KR20110129970A - 포유 동물의 조직의 적어도 하나의 파라미터를 전기적으로 측정하기 위한 디바이스 - Google Patents

Abstract

신체 조직의 유전율의 실수부 및/또는 허수부에 의존하는 파라미터 p를 측정하는 디바이스는 주파수 f에서 동작하고, 여기서 온도 변화는 자유 수분(free water)의 유전율에 오직 약하게 영향을 미친다. 파라미터 p가 유전율의 실수부에만 의존하는 경우, 주파수 f는 6.2와 10.1 GHz 사이에 있어야 한다. 파라미터 p가 유전율의 허수부에만 의존하는 경우, 주파수 f는 25.5와 36 GHz 사이에 있어야 한다. 파라미터 p가 유전율의 실수부 및 허수부에 의존하는 경우, 유전율의 실수부 및 허수부에 대한 파라미터의 도함수(derivative)는 최적 주파수 범위를 계산하는 데 이용될 수 있다.

Description

포유 동물의 조직의 적어도 하나의 파라미터를 전기적으로 측정하기 위한 디바이스{DEVICE FOR ELECTRICALLY MEASURING AT LEAST ONE PARAMETER OF A MAMMAL'S TISSUE}

본 발명은 포유 동물, 특히 인간의 조직, 특히 피부의 유전체 유전율(dielectric permittivity)의 실수부 ε' 및/또는 허수부 ε"에 의존하는 적어도 하나의 파라미터 p를 측정하기 위한 디바이스에 관한 것이다. 방법은 또한 이러한 디바이스를 동작시키기 위한 방법에 관한 것이다.

포유 동물 조직, 특히 포유 동물 피부의 다양한 중요한 파라미터들은 인가된 전기장에 대한 조직의 응답을 측정함으로써 결정될 수 있다.

예를 들어, WO 02/069791는 생체 조직에서 혈당을 측정하기 위한 디바이스를 설명한다. 그것은 그라운드 전극 및 신호 전극을 갖는 전극 배열을 포함한다. 신호 발생기는 저항을 통해 알려진 전압 또는 전류의 전기 AC 신호를 전극들에 공급하고, 검출기는 전극들을 통한 전압 또는 전류를 결정한다. 이러한 전압 또는 전류는, 그것이 발견되었을 때, 조직 내의 포도당 레벨을 표시하는 임피던스 또는 어드미턴스(admittance)로서 측정되는, 조직의 유전체 속성들에 의존한다.

WO 2005/120332는 전극 배열의 상이한 구성들에 전압들을 인가함으로써 복수의 전기장이 발생되는 그러한 디바이스의 다른 실시예를 설명한다. 이것은 예를 들어 측정된 신호에서의 표면 효과들의 영향의 감소를 허용한다.

인가된 전기장으로 피부의 수분 함량(피부 수화; skin hydration)을 측정하기 위한 방법이 JP 56118654에 설명되어 있다.

이들 기법들은 생체 조직의 파라미터 p, 특히 포도당 레벨 또는 수분 함량을 측정할 수 있게 하고, 이 파라미터는 조직의 유전율 ε=ε'-i·ε"의 함수 p(ε',ε")이고, ε'(ω) 및 ε"(ω)는 유전율의 실수부 및 허수부이다. 그것들은 조직의 피부 영역에 전극 배열을 공급하고, 조직에 교류 전기장을 발생하는 것에 의존한다. 전극 배열에 의해 알 수 있는 바와 같은 벌크(bulk) 유전체 속성들에 의존하는 신호가 측정된다. 그 다음에, 측정 신호는 예를 들어, 포도당 레벨과 같은 특징화(characterizing) 파라미터를 획득하기 위하여, 사전 기록된 캘리브레이션 데이터(pre-recorded calibration data)를 이용하여 프로세싱된다.

[3]에 따르면, 잘못된 측정들의 다양한 소스들은 이러한 타입의 실험들에 대해 인식되었다:

- 접촉의 품질 및 부착 기법들에 대한 민감도(피부 청결, 압력, 폐색)

- 측정 사이트의 위치. 가장 작은 병변들 및 피부 스케일링이라도 측정들에 강하게 영향을 미친다.

- 상이한 기구들은 상이한 레벨들의 수분 함량들에 대해 상이한 민감도를 갖는다.

- 평가된 표피 깊이는 디바이스들 사이에 달라질 것으로 보이고, 일반적으로 알려지지 않는다.

- 환경적 영향: 피부(각질층) 수화는 실온 및 상대 습도의 변화에 따라 강하게 달라진다.

- 피부의 전도도는 땀의 양 및 땀의 성분(전해질)에 의해 크게 영향을 받는다.

본 발명의 일반적인 목적은 측정 정확도를 증가시키는 이러한 타입의 디바이스 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

이 목적은 독립 청구항들에 따른 디바이스 및 방법에 의해 실현된다. 따라서, 전기장의 주파수 f는, 온도 T=34℃, 온도 편차 ΔT=4℃ 및 0.05보다 크지 않은 임계값 B에 대해 수학식 1이 되도록 선택되고, 여기서, ε'_H2O(T,f) 및 ε"_H2O(T,f)는 온도 T 및 주파수 f의 함수로서 물의 유전율의 실수부 및 허수부를 기술하는 함수들이다.

