WO2011010896A2 - 3차원 초음파 스캐너 - Google Patents

3차원 초음파 스캐너 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무게가 가볍고 손에 잡기 편하며 정밀한 성능을 가진 3차원 초음파 스캐너를 제공하기 위한 방안으로서, 모터를 트랜스듀서 유닛의 스윙 축에 수직 방향으로 배치하면서 작은 용량의 모터로 동작할 수 있고 백래쉬가 발생하지 않는 새로운 구조의 스윙 메커니즘을 제안한다. 이를 위해, 본 발명에 의한 스윙 메커니즘은 모터의 회전축에 연결된 암 홀더와, 암 홀더에 연결되어 모터의 회전축을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전하는 암과, 암에 부착되어 암과 함께 이동하는 링크와, 링크에 연결되어 암의 회전력을 트랜스듀서 유닛에 전달하는 샤프트를 포함한다. 이러한 구조의 스윙 메커니즘은 작은 용량의 모터를 사용하더라도 동작 가능하고 풀리나 기어 또는 벨트를 사용하지 않아 백래쉬가 없기 때문에 무게가 가볍고 정밀한 성능을 나타내는 3차원 초음파 스캐너를 구현할 수 있다.

Description

3차원 초음파 스캐너
본 발명은 3차원 초음파 스캐너에 관한 것으로서, 상세하게는 스캐너의 구조를 잡기 편하고 가볍게 할 수 있는 스윙 메커니즘을 제공하여 사용자의 편의를 증대시킨 3차원 초음파 스캐너에 관한 것이다.
의료분야에서 초음파 진단 기술은 널리 알려져 있다. 초음파 진단장치는 초음파 진단을 위한 본체와 초음파 스캐너로 구성된다. 초음파 스캐너는 초음파를 방사하고 수신하는 다수의 트랜스듀서(transducer)로 이루어진 어레이 트랜스듀서(array transducer)를 포함한다. 초음파 스캐너를 진단하려는 신체의 피부에 접촉하면 어레이 트랜스듀서로부터 방사된 초음파가 진단 객체에 부딪힌 후 반사되어 돌아온다. 초음파 진단장치는 반사되어 돌아온 신호를 처리 및 분석하여 신체 내부의 단면 이미지를 모니터를 통해 시각적으로 표시한다.
초음파 스캐너에 구비된 어레이 트랜스듀서가 고정되어 있는 경우 3차원 이미지를 합성하기가 매우 어렵다. 3차원 이미지를 얻기 위해 사용자가 초음파 스캐너를 의도적으로 기울이거나 이동시킬 수 있으나, 최적의 각도 및 위치로 진단 객체를 관찰할 수 없으며 데이터 획득 시 왜곡이 발생하게 된다.
도 1은 종래 3차원 초음파 스캐너의 내부 구성을 나타낸 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 3차원 초음파 스캐너(10)는 그 외부가 스캐너 케이스(12)로 둘러싸여 있으며, 스캐너 케이스(12) 내에는 스윙 메커니즘(swing mechanism)(16)에 의해 왕복 운동하는 어레이 트랜스듀서(14)가 배치되어 있다. 스캐너 케이스(12)의 내부는 베이스(18)에 의해 두 개의 공간으로 나뉜다. 베이스(18)의 상부 공간에는 스윙 메커니즘(16)이 배치되고, 베이스(18)의 하부 공간에는 어레이 트랜스듀서(14)가 배치된다.
스윙 메커니즘(16)은 베이스(18) 상에 안착된 모터(20), 기어(22), 샤프트(shaft)(24) 및 암(arm)(26)으로 구성된다. 어레이 트랜스듀서(14)는 암(26)을 통해 스윙 메커니즘(16)에 매달려 있는 구조를 가진다. 이러한 구성에서, 모터(20)가 구동되면 기어(22), 샤프트(24) 및 암(26)의 순차적인 동작에 따라, 어레이 트랜스듀서(14)는 샤프트(24)의 축을 중심으로 스윙 동작을 하게 된다. 어레이 트랜스듀서(14)가 반복적인 스윙 동작을 하면, 스윙 범위 내에서 스캔 면이 순차적으로 반복 획득되므로 이를 이용하여 3차원 초음파 이미지를 만들어낼 수 있다.
