KR102588580B1

KR102588580B1 - 휴대용 자성 입자 영상화 장치

Info

Publication number: KR102588580B1
Application number: KR1020210190350A
Authority: KR
Inventors: 윤정원; 최상한; 투안 안 르
Original assignee: 광주과학기술원
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-12-28
Publication date: 2023-10-12
Also published as: KR20230077576A

Abstract

본 발명은 환부에 직접 접촉시켜 사용할 수 있도록 휴대용으로 설계되어 피하 일정 깊이에 위치한 자성 입자를 영상화할 수 있는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 자성 입자 영상화 장치는 환부 접촉면 상에 링 구조로 배열되어 상기 환부 접촉면 하부로 FFP(Field Free Line Point)를 생성하는 복수의 영구자석, 상기 복수의 영구자석에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 자기장을 생성하여 상기 FFP의 깊이를 조절하는 원통형의 구동코일, 상기 구동코일의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 상기 FFP를 포함하는 FOV(Field of View) 내에 자기장을 생성하여 상기 FOV 내의 자성 입자를 여기시키는 원통형의 여기코일, 상기 여기코일의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 상기 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신하는 원통형의 제1 수신코일 및 상기 제1 수신코일 상하부에 각각 배치되어 상기 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신하는 평판형의 제2 수신코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

휴대용 자성 입자 영상화 장치{PORTABLE MAGNETIC PARTICLE IMAGING DEVICE}

본 발명은 환부에 직접 접촉시켜 사용할 수 있도록 휴대용으로 설계되어 피하 일정 깊이에 위치한 자성 입자를 영상화할 수 있는 장치에 관한 것이다.

자성 입자 영상화(Magnetic Particle Imaging; MPI) 장치는 자기 공명 영상화(Magnetic Resonance Imaging) 장치나 X-ray 장치와 비교할 때, 해부학적 영상을 획득할 수는 없다는 한계가 있으나, 암과 같은 병변 부위를 특정하여 영상화할 수 있다는 장점이 있어 PET(Positron Emission Tomography)를 대체할 수 있는 차세대 의료 장비로 최근 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

자성 입자 영상화 장치는 둘 이상의 자기장을 중첩시켜 자기장이 희박한 영역(Field Free Line or Point, 이하 FFL or FFP)을 발생시키고, 해당 영역의 움직임에 기초하여 영상을 생성한다.

이를 위해, 자성 입자 영상화 장치는 전자석 또는 영구자석을 이용하는데, 전자석을 이용하는 방식은 수십에서 수백 kW의 전력을 소모함에도 불구하고 실험용 마우스와 같이 매우 작은 시료 외에는 측정이 불가하다는 단점이 있다.

한편, 영구자석을 이용하는 방식은 전력 소모가 거의 없다는 장점이 있으나, FFL 또는 FFP의 생성을 위해 대형 자석을 사용해야 하는 한계가 있으며, 대형 자석 사용 시 강한 자력으로 인해 안전사고가 발생할 수 있다는 문제가 있다.

