KR102892160B1 - Micro Flow Sensor Comprising Sensor Electrode Formed on Wire, Method for Preparing Same and Device for Measuring Blood Flow Comprising Same - Google Patents
Micro Flow Sensor Comprising Sensor Electrode Formed on Wire, Method for Preparing Same and Device for Measuring Blood Flow Comprising SameInfo
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Abstract
본 발명은 가이드 와이어 상에 미세 패턴 형태의 센서 전극이 형성된 초소형 유량 센서, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 혈류 측정기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 의료용 가이드 와이어의 표면에 레이저 소결 패터닝을 통해 미세 전극 패턴을 형성함으로써 초소형 열식 유량 센서를 제작할 수 있고, 전극 구조의 미세한 설계 변경을 통하여 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 초소형 유량 센서를 심혈관 내부에 삽입하여 혈류 측정에 이용하는 경우 혈관 내 혈류 속도를 정확하고 편리하게 측정할 수 있다.The present invention relates to an ultra-small flow sensor having a sensor electrode in the form of a micro-pattern formed on a guide wire, a method for manufacturing the same, and a blood flow meter including the same.
According to the present invention, an ultra-miniature thermal flow sensor can be manufactured by forming a microelectrode pattern on the surface of a medical guide wire through laser sintering patterning, and reliability can be significantly improved through minute design changes to the electrode structure. Accordingly, when the ultra-miniature flow sensor of the present invention is inserted into a cardiovascular system and used for blood flow measurement, blood flow velocity within the blood vessel can be accurately and conveniently measured.
Description
본 발명은 와이어 상에 형성된 센서 전극을 포함하는 초소형 유량 센서, 이의 제조방법 및 이를 포함하는 혈류 측정기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가이드 와이어 상에 미세 패턴 형태의 센서 전극이 형성된 초소형 유량 센서, 이를 제조하는 방법 및 이를 포함하는 혈류 측정기에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-small flow sensor including a sensor electrode formed on a wire, a method for manufacturing the same, and a blood flow meter including the same, and more particularly, to an ultra-small flow sensor including a sensor electrode formed in a micro-pattern shape on a guide wire, a method for manufacturing the same, and a blood flow meter including the same.
세계보건기구(WHO)의 2019년 조사에 따르면 심혈관계 질환(cardiovascular disease, CVD)은 전세계적으로 중대한 사망 원인 중 하나로서 심각한 사회 경제적 부담으로 이어지고 있다. 심혈관계 질환은 심장에 혈액을 공급하는 관상 동맥의 협착 또는 폐색에 의해 발생하며, 심장에 혈액 공급량을 감소시키고 궁극적으로 심부전을 초래하여 높은 이환율(morbidity) 및 사망률로 이어진다. 이러한 중증 심혈관 질환을 미연에 방지하기 위하여 관상동맥의 혈류량 변화와 같은 비정상적인 혈류를 쉽고 간단한 방법으로 직접, 정확하게 감지할 수 있는 진단 기술이 요구되고 있다.According to a 2019 World Health Organization (WHO) survey, cardiovascular disease (CVD) is a leading cause of death worldwide, posing a significant socioeconomic burden. CVD is caused by narrowing or occlusion of the coronary arteries that supply blood to the heart, reducing blood flow to the heart and ultimately leading to heart failure, leading to high morbidity and mortality. To prevent these serious cardiovascular diseases, diagnostic technologies that can directly and accurately detect abnormal blood flow, such as changes in coronary artery blood flow, are needed.
심혈관계 질환 진단을 위한 혈류 변화 측정에는 대표적으로 혈압을 기반으로 하는 분획혈류 예비력(fractional flow reserve, FFR), 비파형 순간비(instantaneous wave-free ratio, iFR) 등이 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2011-0063667호에서는 협착성 병변을 지나는 분획혈류 예비력을 측정하기 위한 혈관 내 이송 센서 장치를 개시하고 있다. 그러나, 압력을 감지하는 방법은 대동맥과 병변을 지나는 부위 사이의 압력차를 기반으로 혈류 변화를 간접적으로 추정하기 때문에 정확성에 한계가 있고, 이러한 오류는 오진 및 의료 사고로 이어질 수 있다는 위험성이 있다.Representative blood flow measurement methods for diagnosing cardiovascular disease include blood pressure-based fractional flow reserve (FFR) and instantaneous wave-free ratio (iFR). For example, Korean Patent Publication No. 10-2011-0063667 discloses an intravascular transport sensor device for measuring fractional flow reserve across a stenotic lesion. However, pressure-sensing methods indirectly estimate blood flow changes based on the pressure difference between the aorta and the area passing through the lesion, which limits their accuracy. These errors can lead to misdiagnosis and medical errors.
혈류 측정에 이용되는 또 다른 방법으로는 열희석법(thermal dilution)을 예시할 수 있다. 열희석법은 식염수를 관상동맥에 주입하여 온도가 회복되는 데 걸리는 시간을 측정하는 방법으로, 안정 상태와 충혈 상태에 걸리는 시간의 비율로 정의되는 관상동맥 예비력(coronary flow reserve, CFR)을 이용하여 혈류 속도를 결정한다. 그러나 열희석법은 측정 방법이 복잡할 뿐만 아니라 지시약 주입량과 시기에 영향을 받기 때문에 이 또한 결과의 신뢰도가 높지 않다는 단점이 있다.Another method used to measure blood flow is thermal dilution. This method involves injecting saline solution into the coronary artery and measuring the time it takes for temperature to return to normal. Blood flow velocity is then determined using coronary flow reserve (CFR), defined as the ratio of the time between resting and hyperemic states. However, thermal dilution is not only complex to measure, but is also susceptible to the dose and timing of indicator injection, leading to unreliable results.
이와 같은 종래 진단법의 한계를 극복하기 위해, 최근에는 센서가 장착된 의료용 가이드 와이어 또는 카테터에 대한 기술이 개발되고 있다. 예를 들어, 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0050275호에서는 혈관내 카테터에 혈류를 감지하는 센서를 구비할 수 있다고 기재하고 있다. To overcome the limitations of conventional diagnostic methods, technology for medical guide wires or catheters equipped with sensors has recently been developed. For example, Republic of Korea Patent Publication No. 10-2018-0050275 discloses that intravascular catheters can be equipped with sensors to detect blood flow.
이와 같이 유량 센서가 장착된 가이드 와이어 또는 카테터를 이용하면 혈관 내 병변 부위의 혈류를 직접적으로 정확하게 측정할 수 있으며 시술자의 주관적 해석이나 환자별 신체적 특성에 영향을 받지 않는다는 장점이 있다. 그러나 초소형 가이드 와이어에 마이크로 센서 회로를 정밀하게 형성하기 어렵고 성능 향상을 위한 미세한 설계 변경이 까다롭다는 문제가 있는 바, 유량을 직접 측정할 수 있는 초소형 센서로서 정확도가 우수한 유량 센서의 개발이 요구되고 있다.Guide wires or catheters equipped with flow sensors, as described above, allow for direct and accurate measurement of blood flow at lesion sites within blood vessels, without being influenced by the operator's subjective interpretation or individual patient characteristics. However, the difficulty of precisely forming microsensor circuits on ultra-small guide wires and the difficulty of making subtle design changes to improve performance necessitate the development of highly accurate, ultra-small sensors capable of directly measuring flow rate.
본 발명의 목적은 와이어 상에 미세 패턴 형태의 센서 전극이 형성된 초소형 유량 센서를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an ultra-small flow sensor having a sensor electrode formed in a micro-pattern shape on a wire.
본 발명의 다른 목적은 상기 유량 센서를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the above flow sensor.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 유량 센서를 포함하여 혈류 속도를 정확하게 측정할 수 있는 혈류 측정기를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a blood flow meter capable of accurately measuring blood flow velocity, including the above-described flow sensor.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중공 가이드 와이어; 상기 가이드 와이어 상에 위치하며 마이크로 히터(micro heater) 및 상기 마이크로 히터의 양 측에 위치하는 두 개의 서미스터(thermistor)를 포함하는 센서 전극; 상기 센서 전극의 각 말단에 연결된 전극 패드; 및 상기 전극 패드에 연결되며 가이드 와이어에 형성된 슬롯(slot)을 통해 중공 내로 삽입된 배선용 와이어를 포함하는 유량 센서를 제공한다.In order to achieve the above-described object, the present invention provides a flow sensor including: a hollow guide wire; a sensor electrode positioned on the guide wire and including a micro heater and two thermistors positioned on both sides of the micro heater; an electrode pad connected to each end of the sensor electrode; and a wiring wire connected to the electrode pad and inserted into the hollow through a slot formed in the guide wire.
본 발명에서, 상기 가이드 와이어의 직경은 200 내지 500㎛일 수 있다.In the present invention, the diameter of the guide wire may be 200 to 500 μm.
본 발명에서, 상기 가이드 와이어의 두께는 10 내지 100㎛일 수 있다.In the present invention, the thickness of the guide wire may be 10 to 100 μm.
본 발명의 상기 센서 전극에서, 마이크로 히터와 서미스터 사이의 간격은 10 내지 50㎛일 수 있다.In the sensor electrode of the present invention, the gap between the micro heater and the thermistor may be 10 to 50 μm.
본 발명의 유량 센서는 상기 가이드 와이어 및 센서 전극 사이에 테플론 코팅층을 더 포함할 수 있다.The flow sensor of the present invention may further include a Teflon coating layer between the guide wire and the sensor electrode.
본 발명의 유량 센서는 상기 센서 전극 및 가이드 와이어를 덮도록 형성된 파릴렌(parylene) 코팅층을 더 포함할 수 있다.The flow sensor of the present invention may further include a parylene coating layer formed to cover the sensor electrode and guide wire.
본 발명에서, 상기 파릴렌 코팅층의 두께는 1 내지 30㎛일 수 있다.In the present invention, the thickness of the parylene coating layer may be 1 to 30 μm.
본 발명에서, 상기 배선용 와이어의 직경은 10 내지 50㎛일 수 있다.In the present invention, the diameter of the wiring wire may be 10 to 50 μm.
본 발명은 또한, 하기 단계를 포함하는, 유량 센서의 제조방법을 제공할 수 있다:The present invention can also provide a method for manufacturing a flow sensor, comprising the following steps:
중공 가이드 와이어 상에 레이저 패터닝을 이용하여 마이크로 히터(micro heater) 및 상기 마이크로 히터의 양 측에 위치하는 두 개의 서미스터(thermistor)를 포함하는 센서 전극 및 상기 센서 전극의 각 말단에 연결된 전극 패드를 형성하는 단계;A step of forming a sensor electrode including a micro heater and two thermistors positioned on both sides of the micro heater and electrode pads connected to each end of the sensor electrode using laser patterning on a hollow guide wire;
상기 센서 전극 패드에 배선용 와이어를 접합하는 단계; 및A step of connecting a wiring wire to the above sensor electrode pad; and
상기 배선용 와이어를 가이드 와이어의 슬롯(slot)을 통해 중공 내에 삽입하는 단계.A step of inserting the above wiring wire into the hollow space through the slot of the guide wire.
본 발명에서, 상기 가이드 와이어 상에 센서 전극을 형성하기 전에, 테플론 코팅층을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다.In the present invention, before forming the sensor electrode on the guide wire, a step of forming a Teflon coating layer can be further performed.
본 발명에서, 상기 테플론 코팅층의 형성 단계는, 상기 가이드 와이어 상에 테플론 용액을 코팅하는 단계; 및 코팅된 테플론 용액을 열처리하여 경화시킴으로써 테플론 코팅층을 형성하는 단계를 포함할 수 있다.In the present invention, the step of forming the Teflon coating layer may include the step of coating a Teflon solution on the guide wire; and the step of forming the Teflon coating layer by heat-treating and hardening the coated Teflon solution.
본 발명에서, 상기 테플론 용액 코팅은, 가이드 와이어를 테플론 용액에 0.1 내지 10mm/s의 코팅 속도로 딥핑(dipping)하여 수행될 수 있다.In the present invention, the Teflon solution coating can be performed by dipping the guide wire into the Teflon solution at a coating speed of 0.1 to 10 mm/s.
본 발명에서, 상기 테플론 코팅층 형성 시 열처리는 200 내지 400℃에서 10 내지 60분 동안 수행될 수 있다.In the present invention, the heat treatment when forming the Teflon coating layer can be performed at 200 to 400°C for 10 to 60 minutes.
본 발명에서, 상기 가이드 와이어 상에 테플론 코팅층을 형성하기 전에, 가이드 와이어를 플라즈마(plasma) 처리하는 단계를 더 수행할 수 있다.In the present invention, before forming a Teflon coating layer on the guide wire, a step of plasma treating the guide wire may be further performed.
본 발명에서, 상기 플라즈마 처리는 10 내지 1,000W로 1 내지 20분 동안 수행될 수 있다.In the present invention, the plasma treatment can be performed at 10 to 1,000 W for 1 to 20 minutes.
본 발명에서, 상기 레이저 패터닝 단계에서 레이저 빔의 출력은 0.1 내지 10W일 수 있다.In the present invention, the output of the laser beam in the laser patterning step may be 0.1 to 10 W.
본 발명에서, 상기 센서 전극의 레이저 패터닝은, 가이드 와이어 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(bessel beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 가이드 와이어 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계에 의해 수행될 수 있다.In the present invention, the laser patterning of the sensor electrode can be performed by a step of forming a nanoparticle solution layer by applying a nanoparticle solution onto a guide wire; and a step of forming a micro pattern on the surface of the guide wire by irradiating the nanoparticle solution layer with a Bessel beam laser to induce sintering of the nanoparticles.
