This paper presents an implantable pH measurement electrode for wireless gastroesophageal reflux measurement. Usually, gastroesophageal reflux is diagnosed by a catheter-type wire connection between the esophagus and the diagnostic device which brings many side effects such as restriction of daily l...
This paper presents an implantable pH measurement electrode for wireless gastroesophageal reflux measurement. Usually, gastroesophageal reflux is diagnosed by a catheter-type wire connection between the esophagus and the diagnostic device which brings many side effects such as restriction of daily living, pain, and discomfort in the nasal cavity and pharynx of patients. In order to solve these issues, researchers have been studied a wireless measurement method and a micro-sized pH electrode for human body insertion is necessary. Commercial glass packaged pH meter is formed by a sensing and a reference electrodes in a KCl solution. However, if the glass meter is inserted into the human body, there are risks of leakage of the solution, breakage of the glass package, injury of the body elements. Therefore, the solution should be solidified on the micro-sized noble metal wire which has a characteristic of biocompatible. After solidified wire fabrication, the designed meter was tested for feasibility of measurement and the result was well agreed with pH values of commercial pH meter. Potentials in pH 1 to 12 solution was measured to obtain the sensitivity of the sensor with linearity. And we have designed a simulation of gastroesophageal reflux with symptom frequency, interval, and duration time in pH 2 solution. The proposed sensor has capable to get the same potential for 24 measurements in 3 days, and it has sensed same pH values of 2 for one hour with every 10 minutes. Furthermore, the sensor was survived for 48 hours with reasonable potentials in the acid solution.
This paper presents an implantable pH measurement electrode for wireless gastroesophageal reflux measurement. Usually, gastroesophageal reflux is diagnosed by a catheter-type wire connection between the esophagus and the diagnostic device which brings many side effects such as restriction of daily living, pain, and discomfort in the nasal cavity and pharynx of patients. In order to solve these issues, researchers have been studied a wireless measurement method and a micro-sized pH electrode for human body insertion is necessary. Commercial glass packaged pH meter is formed by a sensing and a reference electrodes in a KCl solution. However, if the glass meter is inserted into the human body, there are risks of leakage of the solution, breakage of the glass package, injury of the body elements. Therefore, the solution should be solidified on the micro-sized noble metal wire which has a characteristic of biocompatible. After solidified wire fabrication, the designed meter was tested for feasibility of measurement and the result was well agreed with pH values of commercial pH meter. Potentials in pH 1 to 12 solution was measured to obtain the sensitivity of the sensor with linearity. And we have designed a simulation of gastroesophageal reflux with symptom frequency, interval, and duration time in pH 2 solution. The proposed sensor has capable to get the same potential for 24 measurements in 3 days, and it has sensed same pH values of 2 for one hour with every 10 minutes. Furthermore, the sensor was survived for 48 hours with reasonable potentials in the acid solution.
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문제 정의
그러나 유리의 특성으로 인해 파손 위험이 있으며 알칼리 및 HF 용액에 쉽게 영향을 받아 종종 느린 응답을 나타내고 현재 제조 기술로 소형화 및 평탄화하기가 어렵다[7-9]. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해 센싱 및 기준 전극을 Ir/IrOx와 Ag/ AgCl 구성을 갖는 마이크로 와이어로 제작하였다.
본 논문은 기존 인체 삽입형 위식도 역류 질환 진단 장치의 문제점을 해결하기 위해 인체 삽입이 가능한 마이크로 와이어 방식의 pH 측정 전극 개발에 관한 것이다. 제작된 전극은 기준전극과 센싱전극으로 이루어져있으며 각각 Ag/ AgCl과 Ir/IrOx로 제작되었다.
제안 방법
그림 6(a)는 pH 측정 시스템으로 전극을 oscilloscope에 연결하여 pH 측정 시 발생하는 기전력을 획득하였다. 그림 6(b)는 그림 6(a)의 빨간 점선 부분을 확대한 것으로 pH 측정 시 제작한 전극과 상용 pH meter를 함께 담가 동일한 측정 환경을 만든 후 측정을 진행하였다.
