비침습적 혈당 측정
비침습적 혈당 측정 – Cheersonic
비침습적 혈당 모니터링을 위한 8가지 기술적 방법
혈액 속의 포도당을 혈당(Glu)이라고 합니다. 포도당은 인체의 중요한 구성 요소이자 중요한 에너지원입니다. 혈당의 생성 경로와 생성 과정이 거의 동일하기 때문에 정상인의 혈당 생성과 이용은 동적 평형 상태를 유지합니다.
혈당의 원인은 다음과 같습니다.
- 음식물의 소화 및 흡수;
- 간에 저장된 글리코겐의 분해;
- 지방과 단백질의 전환.
혈당의 변화 경로는 다음과 같습니다.
- 산화 과정을 통해 에너지가 생성됩니다.
- 글리코겐으로 전환되어 간, 신장 및 근육에 저장됩니다.
- 지방, 단백질 및 기타 영양소로 분해하여 저장합니다.
췌장 섬은 체내 혈당 농도를 조절하는 주요 기관이며, 간은 글리코겐을 저장합니다. 혈당 농도는 신경과 내분비 호르몬에 의해서도 조절됩니다.
당뇨병은 혈당 수치가 높은 것을 특징으로 하는 대사 질환군입니다. 고혈당은 인슐린 분비 장애 또는 생물학적 작용 장애, 혹은 이 두 가지 모두로 인해 발생합니다. 국제당뇨병연맹(IDF)의 세계 당뇨병 지도(9판)에 따르면 전 세계 당뇨병 환자 수는 연평균 51%의 증가율을 보이며 꾸준히 늘어나고 있습니다. 현재 전 세계 당뇨병 환자는 약 4억 6,300만 명입니다. 이러한 증가 추세대로라면 2045년에는 전 세계 당뇨병 환자 수가 7억 명에 이를 것으로 예상됩니다. 특히 아프리카 지역의 환자 수는 143% 증가하여 가장 빠른 증가세를 보였고, 동남아시아 지역은 74% 증가했습니다. 당뇨병 환자 수가 가장 많은 나라는 중국으로 약 1억 1,640만 명에 달하며, 인도(약 7,700만 명)가 2위, 미국(약 3,100만 명)이 3위를 차지하고 있습니다. 또한 중국은 노인 당뇨병 환자 수도 가장 많은 국가입니다. 현재 중국의 65세 이상 당뇨병 환자 수는 3,550만 명에 달하며, 2030년에는 5,430만 명, 2045년에는 7,810만 명으로 증가할 것으로 예상됩니다. 장기간 높은 혈당 수치는 눈, 신장, 심장, 혈관, 신경 등 다양한 조직에 만성적인 손상과 기능 장애를 초래합니다.
당뇨병의 주요 원인은 유전적 요인과 환경적 요인으로 나눌 수 있습니다.
1. 유전적 요인: 제1형 당뇨병과 제2형 당뇨병 모두 뚜렷한 유전적 이질성을 보입니다. 당뇨병은 가족력이 있으며, 환자의 4분의 1에서 절반 정도가 가족력이 있습니다. 임상적으로 당뇨병을 동반할 수 있는 유전 증후군은 최소 60가지가 넘습니다. 제1형 당뇨병의 발병 기전에는 여러 DNA 부위가 관여하는데, 그중 HLA 항원 유전자의 DQ 부위 다형성이 가장 밀접하게 관련되어 있습니다. 제2형 당뇨병에서는 인슐린 유전자, 인슐린 수용체 유전자, 글루코키나제 유전자, 미토콘드리아 유전자 등 다양한 특정 유전자 돌연변이가 발견되었습니다.
2. 환경적 요인: 과식과 신체 활동 부족으로 인한 비만은 제2형 당뇨병의 가장 중요한 환경적 요인이며, 이는 제2형 당뇨병에 대한 유전적 소인을 가진 사람들을 발병 위험에 더 취약하게 만듭니다. 제1형 당뇨병 환자는 면역 체계에 이상이 있습니다. 콕사키 바이러스, 풍진 바이러스, 볼거리 바이러스 등의 일부 바이러스는 자가면역 반응을 일으켜 인슐린 수용체인 β 세포를 파괴합니다.
모세혈관의 혈당 함량과 정맥혈의 혈당 함량이 같지 않기 때문에 가정용 혈당 측정기는 오차를 줄이기 위해 자체 보정 방식을 채택하고 있습니다.
연속혈당측정 (CGM)은 피하에 포도당 검출기를 이식하여 채취한 간질액의 포도당 농도를 측정하는 방법입니다. 단 3일 만에 800개 이상의 혈당 수치를 기록하여 혈당 프로필을 생성할 수 있으며, 손가락 채혈이나 HbA1c 검사로는 감지하기 어려운 고혈당과 저혈당, 그리고 혈당 변화를 파악할 수 있습니다.
