[Bio] 가로막는 모든 물질을 통과해서 사람의 생체신호를 찾아낼 수 있을까?

 

 

가로막는 모든 물질을 통과해서 사람의 생체신호를 찾아낼 수 있을까?

 

관련 질문

• 인체에서 방출, 배출되는 물질이나 빛을 감지,
  매몰 사고현장에서 사람의 위치와 생존여부를 알아낼 수 있는 기술이 있을까?

• 물체나 벽을 통과할 수 없을까? (초중고 학생 질문)

배경

• 물체나 벽과 같이 물리적으로 가로막힌 것을 통과할 수 없는지에 관한 의문은 누구나 어릴 적 한번쯤 가져봤을 과학적 호기심입니다.

• X문제는 이러한 과학적 호기심과 관련된 초등학생의 질문을 매몰 사고 현장에서 사람의 위치와 생존여부를 알아낼 수 없는 지에 대한 질문과 접목하였습니다.

• - 현재 화재 진압 및 인명 구조에 열화상카메라(주변과 사물의 온도 차이에 의해서 화점이나 커져가는 불씨를 찾는 기능)와 소방 로봇이 쓰이고 있습니다.

  ((주)창성에이스산업. 적외선 열영상 화재감지기 및 이를 이용한 화재 감지방법. 1020110095013. 

  주식회사 스맥. 방수 성능 및 무선 통신 능력이 우수한 소방 로봇. 1020150044600)

   

• 그러나, 화재시에만 사용 가능하며 뚜렷이 사람을 구별해내지 못하는 한계가 있습니다.

https://patents.google.com/patent/KR101148799B1/ko

KR101148799B1 - 적외선 열영상 화재감지기 및 이를 이용한 화재 감지방법 - Google Patents

https://patents.google.com/patent/KR101530844B1/ko

KR101530844B1 - 방수 성능 및 무선 통신 능력이 우수한 소방 로봇 - Google Patents

 

선행연구

• 의복형을 비롯한 생체신호 모니터링 디바이스에 관한 연구 및 상용화는 다수 진행중이지만, 가로막힌 것을 넘어 감지할 수 있는 수준은 아닙니다.
  (Kim, Dae-Hyeong, et al. "Epidermal electronics." science 333.6044 (2011): 838-843./
  정보통신기술진흥센터, 생체신호 모니터링 디바이스 기술 및 개발 동향, 2014.8.27.)

• - 서울대학교 생체계측기술연구센터에서는 신체와의 접촉 없이 심전도, 호흡 등의 심신 모니터링을 하는 연구를 진행했습니다.
  심전도를 측정하는 전극과 체온을 측정하는 센서를 침대 시트에 삽입하고, 침대 다리에는 하중을 측정하는 장치를 장착하는 방식입니다.
  (임용규 외. 2005. 침대에 부착된 용량성 전극배열을 이용한 수면 중의 심전도 측정. 전자공학회 추계 종합학술대회)

생체신호 모니터링 디바이스 기술 및 개발 동향

https://www.itfind.or.kr/publication/regular/periodical/read.do?selectedId=02-001-140826-000019

ITFIND - 정기간행물

 

 

기대효과

• 해당 X문제 연구를 통해 물질의 투시방법 및 다양한 생체신호 감지 기술이 연구될 수 있을 것으로 기대합니다. 

• 다양한 재난ㆍ재해 상황에 대한 정확한 대응뿐만 아니라 땅 부족이나 환경오염으로 예상되는 미래시대의 지하세계 모니터링 등 다양한 활용방안이 창출될 것으로 기대합니다

 

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추가 Research

 

• 큰 물질 통과시키고 작은 것만 걸러내는 ‘거꾸로 필터’ 개발

https://www.sciencetimes.co.kr/news/%ED%81%B0-%EB%AC%BC%EC%A7%88-%ED%86%B5%EA%B3%BC%EC%8B%9C%ED%82%A4%EA%B3%A0-%EC%9E%91%EC%9D%80-%EA%B2%83%EB%A7%8C-%EA%B1%B8%EB%9F%AC%EB%82%B4%EB%8A%94-%EA%B1%B0%EA%BE%B8%EB%A1%9C-%ED%95%84%ED%84%B0/

