KR100601037B1 - 임상용 ｘ선을 이용한 속도장 측정 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 임상용 X선의 인체에 대한 투과 특성과 디지털 화상처리기술을 결합한 유동영상 취득기법과 영상에 근거하여 정량적인 혈류의 속도장(velocity field)을 측정하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 임상용 X선 PIV(particle image velocimetry) 속도장 측정기법을 적용하기 위해 매우 짧은 시간(수 msec 범위) 간격으로 두 번의 X선을 연속적으로 방출하는 X선 발생수단; 검사 대상을 투과하면서 가시화된 X선 파장의 영상을 가시광선 대역의 영상으로 바꾸기 위한 영상변환 수단과, 상기 영상변환 수단에 맺힌 입자 영상을 짧은 시간(수 msec 범위) 간격으로 연속적으로 획득하기 위한 카메라 수단을 구비하여 이루어진 영상 취득수단; 상기 X선 발생수단 및 상기 영상 취득수단의 작동 시기를 동기시키고, 상기 영상 취득수단에 의해 획득된 유동 영상에 포함된 노이즈를 제거하며 해당 영상에 대한 디지털 화상처리를 수행하는 영상 처리수단; 및 상기 영상 처리수단에서 처리된 영상을 표시하기 위한 표시수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
도 1은 일반적인 PIV(particle image velocimetry) 속도장 측정기법을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템의 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : X선 발생부 12 : X선 제어기
20 : 영상 취득부 24 : CCD 카메라
30 : 영상 처리부 31 : 동기장치
33 : 영상처리 모듈 35 : 속도장 벡터 모듈
36 : 유동가시화 모듈 40 : 표시부
41, 42 : 제1, 2 모니터
본 발명은 임상용 X선의 인체에 대한 투과 특성과 디지털 화상처리기술을 결합한 유동영상 취득기법과 영상에 근거하여 정량적인 혈류의 속도장(velocity field)을 측정하는 임상용 X선을 이용한 (혈류의) 속도장 측정 시스템에 관한 것이다.
한편, 본 발명은 인체 내부의 혈류 및 여러 가지 형태의 생체 유동의 유동 가시화나 정량적 속도장 측정에 적용할 수 있는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템에 관한 것이다.
당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 유동 속 입자(particle)들의 변위정보를 담고 있는 유동영상(flow image)을 화상처리하여 정량적인 속도장을 구하는 PIV(particle image velocimetry) 입자영상유속계는 정성적인 순간 유동정보를 제공할 뿐만 아니라 우수한 공간분해능을 갖는 정량적인 유동정보를 추출해 낼 수 있는 측정기법이다.
상기와 같은 속도장 측정기법으로는, 좁은 의미의 PIV 방식과 PTV(particle tracking velocimetry; 입자추적속도계) 방식, 2가지가 주로 사용되고 있다. PIV 방식은 짧은 시간 간격으로 연속적인 산란입자의 유동영상을 획득한 후, 유동영상의 조사구간(interrogating window)내 산란입자 영상들의 강도(intensity) 분포에 대한 푸리에(Fourier) 변환이나 직접적인 상관계수를 계산함으로써 조사구간을 대표하는 대표속도를 구한다. 일반적으로, PIV 방식은 입자밀도가 큰 경우에 적용되며 조사구간의 대표속도를 추출함으로써 정량적인 속도정보를 계산해낸다. 이에 반해, PTV 방식은 연속적으로 획득된 산란입자의 유동영상으로부터 각 입자위치를 추출한 후, 그 입자 하나하나를 추적(tracking)함으로써 입자의 속도정보를 구한다.
도 1에 디지털 화상처리를 이용한 PIV 속도장 측정기법의 기본원리를 나타내 보였다. 도 1을 참조하면, 시간간격 Δt 사이에 취득한 2장의 입자영상으로부터 구한 입자 변위(displacement)들을 시간간격 Δt로 나누어 속도장을 구한다.
한편, 현재 병원에서 사용되고 있는 임상용 장비인 MRI(magnetic resonance imaging)나 초음파검사장비(ultra-sonography), CT(x-ray computer tomography), 방사선촬영장비(radiography) 등은, 가시영역의 광원으로는 가시화할 수 없는 인체 내 장기 및 혈관 등을 투과방식으로 관찰하는데 사용되고 있다. 이 중 X선을 이용한 혈관조영술이나 초음파를 이용한 도플러 (Doppler) 기법은 순환기 질환 진단 시 많이 사용되고 있다.
