이 글에서는 전기화학 임피던스 분광법(EIS)을 사용하는 연속 혈당 모니터링(CGM) 시스템에서 전극 탈락(electrode fall-out) 감지에 대한 시스템 수준의 분석을 제시한다. 기존 CGM 시스템은 DC 측정에 의존하는데, 이는 전극 분리에 대한 즉각적인 피드백을 제공할 수 없다. 반면, EIS 기반 임피던스 모니터링은 급격한 임피던스 변화를 관찰하기 때문에 실시간 감지가 가능하다. 실험 결과는 정상 상태, 부분적으로 분리된 상태, 완전히 분리된 전극 상태를 명확하게 구분할 수 있음을 보여준다.
머리말
전 세계적으로 당뇨병 유병률이 빠르게 증가하고 있고 아직 진단을 받지 않은 환자의 비율도 높은 상황이라, 첨단 혈당 모니터링 기술에 대한 수요가 높게 형성되고 있다. 이러한 추세는 기존의 간헐적 검사 방식에서 연속적이고 실시간이며 사용자 친화적인 연속 혈당 모니터링(CGM) 시스템과 같은 모니터링 솔루션으로의 전환을 촉진하고 있다. CGM 시스템은 간질액의 혈당 수치를 연속으로 측정하고 실시간 추이를 제공함으로써 보다 효과적인 당뇨병 관리와 임상적 의사결정을 가능하게 한다.
시스템 수준 아키텍처
일반적인 CGM 시스템은 혈당 센서, 아날로그 프런트 엔드(AFE), 그리고 블루투스 무선 인터페이스가 통합된 마이크로컨트롤러 유닛(MCU)으로 구성된다. 혈당 센서(전기화학 센서)는 프런트엔드의 생물학적 감지 디바이스로, 혈당 농도를 전기 신호로 변환하는 역할을 한다. AFE는 센서가 생성하는 극히 작고 잡음에 민감한 전류 신호를 디지털 시스템에서 처리할 수 있도록 변환하며, 신호 컨디셔닝과 변환을 담당한다.
MCU는 데이터 처리, 제어 및 시스템 관리를 담당하며, 원시 측정 데이터를 의미 있는 임상 정보로 변환한다. 이후 CGM 데이터는 저전력 블루투스 인터페이스를 통해 휴대전화나 태블릿과 같은 외부 장치로 무선 전송되어 시각화 및 의사결정에 활용된다. 실제 웨어러블 환경에서 강건하고 정확한 혈당 모니터링을 보장하기 위해, 최신 CGM 시스템은 조직 및 센서 온도 모니터링을 위한 온도 센서, 심박수 및 조직 관류 모니터링을 위한 광혈류측정(PPG) 센서, 활동 모니터링을 위한 가속도계를 포함하는 다중 모드 센싱을 점점 더 통합하는 추세이다. 그림 1은 CGM 시스템을 보여준다.
그림 1. CGM 시스템 다이어그램
CGM 기술 동향과 과제
최신 CGM 시스템에서는 정확도, 신뢰성 및 사용자 편의성에 대한 요구사항이 점점 더 엄격해지고 있다. 전기화학적 센싱은 우수한 감도와 혈당 농도와의 직접적인 상관관계로 인해 여전히 지배적인 기술로 자리잡고 있다. 일반적인 CGM 센서는 작동 전극(WE), 기준 전극(RE), 상대 전극(CE)으로 구성된 3전극 구조를 채택하며, 이를 통해 전기화학 반응을 정밀하게 제어하고 혈당에 따라 달라지는 전류를 정확하게 측정할 수 있다.
그러나 실제 웨어러블 환경에서는 전극의 무결성이 중요한 과제가 된다. 움직임, 땀, 피부 변형 및 장기간 착용과 같은 여러 요인으로 인해 전극과 조직 간의 접촉 상태가 저하되거나 심지어 전극이 분리될 수 있다. 이는 전기화학적 인터페이스에 직접적인 영향을 미쳐 신호 저하, 드리프트 또는 잡음 증가를 초래하며, 이로 인해 부정확한 혈당 측정값이 발생하고 환자 안전에 위험을 초래할 수 있다. 또한 이는 부적절한 인슐린 투여로 이어져 잠재적으로 의료 사고를 유발할 수도 있다.
기존 DC 기반 감지의 한계
대부분의 CGM 시스템은 전기화학 반응을 기반으로 하는 DC 측정을 사용한다. 이 측정은 효소 반응 속도와 화학적 평형에 의존하기 때문에 응답 동작이 느리다. 전극 분리가 발생하면 DC는 즉시 변하지 않고 서서히 드리프트하므로, 전극 탈락(fall-out)을 즉시 감지하는 것이 불가능하다. 그 결과, DC 기반 시스템은 명확한 고장 표시 없이 유효하지 않은 혈당 측정값을 계속 보고할 수 있다.
EIS 기반 즉각 감지의 장점
느린 생화학 반응 동역학에 의존하는 기존 DC 측정과 달리, 전기화학 임피던스 분광법(EIS)은 전극과 조직 간 인터페이스를 직접적이고 즉각적으로 모니터링할 수 있다. 임피던스는 화학 반응의 결과가 아니라 센서 인터페이스의 전기적 특성을 반영하기 때문에 전극의 무결성을 빠르고 예민하게 나타내는 지표를 제공한다. EIS 기반 모니터링에서는 전극 분리 시 임피던스가 킬로옴(kΩ) 수준에서 메가옴(MΩ) 수준으로 크게 변화한다. 이러한 급격한 변화는 실험 결과를 통해 검증된 것처럼 수 초 이내의 신속한 감지를 가능하게 한다. 그 결과, EIS는 기존 DC 기반 방식에 비해 실시간 전극 탈락 감지를 위한 근본적으로 보다 신뢰할 수 있는 접근 방식을 제공한다.
