KR100735863B1

KR100735863B1 - 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템

Info

Publication number: KR100735863B1
Application number: KR1020060100494A
Authority: KR
Inventors: 홍예선; 박준병
Original assignee: 한국항공대학교산학협력단
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2007-07-06

Abstract

본 발명은 캡슐형 내시경에 관한 것으로 보다 상세하게는 인체의 경구로 투입되어 장기를 촬영하는 캡슐형 내시경의 위치를 인체 외부에서 측정하여 제공하는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템은 인체의 장기 내부를 이동하면서 장기의 촬영 영상과 외부의 회전 자계에 의해 작용하는 자속 밀도 정보를 센싱하여 출력하는 캡슐형 내시경과; 상기 회전 자계를 발생시키기 위한 회전 자석을 포함하며, 상기 회전 자석을 인체 외부의 임의 위치로 이동시키는 자석 이송 장치와; 상기 캡슐형 내시경과 데이터를 송수신하는 무선 통신 모듈과; 상기 자석 이송 장치로부터 출력되는 회전 자석의 회전 각도 정보와 상기 캡슐형 내시경으로부터 상기 자석 이송 장치의 회전 자석의 회전 각도에 따른 상기 캡슐형 내시경의 자속 밀도를 수신하여 해당 내시경의 위치를 산출하는 위치 측정 장치;를 포함하여 구성된다.

캡슐형 내시경, 위치 측정, 회전 자계, 자속 밀도

Description

캡슐형 내시경 위치 측정 시스템{Position measurement system for Capsule type Endoscope}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 개략적으로 도시한 블럭도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경의 경사각을 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 위치측정 좌표계의 정의를 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 회전 자석의 회전에 의한 자속 밀도 측정치의 변화를 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 자속 밀도 측정치가 최대일 때의 회전 자석과 캡슐형 내시경의 배열을 개략적으로 나타낸 개요도이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 자속 밀도 측정치가 최소일 때의 회전 자석과 캡슐형 내시경의 배열을 개략적으로 나타낸 개요도이다.

도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 결 과의 중복성을 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 결과에 따른 캡슐형 내시경의 위치 추정을 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 개략적으로 도시한 개요도이다.

캡슐형 내시경은 입을 통해 체내로 투입되면, 장기의 연동 운동에 의해 식도, 위, 소장, 대장을 지나 체외로 배출될 때까지 장기 안에서 이동하는 동안 장벽을 촬영한 영상 신호를 인체 밖의 수신기로 송신을 한다. 이와 같이 피동적으로 인체 장기 안에서 이동하는 캡슐형 내시경은 경구 투입 후에 그 위치를 정확히 알 수 없기 때문에 제한적인 진단 기능만 가능한 실정이다. 예를 들어, 캡슐형 내시경이 실시간으로 전송하는 영상신호를 통해 대장과 같이 긴 장기 안에서 병변 부위가 발견되었다고 하더라도 그 위치가 정확히 어느 곳인지 알 수 없으므로 기존의 광섬유형 내시경을 장기에 삽입하여 일차 발견되었던 병변 부위를 다시 찾아내야 할 것이다. 이러한 불편함은 캡슐형 내시경의 원활한 보급과 활용에 대하여 커다 란 장애 요인이 되고 있다.

종래 기술로서 캡슐형 내시경의 인체 내 위치를 측정하기 위하여 공개된 기술은 자석과 자계 센서를 응용하고 있다. 즉, 자석으로부터 임의의 위치에 있는 지점에서 나타나는 자장의 세기 또는 자속 밀도를 함수로 표현할 수 있으면, 임의의 위치에서 자장의 세기 또는 자속 밀도를 측정하여 자석으로부터의 위치를 역으로 계산할 수 있다는 것이 그 기본 원리이다. 이러한 측정 원리를 캡슐형 내시경에 응용하는 방법은 자석을 캡슐형 내시경에 내장하고 자계 센서를 인체 외부에 설치하는 방법과, 반대로 자계 센서를 캡슐형 내시경에 내장하고 자석을 인체 외부에 두는 방법의 두 가지로 구분된다. 본 발명은 후자의 방법에 관한 것이므로 이와 관련된 종래 기술만 기술하면 아래와 같다.

자계 센서를 캡슐형 내시경에 내장하여 캡슐형 내시경의 3차원 공간 좌표만 측정하는 것은 Nagaoka 등이 논문(Proceedings of the 26th International Conference of the IEEE/EMBS, pp.2137~2140)으로 발표한 바 있다. 이 논문은 3차원 공간 좌표인 3개의 미지수만을 측정하므로 3개의 자계 센서와 교류 전자석을 사용하였다.

