전기화학 센싱 기술과 원격 의료 모니터링을 통한 환자 치료 품질 향상

오늘날의 첨단 기술 시대에서, 전기화학 센서의 보급과 중요성이 빠르게 증가하고 있습니다. 화학 물질의 정량화는 의료 및 환경 과학, 산업 재료, 식품 가공과 같은 다양한 분야에서 안전성, 효율성 및 인식을 향상시킬 수 있습니다. 이러한 감지 기능을 저전력 아날로그 프론트 엔드(AFE) 장치, 저전력 Bluetooth® 기술과 결합하고 원격 모니터링을 위한 IoT 기술과 통합하면, 이러한 솔루션의 효과를 더욱 증대시킬 수 있습니다. 본 기사에서는 전기화학 센서의 설계 원칙, 원격 의료 모니터링 애플리케이션의 개발 및 onsemi가 제공하는 관련 솔루션에 대해 소개합니다.

상호 연결된 전기화학 센서는 과학적 이해를 증진시키고 우리의 삶의 질을 향상시킬 수 있습니다. 당뇨병 환자의 혈당 수치를 모니터링하는 웨어러블 기기, 환경 오염 물질을 평가하는 가스 감지기, 식품 안전성을 개선하기 위한 히스타민 센서, 산업용 포텐쇼스탯 및 부식 센서와 같은 솔루션은 현대 세계에서 중요한 역할을 합니다.

전자 공학에서의 일반적인 전기화학 센서 설정은 삼전극 시스템을 포함합니다. 센서의 핵심은 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다: 전기화학 반응이 발생하며 전자 흐름과 전류가 생성되는 작업 전극(WE); 작업 전극에서의 산화환원 반응을 균형 있게 유지하여 정확한 감지를 가능하게 하는 보조 전극(CE); 작업 전극의 전위를 측정하고 보조 전극의 전압에 피드백을 제공하는 기준 전극(RE). 마지막으로, 작업 전극에서 생성된 전류는 전압으로 변환됩니다. 추가적인 디지털 처리와 무선 통신을 통해, 우리 주변 환경과 신체 상태에 대한 통찰을 제공하는 견고한 연결 솔루션을 구축할 수 있습니다.

전기화학 센서는 많은 원격 환자 모니터링 애플리케이션에서 필수적입니다. 예를 들어, 연속 포도당 모니터링(CGM)은 전 세계적으로 11명 중 1명에게 영향을 미치는 만성 질환인 당뇨병 관리의 핵심 구성 요소입니다. CGM 기기 시장은 2023년에서 2032년까지 연평균 성장률(CAGR) 9%로 성장할 것으로 예상됩니다.

환경 설정에서, 예를 들어 대기 오염과 품질을 측정하는 애플리케이션과 같은 경우, 전기화학 센서는 일산화탄소, 황화수소, 질소 및 황 산화물과 같은 가스를 감지할 수 있습니다. 식품 생산에서는, 휴대용 디바이스와 더 큰 자동화된 전기화학 검출 솔루션이 적절한 맛을 보장하고 알레르기 유발 물질이나 유해 화학 물질을 확인하는 데 사용됩니다.

AFE 장치를 전기화학 센서와 결합하면 정밀한 측정이 가능해져, 이는 의료 및 산업 공정에 필수적일 뿐만 아니라 과학 지식 발전에도 기여합니다. 예를 들어, 웨어러블 또는 휴대용 의료 기기는 혈당 수치를 원격으로 지속적으로 모니터링할 수 있어 연구자들에게 전례 없는 통찰력을 제공하고 혁신을 가속화하여 전 세계 인류에게 혜택을 줄 수 있습니다.

인구 고령화가 진행되면서 개인의 건강과 웰빙에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이는 의료 전문가들에게 질병을 진단하고, 모니터링하며 치료하는 데 있어 더 큰 압박을 가하고 있습니다. 현재까지 진단을 받거나 지속적인 모니터링을 진행하려면 의사 진료실, 클리닉, 병원과 같은 의료 시설을 방문해야 했습니다. 하지만 사람들의 바쁜 일상을 고려할 때, 이동에 필요한 시간과 노력이 항상 편리하지는 않으며, 특히 장기적인 모니터링이 필요한 경우 이는 큰 부담이 될 수 있습니다.

연결된 휴대용 모니터와 같은 현대 기술은 이 시나리오를 빠르게 변화시키고 있습니다. 이제 의료 시설을 방문하지 않고도 간단하고 비침습적인 모니터링을 수행할 수 있습니다. 실제로, 일부 고도로 휴대 가능한 기기는 환자가 정상적인 생활을 계속하면서 중요한 의료 정보를 기록할 수 있습니다. 이는 의료 기관의 부담을 줄일 뿐만 아니라 비용을 절감하고, 환자가 자신의 상태에 따라 병원을 실제로 방문해야 할 필요가 있는지를 판단할 수 있도록 함으로써 병원의 부담을 완화합니다.

