폴리머/ 금속 다층 공정 기술을 이용한 실시간 혈압 모니터링을 위한 유연한 생체 삽입형 센서 Implantable Flexible Sensor for Telemetrical Real-Time Blood Pressure Monitoring using Polymer/Metal Multilayer Processing Technique원문보기
본 논문에서는 폴리머/ 금속 다층 공정 기술 (polymer/metal multi layer processing techniques)을 이용한 실시간 혈압 감지를 위한 유연한 생체 삽입형 센서를 새로이 제안한다. 제안되는 방식의 센서는 기계적으로 유연하기 때문에 혈관의 외벽에 대한 침습성을 감소시켜 부착할 수 있다. 즉, 혈압 측정을 위해 센서를 혈관 내에 설치하던 기존의 방법들에 비해서 혈관 자체에 상처를 주지 않고 혈압의 상대적인 변화를 지속적으로 감지할 수 있다. 성인에게 발생하는 급사의 주된 원인은 협심증, 심근 경색과 같은 혈관 관련 질환이다. 플라크 (plaque)의 생성 등과 관계된 순환계 관련 질환들은 지속적인 혈압 감지를 통해서 예방할 수 있으며 발병 초기에 치료할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 혈압감지 방법의 과정은 다음과 같다. 우선, 집적된 센서를 혈관 외벽에 부착한다. 둘째, 실장된 센서가 혈관의 기계적인 수축과 확장을 인식한다. 마지막으로, 센서에 의해 인식된 혈압의 변화를 원격 감지 방법을 통해서 외부 안테나에서 감지하게 된다. 센서 시스템에는 어떠한 능동 소자도 존재하지 않기 때문에 에너지와 혈압 변화 정보는 LC 공진기와 외부 안테나 사이에 발생하는 상호 인덕턴스 원리에 의해서 전달되게 된다. 이러한 측정 원리의 가능성을 확인하기 위해서 실리콘 고무관과 혈액을 이용하여 시험관 실험 (In vitro test)을 진행하였다. 우선, 혈액으로 채운 실리콘 고무관에 센서를 감은 후 피스톤으로 압력을 가하였다. 그리고 이를 통해 가해진 압력 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 측정하였다. 가해진 압력이 0부터 213.3 KPa까지 변화하는 동안 2.4 MHz의 공진 주파수가 변했다. 그러므로 생체 삽입형 혈압 센서의 감도는 11.25 KHz/KPa이다.
본 논문에서는 폴리머/ 금속 다층 공정 기술 (polymer/metal multi layer processing techniques)을 이용한 실시간 혈압 감지를 위한 유연한 생체 삽입형 센서를 새로이 제안한다. 제안되는 방식의 센서는 기계적으로 유연하기 때문에 혈관의 외벽에 대한 침습성을 감소시켜 부착할 수 있다. 즉, 혈압 측정을 위해 센서를 혈관 내에 설치하던 기존의 방법들에 비해서 혈관 자체에 상처를 주지 않고 혈압의 상대적인 변화를 지속적으로 감지할 수 있다. 성인에게 발생하는 급사의 주된 원인은 협심증, 심근 경색과 같은 혈관 관련 질환이다. 플라크 (plaque)의 생성 등과 관계된 순환계 관련 질환들은 지속적인 혈압 감지를 통해서 예방할 수 있으며 발병 초기에 치료할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 혈압감지 방법의 과정은 다음과 같다. 우선, 집적된 센서를 혈관 외벽에 부착한다. 둘째, 실장된 센서가 혈관의 기계적인 수축과 확장을 인식한다. 마지막으로, 센서에 의해 인식된 혈압의 변화를 원격 감지 방법을 통해서 외부 안테나에서 감지하게 된다. 센서 시스템에는 어떠한 능동 소자도 존재하지 않기 때문에 에너지와 혈압 변화 정보는 LC 공진기와 외부 안테나 사이에 발생하는 상호 인덕턴스 원리에 의해서 전달되게 된다. 이러한 측정 원리의 가능성을 확인하기 위해서 실리콘 고무관과 혈액을 이용하여 시험관 실험 (In vitro test)을 진행하였다. 우선, 혈액으로 채운 실리콘 고무관에 센서를 감은 후 피스톤으로 압력을 가하였다. 그리고 이를 통해 가해진 압력 변화에 따른 공진 주파수의 변화를 측정하였다. 가해진 압력이 0부터 213.3 KPa까지 변화하는 동안 2.4 MHz의 공진 주파수가 변했다. 그러므로 생체 삽입형 혈압 센서의 감도는 11.25 KHz/KPa이다.
