In this thesis, a thermal peripheral blood flowmeter integrated with force sensor, capable of contact force compensation, has been proposed. The peripheral blood flow is easily affected by the contact force between skin and device [1]. To minimize contact force effect, conventional approaches tried to fix the device on the skin to maintain constant contact force. However, manual fixation process arouses contact force difference in each trial. In this thesis, we integrate force sensor in a thermal type blood flowmeter using Heat-washout principle[2] to measure both blood flow and contact force simultaneously thus achieving novel detection method with contact force compensation.
The present device is composed of two sensing elements: blood flow sensor with RTD & heater for using Heat-washout method [2] and piezoresistive force sensor. Using COMSOL simulation, we designed 0.3μm thickness nickel heater having 800mW under 10V to obtain 1 minute detection time. The thickness of membrane, 50μm is designed to endure 5N contact force of fingertip. Using micro-fabrication technology, the present device was successfully fabricated including metal deposition and patterning process for RTD & heater, and boron-doping process for piezoresistors.
In the experiment study, we evaluated individual element and applied to human blood flow measurement. The sensitivity of force sensor was 1.7V/1N having accuracy of 0.05N. The RTD & heater showed temperature sensing resolution of 0.02Ω/0.1℃ and heating time to reach 40℃ was 20 second at 18V. In the blood flow measurement test, the performance of present device was compared with that of Laser Doppler flowmeter. We obtained the correlation coefficient of 0.94 which is competitive with the previous conventional work (0.73~0.98). We measured blood flow decreasing trend under 1~3N contact force. The decrement showed a linear model having decrease rate of 31.7%/N. We can apply this simple model to detection data to compensate contact force error under various loads.
In this work, we verify that the force sensor integrated thermal blood flowmeter has potentials for measurement of blood flow with contact force compensation under various contact force. Moreover, present device shows high integration capability and cost effective characteristic, thus having possible to apply to personal handheld device.
본 논문에서는 열적 방식의 혈류량 센서와 힘 센서를 집적시켜 접촉력 보정이 가능한 혈류량 측정기를 제안한다. 말단 혈류량은 접촉력에 따라서 혈류량이 변화한다는 특징을 가지고 있다. 따라서 기존의 혈류량 측정기는 일정한 접촉력을 유지하기 위해서 측정기의 프로브를 피부 접촉 부위에 고정을 시켜야만 했다. 본 연구에서는 기존의 혈류량 측정기에 힘 센서를 집적하여 혈류량 측정과 접촉력 측정을 동시에 함으로써 접촉력에 따른 혈류량 변화를 보정할 수 있는 혈류량 측정기를 제안한다.
혈류량 측정을 위해 필요한 가열기의 발생 전력과의 결정과 힘 센서의 구현을 위한 적정 박막 두께를 결정하기 위해 수치적 예측을 통해 적정 치수를 결정하였다. 그 결과 40℃ 이상을 10초 이내에 가열하기 위한 가열기의 최소 필요 가열 전력은 800mW였고 5N의 접촉력에도 안전한 적정 박막 두께는 50μm이었다. 본 소자를 구현하기 위해 초미세가공기술을 이용하여 한 소자 내에 혈류량 측정을 할 수 있는 측온 저항체 & 가열기를 구현하였고 이와 동시에 압전 저항을 집적하여 힘 센서를 구현하였다. 측온 저항체 & 가열기의 온도 분해능은 0.02Ω/0.1℃ 이었으며, 가열능력은 인가 전압 18V에서40℃ 올리는데 20초 이내로 걸리는 성능을 가졌다. 압전식 힘 센서의 성능은 1.7V/1N의 민감도와 0.05N의 정확도를 가지는 것으로 확인되었다.
각 성능 평가가 된 요소들을 이용하여 본 소자의 혈류량 측정 성능 및 접촉력 보정 시험을 수행하였다. 본 소자의 혈류량 측정 능력을 평가하기 위해서 레이저 도플러 혈류량계와의 비교 실험을 수행하였다. 본 소자에서 측정된 혈류량 관련 파라미터와 레이저 도플러 혈류량계에서 측정된 혈류량 값을 비교한 결과 선형성을 설명하는 상관 계수는 0.94가 나왔으며 이는 기존의 연구(상관계수 0.73~0.98) 결과 내의 값이 나왔기 때문에, 충분히 혈류량을 측정할 수 있는 성능을 가지는 것으로 결론 내렸다. 접촉력에 따른 혈류량 변화 모델을 예측하게 위해 접촉력에 따른 혈류량 감소율을 본 소자와 레이저도플러 혈류량계를 이용하여 도출하였다. 실험을 한 결과, 접촉력에 따른 혈류량 감소율은 간단한 선형적인 모델로 감소하는 다는 사실을 발견하였다. 비선형성이 3% 내외의 값이 나왔다.
도출된 접촉력에 따른 혈류량 감소율 모델과 본 소자에서 측정한 혈류량 값 및 동시에 측정한 접촉력을 이용하여 기준의 접촉력에서 측정되어야 할 왜곡되지 않은 혈류량값을 도출할 수 있다. 본 연구에서는 힘 센서가 집적된 열적 방식의 혈류량 측정기를 이용하여 접촉력에 따른 혈류량 값을 보정하는 것을 증명하였다.
