WO2023113491A1 - 캡슐내시경 위치 예측 시스템 및 방법 - Google Patents

캡슐내시경 위치 예측 시스템 및 방법 Download PDF

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WO2023113491A1
WO2023113491A1 PCT/KR2022/020435 KR2022020435W WO2023113491A1 WO 2023113491 A1 WO2023113491 A1 WO 2023113491A1 KR 2022020435 W KR2022020435 W KR 2022020435W WO 2023113491 A1 WO2023113491 A1 WO 2023113491A1
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phase difference
capsule
signal
angle
pattern
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PCT/KR2022/020435
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손영돈
김행근
강창기
정봉혁
이기범
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가천대학교 산학협력단
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Publication date
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    • A61B2562/162—Capsule shaped sensor housings, e.g. for swallowing or implantation

Definitions

  • the present invention relates to a system and method for predicting the position of a capsule endoscope, and more particularly, to determine the position and angle of a capsule based on a pre-stored phase difference pattern and an input digital phase difference signal with respect to a change in phase difference for each channel according to a change in capsule position and angle. It is about technology that allows you to estimate.
  • a capsule endoscope is a device for examining lesions in the stomach and large intestine. It measures the size of an RF signal, which is an image signal transmitted through a predetermined number of antennas in a capsule, and the position of the capsule in a RSSI (Received Signal Strength Indicator) method.
  • the intensity of the transmitted RF signal is small, the RSSI signal is small and the RSSI signal is greatly affected by the environment, so it is difficult to obtain a pattern with a stable size and position.
  • the present applicant proposes a method of generating and storing a pattern for the phase difference according to the position change of the capsule based on the phase difference of the original signal transmitted from the endoscope capsule and estimating the position of the capsule with the pre-stored pattern of the input original signal.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to derive a stable phase difference from the original signal by estimating the capsule position and angle based on the pre-stored phase difference pattern for the phase difference change for each channel according to the capsule position change and the input digital phase difference signal. This is to improve the accuracy of the capsule location, to accurately identify the location of the lesion, and thereby increase the rate of diagnosis of the lesion.
  • External equipment that receives an original signal including a carrier signal of a specific frequency transmitted from a capsule endoscope through a plurality of antennas, derives a phase difference of the received original signal, and converts the derived phase difference into a digital form;
  • a signal processing device for extracting a phase difference of a carrier signal according to time by dividing the digital phase difference signal received from the external device into segments of a specific length
  • a pattern storage device for pre-measuring and pre-storing patterns of the phase difference signal for each channel obtained through the external equipment and the signal processing device according to changes in various positions and angles of the capsule;
  • It is characterized in that it is provided with a position estimating device that estimates the position and angle of the capsule in real time by comparing the digital phase difference signal transmitted through the external equipment and the signal processing device with the pattern stored in the pattern storage device.
  • the external equipment Preferably, the external equipment,
  • BPF Band Pass Filter
  • phase detector for detecting a phase difference signal of the original signal of the predetermined frequency band
  • ADC Analog to Digital Converter
  • the signal processing device Preferably, the signal processing device, the signal processing device, and
  • a kernel module for generating and storing a pattern of a section including a carrier signal within a segment signal of a specific length received through the external device as a kernel;
  • a quantization module that extracts a position of a carrier signal section within a segment by convolving the kernel and the phase difference signal, obtains an average of only the phase difference of the carrier signal, and quantizes the quantization.
  • the position estimating device Preferably, the position estimating device,
  • the capsule position Based on the similarity between the phase difference signal for each channel at a specific time obtained through the quantization module of the signal processing device at one capsule position and angle and the phase difference pattern for each channel at a specific position and angle pre-stored in the pattern storage device, the capsule position and may be provided to estimate the angle.
  • the position estimating device Preferably, the position estimating device,
  • a phase difference pattern for each channel for a specific position and angle pre-stored in the pattern storage device is used as an input, and a learning model is built by taking the corresponding position and angle as the correct answer, and for each input, the position and angle of the capsule estimated by the neural network and It may be provided to estimate the capsule position and angle using a neural network trained with an error between the correct position and angle.
  • It is characterized by including the step of estimating the position and angle of the capsule in real time by comparing the phase difference signal in digital form received from the external device with a pre-stored pattern.
  • the step of estimating the position of the capsule is a step of estimating the position of the capsule
  • the capsule position and angle may be estimated based on the similarity between the phase difference signal for each channel at a specific time obtained from one capsule position and angle and the phase difference pattern for each channel at a specific position and angle previously stored.
