[논문]지속적인 심장질환 모니터링을 위한 인체 삽입형 생체 센서의 무선전력전송 시스템

허진철; 이종하

지속적인 심장질환 모니터링을 위한 인체 삽입형 생체 센서의 무선전력전송 시스템
Development and Application of Wireless Power Transmission Systems for Wireless ECG Sensors 원문보기

한국융합신호처리학회논문지 = Journal of the Institute of Convergence Signal Processing, v.20 no.2, 2019년, pp.111 - 117

허진철 (계명대학교 의과대학 의용공학과) , 이종하 (계명대학교 의과대학 의용공학과)

초록
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전자기 유도형 무선전력전송에서는 송신 코일과 수신 코일의 상대적 위치에 따른 자기장 분포와 동력 전달 효율이 매우 중요하다. 본 연구는 ECG 센서를 사용한 HFSS 시뮬레이션 결과를 실제 측정 결과와 비교하였다. 시뮬레이션 결과 송신 코일과 수신 코일 간의 정렬이 어느 정도 변경 되더라도 전송효율은 비교적 안정적으로 유지 될 수 있음이 나타났다. 수신 코일의 중심이 송신 코일의 중심과 완벽하게 일치하면 전송효율이 최대가 되며, 수신 코일의 중심이 송신 코일의 중심으로부터 ± 10mm 내의 이동은 전송효율의 감소가 크지 않음을 확인 하였으며, 무선 전력 전송 시스템의 성능이 크게 저하되지 않는 것으로 확인 되었다. 본 결과는 이식형 센서를 위한 무선 전력의 활용에서 무선 전송의 표준화 된 적용 방법을 제안한다. 이를 통해 이식형 임플란트의 개발에 있어 무선전력전송에 대한 기준을 제시하고, 관련 디바이스의 개발에 적용 할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

We investigated the variations in the magnetic-field distribution and power transmission efficiency, resulting from changes in the relative positions of the transmitting and receiving coils, for electromagnetic-induction-type wireless power transmission using an elliptical receive coil. Results of simulations using a high-frequency structure simulator were compared to actual measurement results. The simulations showed that the transmission efficiency could be maintained relatively stable even if the alignment between the transmitting and receiving coils was changed to some extent. When the centre of the receiving coil was perfectly aligned with the centre of the transmitting coil, the transmission efficiency was the maximum; however, the degree of decrease in the transmission efficiency was small even if the centre of the receiving coil moved by ± 10mm from the centre of the transmitting coil. Therefore, it is expected that the performance of the wireless power transmission system will not be degraded significantly even if perfect alignment is not maintained. The results suggested a standardized application method of wireless transmission in the utilization of wireless power for implantable sensors.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

HFSS는 전자기장 해석에 특화된 프로그램으로, 모든 주파수 영역의 전자기장 분석 및 전자회로와 연동하여 시뮬레이션이 가능하므로 실제로 무선전력전송을 위한 코일이 L-C 공진회로(resonance circuit)에 연결되어 있는 상황에서도 코일에서 발생하는 전자기장의 시뮬레이션이 가능하다. 본 시뮬레이션에서는 송신부 및 수신부 코일이 13.56MHz에서 공진하는 현상을 만들어주고, 송신 코일과 수신 코일의 내부에 형성되는 자기장의 분포를 알아보았다. 또한, 특정 전류값을 송신 코일에 입력으로 주었을 때, 송수신 코일 간 거리에 따라, 송수신 코일 간의 정렬에 따라 수신 코일에 유도된 전압과 전력의 크기를 알아보았다.
본 연구는 전력 전송 과정에서 이루어지는 무선전력전송시스템에 대한 이론적 고찰과 시뮬레이션을 통한 전력 전송의 특성을 평가하고자 한다. 논문의 구성은 무선전력전송을 확인하기 위해 II장에서는 시스템 구성, 모델링을 통한 시스템 검증과 III장에서는 이를 활용한 응용 범위에 대한 내용으로 구성이 되었다.
한편, 사람에 적용 가능한 이식형 의료 기기의 소비 전력은 다양한 기능으로 인해 증가하고 있으며, 따라서 일차 전지만으로는 충분한 전력을 공급할 수 없다. 본 연구에서는 자기 유도 방식을 이용한 무선 송전 시스템의 효율을 조사하였다. 컴퓨터 모델링을 통해 심전도 센서의 동력 전달 효율을 확인한 후 자기유도 무선전력전송시스템을 검증하였다.
송·수신 코일의 크기 및 형태, 감은 횟수, 송·수신 코일 간의 간격에 따른 자기장을 분석하고, 수신 코일에 발생하는 유도 전류 및 전압을 평가해 보고자 한다.

가설 설정

2. A. Modelling transmit coil (orange) and receive coil (yellow). B.
4. A. When the alignment between the transmit coil and receive coil is different in the long-axis / short-axis direction of the receive coil. B.

