[BME, MAE, ME, Journal] 심전도(ECG) 모니터링을 위한, 잘 휘어지고 착용 및 탈착이 가능한 일회용 ...

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.