자기 잉크 펜으로 파킨슨병 검사 A Pen With Magnetic Ink Could Test for Parkinson’s Disease

휴스턴 대 연구팀

 

  자기 잉크 펜으로 파킨슨병 검사 가능 연구원들은 신경망을 사용하여 사용자의 쓰기 동작을 분석했습니다.

파킨슨병은 진단하기 어려울 수 있지만 , 진행성 신경퇴행성 질환의 흔한 증상 중 하나는 손에 작고 잦은 떨림이 나타나는 것입니다.

 

자기 잉크가 담긴 펜은 파킨슨병의 흔한 증상인 작고 잦은 손 떨림을 감지하는 데 도움이 될 수 있습니다. IEEE 스펙트럼; 원본 이미지: Jun Chen

 

A Pen With Magnetic Ink Could Test for Parkinson’s Disease

https://spectrum.ieee.org/parkinsons-disease-pen

 

이제 질병의 선별 검사 및 조기 진단을 목표로, 연구진은 손의 움직임을 감지하는 진단용 펜을 개발했습니다. 이 펜은 전통적인 방식으로 글을 쓰는 것이 아닙니다. 유연한 자성 펜촉과 자성유체 잉크가 움직임을 자기장의 변동으로 변환하여 자기 탄성 효과 라고 알려진 현상을 이용합니다 . 자속은 펜 몸체에 내장된 전도성 코일에 전류를 생성합니다.

 

소규모 예비 연구에서 이 전기 신호는 파킨슨병 환자의 글씨와 건강한 사람의 글씨를 정확하게 구분하는 합성곱 신경망(CNN)을 훈련하는 데 사용되었습니다. 이 진단용 펜과 인체 연구는 오늘 Nature Chemical Engineering 에 발표되었습니다 .

 

"기본적인 감지 메커니즘은 잘 확립되어 있지만, 이 연구의 진정한 강점은 저자들이 그것을 기능적 장치에 독창적으로 통합한 방식에 있습니다."라고 새로운 스타일러스 팁에 사용된 것과 유사한 연자성 소재를 연구하는 휴스턴 대학교 의 엔지니어인 프라딥 샤르마는 말합니다 . 그는 현재 연구에 참여하지 않았습니다.

 

 

진단펜을 만든 사람은 누구일까?

Gary Chen은 이 장치가 작고 고주파의 움직임을 감지할 수 있기 때문에 손 떨림을 검사하는 데 적합하다고 말합니다 .본 연구의 주저자이자 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 캠퍼스 박사 과정생입니다. 저자들은 주로 준 첸(Jun Chen, 친인척 관계 없음)이 이끄는 생명공학 연구 그룹 에 소속되어 있으며 , 이 그룹은 약 5년 동안 자기탄성 효과의 활용 방안을 연구해 왔습니다.

 

Gary Chen은 "우리는 그것을 매우 유망한 기술로 봅니다."라고 말하며 "하지만 우리 논문에서 지적했듯이 현재 연구에는 몇 가지 단점이 있습니다."라고 덧붙였습니다.이 장치와 그 잠재적 활용 분야에 대한 의문에 답하기 위해서는 더욱 다양한 피험자를 대상으로 한 대규모 후속 연구가 필요합니다. 파일럿 연구에서는 훈련 데이터를 파킨슨병 환자 2명과 건강한 대조군 10명으로부터만 수집했으며, 검증을 위해 파킨슨병 환자 1명을 포함한 4명의 피험자를 추가했습니다.

 

초기 결과의 검증 외에도, 추가 연구를 통해 펜이 파킨슨병과 떨림 증상이 있는 다른 질환을 구별할 수 있는지, 그리고 동일 질환의 여러 단계를 구분할 수 있는지 여부를 확인하는 데 도움이 될 수 있습니다. 더 나아가, 연구진은 피험자의 모국어 또는 우세한 손의 사용 여부가 결과에 영향을 미치는지 연구할 계획이며, 이는 임상 적용에 중요할 수 있습니다.

 

 

진단펜은 어떻게 작동하나?

새 펜촉은 작은 네오디뮴 자석과 의수 및 영화 소품 제작용으로 광고되는 실리콘 고무 브랜드인 에코플렉스(Ecoflex)를 혼합하여 만들어졌습니다 . 본체에는 자성유체(ferrofluid) 잉크가 담긴 용기가 들어 있으며, 이 용기는 전도성 실 코일이 내장된 배럴로 둘러싸여 있습니다.

 

사용자가 스타일러스로 그림을 그리거나 글을 쓸 때, 펜촉의 변형으로 자기장이 변하고, 자성유체의 움직임으로 인해 펜은 필기면이나 공기 중 가속도에 민감하게 반응합니다. 미세한 자기 변동은 코일에 전류를 생성하는데, 이 전류의 변화를 분석하는 것은 오늘날 신경학적 평가에서 흔히 사용되는 실험적 글쓰기나 그림 그리기 과제의 종이에 나타나는 결과를 분석하는 것이 아니라, 그 전류의 변화를 분석하는 것입니다.

 

참가자들은 고리 그리기와 글자 쓰기를 포함한 여러 과제를 수행하도록 요청받았습니다. 정규화된 데이터는 여러 유형의 머신러닝 알고리즘을 학습하는 데 사용되었으며 , 가장 우수한 분석 결과는 1차원 합성곱 신경망(CNN)에서 도출되었습니다. 이 신경망은 파킨슨병 환자를 식별하는 데 96% 이상의 정확도를 보였습니다.

 

테스트 중 전류 변동은 때때로 마이크로암페어 미만이었고, 연구용 펜은 케이블로 전류 증폭기에 연결되었습니다. 첸은 궁극적으로 연구팀은 펜에서 컴퓨터나 스마트폰으로 데이터를 무선으로 전송하는 기술을 개발하고 싶어한다고 밝혔습니다

 

자기탄성 재료의 기타 응용 분야

펜촉에 사용되는 것과 유사한 연자성 재료( 자기유변 탄성체 라고도 함 )는 외부 자기장에 노출되었을 때 특성이 어떻게 변하는지 등 다양한 용도로 연구되고 있습니다. 준 첸(Jun Chen) 연구팀은 음성 보조용 목에 착용하는 패치 및 보다 일반적인 인간-기계 인터페이스 등 다양한 응용 분야에 자기탄성 재료를 활용하는 방안도 연구하고 있습니다.

 

올해 초 실시된 한 연구 에 따르면 전 세계적으로 파킨슨병을 앓고 있는 사람이 약 1,200만 명에 달하며, 2050년까지 이 수치는 두 배로 늘어날 것으로 추정됩니다.

 

첸은 펜의 유용성을 평가하기 위한 대규모 연구의 중요성을 강조합니다. "그렇게 인정한다고 해서 약속이 훼손되는 것은 아닙니다."라고 그는 말합니다. "하지만 마침내 실현되기까지는 수년 또는 수십 년이 걸릴 수도 있습니다."

 

A Pen With Magnetic Ink Could Test for Parkinson’s Disease

https://spectrum.ieee.org/parkinsons-disease-pen

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