본 발명은 FFP의 생성을 위해 복수의 소형 자석을 이용함으로써 자성 입자 영상화 장치를 소형화하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 원통형 코일과 평판 코일의 결합을 통해 자성 입자에서 출력되는 신호를 수신하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 자성 입자 영상화 장치는 환부 접촉면 상에 링 구조로 배열되어 상기 환부 접촉면 하부로 FFP(Field Free Line Point)를 생성하는 복수의 영구자석, 상기 복수의 영구자석에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 자기장을 생성하여 상기 FFP의 깊이를 조절하는 원통형의 구동코일, 상기 구동코일의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 상기 FFP를 포함하는 FOV(Field of View) 내에 자기장을 생성하여 상기 FOV 내의 자성 입자를 여기시키는 원통형의 여기코일, 상기 여기코일의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 상기 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신하는 원통형의 제1 수신코일 및 상기 제1 수신코일 상하부에 각각 배치되어 상기 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신하는 평판형의 제2 수신코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 복수의 영구자석은 할박(Halbach) 배열되어 상기 FOV에 자기력을 집중시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 복수의 영구자석은 상기 환부 접촉면 하부로 기준 각도만큼 기울어지도록 배열되어 상기 환부 접촉면 하부 기준 깊이에 상기 FFP를 생성하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 구동코일은 상기 FFP를 밀어내는 방향 또는 상기 FFP를 끌어당기는 방향의 자기장을 생성하여 상기 FFP의 깊이를 조절하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 여기코일은 상기 구동코일에서 생성된 자기장에 고주파 자기장을 혼합하여 상기 자성 입자를 여기시키는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제1 수신코일은 제1 방향으로 권선된 제1-1 수신코일과, 상기 제1-1 수신코일과 연결되되 수직적으로 이격 배치되고, 상기 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 권선된 제1-2 수신코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제2 수신코일은 제1 방향으로 권선된 제2-1 수신코일과, 상기 제2-1 수신코일과 연결되되 상기 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 권선된 제2-2 수신코일을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 수신코일은 상호 연결되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제1 및 제2 수신코일에서 수신된 신호를 합산하여 상기 자성 입자의 위치를 검출하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 수술실 내에서 사용 가능하도록 장치를 소형화함으로써 수술 전에는 병변 부위의 위치를 정확히 파악할 수 있고, 수술 후에는 현장에서 곧바로 병변의 잔여 여부를 파악할 수 있어 간단하고 비 침습적인 방법으로 수술의 완성도를 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 영구자석을 이용하여 FFP의 위치를 물리적으로 고정하되, 구동코일을 이용하여 FFP의 위치를 전자기적으로 조절함으로써, 어느 한 환부 접촉면에서 넓은 깊이에 분포되어 있는 병변의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.

또한, 본 발명은 원통형의 수신코일과 평판형의 수신코일을 모두 이용하여 자성 입자를 검출함으로써 병변의 깊이에 관계없이 높은 검출 감도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 상면도.
도 3은 도 1에 도시된 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 측단면도.
도 4는 영구자석의 배열에 따른 자기장을 도시한 도면.
도 5는 구동코일에서 발생하는 자기장에 따른 FFP의 이동을 설명하기 위한 도면.
도 6은 도 1에 도시된 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 중심을 기준으로 일측에 배치된 코일들을 도시한 측단면도.
도 7은 프로세서가 제1 및 제2 수신코일로부터 신호를 수신하는 모습을 도시한 구성도.
도 8은 제1 및 제2 수신코일에서 수신된 신호의 세기와, 제1 수신코일에서만 수신된 신호의 세기를 비교한 그래프.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 명세서에서 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B 를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다

본 발명은 환부에 직접 접촉시켜 사용할 수 있도록 휴대용으로 설계되어 피하 일정 깊이에 위치한 자성 입자를 영상화할 수 있는 장치에 관한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자성 입자 영상화 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 상면도이며, 도 3은 도 1에 도시된 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 측단면도이다.

도 4는 영구자석의 배열에 따른 자기장을 도시한 도면이다.

도 5는 구동코일에서 발생하는 자기장에 따른 FFP의 이동을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 도 1에 도시된 휴대용 자성 입자 영상화 장치의 중심을 기준으로 일측에 배치된 코일들을 도시한 측단면도이다.

도 7은 프로세서가 제1 및 제2 수신코일로부터 신호를 수신하는 모습을 도시한 구성도이고, 도 8은 제1 및 제2 수신코일에서 수신된 신호의 세기와, 제1 수신코일에서만 수신된 신호의 세기를 비교한 그래프이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)는 복수의 영구자석(110), 구동코일(drive coil, 120), 여기코일(excitation coil, 130), 제1 수신코일(140), 제2 수신코일(150) 및 프로세서(160)를 포함할 수 있다. 다만, 도 1 내지 도 3에 도시된 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)는 일 실시예에 따른 것이고, 그 구성요소들이 도 1 내지 도 3에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

본 발명의 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)는 기본적으로, 자성 입자가 구배(Gradient) 자기장 내에서 갖는 비선형적(non-linear) 특성에 따른 고조파(harmonic) 신호를 검출하고, 이에 기초하여 이미지를 획득하는 것이다. 이를 위해서는, 관찰 영역(Field of View; FOV) 내에 자기장이 희박한 지점(Field Free Point; FFP)을 생성해야 하며, 본 발명은 복수의 영구자석(110)을 이용하여 FFP를 생성할 수 있다.

본 발명의 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)는 암과 같은 병변 부위를 특정하기 위하여 환자의 신체(예컨대, 피부)에 직접 접촉하는 방식으로 이용될 수 있고, 접촉 부위는 병변의 종류에 따라 다를 수 있다. 다만, 이하에서는 설명의 편의를 위하여 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)가 유방암의 발생 여부 및 발생 부위를 검출하는데 이용되는 것으로 설명하도록 한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 복수의 영구자석(110)은 환부 접촉면(200) 상에 링 구조로 배열되어 환부 접촉면(200) 하부로 FFP(Field Free Line Point)를 생성할 수 있다. 여기서 환부 접촉면(200)은 병변 검사를 위해 장치(100)와 환자의 신체가 맞닿는 면으로서, 예컨대 유방암을 확인하기 위하여 본 발명이 이용되는 경우 환부 접촉면(200)은 환자 가슴의 표피일 수 있다.

각각의 영구자석(110)에서는 자기장이 발생하고, 이를 통해 복수의 영구자석(110)은 환부 접촉면(200) 하부로 자기장을 발생시킬 수 있다. 이 때, 자기장 내에 FFP를 형성하기 위하여, 마주보는 각 쌍의 영구자석(110)은 자기극이 서로 반대 방향으로 배치될 수 있다.

후술하는 자성 입자는 비선형(non-linear) 신호를 발생시키는 초상자성 물질(예컨대, 초상자성 나노 파티클)일 수 있고, 본 발명은 선형적(linear)으로 수신되는 신호들 중에서, 자성 입자가 혼합 자기장 내에서 자화되어 발생시키는 비선형 신호를 감지하고, 이에 기초하여 이미지를 획득할 수 있다.

도 2 및 도 4를 참조하면, 복수의 영구자석(110)은 FOV내에 자기력을 집중시키기 위하여 할박(Halbach) 배열될 수 있다. 영구자석(110)을 특정 배열로 위치시키는 경우 자기력이 한쪽 방향으로 집중되며 이러한 배열을 할박 배열이라고 한다.

본 발명에서 복수의 영구자석(110)은 할박 배열됨으로써 환부 접촉면(200) 하부의 FOV에 자기력을 집중시킬 수 있다. 구체적으로, 복수의 영구자석(110)은 동일한 구조를 갖고, 그 무게중심이 링 구조에 따라 배열되되, 각 영구자석(110)들의 방향은 환부 접촉면(200) 하부의 FOV에 자기력을 집중시킬 수 있도록 할박 배열에 따를 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명은 환자의 신체에 직접 접촉하여 신체 내부에 존재하는 병변을 검출하는데 이용되므로, 전술한 할박 배열을 통해 환자 신체 내부로 자기장을 집중시킬 수 있다.

한편, 복수의 영구자석(110)은 환부 접촉면(200) 하부로 기준 각도만큼 기울어지도록 배열되어 환부 접촉면(200) 하부 기준 깊이에 FFP를 생성할 수 있다.

본 발명이 유방암의 검출에 이용되는 경우 관심 영역(Region of Interest; ROI)은 유방암이 주로 발생하는 피하 20mm 이내일 수 있다. 이에 따라, 복수의 영구자석(110)은 환부 접촉에 대해 기울어지게 배치됨으로써 환부 접촉면(200) 하부 일정 깊이, 예컨대 10mm에 FFP를 생성할 수 있다.

도 3을 참조하면, 각 영구자석(110)이 기울어진 각도가 클수록 FFP는 더 깊게 생성될 수 있다. 구체적으로, 각 영구자석(110)이 형성하는 기울기가 0도일 때 FFP는 가장 얕은 위치에 생성될 수 있고, 기울기가 90도일 때 FFP는 가장 깊은 위치에 생성될 수 있다. 본 발명에서 각 영구자석(110)은 ROI의 중심(피하 10mm)에 FFP를 생성하기 위하여 45도의 기울기로 배치될 수 있다.

복수의 영구자석(110)을 이용하여 FFP의 위치를 물리적으로 고정한 후, 추가적으로 본 발명은 FFP의 위치를 전자기적으로 조절할 수 있다. 구체적으로, 원통형의 구동코일(120)은 복수의 영구자석(110)에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 자기장을 생성하여 FFP의 깊이를 조절할 수 있다.

다시 도 1 내지 도 3을 참조하면, 구동코일(120)은 링 구조로 배열된 복수의 영구자석(110)에 의해 둘러싸일 수 있다. 구동코일(120)은 원통 형상을 갖고 그 중심은 영구자석(110)의 중심을 잇는 링의 중심과 동일할 수 있다. 이에 따라, FFP는 구동코일(120)의 중심 하부에 위치할 수 있다.

구동코일(120)에서 자기장이 발생하면 FFP는 해당 자기장의 방향에 따라 그 깊이가 조절될 수 있다. 구체적으로, 구동코일(120)에 일 방향의 전류가 흐르는 경우 구동코일(120)에는 원통 구조의 내부에서 외부로 향하는 자기장이 발생할 수 있다. 이 때, FFP는 해당 자기장에 의해 밀려나게 됨으로써 그 깊이가 더 깊어질 수 있다.

반대로, 구동코일(120)에 타 방향의 전류가 흐르는 경우 구동코일(120)에는 원통 구조의 외부에서 내부로 향하는 자기장이 발생할 수 있다. 이 때, FFP는 해당 자기장에 의해 당겨짐으로써 그 깊이가 더 얕아질 수 있다.

도 5를 참조하면, 후술하는 제2 수신코일(150)은 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)의 상면과 바닥면에 각각 위치하게 되고, 특히 바닥면에 위치한 제2 수신코일(150)은 환부 접촉면(200)과 인접 배치될 수 있다. 유방암 검출을 위한 ROI는 제2 수신코일(150)로부터 약 20mm일 수 있고, 구동코일(120)은 코일에 흐르는 구동전류(drive current)에 따른 자기장을 통해 FFP의 깊이를 조절할 수 있다.

구체적으로, 복수의 영구자석(110)에 의해 초기 설정된 FFP의 깊이(구동전류 = 0)는 제2 수신코일(150)로부터 약 15mm 지점일 수 있다. 이 때, 구동전류가 음의 방향으로 커질수록(-10[A], -20[A]), 구동코일(120) 내부로 향하는 자기장의 크기가 커질 수 있고 FFP의 깊이는 점차 얕아질 수 있다. 반대로, 구동전류가 양의 방향으로 커질수록(10[A]), 구동코일(120) 외부로 향하는 자기장의 크기가 커질 수 있고 FFP의 깊이는 점차 깊어질 수 있다.

이와 같이 본 발명은 ROI에 따라 구동전류의 크기를 제한할 수 있다. 예컨대, 본 발명이 피하 20mm 이내(ROI)에 주로 발생하는 유방암세포의 검출에 이용되는 경우 도 5에 도시된 것과 같이 구동전류의 크기를 약 -20[A]에서 10[A]로 제한할 수 있다. 이와 달리, 본 발명이 더 깊은 곳(ROI)에서 발생하는 다른 암세포의 검출에 이용되는 경우 구동전류의 크기를 양의 방향으로 더 크게 설정함으로써 FFP를 암세포가 위치 할만한 ROI 영역 내에서 조절할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명은 영구자석(110)을 이용하여 FFP의 위치를 물리적으로 고정하되, 구동코일(120)을 이용하여 FFP의 위치를 전자기적으로 조절함으로써, 어느 한 환부 접촉면(200)에서 넓은 깊이에 분포되어 있는 병변의 위치를 정확하게 검출할 수 있다.

여기코일(130)은 구동코일(120)의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, FOV에 위치한 자성 입자를 여기시킬 수 있다. 구체적으로, 앞서 설명한 바와 같이 FFP의 위치가 원하는 위치로 조절되면, 여기코일(130)은 코일에 흐르는 여기전류(excitation current)에 의해 FFP를 포함하는 FOV 내에 자기장을 생성할 수 있고, 이에 따라 FOV에 위치한 자성 입자는 여기될 수 있다.

여기서 자성 입자는 초상자성의 나노 입자로, 병변 부위 검출을 위하여 특정 세포에 결합하는 리셉터를 포함할 수 있다. 예컨대, 자성 입자는 유방암세포와 결합하는 리셉터를 포함할 수 있고, 이 경우, 자성 입자는 유방암세포에 붙게 되므로 유방암세포가 존재하는 위치에서 자성 입자의 농도가 높아질 수 있다.

병변 부위에 위치하는 자성 입자가 비선형 신호를 발생시키기 위해서는, 자성 입자가 구배(gradient)를 갖는 혼합 자기장에 의해 여기되어야 한다. 이를 위해, 여기코일(130)은 구동코일(120)에서 생성된 자기장에 고주파 자기장을 혼합하여 자성 입자를 여기시킬 수 있다. 여기서 고주파 자기장은 구동코일(120)에서 발생하는 자기장보다 높은 주파수를 갖는 자기장을 의미한다.

앞서 설명한 FFP의 이동을 위해 구동코일(120)은 FOV에 자기장을 생성할 수 있다. 이 때, 여기코일(130)은 FOV에 고주파 자기장을 생성할 수 있고, FOV에는 구동코일(120)과 여기코일(130)에서 각각 발생한 두 자기장이 혼합될 수 있다. 이에 따라, FFP에 위치한 자성 입자는 혼합 자기장에 의해 여기되어 신호를 출력할 수 있다.

한편, 여기코일(130)에서 발생한 자기장이 기 조절된 FFP의 깊이에 영향을 미치지 않도록 하기 위하여, 여기코일(130)에서 발생한 자기장의 세기는 구동코일(120)에서 발생한 자기장의 세기보다 낮게 제어될 수 있다.

도 6을 참조하면, 본 발명이 유방암을 검출하는데 이용되는 경우, 구동코일(120)과 여기코일(130)의 예시적인 사양은 아래 [표 1]에 기재된 것과 같다.

구분	사양
d1	120[mm]
d3	10[mm]
l1	45[mm]
l2	68[mm]
l3	101.6[mm]
t1	구동코일: 60 turns
t2	여기코일: 40 turns
저항	구동코일: 14.24[] 여기코일: 6.29[]

본 발명은 두 쌍의 수신코일을 이용하여 FFP에 위치한 자성 입자에서 발생한 신호를 수신할 수 있다. 이하, 각 쌍의 수신코일을 제1 수신코일(140) 및 제2 수신코일(150)로 설명하도록 한다.

도 3을 참조하면, 원통형의 제1 수신코일(140)은 여기코일(130)의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 제1 수신코일(140)은 자성 입자에서 발생하는 자기 신호를 유도 기전력으로 변환함으로써 해당 신호를 수신할 수 있다.

다만, 제1 수신코일(140)의 위치에 혼합되어 있는 자기장을 제외하고, 자성 입자에서 발생하는 자기 신호만을 선택적으로 수신하기 위하여 제1 수신코일(140)은 상호 이격되고 권선수(turns)가 동일한 두 수신코일로 이루어질 수 있다.

다시 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 제1 수신코일(140)은 제1 방향으로 권선된 제1-1 수신코일과, 제1-1 수신코일과 연결되되 수직적으로 이격 배치되고 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 권선된 제1-2 수신코일을 포함할 수 있다.

제1-1 수신코일과 제1-2 수신코일은 수직적으로 이격 배치되나 상호 연결될 수 있고, 그 권선 방향이 서로 반대일 수 있다. 예를 들어, 제1-1 수신코일과 제1-2 수신코일은 동일한 하나의 도선으로 구성될 수 있고, 제1-1 수신코일이 시계방향으로 권선된 경우 제1-2 수신코일은 반시계방향으로 권선될 수 있다. 한편, 구동코일(120)과 여기코일(130)이 [표 1]에 기재된 사양에 따라 구현되는 경우 제1-1 및 제1-2 수신코일의 높이는 40[mm]로 설계될 수 있다.

