KR102441742B1

KR102441742B1 - 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템

Info

Publication number: KR102441742B1
Application number: KR1020200090984A
Authority: KR
Inventors: 유형석
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2020-07-22
Filing date: 2020-07-22
Publication date: 2022-09-07
Also published as: KR20220012005A

Abstract

본 발명은 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전원을 전송하는 시스템에 관한 것으로, 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 외부 송신 장치를 이용하여 무선 전력을 전송하는 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다. 이를 달성하기 위한 본 발명은 사용자의 머리 내부에 부착되며, 외부 송신 장치와 특정 거리만큼 이격되어 상기 외부 송신 장치로부터 RF 에너지를 수신하고, 적어도 하나의 센서를 통해 두개 내압을 측정하는 두개 내압 모니터링 장치 및 파워 앰프에 의해 증폭되는 주파수 신호를 생성하고, 복수의 코일을 통해 주파수 신호를 RF 에너지로 변환하며, 상기 RF 에너지를 상기 두개 내압 모니터링 장치에 제공하는 외부 송신 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템{SYSTEM FOR TRANSFERRING WIRELESS POWER TO SCALP-IMPLANTABLE BIOTELEMETRIC DEVICE}

본 발명은 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템에 관한 것으로, 외부 송신 장치에서 두개 내압 모니터링 장치로 무선으로 전력을 전송하는 시스템에 관한 것이다.

새로운 의료 기술의 발전으로 특정 생리학적 파라미터를 모니터링하기 위한 효율적인 무선 이식형 의료 기기(WIMDs, Wireless Implantable Medical Devices) 개발에 대한 요구가 증대되고 있다. 이러한 무선 이식형 의료 기기는 동시 데이터 통신 및 무선 주파수(RF) 전력 수신을 위한 이식형 안테나를 필요로 한다. 이식형 안테나는 크기 제한, 생체 적합성, 환자 안전 및 체내 조직 결합 등으로 인해 개발이 까다롭다.

또한 무선 이식형 의료 기기로 전력을 공급함에 있어서, 의료 기기의 배터리가 방전되거나 수명이 다할 경우 배터리를 교체하기 위한 이식 수술을 필요로 하기 때문에 인체 조직에 대한 위험과 부상의 원인이 될 수 있다.

이러한 기술적 이슈를 해결하기 위하여, 무선 이식용 의료 기기의 수명을 연장하기 위해 무선 전력 전송 기술을 도입하였는데 무선 전력 전송 기술은 근거리 유도 전송과 원거리 복사 전송의 두 가지 접근 방식을 포함한다.

근거리 유도 전송의 경우 서로 가까이에 배치된 2개의 공진 코일이 저주파에서 전력 전달을 담당하는데, 두 코일의 감도 및 오정렬 문제, 작은 결합 계수 및 낮은 품질 계수로 인해 47%의 낮은 전송 효율(PTE)을 제공한다. 원거리 복사 전송의 경우 IMD에서 렉테나를 사용하여 RF 에너지를 DC 에너지로 변환한다. 원거리 복사 전송의 경우 근거리와 다르게 전송기와 수신기 사이의 오정렬에 덜 민감하나 전송 효율이 1% 더 낮다는 단점이 있다.

등록특허 제10-0973102호(2010.01.07. 공개)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 외부 송신 장치를 이용하여 무선 전력을 전송하는 시스템을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치는 작은 부피에 따라 작은 임플란트 장치에 안테나를 내장하여 안정성을 향상시키는 것을 일 목적으로 한다.

또한 본 발명에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치의 안정적인 입력 임피던스와 광대역 특성을 제공하는 것을 일 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 사용자의 머리 내부에 부착되며, 외부 송신 장치와 특정 거리만큼 이격되어 상기 외부 송신 장치로부터 RF 에너지를 수신하고, 적어도 하나의 센서를 통해 두개 내압을 측정하는 두개 내압 모니터링 장치 및 파워 앰프에 의해 증폭되는 주파수 신호를 생성하고, 복수의 코일을 통해 주파수 신호를 RF 에너지로 변환하며, 상기 RF 에너지를 상기 두개 내압 모니터링 장치에 제공하는 외부 송신 장치를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.

