KR101483429B1 - 레이저 빔을 이용하여 촉감을 제공할 수 있는 청진기 - Google Patents

레이저 빔을 이용하여 촉감을 제공할 수 있는 청진기 Download PDF

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KR101483429B1
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정순철
김형식
박종락
민병찬
전재훈
배영민
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건국대학교 산학협력단
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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B7/00—Instruments for auscultation
    • A61B7/02—Stethoscopes

Abstract

본 발명은 레이저 빔을 이용하여 촉감을 제공할 수 있는 청진기에 관한 것으로서, 청진기 헤드로 전달되는 음파를 분석하는 음파 분석부; 및 상기 음파 분석부에 의해 분석된 음파 정보를 바탕으로, 촉감을 발생시키는 촉감 발생부;를 포함하고, 상기 촉감 발생부가 생성하는 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 이용하여 촉감을 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이저 빔을 이용하여 촉감을 제공할 수 있는 청진기{STETHOSCOPE CAPABLE OF PROVIDING TACTILE SENSE USING LASER BEAM}
본 발명은 레이저 빔을 이용하여 촉감을 제공할 수 있는 청진기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 청진기 헤드로 전달되는 음파를 분석하고, 분석된 음파 정보를 바탕으로 레이저 빔의 파라미터를 조절할 수 있으며, 파라미터가 조절된 레이저 빔을 이용하여 상기 음파와 대응되는 촉감을 발생시킬 수 있는 청진기에 관한 것이다.
'청진기(Stethoscope)'란, 대상물에서 발생 되는 소리를 청취하는 데에 활용되는 기구이다. 이러한 청진기는 다양한 산업 분야에서 활용되고 있는데, 특히 환자의 건강 상태를 체크 하기 위한 의학 용도로써 널리 사용되고 있다. 구체적으로, 환자의 체내에서 발생하는 체내음(심음, 호흡음, 동맥음, 장잡음, 혈관음 등)을 청취하기 위한 의학 용도로써 널리 활용되고 있다.
한편, 최근 기술이 발전 됨에 따라 새로운 형태의 청진기들이 개발되고 있다. 대표적으로 전자 기술이 접목된 '전자 청진기'가 개발되고 있는데, 예를 들어, 청진기 헤드로 전달되는 음파를 전기 신호로 변환한 뒤에 증폭하여 출력하는 전자 청진기, 청진기 헤드로 전달되는 가청 주파수 영역을 벗어난 음파를 가청 주파수 영역으로 변환시킨 뒤에 출력시키는 전자 청진기 등이 개발되고 있다.
하지만, 최근에 새롭게 개발되고 있는 이러한 전자 청진기들도 여전히 전통적인 청진기의 개념을 벗어나지 못한 장치들에 불과하며, 종래와 마찬가지로 '청각 자극'의 형태로만 음파 정보를 제공할 뿐이다.
따라서, 청진기 헤드에 전달되는 음파 정보를 '청각 자극' 이외의 형태로도 제공할 수 있는 새로운 개념의 청진기가 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 기술적 배경을 바탕으로 발명되었으며, 이상에서 살핀 기술적 요구를 충족시킴은 물론, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 용이하게 발명할 수 없는 추가적인 기술요소들을 제공하기 위해 발명되었다.
본 발명은 청진기 헤드로 전달되는 음파 정보를 바탕으로, 촉감을 발생시킬 수 있는 청진기를 제공하는 것을 해결 과제로 한다.
또한, 본 발명은 레이저 빔을 이용하여 촉감을 발생시킬 수 있는 청진기를 제공하는 것을 해결 과제로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 포함될 수 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 청진기 헤드로 전달되는 음파를 분석하는 음파 분석부; 및 상기 음파 분석부에 의해 분석된 음파 정보를 바탕으로, 촉감을 발생시키는 촉감 발생부;를 포함하고, 상기 촉감 발생부는, 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 생성하며, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 촉감을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 촉감 발생부가, 상기 청진기 헤드로 전달되는 음파의 변화에 따라 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 변화시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 음파 분석부가, 수신되는 음파의 주파수(Frequency) 또는 크기(Amplitude)를 분석하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 촉감 발생부가, 수신되는 음파의 주파수가 높아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 증가시키고, 수신되는 음파의 주파수가 낮아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 촉감 발생부가, 수신되는 음파의 진폭이 커지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 증가시키고, 수신되는 음파의 진폭이 작아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 음파 분석부가, 상기 청진기 헤드로 전달되는 음파의 패턴과 표준 음파의 패턴을 비교하여 유사도를 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 촉감 발생부가, 상기 유사도가 기 설정된 범위를 벗어난다고 판단하는 경우, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 촉감을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지가 0.005 mJ 내지 9.5 mJ의 범위에 속하는 값으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 단위 펄스당 에너지가, 상기 펄스 레이저 빔의 세기(Power) 조절 또는 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulsed width) 조절을 통해 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 펄스 폭이 수십 ms(millisecond) 이하의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기는, 상기 촉감 발생부가 복수 개로 형성되고, 청진기 헤드 상의 접촉 정보에 따라 선택적으로 동작하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은, 청진기 헤드로 전달되는 음파 정보를 '청각 자극'뿐 아니라 '촉감 자극'의 형태로도 제공할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 펄스 레이저 빔을 이용하여 청진기 사용자에게 촉감 자극을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 청각 자극의 수용 상태가 좋지 않은 사용자(청각 능력이 떨어지는 사용자, 소음이 심한 환경에 놓여 있는 사용자)에게도 음파 정보를 효과적으로 전달할 수 있다. 