KR20200145694A - 어레이 안테나를 이용한 바이오 센서 - Google Patents

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Abstract

일 실시예에 따르면 어레이 안테나를 이용한 바이오 센서는, 객체의 측면 둘레를 따라 서로 이격되어 배치되고, 객체의 내부를 향하는 지향성을 갖는 전자기파를 방사하고, 산란된 전자기장(scattered field)을 수신하는 적어도 두 안테나 소자들; 주파수 스윕(frequency sweep)에 따른 피딩 신호(feed signal)를 생성하는 신호 생성기(signal generator); 피딩 신호의 위상을 조절하여 적어도 두 안테나 소자들에 전달하는 위상 시프터(phase shifter); 및 피딩 신호의 주파수 및 위상을 스윕함으로써 방사된 전자기파에 대응하여 수신된 산란된 전자기장에 기초하여 객체 내부의 대상 부위(target part)의 위치를 검출하는 제어기를 포함할 수 있다.

Description

어레이 안테나를 이용한 바이오 센서{BIO SENSOR USING ARRAY ANTENNA}
이하, 어레이 안테나를 이용한 바이오 센서에 관한 기술이 제공된다.
최근 현대인들은 식생활습관 서구화로 인해 당뇨병, 고지혈증, 혈전환자 등 소위 성인 질환으로 고통받는 사람들이 늘고 있다. 이러한 성인 질환의 경중 여부를 알 수 있는 간단한 방법은 혈액 내의 생체 성분 측정이다. 생체 성분 측정은 혈당, 빈혈, 혈액응고 등 혈중에 포함된 여러 가지 성분의 양을 알 수 있어 특정 성분의 수치가 정상 영역에 있는지, 비정상 영역에 있는지 일반인도 병원에 가지 않고 쉽게 이상 여부의 판단이 가능하다는 장점이 있다.
생체 성분 측정의 손쉬운 방법 중 하나는 손가락 끝에서 채혈한 혈액을 테스트 스트립에 주입 후 전기화학적 혹은 광도법을 이용하여 출력신호를 정량 분석하는 것인데, 이러한 방법은 측정기에서 해당 성분량이 디스플레이될 수 있으므로 전문지식이 없는 일반인에게 적합하다.
바이오 센서는 스마트 기기와 결합되어 사용될 수도 있는데, 생체 정보의 신속하고 정확한 측정이 요구된다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 배열 모드로 전자기파를 방사하여 산란된 전자기장을 센싱함으로서 생체와 관련된 파라미터를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 혈관을 향해 지향성이 개선된 빔 패턴으로 전자기파를 방사할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 단일 모드 및 배열 모드에서 각각 다른 특성을 갖는 파라미터 및 생체 정보를 획득할 수 있다.
일 실시예에 따르면 어레이 안테나를 이용한 바이오 센서는, 객체의 측면 둘레를 따라 서로 이격되어 배치되고, 상기 객체의 내부를 향하는 지향성을 갖는 전자기파를 방사하고, 산란된 전자기장(scattered field)을 수신하는 적어도 두 안테나 소자들; 주파수 스윕(frequency sweep)에 따른 피딩 신호(feed signal)를 생성하는 신호 생성기(signal generator); 상기 피딩 신호의 위상을 조절하여 상기 적어도 두 안테나 소자들에 전달하는 위상 시프터(phase shifter); 및 상기 피딩 신호의 주파수 및 위상을 스윕함으로써 방사된 전자기파에 대응하여 수신된 상기 산란된 전자기장에 기초하여 상기 객체 내부의 대상 부위(target part)의 위치를 검출하는 제어기를 포함할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 대상 부위의 위치가 검출되는 경우에 응답하여, 상기 대상 부위에 대한 생체 정보의 측정을 개시할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 산란된 전자기장에 대한 주파수 응답 특성을 획득하고, 상기 주파수 응답 특성으로부터 시간 지연 프로필을 산출하며, 상기 시간 지연 프로필에 기초하여 상기 대상 부위의 위치를 결정할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 시간 지연 프로필로부터 대상 피크를 검출하고, 상기 시간 지연 프로필의 상기 대상 피크에 기초하여 상기 대상 부위의 위치를 결정할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 대상 피크로서 2번째 피크가 미리 결정된 지연 시간 범위(delay range) 내에서 미리 결정된 크기 범위(amplitude range)를 갖는 경우에 응답하여, 상기 시간 지연 프로필에 대응하는 위상 차를 상기 적어도 두 안테나 소자들에 대해 유지할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 위상 시프터에 의해 선택 가능한 위상 차이들의 각각마다 상기 피딩 신호의 주파수를 스윕함으로써, 위상 차이별 주파수 응답 특성을 획득할 수 있다.
상기 제어기는, 상기 바이오 센서를 기준으로 상기 대상 부위가 위치된 방향을 결정할 수 있다.
상기 적어도 두 안테나 소자들은, 단일 모드로 동작하는 경우에 응답하여 하나 이상의 안테나 소자가 전자기파를 방사하고 나머지 안테나 소자가 상기 전자기파에 의한 주변 장(fringing field)을 수신하고, 배열 모드로 동작하는 경우에 응답하여 상기 적어도 두 안테나 소자들 모두가 전자기파를 방사하고 상기 산란된 전자기장을 수신할 수 있다.
상기 단일 모드의 동작 시간은 상기 배열 모드의 동작 시간 보다 길 수 있다.
상기 단일 모드의 동작 시간 및 상기 배열 모드의 동작 시간은 서로 중첩되지 않을 수 있다.
상기 제어기는, 상기 단일 모드로 동작하는 동안 혈당 값 데이터를 결정하고, 상기 배열 모드로 동작하는 동안 상기 혈당 값 데이터의 시간 지연 관련 정보를 결정할 수 있다.
상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 방사되는 전자기파의 빔 패턴은, 상기 위상 시프터에 의해 조절된 위상 차이에 기초하여 결정될 수 있다.
상기 적어도 두 안테나 소자들은, 상기 객체 내부에 배치된 내부 센서로부터 방사되는 신호를 수신하고, 상기 제어기는, 상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들 간의 위상을 비교하여 상기 내부 센서 및 상기 바이오 센서 간의 정렬 여부를 판단할 수 있다.
바이오 센서는 상기 내부 센서 및 상기 바이오 센서가 비정렬 상태(misalignment state)인 경우에 응답하여 사용자에게 상기 바이오 센서의 착용 위치 변경을 위한 가이드 정보를 출력하는 출력부를 더 포함하고, 상기 제어기는, 상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들의 위상이 동위상인 경우 정렬 상태인 것으로 판단하고, 상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들의 위상이 다른 경우 상기 비정렬 상태인 것으로 판단할 수 있다.
