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문제 정의
- 밀리미터파 라디오미터의 응용분야는 몸에 숨겨진 무기의 탐지, 충돌방지 레이다 개념, 화재 탐지 및 안개시의 항공기의 이, 착륙등의 응용들이 보고되어 왔다[3]. 본 논문에서는 밀리미터파 라디오미터를 이용하여 인체 내부의 밝기온도 측정을 통하여 새로운 응용분야인 의료응용 가능성을 제시하고자 한다. 종래에는 라디오미터를 이용한 낮은 주파수(5GHz 이하) 대역에서 유방암의 검사, 유아의 뇌 온도측정 등 생체내부의 온도를 무칩습 측정등의 방법들이 보고되어 왔다[4～5].
- 기존의 낮은 주파수를 이용한 생체의 내부 온도 측정은 안테나를 완전히 밀착시켜, 특정부분의 온도만 측정하는 방법이지만, 이러한 방법으로는 공간분해능이 낮은 단점이 있어 내부온도의 영상을 얻을 수 없었다. 이에 밀리미터파 대역에서 라디오미터 시스템을 구축하여 인체 내부의 온도인 밝기온도 측정을 통해 다양한 응용에 대해 검토하고자 한다[6]. 밀리미터파 대역중 Ka - band의 주파수 영역에서 동작하는 렌즈, 직접 검출 수신기, 켈리브레이션 소스 등을 설계·제작하여 라디오미터 시스템을 구성하였다.
제안 방법
- 라디오미터 수신기의 캘리브레이션은 새로운 형태의 캘리브레이션 소스를 제작하여, 출력전압과 밝기온도와의 관계를 얻었다. 1.7 m거리에서 인체의 상반신을 측정하여 적외선 영상과 라디오미터 영상을 비교하였다. 인체 상반신의 내부 밝기온도가 약 38 ℃정도로 측정되었고, 적외선 영상과 서로 다른 온도분포를 가짐으로서, 밀리미터파 라디오미터의 의료응용 가능성을 제시하였다.
- 그리고 라디오미터 시스템의 밝기온도 직선 그래프를 얻기 위해서 3가지 온도점에서의 온도를 얻었다. Hot load(353 K), 기준온도(295 K), Cold load(77 K)를 사용하여 캘리브레이션을 수행하였다.
- 0 dB로 측정되었다. 검파기는 자승 영역(square-law region)에서 동작해야하기 때문에 증폭기의 이득은 자승영역의 선형영역에 들어가도록 이득을 설계하였다. 그림 5는 다이오드 검파기의 측정 된 입출력 전달 특성을 나타낸 것으로 다이오드 검파기의 감도는 392 V/W로 측정 되었다.
- 라디오미터 수신기는 Ka-대역에서 Dicke 타입 형태로 설계되었고, 저잡음, 고이득 및 광대역으로 구현하였다. 공간분해능을 높이기 위하여 밀리미터파 대역의 렌즈 초점에 수신 안테나를 기계적인 스캐닝을 통하여 라디오미터 영상을 얻었다. 라디오미터 수신기의 캘리브레이션은 새로운 형태의 캘리브레이션 소스를 제작하여, 출력전압과 밝기온도와의 관계를 얻었다.
- 제작된 시스템에서는 쵸퍼(Chopper) 뒤에 전파흡수체를 부착하여 기준 온도(Reference Load:295 K)로 전파흡수체의 온도로 설정하여 측정온도와 비교하였다. 그리고 라디오미터 시스템의 밝기온도 직선 그래프를 얻기 위해서 3가지 온도점에서의 온도를 얻었다. Hot load(353 K), 기준온도(295 K), Cold load(77 K)를 사용하여 캘리브레이션을 수행하였다.
