KR20030089223A

KR20030089223A - 텔레메트리 캡슐 및 그 위치 검출 시스템

Info

Publication number: KR20030089223A
Application number: KR1020020027334A
Authority: KR
Inventors: 조진호
Original assignee: 대한민국(경북대학교 총장)
Priority date: 2002-05-17
Filing date: 2002-05-17
Publication date: 2003-11-21

Abstract

본 발명은 위치 검출을 가능하게 하는 텔레메트리 캡슐 및 그에 따른 검출 시스템에 관한 것으로서, 체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 체내 위치 정보를 제공하는 텔레메트리 캡슐은, 체내의 생체 신호를 회득하는 측정부; 측정부에서 얻어진 생체 신호를 이에 대응하는 전류의 세기 혹은 전자파의 세기로 변화 시켜 주는 신호 처리부; 및 신호가 변조된 전류파 및 전자파의 반송파 세기로서 캡슐의 위치 정보를 송출하기 위한 전극 혹은 전자파 방사용 안테나, 또는 자장의 세기로서 위치정보를 제공할 수 있기 위한 초소형 영구자석을 포함함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면 초소형 무선 텔레메트리 캡슐의 체내 위치를 비침습적으로 파악하고 이용해 환자에게 고통이나 심리적 부담을 주지 않고 병변의 정확한 위치 파악과 진단 및 치료가 이뤄질 수 있게 할 수 있다.

Description

텔레메트리 캡슐 및 그 위치 검출 시스템{Telemetry capsule and system for detecting position thereof}

본 발명은 생체 내부로 투입되는 초소형 텔레메트리 캡슐의 위치 측정

에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진단 및 치료 과정에 이용하기 위해 생체 내부에 투입된 텔레메트리 캡슐의 위치, 체내에서의 행로 및 정지 시간 등을 측정하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

텔레메트리 캡슐과 관련하여, 최근 이스라엘 기븐 이미징(Given Imaging)사와 일본의 알에프-노리카(RF-Norika)사에서는 소화관 내부의 상태를 관찰하기 위해, 삼킬 수 있는 형태의 초소형 무선 텔레메트리 캡슐을 발표한 바 있다. 또한 러시아의 스푸트닉(Sputnik)사는 "스푸트니크"라는 이름으로 기생충 박멸 및 변비치료를 목적으로 하는 생체 자극 캡슐을 시판하고 있다.

상술한 기존의 텔레메트리 캡슐들이나 생체 자극 캡슐들은 체내에서 스스로 움직인다기보다 소화관의 연동운동에 의해 느리게 움직여 종래에는 소장 및 대장 쪽으로 흘러 내려가 항문을 통해 체외로 배출된다.

향후에는 스스로 이동 가능하고, 크기 또한 캡슐 형태 보다 더욱 작게 만들어 혈관이나 림프관을 통해 이동가능함으로써 특정 약물을 주입시키고 병균이나 악성 조직을 공격할 수 있도록 하는 텔레메트리 캡슐이 개발될 예정이다. 이와 같이 생체용 텔레메트리 캡슐이나 일반 초소형 캡슐의 응용분야 및 용도는 무한하며 장차 향후 인류의 구명활동에 결정적인 도구로 사용될 것이 분명하다.

그러나 아무리 작고 정교한 체내 투입 캡슐이 개발된다 하더라도, 체내에서의 캡슐의 위치를 검출할 수 없다면 원하는 진단과 치료를 원활히 수행할 수 없다는 것이 당연하다.

이제까지 개발된 텔레메트리 캡슐 중, 위치 측정 기능을 제공하는 것은 이스라엘에서 만들어진 M2A 정도이다. 그러나 이 캡슐의 위치 측정 장치는 2차원 영상만을 제공하며, 위치 측정 능력이나 측정 오차 등 정확도에 대해 알려진 바나 검증된 바가 없다.

위치 측정을 가능하도록 하는 것으로서, X-ray 투시 장치를 이용할 수도 있다. 그러나 이는 방사선이 생체조직을 이온화시키는 경향이 있어 바람직하지 않으며, 가격이 고가이므로 설치가 어렵다는 문제점을 가진다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 체내에 투입되어 위치 검출 가능한 신호를 발생하는 텔레메트리 캡슐 및 그 위치 검출 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명의 위치 검출이 가능한 생체 투입 텔레메트리 캡슐의 제1실시예를 도시한 것이다.

도 2는 도 1(a)의 캡슐 구조에 상응해 캡슐 위치를 검출하기 위한 위치 검출 시스템의 제1실시예를 도시한 것이다.

도 3은 8개(n=8)의 검출 전극과 캡슐의 위치결정에 대한 예를 도시한다.

도 4는 본 발명의 체내 위치 검출이 가능한 생체 투입 캡슐의 제2실시예를 도시한 것이다.