전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 외부 송신 장치를 이용하여 무선 전력을 전송하는 시스템을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치는 작은 부피에 따라 작은 임플란트 장치에 안테나를 내장하여 세포 사멸, 조직 손상 및 염증과 같은 위험을 줄여 안정성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치의 안정적인 입력 임피던스와 광대역 특성을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 시스템의 작동을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 외부 송신 장치의 형상을 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 라디에이터 소자를 설명하기 위한 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템의 시뮬레이션 환경을 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 전송 시스템과 원격 통신 매커니즘을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 의한 정류기 회로를 도시한 도면,
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 의한 정류기의 전력 변환 효율 및 출력 전압을 나타내는 그래프,
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체 측정 안테나의 측정 및 시뮬레이션 된 반사 계수를 나타내는 그래프,
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 의한 접지면의 슬롯이 생체 측정 안테나의 성능에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프,
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 의한 외부 송신 장치의 반사 계수를 설명하기 위한 그래프,
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치 및 외부 송신 장치 사이의 거리에 따라 시뮬레이션 된 전송 계수를 도시한 그래프,
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치 및 외부 송신 장치 사이의 거리에 따라 측정된 전송 계수를 나타내는 그래프,
도 15는 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템의 성능을 입증하기 위한 실험 설정을 설명하기 위한 도면,
도 16은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 성능에 대한 정류 회로의 효과를 설명하기 위한 그래프,
도 17은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 방사 패턴을 설명하기 위한 그래프,
도 18은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 공진 주파수에서의 전류 분포를 설명하기 위한 도면,
도 19는 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 링크 마진을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프,
도 20은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 SAR를 도시한 도면,
도 21은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나와 종래의 안테나를 비교한 도면이다.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용되며, 명세서 및 특허청구의 범위에 기재된 모든 조합은 임의의 방식으로 조합될 수 있다. 그리고 다른 식으로 규정하지 않는 한, 단수에 대한 언급은 하나 이상을 포함할 수 있고, 단수 표현에 대한 언급은 또한 복수 표현을 포함할 수 있음이 이해되어야 한다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 예시적 실시 예들을 설명할 목적을 가지고 있으며 한정할 의도로 사용되는 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같은 단수적 표현들은 또한, 해당 문장에서 명확하게 달리 표시하지 않는 한, 복수의 의미를 포함하도록 의도될 수 있다. 용어 "및/또는," "그리고/또는"은 그 관련되어 나열되는 항목들의 모든 조합들 및 어느 하나를 포함한다. 용어 "포함한다", "포함하는", "포함하고 있는", "구비하는", "갖는", "가지고 있는" 등은 내포적 의미를 갖는 바, 이에 따라 이러한 용어들은 그 기재된 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 및/또는 컴포넌트를 특정하며, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계, 동작, 요소, 컴포넌트, 및/또는 이들의 그룹의 존재 혹은 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 설명되는 방법의 단계들, 프로세스들, 동작들은, 구체적으로 그 수행 순서가 확정되는 경우가 아니라면, 이들의 수행을 논의된 혹은 예시된 그러한 특정 순서로 반드시 해야 하는 것으로 해석돼서는 안 된다. 추가적인 혹은 대안적인 단계들이 사용될 수 있음을 또한 이해해야 한다.

또한, 각각의 구성요소는 각각 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있고, 위 구성요소들이 통합되어 하나의 하드웨어 프로세서로 구현될 수 있으며, 또는 위 구성요소들이 서로 조합되어 복수 개의 하드웨어 프로세서로 구현될 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템(이하, 무선 전력 전송 시스템)의 작동을 설명하기 위한 도면이다. 두개 내압 모니터링 시스템은 상승된 내압을 효과적으로 감지 혹은 감시함으로써 이를 기반으로 치료를 진행할 수 있게 해 환자의 생명을 구할 수 있게 한다.

도 1을 참조하면, 무선 전력 전송 시스템은 두개 내압 모니터링 장치(100) 및 외부 송신 장치(200)를 포함한다.

두개 내압 모니터링 장치(100)는 사용자의 머리 내부에 삽입 가능하여 사용자의 두개 내압을 모니터링하고, 외부 송신 장치(200)와 통신 가능하게 신호를 송수신할 수 있다.

두개 내압 모니터링 장치(100)는 배터리 구동 마이크로 전자 기계식 시스템 압력 센서를 통해 두개 내압을 실시간으로 모니터링하고, 2.45GHz의 대역에서 무선으로 센서 데이터를 외부 송신 장치(200)에 전송할 수 있다.

이를 위해, 두개 내압 모니터링 장치(100)는 RF 에너지를 캡처하기 위해 나선 코일이 아닌 생체 측정 안테나(103)를 포함할 수 있다. 두개 내압 모니터링 장치(100)에 대한 구체적인 내용은 이하의 도 2를 참고하여 설명한다.

외부 송신 장치(200)는 파워 앰프에 의해 증폭되는 주파수 신호를 생성하고, 복수의 코일을 통해 주파수 신호를 RF 에너지로 변환하여 제공한다.

외부 송신 장치(200)는 둘레면을 따라 형성되는 제1 코일(201) 및 제1 코일(201)로부터 특정 간격만큼 이격되어 둘레면을 따라 형성되는 제2 코일(202)을 포함한다. 외부 송신 장치(200)에 대한 구체적인 내용은 이하의 도 4를 참고하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치(100)를 설명하기 위한 도면이다. 도 2를 참조하면, 두개 내압 모니터링 장치(100)는 컨테이너(101), 정류 회로(102), 생체 측정 안테나(103) 및 스티로폼 스페이서(104)를 포함할 수 있다.

