[기고] 생체지표 모니터링용 센서의 발전

급속히 진화하는 의료 기술 업계의 기술 발전으로 피트니스 및 건강 관리에 대한 “범용적” 접근 방식이 대체됨에 따라 개발자들은 생체지표 감지를 통해 사용자의 생리에 대한 개별화된 모니터링용 맞춤 솔루션을 창출할 수 있게 되었다. 생체지표는 몸 상태나 질병의 위험 요소를 확인하는데 사용되는 특정 생리 지표를 의미한다.

생체지표는 개인과 의사에게 중요한 데이터를 제공하여 치료의 형태로 개입해야 하는 신체 상태나 질병을 보다 빨리 식별, 확인하도록 해준다. 의사는 암, 심장 질환 또는 이전에 감지할 수 없었던 당뇨병 징후가 있는 환자를 진단하고 모니터하기 위해 생체 지표를 일상적으로 사용한다. 땀 및 기타 체액의 변화를 정확하게 측정하는 비침습성 생체지표 센서는 피트니스 목표 및 건강 관리에 대한 “환자 중심적” 접근 방식이라고도 하는 보다 개인화된 방식을 가능케 한다.

특정 생체 지표의 조기 발견을 통해 치료 계획의 효율성이 향상될 뿐 아니라 부작용으로 인한 사건 발생률과 입원을 줄일 수 있게 된다. 또한 치명적인 질병을 조기에 발견하면 잠재적으로 생명을 구할 수 있는 여지도 생기게 된다. 요즈음에 인기를 끌고 있는 웨어러블 운동 기기는 걸음 수, 심장 박동수 및 칼로리 소모량과 같은 측정 항목을 감지한다. 이처럼 생체 인식 매개 변수를 측정하는 것 외에 체액의 생체 지표를 측정하는 웨어러블 기기에 대한 관심 또한 커짐에 따라 혈액, 땀, 타액 및 기타 체액이 의료 환경에서의 임상 분석에 더욱 널리 사용되고 있다.

생체지표 모니터링용 센서

(이미지. 몰렉스)

체액을 통한 생체 지표의 지속적인 모니터링은 고통스럽지 않고 비침습적이며 환자의 순응도를 보장하는 등 만성 질환의 위험에 처한 사람들에게 아주 유익하며 의사들에게도 도움이 될 수 있다. 생체 지표를 정확하고 비침습적인 방식으로 연속 모니터링 하는데 성공했다는 것은 건강 관리를 위한 엄청난 진보를 시사하는 것으로 센서를 응용한 기기 개발자들은 더욱 다양한 제품을 설계할 수 있게 된다.

땀은 고유의 특성상 혈액이나 다른 체액에 비해 비침습적인 방식으로 신속하게 모아서 테스트할 수 있다. 이에 따라 더욱 많은 연구원들과 신생 기업 및 업계 선도 기업들이 인간의 땀에서 다양한 생체 지표를 측정할 수 있는 센서를 만들어 테스트하는 프로젝트에 적극적으로 참여하고 있다. 몇몇 프로토 타입 기기들은 매우 민감한 탄소 나노 튜브(nanotube) 감지 및 개발을 통해 얇고 유연한 실리콘 다이를 제작함으로써 어느 정도 진척을 이루었다.

예를 들어, 젖산(Lactate)은 땀 속에 들어 있는 잠재적으로 중요한 생체지표인데 피로를 통해 발현 시기를 나타내는 동시에 병원 환자들에게는 사망의 지표가 되기도 한다. 한편 여러 약물에 대한 복합 경피(transdermal) 약물 전달 시스템의 가능성을 갖춘 땀을 기반으로 하는 글루코스(glucose) 모니터링도 최근 진전되는 추세이다. 그래서 이제는 피부 기반 센서가 땀에 들어있는 전해질, 칼슘 및 중금속 이온과 같은 다른 대사 물질의 존재 여부도 테스트할 수 있게 되었다.

생체의학 엔지니어와 재료 과학자들은 서로 협력을 통해 땀의 분자 구성에서 여러 생체 특성을 읽고 실시간 분석 및 추적을 위해 스마트폰에 데이터를 전송할 수 있는 소형의 웨어러블 유연 센서가 개발되었다. 생체 지표 센서에 대한 기술 및 제조 준비 수준 평가는 제품 개발 및 실제 제품과의 차이와 위험을 식별하는데 중요하다.

땀이나 다른 체액에서 예상되는 농도 수준에서 생체지표를 검출할 수 있는 유연 센서의 개발에는 많은 어려움이 있다. 생체지표는 혈액 샘플보다 땀과 타액에 더 적은 농도로 존재한다. 적절한 부피 및 농도를 가진 샘플을 수집하는 시간은 출력, 주변 온도 및 기타 환경 요인에 따라 매우 달라진다.

저렴한 가격대의 웨어러블 및 일회용 기기에서 복잡한 체액 판독 값을 일관성 있는 민감도로 제공하는 것은 센서 개발자와 제조업체가 극복해야 할 중요한 장애물이다. 체액 샘플은 실험실에서 지속적으로 재생할 수 있다. 미세유체공학(microfluidics)의 발전에도 불구하고 균일한 속도로 땀을 보충하기에는 아직 충분하지 못하다는 것이 실제 실험 대상자들을 통해 입증된 상태이다.

센서 선택성, 감도, 안정성 및 신뢰성이 중요한 땀 모니터링을 적용 사례로 들어보자. 일회용 생체지표 센서는 일반적으로 특정 생체지표에 대한 수용체 역할을 하는 화학 화합물을 사용해 그 기능을 발휘하는데 그 화학적 변화를 센서의 가변 저항 부하로 전환한다. 센서용으로 개발된 여러 종류의 생체지표 센서 기술이 웨어러블 및 일회용 기기에 적용되어 실험실에서 성공적으로 입증되었지만 까다로운 웨어러블 제품에 필요한 성능 지표를 달성하려면 여전히 추가적인 개발이 필요하다.

