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문제 정의
- 본 기사에서는 저침습 의료기기의 개발 사례를 소개하며, 마이크로 머시닝 기술, MEMS 기술을 이용한 저침습 의료기기의 개발 상황과 앞으로의 전망에 대해 알아보도록 한다.
- 본 기사에서는 저침습 의료기기의 개발 사례를 소개하며, 마이크로 머시닝 기술, MEMS 기술을 이용한 저침습 의료기기의 개발 상황과 앞으로의 전망에 대해 알아보도록 한다.
- 이상으로 미세 가공기술을 이용한 새로운 저침습 의료기기 개발에 관하여 기술하였다. 저침습 의료분야의 실용화는 비교적 안정된 시장과 사용 후 폐기하는 등 소비량이 많다는 이점이 있는 반면 시판하기까지 인허가가 필요해 많은 시간과 비용이 소요된다.
제안 방법
- . MEMS 프로세스에 따라 제작된 0.7μm 두께의 실리콘 산화막 다이어프램이 직경 125μm의 광파이버 단면에 형성되어 있어, 압력에 의한 다이어프램 변형을 백색광의 간섭 스펙트럼 변화를 이용해 계측함으로서 체내 국소의 혈압을 계측한다. 종래 혈압센서로는 삽입이 불가능한 좁은 공간에 삽입이 가능하므로 혈관내 협착부를 벌룬(balloon) 카테테르로 넓히거나, 반대로 혈관을 색전(塞栓)하는 등의 치료 전후의 혈액의 흐름 형태를 파악할 때나 이 밖에 하나의 카테테르나 가이드와이어에 복수의 센서를 탑재하고 장소에 따른 압력 차이를 다점 동시계측하는 것이 가능하다.
- 개발된 비평면 프로세스를 이용해 광파이버 하나를 전자적으로 진동시켜 세경인데도 고화질의 광학적 관찰이 가능한 내시경을 개발하였다. 콜리메이터(Collimator) 부착 광파이버 하나를 전자적으로 2차원 주사(走査)시키면, 충분히 빠른 속도에 의해 시간적으로 다수의 파이버를 가상적으로 나란히 세워 고해상도의 2차원 화상을 얻을 수 있는 파이버스코프가 된다.
- 개발한 비평면 프로세스를 이용해 직경 2mm 정도의 MRI(자기공명 이미징) 수신 코일을 카테테르 끝부분에 탑재한 혈관내 MRI 프로브를 개발하였다8). 종래의 MRI는 체외의 여기(勵起)코일로 조직으로부터 발생하는 핵자기공명(NMR) 신호를 체외 수신 코일로 수신해 상(像)이 구성된다.
- 개발한 비평면 프로세스를 이용해 직경 2 정도의 MW(자기공명 이미징) 수신 코일을 카테테르 끝부분에 탑재한 혈관내 MRI 프로브를 개발하였디*).
- 그러나 이 튜브를 위 출구인 좁은 유간부(幽間部)에 통과시키는 것이 어려워 수술자나 환자에게 부담이 크다. 그래서 1방향 1관절의 SMA를 이용한 능동 굴곡 기구를 튜브 끝에 탑재하고 단시간에 확실히 삽입 가능한 장폐색 치료용 능동 굴곡 튜브를 개발하였다. 장폐색 치료용 튜브는 샤프트가 길고 부드러워, 내시경처럼 와이어를 샤프트에 내장하고 체외에서 견인하면 좌굴(座屈)이 발생해 끝부분의 정밀한 굴곡동작은 어렵다.
- 그러나 이 튜브를 위 출구인 좁은 유간부(幽間部)에 통과시키는 것이 어려워 수술자나 환자에게 부담이 크다. 그래서 1방향 1관절의 SMA를 이용한 능동 굴곡 기구를 튜브 끝에 탑재하고 단시간에 확실히 삽입 가능한 장폐색 치료용 능동 굴곡 튜브를 개발하였다. 장폐색 치료용 튜브는 샤프트가 길고 부드러워, 내시경처럼 와이어를 샤프트에 내장하고 체외에서 견인하면 좌굴(座屈)이 발생해 끝부분의 정밀한 굴곡동작은 어렵다.