또한, 2 가지 자극을 이용하여 음파 정보를 제공할 수 있으므로, 음파 정보 전달의 정확성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 펄스 레이저 빔에 의한 촉감 자극을 이용하여 음파 정보를 분석한 2차적인 정보를 제공할 수도 있다. 예를 들어, 본 발명은 청진기 헤드로 전달되는 음파의 패턴을 분석한 뒤에, 음파의 패턴이 정상적이지 않는 경우 상기 촉감 자극을 이용하여 알람(Alarm) 정보를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 청진기 헤드 중 인체(손가락)와 접촉한 부분에서만 레이저가 방출되도록 레이저 빔을 제어할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 청진기 헤드에 형성되는 접촉 감지 센서를 이용하여 인체(손가락)의 접촉 영역을 감지할 수 있으며, 인체와 접촉한 부분에서만 레이저가 방출되도록 레이저 빔을 제어할 수 있다.따라서, 이러한 제어 동작을 통해 레이저 빔이 자유 공간상에 방출되는 것을 방지할 수 있으며, 자유 공간상에 방출되는 레이저 빔에 의해 시각이 교란되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 본 발명은 펄스 레이저 빔을 이용하여 '광-기계적 촉감'을 제공할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 단위 펄스당 에너지가 0.005 mJ 이상의 값으로 조절되고, 펄스 폭이 ms(millisecond) 이하인 펄스 레이저 빔을 이용하여, 인체에 광-기계적 촉감을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 '광-열적 촉감' 또는 '광-화학적 촉감'이 아닌 '광-기계적 촉감'을 제공하므로, '광-열적 촉감' 또는 '광-화학적 촉감'에 의해 발생 될 수 있는 부작용을 최소화시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 인체의 피부에는 손상을 가하지 않으면서 광-기계적 촉감을 제공할 수 있다. 구체적으로, 본 발명은 단위 펄스당 에너지를 0.005 mJ 내지 9.5 mJ의 범위에서 조절하여, 인체의 피부에는 손상을 가하지 않으면서 광-기계적 촉감을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 광학적인 방법을 이용하여 촉감을 제공하므로, 기계적 방법을 이용할 경우의 진동, 떨림 등에 의한 오인을 원천적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 효과들이 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기가 펄스 레이저 빔을 이용하여 촉감을 발생시키는 것을 나타내는 개념도이다.
도 3은 펄스 레이저 빔의 파라미터들을 보여주는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기의 동작을 나타내는 예시도이다.
도 5는 펄스 레이저 빔에 의한 광-기계적 촉감을 검증하기 위한 실험 시스템의 구성을 나타내는 구성도이다.
도 6은, 피에조 센서(Piezo sensor)의 출력 신호를 보여주는 그래프이다.
도 7은, 피에조 센서의 출력 신호를 처리하는 과정을 나타내는 블록도이다.
도 8 및 도 9는, 레이저 발생 모듈의 단위 펄스당 에너지와 피에조 센서의 출력 신호 사이의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은, 레이저 자극에 의한 뇌파 변화와 순수 기계적 자극에 의한 뇌파 변화를 비교 관찰하는 실험을 나타내는 개념도이다.
도 11 내지 도 12는, 도 10에서 살펴본 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 '레이저 빔을 이용하여 촉감을 제공할 수 있는 청진기'를 상세하게 설명한다. 설명하는 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로 이에 의해 본 발명이 한정되지 않는다. 또한, 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시 예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 도면으로 실제로 구현되는 형태와 상이할 수 있다.
한편, 이하에서 표현되는 각 구성부는 본 발명을 구현하기 위한 예일 뿐이다. 따라서, 본 발명의 다른 구현에서는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 구성부가 사용될 수 있다. 또한, 각 구성부는 순전히 하드웨어 또는 소프트웨어의 구성만으로 구현될 수도 있지만, 동일 기능을 수행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합으로 구현될 수도 있다. 또한, 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 둘 이상의 구성부들이 함께 구현될 수도 있다.
또한, 어떤 구성요소들을 '포함'한다는 표현은, '개방형'의 표현으로서 해당 구성요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기(100)를 살펴본다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 청진기(100)는, 청진기 헤드로 전달되는 음파를 분석하는 음파 분석부(120), 상기 음파 분석부에 의해 분석된 음파 정보를 바탕으로 촉감을 발생시키는 촉감 발생부(110), 상기 음파 분석부, 상기 촉감 발생부의 동작을 제어하는 제어부(130)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 청진기(100)는, 전원 공급을 위한 전원부, 데이터를 저장하기 위한 저장부의 구성을 더 포함할 수도 있으며, 이러한 구성부 역시 상기 제어부(130)에 의해 제어될 수 있다.
상기 음파 분석부(120)는, 청진기 헤드로 전달되는 음파를 분석하는 구성이다. 구체적으로, 상기 음파 분석부(120)는, 청진기 헤드로 전달되는 음파를 실시간으로 수신하여 음파의 특성(Property)를 분석하는 구성이다.
