KR101278727B1

KR101278727B1 - 호흡 모사 장치

Info

Publication number: KR101278727B1
Application number: KR1020110147433A
Authority: KR
Inventors: 김금배; 지영훈; 정해조; 박승우
Original assignee: 한국원자력의학원
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2013-06-25

Abstract

본 발명에 따른 호흡 모사 장치는, 수평인 상면을 구비한 프레임; 상기 프레임의 상면에 수직인 방향으로 연장되며 상기 프레임에 고정되며 서로 이격된 상태로 배치된 한 쌍의 지지 부재; 상기 지지 부재에 회전 가능하게 결합 되며 일단부에 팬텀을 수용할 수 있는 팬텀 수용부를 구비한 가동 부재; 및 상기 가동 부재에 접촉된 상태로 회전하는 캠을 구비하여 상기 가동 부재가 시소가 작동되는 형태로 주기적인 운동을 유도하는 구동 모듈;을 포함한 것을 특징으로 한다.

Description

호흡 모사 장치{Breathing simulator}

본 발명은 인체의 방사선 조사 분포를 검증하는 팬텀 장치를 수용하여 인체의 호흡 운동을 모사 하는 장치에 관한 것이다. [과제고유번호: 2011-0002305, 과제명: 방사선 치료 내부장기 움직임 추적 의학물리 기술 개발]

의료용으로 사용하는 방사선 중 치료방사선은 암환자의 종양에 가해져 암세포를 사멸시키거나 더 이상 번식하지 못하게 함으로써 암세포가 수명을 다해 죽게 하여 암을 치료하거나 환자의 고통을 경감하기 위해 사용된다.

이와 같은 치료방사선을 이용한 방사선 치료는 예컨대 수술을 한 뒤 암 세포가 남아 있을 가능성이 큰 경우 재발을 방지하기 위해서, 또는 수술을 하지 못하는 경우, 또는 수술보다는 방사선 치료가 더 효과적인 경우, 또는 수술과 방사선 치료를 같이 병행하여 환자의 삶의 질을 높이고자 하는 경우, 또는 항암 약물 치료와 함께 항암 효과를 극대화하기 위해서 행해진다.

방사선치료는 선형가속기(linear accelerator)와 같은 방사선 발생장치를 포함하는 의료장비에 의해 행해진다. 선형가속기는 높은 에너지의 엑스선 또는 전자선을 출력할 수 있음은 물론 출력 선량을 세밀하게 조절할 수 있어 현재 방사선 치료의 표준장비로 사용되고 있다.

그런데, 방사선 치료를 수행할 때에 무엇보다 중요한 것은 방사선 치료장치에서 출력된 방사선량이 적절하도록 제어할 필요가 있다. 종양의 상태나 크기 또는 깊이에 대응한 최적 선량의 방사선을 조사하여야 최대의 치료효과를 거둘 수 있으므로 선형가속기가 최적의 선량을 갖는 방사선을 출력하도록 하는 것은 매우 중요한 일이다.

이에 따라 방사선 치료장치를 사용하기 전에 가속기가 제대로 작동하는지 특히 방사선량의 조절이 정상적으로 이루어져 필요한 선량의 방사선을 출력하는지 등의 동작 정밀성을 미리 확인하여야 한다. 또한, 이와 같은 방사선의 조사량 측정은 실제로 치료가 되어야 할 환자의 몸속 특정 부위에 조사되는 방사선을 측정하는 것이 바람직하다.

이와 같은 목적으로 사용되는 것이 의료계에서 소위 팬텀(phantom)이라 불리는 것으로 인체를 대신하여 방사선 계측이 가능하도록 만들어진 계측 장치이다. 팬텀의 일 예가 한국공개특허 제2007-0118394호에 개시되어 있다.

