최첨단 웨어러블 의료기기의 설계
  • 2015-04-07
  • 김언한 기자, unhankim@elec4.co.kr
  • 글 | 마틴 L. 스미스(Marten L. Smith), 의료제품 그룹 엔지니어, Microchip Technology Inc.


헬스케어가 일상생활의 일부로 자리 잡음에 따라, 의료기기는 휴대형 장비가 아닌 장기간 연속 사용을 의미하는 웨어러블기기로 진화하고 있다. 이러한 새로운 기기들은 설계자들에게 많은 새로운 기술적 과제를 던져주고있 다.

주입식 약물 치료법

몸에 착용하는 의료기기란 새로운 것이 아니다. 대부분의 사람들은 니코틴 패치, 멀미 패치 등과 같은 웨어러블 제품에 친숙하다. 이들 기기들은 새로운 전자제품 세대를 위한 기반으로 작용했다. 이러한 새로운 세대 중 하나가 이온도입치료(iontophoresis) 패치이다.

이온도입치료 요법은 전류를 사용하여 피부를 통해 약물을 주입할 수 있다.

경피성 약물을 이온화하여 수액에 용해시켜 패치의 전극에 인가한다. 그런 다음 특수하게 제조되어 이온화된 이 화합물을 그림 1과 같이 DC 전류를 통해 피부로 이동시킬 수 있다. 오늘날 사용되고 있는 대부분의 패치는 약물과 치료 조건에 따라서 수 분에서 수 시간 동안 어디서나 착용할 수 있다.

이온도입치료 요법은 몇 가지 장점이 있다. 먼저, 주사기로 주입 시 인체 전체에 분산되는 것과 달리, 약물을 국부에 높은 농도로 투여할 수 있다. 이러한 국부적인 관리를 통해 효과를 향상시키고 부작용을 줄일 수 있다.

비용 효과적인 고성능 MCU와 함께 SMPS(switched mode powersupply) 설계 등의 전자기술 발전을 통해, 이러한 약물들을 위한 1회용 저비용 디스펜서(dispenser)를 생산할 수 있게 되었다. 많은 소비자들이 이미 자가 이온도입치료 요법을 사용하여 두통, 단순성 포진, 주름 등과 같은 다양한 증상에 약물을 투여하고 있다.



이온도입치료 패치와 같은 기기 개발시 설계자들이 직면하는 가장 큰 도전과제는 주요 전자장치가 기기의 착용부에 있어야 한다는 것이며, 한 번 사용한 후 폐기된다는 것이다. 이는 패치 전자장치를 소형화하고 비용을 낮춰야 하는 주요 원인이 된다. 또한 이것은 폐기 가능한 소형 아이템이므로 배터리 비용과 에너지 용량 또한 설계 제약 조건이 된다. 마지막으로 약물 투여량, 지속 시간 등의 변화로 인한 추가 기능 지원을 위해 설계를 간편하게 수정할 수 있어야 한다.

피부를 통해 약물을 주입하기 위해, 디바이스는 특정 주입 투여량 속도와 지속 시간 요건을 위해 필요한 전류 수준을 구동하기에 충분한 전압을 생성해야만 한다. 컨버터를 제어하는 마이크로컨트롤러(MCU)를 사용할 경우, 비용에 민감한 소형 이온도입치료 기기에 적용 가능한 설계는 피부를 통과하는 제어 전류를 구동하는 DC/DC 부스트 컨버터만큼 간단해질 수 있다.

부스트 레귤레이터는 저전압 배터리로 부터 제공받은 전압을 필요한 전류를 피부에 통과시키기에 충분한 수준으로 상승시키는 데 사용된다. 저가격 리튬 코인 또는 알카라인 전지 배터리를 사용해 패치 전자장치에 전력을 공급할 수 있다.

비용과 기능에 대한 요건을 충족시키기 위해 소형 고집적 MCU가 필요하다.

이러한 기기에 Microchip의 8핀 8-비트 PIC12F1822 MCU를 사용할 경우, 내부 10-비트 ADC, 고정 전압 레퍼런스, 비교기(comparator), PWM, 하드웨어 타이머, EEPROM 등을 통해 설계통합 요건을 충족할 수 있다. 고정 전압 레퍼런스는 레귤레이터 또는 외부 레퍼런스를 사용하지 않고도 8핀 MCU로 설계를 유지하여 비용을 낮추고 보드 크기를 줄일 수 있도록 해준다.

장기(Long-Term) 모니터링

전자기술의 혁신으로, 환자의 삶과 치료의 질 향상을 위해 장기간 신체에 착용할 수 있는 의료기기의 개발이 가능해졌다. 그 중 연속 혈당 측정기(CGM)와 웨어러블 심장 이상 기록장치는 매우 잘 알려진 사례이다.

배란 예측 시스템은 완전히 새로운 수준의 기술로서, 장기간 사용되는 독특한 디바이스다. 임신 기회의 극대화를 원하는 여성들이 이런 기기를 사용한다. 이 웨어러블 기기 중 하나가 그림 2의 듀오퍼틸리티(DuoFertility) 브랜드의 배란기 모니터다. 이 기기는 영국의 캠브리지 템퍼쳐 콘셉츠(Cambridge Temperature Concepts) 사에서 개발했으며, 일반적으로 장기 모니터링 시스템에 반드시 필요한 다양한 특성들을 포함하고 있다.

여성의 인체 내에서 진행되는 배란 과정은 기초 체온의 극미한 변화와 연관성이 있다. 수개월의 주기 동안 이러한 체온 변화를 정확하게 측정함으로써 배란일을 추정할 수 있는 것이다.