이러한 상기 음파 분석부(120)는, 바람직하게는 청진기 헤드로 전달되는 음파를 전기적인 신호로 변환할 수 있으며, 다양한 신호 처리 과정을 통해 음파의 특성을 분석할 수 있다. 예를 들어, 상기 음파 분석부(120)는, 수신되는 음파의 주파수(Frequency), 크기(Amplitude) 등을 분석할 수 있으며, 특정 주파수 이상의 주파수가 전달되는 빈도, 특정 크기 이상의 주파수가 전달되는 빈도 등을 분석할 수 있다. 또한, 이러한 특성 이외에도 다양한 음파의 특성(Property)를 분석할 수 있다.
또한, 상기 음파 분석부(120)는, 청진기 헤드로 전달되는 음파의 패턴과 표준 음파 패턴을 비교하여 유사도 정보를 산출할 수 있다. 구체적으로, 상기 음파 분석부(120)는, 청진기 헤드로 전달되는 음파의 패턴과 상기 저장부에 저장된 표준 음파 패턴(신체가 정상적인 경우에 나타나게 되는 음파 패턴)을 비교하여 유사도 정보를 산출할 수 있다. 이러한 상기 음파 분석부(120)는, 상기 유사도가 기설정된 수치 이하인 경우(예컨대, 80% 이하의 유사도), 수신되는 음파가 비정상적인 상태라고 판정할 있으며, 판정한 정보를 상기 촉감 발생부(110) 또는 상기 제어부(130)에 전달할 수 있다.
한편, 상기 음파 분석부(120)는, 다양한 전자 소자를 포함하는 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 음파 분석부(120)는, 트랜스듀서(Transducer), 필터(Filter), 컨버터(Converter), 비교기(Comparator) 등의 전자 소자를 포함하는 형태로 구성될 수 있으며, 이러한 구성 이외에도 다양한 전자 소자를 포함하는 형태로 구성될 수 있다.
상기 촉감 발생부(110)는, 상기 음파 분석부(120)에 의해 분석된 음파 정보를 바탕으로 촉감을 발생시키는 구성이다. 구체적으로, 상기 촉감 발생부(110)는 청진기 헤드로 전달되는 음파의 특성(Property)에 따라 촉감을 발생시키는 구성이다.
이러한 상기 촉감 발생부(110)는, '레이저 빔(laser beam)'을 이용하여 촉감을 발생시킬 수 있는데, 바람직하게는 상기 청진기로 전달되는 음파의 변화에 따라 상기 레이저 빔의 파라미터(Parameter)를 조절하여 발생되는 촉감을 조절할 수 있다.
따라서, 상기 촉감 발생부(110)는, 레이저 빔을 생성하는 레이저 발생 모듈(112), 상기 레이저 빔의 세기(Power)를 조절하는 광 필터 모듈(114), 상기 레이저 빔의 직경(Diameter)을 조절하는 렌즈 모듈(116)을 포함할 수 있으며, 이러한 구성들 이외에도 상기 레이저 빔을 생성하고 조절하기 위한 다양한 구성들을 포함할 수 있다.
상기 레이저 발생 모듈(112)은, 레이저 빔(Pulse laser beam)을 생성하고 출력하는 구성으로서, 레이저 드라이버(Laser driver), 냉각 장치 등을 포함할 수 있다. 여기서 상기 레이저 드라이버는, 레이저 매질(Laser medium), 광 펌핑부(Optical pumping), 광 공진기(Optical resonator) 등의 구성을 포함하는 구성으로써, 상기 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호를 생성한다. 또한, 상기 냉각 장치는, 상기 레이저 드라이버가 광 신호를 생성하는 과정에서 발생 될 수 있는 열을 제거하는 구성으로서, 상기 레이저 드라이버 장치를 보호하는 역할을 하는 구성이다.
이러한 상기 레이저 발생 모듈(112)은, 레이저 빔을 생성할 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 출력부(110)는, 루비 레이저, 네오디뮴:야그 레이저(Nd:YAG Laser), 네오디뮴:글라스 레이저(Nd:Glass Laser), 레이저 다이오드(Ga, Al, As), 엑시머(Excimer) 레이저, 색소 레이저 등의 형태로 형성될 수 있으며, 이러한 종류 이외에도 반도체 레이저 다이오드 등의 다양한 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 레이저 발생 모듈(112)은, 연속형 레이저(CW laser, Continuous wave laser)가 아닌 펄스 레이저(Pulse laser)를 이용하여 펄스 레이저 빔(Pulse laser beam)을 생성하는 것이 바람직하다. 레이저 자극이 연속적으로 제공되는 경우에는 광-화학적 효과 또는 광-열적 효과가 발생하여 인체에 부작용을 발생시킬 수 있으므로, 이러한 효과들을 최소화한 상태에서 광-기계적 촉감을 얻기 위해 펄스 레이저 빔을 이용하는 것이다.
또한, 상기 레이저 발생 모듈(112)은, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 조절할 수 있으며, 이러한 파라미터의 조절 동작을 통해 광-기계적 촉감을 발생시킬 수 있다. 노출시간과 단위 펄스당 에너지를 특정 범위로 조절하면, 펄스 레이저 빔에 의한 탄성 효과(Laser-induced Elastic Effect)가 유발될 수 있는데, 이러한 현상을 기초로 광-기계적 촉감이 발생 될 수 있기 때문이다. 한편, 상기 단위 펄스당 에너지의 조절은, 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호의 세기(Power, J/s)를 조절하는 동작을 통해 달성되거나, 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulse width)을 조절하는 동작을 통해 달성할 수 있다. (참고로, 도 3을 참조하면, 상기 펄스 레이저 빔의 광신호 세기(Power, J/s), 펄스 폭(Pulse width), 펄스 반복율(Repetition rate) 등을 확인할 수 있다.)