그런데, 이와 같은 팬텀은 인체의 일부를 모사 하는 장비이므로 실제 인체의 특정 부위에 조사되는 방사선량의 분포를 측정하기 위해서는 팬텀이 인체의 호흡운동과 같은 내부 장기의 움직임을 반영할 필요가 있다. 이와 같은 필요에 의해 사용되는 장치가 호흡 모사 장치이다. 그런데, 종래의 호흡 모사 장치는 실제 호흡 패턴을 재현하는데 제한적이었고 또한 너무 높은 가격 때문에 대중적으로 사용되지 못하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로 구조가 간단하고 제조 비용이 저렴하면서 인체의 호흡에 의한 움직임을 팬텀에 반영할 수 있는 호흡 모사 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 호흡 모사 장치는, 수평인 상면을 구비한 프레임;

상기 프레임의 상면에 수직인 방향으로 연장되며 상기 프레임에 고정되며 서로 이격된 상태로 배치된 한 쌍의 지지 부재;

상기 지지 부재에 회전 가능하게 결합 되며 일단부에 팬텀을 수용할 수 있는 팬텀 수용부를 구비한 가동 부재; 및

상기 가동 부재에 접촉된 상태로 회전하는 캠을 구비하여 상기 가동 부재가 시소가 작동되는 형태로 주기적인 운동을 유도하는 구동 모듈;을 포함한 점에 특징이 있다.

기 가동 부재는 상기 지지 부재를 연결하는 가상의 회전축을 사이에 두고 상기 팬텀 수용부의 반대 쪽에 배치되어 상기 팬텀 수용부에 수용되는 팬텀과 무게 균형을 맞추는 균형 추(balance weight)를 수용하는 균형 추 수용부;를 구비한 것이 바람직하다.

상기 가동 부재는 상기 캠과 접촉하는 부위의 강도를 보강하도록 그 캠과 접촉하는 부위에 부착된 보강 판을 구비한 것이 바람직하다.

상기 구동 모듈은,

상기 프레임의 상면에 고정된 고정 몸체;

상기 고정 몸체를 관통하며 상기 고정 몸체에 회전가능하게 설치된 구동축;

상기 고정 몸체를 사이에 두고 상기 캠의 맞은 편에 배치되며 상기 구동축에 고정된 워엄 휠; 및

상기 워엄 휠에 기어 결합되는 워엄이 구비된 구동 모터;를 포함한 것이 바람직하다.

상기 캠의 측면에는 그 캠의 회전수를 감지할 수 있도록 원형으로 배치된 다수의 인코더가 설치되며,

상기 고정 몸체의 측면에는 상기 인코더의 움직임을 감지하는 센서가 설치된 것이 바람직하다.

상기 센서에 의해 감지된 상기 캠의 회전수를 피드백 받아 상기 구동 모터의 회전수를 조절하는 제어 장치;를 포함한 것이 바람직하다.

상기 프레임의 상면에는 그 프레임의 길이 방향으로 길게 형성된 다수의 위치 조정용 홈부를 구비하며, 상기 구동 모듈 또는 상기 지지 부재는 상기 조정용 홈부에 착탈 가능하게 고정된 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 호흡 모사 장치는 모터와 캠을 채용하여 구조가 간단하고 제조 비용이 저렴하면서 인체의 호흡에 의한 움직임을 팬텀에 반영할 수 있는 호흡 모사 장치를 제공함으로써 대중적으로 호흡 모사 장치를 사용할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 호흡 모사 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 호흡 모사 장치의 내부 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 Ⅲ-Ⅲ 선 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도이다.
도 5는 도 1에 도시된 호흡 모사 장치가 들숨 상태를 모사 하는 모습을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1에 도시된 호흡 모사 장치가 날숨 상태를 모사 하는 모습을 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바림직한 실시 예에 따른 호흡 모사 장치(10)는 프레임(20)과, 지지 부재(30)와, 가동 부재(40)와, 구동 모듈(50)을 포함한다.

상기 프레임(20)은 수평인 상면을 구비한 정반 형태의 부재이다. 상기 프레임(20)의 상면에는 그 프레임(20)의 길이 방향으로 길게 연장된 위치 조정용 홈부(22)를 구비한다. 상기 위치 조정용 홈부(22)에는 후술하는 지지 부재(30) 및 고정 몸체(52)가 볼트, 스크류 등의 체결 부재에 의해 착탈 가능하게 고정된다. 상기 위치 조정용 홈부(22)는 후술하는 구동 모듈(50) 또는 후술하는 지지 부재(30)의 상대적인 위치 조정을 가능하도록 하기 위해 마련된 것이다. 상기 위치 조정용 홈부(22)는 다수 구비된다.

