KR20240027666A - 생체 정보 획득 장치 및 이를 이용한 생체 정보 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
본 실시예는 생체에 삽입되어 생체 정보를 획득하기 위한 장치로, 상기 장치는: 상기 생체에 삽입되어 팽창 및 수축 가능한 벌룬(balloon); 상기 벌룬의 표면에 위치하는 하나 이상의 전극들 및 상기 생체에 접촉하도록 상기 전극들의 표면에 하나 이상 위치하는 미세 돌기들을 포함한다.
Description
본 기술은 생체 정보 획득 장치 및 이를 이용한 생체 정보 처리 장치와 관련된다.
종래 기술의 생체 정보 획득 장치는 인체 내부를 시각적으로 관찰하기 위하여 조영제 등의 화학물질을 주입하고 외부에서 관찰하거나, 초음파 등을 조사하여 관찰하였다.
시각적으로 병변등을 식별하기 위하여는 종래 기술에 의한 MRI, CT, 초음파 등의 장치를 사용하여야 하나, 이들은 낮은 해상도를 가지며 특히 국부적으로 어느 곳에 병변이 위치하는지와 해당 위치의 물성치 정보 등을 파악할 수 없었다.
본 기술은 이러한 종래 기술의 난점을 해소하기 위한 것으로, 최소 침습적 혹은 비침습적인 방법을 이용하여 생체 정보를 획득하고, 이를 처리할 수 있는 기술을 제공하는 것이 본 기술로 해결하고자 하는 과제 중 하나이다.
본 실시예는 생체에 삽입되어 생체 정보를 획득하기 위한 장치로, 상기 장치는: 상기 생체에 삽입되어 팽창 및 수축 가능한 벌룬(balloon); 및 상기 벌룬의 표면에 위치하는 하나 이상의 전극들을 포함한다.
다른 실시예는 생체 정보 처리 장치로, 상기 장치는: 생체에 삽입되어 팽창 및 수축 가능한 벌룬(balloon) 및 상기 벌룬의 표면에 배치되는 하나 이상의 전극들을 포함하는 생체 정보 획득부와, 상기 생체 정보 획득부가 획득한 생체 정보를 처리하는 처리부(processing unit)을 포함한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 생체 정보 획득 장치는 상기 생체에 접촉하도록 상기 전극들의 표면에 하나 이상 위치하는 미세 돌기들을 포함한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 생체 정보 획득 장치는, 생체의 혈관 및 체강(body cavity) 중 어느 하나 이상에 삽입되어 상기 생체 정보를 획득한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 전극들은 동작 전극(working electrode) 및 상대 전극(counter electrode)을 포함하며, 상기 동작 전극과 상기 상대 전극은 상기 생체 정보 획득 장치와 접촉한 생체에서 발생하는 산화 및 환원 반응에 의한 전류 및 전압 중 어느 하나 이상을 검출한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 동작 전극과 상기 상대 전극에 배치된 상기 미세 돌기는 생체에 침습하여 상기 산화 및 환원 반응이 발생한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미세 돌기는 외력에 의한 변형시 상응하는 전기적 신호를 제공하는 물질을 포함한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미세 돌기는 연성 물질로 코팅된다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미세 돌기는 외력에 의한 변형시 상응하는 전기적 신호를 제공하는 물질과 연성 물질의 혼합물을 포함한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미세 돌기는, 각뿔 및 원뿔 중 하나의 형태를 가진다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 전극들은 전기적 신호가 인가되고, 상기 전기적 신호가 상기 전기적 신호가 상기 생체에 제공되어 형성된 전기적 신호를 검출하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며, 상기 생체와 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 형성된 미세 돌기들은 상기 전기적 신호에 대한 경로를 형성한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 제1 전극에 인가되는 전기적 신호는 전압 신호 및 전류 신호 중 어느 하나이고, 상기 제2 전극이 검출하는 전기적 신호는 상기 전압 신호 및 전류 신호 중 하나이다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미세 돌기는, 원기둥(cylinder), 각기둥(prism), 원뿔대(truncated cone) 및 각뿔대(prismatoid) 중 어느 하나의 형태이다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미세 돌기는, 전도성 물질을 포함한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 미세 돌기는, 생체 정보 획득 장치가 위치한 곳에서 생체 물질을 흡수하는 팽윤성 물질을 포함한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 전극들은 생체 정보 획득 장치가 위치한 곳에서 생체 물질을 흡수하는 팽윤성 물질을 포함한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 전극들은 하나 이상의 쌍으로, 서로 이격되어 상기 벌룬 표면의 외주를 따라 위치한다.
본 실시예의 어느 한 측면에 의하면, 상기 생체 정보 획득 장치는, 상기 벌룬을 팽창시키거나, 수축시키도록 유체가 유출입하는 유도관과, 상기 전극과 연결된 도선을 더 포함한다.
