글: 남라타 달비(Namrata Dalvi)
마이크로칩(Microchip Technology )

세계인구의 약 8.5%가 당뇨를 앓고 있으며 이는 주요 사망 원인 중 8위를 차지하고 있다. 세계보건기구(WHO)는 당뇨가 2030년에는 주요 사망 원인 7위가 될 것으로 추정한다. 이러한 증가 추세는 2000년에 당뇨병으로 인한 사망자가 약 100만 명이었던 반면 2011년에는 140만 명으로 증가한 최근 통계를 통해 알 수 있다.

당뇨 관리의 주요 방법 중 하나는 혈당 수치를 가능한 한 정상치에 가깝게 유지하는 것으로, 이로 인해 혈당측정기 사용이 증가했다. 혈당측정기는 혈중 포도당 농도를 확인하기 위해 사용하는 의료기기이다. 혈당 농도는 밀리그램 퍼 데시리터(mg/dl) 또는 밀리몰 퍼 리터(mmol/l) 단위로 측정한다. 혈당측정기는 당뇨병 환자들이 사용하는 가정용 혈당 모니터링 장치에서 필수 요소로 자리잡았다. 이러한 측정은 하루 동안 여러 번 이루어 질 수 있다.

<마이크로칩 홈페이지 캡쳐>

혈당측정기는 대개 전기화학 기술을 기반으로 하며, 측정을 수행하기 위해 전기화학적 테스트 스트립을 사용한다. 혈당측정기에서 혈당 측정을 위해 사용되는 일회용 테스트 스트립 상에 검사할 소량의 혈액을 떨어뜨린다. 혈당의 전기화학적 측정에 사용하는 가장 흔한 두 가지 방법에는 비색법(colorimetric)과 전류측정법(amperometric)이 있다.

비색법에서는 LED나 광 센서 같은 센서가 아날로그 인터페이스를 형성한다. 트랜스임피던스 증폭기는 혈당 농도를 측정하는 데 사용된다. 측광에 의한 테스트 스트립의 반응층에서의 색 강도를 알아내기 위해 색 반사 원리가 적용된다. 측정기는 혈당 농도의 양을 수치로 산출한다.

전류측정법의 경우에는 테스트 스트립의 한 쪽 끝에 놓인 혈액을 끌어 당기기 위해 모세관이 사용된다. 테스트 스트립은 포도당산화효소 등의 시약을 포함하는 효소 전극도 포함한다. 포도당은 효소가 있을 때 화학반응을 일으키고, 화학반응 중에 전자가 생성된다. 전극을 통과하는 전하가 측정되며 이는 혈액 내 혈당 농도와 비례한다. 반응 속도에 대한 온도의 영향을 보상하기 위해 주위 온도 측정 또한 실행된다. 이 방법은 대부분의 혈당측정기에서 사용되는 것으로, 그림 1은 테스트 스트립의 작동 원리를 보여준다.


그림 1: 혈당측정기 테스트 스트립 작동 원리

테스트 스트립은 혈액 시료가 놓이는 주요 생화학 센서를 형성하며 세 개의 전극을 가지고 있다. 전자들은 화학반응 시 작업 전극에서 생성된다. 이 전극은 전류전압 증폭기에 연결된다. 기준 전극은 원하는 화학반응을 유도하기 위해 작업 전극에 대하여 일정한 전압으로 유지된다. 세 번째는 상대 전극으로, 작업 전극에 전류를 공급한다. 대부분의 혈당측정기 설계는 기준 전극과 작업 전극만 이용한다.

기준 전극에는 정확한 기준 전압(Vref)이 인가되어야 하며, 연산 증폭기에는 정확한 바이어스 전압(Vbias)이 인가되어야 한다. 이 방법을 통해 작업 전극과 기준 전극 사이에 정확한 전위차가 유지된다. 이 전압은 테스트 스트립의 출력 전류를 이끌어내는 자극이며, 전류의 크기는 전자의 수를 계산하는 데 사용된다.

