R&D연구결과보고서

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의료용 안테나 원천 기술 연구

한양대학교 산학협력단

미래창조과학부

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제 출 문

미래창조과학부 장관 귀하

이 보고서를 "의료용 안테나 원천 기술에 관한 연구" 과제의 보고서로 제출합니다.

2014. 03. 31

주관연구기관 : 한양대학교 산학협력단 총괄 책임자 : 최 재 훈

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기술개발사업 최종보고서 초록

1. 일반현황

사업명 방송통신기술개발 기술분류 전파위성-전파-생활전파 과제명(과제번호) 의료용 안테나 원천 기술 연구 (2011-11911-01109)

주관기관

기관

(기업)명 한양대학교 산학협력단 설립일 2004년 03월 01일 주소 (133-791)서울시 성동구 행당동 17 한양종합기술연구원 110호 대표자

(기관장) 최덕균 연락처 02-2220-0506

홈페이지 http://research.hanyang.a

c.kr Fax

기술개발 현황

총괄책임자 최재훈 연락처 02-2220-0376

실무담당자 탁진필 연락처

(e-mail)

02-2220-0376 (abrahamtak@hanyang.ac.

kr)

참여기관 연세대학교 산학협력단

총사업비 (천원)

정부출연금 민간부담금

합계

현금 현물

600,000 600,000

총개발

기간 2011 . 03 . 01 ~ 2014 . 02 . 28

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키워드 의료용 안테나/ 이식형 안테나/ 착용형 안테나/ 고온온열치료/ 초고속 수치해석/

핵심기술

o 이식형 및 착용형 의료용 초소형, 초박형 안테나 설계 기술 o 고온 온열치료용 안테나 설계 기술

o 분산물질 모델링 기법과 수치해석기법을 이용한 정확한 인체 전자 파 모델링

최종목표

연구분야 최종 목표

이식형및 착용형의료용 안테나

주파수 범위 : 이식형 - MICS 대역(402~405 MHz) 착용형 - ISM 대역(2400~2485 MHz)

적용 범위 : 이식형 - 고정형 기기(심박조율기), 이동형 기기(캡슐내시경) 착용형 - 환자 모니터링을 위한 착용형 기기

안테나 크기 및 형태 : 초박형 및 초소형 안테나

안테나 특성

- 고유전체, AMD, 적층형 구조 등을 이용한 초소형/초박형 안테나 - 체내 이동형 디바이스를 위한 무지향성 특성

- 인체 표면 부착형 디바이스를 위한 인체 표면 지향성 특성 - 외부 기기와의 통신성능 향상을 위한 지향성 특성

- 인체 내부로의 영향(SAR)을 최소화하기 위한 낮은 전후방비 특성(EBG, AMC, 메타물질 응용)

Biocompatibility 재질을 고려한 안테나 최적화

착용형 안테나 간의 통신성능 분석 및 최적화 - 인체 표면을 따라 전파되는 표면파 분석 기술 - 인체 유동에 따른 안테나 특성 변화 분석 기술

성능평가 기법 및 측정환경 구축

- 인체 등가 유전율을 가지는 반고체형 팬텀 제작 기법 연구(단일 유전율, 단 순화된 단일 층 제작)

- 반고체형 팬텀에서의 열화상 카메라 및 온도센서를 이용한 SAR 및 온도 측 정기법 연구

- 기존 측정 기법과의 비교를 통한 새로운 측정기법의 신뢰성 평가

고온온열치료용 안테나

온열치료의 형태 : 비침습형

주파수 범위 : ISM 대역(433 MHz 또는 915 MHz)

적용 범위

- 피부암과 같은 표재성 암 - 인체 장기의 심재성 암

안테나 크기 및 형태 : 초박형 유연안테나

안테나 특성

- 전파집중을 통한 침투깊이가 개선된 다중 안테나(고지향성/고효율 특성) - 전력 분배 및 위상배열을 이용한 전파집중(focusing) 특성(EBG, FSS 등의

superstrate를 이용)