또한, 상기 레이저 발생 모듈(112)은, 수십 ms(millisecond) 이하의 펄스 폭(Pulse width) 조건에서 단위 펄스당 에너지를 조절하는 것이 바람직하다. 펄스 레이저 빔을 이용하는 경우에도, 펄스 폭이 큰 경우에는 레이저 자극의 충분한 노출시간이 확보되어 광-화학적 효과 또는 광-열적 효과가 일어날 수 있기 때문이다. 따라서, 수십 ms(millisecond) 이하의 펄스 폭(Pulse width) 조건에서 단위 펄스당 에너지를 조절하여 광-화학적 효과 및 광-열적 효과가 최소화된 광-기계적 촉감을 발생시킬 수 있다.
또한, 상기 레이저 발생 모듈(112)은, 상기 단위 펄스당 에너지를 0.005 mJ 이상의 값으로 조절하는 것이 바람직하다. 뒤에서 살펴보겠지만, 이러한 조건에서 인체의 피부 조직에 광-기계적 촉감을 일으킬 수 있기 때문이다.
또한, 상기 레이저 발생 모듈(112)은, 인체의 피부 조직에 직접 레이저 빔이 조사되는 경우에는, 상기 단위 펄스당 에너지를 9.5 mJ 이하의 값으로 조절하는 것이 바람직하다. 뒤에서 살펴보겠지만, 9.5 mJ를 초과하는 조건에서는 광-기계적 촉감의 정도가 인체의 피부 조직에 손상을 가할 수 있을 정도로 커질 수 있기 때문이다. 따라서, 인체의 피부 조직에 광-기계적 촉감을 직접적으로 제공하는 경우의 안전성을 확보하기 위하여 상기 단위 펄스당 에너지를 9.5 mJ 이하의 값으로 조절하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 발생 모듈(112)은, 상기 단위 펄스당 에너지를 조절하여 광-기계적 촉감의 강도도 변화시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 레이저 발생 모듈(112)은 0.005 mJ 내지 9.5 mJ의 범위에서 상기 단위 펄스당 에너지를 증가시키거나 감소시켜서, 광-기계적 촉감의 강도를 변화시킬 수 있다.
상기 광 필터 모듈(114)은, 상기 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호의 세기(Power, J/s)를 조절하기 위한 구성으로서, 이러한 세기 조절을 통해 상기 레이저 발생 모듈(112)이 출력하는 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 2차적으로 조절할 수 있는 구성이다.
이러한 상기 광 필터 모듈(114)은, 광신호의 세기를 감쇄시키는 감쇄(Attenuator) 장치를 포함할 수 있는데, 이러한 장치를 이용하여 광신호의 세기(Power, J/s)를 감쇄시킬 수 있다. 따라서, 상기 광 필터 모듈(114)은, 펄스 폭이 동일한 상태에서 광신호의 세기를 감쇄시켜 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 동작을 수행할 수 있다.
한편, 상기 광 필터 모듈(114)은, 상기 레이저 발생 모듈(112) 자체가 단위 펄스당 에너지를 조절하는 능력을 갖추고 있는 경우에는 상기 촉감 발생부(110)에 선택적으로 장착될 수 있으며, 상기 단위 펄스당 에너지를 세밀하게 조절하기 위한 보조적인 역할을 수행할 수 있다. 다만, 상기 레이저 발생 모듈(112) 자체가 단위 펄스당 에너지를 조절하는 능력을 갖추고 있지 못하는 경우에는 상기 촉감 발생부(110)에 필수적으로 장착되어서, 상기 단위 펄스당 에너지를 조절하는 주도적인 역할을 수행하게 된다.
상기 렌즈 모듈(116)은, 상기 펄스 레이저 빔의 직경(Diameter)을 조절하기 위한 구성이다. 이러한 상기 렌즈 모듈(116)은, 상기 펄스 레이저 빔을 집속하기 위한 광집속부(예컨대, 볼록렌즈부 등) 및 상기 펄스레이저 빔을 확산시키기 위한 광확산부(예컨대, 오목 렌즈부 등)를 포함할 수 있으며, 상기 광집속부와 상기 광확산부의 선택적인 동작을 통해 상기 펄스 레이저 빔의 직경을 증가시키거나 감소시킬 수 있다.
한편, 상기 촉감 발생부(110)는 다양한 제어 모드로 동작할 수 있는데, 대표적으로, 청진기 헤드로 전달되는 음파와 대응되는 펄스 레이저 빔을 실시간으로 조사하는 '실시간 촉감 제공 모드', 청진기 헤드로 전달되는 음파 패턴이 비정상적인 경우에 펄스 레이저 빔을 방출시키는 '경고 알람 모드' 등으로 동작할 수 있다.
