웨어러블 기기의 건강 관리 정밀도를 높여주는 인공지능 기술

※ 아래 글은 정보통신기술진흥센터(IITP)가 발간하는 주간기술동향 1804호(2017. 7. 12 발행)에 기고한 원고입니다.

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웨어러블 기기의 건강 관리 정밀도를 높여주는 인공지능 기술.pdf

[ 요 약 ]

올 1분기 전세계 웨어러블 시장에서 애플은 부동의 1위였던 핏빗을 3위로 끌어 내리고 처음으로 2위에 올라섰으며, 2분기 이후에는 1위를 유지가 예상되고 있음. 애플워치는 건강관리에 특화된 앱을 강점으로 내세우고 있는데, 특히 심박수 분석을 통해 심장 상태를 모니터 하는 카디오그램 앱이 큰 호응을 얻고 있음. 카디오그램은 현단계 센서 기술의 한계에서 기인한 데이터 부정확성을 인공지능 기술을 이용하여 보완함으로써 보다 정밀한 건강관리를 원하는 시장 수요를 공략하고 있음

[ 본 문 ]

ž IDC에 따르면 전세계 1분기 웨어러블 기기 시장에서, 샤오미와 애플이 이 분야를 개척해 온 ‘핏빗(Fitbit)’을 제치고 나란히 1위와 2위를 차지하였음

Ø 올해 1분기 전세계 웨어러블 기기 출하대수는 2,470만대로 전년도 같은 기간의 2,090만 대에 비해 17.9% 증가한 것으로 조사됨

Ø 샤오미는 전년 대비 3.3% 감소한360만 대를 출하했으나 시장점유율 14.7%로 1위를 차지했으며, 애플워치를 내세운 애플은 1년 만에 64.1% 성장하며 시장 점유율 14.6%로 2위에 올라섰음

Ø 눈에 띄는 것은 핏빗의 실적인데, 핏빗은 2016년 4분기까지도 1위를 유지했으나 올 1분기에는 전년 동기 대비 37.7% 감소함 300만대 출하에 그치며 3위로 추락하였는데, 이런 여파 때문인지 핏빗은 최근 대규모 정리 해고를 통한 비즈니스 재구축에 나서고 있음

Ø 2분기 이후에는 핏빗의 하락세가 더욱 두드러질 전망이고, 샤오미 역시 1분기에 1위를 차지하기는 했지만 출하대수는 감소한 상태에서 핏빗의 급전직하에 따른 어부지리 성격이 강하기 때문에 2분기 이후에는 애플이 당분간 시장점유율 1위를 유지할 것으로 예상됨

ž 핏빗의 하락세와 애플의 강세를 가른 원인으로는 데이터와 기능과 정확도가 거론되고 있는데, 고정밀과 고기능을 요구하는 시장의 요구에 핏빗은 부합하지 못하고 있다는 평가

Ø IDC는 1분기 실적 결과에 대해 사용자의 취향이 단순한 피트니스 밴드에서 시계 및 기타 기능이 탑재된 제품으로 옮겨가고 있다고 분석하고 있음

Ø 다른 업계 전문가들은 소비자들의 요구가 단순히 기능 추가에 있는 것은 아니며, 웨어러블을 구매하는 가장 큰 이유가 건강 관리를 위해서인데, 핏빗의 경우 센서의 기능과 정확도가 생각만큼 도움이 되지 않는다는 평을 받고 있는 것 같다는 분석을 내놓고 있음

Ø 단순히 걸음 수나 맥박 수를 체크하는 수준을 넘어서 점차 고정밀∙고정확의 데이터에 기반한 건강 관리 수요가 점차 높아지고 있는데, 애플은 이러한 소비자의 수요를 정확히 캐치하고 현재 기술의 단점을 보완하려는 노력을 해나가고 있다는 평

Ø 샤오미는 센서 기술의 정확도보다는 149 위엔(약 2만 4천원)이라는 가격 경쟁력과 최대 20일 간 유지되는 배터리를 앞세워 어필하고 있는데, 이는 애플의 전략과 차별화되는 점이며 핏빗에게는 다운스트림 세그먼트에서 강력한 압박 요인으로 작용하고 있음

[표 1] 2017년 1분기 전세계 웨어러블 기기 시장 상위 5대 업체 점유율(단위: 백만 대)

