KR20190063863A - 멀티 코일 기반의 자기장 제어 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

멀티 코일 기반의 자기장 제어 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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KR20190063863A
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정재찬
최승민
김창범
조재일
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Abstract

멀티 코일 기반의 자기장 제어 방법 및 이를 위한 장치가 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 방법은 Z축의 방향으로 자기장을 발생시키는 단일 솔레노이드 코일 및 Z축 상의 한 점을 중심으로 하는 동심원의 둘레에 기설정된 간격으로 구비된 복수개의 드라이브 코일들 중 하나 이상에 전류를 인가하는 단계; X축과 Y축으로 이동 가능한 측정 센서를 기반으로 자기장을 생성할 타겟 위치에서 자기장 세기를 측정하는 단계; 및 복수개의 드라이브 코일들에 인가되는 전류를 조절하여 자기장 세기를 기설정된 목표 값에 상응하게 조절하는 단계를 포함한다.

Description

멀티 코일 기반의 자기장 제어 방법 및 이를 위한 장치 {METHOD FOR CONTROLLING MAGNETIC-FIELD BASED ON MULTI COIL AND APPARATUS USING THE SAME}
본 발명은 자기장을 제어하는 기술에 관한 것으로, 특히 복수개의 드라이버 코일들로 인가되는 개별 전류를 조절하여 전자기학, 전파공학 및 의료 분석 장비 개발 등의 분야에서 사용될 수 있는 자기장의 세기를 조절할 수 있는 기술에 관한 것이다.
현대 사회에서 전자기장을 이용한 이미징 장비의 개발은 의료 분야에 국한되지 않고 산업 및 학술 전반에서 매우 중요한 기술로써 인식되고 있다. 전자기장을 이용한 이미징 장비의 기본적인 원리는 라모 주파수를 이용한 자기장과 인가해준 RF 신호의 공명 현상을 이용하는 것이다. 이러한, 라모 주파수는 자기장안에서 세차운동을 하고 있는 전자 또는 핵의 공명 주파수이면서, 자기장이 그래디언트 필드(gradient field)일 경우에는 공명 현상이 일어나는 위치를 확인 할 수 있는 중요한 정보이기도 하다.
이 때, 라모 주파수는 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다
[수학식 1]
Figure pat00001
상기의 [수학식 1]에서 ω(Omega)는 라모 주파수(Ramor frequency), γ(Gamma)는 자이로스코프 비율(Gyroscopic ratio), N은 핵소체(Nucleolus), E는 전자(electron) 그리고 B는 외부 자기장(external magnetic field)에 해당한다. [수학식 1]에서 보는 바와 같이, gamma는 전자 공명이던 또는 핵공명이던 상관없이 상수이고, 그래디언트 필드가 인가되어 있는 시스템에서 위치 별 자기장의 세기를 알고 있으므로, 면(plane) 위치는 아주 쉽게 계산할 수 있다.
이와 같은 원리를 기반으로, 현재의 MRI(magnetic resonance imaging) 시스템 및 ESRI(ESR imaging) 시스템은 고정된 그래디언트 필드를 발생시키는 코일 시스템, 고주파를 인가하는 RF 컨트롤 시스템 그리고 장비의 제어와 신호를 처리하는 시스템에 상응하는 3부분으로 구성되는 것이 일반적이다. 따라서, 특정한 시료의 영상을 확보하기 위해서는, 대상 시료에 대해 3개의 축으로 그래디언트 필드를 인가한 이후에 continuous RF 또는 pulse를 인가하는 과정이 필요하다.
그러나, 현재까지의 기술을 이용하여 시료의 특정 부위만을 측정하기 위해서는 측정 대상에 해당하는 시료 자체를 축소시키거나 또는 특별한 어댑터(adaptor)를 사용하여야 한다. 예를 들어, MRI의 경우에는 공명기(resonator)를 별도로 설계하여 사용하여야 특정 부위만을 측정할 수 있다. 또한, 특정 부위에 대한 3차원 공명 신호를 얻기 위해서는, 특정 부위 주변에 해당하는 전체 부위를 모두 이미지화한 이후에 이를 바탕으로 특정 부위에 대한 정보를 확보해야 하는 등의 기술적인 불편함이 존재한다.
