KR20100001111A - 3차원 물성 진단 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 조직의 물성을 3차원적으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 소정 물질의 물성을 진단하기 위한 3차원 진단장치는 소정 물질에 자극을 가하기 위한 동력을 생성하는 구동기와 구동기의 일측에 구비되어 상기 소정 물질에 자극을 가하고, 자극에 의해 발생하는 반력을 측정하기 위한 3차원 힘 측정 장치와 구동기를 조작하기 위한 다자유도 작동기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 장치는 다자유도 작동기, 구동기 및 3차원 힘 측정 장치를 제어하고, 3차원 힘 측정 장치에서 측정한 반력을 이용하여 소정 물질의 물성을 진단하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
반력, 힘 측정장치, 힘 센서, 조직 진단

Description

3차원 물성 진단 장치 및 방법{Apparatus and Method of three dimensional diagnosing property of matter}
본 발명은 조직의 물성을 3차원적으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이하 본 발명의 기술분야와 관련하여 일반적으로 사용되는 기술에 대하여 간략히 설명한다.
일반적으로 생체 조직을 진단하는 장치로써, 영상 기법을 이용한 자기공명 단층 촬영장치(MRI: magnetic resonance imager) 또는 컴퓨터 단층 촬영장치 (CT: computerized tomography)가 있다. MRI 및 CT는 생체 조직에 대한 영상 정보를 얻어내고, 이를 분석하여 조직의 병 유무를 진단하는 장치이다.
CT는 스캐너를 이용한 컴퓨터 단층 촬영(斷層撮影)법이다. CT는 엑스선이나 초음파를 여러 각도에서 인체에 투영하고, 이를 컴퓨터로 재구성하여 인체 내부 단면의 모습을 화상으로 처리하는 것이다. 일반 X선 사진은 인체의 3차원적인 모습이 2차원의 필름에 나타나지만, CT는 선택한 단면의 모든 모습을 보여주기 때문에 일반 X선 사진으로는 알아내기 힘든 여러 가지 사실들을 정확하게 진단할 수 있다.
MRI는 자력에 의하여 발생하는 자기장을 이용하여 생체의 임의의 단층상을 얻을 수 있는 첨단의학기계, 또는 그 기계로 만든 영상법을 의미한다.
MRI는 X-ray처럼 이온화 방사선이 아니므로 인체에 무해하고, 3-D 영사화가 가능하며 컴퓨터단층촬영(CT)에 비해 대조도와 해상도가 좋다. 횡단면 촬영만이 가능한 CT와는 달리 관상면과 시상면도 촬영할 수 있으며, 필요한 각도의 영상을 검사자가 선택하여 촬영할 수 있다.
CT나 MRI는 상기와 같은 장점으로 인해 널리 쓰이고 있지만, 검사료가 비싸며 촬영시간이 오래 걸린다. 또한, 검사공간이 협소하여 검사에 많은 문제점이 있다.
CT나 MRI를 이용한 진단방법 외에, 미세도구를 이용하여 대상 조직을 직접 검사하는 방법이 있다. 이는 대상 조직을 떼어내어 진단하는 방법이다.
영상 기법이나 조직 검사를 통한 진단법은 대상 조직의 병 유무를 진단하는데 있어서 과정이 복잡하고 많은 비용과 시간을 필요로 한다. 따라서, 조직의 진단을 보다 쉽고 빠르게 수행할 수 있는 조직 진단 시스템이 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 일반적인 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 생체 조직 및/또는 여러 가지 물체의 조직의 물성을 용이하게 획득하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 생체조직을 진단시 적은 비용과 빠른 검사를 수행하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 생체 조직에 외부 자극을 인가했을 때 발생하는 반력을 이용하여 생체 조직의 기계적 물성을 계산하고, 이를 통해 측정한 조직의 상태가 정상인지 질병이 있는지 여부를 판단할 수 있는 진단 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 생체조직에서 발생하는 반력을 3차원적으로 측정하는 정밀한 진단 시스템 및 진단방법을 제공하는 것이다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 조직의 물성을 3차원적으로 측정하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태로서 소정 물질의 물성을 진단하기 위한 3차원 진단장치는, 소정 물질에 자극을 가하기 위한 동력을 생성하는 구동기와 구동기의 일측에 구비되어 소정 물질에 자극을 가하고, 자극에 의해 발생하는 반력을 측정하기 위한 3차원 힘 측정 장치와 구동기를 조작하기 위한 다자유도 작동기를 포함할 수 있다.
상기 3차원 진단장치는 다자유도 작동기, 구동기 및 3차원 힘 측정 장치를 제어하고, 3차원 힘 측정 장치에서 측정한 반력을 이용하여 소정 물질의 물성을 진단하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
3차원 힘 측정 장치는 소정 물질에 자극을 인가하기 위한 자극 인가부와 소정 물질에 자극을 인가시 소정 물질에서 발생하는 반력을 자극에 대한 수직 방향, 가로축 방향 및 세로축 방향으로 측정하기 위한 힘 센서를 포함하는 것이 바람직하다.
