보고서 정보
주관연구기관 |
전자부품연구원 Korean Electronics Technology Institute |
연구책임자 |
이민호
|
참여연구자 |
이국녕
,
박광석
,
윤규식
,
이기진
,
신재호
,
김원동
,
김정환
|
보고서유형 | 최종보고서 |
발행국가 | 대한민국 |
언어 |
한국어
|
발행년월 | 2013-10 |
과제시작연도 |
2012 |
주관부처 |
산업통상자원부 Ministry of Trade, Industry and Energy |
등록번호 |
TRKO201700001326 |
과제고유번호 |
1415124798 |
사업명 |
바이오의료기기산업원천기술개발사업 |
DB 구축일자 |
2017-09-20
|
키워드 |
심혈관 질환.나노구조체.뇨당 센서.용량성 ECG.생활 중.
|
초록
▼
□ 최종목표
1단계
○ AI 기반 무채혈, 당뇨 측정용 센싱 유닛 개발 (1단계)
ㆍ 무채혈 혈당 센싱 유닛 개발
ㆍ 나노구조체를 이용한 당뇨 분석 (Glucose in Urine) 센싱 유닛 개발
ㆍ 무구속/무자각 지향 휴대형 당 센서 모듈 개발
ㆍ 휴대형 ECG 센서 모듈 개발
○ AI 기반 무구속 생체 신호 측정 시스템 개발
ㆍ ECG, BCG, PPG 조합을 통한 혈압 추정 기술 개발
ㆍ Cuffless 혈압 추정 기법에 대한 성능 향상 및 최적화
ㆍ SpO2 측정용 소형
□ 최종목표
1단계
○ AI 기반 무채혈, 당뇨 측정용 센싱 유닛 개발 (1단계)
ㆍ 무채혈 혈당 센싱 유닛 개발
ㆍ 나노구조체를 이용한 당뇨 분석 (Glucose in Urine) 센싱 유닛 개발
ㆍ 무구속/무자각 지향 휴대형 당 센서 모듈 개발
ㆍ 휴대형 ECG 센서 모듈 개발
○ AI 기반 무구속 생체 신호 측정 시스템 개발
ㆍ ECG, BCG, PPG 조합을 통한 혈압 추정 기술 개발
ㆍ Cuffless 혈압 추정 기법에 대한 성능 향상 및 최적화
ㆍ SpO2 측정용 소형/저전력 모듈 개발
○ AI 기반 생체 신호 분석용 알고리즘 개발
ㆍ 당뇨의 정량적 분석을 위한 AI 기반 알고리즘 탑재된 소형 센서 모듈 구현
ㆍ 패턴 인식 알고리즘 기반 센서 모듈 개발
ㆍ 개발된 알고리즘의 구현
2단계
○ 뇨당 측정용 시스템 최적화
ㆍ 나노입자 기반 센서 플랫폼 설계 및 제작
ㆍ 스마트 단말기와의 연동 가능한 시스템 제작
ㆍ 임상적 유효성 검증을 위한 시스템 구축
○ 상품화가 가능한 Life Application 기반의 구조물을 이용한 생체 신호 모니터링 시스템 개발 (의자, 침대)
ㆍ 의자, 침대에 생체 신호 센싱 모듈 일체화
ㆍ 직물전극 등 첨단센서를 이용한 사용자 usability 확장 및 구조적 문제점 극복
ㆍ cECG 이용한 사용자 편의성 증대 및 무구속/무자각 실현
ㆍ 생체신호 알고리즘 내장형 firmware 라이브러리 설계
○ 다양한 디스플레이에 접근 가능한 모니터링 시스템 구현
ㆍ Bluetooth를 이용한 생체 신호 무선 통신 전송방식 구현
ㆍ 내장형 LCD, IOS, android 기반의 스마트 장치 및 PC에서 디스플레이 될 수 있도록 모니터링 프로세스 구축
ㆍ 전기, 기계적 안전에 대한 규격 획득 (IEC601-1)
□ 개발내용 및 결과
1단계
○ 개인 적응형 전기적 비접촉형 생체 신호 모니터링 기술 구현
ㆍ 무구속 산소 포화도 측정 기술 개발
○ 개인적응형 심전도, 호흡, 혈압, 복합 무자각 측정 기술 구현
ㆍ 비접촉 PPG 측정 기술 개발
ㆍ 커프리스 혈압 추정 알고리즘 개발, 검증 및 적용
ㆍ PVDF 필름을 이용한 다중 생체 신호 측정
○ 비접촉 심전도, 맥파, 혈압 측정 시스템 개발
ㆍ 사무용 의자에서 심전도, 맥파를 무구속으로 측정
ㆍ 옷을 입은 상태에서도 심전도 및 맥파 측정 가능
ㆍ 심전도와 맥파를 이용한 혈압 추정
ㆍ 부정맥 검출 알고리즘 개발
○ 신호 검증 분석
ㆍ Reference RR 간격과 PVDF 심탄도의 JJ 간격간의 상관도 가 0.8 이상, p-value 가 0.001 이하의 결과 확보
