코로나19 이후 주목할 의료기기로 변신한 스마트워치

현대적 웨어러블 컴퓨팅 개념을 담은 상업용 스마트워치가 등장했을 때 많은 이들은 그 필요성에 대한 질문을 던졌다. 모바일 환경에서 경험할 수 있는 다양한 아이디어를 실은 온갖 기능을 스마트폰에 집중하는 상황에서 낯선 스마트워치가 고유의 장점을 찾아낼 수 있을 지 의문이 뒤따랐다. 스마트폰과 유사한 운영체제에 다양한 기능을 위한 프로세서를 갖춘 컴퓨팅 장치였지만, 그저 기존 손목 시계의 자리를 대체하기 위한 디지털 시계에 불과하다는 비판도 뒤따랐다.

하지만 10여 년 넘는 시간을 보낸 오늘 날의 스마트워치는 초기에 사방에서 날아 오던 송곳 같던 비판 대신 이제 손목에서는 없어서는 안될 중요한 장치로 인식되고 있다. 생김새와 기능, 성능 등 모든 면에서 개선된 영향도 없지 않지만, 무엇보다 건강을 위한 예방적 의료 장치로서 스마트워치의 역할을 인식하게 된 것이 결정적이다. 특히 기존 손목 시계 시장을 위협하는 규모로 성장한 스마트워치는 코로나19 이후 건강 관리에 필수적인 장치가 되어 가고 있는 상황이다. 우리 몸이 보낸 신호를 읽어낼 수 있는 가장 보편화된 장치로 진화한 때문이다.

웨어러블 컴퓨팅이란 로망의 완성형이었던 스마트워치

사람 몸에 착용할 수 있는 웨어러블 컴퓨팅은 매우 오래 전부터 연구되어 왔다. 즉, 몸 어딘가에 부착한 작은 컴퓨터를 통해 어디에서나 컴퓨팅 작업을 할 수 있는 개념 증명을 위해 이를 위한 연구를 해온 것이다. 흥미로운 점이라면 이러한 웨어러블 컴퓨팅 디자인의 상당수가 팔뚝이나 팔목에 착용 가능한 시계 형태였다는 것이다. 물론 고성능 데스크톱 컴퓨터에 들어가는 프로세서만 해도 시계보다 더 컸던 시대에 시계를 모양의 웨어러블 컴퓨터는 상상의 제품에 가까웠다. 다만, 메모리를 가진 시계는 1970년대 말부터 등장했고 계산 기능이나 간단한 게임을 탑재한 시계들은 꾸준이 나오면서 제한적이나마 컴퓨팅 작업을 가능케 됐다.

이러한 시도는 2000년에도 이어진다. 리눅스 운영체제를 올린 IBM의 리눅스 손목 시계 프로토 타입이나 팜OS를 탑재한 파슬의 PDA, 정보를 보여주는 마이크로소프트의 스팟, 블루투스로 연동해 전화와 문자 메시지를 손목에서 확인할 수 있는 소니 에릭슨 전용 파슬 워치 등 스마트워치 역사를 거슬러 올라가는 제품들이 이 당시 등장했다. 하지만 혁신성이 돋보이는 제품들도 방향성을 굳힐 만큼 성공적인 제품들은 없었다.

사진 1. 리눅스를 탑재했던 IBM의 스마트워치.(이미지 출처 : 위키피디아 영문판)

스마트워치가 상업 시장에서 방향성을 잡기 시작한 것은 2010년 들어 스마트폰의 컴패니언 장치로서 가능성을 확인한 이후부터다. 점점 대형화되고 강화된 성능을 가진 스마트폰을 연동해 다룰 수 있는 기능을 탑재했으면서 확장성을 갖춘 손목 시계형 디지털 장치들이 빠르게 늘어났다. 스마트폰을 열지 않고 다양한 알림을 수신하고, 미디어를 제어하며, 간단한 애플리케이션을 실행하는 등 재주가 늘어났다.

