녹내장 진단용 안압 모니터링 콘택트렌즈 개발-콘택트렌즈로 일상에서 안압 모니터링 할 수 있다

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2021. 5. 13.

녹내장 진단용 안압 모니터링 콘택트렌즈 개발-콘택트렌즈로 일상에서 안압 모니터링 할 수 있다

 

등록일2021.05.11.

 

 

 

녹내장 진단용 안압 모니터링 콘택트렌즈 개발

콘택트렌즈로 일상에서 안압 모니터링 할 수 있다 

 

 

□ 눈에 착용하는 소프트 콘택트렌즈 형태로 녹내장을 진단하는 지표인 안압(眼壓)을 모니터링, 스마트폰으로 확인할 수 있는 기술이 소개됐다. 고감도 안압 센서와 무선통신회로를 모두 신축성 있게 만들어 소프트 콘택트렌즈에 탑재시킨 것이다. 

 ○ 시력교정에 쓰이는 일반 소프트 콘택트렌즈에 안압 센서와 무선 통신회로를 결합, 집에서 녹내장 지표인 안압의 미세 변화를 간편하게 모니터링 할 수 있는 기술이 개발된 것이다.

 

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 박장웅 교수(연세대학교 신소재공학과) 및 김홍균 교수(경북대학교병원 안과), 김대우 교수(경북대학교병원 안과) 공동연구팀이 미세한 안압변화를 감지할 수 있는 고감도 안압 센서 및 무선 회로를 소프트 콘택트렌즈 내에 제작하여, 스마트폰과 무선 통신할 수 있도록 했다고 밝혔다.

 

□ 녹내장의 예방과 진단을 위해 지속적인 안압 모니터링이 필요하지만 수면상태에도 변하는 안압의 특성상 병원을 내원한 당시의 안압 측정만으로는 한계가 있을 수 있었다. 

 ○ 이에 사람 눈에 착용하는 형태의 신축성 있고 투명한 스마트 콘택트렌즈를 이용한 실시간 안압 모니터링 연구가 이어졌으나, 작은 크기의 콘택트렌즈에 안압 센서에 더해 무선통신 회로를 함께 탑재하지 못하는 등의 아쉬움이 있었다. 

 

□ 이번 연구를 통해 연구팀은 스마트 콘택트렌즈로 측정된 안압 수치를 스마트폰으로 무선 송신하는 기술을 개발하였다. 

 ○ 콘택트렌즈 착용만으로 일상생활에서 안압을 자동으로 연속 모니터링하고, 측정값은 무선으로 스마트폰 앱에 기록함으로써 이를 병원에 전송할 수 있는 모바일 헬스케어 기술을 보여준 것이다. 

 

□ 300nm 두께의 신축성 있는 초박형 실리콘으로 제작한 고감도 안압센서를 신축성 전극을 이용해 무선통신회로와 연결함으로써 실제 소프트 콘택트렌즈 두께와 비슷한 수준으로 제작, 신축성과 착용성을 유지할 수 있었다. 

 ○ 또한 감전의 위험을 없애기 위해 소프트 콘택트렌즈 물질로 센서, 무선통신회로 등 전자부품들을 완전히 포장했다. 

 

□ 나아가 10명의 참여자를 대상으로 제작된 스마트 콘택트렌즈의 착용시 성능과 안정성을 살펴본 결과 작동과정에서 열이 거의 발생하지 않았으며 눈에 이물감 및 각막 상처가 없음을 측정하였다. 

 ○ 다만 제품화를 위해서는, 1,000명 이상의 환자들을 대상으로 하는 임상 3상 시험이 필요하다는 설명이다. 

 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업 및 바이오·의료기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 생명공학 분야 국제학술지‘네이처 바이오메디컬 엔지니어링(Nature Biomedical Engineering)’에 5월 3일 게재됐다. 

 

 주요내용 설명

 

<작성 : 연세대학교 신소재공학과 박장웅 교수> 

 

논문명

A soft and transparent contact lens for the wireless quantitative monitoring of intraocular pressure

키워드 

안압(Intraocular pressure, IOP), 녹내장 (glaucoma), 콘택트렌즈 (contact lens), 모바일 헬스케어

저널명

Nature Biomedical Engineering

저  자

박장웅 교수(교신저자/연세대학교), 김홍균 교수(교신저자/경북대학교병원), 김대우 교수(교신저자/경북대학교병원), 김주희 박사(제1저자/연세대학교), 박지훈 박사(제1저자/연세대학교)

 

 

1. 연구의 필요성

 ○ 모바일 헬스케어용 웨어러블 기기는 각종 생체물리지표, 예를 들어 체온이나 심장박동, 심전도, 또는 혈당 및 콜레스테롤 수치 등을 모니터링하는 핵심기능과 더불어, 착용감과 편의성을 갖추는 것이 중요하다. 