상기 지지 부재(30)는 한 쌍이 구비된다. 상기 지지 부재(30)는 서로 이격된 상태로 배치된다. 상기 지지 부재(30)는 상기 프레임(20)의 상면에 수직인 방향으로 연장된다. 상기 지지 부재(30)는 기둥 형상의 부재이다. 상기 지지 부재(30)의 상부에는 후술하는 가동 부재(40)가 회전가능하게 결합되기 위해 결합용 구멍이 마련된다. 상기 지지 부재(30)는 상기 프레임(20)에 고정된다. 더 구체적으로 상기 지지 부재(30)의 하단부가 상기 위치 조정용 홈부(22)에 볼트, 스크류 등의 체결 부재로 고정된다. 상기 결합용 구멍에는 베어링(32)이 결합된다. 상기 베어링(32)은 후술하는 가동 부재(40)와 상기 지지 부재(30)를 회전가능하게 결합하는 역할을 한다.

상기 가동 부재(40)는 상기 지지 부재(30)에 회전 가능하게 결합된 부재이다. 상기 가동 부재(40)는 상기 베어링(32)을 매개로 상기 지지 부재(30)에 회전가능하게 결합한다. 상기 가동 부재(40)는 상기 지지 부재(30)를 연결하는 가상의 회전축을 중심으로 시소(seesaw)와 같은 형태로 움직인다. 상기 가동 부재(40)는 예컨대 나무, 합성수지와 같은 소재로 제조될 수 있다. 상기 가동 부재(40)는 팬텀 수용부(42)와, 균형 추 수용부(44)와, 보강 판(46)을 포함한다.

상기 팬텀 수용부(42)는 상기 가동 부재(40)의 일단부에 마련된다. 상기 팬텀 수용부(42)는 도 1에 도시된 바와 같이 팬텀(100)을 수용할 수 있도록 된 공간이다. 상기 팬텀 수용부(42)의 테두리에는 팬텀(100)이 그 팬텀 수용부(42)로부터 이탈되는 것을 방지하도록 턱이 형성되어 있는 것이 바람직하다.

상기 균형 추 수용부(44)는 상기 팬텀 수용부(42)에 수용되는 팬텀(100)에 의해 상기 가동 부재(40)의 무게 중심이 한쪽으로 지나치게 치우치는 것을 방지하기 위해 마련된 것이다. 상기 균형 추 수용부(44)에는 상기 팬텀(100)의 무게와 균형을 맞출 수 있는 적절한 무게의 균형 추(110)가 놓여 진다. 상기 균형 추 수용부(44)는 상기 지지 부재(30)를 연결하는 가상의 회전축을 사이에 두고 상기 팬텀 수용부(42)의 반대 쪽에 배치된다.

상기 보강 판(46)은 후술하는 캠(54)과 접촉하는 부위의 강도를 보강하기 위해 마련된 것이다. 상기 보강 판(46)은 캠(54)과 슬라이딩 접촉되며 상기 캠(54)에 의해 가해지는 하중에 의해 상기 가동 부재(40)가 파손되는 것을 방지하도록 마련된 것이다. 상기 보강 판(46)은 스크류, 볼트, 접착제 등의 수단에 의해 상기 가동 부재(40)에 일체로 부착될 수 있다.

상기 구동 모듈(50)은 상기 가동 부재(40)가 상기 지지 부재(30)에 대해 일정한 주기로 시소 형태로 운동하도록 유도한다. 상기 구동 모듈(50)은 고정 몸체(52)와, 캠(54)과, 워엄 휠(56)과, 구동 모터(57)와, 제어 장치(60)를 포함한다.

상고 고정 몸체(52)는 상기 프레임(20)의 상면에 고정된다. 더 구체적으로 상기 고정 몸체(52)는 상기 위치 조정용 홈부(22)에 볼트, 스크류 등의 체결 수단에 의해 고정된다. 상기 고정 몸체(52)는 상기 프레임(20)의 상면으로부터 수직인 방향으로 연장된다. 상고 고정 몸체(52)의 측면에는 후술하는 인코더(55)의 움직임을 감지하는 센서(65)가 설치되어 있다. 상기 센서(65)는 후술하는 캠(54)의 회전수를 측정하기 위해 마련된다. 상기 센서(65)는 후술하는 제어 장치(60)에 캠(54)의 회전수에 대한 정보를 피드백한다. 상기 고정 몸체(52)에는 구동축(53)이 설치된다. 상기 구동축(53)은 상기 고정 몸체(52)에 회전 가능하게 설치된다. 더 구체적으로 상기 구동축(53)은 상기 고정 몸체(52)를 측면 방향으로 관통하도록 설치되어 있다. 상기 고정 몸체(52)와 상기 구동축(53)은 베어링에 의해 회전가능하게 결합 된다.

