KR102301731B1

KR102301731B1 - 심부 체온 측정용 rf 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템

Info

Publication number: KR102301731B1
Application number: KR1020210050205A
Authority: KR
Inventors: 김남영; 신재우; 이학용; 김은성; 김익환
Original assignee: (주)이지템
Priority date: 2021-04-18
Filing date: 2021-04-18
Publication date: 2021-09-14

Abstract

심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템이 개시된다. 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나는 1회용 PVC 필름; 상기 PVC 필름 위에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 접촉되는 하부 보우타이 안테나; 상기 하부 보우타이 안테나 위에 구비된 유전체 기판; 및 상기 유전체 기판의 상부에 상부 보우타이 안테나를 구비하며, 상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상부 보우타이 안테나와 하부 보우타이 안테나를 구비하는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나로 형성된 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나를 포함하며, 상기 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈과 연결된다.
기존 적외선 센서의 피부온도(skin temperature) 측정과 달리, 마이크로파 심부 체온계의 인체 내부의 심부 체온(core body temperature) 측정용 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz 주파수 범위내에서 실시예에서는 1.35 GHz와 2.75 GHz 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)는 심부 체온을 측정하는 RF 수신기 모듈에 연결되며, 상기 RF 수신기 모듈은 마이크로파 심부 체온계에 연결되고, 마이크로파 심부 체온계는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나와 RF 수신기 모듈로부터 수신된 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 표시부(OLED 디스플레이)에 표시한다.

Description

심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템{System having Dual Band Bio-Matched Bow-tie Antennas to be used RF receiver module for detecting core body temperature}

본 발명은 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 측정용 RF 수신기 모듈의 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(Dual Band Bio-Matched Bow-tie Antennas, 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 사용하여 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 예를들면, 1.35 GHz와 2.75 GHz 중심주파수를 갖는 이중 대역을 동시에 선택적으로 사용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 이중 대역 보우타이 안테나와 RF 수신기 모듈을 통해 수신하여 마이크로파 심부체온계의 표시부에 측정된 인체 내부의 심부 체온(core body temperature)을 표시하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템에 관한 것이다.

비 침습적(non-invasive)으로 생체, 인체의 내부 온도를 측정하는 종래의 체내 온도 측정 방법들은 자기 공명 영상(MRI:Magnetic Resonance Imaging) 온도 영상법, 초음파 온도 측정법, 임피던스 온도 측정법 및 인체 방사 마이크로파 측정법(mircrowave radiometry) 등이 있다. 이러한 방법들 중에서 마이크로파 측정법은 미국, 일본, 독일, 이탈리아에서 다수의 연구자들이 연구하고 있다.

이와 관련된 선행기술1로써, 특허 공개번호 10-2002-0074920에서는 " 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치 및 방법"가 공개되어 있다.

도 1은 종래의 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치의 블럭도이다.

마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치는

생체로부터 방사되는 마이크로파를 수신하여 출력하는 신호 수신부;

상기 신호 수신부로부터 출력되는 마이크로파로부터 상기 생체의 표면 온도를 측정하고, 측정된 상기 표면 온도를 출력하는 신호 처리부;

상기 마이크로파가 방사되는 생체의 해당 부위의 매질 특성에 상응하는 가중치를 추정하고, 추정된 상기 가중치를 출력하는 가중치 추정부; 및

상기 가중치 추정부로부터 입력한 상기 가중치와 상기 신호 처리부로부터 입력한 상기 표면 온도로부터 상기 생체의 내부 온도를 측정하는 온도 변환부를 구비한다.

마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치의 블럭도로서, 신호 수신부(10), 신호 처리부(12), 가중치 추정부(14) 및 온도 변환부(16)로 구성된다.

생체의 내부 온도 측정 방법은 신호수신부(10)로부터 수신한 마이크로파로부터 측정한 표면 온도와 측정 부위의 매질 특성에 따라 수정 가능한 가중치를 이용하여 생체의 내부 온도를 측정한다.

신호 수신부(10)는 온도를 측정할 생체의 임의의 부위로부터 방사되는 특정 주파수 대역의 마이크로파를 입력단자 IN1을 통해 수신하고, 수신된 마이크로파를 신호 처리부(12)로 출력한다(제20 단계). 이를 위해, 신호 수신부(10)는 생체로부터 방사되는 마이크로파를 수신할 수 있는 안테나 또는 프로브(probe)와 전송선을 구비할 수 있다.

제20 단계후에, 수신된 마이크로파로부터 생체의 표면 온도(또는, 밝기 온도)를 측정하고, 마이크로파가 방사되는 생체의 해당 부위의 매질 특성에 상응하는 가중치를 추정한다(제22 단계).

이를 위해, 신호 처리부(12)는 신호 수신부(10)로부터 출력되는 마이크로파로부터 생체의 표면 온도를 측정하고, 측정된 표면 온도를 온도 변환부(16)로 출력한다.

도 1b는 신호처리부의 블럭도, 도 1c는 생체 조직의 유전체 모델을 타나낸다. 신호 처리부(12)의 일 실시예에서는 잡음 제거부(30), 여파기(32), 증폭기(34) 및 제어부(36)로 구성된다.

신호 처리부(12A)의 잡음 제거부(30)는 신호 수신부(10)에서 수신한 마이크로파를 입력단자 IN4를 통해 입력하여 잡음을 제거하고, 잡음이 제거된 결과를 여파기(32)로 출력한다. 이 때, 여파기(32)는 잡음 제거부(30)로부터 출력되는 잡음이 제거된 결과에서 원하는 대역을 필터링하고, 필터링된 결과를 증폭기(34)로 출력한다. 증폭기(34)는 여파기(32)의 출력을 증폭하고, 증폭된 결과를 제어부(36)로 출력한다. 제어부(36)는 증폭기(34)에서 증폭된 결과로부터 표면 온도를 측정하고, 측정된 표면 온도를 출력단자 OUT2를 통해 온도 변환부(16)로 출력한다.

또한, 가중치 추정부(14)는 마이크로파가 방사되는 생체의 해당 부위의 매질 특성에 상응하는 가중치를 추정하고, 추정된 가중치를 온도 변환부(16)로 출력한다.

가중치 추정부(14)의 일 실시예(14A)의 블럭도로서, 매질 특성 측정부(40) 및 가중치 수정부(42)로 구성된다.

가중치 추정부(14A)의 매질 특성 측정부(40)는 입력단자 IN2를 통해 매질 특성을 측정하고, 측정된 매질 특성을 가중치 수정부(42)로 출력한다. 이를 위해, 매질 특성 측정부(40)는 매질 특성을 센싱하는 센싱부(미도시)로서 피부 두겁 측정기(skin-fold caliper), 생체 임피던스 측정기(bio impedance analyzer), 초음파 피지 후계(ultrasound fat meter), 자기 공명 영상 스캐너(MRI scanner) 또는 마이크로파 단층 촬영(microwave computed tomography)기를 마련할 수 있다. 예를 들면, 피부 두겁 측정기는 미국의 " FAT CONTROL, INC" 에 의해 제조된 제품명 " Fat Control Skinfold Caliper" 라는 제품으로 구현될 수 있고, 생체 임피던스 측정기는 의료기 전문 업체인 컴메디컬(COMMEDICAL)에 의해 시판되는 체지방 측정기(모델번호:GIF-891DXH)로 구현될 수 있고, 초음파 피지 후계는 Titlemedia 회사에 의해 시판되는 초음파 피지후계(모델명:AFT-101G)로 구현될 수 있다.

만일, 매질 특성 측정부(40)의 센싱부(미도시)가 생체 임피던스 측정기, 초음파 피지 후계 또는 마이크로파 단층 촬영기로 구현될 경우, 매질 특성 측정부(40)의 센싱부(미도시)는 신호 수신부(10)에서 마이크로파를 수신하는 센싱부와 일체형으로 구현될 수 있다.

이 때, 가중치 수정부(42)는 매질 특성 측정부(40)에서 측정된 매질 특성에 맞도록 가중치를 수정하고, 수정된 가중치를 추정된 가중치로서 출력단자 OUT3을 통해 온도 변환부(16)로 출력한다. 여기서, 가중치 수정부(42)는 추정된 가중치를 온도 변환부(16)로 바로 출력하는 온 라인(on-line)으로 동작할 수 있고, 도 1에 도시된 온도 측정 장치가 갖는 자체의 특성을 보상(calibration)할 수 있도록 하기 위해, 외부로부터 입력단자 IN5를 통해 입력되는 조정 제어 신호에 응답하여 추정된 가중치를 조정하고, 조정된 가중치를 온도 변환부(16)로 출력하는 오프 라인(off-line)으로 동작할 수 있다.

도 1c는 생체 조직의 유전체 모델을 나타내는 도면으로서, 피부(skin)(60), 지방(fat)(62) 및 근육(muscle)(64)으로 구성된다.

예를 들면, 생체의 각 부위가 피부(60), 지방(62) 및 근육(64)으로 모델링될 때, 모델링된 피부(60), 지방(62) 및 근육(64)의 유전율들(ε1, ε2 및 ε3)과 유전체들(60, 62 및 64)의 두께들(d1, d2 및 d3) 각각은 측정 대상이 되는 생체에 따라, 생체의 각 부위에 따라 또는 온도 측정 환경에 따라 서로 달라질 수 있다.

