1. 개발기술의 필요성 가. 개발 대상 기술의 개요
(1) 전파를 이용한 의료 기술은 정보 기술(IT)과 의료 기술(BT)을 접목시킨 고부가가치의 융 합 기술로서, 최근 초고령화 사회 진입 및 건강에 대한 관심 증가에 따라 주목을 받고 있 으며 시장의 지속적인 성장이 예상됨
(2) 의료분야에 있어서 전파이용은 고온온열치료기, 약물 전달 시스템, 인공 심박조율기 등의 질병의 치료, 무선 캡슐형 내시경과 같은 질병의 진단 분야, 환자 상태를 모니터링 하기 위 한 건강 관리 분야에 이르기까지 의료 전반에 걸쳐 널리 적용됨
그림 1-1 전자파 의료기기의 분류 그림 1-2 무선통신을 적용한 의료기기
(3) 인체 내부 및 표면의 의료용 무선기기 설계, 그리고 인체 외부 기기와의 안정적인 데이터 의 송수신을 위한 무선 링크 구성, 효율적인 전파 인체 조사 등을 위하여 새로운 안테나 기술이 필수적으로 요구됨
나. 이식형 및 착용형 의료용 안테나
(1) 무선통신을 이용한 의료기기는 크게 이식형 의료기기와 착용형 의료기기로 구분됨
(가) 이식형 의료기기에는 캡슐형 내시경과 같은 진단용 기기, 인공심박 조율기, 인슐린 펌 프나 약물 투여기 등의 치료용 기기가 있음
(나) 착용형 의료기기에는 생체신호의 측정을 위한 부착형 센서 등이 있으며, 환자의 상태를 지속적으로 모니터링 함으로써 체계적이고 효율적인 건강관리를 가능하게 함
(2) 인체 근거리 영역에서의 무선 통신은 신호 감쇠, 안테나의 크기 등의 여러 가지 제약 사항 을 가지고 있기 때문에 기존의 안테나 기술을 그대로 적용할 수 없음. 또한 인체의 특성에 따라 전파의 감쇄정도가 달라질 수 있으므로 인체에 대한 여러 가지 사항을 복합적으로 고려해야 하고, 인체에 거부반응이 없는 재질을 사용하고, SAR1) 등을 고려한 높은 신뢰성 과 안전성을 확보하여야 함
(3) 따라서, 인체의 전자파 특성을 고려하며 인체 영역에서 최적화된 안테나 설계기술의 연구
1) Specific absorption rate
가 필요하며, 인체 환경과 유사한 측정환경 및 그에 적합한 측정기법을 개발하여 안테나 성능이 인체에 미치는 영향을 정확하게 예측하여 안테나 성능의 신뢰성과 인체에 대한 안 정성을 검증할 필요가 있음
본 과제가 추구하는 핵심기술
○ 인체이식 및 착용에 적합한 초소형/초박형 안테나 설계기술 - 고유전체, AMD2), 적층형 구조 등을 이용한 기술
○ SAR 저감 기법
- 전후방비 개선기법(EBG3), AMC4) 등의 메타물질 기술 적용)
○ 인체 등가 유전율을 가지는 팬텀을 이용한 안테나의 성능 측정기술 - 등가 유전율 측정기술
- 반고체형 팬텀을 이용한 안테나의 성능 측정기술
○ 인체 표면 특성을 고려한 안테나의 전파 특성 분석 기술 - 인체 표면을 따라 전파되는 표면파 분석 기술 - 인체 유동에 따른 안테나 특성 변화 분석 기술
다. 고온온열치료용 안테나 기술
(1) 암 조직이 열을 받으면 단백질 변성 또는 열에 의한 신진대사 장애 등으로 괴사하게 되며 종양의 온도가 일정온도(약 42.5 ℃) 이상에서는 사멸율이 급격히 증가함. 정상조직은 혈액 순환으로 온도를 조절할 수 있는 반면 종양은 정상조직보다 혈액의 흐름이 둔하여 열이 계속 축적됨. 433 MHz와 915 MHz 대역의 마이크로파를 이용한 방사형 가열방식 고온온 열치료는 인체 내부의 물 분자가 전계의 변화에 따라 회전하여 마찰열을 발생시키고, 이러 한 특성을 이용하여 정상조직에 비해 상대적으로 수분 함유량이 많은 종양조직만 선택적 으로 가열하여 치료할 수 있는 이상적인 암 치료 방법임
그림 1-3 전자파 비침습형 온열 치료의 개념 및 기술 개발 범위
그림 1-4 온열치료용 비침습형 안테나
(2) 마이크로파를 이용한 치료 방법은 낮은 침투깊이를 갖는 반면, 높은 출력을 통한 고온효과 를 얻을 수 있으므로 안테나(어플리케이터)의 디자인이나 구조에 따라서 다양한 방법으로 가열 범위, 가열 깊이 등을 조절하여 치료가 가능한 장점을 가짐
(3) 따라서 환자에게 거부감이 적은 비침습형의 표재성 및 심재성 종양/암 치료용 고온온열치
2) Artificial magneto-dielectric 3) Electromagnetic band-gap
료 시스템 개발을 위해서는 인체에 착용이 용이한 초박형의 유연성 있는 안테나 설계기술 과 침투깊이 확장 및 전파의 집중을 통한 시스템 효율성을 증가시킬 수 있는 새로운 고지 향성/고효율의 안테나 설계 기술이 필요함
그림 1-5 온열치료의 예시 그림 1-6 온열치료의 구조도 본 과제가 추구하는 핵심기술