혈액 시료가 테스트 스트립 상에 놓이면 효소를 가진 포도당의 반응이 발생한다. 전자는 화학반응 중에 생성된다. 전자의 흐름은 작업 전극과 기준 전극을 통해 흐르는 전류의 흐름과 일치한다. 이 전류는 혈당 농도에 따라 변한다. 전류는 트랜스임피던스 증폭기(전류전압 컨버터)와 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 사용해 측정한다. 트랜스임피던스 증폭기의 출력은 혈액 내 혈당 농도의 변화에 따른 전압의 변화로 알 수 있다.

디지털 구현

그림 2에서처럼 혈당측정기의 디지털 구현은 마이크로칩 8비트 PIC16LF178x를 이용하여 얻을 수 있다. 초 저전력 동작으로 널리 알려진 PIC 디바이스에는 2개의 op-amp, 2개의 8비트 D/A 컨버터(DAC), 최대 11채널의 단일 A/D 컨버터(ADC), 내장 EEPROM, I2C, 16비트 타이머가 내장되어 있다.


그림 2: 혈당측정기 블록 다이어그램

혈액 시료를 테스트 스트립 상에 떨어뜨리면 혈당은 화학반응을 일으키고 전자가 발생한다. 전자의 흐름(작업 전극을 통해 흐르는 전류)은 측정할 수 있다. 이 전류는 혈당 농도에 따라 달라진다. 전류는 PIC 디바이스의 내부 op-amp와 고주파 신호 필터링을 사용해 전류전압 컨버터의 도움을 받아 측정할 수 있다. 필터링된 신호는 12비트 ADC 모듈로 보내진다.

PIC 디바이스는 혈액 시료를 배치한 후 약 1.5s후에 ADC 채널의 전압을 캡처하기 시작한다. 대략 2048개의 ADC 측정 결과를 얻게 된다. 이들의 평균값은 회귀 방정식 Y=mX + C로 치환된다. 여기서 Y는 혈당 농도(mg/dl), m은 기울기, X는 op-amp 출력 전압의 평균 ADC 측정, C는 상수이다.

혈당 농도는 회귀 방정식과 mg/dl 또는 mmol/l 단위로 LCD에 표시된 값을 사용해 알아낼 수 있다. 최대 32개의 혈당 측정 값은 내장 EEPROM에 저장할 수 있으며, 나중에 LCD에서 확인할 수 있다. 혈당측정기 데모 보드의 전력은 온보드 리튬 배터리(3V, 225mAH, CR2032)에서 공급한다. ADC 값을 캡처하기 시작한 시간(1~1.5s)과 얻어진 ADC 측정 값의 수는 사용된 테스트 스트립의 종류와 특성에 맞도록 수정하여야 한다.

하드웨어 설계

이러한 혈당측정기의 설계 사양에는 1~33 mmol/l에 상응하는 20~600 mg/dl의 혈당 농도 측정 범위가 필요하다. 실험 결과는 5s 이내로 표시되어야 하며, 가장 최근 32개의 혈당 측정 값은 날짜 및 시간 스탬프와 함께 자동 저장되어야 한다. 일반 회귀 방정식은 테스트 스트립의 특성에 따라 구현되고 수정되므로 테스트 스트립 코딩을 할 필요가 전혀 없다.

싱글 보드는 28핀 PIC16LF178x 디바이스를 사용했다. 디버깅과 프로그래밍을 위해서는 인-서킷 시리얼 프로그램(ICSP™) 연결이 사용되었다.
LCD는 측정 값을 mg/dl 와 mmol/l 로 보여줄 뿐만 아니라, “테스트 스트립을 삽입하십시오”, “스트립 삽입됨, 시료를 투입하십시오”, “테스트 스트립 결함” 같은 안내 메시지도 표시한다.

센서는 테스트 스트립이 삽입된 것을 검출하고, 온도를 측정하거나 배터리 상태를 확인하기 위해 필요하다. 두 개의 푸시 버튼이 있는데, 하나는 이전에 저장된 데이터를 읽는 것이고 또 하나는 날짜와 시간을 설정하는 것이다.