이와 같이, 주어진 조건에 따라 유전율과 두께가 변함에도 불구하고, 종래의 체내 온도 측정 방법은 고정된 가중치를 사용하여 생체의 내부 온도를 측정하였다. 그러나, 생체의 내부 온도 측정 방법 및 장치는 주어진 조건에 따라 변하는 매질의 특성 예를 들어, 유전율들(ε1, ε2 및 ε3)과 두께들(d1, d2 및 d3)에 따라 가중치를 수정한다.

예를들면, d2 ≒ 10㎜, d2 ≒ 20㎜인 경우,

가중치 추정부(14)는 생체의 지방 두께(d2)를 측정하고, 측정된 지방 두께(d2)가 대략 10㎜ 정도이면 그래프를 이용하여 가중치를 결정하고, 결정된 가중치를 추정된 가중치로서 온도 변환부(16)로 출력한다. 또한, 가중치 추정부(14)는 측정된 지방 두께(d2)가 대략 20㎜ 정도이면 그래프를 이용하여 가중치를 결정하고, 결정된 가중치를 추정된 가중치로서 온도 변환부(16)로 출력한다.

온도 변환부(16)는 가중치 추정부(14)로부터 입력한 가중치와 신호 처리부(12)로부터 입력한 표면 온도로부터 생체의 내부 온도를 측정하고, 측정된 내부 온도를 출력단자 OUT1을 통해 출력한다(제24 단계). 예를 들면, 온도 변환부(16)는 생체의 내부 온도[T(z)]를 다음 식1과 같이 측정할 수 있다.

식(1)

여기서,

,

, a 및 b는 생체의 내부 온도를 결정하는 파라미터들로써, 신호 처리부(12)로부터 출력되는 표면온도 및 가중치 추정부(14)로부터 출력되는 가중치로부터 결정되고, 0≤z≤∞가 된다. 표면 온도 및 가중치로부터 각종 파라미터들(

,

, a 및 b)을 결정하는 예시적인 방법이, " Non-Invasive thermometry of the Human Body" 제목으로 'Michio Miyakawa, J. Ch. Bolomey'에 의해 저술되고 'CRC Press'에 의해 1996년도에 출간된 책의 페이지 236-237에 개시되어 있다.

예를 들면, 지방의 두께(d2)가 대략 10㎜일 때 표면 온도는 38.2℃가 되고, 지방의 두께(d2)가 대략 20㎜일 때 표면 온도는 37.05℃가 된다. 이와 같이, 모델링된 지방 조직의 두께(d2)에 따라 표면 온도가 1.14℃정도의 오차를 가질때, 온도 변환부(16)는 표면 온도의 미세한 변화와 가중치를 파라미터에 반영하여 정확하게 생체의 내부 온도를 측정할 수 있다

도 2는 적외선 온도 측정방식: (a) 이마형 적외선 체온계, (b) 적외선 열화상 카메라 사진이다.

기존의 체온측정 방식은 적외선 센서를 사용한 것으로, 단일스팟 측정용으로써 써모파일(thermopile) 센서가 사용되고, 열화상 측정용으로써 볼로미터(bolometer) 센서가 사용된다.

그러나, 적외선 센서를 사용한 온도 측정은 인체의 표면인 피부에서 방사되는 열적외선 파장을 측정하는 것으로 실질적인 인체의 심부 체온(core body temperature)이 아닌 피부 체온(skin temperature)을 측정하기 때문에, 적외선 온도계의 피부체온 측정은 도 3에 도시된 바와 같이, 인체 부위별 피부 온도가 다르므로 심부체온을 정확히 반영할 수 없다.

적외석 온도계의 피부 체온 측정 방식은, 예를들면 적외선 온도계는 이마, 코, 턱, 가슴, 팔, 옆구리, 다리 등의 인체 부위별 피부 체온(skin temperature)이 다르게 측정되며, 주변 온도가 변함에 따라 인체의 피부 온도가 변하는데, 인체 부위에 따라 편차가 다르게 나타나며, 피부색, 피부 상태의 개인차에 따라 편차가 나타난다.

도 4는 신체 운동량 증가에 따른 피부 체온 및 심부 체온의 온도의 변화를 나타낸 그림이다. 라디오미터(Radiometer)와 접촉식 안테나(Near-Field Probe)는 RF 주파수 신호를 사용하여 인체의 심부 체온(core body temperature)을 측정하며, 적외선 체온계(thermocouple)는 인체의 표면 피부에서 방사되는 열적외선 파장을 측정하여 피부 체온(skin temperature)을 측정하며, 온도 감지 소프트웨어(Temperature Retrieval Software)에 의해 심부 체온, 피부 체온이 라디오미터의 표시부로 출력된다.

일반적으로, 적외선 체온계에서 많이 사용되는 이마 부위의 경우, 이마 밑에 분포한 측두동맥에 의해 그나마 다른 피부 부위에 비해 온도 편차가 작기는 하나 주변 온도가 10℃ 차이가 날 때 이마의 온도는 약 3℃까지 차이가 발생한다.

예를 들면, 여름철 온도가 30℃일 때와 겨울철 15℃일 때를 가정하면, 주변온도 편차가 15℃가 발생하므로 체온은 일정하더라도 피부에서 측정되는 온도는 4.5℃ 정도 차이가 발생하게 되어 정확한 심부 체온 측정이 불가능하다.

운동하는 사람이 달리기를 하면, 실제 인체는 운동량(p = mv)이 증가하게 되므로 심부 체온이 상승하고, 심부 체온을 식히기 위해 피부에서는 땀 분비가 촉진되며 땀에 의해 피부 온도는 떨어지게 되고, 피부 온도를 측정하는 적외선 체온계(thermocouple)는 심부 체온이 상승함에도 불구하고 오히려 피부 체온이 떨어진 것으로 측정된다.

□ 국내 연구개발 현황

ㆍ마이크로파를 이용하여 생체 온도를 측정하는 기술은 기초 연구 논문이 2005년에 1편 발표되었으나, 그 이후로부터 현재까지 학위논문이나 학술지에 해당 주제로 발표된 사례는 없다.

ㆍ김태오 등은 “생체의 온도 측정을 위한 수정된 마이크로파 라디오-써모미터”(2005년 3월 전자공학회 논문지, 42권 2호)를 통해 증류수 및 혼합용액의 중심온도 측정을 하였고 0.82~7.68℃까지의 측정 오차를 보였다.

ㆍ한국생산기술연구원의 최경렬 등은 2009년과 2010년에 “내부열원 온도측정이 가능한 마이크로웨이브 온도측정 기술”에 관한 특허 3건(“마이크로웨이브를 이용한 내부 온도 측정방법 및 장치”, “최대 크기의 주파수를 이용한 마이크로웨이브 기반 내부 온도 측정방법 및 장치”, “다중채널 복수의 주파수를 이용한 마이크로웨이브 기반 내부 온도 측정방법 및 장치”)을 출원하였고, 기술완성도에서 TRL1과 TRL2에 해당하는 아이디어 정립 단계의 기술을 제시하였다.

ㆍ삼성전자는 2003년 러시아의 마이크로웨이브 연구소와 공동으로“인체 내부 전자기파를 측정하기 위한 라디오-써모미터와 인체전자기파 측정 방법”에 관한 특허를 출원하여 인체 팬텀을 통한 테스트를 통해 생체내부 온도 측정의 가능성을 제시하였지만, 관련 기술의 구체적인 설계 및 공정 기술이 부족하여 특허를 포기하여 소멸된 상태이다.

국내는 아직 연구개발 사례가 드물고 특허를 비롯하여 연구논문 발표 사례가 빈약하며, 상용화를 위한 구체적인 연구 사례도 없는 국내 미개척 분야이다.

□ 해외 연구개발 현황

ㆍ체온계의 용도는 아니지만 러시아의 RES Company는 RTM-01-RES라는 제품을 출시하였는데, 유방암을 진단하기 위한 용도로 마이크로웨이브 온도 측정방식을 채택하였다.

ㆍRES 사의 유방암 진단기는 암세포의 병변소가 다른 주위 조직에 비해 온도가 높아짐에 착안하여 표면에서 5cm 정도까지 깊이에 있는 유방 조직의 온도를 측정하여 진단에 사용하고 있지만, 일렉트로드(electrode)를 막대 모양으로 접촉하는 한정적인 구조로 구성되어 있다.

ㆍParisa Momenroodaki, Zoya Popovic, Robert Scheeler, A 1.4-GHz radiometer for internal body temperature measurements, Physics, 2015 European Microwave Conference (EuMC)

인체 내부조직으로 수 cm가 투과되는 비침습적인 심부 체온 측정을 위해 1.4GHz의 주파수를 적용한 마이크로파 방사계 회로를 구현하여 물 온도를 0.5K 감도로 측정한다.

ㆍMichael Grady, "A High Accuracy Microwave Radiometric Thermometer to Measure Internal Body Temperature," 2017, Materials Science이 게재된 논문은 여러 RF 주파수 밴드에 따라 투과되는 마이크로웨이브의 투과 깊이를 분석하고, 투과에 관련하는 모델링을 제시하였다.