이것은 조직의 유전율의 실수부 및 허수부 ε' 및 ε"이 물의 유전율 ε_H2O의 실수부 및 허수부에 의해 주로 영향을 받는다는 이해에 기초한다. 이것은 물이 조직의 주성분들 중 하나이고 그것이 높은 유전율을 갖기 때문이다. 물의 유전율은 주파수 f뿐만 아니라 온도 T에 강하게 의존한다. 주파수 f가 측정 디바이스에 의해 제어되고 따라서 잘 알려지지만, 조직 내의 온도 T는 달라질 수 있고, 종종 잘 알려지지 않는다. 따라서 종래 기술 접근법들은 측정된 파라미터 p를 후속하여 보정하기 위하여 온도 T의 측정에 집중한다. 다른 한편으로, 본 접근법은, 주파수 f는 선형 근사(linear approximation)에서 온도에 대한 함수 p의 도함수(derivative)가 0이 되도록 선택되어야 한다는 아이디어에 기초한다. 이 주파수는 ε'_H2O(T,f) 및 ε"_H2O(T,f)의 알려진 분산 및 온도 의존도(temperature dependence)뿐만 아니라 함수 p(ε',ε")의 지식으로부터 계산될 수 있다.

주파수 범위는 파라미터 p가 신체 조직의 유전율의 실수부 ε'에 의존하지만, 실질적으로 상기 유전율의 허수부 ε"에 독립적인 경우 명백하게 표현될 수 있다. 그 경우, 아래 도시된 바와 같이, 주파수 f는 6.2와 10.1 GHz 사이의 범위에 있어야 한다.

유사하게, 파라미터 p가 신체 조직의 유전율의 허수부 ε"에 의존하지만, 실질적으로 유전율의 실수부 ε'에 독립적인 경우, 주파수 f는 25.5와 36 GHz 사이의 범위에 있어야 한다.

본 발명은 특히 피부 수화의 측정에 알맞지만, 또한 인가된 전기장에 대한 조직의 응답에 기초하여 다른 측정들에 적용될 수 있다.

본 발명은 그의 다음의 상세한 설명에 대해 고려가 될 때 더 잘 이해될 것이고 위에 언급한 것 외의 목적들이 명백해질 것이다. 이러한 설명은 첨부된 도면들을 참조한다.
도 1은 동일 평면 도파로(coplanar waveguide)의, 도파로의 세로 축에 수직인, 단면도이다.
도 2는 전도체 뒷면 동일 평면 도파로(conductor-backed coplanar waveguide; CBCPW)의, 도파로의 세로 축에 수직인, 단면도이다.
도 3은 전도체 뒷면 동일 평면 도파로(CBCPW)에 기초하여 측정 시스템의 그래프 표현을 도시한다.
도 4는 파라미터를 측정하기 위한 디바이스의 블록도이다.
도 5는 온도 및 주파수에 대한 자유 수분(free water) 유전율의 실수부의 의존도를 도시한다.
도 6은 온도 및 주파수에 대한 자유 수분 유전율의 허수부의 의존도를 도시한다.
도 7은 온도의 함수로서 선택된 주파수들에 대한 순수 수분(pure water)의 유전율의 실수부를 도시한다.
도 8은 상이한 식염수들에 대한 주파수의 함수로서 유전율을 도시한다.
도 9는 주파수의 함수로서 선택된 온도들에 대한 순수 수분의 유전율의 실수부를 도시한다.
도 10은 30 내지 38℃의 범위에 걸친 유전율의 실수부 및 허수부의 허용할 수 있는 변동들에 대응하는 주파수 범위들을 표로 나타낸다.
도 11은 온도의 함수로서 선택된 주파수들에 대한 순수 수분의 유전율의 허수부를 도시한다.
도 12는 주파수의 함수로서 선택된 온도들에 대한 순수 수분의 유전율의 허수부를 도시한다.
도 13은 주파수 믹서(frequency mixer)의 블록도이다.

다음에서, 본 발명은 피부 속성들을 측정하는 디바이스의 관점에서 설명된다. 그렇지만, 이 기법은 또한 예를 들어 내장된 전극들을 이용하여 포유 동물의 신체 내 더 깊은 측정들에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다.

1. 센서 구현들

1.1. 도입부

유리한 실시예에서, 본 발명은 섹션 1.2에서 설명되는 바와 같이 적어도 하나의 동일 평면 도파로를 갖는 센서 디바이스를 이용하는 것에 의존한다. 그렇지만, 본 발명은 또한 WO 2005/120332에 개시된 디바이스와 같은 다른 전극 기하학(electrode geometries)에 의해 실행될 수 있다는 것에 주목해야 한다.

센서 디바이스는 피부의 최상부층에 가까운 전극 배열로 테스트 하의 피부 영역에 적용된다. 그 다음에 전극 배열은 피부 영역 내에 교류 전기장을 발생하는 데 이용된다. 유리하게는, 디바이스는 피부 속성들의 깊이 프로파일(depth profile)을 기록할 수 있게 하는, 조직 내로의 상이한 침투를 갖는 전기장들을 발생하기 위하여 상이한 갭 폭들을 갖는 전극들을 포함한다.

각각의 전기장은, 그것이 피부/조직 내로 얼마나 침투하는지에 따라, 평균 유효 유전율(average effective permittivity) ε_eff을 알 것이다. 이 유효 유전율은 조직의 선형 응답(분극)과 전기장에 대한 전극 기판의 선형 응답의 결합을 기술한다. 그것은 전극 기판의 유전율 및 조직의 평균 유전율 ε로 구성된다.

다음 단계에서, 각각의 전극쌍에 대해 값 m이 측정된다. 이 값은 예를 들어, 전극들의 전기 임피던스 Z 또는 캐패시턴스 C, 또는 전극들을 통과하는 신호에 대한 위상 시프트(phase shift) 또는 감수 계수(damping coefficient)일 수 있고, 그것은 전극들에 의해 경험되는 유효 유전율에 의존할 것이다. 특정 예가 아래 섹션 1.2 및 1.3에서 설명된다.