- 밀리미터파 라디오미터를 이용하여 인체의 밝기온도를 측정하였다. 라디오미터 수신기는 Ka-대역에서 Dicke 타입 형태로 설계되었고, 저잡음, 고이득 및 광대역으로 구현하였다. 공간분해능을 높이기 위하여 밀리미터파 대역의 렌즈 초점에 수신 안테나를 기계적인 스캐닝을 통하여 라디오미터 영상을 얻었다.
- 공간분해능을 높이기 위하여 밀리미터파 대역의 렌즈 초점에 수신 안테나를 기계적인 스캐닝을 통하여 라디오미터 영상을 얻었다. 라디오미터 수신기의 캘리브레이션은 새로운 형태의 캘리브레이션 소스를 제작하여, 출력전압과 밝기온도와의 관계를 얻었다. 1.
- 라디오미터 시스템에서의 높은 감도를 얻기 위해서는 검파기 앞에 저잡음 증폭기를 두어 저잡음, 고이득 및 광대역의 증폭기를 설계하였다. 구현된 회로에서의 잡음 지수는 3.
- 그림 3은 렌즈 설계를 위한 광선 추적의 예를 나타낸다. 렌즈 설계의 검증은 에어리(Airy) 패턴을 갖는 인코히런트(Incoherent)한 점 광원을 갖는 고압 수은 램프를 사용하여 확인하였다. 그림 4에 도시 된 바와 같이, 측정된 값은 광선 추적 결과와 잘 일치한다.
- 밀리미터파 대역중 Ka - band의 주파수 영역에서 동작하는 렌즈, 직접 검출 수신기, 켈리브레이션 소스 등을 설계·제작하여 라디오미터 시스템을 구성하였다.
- 밀리미터파 라디오미터 시스템을 이용하여 기계적인 스캔을 통해 1.7 m거리에서 인체의 상반신을 적외선 카메라와 밀리미터파 라디오미터의 영상으로 서로 비교하였다. 그림 10은 가시광영상(a)，적외선 영상(b) 그리고 밀리미터파 라디오미터 영상(c)을 나타내었다.
- 밀리미터파 라디오미터를 이용하여 인체의 밝기온도를 측정하였다. 라디오미터 수신기는 Ka-대역에서 Dicke 타입 형태로 설계되었고, 저잡음, 고이득 및 광대역으로 구현하였다.
- 이러한 신호는 DSP시스템을 통하여 영상으로 나타낸다. 밀리미터파 렌즈 초점에 수신안테나를 스캔하는 방식으로 미약한 신호를 수신하였으며, 라디오미터 수신기의 교정은 밀리미터파 대역에서 사용가능한 새로운 형태의 블랙바디(Black body)를 사용하여 물체의 등가 잡음온도와 출력전압의 관계를 도출하였다.
- 밀리미터파 대역중 Ka - band의 주파수 영역에서 동작하는 렌즈, 직접 검출 수신기, 켈리브레이션 소스 등을 설계·제작하여 라디오미터 시스템을 구성하였다. 밀리미터파 렌즈는 수차를 감소시키기 위해 광선 추적 방법을 사용하여 비구면 렌즈를 설계 하였다. 직접 검출 수신기는 Dicke 타입 수신기 형태로 설계하였으며, 수신된 신호는 SBD 디텍터를 통해 직류전압 신호로 변환된다.
- 라디오미터 시스템의 온도 감도는 수신기의 주파수대역폭과 및 적분 시간에 주로 의존한다. 시스템의 성능은 라디오미터 수신기의 이득 변화에 민감하게 반응하기 때문에 Dicke 타입 수신기 형태로 구현하였다. 그림 1에 렌즈 초첨형 밀리미터파 라디오미터 구성도를 나타내며 렌즈, 혼 안테나, LNA, 디텍터와 DSP 시스템으로 이루어져있다.
- 실험은 Hot Load와 Cold Load로 구분하여 측정되었다. Cold load는 77 K의 액체질소를 이용하여 캘리브레이션이 수행되었으며, 353 K의 Hot load를 변경되었을 때 출력전압의 변화는 약 15 V의 전압이 변하였다.
