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KAIST-케이헬쓰웨어, 마취심도 무선측정기 개발
  • 박희범 과학기술전문기자
  • 승인 2017.02.09 09:31
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사용자의 이마에 붙여서 사용하는 센서구성도. 뇌파 측정을 위해서 4개의 전극을 사용하는데, 뇌파 채널2는 왼쪽 눈 옆에 부착하고 나머지 기준전극, 접지전극, 뇌파 채널1 전극은 이마에 부착한다. 무게는 10g이하로 매우 가볍고 중앙에 근적외선 분광 측정용 모듈이 부착되어 있어 혈 중 헤모글로빈 농도도 동시에 측정 가능. 칩보드에서 신호의 측정과 전송을 수행하며 코인 배터리가 포함되어 있다.

무선으로 마취 심도를 정확히 측정할 수 있는 기술이 개발됐다.

KAIST(총장 강성모)는 전기및전자공학과 유회준 교수 연구팀이 고려대학교 구로병원 최상식 교수, ㈜케이헬쓰웨어(대표 노태환)와의 공동 연구를 통해 무선으로 마취의 심도를 정확하게 파악할 수 있는 측정기를 개발했다고 9일 밝혔다.

하언수 박사과정 학생이 주도한 이번 연구는 9일 미국 샌프란시스코에서 열린 반도체 학술대회인 국제고체회로설계학회(ISSCC)에서 발표됐다.

마취의 심도가 적정하게 유지되는 것은 환자에게 매우 중요하다. 마취가 얕으면 수술 도중 깨어나 큰 고통을 겪기도 하고, 반대로 마취가 너무 깊게 되면 심장발작, 합병증, 사망에 이르기도 한다.

프로포폴도 호흡을 억압하기 때문에 마취 심도가 깊어지면 사망 사고를 유발하기도 한다. 이런 사고 방지를 위해 마취 심도를 정량적으로 측정하려는 시도가 국내외로 활발하게 진행 중이다.

이러한 노력으로 개발된 마취심도계측기로 인해 마취 사고 발생률은 크게 낮아졌다. 그러나 기존의 제품들은 모니터링 장치에 연결하기 위해 긴 전선이 사용돼 번거로움을 유발한다. 또한 마취 약물 종류에 따라 심도를 측정할 수 없다는 한계가 있다.

유회준 교수

연구팀이 개발한 마취 심도 모니터링 측정기는 마취 중인 환자의 이마에 접착된 패치를 통해 뇌파 신호 및 혈중 헤모글로빈 농도를 추출한다. 이를 정확히 제어하는 반도체 칩이 패치에 집적돼 무선으로 뇌파와 근적외선 분광 신호를 동시에 측정할 수 있다.

측정된 다중 신호들은 디지털 신호로 바뀌어 전달된 후 딥 러닝(Deep Learning) 기술을 이용해 환자의 마취 심도를 정확히 판단한다.

수술 시간이 길어지면 전극의 젤이 마르게 돼 뇌파 측정신호가 나빠지지만 연구팀은 이런 상황에서도 정확한 신호를 측정할 수 있는 회로 기법을 도입했다.

또한 실제 수술실에서 사용할 수 있는 초소형 근적외선 분광 센서가 붙어 있어 성별, 나이, 인종에 상관없이 유효한 신호 측정이 가능하다. 나아가 다중 신호를 이용하기 때문에 수술 중 전기 잡음을 유발하는 전기 소작기나 삽관 사용 중에도 신호 왜곡 없이 마취심도의 측정이 가능하다.

연구팀의 측정기는 기존 기기로는 측정이 불가능했던 케타민 등의 약물도 마취 심도를 측정할 수 있어 의료 분야에서 응용 가능할 것으로 기대된다.

유 교수는 “그동안 마취 심도 센서는 비싼 가격의 특정 외국회사 제품이 독점하는 형태였다”며 “환자들의 부담을 줄이면서 안전한 마취를 제공할 수 있어 새 제품을 개발할 수 있는 좋은 기회가 될 것”이라고 말했다.

