초박형 전자

심혈관 질환은 전 세계적으로 사망의 주요 원인입니다. 지속적인 심장 모니터링을 통해 심장 질환을 조기에 발견하고 적시에 개입하여 심각한 심장 합병증을 예방할 수 있습니다. 그러나 기존 모니터링 장치는 임상 환경용으로 설계되었으며 이동 중인 사람들을 장기간 측정하기에는 너무 무겁고 전력 소모가 많습니다.

텍사스 대학교 오스틴 캠퍼스 팀은 진료소 외부에서 지속적인 심장 모니터링을 제공하는 초박형(200μm) 및 경량(2.5g) 장치를 만들어 이 문제를 해결하는 것을 목표로 하고 있습니다. 신축성이 있는 전자 문신 또는 e-문신은 의료용 드레싱을 통해 가슴에 부착됩니다. 초저전력 소비(3mW 미만)를 자랑하며, 40시간 이상 수명의 소형 배터리로 작동하고, 휴대폰 등 호스트 장치에 무선으로 실시간 데이터를 스트리밍합니다.

"대부분의 심장 질환은 그다지 명확하지 않습니다. 손상은 백그라운드에서 이루어지고 있으며 우리는 그것을 알지도 못합니다"라고 수석 저자인 Nanshu Lu는 언론 성명에서 설명합니다. "집에서 지속적인 모바일 모니터링을 할 수 있다면 조기 진단과 치료를 할 수 있고, 그렇게 할 수 있다면 심장병의 80%를 예방할 수 있습니다."

e-문신은 두 가지 주요 심장 신호를 측정하여 작동합니다. 심전도(ECG)를 통한 심장의 전기적 활동; 지진초음파검사(SCG)를 통한 기계적 심장 박동(심장 수축 및 혈액 이동으로 인한 미묘한 진동). ECG 센서는 생체 적합성 흑연 필름 전극을 사용하여 신체와 연결되며 SCG는 고해상도, 저잡음 가속도계로 기록됩니다.

ECG와 SCG 신호 간의 동기화를 통해 주요 심장 시간 간격(PEP(사전 박출 기간) 및 LVET(좌심실 박출 시간))을 높은 정확도로 측정할 수 있습니다. 이러한 시간 간격은 많은 심혈관 질환의 중요한 지표이지만 현재는 침습적 수단을 통해서만 측정할 수 있습니다.

"전기적 및 기계적 두 가지 측정을 함께 사용하면 심장에 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 훨씬 더 포괄적이고 완전한 그림을 제공할 수 있습니다."라고 Lu는 말합니다. "동기적으로 측정된 두 신호에서 비침습적 방식으로 추출할 수 있는 심장 특성이 더 많이 있습니다."

장기간 착용할 수 있도록 디자인된 e-타투는 편안해야 하고, 가슴 윤곽에 잘 맞아야 하며, 사용자가 움직일 때 피부에 따라 늘어나야 합니다. 이를 달성하기 위해 팀은 센서와 전자 회로 사이에 구불구불한 상호 연결을 사용했습니다. 그들은 e-문신이 손상이나 신호 품질 저하 없이 최대 20%까지 늘어날 수 있다는 것을 발견했습니다.

획득한 신호의 품질을 검증하기 위해 연구원들은 e-tattoo 센서의 데이터를 표준 임상 장치와 비교하여 두 장치 모두 동일한 신호와 데이터를 캡처했음을 관찰했습니다. 다음으로, 그들은 정적 자세를 유지하고 휴식 시간에 점진적인 부하를 받으며 자전거를 타면서 e-문신을 착용한 5명의 건강한 지원자를 대상으로 e-문신을 테스트했습니다. 비교를 위해 참가자들은 비침습적 심박출량 모니터(NICOM)도 착용했습니다.

정적 자세 동안 e-tattoo와 NICOM으로 측정한 심박수는 분당 심박수(bpm) 0.07±1.21의 차이로 모든 참가자에게 잘 일치했습니다. 참가자가 누워 있다가 똑바로 앉은 다음 서 있는 상태로 전환함에 따라 e-tattoo는 예상대로 PEP가 증가하고 LVET가 감소한 것을 기록했습니다. 이는 자세 변화로 인한 심장 시간 간격의 작은 변화를 측정하는 장치의 능력을 보여줍니다.

그래핀 문신으로 커프 없이 혈압 모니터링 가능

사이클링 실험에서 e-tattoo와 NICOM의 심박수 측정은 0.02±1.24bpm의 차이로 다시 높은 상관관계를 보였습니다. 사이클링 중에 ECG 신호는 원래대로 유지되었지만 SCG 신호는 모션 인공물로 인해 손상되었습니다. 따라서 연구자들은 각 사이클링 구간 사이의 휴식 기간을 조사했는데, 그 동안 e-문신과 NICOM 사이의 LVET의 평균 차이는 -0.44 ± 8.74ms였습니다. 이러한 선형 관계는 e-문신이 부피가 크고 값비싼 임상 모니터에 대한 실행 가능한 대안을 제공할 수 있음을 보여줍니다.