- 그림 4에 도시 된 바와 같이, 측정된 값은 광선 추적 결과와 잘 일치한다. 안테나는 Ka-대역 내에서 충분한 신호 전력을 획득하기 위해 광대역 특성을 갖는 원형 혼 안테나 형태로 설계하였고, 혼 안테나의 절대 이득은 중심주파수 35 GHz에서 23 dBi로 측정되었다.
- 라디오미터 시스템에서의 신뢰성 있는 캘리브레이션(Calibration)은 밝기온도를 측정하는데 있어서 무엇보다도 중요한 항목이다. 제작된 시스템에서는 쵸퍼(Chopper) 뒤에 전파흡수체를 부착하여 기준 온도(Reference Load:295 K)로 전파흡수체의 온도로 설정하여 측정온도와 비교하였다. 그리고 라디오미터 시스템의 밝기온도 직선 그래프를 얻기 위해서 3가지 온도점에서의 온도를 얻었다.
- 밀리미터파 렌즈는 수차를 감소시키기 위해 광선 추적 방법을 사용하여 비구면 렌즈를 설계 하였다. 직접 검출 수신기는 Dicke 타입 수신기 형태로 설계하였으며, 수신된 신호는 SBD 디텍터를 통해 직류전압 신호로 변환된다. 이러한 신호는 DSP시스템을 통하여 영상으로 나타낸다.
- 쵸퍼(chopper)를 사용하여 기계적으로 스위칭을 통하여 안테나 앞의 개구면을 열림 닫힘을 수행하여 기준온도와 측정영상(Scene)을 비교하였다. 그림 6에 라디오미터 시스템의 캘리브레이션 방법을 보여 주고 있다.
대상 데이터
- . 렌즈는 f = 500 mm이며, 구면 수차를 최소화하도록 비구면 렌즈 형태로 설계하였다. 그림 3은 렌즈 설계를 위한 광선 추적의 예를 나타낸다.
성능/효과
- (c) 영상에서 측정된 사람 (ε≈0.96)의 평균전압을 밀리미터파 밝기온도로 환산하면 약 38 ℃정도를 나타낸다.
- 라디오미터 시스템에서의 높은 감도를 얻기 위해서는 검파기 앞에 저잡음 증폭기를 두어 저잡음, 고이득 및 광대역의 증폭기를 설계하였다. 구현된 회로에서의 잡음 지수는 3.3 dB를 얻었고, 전체 이득은 51.0 dB로 측정되었다. 검파기는 자승 영역(square-law region)에서 동작해야하기 때문에 증폭기의 이득은 자승영역의 선형영역에 들어가도록 이득을 설계하였다.
- 5 K이다. 따라서, 설계된 라디오미터 시스템은 매우 안정적으로 동작함을 확인하였다.
- 사람의 배의 중앙부분 및 양쪽 가슴부분이 온도가 낮고, 배의 양쪽 가장자리 부분이 온도가 높게 측정되었다.
- 수신기의 잡음지수는 3.3 dB로 측정되었으며, 시스템 공간 해상도는 1.19 °로 측정되었다.
- 7 m거리에서 인체의 상반신을 측정하여 적외선 영상과 라디오미터 영상을 비교하였다. 인체 상반신의 내부 밝기온도가 약 38 ℃정도로 측정되었고, 적외선 영상과 서로 다른 온도분포를 가짐으로서, 밀리미터파 라디오미터의 의료응용 가능성을 제시하였다.
후속연구
- 유전율과 도전율에 의한 재질의 차와 내부의 밝기온도에 의한 온도 차이로 관측된 것으로 보여 진다. 이러한 결과로부터 신체 내부의 밝기온도 측정 영상 분석을 통하여 피부암의 진단, 유방조직의 염증 및 암의 진단등과 같은 몸속 온도 변화에 따른 생체진단 기술에 이용 가능할 것으로 생각되어 진다.
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