그림 3(b)을 보면 Ag wire를 NaOCl 처리한 후 앙금된 1 µm 이하의 AgCl 입자들이 형성된 것을 볼 수 있다. Ag/AgCl wire 표면에 표준용액으로 사용되는 KCl을 고체화시키기 위하여 실온에서 tetrahydrofuran(THF)에 potassium chloride(KCl)을 포화시켰다. KCl은 이온농도가 높고 전기저항이 낮으며 시료와 전해액 사이에 화학반응이 없어 전해액으로 사용하기에 적합하다.
또한 potential drift에 대한 민감도가 낮고 고온 환경에서 높은 내구성을 보이므로 인체 삽입형으로 사용하기에 적합하다. Ir/IrOx oxide 전극을 만드는 방법은 electrochemical growth, electrodeposition, sputtering, sol-gel deposition, thermal oxidation process 등이 있으며 본 논문에서는 thermal oxidation process 방식을 이용하여 전극을 제작하였다.
고정화전해액에 Ag/AgCl wire를 담근 후 진공 상태의 유리 데시케이터에서 약 48시간 동안 건조시킨 후 KCl 염화이온의 누출을 방지하고 수소 이온을 통과시켜 고체의 KCl을 액체화시키기 위해 cation exchange로 nafion(C7HF13O5S·C2F4)을 사용하였으며 건조된 wire에 코팅하였다.
본 논문에서 서술하는 pH 전극은 인체 삽입이 가능한 초소형 사이즈로 제작하였으며 기준전극과 센싱전극으로 이루어져있다. 두 전극 사이에서 발생하는 전위차를 통해 pH 측정이 가능하며 일반적으로 pH를 측정하는 방법은 네른스트 방정식(nernst’s equation)인 식 (1)로 나타낸다[6].
일반적으로 최장 역류시간은 기립 시 약 16분간 역류되는 것으로 보고되었다[19]. 본 실험에서는 16분인 기존의 최장 역류시간을 1시간으로 늘려 진행하였다.
현재 위식도 역류질환 진단 시 24시간 식도산도검사는 정확한 위식도 역류의 기전을 확인하기에는 부족한 시간이므로 정확한 진단을 위해서는 약 48시간의 장기간 기록이 가능한 장치가 필요하다[5]. 본 실험에서는 약 48시간동안 20번의 역류 증상을 가정하여 전극을 pH 2에 5분간 담근 후센서 안정화를 위해 pH 7에 55분간 담그는 측정 사이클링을 설계하였으며 pH 2에서 5분이 지난 후 기전력 측정하였다.
식도산도를 측정하기 위해서는 내시경 검사, 24시간 식도산도검사 및 무선 식도산도검사를 진행한다. 내시경 검사는 위산의 역류로 인해 일어난 식도 조직의 손상 정도를 확인할 수 있으며 그에 따라 바렛(Barrett)식도, 미란성 식도염 및 비미란성 역류 질환의 범주로 분류하지만 위식도 역류질환을 가진 대부분의 환자가 내시경에서 이상소견이 관찰되지 않으므로 진단에 한계가 존재한다[3].
식도산도검사의 경우 pH 4 이하의 값이 측정될 경우, 이를 역류로 판단하고 있으며 24시간동안 약 2시간의 역류가 발생한다고 보고되고 있다[19]. 위산의 역류는 24시간 연속으로 일어나지 않지만 본 실험에서는 24시간 연속 역류가 일어난다는 가정 하에 실험을 진행하였으며 기존 식도산도 검사보다 가혹한 환경인 pH 2 용액에 전극을 담가 24시간 동안 10회에 걸쳐 측정하였다.
