Minimally invasive procedure is a procedure with minimal incision on patient’s body by inserting small medical tools in order to treat a lesion. Because of minimal incision, recovery of patient is faster than open surgery, which is most important advantage of the minimally invasive procedure. A medical needle, which is one of representative medical tools in minimally invasive procedure, has been widely utilized in biomedical field such as drug delivery, biopsy, and tissue treatment. In case of a conventional image-guided biopsy procedure to get a specimen for histological assessment, some cancerous tissues cannot be distinguished from normal tissues due to limited image resolution and imaging contrast in the medical imaging tools, which causes inaccurate biopsy procedure. In order to overcome this limitation, we developed a biopsy needle that can discriminate the type of tissue around the needle tip during biopsy procedure by integrating multi-modal physical/chemical biosensors on the surface of biopsy needle. Specifically, we aimed to develop a sensor integrated biopsy needle that can discriminate between cancerous and normal tissues. Therefore, as possible indicators for cancer discrimination, electrical conductivity (cancer=1.5 - 4.5 times higher or lower than normal tissue), pH (normal= pH 7.3-7.4, cancer= pH 6.5-7.0), glucose concentration (normal= 1.5-3.3 mM, cancer = less than 1 mM), and lactate concentration (normal= 2-4.5 mM, cancer = 5-17 mM) were selected. In this research, a multi-modal physical/chemical sensor array with a sensing capability of the above-mentioned parameters was fabricated on the surface of biopsy needle based on two approaches. We could overcome the limitations of previously reported sensor integrated biopsy needles such as limited sensor types and measurement error induced by limited number of electrodes.
Firstly, we developed a biopsy needle integrated with stainless steel (STS) microwires with a capability of electrical impedance spectroscopy (EIS) by assembling STS microwires onto the surface of biopsy needle. However, in this case, it was difficult to fabricate sensor electrodes uniformly. Therefore, it was utilized only as an EIS sensor because the measurement error can be calibrated using conventional calibration techniques. The fabricated biopsy needle with EIS sensor could measure an electrical conductivity in range of physiological condition (0.0125 S/m – 1.0370 S/m) in AC frequency range from 1 kHz to 1 MHz within $\pm8 %$ error range. Furthermore, we proposed the calibration method to correct the above-mentioned error by utilizing a relation between the conductivity of sample and the cell constant of EIS sensor. Numerical simulation and receiver operating characteristics (ROC) were utilized to analyze a diagnostic performance as a medical tool, and the fabricated sensor could discriminate between cancerous and normal tissues with a high accuracy (Area under curve > 0.9). In addition, a usefulness of the developed biopsy needle was demonstrated using a liver cancer mimicking hydrogel, a porcine meat, and a fatty-liver mouse model.
Secondly, a biopsy needle with a capability of multi-modal physical/chemical sensing was developed
by assembling a biosensor array with sensor electrodes on a flexible polymeric substrate. Au electrodes were fabricated on a polyimide substrate using conventional microfabrication method and various patterning methods such as screen printing and electrodeposition were utilized to form various sensing materials on Au electrodes. Four types of sensors such as an electrical conductivity sensor, an iridium oxide (IrOx) based pH sensor, a glucose concentration sensor, and a lactate concentration sensor were integrated onto a single sensor platform with a maximum width of 1.8 mm. A saline solution, a phosphate buffer solution, a glucose solution, and a lactate solution were utilized for the characterization of individual sensors. With the electrical conductivity sensor, conductivities from 0.0265 S/m to 1.027 S/m could be measured within 12% error range in AC frequency range of 10 kHz - 1 MHz. Furthermore, because of improved uniformity between sensors based on microfabrication method, cell constants of different sensors were almost similar (5.8% of standard deviation from averaged cell constant in five sensor samples). In IrOx based pH sensor, we utilized additional electrochemical treatment method to minimize the deviation between sensors and the IrOx based pH sensor could measure pH differences in the range of pH 6.6 – pH 7.4 with a sensitivity of -69.3 mV/pH. In case of glucose sensor, a glucose oxidase was immobilized using both drop-casting and electropolymerization methods. In both cases, glucose differences in glucose range between 2 mM and 12 mM could be successfully measured. Also, the sensitivities of glucose sensor were -4.47 nA/mM and -13.3 nA/m by drop-casting and electropolymerization methods, respectively. For a lactate sensor, electropolymerization method was used for the enzyme immobilization and differences of lactate concentrations in the range between 1 mM to 5 mM weres successfully measured with sensitivity of -10.3 nA/mM. In addition to the sensor characterization, a capability of multi-modal sensing was demonstrated using a hydrogel based phantom, a solution sample, and a porcine liver with exchanged internal liquid environment.