캡슐형 내시경의 공간 좌표뿐만 아니라 기준 좌표계에 대한 캡슐형 내시경의 roll, pitch 및 yaw 방향 경사각까지 6개의 미지수를 측정할 수 있는 방법을 제시한 특허(US 6,553,326)가 출원되어 있는데, 이 특허는 전자석을 이용하여 교류 또는 직류 자계를 발생시키는 상태에서, 6개의 자계 센서를 tetrahedron 방식으로 배열하는 것이 특징이다. 이 특허에서 예시하는 바와 같이 인체 내 캡슐형 내시경의 X, Y, Z 좌표와 롤, 요우 및 피치 방향 경사각에 대한 미지수 6개를 측정하기 위해서는 6개의 자계 센서를 캡슐형 내시경에 내장해야 한다.

즉, 캡슐형 내시경 안에 내장된 6개 자계 센서의 상대 위치가 서로 다르도록 배열하면, 각 센서들의 위치 추정치를 이용하여 캡슐형 내시경의 위치 및 자세에 대한 6개의 미지수를 모두 구할 수 있는 것이다. 외부 자석에 대한 6개 자계 센서의 상대 위치를 구하기 위해서는, 각 자계 센서의 출력 값과 자계 이론식에 자계 센서의 위치 추정치를 대입하여 계산된 값이 같아지는 조건을 반복기법으로 찾는 방법이 일반적으로 사용되고 있다.

이러한 종래 기술은 높은 위치측정 정밀도를 확보하기 위해 서로 적절한 간격을 두고 배열된 6개의 자계 센서를 요구하므로 캡슐형 내시경 내 설치 공간을 많이 요구하고, 6개의 자계 센서에서 출력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하기 위해 소비되는 전력이 크므로 캡슐형 내시경에 내장되는 축전지의 용량과 크기도 증가해야 한다.

따라서 종래 기술을 적용하게 되면 캡슐형 내시경의 크기가 증가하여 경구 투입이 불편하거나 불가능하게 되고, 축전지로부터 전력을 공급받는 캡슐형 내시경의 작동시간을 충분히 확보하는 데에도 한계가 있기 때문에 의료기기로서의 편의성과 안정된 작동을 보장하기 어려운 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 그 목적은 캡슐형 내시경에 내장되어야 하는 자계 센서의 수를 x, y, z 축에 대응되는 위치에 각각 하나씩 3개로 줄이고, 이로 인해 위치 측정과 신호 변환을 위한 전자회로의 전력 소비를 감소시킬 수 있는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 제공하는 데 있다.

나아가 자계 센서의 수를 줄임으로써, 자계 센서의 설치 공간을 축소하고, 이로 인해 캡슐형 내시경의 크기를 소형화할 수 있는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 일 양상에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템은 인체의 장기 내부를 이동하면서 장기의 촬영 영상과 외부의 회전 자계에 의해 작용하는 자속 밀도 정보를 센싱하여 출력하는 캡슐형 내시경과, 회전 자계를 발생시키기 위한 회전 자석을 포함하며, 회전 자석을 인체 외부의 임의 위치로 이동시키는 자석 이송 장치와, 캡슐형 내시경과 데이터를 송수신하는 무선 통신 모듈과, 자석 이송 장치로부터 출력되는 회전 자석의 회전 각도 정보와 캡슐형 내시경으로부터 자석 이송 장치의 회전 자석의 회전 각도에 따른 캡슐형 내시경의 자속 밀도를 수신하여 해당 내시경의 위치를 산출하는 위치 측정 장치를 포함하여 구성된다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 본 발명에 따른 캡슐형 내시경의 내부에 구비되어 외부의 회전 자계에 의해 작용하는 자속 밀도 정보를 측정하여 제공하는 자계 센서 모듈의 자계 센서는 캡슐형 내시경의 진행방향 상에서 상대적으로 x, y, z축에 각각 한 개씩 구비된다. 즉, 본 발명에 따른 자계 센서는 x, y, z축을 가진 육면체의 모든 면에 구비되는 것이 아니라 x, y, z축에 대응되는 육면체의 3개의 면에 구비된다.

따라서, 캡슐형 내시경에 내장되어야 하는 자계 센서의 수를 x, y, z 축에 대응되는 위치에 각각 하나씩 3개로 줄임으로써, 이로 인해 위치 측정과 신호 변환을 위한 전자회로의 전력 소비를 감소시킬 수 있음은 물론 자계 센서의 설치 공간을 축소하고, 이로 인해 캡슐형 내시경의 크기를 소형화할 수 있는 장점을 갖는다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 개략적으로 도시한 개요도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템은 인체의 장기 내부를 이동하면서, 장기의 촬영 영상과 외부의 회전 자계에 의해 작용하는 자속 밀도 정보를 센싱하여 출력하는 캡슐형 내시경(10)과, 회전 자계를 발생시키기 위한 회전 자석(21-1)을 포함하며, 회전 자석(21-1)을 인체 외부에서 임의의 위치로 이동시켜 회전시킬 수 있는 자석 이송 장치(20)와, 캡슐형 내시경(10)과 데이터를 송수신하는 무선 통신 모듈(30)과, 자석 이송 장치(20)로부터 출력되는 회전 자석(21-1)의 회전 각도 정보와 캡슐형 내시경(10)으로부터 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)의 회전 각에 따른 캡슐형 내시경(10)의 자속 밀도를 수신하여 해당 내시경의 위치를 산출하는 위치 측정 장치(40)를 포함하여 구성된다.

캡슐형 내시경(10)은 입을 통해 체내로 투입되면, 장기의 연동 운동에 의해 식도, 위, 소장, 대장을 지나 체외로 배출될 때까지 장기 안에서 이동하는 동안 장벽을 촬영한 영상 신호를 인체 밖의 수신기로 송신을 한다.

이러한 캡슐형 내시경(10)은 내부에 장기의 영상을 촬영하여 무선 통신 수단을 통해 전송하는 촬영수단(11)과, 자석 이송 장치(20)에 의해 가해지는 회전 자계에 의해 캡슐형 내시경(10)에 작용하는 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분을 센싱하여 출력하는 자계 센서 모듈(12)과, 촬영수단(11)에 의해 촬영된 영상 및 자계 센서 모듈(12)로부터 출력되는 자속 밀도를 무선 통신 모듈(30)로 전송하는 무선 통신부(13)와, 각 부분을 구동하기 위한 구동 전력을 공급하는 전원 공급부(14)를 포함하여 구성된다.

캡슐형 내시경(10)은 인체에 무해한 소재로 원통 형상으로 형성된다. 촬영수단(11)은 소형의 디지털 카메라이면 족하며, 예를 들면, 광섬유 내시경 또는 이동통신 단말기와 같은 소형 기기에 사용되는 CCD 또는 CMOS 카메라로 구현될 수 있다. 카메라는 통상 캡슐형 내시경(10)의 진행 방향에 구비되는 것이 일반적이나 양단에 각각 설치되는 것이 바람직하다. 카메라는 장기 내부의 영상을 촬영하여 무선 통신부(13)를 통해 외부의 무선 통신 모듈(30)로 전송한다.

무선 통신부(13)는 위치 측정 장치(40)와 유선 또는 무선으로 연결된 무선 통신 모듈(30)과 연결을 설정하고, 촬영수단(11)에 의해 촬영되어 출력되는 장기 내부 영상 신호와 자계 센서 모듈(12)에 의해 센싱된 자속 밀도 정보를 전송한다. 이러한 무선 통신부(13)는 예를 들면, 블루투스, 지그비, 알에프 통신과 같은 현존 하는 무선 통신 규약은 물론 추후 등장하게 될 무선 통신 규약을 모두 포함한다. 전원 공급부(14)는 카메라와 무선 통신 수단의 구동 전원을 공급하는 소형의 전원 공급 수단으로 구현될 수 있다.

이러한 카메라, 무선 통신 수단, 전원 공급부(14)의 구성은 하나의 집적회로로 구현될 수 있으며, 이미 종래에 출시된 캡슐형 내시경(10)을 통해 공지된 기술이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이렇게 구성되는 캡슐형 내시경(10)은 인체의 장기 내에서 장기의 운동에 따라 진행하거나 내부에 전자석 또는 영구 자석 등을 구비하여 외부로부터 인가되는 자계에 의해 진행하면서, 장기 내부를 촬영한 영상을 무선 통신 모듈(30)로 전송한다.

