현대사회에서 건강 유지에 대한 관심은 점점 높아져가는 것 같습니다. 정기적인 건강검진에 더해 수시로 건강상태를 모니터링할 수 있는 스마트 기기도 많이 출시된 상태입니다. 이 중에서 혈압을 측정하는 기능은 작은 장치에 탑재하기 어려운 기능으로 알려져 있는데, 초음파로 혈압을 측정할 수 있는 기술이 소개되었습니다.
이번 포스팅에서는 IEEE Spectrum에 소개된 초음파 혈압 측정 기술에 대한 내용을 전달합니다.
개요
혈압은 건강을 나타내는 중요한 생체 신호 중 하나이지만, 일반적인 방법은 압력 커프로 동맥을 압박하여 순간적인 값을 측정하는 것에 불과합니다. 지속적인 혈압 측정은 가능하지만, 바늘과 카테터를 통해 동맥에 직접 센서를 삽입해야만 합니다. 그러나 칼텍(Caltech) 연구진 덕분에, 앞으로는 신체의 거의 모든 부위에서 혈압을 지속적으로 측정할 수 있을 가능성이 열릴 것으로 보입니다.
2024년 7월 PNAS Nexus에 게재된 논문에서 연구진은 ‘공명 소노마노메트리(Resonance Sonomanometry, RSM)’라는 방법을 통해 혈압을 측정하는 기술을 소개하고 있습니다. 이 새로운 기술은 초음파를 이용해 동맥 벽의 크기를 측정하고, 소리파를 통해 동맥 벽 내의 압력을 벽의 장력으로부터 유추할 수 있는 공명 주파수를 찾아냅니다. 이러한 정보를 바탕으로 보정 없이 동맥 내의 절대 압력을 실시간으로 계산할 수 있습니다.
이 마지막 요소는 매우 중요합니다. 기존의 비침습적 방법들은 혈압의 상대적인 변화를 제공할 뿐만 아니라, 주기적인 보정이 필요하기 때문입니다. 기존의 방법은 전통적인 압력 커프를 사용해 수시로 측정된 값을 기준으로 보정이 필요합니다. 반면, RSM 기술은 보정이 필요 없기 때문에 지속적인 측정이 더 신뢰성을 갖습니다.
공명 소노마노메트리 작동 원리
연구진의 RSM 시스템은 초음파 트랜스듀서를 사용해 동맥의 크기를 측정하고, 다양한 주파수의 소리파를 전송합니다. 이 진동은 동맥 벽을 안팎으로 움직이게 하여 특유의 움직임 패턴을 생성합니다. 공명 주파수가 전송될 때, 동맥의 상하부는 일치된 움직임을 보입니다.
이 공명 주파수는 동맥 벽의 장력을 결정하는 데 사용될 수 있습니다. 동맥 벽의 장력은 혈액의 압력과 직접적으로 연관되어 있어, 동맥의 크기와 공명 주파수를 바탕으로 혈압을 실시간으로 계산할 수 있습니다.
연구진은 이 방법을 모형과 인간을 대상으로 검증했습니다. 먼저 얇은 벽의 고무 튜브와 주사기를 이용해 압력을 변화시키는 동맥 모델에서 기술을 테스트했습니다. 다양한 압력과 직경을 가진 튜브를 사용해 모형 실험을 진행한 후, 연구진은 인간의 경동맥(목 부위)에 초음파 장비를 사용해 RSM 기술을 적용하고, 표준 압력 커프로 간헐적인 측정을 병행했습니다. 이 기술은 성공적으로 작동했으며, 이후 액와동맥(어깨), 상완동맥(팔), 대퇴동맥(다리)에서도 혈압을 측정할 수 있었습니다. 연구진은 측정된 데이터가 매우 명확하여, 심지어 호흡과 관련된 흉부 압력 변화까지 감지할 수 있을 것이라고 언급하고 있습니다.
기존의 압력 커프 방식과는 달리, RSM은 심장 주기 전체에 대한 데이터를 제공하며, 수축기 및 이완기(전통적인 혈압 측정 시 제공되는 두 숫자)만을 측정하지 않습니다. 또한, 다양한 크기의 동맥에서도 작동하기 때문에 신체 크기와 형태에 관계없이 적용될 수 있습니다. 초음파를 사용함으로써 피부 색깔 등 빛 기반 장치에서 발생할 수 있는 문제도 제거할 수 있습니다.
“저는 지속적인 모니터링을 매우 선호합니다. 병원에서 연 1회 측정하는 혈압으로는 의사결정을 내리기에 충분하지 않습니다.”라고 Iodine Software의 디지털 헬스 리더인 닉 반 테허이든(Nick van Terheyden) 박사는 말하며, “수학과 물리학의 오래된 규칙에 기반한 새로운 접근법은 매우 흥미로운 발전입니다.”라고 덧붙였습니다. 이 회사는 헬스케어 통찰을 개선하기 위한 머신러닝 기술을 제공하는 기업입니다.
칼텍 연구진은 RSM 기술을 활용한 상용 제품을 개발하기 위해 Esperto Medical이라는 스핀오프 회사를 설립했습니다. 이 회사는 카드 한 덱보다 작은 크기의 트랜스듀서 모듈을 개발해 웨어러블 암밴드에 적용할 수 있는 실용적인 솔루션을 제시하고 있습니다. 또한, 하드웨어를 더욱 소형화해 손목에 착용할 수 있는 장치에 통합하는 것을 목표로 하고 있습니다. Esperto Medical의 최고기술책임자 레이몬드 히메네즈(Raymond Jimenez)에 따르면, “이 기술은 병원뿐만 아니라 체육관이나 가정에서도 정확하고 보정이 필요 없는 혈압 측정을 가능하게 할 잠재력을 가지고 있습니다.”
이러한 제품에 대한 시장 수요도 상당할 것으로 보입니다. 사물인터넷 컨설팅 회사인 Parks Associates의 엘리자베스 팍스(Elizabeth Parks) 대표는 “웨어러블 기기를 구매하려는 소비자의 92%가 건강 관련 기능에 추가 비용을 지불할 의향이 있으며, 그중 혈압 측정이 가장 중요한 기능으로 평가받고 있습니다.”라고 설명했습니다.
미래에는 팔을 압박하는 혈압 커프에 의존하지 않고, 스마트워치가 심박수와 같은 다른 생체 신호를 모니터링하는 것처럼 하루 종일 혈압을 직접 모니터링할 수 있을 것으로 기대됩니다.
마무리
이번 포스팅에서는 혈압 측정 기술의 발전과 칼텍 연구진이 개발한 공명 소노마노메트리(RSM) 기술을 통해 기존의 혈압 측정 방식을 어떻게 혁신할 수 있는지 알아보았습니다. 앞으로 웨어러블 기기들이 혈압을 포함한 다양한 생체 신호를 더욱 정밀하게 측정할 수 있게 되면서, 개인 건강 관리가 크게 향상될 것으로 기대됩니다. 이러한 기술이 상용화된다면 병원뿐만 아니라 일상생활에서도 실시간 건강 모니터링이 가능해져, 보다 효과적인 건강 관리가 이루어질 것입니다.