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문제 정의
- 본 논문에서는 준 마이크로파 대역에서 평행판 커패시터를 이용한 소형 비 침습(non-invasive) 방식으로 혈당 농도 관찰을 위한 공진기가 연구되었다. 높은 Q 성능을 갖는 DGS 방식의 공진기 구조가 제안되었고, 실제 상황에서 적용되는 농도 수준들(0 mg/dL, 250 mg/dL, 500 mg/dL)을 분별할 수 있도록 최적화되었다.
제안 방법
- 본 연구에서는 평행 도체판 사이에 놓인 생체조직의 혈당 농도수준 변화를 정밀하게 측정할 수 있게 하는 평행판 커패시터 공진기를 제안하였으며, 이를 인체의 귓불에 적용하였다. 마이크로스트립 선로의 접지면에 구성된 커패시터는 용량성(inductive) 슬롯(slot)과 결합되어 DGS (Defected Ground Structure) 구조의 공진기를 형성한다.
- 공진기는 ISM 대역들 중에 준 마이크로파 대역인 915 MHz 주변에서 설계되었다. 먼저, 0mg/mL의 농도 수준에서 공진기의 공진주파수를 중심으로 반사계수를 최적화하였고, 세 개의 농도 수준 변화(0, 250, 500 mg/dL)에 따라 공진주파수의 천이를 측정하여 센서로서 가능성을 조사하였다.
- 일반성인의 귓불크기를 감안하여 팬텀 박스를 16×16×5 mm3 크기로 하였고, 두께 5 mm 중에서 지방층은 2.6 mm로, 혈액층은 지방의 전후에 0.8 mm로 설정하여 위치시켰다.
- 다음에, 공진주파수에서 임피던스 정합을 위해 입력임피던스의 크기는 결합계수(K)에 의해 제어된다. 또한, 마이크로스트립 선로의 종단 단락선로의 길이(g2)를 미세조정함으로써 반사계수를 최적화한다.
- 다음에, 식(3)의 공진주파수(w0)를 정하는 유도성 용량(Ls)은 슬롯 폭(g1)과 길이(L1)에 의존하므로, 먼저 슬롯 폭(g1)을 2 mm로 고정시키고, 슬롯의 길이(L1)을 1 GHz 이하의 준 마이크로파 대역에서 공진하도록 설정한다. 마지막으로, 공진 주파수에서 마이크로스트립 선로 종단 단락회로에서 발생하는 잔여 인덕턴스(Lt)와 슬롯의 결합계수(K)를 미세조정함으로써 단일 단자(port) 공진회로의 반사계수(S11)와 공진기 Q를 최적화시킨다. 높은 Q 값을 갖는 DGS 공진기는 원형 도체판 사이에 생체조직의 미세한 유전특성변화를 구분할 수 있는 환경을 제공한다.
- 제안된 DGS 공진기를 포함한 단일 단자(port) 회로를 시뮬레이션을 통해 설계한다. 그림 1(a)에서 볼 수 있는 원평 도체판 내부에 삽입되는 팬텀 박스 내부의 유전특성들은 기존 연구결과들[4],[8]에 근거한다.
- 그림 1(a)에서 볼 수 있는 원평 도체판 내부에 삽입되는 팬텀 박스 내부의 유전특성들은 기존 연구결과들[4],[8]에 근거한다. 이를 바탕으로 팬텀 박스의 각 층의 생체조직들에 대한 유전특성을 표1에 정리하였고, 혈당농도 수준을 3 단계(0, 250, 500 mg/dL)로 구분하여 각기 상대 유전율을 63, 60, 57로 할당하였다.
- Ansoft사의 HFSS을 이용하여 먼저 0 mg/dL 농도수준에서, 1 GHz 이하의 준 마이크로파 대역에서 반사계수 (S11)를 시뮬레이션하고 최적화하였다. 이 결과로 얻어진 슬롯과 커패시터에 관련된 각 재원들을 표 2에 제시하였고, 이들 값들을 고정한 상태에서 농도 수준을 변화시켜 공진주파수 천이를 살펴본다.
- 그림 1(a)에 제안된 공진기를 단일 단자(port)회로로 구성한 전체구조를 보여준다. 귓불(earlobe)을 가상한 팬텀(phantom) 박스를 원형 도체판에 삽입하여 만든 커패시터를 용량성(inductive) 슬롯과 연결하였으며, 이를 마이크로스트립 선로(microstrip line, M-strip line)의 접지면을 이용하여 DGS 형태로 구현하였다. 접지면의 용량성 슬롯은 마이크로스트립 선로와 자기 결합(magnetic coupling)을 갖는다.
- )를 시뮬레이션하고 최적화하였다. 이 결과로 얻어진 슬롯과 커패시터에 관련된 각 재원들을 표 2에 제시하였고, 이들 값들을 고정한 상태에서 농도 수준을 변화시켜 공진주파수 천이를 살펴본다. 사용된 유전체 보드는 두께 0.
