KR20240052611A - 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치에 관한 것으로, 전력 및 데이터 송수신 단자를 포함하고 생체 이식 가능하도록 구현된 임플란트 기판(implantable substrate); 상기 임플란트 기판 상에 배치되고 체내의 특정 위치에 고정되어 생체신호를 수집하는 체내 센서; 상기 임플란트 기판 상에 배치되어 상기 생체신호를 처리하고 상기 전력 및 데이터 송수신 단자를 통해 상기 전력의 수신 과정에서 상기 생체신호를 송신하는 체내 프로세서; 및 상기 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 필라멘트(filament) 구조를 통해 연결되어 상기 임플란트 기판에 전력 및 데이터 신호를 송수신하는 체외 루프안테나;를 포함한다.
Description
본 발명은 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 체내 센서에 의해 수집된 생체신호를 필라멘트 구조를 통해 연결된 체외의 루프안테나를 통해 외부로 전송할 수 있는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치에 관한 것이다.
최근 동물이나 인체 내에 삽입되어 동물 또는 사람의 체온 등의 생체정보를 취득할 수 있는 바이오 센서 기술이 개발되고 있다. 특히, 신체의 피부 조직 아래에 직접 이식하여 체온 등의 생체정보를 측정하고, 별도의 리더기 또는 무선신호를 통해 생체이식 센서가 측정한 생체정보를 수집할 수 있는 기술들이 소개되고 있다.
또한, 이러한 생체이식 센서는 별도의 배터리가 없이도 무선전력을 통해 동작을 위한 전원을 공급받을 수 있으며, 최소화된 크기로 이식됨으로써 이식에 따른 부작용을 줄일 수 있고, 간단한 생체신호 측정이나 약물 주입 등에도 효과적으로 활용될 수 있다.
다만, 생체이식 센서를 통해 수집된 데이터를 체내에서 외부로 전송하는 경우 생체조직에 의해 전송 효율이 감소되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서, 전송 효율을 향상시키기 위하여 체외에서 데이터 전송이 이루어질 필요가 있다.
본 발명의 일 실시예는 체내 센서에 의해 수집된 생체신호를 필라멘트 구조를 통해 연결된 체외의 루프안테나를 통해 외부로 전송할 수 있는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치를 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치는 전력 및 데이터 송수신 단자를 포함하고 생체 이식 가능하도록 구현된 임플란트 기판(implantable substrate); 상기 임플란트 기판 상에 배치되고 체내의 특정 위치에 고정되어 생체신호를 수집하는 체내 센서; 상기 임플란트 기판 상에 배치되어 상기 생체신호를 처리하고 상기 전력 및 데이터 송수신 단자를 통해 상기 전력의 수신 과정에서 상기 생체신호를 송신하는 체내 프로세서; 및 상기 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 필라멘트(filament) 구조를 통해 연결되어 상기 임플란트 기판에 전력 및 데이터 신호를 송수신하는 체외 루프안테나;를 포함한다.
상기 임플란트 기판은 유연소재 또는 생체적합성 물질로 구현될 수 있다.
상기 체내 센서는 물리적 연결 단자를 포함하는 센서 소켓을 통해 상기 임플란트 기판과 결합할 수 잇다.
상기 체내 프로세서는 상기 전력의 수신이 개시된 경우 상기 체내 센서와 상기 체외 루프안테나를 포함하는 전송 경로를 설정하고 상기 전송 경로를 통해 상기 전력이 전송되도록 제어할 수 있다.
상기 체외 루프안테나는 상기 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 서펜타인(serpentine) 구조를 통해 연결될 수 있다.
상기 체외 루프안테나는 상기 임플란트 기판의 형상에 상응하는 형상으로 구현되고 상기 임플란트 기판의 경계로부터 특정 간격만큼 이격되어 형성되는 복수의 코일들을 포함할 수 있다.
상기 체외 루프안테나는 상기 복수의 코일들 각각이 서로 다른 재료로 구현된 결과 상기 전력 및 데이터 신호의 송수신 과정에서 발생하는 코일 간의 열적 변형의 차이가 상기 임플란트 기판의 경계로부터 멀어짐에 따라 증가하도록 구현될 수 있다.
