Introduction to Biomedical Engineering

Definition

• What is Biomedical Engineering?
  • Multidisciplinary Area (다학재간의 영역)
  • BME = 의료 공학
  • 의료와 공학을 적절히 combine해서 새로운 분야를 탐구
• BME
  • Biomedical Engineering (BME)
  • Medical Engineering
  • Medical & Biological Engineering
  • Bioengineering
  • 의공학
  • (의용) 생체공학
  • 의용전자공학
  • 의학공학
• 사례
  • Biomechanics (기기)
  • Prosthetic Devices & Artificial Organs (보철물) ex. 의족, 의수
  • Medical Imaging
  • Biomaterials (피부, 망막, 달팽이관)
  • Biotechnology (광범위)
  • Tissue Engineering (세포 단위 연구)
  • Neural Engineering (신경공학, 신경시스템 분야)
  • Biomedical Instrumentation
  • Bionanotechnology
  • Physiological Modeling
  • Rehabilitation Engineering
  • Medical & Bioinformatics
  • Clinical Engineering
  • Biosensors
  • Medical & Biological Analysis

 

BME Categorization

• Biomedical Signal (생체 신호) Instrumentation & Processing
  • Electrical signal
    • Electroencephalography (EEG) : 뇌파
    • Electrocardiography (ECG) : 심전도 → 중증의 환자에게 적용되는 기술
    • Electromyography (EMG) : 근전도 ex. 근감소증 등 근육에 문제가 생겼을 때 측정
  • Mechanical Signal : 심장이 가장 mechanical하고 dynamic한 시스템임
    • Blood velocity
    • Blood pressure (혈압)
  • Biochemical signal
    • SPo2 → 혈중 산소량 (90% 아래면 매우 위험함), oximeter
    • PH (산성도)
• Biomedical Signal Instrumentation & Processing
  • tatoo electrode sticker 등
• Biomechanics (기계)
  • Mechanics analysis of the body
  • Modeling & simulation : 동역학적 모델링과 시뮬레이션
  • Rehabilitation engineering
• Biometerials (생체 재료)
  • Development of artificial tissues
  • Bio-compatibilitty issue (생체 적합성 이슈가 존재한다 → immune (면역반응)으로 인한 생체 거부 반응 등)
• Artificial Organs (인공 장기, 생체 재료와 관련됨)
  • Development of artificial organs
  • Heart, Kidney, Retina, Cochlea, etc
  • Ethical issue (윤리적 이슈가 존재한다)
• Medical Instrumentation (의료영상)
  • Diagnose various diseases
  • Considering Safety, reliability, economical efficiency
  • 디지털 헬스 케어 / U 헬스 케어
• Medical & Bioinformatics (생체 신호들을 복합적으로 분석해 예측 ex. 향후에 암이 생기는지 아닌지
  • Systematical management of medical information
  • Information management via the Internet
  • Application of IT technology

 

KISTEP Future Tech.

