433 MHz 915 MHz 2450 MHz
그림 3-25 수평 다이폴의 정규화된 10 cm 깊이에서의 전자파 흡수율 수직면 분포
433 MHz는 915, 2450 MHz 에 비하여 넓은 빔폭을 가지며 이는 환부를 균일하 게 가열하는데 가장 적합하다.
(나) 심재성 암 치료용
심재성 암 치료를 위한 고온 온열치료는 종양 부위을 집중 가온해주는 종양가온 치료가 사용된다. 심재성 암 치료는 전파 감쇄가 심한 인체 내 3 cm-5 cm 에 있는 종양을 치료하기 때문에 전자파 가온 깊이가 가장 중요하다. 그림 3-26은 반파장 다이폴에 의한 심재성 암 치료 깊이에서의 전자파 흡수율이다. 433 MHz는 3 cm-5 cm에서 915, 2450 MHz 에 비하여 약 1.3-1.5 배의 전자파 흡수율을 가진다.
25 30 35 40 45 50 55
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
N o rn a liz e d S A R
Depth in phantom [mm]
433 MHz 915 MHz 2450 MHz
그림 3-26 주파수에 따른 반파장 다이폴 전자파 흡수율
위의 여러 ISM 대역의 주파수를 분석해 보았을 때 유효유전율을 고려한 반파장 의 길이가 1 m가 초과하는 13.56, 27.12 40.68 MHz를 제외하고 433, 915, 2450 MHz를 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 표재성 암 치료용의 경우 433 MHz 사용 시 가온 균일성 향상에 가장 유리한 면을 가지며 심재성 암 치료용의 경우에도 433 MHz가 가장 적은 감쇄를 가져서 높은 적합성을 가진다.
(4) 초박형 유연 다중안테나의 기본구조 설계 및 구현 (가) 배열 소자 안테나 설계
방사체의 배열소자로 사용되는 다이폴 구조는 인체 및 볼러스 등의 유효유전율을 고려하여 설계 되어야 한다. ISM (Industrial, Scientific, and Medical)대역의 하나 인 433 MHz에서는 유효유전율을 고려한 반파장인 약 18 cm의 길이를 가지게 된 다. 그림 3-27의 (a)는 2차원 배열 거리를 고려하여 4 cm x 4 cm 의 크기로 소형 화된 다이폴이다. 다이폴은 길이를 줄이기 위하여 나선형으로 배치되었고 중심부에 정합구조가 추가되었다.
(a) (b) (c)
그림 3-27 소형화된 다이폴 배열소자
(a) 단일나선구조 (b) 이중나선구조 (c) 양갈래 대칭구조
(a) (b) (c)
그림 3-28 소형화된 다이폴 배열소자의 인체모델에서의 전자파 흡수율 (a) 단일나선구조 (b) 이중나선구조 (c) 양갈래 대칭구조
그림 3-27의 (a)의 단일 나선 구조의 가온 균일도는 전자파 흡수율 분포와 유효 가온면적으로 확인이 가능하다. 유효 가온면적 (Effective Field Size, EFS) 은 인체 모델과 볼러스의 경계면에서 1 cm의 깊이를 가지는 평면에서 최고점의 50% 이상 의 전자파 흡수율을 가지는 면적으로 정의 된다. 따라서 같은 전력을 공급하였을 때 최고점에서의 전자파 흡수율 값이 낮고, 유효 가온 면적이 넓을수록 가온 균일 성이 높다고 할 수 있다. 모의실험 결과 단일 나선구조는 18.86 cm2의 유효 가온면 적을 가진다. 이는 배열소자가 차지하는 면적인 16 cm2 의 118 %에 해당하는 면적 이다. 유효가온 면적을 증가시키기 위하여 이중나선 구조가 제안되었다 [31]. 그림 3-27 (b)의 이중나선 구조는 급전을 중심으로 각 사분면에 나선구조가 배치되어 단 일 나선 구조에 비하여 최고점에서의 전자파 흡수율 값이 낮다. 하지만 비대칭 정
합회로가 사용됨으로써 그림 3-28 (b)와 같이 여전히 한쪽으로 치우친 전자파 흡수 율 분포를 가지고 있다. 그리하여 양갈래 형태를 지닌 대칭형 다이폴 구조가 제안 되었다 [32]. 그림 3-27 (c)의 양갈래 대칭구조는 다이폴 뿐만이 아니라 정합구조 또한 대칭구조로 설계되어 전체적으로 좌우와 상하 대칭구조를 가지며 가장 낮은 최고점에서의 전자파 흡수율을 가진다. 이중나선구조와 양갈래 대칭구조의 유효 가 온면적은 각각 20.87 cm2과 32.57 cm2이다. 이는 소자면적 대비 각각 130 %와 204% 이다.
