초록 ▼

(1세부과제)
혈액가스 및 BNA를 실시간에 분석 할 수 있는 소형 혈액가스 분석센서 및 분석시스템을 개발하였다. 고체형 PH, $pCO_2,pO_2$및 DNA 센서 개발을 위해 혈액가스 선택성 감응물질을 선택하고, 센서의 안정성 및 성능 향상을 위해 효과적인 감응물질의 고정법을 개발하였으며, 센서에서 발생하는 신호를 처리하여 측정결과를 나타내는 센서시스템 하드웨어 설계 및 메커니즘의 제작과 시스템 소프트웨어를 제작하였다.
(1)pH 센서는 PVC와 실리콘고무를 첨가한 일련의 PVC-SR 고분자막을 이

(1세부과제)
혈액가스 및 BNA를 실시간에 분석 할 수 있는 소형 혈액가스 분석센서 및 분석시스템을 개발하였다. 고체형 PH, $pCO_2,pO_2$및 DNA 센서 개발을 위해 혈액가스 선택성 감응물질을 선택하고, 센서의 안정성 및 성능 향상을 위해 효과적인 감응물질의 고정법을 개발하였으며, 센서에서 발생하는 신호를 처리하여 측정결과를 나타내는 센서시스템 하드웨어 설계 및 메커니즘의 제작과 시스템 소프트웨어를 제작하였다.
(1)pH 센서는 PVC와 실리콘고무를 첨가한 일련의 PVC-SR 고분자막을 이용하였으며, 짧은 감응시간과 넓은 측정범위 및 우수한 직선성을 나타내었으며, 전극면에의 점착성이 매우 뛰어났다.
(2)$pCO_2$ 센서는 탄산이온 선택성 ionophore가 포함된 일련의 PVC막 및 솔-젤 막으로 제작하였으며, 낮은 검출한계 및 방해 이온들의 영향제거에 우수한 성능을 나타내었다
(3)$pO_2$센서는 여러 가지 고분자 matrix를 이용하여 고체 또는 겔 전해질형 $pO_2$센서를 개발하였으며, 빠른 응답시간과 농도 직선성이 우수하다.
(4)DNA 센서의 경우 전기전도성 고분자막 위에 probe DNA를 고정시켜, 임피던스 분석법을 이용하여 target DNA응 검출하였다. DNA 센서는 target DNA의 혼성화 정도에 따른 선택성이 우수하였다.
(5)혈액가스 ($PH,\;pCO_2,\;pO_2$) 및 DNA를 실시간에 분석할 수 있는 휴대용 혈액가스 분석용 및 DNA 분석용 시스템(conductivity meter) 개발하였다.
(6)혈액가스를 측정하기 위한 시스템의 개발을 위하여 액류흐름 및 제어 메커니즘을 설계하였다
(2세부과제)
환자호흡 감시용 $CO_2$ 가스 센서 및 분석 시스템(capnograph system) 개발을 목적으로 하였다.
(1)비분산 적외선 흡수식(NDIR, non-dispersive infrared absorption)의 $CO_2$가스 분석 시스템에 필수적인 $4.3{\mu}m$에서 75%이상의 투과율을 가지는 광필터와 기체의 원활한 흐름을 고려하고 열적잡음의 영향을 줄이기 위한 초전형 센서를 이용한 2광원 1센서 방식의 광챔버 및 광원 구동회로를 설계 개발하였다
(2)개발된 광챔버를 기반으로 신호 증폭 및 필터부를 설계하였고 신호처리 및 시스템 제어와 디스플레이를 위한 하드웨어와 소프트웨어를 개발하였다. 개발된 시스템에 대해 $CO_2$농도와 출력 전압의 관계식을 도출하고 1 point calibration 과정을 거쳐 교정하도록 하였다.
(3)시스템의 소형화를 위한 광원 소비 전력 최소화 연구와 분기 방식(side stream) capnograph 시스템의 capnogram 왜곡현상 보상 알고리즘 연구를 수행하였다
(4)위탁연구에서는 기존의 상품화된 호기말 $CO_2$농도 측정기와 구현한 시스템을 동물 실험에 적용하여 시스템의 문제점을 지적하여 개발과정에 반영되도록 하였다.
(5)최종 개발된 시스템의 실제 임상 적용 및 평가를 통해 장시간 정상 동작 가능함과 안정된 $EtCO_2$값 추출을 확인하였다.
(3세부과제)
본 세부개발과제의 목표는 혈액내에 존재하는 대사물질을 분석 할 수 있는 소형 분석기를 제작하는데 있다.
(1) 센서 소자의 개발: 세라믹 기판 위에 스크린프린팅 기술을 이용하여 전류측정 전극과 전위차 측정전극, 그리고 전위차 측정용 기준전극을 함께 구성하여 다중화된 소형 센서를 구성하였다.
(2)각종 혈중 대사물질 분석용 센서 개발
${\cdot}$요소 분석용 바이오센서의 개발: 소형화된 암모늄 선택성 전극막과 기준전극을 제작하여 미량의 요소에 대하여 우수한 검출한계를 갖는 요소 분석용 바이오센서를 개발하였다.