하지만 시장 점유율을 제한하는 두 가지 요인이 여전히 존재합니다. 첫째, 임플란트가 체내에서 알레르기 반응을 일으킬 수 있습니다. 생체 적합성 임플란트라 하더라도 표면에 단시간 내에 단백질층이 형성되어 측정 결과의 불안정성을 초래하고, 환자는 정기적으로 임플란트를 교체해야 하므로 경제적 부담이 발생합니다. 둘째, 사지 운동 중 임플란트가 원래 위치에서 벗어나 측정 결과의 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다.
비침습적 혈당 측정 기술의 개발 현황
비침습적 혈당 검사는 혈액과의 직접적인 화학 반응을 통해 혈당을 측정할 수 없기 때문에 간접적인 방법을 통해 계산됩니다.
비침습적 혈당 검사를 실현하는 데 있어 주요 어려움은 다음과 같습니다.
1. 혈당은 가시광선 영역에서 색이 없어 구별하기 어렵습니다.
2. 체내 혈당 분포는 혈관에만 집중되어 있지 않고 각 조직의 포도당 함량이 다릅니다. 또한 혈당 농도는 신체 상태에 따라 변동합니다.
3. 혈중 포도당 농도가 매우 낮을 수 있으며, 정상치의 절반 수준까지 감소할 수도 있습니다.
4. 혈당의 화학 구조는 체내 다른 여러 화합물과 유사합니다. 알부민과 같은 특정 화합물은 혈중 혈당에 결합하여 측정값을 왜곡할 수 있습니다.
기술적 경로 1: 근적외선 분광법 기술
기술적 어려움:
1. 센서가 수신하는 혈당 관련 스펙트럼 신호의 강도가 약하다.
2. 조직 내에는 포도당과 유사한 근적외선 스펙트럼을 생성하는 여러 간섭 요인이 존재하며, 보정을 위해 많은 변수 매개변수를 추가해야 한다.
3. 인체 내 모세혈관, 간질 공간 및 정맥의 포도당 농도는 불균일하게 분포되어 있다.
기술적 경로 2: 라만 분광법
기술적 원리: 조직에 가시광선과 근적외선을 조사하여 입사광과 다른 주파수의 산란 스펙트럼을 얻고, 이를 분석하여 분자의 진동 및 회전에 대한 정보를 얻습니다. 현재 MIT 연구팀은 실험을 통해 이 스펙트럼이 혈당과 높은 상관관계를 보인다는 것을 밝혀냈습니다.
기술적 경로 3: 경피적 투석 기술
기술 원리: 피부에 약한 전류를 가하여 피부 아래의 포도당을 추출해 검출합니다. 혈당 측정기의 뒷면은 젤 패드를 통해 피부에 닿습니다. 젤에는 두 개의 전극이 있습니다. 사용 시 회로가 켜지면 피부를 통해 미세 전류가 발생합니다. 전류의 작용으로 피부의 대전 이온은 각각 양극과 음극으로 이동하고, 조직액 속의 포도당 분자는 대전 이온에 둘러싸여 함께 이동하여 젤 속으로 들어갑니다. 시계형 혈당 측정기는 젤 속의 효소(포도당 산화효소)와 포도당 분자의 반응 정도를 측정하여 현재 혈당 수치를 계산하고, 측정 결과를 시계 화면에 표시합니다. 기술적 과제:
1. 혈당에서 추출되는 전류의 강도는 피부에 손상을 일으킬 만큼 충분히 강하다.
2. 장비 감지의 정확도가 높지 않습니다.
3. 피부에서 혈당을 추출하는 것은 매우 어렵습니다. 인체는 신진대사에 중요한 역할을 하는 포도당과 같은 에너지 물질의 피부 투과를 억제하기 때문입니다. 따라서 포도당을 직접 추출하면 체내에서 연쇄 반응이 일어나 측정된 혈당 수치가 정확하지 않게 됩니다.
기술적 경로 4: 대사열 통합 방법
보방팡저우(Bobang Fangzhou)는 중국 국가약품감독관리국(NMPA)의 승인 및 등재를 받은 유일한 비침습 혈당 측정기입니다. 인체 대사와 관련된 생리적 매개변수 및 기본적인 생리 정보를 측정하여 혈당을 계산하는 원리를 이용합니다. 측정 가능한 매개변수에는 주변 온도, 주변 습도, 인체 표면 온도, 인체 표면 습도, 혈류량, 혈중 산소 포화도가 포함됩니다. 대사열 통합의 기본 원리를 바탕으로 다중 센서 통합 기술을 사용하여 비침습적이고 신속한 혈당 측정(1분 이내)을 구현합니다. 임상 시험 결과, 정맥혈 검사 결과와의 일치율은 94.5%(파크스 합의 오차표 A 및 B 기준)이며, 손가락 끝 혈액 검사 결과와의 일치율은 94.4%에 달합니다.
