KR100823886B1 - 적외선 광학계를 이용한 피하 혈관 탐지 영상 장치 - Google Patents

적외선 광학계를 이용한 피하 혈관 탐지 영상 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피부 아래에 위치하는 혈관을 가시화할 수 있는 피하 혈관 탐지 시스템을 제공하는 것을 목적으로 하며, 본 발명에 따른 피하 혈관 탐지 시스템은 돔형 지지대 (12), 상기 돔형 지지대 (12) 의 내면에 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 배열되는 다수의 적외선 광원 (11), 상기 돔형 지지대 (12) 를 회전시키기 위한 모터구동부(13) 및 상기 모터와 맞물리며 상기 돔형 지지대 (12) 에 형성되어 있는 톱니 (14), 상기 돔형 지지대의 상부 중앙에 위치하는 광학줌렌즈 (15), 상기 광학줌렌즈 (15) 를 통과한 빛을 필터링하는 적외선 투과 필터 (16), 상기 적외선 투과 필터 (16) 에 의하여 필터링된 빛을 받아들이는 제1 영상 검출기 (17), 상기 제 1 영상 검출기 (17) 에 의하여 얻어진 디지털 영상 정보를 가시화하기 위한 영상 표시 장치를 포함하는 피하 혈관 탐지 영상 장치 (10) 을 포함한다.

Description

적외선 광학계를 이용한 피하 혈관 탐지 영상 장치 {Hypodermic vein detection imaging apparatus based on infrared optical system}
도 1 은 본 발명에 따른 피하 혈관 탐지 영상 장치의 일실시예의 분해도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 피하 혈관 탐지 영상 장치의 일실시예에서 사용되는 적외선 LED의 광학 특성을 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 피하 혈관 탐지 영상 장치의 일실시예에 있어서, 적외선 LED의 배열 및 운동을 도시한다.
도 4 는 일반적인 실리콘의 파장에 대한 민감도를 도시한다.
도 5 는 빛의 파장에 따른 피부 투과의 효과를 도시한다.
도 6 는 본 발명에 따른 피하 혈관 탐지 영상 장치의 다른 실시예의 분해도이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호*
10 피하 혈관 탐지 영상 장치
11 적외선 LED 12 돔형 지지대
13 모터 14 톱니
15 광학줌렌즈 16 적외선 투과 필터
17 제 1 영상 검출기 18 광분리기
19 제 2 CCD 디지털 카메라
본 발명은 적외선 등의 광원을 이용하여 피부 안쪽에 위치하는 혈관의 디지털 영상 정보를 얻는 장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 적외선 발광 다이오드(적외선 LED) 와 같은 적외선 광원의 배열에서 방사되며, 기하학적으로 고른 세기 분포를 갖는 적외선을 피부에 비추고, 여기서 반사된 빛을 디지털 카메라와 같은 영상 검출기로 받아들임으로써 디스플레이 패널을 통하여 실시간으로 영상을 구현할 수 있도록 하는 장치에 관한 것이다.
이러한 기술내용은 WO96/036273 (1996.11.21), WO04/093672 (2004.11.04), WO04/080276 (2004.09.23) 등의 문헌에 기재되어 있다. WO96/036273 및 WO04/093672 는 피하 혈관의 구조를 영상화하기 위한 기본적인 동작 원리 및 가능한 광원의 종류와 검출기에 대하여 개시하고 있다. 본 발명과 유사하게 자외선에서 적외선에 해당하는 광원을 사용하여 피부에 비추고, 반사되거나 투과된 빛을 좁은 투과 영역을 갖는 필터를 사용하여 거르고 각종 검출기를 사용하여 고글이나 프로젝터를 이용해 영상화하는 방법에 대해 언급하고 있다. 이들 모두 피부를 가장 잘 투과하고 혈액의 흡수도가 가장 큰 근적외선 영역의 빛이 가장 효율적인 광원으로 보고하였고, 검출기로는 intensifier tube, CCD, CMOS 등이 가능할 것으 로 예측하였다.
또한, Luminetx사의 특허출원 PCT/US2004/005669의 경우 적외선의 확산을 강화하여 조명을 고르게 비출 수 있도록 할 수 있는 장치를 개시하고 있으며, 상기 장치는 적외선 확산을 유도하기 위해 복잡한 광원 구조를 만들고 난반사를 유도함으로써 빛이 고르게 분포하도록 하였다. 그러나, 이는 제작이 복잡하고 번거로울 뿐만 아니라 그 구조로 인해 제품 제작에 구조적인 장애가 된다.