부가적인 양상에 따라 본 발명에 따른 캡슐형 내시경(10)의 무선 통신부(13)는 자계 센서 모듈(12)로부터 출력되는 아날로그 측정 신호를 디지털로 변환하여 무선 통신 모듈(30)로 전송할 수 있다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 본 발명에 따른 캡슐형 내시경(10)은 자석 이송 장치(20)에 의해 가해지는 회전 자계에 의해 캡슐형 내시경(10)에 작용하는 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분을 센싱하여 출력하는 자계 센서 모듈(12)을 포함하며, 자계 센서 모듈(12)에 구비되는 자계 센서는 감지 방향이 회전축 방향인 x축 방향으로 놓이도록 배열된 센서 1개와 반경 방향인 y축 및 z축 방향으로 향하도록 배열된 센서 2개로 구성된다.

즉, 일반적인 6면체의 6면의 방향에 배열되는 것이 아닌 x, y, z 축의 일면 에 3개가 구비된다. 이러한 자계 센서들은 통상적으로 자속 밀도의 크기에 비례하여 각 방향에 대한 자속 밀도의 직교 성분을 전기적인 아날로그 신호로 변환한다. 이러한 자계 센서에 의해 측정된 자속 밀도는 무선 통신부(13)에 의해 인체 외부에 위치한 무선 통신 모듈(30)로 전송된다.

자석 이송 장치(20)는 경구를 통해 인체 내부로 투입된 캡슐형 내시경(10)에 대해 회전 자계를 인가하는 장치이다. 이러한 자석 이송 장치(20)는 위치 측정 장치(40)의 제어 신호에 따라 회전 자석(21-1)을 회전 구동하는 구동부(21)와, 구동부(21)에 의해 회전되는 회전 자석(21-1)의 회전 각도를 감지하여 위치 측정 장치(40)로 출력하는 회전각 측정부(22)와, 구동부(21)를 임의의 방향으로 이동시켜주는 적어도 4자유도를 갖는 매니플레이터(23)를 포함하여 구성된다.

구동부(21)는 인체 내부에 경구를 통해 투입된 캡슐형 내시경(10)으로 회전 자계를 인가하기 위해 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)과, 해당 회전 자석(21-1)을 회전시키기 위한 예를 들면, 구동부(21)에 구비되는 모터는 회전 제어가 손쉬운 스테핑 모터와 모터의 회전력을 회전 자석(21-1)으로 전달하는 구동 축들을 포함하는 구동 수단을 포함한다. 구동부(21)는 위치 측정 장치(40)로부터 전송되는 제어신호를 수신하여 구동하게 된다.

회전각 측정부(22)는 위치 측정 장치(40)로부터 전송되는 제어 신호에 따라 회전하는 회전 자석(21-1)의 각도를 측정하여 위치 측정 장치(40)로 전송한다. 회전각 측정부(22)는 제어 신호에 따라 스태핑 모터로 인가되는 펄스의 수를 통해 해당 회전 자석(21-1)의 회전 각도를 산출할 수 있다. 또한, 모터의 회전 축에 엔코 더를 설치하여 해당 엔코더로부터 출력되는 회전각도에 대응되는 펄스를 통해 해당 회전 자석(21-1)의 회전 각을 산출하여 위치 측정 장치(40)로 출력할 수 있다.

매니플레이터(23)는 소재나 시험편, 위험물 등을 집어서 이동시키거나 회전시키는 일을 조작할 수 있는 기기로써, 전자석 또는 영구 자석을 포함하는 구동부(21)를 인체 외부에서 임의의 위치로 이동시키는 역할을 하고, 수직방향의 Z축에 대해 요우 회전을 할 수 있는 4자유도 이상의 구동 관절을 갖는다. 본 발명에 따르면, 직교좌표형, 수직다관절형, 또는 수평다관절형 등의 매니플레이터(23)를 사용하여도 그 효과는 동일하다.

무선 통신 모듈(30)은 인체 내부에 위치한 캡슐형 내시경(10)의 무선 통신부(13)와 연결을 설정하고, 캡슐형 내시경(10)으로부터 전송되는 장기 촬영 영상과 외부에서 인가되는 회전 자계에 의해 캡슐형 내시경(10)에 작용하는 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분을 수신하여 위치 측정 장치(40)로 전송한다. 이러한 무선 통신 모듈(30)은 예를 들면, 예를 들면, 블루투스, 지그비, 알에프 통신과 같은 현존하는 무선 통신 규약을 지원하는 통신 모뎀은 물론 추후 등장하게 될 무선 통신 규약 지원하는 통신 모듈을 모두 포함한다.