제품 구분	2017 1Q		2016 4Q		2016 1Q		직전 분기 대비	전년 동기 대비
	대수	점유율	대수	점유율	대수	점유율
샤오미	3.6	14.7%	5.2	15.2%	3.8	17.9%	-30.8%	-3.3%
애플	3.6	14.6%	4.6	13.6%	2.2	10.5%	-21.7%	64.1%
핏빗	3.0	12.3%	6.5	19.2%	4.9	23.2%	-53.8%	-37.7%
삼성전자	1.4	5.5%	1.9	5.6%	0.7	3.4%	-26.3%	90.8%
가민	1.1	4.6%	2.1	6.2%	1.1	5.4%	-47.6%	1.6%
기타	11.9	48.2%	13.6	40.1%	8.3	39.5%	-12.5%	43.9%
전체	24.7	100.0%	33.9	100.0%	20.9	100.0%	-27.1%	17.9%

<자료> IDC, IITP 재정리

ž 애플워치가 건강 관리 웨어러블로 자리를 잡아가고 있는 데에는, 현단계 센서 기능의 한계를 다른 기술, 특히 인공지능(AI)으로 보완하려는 전략이 기여하고 있음

Ø 2015년부터 외신에는 종종 애플워치 덕분에 목숨을 부지할 수 있었다는 소식들이 보도되고 있는데, 주로 ‘몸의 상태가 좋지 않아 애플워치로 심장박동수를 확인해 봤고, 정상 수치 보다 높게 나와 병원에 방문했더니 의사가 늦었으면 큰일 날 뻔 했다’고 말했다는 스토리임

Ø 미국에서만 연간 70만 명, 전세계적으로 연간 1,700만 명 이상이 심혈관 질환으로 사망할 만큼 심혈관 질환은 주요 사망 원인 중 하나지만, 여느 병과 마찬가지로 조기 발견하여 치료가 되면 생명을 구하고 중대 질환으로 번질 가능성을 낮출 수 있음

Ø 심장박동수 측정 기능은 애플워치에만 있는 것이 아니므로 다른 웨어러블 기기들도 긴급 상황에서는 도움이 되며, 심장박동수 측정 센서가 오작동하는 경우도 있지만 수치가 비정상적으로 높거나 기분이 좋지 않을 때는 일단 병원에 내원하는 것이 좋다고 의사들은 권고함

Ø 그러나 앞서 핏빗의 침체 원인에서 언급한 것처럼, 현재 웨어러블 기기들에 창작된 센서의 기능에는 한계가 있어 심박수 측정의 정확도는 불안정한 편이며, 따라서 건강한 사람들이라면 부정확한 수치나 오작동에 실망을 느껴 관심을 거두게 되는 경우도 적지 않음

Ø 애플워치 역시 심박수 센서 수치가 부정확한 문제를 동일하게 겪고 있기는 하지만, 애플은 정확도 보정을 위해 애플워치에서 수집한 심박수 수치를 인공지능(AI)으로 해석하여 심장의 상태를 감지하는 연구를 진행하고 있음

Ø 애플은 이를 바탕으로 병원에서 심전도 검사(ECG, Electrocardiogram)를 받지 않아도 애플워치에서 24시간 내내 심장의 상태를 모니터링 할 수 있다는 점을 마케팅 포인트로 어필하고 있음

ž 애플워치에 심장 상태 모니터링 기술을 제공하고 있는 기업은 헬스케어 스타트업인 ‘카디오그램(Cardiogram)’이며, 동명의 앱은 애플의 ‘헬스키트(HealthKit)’와 연동되어 있음

Ø 심박동 곡선을 뜻하는 ‘카디오그램’은 앱은 애플워치의 센서를 통해 측정한 신체 데이터를 분석하여 심장의 움직임을 파악하는데, 주로 운동 후에 심박수가 어떻게 반응하는지를 살핌

<자료> MobiHealthNews [그림 1] 카디오그램 앱을 이용한 행동 효과 분석

Ø 또한 평상시의 심장 박동수를 모니터하고 스트레스 상황이나 식사 후에 신체가 어떻게 반응하는 지도 살피는데, 이런 방법을 통해 심장 질환을 감지해 내는 연구를 진행하고 있음

Ø 애플은 자사 혹은 써드파티들의 건강 관리 앱 개발의 기초가 되는 ‘헬스키트(HealthKit)’를 구축하고 있는데, 애플워치에서 측정된 신체 데이터는 이용자의 동의 하에 헬스키트에 축적됨

