WO2022108060A1 - 적층형 박막 온도센서 어레이 - Google Patents

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WO2022108060A1
WO2022108060A1 PCT/KR2021/011559 KR2021011559W WO2022108060A1 WO 2022108060 A1 WO2022108060 A1 WO 2022108060A1 KR 2021011559 W KR2021011559 W KR 2021011559W WO 2022108060 A1 WO2022108060 A1 WO 2022108060A1
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temperature
thin film
array
phantom
rtd
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PCT/KR2021/011559
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Inventor
도일
김용태
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한국표준과학연구원
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Publication date
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    • G—PHYSICS
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    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61N—ELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N7/00—Ultrasound therapy
    • A61N7/02—Localised ultrasound hyperthermia
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/16—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements
    • G01K2007/163—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using resistive elements provided with specially adapted connectors

Definitions

  • the present invention relates to a thin film temperature measuring array, and to a stacked thin film temperature sensor array manufactured with MEMS technology that can measure temperature by being installed in a phantom used for performance evaluation of non-invasive treatment medical devices using heat.
  • the present invention is capable of measuring real-time temperature distribution changes at multiple points while minimizing the effect on ultrasonic waves and temperature distribution inside the phantom, and can measure temperature distribution in three-dimensional space through lamination of thin film temperature sensor arrays.
  • It relates to a device and method capable of electrical insulation even inside a human tissue mimic material containing water through waterproofing.
  • non-invasive treatment method using heat examples include high intensity focused/therapeutic ultrasound (HIFU/HITU) treatment and treatment using a skin thermotherapy device.
  • HIFU/HITU high intensity focused/therapeutic ultrasound
  • HIFU treatment is spotlighted as one of the non-surgical treatment methods that cause tissue necrosis or loss of function by locally increasing the temperature of living tissue by focusing ultrasound.
  • a treatment plan is first established for non-invasive treatment using heat, HIFU treatment is carried out according to the treatment plan using phantom, an artificial material similar to living tissue, and temperature rise due to HIFU treatment The effect is being checked in advance.
  • the current temperature measurement method has a problem in that it is not easy to measure the temperature distribution at many points in the phantom because it is difficult to miniaturize and integrate it.
  • the physical properties of the probe should be similar to those of the phantom medium, or the size or thickness should be less than 1/20 of the wavelength of the ultrasonic wave.
  • the size or thickness should be as small as possible, but there is a problem in that it is difficult to satisfy these conditions with the current method.
  • Another method is to use a phantom made of a material that changes color depending on temperature, such as egg white, without using a temperature probe. Since the temperature is measured from the outside through a projection image, there is a limit to checking the temperature distribution inside.
  • the present invention relates to a thin film type temperature measuring array, and it is intended to propose a thin film RTD array manufactured by MEMS technology that is installed in a phantom used for a non-invasive treatment plan using heat and can measure temperature.
  • the present invention uses a thin film-type temperature measurement array composed of one current source and one voltage measurement (DAQ Channel) means for each RTD, minimizing the effect on ultrasonic waves and temperature distribution inside the phantom while minimizing the We would like to propose a device and method that enables real-time temperature distribution change measurement at a point.
  • DAQ Channel voltage measurement
  • An object of the present invention is to provide a thin film type temperature measuring array device and method to a user.
  • a temperature measuring apparatus comprising: a plurality of RTD arrays in which a plurality of resistance temperature detectors (RTDs) are connected in series, a plurality of RTD arrays are formed; a data collection device including a plurality of voltage sensing units disposed in units of each of the plurality of RTD arrays to measure a voltage value generated from each of the plurality of RTDs; and a control unit that determines a change in temperature inside a phantom to which external energy is irradiated by using a plurality of voltage values sensed through the data collection device.
  • RTDs resistance temperature detectors
  • the thickness of the temperature measuring device is equal to or smaller than the wavelength of the ultrasound used for the focused ultrasound treatment, the external energy
  • the resistance of each of the plurality of RTDs is changed according to the degree to which is irradiated, the voltage generated in each of the plurality of RTD arrays is changed according to the changed resistance, and the data collection device is configured to set the plurality of RTDs in a preset number
  • the unit may further include a switching element connected in parallel to the plurality of RTDs to measure voltages related to a plurality of measurement regions divided into units.
  • the data collection device is configured to remove the first region related to the disconnected RTD from among the plurality of measurement regions based on a switching operation of the switching element. Measurement area-related voltage can be measured.
  • the plurality of RTD arrays may be disposed on a thin film, and the thin film may be fixedly disposed on the PCB substrate of the controller.
  • the thin film and the PCB substrate are plural, the plurality of thin films and the PCB substrate are stacked and arranged in a three-dimensional structure, and the temperature change inside the phantom is determined in a three-dimensional space based on the stacked three-dimensional structure This may be possible.
  • a heat seal connector film used for connecting the plurality of RTD arrays on the thin film to the electrodes of the PCB board may be additionally used.
  • the entire PCT substrate on which the thin film is fixedly disposed is waterproofed by coating Parylene, and the PCT substrate on which the waterproofed thin film is fixedly disposed includes at least a portion of water, even in the phantom. Insulation may be possible.
  • At least one of a size and a shape of a connecting line connecting in series between the plurality of RTDs constituting each of the plurality of RTD arrays may be different.
  • connection line connecting in series between the plurality of RTDs constituting each of the plurality of RTD arrays may be the same.
  • the plurality of RTD arrays may be arranged in a 10 ⁇ 10 array.
  • the physical properties of the thin film may be the same as those of the phantom so as not to affect the external energy.
  • the temperature measuring device includes: a plurality of RTD arrays; a data collection device including a plurality of voltage sensing units disposed in units of each of the plurality of RTD arrays to measure a voltage value generated from each of the plurality of RTDs; and a control unit configured to determine a change in temperature inside the phantom to which external energy is irradiated by using a plurality of voltage values sensed through the data collection device.
  • the thickness of the temperature measuring device is equal to or smaller than the wavelength of the ultrasound used for the focused ultrasound treatment, the external energy
  • the resistance of each of the plurality of RTDs is changed according to the degree to which is irradiated, the voltage generated in each of the plurality of RTD arrays is changed according to the changed resistance, and the data collection device is configured to set the plurality of RTDs in a preset number
  • the unit may further include a switching element connected in parallel to the plurality of RTDs to measure voltages related to a plurality of measurement regions divided into units.
  • a temperature measuring method is a method in which a plurality of RTD arrays in which a plurality of resistance temperature detectors (RTDs) are connected in series are connected in plurality to form a plurality of RTD arrays.
  • RTDs resistance temperature detectors
  • Stage 1 a second step of disposing a data collection device including a plurality of voltage sensing units disposed in units of each of the plurality of RTD arrays to measure the voltage values generated from each of the plurality of RTDs; a third step in which external energy is irradiated for treatment with High Intensity Focused Ultrasound (HIFU); a fourth step of changing the resistance of each of the plurality of RTDs according to the degree to which the external energy is irradiated; a fifth step of changing a voltage generated in each of the plurality of RTD arrays according to the changed resistance; a sixth step of measuring, by a plurality of voltage sensing units arranged in units of each of the plurality of RTD arrays, a voltage value generated from each of the plurality of RTDs; and a seventh step in which the control unit determines a change in temperature inside the phantom to which the external energy is irradiated by using the plurality of measured voltage values, wherein the thickness of the temperature measuring device is determined by the
  • the remainder of the plurality of measurement regions except for the first region related to the disconnected RTD Measurement area-related voltage can be measured.
  • the plurality of RTD arrays are arranged on a thin film, the thin film is fixedly arranged on the PCB substrate of the control unit, the thin film and the PCB substrate are plural, and the plurality of thin films and the PCB substrate are stacked to form a three-dimensional structure, and in the seventh step, it may be possible to determine a change in temperature inside the phantom in a three-dimensional space based on the stacked three-dimensional structure.
  • the entire PCT substrate on which the thin film is fixedly arranged is coated with Parylene to be waterproof, and in the seventh step, the PCT substrate on which the waterproofed thin film is fixedly arranged is at least partly water. Electrical insulation may be possible even within the phantom including the phantom.
  • At least one of a size and a shape of a connecting line connecting in series between the plurality of RTDs constituting each of the plurality of RTD arrays may be different.
  • connection line connecting in series between the plurality of RTDs constituting each of the plurality of RTD arrays may be the same.
  • the plurality of RTD arrays may be arranged in a 10 X 10 array.
  • the physical properties of the thin film may be the same as those of the phantom so as not to affect the external energy.
  • a temperature measuring method comprising: a first step of disposing a temperature measuring device inside a phantom; a second step of forming a plurality of RTD arrays by connecting a plurality of RTD arrays to which a plurality of resistance temperature detectors (RTDs) are connected in series in the temperature measuring device; a third step of disposing a data collection device including a plurality of voltage sensing units disposed in units of each of the plurality of RTD arrays to measure the voltage values generated from each of the plurality of RTDs; a fourth step in which external energy is irradiated for treatment with High Intensity Focused Ultrasound (HIFU); a fifth step of changing the resistance of each of the plurality of RTDs according to the degree to which the external energy is irradiated; a sixth step of changing a voltage generated in each of the plurality of RTD arrays according to the changed resistance; a seventh step of measuring, by
  • the present invention relates to a thin film temperature measuring array, and it is possible to provide a user with a thin film RTD array manufactured by MEMS technology that is installed in a phantom used for a non-invasive treatment plan using heat and can measure temperature.
  • the present invention uses a thin film-type temperature measurement array composed of one current source and one voltage measurement (DAQ Channel) means for each RTD, minimizing the effect on ultrasonic waves and temperature distribution inside the phantom while minimizing the It is possible to provide a user with an apparatus and method enabling real-time temperature distribution change measurement at a point.