큰 물질 통과시키고 작은 것만 걸러내는 ‘거꾸로 필터’ 개발 – Sciencetimes

• 생체신호 기반 바이오인식 기술 국내 개발 성공

https://www.e4ds.com/sub_view.asp?ch=2&t=0&idx=11207

생체신호 기반 바이오인식 기술 국내 개발 성공 - e4ds 뉴스

• 생체신호를 이용한 텔레바이오 인식, 어디까지 왔나? 

https://blog.lgcns.com/1815

생체 신호를 이용한 텔레바이오 인식, 어디까지 왔나?

 

■ 전기적 생체신호 
    : 신체의 표면에 전극을 부착하여 신호를 전압 또는 전위차의 형태로 기록하는 방법 
        1. 심전도 : 심장의 박동과 관련되어 전압의 형태로 측정되는 전기 신호 
        2. 뇌전도 : 대뇌의 활동 상태에 따라 변화하는 신호
        3. 근전도 : 근육의 활동 상태를 나타내는 전기적인 생체신호
■ 기계적 , 물리적 생체신호 
    : 전기적 생체신호와 광학적인 생체 신호를 제외한 생체 신호 
        1. 심탄도 : 혈액이 박출되면서 외부에 가하는 미약한 힘을 측정, 심장박동의 동태를 파악
■ 광학적, 화학적 생체신호 
    : 신체 내부 특성 성분의 비율, 분포를 측정한 생체 신호 
        1. 광용적맥파 : 심장박동에 따라 혈액의 양이 변화함,
                        -> 혈액의 양이 증가하면 및을 더욱 많이 흡수함,
                        -> 투과 또는 반사하는 광량이 감소하게 됨에 따라 혈관의 용적 변화를 측정. 

생체 신호를 파악하는 기술은, 센서가 신체를 Touch하여 측정하는 단계까지 와 있는 듯하다. 

그래서 사고현장과 같이 신체를 다른 물질이 덮게 되면 아직 생체신호를 파악하기엔 어려운 듯 하다. 

 

그렇다면 (1) 맨틀이나 외핵, 내핵에 어떤 물체가 있다. 라는 것은 어떻게 발견했을까? 인간이 직접 땅을 팔 수 있는 깊이는 

12.345km 라는데, 전부 땅을 파서 알게된 것들도 아닐거고... 시간이 흘러 지하 물질들이 지각 밖으로 나오게 되었을 때, 시간을 거꾸로 파악한 방법 이외에는 없었을까? 여기서, 잠깐 지각 아래의 구성요소들에 대해 알려주는 영상하나 소개한다. 

 

https://www.youtube.com/watch?v=I2Ghlzq6Hxs

이렇게 지구 내부의 구조를 알 수 있게된 것은 " 지진파 " 덕분이다. 지각을 지나갈때의 파동과 맨틀을 지나갈때의 파동이 다르기 때문에 지구 내부의 구조가 총 4가지로 이루어져있다는 것을 알 수 있다. 상세한 설명은 아래의 칼럼을 참조하시길 바란다. 

 

https://www.scienceall.com/%EC%A7%80%EC%A7%84%ED%8C%8C%EB%A1%9C-%EC%A7%80%EA%B5%AC-%EC%86%8D%EC%82%B4%EC%9D%84-%EB%B3%B4%EB%8B%A4/

지진파로 지구 속살을 보다. | 과학포털 사이언스올

그럼 다시 돌아가서, 인간의 생체신호는 혈액이나 근육의 움직임 등에 의해서 피부와 접촉했을 때 측정이 가능하다. 

