KR20210123238A - 인공지능 학습을 위한 신체의 목적 타겟 영상 획득 장치 - Google Patents

인공지능 학습을 위한 신체의 목적 타겟 영상 획득 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 인공지능 학습용 영상 획득 장치는, 신체의 내부 기관의 영상을 획득할 수 있는 영상 획득부와; 영상 획득부를 이동시키는 제1 이동 유니트와; 영상 획득부가 영상 획득 대상 신체를 누르는 압력을 측정하는 압력 측정부를 포함한다. 제1 이동 유니트는, 영상 획득부를 영상 획득 대상 신체를 누르거나 누름 상태를 해제하는 제1-1 방향으로 이동시키는 제1-1 이동 모듈을 포함한다.

Description

인공지능 학습을 위한 신체의 목적 타겟 영상 획득 장치{Device for Obtaining Image of Object Target of Body for AI Learning}
본 발명은 인공지능 학습용 신체의 목적 타겟 영상 획득 장치에 대한 것이다.
신체의 기관에 침습하여 소정의 술기를 시행하는 사례가 많다. 예를 들어 의료 기관에서 채혈이나 주사액 주입을 위해 사람의 표재 정맥에 주사침을 꽂거나, 바늘을 꽂고 나서 카테터를 삽입하는 등의 술기가 대표적이다. 현재는 표재 정맥 등의 혈관의 위치를 찾도록 교육받고 수련을 한 의사, 간호사 또는 임상병리사가 표재 정맥을 찾아 주사침을 꽂고 있는데 교육에 오랜 시간이 걸리고 전문 인력 고용을 위한 비용도 지속적으로 발생하며 한 번에 성공하지 못하고 여러 번 찔러야 하는 경우가 많은 문제도 발생한다. 특히 아기, 노인, 항암치료 중인 환자와 같이 혈관 상태가 양호하지 않은 경우 또는 피부가 어두운 색이어서 혈관이 시각적으로 잘 보이지 않는 경우에는 숙련된 전문가도 혈관을 찾기가 매우 어려운 한계가 있다.
또한, 교육을 잘 받고 숙련된 의료진이라고 하더라도 반복적인 채혈 작업 등은 피로도가 높고 거부감을 많이 야기하는 술기이며, 채혈 과정에서 실수로 피검자의 혈액이 술기자에게 튀거나 술기자의 신체로 들어가서 감염될 위험성도 상존하는 등, 사람에 의한 채혈 등은 많은 문제점을 가지고 있다.
본 출원인은 2020년 1월 29일에 표재 정맥과 같은 신체의 목적 타겟의 위치를 기계학습을 통해 정확하게 탐지하는 방법에 대해서 특허출원 제10-2020-0010302호로 특허출원한 바 있으며, 이 특허출원의 전체 내용은 영상획득부가 획득한 영상 분석과 기계학습을 통한 피침습 기관의 위치를 탐지하는 방법의 일례로서 본 명세서에 병합된다.
[선행기술문헌]
한국특허 제10-1601421호(발명의 명칭: 자동 채혈 방법; 2016년 3월 10일 공고)
한국특허 제10-1362922호(발명의 명칭: 채혈침 발사조절용 모듈 및 이를 포함하는 채혈장치; 2014년 2월 6일 공고)
본 발명은, 신체의 목적 타겟의 정확한 위치를 탐지하기 위한 인공지능 학습용 영상을 획득하는 영상 획득 장치를 제공함으로써, 목적 타겟을 탐지하기 위한 최적의 조건을 인공지능 학습을 통해 찾을 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 인공지능 학습용 영상 획득 장치는, 신체의 내부 기관의 영상을 획득할 수 있는 영상 획득부와; 영상 획득부를 이동시키는 제1 이동 유니트와; 영상 획득부가 영상 획득 대상 신체를 누르는 압력을 측정하는 압력 측정부를 포함한다. 제1 이동 유니트는, 영상 획득부를 영상 획득 대상 신체를 누르거나 누름 상태를 해제하는 제1-1 방향으로 이동시키는 제1-1 이동 모듈을 포함한다.
제1 이동 유니트는, 영상 획득부를 제1-2 방향으로 이동시키는 제1-2 이동 모듈과, 제1-3 방향으로 이동시키는 제1-3 이동 모듈을 더 포함할 수 있다. 제1-2 방향과 제1-3 방향 중 어느 하나는 영상 획득 대상 신체의 길이 방향을 회전축으로 회전하는 방향일 수 있다.
제1-1 이동 모듈 내지 제1-3 이동 모듈 중 적어도 어느 하나는, 구동부와; 구동부에 의해서 구동되어 영상 획득부를 제1-1 방향으로 이동시키도록 연결되는 피구동부를 포함할 수 있다. 피구동부는, 적어도 두 개의 풀리에 걸려 있는 타이밍 벨트와; 구동부에 의해서 구동되는 스크류; 구동부에 구동되는 피니언/래크 메커니즘 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
영상 획득부는 초음파 프로브와; 광음향 영상 장치(photoacoustic imaging device)와; 근적외선 발광부를 구비하여 신체 내부에서 반사되는 빛의 위치 좌표를 파악하기 위한 ToF 센서(time of flight sensor)가 부착된 장치와; CT와; MRI 중 적어도 어느 하나가 될 수 있다.
신체의 내부 기관은 혈관이 될 수 있다.