${\cdot}$혈막을 도입하여 다른 산화종 방해물질에 의한 방해작용을 칙소화하였다.
${\cdot}$Creatinine 분석용 바이오센서의 개발: 산화막을 도입하여 산화종 방해물질에 의한 방해작용을 최소화하였으며, 차동형 creatinine 센서를 고안하여 혈중 creatine에 의한 방해를 해결하였다.
${\cdot}$Lactate 분석용 바이오센서의 개발: 작동전극으로 Pt black이 전기화학적으로 deposition된 Au 전극을 사용하여 작동전위를 10.3 V로 낮추어 다른 산화종 방해물에 의한 방해작용을 최소화함.
${\cdot}$Hematocrit 분석용 센서의 개발: 소형화된 전도도 측정 전극과 전위차 측정 전극을 함께 구성하여 혈액내 hematocrit을 정확히 정량할 수 있었다.
${\cdot}$$CO_2$센서의 개발: 혈액중 $CO_2$ 의 수화반응 메카니즘을 촉진시키는 carbonic anhydrase를 이용하여 감응시간이 빠른 차동형 $CO_2$센서를 구성하였다.
(3) 측정기기의 개발: 생체 검체에 대한 생화학 분석을 행하는데 필요한 전기화학적인 분석 장비-정전위전류측정기(amperometry), 전위차측정기(potentiometry), 전기 전도도측정기(conductometry)- 가 모두 집적된 휴대용 저전력 종합 전기화학분석 시스템의 개발에 성공하였음.
(4) 마이크로 전극을 이용한 포도당 센서의 개발: 마이크로 전극을 이용하고 방해물질의 투과도가 매우 낮으면서 포도당 농도에 따른 센서의 감응 특성이 매우 좋은 연속측정이 가능한 혈당 센서를 개발하였음.
(4세부과제)
반영구적인 반사광형 산소포화도 광센서를 개발하고, 개발된 센서를 이용하여 휴대용 산소포화도 측정시스템을 개발하는 것이 본 연구개발의 목적이다.
(1)산소포화도를 산출하기 위한 반사광형 측정 알고리즘을 확립하였고, 혈액 및 조직에서의 흡수 스펙트럼 및 광 분포도를 측정하여 산소포화도 구현에 가장 적합한 파장을 선택하였다.
(2)이 파장대의 센서를 이용하여 반사광형 산소포화도 구현을 위한 고감도 광센서를 개발하였고, 아날로그 및 디지털 신호처리부 하드웨어를 구성하였다. 투과형 센서 및 개발된 반사광형 센서 적합한 센서 제어 및 신호처리와 산소포화도 계산 프로토콜을 세워 시스템 소프트웨어를 개발하였다. 흡수계수가 작을수록, 산란계수가 클수륵, 이방성 산란계수가 클수록 투과깊이는 깊어짐을 확인하였다
(3)각 파장대에 따른 헤모글로빈과 산소헤모글로빈의 스펙트럼 분석 결과, 각각의 흡수계수도 차이가 가장 큰 파장이 적색광(660nm) 및 적외광(940nm)임을 확인하였다. 따라서, 산소포화도 측정을 위한 최적 파장으로 850nm를 선택하였다. 실험을 통해 광원과 센서 사이의 거리가 멀수록 깊은 조직층에서 반사되는 광을 측정할 수 있음을 확인하였고, 이러한 원리를 이용하여 각 측정부위 및 조직의 두께에 따라 광원과 센서의 간격을 조절하여 산소포화도를 측정할 수 있는 광센서를 기하학적으로 설계하였다.
(4)비침습적으로 혈액내의 헤모글로빈을 측정 시스템을 개발하였다. 혈액 샘플에 대하여 $400{\sim}2500nm$영역에서 스펙트럼을 얻어 측정 알고리즘을 개발하였으며, LED를 이용하여 H/W및 S/W를 개발하였다.
(5)환자를 대상으로 임상 실험을 실시하여, 635명에 대한 data 획득하여 분석하였으며, 헤모글로빈 17.3 g/dl의 분포에서 R=0.666, SD=1.302(382명) m%error : 8.398의 평가 결과 얻음.
(5세부과제)
의료용 용존 산소 센서의 성능개선 및 임상범위인 산소농도 0-20 PPm 에서 선형성과 ${\pm}0.2 PPm$ 정확도를 갖는 센서를 제작하였다. 센서 제작을 위해 안정된 수소이온 감지막을 가지는 pH ISFET의 제조, 백금 박막의 집적화, 생체적합성과 유속의존성을 개선, 제조된 센서의 특성 평가 및 임상 측정 범위 내에서의 동작특성 등을 조사하였다. 개발된 센서의 특성은 다음과 같다.
(1)$Al_2O_3$를 수소이온 감지막으백금 박막전극의 우수한 작업전극 기능 검증
(3)다공성 고분자막을 이용한 센서의 생체적합성 및 유속의존성 개선
(4)산소농도 0-10ppm에서 우수한 선형성 확인, 0.1ppm의 정확도 확인
(5)어레이형 센서 제작으로 신뢰성 개선
(6)어레이형 센서 측정용 시스템 제작

