인공무릎관절 수술에서의 영역기반 ICP 알고리즘

기재홍(Jaehong Key),이문규(Moonkyu Lee),이창양(Changyang Lee),김동민(Dong M. Kim),유선국(Sun K. Yoo),최귀원(Kuiwon Choi) 한국정밀공학회 2006 한국정밀공학회 학술발표대회 논문집 Vol.2006 No.5월

Image Guided Surgery(IGS) system has been developed to provide exquisite and objective information to surgeons for surgical operation process. It is necessary that registration technique is important to match between 3D image model reconstructed from image modalities and the object operated by surgeon. Majority techniques of registration in IGS system have been used by recognizing fiducial markers placed on the object. However, this method has been criticized due to its invasive protocol inserting fiducial markers in patient"s bone. Therefore, shape-based registration technique using geometric characteristics of the object has been invested to improve the limitation of IGS system. During Total Knee Replacement(TKR) operation, it is challenge to register with high accuracy by using shape-based registration because the area to acquire sample data from knee is limited. We have developed region-based 3D registration technique based on anatomical landmarks on the object and this registration algorithm was evaluated in femur model. It was found that region-based algorithm can improve the accuracy in 3D registration. We expect that this technique can efficiently improve the IGS system.

전하가 다른 PLGA 나노 입자의 생체 안정성 및 암세포에 미치는 영향

김인우,박승빈,지유현,박상효,기재홍,Kim, Inwoo,Park, Seungbin,Ji, Yuhyun,Park, Sanghyo,Key, Jaehong 대한의용생체공학회 2018 의공학회지 Vol.39 No.3

Cancer is a major burden of human disease worldwide. Current chemotherapy has severe side effects because the drugs affect whole body nonspecifically. In addition, the drugs to reach cancer cells are very limited. Over the last two decades, Drug Delivery System (DDS) using nanoparticles has suggested promising results to improve current limitations. In this study, we prepared PLGA nanoparticles with different charge properties and observed their stability and internalization effect to cancer cells. Results using Dynamic Light Scattering (DLS) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) confirmed the size and chemical composition of the nanoparticles. The stability of the nanoparticles in pH buffers were variable depending on charge properties. The nanoparticles showed different cytotoxicity and internalization effects to MCF-7 human breast cancer cells. In conclusion, we demonstrated the importance of delicately engineered nanoparticles for better DDS in cancer.

무선 ECG 센서와 안드로이드 앱을 이용한 부정맥 진단 및 치료 시스템 구현에 관한 연구

김남영(Namyoung Kim),기재홍(Jaehong Key) 대한전자공학회 2016 대한전자공학회 학술대회 Vol.2016 No.4

부정맥은 현대인에게 빈번히 발생하는 질환 중 하나이다. 부정맥의 종류는 일시적으로 발생하였다가 자연스럽게 치유되는 경미한 부정맥 증상으로부터 발생하면 신체에 심각한 손상이나 돌연사로 이어질 수 있는 위협적인 부정맥 질환까지 매우 다양하다. 특히 심장질환과 관련하여 지속적인 모니터링과 치료가 요구되는 부정맥 증상으로는 심실빈맥(ventricular tachycardia, VT), 심방세동 (atrial fibrillation, AF), 심실세동(ventricular fibrillation, VF)등이 있으며, 이러한 증상은 심장 기능의 이상과 직접적인 관련이 있는 것으로 보고되어있고, 방치 시 인체에 치명적일 수 있어 조기 진단과 효과적인 치료가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 이러한 생명에 영향을 줄 수 있는 심각한 부정맥 질환에 대한 지속적인 모니터링과 효과적인 치료를 손쉽게 수행할 수 있는 부정맥 진단 및 치료 시스템 구현에 관한 연구 내용을 보고한다. 본 연구에서는 부정맥의 지속적인 모니터링과 조기 진단을 위해서 무선 ECG (electrocardiogram) 센서를 사용하였고, ECG 신호에 대한 신호처리 (signal processing) 기술을 이용한 알고리즘 개발과 이를 연동하여 경고 신호를 의사에게 전송할 수 있는 안드로이드 앱을 개발하였다. 이러한 시스템 구축은 부정맥을 장시간 모니터링 하는 것이 가능하며, 의사에게 부정맥 탐지에 대한 보조적 가이드라인을 제공함으로써 증상에 대한 조기 진단과 효과적인 치료를 가능하게 하도록 하는 것을 목표로 한다. 무선 센서를 통하여 획득되는 심전도 신호는 R-R Peak, QRS Wave의 주파수 특성과 P wave, T wave 탐지 요소를 연산하여 심실빈맥, 심실세동, 심방세동을 효과적으로 탐지하도록 구축하였으며, 안드로이드 앱으로의 최적화 전송을 위하여 지속적으로 발전시키고 있다. 향후 연구 계획으로는 이러한 시스템이 의사의 안드로이드 앱을 통한 원격처방 시스템과 연동하여 원격 조정 (remote control)을 통한 약물 치료도 가능한 진단 및 치료 시스템을 구축할 계획이다.[1]

