KR101603762B1 - 응력센서를 구비하는 인체 내 임피던스 측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인체내 임피던스 측정을 위한 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 인체 내 임피던스 측정장치는 플렉서블 베이스 플레이트; 상기 플렉서블 베이스 플레이트 상에 제1 방향 및 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 배열되는 다수의 전극; 상기 플렉서블 베이스 플레이트 상에 배열되어 상기 플렉서블 베이스 플레이트의 휨 정도를 감지하는 다수의 응력 센서; 및 상기 다수의 전극 각각에 연결되는 다수의 제1 및 제2 전원선을 포함한다.
본 발명에 따르면 인체의 굴곡에 따라 베이스 플레이트에 가해지는 응력을 감지함으로써 측정 대상인 인체의 입체적 형상을 인지할 수 있다.

Description

응력센서를 구비하는 인체 내 임피던스 측정장치{Measuring device human body impedance having strain sensor}

본 발명은 인체내 임피던스 측정을 위한 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체 내 임피던스 데이터의 측정을 통하여 3차원 영상화하는 장치에 관한 것이다.

최근에는 전기 임피던스 단층촬영법(Electrical Impedance Tomography; 이하 EIT라 칭함)이 각광을 받고 있는데, EIT는 시스템 구현 시에 하드웨어 비용이 비교적 저렴하고, 측정 대상물체에 대한 비파괴(nondestructive) 특성을 가지고 있다. EIT는 X-ray 및 MRI 단층촬영법에 비해 아직 복원된 영상의 공간해상도(spatial resolution)는 떨어지지만, 순간해상도(temporal resolution)가 뛰어나고 인체에 대한 안전성이 보장되므로 의공학 분야의 보조장비로 사용되고 있다.

EIT는 10 내지 100KHz의 수미리(millivolt) 암페어의 전류를 인체에 흘려보낸 후 신체조직의 저항을 측정하는 방식으로, 신체단면의 전기적 특성을 파악하기 위하여 여러 개의 전극을 신체부위에 접착한 후 순차적으로 전류를 흘려 보내고 저항을 측정한 후 해당 저항을 영상화한다.

다만, EIT는 인체에 전류를 흘려보내기 위하여 직접 인체에 전극을 접촉하여야 하므로 EIT를 적용하고자 하는 인체의 부분의 형상을 고려하여 기판을 제작하여야 하는 어려움이 있다.

한국등록특허 10-0598146

본 발명은 인체의 굴곡을 인식 가능한 인체 내 임피던스 측정을 위한 장치를 제공한다.

또한 본 발명은 적은 수의 센서를 통하여 인체의 굴곡에 따른 응력을 효율적으로 감지함으로써 인체의 입체적 형상과 관련한 데이터를 얻을 수 있는 인체 내 임피던스 측정을 위한 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 인체 내 임피던스 측정장치는 플렉서블 베이스 플레이트; 상기 플렉서블 베이스 플레이트 상에 제1 방향 및 상기 제1 방향에 직교하는 제2 방향으로 배열되는 다수의 전극; 상기 플렉서블 베이스 플레이트 상에 배열되어 상기 플렉서블 베이스 플레이트의 휨 정도를 감지하는 다수의 응력 센서; 및 상기 다수의 전극 각각에 연결되는 다수의 제1 및 제2 전원선을 포함한다.

또한 상기 플렉서블 베이스 플레이트는 중심부로부터 방사상으로 각각 연장되는 지엽부가 형성되고, 상기 전극 및 응력 센서는 상기 지엽부 상에 배열될 수 있다.

또한 상기 플렉서블 베이스 플레이트는 나선형으로 형성되고, 상기 전극 및 상기 응력 센서는 상기 나선형의 플렉서블 베이스 플레이트를 따라 배열될 수 있다.

또한 상기 베이스 플레이트는, 점층적으로 큰 반경을 갖도록 형성되어 상호 일정 간격으로 이격되고, 일 부분이 방사상으로 절개된 형상의 간극부가 형성되는 다수의 원형 띠 베이스를 포함하고, 상기 다수의 원형띠 베이스 중 어느 하나의 단부와 인접하는 외곽의 원형띠 베이스의 단부를 연결하는 베이스 브릿지;를 포함할 수 있다.

