채혈 없이 혈당 재는 법 : 논문을 해석해 정리해 봅니다. 당뇨 의료기기 희망

서강대 이기진 교수님 연구실에서 얼마 전 IEEE Access에 재미있는 논문을 내셨습니다.

우리 당뇨인에게는 매번 채혈 하여 혈당을 재는 일은 참 번거롭고 고통스러운 일인데요.

그 고통은 심지어 적응 되는 것도 아닙니다. 

필자도 많이 잴 때는 하루에 11번 재는데 더 많이 재시는 분도 계십니다.

아침 공복 한번, 식전, 식후 1시간, 식후 2시간째, 그렇게 삼시세끼 하고 자기 전 한번 하면 11번이 됩니다.

이미 연속혈당지라는 것이 있어서 한번 팔에 센서를 붙이면 2주 동안 계속 잴 수 있는 것이 있긴 하지만

그마저도 가격이 비싸고 늘 몸에 붙이고 있는 것이라 걸리적 거리는 일도 많아서 더 편하고 고통스럽지 않을 것을 찾게 됩니다. 그런데 2~3달 전쯤에 새로운 논문이 나왔는데요. 간단히 정리해 보겠습니다. 

• 이 연구는 비침습적 마이크로파 이미징 기법을 사용하여 생체 내에서 쥐의 혈당 수치를 모니터링하는 새로운 방법을 소개합니다.
• 이 방법은 쥐의 꼬리를 통해 직접 혈당을 측정하며, 7GHz 마이크로파 파장을 활용하여 비침습적으로 혈당 변화를 감지할 수 있습니다.
• 연구 결과, 측정 기법은 높은 정확성을 보이며, 임상적으로 유망한 방법으로 당뇨병 검사와 건강 관리에 긍정적인 영향을 미칠 수 있습니다.
• 이 기법은 비침습적 혈당 센서 기술에 있어 중요한 발전을 이루며, 미래 의학 연구에서 다양한 응용 가능성을 제공합니다.

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1. 비침습적 마이크로파 이미징 기법을 통한 쥐 혈당 모니터링

• 이 연구에서는 비침습적 마이크로파 이미징 기법을 통해 쥐의 꼬리에서 직접 혈당 수치를 측정할 수 있는 새로운 방법론을 소개합니다.
• 7 GHz의 마이크로파 방사선을 노출시키면 쥐의 혈당 변화 추세를 비침습적으로 감지할 수 있으며, 측정된 평균 강도값은 혈당 수준과 비례함을 보여줍니다.
• Clarke error grid (CEG) 분석 방법을 통해 100%의 측정 지점이 CEG의 A + B 존에 포함되어 임상적 정확성을 입증하였습니다.
• 이 방법은 170-500 mg/dL 범위의 혈당 농도를 적절히 감지할 수 있으며, 평균 절대 상대 오차(MARD)는 7.05%, 제곱근 평균 오차(RMSE)는 24.85 mg/dL입니다.
• 향후 연구 계획으로 정확성 향상 및 검증을 강조하여 당뇨병 검사와 건강 관리에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 예상됩니다.

2. 비침습적 혈당 측정 방법의 필요성과 기존 기술

• 당뇨병은 전 세계적으로 약 5억 4천만 건의 환자가 있으며, 이 숫자는 지속적으로 증가하고 있습니다.
• 전통적인 침습적 혈당 측정 방법은 정확성과 저비용으로 장점을 가지고 있지만, 비침습적 혈당 측정 방법의 개발이 필요합니다.
• 비침습적 혈당 측정 방법은 전기화학적 및 전자기적 기술을 활용하여 혈당 수치를 모니터링할 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
• 최근 마이크로파 기술을 기반으로 한 비침습적 방법이 전통적인 혈액 샘플링 방법에 대한 유망한 대안으로 떠오르고 있으며, 이들은 특히 조직에 대한 비파괴적 진단 기능을 제공합니다.
• 다양한 비침습적 기술이 제안되고 있으며, 특히 마이크로파 이미징 기술은 악성 세포 모니터링을 위한 유망한 접근 방식으로 연구되고 있습니다.