위식도 역류질환에서 발생하는 증상을 측정하기 위해 내구성 테스트, 최장역류시간 테스트, 48시간 역류 테스트를 진행하였다. 위식도 역류질환 환자가 겪는 최장역류시간은 약 16분으로 본 논문에서는 시간을 4배로 늘려 1시간 동안 pH 2에서 10분 간격으로 측정을 진행하였으며 일정한 값이 측정되는 것을 확인하였다. 위식도 역류증상과 비슷한 환경인 시간당 1회의 역류를 구현하여 48시간동안 pH 7에서 pH 2로 급격하게 변하는 조건에서도 일정한 기전력이 측정되었다.
25 mm로 제작되었으며 상용 pH meter와의 비교 측정을 통해 pH 농도에 따른 측정 가능성을 확인하였다. 위식도 역류질환에서 발생하는 증상을 측정하기 위해 내구성 테스트, 최장역류시간 테스트, 48시간 역류 테스트를 진행하였다. 위식도 역류질환 환자가 겪는 최장역류시간은 약 16분으로 본 논문에서는 시간을 4배로 늘려 1시간 동안 pH 2에서 10분 간격으로 측정을 진행하였으며 일정한 값이 측정되는 것을 확인하였다.
제작된 전극은 기준전극과 센싱전극으로 이루어져있으며 각각 Ag/ AgCl과 Ir/IrOx로 제작되었다. 전극의 사이즈는 길이 약 25 mm, 직경 0.25 mm로 제작되었으며 상용 pH meter와의 비교 측정을 통해 pH 농도에 따른 측정 가능성을 확인하였다. 위식도 역류질환에서 발생하는 증상을 측정하기 위해 내구성 테스트, 최장역류시간 테스트, 48시간 역류 테스트를 진행하였다.
식 (1)에서 온도를 25℃로 가정하는 경우 pH의 변화에 따라 전극 전위는 약 59mV의 값이 변화하는 것이다. 제작되는 전극은 인체 삽입이 가능한 형태로 metal wire 형식으로 만들고자한다. 센싱전극의 경우 Ir/IrOx로 만들고자하며 전극의 pH 감지 전극 반응식은 식 (2)와 같다.
제작된 pH 센서의 성능 평가를 위해 pH meter와 비교 분석하였으며 다양한 위식도 역류질환 환경을 설계한 후 본 연구를 통해 개발한 전극의 측정가능성을 확인하였다. 각 실험에서 제작한 전극의 기준값이 서로 다르게 나타났는데 이는 측정 시 제작한 전극을 고정시키지 않고 개별 환경에서 진행하여 전극이 pH 용액에 일정하게 담기지 못해 발생한 오차로 판단된다.
제작된 전극의 pH 레벨에 따른 측정 가능성 확인을 위해 pH 1부터 12의 용액에서 실험을 진행하였다. 제작된 센서 성능 비교 분석을 위해 pH 측정 시 사용되고 있는 보편 상용 pH meter와 측정값을 비교하였다.
그림 5는 측정을 위해 제작된 기준전극 Ag/AgCl과 Ir/IrOx 센싱전극 모습이다. 제작된 전극은 보다 작게 또는 길게 제작할 수 있으나 측정의 편리성을 위해 기준 전극은 측정 도선에 은 에폭시로 연결하였으며 센싱전극은 산화막을 2 mm를 벗긴 후 전기적으로 연결하였다. 은 에폭시를 도포한 부위는 균열 방지를 위해 UV bioglue(3321, LOCTITE)로 코팅하였다.
제작된 전극의 pH 레벨에 따른 측정 가능성 확인을 위해 pH 1부터 12의 용액에서 실험을 진행하였다. 제작된 센서 성능 비교 분석을 위해 pH 측정 시 사용되고 있는 보편 상용 pH meter와 측정값을 비교하였다.
