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-Abstract - 본 논문은 구강내 장치를 이용한 악정형 치료에 있
어 환자가 장치를 장착하는 시간과 적용되는 응력과 변형률을 측정하여 치료결과의 완성도를 높이는 데에 있어, 근접무선통신 장치인 NFC(Near Field Communication)를 매개로하여 구강내외 장치의 상태를 모니터링하는 방안에 대한 고찰을 중점적으로 수 행하였다. 구강내외에 상태를 계측하기 위한 센서를 설치하고 근접무 선통신을 이용하여 병원에서 내원한 환자 상태의 모니터링을 구현하는 시스템을 설계하였으며 무선전력송신 시험을 수행하여 설계변수에 대한 민감도를 살펴보았다. 1. 서 론 근거리무선통신기술은 10cm 이내의 근거리에서 다양한 무선데이 터를 주고 받는 RFID 13.56MHz의 주파수 대역을 사용하는 비접 촉식 통신으로 통신거리가 짧아서 보안성이 우수하다. 기존 RFID 의 기술을 확장한 개념으로 NFC가 탑재된 기기 간에 단거리 데이터 통신을 제공하는 고 대역폭 통신방식이다. 다른 무선 센서 네트워크 와 달리, NFC 시스템의 에너지 소비는 매우 낮아 무선 센서 네트워 크의 배터리 수명을 최대화한다. 또한, 악정형 치료시 환자가 의사의 지시대로 장치를 장착하였는지, 장치는 설계의도 대로 적용되었는가 에 대한 평가를 가능하게 한다. 이 외에 다양한 애플리케이션의 NFC 솔루션은 의료 공간에서와 같이 센서를 통해 수집된 데이터를 안전하게 전송하고 보호해 줄 수 있다. 이러한 이유로 구강내외 장치 에 센서를 장착하고 상태를 측정하는 바이오모니터링의 영역으로 활 용하는 목적으로 개발하였다. 2. 본 론 2.1 Setup for Monitoring
2.1.1 시스템 구성도 NFC를 적용한 모니터링 시스템의 전체시스템 구성도는 그림 1과 같 으며, 내부에 초소형 배터리를 내장하고 계측센서의 인터페이스가 지원 되는 구조이다. 저전력 시스템으로 구성하면 내부에 배터리를 포함하여 구성하는 것이 유리하며 몰딩처리를 하여 안전상의 문제를 배제하였다. 그림 2와 그림3은 전원 및 제어회로의 구성도이다. 구강내 장치 제작시 센서를 재료 내에 매몰시켜 타액 등으로부터 보호 하며, 구강외 장치 제작시에는 센서를 장치에 부착하되 환자에 의해 제 거되지 않도록 보호한다. <그림 1> 전체 시스템 구성도 <그림 3> 제어회로 구성도 본 장치의 전체적인 시퀀스를 제어하는 회로로 32비트 마이크로프로세 서 ST사의 SMT32F103C를 사용하여 구성하였다. 여기서는 NFC측정주 기, 블루투스 통신, 배터리관리, 부저 및 진동모터를 이용한 알림기능 등 을 수행하고 관리한다. 2.1.2 NFC 송수신회로 구성 <그림 4> NFC 송수신회로 구성도 NFC송수신회로는 NFC송수신 IC TRF7970A, 저전력 마이크로프로세 서 MSP430F2370IR와 RF 매칭회로로 구성하였다. TRF7970A는 ISO/IEC 15693, ISO/IEC 18000-3, ISO/IEC 14443A와B 표준을 만족하 는 고성능 13.56Mhz 송수신 칩이다. MSP430F2370IR은 저전력 마이크 로프로세서로 TRF7970A로부터 전원과 클록을 공급받아 동작하고 제어 회로로 시리얼통신을 이용하여 명령과 측정데이터를 송수신한다. R38 47k C36 10nF R40 10k ADVcc TCK MSP_RST TDO TDI TMS R41 0 R43 OPEN D0 D3 D4 D5 D6 D7 D1 D2 D7 R45 33 R44 33 R46 33D5D6 R47 33 D3 D4 R48 33 R49 33 D1 D2 R51 33 R50 33 C48 ECJ-1VB1H152K D0 C47 ECJ-1VB1H152K L4 1008CS-151XJLB C49 ECJ-1VB1H122KC50 ECJ-1VB1H122K C53 ECJ-1VC1H6 81J C54 OPEN L5 1008CS-331XJLB