제안 방법

1) 직경이 0.5mm 인 원형 단면을 갖는 도선의 경우 FEM을 위한 메쉬 생성과 시뮬레이션 시간이 많이 걸리므로, 원형인 단면적을 동일한 면적을 갖는 사각 단면적으로 변환한 결과 한 변의 길이가 0.44mm인 사각형으로 도선을 모델링 하였다.
2) 송신 코일(Tx coil)의 경우, 직경 5cm의 원형 코일로 5번 감긴 형상으로 모델링하고, 수신 코일(Rx coil)의 경우는 장축이 3cm, 단축이 0.7cm인 타원형 코일로 5번 감긴 형상으로 모델링 하였다. 아래 그림에서 주황색이 송신 코일, 노란색이 수신 코일이다(Fig.
56MHz에서 공진하는 현상을 만들어주고, 송신 코일과 수신 코일의 내부에 형성되는 자기장의 분포를 알아보았다. 또한, 특정 전류값을 송신 코일에 입력으로 주었을 때, 송수신 코일 간 거리에 따라, 송수신 코일 간의 정렬에 따라 수신 코일에 유도된 전압과 전력의 크기를 알아보았다. 이 때 시뮬레이션에 사용된 조건은 아래와 같다.
수신 코일과 송신 코일의 중심이 서로 완벽하게 정렬되어 있는 상황(misalignment가 0인 상황)에서부터 송신 코일을 타원의 장축 방향으로 5mm씩 이동시켜 25mm가 될 때까지 정렬이 틀어진 경우의 자기장의 크기 변화를 확인하였으며, 수신 코일을 장축 방향으로 움직여 정렬이 틀어진 경우의 전력 전송효율의 변화를 확인하였다. 송/수신 코일 간의 Z축 방향으로의 거리는 5mm로 고정되어 있으며, 완벽하게 정렬되어 있는 상황에서는 전송효율이 1.
앞서의 시뮬레이션을 통한 무선전력전송을 검증하기 위해 실제 실험을 수행하였다. 실험을 위해 지름이 5cm인 원형인 송신 코일과 장축/단축이 각각 30mm/7mm의 타원 형상을 갖는 수신 코일을 제작하였다.
56MHz에서 공진하기 위한 커패시터를 달아주기 위해 HFSS 내 선택 가능한 옵션 중 two-port model을 채택하였다. 일차적으로 공진 커패시턴스를 로부터 을 이용하여 계산한 후, 계산값을 기준으로 커패시턴스 값을 조금씩 바꾸어 가면서 원하는 공진주파수에서 공진이 일어나는 정확한 커패시턴스 값을 확인하였다.
본 연구에서는 자기 유도 방식을 이용한 무선 송전 시스템의 효율을 조사하였다. 컴퓨터 모델링을 통해 심전도 센서의 동력 전달 효율을 확인한 후 자기유도 무선전력전송시스템을 검증하였다. 임플란트 장치에 요구되는 기능이 다양화됨에 따라 전력 사용 시간이 감소되고, 전원 교체를 위한 재작동 사이클이 단축되어 추가적인 비용부담 및 신체적, 정신적 부담이 증가하게 된다.
제작한 송/수신 코일을 사용하여, 송신 코일에의 입력이 일정한 상태에서 코일 간 거리를 변화시키면서 수신 코일에서 얻어진 전압 값을 측정한 결과이다. 코일 간 거리에 따라 수신 코일에서 얻어진 전압과 전력을 측정한 결과 및 전력전송효율을 확인하였다(Table 1). 전력전송효율은 아래의 식으로 계산하였다.
특정 전류 값이 송신 코일에 입력되면, 송신 코일과 수신 코일 사이의 거리 및 송신 코일과 수신 코일 사이의 정렬을 이용하여 수신 코일의 전압 및 전력을 평가한다(Fig. 2C).

대상 데이터

앞서의 시뮬레이션을 통한 무선전력전송을 검증하기 위해 실제 실험을 수행하였다. 실험을 위해 지름이 5cm인 원형인 송신 코일과 장축/단축이 각각 30mm/7mm의 타원 형상을 갖는 수신 코일을 제작하였다. 송/수신 코일 모두 0.

데이터처리

전자기 유도형 무선전력전송을 ECG 센서를 사용한 HFSS 시뮬레이션 결과를 실제 측정 결과와 비교하였다. 코일 사이의 거리가 2cm 미만으로 유지되면 수신 코일이 전달할 수 있는 전압은 4.