도 5는 도 4 구조의 캡슐로부터 신호를 수신하여 캡슐 위치를 검출하는 위치 검출 시스템의 제2실시예를 도시한 것이다.

도 6은 도 4와 도 5가 체내 및 체표에서 구현되는 예를 설명하기 위한 것으로서, 원통모양은 인체를 간단하게 형상화한 것이다.

도 7은 도 6으로부터 캡슐의 위치를 추정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 8은 본 발명의 캡슐 위치 검출을 위한 제3실시예를 도시한 것이다.

도 9는 캡슐과 홀 소자의 위치 관계에 대한 예시도이다.

도 10은 본 발명의 제3실시예로서의 캡슐 위치 검출 시스템의 예이다.

도 11은 3차원 좌표상에 놓여진 홀 소자 어레이를 이용해 캡슐의 위치를 결정하기 위한 방법을 설명하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한, 체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 체내 위치 정보를 제공하는 텔레메트리 캡슐은, 체내의 생체 신호를 획득하는 측정부; 상기 측정부에서 획득된 생체 신호에 대응하는 전류를 발생하는 신호처리부; 및 상기 신호 처리부의 전류를 흘려 체외에서 검출 가능하도록 하는 전극을 포함함을 특징으로 한다.

상기 신호 처리부는, 상기 생체 신호를 운반할 반송파를 제공하는 국부발진기; 및 변조된 생체 신호의 전압 변조파를 전류 변조파로 변환하는 전압-전류 변환기를 포함함이 바람직하다.

상기 전극은, 상기 텔레메트리 캡슐 외피에 둘러지는 모양으로 구현됨이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위한, 체내 투입 텔레메트리 캡슐로부터 나오는 생체 신호를 수신하여 텔레메트리 캡슐의 위치를 검출하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템은, 체표에 부착되어 상기 캡슐로부터의 생체 신호가 변조된 반송파를 검출하는 신호 검출부; 신호 검출부로 부터 검출된 반송파 신호의 크기를 이용해, 상기 텔레메트리 캡슐의 위치를 산출하는 위치 산출부를 포함함을 특징으로 한다.

상기 신호 검출부는 텔레메트리 캡슐의 생체 신호를 검출하는 한 개 이상의 검출 전극을 포함함이 바람직하다.

상기 위치 산출부는, 상기 각 검출 전극들로부터 검출된 신호를 각각 증폭시키는 증폭부; 상기 증폭된 각 검출 신호들을 다중화하는 다중화부; 상기 다중화된 신호에 대해, 상기 텔레메트리 캡슐에서 사용된 반송파와 실질적으로 동일한 주파수로 튜닝한 대역 통과 필터링을 수행하는 제1필터; 상기 필터링된 반송파를 정류하여 직류로 변환하는 정류부; 상기 정류된 신호로부터 잡음을 제거하기 위해 저역 통과 필터링을 수행하는 제2필터; 제2필터로부터의 출력 신호를 디지털 변환하는디지털 변환부; 디지털 변환된 상기 신호를 이용해, 캡슐의 위치를 산출하는 계산기를 포함함이 바람직하다.

상기 캡슐 위치 계산은, 상기 복수 개의 검출 전극들에서 각각 검출된 전류의 크기를 이용하여 각 검출 전극과 상기 캡슐의 거리를 산출하고, 상기 거리와 상기 검출 전극들의 좌표를 이용해 상기 캡슐의 좌표를 산출하는 것임이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위한, 체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 체내 위치 정보를 제공하는 텔레메트리 캡슐은, 소정 대역의 무선 신호를 발생하는 무선 송신 모듈; 무선 송신 모듈로부터의 신호를 체외로 방사시키는 안테나; 및 무선 송신 모듈에 전원을 공급하는 배터리를 포함함을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한, 체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 소정 무선 신호를 방사하는 텔레메트리 캡슐로부터 위치를 검출하는 시스템은, 상기 체내 캡슐로부터 무선 신호를 수신하는 수신 안테나; 상기 수신된 무선 신호로부터 체내 캡슐 위치를 산출하는 위치 산출부를 포함함을 특징으로 한다.

상기 수신 안테나는, 복수개가 각각 체표의 소정 부위에 부착됨이 바람직하다.

상기 위치 산출부는, 상기 수신 안테나를 통해 수신된 무선 신호를 소정 발진 주파수와 믹싱하는 전압제어 발진회로; 믹싱된 RF 신호 중 소정 중간 주파수 대역의 신호를 증폭시키는 중간 주파수 증폭기; 상기 중간 주파수 증폭기로부터의 출력 신호를 직류 신호로 정류하는 정류기; 각 수신 안테나들로부터 각각 입력되어 정류된 캡슐로부터의 신호들을 다중화하고 디지털 변환하는 데이터 획득 및 A/D 변환기; 및 데이터 획득 및 A/D 변환기로부터 입력된 데이터로부터 캡슐 위치를 산출하는 계산기를 포함함이 바람직하다.