3차원 진단시스템에 포함되는 구동기는 전기적 에너지를 역학적 에너지로 전환하기 위한 전동기와 전동기에서 생성된 역학적 에너지를 전달하기 위한 동력 전달부와 구동기의 위치 및 속도를 제어하기 위한 위치 제어부를 포함할 수 있다.
구동기에 포함되는 동력 전달부는 전동기의 일측에 구비되는 기어와 전동기에서 생성된 역학적 에너지를 선형 운동으로 전환하기 위해 기어의 일측에 구비되는 스크류와 스크류의 위치를 고정하기 위한 연결 샤프트를 포함하는 것이 바람직하다.
구동기에 포함되는 위치 제어부는 구동기의 위치 및 속도를 제어하기 위한 자기력 발생부와 전동기의 회전속도를 측정하기 위한 자기저항 센서를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 양태로서, 소정 물질의 물성을 측정하기 위한 3차원 진단장치는 소정 물질에 외부 자극을 가하기 위한 동력을 생성하는 모터 및 동력을 전달하는 동력 전달부를 포함하는 구동기와 구동기의 일측에 구비되어 구동기의 위치 및 속도를 제어하는 선형 위치제어부와 외부 자극으로 인해 발생한 반력을 3차원적으로 측정하기 위한 3차원 힘 측정장치와 3차원 힘 측정 장치의 일측에 구비되어 소정의 물질에 자극을 가하는 프로브와 구동기를 구동하기 위한 다자유도 작동기를 포함할 수 있다. 상기 3차원 진단장치는 구동기, 3차원 힘 측정장치, 프로브 및 다자유도 작동기를 제어하고, 소정 물질과 프로브가 접촉하는 순간에 반력을 3차원적으로 측정하여 소정 물질의 기계적 성질을 측정하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태로서 소정 물질의 기계적 물성을 측정하기 위한 진단방법은, 소정의 물질에 자극을 인가하는 단계와 소정 물질의 외부에 자극을 가하여 소정 물질에서 발생하는 반력을 자극의 수직방향, 가로축방향 및 세로축방향으로 측정하는 단계와 측정한 반력을 이용하여 소정 물질의 물성을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
3차원 진단 방법에서 소정 물질의 물성을 진단하는 단계는, 측정한 반력에 따라 계산된 소정 물질의 물성과 미리 저장된 물성 정보를 비교하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이때, 미리 저장된 물성 정보는 하나 이상의 정상 조직 또는 하나 이상의 질병이 있는 조직의 물성에 대한 정보를 포함할 수 있다. 물론 계산된 소정 물질의 물성 정보가 미리 저장된 물성 정보와 다른 경우에는, 새로이 계산된 물성 정보를 추가적으로 저장할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태로서 소정 물질의 물성을 진단하기 위한 3차원 진단방법은 소정 물질에 외부 자극을 인가하기 위해 다자유도 작동기 및 구동기를 구동하는 시스템 제어 단계와 구동기의 일측에 구비된 3차원 힘 측정장치를 이용하여 소정 물질에 자극을 인가하는 단계와 자극에 의해 발생한 반력을, 3차원 힘 측정장치에 포함된 센서를 이용하여 자극의 수직방향, 가로축방향 및 세로축방향으로, 측정하는 단계와 측정한 반력을 이용하여 소정 물질의 물성을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
시스템 제어 단계는 전기적 에너지를 역학적 에너지로 전환하는 단계와 동력 전달부를 이용하여 역학적 에너지를 3차원 힘 측정장치에 전달하는 단계와 구동기의 위치 및 속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
반력을 측정하는 단계는 3차원 힘 측정장치의 일측에 구비된 프로브를 이용하여 소정 물질에 외부 자극을 가하는 단계와 3차원 힘 측정장치의 일측에 구비된 힘 센서를 이용하여 반력을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
3차원 진단방법에서 소정의 물질을 진단하는 단계는, 3차원 진단시스템에서 측정한 반력을 이용하여 소정 물질의 물성을 계산하는 단계와 소정 물질의 물성과 미리 저장한 물성 정보를 비교하여 소정 물질의 물성을 진단하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태로서 소정 물질의 기계적 물성을 측정하기 위한 3차원 진단방법은, 소정 물질에 자극을 가하기 위해 다자유도 작동기, 및 모터와 선형 위치제어부를 포함하는 구동기를 구동하는 시스템 제어 단계와 구동기의 일측에 구비된 프로브를 이용하여 소정 물질에 자극을 인가하는 단계와 하나 이상의 힘 센서를 포함하는 3차원 힘 측정장치를 이용하여 자극에 의해 발생한 반력을 측정하는 단계와 측정한 반력을 이용하여 소정 물질의 기계적 물성을 진단하는 단계를 포함 할 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명을 이용하면 생체조직 및/또는 여러 가지 물체의 물성을 용이하게 획득할 수 있다.