또한 상기 응력센서는 상기 베이스 브릿지 상에 구비되어 상기 베이스 브릿지의 휨 정도를 감지할 수 있다.

또한 상기 응력센서로부터 전달되는 베이스 플레이트의 부분별 휨 정도에 대한 데이터로부터 상기 베이스 플레이트가 적용된 인체의 3차원 형상을 산출하는 형상 산출부를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 다수의 전극들은 상기 베이스 플레이트의 중심으로부터 방사상 방향으로 정렬될 수 있다.

또한 상기 전극간 거리는 5mm 내지 20mm일 수 있다.

또한 상기 제1 전원선과 상기 제2 전원선은 각각 입력전극과 출력전극일 수 있다.

본 발명에 따르면 인체의 굴곡에 따라 베이스 플레이트에 가해지는 응력을 감지함으로써 측정 대상인 인체의 입체적 형상을 인지할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면 응력이 집중되는 베이스 브릿지에 응력 센서를 집중시킴으로써 적은 수의 센서를 이용하면서도 인체의 굴곡에 따른 응력을 효율적으로 감지함으로써 인체의 입체적 형상과 관련한 데이터를 얻을 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 응력센서를 구비하는 인체 내 임피던스 측정장치의 모습을 나타내는 평면도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 인체 내 임피던스 측정장치에 구비되는 전극의 모습을 나타내는 단면도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 인체 내 임피던스 측정장치에 구비된 전극의 작동모습을 나타내는 단면도이다.
도 4 내지 도 7은 전기 임피던스 단층촬영법에서 측정된 임피던스 값을 이용하여 인체 내부의 임피던스를 영상화하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 나타내는 사시도이다.
도 9는 일 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 나타내는 저면 사시도이다.
도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 인체에 적용하는 모습을 나타내는 개략도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 나타내는 평면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 특별한 정의나 언급이 없는 경우에 본 설명에 사용하는 방향을 표시하는 용어는 도면에 표시된 상태를 기준으로 한다. 또한 각 실시예를 통하여 동일한 도면부호는 동일한 부재를 가리킨다. 한편, 도면상에서 표시되는 각 구성은 설명의 편의를 위하여 그 두께나 치수가 과장될 수 있으며, 실제로 해당 치수나 구성간의 비율로 구성되어야 함을 의미하지는 않는다.

도 1 내지 도 4를 참조하여 응력센서가 부가된 인체 내 임피던스 측정장치를 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 응력센서를 구비하는 인체 내 임피던스 측정장치의 모습을 나타내는 평면도이고, 도 2는 일 실시예에 따른 인체 내 임피던스 측정장치에 구비되는 전극의 모습을 나타내는 단면도이며, 도 3은 일 실시예에 따른 인체 내 임피던스 측정장치에 구비된 전극의 작동모습을 나타내는 단면도이다.

본 실시예에 따른 인체 내 임피던스 측정 장치(10a)는 종래의 기판 상에 응력 센서를 부가한 경우이다.

구체적으로 베이스 플레이트(130a)는 중심부(c)로부터 방사상으로 연장형성되는 지엽부(B1)를 구비한다. 본 실시예에서의 지엽부(B1)는 총 12개로 구비된다. 각 지엽부(B1)는 저면에는 전극(120)들이 배열되고, 상부면에는 응력 센서(110)들이 배열된다. 베이스 플레이트(130a)는 플렉서블 기판 등 용이하게 구부러질 수 있는 재질로 형성된다.

응력 센서(110)들은 지엽부(B1)를 따라 배열되며, 지엽부(B1)가 휘어지는 경우 각각의 지엽부(B1)들은 접촉하고 있는 인체의 부위의 굴곡의 형상에 대응하여 휘어지게 된다. 이 때 응력 센서(110)는 휘어짐에 따른 응력의 세기 및 방향을 감지할 수 있다. 따라서 각각의 지엽부(B1)들을 따라 배열되는 응력 센서(110)들의 감지 신호를 종합하면 인체 내 임피던스 측정장치(10a)가 적용된 인체의 입체적 형상을 산출할 수 있다.

