KR102477156B1 - 센서 - Google Patents

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KR102477156B1
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메디칼 와이어리스 센싱 엘티디
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Abstract

생체물질로 또는 생체물질로부터 전자기 방사를 커플링하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 전자기 방사의 제1 파장 이하의 두께를 갖는 기판부; 및 기판부에 의해 지지되는 복수의 요소를 포함하는 제1 메타물질을 포함하되, 각 요소는 전자기 방사의 제1 파장 이하의 제1 크기를 가지며 복수의 요소 중 적어도 두 개의 요소는 비일치하는 것을 특징으로 한다.

Description

센서{Sensor}
본 개시는 생체표본(biological sample)으로 또는 생체표본으로부터 전자기 방사(electromagnetic radiation)를 커플링(coupling)하되, 생체표본 내부로의 또는 생체표본으로부터의 전자기 방사 커플링을 향상 또는 증가시키기 위해 구성된 장치(device), 구조(structure), 매개체(medium), 코팅(coating) 또는 층(layer)에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 반사를 감소하기 위해 형성된 장치, 구조, 매개체, 코팅 또는 층에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 본 개시는 반사방지(antireflection) 구조, 반사방지 층 및 반사방지 코팅에 관한 것이다. 더욱 특별히 본 개시는 메타표면(metasurface)에 관한 것이다.
생체물질(biological material)을 분석하기 위한 가장 일반적인 방법에는 산도(acidity), 페록사이드(peroxide) 인덱스, UV 분광법, 박막 크로마토그래피(chromatography), 가스 크로마토그래피, 고성능 액체 크로마토그래피, 라만(Raman) 분광법 및 UV 분광법 등이 포함된다. 이러한 절차의 단점 중 하나는 일반적으로 이러한 절차들이 노동집약적이고 시간 소모적인 절차에 의해 준비되는 구성요소의 격리 및 분석을 필요로 한다는 것이다. 이미 정립되어 있는 절차의 분석 결과와 유사하거나 더욱 우수한 결과를 생성할 수 있으면서도 표본처리가 거의 필요없는 새로운 방법이 구현된다면 매우 유용할 것이다. 기존의 방법들은 동물 체내에 존재하는 혈류 성분과 같은 생체물질의 내층의 특성을 분석하는 데에는 적절하지 않다. 피부, 지방 및 근육층은 외부 신호가 혈액까지 도달하는 것을 방해하기 때문에 특성 분석이 극도로 어렵고 오류를 초래하는 경향이 있다. 생체물질이 인공 용기(병 또는 불투명한 플라스틱 상자) 내부에 있는 경우, 빛에 기초한 방법들은 용기 내부로 빛을 입사시킬 수 없기 때문에 생체물질의 내층 특성 분석에서와 동일한 문제에 직면하게 된다.
물질(생체물질뿐만 아니라)의 특성을 분석하기 위한 여러 방법 중 표본의 특성을 분석하기 위해 마이크로파 또는 고주파를 이용하는 유전체 분광법(dielectric spectroscopy)이 있다. 이 방법을 이용하면, 고주파 신호(일반적으로 안테나로부터 생성되는)를 테스트 대상 표본(sample under test; SUT)을 향해 방출하고, 테스트 대상 표본으로부터 반사 및 투과되는 신호를 기록하고, 이 신호를 테스트 표본의 물성으로 변환(예를 들어, 물 속에 존재하는 설탕 또는 소금의 양 또는 우유 속의 박테리아 농도)함으로써 이 테스트 표본의 전자기 특성(예를 들어, 유전율(permittivity) 및 투자율(permeability))을 평가할 수 있다.
생체물질의 특성분석은 인체 혈액의 포도당 농도(당뇨 환자에 대한)와 같은 특정 분야에서 매우 유용하다.
당뇨는 혈액 내 높은 포도당 수치로 특징되는 질병이다(고혈당증, hyperglycaemia). 당뇨는 전세계 인구의 8.3% 즉, 3억7천만명의 유병률을 보이고 있으며 2030년에 5억5천만명까지 이르게 될, 전세계에서 다섯 번째로 가장 흔한 사망의 원인이다. 당뇨 및 관련 합병증에 대한 비용은 EU(유럽연합)에서 매년 1300억달러, 미국에서 2012년 2450억 달러로 예측되어(2007년 1740억 달러에서) 매년 큰 폭으로 증가하고 있다. 당뇨는 혈관 손상, 심혈관 질병, 신장 장애, 신경 질환(신경 손상) 및 당뇨성 망막증 등을 포함하는 이차 합병증으로 이어질 수 있기 때문에 관리되지 않은 당뇨의 비용은 상당하다. 또한, 이러한 합병증이 진전됨에 따라 치료 부담은 더욱 커진다.
당뇨상태를 관리하는 방법은 있지만, 당뇨에 대한 치료제는 아직 알려진 바 없다. 당뇨관리는 포도당 측정계를 이용한 혈당 수치의 정확한 측정에 일차적인 초점을 둔다. 혈당을 정확히 측정해야 인슐린의 올바른 주사량(유형 I 환자)을 알 수 있고, 또는 경구 당뇨 치료제(유형 II 환자)를 섭취할 수 있게 할 수 있어 환자에 대한 더욱 강력한 통제를 가능케 하기 때문이다. 혈당 수치의 정확하고 시의적절한 감시가 절대적으로 중요하다.
당뇨의 관리 및 감시에 막대한 비용이 발생하고 있으며 EU에서 발생되는 당뇨에 대한 비용은 EU 전체 보건예산의 10%를 차지한다. 당뇨와 같은 만성 질병관리에 있어서 이와 같은 방법은 극도로 비용이 많이 드는 방법임을 알 수 있다. 진단 초기에 당뇨를 잘 관리하면 더욱 비용이 큰 합병증을 예방할 수 있도록 돕는다. 포도당 통제 및 관리를 잘 하는 것은 관리되지 않은 당뇨로부터 발생하는 입원 횟수를 감소시키기 위해, 정부가 시행하고 있는 선제조치 중 일부이다. 따라서 건강관리 공급자(healthcare provider)가 감시를 철저히 하고 정확도를 개선하는 것은 큰 비용절감으로 이어진다. 이에 따라 당뇨에 연관된 재정적 부담 증가를 방지할 수 있다.
비침습(non-invasive) 포도당 감시 시스템은 건강에 상당한 영향을 줄 것이다. 첫째, 비침습 포도당 감시 시스템은 위한 채혈의 필요성을 없앨 것이다. 결과적으로, 손가락을 찔러서 발생하는 고통, 고가의 스트립(strip), 위생과 감염문제 및 치명적인 오작동을 일으킬 수 있는 포도당 감시 오염 리스크를 없앨 것이다. 둘째, 건강보험 시스템에 의해 완전히 지원받지 못하는 즉, 유형 II 당뇨 및 당뇨 초기단계 환자의 주기적인 감시를 위해 접근할 수 있을 것이다.
마지막으로, 이러한 시스템은 펌프를 자동적으로 조정하는 빌트인(built-in) 피드백 기능을 이용하여 투약을 조절하는 인슐린 펌프에 의존하는 환자에게 이상적이다.
한편, 여러 비침습 생체의학(biomedical) 애플리케이션은 인체를 포함한 생체물질을 통과하는 전자기 방사의 상호작용(interaction) 또는 전파(propagation)에 기초한다. 그럼에도 불구하고, 마이크로파의 본질과 생체조직과의 상호작용에 기인하는 근본적인 난점들이 확인되었다. 피부는 공기에 비하여 상대적으로 유전율(permittivity)과 도전성(conductivity)이 크므로 입사되는 고주파를 차단하고 반사한다. 전자기적 관점으로 보면 임피던스 부정합(mismatch)이 발생한다. 이 임피던스 부정합 때문에 송신 에너지가 감소되고 적용되는 기술의 정확도가 감소된다. 송신 에너지 열화와 적용되는 기술의 정확도 감소는 의학적 용도를 위한 고주파 전파에 있어 가장 심각한 문제일 것이다. 이 문제는 주요 의학 애플리케이션 예를 들어, 마이크로파 이미징 기술 및 혈당 감시의 해상도와 정확도의 열화를 초래하는 한편, 고열치료(hyperthermia) 등에 있어 잠재적으로 유해한 에너지가 더 많이 요구되는 등의 다양한 한계점을 초래한다.
만약 임피던스 부정합 문제가 이미 해결될 수 있었다면, 전력 소모가 낮고 더 작은 공간을 차지하는 훨씬 정확한 장치를 사용할 수 있었을 것이기 때문에 고주파의 의학적 애플리케이션에 엄청난 영향을 미쳤을 것이다.
최근, 관련분야 및 본 발명자의 선행 특허출원인 GB2500719에서 몇 가지 개선사항이 제안되었으며, 목표물에 대한 전자기 방사의 커플링을 개선하기 위해 메타물질(metamaterial)을 이용하여 구성된 장치를 개시하였다.
