수면·스트레스·임상 상태까지 하나의 디바이스로 정밀 분석 -
국제저명학술지 Science Advances 게재... 일상 속 실시간 모니터링 가능한 무선 시스템 구현
서울시립대학교(총장 원용걸)는 화학공학과 김선홍 교수와 성균관대 반도체융합공학과 유재영 교수 연구팀이 공동으로 심박, 호흡, 피부 반응, 체온 등 인체의 복합 생리 신호를 동시에 측정하고 해석할 수 있는 ‘무선 피부부착형 웨어러블 센싱 시스템’을 개발했다고 밝혔다.
이번 연구 결과는 세계적 권위의 학술지 ‘Science Advances’ (IF 12.5, JCR상위 8%)에 게재됐다. 하나의 디바이스로 다양한 생체신호를 통합 분석할 수 있는 이 플랫폼은 스트레스 분석, 수면 진단, 의료 교육 등 다양한 분야에서의 활용 가능성으로 주목받고 있다.
논문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed3162
기존 생체신호 측정 방식은 심전도, 호흡, 피부전도 등을 각각 별도의 장비로 측정해야 하는 복잡한 구조로 인해 실제 환경에서 장시간 연속 모니터링에 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 심박 및 심박변이도, 호흡, 피부전도, 피부 온도와 열전도 특성을 하나의 소형·경량·무선 시스템에 통합했으며, 피부에 밀착되는 연성 구조를 적용해 장시간 착용에도 불편함 없이 안정적인 신호 수집이 가능하도록 구현했다.
특히 이번 기술의 핵심은 범죄 수사에 활용되는 폴리그래프(거짓말 탐지기)의 원리를 웨어러블 기기에 적용한 데 있다. 폴리그래프는 여러 생체신호를 동시에 측정해 심리 상태를 분석하는 기술로, 연구팀은 인간의 스트레스나 생리적 변화가 단일 신호가 아닌 여러 반응의 복합적 결과라는 점에 주목했다. 또한 기존 폴리그래프가 다수의 유선 센서와 제한된 환경에 의존한다는 한계를 고려해, 이를 일상 환경에서도 활용 가능한 무선·소형 통합 시스템으로 구현함으로써 기존 기술의 활용 범위를 확장했다.
또한, 해당 기술은 임상 환경에서도 유의미한 성과를 보였다. 소아 수면 연구에서 기존 수면다원검사(PSG)와 비교해 각성, 저호흡, 무호흡 등의 이벤트를 높은 정확도로 탐지했으며, 다운증후군 환아에서 나타나는 자율신경계의 특이적 패턴까지 구별하는 데에도 성공했다. 이는 복잡한 검사 장비 없이도 장기간·비침습적으로 환자의 상태를 모니터링할 수 있는 새로운 진단 방식으로 발전할 가능성을 시사한다. 더 나아가 응급의학 시뮬레이션 교육 환경에서는 생리적 스트레스 변화가 실제 수행 능력과 밀접한 관련이 있음을 확인함으로써, 의료 교육 및 고위험 직군의 퍼포먼스 분석 도구로서의 활용 가능성도 입증했다.
연구팀은 “이번 기술은 다양한 생체신호를 통합적으로 분석해 인간의 상태를 실시간으로 해석할 수 있는 플랫폼으로, 기존 웨어러블 기술의 한계를 근본적으로 확장한 사례”라며, “향후 정신건강, 수면 질환, 중환자 관리, 디지털 치료제 등 다양한 분야에서 정밀 진단과 개인 맞춤형 치료를 연결하는 핵심 기술로 발전할 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 ‘몸에 부착하는 것만으로 상태를 읽어내는’ 차세대 통합 생체신호 플랫폼을 구현한 성과로 평가되며, 향후 디지털 헬스케어 산업 전반에 새로운 기준을 제시할 것으로 기대된다.
또한, 이번 연구 성과는 서울시립대학교 학술연구용 첨단장비 지원사업 및 한국연구재단 글로벌기초연구실 사업(RS-2024-00406674)의 지원을 받아 노스웨스턴대학교 John A. Rogers 교수와의 국제 공동 연구 협력으로 진행됐다.