물론 이 때의 스마트워치는 소형화된 컴퓨터를 목적으로 했던 웨어러블 컴퓨터 장치의 모습과 거리는 있었다. 여전히 제조사가 정한 기능이나 제한된 성능만 발휘했던 탓이다. 하지만, 컴퓨팅을 위한 하드웨어와 운영체제, 그리고 이를 다루기 위한 입력 시스템을 갖춘 대중화된 컴퓨팅 디바이스로써 존재감을 발휘하면서 스마트워치에 필요한 컴퓨팅 성능과 방향성에 대한 중요성을 인식하기 시작했다.

운동 도우미로써 정체성 찾기

스마트워치 대중화를 위해 여러 스마트 장치 제조사가 도전장을 던진 덕분에 다양한 기능을 가진 제품들이 쏟아진 것은 다행이다. 스마트폰과 연동 외에도 모양이나 표시 방식이 다른 디스플레이와 배터리, 갖가지 운영체제 및 기능 확장성, 자체 통신 기능의 접목, 다양한 센서를 활용한 장치들의 등장으로 수많은 리뷰가 이뤄져 스마트워치가 나아가야 할 진화의 방향도 빠르게 정해졌기 때문이다.

흥미롭게도 제조사마다 지향하는 스마트워치의 방향성 중 거의 공통적인 한 가지는 건강 관리 기능을 꾸준히 늘렸다는 점이다. 건강 관리 기능은 스마트워치를 착용한 이용자의 움직임을 기록하면서 그 활동성을 확인하는 한편, 운동의 형태에 따른 목표 설정으로 신체 활동을 유도하는 목적이다.

사진 2. 상업적 스마트워치 1세대 제품들.

이러한 건강 관리 기능은 처음부터 강하게 탑재했던 것은 아니었다. 스마트폰과 연동해 대중화를 목표로 삼은 스마트워치가 나올 때만 해도 건강 관리 기능은 하루에 얼마나 걸었는지 확인하는 만보기가 전부였다. 스마트워치의 센서도 가속 센서를 기반으로 팔 움직임에 따른 걸음 수를 추정해 기록하고 이를 확인할 수 있었다.

이후 스마트워치는 센서를 하나씩 추가할 때마다 건강 관리 기능도 늘어났다. 만보기는 더 이상 중요한 기능은 아닐 정도로 수많은 운동을 측정하게 됐다. 실내에서 할 수 있는 플랭크나 스쿼트 같은 가벼운 운동을 비롯해 실내 또는 실외 달리기나 사이클, 조정, 등산, 골프에 대한 이동 거리 및 위치 등 기록 측정과 목표 수행 기능이 더해졌다. 여기에 스마트워치의 방수 기능이 강화되면서 수영, 트라이 애슬론, 다이빙 등 수중 운동까지 추가됐다. 스마트워치에서 운동 모드를 설정하거나 상황을 감지하고 이에 맞는 모드를 알아서 설정하기도 했다. 특히 일정시간 제자리에 너무 오래 앉아 있는 것이 감지되는 경우에도 의자에서 일어나는 것을 권하는 알림을 자동으로 보내기도 한다.

사진 3. 스마트워치에 다양한 행동 측정 데이터를 기반으로 운동에 활용할 수 있는 기능들이 추가됐다.

여러 운동 환경에 대응하는 스마트워치는 측정된 데이터를 곧바로 분석하지만, 스마트폰에 설치된 앱과 연동된 서비스로 더 많은 정보를 받는다. 즉, 이용자는 자신의 운동 데이터를 기반으로 얼마나 칼로리를 소모 했는지, 얼마나 목표를 성취했는지, 더 필요한 조언은 무엇인지 확인하는 기능과 2차 서비스와 연결되어 더 많은 정보가 이용자에게 제공되었다. 이러한 운동 모드의 도입 이후 수집된 개인의 행동 데이터를 가공해 의미있는 정보를 제공하기 위한 걸림돌이었던 이용자의 거부감을 상당 부분 완화하는 효과를 가져왔다.