위치 측정 장치(40)는 무선 통신 모듈(30)로부터 제공되는 캡슐형 내시경(10)에 작용하는 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분과 자석 이송 장치(20)의 회전각 측정부(22)로부터 제공되는 회전 각도를 통해 해당 캡슐형 내시경(10)의 X, Y, Z 축 좌표 및 X, Y, Z 축에 대하여 순차적으로 회전하여 이루는 롤(Roll), 피치(Pitch) 및 요우(Yaw) 방향의 경사각을 포함하는 위치정보를 산출하여 출력한다.

이러한 위치 측정 장치(40)는 자석 이송 장치(20)의 구동 제어신호를 출력하는 자석 회전 제어부(41)와, 회전각 측정부(22)로부터 제공되는 회전 자석(21-1)의 회전각 정보를 수신하여 처리하는 회전각 처리부(42)와, 무선 통신 모듈(30)로부터 출력되는 캡슐형 내시경(10)의 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분과 회전각 처리부(42)로부터 출력되는 회전 자석(21-1)의 회전각 정보를 통해 캡슐형 내시경(10)의 위치정보를 산출하는 위치 정보 산출부(43)를 포함하여 구성된다. 또한, 위치 정보 산출부(43)는 회전각 측정부(22)로부터 전송되는 회전 자석(21-1)의 회전 각도와 캡슐형 내시경(10)으로부터 전송되는 x, y, z 축에 대한 자속 밀도를 성분을 통해 해당 캡슐형 내시경(10)의 X, Y, Z 축 좌표를 산출하는 좌표 산출부(43-1)와, 캡슐형 내시경(10)이 X, Y, Z 축에 대하여 순차적으로 회전하여 이루는 롤(Roll 피치(Pitch) 및 요우(Yaw) 방향의 경사각을 산출하는 경사각 산출부(43-2)를 포함하여 구성된다.

위치 측정 장치(40)는 캡슐형 내시경(10)으로부터 수신된 x, y, z 축 자속 밀도와 자석 이송 장치(20)의 회전각 신호(θ)를 이용하여 회전 자석(21-1)의 중심에 설치된 직교 좌표계(X-Y-Z)를 기준으로 표현된 캡슐형 내시경(10)의 중심 위치 좌표(X _p, Y _p , Z _p )와 캡슐형 내시경(10)이 X축, Y축, Z축에 대해 순차적으로 회전하여 이루는 롤(Roll), 피치(Pitch) 및 요우(Yaw) 방향의 경사각(

)을 산출한다. 또한, 위치 측정 장치(40)는 자석 이송 장치(20)의 구동부(21)에 제어신호를 출력하여 위치측정이 이루어지는 동안 회전 자석(21-1)을 일정한 속도로 회전시키는 기 능도 갖는다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경의 경사각을 개략적으로 도시한 개요도이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 위치측정 좌표계의 정의를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)의 중심에 원점을 갖는 X-Y-Z 좌표계에서 X _p , Y _p , Z _p 의 위치에 나타나는 자속 밀도 B _m 의 X,Y,Z 방향에 대한 직교성분 B _X , B _Y , B _Z 는 자계이론에 의해 회전 자석(21-1)의 크기와 형상 X _p , Y _p , Z _p 좌표의 함수인 수학식 1 내지 수학식 4로 표현할 수 있다.

만일 X-Y-Z 좌표계에서 X _p , Y _p , Z _p 의 위치에 있는 캡슐형 내시경(10)의 자계 센서들이 측정한 자속 밀도 성분 B _x , B _y , B _z 를 합한 벡터의 크기

를 구한다면 위의 수학식 4에 의해 계산된 값과 같아야 한다.

그러나 캡슐형 내시경(10)의 위치를 측정하기 위해서 자속 밀도 성분 B _x , B _y , B _z 의 측정을 통해 B _m 을 아는 것만으로는 캡슐형 내시경(10)의 위치 좌표(X _p , Y _p , Z _p )를 구할 수 없다. 왜냐하면, 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1) 주위에 동일한 B _m 값을 갖는 캡슐형 내시경(10)의 위치는 등고선 상에 무수히 존재하기 때문이다.

