서울대학교 의공학교실
2010-02-03
김희찬(hckim9886)
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의공학(Biomedical Engineering)은 종합응용과학인 의학(Medical Science)에 공학적 논리체계와 기술도구를 응용하는 공학의 한 분야입니다. 인류 복지를 위한 각종 수단을 만들어내는 공학 본연의 역할에 따라 의공학은 질병의 진단과 치료 및 장애의 극복을 위한 다양한 해법들을 제시합니다. 질병과 장애 없이 풍요롭게 장수하는 것이 인생의 궁극적 목표라고 생각할 때 의공학은 이러한 인간의 꿈을 현실화시키는데 필수적인 Human Technology를 지향해 왔습니다. 그러한 목표 아래 서울대학교 의용전자연구실(Medical Electronics Laboratory, 김희찬 교수)에서는 의과대학 교수, 의학연구원 Post-Doc., 대학원 학생들이 함께 병원의 facility를 활용하며 활발한 연구활동을 벌이고 있습니다. 서울대학교 의용전자연구실은 전자공학(Electronic Engineering)을 근간으로 하는 임상 및 기초의학 전 분야의 응용 기술에 대한 연구를 수행하고 있습니다. 연구실 이름에서 알 수 있듯이 실험실 설립 초기에는 주로 의료용 전자기술 개발에 주력하였으나 최근 바이오기술의 발전 추세에 따라 BT분야에 접목시킬 전자공학(Bio-electronics) 기술분야로 연구 영역을 확장 시키고 있다. 대상이 되는 연구 주제로는, Medical Electronics 분야에서는 Medical Instrumentation, Medical Signal & Image Processing, Computer-Aided Diagnostics, Human-Computer Interface, Tele-Healthcare등이 있고, Bio-electronics 분야에서는 Biosensor, Biochip, Bioinformatics 등을 포함합니다.
U-Healthcare 플랫폼 장치의 개발
1) 연구배경 및 목적
시간과 공간의 제약이 없는 유비쿼터스 개념의 생체신호 계측 및 전송 시스템의 개발을 통하여 응급환자 이송 중에 효과적인 응급처치가 가능해지고 이를 통해 귀중한 환자의 생명을 구할 수 있습니다. 또한 이는 궁극적으로 응급의료 서비스의 질을 향상 시킬 수 있습니다. 유헬스케어 서비스가 가장 먼저 현실화될 유비쿼터스 응급의료시스템과 모바일 헬스 케어 시스템에 사용될 다변수 생체신호 측정, 검출 및 무선전송 기능을 갖춘 바이오 유비쿼터스 플랫폼 장치를 각각 개발하여 응급구조사와 방문간호사들에 의해 실제 임상에 응용하고 참여기업을 통해 기술이전을하여 상품화를 실시하는 것을 목표로 합니다.
2) 연구 내용
1) 생체신호 측정, 검출 시스템의 구성
- 심전계 모듈 (12채널 심전도), 체온계모듈(적외선 체온계), 혈당 측정모듈(혈당센서와 1회용 스트립센서로 구성), 비 침습 혈압 측정 모듈, 산소포화도 측정 모듈
2) 원격 전송 시스템 구성
- 휴대폰을 RS232 프로토콜을 이용 접속한 후 CDMA망을 통한 전송, HSDPA, Wibro 무선 인터넷 프로토콜에 의한 전송
3) 사용자 인터페이스 및 관리서버 구축
- 응급 전담의사용 사용자 인터페이스를 위한 PC 프로그램
- 방문 간호사 전담의사용 사용자 인터페이스를 위한 PC 프로그램
- 응급의료 단말기용 데이터 베이스 모듈 개발
3) 활용 계획
본 연구의 목적은 바이오 유비쿼터스 플랫폼 시스템을 개발하여 응급상황 및 의료환경이 취약한 곳에서도 사용가능한 이동형 의료기기로 완성하는 것입니다. 현재 1단계 결과물을 바탕으로 상용화가 되었으며, 임상테스트를 위해 1339 서울응급의료정보센터 및 119 구급대와 공동으로 시제품의 현장 응용을 실시하였습니다. 추가적인 연구 및 임상평가 후, 전국의 앰블런스와 도서 산간등의 의료 소외지역에 필수적으로 비치되는 의료장비로 활용할 수 있을 것입니다.