(나) 4 x 4 배열 안테나 설계
가온 면적 확장을 위하여 방사체의 2 x 2 배열이 시도되었다 [33]. 하지만 배열소 자 간의 전자기파의 보강 및 상쇄 간섭으로 인하여 가온 균일도가 떨어지고 유효가 온 면적비가 떨어지는 문제점을 지니고 있다. 그림 3-29는 양갈래 대칭구조를 이용 한 4 x 4 배열 구조의 도시이다. 각 방사체 간의 간격은 1 cm 이고 전제 방사체 배열의 크기는 19 cm x 19 cm이다. 그림 3-30은 그림 3-29의 각 배열 구조의 전 자파 흡수율을 나타낸 그림이다. 그림 3-29의 배열 구조들은 433 MHz의 파장에 비해 매우 작은 배열 간격을 가지고 있다. 그리하여 그림 3-29 (a)의 일반 배열 구 조의 경우 그림 3-30 (a)와 같이 새로 배열 소자 간의 보강 상쇄 간섭이 발생하여 전자파 흡수율 분포가 불균일해진다.
(a) (b)
그림 3-29 양갈래 대칭구조를 이용한 4 x 4 배열구조 (a) 일반배열구조 (b) 격자배열구조
(a) (b)
그림 3-30 양갈래 대칭구조를 이용한 4 x 4 배열구조의 전자파 흡수율 분포 (a) 일반배열구조 (b) 격자배열구조
그리하여 그림 3-29 (b)의 격자배열 구조는 소자들을 번갈아 시계 방향으로 90°
회전시켜 배치하였다. 그림 3-30 (b)에서는 (a)에 비하여 소자 사이에 있는 전자파 흡수율이 낮아지는 부분이 제거 되었다. 그리하여 전자파 흡수율의 균일성을 높힐 수 있다. 일반배열구조의 경우 가온유효면적은 212 cm2이고 이는 방사체 면적의 58.8 %이다. 이에 비해 격자배열구조는 가온 유효면적이 273 cm2으로 방사체 면적 의 75.7 % 에 해당한다. 격자배열구조는 일반배열 구조에 비하여 추가적인 공간과 요소 없이 30 %의 유효가온면적을 향상시키어 가온 균일성을 향상시켰다. 또한 이 는 1차년도의 목표인 유효가온면적 250 cm2을 만족시키는 성능이다. 그림 3-31은 일반배열구조와 격자배열구조를 사용하여 각 소자에 10W의 전력을 30분동안 공급 하였을 때의 생체-열 방정식에 의한 온도분포이다. 인체는 37°의 FCC 기준을 만족 하는 유전물질로 모델링 되었다. 가온 균일도가 낮은 일반 배열구조의 경우 47°가 넘거나 43°보다 낮은 온도의 면적이 중간 중간 나타나는데 비하여 격자배열구조는 중심부에 43°-47°로 나타나는 부분이 고르게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 그러 므로 격자배열구조는 일반 배열구조에 비하여 더 균일한 온도분포를 생성시킬 수 있으며 이는 실제 고온 온열치료 적용시 치료효율을 향상시키고 과열로 인한 정상 세포의 괴사를 막는데 도움을 준다.
그림 3-31 양갈래 대칭구조를 이용한 4 x 4 배열구조의 전자파 흡수율 분포 (a) 일반배열구조 (b) 격자배열구조
(다) 온도분포 측정을 통한 검증
모의 실험을 통하여 제작된 안테나의 실제 성능을 검증하기 위하여 온도분포가 측정되었다. 하지만 인체에서의 임상 실험을 제외한 실제 측정 환경에서는 생체-열 방정식의 혈류를 적용할 수가 없고 37°의 체온을 유지하는 것도 현실적으로 불 가능하다. 그리하여 온도분포 측정을 통한 검증은 구현가능한 측정환경과 이를 모 델링한 시뮬레이션 결과와의 비교를 통하여 이루어졌다. 구체적인 측정환경에 관하 여는 (5) 성능평가 기법 및 측정환경 구축. 에서 자세하게 언급될 예정이다. 4 x 4 배열 구조의 측정을 위하여 팬텀이 제작되었고 아크릴 소재의 케이스 안에 놓여졌 다. 1.5 cm 두께의 증류수 층이 볼러스로 삽입되었고 그위에 다이폴 배열구조가 식 각된 기판이 얹어진 형태로 제작되었다. 그림 3-32는 4 x 4 배열구조의 측정환경을 모델링한 온도분포 시뮬레이션의 예시이다.