본 발명에서, 상기 센서 전극 형성 후, 파릴렌 코팅층을 형성하는 단계를 더 수행할 수 있다.In the present invention, after forming the sensor electrode, a step of forming a parylene coating layer can be further performed.
본 발명은 또한, 상기 유량 센서를 포함하는 혈류 측정기를 제공할 수 있다. The present invention can also provide a blood flow meter including the flow sensor.
본 발명에 따르면, 의료용 가이드 와이어의 표면에 레이저 소결 패터닝을 통해 미세 전극 패턴을 형성함으로써 초소형 열식 유량 센서를 제작할 수 있고, 전극 구조의 미세한 설계 변경을 통하여 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 초소형 유량 센서를 심혈관 내부에 삽입하여 혈류 측정에 이용하는 경우 혈관 내 혈류 속도를 정확하고 편리하게 측정할 수 있다.According to the present invention, an ultra-miniature thermal flow sensor can be manufactured by forming a microelectrode pattern on the surface of a medical guide wire through laser sintering patterning, and reliability can be significantly improved through minute design changes to the electrode structure. Accordingly, when the ultra-miniature flow sensor of the present invention is inserted into a cardiovascular system and used for blood flow measurement, blood flow velocity within the blood vessel can be accurately and conveniently measured.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 유량 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 유량 센서의 단면도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 유량 센서를 이용하여 혈관 내 혈류를 측정하는 방식을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에서 센서-온-와이어 형태의 유량 센서를 제작한 공정 사진을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 센서 제작 공정에서 가이드 와이어를 전처리하는 과정을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 센서 제작 공정에서 전극 패터닝 시 가우시안 레이저 빔을 베셀 빔으로 변형하기 위한 광학계의 설계를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 센서 제작 공정에서 레이저 필라멘트 소결을 통해 미세 패턴 형태의 전극을 형성하는 단계를 나타낸 것이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 센서 제작 공정에서 형성되는 미세 패턴 형태의 전극 설계도를 나타낸 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유량 센서 제작 공정에서 형성된 미세 전극의 고해상도 주사전자현미경(SEM) 사진을 나타낸 것이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에서 제작한 유량 센서 장치의 설계를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에서 레이저 출력에 따른 전극의 선폭 및 선형 저항 변화를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에서 가이드 와이어 상에 제작된 전극의 공초점 현미경 사진을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에서 가이드 와이어 상에 제작된 전극의 박리 시험 결과를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에서 제작된 센서의 적합성 시험에서 센서의 배치도를 나타낸 것이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에서 제작된 유량 센서의 평균 전압 진폭과 상용 유량 센서의 실제 유량의 선형 상관 관계를 나타낸 것이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에서 제작된 유량 센서와 초음파 방식을 기반으로 한 상업용 유량 센서 간의 유량 데이터 선형성 및 일관성을 나타낸 것이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에서 전극 간 이격 거리를 조절하여 제작된 유량 센서를 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에서 제작된 유량 센서에서 전극 간 이격 거리를 20㎛(a), 30㎛(b) 및 40㎛(c)로 조절함에 따른 데이터 신뢰도 차이를 보여주는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에서 제작된 센서를 관상동맥 내 삽입한 후 X선 영상을 모니터링한 사진을 나타낸 것이다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에서 제작된 유량 센서를 이용한 생체 내(in-vivo) 동물 실험 중 혈압 및 유량에 해당하는 과도 전압 신호를 나타낸 것이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에서 제작된 유량 센서를 이용한 실험에서 혈관확장제 주입 여부에 따른 혈류량의 전압신호 변화(정상 상태 및 충혈 상태)를 나타낸 것이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에서 제작된 유량 센서에 대해 제1 동물 실험(a) 및 제2 동물 실험(b)에서 측정된 평균 전압 진폭의 변화를 나타낸 것이다.Figure 1 schematically illustrates the structure of a flow sensor according to one embodiment of the present invention.
Figure 2 shows a cross-sectional view of a flow sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 illustrates a method for measuring blood flow in a blood vessel using a flow sensor according to one embodiment of the present invention.
Figure 4 shows a process photograph of manufacturing a sensor-on-wire type flow sensor in one embodiment of the present invention.
Figure 5 illustrates a process of preprocessing a guide wire in a process for manufacturing a flow sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 illustrates the design of an optical system for transforming a Gaussian laser beam into a Bessel beam during electrode patterning in a process for manufacturing a flow sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 illustrates a step of forming a micro-patterned electrode through laser filament sintering in a flow sensor manufacturing process according to one embodiment of the present invention.
Figure 8 illustrates a design diagram of an electrode in the form of a micro-pattern formed in a process for manufacturing a flow sensor according to one embodiment of the present invention.
Figure 9 shows a high-resolution scanning electron microscope (SEM) photograph of a microelectrode formed in a process for manufacturing a flow sensor according to one embodiment of the present invention.
Figure 10 schematically illustrates the design of a flow sensor device manufactured in one embodiment of the present invention.
Figure 11 shows the change in line width and linear resistance of an electrode according to laser output in one embodiment of the present invention.
Figure 12 shows a confocal microscope photograph of an electrode fabricated on a guide wire in one embodiment of the present invention.
Figure 13 shows the results of a peeling test of an electrode manufactured on a guide wire in one embodiment of the present invention.
Figure 14 shows a sensor layout diagram in a suitability test of a sensor manufactured in one embodiment of the present invention.
Figure 15 shows the linear correlation between the average voltage amplitude of a flow sensor manufactured in one embodiment of the present invention and the actual flow rate of a commercial flow sensor.
Figure 16 shows the linearity and consistency of flow data between a flow sensor manufactured in one embodiment of the present invention and a commercial flow sensor based on ultrasonic technology.
Figure 17 illustrates a flow sensor manufactured by adjusting the distance between electrodes in one embodiment of the present invention.
Fig. 18 is a graph showing the difference in data reliability according to adjusting the distance between electrodes to 20 μm (a), 30 μm (b), and 40 μm (c) in a flow sensor manufactured in one embodiment of the present invention.
Figure 19 shows a photograph of an X-ray image monitored after inserting a sensor manufactured in one embodiment of the present invention into a coronary artery.
Figure 20 shows transient voltage signals corresponding to blood pressure and flow rate during an in-vivo animal experiment using a flow sensor manufactured in one embodiment of the present invention.
Figure 21 shows the change in voltage signal of blood flow (normal state and congested state) depending on whether a vasodilator is injected in an experiment using a flow sensor manufactured in one embodiment of the present invention.
Figure 22 shows the change in average voltage amplitude measured in the first animal experiment (a) and the second animal experiment (b) for the flow sensor manufactured in one embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 구체적인 구현 형태에 대해서 보다 상세히 설명한다. 다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Hereinafter, specific implementations of the present invention will be described in more detail. Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as commonly understood by one skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.
본 발명은 가이드 와이어 상에 형성된 센서 전극을 포함하는 초소형 유량 센서(flow sensor), 이의 제조방법 및 이를 포함하는 혈류 측정기에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra-small flow sensor including a sensor electrode formed on a guide wire, a method for manufacturing the same, and a blood flow meter including the same.
본 발명에 따르면, 의료용 가이드 와이어의 표면에 레이저 소결 패터닝을 통해 미세 전극 패턴을 형성함으로써 초소형 열식 유량 센서(micro thermal flow sensor)를 제작할 수 있다. 또한, 상기 초소형 유량 센서를 혈류 측정기에 적용하는 경우 심혈관 내부에 삽입하여 혈관 내 혈류 속도를 정확하고 편리하게 측정할 수 있다.According to the present invention, a micro thermal flow sensor can be manufactured by forming a micro electrode pattern on the surface of a medical guide wire through laser sintering patterning. Furthermore, when applied to a blood flow meter, the micro thermal flow sensor can be inserted into a cardiovascular system to accurately and conveniently measure blood flow velocity within the blood vessel.
본 발명의 초소형 유량 센서는 의료용 가이드 와이어 상에 미세 패턴 형태의 센서 전극을 포함하는 구조를 갖는다.The ultra-small flow sensor of the present invention has a structure including a sensor electrode in the form of a micro-pattern on a medical guide wire.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 유량 센서의 구조를 개략적으로 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 유량 센서(100)는 중공 가이드 와이어(110); 상기 가이드 와이어(110) 상에 위치하며, 마이크로 히터(121) 및 상기 마이크로 히터의 양 측에 위치하는 두 개의 서미스터(122)를 포함하는 센서 전극(120); 상기 센서 전극(120)의 각 말단에 연결된 전극 패드(130); 및 상기 전극 패드(130)에 연결되며 가이드 와이어(110)에 형성된 슬롯(S)을 통해 중공 내로 삽입된 배선용 와이어(140)를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 마이크로 히터(121)의 상류 및 하류에 위치하는 서미스터(122)는 각각 업스트림 서미스터(122a) 및 다운스트림 서미스터(122b)로 구분할 수 있다.FIG. 1 schematically illustrates the structure of a flow sensor according to one embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the flow sensor (100) of the present invention may include a hollow guide wire (110); a sensor electrode (120) positioned on the guide wire (110) and including a micro heater (121) and two thermistors (122) positioned on both sides of the micro heater; an electrode pad (130) connected to each end of the sensor electrode (120); and a wiring wire (140) connected to the electrode pad (130) and inserted into the hollow through a slot (S) formed in the guide wire (110). At this time, the thermistors (122) positioned upstream and downstream of the micro heater (121) may be classified into an upstream thermistor (122a) and a downstream thermistor (122b), respectively.
상기 구조를 갖는 유량 센서는, 중공 가이드 와이어(110) 상에 레이저 패터닝을 이용하여 마이크로 히터(121) 및 상기 마이크로 히터의 양 측에 위치하는 두 개의 서미스터(122)를 포함하는 센서 전극(120) 및 상기 센서 전극(120)의 각 말단에 연결된 전극 패드(130)를 형성하는 단계; 상기 전극 패드(130)에 배선용 와이어(140)를 접합하는 단계; 및 상기 배선용 와이어(140)를 가이드 와이어(110)의 슬롯(S)을 통해 중공 내에 삽입하는 단계를 통해 제작될 수 있다.A flow sensor having the above structure can be manufactured through a step of forming a sensor electrode (120) including a micro heater (121) and two thermistors (122) positioned on both sides of the micro heater using laser patterning on a hollow guide wire (110), and an electrode pad (130) connected to each end of the sensor electrode (120); a step of joining a wiring wire (140) to the electrode pad (130); and a step of inserting the wiring wire (140) into the hollow space through a slot (S) of the guide wire (110).
가이드 와이어(guide wire)란 인체의 혈관에 의료 장치를 삽입하기 위한 의료용 와이어를 의미하며, 본 발명에서는 내부에 공간이 형성된 중공 가이드 와이어를 이용한다. 일반적으로, 가이드 와이어는 의료 시술 및 인체와의 접촉을 고려하여 스테인리스강(SUS) 소재가 사용되나 이에 제한되는 것은 아니며, 생체 적합성을 갖는 다른 금속 또는 신소재의 가이드 와이어도 본 발명에 적용될 수 있다.A guide wire is a medical wire used to insert medical devices into blood vessels in the human body. The present invention utilizes a hollow guide wire with a space formed within it. Typically, guide wires are made of stainless steel (SUS) to accommodate medical procedures and contact with the human body, but this is not a limitation; guide wires made of other biocompatible metals or new materials can also be applied to the present invention.
본 발명에서, 상기 가이드 와이어의 직경(diameter)은 200 내지 500㎛, 바람직하게는 250 내지 400㎛, 더 바람직하게는 300 내지 380㎛일 수 있다. 직경이 너무 작은 경우 가이드 와이어의 중공에 배선용 와이어를 삽입하기 어려울 수 있고, 직경이 너무 큰 경우 체내 삽입에 적합하지 않을 수 있다. 또한, 상기 가이드 와이어로는 두께가 10 내지 100㎛, 바람직하게는 20 내지 80㎛, 더 바람직하게는 40 내지 60㎛인 것을 이용할 수 있다.In the present invention, the diameter of the guide wire may be 200 to 500 μm, preferably 250 to 400 μm, and more preferably 300 to 380 μm. If the diameter is too small, it may be difficult to insert the wiring wire into the hollow portion of the guide wire, and if the diameter is too large, it may not be suitable for insertion into the body. In addition, the guide wire may have a thickness of 10 to 100 μm, preferably 20 to 80 μm, and more preferably 40 to 60 μm.
본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 가이드 와이어 상에는 센서 전극 형성 시 금속 나노입자의 코팅 효과를 높이기 위해 테플론(Teflon, PTFE) 코팅을 진행할 수 있다. 즉, 가이드 와이어 및 센서 전극 사이에는 테플론 코팅층이 형성될 수 있다.In one embodiment of the present invention, a Teflon (PTFE) coating may be applied to the guide wire to enhance the coating effect of metal nanoparticles when forming the sensor electrode. That is, a Teflon coating layer may be formed between the guide wire and the sensor electrode.
상기 테플론 코팅층은 상기 가이드 와이어 상에 테플론 용액을 코팅하는 단계; 및 코팅된 테플론 용액을 열처리하여 경화시키는 단계를 통해 형성될 수 있다. The above Teflon coating layer can be formed through a step of coating a Teflon solution on the guide wire; and a step of hardening the coated Teflon solution by heat treatment.
