KR101014302B1 - 생체 전류원의 위치 및 세기 측정방법 및 그 장치 - Google Patents

생체 전류원의 위치 및 세기 측정방법 및 그 장치 Download PDF

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임경수
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서강대학교산학협력단
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    • G01R33/323—Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR
    • G01R33/326—Detection of MR without the use of RF or microwaves, e.g. force-detected MR, thermally detected MR, MR detection via electrical conductivity, optically detected MR involving a SQUID

Abstract

본 발명은 생체자기 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 생체자기를 측정하여 생체 전류원의 위치와 세기를 역으로 측정하는 장치와 그 방법에 관한 것으로, 본 발명은 다수의 3차원 스퀴드 센서로부터 검출되는 자장 데이터(
Figure 112003032392017-pat00001
)중
Figure 112003032392017-pat00002
성분이 0인 다양체(Γ)를 추출하는 단계와; 추출된 다양체(Γ)와 수직인 축을 X'축으로 선택하여 새로운 좌표계를 생성하되, 그 생성된 좌표계상에서 전류원의 위치와 전류원의 크기가 각각 (0,0,c)와 (0,q,0)으로 초기화되도록 좌표계를 변환하는 단계와; 상기 전류원의 위치와 크기성분의 하나인 c와 q를 맥스웰 방정식의 역문제 해법을 통해 계산한후, 변환된 좌표계(X',Y',Z')의 역변환을 수행하여 상기 계산에 의해 얻어진 전류원의 위치(0,0,c)와 크기(0,q,0)를 원 좌표계(X,Y,Z축)상의 전류원 위치와 그 전류원의 크기로 표시하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.
맥스웰 방정식, 전류원, 생체자기.

Description

생체 전류원의 위치 및 세기 측정방법 및 그 장치{APPARATUS AND METHOD FOR SEARCHING A CURRENT SOURCE LOCATION IN THE BODY}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체 전류원의 위치 및 세기 측정을 설명하기 위한 시스템 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체 전류원의 위치 및 세기 측정 흐름도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 새로이 좌표계가 생성되는 것을 보이기 위한 도면.
본 발명은 생체자기 측정 시스템에 관한 것으로, 특히 생체자기를 측정하여 생체 전류원의 위치와 세기를 역으로 측정하는 장치와 그 방법에 관한 것이다.
인체의 근육이나 신경조직에서 세포의 활동에 의한 이온전류가 발생하는데, 이러한 활동전류에 의해 발생된 자장을 생체자기라 한다. 생체자기는 시간에 따라 끊임없이 변하므로 스퀴드(SQUID)의 좋은 측정 대상이다.
스퀴드(SQUID:Super Conducting Quantum Interference device), 일명 초전도양자간섭소자는 초전도 성질을 이용하여 아주 미세한 자기장을 측정하는 기구로서 생체자기를 측정하는데 중요한 구성요소중의 하나이다. 최근에는 이러한 스퀴드를 이용하여 뇌 속의 신경활동에 의해 발생하는 뇌자도 신호를 얻어낸다거나, 심장에서 발생하는 자기신호를 검출하는 생체자기 측정 기술이 각광받고 있다.
스퀴드를 이용하여 뇌자도 신호를 얻어내는 장치를 보통 뇌자도 측정장치라 하는데, 이러한 뇌자도 측정장치는 뇌에서 발생하는 자기신호의 동적특성을 여러 위치에서 동시에 측정하여 신호 발생 부위를 찾아낸다. 한편 스퀴드를 이용하여 심장에서 발생하는 자기신호를 측정하는 장치를 보통 심자도 측정장치라 하는데, 이러한 심자도 측정장치 역시 심장돌연사의 예측, 부정맥의 발생위치 추정이 가능하므로 심전도 측정장치를 대체할 것으로 예측된다.
