미국 워싱턴대학교(University of Washington) 의과대학 연구팀은 KT 기가지니, 네이버 클로바, 아마존 에코(Amazon Echo), 구글 홈(Google Home) 등과 같은 스마트 스피커(이하, AI 스피커)가 가정에서 몇몇 헬스케어 문제를 모니터링 할 수 있음을 입증하는 연구를 성공적으로 도출했다.

연구팀은 AI 스피커가 물리적 접촉 없이도 놀라운 진화로 헬스케어 분야의 심장 박동의 규칙·불규칙 여부를 모니터링 하는 용도로 사용될 수 있음을 증명한 것으로 심장 마비를 감지하거나 아기의 호흡을 모니터링 할 수 있음을 보여주었다.

워싱턴대 연구팀이 개발한 이 시스템은 가슴 표면에서 심장 박동의 아주 미세한 움직임을 통해 규칙적인 심장 박동과 불규칙한 심장 박동을 모두 모니터링 한다. AI 스피커를 통해 일상에 방해되지 않는 아주 미세한 백색 소음(White Noise)을 보내고, 이 소리가 스피커로 다시 반사되는 방식의 패턴에 따라 머신러닝을 통해 개별 심장 박동을 식별하고 모니터링 한다.

워싱턴대 의과대학 심장의학과 조교수인 아룬 마하칼리 스리다르(Arun Mahankali Sridhar) 박사는 “심장 박동 이상은 실제로 더 흔합니다. 이상 박동은 심장 부정맥과 뇌졸중과 같은 주요 질병을 일으킬 수 있지만, 발생 시 예측할 수 없어 진단하기 어려울 수 있습니다"라고 말했다.

이어 그는 "이 AI 스피커는 집에서 아주 편리하게 심장 박동 이상을 식별할 수 있는 저비용 검사의 가용성으로 심장 질환의 조기 진단과 관리 측면에서 특정 환자들의 판도를 바꿀 수 있을 것입니다”라고 강조했다.

연구팀의 박사 과정인 안란 왕(Anran Wang)은 “누군가의 호흡으로 인한 움직임은 심장 박동으로 인한 움직임보다 흉벽에서 훨씬 더 크기 때문에 매우 큰 도전이 되었습니다. 호흡 신호는 규칙적이지 않기 때문에 단순히 필터링하기가 어렵습니다. AI 스피커에 여러 개의 마이크가 있다는 사실을 바탕으로 우리는 AI 스피커가 심장 박동을 찾을 수 있도록 새로운 빔 형성 알고리즘을 설계한 것입니다”라고 말했다.

즉, 연구팀은 학습 데이터 세트 대신 스스로 학습하는 자가지도 학습(Self-Supervised Learning) 알고리즘을 설계했다. 이 알고리즘은 스마트 스피커의 여러 마이크에서 나오는 신호를 분석하여 식별하기 어려운 심장 박동 신호를 식별하는 것이다. 예를 들어, 비디오를 재생 중이거나 여러 사람이 대화하는 경우에도 AI 스피커가 특정 화자 인식을 통해 내 목소리를 찾을 수 있는 방법과 비슷하다.

AI 스피커가 감지하는 심장박동 신호는 전통적인 심장박동 모니터와 흔히 연관되는 전형적인 신호 감지가 아니다. 연구팀은 두 번째 알고리즘을 사용하여 신호를 개별 심장 박동으로 분할하여 시스템이 비트 간 간격 또는 심장 박동 사이의 차이를 추출할 수 있도록 했다. 이 방법으로 심장 수축의 전기 신호를 얻지는 못하지만 대신, 심장이 뛰면 피부의 미세한 진동을 감지하는 것이다.

연구팀은 이 시스템을 실행하는 프로토 타입 AI스피커를 두 그룹으로 건강한 참가자 26 명과 심방 세동 및 심부전을 포함한 다양한 심장 질환을 가진 입원 환자 24 명으로 테스트했다.

AI 스피커의 비트 간 간격을 표준 심장 박동 모니터의 간격과 비교했다. 건강한 참가자를 위해 측정 된 12,300개의 심장 박동 중 AI 스피커의 중간 박동 간격은 표준 모니터의 28 밀리 초 이내였다. 스마트 스피커는 심장 환자와 거의 비슷하게 작동했다. 측정 된 5,600개 이상의 심장 박동 중 중간 박동 간격은 표준의 30 밀리 초 이내였다. 더 자세한 내용은 아래 첨부된 논문을 참고하면 된다.

현재, 이 시스템은 심장 박동 이상을 즉시 식별하기 위해 설정되어 있다. 만약, 환자가 심장 박동 이상이 걱정된다면 AI 스피커 앞에 앉아 책을 읽을 수 있다. 그러나 연구팀은 향후 버전이 사람들이 수면 중에 심장 박동을 지속적으로 모니터링 하여 의사가 수면 무호흡증과 같은 상태를 진단하는 데 도움이 될 수 있기를 희망한다고 밝혔다.

한편, 이 연구 결과는 네이처 리서치에서 발행하는 생명과학 분야 전반에 걸쳐 수준 높은 연구와 리뷰 및 해설을 제공하는 '커뮤니케이션 바이올로지(Communications Biology)'에 '스마트 스피커를 사용하여 비접촉식으로 심장 박동 모니터링(Using smart speakers to contactlessly monitor heart rhythms- 다운)'이란 제목으로 9일(현지시간) 온라인으로 게재됐다.