<표 : 스마트워치에 포함된 센서의 종류>

주변 광 센서

주변 조명에 따라 디스플레이의 밝기를 조정하기 위한 것으로 배터리 절약에 활용된다.

근접 센서

배터리 절약을 위해 꺼 놓은 디스플레이를 깨울 때 이용된다.

제스처 센서

손이 특정 방식으로 움직일 때 정해진 활동이나 기능을 수행하도록 만들기 위한 센서다.

3축 가속도계

거의 모든 스마트워치에 탑재되는 기본 센서로 이용자의 움직임을 추적하고 중력을 감지해 방향, 위치 및 속도 변화 등을 측정한다.

자이로스코프

각 속도를 측정하면서 이동 중 상태를 정확하게 추적하기 위한 센서로 손목의 흔들림으로 인한 움직임을 가려내 조깅과 달리는 상황을 구분한다.

고도계

계단이나 경사를 오르고 내려갈 때 높이의 변화를 감지하고 이를 측정한다

나침반 센서

방향을 감지하는 센서로 스마트워치에 지도 애플리케이션을 띄웠을 때 정확한 이동 방향을 표시한다.

GPS

스마트폰 없이 현재 위치를 파악하기 위한 위치 확인 시스템으로 스마트워치에 위치를 기록한다.

자력계

GPS 및 나침반과 함께 작동하며, 정확한 좌표를 결정하는 데 사용된다.

UV 센서

유해한 햇빛에 대한 노출을 측정한다.

태양광 센서

           빛을 이용해 스마트워치에 전력을 보충할 수 있는 센서다.

심박 센서

분당 심장 박동을 측정하는 데 활용하는 센서로 빛을 이용해 혈류 속도를 감지하고 이를 기록한다.

SpO2 센서

혈액 내 산소 수준을 측정하는 센서. 손목을 통해 혈액에서 나오는 적색 및 적외선의 상대적 반사를 측정하고 심장 박동에 따라 어떻게 변하는 지 확인해 SpO2 값을 추정한다.

호흡 및 수면 측정 센서

수면, 심박수, 호흡의 변화를 측정하는 센서로 미세한 전기를 피부에 흘려 보내 그 변화를 기록한다.

ECG 센서

심장 박동이 규칙적으로 뛰고 있는지 확인하는 센서로 스마트워치의 전극을 통해 심장의 미세한 전기 신호를 감지하도록 설계됐다.

전피 활동 센서

전피 활동 또는 EDA 센서로 불리는 이 센서는 피부나 땀 수준의 작은 전기적 변화를 감지하여 스트레스를 확인한다.

피부 온도 센서

피부 온도 센서는 체온의 미세한 변화를 감지하여 열과 같은 병에 걸리거나 월경 등을 예측한다.

 

건강을 확인하는 헬스케어 기능의 강화

행동 데이터를 기반으로 운동 측정 기능을 늘려 활용도를 늘린 스마트워치는 또 다른 방향의 데이터를 수집하기 위한 변화를 담는다. 일상이나 운동에 따른 신체의 변화를 확인하기 위한 데이터 수집 장치로 기능을 확장한 것이다. 자나 깨나 늘 손목에 차고 있는 스마트워치를 통해 신체의 변화를 감지함으로써 이용자가 건강을 관리할 수 있는 정보를 제공하기 위해서다.

이를 위해 스마트워치는 상당히 많은 건강 관련 센서를 탑재한다. 신체의 변화를 감지할 수 있는 다양한 센서가 추가 되었고, 이를 위한 건강 관리 기능에 초점이 맞춰진 것이다. 다만 스마트워치의 건강 관리 기능이 강화하면서도 의료 기기의 경계를 벗어나지 않았다. 신체의 이상 현상을 진단하는 장치나 기능은 의료 장치로써 복잡하고 어려운 인증을 받아야 하는 터라 관련 기능은 거의 담지 않았다.

