다양한 분야에서 웨어러블 컴퓨팅 제품을 적용해 시장에 출시하고 있다. 그중 웨어러블 의료기기 제품은 우리 삶의 변화를 이끌 만큼 큰 파급력을 가진다. 이 글에서는 휴대용 의료 디바이스 및 건강 관리기기 개발자가 염두에 두어야할 사항에 대해 알아본다.

최근 빠르게 성장하고 있는 웨어러블 컴퓨팅 디바이스 시장은 혈당측정기, 심박수측정기 등의 휴대용 의료 디바이스와 핏빗(Fitbit), 나이키(Nike), 미스핏(Misfit) 등의 제조사에서 공급하는 의료/건강관리용 측정기 제품이 있다. 이 같은 웨어러블 컴퓨팅 제품은 설계자에게 새로운 시장 기회와 고유한 기술적 과제를 안겨줌은 물론, 건강유지와 더 많은 정보제공, 이동 중에도 디지털 사회에 충족하는 탐색 기능을 효과적으로 이용할 수 있는 휴대용 웨어러블 디바이스의 수요를 증가시킨다.

한편으로는 소위 ‘손목 위의 혁명’을 가능하게 하는 전자 시스템이 날로 증가하는 복잡한 센서, 컴퓨팅 및 제어, 디스플레이 및 무선 통신 기술과 완벽히 통합되어야 하는 과제도 남는다. 게다가 이 같은 시스템은 몇 주에서 몇 개월, 심지어 몇 년 동안 초소형 배터리와 기타 한정된 에너지원에 의존하여 안정적으로 작동해야 한다.

이러한 모든 당면 과제를 성공적으로 해결한 웨어러블 컴퓨팅 디바이스를 만들려면 개발자가 다음과 같은 특징과 기능을 고려해야 한다.

직관적이고 사용하기 쉬운 휴먼 인터페이스
엄격한 정부 규정에 부합하는 신뢰성과 안전성이 높은 작동 성능(이러한 규정은 일반적으로 상용 소비자 건강 제품 및 웨어러블 건강 관리기기보다 ‘생명에 직결되는’ 완제품에 적용됨. 또한 개별 구성 부품이 아니라 전체 시스템을 다룸)
쉽고 안전한 RF 연결(GHz 이하 대역, 2.4 GHz ZigBee, 절전형 Bluetooth 등)
초절전 작동(긴 배터리 수명을 위한 필수 요구 사항)
다양한 공급 전압 지원(특히 낮은 전압)
동작과 접근, UV 광선, 주변광, 습도, 온도, 압력 등 적용 제품에 따른 다양한 감지 기능
고급 아날로그/혼합 신호 기술을 기반으로 한 높은 측정 정확도
소형 폼-팩터
저렴한 원가

이 같은 제품 기능을 경제적인 가격으로 제공하려면 휴대용 의료 디바이스와 건강 관리기기 개발자는 설계에 사용하는 구성 부품 수를 최대한 줄여 시스템 원가를 낮춰야 한다. 반도체 공급업체도 엄격한 전력 및 비용 예산 내에서 향상된 성능과 신뢰성을 지원할 수 있는 기능이 풍부한 임베디드 제어 솔루션을 제공할 책임이 있다.

휴대용 의료 디바이스 설계

휴대용 의료 디바이스 설계에서는 ARM 기술을 기반으로 한 실리콘랩스의 EFM32 Gecko MCU와 같이 극히 낮은 공급 전류로 우수한 성능을 발휘하는 에너지 친화적인 마이크로컨트롤러(MCU)가 핵심이 된다.

배터리 전원으로 작동하는 여타의 휴대용 디바이스와 마찬가지로 개인용 의료 디바이스와 웨어러블 활동 측정기도 배터리 수명을 극대화할 수 있는 극도의 에너지 효율성이 요구된다. 일부 디바이스는 충전식 배터리를 사용하기도 하고 사용자가 충전 가능한 경제적인 리튬-이온 또는 AAA 배터리로 몇 주에서 몇 개월까지 작동하도록 설계된 디바이스도 있다. 일례로 실리콘랩스의 EFM32 Gecko MCU는 모든 에너지 모드에서 높은 수준의 에너지 효율성을 제공하여 매우 긴 배터리 수명과 최적의 처리 성능을 제공할 뿐 아니라 소형화된 패키지에서 높은 통합 수준까지 지원한다는 점에서 이 같은 배터리식 휴대용 적용 제품에 적합하다.

사용 편의성은 필수

사용 편의성도 휴대용 의료/건강 관리기기의 필수적인 요소다. 사용하기 쉬워야 작동자의 실수로 인한 측정 오류를 줄일 수 있기 때문이다. 하지만 사용자 친화적인 디바이스를 만들려면 정상 작동에 필요한 사용자의 조작을 최소화하고 사용자 입력 방식을 간소화하며(예: 버튼 수를 줄이고 소프트웨어 메뉴를 효율화) 보기 쉽게 크기가 큰 디스플레이(예: 백라이트가 있는 대형 LCD)를 제공해야 한다. MCU가 이러한 기능을 지원하려면 현장에서 프로그래밍할 수 있는 비휘발성 메모리 스토리지(일반적으로 시스템에 내장된 프로그래밍 가능한 플래시 메모리)와 한정된 수의 핀을 최대한 효율적으로 이용할 수 있는 유연한 입출력 구성을 제공해야 한다.

