KR20140085202A - 무선전력 전송을 적용한 인체삽입형 인공심장 박동기 - Google Patents

무선전력 전송을 적용한 인체삽입형 인공심장 박동기 Download PDF

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KR20140085202A
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원윤재
김영한
임승옥
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전자부품연구원
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Abstract

심장 박동기는 심장 리듬의 문제를 감지하며, 심장이 규칙적이며 제시간에 박동하도록 자체의 전기 자극을 보낸다. (심장 박동기는 자극을 생성한다.) 이 장치는 봉합된 케이스 내에 컴퓨터 칩과 크기는 작지만 오래 지속되는 밧데리로 구성되어 있다. 심장 박동기는 수술을 하여 상 흉부 또는 복부에 이식된다. 심장 박동기에서 생성된 전기 작극은 일반적으로 심장 내부에 삽입한 전극선(Lead)이라는 특수 도선을 통해 심장에 전달된다. 또한, 심장 박동기가 심장의 리듬을 감지하도록 도와준다. 이는 정확한 시간에 전기 자극을 심장에 전달하여 심장을 박동시키기 위함이다.

Description

무선전력 전송을 적용한 인체삽입형 인공심장 박동기{Implementable pacemaker with wireless charging function}
본 발명은 무선전력 전송을 적용한 인체삽입형 인공심장 박동기에 관한 것이다.
무선으로 에너지를 전달하는 무선 전력 전송 기술로서 자기유도 현상을 이용한 무선 전력전송 시스템이 사용되고 있다.
예컨대, 전동칫솔 또는 무선 면도기 등이 전자기 유도의 원리로 충전되며, 최근에는 전자기 유도를 이용하여 휴대전화나 PDA, MP3 플레이어, 노트북 컴퓨터와 같은 휴대기기를 충전할 수 있는 무선충전제품들이 출시되고 있다.
그러나, 하나의 코일에서 다른 코일로 자기장을 통해 전류를 유도하는 자기유도 방식은 코일 사이의 거리 및 상대적 위치에 매우 민감하여 두 코일 사이의 거리가 약간 떨어지거나 틀어져도 전송 효율이 급속히 떨어진다. 이에 따라 이러한 자기유도 방식의 무선 전력전송 시스템은 수 cm 이하의 근거리에서만 사용할 수 있다는 약점이 있다.
한편, 미국특허 7,741,735호에서는 공진장의 감쇄파 결합에 기반을 둔 비방사형 에너지 전달 방식을 개시하고 있다. 이는 두 개의 동일한 주파수를 갖는 공진체가 주위의 다른 비공진체와는 영향을 미치지 않지만 서로 커플링하려는 경향을 가지는 점을 이용한 것으로 기존의 전자기 유도에 비하여 먼 거리까지 에너지를 전달할 수 있는 기술로서 소개되고 있다.
한편, 여러 학문 분야에서 이용되는 동물 실험에서 동물의 생체 신호를 획득하는 장치 및 방법이 이용되고 있다. 동물의 생체 신호를 획득하기 위해서는 동물의 신체에 생체 신호를 측정하기 위한 장치를 장착하고 이러한 장치로부터 생체 신호를 전달받아 사용한다.
이러한 동물실험에 있어서, 동물의 신체에 장착되는 장치는 측정 및 신호 전달을 위해 일반적으로 RF 무선 통신을 이용한다.
그러나, RF 무선 통신의 전력 효율이 충분히 높지 않아 전체적인 시스템의 전력 소모를 증대시킬 뿐만 아니라 데이터 송신율도 저하될 수 있다. 이에 따라 동물 신체에 장착되는 장치에 배터리를 부착하여야 할 뿐만 아니라, 부착된 배터리를 자주 교체하여야 한다.
따라서, 이러한 장치는 장시간의 실험에 부적합하고, 특히 동물의 신체 내부에 삽입되는 장치의 경우 배터리의 교체가 용이하지 않아 더욱 큰 어려움이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 자기장 통신 및 무선 전력전송을 이용하여 실험용 동물로부터 생체 신호를 획득하는 장치, 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는, 자기장을 이용하여 무선 전력을 전달하여 실험용 동물에 장착된 센서를 동작시키고, 센서에 의해 검출된 신호를 자기장 통신을 통해 데이터 분석 시스템으로 전달한다.
