KR101647507B1

KR101647507B1 - 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101647507B1
Application number: KR1020140141895A
Authority: KR
Inventors: 김상철; 나대석
Original assignee: 건국대학교 글로컬산학협력단
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-08-10
Also published as: KR20160046407A

Abstract

본 발명은 스텐트나 카테터를 이용하여 바이오센서를 관상동맥 내부에 삽입 설치하고 바이오센서에 장착된 압전소자를 통해 관상동맥의 물리적 특성(혈관내 압력)을 측정하며 바이오센서의 양 전극 간에 형성된 정전용량을 측정하여 관상동맥을 흐르는 혈액의 화학적 특성(미오글로빈, CK-MB, cTnI, BNP 등의 심근질환 지표 효소의 농도)을 측정함으로써 심혈관 질환 진단을 위한 데이터를 생성한 후에 이들 진단 데이터를 무선으로 사용자의 스마트폰이나 전용 단말장치로 전달함으로써 심혈관 질환을 가지고 있는 환자가 가정이나 사무실 등에서도 자신의 심혈관 상태를 실시간으로 체크할 수 있도록 해주는 기술에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 환자가 직접 자신의 단말기(스마트폰, 전용 단말장치)를 통해 심장 상태를 지속적으로 검사하고 일정 수치가 넘어섰을 경우에는 의사에게 데이터를 전달하여 환자 상태를 검진할 수 있어 관상동맥 질환으로 인한 급성환자의 사망률을 줄일 수 있는 장점이 있다.

Description

정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템 및 방법{System and method of obtaining diagnose data for coronary artery disease using capacitance-based vessel-implantable biosensor}

본 발명은 일반적으로 심혈관 질환 진단을 위한 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서 기술에 관한 것이다.

2007년 통계청 발표에 의하면 우리나라 3대 사망원인은 암, 뇌혈관 질환, 심장질환으로 전체 사망자의 48.3%를 차지하는데 이중에서 심장질환은 협심증, 심근경색증 등의 허혈성 심장질환이 주요원인(67.5%)이다.

심장질환과 관련하여 관상동맥 질환이 지속적으로 증가하는 추세라는 점이 주목할 만하다. 관상동맥 질병 중에서 심근경색은 북미와 서유럽에서는 성인 사망률 1위이며 국내에서도 최근 10년 사이에 사망률이 103% 증가하였고 돌연사의 90%이상을 차지한다. 특히, 급성 심근경색은 발병 후 3시간이 경과하면 이미 심장근육의 55%가 괴사되므로 신속한 진단이 요구된다. 하지만 종래의 검사체계로는 그 신속 진단이 곤란하다.

그에 따라 관상동맥 질환의 고위험 환자를 대상으로 진단 및 치료 후 합병증을 조기에 발견할 수 있도록 관상동맥내 물리적, 화학적 변화를 즉시 인식하고 감시할 수 있는 기술에 대한 관심이 있어왔다. 이는 급성 관상동맥 질환으로 인한 사망률을 낮추는데 중요하기 때문이다. 이에, 관상동맥 질환을 센서 장치를 통해 조기에 진단하고 환자의 상태를 실시간으로 확인할 수 있는 새로운 진단 기술에 대한 요구가 매우 높은 상황이다.

관상동맥 질환을 진단하기 위한 기존의 장비는 환자의 혈액을 채취하여 진단키트에서 반응을 살펴보는 방식을 채택한다. 이러한 방식으로는 환자의 상태를 알기 위해서는 병원을 방문하여 검사를 받아야만 하고 환자 스스로, 예컨대 가정에서 실시간 모니터링하는 것은 불가능하다는 문제점이 있다. 즉, 단순 심혈관 질환일 경우라면 주기적으로 병원을 방문하여 진단을 하더라도 무방하겠지만 한번 질환을 가졌거나 응급상황을 경험한 사람은 언제 측정해야 할지 그 진단 시점을 적절히 관리하는 것이 상당히 곤란하다.

또한 기존의 진단키트는 면역반응을 이용한 형광을 측정하는 것으로 진단 시간이 비교적 오래 소요된다. 급성 심근경색 환자일 경우에는 면역반응 검사, 심전도 검사, 초음파검사 등 여러가지 장비 검사로 인한 시간 소비로 환자의 생명에 위험을 초래할 뿐만 아니라 환자가 극심한 신체적 통증을 호소하므로 실제 상황에서는 오래 기다린다는 것이 매우 곤란하다.