- 종래 혈압센서로는 삽입이 불가능한 좁은 공간에 삽입이 가능하므로 혈관내 협착부를 벌룬(balloon) 카테테르로 넓히거나, 반대로 혈관을 색전(塞栓)하는 등의 치료 전후의 혈액의 흐름 형태를 파악할 때나 이 밖에 하나의 카테테르나 가이드와이어에 복수의 센서를 탑재하고 장소에 따른 압력 차이를 다점 동시계측하는 것이 가능하다. 센서 구조체는 MEMS 프로세스를 이용해 실리콘 웨이퍼 위에 다수의 다이어프램 구조를 일괄 제작한 후, 반응성 이온 에칭으로 관통 에칭을 실시해 다이어프램을 지닌 다수의 원주형상 부품을 일괄 제작한다. 유리 모세관 내에서 광파이버 단면에 폴리이미드층을 통해 원주 부품을 열압착한 후, 이불화크세논(XeF2)에 의한 에칭으로 실리콘 원주부를 선택적으로 제거한다.
- 그러나 MEMS 기술은 일반적으로 평평한 실리콘 웨이퍼 상에서의 제작을 중심으로 발전해왔기 때문에, 튜브와 같은 3차원 형상에 그대로 적용하려면 어려운 경우가 많다. 튜브 표면과 같은 곡면이나 3차원 형상에 적합한 Photo Fabrication 기술 중 하나로 직경 2~3mm 정도의 원통면 위에 레이저 조사(照射)를 이용한 마스크리스 포토링러피를 실시해 금속 솔레노이드 코일패턴이나 절연층을 통한 다층 금속 패턴을 제작하였다. 노광광을 미소점에서 조사해 샘플 위치를 다축 스테이지에서 제어함으로서 시각화하는 것 외에, 복잡한 패턴에 대응하기 위해 DMD(Digital Micro-Mirror Device)를 이용한 노광장치를 개조해 이용하고 있다.
- 그러나 MEMS 기술은 일반적으로 평평한 실리콘 웨이퍼 상에서의 제작을 중심으로 발전해왔기 때문에, 튜브와 같은 3차원 형상에 그대로 적용하려면 어려운 경우가 많다. 튜브 표면과 같은 곡면이나 3차원 형상에 적합한 Photo Fabrication 기술 중 하나로 직경 2~3mm 정도의 원통면 위에 레이저 조사(照射)를 이용한 마스크리스 포토링러피를 실시해 금속 솔레노이드 코일패턴이나 절연층을 통한 다층 금속 패턴을 제작하였다. 노광광을 미소점에서 조사해 샘플 위치를 다축 스테이지에서 제어함으로서 시각화하는 것 외에, 복잡한 패턴에 대응하기 위해 DMD(Digital Micro-Mirror Device)를 이용한 노광장치를 개조해 이용하고 있다.
- 혈관내 치료를 안전하고 확실하게 하기 위해 카테테르 끝부분에 탑재하는 전방 촬영 초음파 내시경을 개발했다. 혈관내 협착부에 직접 닿지 않고 카테테르 진행방향의 혈관주행이나 병변부의 형상을 3차원적으로 초음파 이미지로 표현하는 것이 원리적으로 가능해, 이로서 안전한 혈관내 수술이 실현될 것으로 기대된다.
- 가이드와이어를 체외에서 조작해 혈관내 협착부를 통과시킬 때나, 완전히 폐색된 혈관내 병변부에 딱딱한 가이드와이어를 밀어 넣어 재개통시키는 수술을 할 때 혈관벽이나 혈관내 병변에 손상을 주지 않고 안전하게 치료할 수 있을 것으로 기대된다. 화상 구성은 카테테르 단면에 장착된 복수의 초음파 트랜스튜서 소자를 하나씩 전환해 초음파 펄스를 발신해 조직으로부터의 반사 에코를 모든 소자에서 수신해 컴퓨터 상에서 지연처리, 화상 구성 처리함으로서 실시한다. 외경 3mm의 프로브를 이용하며, 기본적인 촬영 실험에 성공하고 있다2).