컨테이너(101)는 생체 적합성 물질로 형성될 수 있되, 생체 적합성 물질은 생체 조직 또는 체액 등과 접촉하였을 때 거부 반응이 나타나지 않는 물질을 의미한다. 이 때, 거부 반응은 생체 조직에 가해지는 자극, 염증, 알레르기, 암, 혈액 성분 파괴 또는 변형, 혈전 형성 등을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치(100)의 컨테이너(101)는 생체 적합성 물질로 알루미나, 지르코니아, 스테인리스가이 PMMA, Carbon-Ti 등을 사용할 수 있다.

구체적으로 컨테이너(101)는 8.9mm×6.9mm×4.5mm의 부피와 0.25mm의 두께로 형성될 수 있다.

정류 회로(102)는 스티로폼 스페이서(104)의 하측에 위치하며, 회로에는 전자 부품이 형성되어 있다. 정류 회로(102)는 정류 및 전력 관리 회로를 포함하며, 복수의 센서를 더 포함할 수 있다.

정류 회로(102)는 유전율이 10.2, 유전체 손실이 0.0023, 그리고 두께가 0.635mm인 Rogers 6010 기판을 사용할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 나아가 정류 회로(102)는 시뮬레이션을 위해 PEC(Perfect Electric Conductor) 층을 하부에 더 포함할 수 있다.

생체 측정 안테나(103)는 스티로폼 스페이서(104)의 상측에 위치할 수 있다. 생체 측정 안테나(103)에 대한 구체적인 내용은 이하의 도 3을 참고하여 설명한다.

스티로폼 스페이서(104)는 전자 부품이 안테나 성능에 미치는 영향을 최소화하기 위한 것으로, 생체 측정 안테나(104)와 정류 회로(102)의 사이에 2mm 두께의 스티로폼으로 형성될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나(103)를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하면, 생체 측정 안테나(103)는 임피던스 일치 지점에서 공급되며, 동시 RF 전력 수신(광대역 1,900MHz RNF WPT) 및 데이터 통신(915MHz 데이터 측정) 기능을 포함할 수 있다.

생체 측정 안테나(103)의 크기는 5.6mm×6mm×0.2mm이며, 부피는 6.72mm3이며, 현존하는 생체 측정 안테나 중 가장 작은 크기를 갖는다.

생체 측정 안테나(103)에서 인접한 ML 간 작은 용량성 간극으로 인해, ML 사이에 상호 임피던스가 설정되어 생체 측정 안테나(103)의 임피던스 일치 특성을 돕는다.

생체 측정 안테나(103)는 상판(110), 라디에이터 소자(120), 유전체 기판(130) 및 접지면(140)을 포함할 수 있는데, 상판(110), 라디에이터 소자(120), 유전체 기판(130) 및 접지면(140)의 크기는 모두 동일하나 이에 한정되지 않고 경우에 따라 변경될 수 있다.

상판(110)은 생체 조직에 대한 라디에이터 소자(120)의 침습적 접촉을 방지하기 위해 사용자와 동일한 유전체 및 생체 적합성 재료로 구성될 것이다.

상판(110) 및 유전체 기판(130)은 18-μm 구리를 양면에 결합하여 0.1mm의 두께로 코팅되며, 유전체 기판(130)의 상부에는 라디에이터 소자(120)가, 하부에는 접지면(140)이 위치할 수 있다.

라디에이터 소자(120)는 유전체 기판(130) 상부에 형성되며, 전도성 물질로 형성된다. 라디에이터 소자(120)는 일부 영역에서 특정 방향으로 형성된 복수의 직선슬롯으로 인해 구불구불한 형상을 갖는데, 라디에이터 소자(120)의 이러한 형상은 전류 흐름 경로를 연장시킴으로써 안테나를 소형화 하는 데 기여할 수 있다. 라디에이터 소자(120)에 대한 구체적인 내용은 이하의 도 5를 참조하여 설명한다.

접지면(140)은 생체 측정 안테나(103)가 이중 대역과 넓은 대역폭을 지원 가능하게 할 수 있으며 생체 측정 안테나(103)의 크기를 더 감소시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 접지면(140)은 유전체 기판(130) 하부에 형성되며, 접지면(140)에서의 전류 경로는 안테나의 성능에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 접지면(140)은 유전율 2.9 및 유전체 손실이 0.0025인 Rogers ULTRALAM 3850HT 기판을 사용할 수 있다.

동축피드(80)는 전기 저항이 50Ω이고, 직경이 0.3mm일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 동축피드(80)는 안테나의 여기(Excitation)를 위해 구성될 수 있다.

단락핀(90)은 라디에이터 소자(120)의 제2 영역(120B)의 우측 중앙에 위치할 수 있다. 단락핀(90)은 라디에이터 소자(120)와 접지면(140)을 전기적으로 연결할 수 있으며, 이를 통해 생체 측정 안테나(103)의 전기적 크기와 주파수 대역폭을 향상시킬 수 있다.