기술 경로 5: 근적외선 분광 기술 + 대사열 통합 방법
기술 경로 6: 근적외선 분광 기술 + 경피 투석 기술
기술 경로 7: 기타 분광 기술
1. 테라헤르츠 분광법 (Terahertz Spectroscopy)
파장이 중적외선보다 약간 높으며, 이 파장의 빛은 고함량 물질에 대한 스펙트럼 특이성이 더 우수합니다.
2. 산란광 스펙트럼 :
조직 내 빛의 산란 특성을 이용한 혈당 측정
사례: 오르센스는 손가락 끝의 혈액 순환을 일시적으로 차단하고 관찰 기간 동안 산란 분광법으로 혈당을 측정하는 방식을 시도했다. 그러나 2014년경 오르센스의 주요 연구 개발 책임자가 연구 개발 방향을 바꾼 것으로 보인다.
여덟 번째 기술적 방법: 기타 대사산물
, 날숨 소리: 날숨 속 아세톤 함량을 통해 혈당을 측정합니다. 이 기술은 소변 혈당 측정과 마찬가지로 저혈당을 감지할 수 없다는 문제가 있습니다.
비침습적 혈당 측정 의료기기 개발에는 여전히 몇 가지 기술적 병목 현상과 적용 시나리오의 한계가 있지만, 탁월한 편의성과 경제성을 고려할 때 향후 성장 가능성은 충분히 기대할 만하다.
비침습적 혈당 측정 전극 코팅용 초음파 분무기
비침습적 혈당 측정은 땀과 체액에서 포도당 신호를 수집하는 방식입니다. 전극 감응 코팅은 센서 검출의 정확성과 안정성을 결정하는 핵심 구성 요소입니다. 초음파 분무기는 유연한 비침습적 혈당 전극 코팅을 정밀하게 제조할 수 있는 솔루션을 제공합니다.
이 장비는 고주파 초음파 진동을 이용하여 효소 용액과 전도성 나노 슬러리를 균일한 미세 입자로 분무합니다. 저압 운반 가스를 사용하여 방향성 증착을 구현하며, 고압 공기 흐름의 충격이나 낮은 전단력이 발생하지 않아 포도당 산화효소와 같은 생리활성 물질을 최대한 보호하고 효소 단백질의 변성 및 비활성화를 방지하여 감지 및 인식 기능을 보장합니다. 분무 두께는 나노미터에서 마이크로미터 범위에서 정밀하게 제어할 수 있으며, 높은 코팅 균일성을 제공합니다. 이는 기존의 분사 및 공기압 분무 방식에서 발생하는 두께 편차 및 국부적인 응집 결함을 효과적으로 제거하여 전극의 각 감지 부위에서 일관된 반응 조건을 보장하고, 배치 간 검출 오류를 줄이며, 신호 응답 안정성과 검출 감도를 향상시킵니다.
비접촉식 표적 분사 방식은 코팅 증착 영역을 정밀하게 정의할 수 있어 유연한 박막 및 마이크로 어레이 전극에 적합하며, 전극 전도성 접촉부를 오염시키지 않습니다. 재료 활용률이 90% 이상에 달하여 고가의 효소 제제 및 귀금속 나노 소재 사용량을 크게 절감하고 생산 비용을 낮춥니다. 항온 항습 환경 제어 시스템과 결합하여 생체 코팅 경화 공정에 적합하며, 치밀한 박막 형성 및 적절한 기공 구조를 생성하여 체액 내 포도당 분자의 확산 및 투과에 유리합니다.
이 공정은 코팅 균일성 불량 및 비침습 혈당 센서의 효소 활성 저하와 같은 업계의 문제점을 해결하고, 실험실 연구 개발부터 대량 생산에 이르기까지 다양한 요구를 충족하여 웨어러블 비침습 혈당 모니터링 장치의 산업화를 지원합니다.
치어소닉 소개
치어소닉 은 마이크로일렉트로닉스/전자, 대체 에너지, 의료 및 산업 시장을 비롯하여 건설 및 자동차 분야의 특수 유리 응용 분야에 이르기까지 부품 및 구성 요소의 표면을 보호, 강화 또는 매끄럽게 하기 위해 정밀한 박막 코팅을 적용하는 초음파 코팅 시스템의 선도적인 개발 및 제조업체입니다.
당사의 코팅 솔루션은 환경 친화적이고 효율적이며 신뢰성이 매우 높습니다. 이를 통해 과도한 분사를 획기적으로 줄이고 원자재, 물 및 에너지 사용량을 절감할 뿐만 아니라 공정 반복성, 전송 효율, 높은 균일성 및 배출량 감소를 실현할 수 있습니다.