상기 '실시간 촉감 제공 모드'는, 상기 촉감 발생부(110)가 상기 음파 분석부(120)의 분석 정보를 바탕으로 음파 정보와 대응되는 촉감을 실시간으로 발생시키는 모드이다. 이러한 상기 '실시간 촉감 제공 모드'에서 상기 촉감 발생부(110)는, 음파의 특성(Property) 변화를 실시간으로 인지하여, 펄스 레이저 빔의 다양한 파라미터를 실시간으로 변화시킬 수 있으며, 이를 통해 실시간 음파와 대응되는 실시간 촉감을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 촉감 발생부(110)는, '촉감의 강도'를 실시간으로 변화시켜서 청진기 헤드로 수신되는 음파의 주파수(Frequency) 또는 진폭(Amplitude) 정보를 실시간으로 제공할 수 있다. 1) 구체적으로, 상기 촉감 발생부(110)는, 수신되는 음파의 주파수가 높아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 증가시켜서 촉감의 강도를 실시간으로 증가시키거나, 수신되는 음파의 주파수가 낮아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 감소시켜서 촉감의 강도를 실시간으로 감소시킬 수 있다. 2) 또한, 상기 촉감 발생부(110)는, 수신되는 음파의 진폭이 높아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 증가시켜서 촉감의 강도를 실시간으로 증가시키거나, 수신되는 음파의 진폭이 낮아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 감소시켜서 촉감을 강도를 실시간으로 감소시킬 수도 있다.
상기 '경고 알람 모드'는, 청진기 헤드로 전달되는 음파 패턴이 비정상적인 경우에만, 상기 촉감 발생부(110)가 촉감을 발생시키는 모드이다. 이러한 상기 '경고 알람 모드'에서 상기 촉감 발생부(110)는, 음파 패턴이 비정상적이라고 분석된 경우에만 촉감 발생을 위한 펄스 레이저 빔을 방출시키며, 음파 패턴이 정상적인 경우에는 촉감 발생을 위한 펄스 레이저 빔을 방출시키지 않는다. 따라서, 이러한 '경고 알람 모드'에서 사용자(진단자)는, 비정상적인 음파 패턴을 청각을 이용하여 스스로 인지하지 못하더라도, 촉감 자극을 통해 관련 정보를 제공받을 수 있다.
상기 전원부는, 상기 음파 분석부(120), 상기 촉감부, 상기 저장부, 상기 제어부(130)를 포함하는 상기 청진기(100)의 구성부들에 전원을 공급하는 구성이다. 이러한 상기 전원부는, 다양한 종류의 전류원 소스 또는 전압원 소스를 포함할 수 있으며, 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 형태로 구현될 수 있다.
상기 저장부는, 상기 청진기(100)의 동작에 필요한 다양한 데이터들을 저장하는 구성이다. 예를 들어, 상기 저장부는, 상기 음파 분석부(120)가 수신하는 실시간 음파 데이터, 표준 음파 패턴 데이터 등을 저장할 수 있으며, 이러한 데이터 이외에도 상기 청진기(100)의 동작과 관련된 다양한 데이터들을 저장할 수 있다.
한편, 이러한 상기 저장부는, 다양한 종류의 메모리 조사를 포함할 수 있으며, 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 형태로 구현될 수 있다.
상기 제어부(130)는, 상기 음파 분석부(120), 상기 촉감 발생부(110), 상기 저장부, 상기 전원부를 포함하는 상기 청진기(100)의 다양한 구성부들을 제어하는 구성이다. 이러한 상기 제어부(130)는 특히 상기 음파 분석부(120)가 생성한 정보를 바탕으로 상기 촉감 발생부(110)의 동작을 제어할 수 있다.
한편, 상기 제어부(130)는, 적어도 하나의 연산 수단과 저장 수단을 포함할 수 있는데, 여기서 상기 연산 수단은 범용적인 중앙연산장치(CPU)일 수 있으나, 특정 목적에 적합하게 구현된 프로그래머블 디바이스 소자(CPLD, FPGA)나 주문형 반도체 연산장치(ASIC) 또는 마이크로 컨트롤러 칩일 수 있다. 또한, 상기 저장 수단은 휘발성 메모리 소자이거나 비휘발성 메모리 또는 비휘발성 전자기적 저장 소자이거나 연산 수단 내부의 메모리일 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기를 살펴본다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기는 복수의 촉감 발생부(110)를 포함할 수 있으며, 청진기 헤드 상의 접촉 정보에 따라 상기 복수의 촉감 발생부(110)를 선택적으로 동작시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기는, 신체(손가락)가 접촉하고 있는 청진기 헤드 영역에서만 레이저 빔이 방출되도록 상기 복수의 촉감 발생부(110)를 선택적으로 제어할 수 있으며, 이러한 제어 동작을 통해 촉감 발생을 위한 레이저 빔이 자유 공간상에 방출되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기는 촉감을 위해 방출되는 레이저 빔이 진단자 또는 피진단자의 시각에 교란을 주는 것을 방지할 수 있다.