한국 등록 특허 제10-21256500호, 2013년 4월 15일 등록(명칭: 궤도 운동을 하는 코일이 구비된 전자기 초음파 센서)
본 발명의 목적은 고정된 그래디언트 필드를 사용하여 이미지를 획득하는 NMR(nuclear magnetic resonance) 시스템 또는 EPRI(electron paramagnetic resonance imaging) 시스템에서 특정 공간상에 전자기장을 발생시킬 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 사용자가 원하는 세기의 자기장을 원하는 위치에 생성시킬 수 있는 기술을 제공하여 전자 공명 또는 핵 공명을 이용한 시스템에 적용시키는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 공간상의 특정 위치에 공명이 발생하는 전자기장을 선택적으로 인가하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 그래디언트 필드를 이용할 때처럼 수동적이지 않고, 능동적인 영상 확보 방식을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기장 제어 방법은 Z축의 방향으로 자기장을 발생시키는 단일 솔레노이드 코일 및 상기 Z축 상의 한 점을 중심으로 하는 동심원의 둘레에 기설정된 간격으로 구비된 복수개의 드라이브 코일들 중 하나 이상에 전류를 인가하는 단계; X축과 Y축으로 이동 가능한 측정 센서를 기반으로 자기장을 생성할 타겟 위치에서 자기장 세기를 측정하는 단계; 및 상기 복수개의 드라이브 코일들에 인가되는 전류를 조절하여 상기 자기장 세기를 기설정된 목표 값에 상응하게 조절하는 단계를 포함한다.
이 때, 인가하는 단계는 계전기(relay)와 가변 저항을 이용하여 상기 복수개의 드라이브 코일들에게 각각 개별 전류를 인가할 수 있다.
이 때, 조절하는 단계는 상기 복수개의 드라이브 코일들 각각에 대한 가변 저항을 조절하여 상기 개별 전류를 조절할 수 있다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일과 상기 동심원은 평행하게 위치할 수 있다.
이 때, 조절하는 단계는 상기 단일 솔레노이드 코일 상응하는 극성의 위치를 변경하여 상기 자기장 세기를 조절할 수 있다.
이 때, 인가하는 단계는 아두이노(Arduino)를 기반으로 상기 계전기를 제어하여 상기 개별 전류를 인가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 장치는, Z축의 방향으로 자기장을 발생시키는 단일 솔레노이드 코일 및 상기 Z축 상의 한 점을 중심으로 하는 동심원의 둘레에 기설정된 간격으로 구비된 복수개의 드라이브 코일들 중 하나 이상에 전류를 인가하는 전원부; 및 X축과 Y축으로 이동 가능한 측정 센서를 기반으로 자기장을 생성할 타겟 위치에서 자기장 세기를 측정하고, 상기 복수개의 드라이브 코일들에 인가되는 전류를 조절하여 상기 자기장 세기를 기설정된 목표 값에 상응하게 조절하는 제어부를 포함한다.
이 때, 전원부는 계전기(relay)와 가변 저항을 이용하여 상기 복수개의 드라이브 코일들에게 각각 개별 전류를 인가할 수 있다.
이 때, 제어부는 상기 복수개의 드라이브 코일들 각각에 대한 가변 저항을 조절하여 상기 개별 전류를 조절할 수 있다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일과 상기 동심원은 평행하게 위치할 수 있다.
이 때, 제어부는 상기 단일 솔레노이드 코일에 상응하는 극성의 위치를 변경하여 상기 자기장 세기를 조절할 수 있다.
이 때, 전원부는 아두이노(Arduino)를 기반으로 상기 계전기를 제어하여 상기 개별 전류를 인가할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고정된 그래디언트 필드를 사용하여 이미지를 획득하는 NMR(nuclear magnetic resonance) 시스템 또는 EPRI(electron paramagnetic resonance imaging) 시스템에서 특정 공간상에 전자기장을 발생시킬 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 사용자가 원하는 세기의 자기장을 원하는 위치에 생성시킬 수 있는 기술을 제공하여 전자 공명 또는 핵 공명을 이용한 시스템에 적용시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 공간상의 특정 위치에 공명이 발생하는 전자기장을 선택적으로 인가할 수 있다.
또한, 본 발명은 그래디언트 필드를 이용할 때처럼 수동적이지 않고, 능동적인 영상 확보 방식을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 자기장 제어 시스템 중 전류 제어 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티코일들을 정면에서 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 코일들과 측정 센서를 측면에서 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 코일의 단면을 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 코일의 극성을 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전류 제어를 통해 측정 센서에서 측정되는 자기장 세기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 12 내지 도 13은 본 발명에 따른 가변 저항을 이용하여 자기장 세기를 조절하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 14는 그래디언트 필드(gradient field) 방식으로 생성되는 자기장의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 따라 생성되는 자기장의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 장치를 나타낸 블록도이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 방법은 Z축의 방향으로 자기장을 발생시키는 단일 솔레노이드 코일 및 Z축 상의 한 점을 중심으로 하는 동심원의 둘레에 기설정된 간격으로 구비된 복수개의 드라이브 코일들 중 하나 이상에 전류를 인가한다(S110).
