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"소변량 줄었어요. 병원 가세요" 네이처가 주목한 한국 연구자들이 만든 'AI 변기'

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"소변량 줄었어요. 병원 가세요" 네이처가 주목한 한국 연구자들이 만든 'AI 변기'

2020.04.07 00:00
대소변 측정을 통해 매일 건강 상태를 모니터링할 수 있는 AI 스마트변기 기술이 나왔다. 변기에 비데처럼 설치하기만 하면 돼 저렴하면서도 실용성이 높다(가운데). 오른쪽은 연구 공동제1저자인 박승민 미국 스탠퍼드대 의대 수석연구원이고, 왼쪽은 공동저자인 김지수 부산대 교수다. 연구에는 그 외에 이준 스탠퍼드대 연구원과 원대연 서울송도병원 과장(아래 사진), 교신저자로 샌지브 갬비어 스탠퍼드대 교수도 참여했다. 스탠퍼드대 제공
대소변 측정을 통해 매일 건강 상태를 모니터링할 수 있는 AI 스마트변기 기술이 나왔다. 변기에 비데처럼 설치하기만 하면 돼 저렴하면서도 실용성이 높다(가운데). 오른쪽은 연구 공동제1저자인 박승민 미국 스탠퍼드대 의대 수석연구원이고, 왼쪽은 공동저자인 김지수 부산대 교수다. 연구에는 그 외에 이준 스탠퍼드대 연구원과 원대연 서울송도병원 과장(아래 사진), 교신저자로 샌지브 갬비어 스탠퍼드대 교수도 참여했다. 스탠퍼드대 제공

매일 앉는 화장실 변기에 비데처럼 설치하기만 하면 요로감염부터 전립선 비대증, 염증성 장질환 등 여러 질환을 관리할 수 있는 ‘인공지능(AI) 스마트변기’를 미국과 국내 한국인 연구자가 주도해 처음으로 개발했다. 현재는 비뇨기 및 소화기 질환을 중심으로 검진이 가능하지만, 향후 DNA 분석 기술을 접목해 암이나 신종 코로나바이러스 감염증(COVID-19·코로나19) 등 바이러스 감염까지 추적하는 기술로 발전시킬 계획이다.


미국 스탠퍼드대 의대 박승민 수석연구원과 이준 연구원, 샌지브 갬비어 교수, 그리고 이종균 서울송도병원 이사장과 원대연, 김정하 과장팀은 소변과 대변 샘플을 변기에서 바로 센서로 측정한 뒤 AI로 분석해 건강상태를 매일 관리할 수 있는 저렴하면서 실용성 높은 스마트변기 기술을 개발해 국제학술지 ‘네이처 의공학’ 6일자(현지시간)에 발표했다.

 

●대소변 센서·카메라로 측정해 AI로 분석...매일 건강 모니터링


대소변은 발생량과 시간, 빈도, 형상, 성분 등의 특징을 통해 개인의 일상적인 건강 상태를 알 수 있게 해준다. 암이나 대사질환은 물론, 감염병에 걸렸는지도 알 수 있어 건강검진에 반드시 포함돼 있다. 박 연구원은 전화 통화에서 “하지만 대소변 검사는 많아야 1년에 한두 번 이뤄진다”며 “이상적인 분석 대상인 대소변을 만약 매일 별도의 노력 없이 검사할 수 있다면 건강 관리에 큰 도움이 될 것이라고 생각해 2016년부터 연구를 시작했다”고 밝혔다. 


쉽지는 않았다. 대소변은 정형화되지 않은 모습을 하고 있고, 어느 자세로 볼일을 보는지 등 습관도 개인에 따라 모두 다르다. 변기에서 대소변의 어떤 특징을 어떤 기준으로 측정해야 적은 비용으로 되도록 많은 건강 정보를 얻을 수 있을지 기술도 개발된 게 없었다. 무엇보다 민감한 신체 부위와 관련이 있어 측정과 관련된 본격적인 연구는 거의 터부시돼 왔다.


박 연구원팀은 비데처럼 너무 비싸지 않으면서 활용도가 높은 항목을 대장항문외과 및 비뇨기과 의사들과 함께 추리고, 이를 개인정보 유출 우려 없이 처리하는 기술을 연구했다. 그 결과 압력센서와 고속 카메라, 시각 AI 기술을 적절히 조합해 배변시간부터 대변 형태, 소변의 속도와 양, 색과 성분을 검사하는 기술을 개발했다. 


기술은 크게 대변과 소변, 그리고 개인식별을 위한 항문 측정 기술로 나뉜다. 대변은 전용 카메라로 촬영한 뒤 AI로 색과 형태, 무른 정도 등을 분석하게 했다. AI는 의학계에서 장 건강 확인에 쓰이는 ‘브리스톨 분류표’에 따라 대변을 7가지로 분류한다. 박 연구원은 “인터넷에 공개된 대변 사진 3000여 장을 원 과장과 김정하 서울송도병원 소화기내과 과장팀이 일일이 부류한 뒤 이를 AI를 통해 학습시켰다”며 “이를 통해 대변을 분류해, 변실금과 배변장애, 항문 출혈 등 대장항문질환과 염증성 장질환, 과민성대장증후군 등을 모니터링할 수 있다”고 말했다. 압력센서로는 변기에 앉은 시간과 배변 시간을 측정해 배변 습관을 관리하는 데 활용할 수 있다. 

