스마트 센서, 현대 의료 혁신 주도

지난 75년간 센서는 의학 발전에 점점 더 중요한 역할을 해왔습니다.

체온, 혈압, 심박수, 호흡수 등 환자의 활력 징후를 모니터링하는 의료 센서는 점점 더 정교해지고 있습니다. 하지만 센서는 의료 장비의 활력 징후를 측정하는 데에도 유용합니다.

체온 모니터링

유리구 온도계는 수십 년간 체온 측정에 사용되어 왔습니다. 1970년대에는 디지털 디스플레이가 있는 전자식 버전으로 대체되었습니다. 이들은 최소 침습적 장치로 환자 몸 어딘가에 삽입해야 했습니다.

오늘날 가장 일반적인 장치는 열전퇴 기반 비접촉 온도 센서로, 소형 적외선 카메라처럼 작동합니다. 피부에서 방사되는 열 에너지를 측정하고 피부 온도에 비례하는 출력 신호를 제공합니다. 단 몇 초 만에 측정이 가능하며, 비접촉식이므로 세균과 바이러스 확산을 방지하는 데 도움이 됩니다.

작은 TO-5 또는 TO-18 기밀 밀봉 인클로저에 패키징되어 PCB에 쉽게 장착할 수 있습니다. 열전퇴는 실리콘 칩 위에 수십 개에서 수백 개의 열전대 소자가 배열된 미니어처 어레이입니다. 칩은 윗면의 접합부가 들어오는 적외선 복사에 노출되고, 아랫면은 금속 헤더에 부착되어 주변 온도를 유지하도록 설계되었습니다. 열전대들은 직렬로 연결되어 출력이 합산되며, 신호의 합은 수십 밀리볼트 진폭의 사용 가능한 출력을 제공합니다.

[그림 2]는 일반적인 열전퇴의 단면도를 보여줍니다. 칩은 적외선 파장만 투과하는 창을 통해 '바라보도록' 장착됩니다. 이는 가시광선으로부터의 간섭을 제거하는 데 도움이 됩니다. 가열(또는 냉각)된 물체에서 나오는 열 에너지가 창을 통해 들어가 열전대 어레이에 닿으면, 윗면 온도가 주변 온도에서 변합니다. 별도의 기준 온도 센서가 금속 헤더에 부착되어 주변 온도를 측정하므로, 열전퇴와 기준 센서 사이의 차동 신호를 사용하여 측정 대상 물체의 실제 온도를 계산할 수 있습니다. 다운스트림 신호 처리와 보정을 통해 ±1%~±2% 범위의 정확도를 쉽게 달성할 수 있습니다.

동맥 혈압 모니터링

실용적인 혈압 커프는 1905년에 개발되어 오늘날까지 사용되고 있습니다. 현대 혈압계는 사용하기 쉽지만, 넓은 정확도 범위를 가진 간접 측정만 제공합니다. 숙련된 조작자가 수동 혈압 커프를 사용하면 거의 98% 정확도를 달성할 수 있습니다. 전자식 및 디지털 혈압 장치는 일반적으로 70% 정확도를 달성합니다. 두 경우 모두 평균 판독값만 제공합니다.

최근 개발된 의료 시술에서는 수술 부위에서 직접 혈압을 읽으면 외과의에게 더 나은 데이터를 제공하고 환자 예후를 개선한다는 사실이 밝혀졌습니다. TE Connectivity의 센서 사업부는 최근 Intrasense 마이크로 혈압 센서를 출시했습니다. 가장 눈에 띄는 특징은 극도로 작은 크기로, 전체 치수가 800µm(L) × 270µm(W) × 70µm(H)입니다.

Intrasense는 -300mmHg~+500mmHg의 임상 범위를 가진 MEMS 기반 절대 압력 센서입니다. 하프 브리지 설계는 MEMS 다이 위의 두 압전 저항 소자를 사용하여 압력이 가해질 때 저항 값이 변합니다. 신호는 300mm 와이어 리드의 근위 끝에 있는 증상 및 보정 PCB로 전달됩니다.

이 센서는 매우 가는 카테터나 가이드와이어 끝에 배치되어 심장 챔버, 두개강 내 동맥, 심지어 신장 내부와 같이 신체 원격 위치에서 중요한 수술 시술 중에 사용될 수 있습니다.