Ø 카디오그램 앱은 iOS용 건강관리 앱으로 개발되었기 때문에 헬스키트를 통하여 이용자의 신체 정보에 접근할 수 있고 데이터를 분석하여 건강에 관한 지식을 얻게 되는데, 이를 토대로 애플워치 이용자의 심박수, 서있는 시간, 칼로리 양, 운동시간, 걸음 수를 시각화하여 표시해 줌

Ø 카디오그램은 ‘증거 기반 행위(Evidence-Based Behavior)’라는 방법론을 사용하여 심장의 움직임을 파악하는 기술을 개발하고 있는데, 이는 일상생활에서의 행동이나 운동이 생체에 미치는 영향을 검증한 후 이용자에게 제시함으로써 행위를 강화해 주는 데 목적이 있음

Ø 예를 들어 2주 동안 조깅을 했다면 이것이 심장 박동에 어떻게 영향을 미치는지를 분석하여 만일 심박수가 7% 낮아졌다면 이 행위는 건강에 효과가 있다고 판정하는 것이며, 건강 관리에 도움이 된다는 증거를 이용자에게 정확히 보여줌으로써 조깅을 계속 하도록 유도하는 것임

Ø 조깅 외에 자전거, 명상, 요가, 수면 시간 등이 인체에 미치는 영향을 분석하는 프로그램도 갖추고 있으며, 스마트폰을 끊는 것이 건강에 긍정적으로 작용하는지를 검증하는 메뉴도 있음

ž 카디오그램은 현재 UCSF 대학과 공동으로 애플워치로 얻은 데이터를 AI로 분석해 심장 이상 여부를 감지하는 연구를 진행하고 있는데, 정확도는 97% 정도라고 함

Ø 카디오그램이 UCSF(캘리포니아 대학 샌프란시스코)와 진행 중인 공동 작업의 명칭은 ‘m리듬 연구(mRhythm Study)’인데, 6,185명을 대상으로 애플워치에서 수집한 심박 데이터를 분석하여 부정맥의 일종인 심방세동(Atrial Fibrillation)’을 감지하는 것임

Ø 심방세동은 심장 근육층에서 일어나는 빠르고 조화롭지 않은 불규칙한 수축 현상인데, 정상적인 심박수는 분당 60~100회이지만 심방세동 환자의 분당 심박수는 최소 400회 이상이 되며, 현상이 지속되면 심부전증으로 이어질 수 있다고 함

Ø 임상 시험 결과 심방세동 판정 정확도는 매우 높은데, 연구팀은 97%의 확률로 심방세동을 감지 할 수 있었다고 보고하고 있음

Ø 애플워치에서 수집한 신호로부터 심방 세동을 감지하는 알고리즘에는 인공지능(AI)이 사용되고 있는데, 이 알고리즘은 ‘나선층(Convolutional Layer)’과 ‘장단기 기억층(Long Short Term Memory networks Layer)’을 조합한 4계층 구조로 되어 있음

<자료> Cardiogram

[그림 2] 카디오그램의 4계층 알고리즘

Ø 알고리즘에 심박수를 입력하면 시간 단계마다 스코어를 출력하는데, 이 스코어가 곧 심방세동이 발생하는 확률이며, 따라서 애플워치를 차고 있는 사람은 시간대 별로 언제 심방세동이 일어났는지를 즉각 파악할 수 있음

Ø 이것이 사실이라면 병원에서 ECG 검사를 하지 않아도 시판 중인 웨어러블 기기에 AI를 결합하여 심장 질환을 파악할 수 있다는 뜻이므로, 현재 이 연구결과에 큰 관심이 쏠리고 있음

ž m리듬 연구의 과제는 알고리즘의 정확도를 높이기 위한 대량의 기계학습 데이터를 확보하는 것인데, 이를 위해 연구팀은 모바일 ECG 검사 기기로 데이터를 축적하고 있음

Ø m리듬 연구에서 알고리즘을 학습시키기 위해서는 애플워치에서 수집한 심박신호 데이터와 ECG에서 측정한 심전도 데이터를 각각 대량으로 확보해야 하며, 이를 토대로 환자에게서 심방세동이 발생했을 때 양 데이터 신호 사이의 관계성을 형성하는 것이 관건이 됨

Ø 그러나 심전도 데이터는 병원에서 심장질환 환자의 ECG 검사를 통해 얻는 것이 대부분이며 그 수는 한정될 수밖에 없는 한계가 있고, 따라서 m리듬 연구에서는 모바일 ECG 측정 장치의 하나인 ‘카르디아 모바일(Kardia Mobile)’을 이용하였음