암 진단 및 치료용 디스크 나노 입자의 향상된 입자 생산법에 관한 연구

배장열,오은설,이현,기재홍,BAE, J.Y.,OH, E.S.,LEE, H.,KEY, Jaehong 대한의용생체공학회 2016 의공학회지 Vol.37 No.1

나노 입자는 암의 조기 진단과 효과적인 치유를 위한 약물 전달체 또는 영상 조영제로 연구개발 되어왔다. 이러한 나노 입자는 주로 EPR effect로 인해 효과적으로 암 세포를 표적하는 것이 가능하다고 보고되었고, 주로 구형의 나노 입자들이 이러한 실험에 적용되었다. 그러나 최근 EPR effect가 사람의 암 치료에 있어서는 큰 효과를 나타내지 않는다는 한계점이 여러 연구를 통해 제시되고 있다. 따라서 본 연구에서는 이러한 구형 나노 입자의 한계점을 극복하기 위한 새로운 형태의 디스크 나노 입자를 제안하고, 디스크 나노 입자의 생산 과정과 입자의 질을 향상시키기 위한 입자 생산방법에 관한 연구 내용을 보고하였다. 본 연구를 통해 생산된 디스크 나노 입자는 인간 유방암인 MCF7 세포에 적용하여 항암제 전달체로써의 가능성을 평가하였다. Nanoparticles have been studied as therapeutic and imaging agents for the early detection and cure of cancer, Cancer Theranostics. Nanoparticles were considered to effectively target cancer cells due to Enhanced Permeability and Retention (EPR) effect and most nanoparticles have been evaluated by using spherical shapes. However, the problem that the EPR effect is not so effective for human cancer therapy was recently brought up. Therefore, in this study, we suggest novel discoidal nanoparticles to overcome this problem, focusing on their manufacturing process and quality control. Herein, we demonstrate the improved manufacturing method of discoidal nanoparticles and their potential to apply to MCF 7, human breast cancer treatment.

효과적인 약물전달 시스템을 위한 나노입자 유도 장치

이총명,한현호,장병한,오은설,기재홍,Lee, Chongmyeong,Han, Hyeonho,Jang, Byonghan,Oh, Eunseol,Key, Jaehong 대한의용생체공학회 2017 의공학회지 Vol.38 No.3

Cancer is one of the most challenging human diseases. Current clinical methods have limitations for early-stage cancer diagnosis and effective therapy. Moreover, current surgical methods to remove tumors are not precise enough and chemotherapy destroys normal tissues as well as malignant tumors, resulting in severe side effects such as hair loss, vomiting, diarrhea, and blood disorders. Recently, nanotechnology using nano-sized particles suggests advanced solutions to overcome the limitations. Various nanoparticles have been reported for more accurate diagnosis and minimized side effects. However, current nanoparticles still show limited targeting accuracy for cancer generally below 5% injection dosage. Therefore, herein we report a new nanoparticle inducing device(NID) to guide the nanoparticles externally by using both variable magnetic fields and blood flows. NID can be a promising approach to improve targeting accuracy for drug delivery using iron oxide nanoparticles. 본 논문은 자석을 회전시켜 실시간으로 자기장을 변화시키고 그로 인해 특정 조건에서 산화철 나노입자를 side point(피부)보다 center point(심부)에서 더 많이 유도할 수 있다는 가능성을 제시하였다. 향후 연구로 유속에 따른 Critical Magnetic flux density, 시간에 따른 나노입자 축적량, 자기장과 산화철 나노입자의 상호작용을 고려한 실험 설계, 전자석 등을 이용한 자기장조절을 연구하여 실질적인 혈관에서 본 실험을 진행할 계획이다.

