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Start Up Innovation / Science
HDD 기술, 심장의 움직임 가시화
TDK∙도쿄의료치과대학, 감도 1,000배의 미세한 자기장 포착

TDK와 도쿄의과치과대학은 고감도 자기 센서를 이용해 심장의 움직임을 실시간으로 가시화 할 수 있는 측정 시스템을 개발했다. HDD(하드 디스크 구동장치)의 자기헤드(Magnetic Head) 기술을 전용해 생체에서 나오는 미약한 자기장을 판독할 수 있게 했다. 협심증 등의 심장질환을 가지고 있는 환자를 대상으로 한 임상시험을 시작했으며 효과를 검증해 실용화를 목표로 하고 있다.

심장 주위에 전류가 흘러 발생되는 자기장을 자기 센서로 측정해 그 움직임을 파악하는 것을 ‘심자계(心磁計)라고 한다. 건강검진 등에서의 일반적인 ’심전계’는 흉부 등에 부착한 전극에서 전기 신호를 검출 및 증폭시켜 그 파형을 보고 ‘심전도’를 파악한다. 반면 TDK와 도쿄의과치과대학이 개발한 심자계는 심장의 부위나 전류의 흐름을 추정할 수 있어 치료 및 검사의 폭을 넓히는 기술로서 주목을 받고 있다.

TDK와 도쿄의과치과대학은 심자계에 HDD로 데이터를 판독하는 자기 헤드에 사용되는 ‘자기저항(MR)소자’를 응용했다. 자기 센서 자체는 가늘고 긴 케이블 형태로 되어 있으며 자기장을 고감도로 측정할 수 있다.

-- 미지의 정보 기대 --
TDK는 HDD의 대용량화, 기록 밀도의 향상에 발맞춰 지금까지 최첨단 자기 헤드를 개발해 왔다. 그런데도 감도는 10 나노테슬라 정도가 한계였다. 뿐만 아니라 생체에서 발생하는 자기장을 측정하는 자기장 센서는 약 1,000분의 1 피코(피코는 1조(兆)분의 1)테슬라 단위의 수준까지 노이즈를 저감시킬 필요가 있었다.

공동 연구팀은 미약한 자기장을 놓치지 않기 위해 외부 환경으로부터의 노이즈를 철저히 없애 심장에서 발생되는 수 십 피코테슬라까지 감도를 높였다.

자기장이 모이기 쉽도록 투자율(透磁率)이 높은 재료를 센서 전후에 도입. 소프트웨어로 노이즈를 저감시켜 특정의 주파수를 통과하는 필터를 활용해 심장으로부터의 자기장을 실시간으로 측정할 수 있도록 했다.

계측 시스템에 탑재한 센서의 조정에서는 가네자와(金沢)공업대학의 기술 협력을 얻었다. 자기장 센서를 시스템에 늘어놓고 조사한 결과, 센서마다 감도가 조금씩 차이가 있었으나 일정하게 보정하도록 개량했다. 지금까지는 수 회분의 계측 평균으로부터 결과를 산출해왔지만, 계측 데이터를 그대로 사용할 수 있게 되었다.

측정 시스템의 시작품은 앞면과 좌측면에 약 100개의 자기장 센서를 놓고 피험자는 착의한 상태로 몸을 장치 본체에 가까이 대기만 하면 측정이 가능하다. 심전도와 거의 동일한 3~5분 정도의 짧은 시간이 소요된다.

엑스레이 사진과 함께 사용함으로써 심장의 올바른 위치와 자기장의 분포를 겹치게 해서 가시화한 이미지를 얻을 수 있다. 심전도만으로는 알 수 없었던 심장에 관한 많은 정보를 확보할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 심자계의 개발에 참여한 도쿄의과치과대학원의 가와바타(川端) 특임교수는 “심장은 아직 우리가 모르는 부분이 많다. 자기장 센서를 이용한다면 인체에 부담을 주지 않고 새로운 정보를 알 수 있게 될 것이다”라고 자신감을 보였다.

공동 연구팀은 4월부터 심자계를 이용한 임상시험을 시작했다. 반년에서 1년 간 100~200명의 실험대상자의 심장을 측정해 유효성을 조사할 예정이다. “심전도를 대신해 의료 현장에서 이용되는 것을 목표로 한다”(가와바타 특임교수). 자기장 센서에 대해서도 4월부터 의료기기 제조업체용으로 샘플을 출하하고 있다.

-- 도입 비용 낮춰 --
공동 연구팀은 MR소자 자체의 특성을 높여 정밀도를 더욱 향상시켜나갈 계획이다. 소자는 반도체와 같은 프로세스로 제조된다. 노이즈의 원인이 되는 이유를 하나씩 검증해 더 나은 개량으로 이어나갈 방침이다.

심전계에는 현재, ‘초전도양자간섭소자(Superconducting Quantum Interference Device, SQUID)’라고 불리는 고감도 자기 센서가 있다. 초전도 재료가 사용되기 때문에 냉각을 위한 액체 헬륨이 필요하다. 감도가 높아 노이즈 차단을 위한 자기실드룸(Magnetic Shield Room)을 설치하지 않으면 안되기 때문에 장치의 규모가 커진다. 액체 헬륨에만 연간 1,500만엔의 비용이 들기 때문에 보급에 걸림돌이 되고 있다.

MR소자 자기센서 장치 가격은 아직 미정이지만, 측정 비용만으로도 SQUID에 비해 5분의 1로 낮아질 전망이다. 장치 자체는 상온에서 이용할 수 있어 소형화를 통해 웨어러블 단말기, 헬스케어 기기 등, 응용 범위가 확대될 것으로 연구팀은 보고 있다. 심자계의 도입 장벽을 낮춰 지금까지 알 수 없었던 신체 데이터를 규명할 가능성이 있다.

이제 막 실용화의 길이 보이기 시작한 측정시스템이지만, 심자계보다 더욱 미세한 뇌의 활동을 측정할 수 있는 ‘뇌자계’로서의 활용도 기대되고 있다. 공동 연구팀은 간질 치료, 난치병의 원인 규명 등을 지원하는 것을 다음 타깃으로 삼고 있다. 뇌자계에는 수 펨토(Femto, 펨토는 1,000조분의 1)테슬라의 노이즈 레벨 자기 센서가 요구되고 있어 TDK는 이미 개발에 착수하고 있다. 개발에 한계를 두지 않고 기술력을 향상시켜 비즈니스의 영역을 확대해나갈 계획이다.

 -- 끝 --