메타물질은 음의 굴절율(negative index of refraction) 또는 전자기 위장(cloaking)과 같이, 자연적으로 발생하지 않는 전자기적 특성을 얻어낼 수 있도록 하는 인공적으로 생성된 물질을 말한다.
메타물질의 이론적 특성은 1960년대에 최초로 발표되었지만, 메타물질의 설계, 엔지니어링 및 제조의 중대한 발전은 지난 10-15년 동안 이루어졌다. 메타물질은 일반적으로 단위 셀의 배수 즉, 동작 주파수보다 작은 일반적으로 훨씬 작은 크기를 갖는 (종종 "메타원자(meta-atoms)"로 불리는) 다중 개별요소로 구성된다. 각 요소는 적어도 하나의 "서브파장(sub-wavelength)" 크기를 갖는다고 볼 수 있다. 그러나 공진 또는 거시적 유전율 및 투자율에 대한 통상적이지 않은 값을 생성하는 바에서와 같이, 메타물질의 정확한 형상, 기하구조, 크기, 방향 및 배열은 거시적으로 방사에 영향을 미칠 수 있다.
음의 굴절률 메타물질, 키랄(chiral) 메타물질, 플라즈몬(plasmonic) 메타물질, 광자(photonic) 메타물질 등이 현재 이용 가능한 메타물질이다. 메타물질이 본질적으로 서브파장 특징을 나타내기 때문에, 가시광 주파수에서 동작하는 메타물질의 단위 셀은 수 나노미터 크기를 갖지만, 마이크로파 주파수 대역에서 동작하는 메타물질의 단위 셀은 수 밀리미터의 크기를 갖는다. 메타물질은 좁은 특정 주파수 대역의 전자기 방사를 강력하게 흡수할 수 있다.
일반적인 물질의 경우, 투자율 및 유전율과 같은 전자기 파라미터는 전자기파가 투과하는 물질을 구성하는 원자 또는 분자의 반응에 의해 정해진다. 메타물질의 경우에는 이러한 전자기 특성이 원자 또는 분자 수준에서 결정되지 않고, 메타물질을 구성하는 도전성 구성요소 또는 요소와 같이 더 작은 물질의 집합적 선택 및 구성에 의해 결정된다. 비록 이러한 물질의 집합과 구조는 일반적인 물질에서와 같이 원자 수준으로 "보이지는" 않지만, 전자기파가 일반적인 물질을 통과하는 상황이라고 가정하여 메타물질의 구조를 디자인할 수 있다. 덧붙여, 메타물질의 특성이 작은 물질의 조성과 구조로부터 결정되기 때문에 투자율과 유전율과 같은 메타물질의 전자기적 특성은 매우 작은 스케일에서 활성화될 수 있다.
GB2500719는 단위 셀의 주기적 어레이를 포함하는 메타물질의 사용을 개시한다. 참고로, 단위 셀은 규칙적이고 어레이도 규칙적이다.
본 개시는 본 발명자에 의해 고안된 향상된 개선사항을 제공한다.
개요
생체물질 내부로 또는 생체물질로부터 전자기 방사를 커플링하기 위한 장치를 제공한다. 장치는 적어도 두 개의 메타원자 요소가 다른 메타물질을 포함한다. 특히, 메타물질 요소의 크기 및/또는 형상이 다르다. 선택적으로, 메타물질 요소 중 적어도 일부는 비대칭이거나 오직 한 대칭축만을 포함한다. 선택적으로, 메타물질 요소의 어레이는 불규칙적이다. 구성요소의 차원은 애플리케이션에 적합하도록 최적화된다. 또한 두 개의 커플링 장치를 포함하는 센서를 제공한다.
본 발명에 따른 일 실시예는 생체표본으로 또는 생체표본으로부터 전자기 방사를 커플링하되, 생체표본 내부로의 또는 생체표본으로부터의 전자기 방사 커플링을 향상시키는 데에 주된 목적이 있다.
본 발명에 따른 일 실시예는 생체물질(biological material) 내부로 또는 생체물질로부터 방출되는 전자기 방사(electromagnetic radiation)를 커플링하기 위한 장치에 있어서, 상기 전자기 방사의 제1 파장 이하의 두께를 갖는 기판부(substrate unit); 및 상기 기판부에 의해 지지되는 복수의 요소를 포함하되, 각 요소는 상기 전자기 방사의 제1 파장 이하의 제1 크기(dimension)를 가지며, 상기 복수의 요소 중 적어도 두 요소는 비일치하는(non-identical) 제1 메타물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 일 실시예는 생체표본으로 또는 생체표본으로부터의 전자기 방사를 커플링하되, 생체표본 내부로의 전자기파 커플링 또는 생체표본으로부터의 전자기파 커플링을 향상 또는 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 주기적 패턴을 갖는 메타표면(metasurface)을 도시한다.
도 2는 비주기적 패턴을 갖는 메타표면을 도시한다.
도 3은 주기적으로 배열된 다중 메타표면층을 도시한다.
도 4는 비주기적으로 배열된 다중 메타표면층을 도시한다.
도 5는 수직으로 입사된 전자기 방사를 45°각도로 굴절시키기 위한 면임피던스(sheet impedance)의 실수부(real)와 허수부(imaginary)를 도시한다.
도 6은 도 5의 면임피던스로부터 도출한 반사 및 투과 계수를 도시한다.
도 7은 디자인 표본의 메타표면 요소를 다양한 시점에서 관찰하여 도시한다.
도 8은 디자인 표본의 최상부 메타표면 성분의 평행 구리바의 길이를 변화시키면서 구한 S-파라미터(S-parameter)를 도시한다.
도 9는 바닥 메타표면 요소의 금속링의 갭을 변화시키면서 구한 S-파라미터를 도시한다.
도 10은 메타물질 요소의 차원을 최적화하는 과정을 도시한다.
도 11a는 60 GHz에서 메타표면 요소의 최적화된 기하구조 특성을 도시한다.
도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 구조를 도시한다.
도 11c, 도 11d 및 도 11e는 본 발명의 실시예에 따른 메타표면 구조를 다양한 시점에서 관찰하여 도시한다.
도 11f, 도 11g 및 도 11h는 평면 근접장(Planar Near-Field) 집광부의 예시도이다.
도 11i는 본 발명의 일 실시예에 따른 메타표면이 인체 표면에 위치하는 경우의 전력 투과에 대한 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 12a 내지 도 12m은 몇 가지 디자인 구성도이다.
도 13은 시스템의 개요도이다.
도 14a는 본 발명의 실시예에 따른 센서 측정장치의 시스템 구성요소를 도시한다.
도 14b는 본 발명의 실시예에 따른 다른 센서 측정장치의 시스템 구성요소를 도시한다.
도 15a 내지 도 15d는 단일센서 및 이중센서의 몇 가지 예시도이다.
도 16은 임피던스 분석기(impedance analyzer)를 포함하는 가변(tunable) 안테나를 도시한다.
도 17a 내지 도 17c는 동작 중인 센서를 도시한 도면이다.
도 18a 및 도 18b는 사람 손을 투과하여 측정하는 측정 시스템의 등각투영도(isometric views)이다.
도 19a 및 도 19b는 (a) 주기적 패턴 및 (b) 비주기적 패턴으로 구성한 안테나를 이용한 메타표면의 분해도이다.
도 20은 안테나와 세 개의 메타표면층의 측면 분해도(exploded side view)이다.
도 21은 물과 포도당을 포함하는 표본에 포함된 포도당의 농도에 따른 출력신호를 도시한다.
도 22는 물과 포도당, 물과 포도당과 소금 및 물과 소금을 포함하는 표본에 포함된 포도당의 농도에 따른 출력신호를 도시한다.
도 23은 아주 적은 양의 물과 포도당을 포함하는 표본에 포함된 포도당의 농도에 따른 출력신호를 도시한다.
도 24는 팜 커넬 오일(palm kernel oil) 및 채종유(rapeseed oil) 혼합물에 포함된 팜 커넬 오일의 농도에 따른 출력신호를 도시한다.
도 25는 서로 다른 오일 종류에 대한 콜-콜 모델(Cole-Cole model)의 릴렉세이션 주파수를 도시한 그래프이다.
도면에서의 참조번호는 각 구성요소를 가리킨다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 일 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 일 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따른 실시예의 구성요소를 설명하는 데 있어서 제1, 제2, ⅰ), ⅱ), a), b) 등의 부호를 사용할 수 있다. 이러한 부호는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 부호에 의해 해당 구성요소의 본질 또는 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한 명세서에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 또는 '구비'한다고 할 때, 이는 명시적으로 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
실시예들은 식물 물질(plant material), 동물 물질(animal material) 또는 생명체의 형태(life form)로 발견될 수 있는 기타 물질 중 하나인 "생체물질(biological material)"을 말한다. 일부 예시는 인체 조직(손, 피부, 근육, 귀 등), 동물 조직(예를 들어, 쥐, 소 또는 돼지), 물, 혈액, 우유, 타액, 눈물, 오줌, 탄산음료, 과일 주스, 와인 및 오일을 포함한다. 그러나 본 개시는 여타의 다른 생물학적 표본에도 동등하게 적용될 수 있다는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시예들은 대칭축을 갖지 않는 형상과 오직 하나의 대칭축을 갖는 형상을 포함하는 "불규칙적인" 형상을 개시한다.