ㆍ Quenton Bonds, "A microwave radiometer for close proximity core body temperature monitoring: Design, development, and experimentation," 2010, Engineering이 게재된 논문은 인체 내부의 심부 체온(core body temperature)을 측정하기 위해 효율적인 dipole 안테나의 구조를 제시하고, 응답 특성을 분석하였다.

ㆍ P. Momenroodaki, Z. Popovic and M. Fallahpour, "Antenna probes for power reception from deep tissues for wearable microwave thermometry," 2017 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation & USNC/URSI National Radio Science Meeting, San Diego, CA, 2017, pp. 573-574이 게재된 논문은 1.4 GHz의 마이크로파 방사 측정법을 사용하여 인체 내부 체온을 모니터링하기 위한 웨어러블 안테나 프로브와 특정 매립층에서 체적 손실 전력 밀도를 최대화하기 위해 superstrates가 있는 프로브를 설계하여 제시하였다.

ㆍP. Momenroodaki, W. Haines, M. Fromandi and Z. Popovic, "Noninvasive Internal Body Temperature Tracking With Near-Field Microwave Radiometry," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 66, no. 5, pp. 2535-2545, May 2018이 게재된 논문은 인체의 내부 온도 측정을 위한 근거리 방사 측정에 대한 연구는 Dicke 아키텍처를 가지며 무선 주파수 간섭(Radio Frequency Interference, RFI)을 최소화하면서 인체 조직에 센티미터 깊이로 침투할 수 있도록 1.4GHz를 사용하여 어느 정도의 팬텀 지방 및 피부층 하의 팬텀 근육 조직 층의 온도를 추적하는 것을 입증하였다.

ㆍ P. Momenroodaki, W. Haines and Z. Popovic, "Non-invasive microwave thermometry of multilayer human tissues," 2017 IEEE MTT-S International Microwave Symposium (IMS), Honololu, HI, 2017, pp. 1387-1390이 게재된 논문은 협대역 프로브를 사용하여 인체 조직에서 피부, 지방 및 근육의 여러 조직층 에서의 투과 특성을 분석하여 Dicke 방사계(Radiometer)를 사용한 측정 데이터는 방사계가 내부 조직 온도를 추적할 수 있음을 보여주었다.

특히, 콜로라도 대학의 Z. Popovic 교수의 연구팀은 인체 내부 체온을 측정하는 마이크로파 송수신 모듈의 초소형화하기 위한 화합물 반도체 GaAs MMIC(monolithic microwave integrated circuit) 기술을 사용하고, Tryquent(사)의 화합물 GaAs 파운더리를 이용하여 부분적인 MMIC 칩 제작을 시도하였다. 이러한 부분적인 MMIC 칩 제작은 전체 수신부의 MMIC를 구현하지 못하였으므로, 수신단의 효율이 낮으며, 정확한 RF 주파수의 파워에 따른 온도를 측정하는데 한계가 있다.

현재 신종 코로나바이러스 감염증(코로나19)에 의해 각 국의 봉쇄 조치는 결과적으로 글로벌 가치사슬(GVC)을 단절시켰고, 한국 기업들은 기술혁신 수준이 높은 산업을 중심으로 리쇼어링(Reshoring, 본국회귀)해 고급 기술을 국산화해야 하며 특히 방역과 진단을 위한 의료기기 기술의 자급자족이 어느 때보다 필요하다.

체온계의 경우 적외선 센서를 생산하는 독일과 중국 주요 국가의 경우, 독일은 유럽지역, 중국은 자국내 적외선 체온계 수요를 충족시키기 위해 핵심 적외선 센서에 대한 수출제한 조치가 취해지고 있으며 적외선 센서를 전량 수입에 의존하는 한국내 체온계 제조사들은 뒤늦게 센서 국산화 업체와 협업하고 있지만, 그마저도 적외선 체온계의 공급이 어려운 실정이다.

이와 같이, 적외선 체온계의 해외 공급망이 붕괴된 상황에서, 적외선 체온계를 자급 자족하기 위해 적외선 센서의 국산화를 확대하는 것도 하나의 대안이 될 수 있으나, 기본적으로 적외선 센서는 지난 30년동안 기술의 발전 없이 피부 표면 온도 측정이라는 원리적인 한계를 극복하지 못하고 있으며, 마이크로파 심부 체온계가 제조가 필요하게 되었다.

바이오 기술과 전자공학은 4차 산업혁명 시대를 이끌어나갈 주요 기술 중 하나로 평가받고 있으며 이미 웨어러블 디바이스, 스마트폰, 스마트 시계등에 적용되고 있다[1]. 바이오 분야의 안테나의 경우 신체 조직과 직접 맞닿아야 하고 각 신체 조직인 피부, 지방, 근육의 유전율(dielectric permittivity)과 전도도(conductivity) 그리고 두께가 다르기 때문에 전기 일반 안테나 설계보다 안테나의 임피던스 정합(impedance matching)이 어렵다.

현재 대부분의 바이오 정합 안테나 연구의 경우, 대부분 임의로 피부(Skin), 지방(Fat), 근육(Muscle)의 두께를 정하고, 고정된 두께를 사용하여 진행하였다[2]-[4]. 그러나, 사람의 신체 부위에 따라서 각 조직의 두께가 다르며 이는 실적용에서 안테나의 성능에 심각한 문제를 야기한다.

본 연구는 바이오 정합 안테나를 피부, 지방, 근육 위에 설계를 하였다. 보우타이 안테나는 Taconic CER-10 (유전율

=10.2, loss tangent 손실 탄젠트 tan σ=0.0035) 유전체(기판)를 사용하여 설계하였다. 유전율

=10.2의 높은 유전율을 가진 유전체와 방사체(radiator) 양 옆에 위치한 정합 스터브(stub)를 사용하여 안테나의 크기를 소형화 하였고 방사체(radiator) 위에 슬랏(slot)을 구현하여 이중 공진을 구현하였다.

또한, 원활한 인체의 심부 조직 통신을 확인하기 위하여 심부 조직을 통과하는 전계(electric fild)를 HFSS 툴을 사용하여 시뮬레이션 하였다.

특허 공개번호 10-2002-0074920 (공개일자 2002년 10월 04일), " 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치 및 방법", 삼성전자 주식회사

G. Assenza, C. Fioravanti, S. Guarino and V. Petrassi, "New Perspectives on Wearable Devices and Electronic Health Record Systems," 2020 IEEE International Workshop on Metrology for Industry 4.0 & IoT, Roma, Italy, 2020, pp. 740-745 J. Blauert and A. Kiourti, "Bio-Matched Horn: A Novel 1-9 GHz On-Body Antenna for Low-Loss Biomedical Telemetry With Implants," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 67, no. 8, pp. 5054-5062, Aug. 2019, doi: 10.1109/TAP.2018.2889159.\ Chih-Kuang Wu, Tsung-Fu Chien, Chin-Lung Yang, Ching-Hsing Luo, "Design of Novel S-Shaped Quad-Band Antenna for MedRadio/WMTS/ISM Implantable Biotelemetry Applications", International Journal of Antennas and Propagation, vol. 2012, Article ID 564092, 12 pages, 2012. T. Yilmaz, R. Foster and Y. Hao, "Broadband Tissue Mimicking Phantoms and a Patch Resonator for Evaluating Noninvasive Monitoring of Blood Glucose Levels," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 62, no. 6, pp. 3064-3075, June 2014, doi: 10.1109/TAP.2014.2313139. Mobashsher, Ahmed & Abbosh, Amin. (2015). Artificial Human Phantoms: Human Proxy in Testing Microwave Apparatuses That Have Electromagnetic Interaction with the Human Body. Microwave Magazine, IEEE. 16. 10.1109/MMM.2015.2419772 Michael A. Gibney, Christina H. Arce, Karen J. Byron & Laurence J. Hirsch (2010) Skin and subcutaneous adipose layer thickness in adults with diabetes at sites used for insulin injections: implications for needle length recommendations, Current Medical Research and Opinion, 26:6, 1519-1530, DOI: 10.1185/03007995.2010.481203 You-Jin Choi, Kang-Woo Lee, Young-Chun Gil, Kyung-Seok Hu, Hee-Jin Kim, Ultrasonographic Analyses of the Forehead Region for Injectable Treatments, Ultrasound in Medicine & Biology, Volume 45, Issue 10, 2019, Pages 2641-2648, ISSN 0301-5629 Y.-S. Kim, "Regional Thickness of Facial Skin and Superficial Fat: Appliction to the Minimally Invasive Procedures," Clinical Anatomy J., no. 10, Jan. 2019, pp. 1008-1018.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 측정용 RF 수신기 모듈의 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(Dual Band Bio-Matched Bow-tie Antennas, 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 사용하여 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 예를들면, 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심주파수를 갖는 이중 대역을 동시에 선택적으로 사용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 이중 대역 보우타이 안테나와 RF 수신기 모듈을 통해 수신하여 마이크로파 심부체온계의 표시부에 측정된 인체 내부의 심부 체온(core body temperature)을 표시하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 제공한다.