그러나 종래의 3차원 초음파 스캐너의 경우 모터가 스윙 축과 나란히 배치되어 있어서 스캐너의 손잡이 부분이 커지기 때문에 사용자가 스캐너를 손으로 잡기 불편하다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 3차원 초음파 스캐너는 여러 개의 풀리나 벨트 또는 기어를 사용하기 때문에 어레이 트랜스듀서의 감속비가 커져서 고속의 회전을 위한 큰 용량의 모터를 사용해야 하므로 전체적으로 무게가 무거워지는 문제점이 있다.
이와 같이 스캐너의 구조가 잡기에 불편하고 무거우면 계속적으로 스캐너를 사용해야 하는 사용자의 손목에 무리가 가서 손목 통증을 유발할 수 있다.
또한, 풀리나 벨트 또는 기어를 사용하게 되면 스캐너 제작 시 배치 조정(align)을 정밀하게 해야 하는 어려움이 있고, 부품 사이의 백래쉬(backlash) 유발로 3차원 초음파 진단 시 이미지가 정밀하지 못하고 스캐너에 이상 동작이 발생할 수 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 초음파 진단 시 사용자의 손목에 무리가 가지 않도록 잡기 편하고 가벼운 3차원 초음파 스캐너를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 스윙 메커니즘의 백래쉬가 발생하지 않음으로써 정밀한 성능을 나타낼 수 있는 3차원 초음파 스캐너를 제공하는 것이다.
이를 위하여, 본 발명에 의한 3차원 초음파 스캐너는, 스캐너 케이스와, 상기 스캐너 케이스의 내부 저면에 배치된 트랜스듀서 유닛과, 상기 트랜스듀서 유닛의 스윙 축에 수직 방향으로 배치된 모터와, 상기 모터의 회전력을 상기 트랜스듀서 유닛에 전달하여 상기 트랜스듀서 유닛을 왕복 운동시키는 스윙 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 3차원 초음파 스캐너는, 손잡이 및 스캐닝 바디로 이루어진 스캐너 케이스와, 상기 스캐너 바디의 내부 저면에 배치된 트랜스듀서 유닛과, 상기 손잡이에 삽입되고 회전축이 상기 트랜스듀서 유닛의 스윙 축과 수직이 되도록 배치된 모터와, 상기 모터의 회전에 따라 회전축을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전하는 제1 동력 전달수단과, 상기 제1 동력 전달수단의 회전력을 상기 트랜스듀서 유닛에 전달하여 상기 트랜스듀서 유닛을 왕복 운동시키는 제2 동력 전달수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 의한 3차원 초음파 스캐너는, 스캐너 케이스와, 상기 스캐너 케이스의 내부 저면에 배치된 트랜스듀서 유닛과, 상기 트랜스듀서 유닛의 왕복 운동을 위한 회전력을 생성하는 모터와, 상기 모터의 회전축에 연결된 암 홀더와, 상기 암 홀더에 연결되어 상기 모터의 회전축을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전하는 암과, 상기 암에 부착되어 상기 암과 함께 이동하는 링크와, 상기 링크에 연결되어 상기 암의 회전력을 상기 트랜스듀서 유닛에 전달하는 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이, 스윙 메커니즘을 구동시키는 모터가 트랜스듀서 유닛의 스윙 축에 수직 방향으로 배치되기 때문에 손잡이의 디자인이 용이하여 사용자가 잡기 편한 3차원 초음파 스캐너를 구현할 수 있다.
또한, 스윙 메커니즘의 구조가 간단하여 작은 용량의 모터를 사용할 수 있기 때문에 무게가 가벼운 3차원 초음파 스캐너를 구현할 수 있다.
또한, 풀리나 벨트 또는 기어를 사용하지 않기 때문에 얼라인(align) 문제없이 스캐너를 쉽게 제작할 수 있고, 부품 마모에 의한 백래쉬(backlash)가 거의 없어서 정밀한 3차원 초음파 스캐너를 구현할 수 있다.
도 1은 종래의 3차원 초음파 스캐너의 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 의한 3차원 초음파 스캐너의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 스윙 메커니즘의 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 링크의 사시도.
