KR20050121059A

KR20050121059A - 캡슐형 내시경 조종 시스템

Info

Publication number: KR20050121059A
Application number: KR1020040046202A
Authority: KR
Inventors: 김병규; 박종오; 홍예선
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2005-12-26
Also published as: JP2008503310A; WO2005122866A1; EP1765143A4; CN101001563A; KR100615881B1; EP1765143A1; US20080300458A1

Abstract

본 발명은 인체 외부에서 인체 내 캡슐을 자력으로 이동시키는 외부 영구자석을 2자유도 회전 관절을 갖는 3축 직교좌표 로봇을 이용하여 이동 및 회전시킴으로써 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시킬 수 있도록 한 캡슐형 내시경 조종 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 인체 외부에서 인체 내 캡슐을 자력으로 이동시킬 수 있는 캡슐형 내시경 조종 시스템을 제공함으로써, 인체 외부의 원격 조종을 통해 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시킬 수 있게 되며, 이때, 인체 외부의 영구자석을 2자유도 회전 관절을 갖는 3축 직교좌표 로봇을 이용하여 제어함으로써, 인체 내 캡슐에 과대한 자력이 작용하지 않도록 조종할 수 있게 되고, 이에 따라 과대한 자력 흡인으로 인해 인체 내 소화기 벽이 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.

또한, 본 발명은 인체 내 캡슐을 이동시킬 때에 롤(roll) 방향 또는 피치(pitch) 방향의 반복적 요동운동을 인가하고, 캡슐의 전진 방향을 감지하여 조이스틱의 전진 방향과 일치시킴으로써, 스틱-슬립(stick-slip) 현상을 줄일 수 있을 뿐 아니라 조이스틱으로 편리하게 원격으로 인체 내 캡슐의 이동을 조작할 수 있게 되며, 인체 내 캡슐의 깊이를 측정하는 기능을 제공함으로써 정확한 이동 조작과 더불어 부드럽고 안전하면서 편리하게 인체 내 소화기에 대한 검진 및 치료를 수행할 수 있게 된다.

Description

캡슐형 내시경 조종 시스템{Capsule Type Endoscope Control System}

본 발명은 캡슐형 내시경에 관한 것으로, 특히 인체 외부에서 인체 내 캡슐을 자력으로 이동시키는 외부 영구자석을 2자유도 회전 관절을 갖는 3축 직교좌표 로봇을 이용하여 이동 및 회전시킴으로써 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시킬 수 있도록 한 캡슐형 내시경 조종 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 내시경이라 함은 위나 식도 등 중공성장기(中空性臟器)의 내면 및 흉강(胸腔)·복강(腹腔) 등 인체 내부의 소화기 병변을 수술없이 진단 또는 치료하는 경우에 이용되는 의료기구의 총칭으로서, 이러한 내시경은 진료를 받을 경우 고통과 불쾌감이 크기 때문에 환자들로부터 환영받지 못하고 있으며, 일례로서 대장 내시경의 경우 대장이 매우 큰 각도로 구부러져 있기 때문에 환자가 받는 고통과 병변 판단율이 의사의 경험과 숙련도에 따라 크게 좌우되고 있는 실정이다.

이러한 내시경의 문제를 개선하기 위해서 가상 내시경(Virtual Colonoscopy) 또는 유전자 검사법 등이 등장하기도 했으나, 이는 의사가 환부를 직접적으로 보고 처치하거나 생검(生檢, Biopsy) 등을 할 수 없기 때문에 간접적인 방법으로 평가되고 있다.

이에, 최근에는 삼킬 수 있는 캡슐에 무선 카메라 시스템이 장착된 캡슐형 내시경을 개발하여 인체 장기의 영상 정보를 외부로 전송시킴으로써 그 동안 전통적인 내시경으로는 볼 수 없던 장기(대장, 소장 등)를 진료하게 함으로써 의료적 진료 범위를 넓히고자 했다.

하지만, 전술한 캡슐형 내시경은 CCD 카메라와 영상 데이터를 무선으로 송신하는 장치를 내장하고 있어서 경구 삽입을 통해 인체 내 장기로 투입되면 대장으로 배출될 때까지 장기의 연동 운동에 의해 피동적으로 이동하게 되어 있으므로, 인체 장기 내에서 이동 중에 자세히 관찰해야 할 부위에서 임의로 정지하거나, 이미 지나친 부위로 다시 이동하여 그 부위를 다시 관찰하는 것이 불가능하다는 단점이 있다.

또한, 종래 기술로서 노키아(Nokia)사는 첨부된 도면 도 1과 같이 인체 외부에 일종의 고정자(stator) 코일(11-1~11-3)을 3 방향으로 배치하고, 캡슐(12) 내부에 아마츄어(armature) 코일을 내장하여 고정자 코일(11-1~11-3)의 전류 세기에 따라서 캡슐(12)의 회전운동을 유발하고, 이를 통해 캡슐(12)에 내장된 CCD 카메라의 촬영 각도를 조절할 수 있는 장치를 개발한 바 있는데, 이는 인체 외부에 설치되어야 할 고정자 코일(11-1~11-3)을 조끼 형태의 틀에 내장하여 환자가 걸쳐 입도록 한 것으로, 이 경우에도 캡슐(12)의 이동은 장기의 연동 운동에 의존하여 피동적으로 이루어지기 때문에 장기 내 캡슐(12)을 연동 운동의 역방향으로 후진시키거나 원하는 부위로 신속히 강제 이동시키는 기능은 제공하지 못하는 단점이 있다.

