건강 응용 분야를 위한 센서 기술

건강 상태를 확인할 때는 신체의 가장 기본적인 기능을 모니터링하고 측정하는 방식이 가장 중요합니다. 계측이 도입되기 전에는 시각적인 지표를 사용해서 적절한 체온과 맥박, 호흡수 등을 파악했습니다.

현재와 같은 고령화 사회에서는 더 많은 사람에게 휴대용 건강 모니터링이 필요하며, 여기에는 정기적으로 약물을 투여하거나, 심장을 자극하거나, 혈당 수치를 측정해서 인슐린을 주입하는 등의 장치가 사용될 수 있습니다. 이 기사에서는 설계 엔지니어들이 곧 사용할 수 있게 될 접촉 및 비접촉, 피부 표면, 피하 또는 내부 방식의 의료 및 건강 센서 기술을 살펴봅니다. 여기에 언급되는 모든 부품, 도구 및 데이터는 DigiKey 웹 사이트에서 확인할 수 있습니다.

단순한 시작

가장 단순한 센서 형태는 서로 다른 두 물질이 서로 접촉하는 기본적인 방식부터 시작하는 트랜스듀서입니다. 실제 센서 소자는 개별적으로 장착하는 소형 부품일 수도 있고, 프로브나 전극 조립품의 일부로 포함될 수도 있습니다. 머리카락처럼 가는 와이어일 수도 있고, 실제로 전압을 자체 생성할 수도 있습니다. 열전대는 서로 다른 종류의 금속으로 온도에 따라 전압을 생성하는 전압 생성 센서의 예입니다. 예를 들어, 접지되지 않은 Omron E52-CA15AYD32 4M과 같은 부품은 피부나 고정된 틈에 장착할 수 있는 3.2mm 보호 튜브가 장착된 K형 소자로 온도를 측정합니다.

충격이나 진동에 노출된 경우에는 압전 효과를 사용하여 초소형 내장 센서에서 에너지를 생성할 수 있습니다. 작은 비침입형 골격 센서를 통해 축구 선수가 과도한 신체적 외상을 입은 것을 실시간으로 파악하고 더 심각한 부상을 방지할 수 있습니다. 압전 센서가 소형화되면 섬유, 붕대, 의복에 통합할 수도 있게 됩니다. TE Connectivity 2-1004347-0과 같은 시트 센서는 유연하며 접거나 특정한 상태로 자를 수도 있습니다(그림 1). 예를 들어, 구두에 삽입하면 아래로 디디는 걸음에 너무 많은 하중이 걸리는지 확인하고 척추나 관절의 문제를 진단하는 데 활용할 수 있습니다.

트랜스듀서는 실제 조건을 파악하는 데 유용하지만 보정, 선형화, 드리프트 및 온도 효과의 보정이 필요합니다. 그런 이유 때문에 트랜스듀서는 시스템 수준의 소형 스마트 전자 부품과 통합할 경우에 자급형 모니터링 및 보고 시스템에 적합하게 됩니다.

웨어러블 장치를 통해 건강 상태 확인

연구자와 제조업체는 현재 대중을 위한 웨어러블 의료 및 건강 기기에 주목하고 있습니다. 활발한 프로젝트가 이루어지고 있는 곳 중 하나인 일리노이 대학에서는 에너지 소비, 심박 수와 변동폭, 낙하, 피부 온도, EEG/EKG 신호를 측정할 수 있는 차세대 장치를 개발하고 있습니다(그림 2). 일회용 패치처럼 착용할 수 있는 이런 부착식 센서는 필요한 처리를 수행하거나 클라우드 또는 의료 모니터링 서비스로 데이터를 전송하는 허브나 라우터와 무선으로 통신할 수 있습니다. 로컬 스마트폰을 사용할 수도 있습니다.

그림 2: 부착형 센서는 세계 어디서나 착용자나 원격 의료 모니터링 서비스를 모니터링하도록 특별 설계된 자급형 측정 시스템입니다.

이는 트랜스듀서를 시스템 전자기기에 통합하여 침입이 매우 적으면서 작고 간편한 의료 기기를 만들 수 있는 한 가지 예에 불과합니다. 섬유에 센서를 짜 넣는 것은 생리적 조건을 모니터링하는 방법으로 사용할 수 있으며 수술을 하거나 의료기구함을 들고 다닐 필요가 없습니다. 그런 기술 중 하나는 섬유에 하중 센서를 넣어 걸음 수, 속도, 칼로리, 거리를 추적할 수 있게 만든 스마트 양말입니다. 하지만 이것이 전부가 아닙니다. 이러한 양말로 고도를 감지해서 사용 가능한 산소 밀도에 맞게 산소 수준을 조정할 수 있습니다.

