지능형 재활 서비스 기술 동향

AI, 빅데이터 및 의료 정보기술의 발전으로 재활 서비스 및 디지털 헬스케어 분야의 패러다임이 바뀌고 있다. 국내에도 다양한 업체가 AI 등의 ICT를 활용하여 다양한 서비스와 제품을 출시하며 새로운 비즈니스 모델을 모색하고 있다.

유인케어의 건강증진 스마트 운동시스템은 노인들을 대상으로 지역시설 및 커뮤니티 중심의 노인 건강 및 치매예방 서비스를 제공한다. 노인 건강 체력 측정 및 건강훈련 프로그램, 인지 재활훈련이 가능한 게임 콘텐츠를 구성하여 재택 재활치료가 필요한 환자들에게 원격 재활 서비스를 제공하고 있다. 3D 카메라를 활용한 개인맞춤형 AR 재활 솔루션 기술은 25개의 관절을 추적하고 분석해 재활상태를 모니터링하여 체계적이고 효과적으로 수행관리를 지원한다[10].

네오펙트는 손과 팔의 재활을 위해 개발된 ‘스마트글러브’라는 재활 기기를 기반으로 ‘AI 기반 홈 재활 플랫폼’을 통해 환자 상태에 최적화된 재활 훈련을 추천해주는 서비스를 개발하였다. 특히, 산업통상자원부에 신청한 “홈 재활 훈련기기 및 서비스”에 대한 규제 샌드박스 실증 특례를 통해 국내서 뇌졸중, 척수손상, 뇌성마비 환자들을 대상으로 시범적으로 원격 국내 홈 재활 분야 실증 사업을 시행하였다[11].

앨리스헬스케어는 실시간 모션 인식을 기반으로 한 인공지능 홈 트레이닝 서비스인 ‘윌로(Weelo)’를 선보였다. 간단한 설문과 체력 측정을 통해 사용자에게 매일 다른 맞춤형 15분 운동 프로그램을 추천하는 것이 특징이다. 특히 머신러닝 기반의 동작 인식 기술로 사용자의 움직임을 파악함으로써 실시간으로 자세 피드백을 제공한다. 또한, 운동이 끝난 이후에는 사용자가 대시보드에서 운동 시간과 동작별 성공률 등 자신의 운동 기록을 한눈에 보고 관리할 수 있도록 돕는다[12].

솔티드벤처는 ‘솔티드슈즈’와 앱 출시를 통해 피트니스센터와 재활센터, 한의원 등을 중심으로 족저압, 보행 패턴, 체중의 치우침과 근육 움직임 등 데이터 분석기반 체형 측정, 운동 자세 분석 및 운동 처방 솔루션을 개발했다[13].

서울대병원 서한길 교수팀은 뇌졸중 환자 상지재활치료 활용을 위한 “완전 몰입형 가상현실 재활 프로그램”을 개발하여 공 잡기, 컵 따르기 등의 가상 현실 공간에서의 재활운동 프로그램을 개발하였다[14].

분당차병원은 뇌졸중으로 팔을 잘 쓰지 못하는 환자 162명에게 게임방식의 VR 재활치료를 진행, VR 프로그램을 통해 바닷속을 배경으로 재미와 환상을 제공하며 치료에 활용하여 VR 기술 융합을 통해 환자치료에 효과가 있음을 입증한 바 있다[15].

가천대 길병원은 VR 기술을 이용해 가상의 집 안에 들어가 있는 느낌을 재현하여 편측 무시 환자를 위한 재활치료를 할 수 있는 맞춤형 VR 프로그램을 제공하여 재활치료 효과를 입증하였다[16].

글로벌 재활 및 디지털 헬스케어 업체들은 새로운 기술과 혁신적인 아이디어를 통해 전 세계적으로 급속한 성장을 보이고 있다.

Motus Nova는 미국의 의료 재활 회사로, “theratainment”라는 용어로 불리는 재활치료와 엔터테인먼트를 결합한 플랫폼을 개발하였다. 뇌졸중 환자의 재활운동을 흥미로운 콘텐츠를 이용해 재활의 지루한 과정을 비디오 게임으로 만들어 재활운동에 대한 참여를 유도한다. Motus Nova Hand Mentor 및 Foot Mentor라는 기기를 착용하여 환자의 동작을 실시간으로 모니터링하여 회복에 가장 효과적인 치료법을 제시하고, 의료진은 환자의 상태를 실시간으로 모니터링할 수 있다. 다만, 보조기기가 각각 손과 발에만 착용이 가능하여 전신 운동 훈련에는 적용이 불가하고, 비용이 매우 비싸다는 단점이 있다[17].