본 실시예에 의하면, 생체 내에 삽입되어 최소 침습적 또는 비침습적으로 생체 정보를 획득할 수 있다는 장점이 제공된다. 나아가, 종래 기술로는 얻을 수 없었던 생체의 물성 정보를 용이하게 획득할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 1은 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치의 개요를 도시한 사시도이다.
도 2는 인체에 삽입된 생체 정보 획득 장치와 생체 정보 획득 장치가 획득한 생체 정보를 처리하는 처리부를 포함하는 생체 정보 처리 장치의 개요를 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예의 생체 정보 획득 장치가 혈관에 삽입되어 동작하는 것을 설명하기 위한 개요적 단면도이다.
도 4A는 지질 등이 축적되지 않은 상태에서 주파수를 변경하면서 측정한 임피던스의 변화를 예시한 도면이고, 도 4B는 지질 등이 축적된 상태에서 주파수를 변경하면서 측정한 임피던스의 변화를 예시한 도면이다.
도 5A, 도 5B는 본 실시예의 생체 정보 획득 장치로 전기화학적 분석을 수행하는 실시예를 설명하기 위한 개요적 단면도들이다.
도 6A는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치가 심혈관의 하나인 대동맥으로 삽입되어 대동맥의 경도(rigidity)를 검출하는 장치의 예를 예시한 도면이고, 도 6B는 전극과 미세 돌기를 도시한 도면이다.
도 7A는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치가 심혈관의 하나인 대동맥으로 삽입되어 대동맥의 경도를 검출하는 예를 예시한 도면으로, 미세 돌기가 대동맥의 내측벽과 접촉하여 변형된 상태를 예시한 도면이다. 도 7B는 미세 돌기의 상세구조를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 실시예의 미세돌기가 팽윤성 물질로 형성될 때 접촉하거나 침투한 조직의 생체물질을 흡수하여 팽창 후 외부로 추출할 수 있는 또 다른 실시예의 동작을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 9A는 동맥 경화증이 있는 혈관을 모사한 예를 도시한 도면이고, 도 9B는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)을 이용하여 전기적 신호를 제공하였을 때 전류의 경로를 예시한 도면이며, 도 9C 및 도 9D는 상술한 실험에서 임피던스를 검출한 결과를 예시한 도면이다.
도 10A는 좌측부터 10% PVA를 냉동 후 해동 사이클을 6회 수행하여 경도(stiffness)를 증가시키고 내벽에 200μm의 동물성 지방이 배치된 모사 혈관 및 돼지의 대동맥을 도시한 도면이고, 도 10B는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)로 혈관에 지방성분이 있을 경우와 없을 경우의 기계적 물성치를 측정한 결과를 예시한 도면이다.
도 2는 인체에 삽입된 생체 정보 획득 장치와 생체 정보 획득 장치가 획득한 생체 정보를 처리하는 처리부를 포함하는 생체 정보 처리 장치의 개요를 도시한 도면이다.
도 3은 본 실시예의 생체 정보 획득 장치가 혈관에 삽입되어 동작하는 것을 설명하기 위한 개요적 단면도이다.
도 4A는 지질 등이 축적되지 않은 상태에서 주파수를 변경하면서 측정한 임피던스의 변화를 예시한 도면이고, 도 4B는 지질 등이 축적된 상태에서 주파수를 변경하면서 측정한 임피던스의 변화를 예시한 도면이다.
도 5A, 도 5B는 본 실시예의 생체 정보 획득 장치로 전기화학적 분석을 수행하는 실시예를 설명하기 위한 개요적 단면도들이다.
도 6A는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치가 심혈관의 하나인 대동맥으로 삽입되어 대동맥의 경도(rigidity)를 검출하는 장치의 예를 예시한 도면이고, 도 6B는 전극과 미세 돌기를 도시한 도면이다.
도 7A는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치가 심혈관의 하나인 대동맥으로 삽입되어 대동맥의 경도를 검출하는 예를 예시한 도면으로, 미세 돌기가 대동맥의 내측벽과 접촉하여 변형된 상태를 예시한 도면이다. 도 7B는 미세 돌기의 상세구조를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 실시예의 미세돌기가 팽윤성 물질로 형성될 때 접촉하거나 침투한 조직의 생체물질을 흡수하여 팽창 후 외부로 추출할 수 있는 또 다른 실시예의 동작을 개요적으로 도시한 도면이다.
도 9A는 동맥 경화증이 있는 혈관을 모사한 예를 도시한 도면이고, 도 9B는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)을 이용하여 전기적 신호를 제공하였을 때 전류의 경로를 예시한 도면이며, 도 9C 및 도 9D는 상술한 실험에서 임피던스를 검출한 결과를 예시한 도면이다.