상기 적어도 두 안테나 소자들은 상기 객체의 표면에서의 곡률에 대응하는 곡면을 따라 배치될 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서에 의해 수행되는 대상 부위 검출 방법은, 객체의 측면 둘레를 따라 서로 이격되어 배치되는 적어도 두 안테나 소자들을 위한 피딩 신호를 주파수 스윕에 따라 생성하는 단계; 상기 피딩 신호의 위상을 조절하여 상기 적어도 두 안테나 소자들에 전달하는 단계; 상기 피딩 신호에 응답하여 상기 적어도 두 안테나 소자들이 상기 객체의 내부를 향하는 지향성을 갖는 전자기파를 방사하고, 산란된 전자기장을 수신하는 단계; 및 상기 피딩 신호의 주파수 및 위상을 스윕함으로써 방사된 전자기파에 대응하여 수신된 상기 산란된 전자기장에 기초하여 상기 객체 내부의 대상 부위(target part)의 위치를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 배열 모드에서 검출되는 산란된 전자기장을 이용하여 혈관이 위치되는 방향을 정확히 추정할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 혈관을 향해 지향성이 개선된 빔 패턴으로 전자기파를 방사함으로써 최소한의 전력으로 혈관이 위치된 목표 깊이까지 전자기파를 침투시킬 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 단일 모드 및 배열 모드에서 각각 다른 특성을 갖는 파라미터 및 생체 정보를 획득함으로써, 데이터 다양성을 확보할 수 있다.
일 실시에에 따른 바이오 센서는 단일 모드의 생체 정보 및 배열 모드의 생체 정보를 이용하여 시간 지연이 최소화되고 정확도가 개선된 혈당 수치를 추정할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 어레이 안테나를 이용한 바이오 센서를 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 바이오 센서의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 바이오 센서의 빔 스티어링 각도 조정을 설명하는 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 복수의 안테나 소자들로 공급되는 피딩 신호의 위상 차이 및 어레이 안테나의 빔 스티어링 각도의 관계를 설명한다.
도 5는 일 실시예에 따라 배열 모드로 동작하는 바이오 센서의 회로도를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따른 위상 시프터의 예시적인 구성을 설명한다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 바이오 센서에 의한 대상 부위 검출 방법을 설명한다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따라 단일 모드로 동작하는 바이오 센서를 도시한다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 바이오 센서 및 내부 센서 간의 위치 정렬 가이드 제공 방법을 설명한다.
도 13 및 도 14는 일 실시예에 따른 바이오 센서에 의해 센싱 가능한 깊이 및 센싱 결과를 도시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있어서 특허출원의 권리 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 실시예들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물이 권리 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.
실시예에서 사용한 용어는 단지 설명을 목적으로 사용된 것으로, 한정하려는 의도로 해석되어서는 안된다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시예에 따른 어레이 안테나를 이용한 바이오 센서를 도시한다.
일 실시예에 따른 바이오 센싱 시스템은 바이오 센서(100) 및 내부 센서(150)를 포함할 수 있다.
어레이 안테나를 이용한 바이오 센서(100)는 전자기파를 이용하여 대상 피분석물(target analyte)(109)을 센싱하는 센서일 수 있다. 대상 피분석물(109)은 생체(living body)와 연관된 물질(material)로서, 생체 물질(analyte)이라고도 나타낼 수 있다. 참고로, 본 명세서에서 대상 피분석물(109)은 주로 혈당으로 설명하였으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
바이오 센서(100)는 배열 모드 및 단일 모드 중 한 모드에서 동작할 수 있다. 바이오 센서(100)의 어레이 안테나는 적어도 둘 이상의 안테나 소자들을 포함할 수 있다. 바이오 센서(100)가 배열 모드로 동작하는 동안, 어레이 안테나를 구성하는 각 안테나 소자는 서로 동일한 타이밍에 어레이 팩터(array factor)에 따른 방사 패턴(radiation pattern)으로 전자기파를 방사할 수 있다. 이때, 안테나 소자는 반사되거나 산란되는 전자기파를 수신할 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나 소자(111) 및 제2 안테나 소자(112)는 객체의 피하층(120)을 향해 전자기파를 방사하고, 대상 피분석물(109) 등에 의해 산란된 전자기장(scattered field)을 수신할 수 있다. 본 명세서에서는 주로 바이오 센서(100)의 배열 모드 동작을 설명하며, 바이오 센서(100)의 단일 모드 동작은 하기 도 9에서 예시적으로 설명한다. 참고로, 어레이 안테나의 거리 분해능이 극대화되기 위해서는, 광대역으로 동작 가능한 안테나 소자가 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 바이오 센서(100)는 배열 모드로 동작하는 동안 어레이 안테나를 통해 전자기파를 방사하고, 해당 방사된 전자기파가 반사된 산란된 전자기장을 수신함으로써, 대상 부위의 위치를 검출할 수 있다. 대상 부위의 검출은 하기 도 7에서 설명한다. 또한, 바이오 센서(100)는 배열 모드로 동작하는 동안 대상 부위를 향해 전자기파를 방사하고, 대상 부위에 대해 산란된 전자기장에 기초하여 대상 피분석물(109)과 연관된 파라미터를 결정할 수 있다.
본 명세서에서 파라미터는 바이오 센서 및/또는 바이오 센싱 시스템을 해석하기 위해 사용되는 회로망 파라미터(circuit network parameter)를 나타낼 수 있고, 아래에서는 설명의 편의를 위해 주로 산란 파라미터를 예로 들어 설명하나 이로 한정하는 것은 아니다. 파라미터로서 예를 들어, 어드미턴스 파라미터, 임피던스 파라미터, 하이브리드 파라미터, 및 전송 파라미터 등이 사용될 수도 있다. 산란 파라미터의 경우 투과계수 및 반사계수가 사용될 수 있다. 참고로, 상술한 파라미터로부터 산출되는 어레이 안테나의 공진 주파수는 대상 피분석물(109)의 농도와 관련될 수 있고, 바이오 센서는 투과계수 및/또는 반사계수의 변화를 감지함으로써 혈당을 예측할 수 있다.
어레이 안테나의 공진 주파수는, 후술하는 바와 같이, 어레이 안테나의 주변에 존재하는 대상 피분석물(109)의 농도에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 공진 주파수는 하기 수학식 1과 같이 커패시턴스 성분 및 인덕턴스 성분으로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
상술한 수학식 1에서 f는 어레이 안테나의 공진 주파수, L은 어레이 안테나의 인덕턴스, C는 어레이 안테나의 커패시턴스를 나타낼 수 있다. 어레이 안테나의 커패시턴스 C는 아래 수학식 2와 같이 상대 유전율(relative dielectric constant)
Figure pat00002
에 비례할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00003
어레이 안테나의 상대 유전율
Figure pat00004
은 주변의 대상 피분석물(109)의 농도에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 배열 모드로 동작하는 어레이 안테나는 대상 부위, 예를 들어, 혈관(190)을 향해 전자기파를 방사할 수 있다. 이 때, 혈관(190)을 향해 방사된 전자기파는 주변에 존재하는 대상 피분석물(109)로 인해 산란될 수 있다. 산란되는 전자기장(scattered field)의 세기는 대상 피분석물(109)의 농도에 따라 달라질 수 있는데, 주로 대상 부위인 혈관(190) 내 포함된 대상 피분석물(109)의 농도에 따라 달라질 수 있다. 대상 피분석물(109)의 농도 변화에 따라 어레이 안테나의 상대 유전율
Figure pat00005
이 변하므로, 어레이 안테나의 공진 주파수도 함께 변화한다.
