KR20190001073U - 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경 - Google Patents

Abstract

본 고안은 방사능 및 방사선 또는 전자파 등 전자회로 및 전자기기의 오작동을 야기할 수 있는 환경에 노출되어 있는 피검체를 관찰할 수 있는 내시경에 관한 것으로 보다 자세하게는 피검체의 화상 또는 영상의 획득 및 동 획득 화상 또는 영상의 원격지 전달수단으로써 방사능 및 방사선 또는 전자파 등에 영향을 받지 않도록 광섬유를 사용하도록 구성된 내시경에 관한 것이다. 또한 피검체를 관찰할 수 있도록 조명하는 수단으로서도 광원의 빛을 피검체 측에 광섬유를 사용하는 것을 특징으로 한다.

Description

방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경{An Endoscopy for Monitoring the Objects under the Radioactive Contamination}

본 고안은 의료용 또는 산업용으로 널리 사용되고 있는 비교적 근거리 원격지의 상황을 관찰하기 위한 장치인 내시경에 관한 것으로 보다 자세하게는 관찰하고자 하는 피검체가 방사능, 방사선 및 전자파에 노출, 오염되어 있는 환경에 처해 있을 경우 이미지센서 및 입력화상의 신호화를 담당하는 각종 회로의 오작동을 야기함에 따라 이와 같은 환경 내에 있는 피검체의 관찰을 어렵게 할 수 있는 바 방사능, 방사선 또는 전자파에 노출되어 있는 환경하의 피검체를 관찰할 수 있는 내시경에 관한 것이다.

화상 또는 영상을 전달하는 방법으로 여러가지 기술이 고안되고 실용화되어 있다. 가장 간단한 기술로는 망원경과 같이 한개 내지 수 개의 렌즈를 조합하여 원거리의 화상 또는 영상을 관찰하는 방법인 바, 이는 피검체와 관찰자가 일직선 상에 놓여짐을 전제로 하고 있으며, 동일한 원리는 의료용에 있어서는 경성내시경(직강경)과 같이 휘어지지 않음을 전제로 인체 내부를 관찰하는 용도로 활용되고 있다.

보다 진보된 기술로는 복잡한 삽입경로를 통과함으로써만 접근이 가능한 곳에 위치한 피검체의 화상 또는 영상을 전달함으로써 관찰이 가능하게 하는 것인 바, 연성내시경의 기술이 이에 해당된다. 즉, 관찰된 영상 또는 화상정보를 복잡한 삽입경로를 따라 전달하게 하는 기술로 피검체 측 끝단의 렌즈를 통해 획득한 화상 또는 영상정보를 이미지센서에 인식시킨 후 이를 전기적 신호로 변환하여 전선들 통해 원격지로 전달하는 기술이며, 동 전달된 전기적 신호를 모니터 등에 디스플레이 함으로써 육안으로 피사체의 화상 또는 영상을 관찰하는 것이 가능하도록 구성된 전자식 내시경에 관한 기술이다.

한편, 복잡한 삽입경로를 통화함으로써만 접근이 가능한 곳에 위치한 피검체를 관찰할 수 있는 기구로서 유연성을 가진 광섬유를 이용하는 내시경이 활용될 수 있다. 이는 광섬유의 기본 성질인 빛 가둠(Light Guide) 성질을 이용하는 바, 수개의 가닥 내지 수십만 가닥의 광섬유를 번들로 구성하되 번들을 이루는 각각의 광섬유가 한 화소의 역할을 담당하여 동 수 개 내지 수십만 개의 화소의 조합으로 화상 또는 영상을 원격지로 전달되도록 하는 내시경에 관한 기술이다.

상기 배경기술 중 이미지센서를 이용한 전자식 내시경의 경우 의료용 또는 산업용으로 광범위하게 사용되고 있으며 탁월한 및 정확성 그리고 유연성 등의 장점을 가지고 있으나, 본 고안의 전제와 같이 피검체가 방사능, 방사선 또는 높은 전자파에 노출된 환경에 위치할 경우 피검체 관찰을 위해 필수적인 이미지센서 등이 이와 같은 환경에 접근할 경우 오염환경의 방사선량 및 전자파의 영향으로 오작동 또는 작동 불능의 상태에 이를 가능성이 있다.