상기 캡슐 위치 계산은, 상기 복수 개의 수신 안테나들에서 각각 검출된 전류를 이용하여 각 수신 안테나와 상기 캡슐의 거리를 산출하고, 상기 거리와 상기 수신 안테나들 좌표를 이용해 상기 캡슐의 좌표를 산출하는 것임이 바람직하다.

상기 과제를 해결하기 위한, 체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 체내 위치 정보를 제공하는 텔레메트리 캡슐은, 생체 반응에 따른 신호를 발생하는 무선 송신 모듈; 및 정자속을 발생하여 캡슐 위치 신호로서 검출되도록 하는 영구자석을 포함함을 특징으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한, 체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 소정 자속을 발생하는 텔레메트리 캡슐로부터 위치를 검출하는 시스템은, 상기 체내 캡슐에서 방출된 자속으로부터 자속밀도를 검출하는 홀(Hall) 소자; 상기 홀 소자로부터 검출된 자속밀도를 이용해, 체내 캡슐 위치를 산출하는 위치 산출부를 포함함을 특징으로 한다.

상기 홀 소자는 인체를 둘러 싼 소정 구조물에 부착함이 바람직하다.

상기 위치 산출부는, 상기 홀 소자에서 검출한 신호를 전압 신호로서 출력하는 브리지 회로; 브리지 회로에서 출력된 전압을 증폭하는 증폭부; 복수개의 홀 소자로부터 검출되어 상기 브리지 회로 및 증폭부를 통과한 각 신호를 다중화하여 디지털 변환하는 다중화 및 디지털 변환부; 및 상기 디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 이용해 캡슐의 위치를 산출하는 계산부를 포함함이 바람직하다.

상기 계산부는, 상기 복수 개의 홀 소자들에서 각각 검출된 전류를 이용하여 각 홀 소자와 상기 캡슐의 거리를 산출하고, 상기 거리와 상기 홀 소자들의 좌표를 이용해 상기 캡슐의 좌표를 산출하는 것임이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 위치 검출이 가능한 생체 투입 텔레메트리 캡슐(이하 캡슐이라 칭함)의 제1실시예를 도시한 것이다.

일반적으로 소화관용 캡슐은 직경 1 Cm 미만, 길이 3 Cm 미만 정도로서, 몸 안에서 몸 밖으로 보낼 신호(예를 들어, 영상, 심전도, 소화관 압력 등의 생체 신호)를 100Hz에서 수 MHz 사이의 사인파 반송파에 변조한 다음 전압을 전류로 변환시켜 한 쌍의 전극에 인가한다.

도 1은 상술한 생체 신호를 제공하는 캡슐 구조의 제1실시예를 도시한 것이다.

도 1(a)에서 캡슐은, 측정부(100), 국부발진기(110), 전압-전류 변환기(120) 및 제1, 제2전극(130, 140)을 포함한다.

측정부(100)는 각종 체내 자극에 따른 생체 신호를 측정한다.

국부발진기(110)는 측정부(100)에서 측정된 생체 신호를 운반할 반송파를 제공한다.

전압-전류 변환기(120)는 생체신호를 변조한 반송파 전압을 전류의 세기 파형으로 변환한다.

제1, 제2전극(130, 140)은 생체 신호가 외부로 전달될 수 있도록, 전압-전류변환기(120)로 부터의 전류를 흘린다. 제1, 제2전극(130, 140)은 도 1(b)와 같이 캡슐 외피에서 구현된다. 캡슐 외피에 둘러지는 모양으로 구현된 전극은 금속으로 코팅하여 제작된다. 전극 재료는 소화액에 의해 변질되지 않는 스테인리스나 금, 백금 등을 사용한다.

도 1(a)와 같이 생체 신호를 측정해 제공하는 회로가 내장되고, 도 1(b)와 같이 외피에 전극을 두른 캡슐이 식도를 통해 체내로 들어가면, 소화관을 따라 이동하고 소화관의 액체에 닿은 전극에서는 해당 생체 신호가 고주파의 반송파에 변조되어 전극에 흐르는 전류로서 방출된다. 캡슐의 전극으로부터 방출되는 생체 신호를 검출하기 위해, 체표(몸의 표면)상에 다수의 검출 전극이 부착되어 진다.

위치 검출 시스템은 신호 검출부(200), 증폭부(210), 다중화부(220), 버퍼(230), 제1필터부(240), 정류부(250), 제2필터부(260), 디지털 변환부(270), 입출력 인터페이스부(280) 및 계산부(290)를 포함한다.

신호 검출부(200)는 n 개의 검출 전극들로 이뤄지며 그 각각은 체표의 소정 위치에 부착되어진다. 예를 들어, 검출 전극들은 체표의 가슴 위쪽과 하복부에 각각 4개 씩 8개가 부착된다. 검출 전극의 개수 및 위치는 변경이 가능하나, 검출 전극의 개수가 많을수록 체내로부터 생체 신호에 따른 위치 검출의 정확도를 향상시킬 수 있다.

증폭부(210)는 신호 검출부(200)의 각 검출 전극들로부터 얻은 미약한 전위를 각각 A1~An 증폭기들을 이용해 증폭시킨다.

다중화부(220)는 증폭부(210)에서 증폭된 각 검출 전극들의 전위를 다중화하는 것으로, 아날로그 멀티플렉서가 이를 위해 사용될 수 있다.

버퍼(230)는 다중화부(220)에서 샘플링된 신호를 버퍼링하여 통과시킨다.

제1필터부(240)는 도 1에서와 같이 캡슐에서 사용되었던 반송파 주파수에 튜닝되는 밴드 패스 필터를 사용해 버퍼(230)로부터의 신호를 필터링한다.

정류부(250)는 제1필터부(240)로부터 필터링된 변조파 신호를 검파하여 반송파의 세기에 비례하는 직류전압을 얻는다.

제2필터부(260)는 정류부(250)를 통과한 신호로부터 불필요한 잡음을 제거하기 위한 것으로서 저역 통과 필터(LPF)를 사용한다.

디지털 변환부(270)는 제2필터부(260)를 통과한 신호를 디지털 신호로 변환한다.

입출력 인터페이스부(280)는디지털 변환부(270)를 통과한 반송파의 세기 신호를 계산부(290)로 입력시킨다.

계산부(290)는 입출력 인터페이스부(280)를 통해 반송파의 세기 신호를 입력 받고, 그로부터 캡슐의 체내 위치를 판단한다.

도 1(b)의 시스템에서, 각각의 n 개의 외부 전극들에 의해 생체 신호를 측정할 수 있는 원리는 다음과 같다. 생체 내부의 캡슐상의 전극에 전류가 흐르면, 피부 표면에서 측정되는 n 번째 검출 전극의 전위 v_n은 검출 전극에 흐르는 전류()와 캡슐 전극에서 n 번째 체표상의 검출 전극이 위치한 체표까지의저항(R)의 곱으로 나타난다.

은 전형적인 분극 전하에 의해 나타나는 피부 표면 전위와 같으므로 다음의 수학식 2와 같이 나타난다.

수학식 2에서은 비례상수이고,은 n 번째 전극까지의 거리이다. 이 식으로부터 체표상의 각 전극에서 검출되는 전류은 캡슐의 체내 위치와 체표상의 검출 전극 사이의 거리의 제곱에 반비례함을 알 수 있다. 이는 캡슐과 검출 전극 사이의 거리가 멀어질수록 캡슐상의 전극에서 체표상의 검출 전극까지의 표면적이 커지게 되어 전류밀도가 그만큼 낮아짐을 의미한다. 저항역시 일반적으로 거리가 멀수록 커지는 오옴(Ohm)의 법칙을 따르며 이를 다음의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

는 생체의 고유 저항에 따른 비례 상수이다.

상술한 식들에 의해, 검출 전극에서 얻을 수 있는 전압은 다음의 수학식 4및 5와 같이 나타낼 수 있다.

이로써 검출 전극에서 측정되는 전위은 n 번째 검출 전극과 캡슐 사이의 거리에 반비례함을 알 수 있다. 이는 생체가 균질(homogeneous)이라고 가정할 때 성립되는 것으로서, 실제로 생체는 비균질이므로 여러 개의 전극을 이용해 상술한 바와 같이 전위를 측정하고 이들을 모두 평균하여 그 평균치를 구함으로써 균질이라고 가정한데서 오는 오차를 줄일 수 있다.

체표에서 측정된 전위로부터 캡슐의 위치를 다음의 수학식 6과 같이 얻을 수 있다.

이와 같이, 전극으로부터 측정된 생체 전위()와 캡슐 전극에 흘리는 전류(),상수를 이용해 계산부(290)와 같은 계산 기능을 가진 산출장치를 이용해 검출 전극으로부터 캡슐까지의 거리을 구할 수 있다. 검출 전극들의 위치가 좌표로서 정해지면, 각 검출 전극들의 좌표와 각 캡슐까지의 거리를 이용하여, 캡슐의 체내 위치를 좌표 p로서 구할 수 있게 된다. p의 산출은 이하에서 수학식 10에 의해 구현될 수 있다.

도 3은 8개(n=8)의 검출 전극과 캡슐의 위치에 대한 예를 도시한다.

도 3(a)는 캡슐이 신체의 복부 중앙에 있는 경우를 도시한 것이고, 도 3(b)는 캡슐이 왼쪽으로 치우쳐 위치한 경우를 도시한 것이다. 도 3(c)는 계산부(290)에 의해및인 3 개의 거리가 산출된 상태에서, 이들이 한 점에서는 만나는 위치 p 점을 캡슐 위치로 선정함을 표시한 그림이다. 도 3(a)나 도 3(b)의 경우를 포함해, 8개의 거리 계수인 r1~r8 중 일부의 조합으로부터 산출되는 여러 좌표들이 서로 일치하지 않을 수 있는데, 이때는 각 좌표의 평균거리를 구하여 이를 캡슐 위치(p)로 정한다.

도 4의 캡슐 구조는 전자파의 세기로 캡슐 위치를 검출할 수 있도록 된 것으로, 무선 송신 모듈(400), 안테나(410) 및 배터리(420)를 포함한다.

무선 송신 모듈(400)은 VHF~UHF 대역의 RF 신호를 발생시킨다. 무선 송신 모듈(400)은 트랜지스터와 크리스털을 이용한 발진회로로 구성된다.

안테나(410)는 무선 송신 모듈(400)에서 발생된 RF 신호를 체외로 방사시킨다. 캡슐이 체내의 소화기관을 따라 이동할 때, 안테나(410)를 통해 무선 송신 모듈(400)의 RF 신호가 전자파로서 체외로 송신된다.

배터리(420)는 무선 송신 모듈(400)에 전압을 공급해 RF 신호가 발진되도록한다.

도 5의 캡슐 위치 검출 시스템은 수신 안테나(500), 전압제어 발진회로(VCO)(510), 중간 주파수 증폭기(520), 반파 정류기(530), 데이터 획득 및 A/D 변환기(540) 및 계산부(550)를 포함한다.

수신 안테나(500)는 체표의 소정 위치에 부착되어져 캡슐로부터의 RF 신호를 수신한다.

전압제어 발진회로(510)는 수신된 RF 신호를 소정 발진 주파수와 믹싱하기 위한 것이다.

중간 주파수 증폭기(520)는 믹싱된 RF 신호 중 소정 중간 주파수 대역의 신호를 증폭시킨다.

반파 정류기(530)는 필터 커패시터를 가지는 비포화 정밀 정류기(non-saturating precision amplifier)를 포함해, 직류 성분만을 가진 출력 전압을 발생한다.

데이터 획득 및 A/D 변환기(540)는 n 개의 안테나들로부터 각각 입력되어 정류된 캡슐로부터의 신호들을 다중화하고 디지털 변환하여 계산부(550)로 입력시킨다.

계산부(550)는 데이터 획득 및 A/D 변환기(540)로부터 입력된 데이터를 아스키 파일로 일시 저장한 후, 소정 산출 방식을 통해 캡슐의 위치를 산출한다. 캡슐위치의 산출 방식은 계산부(550) 내에서 프로그램으로 미리 구현되어져 있을 수 있다.

도 6은 도 4와 도 5가 체내 및 체표에서 구현되는 예를 설명하기 위한 것으로서, 도 6의 원통모양은 인체를 간단하게 형상화한 것이다.

도 6에서 RA1~RA8은 체표에 부착된 안테나를 나타낸 것으로서, 가슴 위쪽과 하복부에 각각 4개씩의 안테나가 부착되어져 있다.

캡슐(600)로부터 방사되어 수신 안테나에 수신되는 전자파의 세기는 캡슐 내 송신 안테나의 루프 면적에 의존한다. 이때 전자파의 세기는 원리적으로 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

이때 수신 전압과 수신 안테나의 유효 벡터 길이는 차례로 다음의 수학식 8, 9와 같다.

상술한 식에서는 평면파에서의 위상 상수,는 매질의 고유 임피던스, N는 수신 안테나의 와인딩(widing) 회수, S는 수신 안테나의 면적이며,는 유효 상대 투자율이다. 도 6에서와 같이 8개의 수신(또는 검출) 안테나를 사용함에 있어서, 선택된 3개의 안테나에서 추정할 수 있는 캡슐의 위치는 다음의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.

위의 식에서, 산출할 캡슐의 위치는 (x, y, z) 좌표로, 첫 번째 안테나의 위치는 (x_a , y_a , z_a ) 좌표로, 두 번째 안테나의 위치는 (x_b , y_b , z_b ) 좌표로, 세 번째 안테나의 위치는 (x_c , y_c , z_c ) 좌표로 나타낸다. r_a , r_b , r_c는 각각 첫 번째 안테나, 두 번째 안테나 및 세 번째 안테나로부터 캡슐까지의 거리이다.

수신 안테나는 서로 다른 8 개의 위치에 있으므로 이 수신 안테나의 배열은 총 56가지의 결합으로 만들어진다. 따라서, 총 56가지의 추정 위치가 산출되며, 최종적으로 캡슐의 위치는 56개의 추정 위치들의 중간값을 취해 얻을 수 있다. 체표에 부착하는 안테나 수를 늘릴수록 보다 정밀한 캡슐 위치 추적이 가능하지만, 환자의 불편을 감안해 5~16개 정도가 적당하다.

도 8(a)는 홀(Hall) 소자를 이용해 체내 캡슐로부터의 신호를 검출하는 방식을 설명하기 위한 것이다. 이 실시예에서는 캡슐이 투입된 사람의 피부에 검출 소자를 부착하지 않고 사람의 몸을 둘러 싼 둥근 구조물에 부착시켜 체내 캡슐의 위치를 검출하도록 된다.

도 8(b)는 도 8(a)에서와 같이 홀(Hall) 소자에 의해 검출이 가능한 캡슐의 구조를 도시한 것이다.

도 8(b)의 캡슐은, 무선 송신 모듈(800), 소형 루프 안테나(810), 영구자석(820) 및 배터리(830)를 포함된다.

무선 송신 모듈(800)은 배터리(830)로부터 전원을 얻어 신체 반응에 따른 RF 신호를 발생한다.

소형 루프 안테나(810)는 RF 신호를 체외로 방사한다.

영구자석(820)은 가령 지름 1Cm, 두께 1mm의 원통형으로 된 것으로 소정의 자속을 발생시키며, 이 자속은 캡슐의 위치 검출을 위한 신호로서 이용된다.

이 구조에서 무선 송신 모듈(800), 소형 루프 안테나(810) 및 배터리(830)는 측정된 생체 신호의 송신을 위한 것이고, 영구자석(820)은 캡슐 위치 검출을 위한 것이다.

도 8(a)의 홀 소자들은 캡슐에 포함된 영구자석(820)으로부터의 자속밀도를 검출함으로써 캡슐 위치 산출에 이용된다.

홀 소자는 소자에 공급하는 전류와 자기장의 방향이 직교할 때 전류와 자기장의 방향에 직교하는 방향으로 다음의 수학식 11과 같은 홀 전압을 발생시킨다.

위 식에서 R은 홀 계수, I는 소자에 인가하는 정전류, B는 자속밀도, t는 홀 소자의 두께이다. 그러므로 홀 전압을 측정할 경우 각 위치에서의 자속 밀도를 계산할 수 있으며 이를 이용하여 캡슐 내의 영구자석의 위치를 추정할 수 있다.

캡슐내에 포함된 원통형 영구자석(820)은 하나의 쌍극자를 가지는 전류환으로 대치할 수 있다. 전류환에 흐르는 전류를라고 가정하면 영구자석의 중심에서 거리 r 떨어진 곳에서의 자속밀도 B는 다음의 수학식 12와 같이 구해질 수 있다.

위의 식에서 b는 영구자석의 반지름이다.

전류환에서 발생하는 자기력선의 모양은 하나의 자기 쌍극자에서 발생하는 자기력선의 형태를 가지며 R >> b인 경우, 즉 전류환의 반지름 보다 전류환에서 홀 소자까지의 거리가 충분히 큰 경우, 전류환에서 발생하는 자기력선의 형태를 두 개의 구가 마주 보는 형태로 근사시킬 수 있다. 이때의 자속밀도는 거리의 세제곱에 반비례하므로 다음의 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.

이때 영구자석 표면에서의 자속밀도()를 알고 있으므로 K를 다음과 같이 얻을 수 있다.

따라서 임의의 홀 소자에서 측정된 자속밀도를이라 하면은 다음과 같이 표현될 것이다.

위의 식으로부터 영구자석의 중심부터 홀 소자 까지의 거리는 다음과 같이 구할 수 있다.

따라서, 3 개의 홀 소자에서 영구자석 까지의 거리를 알 경우 각 홀 소자의 좌표로부터 상기 거리만큼 떨어져 있는 캡슐의 좌표를 구할 수 있다. 캡슐 좌표 (x, y, z)의 산출은 수학식 10에서와 같이 이뤄질 수 있다.

도 9는 캡슐과 홀 소자의 위치 관계에 대한 예시도이다.

도 9(a)는 캡슐이 신체의 복부 중앙에 있을 경우에 대한 예이고, 도 9(b)는 캡술이 체내의 한 측으로 치우쳐 있는 경우에 대한 예이다.

도 10의 위치 검출 시스템은 홀 소자(1000), 브리지 회로(1010), 증폭부(1020), 다중화 및 디지털 변환부(1030), 인터페이스부(1040) 및 계산부(1050)를 포함한다.