그림 3-32 4 x 4 배열구조의 측정환경 시뮬레이션 예시
그림 3-33 4 x 4 배열구조의 측정환경의 온도분포 시뮬레이션
그림 3-33은 양갈래 대칭구조를 이용한 4 x 4 배열구조의 온도분포 시뮬레이션 이다. 실제 측정 환경과 동일하도록 각 안테나에는 2 W의 전력이 공급되었을 때 팬텀 안 1 cm에서의 가온 30분후(좌), 60분후(우)의 온도분포 결과이다. 실온은 25 도로 설정되었으며 중심에서 30분 후에는 4.4도, 60분 후에는 6.8 도가 상승한 것으 로 나타나고 있다.
그림 3-34 제작된 4 x 4 배열구조와 측정된 온도분포
그림 3-34는 제작된 4 x 4 배열구조와 시뮬레이션과 같은 조건하에서의 가온 30 분후(좌), 60분후(우) 측정된 온도분포이다. 실온 15도에서 측정되었고 중심에서 30 분 후에는 3.8도, 60분 후에는 6.3도가 상승하였고 시뮬레이션 결과와 거의 일치하 는 결과로 나타나고 있다.
그림 3-35 4 x 4 배열구조의 시간별 온도변화
그림 3-35는 제작된 4 x 4 배열구조의 시간에 따른 온도상승 그래프이다. 측정과 같은 조건의 시뮬레이션 그리고 같은 조건에서 전력을 10 W로 하였을 때의 온도 변화가 함께 도시되었다. 공급 전력이 2 W로 같은 조건에서의 측정과 시뮬레이션 결과가 거의 같은 결과를 가지고 있다. 그리고 공급 전력을 10 W로 높여 시뮬레이 션한 결과 30분후에 약 22도, 60분후에 약 34도가 상승하여 고온 온열치료에 충분 한 가온 성능을 가짐을 알 수 있다.
(5) 심재성 암 치료를 위한 배열안테나의 선행연구
심재성 암 치료를 위한 배열 안테나에 관한 선행연구를 위하여 고온 온열치료에 적 합한 주파수 연구가 앞선 (3) 체내 가온특성에 적합한 주파수 연구에서 진행되었다. 심 재성 암 치료를 위한 배열 안테나는 가온 집중도를 높이기 위하여 시간 반전 기법이 연구되었다 [34]-[35].
그림 3-36 시간반전기법(상)와 공간시간 빔조향(하) 온도분포 비교
그림 3-36은 유방암을 대상으로 하는 심재성 암 치료 고온온열치료에서의 시간반전 기법 적용 예이다. 시간반전기법을 사용한 고온온열치료는 일반적인 공간시간 빔조향 에 비하여 일반세포의 온도 상승이 적다. 이는 고온온열치료시 정상세포의 괴사를 막 고 종양의 치료효율을 높힐 수 있다.
마. 전자파 인체모델링 및 초고속 수치해석 기법 연구 (1) 수치해석 기법
디지털 컴퓨터의 눈부신 발달과 함께 1960년대 중반에 전자기학적 문제에 대한 수치 적 해석방법이 도입된 이후, 이동 통신, 위성 통신 및 위성 방송 등과 같은 무선 통신 시스템 분야에서 필수적인 이론으로 인식되고 있는 전자기학 관련 분야의 컴퓨터를 이 용한 수치적 해석적 방법이 국내외적으로 활발히 연구되고 있다. 특히 1966년에 YEE
디지털 컴퓨터의 눈부신 발달과 함께 1960년대 중반에 전자기학적 문제에 대한 수치 적 해석방법이 도입된 이후, 이동 통신, 위성 통신 및 위성 방송 등과 같은 무선 통신 시스템 분야에서 필수적인 이론으로 인식되고 있는 전자기학 관련 분야의 컴퓨터를 이 용한 수치적 해석적 방법이 국내외적으로 활발히 연구되고 있다. 특히 1966년에 YEE