많은 저개발 지역에서는 적절한 의료 시설이 없거나 기존 의료 기관이 과밀 상태일 수 있습니다. 이러한 지역에서는 원격 모니터링이 획기적인 진단 결과를 얻을 수 있는 유일한 실용적인 방법일 수 있습니다. 원격 모니터링은 환자가 병원이 아닌 자신의 집에서 편안하고 안전하게 의료 서비스를 받을 수 있도록 하여 병원에서 다른 사람들과의 접촉으로 인한 교차 감염의 위험을 줄여줍니다.

또한, 의료 서비스가 개선됨에 따라 세계 평균 수명은 계속해서 증가하고 있습니다. 암, 당뇨병, 만성 호흡기 질환과 같은 비전염성 질환의 발생률 증가와 결합되어(현재 전 세계 주요 사망 원인 중 10가지 중 7가지를 차지하고 있음), 원격 신체 모니터링에 대한 수요가 그 어느 때보다 빠르게 증가하고 있습니다.

onsemi는 최근 정밀한 전기화학 및 전류 측정을 위해 설계된 첨단 소형 아날로그 프론트엔드(AFE)인 CEM102의 출시를 발표했습니다. Bluetooth 5.2 인증 무선 마이크로컨트롤러인 RSL15와 결합할 때, RSL15는 업계 선도적인 저전력 및 보안 Bluetooth Low Energy (BLE) 기술을 제공합니다. 이 솔루션은 디자이너가 매우 정밀하고 저전력이며 소형 센서 애플리케이션을 개발할 수 있게 합니다.

개별 솔루션 설정과 비교할 때, onsemi의 CEM102 + RSL15 솔루션은 더 높은 정밀도, 더 낮은 노이즈, 그리고 더 적은 전력 소모를 제공합니다. 이는 자재 명세서(Bill of Materials, BoM)를 단순화하고 더 큰 구성 유연성을 제공하여 궁극적으로 개발 리소스를 확보할 수 있게 합니다. 특히, 이러한 유연성은 전기화학 기반 센서 측정뿐만 아니라 정밀한 저전류 측정이 필요한 다양한 유형의 센서에도 적합한 솔루션이 됩니다.

CEM102 + RSL15 플랫폼은 1.3 - 1.65 V 및 2.375 - 3.6V 두 가지 배터리 옵션을 지원합니다. 18비트 ADC의 연속 변환 모드에서 이 디바이스는 활성 측정 모드에서 단 3.5 µA를 소비하며, 3 mAh 배터리로 시장 선도적인 14일 작동을 가능하게 합니다. 1.884 x 1.848 mm의 컴팩트한 패키징과 1개에서 4개의 전극을 사용할 수 있는 기능을 통해 더 작고 효율적인 웨어러블 헬스케어 솔루션을 제작할 수 있어 사용자 경험을 향상시킵니다. 개발을 간소화하기 위해 CEM102 + RSL15 제품은 최첨단 하드웨어, 광범위한 개발 지원, 그리고 펌웨어, 소프트웨어 및 iOS/Android™ 데모 애플리케이션을 제공하여 여러 센서를 지속적으로 감지하는 솔루션을 지원합니다.

다양한 화학적 전류의 정확한 검출 및 측정은 과학적 진보에 새로운 길을 열어줍니다. 소형 폼 팩터와 업계 최고 수준의 저전력 소비는 모든 최종 애플리케이션의 소형화와 배터리 수명의 연장을 가능하게 합니다. CEM102 및 RSL15 플랫폼이 제공하는 솔루션은 엔지니어들이 혈당 조절을 향상시키고 당뇨병 관련 위험을 줄이며 우리의 삶에 원활하게 통합될 수 있는 헬스케어 기기와 같은 작고 견고하며 비용 효율적인 연결 제품을 개발할 수 있도록 돕습니다.

20년 이상 onsemi는 원격 의료 기기를 지원하고 작동시키는 기술 개발에 중요한 역할을 해왔습니다. 첨단 자사 패키징 기술과 FDA 준수 제조 기법을 통해, onsemi는 초소형 시스템-인-패키지(SiP) 솔루션 개발을 선도하고 있습니다. onsemi는 또한 청력 보조기기, 혈중 산소 농도를 측정하는 맥박 산소 측정기, 심전도(ECG), 혈당 측정기와 같은 다양한 일반 질병의 모니터링 및 치료를 위한 극저전력 솔루션 개발에도 풍부한 경험을 보유하고 있습니다. 다양한 질병 유형에도 불구하고 사용되는 기술은 매우 유사하며, 초저 신호 감지, 신호 처리, 제어, 그리고 안전한 연결성과 같은 주요 요구사항을 포함합니다.