3. TEOIM 시스템을 통한 비침습적 혈당 측정의 가능성

• TEOIM 시스템은 마이크로파 근접장(MWNF) 분포를 시각화하여 생물 샘플의 혈당 농도를 측정하는 혁신적인 방법입니다.
• 연구에서는 메안더 체인 메타표면(MCM)을 사용하여 쥐의 꼬리 주변의 전기 분포를 시각적으로 표현하고, 이를 통해 혈당 수준을 평가하였습니다.
• TEOIM은 고해상도 이미징 능력을 제공하며, 생물학적 조직의 상세 분석을 위한 강력한 도구로 발전할 가능성이 있습니다.
• 또한, 이 비침습적 기법은 기존의 침습적 방법들이 가진 위험과 불편함을 감소시키고, 임상 환경에서의 적용 가능성을 넓힙니다.
• TEOIM은 암 탐지, 신경학적 연구 등 다양한 생의학 연구 영역에서도 활용 가능하며, 이는 연구와 의료 진단에 있어 중요한 발전을 의미합니다.

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4. 마우스 혈당 모니터링을 위한 비침습적 마이크로파 이미징 방법

• 건강한 ICR 쥐를 사용하여 온도 조절된 환경에서 혈당 수치를 측정하며, 14∼16시간의 금식 후 실험을 진행하였습니다.
• 쥐의 꼬리는 특수한 플라스틱 케이지에 고정되며, 움직임이 없는 상태에서 0.2-0.5 ml, 2-6% 농도의 포도당 용액을 주입하고 15-20분 간격으로 혈액 샘플을 수집하여 혈당을 측정하였습니다.
• TEOIM 시스템은 마이크로파의 전기 및 자기장 근처 필드 분포를 시각화할 수 있는 하이브리드 기술로, 에너지 손실 메커니즘은 물질의 특성에 따라 다르며, MCM 구조의 고유한 설계가 뛰어난 전기장 감지를 가능하게 함을 강조합니다.
• TEOIM 시스템을 통해 얻은 MWNF 강도는 혈당 수치와 직접적으로 비례하며, 측정값과 확률 상관계수는 0.96, 0.93, 0.93로 높은 정확성을 나타냈습니다.
• MCM OI는 ITO OI보다 혈당 변화 감지에서 더 큰 민감도를 보였으며, TEOIM 시스템은 제안된 방식을 통해 인체에 대한 응용 가능성을 제시합니다.

4.1. 실험 재료와 방법

• 연구에 사용된 ICR 쥐는 6∼7주령의 건강한 수컷으로, Dae-Han Biolink에서 구매되어 22도에서 55% 습도의 온도 조절된 방에서 사육되었습니다.
• 실험 전 쥐는 혈당 레벨을 기준 조건으로 낮추기 위해 14∼16시간의 금식 상태에 놓였습니다.
• 실험을 위해 쥐의 꼬리를 세라믹 판에 부착하여 고정하였으며, 이로 인해 다른 부위의 움직임이 측정에 영향을 미치지 않았습니다.
• 실험은 복강 내 주사를 통해 주입된 포도당 용액으로 시작되며, 주입 후 15-20분마다 꼬리 측면 정맥에서 혈액 샘플을 수집하였습니다.
• 모든 동물 관련 절차는 생물학 전문자에 의해 수행되었으며, Sogang University의 관련 승인 및 가이드라인을 준수하였습니다.

4.2. TEOIM 기술의 작동 원리 및 측정 과정

• TEOIM은 전기 및 자기 마이크로파 근처장 분포와 편광된 빛 현미경 방법을 기반으로 한 하이브리드 기술로, 이를 통해 실험 장비의 동작 원리를 이해할 수 있습니다.
• TEOIM 시스템은 LED를 통한 원형 편광 상태의 프로빙 빛을 사용하며, 이 빛이 기억매체에서 반사되어 CCD 카메라로 광 강도를 등록합니다.
• 마이크로파 신호는 신호 발생기를 통해 생성되고 직사각형 마이크로웨이브 안내관을 통해 전송되며, 이 시스템 내에서 마우스 꼬리와의 거리 및 위치가 고려됩니다.
• CCD 카메라는 마우스 꼬리 주변의 전기장의 분포를 시각화하기 위해 총 100 프레임의 데이터를 평균하여 최종 영상을 생성하며, 환경 노이즈를 제거하는 과정이 포함됩니다.
• OI의 열 분포와 마이크로파에 의한 전기장 분포 시각화는 각각 다르게 작용하며, 이를 통해 OI 물질의 특성이 실험 결과에 미치는 영향을 평가할 수 있습니다.