바람직하게, 상기 테플론 용액의 코팅은 딥핑(dipping) 방법을 통해 수행될 수 있다. 구체적으로, 가이드 와이어를 0.1 내지 10mm/s, 바람직하게 0.5 내지 2mm/s의 속도로 테플론 용액에 딥핑하는 방식으로 코팅을 수행할 수 있다. 상기 코팅 속도는 테플론 코팅층의 두께 및 코팅면의 품질에 영향을 미치는 공정 조건으로서 코팅 속도가 너무 빠르거나 느린 경우 코팅면이 불규칙하고 두꺼워질 수 있으나, 본 발명에서는 코팅 속도를 상기 범위로 조절함으로써 균일하고 적절한 두께를 갖는 테플론 코팅층을 형성할 수 있다. 상기 코팅 공정을 통해 형성된 테플론 코팅층의 두께는 1 내지 20㎛일 수 있으며, 바람직하게는 3 내지 10㎛, 더 바람직하게는 5 내지 8㎛일 수 있다.Preferably, the coating of the Teflon solution can be performed through a dipping method. Specifically, the coating can be performed by dipping the guide wire into the Teflon solution at a speed of 0.1 to 10 mm/s, preferably 0.5 to 2 mm/s. The coating speed is a process condition that affects the thickness of the Teflon coating layer and the quality of the coating surface. If the coating speed is too fast or slow, the coating surface may become irregular and thick. However, in the present invention, by controlling the coating speed within the above range, a Teflon coating layer having a uniform and appropriate thickness can be formed. The thickness of the Teflon coating layer formed through the coating process may be 1 to 20 μm, preferably 3 to 10 μm, and more preferably 5 to 8 μm.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 테플론 코팅층 형성 전 플라즈마(plasma) 처리 공정을 수행할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, a plasma treatment process can be performed before forming the Teflon coating layer.
플라즈마 처리는 기체 상태의 입자를 표면에 전달하여 물리/화학적 반응을 유발하는 표면 처리 기술로서, 본 발명에서는 가이드 와이어 표면을 플라즈마 처리함으로써 테플론 용액을 균질하게 코팅할 수 있다.Plasma treatment is a surface treatment technology that induces a physical/chemical reaction by delivering gaseous particles to the surface. In the present invention, a Teflon solution can be uniformly coated by subjecting the guide wire surface to plasma treatment.
상기 플라즈마 처리는 10 내지 1,000W, 바람직하게는 50 내지 200W 조건에서 1 내지 20분, 바람직하게는 2 내지 10분 동안 수행될 수 있다. 플라즈마 처리 조건이 상기 범위를 벗어나는 경우 테플론 코팅층이 균질하지 않으면서 레이저를 이용한 전극 패터닝 시 전극이 끊어지는 등 수율이 좋지 않은 문제가 있으나, 상기 범위의 조건에서 플라즈마 처리를 수행하면 테플론 코팅층이 균일하게 형성되므로 바람직하다.The above plasma treatment can be performed for 1 to 20 minutes, preferably 2 to 10 minutes, under conditions of 10 to 1,000 W, preferably 50 to 200 W. If the plasma treatment conditions are outside the above range, there are problems such as poor yield, such as the Teflon coating layer not being homogeneous and the electrodes breaking during electrode patterning using a laser. However, if the plasma treatment is performed under the conditions of the above range, the Teflon coating layer is formed uniformly, which is preferable.
본 발명에서, 테플론 용액을 코팅한 후 코팅면을 경화시키기 위하여 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. In the present invention, it is preferable to perform heat treatment to harden the coating surface after coating the Teflon solution.
구체적으로, 테플론 용액을 코팅한 후 200 내지 400℃, 바람직하게 250 내지 350℃의 온도에서 열처리하여 경화시킴으로써 테플론 코팅층을 형성할 수 있다. 열처리 온도가 상기 범위를 초과하는 경우 코팅면이 단단해지기는 하지만 표면이 불규칙하기 때문에 후속 공정인 센서 전극 패터닝이 어려울 수 있으며, 온도가 너무 낮은 경우 코팅층이 충분히 경화되지 않는 문제가 발생할 수 있으므로, 상기 온도 범위로 열처리를 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 열처리는 10 내지 60분, 바람직하게는 20 내지 40분 동안 수행될 수 있다.Specifically, a Teflon coating layer can be formed by coating a Teflon solution and then heat-treating at a temperature of 200 to 400°C, preferably 250 to 350°C, to harden it. If the heat treatment temperature exceeds the above range, the coating surface becomes hard, but the surface becomes irregular, making it difficult to pattern the sensor electrode, which is a subsequent process. In addition, if the temperature is too low, a problem may occur in which the coating layer is not sufficiently hardened. Therefore, it is preferable to perform the heat treatment within the above temperature range. In addition, the heat treatment can be performed for 10 to 60 minutes, preferably 20 to 40 minutes.
본 발명에서 가이드 와이어 상에 형성되는 센서 전극은 미세한 패턴 형태를 갖는 것으로, 본 발명에서는 직경이 작은 초소형 가이드 와이어 상에 패턴 형태의 전극을 형성하기 위해 레이저 패터닝 방법을 이용한다.In the present invention, the sensor electrode formed on the guide wire has a fine pattern shape, and in the present invention, a laser patterning method is used to form the pattern-shaped electrode on an ultra-small guide wire with a small diameter.
구체적으로, 본 발명에 따른 센서 전극의 레이저 패터닝은 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및 상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(bessel beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 와이어 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계에 의해 수행될 수 있다.Specifically, the laser patterning of the sensor electrode according to the present invention can be performed by a step of forming a nanoparticle solution layer by applying a nanoparticle solution; and a step of forming a micro pattern on the surface of the wire by irradiating the nanoparticle solution layer with a Bessel beam laser to induce sintering of the nanoparticles.
상기 나노입자 용액은 수 나노미터(nm)에서 수백 마이크로미터(㎛)의 다양한 크기를 갖는 나노입자가 용매에 용해 또는 분산된 용액을 의미한다. 상기 나노입자의 크기는 코팅되는 물질의 종류에 따라 상이하게 적용될 수 있으나, 10 내지 500nm의 평균 입경을 갖는 것이 바람직하며, 50 내지 100nm의 평균 입경을 갖는 것이 코팅의 균일성을 고려할 때 더욱 바람직하다. The above nanoparticle solution refers to a solution in which nanoparticles of various sizes ranging from several nanometers (nm) to hundreds of micrometers (㎛) are dissolved or dispersed in a solvent. The size of the nanoparticles may vary depending on the type of material to be coated, but an average particle size of 10 to 500 nm is preferable, and an average particle size of 50 to 100 nm is more preferable when considering the uniformity of the coating.
상기 나노입자는 와이어에 미세 패턴을 형성하기 위한 물질을 입자화한 것이다. 바람직하게, 상기 나노입자는 전극 물질로 주로 사용되는 금속 나노입자일 수 있으며, 인체와의 적합성을 고려하여 은(Ag), 금(Au), 백금(Pt) 등의 금속 나노입자 또는 이들의 혼합물을 사용할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. The above nanoparticles are particles of a material for forming a micro-pattern on a wire. Preferably, the nanoparticles may be metal nanoparticles, which are mainly used as electrode materials. Considering compatibility with the human body, metal nanoparticles such as silver (Ag), gold (Au), platinum (Pt), or mixtures thereof may be used, but are not limited thereto.
상기 나노입자 용액에 사용되는 용매로는 증류수, 탈이온수 등의 무기용매, 또는 이소프로판올(isopropanol), 에탄올(ethanol), 메탄올(methanol), 부탄올(butanol), 프로판올(propanol), 글리콜에테르(glycol ether), 아세톤(acetone), 톨루엔(toluene), 디클로로메탄(dichloromethane), 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran, THF), 디메틸포름아미드(dimethylformamide) 등의 유기용매를 사용할 수 있다.The solvent used in the above nanoparticle solution may be an inorganic solvent such as distilled water or deionized water, or an organic solvent such as isopropanol, ethanol, methanol, butanol, propanol, glycol ether, acetone, toluene, dichloromethane, tetrahydrofuran (THF), or dimethylformamide.
상기 나노입자는 용매에 분산 또는 용해된 상태로 존재할 수 있으며, 나노입자가 용매에 용해된 경우 이온의 형태로 존재하게 된다.The above nanoparticles may exist in a state dispersed or dissolved in a solvent, and when the nanoparticles are dissolved in a solvent, they exist in the form of ions.
상기 나노입자 용액에서, 나노입자의 함량은 5 내지 50중량%, 바람직하게는 30 내지 40중량%인 것이 바람직하다. 나노입자의 함량이 너무 낮은 경우 미세 패턴의 형성이 어렵고, 나노입자 함량이 너무 높은 경우 미세 패턴의 코팅이 불균일하거나 성장 소결에 과도한 시간이 소요될 수 있다. In the above nanoparticle solution, the content of nanoparticles is preferably 5 to 50 wt%, preferably 30 to 40 wt%. If the content of nanoparticles is too low, it is difficult to form a fine pattern, and if the content of nanoparticles is too high, the coating of the fine pattern may be uneven or excessive time may be required for growth sintering.
또한, 상기 나노입자 용액은 10 내지 200cP의 점도를 갖는 것이 바람직하다. 나노입자 용액의 점도가 너무 낮은 경우 와이어에 코팅이 잘 유지되지 않아 공정이 어렵게 되고, 점도가 너무 높으면 작업성이 나쁘게 된다. 상기 나노입자 용액층은 10nm 내지 1mm의 두께로 도포될 수 있으며, 100 내지 500nm 두께로 도포되는 것이 바람직하다.In addition, it is preferred that the nanoparticle solution have a viscosity of 10 to 200 cP. If the viscosity of the nanoparticle solution is too low, the coating is not well maintained on the wire, making the process difficult. If the viscosity is too high, workability is poor. The nanoparticle solution layer can be applied to a thickness of 10 nm to 1 mm, and is preferably applied to a thickness of 100 to 500 nm.
상기 나노입자 용액을 와이어에 도포(코팅)하는 방법으로는 와이어에 균일하게 용액을 도포할 수 있는 알려진 공정을 사용할 수 있으며, 예를 들어, 딥(dip) 코팅, 스프레이(spray) 코팅, 잉크젯(inkjet) 코팅 등을 사용할 수 있다. 본 발명에서는 가이드 와이어에 나노입자 용액을 균일하게 코팅하기 위해 딥 코팅 방법을 사용하는 것이 바람직하며, 이때 코팅 속도는 0.1 내지 10mm/s로 조절할 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 2mm/s의 속도로 코팅할 수 있다.As a method for applying (coating) the above nanoparticle solution to the wire, a known process capable of uniformly applying the solution to the wire can be used, for example, dip coating, spray coating, inkjet coating, etc. In the present invention, it is preferable to use a dip coating method to uniformly coat the nanoparticle solution on the guide wire, and at this time, the coating speed can be adjusted to 0.1 to 10 mm/s, and preferably, the coating can be performed at a speed of 0.5 to 2 mm/s.
상기 코팅 과정에서, 필요에 따라 나노입자 용액을 건조시키는 단계를 수행할 수 있다. 상기 건조 단계를 통하여 나노입자 용액의 용매를 증발시킬 수 있으며, 나노입자 용액의 코팅과 건조를 수 차례 반복하는 것도 가능하다. During the above coating process, a step of drying the nanoparticle solution may be performed, if necessary. The drying step can evaporate the solvent in the nanoparticle solution, and the coating and drying of the nanoparticle solution can also be repeated multiple times.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 가이드 와이어의 표면에 나노입자 용액층을 도포하는 공정에 따라, 가이드 와이어의 고정 단계의 순서를 결정할 수 있다. 가이드 와이어를 나노입자 용액에 침지시킨 후 꺼내는 딥 코팅의 경우 나노입자 용액을 코팅한 이후 와이어를 고정하는 것이 바람직하며, 스프레이 코팅 또는 잉크젯 코팅의 경우 가이드 와이어를 고정한 다음 코팅을 수행하는 것이 더 바람직하다. 예를 들어, 가이드 와이어를 먼저 고정한 후 노즐을 지나가도록 작동하여 나노입자 용액을 코팅할 수 있다. In a preferred embodiment of the present invention, the order of the guide wire fixing steps can be determined depending on the process of applying a nanoparticle solution layer to the surface of the guide wire. In the case of dip coating, in which the guide wire is immersed in a nanoparticle solution and then removed, it is preferable to fix the wire after coating the nanoparticle solution. In the case of spray coating or inkjet coating, it is more preferable to fix the guide wire and then perform the coating. For example, the guide wire can be first fixed and then operated to pass through a nozzle to coat the nanoparticle solution.
본 발명에서 "고정"이란 가이드 와이어가 코팅 과정에서 구부러지는 등 형태가 변하지 않도록 미세 패턴이 형성될 영역의 양 말단을 잡아당겨 일정한 장력이 유지되도록 하는 것을 의미한다. 이와 같이 고정된 가이드 와이어는 후술하는 레이저 조사를 위하여 장력이 유지된 채로 이동할 수 있으며, 가이드 와이어가 특정 위치에 고정된다는 의미가 아니다. In the present invention, "fixing" means maintaining a constant tension by pulling both ends of the area where the micro-pattern will be formed to prevent the guide wire from bending or otherwise changing shape during the coating process. A guide wire fixed in this manner can be moved while maintaining tension for laser irradiation, as described below. This does not mean that the guide wire is fixed in a specific location.