본 발명에 의한 실시예를 구체적으로 설명하기에 앞서, 본 발명은 무게가 가볍고 손에 잡기 편하며 정밀한 성능을 가진 3차원 초음파 스캐너를 제공하기 위한 방안으로서, 모터를 스윙 축에 수직 방향으로 배치하면서 작은 용량의 모터로 동작할 수 있고 백래쉬가 발생하지 않는 새로운 구조의 스윙 메커니즘을 제안한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 의한 3차원 초음파 스캐너의 단면도를 나타낸 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 3차원 초음파 스캐너(40)는 스캐너 케이스(42)로 둘러싸여 있으며, 스캐너 케이스(42)의 내부에는 초음파를 방사하고 수신하는 다수의 트랜스듀서로 이루어진 트랜스듀서 유닛(44)과, 트랜스듀서 유닛(44)을 왕복 운동시키는 스윙 메커니즘(46)과, 스윙 메커니즘(46)을 동작시키기 위한 회전력을 생성하는 모터(60)가 포함된다.
스캐너 케이스(42)는 본 발명에 따른 스윙 메커니즘(46) 및 모터(60)의 배치에 의하여 손잡이(42A)와 스캐닝 바디(42B)로 이루어진 형상을 가진다. 스캐너(40)의 손잡이(42A)에는 모터(60)가 배치되고 스캐닝 바디(42B)의 내부 저면에는 트랜스듀서 유닛(44)이 배치된다.
트랜스듀서 유닛(44)은 도시되어 있지는 않지만, 볼록 형상의 표면을 따라 배열된 다수의 트랜스듀서(transducer element)와, 다수의 트랜스듀서에서 방사되는 초음파를 응집하는 렌즈(acoustic lens)와, 다수의 트랜스듀서와 렌즈 사이의 임피던스(impedance)를 매칭 시키기 위한 매칭 레이어(matching layer)와, 불필요하게 방사되는 초음파를 흡수하기 위한 차단 레이어(backing layer)로 구성된다. 트랜스듀서 유닛(44)은 스윙 메커니즘(46)에 의해 왕복 운동하면서 왕복 운동의 각도 범위에서 순차적으로 스캔 면을 반복 생성한다.
스윙 메커니즘(46)은 암 홀더(48), 암(50), 링크(52) 및 샤프트(54)를 포함한다. 도 2 및 도 3을 참조하여, 스윙 메커니즘(46)의 구조를 구체적으로 설명한다. 암 홀더(48)는 모터(60)의 회전 축(68)에 연결되어 모터(60)의 회전력을 암(50)에 전달한다. 암(50)은 암 홀더(48)에 연결되어 암 홀더(48)의 회전에 따라 모터(60)의 회전축을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전을 한다. 링크(52)는 암(50)에 연결되어 암(50)과 함께 이동한다. 링크(52)의 구조는 도 4를 참조하여 후술한다. 샤프트(54)는 링크(52)에 연결되어 암(50)의 회전력을 트랜스듀서 유닛(44)에 전달한다.
스캐너 케이스(42)의 내부에는 프레임(56)이 설치되어 프레임(56)의 상부 공간에는 모터(60)가 배치되고, 프레임(56)의 하부 공간에는 트랜스듀서 유닛(44)이 배치된다. 트랜스듀서 유닛(44)은 프레임(56)의 양단에 설치된 스윙 축(58)에 매달려 있는 구조를 가지며 스윙 축(58)을 중심으로 왕복 운동을 한다. 모터(60)는 모터(60)의 회전 축(68)이 스윙 축(58)에 수직 방향이 되도록 프레임(56)의 상면에 안착된다.
모터(60)에 전원이 공급되어 모터(60)가 회전하면 회전 축(68)에 연결된 암 홀더(48)도 회전 축(68)과 함께 회전한다. 모터(60)는 소정의 각속도로 일정한 각도만큼 정방향 및 역방향의 회전을 반복 수행한다. 이에 따라 암 홀더(48)에 연결된 암(50)은 회전 축(68)을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전을 반복한다.
암(50)의 왕복 회전은 링크(52)를 통해 트랜스듀서 유닛(44)의 상면에 장착된 샤프트(54)로 전달된다. 링크(52)는 암(50)과 샤프트(54)를 연결시켜 암(50)의 회전력이 효과적으로 트랜스듀서 유닛(44)에 전달될 수 있게 한다. 암(50)의 왕복 회전 운동이 링크(52)를 거쳐 샤프트(54)에 전달되면, 샤프트(54)는 트랜스듀서 유닛(44)을 암(50)의 회전 방향에 따라 좌우로 밀어내면서 트랜스듀서 유닛(44)을 왕복 운동시킨다.
