전기전자/정보통신

Nikkei Electronics_2021.12 Emerging Tech (p80~84)

HDD 헤드 기술로 체내를 '투시’
심전도가 아닌 '심자도(心磁圖) 실현 

하드디스크드라이브(HDD) 헤드(Head) 기술이 살아 숨쉬는 새로운 시장이 등장했다. 바로 생체 신호를 관측하는 의학·의료 분야이다. 자기계측(磁氣計測)을 사용하는 방법은 심전도 및 뇌파계 등 전위를 계측하는 방법보다 해상도가 높으며 심부(深部)까지도 계측이 가능하다. 정자장(靜磁場)에 있어서 사람의 몸은 ‘투명’하기 때문이다. 심장의 관찰 용도로는 실용화도 머지않았다. 자기계측은 간편하고 정밀하게 체내를 관찰하는 수단으로서 향후 보급될 가능성이 크다.

낸드플래시(NAND Flash) 메모리를 이용한 SSD(Solid State Drive)의 보급으로 대용량 기억장치의 주역 자리에서 밀려나고 있는 HDD 판독 헤드 기술이 의학 및 의료 분야라는 새로운 시장을 발견했다. 지금까지 주로 전기, 구체적으로는 몸 표면의 전위차를 측정하던 심전도 및 뇌파계가 이 판독 자기 헤드의 기술(GMR:Giant Magneto Resisance 및 TMR: Tunnel Magneto Resistance)을 사용하는 심자도나 뇌자계로 대체되어, 보다 상세한 생체 정보를 알 수 있게 될 전망이다. 지금까지 약 10년간에 걸친 개발 끝에, 드디어 실용화의 가능성을 보이게 된 것이다. 2022년 6월에는 TDK가 의료 전용의 ‘MR 센서’를 양산할 계획이라고 한다(TDK).

-- 전기로는 많은 정보가 소실 --
생체 정보를 파악하는데 있어서, 심전도로 대표되는 전위차계측과 자기계측은 어떤 차이가 있을까? 한마디로 말하면, 자기계측은 진단하고 싶은 장기나 생체 조직의 정보를 주변 체조직에 거의 방해를 받지 않고 직접 판독할 수 있다는 점이다.

심장을 포함한 근육은 세포에 강한 분극이 발생되어, 그로 인해 칼슘 이온이나 나트륨 이온이 흐르게 되어 근수축이 일어난다. 심전도의 경우, 그 분극의 변화나 전류를 신체 표면에서 전위차로 파악하여 심장의 움직임을 진단한다.

심전도의 역사는 오래되었으며 충분한 실적이 있지만, 그렇다고 심장의 모든 정보를 계측할 수 있는 것은 아니다. 심장과 몸 표면 사이에는 여러 가지 체조직이 있어, 그것이 신호 전달에 큰 걸림돌이 되기 때문이다. 전위차의 변화가 있을 경우 전파도 생기는 것이지만, 두꺼운 체조직에 거의 흡수되어 버린다. 몸 표면에서 전위차는 측정할 수 있어도, 그 신호가 심장의 어느 부분에서 발생되었는지, 또는 분극이나 전류의 방향 등의 정보는 소실된다. 심전도 계측 시, 많은 전극을 몸에 부착하더라도 반복된 수신 신호로 인해 S/N(신호대 잡음비, Signal to Noise)이 높아져 심장 속의 신호원에 대한 공간 분포 등을 파악할 수 없다.

-- 몸은 정자계에 있어서 투명 --
한편, 물이나 생체 조직의 투자율(透磁率)은 1이다. 즉, 정자계에 있어서 생체는 거의 투명하다. 근육에 전류가 흐르면 그 주위에 자기장이 생긴다. 고감도 자기 센서가 있다면, 몸 밖에서도 그것을 도중의 체조직에 거의 방해를 받지 않고 직접 계측할 수 있다. 복수의 센서를 사용할 경우, 신호의 강도뿐 아니라 자력선의 방향, 즉 전류 방향과 같은 벡터치(値)도 알 수 있어 한층 더 신호원의 공간적 분포를 알 수 있다. 1차원의 스칼라(Scalar)값밖에 얻지 못했던 심전도에 비해, 심자도에서는 훨씬 더 많은 정보량을 얻을 수 있는 가능성이 있다.

심자도의 등장에 가장 기대를 모으고 있는 계측 대상 중 하나가 바로 임신 중인 여성의 자궁 내에 있는 태아의 심장 움직임이다. 태아는 양수라는 전해액 속에 떠 있다. 뿐만 아니라, 그 겉 표면은 ‘태지’라는 거의 절연체인 지질막으로 둘러싸여 있다. 이 때문에 태아의 심장 움직임을 임산부 몸 표면의 전극으로 판독하기란 어려웠다. 임산부 검진에서 주로 에코(초음파 계측)가 이용되고 있는 것은 심전도를 사용할 수 없는 것이 이유 중 하나이다. 한편, 심자도의 경우, 태아의 심장도 측정이 가능하다고 보여진다.