상기 가이드 와이어의 "말단"이란, 미세 패턴이 형성될 영역의 양 말단을 의미하는 것이며, 반드시 가이드 와이어 전체 길이의 말단에 한정되는 것은 아니다. The “ends” of the above guide wire refer to both ends of the area where the micro pattern is to be formed, and are not necessarily limited to the ends of the entire length of the guide wire.
본 발명에서, 가이드 와이어에 나노입자 용액층을 코팅하고 와이어를 고정한 후(또는 그 반대의 순서), 상기 나노입자 용액층에 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 가이드 와이어에 미세 패턴 형태의 전극을 형성할 수 있다.In the present invention, after coating a nanoparticle solution layer on a guide wire and fixing the wire (or vice versa), a laser is irradiated on the nanoparticle solution layer to induce sintering of the nanoparticles, thereby forming an electrode in the form of a micro-pattern on the guide wire.
일반적으로 레이저를 이용하여 입체적인 기판 상에 균일하게 소결된 박막을 얻기 위해서는 기판에 굴곡진 면에 정확히 초점을 맞춘 상태에서 소결 공정을 진행해야 하지만, 가이드 와이어와 같이 3차원 형상의 굴곡진 기판에 레이저의 초점을 맞추는 것에 상당한 기술적 난이도가 요구된다. 안정적으로 소결이 가능한 레이저 빔의 길이는 초점의 수배 이내이기 때문에 기판의 소결 부위에 레이저 초점이 정확히 위치하도록 기판이나 초점 위치를 실시간으로 이동시켜야 한다. 이 경우 포지셔닝을 위한 추가적인 정밀시스템이 요구되며, 공정 난이도와 비용이 비약적으로 증가하게 된다.Typically, to obtain a uniformly sintered thin film on a three-dimensional substrate using a laser, the sintering process must be performed while precisely focusing on the curved surface of the substrate. However, focusing the laser on a curved three-dimensional substrate, such as a guide wire, requires considerable technical difficulty. Since the length of the laser beam capable of stable sintering is within several times the focal point, the substrate or the focal point must be moved in real time to ensure that the laser focus is precisely positioned on the sintering area of the substrate. This requires an additional precision positioning system, dramatically increasing the difficulty and cost of the process.
본 발명에서는 광학계를 사용하여 긴 초점을 갖는 변형된 빔을 사용함으로써 곡률을 갖는 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성하였다. In the present invention, a micro pattern is formed on the surface of a wire having a curve by using a modified beam having a long focus using an optical system.
구체적으로, 본 발명에서는 베셀 빔(bessel beam)을 이용하여 긴 초점 심도를 갖는 광학계를 구성함으로써 미세 패턴을 형성할 수 있다. 베셀 빔은 좁은 영역에 빔을 집속하여 에너지의 소모를 줄이고 집중도를 증가시켜 빔의 초점 크기를 감소시키기 때문에 광 파장 크기의 패턴 형성을 할 수 있고, 간섭을 이용하여 빔을 집속시키며 긴 초점심도(depth of focus)를 가져 와이어의 표면에 미세 패턴 형성을 가능하게 한다.Specifically, the present invention can form a fine pattern on the surface of a wire by constructing an optical system having a long depth of focus using a Bessel beam. The Bessel beam reduces energy consumption by focusing the beam on a narrow area, increases concentration, and reduces the focal size of the beam, thereby enabling the formation of a pattern the size of an optical wavelength. In addition, the beam is focused using interference and has a long depth of focus, enabling the formation of a fine pattern on the surface of a wire.
상기 베셀 빔의 구체적인 원리 및 이를 구현하기 위한 광학계는 본 발명자의 등록특허 제10-2181868호를 참조로 설명한다.The specific principle of the above Bessel beam and the optical system for implementing it are described with reference to the inventor's registered patent No. 10-2181868.
가이드 와이어에 코팅된 나노입자 용액층에 레이저 빔이 조사되면, 나노입자가 가열되어 성장함에 따라 그 크기가 증가하여 서로 결합되면서 소결된다. 이때 나노입자의 소결은 레이저 빔의 초점 크기를 1㎛로 조절하는 경우 약 1㎛ 수준의 분해능(resolution)으로 패턴을 형성할 수 있다. 이에 따라 가이드 와이어의 표면에 미세 패턴을 정밀하게 형성하는 것이 가능하다.When a laser beam is irradiated onto a nanoparticle solution layer coated on a guide wire, the nanoparticles heat up and grow, increasing in size and bonding to each other, resulting in sintering. When the laser beam's focus is adjusted to 1 μm, the nanoparticle sintering can form a pattern with a resolution of approximately 1 μm. This allows for the precise formation of microscopic patterns on the surface of the guide wire.
베셀 빔은 긴 초점 심도를 갖기 때문에 초점의 높낮이를 조절하지 않고도 가이드 와이어의 상면과 측면에 도포된 나노입자 용액을 가열하여 소결시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 방법에 의하면 가이드 와이어를 회전시키지 않고도 한번의 작업으로 가이드 와이어의 단면을 기준으로 중심각 180°까지, 바람직하게는 중심각 160°까지 미세 패턴을 형성할 수 있다. 이는 전체 360°를 기준으로 약 40 내지 50%의 면적을 한번의 작업으로 처리할 수 있다는 것을 의미한다.Because the Bessel beam has a long depth of focus, the nanoparticle solution applied to the upper and side surfaces of the guide wire can be heated and sintered without adjusting the height of the focus. Therefore, the method of the present invention can form a micropattern up to a central angle of 180°, preferably up to a central angle of 160°, based on the cross-section of the guide wire in a single operation without rotating the guide wire. This means that approximately 40 to 50% of the entire 360° area can be processed in a single operation.
본 발명에서 사용될 수 있는 레이저의 파장은 자외선, 가시광, 적외선을 사용할 수 있으며, 레이저의 종류는 예를 들어, fs(femtoseconds)에서 ms(milliseconds)까지의 CW(continuous wave) 레이저, QCW(quasi-continuous wave) 레이저, 펄스(pulse) 레이저 등을 포함할 수 있으며, 본 발명에서는 CW(continuous wave) 레이저를 이용하여 가이드 와이어 상에 미세 전극 패터닝을 용이하게 수행할 수 있다.The wavelength of the laser that can be used in the present invention may be ultraviolet light, visible light, or infrared light, and the type of laser may include, for example, a CW (continuous wave) laser, a QCW (quasi-continuous wave) laser, a pulse laser, etc., ranging from fs (femtoseconds) to ms (milliseconds). In the present invention, a CW (continuous wave) laser can be used to easily perform microelectrode patterning on a guide wire.
본 발명에 있어서, 레이저 조사는 라인 빔을 하나의 장치가 아닌 병렬로 프로세싱 하거나, 어레이 렌즈 등을 사용하여 다중으로 조사함으로써 더 빠르고 넓은 면적에 미세 패턴을 형성하도록 구성할 수 있다.In the present invention, the laser irradiation can be configured to form a fine pattern over a wider area more quickly by processing the line beam in parallel rather than by a single device, or by irradiating multiple beams using an array lens or the like.
또한, 레이저가 조사된 영역에서만 소결된 미세 패턴이 형성되므로 레이저 초점을 이동시키는 방법으로 자유로운 형상의 패턴 형성이 가능하다. 레이저 초점의 이동 방법으로는 예를 들어, 가이드 와이어를 고정한 상태에서 레이저를 이동시키거나, 레이저를 고정한 상태에서 가이드 와이어를 이동시키는 방식을 이용할 수 있다. 이때, 가이드 와이어는 이동 수단 위에 올려지기 때문에 이동 수단을 이동시킴으로써 와이어를 이동시킬 수 있다. 이렇게 이동 수단을 이용하여 레이저 또는 와이어를 이동시키며 패터닝 영역에 레이저를 조사하는 방법 이외에 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 사용하여 베셀 빔을 이동시키며 조사하는 방법, 그리고 이 두 가지 방법을 결합하여 사용하는 방법들이 사용될 수 있다.In addition, since a sintered micro-pattern is formed only in the area irradiated with the laser, it is possible to form a pattern of a free shape by moving the laser focus. For example, the method of moving the laser focus can be used by moving the laser while fixing the guide wire, or by moving the guide wire while fixing the laser. In this case, since the guide wire is placed on a moving means, the wire can be moved by moving the moving means. In addition to this method of moving the laser or wire using a moving means and irradiating the laser to the patterning area, a method of moving and irradiating the Bessel beam using a galvano scanner, or a method of combining these two methods can be used.
이렇게 미세 패턴 형성 영역으로 레이저를 이동시킨 후 베셀 빔의 초점이 조절되는데, 예를 들어, 대물 렌즈(objective lens), 스캐너(scanner) 등을 이용하여 초점이 조절될 수 있다. 또한, 형성하고자 하는 미세 패턴의 면적이나 두께에 영향을 미칠 수 있는 공정 온도, 레이저 빔 이동 속도(scan rate), 레이저 빔의 출력, 펄스폭, 반복율(repetition rate) 등이 조절될 수 있다.After moving the laser to the micro-pattern formation area, the focus of the Bessel beam is adjusted. For example, the focus can be adjusted using an objective lens, a scanner, etc. In addition, the process temperature, the laser beam movement speed (scan rate), the laser beam output, the pulse width, the repetition rate, etc., which can affect the area or thickness of the micro-pattern to be formed, can be adjusted.
본 발명의 레이저 패터닝 단계에서, 레이저 빔의 출력은 0.1 내지 10W일 수 있다. 상기 출력 범위의 레이저 빔을 조사하면 나노입자를 100 내지 2,000℃로 가열함으로써 나노입자가 단시간에 성장하면서 소결될 수 있다.In the laser patterning step of the present invention, the output of the laser beam may be 0.1 to 10 W. When a laser beam within the above output range is irradiated, the nanoparticles are heated to 100 to 2,000°C, thereby allowing the nanoparticles to grow and sinter in a short period of time.
본 발명의 바람직한 실시 형태에서, 상기 레이저 빔의 출력은 0.4 내지 1.0W, 바람직하게 0.6 내지 0.8W로 조절할 수 있다. 상기 범위에서 전극의 선폭과 선형 저항이 최적화되어 성능이 우수한 센서를 제작할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the output of the laser beam can be adjusted to 0.4 to 1.0 W, preferably 0.6 to 0.8 W. Within this range, the line width and linear resistance of the electrode are optimized, thereby enabling the production of a sensor with excellent performance.
본 발명의 공정은 레이저 빔을 이용하기 때문에 매우 빠른 속도로 패터닝을 하는 것이 가능하다. 구체적으로, 1mm/s 내지 10m/s의 속도로 와이어의 표면에 미세 패턴을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 약 3m/s의 속도로 미세 패턴을 형성할 수 있다. The process of the present invention utilizes a laser beam, enabling patterning at extremely high speeds. Specifically, micro-patterns can be formed on the surface of a wire at speeds ranging from 1 mm/s to 10 m/s, and preferably at speeds of approximately 3 m/s.
상기 베셀 빔의 초점 심도는 광학계의 구성에 따라 다르게 조정될 수 있는데, 빔 확대기를 이용하여 100㎛ 이상의 초점 심도를 구현할 수 있으며, 따라서 가이드 와이어의 굴곡진 표면에서도 초점을 상하로 이동하는 작업 없이 수평으로만 이동하여 나노입자의 소결로 인한 미세 패턴을 형성할 수 있다. The depth of focus of the above Bessel beam can be adjusted differently depending on the configuration of the optical system, and a depth of focus of 100 μm or more can be realized by using a beam expander, and thus, even on the curved surface of the guide wire, the focus can be moved only horizontally without moving up and down, thereby forming a fine pattern due to sintering of nanoparticles.
본 발명의 미세 패턴 형성 공정은 가이드 와이어의 표면에 미세 패턴이 형성될 부분에만 정밀하게 나노입자 용액층을 형성할 필요없이 더 넓은 영역 또는 와이어의 전체 면에 나노입자 용액층을 코팅한 후 레이저 조사를 필요한 영역에만 조사하여 미세 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 나노입자 용액층의 코팅에 정밀한 공정이 요구되지 않고 딥 코딩, 스프레이 코팅 등의 통상적인 코팅 공정으로 충분하다. The micro-pattern formation process of the present invention can form micro-patterns by coating a nano-particle solution layer over a wider area or the entire surface of the wire and then irradiating the laser only to the required area, without the need for precisely forming a nano-particle solution layer only on the surface of the guide wire where the micro-pattern is to be formed. Therefore, a precise process is not required for coating the nano-particle solution layer, and conventional coating processes such as dip coating or spray coating are sufficient.
본 발명의 방법은 또한, 가이드 와이어에 미세 패턴을 형성한 다음, 잔류하는 나노입자 용액을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method of the present invention may further include a step of forming a micro-pattern on a guide wire and then removing the remaining nanoparticle solution.
상기 나노입자 용액 제거 공정 또는 세척 공정은 초음파나 스프레이 등을 이용하는 방식이 사용되거나, 에탄올, 아세톤 등의 세척 용액을 이용하는 방식이 사용될 수 있으며, 이에 특별히 제한되지 않는다. The above nanoparticle solution removal process or washing process may use a method using ultrasonic waves or sprays, or a method using a washing solution such as ethanol or acetone, but is not particularly limited thereto.
