KR102545062B1

KR102545062B1 - 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102545062B1
Application number: KR1020200078008A
Authority: KR
Inventors: 임을균; 김진선; 김창범; 정재찬; 최승민; 홍효봉
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2023-06-20
Also published as: KR20220000265A; US20210405134A1; US11480634B2

Abstract

나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법이 개시된다. 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 거치하는 시료베드가 수용 되고, 여기 코일 및 검출 코일이 설치되는 측정헤드와, 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에자기장이 희박한 경사자장 영역을 형성하는 경사자장 생성부와, 시료 베드를 이격 영역 내에서 일 방향으로 선형 이동시키는 제1 구동부와, 경사자장 생성부를 일 방향에 수직한 일 평면에서 회전시키는 제2 구동부와, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴으로써, 경사자장 생성부를 일 평면에서 선형 왕복시키는 제3 구동부 및 시료베드가 경사자장 생성부의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 제1 구동부, 제2 구동부 및 제3 구동부를 제어하여 경사자장 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법{Apparatus and Method for Nano Magnetic Particle Imaging}

기재된 실시예는 시료에 포함된 특정 물체에 대한 영상화 기술에 관한 것으로, 특히 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP) 물질의 공간상의 분포를 영상화하는 기술에 관한 것이다.

산화철 등의 자성 나노 입자에 항체를 코팅해서 생체에 주입하면 특정 질병이 발생된 부위에 항원-항체 반응을 통해서 자성 나노 입자가 일시적으로 부착되는 현상을 이용하여, 생체 내부의 자성 나노 입자의 분포를 파악하여 질병 부위를 판단하는 진단 의료 장비 기술 분야를 MPI(Magnetic Particle Imaging)이라고 한다.

자성 나노 입자는 평소에는 자성이 없고, 주위 자기장에 비례하여 자화되다가 자성 나노 입자 고유의 포화자기장을 넘는 자기장에서는 더 이상 자화되지 않으며 자기 이력이 거의 없는 특성이 있기 때문에, 포화 자기장 이내의 교류 자기장에서는 선형 신호를 발생시키고, 포화 자기장을 넘나드는 교류 자기장에서는 비선형 신호를 발생시키고, 포화자기장을 항상 넘는 교류 자기장에서는 신호를 거의 발생시키지 않는다.

논문1("Electronic Field Free Line Rotation and Relaxation Deconvolution in Magnetic Particle Imaging", Klaas Bente)에서는 생체시료 측정공간 전체를 감싸는 전자석코일 다섯 쌍을 설치하고, 자기장이 없는 공간이 점 형태(field free point) 또는 직선 형태(field free line; 이하 FFL)가 되도록 경사자장을 형성하고, 이때의 전류값을 소정의 방식으로 변경하여 경사자장을 회전시키고, 평행 이동시켜 한순간에는 특정 공간 내의 자성 나노 입자에서만 신호가 발생되도록 하였다. 이 방법은 코일의 턴수를 높이기 어려운 팬케이크 형상 때문에 높은 전류량이 필요하고, 이에 따라 전류량의 제곱에 비례하는 발열 문제가 동반되는 단점이 있다.

논문2("Projection x-space magnetic particle imaging", Goodwill PW, 2012년 5월 31일 공개)에서는 한쌍의 자석을 이용해서 FFL을 생성하고, 한 쌍의 코일로 FFL을 평행 이동시켰고, FFL을 회전시키는 대신에 샘플을 회전시키는 방법을 사용하였고, 특허1(미국 공개 특허 US 2018/0017641호, 2018년 1월 18일 공개)은 한쌍의 자석을 이용해서 FFL을 생성하고, 한쌍의 코일로 FFL을 평행 이동시키고, 기계적인 수단으로 자석을 회전시켰는데 FFL의 평행 이동 수단인 전자기 코일은 여전히 높은 전력과 높은 발열량의 문제가 있어 대형화하기 어렵다는 단점이 있다.

미국 공개 특허 US 2018/0017641호, 2018년 1월 18일 공개

실시예는 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP) 물질의 공간상의 분포를 영상화 함에 있어 높은 전류량이 요구됨에 따라, 전류량의 제곱에 비례하는 발열 문제가 동반되는 문제를 해소하는 데 그 목적이 있다.

실시예는 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP) 물질의 공간상의 분포를 영상화하는 장치를 소형화하는 데 그 목적이 있다.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 거치시키는 시료베드가 수용되고, 여기 코일 및 검출 코일이 설치되는 측정헤드와, 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에 자기장이 희박한 경사자장 영역을 형성하는 경사자장 생성부와, 시료 베드를 이격 영역 내에서 일 방향으로 선형 이동시키는 제1 구동부와, 경사자장 생성부를 일 방향에 수직한 일 평면에서 회전시키는 제2 구동부와, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴으로써, 경사자장 생성부를 일 평면에서 선형 왕복시키는 제3 구동부 및 시료베드가 경사자장 생성부의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 제1 구동부, 제2 구동부 및 제3 구동부를 제어하여 경사자장 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 제어부를 포함할 수 있다.

이때, 여기 코일은, 저주파 코일 및 고주파 코일을 포함하고, 저주파 코일에서 발생한 제1 자기장과 고주파 코일에서 발생한 제2 자기장을 혼합하여 혼합 자기장을 발생시킬 수 있다.

이때, 대면하는 동일한 자기극들은, 일 평면에 경사자장을 발생시키는 영구 자석 쌍으로 형성될 수 있다.

이때, 대면하는 동일한 자기극들은, 일 평면에 수직한 다른 평면으로 경사자장을 발생시키는 직류 코일 쌍으로 더 형성될 수 있다.

이때, 제2 구동부는, 관통홀이 형성된 지지부와, 원통형으로 형성되어 관통홀에 삽입되고, 내측면에 경사자장 생성부를 결합 수용하는 회전부 및 제어부로부터의 제어 신호 입력에 따라 회전부를 회전시키는 제1 모터를 포함할 수 있다.

이때, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 회전부의 기준점 또는 회전 각도를 측정하는 제1 검출부를 더 포함할 수 있다.