둘째, 생체조직을 진단시 적은 비용으로 신속하고 정확하게 검사를 수행할 수 있다.
셋째, 생체 조직에 외부 자극을 인가했을 때 발생하는 반력을 이용하여 생체 조직의 기계적 물성을 계산하고, 이를 통해 측정한 조직의 상태가 정상인지 질병이 있는지 여부를 판단할 수 있다. 대표적인 적용 예로서, 암조직은 정상조직보다 더 딱딱한 기계적인 성질을 지니고 있다는 것을 이용하여 임의의 조직에 대해서 암이 발생했는지 진단하는데 사용할 수 있다.
넷째, 3차원 힘 측정장치를 사용함으로써, 생체조직에서 발생하는 반력을 더욱 정밀하게 측정할 수 있다. 이를 이용함으로써, 진단 시스템 및 진단 방법의 성능을 향상시킬 수 있다.
상기의 기술적 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 소정 조직에 외부 자극을 가했을 때 발생하는 반력을 3차원으로 측정하여 소정 조직의 물리적 성질을 계산하고, 이를 통해 소정 조직이 정상인지 질병이 있는지 여부를 판단할 수 있는 진단 장치 및 진단 방법에 관한 것이다.
이하의 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들을 소정 형태로 결합한 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려될 수 있다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성할 수도 있다.
본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 또한, 도면에서 본 발명의 요지를 나타내는데 필요한 단계 또는 구성요소를 위주로 표시하였고, 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 단계 또는 구성요소는 표시하지 않았다.
또한, 명세서 전체를 통하여 동일한 부분 또는 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 층, 막, 영역 및 판 등의 부분이 다른 부분 '위에' 있다고 할 때, 이는 다른 부분 '바로 위에' 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 '바로 위에' 있다고 할 때는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
이하의 설명에서 사용되는 특정(特定) 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 반력을 이용하여 생체조직을 진단하는 진단 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 진단 시스템(100)은 구동기(200), 힘 측정장치(300), 다자유도 작동기(400), 제어부(500) 및 전원 입력부(600)를 포함할 수 있다.
진단 시스템(100)은 생체조직 또는 여러 가지 조직에 자극을 인가시 발생하는 반력을 이용하여 생체조직 또는 여러 가지 조직에 대한 물성을 진단하는 장치를 의미한다.
구동기(200)의 일 측에는 힘 측정장치(300)가 구비될 수 있다. 구동기(200)는 힘 측정장치(200)를 구동하여 생체조직 등에 외부 자극을 인가할 수 있다. 힘 측정장치(200)는 생체조직에 인가되는 힘에 의해 발생하는 반력을 측정하는 장치이다. 힘 측정장치(200)는 반력을 측정하기 위한 힘 센서를 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서 사용되는 힘 측정장치는 3차원적으로 반력을 측정할 수 있다.
다자유도 작동기(400)는 하나 이상의 관절을 갖춘 시스템으로서, 다양한 형태로 변형이 가능하다. 다자유도 작동기(400)의 일측에는 구동기가 설치될 수 있다. 즉, 다자유도 작동기(400)의 말단 부분에 구동기(200)가 연결되고, 구동기의 일측에는 힘 측정장치(300)가 구비되는 형태를 취할 수 있다.
제어부(500)는 다자유도 작동기(400), 구동기(200) 및 힘 측정장치(300)를 제어하는 역할을 수행한다. 즉, 제어부(500)는 힘 측정장치(300)에 포함된 프로브가 생체조직에 접촉했을 때를 인식할 수 있다. 또한, 제어부(500)는 생체조직에 임 의의 크기의 인덴테이션(indentation)을 가해주기 위해 상기 초소형 구동기(200)를 구동하고, 생체조직에서 발생하는 반력을 힘 측정장치(300)를 이용하여 측정할 수 있다. 따라서, 제어부(500)는 측정된 반력을 통해 생체조직의 기계적 물성을 계산하고, 생체조직이 정상인지 또는 질병이 있는지의 여부를 판단할 수 있다.
전원 입력부(600)는 상기 진단 시스템(100)을 구동하는데 필요한 동력(또는, 전원)을 제공하는 부분이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 외부자극을 이용한 3차원 진단 시스템의 바람직한 일례를 나타내는 도면이다.
본 발명은 생체조직에 외부 자극을 가했을 때 발생하는 반력을 측정하여 조직의 기계적 물성을 계산하고, 이를 통해 측정된 조직이 정상인지 또는 질병이 있는지 여부를 판단할 수 있는 진단 시스템이다.
도 2를 참조하면, 3차원 진단시스템(100)은 하나 이상의 관절을 포함하는 다자유도 작동기(400), 다자유도 작동기의 일측에 구비되는 초소형 구동기(200) 및 생체조직에서 발생하는 반력을 측정하기 위한 3차원 힘 측정장치(300)를 포함한다. 이때, 초소형 구동기(200)는 동력을 생성하기 위한 초소형 모터와 초소형 모터에서 생성된 동력을 전달하기 위한 스크류 및 초소형 구동기의 위치 및 속도를 제어하기 위한 선형제어부를 포함할 수 있다.
또한, 3차원 진단 시스템(100)은 3차원 힘 측정장치에 포함된 프로브가 생체조직에 접촉하는 순간을 인식하고, 접촉하는 순간에 임의의 크기의 인덴테이션을 가하는 동작을 수행할 수 있다. 이러한 동작을 수행하기 위해, 3차원 진단 시스 템(100)은 작동기(400), 초소형 구동기(200) 및 3차원 힘 측정장치(300)를 제어하는 제어부(500) 및 전원을 공급하는 전원부(600)를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 구동기의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 구동기(200)는 역학적 에너지 생성부(220), 동력 전달부(240) 및 위치 제어부(260)를 포함할 수 있다.
역학적 에너지 생성부(220)는 전기적 에너지를 운동 에너지로 전환할 수 있는 모든 장치를 의미한다. 즉, 전원을 통해 공급된 전기적 에너지가 역학적 에너지 생성부를 통해 구동기를 구동하는 동력으로 전환된다. 역학적 에너지 생성부는 여러 가지 전동기들이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 전동 모터(motor)가 사용될 수 있다. 물론 모터 이외에도 솔레노이드 밸브나 LVDD와 같은 동력 전달 기기들이 사용될 수 있다.
동력 전달부(240)는 역학적 에너지 생성부(220)에서 생성된 동력을 외부로 전달하는 역할을 수행하는 모든 장치를 의미한다. 본 발명의 실시예들에서, 동력 전달부는 회전운동을 선형운동으로 변환할 수 있는 스크류, 밸트로서 구성되는 와이어 또는 압축 스프링 등이 사용될 수 있다.
위치 제어부(260)는 생체조직에 자극을 가할 때 구동기(200)의 움직임(예를 들어, 구동기의 위치 및 속도)을 제어하기 위한 부분이다. 위치 제어부(260)는 인코더 또는 타코미터 등으로 구성될 수 있다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 영구자석 및 자기저항 센서를 사용하는 것으로 가정한다. 자기저항 센서를 이용 하면 인코더의 역할을 대체할 수 있으므로, 구동기(200)의 두께를 획기적으로 줄일 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 초소형 구동기의 일례를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 구동기(200)는 전기적 에너지를 회전 운동 에너지로 변환할 수 있는 모터(201), 모터의 동력을 외부로 전달하기 위한 기어(202), 기어를 통해 전달받은 회전 운동을 선형 운동으로 전환하기 위한 스크류(203), 스크류의 위치를 고정할 수 있는 샤프트(204) 및 외부덮개(205)를 포함할 수 있다. 이때, 모터는 고정핀(206)에 의해 외부 덮개(205)에 고정되어 있을 수 있다.
구동기(200)에 전원이 입력되어 모터가 회전하고, 모터에서 생성된 회전운동이 스크류를 통해 선형운동을 전환될 수 있다. 이때, 모터의 진동으로 인해 구동기의 움직임이 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 구동기의 움직임을 제어하는 장치가 필요하다. 즉, 구동기는 위치와 속도를 제어하기 위해 위치 제어부를 포함할 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는 위치 제어부로서 영구자석(207) 및 자기저항 센서(208)가 사용될 수 있다. 영구자석(207) 및 자기저항 센서(208)를 이용하면 일반적으로 사용되는 인코더를 사용하여 위치를 제어하는 경우보다 시스템의 지름(즉, 장치의 크기)을 줄일 수 있다. 즉, 구동기(200)가 초소형으로 제작될 수 있으며, 초소형 구동기를 정밀하게 제어할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에서 사용될 수 있는 힘 측정장치의 일례를 나타내는 블록도이다.
힘 측정장치(300)는 생체조직에 외부 자극을 인가할 때, 생체조직의 외부에 발생하는 반력을 측정하는 역할을 수행한다. 또한, 힘 측정장치(300)는 구동기(200)의 일측에 구비되어 직접 생체조직에 외부 자극을 인가할 수 있다.
도 5를 참조하면, 힘 측정장치(300)는 힘 측정센서(330) 및 자극 인가부(360)를 포함할 수 있다. 힘 측정센서(330)는 자극 인가부(360)가 생체조직에 접촉할 때 발생하는 반력을 측정할 수 있다. 힘 측정센서는 하나 이상의 센싱 노드(sensing node)들을 포함할 수 있다.