또한, 종래 기술에 따른 장치들은 실물 크기의 영상만을 나타내므로 미세한 모세 혈관을 파악하기 어려우며, 단색 영상만을 제공한다는 단점을 갖는다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구성을 통하여 넓은 영역에서 고른 분포를 갖는 적외선을 이용할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 태양광, 실내등 등의 외부 광원에 의한 노이즈가 효과적으로 제거된 영상을 제공하는 것이다.
나아가, 본 발명은 다양한 배율의 확대 영상 및 천연색 영상을 얻을 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 돔형 지지대, 상기 돔형 지지대의 내면에 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 배열되는 다수의 적외선 광원, 상기 돔형 지지대를 회전시키기 위한 모터구동부 및 상기 모터구동부와 맞물리며 상기 돔형 지지대에 형성되어 있 는 톱니, 상기 돔형 지지대의 상부 중앙에 위치하는 광학줌렌즈, 상기 광학줌렌즈를 통과한 빛을 필터링하는 적외선 투과 필터, 상기 적외선 투과 필터에 의하여 필터링된 빛을 받아들이는 제1 CCD 디지털 카메라, 상기 제 1 CCD 디지털 카메라에 의하여 얻어진 디지털 영상 정보를 가시화하기 위한 영상 표시 장치를 포함하는 피하 혈관 탐지 영상 장치를 제공함으로써 달성될 수 있다.
본 발명은 제 1 CCD 디지털 카메라에 의하여 얻어진 디지털 영상 정보를 가공 처리할 수 있는 프로그램으로 이루어지는 가공 처리 장치를 더 포함할 수 있다.
이러한 구성을 갖는 피하 혈관 탐지 영상 장치의 작동 원리는 다음과 같다.
구의 일부를 잘라놓은 형상을 갖는 돔형 지지대의 내면에 원주 방향으로 배열된 적외선 LED 와 같은 적외선 광원이 조사한 적외선이 피부에서 반사되어, 줌렌즈를 향한다. 줌렌즈를 통과한 빛은 적외선 투과 필터를 통과하지만 그 외의 빛들은 투과하지 못 하기 때문에 혈관의 영상을 포함하는 적외선 영상정보 만이 CCD 디지털 카메라에 도달하게 되며, CCD 디지털 카메라에 의하여 디지털 영상 정보로 변환된 혈관의 이미지는 별도의 영상 표시 장치, 예컨대 LCD, CRT 등을 통하여 가시화된다.
상기 구성에 있어서, 광원으로서 돔형 지지대의 내면에 배열된 적외선 LED 를 비롯한 다양한 적외선 방사 장치를 사용하며, 또한, 상기 돔형 지지대를 회전시킴으로써, 고른 세기 분포를 갖는 적외선 조사 영역을 형성할 수 있다. 적외선 탐지의 대상이 되는 피부는 굴곡과 요철을 가지고 있기 때문에 피부에 고르게 빛을 비추어서 이로 인한 노이즈를 제거해 주는 것이 중요하다.
상기 구성에 있어서, 피부 조직을 비추기 위해서 복수의 적외선 광원은 구의 일부인 돔형 지지대의 내주면에 원주방향으로 일정 간격으로 장착된다. 따라서, 본 발명에 따른 시스템의 사용시 대상이 되는 피부 조직을 구의 중심에 위치시키고, 각각의 LED는 구의 중심을 향하도록 구의 표면에 수직이 되도록 배열함으로써 피부 조직을 고르게 비출 수 있게 되어 있다. 돔형 지지대에 레일을 설치하여 입사각을 필요에 따라 조절할 수 있다. 그리고 인접 광원 조명 지역의 겹침에 의한 효과를 제거하기 위해서 지지대 자체가 시계-반시계 방향으로 빠르게 움직여 겹침 효과를 평균화할 수 있도록 구성된다. 상기 회전 구동은 예를 들어, 모터와 웜기어로 및 돔형 지지대의 상부에 형성되어 있는 톱니에 의하여 구현된다. 모터의 방향전환은 회로에 의해 이루어지며 한 방향 회전 운동보다는 좌우 1/4 바퀴씩 번갈아 하는 회전운동이 효율적이다. 이를 통해 요철 및 굴곡에 의한 잡음은 대부분 제거될 수 있다. 본 발명은, 최대의 광학 감도를 유지하기 위해서 적외선 광원으로서 단파장 및 복수파장의 LED를 동시에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 시스템의 상기 구성에 있어서, 조사된 적외선이 피부에서 반사하고 난 후, CCD 디지털 카메라에 의하여 검출되기 직전에 광학 필터로 걸러 줌으로써 효과적인 노이즈 제거 효과를 얻을 수 있다. 상기 광학 필터의 투과 파장은 복수의 LED 파장에 맞추어져 있기 때문에 외부 광원(태양빛, 형광등 등)에 의한 노이즈 제거 역할을 한다.