 ○ 대표적인 웨어러블 플랫폼 중 하나인 스마트 콘택트렌즈는 높은 신축성을 지니지만 크기가 작은 만큼 많은 기술적 돌파구가 필요한 실정이다. 이를 위해 고신축성 구현과 함께 우수한 편의성을 위한 무선기술이 함께 연구되고 있다.

 ○ 시신경이 손상되는 녹내장은 진행되면 시야 결손 및 실명이 나타날 수 있어 예방 및 초기 진단이 매우 중요하다. 녹내장을 진단하는 유일한 지표는 안압이며, 녹내장 진단을 위해서는 정기적인 안압 모니터링이 필수이다. 

 ○ 하지만 안압은 15분 정도의 시간 간격으로 하루에도 수시로 변하기에, 병원에 내원하여 측정한 안압 수치만으로 녹내장을 정확히 진단하는 데는 어려움이 있다. 보다 더 정확히 녹내장을 진단하기 위해서는, 혈당처럼, 일상생활 속에서 환자의 안압을 연속해서 계속 모니터링 해야 하지만, 일상생활 중에서 안압을 실시간 연속 모니터링할 수 있는 기술은 아직 상용화되지 않았다. 

 ○ 표준화된 안압 측정법은 Goldmann applanation tonometry 이지만, 부피가 커서 휴대성이 떨어지고, 사용자의 숙련도에 따라 측정되는 안압 수치가 차이가 나기 때문에, 환자가 병원을 내원한 상태에서 주로 사용하고 있다. 

 ○ 안압 센서가 내장된 콘택트렌즈가 해외에서 개발된 사례는 있으나, 센서의 부피가 크고 정확도가 떨어져서 무선 통신회로는 콘택트렌즈 내에 탑재 불가능하였다. 이로 인해 스마트폰으로 안압 데이터 송신이 불가능하여, 반드시 병원을 내원하여 병원에 있는 부피가 큰 계측기를 사용해야 안압측정이 가능하였다. 콘택트렌즈를 착용하더라도 일상생활에서의 안압 모니터링은 불가능한 것이다.

 

2. 연구내용 

 ○ 본 연구의 핵심 기술은, 스마트폰을 이용하여 일상생활 속에서, 안압 변화를 실시간 모니터링할 수 있는 소프트 콘택트렌즈를 세계 최초로 개발하여, 사람이 착용 가능하다는 것까지 검증한 것이다. 

 ○ 소프트 콘택트렌즈 내부에 미세한 크기의 초정밀 안압 센서와 무선통신 회로를 신축성 있게 연결하여, 콘택트렌즈 착용만으로 측정된 안압 정보들을 스마트폰으로 실시간 무선 모니터링하는 기술을 개발하여, 녹내장 진단의 정확성을 높였다.

 ○ 병원을 내원하지 않더라도, 콘택트렌즈 착용만으로 안압을 자동으로 연속 모니터링하고, 스마트폰 앱에 기록된 안압 데이터들을 무선으로 병원에 전송 가능하여, 녹내장 진단을 가능케 하는 모바일 헬스케어 기술을 개발한 것이다.

 ○ 본 연구에서는 수 마이크론 크기로 매우 미세하지만, 0.1mmHg 정도의 아주 작은 안압 변화도 측정 가능한 고감도 안압 센서를 개발하였고, 이를 무선통신 회로들과 신축성 있게 결합할 수 있는 기술을 개발하여, 소프트 콘택트렌즈 내부에 탑재하였다.

 ○ 이번 연구에서는 신축성 전극 소재를 이용해 무선통신(NFC)용 회로를 제작하고, 소프트 콘택트렌즈와 결합된 고감도 안압센서를 함께 집적화했다.

 ○ 고감도 안압 센서는 안압으로 인한 안구의 미세한 변형 정도를 측정 한다. 안압 센서의 측정값은 무선통신 회로를 통해 스마트폰으로 간편하게 확인할 수 있다. 초박형 실리콘(두께: 300 nm)을 사용하여 반도체 공정으로 제작된 안압 센서의 크기는 수 마이크론 정도로 매우 미세하고, 무선 통신회로(NFC)와 신축성 전극 배선으로 연결되어, 잡아당길 수 있는 소프트 콘택트렌즈 내부에 모두 탑재 가능하였다. 이렇게 제작된 콘택트렌즈의 두께가 실제 소프트 콘택트렌즈 제품과 비슷하여, 신축성과 착용성이 저하되지 않았다.