상기 장치는 상기 임플란트 기판 상에 배치되고 상기 생체신호를 저장하는 체내 메모리; 및 상기 임플란트 기판 상에 배치되고 상기 체외 루프안테나를 통한 무선전력의 송수신을 제어하는 무선전력 컨트롤러;를 더 포함할 수 있다.
개시된 기술은 다음의 효과를 가질 수 있다. 다만, 특정 실시예가 다음의 효과를 전부 포함하여야 한다거나 다음의 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 개시된 기술의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치는 체내 센서에 의해 수집된 생체신호를 필라멘트 구조를 통해 연결된 체외의 루프안테나를 통해 외부로 전송할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 생체신호 수집 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 임플란트 칩 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩을 이용한 생체신호 수집 과정을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 체내 센서의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 임플란트 칩 장치의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 체외 루프안테나를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 체외 루프안테나의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 임플란트 칩 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩을 이용한 생체신호 수집 과정을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 체내 센서의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 임플란트 칩 장치의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 체외 루프안테나를 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 체외 루프안테나의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명에 따른 생체신호 수집 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 생체신호 수집 시스템(100)은 임플란트 칩 장치(110), 생체신호 수집 서버(130) 및 데이터베이스(150)를 포함할 수 있다.
임플란트 칩 장치(110)는 본 발명에 따른 체외 루프안테나가 결합된 임플란트 바이오 센서(bio-sensor)에 해당할 수 있다. 임플란트 칩 장치(110)는 임플란트 기판(implantable substrate)을 포함하여 구현될 수 있으며, 임플란트 기판에 의해 주요 구성(component)들이 배치되어 지지될 수 있다. 일 실시예에서, 임플란트 기판은 유연소재 또는 생체적합성 물질로 구현될 수 있으며, 생체 내 이식된 상태에서 생체 조직의 변화에 적응적으로 결합될 수 있다.
또한, 임플란트 칩 장치(110)는 사용자의 신체에 부착되거나 또는 신체 내에 이식되어 운용 가능한 단말 장치로 구현될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 도 1에 도시된 바와 같이 하나의 임플란트 칩 장치(110)로 구현될 수 있으나, 필요에 따라 복수개로 구현될 수 있음은 물론이다. 이 경우, 각 임플란트 칩 장치(110)는 서로 다른 사용자들에 부착 또는 이식될 수 있고, 동일 사용자에 대해 동시에 다수가 부착 또는 이식될 수 있다.
또한, 임플란트 칩 장치(110)는 본 발명에 따른 생체신호 수집 시스템(100)을 구성하는 하나의 장치로서 구현될 수 있으며, 생체신호 수집 시스템(100)은 체외 루프안테나의 구조 및 생체신호 수집 목적에 따라 다양한 형태로 변형되어 구현될 수 있다.
또한, 임플란트 칩 장치(110)는 생체신호 수집 서버(130)와 무선으로 연결되어 동작 가능하도록 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 다양한 유형의 센서들을 선택적으로 포함하여 구현될 수도 있다. 특히, 임플란트 칩 장치(110)는 독립적인 동작 수행을 위하여 적어도 하나의 MCU(Micro Controller Unit)를 포함하여 구현될 수도 있다.
한편, 임플란트 칩 장치(110)는 생체신호 수집 서버(130)와 NFC(Near Field Communication), BT(BlueTooth) 등의 근거리 무선 네트워크를 통해 연결될 수 있고, 무선전력 신호를 수신하여 별도의 전원 장치 없이도 독립적으로 동작할 수 있다. 따라서, 임플란트 칩 장치(110)가 복수로 구현된 경우 각 바이오 센서는 생체신호 수집 서버(130)와 1:N 다채널 무선 통신을 수행할 수 있다.
생체신호 수집 서버(130)는 본 발명에 따른 임플란트 칩 장치(110)와 연동하여 사용자로부터 수집된 생체신호를 수신하고 이를 분석하는 동작을 수행하는 컴퓨터 또는 프로그램에 해당하는 서버로 구현될 수 있다. 또한, 생체신호 수집 서버(130)는 임플란트 칩 장치(110)과 무선 네트워크로 연결될 수 있고, 네트워크를 통해 임플란트 칩 장치(110)와 데이터를 송·수신할 수 있다. 또한, 생체신호 수집 서버(130)는 독립된 외부 시스템(도 1에 미도시함)과 연결되어 동작하도록 구현될 수 있다.
