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[과학의 달인] 스마트 센서로 인류 건강 지킨다

■ 박인규 / KAIST 기계공학과 교수

[앵커]
요즘 스마트워치 같은 웨어러블 기기로 건강관리 하시는 분들이 많죠. 미세한 맥박까지도 측정할 수 있는 건, 인체의 감각기관을 대신하는 스마트센서 덕분이라고 합니다. 오늘 과학의 달인에서는 카이스트 기계공학과 박인규 교수 모시고 이와 관련한 자세한 이야기 나눠보겠습니다.

어서 오세요. 교수님께서는 나노 구조체와 센서 분야의 전문가이신데요. 의료용 스마트 센서를 개발하신다고요. 정확히 어떤 기술을 연구하고 계시나요?

[인터뷰]
네, 우선 저는 MEMS 라고 불리는 초미세 전자기계 시스템 기술을 통해 초소형, 저전력, 다기능 센서를 개발하고 있습니다. MEMS 대해서 좀 더 설명해 드리도록 하겠습니다. MEMS는 머리카락의 굵기보다 더 작은 크기의 구조물을 이용해 센서나 구동기, 디스플레이, 에너지발전 소자 같이 다양한 기능을 구현하는 기술입니다.

예를 들자면 여러분들께서 모두 갖고 계시는 스마트폰의 화면을 가로 세로 방향으로 돌릴 때 인식을 하거나 걸음걸이 수를 측정하는 기술은 모두 스마트폰 안에 있는 MEMS 가속도 센서가 있기 때문입니다.

이처럼 센서는 다양한 산업 분야에서 활용되고 있는데요. 제가 이끌고 있는 KAIST MINT 연구실에서는 MEMS 기술을 이용해 헬스케어와 의료 분야에 활용되는 여러 가지 센서를 개발하고 있습니다.

[앵커]
요즘 건강관리에 신경 쓰시는 분들이 많은데요. 개발하신 헬스케어 센서 기술에는 어떤 것이 있을까요?

[인터뷰]
저희 연구실에서는 운동 중에 혈압이나 맥박 같은 건강 상태를 체크하고, 올바른 자세로 운동하고 있는지 모니터링 하는 웨어러블 유연 압력/인장 센서를 개발하고 있습니다. 예를 들어 미세 다공질의 폴리머 구조를 이용해 맥박에 의해 발생하는 미세 압력 변화를 측정하고, 패치형 심전도 센서 전극과 결합해서 맥박과 혈압을 동시에 모니터링 할 수 있는 기술도 개발했습니다.

또 손바닥과 발바닥처럼 인체 주요 부위에 착용할 수 있는 매우 작고 얇으면서도, 넓은 압력 범위를 측정할 수 있는 압력 센서와, 관절과 근육 부위에 부착시킬 수 있는 무전원 타입의 인장 센서를 고안했습니다. 이런 센서를 활용하면 스쿼트나 벤치프레스, 데드리프트 같은 중량 운동을 할 때 올바른 자세로 운동하고 있는지 모니터링 할 수 있습니다.

[앵커]
설명하신 센서 기술을 건강한 사람들의 운동 모니터링에도 사용할 수 있지만, 의료 시술에도 활용할 수 있다고요. 의료용 센서에는 어떤 것들이 있나요?

[인터뷰]
네, 저희는 암이나 하지정맥류 등의 치료에 널리 사용되는 고주파 소작술의 안전성을 높일 수 있는 바늘 탑재형 센서를 개발하였습니다. 또한, 최근에는 반신마비 혹은 전신마비 환자에게 발생하기 쉬운 욕창을 예방하기 위한 무선/무전원 웨어러블 압력 센서를 개발했습니다.

[앵커]
욕창은 아직까지 특별한 예방법이 없는 질환으로 알고 있는데요. 어떤 기술을 개발하신 건가요?

[인터뷰]
우선 욕창이 무엇인지부터 설명해 드리겠습니다. 욕창은 신체 특정 부위에 지속적인 압력이 가해질 경우 혈액순환 장애가 발생하면서 피부 조직이 괴사하는 현상입니다. 주로 뇌졸중이나 기타 신체장애로 인해 침대에 누워있어야 하는 환자들에게 발생합니다. 욕창이 심해지면 패혈증과 같은 합병증이 발생하고, 심한 경우 사망할 수도 있으므로 예방하는 것이 매우 중요합니다.

욕창 발생률을 낮추기 위해서는 압력이 특정 신체 부위에 장기간 가해지지 않도록 하는 것이 일반적인 방법인데요. 병원에서 일정 시간마다 한 번씩 누워있는 환자의 자세를 바꿔주는 것도 이러한 이유 때문입니다. 그런데 이 방법으로는 욕창 발생률을 낮출 수 있지만, 실제 환자에 가해지는 압력을 알기 어려워 욕창을 조기에 방지하는 데는 어려움이 있습니다.

