We present a reusable and porous skin patch (RPS patch), capable of controlling adhesion force with a thermal-pneumatic method for repetitive use, as well as improving moisture permeability for long-term use without skin troubles. Furthermore, we produce a human stress monitoring sensor (HSM sensor) by integrating physiological signal monitoring sensors into the RPS patch. Simultaneously, we develop a stress evaluation protocol to assess individual stress levels. A stress monitoring platform is developed by combining the HSM sensor and stress evaluation protocol, and the significance of stress evaluation on the platform is validated through a human experiment.
We solve two critical issues in skin attachable patch research for measuring physiological signals: 1) the inability for repeated skin attachment due to fixed adhesion force ($\sim 30 kPa$) and 2) the challenge of long-term skin attachment caused by low moisture permeability ($\sim 382 g/m^2/day$). Additionally, we solve a key issue within physiological signal-based stress monitoring research: 3) the standardized stress analysis.
1) We control the skin adhesion force of the RPS patch using thermo-pneumatic pressure generated by the embedded heater on multiple chamber arrays. 2) We improve the moisture permeability of the RPS patch by making the patch with porous materials. 3) We conduct personalized stress analysis using the regression analysis-based stress evaluation protocol that considers the individual deviations by deriving personalized stress regression equations. Furthermore, we produce the HSM sensor by integrating the physiological signal (ECG, pulse wave, temperature, conductance) monitoring sensor into the RPS patch for measuring physiological signals on the human skin.
The RPS patch controls the adhesion force ranging from 8 to $29 kPa$ on both dry and wet skin while keeping the stable adhesion force for 48 hours. It shows repeatable adhesion up to 100 times and the adhesion force is restored after the RPS patch is washed with water; thus, enabling repetitive skin adhesion. The moisture permeability of the RPS patch is improved to $733 g/m^2/day$, allowing for long-term skin attachment without causing skin trouble even when attached for up to seven days.
The HSM sensor, similar to the RPS patch, controls the adhesion force in the range from 8 to $26 kPa$ on dry and wet skin while enhancing moisture permeability to $543 g/m^2/day$. It measures stress-related physiological signals on the human skin. The stress evaluation protocol derives individualized regression equations effective for stress by analyzing the measured physiological signals through multiple linear regression analysis; thus, considering individual deviations. Our stress monitoring platform enables individual stress level evaluation into four levels with $76 %$ accuracy.
The stress monitoring platform can be utilized in digital mental healthcare devices requiring personalized evaluation of mental health degrees.
본 논문에서는 열공압을 이용한 피부 부착력 조절로 피부에 반복적 탈부착이 가능하고, 수분투과도를 항상하여 피부 트러블 없이 장기간 사용할 수 있는 반복사용 다공성 피부 패치(RPS 패치)를 제작하고, 피험자실험을 통해 패치의 장기 반복적 사용성을 입증하였다. 또한 본 RPS 패치에 생체신호 측정 센서를 집적하여 인간 스트레스 모니터링 센서(HSM 센서)를 제작하고, 개인별 스트레스 분석이 가능한 스트레스 프로토콜을 동반 개발하여 스트레스 모니터링 플랫폼을 구축하였다. 그리고 플랫폼의 스트레스 판정 유의성을 피험자실험을 통해 입증하였다.
본 논문에서는 기존 생체신호 측정용 피부부착형 패치 연구의 현안인 1) 고정된 부착력($\sim 30 kPa$)으로 인한 반복적 탈부착 불가와 2) 낮은 수분투과도($\sim 382 g/m^2/day$)로 인한 장기 피부 부착 불가 문제를 해결하였고, 생체신호 기반 스트레스 모니터링 연구의 현안인 3) 획일화된 스트레스 분석 문제를 해결하였다.
1) RPS 패치의 피부 부착력을 조절하기 위해 피부와 접촉하는 패치 면에 히터가 내장된 다수의 챔버를 형성하여 챔버 내 열공압 증감을 통해 피부와의 부착 시 부착력은 강화하고 탈착 시 부착력은 감소시켰다. 2) 또한 RPS 패치의 수분투과도를 향상시키기 위해 패치를 다공성 소재로 제작하였다. 3) 개인 맞춤형 스트레스 분석을 위해, 본 RPS 패치에 생체신호 측정 센서 (ECG, 맥파, 온도, 전도도 센서)를 집적하여 HSM 센서를 제작하고, 개인별 스트레스 회귀식을 도출하여 개인별 편차를 고려할 수 있는 스트레스 평가 프로토콜을 동반 개발하였다.
본 RPS 패치는 일상 또는 젖은 피부에 대해 부착력을 $8 \sim 29kPa$ 범위로 조절할 수 있으며, 최대 48시간 부착력을 유지 가능하다. 또한 최대 100회 피부 탈부착을 반복한 후 물로 세척하여 재사용할 수 있어 패치의 반복적 탈부착이 가능하다. 또한 패치의 수분투과도가 $733 g/m^2/day$으로 향상하여 7일간 피부에 부착하여도 피부 트러블이 발생하지 않아 장기적 피부부착이 가능하다.
본 HSM 센서는 RPS 패치와 유사하게 일상 또는 젖은 피부에 대해 부착력을 $8 \sim 26kPa$ 범위로 조절할 수 있으며, 수분투과도를 $543 g/m^2/day$으로 향상하였다. 또한 피부에 부착하여 생체신호의 측정이 가능하다. 스트레스 평가 프로토콜은 개인별 편차를 고려하며 스트레스를 총 4단계로 $76%$의 정확도로 판정이 가능하다. 본 RPS 패치의 적용을 통해 개발된 스트레스 모니터링 플랫폼은 개인별 정신건강의 단계 평가를 요하는 디지털 멘탈 헬스케어 기기에 활용이 가능하다.
