욕창 예방을 위한 무선 배터리-프리, 소프트 압력 센서 시스템 개발
욕창 예방을 위한 무선 배터리-프리, 소프트 압력 센서 시스템 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2021.09.29 17:38
  • 조회수 959
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KAIST 기계공학과 박인규 교수와 오용석 연구교수 연구팀이, 미국 노스웨스턴 대학(Northwestern University) 존 로저스(John A. Rogers) 교수 연구팀과 국제 공동 연구를 통해 욕창 예방을 위한 피부 계면에서의 압력과 온도의 연속적인 측정이 가능한 무선, 배터리-프리, 소프트 압력 센서 시스템을 개발했다고 밝혔습니다. 공동연구팀은 부산대학교병원 재활의학과 이병주 교수, 김해한솔재활요양병원 이제상 과장, 민원기 실장과 함께 임상실험을 통해 이러한 시스템 기술의 유효성과 안정성을 검증해냈습니다.

 

욕창은 신체의 특정 부위에 가해지는 지속적인 압력에 의해 모세혈관의 순환장애로 인한 허혈성 조직괴사로 생기는 피부나 하부조직의 손상을 의미하며 피부 온도 증가로 인해 욕창의 진행이 가속화될 수 있는데요. 이러한 욕창은 인구의 고령화와 만성질환의 증가로 높은 발병율과 유병율을 보이죠. 동작, 감각 및 인지능력에 손상을 입은 환자들에게서 자주 발생합니다. 욕창이 발생하면 입원환자의 입원 기간 및 의료비 지출을 증가시키고 환자, 보호자에게 상당한 고통을 유발하기 때문에 조기진단과 예방이 매우 중요합니다. 

 

현재 욕창의 예방은 미국 욕창자문기구(NPIAP, National Pressure Injury Advisory Panel)에서 제안하는 프로토콜에 기반해 주기적으로 누워있는 환자의 체위 변경을 통해서 압력을 분산합니다. 하지마, 여전히 많은 욕창 환자들이 발생하고 있죠. 욕창 발생률을 획기적으로 낮추기 위해서는 누워있는 환자의 피부 계면에서의 압력과 온도를 연속적으로 측정하기 위한 우수한 신뢰성을 갖는 센서와 시스템 기술이 필요합니다. 그러나, 아직 연구개발의 초기 단계에 있습니다.

 

KAIST 박인규 교수와 오용석 연구교수 연구팀은 이러한 문제의 해결을 위해 무선, 배터리-프리 압력 센서 시스템을 개발했습니다. 피부 계면에서 압력과 온도의 연속적인 모니터링을 구현하고 욕창 위험군 환자에 대해서 시스템의 유효성과 안정성을 평가했는데요. 이번 연구에서 개발된 무선, 배터리-프리 압력센서는 금속과 중합체로 구성된 멤브레인 (membrane) 필름의 처짐에 따른 저항 증가를 이용해 압력을 측정하는 방식입니다. 욕창 발생과 관련된 요구되는 압력 범위(~10 킬로파스칼(kPa))에서 적절한 민감도, 높은 선형성(linearity), 작은 이력현상(hysteresis)과 드리프트(drift), 우수한 출력의 안정성을 보였습니다. 피부에 부착된 압력센서의 정확성을 높이기 위해 굽힘, 전단 등에 반응하지 않도록 설계했습니다. (그림 1) 또한, 온도센서는 피부 온도 변화에 따른 저항방식의 압력 센서 출력을 보정하고 욕창 발달의 가속화와 관련된 피부 온도 변화의 연속적 측정이 가능하도록 제작했습니다.

그림 1. (a) 압력센서의 구조 및 측정 메커니즘에 대한 개략도. (b) 하중에 따른 메탈 필름 위의 변형율 분포에 대한 시뮬레이션 결과와 센서의 출력특성의 제어. 출처 : KAITS
그림 1. (a) 압력센서의 구조 및 측정 메커니즘에 대한 개략도. (b) 하중에 따른 메탈 필름 위의 변형율 분포에 대한 시뮬레이션 결과와 센서의 출력특성의 제어. 출처 : KAITS

