바이오인

인체 삽입형 무선, 배터리리스 의료기기 연구 동향

김현석, Georgia Institute of Technology

◈본문

요약문

이 리포트는 생체 내 생리학적 신호의 지속적인 실시간 모니터링을 위한 무선 의 완전 이식형 생체 의학 장치의 최근 발전에 대한 포괄적인 개요를 제공 한다. 최신 연구에서 인체 삽입형 의료기기들은 배터리를 제거하고 무선 통신 기능을 통합함으로써 시스템이 생체 내에 서 안정적으로 유지 및 구동되며 생체 조직에 최소화된 침습으로 삽입이 가능한 모바일 헬스 모니터링 및 질병 진단 시스템으로 발전하고 있다. 시스템의 성능을 최적화하고 생체 조직과 원활하게 통합하기 위한 생체적합성 물질 연구 무선 에너지 공급 전략과 더불어 실질적인 삽입형 헬스 모니터링 디바이스로의 응용연구를 포함한 최신의 연구 성과들을 살펴 본다.

1. 서론

  삽입형 바이오센서는 인체 내부의 생체 신호를 직접적으로 모니터링할 수 있는 장치로 심혈관 및 신경 활동 모니터링, 삽입형 보철물 통합보조, 장기와 조직의 모니터링 등 다양한 의료 분석 및 치료를 위한 응용 툴로 이용되고 있다. 특히 신체 지표 들을 지속적으로 모니터링하는 능력과 사용 용이성 인체 내의 안전하고 확실한 통합 낮은 전력 요구 사항 및 휴대성으로 주목받고 있다.

  삽입형 바이오 센서들은 생물학적 조직 및 체액과 직접 접촉하는 가혹한 생체 내 환경에 위치 하기 때문에 생물학적 제약에 직면 한다. 더욱이 이러한 센서들은 신체 기능을 제한 할 수 있고, 면역반응을 악화시키거나, 장치와 부드러운 신체 조직 사이의 기계적 특성이 불일치하면 염증, 조직 손상 등의 합병 증을 유발할 수 있어 생체 적합성 재료를 사용하는 것이 가장 중요 하다. 연질 재료에 대한 최근의 발전은 신체 내 조직과의 더 나은 적합성을 허용하고 이식된 장치와 생물학적 조직사이에 발생할 수 있는 염증 반응을 줄일 수 있는 가능성을 보여 주고 있다. 또한 부드러운 재료를 사용하면 이식된 장치와 주변 조직의 기계적 계수의 불일치로 인한 시그널 노이즈를 줄일 수 있어 고품질의 신호 수집이 가능한 이점이 있다. 삽입형 장치 제작을 위해 주목 받고 있는 다른 종류의 재료는 시간이 지남에 따라 분해되어 사라지는 생체 흡수성 재료 이다. 이는 추가적인 제거 수술을 피할 수 있고 환자의 감염 위험을 완화할 수 있으므로 단기 모니터링에 필요한 장치와 매우 관련이 있다.

  삽입된 의료 기기에 에너지를 공급하기 위해 일반적인 전기 배선 배터리 광케이블 등으 로 구성된 유선 시스템은 간단하고 쉬운 방법으로 많은 의료 시스템에서 일반적으로 사용 된다. 그러나 기기와 연조직의 기계적 불일치, 배터리와 같은 인체에 해로운 물질을 사용하는 부품들로 인해 생체적합성의 한계가 있고 기기의 응용에 있어 다양성과 기능성을 제한 하며 장기적인 적용을 어렵게 한다. 예를 들어, 심박조율기 리드는 파손되기 쉽고 감염, 정맥 폐쇄, 혈전증 위험 증가 및 조직 천공을 유발하기 때문에 장치에서 가장 문제가 되는 구성 요소로 알려져 있다. 또한 심박조율기 리드는 강한 자석이 있으면 임피던스와 신호 변화가 발생하고 리드 팁이 가열되어 잠재적으로 주변 조직에 손상을 줄 수 있기 때문에 자기공명영상(MRI)을 이용한 진단에 문제를 일으 킬 수 있다. 따라서 배터리가 없고 삽입 가능한 무선 센서 시스템을 만드는 것은 환자의 일상 생활과 건강에 무리를 주지 않기 위한 핵심 접근 방식이라 할 수 있다. 배터리 없는 시스템을 달성하기 위한 가장 간단한 접근 방식은 전력 요구 사항이 없는 수동 장치를 사용하는 것이다. 그러나 더 복잡한 기능을 가능하게 하는 능동 장치의 사용은 필연적으로 장치에 지속적인 전력을 공급해야 한다. 이에 최근 연구에서는 에너지 수확(Energy Harvesting,EH) 기술, 무선 전력 전송(Wireless Power Transfer, WPT) 기술을 이용한 무선 바이오 센서 기술들이 주목받고 있다.

  이 리포트에서는 생체 내 현상을 이해, 진단 및 치료할 수 있는 인체 삽입형 무선, 배터리리스 의료기기의 최근의 새로운 연구 동향을 검토하고 앞으로 해결해야 하는 과제에 대해 간략하게 논의 한다. 이를 위해 생체적합성 및 기능성의 맥락에서 생체전자 인터페이스에 관한 재료 선택 및 엔지니어링 접근 방식을 논의하며 EH 와 WPT를 중심으로 배터리를 사용하지 않고 장치에 전력을 공급하는 방법에 대한 전략도 논의 한다. 마지막으로 실증적인 임상연구로 응용된 무선 삽입형 의료기기에 대한 최신 연구를 살펴보며 관련된 엔지니어링 전략과 장치 성능을 알아본다.

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