본 발명의 일면에 따른 실험용 동물로부터 생체 신호를 획득하는 장치는, 송수신 안테나; 외부의 무선 전력전송 장치로부터 상기 송수신 안테나를 통해 전달되는 전력을 변환하는 전력 제어부; 상기 전력 제어부로부터 공급되는 전력을 이용하여 동작하며 실험용 동물의 생체 신호를 감지하는 센서; 상기 센서와 연결되어 있으며, 상기 센서에 의해 감지된 상기 생체 신호를 처리하는 신호 처리부; 및 상기 송수신 안테나를 이용하여 외부 장치와 통신을 수행하는 무선 통신부를 포함한다.
여기에서, 상기 무선 통신부는 상기 무선 전력전송 장치와 자기장 통신하는 제1 통신부; 및 외부의 무선 데이터 수신 및 분석 시스템과 무선 통신하는 제2 통신부를 포함할 수 있으며, 상기 실험용 동물의 생체 신호 획득 장치는 상기 생체 신호를 얻기 위하여 상기 실험용 동물에게 자극을 가하는 자극 발생기를 더 포함할 수도 있다.
본 발명의 다른 면에 따른 실험용 동물의 생체 신호 획득 방법은, 외부의 무선 전력전송 장치로부터 무선 전력을 수신하는 단계; 수신된 상기 무선 전력을 이용하여 실험용 동물의 생체 신호를 감지하는 센서를 작동시키는 단계; 상기 센서에 의해 실험용 동물의 생체 신호를 검출하는 단계; 검출된 상기 생체 신호를 처리하는 단계; 및 상기 생체 신호를 전송하는 단계를 포함한다.
여기에서, 상기 생체 신호는 상기 센서 외부의 무선 데이터 수신 및 분석 시스템으로 자기장 통신 또는 초고주파 무선 주파수 인식을 통해 전송되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 면에 따르면 실험용 동물의 생체 신호 획득 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 자기장을 이용하여 무선으로 전력을 송신하는 무선 전력전송 장치; 상기 무선 전력 전송 장치로부터 수신되는 전력을 이용하여 동작하며 실험용 동물의 생체 신호를 감지하는 센서를 포함하는 실험용 동물의 생체 신호 획득 장치; 및 상기 생체 신호 획득 장치로부터 감지된 상기 생체 신호를 무선으로 전송받는 무선 데이터 수신 및 분석 시스템을 포함한다.
여기에서, 상기 무선 전력전송 장치는 상기 생체 신호 획득 장치가 장착된 실험용 동물을 넣어두는 우리에 내장될 수 있다.
본 발명의 실험용 동물의 생체 신호 획득 장치는 외부의 무선 전력공급 장치로부터 자기장을 이용하여 센서 동작 및 통신에 필요한 전력을 수신하므로 별도의 배터리가 없이 동작할 수 있다. 이에 따라 배터리의 잦은 교체에 따른 불편함 없이 장기간에 걸친 실험에 사용할 수 있고, 실험용 동물 신체 내에 생체 신호 획득 장치를 삽입하는 경우에 특히 유리하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템에서 사용되는 자기장 통신(MFAN: Magnetic Field Area Network)의 물리계층 구조를 나타낸다.
도 3은 MFAN의 매체접근제어계층의 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다.
도 4는 MFAN 코디네이터의 상태도이다.