○ 인체 착용이 용이한 초박형 안테나 설계기술
○ 체내 전파 침투깊이 확장을 위한 고지향성/고효율 안테나 설계기술 - 전력 분배 및 위상배열을 이용한 전파집중(focusing) 기술 - EBG, FSS5) 등의 superstrate를 이용한 지향성 향상기술
○ 인체 팬텀에서의 온도분포 측정을 통한 안테나 성능검증 - 열화상카메라를 이용한 표면온도분포 분석
- 초정밀온도센서를 이용한 내부온도분포 분석
라. 전자파 인체모델링 및 초고속 수치해석 기법 연구
(1) 의료용 안테나의 최적화를 위해서는 인체의 전기적 특성을 파악하고 인체의 표면과 내부 의 전자파 특성 분석과 수치해석 기법을 이용하여 인체 전자파 모델링이 필수적으로 요구 됨
(2) 인체 전자파 모델링을 이용하여 인체에 유도되는 전계의 분포를 계산할 수 있으며, 이를 통하여 의료용 안테나와 인체와의 상호 커플링 메커니즘을 분석할 수 있음
(3) 간단한 계산식을 통하여 전계 분포로부터 SAR 분포를 계산할 수 있으며 SAR 분포는 이 식형 및 착용형 의료용 안테나 개발 시 고려되어야 함
(4) 바이오 열전달 함수를 이용하여 SAR 분포로부터 온도분포를 계산할 수 있으며 온도 분포 는 고온온열치료용 안테나 개발 시 고려되어야 함
5) Frequency selective surface
그림 1-7 인체의 전자파 특성 분석 적용방법
(5) 전자파 해석용 상용 툴은 다양한 전자파 구조를 해석할 수 있도록 범용으로 설계가 되어 있으므로, 인체의 전자파 특성을 분석하는데 계산시간이 매우 오래 걸림
(6) 인체의 전기적 특성은 주파수에 따라서 변하는 성질을 가지고 있으므로 분산물질 모델링 기법을 사용하여야 정확한 결과를 얻을 수 있음
(7) 따라서, 본 과제에서 추구하고 있는 초소형/초박형/고효율 의료용 안테나의 개발을 위해서 는 분산물질 모델링 기법과 초고속 알고리즘을 동시에 이용한 정확하고 빠른 인체 전자파 모델링이 절대적으로 필요함
본 과제가 추구하는 핵심기술
○ 정확한 인체전자파 모델링 - 분산물질 모델링 기법 적용
○ 빠른 인체전자파 모델링
- Alternating-Direction-Implicit (ADI) 기법 - Locally-One-Dimensional (LOD) 기법 - Complex-Envelope (CE) 기법
2. 개발기술의 중요성
(1) 현재 전 세계적으로 수백만의 인구가 활동형 의료용 이식 장치에 의존하며 살아가는데, 이 러한 활동형 이식 장치들은 심장박동 조절, 통증조절, 약물투여, 혈당 조절을 위한 인슐린 조절 등과 같이 광범위한 치료적 기능을 수행함
(2) 이식형 및 착용형 의료 시스템을 통해 환자 상태를 지속적으로 모니터링하고 점검함으로 써 응급상황에 대처할 수 있고 병원과 의료 센터(의료원)들은 환자에게 양질의 서비스를 제공하면서도 치료비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있음
(3) 마이크로파를 이용한 고온온열치료는 환자의 건강한 장기 및 조직에 손상을 주지 않으며 부작용이 거의 없는 치료 방법으로, 수술, 방사선, 약물, 면역, 유전자 요법과 같은 치료요 법의 하나임
(4) 임상 실험을 통하여 상호보조 상승효과가 입증되었고, 방사선 치료와 화학요법의 경우 불 가능할 수 있는 반복 치료가 가능하다는 장점이 있기 때문에 암 치료의 중요한 방법으로 주목받고 있음
(5) 인구 고령화 사회 진입, 환경오염, 식습관 변화 등에 따른 만성질환 및 암 발병률의 증가 로 이러한 의료용 장치들에 대한 인류의 의존도는 점점 더 높아질 것으로 예상됨
(6) U-healthcare에 대한 관심 고조에 따라 제품의 수요가 증가하고 있는 분야이며, IT와 BT
분야의 우수한 기술력과 인력을 갖춘 우리나라에 적합한 high-end IT/BT 융합 기술로서 차세대 성장산업으로 도약이 가능한 기술임
(7) 그러나 전파를 이용한 의료기기에 관한 국내 연구는 미국, 일본 등의 관련기술 선도국에 비하면 원천기술에 대한 지적 재산권 보유 현황이나 상용화에 있어서 5년 이상의 기술격 차가 있음
(8) 따라서 이 분야의 연구개발을 통해 기술 격차를 줄이고, 관련 분야의 기술 의존도를 줄일 필요가 있음
(9) 인체 근거리 영역에서 전파하는 전자파의 주파수별 특성, 인체 조직과 기능에 따른 전자파 의 전파, 열전달 및 온도 분포 등에 대한 확고한 이론을 바탕으로 인체영역에서의 무선통 신을 위한 안테나 기술의 개발과 고온온열치료를 위한 어플리케이터 기술 개발이 시급히 필요함