도 4를 참조하면, 이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기의 구체적인 예시를 살펴볼 수 있다. 도 4에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기는 청진기 헤드에 형성된 복수의 촉감 발생부(110)를 포함할 수 있으며, 상기 복수의 촉감 발생부(110)는 청진기 헤드 상의 접촉 정보에 따라 선택적으로 동작할 수 있다. 예를 들어, 상기 복수의 촉감 발생부(110)는, 상기 복수의 촉감 발생부(110) 중 '사용자의 신체(손가락)에 의해 접촉된 영역 상에 형성된 촉감 발생부(110)'만이 ON 상태(레이저 빔을 방출)가 되고, '접촉이 일어나지 않은 영역 상에 배치된 촉감 발생부(110)'는 OFF 상태(레이저 빔을 방출)가 되는 식으로 선택적으로 동작할 수 있다. 따라서, 이러한 실시예에서는 상기 청진기에 의해 방출되는 레이저 빔이 모두 손가락에 의해 차단될 수 있으며, 상기 레이저 빔이 자유 공간상에는 방출되지 않는다.
한편, 이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 청진기는, 사용자의 신체(손가락)에 의한 접촉을 인식할 수 있어야 하므로, 상기 청진기 헤드가 신체의 접촉 정보를 인식할 수 있는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 청진기 헤드가 신체의 접촉 정보를 인식할 수 있는 접촉 감지 센서를 포함하는 형태로 형성되는 것이 바람직하다. 이 경우 상기 접촉 감지 센서는, 다양한 센서 소자를 포함할 수 있는데, 예를 들어 정전식(Capacitive) 센서, 감압식(Resistive) 센서, 정전식과 감압식이 결합된 IFSR(Interpolating Force-Sensitive Resistance) 센서 등의 다양한 센서 소자를 포함할 수 있다.
[실험예 1]
이하, 도 5 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 발생부(110)가 생성하는 '펄스 레이저 빔'에 의해, '광-기계적 촉감'이 유발되는 것을 실험적으로 검증해본다.
도 5는 상기 촉감 발생부(110)에 의해 생성되는 레이저 빔의 광-기계적 효과를 확인하기 위한 실험 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
이러한 상기 실험 시스템에는, 펄스 레이저 빔을 생성하는 촉감 발생부(110), 콜라겐 필름, 피에조 센서, 3축 위치 미세 조정 장치, 컴퓨터 등의 구성이 포함될 수 있다.
상기 촉감 발생부(110)는, 위에서 살펴본 본 발명에 따른 수술용 로봇 장치에 포함되는 구성으로서, 펄스 레이저 빔을 생성하고 출력하는 구성이다.
본 실험에서는 상기 촉감 발생부(110)가 생성하는 펄스 레이저 빔의 일 실시예로서, 532 nm의 파장(Wavelength), 5ns의 펄스 폭(Pulse width), 10 Hz의 펄스 반복률(Repetition rate), 0.48mm의 빔 직경(콜라겐 필름에 조사되는 직경)을 가지는 펄스 레이저 빔이 사용되었다.
상기 콜라겐 필름은, 임상 치료용 대체피부(Ficilitates epidermal healing & substitue) 용도로 사용되는 타입 I 콜라겐 필름(Neskin®-F, Medira, 300㎛ 내지 500㎛의 두께)으로서, 인체의 피부 조직을 모델링한 구성이다. 생체 조직의 90% 이상이 타입 I 콜라겐으로 구성되어 있으므로, 이러한 콜라겐 필름을 이용하여 생체 피부 조직에서 발생 될 효과를 간접적으로 실험할 수 있다.
다만, 인체의 피부 두께(표피)는 개인별, 성별, 인종별에 따라 차이가 있으므로, 본 실험에서는 1차적으로 5장의 콜라겐 필름을 대상으로 실험을 진행하고, 2차적으로 10장의 콜라겐 필름을 대상으로 실험을 진행하였다. 개인별, 성별, 인종별에 따라 인체의 피부 두께가 콜라겐 필름 5장 내지 10장의 범위에서 변화할 수 있기 때문이다. 표 1을 참조하면, 5장의 콜라겐 필름과 10장의 콜라겐 필름의 무게와 두께를 확인할 수 있다.
콜라겐 필름의 개수 무게[g] 두께[mm]
5장 0.12 0.15
10장 0.23 0.31
한편, 상기 콜라겐 필름은 상기 피에조 센서에 부착된 형태로 사용되었다.
상기 피에조 센서(Piezo sensor)는, 외부에서 가해지는 기계적인 자극을 전기적인 출력신호로 표현하는 소자이다. 따라서, 본 실험에서는 이러한 피에조 센서를 이용하여 상기 콜라겐 필름에서 유발되는 기계적인 변화를 관측하였다.
한편, 본 실험에서는 표면이 코팅된 피에조 센서(LFT1-028K, Measurement specialties)를 사용하였는데, 이는 상기 콜라겐 필름의 부착 시 센서 표면이 받을 수 있는 영향을 최소화하기 위함이다.
상기 3축 위치 미세 조정 장치는, 상기 피에조 센서의 위치를 미세하게 컨트롤하기 위한 장치이다. 또한, 상기 컴퓨터는 상기 피에조 센서가 출력하는 신호를 수신하고, 수신한 신호를 분석하며, 분석한 결과를 디스플레이하는 장치이다.
이상에서 살핀 실험 시스템을 이용하여 다음과 같은 실험을 진행하였다.
1) 단위 펄스당 에너지가 0.05 mJ인 펄스 레이저 빔을 5장으로 구성된 콜라겐 필름에 조사하는 실험을 진행하였다.