도 10A는 좌측부터 10% PVA를 냉동 후 해동 사이클을 6회 수행하여 경도(stiffness)를 증가시키고 내벽에 200μm의 동물성 지방이 배치된 모사 혈관 및 돼지의 대동맥을 도시한 도면이고, 도 10B는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)로 혈관에 지방성분이 있을 경우와 없을 경우의 기계적 물성치를 측정한 결과를 예시한 도면이다.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 실시예를 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)의 개요를 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 생체 정보 획득 장치(10)는 생체에 삽입되어 생체 정보를 획득하며, 상기 생체에 삽입되어 팽창 및 수축 가능한 벌룬(balloon, 100)과, 상기 벌룬(100)의 표면에 위치하는 두 개 이상의 전극들(200) 및 상기 생체에 접촉하도록 상기 전극들의 표면에 하나 이상 위치하는 미세 돌기(300)들을 포함한다.
일 실시예로 생체 정보 획득 장치(10)는 생체의 뇌혈관, 심혈관 등의 혈관계, 식도, 위, 대장, 소장, 담도, 간 등의 소화기 강(cavity), 코, 입, 귀, 기도 등의 호흡기 강, 요도, 항문 등의 배설기 강과 같이 체강에 삽입되어 생체 정보를 획득할 수 있다.
도 2는 인체에 삽입된 생체 정보 획득 장치(10)와 생체 정보 획득 장치(10)가 획득한 생체 정보를 처리하는 처리부(400)를 포함하는 생체 정보 처리 장치의 개요를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 생체 정보 처리 장치는: 생체에 삽입되어 생체 정보를 획득하는 벌룬(balloon, 100)과, 상기 벌룬(100)의 표면에 배치되는 두 개 이상의 전극(200)들 및 상기 생체에 접촉하도록 상기 전극들의 표면에 하나 이상 배치된 미세 돌기(300)들을 포함하는 생체 정보 획득 장치(10)와, 상기 생체 정보 획득부가 획득한 생체 정보를 처리하는 처리부(processing unit, 400)을 포함한다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 생체 정보 획득 장치(10)는 혈관 혹은 생체의 강(cavity) 내에 삽입되는 벌룬(100)을 포함한다. 일 실시예로, 벌룬(100)은 삽입되는 대상의 크기에 따라 다른 크기를 가질 수 있다. 일 예로, 심혈관, 뇌혈관 등의 혈관에 삽입되는 벌룬(100)은 1 ~ 5 cm의 길이와, 2 ~ 4 mm의 직경을 가질 수 있다. 다른 예로, 식도에 삽입되는 벌룬(100)은 1 ~ 3cm의 직경을 가질 수 있으며, 상술한 바와 같이 삽입되는 위치에 따라 서로 다른 길이 및 길이를 가질 수 있다. 즉, 벌룬(100)이 직경은 1mm ~ 30mm 중 어느 한 값일 수 있며, 정보를 획득하고자 하는 대상에 따라 달리할 수 있다.
벌룬(100)은 유도관(110)을 통하여 기체, 액체 등의 유체가 유입되어 팽창할 수 있으며, 유입된 유체가 유출되어 수축될 수 있다. 벌룬(100)은 팽창과 수축시 생체 내에서 파열되지 않으며, 생체 내의 혈액, 위액 등의 체액과 반응하지 않는 재질로 형성될 수 있다.
벌룬(100)의 표면에는 하나 이상의 전극(200)이 위치할 수 있다. 전극(200)은 벌룬(100)의 팽창과 수축시 단선(open circuit), 단락(short circuit)되지 않도록 배치된다. 일 실시예로, 전극(200)은 벌룬(100)에 스퍼터, 증착 등을 수행하여 형성될 수 있다. 전극(200)은 또한, 전도성 물질로 이루지며 위액, 혈액 등의 체액과 반응하지 않는 물질로 이루어질 수 있다. 일 실시예로, 전극(200)은 유도관(110) 내에 위치하는 도선(w)과 연결되며, 도선(w)은 생체 외부로 연장되어 처리부(400)에 연결될 수 있다.
전극(200)의 표면에는 하나 이상의 미세 돌기(fine protrusion, 300)들이 위치할 수 있다. 미세 돌기(300)는 생체 조직과 직접 접촉하는 요소로, 형태를 달리할 수 있다. 일 실시예로, 미세 돌기(300)가 생체 조직 내에 침습하거나, 외력에 의하여 용이하게 변형되는 것이 요청되면, 미세 돌기(300)의 형태는 단부가 뾰족하게 형성된 각뿔 및 원뿔의 형태로 형성될 수 있다.
