(51) Int. Cl. A61B 3/113 (2006.01) (19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 (11) 등록번호 (24) 등록일자 2006 년 09 월 25 일 10-0627929 2006 년 09 월 18 일 (21) 출원번호 10-2004-0032297 (65) 공개번호 10-2005-0107105 (22) 출원일자 2004년05월07일 (43) 공개일자 2005년11월11일 (73) 특허권자재단법인서울대학교산학협력재단서울특별시관악구봉천동산 4-2 (72) 발명자김근영서울시관악구봉천 7 동 1612-50 201 호 김희찬서울강동구명일동 44 신동아아파트 1-1302 김지수경기도과천시문원동 15-148 이승엽서울특별시종로구원남동코윈팔레스뷰 204 호 (74) 대리인유미특허법인 (56) 선행기술조사문헌 JP02193641 A KR1019960013318 A * 심사관에의하여인용된문헌 JP64043230 A US5682210 B 심사관 : 김태훈 (54) 안구운동측정장치및방법 요약 의료장치에서마그네틱컨택트렌즈센서 (Magnetic Contact Lens Sensor) 를활용한비접촉식방식의자기장검출을이용하여안구의움직임을측정분석하여임상검사를하는것으로, 피검자의안구에착용되는마그네틱이부착된컨택트렌즈와, 안구의움직임에따른마그네틱의자기장변화를검출하는센서와, 검출전압신호를설정된이득값으로증폭조절하는증폭기와, 이득조절된전압신호를설정된대역의주파수로필터링하여원하는주파수대역의성분만으로추출하는필터와, 상기필터링된아날로그전압신호를디지털전압신호로변환하는 A/D 변환부와, 디지털전압신호로인가되는각축별자기장의변화를분석하여안구의움직임에대한결과를추출하는마이크로콘트롤러및상기마이크로콘트롤러에서인가되는제어신호에따라피검자의안구움직임에대한각축별자기장의변화를소정의형식으로표시하는표시장치를포함한다. - 1 -
임상검사를위한안구의움직임을검사함에있어외부에서자기장이형성되고, 이것을유도전류로측정하여안구의움직임에따른회전각도가그대로유도되는전압의크기로측정하므로, 복잡한신호의보정없이피검자의안구운동을편리하게검사할수있으며, 피검자가눈을감거나안구를가리는상황에서도안구의움직임을정확하게측정할수있다. 대표도 도 1 색인어 임상검사, 안구, 안구움직임, 자기장변화, 컨택트렌즈 명세서 도면의간단한설명 도 1 은본발명에따른안구운동측정장치를도시한도면. 도 2 는본발명에따른안구운동측정장치에적용되는컨택트렌즈를도시한도면. 도 3 은본발명에따른안구운동측정장치에서센서가장착되는안경형도구를도시한도면. 도 4 는도 3 의안경형도구를착용한사용상태도. 도 5 는본발명에따른안구운동측정장치를이용한안구운동측정하는과정에대한흐름도. 도 6 은본발명에따라안구운동측정장치에서안구의움직임과그것이센서에대하여가지는거리관계를설명하는도면. 도 7 은본발명에따른안구운동측정장치가안경형도구에일체형으로장착되는하드웨어구성도. 발명의상세한설명 발명의목적 발명이속하는기술및그분야의종래기술 본발명의의료장치에관한것으로, 더상세하게는마그네틱컨택트렌즈센서 (Magnetic Contact Lens Sensor) 를활용한비접촉식방식의자기장검출을이용하여안구의움직임을측정분석하도록하는안구운동측정장치및방법에관한것이다. 인체에있는중추기능을관장하는뇌 (Brain) 는인체의구성하는모든부분과중추신경계및말초신경계로연결되어있다. 따라서, 의료분야에서는피검자의안구움직임을포착하여쉽게검진하기어려운뇌에대한건강상태를진단하거나평형기관에대한건강상태를진단하고있다. 안구의움직임을포착하고그것을유용한수준에서분석하고자하는방법으로는 EOG(Electrooculogram), VOG (Videooculogram), MSCT(Magnetic Search Coil Technique) 등이사용되고있다. EOG 는비교적오래전에개발되어사용되고있는방법으로피검자얼굴의안구주변에다수개의전극을부착하고안구의움직임이가져오는전기장의변화를전극에서감지하여분석하는방법이다. - 2 -
