KR102018176B1 - 생체 신호를 수집하기 위한 이식형 안테나 - Google Patents

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KR102018176B1
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정재영
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심재연
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서울과학기술대학교 산학협력단
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Abstract

실시예에 의한 생체 신호를 수집하기 위한 이식형 안테나가 개시된다. 상기 이식형 안테나는 기판; 상기 기판의 상부에 배치되고, 제1 축 방향의 제1 중심선과 상기 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향의 제2 중심선 각각을 기준으로 양측이 비대칭 구조를 갖는 미앤더 형태의 마이크로스트립 라인으로 형성된 패치; 상기 기판의 하부에 배치되는 접지면; 및 상기 패치에 형성된 급전부를 포함한다.

Description

생체 신호를 수집하기 위한 이식형 안테나{IMPLANTABLE ANTENNA FOR COLLECTING BIO SIGNAL}
실시예는 이식형 안테나에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소형이면서 브로드사이드 방사를 지원하도록 한 생체 신호를 수집하기 위한 이식형 안테나에 관한 것이다.
고령 인구가 크게 증가하면서 향후 퇴행성 뇌질환 예컨대, 치매, 알츠하이머의 예방 및 치료 시작 규모는 지속적으로 성장할 것으로 전망되고 있다. 특히, 뇌는 판단, 인지, 행동 등에 직접적으로 영향을 주는 가장 중요한 신체 부위로, 아직까지는 뇌 과학 및 의료 기술의 한계로 인하여 미지의 영역으로 볼 수 있으며 인간의 건강한 생명 연장을 위해서는 뇌 연구의 중요성이 높아질 것으로 판단된다.
유럽과 북미를 중심으로 지난 2000년도 이전부터 주로 뇌, 심장, 청각, 시각 질환 치료 목적의 체내 이식용 전자장치 관련 연구 개발이 활발히 진행되어 왔다. 반면, 국내의 경우 체외 관련 전자장치의 연구 개발은 꾸준히 발전해 오고 있으나 상대적으로 체내 이식용 전자장치의 개발 기술은 미미한 단계에 있다.
최근 뇌질환 치료 혹은 뇌 기능 향상 등을 고려하여 안정적이고 효율적인 뇌 신호 정보 처리/전달 등을 목적으로 한 체내 이식용 전자장치의 핵심 구성 요소 대한 연구 개발이 진행되고 있는데, 이러한 전자장치의 핵식 구성 요소의 하나로 인체 내부에 설치되는 이식형 안테나가 사용된다.
하지만, 기존의 이식형 안테나는 안테나의 면적 또는 두께가 커서 뇌 삽입에 무리가 있고, 머리 위의 방향으로 방사하도록 설계되고 있지 않아 뇌 이식에 적합하지 않을 뿐 아니라, 안테나를 감싸고 있는 생체 적합(biocompatible) 절연체까지 고려하여 설계되지 않았고, 뇌 삽입 환경(뇌 물질)을 고려하여 설계되지 않았다.
공개특허공보 제10-2013-0081821호 등록특허공보 제10-1078421호
실시예는, 소형이면서 브로드사이드 방사를 지원하도록 한 생체 신호를 수집하기 위한 이식형 안테나를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나는 기판; 상기 기판의 상부에 배치되고, 제1 축 방향의 제1 중심선과 상기 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향의 제2 중심선 각각을 기준으로 양측이 비대칭 구조를 갖는 미앤더 형태의 마이크로스트립 라인으로 형성된 패치; 상기 기판의 하부에 배치되는 접지면; 및 상기 패치에 형성된 급전부를 포함할 수 있다.