 ○ 특히 감전의 위험을 없애기 위해 소프트 콘택트렌즈 물질로 센서, 무선 통신회로 등의 전자부품들을 완전히 포장했다. 또한 제작된 스마트 콘택트렌즈의 독성 테스트, 각막 변형 검사, 착용에 의한 통증 검사, 콘택트렌즈 내부의 전자부품 구동에 의한 발열 평가 등을 실시하고, 사람이 착용한 상태에서의 스마트 콘택트렌즈의 성능 및 안정성 평가까지 진행하였다.

 ○ 일상생활 속에서 건강 모니터링이 가능한 모바일 헬스케어 기기 플랫폼의 가능성을 제시한 것이다. 실제 상용화를 위해서는 1,000명 이상의 환자들을 대상으로 하는 임상 3상 시험이 필요(약 3년 정도 소요)하며, 3상 시험까지 모두 통한 후에는 제품 승인을 기대해볼 수 있다. 

 

3. 기대효과

 ○ 본 연구에서 제작된 스마트 콘택트렌즈는 고감도 안압 센서를 통해 녹내장 진단을 위한, 일상에서의 미세한 안압 변화를 무선 모니터링 할 수 있다. 따라서 다양한 방식의 모바일 헬스케어용 웨어러블 기기 구현을 위한 플랫폼 기술로 적합할 것으로 기대된다. 

 

연구 이야기

 

                                      <작성 : 연세대학교 신소재공학과 박장웅 교수> 

 

□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

 

기존의 안압 측정기기들과의 가장 큰 차별점은, 콘택트렌즈 내부의 무선 통신회로를 통해 스마트폰으로 안압 수치를 실시간 모니터링 가능하다는 점이다. 병원 내원시에만 안압을 측정하는 것이 아니라, 일상생활에서도 안압을 연속 모니터링하여, 녹내장 진단의 정확도를 향상시킬 수 있다.

 

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

 

 

스마트 워치에서 심장박동을 연속 모니터링 하는 것처럼, 콘택트렌즈에서 안압을 연속 모니터링 가능하다. 제품화를 위해서는, 1,000명 이상의 환자들을 대상으로 하는 임상 3상 시험이 필요(약 3년 정도 소요)하며, 3상 시험까지 모두 통과한 후에는 제품 승인이 가능하다. 

 

 

 

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은? 

 

 

기업과의 협력을 통해, 임상 3상 평가까지 모두 완료되어, 기술 상용화까지 성공적으로 되는 것을 목표로 하고 있다.

 

 

 

 

 용어 설명

 

 

1. NFC(Near Field Communication) 

 ○ 13.56 MHz의 주파수 대역에서 데이터 송/수신이 가능한 무선통신기술로 교통카드 서비스 등에 널리 이용되고 있다. 안압 측정 결과를 실시간으로 스마트폰으로 전송하는 무선 모니터링 구현을 위해 NFC 기술을 사용 하였다. 

 

2. 녹내장(Glaucoma)

 ○ 시신경이 손상되는 질환으로, 녹내장이 진행됨에 따라 시야결손 및 실명이 나타난다. 

 ○ 예방 및 초기 진단이 매우 중요해 정기적인 안압 모니터링이 필요 하다. 현재는 기술적인 한계로 인해, 안압 모니터링을 위해서 병원에 내원해야 한다.

 

3. 안압 센서

 ○ 실리콘(Silicon) 반도체 재료는 인장력이 가해져서 모양의 변형이 생기면, 전기 저항이 변하는 특성을 지닌다. 이 원리를 이용해 안압으로 인한 안구의 미세한 변형 정도를 전기신호로 측정한다.

 

 

그림 설명

 

 

 

 

(그림) 녹내장 무선 모니터링용 스마트 콘택트렌즈

(왼쪽) 고감도 안압 센서-무선통신(NFC) 회로가 집적화된 무선 모니터링용 스마트 콘택트렌즈 모식도 및 실제 사진

(가운데) 제작된 스마트 콘택트렌즈의 사진

(오른쪽) 제작된 스마트 콘택트렌즈를 사람이 착용한 상태에서의 구동 사진