무효소식 연속 혈당 측정 시스템
1) 배경 및 필요성
국내에서의 당뇨병 유병률은 전 인구의 10%이며, 환자의 수가 약 480 만 명인 것으로 추산되고 있습니다. 더불어, 노령 인구의 증가와 서구화된 식생활로 인해 당뇨병 환자의 수는 앞으로 급증할 것으로 생각됩니다. 과거에 시행되었던 장기간의 추적연구를 통하여 적극적인 혈당 통제 요법이 1 형, 2형을 막론한 당뇨환자에 대해 매우 효과적이라는 사실을 알게 되었으며, 이를 위해서 적절한 수준의 혈당 측정의 필요성이 재삼 강조되고 있습니다. 빈번한 혈당 측정의 필요성에 따라 최근 연구는 기존의 스트립 타입의 일회용 측정 방식에서 벗어나 연속적인 실시간의 혈당 측정을 구현하는 데 초점이 맞추어져 있습니다. 본 연구에서는 기존의 시스템과는 다른 기본 원리인 무효소식 전기화학적 혈당 측정 센서를 개발하고 이를 이용한 최소 침습 형태의 연속 측정용 혈당 측정 시스템을 개발하는 것을 목표로 합니다.
2) 연구 내용
본 연구실에서는 수 nm 크기의 동공을 가지는 해면상의 백금 전극을 이용하면 glucose oxidase를 비롯한 효소를 거치지 않고도 포도당 분자를 효과적으로 직접 산화시킬 수 있음을 세계 최초로 발표한 바 있습니다 (Sejin Park, Taek Dong Chung and Hee Chan Kim, “Nonenzymatic Glucose Detection Using Mesoporous Platinum”, Aanal. Chem, Vol. 75, pp. 3046-3049, 2003). 보고된 연구에서 특히 중요한 점은 제시된 센서의 동작 pH가 기존의 연구에서와 다른 생물학적 수준 (pH 7.4)이며, 생체 내 수준의 높은 염소 이온 농도에서도 화학적 흡착에 의한 센서 성능의 심각한 저해가 관찰되지 않는다는 점입니다.
실제 동물실험에서 센서를 흰 쥐의 피하에 삽입한 후, 인슐린과 포도당의 투여에 의해 쥐의 혈당을 인위적으로 조절하면서 센서의 신호를 관찰하였습니다. 그 결과 위의 그림에 제시된 것과 같이 약간의 지연 시간을 두고 센서의 신호가 쥐의 혈당에 적절히 반응하고 있는것을 확인하였습니다.
본 연구를 통해 개발된 연속 혈당 측정 시스템은 전 세계적으로 당뇨인구가 증가 일로에 있는 현실과 특정 제품이 시장을 선점하기에는 아직 그 기술이 무르익지 않았다는 사실에 비추어 볼 때 매우 큰 잠재적인 가치가 있습니다. 아직은 센서 성능의 최적화를 위한 많은 연구가 남아 있지만, 본 연구의 성과물을 이용하여 휴대 가능하고 정확한 성능을 가지는 연속 혈당 측정 시스템을 개발할 수 있으리라 기대합니다.
역이온삼투 혈당측정 시스템
1) 배경 및 필요성
현재 가장 보편화된 혈당 측정 방식은 일회용 스트립타입 측정방식인데, 이는 채혈과정에서 사용자의 고통과 불편을 크게 초래하여 혈당측정을 꺼려하게 만드는 문제점이 있습니다. 이에 반해 비침습형 또는 최소 침습형(minimally invasive) 혈당 측정방식은 준연속(또는 연속) 측정이 가능하며 채혈에 따른 불편을 수반하지 않는다는 장점이 있습니다. 여러 비침습형 측정 방식의 하나로 역이온삼투 혈당측정 방식은 여러 비침습형 혈당측정 시스템 중 최초로 FDA승인에 성공하였지만 국내, 국제 적으로 완전한 상용화를 이룬 제품은 없는 실정입니다.