제1-1 수신코일과 제1-2 수신코일이 반대로 권선됨에 따라, 구동코일(120)과 여기코일(130)에서 발생한 자기장은 제1 수신코일(140)에 크기가 같고 방향이 반대인 기전력을 유도할 수 있고 해당 기전력은 상쇄될 수 있다. 이에 따라, 제1 수신코일(140)은 자성 입자에서 발생한 신호만을 선택적으로 수신할 수 있다.

한편, 다시 도 1 및 도 3을 참조하면, 평판형(spiral)의 제2 수신코일(150)은 제1 수신코일(140) 상하부에 각각 배치되어 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신할 수 있다. 제1 수신코일(140)과 마찬가지로 제2 수신코일(150) 역시 자성 입자에서 발생하는 자기 신호를 유도 기전력으로 변환함으로써 해당 신호를 수신할 수 있다.

또한, 제2 수신코일(150)도 자성 입자에서 발생하는 자기 신호만을 선택적으로 수신하기 위하여 권선수가 동일한 두 수신코일로 이루어질 수 있고, 구체적으로 제1 방향으로 권선된 제2-1 수신코일과, 제2-1 수신코일과 연결되되 제1방향의 반대방향인 제2 방향으로 권선된 제2-2 수신코일을 포함할 수 있다. 이 때, 제2-1 수신코일과 제2-2 수신코일은 하나의 도선으로 구성될 수 있다.

원통형의 제1 수신코일(140)은 그 형상에 따라 원통 내부나 근거리의 자기 입자에서 발생한 신호에 대한 감도가 높으나, 자기 입자와의 거리가 멀어질수록 수신 효율이 급격히 낮아지는 문제가 있다. 한편, 평판형의 제2 수신코일(150)은 원거리의 자기 입자에서 발생한 신호에 대한 감도는 높으나, 근거리의 자기 입자에서 발생한 신호에 대한 감도가 낮다는 단점이 있다.

본 발명은 각 수신코일의 장점을 조합하여 ROI 내에서 높은 수신 효율을 갖기 위하여 제1 수신코일(140)과 제2 수신코일(150)에서 각각 수신된 신호에 기초하여 자성 입자의 위치를 검출할 수 있다.

자성 입자의 위치 검출 및 후술하는 영상화 동작은 프로세서(160)에 의해 수행될 수 있으며, 이를 위해 프로세서(160)는 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 제어기(controller), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers) 중 적어도 하나의 물리적인 요소를 포함할 수 있다.

도 7은 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)의 측단면도를 구조화한 구성도이다. 프로세서(160)는 제1 수신코일(140)과 제2 수신코일(150)에 각각 연결되어, 각 수신코일에서 수신된 신호를 합산하여 자성 입자의 위치를 검출할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(160)는 제1 수신코일(140)에 유도된 기전력과 제2 수신코일(150)에 유도된 기전력을 합하고, 기전력의 크기에 기초하여 자성 입자의 위치를 검출할 수 있다.

한편, 제1 수신코일(140)과 제2 수신코일(150)은 상호 연결될 수 있다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 제1 수신코일(140)과 제2 수신코일(150)은 각각 단일 도선으로 이루어질 수 있는데, 제1 수신코일(140)과 제2 수신코일(150) 역시 단일 도선으로 이루어질 수 있다. 결과적으로, 제1-1, 제1-2, 제2-1 및 제2-2 수신코일은 모두 단일 도선으로 이루어질 수 있다. 이 때, 프로세서(160)는 해당 단일 도선으로부터 신호를 전달받을 수 있고, 이 경우 전술한 신호 합산 동작을 수행하지 않을 수 있다.