○ 나노센서 칩 제조 공정 확보
ㆍ 8“ 실리콘 기판 상의 나노센서 제조
ㆍ PDMS 채널과의 본딩 작업 수행으로 마이크로 채널 완성
○ 나노센서를 이용한 당 농도별 변화량 측정 (100 ~ 500mg/dL)
ㆍ 바이오 실험용 정밀 유체 콘트롤 시스템 제작
ㆍ 금속실버 나노인자에 고분자 복합체 함몰 및 물리적, 광학적 특성평가 실험 진행
ㆍ 은 나노입자의 합성 및 합성된 은 나노 재료를 활용한 센서 표면 연구
○ 뇨당 정량 측정을 위한 전기 화학 센서 개발
ㆍ 당 농도 ( 0 ~ 1000 mg/dL )에서 수행
ㆍ 환자 대상 임상 실험 수행
○ 마이크로 파를 이용한 혈당 센서의 임상 실험을 통한 자료 수집 및 분석
ㆍ 마이크로 파 소스 변화에 따른 혈당 센서 당도 반응 분석
ㆍ 손가락 모델링을 통한 시뮬레이션 진행
ㆍ 센서의 dynamic range 향상을 위한 유전체 재료 개발
ㆍ 무체혈 혈당 측정 오차를 최소화하기 위한 구동 알고리즘 개발
ㆍ 희귀분석 툴을 이용한 통계기법으로 측정에 따른 에러 범위 설정 및 최소화
ㆍ 임상 데이터로 확보한 혈당치 변화에 따른 에러 범위 설정 및 최소화
ㆍ High Q를 가지는 유전체 센서의 시뮬레이션과 실제 측정치와의 비교 (최종 결과 대비 80% 달성)
○ 무채혈 혈당센서의 임상실험을 위한 신체적 자료수집 및 분석
ㆍ 혈액내의 여러 성분이 마이크로파에 반응하는 관련자료 수집 및 분석
ㆍ 피측정부위 손가락 모델링 및 시뮬레이션 기술 적용
○ 최소 채혈 혈당센서 스트립 구조 설계 및 개선
ㆍ 0.2 uL 혈액 용적률 적용, 극소 정량 채취 구조 설계
- Venthole 구조 적용, Injection time 개선, 계면 활성제 종류, 용량 선정
ㆍ Mediator 조성 별 output 특성 비교 선정
ㆍ Working electrode-Reference electrode 면적 도출
- 전극 면적에 따른 electron path 구조별 output 특성 검증
ㆍ 전극 재질 별 출력 특성 비교, 재질 선정 (Carbon>silver-gold).
- Line resistance 일정 조건 확보
○ 측정 알고리즘, 자동 보정 알고리즘 개발
ㆍ Oxidation voltage별 출력특성 비교, 최적출력 도출.
ㆍ Reaction time별 출력특성 비교, 최적Timing 도출(0.5sec, 1.5sec).
ㆍ Reference equipment 대비 결과 보정식 도출
○ ADA기준 준거 Measuring Result의 Accuracy, Precision 확보
○ 무자각 지향으로 생체 신호 측정이 가능한 스마트의자, 침대, 변좌, 휴대용 ECG 시제품 제작
ㆍ 스마트 의자: 맥박, 무자각 혈압, 무채혈 혈당 및 서버에 송신 기능
ㆍ 침대: 심전도 측정 및 송신 기능
ㆍ 변좌: 맥박, 혈압, 뇨당 측정 및 송신 기능
○ 정량적 성과
ㆍ 국내논문: 9건
ㆍ 국외논문: SCI 19건, SCIE 4건
ㆍ 국내특허: 출원 13건, 등록 1건
2단계
◌ 전극 반응 최적 조건 및 디지털 뇨당계 특성 평가
ㆍ 전극 위에 다층막 구조 보호막 개발 및 최적화 작업
ㆍ 스핀코팅 방식으로 다량의 칩에 대한 양산공정확보
ㆍ 검출조건 최적화 및 정량 검출 수행
ㆍ 나노물질 최적화 작업 ◌ 전시제품 최적화 및 규격 인증 작업
ㆍ 거취용과 휴대용 시제품 제작 완료
ㆍ 식약청 허가를 위한 1등급 품목 적합성 테스트 수행
◌ 다양한 디스플레이 가능한 모니터링 프로세스 구현
ㆍ Bluetooth를 이용한 생체 신호 무선통신 전송방식 구현
ㆍ 안드로이드 기반의 모니터링 user interface 설계
◌ 상품화를 위한 규격 인증 확보 및 사업화
ㆍ 상품화를 위한 시제품 수정
ㆍ 신뢰성 인증 확보 및 제품화
◌ 생체 신호 피크 검출 알고리즘 최적화 및 성능평가
ㆍ 생체 신호 피크검출 알고리즘 성능을 MIT-BIH arrhythmia database 의 심전도 자료를 통해 평가함