각 전원에는 입력전극과 출력전극이 각각 연결된다. 또한 각각의 전극(120)들은 원주방향 및 방사상 방향으로 각각 직교되도록 배열하는 것이 바람직하다. 또한 전극간의 거리는 임피던스 산출에 따른 최종 산출물의 해상도를 위하여 5mm 내지 20mm의 범위에서 결정되는 것이 바람직하다.

인체 내 임피던스 측정장치에 포함되는 전극은 종래의 전극을 이용할 수 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 전극(120)은 하우징 부재(121), 가이드 로드(123), 중공형 전극부재(127) 및 탄성부재(125)를 포함한다.

하우징 부재(121)의 개방된 일면으로는 가이드 로드(123)가 연장형성되며, 중공형 전극부재(127)는 내측에 상술한 가이드 로드(123)가 삽입된 상태로 왕복할 수 있다. 이 때 중공형 전극부재(127)는 탄성부재(125)에 의하여 외측으로 일정한 탄성력이 부가된다.

중공형 전극부재(127)는 도전성 물질이나 도전성 물질이 코팅된 전극으로 구성된다, 이러한 도전성 물질로는 인체에 무해한 물질로 구성됨이 바람직하며, 예를 들면 금(Gold) 전극 또는 금 코팅 전극을 이용할 수 있다.

가이드 로드(125)를 포함하는 하우징 부재(121)는 도전성 물질이나 도전성 물질이 코팅된 전극으로 구성된다. 이러한 도전성 물질로는 도전성이 우수한 물질이라면 특별히 한정할 필요는 없다. 다만, 중공형 전극부재(127)에서와 같이 금(Gold) 전극 또는 금 코팅 전극을 이용할 수도 있고, 동선이나, 철선 등으로 구성할 수도 있다. 하우징 부재(121)의 개방된 종단 외주면은 내측으로 걸림턱(129)을 갖도록 형성되어 중공형 전극부재(127)가 외부로 이탈하는 것을 방지한다.

탄성부재(125) 또한 도전성 물질, 예를 들면 금속 재질의 스프링으로 구성할 수 있다.

도 4 내지 도 7을 참조하여 전기 임피던스 단층촬영법(EIT)에서 측정된 임피던스 값을 이용하여 인체 내부의 임피던스를 영상화하는 과정을 설명한다. 도 4 내지 도 7은 전기 임피던스 단층촬영법에서 측정된 임피던스 값을 이용하여 인체 내부의 임피던스를 영상화하는 과정을 설명하기 위한 개략도이다.

EIT에서는 신체단면의 전기적 특성을 보여줄 수 있는 기술로 여러개의 전극을 신체부위에 접착한 후 순차적으로 전기를 흘려보내고, 저항을 측정하여 신체내부의 저항을 영상화한다. 이를 위하여 입력전극(input electrode)(S, s)과 출력전극(receiving electrode)(R,r)을 2*2로 인체조직에 부착한 후, 전류를 흘려 저항을 계측한 경우를 가정한다.

이 때 도 4에 나타낸 바와 같이 수평 입력전극(S1 S2)과 수평 출력전극(R1, R2) 및 수직 입력전극(s1, s2)과 수직 출력전극(r1 r2)을 배치한다. 이어서, 도 5에도시된 바와 같이, 수평 입력전극(S1 S2)에서 수평 출력전극(R1, R2)으로 전류를 흘려 수평방향의 임피던스를 측정한다. 이어서 도 6에 도시된 바와 같이 수직 입력전극(s1, s2)에서 수직 출력전극(r1 r2)으로 전류를 흘려 수직방향의 임피던스를 측정한다.

측정된 임피던스 값들을 이용하여 역비선형 데이터 처리를 수행하면 해당 신체부위에서의 임피던스 값의 분포에 대한 추정을 할 수 있다.