일 실시예에서, 생체신호 수집 서버(130)는 임플란트 칩 장치(110)에게 무선으로 전력을 전송할 수 있는 무선전력 전송(wireless power transfer, WPT) 모듈을 포함하여 구현될 수 있다. 이때, 무선전력 전송 모듈은 전력을 무선으로 전송하기 위하여 안테나(antenna)를 포함하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 무선전력 전송 모듈은 루프 안테나(loop antenna)를 포함할 수 있으며, 루프 안테나와 연결된 리더기(reader)를 더 포함할 수 있다.
데이터베이스(150)는 생체신호 수집 서버(130)의 동작 과정에서 필요한 다양한 정보들을 저장하는 저장장치에 해당할 수 있다. 예를 들어, 데이터베이스(150)는 사용자로부터 수집된 생체신호 정보를 저장하거나 또는 생체신호 분석을 위한 알고리즘 및 무선 통신과 전력을 위한 정보를 저장할 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 생체신호 수집 서버(130)가 본 발명에 따른 임플란트 칩 장치(110)에 결합된 체외 루프안테나로부터 생체신호를 수집하는 과정에서 다양한 형태로 수집 또는 가공된 정보들을 저장할 수 있다.
또한, 도 1에서, 데이터베이스(150)는 생체신호 수집 서버(130)와 독립적인 장치로서 도시되어 있으나, 반드시 이에 한정되지 않고, 논리적인 저장장치로서 생체신호 수집 서버(130)에 포함되어 구현될 수 있음은 물론이다.
도 2는 도 1의 임플란트 칩 장치의 기능적 구성을 설명하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 임플란트 칩 장치(110)는 체내 센서(210), 체내 프로세서(230), 체외 루프안테나(250), 체내 메모리(270) 및 무선전력 컨트롤러(290)를 포함할 수 있다.
체내 센서(210)는 임플란트 기판 상에 배치되고 체내의 특정 위치에 고정되어 생체신호를 수집할 수 있다. 예를 들어, 체내 센서(210)는 온도 센서, PPG(Photoplethysmogram) 센서, ECG 센서, ECOG 센서 등을 포함할 수 있다. 온도 센서는 체내의 온도를 측정하는 센서이고, PPG 센서는 광혈류측정 센서로서 조직 내 혈류의 변화를 측정하는 센서이며, ECG(Electorcardiogram) 센서는 심전도 센서로서 심장근육의 수축 및 이완시 발생하는 전위 신호를 측정하는 센서이고, ECOG(ElectroCorticography) 센서는 뇌의 전기신호를 측정하는 센서이다. 체내 센서(210)는 측정하는 데이터 특성 및 센서 유형에 따라 생체신호 측정에 적합한 체내 위치가 결정될 수 있다.
일 실시예에서, 체내 센서(210)는 물리적 연결 단자를 포함하는 센서 소켓을 통해 임플란트 기판과 결합할 수 있다. 즉, 센서 소켓은 임플란트 기판 상에 결합된 상태에서 체내 센서와 직접 연결될 수 있다. 이때, 센서 소켓은 체내 센서와 물리적으로 결합하는 물리적 연결 단자를 포함할 수 있다. 또한, 센서 소켓은 다양한 유형의 체내 센서(210)들과 물리적으로 연결되기 위하여 센서 유형에 상관없이 범용적으로 연결 가능하도록 구현된 연결 단자를 포함할 수 있다. 센서 소켓은 기판의 형상이나 배치 구조에 따라 임플란트 기판 상의 배치 위치가 결정될 수 있다.
체내 프로세서(230)는 임플란트 기판 상에 배치되어 생체신호를 처리하고 전력 및 데이터 송수신 단자를 통해 전력의 수신 과정에서 생체신호를 송신할 수 있다. 체내 프로세서(230)는 체내 센서(210)에 의해 측정된 생체신호를 수신하여 체내 메모리(270)에 저장할 수 있으며, 무선 전력의 수신에 따라 전력을 공급하거나 또는 생체신호의 무선 전송을 위한 동작을 제어할 수 있다.