이방법은수평방향의안구움직임에대해서는비교적좋은감도를가지나, 수직방향에있어서는효과적인전극부착이어렵기때문에믿을만한검사를수행하기가어렵다. VOG 는비교적최근들어개발된방법으로피검자의안구움직임모습을카메라를통해서기록하고이것을이미지프로세싱을통해서안구의회전된각도를롤 (Rolling), 요 (Yawing), 피치 (Pitching) 각각의운동에대해서분석하여안구의움직임을검사하는방법이다. 이방법은피검자와의접촉 (Non Invasive) 이수반되지않기때문에피검자에게수월한검사를제공할수있다. 하지만안구의움직임에대한이미지프로세싱에있어고속의샘플링 (Sampling) 이어렵고피검자의눈이작거나눈을감음에따라눈꺼풀이동공의이미지를가리게되는경우에서는일시적으로신호를잃어버리게되어측정에있어어려움이수반된다. 특히, 나이가많아눈꺼풀을자유스럽게뜨지못하는사람에게는이방법을적용하여안구움직임을측정할수없다. MSC 는 1963 년, Robinson 이소개한방법으로마그네틱필드 (Magnetic Field) 내부에서유도코일의자세변화가만들어내는유도전류의변화를통한안구운동을검출해내는방법이다. 이방법은사람의머리가들어갈수있는크기의자기장발생장치가요구되고, 유도코일이부착된컨택트렌즈를피검자가착용한후이자기장발생장치에머리를넣어안구가자기장내부에위치되도록하고, 유도코일 (Induction Coil) 에대한자기장의방사 (Projection) 면적을검출하여안구의움직임을검출하도록하는방법이다. 그러나, 이방법은정해진공간내부에서만자기장을형성할수있기때문에피검자의자세와운동성을제한한다. 아울러유도전류를검출하는유도코일이부착된컨택트렌즈는크기가크고끊어지기가쉬운단점이있다. 발명이이루고자하는기술적과제 본발명은상기와같은문제점을해결하기위하여발명한것으로, 그목적은마그네틱컨택트렌즈를활용한비접촉식방식의자기장검출을이용한안구의움직임검사로피검자에게검사의편리성을제공하고, 측정되는신호에대하여높은신뢰성을갖는샘플링비 (Sampling Rate) 를얻을수있으며, 눈꺼풀의구조나눈을감는것에관계없이안정된검사가제공되도록한것이다. 발명의구성및작용 상기와같은목적을실현하기위한본발명은피검자의안구에착용되는마그네틱이부착된컨택트렌즈 ; 안구의움직임에따라변화되는마그네틱의각축별자기장변화를검출하는센서 ; 센서에서검출되는전압신호를설정된이득값으로증폭조절하는증폭기 ; 상기증폭기에의해이득이조절되어인가되는전압신호를설정된대역의주파수로필터링하여원하는주파수대역의성분만으로추출하는필터 ; 상기필터링되어인가되는아날로그전압신호를디지털전압신호로변환하는 A/D 변환부 ; 디지털전압신호로인가되는각축별자기장의변화를분석하여안구의움직임에대한결과를추출하는마이크로콘트롤러 ; 상기마이크로콘트롤러에서인가되는제어신호에따라피검자의안구움직임에대한각축별자기장의변화를표시하는표시장치를포함하는것을특징으로하는안구운동측정장치를제공한다. 또한, 본발명은피검자의안구에마그네틱이부착된컨택트렌즈를착용시키고, 센서가장착되는안경형도구를착용시킨다음안구의움직임을유도하는과정 ; 안구의움직임에따라센서와의거리변화에따른각축별자기장의변화를검출하는과정 ; 상기검출되는각축별자기장의변화를분석하여그결과를표시하는과정을포함하는것을특징으로하는안구운동측정방법을제공한다. 이하, 첨부된도면을참조하여본발명의바람직한일실시예를상세하게설명하면다음과같다. 도 1 에서알수있는바와같이본발명에따른안구운동측정장치는, 컨택트렌즈 (13) 와센서부 (17), 증폭기 (19), 필터부 (21), A/D 변환부 (23), 마이크로콘트롤러 (25) 및표시장치 (27) 를포함하여구성된다. - 3 -