  • the step of estimating the position of the capsule is a step of estimating the position of the capsule
  • a phase difference pattern for each channel for a specific position and angle pre-stored in the pattern storage device is used as an input, and a learning model is built with the measured position and angle as the correct answer, and the position and position of the capsule estimated by the neural network for each input It may be provided to estimate the capsule position and angle using a neural network trained with an error between the angle and the position and angle of the correct answer.
  • a stable phase difference signal is derived from a small original signal by estimating the capsule position and angle based on the phase difference between a pre-stored phase difference pattern and an input digital phase difference for phase difference change for each channel according to capsule position and angle change.
  • the capsule location accuracy can be fundamentally improved, and the location of the lesion can be accurately identified, thereby increasing the rate of diagnosis of the lesion.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a system for predicting a position of a capsule endoscope according to an embodiment.
  • Figure 2 is a detailed configuration diagram of the external equipment of Figure 1;
  • FIG. 3 is an exemplary view of antenna installation of the external equipment of FIG. 2 .
  • FIG. 4 is a detailed configuration diagram of the signal processing device of FIG. 1;
  • FIG. 5 is a diagram showing a processing algorithm of the signal processing device of FIG. 4;
  • 6a to 6d are It is an output waveform diagram of each unit of the signal processing apparatus of FIG. 4 .
  • FIG. 7 is a diagram showing a processing algorithm of the pattern storage device of FIG. 1;
  • 8A and 8B are exemplary diagrams showing patterns of phase difference signal change for each channel according to capsule position change according to an embodiment.
  • first or second may be used to describe various components, such terms should only be construed for the purpose of distinguishing one component from another.
  • a first element may be termed a second element, and similarly, a second element may be termed a first element.
  • a medical image signal is a signal acquired and transmitted from a capsule for an angioplasty or gastrocolonoscopy
  • an original signal is a signal that passes through a predetermined frequency band among medical images through an antenna.
  • the original signal or medical image throughout the specification is described as an example in the form of RF, but is not limited thereto.
  • a pattern for the phase difference according to the position change of the capsule is generated and stored, and the capsule position is estimated based on the input original signal based on the previously stored pattern.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a system for predicting a position of a capsule endoscope according to an embodiment
  • FIG. 2 is a detailed configuration diagram of an external device of FIG. 1
  • FIG. 3 is an antenna installation example of the external device of FIG. is a detailed configuration diagram of the signal processing device of FIG. 1
  • FIG. 5 is a diagram showing a processing algorithm of the signal processing device of FIG. 4
  • FIGS. 6A to 6D are output waveform diagrams of each unit of the signal processing device of FIG. 4
  • 7 is a diagram showing a processing algorithm of the pattern storage device of FIG. 1;
  • the position prediction system of a capsule endoscope includes an external device 1, a signal processing device 2, a pattern storage device 3, and a position estimation device 4.
  • the capsule position is estimated based on the phase difference pattern of the phase difference change for each channel according to the previously stored capsule position and angle change and the input digital phase difference signal.
  • the external equipment 1 receives the original signal including the carrier signal of a specific frequency transmitted from the capsule endoscope through a plurality of antennas, derives the phase difference of the received original signal, and converts the derived phase difference into a digital form.
  • a plurality of antennas 11, BPF (Band Pass Filter 12), PD (Phase Detector) 13, and ADC (Analog to Digital Converter) 14 may be included.
  • the specific frequency is an RF frequency that can be used in the capsule endoscope, and is, for example, a 915 MHz band.
  • the external equipment 1 is manufactured in consideration of the human body size ratio, made of acrylic to minimize attenuation of the RF signal, and may be provided in a two-layer structure.
  • 8 ceramic antennas are fixedly installed, and the RF signal received through each antenna has a range of 0 to 1.8V, and each antenna generates an RF signal difference of 10 per 0.1V,
  • the 8 RF-type original signals of each antenna are separated into 16 signal lines using a distribution adapter and then obtained from the 16 signal lines.
  • the BPF 12 receives the acquired RF-type original signal of each antenna as an input and passes the RF-type original signal in a predetermined frequency band, and the passed original signal is transmitted to the PD 13, and the PD 13 receives a constant
  • the phase difference of the sampled original signal is detected.
  • the detected phase difference is converted into digital form by the ADC 14.
  • the phase difference converted into digital form is transmitted to the signal processing device 2.
  • the original signal includes a carrier signal of a specific frequency.
  • the signal processing device 2 is configured to extract the phase difference of the carrier signal over time by dividing the digital phase difference signal received from the external equipment into segments of a specific length.
  • the specific length is a unit of time in which the carrier frequency can be detected.
  • the signal processing device 2 may include a kernel module 21 and a quantization module 22 as shown in FIG. 4 . Accordingly, the signal processing device 2 generates and stores a pattern of a section including a carrier signal as a kernel within a segment signal of a specific length received through the external equipment 1, and convolves the kernel and the phase difference signal to segment the segment. The position of the carrier signal section within is extracted, and the average of only the phase difference of the carrier signal is obtained and quantized.