일 실시예에서, 체내 프로세서(230)는 전력의 수신이 개시된 경우 체내 센서(210)와 체외 루프안테나(250)를 포함하는 전송 경로를 설정하고 전송 경로를 통해 전력이 전송되도록 제어할 수 있다. 여기에서, 전송 경로는 임플란트 칩 장치(110) 내부에서 전력이 전송되는 가상의 전송 채널에 해당할 수 있다. 체내 프로세서(230)는 외부로부터 무선전력이 공급되는 경우, 체내 센서(210)에 의한 생체신호의 수집과 체외 루프안테나(250)를 통한 데이터 전송이 동시에 수행되도록 하는 전송 채널을 가상으로 설정할 수 있으며, 이를 통해 전력 소비를 최소화하면서 생체신호의 효율적인 수집과 전송을 제어할 수 있다. 이후, 체내 프로세서(230)에 의해 설정된 전송 경로는 생체신호의 수집과 전송이 완료되거나 또는 전력의 수신이 종료된 경우 자동으로 해제될 수 있다.
체외 루프안테나(250)는 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 필라멘트(filament) 구조를 통해 연결되어 임플란트 기판에 전력 및 데이터 신호를 송수신할 수 있다. 여기에서, 필라멘트 구조는 섬유나 실처럼 길고 가느다란 연결 구조에 해당할 수 있다. 체외 루프안테나(250)는 임플란트 기판에 배치된 전력 및 데이터 송수신 단자와 필라멘트 구조로 연결된 결과 외부로부터 전송되는 무선전력을 수신하여 임플란트 기판 방향으로 전달하거나 또는 임플란트 기판으로부터 수신된 데이터를 외부로 전송하는 동작을 수행할 수 있다.
일 실시예에서, 체외 루프안테나(250)는 생체조직에 부착 가능한 패치 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 체내 센서(210)와 연결된 임플란트 기판이 손목의 피부 조직층에 이식된 경우, 체외 루프안테나(250)는 피부 바깥에 배치될 수 있다. 이 경우, 체외 루프안테나(250)는 일면이 피부 부착 패치로 구현될 수 있고, 이에 따라 손목 부위의 피부층에 부착되어 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 체외 루프안테나(250)가 생체조직에 부착 가능한 패치 형태로 구현되는 경우, 체외 루프안테나(250)와 피부 조직층 사이에는 절연층(insulation layer)이 배치될 수 있다. 이때, 절연층은 서로 다른 재질로 구현된 복수개의 층들을 포함하여 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 복수개의 절연층들은 체외 루프안테나(250)에서 멀어질수록 절연체의 유전율(permittvity)이 낮아지도록 구현될 수 있다. 또한, 복수개의 절연층들 중 일부는 인접하는 절연층들 사이의 공간을 적어도 2개의 독립적인 공간들로 분할하도록 구현될 수 있으며, 분할된 공간들 중 일부는 복수의 코일들과 중첩되는 영역의 비율이 나머지 영역의 비율보다 더 높도록 분할될 수 있다.
일 실시예에서, 체외 루프안테나(250)는 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 서펜타인(serpentine) 구조를 통해 연결될 수 있다. 여기에서, 서펜타인 구조는 뱀처럼 구불구불한 형상의 구조에 해당할 수 있다. 체외 루프안테나(250)는 서펜타인 구조로 연결된 결과, 체외에 배치된 상태에서도 생체 움직임에 따른 영향을 최소화하여 안정적인 전송율을 제공할 수 있다. 다른 실시예에서, 체외 루프안테나(250)는 RF(radio frequency) 케이블을 통해 전력 및 데이터 송수신 단자와 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 체외 루프안테나(250)는 임플란트 기판의 형상에 상응하는 형상으로 구현되고 임플란트 기판의 경계로부터 특정 간격만큼 이격되어 형성되는 복수의 코일들을 포함할 수 있다. 체외 루프안테나(250)의 형상은 임플란트 기판의 구조, 형상 및 크기 등에 따라 결정될 수 있으며, 임플란트 기판의 형상에 상응하는 형상으로도 구현될 수 있다. 예를 들어, 임플란트 기판이 원형으로 구현되는 경우 체외 루프안테나(250)도 원형으로 구현될 수 있고, 임플란트 기판이 사각형으로 구현되는 경우 체외 루프안테나(250)도 사각형으로 구현될 수 있다. 이때, 체외 루프안테나(250)의 내측면과 임플란트 기판의 외측면 사이는 일정한 간격만큼 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 체외 루프안테나(250)는 단일 코일 또는 복수의 코일들로 구현될 수 있으며, 복수의 코일들은 상호 간에 동일한 간격으로 이격되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 복수의 코일들은 나선형 구조로 연결될 수 있다.
일 실시예에서, 체외 루프안테나(250)는 복수의 코일들 각각이 서로 다른 재료로 구현된 결과 전력 및 데이터 신호의 송수신 과정에서 발생하는 코일 간의 열적 변형의 차이가 임플란트 기판의 경계로부터 멀어짐에 따라 증가하도록 구현될 수 있다. 체외 루프안테나(250)는 알루미늄, 구리, 철, 크롬 등의 도체로 구현된 복수의 코일들을 포함하여 구현될 수 있으며, 각 코일들이 서로 다른 재료로 구현된 결과 전력 및 데이터 신호의 송수신 과정에서 발생하는 열로 인해 각 코일들마다 서로 다른 크기의 열적 변형이 발생할 수 있다.
즉, 체외 루프안테나(250)는 복수의 코일들이 열적 변형에 따라 소정의 곡률 반경을 갖는 휘어짐이 동일한 방향으로 발생하도록 구현될 수 있다. 이때, 복수의 코일들의 재료가 서로 상이한 경우 각 코일 별로 열적 변형의 정도가 상이하게 나타날 수 있으며, 코일의 중심에서 외부로 멀어질수록 열적 변형의 정도가 더 커질 수 있다. 예를 들어, 코일의 중심에서 외부로 멀어질수록 각 코일의 곡률 반경은 더 작아질 수 있고, 코일의 휘어짐은 증가할 수 있다.
체내 메모리(270)는 임플란트 기판 상에 배치되고 생체신호를 저장할 수 있다. 이를 위하여, 체내 메모리(270)는 임플란트 칩 장치(110)에 포함된 MCU의 내장 메모리로 구현될 수 있다. 또한, 체내 메모리(270)에 저장된 데이터들은 전기적으로 연결된 체내 프로세서(230)에 의해 접근될 수 있으며, 본 발명에 따른 생체신호 수집 과정에서 사용될 수 있다.
무선전력 컨트롤러(290)는 임플란트 기판 상에 배치되고 체외 루프안테나(250)를 통한 무선전력의 송수신을 제어할 수 있다. 무선전력 컨트롤러(290)는 체외 루프안테나(250)와 직접 연결될 수 있으며, 이에 따라 체외 루프안테나(250)에 의해 전력이 수신됨과 동시에 무선전력 컨트롤러(290)의 동작이 가장 먼저 개시될 수 있다.
일 실시예에서, 무선전력 컨트롤러(290)는 체외 루프안테나(250)를 통한 전력의 수신이 개시된 시점부터 기 설정된 시간이 경과하면 체외 루프안테나(250)와의 전기적 연결을 차단하는 스위치를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 해당 스위치는 차단 시점을 기준으로 제1 시간이 경과하면 전기적 연결을 복원하도록 구현될 수 있다. 또한, 해당 스위치는 시간축 상에서 제1 시간의 종료 시점을 기준으로 적어도 1초(s) 이상 이격된 제2 시간의 경과에 따라 전기적 연결의 차단 동작을 반복할 수 있다.
일 실시예에서, 무선전력 컨트롤러(290)는 외부의 전력 전송 장치로부터 무선전력을 수신하는 경우 체내 프로세서(230)에 의해 설정된 전송 경로를 통해 무선전력을 전송할 수 있다. 이를 위하여, 무선전력 컨트롤러(290)는 체내 프로세서(230)와 연결될 수 있고, 외부로부터 공급된 무선전력을 가상의 전송 채널을 통해 공급할 수 있다.
한편, 외부의 전력 전송 장치는 특정 크기의 안테나를 포함하여 구현될 수 있으며, 안테나를 통해 무선전력을 임플란트 칩 장치(110)에게 전달할 수 있다. 즉, 임플란트 칩 장치(110)는 체외 루프안테나(250)를 통해 외부에서 공급되는 무선전력을 수신할 수 있으며, 무선전력 컨트롤러(290)를 통해 생체신호 센싱을 위한 전원으로 사용할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩을 이용한 생체신호 수집 과정을 설명하는 순서도이다.
도 3을 참조하면, 임플란트 칩 장치(110)는 체외 루프안테나(250)를 통해 외부 전력 전송 장치로부터 무선전력을 수신할 수 있다(단계 S310). 체외 루프안테나(250)는 전력 수신 효율을 높이기 위하여 생체 외부에 노출된 채로 생체 내에 이식된 임플란트 기판에 결합될 수 있다. 이를 위하여, 체외 루프안테나(250)는 필라멘트 구조를 통해 임플란트 기판과 연결될 수 있다.
임플란트 칩 장치(110)는 무선전력 컨트롤러(290)를 통해 체내 센서(210)와 체내 프로세서(230)에 전력을 공급할 수 있으며, 체내 센서(210)에 의해 생체신호가 측정되면 체내 프로세서(230)를 통해 측정된 생체신호를 수집할 수 있다(단계 S330). 이때, 수집된 생체신호는 체내 메모리(270)에 저장될 수 있으며, 무선전력 컨트롤러(290)는 체내 프로세서(230)의 동작에 따라 체내 메모리(270)에 전력을 공급할 수 있다.
임플란트 칩 장치(110)는 체외 루프안테나(250)를 통해 수집된 생체신호를 외부로 무선전송할 수 있다(단계 S350). 일 실시예에서, 체내 프로세서(230)는 체내 메모리(270)의 데이터 저장율에 따라 체외 루프안테나(250)를 통해 저장된 데이터를 외부로 전송할 수 있다. 예를 들어, 체내 프로세서(230)는 체내 메모리(270)에 저장된 데이터의 총 크기가 특정 기준을 초과하는 경우 체외 루프안테나(250)를 통해 생체신호를 외부로 전송할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 체내 센서의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 임플란트 칩 장치(110)는 체내 센서(210), 체내 프로세서(230), 체외 루프안테나(250), 체내 메모리(270) 및 무선전력 컨트롤러(290)를 포함하는 생체신호 칩으로 구현될 수 있다. 이때, 생체신호 칩은 생체 이식 가능한 유연소재 또는 생체적합성 있는 물질로 구현될 수 있으며, 생체 이식형 플랫폼 보호 코팅을 통해 보호될 수 있다. 예를 들어, 생체적합성 있는 물질은 생체 조직에 대한 실질적 염증반응 또는 면역반응을 일으키지 않는 물질에 해당할 수 있다.
구체적으로, 체내 센서(210)는 물리적 연결 단자를 포함하는 센서 소켓을 통해 임플란트 기판과 연결될 수 있다. 이때, 물리적 연결 단자는 다양한 체내 센서(210)와 물리적으로 결합 가능하도록 구현될 수 있다. 또한, 센서 소켓은 필요에 따라 하나 이상의 소켓들을 포함하여 구현됨으로써 복수의 체내 센서(210)들로 확장 가능한 인터페이스를 제공할 수 있다. 예를 들어, 센서 소켓은 시리얼 인터페이스(Serial Interface) 또는 범용 입출력 포트(GPIO, General Purpose Input Output)를 물리적 연결 단자로서 포함할 수 있다.
또한, 체내 센서(210)는 측정하고자 하는 생체신호의 유형과 특성에 따라 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 체내 센서(210)는 2개의 전극(Electrode)과 밴드 패스 필터(Band pass filter), 계측 증폭기(Instrumentation Amplifier), AD 컨버터(ADC)를 포함하여 구현될 수 있다. 다른 예로서, 체내 센서(210)는 2개의 전극(Electrode)과 차동 증폭기(Differential Amplifier), 하이패스 필터(High-pass filter), 비교기(Comparator)를 포함하여 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되지 않고, 다양한 구성들을 선택적으로 포함하여 구현될 수 있다.
체내 프로세서(230)는 MCU(예: CPU 등)로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되지 않음은 물론이다. 이에 따라, 체내 메모리(270)는 MCU의 내부 메모리로 구현될 수 있다. 무선전력 컨트롤러(290)는 무선 전력 및 데이터 통신을 위해 NFC 인터페이스(NFC Interface)와 레귤레이터(Regulator)를 포함하여 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 임플란트 칩 장치의 실시예를 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 임플란트 칩 장치(110)는 임플란트 기판(510)과 체외 루프안테나(530)를 포함하여 구현될 수 있다. 임플란트 기판(510)은 임플란트 칩 장치(110)의 주요 구성들과 결합될 수 있고, 생체이식 가능한 물질로 구현될 수 있다. 임플란트 기판(510)이 생체 내에 이식되어 동작하는 반면, 체외 루프안테나(530)는 생체 외부에서 동작하도록 구현될 수 있다. 이를 위해, 체외 루프안테나(530)는 임플란트 기판(510)의 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 필라멘트 구조로 연결될 수 있다. 임플란트 기판(510)은 생체 조직과 결합될 수 있도록 생체 이식형 플랫폼 보호 코팅을 통해 보호될 수 있으며, 필요에 따라 체외 루프안테나(530)의 일부도 함께 코팅되어 보호될 수 있다.
일 실시예에서, 체외 루프안테나(530)는 단일 코일 또는 복수의 코일들을 포함하여 구현될 수 있으며, 복수의 코일들은 임플란트 기판의 형상에 대응되는 형상으로 구현될 수 있다. 도 5의 그림 (a)는 원형 형상의 복수의 코일들로 구현된 예이며, 그림 (b)는 사각형 형상의 단일 코일로 구현된 예이다. 체외 루프안테나(530)를 구성하는 복수의 코일들 역시 소정의 간격에 따라 이격되어 형성될 수 있으며, 서로 다른 재료로 구현될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 체외 루프안테나를 설명하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 체외 루프안테나(530)는 복수의 코일들을 포함하여 구현될 수 있으며, 각 코일들은 서로 다른 재료로 구현될 수 있다. 또한, 체외 루프안테나(530)는 전력 및 데이터 신호의 송수신 과정에서 발생하는 열로 인해 각 코일들에서 열적 변형이 발생할 수 있다. 이때, 각 코일들의 재료 특성에 따라 열적 변형의 차이가 발생할 수 있으며, 복수의 코일들은 코일의 중심에서 멀어질수록 코일의 열적 변형의 정도가 더 크게 발생하도록 배치될 수 있다. 이때, 복수의 코일들은 열적 변형에 의한 휘어짐이 동일한 방향으로 발생하도록 구현될 수 있다.
도 6에서, 3개의 원형 코일들 각각은 열적 변형에 의해 곡률 반경을 갖는 휘어짐이 발생할 수 있다. 이때, 가장 바깥쪽에 배치된 코일의 열적 변형이 가장 크게 나타날 수 있고, 가장 안쪽에 배치된 코일의 열적 변형이 가장 작게 나타날 수 있다. 다만, 도 6에서는 설명의 편의를 위하여 열적 변형의 정도가 큰 것으로 도시하였으나, 각 코일들의 휘어짐은 코일이 형성하는 내부 평면을 기준으로 5 ~ 25 mm 사이의 곡률 반경을 갖도록 형성되는 것이 바람직할 수 있으며, 서로 인접한 코일들 간의 곡률 반경의 차이()는 최대 10 mm을 넘지 않도록 형성되는 것이 바람직할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 체외 루프안테나의 일 실시예를 설명하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 체외 루프안테나(710)는 생체조직(예: 피부)에 부착 가능한 패치 형태로 구현될 수 있다. 이때, 체외 루프안테나(710)와 피부 조직층(750) 사이에는 절연층(insulation layer)(730)이 배치될 수 있다. 또한, 절연층(730)은 서로 다른 재질로 구현된 복수개의 층들을 포함하여 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 복수개의 절연층(730)들은 체외 루프안테나(710)에서 멀어질수록 절연체의 유전율(permittvity)이 낮아지도록 구현될 수 있다. 도 7에서, 체외 루프안테나(710)에 가까울수록 절연층의 유전율은 높아지고, 체외 루프안테나(710)에 멀어질수록 절연층의 유전율은 낮아질 수 있다.
또한, 복수개의 절연층(730)들 중 일부는 인접하는 절연층(730)들 사이의 공간을 적어도 2개의 독립적인 공간들로 분할하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 절연층 (b)는 체외 루프안테나(710)의 코일에 대응되는 위치에만 부분적으로 형성된 결과 코일 사이에는 빈 공간을 형성할 수 있으며, 이에 따라 절연층 (a)와 (c) 사이에 2개 이상의 독립된 공간들이 형성될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 생체신호 수집 시스템
110: 임플란트 칩 장치 130: 생체신호 수집 서버
150: 데이터베이스
210: 체내 센서 230: 체내 프로세서
250: 체외 루프안테나 270: 체내 메모리
290: 무선전력 컨트롤러
510: 임플란트 기판 530, 710: 체외 루프안테나
730: 절연층 750: 피부 조직층
110: 임플란트 칩 장치 130: 생체신호 수집 서버
150: 데이터베이스
210: 체내 센서 230: 체내 프로세서
250: 체외 루프안테나 270: 체내 메모리
290: 무선전력 컨트롤러
510: 임플란트 기판 530, 710: 체외 루프안테나
730: 절연층 750: 피부 조직층
Claims (8)
- 전력 및 데이터 송수신 단자를 포함하고 생체 이식 가능하도록 구현된 임플란트 기판(implantable substrate);
상기 임플란트 기판 상에 배치되고 체내의 특정 위치에 고정되어 생체신호를 수집하는 체내 센서;
상기 임플란트 기판 상에 배치되어 상기 생체신호를 처리하고 상기 전력 및 데이터 송수신 단자를 통해 상기 전력의 수신 과정에서 상기 생체신호를 송신하는 체내 프로세서; 및
상기 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 필라멘트(filament) 구조를 통해 연결되어 상기 임플란트 기판에 전력 및 데이터 신호를 송수신하는 체외 루프안테나;를 포함하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 임플란트 기판은
유연소재 또는 생체적합성 물질로 구현되는 것을 특징으로 하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 체내 센서는
물리적 연결 단자를 포함하는 센서 소켓을 통해 상기 임플란트 기판과 결합하는 것을 특징으로 하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 체내 프로세서는
상기 전력의 수신이 개시된 경우 상기 체내 센서와 상기 체외 루프안테나를 포함하는 전송 경로를 설정하고 상기 전송 경로를 통해 상기 전력이 전송되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 체외 루프안테나는
상기 전력 및 데이터 송수신 단자로부터 서펜타인(serpentine) 구조를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
- 제1항에 있어서, 상기 체외 루프안테나는
상기 임플란트 기판의 형상에 상응하는 형상으로 구현되고 상기 임플란트 기판의 경계로부터 특정 간격만큼 이격되어 형성되는 복수의 코일들을 포함하는 것을 특징으로 하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
- 제6항에 있어서, 상기 체외 루프안테나는
상기 복수의 코일들 각각이 서로 다른 재료로 구현된 결과 상기 전력 및 데이터 신호의 송수신 과정에서 발생하는 코일 간의 열적 변형의 차이가 상기 임플란트 기판의 경계로부터 멀어짐에 따라 증가하도록 구현되는 것을 특징으로 하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 임플란트 기판 상에 배치되고 상기 생체신호를 저장하는 체내 메모리; 및
상기 임플란트 기판 상에 배치되고 상기 체외 루프안테나를 통한 무선전력의 송수신을 제어하는 무선전력 컨트롤러;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 체외 루프안테나 기반의 임플란트 칩 장치.
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080017247A (ko) | 2006-08-21 | 2008-02-26 | 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 | 생체이식용 ｒｆｉｄ태그 및 그 삽입지그체 |
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2023
- 2023-03-28 KR KR1020230040613A patent/KR20240052611A/ko unknown
Patent Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR20080017247A (ko) | 2006-08-21 | 2008-02-26 | 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 | 생체이식용 ｒｆｉｄ태그 및 그 삽입지그체 |
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