스트레스의 모든 지표를 한방에···피부부착형 웨어러블 개발

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피실험자의 팔뚝에 장착된 스트레스 탐지용 웨어러블 장치. 스트레스를 받으면 나오는 호르몬인 코르티졸과 다른 지표들까지 감지해 모바일 기기에 실시간으로 전달해 준다. 사진=김성봉, 로즈베어 가파리, 존 A. 로저스

내가 받는 스트레스를 즉각 수치로 알 수 있고, 이를 보고 진정하고 스트레스를 조절하도록 도와주는 기기가 있다면?바로 그런 기능을 하는 웨어러블 기기가 개발됐다. 피부에 간단히 붙이는 것만으로도 스트레스 관련된 다양한 신체 지표를 측정, 실시간으로 스마트폰에 전달해 주는 이른바 다기능 마이크로 유체(microfluidic) 장치다. 특히 이 센서의 핵심은 거의 실시간으로 스트레스 호르몬으로 알려진 땀 속 코르티졸을 측정해 보여주는 기능이다. 건강한 사람의 코르티졸 수치는 매일 오르락내리락 한다. 매일 아침 잠에서 깨어나 하루 종일 활동해 피로해진 후 코르티졸의 수위는 최고조에 이른다.

인체의 코르티졸을 측정하는 정확하고 저렴한 장치 개발은 스트레스뿐만 아니라 불안, 외상 후 스트레스 장애, 우울증 등에 대한 손쉬운 모니터링도 가능케 한다. 이 모든 것들이 코르티졸 수치 변화와 관련이 있기 때문이다. 테크익스플로어는 27일(현지시각) 미국립과학원(NAS) 회보에 게재된 미국 국제 연구팀의 이 유용한 스트레스 감지용 웨어러블 장치의 구성과 특징을 소개했다.

 

◆ 인체가 스트레스 받으면 나오는 주요 지표 모두 측정

연구팀의 장치는 스트레스를 받을 때 나오는 호르몬인 코르티졸 면역 수치 분석, 포도당 및 아스코르빈산(비타민 C)에 대한 형광 검사 및 땀 손실, 땀 비율, 갈바닉 피부 반응에 대한 전기 인터페이스 등을 제공한다.

지금까지의 학계 연구결과는 장기간의 스트레스가 사람의 건강을 해칠 수 있다는 것을 보여준다. 스트레스는 당뇨병, 우울증, 비만, 그리고 많은 다른 많은 건강상의 문제로 이어질 수 있다. 각자의 스트레스 수준을 알고 조절하는 것은 굳이 이같은 학계 연구가 아니더라도 중요하다. 어떤 사람들은 스트레스에 대응하는 방법 중 하나는 스트레스를 줄이기 위해 조치를 취할 수 있도록 높은 수준의 스트레스를 받을 경우 경고 장치를 만드는 것이라고 제안한다.

지금까지는 이를 실현하기 위해 땀 샘플을 채취하는 피부 접착식 장치가 개발됐다. 인체의 땀 샘플들은 아주 적은 양의 코르티졸을 함유하고 있는데, 이 호르몬은 스트레스 수준을 나타내는 지표로 사용될 수 있다. 연구원들은 이번에 소개된 최신 논문에서 기존 웨어러블 센서를 개선해 훨씬 더 편안하고, 코르티졸 이외의 신체 스트레스 지표까지 측정할 수 있음을 증명했다.

 

◆ 유연하고 편안한 웨어러블이 필요해

피부에 붙이면 각종 신체 스트레스 지표를 통합 측정해 주는 미세 유체 장치 분해 도면. 사진=김성봉, 로즈베어 가파리, 존 A. 로저스.

연구팀은 사람들이 장치를 늘상 착용하도록 만들려면 이 기기가 유용하고 편안해야 한다는 점을 감안했다. 이들은 이같은 편안한 착용성을 갖추도록 피부에 부드럽게 밀착되는 부드러운 소재로 장치를 만들었다. 또한 유연한 망사인 미세 유체성 땀 채집 기구에 골격 디자인을 사용하였다. 연구팀은 여기에다 더 많은 기능들을 추가했다.

이 장치는 이전에 나온 피부 스트레스 측정 웨어러블과 비교할 때 코르티졸 측정 외에 포도당과 비타민 C 수치를 측정할 수 있게 됐다. 장치 아래에 피부의 땀 비율과 전기 전도도를 측정할 수 있는 전극도 추가됐다. 둘 다 스트레스에 반응해 변화한다. 또 기기 관련 앱으로 부근 스마트폰에 모든 데이터를 전송해 주는 무선 송신기까지 붙였다.