사진 4. 심장 박동수를 측정하는 심박센서는 거의 모든 스마트워치에서 찾을 수 있다.

의료 관련 기능을 제외해도 건강 관리를 위한 스마트워치의 기능은 적지 않다. 특히 수면 질을 살피고 스트레스 지수, 혈중 산소 포화도, 최대 소비 가능 산소량 측정 등 의료 기기 인증이라는 복잡한 상황을 피하면서 이용자에게 필요한 건강 관리 정보를 제공하고 있다.

거의 모든 스마트워치에서 기본 기능이 된 수면 측정은 말 그대로 충분한 잠을 자고 있는지 측정하는 기능이다. 하지만 단순히 몇 시간 동안 잠을 잤는지 확인하는 수준이 아니라 얕은 잠에서 깊은 잠 등 여러 수면 단계와 수면 시간 중 잠시 깨는 것까지 측정해 수면의 질을 파악할 수 있도록 분석 결과를 제공한다. 수면 측정은 그 상태로 무엇을 진단하는 것은 아니지만, 부족한 수면 상태가 무엇인지 곧바로 확인하고 그 원인을 해결하도록 데이터를 제공해 나쁜 수면의 질이 건강에 영향을 미치지 않도록 주의를 상기시킨다.

무엇보다 건강 관리를 위한 핵심은 심장의 변동을 확인하는 일이다. 심장이 규칙적으로 뛰는지 확인하는 심전도 측정까진 아니더라도 심장이 뛰는 횟수를 측정하면서 그 변동성을 파악하는 것으로도 여러 신체 상태를 확인한다. 심박수를 측정하고 그 수의 변동 또는 심박동 사이의 시간에 따라 신체적인 변화를 분석해 건강을 관리하는 기능이 스마트워치에 있다.

그 중 하나가 스트레스 측정이다. 스트레스를 측정하는 방법은 다양하지만, 심박 센서를 갖고 있는 스마트워치는 심박동 변화를 통해 스트레스를 측정한다. 정서적, 신체적 및 정신적 경험이 심박수 변동성에 영향을 미칠 수 있는 점을 감안한 것이다. 물론 그 변화는 단순히 심박수를 측정하는 것만으로 되는 일이 아니라 미세한 신호 처리와 복잡한 수학과 패턴 인식 등 전문 지식이 결합된 것으로 스트레스를 완화할 수 있는 호흡 방법을 알려주고 정신적 안정을 찾을 수 있도록 돕는다.

사진 5. V2O Max는 일정 시간 운동하는 동안 최대 소비한 산소량 측정을 통해 운동의 성과를 확인하는 기능이다.

혈액 내 산소와 관련된 기능은 최근 스마트워치에서 확인할 수 있는 건강 관리 기능이다. 운동에 특화된 스마트워치는 분당 소비할 수 있는 최대 산소량을, 일반 스마트워치는 혈중 산소 농도를 측정한다. 운동 능력을 최대로 발휘하는 시점에서 1분당 1kg의 몸무게가 소비할 수 있는 최대 산소량을 더 늘릴 수록 운동으로 인한 효과가 나타나는 것을 의미한다. 혈중 산소는 건강한 성인이면 95~100% 측정치를 갖는데, 혈중 산소 측정 결과가 이보다 적으면 빈혈이나 신경학적 문제 및 기타 수면 장애에 영향을 미칠 수 있는 만큼 중요도가 높아졌다.

이처럼 스마트워치는 건강과 연동되는 신체 데이터를 측정하는 기능을 갖췄으면서도 건강을 관리할 수 있는 정보만 제공함으로써 헬스케어 장치로 발전한다. 즉, 몸이 보내는 신호에 이상을 발견할 수 없을 만큼 잘 관리되고 있음을 이용자에게 확인시켜 주기 위한 목적이 추가되면서 스마트워치의 헬스케어 기능은 더 늘고 있다.

