[BME, MAE, ME, Journal] 심전도(ECG) 모니터링을 위한, 잘 휘어지고 착용 및 탈착이 가능한 일회용 바이오센서
안녕하세요, @doctorbme 입니다. 오늘 간단하게 살펴볼 논문은 Highly flexible, wearable, and disposable cardiac biosensors for remote and ambulatory monitoring 입니다. 최근 런칭한 Nature Digital Medicine의 아티클이고 저번에 언급드렸듯이 Creative Commons 4.0이 걸려 있어 편하게 이용이 가능합니다. 본 글의 그림 중 일부는 논문에서 차용하였습니다.
심장 기능을 측정하기 위해, 잘 휘어지고 착용 및 탈착이 가능한 일회용 (disposable) 바이오센서를 개발하였고 이는 집이나 보행 중에서도 편하게 사용이 가능하다는 것을 주장하고 있습니다.
Reference
Stephen P. Lee, Grace Ha, Don E. Wright, Yinji Ma, Ellora Sen-Gupta, Natalie R. Haubrich, Paul C. Branche, Weihua Li, Gilbert L. Huppert, Matthew Johnson, Hakan B. Mutlu, Kan Li, Nirav Sheth, John A. Wright Jr., Yonggang Huang, Moussa Mansour, John A. Rogers & Roozbeh Ghaffari, Highly flexible, wearable, and disposable cardiac biosensors for remote and ambulatory monitoring, npj Digital Medicinevolume 1, Article number: 2 (2018)
doi:10.1038/s41746-017-0009-x
개발한 센서
논문에서 삽입된 figure 1.
왼쪽 그림(a)를 보시면, 이러한 센서는 총 5개의 층으로 구성되어 있는 것을 살펴볼 수 있습니다.
- 맨 위 탄성 폴리우레탄(elastic polyurethane) 층은 이 센서에 잘 휘어지고 복구가 가능한 탄성을 주기 위한 층입니다.
- 두번째 Foam Spacer는 인접한 두 층을 분리하기 위해 추가적으로 삽입할 수 있는 층입니다.
- 가운데 층에는 심전도(ECG) 측정을 위한 장치들이 배열되어 있습니다. 측정 정보를 주고 받고 NFC를 통한 에너지 하베스팅, Energy Harvesting을 위한 모듈이 존재합니다.
- 네번째 테이핑을 위한 층에는 전도성의 하이트로젤이 포함되며 (2개의 극을 통해 측정합니다)
- 다섯번째, 센서를 보호할 수 있는 안감 역할의 층입니다.
-불과 1.2g의 무게에 2mm가 안되는 두께를 가지고 있기 때문에 상당히 가볍고 거추장스럽지 않습니다. (그림의 b)
-NFC를 통해 스마트폰으로 정보 전송이 쉽습니다. (그림의c)
- 트위스트 시켜보거나 휘게 변형을 시켜보아도 괜찮습니다 (그림의 d,e)
이 센서의 이름은 WiSP로 연구자들이 이름을 지었습니다.
배경
Nature Digital Medicine의 철학에 따라, 일상생활에서 환자 혹은 일반인들이 생산할 수 있는 그리고 접근할 수 있는 임상적 의학적 정보를 어떻게 수집하고 가공하며 현실 세계에 영향을 미칠 수 있을 것인가에 대한 물음으로 이 논문이 선정되었을 것이라 생각합니다.
사실 심장 기능에 이상이 있는 환자들 중에서 우리가 흔히들 생각하는 심전도를 측정하기 위해서는, 종종 24시간 홀터모니터링, Holter monitor을 사용합니다.
그림: 홀터 모니터링의 한 예
출처: https://en.wikipedia.org/wiki/Holter_monitor
저작권: [CC-BY-SA 3.0] (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)
하지만 이를 달고 24시간 모니터링을 받는 입장에서 생각해본다면, 생각보다 번거롭고 거추장 스러춘측면이 존재합니다. 잠잘 때까지 카세트만한 기기가 옆에 부착되어야한다면 얼마나 불편할까요. 따라서 이를 극복하기 위한 시도들이 존재합니다.
Polar H7은 그 중 하나의 제품입니다. 블루투스로 정보가 전송되며, 선이 없습니다. 현재 팔리고 있는 제품이기도 합니다. 하지만 이 제품도 생각보다 크고 거추장스럽습니다.
본 연구에서는
- 매우 얇고
- 잘 휘어지며
- ECG 와 심박수를 측정 및 기록 가능한 웨어러블(wearable)
- 가격이 저렴해서 일회용으로 사용가능한
- 에너지 하베스팅이 가능한
센서를 제작하고 평가합니다.