즉, 동축피드(80)와 단락핀(90)을 통해 생체 측정 안테나(103)의 크기를 보다 소형화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 의한 외부 송신 장치(200)의 형상을 도시한 도면으로, 도 4의 (a)는 외부 송신 장치(200)의 전면, 도 4의 (b)는 외부 송신 장치(200)의 후면을 도시하고 있다.

외부 송신 장치(200)는 파워 앰프에 의해 증폭되는 주파수 신호를 생성하고, 증폭된 신호는 코일을 통해 RF 에너지로 변환될 것이다. RF 에너지는 동축 케이블을 통해 정류기 회로에 연결된 두개 내압 모니터링 장치(100)의 생체 측정 안테나(103)로 전송된다.

외부 송신 장치(200)는 50mm×50mm×0.025mm의 크기를 갖는 유연한 폴리이미드 기판(εr = 4.3 및 tan σ = 0.004)에 평면 구리 코일을 회전 배치하여 형성될 것이다.

도 4의 (a)를 참조하면 외부 송신 장치(200)의 전면에 배치된 평면 구리 코일은 외부 회전 코일인 제1 코일(201)과 내부 회전 코일인 제2 코일(202)로 구분될 수 있다.

제1 코일(201)은 외부 송신 장치(200)의 둘레면을 따라 형성되며, 제2 코일(202)은 제1 코일(201)로부터 특정 간격만큼 이격되어 둘레면을 따라 형성될 수 있다. 제1 코일(201)의 너비는 2.5mm이고, 제2 코일(202)의 너비는 2mm이며, 제1 코일(201)과 제2 코일(202)은 서로 1mm의 간격으로 이격되어 있다.

제1 코일(201)과 제2 코일(202)은 대각선 스트립(203)을 통해 연결되며, 대각선 스트립(203)을 통해 제1 코일(201)과 제2 코일(202)의 일 끝단은 열려진 상태를 유지할 것이다.

도 4의 (b)를 참조하면 외부 송신 장치(200)의 후면에는 급지선이 형성되어 있는데, 급지선은 단락핀을 통해 양 끝단이 단락될 것이다.

외부 송신 장치(200)는 50Ω의 동축 피드 포트를 통해 여기되며, 전류가 평면 구리 코일의 경로를 따라 흐름으로써 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 시스템이 1,900MHz에서 공진할 수 있게 한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 라디에이터 소자를 설명하기 위한 도면으로, 도 5를 참조하면 라디에이터 소자(120)는 그 형상에 따라 제1 내지 제4 영역의 4개의 영역으로 구분할 수 있다.

제1 영역(120A)은 복수의 요철 형상(凸)의 가지를 포함하며, 복수의 요철 형상(凸)의 가지 사이의 간격은 서로 다를 수 있다. 즉, 제1 영역(120A)의 복수의 요철 형상(凸)의 가지 각각의 두께, 복수의 요철 형상의 가지 각각의 세로 길이, 복수의 요철(凸) 형상의 가지 중 제1 요철(凸) 형상의 가지 및 제2 요철(凸) 형상의 가지 사이의 간격은 서로 다를 수 있다.

제2 영역(120B)은 제1 영역()의 요철(凸) 형상의 가지의 끝부분과 연장되어 복수의 요철(凸) 형상의 가지를 포함하며, 복수의 요철(凸) 형상의 가지 사이의 간격은 서로 다를 수 있다. 즉, 제2 영역(120B)의 복수의 형상의 가지 각각의 가로 길이는 서로 다를 수 있다. 이러한 제2 영역(120B)은 동축피드(80)를 포함할 수 있다.

제3 영역(120C)은 아래쪽부터 위쪽 방향으로 생성된 복수의 요철(凸) 형상의 가지를 포함하며, 복수의 요철(凸) 형상의 가지 중 마지막 가지는 나머지 요철 형상의 가지의 길이 보다 특정 길이만큼 길며, 제2 영역(120B)의 요철(凸) 형상의 가지의 끝부분과 연장된 세로 막대 형상의 가지와 연결될 수 있다.

제4 영역(120D)은 제3 영역(120C)의 복수의 요철(凸) 형상의 가지 중 마지막 요철(凸) 형상의 가로 길이와 동일한 길이로 형성된 제1 가지, 제1 가지의 윗변에서 특정 간격만큼 이격된 거리에 상기 제1 가지의 폭보다 좁은 폭 및 짧은 길이로 형성된 제2 가지를 포함할 수 있다.

상기와 같이 형성된 라디에이터 소자(120)의 구체적인 수치는 아래 표 1과 같다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템의 시뮬레이션 환경을 설명하기 위한 도면이다. 상기 시뮬레이션은 흔히 사용되는 EM 계산 툴인 AED(Ansys Electronics Desktop) 및 XFdtd Remcom을 통해 수행될 수 있다.