상기컨택트렌즈 (13) 는피검자의안구 (11) 에착용함에있어이질감이발생되지않도록소프트컨택트렌즈로구성되며, 인체에무해한재질로구성된다. 상기컨택트렌즈 (13) 는도 2 에도시된바와같이가장자리주변 ( 외주면 ) 에고리형태의마그네틱 (15), 바람직하게는고무자석이배치되며, 마그네틱 (15) 의중심과컨택트렌즈 (13) 의중심이같은축좌표를형성하도록배치된다. 상기컨택트렌즈 (13) 와고리형태의자석 (15) 을배치함에있어인해에무해하고, 안구 (11) 에착용함에있어이질감이발생되지않으며, 견고한부착력이갖도록한다. 그리고, 컨택트렌즈 (13) 는수분의증발에따라변형이발생되지않는재질로구성됨이바람직하다. 센서부 (17) 는자기장센서로복수개, 바람직하게는도 3 에도시된바와같이 4 개로구성되어안경형도구 (100) 의중심을기준으로상하좌우에각각하나씩장착된다. 상기센서부 (17) 를구성함에있어각축별로그개수를많게하는경우안구움직임에대하여보다정밀한분해능이가능하다. 상기센서부 (17) 는마그네틱 (15) 이부착되어있는컨택트렌즈 (13) 를착용한피검자의안구 (11) 움직임에따른마그네틱 (15) 의위치변화에의한각축별자기장의크기변화를저항값으로변환시키고, 이것을내부의브리지회로를통해전압의신호로변환하여출력한다. 증폭기 (19) 는상기센서부 (17) 에서검출되는전압신호를설정된이득값 (Gain) 으로증폭조절하여출력한다. 필터부 (21) 는상기증폭기 (19) 를통해이득이조절되어인가되는전압신호를설정된대역의주파수 (Cut Off Frequency) 로필터링하여노이즈작용하는주파수성분을제거함으로써원하는주파수대역의성분만으로추출한다. A/D 변환부 (23) 는상기필터링되어인가되는아날로그전압신호를마이크로콘트롤러 (25) 가인식할수있는디지털전압신호로변환한다. 마이크로콘트롤러 (25) 는디지털전압신호로인가되는각축별자기장의변화를설정된알고리즘과진단맵데이터를통해분석하여안구 (11) 의움직임에대한결과를추출한다. 상기마이크로콘트롤러 (25) 는상기센서부 (17) 가로우마그네틱필드센서로구성됨에따라주변의강한자기장에의하여검출특성이변화될수있으므로, 설정된주기에따라상기센서부 (17) 를리셋 (Reset) 시켜센서부 (17) 의특성이변화되는것을방지한다. 표시장치 (27) 는상기마이크로콘트롤러 (25) 에서인가되는제어신호에따라피검자의안구 (11) 움직임에대한각축별자기장의변화를파형으로출력하며, 진단된결과정보를문자나숫자혹은그래프를통해디스플레이한다. 상기한구성에서도 3 에도시된바와같이안경형도구 (100) 에센서부 (17) 만을장착하고, 증폭기 (19) 와필터부 (21), A/D 변환부 (23), 마이크로콘트롤러 (25) 및표시장치 (27) 를별도의독립된모듈로제작하여, 상기안경형도구 (100) 와독립된모듈이유선이나무선혹은기타의통신방식으로접속될수있도록구성한다. 