사각형의 송신기 코일 안테나에 의해 형성된 자기장은 피부에 부착된 무선 플랫폼의 원형 수신기 코일 안테나를 통해 유도전류를 발생시켜 근거리 무선통신(NFC, near-field communication)을 가능합니다. 또한, 무선 플랫폼의 압력 및 온도센서는 원형 코일 외부에서 늘어나는 기능을 가진 서펜타인(serpentine) 구조로 연결돼 있어 다양한 기계적 변형(굽힘, 늘어남, 휘어짐)에 대해서도 안정적인 센서 출력이 용이합니다. 동시에 환자의 움직임이나 체위 변경 하에서도 충분한 전력 공급과 데이터 통신이 가능합니다. (그림 2) 

그림 2. (a-b) 무선, 배터리-프리 센서 플랫폼에 대한 분해도와 사진. (c-d) 패키징된 센서 플랫폼의 인장에 따른 서펜타인(serpentine) 구조의 늘어나는 기능에 대한 사진과 시뮬레이션 결과.
그림 2. (a-b) 무선, 배터리-프리 센서 플랫폼에 대한 분해도와 사진. (c-d) 패키징된 센서 플랫폼의 인장에 따른 서펜타인(serpentine) 구조의 늘어나는 기능에 대한 사진과 시뮬레이션 결과.

공동연구팀은 환자의 전신을 커버하기 위해 침대 매트리스 아래에 두 개의 송신기 코일 안테나, 침구 옆에 리더기(reader)와 멀티플랙서(multiplexer)를 배치해 환자의 피부에 부착된 무선 센서 플랫폼으로 안정적으로 전력 전송과 데이터 통신이 가능한 시스템을 개발했습니다. 송신기 코일 안테나 로부터 발생하는 자기장 분포, 방향, 세기 등을 시뮬레이션을 통해 검증했는데요. (그림 3) 뿐만 아니라, 반신마비 환자, 전신마비 환자 등의 욕창 위험군 환자들에 대한 무선, 배터리-프리 센서 시스템에 대한 유효성과 안정성 평가를 통해서 욕창 발생 주요 부위에서의 장시간 압력, 온도의 연속적인 모니터링과 체위 변경에 대한 압력의 정량적 측정을 검증했습니다. (그림 4)

그림 3. (a) 무선, 배터리-프리 센서 시스템의 개략도. (b) 파워 및 데이터 전송을 위한 침대 매트리스 아래에 배치된 2개의 안테나와 침구 옆의 리더기(reader)와 멀티플렉서(multiplexer) 사진. (c) 자기장의 분포, 세기 그리고 방향에 대한 시뮬레이션 결과. (d) 멀티플렉싱 된 2개의 안테나에 대한 작동 범위에 대한 실험 결과. 출처 : KAIST
그림 3. (a) 무선, 배터리-프리 센서 시스템의 개략도. (b) 파워 및 데이터 전송을 위한 침대 매트리스 아래에 배치된 2개의 안테나와 침구 옆의 리더기(reader)와 멀티플렉서(multiplexer) 사진. (c) 자기장의 분포, 세기 그리고 방향에 대한 시뮬레이션 결과. (d) 멀티플렉싱 된 2개의 안테나에 대한 작동 범위에 대한 실험 결과. 출처 : KAIST
그림 4. (a) 반신마비 환자의 피부에 센서 부착위치를 표시한 사진. (b) 누워있는 환자의 체위 변경에 대한 적외선 사진. (c) 센서 부착 부위에 대한 압력과 온도의 연속적인 모니터링 결과. 출처 : KAIST
그림 4. (a) 반신마비 환자의 피부에 센서 부착위치를 표시한 사진. (b) 누워있는 환자의 체위 변경에 대한 적외선 사진. (c) 센서 부착 부위에 대한 압력과 온도의 연속적인 모니터링 결과. 출처 : KAIST

이번 연구의 교신저자 박인규 교수는 “침대에 누워있는 환자의 주요한 피부 계면에서 압력과 온도의 연속적 측정이 가능한 무선, 배터리-프리 센서 시스템 기술이 세계 최초로 개발됐으며, 이를 통해 욕창 위험군 환자들에 대한 욕창의 조기진단과 예방을 획기적으로 향상시킬 수 있는 계기가 될 것으로 기대한다”고 전했습니다.

 

이번 연구는 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 창의도전연구 기반지원사업과 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 재료과학 및 융합연구 분야 최상위 학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, 2020 impact factor 14.919)’ 저널의 2021년 8월 24일자 온라인 판에 게재됐습니다.


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