- 화상 구성은카테테르 단면에 장착된 복수의 초음파 트랜스듀서 소자를 하나씩 전환해 초음파 펄스를 발신해 조직으로부터의 반사 에코를 모든 소자에서 수신해 컴퓨터 상에서 지연처리, 화상 구성 처리함으로서 실시한다.
대상 데이터
- . Ni-Ti 합금제 형상 기억 합금(SMA ; Shape Memory Alloy) 마이크로 코일을 액추에이터로서 이용하며, 이것을 카테테르 끝부분에 실장하여 굴곡, 비틈 회전이나 신축 등 다양한 움직임을 실현할 수 있다. SMA 코일은 소선(素線) 지름이 수십 μm 정도로 가늘 경우 전기저항이 비교적 높아, 외부로부터 코일 소선으로 전류를 보내는 직접 통전가열에 의해 각부를 자유롭게 움직일 수 있다.
성능/효과
- 또한 깊이분해능 1m 정도의 관찰이 가능한 OCT(광간섭 단층촬상법) 와 조합하여, L차원 주사하면 조직 단면이 2차원 주사하면 3차원 조직상을 얻을 수 있다.
후속연구
- SMA를 이용해 여러 방향으로 구부러질 수 있는 굴곡 기구 끝부분에 CCD나 CMOS 촬영기를 탑재한 능동 굴곡 전자 내시경을 개발했다체내 깊숙이까지 쉽게 도달하며, 필요에 따라 튜브 내강(內腔) 을 통해 생체검사나 치료를 할 수 있는 것 외에, 굴곡 기구를 저비용화할 수 있어 한번 쓰고 버릴 수도 있을 것으로 기대된다.
- 혈관내 협착부에 직접 닿지 않고 카테테르 진행방향의 혈관주행이나 병변부의 형상을 3차원적으로 초음파 이미지로 표현하는 것이 원리적으로 가능해, 이로서 안전한 혈관내 수술이 실현될 것으로 기대된다. 가이드와이어를 체외에서 조작해 혈관내 협착부를 통과시킬 때나, 완전히 폐색된 혈관내 병변부에 딱딱한 가이드와이어를 밀어 넣어 재개통시키는 수술을 할 때 혈관벽이나 혈관내 병변에 손상을 주지 않고 안전하게 치료할 수 있을 것으로 기대된다. 화상 구성은 카테테르 단면에 장착된 복수의 초음파 트랜스튜서 소자를 하나씩 전환해 초음파 펄스를 발신해 조직으로부터의 반사 에코를 모든 소자에서 수신해 컴퓨터 상에서 지연처리, 화상 구성 처리함으로서 실시한다.
- 혈관내 협착부에 직접 닿지 않고 카테테르 진행방향의 혈관주행이나 병변부의 형상을 3차원적으로 초음파 이미지로 표현하는 것이 원리적으로 가능해, 이로서 안전한 혈관내 수술이 실현될 것으로 기대된다. 가이드와이어를 체외에서 조작해 혈관내 협착부를 통과시킬 때나, 완전히 폐색된 혈관내 병변부에 딱딱한 가이드와이어를 밀어 넣어 재개통시키는 수술을 할 때 혈관벽이나 혈관내 병변에 손상을 주지 않고 안전하게 치료할 수 있을 것으로 기대된다. 화상 구성은 카테테르 단면에 장착된 복수의 초음파 트랜스튜서 소자를 하나씩 전환해 초음파 펄스를 발신해 조직으로부터의 반사 에코를 모든 소자에서 수신해 컴퓨터 상에서 지연처리, 화상 구성 처리함으로서 실시한다.
- 이로서 동맥경화나 죽상(粥狀)경화, 동맥류 등의 병변을 더욱 정밀하게 관찰, 진단할 수 있다. 시험 제작한 코일을 이용해 적출 돼지 혈관의 촬영을 실험하였으며, 앞으로 코일 디자인의 최적화, 코일 다층화에 의한 고성능화 및 카테테르의 형상과 기능을 유지하면서 고주파 신호를 효율적으로 내게 하기 위한 콘덴서 등을 끝부분에 탑재하는 방법을 검토하고 있다.