펌웨어 기능

펌웨어는 PIC 디바이스의 내장 op-amp, DAC, ADC를 사용해 테스트 스트립 전류를 감지해야 한다. ADC 측정 값은 테스트 스트립이 삽입되고 450 mV 이상 상승이 확인된 후에 캡처되어야 한다. ADC 측정 값의 기록은 검사 시료가 테스트 스트립 상에 배치되고 평균을 산출하고 나서 1.5s후에 시작해야 한다. 혈당 농도는 회귀 방정식과 평균 ADC 측정 값을 이용해 계산할 수 있다.
펌웨어 모듈은 LCD 인터페이스 및 디스플레이 루틴, op-amp 구성, DAC 구성, 내장 EEPROM에 혈당 측정 값 저장, ADC 채널 판독, 혈당 농도 산출, 타임스탬프용 타이머를 사용한 실시간 클록/캘린더(RTCC) 구현을 가능하게 한다.

구성

DAC의 기준 전압은 내부의 고정 기준 전압(FVR) 버퍼 2와 연결되고 2.048V로 설정되었다. DAC 출력 전압은 400 mV로 설정했다.
op-amp 출력(전류전압 컨버터 출력)은 ADC 채널 0을 통해 측정되었다. ADC 채널 3은 배터리 전압을 측정하여 낮은 배터리 상태를 표시하는 데 사용한다. 온도 센서 출력은 ADC 채널 8과 연결되어 온도를 측정한다.

혈당 측정 값은 내부 EEPROM에 저장한다. 슬립 모드에서 스위치 S1을 누르면, PIC 디바이스는 메모리 모드로 들어가고 저장된 혈당 측정 값이 LCD 상에 표시된다. 이전 혈당 측정 값을 보려면 스위치 S3을 누르면 된다. 스위치 S1을 다시 누르면 메모리 모드가 종료된다.
16x2 문자 LCD는 혈당 수치와 문자 메시지를 표시하는 데 사용한다. 마이크로컨트롤러의 포트 핀을 통해 LCD의 VSS를 제어하여 슬립 모드 시 LCD 전원이 차단된다.

외부 32.768 kHz 와치 크리스털을 갖는 타이머는 RTCC를 구현하는 데 사용한다. 현재 날짜와 시간은 RTCC에 대해 스위치 S1과 S3을 사용해 설정할 수 있다. 그림 3에 나타낸 바와 같이, op-amp의 비반전(non-inverting) 입력 채널은 400 mV로 설정된 DAC 출력에 연결되었다. op-amp의 반전 단자는 작업 전극에 연결되었다. 전류전압 컨버터는 외부 저항과 캐패시터의 지원을 받아 구성되었다. op-amp 출력은 PIC의 ADC 채널에 연결된다.


그림 3: Op-amp 구성
혈당측정기의 소비 전류는 동작 모드에서 약 1.1mA이고 슬립 모드에서 3μA 이다. 혈당측정기는 약 99.5%의 시간동안 슬립 모드 상태였다.

결론

혈당 측정은 온도, 습도, 고도 등과 같은 외부 요인의 영향을 받는다. 이는 효소 반응 속도가 이러한 환경 및 다른 요인들에 의존하기 때문이다. 또한 다른 화학 물질로 만들어진 테스트 스트립의 경우, 정해진 회귀방정식을 MATLAB 또는 마이크로소프트 엑셀을 사용해서 바꿔야 한다. 특정 테스트 스트립으로 혈당측정기를 설계할 때는 이러한 요소들을 고려해야 한다.

PIC16LF178X MCU에는 op-amp, 12비트 ADC, DAC, EEPROM이 내장되어 있다. 이는 정밀한 측정과 낮은 전류 소비가 필요한 배터리 구동 애플리케이션 유형에 적합한 조합을 제공한다. 다양한 장점을 가진 PIC 디바이스를 활용하여 유연하고 저렴한 혈당측정기 설계를 구현할 수 있다.