제1-2 방향은 영상 획득 대상 신체의 횡방향이 될 수 있다. 제1 이동 유니트는, 제1-1 방향을 회전축으로 영상 획득부를 회전시키는 제1-4 구동 모듈; 및 영상 획득 대상 신체의 길이 방향을 따라 영상 획득부를 이동시키는 제1-5 구동 모듈 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 영상 획득 장치는, 제1 이동 유니트에 의해 이동하는 부품의 위치를 감지하는 위치 감지 센서 및 부품간의 상대적 거리를 감지하는 거리 센서 중 적어도 어느 하나를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 영상 획득 장치는, 제1 이동 유니트에 의해 이동하는 부품 중 적어도 어느 하나가 위치 추적용 태그를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면 혈관 탐지시에 혈관에 대한 "통제된 누름(찌부러뜨림)"을 만들고 그 누름 압력을 기계 학습에 사용할 수 있게 함으로써 최적의 기계 학습을 가능하게 하는 영상 획득 장치를 제공하는 효과가 있다. 특히 본 발명에 의한 영상 획득 장치에 의해 획득한 영상을 기계학습에 사용하면 초음파 영상 내에서 관찰되는 해부학적 구조물들을 정확하게 분류하기 위한 추가적인 학습 정보로 활용될 수 있다. 예를 들어, 정맥과 피하지방만 눌리는 압력, 근육이 눌리는 압력, 동맥까지 눌리는 압력 등을 인공지능 학습을 위한 정보로 사용함으로써 인공지는 학습의 정확도를 현저하게 고양시킬 수 있는 효과가 제공된다.
도 1은 본 발명의 영상 획득 장치를 포함하는 자동 신체 침습 장치의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 자동 신체 침습 장치의 분해 사시도.
도 3은 제1 이동 유니트의 분해 사시도.
도 4는 제2 이동 유니트의 분해 사시도.
도 5는 본 발명의 영상 획득 장치를 포함하는 자동 신체 침습 장치에 의한 침습 방법의 흐름도.
이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 자세하게 설명한다.
본 명세서에서 수행되는 정보(데이터) 전송/수신 과정은 필요에 따라서 암호화/복호화가 적용될 수 있으며, 본 명세서 및 특허청구범위에서 정보(데이터) 전송 과정을 설명하는 표현은 별도로 언급되지 않더라도 모두 암호화/복호화하는 경우도 포함하는 것으로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 "A로부터 B로 전송(전달)" 또는 "A가 B로부터 수신"과 같은 형태의 표현은 중간에 다른 매개체가 포함되어 전송(전달) 또는 수신되는 것도 포함하며, A로부터 B까지 직접 전송(전달) 또는 수신되는 것 만을 표현하는 것은 아니다. 본 발명의 설명에 있어서 각 단계의 순서는 선행 단계가 논리적 및 시간적으로 반드시 후행 단계에 앞서서 수행되어야 하는 경우가 아니라면 각 단계의 순서는 비제한적으로 이해되어야 한다. 즉 위와 같은 예외적인 경우를 제외하고는 후행 단계로 설명된 과정이 선행 단계로 설명된 과정보다 앞서서 수행되더라도 발명의 본질에는 영향이 없으며 권리범위 역시 단계의 순서에 관계없이 정의되어야 한다. 그리고 본 명세서에서 “A 또는 B”은 A와 B 중 어느 하나를 선택적으로 가리키는 것뿐만 아니라 A와 B 모두를 포함하는 것도 의미하는 것으로 정의된다. 또한, 본 명세서에서 "포함"이라는 용어는 포함하는 것으로 나열된 요소 이외에 추가로 다른 구성요소를 더 포함하는 것도 포괄하는 의미를 가진다.
본 명세서에서 "모듈" 또는 "유니트”라 함은 범용적인 하드웨어와 그 기능을 수행하는 소프트웨어의 논리적 결합, 또는 소정의 제어 명령을 수신하여 그에 따라 작동하는 기계 및/또는 전자 장치를 의미한다.
본 발명 중 제어 방법은 전자적 연산이 가능한 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 스마트폰과 같은 모바일 디바이스 등의 전자적 연산 장치에 의해서 수행되며, 후술하는 본 발명의 각 단계의 수학적 연산 및 산출은 해당 연산 또는 산출을 하기 위해 공지되어 있는 코딩 방법 및/또는 본 발명에 적합하게 고안된 코딩에 의해서 컴퓨터 프로그램의 실행에 따른 연산으로 구현될 수 있다. 본 발명을 실행하는 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터에 의해 판독 가능한 기록 매체에 저장될 수 있다.
그리고 본 명세서에서 "값"이라 함은 스칼라값 뿐만 아니라 벡터 및 행렬, 다항식 등 수학식으로 표현될 수 있는 모든 값을 포함하는 광의의 개념으로 정의된다.
본 명세서에서 설명하는 예시적인 실시예는 본 명세서에 개시(開示)되는 장치의 구조, 기능, 제작 및 용도와 방법의 원리에 대한 전반적인 이해를 제공한다. 이러한 하나 이상의 실시예가 첨부 도면에 도시되어 있다. 당업자라면 여기에 구체적으로 기재되고 첨부 도면에 도시되어 있는 장치 및 방법이 비제한적이고 예시적인 실시예이며 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 의해서 정의된다는 점을 이해할 것이다. 하나의 예시적인 실시예와 관련되어 도시되고 설명되는 특징은 다른 실시예의 특징과도 결합될 수 있다. 그러한 수정(modification) 또는 변경(variation)은 본 발명의 권리범위에 포함되도록 의도된다.