4.3. 비침습적 마이크로파 이미징 기법을 통한 실험 결과 분석

• 실험은 ITO와 MCM 지표에서 6-8 GHz 주파수 범위의 마이크로파 반응을 감지하기 위해 수행되었으며, 두 지표의 평균 강도가 비교되었습니다.
• MCM 구조의 형상은 전기장 지표로 설계되어, 높은 유전 손실을 나타내어 마이크로파 전계와 메타서피스 간의 결합이 개선되었습니다.
• 실험 결과에 따르면, 7 GHz에서 ITO 및 MCM OI를 사용한 MWNF 분포가 관찰되었으며, ITO OI는 자기 MWNF 분포를, MCM OI는 전기 MWNF 분포를 보여주었습니다.
• 혈당 수치 변화를 관찰하기 위해 건강한 쥐에 대해 글루코스 용액을 주사하고, TEOIM 시스템을 통해 MWNF 분포를 측정한 결과, MWNF 강도는 혈당 수치에 직접적으로 비례함을 확인하였습니다.
• MCM OI는 ITO OI에 비해 혈당 수치 변화에 대한 민감도가 높았으며, 신호 대 잡음 비(SNR)는 MCM OI에서 19.5 dB로 더 높았습니다.

4.4. 비침습적 혈당 측정 기술의 미래 개선 방향

• 미래의 혈당 측정 접근법은 의료 및 과학적 목적에 대한 실용적인 응용 가능성을 지닙니다.
• TEOIM 시스템의 장점은 마이크로파와의 상호작용 메커니즘을 설명하는 시각적 정보를 제공하는 것입니다.
• 그러나 이 시스템은 기존 방법들보다 측정 시간이 길다는 단점이 있으며, 이는 시스템 부품 개선을 통해 단축할 수 있습니다.
• 기계 학습을 활용하면 혈당 수준의 정확한 예측과 측정이 가능하며, 이는 나중에 지속적인 모니터링과 전문 지식 협력을 통해 유효성을 검증할 수 있습니다.
• 이 연구는 비침습적 혈당 측정 방법의 기초 개념으로, 향후 더 많은 민감한 지표를 통합한 실험을 통해 진단 유효성을 높일 예정입니다.

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5. 비침습적 마이크로파 이미징 기법을 통한 혈당 모니터링

• 새로운 마이크로파 이미징 방법이 생체 내 혈당 수치를 모니터링하는 데 시연되었으며, TEOIM 기술을 기반으로 합니다.
• 연구에서는 ITO 및 MCM 기반의 OI(Optical Indicator)를 통해 쥐의 꼬리 주변에서 전기적 MWNF 분포를 시각화하여 혈당 수치를 평가할 수 있음을 보여주었습니다.
• 다양한 쥐를 대상으로 한 실험 결과는 TEOIM 시스템이 시간 의존적인 혈당 농도의 변화를 정확하게 감지할 수 있음을 입증하였습니다.
• TEOIM 시스템은 상용 장치와의 비교를 통해 센서의 정확성을 검증하고 성능을 분석하였습니다.
• 이 혁신적인 접근 방식은 비침습적 검사 방법의 발전을 선도할 가능성을 지니며, 향후 다양한 건강 관련 지표를 모니터링하는 유용한 의료 기기를 개발하는 데 기여할 수 있습니다.

5.1. 새로운 비침습적 혈당 측정 기술

• 이 연구에서는 TEOIM 기법을 이용하여 생체 내에서 혈당 수치를 확인할 수 있는 새로운 마이크로파 이미징 방법이 제안되었습니다.
• ITO와 MCM 기반의 OI가 쥐의 꼬리를 따라 마이크로파 필드 분포를 시각화하는 데 사용되었습니다.
• 설계된 메타서피스 기반 지표는 쥐의 꼬리 근처에서 전기 MWNF 분포를 시각화하여 혈당 수치를 평가하는 데 활용될 수 있습니다.
• 이 방법은 기존의 혈당 측정 기술에 비해 비침습적 방법으로서의 가능성을 보여줍니다.

5.2. TEOIM 시스템의 성능 검증

• 실험 결과는 서로 다른 쥐들에 대한 데이터로 제공되었습니다.
• TEOIM 시스템은 혈당 농도의 시간에 따른 변화를 정확하게 모니터링하고 구별할 수 있는 능력을 입증하였습니다.
• 마지막으로, TEOIM 시스템은 상용 장치들과 비교되어 센서의 정확성을 검증하고 성능을 분석하였습니다.

5.3. 비침습적 혈당 모니터링의 혁신적 접근법

• 이 혁신적인 방법은 비침습적 테스트 방식의 경쟁 개발을 선도할 가능성이 있습니다.
• 그리고 미래에는 다양한 건강 관련 파라미터를 모니터링하는 귀중한 의료 기기의 개발에 기여할 수 있습니다.
• 따라서 이 기술은 의료기기 개발에 중요한 기여를 할 수 있을 것으로 추정됩니다.

- 이 글은 'Mice Glucose Level Monitoring by a Non-Invasive Microwave Imaging Technique' 논문의 내용과 그림을 근거로 작성하였습니다.