이러한 단점을 해결하기 위하여 본 발명의 출원인(한국과학기술연구원)은 인체 내 캡슐형 내시경을 인체 외부에서 비접촉 방식으로 강제로 이동시킬 수 있는 장치로서, 첨부된 도면 도 2에 도시된 바와 같이 캡슐형 내시경 안에 영구자석(또는 전자석)을 내장하고, 인체 외부에서 별도의 영구자석을 이용하여 자력에 의해 캡슐을 끌어당기면서 장기의 경로를 따라 임의로 이동 및 정지시킬 수 있는 5 자유도 조작 기구를 특허로 출원(출원번호 제10-2003-0039199호)한 바 있다.

즉, 전술한 선출원 발명(캡슐형 로봇 시스템)에 의하면, 캡슐 내부 영구자석의 자화 방향에 따라서 외부 영구자석을 이용하여 첨부된 도면 도 3 및 도 4에서 보는 바와 같은 운동을 유발시킬 수 있으며, 이를 위한 캡슐 이동 조작기구는 외부 영구자석을 요(yaw) 방향과 롤(roll) 또는 피치(pitch) 방향으로 회전시키기 위한 2개의 회전 자유도와, 영구자석을 인체를 따라서 횡방향, 종방향, 수직방향으로 이동시키기 위한 3개의 선형이동 자유도, 총 5개의 자유도를 가지고 있다.

하지만, 종래의 선출원 발명의 경우 캡슐과 그 캡슐 이동 조작기구에 있는 외부 영구자석 간의 거리를 수동으로 조작함에 따라 작업자의 실수로 캡슐과 외부 영구자석 간의 거리가 너무 가까워지면 자력이 과대해져 캡슐이 장기 벽을 강하게 밀어내 장기 표면을 손상시킬 수 있고, 반대로 너무 멀어지면 자력이 급격히 약해지므로 캡슐을 놓칠 수 있다는 것이 단점이 있다.

또한, 캡슐의 정확한 위치를 모르면서 수동으로 자력을 조작하는 경우 캡슐의 이동을 부드럽게 하기 어렵고, 작업자가 지속적으로 외부 영구자석의 위치와 방향을 조작, 유지해야 하므로 쉽게 피로해지는 문제가 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 그 목적은, 인체 외부에서 인체 내 캡슐을 자력으로 원격 조종하여 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시킬 수 있는 캡슐형 내시경 조종 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시키는데 있어, 인체 외부의 영구자석을 2자유도 회전 관절을 갖는 3축 직교좌표 로봇을 이용하여 제어함으로써, 인체 내 캡슐에 과대한 자력이 작용하지 않도록 조종하고, 이를 통해 과대한 자력 흡인으로 인해 인체 내 소화기 벽이 손상되는 것을 방지할 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 인체 내 캡슐을 이동시킬 때에 롤(roll) 방향 또는 피치(pitch) 방향의 반복적 요동운동을 인가하고, 캡슐의 전진 방향을 감지하여 조이스틱의 전진 방향과 일치시킴으로써, 스틱-슬립(stick-slip) 현상을 줄임과 동시에 조이스틱으로 인체 내 캡슐의 이동을 조작할 수 있도록 하며, 또한 인체 내 캡슐의 깊이를 측정하는 기능을 제공함으로써 정확한 이동 조작과 더불어 부드럽고 안전하면서 편리하게 인체 내 소화기에 대한 검진 및 치료를 수행할 수 있도록 하는데 있다.

상술한 바와 같은 목적을 해결하기 위한 본 발명의 특징은, 인체 내부의 소화기를 진단 및/또는 치료하기 위한 캡슐형 내시경 시스템에 있어서, 상기 소화기 진단 및/또는 치료를 위해 영구자석과 홀 센서 및 CCD 카메라를 탑재하고 있으며, 인체 외부로 일련의 신호를 송신하는 무선 송신회로를 구비하고 있는 의료용 캡슐과; 상기 캡슐 내에 탑재된 영구자석에 대하여 일련의 자력을 작용하는 외부 영구자석을 요(yaw), 롤(roll) 또는 피치(pitch) 회전시키기 위한 2자유도 회전 관절부와; 상기 2자유도 회전 관절부 하단에 부착되어, 상기 외부 영구자석과 인체 표면과의 거리를 측정하는 광전식 거리측정센서와; 상기 외부 영구자석 및 2자유도 회전 관절부를 인체 내부의 소화기를 따라 이동시키기 위한 3축 직교좌표 로봇과; 진단 및/또는 치료 대상이 되는 사람을 지지해 주되, 롤 방향으로 경사각이 조절되는 침대와; 상기 2자유도 회전 관절부와 침대 및 3축 직교좌표 로봇의 구동을 제어하여 상기 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시켜 주는 원격 조종 제어부를 포함하는 캡슐형 내시경 조종 시스템을 제공하는데 있다.

여기서, 상기 캡슐 내에 탑재된 홀 센서는, 캡슐에 작용하는 외부 영구자석의 자력과, 캡슐 및 외부 영구자석 간의 거리에 대한 정보를 제공하되, 그 홀 센서 신호는 CCD 카메라의 영상 신호와 함께 무선 송신회로를 통해 인체 외부의 원격 조종 제어부로 전송되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 2자유도 회전 관절부는, 인체 내 캡슐의 회전 운동을 위해 일련의 구동모터들을 구비하고 있는 전기 구동장치로서, 원격 조종 제어부의 관절 구동모터 회전각 제어에 따라 하단에 부착된 외부 영구자석을 요 방향 및 롤 방향 또는 피치 방향으로 회전시켜 상기 인체 내 캡슐을 회전 운동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 3축 직교좌표 로봇은, 인체 외부의 영구자석을 이동시키기 위한 일련의 구동모터들을 구비하고 있는 전기 구동장치로서, 원격 조종 제어부의 로봇 구동모터 속도 및 변위 제어에 따라 상기 외부 영구자석을 인체의 횡방향, 종방향 및 수직 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 침대는, 외부 영구자석이 인체의 횡방향 표면에 수직 방향으로 접근 가능하도록 하기 위한 일련의 침대 구동모터를 구비하고 있는 보조장치로서, 원격 조종 제어부의 침대 구동모터 회전 각속도 제어에 따라 롤 방향으로 경사각이 조절되는 것을 특징으로 한다.