자극 인가부(360)는 생체조직에 직접 접촉되는 부분이다. 자극 인가부는 다양한 크기와 모양을 갖는 프로브로 구성될 수 있다. 자극 인가부는 하나 이상의 프로브를 포함할 수 있다. 따라서, 사용자의 요구사항에 따라 하나의 프로브 또는 다수개의 프로브를 이용하여 생체조직 등을 자극할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 3차원 힘 측정장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 3차원 힘 측정장치(300)는 구동기(200)의 일측에 구비되는 형태를 취할 수 있다. 3차원 힘 측정장치는 생체조직에 외부 자극을 가했을 때 발생하는 반력을 3차원적으로 측정하는 힘 센서(301 및 302) 및 조직과 직접 접촉하는 프로브(303)를 포함할 수 있다.
이때, 힘 센서(301 및 302)는 3차원 힘 측정 장치의 외부 및/또는 내부에 구비되어 프로브의 움직임을 감지할 수 있다. 즉, 힘 센서(301 및 302)는 프로브의 움직임을 기초로 3차원적으로 반력을 측정할 수 있다. 예를 들어, 힘센서(301)는 프로브의 접촉면과 수직방향의 반력을 측정하고, 힘센서(302)는 프로브의 접촉면과 가로축 및 세로축 방향의 반력을 측정할 수 있다.
도 6(a)는 3차원 힘 측정장치를 간략하게 도시한 것이다. 힘 센서(301 및 302)는 프로브(302)의 자극에 의한 반력을 3차원적으로 측정할 수 있으며, 프로브(302)는 구동기에서 전달된 선형 운동을 이용하여 생체조직의 외부에 힘을 인가할 수 있다.
프로브의 모양은 다양한 형태를 취할 수 있다. 본 발명의 실시예들에서 프로브는 설명의 편의를 위해 기본적으로 원통형을 사용하는 것으로 가정한다. 다만, 사용자의 요구사항 또는 생체조직에 따라 원뿔 형, 사각기둥 형 또는 육각 기둥형 등 다양한 형태를 취할 수 있다. 이때, 프로브의 끝 부분은 둥근 형태를 취할 수 있다. 만약, 프로브를 통해 특정 물질을 주입하고자 한다면 주사 바늘 형태를 취할 수도 있다.
도 6(b)는 반력의 방향을 정확하게 측정하기 위해 힘 센서를 입체적으로 배치하는 방법을 나타낸다. 예를 들어, 힘 센서(302)는 프로브의 외부에 구비될 수 있으며, 원통형 프로브의 경우 두 개의 힘 센서를 지름의 양끝에 각각 위치시킬 수 있다.
3차원 힘 측정장치(300)는 가로축 및 세로축 방향의 힘을 동시에 측정하기 위해 네 개의 힘 센서(302)를 사용할 수 있다. 이때, 네 개의 힘 센서(302) 중 두 개를 지름의 양끝에 하나씩 위치시키고, 지름의 수직 방향으로 두 개의 힘 센서를 각각 하나씩 위치시킬 수 있다.
더욱 정밀한 반력의 크기 및 방향을 측정하기 위해, 여덟 개의 힘 센서를 사용할 수 있다. 여덟 개의 힘 센서를 사용하는 경우에는 기본적으로 네 개의 힘 센서를 사용하는 경우에서 시작한다. 즉, 네 개의 힘 센서를 먼저 배치한 후에 나머지 네 개의 힘 센서를 미리 위치한 힘 센서의 사이에 위치시킬 수 있다. 이러한 경우, 더욱 정밀하게 반력의 방향 및 크기를 측정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 가로축 및 세로축 방향의 힘을 측정하기 위해 두 개, 네 개 및 여덟 개의 힘 센서를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였다. 그러나, 힘 센서의 개수는 이에 한정되지 아니하며, 사용자의 요구사항 등에 따라 그 개수 및 크기를 달리하여 사용할 수 있다. 또한, 도 6(b)에서 사용되는 힘 센서는 다양한 물질 및 형태의 힘센서를 사용할 수 있다. 다만, 본 발명의 실시예들에서는 광섬유로 만들어진 힘센서를 사용하는 경우를 가정한다.
도 6(c)는 생체조직에 외부자극을 가할 때 프로브와 접촉시 발생하는 수직방향의 반력을 측정하기 위한 힘센서의 배치상태를 나타낸다. 도 6(c)에서는 바람직하게 상하 두 부분에 초소형 힘 센서가 위치하는 모습을 나타내지만, 수직방향의 힘을 측정하기 위한 것이라면 힘 센서는 어떠한 형태라도 취할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시예들에서 사용할 수 있는 3차원 힘 측정장치에 포함되는 광섬유 시스템의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7에서 설명하는 광섬유 시스템은 3차원 힘 측정장치에서 사용되는 가로축 및 세로축의 반력을 측정하기 위한 힘센서를 의미한다. 도 7에서 도시한 바와 같이 가로축 및 세로축 방향의 힘을 측정하기 위해서 4 개의 FBG(Fiber Bragg Grating) 변위 센서(302)를 사용할 수 있다. 4개의 FBG 변위 센서(302)는 도 6(b)와 같이 프로브에 정방향으로 4 부분에 부착될 수 있다. 마주보는 센서끼리 각각 가로 및 세로 방향의 힘을 측정하기 위해 사용된다.