상기 레이저 패터닝 방법에 따르면, 마이크로미터 스케일의 직경을 갖는 가이드 와이어의 표면에 수 내지 수십 마이크로미터 스케일의 미세 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 본 발명의 유량 센서는 혈관 내부 등 체내의 매우 작은 곳에 삽입이 가능하다. According to the above laser patterning method, a micro-pattern measuring several to several tens of micrometers can be formed on the surface of a guide wire having a diameter on the micrometer scale. Therefore, the flow sensor of the present invention can be inserted into extremely small locations within the body, such as inside blood vessels.
본 발명의 센서 전극은 열량 센서(calorimetric sensor) 구조로서, 마이크로 히터(micro heater) 및 상기 마이크로 히터의 양 측에 위치하는 두 개의 서미스터(thermistor)를 포함한다. The sensor electrode of the present invention has a calorimetric sensor structure, including a micro heater and two thermistors positioned on both sides of the micro heater.
마이크로 히터는 주변 온도 변화에 따라 열을 발생시키는 역할을 하며, 양 측에 위치하는 서미스터는 히터 상류에 위치하는 업스트림(upstream) 서미스터 및 히터 하류에 위치하는 다운스트림(downstream) 서미스터로 구분되어 유체 흐름에 의해 발생하는 온도를 감지할 수 있다. 이와 같은 구조에서 유체 흐름에 따른 온도차로 인하여 전기 신호가 발생되고 유량(유속)을 측정할 수 있다.The micro heater generates heat based on ambient temperature changes, and the thermistors located on both sides are divided into an upstream thermistor located upstream of the heater and a downstream thermistor located downstream of the heater, which can detect the temperature generated by the fluid flow. In this structure, an electrical signal is generated due to the temperature difference according to the fluid flow, and the flow rate (flow velocity) can be measured.
일정한 유속 조건에서, 센서 전극의 마이크로 히터에서 다운스트림(downstream) 서미스터까지 열이 전달되는 데 걸리는 시간은 거리에 따라 달라지며, 열 전달 시간은 센서의 응답 선형성에 영향을 주는 요인이다. 본 발명에서는 특정 유속 범위 내에서 가장 효과적인 열 전달 시간을 제공하기 위하여 센서 전극의 마이크로 히터와 서미스터 간의 간격을 조절할 수 있다. Under constant flow conditions, the time it takes for heat to transfer from the microheater on the sensor electrode to the downstream thermistor varies with distance, and the heat transfer time is a factor affecting the linearity of the sensor response. In the present invention, the gap between the microheater on the sensor electrode and the thermistor can be adjusted to provide the most effective heat transfer time within a specific flow rate range.
본 발명의 센서 전극에서, 마이크로 히터와 서미스터 간의 간격은 10 내지 50㎛, 바람직하게는 20 내지 40㎛, 더 바람직하게는 25 내지 35㎛일 수 있다. 본 발명에 따라 상기 간격을 최적의 거리로 조정하는 경우 혈액 유속과 센서 출력 전압 사이의 응답 선형성을 보정할 수 있다. In the sensor electrode of the present invention, the gap between the micro heater and the thermistor may be 10 to 50 μm, preferably 20 to 40 μm, and more preferably 25 to 35 μm. When the gap is adjusted to an optimal distance according to the present invention, the linearity of the response between the blood flow rate and the sensor output voltage can be corrected.
센서 전극에서 상기 간격이 너무 좁은 경우 일정 유량 이상이 되면 센서의 안정성이 매우 떨어질 수 있으며, 간격이 너무 넓은 경우 저유량에서 결과값의 일관성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있으나, 본 발명에서는 마이크로 히터와 서미스터 간의 간격을 최적화함으로써 모든 구간의 유량에서 실제 유량 및 선형성이 우수한 센서를 제작할 수 있다.If the gap between the sensor electrodes is too narrow, the stability of the sensor may be significantly reduced when the flow rate exceeds a certain level, and if the gap is too wide, the problem of inconsistent results may occur at low flow rates. However, in the present invention, by optimizing the gap between the micro heater and the thermistor, a sensor with excellent actual flow rate and linearity in all sections of the flow rate can be manufactured.
관련하여, 본 발명의 실시예에서는 센서 전극의 간격이 20㎛인 경우 200mL/min 이상의 유량에서 불안정한 결과가 확인되었고, 40㎛인 경우 고유량에서의 결과값은 안정적이지만 저유량에서 일관성이 저하되는 반면, 30㎛ 샘플에서는 모든 구간의 유량에서 실제 유량과 선형성이 우수한 것을 확인하였다.In relation to this, in the embodiment of the present invention, when the gap between the sensor electrodes was 20 μm, an unstable result was confirmed at a flow rate of 200 mL/min or more, and when the gap was 40 μm, the result value at high flow rate was stable, but the consistency was reduced at low flow rate, whereas in the 30 μm sample, it was confirmed that the linearity with the actual flow rate was excellent at the flow rate of all sections.
본 발명의 센서 전극에서, 서미스터의 폭은 5 내지 25㎛, 바람직하게는 10 내지 20㎛일 수 있다. 상기 범위에서, 금속의 발열 온도가 4℃ 이상이 되지 않도록 설계할 수 있다.In the sensor electrode of the present invention, the width of the thermistor may be 5 to 25 μm, preferably 10 to 20 μm. Within the above range, the design may be such that the heating temperature of the metal does not exceed 4°C.
본 발명의 일 실시 형태에서, 상기 유량 센서는 상기 가이드 와이어 및 센서 전극을 덮도록 형성된 파릴렌(parylene) 코팅층을 포함할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the flow sensor may include a parylene coating layer formed to cover the guide wire and the sensor electrode.
파릴렌은 파라-자일렌(p-xylene) 중합체를 통칭하는 개념으로, 파릴렌 코팅은 진공 상태에서 분말 상태의 원료를 기화시켜 폴리머 형태의 필름을 형성시키는 화학 기상 증착법(chemical-vapor deposition, CVD) 코팅 기술이다.Parylene is a general term for para-xylene ( p -xylene) polymers, and parylene coating is a chemical vapor deposition (CVD) coating technology that vaporizes powdered raw materials in a vacuum to form a polymer film.
상기 파릴렌 코팅을 통해 균일한 두께를 가지며 핀홀이 없는 코팅이 가능하고, 열변형 및 기계적 변형이 없도록 설계할 수 있다. 본 발명에서 상기 파릴렌 코팅층의 두께는 1 내지 30㎛일 수 있으며, 바람직하게는 5 내지 20㎛, 더 바람직하게는 8 내지 15㎛일 수 있다.The above parylene coating enables a coating having a uniform thickness and no pinholes, and can be designed to avoid thermal deformation and mechanical deformation. In the present invention, the thickness of the parylene coating layer may be 1 to 30 μm, preferably 5 to 20 μm, and more preferably 8 to 15 μm.
본 발명에서, 상기 센서 전극의 업스트림(upstream) 서미스터, 마이크로 히터 및 다운스트림(downstream) 서미스터는 각각 2개의 말단을 가지며, 각 말단에는 전극 패드가 연결된 구조를 갖는다. 즉, 본 발명의 유량 센서에는 총 6개의 전극 패드가 형성될 수 있다.In the present invention, the upstream thermistor, micro heater, and downstream thermistor of the sensor electrode each have two terminals, and each terminal has a structure in which an electrode pad is connected. That is, a total of six electrode pads can be formed in the flow sensor of the present invention.
상기 전극 패드의 폭은 10 내지 1,000㎛, 바람직하게는 50 내지 200㎛일 수 있으며, 전극 패드 간의 간격은 10 내지 1,000㎛, 바람직하게는 50 내지 200㎛일 수 있다.The width of the electrode pads may be 10 to 1,000 μm, preferably 50 to 200 μm, and the spacing between the electrode pads may be 10 to 1,000 μm, preferably 50 to 200 μm.
각 전극 패드에는 배선용 와이어가 연결되며, 상기 배선용 와이어는 가이드 와이어에 형성된 슬롯(slot)을 통해 가이드 와이어의 중공 내로 삽입된다. 이때, 상기 배선용 와이어의 직경은 10 내지 50㎛, 바람직하게는 20 내지 30㎛일 수 있다.A wiring wire is connected to each electrode pad, and the wiring wire is inserted into the hollow portion of the guide wire through a slot formed in the guide wire. At this time, the diameter of the wiring wire may be 10 to 50 μm, preferably 20 to 30 μm.
상기 전극 패드와 배선용 와이어는 1:1 개별 부착 방식 또는 동시 접합 방식을 이용하여 연결할 수 있다.The above electrode pad and wiring wire can be connected using a 1:1 individual attachment method or a simultaneous bonding method.
본 발명의 일 실시 형태에 따라 1:1 개별 부착 방식을 이용하는 경우, 프로브스테이션을 사용하여 가이드 와이어의 패턴과 배선용 와이어가 서로 직교하도록 정렬하고, 가이드 와이어 하부에 발열 필름을 부착하여 70℃ 이상의 열을 가한다. 다음으로 프로브스테이션의 미세조절용 암(arm)을 이용하여 센서 전극 패턴의 패드와 배선용 와이어를 고정하고, 그 위에 전도성 에폭시를 도포한 후 10분 동안 열에 의해 고정시키는 방식을 이용할 수 있다. 전극 패드와 배선용 와이어의 접합을 완료한 후, 배선용 와이어의 접합부 윗부분을 잘라내고 다시 전도성 에폭시를 도포하여 전기 신호가 연결되도록 설계할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, when using a 1:1 individual attachment method, a probe station is used to align the guide wire pattern and the wiring wire so as to be perpendicular to each other, and a heating film is attached to the lower part of the guide wire to apply heat of 70℃ or higher. Next, a method may be used in which the pad of the sensor electrode pattern and the wiring wire are fixed using the fine adjustment arm of the probe station, and conductive epoxy is applied thereon and then fixed by heat for 10 minutes. After completing the bonding of the electrode pad and the wiring wire, the upper part of the bonding portion of the wiring wire can be cut off and conductive epoxy can be applied again to design an electrical signal connection.
상기 1:1 개별 부착 방식을 이용하는 경우 절연 필름이 형성된 배선용 와이어의 피복 제거 없이 공정을 수행할 수 있으며, 초박형 절연 필름 제거를 위한 추가 공정 작업을 생략할 수 있다. 또한, 배선용 와이어의 피복이 벗겨진 부분이 없으므로 전기적으로 합선될 위험이 없다는 장점이 있다.When utilizing the above 1:1 individual attachment method, the process can be performed without removing the insulation film from the wiring wire, eliminating the need for additional processing steps to remove the ultra-thin insulation film. Furthermore, since no portion of the wiring wire's insulation is stripped, there is no risk of electrical short-circuiting.
본 발명의 다른 실시 형태에서, 동시 접합 방식을 이용할 수 있다. 이 경우, 플립 칩 본딩(flip chip bonding) 기법을 이용하여 동시 접합을 수행한다. 구체적으로, 금속 몰드를 사용하여 각각의 배선용 와이어를 분리한 후 전극 패드와 동일한 간격으로 고정한 폴리이미드(polyimide, PI) 필름을 이용하여 배선용 fPCB를 제작하고, 레이저를 이용하여 접합 부위의 필름과 배선용 와이어의 단면을 노출시킨다. In another embodiment of the present invention, a simultaneous bonding method can be utilized. In this case, simultaneous bonding is performed using the flip chip bonding technique. Specifically, a wiring fPCB is manufactured using a polyimide (PI) film that is separated from each wiring wire using a metal mold and fixed at the same interval as the electrode pads. A laser is then used to expose the cross-sections of the film and the wiring wires at the bonding site.
그 후 3축 스테이지, 2축 스테이지 및 회전 스테이지를 이용하여 배선 접합 시스템을 제작한다. 접합 시스템의 위쪽 스테이지에는 가이드 와이어를 장착하고, 아래쪽 스테이지에는 배선용 와이어를 포함하는 배선용 fPCB를 장착한 후, 아래쪽에서 모니터를 통해 가이드 와이어의 센서 전극 패드와 신호선의 위치를 보면서 서로 직교하도록 정렬한다. 센서 전극 패드에 전도성 에폭시를 도포한 후, 배선용 와이어 fPCB에 부착하고 열을 가하여 전도성 에폭시를 경화시킨다.After that, a wiring bonding system is manufactured using a 3-axis stage, a 2-axis stage, and a rotation stage. Guide wires are mounted on the upper stage of the bonding system, and a wiring fPCB containing wiring wires is mounted on the lower stage. Then, the positions of the sensor electrode pads and signal lines of the guide wires are observed through a monitor from below and aligned so that they are orthogonal to each other. After applying conductive epoxy to the sensor electrode pads, they are attached to the wiring wire fPCB and heat is applied to harden the conductive epoxy.
상기 동시 접합 방식을 이용하는 경우 배선에 대한 정확도와 효율성을 높일 수 있으며, 반복적인 배선 작업을 줄일 수 있어 고처리량(high-throughput) 작업이 가능하다는 장점이 있다.When using the above simultaneous bonding method, the accuracy and efficiency of wiring can be improved, and repetitive wiring work can be reduced, which has the advantage of enabling high-throughput work.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 센서의 단면도를 나타낸 것으로, 도 2를 참조하면, 중공 가이드 와이어(110), 상기 중공 가이드 와이어(110) 상에 형성된 테플론 코팅층(111), 상기 테플론 코팅층(111) 상에 형성된 미세 전극(120), 상기 미세 전극(120)이 형성된 영역 및 형성되지 않은 영역을 모두 덮도록 형성되는 파릴렌 코팅층(112), 및 상기 가이드 와이어(110)의 중공 내부에 삽입된 배선용 와이어(140)를 확인할 수 있다.FIG. 2 is a cross-sectional view of a sensor according to a preferred embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, a hollow guide wire (110), a Teflon coating layer (111) formed on the hollow guide wire (110), a microelectrode (120) formed on the Teflon coating layer (111), a parylene coating layer (112) formed to cover both the area where the microelectrode (120) is formed and the area where it is not formed, and a wiring wire (140) inserted into the hollow interior of the guide wire (110) can be confirmed.