예를 들어, 아래 설명된 바와 같은 기법들을 이용하여, 측정된 값 m은 적절한 계산들에 의해 원하는 파라미터 p로 변환될 수 있다. 파라미터 p는 예를 들어, 평균 조직 유전율 ε(또는 그의 실수부 ε' 또는 허수부 ε")과 같을 수 있거나, 조직의 수분 농도(water concentration)의 추정치와 같을 수 있다. 이것은 아래 섹션 1.4에서 더 상세히 설명된다.

1.2. 동일 평면 도파로 전송 라인들

언급한 바와 같이, 본 발명은 유리하게는 동일 평면 도파로 전송 라인을 포함하는 전극 배열에 의하여 실행된다. 이러한 전송 라인들은 특히 본 발명에 이용되는 고주파수 f에 알맞다. 동일 평면 도파로 전송 라인들의 세부사항들은 다음 섹션들에서 설명된다.

1.2.1. 정의

이 텍스트 및 청구항들에서 이용되는 바와 같이 "동일 평면 도파로(coplanar waveguide)"(CPW)라는 용어는 2개의 그라운드 전극들 사이 및 2개의 그라운드 전극들로부터 떨어진 길게 늘인 중심 스트립 전극(elongate center strip electrode)(신호 전극)의 배열로서 해석되어야 한다. 신호 전극은 너비보다 훨씬 더 길다. 신호 및 그라운드 전극들은 비-전도 지지대(non-conducting support)의 동일한 표면에 부착된다. 옵션으로, 추가 그라운드 전극이 지지대의 반대측에 배치될 수 있다("전도체 뒷면 동일 평면 도파로(conductor-backed coplanar waveguide)"(CBCPW)라고 하는 배열). 전극들은 직선을 따라 확장할 수 있거나, 그것들은 곡선(예를 들어, 나선형) 또는 다각형(예를 들어, L 또는 U의 형태)일 수 있다.

유리하게는, 이 디자인은 더 양호한 필드 로컬화(field localization)를 제공하고 모델링하기에 더 쉽기 때문에, 그라운드 전극들이 신호 전극보다 훨씬 더 넓다.

또한, 유리하게는, 이 디자인은 모델링하기에 가장 쉽기 때문에, 전극들의 폭이 그들의 세로 확장을 따라 일정하고, 또한 그라운드 기하학이 CPW를 따라 변하지 않는다. 그러나, 예를 들어, 신호 전극의 폭을 주기적으로 변화시킴으로써, CPW를 따라 이들 파라미터들을 달라지게 하는 것이 또한 가능할 수 있다.

1.2.2. 예들

도 1에 도시된 바와 같이, 유전체 기판 상의 CPW의 실시예는 어느 한 측에 (이상적으로) 반-무한(semi-infinite) 그라운드 전극들(2)을 갖는 중심 스트립 전극(1) 전도체를 포함한다. 중심 스트립 전극(1) 및 그라운드 전극들(2)은 유전체 지지대(3) 상에 배열된다. 이 구조는 전파(propagation)의 준-TEM(transversal electro-magnetic) 모드를 지원한다. 동일 평면 도파로(5)는 종래의 마이크로스트립 라인에 비해 몇가지 이점들을 제공한다: 첫째, 그것은 제조를 간단하게 한다; 둘째, 그것은 액티브 및 패시브 디바이스들의 연속 표면 실장(series surface mounting)뿐만 아니라 용이한 션트(shunt)를 용이하게 한다; 셋째, 그것은 홀들을 통하고 랩어라운드(wraparound)하는 필요성을 없앤다; 및 넷째, 그것은 복사 손실(radiation loss)을 줄인다. 또한, 특성 임피던스는 a/b의 비율에 의해 결정되어, 사이즈 감소가 한계 없이 가능하며, 패널티(penalty)만이 더 높은 손실들이다. 또한, 그라운드 평면이 임의의 2개의 인접 라인들 사이에 존재함으로써, 인접 라인들 사이의 크로스토크(cross talk) 효과들이 매우 약하다.

CPW(5) 상의 전파의 준-TEM 모드는 낮은 분산을 갖고, 따라서 광대역 회로들 및 컴포넌트들을 구성할 가능성을 제공한다.

도 1은 종래의 CPW를 도시하고, 여기서 그라운드 평면들은 어느 한 측에서 반-무한 크기로 되어 있다. 그러나, 실제적인 회로에서 그라운드 전극들은 유한 크기로 만들어진다.

대안적인 실시예에서, 도 2에 도시된 바와 같이 전도체 뒷면 CPW가 이용될 수 있다. 그것은 전극들(1 및 2)에 대향하는 기판(3)의 표면에 부가적인 하부 그라운드 전극(4)을 갖는다. 이 하부 그라운드 전극은 기판에 대한 기계적 지지대를 제공할 뿐만 아니라, 액티브 디바이스들을 갖는 회로들을 위한 히트 싱크(heat sink)로서 작용한다. 그것은 또한 지지대(3) 아래 임의의 회로에 대한 전기적 차폐(shielding)를 제공한다. 전도체 뒷면 CPW는 유리하게는 이러한 작업 내에서 이용된다.

1.3. 전도체 뒷면 CPW(CBCPW)에 대한 정문제(forward problem)

다음에서, 도 2의 CBCPW(5)가 고려될 것이다. 신호 라인은 폭 S를 갖고, 신호 및 그라운드 전극들 사이의 갭 폭(gap width)은 W이다. 다음의 주석들이 또한 이용된다: S = 2a 및 S + 2W = 2b.

우선, 전송 라인의 정문제, 즉, 도 2에 도시된 시스템의 유효 유전율 ε_eff의 계산이 해결되어야 한다. 보통, 도시된 구성은 고주파수 시스템들 내의 상부 상 공기(air on top)와 이용된다(ε_r1=1). 측정 애플리케이션들에서, 유전율 ε_x을 갖는 테스트하의 물질(material under test; MUT)이 전송 라인의 상부에 배치된다(ε_r1=ε_x). 유전율 ε_x은 조직의 평균 유전율 ε에 대응한다.

CPW들에 대한 어떤 간단한 관계들을 분석적으로 서술할 수 있기 위해서, 수 가정들 및 근사들이 행해져야 한다. 주 가정은 준-TEM(transversal electro-magnetic) 웨이브 전파(wave propagation)가 전송 라인 상에서 우세하다는 것이다. 이러한 가정은 금속 스트립들 및 유전체 물질들의 손실들이 낮다는 것을 의미한다. 종종, 이것은 인간 조직들의 경우가 아니다. 그러나, 분석적인 표현들은 철저한 컴퓨터 지원에 의한 전파(full-wave) 분석을 진행하기 전에 센서 기능을 빠르게 분석할 수 있게 한다.

이러한 근사에 기초하여, Wen[1]의 분석은 Gevorgian[2]에 의해 제안된 절차를 이용한 고려하의 구조로 확장될 수 있다.

도 2의 전송 라인에 의해 알 수 있는 바와 같은 유효 유전율은 수학식 2에 의해 표현될 수 있다.

ε_r은 지지대(3)의 유전율이고, 여기서, q₁ 및 q₂는 다음과 같다.

수학식 3 및 4의 함수들 K(x)는 제1종의 완전 타원 적분들(the complete elliptic integrals of the first kind)이다. 수학식 3 및 4를 재배열하면, 시스템의 유효 유전율은 다음과 같이 서술될 수 있다.

파라미터들 k_i는 구조 기하학에 의존하고 다음과 같이 정의된다:

및

전송 라인의 특성 임피던스는 그 다음에 다음과 같이 계산될 수 있다.

1.4. CPW 라인들을 이용한 유전율 측정들

크기, 형태(평면도), 동작들의 대역폭, 간단함, 비-침습성(non-invasiveness)과 같은, 몇몇 바운더리 상태들(boundary conditions)로 인해, 전송 라인 기법이 여기서 활용된다. 이 기법은 라인을 따르는 웨이브 전파가 라인을 지지하는 유전체 물질의 유전율에 의해 강하게 영향을 받는다는 사실에 기초한다. 역문제(inverse problem)[7, 8] 내지 실제적인 센서 구현들[9-11]의 이론적 고려들로부터의 물질 특징화를 위한 이 방법의 활용의 다양한 양태들을 설명하는 다수의 공보들이 존재한다.

수학식 5를 이용하면, 유전율ε_r1=ε_x의 판정의 역문제가 다음의 수학식을 이용하여 해결될 수 있다.

여기서, q₁ 및 q₂는 각각 수학식 3 및 4에 의해 정의된다.

1.4.1. 센서 동작들의 이론

측정 시스템의 알려지지 않은 유효 유전율 ε_eff은 실험적으로 결정되어야 한다. 이 서브섹션의 서문에 설명된 바와 같이, 그렇게 하기 위한 다양한 방법들이 존재한다. 도 3은 유리한 방법을 그래프적으로 보여준다. 신호 발생기(6)는 사인 곡선적 RF 신호를 제공하며, 이것은 중심 스트립 전극(1)의 입력으로 공급된다. 중심 스트립 전극(1)의 출력에서의 전압 V(l)이 측정된다. 자유 공간에 비해 매질의 유전율이 더 높기 때문에 전파하는 웨이브는 감쇠되고 그의 속도는 감소된다. 다음의 수학식은 전송 라인을 따르는 전압 변동을 기술한다.

여기서, V_p(z) 및 V_r(z)는 라인을 따라 앞 및 뒤로 전파하는 신호들의 진폭들이다. 라인 종단이 특정 임피던스(보통 50Ω)를 갖는 경우에, 반사된 웨이브의 진폭 V_r(z)은 사라진다. 그 다음, 종단에서의 전압은 다음과 같이 서술될 수 있다.

전송 라인의 전달 함수(transfer function)는 그러면 다음과 같다.

전달 함수와 포워드 전송 계수(forward transmission coefficient)

를 비교하면, CPW 출력에서의 측정된 신호의 감쇠 및 위상에 대한 다음의 관계들이 정의될 수 있다.

이 포인트에서 측정된 위상 지연

은 보통 측정 전송 라인의 비-이상적 매칭으로 인해 수학식 18에서 계산된 값보다 더 크다는 것을 주목해야 한다.

수학식 12과 18을 결합하면, 테스트하의 물질의 알려지지 않은 유전율 ε_x이 다음과 같이 정의될 수 있다.

여기서,

은 전송 라인에 대한 위상 지연과 상이한 정도의 센서 하드웨어에 의한 측정된 위상 지연이다. 베이스 위상 시프트

는 센서 하드웨어에 의해 정의된 상수이다. 그것은 나중에 설명되는 바와 같이 캘리브레이션 절차에 의해 결정되어야 한다.

1.4.2. 센서 하드웨어

도 4는 디바이스의 기본적인 블록도를 도시한다. 마이크로파 신호가 AC 신호 발생기(6)에 의해 제공되고 나서, 살아있는 포유 동물, 특히 인간의 피부와 접촉하게 되는, 커플링 구조(coupling structure)(5)의 신호 라인(1)의 제1 단(입력단)에 공급된다. 커플링 구조(5)는 도 3에 도시된 바와 같이 신호가 공급되는, 위에서 설명한 바와 같은 CPW, 특히 CBCPW이다. 도 4는 이러한 커플링 구조들이 몇개 존재할 수 있다는 것을 개략적으로 도시한다.

커플링 구조(5)의 중심 스트립 전극(1)의 제2 단(출력단)에서의 전압이 크기/위상 검출기(7)에 공급된다. 본 실시예에서, 이 회로는 중심 스트립 전극(1)의 입력 및 출력 신호들을 비교하고, 그 전압이 그것들 사이의 크기 비율 및/또는 위상 차이에 비례하는, 1개 또는 2개의 DC 신호들을 발생한다. 마이크로컨트롤러(8)는 측정된 데이터를 디지털화하고 저장하며, 그 다음에 이것은 관심 있는 측정의 계산들을 위한 기초로서 이용될 수 있다. 이 센서 시스템은 기본적으로 포워드 전송 계수 S₂₁의 크기 및 위상을 측정하는 보드 상의 간략화된 VNA(Vector Network Analyzer)이다.

디바이스는 잘 정의된, 옵션으로 조정가능한, 주파수 f에서 측정을 실시하도록 구조화된다는 것에 주목해야 한다. 예를 들어, 신호 발생기(6)는 순수한 사인 신호를 발생하고 및/또는 좁은 밴드패스 필터(narrow bandpass filter)들이 크기/위상 검출기(7)에 제공된다.

또한, 측정된 파라미터들 m_i을 프로세싱하고 그로부터 파라미터 p를 계산하기 위해 제어 유닛(10)이 제공된다. 제어 유닛(10)은 마이크로컨트롤러(8)의 일부로서 구현될 수 있거나, 제어 유닛(10)은 외부 컴퓨터와 같은 별개의 유닛일 수 있다. 검출기(7), 마이크로컨트롤러(8) 및 제어 유닛(10)은 함께 파라미터 p를 측정하기 위한 전극 배열에 접속된 측정 유닛을 형성한다.

몇개의 CPW들이 센서 디바이스의 부분일 때, 도 5에 도시된 바와 같은 단일 신호 발생기(6)는 모든 CPW들이 동시에 동작하도록 그것들 전부에 공통 신호를 공급하기 위해 이용될 수 있다. 대안적으로, 신호 발생기(6)는 CPW들이 순차적으로 동작되도록 CPW들 각각에 신호를 후속하여 공급하도록 구성될 수 있어, 크로스토크를 최소화할 수 있다. 유사하게, 몇개의 크기/위상 검출기들(7)을 갖는 측정 유닛, 즉, 각각의 CPW에 대해 하나의 검출기(7)가 제공될 수 있거나, 단일 크기/위상 검출기(7)가 그것들 전부로부터의 신호들을 순차적으로 측정하기 위해 CPW들의 출력단들 사이에서 스위칭될 수 있다.

아래에서 설명되는 바와 같이, 유리한 주파수들 f는 8 또는 심지어 30 GHz 정도에 있을 것이다. 주파수 혼합 기법들은 예를 들어 그러한 고주파수들에서 측정들을 실시하는 데 이용될 수 있다. 7.2 또는 8.2 GHz에서 동작하기 위한 주파수 믹서의 블록도가 도 13에 도시된다.

"2 GHz 유닛"이라고 하는 유닛은 단자 Tx에서 1 또는 2 GHz의 주파수를 갖는 RF 신호를 발생한다. 동시에, 중간 주파수(intermediate frequency; IF)로서 어떤 6.2 GHz의 주파수를 갖는 다른 RF 신호가 로컬 오실레이터(local oscillator; LO)에 의해 발생된다. 전력 스플리터를 통해 그것은 믹서에 공급된다. 2개의 신호들(IF 및 LO)은 7.2 또는 8.2 GHz의 RF 신호를 발생하기 위해 이중 균형 믹서(double-balanced mixer)에 의해 혼합되고, 이것은 그 다음에 버퍼 증폭기에 의해 증폭되어 다른 싱글 폴 더블 스로(single pole double throw; SPDT) 스위치를 통해 DUT(테스트하의 디바이스, 즉, 전극 배열)에 공급된다. 버퍼 증폭기 전에, 원하지 않는 고조파를 필터링하기 위해 밴드패스 필터가 배치된다.

수신된 신호는 먼저 증폭되고 나서 LO 신호를 이용하여 IF 주파수로 하향 변환된다(downconverted). 전송된 IF 및 수신된 IF 신호들 둘다는 "2GHz" 전자장치 내의 AD8302 크기/위상 검출기를 이용하여 비교된다. 그의 출력 DC 신호는 디지털 도메인으로 변환되고 평가를 위해 마이크로컨트롤러에 이송된다. 기준 및 측정 IF 신호들 사이의 위상 차이는 테스트하의 디바이스에서의 위상 지연에 관한 정보를 포함한다. 알려진 시스템(예를 들어, 공기 또는 물 적재 라인(air- or water-loaded line))을 이용한 캘리브레이션은 관심 있는 위상 지연의 절대값을 결정하는 데 도움을 줄 수 있다.

1.5. 콤플렉스 유전율들(Complex permittivities)

위의 계산들은 손실들이 낮다는, 즉, 조직의 유전율 ε_x의 허수부가 무시해도 될 정도라는 가정하에서 행해진다. 이 가정이 행해지지 않은 경우, 전송 라인을 통한 측정된 위상 지연

및 신호 감쇠의 함수로서 조직의 콤플렉스 유전율 ε은 예를 들어 철저한 컴퓨터 지원에 의한 전파 분석을 이용하여 획득될 수 있다.

1.6. 측정된 파라미터 p의 결정

애플리케이션에 따라, 측정된 파라미터 p는 예를 들어 조직의 평균 유전율 ε(=ε_x)일 수 있고, 이것은 위에서 설명한 방법으로부터 획득될 수 있다. 대안적으로, 그것은 예를 들어 평균 유전율 ε로부터 도출된 임의의 값일 수 있다.

예를 들어, 디바이스가 상이한 갭 폭들 W을 갖는 몇개의 CPW들을 포함할 때, 상이한 CPW들에 의해 측정된 평균 유전율들 ε은 피부 아래의 특정 깊이에서 평균 유전율을 추정하기 위해 결합될 수 있다.