콜럼비아대학 연구실에서 개발된 The Active Leg Exoskeleton(ALEX)은 뇌졸중 환자의 보행재활을 위해 개발된 AI 기반 보행 장비로서, 발에 가해지는 힘을 조절하여 보행장애가 있는 환자들의 보행훈련을 돕는다. 하지에 기계적인 피드백과 시각·청각적인 피드백을 함께 주어 트레이닝이 가능하며 보행능력을 향상시키는 데 탁월한 효과가 있는 것으로 알려졌으나, 비용이 고가이며, 홈트레이닝용 장비로 개발되기까지 많은 시간이 소요될 것으로 예상된다[18].

애플은 애플워치를 선두로 헬스키트 및 Apple Health Records를 통해 병원 데이터 통합과 리서치 키트와 케어키트를 통한 임상 데이터, 개인 생성 건강 데이터를 통합한 모니터링 기술을 사용하여 사용자의 건강 데이터를 수집하고, 식습관, 운동 등을 체크할 수 있도록 하고 있다[19].

구글의 활동 트래킹 플랫폼인 구글핏은 스마트폰에 내장된 센서로 활동량을 추적하는 피트니스, 건강 트래킹 시스템이다. 사용자의 피트니스 활동을 기록하고 측정하여 건강 정보를 제공한다[20].

Teladoc Health사의 Livongo 서비스는 만성질환 환자를 대상으로 하는 건강 앱 서비스를 제공하는 미국의 기업으로, 사용자의 건강 데이터를 수집하고 분석하여 건강관리 팁, 식단, 운동 정보 등의 개인 맞춤형 건강관리를 제공한다[21].

영국 Immersive Rehab은 신경계 재활을 위한 VR 기반의 디지털 치료 솔루션인 Neuro Rehabilitation 프로그램을 개발하여, 뇌졸중, 척수손상, 다발성경화증 등 신경이 손상된 환자가 상지재활을 위해 VR 디바이스를 통한 재활훈련을 반복적으로 수행하여 신체기능을 개선할 수 있다[22].

Oracle Health는 오라클이 제공하는 디지털 헬스케어 플랫폼으로 클라우드 기술과 인공지능 기술을 활용하여, 의료 데이터의 통합과 분석, 개인화된 건강관리, 의료 진단 및 치료 등 다양한 의료 서비스를 제공한다. Oracle Health의 건강관리 플랫폼은 환자의 건강상태와 의료 데이터를 수집·분석하고, 의료진과 환자가 건강 데이터를 공유할 수 있어 보다 효율적이고 정확한 치료를 할 수 있도록 지원한다[23].

지능형 재활 서비스를 위해서는 다양한 환자의 개인 데이터(마이데이터)를 수집하고 분석하여 개별적이고 최적화된 재활치료 계획을 수립하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 대량의 데이터를 수집하고 분석하는 빅데이터 기술이 필요하며, 이를 관리하기 위한 재활 빅데이터 플랫폼이 필요하다.

재활 빅데이터 플랫폼은 다양한 기관에서 생성되는 환자 데이터를 전 주기에 걸쳐 통합하여 관리하고, 이를 분석하여 환자들의 건강상태와 치료 효과를 예측하고 개선할 수 있다. 따라서, 재활 빅데이터 플랫폼은 지능형 재활 서비스를 위한 필수적인 기반 기술 중 하나이다.

과학기술정보통신부의 연구개발 사업으로 진행 중인 재활 빅데이터 플랫폼은 그림 3과 같이 재활운동이 필요한 장애인·노인(일반인)을 대상으로 재활의료전달체계(플랫폼)를 통해서 지역사회 서비스를 연계하여 개인의 재활 건강 및 운동 빅데이터를 수집·분석하고, 이를 통해 재활상태별 특성에 맞는 정밀 재활 관리 서비스를 제공하는 프레임워크를 제공한다.

그림 3

전주기 재활 빅데이터 플랫폼 개념도

출처 게티이미지뱅크 아이콘 사용, 무단 전재 및 재배포 금지.