피부보다 더 두꺼운 물질이 인간을 덮는다면, 생체신호를 측정하기 어렵다는 점에 있어서 아직 실현 불가능한 기술이라는 생각이 든다.

 

그렇다면 생체신호를 측정하는 의복은 어떤 방식으로 측정하는 걸까? LG CNS 블로그에서 소개한 바에 따르면 국내외적으로 생체 신호 센서를 탑재한 웨어러블 디바이스 형태는 액세서리형(스마트워치, 밴드, 안경, 목걸이), 직물 · 의류 일체형 (셔츠, 양말, 신발), 신체 부착형(패치, 헤드셋, 모자, 헤어밴드), 생체이식형(알약, 신체부위에 칩이식) 으로 분류될 수 있다고 한다. 미리 생체에 인식하거나 신체에 부착하여 지속적으로 바이오리듬에 대한 정보를 받아 1인 고독사를 예방할 수 있는 것처럼, 사고 현장의 매립된 센서를 미리 부착한 상태라면 가로막는 모든 물질의 방해와 상관 없이 생체 신호를 측정할 수 있을 것 같다는 생각이 나의 최종 결론이다. 

 

 

 

 

투명망토 기술이 현재 개발된 상태인데, 이런 기술로 인간이 보이지 않게 되었을 때, 즉 (2) 시각적으로 보이지 않게 되었을 때, 생체신호를 파악할 수 있는 기술은 개발된 상태일까? 

 

https://1boon.kakao.com/techplus/5db62d606654465edc219931

이것이 최신 '투명망토' 기술이다

하이퍼스텔스 바이오테크놀로지가 출원한 투명 망토 소재 특허

 

생체신호를 파악할 수 있는 것과는 별개로 하이퍼스텔스 바이오테크놀러지에서 개발한 투명망토는 빛을 굴절하여 신체를 위장할 수 있는 망토이다. 가시광선은 물론 적외선 또한 빛이 물체를 만나면 굴절하게 되는데, 이 투명 망토는 적외선 카메라로 관찰하여도 적외선 파장을 감지할 수 없다고 한다.

매립되었을 때, 사람의 생체신호를 파악하는 기술은 아직 실현되지 않은 기술인 것 같다. 관련된 여러가지 내용들을 조사해보았지만, 서치에 한계가 있다. 생체신호를 원격으로 감지하는 기술에 대해서는 2005년도에 연구가 진행된 바 있다. (아래 링크 참조) 

http://www.ndsl.kr/ndsl/search/detail/report/reportSearchResultDetail.do?cn=TRKO200600001763

NDSL 보고서 - 원격 맥박/호흡 인식 센서 기술개발에 관한 ...

2. 개발내용 및 결과

생체신호 검출을 위한 새로운 구조의 20 GHz 대역 레이더 시스템을 개발하였고, IC로 집적하여 초소형의 원격 맥박호흡 센서를 구현하였으며, 이를 이용하여 맥박,호흡 신호를 검출 하였다. 또한, 거리 측정을 위해 6-port 회로를 이용한 거리 측정 시스템 및 front-end IC를 개발하여 로봇의 레인지파인더로서의 가능성을 확인시켜 주었다. 소형화와 경량화가 가능한 200Hz 대역의 pencil-beam 안테나를 개발하여 초소형 생체신호 측정 시스템 및 로봇 레인지 파인더 시스템의 제작이 가능하다.