도 5는 MFAN 노드의 상태도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 무선 전력전송 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 생체 정보 획득 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 무선 데이터 수신 및 분석 시스템의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템에서 실험용 동물의 생체 신호 획득 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치의 블록도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템 및 이의 생체 신호 획득 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
심장 박동기는 심장 리듬의 문제를 감지하며, 심장이 규칙적이며 제시간에 박동하도록 자체의 전기 자극을 보낸다. (심장 박동기는 자극을 생성한다.) 이 장치는 봉합된 케이스 내에 컴퓨터 칩과 크기는 작지만 오래 지속되는 밧데리로 구성되어 있다. 심장 박동기는 수술을 하여 상 흉부 또는 복부에 이식된다. 심장 박동기에서 생성된 전기 작극은 일반적으로 심장 내부에 삽입한 전극선(Lead)이라는 특수 도선을 통해 심장에 전달된다. 또한, 심장 박동기가 심장의 리듬을 감지하도록 도와준다. 이는 정확한 시간에 전기 자극을 심장에 전달하여 심장을 박동시키기 위함이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 전체 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 실험용 동물의 생체 신호 획득 시스템은, 실험용 동물에 장착된 생체 신호 획득 장치(200)와, 생체 신호 획득 장치(200)와 소정의 거리만큼 떨어진 곳에 위치하며 자기장을 이용하여 무선으로 전력을 전송하는 무선 전력전송 장치(100)를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 실험용 동물의 생체 신호 획득 시스템은 획득된 생체 신호를 분석하기 위한 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)을 포함하는데, 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)은 생체 신호 획득 장치(200)로부터 무선으로 생체 신호를 수신한다.
무선 전력전송 장치(100)는 생체 신호 획득 장치(200)로 무선 전력을 송신하며, 또한 생체 신호 획득 장치(200)와 자기장 통신(MFAN: Magnetic Field Area Network)을 이용하여 정보를 교환할 수 있다. 즉, 생체 신호 획득 장치(200)의 식별정보, 종류, 위치, 또는 충전상태를 포함하는 생체 신호 획득 장치(200)의 정보를 수신할 수 있으며, 생체 신호 획득 장치(200)로 무선 전력을 송신할 때에 이러한 정보를 이용할 수 있다.
MFAN 기술은 어떤 환경에서든 투과성이 높은 점, 센서 태그가 생체 내에 삽입되었을 경우 통신 거리 손실 보완 및 무선 전력전송 장치가 생체 신호 획득 장치로 무선으로 전력을 전송하는 기술과 연동하여 사용된다.
MFAN 시스템은 자기장 영역을 이용한 무선통신 시스템이다. MFAN 시스템은 에너지 전송을 기반으로 무선통신을 하는 방식이기 때문에 데이터 전송과 동시에 전력 전송이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 실험용 동물의 생체 신호 획득 시스템에서, 무선 전력전송 장치(100)는 MFAN의 코디네이터가 되고, 생체 신호 획득 장치(200)는 MFAN의 노드가 된다.
도 2는 MFAN의 물리계층 구조를 나타낸다. 크게 프리엠블과 헤더, 페이로드로 구성되고 프리엠블에는 웨이크업 신호와 싱크 신호를 포함하며, 헤더에는 데이터 속도와 코딩 방법, 페이로드 길이, 에러 체크 코드를 포함한다. 특히, 웨이크업 신호는 코디네이터가 노드들에게 데이터를 보낼 때만 포함되는데, 노드들은 데이터 통신을 하지 않을 때 슬립(sleep) 상태에 있다가 코디네이터가 데이터를 보내는 시점부터 깨어나 통신을 시작하게 된다.
MFAN 시스템은 물, 흙 주변의 전파에 대한 극한 환경에서도 데이터 통신과 동시에 전력전송이 가능한 통신 방식이므로 실험용 동물의 생체 내부에 장착된 생체 신호 획득 장치(200)에 전력을 전송하고 데이터를 송수신하기에 적합한 통신 및 전력전송 시스템이다.
도 3은 MFAN의 매체접근제어계층의 슈퍼 프레임 구조를 나타낸다.