ㆍ 혈압추정 파라미터 조합에 대한 연구 수행
ㆍ 심탄도 신호의 활용방안에 대한 연구
ㆍ 심전도 신호와 심탄도 신호를 조합한 입면지연시간 추정 지표 개발
□ 기술개발 배경
○ 고령사회의 도래와 함께 한국은 물론 전 세계적으로 심각한 질병군의 하나로 만성 대사 질환이 주목을 받고 있는 가운데 가장 건강에 치명적인 위협을 주는 요인은 뇌혈관, 심혈관 질환과 당뇨 질환임
○ 이러한 질환에 대한 주기적인 모니터링은 질병의 조기 진단과 병의 진행정도에 따른 맞춤 치료 실시를 가능하게 함
○ 이러한 배경을 바탕으로 고령사회의 도래와 함께 가장 심각한 질병인 만성 대사성 질환에 대한 효과적인 대처를 위하여 기존의 유헬스 개념에서 벗어나 업그레이된 유헬스 시스템 개발이 요구됨
○ 실시간으로 감지된 신체 지표가 1단계에서 제작된 센서 및 시스템을 통하여 통합 관리 시스템에 전송되고 여기서 개인 건강 기록에 의거 일관되고 효과적인 관리 기능 및 인터페이스 제공 등 네트워크 프레임을 잘 활용하여 환자 및 의료진 양 방간에 좀 더 효율적인 쌍방소통이 가능한 질병 관리 모델 개발이 필요함
□ 핵심개발 기술의 의의
1단계
○ 생체 신호 (심전도, 맥파, 혈압 등)를 비접촉적으로 측정할 수 있는 시스템 및 알고리즘을 개발하여 무자각적으로 생체 신호 측정이 가능한 스마트 의자, 침대, 변좌 개발로 실제 일상 생활에 이용되는 가구물에 접근성 확인
○ 유전체 재료 개발을 통한 센서의 dynamic range 향상, 측정오차를 줄이기 위한 구동 알고리즘 개발, 희귀 분석 툴을 이용한 통계기법으로 에러 범위 설정 및 최소화 과정을 통하여 마이크로 파를 이용한 비침습 혈당 센서 시스템 개발로 연속 측정 가능한 비침습적 혈당센서 완성도에 접근
2단계
○ 뇨당 센서 전극 위에 다층 막 구조 개발로 장기간 반복 사용가능한 시제품 개발 및 배뇨 중에 포함되어 있어 노이즈로 작용하는 ascorbic acid, uric acid, acetaminophen 등 저해 요소에 대한 효과적인 차단 확인
○ 식품의약안전처 1등급 신고로 허가 취득
○ 직물전극을 이용하여 무구속/무자각 상태에서 혈압 추정 및 맥박, 호흡수 취득용 침대 및 의자 개발과 허가 취득
□ 적용 분야
○ 유헬스용 센서시스템에 적용
○ 가구 및 스마트 홈 구성에 적용
○ 외부에서 송수신 가능한 life appliance 기반의 제품에 적용
○ 개별적으로 완제품 제작 및 판매 가능
(출처 : 초록)
목차 Contents
- 표지 ... 1제 출 문 ... 2기술개발사업 최종보고서 초록 ... 3기술개발사업 주요 연구성과 ... 18목차 ... 31제 1 장 서론 ... 32 제 1 절 과제의 개요 ... 32제 2 장 과제 수행의 내용 및 결과(기술개발 내용 및 방법) ... 36 제 1 절 최종 목표 및 평가 방법 ... 36 제 2 절 단계 목표 및 평가 방법 ... 39 제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위 ... 42 제 4 절 수행 결과의 보안등급 ... 159 제 5 절 유형적 발생품(연구시설, 연구장비 등) 구입 및 관리 현황 ... 159제 3 장 결과 및 사업화 계획 ... 160 제 1 절 연구개발 최종 결과 ... 160 - 연구개발 추진 일정 ... 160 - 연구개발 추진 실적 ... 162 - 기술개발 결과의 유형 및 무형 성과 전체를 기재 ... 164 제 2 절 연구개발 추진 체계 ... 168 - 각 기관/기업별 역할 및 추진 내역 ... 168 제 3 절 시장 현황 및 사업화 전망(당초 기술개발 시작 시점의 조사와 변화된 것 위주로 기술) ... 169 제 4 절 고용 창출 효과 ... 172 제 5 절 자체보안관리진단표 ... 173부록 : 시험성적서, 도면, 설계도 등 ... 174끝페이지 ... 181
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