실제로 지난 2011년 3월 동일본대지진 때 훼손된 후쿠시마 1원전 원자로 내부의 상황을 관찰하기 위해 실시된 로봇 진입 시 조사가 시작된지 3시간이 경과하지 못하여 동 원격 관찰수단이 작동 불능상테에 이른 것과 같이 방사능, 방사선에 따른 전자기기의 오작동 특히 전자식 내시경의 오작동 문제는 방사능 및 방사선에 노출된 환경하의 피검체의 관찰을 불가능하게 하는 문제를 가진다.

본 고안에는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 한 가닥 내지 수백만 가닥으로 이루어진 광섬유 내시경을 제시한다.

본 고안에는 상기 해결하고자 하는 과제를 해결하기 위해 한 가닥 내지 수십만 가닥으로 이루어진 광섬유 내시경을 제시한다.

광섬유는 가장 기본적인 형태로 그 단면 중심축을 중심으로 외곽으로 두 개의 층을 형성한다. 동 두 개의 층은 각각 굴절률이 상이한 물질로 제작되며 중심에 위치한 코어(core)의 굴절률이 외곽에 위치한 클래드(clad)의 굴절률에 비해 높게 제작된다. 이와 같이 제작된 광섬유의 코어에 입사된 빛(광 정보)은 코어와 클래드의 굴절률 차이에 의해 코어와 클래드의 계면에서의 전반사되어 클래드 밖으로 유출되지 않고 코어 내부로 가두어져 코어의 내부에서 코어의 종 방향으로 진행하는 성질을 가진다.

또 다른 광섬유의 형태로 그 단면 중심축으로부터 단면의 외곽으로 점진적으로 굴절률이 변화하는(Graded Index) 구조를 가지는 광섬유를 들 수 있다. 동 광섬유는 순차적으로 굴절률이 변화하는 구조에 의해 빛의 경로가 언덕형 파형을 이루며 진행하는 바, 이는 마치 렌즈와 같은 역할을 하여 언덕형 파형의 한 마디가 하나의 렌즈와 같이 작용한다. 즉, 단면의 중심측으로부터 단면의 외곽으로 점진적으로 굴절률이 변화하는 구조를 가지는 광섬유는 그 언덕형 파형을 이루는 한 마디의 단위길이 당 하나의 렌즈를 구비한 구조와 동일한 기능을 가진다.

흔히 이와 같은 성질을 이용하여 광통신 등 광 정보의 전달 수단으로 활용되고 있는 바, 다른 시각에서 볼 때 하나의 광섬유가 하나의 화상정보(화소, Pixel)을 전달하도록 수개 내지 수십만개의 광섬유를 번들로 이룰 경우 각각의 화소의 조합에 의한 화상 또는 영상 전달수단으로 활용할 수 있으며 이를 내시경의 분야에 적용할 수 있음은 당연하다 할 것이다.

이와 같이 광섬유를 이용하여 화상 또는 영상을 전달하는 내시경의 경우 내시경의 피검체 측단에 구비된 광학렌즈를 통해 획득된 화상 또는 영상이 내시경을 구성하는 수개 내지 수십만개의 광섬유에 의해 수개 내지 수백만개의 화소로 분리된 후 각각의 화소가 각각의 광섬유에 의해 관찰자 측에 전달되게 된다.

광섬유를 통해 전달된 각각의 화소의 조합을 통해 형성된 이미지는 관찰자의 육안을 통해 또는 관찰자 측 끝단에 이미지센서를 구비하여 전기적 신호로 변환하여 모니터에 디스플레이 함으로써 관찰할 수 있다. 이때 관찰자 측 끝단에 구비된 이미지센서는 방사선, 방사능 및 전자파에 노출되지 않은 환경하에 있으므로 오작동의 문제에서 자유로울 수 있다.

