Advanced wearable skin patch for clinical-grade personalized healthcare

Abstract

The primary objective of this dissertation is to explore the development and application of advanced wearable biomedical devices designed for real-time biosensing and controlled drug delivery, as well as the diagnosis of specific medical conditions such as cardiovascular diseases and vocal cord disorders. These systems leverage key advanced functionalities, including multiplexed monitoring, closed-loop operations, novel biomarker detection, and AI-based classification. The research aims to offer new opportunities for personalized healthcare by integrating these cutting-edge technologies into wearable platforms. The first part of the research introduces a wireless, folded multi-modal device (fMMD) that incorporates a mechanically isolated heterogeneous structure capable of simultaneous biosensing and drug delivery. The proposed system monitors quantitative information on hemodynamic and cardiovascular health using electrical and optical modalities, combined with a force-electrically driven micropump for drug delivery. The device integrates a flexible printed circuit board with functionally sectioned islands connected by serpentine interconnects, ensuring robustness against deformation and stretchability on the skin. The fMMD achieves real-time monitoring and on-demand drug delivery through wireless transmission, establishing a new platform for closed-loop intelligent healthcare that can be applied to various conditions, such as blood glucose monitoring, pain management, and chronic disease treatment. The second part presents the wireless, skin-interfaced glottal vibratory monitoring system (EGG-Tie) for diagnosing vocal cord disorders. The EGG-Tie system simultaneously monitors electroglottographic (EGG) signals and vocal measurements using electrodes placed on either side of the thyroid cartilage. The system features a bi-stable structure for robust signal acquisition during movement and a polyurethane-based 3D dome electrode filled with Field's metal to enhance signal performance. The EGG-Tie system enables real-time analysis of vocal parameters, including fundamental frequency, contact quotient, and variability index, allowing for the classification of vocal cord disorders. The device demonstrates comparable performance to state-of-the-art clinical technologies, providing an effective diagnostic tool for real-world medical applications. Consequently, these studies contribute to the advancement of wearable biomedical systems by combining real-time biosensing, closed-loop operation, and AI-driven diagnostics into a single platform. This research highlights the potential for wearable devices to transform personalized healthcare through more efficient and precise monitoring, treatment, and diagnosis. Keywords: Skin-interfaced electronics, System-level, Multiplexed monitoring, Responsive drug delivery, Clinical diagnostic tool|본 논문의 주요 목표는 실시간 생체신호 감지 및 제어된 약물 전달을 위해 설계된 고급 웨어러블 생체의료 기기의 개발 및 응용을 탐구하는 데 있다. 또한, 심혈관 질환 및 성대 질환과 같은 특정 의학적 상태의 진단에도 중점을 둔다. 이러한 시스템은 다중 모니터링(multiplexed monitoring), 폐루프 작동(closed-loop operation), 새로운 바이오마커 탐지(novel biomarker detection), AI 기반 분류(AI-based classification)와 같은 주요 고급 기능을 활용하여 웨어러블 플랫폼에 첨단 기술을 통합함으로써 맞춤형 헬스케어에 새로운 기회를 제공하는 것을 목표로 한다. 첫 번째 연구는 무선 접힘형 다중 모달 기기(fMMD)를 소개한다. 이 기기는 생체신호 감지와 약물 전달이 서로 피드백을 주고 받으면서 동시에 동작 가능한 기능적 요소를 가지고, 기계적으로 분리된 이질 구조를 통합하고 있다. 제안된 시스템은 전기적 및 광학적 모달리티를 기반으로 심혈관 건강 상태에 대한 정량적 정보를 모니터링하며, 약물 전달을 위해 힘-전기(force-electrical) 구동 미세펌프를 결합한다. 이 장치는 기능적으로 구분된 섬들이 구불구불한 연결부로 연결된 유연한 인쇄회로기판(FPCB)을 통합하여 피부에 부착된 상태에서도 변형에 강하고 신축성을 유지할 수 있다. fMMD는 무선 전송을 통해 실시간 모니터링 및 필요에 따른 약물 전달을 가능하게 하며, 이는 혈당 모니터링, 통증 관리, 만성 질환 치료와 같은 다양한 의료 조건에 적용될 수 있는 새로운 폐루프 지능형 헬스케어 플랫폼을 제공한다. 두 번째 연구는 성대 질환 진단을 위한 무선 피부 인터페이스 성대 진동 모니터링 시스템인 EGG-Tie를 제안한다. EGG-Tie 시스템은 갑상연골 양측에 배치된 전극을 사용하여 전기성문도(EGG) 신호와 음성 신호를 동시에 모니터링한다. 이 시스템은 신호 수집 중 움직임에도 견고한 신호 획득을 보장하는 이중 안정 구조를 특징으로 하며, 폴리우레탄 기반 3D 돔 구조의 전극 소재로 생체 적합성 액체 금속인 Field’s metal을 활용하여 신호 성능을 향상시킨다. 또한 EGG-Tie 시스템은 지속적 모음 발성 및 연속된 음성 데이터를 통해 실시간으로 기본 주파수(fundamental frequency), 접촉 지수(contact quotient), 변동 지수(variability index), 주파수 응답과 같은 주요 음성 매개변수를 분석하여 성대 질환을 분류할 수 있다. 이 장치는 임상에서 사용되는 최신 기술과 유사한 성능을 입증하며 실제 의료 응용에 효과적인 진단 도구를 제공한다. 결론적으로, 이러한 연구들은 실시간 생체신호 감지, 폐루프 동작, AI 기반 진단을 단일 플랫폼에 통합함으로써 웨어러블 생체의료 시스템의 발전에 기여한다. 본 연구는 웨어러블 기기가 맞춤형 헬스케어를 위한 보다 효율적이고 정밀한 모니터링, 치료 및 진단을 통해 의료 분야에 혁신을 가져올 잠재력을 강조한다.