Implantable flexible sensor using polymer/metal multilayer processing technique for telemetrical real-time blood pressure monitoring is presented. The realized sensor is mechanically flexible, which can be less invasively implanted and attached on the outside of blood vessel to monitor the variation...
Implantable flexible sensor using polymer/metal multilayer processing technique for telemetrical real-time blood pressure monitoring is presented. The realized sensor is mechanically flexible, which can be less invasively implanted and attached on the outside of blood vessel to monitor the variation of blood pressure. Therefore, unlike conventional detecting methods which install sensor on the inside of vessel, the suggested monitoring method can monitor the relative blood pressure without injuring blood vessel. The major factor of sudden death of adults is a disease of artery like angina pectoris and myocardial infarction. A disease of circulatory system resulted from vessel occlusion by plaque can be preventable and treatable early through continuous blood pressure monitoring. The procedure of suggested new method for monitoring variation of blood pressure is as follows. First, integrated sensor is attached to the outer wall of blood vessel. Second, it detects mechanical contraction and expansion of blood vessel. And then, reader antenna recognizes it using telemetrical method as the relative variation of blood pressure. There are not any active devices in the sensor system; therefore, the transmission of energy and signal depends on the principle of mutual inductance between internal antenna of LC resonator and external antenna of reader. To confirm the feasibility of the sensing mechanism, in vitro experiment using silicone rubber tubing and blood is practiced. First of all, pressure is applied to the silicone tubing which is filled by blood. Then the shift of resonant frequency with the change of applied pressure is measured. The frequency of 2.4 MHz is varied while the applied pressure is changed from 0 to 213.3 kPa. Therefore, the sensitivity of implantable blood pressure is 11.25 kHz/kPa.
Implantable flexible sensor using polymer/metal multilayer processing technique for telemetrical real-time blood pressure monitoring is presented. The realized sensor is mechanically flexible, which can be less invasively implanted and attached on the outside of blood vessel to monitor the variation of blood pressure. Therefore, unlike conventional detecting methods which install sensor on the inside of vessel, the suggested monitoring method can monitor the relative blood pressure without injuring blood vessel. The major factor of sudden death of adults is a disease of artery like angina pectoris and myocardial infarction. A disease of circulatory system resulted from vessel occlusion by plaque can be preventable and treatable early through continuous blood pressure monitoring. The procedure of suggested new method for monitoring variation of blood pressure is as follows. First, integrated sensor is attached to the outer wall of blood vessel. Second, it detects mechanical contraction and expansion of blood vessel. And then, reader antenna recognizes it using telemetrical method as the relative variation of blood pressure. There are not any active devices in the sensor system; therefore, the transmission of energy and signal depends on the principle of mutual inductance between internal antenna of LC resonator and external antenna of reader. To confirm the feasibility of the sensing mechanism, in vitro experiment using silicone rubber tubing and blood is practiced. First of all, pressure is applied to the silicone tubing which is filled by blood. Then the shift of resonant frequency with the change of applied pressure is measured. The frequency of 2.4 MHz is varied while the applied pressure is changed from 0 to 213.3 kPa. Therefore, the sensitivity of implantable blood pressure is 11.25 kHz/kPa.
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문제 정의
3333px;">out는 인덕터의 외경, dm은 인덕터의 내경을 의미한다. 본 논문에서 외경, 간격, 폭은 센서 시스템의 크기와 공정상의 이유로 인해 정해진 변수이다. 그러므로 감은 횟수가 인덕턴스를 결정하는데 결정적인 역할을 하게 된다.
본 논문에서는 인체가 받을 수 있는 피해를 최소화하면 서 혈압의 변화를 지속적으로 측정할 수 있도록 생체 삽입 형 혈압 센서를 제안한다. 시험관 실험(in vitro test)를 통해서 원격으로 지속적인 혈압의 변화를 측정하는 방법으로 실험을 진행하였다.