실험 결과
EIS 기반 접근 방식의 실시간 감지 기능과 실제 적용 가능성을 검증하기 위해, 상용 CGM 센서와 아나로그디바이스(ADI)의 MAX30134 평가 시스템을 결합하여 여러 검증 실험을 수행했다. 이 시스템은 DC 측정 및 EIS 측정 기능을 갖춘 MAX30131/MAX30132/MAX30134의 기능과 특성을 하나의 플랫폼에서 평가할 수 있게 해준다. 실험에는 MAX30132가 사용됐으며, 반복 측정에서도 일관된 결과가 관찰돼 우수한 반복성과 신뢰성을 보여줬다. 대표적인 테스트 데이터 세트 하나를 다음 표에 제시한다.
표 1. 센서가 인체에 완전히 삽입된 상태의 EIS 데이터 값
표 2. 센서가 인체에서 75% 이탈된 상태의 EIS 데이터 값
표 3. 센서가 인체에서 완전히 이탈된 상태의 EIS 데이터 값
표 1, 표 2, 표 3에 제시된 데이터는 센서가 인체에 완전히 삽입된 상태, 부분적으로 분리된 상태(75% 이탈된 상태), 완전히 분리된 상태의 세 가지 동작 조건이 실수부, 허수부 및 임피던스 크기를 포함한 모든 EIS 파라미터에서 뚜렷한 특성을 나타낸다는 것을 명확하게 보여준다.
그림 2에서 이러한 조건에 따른 임피던스 크기 데이터를 직접 비교하면 서로 다른 전극 상태 간의 차이가 더욱 명확하게 드러난다. 이러한 결과는 임피던스 측정이 전극 상태에 매우 민감하다는 것을 증명할 뿐만 아니라 EIS 기반 감지 방식의 즉각적인 응답성, 실제 적용 가능성 및 측정 신뢰성도 확인시켜 준다.
그림 2. 서로 다른 센서 상태의 EIS 데이터.
결론
기존 DC 측정 방식과 비교할 때, EIS 기반 감지는 전극 무결성을 모니터링하기 위한 근본적으로 우수한 접근 방식을 제공한다. 그 결과, EIS는 전극의 이상 상태를 즉시 감지할 수 있으며, 센서가 분리된 후 수 초 이내에 임피던스가 킬로옴 수준에서 메가옴 수준으로 뚜렷하게 변화한다.
통합 EIS 기능을 갖춘 MAX30132는 CGM 시스템에서 실시간 전극 모니터링을 위한 강건하고 실용적인 솔루션을 제공한다. 임피던스 기반 감지를 활용함으로써, 시스템은 기존 방식으로는 감지하기 힘든 센서 탈락 또는 접촉 상태 저하를 신속하게 식별할 수 있다. 이러한 기능은 측정 신뢰성을 크게 향상시키며, 부정확한 혈당 측정값이 신속하게 표시되거나 제거되도록 보장한다.
시스템 및 임상적 관점에서 전극 분리를 실시간으로 감지할 수 있는 능력은 데이터 무결성과 환자 안전을 유지하는 데 매우 중요하다. 즉각적인 고장 감지는 오해를 유발할 수 있는 혈당 측정값을 방지하고, 보다 정확한 임상적 의사결정을 지원하며, CGM 기기에 대한 전반적인 사용자 신뢰를 향상시키는 데 도움을 준다. 따라서 MAX30132 기반 EIS 모니터링은 보다 안전하고 신뢰성 높으며 정확한 CGM 솔루션을 향한 중요한 발전을 의미한다.
참고 문헌
1Hend S. Magar, Rabeay Y. A. Hassan, and Ashok Mulchandani. “Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS): Principles, Construction, and Biosensing Applications.” Sensors, Vol. 21, No. 19, October 2021.
저자 소개
휴 유(Hugh Yu)는 중국 상하이 아나로그디바이스(Analog Devices)의 선임 애플리케이션 매니저이다. 그는 2001년 중국 난징우전대학교에서 전자정보공학 석사 학위를 취득했다. 2002년부터 2005년까지 중국 GE 메디컬 시스템(GE Medical System)에서 초음파 하드웨어 선임 엔지니어로 근무했으며, 2005년부터 2010년까지 지멘스 코퍼레이트 테크놀로지 차이나(Siemens Corporate Technology China)에서 연구 과학자로 근무했다.
셀린 시에(Selene Xie)는 중국 선전의 아나로그디바이스(Analog Devices)에 선임 필드 애플리케이션 엔지니어(FAE)로 입사했다. 그는 2014년 선전대학교에서 생체의공학 이학사 학위를 취득했다. 2014년부터 2018년까지 라이포트로닉(Lifotronic)에서 하드웨어 엔지니어로 근무했다. 2018년부터 2022년까지는 애로우(Arrow)에서 ADI 담당 DFAE로 근무하며 헬스케어 및 산업 시장을 담당했다.
<저작권자(c)스마트앤컴퍼니. 무단전재-재배포금지>