• 뇌 - 기계 인터페이스
  • 뇌파시호를 이용하여 기계를 제어하는 기술로써, 컴퓨터의 발달로 실시간 뇌 내의 신경세포들의 활동에 관련된 데이터를 처리함으로써 장애인의 신경보철의 개발을 현실화시키는 기술
  • 뉴런
• Home Healthcare System
  • 바이오 센싱 및 IT 기술이 발달하면서 가정에서 측정한 생체정보를 병원으로 전송하여 진단받고, 이상이 있을 경우 신속히 대응할 수 있는 시스템
  • 고령화 사회에 대한 대비 및 삶의 질 향상을 위한 기본 기술로서, 간단하거나 만성인 질환의 경우 이 시스템을 통한 간단한 처방 역시 가능
  • IoT
• 원터치 건강 진단 서비스
  • 통신기술의 발전 및 휴대정보 기기의 발전 등으로 개인의 건강을 원격으로 진단하는 서비스가 실생활에 활용될 수 있는 가능성이 매우 높아질 것임
  • 예를 들어 스마트폰에 연결되는 패치 형태의 진단모듈을 손바닥에 부착하면 이를 통해 바이오 시그날 및 혈액분석을 수행하여 그 결과를 의사에게 전송하는 애플리케이션의 등장도 가능
  • 또한, 질병 위험군 환자의 실시간 진단도 가능할 것임
  • 원래 원격진료는 불법이지만 COVID-19 때문에 한시적으로 허용함
• 암 바이오 마커 분석 기술
  • 혈액, 타액, 소변 등을 이용해 암 진단 분석
  • 암의 존재 여부, 암의 종류, 암의 발병 경로, 암의 진행 상황 등에 대한 정보를 제공하기 위해 임상샘플로부터 다양한 암의 대표적인 특징을 나타내는 바이오마커들을 분석하는 기술
  • 암 바이오 마커 기술을 이용한 다중암 진단키트가 다수 개발되어 임상에 쓰이게 된다면, 암의 발생률과 암으로 인한 사망률을 낮추어 암으로 인해 발생하는 사회적, 경제적 손실을 크게 줄이는데 기여 예상
• 생체신호 인터페이스 (BCI, BMI의 확장버전)
  • 생체신호와 신체 동작 등을 이용하여, 노약자나 장애인이 컴퓨터를 이용하는데 있어서의 인터페이스 (Human-Computer Interation)로 사용하거나 정보기기, 자동차, 휠체어 등의 재활기기 구동제어를 위한 명령어를 생성하기 위한 기술을 의미
  • 생체 신호 및 신체 동작 기반의 인터페이스는 센서를 몸에 부착하여 사용하며 사용자의 의도에 의해 자연스럽게 생성된 생체 신호를 이용하기 때문에 가상 현실, 착용형 컴퓨터나 지체 장애인용 또는 고령자용 인터페이스로 활용 가능. 또한, 샹체 신호 처리 기술은 사용자의 인터페이스로의 활용 이외에 생체 신호를 이용한 모니터링 기술로도 개발되어 각종 재활 분야, 건강 검진, 스마트 헬스케어 분야 등의 의료분야에도 응용될 수 있음
• 근력지원 로봇 수트
  • 신체 골격과 비슷하게 생긴 로봇 수트를 고령자나 장애인의 몸에 착용하면 그의 근육에 들어오는 신경의 전기적 신호를 순간적으로 감지해 작동
  • 착용자의 뜻에 따라 자유롭게 움직이는 것이 가능하고 이 옷을 입으면 힘이 세져 무거운 물건도 가볍게 들 수 있음. 같은 원리로 신체 기능이 약한 고령자나 장애인이 걷거나 팔을 움직여서 물건을 들게 할 수 있어 생산현장 및 직장에서 고령자의 활동 영역 확대에 기여
• 분자영상 질병진단기술 
  • 세포 내에서 발생하는 분자, 유전자 수준의 변화를 동위원소를 이용해 살아있는 생체에서 영상화 하는 기술
  • 치매나 파킨슨병과 같은 난치성 신경질환을 증상이 나타나기 이전이나 초기 단계에서 진단하고, 치료제를 선택하거나 치료 효과를 평가할 수 있음. 또한 암의 특성과 변화를 영상으로 진단하여 치료에 활용할 수 있음
  • 이러한 정밀한 진단기술은 개인의 질병을 빠르고 정확하게 확인하게 함으로써 더 쉽고 저렵하게 질병을 치료할 수 있게 돕고, 만성질환자들이 지속적으로 질병을 관리할 수 있도록 기본 데이터를 제공해줌
• 나노바이오 의료 센서
  • 효소, 항체, 세포, DNA 등 특정 물질의 존재 여부를 확인하거나 감지할 수 있는 바이오 소자 기술
  • 간편하게 혈액으로 각종 질환의 유무나 진행 상태를 검사할 수 있어 개인의 질병을 빠르고 간단하게 진단하고 비용을 절감할 수 있음 또한, 소형화로 인해 현장진단에 활용될 뿐 아니라 향후 인체에 삽입되는 형태로 발전하는 등 유헬스 서비스의 핵심 기술임
• 생체인증(Biometrics)
  • (기술 정의) : 개개인의 생체 고유의 정보를 이용하여 인증하는 방식. 주요 방법으로 지문이나 음성, 망막을 사용
  • (미래 활용) : PIN, 비밀번호 등의 기존 신분증명방식을 대체하여 망각, 분실, 도난의 위험이 없는 높은 보안 성능 제공이 가능. 늘어가는 사이버 활동에서 시누언의 위장, 도용을 막을 수 있음
• 고속진단 페이퍼칩
  • (기술 정의) : 종이 위에 미세유체칩을 이용하여 현장에서 질병의 원인균을 신속하고 정확하게 진단하는 기술
  • (미래 활용) : 의료 현장에서 감염 환자로부터 감염 원인균을 신속하고 정확하게 진단 가능
• 정신건강 진단, 치료 기술
  • [정의] : 정신적 스트레스에 대한 부적응과 정신병리 과정을 반영하는 생리적 행동적 신호 변화를 다양한 생체신호 센서 모듈, 데이터 전송 통신모듈 및 정신건강 증상과의 연관성 분석 및 질환 예측 알고리즘을 개발하여 증상 악화를 예측하고 이를 조절, 예방, 조기 치료하는 기술
  • [활용] : 사물 인터넷과 스마트 기기 등을 활용한 다양한 정신건강 증진 및 관리 서비스, 조직 전체의 정신건강 또는 사회적 분노 상태 모니터링 시스템, 뇌행동기반의 새로운 정신질환 발병 예측과 조기 진단 및 치료
• 스마트폰 이용 진단기기
  • [정의] : 스마트폰의 센서, 카메라, 간단한 악세사리를 통해 혈당, 혈압, 심박수 등 생체 정보를측정하고 결과를 바로 전송
  • [활용] : 스마트폰으로 간단한 진단을 할 수 있어 고가의 의료기기를 대체, 낮은 비용으로 보급이 용이, 의료접근성을 향상할 뿐 아니라 스마트폰 앱을 이용한 피드백이 용이
• 의료 빅데이터 기술
  • [정의] : 의무 기록을 포함하여 환자들의 병원 서비스 이용 데이터, 약물 복용 데이터, 치료 데이터를 수집하고 분석하여 유용한 정보를 제공
  • [활용] : 의료 빅데이터 분석 결과를 토대로 질병예방, 맞춤 의료서비스 제공이 가능하여 의료비 절감 등이 가능
• 바이오 스탬프 (신체부착센서)
  • [정의] : 반창고나 스티커, 문신처럼 피부에 붙여 몸의 건강상태를 모니터링하는 신체 부착 센서
  • [활용] : 피부에 붙이면 맥박, 체온, 뇌활동량 등의 바이오 데이터를 실시간으로 모니터링하고 수집된 데이터를 전송하므로 고령자가 별도의 조작 없이 상시적으로 건강 모니터링이 가능