POSTECH, 집에서도 OK…웨어러블 센서로 실시간 뇌 건강 진단

POSTECH 전자전기공학과 정윤영 교수, 박사과정 송용훈 씨, 윤인열 연구원(現 삼성전자) 연구팀은 스위스 루체른 연구소(Lake Lucerne Institute, LLUI), 세레네오 연구센터(cereneo Center for Interdisciplinary Research, CEFIR)와의 공동 연구를 통해 뇌졸중 후유증을 실시간 모니터링하고 정량적으로 평가할 수 있는 피부 부착형 센서 시스템을 개발했다. 

이번 연구는 디지털 헬스케어 분야의 저명 국제 학술지인 ‘npj 디지털 메디슨(npj Digital Medicine)’에 최근 게재됐다.

뇌졸중은 뇌혈관이 막히거나 터지면서 발생하는 심각한 질환으로, 생명을 위협할 뿐 아니라 음식물을 제대로 삼키지 못하는 ‘연하곤란’이나 발음이 불분명해지는 ‘구음장애’ 등의 후유증을 남긴다. 

기존 뇌졸중 후유증 평가는 병원에서 의료진이 직접 검사하는 방식으로 이는 환자의 일상 속 변화를 지속적으로 추적하기 어려운 한계가 있다.

연구팀이 개발한 ‘유연 피부 부착형 목 진동 센서(Soft Skin-Attachable Throat Vibration Sensor, STVS)’는 목 피부에 밀착돼 주변 소음의 영향을 전혀 받지 않고, 말하기, 삼키기, 기침 등의 뇌졸중 후유증과 관련된 신호를 일상 생활에서 정밀하게 감지한다.

‘구불구불한(serpentine) 구조’를 적용해 센서가 피부에 자연스럽게 밀착되어 움직임에 대응할 수 있는 유연성과 내구성, 부착성을 극대화했다. 

그 덕분에 걷거나 뛰는 등의 활동 중에서도 센서가 안정적으로 부착돼 지속적인 데이터 측정이 가능하다. 실험 결과, 이 센서는 기존 웨어러블 센서에 비해 ‘신호 대 잡음 비(Signal to Noise Ratio, SNR)’가 3배 이상 향상되는 등 수집하는 데이터의 감도를 크게 높일 수 있었다.

연구팀은 인공지능(AI) 기반의 ‘앙상블(ensemble) 분류 모델’을 개발해 센서에서 수집된 데이터가 자동으로 분석되도록 했다. 

삼키기, 기침, 말하기, 헛기침 등의 뇌졸중과 관련된 여러 동작들이 전문 의료진의 도움 없이 정확하게 측정, 구별되고 이를 바탕으로 수준 높은 의료 평가를 진행할 수 있게 된 것이다.

실제 임상 환경에서의 효과도 검증됐다. 스위스 뇌졸중 재활센터에서 한국어, 영어, 프랑스어, 독일어, 스페인어의 다섯 가지 언어를 사용하는 여러 참가자들을 대상으로 한 실험에서 96% 이상의 높은 활동 분류 정확도를 보였으며 일상적인 움직임 속에서도 안정적인 성능을 유지해 실생활 적용 가능성을 입증했다.

정윤영 교수는 “웨어러블 센서와 AI 기술의 융합으로 뇌졸중 후유증을 일상에서 모니터링할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다”며 “다양한 언어와 환경에서도 높은 정확도와 안정성을 입증한 이 기술은 향후 여러 신경계 질환의 진단과 맞춤형 치료에도 크게 기여할 것”이라고 전했다.

한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부에서 지원하는 한국연구재단의 시스템반도체융합전문인력육성사업과 BRIDGE 연구사업, 정보통신기획평가원의 인공지능대학원 사업, BK21 사업의 지원으로 수행됐다.