본 명세서의 첨부 도면에 도시되어 있는 장치의 각 구성요소는 도면에 명시적으로 도시된 형태, 크기, 치수뿐만 아니라 본 발명이 의도하는 기능을 수행할 수 있는 형태, 크기, 치수라면 어느 것이든 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성요소로서 설명되는 부품 등의 개수는, 따로 언급되지 않더라도 발명의 작동이 불가능하지 않는 범위에서 필요에 따라 다르게 선택될 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명의 설명에 필요한 최소한의 구성요소만을 설명하며, 본 발명의 본질과 관계가 없는 구성요소는 언급하지 아니한다. 그리고 언급되는 구성요소만을 포함하는 배타적인 의미로 해석되어서는 아니되며 언급되지 않은 다른 구성요소도 포함할 수 있는 비배타적인 의미로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위해 침습 대상이 혈관인 경우에 대해서 설명하지만 침습의 대상은 혈관에 제한되지 않으며 예를 들어 신경이나 동맥 등도 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에는 본 발명의 영상 획득 장치를 포함하는 자동 신체 침습 장치(100)의 사시도가, 도 2에는 주요 구성요소가 분해된 분해 사시도가 도시되어 있다. 자동 신체 침습 장치(100)는, 영상 획득부(20)와, 영상 획득부(20)를 이동시키는 제1 이동 유니트(30)와, 침습부(40)와, 침습부(40)를 이동시키는 제2 이동 유니트(50)와, 신체 고정부(110)와, 프레임(200)과, 신체 안착부(300)를 포함한다.
영상 획득부(20)는 신체의 내부를 확인할 수 있는 장치로서 예를 들어, 초음파 프로브, 광음향 영상 장치(photoacoustic imaging device), 또는 근적외선 발광부를 구비하여 신체 내부에서 반사되는 빛의 위치 좌표를 파악하기 위한 ToF 센서(time of flight sensor)가 부착된 장치, CT, MRI 등이 될 수 있으며, 전술한 장치에 제한되는 것은 아니다.
신체 고정부(110)는 침습 대상이 되는 신체를 움직이지 않도록 고정시키는 장치로서 본 발명에 의한 자동 침습 장치가 채혈을 하는 경우에 사용되는 경우 상완을 고정할 수 있다.
프레임(200)은, 서로 이격된 한 쌍의 기둥부(210, 230)과, 기둥부(210, 230) 사이에서 연장하는 가로부(250)를 포함할 수 있다. 가로부(250)에는, 제1 가이드고정부(251)와, 제2 가이드 고정부(253)가 제공될 수 있다.
신체 안착부(300)는, 침습 대상의 신체를 놓이는 부분으로서 채혈을 위한 침습을 하는 경우에는 하완이 놓이는 곳이다.
도 3에는 제1 이동 유니트(30)의 분해 사시도가 도시되어 있다. 도 3에서 y 방향을 1-1 방향으로, x 방향을 1-2 방향으로, z 방향을 회전축으로 하는 회전 방향을 1-3 방향으로 정의한다.
제1 이동 유니트(30)는, 제1-2 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시키는 제1-2 이동 모듈(31)과, 제1-1 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시키는 제1-1 이동 모듈(32)과, 제1-3 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시키는 제1-3 이동 모듈(33)을 포함한다. 제1-1 이동 모듈 내지 제1-3 이동 모듈은 각각 별개의 구성요소로 도시되고 설명되지만 하나의 일체된 구성요소로 구성할 수도 있고, 또는 그 중 어느 두 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시키는 기능을 수행하는 하나의 이동 모듈과, 나머지 하나의 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시키는 다른 하나의 이동 모듈로도 구성할 수 있다.
제1-2 방향(x축 방향)은 침습 대상의 횡방향이고, 제1-1 방향(y축 방향)은 침습 대상의 높이 방향이며, 제1-3 방향은 침습 대상의 길이 방향(z축 방향)을 회전축으로 하는 회전 방향 즉, xy평면에서의 회전 방향이다. 자동 침습 장치(100)는 정맥에 침습하여 채혈하거나 약물 등을 주사할 수 있고, 정맥에 침습 후 카테터 등의 의료 기기를 신체 내로 넣기 위한 장치가 될 수 있으며, 의료 술기에 속한다면 침습의 목적이나 종류에 제한이 있는 것은 아니다.
제1-2 이동 모듈(31)은, 구동부(311)와, 서로 이격된 한 쌍의 풀리(313, 314)와, 한 쌍의 풀리(313, 314)에 걸려 있는 타이밍벨트(312)와, 고정부(315)와, 제1 타이밍벨트 연결부(325)와, 가이드(37)를 포함한다. 타이밍벨트(312)에는 치부(316)가, 풀리(313, 314)에는 치부(316)와 치합하는 치부(317)가 제공될 수 있다. 제1-1 이동 모듈(32)의 타이밍벨트(322)와 풀리(323, 327)에도 치부가 제공될 수 있다.
본 명세서에서 "구동부"는 피구동체를 소정의 방향으로 이동시키는 장치로서 예를 들어 모터가 될 수 있으며, 그 종류에 제한되는 것은 아니다.