  • DAQ Channel voltage measurement
  • resistance in each RTD can be measured by connecting RTDs in series, supplying current to these RTDs through a current source, and measuring the voltage generated in each RTD by the current with DAQ. Therefore, it is possible to simplify the configuration of the measurement circuit and provide an inexpensive and simultaneous measurement device that does not require a precision resistance measuring device.
  • resistance measurement is possible even if the resistance wire is partially cut during the manufacturing process, temperature distribution in a three-dimensional space can be measured through lamination, and electrical insulation is performed inside a human tissue mimic material containing water through waterproof treatment.
  • a thin film type temperature measuring array device and method capable of this can be provided to the user.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a temperature measuring device proposed by the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a thin film type temperature measuring array proposed by the present invention.
  • FIG 3 shows a specific example of the RTD applied to the thin film type temperature measuring array proposed by the present invention.
  • FIG. 4 shows a specific example of the thin film type temperature measuring array proposed by the present invention.
  • 5 to 8 show an example of the arrangement of the thin film type temperature measuring array in the phantom in relation to the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of measuring a temperature in a small area in a phantom without affecting treatment using the temperature measuring device proposed by the present invention.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining an improved thin film type temperature measuring array in relation to the present invention.
  • FIG 11 shows an example of an image in which the thin film temperature sensor array is fixed to the support in relation to the present invention.
  • FIG. 12A shows an example of the conventional two-dimensional temperature distribution measurement
  • FIG. 12B shows an example of an improved three-dimensional temperature distribution measurement
  • FIG. 13 shows an example of an image in which a thin film temperature sensor is inserted into a human tissue mimicking material in relation to the present invention.
  • 14A and 14B show experimental results of a temperature distribution obtained from an array sensor in relation to the present invention.
  • Figure 16 shows an image that can confirm that the temperature is the highest in the central part of the HIFU focus according to the present invention. (do
  • 17 is a view showing that the temperature change over time can be measured at a specific location on a three-dimensional space according to the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a temperature measuring device for 4-Wire sensing using switching in relation to the present invention.
  • a treatment plan is first established, HIFU treatment is performed according to the treatment plan using a phantom, an artificial material similar to living tissue, and the temperature increase effect of HIFU treatment is confirmed in advance.
  • the current method of measuring by inserting a temperature probe such as a Pt probe and therocouple into a phantom has a problem in that ultrasonic and heat transfer distortion occurs due to bulky sensors and interconnection of the probe.
  • the current temperature measurement method has a problem in that it is not easy to measure the temperature distribution at many points in the phantom because it is difficult to miniaturize and integrate it.
  • the physical properties of the probe must be similar to that of the phantom medium, or the size or thickness must be smaller than the wavelength of the ultrasonic wave.
  • the thickness should be as small as possible, but there is a problem in that it is difficult to satisfy these conditions with the current method.
  • the egg-white phantom method uses a phantom made of a polymer material that changes color depending on the temperature. There is no ultrasonic and heat transfer distortion, but the uncertainty is large. There is a limit to confirming the distribution.
  • the present invention provides a thin film RTD array manufactured with MEMS technology that can measure temperature by being installed in a thin film temperature measurement array, that is, a phantom used for a non-invasive treatment plan using heat. I would like to suggest
  • a thin film temperature measurement array composed of one current source and one voltage measurement (DAQ Channel) means for each RTD is used to minimize the effect on ultrasonic waves and temperature distribution inside the phantom while minimizing the We would like to propose a device and method that enables real-time temperature distribution change measurement at a point.
  • DAQ Channel voltage measurement
  • DAQ may be used interchangeably with the term data acquisition device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a temperature measuring device proposed by the present invention.
  • the temperature measuring device 10 proposed by the present invention may include a thin film type temperature measuring array 100 and a phantom 200 .
  • the phantom (200) refers to a model used as a substitute for research on biological systems, such as investigation and analysis of internal heat distribution, electromagnetic wave distribution, and specific absorption rate (SAR) of human tissues.
  • Quantitative evaluation of the external energy received by the human body is performed by the specific absorption rate, but since it is difficult to actually measure it, a so-called phantom identical to the human body is made, and when thermal energy is irradiated, the electric field or temperature rise in the phantom 200 is measured, animal experiments , estimation by electromagnetic field analysis, etc. are performed.
  • the phantom 200 needs to have an external shape similar in size to that of a human tissue structure, and to have the relative dielectric constant ⁇ , conductivity ⁇ , and density ⁇ of human tissue at each measurement frequency.
  • the thin film type temperature measuring array 100 is a device disposed inside the temperature measuring device 10 , and the thin film type temperature measuring array 100 and the phantom 200 are disposed inside the temperature measuring device 10 .
  • the thin film type temperature measurement array 100 provides a function of measuring the temperature and temperature change related to the phantom 200 .
  • the thin film type temperature measuring array 100 may include a power supply unit 110 , a sensing unit 120 , a control unit 130 , and a thin film type RTD array 140 .
  • the power supply unit 110 receives external power and internal power under the control of the control unit 130 to supply power necessary for the operation of each component.
  • the sensing unit 120 is a thin-film temperature measurement array such as the location of the thin-film temperature measurement array 100, the presence or absence of user contact, the orientation of the thin-film temperature measurement array 100, acceleration/deceleration of the thin-film temperature measurement array 100, etc.
  • a sensing signal for controlling the operation of the thin film type temperature measuring array ( 100 ) is generated.
  • the sensing unit 120 may sense whether the power supply unit 110 supplies power, whether an external device is coupled, and the like.
  • the sensing unit 120 may include a data acquisition (DAQ) for measuring a voltage generated in each RTD constituting the thin film type RTD array 140 .
  • DAQ data acquisition
  • DAQ is a sensor that can measure analog input, analog output, digital input/output, and counter/timer using hardware.
  • the DAQ according to the present invention is individually disposed at each RTD stage constituting the thin film type RTD array 140, so that it is possible to measure a voltage or a voltage change in each RTD.
  • control unit 130 may predict a temperature change in a region in which each RTD is disposed in the phantom 200 through the measured voltage or voltage change.
  • the thin film type RTD array 140 is implemented as an array formed by connecting a plurality of resistance temperature detectors (RTDs) in series.
  • RTDs resistance temperature detectors
  • resistance temperature detectors refer to devices that measure temperature using a property that resistance to current changes according to temperature, and in the present invention, to determine whether heat is generated, a load to which a voltage is applied ) or as a resistor.
  • the thin film RTD array 140 according to the present invention is a thin film RTD array manufactured by MEMS technology, and through this, the internal temperature of the phantom can be measured.
  • an array in which a thin film type RTD that is transparent to ultrasonic waves and heat transfer is connected in series is used, so distortion due to ultrasonic waves and heat transfer is minimized Not only that, but also miniaturization and integration are possible, so it is possible to measure the temperature distribution change at many points in the phantom.
  • the device since it is possible to implement a device by including only one current source (110) and one voltage measurement (DAQ Channel, 120) for each RTD constituting the thin-film RTD array 140, the device can be realized as precisely as a thermocouple. It has the advantage of being able to accurately measure temperature even with an inexpensive configuration without a voltmeter.
  • controller 130 generally controls the overall operation of the thin film type temperature measurement array 100 .
  • control unit 130 may be implemented in a computer-readable recording medium using, for example, software, hardware, or a combination thereof.
  • the controller 130 is ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, processors ( processors), controllers, micro-controllers, microprocessors, and other electrical units for performing other functions may be implemented using at least one.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • DSPs digital signal processors
  • DSPDs digital signal processing devices
  • PLDs programmable logic devices
  • FPGAs field programmable gate arrays
  • processors processors
  • controllers micro-controllers, microprocessors, and other electrical units for performing other functions may be implemented using at least one.
  • the controller 130 described in this specification may be implemented as separate software modules. Each of the software modules may perform one or more functions and operations described herein.
  • the software code may be implemented as a software application written in a suitable programming language.
  • the software code may be stored in a memory (not shown) and executed by the controller 130 .
  • FIG. 2 is a view for explaining the thin film type temperature measuring array 100 proposed by the present invention.
  • a constant current is applied through the power supply unit 110 .
  • the first point 110a is the point at which the voltage to which the current flows is the highest, and the second point 110b is the ground, and the voltage becomes 0V.
  • the thin film type RTD array 140 receiving power from the power supply unit 100 is shown, and the thin film type RTD array 140 includes a plurality of RTDs 140a, 140b, 140c, ..., 140x). It is implemented as an array formed by connecting in series.
  • the voltage applied to each RTD may be different depending on the resistance (load) value induced in each RTD, and the temperature, temperature change, temperature arrangement, etc. inside the phantom 200 are determined using the voltage value measured here. can do.
  • thermocouple/thermocouple (Thermocouple/Thermopile) can also be used.
  • thermocouple/thermopile In the case of a thermocouple/thermopile, a separate power supply is not required, and a voltage is generated by the temperature difference from the reference point.
  • one voltage measurement (DAQ Channel, 120) means is disposed for each RTD.
  • the DAQ of the first channel is disposed on the first RTD 140a
  • the DAQ of the second channel is disposed on the second RTD 140b
  • the DAQ of the third channel is disposed on the third RTD 140c
  • the DAQ of the X-th channel is disposed in the X-th RTD 140x.
  • the device can be implemented, so it is possible to implement the device as precisely as a thermocouple. Precise temperature measurement is possible even with an inexpensive configuration without a voltmeter.
  • Figure 3 shows a specific example of the RTD applied to the thin film type temperature measurement array 100 proposed by the present invention.
  • RTD resistance temperature detectors
  • the RTD according to the present invention may be implemented in the form of being twisted a plurality of times so as to be sensitive to thermal changes.
  • one end 141 of the RTD may be bent at the upper side, and the other end 142 may be bent at the lower side.
  • a plurality of RTDs are electrically connected using one end 141 and the other end 142 of the RTD, and through this, a current may be supplied from one current source 110 .
  • each channel of the voltage measurement sensor (DAQ Channel, 130) may be arranged in units of one end 141 and the other end 142 of the RTD.
