극미한 투여량까지 정확히 측정하는 유량계 개발
“Practical methodology for in situ measurement of micro flow rates using laser diode absorption sensors”
# 미국 식품의약국(FDA)의 보고에 따르면, 2005~2009년 동안 약물 주입기(infusion pump)에 의한 사고는 56,000여 건이며 그 중 500여 건이 사망에 이르렀다. 의료진이나 기기의 잘못으로 정량이 아닌 약물을 환자에게 투여했기 때문이다. 국내 또한 약물 주입기의 설정치에 의존해야 하는 것은 물론, 관리 시스템은 더욱 취약하다. 약물 투여 의료사고가 개선되기 어려운 이유다.
한국표준과학연구원(KRISS, 원장 박상열)이 분당 주입량이 한 방울도 안 되는 극미한 약물까지 실시간 측정하는 기술을 개발했다.
KRISS 열유체표준센터 이석환 선임연구원팀은 시간당 2 밀리리터(mL)*의 극미한 투약량까지 정확히 파악할 수 있는 유량계를 개발했다. 이번 기술을 활용하면 투약량을 실시간으로 확인할 수 있어, 과다투여와 같은 의료사고를 방지할 것으로 기대된다.
이번 기술은 빨래집게와 유사한 ‘클램프온(clamp-on)’ 타입으로 제작되어 기존 방식과 달리 비접촉적으로 간편하게 측정할 수 있다.
* 일반적으로 물 한 방울이 약 0.05 mL 정도라고 한다. 따라서 ‘시간당 2 mL’는 분당 물 한 방울에도 미치지 않는 0.03 mL 수준의 극미량을 의미한다.
정확한 양의 약물 투여는 모든 의료행위의 기본이다. 하지만 실제 현장에서는 환자 수가 많다보니, 의료진이 초기 설정만 하고 투약량을 지속적으로 확인하기 어려운 것이 실정이다.
문제는 실제 내 몸에 실시간으로 투여되는 약물량이 설정 값과 상당한 차이를 보인다는 것이다. 흔히 수액을 맞을 때 주입 속도가 빠른가 싶다가도 갑자기 느리게 느껴지는 이유다. 투약량 문제의 주요 원인은 약물 주입기를 오래 사용할수록 잦아지는 기계적 오류와 오작동에 있다.
영유아에게 약물을 주입하는 경우나, 진통제나 마취제 등의 특수 약물은 수 mL라도 정량을 초과해서 주입하면 사망에까지 이를 수 있다.
하지만 지금까지는 약물 주입기 내부의 유량이 설정 값과 일치하는지 확인할 방법이 없었다. 초음파를 사용한 비접촉적인 방법은 몇 방울 수준의 극미한 유량을 측정할 수 없다. 따라서 약물 주입기의 배관을 자르고 유량계를 별도로 설치하는 접촉적 방법이 유일했는데, 오염에 노출되는데다 매우 비싸 현장에서 사용하는 것은 불가능에 가까웠다.
KRISS 이석환 선임연구원팀은 적외선 흡수 기반의 열식질량유량계를 개발, 기존의 문제점을 완벽하게 해결했다. 주입기를 전혀 훼손하지 않으면서도 2 mL/h 까지의 미소 유량을 측정할 수 있게 된 것이다.
이번에 개발된 유량계는 클램프온 타입으로, 약물 주입기 배관을 빨래집게처럼 바깥에서 집기만 해도 유량 측정이 가능하다.
유량 측정의 핵심은 온도에 있다. 열원이 배관 내에 있는 경우 유량에 따라 열의 이동이 발생하는데, 열의 이동하는 정도를 파악하면 유량을 정량적으로 측정할 수 있다. 연구팀은 여기에 온도에 따라 특정 파장에서 물의 적외선 흡수도가 변한다는 개념을 접목했다. 그 결과, 1450 나노미터(nm) 파장의 레이저로 액체의 국소부위를 가열한 다음, 상류와 하류의 온도차를 측정하는 방식으로 비접촉적 유량 측정법을 실현했다.