본 발명의 좌표 산출부(43-1)는 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)을 X축에 대해 회전시킴으로써 캡슐형 내시경(10)의 위치 좌표(X _p , Y _p , Z _p )를 구하는 방법을 이용하였다. 만일 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)을 X축에 대해 시계방향으로 회전시키면서 자속 밀도 성분 B _x , B _y , B _z 를 측정하여 B _m 을 구하면 그 값은 도 5에서 보는 것과 같이 회전각도에 따라서 주기적으로 변하는데, 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)과 함께 회전하는 X-Y-Z좌표계의 Z축 상에 캡슐형 내시경(10)이 놓일 때 최대치를 띠고 Y축 상에 캡슐형 내시경(10)이 놓일 때 최소치를 띠게 된다. 이러한 특징은 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)의 길이가 폭보다 클수록 두드러지게 나타난다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 자속 밀도 측정치가 최대일 때의 회전 자석과 캡슐형 내시경(10)의 배열을 개략적으로 나타낸 개요도이다. 도시된 바와 같이, B _m 이 최대치를 나타내도록 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)이 회전했을 때의 회전각이 θ ₁ 이라고 하면, 이 상태에서 X ₁ -Y ₁ -Z ₁ 좌표계에 대한 캡슐형 내시경(10)의 위치 좌표 중 Y _p1 는 영이고, Y ₁ 방향 자속 밀도 B _Y1 도 대칭성에 의해 영이다. 따라서 캡슐형 내시경(10)의 위치 좌표(X _p1 , 0, Z _p1 )에서 나타나는 B _m1 값은 수학식 1과 수학식 3에 Y _p1 =0을 대입하여 수학식 5와 같은 수식으로 주어진다. 이값은 자계 센서를 이용해 측정한 B _m1 값과 같다는 조건을 만족해야 한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 자속 밀도 측정치가 최소일 때의 회전 자석과 캡슐형 내시경(10)의 배열을 개략적으로 나타낸 개요도이다. 도시된 바와 같이, B _m 이 최소치를 나타나도록 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)이 회전했을 때의 회전각이 θ ₂ 라고 하면 이 상태에서 X ₂ -Y ₂ -Z ₂ 좌표계에 대한 캡슐형 내시경(10)의 위치 좌표 중 Z _p2 는 영이고, X ₂ 및 Y ₂ 방향 자속 밀도 B _X2 와 B _Y2 도 영이다. 따라서 캡슐형 내시경(10)의 임의 위치 좌표(X _p2 , Y _p2 , 0)에서 나타나는 B _m2 값은 수학식 3에 Z _p2 =0을 대입하여 수학식 6과 같은 수식으로 주어진다. 이값도 자 계 센서를 이용해 측정한 B _m2 값과 같다는 조건을 만족해야 한다.

여기에서 수학식 5의 Z _p1 와 수학식 6의 Y _p2 는 부호만 다르고 같은 값을 가지며, 수학식 5의 X _p1 와 수학식 6의 X _p2 는 같은 변수이다. 그리고 θ ₂ 는 이론적으로 θ ₁ 과 ㅁ90˚의 각도 차를 갖는다.

결론적으로, 수학식 5와 수학식 6으로 주어지는 2개의 조건을 동시에 만족하는 2개의 미지수 X _p1 과 Z _p1 을 구하는 것이 가능하다. 이값은 X축에 대해 θ ₁ 만큼 회전한 X ₁ -Y ₁ -Z ₁ 좌표계를 기준으로 구해진 값이므로 θ=0인 좌표계에 대해 표현하면 수학식 7과 같다.

이와 같은 방법으로 구해진 좌표(X _p , Y _p , Z _p )에서 X, Y, Z방향으로 계산되는 B _X , B _Y , B _Z 과 자계 센서가 캡슐형 내시경(10)의 x, y, z 방향으로 측정한 B _x , B _y , B _z 를 좌표변환 방정식에 대입하면 도 3에서 보인 바와 같이 캡슐형 내시경(10)이 X-Y-Z 좌표계에 대해 이루는 롤, 피치, 요우 방향 경사각

를 측정할 수 있다. 이와 같이 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1) 아래에 임의의 위치에 놓여 있는 캡슐형 내시경(10)의 위치(X _p , Y _p , Z _p )와 경사각

를 측정하는 것은 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)을 X축에 대해 1회전만 시키면 가능하다.

한편, 수학식 5가 2차 방정식이고, 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)의 단면이 대칭성을 띠므로 X _p 와 Z _p 에 대해 구한 값은 음과 양의 값으로 2개씩 주어진다. 이것은 캡슐형 내시경(10)의 측정 위치가 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)의 위에 2곳, 아래 2곳으로 나타날 수 있음을 의미한다. 그러나 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)의 위에 캡슐형 내시경(10)이 있는 경우는 없으므로 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1) 아래 캡슐형 내시경(10)의 측정 위치는 도 8과 같이 2가지 경우가 가능하다.