이 때, Z축은 단일 솔레노이드 코일의 원통형 내부를 관통하는 방향에 상응할 수 있다.
예를 들어, 단일 솔레노이드 코일은 구리나 알루미늄 등의 도선을 나선형으로 균일하게 감아 원통형으로 만든 코일에 상응한다. 따라서, 도선에 전류를 인가하면 원통형의 내부를 관통하는 방향으로 비교적 균일한 세기의 자기장이 형성될 수 있다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들 역시 솔레노이드 형태에 상응할 수 있고, 각각의 드라이브 코일에 상응하는 Z축이 단일 솔레노이드 코일의 Z축을 향하도록 구비될 수 있다. 따라서, 각각의 드라이브 코일에 전류가 인가되는 경우, 복수개의 자기장을 형성될 수 있다.
이 때, 단말 솔레노이드 코일과 동심원은 평행하게 위치할 수 있다. 즉, 단일 솔레노이드 코일을 측면에서 보았을 때, 단일 솔레노이드 코일과 복수개의 드라이브 코일들은 겹쳐지지 않고 나란히 위치할 수 있다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들은 별도의 원형 구조물에 부착되어 고정될 수 있다. 단일 솔레노이드 코일과 복수개의 드라이브 코일들의 상세한 구조는 도 4 내지 도 5를 통해 상세하게 설명하도록 한다.
이 때, 계전기(relay)와 가변 저항을 이용하여 복수개의 드라이브 코일들에게 각각 개별 전류를 인가할 수 있다.
이 때, 계전기는 전원을 통해 공급되는 전류를 복수개의 드라이브 코일들의 개수에 상응하게 분산시킬 수 있다. 또한, 가변 저항도 복수개의 드라이브 코일들의 개수에 상응하게 구비되어, 계전기를 통해 분산된 개별 전류들의 크기를 조절하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 파워 서플라이(power supply)를 통해 계전기로 전류가 공급되면, 계전기에서 복수개의 드라이브 코일들 각각에 개별적으로 전류를 인가해줄 수 있도록 전류를 분산시킬 수 있다. 이 후, 계전기를 통해 분산된 개별 전류는 복수개의 가변 저항들을 거쳐서 각각의 드라이브 코일로 인가될 수 있다.
이 때, 전류를 인가하기 위한 구조는 도 3을 통해 상세하게 설명하도록 한다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들로 동시에 개별 전류를 인가할 수도 있고, 각각의 드라이브 코일마다 별도로 개별 전류를 인가할 수도 있다.
이 때, 아두이노(Arduino)를 기반으로 계전기를 제어하여 개별 전류를 인가할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 방법은 X축과 Y축으로 이동 가능한 측정 센서를 기반으로 자기장을 생성할 타겟 위치에서 자기장 세기를 측정한다(S120).
이 때, 타겟 위치는 사용자가 자기장을 생성하고자 하는 위치에 해당할 수 있다.
이 때, 측정 센서는 단일 솔레노이드 코일의 내부, 즉 복수개의 드라이브 코일들이 구비되는 동심원의 내부에서 X축과 Y축으로 이동하면서 자기장 세기를 측정할 수 있다. 따라서, 측정 센서는 X축과 Y축으로 측정 센서를 이동시킬 수 있는 XY 스테이지(XY stage)에 고정되어 이동할 수 있고, XY 스테이지는 아두이노와 연결되어 측정 센서의 위치를 제어할 수도 있다.
이 때, 측정 센서와 XY 스테이지 및 아두이노에 관련된 상세한 구조는 도 2를 통해 상세하게 설명하도록 한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 방법은 복수개의 드라이브 코일들에 인가되는 전류를 조절하여 자기장 세기를 기설정된 목표 값에 상응하게 조절한다(S130).
예를 들어, 복수개의 드라이브 코일들로 각각 인가되는 전류의 값이 변하는 경우, 각각의 드라이브 코일을 통해 형성되는 자기장 세기도 변하므로 측정 센서에서 측정되는 값도 변화할 수 있다. 따라서, 사용자가 원하는 세기의 자기장이 만들어지도록 복수개의 드라이브 코일들을 통해 형성되는 자기장 세기를 전류를 기반으로 조절할 수 있다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들 각각에 대한 가변 저항을 조절하여 개별 전류를 조절할 수 있다.
예를 들어, 가변 저항의 크기를 크게 하여 복수개의 드라이브 코일들로 인가되는 개별 전류의 값이 작아지게 하거나, 또는 가변 저항의 크기를 작게 하여 복수개의 드라이브 코일들로 인가되는 개별 전류의 값이 커지도록 조절할 수 있다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일에 상응하는 극성의 위치를 변경하여 자기장 세기를 조절할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 10 내지 도 11에서 상세히 다루도록 한다.
