KR100829932B1 - 혈액의 혈전형성율 측정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기적 임피던스와 디지탈 신호처리 기술을 이용하여 직접 임상에서 실시간으로 혈액의 혈전형성율을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 혈전형성율 측정장치는 작업전극 및 보조전극이 구비되는 전기신호감지부; 상기 전기신호감지부와 전기적으로 연결되는 전기화학부 및 신호 발생부; 상기 전기화학부로부터 얻어진 아나로그 데이터 수집하여 디지털화하는 데이터 획득부; 및 상기 데이터 획득부에서 디지털화된 데이터를 수학적 처리를 하기 위한 데이터 프로세스부;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따르면, 전기신호감지부를 미세한 원통에 집적한 형태, 바이오 칩 형태로 제조하여 혈액이 수용된 용기에 침지함으로써, 혈액을 희석하지 않고 곧바로 혈전형성율을 측정할 수 있는 효과가 있다.

혈액. 주사바늘. 바이오칩. 혈전형성율.

Description

혈액의 혈전형성율 측정장치 및 방법{Device for Measuring Thrombogenic Potential of Blood and Method using the same}

도 1은 본 발명에 의한 혈전형성율 측정장치의 개략도이다.

도 2는 도 1에 도시된 전기신호 감지부의 구성도이다.

도 3은 본 발명에 의한 전기신호감지부의 실시예이다.

도 4a 및 도 4b는 도 3에 도시된 전기신호감지부를 이용하여 혈전형성율을 측정하는 서로 다른 방법을 나타낸 것이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명에 의한 전기신호감지부의 다른 실시예이다.

도 6은 일정신간 간격으로 펄스가 가해진 후에 전류의 감소 변화를 이용하여 혈전 형성율을 측정하는 방법을 나타낸 것이다.

도 7은 정상인(A), 아스피린 치료법을 받고 있는 환자(B) 및 혈전형성율이 매우 높은 환자(C)의 측정결과를 나타낸 것이다.

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

10: 전기신호 감지부 11: 작업전극

12: 보조전극 13: 기준전극

20: 전기화학부 30: 신호발생부

40: 데이터획득부 50: 데이터 프로세스부

60: 제어부 80: 바이오 센서칩

90: 용기

본 발명은 전기적 임피던스와 디지탈 신호처리 기술을 이용하여 직접 임상에서 실시간으로 혈액의 혈전형성율을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 전기신호감지부를 바이오 칩 형태로 제조하여 혈액이 수용된 용기에 침지함으로써, 혈액을 희석하지 않고 곧바로 혈전형성율을 측정할 수 있는 혈액의 혈전형성율 측정장치 및 방법에 관한 것이다.

심혈관 질환은 관상동맥내에 혈관이 협착되어지는 것으로 특징지울 수 있다.

혈관 협착 부분이 파열되어서 급성 심장마비가 일어나는 과정을 혈전형성(thrombosis)이라고 한다. 따라서, 혈액의 혈전 형성율을 측정하는 것이 심혈관 질환의 진단 및 치료에 있어서 매우 중요한 사항중에 하나인 것은 의심할 여지가 없다. 이미 존재하는 PT, APPT 및 TT와 같은 혈액의 항응고성 측정 기술은 기본적으로 특정한 시험 용액과 함께 플라스마의 항응고 경향을 측정하는 것이며, 혈전형성율을 측정하는 것은 아니다.

아스피린과 같은 약을 복용하거나 정맥 절개술과 같은 시술법으로 혈전형성 율을 줄일 수 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그러나, 이와 같은 시술법의 효과를 입증할 수 있는 혈액의 혈전 형성율을 측정 할 수 있는 기기는 현재까지 상용화되어 있지 않고 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기적 임피던스와 디지탈 신호처리 기술을 이용하여 직접 임상에서 실시간으로 혈액의 혈전형성율을 측정하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 혈전형성율 측정장치는 작업전극 및 보조전극이 구비되는 전기신호감지부; 상기 전기신호감지부와 전기적으로 연결되는 전기화학부 및 신호 발생부; 상기 전기화학부로부터 얻어진 아나로그 데이터 수집하여 디지털화하는 데이터 획득부; 및 상기 데이터 획득부에서 디지털화된 데이터를 수학적 처리를 하기 위한 데이터 프로세스부;를 포함하여 이루어진다.