그에 따라 이러한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 기술이 요구된다. 본 발명에서는 기존의 생체 외부(in-vitro) 검사 방식의 문제점을 생체 내부(in-vivo) 검사 방식을 통해 해결하고자 한다. 즉, 생체삽입형 검사 키트를 관상동맥에 고정시켜 실시간으로 심혈관 상태(압력, 효소특성)를 검사하는 것이다. 환자가 직접 자신의 단말기(스마트폰, 전용 단말장치)를 통해 심장 상태를 검사하고 일정 수치가 넘어섰을 경우에는 의사에게 그 데이터를 전달하여 환자 상태를 검진할 수 있어 관상동맥 질환으로 인한 급성환자의 사망률을 줄이는 방안이 될 수 있다. 이를 통해 관상동맥 만성환자에 대한 지속적 관리가 가능해지므로 국민건강 관리의 편의를 높일 수 있다.
[선행기술문헌]
1. 대한민국 특허출원 10-2002-0061468호 "진폭증가 지수 판정장치 및 동맥경화 검사장치"
2. 대한민국 특허출원 10-2003-0012525호 "동맥경화 검사장치"
3. 대한민국 특허출원 10-2003-0024604호 "동맥협착 검사장치 및 발목혈압 측정장치"
4. 대한민국 특허출원 10-2009-0075132호 "임피던스 측정 방식을 이용하여 면역학적으로 세균을 검출하는 바이오센서"
5. 대한민국 특허출원 10-2010-0048934호 "전기화학적 바이오센서 및 그 제조방법"
6. 대한민국 특허출원 10-2010-0072640호 "바이오센서의 습도 측정을 통한 측정값 보정 방법과 장치"
7. 미국 공개특허 US2011/0230747 A1 "Implantable biomedical devices on bioresorbable substrates"
8. 일본 공개특허 JP2011-033637 A "血液性分の測定方法, それに用いるバイオセンサおよぴ測定裝置"
9. PCT 국제공개특허 WO 2007/108513 A1 "Biosensor and apparatus for measuring concentration of components"

삭제

본 발명의 목적은 심혈관 질환 진단을 위한 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서 기술을 제공하는 것이다.

이상의 과제를 달성하기 위한 본 발명은 카테터 또는 스텐트에 부착하여 관상동맥 내부로 삽입 설치되어 관상동맥의 심혈관 질환을 진단하기 위한 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서로서, 바이오센서가 삽입 설치된 지점의 관상동맥 혈압을 측정하는 압력센서(300); 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 측정하여 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 측정하는 화학센서(100); 그 측정된 관상동맥 혈압 및 심근질환 지표 효소의 농도를 외부로 무선 전송하는 RF 모듈(200);을 포함하여 구성된다.

이때, 본 발명에 따른 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서는, 생체 외부로부터 RF 전파가 인가됨에 따라 바이오센서의 동작전원을 유도 생성하는 유도 코일;을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에서 압력센서(300)는 바이오센서가 삽입 설치된 지점을 통과하는 혈액의 압력에 반응하여 전기신호를 생성하는 압전소자를 포함하여 구성되고 생체 적합성을 위해 고분자 필름이 도포된 것이 바람직하다.

또한, 화학센서(100)는, 서로 마주보도록 배치되어 그 사이에 혈액이 통과할 수 있는 공간을 형성하는 한쌍의 전극(110, 120); 한쌍의 전극에 동작 주파수를 변경하면서 동작 전원을 인가하는 전원(130); 동작 주파수를 변경하면서 전극 사이를 통과하는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하고 복수의 정전용량 측정 결과로부터 혈액에 포함된 심근질환 지표 효소의 농도를 획득하는 측정판단 모듈(140);을 포함하여 구성될 수 있다. 추가로, 화학센서(100)는, 혈액 내의 물질이 전극의 표면에 흡착되는 것을 막기 위해 전극 표면에 형성된 흡착방지 코팅(115, 125);을 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명은 관상동맥에 삽입된 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용하여 심혈관 질환 진단 데이터를 획득하는 방법으로서, 바이오센서의 압력센서를 통해 바이오센서가 삽입 설치된 지점의 관상동맥 압력 데이터를 획득하는 제 1 단계; 바이오센서의 화학센서를 통해 인가 전원의 동작 주파수를 변경하면서 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하여 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도 데이터를 획득하는 제 2 단계; 바이오센서의 RF 모듈을 통해 관상동맥 압력 데이터 및 심근질환 지표 효소의 농도 데이터를 외부의 사용자 단말장치로 무선 전송하는 제 3 단계;를 포함하여 구성된다.

이때, 본 발명에 따른 심혈관 질환 진단 데이터 획득 방법은, 제 1 단계 이전에 실행되는, 외부로부터 RF가 인가됨에 따라 바이오센서의 동작전원을 유도 생성하는 단계; 동작전원이 생성됨에 따라 압력센서, 화학센서, RF 모듈이 기동하여 초기화하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 제 2 단계는, 인가 전원의 동작 주파수를 변경하면서 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하는 단계; 복수 회 측정된 정전용량 및 단위 혈액의 주파수별 상대유전율과 개별 심근질환 지표 효소의 주파수별 상대유전율을 적용하여 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도에 대한 다변수 연립방정식을 구성하는 단계; 다변수 연립방정식을 풀어 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 획득하는 단계;를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에서 제 2 단계는, 인가 전원의 동작 주파수를 변경하면서 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하여 그 측정된 복수 개의 정정용량을 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 측정하기 위한 데이터로서 저장하는 단계;를 포함하여 구성되고, 이때, 제 3 단계 이후에 수행되는, 사용자 단말장치가 복수 회 측정된 정전용량을 무선 수신하는 단계; 사용자 단말장치가 복수 회 측정된 정전용량 및 단위 혈액의 주파수별 상대유전율과 개별 심근질환 지표 효소의 주파수별 상대유전율을 적용하여 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도에 대한 다변수 연립방정식을 구성하는 단계; 사용자 단말장치가 다변수 연립방정식을 풀어 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 획득하는 단계;를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 심근질환 지표 효소는 미오글로빈(Myoglobin), 크레아틴 키나제 MB(CK-MB), 카디악 트로포닌 I(cTnI), 브레인 나트륨이뇨펩티드(BNP)의 둘 이상을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 컴퓨터로 판독가능한 기록매체는 컴퓨터에 이상과 같은 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 것이다.