예시적으로 도 1은 배열 모드로 동작하는 바이오 센서에서 대상 부위의 상대 유전율 별 산란 파라미터(scattering parameter)의 측정 결과로서 주파수 응답 특성(frequency response characteristic)(199)을 도시한다. 산란되는 전자기장(scattered field)의 세기는 예시적으로 제1 안테나 소자에서의 반사 계수(reflection coefficient) S11에 대응할 수 있다. 바이오 센서는 주파수 범위 내에서 반사 계수 S11을 측정함으로써 주파수 응답 특성(199)을 획득할 수 있다. 반사 계수 S11에서는 주파수 범위 내에서 가장 낮은 반사 계수를 나타내는 주파수가 공진 주파수일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 상대 유전율
Figure pat00006
이 증가할수록 어레이 안테나의 공진 주파수가 감소할 수 있다. 참고로, 도 1에 도시된 주파수 범위는 2.4GHz를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 설계에 따라 변경될 수 있다.
따라서, 일 실시예에 따른 바이오 센서(100)는 어레이 안테나의 공진 주파수에 기초하여 혈관(190)에 내 대상 피분석물(109)에 대한 생체 정보를 직접적으로 결정할 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서(100)는 공진 주파수 별로 대응하는 대상 피분석물의 농도 값(예를 들어, 혈당 수치)이 매핑된 매핑 테이블(예를 들어, 룩업테이블(LUT, look up table))로부터, 측정 시점에서 측정된 공진 주파수에 의해 지시되는 농도 값을 결정할 수 있다. 다만, 생체 정보의 결정을 이로 한정하는 것은 아니고, 설계에 따라 변경될 수 있다.
본 명세서에서 생체 정보는 대상자의 생체 성분과 관련된 정보로서, 예를 들어, 피분석물의 농도, 수치, 및 간질액의 혈당 변화와 혈관의 혈당 변화 간의 시간 지연 관련 정보 등을 포함할 수 있다. 피분석물이 혈당인 경우, 생체 정보는 혈당 수치를 포함할 수 있다.
내부 센서(150)는 피부(191) 아래의 피하층에 삽입 및/또는 이식(implanted)될 수 있다. 바이오 센서(100)는 내부 센서(150)와 무선으로 통신을 수립할 수 있다. 피하에 이식된 내부 센서(150)는 혈관(190) 및 피하층(120)에 존재하는 대상 피분석물(109)을 모니터링할 수 있다. 예를 들어, 내부 센서(150)는 주변 대상 피분석물(109)의 농도 변화에 따라 공진 주파수가 변화하는 공진기 조립체를 포함할 수 있고, 공진기 조립체의 공진 주파수를 모니터링함으로써 대상 피분석물(109)과 연관된 추가 생체 데이터(additional bio-metric data)를 결정할 수 있다. 내부 센서(150)는 대상 피분석물(109)의 농도에 대응하는 추가 생체 데이터를 체내에서 획득 및 수집할 수 있고, 추가 생체 데이터를 체외의 바이오 센서(100)로 전송할 수 있다. 추가 생체 데이터는 대상 피분석물(109)의 농도 및/또는 양과 관련된 데이터로서, 예를 들어, 상술한 바와 같이 피분석물의 농도에 대응하는 상대 유전율과 관련된 파라미터일 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 생체 데이터는 피분석물의 농도에 대응하는 공진 주파수, 공진 주파수를 산출하기 위한 산란 파라미터, 및 산란 파라미터에 대응하는 주파수 응답 특성 등을 포함할 수도 있다. 내부 센서(150)는 무선 통신을 통해 바이오 센서(100)로 추가 생체 데이터를 전송할 수 있다. 더 나아가, 바이오 센서(100)는 내부 센서(150)로부터 전력을 무선으로 공급할 수 있다. 내부 센서(150)는 무선 전송된 전력을 이용하여 생체 데이터를 모니터링할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 바이오 센서의 구성을 도시한 블록도이다.
일 실시예에 따른 바이오 센서(200)는 어레이 안테나(210), 위상 시프터(220), 신호 생성기(230), 및 제어기(240)를 포함할 수 있다. 바이오 센서(200)는 객체의 표면(예를 들어, 피부)에 부착 가능할 수 있다.
어레이 안테나(210)는 적어도 두 안테나 소자들을 포함할 수 있고, 배열 모드 및 단일 모드 중 하나로 동작할 수 있다. 배열 모드에서는 각 안테나 소자가 전자기파를 동시에 방사할 수 있다. 단일 모드에서는 적어도 한 안테나 소자가 전자기파를 방사하고, 나머지 안테나 소자 중 적어도 하나가 해당 방사된 전자기파를 수신할 수 있다.
일 실시예에 따르면 적어도 두 안테나 소자들은 객체의 측면 둘레를 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 객체는 생체 및/또는 생체의 일부(예를 들어, 신체 부위(body part))일 수 있다. 예를 들어, 객체는 사람의 상완 및/또는 하완일 수 있고, 안테나 소자들은 사람의 팔의 측면 둘레를 따라 이격되어 배치될 수 있다. 바이오 센서는 팔에서도 이두근 및/또는 삼두근에 대응하는 부분 상에 배치될 수 있다. 다시 말해, 안테나 소자들은 대상 부위(예를 들어, 혈관)의 길이 방향에 대해 교차하는 축(예를 들어, 수직하는 축)을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 안테나 소자들은 객체의 내부를 향하는 지향성을 갖는 전자기파를 방사하고, 산란된 전자기장(scattered field)을 수신할 수 있다.
위상 시프터(220)(phase shifter)는 피딩 신호의 위상을 조절하여 적어도 두 안테나 소자들에 전달할 수 있다. 위상 시프터(220)는 각 안테나 소자로 공급되는 신호들 간의 위상 차이를 조절할 수 있다. 위상 시프터(220)의 예시적인 구성은 하기 도 6에서 설명한다.