재활 빅데이터 플랫폼은 정보 공유에 동의한 사용자의 의료 정보를 지역사회 운동지도사에게 제공하고, 또한 지역사회에서 수행한 재활운동의 정보를 의사에게 제공한다. 재활운동 빅데이터 플랫폼을 통해 제공되는 주요 기능은 표 1과 같다[25].

빅데이터 플랫폼을 통해 관리되는 사용자의 프로파일 정보는 질환별로 다양한데, 표 2에서 일부 예시를 제공한다.

재활 빅데이터 플랫폼은 현장 중심 재활치료 데이터셋 구성 및 데이터 확보, 데이터 호환, 활용방법을 제공하고, 의료, 운동 분야 개인 민감정보 보호 및 데이터 소유권/사용권 보장 기술 등이 필요하다. 재활운동 회복/증진 프로세스를 체계화하고, 재활운동 데이터 기반 현황/추이/변화 등의 통계적 분석 서비스 등의 기능을 제공한다.

지능형 재활 서비스는 이렇게 여러 기관에서 상호 유기적으로 생성되는 개인 데이터를 한군데로 모아 관리하는 빅데이터 플랫폼 위에서 원활하게 구현될 수 있다.

재활운동에 대한 정보의 유형을 분류하고 자연에 대한 명세를 정의하고 관리하는 기술이다. 그림 4와 같이 운동명세는 각 운동에 대한 정보를 정의하며, 운동 콘텐츠 명세는 하나의 운동 동작을 가시화한 콘텐츠로, 하나의 운동에 대해서 여러 개의 응용 운동 콘텐츠 매핑이 가능하다.

그림 4

운동 프로그램, 운동, 운동 콘텐츠 간 관계

운동 프로그램 명세는 재활을 위한 일련의 운동 순서를 포함하는 프로그램에 대한 정보를 정의하며, 준비운동, 본운동, 정리운동의 단계로 구성된다. 하나의 운동 프로그램은 여러 종류의 운동유형을 갖는 운동 콘텐츠로 구성된다.

각각의 운동 및 운동 콘텐츠는 운동 부위, 지원하는 운동의 유형, 기능 동작 분류, 사용하는 기구, 운동 난이도 등의 정보 등의 명세를 갖고 있다[26].

사용자의 상태에 맞게 처방되는 재활운동 프로그램은 어떤 질병에 대한 처방인지 질병코드(kcdcode)와 운동 부위, 운동 목적, 권장연령, 사용하는 기구/기기 정보, 운동강도, 소요시간, 주기, 빈도 등의 명세를 정의하고 데이터를 구축하였다. 질병의 종류와 운동 부위, 질병의 상태에 맞는 다양한 재활운동 프로그램이 미리 구축되어 템플릿으로도 제공된다.

병원 내 치료를 마치고 지역사회로 복귀하는 사용자가 재활운동을 위해 처음 접하게 되는 어려움에는 현재 건강상태를 기반으로 적절한 운동지도자와 함께, 어디서 운동을 수행해야 하는지에 대한 선택이 있다. 지역사회 재활운동을 위한 시설 및 코치와의 접근성 향상을 위하여 그림 5와 같이 온/오프라인(O2O: Online to Offline) 연계 코치 매칭 서비스가 필요하다.

그림 5

O2O 인프라 및 코치 매칭

시설의 종류는 공공 체육시설과 민간 체육시설로 분류되며, 공공 체육시설은 보건소, 국민 체력 100센터, 공공 스포츠클럽, 생활체육시설, 전문체육 시설 등이 있고, 그 외 다수의 민간 스포츠의학센터나 민간 스포츠 시설 등이 있다.

운동 수행을 지도할 코치는 전문 지도 분야, 지도 경력, 학위 및 교육 정보, 소속 기관, 코칭 지역, 선호도 등의 프로파일을 명세화하여 정보를 관리한다. 또한, 코치가 속한 시설 및 자원 정보를 등록 관리할 수 있다.

운동수행자는 운동 받고자 하는 지역과 시설 및 코치에 대한 선호 항목을 입력한다. 선호 정보를 바탕으로 사용자의 상태와 코치의 전문 분야와 경력, 시설의 현황을 고려하여 개인에 적합한 시설 및 코치를 매칭해 줄 수 있어야 한다.