본 발명에 따르면 환자가 직접 자신의 단말기(스마트폰, 전용 단말장치)를 통해 심장 상태를 지속적으로 검사하고 일정 수치가 넘어섰을 경우에는 의사에게 데이터를 전달하여 환자 상태를 검진할 수 있어 관상동맥 질환으로 인한 급성환자의 사망률을 줄일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 관상동맥 만성환자에 대한 지속적 관리가 가능해져 국민건강 관리의 편의를 높일 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 바이오센서를 환자의 생체 내에 삽입하여 정보통신 기술을 통해 진단 데이터를 실시간으로 수집하므로 병원이 아닌 장소, 예컨대 가정이나 사무실에서도 환자의 상태를 정확하게 모니터링할 수 있게 되었고, 그에 따라 최근 급증하는 심혈관 질환과 관련하여 차세대 U-헬스케어를 구축하기 위한 검진 시스템을 달성할 수 있는 장점이 있다.

[도 1]은 관상동맥 질환의 원인을 나타내는 도면,
[도 2]는 면역반응 센서의 동작 원리를 나타내는 도면,
[도 3]은 면역반응을 이용한 캔틸레버 센서를 나타내는 도면,
[도 4]는 관상동맥 치료에 사용되는 관상동맥 풍선확장술과 관상동맥 스텐트삽입술을 나타내는 도면,
[도 5]는 본 발명에 따른 혈관삽입형 바이오센서의 전체 구성을 개념적으로 나타내는 도면,
[도 6]은 본 발명의 바이오센서에서 정전용량 기반으로 심근질환 지표 효소의 혈액내 농도를 측정하는 개념을 나타내는 도면,
[도 7]은 본 발명에 따른 심혈관 질환 진단 데이터 획득 방법의 전체 프로세스를 나타내는 순서도,
[도 8]은 본 발명에서 바이오센서를 통해 심근질환 지표 효소의 혈액내 농도를 측정하는 과정을 나타내는 순서도.

스텐트나 카테터를 이용하여 바이오센서를 관상동맥 내부에 삽입 설치하고 바이오센서에 장착된 압전소자를 통해 관상동맥의 물리적 특성(혈관내 압력)을 측정하며 바이오센서의 양 전극 간에 형성된 정전용량을 측정하여 관상동맥을 흐르는 혈액의 화학적 특성(미오글로빈, CK-MB, cTnI, BNP 등의 심근질환 지표 효소의 농도)을 측정함으로써 심혈관 질환 진단을 위한 데이터를 생성한 후에 이들 진단 데이터를 무선으로 사용자의 스마트폰이나 전용 단말장치로 전달함으로써 심혈관 질환을 가지고 있는 환자가 가정이나 사무실 등에서도 자신의 심혈관 상태를 실시간으로 체크할 수 있도록 해주는 기술을 제시한다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

[도 1]은 관상동맥 질환의 일반적인 원인을 나타내는 도면이다. 관상동맥은 심장 조직에 산소와 영양소를 전달하는 혈관이다. 관상동맥 질환(coronary artery disease ; CAD)이란 이러한 관상동맥의 내경이 좁아지거나 막혀 심장근육에 혈액순환의 장애가 생기는 질환을 말한다. 일반적으로는 특히 관상동맥의 벽을 구성하는 평활근조직이 교감신경의 자극을 받을 때 지나치게 민감하게 수축하는 경우가 이에 속한다.

관상동맥 질환의 가장 큰 원인은 [도 1]과 같이 심외막 관상동맥의 죽상동맥경화증이다. 죽상동맥경화증(atherosclerosis)은 죽상경화증과 동맥경화증을 통칭하는 용어이다. 죽상경화증은 혈관의 내막에 콜레스테롤이 침착하고 내피세포가 증식하여 죽종(atheroma)이 형성되는 혈관질환을 말한다. 죽종 내부는 죽처럼 묽어지고 그 주변 부위는 단단한 섬유성 막인 '경화반'으로 둘러싸이게 되는데, 경화반이 불안정하게 되면 파열되어 혈관 내에 혈전(피떡)이 생긴다. 죽종 안으로 출혈이 일어나는 경우 혈관 내부의 지름이 급격하게 좁아지거나 혈관이 아예 막히게 되고, 그 결과 말초로의 혈액순환에 장애가 생긴다. 또한, 동맥경화증은 혈관의 중간층에 퇴행성 변화가 일어나서 섬유화가 진행되고 혈관의 탄성이 줄어드는 노화현상의 일종이다. 이로 인해 수축기 고혈압이 초래되어 심장근육이 두꺼워지는 심장비대 현상이 나타나게 된다.

죽상동맥경화증이 좀더 진행되면 혈병에 의해 혈관내경이 감소하는 상황이 발생하고, 나아가 관상동맥 경축(coronary spasm)에 도달하게 된다. 관상동맥 경축은 심장에 동맥혈을 공급하는 관동맥의 혈관 구경이 줄어들어 심장 통증이나 경련까지 발생하게 되는 상태를 말한다. 이러한 상황에 도달하게 되면 기저상태에서 심근 관류량이 절대적으로 감소되고 혈액량이 증가하는 때에 관류량을 적절하게 증가시키지 못해 질병이 있어난다.