도 6을 참조하면, 먼저 시뮬레이션은 단일 층 조직 박스로 구현된 피부 팬텀(HSP, Homogeneous Skin Phantom)에서 수행되었는데, 피부 팬텀의 주파수 의존 유전 특성은 915MHz에서 εr = 41.3 및 σ = 0.87 S/m이고, 1900 MHz에서 εr = 38.7 및 σ = 1.22 S/m이다. 두개 내압 모니터링 장치(100)가 설치된 피부 팬텀과 외부 송신 장치(200)는 방사선 경계 역할을 하는 공기 박스로 둘러싸여 있으며, 두개 내압 모니터링 장치(100)는 피부 팬텀 중심에 5mm(dS)의 깊이에 이식되어 있으며, 도 6의 (a)에서 볼 수 있듯이 두개 내압 모니터링 장치(100)와 외부 송신 장치(200)는 약 15mm(dT) 이격되어 있다.

이득 패턴, 최대 입력 전력, 특정 흡수율(SAR) 안전 수준 및 산란 매개 변수(산란 매개 변수는 반사 계수(|S11|) 및 투과 계수(|S21|)를 포함함)는 유한요소법(FEM, Finite Element Method) 및 렘콤에 사용된 차이 시간 영역(FDTD, Finite Difference Time Domain) 방법에 따라 산출되었다.

도 6의 (a)와 같은 환경에서 시뮬레이션한 결과는 도 6의 (b)와 같은 환경에서 검증할 수 있는데, 도 6의 (b)는 시뮬레이션 결과를 검증하기 위한 무선 전력 전송 시스템을 나타내며 도 6의 (b)에 도시된 무선 전력 전송 시스템은 생체 측정 안테나, 스티로폼 스페이서, 듀얼 레이어 인쇄 회로 기판(Rogers 6010 기판) 및 컨테이너로 구성된다.

도 6의 (b)를 참조하면, 식염수 용액을 채운 머리 팬텀(HHP, Human Head Phantom)을 통해 데이터를 측정하였다. 두개 내압 모니터링 장치(100)의 반사 계수, 외부 송신 장치(200)의 반사 계수, 두개 내압 모니터링 장치(100)와 외부 송신 장치(200) 사이의 투과 계수는 벡터 네트워크 분석기(VNA)를 통해 측정되었다.

두개 내압 모니터링 장치(100) 및 외부 송신 장치(200) 사이의 무선 통신 성능을 분석하기 위해 연계 예산 분석을 더 수행하였다. 안테나 불일치 손실, 경로 손실, 케이블 손실 및 재료 손실과 같은 통신 시스템 손실로 인해 링크 여유는 0dB 이상일 때 유효한 것으로 간주하며, 10 dB는 더 나은 신뢰성을 위해 최소 기준의 여유로 가정한다. 연계 예산 분석을 위해, 링크 예산의 표준 방정식을 기반으로 무선 링크를 연산하는 데 사용되는 파라미터는 표 2와 같다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 전송 시스템과 원격 통신 매커니즘을 도시한 도면으로, 도 7은 두개 내압 모니터링 장치의 원격 통신 및 무선 전력 전송 시스템의 기능을 중점으로 도시되어 있다.

도 7을 참조하면, 외부 송신 장치(200)의 코일은 두개 내압 모니터링 장치(100)에 시간에 따라 변화하는 EM 에너지를 전송할 것임에 따라, RF 에너지를 DC 에너지로 변환하기 위해 정류기를 필요로 한다.

정류기는 다이오드, DC 패스 필터 및 DC 부하로 구성되는데, 0.6mm 두꼐의 FR4 기판에 형성되며, FR4 기판은 SMA male-to-male 어댑터를 통해 안테나 포트에 결합된 50Ω SMA 커넥터를 장착한 인쇄회로기판과 통합되어 있다.

정류기는 향상된 설계 시스템(ADS, Advanced Design System)에서 최적화되어 50Ω의 임피던스에 효율적인 -15~30dBm의 입력 전력 범위에서 높은 변환 효율을 가진다.

한편 HSMS-286x 시리즈는 우수한 전방 전압, 초저 정전 용량 및 작은 직렬 저항의 특성을 갖는 고성능 다이오드로, 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치(100)는 915MHz~5.8GHz의 주파수 대역에서 사용 가능한 HSMS-2860를 사용할 것이다.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 의한 정류기 회로를 도시한 도면으로, 정류기는 반사 및 전송 손실을 줄이고 전력 이득을 증가시키기 위해서는 생체 측정 안테나(103)와 정류기 사이의 임피던스 불일치를 피해야 한다. 이에 따라 생체 측정 안테나(103)와 정류기 간의 임피던스가 일치하도록 인덕터를 더 포함할 것이다.

피크 투 피크 전압의 정류를 위해 두 단계의 전압 증폭 회로가 요구되는데, 이 때 RF 신호의 양과 음 하프 사이클동안 각 단계에서 전압이 2배가 될 것이다.

두번째 단계에서의 전압 증폭 회로는 전하를 저장하고 전압 리플을 감소시켜 안정적인 DC 전압을 획득하기 위한 전압 커패시터를 포함하고, 이 후 DC 전압은 DC 부하로 공급될 것이다.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 의한 정류기의 전력 변환 효율 및 출력 전압을 나타내는 그래프이다.