한 쌍의 풀리(313, 314) 중 적어도 어느 하나는 구동부(311)에 의해서 구동될 수 있다. 고정부(315)는 한 쌍의 풀리(313, 314) 중 적어도 어느 하나에 제공될 수 있으며, 예를 들어 고정부(315) 하부의 장착공(318)과 프레임(200)의 가로부(250)의 장착공(255)이 정렬되어 볼트 체결될 수 있다. 제1 타이밍벨트 연결부(325)는 타이밍벨트(312)에 연결되며 또한, 가이드(37)에 슬라이딩 이동이 가능하도록 제공된다. 또한, 제1 타이밍벨트 연결부(325)는 후술하는 제1-3 이동 모듈(33)에 연결될 수 있다. 가이드(37)는 제1-2 방향을 따라 연장하며, 가로부(250)의 제1 가이드 고정부(253)에 고정될 수 있다.
본 명세서에서 "소정의 방향" 또는 "소정의 방향을 따라"에서 "소정의 방향"은 언급된 방향과 평행하거나 정렬된 방향만을 의미하는 것으로 해석되어서는 아니되며 언급된 방향과 소정의 각도를 이루는 방향도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
구동부(311)가 작동하면 풀리(313, 314)의 회전에 의해 타이밍벨트(312)는 제1-2 방향(x 방향) 즉 침습 대상의 횡방향을 따라서 구동되며, 제1 타이밍벨트 연결부(325)에 의해 타이밍벨트(312)에 연결된 제1-3 이동 모듈(33)이 가이드(37)을 따라서 제1-2 방향으로 이동할 수 있다. 후술하는 바와 같이 제1-3 이동 모듈(33)은 제1-1 이동 모듈(32)의 몸체부(324)에 연결되어 있으므로, 제1-2 이동 모듈(31)에 의해 영상 획득부(20)가 제1-2 방향(x 방향)으로 이동할 수 있다.
제1-1 이동 모듈(32)은, 구동부(321)와, 서로 이격된 한 쌍의 풀리(323, 327)와, 한 쌍의 풀리(323, 327)에 걸려 있는 타이밍벨트(322)와, 몸체부(324)와, 몸체부(324)에 제공되는 가이드(34)를 포함한다. 한 쌍의 풀리(323, 327) 중 적어도 어느 하나는 구동부(321)에 의해서 구동될 수 있다. 가이드(34)는 제1-1 방향(y방향)을 따라 몸체부(324)에서 연장할 수 있다. 몸체부(324)는 제1-3 이동 모듈(33)의 구동부(331)의 회전축(332)에 z축을 회전축으로 즉 xy 평면에서 회전 가능하도록 연결될 수 있다.
본 발명에 의한 자동 신체 침습 장치는, 영상 획득부(20)를 거치하는 거치대(35)를 더 포함할 수 있다. 거치대(35)는 가이드(34)에 연결되는 가이드 연결부(351)와, 타이밍벨트(322)에 연결되는 제2 타이밍벨트 연결부(355)와, 영상 획득부(20)를 고정하는 고정 부재(353)을 포함한다. 가이드 연결부(351)는 가이드(34)에 슬라이딩 이동이 가능하도록 제공된다.
구동부(321)가 작동하면 풀리(323, 327)의 회전에 의해서 타이밍벨트(322)는 제1-1 방향(y 방향) 즉 침습 대상의 높이 방향을 따라서 구동되며, 제2 타이밍벨트 연결부(355)에 의해서 타이밍벨트(322)에 연결된 거치대(35)가 가이드(34)를 따라서 제1-1 방향으로 이동할 수 있으며, 결과적으로 거치대(35)에 거치되어 있는 영상 획득부(20)가 제1-2 방향으로 이동할 수 있다.
제1-3 이동 모듈(33)은 구동부(331)와 구동부의 출력축(332)을 포함한다. 출력축(332)은, 제1-1 이동 모듈(32)의 몸체부(324)에 연결된다. 구동부(331)가 작동하면, 출력축(332)이 회전하고, 그 회전에 의해 몸체부(324)는 xy평면상 즉 z축을 회전축으로 하여 회전할 수 있다. 몸체부(324)가 회전하면 몸체부(324)에 연결된 거치대(35)와 영상 획득부(20) 역시 같은 방향으로 회전할 수 있다.
본 명세서에서 "소정의 회전축에 대해서 회전" 또는 "소정의 평면에서의 회전"의 의미는 언급된 회전축 또는 평면과 평행하거나 정렬된 방향만을 따르는 것으로 해석되어서는 아니되며 언급된 방향과 소정의 각도를 이루는 회전축에 대한 회전 또는 언급된 평면과 소정의 각도를 이루는 평면에서의 회전도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
제1 이동 유니트(30)는, z축 방향 즉 침습 대상의 길이 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시킬 수 있는 추가적인 추가 이동 모듈(도시되지 않음) 및 xz 평면상에 회전시키는, 즉 제1-1 축을 회전축으로 회전시키는 회전 모듈(도시되지 않음)을 더 포함할 수 있다. 추가 이동 모듈은 영상 획득부(20)의 이동의 자유도를 높이고 및 혈관 주행 방향 파악을 용이하게 할 수 있으며, 회전 모듈은 후술하는 바와 같이 혈관 주행 방향을 파악할 수 있게 해 준다. 상기 추가 이동 모듈은 전술한 제1-1 이동 모듈 내지 제1-3 이동 모듈 중 적어도 어느 하나에 합체되어 기능할 수도 있고, 또는 별개의 이동 모듈로 제공될 수도 있다.
도 4에는 자동 신체 침습 장치의 제2 이동 유니트(50)의 분해 사시도가 도시되어 있다.