관상동맥 질환이 발생할 때에는 일차적으로는 혈관내의 압력이 증가하며, 이와 더불어 혈액내에 미오글로빈(Myoglobin), 크레아틴 키나제 MB(Creatine Kinase-Muscle, Brain; 이하, 'CK-MB'라 함), 카디악 트로포닌 I(Cardiac troponin I; 이하, 'cTnI'라 함)와 같은 효소의 농도가 시간이 경과함에 따라 증가하고, 심부전이 진행하면서 브레인 나트륨이뇨펩티드(Brain natriuretic peptide; 이하, 'BNP'라 함)의 농도도 증가한다. 이들 효소를 본 명세서에서는 심근질환 지표 효소라고 명명한다.

그에 따라 본 발명은 관상동맥 내부의 물리적 특성(혈관내 압력) 및 화학적 특성(심근질환 지표 효소의 농도)을 실시간으로 측정함으로써 심혈관 질환을 진단하기 위한 데이터를 생성하는 기술이다. 이때, 심근질환 지표 효소의 4가지 전부를 참조하는 것이 바람직한데, 바이오센서의 연산능력을 감안하여 이들 중에서 일부, 바람직하게는 두가지 이상을 참조할 수도 있다.

[도 2]는 면역반응 센서의 동작 원리를 나타내는 도면이고, [도 3]은 면역반응을 이용한 캔틸레버 센서를 나타내는 도면이다. [도 2]와 [도 3]의 기술은 환자의 혈액 내에 존재하는 특정 효소의 농도를 측정하기 위해 기존에 병원에서 활용하고 있는 기술이다.

혈액 내에 존재하는 특정 효소 농도를 측정하기 위해 종래에는 [도 2]의 동작원리에 따른 면역반응 센서를 사용하였다. 면역반응 센서는 항원항체 면역 반응을 이용한 것으로 [도 2]와 같이 센서 감지물질에 특정 단백질을 도포한 후에 측정대상 물질을 바인딩시켜 전기적인 특성을 평가하는 기술이다. 즉, 측정대상 물질인 예컨대 바이러스 단백질(N protein)이 존재하는지 여부를 센싱하기 위해 측정대상 물질과 면역반응을 일으키는 특정 단백질을 도포하는 것이다. 이들 물질의 단백질 항체결합에 의해 항체모사 단백질이 생성되어 센서 감지물질에 바인딩되면 이를 전기적으로 감지한다.

혈액 내에 존재하는 특정 효소 농도를 측정하기 위한 다른 기술로서 [도 3]과 같은 캔틸레버 센서를 사용하였다. [도 3]과 같이 2개의 캔틸레버를 마련한 후에 한쪽에만 측정대상 효소와 면역반응을 일으키는 물질을 도포하는 것이다. 이렇게 구성된 캔틸레버 센서에 혈액을 떨어뜨리면 면역반응 물질이 도포된 쪽의 캔틸레버에만 당해 측정대상 단백질이 흡착하게 된다. 그 흡착된 효소의 질량에 따른 캔틸레버의 휨 정도를 측정함으로써 혈액 내에 존재하는 당해 효소의 존재여부 및 그 농도를 측정할 수 있다.

[도 2]와 [도 3]에 도시된 바와 같이 종래 기술에 따른 효소농도 측정 센서는 기본적으로 항원항체 면역반응에 기초한 것이다. 그에 따라, 이들 물질 간에 면역 반응이 충분히 일어나고 항체모사 단백질이 센서에 충분히 흡착될 때까지 충분한 시간을 기다려주어야 정확한 측정이 가능해진다. 또한, 한번 측정을 시행하면 감지성능이 저하되기에 반복 활용이 불가능한 일회용 센서이다. 그에 따라, 이들 센서들은 생체 내에 삽입하여 심혈관 질환을 실시간으로 모니터링하는 In-Vivo 방식의 구성에는 적합하지 않다.

[도 4]는 관상동맥 치료에 사용되는 관상동맥 풍선확장술과 관상동맥 스텐트삽입술을 개념적으로 나타내는 도면이다. 이들은 혈관내의 지방 침전물인 플라그로 인해 관상동맥이 좁아지거나 막혔을 때 혈관을 기계적으로 넓혀서 혈류(혈액순환)를 개선시키는 기술로서 이들을 통칭하여 관상동맥 혈관형성술(Angioplasty)이라고 부른다.

[도 4]의 (a)는 관상동맥 풍선확장술을 도시한 것이다. 관상동맥 풍선확장술은 심장혈관이 플라그로 인해 좁아지거나 막혔을 때, 환자의 대퇴동맥 혹은 요골동맥을 통해 풍선 카테터를 혈관의 좁아진 부위로 집어 넣은 후, 정상혈압의 75 내지 500배의 수압으로 풍선을 부풀려 그 좁아졌던 혈관을 넓혀줌으로써 혈관 통행로를 넓히고 혈류를 개선한다.

[도 4]의 (b)는 관상동맥 스텐트삽입술을 도시한 것이다. 스텐트(그물망)는 일반적으로 스테인레스 강철제로 제작된 격자 모양의 작은 튜브를 말하는데, 풍선이 달린 도관을 통해 혈관의 좁아진 부위로 집어 넣은 후 풍선을 부풀릴 때 함께 부풀려지면서 혈관 내막에 설치된다. 관상동맥 혈관형성 시술을 통해 일시적으로 확장된 관상동맥의 내부를 견고하게 지지하고 이후 풍선을 제거한 후에도 그 형상을 유지함으로써 시술부위가 다시 좁아지는 위험을 줄이고 관상동맥 질환의 재발 가능성을 줄여주는 장점이 있다.