한편으로, 상기 원격 조종 제어부는, 인체 내 캡슐의 무선 송신회로부터 전송되는 영상 신호 및 홀 센서 신호를 수신하여 입력받는 신호 수신기와; 운영자 조작에 따라 3축 직교좌표 로봇 구동을 위한 구동모터 속도 및 변위 제어 명령신호와, 2자유도 회전 관절 구동을 위한 구동모터 회전각 제어 명령신호 및 침대 구동모터 회전 각속도 제어 명령신호를 출력해 주며, 침대 조절 스위치를 이용하여 침대 경사각 조절을 위한 침대 구동모터 회전 각속도 제어 명령신호를 출력해 주는 조이스틱과; 상기 신호 수신기로부터 전달되는 인체 내 캡슐의 CCD 카메라 영상 신호를 전송받아 화면 상에 표시해 주며, 상기 조이스틱으로부터 출력되는 일련의 구동모터 제어 명령신호와 스틱-슬립 방지 동작을 조합하여 3축 직교좌표 로봇 및 2자유도 회전 관절부에 대한 구동모터 제어신호를 생성한 후에 이를 대응하는 제어기로 출력해 주며, 상기 신호 수신기로부터 전달되는 인체 내 캡슐의 홀 센서 신호를 분석하여 외부 영구자석이 캡슐을 흡인하는 자력이 일정하게 유지되도록 3축 직교좌표 로봇의 Z축 구동모터 변위를 제어하고, 상기 홀 센서 신호와 거리측정센서의 거리 측정 결과를 이용하여 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐까지의 거리를 산출하여 화면 상에 표시해 주는 주 제어기와; 상기 주 제어기로부터 출력되는 로봇 구동모터 속도 및 변위 제어신호에 따라 3축 직교좌표 로봇의 X축 및 Y축 구동모터의 구동 속도를 제어하고, Z축 구동모터의 구동 속도 및 변위를 제어하여 외부 영구자석을 인체의 횡방향, 종방향 및 수직 방향으로 이동시켜 인체 내 캡슐을 이동시키는 로봇 구동 제어기와; 상기 주 제어기로부터 출력되는 관절 구동모터 회전각 제어신호 또는 운영자 수동 조작(요 회전 조작, 롤 회전 조작)에 따라 출력되는 관절 구동모터 회전각 제어신호에 따라 2자유도 회전 관절부의 구동모터 회전각을 제어하여 외부 영구자석을 요 방향 및 롤 방향 또는 피치 방향으로 회전시켜 인체 내 캡슐을 회전 운동시키는 2자유도 관절 제어기와; 상기 조이스틱에 구비된 침대 조절 스위치로부터 출력되는 침대 구동모터 회전 각속도 제어신호에 따라 침대에 구비된 구동모터를 구동시켜 그 침대를 롤 방향으로 회전시켜 주는 침대 회전 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주 제어기는, 인체 내 캡슐에서 촬영한 CCD 카메라 영상 신호로부터 프레임 그래버 기능에 의해 인체 내 소화기의 형상 변화를 인식하거나, 상기 캡슐에 탑재된 2개의 홀 센서 신호를 활용하여 인체 내 캡슐의 전진 방향을 판단 및 추정하며, 상기 캡슐로부터 전송된 영상 신호와 홀 센서 신호, 그리고 외부 영구자석의 위치 좌표와 요 회전각, 캡슐과 외부 영구자석 간의 거리, 상기 캡슐의 추정 방향을 종합하여 인체 외부의 고정 좌표계에 대한 인체 내 캡슐의 위치와 경로를 화면 상에 표시해 주는 것을 특징으로 하며, 인체 내 캡슐의 홀 센서 신호를 분석하여 외부 영구자석과 캡슐 간의 거리를 추정한 후에 거리측정센서를 이용하여 외부 영구자석과 인체 표면 간의 거리를 측정함으로써 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐까지의 거리를 산출하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 주 제어기는, 조이스틱으로부터 출력되는 일련의 구동모터 제어 명령인 X축 및 Y축 방향 구동모터 속도 정보와 캡슐 방향 및 좌표 값을 조합하여 3축 직교좌표 로봇의 X축 및 Y축 구동모터 속도 제어신호를 출력하고, 상기 조이스틱으로부터 출력되는 구동모터 제어 명령인 Z축 방향 구동모터 속도 정보 또는 캡슐 자력 측정 값과 자력 크기 입력 값을 조합한 자력 정보를 이용하여 상기 3축 직교좌표 로봇의 Z축 구동모터 변위 제어신호를 출력하는 로봇 제어신호 출력부와; 상기 신호 수신기로부터 전달되는 2개의 홀 센서 신호와 프레임 그래버 기능부에 의해 인식되는 인체 내 형상 변화 정보를 분석하여 캡슐 방향을 판단하고 그 캡슐의 좌표 값을 산출하여 상기 로봇 제어신호 출력부 및 2자유도 관절 제어기로 전달해 주는 방향 판단 및 좌표 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 주 제어기는, 신호 수신기로부터 전달되는 홀 센서 신호를 분석하여 상기 인체 내 캡슐을 흡인하는 자력을 측정하고 그 캡슐 자력 측정 값을 상기 로봇 제어신호 출력부로 전달해 주는 자력 측정부와; 상기 신호 수신기로부터 전달되는 홀 센서 신호를 분석하여 인체 내 캡슐의 영구자석과 외부 영구자석 간의 거리를 추정하는 영구자석 거리 추정부와; 상기 영구자석 거리 추정부에서 추정한 영구자석간 거리 추정 결과와 상기 신호 수신기로부터 전달되는 홀 센서 신호 및 거리측정센서로부터 전달되는 외부 영구자석과 인체 표면 간의 거리 측정 결과를 이용하여 인체 내 캡슐의 깊이에 해당되는 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐까지의 거리를 추정하는 캡슐 깊이 추정부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서는 인체 외부에서 원격 조종에 의해 인체 내 캡슐의 회전운동(roll 및 pitch)과 전/후/좌/우 방향 이동 및 그 캡슐을 정지시킬 수 있는 시스템을 구현하고자 하는데, 이를 위한 시스템 구성은 첨부한 도면 도 5와 같다.