제2 이동 유니트(50)는, 침습부(40)를 제2-1 방향(x')으로 이동시키는 제2-1 이동 모듈(51)과, 침습부(40)를 제2-2 방향(y')으로 이동시키는 제2-2 이동 모듈(52)과, 침습부(40)를 제2-3 방향으로 이동시키는 제2-3 이동 모듈(53)을 포함한다. 제2-3 방향은 y'z' 평면과 평행한 평면상에서 z'축에 대해 소정의 각도를 이루는 방향일 수 있다.
제2-1 이동 모듈(51) 내지 제2-3 이동 모듈(53)은 각각 별개의 구성요소로 도시되고 설명되지만 하나의 일체된 구성요소로 구성할 수도 있고, 또는 그 중 어느 두 방향으로 침습부(40)를 이동시키는 기능을 수행하는 하나의 이동 모듈과, 나머지 하나의 방향으로 침습부(40)를 이동시키는 다른 하나의 이동 모듈로도 구성할 수 있다.
제2-1 방향(x')과, 제2-2 방향(y')과, z' 방향 각각은 제1-1 방향(x)과, 제1-2 방향(y)과, 제1-3 방향(z)과 각각 동일한 방향으로 설정할 수도 있고, 서로 다른 방향으로 설정할 수도 있다. 바람직한 실시예에서는, 제2-3 방향은 제1-3 방향과 소정의 각도를 이루는 방향으로 설정될 수 있다. 소정의 각도는, 5도 내지 60도, 바람직하게는 20도 내지 45도의 각도가 될 수 있다.
제2-1 이동 모듈(51)은, 스크류(511)와, 스크류의 회전에 따라 스크류상에서 이동하는 이동자(512)와, 몸체부(514)와, 구동부(515)와, 가이드(54)를 포함한다. 스크류(511)는 제2-1 방향(x' 방향)을 따라 연장한다. 이동자(512)는 고정부(526)에 고정된다. 고정부(526)는, 아래쪽에 가이드(54)에 슬라이딩 가능하게 연결되는 가이드 장착부(527)를 포함한다. 고정부(526)는 제2-2 이동 모듈(52)의 몸체부(524)에 제공될 수 있다. 가이드(54)는 제2-1 방향을 따라 연장하며 프레임(200)의 가로부(250)의 제2 가이드 고정부(251)에 고정될 수 있다.
구동부(515)가 작동하면 스크류(511)가 회전하면서 이동자(512)가 스크류(511)상에서 제2-1 방향을 따라서 이동하며, 그에 따라 고정부(526)는 가이드(54)를 따라서 안내되어 제2-1 방향을 따라 이동하고, 몸체부(524) 역시 제2-1 방향으로 이동할 수 있다. 후술하는 바와 같이, 침습부(40)가 제공되는 제2-3 이동 모듈(53)이 제2-2 이동 모듈(52)에 고정되므로 결과적으로 구동부(515)의 작동에 의해서 침습부(40)가 제2-1 방향으로 이동할 수 있다.
제2-2 이동 모듈(52)은 스크류(521)와, 스크류의 회전에 따라 스크류상에서 이동하는 이동자(522)와, 몸체부(524)와, 구동부(525)와, 고정부(526)를 포함한다. 이동자(522)는 제2-3 이동 모듈(53)의 고정부(535)에 고정되어, 제2-2 이동 모듈(52)과 제2-3 이동 모듈(53)이 연결된다. 스크류(521)는 제2-2 방향(y' 방향)을 따라서 연장한다. 이동자(522)가 슬라이딩 이동 가능하게 연결되는 가이드(도시되지 않음)가 몸체부(524)에 제공될 수 있다.
구동부(525)가 작동하면 스크류(521)가 회전하면서 이동자(522)가 스크류(521)상에서 제2-2 방향을 따라서 안내되어 제2-2 방향을 따라 이동하므로, 이동자(522)에 연결된 제2-3 이동 모듈(53) 역시 제2-2 방향을 따라 이동하고, 제2-3 이동 모듈(53)에 제공되는 침습부(40) 역시 제2-2 방향으로 이동할 수 있다.
제2-3 이동 모듈(53)은 스크류(531)와, 이동자(532)와, 몸체부(534)와, 고정부(535)와, 구동부(536)와, 제2-3 방향을 따라 연장하며 몸체부(534)에 제공되는 가이드(537)를 포함한다. 스크류(531)는 제2-3 방향으로 연장한다. 이동자(532)는 침습부(40)에 제공되는 고정부(533)에 고정된다. 침습부(40)는 몸체부(41)와, 피스톤(43)과, 신체에 침습하는 니들(45)과, 고정부(533)를 포함한다. 고정부(533)에는 가이드(537)에 슬라이딩 이동 가능하게 연결되는 가이드 장착부(538)이 제공된다. 침습부(40)는 예를 들어 혈액의 유입을 감지할 수 있는 센서(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 혈액의 유입을 감지하는 센서는, 혈액의 색깔을 검지하는 센서 또는 흡광도를 검지해서 혈액을 검지하는 센서가 될 수 있다. 상기 센서는, 침습부(40)가 아닌 제2 이동 유니트(50)의 다른 부분에 제공될 수도 있다.
구동부(536)가 작동하면 스크류(531)가 회전하면서 이동자(532)가 스크류(531) 상에서 제2-3 방향을 따라서 이동하며, 그에 따라 이동자(532)에 고정부(533)가 연결된 침습부(40)는 가이드(537)를 따라서 제2-3 방향을 따라서 이동한다.
