피부의 압력과 온도의 연속적 측정으로 욕창을 예방할 수 있는 시스템
[바이오타임즈] 욕창은 한 자세로 계속 앉아 있거나 누워있을 때 지속적인 압력으로 인해 피부 및 피부 아래 조직에 혈액순환 장애가 일어나게 되고, 조직에 혈액이 공급되지 못해 염증 및 괴사가 발생하는 것을 말한다.
욕창이 심해져 궤양 부위가 감염되면 조직 괴사가 광범위하게 되고, 근육과 뼈의 파괴가 심해 만성 골수염이 될 수도 있다. 전신으로 퍼질 경우에는 패혈증으로 사망에 이를 가능성도 있기에 매우 위험한 병으로 알려졌다.
이러한 욕창은 인구의 고령화와 만성질환의 증가로 높은 발병률과 유병률을 보이며, 동작, 감각 및 인지능력에 손상을 입은 환자들에게서 자주 발생한다.
욕창이 발생하면 입원환자의 입원 기간 및 의료비 지출을 증가시킬 뿐만 아니라 환자, 보호자에게 상당한 고통을 유발하기 때문에 조기진단과 예방이 매우 중요하다.
현재 욕창의 예방은 미국 욕창자문기구(NPIAP, National Pressure Injury Advisory Panel)에서 제안하는 프로토콜에 기반하여 주기적으로 누워있는 환자의 체위 변경을 통해서 압력을 분산하지만, 여전히 많은 욕창 발생 환자들이 발생하고 있다.
욕창 발생률을 획기적으로 낮추기 위해서는 누워있는 환자의 피부 계면에서의 압력과 온도를 연속적으로 측정하기 위한 우수한 신뢰성을 가지는 센서와 시스템 기술이 필요한데, 아직 연구개발의 초기 단계에 있다.
그런데, 국내 연구진이 누워있는 환자의 피부에 부착된 무선, 배터리-프리 센서 플랫폼을 사용하여 욕창 발생 위험이 높은 주요한 부위에서 압력과 온도를 연속적으로 모니터링할 수 있는 무선 감지 시스템을 개발했다.
◇카이스트 박인규·오용석 교수 연구팀, 욕창 감지 무선 배터리-프리 소프트 압력 센서 시스템 개발
KAIS 기계공학과 박인규 교수와 오용석 연구교수 연구팀은 미국 노스웨스턴대학 존 로저스(John A. Rogers) 교수 연구팀과 국제 공동 연구를 통해 욕창 예방을 위한 피부 계면에서의 압력과 온도의 연속적인 측정이 가능한 무선, 배터리-프리, 소프트 압력 센서 시스템을 개발했다고 밝혔다.
연구 결과는 재료과학 및 융합연구 분야 최상위 학술지 중 하나인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications, 2020 impact factor 14.919)’ 저널의 2021년 8월 24일 자 온라인판에 게재됐다.
공동연구팀은 부산대학교병원 재활의학과 이병주 교수, 김해한솔재활요양병원 이제상 과장, 민원기 실장과 함께 임상실험을 통해 이 시스템 기술의 유효성과 안정성을 검증했다.
욕창은 피부의 온도 증가로 가속화될 수 있는 것으로 알려졌다. 이에 연구팀은 이러한 문제의 해결을 위해 무선, 배터리-프리 압력 센서 시스템을 개발해, 피부 계면에서 압력과 온도의 연속적인 모니터링을 구현하고 욕창 위험군 환자에 대해서 시스템의 유효성과 안정성을 평가했다.
◇피부의 압력과 온도의 연속적 측정으로 욕창을 예방할 수 있는 시스템
연구팀이 개발한 무선, 배터리-프리 압력센서는 금속과 중합체로 구성된 멤브레인 (Membrane) 필름의 처짐에 따른 저항 증가를 이용해 압력을 측정하는 방식으로, 욕창 발생과 관련된 요구되는 압력 범위(~10 킬로파스칼(kPa))에서 적절한 민감도, 높은 선형성(Linearity), 작은 이력현상(Hysteresis)과 드리프트(Drift), 우수한 출력의 안정성을 보였으며, 피부에 부착된 압력 센서의 정확성을 높이기 위해 굽힘, 전단 등에 반응하지 않도록 설계됐다. 또한, 온도센서는 피부 온도 변화에 따른 저항방식의 압력 센서 출력을 보정하고, 욕창 발달의 가속화와 관련된 피부 온도 변화의 연속적 측정이 가능하게 했다.
공동연구팀은 환자의 전신을 커버하기 위해 침대 매트리스 아래에 두 개의 송신기 코일 안테나, 침구 옆에 리더기(Reader)와 멀티플랙서(Multiplexer)를 배치해 환자의 피부에 부착된 무선 센서 플랫폼으로 안정적으로 전력 전송과 데이터 통신이 가능한 시스템을 개발하고, 송신기 코일 안테나로부터 발생하는 자기장 분포, 방향, 세기 등을 시뮬레이션을 통해 검증했다.
아울러 반신마비 환자, 전신마비 환자 등의 욕창 위험군 환자들에 대한 무선, 배터리-프리 센서 시스템에 대한 유효성과 안정성 평가를 통해서 욕창 발생 주요 부위에서의 장시간 압력, 온도의 연속적인 모니터링과 체위 변경에 대한 압력의 정량적 측정을 검증했다.
피부 표면에 대한 자극 없이 여러 위치에서 동시에 수집된 압력과 온도에 대한 결과 정보는 욕창의 조기진단 및 예방을 위한 정량적 기초를 제공한다. 이러한 시스템을 사용한 임상 연구는 환자별 욕창 발생과 관련된 임계값을 정의하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.
또한, 무선 플랫폼에 추가적인 센서를 부착하여 전신 혈역학(Hemodynamics), 갈바닉(Galvanic) 피부 반응, 피부 모듈러스(Modulus) 값과 생리적 신호 측정을 통해 환자 건강 상태에 대한 보다 많은 정보를 제공할 수 있기 때문에 의학적 유용성과 범용성에서도 큰 의미를 갖는 연구라 할 수 있다.
이번 연구의 교신저자 박인규 교수는 “침대에 누워있는 환자의 주요한 피부 계면에서 압력과 온도의 연속적 측정이 가능한 무선, 배터리-프리 센서 시스템 기술이 세계 최초로 개발됐으며, 이를 통해 욕창 위험군 환자들에 대한 욕창의 조기진단과 예방을 획기적으로 향상할 수 있는 계기가 될 것으로 기대한다”라고 밝혔다.
[바이오타임즈=김수진 기자] sjkimcap@biotimes.co.kr