다른 실시예로, 미세 돌기(300)가 생체 조직 내에 침습하지 않고 생체 조직과 접촉하는 것이 요청되면, 미세 돌기(300)의 형태는 원기둥(cylinder), 각기둥(prism), 원뿔대(truncated cone) 및 각뿔대(prismatoid) 중 어느 하나의 형태의 형태가 바람직하다.
다만, 상기한 미세 돌기(300)의 형태는 예시일 따름이며, 생체 조직내에 침습이 요청되거나, 외력에 의하여 용이하게 변형되는 것이 요청될 때 미세 돌기(300)가 원기둥(cylinder), 각기둥(prism), 원뿔대(truncated cone) 및 각뿔대(prismatoid) 등의 형태를 가지는 것을 배제하는 것이 아니다. 또한, 생체 조직내에 침습이 요청되지 않는 경우에 미세 돌기(300)의 형태가 각뿔 및 원뿔의 형태인 것을 배제하는 것이 아니다.
미세 돌기(300)는 획득하고자 하는 생체 정보에 따라 재질을 달리할 수 있다. 일 실시예로, 미세 돌기(300)가 생체 조직에 전기적 신호를 제공하고, 생체 조직으로부터 전기적 신호를 제공받는 것이 요청되면 미세 돌기(300)는 전도성 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 미세 돌기(300)가 생체 조직의 굳은 정도(rigidity)에 상응하는 전기적 신호를 출력하는 것이 필요하면 미세 돌기(300)가 변형되는 정도에 따라 전기적 신호를 출력하는 물질을 포함하는 것이 바람직하다. 일 예로, 미세 돌기(300)는 바륨 타이타네이트 등의 압전 세라믹 입자, PVDF 등의 압전 물질을 포함하는 것이 바람직하다.
처리부(400)는 생체 정보 획득 장치(10)와 연결되고, 생체 정보 획득 장치(10)가 제공하는 전기적 신호를 처리한다. 일 실시예로, 처리부(400)는 전극(200)과 연결된 도선이 연결되어 생체 정보 획득한 전기적 신호 등을 검출하고 처리한다.
일 예로, 처리부(400)는 연산장치(미도시)로 생체 정보 연산 프로그램을 구동하여 검출된 전기적 신호로부터 임피던스 연산, 생체의 경화도 연산, 전기 화학적 반응에 의한 체내 물질 검출을 수행할 수 있다. 또한, 처리부(400)는 유도관(110)을 통하여 유체를 유입시키거나, 유출시켜 목적하는 압력으로 벌룬(100)을 팽창시키거나, 수축시킬 수 있다.
도 3은 본 실시예의 생체 정보 획득 장치(10)가 혈관에 삽입되어 동작하는 것을 설명하기 위한 개요적 단면도이고, 도 4A는 지질 등이 축적되지 않은 상태에서 주파수를 변경하면서 측정한 임피던스의 변화를 예시한 도면이고, 도 4B는 지질 등이 축적된 상태에서 주파수를 변경하면서 측정한 임피던스의 변화를 예시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 생체 정보 획득 장치(10)는 일 예로, 혈관(V)에 삽입되고, 유도관(110)을 통하여 제공된 유체에 의하여 팽창하여 제1 전극(200a)에 위치하는 미세 돌기(300)와 제2 전극(200b)에 위치하는 미세 돌기(300)는 혈관(V) 내벽에 접촉한다.
처리부(400, 도 2 참조)는 도선(w, 도 2 참조)을 통하여 연결된 제1 전극(200a)과 제2 전극(200b)에 전기적 신호를 인가한다. 미세 돌기(300)들과 접촉한 혈관(V)은 전기적 신호가 흐르는 전도성 경로(conductive path)를 형성한다.
도 4A와 도 4B를 참조하면, 미세 돌기(300)를 통하여 제공되는 전기적 신호의 주파수를 변화하면서 전도성 경로의 임피던스 변화를 측정하면, 혈관 내에 지질등이 축적되거나 석회화 되어 취약성 경화반(vulnerable plague)이 형성된 상태에서는 취약성 경화반(vulnerable plague, L)이 형성되지 않은 경우에 비하여 임피던스의 실수 성분과 허수 성분의 변화가 큰 것을 파악할 수 있으며, 이러한 변화량은 취약성 경화반(vulnerable plague)의 크기에 상응한다.
제1 및 제2 전극들(200)에 위치하는 미세 돌기(300)를 통하여 교류 전압을 인가하고, 그에 따른 교류 전류 신호를 측정하거나, 미세 돌기(300)를 통하여 교류 전류를 인가하고, 그에 따른 교류 전압 신호를 측정함으로써 혈관(V)에 형성되는 취약성 경화반(L)의 유무 및 크기를 파악할 수 있다.
