[논문]준 마이크로파 발진기를 이용한 비 침습 혈당 센서

윤기호

doi:10.15207/jkcs.2017.8.9.009

준 마이크로파 발진기를 이용한 비 침습 혈당 센서
Non-Invasive Blood Glucose Sensor By Sub-Microwave Oscillator 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.8 no.9, 2017년, pp.9 - 16

초록
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본 연구는 비 침습 방식으로 인체 혈당변화를 감지하여 준 마이크로파 대역의 발진 주파수 변화로 나타내는 발진기 센서를 제안하였다. 마이크로스트립 선로의 접지 면에 형성된 유도성 슬롯(inductive slot)과 생체조직 사이에 전자기적 결합을 통해 공진기로 구현되었으며, 능동회로를 연결하여 발진기를 구현하였다. 생체 조직을 가상한 팬텀 박스를 이용하였고, 3단계(0, 400, 800 mg/dL)의 혈당 농도 수준을 변화시켰을 때 공진기의 공진주파수가 상향 이동하는 것을 시뮬레이션 하였다. 시제품을 제작하여 인체 대신 돼지의 생체를 이용하여 실험한 결과, 1,100 MHz 부근에서 400 mg/dL의 혈당 농도변화 대비 약 14 MHz의 발진 주파수 천이가 관찰되어 혈당 센서에 적용할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, sub-microwave oscillator sensor is proposed to non-invasively monitor the glucose concentration level of the human biological tissue by oscillation frequency variation. Inductive slot in the ground plane of the microstrip line is combined with the biological tissue, to realize the resonator as a part of the oscillator sensor. The phantom box mimicking the human tissue is introduced for simulation of the resonator which resonance frequency correspondingly shifts up on three step glucose concentration levels(0, 400, 800 mg/dL). Oscillator sensor circuit is fabricated as a prototype. Pig tissues instead of human is used. Oscillation frequency shift of about 14 MHz per glucose level of 400 mg/dL has been successfully measured around 1,100 MHz. This proves that the proposed sensor is applicable to a blood glucose sensor.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 생체조직의 혈당 농도 변화를 관찰할 수 있는 새로운 공진기 방식을 제안하였으며, 준 마이크로파 대역에서 동작하는 발진회로에 적용하여 혈당 변화를 발진 주파수 천이로 나타내는 센서를 연구하였다. 마이크로스트립 선로의 접지 면에 구성된 유도성 슬롯은 피 측정 인체 조직들과 직접 접촉된다.
본 논문에서는 준 마이크로파 대역에서 마이크로스트립 선로의 접지 면 상의 슬롯(slot)과 생체조직으로 구성된 공진기를 발진기 회로에 적용하여 비 침습(noninvasive) 방식으로 혈당 농도를 관찰하는 발진기 센서를 제안하였다. 인체 조직을 가상의 팬텀 박스로 대체하여 시뮬레이션 하였으며, 공진기가 낮은 단계의 농도 수준들(0 mg/dL, 400 mg/dL, 800 mg/dL)을 분별할 수 있도록 최적화 하였다.