이론/모형

본 연구에서는 전자기장의 유한요소해석에 특화된 소프트웨어인 ANSYS 사의 HFSS(High Frequency Structure Simulator)를 사용하였다. HFSS는 전자기장 해석에 특화된 프로그램으로, 모든 주파수 영역의 전자기장 분석 및 전자회로와 연동하여 시뮬레이션이 가능하므로 실제로 무선전력전송을 위한 코일이 L-C 공진회로(resonance circuit)에 연결되어 있는 상황에서도 코일에서 발생하는 전자기장의 시뮬레이션이 가능하다.
송신 코일 및 수신 코일 각각에 13.56MHz에서 공진하기 위한 커패시터를 달아주기 위해 HFSS 내 선택 가능한 옵션 중 two-port model을 채택하였다. 일차적으로 공진 커패시턴스를 로부터 을 이용하여 계산한 후, 계산값을 기준으로 커패시턴스 값을 조금씩 바꾸어 가면서 원하는 공진주파수에서 공진이 일어나는 정확한 커패시턴스 값을 확인하였다.
송·수신 코일의 크기 및 형태, 감은 횟수, 송·수신 코일 간의 간격에 따른 자기장을 분석하고, 수신 코일에 발생하는 유도 전류 및 전압을 평가해 보고자 한다. 이를 위해 유한요소해석법(finite element methodor FEM)을 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

13.56MHz의 AC 전류가 송신 코일에 인가되고 Z축 상으로 일정 거리만큼 떨어진 곳에 수신 코일이 위치할 때 자기장(H-field)의 분포와 형성된 자기장뿐 아니라 송/수신 코일의 상대적인 위치에 따른 전력 전송효율을 구한 결과를 확인하였다(Fig. 3A).
3) 시뮬레이션을 위한 공간의 크기를 결정하는 데 있어서 boundary를 점점 증가시켜 가며 특정 위치에서의 자기장 세기와 인덕턴스의 값을 관찰하여 boundary를 증가하여도 더 이상의 자기장 세기 및 인덕턴스의 값에 변화가 없는, 수렴(convergence)을 보이는 지점을 계산 효율(efficiency)과 정확성(accuracy) 둘 다를 만족시키는 최적의 boundary로 설정하였다. 아래의 그림과 같이 500mm의 크기를 갖는 지점을 시뮬레이션 하고자 하는 전체 시스템의 크기로 결정하였다(Fig.
전력전송 과정 중에 매질의 에너지 흡수율 및 온도 상승, EMI(Electro Magnetic Interference)와 인체 적합 패키징 등이 중요한 문제로 제시되고 있다. 본 연구에서 사용된 자기 유도형 무선전송시스템은 무선전력전송방식인 자기유도, 자기공명, 전자기파 중 인체유해성에 있어 거의 무해하다. 하지만, 자기유도 방식은 송신기 코일과 수신 코일 사이에 전기 유도를 이용한 방식으로, 자기장이 송신기 코일에 생성되면, 수신 코일은 자기장을 수신하여 전력을 유도한다.
시뮬레이션을 통해 각 거리에서의 전력 전송효율을 구한 결과는 코일 간 거리가 5mm인 경우(그래프에서 최소 거리) 전송효율은 2.74% 정도이다. 또한, 그림은 13.
5%로 나타났다. 시뮬레이션을 통해 전송코일과 수신코일 간의 정렬 정도에 관계없이 전송효율이 비교적 안정적으로 유지될 수 있음이 확인되었다.
3V 직류전압을 생성해 낼 수 있다. 즉, 본 측정에 사용된 것과 같은 코일을 사용한다면 송/수신 코일이 2cm 정도까지 떨어져 있는 경우에도 충분한 전압 및 전력을 공급할 수 있다는 결론을 얻을 수 있다(Fig. 4B).
측정 결과 송/수신 코일 간 거리가 5mm 떨어져 있는 경우 수신 코일의 로드(1kW를 사용하였음)에서의 전압은 7.3V, 전력은 26.6mW, 전력 전송효율은 3.6%였다. 코일 간 거리가 20mm인 경우 수신 코일의 로드에서의 전압, 전력, 전송효율은 각각 4.
전자기 유도형 무선전력전송을 ECG 센서를 사용한 HFSS 시뮬레이션 결과를 실제 측정 결과와 비교하였다. 코일 사이의 거리가 2cm 미만으로 유지되면 수신 코일이 전달할 수 있는 전압은 4.8V 이상이며 전송효율은 약 1.5%로 나타났다. 시뮬레이션을 통해 전송코일과 수신코일 간의 정렬 정도에 관계없이 전송효율이 비교적 안정적으로 유지될 수 있음이 확인되었다.

후속연구

그러나 지금까지 의료 분야에 적용하기에는 자기공명방식 및 전자파방식에 비해 안전성 및 효율성이 가장 적합한 것으로 알려져 있다. 본 연구의 결과는 자기 유도 기법을 이용한 생체 이식 센서와 같은 동력 전달 시스템의 모델로 사용될 수 있다. 본 연구의 결과를 효율적으로 적용하기 위해서는 센서 이동을 위한 무선 동력 전달 효율을 검증할 필요가 있다.
본 연구의 결과는 자기 유도 기법을 이용한 생체 이식 센서와 같은 동력 전달 시스템의 모델로 사용될 수 있다. 본 연구의 결과를 효율적으로 적용하기 위해서는 센서 이동을 위한 무선 동력 전달 효율을 검증할 필요가 있다.

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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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