 

◆ 4명의 건강한 성인 자원자 대상으로 시험

연구원들은 4명의 건강한 성인 자원자들을 대상으로 이 기기를 시험했다. 이들은 각각 일정 기간 동안 이를 착용하도록 요청 받았다. 이들은 각기 스트레스 유도 차원에서 잠을 덜 잤고, 주기적으로 실내 자전거 위에서 땀을 흘렸다. 실험 참가 자원자들은 이 최신 장치가 얼마나 잘 작동하는지 비교해 보기 위해 코티솔 수치를 측정하는 표준 방법인 정기적 침 샘플 제공 요청도 받았다.

연구원들은 그들의 장치가 침 샘플 테스트만큼 정확하다는 것을 발견했는데, 이것이 비침습적(주사처럼 조직을 침범하지 않는) 스트레스 모니터링 장치로 사용될 수 있다는 것을 보여주었다. 이 장치가 하루빨리 상용화되길 기다려 봐야겠다. 이 장치 이전에 나온 최신 스트레스 측정용 기기들도 있는 만큼 상용화가 멀지 않을 것 같다. 비교 차원에서 이들도 함께 소개한다.

◆ 스탠포드대, 땀 속 코르티졸 측정하는 웨어러블 개발

스트레스를 받으면 나오는 호르몬인 코티졸의 분자 모델. 사진=위키미디아

지난 2018년 스탠퍼드대 연구진은 코티솔 호르몬의 양을 측정해 스트레스를 측정하는 웨어러블 장치를 개발했다.

코르티졸 호르몬은 하루 종일 자연적으로 오르내리며 스트레스에 반응해 급증할 수 있다.

그러나 이 때만 해도 코르티졸 수치를 측정하려면 실험실에서 결과를 며칠 기다려야 했다. 코르티졸 테스트의 결과를 알게 되면 특정 의료 상태에 대한 치료를 알려줄 수 있지만 그때 쯤이면 신체 스트레스 상태는 테스트 수행당시와 다를 수 있다.

당시 스탠포드 대 재료 과학자 알베르토 살레오가 이끄는 연구팀은 피부에 직접 붙이는 신축성 있는 패치를 만들어 땀을 모아 한 사람이 얼마나 많은 코르티졸을 만들어내고 있는지 측정했다.

이 논문 주 저자인 오누르 팔락 포스트닥은 “우리는 특히 땀 감지에 관심이 있다. 왜냐하면 땀 감지는 다양한 생리적 조건에 대해 다양한 바이오마커에 대한 비침습적이고 지속적인 모니터링을 제공하기 때문”이라며 “이는 다양한 질병의 조기 발견과 스포츠 경기력 평가를 위한 새로운 접근법을 제공한다”고 말했다.

이 논문은 이 해 7월 20일자 사이언스 어드밴스에 발표됐다.

 

◆ 칼테크, 그래핀을 사용한 미세한 코르티졸 감지 센서 개발

캘리포니아공대(칼테크)는 올해 초 최근 개발된 것과 유사한 스트레스 센서를 개발했다고 발표했다.

웨이 가오 칼테크 의학공학과 조교수 팀이 코르티졸 수치를 거의 실시간으로 정확하게 감지할 수 있는 무선 땀 센서를 제작했다. 가오와 그의 동료 연구원들은 지난 2월26일자 매터(Matter·물질) 잡지에 실린 새로운 논문에서 어떻게 이 대량 생산 가능한 장치를 설계하고 만들었는지와 그 작동 방식을 소개했다.

칼테크 연구팀이 개발한 스트레스 관련 호르몬인 코르티졸 탐지 센서. 사진=칼테크

가오가 개발한 센서는 그가 비슷한 시기에 개발한 또 다른 땀센서와 유사한 접근법을 이용한 것으로서, 심혈관 질환, 당뇨병, 신장질환 등 상태를 모니터링하는 데 유용한 혈류 요산 수치를 측정할 수 있는 센서다. 이전의 땀 센서와 가오팀의 새로운 땀 센서는 둘 다 종이와 같은 형태의 탄소 그래핀으로 만들어졌다.

이들은 레이저로 플라스틱 시트를 식각해 땀을 분석할 미세 구멍을 가진 3D 그래핀 구조를 만들어냈다. 이 구멍들은 많은 양의 표면적을 만들어 내면서 땀 속에서 아주 적은 양만 존재하는 화합물까지 감지할 수 있게 된다. 특히 코르티졸에 민감하게 반응한다.

가오는 이 센서가 코르티졸의 하루 변동량을 비침습적으로 감시할 수 있는 첫 번 째 센서라고 말했다. 그는“우울증 환자들은 건강한 사람들과는 다른 24시간 주기 코티졸 패턴을 갖고 있다”고 말했다. 그는 “일반적으로 혈액 검사는 최소 1~2시간이 걸리며 스트레스를 유발하는 혈액을 뽑아야 한다. 스트레스 모니터링을 위해서는 시간이 매우 중요하다”고 말했다.

칼테크의 그래핀으로 만든 센서는 아래 동영상을 통해 볼 수 있다.

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