상기한 PIV 속도장 측정기법과 임상용 촬영기법들은 각각 독자적으로 매우 우수한 기술이지만, 각각 다음과 같은 단점들을 가지고 있다.
PIV 속도장 측정기법의 경우, 주어진 유동에 대해 정량적인 속도장 측정이 가능하지만, 가시광선을 이용하여 유동 속의 입자영상을 얻어야 되므로 실험모델과 작동 유체 모두 투명해야 한다는 제한점이 있다. 즉, 백색광이나 레이저와 같은 가시광선을 이용하는 PIV 기술로는 불투명한 물체 내부의 유동이나 불투명한 유체 유동을 측정하는 것이 불가능하다. 반면에 기존의 혈관조영술은 X선의 인체에 대한 투과성을 이용하여 인체 내부 혈관의 가시화에 사용되고 있으나, 혈관과 같은 고체(solid)로 이루어진 물체의 구조관찰에 주로 사용되어왔기 때문에 아직 물체 내부 유동을 자세히 관측하기에는 미비한 점들이 많다. 도플러 기법, 역시 혈관 내 혈류 속도를 측정하는데 사용되는 기법이지만, 아직 혈관을 흘러가는 혈류의 대표 속도를 제공하는 점 측정 (point measurement) 기법으로 한계가 있으며, 아직 혈관 내 혈액 유동 전체 속도 분포를 한꺼번에 측정할 수 없다. 따라서 기존의 임상용 장비로는 혈액 유동장을 정량적으로 측정할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 인체 내부의 혈류 및 여러 가지 형태의 생체 유동의 유동 가시화나 정량적 속도장 측정에 적용할 수 있도록 임상용 X선의 인체에 대한 투과 특성과 디지털 화상처리기술을 결합한 유동영상 취득기법과 영상에 근거하여 정량적인 혈류의 속도장(velocity field)을 측정하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 인체 및 불투명한 물체 내부의 유동이나 불투명(opaque) 유체의 유동을 측정하기 위하여 임상용 X선을 이용하는 X선 촬영기술과 유동 영상으로부터 정량적인 유동장 정보를 추출할 수 있는 PIV(particle image velocimetry) 속도장 측정기법을 결합한 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템에 있어서, 임상용 X선 PIV 속도장 측정기법을 적용하기 위해 매우 짧은 시간(수 msec 범위) 간격으로 두 번의 X선을 연속적으로 방출하는 X선 발생수단; 검사 대상을 투과하면서 가시화된 X선 파장의 영상을 가시광선 대역의 영상으로 바꾸어 주기 위한 영상변환 수단과, 상기 영상변환 수단에 맺힌 입자 영상을 짧은 시간(수 msec 범위) 간격으로 연속적으로 획득하기 위한 카메라 수단을 구비하여 이루어진 영상 취득수단; 상기 X선 발생수단 및 상기 영상 취득수단의 작동 시기를 동기시키고, 상기 영상 취득수단에 의해 획득된 유동 영상에 포함된 노이즈를 제거하며 해당 영상에 대한 디지털 화상처리를 수행하는 영상 처리수단; 및 상기 영상 처리수단에서 처리된 영상을 표시하기 위한 표시수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템이 제공된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 불투명한 물체에는 식물, 동물, 관 및 튜브, 연료전지, 산업용 장치가 포함되고, 상기 불투명 유체에는 혈액, 콜타르가 포함되고, 상기 임상용 X선에는 비파괴 검사용 X선이 포함된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 PIV 속도장 측정기법을 적용할 수 있는 입자영상 또는 입자 패턴을 얻기 위한 방식으로, a)X선 회절이나 간섭을 이용하여 혈구 및 추적 입자들의 패턴을 유도하는 방식; b)적절한 농도의 혈관 조영제를 사용하여 혈류의 유동패턴 영상을 얻도록 하는 방식; c)미세 기포 형태의 초음파 조영제 등을 추적 입자로 사용하는 방식;이 포함된다. 