즉, 본 발명에 따른 캡슐형 내시경 조종 시스템은 도 5에 도시한 바와 같이, 인체 내부의 진단 및/또는 치료를 위해 영구자석(또는 전자석)과 홀 센서(Hall Sensor)를 탑재하고 있는 의료용 캡슐(20)과, 외부 영구자석(50)을 요(yaw), 롤(roll) 또는 피치(pitch) 회전시키기 위한 2자유도 회전 관절부(30)와, 2자유도 회전 관절부(30) 하단에 부착되는 광전식 거리측정센서(40)와, 외부 영구자석(50) 및 2자유도 회전 관절부(30)를 인체 내부의 소화기를 따라 이동시키기 위한 3축 직교좌표 로봇(60)과, 롤 방향으로 경사각이 조절되는 침대(70)와, 2자유도 회전 관절부(30)와 침대(70) 및 3축 직교좌표 로봇(60)을 조작하기 위한 원격 조종 제어부(80)를 포함하여 이루어진다.

의료용 캡슐(20)은 인체 내부의 진단 및/또는 치료를 위해 횡방향으로 자화된 영구자석, CCD 카메라, 조명 장치, 홀 센서, 무선 송신회로를 탑재하고 있으며, 여기서, 홀 센서는 캡슐에 작용하는 자력과 캡슐(20) 및 외부 영구자석(50) 간의 거리에 대한 정보를 제공하되, 그 홀 센서 신호는 CCD 카메라의 영상 신호와 함께 무선 송신회로를 통해 인체 외부의 원격 조종 제어부(80)로 전송된다.

2자유도 회전 관절부(30)는 인체 내부에 위치한 캡슐(20)의 회전 운동을 위해 일련의 구동모터들을 구비하고 있는 전기 구동장치로서, 원격 조종 제어부(80)의 관절 구동모터 회전각 제어에 따라 외부 영구자석(50)을 요 방향(θ) 및 롤 방향(φ) 또는 피치 방향(ψ)으로 회전시켜 인체 내부의 캡슐(20)을 회전 운동시킨다.

거리측정센서(40)는 2자유도 회전 관절부(30)의 하단에 부착되어 광전식 비접촉 거리 측정 방식에 따라 인체 외부의 영구자석(50)과 인체 표면 간의 거리를 측정하고, 그 거리 측정 결과를 원격 조종 제어부(80)로 전송해 준다.

3축 직교좌표 로봇(60)은 인체 외부의 영구자석(50)을 이동시키기 위한 일련의 구동모터들을 구비하고 있는 전기 구동장치로서, 원격 조종 제어부(80)의 로봇 구동모터 속도 및 변위 제어에 따라 외부 영구자석(50)을 인체의 횡방향(X), 종방향(Y) 및 수직 방향(Z)으로 이동시킨다.

침대(70)는 진단 및 치료 대상이 되는 사람을 지지해 주는 테이블로서, 첨부한 도면 도 6에 도시한 바와 같이 외부 영구자석(50)이 인체의 횡방향 표면에 수직 방향으로 접근 가능하도록 하기 위한 일련의 침대 구동모터(71)를 구비하고 있는 보조장치로서, 원격 조종 제어부(80)의 침대 구동모터 회전 각속도 제어에 따라 롤 방향으로 경사각(바람직하게는 15도 범위 내의 각도)이 조절된다.

원격 조종 제어부(80)는 운영자의 조이스틱 조작과 스틱-슬립(stick-slip) 방지 동작을 이용하여 3축 직교좌표 로봇(60)과 2자유도 회전 관절부(30)에 대한 구동모터 동작을 제어하고, 인체 내 캡슐(20)로부터 영상 신호를 전송받아 화면 상에 표시해 주며, 그 캡슐(20)의 홀 센서 신호를 전송받아 3축 직교좌표 로봇(60)의 Z축 변위를 제어하며, 캡슐(20)의 영상 신호와 홀 센서 신호, 그리고 외부 영구자석(50)의 위치 좌표와 요(yaw) 회전각 및 캡슐(20)과 외부 영구자석(50) 간의 거리 정보 등을 종합하여 인체 내 캡슐(20)의 위치와 경로를 화면 상에 표시해 주는 역할을 수행한다.

이를 위한 원격 조종 제어부(80)는 신호 수신기(81)와, 조이스틱(82)과, 주 제어기(83)와, 로봇 구동 제어기(84)와, 2자유도 관절 제어기(85) 및 침대 회전 제어기(86)를 포함한다.

신호 수신기(81)는 인체 내 캡슐(20)의 무선 송신회로부터 전송되는 영상 신호 및 홀 센서 신호를 수신하여 주 제어기(83)로 전달해 준다.

조이스틱(82)은 운영자 조작에 따라 3축 직교좌표 로봇 구동을 위한 일련의 구동모터 속도 및 변위 제어 명령신호와, 2자유도 회전 관절 구동을 위한 일련의 구동모터 회전각 제어 명령신호 및 침대 구동모터 회전 각속도 제어 명령신호를 출력해 주며, 또한 침대 경사각 조절을 위한 일련의 침대 구동모터 회전 각속도 제어 명령신호를 출력해 주는 침대 조절 스위치를 구비하고 있다.