이때, 회전부에는, 내측면에 경사자장 생성부와 결합되어 일 평면에서 선형 이동되도록 안내하는 리니어 가이드가 더 구비되되, 제3 구동부는, 회전부의 내측면과 경사자장 생성부 사이에서 결합 형성되고, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시켜 경사자장 생성부를 가이드를 따라 선형 왕복시키는 스카치 요크일 수 있다.

이때, 스카치 요크는, 경사자장 생성부에 고정되고, 리니어 가이드 이송 방향에 수직인 방향의 슬롯이 형성된 슬라이딩 요크와, 슬롯에 끼워지는 핀이 편심되게 일체 결합되는 크랭크와, 크랭크의 중심으로 회전력을 제공하는 제2 모터를 포함할 수 있다.

이때, 크랭크는, 경사자장 생성부의 질량에 상당하는 것일 수 있다.

이때, 크랭크는, 회전관성모멘트를 증가시킨 플라이휠(flywheel)로 사용될 수 있다.

이때, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 크랭크의 중심축 기준점 또는 중심축의 회전 각도를 측정하는 제2 검출부를 더 포함할 수 있다.

이때, 제어부는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고, 상호간에 평행한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성할 수 있다.

이때, 제어부는, 제2 구동부에 의한 경사자장 생성부의 회전 및 제3 구동부에 의한 선형 왕복이 반복 수행되도록 제어하고, 경사자장 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 것일 수 있다.

이때, 제어부는, 제2 구동부가 경사자장 생성부를 단속적으로 회전시키도록 제어하고, 그에 따라 생성된 사이노그램에서 회전 시점에 획득된 데이터를 삭제할 수 있다.

이때, 제어부는, 제2 구동부가 경사자장 생성부를 연속적으로 회전시키도록 제어하고, 그에 따른 검출 신호를 2차원 보간하여 사이노그램을 생성할 수 있다.

실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법은, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계 및 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에 형성되는 자기장이 희박한 경사자장 영역을 시료 내에서 이동시켜 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계를 포함하되, 경사자장 영역은, 일 방향으로의 선형 이동되거나, 일 방향을 포함하는 일 평면에서 회전되거나, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴에 따라 일 평면에서 선형 왕복될 수 있다.

이때, 영상화하는 단계는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계 및 상호간에 평행한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 경사자장 영역의 회전 및 선형 왕복을 반복 수행시키는 단계와, 경사자장 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하는 단계 및 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 경사자장 영역을 단속적으로 회전시키고, 그에 따라 생성된 사이노그램에서 회전 시점에 획득된 데이터를 삭제할 수 있다.

이때, 2차원 영상을 생성하는 단계는, 경사자장 영역을 연속적으로 회전시키고, 그에 따른 검출 신호를 2차원 보간하여 사이노그램을 생성할 수 있다.

실시예에 따르면, 전력과 코일 발열 문제가 적으므로 인체를 대상으로 하는 크기로 대형화, 실용화하기 유리하다.

실시예에 따르면, 경사자장 생성부를 리니어 스테이지를 이용해서 구동하는 경우에 비해서 시스템에 유발되는 진동이 거의 없으면서도 FFL을 고속으로 왕복 운동시킬 수 있으므로 시료의 단면 측정 시간을 줄일 수 있다.

도 1은 일반적인 경사자장 영역의 이동에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 동작에 의해 생성되는 사이노그램을 도시한 도면이다.
도 3은 실시예에 따른 나노 자성 입자의 영상화 장치의 개략적인 블록 구성도이다.
도 4는 실시예에 따른 나노 자성 입자의 영상화 장치의 구조도의 일 예를 도시한 도면이다.
도 5는 실시예에 따른 측정헤드의 코일 구조를 개략적으로 도식화한 예시도이다.
도 6은 실시예에 따른 경사자장 생성부의 구조도의 일 예이다.
도 7은 도 6에 도시된 경사자장 생성부에 의해 발생되는 경사자장의 예시도이다.
도 8은 실시예에 따른 경사자장 생성부의 구조도의 다른 예이다.
도 9는 도 8에 도시된 경사자장 생성부에 의해 발생되는 경사자장의 예시도이다.
도 10은 실시예에 따른 제1 구동부 구조의 예시도이다.
도 11은 실시예에 따른 제1 구동부의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 실시예에 따른 제2 구동부 구조의 예시도이다.
도 13은 실시예에 따른 제3 구동부 구조의 예시도이다.
도 14는 실시예에 따른 스카치 요크를 상부에서 바라본 사시도의 일 예이다.
도 15는 실시예에 따른 스카치 요크를 하부에서 바라본 사시도의 일 예이다.
도 16은 실시예에 따른 제3 구동부의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.
도 17 및 도 18은 크랭크가 플라이휠로 사용되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 19 및 도 20은 크랭크가 카운터 웨이트로 사용되는 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 실시예에 따른 자성 입자 영상화 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 22은 도 21의 2차원 영상 생성 단계를 상세히 설명하기 위한 순서도이다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 영상 생성을 설명하기 위한 도면이다.
도 25 및 도 26은 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 영상 생성을 설명하기 위한 도면이다.
도 27 및 도 28은 본 발명의 일 실시 예에 따른 3차원 영상 생성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

비록 "제1" 또는 "제2" 등이 다양한 구성요소를 서술하기 위해서 사용되나, 이러한 구성요소는 상기와 같은 용어에 의해 제한되지 않는다. 상기와 같은 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용될 수 있다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 또는 단계가 하나 이상의 다른 구성요소 또는 단계의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 의미를 내포한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

도 1은 일반적인 경사자장 영역의 이동에 따른 동작을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 동작에 의해 생성되는 사이노그램을 도시한 도면이다.

이때, 도 1에 도시된 그래프들은 한 쌍의 자석과 한 쌍의 코일-자석 쌍을 이용해서 두 쌍에 모두 수직인 경사자장을 생성하는 경사자장 생성부를 직선 스테이지(Linear Stage)와 회전 스테이지(Rotary Stage)에 설치하여 기계적으로 회전시키고 평행 이동시킨 경우의 측정되는 수치를 나타낸다.

