Wearable biomedical sensors

Wearable bedsore sensor

 본 연구에서는 욕창의 발병 원인인 피부에 지속적으로 가해지는 압력과 이로 인한 피부조직의 손상을 피부의 온도, 임피던스 변화로 센싱하고, 무선 데이터 송신을 통해 센싱한 다중 인자를 의료진이 실시간으로 모니터링 할 수 있는 IoT 기반 통합 웨어러블 센서 시스템을 구축하여, 욕창의 발현을 조기에 진단 및 예방하고 치료법을 연구할 수 있는 플랫폼을 구축하고자 함.

 외부 압력과 이에 의한 조직 손상을 측정할 수 있는 압력, 온도 및 조직 임피던스 센서를 포함하는 멀티 웨어러블 센서를 제작하여 양방향의 웨어러블 센싱 시스템 구축하고자 함.

 또한, 무선 데이터 분석 및 송수신 시스템을 구축, 진정한 IoT 기반 무선 웨어러블 센서 플랫폼 구현하고자 함.

 세브란스 피부과와의 긴밀한 협업을 통해 욕창 동물모델을 구축하여 개발한 웨어러블 센서의 향후 인체 적용 시 안정성과 유효성을 검증하고자 함.

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Wearable oxygen sensor

산소는 신체 에너지 생성과 조직 재생에 필수적인 요소로서, 산소가 조직으로 전달되지 않으면 심근경색, 암, 당뇨와 같은 심각한 질병이 발병하고 혈관 수술을 시행한 모든 장기이식 및 유리피판술 후 혈관폐쇄의 위험이 발생한다. 역으로, 조직산소농도를 실시간으로 정확히 측정할 수 있다면, 증상조기발견을 위한 미래 질병연구에 기여할 수 있다. 기존의 산소농도를 측정하는 기기중에 클락타입센서는 전기화학적 방식으로 측정의 정확도가 높으나, 침습적이기 때문에 측정자의 고통을 수반한다는 문제가 있다. 비침습적인 방식으로는 광학적으로 측정하는 옥시메트리, 레이저도플러등의 기술이 있으나, 실제 조직이나 피부표면의 산소농도가 아닌 헤모글로빈 농도나, 혈류 등 산소를 유추하는 간접지표를 측정하는 방식이라는 한계가 있다. 본 연구그룹에서는 비침습적이면서도, 재료공학과 소자물리를 바탕으로 새로운 웨어러블한 광발광식 산소센서 디자인을 제시하였다. 미세한 산소농도를 정확하게 측정하기 위해서는 산소에 대한 높은 민감도가 필수적이며 또한 광센서를 구동하거나 광신호를 받기 위해서는 광원이나 수광부 등 유기디바이스가 필요하기 때문에 추후 신체에 적용하기 위해서는 유연하고 탈부착이 가능한 형태로의 개발이 필요하였다. 이에, 본 그룹에서는 산소 농도에 따라 발광특성이 달라지는 염료가 들어간 산소센싱필름을 제작한 후 센싱필름의 구조변형을 통한 기체투과성을 개선하였고 또 고굴절률 산란입자를 도입하여 필름의 민감도를 향상시켰다. 또한 발광부인 유기 발광다이오드(OLED)+수광부인 유기포토다이오드(OPD)를 유연 초박막위에 제작한후 각 요소를 일체형으로 통합하여 밴드형태로 탈부착이 가능하며, 제작 단가가 저렴하기 때문에 일회성으로 측정이 가능하고 유연한 광발광식 산소센서를 개발하였다.

  본 기술을 말초혈관계질환 등의 환자에 적용할 경우 wireless data-transfer technology를 도입하여 원격 모니터링 및 지속관리가 가능하기 때문에 질환의 진행을 막고, 조기진단을 보다 정확하고 간편하게 할 수 있으며 이를 통해 의료비용이 감축되는 등 새로운 의료 플랫폼을 제시할 수 있다. 또한 본 연구그룹에서 제시하는 센서 플랫폼은 산소 외에도 이산화탄소, 글루코오즈, pH 등 다양한 생체신호 감지를 통해 다른 의학적 정보를 한번에 얻는 multi-analyte 센서로도 제작이 가능하다.추후엔 임상연구를 진행하고, 산소분포의 대면적 이미징 기술 등 동일한 원리를 바탕으로 한 차세대 기술을 연구 및 개발하고, 종래 산소측정기술기반 센서의 부정확성 또는 측정한계를 극복하여 다양한 응용분야에 적용이 기대된다.