그림 6과 같이 지역사회 O2O 연계 코치 매칭 서비스는 다음과 같은 기능을 제공한다[27].

그림 6

사용자 선호정보기반 O2O 매칭 개념도

● 코치 정보 관리 기능: 전문운동관리사의 기본 프로파일, 재활 전문 분야, 운동 지도 경력 등 지역사회 운동 지도 및 운동 처방이 가능한 운동관리사 정보 관리 기능

● 코치 소속 시설 정보 관리 기능: 운동관리사가 소속된 시설 내 지원 가능 운동 프로그램 및 편의 시설 등 운동 시설 정보 관리 기능

● 운동수행자 요구정보 관리 기능: 운동수행자가 지역사회에서 운동하고자 할 때 선호하는 운동관리사 정보 및 시설 운용 타입에 대한 정보 관리 기능

● 코치 매칭 정보 관리 기능: 운동수행자와 운동관리사 간 매칭 내역 및 운동 후 운동수행자 피드백 정보를 기반으로 지역사회 유사질환 운동수행자에게 적절한 운동시설 내 운동관리사를 매칭시키기 위한 정보 관리 기능

재활운동 수행자의 건강 및 기능 평가 정보를 기반으로 목적(유지/증진/치료)에 맞는 개인맞춤형 재활운동 프로그램 AI 추천 서비스이다. 사용자의 질환 및 상태 정보를 포함하는 사용자 프로파일 정보를 토대로 그림 7과 같이 사용자에게 적합한 개인맞춤형 재활운동을 추천한다.

그림 7

환자의 상태에 맞는 재활운동 프로그램 추천 예시

만 19세 이상 65세 미만의 성인 남녀 중 어깨 부위의 유착성 관절낭염(오십견) 및 회전근개 손상 진단을 받은 환자들과 허리통증(요통)이 있는 환자들을 대상으로 진행한 임상 시험의 데이터를 활용하여 재활운동 추천 알고리즘 개발과 성능 평가를 수행하였다. 전문운동관리사가 환자의 건강상태를 측정하여 시스템에 입력한 후, 재활운동 프로그램을 처방하고, 처방한 재활운동 프로그램의 운동 중재를 수행한 후, 수행 결과를 시스템에 입력하였다. 이렇게 임상을 통해 획득된 지역사회 운동 중재 처방 내역을 분석하여 학습데이터 셋을 구축하였다[1,26].

사용자에게 적합한 재활운동 프로그램 추천은 사용자 건강상태에 따라 재활운동 콘텐츠를 추천하고, 추천된 콘텐츠 목록과 가장 유사도가 높은 운동 프로그램 템플릿을 찾아 재활운동 프로그램을 추천하는 방식으로 개발되었다.

운동관리사는 재활운동 프로그램을 직접 구성하여 처방할 수도 있고, 추천 시스템의 재활운동 프로그램을 추천받아 처방할 수도 있다. 자주 사용하는 재활운동 프로그램을 템플릿 형태로 구축하여 저장해두고 상황에 맞게 수정하여 처방하는 큐레이션 기능도 제공된다.

운동 수행자의 동작을 분석하여 안전 운동 범위를 가이드하는 기술이다. 영상기반 자세 추정을 통해 운동 콘텐츠별 사용자의 현재 운동가동범위를 측정한 후, 운동지도자가 입력한 개인별 운동목표를 넘어서는 무리한 동작을 수행할 경우 경보해주 는 기능을 포함한다.

모바일 단말기의 카메라 또는 별도 설치된 웹캠 등으로 촬영되는 사용자의 재활운동 영상 정보로부터 32개의 각 관절의 공간좌표를 일정 시간 간격으로 추출한다. 환자마다 상이한 통증한계에 기반한 운동가동범위를 자동 측정하여 전문운동관리사에게 개인화된 건강상태 정보를 제공함으로써 개개인의 재활 수준과 운동목표를 결정할 수 있도록 지원한다.

그림 8의 예와 같이 운동 수행 시에는 전문운동관리사가 설정한 환자 개개인의 안전운동가동범위를 벗어나는 무리한 동작을 자동으로 인식하여 재활 부위의 손상이 없도록 실시간 가이드해 주는 개인화 서비스를 통해, 무리한 동작으로 인한 손상을 방 지한다.

그림 8

동작 분석 및 안전 가이던스 제공 예시