구체적으로, 회전 스테이지(Rotary Stage)의 단위 각도에 대해서 왕복 직선 운동 또는 정방향 직선 운동을 하고, 각도를 증가시킨 후, 왕복 직선 운동 또는 역방향 직선 운동을 반복하여 총 180도 회전을 해야 한다. 직선 이송 중에 취득한 시계열 데이터는 가속, 감속 구간은 버리고 등속 운동 구간만 선택하여 경과 시간을 이용해서 FFL의 위치를 간접 추정하여 처리한다. 정밀한 자성 나노 입자 분포 영상을 얻기 위해서 회전 스텝을 좁히면, 직선 운동의 횟수는 총 스텝수에 비례하여 늘어나게 되므로 직선 운동의 이송 속도는 영상 촬영 시간을 결정하는 중요 인자이다.

도 1을 참조하면, 직선 스테이지(Linear Stage)는 볼스크류와 엔코더 모터를 이용하여 통상적으로 사다리꼴 속도 프로파일 또는 S 곡선 속도 프로파일로 구동되는데, 왕복 이송의 양 끝단에서 모터 정지 후 반대 방향으로 가속을 해야하므로 경사자장 생성부의 질량과, 이 질량에 대한 중력의 이송 방향 성분 모터의 회전 관성 모멘트의 합이 부하 하중(load)으로서 작용하므로, 경사자장 생성부를 인체용으로 대형화하고 신속히 영상화하고자 할 때 큰 장애가 된다. 또한, 가/감속 시간에 이송하는 거리를 추가로 확보해야 하므로, 그 만큼 장치 자체가 불필요하게 대형화되는 단점이 있을 뿐만 아니라, 이 거리를 최소화하기 위해서 급감속, 정지, 급가속을 반복하면 오히려 시스템 진동을 유발할 수 있다.

따라서, 본 발명은 직선 이송 스테이지를 이용하여 왕복 운동시키는 경우의 가감속 부하, 시스템 진동, 불필요한 이송 여유 공간 문제를 해결하여 인체 수준의 MPI 시스템으로 고속화/소형화할 수 있는 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법을 제안한다.

이하에서는, 도 3 내지 도 28을 참조하여 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치 및 방법이 상세히 설명된다.

도 3은 실시예에 따른 나노 자성 입자의 영상화 장치의 개략적인 블록 구성도이고, 도 4는 실시예에 따른 나노 자성 입자의 영상화 장치의 구조도의 일 예를 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는 측정헤드(110), 경사자장 생성부(120), 제어부(130), 제1 구동부(140), 제2 구동부(210) 및 제3 구동부(220)를 포함한다.

측정헤드(110)는 나노 자성 입자를 포함하는 시료가 수용되는 관통공이 형성되고, 여기 코일(Excitation Coil) 및 검출 코일(Detection Coil)이 설치된다. 이때, 여기 코일은 나노 자성 입자가 포함된 시료가 삽입된 측정헤드(110)에서 자기장을 발생시킨다. 이때, 검출 코일은 측정헤드(110)의 관통공 내부에 존재하는 시료로부터 검출 신호를 획득할 수 있다. 측정 헤드에 대한 상세한 설명은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.

경사자장 생성부(120)는 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에 자기장이 희박한 경사자장 영역을 형성한다.

여기서, 자성 입자 영상화(Magnetic Particle Imaging, MPI)에서 신호 획득의 기본 원리는 나노 자성 입자(Nano Magnetic Particle, NMP)이 경사 자기장(Gradient Magnetic Field) 내에서 가지는 비선형적인 자성 특성으로 인한 고조파(Harmonic) 신호를 기반으로 하고 있다. 이때, 두 개의 동일한 자기극을 마주보게 하여 비선형 자화 현상이 발생되지 않고 포화(Saturation)되도록 하여, 이격 영역의 소정 영역에 자기장이 희박한 영역을 생성한다.

부연 설명하면, 경사자장 영역을 공간상에서 이동시켜 고조파(Harmonic) 신호가 발생되는 공간상의 위치를 이용하여 영상화가 이루어진다.

이때, 경사자장 영역은, Field Free Point(FFP) 또는 Field Free Line(FFL)일 수 있다.

이때, 대면하는 동일한 자기극들은, 영구 자석 및 직류 전류(DC) 코일 중 적어도 하나로 형성될 수 있다. 이때, 영구 자석은, 네오디뮴 마그넷(Neodymium magnet)(n 30 grade)일 수 있다. 이때, 대면하는 동일한 자기극들은, 두 쌍일 수 있다.

이때, 경사자장 생성부(120)가 영구 자석으로 구현될 경우, 전자기장을 인가하기 위해서 별도의 전력이 요구되지 않는다. 또한, 경사자장 생성부(120)가 직류(DC) 코일로 구현될지라도 인가되는 전력은 크지 않다. 따라서, 나노 자성 입자의 3차원 영상화를 위한 전력 소모를 대폭 감소시킬 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 경사자장 생성부(120)는, 내부 공간이 형성된 육면체의 형상을 갖는 하우징에 영구 자석 또는 직류 전류 코일이 장착되도록 구현될 수 있다. 그런데, 도 4에 도시된 경사자장 생성부(120)의 형상은 일 실시 예일 뿐, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 또한, 경사자장 생성부(120)의 상세한 구조 설명은 도 6 내지 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.

제1 구동부(140)는 시료베드(150)를 이격 영역 내에서 일 방향으로 선형 이동시킨다. 이때, 일 방향은 예컨대, 도 4에 도시된 Z축 방향일 수 있다. 제1 구동부(140)의 상세한 구조 설명은 도 10 및 도 11를 참조하여 후술하기로 한다.

제2 구동부(210)는 경사자장 생성부(120)를 일 방향에 수직한 일 평면에서 회전시킨다. 이때, 일 평면은 예컨대, 도 4에 도시된 XY 평면에 평행할 수 있다. 제2 구동부(210)의 상세한 구조 설명은 도 12을 참조하여 후술하기로 한다.