본 발명의 유량 센서는 열류 센서가 가이드 와이어에 내장된 초소형 센서, 이른바 센서-온-와이어(sensor-on-wire, SoW)로서, 크기가 매우 작으며 생체 적합성 소재로 제작되어 체내에 삽입이 가능하고, 이를 이용하면 혈류를 간단한 방법으로 정확하게 측정할 수 있다. 이에, 본 발명의 유량 센서는 혈류 측정기(blood flow measurement device)에 이용될 수 있다.The flow sensor of the present invention is an ultra-small sensor in which a heat flow sensor is embedded in a guide wire, so-called sensor-on-wire (SoW). It is very small in size and made of a biocompatible material, so that it can be inserted into the body, and by using it, blood flow can be accurately measured in a simple manner. Accordingly, the flow sensor of the present invention can be used in a blood flow measurement device.
도 3은 본 발명의 유량 센서를 이용하여 혈관 내 혈류를 측정하는 방식을 도시한 것이다. Figure 3 illustrates a method for measuring blood flow in a blood vessel using a flow sensor of the present invention.
도 3을 참조하면, 혈관 내에 센서를 삽입한 경우 혈액이 가이드 와이어 표면의 업스트림 서미스터, 마이크로 히터 및 다운스트림 서미스터를 순차적으로 통과하게 된다. 이때 다운스트림 서미스터와 업스트림 서미스터 사이의 온도 차이를 측정하여 유량을 감지할 수 있으며, 두 서미스터 사이의 저항이 균형을 잃으면 센서 전극의 양쪽 저항의 온도차가 전압 신호로 발생하게 된다. 이에 따라, 상기 센서에 유량 신호 모니터링을 위한 소프트웨어를 연결하여 유량 신호를 모니터링하고 데이터를 저장하는 방식의 혈류 측정기를 제작할 수 있다. 또한, 본 발명의 센서를 이용하면 혈액의 유량 뿐만 아니라 흐름 방향을 감지할 수 있으므로 국부적인 역류 또한 판별이 가능하다.Referring to Fig. 3, when a sensor is inserted into a blood vessel, blood sequentially passes through an upstream thermistor, a micro heater, and a downstream thermistor on the surface of a guide wire. At this time, the flow rate can be detected by measuring the temperature difference between the downstream thermistor and the upstream thermistor, and when the resistance between the two thermistors is unbalanced, the temperature difference between the resistances on both sides of the sensor electrodes generates a voltage signal. Accordingly, a blood flow meter can be manufactured by connecting software for monitoring the flow rate signal to the sensor to monitor the flow rate signal and store the data. In addition, since the sensor of the present invention can detect not only the flow rate of blood but also the flow direction, it is possible to determine local reflux as well.
본 발명에서, 센서에 연결된 소프트웨어를 이용하여 출력 전압을 측정하고, 센서 신호 파형의 피크 사이의 거리(시간)을 설정한 다음 신호 파형의 진폭(peak-to-peak) 값을 각각 산출한다. 유량(유속)이 증가할 때 출력 신호의 진폭은 감소하게 되므로, 각 유량이 발생할 때 도출되는 신호의 진폭 평균값을 각각 결과 그래프에 도식화함으로써, 유량(유속)을 측정할 수 있다.In the present invention, the output voltage is measured using software connected to the sensor, the distance (time) between peaks of the sensor signal waveform is set, and then the amplitude (peak-to-peak) value of the signal waveform is calculated. Since the amplitude of the output signal decreases as the flow rate (velocity) increases, the flow rate (velocity) can be measured by plotting the average amplitude value of the signal derived when each flow rate occurs on a result graph.
이와 같이, 본 발명의 초소형 유량 센서는 생체 내 진단을 위한 미세 혈류 센서로 이용될 수 있으며 간단한 구조의 센서를 통해 정확한 측정이 가능하다. 따라서, 본 발명은 심혈관 질환 환자 등 의료 분야에서 유용하게 적용될 수 있고, 이로써 의료 분야의 발전 및 비용 절감에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.Thus, the ultra-miniature flow sensor of the present invention can be used as a micro-blood flow sensor for in vivo diagnosis, enabling accurate measurements through a simple sensor structure. Therefore, the present invention is expected to be usefully applied in the medical field, including to patients with cardiovascular disease, and thereby contribute to advancements and cost reductions in the medical field.
실시예Example
이하 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 단, 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위하여 일부 실험방법과 구성을 나타낸 것으로, 본 발명의 범위가 이러한 실시예에 제한되는 것은 아니다.The present invention is described in more detail through the following examples. However, these examples are intended to illustrate some experimental methods and configurations of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples.
제조예: 센서-온-와이어 형태의 유량 센서 제작Manufacturing Example: Fabrication of a sensor-on-wire type flow sensor
도 4에 나타낸 공정과 같이 스테인리스 스틸 가이드 와이어(SUS304)에 은 나노입자 용액을 코팅하고 베셀 빔을 이용한 레이저 필라멘트 스캐닝 소결을 통해 미세 전극을 형성하여, 센서-온-와이어(sensor-on-wire) 형태의 유량 센서를 제작하였다. A flow sensor in the form of a sensor-on-wire was manufactured by coating a silver nanoparticle solution on a stainless steel guide wire (SUS304) as shown in the process in Fig. 4 and forming a microelectrode through laser filament scanning sintering using a Bessel beam.
먼저, 가이드 와이어에 전극을 형성하기 전에, 도 5와 같이 가이드 와이어 전처리를 수행하였다. 직경이 340㎛인 가이드 와이어를 에틸렌 알코올 용액에서 초음파 처리하여 오염을 제거한 다음 질소(N2) 가스로 건조시켰다. 그 후, 가이드 와이어를 100W의 전력 조건으로 5분 동안 에어 플라즈마 처리하였다. 테플론 용액(PTFE, 320G-804, DuPontTM)을 200rpm에서 2시간 동안 교반하고 진공 상태에서 20분 동안 두어 내부 기공을 제거한 다음, 가이드 와이어 표면을 테플론 용액에 60mm/min (1mm/s)의 속도로 딥핑(dipping)하여 균일하게 코팅하였다. 상기 테플론 코팅된 가이드 와이어를 300℃에서 30분 동안 베이킹(baking)하여 용매를 제거하고 경화시켰다.First, before forming electrodes on the guide wire, pretreatment of the guide wire was performed as shown in Fig. 5. A guide wire with a diameter of 340 μm was sonicated in an ethylene alcohol solution to remove contamination and then dried with nitrogen (N 2 ) gas. Subsequently, the guide wire was air plasma treated for 5 minutes at a power of 100 W. A Teflon solution (PTFE, 320G-804, DuPont ™ ) was stirred at 200 rpm for 2 hours and left in a vacuum for 20 minutes to remove internal pores. Then, the surface of the guide wire was uniformly coated by dipping it into the Teflon solution at a speed of 60 mm/min (1 mm/s). The Teflon-coated guide wire was baked at 300°C for 30 minutes to remove the solvent and harden it.
그 후, 은 나노입자 용액을 1mm/s의 속도로 딥 코팅 방법으로 테플론 코팅된 와이어에 균일하게 코팅하였으며, 충분한 두께를 얻기 위하여 코팅을 3회 반복하였다. 나노입자 용액으로는 이소프로필알코올(IPA)에 평균 입경 80nm의 은 나노입자가 35중량%로 분산된 용액(WA-2, Winletech)을 사용하였다.Afterwards, the silver nanoparticle solution was uniformly coated on the Teflon-coated wire using the dip coating method at a speed of 1 mm/s, and the coating was repeated three times to obtain a sufficient thickness. The nanoparticle solution used was a solution (WA-2, Winletech) containing 35 wt% silver nanoparticles with an average particle diameter of 80 nm dispersed in isopropyl alcohol (IPA).
Gaussian 공간 모드(M2=1.05)의 최대 출력 10W, 파장 1070nm의 연속파(CW) 파이버 레이저(IPG Photonics Co., Ltd)를 광원으로 이용하여 레이저 필라멘트 스캐닝 소결(LFSS)을 수행하였다. Laser filament scanning sintering (LFSS) was performed using a continuous wave (CW) fiber laser (IPG Photonics Co., Ltd) with a maximum output of 10 W and a wavelength of 1070 nm in Gaussian spatial mode (M2=1.05) as a light source.
도 6은 가우시안 레이저 빔을 베셀 빔으로 변형하기 위한 광학계의 설계를 개략적으로 나타낸 것이다. 빔 익스팬더와 아이리스(iris)를 이용하여 정규화된 레이저 빔을 각도 2°의 원뿔형 엑시콘 렌즈에 전달하고, 초점 거리가 200mm인 평면 볼록 렌즈를 통해 제1 베셀 빔을 형성하였다. 상기 제1 베셀 빔을 2D 갈바노미터 스캐너(SCANLAB Gmbh)를 통과시키고 초점 거리 100mm의 F-theta 렌즈로 초점을 맞추어 베셀 프로파일의 레이저 필라멘트 스팟(15㎛)을 형성하였다. Figure 6 schematically illustrates the design of an optical system for transforming a Gaussian laser beam into a Bessel beam. A normalized laser beam was transmitted to a conical axicon lens with an angle of 2° using a beam expander and an iris, and a first Bessel beam was formed through a plano-convex lens with a focal length of 200 mm. The first Bessel beam was passed through a 2D galvanometer scanner (SCANLAB Gmbh) and focused with an F-theta lens with a focal length of 100 mm to form a laser filament spot (15 μm) with a Bessel profile.
은 나노입자 용액이 코팅된 가이드 와이어를 레이저 빔 입사축에 수직으로 놓고, 와이어 양 말단에 위치하는 마그네틱 그리퍼로 잡아당겼다. CAD (Computer-Aided Design) 소프트웨어를 사용하여 레이저 필라멘트 빔 스팟의 경로를 프로그래밍하고 레이저를 조사한 후, 레이저에 노출되지 않은 용액층을 탈이온수로 제거하였다. 와이어를 200℃에서 2시간 동안 포스트-베이킹(post-baking)하여 잔류하는 유기물을 제거하고 레이저 소결된 나노입자의 응집을 강화시켰다. 이로써, 도 7에 도시한 바와 같이 레이저 필라멘트 소결을 통해 두개의 서미스터(업스트림 및 다운스트림)와 히터를 갖는 전극을 형성하였으며, 도 8의 설계에 따라 미세 패턴 형태의 전극을 형성하였다.A guide wire coated with a silver nanoparticle solution was placed perpendicular to the laser beam incidence axis and pulled by magnetic grippers located at both ends of the wire. The path of the laser filament beam spot was programmed using computer-aided design (CAD) software, and after irradiating the laser, the solution layer not exposed to the laser was removed with deionized water. The wire was post-baked at 200°C for 2 hours to remove residual organic substances and enhance the aggregation of the laser-sintered nanoparticles. Thus, an electrode having two thermistors (upstream and downstream) and a heater was formed through laser filament sintering, as shown in Fig. 7, and a micro-patterned electrode was formed according to the design of Fig. 8.
상기 전극 패턴의 미세 구조 완성도를 평가하기 위하여, 고해상도 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 구조를 확인하고 그 결과를 도 9에 나타내었다. 그 결과, 전극에서 박리, 미세 균열, 단락 등의 패터닝 결함이 관찰되지 않았다.In order to evaluate the microstructural perfection of the above electrode pattern, the structure was confirmed using a high-resolution scanning electron microscope (SEM), and the results are shown in Fig. 9. As a result, no patterning defects such as peeling, microcracks, or short circuits were observed in the electrode.
상기 마이크로 히터, 2개의 서미스터 회로, 6개의 패드 및 확장 전극으로 구성된 센서에서, 6개의 패드와 직경 25㎛의 구리선(6-filar Polyimide, SANDVIK)을 납땜하여 서미스터에서 신호를 전달하고 히터에 전력을 공급하도록 설계하였다. 또한, 회로를 혈액으로부터 절연 및 보호할 수 있도록 약 10㎛ 두께의 파릴렌-C(DIX-C) 코팅을 형성하였다. 6개의 구리 와이어는 센서 작동을 위한 휘트스톤 브리지 회로 기판(Wheatstone bridge circuit board)에 연결되도록 플렉서블 회로 필름에 연결하였다. PCB 및 파이썬(Python)을 이용한 분석 소프트웨어를 사용하여 100Hz의 샘플링 속도로 유체의 흐름에 의해 생성된 전압 신호를 수득하였다. 이에 따라, 도 10과 같은 프로토타입 센서 장치를 제작하였다. In the sensor composed of the above micro heater, two thermistor circuits, six pads, and extension electrodes, six pads and 25 ㎛ diameter copper wires (6-filar polyimide, SANDVIK) were soldered to transmit signals from the thermistor and supply power to the heater. In addition, a parylene-C (DIX-C) coating with a thickness of approximately 10 ㎛ was formed to insulate and protect the circuit from blood. The six copper wires were connected to a flexible circuit film so that they could be connected to a Wheatstone bridge circuit board for sensor operation. The voltage signal generated by the fluid flow was obtained at a sampling rate of 100 Hz using a PCB and analysis software using Python. Accordingly, a prototype sensor device as shown in Fig. 10 was fabricated.
