라디오 주파수 마이크로파는 시료에서 포도당 농도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 본 논문에서는 포도당을 포함하는 증류수, 샐라인, 인체 씨럼, 인체 혈액 용액에 대해서 상대 유전율을 측정함으로써 포도당 농도 측정의 예비 실험 결과를 보고한다. 근육과 같은 인체 조직의 포도당 농도 측정에서 마이크로파 방법은 NIR방법보다 투과 깊이가 약 100배 더 컸으며, 이것은 인체의 포도당을 비침습적인 검출에 더 유용한 장점이 된다. 실험에서 인체 혈액 용액에서 포도당 농도를 검출하기 위한 측정 감도는 5.8GHz부근에서 약 57mg/dl를 보였다.
라디오 주파수 마이크로파는 시료에서 포도당 농도를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 본 논문에서는 포도당을 포함하는 증류수, 샐라인, 인체 씨럼, 인체 혈액 용액에 대해서 상대 유전율을 측정함으로써 포도당 농도 측정의 예비 실험 결과를 보고한다. 근육과 같은 인체 조직의 포도당 농도 측정에서 마이크로파 방법은 NIR방법보다 투과 깊이가 약 100배 더 컸으며, 이것은 인체의 포도당을 비침습적인 검출에 더 유용한 장점이 된다. 실험에서 인체 혈액 용액에서 포도당 농도를 검출하기 위한 측정 감도는 5.8GHz부근에서 약 57mg/dl를 보였다.
Radio frequency (RF) microwave can be used to predict glucose concentration in a sample. This paper presents preliminary results in determining the concentration by measuring relative permittivity in the solutions of distilled water, saline, human serum, and human blood containing glucose. It was sh...
Radio frequency (RF) microwave can be used to predict glucose concentration in a sample. This paper presents preliminary results in determining the concentration by measuring relative permittivity in the solutions of distilled water, saline, human serum, and human blood containing glucose. It was shown that the microwave method has larger penetration depth of about 100times of NIR, than NIR technique in measuring glucose concentration for the tissue like a human muscle. The larger penetration depth of the method has advantages because it is more useful to detect glucose in a human body non-invasively. In the experiments, sensitivity for detecting glucose concentration in blood solutions was almost 57mg/dl at the frequency of approximately 5.8GHz.
Radio frequency (RF) microwave can be used to predict glucose concentration in a sample. This paper presents preliminary results in determining the concentration by measuring relative permittivity in the solutions of distilled water, saline, human serum, and human blood containing glucose. It was shown that the microwave method has larger penetration depth of about 100times of NIR, than NIR technique in measuring glucose concentration for the tissue like a human muscle. The larger penetration depth of the method has advantages because it is more useful to detect glucose in a human body non-invasively. In the experiments, sensitivity for detecting glucose concentration in blood solutions was almost 57mg/dl at the frequency of approximately 5.8GHz.
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문제 정의
기존의 문헌[5]에서는 용액에서 포도당 농도를 측정함에 있어서 라디오 주파수 마이크로파의 사용에 대해서 설명하고 있다. 본 논문은 증류수(distilled water), 샐라인(saline), 인체씨럼(serum), 인체 혈액(blood) 용액에 대해서 라디오 주파수 마이크로파를 이용하여 상대 복소 유전율(relative complex permittivity) 을 측정함으로써 포도당 농도를 측정하는 방법을 다룬다. 또 4가지 매질에 대해서 마이크로파 특성을 살펴보고, 포도당 검출감도, 최적 마이크로파 주파수, 포도당 검출 가능성 등의 몇 가지 실험 결과를 토의한다.
가설 설정
본 연구에서는 측정점을 인체의 많은 부분으로 구성된 물이 많이 포함된 근육으로 모델링된다고 가정한다. 그래서 측정 대상인 인체의 근육에 대한 상대 유전율, 도전율, 투자율(permeability)을 각각 약 43, 5 [S/m], 4πx10-7 [H/m][7]로 가 정한다. 파장과 주파수와의 관계는 식(4)와 같다.
여기서, ω=2πf, f는 주파수[Hz], μ는 투자율 [H/m], o는 도전율[S/m]을 나타낸다. 본 연구에서는 측정점을 인체의 많은 부분으로 구성된 물이 많이 포함된 근육으로 모델링된다고 가정한다. 그래서 측정 대상인 인체의 근육에 대한 상대 유전율, 도전율, 투자율(permeability)을 각각 약 43, 5 [S/m], 4πx10-7 [H/m][7]로 가 정한다.
제안 방법
본 논문은 증류수(distilled water), 샐라인(saline), 인체씨럼(serum), 인체 혈액(blood) 용액에 대해서 라디오 주파수 마이크로파를 이용하여 상대 복소 유전율(relative complex permittivity) 을 측정함으로써 포도당 농도를 측정하는 방법을 다룬다. 또 4가지 매질에 대해서 마이크로파 특성을 살펴보고, 포도당 검출감도, 최적 마이크로파 주파수, 포도당 검출 가능성 등의 몇 가지 실험 결과를 토의한다.
측정실험은 온도조절 장치에 의해 일정한 온도로 유지시킬 수 있는 전자기 차폐실(electromagnetically shielded room) 에서 수행되었다. 또한 시료는 매 측정 마다 써미스터(thermistor)로 측정하여 실험실의 온도 30°C에 맞추어 일정한 온도를 유지하도록 하였다. 상대 복소유전율은 포도당이 포함된 각용액 그룹에 대해서 일정한 무작위의 순서로 20회 반복 측정하였다.
상대 복소유전율은 유전율 프로브를 이용해서 즉정할 수 있다. 본 논문에서 사용하는 복소유전율 측정도 구는 그림 2와 같이 Agilent 8753ES S-Parameter Network Analyzer(http://www.agilent.com)에 연결된 Agilent 85070D 유전율 프로브를 이용해서 측정한다.