제3 구동부(220)는 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴으로써, 경사자장 생성부(120)를 일 평면에서 선형 왕복시킨다. 제3 구동부(220)의 상세한 구조 설명은 도 13 내지 도 20을 참조하여 후술하기로 한다.

제어부(130)는 구성 요소들을 제어하여 나노 자성 입자 영상화의 전체 과정을 제어한다. 여기서, 제어부(130)는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예컨대 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다.

실시예에 따라, 제어부(130)는 측정헤드(110)가 경사자장 생성부(120)의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 제1 구동부(140), 제2 구동부(210) 및 제3 구동부(220)를 제어하여 경사자장 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화할 수 있다. 실시예에 따라, 제어부(130)는 FFP 또는 FFL이 지속적으로 이동되도록 제어하여, 시료가 FFP 또는 FFL에 중첩하면서 검출된 검출 신호들을 정렬하여 나타냄으로써 나노 자성 입자에 상응하는 3차원 영상 정보를 획득할 수 있다. 예컨대, 3차원 영상 정보는 등고선(contour plot) 형태의 입체적인 영상 정보를 포함할 수 있다.

이때, 제어부(130)는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고, 상호간에 평행한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성할 수 있다. 이때, 시료의 단면은 예컨대, 도 4에 도시된 XY 평면과 평행할 수 있다.

이때, 제어부(130)는, 제2 구동부(210)에 의한 경사자장 생성부(120)의 회전 및 제3 구동부(220)에 의한 선형 왕복이 반복 수행되도록 제어하고, 경사자장 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램(Sinogram)을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환(Inverse Radon Transformation)하여 2차원 영상을 생성할 수 있다.

이때, 사이노그램(Sinogram)이란 한 방향에서 획득한 투사 데이터를 투사 방향에 따라 순차적으로 배열한 것으로서 각 행이 갖는 화소값들은 해당 프로파일의 해당 위치에서의 크기(amplitude)와 같다. 이러한 사이노그램(Sinogram)은 주지된 기술로 상세한 설명을 생략하기로 한다. 또한, 역 라돈 변환(inverses radon transform)은 CT 등에서 널리 사용되는 사이노그램을 이용한 2차원 영상 생성 기법으로 "Kak, A. C., and M. Slaney, Principles of Computerized Tomographic Imaging, New York, NY, IEEE Press, 1988"에 공지된 기술이므로, 여기서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

예컨대, 도 4를 참조하면, 경사자장 영역은 XY 평면에서 소정 단위 각도만큼 회전하거나, 회전된 상태에서 선형 이동될 수 있다. 이를 T-ROUND STAGE 이동이라 칭할 수 있다.

이때, 제어부(130)는, 제2 구동부(210)가 경사자장 생성부(120)를 단속적으로 회전시키도록 제어하고, 그에 따라 생성된 사이노그램에서 회전 시점에 획득된 데이터를 삭제할 수 있다.

이때, 제어부(130)는, 제2 구동부(210)가 경사자장 생성부(120)를 연속적으로 회전시키도록 제어하고, 그에 따른 검출 신호를 2차원 보간하여 사이노그램을 생성할 수 있다.

또한, 제어부(130)는, 시료베드(150)를 시료의 단면에 수직한 방향으로 소정 단위 길이만큼 이동시키면서 2차원 영상 생성을 반복할 수 있다. 즉, 제1 구동부(140)에 의해 시료베드(150)가 Z축 방향으로 선형 이동됨에 따라, 경사자장 영역이 지나가는 단면들 각각에 대한 2차원 영상들이 획득될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치(1)는 나노 자성 입자의 영상을 출력하고, 나노 자성 입자 영상화를 위한 조작자의 제어 선택을 입력받을 수 있는 인터페이스부(미도시)를 포함하거나, 인터페이스부와 연결될 수도 있다. 인터페이스부는 입출력 기능을 모두 구비할 수 있다. 예컨대, 입력부은 키보드, 마우스, 소리 인식 등의 다양한 방법을 통해 제공할 수 있고, 출력부는 프로젝터, 다양한 디스플레이 패널, 소리, 진동 등을 통해 제공할 수 있다. 또한, 입력부 및 출력부가 일체화된 터치 패널의 형태로 구현될 수도 있다.

도 5는 실시예에 따른 측정헤드의 코일 구조를 개략적으로 도식화한 예시도이다.

도 5를 참조하면, 측정헤드(110)는 여기 코일(111a, 111b) 및 검출 코일(112)을 포함할 수 있다.

이때, 여기 코일(111a, 111b)는 각각 자기장을 발생시키는 솔레노이드 코일로, 각각에서 발생되는 두 개의 자기장들의 혼합 자기장을 발생시킬 수 있다.

이때, 여기 코일(111a, 111b)은, 저주파 코일(111a) 및 고주파 코일(111b)일 수 있다.

이 때, 측정헤드(110)의 최외곽에 저주파 코일(111a)이 위치하고, 저주파 코일(111a)의 안쪽에 고주파 코일(111b)이 위치하고, 고주파 코일(111b)의 안쪽에 검출 코일(112)이 위치할 수 있다. 즉, 측정헤드(110)에 저주파 코일(111a)과 고주파 코일(111b)을 하나씩 포함함으로써 저주파 신호에 의한 자기장과 고주파 신호에 의한 자기장을 발생시켜 혼합 자기장을 생성할 수 있다.

또한, 저주파 코일(111a)은 저주파 전압에 상응하는 전력원으로부터 신호를 인가 받을 수 있고, 고주파 코일(111b)은 고주파 전압에 상응하는 전력원으로부터 신호를 인가받을 수 있다.

이때, 검출 코일(112)이 출력하는 기전력은 검출 신호에 상응할 수 있다. 이 때, 검출 코일(112)은 서로 다른 방향으로 감긴 두 개의 코일들이 연결된 차분 검파 코일(Differential detection coil)에 상응할 수 있다. 따라서, 검출 코일(112)에서는 서로 다른 방향으로 감긴 두 개의 코일들에서 검출된 신호들을 합한 것을 검출 신호로 획득할 수 있다.