무선 ECG 센서와 안드로이드 앱을 이용한 부정맥 진단 및 치료 시스템 구현에 관한 연구

김남영(Namyoung Kim),기재홍(Jaehong Key) 대한전기학회 2016 정보 및 제어 심포지엄 논문집 Vol.2016 No.4

부정맥은 현대인에게 빈번히 발생하는 질환 중 하나이다. 부정맥의 종류는 일시적으로 발생하였다가 자연스럽게 치유되는 경미한 부정맥 증상으로부터 발생하면 신체에 심각한 손상이나 돌연사로 이어질 수 있는 위협적인 부정맥 질환까지 매우 다양하다. 특히 심장질환과 관련하여 지속적인 모니터링과 치료가 요구되는 부정맥 증상으로는 심실빈맥(ventricular tachycardia, VT), 심방세동 (atrial fibrillation, AF), 심실세동(ventricular fibrillation, VF)등이 있으며, 이러한 증상은 심장 기능의 이상과 직접적인 관련이 있는 것으로 보고되어있고, 방치 시 인체에 치명적일 수 있어 조기 진단과 효과적인 치료가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 이러한 생명에 영향을 줄 수 있는 심각한 부정맥 질환에 대한 지속적인 모니터링과 효과적인 치료를 손쉽게 수행할 수 있는 부정맥 진단 및 치료 시스템 구현에 관한 연구 내용을 보고한다. 본 연구에서는 부정맥의 지속적인 모니터링과 조기 진단을 위해서 무선 ECG (electrocardiogram) 센서를 사용하였고, ECG 신호에 대한 신호처리 (signal processing) 기술을 이용한 알고리즘 개발과 이를 연동하여 경고 신호를 의사에게 전송할 수 있는 안드로이드 앱을 개발하였다. 이러한 시스템 구축은 부정맥을 장시간 모니터링 하는 것이 가능하며, 의사에게 부정맥 탐지에 대한 보조적 가이드라인을 제공함으로써 증상에 대한 조기 진단과 효과적인 치료를 가능하게 하도록 하는 것을 목표로 한다. 무선 센서를 통하여 획득되는 심전도 신호는 R-R Peak, QRS Wave의 주파수 특성과 P wave, T wave 탐지 요소를 연산하여 심실빈맥, 심실세동, 심방세동을 효과적으로 탐지하도록 구축하였으며, 안드로이드 앱으로의 최적화 전송을 위하여 지속적으로 발전시키고 있다. 향후 연구 계획으로는 이러한 시스템이 의사의 안드로이드 앱을 통한 원격처방 시스템과 연동하여 원격 조정 (remote control)을 통한 약물 치료도 가능한 진단 및 치료 시스템을 구축할 계획이다.

약물 운반체로서의 폴리머 디스크 나노 입자에 대한 평가

배장열,오은설,안혁주,기재홍,BAE, J.Y.,OH, E.S.,AHN, H.J.,KEY, Jaehong 대한의용생체공학회 2017 의공학회지 Vol.38 No.1