  • FIG. 5 an operation process of the signal processing device 2 will be described with reference to FIG. 5.
  • the kernel module 21 generates and stores a pattern of a section including a carrier signal within a segment signal of a specific length received through the external device 1 as a kernel
  • the quantization module 22 generates and stores the phase difference between the kernel and the phase.
  • the signal is convoluted to extract the position of the carrier signal section in the segment, and the average of only the phase difference of the carrier signal is obtained and quantized.
  • the phase difference of the carrier signal of the quantization module 22 is a more stable signal than the phase difference signal of the PD 13 obtained from the small-sized original signal.
  • raw data having a constant periodicity is as shown in FIG. 6A
  • a kernel fabricated with one period of the original signal is as shown in FIG. 6B
  • the resulting value of the convolution between the fabricated kernel and the original signal is as shown in FIG. 6c
  • the phase difference signal obtained by combining the derived convolution resultant signal and the original signal is shown in FIG. 6d.
  • the pattern storage device 3 measures the phase difference signal for each channel obtained through the external equipment 1 and the signal processing device in advance according to changes in various positions and angles of the capsule, Save.
  • the pattern storage device 3 receives the original signal of the capsule endoscope received through the external device 1, obtains a phase difference signal for the original signal through the signal processing device 2, and then converts the pattern After storing, the original signal of the capsule endoscope is received through the external device (1) by changing the position and angle of the capsule.
  • the positions and angles of the capsules are sequentially changed, and then patterns of the received capsules are generated and stored.
  • FIGS. 8A and 8B are exemplary diagrams showing patterns of phase difference signal change for each channel according to capsule position change according to an embodiment.
  • a pattern showing phase difference change for each channel according to capsule position and angle variation stored in the pattern storage device 3, and for each channel according to the angle fixed and the capsule position varying in x, y two dimensions The pattern showing the change in phase difference is as shown in FIG. 8A, and the pattern showing the change in phase difference for each channel according to the fixed position of the capsule and the change in angle is shown in FIG. 8B.
  • the position estimating device 4 compares the digital phase difference signal received through the external equipment 1 and the signal processing device 2 with the pattern stored in the pattern storage device 3 to determine the position of the capsule in real time. angle can be estimated.
  • the position estimating device 4 is, for example, a phase difference signal for each channel at a specific time obtained through the quantization module 22 of the signal processing device 2 at one capsule position and angle and the pattern storage device 3
  • the capsule position and angle can be estimated based on the similarity of the phase difference pattern for each channel at a pre-stored specific position and angle.
  • the specific time is the current time when a phase difference signal is obtained through the quantization module 22 of the signal processing apparatus 2 at the position and angle of one capsule
  • the specific position is the position and angle of the one capsule.
  • the position estimating device 4 takes as an input a phase difference pattern for each channel for a specific position and angle pre-stored in the pattern storage device 3, builds a learning model with the corresponding position and angle as the correct answer, and each input For , the position and angle of the capsule can be estimated using the neural network trained with the error between the position and angle of the capsule estimated by the neural network and the position and angle of the correct answer.
  • a small size transmitted from the endoscope capsule is obtained.
  • a stable phase difference signal can be derived from the original signal, and the capsule position can be derived in real time, thereby increasing the accuracy of the lesion position and the lesion diagnosis rate.
  • a capsule endoscope position prediction system and method capable of deriving a phase difference signal and deriving the capsule position in real time, thereby increasing the accuracy of lesion position and the lesion diagnosis rate, in terms of operational accuracy and reliability, and furthermore, performance efficiency. It can bring about great progress in the field of medical imaging, can be applied in various fields, can actively utilize diagnostic monitoring in related industries as core technology of medical imaging is secured, and commercialization or sales of medical imaging diagnosis systems. It is an invention with industrial applicability because it has not only sufficient potential but also a level that can be clearly implemented in reality.

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Abstract

본 기술은 캡슐내시경의 위치 예측 시스템 및 방법이 개시된다. 이러한 본 기술에 대한 구체적인 구현 예는 캡슐 위치 변동에 따른 채널 별 위상차 변화에 대한 기 저장된 위상차 패턴과 입력된 디지털 형태의 위상차 신호를 토대로 캡슐 위치를 추정함에 따라, 내시경용 캡슐로부터 전송한 작은 크기의 원신호에 대해 안정적인 위상차 신호를 도출할 수 있고, 실시간으로 캡슐 위치를 도출할 수 있으며, 이에 병변 위치의 정확도 및 병변 진단율을 높일 수 있다.