이 때, 드라이브 코일은 솔레노이드 코일의 내부에 플런저(magnetic plunger)가 위치하는 것으로, 솔레노이드 코일로 전류가 인가되면 플런저가 솔레노이드 코일의 내부로 이동하여 강력한 자기장을 발생시키는 구조이다. 이 때, 플런저는 솔레노이드 코일에 전류가 인가되지 않을 경우에는 극성을 띄지 않는 일반 금속에 상응할 수 있다. 하지만, 솔레노이드 코일에 전류가 인가될 경우, 플런저가 솔레노이드 코일에 의해 형성된 자기장에 의해 자석이 되면서 자력을 띄게 되어 강한 자기장을 형성할 수 있다.
따라서, 복수개의 드라이브 코일들을 통해 생성된 강한 자기장을 이용하여 사용자가 원하는 위치에 원하는 세기의 자기장을 생성되도록 제어할 수 있다.
이와 같은 자기장 제어 방법을 통해, 고정된 그래디언트 필드를 사용하여 이미지를 획득하는 NMR(nuclear magnetic resonance) 시스템 또는 EPRI(electron paramagnetic resonance imaging) 시스템에서 특정 공간상에 전자기장을 발생시킬 수 있다.
또한, 사용자가 원하는 세기의 자기장을 원하는 위치에 생성시킬 수 있는 기술을 제공하여 전자 공명 또는 핵 공명을 이용한 시스템에 적용시킬 수 있으며, 그래디언트 필드를 이용할 때처럼 수동적이지 않고, 능동적인 영상 확보 방식을 제공할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 시스템은 단일 솔레노이드 코일(210), 복수개의 드라이브 코일들(211~216), 계전기(220), 가변 저항(230), XY 스테이지(240)와 측정 센서(241), 아두이노(250) 및 파워 서플라이(260, 261)를 포함한다.
이하에서는, 전원이 공급되어 자기장이 측정되는 과정을 순차적으로 설명하도록 한다.
먼저, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 시스템은 하나 이상의 파워 서플라이(260, 261)를 통해 계전기(220)에 전원 또는 전류를 공급할 수 있다.
이 때, 계전기(220)에서는 공급된 전류를 복수개의 드라이브 코일들(211~216)의 개수에 상응하게 분산시켜 복수개의 드라이브 코일들(211~216)에게 인가되도록 할 수 있다.
이 때, 계전기(220)는 아두이노(250)를 기반으로 제어되어 동작할 수 있다.
이 때, 계전기(220)와 복수개의 드라이브 코일들(211~216) 사이에는 가변 저항(230)이 존재할 수 있다. 가변 저항(230)은 계전기(220)를 통해 분류된 개별 전류를 조절할 수 있다.
이 후, 단일 솔레노이드 코일(210)과 복수개의 드라이브 코일들(211~216) 중 하나 이상에 전류가 인가되면 단일 솔레노이드 코일(210)과 복수개의 드라이브 코일들(211~216)의 내부에 자기장이 형성될 수 있다.
이 때, XY 스테이지(240)가 동작하여 측정 센서(241)를 X축이나 Y축으로 이동시켜 특정한 위치에서 자기장 세기를 측정하도록 할 수 있다.
이 때, XY 스테이지(240)는 아두이노(250)를 기반으로 제어되어 측정 센서(241)를 이동시킬 수 있다.
이 후, 측정 센서(241)에서 측정된 자기장 세기가 기설정된 목표 값에 일치하는지 여부를 판단할 수 있다. 만약, 측정된 자기장 세기가 기설정된 목표 값에 일치하지 않는 경우에는 복수개의 드라이브 코일들(211~216)로 인가되는 개별 전류의 크기를 조절함으로써 자기장 세기가 기설정된 목표 값에 상응하도록 제어할 수 있다.
이 때, 아두이노(250)를 기반으로 계전기(220)나 가변 저항(230)등을 제어하여 복수개의 드라이브 코일들(211~216)로 인가되는 개별 전류의 크기를 조절할 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 자기장 제어 시스템 중 전류 제어 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 2에 도시된 자기장 제어 시스템 중 전류 제어 시스템은 계전기(220), 가변 저항(230) 및 아두이노(250)를 포함한다.
이 때, 아두이노(250)는 명령을 수행하고 처리할 수 있는 기본적인 장치를 가지고 있는 기기로써 센서나 부품을 자유롭게 연결할 수 있고, 컴퓨터를 통해서 사용자의 설정을 적용시킬 수 있다.
따라서, 사용자의 설정에 따라 복수개의 드라이브 코일들로 개별 전류를 인가시키기 위해, 아두이노(250)를 통해 연결된 계전기(220)를 제어할 수 있다.