C55 ECJ-1VC1H1 00D U7 TRF7970A VDD_A 1 VIN 2 VDD_RF 3 VDD_PA 4 TX_OUT 5 VSS_PA 6 VSS_RX 7 RX1_AM 8 R X2 _PM 9 V SS 10 B G 11 A SK /O O K 12 IR Q 13 M O D 14 V SS _A 15 V DD _I/O 16 I/O_017 I/O_118 I/O_219 I/O_320 I/O_421 I/O_522 I/O_623 I/O_724 P AD 33 EN 2 25 DA TA_ CLK 26 S YS _CL K 27 EN 28 VS S_D 29 XTA L_O UT 30 XT AL _IN 31 VD D_X 32 C56 ECJ-1VC1H2 21J C57 ECJ-1VC1H6 81J C58 ECJ-1VC1H1 01J U8 MSP430F23 70IR DVCC 1 XIN/P2.6/CA 6 2 XOUT/P2.7/CA7 3 P1.0/TACLK 4 P1.1/TA0 5 P1.2/TA1 6 P1.3/TA2 7 P1.4/SMCLK 8 P1.5/TA0 9 P1.6/TA1 10 P 1.7 /T A2 11 P 2.0 /A C LK/C A 2 12 P 2.1 /T AIN CLK /C A 3 13 P 2.2 /C A OU T/T A 0/C A4 14 P 2.3 /C A 0/T A1 15 P 2.4 /C A 1/T A2 16 P 2.5 /R osc /C A5 17 P 3.0 /U C B0S TE /U C A0C LK 18 P 3.1 /U C B0S IM O /U C B0S D 19 P 3.2 /U C B0S OM I/ UC B0S C 20 P3.3/UCB0CLK/UCA0STE21 P3.4/UCA0TX/UCA0SIMO22 P3.5/UCA0RX/UCA0SOMIP3.62324 P AD 41 P3.725 P4.0/TB026 P4.1/TB127 P4.2/TB228 P4.3/TB029 P4.4/TB130 P4.5 /T B 2 31 P4 .6 /TB O UTH /A C LK 32 P4 .7 /B CLK 33 TD O/T D I 34 TD I/TC LK 35 T MS 36 TCK 37 R S T/N M I 38 D /A Vs s 39 AV cc 40 C59 ECJ-1VC1H2 20J C52 2.2uF C51 10nF J2 SMA-R-R/A 1 4 532 C4610nF C452.2uF VDD_X C4410nF R54 1k C432.2uF R56 1k LED5 Green R57 1k R68 560 C4210nF C412.2uF LED7 Orange R67 560 C372.2uF C3810nF R66 560 LED6 Yellow R69 0 VDD_X +5V R64 OPEN ADVcc R58 OPEN R55 OPEND6 R60 OPEND4 D7 R59 10k R63 10k R65 OPEN R42 100 ADVcc VDD_X VDD_X Y2 ATS(SMD,13.56MHz) C34 27pF C35 27pF C39 10nFC40 2.2uF R62 OPEN R61 OPEN D2 D1 R52 33 R53 33 USART2_TXD USART2_RX D NFC_RST JP2 PIN HEADER2x6(1.27) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 MSP_RST R39 1k TDI TMS TCK ADVcc TDO <그림 5> NFC 송수신회로 및 RF 매칭회로
NFC를 적용한 구강내외장치 모니터링
박미라*, 최범규*, 정순배** *서강대학교, 기계공학과, **(주)스마텍Monitoring of Internal and External Oral Device by Near Field Communication
Mira Park*, Bumkyyoo Choi*, Soon-Bae Chung**
*Sogang University, Mechanical Engineering, **Smartec Inc.