여기서, 상기한 PIV 속도장 측정기법을 적용할 수 있는 입자영상 또는 입자 패턴을 얻기 위한 방식은, 당업자에게 널리 공지되어 있는 당업계의 기술을 통해서 실시될 수 있음은 당업자에게 자명한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 측정 시스템은, 이중 노출된 유동영상이나 연속적으로 취득한 2장의 X선 유동영상으로부터 정량적인 속도장 정보를 추출해 낼 수 있는 PIV 속도장 측정기법을 수행한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 영상변환 수단은 신틸레이터이고, 상기 카메라 수단은 CCD 카메라이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 CCD 카메라는 쿨드(cooled) CCD 카메라 또는 인덴시파이드(intensified) CCD 카메라이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 관측창 (field of view) 크기를 확대하여 고해상도로 대상을 측정하기 위해 상기 CCD 카메라 전방에 고배율 대물렌즈가 부착될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 영상 처리수단은, 동기장치와, CCD 카메라 제어기, 영상처리 모듈, PIV 처리기, 속도장 벡터 모듈, 유동 가시화 모듈을 포함하고, 상기 동기장치는 상기 X선 발생수단 및 영상 취득수단 등이 원하는 순간에 작동할 수 있도록 동기시키고, 상기 CCD 카메라 제어기 및 영상처리 모듈은 상기 영상 취득수단에 의해 획득된 유동영상에 들어있는 노이즈를 제거한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 표시수단은 유동가시화 영상을 나타내기 위한 제1 모니터와, 속도장 정보를 나타내기 위한 제2 모니터를 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 영상 처리수단은 유동가시화 모듈을 통해 X선 유동영상을 제1 모니터에 표시하고, PIV 처리기 및 속도장 벡터 모듈에서 PIV 속도장 처리과정을 거친 정량적인 속도장 정보를 담고 있는 영상을 제2 모니터에 표시하도록 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
한편, 이하의 설명에 있어서, 종래기술에 따른 구성부재와 본 발명에 의한 구성부재가 동일한 경우에는 종래기술에서 사용하였던 도면 부호를 그대로 사용하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템은, 두 가지 측정 기법, 즉 PIV 속도장 측정기법과 임상용 X선 촬영기법을 결합한 방식을 취하여, 인체 내부 혈관과 혈류 유동을 가시화하고 정량적인 속도장 정보를 제공한다. 본 발명 시스템에서는 안이 보이지 않는 생체나 물체 내부를 관찰하기 위해 임상용 X선 뿐 아니라 비파괴 검사용 X선 등을 사용할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템의 구성을 도시한다.
도 2을 참조하면, 본 발명의 시스템은 X선 발생부(10)와, 영상 취득부(20), 영상 처리부(30) 및 표시부(40)를 포함하여 이루어진다. X선 발생부(10)는 PIV 속도장 측정기법을 적용하기 위해 매우 짧은 시간(수 msec 범위) 간격으로 두 번의 X선을 연속적으로 방출할 수 있는 X선 발생장치, 즉 X선 제어기(12)와 고압발생장치(14)를 포함하여 구성된다.
영상 취득부(20)는 검사 대상을 투과하면서 가시화된 X선 파장의 영상을 가시광선 대역의 영상으로 바꾸어 주는 신틸레이터(22)와, 신틸레이터(22)에 맺힌 입자 영상을 획득하기 위한 CCD 카메라(24)를 포함하여 구성된다. 여기서, CCD 카메라(24)로는 구체적으로 쿨드(cooled) CCD 카메라 혹은 인텐시파이드(intensified) CCD 카메라가 사용된다. 상기 쿨드(cooled) CCD 카메라 혹은 인텐시파이드(intensified) CCD 카메라와 같은 CCD 카메라(24)는 신틸레이터(22)에서 나오는 이미지관련 광량이 부족한 경우가 많기 때문에 이를 고감도로 촬영하기 위한 목적으로 사용된다. 또한, 관측창 (field of view) 크기를 확대하여 고해상도로 대상을 측정할 경우에, CCD 카메라(24)의 전방에 고배율 대물렌즈(미도시)가 부착될 수 있다.