환자의 활동성을 보장함과 동시에, 환자의 상태를 지속적으로 측정하기 위해서는 기존의 의용 생체공학 기술에 mems(micro electro mechanical system)를 이용한 센서기술의 접목이 필요하다. 본 논문에서는 폴리머/금속 다층 구조공정 기술을 이용하여 실시간 혈압측정이 가능한유연한 생체삽입형 혈압 센서를 개발하였다.
가설 설정
이는 시험관 실험에 사용되는 실리콘 고무 (silicone rubber) 관의 직경을 기준으로 정한 것이다. 둘째, 그림 4와 같이, 전극의 넓이는 8x3.14顽으로 정하였고 휘어진 전극은 120° 의 중심각을 갖는다. 마지막으로, 10 MHz 에서 100 MHz의 범위 내에서 혈액, 혈관, 실리콘 고무 관 의 유전율은 각각 500, 250, 3이라고 가정하였다[6].
14顽으로 정하였고 휘어진 전극은 120° 의 중심각을 갖는다. 마지막으로, 10 MHz 에서 100 MHz의 범위 내에서 혈액, 혈관, 실리콘 고무 관 의 유전율은 각각 500, 250, 3이라고 가정하였다[6]. 그 결과, 실리콘 고무관을 사용하는 시험관 실험 (in vitro test) 을 가정하여 시뮬레이션을 한 경우에는 0.
092 uH를 얻을 수 있다. 인덕터의 두께는 인덕턴스 값에 영향을 미치지 않는다. 다만, 표면 효과를 고려하여, 10 MHz의 주파수에서는 25um의 두께가 권장되고, 150 MHz의 주파수에서는 12.
제안 방법
전극으로 사용되는 접착력 증대를 위해 크롬(Cr)을 열진공 증착기를 이용하여(thermal evaporator) 증착하고, 크롬 위에 전극물질인 금(Au)을 증착하였다. AZ7220 감광제를 이용한 사진묘화 (photolithography) 과정을 통해 전극 형상을 제작하였다. 기판으로 사용되는 폴리이미드 필름의 형성을 위해 폴리이미드를 회전 코팅한 후, 폴리머의 중합 반응을 위하여 350 ℃, 상압의 오븐에서 열처리가 이루어졌다.
식각 공정 후에 구리 전해 도금을 위한 씨앗 층(seed layer)의 역할을 하게 되는 크롬(Cr)/구리(Cu)를 증착하였다. 두 번의 전해 도금 과정을 거쳐 비아 홀을 구리로 채우고 구 리 인덕터 코일 형상을 정의하였다. 이후 구리 인덕터와 생체기 관의 직접적인 접촉을 막기 위하여 폴리이미드의 회전 코팅 과정을 거쳐 소자 전체를 덮었다.
이런 과정을 통해 7~8 의 두께를 얻었다. 산소 플라즈마를 이용한 건식 식각을 통해 전극과 인덕터를 이어주는 비아 흘(via hole)을 형성하였다. 식각 공정 후에 구리 전해 도금을 위한 씨앗 층(seed layer)의 역할을 하게 되는 크롬(Cr)/구리(Cu)를 증착하였다.
본 논문에서는 인체가 받을 수 있는 피해를 최소화하면 서 혈압의 변화를 지속적으로 측정할 수 있도록 생체 삽입 형 혈압 센서를 제안한다. 시험관 실험(in vitro test)를 통해서 원격으로 지속적인 혈압의 변화를 측정하는 방법으로 실험을 진행하였다.
산소 플라즈마를 이용한 건식 식각을 통해 전극과 인덕터를 이어주는 비아 흘(via hole)을 형성하였다. 식각 공정 후에 구리 전해 도금을 위한 씨앗 층(seed layer)의 역할을 하게 되는 크롬(Cr)/구리(Cu)를 증착하였다. 두 번의 전해 도금 과정을 거쳐 비아 홀을 구리로 채우고 구 리 인덕터 코일 형상을 정의하였다.
그러므로 정전 용량 계산을 시뮬레이션(simulation)을 통해서 실시하기 위해서 Maxwell 3D 시뮬레 이터를 이용하였다. 우선 몇 가지 가정을 통해서 기준값의 정전 용량을 계산하였다. 첫째, 관의 외경과 내경은 각각 3, 2 mm 이다.