하나의 슈퍼 프레임은 요청구간과 응답구간, 자발구간으로 나누어지며 요청구간에서 코디네이터가 노드에게 요청 패킷을 전송하면 해당 노드는 응답구간에 요청된 데이터를 코디네이터에게 보낸다. 자발구간에서는 코디네이터의 요청 없이 노드가 임의로 데이터를 보낼 수 있는 구간이다. 자발구간에서는 랜덤하게 데이터를 보낼 수 있다. 전력전송을 할 경우, 하나의 슈퍼프레임에서 코디네이터가 전력전송 요청 패킷을 보내면 전력전송이 필요한 노드는 이 때, 전송전력 응답 패킷을 코디네이터에게 보낸다. 그러면 코디네이터는 응답받은 정보를 기반으로 전력전송 스케쥴을 하고 그 결과를 다음 슈퍼 프레임에서 요청 패킷을 통해서 전력전송 스케쥴링 정보를 노드에게 보낸 후, 응답구간에 각 노드들에게 전력을 전송한다.
도 4는 MFAN 코디네이터의 상태도이고, 도 5는 MFAN 노드의 상태도이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 코디네이터는 전원을 켠 후, 대기와 패킷분석, 패킷생성, 파워 전송의 상태를 오가며 데이터 전송과 무선전력전송을 수행한다. 노드는 전원을 켠 후, 도 5에 나타난 바와 같이, 수면, 활성, 대기, 패킷분석, 패킷생성, 파워차단, 파워전송, 수면 패킷분석, 수면 패킷생성의 상태를 오가며 데이터를 전송과 무선전력수신을 수행한다.
무선 전력 전송은 근거리 자기장 내에서 송수신 코일 간의 주파수가 공진할 때 감쇄파 결합에 의하여 에너지가 전달되는 현상을 이용한 기술이다. 수십 cm에서 수 m까지 무선으로 전력을 전송할 수 있는 자기공진 기술은 송수신 코일의 방향성 자유도가 매우 높아서 근거리 장 이내에서는 위치에 관계없이 전력을 송수신할 수 있다. 또한 같은 주파수를 갖는 물질에만 전력을 전송하므로 충전시스템 및 충전기기 사이에 위치한 다른 기기들에 의한 영향이 거의 없다. 공진 주파수가 일치하는 전자기기에 동시에 전력을 전송할 수 있는 특징이 있어 자기유도 방식과는 달리 한 개의 송신 코일을 사용하여 다수의 충전기기에 전력을 전송할 수 있다.
실험용 동물의 생체 내에 삽입되는 생체 신호 획득 장치(200)에 배터리를 이용하여 전력을 공급하는 것은 생체 신호 획득 장치(200)의 크기를 증가시키고, 배터리를 교환하기 어렵다는 문제점이 있으므로, 본 발명의 실시예에 따른 실험용 동물의 생체 신호 획득 시스템에서는 상술한 자기공진 방식 무선 전력전송을 이용하여 무선 전력전송 장치(100)로부터 생체 신호 획득 장치(200)로 전력을 공급하여 무전지 생체 신호 획득 장치(200)를 구현할 수 있다.
무선 전력전송 장치(100)는 고정형 또는 이동형으로 구현될 수 있으며, 실험용 동물의 우리 등에 내장되도록 할 수도 있다.
생체 신호 획득 장치(200)는 실험용 동물의 생체 외부에 부착되거나 생체의 내부에 삽입될 수 있다.
한편, 도 1에 도시되지는 않았지만, 무선전력의 전달 거리를 연장하기 위해서나 그 밖의 목적을 위해서 중계기를 사용할 수도 있다, 중계기는 데이터와 전력을 모두 중계하는 통신 및 전력 중계기로 구성되거나, 통상, 무선전력의 전달 범위에 비하여 통신 가능 범위가 넓은 점을 감안하여 전력만을 중계하도록 할 수도 있다.
무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)은 생체 신호 획득 장치(200)에 의해 획득된 생체 신호를 무선으로 수신하여 이를 필요에 따른 방법으로 분석한다. 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)과 생체 신호 획득 장치(200) 사이의 통신 방법은 특별한 제한이 없으며, 분석 내용 및 방법 또한 수신한 생체 신호의 특성이나 수신한 생체 신호의 분석 용도에 의존하는 것으로 본 발명에 따른 특별한 제한은 없다.