종래의 이미지 분석 장치로 획득한 혈관 이미지를 보면 혈관은 검정색으로 표시되고, 혈관의 폭이 좁아지는 것만 확인할 수 있다. 나아가, MRI, OCT, 초음파 장치를 이용하여 확인하는 경우에도 정밀한 분석은 곤란하다. 그러나, 본 실시예에 의하면 종래 기술에 비하여 높은 정확도와 민감도로 혈관 내의 국부적인 지질 분포, 석회화 및 취약성 경화반의 형성 정도를 파악할 수 있다는 장점이 제공된다. 나아가 본 실시예를 이용하여 동맥 경화등에 의하여 파열 위험이 있는 혈관을 선제적으로 진단하여 불의의 사태를 예방할 수 있다는 장점이 제공된다.
일 실시예에서, 제1 전극(200a)과, 제2 전극(200b) 상에 복수의 미세 돌기(300)들이 형성될 수 있다. 이때 제1 전극(200a)에 위치하는 복수의 미세 돌기(300)들과 제2 전극(200b)에 위치하는 복수의 미세 돌기(300)들 사이에 복수의 전도성 경로들이 형성될 수 있다. 이로부터 전도성 경로상에 위치하는 지질, 석회질 및 취약성 경화반(L)을 보다 정밀하게 파악할 수 있다.
또한, 도 3은 제1 전극(200a)과 제2 전극(200b)이 하나의 전극 쌍을 이루는 것을 예시한다. 그러나 도시되지 않은 실시예로, 두 개 이상의 전극쌍을 배치하여 전도성 경로의 임피던스를 측정하는 것도 가능하다.
도 5A, 도 5B는 본 실시예의 생체 정보 획득 장치로 전기화학적 분석을 수행하는 실시예를 설명하기 위한 개요적 단면도들이다. 도 5A 및 도 5B로 도시된 실시예에서 생체 정보 획득 장치(10)는 생체의 체강(cavity) 내로 삽입된다. 도 5A를 참조하면, 생체 정보 획득 장치(10)는 두 개의 전극을 포함할 수 있으며, 이들 중 하나는 작업 전극(working electrode, 200w)으로 기능할 수 있고, 하나는 상대 전극(counter electrode, 200c)로 기능할 수 있다.
도 5B로 예시된 실시예에서, 생체 정보 획득 장치(10)는 세 개의 전극을 포함할 수 있으며, 이들은 각각 작업 전극(working electrode, 200w), 상대 전극(counter electrode, 200c) 및 기준 전극(reference electrode, 200r)로 기능할 수 있다.
도 5A 및 도 5B로 예시된 실시예에서, 생체 정보 획득 장치(10)는 생체 내에 삽입되어 타겟 영역(C)과 접촉하도록 배치된다. 미세 돌기(300)들은 타겟 영역(C)과 접촉하거나, 도시된 실시예와 같이 타겟 영역(C)에 침습하여 접촉할 수 있다.
도 5A로 예시된 실시예에서, 작업 전극(200w)과 상대 전극(200c)에서는 산화, 환원 반응 등의 전기화학적 반응에 의하여 전위차가 형성되고, 반응에 의한 전류가 흐른다. 처리부(400)는 도선(w)을 통하여 전위차와 전류를 검출할 수 있다.
도 5B를 참조하면, 작업 전극(200w)과 상대 전극(200c)에서는 산화, 환원 반응 등의 전기화학적 반응에 의하여 전위차가 형성되고, 반응에 의한 전류가 흐르나, 타겟 영역(C)의 전기 저항에 의한 전압 강하(IRdrop)가 발생하여 오차가 발생할 수 있다. 타겟 영역(C)의 저항값이 크거나, 흐르는 전류가 큰 경우 및 보다 정밀한 측정을 위하여 기준 전극(200r)을 사용할 수 있다.
세 개의 전극을 사용하여 측정하는 경우, 작업 전극(200w)과 상대 전극(200c) 사이에서 전류가 흐르고, 작업 전극(200w)의 전위는 기준 전극(200r)을 기준으로 하여 조절 및 측정된다. 작업 전극(200w)과 기준 전극(200r) 사이의 전위차는 전기화학적 반응에 의해 흐르는 전류값에 관계없이 정확하게 측정할 수 있다.
다른 예로, 작업 전극(200w)과 상대 전극(200c)을 포함하는 경우에, 상대 전극을 의사 기준 전극(pseudo reference electrode)로 활용하여 보다 정밀한 측정이 가능하다.
도시된 실시예에서, 처리부(400)는 동작 전극에서 산화, 환원 반응등의 전기화학적 반응이 일어나도록 하고, 도선(w)을 통하여 전기화학적 반응에 의한 전위차를 스캔하며, 전기화학적 반응에 의한 전류를 검출한다. 일 예로, 처리부(400)는 0 ~ 1V 까지 10mV 단위로 스캐닝하면서 특정 전위에서 전류의 변동을 검출한다.
