WO2020138631A1 - 캡슐내시경 위치 검출 시스템 및 그 방법 - Google Patents

캡슐내시경 위치 검출 시스템 및 그 방법 Download PDF

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WO2020138631A1
WO2020138631A1 PCT/KR2019/010538 KR2019010538W WO2020138631A1 WO 2020138631 A1 WO2020138631 A1 WO 2020138631A1 KR 2019010538 W KR2019010538 W KR 2019010538W WO 2020138631 A1 WO2020138631 A1 WO 2020138631A1
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time
capsule endoscope
ultrasonic signal
sensor
difference
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PCT/KR2019/010538
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English (en)
French (fr)
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지동우
최규진
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Ajou University Industry Academic Cooperation Foundation
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Ajou University Industry Academic Cooperation Foundation
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/00002—Operational features of endoscopes
    • A61B1/00059—Operational features of endoscopes provided with identification means for the endoscope
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B1/00—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor
    • A61B1/04—Instruments for performing medical examinations of the interior of cavities or tubes of the body by visual or photographical inspection, e.g. endoscopes; Illuminating arrangements therefor combined with photographic or television appliances
    • A61B1/041—Capsule endoscopes for imaging

Definitions

  • the present invention relates to a capsule endoscope position detection system and method, and more particularly, to an ultrasonic signal-based capsule endoscope position detection system and method having one sensor attachment point.
  • the capsule endoscope is a device that is equipped with an image sensor, an image processing device, and a wireless data transmission device in a capsule type device, and acquires an image inside the patient's organ and transmits it to a terminal outside the body. It is a device used to diagnose the small intestine.
  • the capsule endoscope should be manufactured in a very small size to minimize the impact on the human body. Therefore, the driving time is short due to the small battery capacity, and if a delay occurs inside the digestive system, the necessary diagnosis cannot be performed and the battery is discharged. Therefore, there is a need for a technique that can grasp the situation where the capsule endoscope is stagnant inside the digestive tract and can determine the location in real time so that medical staff can take action.
  • the capsule endoscope since the location taken by the capsule endoscope is located inside the digestive tract, it is essential information for the diagnosis and treatment process in the future. It is necessary to have a technique to locate the endoscope in real time.
  • in vitro sensors are used as shown in FIG. 1, and attached to the upper left, middle, right, and lower left, middle, and right sides of the abdomen, respectively, and each in vitro sensor. It uses the technology to determine the position in the body based on the magnitude of the signal obtained from. Since this method uses six sensors, if one of the sensors comes into contact with the body due to the user's movement, there is a problem that the accuracy decreases rapidly.
  • the problem to be solved by the present invention is to provide a capsule endoscope position detection system and a method for detecting the position of the capsule endoscope in real time while preventing detachment of the body from the extracorporeal sensor.
  • Capsule endoscope position detection system in the system for detecting the position of the capsule endoscope inserted into the body, a plurality of sensors are formed, disposed on the body surface of the subject occurs in the capsule endoscope It includes a sensor pad for detecting the ultrasonic signal, an in vitro device for detecting the position of the capsule endoscope based on the time difference of the ultrasonic signal detected by the sensor pad.
  • each sensor is formed on one side in a cross shape, and each sensor can respectively detect an ultrasonic signal.
  • the in vitro device includes a plurality of amplifiers for amplifying the ultrasonic signals detected by each of the plurality of sensors, a plurality of time meters for measuring the time difference between the amplified ultrasonic signal arrival time and a reference time, respectively. It includes a controller for detecting the position of the capsule endoscope based on the time difference measured in each of a plurality of time measuring device, the amplifier and the time measuring device may be provided for each sensor provided in the sensor pad.
  • a reference time generator for generating the reference time may be further included.
  • a frequency detector may be further included to monitor the output of the time meter and adjust the reference time when it is equal to or greater than a predetermined predetermined range.
  • the time measuring device a counter for measuring a time difference between the reference time (Start) and the arrival time of the ultrasonic signal, a trigger signal based on the arrival time of the ultrasonic signal and a delayed ultrasonic signal delaying the arrival time of the ultrasonic signal Comparing, adding the output of the fine TDC (time-to-digital convertor), which outputs the digital code, and the output of the fine TDC to the output of the counter, a summing unit that calculates a time difference between the reference time and the ultrasonic signal arriving at the sensor It can contain.
  • a summing unit that calculates a time difference between the reference time and the ultrasonic signal arriving at the sensor It can contain.
  • a delay line including a plurality of delay units, a trigger signal based on the arrival time of the ultrasound signal and a delayed ultrasound signal delaying the arrival time of the ultrasound signal by the delay unit may include a plurality of comparators that output a digital code.
  • a Fine TDC calibration unit for outputting a calibration value for calibrating the output of each Fine TDC, the Fine TDC calibration unit, the first rising edge having a time difference corresponding to one cycle of the system clock (CLK) (Cstop1) and the second rising edge (Cstop2) and the clock generation unit for generating the reference time (Cstart), comparing the reference time and the first rising edge generated by the clock generation unit, their difference to the first digital code
  • Capsule endoscope position detection method a plurality of sensors formed on one sensor pad detecting each of the ultrasonic signals generated by the capsule endoscope, a plurality of amplifiers are detected by each of the plurality of sensors Amplifying each of the ultrasonic signals, and measuring a time difference between the arrival time of each amplified ultrasonic signal and a reference time by a plurality of time amplifiers,
  • a controller detecting the position of the capsule endoscope based on the time difference measured in each of the plurality of time meters.
  • one sensor pad having a plurality of sensors is attached to the body surface of the subject, it is possible to prevent detachment of the body from the sensor, thereby accurately measuring the position information of the capsule endoscope.
  • 1 is a view for explaining the concept of a conventional sensor.
  • FIG. 2 is a view for explaining a capsule endoscope position detection system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is an exemplary view for explaining a sensor pad according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a view for explaining the concept of a sensor pad according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining the concept of a capsule endoscope position detection system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view for explaining the difference between the reach according to the position of the capsule endoscope and the sensor attached in vitro according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating an in vitro device for detecting the position of a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a timing diagram of a time meter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 9 is a view for explaining a Fine TDC according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a Fine TDC timing diagram according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a view for explaining a Fine TDC calibration unit according to an embodiment of the present invention.
  • first, second, A, and B may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are used only for the purpose of distinguishing one component from other components.
  • first component may be referred to as a second component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the second component may be referred to as a first component.
  • the term and/or includes a combination of a plurality of related described items or any one of a plurality of related described items.
  • Figure 2 is a view for explaining a capsule endoscope position detection system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is an exemplary view for explaining a sensor pad according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is an embodiment of the present invention Drawing for explaining the concept of a sensor pad according to an example
  • Figure 5 is a diagram for explaining the concept of a capsule endoscope position detection system according to an embodiment of the present invention
  • Figure 6 is a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention It is a view for explaining the difference in the reach distance according to the position of the sensor attached to the body.
  • the capsule endoscope position detection system is a capsule type endoscope 100 introduced into the inside of a subject, such as a patient, data transmitted from the capsule endoscope 100 inside the subject It includes an extracorporeal device 200 for receiving.
  • the capsule-type endoscope 100 is an example of a capsule-type medical device that is introduced into a subject's organ, and has an imaging function and a communication function.
  • the capsule endoscope 100 may be configured in a swallowable form that captures an image of the digestive organs of the human body H and transmits the captured image to the outside using a wireless communication method.
  • the capsule endoscope 100 moves along the digestive system from the esophagus to the anus over approximately 8 hours. During the movement, a camera provided in the capsule endoscope 100 photographs the interior of the digestive system. At this time, the camera provided in the capsule endoscope 100 may have an ultra-precision lens having a viewing angle of about 150°.