인체 착용이 용이한 안테나 구조 최적화

성능평가 기법 및 측정환경 구축

- 인체 등가 유전율을 가지는 반고체형 팬텀 제작 기법 연구(단일 유전율, 단 순화된 단일 층 제작)

- 반고체형 팬텀에서의 열화상 카메라 및 온도센서를 이용한 SAR 및 3차원 온도 측정기법 연구

- 기존 측정 기법과의 비교를 통한 새로운 측정기법의 신뢰성 평가

인체모델링전자파 및 초고속 기법 연구수치해석

수치해석을 통한 인체 모델링 - 분산물질 모델링 기법 적용

인체전자파 특성 분석을 위한 고속 수치해석 기법 - Alternating-Direction-Implicit (ADI) 기법 - Locally-One-Dimensional (LOD) 기법 - Complex-Envelope (CE) 기법

개발내용 및 결과 o 착용형 / 이식형 안테나의 소형화 기술, 광대역 소형 안테나의 설계 기술, 2. 개발결과 요약

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계 기술 등 실제 의료 용도에 적합한 안테나 설계 기술 개발

o 기존의 고온온열치료 장비에 비하여 환자의 부담이 적고 부위에 따른 선택 적 치료가능

o 인체 전자파 모델링을 통해 정확/광대역, 초고속 전자파 해석, 인체모형 구 현이 가능

기술개발배경

o 현재 전 세계적으로 수백만의 인구가 활동형 의료용 이식 장치에 의존하며 살아가는데, 이러한 활동형 이식 장치들은 심장박동 조절, 통증조절, 약물투 여, 혈당 조절을 위한 인슐린 조절 등과 같이 광범위한 치료적 기능을 수행 함

o 이식형 및 착용형 의료 시스템을 통해 환자 상태를 지속적으로 모니터링하 고 점검함으로써 응급상황에 대처할 수 있고 병원과 의료 센터(의료원)들은 환자에게 양질의 서비스를 제공하면서도 치료비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있음

o 마이크로파를 이용한 고온온열치료는 환자의 건강한 장기 및 조직에 손상을 주지 않으며 부작용이 거의 없는 치료 방법으로, 수술, 방사선, 약물, 면역, 유전자 요법과 같은 치료요법의 하나임

o 임상 실험을 통하여 상호보조 상승효과가 입증되었고, 방사선 치료와 화학요 법의 경우 불가능할 수 있는 반복 치료가 가능하다는 장점이 있기 때문에 암 치료의 중요한 방법으로 주목받고 있음

o 인구 고령화 사회 진입, 환경오염, 식습관 변화 등에 따른 만성질환 및 암 발병률의 증가로 이러한 의료용 장치들에 대한 인류의 의존도는 점점 더 높아질 것으로 예상됨

o U-healthcare에 대한 관심 고조에 따라 제품의 수요가 증가하고 있는 분야 이며, IT와 BT 분야의 우수한 기술력과 인력을 갖춘 우리나라에 적합한 high-end IT/BT 융합 기술로서 차세대 성장산업으로 도약이 가능한 기술 임

o 그러나 전파를 이용한 의료기기에 관한 국내 연구는 미국, 일본 등의 관련 기술 선도국에 비하면 원천기술에 대한 지적 재산권 보유 현황이나 상용화 에 있어서 5년 이상의 기술격차가 있음

o 따라서 이 분야의 연구개발을 통해 기술 격차를 줄이고, 관련 분야의 기술 의존 도를 줄일 필요가 있음

o 인체 근거리 영역에서 전파하는 전자파의 주파수별 특성, 인체 조직과 기능 에 따른 전자파의 전파, 열전달 및 온도 분포 등에 대한 확고한 이론을 바 탕으로 인체영역에서의 무선통신을 위한 안테나 기술의 개발과 고온온열치 료를 위한 어플리케이터 기술 개발이 시급히 필요함

핵심개발기술의 의의

o이식형 및 착용형 의료용 안테나

인체이식 및 착용에 적합한 초소형/초박형 안테나 설계기술

-기존 국내외 연구를 통한 인체 이식 및 착용형 안테나 설계 기술은 인체의 영향을 충분히 분석 및 검증하지 못했음. 게다가 이식형 안테나는 여전히 큰 사이즈를 갖고 있으며, 착용형 안테나도 큰 높이를 가짐으로 인체에 적용하 기에 충분하지 않음