메타물질(metamaterial)은 전자기파의 제1 파장 이하의 두께를 갖는 기판부(substrate); 및 기판부에 의해 지지되는 복수의 요소를 포함하되, 각 요소는 전자기파의 제1 파장 이하의 제1 크기(dimension)를 갖는다. 실시예들은 특별한 형태의 메타물질로 고려되어야 할 "메타표면(metasurface)"을 개시한다. 구체적으로, 메타표면은 복수의 요소 중 적어도 두 요소의 크기, 형상, 방향 및 조성이 비일치하거나 다른 메타물질이다. 메타표면은 오직 2차원적인 구조를 갖는다.
전자기파 방사를 커플링하기 위한 장치
본 개시는 피부를 통과하는 고주파의 투과도를 향상시키기 위한 특정 유형의 메타물질의 사용을 설명하고 부정합 문제(mismatch problem)의 해결책을 제시한다. 메타물질들 일부의 새롭고 특별한 전자기적 특성을 이용함으로써 투과도 향상을 달성한다.
일반적으로, 메타물질은 주기적 패턴으로 배열된 단위 셀을 포함한다. 그러나 본 발명자는 "메타표면"으로 불리는 특정 유형의 메타물질이 생체표본, 특히, 용기에 들어 있는 생체표본으로 전자기 방사를 커플링하는 데에 유용하다는 것을 인지하였다.
메타표면은 만들기 쉬울 뿐만 아니라 저손실 구조를 형성하기 쉽다. 메타표면의 특성은 주기성과 구성요소의 설계에 의해 결정된다. 동일한 요소의 주기적 어레이인 여타 메타물질과는 달리, 메타표면은 통상 서로 다른 요소의 조합으로 구성된다. 또한, 메타표면의 요소들이 반드시 주기적으로 배열되어야 하는 것은 아니다. 본 개시는 복수의 요소 중 적어도 두 서브파장(sub-wavelength) 요소의 형상 및/또는 크기 및/또는 조성 및/또는 방향이 다른 메타물질에 관한 것이다.
도 1은 본 개시에 따라 기판부(101) 및 복수의 요소(103)를 포함하는 메타표면(100)을 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 복수의 요소(103)는 크기와 형상이 다르다. 그러나 본 실시예에서의 복수의 요소(103)는 상당히 규칙적인 어레이로 구성된다. 즉, 인접한 복수의 요소의 중심 사이의 간격이 두 직교(orthogonal) 방향에 대해 상당히 일정하다.
따라서 전자기 방사를 커플링하기 위해 구성된 장치에 있어서, 이 장치는 전자기 방사의 제1 파장 이하의 두께를 갖는 기판부; 및 기판부에 의해 지지되는 복수의 요소를 포함하되, 각 요소는 전자기파의 제1 파장 이하의 제1 크기를 가지되, 상기 복수의 요소 중 적어도 두 개의 요소는 비일치하는 제1 메타물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명자는, 메타표면을 이용하면, 종래의 메타물질에서 발생하는 공진에 기인한 손실을 상당히 감소시킨다는 것을 발견하였다. 사실상, 복수의 요소 중 적어도 두 개의 요소가 비일치하는 메타물질을 이용하면, 손실이 거의 없는 시스템을 생성할 수 있다는 것을 발견하였다. 더욱이, 메타표면과 같은 유형의 메타물질은 매우 얇고 만들기가 쉽다. 메타물질의 이러한 장점 덕분에, 메타물질은 생체물질 특히, 용기에 들어있는 생체물질을 감지하기 위한 센서로 훨씬 바람직하다. 특히, 이러한 장점으로 인해, 생체물질을 감지하는 센서가 반사방지 코팅과 같은 반사방지 구성요소에 적용될 수 있다. 요소들의 크기 및/또는 형상을 조절하면, 전자기 방출의 임피던스를 정합하거나 조형(shaping)할 수 있기 때문에 전술한 장점들을 얻을 수 있다.
일 실시예에서 제1 크기는 전자기 방사의 전파 방향이다. 실시예들에서 제1 차원은 각 요소의 두께이다. 따라서 복수의 요소는 더 큰 체적을 필요로 할 만큼 큰 에너지를 저장하도록 설계되지는 않는다. 실시예들에서 각 요소의 모든 크기는 전자기 방출의 파장 이하이다. 실시예들에서 제1 파장은 제1 파장을 포함하는 파장대역을 포함한다.
도 1에 도시된 복수의 요소(103) 중 일부는 불규칙(irregular)이거나 비대칭(asymmetric)으로 할 수 있다. 즉, 일 실시예에서 복수의 요소 중 적어도 한 요소는 불규칙한 형상을 갖는다. 일 실시예에서 복수의 요소 중 모든 요소가 불규칙한 형상을 갖는다. 불규칙성(irregularity) 때문에 자유도(degrees of freedom)가 더욱 커지므로 메타표면의 특성은 더욱 정밀하게 튜닝(tuned)될 수 있다.
일 실시예에서 생체물질은 용기에 구속된다. 실시예들에서 용기는 생체물질을 에워싼다. 생체물질이 혈액인 일 실시예에서 용기는 피부를 포함한다. 생체물질이 식재료인 일 실시예에서 용기는 플라스틱 병이다. 더욱 상세한 복수의 예시는 다음과 같다.
도 2는 복수의 요소가 비주기적인(non-periodic) 패턴으로 나열된 일 실시예를 도시한다. 도 2를 참조하면, 메타표면(200)은 기판부(201) 및 불규칙적으로 배치된 복수의 요소(203)를 포함한다. 복수의 요소(203)의 크기와 형상 또한 불규칙적이다. 복수의 요소가 모두 불규칙적으로 배열될 필요는 없다. 일 실시예에서 복수의 요소(203) 중 일부가 불규칙 어레이로 구성된다. 다른 일 실시예에서 복수의 요소(203) 모두가 불규칙 어레이로 구성된다. 복수의 요소(203)를 불규칙적으로 배치함으로써 메타표면의 특성을 더욱 미세하게 튜닝할 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시한 메타표면은 대체로 평면적이다. 즉, 일 실시예에서 기판부는 평면적이다. 메타표면은 메타표면의 평면에 수직한 방향으로 전자기파를 통과시키도록 설계된다. 다른 실시예들에서 메타표면은 비평면적이거나 구형(spherical) 또는 원통형(cylindrical) 형상과 같이 곡면일 수 있다. 실시예들에서 기판은 연성(flexible)이다. 이 경우, 전자기 방사는 부피가 작은 메타물질을 통과하기 때문에 메타표면을 통과하면서 발생하는 손실은 감소한다.
일 실시예에서 기판부는 유전체이고 복수의 요소는 도전성을 띤다. 일 실시예에서 복수의 구성요소는 브래그(Bragg) 반사기를 포함하는 조성물 및 나노조성물은 물론 금속과 같은 균일한 물질을 포함하는 도전성 물질로 형성될 수 있다. 복수의 요소는 예를 들어, 은, 금, 구리 및/또는 알루미늄, 또는 관심 파장에서 반사를 일으킬 수 있는 모든 기타 금속물질로 형성될 수 있다.
통상의 기술자라면 유전체 지지 구조 상에 도전성 구성요소를 생성할 수 있는 모든 기법이 메타물질을 형성하기에 적합한 방법이라는 것을 이해할 것이다. 실시예들에서 식각(etching), 감광제 식각, 전자인쇄(e-printing) 또는 리소그래피(lithography) 기법이 사용된다.
또 다른 일 실시예에서 기판부는 도전성을 띠고 복수의 요소는 유전체일 수 있다.
복수의 요소의 두께는 수 마이크로미터에서 수 센티미터일 수 있다. 요소의 적어도 한 방향의 크기는 서브파장, 즉 파장 이하이다.
복수의 금속 및 유전체 요소가 "서브파장"의 주기적 배열을 가지면 주기적 도전성 요소는 공진 주파수(또는 공진 파장)에서 공진한다. 통상의 기술자라면 적어도 부분적으로 공진이 발생할 수 있는 주파수가 공진주파수에 중심 주파수를 둔 협대역이라는 것을 이해할 것이다. 전자기 방사는 예컨대 공진주파수에서 메타물질에 의해 적어도 부분적으로 "포집(captured)"될 것이고 보강간섭에 의해 증폭될 수 있다. 메타물질은 "도파로" 내부의 전기장을 구속하고 포함하며 증폭을 일으킬 수 있는 도파로의 한 형태를 형성한다. 따라서 대상체(target) 내부로 전자기 방사의 침투를 증가시키기 위한 장치가 제공된다.
실시예들에서 장치는 공급원(source) 및 대상 매개체(target medium)에 적합하도록 튜닝된다. 입사파는 메타물질에 형성된 도전부의 최소저항경로(path of least resistance)를 따라 이동한다는 것은 알려져 있다. 예를 들어, 공급원이 평면파의 전자기 방사를 제공한다면 대칭적인 도전성 요소가 선호될 것이다. 도전체의 형상과 구성은 입사파의 편광(Polarization)을 정합시키기 위해 선택될 수도 있다. 예를 들어, 수평 및 수직 형상을 갖는 도전성 요소는 수평방향 및 수직방향으로 편광된 전자기 방사에 유리할 것이다.
도전성 요소는 관심파장(wavelength of interest)에 대해 최적화된 길이를 갖는 구조적 특징을 포함할 수 있다. 실시예들에서 주된 특징의 길이는 입사파의 대략 반파장이다. 예컨대, 나선(spiral) 또는 정규 미앤더(regular meander)와 같이 긴 요소를 갖는 도전성 구성요소는 상대적으로 긴 공진파장을 가질 수 있다. 예컨대, 정규 미앤더 나선의 권취 횟수는 공진파장을 증가시키기 위해 증가될 수 있다. 도전성 요소는 원형 또는 타원 편광 전자기 방사에 최적화된 좌편광(left-handed) 또는 우편광(right-handed) 나선과 같이 회전 요소를 포함할 수 있다. 요소의 형상 및 크기는 실험적 또는 수치해석적으로 최적화될 수 있다.
실시예들에서 복수의 요소의 형상은 특정 파장에서 전자기 방사의 침투를 증가시키도록 하는 방법으로 수치해석 시뮬레이션을 통해 최적화될 수 있다. 요소들의 형상은 출력파가 전자기파의 전송을 최대화하거나, 집광파를 발생시키는 위상면(phase front)을 갖도록 하거나 특정 편광(예를 들어, 선형 또는 우원편광(right hand circular))을 갖도록 하는 등, 입사파의 진폭 및 위상을 변경시키기 위해 최적화될 수 있다. 일 실시예에서 시스템 모델은 전자기 시뮬레이터를 이용하여 설계될 수 있다. 이 모델은 공급원 매개체(source medium), 장치 구성요소 또는 구성요소, 대상 매개체(target medium) 및 이미징되어야 할 필요가 있는 대상 매개체에 포함된 모든 기타 특징들을 포괄하는 시스템의 모든 구성요소를 포함한다. 그리고 유전율, 투자율, 도전성 또는 손실과 같은 각 구성요소는 주파수에 대한 함수의 형태로 정의된다. 시스템의 S-파라미터(반사율 및 투과율)가 주파수에 대한 함수로 정의된다. 투과율이 극대화되어야 하는 주파수 범위는 시스템의 최적 운영범위를 나타낼 수 있다. 다른 실시예들에서 전자기 방사는 투과율을 극대화하기 위함이 아니라, 각 메타표면 요소 후방의 각 위치에서 특정 위상과 진폭을 갖는 전자기파를 형성하기 위한 것이다. 예컨대, 위상은 입사된 전자기파 임의의 각도로 전파하는 출력파를 형성하도록 메타표면 요소들을 따라 선형적으로 변화될 수 있다. 요소들의 기하구조가 변경되면, 투과율 최대값도 이에 따라 변할 것이다. 따라서 동작 주파수를 특정 주파수 또는 관심 주파수(예를 들어, 입사파를 생성하는 안테나 시스템의 전자기 방사 주파수)로 튜닝하기 위해 형상(또는 주기)을 변경할 수 있다.
메타물질의 동작원리 중 하나는 메타물질이 특정 주파수 근처에서 고도의 공진성을 보인다는 것이다. 이러한 주파수 영역에서 고도로 공진하는 메타물질에 전자기파가 방사되면 투과는 수 배 증폭되고 이에 따라 대상체에 대한 전자기파 침투도 증가하게 된다. 즉, 복수의 요소는 전자기 방사의 제1 파장에서 공진하도록 함께 배열된다. 공진 조건은 어레이 요소의 기하구조에 의해 결정되고, 특정 대상체 상에 배치되는 경우에는 투과를 위해 최적화된다. 즉, 장치의 구성요소는 대상체에 적합하도록 맞춤화된다.
복수의 요소 중 각 요소는 공급원, 용기 및 생체물질에 적합하도록 개별적으로 튜닝될 수 있다. 본 개시에 따른 메타표면을 설계하기 위해, 메타표면은 전송선 요소(transmission line element)로 모델링될 수 있다. 예를 들어, 메타표면은 두 매개체 사이에서 정합 스터브(matching stub)로 동작할 수 있고, 정합 스터브의 임피던스는 하나의 매개체에서 다른 하나의 매개체로 전송이 최적화되도록 설계될 수 있다. 투과 계수(transmission coefficient)는 해석적 모델링을 이용한 면임피던스(sheet impedance)와 연관이 있다. 메타표면의 단위요소는 메타표면에 결합되면 관심 주파수에서 요구되는 응답을 생성하도록 맞춤설계되고, 전술한 과정을 통해 설계된 메타표면의 임피던스는 반사를 최소화하면서 입사파의 투과를 극대화할 수 있다.
실시예들에서 메타표면은 특히, 투과된 측에서의 인체조직과 상호작용을 일으키도록 설계되고 사용된다. 메타표면은 구체적으로 1) 조직 또는 생체 표면을 통과하는 투과를 극대화하고 및/또는 2) 수신표면 내부의 특정 지점에 입사 에너지를 집속하도록 설계된다. 메타표면의 설계는 입사파가 가져야 하는 바람직한 위상에 기초하여 메타표면 요소의 형상을 최적화함으로써 달성될 수 있다.
전송선 이론(transmission line theory)에 따르면 메타표면이 공기와 피부조직 사이에서 정합 스터브로서 동작할 수 있다. 공기와 피부 사이의 특성을 알면, 투과 및 반사계수를 도출하고 메타표면의 면임피던스와 연계할 수 있다. 입사파를 미시적으로 "조작"하고 임피던스 정합을 위한 필수 리액턴스(reactance)를 제공하는 서브파장 단위요소의 맞춤설계는 이러한 임피던스 특성에 의해 결정될 것이다. 서브파장 단위요소는 수치해석 컴퓨터 환경을 이용한 특정 수치해석을 수행함으로써 맞춤설계된다. 모델링 이후, 전자기적 평가 소프트웨어를 이용하여 계산된 구조를 평가하고 최적화한다.
기판은 조형된 요소들(shaped elements)에 대한 지지 구조 역할을 한다. 실시예들에서 조형된 요소는 기판의 표면 상에 코팅된다. 복수의 다른 실시예에서 조형된 요소는 기판 내부에 내장된다. 통상의 기술자라면 조형된 요소 어레이가 기판 상에서 여러 가지 방법으로 지지될 것이라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 실시예들에서 이 장치는 복수의 금속성층 및/또는 유전체층을 포함하는 다층 소자이다.
메타표면 설계 예
다음은 메타표면 어레이의 설계 방법에 대한 예시이다.
메타표면은 입사파에 특정 위상 및 진폭 변화를 일으키도록 설계된다. 메타표면의 특성은 메타표면 전후방의 바람직한 전기장 및 자기장의 비율에 의해 추출된다.
메타표면 설계의 첫 번째 과정은 동작 주파수에서의 필요한 면임피던스를 결정하는 것이다.
Figure 112016080114050-pct00001
Figure 112016080114050-pct00002
여기서, Yes 및 Zms는 각각 메타표면의 면어드미턴스(sheet admittance)와 면임피던스이다(주파수와 위치의 함수). H 및 E는 메타표면 주변의 전기장 및 자기장이다. 아래첨자(y 또는 z)는 벡터필드 구성요소를 나타내고, 위첨자는 메타표면 전방(지수 = 1) 또는 후방(지수 = 2)의 위치를 나타낸다. 이 예시에서 전자기파는 x방향으로 전파하고 메타표면은 y-z 평면에 위치한다.
이 예시는 공기 중으로부터 입사되는 60 GHz의 평면파를 45°로 굴절하기 위한 메타표면의 설계와 관련된다. 투과측 상의 대상 매개체(예를 들어, 생체물질) 내부의 특정 지점에 전자기파를 모아주거나 또는 임피던스를 정확히 정합시키기(투과를 극대화) 위해 설계될 수 있다. 이 설계에서의 중요한 요인은 메타표면 요소를 통과하기 직전과 메타표면 요소를 통과한 직후의 위치에서 전기장과 자기장의 비율이다.
메타표면 길이를 변화시키면서 전기장 및 자기장을 계산한 결과는 도 5에 나타낸 바와 같다.
도 5에는 주기성을 도시하였다. 이 주기성 때문에 메타표면이 주기성을 띠고, 이 주기는 개별 단위 셀로 구분될 것이다. 해상도를 높이기 위해 더 많은(더 작은) 요소가 사용될 수 있지만, 일반적인 요소의 개수는 y축을 따라 각 주기에 대해 5 내지 20이다.
면임피던스를 알게 되면, 수학식 3과 수학식 4를 이용하여 반사 및 투과 계수를 추출할 수 있다.
Figure 112016080114050-pct00003
Figure 112016080114050-pct00004
여기서, η는 배경 매개체(background medium)의 전자기파 임피던스이다. 도 6은 도 5의 면임피던스로부터 도출한 반사 및 투과 계수를 나타낸다.
본 개시에 따른 메타표면은 서로 다른 단위 셀로 구성되며 본 개시는 이들 중 하나를 설계하는 데에 중점을 둔다. 일 실시예에서 원활한 설계를 위해 단위 셀 중 하나를 정교하게 "들어내었다". 이 예시에서 각 메타표면 요소는 유전체 기판(예를 들어, 테플론(Teflon))의 각 면 상에 존재하는 두 하위 요소(sub-elements)로 구성된다.
도 7은 다양한 시점에서 관찰한 이 예시에 따른 메타표면 요소를 나타낸다.
이 블록에 대해 정확한 결과를 얻기 위해 수학식 5에 따른 S-파라미터를 획득하는 것이 목적이다.
Figure 112016080114050-pct00005
도 8은 최상부 요소에 존재하는 기둥의 길이 및 바닥 요소의 링의 갭(gap)을 변화시키면서 구한 메타표면 요소의 S-파라미터를 나타낸다.
도 9는 바닥 메타표면 요소의 금속링의 갭을 변화시키면서 구한 S-파라미터를 나타낸다.
이로부터 제1 근사해를 만들 수 있다. 그러나 가장 정확한 값을 얻기 위해서는 최적화를 수행할 필요가 있다. 최적화는 시뮬레이션 소프트웨어를 이용할 수 있다.
도 10은 메타표면 요소 크기에 대한 최적화 과정을 나타낸다.
최적화 이후에 구한 S-파라미터는 다음과 같다.
Figure 112016080114050-pct00006
최적화된 메타표면 요소는 도 11a에 나타내었다. 최적화된 S-파라미터는 도 8 및 도 9에 수직선으로 나타내었다. 실시예들에서 각 메타표면 요소는 일반적으로 또는 사실상 십자형이다.
각 메타표면 요소는 유사한 방법으로 설계될 수 있다.
일 실시예에서 금속성 십자가 및 유전체 기판에 의해 분리된 소위 예루살렘 십자가(Jerusalem crosses)의 조합을 포함하는 메타표면이 제공된다. 실시예들에서 유전체 기판은 액정 폴리머(liquid crystal polymer)를 포함한다. 도 11b는 유전체에 의해 분리된 두 금속성 패턴 층과 두 유전체 층에 의해 샌드위치 형상으로 구성된 일 실시예의 분해도를 나타낸다(총 다섯 층). 도 11c는 일반 메타표면 구조(유전체의 각 층 상에 두 금속성 패턴)의 개념도이다. 실시예들에서 금속성 부분은 유전체에 내장된다. 복수의 다른 실시예에서 금속성 부분은 유전체 밖으로 돌출한다. 도 11d 및 도 11e는 금속성 층의 평면도 및 저면도를 나타낸다.
실시예들에서 메타표면 요소는 근접장의 컨버전스(convergence)를 유도하기 위해 최적화된다. 이러한 "근접장 집광 구조"는 회절한계(diffraction limit) 이하의 크기에서 집광을 유도할 수 있다. 따라서 메타표면은 용기 내에 존재하는 생체표본과 같이, 표본 내부로 전자기 방사를 집광하도록 설계될 수 있다. 종래의 물질의 경우, 통상적으로 균일한 물질의 형상을 적절히 조절하여(예를 들어, 유리), 렌즈형 구조를 생성함으로써 집광을 얻어낼 수 있다. 본 개시에 따른 메타표면을 이용하면, 메타표면 구조의 형상은 편평한 형태로 유지할 수 있지만, 메타표면이 다른 금속성 및 유전체 요소로 구성되므로 더 이상 균일(homogeneous)하지는 않다.
추가층(additional layers)
장치는 각 메타표면이 서로 다르게 튜닝된 복수의 메타표면을 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 메타표면은 다른 파장에서 공진하도록 구성될 수 있다. 실시예들에서 적어도 부분적으로 겹치는 복수의 메타표면의 공진주파수를 이용하여, 의사광대역(pseudo-broadband) 장치를 구성할 수 있다. 의사광대역 장치의 경우, 예컨대 인접층에서의 공진주파수가 공진주파수의 반파장의 정수 배만큼 다를 수 있다.
일 실시예에서 장치는 제1 메타물질에 커플링된 제1 메타물질을 더 포함하되, 제2 메타물질은 전자기 방사의 제2 파장 이하의 두께를 갖는 기판부와 기판부에 의해 지지되는 복수의 요소를 포함하고, 각 요소는 전자기 방사의 제2 파장 이하의 두께를 갖는 제1 차원을 가지며, 복수의 요소 중 적어도 두 요소는 비일치한다.
일 실시예에서 전자기파의 제2 파장에서 공진하도록 제1 메타물질과 함께 제2 메타물질이 구성된다.
일 실시예에서 제1 파장은 제2 파장과 다르다. 실시예들에서 제2 파장은 제2 파장을 포함하는 파장대역을 갖는다.
실시예들에서 전술한 근접장 집광을 제공하기 위해, 추가적인 근접장 집광 구성요소가 제공된다. 실시예들에서 근접장 집광 구성요소는 본 개시에 따른 전자기 방사를 커플링하기 위한 장치에 인접하도록 위치한다. 일 실시예에서 근접장 집광 구성요소는 22 mm × 22 mm × 0.368 mm 구조로 2 mm 주기의 작은 사각형 단위 셀로 구성된다. 단위 셀은 유전체로 분리된 세 층의 금속성 요소를 포함한다. 렌즈를 형성하기 위해, 큰 투과(S21) 위상을 갖는 복수의 단위 셀이 필요하다. 수치해석 시뮬레이션을 이용하여 S21 위상과 크기에 영향을 미치는 파라미터를 변경함으로써 적합한 설계값을 찾을 수 있다. 본 발명자는 3층 구조를 이용하여 모든 단위 셀이 0.8보다 큰 S21을 갖도록 하여, 총 투과를 높게 유지할 수 있다는 것을 발견하였다. 3층 구조의 단위 셀은 360° S21 위상범위를 갖는다. 실시예들에서 외각의 두 요소가 사각 바(rectangular bar)이고 내부의 요소는 분리된 링 정류자이다. 목표 초점길이(focal length)는 18 mm였다.
근접장 집광 구성요소의 일 예시를 도 11f(사시도), 도 11g(전면도) 및 도 11h(후면도)에 나타내었다.
실시예들에서 안테나와 전자기 방출을 커플링하는 장치 사이에 안테나에 의해 방출되는 전자기파를 조형하기 위한 추가층을 제공한다. 이 추가층은 빔조형층(beam-shaping layer)으로 생각될 수 있다. 빔조형층은 방사 패턴의 진폭 및/또는 위상을 조형한다. 실시예들에서 빔조형층은 본 개시에 따른 전자기 방사 커플링 장치를 위한 방사 패턴의 형상을 최적화한다. 실시예들에서 이 층은 적절히 조형된 유전체 또는 비금속성 물질이다. 복수의 다른 실시예에서 이 층은 메타물질 자체이거나 유전체 기판 상에 존재하는 금속부의 주기적 조합과 같은 메타표면 자체이다. 실시예들에서 빔조형층은 테플론, 액정 폴리머, 로저스 3000(Rogers 3000) 또는 로저스 400 계열 물질, 또는 충돌하는 복수의 전자기파에 위상을 추가할 수 있는 기타 유전체 물질을 포함한다. 실시예들에서 빔조형층은 또한 구리, 알루미나(alumina) 또는 기타 고도전성 물질을 포함한다.
실시예들에서 목표물에 장치를 커플링하기 위해 배치된 일회용(disposable) 생체적합성층(biocompatible layer)이 제공된다. 실시예들에서 일회용 생체적합성층은 위생적인 이유로 제공된다. 복수의 다른 실시예에서 일회용 생체적합성층은 유전체 구성요소, 선택적으로 도전성 요소의 평면 어레이를 지지하는 유전체 구성요소를 포함할 수 있다. 일회용 생체적합성층은 장치의 나머지 부분에 적합하도록 "튜닝(tuned)"될 수 있다. 일회용 생체적합성층은 변형이 가능하며 인체 일부에 부착되도록 모폴로지(morphology)를 지닐 수 있다. 일회용 생체적합성층은 폴리머 기반 물질로부터 형성될 수 있다.
따라서 실시예들에서 장치는 복수의 금속 성분 및/또는 유전체 성분층을 포함하는 다중층 소자라는 것이 이해될 수 있다. 높은 투과성을 유지하면서 충분히 큰 위상범위를 처리하기 위해 다중층 구조로 구성될 수 있다. 실시예들에서 구조는 적어도 세 개의 메타표면층을 포함한다. 실시예들에서 각 층은 λ/200에서 λ/3 사이의 두께를 가질 수 있고, 선택적으로 λ/150에서 λ/50 사이 혹은 λ/120에서 λ/80 사이의 두께를 가질 수 있다. 본 발명자는 각 층의 두께에 대한 이러한 제약사항이 관심 전자기파가 목표물에 도달하기(또는 장치를 통한 완전히 투과하기) 이전에 발생하는 전자기파의 전파(확장하는 빔)에 의하여 과도하게 감쇠되지는 않도록 보증한다는 것을 발견하였다. 각 층의 두께에 대한 이 제약사항 때문에 장치의 크기는 최소화된다.
생체물질 센서
일 실시예에서 귓불, 손 또는 혈액이 풍부한 신체의 기타부위에 고정되어 순간적 또는 연속적인 방법으로 실시간으로 변화하는 혈당 수치를 비침습적으로 감시하는 웨어러블 장치를 제공한다. 고주파 센서는 정확한 혈당 수치를 획득하기 위해 수 천 개의 개별 저전력 고주파 신호를 생체조직에 송신하고, 이에 대응되는 신호를 수신하여, 알고리즘을 통해 조합한다. 선택적으로, 포도당 독출결과는 장치 상에서 수 초 이내에 표시될 수 있으며, 환자가 데이터를 관리하고 경보를 수신할 수 있는 모바일 앱으로 블루투스(Bluetooth)를 통해 전송될 수 있다. 또 다른 방법으로 데이터는 암호화된 클라우드 기반 데이터 기록 시스템에 안전히 업로드되며, 환자 또는 의사는 이 데이터를 이용할 수 있다.
일 실시예에서 사람의 혈액을 통과한 비이온화(non-ionizing) 밀리미터 전자기파의 투과 및 반사를 이용한 비침습 포도당 측정방법이 제공된다. 본 개시에 따른 복수의 장치는 10 GHz에서 300 GHz 사이의 주파수 범위에서 적용 가능하다. 일 실시예에서 의학 및 통신에 적용 가능한 범위인 40 GHz에서 100 GHz 사이의 주파수가 이용 가능하다. 역사적으로, 이 주파수 대역은 포도당 측정을 위해 충분히 연구된 적이 없다.
전자기파를 이용한 비침습 포도당 감시에는 크게 두 가지 방법론이 존재한다. 첫 번째 방법은 통상 MHz 또는 수 GHz(5 GHz까지)의 주파수 영역인 낮은 주파수 대역의 고주파를 이용한다. 두 번째 방법은 광학적 스펙트럼 영역인 훨씬 더 높은 주파수 대역을 이용한다. 이 두 가지 방법의 근본적인 한계는 전자기파가 피부층을 우회함으로써 발생하는 문제점으로서, 간질액층(interstitial fluid layer)에서만 표본을 추출하기 때문에 유효 정확도와 속도를 제한한다는 것이다. 간질액층에서의 포도당 측정은 혈관내 표본추출(intra-venous sampling)에 비해 최대 30분까지 더딘 것으로 보고되었다. 간질액층은 피부 바로 아래, 동맥과 모세혈관 바로 바깥 쪽에 존재한다.
이 주파수 대역에서의 측정방법은 다른 비침습 방법과 차별되는 두 가지 장점을 제공한다. 첫째, 전자기파의 파장(공기 중에서 5 mm 근처)이 귓불과 같은 인체조직을 통과할 만큼 충분히 크고, 조직 내 혈액 영역에 대한 충분한 해상도를 제공할 만큼 충분히 작다. 둘째, 파장이 작은 만큼 작은 파장의 전자기파를 생성할 수 있는 작은 안테나를 필요로 한다. 따라서 이 방법은 인체, 예를 들어, 귀에 지속적으로 착용하여 포도당 측정을 수행하기 위해 필요한 모든 전자장치 및 전력을 포함할 수 있는 이동통신 소형 무선센서에 적합하다.
파장이 훨씬 작은(수 마이크로미터 범위) 광학적 방법에 비해, 40 GHz에서 100 GHz 사이의 주파수 대역은 생체표본 내로 침투할 수 있도록 충분히 긴 파장을 갖는 전자기파를 생성할 수 있기 때문에 유용하다. 물기반(water-based) 표본과 조직표본은 일반적으로 매우 손실이 크고 상당히 큰 임피던스 부정합을 초래하며, 짧은 파장을 갖는 전자기파는 이러한 표본을 더욱 긴 구조로 인지하기 때문에, 짧은 파장을 갖는 전자기파는 훨씬 더 크게 감쇠할 것이다. 본 발명자는 1000 GHz를 초과하는 주파수를 갖는 파장은 감쇠 없이 생체표본을 충분히 깊이 뚫고 들어가기에 너무 짧은 것으로 규정하였다.
마이크로파 또는 고주파를 활용하는 다른 유전체 분광법에 비해, 이 방법들은 통상 훨씬 더 낮은 주파수(긴 파장), 파장이 3 cm인 최대 10 GHz의 주파수 대역에서 동작한다. 이러한 전자기파는 큰 감쇠없이 전기적으로 작은 표본으로 인지할만큼 긴 파장을 갖는다. 그러나 일부 표본들에서는 오직 평균화된 거시적 정보만 제공할 뿐, 표본 내부의 세부사항적인 부분을 구별해 낼 수 있을 만큼 충분히 작지 않다. 덧붙여, 표본이 얇은 경우, 예를 들어 3 mm 이하(귓불의 경우), 적어도 그 파장이 이 표본의 두께보다 10배 이상 더 긴 전자기파는 어떠한 고해상도 정보도 얻어낼 수 없다. 따라서 일 실시예에서 정확도를 떨어뜨리지 않으면서도 세부사항 및 성분을 알아내기에 너무 긴 파장을 갖지 않는 40 GHz가 최소 주파수이다.
결과적으로, 본 발명자는 10 GHz에서 300 GHz 사이의 주파수, 선택적으로 40 GHz에서 100 GHz 사이의 주파수가 전자기파를 감쇠시키지 않고 정확한 측정을 가능케 하는 최적 주파수 대역이라는 것을 발견하였다. 보다 상세하게, 본 발명자는 59 GHz에서 64 GHz 사이, 68 GHz에서 72 GHz 사이의 두 주파수 대역이 생체표본에 특히 적합하다는 것을 발견하였다. 실시예들에서 본 발명자는 주파수 대역이 4 GHz에서 6 GHz인 경우 훨씬 더 우수한 결과를 보인다는 것을 발견하였다.
지금까지 공진방법을 이용하여 포도당 수치를 측정하는 여러 시도들이 있었다. 이러한 방법의 정확도가 매우 높기 때문에, 공진방법을 이용한 포도당 수치 측정방법은 오랜 기간 사용되었다. 만약 모든 다른 요인들이 그대로 존재할 수 있다면, 이 방법이 포도당 수치를 정확히 측정하는 데 사용될 것이라는 점에는 아무런 이견이 없을 것이다. 그러나 이러한 방법들의 가장 큰 강점이 가장 큰 약점이다. 만약 이 방법을 다른 사람에게 적용하거나 생리학적으로 다른 피부(예를 들어, 노화, 임신 중, 땀에 젖었거나 건조한 피부 등)에 적용한다면, 이 측정방법은 잘못된 결과를 출력할 것이다. 피부는 우리의 신체가 항온을 유지할 수 있도록 하는 모공을 지니고 있다. 더운 방으로 이동하는 것처럼 아주 간단한 행위가 땀의 생성을 유발할 것이고, 이는 측정의 정확도를 떨어뜨릴 것이다. 본 개시에 따른 구조는 피부의 영향을 완화하여, 반사되지 않은 전자기 방사가 피부를 투과할 수 있도록 한다.
실시예들에 있어서 본 개시에 따른 장치는 피부 및 기타 특정 생체조직에서의 반사를 최소화하기 위해 구성된다. 실시예들에서 관심 생체물질은 혈액이고, 장치는 피부에서의 반사를 최소화하기 위해 구성된다. 따라서 실시예들에서 피부에 대한 반사방지 코팅이 제공된다. 이러한 실시예들에 있어서 피부는 관심 생체물질을 위한 용기로 간주될 수 있다.
도 11i는 본 개시에 따른 메타표면을 이용하여 피부에 대한 전력 투과 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 구체적으로, 도 11i는 0.58 mm 두께의 피부층에 접촉하는 구조에 대한 반사전력, 투과전력 및 소모전력을 나타낸다. 실선은 메타표면과 피부를 포함하는 구성에 대응되고, 점선은 메타표면 없이 피부로만 구성된 구성에 대응된다.
