KAIST “스마트워치로 ‘우울증’ 예측…디지털 바이오마커 개발”

웨어러블 기기로 수집된 생체 데이터를 활용해 사용자의 우울증 발현 가능성을 예측하는 기술이 개발됐다.

KAIST는 뇌 인지과학과 김대욱 교수 연구팀이 미국 미시간대 수학과 대니얼 포저(Daniel B. Forger) 교수팀과 공동연구를 통해 이 같은 기술을 개발했다고 15일 밝혔다.

KAIST 제공

공동연구팀이 개발한 기술은 스마트워치가 수집한 사용자의 활동량, 심박수 데이터를 토대로 교대 근무자의 수면장애와 우울감, 식욕부진, 과식, 집중력 저하 등 우울증 관련 증상을 예측할 수 있다.

세계보건기구(World Health Organization·WHO)에 따르면 정신질환의 새로운 유망한 치료 방향은 충동성, 감정반응, 의사결정 및 전반적 기분에 직접적인 영향을 주는 뇌 시상하부에 위치한 생체시계(circadian clock)와 수면(sleep stage)에 초점이 맞춰진다.

하지만 내재적 생체리듬과 수면 상태를 측정하기 위해서는 하룻밤 동안 30분 간격으로 채혈해 멜라토닌 호르몬 농도의 변화를 측정하고, 수면다원검사를 수행해야 하는 번거로움이 있다. 측정을 위해 병원 입원이 불가피한 까닭이다. 여기에 보험 미적용 시 100만원가량에 이르는 비용 부담도 뒤따른다.

웨어러블 기기는 이러한 문제를 해소할 수 있는 유용한 도구로 관심을 모은다. 공간의 제약 없이 실시간 심박수와 체온, 활동량 등을 확인·수집할 수 있는 이점 덕분이다. 다만 현재 웨어러블 기기는 의료현장에서 필요로 하는 바이오마커(Biomarker)의 간접적인 정보만을 제공하는 한계를 가졌다.

공동연구팀의 연구 결과 모식도. KAIST 제공

반면 공동연구팀은 스마트워치로부터 수집된 심박수와 활동량 시계열 데이터 등 시시각각 변화하는 생체시계의 위상을 정확히 추정하는 필터링(Filtering) 기술을 개발, 뇌 속 일주기 리듬을 정밀하게 묘사하는 디지털 트윈(Digital twin)을 구현했다. 이는 일주기 리듬 교란을 추정하는 데 활용될 수 있다.

실제 공동연구팀은 미시간대 신경과학 연구소 스리잔 센(Srijan Sen) 교수, 정신건강의학과 에이미 보너트(Amy Bohnert) 교수 연구팀과 협업해 개발한 생체시계 디지털 트윈의 우울증 증상 예측 활용 가능성을 검증했다.

협업 연구팀은 800명의 교대 근무자를 대상으로 대규모 전향 코호트 연구를 수행했다. 이 결과 공동연구팀이 개발한 일주기 리듬 교란 디지털 바이오마커가 내일의 기분과 우울증의 대표적인 증상인 수면 문제, 식욕 변화, 집중력 저하, 자살 생각을 포함한 총 6가지 증상을 예측할 수 있다는 점을 확인했다.

김대욱 교수는 “수학을 활용해 그간 단편적으로 이용됐던 웨어러블 생체 데이터를 실제 질병 관리에 적용할 수 있는 실마리를 제공할 수 있게 됐다는 점이 이번 연구의 성과”라며 “공동연구팀은 연구를 통해 연속적이고, 비침습적인 정신건강 모니터링 기술을 제시, 우울증 증상을 겪는 환자가 상담센터에 연락하는 등 능동적 행동을 취해 도움을 받는 기존의 번거로움을 해소하는 등 정신건강 관리의 새로운 패러다임을 제시할 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

한편 이번 연구는 KAIST 신임 교원 연구지원사업, 미국 국립과학재단, 미국 국립보건원, 미국 육군연구소 MURI 프로그램의 지원을 받아 수행됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr