KR20180130226A - 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스 - Google Patents

초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스 Download PDF

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KR20180130226A
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Abstract

본 발명은 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스에 관한 발명으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 이식형 통신 디바이스 이식된 부위의 체내 생체 신호를 획득하기 위한 센서부; 및 획득된 생체 신호를 체외로 전송하는 초광대역 안테나;를 포함한다. 이때, 초광대역 안테나는 제 1 슬롯, 제 2 슬롯, 및 급전홀을 포함하는 그라운드 패치(ground patch); 그라운드 패치의 상부에 형성된 제 1 유전층; 제 1 유전층의 상부에 위치하고, 나선(spiral)형상의 제 3 슬롯 및 급전라인(feed line)을 포함하는 방사 패치(radiation patch); 및 방사패치의 상부에 형성된 제 2 유전층을 포함하되, 급전라인은 방사패치의 하부면에 연결되어 급전홀에 수직으로 관통되도록 형성되고, 제 1 슬롯 일단 및 제 2 슬롯의 일단은 서로 연결되며, 제 2 슬롯의 형태는 상기 제 3 슬롯의 형태에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스{MULTIPLE BIO-TELEMETRIC DEVICE WITH ULTRA-WIDEBAND ANTENA}
본 발명은 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스에 관한 것이다.
마이크로 및 나노 기술의 도입으로 인하여, 의료용 임플란트 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 예컨데, 심박수, 혈당 수치, 체온 및 두개 내압을 모니터링하기 위한 캡슐 내시경 및 임플란트 안테나 등이 고안되었다.
특히, 임플란트 안테나의 경우 전자기파를 송신 및 수신하기 위한 매체로서, 임플란트용 의료장비에서 생체 내부를 모니터링 하기 위한 매우 중요한 구성요소 중 하나이다. 그러나, 생체 내부로 삽입되어야 하기 때문에 크기가 작아야하고, 원하는 밴드폭 및 전송률 등을 구현하기가 쉽지 않다.
따라서, 넓은 대역폭을 지원하면도 소형화된 임플란트용 안테나 및 임플란트용 통신 디바이스의 개발이 필요하다.
이와 관련하여, 대한민국 특허청 등록번호 제 10-0878719 호 (발명의 명칭: 인체통신방법, 인체통신시스템 및 이에 사용되는 캡슐형 내시경)는 캡슐형 내시경의 표면에 설치된 두 송신 전극 사이에 전위차가 발생하는 단계와, 두 송신 전극 중 상대적으로 높은 전위의 송신 전극으로부터 전류가 인체 내부에 공급되어 인체표면을 흐르는 단계와, 인체표면을 흐르는 전류가 인체표면에 설치된 두 수신 전극 사이에 전압을 유기하는 단계와, 두 수신 전극 사이에 전압을 유기한 상기 전류는 다시 인체 내부로 흘러들어가 상기 송신 전극 중 상대적으로 낮은 전위의 송신 전극으로 싱크되는 단계를 포함하는 인체 내부에 투입된 캡슐형 내시경이 인체외부로 신호를 송신하는 인체통신방법을 개시하고 있다.
대한민국 특허청 등록번호 제 10-0878719 호
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 제공하고자 한다.
구체적으로, 무선통신 이외의 산업, 즉 과학 및 의료용 고주파 에너지원으로 지정된 주파수 대역인 ISM 밴드(902 ~ 908MHz) 내에서 동작하고, 다양한 바이오메트릭스(biometrics) 분야에 적용가능한 체내 이식형 통신 디바이스를 제공한다.