그림 8은 시간당 1회 역류를 가정하여 약 64시간동안 20번 측정한 데이터이다. 제작한 전극은 1시간 중 5분의 역류 발생에 대한 그래프로 64시간 동안 안정적으로 유사한 기전력 값을 측정하였다. 상기 실험은 pH 7에서 급격하게 pH 2로 변하는 식도 내부의 역류 상황을 가정한 것으로 제작한 전극이 이를 정확하게 측정할 수 있다고 해석되며 24시간 이후 48시간동안 발생하는 식도 내부의 역류를 감지할 수 있다고 판단된다.
대상 데이터
Ir wire(0.25 mm in dia., 99.8%, Alfa AESAR)를 약 25 mm 길이로 자른 후 hydrogen chloride(HCl)에서 초음파 세정을 통해 wire 표면의 불순물을 제거하였다. 세정된 wire는 sodium hydroxide(NaOH) 용액에 담가 적신 후 Rapid Thermal Process(RTP)에서 800℃로 산화시켰다.
본 논문은 기존 인체 삽입형 위식도 역류 질환 진단 장치의 문제점을 해결하기 위해 인체 삽입이 가능한 마이크로 와이어 방식의 pH 측정 전극 개발에 관한 것이다. 제작된 전극은 기준전극과 센싱전극으로 이루어져있으며 각각 Ag/ AgCl과 Ir/IrOx로 제작되었다. 전극의 사이즈는 길이 약 25 mm, 직경 0.
성능/효과
그림 7은 제작한 전극 한 쌍과 상용 pH meter를 pH 1 부터 12의 용액에서 순차적으로 1회씩 측정하여 pH 용액에 따른 기전력 값을 나타내는 그래프이다. 그림 7(a)를 보면 pH 1부터 pH 7의 구간에서는 기전력 값이 56 mV와 59 mV로 제작한 전극과 pH meter가 거의 동일하게 측정되는 것을 볼 수 있다. 이는 제작한 전극이 높은 산도(pH 1~pH 4)를 측정할 경우 pH meter와 동일하게 측정 가능한 것을 나타낸다.
그러나 일반적인 역류(pH 4이하)보다 가혹한 환경인 pH 2에서 12시간동안 일정한 값을 측정하였으며 이는 24시간동안 위식도 역류질환 환자가 겪는 역류시간인 2시간보다 6배 많은 수치이다. 결과적으로 제작한 전극은 24시간동안 역류가 발생하여도 이를 감지할 수 있는 것으로 판단된다. 전체적인 기전력 값은 24시간에 걸쳐 약 40 mV 감소하였다.
위식도 역류증상과 비슷한 환경인 시간당 1회의 역류를 구현하여 48시간동안 pH 7에서 pH 2로 급격하게 변하는 조건에서도 일정한 기전력이 측정되었다. 마지막으로 내구성 테스트 결과 pH 2에서 24시간동안 기전력의 변화가 매우 작아 24시간 이상 측정이 가능하다는 것을 확인하였다. 추후 제작한 전극과 무선 통신 회로의 결합을 통해 내시경술를 이용하여 인체 내 센서를 삽입하고자하며 외부 리더기 제작을 통해 삽입된 센서와 무선통신을 하고자한다.
따라서 위식도 역류질환을 정확하게 측정 및 진단하기 위해서는 피검사자에게 일상생활의 제한이나 부작용을 주지 않는 무선 방식을 통한 인체 삽입이 보다 효과적이며 24시간 이상 측정이 가능해야만 진단의 정확도를 높일 수 있다. 본 논문에서는 인체 삽입이 가능한 마이크로 와이어 방식의 pH 측정 장치에 대한 내용을 담고 있으며 pH 측정을 위해 기준 전극과 센싱 전극으로 나누어 제작 후 상용 pH meter와 비교 측정, 위식도 역류질환 증상과 유사한 조건에서 측정 및 위식도 역류질환의 진단을 위한 측정이 가능한 것을 확인하였다.
