단일 적혈구 변형성의 전기적 측정을 위한 CMOS 공정 기반의 Read-out IC 설계

Abstract

배경 : 1980년에 적혈구의 변형성과 응집능이 혈액의 점도에 결정적인 요인임이 발견되었다. 이어 당뇨병, 뇌졸중, 심근경색, 말라리아 등 대부분의 혈관질환자에서 혈액 점도의 증가가 발견된다는 연구결과들이 보고되었다. 혈액유변학에서 적혈구 변형성 측정을 위해 화학적 실험, 이미지 분석, 유동 세포 분석법, 전기적 측정 방법 등이 연구되었다. 이러한 연구에서 중요한 이슈는 정확도, 처리량, 측정방법의 단순함이다.

방법 : 전극 쌍을 가지고 있는 마이크로 챔버 디바이스는 단 하나의 cell을 측정할 수 있도록 제작되었다. 측정 방법은 혈액을 떨어뜨리고 PDMS 블록을 덮는 방식으로 아주 간단하다. 이 디바이스와 LCR Meter를 이용해 RBCs, GA로 하드닝 한 rigidified RBCs을 200 Hz에서 2MHz 까지의 주파수 범위에서 임피던스를 측정했다. cell의 임피던스는 주파수가 높아질수록 작아진다. 작아지는 정도는 cell의 특성에 따라 달라진다. 측정을 통해 200 KHz와 2 MHz에서 cell의 임피던스 크기의 비(opacity)가 cell의 상태에 따라 가장 큰 차이가 있음을 알아냈다. 이 feasibility test를 통해서 CMOS 기반의 Integrated Circuit (IC) 시스템을 디자인했다.

결과 : 측정을 위한 혈액은 5 ul 이하이다. RBCs, GA로 하드닝 한 rigidified RBCs를 구분하여 각 상태에 따른 cell의 개수를 결과 값으로 출력한다. 적혈구의 변형성이 작을수록 더 큰 opacity를 가진다. 한 개의 cell을 측정하는 데 100 us 이하의 시간이 걸린다. 다시 말하면, 이 시스템은 초당 10,000 이상의 throughput을 갖는다. 최종적으로 각 상태에 따른 챔버 숫자를 출력한다. 측정할 수 있는 주파수 범위는 200 KHz에서 20 MHz 이다. 개별적으로 주파수를 선택해서 opacity를 얻을 수 있다.

결론 : 이 연구에서는 마이크로 챔버를 이용하여 CMOS IC를 임피던스 분석법을 통해 적혈구의 변형성을 측정할 수 있는 system을 디자인했다. 기존의 방식과 다르게 static 한 상태에서 측정을 한다. 초당 10,000 이상의 높은 throughput을 가진다. 측정 방식도 간단하다. 이 연구는 적혈구 경화도 측정을 위한 System on a Chip(SoC)을 구현하는 데 기여할 것이다.