이들 관상동맥 풍선확장술과 관상동맥 풍선확장술은 심장 관상동맥(Coronary angioplasty), 다리·대퇴부·무릎 동맥(Peripheral angioplasty), 신장 동맥(Renal artery angioplasty), 경동맥(Carotidangioplasty), 뇌동맥(Cerebral arteries angioplasty) 등에 널리 사용된다.

[도 5]는 본 발명에 따른 혈관삽입형 바이오센서(1000)의 전체 구성을 개념적으로 나타내는 도면이다. 본 발명에 따른 바이오센서(1000)는 관상동맥의 물리적 특성인 혈관 내 압력을 측정하기 위한 압력센서(300) 및 관상동맥의 화학적 특성인 심근질환 지표 효소의 혈액내 농도를 측정하기 위한 화학센서(100)를 구비한다. 또한, 압력센서(300)와 화학센서(100)에서 측정된 심혈관 질환 진단 데이터를 생체 외부의 단말기(스마트폰, 전용 단말장치)로 무선 전송하기 위한 RF 모듈(200)을 구비한다. 이들 화학센서(100), RF 모듈(200), 압력센서(300)는 바람직하게는 멤스(Micro Electro Mechanical Systems; MEMS) 공정을 통해 수백 um 크기의 초소형 마이크로 센서로 제작한다.

바람직하게는 본 발명의 바이오센서(1000)는 대략 1mm(폭)×1mm(높이)×1mm(두께) 이하의 크기를 갖는 단일 칩으로 통합된다. 또한, 바이오센서(1000)를 혈관내에 삽입할 때 안정적인 특성을 얻고 소자를 보호하기 위해 의료시술에 일반적으로 사용되는 스텐트 또는 카테터에 부착하여 생체내에 삽입한다. [도 4]를 참조하여 살펴본 바와 같이 혈관형성술을 시행한 후에 관상동맥 질환의 재발을 방지할 목적으로 그물망 모양의 스텐트를 관상동맥에 설치하고 있는데, 이처럼 관상동맥 질환 치료에 사용되는 관상동맥용 스텐트에 바이오센서(1000)를 부착함으로써 관상동맥 내에 함께 설치한다.

일반적으로는 혈관내 장치로 말초혈관(경동맥, 관상동맥) 스텐트, 피부경유 혈관성형술(Percutaneous Transluminal Angioplasty, PTA) 풍선 카테터, 색전보호 장치, 하대정맥(Inferior Vena Cava, IVC) 필터, 대동맥류 스텐트(aorta stent graft) 등이 있으며, 이들 장치에 바이오센서(1000)를 부착할 수 있다. 이들 장치에는 백금코일(Guglielmi Detachable Coil)이 이용되고 있으나 본 발명은 심혈관내 고정을 목적으로 하고 있어 금속뿐만 아니라 세라믹, 합성폴리머, 천연재료를 이용하는 것이 바람직하다.

먼저, 압력센서(300)는 심혈관 및 관상동맥의 물리적 특성인 혈관 내 압력을 측정하기 위한 구성요소이며, 압전(piezo-electric) 현상을 통해 바이오센서(1000)가 삽입 설치된 지점을 통과하는 혈액의 압력에 대응하여 전기신호를 생성하는 압전소자를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 생체 적합성을 높이기 위해 고분자 필름을 압력센서(300)에 도포하는 것이 바람직하다. 심혈관 질환의 진단을 위해 압력측정 민감도는 0.5 mmHg 이하가 적당하다.

화학센서(100)는 관상동맥 질환을 나타내는 지표 효소인 미오글로빈, 크레아틴 키나제 MB(CK-MB), 카디악 트로포닌 I(cTnI), 브레인 나트륨이뇨펩티드(BNP)의 농도를 실시간으로 측정한다. 본 발명에서는 이들 심근질환 지표 효소의 농도를 정전용량 기반으로 즉시 측정할 수 있는데, 이에 대해서는 [도 6]을 참조하여 좀더 상세하게 후술한다. 심혈관 질환의 진단을 위한 화학분석 민감도로는 cTnI는 1ng/ml 이하, CK-MB는 5ng/ml 이하, 미오글로빈은 100ng/ml 이하가 적당하다. 바이오센서(1000)를 초소형으로 제작하기 위해서는 이들 효소 별로 화학센서(100)를 개별적으로 구비하는 것은 바람직하지 않고 단일의 모듈에서 이들 심근질환 지표 효소의 농도를 한꺼번에 측정하도록 구성한다.

RF 모듈(200)은 앞서 압력센서(300)와 화학센서(100)를 통해 측정한 심혈관 질환 진단 데이터를 환자 생체 외부의 단말기, 바람직하게는 환자가 소지한 스마트폰이나 전용 단말장치로 무선 전송하기 위한 구성요소이다. 주파수 대역으로는 ISM (Industry-Science-Medical) 대역에서 10 MHz 이하의 대역을 설정하는 것이 바람직하며, 통신거리는 15 cm 이상은 되어야 원활한 활용이 가능하므로 그에 따른 안테나 출력 파워가 설정된다.

