Cardiovascu를 위한 광자 피부 감지 네트워크

Jul 29, 2023

컴팩트립(Compuscript Ltd)

이미지: 그림 1. 피부와 유사한 마이크로파이버 브래그 격자(μFBG) 패치.더보기

크레딧: OAS

Opto-Electronic Advances의 새로운 간행물(10.29026/oea.2023.230018)에서는 구성 가능한 피부 유사 극세사 브래그 격자 그룹을 통한 시공간 혈역학 모니터링에 대해 논의합니다.

심혈관 질환은 세계의 주요 사망 원인입니다. 세계보건기구(WHO)에 따르면 매년 1,790만 명이 심혈관 질환으로 사망합니다. 심혈관 질환의 사전 경고와 정확한 치료를 위해서는 혈압(BP), 심박수(HR), 말초 저항(PR), 혈관 탄력성 등 혈역학적 지표를 지속적으로 모니터링하는 것이 중요합니다. 소프트 웨어러블 장치는 실시간 작동 기능, 피부와 유사한 기계적 특성, 높은 SNR 감지 기능 등의 장점을 통해 심전도(ECG) 신호, 심음도(PCG) 신호, 맥파와 같은 생리학적 신호를 모니터링하는 데 매우 적합합니다. 그러나 인간의 심혈관계는 네트워크 순환으로 인해 복잡하고 분산되어 있습니다. 현재의 웨어러블 장치로 달성된 모놀리식 혈역학 매개변수는 국소 혈관계의 건강 상태를 적절하고 정확하게 반영할 수 없습니다. 심혈 관계의 임상 치료 및 일상 건강 관리에 대한 계속 증가하는 수요를 충족시키기 위해서는 시공간 혈류 역학 모니터링 기술이 시급히 필요합니다.

광섬유 브래그 격자(FBG)로 대표되는 분산 광섬유(DOF) 감지 기술은 시공간 혈류역학 모니터링에 이상적으로 적합합니다. 공간적으로 분산된 다중 채널 감지 기능, 탁월한 시간 동기화 및 전자기 간섭 부족은 다중 높은 SNR 생리학적 신호 모니터링의 기반을 마련합니다. 그러나 기존의 광섬유는 단단하고 부서지기 쉬운 실리카 재질과 125μm의 두꺼운 직경으로 인해 피부와의 기계적 성질이 뚜렷하고 생리적 신호에 대한 반응이 낮아 안정적이고 편안하게 신체에 착용하기가 어렵습니다. 기계적 불일치를 해결하기 위해 유연한 포장 기술이 사용되었습니다. 그럼에도 불구하고 상업용 FBG 장치의 과도한 두꺼운 캡슐화와 낮은 감도는 미묘한 생리적 신호를 감지하는 데 장애가 되어 웨어러블 장치에서의 잠재적인 적용을 제한합니다. 광학 마이크로섬유는 뛰어난 유연성, 구성 가능성 및 고감도 감지를 위한 큰 소멸 필드를 갖는 것으로 입증되었습니다. 그러나 기존의 광섬유 기반 장치는 파장 인코딩 전략 없이는 공간적으로 분산되고 시간 동기화되며 다중 매개변수 감지 기능을 구현하기 어렵습니다.

이 기사의 저자는 피부와 유사한 마이크로섬유 격자 그룹을 기반으로 한 시공간 혈류역학적 모니터링 기술을 제안합니다. 이 기술은 극세사 및 초박형 유연 포장 기술을 사용하여 피부와 유사한 극세사 패치를 준비합니다. 장치의 등가 모듈러스와 극세사 단면적을 효과적으로 줄임으로써 패치의 응력 반응이 2배 향상됩니다(감도는 50mN 이내의 응력에서 5.26nm/N입니다). 또한 10,000개의 응력 원에서 뛰어난 반복성과 안정성을 보여줍니다. 또한 이 기술은 펨토초 레이저 직접 기록 기술을 사용하여 브래그 격자를 극세사 내부에 비침습적으로 새겨 여러 극세사 패치에 대해 서로 다른 파장 인코딩을 제공함으로써 동기식 다중 채널 감지 기능을 가능하게 합니다. 마이크로섬유 격자(μFBG) 패치를 직렬로 연결하면 인체의 여러 노드에서 여러 생리학적 신호를 동시에 감지하고 다양한 작동 파장으로 구별할 수 있습니다. 광 기반 생리 신호는 μFBG 그룹에서 빛의 속도에 가깝게 전파되므로 시간 동기화는 FBG 인터로게이터에 의해서만 제한됩니다. 인간 심혈관계의 각 표면 동맥에서 근위 심탄도(BCG) 신호와 원위 맥파를 감지하고, 맥파 전송 시간(PTT)을 계산함으로써 시공간 혈역학 모니터링 기술이 확립됩니다.