또한, 측정된 평균 유전율은 예를 들어 WO 02/069791 및 WO 2005/120332에 설명된 기법들을 이용하여 조직의 포도당 값을 계산하기 위하여 제어 유닛(10)에 의해 더 처리될 수 있다. 그 경우, 측정된 파라미터 p는 포도당 레벨일 것이다.

또한, 평균 유전율 ε을 명백하게 계산하는 대신에, 측정된 신호 p는 또한 전송 라인을 통한 위상 지연

및/또는 신호 감쇠일 수 있거나, 그로부터 도출된 임의의 값일 수 있다.

이들 경우 중 임의의 경우에, 측정된 신호 p는 유전율 ε=ε'-i·ε"의 함수 p(ε',ε")일 것이고, 함수 p는 조직의 유전율의 실수부 ε' 및/또는 허수부 ε"에 의존한다.

2. 측정 주파수

위의 섹션 1.6에서 소개한 함수 p는 조직의 온도 T뿐만 아니라 인가된 전기장의 주파수 f에 의존한다.

그것이 발견될 때, 이 의존도에 대한 하나의 주요 이유는, 조직 유전율 ε이 조직 내의 수분의 유전율에 강하게 의존하기 때문에, (자유) 수분의 유전율 ε_H2O의 온도 및 주파수 의존도이다.

도 5 및 6의 그래프들은 상이한 주파수들 f 및 온도들 T에 대해 실수부 및 허수부 ε'_H2O 및 ε"_H2O을 각각 도시하며, 이것들은 순수 벌크 수분(pure bulk water)에 대해 Kaatze[4]에 의해 도출된 표현식을 이용하여 계산되었다. 소위 생체 조직들 내의 결합된 물(bound water)의 유전체 속성들은 물 분자들이 결합되는 물질들에 강하게 의존한다. 소구체 단백질(globule proteins)은 예를 들어 용액의 유전율을 증가시키는 반면[5], 포도당은 오히려 이 값을 감소시킨다[6]. 그럼에도, 수액의 온도 거동(behaviour)은 벌크 수분에 대해 전술한 바와 양적으로 동일하게 유지한다.

도 5 및 도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 물의 유전율은 주파수 f뿐만 아니라, 온도 T에도 강하게 의존한다. 그러나, 쉽게 인식할 수 있는 바와 같이, 제한된 온도 범위가 고려될 수 있다면 물의 유전율(실수부)이 온도에 대해 약한 변동만을 보여주는 주파수들이 존재한다. 포유 동물, 특히 인간의 경우, 온도 범위는 어떤 30-38℃로 제한될 수 있다.

이것은 수분의 유전율에 대한 온도의 영향이 작은 적절한 주파수 f를 선택할 수 있게 한다. 다음에, 이것은 먼저 조직 유전율의 실수부에만 의존하는 측정된 파라미터 p의 예에 대해 예시되고, 그 다음에 조직 유전율의 허수부에만 의존하는 측정된 파라미터 p의 예에 대해 예시된다. 마지막으로, 이 메커니즘은 측정된 파라미터 p가 조직 유전율의 실수부 및 허수부 둘다에 상당히 의존하는 경우들로 일반화된다.

2.1. 파라미터 p는 조직 유전율의 실수부에 의존한다

파라미터 p가 조직 유전율의 실수부 ε'에만 의존하는 경우, 특히, p=ε'인 경우, 또는 적어도, 허수부 ε"에의 파라미터 p의 의존이 무시될 수 있는 경우, 주파수 f는 ε'_H2O=Re(ε_H2O)이 온도에 따라 약간만 달라지는 값으로 설정되어야 한다.

이것은 도 7에 예시되고, 여기서, ε'_H2O의 온도 의존도는 7.8GHz와 8.6GHz 사이의 범위에서 선택된 주파수들에 대해 도시된다.

유전율은 오직 30-38℃의 온도 범위 내에서 그리고 주파수 f=8.2GHz에 대해 67.7과 67.8 사이에서 변화한다. 유전율 변동은 0.1 아래, 아마도 심지어 시스템의 정확도 아래로 많이 떨어진다.

벌크 수분이 관심 있는 물질인 경우에 측정 주파수는 약 f=8.2GHz여야 한다는 것이 위의 고려사항으로부터 결론을 낼 수 있다.

그러나, 벌크 수분(또는 그의 용액)은 오직 수분 신체 조성들(water body compositions)의 일부이다(주요한 것이더라도). 신체 조직의 타입에 따라, 결합된(bound) 수분은 총 수분 함량의 어떤 0-40%에 달한다. 결합된 수분 자체는 결합의 타입에 따라 벌크 수분의 것보다 더 높거나 더 낮은 유전율을 나타낼 수 있다. 그것은 그의 유전율이 직접 측정될 수 없는 결합 수분의 특성에 있다. 식염수의 측정들 및 모델링은, 등장 용액(isotonic solution)의 유전율이 도 8에 도시된 바와 같은 벌크 수분의 값과 현저하게 상이하지 않음을 나타내었다[7].

이용될 주파수 f의 적절한 범위를 평가하기 위하여, 38℃ 및 30℃에서 유전율들의 실수부 사이의 차이뿐만 아니라 ε'_H2O의 값이 계산되었다. 이 계산들의 결과는 도 9에 도시된다.

30℃ 내지 38℃의 온도 범위에 걸친 실수부 유전율의 허용할 수 있는 편차의 값에 따라, 허용가능한 주파수들의 범위는 도 10의 표의 컬럼들 1 및 2로부터 획득될 수 있다. 예를 들어, 30℃ 내지 38℃의 범위에 걸친 ε'_H2O의 허용할 수 있는 편차가 +/-0.25인 경우, 허용 가능한 주파수 범위는 7.7-8.7GHz이다.