  • an ultrasonic signal generator exists in the capsule endoscope, and generates an ultrasonic burst signal (hereinafter referred to as an “ultrasonic signal”) according to a certain period (T cap ) (eg, once per 1 ms).
  • T cap a certain period
  • the reason why the capsule endoscope generates an ultrasonic burst signal may be to minimize power consumption due to ultrasonic generation.
  • the extracorporeal device 200 is a human body communication function that performs human body communication with the capsule endoscope 100 inside the organ using the subject as a communication medium, and a position detection function that detects the position of the capsule endoscope 100 inside the subject.
  • the extracorporeal device 200 wirelessly receives and stores an image captured by the capsule endoscope 100, and one sensor pad 300 is connected.
  • the sensor pad 300 receives the image information or the ultrasonic signal from the capsule endoscope 100, and transmits the received image information or the ultrasonic signal to the extracorporeal device 200. Accordingly, the extracorporeal device 200 stores the image information received from one sensor pad 300, or detects the position of the capsule endoscope 100 based on the ultrasonic signal when an ultrasonic signal is received.
  • the sensor pad 300 is formed with a plurality of sensors, is disposed on the body surface of the subject.
  • the sensor pad 300 may include five sensors 310a, 310b, 310c, 310d, and 310e in a cross shape. Therefore, the sensor pad 300 is provided with one attachment point (not shown) for attaching to the body surface of the subject on one side, and three sensors 310a, 310b, 310c, 310d and 310e on the other side. That is, since the five sensors 310a, 310b, 310c, 310d, and 310e are arranged close to each other in a cross shape, only one attachment point can exist, and as a result, one attachment point as illustrated in FIG. 4.
  • the sensor pad 300 detects the ultrasonic signal from the capsule endoscope 100 delivered using the subject (ie, the human body) as a communication medium, and transmits the detected ultrasonic signal to the extracorporeal device 200.
  • the extracorporeal device 200 detects the position of the capsule endoscope 100 based on the time difference of the ultrasonic signal of the capsule endoscope 100 transmitted from the sensor pad 100.
  • the capsule endoscope 100 transmits by generating an ultrasonic signal at regular intervals. Then, the first to fifth sensors 310a, 310b, 310c, 310d, and 310e of the sensor pad 300 detect the ultrasonic signal transmitted by the capsule endoscope 100 and transmit it to the extracorporeal device 200.
  • the ultrasonic signal generated by the capsule endoscope 100 propagates in the body and arrives at the sensors 310a, 310b, 310c, 310d, 310e attached to the body, as shown in FIG. 6, the body endoscope 100 Since the distance is different depending on the position of the and the in vitro sensors 310a, 310b, 310c, 310d, 310e, the time at which the ultrasonic signal arrives is different for each of the sensors 310a, 310b, 310c, 310d, 310e. Therefore, the position of the capsule endoscope 100 can be determined by using the time difference when the ultrasonic signals arrive at the sensors 310a, 310b, 310c, 310d, and 310e.
  • the extracorporeal device 200 acquires the ultrasonic signals reaching the five sensors 310a, 310b, 310c, 310d, and 310e to detect the arrival time difference, and uses the detected arrival time difference to capsule endoscope 100 ) Is detected.
  • FIG. 7 is a block diagram illustrating an in vitro device for detecting the position of a capsule endoscope according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 8 is a timing diagram of a time meter according to an embodiment of the present invention.
  • the in vitro device 200 for detecting the position of the capsule endoscope includes a plurality of amplifiers 210, a plurality of time meters 220, and a controller 230.
  • the amplifier 210 and the time meter 220 may be a number corresponding to a sensor formed on one sensor pad.
  • the first amplifier 210a and the first time meter 220a connected to the first sensor
  • the second amplifier 210b and the second amplifier connected to the second sensor Time meter 220b
  • a third amplifier 210c and a third time meter 220c connected to a third sensor
  • a fourth amplifier 210d and a fourth time meter 220d and a fifth sensor connected to a fourth sensor It includes a connected fifth amplifier (210e) and a fifth time meter (220e).
  • Each of the amplifiers 210a, 210b, 210c, 210d, 210e amplifies the ultrasonic signals detected by each sensor. That is, since the ultrasonic signal detected by each sensor may be a weak signal, the amplifiers 210a, 210b, 210c, 210d, and 210e amplify the weak ultrasonic signal detected by the sensor.
  • the first amplifier 210a amplifies the first ultrasonic signal detected by the first sensor
  • the second amplifier 210b amplifies the second ultrasonic signal detected by the second sensor
  • the third amplifier 210c is the first amplifier 210a. Amplifying the third ultrasonic signal detected by the 3 sensor
  • the fourth amplifier 210d amplifying the fourth ultrasonic signal detected by the fourth sensor
  • the fifth amplifier 210e receiving the fifth ultrasonic signal detected by the fifth sensor Amplify.
  • the time meter 220 detects a difference in arrival time of the ultrasonic signal amplified by the amplifier 210. At this time, the time meter 220 measures the time difference between the reference time and the arrival time of the ultrasonic signal.
  • the arrival time of the ultrasonic signal may refer to the time of the ultrasonic signal arriving at the corresponding sensor.
  • the first time meter 220a measures a first time difference between the reference time and the arrival time of the first ultrasonic signal arriving at the first sensor
  • the second time meter 220b is the second time that arrives at the reference time and the second sensor.
  • the second time difference between the arrival time of the ultrasonic signal is measured
  • the third time measurement unit 220c measures the third time difference between the reference time and the arrival time of the third ultrasonic signal arriving at the third sensor
  • the fourth time measurement unit 220d is The fourth time difference between the reference time and the arrival time of the fourth ultrasonic signal arriving at the fourth sensor is measured
  • the fifth time measuring device 220e measures the fifth time difference between the reference time and the arrival time of the fifth ultrasonic signal arriving at the fifth sensor. Measure.
  • the reference time is required for the time meter 220 to measure the time. Accordingly, the extracorporeal device 200 may further include a reference time generator 240.
  • the reference time generator 240 generates a reference time for time measurement.
  • the reference time generator 240 may generate a high-speed total system clock CLK divided by N.
  • N may be any natural number.
  • a reference time is required inside the time meter 220 for time measurement.
  • the difference between the reference time and the arrival time of the ultrasonic signal arriving at the sensor is obtained, the difference in arrival time between each sensor can be calculated.
  • the in vitro device 200 needs a reference time of 1 ms synchronized with it.
  • a reference clock is generated using a crystal oscillator and the necessary time is generated with this, but the frequency must be slightly different according to the error range provided by the manufacturer for each oscillator. Therefore, even if the in vitro device 200 generates a reference time every 1 ms, the time exists and an error of 1 ms generated through the internal oscillator in the capsule endoscope, and the error gradually accumulates over time. Synchronization fails and time measurement fails.
  • a frequency detector (Frequency Tracker) 250 for time synchronization with the capsule endoscope is required inside the time meter 220.
  • the frequency detector 250 adjusts the reference time generated by the reference time generator 240 by monitoring the output of the time meter 220 for time synchronization with the capsule endoscope. That is, the frequency detector 250 monitors the outputs of the first to fifth time measuring devices 220a, 220b, 220c, 220d, and 220e, and when this exceeds a predetermined range, the reference time of the time measuring device 220 (START) It serves to regulate.
  • the capsule endoscope actually generates an ultrasonic signal every 1 ms, and the reference time of the time meter 220 is generated every 1.01 ms due to an error. If this case is repeated 50 times (after 50 ms), the reference time of the time meter 220 is pushed by more than half a period, and time detection is not performed.
  • the capsule endoscope moves about 2 to 3 cm per second in the body, but there may be a case where there is no change in the output of the time meter 220 due to the movement of the capsule endoscope within this time according to the error of the reference time.
  • the time interval at which the reference time is generated is reduced to eliminate this error. can do.
