전기전자/정보통신

Electronics 실장학회지_2017.03. 특집요약 (p113~116)

마이크로∙나노 기술로 본 헬스케어 디바이스의 전망
웨어러블 디바이스와 체표(體表)와의 인터페이스를 중심으로
(Future Outlook of Healthcare Devices from a Standpoint of Micro-Nano Technologies)
Yoichi HAGA 외 2인 / 도호쿠대학 대학원 의공학연구과

1. 머리말
1.1 헬스케어 디바이스
헬스케어(건강관리)는 일반적으로는 건강의 유지∙증진이 목적이지만, 치료 후 또는 만성 질환과 싸우면서 일상생활을 영위하는 사람에 대한 적용 목적도 있다. 또한 예방 의학 측면이나 운동을 계속적으로 지원하는 측면도 있다. 헬스케어 디바이스는 다양하게 있지만, 체중계나 가정혈압계와 같이 일시적으로 사용하여 계측하는 방법과, 신체에 장착하여 일상생활에서 단속적(斷續的), 경시적(經時的)으로 계측을 하는 웨어러블 헬스케어 디바이스가 새롭게 개발되어 널리 사용되게 되었다. 그러나 실현되고 있는 측정 항목은 만보계나 활동량계와 같이 물리적인 양을 계측하거나 심전도, 심박계 등 전기생리계측이 대부분이다. 실용적인 측정항목에 대한 선택지가 적기 때문에 보급과 시장 확장에 어려움이 있다.

1.2 마이크로∙나노 기술
1.3 체표에 장착하는 헬스케어 디바이스의 과제

2. 피부의 조직 구조
구체적인 계측 수단에 들어가기 전에, 피부의 조직 구조와 기능에 대해 간단히 설명한다. 체표는 피부로 덮여 있으며, 그 조직 구조는 표면에서 두께 0.2mm 정도의 표피, 그 밑에 진피, 피하조직, 근육과 같은 층 구조로 이루어져 있다. 표피 중 가장 바깥 층에는 각질층이 있고, 진피에는 땀샘이 분포하고 있어 표피에 땀구멍을 열어 땀을 분출되게 된다. 땀 분출은 체온 조절을 위한 고열성 발한(發汗)과, 정신적 긴장에 의해 발생하는 정신성 발한이 있다. 진피층에는 모세혈관이 분포하여 혈액 중에 포함되는 저분자량의 생체 성분은 표피, 진피 및 피하조직 내로 확산되어, 몇 갠가의 생체 성분의 농도는 혈 중 농도와 상관된다. 피하조직에는 지방조직이 포함되어 있어 체온이 바깥으로 발산되는 것을 방지한다.

3. 표피에서 체외에 나타나는 변화를 계측하는 디바이스
3.1 실례와 현상(現狀)에 대한 과제
체내의 생리활동이 표피로부터 체외로 나타나 계측되는 예로서는 심전도, 근전도 등의 전위 변화와, 몸에 장치한 가속도 센서나 Gyro Sensor(각가속도(角加速度) 센서) 등의 관성력 센서로 근육의 활동에 따른 신체의 움직임을 계측하는 것이 있다. 그 외에 힘센서(Force Gauge)를 혈관 바로 위의 체표에 두고 피부 경유로 센서를 누르는 힘으로 계측하여 혈압(혈관내압)을 추정하는 Tonometry식 혈압 센서가 있다. 그러나 안정된 계측을 위한 주의 깊은 장착이 요구되며, 몸의 움직임에 따른 센서의 위치 변화 등의 영향이 있어 장시간에 걸친 안정된 계측은 어렵다.

신체의 깊은 곳의 온도는 체외 환경에 영향을 받지 않기 때문에 핵심 온도로서 임상상 유용하다. 그러나 체표에 둔 온도 센서를 이용하여 실용적으로 정밀하게 측정하는 것은, 발한(發汗)에 의한 방열, 피하 혈류에 따른 열의 출입, 지방층에 의한 방열 방지, 근육의 발열 등 복잡한 열 교환이 이루어지고 있기 때문에 어렵다.

3.2 땀을 이용한 계측

4. 체표에서 체내 변화를 계측하는 디바이스
체표에 창작한 디바이스를 통해 빛이나 소리 등의 에너지를 투입하여, 체내에서 일어나는 변화를 계측하는 수단이 있다. 빛을 이용한 계측으로서, 혈중 헤모글로빈에 의한 적외광의 흡광도가 산화 헤모글로빈과 환원 헤모글로빈이 서로 다르다는 사실을 이용한 산소포화도 계측이 널리 이루어지고 있으며, 웨어러블 디바이스도 여러 개가 시판되고 있다. 피하 모세혈관 중의 적혈구의 움직임을 Laser Doppler에 의해 검출함으로써 조직 혈류로서 계측할 수 있으며, 웨어러블 디바이스도 개발되고 있다.

가청역(可聽域)보다 높은 주파수의 초음파를 이용한 생체계측은 초음파 에코로서 체내 화상 진단에 널리 이용되고 있지만, 피부 위에 둔 초음파 소자에서 펄스파를 방출, 반사 에코의 지연 시간을 검출함으로써 특정 생체 조직의 변위량을 계측할 수 있으며, 웨어러블 디바이스로서 여러 개가 시도되고 있다.

5. 체표에서 영향을 제거하는 수단
5.1 체표에 있어서 각질과 땀의 영향
비교적 분자량이 작은 유산이나 글루코스는 혈액 중의 농도 변화에 따른 피하 조직액 중의 농도가 연동하여 변화하기 때문에, 채혈하지 않고 피하 조직 안의 계측 결과를 바탕으로 혈중 농도를 간접적으로 추정할 수 있다. 혈당 계측은 당뇨병 진단이나 당뇨병 관리에 도움이 되며, 유산 계측은 운동 트레이닝 때의 상승에서 최적인 운동 강도를 알 수 있어, 효율적인 트레이닝에 도움이 된다.

피내 혹은 피하 조직 속의 생체 성분을 광학적으로 계측하기 위해서는 피(被) 계측물질의 특정 파장에 있어서 흡광(吸光) 계측이 유효하다. 그러나 생체 성분 흡수가 피부로부터의 반사 강도에 미치는 수치는 작고, 외란 요인으로서의 땀, 각질 상태, 피내 및 피하 수분량, 단백질, 지질, 체온에 의한 변동에 숨어 버린다.

5.2 표피에 대한 관통공(貫通孔) 형성과 그 과제
5.3 Microneedle 유치(留置)

6. 맺음말
마이크로∙나노 기술을 사용하여 실현되는 헬스케어 디바이스에 대해, 특히 표피와의 관계에 주목하여 현재의 과제와 해결의 구체적 수단에 대해 논하였다. 미세가공기술이 제공할 수 있는 높은 신뢰성과 기능성은 앞으로의 웨어러블 헬스케어 기기 개발에 유효하며, 앞으로 다양한 헬스케어 기기의 실현이 기대된다.

이상에서 기술한 다양한 헬스케어 기기는 시간이나 장소의 제한 없이 생체 정보를 취득할 수 있다. 또한 소형경량으로 실현할 수 있는 무선통신 기술에 의해 휴대전화나 스마트폰 등을 경유하여 계측 결과와 본인의 식별 코드, 계측 시간, 그 때의 위치나 주위 환경 데이터를 부가하여 송신, 축적할 수 있게 된다. 데이터의 집적과 그 분석 및 유저에 대한 피드백 등으로 인해 보다 광범위하게 도움이 될 것이며, 앞으로 크게 발전할 것으로 기대된다.

  -- 끝 --