영상 처리부(30)는 동기장치(31)와, CCD 카메라 제어기(32), 영상처리 모듈(33), PIV 처리기(34), 속도장 벡터 모듈(35), 유동 가시화 모듈(36)을 포함하여 이루어진다. 영상 처리부(30)는 동기장치(31)를 통해 X선 발생부(10)의 X선 제어기(12)와 영상 취득부(20)의 CCD 카메라(24) 그리고 정맥주사/동맥주사 장치(50) 등이 원하는 순간에 작동할 수 있도록 동기시키고, CCD 카메라(24)로 획득한 유동영상에 들어있는 노이즈를 CCD 카메라 제어기(32)와 영상처리 모듈(33) 등을 통해 제거하고 보다 깨끗한 영상을 얻기 위해 디지털 화상처리 과정을 수행한다. 영상 처리부(30)는 유동가시화 모듈(36)을 통해 취득한 X선 유동영상을 그대로 표시부(40)의 제1 모니터(41)를 통해 출력시키기도 하고, PIV 처리기(34) 및 속도장 벡터 모듈(35)에서 PIV 속도장 처리과정을 거친 정량적인 속도장 정보를 보여주는 영상을 제2 모니터(42)를 출력시키기도 한다. 여기서, 상기 PIV 속도장 처리과정은, 그 자체에 유동영상 취득, 전처리 과정(pre-processing), 속도장 계산, 후처리 과정(post-processing)과 같은 속도장 처리과정이 당연히 포함되고, 이는 당업계의 관련 연구자 모두가 다 이해하고 있는 내용이다.
본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템은, 우선적으로 제1 모니터(41)를 통해 유동가시화 영상을 기본적으로 출력하며, 정량적인 속도장 정보를 얻고 싶은 경우에 제2 모니터(42)를 통해서 그 순간의 순간 속도장을 출력한다. 경우에 따라 제1 모니터(41) 및 제2 모니터(42)에 출력되는 정보를 한개의 모니터 에 동시에 출력할 수 있도록 조정할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.
한편, 본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템은, 유동영상으로부터 속도벡터를 구하기 위해 PIV 알고리즘을 적용할 수 있는 X선 입자영상 또는 입자패턴을 얻기 위한 방식으로,
1) X선 회절이나 간섭을 이용하여 혈구(적혈구 혹은 백혈구) 및 추적 입자들의 유동패턴을 유도하는 방식과,
2) 적절한 농도의 혈관 조영제를 사용하여 혈류의 유동패턴 영상을 얻도록 하는 방식, 및
3) 미세 기포 형태의 초음파 조영제 등을 추적 입자로 사용하는 방식으로 속도장을 구할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템은 아래와 같은 대상에 적용될 수 있다.
- 인체 혈관 내부 혈류유동
- 인체 내부 순환기 및 신진 대사 유동
- 불투명 물체 내부 유동(불투명 튜브 혹은 채널, 랩-온-어-칩(Lab-on-a-chip), DNA 칩, 산업용 기계 등)
- 식물의 도관 내부 유동
- 곤충이나 동물 내부 순환기 계통 유동
- 콜타르 같은 내부가 보이지 않는 유체 유동
- 엔진이나 연료전지 등 에너지 발생장치 내부 유동
이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템은, 임상용 X선의 인체에 대한 투과 특성과 디지털 화상처리기술을 결합한 유동영상 취득기법과 영상에 근거하여 정량적인 혈류의 속도장(velocity field)을 측정함으로써, 인체 내부의 혈류 및 여러 가지 형태의 생체 유동의 유동 가시화나 정량적 속도장 측정에 적용할 수 있는 이점을 제공한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 기술하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 사람이라면, 첨부된 청구 범위에 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 본 발명을 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 앞으로의 실시예들의 변경은 본 발명의 기술을 벗어날 수 없을 것이다.