특정한 전위에서 전류의 급격한 변동이 발생하는 것은 특정 물질이 존재하여 발생하는 것이다. 따라서, 처리부(400)는 전류의 급격한 변동이 발생하는 전압으로부터 해당 물질이 타겟 영역(C)에 위치하는지 여부 및 그 물질의 양을 파악할 수 있다.
종래 기술에 의하면, 내시경을 통하여 시각적으로 관심 영역을 파악하고, 관심 영역 내의 조직을 떼어내서 파악하였다. 이러한 과정에서 체강 내의 조직에 상처가 발생할 수 있다. 그러나, 본 실시예에 의하면 생체 정보 획득 장치(10)를 이용하여 관심 영역에 대한 상처를 만들지 않고 전기화학적 분석을 수행할 수 있으며, 이로부터 타겟 영역 내의 지질, 용종, 암 등의 병변 존재 여부, 목적하는 단백질, 바이오 마커등을 파악할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 6 및 도 7은 본 실시예의 생체 정보 획득 장치의 다른 실시예를 설명하기 위한 개요적 단면도들이다. 도 6A는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치가 심혈관의 하나인 대동맥(V)으로 삽입되어 대동맥의 경도(rigidity)를 검출하는 예를 예시하며, 도 6B는 전극(200)과 미세 돌기(300)를 보다 세밀하게 도시한 도면이다. 도 6A를 참조하면, 벌룬(100)은 충분히 팽창하지 않은 상태로 대동맥(V)에 삽입될 수 있다. 따라서, 제1 전극(200d)에 위치하는 미세 돌기(300) 및 제2 전극(200e)에 위치하는 미세 돌기(300)에는 변형이 발생하지 않는다.
도 6B를 참조하면, 미세 돌기(300)는 외력 검출부(310)와 연성코팅부(320)를 포함할 수 있다. 외력 검출부(310)와 연성코팅부(320)를 포함하는 미세 돌기(300)는 외력에 의하여 용이하게 변형이 일어나도록 높은 종횡비(aspect ratio)로 형성될 수 있다. 도시된 예는 사면체, 원뿔로 예시되었으나, 외력에 의하여 용이하게 변형이 일어나도록 밑면적에 비하여 큰 높이를 가지는 원기둥 등의 필라(pillar) 형태로 구현될 수 있다.
일 실시예로, 외력 검출부(310)는 외력이 제공되었을 때 용이하게 변형이 일어나도록 연성 물질로 이루어질 수 있고, 나아가 변형에 따른 전기적 신호를 제공하는 물질로 형성될 수 있다. 일 예로, 외력 검출부(310)는 바륨 타이타네이트(BaTiO3) 등의 압전 세라믹 입자, PVDF 등의 폴리머 압전 물질을 포함할 수 있다.
외력 검출부(310)를 코팅하는 연성 코팅부(320)는 미세 돌기(300)가 혈관이나, 체강으로 의도하지 않게 침습하여 해당 조직을 파열시키는 것을 막을 수 있도록 연성물질을 외력 검출부(310)에 코팅하여 형성될 수 있다. 나아가, 연성 코팅부(320)는 PDMS 및 Ecoflex 등의 실리콘 탄성체(silicon elastomer) 물질 및 우레탄 계역의 연성 고분자 물질 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
도시되지 않은 다른 실시예에 의하면, 미세 돌기(300)는 외력 검출부를 형성할 수 있는 바륨 타이타네이트(BaTiO3) 등의 압전 세라믹 입자, PVDF 등의 폴리머 압전 물질과 연성 코팅부를 형성할 수 있는 PDMS 및 Ecoflex 등의 실리콘 탄성체(silicon elastomer) 물질 및 우레탄 계역의 연성 고분자 물질이 혼합된 복합 물질로 형성될 수 있다.
도 7A는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치가 심혈관의 하나인 대동맥(V)으로 삽입되어 대동맥의 경도(rigidity)를 검출하는 예를 예시하며, 도 7B는 미세 돌기(300)가 대동맥의 내측벽과 접촉하여 변형된 상태를 예시한 도면이다. 도 7A를 참조하면, 생체 정보 획득 장치(10)가 타겟 영역에 위치하면, 유도관(110)을 통하여 유체가 유입되어 벌룬(100)을 팽창시킨다. 벌룬(100)이 팽창함에 따라서 미세 돌기들(300)은 혈관의 내벽에 접촉하여 변형이 발생한다.
외력 검출부(310)와 연성 코팅부(320)는 제공되는 외력에 상응하는 전기적 신호를 출력한다. 처리부(400)는 미세 돌기(300)가 제공하는 전기적 신호를 제공받고, 혈관의 경도를 검출할 수 있다.