우리가 예상했던 DPNs의 지름은 약 500 nm였으며 이는 SEM과 AFM 영상, Size Distribution을 통해 기대했던 것과 유사한 크기를 가진다는 것을 확인하였다. 또한, Zeta potential은 약 $-17.8{\pm}4.4mV$으로 측정되었다. Zeta potential이 +30 mV이상이면 강한 양성을 띤다고 한다. 나노 입자의 Zeta potential이 강한 양성이면 nonspecific cellular interaction이 높아지지만 간에 의해 쉽게 제거되며, hemolytic activity가 높아지기 때문에 약물 전달을 하기에 적합하지 않은 것으로 알려져 있다. 또한 강한 음성이어도 간에 의해 제거될 확률이 높아진다. 하지만 나노 입자의 Zeta potential이 중성이거나 약한 전하를 띠면 혈액에서 제거가 잘 되지 않아 혈액에 오랫동안 남을 수 있어 약물전달에 유리하고, 약 -15 mV의 전하를 띤 입자는 tumor site에 high accumulation됨이 알려져 있다[14]. DPNs의 경우 $-17.8{\pm}4.4mV$이므로 인체에 적용하기에 적합한 것으로 판단된다. DPNs의 Encapsulation Efficiency는 약 $43.8{\pm}6.6%$로 Nano-precipitation과 같은 Bottom-up 방식보다 낮은 수치를 나타내었지만, 독성이 강한 Salinomycin을 사용함으로써 이를 해결할 수 있을 것으로 생각되며 적은 양의 약물만으로 항암효과를 나타낼 수 있을 것으로 기대된다. 암세포와 함께 배양했을 때 형광 현미경으로 확인해본 결과 암세포 주변에 나노 입자가 이동한 것으로 보아 Targeting ligand나 Peptide, Aptamer를 이용하면 더욱 정확한 암세포 표적화를 이룰 수 있을 것으로 예상된다[15]. DPNs의 Drug Carrier로서의 평가는 Loading Amount와 Drug Releasing Profile을 통해 추가로 검증을 할 예정이며, Cell viability를 실행하여 DPNs의 In vitro 항암 효과를 확인하고 In vivo 실험을 진행할 예정이다. Chemotherapy, radiation therapy, and surgery are major methods to treat cancer. However, current cancer treatments report severe side effects and high recurrences. Recent studies about engineering nanoparticles as a drug carrier suggest possibilities in terms of specific targeting and spatiotemporal release of drugs. While many nanoparticles demonstrate lower toxicity and better targeting results than free drugs, they still need to improve their performance dramatically in terms of targeting accuracy, immune responses, and non-specific accumulation at organs. One possible way to overcome the challenges is to make precisely controlled nanoparticles with respect to size, shape, surface properties, and mechanical stiffness. Here, we demonstrate $500{\times}200nm$ discoidal polymeric nanoconstructs (DPNs) as a drug delivery carrier. DPNs were prepared by using a top-down fabrication method that we previously reported to control shape as well as size. Moreover, DPNs have multiple payloads, poly lactic-co-glycolic acid (PLGA), polyethylene glycol (PEG), lipid-Rhodamine B dye (RhB) and Salinomycin. In this study, we demonstrated a potential of DPNs as a drug carrier to treat cancer.

폐 전이 암에 대한 Lipid Coated Polymeric Nanoparticles에 관한 연구

박준영,박상효,조예림,정민지,김인우,강원준,기재홍,Park, Junyoung,Park, Sanghyo,Jo, Yerim,Jeong, Minji,Kim, Inwoo,Kang, Wonjun,Key, Jaehong 대한의용생체공학회 2018 의공학회지 Vol.39 No.4

Lung cancer and pulmonary metastasis are the leading cause of cancer mortality worldwide. Survival for patients with lung metastases is about 5%. Nanoparticles have been developed for the imaging and treatment of various cancers, including pulmonary malignancies. In this work, we report lipid coated polymeric nanoparticles (LPNs) with an average diameter of 154 nm. In vivo performance of LPNs was characterized using optical imaging system. We expect this nanoparticle can be used for finding lung cancer or lung metastasis. Eventually loading therapeutic drug with the nanoparticle will be utilized for cancer diagnosis and effective therapy at the same time.

플라즈마-초음파 자극에 의한 화장품의 피부 침투 증진 연구

황윤호,조혜연,박유진,장휘진,박상효,기재홍,Yoonho Hwang,Hyeyoun Cho,Yujin Park,Hwijin Jang,Sanghyo Park,Jaehong Key 대한의용생체공학회 2023 의공학회지 Vol.44 No.4

The demand for skincare has increased due to the end of the COVID-19 pandemic, leading to a focus on skincare devices and technologies designed to improve the delivery of cosmetics. Among these technologies, skincare medical devices that utilize plasma therapy (Plasma) and sonophoresis (Sono) are commonly used in dermatology clinics. However, there is still a lack of quantitative analysis for transdermal absorption effects of Plasma and Sono skincare medical devices. In this study, we quantified enhanced transdermal absorption effects of Plasma and Sono devices through in-silico and ex-vivo studies. The Sono treatment demonstrated an increased transdermal absorption effect, showing a 10~13% difference in penetration compared to the control group in the in-silico experiment, and 159% and 184% increase in the ex-vivo experiment. The Plasma treatment revealed increased transdermal absorption effects, with a 1.0~2.5% penetration difference in the in-silico experiment, and a 124% increase in the ex-vivo experiment compared to the control group. We also observed a synergistic effect from the combined treatment of Plasma and Sono, as indicated by the highest increases of 197% and 242% in penetration. Furthermore, we have determined the optimal device settings and treatment conditions for Plasma-Sono skincare medical devices. Notably, higher on/off durations (Intensity levels) and longer Sono treatments resulted in greater transdermal absorption effects.