무전원·무선·웨어러블 이온성 액체 센서 어레이
창원대와 KAIST 연구팀이 거동이 불편한 환자의 욕창을 예방할 ‘이온성 액체 센서 어레이’를 개발했다.
5일 창원대에 따르면 창원대 기계공학부 스마트제조융합 전공 오용석 교수와 KAIST 기계공학부 박인규 교수 협업 연구팀은 ‘환자 피부의 압력과 온도 분포도를 연속적으로 측정하기 위한 무전원·무선·웨어러블 이온성 액체 센서 어레이’를 만들었다.
이번 연구는 산업통상자원부와 과학기술정보통신부 지원 한국산업기술평가관리원의 ‘시장선도를 위한 한국 주도형 K-Sensor 기술개발 사업’과 한국연구재단의 ‘창의도전연구 기반지원사업’의 지원을 받아 수행됐다.
오 교수에 따르면 환자 신체 뼈 돌출부 주변 천골, 발꿈치 등에 가해지는 지속적인 압력은 피부 조직에 산소와 영양소 공급을 방해하는 모세혈관의 순환장애를 유발하고 허혈성 조직괴사가 발생하게 된다.
욕창이라 부르는 피부나 하부조직의 손상은 피부 온도가 올라가면 더 나빠질 수 있으며, 동작이나 감각, 인지능력에 손상을 입은 환자에게 자주 발생한다.
욕창은 고령화 사회 진입, 만성질환 증가와 함께 발병률과 유병률이 높아지고 있다.
오 교수는 욕창이 발생하면 입원환자의 입원 기간 및 의료비 지출이 늘어나고 환자와 보호자에게 상당한 신체적, 정신적 고통을 유발하기 때문에 조기진단과 예방이 매우 중요하다고 강조했다.
환자의 욕창은 주로 미국 국립욕창자문위원회(NPIAP, National Pressure Injury Advisory Panel)가 제안하는 방법에 따라 주기적으로 누워있는 환자의 체위를 바꾸며 피부가 받는 압력을 분산시켜 예방한다고 설명했다.
오 교수는 스스로 거동이 힘든 고령자나 마비 환자 등은 의료진이 꾸준히 전신 체위를 변경해 욕창 관리를 해줘야 하지만, 인력이 부족해 현실적으로 어렵다고 지적했다.
환자의 전신 체위 변경은 환자, 의료진, 간병인의 근골격 부상으로도 이어질 수 있다고 했다.
연구팀은 이러한 제한점을 해결하고자 이온성 액체 센서 어레이를 개발해 욕창 위험군 환자에게 적용한 결과 시스템 효과와 안정성을 검증했다고 밝혔다.
개발된 이온성 액체 센서 어레이와 안테나와 통합된 침대 및 휠체어를 활용해 마비 환자의 뼈 돌출부 주위의 압력과 온도 분포도를 계속 살폈다.
연구팀은 취득된 데이터를 기반으로 피부와 매트리스 계면 사이에 메모리폼 또는 물 쿠션을 삽입해 최소 체위를 변경하는 방식으로 피부 압력과 온도를 분산하고 감소시킬 수 있었다고 했다.
연구를 통해 정량적인 압력과 온도 데이터 기반으로 욕창을 예방해 인력, 시간 등 비용 측면에서 효율적이고, 전신 체위 변경이 아닌 최소로 변경해 간병인과 환자의 근골격계 부상 등 2차 부상을 효과적으로 예방할 수 있다는 결론을 얻었다.
연구팀에 따르면 이온성 액체 센서는 탄성중합체 미세 유체 마이크로 채널 내부에 이온성 액체를 주입해 제작됐다.
센서는 가해진 압력에 따라 마이크로 채널 내부의 부피와 저항이 변화하는 원리를 기반으로 압력을 정확하게 측정한다.
연구팀은 전도성 액체 기반의 센서로서 높은 민감도(0.68 /kPa) 달성을 위해 마이크로 채널을 사전 압축하는 공정을 개발해 적용했다.
센서에 요구되는 적은 드리프트(drift)와 이력현상(hysteresis), 높은 선형성(linearity), 전단과 굽힘에 대한 둔감도 등을 포함하는 주요 특성도 갖췄다.
온도 변화에 전도도가 변화하는 이온성 액체의 특성도 고려해 온도 센서를 갖춰, 피부 온도 측정 및 온도 보정도 가능하게 설계됐다.
제작된 이온성 액체 센서는 500원 동전 크기로 직경 25㎜이며 센서 간 편차는 적고 균일하다.
송신 코일 안테나에 의해 형성된 전자기장은 센서의 수신 코일 안테나에 유도전류를 형성시키며, 생성된 전력을 기반으로 센서는 온도와 압력을 측정하고 칩에 데이터로 저장한다.
칩에 저장된 데이터는 근거리 무선통신(NFC; near-field communication) 프로토콜을 기반으로 송신 코일 안테나에 전달된다.
연구팀은 리더기와 멀티플렉서를 활용해 여러 개의 송신 코일 안테나를 침대 송신 안테나 2개와 휠체어 송신 안테나 4개에 결합해 통합 시스템을 구성했다.
통합 시스템은 이온성 액체 센서 어레이 구성과 함께 사용돼 마비 환자와 같은 욕창 위험군 환자들에 대한 임상 평가에 활용됐다.
연구팀은 뼈 돌출부 주위에서 압력과 온도 분포도를 연속적으로 확인하면서 메모리폼 혹은 물 쿠션을 활용한 최소 체위 변경을 기반으로 압력과 온도를 감소시킬 방침이다.
오 교수는 “연구에 참여한 의료진은 이 시스템을 활용해, 유의미한 정략적 압력과 온도 분포도를 취득할 수 있고 이를 효율적인 욕창 예방에 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 제1 저자 한현석 KAIST 기계공학과 박사과정 학생과 창원대 오용석 교수가 함께 진행했으며, KAIST 박인규 교수가 교신저자로 참여했다.
임상 연구는 부산대병원 이병주 재활의학과 교수, 김해한솔재활요양병원 이제상 과장과 민원기 실장의 지원으로 진행됐다.
연구 결과는 저명 국제 학술지 ‘스몰(Small, impact factor 15.153)’ 2023년 3월 온라인판에 게재됐다.
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논문명은 ‘Battery-Free, Wireless, Ionic Liquid Sensor Arrays to Monitor Pressure and Temperature of Patients in Bed and Wheelchair’이다.
영남취재본부 이세령 기자 ryeong@asiae.co.kr
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