또한 상기 전기신호감지부는 기준전극이 더 구비되는 것이 바람직하며, 특히 상기 작업전극, 보조전극 및 기준전극은 바이오칩에 집적된 형태로 구성되거나, 각각 직경이 다른 원통으로 형성되어 동심원상으로 배열되는 것이 더욱 바람직하다.

또한 상기 작업전극, 보조전극 및 기준전극은 0.1μm ~ 1 mm 범위의 세선(細 線)이나, 박판 그리고 원통형으로 이루어지는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 혈전형성율을 측정하는 방법은 1) 혈액샘플을 채취하여 용기에 수용하는 단계; 2) 내부에 작업전극 및 보조전극을 구비하는 전기신호감지부를 상기 용기 안에 침지하는 단계; 3) 상기 전극에 펄스전압을 가하는 단계; 및 4) 작업 전극과 보조전극 사이에 흐르는 전류를 측정하는 단계;를 포함하여 이루어진다.

상기 3)단계에서 펄스전압을 인가하는 시간은 1~100 마이크로초이고, 상기 4)단계는 전류 값의 측정간격이 10마이크로초 이하가 되도록 수행된다.

또한 상기 전기신호감지부가 상기 용기 내부에 사전에 장착되어 있을 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 구체적으로 설명한다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 의한 혈전형성율 측정장치는 전기신호감지부(10)와, 전기화학부(20)와, 신호발생부(30)와, 데이터 획득부(40)와, 데이터 프로세스부(50)와 제어부(60)를 포함하여 이루어진다.

상기 제어부(60)는 전체 장치를 제어관리하는 구성요소로서, 전기화학부(20)와 데이터처리, 신호발생부(30) 및 데이터 수집 등을 제어 관리한다.

상기 데이터 획득부(40)는 전기화학부(20)로부터 얻어진 아날로그 데이터를 수집하여 디지털 데이터로 변환하여 제어부(60)에 신호를 전달한다.

상기 데이터 프로세스부(50)는 데이터 획득부(40)에서 디지털 변환된 데이터 를 수학적인 처리를 하기 위한 하드웨어와 프로그램으로 구성된다.

상기 신호발생부(30)는 시료분석에 적절한 전기화학적 소스신호를 발생한다.

상기 전기화학부(20)는 상기 전기신호감지부(10)에 전기화학적 신호처리와 시료에 따른 상기 전기신호감지부(10) 신호를 얻는 구성요소이다.

상기 전기신호감지부(10)는 2전극계 또는 3전극계를 통해 시료의 성분 및 특성을 감지하는 구성요소이다.

여기서 2전극계는 작업전극 (working electrode)(11)과 보조전극 (counter electrode)(12)으로 구성되며, 3전극계는 보다 정확한 측정을 위한 방법으로 상기한 2전극에 기준전극 (reference electrode)(13)을 추가한 것을 말한다.

작업전극(11)은 백금, 금 혹은 탄소 봉과 같은 비활성 재질로 제조하는 반면에 기준전극(13)은 은/염화은(Ag/AgCl)이나 감홍(염화 제1수은:HgCl₂)과 같은 보통의 수소전극으로 제조된다. 또한, 보조전극(12)은 백금(Pt)으로 제조되며 그 형태는 세선, 박판 그리고 세선망 모두 사용이 가능하다.

이를 참조하여 본 발명에 의한 혈전형성율 측정장치의 작동방법을 설명한다.

먼저, 혈액에 전기신호감지부(10)를 접촉시키고, 제어부(60)에서 신호발생부(30)에 펄스신호 발생을 지시한다. 신호발생부(30)에서 펄스 신호를 발생시키면 전기화학부(20)에 신호를 전달하고, 전달된 신호는 혈액에 접촉된 전기신호감지부(10)에 인가되어 혈전형성율 측정을 한다. 전기신호감지부(10)에서 측정된 값을 전기화학부(20)에서 전위값으로 받고, 이를 데이터획득부(40)에서 수집하여 디지털 화한다. 디지털화된 신호를 데이터 프로세스부(50)에서 처리하여 혈전형성율 값을 수치화하여 출력함으로써 완료된다.