도 7을 참조하면, 광원(701, Broadband Lingt Source)에서 방출된 빛은 아이솔레이터(702, isolator)를 통과하면서 특정 파장(예를 들어, 백색광)만이 순환기(703, circulator)로 입력된다. 특정 파장의 빛은 순환기에 의해 각 파장분할다중화기(704, WDM: Wave Division Multiplexing)에 입력된다. 파장분할다중화기(704)는 특정 파장의 빛을 각 FGB 변위센서(302)에 맞는 파장으로 잘라줄 수 있다. 이와 같은 과정을 거친 특정 파장의 빛은 FBG 변위센서(302)에 도달하여 특정 파장만을 반사하고 나머지는 통과시킨다.
반사된 빛은 순환기(703)를 통해 파장분석기(705)에 입력되고, 파장분석기는 반사된 빛의 파장을 구할 수 있다. FBG 센서의 변위가 변함에 따라 반사파장이 이동하므로, 반사파장에 따라 반력의 변위를 계산할 수 있다. 즉, 변위-힘의 관계식에 의해 반력 등 힘을 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예들에서 사용할 수 있는 3차원 힘 측정장치에 포함되는 광섬유 시스템의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 기본적으로 도 7과 같이 동작한다. 다만, 도 8은 도 7의 변형된 형태로서, 도 6(b)에서 여덟 개의 힘센서를 사용하는 경우의 광섬유 시스템을 나타낸다. 도 8의 동작 과정은 도 7의 설명으로 갈음한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 조직에 외부 자극을 인가하여 조직의 물성을 진단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
조직의 물성을 진단하기 위한 방법을 시작한다(S901).
생체조직 또는 기타 여러 가지 물질의 물성을 측정하기 위해, 생체조직 등의 외부에 자극을 인가할 수 있다(S902).
S902 단계에서 자극은 다양한 방법으로 생체조직에 인가될 수 있다. 예를 들어, 동일한 부위에 여러 차례의 자극이 인가되거나, 또는 다른 여러 부위에 한 번 씩의 자극이 인가될 수 있다. 물론, 다른 여러 부위에 여러 번의 자극이 인가될 수 있다. 자극이 인가되는 횟수나 부위는 사용자의 요구사항에 따라 달라질 수 있다.
S902 단계에서, 생체조직에 외부 자극이 인가되면 생체조직의 표면에서 반력이 발생하는데, 이때 발생하는 반력은 생체조직의 특성에 따라 다양한 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 생체조직의 종류 및/또는 생체조직의 상태에 따라 다양한 크기의 반력이 발생할 수 있다. 따라서, 생체조직 등의 외부에 가해진 자극에 의해 발생된 다양한 크기의 반력을 측정하여 생체조직 등의 물성을 계산할 수 있다(S903).
S903 단계에서 계산한 생체조직의 물성 정보를 바탕으로 생체조직 등의 종류를 검출하거나, 해당 조직이 정상 조직인지 또는 질병이 있는 조직인지를 진단할 수 있다(S904).
S904 단계에서 생체조직의 상태를 진단할 때 다양한 방법이 적용될 수 있다. 바람직한 일례는 다음과 같다. 먼저, 여러 종류의 생체조직이나 기타 다른 물질의 기계적 물성에 대한 정보를 포함하는 데이터 베이스를 만들어 둔다. 다음으로, 반 력을 측정하여 계산한 물성 정보와 데이터 베이스를 비교하여 생체조직의 종류를 식별하거나 생체조직의 상태를 진단할 수 있다. 물론, 측정한 물성 정보가 새로운 것이라면, 미리 생성한 데이터 베이스에 새로운 물성 정보를 갱신할 수 있다.
S904 단계에서, 진단이 실패하면 다시 자극 인가 단계로 돌아가 S902 단계 내지 S904 단계를 반복할 수 있다. 이때, 반복 횟수는 사용자의 요구사항 또는 생체조직의 특성에 따라 결정될 수 있다. S904 단계에서 원하는 정보를 획득하면 진단 절차를 종료한다(S905).