센서의 작동 테스트를 위하여, 센서 모듈을 물로 채워진 혈관 모양의 튜브에 삽입하고 연결된 패드를 통해 마이크로 히터에 10mA의 전류를 인가한 다음 발열을 확인하고 그에 따른 온도 변화를 열화상 카메라로 관찰하였다. 그 결과 온도 변화가 4℃ 미만인 것을 확인하였고, 이에 따라 본 발명의 센서 시스템이 인간의 관상동맥 내에서도 효과적으로 작용 가능함을 확인할 수 있었다.To test the sensor's operation, the sensor module was inserted into a water-filled, blood vessel-shaped tube. A 10 mA current was applied to a microheater via the connected pad. Heat generation was detected, and the resulting temperature change was observed using a thermal imaging camera. The temperature change was confirmed to be less than 4°C, confirming that the sensor system of the present invention can effectively operate within human coronary arteries.
실험예 1: 레이저 출력에 따른 전극의 특성 변화 분석Experimental Example 1: Analysis of Electrode Characteristic Changes According to Laser Output
제조예의 센서 제작에 있어, 미세 전극 형성 시 레이저 출력을 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9 및 1.0W로 변화시키고 이에 따른 특성 변화를 분석하였다.In the fabrication of the sensor in the manufacturing example, the laser output was changed to 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, and 1.0 W when forming the microelectrode, and the characteristic changes accordingly were analyzed.
도 11은 레이저 출력에 따른 전극의 선폭(㎛) 및 선형 저항(Ω/mm) 변화를 나타낸 것이다. 실험 결과를 참조하면, 레이저 출력이 증가함에 따라 주변부의 열확산으로 인하여 전극의 선폭이 점진적으로 증가하였고, 선형 저항은 선폭에 반비례하여 감소한 것을 확인할 수 있다. Figure 11 shows the changes in the electrode line width (㎛) and linear resistance (Ω/mm) according to the laser output. Referring to the experimental results, it can be confirmed that as the laser output increases, the electrode line width gradually increases due to heat diffusion in the peripheral area, and the linear resistance decreases inversely proportional to the line width.
실험 결과 0.7W의 레이저 출력 및 50mm/s의 스캔 속도에서 패턴 폭을 15㎛로 형성할 수 있었고 이때 선형 저항은 85Ω/mm로 측정되었는 바, 최적의 패턴을 설계하고 전기적 특성을 최적화할 수 있는 최적의 레이저 출력 조건으로 0.7W를 선택하였다.As a result of the experiment, a pattern width of 15 μm could be formed at a laser power of 0.7 W and a scan speed of 50 mm/s, and the linear resistance was measured to be 85 Ω/mm. Therefore, 0.7 W was selected as the optimal laser power condition for designing an optimal pattern and optimizing electrical characteristics.
실험예 2: 전극의 형태 및 내구성 확인Experimental Example 2: Confirming the shape and durability of the electrode.
도 12는 가이드 와이어 상에 제작된 전극의 공초점 현미경 사진을 나타낸 것으로, 곡률반경 170㎛의 가이드 와이어 상에 약 270nm 두께의 전극이 결함 없이 형성된 것을 확인할 수 있다. Figure 12 shows a confocal microscope photograph of an electrode fabricated on a guide wire, and it can be confirmed that an electrode with a thickness of approximately 270 nm was formed without defects on a guide wire with a radius of curvature of 170 μm.
또한, 체내 의료용 센서는 기계적 내구성이 매우 중요한 사항이므로, 제작된 센서에 대하여 스카치 테이프(3M)로 박리 시험을 수 회 수행하여 전극의 접착력을 테스트하고 그 결과 사진을 도 13에 나타내었다.In addition, since mechanical durability is very important for in-body medical sensors, the adhesive strength of the electrodes was tested by performing a peel test several times with Scotch tape (3M) on the manufactured sensor, and the resulting photo is shown in Fig. 13.
실험 결과, 도 13으로부터 확인 가능한 바와 같이 문자 전극 패턴(KMU)이 여러 번의 박리 시험에도 불구하고 견고하게 접착된 상태를 유지하였다. 이에 따라, 레이저 필라멘트 스캐닝 소결 방법을 이용하여 제작된 전극이 우수한 내구성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.As can be seen from Fig. 13, the character electrode pattern (KMU) remained firmly bonded despite multiple peeling tests. Accordingly, it was confirmed that the electrode manufactured using the laser filament scanning sintering method possessed excellent durability.
실험예 3: 심장 박동 시뮬레이션 장치 및 센서의 적합성 판단Experimental Example 3: Determining the Suitability of a Heartbeat Simulation Device and Sensor
심장 혈류의 주기적인 유체역학적 특성을 모사하는 인공 심장 박동 시뮬레이터를 제작하였다. An artificial heartbeat simulator was developed that simulates the periodic fluid dynamic properties of cardiac blood flow.
실험은 초음파를 이용한 Delta TOF 방식의 상업용 유량센서(FD-XS1; Keyence, USA)를 튜브 중앙에 설치하여 35 내지 40℃로 유지되는 물의 실시간 유량을 측정하는 방식으로 수행하였다. 센서는 의료용 Y 커넥터를 통해 튜브에 삽입하였으며, 두 서미스터의 온도차에 의한 전압 신호는 90 내지 110bpm, 유체 유속 20 내지 50cm/s 범위에서 수득하였다. 심장 박동 시뮬레이터의 인공 혈관으로는 인체의 평균 관상동맥 크기에 해당하는 내경 3mm의 인공 혈관을 이용하였다. The experiment was conducted by installing a commercial flow sensor (FD-XS1; Keyence, USA) of the Delta TOF type using ultrasound in the center of a tube to measure the real-time flow rate of water maintained at 35 to 40°C. The sensor was inserted into the tube through a medical Y connector, and the voltage signal obtained by the temperature difference between two thermistors was obtained in the range of 90 to 110 bpm and fluid flow velocity of 20 to 50 cm/s. An artificial blood vessel with an inner diameter of 3 mm, corresponding to the average size of a human coronary artery, was used as an artificial blood vessel in the heart rate simulator.
제작된 센서, 상용 유량 센서 및 압력 센서를 도 14와 같이 배치하고, 센서의 출력 전압을 상용 유량 센서의 실제 유량과 비교하여 보정 곡선을 도출하여 정확도 확인을 위한 참고 데이터로 이용하였다. 또한, 유량 변화에 따른 내부 압력을 압력 센서로 감지하였다. 장치의 신뢰성을 검증하기 위하여 저울로 실제 수압별 토출량을 측정하고 상용 센서에서 얻은 수치와의 일치도를 평가하였으며, 그 결과 99%의 일관성을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.The fabricated sensor, commercial flow sensor, and pressure sensor were arranged as shown in Fig. 14, and the output voltage of the sensor was compared with the actual flow rate of the commercial flow sensor to derive a calibration curve, which was used as reference data for verifying accuracy. In addition, the internal pressure according to the flow rate change was detected by the pressure sensor. To verify the reliability of the device, the discharge amount according to the actual water pressure was measured with a scale, and the consistency with the values obtained from the commercial sensor was evaluated, and the result was confirmed to show 99% consistency.
임상 연구에서 관상동맥 협착증 환자의 평균 혈류량은 170 내지 400mL/min이고 심한 협착증의 경우에도 120 내지 185mL/min으로 보고된 바 있으며, 이러한 결과를 바탕으로 센서-온-와이어의 성능 검증을 위한 유속 범위로 100 내지 300mL/min을 설정하였다.In clinical studies, the average blood flow in patients with coronary artery stenosis was reported to be 170 to 400 mL/min, and even in cases of severe stenosis, it was reported to be 120 to 185 mL/min. Based on these results, the flow rate range for verifying the performance of the sensor-on-wire was set to 100 to 300 mL/min.
또한, 출력 전압으로는 정상적인 사람의 심박수를 모방하기 위하여 분당 90 내지 110회(bpm)를 이용하였다. 유량에 따른 전압 신호를 상용코드(Matlab, MathWorks)로 분석하여 유량별 전압 수치를 산출하였다. Additionally, the output voltage was used at 90 to 110 beats per minute (bpm) to mimic the normal human heart rate. Voltage signals based on flow rate were analyzed using commercial code (Matlab, MathWorks) to derive voltage values for each flow rate.
도 15는 센서-온-와이어에서 얻은 평균 전압 진폭과 상용 유량 센서의 실제 유량(100~300mL/min)의 선형 상관 관계를 보여주는 것으로, 유속이 높을수록 진폭이 감소하여 평균 전압 진폭은 유속의 증가에 따라 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있었다. 센서-온-와이어의 측정 분해능을 평가한 결과, 유속이 5cm/s 증가함에 따라 평균 전압 진폭이 약 4.2μV 감소하였다. Figure 15 shows the linear correlation between the average voltage amplitude obtained from the sensor-on-wire and the actual flow rate (100–300 mL/min) of a commercial flow sensor. It can be seen that the amplitude decreases as the flow rate increases, and the average voltage amplitude decreases linearly with increasing flow rate. The evaluation of the measurement resolution of the sensor-on-wire showed that the average voltage amplitude decreased by approximately 4.2 μV as the flow rate increased by 5 cm/s.
도 16은 초음파 방식을 기반으로 한 상업용 유량 센서와 센서-온-와이어 간의 유량 데이터 선형성 및 일관성을 보여준다. 상기 결과에 따르면 기울기가 거의 1인 결과를 나타내는 바, 센서-온-와이어는 최대 300mL/min의 유량에서 상용 센서의 정확도와 비슷하다는 것을 확인할 수 있었다.Figure 16 demonstrates the linearity and consistency of flow data between a commercial ultrasonic flow sensor and a sensor-on-wire. The results show a slope of nearly 1, confirming that the sensor-on-wire offers accuracy comparable to that of the commercial sensor at flow rates up to 300 mL/min.
실험예 4: 센서 전극 간 거리에 따른 센서의 성능 분석Experimental Example 4: Analysis of Sensor Performance According to the Distance Between Sensor Electrodes
유량 센서의 정확도를 개선하기 위해, 센서 전극 간의 거리를 조절하여 혈류 속도와 센서의 출력 전압 사이의 응답 선형성을 보정하였다.To improve the accuracy of the flow sensor, the linearity of the response between the blood flow velocity and the sensor output voltage was compensated by adjusting the distance between the sensor electrodes.
센서의 응답 선형성은 히터와 서미스터의 이격 거리(간격)에 의해 영향을 받는데, 이는 히터에서 다운스트림 센서로 열이 전달되는 데 필요한 시간이 거리에 따라 달라지기 때문이다. The linearity of the sensor's response is affected by the separation distance (gap) between the heater and the thermistor, because the time required for heat to transfer from the heater to the downstream sensor varies with distance.
시뮬레이션 결과 10 내지 20㎛를 기준으로 선정한 이격 거리를 20 내지 40㎛로 변경하여 응답 선형성을 분석하였다. 도 17과 같이 20, 30 및 40㎛의 서로 다른 이격 거리를 갖는 세가지 유형의 센서 샘플을 제작한 다음, 분당 60비트의 맥동으로 100 내지 300mL/min 조건에서 유체의 유속을 측정하고, 그 결과를 도 18a 내지 18c에 각각 나타내었다.Based on the simulation results, the separation distance selected as 10 to 20 μm was changed to 20 to 40 μm, and the response linearity was analyzed. As shown in Fig. 17, three types of sensor samples with different separation distances of 20, 30, and 40 μm were manufactured, and then the fluid flow rate was measured under conditions of 100 to 300 mL/min with a pulse rate of 60 beats per minute, and the results are shown in Figs. 18a to 18c, respectively.
실험 결과, 전극 거리가 20 및 40㎛인 샘플의 경우 특정 유속에서 선형을 벗어나는 경향이 있는 반면, 거리가 30㎛인 샘플은 전체 유속 범위에 걸쳐서 일정한 음의 기울기를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 100 내지 300 mL/min의 유량 범위에서 전극 간의 거리는 30㎛이 최적임을 확인하였다.Experimental results show that samples with electrode spacings of 20 and 40 μm tend to deviate from linearity at certain flow rates, whereas samples with a spacing of 30 μm exhibit a constant negative slope across the entire flow rate range. Accordingly, it was confirmed that 30 μm is the optimal distance between electrodes for flow rates ranging from 100 to 300 mL/min.
실험예 5: 관상동맥 혈류량 측정 동물 실험Experimental Example 5: Animal Experiment for Coronary Blood Flow Measurement
제조예에서 제작한 센서 시스템을 이용하여, 실험 동물의 관상동맥에서 혈류량을 측정하였다.Using the sensor system manufactured in the manufacturing example, blood flow was measured in the coronary artery of an experimental animal.
실험에는 체중 약 30kg의 돼지(Yorkshire mail pig)를 사용하였고, 템플릿 와이어로는 내경 240㎛의 원통형 하이포튜브(SMART-hypo01, 코스와이어)를 사용하였으며, 유연성과 X-ray 검출을 위해 와이어 선단에 니켈과 백금 코일의 합금을 부착하였다.A Yorkshire mail pig weighing approximately 30 kg was used in the experiment, and a cylindrical hypotube (SMART-hypo01, Course Wire) with an inner diameter of 240 μm was used as the template wire. An alloy of nickel and platinum coil was attached to the tip of the wire for flexibility and X-ray detection.