본 발명의 목적을 달성하기 위해, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템은, 심부 체온 측정시에 떼어내는 1회용 PVC 필름; 상기 PVC 필름 위에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 접촉되는 하부 보우타이 안테나; 상기 하부 보우타이 안테나 위에 구비된 유전체 기판; 및 상기 유전체 기판의 상부에 상부 보우타이 안테나를 구비하며,
상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상기 상부 보우타이 안테나와 상기 하부 보우타이 안테나를 구비하는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나로 형성된 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나를 포함하고,

상기 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈과 연결되며,
상기 상부 및 하부 보우타이 안테나에서, 상기 유전체 기판 위의 상기 상부 보우타이 안테나의 방사체는 SMA(RF 커넥터)의 접지면에 연결되고, 상기 유전체 기판 아래의 상기 하부 보우타이 안테나의 방사체는 급전 pin에 연결되며,
상기 상부 및 하부 보우타이 안테나는 좌측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 ㄱ자와 하부 역 ㄴ자와 좌측 삼각형 형상을 갖는 (+) 방사체와; 상기 (+)방사체와 대칭 구조로 형성되며, 보우타이 안테나의 우측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 역 ㄱ자와 하부 ㄴ자와 우측 삼각형 형상을 갖는 (-) 방사체와; 정사각형의 중심점의 하부 길이 방향으로 상기 보우타이 안테나의 RF 신호를 입력하는 급전부를 포함한다.

삭제

본 발명은 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 측정용 RF 수신기 모듈의 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(Dual Band Bio-Matched Bow-tie Antennas, 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 구비하는 시스템은 RF 수신기 모듈의 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 사용하여 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 실시예에서는 예를 들면 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심 주파수를 갖는 이중 대역을 동시에 선택적으로 사용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 이중 대역 보우타이 안테나와 RF 수신기 모듈을 통해 수신하여 마이크로파 심부체온계의 표시부에 측정된 인체 내부의 심부 체온(core body temperature)을 표시하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 제작하고, HFSS(high-frequency structure simulator) 툴을 사용하여 전자기파의 구조를 분석하고 시뮬레이션하였다

마이크로파 심부 체온계(RF microwave core body thermometer)의 RF 수신기 모듈(RF receiver module)의 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)는 심부 체온을 측정하는 RF 수신기 모듈에 연결되며, 상기 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계에 구성된다.

적외선 체온계는 측정 가능부위가 이마, 손등 피부, 관자놀이 등의 피부 표면 온도 측정에 한정되지만, 안테나와 RF 수신기 모듈과 연결되는 마이크로파 심부 체온계는 가슴, 옆구리, 다리 몸통 중심 부위 등의 인체 대부분의 부위에서 심부 체온을 측정이 가능하고, 신체 정면과 후면 모두 측정이 가능하다.

기존 적외선 센서가 측정하는 피부 온도(skin temperature)의 원리적인 한계를 극복하고, 이와 달리, 본 발명은 인체 내부의 심부 체온(core body temperature)을 측정하는 RF 수신기 모듈 IC칩으로 제작된 마이크로파 심부 체온계를 제조하고 이를 국산화하여 디지털 헬스케어와 의료 분야에 공급하게 되었다.

도 1a는 종래의 마이크로파를 이용한 생체의 내부 온도 측정 장치의 블럭도이다.
도 1b는 신호처리부의 블럭도, 도 1c는 생체 조직의 유전체 모델을 타나낸다.
도 2는 적외선 온도 측정방식: (a) 이마형 적외선 체온계, (b) 적외선 열화상 카메라 사진이다.
도 3은 적외선 온도계의 피부 체온 측정 방식은 인체 부위별 피부 체온이 다르게 측정되며, 주변 온도가 변함에 따라 인체의 피부온도가 변하는데, 인체 부위에 따라서 편차가 다르게 나타나며 피부색, 피부상태의 개인차에 따라 편차가 나타남을 보인 그림과 그래프이다.
도 4는 신체 운동량 증가에 따른 피부 체온 및 심부 체온의 온도의 변화를 나타낸 그림이다.
도 5는 라디오 서보미터(radio-servometer)와 안테나(antenna)를 구비하는 마이크로파 심부 체온계의 개념도이다.
도 6은 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙의 예(체온 화씨 98도인 경우의 응답 특성)를 보인 그래프이다.
도 7은 본 발명을 위한 마이크로파 심부 체온계 관련 수식과 그래프이다.
도 8은 마이크로파 심부체온계 시작품 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 심부 체온을 측정하는 이중대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계 구성도이다.
도 10은 실시예에 따른 마이크로파 심부체온계의 RF 수신기 모듈 설계도이다. 마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈에 사용된 안테나는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 사용하여 주변 잡음을 최소화하였다.
도 11a 내지 11b은 본 발명에 따른 제안된 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나: (a) 전체 구조, (b) 방사체 구조, (c) slot 구조.
도 12는 제안된 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나의 다른 신체 부위 적용: (a)손목, (b)이마
도 13은 본 발명에서 제안된 바이오 정합 보우타이 안테나의 반사계수(return loss,

)의 시뮬레이션 값과 측정값을 보인그래프이다.
도 14는 전계 투과 시뮬레이션 (a) 1.35GHz E1과 E2 이마, (b) 2.75GHz E1과 E2 이마, (c) 1.35GHz E1과 E2 손목, (d) 2.75GHz E1과 E2 손목

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 발명의 구성 및 동작을 상세하게 설명한다.

본 발명은 마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 측정용 RF 수신기 모듈의 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(Dual Band Bio-Matched Bow-tie Antennas, 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 사용하여 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 실시예에서는, 예를들면 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심 주파수를 갖는 이중 대역을 동시에 선택적으로 사용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 이중 대역 보우타이 안테나와 RF 수신기 모듈을 통해 수신하여 심부체온계의 제어부에 연결된 표시부에 측정된 인체 내부의 심부 체온(core body temperature)을 표시하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 구비하는 마이크로파 심부체온계 시스템은 제공한다.

이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나는 HFSS(high-frequency structure simulator) 툴을 사용하여 FEM 방식을 사용하여 전자기파의 구조를 분석하고 시뮬레이션하였다

참고로, HFSS는 안테나 설계(antenna design) 및 필터(filters), 전송 라인(transmission lines) 및 패키징(packaging)을 포함하는 무선 주파수 전자 회로 요소 설계(design of radio frequency electronic circuit elements)에 사용되는 전자기파 구조들(electromagnetic structures)을 분석하는 고주파 분석 시뮬레이션 툴이다. HFSS 시뮬레이션 툴은 전자기파를 미분 방식으로 분석하는 FEM(Finite ElectroMagnetic Method) 미분 방식, 또는 전자기파를 적분 방식으로 분석하는 MoM(Method of Momentum) 적분 방식을 사용한다.

본 연구는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 피부(Skin), 지방(Fat), 근육(Muscle) 위에 동작되도록 설계를 하였다. 보우타이 안테나는 Taconic CER-10 (유전율

=10.2의 높은 유전율을 가진 유전체와 방사체(radiator) 좌측/우측 삼각형 구조의 양 옆에 위치한 정합 스터브(stub)를 사용하여 안테나의 크기를 소형화하였고, (+) 방사체와 (-) 방사체(radiator) 위에 빈 공간인 슬롯(slot)을 구현하여 이중 공진을 구현하였다. 또한, 원활한 인체의 심부 조직 통신을 확인하기 위하여 심부 조직을 통과하는 전계(electric fild)를 HFSS 툴을 사용하여 시뮬레이션하였다.

마이크로파 심부 체온계(RF microwave core body thermometer)의 RF 수신기 모듈(RF receiver module)의 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)는 RF 수신기 모듈에 연결되며, 인체 내부의 심부 체온을 측정하기 위해 RF 수신기 모듈의 1~10GHz 주파수 범위 내에서 실시예에서는 1.35 GHz와 2.75 GHz 주파수를 사용하는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)는 심부 체온을 측정하는 RF 수신기 모듈에 연결되며, 상기 RF 수신기 모듈은 마이크로파 심부 체온계의 제어부에 연결되며, 마이크로파 심부 체온계의 제어부는 저장부와 표시부에 연결된다.

실시예에서는, 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심 주파수를 갖는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)와 연결된 RF 수신기 모듈과 인터페이스 회로부를 통해 마이크로파 심부 체온계의 제어부에 연결되고, 상기 제어부는 표시부에 연결되며, 마이크로파 심부 체온계는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나와 RF 수신기 모듈로부터 수신된 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 제어부에 연결된 표시부(OLED 디스플레이)에 표시한다.

도 5는 라디오미터(radiometer)와 안테나(antenna)를 구비하는 마이크로파 심부 체온계의 개념도이다.

도 6은 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙의 예(체온 화씨 98도인 경우의 응답 특성)를 보인 그래프이다.

마이크로파 심부 체온계 기술은 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하는 기술을 사용한다.

인체의 생체조직 내부 심부 체온을 측정하기 위해 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 RF 주파수를 사용하며, RF 주파수는 전자파가 피부 조직 표면으로부터 3~7cm까지 침투한다.

RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위내에서는, 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 내부 온도에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 인체 내부의 심부 체온을 측정할 수 있다.

마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈은 인체에 부착하는 웨어러블 코어-바디 체온계(wearable core-body thermometer)로써 RF 접촉식 패치 안테나(Near-Field Probe on skin), 방사계(Radiometer)와 ADC 및 제어부와 저장부와 무선 송신부(Wireless transmitter)를 포함하며, 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 RF 주파수 신호를 사용하여 인체의 심부 체온(core body temperature)을 측정한다.

