- 본 기술은 “초음파 무선충전기반 삽입형 생체신호 감지 및 자극 디바이스”에 관한 것으로 산업부 “인체삽입 의료기기용 초음파 무선전력전송 기반 지속가능 전원모듈개발(수행기간: 2013.11.01.~2018.10.31., 주관: ETRI)”사업과 “고내구성 바이오 compatible 무선충전 슈퍼전지 개발(수행기간: 2011.09.15.~2014.06.30., 주관: ETRI)”사업에서 개발된 기술로 세부적으로는 (1)초음파 무선충전 기술, (2)블루투스 ESB 무선통신기술, (3)무선충전 전지충전상태 모니터링 및 보호회로 기술, (4)생체신호 처리회로 기술, (5) 생체적합 패키징 기술 및 (6) 신경 자극용 신호처리 회로 기술로 이루어 짐
- 인구 고령화, 질병, 그리고 교통사고와 같은 불의의 사고로 인해 손상된 신체기능을 복구하거나 돕기 위한 삽입용 의료 기기의 사용 영역이 확대되고 있으며, 뇌심부 자극기, 심장제세동기, BCI(Brain Computer Interface) 등으로 대표되는 임플란터블 의료기기는 인구 고령화, 복지 수준의 향상으로 지속적인 시장규모 및 성장률 제고가 기대됨 (116조원 시장규모, 7.1% 성장률 @ 2022)
- ETRI 가 보유한 초음파 무선충전기반 삽입형 생체신호 감지 및 자극 디바이스 기술은 현재 시장에서 요구되는 기술을 만족할 수 있는 시기적절한 기술로 이 기술을 활용하여 삽입형 의료기기 시장에서의 사업화를 계획하고 있는 기업에게는 사업화 기간을 단축해주고, Time to Market을 위한 경쟁력을 확보하게 도와주는 효과를 가짐
인구 고령화, 질병, 그리고 교통사고와 같은 불의의 사고로 인해 손상된 신체기능을 복구하거나 돕기 위한 삽입용 의료 기기의 사용 영역이 확대되고 있으며, 뇌심부 자극기, 심장제세동기, BCI(Brain Computer Interface) 등으로 대표되는 임플란터블 의료기기는 인구 고령화, 복지 수준의 향상으로 지속적인 시장규모 및 성장률 제고가 기대됨 (116조원 시장규모, 7.1% 성장률 @ 2022)
- 인체 삽입용 기기는 요구기능이 고급화되고 다양해질수록 전원사용시간이 줄어들므로 전원교체를 위한 재수술의 주기가 짧아져 환자들의 추가적인 비용부담과 신체적 그리고 심리적 부담이 발생함. 이을 덜어 줄 지속가능 전원모듈의 개발은 인체 삽입용 의료기기의 더 다양한 기능 구현을 가능케 하는 필수적인 요소 기술임
- 무선 전력 전송과 이차전지를 융합한 지속가능한 전원모듈기술은, 높은 소모전력을 요구하는 삽입형 의료기기의 상용화를 가능하게 하고, 기존의 삽입형 의료기기에 적용하여 보다 다양한 기능을 추가할 수 있어 편의성 및 치료의 효과를 높일 수 있음
- 국외에서는 브라운 대학의 Brain Gate, MIT의 Brain controlled Robot 등 생체신호나 뇌파를 이용한 뇌신호 감지 및 자극 기술 기반의 차세대 임플란터블 기기의 활용성에 대한 선행연구가 활발히 수행 중이며, 국내는 임플란터블 기기로 인공와우를 대표적으로 시도하였으나 성공적이지 못함
- ETRI 가 보유한 초음파 무선충전기반 삽입형 생체신호 감지 및 자극 디바이스 기술은 현재 시장에서 요구되는 기술을 만족할 수 있는 시기적절한 기술로 이 기술을 활용하여 삽입형 의료기기 시장에서의 사업화를 계획하고 있는 기업에게는 사업화 기간을 단축해주고, Time to Market을 위한 경쟁력을 확보하게 도와주는 효과를 가짐
- “초음파 무선충전기반 삽입형 생체신호 감지 및 자극 디바이스”기술은 세부적으로는 (1)초음파 무선충전 기술, (2)블루투스 ESB 무선통신기술, (3)무선충전 전지충전상태 모니터링 및 보호회로 기술, (4)생체신호 처리회로 기술, (5) 생체적합 패키징 기술 및 (6) 신경 자극용 신호처리 회로 기술로 이루어져 있으며 핵심기술을 활용하여 DBS, BMI, BCI 분야에 적용한다면 관련 시장 진입을 지원하고 기업의 삽입형 의료기기 사업화에 기여가 클 것으로 기대함
- 인체 삽입용 기기는 요구기능이 고급화되고 다양해질수록 전원사용시간이 줄어들므로 전원교체를 위한 재수술의 주기가 짧아져 환자들의 추가적인 비용부담과 신체적 그리고 심리적 부담이 발생함. 이을 덜어 줄 지속가능 전원모듈의 개발은 인체 삽입용 의료기기의 더 다양한 기능 구현을 가능케 하는 필수적인 요소 기술임
- 무선 전력 전송과 이차전지를 융합한 지속가능한 전원모듈기술은, 높은 소모전력을 요구하는 삽입형 의료기기의 상용화를 가능하게 하고, 기존의 삽입형 의료기기에 적용하여 보다 다양한 기능을 추가할 수 있어 편의성 및 치료의 효과를 높일 수 있음
