Non-Invasive Glucose Sensor Based on Dielectric Loss and Thermal Measurement = 유전 손실과 열 측정에 기반한 비침습적 포도당 센서|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 전기장과 온도 센서를 결합하여 비침습적으로 혈당을 측정하는 새로운 방법을 제안하고 그 가능성을 검증하였다. 당뇨병은 전 세계적으로 유병률이 급격히 증가하고 있으며, 기존의 침습적 혈당 측정법은 높은 정확도를 제공하나 통증, 감염 위험, 환자 순응도 저하 등의 한계가 존재한다. 따라서 환자의 편의성과 삶의 질을 향상시키기 위해 새로운 비침습 혈당 모니터링 기술의 개발이 필요하다.

제안된 센서는 기준 서미스터와 측정 서미스터의 출력을 비교·보정하여 외부 환경 온도의 영향을 최소화하고, 전기장에 의해 발생하는 유전손실과 그에 따른 열 반응을 분석함으로써 혈당 농도를 추정한다. 이론적 측면에서는 유전손실 메커니즘을 바탕으로 전기장 분포 시뮬레이션과 회로 모델링을 수행하였으며, 실험적 측면에서는 센서 시제품을 제작하여 다양한 전압, 주파수, 포도당 농도 조건 및 NaCl을 포함한 생리학적 조건에서 성능을 평가하였다.

실험 결과, 출력 특성은 전압 제곱 및 주파수와 비례 관계를 보여 유전손실 이론과 일치하였고, 포도당 농도 증가에 따라 출력 전압이 선형적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 50 kHz와 24 V 조건에서 가장 높은 민감도와 선형성이 확인되었으며, 결정계수(R²)는 0.9896으로 우수한 직선성을 보였다. 또한 0.9 wt% NaCl을 포함한 용액에서 실험한 결과, 민감도가 크게 향상되었음을 확인하였다. 추가로, COMSOL 시뮬레이션은 전극 구조에 따른 전기장 국소화와 확산의 균형을 규명하였고, 100 mg/dL에서 NaCl 0.7%–0.9% wt% 비교는 농도 증가에 따른 90초 시점 출력의 증가를 확인하였다. 이는 이온 전도도 상승에 따른 유전손실 증폭과 부합하며, 실제 적용을 위한 전극 구조·구동 조건의 최적화를 제안한다.

이와 같은 결과는 제안된 전기장 기반 비침습 혈당 측정 센서의 실현 가능성을 입증하며, 향후 연구 방향으로는 피부 모사 조직을 활용한 실험, 다중 센서 통합을 통한 환경 변수 보정, 실제 생체 조건에서의 추가 검증, 전극 구조 최적화를 통한 소형화 및 휴대화가 제시될 수 있다. 본 연구는 기존 침습적 혈당 측정의 한계를 극복하고, 당뇨병 환자의 삶의 질 향상에 기여할 수 있는 기초 연구로서의 의의를 가진다.

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본 연구에서는 전기장과 온도 센서를 결합하여 비침습적으로 혈당을 측정하는 새로운 방법을 제안하고 그 가능성을 검증하였다. 당뇨병은 전 세계적으로 유병률이 급격히 증가하고 있으며,...

목차 (Table of Contents)

1. Introduction 1
1-1 Research Background and Necessity 1
1-2 Objectives and Scope of the Study 3
2. Theoretical Background 4
2-1 Current Status and Limitations of Non-Invasive Glucose Monitoring Technologies 4

1. Introduction 1
1-1 Research Background and Necessity 1
1-2 Objectives and Scope of the Study 3
2. Theoretical Background 4
2-1 Current Status and Limitations of Non-Invasive Glucose Monitoring Technologies 4
2-2 Theory of Dielectric Loss and Electric Field Based Sensors 7
3. Proposed Sensor System: Principle and Design 9
3-1 Measurement Principle Using Electric Field and Temperature Sensor 9
3-2 COMSOL Simulation Setup and Electric Field Distribution Analysis 10
3-3 Circuit Design and Signal Processing 23
4. Experimental Methods 24
4-1 Sensor Fabrication and Sample Preparation 24
4-2 Experimental Setup 25
5. Experimental Results and Analysis 27
5-1 Output Characteristics with Varying Voltage 27
5-2 Output Characteristics with Varying Frequency 28
5-3 Sensor Sensitivity and Linearity with Glucose Concentration 29
5-4 Results in NaCl Simulated Physiological Conditions 31
6. Conclusion 35
References 38
Abstract in Korean 42