Abstract ▼

(1st partial project)
The object of the 1st partial project 1st to develop a blood gas and DNA sensor incombination with the analyzers. To develop solid-state pH, pCO2, pO2, and DNA sensor, we studied for sensing materials and the diverse immobilization methods of sensing materials. We also devel

(1st partial project)
The object of the 1st partial project 1st to develop a blood gas and DNA sensor incombination with the analyzers. To develop solid-state pH, pCO2, pO2, and DNA sensor, we studied for sensing materials and the diverse immobilization methods of sensing materials. We also developed the hardware of sensor system, the mechanism of Portable electrochemical analyzer ,and the system software.
(1)The pH sensor was fabricated using series of PVC and PVC-silicon rubber compositemembranes. It showed short response time, wide pH range, and a excellent stability.
(2)The pCO2 sensor containing ionophores was made from series of PVC and sol-gelmembrane. It showed a low detection limit and high selectivity coefficient.
(3)The solid-state pO2 sensor was fabricated using polymer matrixes containing KCI. Itexhibited fast respose time, good linearity, and stability.
(4)The electrochemical method to directly detecte DNA hybridization was development on the basis of a new conductive polymer, which was polymerized on the carbon electrode with a terthiophene monomer having a carboxytic group. A difference In impedance signal was observed before and after hybridization.
(5)Potable blood gas and DNA analyzer(conductivity meter) were developed for detecting pH, pCO2, pO2, and DNA.
(6)To develop the blood gas analyzer, we designed sample flow and control systems
(2nd partial Project)
The object of the End partial project is to develop a $CO_2$ gas sensor and analysing system for patient monitoring.
(1)The optical bandpass filters with more than 75 percent transmittance in $4.3{\mu}m$ have been developed. The double beam type sensing chamber equipped with pyroelectric sensor and lamp driving circuit have been developed in the consideration of the gas stream and the removal of thermal background noise effect.
(2)Based on the developed optical chamber, the signal amplifying and filtering, signal processing, system control, and displaying parts have been developed. And the relation between $CO_2$ gas concentration and output signal has been obtained empirically using the implemented system and 1 point calibration is processed upon the relation.
(3)And also, the minimization of lamp Power consumption and the signal reconstruction in sidestream type capnograph system have been researched.
(4)The commissioned project team has been indicated the problems occurred in the animal experiment with the commercial $EtCO_2$ analyzer and our implemented system to Improve the system performance.
(5)The clinical test using the last developed system showed a long stability in the system operation and reasonable $EtCO_2$ value.
(3rd partial project)
An object of this research is the development of a miniaturized analyzer for blood metabolites.
(1) Development of sensor elements: We were able tn fabricate the miniaturized multiplesensor system which contain amperometric, potentiometric, and reference electrodes.
(2) Development of sensor for anlyzing various blood metabolites
${\cdot}$ Development of urea biosensor: We developed an urea sensor with low detection limit by means of miniaturized ammonium-selective membrane and reference electrode.
${\cdot}$ Development of glucose biosensor: We developed a glucose sensor which exhibits reducedl interference against easily oxidizable metabolites employing a HPU layer containing oxidizing
${\cdot}$ Development of creatinine biosensor: We developed a creatinine sensor which exhibitsreduced interference against easily oxidizable metabolites employing an oxidizing membrane.Also this sensor got rid of creatine inteference with differential creatinine sensor.
${\cdot}$ Development of lactate biosensor: We developed a lactate sensor which exhibits reduced interference using electrically deposited Pt black on the Au as an working electrode and lower applied potential (${\pm}0.3\;V$).
${\cdot}$ Development of hematocrit sensor: We developed a hematocrit sensor which is able todetermine exact hematocrit level in blood exactly. This sensor is made up of conductivity measuring electrodes and a reference electrode for Potentiometry.
${\cdot}$ Development of $CO_2$ sensor: We developed a $CO_2$ sensor that provides rapid response timel by promoting the hydration of gaseous $CO_2$ with carbonic anhydrase.
(3)Development of sensor device: We acomplished the development of portable electrochemical analyzer with low electricity requirement; the analyzer performs amperometry, potentiometry, conductometry.
(4)Development of glucose sensor using micro electrode: We developed glucose sensor based on micro electrode. This sensor show little intefering responses, while providing the capability for continuous monitoring for an extended period.
(4th partial project)
It is the goal of this R&D our developing semi-permanent reflectance type optic sensor of SpO2 and building portable measurement system of oxygen saturation by using developed sensor.
(1)We established measurement algorithm of reflectance type to induce oxygen saturation,measured absorption spectrum and optic distribution of blood and tissue.
(2)Therefore we selected the fittest wavelength that is embodiment of value of oxygensaturation. Also we developed a high-sensitivity optic sensor to realize reflectance typeoxygen saturation using sensor of this band of wavelength, and constructed hardware ofprocessing part of analog and digital. And we designed protncol of calculating oxygensaturation and signal processing by using transmittance and reflectance type sensor, anddevelope system software.
(3)We confirmed that the smaller coefficient of absorption, the larger coefficient of anisotropic scattering is, the deeper transmittance depth is. Also we found that red(660nm) and infra-red(640nm) are the largest wavelength that is difference of each coefficient of absorption, by analyzing spectrum between HbO and Hb about each band of wavelength. So we selected the best wavelength(850nm) for measuring oxygen saturation. Through these experiment, we verified that if distance between source of light and sensor is longer, light could be measured reflected rays to deeper bed of tissue. Using this basis, we designed geometrically optic sensor that could measure oxygen saturation by controlling gap between source of ray and detector
(4)A non-invasive hemoglobin monitoring to measure total hemoglobin is investigated. Algorithm for measuring total hemoglobin is derived from absorption spectra of blood components of 400-2500nm region. We investigate the monitoring system for the determination of the total hemoglobin concentration using the LED.
(5)The results with 635 persons are: the correlation coefficient is 0.666 and standard deviation is 1.302 (382 persions), and m%error is 8,398.(The hemoglobin concentration range from 6.6 to17.3g/dl)
(5th partial project)
To improvement of the characteristics of medical dissolved oxygen sensor which has good accuracy (${\pm}0.2ppm$) and linearity in the medical diagnosis range (0-20ppm), we studied for the fabrication of pH ISFET which has stable pH-sensing membrane, integration of platinum electrode, improvement of biocompatibility, flow dependence, judgement for the characteristics of prepared sensor, and characteristics of sensors in the medical diagnosis ranger
(1)The developed $A1_2O_3$-gate pH ISFETS have stable characteristics
(2)Integration of platinum thin film as good working electrode.
(3)Improvement of bio-compatibility and flow dependence with porous polymer layer
(4)Good linearity was obtained between 0ppm and 10ppm and accuracy was about 0.1ppm.
(5)Reliability can be raised by array sensor
(6)Fabrication of the measurement system for array sensor.