-고정형 이식형 안테나 세계최고 수준 대비 50%소형화, 착용형 안테나 세계최 고 수준 대비 50% 이상 소형화

인체 등가 유전율을 가지는 팬텀을 이용한 안테나의 성능 측정 기술

-인체 등가 유전율을 가지는 팬텀은 국내 기술력이 세계 기술에 비해 턱없이 부족한 환경임. 특히 스위스 SPEAG사의 세계 시장 독점으로 인해 고가의

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가격임에도 불구하고 대부분 외산 팬텀에 의존해 안테나의 성능 측정을 하 고 있는 실정임

-MICS 및 ISM 대역의 인체 등가 유전율을 만족하는 반고체형 상반신 모형의 팬텀 제작 기술을 개발함으로써 반고체형 팬텀제작기술의 국산화를 이룸. 향 후 지속적인 개발로 인한 사업화 가능성이 높음

인체 표면 특성을 고려한 안테나의 전파 특성 분석 기술

-인체 착용형 안테나 설계 기술 중에서도 인체 표면을 따라 전파되는 표면파 안테나 설계에는 성능유지와 동시 안테나 높이를 낮추는 것이 매우 어려운 -인체 착용형 표면파 안테나 세계 최고 수준 대비 50% 이상 소형화문제임

o고온온열치료용 안테나 기술

인체 착용이 용이한 초박형 안테나 설계 기술

-비침습형 고온온열치료용 장비는 국내 기술이 매우 미약하여 대부분 외산에 의존하고 있는 실정임. 그러나 여전히 큰 사이즈와 비싼가격, 낮은 효율이 문제점으로 제기됨

-표재성 암 치료용 안테나의 경우 세계 수준대비 안테나의 크기를 유지하면서 치료유효면적을 60% 이상 확장

체내 전파 침투깊이 확장을 위한 고지향성/고효율 안테나 설계 기술

-비침습형 고온온열치료용 안테나중에서도 심재성 치료용 안테나의 경우, 국외 에서도 연구사례가 드물고 고지향성/고효율 안테나를 필요로 하므로 설계가 매우 까다로움

-심재성 암 치료용 안테나의 경우 요구성능대비 크기를 73% 소형화 시킴과 동 시에 세계 수준대비 가온깊이를 47% 이상 늘림

인체 팬텀에서의 온도분포 측정을 통한 안테나 성능검증

-안테나를 통한 가온 치료를 검증하기 위해서는 온도 측정이 필수적이며 이를 위해서는 인체의 등가 전기상수를 갖는 팬텀의 활용이 필요하나 국내 기술 력이 세계 기술에 비해 턱없이 부족한 환경임. 특히 스위스 SPEAG사의 세 계 시장 독점으로 인해 고가의 가격임에도 불구하고 대부분 외산 팬텀에 의 존해 안테나의 성능 측정을 하고 있는 실정임

-MICS 및 ISM 대역의 인체 등가 유전율을 만족하는 반고체형 상반신 모형의 팬텀 제작 기술을 개발함으로써 반고체형 팬텀제작기술의 국산화를 이룸. 향 후 지속적인 개발로 인한 사업화 가능성이 높음

o전자파 인체모델링 및 초고속 수치해석 기법 연구

의료용 안테나의 최적화를 위해서는 인체의 전기적 특성을 파악하고 인체의 표면 과 내부의 전자파 특성 분석과 수치해석 기법을 이용하여 인체 전자파 모델링이 필수적으로 요구됨

전자파 해석용 상용 툴은 다양한 전자파 구조를 해석할 수 있도록 범용으로 설계 가 되어있으므로, 인체의 전자파 특성을 분석하는데 계산시간이 매우 오래 걸림.