제안 방법

본 논문은 다음과 같이 서술된다. 2장에서 센서에 적용할 수 있는 공진기 구조를 설계하고 혈당 변화에 대한 공진특성을 시뮬레이션 한다. 이를 이용하여 3장에서는 1.
팬텀박스 내 각 층의 두께는 일반적인 근육조직에 준하였다[8,9,14]. ANSYS 시뮬레이터를 이용하여 먼저 0 mg/dL 농도수준에서, 1.0 GHz 부근의 준 마이크로파 대역에서 반사계수(S₁₁)를 최적화하였다. 이 결과로 얻어진 슬롯과 팬텀 박스에 관련된 각 재원들을 [Table 2]에 제시하였다.
인체 조직을 가상의 팬텀 박스로 대체하여 시뮬레이션 하였으며, 공진기가 낮은 단계의 농도 수준들(0 mg/dL, 400 mg/dL, 800 mg/dL)을 분별할 수 있도록 최적화 하였다. 또 설계된 공진기를 발진회로에 적용하여 혈당 농도 변화에 대응하여 발진 주파수 변화를 얻어냈다. 30×30x6 mm³ 크기를 갖는 돼지(pig) 생체조직들을 인체 대신 사용하였고, FR4 보드위에 발진기 센서의 시제품을 제작하였다.
또한 혈당량에 따른 유전 특성의 변화를 파악할 수 있다. 본 연구에서는 인체에서 혈액을 다량 포함하고 있는 근육 조직을 팬텀 박스(phantom box)로 가상화시켜 모델링시켰다. 팬텀 박스를 두께가 얇은 피부 층(skin layer)과 지방층(fat layer), 그리고 혈액 층(blood layer)과 근육 층(muscle layer)의 4종류로 구분하여 시뮬레이션 하였다.
실온(23℃)에서 3단계의 농도 수준(0 mg/dL, 400mg/dL, 800 mg/dL)에 대해 발진 신호들을 반복적으로 측정하여 일정한 결과를 얻었으며, [Fig. 8]에 스펙트럼을 제시하였다. 왼쪽의 발진 신호는 0 mg/dL 농도 수준에 대한 스펙트럼이며 주파수는 1,102 MHz이고, 중간 신호는 400 mg/dL 농도 수준에 대한 스펙트럼으로 주파수는 1,115 MHz로 13 MHz 상향 이동되었다.
본 논문에서는 준 마이크로파 대역에서 마이크로스트립 선로의 접지 면 상의 슬롯(slot)과 생체조직으로 구성된 공진기를 발진기 회로에 적용하여 비 침습(noninvasive) 방식으로 혈당 농도를 관찰하는 발진기 센서를 제안하였다. 인체 조직을 가상의 팬텀 박스로 대체하여 시뮬레이션 하였으며, 공진기가 낮은 단계의 농도 수준들(0 mg/dL, 400 mg/dL, 800 mg/dL)을 분별할 수 있도록 최적화 하였다. 또 설계된 공진기를 발진회로에 적용하여 혈당 농도 변화에 대응하여 발진 주파수 변화를 얻어냈다.
제안된 공진기에 대해 단일 단자(port) 회로를 시뮬레이션 하였다. [Fig.
발진기 출력 스펙트럼을 측정한 결과, 1,100 MHz 부근의 준 마이크로파 대역에서 400mg/dl 혈당 농도 변화에 대해 약 14 MHz의 주파수 천이를 나타냈다. 제안된 방식은 비 침습 혈당 센서 뿐 아니라, 각종 수용액의 염도 나 특성 측정에 적용가능하다.
본 연구에서는 인체에서 혈액을 다량 포함하고 있는 근육 조직을 팬텀 박스(phantom box)로 가상화시켜 모델링시켰다. 팬텀 박스를 두께가 얇은 피부 층(skin layer)과 지방층(fat layer), 그리고 혈액 층(blood layer)과 근육 층(muscle layer)의 4종류로 구분하여 시뮬레이션 하였다.
1(a)]에서 볼 수 있는 팬텀 박스 내부의 각 생체조직들의 유전특성을 기존 연구[7,9]에 근거하여 [Table 1]에 정리하였다. 혈당농도 수준은 3 단계(0, 400, 800 mg/dL)로 구분하여 각기 상대 유전율을 63, 60, 56 으로 할당하였다. 팬텀박스 내 각 층의 두께는 일반적인 근육조직에 준하였다[8,9,14].

대상 데이터

30×30x6 mm3 크기를 갖는 돼지(pig) 생체조직들을 인체 대신 사용하였고, FR4 보드위에 발진기 센서의 시제품을 제작하였다.
인체 혈액을 대신하여 증류수가 포도당 분말(powdered dextrose)과 적정 농도로 혼합되었다. 또한, 인체 조직들을 대신하여 유전특성이 유사한 돼지(pig) 피부, 지방 및 근육조직을 사용하였다. [Fig.

데이터처리

5pF 커패시턴스를 통해 발진 신호를 출력한다. 이 회로에 대한 발진 조건을 검증하기 위해 상용 툴(tool)인 ANSYS 시뮬레이터를 이용하였고 [Fig. 6]에서 결과를 볼 수 있다. 시뮬레이터에서 사용하는 발진 프로브(probe)를 이용하여 발진 주파수(Oscillating frequency)에서 부성 저항 값과 임피던스의 리액턴스(reactance)가 zero가 되는 것을 확인하였다.

