노스웨스턴 대학교, 피부 호흡 측정을 위한 웨어러블 기기 공개

전자 및 센서 내부자

길이가 2cm, 너비가 1.5cm에 불과한 이 장치는 챔버, 센서 모음, 프로그래밍 가능한 밸브, 전자 회로 및 소형 충전용 배터리로 구성됩니다. 챔버는 피부에 직접 닿는 대신 피부 위 몇 밀리미터 위에 떠 있습니다. (이미지 :존 로저스 제공)

노스웨스턴 대학 연구진이 피부에서 방출되거나 흡수되는 가스를 측정하기 위한 최초의 웨어러블 장치를 개발했습니다. 이러한 가스를 분석함으로써 이 장치는 상처 모니터링, 피부 감염 감지, 수분 수준 추적, 유해한 환경 화학 물질에 대한 노출 정량화 등 피부 건강을 평가하는 새로운 방법을 제공합니다.

새로운 기술은 온도, 수증기, 이산화탄소(CO2) 및 휘발성 유기 화합물(VOC)의 변화를 정확하게 측정하는 센서 모음으로 구성되며, 각 센서는 다양한 피부 상태와 전반적인 건강에 대한 귀중한 통찰력을 제공합니다. 이러한 가스는 실제로 피부에 닿지 않고 피부 위에 떠 있는 장치 내의 작은 챔버로 흘러 들어갑니다. 이 비접촉식 디자인은 민감한 조직을 건드리지 않고 연약한 피부에 대한 정보를 수집하는 데 특히 유용합니다.

Nature 저널에 게재된 연구 , 작은 동물과 인간에 대한 장치의 효능을 보여줍니다.

연구를 공동 주도한 Northwestern 대학의 John A. Rogers는 “이 장치는 땀을 수집하고 분석하는 우리 연구실의 웨어러블 전자 장치가 자연스럽게 진화한 것입니다.”라고 말했습니다. "그 경우 우리는 착용자의 전반적인 건강 상태를 알아보기 위해 땀을 분석했습니다. 이 방법은 유용하기는 하지만 땀샘의 약리학적 자극이나 뜨겁고 습한 환경에의 노출이 필요합니다. 우리는 항상 자연적으로 발생하는 피부에서 무엇을 포착할 수 있는지 생각하기 시작했습니다. 수증기, 이산화탄소, 휘발성 유기 화합물 등 피부 표면에서 나오는 모든 종류의 물질이 근본적인 생리적 건강과 연관될 수 있다는 것이 밝혀졌습니다."

연구를 공동 주도한 Northwestern의 Guillermo A. Ameer는 “이 기술은 특히 신생아, 노인, 당뇨병 환자 및 기타 피부 손상을 포함한 취약한 인구 집단의 임상 치료를 변화시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.”라고 말했습니다. "우리 장치의 장점은 상처, 궤양 또는 찰과상과 접촉하지 않고도 섬세한 피부의 상태를 평가할 수 있는 완전히 새로운 방법을 발견했다는 것입니다. 이 장치는 가스 변화를 측정하고 이러한 변화를 피부 상태와 연관시키는 첫 번째 주요 단계입니다."

생체전자공학의 선구자인 Rogers는 노스웨스턴의 재료 과학 및 공학, 생의학 공학 및 신경외과의 Louis Simpson 및 Kimberly Querrey 교수이며, Northwestern의 McCormick School of Engineering 및 Feinberg School of Medicine에 재직하고 있으며 Querrey Simpson 생체전자공학 연구소의 소장입니다. Ameer는 McCormick의 Daniel Hale Williams 생의학 공학 교수이자 Feinberg의 수술 교수이자 첨단 재생 공학 센터의 소장입니다. Rogers와 Ameer는 Jan과 Marcia Achenbach 기계 공학 교수이자 토목 및 환경 공학 교수인 Yonggang Huang과 함께 연구를 공동 주도했습니다.

피부 장벽이라고 불리는 피부의 가장 바깥층은 외부 환경으로부터 신체를 보호하는 첫 번째 방어선입니다. 과도한 수분 손실을 방지하여 수분을 유지하고 자극 물질, 박테리아 및 자외선에 대한 장벽 역할을 합니다. 피부 장벽이 손상되면 수분 손실(경표피 수분 손실 또는 TEWL이라고도 함) 증가, 피부 민감성, 감염 위험, 습진 및 건선과 같은 염증성 질환이 발생할 수 있습니다.