다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 체내 이식형 통신 디바이스는 이식된 부위의 체내 생체 신호를 획득하기 위한 센서부; 및 획득된 생체 신호를 체외로 전송하는 초광대역 안테나;를 포함한다. 이때, 초광대역 안테나는 제 1 슬롯, 제 2 슬롯, 및 급전홀을 포함하는 그라운드 패치(ground patch); 그라운드 패치의 상부에 형성된 제 1 유전층; 제 1 유전층의 상부에 위치하고, 나선(spiral)형상의 제 3 슬롯 및 급전라인(feed line)을 포함하는 방사 패치(radiation patch); 및 방사패치의 상부에 형성된 제 2 유전층을 포함하되, 급전라인은 방사패치의 하부면에 연결되어 급전홀에 수직으로 관통되도록 형성되고, 제 1 슬롯 일단 및 제 2 슬롯의 일단은 서로 연결되며, 제 2 슬롯의 형태는 상기 제 3 슬롯의 형태에 따라 결정되는 것을 특징으로 한다.
전술한 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 본 발명의 일 실시예는 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 제공한다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스는 무선통신 이외의 산업, 즉 과학 및 의료용 고주파 에너지원으로 지정된 주파수 대역인 ISM 밴드(902 ~ 908MHz) 내에서 동작한다. 따라서, 다양한 바이오메트릭스(biometrics) 분야에 적용가능하다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1 에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스의 상세 구성도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나의 모식도이다.
도 6의 (a)는 도 5에 도시된 초광대역 안테나의 상면도이고, 도 6의 (b)는 도 5에 도시된 초광대역 안테나의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나의 그라운드 패치 및 방사패치를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 제 1 유전층의 높이에 따른 대역폭 및 이득을 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 이용하여 무선 통신을 하기 위한 링크 설계의 파라미터를 도시한 표이다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스의 거리에 따른 시스템 마진(margin)을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따라 제조된 초광대역 안테나의 FDTD 시뮬레이션을 통해 계산된 실험적 리턴 손실 및 체내 환경과 유사하도록 구현된 Duke 모델에서 리턴 손실을 측정한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따라 제조된 초광대역 안테나를 포함하는 캡슐형 및 플랫형 통신 디바이스의 리턴 손실을 도시한 그래프이다.
도 13은 종래의 임플란트용 안테나와 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나의 안테나 성능을 비교 도시한 표이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에 있어서 '부(部)'란, 하드웨어에 의해 실현되는 유닛(unit), 소프트웨어에 의해 실현되는 유닛, 양방을 이용하여 실현되는 유닛을 포함한다. 또한, 1 개의 유닛이 2 개 이상의 하드웨어를 이용하여 실현되어도 되고, 2 개 이상의 유닛이 1 개의 하드웨어에 의해 실현되어도 된다.
본 명세서에 있어서 단말 또는 디바이스가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부는 해당 단말 또는 디바이스와 연결된 서버에서 대신 수행될 수도 있다. 이와 마찬가지로, 서버가 수행하는 것으로 기술된 동작이나 기능 중 일부도 해당 서버와 연결된 단말 또는 디바이스에서 수행될 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 본 발명의 상세한 설명에서 체내 이식형 통신 디바이스는 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 지칭한다.
또한, 도 1 내지 7에서 숫자는 mm가 단위이고, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 도시한 도면이다.
구체적으로 도 2의 (a)는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 캡슐형의 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스의 측면도이고, 도 2의 (b)는 정면도, 도 2의(c)는 후면도, 도 2의 (d)는 배면도, 및 도 2의 (b)는 저면도를 도시하고 있다.
도 3은 도 1 에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스의 상세 구성도를 도시하고 있다.
또한, 도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스를 도시한 도면이다.
구체적으로 도 4 의 (a)는 플랫형의 체내 이식형 통신 디바이스의 사시도이고, 도 4의 (b)는 플랫형의 체내 이식형 통신 디바이스의 배면도이며, 도 4의 (c)는 플랫형의 체내 이식형 통신 디바이스의 상세 구성도이다.
도 1내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스는 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 캡슐형 또는 플랫형으로 구현될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 이식형 통신 디바이스는 피부, 두개골 및 심장 등에 삽입되고, 피부, 두개골 및 심장 등의 상태 정보를 획득하여 외부로 전송한다.