주 제어기(83)는 신호 수신기(81)로부터 전달되는 인체 내 캡슐(20)에서 촬영한 CCD 카메라 영상 신호를 전송받아 이를 화면 상에 표시해 주며, 조이스틱(82)으로부터 출력되는 일련의 구동모터 제어 명령신호와 스틱-슬립(stick-slip) 방지 동작을 조합하여 3축 직교좌표 로봇(60) 및 2자유도 회전 관절부(30)에 대한 일련의 구동모터 제어신호를 생성한 후에 이를 대응하는 제어기(84, 85)로 출력해 주며, 신호 수신기(81)로부터 전달되는 인체 내 캡슐(20)의 홀 센서 신호를 분석하여 인체 외부의 영구자석(50)이 캡슐(20)을 흡인하는 자력이 일정하게 유지되도록 3축 직교좌표 로봇(60)의 Z축 구동모터 변위를 제어하고, 그 홀 센서 신호와 거리측정센서(40)의 거리 측정 결과를 이용하여 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐(20)까지의 거리를 산출하여 화면 상에 표시해 준다. 또한, 인체 내 캡슐(20)에서 촬영한 CCD 카메라 영상 신호로부터 프레임 그래버(Frame grabber) 기능에 의해 인체 내 소화기의 형상 변화를 인식하거나, 2개의 홀 센서 신호를 활용하여 인체 내 캡슐(20)의 전진 방향을 판단 및 추정하며, 나아가 캡슐(20)로부터 전송된 영상 신호와 홀 센서 신호, 그리고 외부 영구자석(50)의 위치 좌표와 요(yaw) 회전각, 캡슐(20)과 외부 영구자석(50) 간의 거리, 캡슐(20)의 추정 방향을 종합하여 인체 외부의 고정 좌표계에 대한 인체 내 캡슐(20)의 위치와 경로를 화면 상에 표시해 주는 역할을 수행한다.

여기서, 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐(20)까지의 거리 산출은 첨부한 도면 도 7에 도시한 바와 같이, 인체 내 캡슐(20)로부터의 홀 센서 신호를 분석하여 외부 영구자석(50)과 캡슐(20) 간의 거리(L0)를 추정한 후에 거리측정센서(40)를 이용하여 인체 외부의 영구자석(50)과 인체 표면 간의 거리(L1)를 측정함으로써 인체 표면으로부터 캡슐(20)까지의 거리(L2)를 산출한다.

로봇 구동 제어기(84)는 주 제어기(83)로부터 출력되는 로봇 구동모터 속도 및 변위 제어신호에 따라 3축 직교좌표 로봇(60)의 X축 및 Y축 구동모터의 구동 속도를 제어하고, Z축 구동모터의 구동 속도 및 변위를 제어하여 외부 영구자석(50)을 인체의 횡방향(X), 종방향(Y) 및 수직 방향(Z)으로 이동시킴으로써 인체 내 캡슐(20)을 이동시킨다.

2자유도 관절 제어기(85)는 주 제어기(83)로부터 출력되는 관절 구동모터 회전각 제어신호 또는 운영자 수동 조작(요 회전 조작, 롤 회전 조작)에 따라 출력되는 관절 구동모터 회전각 제어신호에 따라 2자유도 회전 관절부(30)의 구동모터 회전각을 제어하여 3축 직교좌표 로봇(60)의 Z축 하단에 부착된 외부 영구자석(50)을 요 방향(θ) 및 롤 방향(φ) 또는 피치 방향(ψ)으로 회전시킴으로써 인체 내 캡슐(20)을 회전 운동시킨다.

침대 회전 제어기(86)는 조이스틱(82)에 구비된 침대 조절 스위치로부터 출력되는 침대 구동모터 회전 각속도 제어신호에 따라 침대(70)에 구비된 구동모터(71)를 구동시켜 그 침대(70)를 롤 방향으로 운영자가 스위치를 조작하는 동안 회전시켜 준다.

또한, 앞에서 설명한 주 제어기(83)에 대하여 첨부한 도면 도 8을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 주 제어기(83)는 조이스틱(82)으로부터 출력되는 일련의 구동모터 제어 명령인 X축 및 Y축 방향 구동모터 속도 정보와 캡슐 방향 및 좌표 값을 조합하여 3축 직교좌표 로봇의 X축 및 Y축 구동모터 속도 제어신호를 출력하고, 조이스틱(82)으로부터 출력되는 일련의 구동모터 제어 명령인 Z축 방향 구동모터 속도 정보 또는 캡슐 자력 측정 값과 자력 크기 입력 값을 조합한 자력 정보를 이용하여 3축 직교좌표 로봇(60)의 Z축 구동모터 변위 제어신호를 출력하는 로봇 제어신호 출력부(83-1)와, 신호 수신기(81)로부터 전달되는 인체 내 캡슐(20)의 CCD 카메라 영상 신호를 분석하여 화면 상에 인체 내 소화기 촬영 영상을 표시해 주는 영상 표시부(83-2)와, 신호 수신기(81)로부터 전달되는 2개의 홀 센서 신호와 프레임 그래버 기능부(83-3)에 의해 인식되는 인체 내 형상 변화 정보를 분석하여 캡슐 방향을 판단하고 그 캡슐의 좌표 값을 산출하여 로봇 제어신호 출력부(83-1) 및 2자유도 관절 제어기(85)로 전달해 주는 방향 판단 및 좌표 산출부(83-4)와, 신호 수신기(81)로부터 전달되는 홀 센서 신호를 분석하여 캡슐(20)을 흡인하는 자력을 측정하고 그 캡슐 자력 측정 값을 로봇 제어신호 출력부(83-1)로 전달해 주는 자력 측정부(83-5)와, 신호 수신기(81)로부터 전달되는 홀 센서 신호를 분석하여 인체 내 캡슐의 영구자석과 외부 영구자석(50) 간의 거리를 추정하는 영구자석 거리 추정부(83-6)와, 그 영구자석 거리 추정부(83-6)에서 추정한 영구자석간 거리 추정 결과와 신호 수신기(81)로부터 전달되는 홀 센서 신호 및 거리측정센서(40)로부터 전달되는 외부 영구자석(50)과 인체 표면 간의 거리 측정 결과를 이용하여 인체 내 캡슐(20)의 깊이에 해당되는 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐(20)까지의 거리를 추정하는 캡슐 깊이 추정부(83-7)를 포함한다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 캡슐형 내시경 조종 시스템에서 원격 조종 제어부(80)는 인체 내 캡슐(20)의 전역이동 작동 모드의 경우 시스템 운영자가 조이스틱 조작을 통해 외부 영구자석(50)이 인체의 횡방향 및 종방향으로 이동하는 속도 성분을 입력하면 로봇 제어신호 출력부(83-1)에 의해 3축 직교좌표 로봇(60)의 X축과 Y축 구동모터가 구동되며, 이에 따라 인체 내 캡슐(20)이 인체의 횡방향 및 종방향으로 이동하게 된다.