브리지 회로(1010)는 홀 소자(1000)에서 측정한 신호를 전압으로서 출력한다.

증폭부(1020)는 브리지 회로(1010)에서 측정된 전압을 증폭한다.

다중화 및 디지털 변환부(1030)는 각각의 홀 소자(1020)들로부터 측정되어 브리지 회로(1010)와 증폭부(1020)를 통과한 전압을 다중화하여 디지털 변환하기 위한 것이다.

인터페이스부(1040)는 다중화 및 디지털 변환부(1030)에서 출력된 다중화 및 디지털화된 신호를 계산부(1050)로 입력시키기 위한 것이다.

계산부(1050), 또는 소정의 제어부는 인터페이스부(1040)를 통해 입력된 데이터를 처리하여, 캡슐의 위치를 산출한다. 즉, 각각의 홀 소자로부터 측정된 신호를 이용해 각 홀 소자와 캡슐간 거리가 산출되면, 이들 홀 소자들의 위치로부터 상기 각 거리만큼 떨어져 만나는 점을 캡슐의 위치로 정할 수 있다. 홀 소자의 위치나 캡슐의 위치는 좌표로서 표현됨이 바람직하다. 캡슐 위치 산출을 위한 예로서, 도 11의 배열 방법을 이용할 수 있다.

캡슐내의 영구자석으로부터 발생되는 자기력선은 각각의 홀 소자에 홀 전압을 발생시킨다. 수학식 15 등을 이용해 홀 소자로부터 캡슐까지의 거리가 산출되면, 수학식 10을 이용해 세 홀 소자의 좌표로부터 캡슐의 좌표를 구할 수 있다.

이와 같이 홀 소자를 이용해 캡슐의 위치를 검출하는 방식은 환자의 신체에 검출 소자를 직접 부착하지 않는다는 장점을 제공한다. 또한, 도 13과 같이 홀 소자가 5~10 cm의 간격을 두고 어레이 형태로 묶여 있는 경우에는 체외의 구조물이 불필요하게 되므로 측정 시스템을 보다 단순화시킬 수 있다.

상술한 실시예들에서, 캡슐 위치를 산출하는 계산부는 컴퓨터 시스템 등의 장치로 구현 될 것이다.

본 발명에 의하면 초소형 무선 텔레메트리 캡슐의 체내 위치를 비침습적으로 파악하고 이용해 환자에게 고통이나 심리적 부담을 주지 않고 병변의 정확한 위치 파악과 진단 및 치료가 이뤄질 수 있게 할 수 있다. 또한 체내 캡슐의 제어 및 자세 조정에 응용될 수 있으므로 이를 이용해 편리하고 정확한 무선 내시경 시스템을 구축할 수 있고, 기존의 스푸트니크와 같은 생체 자극 및 치료 목적의 캡슐일 경우와 수술용 캡슐일 경우에도 자극 치료와 함께 수술 부위를 알 수 있도록 한다.

Claims

체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 체내 위치 정보를 제공하는 텔레메트리 캡슐에 있어서,

체내의 생체 신호를 획득하는 측정부;

상기 측정부에서 획득된 생체 신호에 대응하는 전류를 발생하는 신호 처리부; 및

상기 신호 처리부의 전류를 흘려 체외에서 검출 가능하도록 하는 전극을 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐.
제1항에 있어서, 상기 신호 처리부는,

상기 생체 신호를 운반할 반송파를 제공하는 국부발진기; 및

반송파에 실린 생체 신호의 전압을 전류로 변환하는 전압-전류 변환기를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐
제1항에 있어서, 상기 전극은,

상기 텔레메트리 캡슐 외피에 둘러지는 모양으로 구현됨을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐.
체내 투입 텔레메트리 캡슐로부터 나오는 생체 신호를 수신하여 텔레메트리 캡슐의 위치를 검출하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템에 있어서,

체표에 부착되어 상기 캡슐로부터의 생체 신호를 검출하는 신호 검출부;

신호 검출부로부터 검출된 생체 신호를 이용해, 상기 텔레메트리 캡슐의 위치를 산출하는 위치 산출부를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제4항에 있어서,

상기 신호 검출부는 텔레메트리 캡슐의 생체 신호를 검출하는 한 개 이상의 검출 전극을 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제5항에 있어서, 상기 위치 산출부는,

상기 각 검출 전극들로부터 검출된 신호를 각각 증폭시키는 증폭부;

상기 증폭된 각 검출 신호들을 다중화하는 다중화부;

상기 다중화된 신호에 대해, 상기 텔레메트리 캡슐에서 사용된 반송파와 실질적으로 동일한 주파수로 튜닝한 대역 통과 필터링을 수행하는 제1필터;

상기 필터링된 생체 신호를 정류하여 직류로 변환하는 정류부;