이러한 메리트가 있음에도 불구하고, 심자도 계측이 보급되어 있지 않은 것은 근육 등에서 나오는 자기장이 매우 약한 반면, 지자기(地磁氣)나 외부 세계의 잡음원이 매우 강해, 높은 S/N의 센싱을 저비용으로 실현하기가 어려웠기 때문이다.

구체적으로, 심장에서 나오는 자기장의 세기는 수 백p테슬라(T), 뇌에서 나오는 자기장은 1 pT 내외이다. 그런 반면, 지자기는 45 µT로, 실제로는 10만~수천 만 배나 차이가 나는 셈이다. 대낮의 푸른 하늘에서 밤에만 보이는 가장 어두운 별(6등성)을 찾는 것과 비슷하거나 더 어렵다고 할 수 있다.

지금까지 심자도 또는 뇌 속의 자기장을 측정하는 뇌자도용 자기 센서의 유일한 후보는 매우 고감도인 SQUID(초전도 양자간섭장치)였다. 실제로 연구기관 차원에서는 SQUID 기반의 뇌자계 등도 개발되어 이용되어 왔다.

그러나 SQUID는 다이내믹 레인지가 매우 좁아서, 비록 정적인 지자기라 할지라도 센서의 출력이 포화상태가 되어 미소(微小) 신호를 검지할 수 없게 된다. 이 때문에 자기 실드룸이 필요하지만 SQUID 자체까지 합쳐지면 억엔 단위의 비용이 든다는 점, 그리고 이용할 때마다 센서를 극저온으로 냉각해야 한다는 점 등의 이유로 일반 병원이나 진료소에서의 이용은 거의 불가능했다.

-- 10년 전부터 TMR로 응용 연구 --
최근에는 SQUID 이외의 자기 센서도 여러 종류가 개발되고 있지만, 대부분은 다이나믹 레인지와 감도가 트레이드 오프(trade-off)의 관계에 있다. 그러한 가운데 도호쿠(東北)대 대학원 공학연구과 응용물리학 전공 교수인 안도(安藤) 씨의 연구팀이 개발한 TMR 센서, 그리고 TDK가 개발한 GMR 기반의 MR 센서가 최근 몇 년 사이에 이와 같은 트레이드 오프로부터 벗어나게 되었다. 안도연구실과 TDK는 각각 몇몇 대학 및 기업과의 공동 연구를 통해 이와 같은 자기 센서의 응용 개발을 추진해 오고 있다.

GMR의 발견은 1988년, TMR은 1995년이지만 의료 용도용 연구개발이 시작된 것은 약 10년 전이다. 기술의 발견 당시에는 아직 감도 등 성능이 낮았으나, “HDD나 메모리의 고성능화에 열중하여, 의료용으로 사용한다는 발상은 하지 못했다(안도 씨). 그러나, 안도연구실에서 2009년에 전기 저항치의 변화율인 MR비율로 1056%를 실현하는 등 고감도화가 일단락되었을 무렵, 같은 도호쿠대학의 의학계 연구과 교수로, 간질 등의 연구를 하고 있던 나카자토(中里) 씨와의 만남을 계기로 의료 연구개발이 시작되었다고 한다.

-- 심자도의 실용화에 전망이 섰다 --
안도연구실과 TDK의 두 센서 모두, 발생하는 자기 신호가 비교적 강한 심장의 계측에는 비교적 이른 시기부터 전망이 서 있었으며, 심자도계를 상정한 자기 센서 어레이도 시작(試作)을 완료한 상태이다. 다이내믹 레인지가 매우 넓기 때문에, 지자기가 존재하는 속에서도 출력이 포화 상태가 되지 않고, 휘트스톤 브리지 회로 등의 회로 상의 연구 및 주파수 필터 등의 신호 처리를 통해 원하는 생체 자기 신호를 도출해 낼 수 있다. 2017년에는 안도연구실이, 2019년에는 TDK가 센서 어레이로 심장의 움직임을 실시간 계측하는 데 성공했다. 심전도와는 달리, 전극을 피부에 직접 붙일 필요 없이 얇은 옷을 통해서도 측정할 수 있기 때문에 일상생활을 하면서 측정해도 환자의 부담은 크지 않다. “심자도계의 제품화도 시야에 들어왔다”(안도 씨).

-- 잡음 저감으로 뇌자 계측이 가능하게 --
현재 안도연구실이 추진하고 있는 것은 심장에서 발생하는 자기(磁氣) 신호의 1/100 이하와 약한 뇌의 생체 자기장(뇌자)을 TMR센서로 계측하는 것이다. 안도연구실의 TMR센서는 이전부터 MR비율이 200% 등으로 높아, 자기 센서로서의 잠재력이 높았다. 다만, 1/f 흔들림이라고 하는 불명확한 원인의 저주파 잡음을 저감시키는 것에 애를 먹고 있었다.