이 때, 계전기(220)는 아두이노(250)를 통해 제어된 값으로 전류를 분산시킬 수 있다. 예를 들어, 전원을 통해 공급된 전류를 복수개의 드라이브 코일들의 개수에 상응하게 분산시킬 수 있다.
이 후, 분산된 각각의 개별 전류는 가변 저항(230)을 통해 그 크기가 조절될 수 있다.
이 때, 가변 저항(230)의 값도 사용자의 설정에 따라 조절이 가능할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티코일들을 정면에서 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 멀티 코일들과 측정 센서를 측면에서 나타낸 도면이다.
도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 멀티코일들은 단일 솔레노이드 코일(410)의 주위에 복수개의 드라이브 코일들(411~416)이 위치하는 형태로 구비될 수 있다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일(410)과 복수개의 드라이브 코일들(411~416)은 도 5에 도시된 것과 같이 겹쳐지지 않고 평행하게 위치할 수 있다.
또한, 복수개의 드라이브 코일들(411~416)은 각자의 위치에 고정되기 위해 별도의 아크릴 구조물(420)에 고정되어 있을 수 있다. 이 때, 아크릴 구조물(420)은 그 중심점이 단일 솔레노이드 코일(410)의 내부를 관통하는 Z축에 위치하도록 설치될 수 있다. 즉, 단일 솔레노이드 코일(410)에 의해 생성되는 동심원의 중심점과 아크릴 구조물(420)에 의해 생성되는 동심원의 중심점은 모두 Z축 상에 위치할 수 있다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일(410)은 Z축의 방향으로 자기장을 생성할 수 있고, 복수개의 드라이브 코일들(411~416)은 각각 단일 솔레노이드 코일(410)의 Z축을 향하는 방향으로 자기장을 생성할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 측정 센서는 도 4에 도시된 영역(430)을 X축과 Y축으로 이동하면서 자기장 세기를 측정할 수 있다.
예를 들어, 도 5에 도시된 것과 같이 XY 스테이지에 연결된 측정 센서(530)는 단일 솔레노이드 코일(510)이 생성하는 자기장과 복수개의 드라이브 코일들(511~513)이 생성하는 자기장의 혼합된 영역에서 자기장 세기를 측정할 수 있다. 예를 들어, 측정 센서(530)를 도 4에 도시된 영역(430)에서 자유롭게 이동시키면서 자기장 세기를 측정할 수 있다.
이 때, 측정 센서(530)는 사용하기 전에 0점으로 초기화 시킨 이후 사용할 수 있다.
이 때, 도 5는 멀티코일들을 측면에서 바라본 것을 나타낸 것으로, 겹쳐지는 드라이브 코일은 표현되지 않았을 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 코일의 단면을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 코일의 전체 지름은 6cm(60mm)이고, 코일의 두께를 제외한 내부의 지름은 4.5cm(45mm)에 상응할 수 있다. 따라서, 드라이브 코일의 내부에 위치하는 플런저의 지름은 4.5cm보다 작을 수 있다.
도 7는 본 발명의 일실시예에 따른 드라이브 코일의 극성을 나타낸 도면이고, 도 8 내지 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전류 제어를 통해 측정 센서에서 측정되는 자기장 세기의 변화를 나타낸 도면이다.
도 7 내지 도 11을 참조하면, 도 8 내지 도 11에 도시된 가장 큰 원은 1~6에 해당하는 드라이브 코일이 고정된 아크릴 구조물의 전면을 나타내는 것에 상응하고, 큰 원의 내부에 존재하는 작은 원들은 측정 센서를 통해 자기장 세기를 측정한 각각의 측정 위치(801~807)에 상응할 수 있다.
이 때, 측정 위치(801~807)의 내부에 기재된 숫자는 측정된 자기장 세기를 의미하며 단위는 밀리테슬라(mT)에 상응할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 단일 솔레노이드 코일은 코일이 감기는 방향에 따라 측정 센서 쪽을 향하는 극성이 변경될 수 있고, 복수개의 드라이브 코일들은 모두 도 7에 도시된 것과 같이 드라이브 코일(710)이 구비되는 동심원의 내부(720)를 향하는 쪽이 N극에 상응할 수 있다.
또한, 도 8 내지 도 11에 도시된 실시예는 Kanatec tesla meter(TM 701)을 측정 센서로 사용하여 측정된 것일 수 있다.
먼저, 도 8에 도시된 실시예는 단일 솔레노이드 코일에만 1V, 0.66A를 인가하였을 경우에 측정된 자기장 세기에 해당하고, 도 9에 도시된 실시예는 복수개의 드라이브 코일들에 각각 7V, 0.28A를 인가하였을 경우에 측정된 자기장 세기에 해당할 수 있다.
