창원대와 KAIST 협업 연구팀 사진(왼쪽부터 한현석 KAIST 박사과정, 창원대 오용석 교수, KAIST 박인규 교수).

[박광준 기자] 창원대학교(총장 이호영)는 기계공학부 스마트제조융합전공 오용석 교수와 KAIST 기계공학부 박인규 교수 협업 연구팀이 '환자 피부의 압력과 온도 분포도를 연속적으로 측정하기 위한 무전원, 무선, 웨어러블 이온성 액체 센서 어레이'를 개발하는 데 성공했다고 밝혔다. 이 연구에 관한 논문은 세계적인 학술지인 ‘스몰(Small)’ 2023년 3월호에 게재됐다. 

오용석 교수에 의하면 환자 신체 뼈 돌출부 주변(천골, 발꿈치 등)에 가해지는 지속적인 압력은 피부 조직에 산소와 영양소 공급을 방해하는 모세혈관의 순환장애를 유발하고, 허혈성 조직괴사가 발생하게 된다. 이러한 피부나 하부조직의 손상을 욕창이라 하며, 욕창은 피부 온도 증가와 함께 손상의 정도가 악화될 수 있다. 

고령화 사회 진입과 만성질환의 증가와 함께 욕창은 높은 발병율과 유병율을 보이고 있다. 특히 동작, 감각 및 인지능력에 손상을 입은 환자들에게서 자주 발생한다. 욕창이 발생하면 입원환자의 입원 기간 및 의료비 지출이 증가되고, 환자와 보호자에게 상당한 신체적, 정신적 고통을 유발하기 때문에 조기진단과 예방이 매우 중요하다. 

환자의 욕창 예방은 주로 미국 국립욕창자문위원회(NPIAP, National Pressure Injury Advisory Panel)가 제안하는 프로토콜에 기반해 주기적으로 누워있는 환자의 체위를 변경해 압력을 분산시켜 욕창을 예방한다. 그러나 스스로 거동이 힘든 중환자(고령, 마비환자 등)의 경우 의료진이 전신 체위 변경을 통해 지속적인 욕창 관리를 해주어야 하는데, 인력 부족으로 인해 많은 환자들의 체위를 주기적으로 변경해주고, 욕창을 예방하는 것은 현실적으로 매우 어렵다. 또한 환자의 전신 체위 변경은 환자, 의료진, 간병인들의 근골격의 부상으로도 이어질 수 있어 전신 체위 변경에 어려움이 있다. 

창원대 기계공학부 오용석 교수와 KAIST 박인규 교수 협업 연구팀은 제시된 제한점을 해결하기 위해 `환자 피부의 압력과 온도 분포도를 연속적으로 측정하는 무전원, 무선, 웨어러블 이온성 액체 센서 어레이'를 개발했고, 이를 욕창 위험군 환자에 적용함으로써 이 시스템의 유효성과 안정성을 검증했다. 연구팀은 개발된 이온성 액체 센서 어레이와 안테나와 통합된 침대 및 휠체어를 활용해 마비 환자의 뼈 돌출부 주위의 압력과 온도 분포도를 지속 모니터링했고, 취득된 데이터를 기반으로 피부와 매트리스 계면 사이에 메모리폼 또는 물 쿠션을 삽입함으로써, 최소 체위 변경을 통해 압력과 온도를 분산 및 감소시킬 수 있었다. 

정리하자면 정량적인 압력과 온도 데이터 기반으로 욕창을 예방하므로 인력, 시간 등 비용 측면에서 효율적이고, 전신 체위 변경이 아닌 최소 체위 변경을 함으로써 간병인과 환자의 2차 부상(근골격계 부상)을 효과적으로 예방할 수 있다. 

이 연구에서 개발된 이온성 액체 센서는 탄성중합체 미세유체 마이크로 채널 내부에 이온성 액체를 주입해 제작했고, 가해진 압력에 따라 마이크로 채널 내부의 부피와 저항이 변화하는 원리를 기반으로 압력을 정확하게 측정한다. 전도성 액체 기반의 센서로서 높은 민감도(0.68 /kPa)를 달성을 위해 마이크로 채널을 사전 압축하는 공정을 개발 및 적용했다. 

그 밖에도 센서에 요구되는 적은 드리프트(drift)와 이력현상(hysteresis), 높은 선형성(linearity), 전단과 굽힘에 대한 둔감도 등을 포함하는 주요 특성을 갖췄다. 이와 함께 온도 변화에 전도도가 변화하는 이온성 액체의 특성도 고려해 온도 센서를 같이 패키징해 피부 온도 측정 및 온도 보정도 가능하게 설계됐다. 제작된 이온성 액체 센서는 500원 동전 사이즈 크기(직경 25 mm)로 작으며, 센서 간 편차는 적고 균일성을 갖췄다.

송신 코일 안테나에 의해 형성된 전자기장은 센서의 수신 코일 안테나에 유도전류를 형성시키며, 생성된 전력을 기반으로 센서는 온도와 압력을 측정하고 칩에 데이터로 저장한다. 칩에 저장된 데이터는 근거리 무선통신(NFC; near-field communication) 프로토콜을 기반으로 송신 코일 안테나에 전달된다. 본 연구팀은 리더기와 멀티플렉서를 활용해 여러 개의 송신 코일 안테나를 침대(송신 안테나 2개)와 휠체어(송신 안테나 4개)에 결합해 통합 시스템을 구성했다.

제작된 통합 시스템은 이온성 액체 센서 어레이 구성과 함께 사용돼 마비 환자와 같은 욕창 위험군 환자들에 대한 임상평가에 활용됐다. 연구팀은 뼈 돌출부 주위에서 압력과 온도 분포도를 연속적으로 모니터링하면서 메모리폼 혹은 물 쿠션을 활용한 최소 체위 변경을 기반으로 압력과 온도를 감소시킬 것으로 기대된다.

창원대 기계공학부 스마트제조융합 전공, BK21 교육연구단 소속 오용석 교수는 “거동이 어려운 환자 전신의 뼈 돌출부 주위 피부 계면에서 압력과 온도 분포도의 연속적 측정이 가능한 무전원, 무선, 이온성 액체 센서 어레이를 개발했고, 이 시스템을 침대와 휠체어에 통합한 임상평가를 통해 유효성과 안정성을 검증했다. 연구에 참여한 의료진은 이 시스템을 활용해, 유의미한 정략적 압력과 온도 분포도를 취득할 수 있고 이를 효율적인 욕창 예방에 활용할 수 있을 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 제1저자 한현석 박사과정(KAIST 기계공학과)와 창원대 오용석 교수가 함께 진행했으며, 박인규 교수(KAIST 기계공학과)가 교신저자로 참여했다. 또한 임상 연구는 이병주 교수(부산대학교병원 재활의학과), 이제상 과장(김해한솔재활요양병원), 민원기 실장(김해한솔재활요양병원)의 지원으로 진행됐다. 

한편 이번 연구는 산업통산자원부와 과학기술정보통신부 지원 한국산업기술평가관리원의 ‘시장선도를 위한 한국 주도형 K-Sensor 기술개발 사업’과 한국연구재단의 ‘창의도전연구 기반지원사업’의 지원을 받아 수행됐고, 연구 결과는 저명 국제 학술지 ‘스몰(Small, impact factor 15.153)’ 2023년 3월 온라인판에 게재됐다.(논문명: ‘Battery-Free, Wireless, Ionic Liquid Sensor Arrays to Monitor Pressure and Temperature of Patients in Bed and Wheelchair’)