Claims (10)
- 인체 및 불투명한 물체 내부의 유동이나 불투명(opaque) 유체의 유동을 측정하기 위하여 임상용 X선을 이용하는 X선 촬영기술과 유동 영상으로부터 정량적인 유동장 정보를 추출할 수 있는 PIV(particle image velocimetry) 속도장 측정기법을 결합한 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템에 있어서,상기 PIV 속도장 측정기법을 적용하기 위해 매우 짧은 시간(수 msec 범위) 간격으로 두 번의 X선을 연속적으로 방출하는 X선 발생수단;검사 대상을 투과하면서 가시화된 X선 파장의 영상을 가시광선 대역의 영상으로 바꾸어 주기 위한 영상변환 수단과, 상기 영상변환 수단에 맺힌 입자 영상을 짧은 시간(수 msec 범위) 간격으로 연속적으로 획득하기 위한 카메라 수단을 구비하여 이루어진 영상 취득수단;상기 X선 발생수단 및 상기 영상 취득수단의 작동 시기를 동기시키고, 상기 영상 취득수단에 의해 획득된 유동 영상에 포함된 노이즈를 제거하며 해당 영상에 대한 디지털 화상처리를 수행하는 영상 처리수단; 및상기 영상 처리수단에서 처리된 영상을 표시하기 위한 표시수단;을 포함하고,상기 PIV 속도장 측정기법을 적용할 수 있는 입자영상 또는 입자 패턴을 얻기 위한 방식으로, a)X선 회절이나 간섭을 이용하여 혈구 및 추적 입자들의 패턴을 유도하는 방식; b)혈관 조영제를 사용하여 혈류의 유동패턴 영상을 얻도록 하는 방식; c)미세 기포 형태의 초음파 조영제 등을 추적 입자로 사용하는 방식;이 포함되는 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 불투명한 물체에는 식물, 동물, 관 및 튜브, 연료전지, 산업용 장치가 포함되고, 상기 불투명 유체에는 혈액, 콜타르가 포함되고, 상기 임상용 X선에는 비파괴 검사용 X선이 포함되는 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 측정 시스템은, 이중 노출된 유동영상이나 연속적으로 취득한 2장의 X선 유동영상으로부터 정량적인 속도장 정보를 추출해 낼 수 있는 PIV 속도장 측정기법을 수행하는 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 영상변환 수단은 신틸레이터이고, 상기 카메라 수단은 CCD 카메라인 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 제5항에 있어서,상기 CCD 카메라는 쿨드(cooled) CCD 카메라 또는 인덴시파이드(intensified) CCD 카메라인 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 제5항에 있어서,관측창 (field of view) 크기를 확대하여 고해상도로 대상을 측정하기 위해 상기 CCD 카메라 전방에 고배율 대물렌즈가 부착되는 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 영상 처리수단은, 동기장치와, CCD 카메라 제어기, 영상처리 모듈, PIV 처리기, 속도장 벡터 모듈, 유동 가시화 모듈을 포함하고,상기 동기장치는 상기 X선 발생수단 및 영상 취득수단 등이 원하는 순간에 작동할 수 있도록 동기시키고,상기 CCD 카메라 제어기 및 영상처리 모듈은 상기 영상 취득수단에 의해 획득된 유동영상에 들어있는 노이즈를 제거하는 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 제1항에 있어서,상기 표시수단은 유동가시화 영상을 나타내기 위한 제1 모니터와, 속도장 정보를 나타내기 위한 제2 모니터를 포함하는 것을 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
- 제1항 또는 제9항에 있어서,상기 영상 처리수단은 유동가시화 모듈을 통해 X선 유동영상을 제1 모니터에 표시하고, PIV 처리기 및 속도장 벡터 모듈에서 PIV 속도장 처리과정을 거친 정량적인 속도장 정보를 담고 있는 영상을 제2 모니터에 표시하도록 하는 것을 특징으로 하는 임상용 X선을 이용한 속도장 측정 시스템.
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| KR1020040036832A KR100601037B1 (ko) | 2004-05-24 | 2004-05-24 | 임상용 ｘ선을 이용한 속도장 측정 시스템 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101207419B1 (ko) | 2011-01-19 | 2012-12-04 | 한국과학기술원 | 혈관내 조영물질의 동적 패턴의 전파분석을 이용한 정량적 조직 혈류속도 측정방법 |
Families Citing this family (2)
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| CN109342278A (zh) * | 2018-11-28 | 2019-02-15 | 北京航空航天大学 | 一种具有可调节固定结构的粒子图像测速装置 |
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|---|---|---|---|---|
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- 2004-05-24 KR KR1020040036832A patent/KR100601037B1/ko not_active IP Right Cessation
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