신호 생성기(230)(signal generator)는 주파수 스윕(frequency sweep)에 따른 피딩 신호(feed signal)를 생성할 수 있다. 신호 생성기(230)는 예를 들어, 인젝션 락킹 발진기(injection locked oscillator)를 포함할 수 있다. 신호 생성기(230)는 미리 정의된 주파수 범위 내의 주파수를 스윕하면서, 피딩 신호를 생성할 수 있다. 예시적으로 피딩 신호의 캐리어 주파수는 점진적으로 변화할 수 있다. 주파수 범위는 제1 주파수 이상 제2 주파수 이하의 주파수들을 포함할 수 있고, 신호 생성기(230)는 제1 주파수로부터 제2 주파수까지 주파수를 순차적으로 증가시키면서 피딩 신호를 생성할 수 있다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 신호 생성기(230)는 제2 주파수로부터 제1 주파수까지 주파수를 순차적으로 감소시키면서 피딩 신호를 생성할 수도 있다.
제어기(240)는 피딩 신호의 주파수 및 위상을 스윕함으로써 방사된 전자기파에 대응하여 수신된 산란된 전자기장에 기초하여 객체 내부의 대상 부위(target part)의 위치를 검출할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 바이오 센서의 빔 스티어링 각도 조정을 설명하는 도면이다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)을 통해 객체 내부로 전자기파를 방사하면서, 전자기파의 빔 스티어링 각도를 변경할 수 있다. 예를 들어, 바이오 센서는 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)에 피딩 신호의 세기 및 위상을 어레이 팩터를 따라 조절함으로써, 어레이 안테나에 의한 방사 패턴을 변경할 수 있다. 예를 들어, 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314) 각각의 방사 패턴이 어레이 팩터에 따라 중첩됨으로써, 특정 방향으로 전자기파 방사가 집중될 수 있다. 이러한 배열 모드에서는 바이오 센서가 단일 모드에 비해 비교적 적은 전력으로 보다 깊이 전자기파를 투과시킬 수 있다. 또한, 빔 스티어링에 따른 방향으로 전자기파 방사가 집중되므로, 생체 영향도 최소화될 수 있다. 참고로, 도 3에서 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)이 4개 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니다.
바이오 센서는 빔 스티어링 각도를 변경할 때마다, 바이오 센서를 기준으로 해당 빔 스티어링 각도에 대응하는 방향에 대상 부위의 탐지를 시도할 수 있다. 대상 부위는 예를 들어, 혈관(390)일 수 있다. 대상 부위의 상대 유전율은 예를 들어 80 이상이고, 피하층(320)의 상대 유전율은 대략적으로 5일 수 있다. 대상 부위의 상대 유전율이 피하층(320)의 상대 유전율보다 크므로, 대상 부위를 향해 전자기파가 방사될 경우 강한 반사파에 의한 산란이 발생할 수 있다. 예를 들어, 제1 스티어링 각도(381)에 대해 전자기파가 방사된 경우, 산란되는 전자기장의 세기가 작을 수 있다. 제2 스티어링 각도(382)에 대해 전자기파가 방사된 경우, 대상 부위(390) 및 피하층(320) 간의 급격한 상대 유전율 차이로 인해 산란되는 전자기장의 세기가 클 수 있다. 따라서 바이오 센서는 개별 빔 스티어링 각도마다 산란되는 전자기장을 모니터링함으로써, 해당 빔 스티어링 각도에 대응하는 위치에 대상 부위가 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. 대상 부위의 탐지는 하기 도 7에서 상세히 설명한다.
일 실시예에 따르면 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)이 배치되는 면은 곡률을 가질 수 있다. 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)은 객체의 표면에서의 곡률에 대응하는 면(예를 들어, 곡면)을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)은 객체의 길이 방향에 수직하는 외주(outer circumference)의 곡면에 피팅되는 면을 따라 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3은 객체의 길이방향 축에 수직하는 단면도로서, 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)이 객체의 표면에 밀착되어 배치된 것이 도시된다. 복수의 안테나 소자들(311, 312, 313, 314)은 개별적으로 및/또는 통합적으로 하우징 내에 수용될 수도 있고, 이 경우, 하우징에서 객체에 접하는 면도 곡률을 가질 수 있다. 유사하게, 하우징에서 객체에 접하는 면은, 객체의 길이 방향에 수직하는 외주의 곡면과 동일 또는 유사한 곡률을 가질 수 있다. 도 1에서도 안테나 소자가 배치되는 면이 곡면인 형상으로 도시된다. 따라서, 안테나 소자 및 안테나 소자를 수용하는 하우징이 객체의 표면(예를 들어, 피부)에 밀착되므로, 에어 갭이 최소화되어, 방사 손실이 최소화될 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 복수의 안테나 소자들로 공급되는 피딩 신호의 위상 차이 및 어레이 안테나의 빔 스티어링 각도의 관계를 설명한다.
어레이 안테나(410)는 M개의 안테나 소자들을 포함할 수 있고, 여기서, M은 2이상의 정수일 수 있다. 바이오 센서의 어레이 안테나(410)에서 빔 스티어링 각도
Figure pat00007
는 어레이 안테나(410)에 의한 스티어링 범위의 중심축(490)을 기준으로 하는 각도일 수 있다. 빔 스티어링 각도
Figure pat00008
에 대한 안테나 소자들 간의 위상 차이
Figure pat00009
는 아래 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00010
상술한 수학식 3에서,
Figure pat00011
는 방사되는 전자기파의 파장, d는 안테나 소자들 간의 간격, k는 상술한 파장 및 간격에 의해 결정되는 상수를 나타낼 수 있다. 바이오 센서는 중심축(490)을 기준으로 빔 스티어링 각도
Figure pat00012
를 향하는 방사 패턴(480)으로 전자기파를 방사하기 위해, 개별 안테나 소자들 간 위상 차이
Figure pat00013
로 각 안테나 소자에 피딩 신호를 공급할 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나 소자(421)에 공급되는 피딩 신호를 기준으로, 위상 시프터(420)는 제2 안테나 소자에 대해
Figure pat00014
, 제3 안테나 소자에 대해 2
Figure pat00015
, 제M 안테나 소자에 대해 (M-1)
Figure pat00016
만큼 각각 신호를 지연시켜 공급할 수 있다. 하기 도 7에서 후술하겠으나, 각도 해상도(angle resolution)에 따라 정의된 빔 스티어링 각도들마다 복수의 위상 차이들이 결정될 수 있고, 바이오 센서는 복수의 위상 차이들을 순차적으로 선택하여 선택된 위상 차이에 따른 피딩 신호를 안테나 소자들에 공급할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따라 배열 모드로 동작하는 바이오 센서의 회로도를 도시한다.
바이오 센서(500)는 어레이 안테나(510), 위상 시프터(520), 신호 통합부(540), 및 신호 생성기(530)를 포함할 수 있다. 어레이 안테나(510)는 예시적으로 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 신호 생성기(530)는 피딩 신호를 생성할 수 있다. 위상 시프터(520)는 제1 안테나 소자에 대해 w1에 대응하는 위상, 제2 안테나 소자에 대해 w2에 대응하는 위상만큼 피딩 신호를 지연하여 각 안테나 소자에 제공할 수 있다. 각 위상은 아래 수학식 4와 같은 관계에 있다.