<자료> Cardiogram [그림 3] 휴대형 ECG 기기 카르디아 모바일

Ø 카르디아 모바일은 스마트폰과 연동해 작동하는 심전도 측정 장치로 두 개의 전극에 피험자가 손가락을 대고 있으면 심전도 측정이 가능

Ø 측정 시간은 30초 정도 걸리며 결과는 스마트폰에 표시되는데, m리듬 연구에서는 카르디아 모바일을 이용해 6,338건의 데이터를 수집하고 이를 알고리즘을 학습시키기 위한 자료로 사용

Ø 카르디아 모바일은 재미난 기기 정도로 보일 수도 있지만 FDA(미 식품의약국)의 승인을 받은 최초의 모바일 ECG 기기로, 가격이 99달러여서 누구나 쉽게 구매해 심전도를 측정할 수 있기 때문에 병원은 물론 일반 미국 가정에 보급이 시작되고 있음

ž 웨어러블 시장이 여전히 불투명하다는 의견도 많지만, 높아지는 건강관리 수요에 대한 대응 여부가 향후 변곡점이 될 것으로 보이며, 여기에는 AI가 중요한 역할이 할 것으로 예상

Ø 현재 웨어러블 기기 카테고리의 대표 품목은 핏빗으로 대변되는 피트니스 밴드와 애플워치로 대변되는 스마트워치라 할 수 있음

Ø 핏빗의 출하대수 급감에서 알 수 있듯이, 피트니스 밴드형 제품들은 센서 기능의 불완전성 등의 요인 때문에 소비자들로부터 존재감이 약해져 가고 있으며 점차 스마트워치의 한 기능으로 수렴되어 가는 추세임

Ø 반면 스마트워치 제품들은 성장세를 보이고 있지만 여전히 활용성 부족 문제를 겪고 있는데, 소비자들은 시계와 스마트폰 이상이기를 원하지만 실제로는 시계로 쓰기도 힘들고 스마트폰을 대체하지도 못하는 애매한 가치 포지셔닝에 있다는 지적이 많음

Ø 따라서 피트니스 밴드 수요자들이 스마트워치로 옮겨가고 있지만, 기능면에서 차별화된 가치 제공을 하지 못하거나, 가격 측면의 확실한 메리트가 없다면 자칫 피트니스 밴드와 스마트워치 시장 모두 성장이 지체될 수 있다는 우려도 나오고 있음

Ø 이런 면에서 스마트워치를 이용해 소비자들의 ‘높아진’ 건강관리 수요에 대응하려는 시도는 기존 피트니스 밴드 이용자들을 견인하고 스마트워치만의 차별화된 가치를 요구하는 소비자들을 끌어들이기 위한 효과적인 전략이 될 것으로 보임

Ø 애플에 이어 구글 역시 웨어러블을 이용해 심장 상태를 모니터 하는 연구를 진행 중인데, 알파벳 산하 디지털 헬스케어 사업을 담당하고 있는 ‘베릴리(Verily)는 1만 명의 생체 데이터를 분석하여 건강한 상태를 파악하기 위한 프로젝트를 전개하고 있음

Ø 베릴리의 ‘베이스라인 프로젝트(Baseline Project)’는 건강한 인체 상태가 무엇인지 그 기준을 정의하고, 여기에서 벗어날 경우 이용자에게 경고 메시지를 보내는데, 베릴리는 이를 위해 올해 4월 시계형 바이오 센서인 ‘스터디 워치(Study Watch)를 발표한 바 있음

<자료> Verily [그림 4] 구글 산하 베릴리의 ‘스터디 워치’

Ø 베이스라인 프로젝트의 정확한 연구 메커니즘은 공개되지 않았으나, 현재 센서의 기능에는 한계가 있으므로 스터디 워치를 통해 수집한 데이터와 다른 의료 데이터를 종합하여 분석하는 작업에 애플과 마찬가지로 AI 기술을 적용해 보완할 것을 예상해 볼 수 있음

Ø 헬스케어 수요가 전형적인 선진국형, 고소득층의 수요임을 감안할 때, 스마트워치의 센서 기능과 AI의 결합으로 비용 대비 효과적인 건강 관리 도구를 제공할 수 있다면 웨어러블 시장의 폭발적 성장이 현실화될 수 있을 것으로 기대됨