도 2는 상기 3전극계의 전기적 회로도를 보여주고 있다.

2전극계에서 보조전극(12)과 작업전극(11)과의 관계는 한쪽의 전극표면에서 산화반응이 일어나면 다른 한쪽의 전극표면에서는 환원반응이 일어나며, 전극 사이에 존재하는 용액에 따라 그 반대 반응이 일어날 수도 있다.

그러나 본 발명에서는 전극에 일정한 전압을 가하여 전극 사이의 혈액의 전기저항을 측정함으로서 혈전형성율을 측정하기 때문에, 전극표면에서 산화 환원 반응이 일어나지 않는 범위 내의 전압을 사용한다.

그러나 이 2전극 시스템에서는 전극 사이의 용액의 종류에 따라 전극표면에서 커페시턴스(C)가 달라지기 때문에 하나의 예시로서 보조전극(12)에 30mV의 전압을 걸어주면 작업전극(11)에서는 28mV 혹은 32mV와 같이 30mV 이상 혹은 그 이하로 나타날 수 있다. 따라서, 3전극계에서는 보다 정확한 정전압을 유지하기 위하여 두 전극(11,12) 사이에 기준전극(13)을 추가하여 구성되며, 기준전극(13)과 작업전극(11) 간에 일정한 전압을 유지할 수 있다. 이와 같이 기준전극(13)과 작업전극(11) 사이에 일정한 전압이 유지될 경우에, 앞에서 언급한 바와 같이 전극 사이의 유체의 종류에 따라 달라지나 보조전극(12)에는 그 이상의 전압을 걸어 주어야 한다. 많은 실험을 통하여 보조전극(12)과 작업전극(11)과의 전압차에 대한 데이터가 확보되면, 기준전극(13) 없이 2전극 시스템으로만 구현할 수 있다.

여기서 작업전극(11)과 보조전극(12) 간의 초기 전류 강도는 혈액의 전기전도도를 나타내며, 시간이 경과함에 따라 전류 강도의 계속적인 감소 변화는 혈액이 응고되어 전자의 유동성이 낮아지기 때문에 일어나는데, 이는 혈액의 혈전 형성율을 의미한다.

이와 같이 구성된 2전극계 또는 3전극계의 작동을 설명한다. 먼저 2전극계는 전기신호감지부에 혈액이 접촉되면, 전기화학부에서 보조전극에 일정 펄스 전위를 가하고 작업전극에서 변화된 전위를 얻는다.

또한 3전극계는 보조전극과 작업전극 사이에 일정한 화학전위를 인가하기 위한 기준전극을 걸어준다. 따라서 3전극계는 2전극계보다 안정적인 전위를 일가할 수 있는 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전극(11,12,13)들이 집적된 바이오 센서 칩(80)을 사용할 수도 있다. 즉, 전극들이 칩 표면에 집적된다. 본 실시예를 이용하여 혈전형성율을 측정하는 방법을 도 4a 및 도 4b를 이용하여 설명한다.

도 4a를 참조하면, 용기(90)에 혈액샘플(S)을 채취하여 수용하고, 수용된 용기(S)에 상기 바이오 센서칩(80)을 침지하여 혈전형성율을 측정한다.

또는 도 4b에 도시된 바와 같이, 사전에 용기(90)의 내측에 전극들이 집적된 바이오 센서칩을 장착한 상태로 구비할 수도 있다. 이 상태에서 혈액샘플(S)을 용기에 수용하면 혈전형성율을 측정할 수 있다. 이러한 바이오 칩은 혈전형성율을 일회 측정하고 버려진다.