제2 이동 유니트(52)는, 침습부(40)의 각도를 조정하는 이동 모듈(도시되지는 않음)를 더 포함할 수 있다. 침습부(40)의 각도 조정은 y'축을 회전축으로 침습부(40)를 회전시키는 방법과, y'z' 평면 즉 x'축을 회전축으로 침습부(40)를 회전시키는 방법이 있다. 앞의 회전에 의하면, 니들(45)이 침습할 때 혈관의 주행 방향과 정렬되도록 침습부(40)의 각도를 조정할 수 있으므로 채혈 정확도를 높일 수 있다. y'z 평면 즉 x'축을 회전축으로 침습부(40)를 회전시키면 침습 각도를 조정할 수 있으므로 침습 깊이 등을 조정할 수 있는 효과가 있다. y'축을 회전축으로 하는 회전과 x'축을 회전축으로 하는 회전은 하나의 이동 모듈에 의해서 수행될 수도 있고, 별개로 구별되는 두 개 또는 그 이상의 이동 모듈에 의해서 수행될 수도 있다. 또는, 전술한 제2-1 이동 모듈 내지 제2-3 이동 모듈 중 적어도 어느 하나에 상기 회전 구동을 추가할 수도 있다.
제1-1 이동 모듈 및 제1-2 이동 모듈에는 피구동부로 모터를 통한 압력 입출력의 측정이 용이하도록 타이밍벨트를 사용하고, 제2-1 이동 모듈(51) 내지 제2-3 이동 모듈(53)에는 피구동부로 위치 정밀도를 확보하기 위해 스크류를 사용하였지만, 이는 단지 예시적인 실시예일 뿐이며 어느 하나의 예에 제한되는 것은 아니다. 즉 제1-1 이동 모듈 내지 제1-3 이동 모듈 중 적어도 어느 하나의 피구동부로 스크류를 사용할 수 있고, 또는 제2-1 이동 모듈(51) 내지 제2-3 이동 모듈(53) 중 적어도 어느 하나의 피구동부로 타이밍벨트를 사용할 수 있다. 또는 피구동부로 래크-피니언(도시되지 않음) 메커니즘을 사용할 수도 있으며, 구동부의 동력을 전달받아서 소정의 방향으로 구동되는 피구동부로 공지되어 있는 수많은 메커니즘을 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 자동 침습 장치에서 이동하는 부분 예를 들어, 거치대(35), 침습부(40), 가이드 연결부(351), 제1 타이밍벨트 연결부(325) 등에 소정의 태그 장치(도시되지 않음)를 부착할 수 있다. 그렇게 하는 경우에는 태그의 위치만 센서나 카메라 등으로 트래킹하면, 다른 부품들과의 배치 관계 등에 기초하여 타 부분들의 위치도 쉽게 산출할 수 있다.
자동 침습 장치의 구동부 제어 또는 각 부품들의 위치 산출은 별도로 제공되는 제어부(도시되지 않음)에 의해서 수행된다. 제어부는 본 발명의 자동 침습 장치에 연결된 전자적 연산 장치 예를 들어, PC, 스마트폰, 태블릿PC가 될 수 있고, 또는 원격으로 연결된 서버가 될 수도 있다.
다음으로 본 발명에 의한 자동 신체 침습 장치의 작동에 대해서 설명한다. 설명의 편의를 위해서 신체 침습의 목적이 채혈인 경우, 영상 획득부(20)가 초음파 프로브인 경우를 예로 들지만 그러한 예에 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 이하의 작동은 본 발명의 실시에 적합하게 고안된 컴퓨터 프로그램에 의해서 제어부(도시되지 않음)가 수행하며, 침습 대상 위치 탐지는 공개되어 있는 영상 분석 기술 및 인공지능에 의한 기계학습 특히 컨볼루션 신경망 학습 기술을 이용하여 적용할 수 있다.
채혈을 위해서는 먼저 표재 정맥의 위치를 탐지하고, 침습부(40)를 탐지된 위치로 이동시킨 후, 해당 위치에 니들(45)을 침습시킨 후 채혈을 수행할 수 있다.
피시술자가 먼저 팔을 고정 유니트(110)을 통과시켜 하완을 안착부(350)에 두게 된다. 다음으로 제1-2 이동 모듈(31)과 제1-1 이동 모듈(32) 중 적어도 어느 하나를 구동시켜서 영상 획득부(20)를 침습 대상으로 이동시킨다(단계 500). 최초에는 침습 대상의 중앙 지점으로 영상 획득부(20)를 이동시키는 것이 바람직하다.
다음으로 다음과 같이 피침습 기관의 위치를 탐지한다(단계 510). 이 단계는 전술한 바와 같이, 본 명세서에 그 전체 내용이 병합되는 한국특허출원 제10-2020-0010302호에 기재된 방법이 사용될 수도 있고, 영상 분석을 바탕으로 하는 기계학습을 기반으로 한 다른 탐지 방법이 사용될 수도 있다.
영상 획득부(20)가 초음파 프로브인 경우에는 영상 획득부(20)를 침습 대상에 접촉할 때까지 이동시킨다. 예를 들어, 제1-2 방향과 제1-3 방향 중 적어도 어느 하나의 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시킨 후에 침습 대상의 위에 배치시킨다. 이후에 제1-1 방향(y방향)으로 영상 획득부(20)가 더욱 하강하게 구동부(321)를 구동시켜서 영상 획득부(20)를 침습 대상에 접촉시킨다. 본 실시예에서는 채혈을 목적으로 하므로 하완의 표재 정맥의 위치를 탐지하는 것이 목적이다. 영상 획득부(20)가 침습 대상에 접촉하는지 여부는 구동부(321)에 걸리는 부하를 검지하여 확인할 수 있다. 영상 획득부(20)가 초음파 프로브인 경우에는 구동부(321)에 걸리는 부하에 의해서 초음파 프로브가 누르는 압력을 조절할 수 있다. 초음파 프로브가 침습 대상을 누르는 압력은 0-50mmHg가 될 수 있고, 바람직하게는 5-30mmHg가 될 수 있다.