본 발명은 광학줌렌즈를 사용하여, 광학적으로 확대된 영상을 얻을 수 있다. 디지털 영상 처리를 통한 화면 확대와는 달리 렌즈를 이용하여 원본 영상 자체 를 확대함으로써, 영상의 흐려짐이 없고, 선명한 확대 영상을 얻을 수 있다. 이를 토대로 굵기가 가늘어서 식별이 불가능한 모세 혈관 등을 뚜렷하게 탐지할 수 있다. 줌렌즈 내부에 셔터를 장착하여 들어오는 영상의 세기를 조절하는 기능을 포함하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명은 CCD 디지털 카메라를 통하여 혈관의 영상 정보를 디지털 데이터의 형태로 얻음으로써, 용이하게 상기 정보를 가공하여 원하는 형태로 가시화할 수 있다.
본 발명은 상기 광학줌렌즈와 적외선 투과 필터 사이의 광분리기, 상기 광분리기에 의하여 분리되어 반사된 빛을 받아들이는 제2 CCD 디지털 카메라, 제 1 CCD 디지털 카메라에 의하여 얻어진 흑백의 혈관 영상과, 제 2 CCD 디지털 카메라에 의하여 얻어진 천연색 피부의 영상을 결합하여, 영상 표시 장치에 가시화할 수 있는 프로그램으로 이루어지는 영상 정보 가공 처리 장치를 더 포함하는 구성을 가질 수 있다.
이러한 구성을 통하여, 본 발명은 자연색 영상을 구현할 수 있다. 대상으로부터 반사되는 적외선이 렌즈를 통과한 후, 광분리기 및 광분리기와 제 1 CCD 디지털 카메라 사이에 위치하는 적외선 투과 필터를 통해 혈관 영상 정보를 갖는 적외선과, 자연색 영상 정보를 갖는 가시광선으로 분리하고, 상기 적외선 및 가시광선을 조합하여 혈관 이미지가 강화된 자연색 영상을 얻을 수 있다.
이하에서 본 발명에 따른 실시예를 중심으로 본 발명의 기술적 사상을 설명한다. 다만, 상기 실시예는 본 발명을 이해하기 위한 수단일 뿐이며, 본 발명 의 범위를 한정하지 아니한다.
실시예 1
도 1은 본 발명에 따른 적외선 LED 특수 광원을 이용하여 피하의 혈관을 탐지하여 확대하는 피하 혈관 탐지 영상 장치의 일실시예를 도시한 것이다. 도 1 에 도시된 시스템은 돔형 지지대 (12), 상기 돔형 지지대 (12) 의 내면에 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 배열되는 다수의 적외선 LED (11), 상기 돔형 지지대 (12) 를 회전시키기 위한 모터구동부 (13) 및 상기 모터구동부 (13) 와 맞물리며 상기 돔형 지지대 (12) 에 형성되어 있는 톱니 (14), 상기 돔형 지지대의 상부 중앙에 위치하는 광학줌렌즈 (15), 상기 광학줌렌즈 (15) 를 통과한 빛을 필터링하는 적외선 투과 필터 (16), 상기 적외선 투과 필터 (16) 에 의하여 필터링된 빛을 받아들이는 제1 CCD 디지털 카메라 (17), 상기 제 1 CCD 디지털 카메라 (17) 에 의하여 얻어진 디지털 영상 정보를 가시화하기 위한 영상 표시 장치 (도시되지 않음) 를 포함한다. 광학줌렌즈 (15), 적외선 투과 필터 (16) 및 제 1 CCD 디지털 카메라 (17) 는 상기 돔형 지지대 (12) 로부터 상방으로 순차적으로 고정되어 위치한다.