상기 패치는, 비대칭 구조를 갖는 'ㄹ'자 형태의 마이크로스트립 라인으로 형성되고, 제1 방사부; 상기 제1 방사부의 일측에 이격 배치되고, 일단이 상기 제1 방사부의 일단과 연결되는 제2 방사부; 상기 제1 방사부의 타측에 이격 배치되고, 일단이 상기 제1 방사부의 타단과 연결되는 제3 방사부; 상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부를 연결하는 제1 연결부; 및 상기 제1 방사부와 상기 제3 방사부를 연결하는 제2 연결부를 포함할 수 있다.
상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부 사이의 이격 거리는 상기 제1 방사부와 제3 방사부 사이의 이격 거리보다 작을 수 있다.
상기 제1 방사부의 제2축 방향의 길이는 상기 제2 방사부와 상기 제3 방사부의 제2 축 방향의 길이보다 작을 수 있다.
상기 제1 방사부의 제1축 방향의 길이는 상기 제2 방사부의 제1축 방향의 길이보다 작고, 상기 제3 방사부의 제1축 방향의 길이보다 클 수 있다.
상기 급전부는 상기 제2 방사부 내 소정의 지점에 형성될 수 있다.
상기 급전부는 상기 제1 방사부와 상기 제1 연결부 사이의 지점에 형성될 수 있다.
상기 이식형 안테나는 상기 패치의 상부에 배치되는 제1 절연체; 및 상기 접지면의 하부에 배치되는 제2 절연체를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 방사부와 상기 제3 방사부 각각의 상기 제1축 방향의 길이 또는 상기 제2축 방향의 길이가 조정됨에 따라 안테나의 공진 주파수가 조정될 수 있다.
상기 급전부의 위치가 조정됨에 따라 안테나의 공진 주파수가 조정될 수 있다.
실시예에 따르면, 기판의 상부에 배치되고, 제1 축 방향의 제1 중심선과 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향의 제2 중심선 각각을 기준으로 양측이 비대칭 구조를 갖는 미앤더 마이크로스트립 라인으로 형성하도록 함으로써, 생체 삽입에 적합한 간단한 구조의 소형 크기로 제작할 수 있다.
실시예에 따르면, 브로드사이드 방사를 지원할 수 있다.
실시예에 따르면, 간단한 구조로 인해 RF Front-End와의 결합이 용이할 수 있다.
실시예에 따르면, 다양한 목적의 체내 이식용 바이오 응용 분야 및 차세대 의료 응용 분야에 적용이 가능할 수 있고, 무선 통신 핵심 부품의 국산화가 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 패치의 설계 변수와 실제 제작된 이식형 안테나를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 성능을 시뮬레이션하기 위한 다층 조직 모델과 각 조직의 전기적 특성을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 공진 주파수를 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 방사 패턴을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 전류 분포를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 설계 변수에 따른 반사 계수를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 급전 위치에 따른 반사 계수를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
실시예에서는, 기판의 상부에 배치되고, 제1 축 방향의 제1 중심선과 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향의 제2 중심선 각각을 기준으로 양측이 비대칭 구조를 갖는 미앤더 형태의 마이크로스트립 라인으로 형성하도록 한, 새로운 안테나 구조를 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 구조를 나타내는 도면이다.
도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나는 인체 내부에 설치되어 생체 신호 특히, 뇌 신호를 측정할 수 있고, 제1 절연체(100), 패치(patch)(200), 급전부(200a), 기판(300), 접지면(ground plane)(400), 제2 절연체(500)를 포함할 수 있다.
이러한 이식형 안테나는 생체 이식에 적합한 크기로 형성될 수 있는데, 예컨대, 뇌 이식에 적합한 10mm×10mm×0.5mm의 크기로 형성될 수 있다.
패치(200)는 기판(300)의 상부에 형성될 수 있고, 비대칭 구조를 갖는 미앤더 형태의(meander type) 마이크로스트립 라인(microstip line)으로 형성될 수 있다. 도 1의 (b)를 참조하면, 패치(200)는 'ㄹ'자 형태로 형성되되, 제1축 방향의 제1 중심선 L1과 제2축 방향의 제2 중심선 L2 각각을 기준으로 양측이 비대칭 구조로 형성될 수 있다.