이로써, 비선형적인 FFL 또는 FFP 상에서 Harmonic 신호를 획득하기 위해 여기 코일에서 두 개의 상이한 주파수를 사용함과 동시에 디퍼런셜 코일의 한쪽을 강한 자기장으로 포화(saturation)시켜 차분 검파의 효과는 유지하되 검출 코일의 양쪽에서 모두 신호가 나오는 현상을 감쇄시킬 수 있다.

도 6은 실시예에 따른 경사자장 생성부의 구조도의 일 예이고, 도 7은 도 6에 도시된 경사자장 생성부에 의해 발생되는 경사자장의 예시도이다.

도 6을 참조하면, 경사자장 생성부(120)는 육면체의 하우징(121)을 포함하고, 하우징(121)은 일 방향으로 관통된 형상일 수 있다. 이로써, 측정헤드(110)가 삽입되어 하우징(121)으로 수용될 수 있다.

경사자장 생성부(120)는 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에 자기장이 희박한 경사자장 영역을 형성할 수 있다.

이때, 대면하는 동일한 자기극들은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일 평면에 경사자장을 발생시키는 영구 자석 쌍(123-1, 123-2)으로 형성될 수 있다.

이때, 대면하는 동일한 자기극들은, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 일 평면에 수직한 다른 평면으로 경사자장을 발생시키는 직류 코일 쌍(124-1, 124-2)으로 더 형성될 수 있다. 이때, 직류 코일 쌍(124-1, 124-2)은 측정헤드(120)의 일측에는 자성 나노 입자 포화 자기장 이상의 자기장을 생성할 수 있다.

이때, 직류 전류 코일(124-1, 124-2)은 약 1.3MM 정도의 코일이 약 1000 회(TURN) 정도 감긴 솔레노이드 코일로 DC 전력(DC power)이 인가될 수 있다.

이때, 영구 자석 쌍(123-1, 123-2)이 상호간에 N극이 마주보도록 배치될 경우, 직류 코일 쌍(124-1, 124-2)에는 상호간에 S극이 마주보도록 형성되도록 인가되는 전류 방향이 제어될 수 있다.

도 8은 실시예에 따른 경사자장 생성부의 구조도의 다른 예이고, 도 9는 도 8에 도시된 경사자장 생성부에 의해 발생되는 경사자장의 예시도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 도 6 및 도 7에 도시된 것과 다르게, 경사자장 생성부(120)는 일 평면에 경사자장을 발생시키는 영구 자석 쌍(123-1, 123-2)만을 구비할 수 있다. 즉, 시료에 포화자기장이 충분히 낮은 자성 나노 입자가 사용될 경우에는 직류 코일 쌍(124-1, 124-2)이 불필요할 수 있다.

도 10은 실시예에 따른 제1 구동부 구조의 예시도이고, 도 11은 실시예에 따른 제1 구동부의 동작 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 10 및 도 11을 참조하면, 제1 구동부(140)는 베이스(10)에 구비된 테이블 형태의 거치대(30)의 상부에 설치될 수 있다. 이때, 시료베드(150)가 경사자장 생성부(120)의 내부로 삽입될 수 있도록, 제1 구동부(140)가 경사자장 생성부(120)의 높이에 상응하는 위치에 설치될 수 있다.

이때, 제1 구동부(140)에 리니어 가이드(140a)가 Z축에 평행하게 형성되고, 제1 구동부(140)는 리니어 가이드(140a)를 포함하고, 시료 베드(150)는 리니어 가이드(140a)를 따라 선형 이동될 수 있다.

이때, 시료베드(150)은 상부가 원형으로 오목하게 형성되어, 시료(20)가 시료베드(150)를 따라 이동되어 측정 헤드(110) 내부에 삽입될 수 있다.

도 12는 실시예에 따른 제2 구동부 구조의 예시도이고, 도 13은 실시예에 따른 제3 구동부 구조의 예시도이고, 도 14는 실시예에 따른 스카치 요크를 상부에서 바라본 사시도의 일 예이고, 도 15는 실시예에 따른 스카치 요크를 하부에서 바라본 사시도의 일 예이고, 도 16은 실시예에 따른 제3 구동부의 동작을 설명하기 위한 예시도이다.

도 12를 참조하면, 제2 구동부(210)는, 관통홀이 형성된 지지부(211)와, 원통형으로 형성되어 관통홀에 삽입되고, 내측면에 경사자장 생성부(120)를 결합 수용하는 회전부(212)를 포함할 수 있다.

이때, 제어부(130)로부터의 제어 신호 입력에 따라 회전부(212)를 회전시키는 제1 모터(미도시)를 포함할 수 있다. 이때, 제1 모터는 감속기를 구비한 서보 모터일 수 있다.

이때, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 회전부(212)의 기준점 또는 회전 각도를 측정하는 제1 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

이때, 회전부(212)에는, 도 13에 도시된 바와 같이, 내측면에 경사자장 생성부(120)와 결합되어 일 평면에서 선형 이동되도록 안내하는 리니어 가이드(222)가 더 구비될 수 있다.

또한, 제2 구동부(220)는, 도 13에 도시된 바와 같이, 회전부(212)의 내측면과 경사자장 생성부(120) 사이에서 결합 형성되고, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시켜 경사자장 생성부(120)를 리니어 가이드(222)를 따라 선형 왕복시키는 스카치 요크(scotch-yoke)(221)일 수 있다.

여기서, 도면에는 도시되어 있지 않으나, 회전부(212)에는 제3 구동부(220) 및 경사자장 생성부(120)의 직류 코일 쌍(124-1, 124-2)에 필요한 전력 공급을 위해서, 연속 회전 중에도 전력을 공급할 수 있는 슬립링(slip-ring)들이 구비되어 있을 수 있다.