- 정밀한 미세 가공기술, 특히 마이크로 머시닝 기술이나 MEMS(미소 전기 기계 시스템) 기술 등을 이용함으로써 종래에는 없었던 고기능 · 다기능 의료 기기가 실현되고 있다. 이러한 차세대 의료 기기는 안전하고 확실한 계측 및 진단 외에, 종래 불가능했던 새로운 치료 및 인체의 기능 해명에도 도움을 줄 것으로 기대된다.
- 이러한 기술을 구사한 초소형 · 고기능화에 따라 환자의 부담을 줄일 뿐 아니라, 지금까지 도달이 불가능했던 부위에서의 검사 · 치료가 가능해져, 다기능화에 의해 복수 항목의 동시검사 · 관찰 및 치료가 가능해, 지금까지는 불가능했던 정밀하며 복잡한 수술이 가능해진다. 특히 마이크로 센서나 마이크로 액추에이터 등을 이용함으로서 내시경이나 카테테르로 더 정밀한 조직 단위, 세포 단위, 나아가서는 분자 단위의 검사 · 치료가 체내 국소에서 실현될 수 있을 것으로 기대된다.
- 이러한 기술을 구사한 초소형 · 고기능화에 따라 환자의 부담을 줄일 뿐 아니라, 지금까지 도달이 불가능했던 부위에서의 검사 · 치료가 가능해져, 다기능화에 의해 복수 항목의 동시검사 · 관찰 및 치료가 가능해, 지금까지는 불가능했던 정밀하며 복잡한 수술이 가능해진다. 특히 마이크로 센서나 마이크로 액추에이터 등을 이용함으로서 내시경이나 카테테르로 더 정밀한 조직 단위, 세포 단위, 나아가서는 분자 단위의 검사 · 치료가 체내 국소에서 실현될 수 있을 것으로 기대된다.
- MEMS처럼 고액으로 운용비가 드는 제조설비를 도입해 장기적으로 개발하는 것은 일반 의료기기 회사의 경우는 어려우며, 실용화를 위해서는 제조 프로세스의 일부를 하청 받는 반도체제조사의 활용 및 기타 다양한 연구 및 새로운 시스템이 필요하다. 한편으로 미세 가공기술이 제공하는 높은 신뢰성, 고기능은 의료 용도에 불가결한 것으로 여러 가지 문제는 있지만 미세 가공기술 분야에 있어서의 앞으로의 기술적 진보와 환자 및 의료 종사자의 요망에 부응해 앞으로 새로운 의료기기는 더욱 개발되어갈 것이다. 오래된 SF영화처럼 의사와 치료기계가 작아져서 마치 몸속에서 작업하는 것과 같은 생생한 인터페이스를 수술자에게 제공할 가능성이나, 체내에서 병변부를 세포 단위 나아가서는 분자 단위에서 정밀하게 검사 치료할 가능성, 또한 앞으로 수십년 후 지금은 예상하지 못했던 새로운 검사 · 치료를 가능하게 하는 저침습 의료 기기가 실제로 실현될 가능성이 충분히 존재하고 있다.
- MEMS처럼 고액으로 운용비가 드는 제조설비를 도입해 장기적으로 개발하는 것은 일반 의료기기 회사의 경우는 어려우며, 실용화를 위해서는 제조 프로세스의 일부를 하청 받는 반도체제조사의 활용 및 기타 다양한 연구 및 새로운 시스템이 필요하다. 한편으로 미세 가공기술이 제공하는 높은 신뢰성, 고기능은 의료 용도에 불가결한 것으로 여러 가지 문제는 있지만 미세 가공기술 분야에 있어서의 앞으로의 기술적 진보와 환자 및 의료 종사자의 요망에 부응해 앞으로 새로운 의료기기는 더욱 개발되어갈 것이다. 오래된 SF영화처럼 의사와 치료기계가 작아져서 마치 몸속에서 작업하는 것과 같은 생생한 인터페이스를 수술자에게 제공할 가능성이나, 체내에서 병변부를 세포 단위 나아가서는 분자 단위에서 정밀하게 검사 치료할 가능성, 또한 앞으로 수십년 후 지금은 예상하지 못했던 새로운 검사 · 치료를 가능하게 하는 저침습 의료 기기가 실제로 실현될 가능성이 충분히 존재하고 있다.
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