Description

캡슐내시경 위치 예측 시스템 및 방법
본 발명은 캡슐내시경 위치 예측 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 캡슐 위치 및 각도 변동에 따른 채널 별 위상차 변화에 대해 기 저장된 위상차 패턴과 입력된 디지털 형태의 위상차 신호를 토대로 캡슐 위치 및 각도를 추정할 수 있도록 한 기술에 관한 것이다.
캡슐 내시경은 위장 및 대장의 병변 검사를 수행하는 장비로서, RSSI(Received Signal Strength Indicator) 방식으로 캡슐 내 소정 수의 안테나를 통해 전송되는 영상신호인 RF신호의 크기 및 캡슐의 위치를 측정한다.
그러나, 전송되는 RF신호의 세기가 작기 때문에 RSSI 신호가 작고 이러한 RSSI 신호는 환경의 영향을 크게 받기 때문에 안정적인 크기와 위치에 대한 패턴 획득이 어려운 한계에 도달하였다.
이에 본 출원인은 내시경용 캡슐로부터 전달되는 원신호의 위상차를 토대로 캡슐의 위치 변동에 따른 위상차에 대한 패턴을 생성하여 저장하고 입력된 원신호를 기 저장된 패턴으로 캡슐 위치를 추정하는 방안을 제안하고자 한다.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 캡슐 위치 변동에 따른 채널 별 위상차 변화에 대한 기 저장된 위상차 패턴과 입력된 디지털 형태의 위상차 신호를 토대로 캡슐 위치 및 각도를 추정함에 따라 원신호로부터 안정적인 위상차를 도출할 수 있고, 캡슐 위치의 정확도를 근본적으로 향상시킬 수 있으며, 병변 위치를 정확하게 파악할 수 있으며, 이에 병변 진단율을 높이기 위한 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 캡슐내시경의 위치 예측 시스템은,
캡슐내시경으로부터 송출된 특정 주파수의 캐리어 신호가 포함된 원신호를 다수의 안테나를 통해 수신한 다음 수신된 원신호의 위상차를 도출하여 도출된 위상차를 디지털 형태로 변환하는 외부장비;
상기 외부장비로부터 전달받은 디지털형태의 위상차 신호를 특정 길이의 세그먼트로 분할하여 시간에 따른 캐리어 신호의 위상차를 추출하는 신호처리장치;
상기 외부장비와 상기 신호처리장치를 거쳐 획득한 채널 별 위상차 신호를 캡슐의 여러 위치와 여러 각도의 변화에 따른 채널별 위상차 신호의 패턴을 미리 측정하여 기 저장하는 패턴 저장장치; 및
상기 외부장비와 상기 신호처리장치를 통해 전달받은 디지털 형태의 위상차 신호를 상기 패턴저장장치에 저장된 패턴과 비교하여 실시간으로 캡슐의 위치와 각도를 추정하는 위치 추정장치로 구비되는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 외부장비는,
다수의 안테나;
상기 안테나를 통해 수신된 원신호 중 소정 주파수 대역의 원신호를 통과시키는 BPF(Band Pass Filter);
상기 소정 주파수 대역의 원신호의 위상차 신호를 검출하는 위상 검출기(PD: Phase Detector); 및
상기 원신호의 위상차 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter)를 포함할 수 있다.
바람직하게 상기 신호처리장치는,
상기 외부 장치를 통해 수신된 특정 길이의 세그먼트 신호 내에서 캐리어 신호가 포함된 구간의 패턴을 커널로 생성 및 저장하는 커널모듈; 및
상기 커널과 상기 위상차 신호를 컨볼루션하여 세그먼트 내의 캐리어 신호 구간의 위치를 추출하여 캐리어 신호의 위상차만의 평균을 구하여 양자화하는 양자화모듈로 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 위치 추정장치는,
하나의 캡슐 위치 및 각도에서 상기 신호처리장치의 양자화 모듈을 통해 얻어진 특정 시간에서의 채널 별 위상차 신호와 상기 패턴 저장장치에 기 저장된 특정 위치와 각도에서의 채널 별 위상차 패턴에 대한 유사도를 토대로 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 위치 추정장치는,
상기 패턴 저장장치에 기 저장된 특정 위치와 각도에 대한 채널별 위상차 패턴을 입력으로 하고, 해당 위치 및 각도를 정답으로 하여 학습 모델을 구축하고, 각 입력에 대해 신경망에서 추정된 캡슐의 위치 및 각도와 정답 위치 및 각도 간의 오차로 훈련한 신경망을 사용하여 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 캡슐내시경의 위치 예측 시스템의 제어방법은,
캡슐내시경으로부터 송출된 특정 주파수의 캐리어 신호가 포함된 원신호를 다수의 안테나를 통해 수신한 다음 수신된 특정 주파수의 원신호 신호의 위상차를 도출하여 도출된 위상차를 디지털 형태로 변환하는 단계;
외부장비로부터 전달받은 디지털 형태의 위상차 신호를 특정 길이의 세그먼트로 분할하여 시간에 따른 캐리어 신호에서의 위상차 신호를 추출하는 단계;
획득한 채널 별 위상차 신호를 캡슐의 여러 위치와 여러 각도의 변화에 따른 채널별 위상차 신호의 패턴을 미리 측정하여 기 저장하는 단계; 및
상기 외부장비로부터 전달받은 디지털 형태의 위상차 신호를 기 저장된 패턴과 비교하여 실시간으로 캡슐의 위치와 각도를 추정하는 단계를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
바람직하게 상기 캡슐의 위치를 추정하는 단계는,
하나의 캡슐 위치 및 각도에서 얻어진 특정 시간에서의 채널 별 위상차 신호와 기 저장된 특정 위치와 각도에서의 채널 별 위상차 패턴의 유사도를 토대로 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비될 수 있다.