  • the reference time of the time meter 220 is generated every 0.99 ms, the output of the time meter 220 will continue to increase over time, so the time meter 220 output will increase over a certain range. In this case, this error can be eliminated by increasing the time interval at which the reference time is generated. Since the reference time is usually generated by dividing the high-speed total system clock (CLK) by N, by adjusting this N value, it can be synchronized with the reference time of the capsule endoscope.
  • the time difference between the ultrasonic signals arriving at the sensor is very small, and thus a time measuring device 220 having a high time resolution, for example, 100 ps or less, is required.
  • a time meter 220 measuring a wide time range is required.
  • the time meter 220 includes a counter 222, a fine time-to-digital convertor (TDC) 224, and a summing unit 226.
  • TDC fine time-to-digital convertor
  • the counter 222 measures a time difference between the reference time (Start) and the arrival time of the ultrasonic signal.
  • the fine TDC 224 measures a difference between a trigger signal based on an ultrasonic signal arrival time and an ultrasonic signal delay time that delays the ultrasonic signal arrival time.
  • the detailed description of the Fine TDC 224 will be referred to FIG. 9.
  • the time meter 220 is divided into two parts, and a wide time range is measured using a counter 222 that uses a high-speed system clock CLK as a synchronization clock, and the remaining time difference is a fine TDC 224 having high resolution.
  • the time measuring device 220 can be efficiently implemented.
  • the frequency of CLK is 400 MHz
  • the time resolution that can be measured by the counter 222 may be 2.5 ns.
  • the fine TDC 224 can obtain a time resolution corresponding to a two-inverter delay using an inverter chain and flip-flops, for example, a time resolution of 100 ps.
  • the summing unit 226 adds the output of the Fine TDC 224 to the output of the counter 222 to calculate a time difference between the reference time and the ultrasonic signal arriving at the sensor.
  • the time meter 220 configured as described above will be described using the timing diagram of FIG. 8.
  • FIG. 8 there is a time difference between'A(Counter)'and'B(FineTDC)' between the rising edge of the reference time (START) and the rising edge of the arrival time (STOP) of the ultrasonic signals S 1 to 5 . have. Therefore, the time difference between the reference time (START) and the ultrasonic signals (S 1 to 5 ) arrival time (STOP) may be the time difference of'C' plus the output of the fine TDC 224 to the output of the counter 222.
  • the time resolution of the Fine TDC 224 is determined by the delay of the inverter, etc., as described above, and this delay is generally greatly changed by PVT variation. Therefore, a circuit for calibrating this value is needed.
  • the extracorporeal device 200 may further include a Fine TDC calibration unit 260 that calibrates the output of each Fine TDC 224.
  • TDC calibration unit 260 Detailed TDC calibration unit 260 will be described with reference to FIG. 11.
  • the controller 230 detects the position of the capsule endoscope based on the time difference measured by each time meter 220.
  • the time detected by one sensor does not represent the absolute time it takes for the signal generated by the capsule endoscope to reach the sensor. Therefore, there is a need for an algorithm that can determine the position of the capsule endoscope through the time difference measured between the five sensors.
  • the time difference arriving at each sensor can be obtained.
  • the time difference between the sensor S2 and the sensor S1 is obtained through the difference from the time measured by the S2 based on the time measured by the sensor S1.
  • the time meter 220 may obtain the time difference between the sensor S3 and the sensor S1, the sensor S4 and the sensor S1, the sensor S5 and the sensor S1.
  • the accuracy can be improved by minimizing the change in time information caused by the movement of a person by performing a moving average on a plurality of time difference information continuously measured.
  • the time difference between the sensor S4 and the sensor S2 can be derived by subtracting the time difference between the sensor S4 and the sensor S1 and the time difference between the sensor S2 and the sensor S1 output through the time measuring device and the moving average filter. For example, if the time difference between sensor S4 and sensor S1 is 100 ns, and the time difference between sensor S2 and sensor S1 is 80 ns, the time difference between sensor S4 and sensor S2 is 20 ns.
  • Equation 1 a hyperbolic equation may be derived as shown in Equation 1 below as a time difference measured by the sensors S1, S3, and S5.
  • d is the center distance between adjacent sensors
  • a nm is the time difference between the sensor Sn and the sensor Sm * ultrasonic velocity/2
  • Cnm is the center distance between the sensor Sn and the sensor Sm
  • the controller can use the x-coordinate of the capsule endoscope position as the mode of solutions derived through three simultaneous equations created when the hyperbolic functions (a), (b), and (c) of Equation 1 are combined. In the same way, the controller can derive the y-coordinate of the capsule endoscope position by the time difference measured by the sensors S1, S2, S4. Equation 2 below can be used to obtain the z-coordinate (depth) of the capsule endoscope position.
  • d is the center distance between adjacent sensors
  • lnm may mean the time difference between the sensors Sn and Sm*ultrasonic speed.
  • Znm which is the solution of (d) to ( ⁇ ) of Equation 2
  • Znm can be obtained from the position x and y coordinate values of the capsule endoscope derived using Equation 1 and time difference information measured by a time meter.
  • the z-coordinate value of the capsule endoscope position can be obtained as an average of the six Znm values derived.
  • FIG 9 is a view for explaining a Fine TDC according to an embodiment of the present invention
  • Figure 10 is a Fine TDC timing diagram according to an embodiment of the present invention.
  • the fine TDC 900 includes a plurality of delay units (910a, 910b, .., 910 n-1 , hereinafter referred to as '910') forming a delay line, and It includes a plurality of comparators (920a, 920b, .., 920 n , hereinafter referred to as '920').
  • Each of the plurality of delay units 910 receives an input signal, and outputs the received input signal by delaying a predetermined time.
  • the plurality of delay units 910 may each have a delay time of't d '.
  • the first delay unit 910a receives the ultrasonic signal arrival time STOP and outputs a first delayed ultrasonic signal that is td delayed from the ultrasonic signal arrival time.
  • the second delay unit 910b receives the first delayed ultrasound signal and outputs a second delayed ultrasound signal that is td delayed from the first delayed ultrasound signal.
  • the plurality of comparators 920 receive trigger signals based on delayed ultrasonic signals and ultrasonic signal arrival times (STOP), respectively.
  • the plurality of comparators 920 respectively determine output bits according to the logic levels of the received delayed ultrasonic signal and trigger signal.
  • the first comparator 920a receives the ultrasonic signal arrival time and trigger signal, and determines the first output bit D 0 according to the first ultrasonic signal arrival time and the logic level of the trigger signal.
  • the second comparator 920b receives the first delayed ultrasound start signal and trigger signal, and determines the second output bit D 1 according to the logic level of the first delayed ultrasound start signal and trigger signal.
  • the delay unit 910 may be implemented as an inverter, and the comparator 920 may be implemented as a flip-flop. Therefore, the Fine TDC 900 is delayed through each of the two input signals, i.e., the trigger signal based on the ultrasonic signal arrival time and the delayed ultrasonic n-1 inverters that delay the ultrasonic signal arrival time, and is input to each of the n comparators. do.
  • Each of the n comparators compares the rising edge of the delayed ultrasonic signal and the rising edge of the trigger signal delayed and output from each of the inverters, and outputs the comparison result as a digital code. At this time, the difference between the corresponding input signals can be confirmed by the output digital code.
  • the operation of the fine TDC 900 configured as described above will be described using the timing diagram of FIG. 10.
  • the time difference of'D' may be the time measured by the delay line and the comparators.
  • the time resolution of the Fine TDC 900 is determined by the delay of the inverter, etc., as mentioned above, which is generally largely changed by PVT variation. Therefore, there is a Fine TDC calibration unit that calibrates this value.
  • the Fine TDC 900 uses the calibration value received from the Fine TDC calibration unit to scale the output values of the comparators and scales the output value of the scaler 930 and the scaler 930 with '1' to final Fine.
  • a summation unit 940 for outputting the value of the TDC may be further included.
  • FIG. 11 is a view for explaining a Fine TDC calibration unit according to an embodiment of the present invention.
  • a fine TDC calibration unit 1100 includes a clock generation unit 1110, a first fine TDC 1120, a second fine TDC 1130, and a summing unit 1140. It includes.
  • the clock generator 1110 generates a first rising edge Cstop1 and a second rising edge Cstop2 and a reference time Cstart having a time difference corresponding to one cycle of the high-speed system clock CLK.
  • the first Fine TDC 1120 compares the reference time generated by the clock generator 1110 with the first rising edge, and outputs the difference as a first digital code.
  • the second Fine TDC 1130 compares the reference time and the second rising edge, and outputs their difference as a second digital code.
  • the summing unit 1140 calculates the difference between the first digital code and the second digital code.
  • the Fine TDC calibration unit 1110 generates two rising edges (Cstop1, Cstop2) and a reference time Cstart having a time difference corresponding to one cycle of the CLK using the high-speed system clock CLK.
  • the code value corresponding to the difference becomes the value obtained by digitally converting the time corresponding to one cycle of CLK. It is equal to the value corresponding to the obtained resolution divided by the resolution of Fine TDC. For example, if the resolution of the counter is 2.5ns and the resolution of the Fine TDC is 100ps, the digital value obtained from the Fine TDC calibration unit 1110 will be 25.
  • Fine TDC If the resolution of Fine TDC is changed to 50ps due to PVT variation, the digital value obtained from the Fine TDC calibration section will be 50. Therefore, by using this value to scale the fine TDC output value of the internal time meter, accurate time conversion can be performed regardless of PVT variation.

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Abstract

본 발명은 캡슐내시경 위치 검출 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 체내에 삽입된 캡슐내시경의 위치를 검출하기 위한 시스템에 있어서, 복수의 센서가 형성되며, 피검자의 체표면에 배치되어 상기 캡슐내시경에서 발생된 초음파 신호를 검출하는 하나의 센서패드, 상기 센서패드에서 검출된 초음파 신호의 시간 차이에 기초하여 상기 캡슐내시경의 위치를 검출하는 체외장치를 포함한다.

Description

캡슐내시경 위치 검출 시스템 및 그 방법
본 발명은 캡슐내시경 위치 검출 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 보다 자세하게는 한 개의 센서 부착점을 가지는 초음파 신호 기반의 캡슐내시경 위치 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
캡슐내시경은 캡슐 형태의 디바이스에 이미지 센서, 영상처리장치, 무선데이터 전송 장치 등을 탑재하여, 환자의 장기 내부의 이미지를 획득하여 체외에 있는 단말기로 전송하는 장치로서, 보통 일반내시경으로 관찰이 어려운 소장 부위의 진단을 위해 사용되는 기기이다.
캡슐내시경은 인체 영향을 최소화 하기 위해 초소형을 제작되어야 하며 따라서 작은 배터리 용량으로 인해 구동 시간이 짧아, 소화기관 내부에서 지체되는 상황이 발생할 경우 필요한 진단을 다 수행하지 못하고 배터리가 방전되는 상황이 생긴다. 따라서 캡슐내시경이 소화기관 내부에 정체되는 상황을 파악하여 의료진에게 조치를 취할 수 있게 위치를 실시간으로 파악할 수 있는 기술이 필요하다.
또한, 캡슐내시경에 의해 촬영된 위치가 소화기관 내부에 어느 위치에서 촬영되어 있는 지가, 향후 진단, 치료 과정에 꼭 필요한 정보이기 때문에, 촬영된 영상을 소화기관 내부의 위치와 일치시키는 작업을 위해서는 캡슐내시경의 실시간 위치를 파악하는 기술이 필요하다.
한편, 현재 상용화된 캡슐내시경의 경우, 도 1과 같이 6개의 체외 센서를 사용하여, 복부에 상단의 왼쪽, 중간, 오른쪽에, 하단의 왼쪽, 중간, 오른쪽 각각 6군데에 부착하며, 각 체외 센서에서 획득된 신호의 크기를 기반으로 체내 위치를 판별하는 기술을 사용하고 있다. 이 방법은 6개의 센서를 사용하기 때문에 사용자의 움직임으로 인해 센서 중 하나라도 신체와 접촉이 떨어지게 되면, 정확도가 급격하게 떨어지는 문제가 있다.
또한, 캡슐내시경의 경우 장시간(10시간) 측정해야 하며, 소화기관의 운동을 자극하기 위하여 환자가 지속적으로 움직여야 하므로, 센서의 신체 부착 이탈이 빈번하여 위치 정보가 부정확하다는 문제가 있다.
이에, 체외 센서의 신체 부착 이탈을 방지하면서 캡슐 내시경의 위치를 실시간으로 파악할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다.
관련 선행기술로는 한국공개특허 제10-2018-0075364호(발명의 명칭: 초음파를 이용한 무선 내시경의 위치 측정을 위한 방법 및 장치, 공개일자: 2018년 07월 04일)가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 체외 센서의 신체 부착 이탈을 방지하면서 캡슐 내시경의 위치를 실시간으로 검출할 수 있는 캡슐내시경 위치 검출 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경 위치 검출 시스템은, 체내에 삽입된 캡슐내시경의 위치를 검출하기 위한 시스템에 있어서, 복수의 센서가 형성되며, 피검자의 체표면에 배치되어 상기 캡슐내시경에서 발생된 초음파 신호를 검출하는 하나의 센서패드, 상기 센서패드에서 검출된 초음파 신호의 시간 차이에 기초하여 상기 캡슐내시경의 위치를 검출하는 체외장치를 포함한다.
바람직하게는, 상기 센서패드는, 5개의 센서가 십자 형태로 일측면에 형성되고, 각 센서가 초음파 신호를 각각 검출할 수 있다.
바람직하게는, 상기 체외장치는, 상기 복수의 센서 각각에서 검출된 초음파 신호를 각각 증폭시키는 복수의 증폭기, 상기 증폭된 각 초음파 신호 도착 시간과 기준시간의 시간차를 각각 측정하는 복수의 시간 측정기, 상기 복수의 시간 측정기 각각에서 측정된 시간차에 기초하여 상기 캡슐내시경의 위치를 검출하는 제어기를 포함하되, 상기 증폭기 및 상기 시간 측정기는 상기 센서패드에 구비된 센서별로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 기준 시간을 생성하는 기준시간 생성기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 캡슐내시경과의 시간 동기화를 위해, 상기 시간 측정기의 출력을 모니터링하여, 기 설정된 일정 범위 이상인 경우 상기 기준 시간을 조절하는 주파수 검출기 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 시간 측정기는, 상기 기준시간(Start)과 상기 초음파 신호 도착 시간과의 시간차를 측정하는 카운터, 상기 초음파 신호 도착 시간에 기초한 트리거 신호와 상기 초음파 신호 도착 시간을 지연시킨 지연 초음파 신호를 비교하여, 디지털 코드를 출력하는 Fine TDC(time-to-digital convertor), 상기 Fine TDC의 출력을 상기 카운터의 출력에 더하여, 상기 기준 시간과 센서에 도착한 초음파 신호와의 시간차를 산출하는 합산부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 Fine TDC는. 복수 지연부를 포함하는 지연라인, 상기 초음파 신호 도착 시간에 기초한 트리거 신호와 상기 지연부에서 상기 초음파 신호 도착 시간을 지연시킨 지연 초음파 신호를 비교하여, 디지털 코드를 출력하는 복수의 비교기를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 각 Fine TDC의 출력을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션값을 출력하는 Fine TDC 캘리브레이션부를 더 포함하되, 상기 Fine TDC 캘리브레이션부는, 시스템 클럭(CLK)의 한주기에 해당하는 시간 차이를 가지는 제1 상승에지(Cstop1) 및 제2 상승에지(Cstop2)와 기준 시간(Cstart)을 생성하는 클럭 생성부, 상기 클럭 생성부에서 생성된 기준시간과 제1 상승에지를 비교하여, 그들의 차이를 제1 디지털 코드로 출력하는 제1 Fine TDC, 상기 클럭 생성부에서 생성된 기준시간과 제2 상승에지를 비교하여, 그들의 차이를 제2 디지털 코드로 출력하는 제2 Fine TDC, 상기 제1 디지털 코드와 제2 디지털 코드의 차이를 산출하여, 캘리브레이션값으로 출력하는 합산부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 캡슐내시경 위치 검출 방법은, 하나의 센서패드에 형성된 복수의 센서가 캡슐내시경에서 발생된 초음파 신호를 각각 검출하는 단계, 복수의 증폭기가 상기 복수의 센서 각각에서 검출된 초음파 신호를 각각 증폭시키는 단계, 복수의 시간 증폭기가 상기 증폭된 각 초음파 신호 도착 시간과 기준시간의 시간차를 각각 측정하는 단계,
제어기가 상기 복수의 시간 측정기 각각에서 측정된 시간차에 기초하여 상기 캡슐내시경의 위치를 검출하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 복수의 센서가 형성된 하나의 센서패드를 피검자의 체표면에 부착하므로, 센서의 신체 부착 이탈을 방지할 수 있고, 이로 인해 캡슐 내시경의 위치정보를 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 센서의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경 위치 검출 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 내시경 위치 검출 시스템의 개념을 설명하기 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경과 체외 부착 센서 위치에 따른 도달 거리의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경의 위치를 검출하는 체외장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 측정기의 타이밍도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC를 설명하기 위한 도면, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC 타이밍도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC calibration부를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경 위치 검출 시스템을 설명하기 위한 도면, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드를 설명하기 위한 예시도, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서패드의 개념을 설명하기 위한 도면, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐 내시경 위치 검출 시스템의 개념을 설명하기 도면, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경과 체외 부착 센서 위치에 따른 도달 거리의 차이를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경 위치 검출 시스템은 환자 등 피검자의 장기 내부에 도입되는 캡슐형 내시경(100), 이 피검자 내부의 캡슐형 내시경(100)으로부터 송신된 데이터를 수신하는 체외장치(200)를 포함한다.
캡슐형 내시경(100)은 피검자의 장기 내부에 도입되는 캡슐형 의료 장치의 일례이며, 촬영 기능 및 통신 기능을 갖는다. 구체적으로는, 캡슐 내시경(100)은 인체(H)의 소화기관 영상을 촬영하고, 촬영된 영상을 무선통신방식을 이용하여 외부로 전송하는 삼킬 수 있는 형태로 구성될 수 있다.
따라서, 피검자가 캡슐 내시경(100)을 삼키게 되면, 캡슐 내시경(100)은 소화기관을 따라 식도에서 항문까지 대략 8시간에 걸쳐 이동한다. 그 이동 중에 캡슐 내시경(100) 내에 구비된 카메라가 소화기관의 내부를 촬영한다. 이때, 캡슐 내시경(100) 내에 구비된 카메라는 약 150°의 시야 각을 갖는 초정밀 렌즈를 구비할 수 있다.
또한, 캡슐내시경에는 초음파 신호 발생기가 존재하며, 일정한 주기(Tcap)(예컨대, 예를 들어 1ms 당 한번)에 따라 초음파 burst 신호(이하, '초음파 신호'라 칭함)를 발생시킨다. 캡슐내시경이 초음파 Burst 신호를 발생시키는 이유는 초음파 생성에 따른 전력 소모를 최소화시키기 위함일 수 있다.
캡슐형 내시경은 종래의 기술과 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
체외 장치(200)는 피검자를 통신 매체로 하여 장기 내부의 캡슐형 내시경(100)과 인체 통신을 행하는 인체 통신 기능, 이 피검자 내부에서의 캡슐형 내시경(100)의 위치를 검출하는 위치 검출 기능을 갖는다.
이러한 체외장치(200)는 캡슐내시경(100)에 의해 촬영된 영상을 무선으로 수신하고 저장하는 것으로, 하나의 센서패드(300)가 연결되어 있다.
센서패드(300)는 캡슐내시경(100)으로부터 영상정보 또는 초음파 신호를 수신하며, 그 수신된 영상정보 또는 초음파 신호를 체외장치(200)에 전달한다. 그에 따라 체외장치(200)는 하나의 센서패드(300)로부터 수신되는 영상정보를 저장하거나, 초음파 신호가 수신된 경우 초음파 신호에 기초하여 캡슐형 내시경(100)의 위치를 검출한다.
또한, 센서패드(300)는 복수의 센서가 형성되며, 피검자의 체표면에 배치된다. 이러한 센서패드(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 5개의 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)가 십자 형태로 형성될 수 있다. 따라서, 센서패드(300)는 일측면에 피검자의 체표면에 부착하기 위한 한 개의 부착점(미도시), 타측면에 개의 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)가 배치된다. 즉, 5개의 센서들(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)은 십자 모양으로 근접배치하므로, 한 개의 부착점만이 존재하게 할 수 있고, 이로 인해 도 4에 도시된 바와 같이 하나의 부착점을 이용하여 피검자의 체표면에 부착시킬 수 있다. 여기에서는 센서패드(300)에 5개의 센서가 형성된 것으로 설명하였으나, 센서패드(300)에 배치되는 센서의 개수와 형태는 다양하게 변화할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 센서패드(300)에 5개의 센서(310)이 형성된 경우에 대해 설명하기로 한다.
센서패드(300)는 피검자(즉 인체)를 통신 매체로 하여 전달되는 캡슐형 내시경(100)으로부터의 초음파 신호를 검출하고, 검출된 초음파 신호를 체외장치(200)로 전송한다.
체외장치(200)는 센서패드(100)로부터 전송된 캡슐내시경(100)의 초음파 신호의 시간 차이에 기초하여 캡슐내시경(100)의 위치를 검출한다.
상기와 같이 구성된 시스템이 캡슐형 내시경(100)의 위치를 검출하는 방법에 대해 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
캡슐 내시경(100)은 일정한 주기로 초음파 신호를 발생시켜 송출한다. 그러면, 센서패드(300)의 제1 내지 제 5 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)는 캡슐내시경(100)이 송출한 초음파 신호를 검출하여 체외장치(200)로 전송한다.
한편, 캡슐내시경(100)에서 생성된 초음파 신호는 체내에서 전파되어 체외에 부착된 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)에 도착하는데, 도 6에 도시된 바와 같이 체내 캡슐내시경(100)의 위치와 체외 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e) 위치에 따라서 거리가 다르므로, 초음파 신호가 도착하는 시간이 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)마다 다르다. 따라서, 초음파 신호가 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)에 도착한 시간 차이를 이용하면 캡슐내시경(100)의 위치를 파악할 수 있다. 이에, 체외장치(200)는 5개의 센서(310a, 310b, 310c, 310d, 310e)에 도달한 초음파 신호를 획득하여 도착 시간 차이를 검출하고, 그 검출된 도착 시간 차이를 이용하여 캡슐 내시경(100)의 위치를 검출한다.