센서의 전극이 경동맥을 통해 동물의 관상동맥에 도달할 수 있도록 80cm 이상의 길이로 연장하고, 혈관에 부드럽게 삽입하기 위하여, 컷(cut) 90°, 길이 0.8mm 슬롯을 통해 신호 연결용 구리 와이어 가닥을 하이포튜브 의료용 가이드 와이어 내부에 배치하였다. The electrodes of the sensor were extended to a length of more than 80 cm so that they could reach the coronary artery of the animal through the carotid artery, and a copper wire strand for signal connection was placed inside the hypotube medical guide wire through a 90° cut, 0.8 mm long slot for gentle insertion into the blood vessel.
상기 동물 실험은 동물실험실무위원회(IACUC, 승인번호: KBIO-IACUC-2021-189)의 지침에 따라 수행하였다. 피부를 7cm 절개하여 좌우 관상동맥에 카테터를 삽입하고, 상기 카테터를 통해 센서-온-와이어를 삽입하였다. 센서-온-와이어의 팁 위치 및 진행 방향은 인-시츄 X선 모니터링을 통해 조작하였다. 정상 혈류량에 대한 자료를 수집한 후, 일시적으로 관상동맥의 혈류량을 증가시키기 위해 니트로글리세린(1mg, 명문제약) 또는 니코란딜(48mg, JW 중외제약) 혈관확장제를 1~2mg 투여하였다.The above animal experiments were performed in accordance with the guidelines of the Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC, Approval No. KBIO-IACUC-2021-189). A 7-cm incision was made in the skin to insert a catheter into the left and right coronary arteries, and a sensor-on-wire was inserted through the catheter. The tip position and direction of advancement of the sensor-on-wire were manipulated through in situ X-ray monitoring. After collecting data on normal blood flow, 1 to 2 mg of nitroglycerin (1 mg, Myungmoon Pharmaceutical) or nicorandil (48 mg, JW Pharmaceutical) vasodilators were administered to temporarily increase coronary blood flow.
도 19는 관상동맥 내 센서를 삽입한 후 X선 영상 모니터링 사진을 나타낸 것이며, 이와 같이 실시간 모니터링을 통해 관상동맥 내 센서 팁의 위치와 방향을 조작할 수 있다.Figure 19 shows an X-ray image monitoring photograph after inserting a sensor into a coronary artery, and in this way, the position and direction of the sensor tip in the coronary artery can be manipulated through real-time monitoring.
도 20은 생체 내(in-vivo) 동물 실험 중 혈압 및 유량에 해당하는 과도 전압 신호를 나타낸 것으로, 센서-온-와이어의 유체역학적 특성과 주기적인 파형을 확인할 수 있다. 또한 도 21은 혈관확장제 주입 여부에 따른 혈류량의 전압신호 변화(정상 상태 및 충혈 상태)를 나타낸 것으로, 충혈 조건에서 평균 진폭이 모두 정상 상태에 비해 8 내지 40% 감소하였으며, 이와 같이 센서가 약물에 의한 실제 혈류 변화에 따른 유속 변화를 명확하게 감지할 수 있다는 것을 확인하였다.Figure 20 shows the transient voltage signals corresponding to blood pressure and flow rate during an in-vivo animal experiment, and the fluid dynamic characteristics and periodic waveform of the sensor-on-wire can be confirmed. In addition, Figure 21 shows the voltage signal changes in blood flow (normal state and hyperemic state) according to the injection of a vasodilator. In the hyperemic condition, the average amplitude was reduced by 8 to 40% compared to the normal state, and it was confirmed that the sensor can clearly detect the change in flow rate according to the actual blood flow change caused by the drug.
도 22a 및 22b는 2회의 동물 실험에서 약물로 왼쪽 관상동맥 내 혈류를 인위적으로 조절하여 얻은 평균 전압 진폭의 변화를 각각 나타낸 것이다. Figures 22a and 22b show the changes in the average voltage amplitude obtained by artificially controlling blood flow in the left coronary artery with a drug in two animal experiments, respectively.
도 22a를 참조하면, 첫번째 동물 실험의 경우 안정 상태에서의 진폭(0.36mV)이 충혈 상태에서는 0.31mV로 감소하여 전압이 14% 감소하였다. 심장박동 시뮬레이터 실험에서 도출된 회귀식을 이용하여 유속을 환산하면, 혈속이 75.4cm/s (377mL/min)에서 89.5cm/s (447mL/min)로 증가하는 것을 의미한다. 도 22b를 참조하면, 두번째 동물 실험에서는 진폭이 0.37mV에서 0.35mV로 8% 감소하였고, 이는 혈액 속도가 62.5cm/s (321mL/min)에서 76.2cm/s (381mL/min)로 증가하는 것을 의미한다. 이와 같이, 동물 실험을 통해 돼지의 왼쪽 관상동맥에서 약 60 내지 90cm/s의 혈류 속도를 감지하였다.Referring to Fig. 22a, in the first animal experiment, the amplitude (0.36 mV) in the resting state decreased to 0.31 mV in the hyperemic state, resulting in a 14% voltage decrease. Converting the flow rate using the regression equation derived from the heartbeat simulator experiment means that the blood velocity increases from 75.4 cm/s (377 mL/min) to 89.5 cm/s (447 mL/min). Referring to Fig. 22b, in the second animal experiment, the amplitude decreased by 8% from 0.37 mV to 0.35 mV, which means that the blood velocity increases from 62.5 cm/s (321 mL/min) to 76.2 cm/s (381 mL/min). Thus, a blood flow velocity of approximately 60 to 90 cm/s was detected in the left coronary artery of the pig through the animal experiment.
데이터 수집을 완료한 후 생체 적합성을 평가하기 위해 혈관에 1시간 동안 방치하였으며, 제거 후 와이어 표면에 혈전이 있는지 확인한 결과 혈관에 장기간 노출된 후에도 혈전 형성이 최소화되어, 센서가 생체 적합성을 갖는 것을 확인할 수 있었다.After completing data collection, the sensor was left in a blood vessel for 1 hour to evaluate its biocompatibility. After removal, the wire surface was checked for thrombosis. As a result, thrombosis formation was minimized even after long-term exposure to the blood vessel, confirming that the sensor is biocompatible.
이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without altering its technical concept or essential characteristics. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be interpreted as encompassing all changes or modifications derived from the meaning and scope of the following claims and their equivalent concepts, rather than the detailed description above.
110 가이드 와이어 111 테플론 코팅층
112 파릴렌 코팅층 120 센서 전극
121 마이크로 히터 122 서미스터
130 전극 패드 140 배선용 와이어
S 슬롯110 Guide wire 111 Teflon coating layer
112 Parylene coating layer 120 Sensor electrode
121 Micro Heater 122 Thermistor
130 electrode pads 140 wiring wires
S slot
Claims (19)
상기 가이드 와이어 상에 위치하며 마이크로 히터(micro heater) 및 상기 마이크로 히터의 양 측에 위치하는 두 개의 서미스터(thermistor)를 포함하는 센서 전극;
상기 센서 전극의 각 말단에 연결된 전극 패드; 및
상기 전극 패드에 연결되며 가이드 와이어에 형성된 슬롯(slot)을 통해 중공 내로 삽입된 배선용 와이어
를 포함하는, 유량 센서로서,
상기 마이크로 히터와 서미스터 사이의 간격이 25 내지 35㎛인, 유량 센서.
hollow guide wire;
A sensor electrode positioned on the guide wire and including a micro heater and two thermistors positioned on both sides of the micro heater;
Electrode pads connected to each end of the sensor electrode; and
A wiring wire connected to the above electrode pad and inserted into the hollow through a slot formed in the guide wire
As a flow sensor, including:
A flow sensor having a gap between the micro heater and the thermistor of 25 to 35 μm.
상기 가이드 와이어의 직경이 200 내지 500㎛인, 유량 센서.
In the first paragraph,
A flow sensor, wherein the diameter of the above guide wire is 200 to 500㎛.
상기 가이드 와이어의 두께가 10 내지 100㎛인, 유량 센서.
In the first paragraph,
A flow sensor, wherein the thickness of the above guide wire is 10 to 100㎛.
상기 가이드 와이어 및 센서 전극 사이에 테플론 코팅층을 더 포함하는, 유량 센서.
In the first paragraph,
A flow sensor further comprising a Teflon coating layer between the guide wire and the sensor electrode.
상기 센서 전극 및 가이드 와이어를 덮도록 형성된 파릴렌(parylene) 코팅층을 더 포함하는, 유량 센서.
In the first paragraph,
A flow sensor further comprising a parylene coating layer formed to cover the sensor electrode and guide wire.
상기 파릴렌 코팅층의 두께가 1 내지 30㎛인, 유량 센서.
In paragraph 6,
A flow sensor, wherein the thickness of the parylene coating layer is 1 to 30 μm.
상기 배선용 와이어의 직경이 10 내지 50㎛인, 유량 센서.
In the first paragraph,
A flow sensor, wherein the diameter of the wiring wire is 10 to 50㎛.
중공 가이드 와이어 상에 레이저 패터닝을 이용하여 마이크로 히터(micro heater) 및 상기 마이크로 히터의 양 측에 위치하는 두 개의 서미스터(thermistor)를 포함하는 센서 전극 및 상기 센서 전극의 각 말단에 연결된 전극 패드를 형성하는 단계로서, 상기 마이크로 히터와 서미스터 사이의 간격이 25 내지 35㎛인, 단계;
상기 센서 전극 패드에 배선용 와이어를 접합하는 단계; 및
상기 배선용 와이어를 가이드 와이어의 슬롯(slot)을 통해 중공 내에 삽입하는 단계.
A method for manufacturing a flow sensor, comprising the following steps:
A step of forming a sensor electrode including a micro heater and two thermistors positioned on both sides of the micro heater and an electrode pad connected to each end of the sensor electrode using laser patterning on a hollow guide wire, wherein the gap between the micro heater and the thermistor is 25 to 35 μm;
A step of connecting a wiring wire to the above sensor electrode pad; and
A step of inserting the above wiring wire into the hollow space through the slot of the guide wire.
상기 가이드 와이어 상에 센서 전극을 형성하기 전에, 테플론 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 9,
A method for manufacturing a flow sensor, further comprising a step of forming a Teflon coating layer before forming a sensor electrode on the guide wire.
상기 테플론 코팅층의 형성 단계가, 상기 가이드 와이어 상에 테플론 용액을 코팅하는 단계; 및 코팅된 테플론 용액을 열처리하여 경화시킴으로써 테플론 코팅층을 형성하는 단계를 포함하는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 10,
A method for manufacturing a flow sensor, wherein the step of forming the Teflon coating layer comprises the step of coating a Teflon solution on the guide wire; and the step of forming a Teflon coating layer by heat-treating and hardening the coated Teflon solution.
상기 테플론 용액 코팅이, 가이드 와이어를 테플론 용액에 0.1 내지 10mm/s의 코팅 속도로 딥핑(dipping)하여 수행되는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 11,
A method for manufacturing a flow sensor, wherein the above Teflon solution coating is performed by dipping a guide wire into a Teflon solution at a coating speed of 0.1 to 10 mm/s.
상기 열처리가 200 내지 400℃에서 10 내지 60분 동안 수행되는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 11,
A method for manufacturing a flow sensor, wherein the above heat treatment is performed at 200 to 400°C for 10 to 60 minutes.
상기 가이드 와이어 상에 테플론 코팅층을 형성하기 전에, 가이드 와이어를 플라즈마(plasma) 처리하는 단계를 더 포함하는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 10,
A method for manufacturing a flow sensor, further comprising a step of plasma treating the guide wire before forming a Teflon coating layer on the guide wire.
상기 플라즈마 처리가 10 내지 1,000W로 1 내지 20분 동안 수행되는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 14,
A method for manufacturing a flow sensor, wherein the above plasma treatment is performed at 10 to 1,000 W for 1 to 20 minutes.
상기 레이저 패터닝 단계에서 레이저 빔의 출력이 0.1 내지 10W인, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 9,
A method for manufacturing a flow sensor, wherein the output of the laser beam in the above laser patterning step is 0.1 to 10 W.
상기 센서 전극의 레이저 패터닝이,
가이드 와이어 상에 나노입자 용액을 도포하여 나노입자 용액층을 형성하는 단계; 및
상기 나노입자 용액층에 베셀 빔(bessel beam) 레이저를 조사하여 나노입자의 소결을 유도함으로써 상기 가이드 와이어 표면에 미세 패턴을 형성하는 단계
에 의해 수행되는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 9,
Laser patterning of the above sensor electrodes,
A step of forming a nanoparticle solution layer by applying a nanoparticle solution on a guide wire; and
A step of forming a micro pattern on the surface of the guide wire by irradiating the nanoparticle solution layer with a Bessel beam laser to induce sintering of the nanoparticles.
A method for manufacturing a flow sensor, performed by.
상기 센서 전극 형성 후, 파릴렌 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는, 유량 센서의 제조방법.
In paragraph 9,
A method for manufacturing a flow sensor, further comprising a step of forming a parylene coating layer after forming the sensor electrode.
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Non-Patent Citations (2)
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|---|
| 논문, Intravascular Ultrasound at the Tip of a Guidewire: Concept and First Assembly Steps |
| 논문, 관상 동맥 내 혈류 측정용 초소형 열식 유량 센서의 디자인, 대한기계학회 2018년도 학술대회 |
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|---|---|
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