일 예로, 혈관이 유연한 경우에는 벌룬(100)이 팽창하여 미세 돌기(300)와 접촉하여도 미세 돌기(300) 뿐만 아니라 혈관(V)도 변형된다.
그러나, 동맥 경화, 노화 등의 요인으로 혈관에 신축성을 제공하는 일라스틴이 점차 소멸됨에 따라 혈관은 경화된다. 따라서, 벌룬(100)이 팽창하여 미세 돌기(300)가 혈관(V) 내벽에 접촉하면 혈관이 변형되는 정도에 비하여 미세 돌기(300)가 크게 변형된다. 앞선 경우에 비하여 미세 돌기(300)에 제공되는 외력의 크기가 커지며 미세 돌기(300)가 출력하는 전기적 신호가 크다. 처리부(400)는 유도관(110)을 통하여 주입한 유체의 부피와 미세돌기(300)가 출력하는 전기적 신호를 검출하여 혈관(V)의 경화도를 검출할 수 있다.
도 6 및 도 7에는 벌룬(100)의 표면에 두 개의 전극이 위치하는 것을 예시하였다. 그러나, 이는 실시예일 따름이며, 벌룬(100)의 표면에는 두 개 이상의 전극이 위치할 수 있다. 나아가, 하나의 전극에는 복수의 미세 돌기(300)들이 일렬로 혹은 어레이로 배치될 수 있다. 이러한 배치 구조를 통하여 높은 민감도와 정확도로 경도를 측정할 수 있다는 장점이 제공된다.
종래 기술에 있어서는 인체의 사지에 혈류 센서를 부착하고, 어느 곳에서의 혈류가 늦거나, 빠른지 검출하여 혈관의 이상 여부를 파악하였다. 그러나, 종래 기술에 있어서도 정확하게 어떠한 혈관에 이상이 있는지 파악하는 것이 곤란하였다.
본 실시예에 의하면, 혈관에 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)를 삽입하고, 이로부터 혈관의 경화 등을 비침습적으로 파악할 수 있다는 장점이 제공된다.
도 8은 또 다른 실시예의 동작을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 8을 참조하면, 도시된 실시예에서 생체 정보 획득 장치(10)는 생체의 체강 혹은 혈관 내로 삽입된다. 미세 돌기(300)들은 팽윤성 물질(swelling material)로 형성될 수 있으며 일 예로, 히알루론산(Hyaluronic Acid, HA), 알지네이트 (Alginate) 등의 하이드로젤 혹은 메타아크릴레이트히알루론산(MeHA), GelMA 등과 같은 광경화성 하이드로젤로 형성될 수 있다.
도 8로 예시된 실시예에서 팽윤성 물질(swelling material)로 형성된 미세 돌기(300)들이 전극(200) 상에 위치하는 것을 예시하나, 도시되지 않은 다른 실시예에 의하면, 전극은 팽윤성 물질로 형성될 수 있다.
팽윤성 물질로 이루어진 미세 돌기(300)들은 위치한 부분에서 물질들을 흡수하여 팽창한다. 일 예로, 생체 정보 획득 장치(10)가 위치한 영역에서 미세 돌기(300)들은 주변 조직, 단백질, 체액 등의 조직을 획득할 수 있다. 또한, 팽윤성 물질로 이루어진 전극 혹은 미세 돌기를 이용하여 생체 정보를 획득한 후 즉시 분석이 가능하다는 장점이 제공된다. 또한, 생체 정보 획득 장치(10)가 위치한 영역의 생체 정보를 폭넓게 파악할 수 있다는 장점이 제공된다.
실험 결과
도 9A는 동맥 경화증이 있는 혈관을 모사한 예를 도시한 도면이다. 도 9A로 예시된 것과 같이 혈관 내벽의 섬유질 캡슐과 혈관은 각각 젤라틴 층과 파라핀으로 모사하였다. 모사된 혈관의 내경은 10mm, 외경은 30mm 이며, 젤라틴 층의 두께는 500μm 로 설계되었다. 도 9B는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)을 이용하여 전기적 신호를 제공하였을 때 전류의 경로를 예시한 도면이고, 도 9C 및 도 9D는 상술한 실험에서 임피던스를 검출한 결과를 예시한 도면이다.
도 9C를 참조하면, 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)는 파라핀 층이 있을 때와 없을 때의 주파수에 의한 임피던스의 크기 변화와 임피던스의 위상각 변화를 검출할 수 있음을 확인할 수 있다.
도 10A는 좌측부터 10% PVA를 냉동 후 해동 사이클을 6회 수행하여 경도(stiffness)를 증가시키고 내벽에 200μm의 동물성 지방이 배치된 모사 혈관 및 돼지의 대동맥을 도시한 도면이다.