이러한 EIT 장치는 원통의 환형으로 구성되어, 몸통전체를 감싸거나, 손목, 발목 등에 부착하는 형식으로 인체에 부착한 후 순차적으로 전류를 흘려 저항을 계측한다. 예를 들면 수평과 수직으로 계측한 각각의 저항은 인체조직의 총 저항의 합에 해당되어 단면에 투과되는 조직을 저항값의 분포를 검출할 수 있다. 다른 방식으로는 저항값의 분포를 안 후 전류의 강도에 따라 인체의 전압분포를 계산하여 등포텐션선(equipotential line) 위치를 표시하기도 한다.

도 8 내지 도 11을 참조하여 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 설명한다. 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 나타내는 사시도이고, 도 9는 일 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 나타내는 저면 사시도이며, 도 10 및 도 11은 일 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 인체에 적용하는 모습을 나타내는 개략도이다.

도 8에 도시된 바와 같이 인체 내 임피던스 측정장치(10b)는 나선형으로 형성되는 베이스 플레이트(130b)를 구비한다. 즉, 베이스 플레이트(130b)는 중앙으로부터 나선형으로 회전하며 길이를 갖도록 형성된다.

베이스 플레이트(130b) 상에는 응력 센서(110)가 구비된다. 이 때 응력 센서(110)는 목적에 따라 베이스 플레이트(130b)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 형성될 수 있으며, 반면, 중앙부를 중심으로 방사상으로 배열되도록 간격이 조절될 수 있다.

도 9를 참조하여 설명하면, 베이스 플레이트(130b)의 저면에는 다수의 전극(120)들이 배열된다. 전극(120)은 앞서 설명한 응력 센서와 마찬가지로 베이스 플레이트(130b)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 배열될 수 도 있으며, 중앙부를 중심으로 방사사으로 배열되도록 간격을 조절하는 것도 가능하다.

또한 각 전극들은 앞서 설명한 실시예와 마찬가지로 각각 입력 전원선 및 출력 전원선이 연결된다.

도 10에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 인체 내 임피던스 측정장치(10b)를 돌출된 형상의 인체(H)의 일 부분에 적용하는 경우 인체 내 임피던스 측정장치(10b)는 나선형의 베이스 플레이트(130b)의 특성에 의하여 인체(H)의 외부 굴곡면에 대응하여 고저가 발생하게 된다.

도 11에 도시된 바와 같이 인체 내 임피던스 측정장치(10b)가 인체(H)와 접촉하는 경우 베이스 플레이트(130b)의 외측 모서리 부분은 인체(H)의 굴곡 및 중력에 의하여 인체(H)의 굴곡면을 따라 휘어지는 특성을 보이게 되며, 이러한 휘어지는 정도는 각 부분에 배열된 응력 센서(110)에 의하여 감지될 수 있다.

한편, 별도의 커버 등을 이용하여 인체 내 임피던스 측정장치(10b)에 외력을 가하는 경우에는 이러한 굴곡에 따라 휘어지는 정도가 더욱 증가하게 됨으로써 응력 센서(110)에 의한 감지가 더 용이하게 된다.

한편, 응력 센서로부터 전달되는 베이스 플레이트의 부분별 휨 정도에 대한 데이터들을 전달받아 베이스 플레이트가 적용된 인체의 3차원 형상을 산출하는 형상 산출부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 전극(120)들에 의하여 측정된 임피던스 자체만으로는 적용된 인체의 형상을 추정하는 것이 어렵다. 따라서 정확한 인체의 굴곡을 포함하는 입체적 형상을 추정하고 이를 임피던스의 산출에 이용함으로써 보다 정확한 결과를 얻을 수 있게 된다.

도 12를 참조하여 다른 실시예에 다른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 설명한다. 도 12는 다른 실시예에 따른 나선형 인체 내 임피던스 측정장치를 나타내는 평면도이다.

본 실시예에 따른 베이스 플레이트(130c)는 복수의 원형 띠 베이스(B2)와 각각의 원형 띠 베이스(B2)간을 연결하는 베이스 브릿지(Br)를 포함한다.