도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 결과의 중복성을 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 이 두 가지 추정 위치 중 어느 것이 맞는 지는 자석 이송 장치(20)의 회전 자석(21-1)을 X방향으로 전진시켜 보면 X _p 가 줄어드는지 아니면 늘어나는 지를 보고 판단할 수 있다.

도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 결과에 따른 캡슐형 내시경(10)의 위치 추정을 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 9의 (a)에서 보인 바와 같이 최초에 1구역과 2구역에서 이중근

와

이 얻어졌다면, 매니플레이터(23)에 의해 회전 자석(21-1)을 Z축에 대해 90도 회전시켜 X축이 Y축의 위치에 놓이게 하고 위에서 설명한 것과 동일한 방법으로 다시 측정을 한 후, 도 9의 (b)에서와 같이 2구역과 3구역에서 이중근이 얻어졌다면 실제 위치는 2구역에 있는 것이다. 그러나 1구역과 4구역에서 이중근이 얻어졌다면 실제 위치는 1구역에 있는 것으로 판단할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템은 자석 이송 장치(20)의 구동부(21)를 인체의 좌우 또는 상하에 대칭되게 2중으로 배치하여 측정 범위를 넓히면서 자석 이송 장치(20)의 구동부(21)에 구비되는 회전 자석(21-1)의 사이즈를 줄일 수 있도록 한다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템을 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 구동부(21)에 구비되는 전자석 또는 영구자석으로 형성되는 회전 자석(21-1)을 인체의 좌우 또는 상하에 대칭되게 2중으로 배치하는 것이다. 도 10은 인체의 상부에 상부 구동부(21a)와 하부에 하부 구동부(21b)에 각각 회전 자석(21a-1, 21b-1)을 배치한 경우를 도시한 것이다. 이렇게 상부와 하부에 회전 자석(21a-1, 21b-1)을 배치한 경우 위치 측정 범위와 정밀도를 개선하기 위해 상부와 하부의 회전 자석(21a-1, 21b-1)이 회전하는 방향은 서로 같거나, 상부 구동부(21a)의 회전 자석(21a-1)만 회전하고 하부 구동부(21b)의 회전 자석(21b-1)은 정지해 있을 수 있다. 위치 측정 장치(40)는 상부 또는 하부 구동부(21a, 21b) 회전 자석(21a-1, 21b-1)의 회전 각도를 입력받음으로써 캡슐형 내시경(10)에 작용하는 자계를 계산할 수 있으므로 하부 회전 자석(21b-1)을 사용하게 되면 상부 회전 자석(21a-1)만을 사용할 때와 비교해 캡슐형 내시경(10)에 작용하는 회전 자계가 달라지더라도 앞에서 설명한 위치 측정 원리를 동일하게 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템은 캡슐형 내시경에 내장되어야 하는 자계 센서의 수를 x, y, z 축에 대응되는 위치에 각각 하나씩 3개로 줄이고, 이로 인해 위치 측정과 신호 변환을 위한 전자회로의 전력 소비를 감소시킬 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 자계 센서의 수를 줄임으로써, 자계 센서의 설치 공간을 축소하고, 이로 인해 캡슐형 내시경의 크기를 소형화할 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 캡슐형 내시경을 이송시키는 회전 자석을 인체의 좌우 또는 상하에 대칭되게 2중으로 배치하여 측정 범위를 넓히면서 자석 이송 장치의 구동부에 구비되는 회전 자석의 사이즈를 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

이상에서 본 발명은 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명되었지만 여기에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 당업자라면 자명하게 도출가능한 많은 변형 예들을 포괄하도록 의도된 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어져야 한다.

Claims

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인체의 장기 내부를 이동하면서 장기의 촬영 영상과 외부의 회전 자계에 의해 작용하는 자속 밀도 정보를 센싱하여 출력하되, 내부에 장기의 영상을 촬영하여 무선 통신 수단을 통해 전송하는 촬영수단과, 자석 이송 장치에 의해 가해지는 회전 자계에 의해 캡슐형 내시경의 진행방향 상에서 상대적으로 x, y, z축에 대응되도록 각각 구비되어 캡슐형 내시경에 작용하는 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분을 센싱하여 출력하는 자계 센서를 포함하는 자계 센서 모듈과, 상기 촬영수단에 의해 촬영된 영상 및 상기 자계 센서 모듈로부터 출력되는 자속 밀도를 상기 무선 통신 모듈로 전송하는 무선 통신부와, 상기 각 부분을 구동하기 위한 구동 전력을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 상기 캡슐형 내시경과;

