글_ 브래드 졸리(Brad Jolly), 키사이트테크놀로지스 선임 어플리케이션 엔지니어
심장병은 대표적인 사망 원인 중 하나로, 미국 질병통제센터의 보고에 따르면 2019년 사망 원인 1위가 심장병이다. 대부분의 심장병은 식단이나 운동과 같은 생활 방식 변화를 통해 치료할 수 있고 약물이 효과적인 경우도 있다.
또한 심혈관 질환 환자에게 이식형 의료 기기를 사용하기도 한다. 많은 사람들이 심장 박동을 유지하기 위해 심박기를 사용한다. 심방세동 환자의 경우, 삽입형 제세동기(ICD)가 적합할 수 있다. 심박기와 ICD 모두 배터리로 작동되기 때문에 배터리가 방전되면 환자에게 위험할 수 있는데, 다행히도 대부분의 현대적인 심박기와 ICD는 배터리 부족 경고 장치가 부착되어 있어 실제 배터리 장애가 발생하기 전에 환자가 교체 시술을 계획할 수 있다.
배터리 장애로 인한 비용
방전된 배터리는 삶과 죽음을 갈라 놓게 되므로 시기 적절한 기기 교체가 필수적이다. 외래 환자 시술의 경우 시술 비용과 시술 장비, 시술 간호사, 마취와 마취과 의사, 회복실 또는 입원실, 후속 치료와 소모품 등 많은 비용을 고려해야 한다.
비용 외에도 환자 대부분이 연장자이기 때문에, 교체 시 다른 건강 문제도 일으킬 다양한 위험이 존재한다. 상대적으로 건강한 환자까지도 항상 감염과 기타 합병증의 위험을 안고 있다. 긴 배터리 수명은 환자와 의사 모두에게 중요하며, 기기 제조업체가 법과 규제 부담을 안게 될 위험도 감소한다. 따라서 의료 기기 제조업체는 긴 배터리 수명을 보장하기 위해 각별한 주의를 기울여야 한다.
전류 측정 장비
의료 기기의 긴 배터리 수명을 보장하기 위해, 전류를 측정하는 많은 하드웨어 장비 중에서 설계 및 검증 장비를 선택할 수 있다. 가장 일반적인 장비 중 하나는 디지털 멀티미터(DMM)로, 거의 모든 하드웨어 엔지니어들이 사용하고 있다. DMM은 낮은 수준의 전류를 매우 정확하게 측정하기에 좋은 장비이며 전압, 저항, 다이오드 등에 대한 범용 측정 도구로도 적합하다. DMM의 한 가지 단점은 대역폭이 부족해 빠른 변화를 정확하게 캡처하기 어렵다는 점이다. 또한 저전류 절전 모드와 상대적으로 고전류 활성 모드 간 전환을 캡처하기에 동적 범위가 충분치 않을 수 있다.
DC 전력 분석기는 고가이면서 DMM보다 덜 사용되는 편이지만 대역폭이 훨씬 우수하다. 모듈형 제품으로, DMM보다 더 유연하며, 일부 모듈에는 범위 변동과 관련된 글리치 없이 절전 및 활성 모드를 측정할 수 있는 소스-측정 장치(SMU)가 원활한 범위 조절 기능과 함께 포함되어 있다.
오실로스코프 또한 널리 사용되는 장비로, 특수 전류 프로브를 함께 사용하면 매우 우수한 전류 측정이 가능하다. 이 장비는 DC 전력 분석기의 소스-측정 기능과 전자 부하 기능이 없지만 대역폭이 훨씬 높고, 트리거링 기능이 더 뛰어나다
디바이스 전류 파형 분석기는 첨단 전류 측정 장비로, 오실로스코프와 같은 사용 모델을 가지며 전류 측정 대역폭이 크고 저전류 측정 정확도가 뛰어나다.
측정을 통찰력으로 전환
위에 언급된 모든 장비가 많은 양의 데이터를 정확하게 수집할 수 있지만 엔지니어가 설계를 최적화하는 데 필요한 통찰력을 제공하려면 데이터만으로는 충분하지 않다. 엔지니어링 통계와 명확한 그래프를 생성하는 정교한 펌웨어와 소프트웨어로 모든 데이터를 신속하게 분석해 중요한 정보를 한 눈에 파악할 수 있어야 한다.