이러한 체외장치(200)에 대한 상세한 설명은 도 7을 참조하여 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경의 위치를 검출하는 체외장치를 설명하기 위한 블록도, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 측정기의 타이밍도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 캡슐내시경의 위치를 검출하는 체외장치(200)는 복수의 증폭기(210), 복수의 시간 측정기(220), 제어기(230)를 포함한다. 이때, 증폭기(210) 및 시간 측정기(220)는 하나의 센서패드에 형성된 센서에 대응한 개수일 수 있다. 예컨대, 센서패드에 제1 센서 내지 제 5센서가 형성된 경우, 제1 센서에 연결된 제1 증폭기(210a) 및 제1 시간측정기(220a), 제2 센서에 연결된 제2 증폭기(210b) 및 제2 시간측정기(220b), 제3 센서에 연결된 제3 증폭기(210c) 및 제3 시간측정기(220c), 제4 센서에 연결된 제4 증폭기(210d) 및 제4 시간측정기(220d), 제5 센서에 연결된 제5 증폭기(210e) 및 제5 시간측정기(220e)를 포함한다.
각 증폭기(210a, 210b, 210c, 210d, 210e)는 각 센서에서 검출된 초음파 신호를 각각 증폭시킨다. 즉, 각 센서에서 검출된 초음파 신호는 미약한 신호일 수 있으므로, 증폭기(210a, 210b, 210c, 210d, 210e)는 센서에서 검출된 미약한 초음파 신호를 증폭시킨다.
예컨대, 제1 증폭기(210a)는 제1 센서에서 검출된 제1 초음파 신호를 증폭, 제2 증폭기(210b)는 제2 센서에서 검출된 제2 초음파 신호를 증폭, 제3 증폭기(210c)는 제3 센서에서 검출된 제3 초음파 신호를 증폭, 제4 증폭기(210d)는 제4 센서에서 검출된 제4 초음파 신호를 증폭, 제5 증폭기(210e)는 제5 센서에서 검출된 제5 초음파 신호를 증폭시킨다.
시간 측정기(220)는 증폭기(210)에서 증폭된 초음파 신호의 도착 시간 차이를 검출한다. 이때, 시간 측정기(220)는 기준시간과 초음파 신호 도착 시간과의 시간차를 측정한다. 여기서, 초음파 신호 도착 시간은 해당 센서에 도착한 초음파 신호의 시간을 말할 수 있다.
예컨대, 제1 시간 측정기(220a)는 기준시간과 제1 센서에 도착한 제1 초음파 신호 도착 시간과의 제1 시간차를 측정, 제2 시간 측정기(220b)는 기준시간과 제2 센서에 도착한 제2 초음파 신호 도착 시간과의 제2 시간차를 측정, 제3 시간 측정기(220c)는 기준시간과 제3 센서에 도착한 제3 초음파 신호 도착 시간과의 제3 시간차를 측정, 제4 시간 측정기(220d)는 기준시간과 제4 센서에 도착한 제4 초음파 신호 도착 시간과의 제4 시간차를 측정, 제5 시간 측정기(220e)는 기준시간과 제5 센서에 도착한 제5 초음파 신호 도착 시간과의 제5 시간차를 측정한다.
이러한 시간 측정기(220)가 시간을 측정하기 위해서는 기준시간이 필요하다. 이에, 체외 장치(200)는 기준시간 생성기(240)를 더 포함할 수 있다.
기준시간 생성기(240)는 시간 측정을 위한 기준 시간을 생성한다. 이때, 기준시간 생성기(240)는 고속의 전체 시스템 클럭(CLK)를 N으로 나누어서 생성할 수 있다. 여기서, N은 임의의 자연수일 수 있다.
즉, 시간 측정을 위해서는 시간 측정기(220) 내부에 기준 시간이 필요하다. 기준 시간과 센서에 도착한 초음파 신호 도착 시간과의 차이를 구하게 되면, 각 센서 간 도착 시간의 차이를 계산할 수 있게 된다.
예를 들어, 캡슐 내시경에서 1ms 마다 초음파 신호를 발생시킨다면, 체외 장치(200)에서는 그것과 동기화된 1ms의 기준시간이 필요하다. 일반적으로 crystal oscillator를 이용하여 기준 클럭을 생성하고 이를 가지고 필요한 시간을 생성해 내는데, 각 oscillator마다 제조사에서 제공하는 오차범위에 따라 주파수가 미세하게 다를 수 밖에 없다. 따라서 체외장치(200)에서 1ms 마다 기준시간을 만들어 낸다 할지라도, 그 시간은 캡슐내시경에서 내부의 oscillator를 통해 생성된 1ms 의 시간과 오차가 존재하며, 시간이 지남에 따라 그 오차가 점점 쌓여, 동기화에 실패하여 시간 측정이 실패하게 된다.
이를 위해 시간측정기(220) 내부에 캡슐내시경과의 시간 동기화를 위한 주파수 검출기(Frequency Tracker)(250)가 필요하다.
주파수 검출기(250)는 캡슐내시경과의 시간 동기화를 위해, 시간 측정기(220)의 출력을 모니터링하여, 기준시간 발생기(240)에서 생성된 기준 시간을 조절한다. 즉, 주파수 검출기(250)는 제1 내지 제5 시간 측정기(220a, 220b, 220c, 220d, 220e)의 출력을 모니터링하여, 이것이 일정 범위 이상 넘어가게 되면 시간측정기(220)의 기준시간(START)을 조절하는 역할을 한다.
예를 들어, 캡슐내시경이 실제로 1ms 마다 초음파 신호를 생성하고, 시간 측정기(220)의 기준시간이 오차로 인해 1.01ms 마다 생성된다고 가정해보자. 이 경우가 50번 반복되면(50ms 이후에는) 시간 측정기(220)의 기준시간이 반주기 이상 밀리게 되어, 시간 검출이 이루어지지 않는다. 캡슐내시경은 체내에서 초당 2~3cm 정도 움직이는데, 기준시간의 오차에 따라 이 시간 내의 캡슐 내시경의 이동으로 인한 시간측정기(220) 출력의 변화가 없는 경우가 발생할 수 있다. 이런 경우 기준시간의 오차로 인해서 시간측정기(220) 출력이 계속해서 감소하게 될 것이므로, 시간측정기(220) 출력이 일정 범위 이상 감소하게 될 경우, 기준시간이 생성되는 시간 간격을 줄여서 이 오차를 제거할 수 있다. 반대로 시간 측정기(220)의 기준시간이 0.99ms 마다 생성된다고 할 때는 시간이 지남에 따라 시간 측정기(220)의 출력이 계속해서 증가하게 될 것이므로, 시간측정기(220) 출력이 일정 범위 이상 증가하게 될 경우, 기준시간이 생성되는 시간 간격을 증가시켜서 이 오차를 제거할 수 있다. 기준시간은 보통 고속의 전체 시스템 클럭(CLK)를 N으로 나누어서 생성되므로, 이 N 값을 조절함으로서, 캡슐 내시경의 기준시간과 동기화 시킬 수 있다.
한편, 센서패드상에 형성된 센서들은 근접 배치되어 있으므로, 센서에 도착하는 초음파 신호의 시간 차이가 매우 작기 때문에 높은 시간 분해능을 가지는, 예를 들어 100ps 이하의 시간 측정기(220)가 필요하다. 또한, 캡슐내시경의 기준시간과 시간측정기(220)의 기준시간 간의 오차는 주파수 검출기(250)에서 제공된 동기화에도 불구하고 여전히 존재할 수 있기 때문에, 넓은 시간 범위를 측정하는 시간 측정기(220)가 필요하다.
이에, 시간 측정기(220)는 카운터(counter)(222)와 Fine TDC(time-to-digital convertor)(224), 합산부(226)로 구성한다.
카운터(222)는 기준시간(Start)과 초음파 신호 도착 시간과의 시간차를 측정한다.
Fine TDC(224)는 초음파 신호 도착 시간에 기초한 트리거 신호와 초음파 신호 도착 시간을 지연시킨 초음파 신호 지연 시간 사이의 차이를 측정한다. Fine TDC(224)에 대한 상세한 설명은 도 9를 참조하기로 한다.