이는 심장 기능을 모니터링 하는 방향 이외에도, 임상적으로 일상 생활에서 적용이 가능한 웨어러블 센서의 덕목들이라 할 수 있겠습니다.
사람 피부에 적용하기 위한 시도
논문의 그림. figure 2.
탈부착이 사람 피부에 대해 가능해야하고, 사람의 피부는 고정되어 있지 않고 변형이 일어나기 때문에, 센서도 이에 맞추어 변형이 일어나야 합니다. 그리고 잘 버텨야 합니다.
- 센서가 피부에 부착된 단면을 보여주며 변형에 관한 영의 계수,Young's modulus를 보여줍니다. (a)
- 특정 각도에 대해 휨 변형이 일어나는 상황을 보여줍니다 (b)
- 유한요소법, finite element method를 사용하여 여러 외부 힘으로 부터 발생하는 스트레스에 대해 시뮬레이션 한 결과입니다. 20kPa가 제시된 이유는, 스트레스(stress)에 대한 피부의 민감도를 파악하는 기준이 되기 때문입니다.
측정 결과
센서를 만들었으면, 기존의 제품 혹은 방법과 항상 비교하여 유효성을 검증해봐야 합니다.
- 우선 7명의 건강한 자원자들을 대상으로 심전도와 심박수가 잘 측정되는지 비교해봅시다.
논문의 그림 figure 3.
- 처음 그림(a)는 심전도(ECG)와 심박수를 측정하고 비교합니다.생각보다 잘 측정됩니다.
- b,c,d에 해당하는 그림은 심박수를 Polar H7 과 비교하여 어느정도 매칭되는지를 살펴봅니다. c의 경우 직선에 잘 매칭될수록 좋다고 판단되고, d는 가운데선을 기준으로 위, 아래 선 사이에 들어가면 좋은 것입니다. (아주 간단하게 해석하면 그렇습니다.)
- 4명의 심방세동, atrial fibrillation 환자를 대상으로 24시간 모니터링 한 결과
논문의 figure 4.
- 그림 a에서는 이번에 만든 센서 (Wisp, 파란색)와 홀터모니터링(빨간색)의 심박수를 비교합니다. 스케일이 1시간단위이므로 매우 압축적으로 그려져 있음에 유의해야합니다
- 그림b와 c에서는 앞선 그림 a의 이벤트들 (초록색 b,c,로 표시)에 대한 구체적인 이벤트를 묘사합니다. (홀터모니터링의 그래프)
- 그림 b에서 심박수가 120bpm 정도에서 50bp정도로 뚝 떨어집니다.
- 그림 c에서는 심장 박동이 이상해졌음이 보입니다. (예를 들어 빨간색으로 표시된 부분의 QRS 너비와 이후 반응을 보세요)
이러한 센서는 결국 환자들이 사용하므로 편의성을 생각해봐야 합니다. 사용자 평가가 필요합니다.
논문의 figure 6.
일상생활을 할 때(왼쪽), 잠잘 때 (오른쪽) 모두 홀터모니터링에 비해, WiSP센서가 편하다고 응답을 하고 있네요. (초록색은 매우 편하다, 노란색은 중간 정도, 빨간색은 불편하다 를 나타냅니다.)
논문의 연구 과정
- 센서 제작 (여러 상황에 대한 시뮬레이션 포함)
- 건강한 자원자 대상으로 심전도와 심박수 측정 유효성 평가
2.1. 기존 장비와 심전도 및 심박수 측정 비교 - 환자를 대상으로 하는 임상 적용 시험
3.1. 홀터 모니터링과 비교
3.2. 사후 평가
결론
상당히 쓸만한 센서입니다.
실제로 센서를 만들어서 건강한 사람과 환자에게 적용시키고 효용을 보여주고 있습니다. 특히 스마트폰과 연결 가능하고 실제 환경에서 불편하지 않게 모니터링을 할 수 있다는 점은 상당한 장점입니다.
사용자가 불편함을 느끼게 되면 아무래도 사용하지 않을 것이기 때문에, 이러한 부분은 환자의 순응도(compliance)를 향상시키는데에 무척 중요합니다.
아쉬운점
- 24시간 홀터모니터링 결과와 비교하는 부분에서, 실제 WiSP는 어떻게 측정되었는지를 보여주면 좋았을 것입니다.