스마트 양말의 다른 이점으로는 발의 딛는 힘을 모니터링하고 측정하는 기능입니다. 걷거나 착지할 때의 무게 배분으로 인해 뼈와 관절, 척추를 통해 힘과 충격, 하중이 전달될 수 있습니다. 만성적인 척추 문제는 걷는 방식과 직접적인 연관이 있으며 적절한 감지 및 정량화 기술만 있으면 쉽고 빠르게 교정할 수 있습니다. 상황이 악화될 경우에는 스마트폰을 통해 실시간으로 경고할 수도 있습니다(그림 3).

그림 3: 섬유에 내장형 센서를 넣은 스마트 양말은 스마트폰에 실시간으로 데이터를 보내어 만성적인 척추 및 관절 문제가 있는 사람들이 상황을 악화시키는 경우에 걷는 패턴을 바꾸도록 알릴 수 있습니다.

입에서 생성되는 바이트 정보

사람들이 수십 년 동안 꿈꿔 온 기발한 설계에는 치아에 이식하는 전자 장치가 있습니다. 최근, 타이베이 대학의 연구자들은 실제로 흡연, 음주, 기침, 말, 호흡 정지 등으로 트리거되어 데이터를 모니터링, 기록, 전송할 수 있는 치아 내 스마트 센서를 만들었습니다. 최대 94%의 정확도를 보인다고 알려진 이 치아 이식형 기기는 Bluetooth를 사용하여 통신하며 충전재 안에 설치할 수 있습니다(그림 4).

그림 4: 치아 내 센서는 화학 물질과 물리적 활동을 감지할 수 있으며 흡연, 물 마시기 또는 호흡 정지가 발생했을 때 수신자에게 알릴 수 있습니다.

치아는 앞서 언급한 압전 기술 등의 에너지 수확 기술로 센서에 전력을 공급하므로 충분한 힘과 압력이 생성된다는 점이 특별합니다. 신체 접촉형 센서와 체내 센서는 일리노이 대학의 연구자들이 주목하는 또 다른 분야입니다. 이 사람들은 심장 박동에서 에너지를 얻어 저장하는 기계적인 에너지 수확 기술을 만들었습니다(그림 5). 바이오플라스틱 기판에 센서와 에너지 조절 회로를 넣어 근육 에너지 출력을 측정하거나 운동선수가 워밍업을 마친 경우와 과로한 경우를 감지할 수 있게 했습니다. 수확기를 굽혔다 펴는 것만으로도 3.8V 배터리를 충전할 수 있음을 이미 선보인 바 있습니다.

페이스메이커의 도움이 필요한 사람에게 에너지 수확은 거대한 영향을 미칩니다. 일정 기간마다 흉부를 열고 수술을 통해 배터리를 교체하는 대신, 이식된 조정 기구에서 지속적으로 자체 충전을 이용할 수 있습니다.

그림 5: 이런 에너지 수확 패치를 심장이나 폐에 넣고 물리적인 움직임에서 생성되는 에너지를 사용하여 신체에 부착되어 있거나 체내에 있는 다른 센서와 전자 기기를 충전하며 전력을 공급할 수 있습니다.

지금은 어느 때보다도 많은 기기 이식 기술이 일상에 자리를 잡고 있습니다. 한 가지 예는 영국에서 개발한 Digital Health Assistant(디지털 건강 도우미)입니다. 이 이식형 센서는 움직임, 습관, 식생활, 심박수, 기분 및 기타 대사 기능의 변화를 인식하여 사람의 '불편'을 감지하는 데 사용됩니다.

특히 주목할 부분은 기분 감지입니다. 이 기술 덕분에 생물학적 우울증의 영역에 새로운(최소한 센서 면에서는) 기술적 해법을 제공할 가능성이 열렸습니다. 필요할 때 항우울증 약물을 투여하는 감지기가 등장할 날도 멀지 않았습니다.

비슷한 맥락에서 센서 기술에 '성역은 없다'는 말은 새로운 의미를 갖게 됩니다. 사용자 간의 접촉을 전송할 수 있는 Tactilu¹ 팔찌와 같은 장치로 어느 곳에서나 친밀도를 모니터링할 수도 있습니다. 활기 넘치는 젊은이들에게 디지털 정조대가 이식된다고 상상해 보십시오.

결론

의학에 대한 이해로 인해 건강에 영향을 미치는 내부 작용에 대한 프로빙과 모니터링의 침해성이 더욱 심해질 수 있습니다. 의사들이 특정한 대사 표지를 대상으로 하는 센서를 추가하는 방법을 찾을수록 이러한 동향이 강해질 것입니다. 신체 접촉형으로 또는 체내에서 사용되는 새롭고 똑똑한 센서가 도입되면 더 많은 사람이 센서를 통해 건강을 모니터링하면서 걷고, 말하고, 먹고, 자게 될 것입니다. 우리는 세계적으로 연결된 네트워크의 무선 데이터 노드가 되고 있습니다. 아무도 우리를 해킹하지 못하기를 바라야 하겠지요.

이 기사에서 설명한 부품에 대한 자세한 내용을 보려면 제공된 링크를 사용하여 DigiKey 웹 사이트의 제품 페이지를 방문하세요.

참고 자료

1. Tactilu