도 10B는 본 실시예에 의한 생체 정보 획득 장치(10)로 혈관의 경화도를 측정한 결과를 예시한다. 도시된 바와 같이 가장 높은 경도를 가지는 10% PVA를 냉동 후 해동 사이클을 6회 수행하여 경도(stiffness)를 증가시킨 모사 혈관에서 55mV의 가장 큰 피크-피크 전압 차이를 보이는 것을 알 수 있으며, 이는 가장 경도가 높은 것을 나타낸다. 이어서, 돼지의 혈관에서 40mV의 피크-피크 전압 차이를 나타내는 것을 알 수 있다. 또한, 모사 혈관에 위치하는 지방은 취약성 경화반(vulnerable plague)을 모델링하는 것으로, 대략 5mV의 피크-피크 전압 차이가 형성되는 것을 알 수 있다. 예시된 결과로부터 본 실시예에 의하면 취약성 경화반(vulnerable plague)을 검출할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나, 이는 실시를 위한 실시예로, 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10: 생체 정보 획득 장치
20:생체 정보 처리 장치
100: 벌룬 110: 유도관
200: 전극 300: 미세 돌기
310: 외력 검출부 320: 연성코팅부
100: 벌룬 110: 유도관
200: 전극 300: 미세 돌기
310: 외력 검출부 320: 연성코팅부
Claims (9)
- 생체에 삽입되어 생체 정보를 획득하기 위한 장치로, 상기 장치는:
상기 생체에 삽입되어 팽창 및 수축 가능한 벌룬(balloon); 및
상기 벌룬의 표면에 위치하는 하나 이상의 전극들;
상기 생체에 접촉하도록 상기 전극들의 표면에 하나 이상 위치하는 미세 돌기들; 및
상기 전극들에는 전기적 신호가 인가되고, 상기 전기적 신호가 상기 생체에 제공되어 형성된 전기적 신호를 검출하는 제1 전극과 제2 전극을 포함하며,
상기 생체와 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 형성된 미세 돌기들은 상기 전기적 신호에 대한 경로를 형성하는 생체 정보 획득 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극에 인가되는 전기적 신호는 전압 신호 및 전류 신호 중 어느 하나이고,
상기 제2 전극이 검출하는 전기적 신호는 상기 전압 신호 및 전류 신호 중 하나인 생체 정보 획득 장치. - 제1항에 있어서,
상기 미세 돌기는,
원기둥(cylinder), 각기둥(prism), 원뿔대(truncated cone) 및 각뿔대(prismatoid) 중 어느 하나의 형태인 생체 정보 획득 장치. - 제1항에 있어서,
상기 미세 돌기는,
전도성 물질을 포함하는 생체 정보 획득 장치. - 제1항에 있어서,
상기 전극들은
하나 이상의 쌍으로, 서로 이격되어 상기 벌룬 표면의 외주를 따라 위치하는 생체 정보 획득 장치. - 제1항에 있어서,
상기 생체 정보 획득 장치는,
상기 벌룬을 팽창시키거나, 수축시키도록 유체가 유출입하는 유도관과,
상기 전극과 연결된 도선을 더 포함하는 생체 정보 획득 장치. - 생체 정보 처리 장치로, 상기 장치는:
생체에 삽입되어 팽창 및 수축 가능한 벌룬(balloon) 및 상기 벌룬의 표면에 배치되는 하나 이상의 전극들을 포함하는 생체 정보 획득부와,
상기 생체 정보 획득부가 획득한 생체 정보를 처리하는 처리부(processing unit)를 포함하고,
상기 생체 정보 획득부는 상기 생체에 접촉하도록 상기 전극들의 표면에 하나 이상 위치하는 미세 돌기들을 더 포함하고,
상기 미세 돌기는
원기둥(cylinder), 각기둥(prism), 원뿔대(truncated cone) 및 각뿔대(prismatoid) 중 어느 하나이고,
상기 전극들은
상기 처리부로부터 전기적 신호가 인가되고, 상기 전기적 신호가 상기 생체에 제공되어 형성된 전기적 신호를 검출하여 상기 처리부에 제공하는 제1 전극 및 제2 전극을 포함하며,
상기 생체와 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 형성된 미세 돌기들은 상기 전기적 신호에 대한 경로를 형성하는 생체 정보 처리 장치. - 제7항에 있어서,
상기 생체 정보 획득부는
생체의 혈관 및 체강(body cavity) 중 어느 하나 이상에 삽입되어 상기 생체 정보를 획득하는 생체 정보 처리 장치. - 제7항에 있어서,
상기 처리부는,
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에 인가하는 상기 전기적 신호를 제공하고, 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극에서 검출한 전기적 신호를 제공받고,
상기 경로의 전기적 임피던스를 연산하는 생체 정보 처리 장치.
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