한편, 바이오센서(1000)를 구동하기 위한 전원(power source)으로는 소형 배터리를 내장하는 것도 가능하다. 하지만, 생체 외부로부터 RF 전파가 인가됨에 따라 바이오센서(1000)의 동작 전원을 유도 생성하는 유도 코일(미도시)을 구비하는 방식이 바이오센서(1000)의 제품 수명이나 배터리 화학물질에 의한 생체 오염의 위험성을 줄이는 면에서 좀더 바람직하다.

[도 6]은 본 발명의 바이오센서(1000)에서 정전용량 기반으로 심근질환 지표 효소의 혈액내 농도를 측정하는 개념을 나타내는 도면이다. 특히, [도 6]은 바이오세서(1000)를 구성하는 화학센서(100)가 심근질환 지표 효소의 혈액내 농도를 측정하는 원리에 대해 나타내고 있다.

[도 6]을 참조하면, 스텐트 또는 카테터에 부착되어 관상동맥 내에 삽입되어 있는 화학센서(100)는 기본적으로 전압(130)이 인가된 두 개의 전극(110, 120) 사이로 혈액이 지나가는 구조이다. 혈액이 지나갈 때 화학센서(100)는 측정판단 모듈(140)을 통해 혈액 전체의 정전용량(capacity)을 측정할 수 있다. 혈액 전체의 정전용량을 측정하는 기술은 주지관용 기술에 해당하므로 그에 관한 구체적인 설명은 본 명세서에서는 생략한다.

전원(130)에서 전원인가 조건(예: 동작 주파수)을 변경하면서 여러 번 시행한 정전용량 측정 결과로부터 측정판단 모듈(140)은 혈액에 포함된 심근질환 지표 효소들의 농도를 개별적으로 획득할 수 있다. 즉, 각각의 심근질환 지표 효소는 상대유전율이 다르다는 점에 착안하여 이들 효소의 혈액내 농도를 개별적으로 측정할 수 있는 것이다.

이때, 전극(110, 120)에 전압이 인가되면 핼액 내의 물질들이 대전되어 전극 표면으로 모이게 되는데, 전극표면을 코팅(115, 125)함으로써 표면사이에 혈액 물질이 흡착되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 심근질환 지표 효소인 미오글로빈, 크레아틴 키나제 MB(CK-MB), 카디악 트로포닌 I(cTnI), 브레인 나트륨이뇨펩티드(BNP)의 혈액 내 농도를 본 발명에서 측정하는 원리에 대해 살펴본다. 이하에서는 농도를 측정하려는 4가지 효소를 편이상 '타겟효소'라고 부른다.

본 발명에서는 타겟 효소들을 제외한 혈액의 상대유전율(

)과 개별 타겟 효소들의 상대유전율(

,

)의 특성 변화로부터 각 효소들의 농도가 얼마인지 알아낸다. 혈액 전체의 정전용량 C는 아래 [수학식 1]과 같은데 여기에서

와

은 각각 진공의 유전율과 혈액의 상대유전율을 나타내며 A와 D는 각각 전극의 면적과 이격거리를 나타낸다.

이때, 혈액의 상대유전율

은 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있는데, 단위 혈액(체액 포함)의 상대유전율(

)과 개별 효소의 상대유전율(

,

)을 각각 미리 측정한 후, 이에 기초하여 혈액 내 타겟 효소의 농도(

,

)를 찾아낸다.

한편, 본 명세서에서는 본 발명의 바람직한 실시예로서 화학센서(100)가 측정하려는 타겟 효소는 전술한 4가지의 심근질환 지표 효소, 즉 미오글로빈, 크레아틴 키나제 MB(CK-MB), 카디악 트로포닌 I(cTnI), 브레인 나트륨이뇨펩티드(BNP)라고 가정한다. 따라서, 이들 4가지 효소를 제외한 나머지 혈액의 농도는 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

본 발명에서는 인가 전원(130)의 주파수(ω)를 다르게 설정한 상태에서 여러 번 정전용량의 측정을 수행한다. 일반적으로 인가 전원(130)의 주파수가 증가할수록 물질의 상대유전율은 낮아지는 현상, 즉 주파수 의존성을 보이는데 이는 물질의 유전특성을 나타내는 요인인 전자분극, 이온분극, 배향분극, 계면분극이 주파수가 증가할 수록 반응이 느려지기 때문이다.

반면, 혈액 내 타겟 효소의 농도는 인가 전원(130)의 주파수에 대해 의존성을 나타내지 않는다. 그에 따라, [수학식 2]는 주파수 의존성을 고려하여 특히 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.

위의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 살펴보면, 해당 주파수에 대한 혈액의 상대유전율

는 그때그때 실시간으로 측정할 수 있다. 또한, 단위 혈액(체액 포함)의 상대유전율(

)과 타겟 효소에 해당되는 개별 효소의 주파수별 상대유전율(

,

)도 미리 실험을 통해 획득하여 데이터베이스로 가지고 있을 수 있다.

그에 따라, 바이오센서가 특정의 4가지 주파수에 대해 정전용량을 측정하여 [수학식 4]에 대입하면 혈액 내 타겟 효소의 농도(

,

)에 대한 4변수 1차 방정식을 4개 얻을 수 있다.