바람직하게 상기 캡슐의 위치를 추정하는 단계는,
상기 패턴 저장장치에 기 저장된 특정 위치와 각도에 대한 채널별 위상차 패턴을 입력으로 하고, 측정한 해당 위치 및 각도를 정답으로 하여 학습 모델을 구축하여, 각 입력에 대해 신경망에서 추정된 캡슐의 위치 및 각도와 정답 위치 및 각도 간의 오차로 훈련한 신경망을 사용하여 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비하도록 구비될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 캡슐 위치 및 각도 변동에 따른 채널 별 위상차 변화에 대해 기 저장된 위상차 패턴과 입력된 디지털 형태의 위상차를 토대로 캡슐 위치 및 각도를 추정함에 따라, 작은 원신호로부터 안정적인 위상차 신호를 도출할 수 있고, 캡슐 위치의 정확도를 근본적으로 향상시킬 수 있으며, 병변 위치를 정확하게 파악할 수 있으며, 이에 병변 진단율을 높일 수 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 일 실시예에 따른 캡슐내시경의 위치 예측 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 외부장비의 세부 구성도이다.
도 3은 도 2의 외부장비의 안테나 설치 예시도이다.
도 4는 도 1의 신호처리장치의 세부 구성도이다
도 5는 도 4의 신호처리장치의 처리 알고리즘을 보인 도이다.
도 6a 내지 도 6d는 도 4의 신호처리장치의 각 부의 출력 파형도이다.
도 7은 도 1의 패턴 저장장치의 처리 알고리즘을 보인 도이다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 의거한 캡슐 위치 변동에 따른 채널 별 위상차 신호 변화에 대한 패턴을 보인 예시도들이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 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 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에 대한 설명에 앞서, 본 명세서에서 사용되는 몇 가지 용어들에 대하여 명확하게 하기로 한다. 예를 들어, 본 명세서에서 의료영상신호는 혈관 내시경 또는 위 대장 내시경용 캡슐에서 획득하여 전송되는 신호이고, 원신호는 안테나를 통해 의료영상 중 소정 주파수 대역을 통과한 신호이다. 또한 명세서 전반에 걸쳐 있는 원신호 또는 의료영상은 RF 형태인 것을 일 례로 설명하고 있으나 이에 한정하지 아니한다.
이에 일 실시예는 내시경용 캡슐로부터 전달되는 원신호의 위상차를 토대로 캡슐의 위치 변동에 따른 위상차에 대한 패턴을 생성하여 저장하고 입력된 원신호를 기 저장된 패턴을 기반으로 캡슐 위치를 추정한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 캡슐내시경의 위치 예측 시스템의 구성도이고, 도 2는 도 1의 외부 장비의 세부 구성도이며, 도 3은 도 2의 외부장비의 안테나 설치 예시도이고, 도 4는 도 1의 신호처리장치의 세부 구성도이고, 도 5는 도 4의 신호처리장치의 처리 알고리즘을 보인 도이며, 도 6a 내지 도 6d는 도 4의 신호처리장치의 각 부의 출력 파형도이고, 도 7은 도 1의 패턴 저장장치의 처리 알고리즘을 보인 도이다.
도 1 내지 도 7을 참조하면, 일 실시예의 캡슐내시경의 위치 예측 시스템은, 외부장비(1), 신호처리장치(2), 패턴 저장장치(3), 및 위치 추정장치(4)를 포함하여, 기 저장된 캡슐 위치 및 각도 변동에 따른 채널 별 위상차 변화에 대한 위상차 패턴과 입력된 디지털 형태의 위상차 신호를 토대로 캡슐 위치를 추정하는 구성을 갖춘다.