한편, 도 1에는 하나의 실험용 동물에 장착된 하나의 생체 신호 획득 장치(200)만을 도시하였지만, 하나의 실험용 동물에 두 개 이상의 생체 신호 획득 장치(200)가 장착되거나, 생체 신호 획득 장치(200)가 장착된 둘 이상의 실험용 동물이 본 발명의 실시예에 따른 실험용 동물의 생체 신호 획득 시스템 내에 포함될 수 있다. 즉, 하나의 무선 전력전송 장치(100)를 이용하여 다수의 생체 신호 획득 장치(200)에 무선 전력을 전송할 수 있으며, 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300) 역시 다수의 생체 신호 획득 장치(200)와 무선 통신하여 데이터를 수신하고 처리할 수 있음은 물론이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 무선 전력전송 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 6에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 장치(100)는, 생체 신호 획득 장치(200)로 무선 전력을 송신하고 생체 신호 획득 장치(200)와 데이터를 송수신하는 무선 전력전송 및 데이터 송수신 안테나(110), 외부의 전력 공급원으로부터 전력을 공급받아 생체 신호 획득 장치(200)에 공급하기 위한 AC 전력으로 최적화하는 무선 전력 최적화 기능 블럭(130), 무선 전력전송 장치(100)로부터 생체 신호 획득 장치(200)로 전력을 송신하고 무선 전력전송 장치(100)와 생체 신호 획득 장치(200) 사이에서 데이터를 송수신하기 위하여 주파수 매칭하는 매칭 네트워크(140), 생체 신호 획득 장치(200)로부터 수신한 신호를 증폭하는 RF 파워 앰프(120), 생체 신호 획득 장치(200)와의 데이터 연동을 위한 상호 데이터 연동 소프트웨어(160) 및 데이터 처리를 위한 데이터 프로세서(150)를 포함한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 생체 정보 획득 장치(200)의 구성을 나타내는 블록도이다.
본 발명의 실시예에 따른 실험용 동물의 생체 정보 획득 장치(200)는, 무선 전력전송 장치(100)로부터 무선 전력을 수신하고, 무선 전력전송 장치(100) 및 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)과 데이터를 송수신하기 위한 RF 송수신기(260), 수신된 전력을 센서(240)에 이용하기 적합하도록 변환하는 전원 제어 모듈(210), 전원 제어 모듈(210)로부터 전달된 전력에 의해 작동되어 실험용 동물의 생체 정보를 획득하는 센서(270) 및 센서 인터페이스(230), 센서(270)에 의해 획득된 아날로그 신호를 처리하는 아날로그 제어 블록(280), 아날로그 통신을 위한 아날로그 통신 인터페이스(240) 및 데이터 통신을 위한 통신 모뎀 인터페이스(290), 및 생체 정보 획득 장치(200)의 구성요소들을 제어하고 신호를 처리하는 프로세서(250)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 실험용 동물의 생체 정보 획득 장치(200)는 무선 전력전송 장치(100)로부터 전력을 수신하여 수신된 전력을 이용하여 센서(270)를 작동시키고 신호를 처리하여 송신하므로, 센서(270)를 포함하는 기타 모듈에 전원을 공급하기 위한 별도의 배터리를 필요로 하지 않는다.
실험용 동물의 생체 정보 획득 장치(200)에서 사용되는 센서(270)의 종류에는 특별한 제한이 없으며, 필요에 따라서는 생체 신호를 얻기 위해 자극을 주기 위한 구성요소를 더 포함할 수도 있다.
한편, 실험용 동물의 신체에 장착하기 편리하도록 하기 위하여 생체 정보 획득 장치(200)의 각 구성요소를 단일의 칩으로 구성할 수 있으며, 태그가 생체 내에서 실험용 동물에게 손상을 주지 않으면서 안정적으로 데이터를 전송하기 위한 생체 적합성 재질을 이용한 패키징 기술을 사용하는 것이 바람직하다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템의 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 8에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)은 생체 정보 획득 장치(200)로부터 데이터를 수신하는 데이터 수신 모듈(310), 수신된 데이터를 처리하는 데이터 처리 모듈(320), 데이터를 분석하는 분석 모듈(330) 및 모니터링 시스템(340)을 포함하여 구성된다.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)은 본 발명의 실시예에 따른 생체 정보 획득 장치(200)로부터 데이터를 무선 수신하는 것 외에는 통상적으로 사용되는 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)과 유사하므로 자세한 설명은 생략한다.