이때, 도 8 및 도 9에 도시된 경우와 같이, 직류 코일 쌍(124-1, 124-2)이 불필요할 경우, 전용 슬립링(미도시) 또한 불필요할 수도 있다. 이 경우, 회전부(212)에는 스카치 요크(221) 구동을 위한 전력을 공급되는 통상의 슬립링만이 설치되므로, 경사자장 생성부(120)이 일 평면에서 한 방향으로 계속하여 회전하기가 매우 유리해질 수 있다.

이때, 스카치 요크(221)는, 도 14 내지 도 15에 도시된 바와 같이, 경사자장 생성부(120)에 고정되고, 리니어 가이드(222) 이송 방향에 수직인 방향의 슬롯(221a-1)이 형성된 슬라이딩 요크(sliding yoke)(221a)와, 슬롯(221a-1)에 끼워지는 핀(221c)이 편심되게 일체 결합되는 크랭크(221b)와, 크랭크(221b)의 중심으로 회전력을 제공하는 제2 모터(221d)를 포함할 수 있다.

이때, 제2 모터(221d)는 감속기(미도시)를 구비한 서보 모터일 수 있다. 또한, 핀(221c)는 마찰과 유격없이 슬롯(221a-1) 내에서 자유롭게 이동될 수 있다.

이때, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 장치는, 크랭크(221b)의 중심축 기준점 또는 중심축의 회전 각도를 측정하는 제2 검출부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

도 14를 참조하면, 크랭크(221b)의 동력입력축에 제2 모터(221d)에 의한 동력(회전력)이 입력되면, 이에 일체로 편심 형성된 핀(221c)이 동력압력축을 중심으로 하여 편심회전운동을 하게 되며, 이 핀(221c)의 그 편심량 만큼의 반경을 그리면서 편심회전 운동에 따라, 핀(221c)이 끼워진 슬라이딩 요크(221a)는 사인파의 위치 프로파일로 선형 왕복 운동을 하게 된다.

따라서, 경사자장 생성부(120) 또한 사인파의 위치 프로파일로 선형 왕복 운동을 하게 된다. 여기서, 사인파의 위치 프로파일로 선형 운동하게 됨에 따라, 속도, 가속도, 가속도의 시간 미분인 저크(jerk) 모두 미분 가능하게 되므로, 진동이 유발되지 않는 상태로 안정적으로 구동이 된다.

한편, 크랭크(221b)는, 경사자장 생성부(120)의 질량에 상당하는 것일 수 있다.

그런데, 회전부(212)가 90도 근접하게 회전한 상태에서는 경사자장 생성부(120)가 중력의 방향에 대해 정반대로 움직여야 하므로, 스카치 요크(221)의 제2 모터(221d)에 가해지는 부하가 최대가 된다.

이를 해결하기 위해, 실시예에 따라, 크랭크(221b)는, 회전관성모멘트를 증가시킨 플라이휠(flywheel)로 사용될 수 있다. 이 경우 초기 가속은 불리하지만, 회전부(212)의 회전 각도와 경사자장 생성부(120) 위치와 무관하게 제2 모터(221d) 출력을 일정하게 유지하기에는 유리하다. 도 17 및 도 18은 크랭크가 플라이휠로 사용되는 예를 설명하기 위한 도면이다.

한편, 경사자장 생성부(120)의 저속 승강 동작시 필요 토크를 낮출 수 있도록 경사자장 생성부(120)의 총질량과 동등한 편심 질량이 스카치 요크의 크랭크(221b)에 구현될 수도 있다. 도 19 및 도 20은 크랭크가 카운터 웨이트로 사용되는 예를 설명하기 위한 도면이다.

도 21은 실시예에 따른 자성 입자 영상화 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 이때, 자성 입자 영상화 방법은 도 1 내지 도 20을 참조하여 전술한 자성 입자 영상화 장치에 의해 수행되는 것으로, 전술한 내용과 중복되는 내용은 생략하기로 한다.

도 21을 참조하면, 실시예에 따른 나노 자성 입자 영상화 방법은, 나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계(S310) 및 대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에 형성되는 자기장이 희박한 경사자장 영역을 시료 내에서 이동시켜, 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계(S320~S330)를 포함할 수 있다.

이때, 경사자장 영역은, 일 방향으로의 선형 이동되거나, 일 방향에 수직한 일 평면에서의 회전되거나, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴에 따라 일 평면에서 선형 왕복될 수 있다.

이때, 영상화하는 단계는, 검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계(S320) 및 상호간에 평행한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계(S330)를 포함할 수 있다.

2차원 영상을 생성하는 단계(S320)는, 경사자장 영역의 회전 및 선형 왕복을 반복 수행시키는 단계와, 경사자장 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하는 단계 및 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

도 22는 도 21의 2차원 영상 생성 단계를 상세히 설명하기 위한 순서도이다.

도 22를 참조하면, 우선, 제어부(130)는 시료베드(150)의 선형 이동 조절한다(S321). 즉, 시료의 Z 축 방향의 위치를 조절하는 것이다. 초기에는 FFL 또는 FFP가 시료의 최고점 또는 최저점을 지나가도록 조절한다.

그런 후, 제어부(130)는 회전부(212)를 소정 각도

만큼 회전시킨다(S322). 즉, 경사자장 생성부(120)에 의해 생성된 FFL 또는 FFP가 시료의 일 단면(XY 평면)에서

만큼 회전된다.

제어부(130)는 경사자장 생성부(120)를 지속적으로 전방 선형 이동(Forward-Linear Movement)시킴과 아울러, 소정 단위 시간 간격으로 검출 코일(112)이 검출한 신호를 획득한다(S323). 그런 후, 제어부(130)는 경사자장 생성부(120)를 전방 선형 이동한 만큼 반대로 후방 선형 이동(Backward-Linear Movement)시켜 원 위치로 복귀되도록 한다(S324).

이때, 실시예에 따라, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴으로써, 경사자장 생성부(120)가 일 단면에서 선형 왕복된다.

그러면, 제어부(130)는 검출 코일(120)로부터 출력된 신호를 기반으로 소정 영상 신호를 표현할 수 있는 사이노그램(Sinogram)을 갱신한다(S325).