코로나19 시대, 의료 기기로써 스마트워치의 높아진 가치

스마트워치의 헬스케어 기능들은 항상 건강을 유지할 수 있는 예방 차원에서 접근했지만, 스마트워치는 여기서 한 단계 더 진화하게 된다. 몸에서 이상 신호를 발견하지 않는 것이 아니라, 몸에서 이상 신호를 찾는 기능을 추가한 것이다. 스마트워치에 들어 있는 헬스케어 관련 기능들도 몸의 신호가 보낸 데이터의 변화를 살펴 건강 관리에 활용하는 것이었으나, 그 데이터가 특정 신체의 이상 신호나 몸에서 발생한 문제를 찾아내는 목적은 아니었다. 즉, 스마트워치에서 이상한 신체 데이터를 측정했을 경우 좀더 정밀한 진료를 받도록 하는 기능이 추가된 것이다.

몸의 이상 증세를 찾아 내는 진단 장치는 의료 장치로써 허가를 받는 것이 상식이었지만, 지금 의료 기능을 갖춘 스마트워치를 찾는 것은 어렵진 않은 상황이다. 진단 장치에서 오류가 발생해 오진에 따른 처방으로 이어져 생명에 위협이 될 수 있는 터라 안전을 위해 매우 엄격하고 까다롭게 의료 기기를 인증해 왔다. 그러나 수많은 데이터를 학습하며 확률을 높인 인공 지능 기반의 소프트웨어를 의료기기로 인증하면서 이를 탑재한 스마트워치를 의료기기로 활용할 수 있게 됐다. 다만 스마트워치의 진단 기능은 몸의 이상 여부를 이용자 스스로 확인할 수 있는 1차 진단 기능에 불과하고, 전문 의료 기관을 통해 더 정밀한 진단을 받아야 한다.

사진 6. 애플 워치 4에 첫 적용된 심전도 센서. 애플은 심전도 측정 소프트웨어를 의료기기로 승인받았다.

이처럼 제한된 인정에도 불구하고 스마트워치에 추가되는 진단 기능은 자칫 생명에 위험할 수 있는 몸의 이상을 관리하도록 중요한 정보를 제공한다. 그 중 심장 질환을 찾아내기 위한 심전도(ECG)가 대표적이다. 일정 시간 동안 심박 박동수를 확인하던 기능과 아울러 심장의 전기적 신호가 나오는 간격 및 파형을 측정하고 심방세동을 구별하는 기능을 탑재한 것이다. 만약 이 측정으로 심방세동의 신호가 관찰되는 경우 전문 의료 기관을 통해 더 면밀한 검사를 받도록 정보를 제공해 더 큰 위험을 막을 수 있기 때문에 해당 기능에 대한 주목도가 높아진 것이다.

이러한 이상 진단 기능은 심전도만 해당하는 것은 아니다. 심박 센서를 이용해 이상 여부를 파악하기도 한다. 특히 운동처럼 심장 활동을 활발하게 만드는 요인 없이 갑작스럽게 심장 박동이 빠를 경우 이에 대해 경고하고 병원에서 진단 받을 것을 권고하기도 하고, 광학식 심박 센서를 통해 심전도와 같은 신호를 관찰하는 기능까지 담고 있다. 여기에 기존 혈압계와 상태를 비교한 뒤 혈압의 변화를 감지하는 기능이나 피부의 온도를 측정하는 센서와 이를 분석하는 소프트웨어 의료기기를 스마트워치에 내장하고 있다.

