How wearable AI could help you recover from covid

웨어러블 AI가 팬데믹 해결에 기여하는 방법

시카고의 한 연구에서 센서를 부착해 환자 상태를 모니터링하는 방식을 시험하고 있다.

안젤라 미첼(Angela Mitchell)은 거의 죽을 뻔했던 그날 밤을 여전히 기억한다.

약 1년 전, 7월이었다. 미첼은 6월에 막 60세가 된 참이었다. 그녀는 시카고 일리노이 주립대학 병원에서 약사 보조원으로 일하던 중에 코로나 바이러스 양성 진단을 받았다. 재채기, 기침, 어지러움이 그녀를 괴롭혔다.

병원은 그녀에게 몇 가지 선택권을 제시했다. 호텔에 격리되는 것과 원격 모니터링 기기를 가슴에 부착한 채 집에서 격리되는 것 중 한 가지를 선택할 수 있었다. 그녀는 가슴에 모니터링 패치를 붙이고 집으로 왔다.

이틀 후 미첼은 너무나 숨이 차 잠에서 깼다. 그녀는 시카고 교외에 위치한 그녀의 방 안에 있었고, 샤워가 도움이 되리라 생각했다.

“제가 침대에서 나와 화장실로 갈 때 저는 땀으로 흠뻑 젖어 있었어요.” 그녀가 말한다. “저는 앉아서 숨을 고를 수밖에 없었어요. 어지러웠고 숨이 차서 거의 말할 수조차 없었죠.”

그때 ‘알람(the call)’이 작동했다. 일리노이 주립대학 병원의 의사들은 미첼을 포함하여 집에서 회복하고 있는 수백 명의 코로나 환자를 원격 센서로 모니터링하고 있었다. 그들은 미첼의 상황이 나빠진 것을 확인하고 미첼에게 전화를 걸었다. “저는 말 그대로 세면대를 붙잡고 화장실에 앉아 있었어요. 그 순간 제 전화가 울렸어요” 의사는 그녀에게 당장 응급실로 오라고 말했다.

“저는 말 그대로 세면대를 붙잡고 화장실에 앉아 있었어요. 그 순간 제 전화가 울렸어요.”

안젤라 미첼

미첼은 주저했다. 그녀는 아래층에서 자고 있는 가족들을 깨우고 싶지 않았고, 구급차를 부르기에는 너무 요란을 떤다고 생각했다. 하지만 아침에 그녀는 의사로부터 두 번째 전화를 받았다. 의사는 당장 병원으로 오지 않으면 먼저 구급차를 부르겠다고 이야기했다.

미첼은 몇 달 전 코로나바이러스 감염으로 치료받았던 그녀의 남편과 노스웨스턴 메모리얼 병원으로 향했고, 곧바로 입원했다. 의료진들은 그녀의 산소 수치가 위험할 정도로 낮았다고 말했다. 그녀는 가벼운 증상에서 극심한 호흡곤란까지 너무 빠르게 진행됐기 때문에 상황의 심각성을 알아차리기 어려웠다고 말했다. 하지만 두 번째 전화가 왔을 때, “저는 상황이 좋지 않다는 걸 느꼈고 누군가의 도움이 필요했어요.”라고 그녀가 말했다. 그녀는 거의 일주일 동안 입원해 있었다.

미첼을 위기 상황에서 구해 준 이 연구는 미국 국립보건원(NIH)으로부터 자금을 지원받아 일리노이 주립대학 병원(University of Illinois Health system)과 혁신 의료 스타트업 피즈아이큐(PhysIQ)가 공동으로 진행하고 있다. 이 연구는 코로나 환자들이 병원 밖에서도 적절한 관리를 받을 수 있는 새로운 방안을 찾고자 한다. 가끔 상태가 급속도로 악화하는 경우가 있는 탓에 회복 중인 코로나 환자를 모니터링하는 것은 결코 쉽지 않다. 이에 몇몇 병원들은 코로나 환자의 바이탈을 24시간 모니터링하기 위해 웨어러블 기기와 원격 의료 장비 사용을 적극 도입하고 있다.

일리노이에서 진행된 이 연구에서 환자들은 산소 포화도 측정기와 일회용 블루투스 센서 패치, 그리고 이와 연결된 스마트폰이 담긴 가정용 키트를 받았다. 신체에 부착된 패치로 수집된 데이터는 머신 러닝을 거쳐 개별 환자의 바이탈 사인을 분석하는 데 사용되었다. 만약 환자의 심박동수 혹은 다른 바이탈 사인이 정상 범위에서 벗어나면 시스템은 의사에게 알림을 보낸다.

집에서 회복하는 코로나 환자들은 일반적으로 산소 포화도 측정기만 지급받는다. 하지만 피즈아이큐 개발자들은 그들의 시스템이 훨씬 더 민감도가 높다고 이야기한다. 왜냐하면 이 시스템은 환자의 몸을 이해하기 위해 AI를 사용하기 때문이다. 그들은 이게 중요한 변화를 훨씬 더 잘 예측한다고 주장한다.