목차 Contents

• Ⅱ. 총괄연구개발과제 연구결과...9
• 1. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 목표...9
• 2. 총괄연구개발과제의 최종 연구개발 내용 및 결과...17
• 3. 총괄연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...47
• 4. 총괄연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...53
• 5. 총괄연구개발과제의 활용계획...61
• 6. 첨부서류...63
• Ⅲ. 세부연구개발과제 연구결과 (세부과제별로 작성)...250
• 제 1 세부과제...250
• 1. 제1세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...251
• 2. 제1세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...252
• 3. 제1세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...258
• 4. 제1세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...274
• 5. 제1세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...275
• 6. 제1세부연구개발과제의 활용계획...278
• 7 참고문헌...279
• 제 2 세부과제...280
• 1. 제2세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...281
• 2. 제2세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...283
• 3. 제2세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...285
• 4. 제2세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...334
• 5. 제2세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...337
• 6. 제2세부연구개발과제의 활용계획...339
• 7. 참고문헌...339
• 제 3 세부과제...341
• 1. 제3세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...342
• 2. 제3세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...347
• 3. 제3세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...354
• 4. 제3세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...363
• 5. 제3세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...364
• 6. 제3세부연구개발과제의 활용계획...367
• 7. 참고문헌...369
• 제 4 세부과제...370
• 1. 제4세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...371
• 2. 제4세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...373
• 3. 제4세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...377
• 4. 제4세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...385
• 5. 제4세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...388
• 6. 제4세부연구개발과제의 활용계획...390
• 7. 참고문헌...391
• 제 5 세부과제...392
• 1. 제5세부연구개발과제의 최종 연구개발 목표...393
• 2. 제5세부연구개발과제의 연구대상 및 방법...395
• 3. 제5세부연구개발과제의 최종 연구개발결과...416
• 4. 제5세부연구개발과제의 연구결과 고찰 및 결론...431
• 5. 제5세부연구개발과제의 연구성과 및 목표달성도...432
• 6. 제5세부연구개발과제의 활용계획...434
• 7. 참고문헌...435