대상 데이터
- 커패시터의 평행 원형 도체판 사이에 인체의 귓불을 삽입함으로써 생체 조직 내에 강한 전기장을 균일하게 관통할 수 있으므로 농도 수준 변화에 따른 유전특성 차이를 읽어낼 수 있다. 공진기는 ISM 대역들 중에 준 마이크로파 대역인 915 MHz 주변에서 설계되었다. 먼저, 0mg/mL의 농도 수준에서 공진기의 공진주파수를 중심으로 반사계수를 최적화하였고, 세 개의 농도 수준 변화(0, 250, 500 mg/dL)에 따라 공진주파수의 천이를 측정하여 센서로서 가능성을 조사하였다.
- 혈액은 매우 높은 전도도와 높은 유전율(permittivity) 때문에 인체조직이 혈액을 포함하는 정도에 따라 인체의 전자기장에 큰 영향을 미친다[7]. 본 연구에서는 귓불을 혈액이 없는 지방층과 혈액층의 2종류로 단순하게 가상화시킨 팬텀(phantom) 박스로 모델링하였다. 그리고 두께가 매우 얇은 귓불 피부조직[6]은 귓불의 유전특성에 거의 영향을 주지 않아 무시하였다.
- 이 결과로 얻어진 슬롯과 커패시터에 관련된 각 재원들을 표 2에 제시하였고, 이들 값들을 고정한 상태에서 농도 수준을 변화시켜 공진주파수 천이를 살펴본다. 사용된 유전체 보드는 두께 0.79 mm를 갖는 Arlon사의 Cuclad 250T이다. 반사계수 시뮬레이션 결과, 0 mg/dL 농도수준에서 공진주파수는 885MHz, 250 mg/dL에서는 공진주파수가 894 MHz로 9 MHz가 상향 이동하였으며, 500 mg/dL에서는 900 MHz로 6MHz의 공진주파수 이동을 나타냈다.
- 인체 혈액을 직접 실험하기 어려우므로 이를 대신하여 가상의 혈액층을 위해 증류수가 포도당분말(powdered dextrose)과 실험 목적에 합당한 농도에 맞게 혼합되었다. 또한, 인체 지방층을 대신하여 유전특성이 유사한 돼지(pig) 지방을 사용하였다.
성능/효과
- 79 mm를 갖는 Arlon사의 Cuclad 250T이다. 반사계수 시뮬레이션 결과, 0 mg/dL 농도수준에서 공진주파수는 885MHz, 250 mg/dL에서는 공진주파수가 894 MHz로 9 MHz가 상향 이동하였으며, 500 mg/dL에서는 900 MHz로 6MHz의 공진주파수 이동을 나타냈다. 혈당수준의 증가에 따라 공진주파수가 점차 증가하는 특성을 나타낸다.
- 이들 모두 농도 수준이 증가함에 따라 공진주파수가 증가하는 것이 관찰된다. 측정된 데이터 그룹들은 시뮬레이션 결과들에 비해 공진주파수가 약 42 MHz 상향 이동하였다. 이는 기존 연구결과들[3],[6]에 근거하여 표 1에 제시된 유전체 특성에 따라 수행된 시뮬레이션 결과와 시작품에 사용된 실제의 증류수 및 돼지 지방(fat)의 유전특성 차이에 주로 기인하며, 여타 제작상 물리적인 크기 오차들에도 원인이 있다.
- 본 논문에서는 준 마이크로파 대역에서 평행판 커패시터를 이용한 소형 비 침습(non-invasive) 방식으로 혈당 농도 관찰을 위한 공진기가 연구되었다. 높은 Q 성능을 갖는 DGS 방식의 공진기 구조가 제안되었고, 실제 상황에서 적용되는 농도 수준들(0 mg/dL, 250 mg/dL, 500 mg/dL)을 분별할 수 있도록 최적화되었다. 인체의 귓불을 가상한 팬텀(phantom) 박스를 원형 도체판 사이에 삽입하여 구현된 커패시터를 통해 농도 증가에 따라 공진주파수가 증가하는 것을 확인하였다.
- 높은 Q 성능을 갖는 DGS 방식의 공진기 구조가 제안되었고, 실제 상황에서 적용되는 농도 수준들(0 mg/dL, 250 mg/dL, 500 mg/dL)을 분별할 수 있도록 최적화되었다. 인체의 귓불을 가상한 팬텀(phantom) 박스를 원형 도체판 사이에 삽입하여 구현된 커패시터를 통해 농도 증가에 따라 공진주파수가 증가하는 것을 확인하였다. 915 MHz ISM 대역 부근에서 100 이상의 Q 값을 갖는 공진기를 통해 250 mg/dL 농도 변화에 약 9 MHz의 주파수 천이를 얻어내 혈당 센서로서 가능성을 확인하였다.
- 인체의 귓불을 가상한 팬텀(phantom) 박스를 원형 도체판 사이에 삽입하여 구현된 커패시터를 통해 농도 증가에 따라 공진주파수가 증가하는 것을 확인하였다. 915 MHz ISM 대역 부근에서 100 이상의 Q 값을 갖는 공진기를 통해 250 mg/dL 농도 변화에 약 9 MHz의 주파수 천이를 얻어내 혈당 센서로서 가능성을 확인하였다.
후속연구
- 향후, 본 연구결과를 능동회로에 적용하여 혈당농도 수준 변화에 대응하는 직류 또는 교류 전압을 얻을 수 있도록 시도할 예정이다.
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