이를 극복하기 위해서는 기존 상용 프로그램에는 고가의 가속기가 필요하나 비 용부담이 문제가 됨

이를 극복하기 위해 다음의 빠른 인체전자파 모델링기법을 사용 최적화 함 - Alternating-Direction-Implicit (ADI) 기법

- Locally-One-Dimensional (LOD) 기법 - Complex-Envelope (CE) 기법

분산물질 모델링 기법을 적용한 정확한 인체전자파 모델링과 동시에 가속기를 사 용하지 않고도 CPU 사용시간을 약 3배 줄임

적용분야

RFID, USN, WLAN, 이동통신 등 기존에 구축되어 있는 IT 기술 간 의 접목을 통해 다양한 의료, 국방 분야로의 개발 등을 통한 타 산업 으로의 기술 확산이 기대됨

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3. 기술 및 경제적 성과

기술적 성과

연구성과

(1) 특허 : 국내 출원 8건, 해외 출원 1건(PCT 해외출원)

(2) 논문 : SCI급 논문 7편(게재 4편, 게재확정 1편, review중 2건) 한국연구재단등재지(게재 5편), 학술대회 (국내 15회, 국 외 11회)

경제적 성과

본 연구를 통해 인체 이식‧착용형 무선 의료기기 및 고온온열장치 분야에 대한 신규 특허를 취득함으로써 전자파를 이용한 의료 분야 에서의 독자기술과 대외 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대됨

4. 파급효과 및 기대효과

파급효과

인체 이식형 및 착용형 의료 네트워크의 구성이 u-healthcare 서비 스의 핵심 기술이 될 것으로 기대되며 우수한 국내 IT 기술과 의료 인력 각 분야의 기술력 융합에 따른 기술개발의 효과는 매우 클 것 으로 예상됨.

기대효과

본 연구 결과는 국‧내외 전자파를 이용한 의료 분야의 산업체 및 연 구기관에서 실제 임상환경에 적용하기 위한 시스템 설계의 기반 기 술로서 고부가가치 시장에서 대외 경쟁력을 확보할 수 있을 것으로 기대됨.

5. 해당기술, 제품의 시장 현황 (단위: 백만원)

국내시장

년도 2010년 2014년 2016년

한국 시장 규모

MICS 27,800 58,600 83,400

Implantable cardiac

defibrillators 11,100 30,200 50,000

Pacemaker 16,700 28,400 33,400

Therapy apparatus 165,600 221,200 253,000

해외시장

년도 2010년 2014년 2016년

세계 시장 규모

MICS 13,574,000 21,507,000 26,254,000 Implantable cardiac

defibrillators 9,199,000 16,253,000 20,620,000 Pacemaker 4,375,000 5,254,000 5,634,000 Therapy apparatus 10,620,000 13,810,000 15,230,000

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6. 제품 사진

이식형 / 착용형 안테나 온열치료 안테나 인체 모델

1차 년도

이식형 안테나

착용형 안테나

초박형 유연 다중 안테나

제작된 반고체형 팬텀

2차 년도

이식형 안테나

착용형 ^{1:4 전력 분배기}

제작된 반고체형 팬텀

3차 년도

이식형 안테나

착용형 안테나

고온 온열 치료용 방사체

제작된 상반신 반고체형 팬텀

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기술개발사업 주요 연구성과

사업명 방송통신기술개발

과제명 의료용 안테나 원천 기술 연구

주관기관명 한양대학교 산학협력단 설립일 2004년 03월 01일 주소 (133-791)서울시 성동구 행당동 17 한양종합기술연구원 110호

대표자(기관장) 최덕균 연락처 02-2220-0506

총괄책임자 최재훈 FAX

총개발기간 2011. 03. 01. ~ 2014. 02. 28.

총사업비(백만원) 60 정부출연금 60 민간부담금

참여기관(책임자) 윤영중

성과지표 세부지표 성 과 비 고

사업화 성과

매출액

개발제품 개발후 현재까지 억원 향후 3년간 매출 억원 관련제품 개발후 현재까지 억원 향후 3년간 매출 억원

시장 점유율

개발제품

개발후 현재까지 국내 : % 국외 : % 향후 3년간 매출 국내 : % 국외 : %