많은 애플리케이션들에서 ε'_H2O의 허용할 수 있는 변동은 +/-1 정도이기 때문에, 주파수의 범위는 따라서 6.2-10.1GHz이다. 그렇지만, 유리하게는, 범위는 7.2-9.2GHz, 특히 7.7-8.7GHz이다.

2.2. 파라미터 p는 조직 유전율의 허수부에 의존한다

유사하게, 실수부 ε'에의 파라미터 p의 의존이 무시될 수 있는 경우, 특히, p=ε"인 경우, 주파수 f는 ε"_H2O=Im(ε_H2O)이 온도에 따라 약간만 달라지는 값으로 설정되어야 한다.

이것은 도 11에 예시되고, 여기서, ε"_H2O의 온도 의존도는 25GHz와 33GHz 사이의 범위에서 선택된 주파수들에 대해 도시된다. 또한, 예를 들어 29 또는 31 GHz에서, 온도에의 ε"_H2O의 의존도는 최소이고, 그것은 예를 들어 25 GHz에서 더 커진다는 것이 발견된다.

도 12는 38℃ 및 30℃에서 유전율들의 허수부 ε"_H2O 사이의 차이뿐만 아니라 상이한 온도들에 대한 주파수의 함수로서 ε"_H2O의 대응하는 값을 도시한다.

30℃ 내지 38℃의 범위에 걸친 ε"_H2O의 주어진 허용할 수 있는 편차에 대한 허용가능한 주파수 범위가 도 10의 표의 컬럼들 1 및 3에 열거되어 있다. 예를 들어, 30℃ 내지 38℃의 범위에 걸친 ε"_H2O의 허용할 수 있는 편차가 +/-0.25인 경우, 허용 가능한 주파수 범위는 29.0-31.3GHz이다.

많은 애플리케이션들에서 ε"_H2O의 허용할 수 있는 변동은 +/-1 정도이기 때문에, 주파수의 범위는 따라서 25.5-36GHz이다. 그렇지만, 유리하게는, 범위는 27.5-32.5GHz, 특히 29-31.3GHz이다.

2.3. 파라미터 p는 실수 및 허수부들에 의존한다

섹션들 1.1 및 1.2에서, 파라미터 p는 ε' 또는 ε"에만 의존한다고 가정하였다. 그러나, 파라미터 p는 조직 유전율의 실수 및 허부부들 둘다에 의존할 수 있고, 즉, 함수 p(ε', ε")이다.

선형 근사에서, 유전율의 온도 유도 변화(temperature induced change)는 다음과 같이 파라미터 p의 변동 Δp을 일으킬 것이다.

조직 유전율 ε의 온도 의존도는 자유 수분의 온도 의존도와 실질적으로 동일하다는 가정하에서, 다음과 같이 쓸 수 있다.

상대 에러 Δp/p는 따라서 다음과 같이 주어진다.

[수학식 21]

상대 에러는 임계값 B 아래에 있어야 한다고 가정하면, 아래와 같다.

유리하게는, 파라미터 p의 에러들이 각각 5% 또는 1% 아래 정도로 되도록 임계값 B는 0.05, 특히 0.01보다 작아야 한다.

포유 동물들의 경우, 온도는 통상적으로 30 내지 38℃의 범위, 특히 신체 표면에 가까운 범위일 것이고, 따라서 T는 34℃로 설정될 수 있고 ΔT는 4℃로 설정될 수 있다. [4]로부터 유전율 ε_H2O(T,f)의 알려진 의존도뿐만 아니라 이들 가정들을 이용하면, 이제 주어진 함수 p(ε', ε")에 대해 수학식 22의 조건이 충족되는 주파수 f의 범위를 계산하는 것이 가능하다. 대부분의 경우들에서, 수학식 22의 값 p(ε',ε")은 파라미터 p의 "대표값(typical value)" 또는 "평균값"일 수 있다.

3. 애플리케이션들

언급한 바와 같이, 특히 본 출원은 즉, 화장품, 산업, 의료 및 군사 용도로 피부 수분의 레벨 및/또는 신체 수화(body hydration)의 레벨을 수량화하는 데 알맞다.

다음 리스트는 결코 완전한 것이 아니고 오직 잠재적인 애플리케이션 영역들을 설명한다.

- 피부 관리 제품 효험을 모니터하기 위한 피부 수분 평가

- 피부의 정상 및 잠재적으로 병적인 상황들의 판정

- 연세 드신 사람들의 수화 레벨 모니터링

- 수화 및 신장(renal) 상태의 생물지표들(biomarkers)

그러나, 언급한 바와 같이, 본 발명은 또한 혈당 레벨들과 같은 다른 타입들의 파라미터들 p을 측정하는 데도 알맞다.

·참고문헌들

[1] C.P. Wen, "Coplanar Waveguide: A Surface Strip Transmission Line Suitable for Nonreciprocal Gyromagnetic Device Applications," in IEEE Trans Microwave Theory Techn., Dec 1969, pp. 1087-1090.

[2] S. Gevorgian, L.J.P. Linner, E.L. Kollberg, "CAD Models for Shielded Multilayered CPW," in IEEE Trans Microwave Theory Techn., April 1995, pp. 772-779.

[3] Ch.M. Lee and H. I. Maibach, "Bioengineering Analysis of Water Hydration: An Overview," in Exog. Dermatol, 2002, 269-275.

[4] U Kaatze, "Complex permittivity of water as a function of frequency and temperature," J. Chem. Eng. Data, 1989, pp. 371-374.

[5] N. Miura, N. Asaka, N. Shinyashiki, and S. Mishimo, "Microwave Dielectric Study on Bound Water of Globule Proteins in Aqueous Solution," in Biopolymers 1994, pp. 357-364.