본 논문은 포도당이 포함된 증류수, 샐라인, 인체 씨럼, 인체 혈액 용액에 대해서 라디오 주파수 마이크로파 유전율 프로브를 사용하여 0.3〜6 GHz 주파수 범위의 상대 복소유전율을 측정하여 분석하였다. 실험에서 혈액 용액에서 포도당 농도 검출감도는 약 5.
또한 시료는 매 측정 마다 써미스터(thermistor)로 측정하여 실험실의 온도 30°C에 맞추어 일정한 온도를 유지하도록 하였다. 상대 복소유전율은 포도당이 포함된 각용액 그룹에 대해서 일정한 무작위의 순서로 20회 반복 측정하였다.
그림 6은 4가지 용액에 대해서 측정된 복소유전율의 실수부와 허수부의 표준화된 데이터들의 평균과 표준편차를 보여준다. 여기서, 4가지 용액에 200 mg/dl와 1000 mg/dl의 농도가 되도록 포도당 추가하였으며, 20회의 측정에서 매 측정시마다 기준치로 0 mg/dl의 용액에 대해 측정하여 표준화하였다.
측정실험은 온도조절 장치에 의해 일정한 온도로 유지시킬 수 있는 전자기 차폐실(electromagnetically shielded room) 에서 수행되었다. 또한 시료는 매 측정 마다 써미스터(thermistor)로 측정하여 실험실의 온도 30°C에 맞추어 일정한 온도를 유지하도록 하였다.
캘리브레이션은 측정 전에 한 번만 수행한다. 캘리브레이션 후포도당이 포함된 4가지 용액에 대해서 상대 복소유전 율을 측정한다.
표준화된 유전율 데이터를 이용해서, 용액에서 포도당 농도를 측정하기 위한 최적 주파수를 분석한다. 이를 위해서 포도당 농도검출의 감도 (sensitivity indetecting glucose concentration)[8] Pc는 식(2)로 정의될 수 있다.
대상 데이터
실험을 위해서 증류수, 샐라인, 인체씨럼, 인체 혈액 용액 등 4가지 종류의 시료를 준비한다. 각 그룹은 0 mg/dl, 200 mg/dl, 1000 mg/dl의 서로 다른 포도당 농도를 갖는 3가지 용액으로 구성된다.
데이터처리
그림 6. 200 mg/dl와 1000 mg/dl의 포도당 농도인(a) 증류수, (b)샐라인, (c) 인체씨럼, (d) 인체 혈액 용액에 대해서, 측정된 상대 복소유전율의 실수부(RP)와 허수부(IP)에 대한 스펙트럼의 표준화된 유전율 데이터의 평균과 표준편차.
성능/효과
이 목적을 위해서는 포도당 농도, 측정점과 그 온도, 다른 측정 조건을 포함하는 캘리브레이션을 각 개인마다 수행해야 한다. 본 연구의 실험에서 사용한 Agilent 의 마이크로파시스템은 RF 마이크로 파 분야에서 범용이므로 포도당 검출감도가 떨어진다. 고주파수대역에 서 유전율을 측정하기 위해 전용의 더 높은 정확도의 장치를 사용한다면, 용액에서 포도당 농도를 검출하기 위한 측정감도가 더 좋아질 것이다.
3〜6 GHz 주파수 범위의 상대 복소유전율을 측정하여 분석하였다. 실험에서 혈액 용액에서 포도당 농도 검출감도는 약 5.8 GHz 주파 수에서 약 57 mg/dl로 나타났다. 고주파수에서 유전율을 측정할 수 있는 전용의 더 높은 정확도를 갖는 장치를 사용하면, 용액에서 포도당 농도를 검출하기 위한 더 좋은 측정감도를 얻을 수 있고, 실제 임상적으로 사용할 수 있는 비침습적 포도당 농도 측정기가 될 것이다.
증류수용액은 유전율의 실수부(real part, RP)와 허 수부(imaginary part, IP)에서 각각 높은 값과 낮은 값으로 나타났다. 샐라인 용액에 대한 표준화된 유전율 데이터의 전형적인 스펙트럼은 그림 5와 같다.
포도당 농도를 측정하기 위한 최적 주파수 범위는 표 1과 같이 서로 다른 포도당 농도를 갖는 두 시료 간의 평균치의 차이값이 큰 영역으로 선택할 수 있다. 표에서 5.8 GHz 주파수 부근에서 혈액 용액에 대해서 57 mg/dl의 포도당 농도검출 감도를 얻을 수 있었다. 이것은 더 높은 주파수 범위에서 상대 유전율의 실수부가 포도당 농도를 측정하는 데 더 적합하다는 것을 나타낸다.
후속연구
8 GHz 주파 수에서 약 57 mg/dl로 나타났다. 고주파수에서 유전율을 측정할 수 있는 전용의 더 높은 정확도를 갖는 장치를 사용하면, 용액에서 포도당 농도를 검출하기 위한 더 좋은 측정감도를 얻을 수 있고, 실제 임상적으로 사용할 수 있는 비침습적 포도당 농도 측정기가 될 것이다.
예를 들면, 정상 성인에 대한 fasting plasma glucose (FPG)는 약 110 mg/dl이며, 비정상인 경우는 126 mg/dl를 넘어간다. 본 논문의 방법은 당뇨병 환자의 포도당 농도를 대략적으로 모니터링하는데 사용될 수 있다. 이 목적을 위해서는 포도당 농도, 측정점과 그 온도, 다른 측정 조건을 포함하는 캘리브레이션을 각 개인마다 수행해야 한다.
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