그런 후, 제어부(130)는 회전된 각도

의 누적값이 180도 미만인지를 판단한다(S326).

S326의 판단 결과 회전된 각도

의 누적값이 180도 미만일 경우, 제어부(130)는 S322 내지 S325가 반복 수행되도록 제어한다. 반면, S325의 판단 결과 회전된 각도

의 누적값이 180도 미만이 아닐 경우, 제어부(130)는 생성된 사이노그램(Sinogram)을 역 라돈 변환(Inverse Radon Transformation)시켜, 시료의 현재 높이에서의 단면(XY 평면)에 대한 2차원 영상화가 이루어지도록 한다(S327).

이후, 제어부(130)는 시료베드 선형 이동 여부를 판단(S328)한 결과에 따라 S321 내지 S328을 반복 수행 한다.

그런데, 본 발명에 따라, 2차원 영상을 생성하는 단계(S320)는 다양한 실시 예들이 가능하다.

일 실시 예에 따라, 2차원 영상을 생성하는 단계(S320)는, 경사자장 영역을 단속적으로 회전시키고, 그에 따라 생성된 사이노그램에서 회전 시점에 획득된 데이터를 삭제할 수 있다.

도 23 및 도 24는 본 발명의 일 실시 예에 따른 2차원 영상 생성을 설명하기 위한 도면이다.

도 23을 참조하면, 일 실시 예에 따라, 제어부(130)는 도 22에 도시된 S322에서 회전부(212)를 단속적으로 천천히 회전시킬 수 있다.

또한, 제어부(130)는 이에 상응하도록, S323 및 S324에서 스카치 요크(221)의 제3 모터(221d)의 회전 속력(Angular Velocity)을 조절할 수 있다. 즉, 회전부(212)가 단속적으로 천천히 회전될 경우, 슬라이딩 요크(Sliding Yoke)가 사인파의 한 주기만큼 왕복한 시점부터 제어부(130)는 회전부(212)의 회전 각도를 변경한다.

즉, 제3 모터(221d) 가속 구간이 끝난 후에는 경사자장 생성부에 급격한 가진(jerk)없이, 슬라이딩 요크(Sliding Yoke)가 왕복 운동을 할 수 있게 된다.

도 24를 참조하면, 사이노그램(Sinogram)의 가로축인 FFL 각도 및 세로축인 FFL 위치 모두 시간의 함수이므로, 좌측에 도시된 측정값을 이용하여 우측에 도시된 사이노그램(Sinogram)이 생성될 수 있다. 그런데, 좌측에 도시된 사이노그램(Sinogram)에는 가로축끼리 연결되는 궤적이 포함된다.

따라서, 일 실시 예에 따라, 제어부(130)는 도 22에 도시된 S325에서 연결 궤적을 삭제하여 역 라돈 변환(Inverse radon transform)을 수행할 사이노그램(Sinogram)을 얻게 된다.

한편, 다른 실시 예에 따라, 2차원 영상을 생성하는 단계(S320)는, 경사자장 영역을 연속적으로 회전시키고, 그에 따른 검출 신호를 2차원 보간하여 사이노그램을 생성할 수 있다.

도 25 및 도 26은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 2차원 영상 생성을 설명하기 위한 도면이다.

도 25를 참조하면, 다른 실시 예에 따라, 제어부(130)는 도 22에 도시된 S322에서 회전부(212)를 연속적으로 재빠르게 회전시킬 수 있다.

또한, 제어부(130)는 이에 상응하도록, S323 및 S324에서 스카치 요크(221)의 제3 모터(221d)의 회전 속력(Angular Velocity)을 조절할 수 있다. 즉, 회전부(212)가 연속적으로 재빠르게 회전될 경우, 제어부(130)는 회전부(212)가 연속적으로 회전되는 동안 미리 설정된 횟수만큼 슬라이딩 요크(Sliding Yoke)가 사인파의 형태로 왕복하도록, 제3 모터(221d)의 회전 속력(Angular Velocity)을 높게 조절할 수 있다.

따라서, 제어부(130)는 도 22에 도시된 S322에서 회전부(212)를 연속적으로 재빠르게 등속 회전시키는 초기에 과도 응답이 사라지고, 슬라이딩 요크(Sliding Yoke)도 구동 초기에만 jerk가 불연속이므로 전체적으로 과도 응답이 없는 상태로 고속 구동이 가능하도록 한다.

도 26을 참조하면, 다른 실시 예에 따라, 제어부(130)는 도 22에 도시된 S325에서, 측정된 값

는

로 2차원 공간상에서 실선과 같이 배치할 수 있으며, 역 라돈 변환(Inverse Radon Transform)에 사용할 사이노그램(Sinogram)의 픽셀값

는 픽셀 위치

의 상하/좌우 인접 실측 데이터

1개, 2개, 또는 4개를 이용해서 보간하여 구성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 2차원 영상을 생성하는 단계(S320)는, 시료를 수용한 시료베드(150)를 연속적으로 등속 선형 이동시킴과 아울러 경사자장 영역을 연속적으로 360도 이상 회전시키고, 그에 따른 검출 신호를 3차원으로 배열하고 공간상의 인근점을 보간하여 시료의 임의 단면의 2차원 사이노그램(Sinogram)을 생성한다.

도 27 및 도 28은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 2차원 영상 생성을 설명하기 위한 도면이다.

도 27을 참조하면, 또 다른 실시 예에 따라, 제어부(130)는 도 22에 도시된 S321에서 시료베드(150)를 연속적으로 등속 선형 이동시킬 수 있다.

아울러, 제어부(130)는 도 22에 도시된 S322에서 경사자장 생성부(120)를 연속적으로 재빠르게 회전시킬 수 있다.