[수학식 4]
Figure pat00017
상술한 위상 급전에 의해 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자는 빔 스티어링 각도
Figure pat00018
를 향해 전자기파를 방사할 수 있다. 이 때, 대상 부위(590)가 해당 방향에 존재하는 경우, 강한 산란되는 전기장 ESF이 발생할 수 있다. 제1 안테나 소자 및 제2 안테나 소자에 대응하는 파라미터는 예시적으로 각각 하기 수학식 5 및 수학식 6와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00019
[수학식 6]
Figure pat00020
상술한 수학식 5에서
Figure pat00021
은 제1 안테나 소자의 총 반사 계수로서, 제1 안테나 소자 자체 반사 계수
Figure pat00022
및 산란되는 전기장 ESF의 합일 수 있다. 유사하게, 상술한 수학식 6에서
Figure pat00023
은 제2 안테나 소자의 총 반사 계수로서, 제2 안테나 소자 자체 반사 계수
Figure pat00024
및 산란되는 전기장 ESF의 합일 수 있다. 바이오 센서(500)는 위상 시프터(520)에 의한 위상 지연으로 인해, 하기 수학식 7과 같은 반사 계수를 획득할 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00025
바이오 센서(500)는 어레이 안테나(510)의 각 안테나 소자를 통해 개별적으로 수신된 신호를 위상 시프터(520)를 거쳐 신호 통합부(540)에 의해 통합된 신호를 획득할 수 있다. 상술한 수학식 7에서 y는 어레이 안테나(510)를 통해 수신되어 통합된 신호에 대한 파라미터(예를 들어, 반사계수)를 나타낼 수 있다. 바이오 센서(500)는 개별 안테나 소자 별로 파라미터를 측정하는 대신, 어레이 안테나에 포함된 복수의 안테나 소자들에 대해 통합된 파라미터를 측정할 수 있다. 바이오 센서(500)는 각 빔 스티어링 각도
Figure pat00026
마다, 피딩 신호의 주파수를 스윕하면서 상술한 수학식 7에 따른 파라미터를 측정함으로써 산란된 전자기장에 대한 주파수 응답 특성을 획득할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 위상 시프터의 예시적인 구성을 설명한다.
위상 시프터(620)는 신호 생성기(630)에 의해 생성된 피딩 신호를 지연시킴으로써, 제1 안테나 소자(611) 및 제2 안테나 소자(612) 간의 위상 차이를 제공할 수 있다. 예를 들어, 위상 시프터(620)는 제어기의 위상 제어 신호에 의해 선택 가능한 복수의 신호 경로들(621, 622, 623)을 포함할 수 있다. 신호 생성기(630)로부터 각 안테나 소자 간에 선택된 신호 경로의 길이에 따라, 해당 안테나 소자로 공급되는 피딩 신호의 위상이 달라질 수 있다. 따라서, 제어기는 위상 제어 신호를 통해 각 안테나 소자에 대한 위상 시프터(620)의 신호 경로를 선택함으로써, 해당 안테나 소자에 대한 위상 지연을 조절할 수 있다.
참고로, 바이오 센서가 배열 모드로 동작하는 동안, 경로 선택부(640)는 배열 모드에서는 도 6에 도시된 바와 같이 신호 생성기(630)로부터 각 안테나 소자까지의 경로를 형성할 수 있다. 따라서 배열 모드에서는, 경로 선택부(640)가 도 5에서 상술한 신호 통합부로서 동작할 수 있다. 바이오 센서가 단일 모드로 동작하는 동안, 경로 선택부(640)는 전송 안테나(예를 들어, 제1 안테나 소자) 및 신호 생성기(630)를 연결하고, 수신 안테나(예를 들어, 제2 안테나 소자) 및 신호 생성기(630)를 분리할 수 있다. 다만, 경로 선택부(640)의 구성을 이로 한정하는 것은 아니고, 설계에 따라 변경될 수 있다.
도 7 및 도 8은 일 실시예에 따른 바이오 센서에 의한 대상 부위 검출 방법을 설명한다.
우선, 단계(710)에서 바이오 센서는 위상 별 주파수 응답 특성(810)을 스캔할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 제어기는 위상 시프터에 의해 선택 가능한 위상 차이들의 각각마다 피딩 신호의 주파수를 스윕함으로써, 위상 차이별 주파수 응답 특성(810)을 획득할 수 있다.
예를 들어, 어레이 안테나에 의한 스티어링 가능 범위 내에서 각도 분해능(angle resolving power)
Figure pat00027
에 따라 선택 가능한 빔 스티어링 각도들(예를 들어, 제1 각도
Figure pat00028
, 제2 각도
Figure pat00029
, 내지 제K 각도
Figure pat00030
, 여기서, K는 2이상의 정수)이 미리 정의될 수 있다. 위상 시프터는 미리 정의된 복수의 빔 스티어링 각도들에 대한 위상 차이를 제공할 수 있다. 제어기는 위상 시프터에 의해 선택 가능한 복수의 위상 차이들 중 한 위상 차이를 선택할 수 있다. 위상 시프터가 선택된 위상 차이로 어레이 안테나에 피딩함으로써, 제어기는 대응하는 빔 스티어링 각도로 방사된 전자기파에 대해 산란된 전자기장에 관한 파라미터를 측정할 수 있다. 제어기는 해당 빔 스티어링 각도에 대해 주파수를 스윕하면서 파라미터를 측정함으로써, 해당 빔 스티어링 각도의 산란된 전자기장에 대한 주파수 응답 특성(810)을 획득할 수 있다.
그리고 단계(720)에서 바이오 센서는 시간 지연 프로필(820)을 산출할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 주파수 응답 특성(810)으로부터 시간 지연 프로필(820)을 산출할 수 있다. 제어기는 주파수 응답 특성(810)을 시간 도메인으로 변환(예를 들어, FFT(fast fourier transform)의 역변환)함으로써 시간 지연 프로필(820)을 산출할 수 있다. 주파수 응답 특성(810)은 도 8에 도시된 바와 같이 산란 파라미터 중 반사 계수 S11일 수 있다.
이어서 단계(730)에서 바이오 센서는 대상 피크를 검출할 수 있다. 제어기는 시간 지연 프로필(820)에 기초하여 대상 부위의 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 시간 지연 프로필(820)로부터 대상 피크를 검출하고, 시간 지연 프로필(820)의 대상 피크에 기초하여 대상 부위의 위치를 결정할 수 있다. 제어기는 대상 피크로서 2번째 피크(892)를 검출할 수 있다. 2번째 피크(892)는, 시간 지연 프로필(820)에서 검출되는 피크들 중 내림차순으로 2번째로 큰 세기를 갖는 피크를 나타낼 수 있다. 1번째 피크(891)(예를 들어, 가장 큰 세기의 피크)는 안테나 소자의 자체 반사에 의해 발생할 수 있다. 2번째 피크(892)는 산란된 전자기장에 의해 발생하는 것으로서, 안테나 소자로부터 대상 부위(예를 들어, 혈관)에 전자기파 도달 후 반사되어 수신되기까지 지연이 발생하므로 1번째 피크(891)보다 늦은 시점에 나타날 수 있다.
예시적으로 단계(731)에서 제어기는 임계 값(821) 이상의 대상 피크가 검출되었는지 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 시간 지연 프로필(820)에서 1번째 피크(891)를 제외하고, 임계 값(821)을 초과하는 지점을 검색할 수 있다. 1번째 피크(891)를 제외하고 임계 값(821) 미만의 값들만 검출되는 경우, 단계(732)에서 제어기는 임계 값(821)을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 임계값을 감소키고 단계(731)에 따른 동작을 수행할 수 있다. 따라서, 제어기는 2번째 피크(892)가 검출될 때까지 임계값을 점진적으로 감소시킬 수 있다.
단계(740)에서 바이오 센서는 대상 피크에 기초하여 대상 부위의 위치를 결정할 수 있다. 제어기는 대상 피크로서 2번째 피크(892)가 미리 결정된 지연 시간 범위(delay range)(822) 내에서 미리 결정된 크기 범위(amplitude range)를 갖는 경우에 응답하여, 해당 대상 피크가 검출된 시간 지연 프로필(820)에 대응하는 빔 스티어링 각도에 대상 부위가 존재하는 것으로 판단할 수 있다. 피부로부터 혈관까지의 깊이를 고려하면, 혈관에 대한 2번째 피크(892)는 지연 시간 범위 내 및 크기 범위 내에서 발생할 수 있다. 따라서, 제어기는 지연 시간 범위(822) 또는 크기 범위를 벗어나는 피크는 대상 부위 결정으로부터 배제할 수 있다. 제어기는 바이오 센서를 기준으로 대상 부위가 위치된 방향을 결정할 수 있다.
일 실시예에 따른 제어기는 대상 부위가 위치된 방향이 결정된 경우에 응답하여, 대상 부위가 검출된 시간 지연 프로필(820)에 대응하는 위상 차를 적어도 두 안테나 소자들에 대해 유지할 수 있다. 상술한 바와 같이, 적어도 두 안테나 소자들에 의해 방사되는 전자기파의 빔 패턴은, 위상 시프터에 의해 조절된 위상 차이에 기초하여 결정될 수 있다. 따라서, 바이오 센서는 대상 부위를 바라보는 방향으로 어레이 안테나의 빔 패턴을 형성하여 유지할 수 있다.
제어기는 대상 부위의 위치가 검출되는 경우에 응답하여, 대상 부위에 대한 생체 정보의 측정을 개시할 수 있다. 예를 들어, 제어기는 생체 정보로서 혈관 내 혈당 수치 및/또는 간질액과 혈관 간 혈당 변화의 시간 지연 관련 정보를 측정할 수 있다. 혈관 내 혈당 수치 측정은 도 1에서 상술하였으며, 시간 지연 관련 정보는 하기 도 14에서 설명한다.
참고로, 도 7에서는 제어기는 한 스티어링 각도에 대한 주파수 응답 특성(810)을 획득하여 나머지 동작을 수행하고, 대상 부위의 위치가 검출되지 않는 경우 빔 스티어링 각도를 변경하여 단계(710)부터 재시작하는 예시를 설명하였다. 다만, 이로 한정하는 것은 아니고, 제어기는 빔 스티어링 각도를 순차적으로 변경하면서 모든 빔 스티어링 각도에 대한 주파수 응답 특성(810)을 획득하고 나머지 동작들(예를 들어, 720 내지 740)을 수행할 수도 있다.
도 9 및 도 10은 일 실시예에 따라 단일 모드로 동작하는 바이오 센서를 도시한다.
바이오 센서(900)의 적어도 두 안테나 소자들(911, 912)은, 배열 모드 또는 단일 모드로 동작할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 적어도 두 안테나 소자들(911, 912)은 배열 모드로 동작하는 경우에 응답하여 적어도 두 안테나 소자들(911, 912) 모두가 전자기파를 방사하고 산란된 전자기장을 수신할 수 있다. 도 9 및 도 10에서는 단일 모드 동작을 설명한다.
적어도 두 안테나 소자들(911, 912)은 단일 모드로 동작하는 경우에 응답하여 하나 이상의 안테나 소자가 전자기파를 방사하고 나머지 안테나 소자가 전자기파에 의한 주변 장(950)(fringing field)을 수신할 수 있다. 예를 들어, 제1 안테나 소자(911)가 전자기파를 방사하고, 제2 안테나 소자(912)는 주변 장(950)을 수신할 수 있다. 바이오 센서(900)는 제1 안테나 소자(911)로부타 방사된 신호 세기 대비 제2 안테나 소자(912)에서 수신된 세기에 기초하여, 산란 파라미터로서 투과 계수(990) S21을 측정할 수 있다. 바이오 센서(900)의 투과 계수(990) S21는 특정 주파수 범위 내에서 공진 주파수에 대해 가장 높은 값을 나타낼 수 있다. 어레이 모드와 유사하게, 단일 모드로 동작하는 바이오 센서(900)의 공진 주파수는 대상 피분석물(909)의 농도에 대응하는 상대 유전율에 따라 변화할 수 있다. 참고로, 공진 주파수를 탐색하는 범위는 도 9에서는 13.56MHz를 포함하는 범위로 도시되었으나, 이로 한정하는 것은 아니고, 설계에 따라 변경될 수 있다.
단일 모드로 동작하는 어레이 안테나(1010)에서는 도 10에서 도시된 바와 같이 제1 안테나 소자(911)와 제2 안테나 소자(912)의 전기적 경로가 분리될 수 있다. 제1 안테나 소자(911)는 신호 생성기(1030)에 의해 생성된 피딩 신호에 응답하여 전자기파를 방사할 수 있다. 제2 안테나 소자(912)는 주변 장(950)을 수신할 수 있다.
일 실시예에 따르면 단일 모드의 동작 시간은 배열 모드의 동작 시간 보다 길 수 있다. 단일 모드의 동작 시간 및 배열 모드의 동작 시간은 서로 중첩되지 않을 수 있다. 바이오 센서(900)는 단일 모드 동안 제1 생체 정보를 획득하고, 배열 모드 동안 제2 생체 정보를 획득할 수 있다. 제1 생체 정보 및 제2 생체 정보는 동일한 대상 피분석물에 관련되고, 서로 다른 특성을 나타내는 데이터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제1 생체 정보는 피하층의 간질액에 존재하는 대상 피분석물(예를 들어, 혈당)의 농도 수치에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 제2 생체 정보는 혈관 내 존재하는 대상 피분석물의 농도 수치에 관한 데이터를 포함할 수 있다. 혈관 내 농도 변화가 피하층에 영향을 주는데 시간이 다소간 지연되므로, 제2 생체 정보는 제1 생체 정보 대비 농도 변화에 민감한 특성을 나타낼 수 있다. 제1 생체 정보는 제2 생체 정보 대비 높은 혈당 측정 정확도를 나타낼 수 있다. 따라서 바이오 센서(900)는 제1 생체 정보 및 제2 생체 정보를 융합(fuse)하여, 정밀하면서도 정확한 생체 측정 결과를 결정할 수 있다. 제1 생체 정보 및 제2 생체 정보의 융합은 베이지안(Bayesian) 필터 기반 알고리즘을 따른 연산에 의해 수행될 수 있으나, 이로 한정하는 것은 아니다. 제1 생체 정보 및 제2 생체 정보의 특성은 하기 도 14에서 설명한다.
도 11 및 도 12는 일 실시예에 따른 바이오 센서 및 내부 센서 간의 위치 정렬 가이드 제공 방법을 설명한다.
우선, 단계(1110)에서 바이오 센서(1210)는 어레이 안테나의 각 안테나 소자를 통해 내부 센서(1230)로부터 방사된 신호를 수신할 수 있다. 내부 센서(1230)는 객체 내부에 배치될 수 있고, 위치 정렬을 위한 전자기파 신호를 방사할 수 있다.
그리고 단계(1120)에서 바이오 센서(1210)는 수신된 신호들의 위상을 비교할 수 있다. 예를 들어, 제어기는, 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들 간의 위상을 비교하여 내부 센서(1230) 및 바이오 센서(1210) 간의 정렬 여부를 판단할 수 있다.
이어서 단계(1130)에서 제어기는 수신된 신호들의 위상이 동위상인 지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 도12에서 바이오 센서(1210)의 어레이 안테나가 제1 안테나 소자(1211) 및 제2 안테나 소자(1212)를 포함하고, 내부 센서(1230)가 제3 안테나 소자를 포함하는 것을 가정할 수 있다. 제1 안테나 소자(1211) 및 제2 안테나 소자(1212)는 각각 제3 안테나 소자에 의해 방사된 위치 정렬용 전자기파 신호를 수신할 수 있다. 정렬 상태에서는 내부 센서(1230)로부터 제1 안테나 소자(1211)까지의 거리 및 내부 센서(1230)로부터 제2 안테나 소자(1212)까지의 거리가 동일하므로, 위상이 동일할 수 있다. 비정렬 상태에서는 내부 센서(1230)로부터 바이오 센서(1210)의 각 안테나 소자까지의 거리가 다르므로, 수신된 신호의 위상이 다를 수 있다. 예를 들어, 위상 그래프(1290)에 도시된 바와 같이, 정렬 상태의 위상 및 비정렬 상태의 위상이 다르므로 측정 정확도에서 열화가 발생할 수 있다. 바이오 센서(1210)는 제3 안테나 소자로부터 방사되어 제1 안테나 소자(1211)에서 수신된 신호에 관한 투과 계수 S13의 위상 및 제3 안테나 소자로부터 방사되어 제2 안테나 소자(1212)에서 수신된 신호에 관한 투과 계수 S23의 위상을 비교하여 동일한 지 여부를 판단할 수 있다. 제어기는, 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들의 위상이 동위상인 경우 정렬 상태인 것으로 판단하고, 위치 정렬 프로세스를 종료할 수 있다.
단계(1140)에서 제어기는 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들의 위상이 다른 경우 비정렬 상태인 것으로 판단할 수 있다. 일 실시예에 따른 바이오 센서(1210)는 위치 정렬 관련된 정보를 출력하기 위한 출력부를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력부는 내부 센서(1230) 및 바이오 센서(1210)가 비정렬 상태(misalignment state)인 경우에 응답하여 사용자에게 바이오 센서(1210)의 착용 위치 변경을 위한 가이드 정보를 출력할 수 있다. 가이드 정보는 바이오 센서(1210)가 정렬되기 위해 요구되는 객체 표면 상에서의 위치 변경 방향에 관한 정보를 포함할 수 있다. 따라서, 바이오 센서(1210)는 내부 센서(1230)에 대한 위치 정렬을 위한 가이드 정보를 제공함으로써, 비정렬에 의한 성능 열화를 최소화할 수 있다.
도 13 및 도 14는 일 실시예에 따른 바이오 센서에 의해 센싱 가능한 깊이 및 센싱 결과를 도시한다.
도 13은 단일 모드에서 동작하는 바이오 센서(1310) 및 배열 모드에서 동작하는 바이오 센서(1320)의 전자기파 침투 깊이를 설명한다. 배열 모드에서 동작하는 바이오 센서(1320)의 어레이 안테나는 대상 부위(예를 들어, 체내 혈관)를 향하는 빔 스티어링 각도로 집중된 빔 패턴의 전자기파를 방사함으로써, 단일 모드 대비 큰 침투 깊이를 나타낼 수 있다. 배열 모드의 전자기파는 단일 모드의 전자기파 대비 지향성이 개선될 수 있다. 배열 모드의 바이오 센서(1320)에서는 최소한의 전력으로 전자파 투과 깊이가 개선되므로, 피부층의 고유전율로 인한 전자파 손실이 최소화되고, 더 나아가 체내 전자파 적합성 테스트도 만족될 수 있다.
팔의 단면을 형상화한 다중 레이어 모델링에서 단일 모드에서 동작하는 바이오 센서(1310)에 비해 배열모드의 바이오 센서(1320)는 혈관까지의 전자파 투과를 제공할 수 있다. 배열 모드의 바이오 센서(1320)에 의해 방사된 전자기파의 도달 가능한 지점 및 혈관 간의 거리가 단일 모드에서 도달 가능한 지점 및 혈관 간의 거리보다 짧으므로, 배열 모드의 바이오 센서(1320)는 혈당의 급격한 변화를 감지할 수 있다. 예를 들어, 도 13을 참조하면, 배열 모드의 바이오 센서(1320)에 의해 센싱된 생체 정보에 기초한 혈당 변화 추이(1420)가 단일 모드의 혈당 변화 추이(1410)보다 혈당의 실제 변화 추이(1490)를 민감하게 따라갈 수 있다.
따라서 바이오 센서는 단일 모드에서 간질액 기반 생체 정보를 결정하고, 배열 모드에서 혈관 기반 생체 정보를 결정하며, 서로 다른 특성을 가지는 생체 정보를 복합적으로 융합함으로써, 혈당 측정에서 발생하는 시간 지연을 최소화하고, 혈당 측정 정확도도 유지할 수 있다. 예시적으로 바이오 센서의 제어기는, 단일 모드로 동작하는 동안 제1 생체 정보로서 혈당 값 데이터를 결정하고, 배열 모드로 동작하는 동안 제2 생체 정보로서 상술한 혈당 값 데이터의 시간 지연 관련 정보를 결정할 수 있다. 제어기는 단일 모드에서 추정된 간질액 기반 혈당 수치의 변화 개시 시점 및 배열 모드에서 추정된 혈관 기반 혈당 수치의 변화 개시 시점 간의 차이(예를 들어, 시간 지연 관련 정보)를 산출할 수 있다. 이후, 제어기는, 배열 모드에서 추정된 혈관 기반 혈당 수치의 변화가 임의의 시점에서 감지되는 경우, 이전에 기록된 간질액 기반 혈당 수치 변화 및 시간 지연 관련 정보를 이용하여 해당 시점에서의 혈당 수치를 정확하고 신속하게 추정할 수 있다.
일 실시예에 따른 바이오 센서는 외부 환경에 의한 성능 변화를 차단하여 정확도의 지속성을 확보할 수 있다. 또한, 바이오 센서는 간질액 기반 특성 및 혈관 기반 특성의 생체 정보 등을 수집하고, 더 나아가 내부 센서의 정보도 수집함으로써 데이터 다양성을 확보할 수 있다. 예시적으로 바이오 센서는 다중모드(예를 들어, 단일 모드 및 배열 모드)에서 획득된 생체 정보들, 및 체외 환경(예를 들어, 온도, 습도, 압력, 관성 등)과 연관된 측정 데이터에 베이지안(Bayesian) 필터 기반 알고리즘을 적용함으로써 실시간으로 정확한 혈당 수치를 모니터링할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 청구범위의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 어레이 안테나를 이용한 바이오 센서에 있어서,
    객체의 측면 둘레를 따라 서로 이격되어 배치되고, 상기 객체의 내부를 향하는 지향성(directivity)을 갖는 전자기파를 방사하고, 산란된 전자기장(scattered field)을 수신하는 적어도 두 안테나 소자들;
    주파수 스윕(frequency sweep)에 따른 피딩 신호(feed signal)를 생성하는 신호 생성기(signal generator);
    상기 피딩 신호의 위상을 조절하여 상기 적어도 두 안테나 소자들에 전달하는 위상 시프터(phase shifter); 및
    상기 피딩 신호의 주파수 및 위상을 스윕함으로써 방사된 전자기파에 대응하여 수신된 상기 산란된 전자기장에 기초하여 상기 객체 내부의 대상 부위(target part)의 위치를 검출하는 제어기
    를 포함하는 바이오 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 대상 부위의 위치가 검출되는 경우에 응답하여, 상기 대상 부위에 대한 생체 정보의 측정을 개시하는,
    바이오 센서.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 산란된 전자기장에 대한 주파수 응답 특성을 획득하고, 상기 주파수 응답 특성으로부터 시간 지연 프로필을 산출하며, 상기 시간 지연 프로필에 기초하여 상기 대상 부위의 위치를 결정하는,
    바이오 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 시간 지연 프로필로부터 대상 피크를 검출하고, 상기 시간 지연 프로필의 상기 대상 피크에 기초하여 상기 대상 부위의 위치를 결정하는,
    바이오 센서.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 대상 피크로서 2번째 피크가 미리 결정된 지연 시간 범위(delay range) 내에서 미리 결정된 크기 범위(amplitude range)를 갖는 경우에 응답하여, 상기 시간 지연 프로필에 대응하는 위상 차를 상기 적어도 두 안테나 소자들에 대해 유지하는,
    바이오 센서.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 위상 시프터에 의해 선택 가능한 위상 차이들의 각각마다 상기 피딩 신호의 주파수를 스윕함으로써, 위상 차이별 주파수 응답 특성을 획득하는,
    바이오 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 바이오 센서를 기준으로 상기 대상 부위가 위치된 방향을 결정하는,
    바이오 센서.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 안테나 소자들은,
    단일 모드로 동작하는 경우에 응답하여 하나 이상의 안테나 소자가 전자기파를 방사하고 나머지 안테나 소자가 상기 전자기파에 의한 주변 장(fringing field)을 수신하고,
    배열 모드로 동작하는 경우에 응답하여 상기 적어도 두 안테나 소자들 모두가 전자기파를 방사하고 상기 산란된 전자기장을 수신하는,
    바이오 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단일 모드의 동작 시간은 상기 배열 모드의 동작 시간 보다 긴,
    바이오 센서.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단일 모드의 동작 시간 및 상기 배열 모드의 동작 시간은 서로 중첩되지 않는,
    바이오 센서.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 단일 모드로 동작하는 동안 혈당 값 데이터를 결정하고, 상기 배열 모드로 동작하는 동안 상기 혈당 값 데이터의 시간 지연 관련 정보를 결정하는,
    바이오 센서.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 방사되는 전자기파의 빔 패턴은, 상기 위상 시프터에 의해 조절된 위상 차이에 기초하여 결정되는,
    바이오 센서.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 안테나 소자들은,
    상기 객체 내부에 배치된 내부 센서로부터 방사되는 신호를 수신하고,
    상기 제어기는,
    상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들 간의 위상을 비교하여 상기 내부 센서 및 상기 바이오 센서 간의 정렬 여부를 판단하는,
    바이오 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 내부 센서 및 상기 바이오 센서가 비정렬 상태(misalignment state)인 경우에 응답하여 사용자에게 상기 바이오 센서의 착용 위치 변경을 위한 가이드 정보를 출력하는 출력부
    를 더 포함하고,
    상기 제어기는,
    상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들의 위상이 동위상인 경우 정렬 상태인 것으로 판단하고,
    상기 적어도 두 안테나 소자들에 의해 수신된 신호들의 위상이 다른 경우 상기 비정렬 상태인 것으로 판단하는,
    바이오 센서.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 안테나 소자들은 상기 객체의 표면에서의 곡률에 대응하는 곡면을 따라 배치되는,
    바이오 센서.
  16. 바이오 센서에 의해 수행되는 대상 부위 검출 방법에 있어서,
    객체의 측면 둘레를 따라 서로 이격되어 배치되는 적어도 두 안테나 소자들을 위한 피딩 신호를 주파수 스윕에 따라 생성하는 단계;
    상기 피딩 신호의 위상을 조절하여 상기 적어도 두 안테나 소자들에 전달하는 단계;
    상기 피딩 신호에 응답하여 상기 적어도 두 안테나 소자들이 상기 객체의 내부를 향하는 지향성을 갖는 전자기파를 방사하고, 산란된 전자기장을 수신하는 단계; 및
    상기 피딩 신호의 주파수 및 위상을 스윕함으로써 방사된 전자기파에 대응하여 수신된 상기 산란된 전자기장에 기초하여 상기 객체 내부의 대상 부위의 위치를 검출하는 단계
    를 포함하는 대상 부위 검출 방법.
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