마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈은 인체에 부착되어 심부 체온을 감지하기 위해 1.4 GHz와 2.7 GHz를 제외한 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 하나 이상의 RF 주파수 신호를 사용한다.

일 실시예에서는, 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 근거리 비접촉식 또는 접촉식으로 인체에 부착되어 심부 체온을 감지하기 위해 1.35 GHz와 2.75 GHz의 중심 주파수를 갖는 RF 주파수 신호를 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나와 RF 수신기 모듈을 통해 수신한다.

다른 실시예에서는, 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 근거리 비접촉식 또는 접촉식으로 인체에 부착되어 심부 체온을 감지하기 위해 1.3 GHz와 2.8 GHz의 중심 주파수를 갖는 RF 주파수 신호를 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나와 RF 수신기 모듈을 통해 수신할 수 있다.

도 7은 본 발명을 위한 마이크로파 심부 체온계 관련 수식과 그래프이다. microwave radiometry의 이론에 의하면,

방사계(Radiometer)는 물리적 온도와 방사율(physical temperature times the emissivity)에 비례하는 밝기 온도(brightness temperature)

를 가진 객체로부터 전자기파(electromagnetic waves)가 전파하는 형태로 흑체 방사선(blackbody radiation)을 수신한다. 안테나가 수신하는 전력(power)은 밝기 온도(brightness temperature)에 비례한다. 수신된 전력은 기기의 주파수 및 대역폭, 및 방사 매체(radiating medium)의 온도와 물리적 특성의 함수이다. 방사선 측정(radiometry)의 일반적인 응용에서 입사 전력은 평면파의 형태이며 안테나에 의해 수신된다.

마이크로파 방사계(Microwave radiometer)는 마이크로파 주파수(microwave frequencies)에서 피부 표면 아래로 최대 3~7 cm의 깊이를 감지할 수 있기 때문에 표면 아래 온도(subsurface temperature)를 결정하므로, 의료 분야에서 실용적이다. 표면 아래 열 화상 감지(subsurface thermography)에 처음 적용되었다.

비침습적인 온도 측정(non-invasive temperature measurements)용 마이크로파 방사계(Microwave radiometry)는 근거리 전력 수신(near-field power reception)을 기반으로 하며, 암 검출(cancer detection)을 포함하는 다양한 의료 응용 분야에 필요한 공간 해상도(spatial resolution) 및 감지 깊이(sensing depth)를 달성하도록 한다.

암 치료(cancer treatment)를 위한 약물 전달 모니터링(monitoring drug delivery), 고열 온도 조절(hyperthermia temperature control), 저산소증-허혈(hypoxia-ischemia)로 고통받는 영아(infants)의 저체온 신경 구조(hypothermic neural rescue), 소아의 방광 요관 역류 감지(detection vesicoureteral reflux)는 비침습적인 근-거리 방사 측정(non-invasive near-field radiometric measurements)에 사용된다. 비침습적인 마이크로파 온도계는 관절염을 감지하여 상승된 관절 온도 측정 방법도 조사되었다.

방사 측정(radiometry)을 사용한 몇 cm 이내의 근거리(near-field)에서 물체의 안테나 온도(antenna temperature)는 안테나에 가까운 주변 물체들의 온도의 가중 평균이다(a weighted average of the temperature of the temperature of objects close to the antenna). 따라서, 안테나를 정의하는데 가중치 함수(weighting functions, WFs)가 사용된다.

방사계(radiometer)는 비 간섭 방사선(incoherent radiation)을 측정하는 장치이다.

전력 밀도

온도

(밝기 온도

x 방사율 e)

방사율

밝기 온도

여기서, P는 전력 밀도(Power Density),

는 객체에 의해 방출된 밝기 온도(brightness temperature),

는 물리적인 온도(physical temperature), e는 객체의 방사율(Emissivity of the object), k는 볼쯔만 상수(Boltzmann's constant), B는 전력 밀도의 대역폭(Bandwidth of the power density)이다.

방사계(radiometer)는 비간섭 방사선(incoherent radiation)을 측정하는 장치이며, Matter는 Planck의 흑체 복사 법칙(Planck’s blackbody radiation law)에 의해 설명된 스펙트럼 밝기(spectral brightness)로 모든 방향의 온도(temperature)에 기초하여 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 방출한다.

식(2)

여기서, h는 Planck 상수(Planck’s constant,

J·sec), c는 진공 상태에서 빛의 속도(m/sec), k는 Boltzmann 상수(

J/K), T는 Kelvin 온도이다.

도 7을 참조하면, 우주 마이크로파 백그라운드(cosmic microwave background)(3K)로부터 태양의 온도(6000K)까지 범위의 온도(temperature)를 위한 주파수(frequency)에 대한 스펙트럼 밝기(spectral brightness)를 표시하였다.

마이크로파의 밝기(brightness for microwave)는 radiance인 광학적인 용어(optical terminology)와 다르다.

식(3)

hf/kT << 1 저주파에서, 그 결과, quantity

는

와 같은 truncated Taylor series에 의해 근사화될 수 있다. 플랑크의 흑체 복사 법칙(Planck’s blackbody radiation law)은 Rayleigh-Jeans law로 알려진 저 주파수 근사(low frequency approximation)를 줄인다.

체온(≒ 310 K)의 경우, Rayleigh-Jeans 법칙은 Planck의 법칙에서 1% 미만으로 벗어난다. 최대 127GHz이므로, 마이크로파 주파수 범위에서 유효하다. 복사 전자기 에너지(radiant electromagnetic energy)는 플랑크의 흑체 복사 법칙(Planck’s blackbody radiation law)에 의해 자유 공간에서 전송 라인(transmission line)의 유도 파(guided wave)로 전파되는 전자기 에너지(electromagnetic energy)를 변환하는 안테나가 수신할 수 있다.

Bf (θ, φ)에 의해 주어진 스펙트럼 밝기(spectral brightness)의 공간 분포로부터 안테나가 수신하는 전력(power)은 안테나가 편파되고(polarized), 전자기 방사(electromagnetic radiation)는 2개의 독립적인 편광(polarizations)을 갖기 때문에 단지 총 입사 전력의 1/2이 될 것이다.

도 8은 마이크로파 심부체온계 시작품 사진이다.

마이크로파 심부체온계의 제품은

심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70)과 연결되는 상기 마이크로파 심부체온계(90-99);

상기 RF 수신기 모듈(70)을 구비하는 마이크로파 심부체온계(90-99)가 장착되고, RF 수신기 모듈(70)의 인터페이스 회로(PCB)와 연결되고, 리튬 폴리머 배터리(97)로 구동되며, 수평선을 기준으로 30° 이내의 상향 각도로 향하는 권총 형상의 입구에 LED 인디케이터(99-4)가 구비되고 상부면 또는 손잡이 내측면에 구비된 컬러 OLED 디스플레이(95), 및 버튼 입력부(92-3)가 구비되며 권총 형상의 핸디형 본체의 손잡이(101)의 측정 샷 버튼(92-1)이 구비된 마이크로파 심부체온계(90-99)가 장착된 핸디형 본체; 및

상기 마이크로파 심부체온계(90-99)가 장착된 핸디형 본체를 거치하고 AC-DC 컨버터가 구비되며, AC 전원선이 연결된 AC 전원 플러그와 연결되는 충전 거치대(107)를 포함한다.

마이크로파 심부 체온계 핵심 기술인 "마이크로파 송신 모듈"은 상용화를 위한 기반 기술 확보를 위해 2차 전지 배터리(리튬 이온 배터리, 또는 리튬 폴리머 배터리 등)로 구동이 가능한 핸디 타입의 마이크로파 심부 체온계의 시작품을 제작하였다.

도 9는 본 발명에 따른 심부 체온을 측정하는 이중대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계 구성도이다.

도 10은 실시예에 따른 마이크로파 심부체온계의 RF 수신기 모듈 설계도이다. 마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈에 사용된 안테나는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)를 사용하여 주변 잡음을 최소화하였다.

심부 체온 측정용 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템(보우타이 안테나를 구비한 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계)은

이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 사용하며 인체 부위에 부착되어 심부체온 감지용 RF 접촉식 패치 안테나(71)를 통해 1~10 GHz 주파수 범위내의 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부(72)와 인터페이스 회로부(73)를 포함하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70); 및

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70)의 인터페이스 회로부(73)에 연결되고 1~10 GHz 주파수 범위내의 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부의 내부 온도에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power: 와트(W), 밝기)에 따라 측정된 인체 내의 심부 체온을 마이크로파 심부체온계의 제어부에 연결된 표시부(OLED 디스플레이)에 표시하는 마이크로파 심부 체온계(90-99)를 포함한다.

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈(70)은

이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 사용하며, 심부 체온을 측정하기 위해 인체 피하 내부로부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 수신받고, 인체 부위에 부착하는 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나(71);

상기 RF 접촉식 패치 안테나(71)를 통해 1~10 GHz RF 주파수 범위내의 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부(72); 및

상기 RF 수신기 회로부(72)가 마이크로프로세서 제어부(90)와 연결되는 인터페이스 회로부(73)를 포함한다.