도 9는 부하 저항이 15kΩ일 때 회로의 최대 PCE(전력 변환 효율성)와 정류된 출력 전압의 효율성을 나타낸 그래프로, 1900MHz에서 4dBm의 입력 전력이 공급될 때 만족스러운 임피던스 정합 조건 하에서 79%의 PCE가 달성되며, 2dBm의 입력 전력이 공급될 때는 82%의 PCE가 달성된다.

이 때 15kΩ의 부하 저항을 고려한 반면, 실험 설정에서 LED를 사용하여 밝기를 관찰하고 회로의 성능을 분석했다는 점을 고려할 필요가 있다.

도 9에서 알 수 있듯이 15kΩ의 부하 저항에서 최대 7.2V의 전압을 얻을 수 있으며, 특히 PCE는 디지털 멀티 미터(Hioki 3239 Digital HiTester)를 사용하는 입력 전력으로부터 공급되는 LED 전류 및 전압 값을 기반으로 산출되었다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 생체 측정 안테나의 측정 및 시뮬레이션된 반사 계수를 나타내는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 현실적인 이종 모델(Remcom), 균질 모델(AED) 및 식염수 용액에서 수신기 IMD의 |S11|을 비교한 결과를 확인할 수 있는데, 그래프는 다른 두 개의 주파수(915MHz에서의 데이터 측정 모드 및 1900MHz에서의 무선 RF 전력 수신 모드)에서 공명하는 듀얼 밴드의 성능을 나타낸다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 의한 접지면의 슬롯이 생체 측정 안테나의 성능에 미치는 영향을 설명하기 위한 그래프이다. 도 11을 참조하면, 접지면의 슬롯이 고주파수 대역을 스펙트럼의 하단으로 이동시키고 대역폭을 늘리는 데 중요한 역할을 할 수 있음을 알 수 있다. 본 발명의 생체 측정 안테나는 낮은 공진 대역(90MHz(885~975MHz))과 높은 공진 대역(530MHz(1680~2210MHz))에서 -10dB 대역폭을 제공한다.

도 12는 본 발명의 일 실시 예에 의한 외부 송신 장치의 반사 계수를 설명하기 위한 그래프이다.

도 12를 참조하면, 외부 송신 장치(200)는 측정된 -10dB 대역폭이 160MHz(1840-2000MHz)인 1900MHz(단일 대역 모드)에서 작동하도록 튜닝된다. 이는 조립 공차로 인해 두개 내압 모니터링 장치(100)의 측정 및 시뮬레이션된 산란 계수에 변화가 생기는 것을 조절하기 위함이다.

도 12의 우측 하단에 포함된 도면은 균질 피부 팬텀에서 외부 송신 장치의 전기장 분포를 나타낸 것으로, 코일의 기하학적 구조로 인해 균일한 전기장 분포가 달성된다. 전기장 분포는 인체 조직이 손실됨에 따라 전자기 에너지가 깊이를 통해 전파될 때 점차적으로 감소할 것이다.

도 13은 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치 및 외부 송신 장치 사이의 거리에 따라 시뮬레이션 된 전송 계수를 도시한 그래프이다.

도 13을 참조하면, Remcom에서 시뮬레이션된 이기종 매개체에서 외부 송신 장치의 제1 코일 및 제2 코일 사이의 |S21|를 알 수 있다.

무선 전력 전송 시스템에서 생체 측정기 내부 압력 모니터링 장치(100) 및 무선 충전 장치(200) 사이의 거리가 20mm일 때, 1900MHz에서 -24.5dB의 최대 |S21|을 나타낸다.

도 14는 본 발명의 일 실시 예에 의한 두개 내압 모니터링 장치 및 외부 송신 장치 사이의 거리에 따라 측정된 전송 계수를 나타내는 그래프이다.

도 14를 참조하면, 측정된 -25.9dB의 |S21|은 두개 내압 모니터링 장치(100)와 외부 송신 장치(200) 간의 거리가 20mm일 때 달성되는 것을 알 수 있다. 상기 측정된 |S21|의 효율은 두개 내압 모니터링 장치(100)와 외부 송신 장치(200) 사이의 거리가 증가할수록 감소하고, 60mm 거리에서는 최대 -39.7dB까지 감소한다.

도 15는 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전력을 전송하는 시스템의 성능을 입증하기 위한 실험 설정을 설명하기 위한 도면이다.

도 15를 참조하면, 실험 설정은 외부 송신 장치(200)의 코일, 식염수 용역에 담긴 Rx 안테나(생체 측정 안테나), 정류 회로, DC 부하 역할을 하는 녹색 LED로 구성된다.

신호 분석기 Anritsu MS2830A는 1900MHz 주파수 대역의 신호를 생성하고, 생성된 신호는 전력 증폭기(Amplifier Research, AR-15S1G6)에 의해 증폭될 것이다.