즉, 단일 솔레노이드 코일에만 전류를 인가하거나 드라이브 코일에만 전류를 인가하여도 자기장이 형성될 수 있다.
또한, 도 10과 도 11에 도시된 실시예는 각각 단일 솔레노이드 코일에는 1V, 0.66A를 인가하고, 복수개의 드라이브 코일들에는 각각 7V, 0.28A를 인가하였을 경우에 측정된 자기장 세기에 해당할 수 있다. 단, 도 10은 단일 솔레노이드 코일에 의해 생성되는 자기장의 S극이 측정 센서 방향일 경우에 해당하고, 도 11은 단일 솔레노이드 코일에 의해 생성되는 자기장의 N극이 측정 센서 방향일 경우에 해당할 수 있다.
즉, 도 10은 단일 솔레노이드 코일이 생성한 자기장의 S극과 복수개의 드라이브 코일들이 생성한 자기장의 N극이 만나서 형성된 자기장의 세기를 측정한 결과에 해당한다. 또한, 도 11은 단일 솔레노이드 코일이 생성한 자기장의 N극과 복수개의 드라이브 코일들이 생성한 자기장의 N극이 만나서 형성된 자기장의 세기를 측정한 결과에 해당한다.
따라서, 단일 솔레노이드 코일의 극성의 위치를 변경하는 방법으로도 자기장 세기를 제어할 수 있다.
도 12 내지 도 13은 본 발명에 따른 가변 저항을 이용하여 자기장 세기를 조절하는 일 예를 나타낸 도면이다.
도 12를 참조하면, 자기장 측정 결과(1210)는 단일 솔레노이드 코일에는 1V, 0.66A를 인가하고, 복수개의 드라이브 코일들에는 각각 7V, 0.28A를 인가하였을 경우에 측정된 자기장 세기에 해당할 수 있다. 이 때, 자기장 측정 결과(1210)는 단일 솔레노이드 코일에 의해 생성되는 자기장의 S극이 측정 센서 방향일 경우에 해당할 수 있다.
또한, 자기장 측정 결과(1220)는 단일 솔레노이드 코일에는 1V, 0.66A를 인가하고, 복수개의 드라이브 코일들에는 각각 7V, 0.28A를 인가하였을 경우에 측정된 자기장 세기에 해당하지만, 단일 솔레노이드 코일에 의해 생성되는 자기장의 N극이 측정 센서 방향일 경우에 해당할 수 있다.
이 때, 본 발명에 따른 가변 저항을 이용하여 복수개의 드라이브 코일들로 인가되는 전류를 미세하게 조절함으로써 도 13과 같은 결과를 획득할 수 있다.
즉, 도 12에 도시된 자기장 측정 결과(1210)에서는 일부 측정 위치의 자기장세기가 0.5mT 이므로, 가변 저항으로 일부 드라이브 코일의 개별 전류를 조절하여 도 13에 도시된 자기장 측정 결과(1310)와 같이 모두 0.6mT가 되도록 제어할 수 있다.
또한, 도 12에 도시된 자기장 측정 결과(1220)에서는 측정되는 자기장 세기가 1.5mT, 1.6mT, 1.7mT로 일정하기 않으므로, 가변 저항으로 일부 드라이브 코일의 개별 전류를 조절하여 도 13에 도시된 자기장 측정 결과(1320)와 같이 모두 1.5mT가 되도록 제어할 수 있다.
도 14는 그래디언트 필드(gradient field) 방식으로 생성되는 자기장의 일 예를 나타낸 도면이고, 도 15는 본 발명에 따라 생성되는 자기장의 일 예를 나타낸 도면이다.
먼저, 도 14를 참조하면, 기존의료 영상 장비에서는 고정된 그래디언트 필드를 이용하여 시료의 전체에 대한 이미지를 확보할 수 있었다. 만약, 시료의 특정 부위에 대한 이미지를 확보하기 위해서는 고정된 그래디언트 필드를 인가한 이후에 추가적으로 continuous RF 또는 pulse를 인가하는 과정이 필요하였다.
그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 방법을 이용하면 도 15에 도시된 것과 같이 Z축을 주축으로 하고, X축과 Y축으로 각각 자기장을 발생시킴으로써 특정한 위치에 특정한 세기의 자기장을 발생시킬 수 있다. 이러한 방법은 전자 공명이나 핵 공명을 이용하는 시스템에도 적용할 수 있으며, 시료의 전체가 아닌 특정 부위에 대한 영상이나 정보를 획득하는데 효과적으로 활용될 수 있다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 장치를 나타낸 블록도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 자기장 제어 장치는 전원부(1610)와 제어부(1620)를 포함한다.