초음파 프로브를 통해서 획득되는 침습 대상의 영상 분석을 통해서 침습 대상이 가장 크게 보이는 시점의 압력을 유지할 수 있다. 침습 대상이 확인되지 않으면 영상 획득부(20)를 다른 위치로 이동시켜서 다시 탐지한다. 침습 대상 확인 위치 순서는, 1차적으로는 신체의 중앙부에서 탐지를 하고, 침습 대상이 확인되지 않으면, 영상 획득부(20)를 제1-2 방향으로 이동시켜서 2차적으로는 신체의 가쪽(신체의 정중앙에서 먼 방향)을 우선적으로 탐지할 수 있다. 전술한 추가 이동 모듈 즉 z축 방향 이동 모듈이 제공되는 실시예에서는, 2차 탐지에서도 침습 대상이 확인되지 않으면 z축 방향으로 즉 신체로부터 멀어지는 방향으로 영상 획득부(20)를 이동시켜서 추가 탐지를 할 수 있으며, 소정의 횟수 동안에도 침습 대상 확인이 되지 않으면 채혈 불가로 처리할 수 있다.
초음파 프로브의 면은 평면인 반면에 신체는 그렇지 않기 때문에 초음파 프로브가 신체로부터 이격되어 떨어져 있을 수 있다. 그러한 경우에는 제1-3 구동부를 구동시켜서 영상 획득부(20)를 xy 평면에서 회전시킴으로써 신체에 접촉하게 하여 영상을 획득하게 할 수 있다.
본 발명에 의한 초음파 프로브(20)가 신체에 접촉하는 압력을 정량화할 수 있으며, 그러한 데이터를 기계학습에 사용함으로써 최적의 누름 압력과 시점, 위치를 학습할 수 있는 작용효과가 있다. 이는 초음파 영상 내에서 관찰되는 해부학적 구조물들을 정확하게 분류하기 위한 추가적인 학습 정보로 활용될 수 있다. 예를 들어, 정맥과 피하지방만 눌리는 압력, 근육이 눌리는 압력, 동맥까지 눌리는 압력 등을 학습 정보로 사용함으로써 기계학습의 정확도를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 자동 신체 침습 장치의 작동을 위해서는, 특히 영상 획득부(20)와 침습부(40)의 위치가 정확하게 획득되어야 한다.
본 발명에 의한 자동 신체 침습 장치의 각 구성요소의 차원(dimension)과, 구동부의 제어값(출력 값 등)을 알고 있기 때문에 소정의 구동을 실행한 후에 각 구성요소의 위치를 제어부가 산출할 수 있다. 그러한 위치 산출 방법은, 공지되어 있는 산출법을 사용할 수 있으며 본 발명의 본질적인 부분은 아니라서 자세한 설명을 생략한다.
각 구성요소의 위치를 센서나 카메라를 통해서도 확인할 수 있다. 예를 들어 거리 정보를 획득하기 위해 두 개 이상의 카메라(도시되지 않음)를 사용하여 광각을 통한 거리 확인을 할 수 있고, 또는 거리 또는 위치 센서(도시되지 않음)도 함께 사용해서 위치 정보를 획득할 수 있다. 거리 센서는 구동부에 의해서 이동한 구성요소 사이의 거리를 측정하는 센서가 될 수 있고, 위치 센서는 소정의 구성요소가 미리 결정되어 있는 특정 위치에 배치되었는지 여부를 확인하는 센서로서, 이들 센서는 적외선 센서나 레이저 센서가 될 수 있다.
제어부에 의해서 산출된 위치와 센서나 카메라를 통해서 획득한 위치가 상이하면 제어부에서 산출된 위치를 센서나 카메라를 통해 획득한 위치로 업데이트한다.
영상 획득부(20)가 획득한 영상 분석과 기계학습을 통해서, 침습 대상의 위치가 확인되면 다음으로 혈관의 주행 방향을 확인하는 과정을 수행할 수 있다. 혈관의 주행 방향을 확인하기 위해서는, 영상 획득부(20)를 침습 대상의 길이 방향 즉 z 방향으로 이동시키면서 영상 분석을 통해 확인하거나, 또는 영상 획득부(20)를 y축을 회전축으로 회전시킨 후 영상 분석을 통해 확인할 수 있다. 혈관의 주행 방향 확인을 위해서는 전술한 바와 같이 추가 이동 모듈 및/또는 회전 모듈(도시되지 않음)이 더 필요할 수 있다.
통상적으로 사람이 채혈을 할 때와 달리, 본 발명에서는 혈관의 주행 방향을 반드시 확인할 필요는 없다. 상기 과정은 니들 삽입 성공 확률을 높이기 위한 것으로서 본 발명에 필수적인 요소는 아니다.