데이터 로깅 소프트웨어 또한 중요한 도구이다. 이식 및 신체착용형 의료 기기는 환자 상태의 심각도와 환자 인체 내부의 환경에 따라 동작이 달라지는 경우가 많다. RF 신호를 통해 통신하는 기기의 경우, 까다로운 RF 공존 과제에 직면한 기기는 데이터가 성공적으로 전송되도록 여러 차례 재시도할 수 있기 때문에 환자 외부의 전자파 상태에서도 과도한 전하 소비로 이어질 수 있다.
데이터 로깅을 통해 많은 양의 데이터를 수집했다면 배터리 드레인 분석 등에 해당 정보를 사용할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 소프트웨어는 인공지능 기술을 사용해서 막대한 양의 데이터를 분석하고 장치 전류 파형에서 이상을 찾을 수 있다. 가령 아래 그림에서 두 전류 파형 하단에 있는 빨간색 표시 사이 부분은 정상적인 장치 동작과 크게 다르다. 이는 하드웨어의 간헐적인 결함을 나타내는 것일 수도 있고 펌웨어 버그이거나 장치에 숨어 있는 트로이 목마와 같은 악성 소프트웨어에 의해 발생한 것일 수도 있다.
엔지니어가 기기 동작을 이해하는 데 도움이 되는 또 다른 유형의 소프트웨어는 이벤트 기반 전력 분석 소프트웨어이다. 이 소프트웨어는 IoT 기기 배터리 수명 최적화 솔루션의 일부이며 RF 및 DC 이벤트를 사용한 전하 소비와 관련이 있다. 이 소프트웨어는 해당 정보를 분석해서 배터리 수명을 예측하고 기기에서 많은 시간과 배터리 전하를 소비하는 주요 이벤트를 식별한다.
예를 들어, 아래 그림은 기기 전류(노란색), RF 전력(녹색), LED 공급 전압(파란색)에 대한 파형을 보여준다. 또한 왼쪽에 보완적 누적 분포 함수(CCDF), 가운데에 배터리 수명 예측 통계, 오른쪽에 차지한 시간과 전하 소비량 막대 차트 등 세 가지 결과가 하단에 표시되어 있다.
의료 기기 엔지니어를 위한 이점
위에서 설명한 하드웨어와 소프트웨어의 이점은 모든 배터리 구동식 IoT 기기에 적용된다. 그러나 의료 기기 엔지니어의 경우, 이러한 도구는 제조업체의 품질 관리 시스템(QMS)에 문서로 포함될 수 있는 데이터와 그래픽도 제공할 수 있다. 또한 엔지니어는 의료 기기 교체 수술의 필요성을 줄이기 위해 긴 배터리 수명을 필요로 하는 환자와 의료 전문가의 위험 감소시킬 수 있는 중요한 정보도 제공할 수 있다.
결론
요약하자면, 이식한 기기는 심장 문제가 있는 사람에게 도움이 될 수 있으며 배터리 수명이 길면 다양한 방식으로 환자에게 이롭게 작용할 수 있다. IoT 기기 배터리 수명 최적화 솔루션, 장치 전류 파형 분석기, 이벤트 기반 전력 분석 소프트웨어 등과 같은 최신 하드웨어 및 소프트웨어 솔루션은 의료 기기 엔지니어들이 환자와 의료 전문가에게 상당한 이점을 제공하는 데 도움이 된다.
[저자]
브래드 졸리(Brad Jolly), 선임 어플리케이션 엔지니어, 키사이트테크놀로지스
브래드 졸리는 미시간 대학교에서 수학을 전공했으며 소프트웨어 R&D, UI 설계, 학습 제품, 어플리케이션 엔지니어링, 제품 지원, 교육, 제품 마케팅, 제품 관리 등 다양한 업무를 맡아 일하면서 키사이트테크놀로지스(이전 Hewlett-Packard와 Agilent Technologies)에서 25년 동안 근무했다.