심박수 및 호흡수 모니터링

스탠퍼드 연구소(SRI)와 협력하여 TE Connectivity는 단순히 의자에 가만히 앉은 사람의 심박수와 호흡수를 측정할 수 있는 시연용 스마트 의자를 개발했습니다. 의자 시트와 등받이에는 압전 폴리머 필름 소자가 전략적으로 배치되어 심장 박동과 호흡을 모두 감지합니다.

압전 폴리머 필름은 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)로 만들어진 독특한 소재입니다. 특수 제조 기술을 통해 이 필름은 기계적 응력을 받을 때 전기적 전하를 생성하는 압전 특성을 가질 수 있습니다. 필름은 매우 얇고(28µm), 유연하며, 누군가가 앉을 때 시트 쿠션 내부의 응력 부하에 쉽게 순응하고 감지합니다.

호흡 시 갈비뼈가 숨을 쉴 때마다 확장되고 수축하면서 몸의 무게 중심이 약간 움직입니다. 의자의 압전 소자는 이러한 동적 변화를 감지하여 전자장치에 사용 가능한 신호를 제공합니다. 심박수의 경우, 센서는 동맥 맥동에 의해 피부 법선 방향으로 생성되는 압력파를 감지하는 발리스토카디오그래피를 활용합니다. 이 데모의 향후 버전에는 의자 다리에 로드 셀을 추가하여 탑승자의 체중을 측정할 수 있게 됩니다. 여러 압전 센서를 추가하면 탑승자의 신체 크기도 감지할 수 있습니다. 체중 데이터와 함께 체질량 지수(BMI)를 계산할 수 있습니다. 이 의자는 훈련된 의료 전문가가 필요 없고, 언제든 조용히 앉아 쉬기만 하면 미니 '건강 검진'을 수행할 수 있어 가정 의료 응용 분야에 훌륭한 도구가 됩니다.

[그림 4]는 스마트 의자의 개념도를 보여줍니다.

의료 장비 자가 모니터링

치료 및 수술용 의료 기기는 매우 높은 수준의 정확도로 작동해야 합니다. 기기가 제대로 작동하는지 확인하기 위해 설계자들은 이제 중요한 기계 기능을 추적하는 센서를 추가하고 있습니다. 이 센서는 두 가지 방식으로 작동할 수 있습니다. 매개변수를 측정하고 장비를 조정하여 지정된 범위 내에서 작동하도록 유지하는 피드백 및 제어 루프의 일부가 될 수 있습니다. 또한 센서는 한계 알람으로 사용될 수 있습니다. 매개변수가 사양을 벗어나거나 기계가 어떤 식으로든 오작동하면 센서가 운영자에게 결함 상태를 알리고 환자 안전을 보호하기 위해 기기를 종료할 수도 있습니다.

[그림 5]는 일반적인 인공호흡기 내부 작동의 블록 다이어그램을 보여줍니다. CO₂ 센서를 제외한 모든 센서가 인공호흡기의 기능을 모니터링하고 있음을 알 수 있습니다. CO₂ 센서만이 환자의 기능을 모니터링합니다.

가정 의료

환자를 병원에서 가정 의료 환경으로 이동시키는 추세가 있습니다. 환자는 집에서 더 편안함을 느끼고, 친숙한 간병인의 보살핌을 받으며, 질병에서 더 빨리 회복합니다. 가정 의료 장비에 내장된 센서는 기기를 신뢰할 수 있고, 조작이 간편하며, 의료 전문가의 지속적인 관심이 필요 없게 만듭니다. 그 결과 환자 안전이 향상되고 의료 결과가 개선됩니다.

미래

의료 산업 전반에서 의사와 팀이 사용하는 기계와 시술에 더 많은 센서를 통합하기 위한 작업이 진행 중입니다. 센서 추가는 장비의 기능과 성능을 주시하게 하여 의료 전문가들이 환자에게 눈을 돌리고 더 나은 임상 결과를 만들 수 있게 합니다. 환자를 모니터링하는 데 사용되든, 환자를 치료하는 의료 기기를 모니터링하는 데 사용되든, 센서의 증가하는 활용은 의학 세계에 상당한 혜택을 가져올 것입니다.

이 기사는 TE Connectivity Sensor Solutions(TES, 스위스 샤프하우젠/미국 펜실베이니아주 버윈)의 영업 및 마케팅 지원 수석 매니저인 Pete Smith가 작성했습니다. 자세한 정보는 이메일(스팸 방지를 위해 자바스크립트 필요) 또는 여기를 방문하세요.