상기 마이크로파 심부 체온계(90-99)는

마이크로프로세서 제어부(90), 통신부(91), 샷버튼 입력부(92), 메뉴 버튼 제어부(93), 디스플레이 제어부(94), 표시부(LCD 디스플레이 또는 컬러 OLED 디스플레이)(95), 전원 제어부(96), 2차 전지 배터리(리튬 이온 배터리, 리튬 폴리머 배터리 등)(97), 충전 회로부(98), 및 USB 충전 커넥터(99)를 포함한다.

마이크로파 심부체온계의 표시부는 LCD 디스플레이 또는 컬러 OLED 디스플레이를 사용한다. 또한, 2차 전지 배터리는 리튬 이온 배터리 또는 리튬 폴리머 배터리 등을 사용한다.

상기 마이크로파 심부 체온계는

상기 RF 수신기 모듈(70)의 인터페이스 회로부(73)와 연결되고, 1~10 GHz RF 주파수 범위내에서는 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 1~10GHz RF 주파수에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 측정된 심부 체온을 제어부에 연결된 표시부(OLED 디스플레이)에 표시하도록 제어하는 마이크로프로세서 제어부(90);

디스플레이의 버튼 입력부(92-3)의 전원 ON/OFF 버튼과 측정 샷 버튼(92-1)을 구비하는 버튼 입력부(92);

상기 버튼 입력부(92)와 연결되며, 상기 버튼에 따라 동작되는 메뉴 버튼 제어부(93);

상기 마이크로프로세서 제어부(90)와 연결되며, 측정된 인체의 심부 체온을 표시하는 OLED 디스플레이 제어부(94)와 표시부(컬러 OLED 디스플레이)(95); 및

전원 제어부(96)와 2차 전지 배터리(리튬 이온 배터리, 또는 리튬 폴리머 배터리 등)(97)와 충전 회로부(98)와 USB 충전 커넥터(99)를 포함한다.

마이크로파 심부 체온계의 표시부는 LCD 디스플레이 또는 OLED 디스플레이를 사용하며, 표시부는 권총 형상의 상부면 또는 사람이 보는 권총 형상의 손잡이의 내측면에 구비된다.

추가적으로/선택적으로, 상기 마이크로파 심부 체온계는 상기 마이크로프로세서 제어부(90)와 연결되고, 권총 형상의 입구에 구비되는 LED 인디케이터(99-4)를 더 포함한다.

버튼 입력부(92)는 권총 형상의 손잡이의 걸이에서 검지 손가락으로 당기는 측정 샷 버튼(92-1); 및 표시부(LCD 디스플레이 또는 컬러 OLED 디스플레이)(95)와 인접하여 구비된 디스플레이의 버튼 입력부(92-3)를 포함한다.

상기 마이크로파 심부 체온계(90-99)의 통신부(91)는 Bluetooth 통신부, Wi-Fi 통신부, LTE 4G 통신부 또는 5G 통신부, IoT 통신부(LoRa RF 통신부, 또는 NB-IoT 통신부) 중 적어도 하나 이상의 통신부를 사용한다.

또한, 마이크로파 심부체온계 시스템은 마이크로파 심부 체온계(90-99)의 통신부(91)로부터 Wi-Fi 또는 블루투스 통신을 통해 직접 연결되는 사용자 단말(110)을 더 포함하며, 상기 사용자 단말은 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 표시한다.

마이크로파 심부체온계 시스템은 마이크로파 심부 체온계(90-99)의 통신부(91)로부터 Wi-Fi, LTE 4G 또는 5G를 통해 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 저장하는 서버(100); 및

상기 서버(100)에 유무선 통신망(LAN, Ethernet, Wi-Fi, LTE 4G 또는 5G)을 통해 연결되며, 상기 서버(100)에 저장되고 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 디스플레이에 표시하는 사용자 단말(110)을 더 포함한다. 사용자 단말(110)은 인체의 측정 부위별 통계 데이터에 따라 기 설정된 정상 심부체온을 초과하는 경우 알람을 발생하며, 심부 체온이 기 설정된 심부 체온 값을 지나치게 초과하는 경우 응급실 정보 시스템으로 메시지를 전송한다.

사용자 단말(110)은 스마트폰, 태블릿 PC, 컴퓨터(PC) 또는 의료기기용 임베디드 시스템 중 어느 하나를 사용한다.

인체의 생체조직 내부 심부 체온을 측정하기 위해 1~10GHz 범위의 마이크로파 주파수를 사용하며, 마이크로파 주파수는 전자기파가 피부 조직 표면으로부터 3~7cm까지 침투한다.

마이크로파 심부 체온계는 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz RF 주파수 범위내에서는 열방사 전력과 생체 열역학적 온도의 상관관계를 이용하여 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 온도(심부 체온)에 대해 1~10GHz RF 주파수에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power, 밝기)에 따라 인체 내부의 심부 체온을 측정할 수 있다.

마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈은 인체에 부착하는 웨어러블 심부 체온계(wearable core-body thermometer)로써 RF 접촉식 안테나(Near-Field Probe on skin), 방사계(Radiometer)와 ADC 및 제어부와 저장부와 무선 송신부(Wireless transmitter)를 포함하며, 1~10 GHz 주파수 범위내에서 RF 주파수 신호를 사용하여 인체의 심부 체온(core body temperature)을 측정한다.

실시예에서는, 마이크로파 심부 체온계의 RF 수신기 모듈의 특정 RF 주파수는 1.35GHz 및 2.75 GHz 동시에 선택적으로 사용되는 이중 대역 RF 주파수를 사용하였다.

마이크로파 심부체온계의 RF 수신기 모듈은 실리콘 기판 상에 CMOS공정을 사용한 IC 칩으로 구현되고, 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 사용하며, 인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 수신하는 인체에 부착되는 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나(71); RF 수신기 회로부(72); 및 인터페이스 회로부(73)를 포함한다.

상기 RF 수신기 회로부(72)는

상기 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나(71)로부터 RF 주파수 신호를 수신받아 1~10 GHz 주파수 범위내의 예를 들면 1.35GHz 또는 2.75GHz 저전압 신호의 잡음을 제거하고 증폭하는 저잡음 증폭기단(LNA stages);

상기 저잡음 증폭기단에 연결되며, 신호의 잡음을 감쇄하여 센터 주파수 주변 잡음을 제거하고 증폭하는 가변 감쇄기(Variable Attenuator):

가변 감쇄기(Variable Attenuator)로부터 분기되고, 상기 GHz 주파수를 50~200MHz 범위내의 IF 대역 주파수로 다운시키고(down conversion) 센서티비티(sensivity)를 향상시키는 2대의 다운 믹서(Down Mixer);

상기 2대의 다운 믹서(Down Mixer)에 각각 연결되고, 다운시킨 IF 주파수의 잡음과 저항 성분을 제거하여 각각 깨끗한 신호(I,Q)를 제공하는 2대의 IF buffer;

진폭 변조된 정현파를 같은 위상과 직교(In-phase and Quadrature)되도록 신호를 발진시키며 국소발진기(Local Oscillator, LO)의 같은 위상 신호(LO_I)와 그 직교 신호(LO_Q)를 제공하는 칩 내부 발진기(IQ LO generator); 및

칩 외부에서 클럭 잡음을 통과하지 못하도록 칩 외부에서 발진 신호를 제공하는 칩 외부 발진기(Ext. LO)를 포함한다.

상기 인터페이스 회로부(73)는 상기 RF 수신기 회로부(72)로부터 수신된 발진기(Local Oscillator, LO)의 같은 위상 신호(LO_I)와 그 직교 신호(LO_Q)를 수신받아 A/D 변환하는 A/D 컨버터; 및

인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하기 위해 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 1~10GHz RF 주파수에서는 거의 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 디지털 값에 상응하는 인체 내부의 심부 체온으로 변환하는 온도 변환기(온도 converter)를 포함한다.

A/D 컨버터는 32 bit, 64 bit, 또는 128 bit A/D 컨버터를 사용한다.