그럼에도, 최근 2~3년 정도에 이 1/f변동을 큰 폭으로 억제하는 기술 개발이 진행되어, 실용 상의 감도가 급격하게 높아지고 있다. 2020년 12월에는 4.7pt/√ Hz의 감도를 달성. 또한 최근에는 “100Hz로 0.1pt(100fT)의 감도를 실현할 수 있게 되었다. 이것이라면, SQUID의 대체도 가능하다”(안도 씨)라고 한다.

-- 고해상도화에서도 SQUID를 이긴다 --
센서를 다수 사용해 신호원의 공간 분포를 알기 위한 목적에 있어서는 원래 TMR 센서가 SQUID보다 우수하다. SQUID는 센서를 극저온으로 식혀 놓아야 하기 때문에 듀어로 불리는 보온병 구조의 진공 단열용기 안에 센서를 넣기 위해서는 두피와 센서와의 거리가 최소 1~2cm 떨어져 버린다. 게다가, 1개의 센서가 면적 1 cm각 정도로 비교적 커서, 해상도 향상에는 한계가 있었다. TMR 센서라면, 상온에서 이용할 수 있어 수 mm 피치로 두피 근처에 다수를 배치할 수 있다.

머지않은 미래에, 지금까지 연구기관 레벨로밖에 사용할 수 없었던 뇌자계가 많은 병원에도 보급되어, 간질이나 뇌경색의 진단에 유용하게 쓰일 수 있게 될 전망이다. “TMR 센서는 아직 성능이 향상될 여지가 크다”(안도 씨)라는 이유로, 앞으로는 체내의 자기(磁氣)를 통한 진단도 내다보고 있다.

-- 트레이서로 병소(病巢)를 직접 탐지 --
한편, TDK는 요코하마국립대학과 연대해, 안도연구실과는 약간 다른 접근방식으로 MR센서의 의료용 용도의 폭을 넓히려 하고 있다. 트레이서(Tracer·체내 관찰에 이용하는 방사성 물질) 타입의 진단 기술로의 응용이다.

트레이서란 암 등의 병소에 선택적으로 결합해, 그 병소를 발견하기 쉽게 하는 조영제의 일종을 가리킨다. 이번에는 MRI의 간 진단용 조영제로 사용되고 있는 산화철의 미립자에 특정 항체를 결합한 것을 트레이서로 사용한다. 이를 암세포에 결합해 병소를 정점으로 발견할 수 있게 하는 것이 목표이다.

MRI와의 차이는 MRI는 어디까지나 물(H₂O) 중 수소원자의 밀도 분포를 알아내는 기술이며, 조영제는 화상의 콘트라스트를 높이는 효과밖에 없어, “화상 진단은 경험이 필요하다”(요코하마국립대학의 다케무라(竹村) 씨). 한편, TDK 등의 방법에서는 병소에 결합한 트레이서를 외부로부터의 교류자계로 진동시켜 거기에서 나오는 자화(磁化) 신호를 검출한다. 병소의 유무나 형상을 보다 직접적으로 알 수 있는 셈이다.

사실 이런 방법은 ‘자기(磁氣) 입자 이미징(MPI)’으로 불리며 MR센서를 사용하지 않아도 의학에서의 장기 진단이나 쥐와 같은 소형 동물 연구용으로 이미 실용화되고 있다. 그러나, 자화 신호의 검출 기술에 전자 유도의 원리를 사용하고 있었던 것으로, 인가하는 교류 자기장을 매우 강하게 만들 필요가 있어, 코일 등의 장치가 대형화되어 있었다. “인간의 진찰용이라면 한층 더 장치가 대형화되므로 현실적으로는 불가능했다”(다케무라 씨).

검출 기술에 MR센서를 사용함으로써 인가하는 자기장의 강도를 1/10로 줄일 수 있어, 장치를 큰 폭으로 소형화할 수 있다고 한다. 전자 유도에서는 제3차의 고조파를 검출하고 있었지만, MR센서에서는 제7차의 고조파를 검출함으로써 잡음 등도 크게 저감 할 수 있다고 한다. 도호쿠대학의 안도연구실과 마찬가지로 실드룸은 필요 없다.

도호쿠대학의 안도연구실이 고성능의 TMR 센서를 사용하는 반면, TDK가 ‘MR비(比)가 10%’라고 하는 GMR베이스의 MR센서를 사용하는 이유는 이러한 트레이서 타입의 진단에서는 높은 MR비는 반드시 필요한 것은 아니고, 게다가 “ESD(정전기 방전) 대책 상에서 GMR가 취급하기 쉬웠기 때문이다”(TDK)라고 한다. 다만, TDK도 잡음 저감 등의 연구는 거듭하고 있어, 현 시점에서 3pT/√Hz라고 하는 고감도를 실현했다고 한다. “TMR의 채택도 향후 검토해 나갈 예정이다”(TDK).

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