본 발명에서 작업전극(11)은 전기화학적 방법에서 표준 크기인 0.5~5mm인 세 선을 이용하여 제작한다. 또한, 본 발명에서는 작업전극(11)을 제작하는데 직경이 500 마이크로미터 이하인 세선을 이용 할 수 있다.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, 상기 작업전극(11), 보조전극(12) 및 기준전극(13)은 각각 반경이 다른 원통으로 형성되어(r₁ ＞ r₂ ＞ r₃) 동심원상으로 배열될 수도 있다.

이하, 본 발명에 의한 혈전형성율 측정방법을 설명한다.

본 발명의 기본적인 가정은 혈액이 응고되기 시작할 때 혈액내에서 전류의 흐름이 감소될 것이라는 것이다. 예를 들어, 몸안에서 흐르고 있는 혈액과 완전히 응고된 혈액을 비교해 볼때, 응고된 혈액 내에서는 전자나 이온들의 이동성이 현저히 감소될 것이다. 따라서 본 발명에서는 혈액에 10~60분 동안 주기적으로 펄스전압을 가하여 전류신호의 변화를 측정한다. 혈액이 점진적으로 응고되는 조건을 만들기 위해서, 소량의 혈액 샘플을 용기에 넣고 그 안에 전극이 집접된 바이오 센서칩을 넣어 혈액과 접촉시킨다. 이 때, 도 4a 및 도 4b와 같은 용기를 사용할 수 있고, 도 4b와 같이 바이오 센서칩이 용기내에 기 장착된 경우, 혈액 샘플이 용기내에 주입되는 순간부터 즉시 측정이 시작된다. 세개의 전극을 혈액 샘플에 접촉시키고 매 2분마다 단기 펼스전압을 가하고 기준전극과 보조전극 사이의 전류는 단기 펄스전압이 가해진 후 10 마이크로초 동안 측정된다. 그러나, 여기서 단기 펄스전압을 가하는 시간이나 전류 측정시간이 2분 및 10 마이크로초는 하나의 예시로서, 그 이하 혹은 그 이상의 시간 단위로도 측정이 가능하다.

본 발명에서는 마이크로 암페어(㎂)크기의 전류를 시간 t에서의 값과 Δt 시간 후의 값과 비교한다. 본 발명에서는 정전압 유지기법을 사용하기 때문에 펄스가 가해졌을 때 전류값은 시간이 경과함에 따라 지수적으로 감소한다. 전류의 감소가 t시간에서의 값과 Δt 시간 후의 값과 비교하여 5%이상이 감소될 때 각각의 펄스에 대한 전류값이 측정된다. 본 발명에 의한 장치로는 전류값을 10 마이크로초(㎲) 동안 측정하기 때문에 매번 펄스전압이 가해진 후에 전류값은 매우 정확하고 신속하게 측정될 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이 매번 펄스가 가해진 후에 전류값이 수분에서 수십분 동안 측정되고 기록되어지며, 전류값의 변화를 시간의 경과에 따른 도로써 표시한다. 도 7은 정상인(A), 아스피린 치료요법을 받고 있는 환자(B) 및 혈전형성율이 높은 환자(C)의 경우, 혈전형성율에 대한 실험 결과를 보여주고 있다.

본 발명에 따르면, 전기신호감지부를 바이오 칩 형태로 제조하여 혈액이 수용된 용기에 침지함으로써, 혈액을 희석하지 않고 곧바로 혈전형성율을 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한 전기신호감지부를 3전극 시스템으로 구성함으로써, 보다 정확한 측정이 가능하다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만, 본 발 명의 기술사상 범위에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (11)

1. 작업전극 및 보조전극을 구비한 전기신호감지부를 혈액에 접촉시킨 후 상기 전기신호감지부에 펄스전압을 가하는 단계와;

   시간경과에 따른 상기 작업전극과 상기 보조전극 사이에 흐르는 전류의 변화값을 측정하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 혈전형성율 측정방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 전기신호감지부는 기준전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혈전형성율 측정방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 전기신호감지부는 혈액이 주입되는 용기 내부에 장착되는 것을 특징으로 하는 혈전형성율 측정방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 전기신호감지부의 작업전극 및 보조전극은 바이오칩에 집적된 것을 특징으로 하는 혈전형성율 측정방법.
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