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마찰발전원리를 이용한 자가동력형 인공기저막 연구

 인체의 청각시스템은 아주 민감하여 광자에 해당하는 에너지의 1/100 수준의 에너지를 갖는 아주 작은 소리를 들을 수 있고, 10-7초 이내에 생기는 복잡한 소리를 인지하고, 잡음 속에서도 정확하게 신호를 감지해내는 능력이 있다. 특히, 고주파의 음에 대해서는 더 높은 민감성과 선택성을 가진다. 이러한 인간의 뛰어난 청각 능력은 수 백년 간의 연구에도 불구하고 아직까지 완벽하게 설명되지 못하고, 이러한 이유로, 신체의 기능을 대체하는 다양한 센서가 개발되고 있는 반면, 청각시스템을 완벽하게 대체할 수 있는 음향 센서는 없다.

 인간이 소리를 듣는 것은 기계적 진동이 전기적 신호가 되어 뇌를 자극함에 의해서이다. 음향 신호는 공기를 매질로 하여 압축/팽창되어 압력차(음압)를 형성하고, 이것이 외이에서 증폭되어 고막에 기계적 진동으로 전달되고, 이 진동은 중이에 있는 세 개의 뼈를 지나 달팽이관의 입구에 있는 난원창을 통해 전달되면서 달팽이관 내 림프액을 진동시키고, 액체의 진동은 달팽이관을 폈을 때 수평 방향으로 내부에 위치하는 사다리꼴 기저막을 흔들어 그 위에 있는 코르티기관의 섬모 다발을 진동시킨다. 이는 유모세포에의 이온 채널 개폐로 이어져 전기적 신호로 바뀌고 신경을 자극하여, 이 자극이 뇌간을 통해 뇌로 전달되어 소리가 인지되는 원리이다.

 소리를 전기신호로 변환하는 와우에 이상이 생기는 것은 심각한 청각 손실의 원인이고, 인공 와우 이식술은 청각을 손실한 환자의 와우에 전극을 삽입하여 청신경에 직접 전기신호를 전달하는 방식으로, 현재 상실된 청각을 복원해주는 유일한 방법이나, 인공와우는 기기수가 많고 복잡하며 부피가 커 착용이 불편하다. 또한, 큰 전력 소모로 인한 잦은 배터리 교체로 경제적 부담이 매우 크므로 전력소모를 최소화하고자 사람의 말소리 주파수 영역 (100-400 Hz)인 저주파에만 특화되어 있어, 일반적인 자연의 소리나 노래 소리를 듣는 것은 거의 불가능한 실정이다.

 이 같은 단점을 극복하기 위해 기존 인공와우의 마이크로폰 (음향센서), 시그널 프로세서의 주파수 분리/압축 기능을 모두 대체할 수 있고 배터리가 필요 없는, 자가동력형 인공 기저막을 연구하고 있다. 높은 기계-전기 신호 변환률을 보이는 마찰발전원리를 이용하여 증폭기가 필요 없고 다양한 주파수 선택성을 가질 수 있다. 또한, 기존 인공와우와 달리 음향센서부에서의 전력소모가 전혀 없고, 음향센서의 높은 전기 출력으로 시그널프로세싱 중 증폭기와 주파수 분리기능이 필요 없어, 소형화된 형태에서도 넓은 주파수 대역폭을 가진다. 궁극적으로, 저주파에서 고주파에 이르는 전 영역 (20 Hz-20 kHz)을 모두 청취할 수 있는 인공 기저막을 개발하고자 연구를 진행하고 있다.

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