2) 연구내용
본 연구에서는 역이온 삼투압 방식의 혈당 측정 방식의 여러 문제들을 개선하기 위해 In-situ miniaturized-cell based flow type glucose system using reverse iontophoresis 방법을 제안하였습니다.
시스템은in-situ 소형화 유체 용기(miniaturized flow cell) 방식의 혈당 측정 시스템을 구현하는 것으로 미니 펌프와 추출 및 측정셀 그리고 제어회로 및 기구물들 등으로 되어있습니다. 이 방법은 생체외 및 SD-rat를 이용한 비임상실험에서의 성능평가를 실시하여 기존 방법에 비해 정확성, 소형화를 통한 이동성 그리고 측정환경의 변화에 대한 안정성을 갖는 것을 확인하였습니다.
초소형 세포 분석기
1) 배경 및 필요성
유세포 분석법은 유체의 흐름 속에서 세포를 비롯한 입자들의 다양한 물리적 특성을 측정하고 분석하는 방법입니다. 전형적인 유세포 분석기기는 유체공학 장치, 광학 장치, 전자 장치의 세 가지 요소로 구성된다. FACS(fluorescence-activated cell sorter)는 이러한 유세포 분석기기를 통합시킨 시스템으로, 본 연구에서는 마이크로유체공학 시스템을 개발하는데 있어, FACS의 단점인 크기와 부품의 가격 및 복잡성, 그리고 쿨터 카운터의 단점인 측정 가능 항목의 한계를 개선하고자 하였습니다.
2) 연구 내용
1. 광학적 석판술 공정을 통해 유리 칩 상에 마이크로유체공학적 채널을 만들고, 여기에 폴리머 고정화를 통한 폴리머 전극을 부착하여 진단 검사용 칩을 제작
2. 레이저 대신 LED(발광다이오드)를 사용하여 빛을 인가하도록 하였으며, 입자로부터 산란되는 형광을 검출하는 소자로 SSPM(고체소자광증폭기)를 사용
3. 전극으로부터 받는 전기 신호와 SSPM으로부터 받는 광학신호를 증폭하고 수집하여, 컴퓨터 처리할 수 있는 회로를 개발
4. 사용된 모든 소자 및 부품, 개발한 회로를 통합하여 장비로써 개발하였다. 개발된 장비 상에서 폴리스틸렌 재질의 비드를 사용하여 테스트 후, 실제 세포를 사용하여 테스트 함
- 휴대폰을 RS232 프로토콜을 이용 접속한 후 CDMA망을 통한 전송, HSDPA, Wibro 무선 인터넷 프로토콜에 의한 전송
3) 사용자 인터페이스 및 관리서버 구축
- 응급 전담의사용 사용자 인터페이스를 위한 PC 프로그램
- 방문 간호사 전담의사용 사용자 인터페이스를 위한 PC 프로그램
- 응급의료 단말기용 데이터 베이스 모듈 개발
3) 활용 계획
본 연구의 목적은 바이오 유비쿼터스 플랫폼 시스템을 개발하여 응급상황 및 의료환경이 취약한 곳에서도 사용가능한 이동형 의료기기로 완성하는 것입니다. 현재 1단계 결과물을 바탕으로 상용화가 되었으며, 임상테스트를 위해 1339 서울응급의료정보센터 및 119 구급대와 공동으로 시제품의 현장 응용을 실시하였습니다. 추가적인 연구 및 임상평가 후, 전국의 앰블런스와 도서 산간등의 의료 소외지역에 필수적으로 비치되는 의료장비로 활용할 수 있을 것입니다.