메타표면 구조의 총 두께는 150 μm이다. 메타표면을 추가함으로써, 반사 전력은 39%에서 16%로 감소하고, 60 GHz에서의 소모전력은 56%에서 94%로 증가ㅎ한다. 전자기 방사의 완전한 투과를 방해하는 주요 원인은 이러한 메타표면 구조에 존재하는 손실이다.
센서 구성
센서의 개념도를 도 12a 내지 도 12m에 나타내었다. 센서는 장애물(뼈와 같이)이 적으면서도 혈액이 풍부한 신체영역에 위치할 수 있다. 실시예들에서 비록 여러 다양한 위치에 배치될 수 있음에도 불구하고 바람직하게는 귓불, 손(엄지 손가락과 검지 손가락 사이), 발가락 사이, 입술 위에 배치된다. 센서는 일시적으로 손에 쥐어질 수도 있고 또는 지속적으로 부착될 수 있다.
식재료에 대한 센서
다른 실시예들에 있어서 본 개시에 따른 장치는 식재료의 특성을 분석하기 위해 사용된다. 즉, 실시예들에서 생체물질은 식재료이다. 다른 실시예들에서 생체물질은 포장된 식재료이고, 본 개시에 따른 장치는 포장에서의 반사를 최소화하기 위해 구성되거나 사용된다. 따라서 실시예들에서 식재료의 포장에 대한 반사방지 코팅이 제공된다. 실시예들에서 식재료는 올리브 오일(olive oil) 또는 올리브 오일을 포함하는 혼합 오일일 수 있다.
시스템 개요
일 실시예에서 테스트 대상 표본(sample under test; SUT)을 통과하는 투과율을 측정하는 센서(1303), 실시간으로 무선으로 또는 연결 가능한 경우 데이터를 수신하는 소프트웨어 애플리케이션(모바일, 태블릿, 컴퓨터 등), 온라인 스토리지(1301)와 데이터베이스 및 데이터를 사용자 또는 제3자에게 디스플레이하는 클라이언트 애플리케이션/인터페이스를 포함하는 센서 시스템이 제공된다. 이 센서 시스템을 도 13에 나타내었다.
센서는 송신기와 수신기를 포함한다. 실시예들에서 송신기는 전자기파 방사를 생성하기 위한 하나, 둘 또는 그 이상의 안테나와 표본을 통과하는 투과도를 향상하기 위한 메타물질(일반적으로 안테나와 표본 사이에 위치하는)을 포함한다.
이에 따라 제1 안테나와 제1 안테나로부터 방출된 전자기파를 생체물질로 커플링하기 위해 구성된 제1 장치(전술한 바와 같이, 전자기파를 커플링하기 위해)를 포함하는 송신기; 및 제2 안테나와 생체물질에 의해 송신된 전자기파를 제2 안테나에 커플링하기 위해 구성된 제2 장치(전술한 바와 같이, 전자기 방출을 커플링하기 위해)를 포함하는 수신기를 포함하는 센서가 제공된다.
실시예들에 따른 센서에 존재하는 구성요소의 블록 다이어그램을 도 14a에 도시하였다. 전원을 제공하기 위한 배터리(1407); 데이터를 디스플레이하기 위한 스크린(1408); 시각적 피드백을 제공하기 위한 복수의 LED(1409); 사용자에게 피드백을 제공하기 위한 진동 시스템(1411); 안테나 사이의 거리를 측정할 수 있는 캘리퍼 거리부(1410); 전자부품을 실장하는 PCB(printed circuit board; 1401); 정보를 수신기로 전송하기 위한 블루투스 또는 기타 통신부(1402); 테스트 대상 표본의 임피던스를 직접적으로 측정하기 위한 임피던스 분석기(1403); 움직임을 감지하기 위한 가속도계(accelerometer; 1404); 고주파 신호를 생성하기 위한 안테나 시스템(1405); 테스트 대상 표본 내부로의 전자기 방사의 투과를 향상하는 메타물질부(1406) 중 일부 또는 전부가 포함될 수 있다. 도 14b는 추가 빔조형 요소(1450)을 포함하는 복수의 다른 실시예에 따른 센서의 구성요소를 도시한다. 여기에 개시된 실시예들에서 빔조형 요소는 예시적인 용도의 위상 교정기이다.
일 실시예에서 송신기는 생체물질에 의해 반사된 전자기파를 검출하기 위해 구성된 검출기를 더 포함한다. 이 검출기는 생체물질을 더욱 정확하게 측정할 수 있도록 한다.
다른 일 실시예에서 센서는 송신기와 수신기 사이의 거리를 판단하기 위해 구성된다. 또 다른 일 실시예에서 센서는 생체물질의 임피던스를 판단하기 위해 구성된다. 이러한 센서를 이용하여 다른 사람과 같이 다른 생체물질과 상호작용하는 장치를 구성할 수 있다. 일 실시예에서 센서는 가속도계를 더 포함한다.
테스트 대상 표본의 전자기적 특성(유전율, 투자율, 임피던스)에 맞춰 동작을 조정하기 위해 안테나, 생체물질 또는 두 가지 전부는 활성화되거나 튜닝이 가능한 구성요소일 수 있다. 예를 들어, 표본을 측정하기 이전에 약간 다른 임피던스를 갖는 다른 표본이 테스트되는 경우, 임피던스 분석기는 약간의 차이점을 감지할 수 있을 것이고 안테나와 메타물질은 이 표본을 통과하는 투과를 극대화하기 위해 튜닝될 것이다. 튜닝 가능한 구성요소는 가변 캐패시터(바락터), 인덕터 또는 저항과 같은 가변 전기적 구성요소를 집적화함으로써 구성될 수 있다.
즉, 일 실시예에서 센서는 가변성을 제공하기 위해 안테나 및/또는 메타물질에 커플링된 가변저항 및/또는 캐패시터를 더 포함한다.
테스트 대상 표본은 인클로저(enclosure) 또는 용기 내부에 위치될 수도 있고 내부에 위치되지 않을 수도 있다. 피부는 동물 또는 인체조직에 대한 용기로 간주될 수도 있다. 일 실시예에서 생체물질은 인체 또는 동물조직일 수 있다. 일 실시예에서 센서는 착용 가능하다. 다른 일 실시예에서 센서는 손, 발, 귀 또는 입술에 착용되도록 구성될 수 있고 또는 휴대용일 수 있다.
일 실시예에서 생체물질은 식재료이다. 일 실시예에서 식재료는 오일, 우유, 와인, 커피, 과일 주스를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하거나 용기, 선택적으로 병 또는 종이 상자에 의해 담겨질 수 있다. 일 실시예에서 용기는 유리 및/또는 플라스틱을 포함한다.
센서와 센서로부터 생체물질과 관련된 데이터를 수신하기 위해 구성된 무선 수신기; 센서와 떨어진 장치 상에서 동작하는 소프트웨어 애플리케이션; 데이터를 처리하기 위해 구성된 소프트웨어 애플리케이션; 및 데이터 및/또는 그 데이터와 관련된 정보를 디스플레이하기 위해 구성된 인터페이스를 더 포함하는 시스템이 제공된다. 따라서 표본을 원격으로 감시할 수 있다. 예를 들어, 의료 전문가는 환자의 혈당 수치를 원격으로 측정할 수 있다.
도 15a 내지 도 15d는 테스트 대상 표본(1501, 1504, 1505, 1506), 단일 및 이중 안테나(1503) 및 메타물질(1502)을 포함하는 구성의 몇 가지 예시를 나타낸다. 도 16은 임피던스 분석기(1603), 테스트 대상 표본(1604)을 측정하기 위한 메타표면(1601)을 포함하는 가변 안테나(1602)를 나타낸다.
도 17a 내지 도 17c 및 도 18은 동작 중인 예시적 장치를 도시한다. 도 18a는 전자기파를 사람의 손(1803) 내부로 또는 손에서부터 밖으로의 커플링을 개선하기 위해 구성된 두 개의 안테나(180) 및 두 개의 메타표면(1802)를 포함하는 센서를 도시한다. 도 18b는 추가적인 위상 교정부(1805)과 함께 구성된 센서를 도시한다.
도 19는 주기적 패턴(위) 및 비주기적 패턴(아래)으로 구성된 안테나와 메타표면의 분해도를 나타낸다.
도 20은 세 개의 메타표면층(2001-2003)과 하나의 안테나층(2004)를 포함하는 실시예들에 따른 다층구조의 장치를 나타낸다.
본 개시의 실시예들에 따른 장치는 수동적(passive)이다. 즉, 전원 공급을 필요로 하지 않는다는 뜻이다. 이에 따라 장치는 전체 에너지 효율을 증가시킬 수 있다.
포도당 센서를 위한 반사방지 물질이 제공되며 이 반사방지 물질은 메타표면을 포함한다. 식재료 용기를 위한 반사방지 코팅이 제공되며 이 반사방지 코팅은 메타표면을 포함한다.
