△ 신개념 웨어러블 의료기기 기술이 잇따라 등장하고 있다.

국내에서 건강 상태를 모니터링할 수 있는 웨어러블 의료기기 기술을 잇따라 개발했다.

31일 의료계 등에 따르면 국내 연구진이 병원급 혈류 측정 AI 기반 무선 전자패치, 화학접착제 없이 500회 재사용 가능한 고성능 심전도 패치, 채혈없이 땀으로 체내대사 측정 스마트패치 등을 개발하는데 성공했다.

한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 권경하 교수팀은 최근 딥러닝과 다층 열 센싱 기술을 결합한 무선 웨어러블 혈류 측정 시스템을 개발했다.

이 장치는 혈관을 직접 건드리지 않고도(비침습 방식) 혈류 속도와 혈관 깊이를 동시에 측정할 수 있다.

연구팀은 혈액이 흐를 때 주변에서 미세한 열 이동이 발생한다는 점에 착안해 서로 다른 깊이에 온도 센서를 배치해 열의 이동 경로를 입체적으로 분석하는 '다층 열 센싱' 기술을 개발했다. 

여기에 인공지능(AI) 알고리즘을 적용해 복잡한 체온 분포 속에서 혈관 깊이와 실제 혈류 속도를 실시간으로 분리·추출하는 데 성공했다. 

이어 AI를 적용해 복잡한 체온 분포 속에서 혈관의 깊이와 실제 혈류 속도를 정확히 구분해 냈다.

실험 결과 초당 1∼10㎜ 범위의 혈류 속도를 오차 초속 0.12㎜ 이내로, 1∼2㎜ 범위의 혈관 깊이를 오차 0.07㎜ 이내로 측정하는 데 성공했다.

이는 머리카락 굵기보다 작은 수준의 오차로 일반적인 웨어러블 기기로는 구현하기 어려운 정밀도라고 연구팀은 설명했다.

특히 해당 기술을 스마트워치에 사용되는 광혈류(PPG) 센서와 결합할 경우 혈압 측정 오차를 최대 72.6%까지 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

이를 통해 웨어러블 기기의 건강 데이터 신뢰도를 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다.

연구팀은 이 전자패치가 응급 의료 현장에서 환자의 상태 변화를 실시간 감지하는 데 활용도고 고혈압·당뇨 환자의 건강 관리나 쇼크와 같은 급성 위험 신호의 조기 탐지에도 적용 가능할 것으로 기대했다.

울산과학기술원(UNIST) 기계공학과 정훈의 교수팀은 최근 액체금속과 고무 실리콘의 미세 구조를 활용해 젤과 접착제가 필요 없는 고성능 심전도 패치를 개발했다.

연구팀에 따르면 이 패치는 20마이크로미터(㎛·1㎛는 100만분의 1ｍ) 폭의 액체금속 관이 달팽이 집처럼 돌돌 말린 형태다.

피부에 직접 닿는 관 아랫부분이 뚫린 구조라 심장 박동 신호가 액체금속 전극에 바로 전달될 수 있어 젤이 없이도 심박 신호를 잘 포착한다.

연구진에 따르면 일반 패치는 피부와 닿은 면이 뚫려있어 압력을 받으면 액체금속이 밑으로 새어나올 수 있는데 연구팀은 관 하단에 안쪽으로 말려 들어간 수평 돌기 구조를 만들어 이를 해결했다. 또 관이 워낙 얇아 금속이라도 차가운 느낌이 들지 않는다.

패치의 접착제 역할을 하는 것은 지름 28㎛, 높이 20㎛ 크기의 미세한 돌기다.

갓 돌기 구조가 피부 미세 굴곡에 맞춰 빈틈없이 부착되면서 접촉 면적이 늘어나 물리적 접착력이 강해지는 원리다.

이 패치는 젤이 마르면 신호 정확도가 떨어져 일회용으로 주로 쓰고 버리는 패치와 달리 500회 이상 재사용 가능하며 내구성도 뛰어나다. 

연구팀은 피부가 민감한 환자를 대상으로 하는 장기 건강 모니터링 기술, 고정밀 인간 기계 상호작용 인터페이스 등 차세대 웨어러블 시스템의 원천 기술로 활용될 것으로 기대했다.

한국과학기술원(KAIST)은 바이오·뇌공학과 정기훈 교수팀은 최근 땀 속 여러 대사산물을 동시에 실시간으로 분석할 수 있는 웨어러블 센서인 '스마트 패치'를 개발했다.

땀 등을 이용해 인체의 생리학적 상태를 모니터링하기 위한 웨어러블 센서 연구가 활발히 진행되고 있지만, 기존 형광 표지나 염색을 거쳐야 하는 센서는 땀을 효과적으로 수집·제어하는 데 어려움이 있었다.

연구팀이 개발한 센서는 피부에 직접 붙이는 방식의 얇고 유연한 패치로 땀을 모으는 미세한 통로와 함께 빛을 이용해 땀 성분을 정밀 분석할 수 있는 초미세 광학센서인 나노플라즈모닉 구조로 돼 있다.

빛을 나노미터(㎚·10억분의 1ｍ) 수준에서 조작해 분자의 성질을 읽어낼 수 있으며, 머리카락보다 가느다란 미세 유체 통로를 통해 땀을 정밀하게 제어할 수 있다.

패치는 내부에 적게는 6개에서 최대 17개의 챔버(저장 공간)가 있어, 운동 중 분비되는 땀이 순차적으로 각 챔버에 채워지는 미세 유체 구조로 설계돼 있다.

이를 통해 땀 속 여러 대사 성분을 동시에 분석할 수 있다.

연구팀은 실제 인체에 적용, 운동할 때 나오는 땀을 분석해 시간에 따라 달라지는 땀 성분의 변화를 연속적으로 추적하는 데 성공했다.

기존 기술은 두 가지 정도 성분만 검출할 수 있었지만 이번 연구를 통해 요산, 젖산, 티로신 등 대사·운동·질환과 관련된 중요한 체내 지표인 세 가지 대사 물질을 정량적으로 분석하고, 이 대사 물질 농도가 운동과 식단에 따라 어떻게 달라지는지 확인했다.

인공지능(AI) 분석 기법을 적용해 땀 속에 혼합된 여러 성분 가운데 원하는 대사산물의 신호만 정확하게 분리할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

달리기, 마라톤, 헬스 등 운동 중에 발생하는 지구력과 근육량의 변화를 파악할 수 있을 뿐 아니라 수치 변화를 통해 통풍·간 기능 이상·신장질환 등 잠재적 위험도 확인할 수 있다.

연구팀은 혈액을 채취하지 않고도 땀 패치만으로 체내 대사 변화를 정밀하게 모니터링할 수 있기에 만성질환 관리, 약물 반응 추적, 환경 노출 모니터링 등에 활용할 수 있을 것으로 내다봤다.

Tag

#혈류#심전도#대사#패치