□ 연구 개요
프로포폴-전신마취 심도는 프로포폴로 인해 마취의 깊이가 변할 때의 결과값을 기존 상용 제품인 Bispectral index (BISTM)과 비교하여 나타낸 그래프이다.

검은 선이 해외 BISTM제품이고 빨간 선이 현재 개발된 제품인데 프로포폴이 주입되고 후에 마취에서 깨어나는 일련의 변화 시점들이 일치함을 알 수 있다. 단, 삽관을 할 때나 전기소작기를 사용할 때에는 차이가 있는데, 이는 전자기적 잡음을 생성시켜 기존 센서(BISTM)에 왜곡을 주기 때문이다.

이번에 개발한 제품은 근적외선 분광 신호를 같이 측정하기 때문에 뇌파에만 유입되는 잡음을 보상시켜 줄 수 있다. 그로 인해 개발 제품의 해당 구간에서 급격한 마취 심도 변화가 일어나지 않는다.

케타민-전신마취 심도에서는 케타민이라는 약물로 인해 마취의 깊이가 변할 때의 결과값을 기존 사용 제품 BISTM과 비교하여 나타낸 그래프이다. 케타민을 주입하였을 때에 기존 해외 제품 (BISTM)은 심도 변화를 하지 않지만, 개발된 제품은 심도 변화를 측정할 수 있다.

이는 BISTM가 측정하는 뇌파 신호에 더해서 근적외선 분광 신호를 추가 측정하였기 때문인데, 자체적으로 개발한 알고리즘과 딥 러닝 (Deep Learning) 알고리즘을 결합하여 좀 더 정확한 결과를 도출했다.

KAIST가 개발한 제품과 해외 제품의 마취심도 측정 비교표.

□ 용어설명

# 근적외선 분광법
근적외선은 800~2500㎚ 파장 대역으로서 어떤 분자결합에 근적외선을 조사되면 그 분자 결함이 가지고 있는 고유한 진동에너지에 해당하는 복사선이 흡수된다. 상대적으로 흡수율이 작고 반사율이 크며, 침투 깊이가 수 ㎜로 깊고 저비용으로 광학시스템을 구축할 수 있기 때문에 비파괴 성분계측용으로 이용되고 있다.

# 딥 러닝 (Deep Learning)
 컴퓨터가 여러 데이터를 이용해 마치 사람처럼 스스로 학습할 수 있게 하기 위해 인공 신경망(ANN: artificial neural network)을 기반으로 한 기계 학습 기술. 딥 러닝은 인간의 두뇌가 수많은 데이터 속에서 패턴을 발견한 뒤 사물을 구분하는 정보처리 방식을 모방해 컴퓨터가 사물을 분별하도록 기계를 학습시킨다. 딥 러닝 기술을 적용하면 사람이 모든 판단 기준을 정해주지 않아도 컴퓨터가 스스로 인지·추론·판단할 수 있게 된다. 음성·이미지 인식과 사진 분석 등에 광범위하게 활용된다. 구글 알파고도 딥러닝 기술에 기반한 컴퓨터 프로그램이다.

# 삽관 (Intubation)
환자의 호흡을 위해서 기도에 관을 삽입하는 행위. 강한 근전도(Electromyography, EMG)가 발생한다.

# 전기 소작기 (Electrocatuery)
전기를 이용하여 환부를 태움으로서 절개하거나 지혈하는 의료기구이다.

KAIST가 개발한 침 구성도. 2개의 뇌파 측정단, 1개의 근적외선 분광 측정단, 2개의 근적외선 분광 발광부 드라이버가 집적되어 있다. 측정된 신호는 12 비트 에이디씨 (ADC)를 통하여 디지털 처리를 거쳐 외부 기기로 무선 전송된다.

박희범 과학기술전문기자  snews@s-news.kr

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