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 반력을 이용하여 생체조직을 진단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10을 참조하면, 도 2, 도 4 및 도 6에서 설명한 3차원 진단 장치를 이용하여 생체조직을 진단하는 방법을 확인할 수 있다. 진단 대상 조직을 진단 시스템에 위치시키고, 진단 시스템을 작동한다. 즉, 진단 시스템은 작동기를 작동시켜 구동기 및 3차원 힘 측정장치를 진단 대상 조직 근처에 위치시킨다. 또한, 진단 시스템은 구동기를 구동하여 3차원 힘 측정장치의 프로브로 진단 대상 조직에 외부 자극을 인가할 수 있다(S1001).
3차원 진단 시스템의 힘 측정장치는 생체조직에서 발생하는 기계적 거동(예를 들어, 반력)을 측정한다(S1002).
3차원 진단 시스템의 제어부는 S1002 단계에서 측정한 생체조직의 기계적 거동을 이용하여 생체조직의 물성을 계산할 수 있다(S1003).
또한, 제어부는 계산한 물성과 데이터 베이스에 저장된 물성의 특징을 비교 하여 생체조직의 상태 또는 종류를 알 수 있다. 이때, 데이터 베이스는 제어부에 포함될 수 있다. 만약, 진단 정보가 새로운 조직에 대한 물성 정보인 경우에는, 새로운 물성 정보를 데이터 베이스에 저장할 수 있다(S1004).
3차원 진단 시스템은 생체조직에 가한 외력에 의해 발생한 반력을 이용하여 생체조직의 물리적 성질을 획득하고, 데이터 베이스에 포함된 물성 정보와 비교하여 정확하고 신속한 진단을 수행할 수 있다(S1005).
또한, 도 2에서 설명한 진단 장치를 이용하여 생체조직을 진단하는 또 다른 방법은 다음과 같다.
생체조직을 진단하는 방법은, 제어부에서 시스템의 시작을 알리는 제 1 단계; 진단 시스템의 프로부와 생체조직의 접촉을 알리는 제 2 단계; 임의의 외부 자극을 생체조직에 가하는 제 3 단계; 제 3 단계와 동시에 자극에 의해 발생 되는 반력을 힘 측정장치를 이용하여 측정하는 제 4 단계; 반력의 측정이 완료되면 생체조직에 가했던 외부 자극을 제거하는 제 5단계; 측정된 반력을 통해 생체조직의 물성을 계산하는 제 6단계; 정상 및/또는 질병이 있는 생체조직의 물성으로 정리된 데이터 베이스와 계산된 조직의 물성을 비교하여 진단하는 제 7단계; 및 제 7단계에서 검출한 정보를 알려주는 제 8단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에서 진단 대상 물체로서 생체조직을 주로 설명하였다. 다만, 본 발명은 생체조직에 한정되지 않고 다양한 유기적 또는 무기 조직을 물성을 검출하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 반력을 이용하여 생체조직을 진단하는 3차원 진단 시스템의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 외부자극을 이용한 3차원 진단 시스템의 바람직한 일례를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 구동기의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 초소형 구동기의 일례를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 3차원 힘 측정장치의 일례를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 3차원 힘 측정장치의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 3차원 힘 측정장치에 포함되는 광섬유 시스템의 일례를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예들에서 사용될 수 있는 3차원 힘 측정장치에 포함되는 광섬유 시스템의 다른 일례를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따라, 조직에 외부 자극을 인가하여 조직의 물성을 진단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라, 반력을 이용하여 생체조직을 진 단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.

Claims (16)

  1. 소정 물질의 물성을 진단하기 위한 3차원 진단장치에 있어서,
    상기 소정 물질에 자극을 가하기 위한 동력을 생성하는 구동기;
    상기 구동기의 일측에 구비되어 상기 소정 물질에 자극을 가하고, 상기 자극에 의해 발생하는 반력을 측정하기 위한 3차원 힘 측정 장치; 및
    상기 구동기를 조작하기 위한 다자유도 작동기를 포함하는, 진단장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 다자유도 작동기, 상기 구동기 및 상기 3차원 힘 측정 장치를 제어하고, 상기 3차원 힘 측정 장치에서 측정한 반력을 이용하여 상기 소정 물질의 물성을 진단하는 제어부를 더 포함하는, 진단장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 3차원 힘 측정 장치는,
    상기 소정 물질에 자극을 인가하기 위한 자극 인가부; 및
    상기 소정 물질에 자극을 인가시 상기 소정 물질에서 발생하는 반력을 자극에 대한 수직 방향, 가로축 방향 및 세로축 방향으로 측정하기 위한 힘 센서를 포함하는, 진단장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 구동기는,
    전기적 에너지를 역학적 에너지로 전환하기 위한 전동기;
    상기 전동기에서 생성된 역학적 에너지를 전달하기 위한 동력 전달부; 및
    상기 구동기의 위치 및 속도를 제어하기 위한 위치 제어부를 포함하는, 진단장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 동력 전달부는,
    상기 전동기의 일측에 구비되는 기어;
    상기 전동기에서 생성된 역학적 에너지를 선형 운동으로 전환하기 위해 상기 기어의 일측에 구비되는 스크류; 및
    상기 스크류의 위치를 고정하기 위한 연결 샤프트를 포함하는, 진단장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 위치 제어부는,
    상기 구동기의 위치 및 속도를 제어하기 위한 자기력 발생부; 및
    상기 전동기의 회전속도를 측정하기 위한 자기저항 센서를 포함하는, 진단장치.