한편 예시한 뇌자도(MEG) 혹은 심자도(MCG) 측정장치에서는 맥스웰 방정식의 정문제 해결을 통해 전류원의 위치와 세기를 측정한다. 맥스웰 방정식의 정문제 해결을 통해 전류원의 위치와 세기를 측정하는 방법을 간략히 설명하면, 우선 yz평면에 존재하는 전류원의 위치와 전류 세기값을 초기치로 가정한후 맥스웰 방정식의 정문제 해법을 이용하여 x에 대한
Figure 112003032392017-pat00003
,
Figure 112003032392017-pat00004
,
Figure 112003032392017-pat00005
의 자장성분값을 구한다. 이와 같은 방식으로 미리 정해진 범위내에서 초기치들을 변경해 가면서 자장성분값을 구한다. 그리고 각 초기치에 대해 구해진 자장성분의
Figure 112003032392017-pat00006
값들중 실제 스퀴드 센서로부터 얻어진 자장성분의
Figure 112003032392017-pat00007
값과 가장 근사한
Figure 112003032392017-pat00008
값을 찾는다. 그러면 찾아진
Figure 112003032392017-pat00009
값을 얻기 위해 입력된 초기치가 바로 우리가 찾고자 하는 전류원의 위치가 되는 것이다.
상술한 바와 같이 일반적인 생체자기 측정장치에서는 맥스웰 방정식의 정문제 해법을 통해 전류원의 위치를 추적하므로서, 전류원 위치 추적을 위한 프로세스 처리시간이 장기화됨은 물론 해의 유일성이 없기 때문에 오차가 큰 단점이 있다.
따라서 본 발명의 목적은 생체자기를 측정하여 역으로 생체 전류원의 위치와 세기를 고속으로 보다 정확하게 측정할 수 있는 생체 전류원의 위치 및 세기 측정방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
더 나아가 본 발명의 목적은 3차원 스퀴드 센서를 활용하여 생체 전류원의 위치와 세기를 측정함으로서, 3차원 스퀴드 센서들의 응용범위를 확장시켜 줄 수 있는 생체 전류원의 위치 및 세기 측정방법 및 그 장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 방법은 컴퓨터 시스템에서 실행 가능한 방법으로서,
다수의 3차원 스퀴드 센서로부터 검출된 자장 데이터(
Figure 112003032392017-pat00010
)를 입력받는 단계와;
입력된 각 센서의 자장성분중
Figure 112003032392017-pat00011
성분이 0인 다양체(Γ)를 추출하는 단계와;
추출된 다양체(Γ)와 수직인 축을 X'축으로 선택하여 새로운 좌표계를 생성하되, 그 생성된 좌표계상에서 전류원의 위치와 전류원의 크기가 각각 (0,0,c)와 (0,q,0)으로 초기화되도록 좌표계를 변환하는 단계와;
상기 전류원의 위치와 크기성분의 하나인 c와 q를 하기 수학식에 근거하여 계산하는 단계와;
Figure 112008061925892-pat00039
Figure 112008061925892-pat00040
여기서,
Figure 112008061925892-pat00041
(단
Figure 112008061925892-pat00042
는 유도된 자기장 벡터의
Figure 112008061925892-pat00043
방향성분이다)이며,
Figure 112008061925892-pat00044
는 구면인체의 중심과 센서까지의 거리이다.
변환된 좌표계(X',Y',Z')의 역변환을 수행하여 상기 계산에 의해 얻어진 전류원의 위치(0,0,c)와 크기(0,q,0)를 원 좌표계(X,Y,Z축)상의 전류원 위치와 그 전류원의 크기로 표시하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.
아울러 본 발명의 실시예에 따른 좌표계 변환단계는,
상기 추출된 다양체(Γ)와 수직인 축을 X'축으로 선택하고, 상기 다양체(Γ)상에서
Figure 112003032392017-pat00013
성분이 최대인 좌표축을 Y'축으로 선택함과 아울러 상기 X'축과 수직인 축을 Z'축으로 선택하여 좌표계를 변환시킴을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 생체 전류원의 위치 및 세기 측정을 설명하기 위한 시스템 구성도를 도시한 것으로, 보다 구체적으로는 뇌자도 측정장치의 구성을 간략화한 것이다.