  • Figure 4 shows a specific example of the thin film type temperature measurement array proposed by the present invention.
  • a constant current is applied through the power supply unit 110 , the first point 110a is the point at which the current is the highest, and the second point 110b is the ground, and the voltage is 0V. .
  • connection line of the voltage measurement sensor (DAQ Channel, 120) disposed per individual RTD in units of one end 141 and the other end 142 of the RTD also receives a constant current through the power supply unit 110. It is expressed by mixing with the line.
  • each RTD according to the present invention may be implemented in a twisted form a plurality of times to be sensitive to thermal changes, and one end 141 of the RTD is bent from the upper side, and the other end 142 ) can be bent from the lower side.
  • the thin film type temperature measuring array 100 may be implemented in the form of a double column divided into a first zone 143 and a second zone 144 .
  • the arrangement of the thin film type temperature measuring array 100 according to the present invention in the form of columns is merely an example according to the present invention, and may be implemented in the form of one array or in the form of an array having more columns.
  • 5 to 8 show an example of the arrangement of the thin film type temperature measuring array in the phantom in relation to the present invention.
  • the thin film type temperature measuring array 100 is disposed in at least a partial area inside the phantom 200 .
  • FIG. 9 is a flowchart illustrating a method of measuring a temperature in a small area in a phantom without affecting treatment using the temperature measuring device proposed by the present invention.
  • step (S100) of setting up a treatment plan for HIFU treatment proceeds.
  • step S100 for HIFU treatment, a specific plan may be established for a point where heat should be concentrated, a form in which heat should be distributed, and the like.
  • step (S200) of disposing at least one thin film type temperature measuring array 100 in the inside of the temperature measuring device 10 is performed.
  • the thin film type temperature measuring array 100 and the phantom 200 are disposed inside the temperature measuring device 10 , and the thin film type temperature measuring array 100 provides a function of measuring the temperature and temperature change related to the phantom 200 . .
  • At least one thin film type temperature measurement array 100 is disposed at a point where heat is concentrated through heat treatment in step S100 and the temperature needs to rise, and at a point where the temperature needs to rise to a certain range according to the arrangement of heat.
  • ultrasound is focused on at least a portion of the phantom 200 according to the treatment plan (S300), and then, power is connected to the thin film type temperature measuring array 100 through the power supply unit (S400).
  • step S400 the voltage applied to each RTD of the thin film type temperature measurement array 100 may be measured through the DAC 120 ( S500 ).
  • controller 130 may determine a temperature change at each point inside the phantom 200 using the measured voltage ( S600 ).
  • the user can compare the determined temperature change inside the phantom 200 and the temperature change predicted in step S100 with each other, modify the patient-specific thermal treatment plan, and directly perform thermal treatment on the patient after such correction is completed can do.
  • the thin film type temperature measuring array 100 When the thin film type temperature measuring array 100 according to the present invention described above is applied, it is installed in the phantom 200 used for a non-invasive treatment plan using heat and manufactured with MEMS technology that can measure the temperature. (100) may be provided to the user.
  • the present invention uses a thin film-type temperature measurement array composed of one current source and one voltage measurement (DAQ channel) means for each RTD, minimizing the effect on ultrasonic waves and temperature distribution inside the phantom while minimizing the It is possible to provide a user with an apparatus and method enabling real-time temperature distribution change measurement at a point.
  • DAQ channel voltage measurement
  • resistance in each RTD can be measured by connecting RTDs in series, supplying current to these RTDs through a current source, and measuring the voltage generated in each RTD by the current with DAQ. Therefore, in the present invention, it is possible to simplify the configuration of the measuring circuit, and since a precision resistance measuring device is not required, it is possible to simultaneously measure at a low cost.
  • the temperature measuring device 10 includes a plurality of RTD arrays 140 in which a plurality of resistance temperature detectors (RTDs) are connected in series to each other.
  • RTDs resistance temperature detectors
  • a data collection device (sensing unit) 120 including a plurality of voltage sensing units disposed in units of each of the plurality of RTD arrays is included.
  • controller 130 includes a control unit 130 that determines a change in temperature inside a phantom 200 to which external energy is irradiated by using a plurality of voltage values sensed through the data collection device.
  • the applied external energy is irradiated for high intensity focused ultrasound (HIFU) treatment
  • the thickness of the temperature measuring device 10 may be equal to or smaller than the wavelength of the ultrasound used for the focused ultrasound treatment.
  • the resistance of each of the plurality of RTDs is changed according to the degree to which external energy is irradiated, and the voltage generated in each of the plurality of RTD arrays 140 is changed according to the changed resistance.
  • FIGS. 10A and 10B are diagrams for explaining an improved thin film type temperature measuring array in relation to the present invention.
  • At least one of a size and a shape of a connecting line connecting in series between the plurality of RTDs constituting each of the plurality of RTD arrays 140 has a different structure.
  • the plurality of RTD arrays 140 may have an X-shape.
  • connection line connecting in series between the plurality of RTDs constituting each of the plurality of RTD arrays 140 may be the same.
  • FIGS. 10a-(b) are arranged in a 10 ⁇ 10 array
  • FIG. 140a is an enlarged view of the shape of one RTD array.
  • a total of 33 RTD arrays 140 may be disposed, and in the case of a 10 ⁇ 10 array arrangement, a total of 100 plurality of RTD arrays 140 may be disposed.
  • FIG. 10B the actually fabricated thin film temperature sensor array is shown, and unlike the resistor in FIG. 10A in which two resistors are divided in parallel, in FIG. do.
  • FIG. 11 shows an example of an image in which the thin film temperature sensor array is fixed to the support in relation to the present invention.
  • the physical properties of the thin film may have the same properties as those of the phantom 200 so as not to affect external energy.
  • a plurality of thin films and PCB substrates may be stacked and arranged in a three-dimensional structure.
  • FIG. 12A shows an example of the conventional two-dimensional temperature distribution measurement
  • FIG. 12B shows an example of an improved three-dimensional temperature distribution measurement
  • FIG. 12A only the two-dimensional temperature distribution of the phantom 200 can be measured, but in the case of FIG. 12B, there are a plurality of thin films and PCB substrates, and the plurality of thin films and PCB substrates are stacked and arranged in a three-dimensional structure. Based on the three-dimensional structure, in the present invention, it may be possible to determine the temperature change inside the phantom in a three-dimensional space.
  • a support portion for fixing and supporting the thin film sensor under the connector may be applied in the form of a fixing portion for stacking and fixing one or more such support portions.
  • a heat seal connector film 150 used for connecting the plurality of RTD arrays 140 on the thin film to the electrodes of the PCB board may be additionally used.
  • the entire PCT substrate on which the thin film according to the present invention is fixedly disposed may be coated with Parylene to be waterproof.
  • FIG. 13 shows an example of an image in which a thin film temperature sensor is inserted into a human tissue mimicking material in relation to the present invention.
  • FIG. 14A the temperature distribution inside the phantom of the figure above is shown when ultrasonic energy is applied.
  • the Z-axis represents temperature-related information.
  • FIG. 14B the temperature distribution inside the phantom of the figure above is shown when ultrasonic energy is applied.
  • the Z-axis represents temperature-related information.
  • FIG. 15 shows experimental results showing temperature changes in a total of 100 10x10 temperature sensors in relation to the present invention.
  • 10x10 represents the temperature change in a total of 100 temperature sensors, and it is at 22 degrees at the beginning, and the temperature rises while applying HIFU energy (the highest four sensors are located in the center where the ultrasound is focused) sensor), indicating that the temperature decreases when the ultrasonic wave is turned off at 1300 sec.
  • Figure 16 shows an image that can confirm that the temperature is the highest in the central portion of the HIFU focus according to the present invention.
  • FIG. 17 is a view showing that the temperature change over time can be measured at a specific location on a three-dimensional space according to the present invention.
  • FIG. 18 is a diagram for explaining a temperature measuring device for 4-Wire sensing using switching in relation to the present invention.
  • FIG. 18A illustrates the basic electrical measurement method described with reference to FIG. 2 .
  • the data acquisition device 120 is connected in parallel to the plurality of RTDs in order to measure voltages related to a plurality of measurement regions obtained by dividing the plurality of RTDs 140 into preset units.
  • a switching element 630 may be further included.
  • the data collection device 120 selects a first region related to the disconnected RTD among the plurality of measurement regions based on the switching operation of the switching element 630 .
  • the measurement unit 620 may measure the voltages related to the remaining measurement area except for the measurement area.
  • the resistance may be increased twice or more compared to the basic method, but in the present invention, since the temperature is a relative change rate of the resistance, it does not matter even if the resistance increases, and it can contribute to improving the success rate of device fabrication.
  • FIGS. 19(a) to (d) shows a change in temperature when only a part of the sensor is heated with a laser in the circled area to confirm that the temperature can be measured independently in the resistor (RTD).
  • the present invention can measure resistance even if the resistance wire is partially broken during the manufacturing process, measure the temperature distribution in a three-dimensional space through lamination, and include water through waterproof treatment It is possible to provide a user with a thin film type temperature measuring array device and method that can electrically insulate even inside a human tissue mimicking material.
  • embodiments of the present invention may be implemented through various means.
  • embodiments of the present invention may be implemented by hardware, firmware, software, or a combination thereof.
  • the method according to embodiments of the present invention may include one or more Application Specific Integrated Circuits (ASICs), Digital Signal Processors (DSPs), Digital Signal Processing Devices (DSPDs), and Programmable Logic Devices (PLDs). , FPGAs (Field Programmable Gate Arrays), processors, controllers, microcontrollers, microprocessors, and the like.
  • ASICs Application Specific Integrated Circuits
  • DSPs Digital Signal Processors
  • DSPDs Digital Signal Processing Devices
  • PLDs Programmable Logic Devices
  • FPGAs Field Programmable Gate Arrays
  • processors controllers
  • microcontrollers microcontrollers
  • microprocessors and the like.