연속 혈당 측정기가 최대 1주일 정도 동작하도록 설계되는 반면, 이 배란기 모니터의 센서는 최대 6개월 동안 기초 체온을 지속적으로 측정한다. 기기는 이 정보를 이용해 배란이 일어나는 시기를 최대 6일 먼저 예측할 수 있다.

끊임없이 극미한 온도 변화를 모니터링함으로써 여성이 자신들의 체온을 직접 측정할 때 발생할 수 있는 많은 변수들을 제거할 수 있다.

이러한 형태의 디바이스 설계에 따른 기술적 과제는 한 번에 수개월 동안 인체에 편안하게 부착할 수 있는 물리적인 폼팩터를 개발하는 것이다.



이 경우의 해결책은 두 부분으로 나뉜 시스템을 제작하는 것이었다. 먼저 동전 크기의 센서 유닛을 생체에 거부 반응을 일으키지 않는 접착 패치를 사용해 사용자의 인체에 부착한다. 휴대형 판독 장치가 데이터를 분석하고, 사용자들이 데이터를 의료 전문가에게 전송하여 추가적인 분석을 할 수 있도록 한다. 이러한 기능 분할을 통해 부착형(bodyworn) 센서를 최소화 및 경량화 할 수 있다. 그림 3은 모니터의 센서 및 판독기 블록 다이어그램을 나타낸다.

또 다른 기술적 과제는 사용자가 처할 수 있는 모든 환경과 그 상황에서 취할 수 있는 행동을 예상해야 한다는 것이다. 수개월에 이르는 사용 기간 동안 웨어러블 기기는 수면, 운동, 샤워는 물론 심지어 스키에 이르기까지 폭넓은 상황들에 대처할 수 있어야 한다.

이 경우 센서와 그 패키징 설계는 센서의 한쪽 면이 개방되거나 사용자의 팔에 의해 덮이는 경우에도 환경에 상관없이 정확한 온도 측정을 지원해야 한다. 설계자들은 이 문제를 매칭 서미스터(matched thermistor) 쌍을 이용해서 해결했다. 이는 센서의 한쪽 면에서 다른 면까지 온도와 열류를 측정하여 수천 분의 1도까지 센서의 정확도를 향상시킨다. 또한, 센서 설계 시 가속도계(accelerometer)를 통합하여 사용자의 동작까지 고려한다.

부착형 전자장치의 사이즈는 작아야 한다. 이것은 배터리 용도로 이용 가능한 공간이 매우 제한된다는 것을 의미한다. 따라서, 센서 설계 시 또 다른 기술적 과제는 전력 소모를 극도로 낮게 유지 하는 것이다. 이 센서의 설계자들은 센서의 전류 소비를 최소화하기 위해 8비트 PIC16F886 MCU를 사용했다. MCU의 초저전력 웨이크-업 기능을 사용하여 최소 전류 소비 특성을 달성했다.

판독 시에는 센서가 켜지고 측정 후 대기 모드로 복구되는데, 이 모든 동작이 1 mS 이내에 이루어진다. 이러한 짧은 웨이크-업 시간으로 인해 평균 전력소비가 1 μA 미만이며, 소형 CR1216 리튬 코인-셀 배터리를 사용하여 배터리 수명을 6개월까지 사용할 수 있다.

다른 기술적 과제는 측정 데이터를 전송하는 것이다. 이 센서 모듈은 센서 근처에 판독기를 가져가면 통신을 시작하는 변형 RFID 프로토콜을 사용해 데이터를 판독기에 전송한다. 이러한 데이터 전송방법은 데이터 측정 시보다 상대적으로 높은 전력소모 특성을 가지므로, 설계자들은 독립형 16 Mbyte의 플래시에 센서의 온도 판독 기록을 저장해 소모 전류를 최소화했다.



이를 통해 판독 데이터 업로드가 수 일 동안 저장될 수 있다.

장기 센서에 의해 수집된 데이터는 숙련된 인력에 의해 분석되어야 하므로, 측정 데이터를 PC로 전송해 인터넷을 통해 통신하는 간단하면서도 비용 효율적인 방법을 개발하는 것이 또 하나의 중요한 설계상의 고려사항이다. 이 기기의 나머지 부분인 휴대형 판독기는 이러한 목적을 위해 사용된다.

판독기는 나노와트(nanoWatt) 기술을 사용하는 Microchip의 16-비트 PIC24FJ256GB106 MCU 내부의 온-칩 USB 주변장치를 통해 데이터를 PC로 전송한다. 사용자는 MCU의 내부 CTMU(Charge Time Measurement Unit) 및 mTouchⓡ 정전용량성 터치 기술을 통해 구현된 프론트-패널 버튼을 통해 추가적인 데이터를 입력할 수 있다.

기기 제조업체로부터 판독기로의 통신 기능은 배란일 예측을 정교화할 수 있다. 동일한 기능을 통해 MCU를 원격으로 재구성할 수도 있다. 이러한 유연성을 통해 제조업체들은 진단을 실시하고 모니터링 시스템에 소프트웨어 업데이트를 전송할 수 있다.

생물학, 생리학, 화학, 전자공학 등의 분야에서 지속적인 혁신이 이루어지면서, 장기 사용이 가능한 웨어러블 의료기기가 더 많은 질병과 질환에 대해 새로운 진단 및 치료 방법들을 지원하게 될 것이다.

 

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