  7. 소정 물질의 물성을 측정하기 위한 3차원 진단장치에 있어서,
    상기 소정 물질에 외부 자극을 가하기 위한 동력을 생성하는 모터 및 상기 동력을 전달하는 동력 전달부를 포함하는 구동기;
    상기 구동기의 일측에 구비되어 상기 구동기의 위치 및 속도를 제어하는 선형 위치제어부;
    상기 외부 자극으로 인해 발생한 반력을 3차원적으로 측정하기 위한 3차원 힘 측정장치;
    상기 3차원 힘 측정 장치의 일측에 구비되어 상기 소정의 물질에 자극을 가하는 프로브; 및
    상기 구동기를 구동하기 위한 다자유도 작동기를 포함하는, 진단장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 구동기, 상기 3차원 힘 측정장치, 상기 프로브 및 상기 다자유도 작동기를 제어하고,
    상기 소정 물질과 상기 프로브가 접촉하는 순간에 상기 반력을 3차원적으로 측정하여 상기 소정 물질의 기계적 성질을 측정하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진단장치.
  9. 소정 물질의 기계적 물성을 측정하기 위한 3차원 진단방법에 있어서,
    상기 소정의 물질에 자극을 인가하는 단계;
    상기 소정 물질의 외부에 자극을 가하여 상기 소정 물질에서 발생하는 반력을 자극의 수직방향, 가로축방향 및 세로축방향으로 측정하는 단계; 및
    상기 측정한 반력을 이용하여 상기 소정 물질의 물성을 진단하는 단계를 포함하는, 진단방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 진단 단계는,
    상기 측정한 반력에 따라 계산된 상기 소정 물질의 물성과 미리 저장된 물성 정보를 비교하는 단계를 더 포함하는, 진단방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 미리 저장된 물성 정보는,
    하나 이상의 정상 조직 또는 하나 이상의 질병이 있는 조직의 물성에 대한 정보인 것을 특징으로 하는 진단방법.
  12. 소정 물질의 물성을 진단하기 위한 3차원 진단방법에 있어서,
    상기 소정 물질에 외부 자극을 인가하기 위해 다자유도 작동기 및 구동기를 구동하는 시스템 제어 단계;
    상기 구동기의 일측에 구비된 3차원 힘 측정장치를 이용하여 상기 소정 물질에 자극을 인가하는 단계;
    상기 자극에 의해 발생한 반력을, 상기 3차원 힘 측정장치에 포함된 센서를 이용하여 자극의 수직방향, 가로축방향 및 세로축방향으로, 측정하는 단계; 및
    상기 측정한 반력을 이용하여 상기 소정 물질의 물성을 진단하는 단계를 포함하는, 진단방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 시스템 제어 단계는,
    전기적 에너지를 역학적 에너지로 전환하는 단계;
    동력 전달부를 이용하여 상기 역학적 에너지를 상기 3차원 힘 측정장치에 전달하는 단계; 및
    상기 구동기의 위치 및 속도를 제어하는 단계를 포함하는, 진단방법.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 반력을 측정하는 단계는,
    상기 3차원 힘 측정장치의 일측에 구비된 프로브를 이용하여 상기 소정 물질에 외부 자극을 가하는 단계; 및
    상기 3차원 힘 측정장치의 일측에 구비된 힘 센서를 이용하여 상기 반력을 측정하는 단계를 포함하는, 진단방법.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 진단하는 단계는,
    상기 측정한 반력을 이용하여 상기 소정 물질의 물성을 계산하는 단계; 및
    상기 소정 물질의 물성과 미리 저장한 물성 정보를 비교하여 상기 소정 물질의 물성을 진단하는 단계를 포함하는, 진단방법.
  16. 소정 물질의 기계적 물성을 측정하기 위한 3차원 진단방법에 있어서,
    상기 소정 물질에 자극을 가하기 위해 다자유도 작동기, 및 모터와 선형 위치제어부를 포함하는 구동기를 구동하는 시스템 제어 단계;
    상기 구동기의 일측에 구비된 프로브를 이용하여 상기 소정 물질에 자극을 인가하는 단계;
    하나 이상의 힘 센서를 포함하는 3차원 힘 측정장치를 이용하여 상기 자극에 의해 발생한 반력을 측정하는 단계; 및
    상기 측정한 반력을 이용하여 상기 소정 물질의 기계적 물성을 진단하는 단계를 포함하는, 진단방법.
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