상기 정류된 신호로부터 잡음을 제거하기 위해 저역 통과 필터링을 수행하는 제2필터;

제2필터로부터의 출력 신호를 디지털 변환하는 디지털 변환부;

디지털 변환된 상기 신호를 이용해, 캡슐의 위치를 산출하는 계산기를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제5항에 있어서, 상기 캡슐 위치 계산은,

상기 복수 개의 검출 전극들에서 각각 검출된 전류를 이용하여 각 검출 전극과 상기 캡슐의 거리를 산출하고, 상기 거리와 상기 검출 전극들의 좌표를 이용해 상기 캡슐의 좌표를 산출하는 것임을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제7항에 있어서, 상기 텔레메트리 캡슐의 위치는

수학식 10과 같이 산출함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 체내 위치 정보를 제공하는 텔레메트리 캡슐에 있어서,

소정 대역의 무선 신호를 발생하는 무선 송신 모듈;

무선 송신 모듈로부터의 신호를 체외로 방사시키는 안테나; 및

무선 송신 모듈에 전원을 공급하는 배터리를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐.
체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 소정 무선 신호를 방사하는 텔레메트리 캡슐로부터 위치를 검출하는 시스템에 있어서,

상기 체내 캡슐로부터 무선 신호를 수신하는 수신 안테나;

상기 수신된 무선 신호로부터 체내 캡슐 위치를 산출하는 위치 산출부를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제10항에 있어서, 상기 수신 안테나는,

복수개가 각각 체표의 소정 부위에 부착됨을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제11항에 있어서, 상기 위치 산출부는,

상기 수신 안테나를 통해 수신된 무선 신호를 소정 발진 주파수와 믹싱하는 전압제어 발진회로;

믹싱된 RF 신호 중 소정 중간 주파수 대역의 신호를 증폭시키는 중간 주파수 증폭기;

상기 중간 주파수 증폭기로부터의 출력 신호를 직류 신호로 정류하는 정류기;

각 수신 안테나들로부터 각각 입력되어 정류된 캡슐로부터의 신호들을 다중화하고 디지털 변환하는 데이터 획득 및 A/D 변환기; 및

데이터 획득 및 A/D 변환기로부터 입력된 데이터로부터 캡슐 위치를 산출하는 계산기를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제11항에 있어서, 상기 캡슐 위치 계산은,

상기 복수 개의 수신 안테나들에서 각각 검출된 전류를 이용하여 각 수신 안테나와 상기 캡슐의 거리를 산출하고, 상기 거리와 상기 수신 안테나들 좌표를 이용해 상기 캡슐의 좌표를 산출하는 것임을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제13항에 있어서, 상기 텔레메트리 캡슐의 위치는

수학식 10과 같이 산출함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 체내 위치 정보를 제공하는 텔레메트리 캡슐에 있어서,

측정된 생체신호를 전송하는 신호를 발생시키는 무선 송신 모듈; 및

정자속을 발생하여 캡슐 위치 신호로서 검출되도록 하는 소형 영구자석을 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐.
체내로 투여되어 소정 치료 및 진단 기능을 수행하면서 소정 자속을 발생하는 텔레메트리 캡슐로부터 위치를 검출하는 시스템에 있어서,

상기 체내 캡슐에서 방출된 자속으로부터 자속밀도를 검출하는 홀(Hall) 소자;

상기 홀 소자로부터 검출된 자속밀도를 이용해, 체내 캡슐 위치를 산출하는 위치 산출부를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제16항에 있어서, 상기 홀 소자는 인체를 둘러 싼 소정 구조물에 부착함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제16항에 있어서, 상기 홀 소자를 3차원으로 배열된 형태임을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제16항에 있어서, 상기 위치 산출부는,

상기 홀 소자에서 검출한 신호를 전압 신호로서 출력하는 브리지 회로;

브리지 회로에서 출력된 전압을 증폭하는 증폭부;

복수개의 홀 소자로부터 검출되어 상기 브리지 회로 및 증폭부를 통과한 각 신호를 다중화하여 디지털 변환하는 다중화 및 디지털 변환부; 및

상기 디지털 변환부로부터의 디지털 신호를 이용해 캡슐의 위치를 산출하는 계산부를 포함함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제19항에 있어서, 상기 계산부는,

상기 복수 개의 홀 소자들에서 각각 검출된 전류를 이용하여 각 홀 소자와 상기 캡슐의 거리를 산출하고, 상기 거리와 상기 홀 소자들의 좌표를 이용해 상기캡슐의 좌표를 산출하는 것임을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.
제20항에 있어서, 상기 텔레메트리 캡슐의 위치는

수학식 10과 같이 산출함을 특징으로 하는 텔레메트리 캡슐 위치 검출 시스템.