성능/효과

이러한 성능의 공진기를 적용한 발진기는, 혈당 센서로서 측정결과는 처음 400 mg/dl 농도 증가에 13MHz, 다음번 800 mg/dl 농도 증가에 15MHz 발진 주파수 상향 이동을 나타낸다. 결과적으로 1,100 MHz 부근의 준 마이크로파 대역에서 400 mg/dl 혈당 농도 변화에 평균 14MHz의 센서 감도를 갖는다. 이 결과는 실제 상황에서 비 침습 혈당 센서에 적용할 수 있는 수준의 민감도라고 평가된다.
왼쪽의 발진 신호는 0 mg/dL 농도 수준에 대한 스펙트럼이며 주파수는 1,102 MHz이고, 중간 신호는 400 mg/dL 농도 수준에 대한 스펙트럼으로 주파수는 1,115 MHz로 13 MHz 상향 이동되었다. 마지막으로 우측의 발진 신호는 800 mg/dL 농도 수준에 대한 스펙트럼으로 최초 보다 28 MHz 상향 이동된 1,130 MHz이다. 0 mg/dL 의 혈당 농도를 갖는 생체조직인 경우 [Fig.
이 결과로 얻어진 슬롯과 팬텀 박스에 관련된 각 재원들을 [Table 2]에 제시하였다. 반사계수 시뮬레이션 결과, 0 mg/dL 농도 수준에서 공진주파수는 1,052 MHz 이고, 400 mg/dL에서는 공진주파수가 1,066 MHz로 14 MHz가 상향 이동하였으며, 800 mg/dL에서는 1,083 MHz로 31MHz의 주파수 이동을 나타냈다. 식(1)에서 보는 바와 같이 혈당농도의 증가에 따라 커패시턴스 C_s가 감소하여 공진주파수가 점차 증가한다.
30×30x6 mm³ 크기를 갖는 돼지(pig) 생체조직들을 인체 대신 사용하였고, FR4 보드위에 발진기 센서의 시제품을 제작하였다. 발진기 출력 스펙트럼을 측정한 결과, 1,100 MHz 부근의 준 마이크로파 대역에서 400mg/dl 혈당 농도 변화에 대해 약 14 MHz의 주파수 천이를 나타냈다. 제안된 방식은 비 침습 혈당 센서 뿐 아니라, 각종 수용액의 염도 나 특성 측정에 적용가능하다.
6]에서 결과를 볼 수 있다. 시뮬레이터에서 사용하는 발진 프로브(probe)를 이용하여 발진 주파수(Oscillating frequency)에서 부성 저항 값과 임피던스의 리액턴스(reactance)가 zero가 되는 것을 확인하였다. 이 조건에 맞는 주파수로 1,130 MHz가 얻어졌으나 실제 동작환경에서는 능동회로를 구성하는 부품 값, 트랜지스터 바이어스 상태, 공진기와의 임피던스 정합 등으로 실제 발진 주파수에는 약간의 이동이 발생한다.
슬롯과 주변의 인체 조직들은 커패시턴스(capacitance)를 형성하고 높은 Q 특성을 갖는 공진기역할을 한다. 즉, 제안된 공진기에서 피 측정 인체 조직은 공진회로를 구성하는 커패시터내의 유전체 역할을 하므로 전자기파가 강하게 분포하 게 되고, 생체내의 미세한 유전특성의 변화를 공진주파 수의 변화로 나타낼 수 있다. 센서는 혈액이 많이 포함된 인체 근육조직에 적용하였다.