이 장치들은 주로 Bluetooth® Low Energy와 같은 프로토콜을 사용하여 연결되며, 이를 통해 스마트폰을 통한 더 넓은 연결성을 제공합니다. BLE 프로토콜의 발전과 onsemi의 혁신적인 장치 도입으로, 웨어러블 기기 및 기타 소형 의료 기기들은 배터리 교체 없이 최대 10년 동안 작동할 수 있습니다.

onsemi에서 출시한 RSL15는 초저전력 및 보안성이 우수한 저전력 Bluetooth 5.2 무선 MCU로, Arm® Cortex®-M33 프로세서를 기반으로 하며 산업 및 의료 애플리케이션에서 스마트 연결 장치를 위해 설계되었습니다. RSL15는 내장형 전원 관리, 넓은 전원 전압 범위, 유연한 GPIO 및 클로킹 스킴, 광범위한 주변 장치를 제공하여 고성능 및 초저전력 애플리케이션을 위한 최대 설계 유연성을 제공합니다. RSL15는 80kB의 RAM을 포함하며, 플래시 메모리 옵션으로 284kB 또는 512kB를 제공합니다.

onsemi는 RSL15와 함께 포괄적이고 사용하기 쉬운 소프트웨어 개발 키트(SDK)도 도입했습니다. 이 키트에는 드라이버, 라이브러리, 샘플 코드, 개발 도구, 모바일 앱(iOS® 및 Android™용 RSL Central, iOS 및 Android용 RSL FOTA)이 포함되어 있습니다. 개발 환경은 onsemi IDE, Keil μVision®, IAR Embedded Workbench®를 포함합니다.

한편, onsemi에서 출시한 전기화학 센서 AFE인 CEM102는 연속 혈당 모니터링(CGM) 및 매우 낮은 전류 감지가 필요한 전류 측정을 사용하는 기타 애플리케이션을 위해 특별히 개발된 아날로그 프론트 엔드(AFE)입니다. 컴팩트한 설계와 낮은 전력 소비로 인해 많은 최종 애플리케이션을 더욱 소형화하고 배터리 수명을 연장할 수 있습니다. CEM102는 onsemi RSL15과 함께 사용하도록 설계되어 최적화된 시스템 전력 소비 및 전압 동작과 같은 여러 가지 추가적인 시스템 수준의 이점을 제공합니다. 여기에는 일반적으로 단일 1.5 V 산화은 배터리 또는 3 V 코인 셀 배터리를 사용하여 1.3~3.6 V의 넓은 전력 전압 범위 내에서 시스템을 작동하는 것이 포함됩니다.

또한, onsemi는 CEM102의 성능 및 기능을 평가하고, 이 장치를 위한 소프트웨어 애플리케이션을 개발, 시연 및 디버깅할 수 있도록 설계된 CEM102 평가 보드(CEM102-EVB)를 출시했습니다. CEM102 외에도 RSL15와 CEM102를 설정하고 측정을 수행하는 데 사용할 수 있는 예제 코드가 포함되어 있어 시스템 및 펌웨어 개발을 빠르게 시작할 수 있도록 도와줍니다.

CEM102-EVB는 유연한 자가 진단, 보정 및 생산 테스트(고객 PCB 포함)를 제공하는 완전한 2채널 전기 화학 측정 솔루션입니다. 전극 분극 전압의 자가 측정 및 보정 회로 편차를 지원하며, 내부 및 외부 피드백 회로가 포함된 TIA 증폭기와 측정 정확도, 선형성 및 동적 범위를 위한 설정을 특징으로 합니다. 저장 모드와 작동 모드 모두에서 저전력 소비를 가지며, 각 모드에서의 전력 소비를 측정할 수 있습니다.

전기화학 센서는 의료, 환경 모니터링 및 산업 안전 등 다양한 분야에서 활용되며, 이 기술의 범용성은 현재의 사용 영역을 훨씬 넘어 확장됩니다. 더욱이, onsemi에서 출시한 최첨단 플랫폼은 과학 연구를 진전시키고 새로운 응용 프로그램을 발견하는 데에도 중요한 역할을 합니다. onsemi의 CEM102 + RSL15 제품 포트폴리오 및 개발 플랫폼은 의료 제품 개발자들에게 제품 개발 과정을 가속화할 수 있는 이상적인 솔루션을 제공하며 관련 제품 개발을 위한 최적의 솔루션을 제공합니다.