사진. 한국기계연구원

 

한국기계연구원(KIMM)이 커프(혈압 측정 밴드) 없이 초음파를 활용해 혈관 직경 변화를 실시간 감지해 연속으로 비침습 혈압 측정이 가능한 센서 기술이 개발됐다. 한국기계연구원이 개발한 이 기술은 의료·돌봄 로봇과 휴머노이드 로봇 및 스마트 의료 모니터링 플랫폼의 핵심 기술로 활용될 전망이다.

 

혈관 직경의 변화 측정 가능
한국기계연구원(이하 기계연) AI로봇연구소 바이오기계연구실 허신 책임연구원이 터랍 UST-KIMM스쿨 박사과정 학생연구원 연구팀과 한국과학기술연구원(이하 KIST) 바이오닉스연구센터 이병철 박사팀과 함께 저온 솔더 공정을 적용한 PMN-PT 단결정 압전 복합소자 기반의 피부 부착형 비침습 혈압센서를 개발했다. 

연구팀은 저온 공정이 가능한 듀얼 사이드 SnBi(주석-비스무트) 솔더 접합 기술을 적용해 고성능 압전소자를 분극 손실 없이 유연 기판 위에 안정적으로 집적하는 데 성공했다. 5×4 배열 구조의 초음파 트랜스듀서 어레이를 설계·제작했으며, 이 센서의 초음파 빔은 피부를 투과해 혈관 벽면에서 반사되는 신호를 감지해서 혈관 직경의 변화를 측정할 수 있다. 이 원리를 이용해 심장의 수축기·이완기 혈압에 따라 변하는 혈관 직경을 실시간으로 측정하고, 이를 혈압값으로 계산한다. 

또한 유연한 폴리이미드 기판과 파릴렌C 봉지층을 적용해 인체 피부에도 안정적으로 부착 가능하며 전체 두께 0.5㎜ 이하, 무게 1g 미만으로 장시간 착용도 가능하다.

 

우수한 전기적 접합 신뢰성 확보
한국기계연구원이 개발한 이 기술은 PMN-PT 단결정 1-3 복합 압전소자가 생성한 초음파를 혈관에 송신하고 반사된 에코 신호를 분석해 혈관 직경을 측정하고 혈압을 계산하는 원리로 작동한다.

 
연구팀은 센서 소자의 설계를 위해 COMSOL 멀티피직스 기반 다중물리 시뮬레이션을 수행해 초음파 빔의 투과 및 반사 성능을 최적화했다. 또한 듀얼 사이드 저온 솔더링 기법을 도입해 150°C 이하에서 전극 접합을 구현함으로써 기존 납계 압전소자에서 발생하던 열 분극 손실 문제를 해결했다. 이를 통해 고온 공정이 필요하지 않으면서도 높은 신호 대 잡음비(SNR)와 우수한 전기적 접합 신뢰성을 확보했다.

이어 연구팀은 개발된 센서를 활용해 인공피부 기반 혈관 모사체 실험을 수행해 성능을 검증했다. 센서가 측정한 수축기·이완기 혈압은 상용 기준 센서 대비 각각 ±4㎜Hg, ±2.3 ㎜Hg 이내의 오차를 보여 임상 허용기준(AAMI ±5 ㎜Hg)을 만족했다. 비침습 초음파 혈압센서 중 높은 수준의 정확도를 가지고 있다. 

기계연 허신 책임연구원은 “이번 기술은 인체 부착형 초음파 센서를 통해 커프 없이도 연속 혈압 측정이 가능함을 세계 최초로 입증했다”라며, “향후 AI 기반 혈압 분석 기술과 결합해 개인 맞춤형 심혈관 질환 예측뿐만 아니라 의료·돌봄 로봇과 휴머노이드 로봇 플랫폼의 핵심 기술로 발전시킬 것”이라고 말했다.