[논문]마이크로파 비파괴 검사를 위한 인체 하지에 대한 전자파특성 분석

김병문; 이상민; 박영자; 홍재표

doi:10.13067/jkiecs.2021.16.2.385

마이크로파 비파괴 검사를 위한 인체 하지에 대한 전자파특성 분석
Analysis of Electromagnetic Wave Characteristics of Microwave Nondestructive Device for Inspecting Human Lower Leg 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.16 no.2, 2021년, pp.385 - 394

김병문 (경북도립대학교 전기전자과) , 이상민 (경북도립대학교 응급구조과) , 박영자 (서라벌대학교 치위생과) , 홍재표 (경일대학교 전자공학과)

초록
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본 논문에서는 다층 평면 손실 구조에 대한 반사 전력 및 전송 전력을 계산하기 위해 전자파 전송 행렬식을 새롭게 제안하였다. 적용된 인체 다리는 피부, 지방, 근육 및 뼈의 4층 평면 구조로 모델링하였으며 각 층의 손실을 고려하기 위하여 복소 유전 상수는 4극 Cole-Cole 모델 매개변수를 사용하여 계산하였다. 피부면에 전자파가 입사할 때 0.1 ~ 20.0GHz의 주파수 대역에서 총 반사 및 투과 전력과 인체 손실을 계산하였다. 그리고 다양한 근육 두께에 대해 최외곽 뼈에서 반사되어 피부에서 재방사되는 전력도 계산하였다. 그 결과 근육 두께 3.0mm, 주파수 4.6GHz일 때 반사손실은 -6.13dB로 평균값보다 3.42dB 낮게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a new equation of electromagnetic wave transmission matrix was proposed to calculate the reflected power and transmitted power for the multi-layered planar lossy structure. The applied human leg was modeled as a four-layer planar structure of skin, fat, muscle and bone. The complex dielectric constant to consider the loss of each of these layers was calculated using the 4-pole cole-cole model parameter. When electromagnetic waves were incident on the skin surface, total reflected and transmitted power, and human body loss were calculated for a frequency band of 0.1 to 20.0 GHz. And for various muscle thicknesses, the power reflected only from the outermost bone and re-radiated from the skin was calculated. It was confirmed that at the muscle thickness of 3.0 mm and the frequency of 4.6 GHz the return loss was -6.13 dB, which was 3.42 dB lower than the average value.

주제어

표/그림 (14)

그림 그림 1. 인체 하지의 횡 단면[4] Fig. 1 Transverse cross-section of human lower leg[4]
그림 그림 2. 인체 하지 조직의 상대 복소유전율, Ε_r : (a) 실수부분 (b) 허수부분 Fig. 2 Relative complex permittivity Ε_r of human lower leg tissue : (a) real part (b) imaginary part
표 표 1. 인체 조직의 4극 Cole-Cole 모델 매개변수 Table 1. 4 pole Cole-Cole model parameters of human tissue
그림 그림 3. 일반적인 m층 유전체 평면구조 Fig. 3 Typical m-layered dielectric planar structure
$그림 4. (m+1)층에서 반사된 재복사 전계 <TEX>$E^r_{1-}$</TEX>, 반사계수 <TEX>$R^r_i$</TEX>, 투과계수 <TEX>$T^r_i$</TEX> Fig. 4 Re-radiated electric field <TEX>$E^r_{1-}$</TEX> that reflected from the (m+1) layer, reflection coefficient <TEX>$R^r_i$</TEX>, transmission coefficient <TEX>$T^r_i$</TEX>$ 그림 그림 4. (m+1)층에서 반사된 재복사 전계 $E^r_{1-}$, 반사계수 $R^r_i$, 투과계수 $T^r_i$ Fig. 4 Re-radiated electric field $E^r_{1-}$ that reflected from the (m+1) layer, reflection coefficient $R^r_i$, transmission coefficient $T^r_i$
그림 그림 5. (a) 3층 유전체 시험 설치도 (b) 시험용 소재 구조 : 0층과 4층 자유공간, 1층과 3층 유리용기, 2층 시험샘플 Fig. 5 (a) Test diagram of 3-layer dielectric (b) Structure of test material: 0 and 4 layer free spaces, 1 and 3 layer container, 2 layer test sample
표 표 2. 샘플 시험 용기 모델 Table 2. Mode of sample test container
그림 그림 6. 다층 평면 구조로 모델링된 인체 하지에서 : (a) 감쇄특성 (b) 경계면에서 반사계수 Fig. 6 In the lower leg of the human body modeled as a multi-layered planar structure : (a) Attenuation characteristics (b) Reflection coefficient at interface
그림 그림 7. 4층 평면으로 모델링된 하지에서 전파특성 : (a) 입력임피던스 (b) 전력 Fig. 7 Propagation characteristics in the lower leg modeled as a 4-layer plane : (a) Input impedance (b) Power
표 표 3. 하지 경골 주변의 인체 피부 모델의 두께 Table 3. Thickness of human skin model around tibia ( 단위 : mm)
그림 그림 8. 4층의 뼈 경계면에서 투과·반사전력과 공기 중으로 재복사 전력 Fig. 8 Transmitted and reflected power S_t4(=S_t) S_r4 at the bone interface of the 4-layer and re-radiation power S^r_t4 into air
그림 그림 9. 3층 평면으로 모델링된 하지에서 전파특성 : (a) 입력임피던스 (b) 전력 Fig. 9 Propagation characteristics in the lower leg modeled as a 3-layer plane : (a) Input impedance (b) Power
그림 그림 10. 3층의 뼈 경계면에서 투과·반사 전력과 공기 중으로 재복사 전력 Fig. 10 Transmitted and reflected power S_t4(=S_t) S_r4 at the bone interface of the 3- layer and re-radiation power S^r_t4 into air
그림 그림 11. 근육 두께에 따른 공기 중으로 재복사 전력 Fig. 11 Re-radiation power into air for muscle thickness change