2) 펄스 레이저 빔은 10 Hz의 빈도로 조사되었으며, 구체적으로 0.05[s] 직전, 0.15[s] 직전, 0.25[s] 직전, 0.35[s] 직전 등의 순간에 조사되었다.
3) 이러한 실험 과정에서 출력되는 피에조 센서의 신호를 분석하였다.
도 6은 이러한 실험의 결과를 보여주는 그래프이다. 도 6을 참조하면, 조사된 레이저 빔의 펄스 반복율과 대응되는 10 Hz의 빈도로 피에조 센서의 출력신호가 생성되는 것을 알 수 있다. 또한, 피에조 센서에서 출력신호가 생성되는 시점도 상기 펄스 레이저 빔이 조사된 시점(0.05[s] 직전, 0.15[s] 직전, 0.25[s] 직전, 0.35[s] 등)과 일치하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 이러한 실험 결과를 통해, 상기 펄스 레이저 빔이 광-기계적 자극을 유발하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 이상에서 살핀 실험 시스템을 이용하여 다음과 같은 실험도 진행하였다.
1) 먼저, 상기 촉감 발생부(110)를 이용하여 5장으로 구성된 콜라겐 필름에 펄스 레이저 빔을 조사하면서, 피에조 센서의 출력신호를 관찰하였다. 특히, 상기 촉감 발생부(110)가 조사하는 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 순차적으로 변화시키면서 실험을 진행하였다.
2) 다음으로, 상기 촉감 발생부(110)를 이용하여 10장으로 구성된 콜라겐 필름에 펄스 레이저를 조사하면서, 피에조 센서의 출력신호를 관찰하였다. 이 경우도 마찬가지로, 상기 촉감 발생부(110)가 조사하는 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 순차적으로 변화시키면서 실험을 진행하였다.
한편, 본 실험에서는 ms(millisecond) 이하의 범위를 만족하는 5ns의 펄스 폭으로 실험을 진행하였으므로, 펄스 레이저 빔을 구성하는 광신호의 세기(Power, J/s)를 변화시켜 단위 펄스당 에너지를 변화시켰다.
또한, 상기 피에조 센서가 출력하는 신호는, 도 7과 같이 i) 전처리 필터링, ii) 저주파 성분 제거, iii) 최대값 검출 등의 과정을 통해 분석되었다. 즉, 상기 피에조 센서의 출력 신호는, 전처리 필터링을 하여 1차적으로 노이즈를 제거하고, 2차적으로 저주파 성분을 제거하며, 신호의 최대값을 검출하는 과정을 통해 분석되었다. 또한, 검출된 최대값의 평균치를 이용하여 결과를 표현하였다.
도 8 및 도 9는 이러한 실험의 결과를 보여주는 그래프이다.
도 8은 단위 펄스당 에너지의 변화에 따른 피에조 센서의 출력 신호의 변화를 나타내는 그래프이다. 여기서 가로축은 단위 펄스당 에너지로 설정하여 분석하였으며, 세로축은 피에조 센서의 출력신호를 단위 두께로 나눈 신호(단위 두께당 센서 출력신호)로 설정하여 분석하였다.
또한, 도 9는 도 8의 그래프의 일부 영역을 확대한 그래프이다. 구체적으로, 도 8에서 점선으로 둘러싸인 영역을 확대한 그래프이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 1) 5장으로 구성된 콜라겐 필름에 대해서는, 0.00398 mJ 이상의 단위 펄스당 에너지가 가해지는 경우에 광-기계적 촉감이 유발되는 것을 확인할 수 있고, 2) 10장으로 구성된 콜라겐 필름에 대해서는, 0.005 mJ 이상의 단위 펄스당 에너지가 가해지는 경우에 광-기계적 촉감이 유발되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 5장 내지 10장의 범위 내에서 구성되는 콜라겐 필름의 광-기계적 촉감 유발을 위한 역치 에너지가 0.00398 mJ 내지 0.005 mJ 범위에 위치함을 확인할 수 있다.
한편, 앞에서 살펴본 것과 같이 일반적인 사람들의 피부 두께는 콜라겐 필름 5장 내지 10장의 범위 내에 있다. 따라서, 적어도 0.005 mJ 이상의 단위 펄스당 에너지를 갖는 펄스 레이저 빔을 인체에 가한다면, 개인별 피부 두께의 차이에 관계없이 광-기계적 촉감을 유발시킬 수 있다.
또한, 도 8 및 도 9를 참조하면, 단위 펄스당 에너지를 증가시키는 상한을 약 9.5 mJ로 설정한 것을 확인할 수 있다. 이는 상기 단위 펄스당 에너지를 9.5 mJ 이상으로 설정한 실험에서 콜라겐 필름이 손상되는 현상이 관찰되었기 때문이다. 따라서, 인체의 피부에 조사되는 경우의 안전성 확보를 위하여, 상기 단위 펄스당 에너지는 9.5 mJ 이하의 범위로 제한함이 바람직하다.
또한, 도 8 및 도 9를 참조하면, 0.005 mJ 내지 9.5 mJ의 범위에서 단위 펄스당 에너지를 증가시키거나 감소시키는 경우, 광-기계적 촉감의 강도가 변화되는 것을 확인할 수 있다.
[실험예 2]
이하, 도 10 내지 도 12를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉감 발생부(110)가 생성하는 '펄스 레이저 빔'에 의해, '광-기계적 촉감'이 유발되는 것을 실험적으로 검증해본다.