"피부는 환경으로부터 우리를 보호하는 데 매우 중요합니다."라고 연구 공동 저자이자 Feinberg 피부과 과장이자 Walter J. Hamlin 피부과 교수인 Amy Paller 박사는 말했습니다. "이러한 보호 기능의 주요 요소는 피부 장벽입니다. 피부 장벽의 특징은 수분을 유지하고 자극제, 독소, 미생물 및 알레르기 유발 물질을 차단하는 촘촘하게 짜여진 단백질과 지방의 집합체입니다."

의료 전문가는 피부에서 수증기와 가스 방출의 변화를 추적함으로써 환자의 피부 장벽이 온전한지 엿볼 수 있습니다. 수증기 손실을 측정하는 기술이 존재하기는 하지만 이는 주로 병원 환경에 존재하는 크고 번거로운 기계입니다. 반면에 이 소형 웨어러블 장치는 의사가 환자를 원격으로 모니터링하고 개인이 집에서 자신의 피부 건강을 관리할 수 있도록 돕기 위해 설계되었습니다.

Paller는 “피부 장벽 무결성 측정을 위한 표준은 경피 수분 손실 또는 피부를 통한 수분 흐름에 대한 정보를 수집하기 위해 피부에 간헐적으로 접촉하는 탐침이 있는 대형 장비입니다.”라고 말했습니다. "수면 중에 환자를 방해하지 않고 원격으로, 지속적으로 또는 연구자가 프로그래밍한 대로 경피 수분 손실을 측정할 수 있는 장치를 보유하는 것은 큰 발전입니다."

길이가 2cm, 너비가 1.5cm에 불과한 이 장치는 챔버, 센서 모음, 프로그래밍 가능한 밸브, 전자 회로 및 소형 충전용 배터리로 구성됩니다. 챔버는 피부에 직접 닿는 대신 피부 위 몇 밀리미터 위에 떠 있습니다.

Rogers는 “기존의 웨어러블 센서는 피부와의 물리적 접촉에 의존하기 때문에 상처 치료나 피부가 약한 개인 등 민감한 상황에서의 사용이 제한됩니다.”라고 말했습니다. "우리 장치는 피부 표면 위에 작고 밀폐된 공간을 만들어 이러한 한계를 극복했습니다."

자동 밸브가 이 챔버의 입구를 열고 닫습니다. 이는 밀폐된 챔버와 주변 대기 사이의 접근을 동적으로 제어하는 기능입니다. 밸브가 열리면 가스가 챔버 안팎으로 흘러 들어가 장치가 기본 측정을 ​​설정할 수 있습니다. 그런 다음 밸브가 빠르게 닫히면 챔버 내에 가스가 갇히게 됩니다. 여기에서 일련의 센서는 시간 경과에 따른 가스 농도의 변화를 측정합니다.

Rogers는 "만약 우리 장치에 프로그래밍 가능한 밸브와 피부 안팎으로의 종 흐름을 실시간으로 정량화하는 시간 동적 측정 접근 방식이 통합되어 있지 않다면 시스템은 주변 환경에 따라 자연적으로 달라질 수 있는 이러한 종의 농도 변화로 인해 혼란을 겪을 수 있습니다"라고 말했습니다. "밸브가 항상 열려 있다면 센서는 이러한 종류의 변화를 감지할 것입니다. 이는 피부와 관련된 어떤 이유 때문이 아닙니다. 반면에 밸브가 항상 닫혀 있으면 환경적 요인을 설명할 수 없는 방식으로 자연적인 플럭스 패턴을 교란하게 됩니다. 잠재적으로 위험한 환경에 있는 작업자의 경우 피부를 통해 몸에 유입되는 위험한 종의 양을 아는 것이 도움이 됩니다."

이 장치는 Bluetooth를 사용하여 실시간 모니터링을 위해 이러한 데이터를 스마트폰이나 태블릿으로 직접 보냅니다. 이러한 빠른 결과는 의료 종사자가 상처 관리 및 항생제 투여에 대해 더 많은 정보를 바탕으로 보다 신속하게 결정을 내리는 데 도움이 될 수 있습니다.