또한, 다른실시예로도 7 에도시된바와같이, 피검자의안구움직임에따른각축별자기장의변화를검출하는센서부 (17) 와센서부 (17) 에전압신호로변환되어인가되는신호를설정된이득값으로증폭하는증폭기 (19), 이득이조절된전압신호에서설정된대역의주파수로필터링하는필터부 (21), 필터링된아날로그전압신호를디지털전압신호로변환하는 A/D 변환부 (23) 및상기디지털전압신호를검사자가운용하는별도의분석장치에인터페이스하는인터페이스부 (24) 를포함하며, 상기한구성요소가구비되는인쇄회로기판 (Printed Circuit Board ; PCB) 을안경형상으로구성하는방법도적용된다. 상기한안경형상의인쇄회로기판으로구성하는경우피검자의안구움직임에따른각축별자기장의검출에있어 S/N 비 ( 신호대잡음비 ) 를높일수있다. 삭제 - 4 -
상기인터페이스부 (24) 와별도의분석장치간통신을유선이나 RF 무선, 블루투스및기타의통신방식이적용될수있다. 상기에서복수개의센서부 (17) 를안경형도구 (100) 혹은안경형상의인쇄회로기판에구성하는경우컨택트렌즈 (13) 에배치되는고리형태의마그네틱 (15) 의자기장이작아지는경우증폭기 (19) 의이득값이커지게되며, 이로인하여지자계의영향이나타나게된다. 즉, 피검자의머리움직임으로인하여안경형도구 (100) 에장착되는센서부 (17) 와피검자의안구 (11) 의위치가멀어짐에의해마그네틱 (15) 의자기장이작아짐에따라나타나는지자계의영향을없애주기위해복수개의센서부 (17) 가장착되는도구를안과에서시력검사를할때이마와턱을고정시키는시력검사기형태의고정형장치로구성할수있다. 이는피검자의머리움직임이발생되지않도록고정시킴으로써, 항상안정된검사자세를유지시킴으로써, 측정에정밀성을제공하기위함이다. 상기한기능을포함하는본발명을이용하여피검자의안구움직임을측정하는동작에대하여설명하면다음과같다. 전술한설명에서센서부 (17) 를안경형도구 (100) 혹은시력검사기형태의고정형장치에장착하는것으로하였으나, 편의상안경형도구 (100) 에센서부 (17) 가장착되는것을예로하여설명한다. 먼저, 안구의움직임검사를통해임상검사를하기위한피검자의안구 (11) 에마그네틱 (15) 이부착된컨택트렌즈 (13) 를착용시키고 (S101), 도 4 와같이센서 (17) 가장착되어있는안경형도구 (100) 를착용시킨다 (S102). 상기와같이검사를위한전처리의절차가완료되면초기화한다음피검자에게안구 (11) 의움직임 ( 상하좌우및회전 ) 을유도한다 (S103). 검사자의유도에따라피검자가안구 (11) 를움직이게되면컨택트렌즈 (13) 의움직임에따라센서부 (17) 와컨택트렌즈 (13) 에부착되어있는마그네틱 (15) 과는거리의변화가발생된다. 그리므로, 안경형도구 (100) 의상하좌우에각각설치되는센서 (17a-17d) 에는안구 (11) 의움직임에따른각축별자기장의변화가저항값으로검출된다 (S104). 이때, 센서부 (17) 는저항값으로검출되는자기장의변화를내부의브리지회로를통해전압신호로변환시켜증폭기 (19) 측에인가한다. 증폭기 (19) 는인가되는전압신호를설정된이득값으로증폭시켜필터부 (21) 에인가하며, 필터부 (21) 는설정된주파수대역으로인가되는전압신호를필터링하여노이즈성분을작용하는주파수를제거한후 A/D 변환부 (23) 에인가하는신호처리절차를진행한다 (S105). A/D 변환부 (23) 는인가되는아날로그의전압신호를디지털전압신호로변환시켜마이크로프로세서 (25) 에인가한다. 따라서, 마이크로프로세서 (25) 는안구 (11) 의움직임에따라인가되는각축별자기장의변화인전압신호를축좌표로변환분석하여 (S106), 피검자의검사결과를표시장치 (27) 를통해설정된소정의방법, 예를들어그래프의형식이나문자, 파형등의형식으로표시하여준다 (S107). 