“이것은 엄청난 이점입니다.” 테리 반덴 호엑(Terry Vanden Hoek)이 말했다. 그는 일리노이주립대학 의료센터(University of Illinois Health, UI Health)의 최고 의료책임자(Chief medical officer)이자 응급의학과 과장이며 이 연구를 주관하고 있다. 코로나 환자들을 치료하는 것은 어려운 일이라고 그는 말한다. “응급실에서 일하다 보면, 가끔 너무 늦게 온 환자들을 마주칠 때가 있습니다. 질병이 많이 경과된 상태에서 병원을 방문할 경우 중환자실 및 인공호흡기 치료가 필요할 가능성이 높습니다. 그럴 때마다 이렇게 되묻곤 하죠. 만약 이 환자들이 4일 전에 왔다면, 상황은 지금보다 좋지 않았을까?”

안젤라 미첼처럼 연구 참가자 대부분은 아프리카계 미국인이다. 그다음으로는 라틴계가 많다. 이들은 코로나 회복의 방해요소인 고혈압, 당뇨, 비만, 폐 질환 등의 위험인자 유병률이 높은 집단이기도 하다. 미첼은 고혈압, 당뇨, 천식을 앓고 있었다.

아프리카계와 라틴계 미국인은 시카고와 미국 전역에서 팬데믹으로 가장 크게 타격을 받은 인종집단이다. 이 중 많은 이가 사회 각 분야의 필수 인력이며, 몇 세대에 걸친 가족들이 같은 집에서 밀집해 사는 경우가 많다.

예를 들어 미첼의 집에는 그녀의 남편, 세 딸과 여섯 명의 손주를 포함하여 11명이 같이 살고 있다. “저는 모든 것을 가족들과 함께해요. 심지어는 코로나바이러스조차 공유했거든요!” 그녀는 웃으며 말했다. 그녀의 두 딸은 2020년 3월에 코로나 치료를 받았다.

아프리카계 미국인은 시카고 전체 인구의 30%밖에 안 되지만 시카고 내 초기 코로나 감염자 중 70%를 차지했다. 이 비율은 감소했지만, 아프리카계 미국인의 사망률은 아직도 백인보다 2~3배 정도 높으며 이 집단은 백신 접종률도 낮다. 연구자들은 피즈아이큐 시스템이 환자들을 너무 늦기 전에 응급실로 보냄으로써 생존율을 개선할 수 있을 것으로 기대한다. 바로 미첼의 경우처럼 말이다.

제트 엔진으로부터 얻은 교훈

피즈아이큐 설립자 개리 콘크라이트(Gary Conkright)는 원격 모니터링과 관련된 경험이 있지만, 그 경험이 사람을 대상으로 한 것은 아니었다. 90년대 중반, 그는 시카고 대학교와 공동으로 초기 인공 지능과 관련된 스타트업인 ‘스마트 시그널(Smart Signal)’을 창립했다. 이들은 머신 러닝을 이용하여 제트 엔진과 원자력 발전소 내 장치의 성능을 원격으로 모니터링하였다.

“우리 기술은 문제 발생 시 가장 초기 단서가 되는 미묘한 변화를 감지하는 데 매우 뛰어납니다.” 콘크라이트는 말한다. “우리는 제트 엔진의 문제점을 엔진 제조사인 제너럴 일렉트릭, 프랫앤휘트니, 롤스로이스보다 먼저 알아냅니다. 각 엔진에 대해 개별화된 모델을 개발했기 때문입니다.”

스마트 시그널은 제너럴 일렉트릭에 인수되었으나, 콘크라이트는 이 알고리즘을 인체에 적용할 수 있는 권리를 보장받았다. 그 당시 그의 어머니는 만성 폐쇄성 폐 질환(COPD)으로 고통받고 있었고, 몇 차례나 중환자실 치료를 받았던 터였다. 그는 그의 인공지능 시스템을 적용해서 어머니의 상태를 원격으로 모니터링할 수 있을지 궁금했다. 그 결과 심질환, 만성 폐쇄성 폐질환, 코로나 감염 환자를 모니터링할 수 있는 알고리즘이 개발되고 피즈아이큐가 설립되었다.

콘크라이트에 따르면 이 시스템의 가장 큰 강점은 개개인에게 맞는 개별화된 ‘정상치(baseline)’를 설정할 수 있는 능력에 달려있다. 이러한 맞춤형 정상 수치를 기반으로 문제로 발전할 만한 미세한 변화를 조기에 감지하는 것 또한 관건이다.

알고리즘이 각 개인의 정상 수치를 설정하는 데에는 단 36시간이 필요하다.

“인공지능은 점차 당신의 일상이 어떤 모습인지 파악합니다.” 반덴 호엑이 말한다. “만약 당신이 평소보다 빠르게 숨 쉬거나, 활동성이 떨어지거나, 심박동수가 증가하거나 감소하게 되면 인공지능이 의료인에게 알람을 보냅니다. 전문 의료인은 이러한 알람을 확인하고 당신에게 병원에 오라고 연락할 수 있습니다.” 그는 이렇게 덧붙였다. “만약 심부전이나 호흡부전과 같은 상황이 의심된다면, 환자들에게 외래를 방문하도록 권유하거나, 상황이 심각할 경우에는 응급실 진료를 추천하기도 합니다.”

