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문제 정의
- 마지막으로 최근 많은 주목을 받고 있는 헬스케어 서비스를 위하여 측정 장치와 모바일 디바이스(단말기) 간의 블루투스 통신을 이용한 어플리케이션을 제작하여 측정 데이터를 단말기에서 직접 확인할 수 있음을 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 맥박을 검출하기 위한 방법으로, 기존의 방식과는 다른 MEMS 공정을 이용한 초소형 압력 센서를 설계, 제작하였다. 센서 구조는 2개의 고분자 기판 위에 MEMS 기술을 이용하여 제작된 캐패시터와 나선형 인덕터로 구성된다.
- 상기에서 기술한 맥박측정의 한계를 극복하고자, 초소형 압력센서를 이용한 요골 동맥에서 맥박을 측정하는 방식을 제안한다. 즉, MEMS 기술이 적용된, 무전원 초소형 압력 센서를 제작하고, 이를 이용하여 맥박의 신호 검출을 위한 맥박 측정 장치를 제작하였다.
제안 방법
- 공진주파수의 변위는 90∼100 MHz로 설정하였으며, 신호의 발생은 VCO 및 PLL에 의해 구현하였다.
- 즉, 압력센서-reader 간의 주파수의 변화를 읽음으로써 진폭 변화에 따른 신호의 왜곡에 덜 민감하게 하였다. 또한 제작된 reader와 PC간의 시리얼 통신에 의해 이를 직접 확인하였으며, 블루투스 통신에 의한 단말기에서 파형을 직접 확인하였다.
- 본 논문은 정확한 실시간 맥박 수 및 파형을 측정하기 위하여 기존의 PPG방식이 아닌 압력 센서의 공진주파수 변형을 이용하였다. 이를 위해 초소형 압력 센서를 제작하였고 제작된 압력 센서의 선형성, 재현성 및 민감도 등을 분석하였다.
- 맥박은 동맥에서만 느낄 수 있으며, 동맥과 피부가 가까운 부위인 손목이나 목에서 쉽게 측정할 수 있다. 본 연구에서는 요골 동맥에서 맥박을 측정하기 위하여 공진주파수의 변화량을 읽고, 주파수-압력 특성그래프에 의해 압력 값으로 변환하였다.
- 센서의 평가 구간은 700∼900 mmHg에서 10 mmHg의 단계로 압력을 증가시킨 후 동일한 압력 구간에서 같은 크기로 압력을 감소시키며 각 단계마다 주파수 값을 측정하였다. 센서의 성능 분석 방법은 네크워크 분석기(RF Network Analyzer, HP8753E)를 이용하여 S-파라미터의 S11 신호를 검출하고 GPIB 컨넥터 및 NI PXIe-1082를 이용하여 PC에서 데이터를 수신한 후에 자체 제작한 랩뷰 프로그램에 의해서 데이터를 분석하였다. 결과적으로 센서의 주파수와 압력의 상관관계는 음(-)의 기울기를 갖는 1차 방정식의 직선 형태를 가짐을 확인하였다.
- 센서의 제작을 위하여 인덕터 및 캐패시터의 모델링 및 시뮬레이션을 수행한 후, surface micromachining, 식각(etching), 포토리소그래피(photolithography) 등의 반도체 공정에 의해 센서가 제작되었다.
- 센서의 평가 구간은 700∼900 mmHg에서 10 mmHg의 단계로 압력을 증가시킨 후 동일한 압력 구간에서 같은 크기로 압력을 감소시키며 각 단계마다 주파수 값을 측정하였다.
- 안테나의 주파수 전달 특성은 센서의 동작 범위 내에서 최대한 평탄한 특성을 갖는 코일의 형태로 제작 하였다. Reader의 동작은 먼저 CW 신호를 만들고 안테나를 통하여 초소형 압력센서에 전달되며 압력센서의 공진주파수를 검출한다.