이러한 의료 기기로써 기능은 뜻하지 않게도 스마트워치에 기회를 제공하고 있다. 사실 2020년 초반 코로나19로 인해 야외 활동이 줄어들면 스마트워치의 수요가 줄어들 것이라고 예상되었으나, 스마트워치의 의료 기능으로 인해 그 수요 전망은 수정되어야 하는 상황이 됐다. 특히 대규모 감염병 유행이 이어지면서 의료 기관에 방문하기 힘들게 된 이후 몸의 이상을 확인할 수 있는 장치에 대한 필요성을 느낀 이용자들이 스마트워치를 구매할 가능성이 더 늘어날 것으로 예상된 것이다.

사진 7. 스마트워치의 심전도 측정을 통해 심장 상태를 확인하고 이상이 발생하면 전문 의료 기관에 방문해 전문의의 진료와 더 정확한 장비로 진단을 받을 수 있다.

물론 건강 상태를 모니터링 하려는 소비자 수요는 지난 4년 동안 3배 이상 증가했고, 스마트워치 착용자의 80%가 이를 위해 스마트워치 같은 장치를 착용하고 있다는 비즈니스 인사이더 인텔리전스의 연구로 볼 때 의료 기능은 스마트워치에 매우 중요한 요소로 작용하는 상황이었다. 시장조사기관 IDC도 지난 해 판매된 스마트워치는 전년 대비 15.3% 늘어난 1억9천850만 대였는데, 그 동력이 의료 부문에서 나왔다는 점이었다. 즉, 점점 더 많은 곳에서 스마트워치로 데이터를 측정하고 의료 연구와 환자를 치료하는 데 쓴다는 이야기다.

코로나19 감염병 확산 이후 스마트워치로 그 증상을 감지할 수 있는 방법을 찾는 연구 결과도 나왔다. 2020년 11월 18일 nature.com에 게재된 ‘Pre-symptomatic detection of COVID-19 from smartwatch data’에 따르면 코호트 격리된 5천300명 환자 가운데 코로나19에 감염된 32명의 신체 및 활동 데이터를 분석한 결과 26명에게 심박수와 일일 걸음 수, 수면 시간 등에 변화가 있음을 발견했다고 보고했다. 더구나 코로나19 사례의 63%는 안정적 상황에서 심박수의 빠른 증가를 보일 때 작동하는 2단계 경고 시스템으로 인해 증상 발현에 앞서 실시간 감지가 가능하다고 결과를 정리했다. 다만 이 연구는 코로나19 감염과 다른 바이러스로 인한 감염을 구별하는 법이 아니며 모니터링 패턴에 영향을 미치는 여러 요인이 있었음을 전제하고 있다. 그러나 스마트워치에 의한 실시간 모니터링은 환자의 일정에 부담을 주지 않으면서 후속 검사 및 자가 격리를 알리는 데 도움이 되고, 스마트워치를 통해 호흡 속도를 보고하고 혈액 산소 농도 측정이 코로나19 예측에 유용할 것이라는 의견을 담기도 했다.

사진 8. 코로나19의 증상에 따라 심박수 변화를 확인하기 위해 측정된 스마트워치의 심박수 데이터

코로나19라는 대규모 감염병 환경에서 스마트워치의 역할을 확인하는 연구까지 이뤄진 터라 앞으로 더 많은 의료 관련 기능이 탑재되어 다양한 의료 연구에 활용될 것은 분명하다. 비록 초기 웨어러블 컴퓨팅의 궁극적 형태로써 스마트워치의 기능과 다르긴 해도 스마트워치는 신체 데이터를 분석하고 진단하고 예방하는 의료 컴퓨팅 장치로써 더욱 확실한 역할을 하게 될 것이다. 다만 생체 신호 같은 개인의 민감한 정보를 다루는 만큼 기능의 부정확성이나 데이터 유출 및 악용에 대비해야 하는 점도 놓쳐서는 안 될 문제다.

덧붙임 #

1. 이 글은 KISA 리포트 2020.11에 기고한 것으로 편집본은 KISA 리포트 자료실에서 다운로드할 수 있습니다. 

2. 이 글은 2020년 12월 7일에 이 사이트에 공개되었습니다.

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