무효소식 연속 혈당 측정 시스템
1) 배경 및 필요성
국내에서의 당뇨병 유병률은 전 인구의 10%이며, 환자의 수가 약 480 만 명인 것으로 추산되고 있습니다. 더불어, 노령 인구의 증가와 서구화된 식생활로 인해 당뇨병 환자의 수는 앞으로 급증할 것으로 생각됩니다. 과거에 시행되었던 장기간의 추적연구를 통하여 적극적인 혈당 통제 요법이 1 형, 2형을 막론한 당뇨환자에 대해 매우 효과적이라는 사실을 알게 되었으며, 이를 위해서 적절한 수준의 혈당 측정의 필요성이 재삼 강조되고 있습니다. 빈번한 혈당 측정의 필요성에 따라 최근 연구는 기존의 스트립 타입의 일회용 측정 방식에서 벗어나 연속적인 실시간의 혈당 측정을 구현하는 데 초점이 맞추어져 있습니다. 본 연구에서는 기존의 시스템과는 다른 기본 원리인 무효소식 전기화학적 혈당 측정 센서를 개발하고 이를 이용한 최소 침습 형태의 연속 측정용 혈당 측정 시스템을 개발하는 것을 목표로 합니다.2) 연구 내용
본 연구실에서는 수 nm 크기의 동공을 가지는 해면상의 백금 전극을 이용하면 glucose oxidase를 비롯한 효소를 거치지 않고도 포도당 분자를 효과적으로 직접 산화시킬 수 있음을 세계 최초로 발표한 바 있습니다 (Sejin Park, Taek Dong Chung and Hee Chan Kim, “Nonenzymatic Glucose Detection Using Mesoporous Platinum”, Aanal. Chem, Vol. 75, pp. 3046-3049, 2003). 보고된 연구에서 특히 중요한 점은 제시된 센서의 동작 pH가 기존의 연구에서와 다른 생물학적 수준 (pH 7.4)이며, 생체 내 수준의 높은 염소 이온 농도에서도 화학적 흡착에 의한 센서 성능의 심각한 저해가 관찰되지 않는다는 점입니다.
실제 동물실험에서 센서를 흰 쥐의 피하에 삽입한 후, 인슐린과 포도당의 투여에 의해 쥐의 혈당을 인위적으로 조절하면서 센서의 신호를 관찰하였습니다. 그 결과 위의 그림에 제시된 것과 같이 약간의 지연 시간을 두고 센서의 신호가 쥐의 혈당에 적절히 반응하고 있는것을 확인하였습니다.
본 연구를 통해 개발된 연속 혈당 측정 시스템은 전 세계적으로 당뇨인구가 증가 일로에 있는 현실과 특정 제품이 시장을 선점하기에는 아직 그 기술이 무르익지 않았다는 사실에 비추어 볼 때 매우 큰 잠재적인 가치가 있습니다. 아직은 센서 성능의 최적화를 위한 많은 연구가 남아 있지만, 본 연구의 성과물을 이용하여 휴대 가능하고 정확한 성능을 가지는 연속 혈당 측정 시스템을 개발할 수 있으리라 기대합니다.
역이온삼투 혈당측정 시스템
1) 배경 및 필요성
현재 가장 보편화된 혈당 측정 방식은 일회용 스트립타입 측정방식인데, 이는 채혈과정에서 사용자의 고통과 불편을 크게 초래하여 혈당측정을 꺼려하게 만드는 문제점이 있습니다. 이에 반해 비침습형 또는 최소 침습형(minimally invasive) 혈당 측정방식은 준연속(또는 연속) 측정이 가능하며 채혈에 따른 불편을 수반하지 않는다는 장점이 있습니다. 여러 비침습형 측정 방식의 하나로 역이온삼투 혈당측정 방식은 여러 비침습형 혈당측정 시스템 중 최초로 FDA승인에 성공하였지만 국내, 국제 적으로 완전한 상용화를 이룬 제품은 없는 실정입니다.
2) 연구내용
본 연구에서는 역이온 삼투압 방식의 혈당 측정 방식의 여러 문제들을 개선하기 위해 In-situ miniaturized-cell based flow type glucose system using reverse iontophoresis 방법을 제안하였습니다.
초소형 세포 분석기
1) 배경 및 필요성
유세포 분석법은 유체의 흐름 속에서 세포를 비롯한 입자들의 다양한 물리적 특성을 측정하고 분석하는 방법입니다. 전형적인 유세포 분석기기는 유체공학 장치, 광학 장치, 전자 장치의 세 가지 요소로 구성된다. FACS(fluorescence-activated cell sorter)는 이러한 유세포 분석기기를 통합시킨 시스템으로, 본 연구에서는 마이크로유체공학 시스템을 개발하는데 있어, FACS의 단점인 크기와 부품의 가격 및 복잡성, 그리고 쿨터 카운터의 단점인 측정 가능 항목의 한계를 개선하고자 하였습니다.