따라서, 이렇게 구해진 다변수 연립 방정식을 풀어서 바이오센서는 타겟 효소, 즉 심근질환 지표 효소인 미오글로빈, 크레아틴 키나제 MB(CK-MB), 카디악 트로포닌 I(cTnI), 브레인 나트륨이뇨펩티드(BNP)의 혈액 내 농도를 관상동맥 내에서 그때그때 실시간으로 측정할 수 있다.

한편, 다변수 연립 방정식을 풀어서 타겟 효소의 농도를 개별적으로 획득하는 과정은 측정판단 모듈(140)이 수행할 수도 있고 외부 단말기에 장착된 어플리케이션에서 수행할 수도 있다.

[도 7]은 본 발명에 따라 관상동맥에 삽입된 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용하여 심혈관 질환 진단 데이터를 획득하는 전체 프로세스를 나타내는 순서도이다.

단계 S100 : 먼저, [도 5]를 참조하여 전술한 바와 같이 카테터 또는 스텐트에 부착하여 관상동맥 내부의 위험 지점에 바이오센서(1000)를 삽입한 후에 고정 설치한다.

단계 S110 : 압력센서(300)가 바이오센서(1000)가 설치된 지점의 관상동맥 압력 데이터를 획득한다. [도 1]을 참조하여 전술한 바와 같이 관상동맥 질환이 악화되면 관상동맥이 좁아지게 되고 그에 따라 혈압이 상승하는 현상이 나타나는데, 압력센서(300)는 혈압을 체크한다.

단계 S120 : 화학센서(100)가 바이오센서(1000)를 통과하는 혈액의 정전용량을 인가 전원(130)의 동작 주파수를 변경하면서 복수 회 측정하고, 그 측정 결과에 기초하여 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도 값을 식별하기 위한 농도 데이터를 획득한다.

관상동맥 질환이 악화되면 심근질환 지표 효소인 미오글로빈, 크레아틴 키나제 MB(CK-MB), 카디악 트로포닌 I(cTnI), 브레인 나트륨이뇨펩티드(BNP)의 혈액 내 농도가 증가하는 현상이 나타나는데, 화학센서(100)는 [도 6]을 참조하여 전술한 바와 같이 전체 혈액의 정전용량을 인가 전원(130)의 동작 주파수를 변경하면서 복수 회 측정한 결과에 기초하여 이들 심근질환 지표 효소의 농도를 개별적으로 측정할 수 있다.

이때, 화학센서(100)가 출력하는 농도 데이터는 심근질환 지표 효소의 농도 값 그 자체일 수도 있고, 외부에서 심근질환 지표 효소의 농도 값을 계산하기 위한 기초 데이터일 수도 있다.

단계 S130 : RF 모듈(200)이 앞서 압력센서(300)와 화학센서(100)가 획득한 관상동맥 압력 데이터 및 심근질환 지표 효소의 농도 데이터를 외부의 사용자 단말장치로 무선 전송한다. 외부의 사용자 단말장치는 그에 따라 관상동맥 질환의 위험 여부를 그 즉시 판단할 수 있게 된다.

[도 8]은 본 발명에서 바이오센서(1000)를 통해 심근질환 지표 효소의 혈액내 농도를 측정하는 과정을 나타내는 순서도이다. [도 8]은 바이오센서(1000) 내부의 화학센서(100)에서 타겟 효소의 농도 값을 연산하는 과정까지 수행하는 구현예를 나타내었다. 하지만, 다변수 연립방정식을 구성하고 그 연립방정식을 풀어서 솔루션(즉, 농도 값)을 연산하는 과정은 외부의 사용자 단말장치에서 수행하도록 구현하는 것도 가능하다.

단계 S121 : 바이오센서(1000)를 통과하는 혈액 전체의 정전용량을 인가 전원(130)의 동작 주파수(ω)를 변경하면서 복수 회 측정한다.

단계 S122 : 전술한 [수학식 3] 및 [수학식 4]에 대하여 앞서 복수 회 측정된 정전용량 및 단위 혈액의 주파수별 상대유전율(

)과 개별 타겟 효소의 주파수별 상대유전율(

,

)을 적용하여 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도(

,

)에 대한 다변수 연립방정식을 구성한다.

단계 S123 : 위 구성된 다변수 연립방정식을 풀어 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 획득한다. 다변수 연립방정식을 풀어서 해(solution) 또는 최적해 또는 근사해를 얻는 과정은 선형대수학(Linear Algebra) 분야에서 이미 제시되어 있으므로 본 명세서에서는 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드의 형태로 구현하는 것이 가능하다. 이때, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 캐리어웨이브(예: 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산된 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고 본 발명을 구현하기 위한 기능적인 프로그램, 코드, 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술 분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

이상과 같이, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 실시예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예가 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.