상기 회전 자계를 발생시키기 위한 회전 자석을 포함하며, 상기 회전 자석을 인체 외부의 임의 위치로 이동시키는 상기 자석 이송 장치와;

상기 캡슐형 내시경과 데이터를 송수신하는 무선 통신 모듈과;

상기 자석 이송 장치로부터 출력되는 회전 자석의 회전 각도 정보와 상기 캡슐형 내시경으로부터 상기 자석 이송 장치의 회전 자석의 회전 각도에 따른 상기 캡슐형 내시경의 자속 밀도를 수신하여 해당 내시경의 위치를 산출하는 위치 측정 장치;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 무선 통신부가:

상기 자계 센서 모듈의 자계 센서로부터 출력되는 아날로그 측정 신호를 디지털로 변환하여 상기 위치 측정 장치로 전송하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 위치 시스템.
청구항 3에 있어서, 상기 자석 이송 장치가:

상기 위치 측정 장치의 제어 신호에 따라 회전 자석을 회전 구동하는 구동부와;

상기 구동부에 의해 회전되는 회전 자석의 회전 각을 감지하여 상기 위치 측정 장치로 출력하는 회전각 측정부와;

상기 구동부를 임의의 방향으로 이동시켜주는 적어도 4자유도를 갖는 매니플레이터;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템.
청구항 5에 있어서, 상기 회전 자석이:

영구자석 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템.
청구항 3 에 있어서, 상기 위치 측정 장치가:

상기 자석 이송 장치의 구동 제어신호를 출력하는 자석 회전 제어부와;

회전 자석의 회전각 정보를 수신하여 처리하는 회전각 처리부와;

상기 무선 통신 모듈로부터 출력되는 상기 캡슐형 내시경의 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분과 상기 회전각 처리부로부터 출력되는 회전 자석의 회전각 정보를 통해 상기 캡슐형 내시경의 위치정보를 산출하는 위치 정보 산출부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템.
청구항 7에 있어서, 상기 위치 정보 산출부가:

상기 회전 자석의 회전 각과 캡슐형 내시경으로부터 전송되는 x, y, z 축에 대한 자속 밀도 성분을 통해 해당 캡슐형 내시경의 X, Y, Z 축 좌표를 산출하는 좌표 산출부와;

상기 캡슐형 내시경이 X, Y, Z 축에 대하여 순차적으로 회전하여 이루는 롤(Roll), 피치(Pitch) 및 요우(Yaw) 방향의 경사각을 산출하는 경사각 산출부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템.
인체의 장기 내부를 이동하면서 장기의 촬영 영상과 외부의 회전 자계에 의해 작용하는 자속 밀도 정보를 센싱하여 출력하되, 내부에 장기의 영상을 촬영하여 무선 통신 수단을 통해 전송하는 촬영수단과, 자석 이송 장치에 의해 가해지는 회전 자계에 의해 캡슐형 내시경의 진행방향 상에서 상대적으로 x, y, z축에 대응되도록 각각 구비되어 캡슐형 내시경에 작용하는 자속 밀도의 x, y, z 축 직교 성분을 센싱하여 출력하는 자계 센서를 포함하는 자계 센서 모듈과, 상기 촬영수단에 의해 촬영된 영상 및 상기 자계 센서 모듈로부터 출력되는 자속 밀도를 상기 무선 통신 모듈로 전송하는 무선 통신부와, 상기 각 부분을 구동하기 위한 구동 전력을 공급하는 전원 공급부를 포함하는 상기 캡슐형 내시경과;

상기 회전 자계를 발생시키기 위한 인체의 상하 또는 좌우로 대칭되게 형성되는 회전 자석을 포함하며, 상기 회전 자석을 인체 외부의 임의 위치로 이동시키되, 제어 신호에 따라 회전 자석을 회전 구동하는 구동부와, 상기 구동부에 의해 회전되는 회전 자석의 회전 각을 감지하여 출력하는 회전각 측정부와, 상기 구동부를 임의의 방향으로 이동시켜주는 적어도 4자유도를 갖는 매니플레이터를 포함하는 자석 이송 장치와;

상기 캡슐형 내시경과 데이터를 송수신하는 무선 통신 모듈과;

상기 자석 이송 장치로부터 출력되는 회전 자석의 회전 각도 정보와 상기 캡슐형 내시경으로부터 상기 자석 이송 장치의 회전 자석의 회전 각도에 따른 상기 캡슐형 내시경의 자속 밀도를 수신하여 해당 내시경의 위치를 산출하는 위치 측정 장치;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 위치 측정 시스템.