1) 심부체온 감지용 CMOS 공정을 사용한 RF 수신기 칩의 구조 및 사양 설계

ㆍ심부체온 감지용 RF 수신기의 요구 사양의 검토 및 최적의 RF/IF 수신기

ㆍ요구 사양과 선정된 RF 수신기 구조에 기반한 RF 수신기 M&S(Modeling & Simulation) 방법을 활용한 세부회로 블록의 요구 사양 및 설계 구조의 정량적 도출

2) 1~2 GHz의 광대역 RF 수신기 칩의 RF/IF회로 설계 및 개발

ㆍ RF 수신기 모듈은 1~2 GHz의 광대역에서 저잡음, 고이득 및 이득제어가 용이한 LNA(low-noise amplifier), down mixer를 포함한 RF front end 회로 설계

ㆍ 1.1 ~ 1.7GHz의 LO 생성을 위한 VCO를 포함한 LO 생성부 회로의 설계

ㆍ 250MHz의 중심주파수에서 저잡음, 고이득, 이득 제어 기능이 포함된 증폭부, 감지부 회로를 포함한 IF단 회로부 설계

ㆍ설계된 RF, LO, IF부 회로들의 통합 및 전체 RF 수신기의 통합 성능 최적화 설계

3) CMOS 공정을 사용한 RF/IF 수신기 칩의 Layout 및 칩 제작

ㆍ RF 수신기 모듈은 실리콘(Si) 기판 상에 CMOS 공정을 사용하여 단일 칩으로 제작된 RF/IF 수신기 칩의 각 세부 RF, IF, LO부 회로부의 CMOS회로 layout 진행 및 post layout simulation을 통한 설계와 제작

ㆍ 세부 회로 블록들의 layout을 통합한 단일 RF 수신기 칩의 layout 설계 및 전체 성능 검토

ㆍ RF 수신기 모듈은 실리콘(Si) 기판 상에 CMOS 공정을 사용하여 System Integration Package/Chip 기술을 사용하여 one chip으로 제작된 MMIC 칩(RF/IF receiver chip)의 제작

4) RF 수신기 칩 및 모듈의 시험용 보드제작 및 검증

ㆍ제작된 RF 수신기 모듈의 성능 평가(evaluation)를 위한 시험용 보드의 회로도 및 layout 설계

ㆍCMOS 공정을 사용한 RF 수신기 모듈을 이용한 시험보드 제작 및 요구 사양들의 측정(이득, NF, P1dB, IP3, spurious, 전력소모 등의 사양을 측정하여 검증)

Ⅱ. 안테나 설계

본 연구는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 피부(Skin), 지방(Fat), 근육(Muscle) 위에 설계를 하였다. 안테나는 Taconic CER-10 (유전율

=10.2, loss tangent 손실 탄젠트 tan σ=0.0035) 유전체(기판)를 사용하여 설계하였다. 높은 유전율을 가진 유전체와 방사체(radiator) 양 옆에 위치한 정합 스터브(stub)를 사용하여 안테나의 크기를 소형화 하였고 방사체(radiator) 위에 슬랏(slot)을 구현하여 이중 공진을 구현하였다. 또한, 원활한 인체의 심부 조직 통신을 확인하기 위하여 심부 조직을 통과하는 전계(electric fild)를 HFSS 툴을 사용하여 시뮬레이션하였다.

도 11은 본 발명에 따른 제안된 바이오 정합 보우타이 안테나: (a)전체 구조, (b) 방사체 구조, (c) 슬릿 구조.

본 발명의 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나는

심부체온 측정시에 떼어내고 사용되는 1회용 PVC 필름;

상기 PVC 필름 위에 구비되며, 인체 부위의 근육(Muscle), 지방(Fat), 피부(Skin)에 접촉되는 하부 보우타이 안테나;

상기 하부 보우타이 안테나 위에 구비된 유전체 기판; 및

상기 유전체 기판의 상부에 상부 보우타이 안테나를 구비하며,
상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상부 보우타이 안테나와 하부 보우타이 안테나를 구비하는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나로 형성된 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나를 포함하고,

심부 체온 측정 부위의 인체 피하 내부로부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 수신받는 상기 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나(이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나)는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈과 연결되며,
상기 상부 및 하부 보우타이 안테나는 상기 유전체 기판의 하부와 상부에 각각 20x20mm 크기의 상기 하부 보우타이 안테나와 상기 상부 보우타이 안테나를 구비하며, 상기 유전체 기판 위의 상기 상부 보우타이 안테나의 방사체는 SMA(RF 커넥터)의 접지면에 연결되고, 상기 유전체 기판 아래의 하부 보우타이 안테나의 방사체는 급전 pin에 연결되며,
상기 상부 및 하부 보우타이 안테나는 좌측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 ㄱ자와 하부 역 ㄴ자와 좌측 삼각형 형상을 갖는 (+) 방사체와; 상기 (+)방사체와 대칭 구조로 형성되며, 보우타이 안테나의 우측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 역 ㄱ자와 하부 ㄴ자와 우측 삼각형 형상을 갖는 (-) 방사체(radiator)와; 정사각형의 중심점의 하부 길이 방향으로 상기 보우타이 안테나의 RF 신호를 입력하는 급전부를 포함한다.

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈의 특정 RF 주파수는 1.35 GHz 및 2.75 GHz의 2개의 중심 주파수를 갖는 이중 대역 RF 주파수 신호를 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신한다.

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 인체에 부착되어 심부 체온을 감지하기 위해 1.4 GHz와 2.7 GHz 신호를 제외한 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 선택된 2개 중심 주파수를 갖는 이중 대역의 RF 주파수 신호를 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신한다.

상기 유전체 기판은 유전율

=10.2, loss tangent 손실 탄젠트 tan σ=0.0035 인 Taconic CER-10 유전체 기판을 사용한다.

상기 보우타이 안테나는 상기 유전체 기판의 하부와 상부에 각각 20x20mm 크기의 하부 보우타이 안테나와 상부 보우타이 안테나를 구비하며,

상기 Taconic CER-10 유전체 기판 위의 상부 보우타이 안테나의 방사체는 SMA(RF 커넥터)의 접지면에 연결되고, 상기 Taconic CER-10 유전체 기판 아래의 하부 보우타이 안테나의 방사체는 급전 pin에 연결되며,

상기 보우타이 안테나는 좌측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 ㄱ자와 하부 역 ㄴ자와 좌측 삼각형 형상을 갖는 (+) 방사체와; 상기 (+)방사체와 대칭 구조로 형성되며, 보우타이 안테나의 우측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 역 ㄱ자와 하부 ㄴ자와 우측 삼각형 형상을 갖는 (-) 방사체와; 정사각형의 중심점의 하부 길이 방향으로 상기 보우타이 안테나의 RF 신호를 입력하는 급전부를 포함한다.

상기 보우타이 안테나의 방사체는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 금속을 사용한다.

일 실시예에서는, 상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈의 특정 RF 주파수는 1.35 GHz 및 2.75 GHz의 2개 중심 주파수를 갖는 이중 대역 RF 주파수 신호를 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신하여 마이크로파 심부 체온계의 표시부에 측정된 심부체온을 표시한다.

다른 실시예에서는, 상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈의 특정 RF 주파수는 1.3 GHz 및 2.8 GHz의 2개 중심 주파수를 갖는 이중 대역 RF 주파수 신호를 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신하여 마이크로파 심부 체온계의 표시부에 측정된 심부체온을 표시한다.

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 인체에 부착되어 심부 체온을 감지하기 위해 1.4 GHz와 2.7 GHz 신호를 제외한 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 선택된 2개 중심 주파수를 갖는 이중 대역의 RF 주파수 신호를 보우타이 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신하여 마이크로파 심부 체온계의 표시부에 측정된 심부체온을 표시한다.

상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은

이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 사용하며, 심부체온 측정용 상기 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나;

심부체온 측정용 상기 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나를 통해 1~10 GHz 주파수 범위내의 하나 이상의 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기; 및

상기 RF 수신기가 마이크로파 심부 체온계의 제어부와 연결되는 인터페이스 회로부를 구비한다.

도 11(a)는 설계한 바이오 정합 안티포달 보우타이 안테나의 전체 모습을 보여준다. 바이오 정합 안티포달 보우타이 안테나는 높은 유전율을 가진 Taconic CER-10 기판 (높이=1.58mm)위에 설계하였다. 보우타이 안테나의 바로 아래에는 실제 적용에서 위생을 위하여 얇은 pvc film(유전율

=2.7, 높이=0.1mm)가 위치하고 있다. 보우타이 안테나와 pvc film 아래에는 바이오 정합을 위하여 피부(유전율

=39.661, σ=1.036 siemens/m, loss tangent 손실 탄젠트 tanσ=0.335), 지방(

=5.395, σ=0.065simens/m, tanσ=0.154) 그리고 근육(

=54.112, σ=1.142 siemens/m, tanσ=0.279)이 위치하고 있다. 도 11(b)는 제안된 바이오 정합 안티포달 보우타이 안테나의 상세 모습을 보여준다. 보우타이 안테나의 전체 크기는 20 x 20mm 이며, Taconic CER-10 유전체 기판을 사이에 두고 방사체가 서로 대칭 구조의 보우타이 안테나가 유전체 기판의 위와 아래에 상부 보우타이 안테나와 하부 보우타이 안테나가 배치된다. Taconic CER-10 유전체 기판 위의 상부 보우타이 안테나의 방사체는 SMA(RF 커넥터)의 접지면에 연결되고, 유전체 기판 아래의 하부 보우타이 안테나의 방사체는 pin에 연결된다.

도 11(c)는 보우타이 안테나의 방사체 위에 있는 슬롯(방사체의 slot, 빈 공간)의 상세한 모습을 보여준다. 슬롯(slot)의 총 길이는 42.5mm(

at 1.35GHz)로 이중 공진을 구현하였다.

각 다른 신체 부위의 적용을 위해 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나는 각기 다른 두께를 가지는 인체의 심부조직 위에서 HFSS 시뮬레이션을 하였다.

도 12(a)는 제안된 바이오 정합 안티포달 보우타이 안테나가 이마에 적용되었을때의 옆 모습을 보여주고, 도 12(b)는 손목에 적용되었을때의 옆 모습을 보여준다. 실시예에서는, 인체의 손목에서 근육의 두께는 41.6mm, 지방의 두께는 10.35mm 그리고 피부의 두께는 1.87mm이다. 이마에서 근육의 두께는 2mm, 지방의 두께는 1.99mm 그리고 피부의 두께는 1.7mm이다[7][8].