또한, 본 발명에 따른 피하 혈관 탐지 영상 장치은 디지털 카메라 (17) 에 의하여 얻어진 디지털 영상 정보를 가공 처리할 수 있는 프로그램으로 이루어지는 가공 처리 장치를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서 사용된 적외선 LED는 기존의 LED와는 다른 조명 특성을 가지고 있으며, 도 2 는 이러한 특성을 나타낸다. 도 2 의 그래프는 LED의 투사각 에 따른 세기의 분포를 나타내는데, 도 2 (a) 는 본 발명에 쓰이는 LED의 특성 커브이며, 도 2 (b) 는 일반 LED의 특성 커브이다. 기존의 일반 LED가 중심을 기준으로 양 끝단으로 갈수록 세기가 줄어드는데 반하여, 본 발명에 쓰이는 LED는 투사각에 상관없이 고른 세기 분포를 가지고 있어서 피부의 굴곡 및 요철에 의한 음영 효과를 제거할 수 있다. 그리고, LED 자체에 복수의 파장을 배열할 수 있기 때문에 피부 투과 깊이와 혈액의 흡수도를 최적화할 수 있는 복수의 파장을 부가적인 장치 없이 동시에 비출 수 있다. 본 발명에 쓰일 수 있는 바람직한 LED의 예로서는 나리지온사가 제조한 모델명 HU1294W 제품을 들 수 있다.
도 3 은 본 실시예에 따른 피하 혈관 탐지 영상 장치 (10) 에 있어서 돔형 지지대 (12) 내주면의 적외선 LED 의 배열, 그리고 모터구동부 (13) 및 톱니 (14) 에 의한 돔형 지지대 (12) 의 회전을 도시한다.
적외선 LED의 파장은 피부 투과 깊이와 혈액 흡수도 및 CCD(CMOS) 카메라의 민감성에 의해 결정된다. 도 4 는 CCD의 기본 재료인 실리콘의 빛에 대한 민감도를 도식화한 그래프이다. 또한, 도 5 는 빛의 파장에 따른 피부 투과의 효과를 도시한다. 상기 도 4 및 도 5를 참조하여, 피부 투과 깊이와 혈액 흡수도를 고려하였을 때의 최적 파장이 근적외선 영역임을 고려하여 본 발명 실시예에서는 730nm 및 940nm 의 적외선 LED를 사용하였다.
적외선 투과 필터 (16) 는 기존의 발명들과는 달리 광원의 파장을 선택적으로 거르는 데 쓰는 것이 아니라 외부 광원에 의한 노이즈가 검출기로 들어오는 것을 막기 위한 목적으로 쓰인다. 적외선 LED가 10nm의 좁은 파장영역을 가지기 때문에 램프 등 광대역 파장의 광원을 썼을 때 특정 파장을 선택하기 위해 반드시 필요한 필터의 효과도 동시에 가지고 있어서 전체적으로는 이중의 필터링 효과를 갖는 구조이다. 적외선 LED에 의해 특정 파장에 의한 혈액의 흡수가 강화되고, 광학 필터에 의해 외부 광원에 의한 잡음이 차단되기 때문에 영상의 선명도가 극대화될 수 있다.
본 발명에 따른 다른 피하 혈관 탐지 영상 장치의 실시예는 상기 광학줌렌즈 (15) 와 적외선 투과 필터 (16) 사이의 광분리기 (18), 상기 광분리기 (18) 에 의하여 분리되어 반사된 빛을 받아들이는 제2 CCD 디지털 카메라 (19), 제 1 CCD 디지털 카메라 (17) 에 의하여 얻어진 흑백의 혈관 영상과, 제 2 CCD 디지털 카메라 (19) 에 의하여 얻어진 천연색 피부의 영상을 결합하여, 상기 영상 표시 장치 (6) 에 가시화할 수 있는 프로그램으로 이루어지는 가공 처리 장치를 더 포함할 수 있으며, 이러한 실시예의 구성은 도 6 에 잘 나타나있다.
기존의 발명들과 마찬가지로 도 1 에 도시되어 있는 실시예에서 얻을 수 있는 영상은 광학 필터를 거친 흑백 영상이지만, 도 6 에 도시된 실시예의 구성을 통하여 실제 피부 조직의 자연 색상을 구현할 수 있다. 도 6 에 도시되어 있는 실시예에서는 제 2 CCD 디지털 카메라 (19) 및 광분리기 (18) 가 줌렌즈 (15) 및 적외선 투과 필터 (16) 사이의 공간에 추가 되었다. 반사된 적외선이 줌렌즈 (15) 를 통과한 후 광분리기 (18) 를 거치면서 일부는 적외선 투과 필터 (16) 를 거쳐서 제 1 CCD 디지털 카메라 (17) 에 영상을 맺고, 일부는 필터를 통과하지 않고 제 2 CCD 디지털 카메라 (19) 에 영상을 맺는다. 상기 광분리기 (18) 는 적 외선 영역의 빛을 일부는 투과시키고 일부는 반사시키는 광학 매질로 투과와 반사 간 비율은 조절할 수 있다. 도 6 에서, 광분리기 (18) 에서 투과된 빛이 광학 필터 (16) 를 거쳐서 도 1 의 실시예에서와 같이 적외선 영상을 만들게 되고, 반사된 빛은 바로 제 2 CCD 디지털 카메라 (19) 에 자연색 영상을 만들게 된다. 두 개의 영상은 본 발명 예에서 개발된 소프트웨어를 사용하여, 자연색 영상 위에 적외선 영상의 혈관 구조만 오버랩되도록 하였다. 적외선의 세기가 강할 경우 붉은 색이 강화될 수 있는데 자연색 영상을 위한 제 2 CCD 디지털 카메라 (19) 앞에 적외선 차단 필터를 두어 색 보정을 하는 것도 가능하다.