3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)

최근 밀리미터파 대역의 주파수를 이용한 생체신호검출 센서에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 센서를 몸에 부착하지 않고 밀리미터파를 이용한 무선센서를 사용할 경우 몸에 센서를 부착하기 어려운 환자의 심장 박동수와 호흡수를 측정해서 환자의 상태를 실시간 모니터링 함으로써 환자가 위험한 상태에 직면하는 것을 미연에 방지할 수 있다. 또한, 레이더센서를 로봇의 레인지 파인더로 사용할 경우 쉽게 거리 측정이 가능하며, angular resolution이 높은 pencil-beam 안테나를 사용할 경우 거리 측정 뿐만 아니라 3D imaging 까지 가능하다. 밀리미터파를 이용할 경우 주파수가 높기 때문에 안테나를 비롯한 전체 센서의 크기를 줄일 수 있어서 소형 및 경량화 및 제작 단가를 낮추는 것이 가능하다. 특히, 집적회로를 사용할 경우는 더욱 그러하다. 앞으로 이런 무선 생체신호검출 센서 및 로봇 레인지 파인더는 그 응용이 방대하기 때문에 큰 시장을 형성할 것으로 예상되고 있다.

 

결론

가로막는 모든 물질을 통과해서 사람의 생체신호를 찾기 위해서는 다음의 결론을 내릴 수 있다. 

1. 사전 생체신호 인식하는 센서 설치 필요
2. 원격 맥박/ 호흡 인식 센서 개발은 실현 가능
3. 가로막는 물질이 있을 때는 현재 생체 인식 불가능 

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가로막는 물질이 있는 경우에 생체 인식을 할 수 있게 될지도 모르겠다. 

"퀀텀닷" 이라는 물질이 연구개발 되면서 바이오이미징 분야에 적용될 수 있기 때문이다. 

http://news.samsungdisplay.com/22706?fbclid=IwAR3b7IlFfGzlCwhtssLU6piHfF-IDJzDKTGRvHrjb2QUX0A1oL6lKxmiMyw

[퀀텀닷 완전정복] 제 3화 무한한 응용-② 바이오이미징, 의료기술분야까지! | 삼성디스플레이 뉴스룸

 

"퀀텀닷"이란, 양자점, 득 양자물리의 법칙이 적용되는 아주 작은 수nm 크기의 반도체 입자를 뜻한다.

순수한 화학물질을 매우 잘게 수 nm(나노미터)크기 의 화학 알갱이로 쪼개면 크기에 따라 여러가지 색깔이 나타나게 되는데, 가령 금 입자가 7nm 일때는 빨간색, 5nm는 초록색 3nm는 파란색을 띈다고 한다. 이렇듯 한가지 물질이지만 여러가지 색깔이 나타나는 반도체 입자를 퀀텀닷이라고 부른다. 

 

이런 퀀텀닷 물질이 바이오이미징 분야에서 응용될 수 있다고 한다. "바이오이미징"은 생체 내에서 일어나는 다양한 분자 수준의 변화를 영상화하는 기법이다. 바이오이미징에서는 가시광선을 이용한 광학영상법(optical imaging) 이라는 방식으로 신체내부를 파악하곤 했었다. 하지만 가시광선을 신체에 쏘게 되면 단백질, 지방, 물 등에 의해 가시광선이 흡수되기 때문에 신체 내부를 정확히, 실시간으로 파악하는 데에는 근본적인 한계가 있다. 

 

그런다 퀀텀닷을 이용하면 생체 내부에 사용되던 형광체에 비해 10~50배 강한 빛을 발할 수 있어서, 신체를 통과해 바깥에서도 확인이 가능하다고한다. 또한 신체 구성물질이 흡수하지 않는 700~900nm 대역의 근적외선 파장의 빛을 발하게 만들 수도 있다고 한다. 

 

삼성디스플레이 뉴스룸

▲김성지 포스텍 교수팀이 퀀텀닷을 활용해 관측한 취 대장 내 암조직(위 사진 빨간 영역)

 

그래서 이렇게 체내에 암조직을 탐지할 프로브를 퀀텀닷에 부착하여 몸속에 집어 넣으면, 암세포와 만났을 때 퀀텀닷이 빛을 발하게 되면서 위치와 분포를 정확히 알아 낼수 있다고 한다. 하지만, 현재 기술수준은 프로브와 퀀텀닷이 안정적으로 결합할 수 있는 표면 기술을 개발해야 실용화가 가능하다고 한다.