센서가 적용될 기기의 기능이 제대로 작동되려면 샘플 농도가 낮을수록 더욱 민감하고 안정적이어야 한다. 이러한 업계의 필요를 충족시키기 위해 몰렉스는 여러 가지 일회용 센서와 인터페이스할 수 있는 다양하면서도 얇고 유연한 센서 데모 플랫폼을 개발했다. 센서 플랫폼은 일반적으로 주어진 센서의 반응성 및 애플리케이션 요건 내에서 해석 가능한 신호를 생성하도록 맞춤식으로 구성된다.

이러한 데모 플랫폼 센서는 일반적으로 웨어러블 센서 기기에서 구현 가능한 것보다 높은 농도를 사용해 기술 격차를 인정하면서도 그 기술의 실현 가능성을 시사한다. 생체지표 화합물을 감지한 센서는 식별 가능한 부하로 효율적인 전환을 거친다. 이를 통해 센서는 증폭, 디지털화를 거쳐 프로세서에 전달되어 논리 계산을 수행하고 표시기 디스플레이 또는 다른 HMI (예: 모바일 애플리케이션)를 통해 사용자와 궁극적으로 통신을 하게 된다.
웨어러블 기기 사용의 확산은 제조 가능성, 비용뿐 아니라 센서 시스템의 폼 팩터 및 성능에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 전자적 기능의 집적도에 대한 신뢰성은 생체 지표 센서 기술에 대한 상용화 곡선보다 앞서 있다. 다양한 센서 플랫폼을 사용해 프로토 타입에 대한 생체지표 신호를 모델링하면 서브 시스템 기능 테스트 수행이 가능해진다. 일반적인 생체지표 센서 플랫폼의 주요 특징으로는 마이크로 프로세서, 연산 증폭기 및 아날로그 – 디지털 컨버터, 표시기 LED 또는 얇고 유연한 디스플레이, 안테나를 비롯해 추가적 기능이 가능한 메모리 및 코인 셀, 박막 스타일 배터리 등이다.

융합 센서 설계의 개념은 새로운 디자인 변수를 제한하기 위해 퀵턴(quick turn) FR4 기반 PCB 어셈블리를 사용해 검증이 가능하다. 유연한 기능성 인쇄 및 어셈블리 소재와 기술의 최근 발전으로 인해 기존의 경질 또는 유연 식각 구리 회로보다 경제적이고 가벼운 유연 하이브리드 센서 전자 제품이 탄생했다. 은 소재로 된 유연 회로 생체지표 센서 플랫폼은 매우 복잡하면서도 유연하고 내구성이 뛰어난 양면 회로 레이아웃을 가능하게 한다.

전형적인 시스템에는 쉽게 이용이 가능한 프린팅 기술을 사용해 은 및 유전체 잉크 도포가 적용된 폴리에틸렌 테레프탈레이트(polyethylene terephthalate, PET) 기판이 포함된다. 애플리케이션 요건에 따라 어셈블리는 예를 들어, 핵심 부품들, 아연 망간 또는 리튬 폴리머 기반 박막 배터리, 생체 적합형 장착 접착제 및 그래픽 오버레이 등을 모두 보호하는 캡슐화 작업과 IC를 모두 0.50mm 피치 QFN 패키지로 실장함으로써 미적으로도 만족스러운 완제품을 가능하도록 해야 한다.

집적 센서 플랫폼의 핵심은 전력 예산을 먼저 고려한 다음 펌웨어가 마이크로 컨트롤러 기능을 프로그래밍하도록 개발하고 마이크로 컨트롤러 프로세스가 증폭되면서 센서, 연산 증폭기 및 아날로그 – 디지털 변환기의 디지털화된 데이터를 처리해야 한다. 이렇게 생성된 데이터는 무선 기술을 통해 스마트 폰 또는 기타 모바일 기기로 전송되는데 이 때에 근거리 NFC 13.56MHz 통신이나 저전력 블루투스(BLE)를 사용하는 경우가 많다. 현재 대부분의 통합 센서 설계는 2 ~ 5 mm 두께이다.

진정한 웨어러블 생체지표 폼 팩터는 사용자에게 가장 적합하고 활동에 지장이 없도록 더 얇아야 한다. 얇은 실리콘 다이에서는 더 얇고 보다 유연한 기판을 구현할 수 있는데 고속형 시트 대 시트 방식 및 롤-투-롤 프린팅 및 어셈블리 기술을 통해 보다 얇은 기판(1~2mm 두께)을 대량 취급하는 게 가능하다. 인간의 체액에서 다양한 생체지표를 검출할 수 있는 박형 유연 센서의 일관성을 향상시키기 위한 기술 진전은 지금도 진행 중이다.

그러나 체액에 접촉하는 웨어러블 기기에 필요한 사항들은 보행 수를 세거나 진동, 충격, 주변 온도 또는 표면 온도 및 습도와 같은 기타 외부 요인을 측정하는데 사용되는 센서에 비해 여전히 초기 단계 일 뿐 아니라 미묘한 측면도 있다. 따라서 믿을만하고 정확하며 경제적인 소형 일회용 웨어러블 통합 생체지표 센서 솔루션을 구축하려면 더 많은 작업이 필요하다. 선도적인 제품 개발자들은 인간의 건강 및 수행 지표를 모니터링할 수 있는 저비용, 고기능의 전자 기기 개발이라는 비전을 향해 지금도 노력하고 있다.

기고: 한국몰렉스 www.molex.co.kr

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