후속연구

향후, 본 발진기 센서는 좀 더 주파수 안정도가 갖추어진 발진 동작회로를 확보한 후, 인체에 적용하여 의미 있는 구체적인 데이터를 확보할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로파 기술을 이용한 혈당농도 측정 연구내용은 무엇인가?	피 측정물체에 대한 마이크로파 센서의 비파괴(Non- destructive) 특성은 의료 분야에 큰 잠재력을 갖고 있어 많은 연구가 이루어졌다[3,4]. 최근 마이크로파 기술을 이용하여 근접장(near field)에서 혈당 농도를 완전한 비 침습 방식으로 측정하는 방법들을 제시하고, 혈당농도와 유전율 상수 사이의 연관성들이 보고되었다[3,5,6,7]. 이 분야의 현재 이슈는 낮은 단계의 농도 수준인 0～1,000 mg/dL 구간을 세밀하게 구분할 수 있는 민감도이다.
	비 침습 무선방식을 이용한 혈당측정시도의 일환은 무엇인가?	생체조직에 전자파가 얼마나 깊이 침투할 수 있느냐가 우수한 민감도를 위해 중요한 설계변수이다. 최근, 인체에 비 침습 무선방식을 이용하여 혈당측정을 편리하기 위한 시도들의 일환으로 인체에 쉽게 접촉할 수 있는 소형 평면형 공진기(planar resonator)나 방사체(radiator)들에 대한 연구들에 보고되었다[5,6,7]. 그러나 평면형 공진기로부터 방사되는 마이크로파 신호들의 대부분은 피부나 피하조직 근처에서 반사되거나 공진주파수 이동이 심해 민감도 개선에 제한적이다.
	0～1,000 mg/dL 구간을 세밀하게 구분할 수 있는 민감도 구현을 위해 필요한 것은 무엇인가?	이 분야의 현재 이슈는 낮은 단계의 농도 수준인 0～1,000 mg/dL 구간을 세밀하게 구분할 수 있는 민감도이다. 이를 위해 전자파와 생체 조직 간의 상호작용이 성능 개선을 위해 매우 중요하다. 생체조직에 전자파가 얼마나 깊이 침투할 수 있느냐가 우수한 민감도를 위해 중요한 설계변수이다.

참고문헌 (15)

S.H. Lee, D.W. Lee, "On Issue and Outlook of wearable Computer based on Technology in Convergence", Journal of the Korea Convergence Society, Vol. 6, No.3, pp.73-78, 2015.
D.H. Park, E.H. Jang, "Convergence Factors Related to Glycemic Control in Workers with Diabetes Mellitus : using the Korean National Health and Nutrition Examination Survey, 2009-2013, Journal of the Korea Convergence Society, Vol.6, No.6, pp. 95-103, 2015.

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G.H. Yun, "A Study on Slot Coupled Capacitor Resonator for Non-Invasive Glucose Monitoring in Earlobe", Journal of KIEES, Vol. 28, No. 4, pp. 279-285, 2017.
Y.J. An, B.H., Kim, G.H. Yun, S.W. Kim, S.B. Hong, J.G. Yook, "Flexible Non-Constrained RF Wrist Pulse Detection Sensor Based on Array Resonators", IEEE Trans. BMCS., Vol. 10, No. 2, pp. 300-308, April 2016.
B. Jean, E. Green, and M. McClung, "A microwave frequency sensor for non-invasive blood-glucose measurement", IEEE Sensors Appl. Symposium(SAS), Atlanta, GA, pp. 4-7, 2008.
B. Freer, J. Venkataraman, "Feasibility study for noninvasive blood glucose monitoring", Proceedings of the IEEE A.P. Society International Symposium(APSURSI' 10), Toronto, Canada, pp. 1-4, 2010.
T. Yilmaz, R. Foster, and Y. Hao, "Broadband tissue mimicking phantoms and a patch resonator for evaluating non-invasive monitoring of blood glucose levels", IEEE Trans. on A.P., Vol. 62, pp. 3064- 3075, 2014.

상세보기
S. Gabriel, R.W. Lau and C. Gabriel, "The dielectric properties of biological tissues: III. Parametric models for the dielectric spectrum of tissues", Phys. Med. Biol., Vol. 41, pp. 2271-2293, 1996.

상세보기
S. Gabriel, R.W. Lau and C. Gabriel "The dielectric properties of biological tissues: II. Measurements in the frequency range 10Hz to 20GHz", Phys. Med. Biol. Vol. 41, 1996.

상세보기
http://www.innerbody.com/anatomy/muscular/arm-hand
https://www.anatomyexhibits.com/downloads/13259_01xv2
O. G. Martinsen, S. Grimnes,, and H. P. Schwan, "Interface phenomena and dielectric properties of biological tissue", In Ency. Surface and Colloid Science, Marcel Dekker Inc., pp. 2643-2652, 2002.
E. Topsakal, T. Karacolak,, and E. Moreland, "Glucose dependent dielectric properties of blood plasma", In Proceedings of the 30th General Assembly and Scientific Symposium, IEEE, Istanbul, Turkey, pp. 1-4, 2011.
T. Yilmaz, A. Brizzi, R.Foster, M. Munoz, and Y. Hao, "A patch resonator for sensing blood glucose changes", 2014 XXXIth URSI General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), pp. 1-4, 2014.
C. J. Wang, C. S. Lin, "Compact DGS resonator with improvement of Q-factor", Electronic Letters, Vol. 44, No. 15, 2008.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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