증폭된 신호는 외부 송신 장치(200)의 코일을 통해 RF 에너지로 변환될 수 있다. RF 에너지는 동축 케이블을 통해 정류 회로에 연결된 머리 팬텀(HHP)에 있는 생체 측정 안테나(103)로 전송될 것이다.

정류 후 얻어진 DC 신호는 LED에 공급되며, 에너지 수신 성능은 녹색 LED의 밝기에 따라 검증된다. 두개 내압 모니터링 장치(100)의 생체 측정 안테나(103) 및 외부 송신 장치(200)의 거리는 20mm일 것이다.

1900MHz에서 -25.9dB의 효율을 갖는 무선 전력 전송 시스템의 효율성으로 인해, 정류 회로에 3dBm 입력 전력이 제공되고 외부 송신 장치(200)의 전력이 28.9dBm일 때, 녹색 LED는 성공적으로 구동될 수 있다. 이 때 녹색 LED의 전방 전압은 2.1V일 것이다.

녹색 LED에 공급되는 전압은 외부 송신 장치200()의 전력을 증가시킴에 따라 증가되기 때문에, 높은 LED 밝기가 관측된 것이다. 이에 따라 실시간 환경에서 본 발명의 일 실시 예에 의한 무선 전력 전송 시스템의 성능은 검증되었다.

도 16은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 성능에 대한 정류 회로의 효과를 설명하기 위한 그래프로, 이는 PEC 회로 및 안테나 사이의 갭(Gp)을 기반으로 분석되었다.

도 16을 참조하면, PCB 회로 및 센서가 생체 측정 안테나(103)에 매우 근접하면(Gp=0.25mm) WPT 대역에서 주파수의 변화 및 반사 계수의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 높은 공진 대역이 접지면의 슬롯에 의해 제어되기 때문인데, PEC 지지 기판이 생체 측정 안테나의 근처에 배치될 때 접지면은 평평한 PEC 층과 결합하여 상위 주파수를 더 높은 대역으로 이동시킬 것이다.

갭이 증가함에 따라, 정류 회로의 효과는 생체 측정 안테나(103)의 성능에 거의 영향을 미치지 않게 됨에 따라 소정의 두께를 갖는 스티로폼 스페이서가 PEC 층 및 생체 측정 안테나의 사이에 삽입된다.

또한 915MHz에서 데이터 측정 대역이 약간 이동한 것을 확인할 수 있는데, 그럼에도 불구하고 생체 측정 안테나는 여전히 915MHz 주파수 대역에서 동작한다.

도 17은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 방사 패턴을 설명하기 위한 그래프이다. 손실 가능한 사람의 조직 특성으로 인해 인체 조직 내에 이식되는 생체 측정 안테나(103)의 이득은 자유 공간에 설치되는 안테나의 이득보다 현저히 낮을 것이다.

도 17을 참조하면, 생체 측정 안테나(103)는 915MHz에서 -26.8dBi, 1900MHz에서 -18.8dBi의 피크 이득 값을 달성하였다.

도 18은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 공진 주파수에서의 전류 분포를 설명하기 위한 도면이다.

도 18의 (a)를 참조하면, 915MHz에서 라디에이터 소자()에서 전류의 흐름은 1/4파장 모노폴 모드와 동일한 방향으로 흐르며, 도 18의 (b)를 참조하면 1900MHz에서 라디에이터 소자()에서 전류의 흐름은 반대 방향인 것을 확인할 수 있다.

도 19는 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 링크 마진을 시뮬레이션한 결과를 도시한 그래프이다.

도 19를 참조하면, 시뮬레이션 된 링크 마진은 데이터 원격 측정 대역(도 19의 (a)) 및 WPT 대역(도 19의 (b)) 각각에서 측정되었다. 915MHz에서 0.2Mb/s의 전송률로 두개 내부 모니터링 장치(100)는 최대 13m 거리까지 외부 송신 장치(200)와 효과적으로 통신할 수 있으며, 1Mb/s의 경우 최대 5m 거리까지의 통신만을 제공할 것이다.

생체 측정 안테나가 WPT 대역에서 외부 송신 장치와 통신할 경우, 도 19의 (b)에 도시되어 있듯이 링크 마진은 1Mb/s의 전송률에서 최대 10m 거리까지 효과적으로 통신할 수 있다.

도 20은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나의 SAR를 도시한 도면이다.

SAR 표준은 IEEE표준, 즉 IEEE C95.1-1999 및 IEEE C95.1-2005에 따라 환전의 안전을 고려하여 설정되며, 이를 기반으로 인간 조직 1g 및 10g 각각에 대해 SAR는 평균 1.6 및 2W/kg으로 제한될 것이다. 도 20에 도시된 SAR로부터, 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나(103)는 IEEE 표준의 제한 하에서 EM 에너지를 방출하는 것을 알 수 있다.