이번에 진행된 초기 연구에서 의료진들은 24시간 동안 모니터링 신호를 확인했다. 인공지능 시스템은 연구 대상자의 컨디션이 아주 약간만 변해도 의료진에게 신호를 보냈다.

머신러닝 모델에는 이 연구의 첫 시기에 참여했던 환자들의 자료를 학습시켰다. 지난해 약 500명의 환자가 자택에서 모니터링됐다. 연구자들은 이 그룹 중 약 5%에게 치료가 필요할 일이 발생할 것이라고 예측했다. 실제로는 10% 정도였다.

새 시스템은 이러한 상황의 발생을 기존의 전통적인 산소 포화도 측정기보다 좀 더 이른 시점에 예측했다고 반덴 호엑이 말했다. 그리고 이를 통해 환자의 상태가 입원할 정도로 악화하는 것을 어느 정도 예방할 수 있었다. 행정 담당자는 이 프로그램을 통해 “상당한” 수준의 의료비를 절약할 수 있었다고 말한다.

지금까지 미 식품의약안전처(US Food and Drug Administration, FDA)는 이 회사의 알고리즘 중 다섯 가지 모델을 승인하였는데, 그중에는 미국 보훈처(Department of Veteran Affairs)를 위해 개발된 심부전 발생 예측 모델도 포함되어 있다.

웨어러블 디바이스의 밝은 미래, 혹은 잠재된 위험

시카고를 기반으로 한 이 프로그램은 AI가 탑재된 웨어러블 기기를 통해 코로나 환자들을 모니터링하려는 많은 시도 중 하나이다. 예를 들어 핏빗(Fitbit)은 조기 진단과 관련하여 의미 있는 결과를 보였다. 핏빗의 알고리즘은 50% 정도의 환자에서 적어도 증상이 발현되기 1일 전에 유의미한 변화를 감지했다. 미군 역시 가상 의료 센터(Virtual Medical Center)를 통해 전국적으로 시험 연구를 진행하고 있다. 이 연구에서도 일리노이 연구에서처럼 패치를 통해 환자의 바이탈 사인을 24시간 모니터링한다.

피즈아이큐의 연구는 올해 계속될 것이며 현재는 일리노이 주립대학 의료센터에 추가해 몇몇 지역 병원에서도 참가자를 모집하여, 총 연구 참여자가 1700여 명에 달할 예정이다.

비록 이러한 접근법이 흑인과 라틴 사람들에 상당한 도움이 될지라도, 일부 전문가들은 웨어러블 기기를 다룰 때는 각별한 주의가 필요하다고 경고한다. 그동안 인공지능이 차별을 영속화하는 방향으로 사용되었기 때문이다. 흑인과 라틴계는 기술적 발전으로부터 항상 이득을 보지는 못했으며, 심지어 인공지능을 기반으로 한 의료에서는 인종적 편견을 경험하기도 했다. 흑인의 의료 수요가 병원의 조기 감별 시스템에 의해 과소 평가되었으며, 코로나 검사 센터가 흑인 거주 구역으로부터 떨어진 곳에 설치되기도 했다.

“아프리카계 미국인들만을 대상으로 한 원격 건강 연구가 부족합니다. 들로레스 C.S. 제임스(Delores C.S. James)가 말한다. 그는 플로리다 대학교의 건강증진학 조교수이다. 그녀의 연구 주제는 디지털 건강 격차이다. (그녀가 시카고 연구 소속인 것은 아니다) “스마트폰의 높은 보급률과 활발한 소셜 미디어 사용을 고려해볼 때 지금 우리에게는 특별한 기회가 있습니다.” 그녀가 말한다 “우리는 심한 건강 격차와 나쁜 보건 지표들을 언제나 심각하게 보아야 합니다. 누구도 배제되어서는 안 됩니다.”

미첼은 쉽게 소외될 수 있는 계층이 인공지능으로부터 혜택을 받을 수 있어서 기쁘다고 말한다. “이 기기는 기회를 박탈당한 사람들에게서 사용되고 있어요. 이는 우리 모두에게 좋은 일이죠”

비록 아직 만성 코로나 후유증에 시달리고 있지만, 그녀는 긍정적이다. 300만 명의 미국인들이 코로나의 장기 후유증을 앓고 있는 것으로 알려져 있다. 그녀는 5개월 동안 복직하지 못했고 현재 호흡 및 대화 능력을 회복하기 위해 심폐기계 재활 훈련을 받고 있다. 최근의 연구에 따르면 코로나 생존자들은 장기간에 걸쳐 안 좋은 예후를 보이는데, 여기에는 사망률의 증가, 각종 합병증의 발생이 포함되며 이로 인해 “막대한 의료 지출”이 발생할 것으로 예상된다.

그럼에도 불구하고 미첼은 센서가 만성 합병증과 막대한 의료비 지출을 줄여줬다고 이야기한다.

“저는 이 기기에 제 인생을 빚졌어요”

이 기사는 팬데믹 기술 프로젝트의 일부이며, 록펠러 재단의 지원을 받았다.

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