제작한 전극은 1시간 중 5분의 역류 발생에 대한 그래프로 64시간 동안 안정적으로 유사한 기전력 값을 측정하였다. 상기 실험은 pH 7에서 급격하게 pH 2로 변하는 식도 내부의 역류 상황을 가정한 것으로 제작한 전극이 이를 정확하게 측정할 수 있다고 해석되며 24시간 이후 48시간동안 발생하는 식도 내부의 역류를 감지할 수 있다고 판단된다. 전체적인 측정값은 약 8 mV (± 1%)가 변했으나 이는 oscilloscope에서 발생하는 전기적 기계적 잡음으로 인한 오차로 판단된다.
위식도 역류질환 환자가 겪는 최장역류시간은 약 16분으로 본 논문에서는 시간을 4배로 늘려 1시간 동안 pH 2에서 10분 간격으로 측정을 진행하였으며 일정한 값이 측정되는 것을 확인하였다. 위식도 역류증상과 비슷한 환경인 시간당 1회의 역류를 구현하여 48시간동안 pH 7에서 pH 2로 급격하게 변하는 조건에서도 일정한 기전력이 측정되었다. 마지막으로 내구성 테스트 결과 pH 2에서 24시간동안 기전력의 변화가 매우 작아 24시간 이상 측정이 가능하다는 것을 확인하였다.
결과적으로 제작한 전극은 24시간동안 역류가 발생하여도 이를 감지할 수 있는 것으로 판단된다. 전체적인 기전력 값은 24시간에 걸쳐 약 40 mV 감소하였다. 이는 pH 1의 변화량은 50 mV보다 작은 수치로 위산 변화 측정에 영향이 없을 것으로 해석된다.
전체적인 측정값은 약 8 mV (± 1%)가 변했으나 이는 oscilloscope에서 발생하는 전기적 기계적 잡음으로 인한 오차로 판단된다.
그림 9는 1시간동안 pH 2에 제작된 전극을 담가 10분 단위로 측정한 기전력을 나타낸다. 측정 결과를 살펴보면 최장역류 시간의 약 4배에 달하는 시간인 1시간동안 제작된 전극이 장시간 산(acid) 노출에서도 일정한 측정이 가능하다는 것을 나타낸다. 전체적인 기전력 값은 약 5 mV 변하였으나 이전 실험과 마찬가지로 실험 시 발생하는 오차로 분석할 수 있다.
그림 10은 24시간 내구성 측정 결과를 나타낸다. 측정된 기전력 값은 처음 12시간동안 일정한 값을 측정하였으나 이후 점차적으로 감소되는 것을 볼 수 있다. 이는 흐르지 않는 용액에서 측정하여 전극 표면에 발생한 기포로 전극이 포화돼 정확도가 감소된 것으로 보인다.
후속연구
완성된 전체 pH 시스템은 24시간 식도 산도검사에서 발생하던 식이제한, 운동제한 및 고통과 같은 부작용을 개선하고 48시간이상 장시간 측정을 통해 보다 정확한 위식도역류질환 진단이 가능한 의료기기로의 활용하고 자한다. 또한 상기 시스템은 소변의 pH 농도 변화에 의한 요산석 발생 진단을 위한 방광 내 pH 측정 및 담즙의 역류로 위염이 발생하는 담즙역류성위염 등과 같은 pH 측정이 필요한 질환에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
인체 내에 삽입되는 센서는 quartz, polymer, polyurethane 등과 같은 생체적합성 및 내화학성을 갖는 물질로 생체로부터 완전 격리될 수 있도록 패키징하고자 한다. 완성된 전체 pH 시스템은 24시간 식도 산도검사에서 발생하던 식이제한, 운동제한 및 고통과 같은 부작용을 개선하고 48시간이상 장시간 측정을 통해 보다 정확한 위식도역류질환 진단이 가능한 의료기기로의 활용하고 자한다. 또한 상기 시스템은 소변의 pH 농도 변화에 의한 요산석 발생 진단을 위한 방광 내 pH 측정 및 담즙의 역류로 위염이 발생하는 담즙역류성위염 등과 같은 pH 측정이 필요한 질환에 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
마지막으로 내구성 테스트 결과 pH 2에서 24시간동안 기전력의 변화가 매우 작아 24시간 이상 측정이 가능하다는 것을 확인하였다. 추후 제작한 전극과 무선 통신 회로의 결합을 통해 내시경술를 이용하여 인체 내 센서를 삽입하고자하며 외부 리더기 제작을 통해 삽입된 센서와 무선통신을 하고자한다. 인체 내에 삽입되는 센서는 quartz, polymer, polyurethane 등과 같은 생체적합성 및 내화학성을 갖는 물질로 생체로부터 완전 격리될 수 있도록 패키징하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위식도 역류질환이란 무엇인가?
