뇌 활동 모니터링의 미래는 머리카락 한 가닥처럼 보일 수도 있다

뇌파(EEG) 모니터링의 미래는 머지않아 머리카락 한 가닥처럼 보일지도 모릅니다. 펜실베이니아 주립대 연구팀은 기존의 금속 전극, 즉 전선과 끈적끈적한 접착제로 이루어진 그물망 대신, 머리카락처럼 생긴 장치를 개발했습니다. 이 장치는 뇌의 전기 활동을 장기간 비침습적으로 모니터링할 수 있도록 설계되었습니다. 가볍고 유연한 이 전극은 두피에 직접 부착되어 뇌 신호를 안정적이고 고품질로 기록합니다.

뇌파(EEG)는 간질이나 뇌 손상과 같은 신경학적 질환을 진단하고 평가하는 데 매우 중요합니다. 경우에 따라 임상의는 발작, 수면 장애, 뇌혈관과 혈류에 영향을 미치는 질환 등을 평가하기 위해 장시간 뇌파를 모니터링해야 할 수 있습니다.

연구진은 NPC 바이오메디컬 이노베이션(NPC Biomedical Innovations) 저널에 게재된 연구에서 24시간 이상 연속 착용 시에도 안정적인 성능을 유지하는 새로운 전극을 소개했습니다. 연구진은 이 기술이 임상 의료 분야뿐만 아니라 소비자 건강 및 웰빙 제품에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다고 밝혔습니다.

"이 전극은 EEG 신호를 보다 일관되고 안정적으로 모니터링할 수 있게 해주고 눈에 띄지 않게 착용할 수 있어 기능성과 환자의 편안함을 모두 향상시킵니다."라고 논문의 수석 저자이자 웜리 패밀리 공학 및 기계학과 초창기 교수인 타오 저우가 말했습니다.

저우 박사는 뇌파(EEG) 모니터링이 뇌의 전기적 활동을 측정하는 데 널리 사용되는 방법이라고 설명했습니다. 작은 금속 전극을 두피에 부착하여 뇌 세포에서 생성되는 미약한 전기 신호를 포착합니다. 전극은 전선에 연결되고, 이 전선은 뇌의 활동을 파동처럼 보이는 패턴으로 표시하는 기계에 연결됩니다.

하지만 기존의 EEG 모니터링 과정은 번거롭고 때로는 복잡할 수 있습니다. 이러한 한계로 인해 지속적이고 장기적인 모니터링에 사용하기 어렵습니다.

뇌 활동을 정확하게 기록하려면 전극이 두피에 잘 맞아야 합니다. 전극과 피부 사이에 틈이 있거나 털이 많으면 기록되는 신호의 품질이 떨어질 수 있습니다. 연구자와 임상의는 전극과 피부 사이의 표면 간 접촉을 양호하게 유지하고 신호 품질을 유지하기 위해 두피에 젤을 발라야 합니다. 하지만 일부 사람들에게는 젤이 피부 자극을 유발할 수 있습니다.

젤이 마르면 반복해야 하는 시간이 많이 걸리는 과정입니다. 특히 지속적으로 또는 여러 세션에 걸쳐 모니터링해야 하는 경우 더욱 그렇습니다. 또한, 젤을 바르고 다시 바르는 과정이 정확하지 않아 전극에 사용되는 젤의 양이 달라질 수 있습니다.

"이렇게 하면 전극과 두피 사이의 임피던스, 즉 인터페이스가 바뀌어 기록되는 뇌 신호에 영향을 미칠 수 있습니다."라고 저우 박사는 말했습니다. "또한 우리는 인간이기 때문에 항상 정확히 같은 위치에 전극을 꽂는 것은 아닙니다. 하지만 전극의 위치를 ​​조금만 바꿔도 모니터링하는 뇌 신호가 달라질 수 있습니다."

기존의 EEG 전극도 딱딱하기 때문에 누군가가 머리를 약간만 움직여도 움직일 수 있어 데이터의 균일성이 떨어질 수 있습니다.

이러한 한계를 해결하기 위해 연구팀은 3D 프린팅된 하이드로젤 소재로 제작된 머리카락처럼 생긴 작은 모니터링 장치를 설계했습니다. 한쪽 끝은 전극으로, 작은 점처럼 생겼으며 두피에서 뇌의 전기 신호를 포착합니다. 전극에서 뻗어 나온 길고 얇은 전선 모양의 부품이 모니터링 시스템에 연결됩니다.

이 장치는 3D 프린팅 가능한 생체 접착 잉크를 사용하여 끈적거리는 젤이나 기타 피부 준비 없이 전극을 두피에 직접 부착할 수 있습니다. 이는 전극과 두피 사이의 간격을 최소화하여 신호 품질을 향상시킵니다. 가볍고 유연하며 신축성이 뛰어난 이 장치는 머리를 빗거나 야구 모자를 쓰고 벗을 때에도 고정되어 장시간 착용이 가능하여 만성적인 모니터링에 적합합니다.

연구팀은 새로운 장치가 현재 EEG에 사용되는 표준 전극인 금 전극과 유사한 성능을 보인다는 것을 발견했습니다. 그러나 머리카락 형태의 전극은 전극과 피부 사이의 접촉을 더 잘 유지했으며, 24시간 이상 연속 착용 시에도 신호 품질 저하 없이 안정적으로 작동했습니다. 기존 EEG 모니터링 시스템처럼 전극을 제거하고 교체할 필요가 없기 때문에, 여러 모니터링 세션에서 데이터가 일치하지 않을 위험을 제거합니다.

"전극이 움직이지 않았기 때문에 전극의 위치가 바뀌거나 임피던스가 변해도 걱정할 필요가 없습니다."라고 저우 박사는 말했습니다.

기존의 금속 전극과 달리, 새로운 전극은 사람의 머리카락을 모방하여 머리에 착용해도 눈에 띄지 않습니다. 저우 씨는 이 장치가 3D 프린팅으로 제작되었기 때문에, 사람의 머리카락 색상에 맞춰 전극을 다양한 색상으로 인쇄할 수 있다고 설명했습니다.

"이렇게 하면 눈에 띄지 않고, 특히 지속적인 EEG 모니터링이 필요하고 장시간 전극을 착용해야 하는 경우 착용감이 더 편안할 수 있습니다."라고 저우 박사는 말했습니다.

현재 EEG는 여전히 유선으로 연결되어 있어, 환자는 뇌 활동을 기록하는 동안 기계에 연결되어 있어야 합니다. 연구진은 앞으로 이 시스템을 무선으로 개발하여 기록 세션 동안 환자가 더 자유롭게 움직일 수 있도록 할 계획입니다.

이 논문에 참여한 다른 펜실베이니아 주립대 저자들은 공학과학 및 기계학과 박사과정생인 살라후딘 아메드와 마르지아 모민을 포함한 주요 저자들입니다. 공학과학 및 기계학과 박사과정생인 지아슈 렌, 생체의공학과 박사과정생인 이현진, 연구 조교인 리팡 황, 그리고 물리학과 학부생인 바스마 알마흐무드도 이 논문에 기여했습니다.

다른 저자로는 국립 타이베이 기술 대학 분자 과학 및 공학과의 치칭 쿠오, 아르차나 판디얀, 로가나탄 비라무투가 있습니다.

이 연구는 미국 국립보건원, 오크리지 연합대학, 국립타이베이기술대학-펜실베이니아주립대학 협력 시드 지원 프로그램, 그리고 펜실베이니아주립대학의 공학과학 및 기계학과, 재료연구소, 허크 생명과학연구소의 자금 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/05/250502133950.htm