논문 핵심 : 기존 피부 수분 측정 장비는 크고 비싸고 반복 측정이 불가능하지만, 이 논문에서는 비침습적이고, 열 이동을 기반으로 빠르고, 장거리(10m) 통신이 되는 블루투스 저에너지 SoC 센서를 개발했다. 이는 표피와 진피의 수분 정도를 정량적으로 측정할 수 있다.
Introduction
아토피, 피부의 건조함은 세계 인구의 상당수가 겪는 병이며, 피부의 수분이 중요하다.
기존의 방법은 피부의 증기압 측정(TEWL)을 하거나, 피부의 고주파 전기적 특성으로 수분을 측정했다.
그러나 이는 비싸기도 하고, 측정자에 따라 결과가 바뀔 정도로 민감하다.
본 논문의 센서는 다음과 같은 이점이 있다.
- 장거리 통신, 샘플링 레이트 빠름
- 작고, dual-sided sensor
- 다중 측정, 사용자에게 최소한의 이물감(느낌)
- 진피, 표피, 각질층의 수분 측정 가능
또한 센서의 부드럽고 유연한 구조로, 사용자에게 측정 기기에 대한 부담을 최소화해서 남녀노소 사용이 가능하다.
Results and Discussion
System Configurations.
센서는 다음과 같은 구조로 구성되어있다.
- TAS(thermal actuator and multisensor) 모듈, thermal actuator는 221 Ω × 2
- BLE(Bluetooth Low Energy) SoC(System on Chip)
- Wheatstone bridge with NTCs(negative temperature coefficient thermistors, NTC+, NTC-)
- 또 다른 NTCs와 Wheatstone bridge(주변 온도 변화 제거)
- GPIO(general purpose input/output pin)
- AMP
- ADC(analog-to-digital converter)
- 생체 적합성 실리콘으로 된 shell
- 리튬 폴리머 배터리(12mAh)
- 레이저 절삭한 부드러운 copper-clad polyimide substrate
원리는 다음과 같다.
- Thermal actuator에서 발생한 열이 NTCs로 갈 때 피부의 수분에 따라 열 전달량이 다름. 따라서 수분 측정 가능
- 받은 신호를 Wheatstone-bridge가 전압으로 바꿈
- AMP가 이 전압의 차이를 증폭함 -> 노이즈 제거
- 전압을 ADC에서 샘플링해서 UI로 전송됨
- 이론적 모델로 받은 샘플링 데이터를 적절한 데이터로 변환
Shell의 air pocket 덕분에 외부의 열을 차단하고 내부 열 흐름을 원활하게 한다.
샘플링 속도는 200Hz이고, 0.1s (10Hz)마다 평균값을 UI로 전송한다.
그리고 하루에 1분(actuator는 50초간 꺼져있고 10초간 켜진다) 측정한다고 생각하면, 12mAh 배터리는 약 10일 간 쓸 수 있다. 무선 충전 모듈은 없지만 쉽게 추가 가능하다.
Thermal Transport Physics and Applications to Measurements of Skin Hydration.
TPS 측정을 위해 시간 의존적인 온도 변화(ΔT)를 thermal actuator가 켜진 상태(Ton)와 꺼진 상태(Toff)를 통해 구한다.
만약 온도 변화가 작다면 단순히 ΔT = Ton - Toff 로 구할 수 있다.
다른 경우, 환경적 요인을 제거하기 위해 NTC를 2개 사용한다. NTC1, NTC2.
NTC1은 thermal actuator의 열을 측정하는 역할로, thermal actuator 바로 위에 놓는다.
NTC2는 주변 환경의 영향을 제거하는 역할로, 중심으로부터 1.15mm 떨어뜨린다.(Fig. 2A)
이렇게 한 후 ΔT1, ΔT2, ΔT12(= ΔT1- ΔT2)을 구해서 사용한다.
Double-sided는 Single-sided보다 민감도가 3배 높다.
Double-sided는 heater-Pl-NTC 구조고 Single-sided는 Pl-NTC, heater 구조다.(Fig. 2B)
열 전달 정도는 오직 수분 함량 ΦD(진피), ΦE(표피)를 사용해서 풀 수 있다.
실험은 짧은 시간(t=1s), 긴 시간(t=10s)으로 나눠서 실험했다.
짧은 시간의 경우 열 전달이 오직 표피에서만 발생했지만, 긴 시간의 경우 열 전달이 진피까지 영향을 미쳤다.
즉, 짧은 시간에서 ΔT12는 ΦE(표피)에 더 민감하고, 긴 시간에서 ΔT12는 ΦD(진피)에 더 민감하다.
이를 알아보기 위해 탈수된 피부와 수화된 피부와 열 전달이 비슷한 PDMS로 실험한다.(Fig. 2F,G)
S170(진피) 위에 S184(표피)를 얹고 측정한다.
S184의 두께를 바꿔가며 열 전달을 측정했다.
그 결과 긴 시간에서는 S170(진피)과 그래프가 비슷하고, 짧은 시간에서는 S184(표피)와 그래프가 비슷하다.
즉 이론과 일치한다.
실제로 전완으로 측정해보니 이론값과 측정 ΔT12으로 구한 수분 함량이 일치한다.(Fig. 2I)
아래에 나올 실험들은 별 말이 없다면 single-layer skin model을 기반으로 10초간 측정한 것이다.
수분 함량은 Φ로 나오고, Φ=0이면 탈수된 피부, Φ=1이면 물이다.
이 값들은 ΦD, ΦE의 가중 평균이다.
Experimental Studies.