- “초음파 무선충전기반 삽입형 생체신호 감지 및 자극 디바이스”기술은 세부적으로는 (1)초음파 무선충전 기술, (2)블루투스 ESB 무선통신기술, (3)무선충전 전지충전상태 모니터링 및 보호회로 기술, (4)생체신호 처리회로 기술, (5) 생체적합 패키징 기술 및 (6) 신경 자극용 신호처리 회로 기술로 이루어져 있으며 핵심기술을 활용하여 DBS, BMI, BCI 분야에 적용한다면 관련 시장 진입을 지원하고 기업의 삽입형 의료기기 사업화에 기여가 클 것으로 기대함
o 이전되는 기술은 “초음파 무선충전기반 삽입형 생체신호 감지 및 자극 디바이스”기술은 세부적으로는 (1)초음파 무선충전 기술, (2)블루투스 ESB 무선통신기술, (3)무선충전 전지충전상태 모니터링 및 보호회로 기술, (4)생체신호 처리회로 기술, (5) 생체적합 패키징 기술 및 (6)신경 자극용 신호처리 회로 기술로 구성되어 있으며. (1)~(5) 기술은 하나의 모듈로서 구성이 되며, (6)는 독립 모듈로 존재하며 통상의 이 분야의 전문가는 이를 통합한 하나의 모듈 구성이 가능함
o 본 문서에서는 각 세부기술에서 구현할 수 있는 방법론은 구체적으로 기술하지 않고, 결과 중심으로 나타내며, 구체적인 방법론은 기술문서, 기술노하우, 회로도면 및 구동 프로그램 전수를 통해서 기술이전이 이루어짐
(1) 초음파 무선충전 기술
- 고효율 초음파 소자제작 기술
: 1-3 복합형 압전소자를 이용한 두께 모드 진동형 초음파 소자 제작 기술
: 압전소자와 피부와의 임피던스 매칭을 통한 초음파/피부 커플링 효율 최적화
-> 초음파/피부 커플링 효율 : 80% 이상
- 고효율 초음파 무선전력 전송 기술
: 구동주파수 제어기술, 입력전력 제어 기술 (PID)
: 초음파 전력 송신소자 구동회로 및 제어 프로그램
: 수신소자 수신전력 모니터링 회로 및 제어 프로그램
: 10mm 피부층 통과 최대 40%이상 전력전송 효율
(2) 블루투스 ESB 무선통신기술
- 블루투스 방식중 저전력을 위한 ESB방식의 무선 데이터 통신 기술
- 마이크로 ESB 방식의 초저전력 데이터 통신 회로 설계 및 구동 프로그램
- 송수신 데이터 구조 및 데이터 모니터링 프로그램
- 16채널 생체 신호 무선전송 @ 200Hz/ch
- Power 소모량 : 3.4mW @ 1kSPS, 10.62 mW@30kSPS
- 무선 데이터 통신량 : 최대 2Mbps
(3) 무선충전 전지충전상태 모니터링 및 보호회로 기술
- 무선충전 모니터링 회로(10bit) : 전압/전류
- 이차전지 보호회로 (저전압제어, 고전압방지제어)
- 방전 전류 모니터링 회로(10bit)
(4) 생체신호 처리회로 기술
- 최대 16채널 생체 신호 입력(범위) : +/- 5mV
- 최대 샘플링 : 1.05MSPS (sample per sec)
- 16채널 생체 신호 획득 및 처리 @ 200Hz/ch
- Band pass filter (Low: 100 Hz ~20 kHz, High: 0.1 Hz ~ 500 Hz)
- 초소형 커넥터: 16채널 허용
(5) 생체적합 패키징 기술
- 초음파 수신소자, 충전제어, 이차전지 보호회로, 이차전지, 무선 데이터 통신, 생체신호 감지회로 통합 패키징
- 지름 35mm, 두께 7mm 초소형 패키징
- Ti 및 이와 상응하는 에폭시 소재
- 법의학적 소견결과 염증안정성 평가 검증 ( < 1.5)
(6) 신경 자극용 신호처리 회로 기술
- 신경 자극용 신호처리 회로 기술
- 최대 전압 : +/- 18 V, 양전압(Bipolar)
- 구동 최대 전류 : 500 uA
- 자극 채널수 : 8 채널, 한 번에 한 채널씩 구동
- 최소 펄스폭 : 6 usec
- 뇌질환 관련 바이오의료산업은 고부가가치 및 지식기반산업이자 차세대 성장동력산업으로 미래의 유망한 산업이며 우리나라 환경에 적합한 산업으로, 웨어러블과 인체부착형의 전자소자 기술을 발전시켜 생체 내부에서 적극적인 진단과 치료가 가능한 임플란터블 전자소자용 핵심 기술 확보
- 신경 전기 자극회로는 신체기능 복원기기 및 복지기기에 사용됨으로써 의료복지, 돌봄/요양 서비스 제공 및 연계에 크게 공헌할 것으로 기대
- 초소형 고집적 신호처리 회로기술, 저전력 데이터 통신 및 신호처리 일체형 프로세서, 지속가능 전원 및 생체적합성 패키징 기술 등 첨단 소재와 고성능 소자기술이 집적된 ICT 기술 기반의 임플란터블 전자소자기술은 국내 기술 경쟁력 향상에 크게 기여함
- 수입의존도가 높은 제품의 자체 개발을 통한 수입 대체 효과와, 차세대 성장동력이자 먹거리 분야인 체내 삽입형 의료기기 신 사업 진입 및 사업화 확대 효과가 큼