We expect that more accurate biopsy procedure can be performed using the developed biopsy needle integrated with sensor. Based on this, it is also expected that safer and more accurate biopsy procedure can be realized by providing information of tissue to a surgeon in real-time. Furthermore, the proposed method for the sensor integration can be also applied to other medical tools, which can improve the accuracy of medical procedure by in-situ analysis of the properties of tissues near the sensor integrated medical tools.
최소 침습 수술 및 시술은 절개를 하지 않거나 최소한의 절개를 한 뒤, 소형 의료 기구를 체내에 삽입해 시술을 하는 것을 의미한다. 이 경우 기존 개복 수술에 비해 환자의 회복이 빠른 장점이 있다. 이러한 이유로 약물 전달, 조직 채취, 국소 조직의 치료 등 다양한 방면에서 최소 침습 시술을 위해 의료용 바늘이 활용되고 있다. 그 중 바늘을 이용하여 병리학적 검사를 위해 조직을 채취하는 조직 생검의 경우, 의료 영상 기기의 제한적인 분해능 및 명암도로 인하여 정상 조직과 암 조직이 구분되지 않는 경우가 발생하여 정확한 생검이 어려운 경우가 다소 발생한다. 이런 문제점을 극복하기 위하여, 생검 바늘 표면에 다종의 센서를 집적하여 바늘 삽입 중 바늘 주변 조직의 물리/화학적 특성을 실시간으로 분석할 수 있는 기술을 개발하였다. 특히 암 생검을 주요 목표로 선정하여, 정상 조직 대비 암 조직에서 변화가 발생하는 전기 전도도 (정상 조직 대비 1.5-4.5배 이상 차이), pH (정상 조직 pH~7.3-7.4, 암 조직 pH~6.5-7.0), 글루코스 (정상 조직 1.5-3.3 mM, 암 조직 1.2 mM 이하), 락테이트 (정상 조직 2-4.5 mM, 암 조직 5-17 mM )를 감지 물질로 선정하였다. 본 연구에서는 크게 두가지 방법을 통해 생검 바늘 표면에 상기한 센서 어레이를 집적하였으며, 이를 통해 기존 연구에서 보고된 한정된 종류의 센서, 전극 수 제한으로 인한 센서 오차와 같은 한계점을 해결하였다.
첫째로, 스테인리스 스틸 마이크로 와이어을 생검 바늘 표면에 부착하여 전극을 형성하는 방법을 고안하였다. 이 경우 직접 와이어 전극을 붙임에 따라 센서 균일성이 떨어지기 때문에 이를 쉽게 보정할 수 있는 방식인 전기임피던스 센서로 활용하였다. 제작된 전기임피던스 센서의 성능을 소금물을 통하여 분석하여, 신체 조직의 전기적 특성 범위(0.0125 S/m – 1.0370 S/m)를 교류 주파수 1kHz에서 1MHz 범위에서 $\pm8%$ 이내의 오차로 측정 가능함을 확인하였다. 또한 이 오차를 측정 물질의 비전도도와 용기 상수(cell constant)의 상관관계를 이용해 추가적으로 보정하여 센서의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제시하였다. 진단기기로서의 성능은 전산 분석과 수신자 조작 특성 기법(Receiver operating characteristics)을 통하여 바늘 삽입 중 조직의 종류를 높은 정확도로 분석할 수 있음을 확인하였다 (Area under curve > 0.1). 또한, 간암 모사 하이드로젤 팬텀, 돼지고기 조직 그리고 지방간 마우스 모델을 통하여 실제 생체 조직에서 서로 상이한 조직을 분석할 수 있음을 확인하였다.