이처럼 시간 측정기(220)를 두 파트로 나누어서 고속의 시스템 클럭 CLK을 동기화 클럭으로 사용하는 counter(222)를 이용하여 넓은 시간 범위를 측정하고, 나머지 시간 차이는 높은 분해능을 가지는 Fine TDC(224)를 이용하여 측정하면 효율적으로 시간측정기(220)를 구현할 수 있다. 예를 들어 CLK의 주파수가 400MHz라고 할 때, 카운터(222)로 측정할 수 있는 시간 분해능은 2.5ns 일 수 있다. Fine TDC(224)는 inverter chain과 Flip-Flop 들을 사용하여 two-inverter delay에 해당하는 시간 분해능을 얻을 수 있으며, 예를 들어 100ps의 시간 분해능을 얻을 수 있다.
합산부(226)은 Fine TDC(224)의 출력을 카운터(222)의 출력에 더하여, 기준 시간과 센서에 도착한 초음파 신호와의 시간차를 산출한다.
상기와 같이 구성된 시간 측정기(220)의 동작에 대해 도 8의 타이밍도를 이용하여 설명하기로 한다. 도 8을 참조하면, 기준시간(START)의 상승에지와 초음파 신호(S1~5) 도착 시간(STOP)의 상승에지 사이에는 'A(Counter)'와 'B(Fine TDC)'의 시간차가 있다. 따라서, 기준시간(START)과 초음파 신호(S1~5) 도착 시간(STOP) 간의 시간차는 Fine TDC(224)의 출력을 카운터(222)의 출력에 더한 'C'의 시간차일 수 있다.
한편, Fine TDC(224)의 시간분해능은 앞에서 말했듯이 inverter의 delay 등으로 정해지는데, 이 delay는 PVT variation에 의해 일반적으로 크게 변화한다. 따라서 이 값을 calibration하는 회로가 필요하다.
이에, 체외장치(200)는 각 Fine TDC(224)의 출력을 캘리브레이션하는 Fine TDC calibration부(260)를 더 포함할 수 있다.
Fine TDC calibration부(260)에 대한 상세한 설명은 도 11을 참조하기로 한다.
제어기(230)는 각 시간 측정기(220)에서 측정된 시간차에 기초하여 캡슐내시경의 위치를 검출한다.
센서 하나에서 검출된 시간은 캡슐내시경에서 생성된 신호가 센서에 도달하기까지 걸리는 절대적인 시간을 나타내지 못한다. 따라서 5개의 센서간 측정되는 시간 차이를 통해 캡슐내시경의 위치를 파악할 수 있는 알고리즘이 필요하다.
총 5개의 시간 측정기(220)에서 측정한 시간들간의 차이를 구하면 각 센서에 도착한 시간 차이를 구할 수 있다. 센서 S1에서 측정되는 시간을 기준으로 하여 S2에서 측정되는 시간과의 차이를 통해 센서 S2와 센서 S1의 시간 차이를 구한다. 같은 방식으로 시간 측정기(220)는 센서 S3와 센서 S1, 센서 S4와 센서 S1, 센서 S5와 센서 S1의 시간 차이를 구할 수 있다. 이때 연속적으로 측정되는 복수개의 시간차이 정보에 대해서 이동평균을 실시하여 사람의 움직임으로 인해 생기는 시간정보의 변화를 최소화함으로서 정확도를 높일 수 있다. 예를 들어 센서 S4와 센서 S2의 시간 차이는 시간 측정기와 이동평균 필터를 통해 출력되는 센서 S4와 센서 S1 시간 차이값과 센서 S2와 센서 S1 시간 차이 값의 뺄셈으로 도출할 수 있다. 예를 들어 센서 S4와 센서 S1 시간 차이가 100ns이고, 센서 S2와 센서 S1 시간 차이가 80ns이면 센서 S4와 센서 S2 시간 차이는 20ns이다.
각 센서에 도착한 시간의 차이를 알게 되면, 캡슐내시경의 위치를 알아낼 수 있다. 예를 들어 캡슐내시경의 x좌표를 도출할 때, 센서 S1,S3,S5에서 측정되는 시간 차이로 아래 수학식 1과 같이 쌍곡선 식을 유도할 수 있다.
Figure PCTKR2019010538-appb-M000001
여기서, d는 근접한 센서간 중심 거리 anm 는 센서 Sn과 센서 Sm 시간 차이*초음파 속력/2, Cnm는 센서 Sn과 센서 Sm 간 중심 거리,
Figure PCTKR2019010538-appb-I000001
를 의미할 수 있다.
제어기는 수학식 1의 쌍곡선 함수 (ㄱ), (ㄴ), (ㄷ)을 조합하였을 때 만들어지는 3개의 연립방정식을 통해 도출되는 해들의 최빈값을 캡슐내시경 위치의 x좌표로 할 수 있다. 이와 동일한 방법으로 제어기는 센서 S1,S2,S4에서 측정되는 시간 차이로 캡슐내시경 위치의 y좌표를 도출할 수 있다. 캡슐내시경 위치의 z좌표(깊이)를 구하기 위해 아래 수학식 2를 이용할 수 있다.
Figure PCTKR2019010538-appb-M000002
여기서, d는 근접한 센서간 중심 거리, lnm은 센서 Sn과 Sm 시간 차이*초음파 속력을 의미할 수 있다.
상술한 바와 같이 수학식 1을 이용하여 도출된 캡슐내시경의 위치 x, y좌표 값과 시간 측정기를 통해 측정한 시간 차이 정보를 통해 수학식 2의 (ㄹ)~(ㅈ)의 해인 Znm을 구할 수 있으며, 도출되는 6개의 Znm 값들의 평균으로 캡슐내시경 위치의 z좌표 값을 구할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC를 설명하기 위한 도면, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC 타이밍도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC(900)는 지연라인을 형성하는 복수의 지연부(910a, 910b,.., 910n-1, 이하'910'이라 칭함)및 복수의 비교기(920a, 920b,.., 920n, 이하'920'이라 칭함)를 포함한다.
복수의 지연부(910)은 각각 입력 신호를 수신하고, 수신된 입력 신호를 소정 시간 지연시켜 출력한다. 예를 들어, 복수의 지연부(910)은 각각 'td'의 지연 시간을 가질 수 있다.
이경우, 제1 지연부(910a)는 초음파 신호 도착 시간(STOP)을 수신하고, 초음파 신호 도착 시간보다 td 지연된 제1 지연 초음파 신호를 출력한다. 마찬가지로, 제 2 지연부(910b)는 제1 지연 초음파 신호를 수신하고, 제1 지연 초음파 신호보다 td 지연된 제2 지연 초음파 신호를 출력한다.
복수의 비교기(920)는 각각 지연 초음파 신호 및 초음파 신호 도착 시간(STOP)에 기초한 트리거 신호(Trigger)를 수신한다. 복수의 비교기(920)는 각각 수신된 지연 초음파 신호 및 트리거 신호의 논리 레벨에 따라, 출력 비트를 결정한다. 예를 들어, 제 1 비교기(920a)는 초음파 신호 도착 시간 및 트리거 신호를 수신하고, 제1 초음파 신호 도착 시간 및 트리거 신호의 논리 레벨에 따라 제1 출력 비트(D0)를 결정한다. 제2 비교기(920b)는 제1 지연 초음파 시작 신호 및 트리거 신호를 수신하고, 제1 지연 초음파 시작 신호 및 트리거 신호의 논리 레벨에 따라 제2 출력 비트(D1)를 결정한다.