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 하지의 결함 즉 골절된 경골 및 숨겨진 피부 종양 등에 대한 마이크로파 비파괴 검사를 위하여 피부 면에서의 반사전력 및 투과전력, 인체 조직에 의한 흡수손실 등을 계산하기 위하여 다층 평면구조에 대한 새로운 전자파 전송행렬식을 제안하였다. 이 행렬식은 최외곽면에서 전체 반사 및 투과전력을 계산할 뿐만 아니라, 층별 반사 및 투과전력 계산이 용이하다.

제안 방법

여기에 제시된 일반화된 다층 평면구조에 대한 투과 및 반사 계수를 분석하는 새로운 전자파 전송행렬식의 검증은 Ma[10]와 Alabaster[11] 등이 제시한 방정식으로 3층 샘플 모델에 대하여 계산하여 비교하였다. 여기 주파수 9.
수 있다. 이 논문에서 사용된 분석은 이전에 보고된 실험 데이터를 기반으로 하며 문헌에서 조사된 데이터로 보완하였다. 10Hz에서 100GHz까지의 스펙트럼을 4개의 분산 영역으로 모델링했으며, 각 영역 내 주파수 의존도는 Cole-Cole항으로 표현하였다.
이러한 하지 조직은 피부와 지방, 근육, 뼈 순으로 4 층 평면으로 구조화하고, 각 층의 두께는 표 3과 같이 d₁=1.0mm, d₂=1.2mm, d₃=3.0mm이고, 뼈의 두께 d₄는 무한 반평면으로 처리하였다. 그리고 조직 각층의 상대 복소 유전율은 다중 Cole-Cole 분산 식 (1)과 표 1의 매개변수를 사용하여, 주파수 대역 0.
적용된 인체 하지는 그림 1에서 횡단면 구조를 고려하여 기본적으로 피부, 지방, 근육 및 뼈의 4층 평면구조로 모델링하였으며, 전자파 입사공간과 최외곽 뼈는 무한 반평면 구조로 처리하였으나, 하지 경골 앞부분은 근육이 없는 3층 구조로 처리하였다. 이들 각층의 손실을 고려하기 위한 주파수별 복소 유전율은 Gabriel 등에 의한 인체의 유전 특성 연구에서 제시된 4극 Cole-Cole 모델 매개변수를 사용하여 계산하였다.
적용된 인체 하지는 피부, 지방, 근육 및 뼈의 4층 평면구조로, 경골 앞의 경우 거의 근육이 존재하지 않기 때문에 피부, 지방 및 뼈의 3층 평면구조로 모델링하였다. 이들 각층의 손실을 고려하기 위한 주파수별 복소 유전율은 기존 연구에서 제시된 4극 Cole-Cole 모델 매개변수를 사용하여 계산하였다.
제시된 4층 평면구조 즉 피부(1.0mm), 지방(1.2mm), 근육(0.0~15.0mm) 및 뼈(무한반평면)에서 인체 모델의 피부 경계면에 평면전자파 입사 시 전체반사 및 투과 특성 그리고 손실이 가장 큰 근육을 통과하여, 최외곽 뼈에서만 반사되어 공기 중으로 재 복사된 전력을 근육의 두께 변화에 대하여 0.1~20.0GHz 주파수 대역에서 계산하였다. 근육 두께가 3.
평면 전자파가 입사하는 0번째 층은 자유공간이며, 무한반평면으로 그리고 전자파가 투과되는 (m+1)층 또한 무한반평면으로 처리하였다. 기존 문헌을 참조하여 정리하면 다층 평면 유전체 구조에서 일반화된 전자파 전송행렬식은 식 (2)와 같이 표현될 수 있다[10-12].