원형 띠 베이스(B2)는 각각 다른 직경을 갖도록 형성되며, 각각의 원형 띠 베이스(B2)는 일정한 간격을 유지하도록 형성된다. 이 때 원형 띠 베이스(B2)는 일정 위치에서 방사상으로 절개된 형상의 간극부(G)가 형성된다. 이 때 베이스 브릿지(Br)은 다수의 원형띠 베이스(B2) 중 어느 하나의 단부와 인접하는 외곽의 원형띠 베이스(B2)의 단부를 연결한다.

본 실시예에 따른 베이스 플레이트(130c)는 각각의 원형 띠 베이스(B2)의 형상에 의하여 대부분이 일정한 반경을 갖도록 형성되나, 베이스 브릿지(Br)를 이용하여 연결함으로써 전체적으로는 나선형의 연결구조를 구현하게 된다. 이러한 구조상의 특징으로 인하여 본 실시예에 따른 베이스 플레이트(130c)는 인체의 굴곡에 대응하여 형상이 자유롭게 변형되면서도 전극들을 원주방향 및 방사상으로 직교하도록 배열하는 것이 용이하다는 장점이 있다.

한편, 이러한 구조 하에서 베이스 플레이트(130c)에 가해지는 응력은 주로 베이스 브릿지(Br)에 집중된다. 본 실시예에서는 이러한 응력을 감지하기 위하여 응력 센서(110)를 베이스 브릿지(Br) 상에 구비하는 것이 바람직하다.

한편, 이외에 추가적인 응력 센서를 더 구비하는 것도 가능하다.

한편, 간극부(G)의 평균 간격은 전극간의 거리에 대응하여 5mm 내지 20mm로 하여 전극 간의 간극부(G)의 근방에서 전극 간의 간격이 타 부분에 비하여 더 크게 형성되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 상술한 바람직한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 구체화된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양하게 구현될 수 있다.

10a, 10b, 10c: 인체 내 임피던스 측정장치
110: 응력센서
120: 전극
130b, 130c: 베이스 플레이트

Claims (9)

1. 플렉서블 베이스 플레이트;
   상기 플렉서블 베이스 플레이트 상에 원주방향 및 방사상 방향으로 배열되는 다수의 전극;
   상기 플렉서블 베이스 플레이트 상에 배열되어 상기 플렉서블 베이스 플레이트의 휨 정도를 감지하는 다수의 응력 센서; 및
   상기 다수의 전극 각각에 연결되는 다수의 제1 및 제2 전원선을 포함하는 인체 내 임피던스 측정장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 플렉서블 베이스 플레이트는 중심부로부터 방사상으로 각각 연장되는 지엽부가 형성되고,
   상기 전극 및 응력 센서는 상기 지엽부 상에 배열되는 인체 내 임피던스 측정장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 플렉서블 베이스 플레이트는 나선형으로 형성되고,
   상기 전극 및 상기 응력 센서는 상기 나선형의 플렉서블 베이스 플레이트를 따라 배열되는 인체 내 임피던스 측정장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 베이스 플레이트는,
   점층적으로 큰 반경을 갖도록 형성되어 상호 일정 간격으로 이격되고, 일 부분이 방사상으로 절개된 형상의 간극부가 형성되는 다수의 원형 띠 베이스를 포함하고,
   상기 다수의 원형띠 베이스 중 어느 하나의 단부와 인접하는 외곽의 원형띠 베이스의 단부를 연결하는 베이스 브릿지;를 포함하는 인체 내 임피던스 측정장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 응력센서는 상기 베이스 브릿지 상에 구비되어 상기 베이스 브릿지의 휨 정도를 감지하는 인체 내 임피던스 측정장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 응력센서로부터 전달되는 베이스 플레이트의 부분별 휨 정도에 대한 데이터로부터 상기 베이스 플레이트가 적용된 인체의 3차원 형상을 산출하는 형상 산출부를 더 포함하는 인체 내 임피던스 측정장치.
7. 제3항에 있어서,
   상기 다수의 전극들은 상기 베이스 플레이트의 중심으로부터 방사상 방향으로 정렬되는 인체 내 임피던스 측정장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 전극간 거리는 5mm 내지 20mm인 인체 내 임피던스 측정장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 전원선과 상기 제2 전원선은 각각 입력전극과 출력전극인 인체 내 임피던스 측정장치.

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