III. 안테나 시뮬레이션 및 측정

도 13은 본 발명에서 제안된 바이오 정합 보우타이 안테나의 반사계수(return loss,

)의 시뮬레이션 값과 측정값을 보인그래프이다.

도 14는 전계 투과 시뮬레이션 (a) 1.35GHz E1과 E2 이마, (b) 2.75GHz E1과 E2 이마, (c) 1.35GHz E1과 E2 손목, (d) 2.75GHz E1과 E2 손목

도 13은 본 발명에서 제안된 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나의 반사계수(반사 손실, return loss,

)의 시뮬레이션 값과 측정값을 보여준다. 제안된 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나는 이마에서 적용되었을때 이중 대역을 가지고 있으며, 임피던스 대역폭은 29.33% (1.28 - 1.42GHz)와 43.9% (2.56-4GHz)를 가진다. 손목에서 적용 되었을 때에도 이중 대역을 가지며, 임피던스 대역폭은 29.33% (1.28 - 1.42GHz)와 27.28%(2.5 - 3.9GHz)를 갖는다.

도 14(a)는 이마에서 1.35GHz의 주파수를 피부, 지방, 근육 전계 투과를 시뮬레이션 한 단면이고 도 14(b)는 2.75GHz에서 시뮬레이션한 단면이다. 도 14(c)는 손목에서 1.35GHz의 주파수를 피부, 지방, 근육 전계 투과를 시뮬레이션 한 단면이고, 도 14(d)는 2.75GHz에서 시뮬레이션한 단면이다.

HFSS 시뮬레션 결과, 전계는 인체의 심부 조직을 잘 통과하며, 심부 조직 통신이 원활히 잘 이루어진다는 것을 알 수 있다.

마이크로파 심부 체온계의 심부 체온 측정용 RF 수신기 모듈의 1~10 GHz 주파수 범위내에서 실시예에서는 1.35 GHz와 2.75 GHz 주파수를 사용하는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)는 심부 체온을 측정하는 RF 수신기 모듈에 연결되며, 상기 RF 수신기 모듈은 마이크로파 심부 체온계에 연결된다. 실시예에서는, 1.35 GHz와 2.75 GHz 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나(접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나)와 연결된 RF 수신기 모듈과 인터페이스 회로부를 통해 마이크로파 심부 체온계에 연결되고, 마이크로파 심부 체온계는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나와 RF 수신기 모듈로부터 수신된 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 OLED 디스플레이에 표시한다.

기존 적외선 센서가 측정하는 피부 온도(skin temperature)의 원리적인 한계를 극복하고, 이와 달리, 본 발명은 인체 내부의 심부 체온(core body temperature)을 측정하는 안테나와 RF 수신기 모듈을 구비하는 마이크로파 심부 체온계를 국산화하여 디지털 헬스케어와 의료 분야에 공급하게 되었다.

본 발명의 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 상기와 같이 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양하게 변형하여 실시될 수 있으며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.

70: RF 수신기 모듈 71: 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나
72: RF 수신기 회로 73: 인터페이스 회로부
90: 마이크로프로세서 제어부 91: 통신부
92: 버튼 입력부 92-1: 샷 버튼
92-3: 디스플레이의 버튼 입력부
93: 메뉴 버튼 제어부
94: 디스플레이 제어부 95: 표시부(컬러 OLED 디스플레이)
96: 전원 제어부 97: 2차 전지 배터리
98: 충전 회로부 99: USB 충전 커넥터
99-4: LED 인디케이터 101: 핸디형 본체 손잡이
107: 충전 거치대

Claims

심부 체온 측정시에 떼어내는 1회용 PVC 필름;
상기 PVC 필름 위에 구비되며, 인체의 근육, 지방, 피부에 접촉되는 하부 보우타이 안테나;
상기 하부 보우타이 안테나 위에 구비된 유전체 기판; 및
상기 유전체 기판의 상부에 상부 보우타이 안테나를 구비하며,
상기 유전체 기판의 상부와 하부에 각각 상기 상부 보우타이 안테나와 상기 하부 보우타이 안테나를 구비하는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나로 형성된 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나를 포함하고,
상기 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈과 연결되며,
상기 상부 및 하부 보우타이 안테나에서, 상기 유전체 기판 위의 상기 상부 보우타이 안테나의 방사체는 SMA(RF 커넥터)의 접지면에 연결되고, 상기 유전체 기판 아래의 상기 하부 보우타이 안테나의 방사체는 급전 pin에 연결되며,
상기 상부 및 하부 보우타이 안테나는 좌측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 ㄱ자와 하부 역 ㄴ자와 좌측 삼각형 형상을 갖는 (+) 방사체와; 상기 (+)방사체와 대칭 구조로 형성되며, 보우타이 안테나의 우측 삼각형에 방사체(radiator)의 빈 공간 인 ㄹ형상의 방사체의 슬롯(slot)이 구비되고 상부 역 ㄱ자와 하부 ㄴ자와 우측 삼각형 형상을 갖는 (-) 방사체와; 정사각형의 중심점의 하부 길이 방향으로 상기 보우타이 안테나의 RF 신호를 입력하는 급전부를 포함하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈의 특정 RF 주파수는 1.35 GHz 및 2.75 GHz의 2개의 중심 주파수를 갖는 이중 대역 RF 주파수 신호를 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 인체에 부착되어 심부 체온을 감지하기 위해 1.4 GHz와 2.7 GHz 신호를 제외한 1~10 GHz RF 주파수 범위 내에서 선택된 2개 중심 주파수를 갖는 이중 대역의 RF 주파수 신호를 안테나를 통해 RF 수신기 모듈로 수신하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 유전체 기판은 유전율
=10.2, loss tangent 손실 탄젠트 tan σ=0.0035 인 Taconic CER-10 유전체 기판을 사용하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
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제1항에 있어서,
상기 보우타이 안테나의 방사체는 알루미늄(Al), 구리(Cu) 금속을 사용하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은
상기 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 사용하며, 심부체온 측정용 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나;
상기 심부체온 측정용 접촉식/비접촉식 RF 패치 안테나를 통해 1~10 GHz 주파수 범위내의 하나 이상의 RF 주파수 신호를 수신하는 RF 수신기 회로부; 및
상기 RF 수신기가 마이크로파 심부 체온계의 제어부와 연결되는 인터페이스 회로부를 구비하는 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈을 포함하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
제7항에 있어서,
상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈의 상기 RF 수신기 회로부는
RF 패치 안테나로부터 RF 주파수 신호를 수신받아 1~10 GHz 주파수 범위내의 저전압 신호의 잡음을 제거하고 이를 증폭하는 저잡음 증폭기단(LNA stages);
상기 저잡음 증폭기단에 연결되며, 신호의 잡음을 감쇄하여 센터 주파수 주변 잡음을 제거하고 증폭하는 가변 감쇄기:
상기 가변 감쇄기로부터 분기되고, GHz 주파수를 50~200MHz 범위내의 IF 대역 주파수로 다운시키고 센서티비티를 향상시키는 2대의 다운 믹서;
상기 2대의 다운 믹서에 각각 연결되고, 다운시킨 IF 주파수의 잡음과 저항 성분을 제거하여 각각 깨끗한 신호(I,Q)를 제공하는 2대의 IF buffer;
진폭 변조된 정현파를 같은 위상과 직교(In-phase and Quadrature)되도록 신호를 발진시키며 국소발진기(LO)의 같은 위상 신호(LO_I)와 그 직교 신호(LO_Q)를 제공하는 칩 내부 발진기(IQ LO generator); 및
칩 외부에서 클럭 잡음을 통과하지 못하도록 칩 외부에서 발진 신호를 제공하는 칩 외부 발진기(Ext. LO)를 포함하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
제7항에 있어서,
상기 인터페이스 회로부는
상기 RF 수신기 회로부로부터 수신된 발진기(LO)의 같은 위상 신호(LO_I)와 그 직교 신호(LO_Q)를 수신받아 A/D 변환하는 A/D 컨버터; 및
인체 피하 내부에서부터 방사되어 피부 표면으로 전달되는 열방사 신호를 체온값으로 변환하도록 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부 심부 체온에 대해 10GHz RF 주파수 이하에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 디지털 값에 상응하는 인체 내부의 심부 체온으로 변환하는 온도 변환기를 포함하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
제7항에 있어서,
상기 심부 체온 감지용 RF 수신기 모듈은 상기 인터페이스 회로부에 연결되고, 상기 인터페이스 회로부는 심부 체온계의 제어부에 연결되며, 상기 제어부는 표시부에 연결되고, 수신된 RF 주파수 신호를 사용하여 방사 강도가 Plank와 Rayleigh Jeans 근사화 법칙에 의해 인체 내부의 내부 온도에 대해 1~10GHz RF 주파수에서는 선형적으로 변화하는 기본 원리를 사용하여 RF 주파수(frequency)에 상응하는 전력(power)에 따라 측정된 인체 내부의 심부 체온을 상기 제어부에 연결된 상기 표시부에 표시하는 마이크로파 심부 체온계를 더 구비하는, 심부 체온 측정용 RF 수신기에 사용되는 이중 대역 바이오 정합 보우타이 안테나를 구비하는 시스템.
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