따라서 본 고안은 전자식내시경으로 관찰하는 것이 불가능한 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체를 관찰할 수 있는 내시경으로서 광섬유를 이용한 내시경을 고안하였다. 특히 본 고안의 방사능, 방사선 및 전자파 오염환경하의 피검체를 관찰할 수 있는 내시경은 피검체의 관찰 뿐 아니라 피검체를 관찰할 수 있도록 밝혀주는 조명에 있어서도 방사선, 방사능 및 전자파에 일체 영향을 받지 않도록 광섬유를 이용하는 것을 특징으로 한다.

본 고안은 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체를 관찰하는 것이 용이하도록 고안된 내시경이다.

동 환경의 특성(방사능 및 방사선 또는 전자파에 노출되어 있는 환경)상 직접 관찰은 대단히 높은 위험성을 야기하게 되며, 원격지에서 관찰하기 위해 카메라 등을 설치할 경우나 피검체 측 끝단에 카메라가 구비된 전자식 내시경을 사용하여 관찰을 시도하는 경우 그 방사능(방사선 또는 전자파)에 의한 전자기기의 오작동의 문제로 관찰이 매우 어려운 실정이다.

본 고안에 의한 방사능 및 방사선 오염 환경하의 피검체 관찰용 광섬유 내시경은 피검체 측 환경에 어떠한 전자기기도 노출되지 않고 그 기능상의 오작동 가능성이 없는 도구로서 유리 또는 플라스틱 물질 그 자체인 광섬유를 사용함으로써 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체를 관찰하는데 탁월한 기능성 장점을 가진다.

도 1은 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경의 개요도이다. 전체 길이는 도식화하기 위해 축약한 형태이나 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경으로부터 충분히 벗어날 수 있는 길이로 실제 제작 될 수 있도록 제작된다.
도 2는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경의 피검체 측 끝단의 형태를 도시하고 있다.
도 3은 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경의 관찰자 측 본체의 개요도이며, 광섬유(광섬유 번들)를 통해 전달된 피검체 이미지를 이미지 센서를 통해 전기적신호로 변환하는 센서(201), 광섬유를 통해 전달된 이미지를 센서에 대응시키는 역할을 하는 대안렌즈(202), 조명용 광섬유(103)를 통해 피검체측을 조명할 수 있는 광원장치(205)로 구성되어 있다.
광원장치로 부터 발광된 빛이 조명용 광섬유에 의해 피검체를 조명하고, 대물렌즈 및 이미지 전달용 광섬유(번들)을 통해 획득 전달된 피검체 이미지를 대안렌즈를 통해 이미지센서에 대응시켜 획득 전달된 이미지를 이미지 센서를 통해 전기적 신호로 변환하여 컴퓨터 등 모니터를 통해 디스플레이 할 수 있도록 고안되어 있다.
도 4는 광섬유를 통한 이미지 관찰의 한 예를 보여주고 있다. 광섬유 번들을 구성하는 개별 광섬유들이 화상 또는 영상을 구성하는 각각의 화소로서 역할을 하게 되며 동 광섬유의 가닥 수 만큼의 해상도를 가지게 된다. 보다 고화질의 화상 및 영상을 획득 전달하기 위해서는 화소수와 대응되는 광섬유의 가닥 수를 늘리는 것을 고려할 수 있다.

광섬유는 코어(core)와 클래드(clad)의 두 개의 층으로 구성되어 있어 코어를 구성하는 물질과 클래드를 구성하는 물질의 굴절률 차이에 의해 나타나는 코어층과 클래드층의 계면에서의 전반사 원리에 의해 코어 내부로 입사된 빛(광 정보)이 광섬유 외부로 유출되지 않고 코어 내부를 종방향 경로를 따라 진행되는 성질을 가지고 있다.