둘째로, 유연 기판 상에 센서 전극과 다종의 바이오 센서를 집적한 뒤 이를 생검 바늘 표면에 부착하여, 다중 모드의 물리/화학적 조직 특성을 분석할 수 있는 기술을 개발하였다. 유연한 폴리이미드 필름에 미세 패터닝 공정을 이용하여 금 센서 전극을 형성하였고, 스크린 프린팅 및 전기 증착법 등을 활용하여 다종의 센서 물질을 센서 전극 위에 형성하였다. 전기 전도도 센서, pH 센서, 글루코스 센서, 락테이트 센서가 하나의 센서 모듈(최대 센서 모듈 폭 1.8 mm)에 집적되었다. 소금물, 인산 완충 용액, 글루코스 용액, 락테이트 용액 등을 활용하여 각각의 센서의 성능을 분석하였다. 전기 전도도 센서의 경우 0.0265 S/m – 1.027 S/m의 전기전도도를 교류 주파수 10 kHz에서 1 MHz 범위에서 12% 이내의 오차로 측정 가능하였다. 또한 미세 패터닝 공정을 통해 센서 간의 균일도가 향상되어, 샘플 간 일정한 용기 상수(cell constnat)를 가짐을 확인하였다 (5개 샘플, 평균 용기 상수 대비 최대 5.8%의 표준편차). pH 센서의 경우 산화 이리듐 pH 센서막의 산화 상태를 조절하여 센서 간의 편차를 줄일 수 있는 방법을 제시하였으며, pH 6.6 – pH 7.4 범위 내에서 -69.3 mV/pH의 민감도를 가짐을 확인하였다. 글루코스 센서의 경우 drop-casting 방법과 electropolymerization 방법을 각각 이용하여 효소 고정화를 하였으며, 전자의 경우 -4.47 nA/mM의 민감도로 2 mM에서 13 mM까지, 후자의 경우 -13.3 nA/mM의 민감도로 2 mM에서 12 mM의 글루코스 농도를 측정할 수 있음을 확인하였다. 락테이트 센서의 경우 electropolymerization 방법을 이용하여 효소 고정화를 하였으며, -10.3 nA/mM의 민감도로 1 mM에서 5 mM의 락테이트 농도를 측정할 수 있음을 확인하였다. 또한, 하이드로젤 팬텀과 용액 환경, 그리고 조직 내부 액상 환경이 변화된 돼지 간 실험을 통하여, 네 종류의 조직의 물리/화학적 특성을 하나의 센서 모듈에서 모두 측정할 수 있음을 확인하였다.
본 연구를 통해 기존의 영상 기반 생검 과정이 갖는 한계점을 극복하여, 생검 시 암 조직에 정밀 타게팅하여 생검 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 이를 바탕으로 더욱 빠른 시간 내에, 재수술 없이 환자의 질환을 확진하고 적절한 치료를 가능하게 해, 환자의 예후에도 긍정적인 영향을 끼칠 것으로 예상한다. 또한, 제안한 방법을 통해 의료용 바늘 뿐만 아니라 다른 의료 도구 상에 다종의 센서를 집적할 수 있으며, 이를 통해 시술 중 의료용 도구 주변 조직을 분석하여 더욱 정확한 시술이 이루어질 수 있을 것으로 기대된다.