또한 패치(200)에는 전자 장치로부터의 급전을 위한 급전부(200a)가 형성될 수 있다. 이때, 급전부(200a)는 패치(200) 내 전류의 크기가 가장 큰 양측 방사 영역 사이 즉, 중앙의 방사 영역 내의 임의의 지점에 위치하도록 형성될 수 있다. 또한, 급전부(200a)는 동축 케이블(600)과 임피던스 매칭(impedance matching) 되어야 한다.
접지면(400)은 기판(300)의 하부에 배치될 수 있다.
제1 절연체(100)는 패치(200)의 상부에 배치되고, 제2 절연체(500)는 접지면(400)의 하부에 배치될 수 있다. 제1 절연체(100)의 두께와 제2 절연체(500)의 두께는 동일하게 형성될 수 있다.
이때, 기판(300), 제1 절연체(100), 제2 절연체(500)는 동일한 물질로 형성될 수 있다. 예컨대, εr=3.5이고 tanδ = 0.0018인 Taconic RF-35가 사용될 수 있다.
동축 케이블(600)은 무선 전자장치로부터 연장되어 접지면(400)과 기판(300)을 차례로 거쳐 패치(200)에 형성된 급전부(200a)에 접속되고, 패치(200)에 급전을 수행할 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 패치의 설계 변수와 실제 제작된 이식형 안테나를 나타내는 도면이다.
도 2의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 패치(200)는 'ㄹ'자 형상을 갖고, 제1 방사부(210), 제2 방사부(220), 제3 방사부(230), 제1 연결부(240), 제2 연결부(250)를 포함할 수 있다.
이러한 기판(300)의 전체 크기 즉, 제1 축 방향의 전체 길이는 L이고, 제2 축 방향의 전체 길이는 W일 수 있는데, 여기서 L은 10mm이고, W는 10mm로 동일하다.
여기서 급전부(200a)는 제1 방사부와 제1 연결부 사이에 위치하도록 형성될 수 있다.
제1 방사부(210)는 기판(300)의 상부 중심부에 위치할 수 있다. 예컨대, 제1 방사부(210)는 제1축 방향의 길이는 2.5mm이고 제2축 방향의 길이 W2는 9mm로 설계될 수 있다.
제2 방사부(220)는 제1 방사부(210)의 일측에 이격 배치되고, 일단이 제1 방사부의 일단과 연결될 수 있다. 예컨대, 제2 방사부(220)는 제1 축 방향의 길이 L1은 3mm이고 제2축 방향의 길이 W1은 9.4mm로 설계될 수 있다. 이때, 제2 방사부(220)의 제2축 방향의 길이 W1은 제1 방사부(210)의 제2축 방향의 길이 W2보다 길게 설계된다.
또한, 제1 연결부(240)는 제1 방사부(210)와 제2 방사부(220)를 연결할 수 있다.
또한 제2 방사부(220)와 제1 방사부(210) 사이의 이격 거리 g1은 0.5mm로 설계될 수 있다.
제3 방사부(230)는 제1 방사부(210)의 타측에 이격 배치되고, 일단이 제1 방사부(210)의 타단과 연결될 수 있다. 예컨대, 제3 방사부(230)는 제1 축 방향의 길이 L5은 2mm이고 제2축 방향의 길이 W3은 9.4mm로 설계될 수 있다. 이때, 제3 방사부(230)의 제2축 방향의 길이 W3은 제1 방사부(210)의 제2축 방향의 길이 W2보다 길게 설계된다.
또한, 제2 연결부(250)는 제1 방사부(210)와 제3 방사부(230)를 연결할 수 있다.
또한 제3 방사부(230)와 제1 방사부(210) 사이의 이격 거리 g2은 1mm로 설계될 수 있다. 이때, 제1 방사부(210)와 제2 방사부(220) 사이의 이격 거리 g1는 제1 방사부(210)와 제3 방사부(230) 사이의 이격 거리 g2보다 작게 설계된다.