  • the method according to the embodiments of the present invention may be implemented in the form of a module, procedure, or function that performs the functions or operations described above.
  • the software code may be stored in the memory unit and driven by the processor.
  • the memory unit may be located inside or outside the processor, and may transmit/receive data to and from the processor by various well-known means.

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Abstract

본 발명은 박막형 온도 측정 어레이에 관한 것으로, 열을 이용한 비침습적 치료 계획에 이용되는 팬텀에 설치되어 온도를 측정할 수 있는 MEMS 기술로 제작된 Thin film RTD array에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 하나의 전류공급원(Current source) 및 RTD별로 하나의 전압측정(DAQ Channel) 수단으로 구성된 박막형 온도 측정 어레이를 이용하여, 팬텀 내부의 초음파 및 온도분포에 미치는 영향을 최소화하면서도 다수의 지점에서 실시간 온도분포 변화 측정이 가능하며, 제조공정 중 저항선이 일부 끊겨도 저항측정이 가능하고, 적층을 통해 3차원 공간에서의 온도분포 측정이 가능하며, 방수처리를 통해 물을 포함하는 인체조직모사물질 내부에서도 전기절연이 가능한 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

적층형 박막 온도센서 어레이
본 발명은 박막형 온도 측정 어레이에 관한 것으로, 열을 이용한 비침습적 치료 의료기기의 성능평가에 이용되는 팬텀에 설치되어 온도를 측정할 수 있는 MEMS 기술로 제작된 적층형 박막 온도센서 어레이에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 팬텀 내부의 초음파 및 온도분포에 미치는 영향을 최소화하면서도 다수의 지점에서 실시간 온도분포 변화 측정이 가능하며, 박막 온도센서 어레이의 적층을 통해 3차원 공간에서의 온도분포 측정이 가능하며, 방수처리를 통해 물을 포함하는 인체조직모사물질 내부에서도 전기절연이 가능한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 열을 이용한 비침습적 치료 방법이 널리 사용되고 있다. 열을 이용한 비침습적 치료 방법의 일례로는 집속 초음파 치료(high intensity focused/therapeutic ultrasound, HIFU/HITU) 치료, 피부온열치료기를 이용한 치료 등을 들 수 있다.
특히, HIFU 치료는 초음파를 집속(Focusing)하여 국부적으로 생체조직의 온도를 상승시켜 조직을 괴사시키거나 기능을 상실케하는 비수술적 치료법의 하나로 각광받고 있다.
이러한 열을 이용한 비침습적 치료에서는, 주변조직 damage 등 부작용의 영향을 최소화하기 위해, 정밀한 온도의 제어 및 온도 focusing/localizing 이 요구되고 있다.
이러한 부작용의 영향을 최소화하기 위해, 열을 이용한 비침습적 치료에는 우선적으로 치료 계획을 설립하고, 생체조직과 유사한 인공물질인 팬텀을 이용하여 치료 계획대로 HIFU 치료를 진행하며, HIFU치료에 의한 온도 상승효과를 미리 확인하고 있다.
따라서 이러한 열을 이용한 치료의 신뢰성 및 안전성을 위해, 치료에 영향을 미치지 않으면서도 팬텀 내 작은 영역에서 정확한 온도 측정가능 한 기술이 필요하다.
현재의 백금저항온도계 및 열전쌍 등과 같은 온도 프로브를 팬텀 내 삽입하여 측정하는 방법은,　금속재질의 온도프로브 표면에서의 초음파 반사 및 온도프로브에 의한 열전달 왜곡이 발생하여 정확한 온도측정이 불가능한 문제가 있다.
또한, 현재의 온도 측정 방법은 소형화, 집적화 등이 어려워 팬텀 내 많은 지점에서의 온도분포의 측정이 쉽지가 않다는 문제점도 있다.
프로브에 의한 초음파 왜곡이 없기 위해서는 프로브의 물성이 팬텀 매질과 유사하거나, 그 크기 또는 두께가 초음파의 파장의 1/20 이하로 작아야 하고, 프로브에 의한 열 왜곡이 없기 위해서도 마찬가지로 열물성이 팬텀과 유사하거나, 그 크기 또는 두께가 가능한 작아야 하는데, 이러한 조건을 현재의 방법으로는 만족하기 어렵다는 문제점이 있다.
다른 방법으로, 온도프로브를 사용하지 않고 계란흰자와 같이 온도에 따라 색이 변하는물질로　이루어진 팬텀을　이용한 방법인데, 이 경우 초음파 및 열전달 왜곡은 없으나 온도측정의 정확도가 낮고, 재사용이 불가능하며, 팬텀 외부에서 projection image를 통해 온도를 측정하기 때문에 내부의 온도분포를 확인하는데 한계가 있다.
따라서 열을 이용한 치료의 신뢰성 및 안전성을 위해, 치료에 영향을 미치지 않으면서도 팬텀 내 작은 영역에서 정확한 온도 측정이 가능한 장치 및 방법에 대한 필요성이 대두되고 있다.
본 발명은 박막형 온도 측정 어레이에 관한 것으로, 열을 이용한 비침습적 치료 계획에 이용되는 팬텀에 설치되어 온도를 측정할 수 있는 MEMS 기술로 제작된 Thin film RTD array를 제안하고자 한다.
구체적으로 본 발명은 하나의 전류공급원(Current source) 및 RTD별로 하나의 전압측정(DAQ Channel) 수단으로 구성된 박막형 온도 측정 어레이를 이용하여, 팬텀 내부의 초음파 및 온도분포에 미치는 영향을 최소화하면서도 다수의 지점에서 실시간 온도분포 변화 측정이 가능하도록 하는 장치 및 방법을 제안하고자 한다.
또한, 본 발명은 제조공정 중 저항선이 일부 끊겨도 저항측정이 가능하고, 적층을 통해 3차원 공간에서의 온도분포 측정이 가능하며, 방수처리를 통해 물을 포함하는 인체조직모사물질 내부에서도 전기절연이 가능한 박막형 온도 측정 어레이 장치 및 방법을 사용자에게 제공하고자 한다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상인 온도측정장치에 있어서, 복수의 RTD(Resistance temperature detectors)가 직렬로 연결된 RTD 어레이가 복수로 형성된 복수의 RTD 어레이; 상기 복수의 RTD 각각에서 발생된 전압값을 측정하기 위해, 상기 복수의 RTD 어레이 각각의 단위로 배치된 복수의 전압 감지부를 포함하는 데이터수집장치; 및 상기 데이터수집장치를 통해 감지된 복수의 전압값을 이용하여, 외부 에너지가 조사되는 팬텀(phantom) 내부의 온도 변화를 판단하는 제어부; 를 포함하고, 상기 외부 에너지는 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 치료를 위해 조사되고, 상기 온도측정장치의 두께는 상기 집속 초음파 치료에 이용되는 초음파의 파장보다 같거나 작으며, 상기 외부 에너지가 조사되는 정도에 따라 상기 복수의 RTD 각각의 저항이 변화되고, 상기 변화된 저항에 따라 상기 복수의 RTD 어레이 각각에서 발생되는 전압이 변화되며, 상기 데이터수집장치는, 상기 복수의 RTD를 미리 설정된 개수 단위로 분할한 복수의 측정 영역 관련 전압을 측정하기 위해, 상기 복수의 RTD와 병렬로 연결된 스위칭 소자;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 중 적어도 일부의 연결이 끊기는 경우, 상기 데이터수집장치는, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 기초로, 상기 복수의 측정 영역 중 상기 연결이 끊긴 RTD와 관련된 제 1 영역을 제외한 나머지 측정 영역 관련 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 어레이는 박막 상에 배치되고, 상기 박막은 상기 제어부의 PCB 기판 상에 고정되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 박막 및 PCB 기판은 복수이고, 상기 복수의 박막 및 PCB 기판은 적층되어 3차원 구조로 배치되며, 상기 적층된 3차원 구조를 기초로 3차원 공간에서의, 상기 팬텀 내부의 온도 변화 판단이 가능할 수 있다.
또한, 상기 박막 상의 상기 복수의 RTD 어레이와 상기 PCB 기판의 전극과의 연결을 위해 사용되는 열압착 커넥터 필름(Heat Seal Connector)이 추가적으로 이용될 수 있다.
또한, 상기 박막이 고정되어 배치된 PCT 기판 전체는, 파릴렌(Parylene)을 코팅되어 방수 처리되고, 상기 방수 처리된 상기 박막이 고정되어 배치된 PCT 기판은 물을 적어도 일부 포함하는 상기 팬텀 내에서도 전기 절연이 가능할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 어레이 각각을 구성하는 복수의 RTD 간을 직렬로 연결하는 연결선의 크기 및 형상 중 적어도 하나가 상이할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 어레이 각각을 구성하는 복수의 RTD 간을 직렬로 연결하는 연결선의 크기 및 형상이 동일할 수 있다.
상기 복수의 RTD 어레이는, 10 X 10 어레이로 배치될 수 있다.