전원부(1610)는 Z축의 방향으로 자기장을 발생시키는 단일 솔레노이드 코일 및 Z축 상의 한 점을 중심으로 하는 동심원의 둘레에 기설정된 간격으로 구비된 복수개의 드라이브 코일들 중 하나 이상에 전류를 인가한다.
이 때, Z축은 단일 솔레노이드 코일의 원통형 내부를 관통하는 방향에 상응할 수 있다.
예를 들어, 단일 솔레노이드 코일은 구리나 알루미늄 등의 도선을 나선형으로 균일하게 감아 원통형으로 만든 코일에 상응한다. 따라서, 도선에 전류를 인가하면 원통형의 내부를 관통하는 방향으로 비교적 균일한 세기의 자기장이 형성될 수 있다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들 역시 솔레노이드 형태에 상응할 수 있고, 각각의 드라이브 코일에 상응하는 Z축이 단일 솔레노이드 코일의 Z축을 향하도록 구비될 수 있다. 따라서, 각각의 드라이브 코일에 전류가 인가되는 경우, 복수개의 자기장을 형성될 수 있다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일과 동심원은 평행하게 위치할 수 있다. 즉, 단일 솔레노이드 코일을 측면에서 보았을 때, 단일 솔레노이드 코일과 복수개의 드라이브 코일들은 겹쳐지지 않고 나란히 위치할 수 있다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들은 별도의 원형 구조물에 부착되어 고정될 수 있다. 단일 솔레노이드 코일과 복수개의 드라이브 코일들의 상세한 구조는 도 4 내지 도 5를 통해 상세하게 설명하였으므로 생략하도록 한다.
이 때, 계전기(relay)와 가변 저항을 이용하여 복수개의 드라이브 코일들에게 각각 개별 전류를 인가할 수 있다.
이 때, 계전기는 전원을 통해 공급되는 전류를 복수개의 드라이브 코일들의 개수에 상응하게 분산시킬 수 있다. 또한, 가변 저항도 복수개의 드라이브 코일들의 개수에 상응하게 구비되어, 계전기를 통해 분산된 개별 전류들의 크기를 조절하기 위해 사용될 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 파워 서플라이(power supply)를 통해 계전기로 전류가 공급되면, 계전기에서 복수개의 드라이브 코일들 각각에 개별적으로 전류를 인가해줄 수 있도록 전류를 분산시킬 수 있다. 이 후, 계전기를 통해 분산된 개별 전류는 복수개의 가변 저항들을 거쳐서 각각의 드라이브 코일로 인가될 수 있다.
이 때, 전류를 인가하기 위한 구조는 도 3을 통해 상세하게 설명하였으므로 생략하도록 한다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들로 동시에 개별 전류를 인가할 수도 있고, 각각의 드라이브 코일마다 별도로 개별 전류를 인가할 수도 있다.
이 때, 아두이노(Arduino)를 기반으로 계전기를 제어하여 개별 전류를 인가할 수 있다.
제어부(1620)는 X축과 Y축으로 이동 가능한 측정 센서를 기반으로 자기장을 생성할 타겟 위치에서 자기장 세기를 측정한다.
이 때, 타겟 위치는 사용자가 자기장을 생성하고자 하는 위치에 해당할 수 있다.
이 때, 측정 센서는 단일 솔레노이드 코일의 내부, 즉 복수개의 드라이브 코일들이 구비되는 동심원의 내부에서 X축과 Y축으로 이동하면서 자기장 세기를 측정할 수 있다. 따라서, 측정 센서는 X축과 Y축으로 측정 센서를 이동시킬 수 있는 XY 스테이지(XY stage)에 고정되어 이동할 수 있고, XY 스테이지는 아두이노와 연결되어 측정 센서의 위치를 제어할 수도 있다.
이 때, 측정 센서와 XY 스테이지 및 아두이노에 관련된 상세한 구조는 도 2를 통해 상세하게 설명하였으므로 생략하도록 한다.
또한, 제어부(1620)는 복수개의 드라이브 코일들에 인가되는 전류를 조절하여 자기장 세기를 기설정된 목표 값에 상응하게 조절한다.
예를 들어, 복수개의 드라이브 코일들로 각각 인가되는 전류의 값이 변하는 경우, 각각의 드라이브 코일을 통해 형성되는 자기장 세기도 변하므로 측정 센서에서 측정되는 값도 변화할 수 있다. 따라서, 사용자가 원하는 세기의 자기장이 만들어지도록 복수개의 드라이브 코일들을 통해 형성되는 자기장 세기를 전류를 기반으로 조절할 수 있다.
이 때, 복수개의 드라이브 코일들 각각에 대한 가변 저항을 조절하여 개별 전류를 조절할 수 있다.