ΔT12는 환경의 변화를 최대한 배제하고 수분 함량을 측정할 수 있다. 이에 대한 실험을 해보자.
크게 환경(ambient), 피부 온도(substrate)와 바람, 주변 수분에 대해서 변화를 줄 것이다.
1) 환경(ambient)
오븐과 냉장고에 번갈아 넣음으로써 주변 환경의 온도를 23.3°C-> 36.6°C-> 8°C로 변화시켰다.
이에 대한 ΔT1, ΔT2, ΔT12는 다음과 같다.
온도 자체는 변화지만, 온도의 변화량 ΔT는 거의 일정하다.
여기서 ΔT12의 장점이 나오는데, 앞서 ΔT1, ΔT2는 일정해 보이지만 주변 환경의 온도가 갑자기 증가, 감소하는 시점에 값이 살짝 튄다(표준 편차 0.27°C, 0.29°C).
그러나 ΔT12는 그보다 훨씬 일정하다(표준 편차 0.03°C, 대략 1/10).
따라서 ΔT12를 사용하면 환경 변화에 덜 민감하게 쓸 수 있다.
2) 피부 온도(substrate), 바람
이제 TS를 변화시켜보자. 체온의 범주랑 비슷하게 25.5°C-> 41.0°C-> 24.2°C로 변화시키면서 ΔT를 측정했다.
주변 온도인 TA는 22.2 ± 0.3°C 정도로 일정하게 유지한다.
그 결과, Fig. 3D를 보면 ΔT1, ΔT2는 약간씩 튀지만 ΔT12는 거의 일정하다.
또한 Fig. 3E를 보면 바람을 불게 해서 온도 변화를 일으켰고, ΔT1, ΔT2는 튀지만 ΔT12는 거의 일정하다.
따라서 ΔT12를 쓰면 주변 온도 변화, 피부 온도 변화, 바람의 영향을 거의 없앨 수 있다.
3) 주변 수분
이제 장치를 극단적으로 물에 넣어보자.
놀랍게도 물에 넣어도 ΔT12는 거의 일정하다.
물에 의해 냉각은 되지만, 생체적합성 실리콘 밀봉 덕에 수분 침투가 되지 않는다.
따라서 ΔT12를 쓰면 주변 수분 변화에도 강건하다.
실제 장비와 비교해보자.
ΦBLE는 논문 장비로 측정한 수분 함량, ΦCML1은 시중의 장비로 측정한 조직 전체의 수분 함량(500~2500μm)이고, ΦCML2는 시중 장비로 측정한 피부 표면의 수분 함량(10~20μm)이다.
여러 사람들 각각의 몸 여러 곳에서 측정한 결과, ΦBLE는 일정(SD=0)인 반면, ΦCML1, ΦCML2는 약간씩 값의 차이가 있었다(SD=0.04, 0.09).
또한 상관관계를 살펴보니 ΦCML1이 ΦCML2보다 ΦBLE와 상관관계가 더 컸다.
이는 ΦCML1은 전체 조직의 수분 함량이어서 논문 장비와 기능이 비슷하고, ΦCML2는 피부 표면만 측정해서 그러한 듯 하다.
각질층(SC)의 영향도 살펴보자. 시중 장비로 측정한 각질층의 수분 함량 ΦCML3와 비교할 것이다.
얇은 디스크 모양의 테이프를 붙였다 뗐다 하면서 각질층을 제거한다.
그 과정에서 살펴보니 ΦBLE는 증가했다. 이는 SC의 영향을 받는다는 의미이다.
또한 ΦCML3와 큰 상관관계를 보여주었다.
ΔT12는 t=1s일 때 t=10s보다 더 크게 변했다. 이는 짧은 시간이 표피에 큰 영향을 받기 때문이다.
돼지 피부를 식품 건조기에 넣어 실험한 결과 역시 ΔT12는 수분 손실과 상관 관계가 있었다.
Human Subject Evaluations.
장치는 유연해서 곡률이 있어도 잘 부착할 수 있다.
여러 피실험자에게 부착해서 측정한 결과, 약간의 보정을 통해 ΦBLE, ΦCML이 거의 일치하는 것을 볼 수 있다.
또한 면도와 땀의 영향을 살펴보기 위해 추가 실험을 진행했다.
면도 전 후의 ΔT12는 6.98 ± 0.01 °C, 6.98 ± 0.01 °C로 변하지 않았다.
땀 닦기 전 후의 수분 함량(ΦBLE)은 0.92(땀 나기 전) -> 0.96(땀 닦지않음), 0.94(땀 닦음)이다. 이는 기존 연구와 일치한다.
Evaluation of the Hydration Status of Pathological and Healthy Skin.
병변 있는 피부에도 적용될까?
아래의 실험은 아토피, 마른 피부, 그리고 건강한 피부를 비교해서 측정한다.
습진, 염증 피부에 적용해보니 ΔT12가 상대적으로 높았고, 보습제 적용 후 ΔT12는 감소했다.
즉 습진과 염증이 있는 피부에는 ΦBLE가 낮고, 보습제를 적용하면 ΦBLE가 증가한다.
다음은 건강한 사람의 경우, 보습제를 적용하면 어떻게 되는지 비교하는 실험이다.
실험 과정은 1) 전완 씻기 -> 2) 측정 -> 3) 보습제 적용 -> 4) 1분, 15분 기다린 후 보습제 닦아냄 -> 5) 재측정 이다.
그 결과, 실험자들과 1분/15분의 요소와는 무관하게 보습제 적용 후 ΦBLE는 증가했고, 시간이 지난 후 측정해도 대조군(보습제 안 바름)보다는 ΦBLE가 약간 높았다.
