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저전력 고속 OOK 무선 캡슐형 내시경 시스템의 설계 및 제작 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.25 no.2, 2008년, pp.41 - 46  

이재천 (서울대학교) ,  남상욱 (서울대학교)

초록
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무선 캡슐형 내시경 시스템 설계를 위하여 인체내부에서 표면까지의 전송손실을 $0.001{\sim}2$ GHz대역에 대하여 분석하였다. 실제 인체구조 모델에 안테나를 적용하여 계산결과를 얻은 기존 연구와 달리 인체내 매질의 평균적 특성을 갖는 균일 매질로 가정하여 안테나의 Q와 효율을 계산하였다. 계산 결과 40MHz의 HPBW(Half-Power Bandwidth), 5mm반경 크기의 송신안테나, 15un거리에 대하여 $400{\sim}600$MHz 사이에서 -58dB가량의 최적 손실이 예상되었다. 분석된 손실 결과를 바탕으로 450MHz에서 무선 캡슐형 내시경 시스템이 설계 및 제작되었고 실제 유사매질용액에서 실험결과 15cm/10cm거리에서 -62/-5ldB의 손실을 보였으며 동물실험에서는 돼지 체내외간 10cm가량의 거리에 대해 약 -56dB의 손실이 측정되었다.

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  • 균일매질 내에서의 안테나 성능은 기존에 연구된 바가 있대 5L 이 연구에서 안테나는 매질 안에 구 형태로 매질과 격리된 공간내의 존재하는 것을 가정하는데 이는 캡슐형 송신기의 안테나가 반구 모양의 얇은 보호플라스틱 내에 위치하는 것과 흡사한 상황이여서 연구결과를 적용할 수 있었다. 본 고에서는 인체를 평균적 특성을 가지는 균일한 매질로 가정하고 0.
  • 기존 연구결과에 따르면 인체와 같이 전기적 전도성을 같는 매질에서는 TE 모드를 발생시키는 루프형 태의 안테나가 더 효율이 높은 것으로 알려져 있다 5. 따라서 인체 내 송신안테나는 TE모드를 발생시키는 안테나를 사용하는 것으로 가정한다.
  • 따라서 인체 내부를 평균매질 특성을 갖는 균일매질로 가정하였다. 이런 방법은 무선기기에 의해 인체에 흡수되는 SAR(Specific Absorption Rate전자파흡수율)를 측정하는데 인체모델로 사용하는 방법이 몌4] 본 연구에서도 SAR 측정용인 체 모델 매질과 매우 유사한 평균 근육매질 특성을 적용하였다.
  • 인체 내 전송 손실을 계산하기 위한 인체 내 경로 모델을 (그림 1)과 같이 균일한 매질로 가정하고 송수신단의 거리는 약 15cm로 설정하였다. 균일 매질특성은 FCC(Federal Communication Commission)에서 제공되는 평균 근육 매질 특성⑹을 적용하였으며 (그림 2)에 나타내었다.
  • 캡슐형 송신기의 안테나는 소형안테나로 볼 수 있기 때문에 지향성(D)을 일반적인 소형 안테나의 지향성인 1.5로 정하였다. 매질 내에 있는 안테나의 효율(eff)은 안테나에서 발생되는 전자기장을 구형모드(Spherical mode)의 합으로 나타낼 때 각 구형 모드의 효율과 직접적으로 연관된다(5L 구형모 드는 크게 TM (Transverse Magnetic)모드와 TE (Transverse Electric)모드로 나뉘며 각각은 다이폴 형태의 안테나와 루프 형태의 안테나에 해당한다.
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참고문헌 (10)

  1. G. Iddan, G. Meron, A. Glukhovsky, and P. Swain, "Wireless capsule endoscopy," Nature, vol. 405, no. 6785, pp. 417, May 2000 

  2. W. G. Scanlon and N. E. Evans, "Radiowave propagation from a tissue-implanted source at 418 MHz and 916.5 MHz," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 47, pp. 527-534, Apr. 2000 

  3. L. C. Chirwa, p. A. Hammond, S. Roy, and D. R. S. Cumming, "Electromagnetic radiation from ingested sources in the human intestine between 150 MHz and ?1.2 GHz," IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 50, pp. 484-492, Apr. 2003 

  4. Federal Communication Commission Office Engineering and Technology Supplement C (Ed. 01-01) to OET Bulletin 65(ED. 97-01), Evaluating Compliance with FCC Guideline for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields, Additional Information for Evaluating Compliance of Mobile and Portable Devices with FCC Limits for Human Exposure to Radiofrequency Emissions, Washington, DC, June 2001 

  5. A. Karlsson, "Physical limitations of antennas in a lossy medium," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. 52, no. 8, pp. 2027-2033, Aug. 2004 

  6. Federal Communications Commission, Dielectric Properties of Body Tissues at RF and Microwave Frequencies, Internet document; URL: http://www. fcc.gov/cgi-bin/dielec.sh 

  7. J. Lee and S. Nam, "Q Evaluation of Small Insulated Antennas in a Lossy Medium and Practical Radiation Efficiency Estimation," Korea-Japan MicroWave conference, pp. 65-68, Nov. 2007 

  8. J. Ryu, M. Kim, J. Lee, M. Lee, B. Kim, and S. Nam, "Low Power OOK Transmitter for Wireless Capsule Endoscope," IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest, pp. 855-858, June 2007 

  9. S. Kwak, K. Chang, and Y. Yoon, "Small spiral antenna for wideband capsule endoscope system," Electronics Letters, vol.42, no.23, pp.1328-1329, November 9 2006 

  10. 김홍석, 오민석, 천창율, "캡슐 내시경의 외부 수신기용 UWB 안테나 설계", 한국전자파학회 논문지, 제16권, 제8호, pp. 790-796, 2005 

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