이와 같은 광섬유는 주로 빛을 휘어가게 한다거나 원거리까지 손실 없이(적은 손실로) 빛(광정보)를 전달하는 매개체로 주로 조명용이나 통신용으로 이용되고 있다. 특히 화상의 전달 또한 용이하다고 알려지고 있는 바, 화상 또는 영상을 화소 단위로 구분하고 이러한 각각의 화소를 전달하는 매체로 광섬유를 사용할 경우 각각의 광섬유가 화상 또는 영상의 한 화소를 대응 전달하는 기능을 담당하게 할 수 있으며, 동 전달된 각각의 화소의 조합으로 원 화상 또는 원 영상을 원격지까지 전달할 수 있는 매체로 이용될 수 있다.

도 4에서는 광섬유에 의해 획득 전달 된 화상의 예를 보여주고 있다. 도 4의 좌측(301)에는 상대적으로 적은 가닥수(2,000 가닥)의 광섬유를 통해 획득 전달된 이미지를 보여주고 있다. 도 4의 우측(302)에는 상대적으로 많은 가닥수(100,000 가닥)의 광섬유를 통해 획득 전달된 이미지를 보여주고 있다. 이와 같이 광섬유의 번들를 이루는 개별 광섬유의 가닥수는 그 각각의 광섬유가 한 화소를 이루고 있음에 따라 개별 광섬유의 가닥수는 화상 영상의 해상도와 직접적인 관계를 가진다.

동 광섬유는 전자적인 또는 동적인 기능을 하는 구조체(System)이 아니라 플라스틱 또는 석영계 유리 등의 물질인 바, 방사능(방사선) 또는 전자파에 영향을 받지 아니한다. 따라서, 전자기적 설계에 의해 기능을 하는 구조체(System)로서의 디지털카메라 이미지 센서 등의 회로와는 달리 방사능 및 방사선 또는 전자파에 의한 오작동의 개연성을 가지지 않으므로 방사능 및 방사선 또는 전자파에 오염된 환경하의 피검체를 관찰하는 데에 효과를 가진다.

도 2의 대물렌즈(102)를 통해 획득된 피검체의 영상 또는 화상은 동 렌즈의 초점거리에 구비된 광섬유(번들)의 피검체 측 단면에 결상되며, 동 결상된 화상 또는 영상은 광섬유(번들)을 구성하는 개별 광섬유에 의해 화소로 구별되며, 개별 광섬유를 통해 구별된 화소는 광섬유의 도광특성에 의해 광섬유 관찰자 측 단면에 전달되어 결상되는 결과를 낳는다. 동 관찰자 측 광섬유(번들) 단면에 결상된 이미지는 내시경의 본체 내부에 구비된 대안렌즈를 통해 동 대안렌즈의 초점거리에 구비된 이미지 센서에 의해 인식되며 이미지 센서에 의해 인식된 화상(영상)정보는 전기적 신호로 변환되어 컴퓨터 등을 통해 모니터에 디스플레이 됨으로써 피검체의 관찰이 가능하게 된다.

동 내시경의 본체 및 본체 내부에 구비된 대안렌즈 그리고 센서 등 동적인 기능을 하는 구조체(System)은 방사능(방사선) 및 전자파에 노출 오염된 환경에서 충분히 거리가 떨어진 곳에 위치하므로 방사능(방사선) 및 전자파에 노출되지 않도록 구비할 수 있다.

본 고안은 방사능, 방사선 및 전자파에 오염된 환경하의 피검체 관찰용 내시경에 관한 것이다. 원자력의 산업 및 의료용 활용도가 높아지고 있는 상황에서 방사능 및 방사선에 노출된 환경이 필연적으로 조성될 수 밖에 없는 바, 이러한 환경 하에 노출되어 있는 피검체를 관찰 할 필요가 있을 경우 육안으로 직접 관찰하는 것은 사실상 불가능하다.

실제로 원자로 내부를 원자로가 가동되고 있을 때는 더더욱이 관찰이 어렵지만, 가동이 종료된 후 원자로 내부의 관찰이 필요할 경우 또한 잔류 방사능(방사선)의 위험성으로 직접 관찰은 불가능하다고 하겠다.