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2.1.3 내부 송수신회로 구성 센서회로 및 제어회로는 TI사의 RF430FRL152H NFC ISO 15693 Sensor Transponder 칩을 이용하여 구성하였다. NFC 근거리무선통신 을 위한 기능과 마이크로프로세서가 통합된 칩으로 내부에 14bits ADC 3채널을 가지고 있어 NFC 센서 애플리케이션에 적합하다. 여러 개의 센서를 처리할 수 있는 능력과 센서 데이터의 산술 연산을 맞춤화할 수 있는 능력, 신속한 센서 데이터 수집 맞춤화, 필드 업그레이드가 가능한 솔루션을 제공 등 또 다른 이점을 추가적으로 활용할 수 있다. <그림 6> 센서회로 구성도 2.1.4 NFC 안테나의 구성 NFC에서는 안테나의 특성이 매우 중요하다. 안테나의 특성에 따라 전송할 수 있는 전력과 통신거리가 결정되기 때문이다. 본 연구에서는 45 x 45mm의 사각형태의 플렉서블 PCB에 인쇄된 안테나를 사용하였 다. 구강내 장치를 사용하는 경우 환자의 신체나 의복에 고정하도록한 다. 사용된 안테나의 특성은 다음과 같다. <그림 7> NFC 안테나의 특성 2.2 무선전력송신 시험결과 2.2.1 설계변수에 따른 민감도 분석 무선전력송신 설계변수로 코일간의 이격거리와 자성체의 유무에 따른 무선전력보존률로 간극에 따른 민감도를 분석하였으며 자성체의 영향이 매우 크게 나타나고 있음을 알 수가 있다. (a) 간극에 따른 보존률 (b) 주파스에 따른 보존률 (c) 코일 권선수에 따른 보존률 <그림 8> 무선전력송신의 설계변수에 따른 민감도 송신주파수에 따른 민감도는 30kHz 대역에서 보존률이 가장 양호하여 본 구성에서 송수신 주파수는 30kHz~40kHz 대역으로 설정하였다. 코일 턴수는 민감도가 급격하게 변하지는 않으나 시스템의 소모전류에 따라 서 결정하여야 할 변수이다. 설계변수로 코일간의 이격거리와 자성체의 유무에 따른 무선전력보존률로 간극에 따른 민감도를 분석하였으며 자 성체의 영향이 매우 크게 나타나고 있음을 알 수가 있다. 3. 결 론 근접무선통신장치인 NFC를 적용하여 구강내외장치의 모니터링 시스 템을 설계하였으며 무선전력송신에 대한 시험적인 고찰을 수행하였다. NFC 송수신 IC인 TRF7970A와 저전력 마이크로프로세서인 MSP430F2370을 핵심칩으로 송수신시스템을 구성하였고, 안테나를 구성 하였다. 무선전력송수신 시험결과에서 설계변수에 따른 민감도를 분석한 결과 자성체의 영향이 가장 크게 나타났으며 시스템의 소모전류에 따라 서 코일턴수를 실험적인 방법으로 최적값을 설정하는 것과 실제 환자에 게 적용하여 실험값을 측정하는 것이 필요하다. [ACKNOWLEDGEMENT]This work was supported by the National Research Foundation of Korea (NRF) grant funded by the Korea government (MEST) (No. NRF-2014R1A2A2A01003908)
[참 고 문 헌]
[1] Eric P. Smit, "The use of an Inductive Wireless Power and Data transfer system" Master of Science Thesis, Delft 2011
[2] Jonathan Jacobs, "Power and Signal over an Air Gap - The Truly Wireless Solution", Presented at 2012 Automation Week, http://www.isa.org
[3] Jan Pannier, Dries Hendrickx, Frederik Petre, Tiene Nobels, "Wireless power transfer for industrial applications through strongly coupled magnetic resonances", Flanders' Mechatronics Technology Centre (FMTC), B-3001, Heverlee, Belgium