도 1을 참조하면, 스퀴드 센서(100)는 사람의 뇌에서 발생하는 자장을 측정하여 자기 파형에 비례하는 스퀴드 전압을 출력한다. 이러한 스퀴드 전압은 자속신호에 대해 비선형적인 특성을 가지므로 일반적인 스퀴드 센서(100)는 FLL회로를 사용하여 자속신호에 대해 선형적인 출력을 얻는다. 또한 일반적인 스퀴드 센서(100)는 넓은 부위의 자장분포를 동시에 측정하기 위해 여러 개의 센서를 동시에 작동시켜 측정하는 다채널 시스템으로, 사용목적에 따라 19∼150채널의 평면형 혹은 곡면형 측정장치가 사용된다. 이러한 스퀴드 센서(100)는 외부의 자기잡음 영향을 최소화하기 위해 μ-메탈과 Al로 구성된 자기차폐실에서 일반적으로 운영되어진다.
디지털 신호처리 프로세서(DSP:200)는 언급한 스퀴드 센서(100)로부터 출력되는 스퀴드 전압을 증폭하고 증폭 전압을 신호 처리하여 노이즈 제거 출력한다.
전류원 위치 측정부(300)는 상기 DSP(200)로부터 출력되는 센서별 자장 데이터를 입력하여 맥스웰 방정식의 역문제 해법을 통해 전류원의 위치(
Figure 112003032392017-pat00014
)와 크기를 계산하여 출력한다. 이러한 전류원의 위치와 크기는 모니터(400)를 통해 외부로 출력 가능하다.
이하 도 2와 도 3을 참조하여 전류원 위치 측정부(300)에서 실행되는 전류원의 위치와 크기 계산과정을 구체적으로 설명하기로 한다.
우선 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 생체 전류원의 위치 및 세기 측정 흐름도를 도시한 것이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 새로이 좌표계가 생성되는 것을 보이기 위한 도면을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 우선 스퀴드 센서(100)로부터 검출된 자장 데이터(
Figure 112003032392017-pat00015
)가 입력(410단계)되면 전류원 위치 측정부(300)는 입력된 센서별 자장 데이터중(구면좌표상에서) 자장
Figure 112003032392017-pat00016
인 다양체 Γ를 추출(420단계)한다. 일반적으로 전류원인 다이폴의 수직 연장선상에 놓인 센서의
Figure 112003032392017-pat00017
이 되기 때문에,
Figure 112003032392017-pat00018
인 다양체 Γ를 추출할 수 있게 되는 것이다.
다양체가 추출되었으면 전류원 위치 측정부(300)는 다양체 Γ와 수직인 축을 도 3에 도시한 바와 같이 X'축으로 선택(430단계)한다. 그리고 Γ상에서 자장데이터
Figure 112008061925892-pat00045
가 최대인 좌표의 축을 도 3에 도시한 바와 같이 Y'축으로 선택(440단계)하고, Γ상에서 X'축과 수직인 축을 Z'축으로 선택(450단계)하면 도 3에 도시한 바와 같은 새로운 좌표계가 생성된다. 그리고 생성된 좌표계에서 전류원의 위치는 (0,0,c)로 초기화됨은 물론 전류원의 전류크기는 (0,q,0)으로 초기화(460단계)된다.
이와 같이 좌표계 변환(430단계 내지 450단계)에 의해 전류원의 위치와 전류원의 크기가 각각 (0,0,c)와 (0,q,0)로 초기화되면 전류원 위치 측정부(300)는 맥스웰 방정식의 역문제를 계산(470단계)하여 c,q를 획득(480단계)한다.
맥스웰 방정식의 역문제를 계산하여 c, q를 획득하기 위한 수학식은 하기 수학식 2와 3에 의해 얻어질 수 있다.