또 다른 활용예로서, 원자력 발전소의 냉각수의 상태(유량, 오염상황 등), 핵 연료봉의 저장상태, 핵 폐기물의 보관상태 등을 관찰할 필요가 있을 때 그 관찰 및 사찰할 수 있는 기구적인 장치 및 방법이 거의 전무함을 고려할 때 이를 관찰할 수 있는 내시경의 필요성이 대두된다 할 것이며, 방사능(방사선) 및 전자파에 그 기능이 영향을 받지 않는 광섬유를 통한 내시경은 이러한 환경 하의 피검체를 관찰할 수 있는 수단으로 이용될 가능성이 매우 높다 하겠다.

100 : 내시경의 피검체 측단 구조
101 : 광섬유 보호 피복
102 : 피검체 측 대물렌즈 및 이미지 전달 광섬유
103 : 조명 전달용 광섬유
200 : 광섬유내시경 본체
201 : 이미지센서
202 : 광섬유이미지와 이미지센서 대응 대안렌즈
204 : 이미지센서에 의해 전기적신호로 변환된 이미지 신호 전송 전선
205 : 광원장치
301 : 광섬유 가닥 수가 적은 경우의 해상도 예시
302 : 광섬유 가닥 수가 상대적으로 많은 경우의 해상도 예시

Claims (7)

1. 산업용 또는 의료용 내시경에 있어서 피검체가 방사능, 방사선 및 전자파에 오염 및 노출되어 있는 경우 동 방사능, 방사선 및 전자파에 의해 카메라의 이미지센서 및 전자회로 장치의 오작동 또는 작동불능을 야기할 수 있는 바, 이와 같은 환경에서 방사능에 영향을 받지 않는 이미지 획득 및 전달수단으로서 광섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경
2. 청구항 1에 있어서 광섬유는 유리 또는 플라스틱을 소재로 제조되는 광섬유의 집속 다발(광섬유 번들)인 것이며 집속된 다수의 광섬유 각각이 한 화소로서 작용하여 집속된 광섬유의 가닥 수가 화상의 화소 수와 정확히 일치하는 것을 특징으로 하는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경
3. 청구항 1에 있어서 광섬유는 유리 또는 플라스틱을 소재로 제조되는 광섬유이며 광섬유 단면의 중심으로부터 외곽으로 동심원 방향으로 굴절률이 순차적으로 변화하도록 제조되어 광섬유 자체가 하나의 렌즈로서 작용되도록 하는 이른바 언덕형 굴절률 구조(Graded Index)를 가지는 광섬유인 것을 특징으로 하는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경
4. 청구항 2에 있어서 광섬유는 유리 또는 플라스틱을 소재로 제조되는 광섬유이며 집속된 다발을 이루는 각각의 광섬유가 중심에 높은 굴절률을 가지는 코어를 구비하며 외곽에 상대적으로 낮은 굴절률을 가지는 클래드를 구비하여 코어 층과 클래드 층의 굴절률 차이에 의해 코어층과 클래드 층의 계면에서 빛의 전반사 원리에 의해 빛이 외부로 유출되지 않고 광섬유의 종 방향으로 전달되도록 하는 이른바 계단형 굴절률 구조(Step Index)를 가지는 광섬유인 것을 특징으로 하는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경
5. 산업용 또는 의료용 내시경에 있어서 피검체가 방사능에 오염 및 노출되어 있는 경우 동 방사능에 의해 LED 또는 기타 전기 전자식 조명 장치의 오작동 또는 작동불능을 야기할 수 있는 바, 이와 같은 환경에서 방사능에 영향을 받지 않는 조명 수단으로서 광섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경
6. 청구항 5에 있어서 피검체에 조명하는 광섬유의 피검체 반대 끝단에 광원장치를 구비함으로써 조명 수단으로서의 광섬유를 통하여 광원으로부터 발광한 조광이 피검체 방향 끝단까지 전달되는 것을 특징으로 하는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경
7. 광섬유를 통해 전달된 피검체의 화상 또는 이미지가 피검체 반대 끝단에 구비된 이미지센서에 의해 인식 및 신호화 되어 모니터에 디스플레이 되는 것을 특징으로 하는 방사능, 방사선 및 전자파 오염 환경하의 피검체 관찰용 내시경

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