도 8을 참조하면, 원통형의 제1 수신코일(140)만을 통해 수신된 신호의 세기는 변곡점(inflection point)을 기점으로 급격하게 감소하여 ROI에서 낮은 감도를 나타내는 반면에, 제1 및 제2 수신코일(140, 150)에 함께 수신된 신호의 세기는 ROI에서도 높게 유지되며, 특히 피하 약 20mm 위치에서의 신호 세기는 제1 및 제2 수신코일(140, 150)을 모두 이용하는 경우가 제1 수신코일(140)만을 이용하는 경우보다 약 5.7배의 높은 것을 확인할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 원통형의 수신코일(140)과 평판형의 수신코일(150)을 모두 이용하여 자성 입자를 검출함으로써 병변의 깊이에 관계없이 높은 검출 감도를 확보할 수 있다는 장점이 있다.

한편, 프로세서(160)는 각 수신코일에서 수신된 신호에 기초하여 자성 입자의 3차원 위치 분포를 영상화할 수 있다. 도 1을 참조하면, 사용자는 휴대용 자성 입자 영상화 장치(100)를 환부 접촉면(200) 상에서 이동시키면서 FFP의 x, y 좌표를 조절할 수 있고, 구동코일(120)에 인가되는 구동전류의 크기를 제어하여 FFP의 z좌표를 조절할 수 있다.

프로세서(160)는 각 3차원 좌표에서 검출된 신호의 크기에 따라 각 3차원 좌표에 대응하는 영상 정보를 생성할 수 있다. 프로세서(160)의 영상 정보 생성 동작에는 당해 기술분야에서 이용되는 다양한 방식이 적용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 수술실 내에서 사용 가능하도록 장치를 소형화함으로써([표 1]과 같이 설계되는 경우 약 15cm 이내의 높이에서 장치 구현 가능) 수술 전에는 병변 부위의 위치를 정확히 파악할 수 있고, 수술 후에는 현장에서 곧바로 병변의 잔여 여부를 파악할 수 있어 간단하고 비 침습적인 방법으로 수술의 완성도를 높일 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims

환부 접촉면 상에 링 구조로 배열되어 상기 환부 접촉면 하부로 FFP(Field Free Line Point)를 생성하는 복수의 영구자석;
상기 복수의 영구자석에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 자기장을 생성하여 상기 FFP의 깊이를 조절하는 원통형의 구동코일;
상기 구동코일의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 상기 FFP를 포함하는 FOV(Field of View) 내에 자기장을 생성하여 상기 FOV 내의 자성 입자를 여기시키는 원통형의 여기코일;
상기 여기코일의 내주면에 의해 둘러싸이도록 배치되고, 상기 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신하는 원통형의 제1 수신코일; 및
상기 제1 수신코일 상하부에 각각 배치되어 상기 자성 입자에서 발생하는 신호를 수신하는 평판형의 제2 수신코일을 포함하는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 영구자석은 할박(Halbach) 배열되어 상기 FOV에 자기력을 집중시키는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 영구자석은 상기 환부 접촉면 하부로 기준 각도만큼 기울어지도록 배열되어 상기 환부 접촉면 하부 기준 깊이에 상기 FFP를 생성하는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 구동코일은 상기 FFP를 밀어내는 방향 또는 상기 FFP를 끌어당기는 방향의 자기장을 생성하여 상기 FFP의 깊이를 조절하는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 여기코일은 상기 구동코일에서 생성된 자기장에 고주파 자기장을 혼합하여 상기 자성 입자를 여기시키는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 수신코일은
제1 방향으로 권선된 제1-1 수신코일과,
상기 제1-1 수신코일과 연결되되 수직적으로 이격 배치되고, 상기 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 권선된 제1-2 수신코일을 포함하는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 제2 수신코일은
제1 방향으로 권선된 제2-1 수신코일과,
상기 제2-1 수신코일과 연결되되 상기 제1 방향의 반대방향인 제2 방향으로 권선된 제2-2 수신코일을 포함하는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 수신코일은 상호 연결되는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 수신코일에서 수신된 신호를 합산하여 상기 자성 입자의 위치를 검출하는 프로세서를 더 포함하는
휴대용 자성 입자 영상화 장치.