한편, 생체 정보 획득 장치(200)와 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300) 사이의 무선 통신을 위해서는 상술한 자기장 통신 방법이 사용될 수도 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, UHF RFID 기술과 같은 다른 무선 통신 방법이 사용될 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 무선 전력전송 기반 생체 신호 획득 시스템에서 실험용 동물의 생체 신호 획득 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9에 나타난 바와 같이, 생체 정보 획득 장치(200)가 무선 전력을 수신하면(S310), 이에 따라 생체 정보 획득 장치(200)의 센서(270)가 작동을 시작한다(S320). 달리 말하자면, 생체 정보 획득 장치(200)를 통해 생체 정보를 획득하기 위해서는 먼저, 무선 전력전송 장치(100)에서 생체 정보 획득 장치(200)로 전력을 전송한다.
센서가 작동을 시작하면, 해당되는 생체 신호를 검출하고(S330), 검출된 생체 신호는 필요에 따라 적절한 신호 처리를 거쳐(S340), 무선 데이터 수신 및 분석 시스템(300)으로 전송된다(S350).
이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치의 전체 구성을 나타내는 도면이다.
도 1에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치는 캡슐(110)에 의하여 내부 구성요소가 외부로부터 보호되도록 구성되어 있고, 외부와의 통신을 담당하는 UHF 안테나(120), UHF 구동 회로를 포함하는 UHF 칩과 각종 생체 신호 데이터를 감지하는 생체감시센서(140), 외부로부터 무선전력을 수신하는 무선 충전 안테나(130), 및 충전 가능한 배터리(150)를 포함한다.
도 1에서 UHF 구동 회로를 포함하는 UHF 칩과 생체 신호 데이터를 감지하는 생채감시센서는 하나의 칩으로 구성된 것으로 도시하였으나, 반드시 이렇게 되어야 하는 것은 아니며, 별개의 칩으로 구성될 수도 있다.
생체감지센서(140)는 생체에서 발생할 수 있는 생체 정보를 감지하고 감지된 생체 신호 데이터를 삽입형 UHF(Ultra High Frequency) RFID TAG 통신 장치를 이용하여 외부에 있는 이종의 장치로 전달한다. 여기에 추가하여, 내장 배터리(150)와 무선 충전 안테나(130)와 무선전력 수신 시스템(도 1에서는 도시하지 않음, 추후 도 2를 참조로 설명)이 내장되어 무선수신 전력을 내장 배터리(150)에 저장하여 UHF 통신에 이용함으로써, 배터리(150) 및 UHF RFID 태그 장치(100)를 반영구적으로 사용할 수 있으며, UHF 통신의 전달 거리를 확장할 수 있다.
외부에 있는 이종의 장치는 UHF 리더로서 UHF 안테나(120)를 통하여 UHF RFID 태그 장치(100)로부터 센서데이터를 수신할 수 있으며, 가축의 건강상태 및 이력을 판단할 수 있는 축산업 관리 시스템이나 생물의 장기를 들여다 볼 수 있는 의료 검진 시스템이나 그 일부일 수 있다.
본 발명에 이용되는 UHF 통신은 외부 UHF 리더에서 송신하는 신호를 이용하거나 내부의 배터리를 이용하여 전원 동작 및 통신할 수 있는 반능동형(Semi-Active) 근거리 통신 방법이다. 즉, 생체에 삽입된 장치 안에 UHF 안테나와 충전 가능한 배터리가 내장된 구조를 사용하여, 외부의 UHF 통신기기(RFID Reader)에서 신호를 전송하면, 태그의 UHF 안테나에 전원이 공급됨을 감지하고 내장 배터리에서 충분한 전원을 공급하여 데이터 수신 및 송신을 수행한다. 내장 배터리에서 충분한 전원을 공급하므로, 수동형 방식과 달리 외부에서 들어오는 작은 신호라도 감지가능한 장점이 있다. 내장된 배터리는 친환경적인 탄소 소재의 EDLC(Electric Double Layer Capacitor)를 활용하고 생체에 유해한 리튬이온 배터리를 배제한다.