수증기, CO2 및 VOC의 증가는 박테리아 성장 및 치유 지연과 관련이 있으므로 이러한 요인을 모니터링하면 간병인이 감염을 더 빠르고 확실하게 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다.

상처 치유를 개선하기 위한 재생 공학 접근법의 전문가인 Ameer는 "상처에 항생제를 처방하는 것은 약간의 도박일 수 있습니다."라고 말했습니다. "때때로 상처가 감염되었는지 여부를 말하기가 어렵습니다. 명백할 때쯤에는 너무 늦을 수 있으며 환자에게 매우 위험한 패혈증이 발생할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 의사는 광범위한 항생제를 처방합니다. 이는 항생제 내성으로 이어질 수 있으며 이는 건강 관리에서 점점 문제가 되고 있습니다. 상처를 면밀히 지속적으로 모니터링하고 감염의 초기 징후에 항생제를 처방할 수 있는 것은 분명하고 중요한 관심사입니다."

지속적인 모니터링은 모든 유형의 상처에 중요하지만 당뇨병 환자에게는 특히 중요합니다. Ameer는 이전에 당뇨병성 궤양 치료를 위해 항산화 젤 및 재생 붕대를 포함한 다양한 전략을 개발했습니다. 불과 2년 전, Ameer는 Rogers와 협력하여 전기 자극을 사용하여 상처 치유를 가속화하는 최초의 임시 전자 붕대를 만들었습니다. 이 새로운 웨어러블은 취약한 환자들이 위험한 부작용을 피할 수 있도록 돕는 또 다른 도구를 제공합니다.

“당뇨병성 궤양은 전 세계적으로 하지 절단의 비외상성 원인 1위입니다.”라고 Ameer는 말했습니다. "때때로 상처가 닫히는 것처럼 보이지만 피부 장벽 기능이 완전히 회복되지 않은 경우가 있습니다. 우리 장치는 방출되는 가스를 정확하게 측정할 수 있어 피부 장벽 기능에 대한 유용한 정보를 제공합니다."

이 혁신적인 신기술은 상처 치유와 피부 건강에 대한 전례 없는 통찰력을 제공할 뿐만 아니라 피부 건강을 개선하기 위해 고안된 벌레 퇴치제, 피부 크림, 전신 약물의 효능을 모니터링하는 발전의 길을 열 수도 있습니다.

CO2와 VOC는 모기와 기타 해충을 유인하는 바로 그 가스입니다. 따라서 피부에서 이러한 방출을 측정하면 연구자들이 모기 유인을 이해하고 잠재적으로 완화하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한 새로운 장치를 통해 피부과 전문의와 환자는 로션과 크림이 피부에 얼마나 빨리 침투하는지 측정할 수 있어 피부 투과성과 장벽 기능에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다. 또한 이러한 데이터는 다른 연구자들이 보다 효과적인 경피 약물 전달 시스템을 개발하고, 피부 질환에 대해 전신 전달 약물의 효과를 모니터링하고, 화장품 및 개인 관리 제품의 안전성을 평가하는 데 도움이 될 수 있습니다.

다음으로 노스웨스턴 팀은 pH 수준의 변화를 추적하는 센서를 추가하고 장기 기능 장애 및 기타 질병을 조기에 감지하기 위해 화학적 선택성이 향상된 가스 센서를 개발하는 등 장치의 기능을 개선할 계획입니다.

Rogers는 “이 특이한 웨어러블 플랫폼은 피부 건강에 대해 생각하고 이해하는 새로운 방법을 제공합니다.”라고 말했습니다. "이 기술은 단지 가스와 피부의 해당 특성을 측정하는 것이 아닙니다. 이는 전반적인 건강을 예측하고, 감염과 질병을 예방하며, 기존 웨어러블 장치로 캡처할 수 있는 매개변수를 보완하는 새로운 매개변수 모음을 통해 실시간, 비침습적, 지속적인 건강 추적을 통해 맞춤형 치료가 주도되는 미래를 창조하는 것입니다."

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