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연구

무선으로 심혈관 모니터링 실시간 가능​
조회수 : 2769 등록일 : 2023-04-24 작성자 : 홍보실

(왼쪽부터) 전기및전자공학부 권경하 교수, 노스웨스턴대학교 김종욱 박사

< (왼쪽부터) 전기및전자공학부 권경하 교수, 노스웨스턴대학교 김종욱 박사 >

실시간 혈역학(Hemodynamic) 모니터링은 심혈관 질환을 앓는 환자의 수술 전후 관리에 도움을 준다. 이에 일상에서 실시간으로 심혈관 내 압력, 유량 및 온도 측정을 제공할 수 있는 무선 인체이식형 의료기술에 대한 수요가 증가하고 있다. 

우리 대학 전기및전자공학부 권경하 교수가 배터리 없이 실시간으로 심혈관 내 압력, 유량, 온도를 측정해 심혈관 기능을 진단하는 무선 심혈관 임플란트를 개발했다고 24일 밝혔다. 

권경하 교수 연구팀과 미국 노스웨스턴대학교 김종욱 박사가 공동연구를 통해 개발한 이 기술은 국제 학술지 네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)411일 발표됐다 (논문명 : A battery-less wireless implant for the continuous monitoring of vascular pressure, flow rate and temperature; URL: https://www.nature.com/articles/s41551-023-01022-4) 

현재는 침상 모니터에 연결된 유선 테더(tether)와 함께 센서를 동맥에 삽입해 동맥압과 혈류 속도 측정이 가능하지만, 유선 인터페이스가 심혈관 손상 및 감염이나 측정 정확도 저하로 이어질 수 있으므로 병원에서 움직이지 않는 환자를 위해 일시적으로 사용하는 것으로 제한된다. 전문 의료 시설에 접근하지 않고 언제 어디서나 환자의 수술 후 모니터링을 지원하기 위해, 배터리 없이 무선으로 작동하는 임플란트 시스템을 개발하는 것이 핵심 과제다. 

이에 연구팀은 무선 통신 및 무선 전력 전송 기술을 이용해 심혈관 내에서 배터리 없이 실시간으로 압력, 유속 및 온도를 측정할 수 있는 이식형 무선 측정 시스템을 개발했다.

   그림 1. 임플란트 장치는 (1) 혈관 내부에 삽입되어 압력, 유속 및 온도를 측정하는 바이오 센서와 (2) 하부피막층에 삽입되어 무선 전력 수급 및 무선 데이터 전송을 지원하는 무선 시스템으로 구성된다. 외부 웨어러블 장치는 (1) 무선 시스템을 무선으로 제어하고 통신하는 사용자 인터페이스와 (2) 무선 시스템에 전력을 전송하는 외부 무선 전력 전송 모듈로 구성된다. 외부 웨어러블 장치는 셔츠나 조끼 주머니에 넣어 놓을 수 있어, 무선 전력 전송 코일의 정렬이 유지된다. 사용자 인터페이스는 무선 측정값의 저장 및 분석 그리고 혈액의 유속, 압력, 온도 데이터의 실시간 디스플레이를 제공하여, 환자들이 어디에서든 신속하게 혈액 역학 이상을 탐지하고 특성화할 수 있는 사용자 친화적인 방법을 제공한다.

< 그림 1. 임플란트 장치는 (1) 혈관 내부에 삽입되어 압력, 유속 및 온도를 측정하는 바이오 센서와 (2) 하부피막층에 삽입되어 무선 전력 수급 및 무선 데이터 전송을 지원하는 무선 시스템으로 구성된다. 외부 웨어러블 장치는 (1) 무선 시스템을 무선으로 제어하고 통신하는 사용자 인터페이스와 (2) 무선 시스템에 전력을 전송하는 외부 무선 전력 전송 모듈로 구성된다. 외부 웨어러블 장치는 셔츠나 조끼 주머니에 넣어 놓을 수 있어, 무선 전력 전송 코일의 정렬이 유지된다. 사용자 인터페이스는 무선 측정값의 저장 및 분석 그리고 혈액의 유속, 압력, 온도 데이터의 실시간 디스플레이를 제공하여, 환자들이 어디에서든 신속하게 혈액 역학 이상을 탐지하고 특성화할 수 있는 사용자 친화적인 방법을 제공한다. >

연구팀은 배터리 없이 무선으로 동작하는 압력, 유속 및 온도를 측정하는 임플란트 기기를 실제로 제작해, 돼지의 폐동맥 및 양의 대동맥과 좌심실에서 기존 임상 기기와 유사한 성능을 보이는 데 성공했다. 이러한 기술은 혈역학 기능을 객관적이고 정확하게 측정해 심장 환자의 치료와 삶의 질을 개선할 수 있는 잠재력을 가지고 있으며, 가정 또는 병원에서 환자의 행동 제약 없이 언제든지 모바일 모니터링이 가능해진다.

그림 2. 무선시스템은 (1) 무선 전력 수급을 위한 수신 코일 및 전력 관리부, (2) 블루투스 기반의 무선 데이터 전송부와 (3) 바이오센서의 저항값 변화를 전압으로 변환해주는 증폭기로 구성된다. 무선시스템은 피하 주변 조직 손상 없이 삽입이 가능하도록 유연 인쇄회로기판으로 제작되었고, 주변 조직 및 생체 액체로부터 기계적 및 유체적 격리가 가능하도록 생체 적합성 실리콘 엘라스토머로 코팅 및 밀봉되었다. 바이오센서는 실리콘 나노멤브레인을 이용하여 mm 수준으로 제작되어 혈관 내 스텐트나 인공판막 등 다양한 의료기기와의 통합 가능성을 제공하며, 최소 침습성 경간막 시술을 통해 이식 가능하다.

< 그림 2. 무선시스템은 (1) 무선 전력 수급을 위한 수신 코일 및 전력 관리부, (2) 블루투스 기반의 무선 데이터 전송부와 (3) 바이오센서의 저항값 변화를 전압으로 변환해주는 증폭기로 구성된다. 무선시스템은 피하 주변 조직 손상 없이 삽입이 가능하도록 유연 인쇄회로기판으로 제작되었고, 주변 조직 및 생체 액체로부터 기계적 및 유체적 격리가 가능하도록 생체 적합성 실리콘 엘라스토머로 코팅 및 밀봉되었다. 바이오센서는 실리콘 나노멤브레인을 이용하여 mm 수준으로 제작되어 혈관 내 스텐트나 인공판막 등 다양한 의료기기와의 통합 가능성을 제공하며, 최소 침습성 경간막 시술을 통해 이식 가능하다. >

연구를 주도한 권경하 교수는 앞으로 심장판막 대동맥 이식술(TAVI) 후 경사도 및 기타 유출 검사, 뇌동맥류용 흐름 전환기 내부의 압력 및 유량 측정, 흉부 내 대동맥 내시경적 수술(TEVAR) 및 복부 대동맥류 내시경적 수술(EVAR) - 엔돌릭 감시 등 다양한 임상 분야에서 사용될 수 있을 것으로 기대된다고 말했다. 

한편 이번 연구는 한국연구재단(NRF) 기본연구, 우수신진연구, 지역혁신 선도연구센터 과제의 지원을 받아 수행됐다.

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