상기 박막의 물성은, 상기 외부에너지에 영향을 미치지 않도록 상기 팬텀과 동일할 수 있다.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 양상인 내부에 온도측정장치가 배치된 팬텀(phantom)에 있어서, 상기 온도측정장치는, 복수의 RTD 어레이; 상기 복수의 RTD 각각에서 발생된 전압값을 측정하기 위해, 상기 복수의 RTD 어레이 각각의 단위로 배치된 복수의 전압 감지부를 포함하는 데이터수집장치; 및 상기 데이터수집장치를 통해 감지된 복수의 전압값을 이용하여, 외부 에너지가 조사되는 상기 팬텀 내부의 온도 변화를 판단하는 제어부; 를 포함하고, 상기 외부 에너지는 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 치료를 위해 조사되고, 상기 온도측정장치의 두께는 상기 집속 초음파 치료에 이용되는 초음파의 파장보다 같거나 작으며, 상기 외부 에너지가 조사되는 정도에 따라 상기 복수의 RTD 각각의 저항이 변화되고, 상기 변화된 저항에 따라 상기 복수의 RTD 어레이 각각에서 발생되는 전압이 변화되며, 상기 데이터수집장치는, 상기 복수의 RTD를 미리 설정된 개수 단위로 분할한 복수의 측정 영역 관련 전압을 측정하기 위해, 상기 복수의 RTD와 병렬로 연결된 스위칭 소자;를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 양상인 온도 측정 방법은, 복수의 RTD(Resistance temperature detectors)가 직렬로 연결된 RTD 어레이가 복수로 연결하여 복수의 RTD 어레이를 형성하는 제 1 단계; 상기 복수의 RTD 각각에서 발생된 전압값을 측정하기 위해, 상기 복수의 RTD 어레이 각각의 단위로 배치된 복수의 전압 감지부를 포함하는 데이터수집장치를 배치하는 제 2 단계; 외부 에너지가 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 치료를 위해 조사되는 제 3 단계; 상기 외부 에너지가 조사되는 정도에 따라 상기 복수의 RTD 각각의 저항이 변화되는 제 4 단계; 상기 변화된 저항에 따라 상기 복수의 RTD 어레이 각각에서 발생되는 전압이 변화되는 제 5 단계; 상기 복수의 RTD 어레이 각각의 단위로 배치된 복수의 전압 감지부가, 상기 복수의 RTD 각각에서 발생된 전압값을 측정하는 제 6 단계; 및 제어부가 상기 측정된 복수의 전압값을 이용하여, 상기 외부 에너지가 조사되는 팬텀(phantom) 내부의 온도 변화를 판단하는 제 7 단계;를 포함하고, 상기 온도측정장치의 두께는 상기 집속 초음파 치료에 이용되는 초음파의 파장보다 같거나 작고, 상기 제 6 단계에서, 상기 스위칭 소자를 기초로, 상기 복수의 RTD를 미리 설정된 개수 단위로 분할한 복수의 측정 영역 관련 전압이 측정될 수 있다.
또한, 상기 제 6 단계에서, 상기 복수의 RTD 중 적어도 일부의 연결이 끊기는 경우, 상기 스위칭 소자의 스위칭 동작을 기초로, 상기 복수의 측정 영역 중 상기 연결이 끊긴 RTD와 관련된 제 1 영역을 제외한 나머지 측정 영역 관련 전압을 측정할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 어레이는 박막 상에 배치되고, 상기 박막은 상기 제어부의 PCB 기판 상에 고정되어 배치되며, 상기 박막 및 PCB 기판은 복수이고, 상기 복수의 박막 및 PCB 기판은 적층되어 3차원 구조로 배치되며, 상기 제 7 단계에서, 상기 적층된 3차원 구조를 기초로 3차원 공간에서의, 상기 팬텀 내부의 온도 변화 판단이 가능할 수 있다.
또한, 상기 박막이 고정되어 배치된 PCT 기판 전체는, 파릴렌(Parylene)을 코팅되어 방수 처리되고, 상기 제 7 단계에서, 상기 방수 처리된 상기 박막이 고정되어 배치된 PCT 기판은 물을 적어도 일부 포함하는 상기 팬텀 내에서도 전기 절연이 가능할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 어레이 각각을 구성하는 복수의 RTD 간을 직렬로 연결하는 연결선의 크기 및 형상 중 적어도 하나가 상이할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 어레이 각각을 구성하는 복수의 RTD 간을 직렬로 연결하는 연결선의 크기 및 형상이 동일할 수 있다.
또한, 상기 복수의 RTD 어레이는, 10 X 10 어레이로 배치될 수 있다.
또한, 상기 박막의 물성은, 상기 외부에너지에 영향을 미치지 않도록 상기 팬텀과 동일할 수 있다.
한편, 상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 일 양상인 온도 측정 방법은, 팬텀(phantom) 내부에 온도측정장치를 배치하는 제 1 단계; 상기 온도측정장치에서 복수의 RTD(Resistance temperature detectors)가 직렬로 연결된 RTD 어레이가 복수로 연결하여 복수의 RTD 어레이를 형성하는 제 2 단계; 상기 복수의 RTD 각각에서 발생된 전압값을 측정하기 위해, 상기 복수의 RTD 어레이 각각의 단위로 배치된 복수의 전압 감지부를 포함하는 데이터수집장치를 배치하는 제 3 단계; 외부 에너지가 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 치료를 위해 조사되는 제 4 단계; 상기 외부 에너지가 조사되는 정도에 따라 상기 복수의 RTD 각각의 저항이 변화되는 제 5 단계; 상기 변화된 저항에 따라 상기 복수의 RTD 어레이 각각에서 발생되는 전압이 변화되는 제 6 단계; 상기 복수의 RTD 어레이 각각의 단위로 배치된 복수의 전압 감지부가, 상기 복수의 RTD 각각에서 발생된 전압값을 측정하는 제 7 단계; 및 제어부가 상기 측정된 복수의 전압값을 이용하여, 상기 외부 에너지가 조사되는 상기 팬텀내부의 온도 변화를 판단하는 제 8 단계;를 포함하고, 상기 온도측정장치의 두께는 상기 집속 초음파 치료에 이용되는 초음파의 파장보다 같거나 작고, 상기 제 7 단계에서, 상기 스위칭 소자를 기초로, 상기 복수의 RTD를 미리 설정된 개수 단위로 분할한 복수의 측정 영역 관련 전압이 측정될 수 있다.
본 발명은 박막형 온도 측정 어레이에 관한 것으로, 열을 이용한 비침습적 치료 계획에 이용되는 팬텀에 설치되어 온도를 측정할 수 있는 MEMS 기술로 제작된 Thin film RTD array를 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 하나의 전류공급원(Current source) 및 RTD별로 하나의 전압측정(DAQ Channel) 수단으로 구성된 박막형 온도 측정 어레이를 이용하여, 팬텀 내부의 초음파 및 온도분포에 미치는 영향을 최소화하면서도 다수의 지점에서 실시간 온도분포 변화 측정이 가능하도록 하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
본 발명에서는 RTD를 직렬로 연결하고 이들 RTD에 Current Source를 통해 전류를 공급하고 전류에 의해 각 RTD에서 발생한 전압을 DAQ로 측정함으로써, 각 RTD에서의 저항을 측정할 수 있다. 따라서 측정회로의 구성을 간단하게 할 수 있고, 정밀 저항 측정기가 필요하지 않아 저렴하면서도 동시 측정이 가능한 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 제조공정 중 저항선이 일부 끊겨도 저항측정이 가능하고, 적층을 통해 3차원 공간에서의 온도분포 측정이 가능하며, 방수처리를 통해 물을 포함하는 인체조직모사물질 내부에서도 전기절연이 가능한 박막형 온도 측정 어레이 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 박막센서와 PCB기판의 전극과의 연결을 위해 열압착커넥터필름(Heat Seal Connector)을 사용함으로써, 한 번의 접착으로 54개 전기라인이 동시에 연결되고, 외부 회로와는 PCB 커넥터를 이용하여 전기연결이 간편해진 박막형 온도 측정 어레이 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
다만, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명이 제안하는 온도측정장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 2는 본 발명이 제안하는 박막형 온도측정 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명이 제안하는 박막형 온도측정 어레이에 적용되는 RTD의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명이 제안하는 박막형 온도측정 어레이의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명과 관련하여, 팬텀 내에 박막형 온도측정 어레이가 배치된 형태의 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 발명이 제안하는 온도측정장치를 이용하여, 치료에 영향을 미치지 않으면서 팬텀 내 작은 영역에서 온도 측정하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명과 관련하여, 개선된 박막형 온도측정 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명과 관련하여, 박막 온도센서어레이를 지지부에 고정한 이미지의 일례를 도시한 것이다.
도 12a은 기존의 2차원 온도 분포 측정의 일례를 도시한 것이고, 도 12b는 개선된 3차원 온도 분포 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명과 관련하여, 인체조직모사물질을 내부에 박막온도센서를 삽입한 이미지의 일례를 도시한 것이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명과 관련하여, 어레이 센서에서 얻은 온도분포의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 15는 본 발명과 관련하여, 10x10 총 100개의 온도센서에서의 온도변화를 나타내는 실험결과를 도시한 것이다.
도 16은 본 발명에 따라 HIFU 초점의 중앙 부분에서 온도가 가장 높게 나오는 것을 확인할 수 있는 이미지를 도시한 것이다. (도
도 17은 본 발명에 따라 3차원 공간상의 특정 위치에서 시간에 따른 온도변화를 측정할 수 있다는 것을 보여주는 도면을 나타낸 것이다.
도 18은 본 발명과 관련하여, 스위칭을 이용하여 4-Wire sensing하는 온도측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명과 관련하여, 레이저로 센서의 일부에만 가열했을 때의 온도변화의 일례를 도시한 것이다.
종래기술의 문제점 및 본 발명의 목적
열을 이용한 비침습적 치료에는 우선적으로 치료 계획을 설립하고, 생체조직과 유사한 인공물질인 팬텀을 이용하여 치료 계획대로 HIFU 치료를 진행하며, HIFU치료에 의한 온도 상승효과를 미리 확인하고 있다.
현재의 Pt Probe 및 Therocouple 등 온도 프로브를 팬텀 내 삽입하여 측정하는 방법은, bulky sensors 및 프로브의 interconnection에 의한 초음파 및 열전달 왜곡이 발생하는 문제점이 있다.
또한, 현재의 온도 측정 방법은 소형화, 집적화 등이 어려워 팬텀 내 많은 point에서의 온도분포의 측정이 쉽지가 않다는 문제점도 있다.
프로브에 의한 초음파 왜곡이 없기 위해서는 프로브의 물성이 팬텀 매질과 유사하거나, 그 크기 또는 두께가 초음파의 파장보다 작아야 하고, 프로브에 의한 열 왜곡이 없기 위해서도 마찬가지로 열 물성이 팬텀과 유사하거나, 그 크기 또는 두께가 가능한 작아야 하는데, 이러한 조건을 현재의 방법으로는 만족하기 어렵다는 문제점이 있다.