개인 의료 시장

개인 의료 시장에서는 디바이스 제조사와 관계없이 데이터와 메시지의 전송 방식을 표준화하기 위해 범용 직렬 버스(USB) 인터페이스가 널리 사용된다. 개인용 의료 디바이스 제조사는 온칩 USB 컨트롤러가 내장된 다양한 8비트 및 32비트 MCU와 USB-UART 간, USB-SMBus 및 USB-I2C 간, 나아가 USB-I2S 간(완제품에 오디오 기능을 쉽게 추가할 수 있도록 함) 연결까지 지원하는 단일 칩 ‘플러그 앤 플레이’ 연결 브리지 솔루션을 선택할 수 있다.

USB 연결 브리지는 개인용 의료 디바이스 설계에서 USB를 구현하는 프로세스를 크게 간소화해 준다. 대개 브리지 칩에는 필요한 모든 USB 소프트웨어가 사전 프로그래밍이 되어 있기 때문에 개발자가 USB 사양을 구현하는 복잡한 프로세스에 대한 전문 지식을 갖추지 않아도 된다.

무선 데이터 전송 기술을 활용하면 개인용 의료/건강관리 적용 제품의 연결이 더욱 쉽고 편리해진다. RF 트랜스미터와 트랜스시버는 MCU와 함께 작동하면서 다양한 휴대용/웨어러블 디바이스 적용 제품의 무선 연결을 지원할 수 있다. 또한 RF 트랜스시버를 통해 MCU 코어에 통합되는 실리콘랩스의 ARM 기반 Ember ZigBee SoC와 같은 단일 칩 디바이스 무선 MCU가 의료/건강관리기기 개발자들 사이에 널리 이용되고 있다. 사용하는 연결 방식이나 시스템 아키텍처와 관계없이 통신 프로토콜 스택을 넣으려면 MCU에 더 많은 코드 공간이 요구된다. 따라서 작은 공간에 더 많은 메모리를 넣을 수 있는 디바이스에 대한 수요가 커질 전망이다.

성능과 에너지 효율성도 뛰어난 MCU와 무선 통신 옵션이 물론 가장 중요하지만, 일반적으로 개인용 의료 디바이스는 몇몇 측면에서 사용자의 건강 상태를 수치화하기 위해 몇 가지 물리적 매개 변수(예: 혈압 또는 산소 농도)도 측정한다. 따라서 광량(혈액 산소 측정)과 전도율(혈당 측정), 압력(혈압 측정) 및 온도를 감지하고 측정하는 기능이 필요하며 측정치는 매우 정확하고 일정해야 한다.

핵심은 아날로그 측정 기능 통합

개인용 의료 디바이스 적용 제품에 사용되는 혼합 신호 MCU는 작은 공간에 노이즈가 심한 디지털 프로세서와 통신 신호가 혼재해 있더라도 매우 우수한 아날로그 전압 측정 성능을 제공해야 한다. 이는 반도체 공급업체가 직면한 가장 까다로운 엔지니어링 문제 중 하나로, 특히 IC로 공급되는 배터리 전압이 낮을 때 제품 엔지니어가 신경 써야 할 사항이다.

측정치에는 노이즈와 왜곡(정상 신호와 노이즈 및 왜곡의 비율)이 적어야하고 선형성이 높아야 한다. 최종 사용자는 측정 중에 작동 상태를 관찰하려 할 것이고 대개 MCU는 결과를 실시간으로 판독하기 때문에 MCU가 작동하는 동안에도 ADC(Analog-to-Digital Converter)를 작동할 수 있어야 한다. 그뿐만 아니라 배터리 전압이 최저로 떨어지더라도 모든 MCU 기능을 사용할 수 있어야 한다. ‘배터리가 완전히 방전되기 전에 측정 불가 상태가 되는 MCU가 무슨 소용이겠는가?’ 한마디로 개인용 의료/건강 관리기기 시장의 MCU 공급업체는 성능이나 기능의 저하 없이 정확한 아날로그 측정 기능을 통합할 수 있어야 한다.  ES

저자 : 다니엘 쿨리(Daniel Cooley)
다니엘 쿨리(Daniel Cooley)는 실리콘랩스의 마이크로컨트롤러 제품 담당 마케팅 책임자로 회사의 32비트 EFM32 Gecko MCU 제품에 주력하고 있다. 2005년 실리콘랩스의 설계 엔지니어로 입사했으며 스탠포드 대학교에서 전자공학 석사, 텍사스대학교(미국)에서 전자공학 학사 학위를 받았다.