이상의 측면들 및 실시예들은 본 발명에 따른 일 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
예시적 실험 결과
보정된(calibrated) 물기반 표본에서의 포도당 감지와 오일 혼합물에서의 오일 감지에 대한 두 가지 예시를 나타내었다. 측정은 50 GHz에서 75 GHz 사이의 주파수 대역에 대하여 수행되었다. 표시된 정량 데이터는 잡음 필터링(noise filtering) 및 기타 신호처리 알고리즘을 적용한 이후의 미가공(raw) 투과도 및 반사도 신호로부터 추출된 것이다.
예시 1: 포도당 감지
도 21은 60 GHz 근처에서 독립적으로 준비된 두 가지 표본용액 대해 실험을 반복적으로 수행하고, 그 결과를 나타낸 포도당 농도와 처리된 신호 사이의 상관관계이다. 이 결과는 사용된 방법과 알고리즘의 재현성을 보여준다.
도 22는 물과 다양한 양의 포도당으로 구성된 표본, 물, 소금(NaCl), 다양한 양의 포도당으로 구성된 표본 및 물과 다양한 양의 소금 및 다양한 양의 포도당으로 구성된 표본의 세 가지 유형의 표본으로부터 획득한 측정결과를 비교한다. 결과는 이 세 가지 다른 용액과 용액에 따른 농도가 서로 완벽하게 구별 가능하다는 것을 보여준다. 혈액의 더욱 사실적인 표현하기 위해 소금을 사용하였다.
도 23은 68 GHz의 주파수에서 아주 낮은 농도(성인에 대한 정상범위는 4에서 8 mMol/L 사이)의 포도당 농도의 변화에 따른 처리신호를 나타낸다. 이는 아주 낮은 농도의 포도당이 정량화될 수 있다는 것을 나타낸다.
예시 2: 오일 감지
이 예시에서는 두 번의 서로 다른 실험을 통해 팜 커넬 오일과 채종유의 혼합물에서 미지의 팜 커넬 오일 농도를 판단하였다. 혼합물 내의 각 오일 농도를 정확히 판단하기 위해, 처리된 데이터를 선형 방정식을 이용하여 피팅(fitting)하였다.
도 24는 팜 커넬 오일과 채종유의 혼합물에서의 팜 커넬 오일의 농도 변화에 따른 출력신호를 나타낸다.
도 25는 릴렉세이션 주파수(relaxation frequency)를 예측하기 위해, 고주파 반사측정을 통해 미가공 데이터를 구하고, 이를 해석적 콜콜(Cole-Cole) 모델을 이용하여 피팅한 고주파 반사 측정결과를 나타낸다. 표본에서 미지의 오일 종류 식별에 사용될 수 있는 특성 릴렉세이션 주파수(characteristic relaxation frequency)를 나타낸다. 이 경우 각 표본에 대해 하나의 센서가 사용된다.
따라서 실시예들에 따른 센서는 오일 혼합물의 오일 농도를 판단하는 데 아주 효과적이다.
100: 메타표면 101: 기판부
103: 복수의 요소 200: 메타표면
201: 기판부
203: 불규칙적으로 위치된 복수의 요소
1301: 온라인 스테이지 1303: 센서
1401: PCB 1402: 통신부
1403: 임피던스 분석기 1404: 가속도계
1405: 안테나 1406: 메타물질
1407: 배터리 1408: 스크린
1409: LED 1410: 캘리퍼 거리부
1411: 진동 시스템 1450: 위상 교정부
1501, 1505, 1506, 1604: SUT
1502: 메타물질 1503: 단일 및 이중 안테나
1601: 메타표면 1602: 가변 안테나
1603: 임피던스 분석기
1801: 안테나 1802: 메타표면
1803: 사람 손 1805: 위상 교정부
2001, 2002, 2003: 메타표면층 2004: 안테나층

Claims (36)

  1. 생체물질(biological material) 내부로 또는 생체물질로부터 방출되는 전자기방사(electromagnetic radiation)를 커플링하기 위한 장치에 있어서,
    상기 전자기 방사의 제1 파장 이하의 두께를 갖는 기판부(substrate unit); 및
    상기 기판부에 의해 지지되는 복수의 요소를 포함하되, 각 요소는 상기 전자기 방사의 제1 파장 이하의 제1 크기(dimension)를 가지며, 상기 복수의 요소 중 적어도 두 요소는 비일치하는(non-identical) 제1 메타물질을 포함하며,
    상기 장치는 반사방지(anti-reflection) 장치인 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 크기는,
    상기 전자기 방사의 전파방향(direction for propagation)인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 요소 중 적어도 하나는 불규칙적인 형상(irregular shape)을 갖거나 상기 복수의 요소 각각이 불규칙적인 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 생체물질은 용기에 의해 한정(bound)되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 요소로부터 선택된 적어도 하나의 하위세트(subset)는 불규칙적인 어레이로(irregular array)로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 요소 각각은 불규칙적인 어레이로 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판부는 연성(flexible)인 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판부는 유전체(dielectric)이고 상기 복수의 요소 각각은 도전성을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 기판부는 도전성을 가지며 상기 복수의 요소 각각은 도전성을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 요소 각각은 금속성이거나 상기 기판부는 금속성인 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 요소는 상기 전자기 방사의 제1 파장에서 공진하도록 집합적으로 형성된 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 메타물질에 커플링된 제2 메타물질을 더 포함하되, 상기 제2 메타물질은,
    상기 전자기 방사의 제2 파장 이하의 두께를 갖는 기판부; 및
    상기 기판부에 의해 지지되는 복수의 요소를 포함하는 제1 메타물질을 포함하되, 각 요소는 상기 전자기 방사의 제2 파장 이하의 제1 차원을 지니며 상기 복수의 요소 중 적어도 두 요소는 비일치하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 메타물질은 상기 제1 메타물질과 동시에 상기 전자기 방사의 제2 파장에서 공진하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 파장은 상기 제2 파장과 다른 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 복수의 금속층, 복수의 유전체층 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자기 방사는 10 GHz부터 300 GHz까지의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자기 방사는 59 GHz부터 64 GHz까지, 68 GHz부터 72 GHz까지 중 적어도 하나의 주파수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 장치는 수동적(Passive)인 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 삭제
  20. 생체물질로 또는 생체물질로부터 전자기 방사를 커플링하기 위한 방법에 있어서,
    상기 생체물질로 또는 상기 생체물질로부터 전자기 방사를 커플링하기 위한 커플링 매개체(Medium)로서 제1항 또는 제2항에 따른 장치를 사용하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 생체물질은 용기에 한정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제1 안테나와 상기 제1 안테나로부터 방출된 전자기 방사를 생체물질로 커플링하기 위해 구성된 제1항 또는 제2항의 장치를 포함하는 송신기; 및
    제2 안테나와 상기 생체물질에 의해 송신된 전자기 방사를 상기 제2 안테나로 커플링하기 위해 구성된 제1항 또는 제2항의 제2 장치를 포함하는 수신기
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 송신기는,
    상기 생체물질에 의해 반사된 전자기 방사를 검출하기 위해 구성된 검출기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 송신기와 상기 수신기 사이의 거리를 판단하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
  25. 제22항에 있어서,
    상기 생체물질의 임피던스를 판단하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
  26. 제22항에 있어서,
    가속도계(accelerometer)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  27. 제22항에 있어서,
    상기 센서는,
    다수의 가변저항(variable resistors), 안테나와 커플링되는 다수의 캐패시터(capacitors), 가변성(tunability)을 제공하기 위한 메타물질(metamaterial) 중 적어도 하나를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  28. 제22항에 있어서,
    상기 생체물질은,
    인체 또는 동물조직이고, 용기에 한정되며,
    상기 용기는 피부를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 인체 또는 동물조직은 혈액이고,
    상기 센서는 포도당(glucose), 혈당(blood sugar) 수치 중 적어도 하나를 측정하기 위해 구성되는 것을 특징으로 하는 센서.
  30. 제22항에 있어서,
    상기 센서는 웨어러블(wearable)인 것을 특징으로 하는 센서.
  31. 제22항에 있어서,
    상기 센서는 손, 발, 귀 또는 입술에 착용되기 위해 구성되거나 휴대용인 것을 특징으로 하는 센서.
  32. 제22항에 있어서,
    상기 생체물질은 식재료(food stuff)인 것을 특징으로 하는 센서.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 식재료는 오일, 우유, 와인, 커피 및 과일 주스를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 생체물질은 용기에 한정되며, 상기 용기는 병 또는 상자(carton)인 것을 특징으로 하는 센서.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 용기는 유리, 플라스틱 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  36. 제22항의 상기 센서를 포함하고,
    상기 센서로부터 상기 생체물질과 관련된 데이터를 수신하기 위해 구성된 무선 수신기;
    상기 센서로부터 원거리에 위치한 장치에서 운영되되, 상기 데이터를 처리하도록 형성된 소프트웨어 응용 프로그램; 및
    상기 데이터, 상기 데이터에 관련된 정보 중 적어도 하나를 표시하기 위해 구성된 인터페이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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