예를 들어, 가변 저항의 크기를 크게 하여 복수개의 드라이브 코일들로 인가되는 개별 전류의 값이 작아지게 하거나, 또는 가변 저항의 크기를 작게 하여 복수개의 드라이브 코일들로 인가되는 개별 전류의 값이 커지도록 조절할 수 있다.
이 때, 단일 솔레노이드 코일에 상응하는 극성의 위치를 변경하여 자기장 세기를 조절할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 10 내지 도 11에서 상세히 다루었으므로 생략하도록 한다.
이 때, 드라이브 코일은 솔레노이드 코일의 내부에 플런저(magnetic plunger)가 위치하는 것으로, 솔레노이드 코일로 전류가 인가되면 플런저가 솔레노이드 코일의 내부로 이동하여 강력한 자기장을 발생시키는 구조이다. 이 때, 플런저는 솔레노이드 코일에 전류가 인가되지 않을 경우에는 극성을 띄지 않는 일반 금속에 상응할 수 있다. 하지만, 솔레노이드 코일에 전류가 인가될 경우, 플런저가 솔레노이드 코일에 의해 형성된 자기장에 의해 자석이 되면서 자력을 띄게 되어 강한 자기장을 형성할 수 있다.
따라서, 복수개의 드라이브 코일들을 통해 생성된 강한 자기장을 이용하여 사용자가 원하는 위치에 원하는 세기의 자기장을 생성되도록 제어할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 멀티 코일 기반의 자기장 제어 방법 및 이를 위한 장치는 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
210, 410, 510: 단일 솔레노이드 코일
211~216, 411~416, 511~513, 710: 드라이브 코일
220: 계전기(relay) 230: 가변 저항
240: XY 스테이지(stage) 241, 530: 측정 센서
250: 아두이노 260, 261: 파워 서플라이
420, 520: 아크릴 구조물 430: 영역
801~807: 측정 위치 720: 동심원의 내부
1210, 1220, 1310, 1320: 자기장 측정 결과
1410: 솔레노이드 코일 1420: 그래디언트 필드
1610: 전원부 1620: 제어부

Claims (12)

  1. Z축의 방향으로 자기장을 발생시키는 단일 솔레노이드 코일 및 상기 Z축 상의 한 점을 중심으로 하는 동심원의 둘레에 기설정된 간격으로 구비된 복수개의 드라이브 코일들 중 하나 이상에 전류를 인가하는 단계;
    X축과 Y축으로 이동 가능한 측정 센서를 기반으로 자기장을 생성할 타겟 위치에서 자기장 세기를 측정하는 단계; 및
    상기 복수개의 드라이브 코일들에 인가되는 전류를 조절하여 상기 자기장 세기를 기설정된 목표 값에 상응하게 조절하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인가하는 단계는
    계전기(relay)와 가변 저항을 이용하여 상기 복수개의 드라이브 코일들에게 각각 개별 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 조절하는 단계는
    상기 복수개의 드라이브 코일들 각각에 대한 가변 저항을 조절하여 상기 개별 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 단일 솔레노이드 코일과 상기 동심원은 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 조절하는 단계는
    상기 단일 솔레노이드 코일에 상응하는 극성의 위치를 변경하여 상기 자기장 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 방법.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 인가하는 단계는
    아두이노(Arduino)를 기반으로 상기 계전기를 제어하여 상기 개별 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 방법.
  7. Z축의 방향으로 자기장을 발생시키는 단일 솔레노이드 코일 및 상기 Z축 상의 한 점을 중심으로 하는 동심원의 둘레에 기설정된 간격으로 구비된 복수개의 드라이브 코일들 중 하나 이상에 전류를 인가하는 전원부; 및
    X축과 Y축으로 이동 가능한 측정 센서를 기반으로 자기장을 생성할 타겟 위치에서 자기장 세기를 측정하고, 상기 복수개의 드라이브 코일들에 인가되는 전류를 조절하여 상기 자기장 세기를 기설정된 목표 값에 상응하게 조절하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전원부는
    계전기(relay)와 가변 저항을 이용하여 상기 복수개의 드라이브 코일들에게 각각 개별 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 복수개의 드라이브 코일들 각각에 대한 가변 저항을 조절하여 상기 개별 전류를 조절하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 장치.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 단일 솔레노이드 코일과 상기 동심원은 평행하게 위치하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 장치.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 단일 솔레노이드 코일에 상응하는 극성의 위치를 변경하여 상기 자기장 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 장치.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 전원부는
    아두이노(Arduino)를 기반으로 상기 계전기를 제어하여 상기 개별 전류를 인가하는 것을 특징으로 하는 자기장 제어 장치.
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