- WiSP 센서를 이용한 이벤트 발견에서 정확도가 어떻게 되는지, 민감도 특이도는 어떻게 되는지를 알려줬으면 더 좋았을 것 같습니다.
확실히 저렇게 큰 센서를 가지고 붙이고 다니면 불편하다못해 사람들의 시선이 신경쓰일 것 같은데 작게 만들어진다면 좋을 것 같습니다.
맞습니다. 인체에 부착하는 모든 것들은 사실 소형화되고 간편해야 불편함도 없고 시선에서도 자유로울 것입니다. 작고 가벼운 것은 결국 혁신의 시작이 아닐까 싶습니다. 방문 및 댓글 감사드립니다. :)
좋은 글 감사합니다^^
들러주셔서 감사합니다. 의공학 (중에서도 저에게 좀 더 친숙한 분야들)의 전반적인 부분을 훑는 수준으로 목표를 잡고 있어, 아직은 논문들의 개괄과 살펴보아야할 점을 짚어주고 설명하는 선에서 그치고 있지만, 작업이 어느 정도 마무리 되면 분석이나 고찰을 좀 더 깊게 들어가고 싶은 욕심이 있습니다. 행복한 하루 되시길 바랍니다. :)
음~ 글이 너무 재미있네요. 특히 이 분야는 기계공에서도 활발하게 연구하는 주제(피직스 디바이스)라 많은 강의들이 학부과정에서도 개설되어있어요. 너무 재미있게 잘 읽었습니다. 글의 형식이 논문형식(OR 실험보고서)과 비슷해서 흐름이 술술 읽히네요 다음 글 또 기대하겠숩니닷. 즐거운 하루되세요~
기계공학은 위대합니다. 그 것은 새롭고 세상에 도움이 되는 물건을 만들어내어 보스몹을 잡... 아니 세상을 긍정적으로 변화시키는 데에 직접적으로 일조한다고 생각합니다. 개인적으로는 생체모방학,Biomimetics이 볼 때마다 신선합니다.
제가 지식을 문장으로 잘 엮어내는 재주가 없다보니, 섹션별로 나누어서 (의학, 혹은 의공학의 관점에서) 약간의 주석을 달며 전개하는 것이 편한 것 같습니다. 댓글 감사합니다. 행복한 하루 되시길 바랍니다 :)
불편함과 불만, 게으름에서 발전이 시작되는 것은 아닌가 가끔 생각합니다^^
저도 선생님의 말씀에 동의합니다. 결국 혁신과 발전은 가려운데를 긁어주는 것에서 부터 시작되는 것 같습니다. :)
몸이 아픈 환자이기에 작은것도 예민할 수
있지요. 하지만 이렇게 편리성과 가격성에서 강점이
있는 제품이라면 경쟁력이 있어 보입니다.
말씀처럼 상품이 경쟁력을 갖추고 있다면 그 다음은
마켓팅이 관건이겠네요. 방문하고 갑니다~^_^
이러한 단계는 공학이 가지고 있는 목표 중 하나라 생각합니다. 과학이 아직 잘 밝혀지지 않은 원리를 탐구한다면, 공학은 세상을 직접적으로 변화시키고 싶어 하는듯 합니다. 마켓팅은 결국 이러한 시장을 생성하고 효율적으로 바꾸기 위한 전략일 것 같습니다. 의공학은 의학과 협력하여 실제 사람들 - 환자들에게 도움이 되고 건강을 증진시키는 목표를 가질 것 같습니다. 댓글 및 방문 감사드립니다. :)
안녕하세요? 주로 어떤 환자분들이 홀터 모니터링 기계를 필요로 하나요? ECG 를 계속 모니터링을 필요로 하는 환자분들이 어떤 분들인지, 그리고 ECG 를 환자가 모니터링 하고 그 상태를 판단할 수 있는건가요?? 궁금해서 여쭤봅니다!
심전도(ECG 혹은 EKG)를 24시간 측정을 하는 이유는, 보통 이벤트성 (평소에는 괜찮다가 갑자기 나타나는) 질환을 감별하기 위해서 그렇습니다. 대체로 부정맥을 가지고 있는 환자들이 많이 합니다. 기록은 기계가 하지만 사후 판단은 의사선생님들이 기록된 심전도를 바탕으로 하십니다. 이 논문의 의의 중 하나는, 이러한 과정에서 기계가 가벼우면 어떨까? 그리고 스마트폰 등과 연결하여 실시간으로 판단할 수 있으면 어떨까? 하는 질문에 해법의 방향을 제시한다는 데에 의의가 있습니다 :)
친절한 답변 감사합니다^^