구체적으로, 도 2 내지 도 3에 도시된 캡슐형의 체내 이식형 통신 디바이스의 경우는 심장과 같이 신체 내부 깊숙히 존재하는 조직(deep tissue)에 적용 가능하며 약 18mm 의 길이와 약 7.5mm의 지름을 가지도록 형성될 수 있다.
반면, 도 4 에 도시된 플랫형의 경우는 피부 내에 적용가능하며, 약 18mm 의 길이와 약 7.5mm의 너비, 및 약 3.5 mm의 높이를 가지도록 형성될 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시예예 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 캡슐형 및 플랫형 모두, 센서부(100), 회로부(200), 전원부(300), 및 초광대역 안테나(400)를포함한다.
이때, 각각의 구성요소는 하나의 케이스(500)에 수납되어 모듈화될 수 있다. 여기서, 케이스(500)는 일례로 0.2mm 두께의 생체적합성(biocompatible)을 지니는 알루미나 세라믹(alumina ceramic)으로 형성될 수 있다. 이때, 알루미나 세라믹의 유전율(εr)은 약 9.8일 수 있으며, 캡슐형 및 플랫형의 전체 체적은 약 322.23mm3 및 494.26mm3 이내 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐형 및 플랫형의 체내 이식형 통신 디바이스의 구성을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
먼저 센서부(100)는 사람 또는 동물의 몸체 내부의 각종 정보를 수집하도록 다양한 센서를 포함할 수 있다.
일례로 센서부는 내부의 영상, pH, 온도, 압력, 또는 전기적 임피던스 중 어느 하나를 수집하는 센서를 포함할 수 있다.
이어서, 회로부(200)는 하나 이상의 센서로부터 검출된 정보를 처리하기 위한 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 또는 스위치 등을 포함하여 구성될 수 있다. 회로부(200)는 초광대역 안테나(400)를 통해 센서로부터 검출된 정보를 체외에 존재하는 수신부(미도시됨)로 전송할 수 있다.
다음으로, 전원부(300)는 휴대용베터리를 포함할 수 있다. 이때, 휴대용 베터리는 베터리 홀더에 의해서 고정될 수 있다. 또한, 베터리는 지름 약 4.8mm 및 높이 약 1.65mm의 소형 베터리일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
초광대역 안테나(400)는 무선통신 이외의 산업, 즉 과학 및 의료용 고주파 에너지원으로 지정된 주파수 대역인 ISM 밴드(902 ~ 908MHz) 내의 전파를 방사시킨다.
초광대역 안테나(400)는 본 발명의 일 실시예에 따른 체내 이식형 통신 디바이스를 구성하는 각각의 구성요소와 함께 통합되고, 다양한 체내 부위에서 원활히 작동되도록 적절한 이득(gain) 및 대역폭(bandwith)을 가진다.
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나(400)의 구성을 더욱 상세히 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나의 모식도이다.
도 6의 (a)는 도 5에 도시된 초광대역 안테나의 상면도이고, 도 6의 (b)는 도 5에 도시된 초광대역 안테나의 측면도이다.
또한, 도 7은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나의 그라운드 패치 및 방사패치를 도시하고 있다. 구체적으로, 도 7의 (a)는 그라운드 패치를 도시하고 있고, 도 7의 (b)는 방사패치를 도시한 도면이다.
도 5 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나(400)는 그라운드 패치(ground patch)(410), 그라운드 패치(410)의 상부에 형성된 제 1 유전층(420), 제 1 유전층(420)의 상부에 형성된 방사 패치(430), 및 방사패치(430)의 상부에 형성된 제 2 유전층(440)을 포함하여 구성될 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시예에서, 초광대역 안테나(400)의 전체 체적은 약 28.85mm3 일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
먼저, 그라운드 패치(410)는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 제 1 슬롯(412), 제 2 슬롯(414) 및 급전홀(416)을 포함한다. 여기서, 제 1 슬롯(412) 및 제 2 슬롯(414)은 전도체가 기 설정된 패턴의 형상으로 패터닝된 것일 수 있다. 이때, 제 1 슬롯(412) 및 제 2 슬롯(414)은 일단이 서로 연결되도록 형성되며, 연결된 단부는 패턴이 오픈되도록 형성된 오픈-엔디드(open-ended) 형으로 형성될 수 있다.
또한, 제 1 슬롯은(412)은 후술할 방사패치(430)에 형성된 제 3 슬롯의 형상에 따라 결정될 수 있다. 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에, 제 1 슬롯(412)에 의하여, 초광대역 안테나(400) 안테나의 시스템 매칭(matching)을 향상시킬 수 있다.
또한, 제 2 슬롯(414)는 제 1 슬롯(412) 보다 더 넓은 면적을 가지며, 안테나의 광대역(wideband) 특성을 향상시킨다.
제 1 유전층(420)은 생체적합성을 지는 유전물질로 형성될 수 있으며, 일례로 Biocompatible rogers RO6010(εr= 10.2, loss tangent = 0.0003) 이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에, 제 1 유전층(420)의 높이는 유한차분 시간영역(finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 통해 산출될 수 있다.
이때, 제 1 유전층(420)의 두께는 약 0.75mm일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
이어서, 방사패치(430)는 제 1 유전층(420)의 상부에 형성되며, 전도성 물질로 형성된다.
또한, 방사패치(430)는 제 3 슬롯(432) 및 급전라인(feed line)(434)을 포함한다. 이때, 제 3 슬롯(432)는 방사(spiral) 패턴을 가지는 것일 수 있다. 구체적으로, 제 3 슬롯(432)의 방사패턴은 방사패치(430)의 외주면으로부터 방사패치(430)의 중심을 가로지르도록 형성된 ‘I’ 형상의 슬롯과, 약 0.3mm의 선폭을 가지는 ‘C’ 형상의 슬롯을 복수개 포함할 수 있다. 이때, ‘I’형상의 슬롯(431) 길이는 방사패치의 지름보다 0.7mm작게 형성될 수 있다.
이하, 본 발명의 상세한 설명에 있어서, 설명의 편의를 위해, ‘C’형상에서 오픈된 부분을 슬롯의 단부라고 정의하고, 방사패치(430)의 중심으로부터 슬롯 단부의 외주면까지의 길이를 슬롯의 반지름이라고 정의하도록 한다.
구체적으로, 도 7의 (b)를 참조하면, 방사패치(430)는 방사패치(430)의 외주면으로부터 약0.4mm 정도 이격되고, 제 1 반지름을 가지며, 0.3 mm의 선폭을 지니도록 형성된 C-1슬롯(432a), C-1 슬롯의 제 1 반지름 보다 0.6mm 작은 제 2 반지름을 가지고, C-1슬롯의 단부 위치가 형성된 제 1 방향과 반대방향(180도 대칭방향)인 제 2 방향으로 단부가 형성된 C-2슬롯(432b), 및 C-2 슬롯의 제 2 반지름보다 0.6mm 작은 제 3 반지름을 가지고, C-1슬롯의 단부가 위치한 제 1 방향으로 단부가 형성된 C-3슬롯(432c)을 포함할 수 있다.
다시 말해, 0.3mm의 선폭을 가지는 ‘C’ 형상의 슬롯이 방사패치(430)의 외주면으로 0.4mm 이격된 위치에서부터 중심방향으로 복수개 형성되며, 각각의 슬롯은 0.3mm이격되도록 형성될 수 있다. 상술한 바와 같이, 제 3 슬롯(432)의 방사 패턴은 전기적 길이(electrical length)를 연장하고 안테나의 대역폭(-10dBi)을 향상시킨다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나(400)의 방사되는 주파수 대역은 방사패치(430)에 형성된 제 3 슬롯(432)의 형상에 따라서 조절될 수 있다.
또한, 급전라인(434)은 일단이 방사패치(430)의 하부면에 연결되록 형성되고, 타단이 그라운드 패치(410)의 급전홀(416)을 수직으로 통과하도록 형성된다.
이때, 급전라인(434)은 초광대역 안테나의 주파수 방사를 위한 전력을 공급하는데 사용될 수 있다. 이때, 급전라인(434)은 0.3 mm의 반지름을 가지며, 약 50Ω의 저항을 가지는 도전성 물질로 형성될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제 2 유전층(440)은 제 1 유전층(420)과 마찬가지로, 생체적합성을 지는 유전물질로 형성될 수 있으며, 일례로 Biocompatible rogers RO6010(εr= 10.2, loss tangent = 0.0003) 이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나(400)에서 그라운드패치(410)의 제 1 슬롯(412) 및 제 2 슬롯(414)과 방사패치(430)의 제 3슬롯(432)의 슬롯의 폭 또는 슬롯의 각도, 간격 및 위치 등은 안테나의 대역폭 및 성능을 제어하기 위해서 조절될 수 있다.
또한, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스는 이득이 최적화되고, 작은 체적을 가지는 대역폭(bandwidth)를 달성하기 위한 파라미터 분석이 수행될 수 있다. 따라서, 무선 통신을 수행할 때, 송수신이 완벽하게 이루어질 수 있도록, 송신단의 각 요소들과 전송매체, 수신단의 강도, 이득, 잡음지수, 및 마진 등을 예측 및 계산하여 안정된 통신을 가능하도록 각각의 파라미터 값들이 최적화되도록 제어될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 제 1 유전층의 높이에 따른 대역폭 및 이득을 도시하고 있다.
도 8을 참조하면, 제 1 유전층(420) 두께가 임계값 이상으로 증가하면 이득(gain)과 대역폭(bandwidth)사이에 트레이드오프(trade-off) 현상이 발생되는 것을 알 수 있다. 따라서, 이득이 최적화되고, 작은 체적을 가지는 대역폭(bandwidth)를 달성하기 위한 파라미터 분석이 수행될 수 있다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 이용하여 무선 통신을 하기 위한 링크 설계의 파라미터를 도시한 표이다.
구체적으로, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 체내 이식형 통신 디바이스가 초광대역 안테나(400)를 이용하여 무선 통신을 수행할 때, 링크 설계에 있어서, 송수신이 완벽하게 이루어질 수 있도록 송신단의 각 요소들과 전송매체, 수신단의 강도, 이득, 잡음지수, 및 마진 등을 예측 및 계산하여 안정된 통신을 가능하도록 설계할 수 있다.
도 10은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스의 거리에 따른 시스템 마진(margin)을 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 입력전압(input power, Pt)는 데이터 전송률(data rate) 및 거리(distance)에 따라서 결정될 수 있다.
또한, 전송률(transmiwwion rate)이 증가할수록, 의사소통 속도(communication rate)은 감소하게 되는 실험적 결론을 얻을 수 있었다.
아울러, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스의 성능을 검증하기 위해, FDTD 시뮬레이션을 통한 실험적 데이터와 체내 환경과 유사하도록 Duke 모델을 통해 리턴 손실(return loss)를 측정 및 비교하였다.
도 11은 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따라 제조된 초광대역 안테나의 FDTD 시뮬레이션을 통해 계산된 실험적 리턴 손실 및 체내 환경과 유사하도록 구현된 Duke 모델에서 리턴 손실을 측정한 그래프이다.
또한, 도 12는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따라 제조된 초광대역 안테나를 포함하는 캡슐형 및 플랫형 통신 디바이스의 리턴 손실을 도시한 그래프이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나의 임피던스 대역폭(impedance bandwidth)은 실험에서 약 75%이상, Duke모델을 통한 측정에서 약 90%이상을 보였다.
한편 심장, 두개골 및 손과 동일한 환경을 구현하고, 모의 실험을 진행한 결과, 각각의 위치에 따른 피크 이득(peak gain)은 -30.2dBi, -27.7dBi, 및 -28dBi 이며, 임플란트 깊이에 따라 피크값(peak value)의 감소가 발생하였다.
또한, 도 12를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나가 통신 디바이스의 각 구성요소와 결합되었을 때, 여전히 양호한 성능을 보이는 것을 실험적으로 확인할 수 있으며, 결합으로 인해 발생하는 디튜닝(detuning)현상이 보완되는 것을 확인할 수 있다.
도 13은 종래의 임플란트용 안테나와 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 따른 초광대역 안테나의 안테나 성능을 비교 도시한 표이다.
도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 초광대역 안테나를 포함하는 통신 디바이스는 생체내 다양한 부위에 응용될수 있으며 크기가 작고, 디튜닝(detuning)에 저항성을 갖는다.
한편, 피크 SAR 값(peak SAR value)가 입력 전압(input power)는 1W에서, 안정성 우려에 따라 IEEE C95.1-1999 및 95.1-2005표준에 따라 산정된바 있다. 이때, 심장 내에 삽입될 수 있는 캡슐 형 통신 디바이스의 경우, 1g 과 10g기준에서 약 805.63W/kg 및 52.02W/kg을 나타내었다. 즉, 안정성 한계치 내를 유지하려면 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나를 포함하는 통신 디바이스의 입력 전압의 최대치는 SAR표준에 의해 1g 과 10g 에서 각각 2.01mW 및 31.2mW로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초광대역 안테나의 허용 가능한 입력 전압의 최대치인 25uW를 웃도는 수치임을 알수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 센서부
200: 회로부
300: 전원부
400: 안테나
410: 그라운드 패치
420: 제 1 유전층
430: 방사패치
440: 제 2 유전층
500: 케이스

Claims (7)

  1. 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스에 있어서,
    이식된 부위의 체내 생체 신호를 획득하기 위한 센서부; 및
    획득된 상기 생체 신호를 체외로 전송하는 초광대역 안테나;를 포함하되,
    상기 초광대역 안테나는
    제 1 슬롯, 제 2 슬롯, 및 급전홀을 포함하는 그라운드 패치(ground patch);
    상기 그라운드 패치의 상부에 형성된 제 1 유전층;
    상기 제 1 유전층의 상부에 위치하고, 나선(spiral)형상의 제 3 슬롯 및 급전라인(feed line)을 포함하는 방사 패치(radiation patch); 및
    상기 방사패치의 상부에 형성된 제 2 유전층을 포함하되,
    상기 급전라인은 상기 방사패치의 하부면에 연결되어 상기 급전홀에 수직으로 관통되도록 형성되고,
    상기 제 1 슬롯 일단 및 상기 제 2 슬롯의 일단은 서로 연결되며,
    상기 제 2 슬롯의 형태는 상기 제 3 슬롯의 형태에 따라 결정되는 것인,
    초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 초광대역 안테나는
    902MHz 내지 908MHz 의 전파를 방사시키는 것인,
    초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 유전층 및 상기 제 2 유전층은
    생체적합성(biocompatible)을 지니는 유전물질로 형성되는 것인,
    초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 유전층 및 상기 제 2 유전층의 두께는
    유한차분 시간영역(finite-difference time-domain, FDTD) 시뮬레이션을 통해 산출된 것인, 초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 3 슬롯은
    전기적 길이(electric length)를 향상시키는 방사형(spiral) 형상으로 형성된 것인,
    초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 슬롯의 형태, 상기 제 2 슬롯 형태 및 상기 제 3 슬롯의 형태 중 적어도 하나에 따라 상기 안테나의 성능이 변화되는 것인,
    초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 급전 라인은 상기 그라운드 패치 및 상기 방사패치를 전기적으로 연결하고, 상기 급전라인을 통해 상기 초광대역 안테나에 전력이 공급되는 것인,
    초광대역 안테나를 포함하는 체내 이식형 통신 디바이스.
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