Figure 112008061925892-pat00046
Figure 112008061925892-pat00047
삭제
삭제
상기 수학식 2,3에서
Figure 112008061925892-pat00048
는 구면인체의 중심으로부터 센서 위치까지의 거리를 나타내고 있으며, R은
Figure 112008061925892-pat00049
의 최소값과 최대값의 비율(
Figure 112008061925892-pat00050
)을 나타낸 것으로서, R은
Figure 112008061925892-pat00051
이기 때문에 상기 수학식 1을 통해 c를 계산할 수 있다.
또한 상기 수학식 2에 기재된 q는 하기 수학식 4와 상기 수학식 1 혹은 하기 수학식 5와 상기 수학식 1로부터 유도할 수 있다.
Figure 112008061925892-pat00052
여기서,
Figure 112008061925892-pat00053
는
Figure 112008061925892-pat00054
또는
Figure 112008061925892-pat00055
이다.(단,
Figure 112008061925892-pat00056
,
Figure 112008061925892-pat00057
는 구면좌표계의 각을 나타낸다)
Figure 112008061925892-pat00058
여기서,
Figure 112008061925892-pat00059
는
Figure 112008061925892-pat00060
또는
Figure 112008061925892-pat00061
이다.(단,
Figure 112008061925892-pat00062
,
Figure 112008061925892-pat00063
는 구면좌표계의 각을 나타낸다)
예를 들어 설명하면, R의 값이 '1.89232'이고,
Figure 112008061925892-pat00064
가 '20'이라면, 위의 수학식 2에 의해 산출되는 c의 값은 '3.16227'이 되며, 수학식 4를 통해 q를 역산해 보면,
Figure 112008061925892-pat00074
이므로,
q의 값은 3.74166이 된다.
따라서, 전류원의 위치(0, 0, c)는 (0, 0, 3.16227)이며, 전류의 크기(0, q, 0)은 (0, 3.74166, 0)이 되며, 나아가, 이를 역변환하면, 전류원의 위치와 전류의 크기는(0.996073, 3.0013, 0.00261809)와 (-3.00183, 0.994505, 2)가 된다.
아래의 표 1에는 4가지 경우에서 이와 같이 산출된 데이터를 도시하고 있다.
Numerical results of four examples
Original current
(x0 and Q)		 Calculated current l2-error
(1,3,0)
(-3,1,2)		 (0.996073,3.0013,0.00261809)
(-3.00183,0.994505,2)		 0.00489
0.00579
(1,2,3)
(6,-2,-2/3)		 (1.0028,1.99905,2.99968)
(5.99866,-2.00271,-0.670716)		 0.00297
0.00505
(-1,1,-3)
(1,-2,-1)		 (-1,1,-3)
(1.00003,-1.99997,-1)		 0
0.00004
(0,0.485077,3.71008)
(0,6.30592,-0.824473)		 (0,0.480613,3.71066)
(0,6.30691,-0.816886)		 0.00450
0.00765
Note : The number of samples=16×16 on rs = 20
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따르면, 3차원 스퀴드 센서로부터 검출 된 자장 데이터를 입력한후 맥스웰 방정식의 역문제 해법을 통해 전류원의 위치와 그 크기를 계산해 낼 수 있기 때문에, 생체 전류원의 위치와 세기를 고속으로 보다 정확하게 측정할 수 있게 되는 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명은 생체자기를 측정하여 역으로 생체 전류원의 위치와 세기를 측정하기 때문에 맥스웰 방정식의 정문제 해법을 이용한 생체자기 측정방법 보다 고속으로 생체 전류원의 위치를 측정할 수 있음은 물론, 해의 유일성으로 인해 보다 정확하게 전류원의 위치를 측정할 수 있는 이점이 있다.
또한 본 발명은 3차원 스퀴드 센서를 활용하여 생체 전류원의 위치와 세기를 측정함으로서, 3차원 스퀴드 센서의 응용범위를 확장시켜 줄 수 있는 효과가 있다.