그리고, 3축 직교좌표 로봇(60)의 Z축은 외부 영구자석(50)을 수직 방향으로 변위 이동시키는데, 수동 모드에서는 조이스틱 조작을 통해 입력되는 Z축 방향 구동모터 속도 정보를 이용하여 이동시키고, 자동 모드에서는 인체 내 캡슐(20)의 홀 센서 신호로 측정된 캡슐 자력 측정 값에 대하여 외부 영구자석(50)과 캡슐 내 영구자석 간의 자력이 일정한 값을 유지하도록 하는 자력 크기 입력 값(인체 소화기의 부위별로 사전에 정의된 값으로 시스템 운영자가 설정할 수 있다)을 조합하여 캡슐(20)과 외부 영구자석(50) 간의 거리가 일정하게 유지되도록 자동으로 제어하게 된다.

또한, 본 발명에서 원격 조종 제어부(80)의 주 제어기(83)는 캡슐(20)에 탑재된 CCD 카메라에 의해 촬영된 CCD 카메라 영상 신호를 무선 송신회로를 통해 전송받아 화면 상에 표시해 주는 기능을 수행하는데, 이때 그 캡슐에 탑재된 CCD 카메라가 바라보는 방향을 기준으로 인체 내 캡슐을 전진, 후진, 회전시킴으로써 미세한 진단 또는 치료를 하는 작동 모드에서는 조이스틱 조작을 통해 입력되는 횡방향 및 종방향 속도 성분이 캡슐의 전진 방향을 기준으로 한 횡방향(X축 방향) 및 종방향(Y축 방향) 성분으로 변환되어야 하며, 이를 위해서는 3축 직교좌표 로봇(60)의 종방향축과 인체 내 캡슐(20)의 종방향축이 이루는 상대각을 알아야 한다.

여기서, 3축 직교좌표 로봇(60)의 종방향축과 인체 내 캡슐(20)의 종방향축이 이루는 상대각을 알아내기 위한 방법으로서, 첫째로 도 3에 도시한 바와 같이, 캡슐 내 영구자석이 반경방향으로 자화되어 있는 경우 외부 영구자석(50)을 롤 방향으로 회전시키면 인체 내 캡슐(20)도 롤 방향으로 회전을 하게 되며, 이때 외부 영구자석(50)과 캡슐(20)은 서로 반대 방향으로 회전하게 되며, 따라서 외부 영구자석(50)을 롤 방향으로 요동시키면서 동시에 요 방향으로 일정각도 만큼씩 회전시키면 외부 영구자석(50)의 롤 회전축과 캡슐(20)의 롤 회전축이 일치할 때 캡슐(20)의 롤 회전 요동각이 가장 크게 나타나면서 회전 방향은 반대로 나타난다.

이러한 특성을 이용하여, 원격 조종 제어부(80)에서 캡슐(20)에 탑재된 CCD 카메라의 영상 신호를 전송받아 화면 상에 표시한 영상 회전 방향이 외부 영구자석(50)의 회전 방향과 반대이면 캡슐(20)의 종방향축(즉, 롤 방향 회전축)과 외부 영구자석(50)의 종방향축(롤 방향 회전축)이 일치한다고 볼 수 있고, 그 반대이면 두 축의 방향이 서로 평행하되, 반대임을 알 수 있다.

또한, 두번째로 첨부한 도면 도 9에 도시한 바와 같이, 캡슐(20)의 표면에 2개의 홀 센서를 부착하면, 외부 영구자석(50)을 롤 방향으로 회전시킬 때 그 롤 방향 회전축과 캡슐(20)의 롤 방향 회전축이 일치하는지 또는 반대인지 여부에 따라 두 홀 센서에서 출력되는 홀 센서 신호의 크기가 반전되고, 이러한 특성을 이용하여 두 축의 상대각이 0도인지, 180도인지를 알 수 있다.

상술한 방법으로 인체 내 캡슐(20)의 롤 회전 방향과 외부 영구자석(50)의 롤 회전 방향의 상대각을 측정하고, 그 캡슐(20)이 외부 영구자석(50)의 롤 요동에 대해 가장 민감하게 반응한 외부 영구자석(50)의 요 회전각을 측정하면 3축 직교좌표 로봇(60)의 종방향축과 캡슐(20)의 종방향축이 이루는 상대각을 알 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 외부 영구자석(50)의 롤 요동에 의해 인체 내 캡슐(20)의 롤 요동 또는 피치 요동을 유발할 수 있는데, 인체 내 캡슐(20)을 종방향으로 자력에 의해 이동시키면서 동시에 첨부한 도면 도 10의 (가) 및 (나)에 도시한 바와 같이 롤 요동 또는 피치 요동을 인가하게 되면, 그 캡슐(20)은 항상 동마찰 상태에 있으므로 스틱-슬립 현상을 억제하면서 연속적으로 이동시킬 수 있게 된다. 만약, 롤 요동 또는 피치 요동을 인가하지 않으면 인체 내 캡슐(20)은 정마찰력과 동마찰력의 차이에 의해 정지와 이동을 반복하는 스틱-슬립 현상을 나타내게 된다.