실시예에 따른 설계 변수는, L=10mm, W=10mm, L1=3mm, L2=6mm, L3=9mm, L4=5.5mm, L5=2mm, W1=9.4mm, W2=9mm, W3=9.4mm, g1=0.5mm, g2=1mm로 설정될 수 있다.
이러한 패치(200)의 설계 변수들은 상기 수치에 한정되지 않고 변경될 수 있다. 도 2의 (b)를 참조하면, 이러한 설계 변수들로 설계된 패치(200)를 보여주고 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 성능을 시뮬레이션하기 위한 다층 조직 모델과 각 조직의 전기적 특성을 보여주는 도면이다.
도 3의 (a)와 (b)를 참조하면, 기존에는 하나의 전기적 특성을 갖는 팬텀 내에서 측정하기 때문에 안테나 성능에 대한 신뢰도가 부족하였다. 따라서 본 발명에서는 실제로 안테나가 이식되는 7층의 뇌 모사 팬텀을 이용하여 측정된 안테나의 성능 및 동작 특성을 반영하고자 한다.
이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 성능을 시뮬레이션하기 위한 다층 조직 모델은 피부(skin), 지방(fat), 뼈(bone), Dura, 척수액(CSF), 회백질(Grey Matter), 백질(White Matter)로 구현할 수 있다. 이렇게 구성된 다층 조직 모델의 뼈와 Dura 사이에 실시예에 따른 이식형 안테나가 위치한다.
도 3의 (c)와 (d)를 참조하면, 실제로 구현된 다층 조직 모델을 보여주고 있고, 이렇게 구현된 다층 조직 모델의 각 뇌 조직의 비유전율, 손실탄젠트, 두께 정보를 보여준다. 각 뇌 조직의 전기적 특성은 주파수에 따라 달라지는데, 제안하는 안테나가 2.4GHz에서 동작하기 위한 안테나이기 때문에 각 뇌 조직들의 특성은 2.4GHz의 특성으로 설정된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 공진 주파수를 측정한 결과를 보여주는 도면이다.
도 4의 (a)를 참조하면, 자유 공간에서의 이식형 안테나의 동작 대역을 비교한 결과를 보여준다. 제안한 이식형 안테나를 이용한 자유 공간에서의 시뮬레이션한 공진 주파수(resonant frequency)는 2.88GHz이고, 측정한 공진 주파수는 2.97GHZ이다.
도 4의 (b)를 참조하면, 뇌 모사 팬텀 내에서의 이식형 안테나의 동작 대역을 비교한 결과를 보여준다. 제안한 이식형 안테나를 이용한 뇌 모사 팬텀 내에서의 시뮬레이션한 공진 주파수는 2.465GHz이고, 측정한 공진 주파수는 2.475GHZ이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 방사 패턴을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나는 브로드사이트 방사 패턴을 보이는데, (a)와 같이 2D 방사 패턴을 보여주고, (b)와 같이 3D 방사 패턴을 보여준다. 이식형 안테나는 소형이면서 큰 패치 안테나와 동일(유사)한 방사 형태를 갖는다.
이때, 기존의 이식형 안테나 구조의 경우 최대 이득이 -30 dBi인 반면, 본 발명의 실시예에 따른 이식형 안테나의 브로드사이드 방사 패턴에서의 최대 이득은 -25dBi이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 전기장 분포를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나가 2.465GHz의 동작 주파수에서의 전기장 분포를 보여주고 있는데, (a)에서는 φ=0°인 경우, (b)에서는 φ=90°인 경우, (c)에서는 φ=180°인 경우, (d)에서는 φ=270°인 경우를 보여준다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 설계 변수에 따른 반사 계수를 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 설계 변수에 따른 반사 계수를 보여주고 있다. (a)에서는 제2 방사부의 제2축 방향의 길이 W1가 달라질 때 측정된 반사 계수 S11를 보여주고, (b)에서는 제3 방사부의 제2축 방향의 길이 W3이 달라질 때 측정된 반사 계수 S11를 보여준다.