KRISS 이석환 선임연구원은 “이번 기술을 바탕으로 투약량을 실시간 모니터링하게 된다면, 기계적 오류나 의료진의 판단 착오로 발생하는 과다투여와 같은 의료사고를 크게 줄일 수 있다”며 “다양한 약물을 동시 주입할 때도 사용이 가능한데다, 소형화가 가능하고 가격이 상대적으로 저렴하여 상용화의 가능성이 매우 크다”고 말했다.
KRISS 주요사업과 유럽측정표준협력기구(EURAMET), 한국연구재단의 지원을 받은 이번 연구결과는 측정과학분야의 세계적 학술지인 메트롤로지아(Metrologia – IF: 3.447)에 8월 출판되었다.
연구성과 추가 설명
○ 용어 설명
* 보도자료 내 약물 주입기 사고 참고자료(FDA) 링크:
* 적외선 흡수 기법
적외선 파장의 빛을 물질에 투과시켜 흡수되는 정도를 측정하여 물질의 온도, 농도 등의 정보를 얻는 기법이다. 이번 연구에서는 물에 흡수되는 파장을 물의 온도를 측정하는데 사용했으며, 온도에 따라 1,550 nm~1,650 nm 구간의 파장에서 물의 적외선 흡수도가 변화되는 것을 이용하여 배관 내의 물의 온도를 비접촉으로 측정할 수 있었다.
* 열식질량유량계
하나의 히터로 유체를 가열하고, 가열한 곳 상류와 하류에서의 온도 차이를 비교하여 유량을 측정하는 기법이다. 본 연구에서는 기존의 열식질량유량계가 아닌 비접촉 열식질량유량계를 개발하였다.
○ 어디에 쓸 수 있나?
1. 병원에서의 정확한 극미량 약물 주입
신생아의 약물 치료, 마취제와 같은 특수약물치료 등 극미량의 약물을 주입하는 치료에 있어 약물의 정확한 투여는 생명과도 직결되는 결정적인 요소이다. 본 연구에서 개발된 비접촉 유량계는 이를 모니터링하여 최종적으로 정확한 극미량의 약물투여를 가능하게 한다.
2. 반도체 및 화학공정 모니터링
이번 연구결과는 병원뿐만 아니라 산업계에도 충분히 응용 가능한 기술이다. 반도체 및 화학 공정시 정밀한 유량 제어는 필수적이다. 본 연구에서 개발된 기술을 활용하여 실시간 비접촉으로 유량을 모니터링 한다면 공정 효율과 수율을 향상시킬 수 있다.
○ 연구성과 에피소드
현재 KRISS 는 약물 주입기를 교정하기 위한 미소유량표준시스템을 2015년부터 개발하고 있으며, 현재 유럽 EURAMET(유럽측정표준협력기구, European Association of National Metrology Institutes)의 EMPIR(European Metrology Programme for Innovation and Research) MeDD II(Metrology for Drug Delivery) 프로젝트에 공동연구기관으로 참여하고 있다.
극미한 미소유량의 경우 전 세계적으로 측정표준이 확립돼있지 않은 실정이다. 현재로서는 약물 주입기를 교정하려면 미국의 표준기관에 의뢰해야 하는데, 이마저도 직접적인 ‘유량’이 아닌 ‘부피’의 개념을 이용하여 간접적으로 측정하는 방식이라 정확도에 있어 완벽하게 신뢰할 수 없는 상태이다.
이번 기술을 통해 정확한 미소유량 측정표준 확립에 기여하여, 해외 기관에 의존하지 않고 국내 독자적으로 병원에서 사용하는 의약물 주입기기를 교정할 수 있기를 기대해본다.
○ 논문 및 지원사업 관련 정보
1. 논문명 및 주소:
“Practical methodology for in situ measurement of micro flow rates using laser diode absorption sensors”: Metrologia (I.F. 3.447), 2019
2. 지원 사업:
1) 한국표준과학연구원 주요사업
2) 유럽측정표준협력기구(EURAMET): EMPIR MeDD II 사업
3) 한국연구재단: 한-EU 공동연구지원사업
▷적외선 흡수기반 열식질량유량계
- 클램프온 타입으로 제작되어 주입기 배관을 집기만 해도 유량을 측정할 수 있다.