다른 방법으로, Egg-white 팬텀을 이용한 방법은 온도에 따라 색이 변하는 고분자물질로 이루어진 팬텀을 이용한 방법인데, 초음파 및 열전달 왜곡은 없으나 불확도가 크고, projection image를 통해 온도를 측정하기 때문에 내부의 온도분포를 확인하는데 한계가 있다.
따라서 본 발명에서는 상기 문제점을 해소하기 위해, 본 발명은 박막형 온도 측정 어레이 즉, 열을 이용한 비침습적 치료 계획에 이용되는 팬텀에 설치되어 온도를 측정할 수 있는 MEMS 기술로 제작된 Thin film RTD array를 제안하고자 한다.
구체적으로 본 명세서에서는 하나의 전류공급원(Current source) 및 RTD별로 하나의 전압측정(DAQ Channel) 수단으로 구성된 박막형 온도 측정 어레이를 이용하여, 팬텀 내부의 초음파 및 온도분포에 미치는 영향을 최소화하면서도 다수의 지점에서 실시간 온도분포 변화 측정이 가능하도록 하는 장치 및 방법을 제안하고자 한다.
본 발명에서 DAQ는 데이터 수집장치라는 용어로 혼용하여 적용될 수 있다.
본 발명의 구체적인 기술적 특징을 설명하기에 앞서, 열을 이용한 비침습적 치료에서 온도 측정을 위해 이용되는 온도측정장치를 도면을 참조하여 설명한다.
온도측정장치
도 1은 본 발명이 제안하는 온도측정장치를 설명하기 위한 블록 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명이 제안하는 온도측정장치(10)는 박막형 온도측정 어레이(100)와 팬텀(200)을 포함할 수 있다.
먼저, 팬텀(phantom, 200)은 인체 내부의 열 분포, 전자파 분포와 인체 조직의 비흡수율(SAR:specific absorption rate) 조사, 분석 등 생체 시스템 연구에 대체물로 사용되는 모형을 말한다.
인체가 받는 외부 에너지의 양적 평가는 비흡수율에 의해 행해지는데, 실제로 이를 측정하는 것은 곤란하기 때문에 인체와 똑같은 소위 팬텀을 만들어, 열에너지를 조사했을 때 팬텀(200) 내의 전계나 온도 상승 측정, 동물 실험, 전자계 해석에 의한 추정 등을 수행한다.
팬텀(200)은 인체 조직 구조와 유사한 크기의 외형을 갖고 각 측정 주파수에 있어서 인체 조직의 비유전율ε, 도전율σ, 밀도ρ를 갖는 것이 필요하다.
다음으로, 박막형 온도측정 어레이(100)는 온도측정장치(10) 내부에 배치되는 장치로서, 박막형 온도측정 어레이(100)와 팬텀(200)은 온도측정장치(10) 내부에 배치된다.
여기서 박막형 온도측정 어레이(100)는, 팬텀(200)과 관련된 온도 및 온도변화를 측정하는 기능을 제공한다.
본 발명에 따른 박막형 온도측정 어레이(100)는 전원공급부(110), 센싱부(120), 제어부(130) 및 박막형 RTD 어레이(140)을 포함할 수 있다.
먼저, 전원공급부(110)는, 제어부(130)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가 받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급한다.
다음으로, 센싱부(120)는 박막형 온도측정 어레이(100)의 위치, 사용자 접촉 유무, 박막형 온도측정 어레이(100)의 방위, 박막형 온도측정 어레이(100)의 가속/감속 등과 같이 박막형 온도측정 어레이(100)의 현 상태를 감지하여 박막형 온도측정 어레이(100)의 동작을 제어하기 위한 센싱 신호를 발생시킨다.
센싱부(120)는 전원 공급부(110)의 전원 공급 여부, 외부 기기 결합 여부 등을 센싱할 수도 있다.
특히, 본 발명에 따른 센싱부(120)는 박막형 RTD 어레이(140)를 구성하는 각각의 RTD에서 발생한 전압을 측정하는 DAQ(Data Acquisition)을 포함할 수 있다.
DAQ는 하드웨어를 이용한 아날로그 입력이나 아날로그 출력, 디지털 입출력과 카운터/타이머 측정할 수 있는 센서이다.
본 발명에 따른 DAQ는 박막형 RTD 어레이(140)를 구성하는 각각의 RTD 단에 개별적으로 배치되어, 각각의 RTD에서의 전압 또는 전압 변화를 측정하는 것이 가능하다.
결국, 제어부(130)는 상기 측정된 전압 또는 전압 변화를 통해, 팬턴(200) 내에 각 RTD가 배치된 구역의 온도 변화를 예측하는 것이 가능해진다.
또한, 박막형 RTD 어레이(140)는 복수의 RTD(Resistance temperature detectors)가 직렬로 연결되어 형성하는 어레이로 구현된다.
여기서, RTD(Resistance temperature detectors)는 전류에 대한 저항이 온도에 따라 변화하는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 장치를 의미하고, 본 발명에서는 열이 발생되었는지를 판별하기 위해, 전압이 걸리는 로드(load) 또는 저항으로 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 박막형 RTD 어레이(140)는 MEMS 기술로 제작된 Thin film RTD array이고, 이를 통해, 팬텀 내부 온도를 측정할 수 있다.
본 발명에서는 음향 임피던스가 인체와 유사한 폴리머 재질의 박막(Thin film)을 기반으로, 초음파 및 열전달에 투명한(transparent) 박막형 RTD를 직렬로 연결한 어레이를 이용하므로, 초음파 및 열 전달에 따른 왜곡을 최소화 할 수 있을 뿐만 아니라 소형화 및 집적화가 가능하여 팬텀 내 많은 지점(point)에서의 온도분포 변화의 측정이 가능하다.
구체적으로 본 발명에서는 하나의 전류공급원(Current source, 110)과 박막형 RTD 어레이(140)를 구성하는 RTD 별로 하나의 전압측정(DAQ Channel, 120)만 포함하면 장치 구현이 가능하므로, Thermocouple과 같이 정밀 전압계가 없이 저렴한 구성으로도 정밀한 온도측정이 가능하다는 장점이 있다.
또한, 제어부(controller, 130)는 통상적으로 박막형 온도측정 어레이(100)의 전반적인 동작을 제어한다.
본 발명에 따른 제어부(130)는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 제어부(130)는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 제어부(130)는 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 메모리(미도시)에 저장되고, 제어부(130)에 의해 실행될 수 있다.
박막형 온도측정 어레이
도 2는 본 발명이 제안하는 박막형 온도측정 어레이(100)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 전원 공급부(110)를 통해 정전류가 인가된다.
제 1 지점(110a)가 전류가 유입되는 전압이 가장 높은 지점이고, 제 2 지점(110b)이 그라운드로서 전압이 0V 가 된다.
또한, 도 2를 참조하면, 상기 전원 공급부(100)로부터 전원을 공급받는 박막형 RTD 어레이(140)가 도시되고, 박막형 RTD 어레이(140)는 복수의 RTD(140a, 140b, 140c, …, 140x)가 직렬로 연결되어 형성하는 어레이로 구현된다.
복수의 RTD(140a, 140b, 140c, …, 140x)는 직렬로 연결되어 있으므로 각 RTD에 적용되는 전류는 동일하다.
다만, 각 RTD에서 유도되는 저항(로드) 값에 따라 각 RTD에 걸리는 전압을 서로 달라질 수 있고, 여기에서 측정된 전압값을 이용하여 팬텀(200) 내부의 온도, 온도 변화, 온도 배치 등을 판단할 수 있다.
또한, 본 명세서에서는 복수의 RTD(140a, 140b, 140c, …, 140x)가 직렬로 연결된 박막형 RTD 어레이(140)를 대표적인 일례로 기재하나 박막형 RTD 어레이(140) 대신 열전쌍/열전대(Thermocouple/Thermopile)를 이용할 수도 있다.
열전쌍/열전대(Thermocouple/Thermopile)의 경우에는 별도의 전원공급이 필요하지 않고, 기준점과의 온도차이에 의해 전압이 발생하게 된다.
또한, 도 2를 참조하면, RTD 별로 하나의 전압측정(DAQ Channel, 120) 수단이 배치된다.
즉, 제 1 RTD(140a)에는 제 1 채널의 DAQ가 배치되고, 제 2 RTD(140b)에는 제 2 채널의 DAQ가 배치되며, 제 3 RTD(140c)에는 제 3 채널의 DAQ가 배치되고, 제 X RTD(140x)에는 제 X 채널의 DAQ가 배치된다.
결국, 본 발명에서는 하나의 전류공급원(Current source, 110)과 박막형 RTD 어레이(140)를 구성하는 RTD 별로 하나의 전압측정(DAQ Channel, 130)만 포함하면 장치 구현이 가능하므로, Thermocouple과 같이 정밀 전압계가 없이 저렴한 구성으로도 정밀한 온도측정이 가능해진다.
또한, 도 3은 본 발명이 제안하는 박막형 온도측정 어레이(100)에 적용되는 RTD의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
*전술한 것과 같이, 본 발명에 적용되는 RTD(Resistance temperature detectors)는 전류에 대한 저항이 온도에 따라 변화하는 성질을 이용하여 온도를 측정하는 장치를 의미하고, 본 발명에서는 열이 발생되었는지를 판별하기 위해, 전압이 걸리는 로드(load) 또는 저항으로 이용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 RTD는 열 변화에 민감하게 변화할 수 있도록 복수 회 꼬여있는 형태로 구현될 수 있다.
또한, RTD의 일단(141)은 상측에서 구부려지고, 타단(142)는 하측에서 구부려질 수 있다.
RTD의 일단(141) 및 타단(142)를 이용하여 복수의 RTD는 전기적으로 연결되고, 이를 통해 하나의 전류공급원(Current source, 110)으로부터 전류를 공급받을 수 있다.