위식도 역류질환이란 식도 하부 괄약근의 기능저하로 위의 내용물이 식도로 역류하여 환자가 불편함을 느끼거나 이로 인하여 합병증을 유발하는 질환이다[1]. 미국 성인 대다수는 다양한 성인병을 앓고 있으나 그 중에서 약 50%는 위식도 역류질환의 대표적 증상인 가슴 쓰림을 경험하고 있으며 이 중에서 27%는 가슴앓이로 인해 약물을 복용하고 있다[2].
미국 성인 대다수가 앓고 있는 성인병 증상의 종류와 그 비율은 몇 퍼센트인가?
위식도 역류질환이란 식도 하부 괄약근의 기능저하로 위의 내용물이 식도로 역류하여 환자가 불편함을 느끼거나 이로 인하여 합병증을 유발하는 질환이다[1]. 미국 성인 대다수는 다양한 성인병을 앓고 있으나 그 중에서 약 50%는 위식도 역류질환의 대표적 증상인 가슴 쓰림을 경험하고 있으며 이 중에서 27%는 가슴앓이로 인해 약물을 복용하고 있다[2]. 위식도 역류질환은 일반적으로 서구의 질환으로 여겨져 왔으나 현대인들의 서구적 음식 및 생활습관으로 국내에서도 유병률이 점점 증가하고 있는 추세이다.
식도산도를 측정하는 방법 중 내시경 검사와 24시간 식도산도검사의 특징과 한계는 무엇인가?
식도산도를 측정하기 위해서는 내시경 검사, 24시간 식도산도검사 및 무선 식도산도검사를 진행한다. 내시경 검사는 위산의 역류로 인해 일어난 식도 조직의 손상 정도를 확인할 수 있으며 그에 따라 바렛(Barrett)식도, 미란성 식도염 및 비미란성 역류 질환의 범주로 분류하지만 위식도 역류질환을 가진 대부분의 환자가 내시경에서 이상소견이 관찰되지 않으므로 진단에 한계가 존재한다[3]. 24시간 식도산도 검사는 약물치료에 반응이 없거나 비전형적인 증상을 가진 환자의 평가 및 수술시행 전 정상적인 산 노출 정도를 판단하기 위해 시행된다[4]. 산을 측정하는 도관을 비강을 통해 하부식도괄약근 상부 5 cm에 위치시킨 후 삽입된 측정 장치와 연결된 별도의 증상 기록 장치를 이용하여 환자가 증상을 느낄 경우 측정기의 버튼을 눌러 증상과 역류와의 상관관계를 분석하는 방식이다. 그러나 유선 식도산도검사의 경우 비강이나 이두부에 삽입되는 카데터로 인해 피검자는 식사나 운동과 같은 일상적인 생활에 불편함이 존재하여 검사의 정확도가 떨어진다[5]. 또한 유선 검사는 24시간 동안 검사를 시행하지만 위식도 역류질환은 24시간 이내에 증상이 나타나지 않을 수도 있다.
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