- 공진 점의 이동 간격은 주로 센서의 히스테리시스 특성의 기울기에 의해서 결정된다. 요골 동맥 위에 밀착된 초소형 압력 센서에 의해 맥박 신호를 직접 검출하고, 그림 6에서처럼 주파수 공진방식에 의해 센서에서의 공진주파수의 변화를 읽음으로서 외부 잡음의 영향을 최소화하였다. 즉, 압력센서-reader 간의 주파수의 변화를 읽음으로써 진폭 변화에 따른 신호의 왜곡에 덜 민감하게 하였다.
- 요골 동맥에서의 맥박을 측정하기 위한 맥박 측정장치는 웨어러블 형태로 설계하였다. 요골 동맥에 부착된 센서로부터 신호를 얻기 위해 지혈대를 사용하여서 코일 안테나를 센서와 밀착하여 신호를 검출하였다. 실시간 그리고 연속적으로 측정되어진 압력 센서의 공진주파수 값은 프로그램에 의해 계산된 맥파 값으로 변환되어 블루투스 통신에 의해 단말기에 전송하였다.
- 요골 동맥에서의 맥박을 측정하기 위한 맥박 측정장치는 웨어러블 형태로 설계하였다. 요골 동맥에 부착된 센서로부터 신호를 얻기 위해 지혈대를 사용하여서 코일 안테나를 센서와 밀착하여 신호를 검출하였다.
- 본 논문은 정확한 실시간 맥박 수 및 파형을 측정하기 위하여 기존의 PPG방식이 아닌 압력 센서의 공진주파수 변형을 이용하였다. 이를 위해 초소형 압력 센서를 제작하였고 제작된 압력 센서의 선형성, 재현성 및 민감도 등을 분석하였다. 제작된 센서의 주파수와 압력의 상관관계는 음의 기울기를 갖는 1차 방정식의 직선 형태를 보여주었다.
- 즉, MEMS 기술이 적용된, 무전원 초소형 압력 센서를 제작하고, 이를 이용하여 맥박의 신호 검출을 위한 맥박 측정 장치를 제작하였다. 제작된 맥박측정기를 이용하여 실시간 맥박 및 맥박의 파형을 검출하고, 상용의 제품과 특성을 비교, 평가하였다.
- 제작된 압력 센서의 공진 주파수는 약 32 ms (1사이클)마다 검출되고 검출된 공진 주파수를 비교함으로써 압력 센서의 변화량을 측정하였다.
- 상기에서 기술한 맥박측정의 한계를 극복하고자, 초소형 압력센서를 이용한 요골 동맥에서 맥박을 측정하는 방식을 제안한다. 즉, MEMS 기술이 적용된, 무전원 초소형 압력 센서를 제작하고, 이를 이용하여 맥박의 신호 검출을 위한 맥박 측정 장치를 제작하였다. 제작된 맥박측정기를 이용하여 실시간 맥박 및 맥박의 파형을 검출하고, 상용의 제품과 특성을 비교, 평가하였다.
- 최종적으로 제작된 reader의 성능평가를 위해 측정자의 오른 손목 및 왼 손목에 각각 상용 제품의 맥박계(HEM-6221, OMRON)와 제작된 reader 장치를 착용하고 맥박을 측정하였다. 측정된 reader의 맥박 값과 상용의 제품에서 측정값을 비교했을 때 거의 동일한 값을 가짐을 확인하였다 (그림 8).
대상 데이터
- 그림 2는 센서 공정도이다. 압력 센서를 요골 동맥 위에 비침습적으로 부착하기 위하여 요골동맥 사이즈보다 조금 큰 직경 10 mm, 두께 0.45 mm로 제작되었다. 그림 3(b)는 제작된 코일, 전극 및 패키징한 센서의 실제 모습을 나타낸다.
성능/효과
- 센서의 성능 분석 방법은 네크워크 분석기(RF Network Analyzer, HP8753E)를 이용하여 S-파라미터의 S11 신호를 검출하고 GPIB 컨넥터 및 NI PXIe-1082를 이용하여 PC에서 데이터를 수신한 후에 자체 제작한 랩뷰 프로그램에 의해서 데이터를 분석하였다. 결과적으로 센서의 주파수와 압력의 상관관계는 음(-)의 기울기를 갖는 1차 방정식의 직선 형태를 가짐을 확인하였다.