도 4를 참조하면, 링크(52)는 두 개의 부재로 구성된다. 즉, 링크(52)는 개구(62A)를 통해 암(50)이 삽입되는 제1 링크 부재(62)와 개구(64A)를 통해 샤프트(54)가 삽입되는 제2 링크 부재(64)로 이루어져 있다. 제1 링크 부재(62)와 제2 링크 부재(64)는 링크 결합부(66)에 의해 연결되며, 바람직하게는 볼 베어링(ball bearing)에 의해 상호 결합된다. 링크(52)는 볼 베어링에 의해 굽힘 동작을 하면서 암(50)과 샤프트(54) 사이의 각도 변화를 보상하게 된다.
암(50)이 삽입되는 제1 링크 부재(62)의 개구(62A)와 샤프트(54)가 삽입되는 제2 링크 부재(64)의 개구(64A)에는 볼 부싱 시스템(ball bushing system)(70)이 적용된다. 볼 부싱 시스템(70)은 반복적인 왕복 회전 시 암(50) 및 샤프트(54)와 링크(52)간에 발생하는 마찰력을 감소시키는 역할을 수행한다.
본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량하거나 변경하는 것이 가능하다. 따라서 도면을 참조하여 설명한 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되며, 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한된다는 것을 알아야 한다.
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본 특허출원은 2009년 07월 24일 한국에 출원한 특허출원번호 제 10-2009-0067761 호에 대해 미국 특허법 119(a)조(35 U.S.C § 119(a))에 따라 우선권을 주장하면, 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다. 아울러, 본 특허출원은 미국 이외에 국가에 대해서도 위와 동일한 동일한 이유로 우선권을 주장하면 그 모든 내용은 참고문헌으로 본 특허출원에 병합된다.

Claims (6)

  1. 3차원 초음파 스캐너에 있어서,
    스캐너 케이스와,
    상기 스캐너 케이스의 내부 저면에 배치된 트랜스듀서 유닛과,
    상기 트랜스듀서 유닛의 스윙 축에 수직 방향으로 배치된 모터와,
    상기 모터의 회전력을 상기 트랜스듀서 유닛에 전달하여 상기 트랜스듀서 유닛을 왕복 운동시키는 스윙 메커니즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 스캐너.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스윙 메커니즘은 상기 모터의 회전축에 연결된 암 홀더와,
    상기 암 홀더에 연결되어 상기 모터의 회전축을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전하는 암과,
    상기 암에 부착되어 상기 암과 함께 이동하는 링크와,
    상기 링크에 연결되어 상기 암의 회전력을 상기 트랜스듀서 유닛에 전달하는 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 스캐너.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 링크는 상기 암이 삽입되는 제1 링크 부재와,
    상기 제1 링크 부재와 볼 베어링 연결되며 상기 샤프트가 삽입되는 제2 링크 부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 스캐너.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 링크 부재 및 제2 링크 부재에 볼 부싱(ball bushing)이 적용된 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 스캐너.
  5. 3차원 초음파 스캐너에 있어서,
    손잡이 및 스캐닝 바디로 이루어진 스캐너 케이스와,
    상기 스캐너 바디의 내부 저면에 배치된 트랜스듀서 유닛과,
    상기 손잡이에 삽입되고 회전축이 상기 트랜스듀서 유닛의 스윙 축과 수직이 되도록 배치된 모터와,
    상기 모터의 회전에 따라 회전축을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전하는 제1 동력 전달수단과,
    상기 제1 동력 전달수단의 회전력을 상기 트랜스듀서 유닛에 전달하여 상기 트랜스듀서 유닛을 왕복 운동시키는 제2 동력 전달수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 스캐너.
  6. 3차원 초음파 스캐너에 있어서,
    스캐너 케이스와,
    상기 스캐너 케이스의 내부 저면에 배치된 트랜스듀서 유닛과,
    상기 트랜스듀서 유닛의 왕복 운동을 위한 회전력을 생성하는 모터와,
    상기 모터의 회전축에 연결된 암 홀더와,
    상기 암 홀더에 연결되어 상기 모터의 회전축을 중심으로 일정한 각도 범위에서 왕복 회전하는 암과,
    상기 암에 부착되어 상기 암과 함께 이동하는 링크와,
    상기 링크에 연결되어 상기 암의 회전력을 상기 트랜스듀서 유닛에 전달하는 샤프트를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 초음파 스캐너.
PCT/KR2010/004857 2009-07-24 2010-07-23 3차원 초음파 스캐너 WO2011010896A2 (ko)

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