이론/모형

이들 각층의 손실을 고려하기 위한 주파수별 복소 유전율은 Gabriel 등에 의한 인체의 유전 특성 연구에서 제시된 4극 Cole-Cole 모델 매개변수를 사용하여 계산하였다. 이 인체 유전 특성 연구에서 사용된 분석은 10Hz에서 100GHz까지의 스펙트럼을 4개의 분산 영역으로 모델링했으며, 각 영역 내 주파수 의존도는 Cole-Cole 항으로 표현하였다. 실제로 이 모델은 지정된 범위의 모든 주파수에서 사용할 수 있다[9].
0mm이고, 뼈의 두께 d₄는 무한 반평면으로 처리하였다. 그리고 조직 각층의 상대 복소 유전율은 다중 Cole-Cole 분산 식 (1)과 표 1의 매개변수를 사용하여, 주파수 대역 0.1∽20.0GHz에서 구한 결과를 적용하였다
이들 각층의 손실을 고려하기 위한 주파수별 복소 유전율은 Gabriel 등에 의한 인체의 유전 특성 연구에서 제시된 4극 Cole-Cole 모델 매개변수를 사용하여 계산하였다. 이 인체 유전 특성 연구에서 사용된 분석은 10Hz에서 100GHz까지의 스펙트럼을 4개의 분산 영역으로 모델링했으며, 각 영역 내 주파수 의존도는 Cole-Cole 항으로 표현하였다. 실제로 이 모델은 지정된 범위의 모든 주파수에서 사용할 수 있다[9].
근육이 없는 3층 구조로 처리하였다. 이들 각층의 손실을 고려하기 위한 주파수별 복소 유전율은 Gabriel 등에 의한 인체의 유전 특성 연구에서 제시된 4극 Cole-Cole 모델 매개변수를 사용하여 계산하였다. 이 인체 유전 특성 연구에서 사용된 분석은 10Hz에서 100GHz까지의 스펙트럼을 4개의 분산 영역으로 모델링했으며, 각 영역 내 주파수 의존도는 Cole-Cole 항으로 표현하였다.
모델링하였다. 이들 각층의 손실을 고려하기 위한 주파수별 복소 유전율은 기존 연구에서 제시된 4극 Cole-Cole 모델 매개변수를 사용하여 계산하였다.

성능/효과

0GHz 주파수 대역에서 계산하였다. 근육 두께가 3.0mm에서 주파수 4.6GHz에서 반사손실이 –6.13dB로 평균값에 비해 3.42dB 낮고, 흡수손실 및 투과 특성이 우수함을 확인하였다.
여기 주파수 9.4GHz에서 Ma[10] 등과 본 논문에서 제시한 전송행렬식으로 계산한 결과, 투과계수 및 반사계수 계산에서 거의 일치하였다.
제시된 4층 평면구조 즉 피부(1.0mm), 지방(1.2mm), 근육(3.0mm) 및 뼈(무한반평면)에서 인체모델의 피부 경계면에 평면전자파 입사 시 전체 반사손실이 –6.13dB로 평균값에 비해 3.42dB가 낮고, 흡수손실 및 투과 특성이 우수함을 확인하였다.

후속연구

향후 하지 경골 주변에 대한 비침습 안전감시를 위한 온-바디 안테나와 근접장 전자파 현미경 안테나, UWB 이미지 센서용 안테나를 설계하여 골 밀도, 경골 골절 치유 과정 그리고 피부 아래 각종 악성 피부질환을 감시하는 전자파 시스템에 적용할 예정이다.

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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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