 

인공지능(AI)을 이용해 대소변의 상태를 매일 분석, 건강을 모니터링하는 스마트변기 기술이 나왔다(가운데 그래픽). 소변검사(왼쪽 맨 위)와 소변속도 및 양 측정카메라(왼쪽 위 두 번째), 대변 측정 카메라(왼쪽 세 번째), 압력센서(왼쪽 네번째), 항문 스캐너(가운데 아래 왼쪽), 지문 센서(가운데 아래 오른쪽)을 이용해 대소변의 상태를 측정해 클라우드에 정보를 저장한다. 저장된 정보로 매일 건강 상태를 확인할 수 있다. 네이처 의공학 제공
인공지능(AI)을 이용해 대소변의 상태를 매일 분석, 건강을 모니터링하는 스마트변기 기술이 나왔다(가운데 그래픽). 소변검사(왼쪽 맨 위)와 소변속도 및 양 측정카메라(왼쪽 위 두 번째), 대변 측정 카메라(왼쪽 세 번째), 압력센서(왼쪽 네번째), 항문 스캐너(가운데 아래 왼쪽), 지문 센서(가운데 아래 오른쪽)을 이용해 대소변의 상태를 측정해 클라우드에 정보를 저장한다. 저장된 정보로 매일 건강 상태를 확인할 수 있다. 네이처 의공학 제공

소변은 소변 검사에 흔히 쓰이는 10개 생체지표를 지닌 측정지를 활용해 요로감염 등을 측정하는 기술과, 두 대의 고속카메라로 변기에 떨어지는 소변의 속도 및 양을 측정하는 기술로 나뉜다. 이 가운데 카메라를 이용한 소변 속도 및 양 측정 기술이 핵심이다. 1초에 240장을 찍는 카메라 두 대를 다른 각도로 설치해 소변이 어떤 위치에 어떤 각도로 떨어지더라도 측정해 속도와 양을 분석하게 했다. 이 정보를 이용하면 남성의 전립선 비대증 여부를 확인할 수 있다.

 

●항문 특징으로 개인 식별..."개인정보 보안 최우선"


마지막으로 연구팀은 별도의 개인 확인 절차 없이 누구의 대소변인지 추적 관리할 수 있게 개인 식별 기술을 도입했다. 물을 내리는 스위치에 지문 인식을 하는 방법도 있지만, 최근에는 스위치가 없는 변기도 많으므로 다른 개인 식별 기술을 추가로 도입했다. 박 연구원은 “사람의 항문은 35~37개의 주름을 지니고 있고 주름 패턴이 모두 달라 개인 식별에 쓸 수 있다”며 “이를 스캐너로 측정해 번거로운 추가 절차 없이 개인 식별이 가능해졌다”고 말했다.


측정된 모든 정보는 민감한 개인정보다. 연구팀은 개인정보 유출을 막기 위해 보안을 강화하는 데 중점을 뒀다. 촬영된 정보는 클라우드 시스템에 전송되고 말단 장비에는 저장되지 않게 설계됐다. 그래도 거부감이 클 것이라는 지적에 대해 박 연구원은 “의외로 그렇지 않다”며 “스탠퍼드대 내에서 300명을 대상으로 사전 조사를 해본 결과 약 52%가 사용에 긍정적으로 답해 부정적으로 답한 30%보다 많았다”고 답했다. 특히 스마트홈 등 사물인터넷(IoT) 사용 경험 많은 사람일수록 이 기술에 긍정적이었고, 항문 스캐너 기술처럼 매우 낯설고 민감한 경우를 제외한 나머지 기술에 대해서는 80%가 찬성이라고 말했다. 박 연구원은 “카메라를 사용하지 않는 기술만 따로 모듈화해 상용화할 구상도 하고 있다”고 밝혔다. 

 

박승민 스탠퍼드대 수석연구원과 함께 연구를 이끈 두 명의 공동 제1저자들이다. 왼쪽부터 원대연 서울송도병원 과장, 이준 스탠퍼드대 연구원이다. 서울송도병원, 스탠퍼드대 제공
박승민 스탠퍼드대 수석연구원과 함께 연구를 이끈 두 명의 공동 제1저자들이다. 왼쪽부터 원대연 서울송도병원 과장, 이준 스탠퍼드대 연구원이다. 서울송도병원, 스탠퍼드대 제공

현재 이 스마트변기 기술 가운데 카메라를 통한 소변 속도 및 양 측정 기술은 남성 사용자만을 위한 기술로, 현재는 프라이버시 등의 문제로 여성 사용자는 이용할 수 없다. 연구팀은 카메라 대신 소리를 이용해 속도를 측정하는 기술 등을 도입해 여성도 사용할 수 있게 만드는 후속 연구를 진행 중이다. 


스마트변기는 다양하게 변형해 나라 상황에 맞게 응용할 계획이다. 박 연구원은 “개발도상국을 위해 위생과 감염 방지에 초점을 맞추고, 선진국을 위해서는 암 등 건강관리에 초점을 맞춘 스마트변기를 개발할 계획”이라고 말했다. 그는 “대변에서 바로 DNA를 해독해 암 발생 여부를 확인하거나 장내미생물을 분석하고 질병 감염 여부를 확인할 수 있다”며 “요즘 코로나19 문제가 심각한데, 대변 속에 남은 신종 코로나19 바이러스를 측정하는 연구를 기획중”이라고 말했다. 
 

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