여기서, 외부장비(1)는 캡슐내시경으로부터 송출된 특정 주파수의 캐리어 신호가 포함된 원신호를 다수의 안테나를 통해 수신한 다음 수신된 원신호의 위상차를 도출하여 도출된 위상차를 디지털 형태로 변환하는 구성을 갖추며, 이에 도 2를 참조하면, 다수의 안테나(11), BPF(Band Pass Filter 12), PD(Phase Detector)(13), 및 ADC(Analog to Digital Converter)(14)를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 특정 주파수는 RF 주파수로 캡슐 내시경에서 사용 가능한 주파수이며, 일 례로 915MHz 대역이다.
일 례로, 도 3을 참조하면, 외부장비(1)는 인체 크기 비율을 고려하여 제작되며, RF신호의 감쇠를 최소화하기 위해 아크릴로 제작되며 2층 구조로 구비될 수 있다. 그리고, 제작된 외부장비(1)는 8개의 세라믹 안테나가 고정 설치되며, 각 안테나를 통해 수신되는 RF신호는 0~1.8V 범위를 가지며, 각 안테나는 0.1V 당 10의 RF신호 차가 발생되며, 각 안테나의 8 개의 RF 형태의 원신호는 분배 어댑터를 이용하여 16개의 신호선으로 분리한 다음 16개의 신호선에서 획득된다.
그리고 BPF(12)는 획득된 각 안테나의 RF 형태의 원신호를 입력으로 소정 주파수 대역의 RF형태의 원신호를 통과하고 통과된 원신호는 PD(13)에 전달되며, PD(13)는 일정한 주기성을 가지는 위상신호의 주기로 획득된 위상신호를 샘플링한 다음 샘플링된 원신호의 위상차를 검출한다. 검출된 위상차는 ADC(14)에 의거 디지털 형태로 변환된다. 디지털 형태로 변환된 위상차는 신호처리장치(2)로 전달된다. 이때 원신호는 특정주파수의 캐리어신호가 포함된다.
이에 신호처리장치(2)는 상기 외부장비로부터 전달받은 디지털형태의 위상차 신호를 특정 길이의 세그먼트로 분할하여 시간에 따른 캐리어 신호의 위상차를 추출하는 구성을 갖춘다. 여기서, 특정 길이는 캐리어 주파수가 검츨 가능한 시간 단위이다.
즉, 신호처리장치(2)는 도 4에 도시된 바와 같이, 커널모듈(21), 양자화모듈(22)을 포함할 수 있다. 이에 신호처리장치(2)는 외부장비(1)를 통해 수신된 특정 길이의 세그먼트 신호 내에서 캐리어 신호가 포함된 구간의 패턴을 커널로 생성 및 저장하고, 커널과 상기 위상차 신호를 컨볼루션하여 세그먼트 내의 캐리어 신호 구간의 위치를 추출하여 캐리어 신호의 위상차만의 평균을 구하여 양자화한다. 이하 신호처리장치(2)의 동작 과정을 도 5을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 즉, 커널모듈(21)은 외부장비(1)를 통해 수신된 특정 길이의 세그먼트 신호 내에서 캐리어 신호가 포함된 구간의 패턴을 커널로 생성 및 저장하고, 양자화모듈(22)은 커널과 상기 위상차 신호를 컨볼루션하여 세그먼트 내의 캐리어 신호 구간의 위치를 추출하여 캐리어 신호의 위상차만의 평균을 구하여 양자화한다.
이에 양자화모듈(22)의 캐리어신호의 위상차는 작은 크기의 원신호로부터 획득된 PD(13)의 위상차 신호보다 안정적인 신호이다.
도 6a 내지 도 6d를 참조하면, 일정한 주기성을 가지는 원신호(raw data)는 도 6a에 도시된 바와 같고, 원신호의 한 주기로 제작된 커널은 도 6b에 도시된 바와 같다. 또한, 제작된 커널과 원신호의 컨볼루션(Convolution)의 결과값은 도 6c에 도시된 바와 같고, 도출된 컨볼루션 결과신호와 원신호를 결합한 위상차 신호는 도 6d에 도시된 바와 같다.
한편, 패턴 저장장치(3)는 외부장비(1)와 상기 신호처리장치를 거쳐 획득한 채널 별 위상차 신호를 캡슐의 여러 위치와 여러 각도의 변화에 따른 채널별 위상차 신호의 패턴을 미리 측정하여 기 저장한다.