1000 : 바이오센서
100 : 화학센서
200 : RF 모듈
300 : 압력센서
110, 120 : 전극
115, 125 : 흡착방지 코팅
130 : 전원
140 : 측정판단 모듈

Claims

카테터 또는 스텐트에 부착하여 관상동맥 내부로 삽입 설치된 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용하여 심혈관 질환 진단 데이터를 획득하기 위한 시스템으로서,
상기 바이오센서가 삽입 설치된 지점의 관상동맥 혈압을 측정하는 압력센서(300)와, 상기 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 측정하여 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 측정하는 화학센서(100)와, 상기 측정된 관상동맥 혈압 및 상기 심근질환 지표 효소의 농도를 외부로 무선 전송하는 RF 모듈(200)을 구비하는 심혈관 질환 진단을 위한 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서(1000);
컴퓨터에, 상기 바이오센서의 압력센서를 통해 상기 바이오센서가 삽입 설치된 지점의 관상동맥 압력 데이터를 획득하는 단계와, 상기 바이오센서의 화학센서를 통해 인가 전원의 동작 주파수를 변경하면서 상기 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하는 단계와, 상기 복수 회 측정된 정전용량 및 단위 혈액의 주파수별 상대유전율과 개별 심근질환 지표 효소의 주파수별 상대유전율을 적용하여 상기 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도에 대한 다변수 연립방정식을 구성하는 단계와, 상기 다변수 연립방정식을 풀어 상기 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 획득하는 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체;
을 포함하여 구성되는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 바이오센서의 압력센서(300)는 상기 바이오센서가 삽입 설치된 지점을 통과하는 혈액의 압력에 반응하여 전기신호를 생성하는 압전소자를 포함하여 구성되고 생체 적합성을 위해 고분자 필름이 도포되는 것을 특징으로 하는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서(1000)는,
생체 외부로부터 RF 전파가 인가됨에 따라 상기 바이오센서의 동작전원을 유도 생성하는 유도 코일;
을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 화학센서는,
서로 마주보도록 배치되어 그 사이에 혈액이 통과할 수 있는 공간을 형성하는 한쌍의 전극;
상기 한쌍의 전극에 동작 주파수를 변경하면서 동작 전원을 인가하는 전원;
상기 동작 주파수를 변경하면서 상기 전극 사이를 통과하는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하고 상기 복수의 정전용량 측정 결과로부터 혈액에 포함된 심근질환 지표 효소의 농도를 획득하는 측정판단 모듈;
을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 화학센서는,
혈액 내의 물질이 상기 전극의 표면에 흡착되는 것을 막기 위해 상기 전극 표면에 형성된 흡착방지 코팅;
을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템.
청구항 4에 있어서,
상기 심근질환 지표 효소는 미오글로빈(Myoglobin), 크레아틴 키나제 MB(CK-MB), 카디악 트로포닌 I(cTnI), 브레인 나트륨이뇨펩티드(BNP)의 둘 이상을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 시스템.
관상동맥에 삽입된 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용하여 심혈관 질환 진단 데이터를 획득하는 방법으로서,
상기 바이오센서의 압력센서를 통해 상기 바이오센서가 삽입 설치된 지점의 관상동맥 압력 데이터를 획득하는 제 1 단계;
상기 바이오센서의 화학센서를 통해 인가 전원의 동작 주파수를 변경하면서 상기 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하는 제 2 단계;
상기 복수 회 측정된 정전용량 및 단위 혈액의 주파수별 상대유전율과 개별 심근질환 지표 효소의 주파수별 상대유전율을 적용하여 상기 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도에 대한 다변수 연립방정식을 구성하는 제 3 단계;
상기 다변수 연립방정식을 풀어 상기 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 획득하는 제 4 단계;
상기 바이오센서의 RF 모듈을 통해 상기 관상동맥 압력 데이터 및 상기 심근질환 지표 효소의 농도 데이터를 외부의 사용자 단말장치로 무선 전송하는 제 5 단계;
를 포함하여 구성되는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 방법.
청구항 7에 있어서,
상기 제 1 단계 이전에 실행되는,
외부로부터 RF가 인가됨에 따라 상기 바이오센서의 동작전원을 유도 생성하는 단계;
상기 동작전원이 생성됨에 따라 상기 압력센서, 상기 화학센서, 상기 RF 모듈이 기동하여 초기화하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 방법.
삭제
관상동맥에 삽입된 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용하여 심혈관 질환 진단 데이터를 획득하는 방법으로서,
상기 바이오센서의 압력센서를 통해 상기 바이오센서가 삽입 설치된 지점의 관상동맥 압력 데이터를 획득하는 제 1 단계;
상기 바이오센서의 화학센서를 통해 인가 전원의 동작 주파수를 변경하면서 상기 바이오센서를 통과하여 흐르는 혈액의 정전용량을 복수 회 측정하여 그 측정된 복수 개의 정정용량을 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 측정하기 위한 데이터로서 저장하는 제 2 단계;
상기 바이오센서의 RF 모듈을 통해 상기 관상동맥 압력 데이터 및 상기 복수 회 측정된 정전용량을 외부의 사용자 단말장치로 무선 전송하는 제 3 단계;
사용자 단말장치가 상기 복수 회 측정된 정전용량을 무선 수신하는 제 4 단계;
상기 사용자 단말장치가 상기 복수 회 측정된 정전용량 및 단위 혈액의 주파수별 상대유전율과 개별 심근질환 지표 효소의 주파수별 상대유전율을 적용하여 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도에 대한 다변수 연립방정식을 구성하는 제 5 단계;
상기 사용자 단말장치가 상기 다변수 연립방정식을 풀어 상기 관상동맥의 혈액내 심근질환 지표 효소의 농도를 획득하는 제 6 단계;
를 포함하여 구성되는 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 방법.
컴퓨터에 청구항 7, 8, 10 중 어느 하나의 항에 따른 정전용량 기반의 혈관삽입형 바이오센서를 이용한 심혈관 질환 진단 데이터 획득 방법을 실행시키기 위한 컴퓨터로 판독가능한 기록매체.