상기 과정을 거쳐서 침습 대상의 위치가 확인되면, 제2-1 구동부(515) 내지 제2-3 구동부(536) 중 적어도 어느 하나가 작동하여 침습부(40)를 침습 대상에 인접하도록 이동시킨다(단계 520). 그 후에 제2-3 방향으로 니들(45)을 더 이동시켜 침습 시키고(단계 530), 피스톤(43)을 외측으로 이동시킴으로써 채혈을 수행한다. 피스톤(43) 이동 모듈은 도시의 편의를 위해 생략하였다. 침습부(40)에 혈액의 유입을 감지할 수 있는 센서가 제공되면, 침습부(40) 내로 혈액이 진입할 때 채혈 성공으로 검지할 수 있다. 니들(45)이 삽입되기 전 또는 채혈하는 동안에 침습 대상 즉 혈관의 위치를 실시간으로 트래킹하는 것이 바람직하므로, 초음파 프로브(20)가 침습 대상에 접촉하고 있는 상태에서 니들(45)이 소정의 방향 즉 제2-3 방향으로 침습하는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 사람이 채혈을 할 때와 달리 니들(45)의 침습 경로와, 혈관의 주행 방향이 하나의 평면에 위치할 필요가 없다. 사람이 채혈할 때처럼 니들(45)의 각도를 바닥에 대해서 최대한 작은 각도로 하게 되면 혈관이 밀리는 문제, 혈관의 벽 부분을 긁어서 손상시킬 수 있는 문제가 생길 수 있지만, 본 발명에 의한 자동 침습 장치는 혈관의 영상과 니들(45)의 삽입 각도 및 위치를 영상 획득부(20)의 영상 분석에 의해서 실시간으로 파악하면서 적정 깊이로 삽입할 수 있으므로 니들(45)의 삽입 각도를 사람이 채혈할 때보다 크게 할 수 있어서 침습 범위를 최소화할 수 있다.
나아가 니들(45)의 삽입 각도를 혈관의 주행경로와 초음파 프로브와 같은 평면에 위치시킬 필요도 없는 장점이 있다.
영상 획득부(20)가, 접촉이 필요없는 광음향 영상 장치(photoacoustic imaging device)인 경우에는 영상 획득부(20)가 침습 대상에 접촉하지 않은 상태에서 니들(45)이 침습하여 채혈할 수도 있다. 그러한 경우라면 니들(45)이 좀 더 수직에 가까운 각도로 침습할 수 있기 때문에 침습 범위를 더욱 최소화할 수 있다.
이상 첨부 도면을 참고하여 본 발명에 대해서 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며 전술한 실시예 및/또는 도면에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및 수정도 본 발명의 권리범위에 포함된다는 점이 명백하게 이해되어야 한다.
30: 제1 이동 유니트 31: 제1-2 이동 모듈
32: 제1-1 이동 모듈 33: 제1-3 이동 모듈
34: 가이드 35: 거치대
40: 침습부 43: 피스톤
45: 니들 50: 제2 이동 유니트
51: 제2-1 이동 모듈 52: 제2-2 이동 모듈
53: 제2-3 이동 모듈 54: 가이드
110: 고정 유니트 200: 프레임
210: 기둥부 250: 가로부

Claims (8)

  1. 신체의 내부 기관의 영상을 획득할 수 있는 영상 획득부와,
    영상 획득부를 이동시키는 제1 이동 유니트와,
    영상 획득부가 영상 획득 대상 신체를 누르는 압력을 측정하는 압력 측정부를 포함하며,
    제1 이동 유니트는,
    영상 획득부를 영상 획득 대상 신체를 누르거나 누름 상태를 해제하는 제1-1 방향으로 이동시키는 제1-1 이동 모듈을 포함하는,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 이동 유니트는,
    영상 획득부를 제1-2 방향으로 이동시키는 제1-2 이동 모듈과, 제1-3 방향으로 이동시키는 제1-3 이동 모듈을 더 포함하며,
    제1-2 방향과 제1-3 방향 중 어느 하나는 영상 획득 대상 신체의 길이 방향을 회전축으로 회전하는 방향인,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    제1-1 이동 모듈 내지 제1-3 이동 모듈 중 적어도 어느 하나는,
    구동부와; 구동부에 의해서 구동되어 영상 획득부를 제1-1 방향으로 이동시키도록 연결되는 피구동부를 포함하며,
    피구동부는, 적어도 두 개의 풀리에 걸려 있는 타이밍 벨트와; 구동부에 의해서 구동되는 스크류; 구동부에 구동되는 피니언/래크 메커니즘 중 적어도 어느 하나인,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    영상 획득부는 초음파 프로브와; 광음향 영상 장치(photoacoustic imaging device)와; 근적외선 발광부를 구비하여 신체 내부에서 반사되는 빛의 위치 좌표를 파악하기 위한 ToF 센서(time of flight sensor)가 부착된 장치와; CT와; MRI 중 적어도 어느 하나인,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    신체의 내부 기관은 혈관인,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    제1 이동 유니트는, 제1-1 방향을 회전축으로 영상 획득부를 회전시키는 제1-4 구동 모듈; 및 영상 획득 대상 신체의 길이 방향을 따라 영상 획득부를 이동시키는 제1-5 구동 모듈 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    제1 이동 유니트에 의해 이동하는 부품의 위치를 감지하는 위치 감지 센서 및 부품간의 상대적 거리를 감지하는 거리 센서 중 적어도 어느 하나를 더 포함하는,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    제1 이동 유니트에 의해 이동하는 부품 중 적어도 어느 하나가 위치 추적용 태그를 포함하는,
    인공 지능 학습용 영상 획득 장치.
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