도 7을 참조하면, 패턴 저장장치(3)는 외부장비(1)를 통해 수신된 캡슐 내시경의 원신호를 수신하고, 신호 처리장치(2)를 통해 원신호에 대한 위상차 신호를 획득한 다음 패턴을 저장한 후 캡슐의 위치 및 각도를 변경하여 외부장비(1)를 통해 캡슐 내시경의 원신호를 수신한다. 전술한 패턴 생성 과정은 캡슐의 위치 및 각도를 순차적으로 변경한 다음 수신된 캡슐의 패턴을 생성하여 저장한다.
도 8a 및 도 8b는 일 실시예에 의거한 캡슐 위치 변동에 따른 채널 별 위상차 신호 변화에 대한 패턴을 보인 예시도들이다. 도 8a 및 도 8b를 참조하면, 패턴 저장장치(3)에 저장된 캡슐 위치 및 각도 변동에 따른 채널 별 위상차 변화를 나타낸 패턴으로, 각도 고정과 x, y 2차원으로 변동되는 캡슐 위치에 따른 채널 별 위상차의 변화를 나타낸 패턴은 도 8a에 도시된 바와 같고 캡슐의 위치 고정 및 각도 변동에 따른 채널 별 위상차 변화를 나타낸 패턴은 도 8b에 도시된 바와 같다.
한편, 위치 추정장치(4)는 외부장비(1)와 상기 신호처리장치(2)를 통해 전달받은 디지털 형태의 위상차 신호를 패턴저장장치(3)에 저장된 패턴과 비교하여 실시간으로 캡슐의 위치와 각도를 추정할 수 있다.
여기서, 위치 추정장치(4)는 일 례로, 하나의 캡슐 위치 및 각도에서 신호처리장치(2)의 양자화 모듈(22)을 통해 얻어진 특정 시간에서의 채널 별 위상차 신호와 패턴 저장장치(3)에 기 저장된 특정 위치와 각도에서의 채널 별 위상차 패턴에 대한 유사도를 토대로 캡슐 위치와 각도를 추정할 수 있다. 여기서 특정 시간은 하나의 캡슐 위치 및 각도에서 신호처리장치(2)의 양자화 모듈(22)을 통해 위상차 신호를 얻는 현재 시간이고 특정 위치는 상기 하나의 캡슐 위치 및 각도이다. 또 다른 례로 위치 추정장치(4)는 패턴 저장장치(3)에 기 저장된 특정 위치와 각도에 대한 채널별 위상차 패턴을 입력으로 하고, 해당 위치 및 각도를 정답으로 하여 학습 모델을 구축하고, 각 입력에 대해 신경망에서 추정된 캡슐의 위치 및 각도와 정답 위치 및 각도 간의 오차로 훈련한 신경망을 사용하여 캡슐 위치와 각도를 추정할 수 있다.
이에 일 실시예는 캡슐 위치 및 각도 변동에 따른 채널 별 위상차 변화에 대한 기 저장된 위상차 패턴과 입력된 디지털 형태의 위상차 신호를 토대로 캡슐 위치 및 각도를 추정함에 따라, 내시경용 캡슐로부터 전송한 작은 크기의 원신호에 대해 안정적인 위상차 신호를 도출할 수 있고, 실시간으로 캡슐 위치를 도출할 수 있으며, 이에 병변 위치의 정확도 및 병변 진단율을 높일 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기를 기초로 다양한 기술적 수정 및 변형을 적용할 수 있다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
캡슐 위치 및 각도 변동에 따른 채널 별 위상차 변화에 대한 기 저장된 위상차 패턴과 입력된 디지털 형태의 위상차 신호를 토대로 캡슐 위치 및 각도를 추정함에 따라, 내시경용 캡슐로부터 전송한 작은 크기의 원신호에 대해 안정적인 위상차 신호를 도출할 수 있고, 실시간으로 캡슐 위치를 도출할 수 있으며, 이에 병변 위치의 정확도 및 병변 진단율을 높일 수 있는 캡슐내시경 위치 예측 시스템 및 방법에 대한 운용의 정확성 및 신뢰도 측면, 더 나아가 성능 효율 면에 매우 큰 진보를 가져올 수 있으며, 다양한 분야에서의 적용할 수 있고, 의료영상의 핵심 기술을 확보함에 따라 관련 산업분야의 진단 모니터링을 적극적으로 활용할 수 있고, 의료영상 진단 시스템의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.