상기 캠(54)은 상기 구동축(53)의 일단부에 고정된다. 상기 캠(54)은 상기 구동축(53)과 결합하는 부위를 중심으로 측면에서 볼 때 타원 형태인 부재이다. 상기 캠(54)의 외주면은 상기 가동 부재(40)에 접촉된 상태로 배치된다. 더 구체적으로 상기 캠(54)의 외주면은 상기 보강 판(46)에 슬라이딩 접촉되도록 배치된다. 따라서, 상기 캠(54)이 회전함에 따라 상기 가동 부재(40)가 시소 형태로 작동된다. 즉, 상기 캠(54)이 회전함에 따라 상기 팬텀 수용부(42)는 주기적인 운동을 하게 된다. 상기 캠(54)의 측면에는 다수의 인코더(55)가 구비된다. 상기 인코더(55)는 상기 캠(54)의 회전을 감지하기 위해 마련된 것이다. 상기 인코더(55)는 상기 캠(54)의 둘레 방향을 따라 원형으로 배열된다. 상기 인코더(55)의 움직임은 상기 센서(65)에 의해 감지되어 제어 장치(60)에 피드백된다.

상기 워엄 휠(56)은 상기 고정 몸체(52)를 사이에 두고 상기 캠(54)의 맞은 편에 배치된다. 또한, 상기 워엄 휠(56)은 상기 구동축(53)에 고정된다. 상기 워엄 휠(56)의 외주면에는 기어부가 형성된다.

상기 구동 모터(57)는 상기 워엄 휠(56)을 구동시키는 모터이다. 상기 구동 모터(57)의 출력축은 상기 위치 조정용 홈부(22)의 길이 방향으로 배치된다. 상기 구동 모터(57)의 출력축에는 워엄(58)이 형성된다. 상기 워엄(58)은 상기 워엄 휠(56)에 기어 결합된다. 따라서, 상기 구동 모터(57)가 작동함에 따라 상기 워엄(58)이 회전하고 그 워엄(58)의 회전방향과 직각으로 상기 워엄 휠(56)이 회전하게 된다.

상기 제어 장치(60)는 상기 구동 모터(57)의 회전을 제어하기 위해 마련된 것이다. 상기 제어 장치(60)는 상기 구동 모터(57) 및 상기 센서(65)와 전기적으로 연결되어 있다.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성 요소를 포함한 호흡 모사 장치(10)의 동력 전달과정을 예로 들어 본 발명의 작용 효과를 상세하게 서술하기로 한다.

도 2를 참조하면, 상기 팬텀 수용부(42)에 팬텀(100)이 설치된다. 상기 팬텀(100)의 예컨대 사람의 몸체에 대응된다. 상기 균형 추 수용부(44)에는 상기 팬텀(100)의 무게와 균형을 이룰 수 있는 추가 설치된다. 상기 제어 장치(60)에 의해 상기 구동 모터(57)가 작동한다. 상기 구동 모터(57)가 작동하면 상기 워엄(58)이 회전한다. 상기 워엄(58)이 회전함에 따라 상기 워엄 휠(56)이 회전한다. 상기 워엄 휠(56)이 회전함에 따라 상기 구동축(53)이 상기 워엄 휠(56)에 종속적으로 회전한다. 상기 구동축(53)이 회전하면 상기 캠(54)이 회전한다. 상기 캠(54)이 회전하면 상기 가동 부재(40)가 시소(seesaw) 운동을 하게 된다. 즉, 상기 팬텀 수용부(42)가 도 5에 도시된 상태로부터 도 6에 도시된 상태로 서로 왕복 운동을 하게 된다. 즉, 상기 가동 부재(40)가 상기 지지 부재(30)를 연결하는 가상의 회전축을 중심으로 시소 운동을 하게 되는 것이다. 도 5에 도시된 상태는 사람이 둘숨 상태에 있을 때의 팬텀의 위치를 모사 한다. 한편, 도 6에 도시된 상태는 사람이 날숨 상태에 있을 때 팬텀의 위치를 모사 한다. 이와 같이 본 발명에 따른 호흡 모사 장치는 구동 모터(57)와 캠(54)을 사용하여 간단하면서도 사람의 들숨과 날숨에 따른 신체의 움직임을 모사할 수 있으므로 팬텀(100)을 통한 방사선 측정량을 검증할 때 매우 현실적으로 사용될 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 상기 팬텀 수용부(42)의 최고 위치와 최저 위치는 상기 지지 부재(30)와 상기 고정 몸체(52) 간 거리를 상대적으로 조정함으로써 변화시킬 수 있다. 한편, 상기 팬텀 수용부(42)의 거동은 형태가 서로 다른 상기 캠(54)을 교환하여 설치함으로써 서로 다른 거동을 구현할 수 있다. 또한, 상기 팬텀 수용부(42)의 움직임의 주기는 상기 구동 모터(57)의 회전수를 변화시킴으로써 조절이 가능하다. 이와 같이 본 발명에 따른 호흡 모사 장치(10)는 사람의 신체 조건에 따라 달라지는 변수를 조정할 수 있으면서 구조는 매우 간단하여 제조 비용이 저렴하므로 대중적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 호흡 모사 장치는 모터와 캠을 채용하여 구조가 간단하고 제조 비용이 저렴하면서 인체의 호흡에 의한 움직임을 팬텀에 반영할 수 있는 호흡 모사 장치를 제공함으로써 대중적으로 호흡 모사 장치를 사용할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