'펄스 레이저 빔'에 의해 '광-기계적 촉감'이 유발되는 것을 검증하기 위하여 아래와 같은 실험을 진행하였다.
1) 먼저, 상기 촉감 발생부(110)가 생성하는 펄스 레이저 빔을 오른쪽 손에 조사하면서 EEG(Electro EncephaloGraphy) 장치를 이용하여 뇌파 변화를 관찰하였다. (도 10 A - 실험군)
2) 또한, 막대를 이용하여 마찬가지로 오른쪽 손에 기계적 자극 가하면서 EEG 장치를 이용하여 뇌파 변화를 관찰하였다. (도 10 B - 대조군)
실험에는 532 nm의 파장(Wavelength), 5ns의 펄스 폭(Pulse width), 1.9 mJ의 단위 펄스당 에너지, 0.48mm의 빔 직경(Diameter)의 파라미터를 가지는 펄스 레이저 빔을 사용하였으며, 상기 펄스 레이저 빔과 동일한 직경(Diameter)를 가지를 막대를 사용하여 기계적 자극을 가하였다. 또한, 상기 EEG 장치를 이용한 뇌파의 관찰은, 뇌의 전체 영역 중 체 감각 피질 영역인 C3 영역 및 C4 영역에서 이루어졌다.
도 11 내지 도 12는 이러한 실험의 결과 데이터를 나타내는 도면들이다.
도 11 내지 도 12에서 확인할 수 있듯이, 상기 실험군(펄스 레이저 빔을 가한 상태에서의 뇌파 반응 관찰)과 대조군(막대를 이용한 기계적 자극을 가한 상태에서의 뇌파 반응 관찰)의 뇌파 반응이 동일한 뇌파의 주파수 영역에서 뇌파의 평균 크기가 유의하게 증가하는 것으로 관찰되었다. 비록, 상기 '펄스 레이저 빔'을 가한 실험에서는 뇌파 반응이 일정 시간 지연(Delay) 되기는 하였지만, 상기 '펄스 레이저 빔'에 의해서도 체 감각 피질 영역(C3, C4)이 활성화되는 현상 자체는 명확하게 확인될 수 있었다. 또한, 상기 '펄스 레이저 빔'이 가해질 때의 뇌파 반응 그래프의 형태도, 반응이 지연되는 영역을 제외하고는 '막대 자극(순수 기계적 자극)'이 가해지는 경우와 유사하게 동일한 뇌파의 주파수 영역에서 뇌파의 평균 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
따라서, 이러한 실험을 통해, 상기 '펄스 레이저 빔'에 의해 '광-기계적 촉감'이 유발되는 것을 검증할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 이들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명에 대한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정 및 변경을 가할 수 있을 것이며, 이러한 수정 및 변경은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100 : 청진기 110 : 촉감 발생부
112 : 레이저 발생 모듈 114 : 광 필터 모듈
116 : 렌즈 모듈 120 : 음파 분석부
130 : 제어부

Claims (11)

  1. 청진기 헤드로 전달되는 음파를 분석하는 음파 분석부; 및
    상기 음파 분석부에 의해 분석된 음파 정보를 바탕으로, 촉감을 발생시키는 촉감 발생부;
    를 포함하고,
    상기 촉감 발생부는, 펄스 레이저 빔(Pulsed laser beam)을 생성하며, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 촉감을 발생시키는 것을 특징으로 하는 청진기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉감 발생부는, 상기 청진기 헤드로 전달되는 음파의 변화에 따라 상기 펄스 레이저 빔의 파라미터를 변화시키는 것을 특징으로 하는 청진기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 음파 분석부는, 수신되는 음파의 주파수(Frequency) 또는 크기(Amplitude)를 분석하는 것을 특징으로 하는 청진기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉감 발생부는,
    수신되는 음파의 주파수가 높아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 증가시키고,
    수신되는 음파의 주파수가 낮아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 하는 청진기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 촉감 발생부는,
    수신되는 음파의 진폭이 커지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 증가시키고,
    수신되는 음파의 진폭이 작아지는 경우, 상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지를 감소시키는 것을 특징으로 하는 청진기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 음파 분석부는, 상기 청진기 헤드로 전달되는 음파의 패턴과 표준 음파의 패턴을 비교하여 유사도를 산출하는 것을 특징으로 하는 청진기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 촉감 발생부는, 상기 유사도가 기 설정된 범위를 벗어난다고 판단하는 경우, 상기 펄스 레이저 빔을 이용하여 촉감을 발생시키는 것을 특징으로 하는 청진기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 펄스 레이저 빔의 단위 펄스당 에너지가 0.005 mJ 내지 9.5 mJ의 범위에 속하는 값으로 조절되는 것을 특징으로 하는 청진기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 단위 펄스당 에너지는, 상기 펄스 레이저 빔의 세기(Power) 조절 또는 상기 펄스 레이저 빔의 펄스 폭(Pulsed width) 조절을 통해 조절되는 것을 특징으로 하는 청진기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 펄스 폭은 수십 ms(millisecond) 이하의 범위에서 조절되는 것을 특징으로 하는 청진기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 촉감 발생부는 복수 개로 형성되고,
    청진기 헤드 상의 접촉 정보에 따라 선택적으로 동작하는 것을 특징으로 하는 청진기.
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