2) 연구 내용
1. 광학적 석판술 공정을 통해 유리 칩 상에 마이크로유체공학적 채널을 만들고, 여기에 폴리머 고정화를 통한 폴리머 전극을 부착하여 진단 검사용 칩을 제작
2. 레이저 대신 LED(발광다이오드)를 사용하여 빛을 인가하도록 하였으며, 입자로부터 산란되는 형광을 검출하는 소자로 SSPM(고체소자광증폭기)를 사용
3. 전극으로부터 받는 전기 신호와 SSPM으로부터 받는 광학신호를 증폭하고 수집하여, 컴퓨터 처리할 수 있는 회로를 개발
4. 사용된 모든 소자 및 부품, 개발한 회로를 통합하여 장비로써 개발하였다. 개발된 장비 상에서 폴리스틸렌 재질의 비드를 사용하여 테스트 후, 실제 세포를 사용하여 테스트 함
본 장비는 구급차에 구비되어 현장에서의 신속한 혈액 진단 검사를 가능하게 합니다. 또한 검사결과를 미리 병원에 전송하여 의료진의 신속한 판단과 처치에 도움을 줄 수 있습니다. 로컬 병원 및 개인 병원 같이 규모가 다소 작아서 진단검사의학과가 없는 병원에 본 장비를 구비함으로써 응급 상황 혹은 필요시에 환자의 현장 혈액 진단검사를 가능하게 할 수 있습니다.
마이크로 플루이딕 칩을 이용한 적혈구 계수 시스템 연구
1) 배경 및 목적
살아 있는 세포에 대한 연구는 생물학 연구 및 임상에서 질병 진단을 위해 활발히 이루어지고 있습니다. 쿨터 카운터 방법은 오늘날 자동 혈구 계수기에서 대부분 도입하여 사용하고 있는 방법으로서 두 전극 사이에 작은 모세관을 뚫어 전기장을 형성하고 이 구멍 사이로 세포와 같은 매우 작은 사이즈의 입자가 지나가면 임피던스가 변하는 원리를 이용합니다. 본 연구에서는 마이크로 플루이딕 칩 위에 폴리머 전극(polyelectrolytic gel electrodes)을 만들어 적혈구 개수를 측정하는 시스템을 제안하였습니다.
2) 연구내용
폴리머 전극은 극성을 띠는 폴리머로써 한 쌍의 폴리머 전극에 전위를 걸면 전해질 용액 속의 특정 극성의 이온이 전류 대신 흐르게 됩니다. 폴리머 전극을 이용한 적혈구 계수 시스템은 마이크로 플루이딕 칩의 입구와 출구에 금속 전극을 만들어 모세관에서의 임피던스 변화를 관찰하는 기존의 전기 저항법을 이용한 연구와 달리 폴리머 전극이 유리로 만들어진 마이크로 플루이딕 칩의 마이크로 채널의 벽면에 존재하여 금속 전극과 혈구의 접촉 및 뭉치는 현상을 방지하고 세포가 폴리머 전극 사이로 지나갈 때 매우 민감한 임피던스 변화를 일으킵니다. 또한 여러 개의 세포가 동시에 지나감에 따라 발생하는 에러의 영향을 줄이기 위해 전혈을 20000배 이상 희석했던 모세관 임피던스 변화 측정법과 달리 2ul의 매우 적은 양의 전혈을 식염수를 이용하여 2000배 이하로 희석된 적혈구의 개수를 측정할 수 있습니다.
(1) 농도 변화 따른 마이크로 입자 계수
사람의 혈액 중에는 정상인의 경우 평균 1ul 속에 4,200,000~63,000,00개의 적혈구가 존재합니다. 따라서 적혈구의 개수를 측정하기 위해서는 샘플의 농도를 고려하지 않을 수 없습니다. 적혈구와 크기가 비슷한 지름 7.19um의 형관 마이크로 입자를 이용하여 그림과 같이 농도를 바꾸어가며 실험을 하였으며, 이를 동물용 혈구분석기의 측정값과 비교한 결과 유사도가 매우 높음을 알 수 있습니다.