본 발명에서 개발된 소프트웨어는 CCD카메라로부터 얻은 영상정보를 가공 처리하여 별도의 영상 표시 장치를 통하여 처리된 영상을 보여주는 역할을 수행한다. 영상은 영상 표시 장치안에 내장된 이미지 처리 칩을 통하여 가공 처리되게 된다. 이미지 처리 칩은 기본적으로 CCD카메라를 통하여 얻어진 영상정보를 가공 처리하여 잡음을 제거한다. 잡음을 제거하여 얻은 영상정보에서 혈관 정보를 증폭시켜 디지털화된 혈관 이미지 정보를 이용하면 혈관의 위치를 더욱 선명하고 정확하게 찾아낼 수 있다. 디지털화된 혈관 이미지정보를 이용하므로 혈관의 정확한 위치를 별도의 선으로 표현하는 등 다양한 형태로 가시화할 수 있으므로 이를 이용하여 혈관의 정확한 위치 탐지에 도움을 줄 수 있다. 또한 영상에 다양한 색상을 첨가하여 실제 피부에 있는 혈관을 보는 혈관을 보는 것과 같은 효과를 얻을 수 있도록 실제 관찰 대상의 색 및 형태를 구현할 수 있다.
상기와 같이 설명한 본 발명은 특수한 적외선 LED를 고른 휘도로 샘플에 가할 수 있도록 배열하여 반사되어 나오는 적외선 및 외부 광원에 의한 자연광을 분리 영상 처리하여 자연색 그대로의 바탕에 혈관의 이미지만 강화된 영상을 구현한다. 여기에 기존의 발명이 가지지 못했던, 광학 확대 기능을 사용하여 모세 혈관 조직까지도 탐지가 가능하다.

Claims (4)

  1. 상면에 형성된 톱니 (14) 를 포함하는 돔형 지지대 (12) 와,
    상기 돔형 지지대 (12) 의 내면에 원주 방향으로 일정한 간격을 두고 배열되는 다수의 적외선 광원 (11) 과,
    상기 톱니 (14) 와 맞물려 상기 돔형 지지대 (12) 를 회전시키기 위한 모터구동부 (13) 와,
    상기 돔형 지지대 (12) 의 상부 중앙에, 돔형 지지대 (12) 로부터 멀어지는 방향으로 순차적으로 고정되어 위치하는 광학줌렌즈 (15), 적외선 투과 필터 (16), 제1 CCD 디지털 카메라 (17), 및
    상기 제 1 CCD 디지털 카메라 (17) 에 의하여 얻어진 디지털 영상 정보를 가시화하기 위한 영상 표시 장치를 포함하는 피하 혈관 탐지 영상 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 적외선 광원 (11) 은 LED 인 것을 특징으로 하는 피하 혈관 탐지 영상 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 CCD 디지털 카메라 (17) 에 의하여 얻어진 디지털 영상 정보를 가공 처리할 수 있는 프로그램으로 이루어지는 가공 처리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피하 혈관 탐지 영상 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 광학줌렌즈 (15) 와 적외선 투과 필터 (16) 사이에 위치하는 광분리기 (18),
    상기 광분리기 (18) 에 의하여 분리되어 반사된 빛을 받아들이는 제2 CCD 디지털 카메라 (19),
    제 1 CCD 디지털 카메라 (17) 에 의하여 얻어진 흑백의 혈관 영상과, 제 2 CCD 디지털 카메라 (19) 에 의하여 얻어진 천연색 피부의 영상을 결합하여, 상기 영상 표시 장치에 가시화할 수 있는 프로그램이 장착된 가공 처리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피하 혈관 탐지 영상 장치 (10).
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