나아가, 본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있는데, 예를 들어 3축 직교좌표 로봇과 경사각이 조절되는 침대 대신에 작업공간이 상대적으로 큰 6축 수직 다관절 로봇을 이용하여 구성할 수 있는데, 이 경우 외부 영구자석을 회전시키는 2자유도 회전 관절부에서 요 회전 기능은 로봇 말단 축의 자유도와 중복되기 때문에 롤 회전만 되는 1자유도 회전 관절로 대체할 수 있게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 인체 외부에서 인체 내 캡슐을 자력으로 이동시킬 수 있는 캡슐형 내시경 조종 시스템을 제공함으로써, 인체 외부의 원격 조종을 통해 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시킬 수 있게 된다.

본 발명은 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시키는데 있어, 인체 외부의 영구자석을 2자유도 회전 관절을 갖는 3축 직교좌표 로봇을 이용하여 제어함으로써, 인체 내 캡슐에 과대한 자력이 작용하지 않도록 조종할 수 있게 되고, 이에 따라 과대한 자력 흡인으로 인해 인체 내 소화기 벽이 손상되는 것을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 외부 고정자 코일에 의해 조종되는 캡슐을 예시한 도면.

도 2는 종래의 캡슐형 로봇의 구성을 보여주는 개념도.

도 3 및 도 4는 외부 영구자석에 의한 캡슐의 이동 및 회전 운동을 나타낸 도면.

도 5는 본 발명에 따른 캡슐형 내시경 조종 시스템의 구성을 보여주는 개념도.

도 6은 도 5에 도시된 침대의 경사각 조절 상태를 예시한 도면.

도 7은 본 발명에서 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐까지의 거리 산출 원리를 설명하기 위한 도면.

도 8은 본 발명에 따른 캡슐형 내시경 시스템의 상세 구성을 도시한 도면.

도 9는 본 발명에서 캡슐 표면에 2개의 홀 센서 부착한 경우의 캡슐 회전 방향 감지 원리를 설명하기 위한 도면.

도 10은 본 발명에 따른 인체 내 캡슐의 롤 또는 피치 요동을 예시한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 캡슐 30 : 2자유도 회전 관절부

40 : 거리측정센서 50 : 외부 영구자석

60 : 3축 직교좌표 로봇 70 : 침대

71 : 침대 구동모터 80 : 원격 조종 제어부

81 : 신호 수신기 82 : 조이스틱

83 : 주 제어기 84 : 로봇 구동 제어기

85 : 2자유도 관절 제어기 86 : 침대 회전 제어기

Claims

인체 내부의 소화기를 진단 및/또는 치료하기 위한 캡슐형 내시경 시스템에 있어서,

상기 소화기 진단 및/또는 치료를 위해 영구자석과 홀 센서 및 CCD 카메라를 탑재하고 있으며, 인체 외부로 일련의 신호를 송신하는 무선 송신회로를 구비하고 있는 의료용 캡슐과;

상기 캡슐 내에 탑재된 영구자석에 대하여 일련의 자력을 작용하는 외부 영구자석을 요(yaw), 롤(roll) 또는 피치(pitch) 회전시키기 위한 2자유도 회전 관절부와;

상기 2자유도 회전 관절부 하단에 부착되어, 상기 외부 영구자석과 인체 표면과의 거리를 측정하는 광전식 거리측정센서와;

상기 외부 영구자석 및 2자유도 회전 관절부를 인체 내부의 소화기를 따라 이동시키기 위한 3축 직교좌표 로봇과;

진단 및/또는 치료 대상이 되는 사람을 지지해 주되, 롤 방향으로 경사각이 조절되는 침대와;

상기 2자유도 회전 관절부와 침대 및 3축 직교좌표 로봇의 구동을 제어하여 상기 인체 내 캡슐을 임의의 위치로 이동시키거나 회전 또는 정지시켜 주는 원격 조종 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 캡슐 내에 탑재된 홀 센서는, 캡슐에 작용하는 외부 영구자석의 자력과, 캡슐 및 외부 영구자석 간의 거리에 대한 정보를 제공하되, 그 홀 센서 신호는 CCD 카메라의 영상 신호와 함께 무선 송신회로를 통해 인체 외부의 원격 조종 제어부로 전송되는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 2자유도 회전 관절부는, 인체 내 캡슐의 회전 운동을 위해 일련의 구동모터들을 구비하고 있는 전기 구동장치로서, 원격 조종 제어부의 관절 구동모터 회전각 제어에 따라 하단에 부착된 외부 영구자석을 요 방향 및 롤 방향 또는 피치 방향으로 회전시켜 상기 인체 내 캡슐을 회전 운동시키는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 3축 직교좌표 로봇은, 인체 외부의 영구자석을 이동시키기 위한 일련의 구동모터들을 구비하고 있는 전기 구동장치로서, 원격 조종 제어부의 로봇 구동모터 속도 및 변위 제어에 따라 상기 외부 영구자석을 인체의 횡방향, 종방향 및 수직 방향으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 1항에 있어서,

상기 침대는, 외부 영구자석이 인체의 횡방향 표면에 수직 방향으로 접근 가능하도록 하기 위한 일련의 침대 구동모터를 구비하고 있는 보조장치로서, 원격 조종 제어부의 침대 구동모터 회전 각속도 제어에 따라 롤 방향으로 경사각이 조절되는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 1항 내지 5항중 어느 한 항에 있어서,