이때, 지연부(910)는 인버터로 구현될 수 있고, 비교기(920)는 플리플랍(Flip-Flop)으로 구현될 수 있다. 따라서, Fine TDC(900)는 2개의 입력 신호 즉, 초음파 신호 도착 시간에 기초한 트리거 신호와 초음파 신호 도착 시간을 지연시킨 지연 초음파 n-1개의 인버터들 각각을 통해서 지연되어 n개의 비교기들 각각으로 입력된다. n개의 비교기들 각각은 인버터들 각각에서 지연되어 출력된 지연 초음파 신호의 상승 에지(Rising Edge)와 트리거 신호의 상승 에지를 비교하고, 그 비교 결과를 디지털 코드로 출력된다. 이때, 출력된 디지털 코드로 해당 입력 신호들의 차이를 확인할 수 있다.
상기와 같이 구성된 파인 TDC(900)의 동작에 대해 도 10의 타이밍도를 이용하여 설명하기로 한다. 초음파 신호 도착 시간(STOP)의 상승에지와 트리거 신호(Trigger)의 상승에지 사이에는 'D'의 시간차가 존재한다. 'D'의 시간차가 지연라인과 비교기들에 의해 측정된 시간일 수 있다.
한편, Fine TDC(900)의 시간분해능은 앞에서 말했듯이 inverter의 delay 등으로 정해지는데, 이 delay는 PVT variation에 의해 일반적으로 크게 변화한다. 따라서 이 값을 calibration하는 Fine TDC calibration부가 있다.
따라서, Fine TDC(900)는 Fine TDC calibration부로부터 입력받은 캘리브레이션값을 이용하여 비교기들의 출력값을 스케일링(scaling)하는 스케일러(930), 스케일러(930)의 출력값을 '1'과 차연산하여 최종 Fine TDC의 값을 출력하는 합산부(940)를 더 포함할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC calibration부를 설명하기 위한 도면이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 Fine TDC calibration부(1100)는 클럭 생성부(1110), 제1 Fine TDC(1120), 제2 Fine TDC(1130), 합산부(1140)를 포함한다.
클럭 생성부(1110)는 고속 시스템 클럭(CLK)의 한주기에 해당하는 시간 차이를 가지는 제1 상승에지(Cstop1) 및 제2 상승에지(Cstop2)와 기준 시간(Cstart)을 생성한다.
제1 Fine TDC(1120)는 클럭 생성부(1110)에서 생성된 기준시간과 제1 상승에지를 비교하여, 그들의 차이를 제1 디지털 코드로 출력한다.
제2 Fine TDC(1130)는 기준시간과 제2 상승에지를 비교하여, 그들의 차이를 제2 디지털 코드로 출력한다.
합산부(1140)는 제1 디지털 코드와 제2 디지털 코드의 차이를 산출한다.
상술한 바와 같이 Fine TDC calibration부(1110)는 고속 시스템 클럭 CLK를 이용해서 CLK의 한주기에 해당하는 시간 차이를 가지는 두 개의 상승 edge(Cstop1, Cstop2), 기준 시간 Cstart를 생성한다. 이를 동일한 구조의 Fine TDC 두개를 이용해 출력되는 디지털 code로 변환한 뒤 그 차이를 구하면 그 차이에 해당하는 코드 값은 CLK의 한주기에 해당하는 시간을 디지털로 변환한 값이 되며, 결국 이것은 counter를 통해 얻은 분해능에 해당하는 시간을 Fine TDC의 분해능으로 나눈 값과 같다. 예를 들어, counter의 분해능이 2.5ns 이고, Fine TDC의 분해능이 100ps 일 경우 Fine TDC calibration부(1110)에서 얻어진 디지털 값은 25일 것이다. 만약 PVT variation에 의해 Fine TDC의 분해능이 50ps 로 변했을 경우, Fine TDC calibration부에서 얻어진 디지털 값은 50이 될 것이다. 따라서 이 값을 이용해서 내부 시간 측정기의 Fine TDC 출력 값을 scale 함으로서, PVT variation에 상관없이 정확한 시간 변환을 수행 할 수 있게 된다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 체내에 삽입된 캡슐내시경의 위치를 검출하기 위한 시스템에 있어서,
    복수의 센서가 형성되며, 피검자의 체표면에 배치되어 상기 캡슐내시경에서 발생된 초음파 신호를 검출하는 하나의 센서패드; 및
    상기 센서패드에서 검출된 초음파 신호의 시간 차이에 기초하여 상기 캡슐내시경의 위치를 검출하는 체외장치
    를 포함하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 센서패드는,
    5개의 센서가 십자 형태로 일측면에 형성되고,
    각 센서가 초음파 신호를 각각 검출하는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 체외장치는,
    상기 복수의 센서 각각에서 검출된 초음파 신호를 각각 증폭시키는 복수의 증폭기;
    상기 증폭된 각 초음파 신호 도착 시간과 기준시간의 시간차를 각각 측정하는 복수의 시간 측정기; 및
    상기 복수의 시간 측정기 각각에서 측정된 시간차에 기초하여 상기 캡슐내시경의 위치를 검출하는 제어기를 포함하되,
    상기 증폭기 및 상기 시간 측정기는 상기 센서패드에 구비된 센서별로 구비된 것을 특징으로 하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 기준 시간을 생성하는 기준시간 생성기를 더 포함하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 캡슐내시경과의 시간 동기화를 위해, 상기 시간 측정기의 출력을 모니터링하여, 기 설정된 일정 범위 이상인 경우 상기 기준 시간을 조절하는 주파수 검출기 더 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 시간 측정기는,
    상기 기준시간(Start)과 상기 초음파 신호 도착 시간과의 시간차를 측정하는 카운터; 및
    상기 초음파 신호 도착 시간에 기초한 트리거 신호와 상기 초음파 신호 도착 시간을 지연시킨 지연 초음파 신호를 비교하여, 디지털 코드를 출력하는 Fine TDC(time-to-digital convertor); 및
    상기 Fine TDC의 출력을 상기 카운터의 출력에 더하여, 상기 기준 시간과 센서에 도착한 초음파 신호와의 시간차를 산출하는 합산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 Fine TDC는.
    복수 지연부를 포함하는 지연라인; 및
    상기 초음파 신호 도착 시간에 기초한 트리거 신호와 상기 지연부에서 상기 초음파 신호 도착 시간을 지연시킨 지연 초음파 신호를 비교하여, 디지털 코드를 출력하는 복수의 비교기를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    각 Fine TDC의 출력을 캘리브레이션하기 위한 캘리브레이션값을 출력하는 Fine TDC 캘리브레이션부를 더 포함하되,
    상기 Fine TDC 캘리브레이션부는,
    시스템 클럭(CLK)의 한주기에 해당하는 시간 차이를 가지는 제1 상승에지(Cstop1) 및 제2 상승에지(Cstop2)와 기준 시간(Cstart)을 생성하는 클럭 생성부;
    상기 클럭 생성부에서 생성된 기준시간과 제1 상승에지를 비교하여, 그들의 차이를 제1 디지털 코드로 출력하는 제1 Fine TDC;
    상기 클럭 생성부에서 생성된 기준시간과 제2 상승에지를 비교하여, 그들의 차이를 제2 디지털 코드로 출력하는 제2 Fine TDC; 및
    상기 제1 디지털 코드와 제2 디지털 코드의 차이를 산출하여, 캘리브레이션값으로 출력하는 합산부를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경 위치 검출 시스템.
  9. 하나의 센서패드에 형성된 복수의 센서가 캡슐내시경에서 발생된 초음파 신호를 각각 검출하는 단계;
    복수의 증폭기가 상기 복수의 센서 각각에서 검출된 초음파 신호를 각각 증폭시키는 단계;
    복수의 시간 증폭기가 상기 증폭된 각 초음파 신호 도착 시간과 기준시간의 시간차를 각각 측정하는 단계; 및
    제어기가 상기 복수의 시간 측정기 각각에서 측정된 시간차에 기초하여 상기 캡슐내시경의 위치를 검출하는 단계
    를 포함하는 캡슐내시경 위치 검출 방법.
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