Pressure injury refers to localized damage to the skin or underlying tissues caused by the continuous or repetitive pressure, elevated temperature at a specific part of the body. hemiplegia patients with Wheelchair are one of the highest risk populations for developing sitting acquired pressure injury. The current pressure injury prevention protocol is repositioning the posture of wheelchair users at regular intervals to prevent repetitive pressure and elevated temperature. However, it is insufficient to completely prevent pressure injury due to a lack of quantitative medical information on the pressure and temperature of patients. Therefore, to effectively prevent pressure injury, there is a need for a wireless wearable pressure sensor that enables real-time monitoring that can provide quantitative pressure and time information and does not cause discomfort of movement even when attached to various parts of the body. Recently, several types of research about skin-mountable wireless pressure sensors have been proposed that can non-invasively monitor the human body. However, real-time tracking and monitoring about pressure/temperature distribution studies with stability and reliability for clinic testing are in the early stages. In addition, despite studies on the structure of various nanomaterials and pressure sensors, there are no medical wearable pressure sensors that simultaneously satisfy low-pressure measurement, high sensitivity, high signal to noise ratio(SNR), linearity, low hysteresis, and mechanical stability to measure high pressure at skin interfaces in wheelchair patients.
Here this paper proposes a battery-free, wireless, skin-mountable, crack-activated pressure sensor and movable system for real-time monitoring of the pressure of major skin area. The pressure sensor includes a cracked-metal trace encapsulated with a nanoscale, thin film for excellent sensitivity ($\Delta R/R_o$ ~ 3 %, 100kPa), low hysteresis (0.1 %), high linearity ($R^2$ ~ 0.99) and stability, required for use in this application. Also, the battery-free, wireless mode of operation is capable of continuously measuring at critical locations across the whole body of subject sitting in wheelchair during stationary or in motion. Such devices yield continuous, simultaneous readings of pressure and temperature in a sequential readout scheme from four multiplexed antennas integrated under back rest, seat and two footrests, respectively, and connected to a wireless reader, potable batteries and a multiplexer located over back rest of wheelchair. Experimental evaluation of the performance of the wireless sensing platform includes benchtop measurements and temperature compensation through combination with temperature sensor. In addition, experimental evaluation includes measuring the maximum operating distance on the movable system and evaluating the stability in various environments to show the functionality of the overall system. Finally, the clinical trials with paraplegia patients (e.g. hospitalized patient and outpatients) including the diverse weight shift behaviors to demonstrate the potential of the system for pressure injury prevention.
욕창은 신체의 특정 부위에 지속적인 또는 반복적인 압력, 높은 온도로 인해 피부나 하부 조직이 국소적으로 손상되는 것을 말한다. 휠체어를 사용하는 하반신 마비 환자는 좌식 후천성 욕창이 발생할 위험이 가장 높은 환자군이다. 현재의 욕창 예방 프로토콜은 휠체어 사용자의 자세를 일정한 간격으로 변경하여 지속적인 압력 부하 및 온도 증가를 막는 것이다. 그러나, 피부에 걸리는 압력 및 온도에 대한 정량적인 의학 정보가 부족하여, 체계적인 관리의 어려움이 있다. 따라서 효과적인 욕창 예방을 위해서는, 정량적인 압력과 시간에 대한 정보를 제공할 수 있는 실시간 모니터링이 가능하며 신체의 다양한 부위에 부착하여도 움직임의 불편함이 없는 무선 통신 기반의 웨어러블 압력 센서에 대한 필요성이 대두되고 있다. 최근 무선 통신 기반의 압력 센서 연구가 수행되고 있으나, 클리닉 테스트를 위한 안정성, 신뢰성을 가진 압력 및 온도 분포의 실시간 추적 및 모니터링 연구는 초기 단계에 있다. 또한 다양한 나노 소재 및 압력 센서의 구조체 관련 연구가 있음에도 불구하고, 휠체어 환자의 피부 계면의 높은 압력을 측정하기 위한, 높은 민감도, 높은 신호대잡음비, 선형성, 낮은 이력현상, 기계적 안정성을 동시에 만족하는 의료용 웨어러블 압력 센서가 부재하다.
본 연구에서는 욕창 예방을 위하여, 욕창 발생이 예상되는 피부 주요 부위의 압력과 온도를 실시간 모니터링 가능한 무전원, 무선, 크랙 기반의 웨어러블 압력 센서 및 이동식 시스템을 제안한다. 본 압력 센서는 나노 스케일로 인캡슐레이션된 크랙 패턴 기반 금속 박막을 통해 우수한 감도($\Delta R/R_o$ ~ 3 %, 100kPa), 낮은 이력현상 (0.1 %), 높은 선형성 ($R^2$ ~ 0.99) 및 안정성을 보인다. 또한 근거리 무선 통신을 기반으로 작동하여, 정지하거나 움직이는 동안 휠체어에 앉아 있는 대상의 전신에 걸친 중요한 위치의 온도와 압력을 지속적으로 측정 가능하다. 이러한 장치는 각각 등받이, 좌석 및 2개의 발판 아래에 위치한 4개의 다중 안테나와 휠체어의 내부에 위치한 무선 리더기, 휴대용 충전기 및 멀티플렉서를 통해 무선 센서와 연속적으로 데이터 통신된다. 무선 센싱플랫폼의 성능에 대한 실험적 평가는 벤치탑 테스트 등의 압력 센서 특성평가와 온도 센서와의 결합을 통한 온도 보상 등을 포함한다. 또한 이동식 시스템 상에서 최대 작동 거리 측정 및 다양한 환경에서의 안정성 평가를 통해 시스템의 활용 가능성을 평가하였다. 최종적으로, 욕창 위험군 환자를 하반신 마비 입원,외래 환자로 분류하여 임상실험을 진행하며, 자세별, 환자별 주요 부위에 대한 다중 데이터를 획득하고 정량적 분석을 통해 욕창 예방을 위한 시스템의 효용성을 검증하였다.