도 28을 참조하면, FFL 회전각도

를 기준 각도 0도에서부터 계속 증가시키되,

를 이용해서 0도부터 180도 범위로 한정하면, 측정값

를 3차원 공간상에 배치할 수 있으며, 얻고자 하는 임의 단면의 2차원 사이노그램(Sinogram)은 공간상의 인근점들, 예컨대 최대 8개를 보간하여 생성할 수 있다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 나노 자성 입자 영상화 장치
110: 측정헤드
111: 여기 코일 112: 검출 코일
120: 경사자장 생성부 130: 제어부
140: 제1 구동부 140: 시료베드
210: 제2 구동부 211:지지부 212: 회전부 220:제3구동부 221: 스카치 요크

Claims

나노 자성 입자를 포함하는 시료를 거치하는 시료베드가 수용되고, 여기 코일 및 검출 코일이 설치되는 측정헤드;
대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에자기장이 희박한 경사자장 영역을 형성하는 경사자장 생성부;
시료베드를 이격 영역 내에서 일 방향으로 선형 이동시키는 제1 구동부;
경사자장 생성부를 일 방향에 수직한 일 평면에서 회전시키는 제2 구동부;
회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴으로써, 경사자장 생성부를 일 평면에서 선형 왕복시키는 제3 구동부; 및
시료베드가 경사자장 생성부의 이격 영역 내에 위치됨에 따라, 여기 코일에 신호를 인가하고, 제1 구동부, 제2 구동부 및 제3 구동부를 제어하여 경사자장 영역이 시료 내에서 이동되도록 제어하여, 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 제어부
를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 1항에 있어서, 여기 코일은,
저주파 코일 및 고주파 코일을 포함하고, 저주파 코일에서 발생한 제1 자기장과 고주파 코일에서 발생한 제2 자기장을 혼합하여 혼합 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 1항에 있어서, 대면하는 동일한 자기극들은,
일 평면에 경사자장을 발생시키는 영구 자석 쌍으로 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 3항에 있어서, 대면하는 동일한 자기극들은,
일 평면에 수직한 다른 평면으로 경사자장을 발생시키는 직류 코일 쌍으로 더 형성되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 1항에 있어서, 제2 구동부는,
관통홀이 형성된 지지부;
원통형으로 형성되어 관통홀에 삽입되고, 내측면에 경사자장 생성부를 결합 수용하는 회전부; 및
제어부로부터의 제어 신호 입력에 따라 회전부를 회전시키는 제1 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 5항에 있어서,
회전부의 기준점 또는 회전 각도를 측정하는 제1 검출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 5항에 있어서, 회전부는,
내측면에 경사자장 생성부와 결합되어 일 평면에서 선형 이동되도록 안내하는 리니어 가이드가 더 구비되되,
제3 구동부는,
회전부의 내측면과 경사자장 생성부 사이에서 결합 형성되고, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시켜 경사자장 생성부를 가이드를 따라 선형 왕복시키는 스카치 요크인 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 7항에 있어서, 스카치 요크는,
경사자장 생성부에 고정되고, 리니어 가이드 이송 방향에 수직인 방향의 슬롯이 형성된 슬라이딩 요크;
슬롯에 끼워지는 핀이 편심되게 일체 결합되는 크랭크; 및
크랭크의 중심으로 회전력을 제공하는 제2 모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 8항에 있어서, 크랭크는,
경사자장 생성부의 질량에 상당하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 8항에 있어서, 크랭크는,
회전관성모멘트를 증가시킨 플라이휠(flywheel)로 사용되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 8항에 있어서,
크랭크의 중심축 기준점 또는 중심축의 회전 각도를 측정하는 제2 검출부를 더 포함하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 8항에 있어서, 제어부는,
검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하고, 상호간에 평행한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 12항에 있어서, 제어부는,
제2 구동부에 의한 경사자장 생성부의 회전 및 제3 구동부에 의한 선형 왕복이 반복 수행되도록 제어하고,
경사자장 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하고, 생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 13항에 있어서, 제어부는,
제2 구동부가 경사자장 생성부를 단속적으로 회전시키도록 제어하고, 그에 따라 생성된 사이노그램에서 회전 시점에 획득된 데이터를 삭제하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
제 13항에 있어서, 제어부는,
제2 구동부가 경사자장 생성부를 연속적으로 회전시키도록 제어하고, 그에 따른 검출 신호를 2차원 보간하여 사이노그램을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 장치.
나노 자성 입자를 포함하는 시료를 수용한 측정헤드에 설치된 여기 코일에 신호를 인가하는 단계; 및
대면하는 동일한 자기극들간의 이격 영역 내에서 나노 자성 입자의 포화 자기장 이상으로 포화시키되, 일부 영역에형성되는 자기장이 희박한 경사자장 영역을 시료 내에서 이동시켜 측정헤드의 검출 코일로부터 출력되는 검출 신호를 기반으로 시료에 포함된 나노 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화하는 단계를 포함하되,
경사자장 영역은,
일 방향으로의 선형 이동되거나, 일 방향에 수직한 일 평면에서의 회전되거나, 회전을 사인파 형태의 왕복 운동으로 변환시킴에 따라 일 평면에서 선형 왕복되는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
제16 항에 있어서,
검출 신호를 기반으로 시료의 단면에 포함된 나노 자성 입자의 2차원 위치 분포인 2차원 영상을 생성하는 단계; 및
상호간에 평행한 복수의 단면들에 상응하는 복수의 2차원 영상들을 합성하여 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
제 17항에 있어서, 2차원 영상을 생성하는 단계는,
경사자장 영역의 회전 및 선형 왕복을 반복 수행시키는 단계; 및
경사자장 영역 이동에 따라 검출 신호로부터 출력된 신호로 사이노그램을 생성하는 단계; 및
생성된 사이노그램을 역 라돈 변환하여 2차원 영상을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.
제 18항에 있어서, 2차원 영상을 생성하는 단계는,
경사자장 영역을 단속적으로 회전시키고, 그에 따라 생성된 사이노그램에서 회전 시점에 획득된 데이터를 삭제하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화방법.
제 18항에 있어서, 2차원 영상을 생성하는 단계는,
경사자장 영역을 연속적으로 회전시키고, 그에 따른 검출 신호를 2차원 보간하여 사이노그램을 생성하는 것을 특징으로 하는 나노 자성 입자 영상화 방법.