10 : 호흡 모사 장치 20 : 프레임
22 : 위치 조정용 홈부 30 : 지지 부재
32 : 베어링 40 : 가동 부재
42 : 팬텀 수용부 44 : 균형 추 수용부
46 : 보강 판 50 : 구동 모듈
52 : 고정 몸체 53 : 구동축
54 : 캠 55 : 인코더
56 : 워엄 휠 57 : 구동 모터
58 : 워엄 60 : 제어 장치
65 : 센서 100 : 팬텀
110 : 균형 추

Claims

수평인 상면을 구비한 프레임;
상기 프레임의 상면에 수직인 방향으로 연장되며 상기 프레임에 고정되며 서로 이격된 상태로 배치된 한 쌍의 지지 부재;
상기 지지 부재에 회전 가능하게 결합 되며 일단부에 팬텀을 수용할 수 있는 팬텀 수용부를 구비한 가동 부재; 및
상기 가동 부재에 접촉된 상태로 회전하는 캠을 구비하여 상기 가동 부재가 시소가 작동되는 형태로 주기적인 운동을 유도하는 구동 모듈;을 포함한 것을 특징으로 하는 호흡 모사 장치.
제1항에 있어서,
상기 가동 부재는 상기 지지 부재를 연결하는 가상의 회전축을 사이에 두고 상기 팬텀 수용부의 반대 쪽에 배치되어 상기 팬텀 수용부에 수용되는 팬텀과 무게 균형을 맞추는 균형 추(balance weight)를 수용하는 균형 추 수용부;를 구비한 것을 특징으로 하는 호흡 모사 장치.
제1항에 있어서,
상기 가동 부재는 상기 캠과 접촉하는 부위의 강도를 보강하도록 그 캠과 접촉하는 부위에 부착된 보강 판을 구비한 것을 특징으로 하는 호흡 모사 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동 모듈은,
상기 프레임의 상면에 고정된 고정 몸체;
상기 고정 몸체를 관통하며 상기 고정 몸체에 회전가능하게 설치된 구동축;
상기 고정 몸체를 사이에 두고 상기 캠의 맞은 편에 배치되며 상기 구동축에 고정된 워엄 휠; 및
상기 워엄 휠에 기어 결합되는 워엄이 구비된 구동 모터;를 포함한 것을 특징으로 하는 호흡 모사 장치.
제4항에 있어서,
상기 캠의 측면에는 그 캠의 회전수를 감지할 수 있도록 원형으로 배치된 다수의 인코더가 설치되며,
상기 고정 몸체의 측면에는 상기 인코더의 움직임을 감지하는 센서가 설치된 것을 특징으로 하는 호흡 모사 장치.
제5항에 있어서,
상기 센서에 의해 감지된 상기 캠의 회전수를 피드백 받아 상기 구동 모터의 회전수를 조절하는 제어 장치;를 포함한 것을 특징으로 하는 호흡 모사 장치.
제1항에 있어서,
상기 프레임의 상면에는 그 프레임의 길이 방향으로 길게 형성된 다수의 위치 조정용 홈부를 구비하며, 상기 구동 모듈 또는 상기 지지 부재는 상기 조정용 홈부에 착탈 가능하게 고정된 것을 특징으로 하는 호흡 모사 장치.