웨어러블 초음파에 대한 특허를 확보했습니다. 이 장치는 환자의 혈류와 압력을 지속적으로 모니터링하며, 몸에 착용되어 모바일 기기에 이미지를 생성합니다.
“이를 통해 우리는 스마트워치 파트너와 기술을 통합·라이선스하여 몸 내부를 더 깊이 들여다보고, 그들의 광학 및 전기 센서가 제공하는 측정을 향상시켜 손목에서 24시간 혈압 모니터링이라는 성배를 열 수 있습니다.”
– Novosound CEO 겸 공동 창업자 Dr. Dave Hughes
이 특허는 회사에 기술 판매와 주요 기관과의 파일럿 프로젝트를 수행할 독점 권한을 부여할 뿐만 아니라, 소비자 디지털 헬스 애플리케이션을 위한 연구·개발 계약에도 참여하게 합니다. Novosound는 이미 텍사스 메디컬 센터와 파트너십을 맺어 초음파 웨어러블의 사용 사례를 개발하고 있습니다.
헬스케어 웨어러블 분야의 관련 기업
웨어러블 기술은 성장하는 분야로, Apple과 같은 기술 대기업들의 관심을 끌고 있습니다(AAPL ), 이들은 소비자용 웨어러블 Apple Watch를 통해 건강 관련 애플리케이션을 탐색하고 있습니다.
하지만 우리는 의료 분야에 적극 참여하고 있는 기업에 초점을 맞출 것이며, 여기에는 웨어러블 초음파와 같은 혁신으로 혜택을 받을 수 있는 두 개의 주요 기업이 있습니다.
1. Medtronic
글로벌 의료기기 선두 기업인 Medtronic Public Limited Company는 광범위한 헬스케어 기술 솔루션을 제공하며, 원격 솔루션을 포함한 진단 및 건강 모니터링용 웨어러블을 탐색하고 있습니다.
2022년에 Medtronic 협력하여 BioIntelliSense와 함께 하루에 최대 1,440개의 바이탈 사인 측정치를 제공하는 BioButton 웨어러블을 출시했습니다. 올해는 회사가 AI에 집중하고 있으며, 모든 부서에 기술을 활용해 생산성을 높이는 아이디어를 제시하도록 요구하고 있습니다.
시가총액 1155.6억 달러인 Medtronic의 주가는 현재 90.11달러이며, 올해 9.38% 상승했습니다. 이에 따라 EPS(TTM)는 2.97, P/E(TTM)는 30.31이며, 배당 수익률은 3.11%입니다.
MDT 가격 차트
2025 회계연도 1분기(2024년 7월 26일 종료) 실적으로 Medtronic은 매출 79억 달러를 기록했으며, 이는 2.8% 증가한 수치입니다. “우리의 근본적인 시장은 건전하고, 운영 엄격성을 강화하고 있으며, 새로운 제품 혁신이 주요 헬스테크 시장 전반에 걸친 다양화된 성장을 촉진하고 있다”라고 CEO Geoff Martha가 말했습니다.
이번 분기 동안 심혈관 포트폴리오 매출은 5% 증가한 30억 달러, 신경과학 포트폴리오 매출은 4.4% 증가한 23억 달러, 당뇨병 부문은 11.8% 상승한 6억 4700만 달러를 기록했습니다. 반면 의료 외과 포트폴리오 매출은 0.4% 감소한 19억 9600만 달러였습니다.
2. GE HealthCare Technologies
이 기업은 의료 기술 회사로, 초음파 솔루션을 비롯해 영상, 제약 진단(PDx), 환자 관리 솔루션(PCS)을 제공합니다. 초음파 솔루션에 집중하고 있기 때문에, GE HealthCare는 진단 이미징을 위한 웨어러블 혁신을 통합할 가능성이 있습니다.
올해 이 회사는 협업하여 Biofourmis와 함께 환자 모니터링 기술을 가정으로 확장하고 있습니다. Biofourmis는 AI 알고리즘을 결합한 가상 전문 치료 플랫폼으로, 급성 및 회복기 환자를 원격으로 모니터링하는 도구를 제공합니다.
몇 년 전, GE Healthcare는 무선, 휴대용 센서를 출시하여 환자들이 병원에 머무는 동안 착용하도록 했으며, 이를 통해 임상의가 정기적인 체크인 없이도 환자의 바이탈 사인을 추적할 수 있게 했습니다.
GEHC 가격 차트
시가총액 396억 4천만 달러인 GE HealthCare의 주가는 현재 86.78.11달러이며, 올해 12.23% 상승했습니다. 이에 따라 EPS(TTM)는 3.65, P/E(TTM)는 23.77이며, 배당 수익률은 0.14%입니다.
2024년 3분기 실적으로 GE HealthCare는 매출 49억 달러를 기록했으며, 전년 대비 1% 증가했지만 미국에서의 긍정적인 매출 성장은 중국 시장의 지속적인 부진에 의해 상쇄되었습니다. 순이익은 4억 7천만 달러였으며, 영업활동 현금 흐름은 7억 4천 2백만 달러, 자유 현금 흐름은 6억 5천 1백만 달러였습니다.
“조직 전반에 걸친 지속적인 효율화 이니셔티브가 환자와 고객에게 더 나은 가치를 제공하고, 견고한 마진 확대를 가져왔습니다.”
– CEO Peter Arduini
결론
헬스케어에서 초음파는 핵심적인 역할을 하며, 임상의가 우리 몸 내부를 들여다보고 질병을 진단하고 건강을 모니터링할 수 있게 합니다. 따라서 연구자들은 이 비침습 기술을 웨어러블 기기에 통합하는 데 관심을 가지고 있습니다.
최신 연구에서 확인했듯이, 다재다능한 웨어러블 초음파 패치는 이동 중에도 내부 조직의 고해상도 영상을 제공하여 다양한 임상 및 진단 응용 분야에 활용될 수 있으며, 개인 맞춤형 헬스케어의 새로운 시대를 열고 있습니다.
전반적으로 웨어러블은 헬스케어의 미래이지만, 센서의 정확도와 신뢰성, 배터리 수명에 대한 우려가 해결되어야 하며, 기술의 전체적인 혜택을 누리기 위해서는 분석 도구에 대한 접근성을 개선해야 합니다!