상기 원격 조종 제어부는, 인체 내 캡슐의 무선 송신회로부터 전송되는 영상 신호 및 홀 센서 신호를 수신하여 입력받는 신호 수신기와;

운영자 조작에 따라 3축 직교좌표 로봇 구동을 위한 구동모터 속도 및 변위 제어 명령신호와, 2자유도 회전 관절 구동을 위한 구동모터 회전각 제어 명령신호 및 침대 구동모터 회전 각속도 제어 명령신호를 출력해 주며, 침대 조절 스위치를 이용하여 침대 경사각 조절을 위한 침대 구동모터 회전 각속도 제어 명령신호를 출력해 주는 조이스틱과;

상기 신호 수신기로부터 전달되는 인체 내 캡슐의 CCD 카메라 영상 신호를 전송받아 화면 상에 표시해 주며, 상기 조이스틱으로부터 출력되는 일련의 구동모터 제어 명령신호와 스틱-슬립 방지 동작을 조합하여 3축 직교좌표 로봇 및 2자유도 회전 관절부에 대한 구동모터 제어신호를 생성한 후에 이를 대응하는 제어기로 출력해 주며, 상기 신호 수신기로부터 전달되는 인체 내 캡슐의 홀 센서 신호를 분석하여 외부 영구자석이 캡슐을 흡인하는 자력이 일정하게 유지되도록 3축 직교좌표 로봇의 Z축 구동모터 변위를 제어하고, 상기 홀 센서 신호와 거리측정센서의 거리 측정 결과를 이용하여 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐까지의 거리를 산출하여 화면 상에 표시해 주는 주 제어기와;

상기 주 제어기로부터 출력되는 로봇 구동모터 속도 및 변위 제어신호에 따라 3축 직교좌표 로봇의 X축 및 Y축 구동모터의 구동 속도를 제어하고, Z축 구동모터의 구동 속도 및 변위를 제어하여 외부 영구자석을 인체의 횡방향, 종방향 및 수직 방향으로 이동시켜 인체 내 캡슐을 이동시키는 로봇 구동 제어기와;

상기 주 제어기로부터 출력되는 관절 구동모터 회전각 제어신호 또는 운영자 수동 조작(요 회전 조작, 롤 회전 조작)에 따라 출력되는 관절 구동모터 회전각 제어신호에 따라 2자유도 회전 관절부의 구동모터 회전각을 제어하여 외부 영구자석을 요 방향 및 롤 방향 또는 피치 방향으로 회전시켜 인체 내 캡슐을 회전 운동시키는 2자유도 관절 제어기와;

상기 조이스틱에 구비된 침대 조절 스위치로부터 출력되는 침대 구동모터 회전 각속도 제어신호에 따라 침대에 구비된 구동모터를 구동시켜 그 침대를 롤 방향으로 회전시켜 주는 침대 회전 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 주 제어기는, 인체 내 캡슐에서 촬영한 CCD 카메라 영상 신호로부터 프레임 그래버 기능에 의해 인체 내 소화기의 형상 변화를 인식하거나, 상기 캡슐에 탑재된 2개의 홀 센서 신호를 활용하여 인체 내 캡슐의 전진 방향을 판단 및 추정하며, 상기 캡슐로부터 전송된 영상 신호와 홀 센서 신호, 그리고 외부 영구자석의 위치 좌표와 요 회전각, 캡슐과 외부 영구자석 간의 거리, 상기 캡슐의 추정 방향을 종합하여 인체 외부의 고정 좌표계에 대한 인체 내 캡슐의 위치와 경로를 화면 상에 표시해 주는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 주 제어기는, 인체 내 캡슐의 홀 센서 신호를 분석하여 외부 영구자석과 캡슐 간의 거리를 추정한 후에 거리측정센서를 이용하여 외부 영구자석과 인체 표면 간의 거리를 측정함으로써 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐까지의 거리를 산출하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 주 제어기는, 조이스틱으로부터 출력되는 일련의 구동모터 제어 명령인 X축 및 Y축 방향 구동모터 속도 정보와 캡슐 방향 및 좌표 값을 조합하여 3축 직교좌표 로봇의 X축 및 Y축 구동모터 속도 제어신호를 출력하고, 상기 조이스틱으로부터 출력되는 구동모터 제어 명령인 Z축 방향 구동모터 속도 정보 또는 캡슐 자력 측정 값과 자력 크기 입력 값을 조합한 자력 정보를 이용하여 상기 3축 직교좌표 로봇의 Z축 구동모터 변위 제어신호를 출력하는 로봇 제어신호 출력부와;

상기 신호 수신기로부터 전달되는 2개의 홀 센서 신호와 프레임 그래버 기능부에 의해 인식되는 인체 내 형상 변화 정보를 분석하여 캡슐 방향을 판단하고 그 캡슐의 좌표 값을 산출하여 상기 로봇 제어신호 출력부 및 2자유도 관절 제어기로 전달해 주는 방향 판단 및 좌표 산출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 주 제어기는, 신호 수신기로부터 전달되는 홀 센서 신호를 분석하여 상기 인체 내 캡슐을 흡인하는 자력을 측정하고 그 캡슐 자력 측정 값을 상기 로봇 제어신호 출력부로 전달해 주는 자력 측정부와;

상기 신호 수신기로부터 전달되는 홀 센서 신호를 분석하여 인체 내 캡슐의 영구자석과 외부 영구자석 간의 거리를 추정하는 영구자석 거리 추정부와;

상기 영구자석 거리 추정부에서 추정한 영구자석간 거리 추정 결과와 상기 신호 수신기로부터 전달되는 홀 센서 신호 및 거리측정센서로부터 전달되는 외부 영구자석과 인체 표면 간의 거리 측정 결과를 이용하여 인체 내 캡슐의 깊이에 해당되는 인체 표면으로부터 인체 내 캡슐까지의 거리를 추정하는 캡슐 깊이 추정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경 조종 시스템.