[부호의 설명]
1 : 외부장비
11 : 다수의 안테나
12 : BPF
13 : PD
14 : ADC
2 : 신호처리장치
21 : 커널모듈
22 : 양자화모듈
3 : 패턴 저장장치
4 : 위치 추정장치

Claims (8)

  1. 캡슐내시경으로부터 송출된 특정 주파수의 캐리어 신호가 포함된 원신호를 다수의 안테나를 통해 수신한 다음 수신된 원신호의 위상차를 도출하여 도출된 위상차를 디지털 형태로 변환하는 외부장비;
    상기 외부장비로부터 전달받은 디지털형태의 위상차 신호를 특정 길이의 세그먼트로 분할하여 시간에 따른 캐리어 신호의 위상차를 추출하는 신호처리장치;
    상기 외부장비와 상기 신호처리장치를 거쳐 획득한 채널 별 위상차 신호를 캡슐의 여러 위치와 여러 각도의 변화에 따른 채널별 위상차 신호의 패턴을 미리 측정하여 기 저장하는 패턴 저장장치; 및
    상기 외부장비와 상기 신호처리장치를 통해 전달받은 디지털 형태의 위상차 신호를 상기 패턴저장장치에 저장된 패턴과 비교하여 실시간으로 캡슐의 위치와 각도를 추정하는 위치 추정장치로 구비되는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경의 위치 예측 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 외부장비는,
    다수의 안테나;
    상기 안테나를 통해 수신된 원신호 중 소정 주파수 대역의 원신호를 통과시키는 BPF(Band Pass Filter);
    상기 소정 주파수 대역의 원신호의 위상차 신호를 검출하는 위상 검출기(PD: Phase Detector); 및
    상기 원신호의 위상차 신호를 디지털 형태로 변환하는 ADC(Analog to Digital Converter)를 포함하는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경의 위치 예측 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 신호처리장치는,
    상기 외부장비를 통해 수신된 특정 길이의 세그먼트 신호 내에서 캐리어 신호가 포함된 구간의 패턴을 커널로 생성 및 저장하는 커널모듈; 및
    상기 커널과 상기 위상차 신호를 컨볼루션하여 세그먼트 내의 캐리어 신호 구간의 위치를 추출하여 캐리어 신호의 위상차만의 평균을 구하여 양자화하는 양자화모듈로 구비되는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경의 위치 예측 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 위치 추정장치는,
    하나의 캡슐 위치 및 각도에서 상기 양자화 모듈을 통해 얻어진 특정 시간에서의 채널 별 위상차 신호와 상기 패턴 저장장치에 기 저장된 해당 위치와 각도에서의 채널 별 위상차 패턴에 대한 유사도를 토대로 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경의 위치 예측 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 위치 추정장치는,
    상기 패턴 저장장치에 기 저장된 특정 위치와 각도에 대한 채널별 위상차 패턴을 입력으로 하고, 해당 위치 및 각도를 정답으로 하여 학습 모델을 구축하고, 각 입력에 대해 신경망에서 추정된 캡슐의 위치 및 각도와 정답 위치 및 각도 간의 오차로 훈련한 신경망을 사용하여 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 캡슐내시경의 위치 예측 시스템.
  6. 제1항의 캡슐내시경의 위치 예측 시스템에 의거 수행되는 캡슐내시경의 위치 예측 방법에 있어서,
    캡슐내시경으로부터 송출된 특정 주파수의 캐리어 신호가 포함된 원신호를 다수의 안테나를 통해 수신한 다음 수신된 특정 주파수의 원신호 신호의 위상차를 도출하여 도출된 위상차를 디지털 형태로 변환하는 단계;
    외부장비로부터 전달받은 디지털 형태의 위상차 신호를 특정 길이의 세그먼트로 분할하여 시간에 따른 캐리어 신호에서의 위상차 신호를 추출하는 단계;
    획득한 채널 별 위상차 신호를 캡슐의 여러 위치와 여러 각도의 변화에 따른 채널별 위상차 신호의 패턴을 미리 측정하여 기 저장하는 단계; 및
    상기 외부장비로부터 전달받은 디지털 형태의 위상차 신호를 기 저장된 패턴과 비교하여 실시간으로 캡슐의 위치와 각도를 추정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 내시경 캡슐 위치 예측 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 캡슐의 위치를 추정하는 단계는,
    하나의 캡슐 위치 및 각도에서 얻어진 특정 시간에서의 채널 별 위상차 신호와 기 저장된 특정 위치와 각도에서의 채널 별 위상차 패턴의 유사도를 토대로 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 내시경 캡슐 위치 예측 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 캡슐의 위치를 추정하는 단계는,
    기 저장된 특정 위치와 각도에 대한 채널별 위상차 패턴을 입력으로 하고, 측정한 해당 위치 및 각도를 정답으로 하여 학습 모델을 구축하여, 각 입력에 대해 신경망에서 추정된 캡슐의 위치 및 각도와 정답 위치 및 각도 간의 오차로 훈련한 신경망을 사용하여 캡슐 위치와 각도를 추정하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 내시경 캡슐 위치 예측 방법.
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