(c)에서는 제2 방사부의 제1축 방향의 길이 L1가 달라질 때 측정된 반사 계수 S11를 보여주고, (d)에서는 제3 방사부의 제1축 방향의 길이 L5가 달라질 때 측정된 반사 계수 S11를 보여준다.
이때, 제2 방사부와 제3 방사부 각각의 제1축 방향의 길이 L1, L5 또는 제2축 방향의 길이 W1, W3가 조정됨에 따라 안테나의 공진 주파수가 조정될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 급전부의 위치에 따른 반사 계수를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이식형 안테나의 급전부의 위치에 따른 반사 계수를 보여주고 있다. 즉, 이식형 안테나의 급전부가 제1 축 방향으로 이동하여 서로 다른 지점에 위치하였을 때 측정된 반사 계수 S11를 보여준다.
이때, 급전부의 위치가 조정됨에 따라 안테나의 공진 주파수가 조정될 수 있다.
이처럼 안테나의 설계 변수에 따라 전기적 특성 즉, 반사 계수가 달라짐을 알 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 제1 절연체
200: 패치
200a: 급전부
300: 기판
400: 접지면
500: 제2 절연체
600: 동축 케이블

Claims (10)

  1. 기판;
    상기 기판의 상부에 배치되고, 제1 축 방향의 제1 중심선과 상기 제1 축 방향과 수직인 제2 축 방향의 제2 중심선 각각을 기준으로 양측이 비대칭 구조를 갖는 미앤더 형태의 마이크로스트립 라인으로 형성된 패치;
    상기 기판의 하부에 배치되는 접지면; 및
    상기 패치에 형성된 급전부를 포함하고,
    상기 패치는 비대칭 구조를 갖는 'ㄹ'자 형태의 마이크로스트립 라인으로 형성되되, 제1 방사부, 상기 제1 방사부의 일측에 이격 배치되고, 일단이 상기 제1 방사부의 일단과 연결되는 제2 방사부, 상기 제1 방사부의 타측에 이격 배치되고, 일단이 상기 제1 방사부의 타단과 연결되는 제3 방사부를 포함하고,
    상기 제1 방사부의 제2축 방향의 길이는 상기 제2 방사부와 상기 제3 방사부의 제2 축 방향의 길이보다 작고,
    상기 제1 방사부의 제1축 방향의 길이는 상기 제2 방사부의 제1축 방향의 길이보다 작고, 상기 제3 방사부의 제1축 방향의 길이보다 큰, 이식형 안테나.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패치는,
    상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부를 연결하는 제1 연결부; 및
    상기 제1 방사부와 상기 제3 방사부를 연결하는 제2 연결부를 포함하는, 이식형 안테나.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방사부와 상기 제2 방사부 사이의 이격 거리는 상기 제1 방사부와 제3 방사부 사이의 이격 거리보다 작은, 이식형 안테나.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 급전부는, 상기 제2 방사부 내 소정의 지점에 형성되는, 이식형 안테나.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 급전부는, 상기 제1 방사부와 상기 제1 연결부 사이의 지점에 형성되는, 이식형 안테나.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 패치의 상부에 배치되는 제1 절연체; 및
    상기 접지면의 하부에 배치되는 제2 절연체;를 더 포함하는, 이식형 안테나.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 방사부와 상기 제3 방사부 각각의 상기 제1축 방향의 길이 또는 상기 제2축 방향의 길이가 조정됨에 따라 안테나의 공진 주파수가 조정되는, 이식형 안테나.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 급전부의 위치가 조정됨에 따라 안테나의 공진 주파수가 조정되는, 이식형 안테나.
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