두 번의 전해 도금 과정을 거쳐 비아 홀을 구리로 채우고 구 리 인덕터 코일 형상을 정의하였다. 이후 구리 인덕터와 생체기 관의 직접적인 접촉을 막기 위하여 폴리이미드의 회전 코팅 과정을 거쳐 소자 전체를 덮었다. 마지막으로, 초순수(De-ionized water)로 희석한 불산(부피비 1:1)을 사용하여 실리콘 산화막 희생층을 제거하여 유연한 기판위에 생성된 혈압 센서를 완성하였다.
제작은 실리콘 웨이퍼에 희생층으로 사용될 5000 A의 실리콘 산화막 증착으로 시작하였다. 전극으로 사용되는 접착력 증대를 위해 크롬(Cr)을 열진공 증착기를 이용하여(thermal evaporator) 증착하고, 크롬 위에 전극물질인 금(Au)을 증착하였다. AZ7220 감광제를 이용한 사진묘화 (photolithography) 과정을 통해 전극 형상을 제작하였다.
생체 삽입을 목적으로 하는 소자의 경우에는 생체 적합성은 반드시 만족되어야 하는 사항이다. 폴리이미드 (PI2611, HD Microsystems)를 센서의 기판으로 사용하여 생체 적합성과 유연성을 만족시켰다. 이론적으로 폴리이미드는 중합반응 후에는 전혀 반응을 하지 않고 열적 안정성과 화학적 비활성을 만족시키므로 mems 공정에서 폭넓게 사용되고 있다.
센서에는 전력 공급원이 존재하지 않기 때문에 network analyzer가 센서부로 전력을 공급하며 반사된 임피던스의 변화를 모니터링 하는 역할을 한다. 피스톤을 통해 센서와 관에 가해지는 압력을 조절하며 센서의 성능을 측정하는 방식으로 실험이 이루어졌다. 피스톤을 통해 가해진 부피의 변화를 압력 변화로 변환하기 위해서 다음식과 같이 thin-walled pipe 이론을 사용하였다[10].
대상 데이터
본 논문에서는 혈액과 혈관을 정전 용량형 센서의 유전 물질로 사용하였다. 일반적으로 유전체가 혼합물인 경우 성분의 변화에 따라 유전율이 변하게 된다.
순환계 관련 질환의 진단과 치료에 용이하게 사용할 수 있는 실시간 혈압 모니터링을 위한 유연한 생체삽입형 센서를 생체 적합성과 유연성이 보장된 폴리이미드를 기판으로 사용하여 제작하였다. 센서에는 어떠한 능동 소자도 존재하지 않으며 축전기와 인덕터의 수동 소자로 이루어진 LC 공진기를 통해 상호 인덕턴스 원리를 이용하여 전력과 압력 변화에 대한 데이터를 전송하게 된다.
그림 5는 사각 평면 나선형 인덕터의 모양을 도식적으로 나타내고 있다. 인덕터를 센서 시스템과 쉽게 집적하기 위해서 평면 나선형 인덕터를 사용하였다. 평면 나선형 인덕터는 다음과 같은 장점을 지니고 있다[8].
그림 6은 혈압 센서의 제작 과정을 도식적으로 나타내고 있다. 제작은 실리콘 웨이퍼에 희생층으로 사용될 5000 A의 실리콘 산화막 증착으로 시작하였다. 전극으로 사용되는 접착력 증대를 위해 크롬(Cr)을 열진공 증착기를 이용하여(thermal evaporator) 증착하고, 크롬 위에 전극물질인 금(Au)을 증착하였다.
이론/모형
센서에는 어떠한 능동 소자도 존재하지 않으며 축전기와 인덕터의 수동 소자로 이루어진 LC 공진기를 통해 상호 인덕턴스 원리를 이용하여 전력과 압력 변화에 대한 데이터를 전송하게 된다. network analyzer를 사용하여 무선 측정 방법을 통해 압력 변화를 모니터링 하였다. 그러므로 공진 주파수의 변화를 통해서 혈압 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있고 순환계 질환자들의 높은 재발율에 따른 위험을 사전에 방지할 수 있을 뿐더러 순환계 질환의 치료 효과를 실시간으로 측정 할 수 있는 가능성을 기대 할 수 있다.