또한 손실 유전체의 영향을 상대적으로 덜 받는 대역의 무선 충전을 위한 안테나가 내장되고, 자기 공진 기반의 에너지 전달을 하므로, 내장된 안테나가 송신 베이스 스테이션이 수m내에 있다면 내장 배터리의 충전이 가능하므로, 반영구적인 이용이 가능하다. 이는 가축이나 인간의 생체정보를 꾸준히 모니터링 할 수 있으므로, 특정 정보의 변화가 있을 경우 빠르게 대처 가능한 장점을 갖는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치의 블록도이다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치(200)는, 크게 무선 충전을 담당하는 에너지 하베스팅(harvesting)부(210)와 각종 생체 신호를 감지하는 센서부(240), 외부와의 통신을 담당하는 생체 삽입형 UHF RFID 통신기기부(260)를 포함한다.
에너지 하베스팅부(210)는 무선전력 수신 안테나(230)와 에너지 매칭 회로(220)를 통해 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치(200) 외부의 에너지 송신 베이스스테이션(300)으로부터 무선전력을 수신할 수 있으며, 수신된 전력은 정류기(212), 리피터(214), 레귤레이터(216), 전원관리부(218)를 통해 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치(200)에서 사용하기 적당하게 변환되며 배터리(250)에 저장된다.
무선전력의 수신은 손실 유전률에 덜 민감한 주파수 대역(예를 들면 13.56MHz)을 이용하여 무선으로 에너지를 공급하여 내부 배터리 혹은 EDLC에 에너지 충전을 함으로써 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치(200)를 반영구적으로 사용할 수 있게 된다.
배터리(250)에 저장된 전력은 생체 삽입형 UHF 통신기기부(260)로 전달되어 생체 삽입형 UHF 통신기기부(260)가 통신 및 데이터 처리를 하는 데에 사용할 수 있다.
생체 삽입형 UHF 통신기기부(260)는 변조기/복조기(261/262), 디지털 코어(264), 비휘발성 메모리(266), 오실레이터(268)를 포함하며, UHF 안테나(280)와 데이터 매칭 회로(270)를 통하여 외부의 UHF 통신기기(UHF 리더)(400)와 데이터 통신할 수 있다.
생체 삽입형 UHF 통신기기부(260)는 외부의 UHF 통신기기(400)로부터 송신되는 신호를 동작에 이용할 수도 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 무선전력 수신기능을 갖는 생체 삽입형 UHF RFID 태그 장치에서 에너지 수신부는 에너지 하베스팅부(210)와 생체 삽입형 UHF RFID 통신기기부(260)에서 공통으로 적용될 수도 있고, 자기공진을 이용한 에너지 하베스팅부(210)의 에너지 수신부와 독립적으로 UHF RFID 대역의 에너지 수신부가 별도로 구성될 수도 있다.
이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (1)

  1. 송수신 안테나;
    외부의 무선 전력전송 장치로부터 상기 송수신 안테나를 통해 전달되는 전력을 변환하는 전력 제어부;
    상기 전력 제어부로부터 공급되는 전력을 이용하여 충전되는 배터리; 및
    상기 배터리에 의해 동작하며 심장에 전기자극을 보내는 자극 발생기를 포함하는 무선전력 전송을 적용한 인체삽입형 인공심장 박동기
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2016200087A1 (ko) * 2015-06-11 2016-12-15 이창근 스마트폰의 이벤트로그와 에너지 하베스팅 기술이 적용된 생체신호감지모듈을 이용한 임산부와 태아의 생체신호 제공시스템과 그 방법
KR20190034901A (ko) * 2017-09-25 2019-04-03 삼성전자주식회사 저전력 기기의 전력 제어 방법 및 이를 수행하는 저전력 기기

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