또한, RTD의 일단(141) 및 타단(142) 단위로 전압측정센서(DAQ Channel, 130)의 각 채널이 배치될 수도 있다.
또한, 도 4는 본 발명이 제안하는 박막형 온도측정 어레이의 구체적인 일례를 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 전원 공급부(110)를 통해 정전류가 인가되고, 제 1 지점(110a)이 전류가 유입되는 전압이 가장 높은 지점이고, 제 2 지점(110b)이 그라운드로서 전압이 0V 가 된다.
또한, 도 4를 참조하면, RTD의 일단(141) 및 타단(142) 단위로 개별 RTD 당 배치되는 전압측정센서(DAQ Channel, 120)의 연결 라인도 전원 공급부(110)를 통해 정전류가 인가되는 라인과 섞여 표현되어 있다.
또한, 본 발명에 따른 각각의 RTD는 전술한 것과 같이, 열 변화에 민감하게 변화할 수 있도록 복수 회 꼬여있는 형태로 구현될 수 있고, RTD의 일단(141)은 상측에서 구부려지고, 타단(142)는 하측에서 구부려질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막형 온도측정 어레이(100)는 제 1 구역(143)과 제 2 구역(144)으로 나누어 이중의 열 형태로 구현될 수도 있다.
단, 이러한 열 형태의 본 발명에 따른 박막형 온도측정 어레이(100) 배치는 본 발명에 따른 단순한 일례에 불과하고, 한 개의 어레이 형태로 구현되거나 더 많은 열을 갖는 어레이의 형태로 구현될 수도 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명과 관련하여, 팬텀 내에 박막형 온도측정 어레이가 배치된 형태의 일례를 도시한 것이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 팬텀(200) 내부의 적어도 일부 영역에 본 발명에 따른 박막형 온도측정 어레이(100)가 배치된 구조를 확인할 수 있다.
열을 이용한 비침습적 치료를 수행하는 방법
이하에서는 전술한 박막형 온도측정 어레이(100)와 팬텀(200)을 포함하는 온도측정장치(10)를 통해 열을 이용한 비침습적 치료를 수행하는 방법을 설명한다.
도 9는 본 발명이 제안하는 온도측정장치를 이용하여, 치료에 영향을 미치지 않으면서 팬텀 내 작은 영역에서 온도 측정하는 방법을 설명하는 순서도이다.
도 9를 참조하면, 가장 먼저, HIFU 치료를 위한 치료 계획을 세우는 단계(S100)가 진행된다.
S100 단계에서는 HIFU 치료를 위해, 열이 집중되어야 하는 지점, 열이 분포되어야 하는 형태 등에 대해 구체적인 계획을 설립할 수 있다.
이후, 온도측정장치(10)의 내부에 적어도 하나의 박막형 온도측정 어레이(100)를 배치하는 단계(S200)가 진행된다.
박막형 온도측정 어레이(100)와 팬텀(200)은 온도측정장치(10) 내부에 배치되고, 박막형 온도측정 어레이(100)는, 팬텀(200)과 관련된 온도 및 온도변화를 측정하는 기능을 제공한다.
S100 단계에서 열 치료를 통해 열이 집중되어 온도가 올라가야 하는 지점, 열 배치에 따라 일정 범위까지 온도가 올라가야 하는 지점 등에 적어도 하나의 박막형 온도측정 어레이(100)를 배치하게 된다.
이후, 치료 계획에 따라 팬텀(200)의 적어도 일부에 초음파를 집속하게 되고(S300), 이후, 박막형 온도측정 어레이(100)에 전원공급부를 통해 전원을 연결한다(S400).
S400 단계에서 DAC(120)를 통해, 박막형 온도측정 어레이(100) 중 각각의 RTD에 걸리는 전압을 측정할 수 있다(S500).
또한, 제어부(130)는 측정한 전압을 이용하여 팬텀(200) 내부의 각 지점에서의 온도 변화를 판단할 수 있다(S600).
이후, 사용자는 판단한 팬텀(200) 내부의 온도 변화와 S100 단계에서 예측한 온도 변화를 서로 비교하고, 환자 맞춤형의 열 치료 계획을 수정할 수 있고, 이러한 수정이 완료된 이후에 직접 환자에 열 치료를 수행할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 박막형 온도 측정 어레이(100)가 적용되는 경우, 열을 이용한 비침습적 치료 계획에 이용되는 팬텀(200)에 설치되어 온도를 측정할 수 있는 MEMS 기술로 제작된 Thin film RTD array(100)를 사용자에게 제공할 수 있다.
구체적으로 본 발명은 하나의 전류공급원(Current source) 및 RTD별로 하나의 전압측정(DAQ Channel) 수단으로 구성된 박막형 온도 측정 어레이를 이용하여, 팬텀 내부의 초음파 및 온도분포에 미치는 영향을 최소화하면서도 다수의 지점에서 실시간 온도분포 변화 측정이 가능하도록 하는 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 RTD를 직렬로 연결하고 이들 RTD에 Current Source를 통해 전류를 공급하고 전류에 의해 각 RTD에서 발생한 전압을 DAQ로 측정함으로써, 각 RTD에서의 저항을 측정할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 측정회로의 구성을 간단하게 할 수 있고, 정밀 저항 측정기가 필요하지 않아 저렴하면서도 동시 측정이 가능하도록 할 수 있다.
개선된 박막형 온도측정 어레이
전술한 것과 같이, 본 발명에 따른 온도측정장치(10)는, 복수의 RTD(Resistance temperature detectors)가 직렬로 연결된 RTD 어레이가 복수로 형성된 복수의 RTD 어레이(140)를 포함한다.
또한, 복수의 RTD 각각에서 발생된 전압값을 측정하기 위해, 상기 복수의 RTD 어레이 각각의 단위로 배치된 복수의 전압 감지부를 포함하는 데이터수집장치(센싱부, 120)를 포함한다.
또한, 데이터수집장치를 통해 감지된 복수의 전압값을 이용하여, 외부 에너지가 조사되는 팬텀(phantom, 200) 내부의 온도 변화를 판단하는 제어부(130)를 포함한다.
여기서, 적용되는 외부 에너지는 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU) 치료를 위해 조사되고, 온도측정장치(10)의 두께는 상기 집속 초음파 치료에 이용되는 초음파의 파장보다 같거나 작을 수 있다.
이때, 외부 에너지가 조사되는 정도에 따라 상기 복수의 RTD 각각의 저항이 변화되고, 변화된 저항에 따라 복수의 RTD 어레이(140) 각각에서 발생되는 전압이 변화된다.
도 10a 및 도 10b는 본 발명과 관련하여, 개선된 박막형 온도측정 어레이를 설명하기 위한 도면이다.
도 10a-(a)의 (A)를 참조하면, 복수의 RTD 어레이(140) 각각을 구성하는 복수의 RTD 간을 직렬로 연결하는 연결선의 크기 및 형상 중 적어도 하나가 상이한 구조를 갖는다.
따라서 도 10a-(a)의 (B)에 도시된 것과 같이, 복수의 RTD 어레이(140)는, X자의 형태가 될 수 있다.
반대로 도 10a-(b)에 도시된 것과 같이, 복수의 RTD 어레이(140) 각각을 구성하는 복수의 RTD 간을 직렬로 연결하는 연결선의 크기 및 형상이 동일할 수도 있다.
즉, 도 10a-(b)의 복수의 RTD 어레이(140)는, 10 X 10 어레이로 배치되고, 140a는 하나의 RTD 어레이의 형태를 확대하여 도시한 것이다.
X자 배치의 경우, 총 33개의 복수의 RTD 어레이(140)가 배치될 수 있고, 10 x 10 어레이 배치의 경우, 총 100개의 복수의 RTD 어레이(140)가 배치될 수 있다.
또한, 도 10b를 참조하면, 실제 제작된 박막 온도센서 어레이가 도시되고, 도 10a에서 저항체가 2개 저항의 병렬로 나뉘어 있는 것과 달리 도 10b에서는 수율이 좋아 1개 단일 저항체로 제작된 일례가 도시된다.
또한, 도 11은 본 발명과 관련하여, 박막 온도센서어레이를 지지부에 고정한 이미지의 일례를 도시한 것이다.
한편, 종래의 방식에서는, 팬텀(200)물질 내부에 박막을 넣을 때 고정이 까다롭고 수평유지가 어렵다는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명에서는, 제어부(130)의 PCB에 박막을 고정함으로써 박막의 정확한 고정 및 수평유지가 가능하도록 할 수 있다.
즉, 적층을 통해 3차원 공간에서의 온도분포 측정이 가능하게 할 수 있다.
여기서 박막의 물성은, 외부에너지에 영향을 미치지 않도록 팬텀(200)과 동일한 물성을 가질 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 박막 및 PCB 기판은 복수이고, 복수의 박막 및 PCB 기판은 적층되어 3차원 구조로 배치될 수 있다.
이러한 적층된 3차원 구조를 기초로, 본 발명에서는 3차원 공간에서의, 상기 팬텀 내부의 온도 변화 판단이 가능할 수 있다.
도 12a는 기존의 2차원 온도 분포 측정의 일례를 도시한 것이고, 도 12b는 개선된 3차원 온도 분포 측정의 일례를 도시한 것이다.
도 12a의 경우, 팬텀(200)의 2차원 온도 분포만을 측정할 수 있으나 도 12b의 경우, 박막 및 PCB 기판은 복수이고, 복수의 박막 및 PCB 기판은 적층되어 3차원 구조로 배치되며, 적층된 3차원 구조를 기초로, 본 발명에서는 3차원 공간에서의, 상기 팬텀 내부의 온도 변화 판단이 가능할 수 있다.
단, 본 발명에서는, 커넥터 아래가 박막 센서을 고정하고 지지하는 지지부이고, 이러한 지지부를 1개 또는 여러 개 적층하고 고정하는 고정부의 형태로 적용될 수도 있다.