[6] K. Fuchs and U. Kaatze, "Molecular Dynamics of Carbohydrate Aqueous Solutions. Dielectric Relaxation as a Function of Glucose and Fructose Concentration," in J. Phys. Chem. 2001, pp. 20.36-2042.

[7] Ellison, W., A. Balana, G. Delbos, K. Lamkaouchi, L. Eymard, C. Guillou, and C. Prigent, "New permittivity measurements of seawater," Radio Science, vol. 33, pp. 639-648, 1998.

[8] S.S. Bedair and I. Wolff, "Fast, Accurate and Simple Analytic Formulas for Calculating the Parameters of Supported Coplanar Waveguides for (M)MIC's," in IEEE Trans. Microwave Theory Techn, vol. 40, Jan. 1992, pp. 41-48.

[9] M.D. Janezic, D.F. Williams, "Permittivivty Characterization from Transmission-Line Measurements," in IEEE MTT-S Int Microwave Symposium Dig., June 197, pp. 1343-1346.

[10] S.S. Stuchly and C.E. Bassey, "Microwave coplanar sensors for dielectric measurements," in Meas Sci Technol., 1998, pp. 1324-1329.

[11] A. Raj, W.S. Holmes, and S.R. Judah, "Wide Bandwidth Measurement of Complex Permittivity of Liquids using Coplanar Lines," in IEE Trans. Instr. Meas., vol. 50, Aug. 2001.

[12] B. Kang, J. Cho, Ch. Cheon, Y. Kwon, "Nondestructive Measurements of Complex Permittivity and Permeability Using Multilayered Coplanar Waveguide Structures," in IEEE Microwave Wireless Comp. Lett., vol. 15, May 2005.

Claims (8)

1. 포유 동물의 신체 조직(body tissue), 특히 피부의 유전율(permittivity)의 실수부 ε' 및/또는 허수부 ε"에 의존하는 적어도 하나의 파라미터 p를 측정하기 위한 디바이스로서,
   주파수 f에서 AC 전압을 발생하는 신호 발생기(6),
   상기 조직에 교류 전기장(alternating electric field)을 발생하기 위해 상기 신호 발생기에 접속된 전극 배열(1, 2, 4), 및
   상기 파라미터 p를 결정하기 위해 상기 전극 배열(1, 2, 4)에 접속된 측정 유닛(7, 8, 10)
   을 포함하고,
   상기 파라미터 p는 상기 유전율의 상기 실수부 ε' 및/또는 상기 허수부 ε"에 의존하는 함수 p(ε',ε")이고,
   상기 주파수 f는,
   온도 T=34℃, 온도 편차 ΔT=4℃ 및 0.05보다 크지 않은 임계값 B에 대해
   

   

   
   이 되도록 하고, 여기서, ε'_H2O(T,f) 및 ε"_H2O(T,f)는 온도 T 및 주파수 f의 함수로서 물의 유전율의 실수부 및 허수부를 기술하는 함수들인 디바이스.
2. 제1항에 있어서,
   상기 임계값 B는 0.01보다 더 크지 않은 디바이스.
3. 포유 동물의 신체 조직, 특히 피부의 유전율의 실수부 ε'에 의존하는 적어도 하나의 파라미터 p를 측정하기 위한, 특히, 제1항 또는 제2항의 디바이스로서,
   상기 파라미터 p는 상기 유전율의 허수부 ε"에 실질적으로 독립적이고,
   상기 디바이스는,
   주파수 f에서 AC 전압을 발생하는 신호 발생기(6),
   상기 조직에 교류 전기장을 발생하기 위해 상기 신호 발생기(6)에 접속된 전극 배열(1, 2, 4), 및
   상기 파라미터 p를 결정하기 위해 상기 전극 배열(1, 2, 4)에 접속된 측정 유닛(7, 8, 10)
   을 포함하고,
   상기 주파수 f는 6.2 GHz와 10.1 GHz 사이의 범위에 있는 디바이스.
4. 제3항에 있어서,
   상기 주파수 f는 7.2 GHz와 9.2 GHz, 특히 7.7 GHz와 8.7 GHz 사이에 있는 디바이스.
5. 포유 동물의 신체 조직, 특히 피부의 유전율의 허수부 ε"에 의존하는 적어도 하나의 파라미터 p를 측정하기 위한, 특히, 제1항 또는 제2항의 디바이스로서,
   상기 파라미터는 상기 유전율의 실수부 ε'에 실질적으로 독립적이고,
   상기 디바이스는,
   주파수 f에서 AC 전압을 발생하는 신호 발생기(6),
   상기 조직에 교류 전기장을 발생하기 위해 상기 신호 발생기(6)에 접속된 전극 배열(1, 2, 4), 및
   상기 파라미터 p를 결정하기 위해 상기 전극 배열(1, 2, 4)에 접속된 측정 유닛(7, 8, 10)
   을 포함하고,
   상기 주파수 f는 25.5 GHz와 36 GHz 사이의 범위에 있는 디바이스.
6. 제5항에 있어서,
   상기 주파수 f는 27.5 GHz와 32.5 GHz, 특히 29.0 GHz과 31.3 GHz 사이에 있는 디바이스.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전극 배열(1, 2, 4)은 적어도 하나의 동일 평면 도파로(coplanar waveguide)를 포함하는 디바이스.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 디바이스를 동작시키는 방법으로서,
   온도 T=34℃, 온도 편차 ΔT=4℃ 및 0.05보다 크지 않은 임계값 B에 대해
   

   

   
   이 되도록, 상기 주파수 f를 선택하는 단계를 포함하고,
   여기서, ε'_H2O(T,f) 및 ε"_H2O(T,f)는 온도 T 및 주파수 f의 함수로서 물의 유전율의 실수부 및 허수부를 기술하는 함수들인, 디바이스 동작 방법.

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