(2) 전혈에 포함된 적혈구 계수
임상에서 사용하고 있는 사람용 혈구분석기의 경우 일반적으로 전혈을 20,000배~40,000배 희석하여 적혈구 계수를 하는 반면에 제안된 마이크로 플루이딕 칩 기반의 적혁구 계수기를 이용하면 보다 적은 비율의 희석만으로도 적혈구 계수가 가능합니다. 그림은 체내에서 채혈된 전혈을 EDTA 항응고제가 들어있는 튜브에 담고 생리식염수를 이용하여 각각 다른 농도로 희석하여 적혈구 세포의 개수를 측정하여 사람용 혈구 분석기와 비교한 것입니다. 희석 정도가 증가할수록 본 시스템의 결과가 사람용 혈구 분석기의 적혈구 세포 개수 값에 근접하는 것을 알 수 있으며, 약 800배 희석 이후로는 90% 이상 사람용 혈구 분석기에 일치하는 것을 알 수 있습니다.
우리 연구실에서는 기계, 전기, 컴퓨터, 바이오사이언스 등 다양한 전공분야를 가진 사람들이 모여 의공학이라는 분야에서 협력 및 경쟁하고 있습니다.
※ 위치 및 연락처
연구실: 서울대학교 어린이 병원 지하1층
Homepage: http://melab.snu.ac.kr
TEL: 02-2072-3128
글쓴이E-mail: thegreenday@melab.snu.ac.kr
마이크로 플루이딕 칩을 이용한 적혈구 계수 시스템 연구
1) 배경 및 목적
살아 있는 세포에 대한 연구는 생물학 연구 및 임상에서 질병 진단을 위해 활발히 이루어지고 있습니다. 쿨터 카운터 방법은 오늘날 자동 혈구 계수기에서 대부분 도입하여 사용하고 있는 방법으로서 두 전극 사이에 작은 모세관을 뚫어 전기장을 형성하고 이 구멍 사이로 세포와 같은 매우 작은 사이즈의 입자가 지나가면 임피던스가 변하는 원리를 이용합니다. 본 연구에서는 마이크로 플루이딕 칩 위에 폴리머 전극(polyelectrolytic gel electrodes)을 만들어 적혈구 개수를 측정하는 시스템을 제안하였습니다.
2) 연구내용
폴리머 전극은 극성을 띠는 폴리머로써 한 쌍의 폴리머 전극에 전위를 걸면 전해질 용액 속의 특정 극성의 이온이 전류 대신 흐르게 됩니다. 폴리머 전극을 이용한 적혈구 계수 시스템은 마이크로 플루이딕 칩의 입구와 출구에 금속 전극을 만들어 모세관에서의 임피던스 변화를 관찰하는 기존의 전기 저항법을 이용한 연구와 달리 폴리머 전극이 유리로 만들어진 마이크로 플루이딕 칩의 마이크로 채널의 벽면에 존재하여 금속 전극과 혈구의 접촉 및 뭉치는 현상을 방지하고 세포가 폴리머 전극 사이로 지나갈 때 매우 민감한 임피던스 변화를 일으킵니다. 또한 여러 개의 세포가 동시에 지나감에 따라 발생하는 에러의 영향을 줄이기 위해 전혈을 20000배 이상 희석했던 모세관 임피던스 변화 측정법과 달리 2ul의 매우 적은 양의 전혈을 식염수를 이용하여 2000배 이하로 희석된 적혈구의 개수를 측정할 수 있습니다.(1) 농도 변화 따른 마이크로 입자 계수
(2) 전혈에 포함된 적혈구 계수
우리 연구실에서는 기계, 전기, 컴퓨터, 바이오사이언스 등 다양한 전공분야를 가진 사람들이 모여 의공학이라는 분야에서 협력 및 경쟁하고 있습니다.
※ 위치 및 연락처
연구실: 서울대학교 어린이 병원 지하1층
Homepage: http://melab.snu.ac.kr
TEL: 02-2072-3128
글쓴이E-mail: thegreenday@melab.snu.ac.kr