또한, 상기 박막 상의 상기 복수의 RTD 어레이(140)와 상기 PCB 기판의 전극과의 연결을 위해 사용되는 열압착 커넥터 필름(Heat Seal Connector, 150)이 추가적으로 이용될 수도 있다.
이를 통해, 한 번의 접착으로 54개 전기라인이 동시에 연결되는 것이 가능하다.
또한, 외부 회로와는 PCB 커넥터를(160) 및 플렉서블 플랫 케이블(170)을 이용하여 전기연결을 간편하게 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 박막이 고정되어 배치된 PCT 기판 전체는, 파릴렌(Parylene)을 코팅되어 방수 처리될 수 있다.
방수 처리된 상기 박막이 고정되어 배치된 PCT 기판을 적용하는 경우, 물을 대부분 포함하는 팬텀 내에서도 전기 절연이 가능한 기술적 특징을 가질 수 있다.
한편, 도 2에서 설명한 전기 측정 방법에 따르면, 직렬연결하고 전압을 측정하게 되는바 저항선이 하나라도 끊기면 전체 측정이 불가능하다는 문제점이 존재한다.
따라서 본 발명에서는, 스위칭을 이용하여 4-Wire sensing. 저항선이 끊겨도 나머지 측정이 가능한 구조를 제안한다.
한편, 도 13은 본 발명과 관련하여, 인체조직모사물질을 내부에 박막온도센서를 삽입한 이미지의 일례를 도시한 것이다.
또한, 도 14a 및 도 14b는 본 발명과 관련하여, 어레이 센서에서 얻은 온도분포의 실험 결과를 도시한 것이다.
도 14a를 참조하면, 초음파 에너지를 가하였을 때 위 그림의 팬텀 내부 온도 분포를 나타낸다. 도 14a에서 Z축이 온도 관련 정보를 나타낸다.
또한, 도 14b를 참조하면, 초음파 에너지를 가하였을 때 위 그림의 팬텀 내부 온도 분포를 나타낸다. 도 14b에서 Z축이 온도 관련 정보를 나타낸다.
또한, 도 15는 본 발명과 관련하여, 10x10 총 100개의 온도센서에서의 온도변화를 나타내는 실험결과를 도시한 것이다.
도 15를 참조하면, 10x10 총 100개의 온도센서에서의 온도변화를 나타내고, 초기에는 22도에 있다가 HIFU 에너지를 가하면서 모두 온도가 상승하고(가장 높은 4개의 센서는 초음파가 집중되는 중앙에 있는 센서임), 1300초에 초음파를 끄면 온도가 감소하는 것을 나타낸다.
또한, 도 16는 본 발명에 따라 HIFU 초점의 중앙 부분에서 온도가 가장 높게 나오는 것을 확인할 수 있는 이미지를 도시한 것이다.
또한, 도 17은 본 발명에 따라 3차원 공간상의 특정 위치에서 시간에 따른 온도변화를 측정할 수 있다는 것을 보여주는 도면을 나타낸 것이다.
또한, 도 18은 본 발명과 관련하여, 스위칭을 이용하여 4-Wire sensing하는 온도측정장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 18의 (a)는 도 2에서 설명한 기본적인 전기 측정 방법을 설명한 것이다.
도 18의 (b)는 스위칭을 이용하여 4-Wire sensing. 저항선이 끊겨도 나머지 측정이 가능한 구조를 제안한다.
도 18의 (b)를 참조하면, 데이터수집장치(120)는, 복수의 RTD(140)를 미리 설정된 개수 단위로 분할한 복수의 측정 영역 관련 전압을 측정하기 위해, 복수의 RTD와 병렬로 연결된 스위칭 소자(630)을 더 포함할 수 있다.
이때, 복수의 RTD 중 적어도 일부의 연결이 끊기는 경우, 데이터수집장치(120)는, 스위칭 소자(630)의 스위칭 동작을 기초로, 복수의 측정 영역 중 상기 연결이 끊긴 RTD와 관련된 제 1 영역을 제외한 나머지 측정 영역 관련 전압을 측정 유닛(620)이 측정하도록 할 수 있다.
따라서 저항체(RTD) 설계에 있어, 병렬 연결 설계로 제조공정 중 저항선이 일부 끊겨도 저항측정이 가능하다.
이 경우, 기본 방식에 비해 저항은 2배 이상 커질 수 있으나 본 발명에서 온도는 저항의 상대적인 변화율이므로 저항이 커져도 상관이 없고, 소자 제작의 성공률을 향상시키는 것에 기여할 수 있다.
또한, 도 19는 본 발명과 관련하여, 레이저로 센서의 일부에만 가열했을 때의 온도변화의 일례를 도시한 것이다.
도 19의 (a) 내지 (d) 각각은, 저항체(RTD)에서 독립적으로 온도가 측정가능함을 확인하기 위하여 동그라미 쳐진 영역에 레이저로 센서의 일부에만 가열했을 때의 온도 변화 모습을 도시한 것이다.
전술한 개선된 박막형 온도측정 어레이를 통해, 본 발명은 제조공정 중 저항선이 일부 끊겨도 저항측정이 가능하고, 적층을 통해 3차원 공간에서의 온도분포 측정이 가능하며, 방수처리를 통해 물을 포함하는 인체조직모사물질 내부에서도 전기절연이 가능한 박막형 온도 측정 어레이 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 박막센서와 PCB기판의 전극과의 연결을 위해 열압착커넥터필름(Heat Seal Connector)을 사용함으로써, 한 번의 접착으로 54개 전기라인이 동시에 연결되고, 외부 회로와는 PCB 커넥터를 이용하여 전기연결이 간편해진 박막형 온도 측정 어레이 장치 및 방법을 사용자에게 제공할 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예들은 다양한 수단을 통해 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들은 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다.
하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 컨트롤러, 마이크로 컨트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 실시예들에 따른 방법은 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차 또는 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

Claims (13)

  1. 박막 상에 복수의 온도센서가 분포된 어레이 센서;
    상기 박막이 지지될 수 있도록 상기 박막의 일부를 고정하고 상기 어레이센서와 전기신호를 연결하는 지지부;
    상기 복수의 온도센서 각각에서 발생된 전기신호를 측정하기 위한 데이터수집장치; 및
    상기 복수의 온도센서에 전기에너지를 공급하고, 상기 데이터수집장치를 통해 감지된 복수의 전기신호를 이용하여, 상기 박막에서의 온도 변화를 판단하는 제어부; 를 포함하는 온도측정장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 온도센서는 저항체로 이루어져있고, 저항 변화를 감지하여 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 온도센서는 서로 직렬로 연결되어 있고, 상기 온도센서 사이에 저항측정을 위한 전기연결선이 배치된 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
  4. 제 3항에 있어서
    상기 온도센서 내의 저항체는 상기 온도센서 사이의 연결선 보다 선 폭이 가늘거나 저항이 큰 물질을 이용하는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 저항체를 이루는 선폭이 상기 연결선에 비해 가늘기 때문에 제조 공정에서 상기 저항체 선의 단락으로 인해 온도측정이 안되는 것을 방지하기 위하여, 상기 저항체 내부회로를 병렬로 하는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 직렬로 연결된 어레이 센서 전체에 일정한 전류를 공급하고,
    상기 데이터 수집장치에서는 온도센서 사이에 배치된 전기연결선을 통해 각 온도센서에서의 전압 변화를 측정하여, 전체 온도센서의 저항을 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 온도측정 장치.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지부에 고정된 어레이 센서 다수 개를 적층하여 상기 온도센서가 3차원 구조로 배치되며,
    상기 적층된 3차원 구조를 기초로 3차원 공간에서의, 온도 변화 측정이 가능한 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 어레이센서 및 지지부는, 온도분포를 측정하고자 하는 물질의 내부에 존재하거나 표면에 접촉하여 있는 것을 특징으로 하는 온도측정 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 복수의 온도 센서 및 지지부는, 수분, 오염물질, 및 상기 물질 중 적어도 하나로부터 보호 및 전기 절연을 목적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
  10. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물질 내부의 온도 변화를 위해, 집속 초음파(High Intensity Focused Ultrasound, HIFU)가 조사되며
    상기 박막의 두께는 상기 집속 초음파 치료에 이용되는 초음파의 파장보다 작아 초음파의 투과율을 높이는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 물질은 초음파특성 및 열전달특성 중 적어도 하나가 인체조직과 유사한 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 온도 측정장치.
  12. 내부에 온도측정장치가 배치된 팬텀(phantom)에 있어서,
    상기 온도측정장치는,
    박막 상에 복수의 온도센서가 2차원 상에서 서로 직렬로 연결된 어레이 센서;
    상기 온도센서 어레이 센서가 지지될 수 있도록 상기 박막의 모서리를 고정하는 지지부;
    상기 지지부 상에 고정된 어레이 센서를 1개 또는 2개 이상 적층하여 고정하기 위한 고정부;
    상기 복수의 온도센서 각각에서 발생된 전기신호를 측정하기 위한 데이터수집장치; 및
    상기 복수의 온도센서에 전기에너지를 공급하고, 데이터수집장치를 통해 감지된 복수의 전기신호를 이용하여, 상기 팬텀 내부의 온도 변화를 판단하는 제어부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 팬텀.
  13. 박막 상에 복수의 온도센서가 2차원 상에서 서로 직렬로 연결된 어레이 센서가 지지될 수 있도록 상기 박막의 모서리를 지지부가 고정하는 단계;
    상기 지지부 상에 고정된 어레이 센서를 1개 또는 2개 이상 적층하여 고정하는 단계;
    상기 복수의 온도센서 각각에서 발생된 전기신호를 데이터수집장치가 측정하는 단계;
    상기 복수의 온도센서에 전기에너지를 공급하는 단계; 및
    상기 데이터수집장치를 통해 감지된 복수의 전기신호를 이용하여, 팬텀(phantom) 내부의 온도 변화를 판단하는 단계;를 포함하는 온도측정방법.
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