그림 1에서 볼 수 있듯이, 센서의 전극은 휘어진 모습을 나타내고 있다. 그러므로 정전 용량 계산을 시뮬레이션(simulation)을 통해서 실시하기 위해서 Maxwell 3D 시뮬레 이터를 이용하였다. 우선 몇 가지 가정을 통해서 기준값의 정전 용량을 계산하였다.
평면 나선형 인덕터의 인덕턴스를 계산하는 다양한 식이 존재한다. 본 연구에서는 다음식과 같이 modified Wheeler formula가 사용되었다[9].
그림 8은 제작된 혈압 센서의 성능을 측정하기 위한 무선방식의 실험 기구를 나타낸다. 실험 기구는 그림에서 볼 수 있듯이 실리콘 고무관에 부착된 압력 센서, 압력을 가해주는 피스톤(piston) 그리고 외부에 위치한 리더부의 코일과 측정을 위한 network analyzer (HP8722D)로 이루어져 있다. 센서에는 전력 공급원이 존재하지 않기 때문에 network analyzer가 센서부로 전력을 공급하며 반사된 임피던스의 변화를 모니터링 하는 역할을 한다.
피스톤을 통해 센서와 관에 가해지는 압력을 조절하며 센서의 성능을 측정하는 방식으로 실험이 이루어졌다. 피스톤을 통해 가해진 부피의 변화를 압력 변화로 변환하기 위해서 다음식과 같이 thin-walled pipe 이론을 사용하였다[10].
성능/효과
마지막으로, 10 MHz 에서 100 MHz의 범위 내에서 혈액, 혈관, 실리콘 고무 관 의 유전율은 각각 500, 250, 3이라고 가정하였다[6]. 그 결과, 실리콘 고무관을 사용하는 시험관 실험 (in vitro test) 을 가정하여 시뮬레이션을 한 경우에는 0.814 pF의 값을 얻을 수 있었고 생체 실험 (in vivo test)을 가정하여 시뮬레이션을 한 경우에는 33.6 pF의 값을 얻을 수 있었다.
그러므로 감은 횟수가 인덕턴스를 결정하는데 결정적인 역할을 하게 된다. 최종적으로 설계된 값은 외경, 내경은 각각 7m, 5.2mm이며, 평균 직경은 6.1mm, 감은 횟수는 9.25, 채움 비율은 0.1475이며, 이를 통한 인덕턴스 값은 1.092 uH를 얻을 수 있다. 인덕터의 두께는 인덕턴스 값에 영향을 미치지 않는다.
후속연구
network analyzer를 사용하여 무선 측정 방법을 통해 압력 변화를 모니터링 하였다. 그러므로 공진 주파수의 변화를 통해서 혈압 변화를 실시간으로 모니터링 할 수 있고 순환계 질환자들의 높은 재발율에 따른 위험을 사전에 방지할 수 있을 뿐더러 순환계 질환의 치료 효과를 실시간으로 측정 할 수 있는 가능성을 기대 할 수 있다.
참고문헌 (10)
Eugene Braunwald, Heart Disease; a Textbook of Cardiovascular Medicine, W, B. Saunders company fifth edition
H. L. Chau and K. D. Wise, 'An ultraminiature solid-state pressure sensor for a cardiovascular catheter', IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. 35, No. 12, 1988
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K. Takahata, A. Dehennis, K. D. Wise, and Y. B Gianchandani, 'A wireless microsensor for monitoring flow and pressure in a blood vessel utilizing a dual-inductor antenna stent and two pressure sensor', 17th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, Maastricht, The Netherlands, pp. 216-219, January 25-29, 2004
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J. H. Park, C. S. Kim, B. C. Choi, and K. Y. Ham, 'The correction of the complex dielectric constant and blood glucose at low frequency', Biosensors and Bioelectronics, Vol. 19, No.4, pp. 321-324, 2003
L. Ye, G. R. Skutt, R. Wolf, and F. C. Lee, 'Improved Winding Design for Planar Inductors', 28th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, PESC '97, Vol. 2, pp. 1561-1567, June 22-27, 1997
S. S. Mohan, M. D. M. Hershenson, S. P. Boyd, and T. H. Lee, 'Simple accurate expressions for planar spiral inductances', IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 34, No. 10, 1999
C. G. Stephanis, D. E. Mourmouras, and D. G. Tsagadopoulos, 'On the elastic properties of arteries', Journal of Biomechanics, Vol. 36, No. 11, pp. 1727-1731, 2003
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