도 20을 참조하면, 입력 전력을 1W로 설정하였을 때, 915MHz 대역의 경우 평균 SAR는 1g의 조직에서 344.25W/kg, 10g의 조직에서 34.73W/kg으로 측정되었으며, 1900MHz의 경우 평균 SAR은 1g의 조직에서 629.8W/kg, 10g의 조직에서 63.68W/kg으로 측정되었다.

도 21은 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나와 종래의 안테나를 비교한 도면으로, 도 21의 (a)에 표시된 [a]와 [b]는 각각 생체 측정 안테나(103) 및 외부 송신 장치(200)의 크기에 대한 무선 전력 전송 거리의 비율을 의미하고, F는 [a]와 [b]의 곱을 의미하는 데, 이 때 F는 |S21|에 대한 생체 측정 안테나(103)의 크기, 외부 송신 장치(200)의 크기 및 무선 전력 전송 거리에 대한 전반적인 효과를 보여줄 수 있다.

F 값이 증가하면, 전송 효율이 감소한다. 무선 전력 전송 방식, 생체 측정 안테나(103) 및 외부 송신 장치(200)의 크기의 차이로 인한 람다 기반의 거리를 비교할 수 있는데, 이를 통해 RF 에너지가 생체 측정 안테나(103)와 외부 송신 장치(200) 사이의 파장 기반의 분리에서 더 효율적으로 전송됨을 알 수 있다.

도 21의 (b)를 참고하면, 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나(103)는 단일 장치에서 동시 RF 전력 전송 및 생체 원격 통신의 장점을 가짐을 알 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 의한 생체 측정 안테나(103)는 소형 방사 구조가 종래에 사용되던 안테나 중 최신의 것과 유사한 성능을 나타냄에 따라 생체 원격 의료 기기에 사용하기에 적합한 것으로 판단된다.

본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims

사용자의 머리 내부에 부착되며, 외부 송신 장치와 특정 거리만큼 이격되어 상기 외부 송신 장치로부터 RF 에너지를 수신하고, 적어도 하나의 센서를 통해 두개 내압을 측정하는 두개 내압 모니터링 장치; 및
파워 앰프에 의해 증폭되는 주파수 신호를 생성하고, 복수의 코일을 통해 주파수 신호를 RF 에너지로 변환하며, 두 개의 코일이 둘레면을 따라 형성되어 상기 RF 에너지를 상기 두개 내압 모니터링 장치에 제공하는 외부 송신 장치 및 복수 개의 방향으로 각각 돌출된 요철 형상의 가지가 복수 개 포함되어 상기 외부 송신 장치와 통신 가능한 생체 측정 안테나를 포함하는 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전원을 전송하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 두개 내압 모니터링 장치는,
컨테이너;
상기 컨테이너의 내부에 위치하며, 적어도 하나의 센서를 포함하는 정류 회로;
상기 정류 회로의 상측에 형성되는 스티로폼 스페이서; 및
상기 스티로폼 스페이서의 상측에 형성되어 상기 외부 송신 장치와 통신하는 생체 측정 안테나를 포함하는 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전원을 전송하는 시스템.
제2항에 있어서, 상기 생체 측정 안테나는,
상판;
상기 상판의 하부에 위치하여 복수의 영역으로 구성되며, 상기 복수의 영역 중 어느 하나의 영역에 단락핀을, 다른 하나의 영역에 동축피드를 포함하는 라디에이터 소자;
상기 라디에이터 소자의 하부에 형성되는 유전체 기판; 및
상기 유전체 기판의 하측에 형성되며, 상기 단락핀을 통해 상기 라디에이터 소자와 전기적으로 연결되는 접지면을 포함하는 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전원을 전송하는 시스템.
제3항에 있어서, 상기 라디에이터 소자는,
가지 사이의 간격의 복수의 요철 형상(凸)의 가지를 포함하는 제1 영역;
상기 제1 영역의 요철(凸) 형상의 가지의 끝부분과 연장되며 서로 다른 간격의 복수의 요철 형상(凸)의 가지 및 동축피드를 포함하는 제2 영역;
아래쪽부터 위쪽 방향으로 생성된 복수의 요철(凸) 형상의 가지를 포함하는 제3 영역; 및
상기 제3 영역의 복수의 요철(凸) 형상의 가지 중 마지막 요철(凸) 형상의
가로 길이와 동일한 길이로 형성된 제1 가지, 상기 제1 가지의 윗변에서 특정 간격만큼 이격된 거리에 상기 제1 가지의 폭보다 좁은 폭 및 짧은 길이로 형성된 제2 가지를 포함하는 제4 영역을 포함하는 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전원을 전송하는 시스템.
제1항에 있어서, 상기 외부 송신 장치는,
상기 외부 송신 장치의 둘레면을 따라 형성되는 제1 코일; 및
상기 제1 코일로부터 특정 간격만큼 이격되어 상기 외부 송신 장치의 둘레면을 따라 형성되는 제2 코일을 포함하되,
상기 제1 코일 및 제2 코일은 대각선 스트립을 통해 연결되는 생체 이식 가능한 두개 내압 모니터링 장치에 무선 전원을 전송하는 시스템.