한편 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에 통상의 지식을 지닌자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

  1. 다수의 3차원 스퀴드 센서로부터 검출된 자장 데이터(
    Figure 112010043366513-pat00066
    )로부터 전류원의 위치와 크기를 측정하는 방법에 있어서,
    상기 각각의 스퀴드 센서로부터 검출된 자장성분중
    Figure 112010043366513-pat00067
    성분이 0인 다양체(Γ)를 추출하는 단계와;
    추출된 다양체(Γ)와 수직인 축을 X'축으로 선택하여 새로운 좌표계를 생성하되, 그 생성된 좌표계상에서 전류원의 위치와 전류원의 크기가 각각 (0,0,c)와 (0,q,0)으로 초기화되도록 좌표계를 변환하는 단계와;
    상기 전류원의 위치와 크기성분의 하나인 c와 q를 하기 수학식 6에 근거하여 계산하는 단계와;
    Figure 112010043366513-pat00068
    Figure 112010043366513-pat00069
    ,
    변환된 좌표계(X',Y',Z')의 역변환을 수행하여 상기 계산에 의해 얻어진 전류원의 위치(0,0,c)와 크기(0,q,0)를 원 좌표계(X,Y,Z축)상의 전류원 위치와 그 전류원의 크기로 표시하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 생체 전류원의 위치 및 세기 측정방법.
    상기 Br은 유도된 자기장 벡터의 r방향 성분, 상기 Bθ는 유도된 자기장 벡터의 θ방향 성분, 상기 Bφ는 유도된 자기장 벡터의 φ방향 성분, rs는 구면인체의 중심으로부터 센서위치까지의 거리,
    Figure 112010043366513-pat00075
    이다.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 좌표계를 변환하는 단계는,
    상기 추출된 다양체(Γ)와 수직인 축을 X'축으로 선택하고, 상기 다양체(Γ)상에서 자장성분
    Figure 112010043366513-pat00032
    가 최대인 좌표축을 Y'축으로 선택함과 아울러 상기 X'축과 수직인 축을 Z'축으로 선택하여 좌표계를 변환시킴을 특징으로 하는 생체 전류원의 위치 및 세기 측정방법.
    상기 Bθ는 유도된 자기장 벡터의 θ방향 성분이다.
  3. 생체 전류원의 위치 및 세기 측정장치에 있어서,
    생체내 전류원으로부터 발생하는 자장을 측정하여 스퀴드 전압으로 출력하는 다수의 3차원 스퀴드 센서와;
    상기 스퀴드 센서로부터 출력되는 스퀴드 전압을 증폭하고 노이즈 제거 출력하는 디지털 신호처리 프로세서와;
    노이즈 제거된 센서별 자장 데이터(
    Figure 112010043366513-pat00070
    )로부터 맥스웰 방정식의 역문제 해법을 통해 전류원의 위치와 크기를 계산하여 출력하는 전류원 위치 측정부;를 포함하되,
    상기 전류원 위치 측정부는,
    상기 스퀴드 센서로부터 검출된 자장성분중
    Figure 112010043366513-pat00071
    성분이 0인 다양체(Γ)를 추출하고, 그 추출된 다양체(Γ)와 수직인 축을 X'축으로 선택하여 새로운 좌표계를 생성하되, 그 생성된 좌표계상에서 전류원의 위치와 전류원의 크기가 각각 (0,0,c)와 (0,q,0)으로 초기화되도록 좌표계를 변환하며, 하기 수학식 7에 기초하여 얻어진 c와 q를 포함하는 전류원의 위치(0,0,c)와 크기(0,q,0)를 원 좌표계(X,Y,Z축)상의 전류원 위치와 크기로 계산하여 출력함을 특징으로 하는 생체 전류원의 위치 및 세기 측정장치.
    Figure 112010043366513-pat00072
    Figure 112010043366513-pat00073
    상기 Br은 유도된 자기장 벡터의 r방향 성분, 상기 Bθ는 유도된 자기장 벡터의 θ방향 성분, 상기 Bφ는 유도된 자기장 벡터의 φ방향 성분, rs는 구면인체의 중심으로부터 센서위치까지의 거리,
    Figure 112010043366513-pat00076
    이다.
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