우리 연구실은 이러한 문제를 해결하기 위해 미국 노스웨스턴대학 연구진과 약 3년간의 공동 연구를 진행했고, 침대 매트리스와 피부의 압력 그리고 온도를 연속적으로 측정할 수 있고, 배터리가 필요 없는 무선 센서 시스템을 개발하는 데 성공했습니다.

이러한 시스템은 욕창 발생 위험이 큰 신체 여러 부위에서 압력과 온도의 측정을 동시에 가능하게 하여 욕창 발생을 획기적으로 낮추는 가능성을 가지고 있습니다. 개발된 소형 압력 센서는 압력이 가해지면 내부에 있는 금속 필름이 늘어나면서 금속의 저항값이 증가하고, 재현성과 신뢰도를 높일 수 있는 특수한 미세 기계구조가 설계되어 있습니다.

또한, 배터리가 필요 없는 근거리 무선통신 (NFC)의 방식과 결합하여 작동됩니다. 침대의 매트리스 아래에 있는 송신기 코일로부터 무선 센서에 유도전류를 생성시키는 방식을 이용하기 때문에 배터리 없이 구동할 수 있고요. 매우 얇은 필름 형태를 갖추고 있습니다. 이를 통해 환자들의 피부에 자극을 주지 않고 침대 매트리스와 피부의 압력 그리고 온도 변화를 장시간, 연속적이고 안정적으로 모니터링 할 수 있습니다.

[앵커]
교수님께서는 공학자이신데, 특별히 의료용 센서 기술을 연구하게 된 계기가 있으신가요?

[인터뷰]
초반에 잠시 소개해 드렸듯이 저는 MEMS 기술과 나노구조체를 활용해서 환경모니터링, 헬스케어, 메디컬 및 산업용 첨단 센서 기술을 연구 중인데요. 단순히 지적인 호기심을 만족하게 하기 위한 연구보다는 다양한 산업 현장에 적용될 수 있는 원천 기술을 찾아내고, 학술적으로 가치 있는 연구를 하는 것을 목표로 삼고 있습니다.

이 과정에서 약 7년 전쯤 의료용 로봇을 전공하시는 학과 선배 교수님의 소개로 의료진들과 처음 공동연구를 시작하게 되었는데, 의료 분야에 센서가 있어야 하는 응용처가 정말 많다는 것을 깨달았습니다. 그때부터 지속해서 의료진들과 만나면서 의료 분야의 센서에 대한 요구를 많이 배우게 됐고, 활발하게 협력을 이어오게 되었습니다.

[앵커]
앞서 소개해주신 기술들이 의료 현장에 적용되기 위해서는 의료계와의 협업이 무엇보다 중요할 것 같은데요. 개발 과정에 어려움은 없었나요?

[인터뷰]
의료 기기 센서를 개발할 때는 의료진과의 협업이 무엇보다 중요한데요. 공학자로서 의료진들의 언어와 관점을 정확하게 이해해야 했습니다. 다행히 저는 좋은 의료계 파트너분들을 만나서 많은 도움을 받았습니다. 고주파 소작 바늘에 탑재하는 압력/온도 센서를 개발할 때는 삼성서울병원 의료진들의 도움을 받았는데요. 센서 개발에 필요한 의학 정보와 의료 인증을 위한 자문, 동물 모델을 이용한 전임상 시험, 실제 환자를 통한 임상 시험 등의 검증 절차를 신속하고 정확하게 받을 수 있었습니다.

또한, 욕창 예방을 위한 무선 압력 센서에는 부산대학교 의대와 김해 한솔 재활 요양병원 의료진의 도움이 있었고, 신체 마비 환자를 대상으로 임상 시험을 진행할 수 있었습니다.

[앵커]
교수님의 앞으로 연구 계획은 무엇인지 궁금합니다.

[인터뷰]
헬스케어와 의료 분야에는 센서가 필요한 곳이 무궁무진하게 많이 있는데요. 의료시술의 안전성과 정확성을 높이는 초소형, 고성능 센서 기술에 대한 연구 개발을 지속할 계획입니다. 또한, 인체에 부착해서 건강 상태를 정확하게 감시하거나, 외상환자의 상처 회복 정도를 관찰하고, 회복을 도울 수 있는 차세대 웨어러블 시스템 관련 연구 개발을 목표로 하고 있습니다. 앞으로도 의료계와 적극적으로 협력해서 기술의 사업화를 성공적으로 이끌어 나가고 싶습니다.

[앵커]
오늘 소개해주신 의료용 스마트 센서 기술을 통해 앞으로는 더욱 편리하고 똑똑하게 건강관리를 할 수 있겠다는 기대가 커졌습니다. 지금까지 카이스트 박인규 교수와 함께했습니다. 오늘 나와주셔서 고맙습니다.


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