- 제작된 센서의 주파수와 압력의 상관관계는 음의 기울기를 갖는 1차 방정식의 직선 형태를 보여주었다. 또한 압력센서 성능에 대한 반복 측정시에도 동일한 재현성을 보여주었으며, 센서에 따라 약간의 차이가 발생하지만, 대략 145 kHz/mmHg의 민감도를 보여주었다. 압력에 대한 공진 주파수의 변화를 검출하는 reader를 제작하여 실제 압력에 대해 공진 주파수가 변화함을 확인하였으며, 공진 주파수의 변화량을 연속적으로 측정함으로써 맥파와 같은 파형을 얻을 수 있었다.
- 압력에 대한 공진 주파수의 변화를 검출하는 reader를 제작하여 실제 압력에 대해 공진 주파수가 변화함을 확인하였으며, 공진 주파수의 변화량을 연속적으로 측정함으로써 맥파와 같은 파형을 얻을 수 있었다. 또한 요골 동맥 위에 밀착된 초소형 압력 센서로부터 맥박 변화에 따른 공진 주파수 변화량을 검출함으로써 진폭성분의 외부 잡음에 보다 덜 민감함을 확인하였다. 측정된 맥박 값은 상용의 맥박계와 비교하였을 때, 최대 10% 이내의 오차 값들이 얻어졌다.
- 본 연구에서 구해진 맥파의 모습은 혈압의 변화가 센서를 통해 나타남을 보여준다. 앞으로 본 시스템을 이용하여 다양한 실험 환경과 표본을 구축하고 혈압과 센서 공진주파수를 상관관계를 적용, 이를 혈압 측정장치로 개발하고자 한다.
- 또한 압력센서 성능에 대한 반복 측정시에도 동일한 재현성을 보여주었으며, 센서에 따라 약간의 차이가 발생하지만, 대략 145 kHz/mmHg의 민감도를 보여주었다. 압력에 대한 공진 주파수의 변화를 검출하는 reader를 제작하여 실제 압력에 대해 공진 주파수가 변화함을 확인하였으며, 공진 주파수의 변화량을 연속적으로 측정함으로써 맥파와 같은 파형을 얻을 수 있었다. 또한 요골 동맥 위에 밀착된 초소형 압력 센서로부터 맥박 변화에 따른 공진 주파수 변화량을 검출함으로써 진폭성분의 외부 잡음에 보다 덜 민감함을 확인하였다.
- 이를 위해 초소형 압력 센서를 제작하였고 제작된 압력 센서의 선형성, 재현성 및 민감도 등을 분석하였다. 제작된 센서의 주파수와 압력의 상관관계는 음의 기울기를 갖는 1차 방정식의 직선 형태를 보여주었다. 또한 압력센서 성능에 대한 반복 측정시에도 동일한 재현성을 보여주었으며, 센서에 따라 약간의 차이가 발생하지만, 대략 145 kHz/mmHg의 민감도를 보여주었다.
- 또한 요골 동맥 위에 밀착된 초소형 압력 센서로부터 맥박 변화에 따른 공진 주파수 변화량을 검출함으로써 진폭성분의 외부 잡음에 보다 덜 민감함을 확인하였다. 측정된 맥박 값은 상용의 맥박계와 비교하였을 때, 최대 10% 이내의 오차 값들이 얻어졌다. 제작된 reader는 실시간의 측정이 가능하였으며, 연속적인 측정값들을 이용하여 맥박의 파형를 구하였는데, 이는 실제 혈압 파형과 유사한 형태를 나타내고 있다.
후속연구
- 본 연구에서 구해진 맥파의 모습은 혈압의 변화가 센서를 통해 나타남을 보여준다. 앞으로 본 시스템을 이용하여 다양한 실험 환경과 표본을 구축하고 혈압과 센서 공진주파수를 상관관계를 적용, 이를 혈압 측정장치로 개발하고자 한다.
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