상기의마이크로프로세서 (25) 는안구 (11) 의움직임에대한공간상의운동을평면적인센서부 (17) 에의해검출되므로, 이에대하여이미지신호로보정하여처리하게된다. 또한, 상기의마이크로프로세서 (25) 는상기센서부 (17) 가로우마그네틱필드센서로구성됨에따라주변의강한자기장에의하여검출특성이변화되는것을방지하기위하여설정된주기에따라상기센서부 (17) 를리셋시켜준다. 상기안구 (11) 의움직임에따른각축별자기장의변화를검출하는과정에대하여도 6 을참조하여설명한다. 우선, 한축에대해서안구 (11) 의움직임에따른마그네틱 (13) 의움직임과그것이하나의센서에대해서가지는거리에대한관계에대해서설명한다. - 5 -
도 6 에도시된바와같이마그네틱 (13) 이부착된안구 (11) 가평면에대해서수직으로위치한축 (Z) 을기준으로움직인다고하면마그네틱 (13) 은 X 축및 Y 축에대한위치변화를가진다. 마그네틱 (13) 이움직이지않고정면을향하고있을때, 하나의센서 (17) 에대해서마그네틱 (13) 과의거리를 R 이라고한다. 따라서, 거리 R 은하기의수학식 1 과같이 X 축방향의거리 (W) 와 Y 축방향의거리 (H) 로표현된다. [ 수학식 1] R = W 2 + H 2 그런데, 안구가시계반향으로움직이게되면센서 (17) 와마그네틱 (13) 과의거리 R 은안구 (11) 의반지름 r 과 X 축방향의거리 (W) 및 Y 축방향의거리 (H) 로하기의수학식 2 와같이표현된다. [ 수학식 2] R = (W - r sin θ) 2 + (H + r cos θ) 2 상기의수학식 1 에서 θ 는안구 (11) 의움직임각도를의미한다. 이때, 안구 (11) 의움직임각도 θ 가 20 이하인 θ1 의구간에서 r sinθ 는 r 에서 0.4226 r 까지거의직선에가까운변화율로크게변화한다. 하지만, θ1 의구간에서 r cosθ 는 r 에서 0.9063 r 까지적은변화율을갖는다. 그러므로, 상기의수학식 2 를근사식으로다시표현하면하기의수학식 3 과같이표현된다. [ 수학식 3] R (W - r θ) 2 + H 2 결과적으로, 움직임있는안구 (11) 는접선방향의변화가마그네틱과센서사이의거리에가장크게영향을미치는것을알수있게된다. 하지만, 안구 (11) 의움직임이 θ1 의구간인 20 초과 45 까지의범위를갖는 θ2 의구간에서는이러한근사식을사용할수없다. 그렇지만실제적으로임상검사에서검사에유용한안구움직임의범위를 ±20 로하고있기때문에상기한수학식 3 을통한검출로안구의움직임을검출할수있게된다. 발명의효과 이상에서설명한바와같이본발명은임상검사를위한안구의움직임을검사함에있어외부에서자기장이형성되고, 이것을유도전류로측정하여안구의움직임에따른회전각도가그대로유도되는전압의크기로측정하므로, 복잡한신호의보정없이피검자의안구운동을편리하게검사할수있는효과를제공한다. 또한, 피검자가눈을감거나안구를가리는상황에서도안구의움직임을정확하게측정할수있어피검자의불편함을배제시키고, 간단한장치의구조로구현됨에따라다양한환경에서의편리한검사를제공한다. (57) 청구의범위 청구항 1. - 6 -
피검자의안구에착용되는마그네틱이부착된컨택트렌즈 ; 안구의움직임에따라변화되는마그네틱의각축별자기장변화를검출하는센서 ; 센서에서검출되는전압신호를설정된이득값으로증폭조절하는증폭기 ; 상기증폭기에의해이득이조절되어인가되는전압신호를설정된대역의주파수로필터링하여원하는주파수대역의성분만으로추출하는필터 ; 상기필터링되어인가되는아날로그전압신호를디지털전압신호로변환하는 A/D 변환부 ; 디지털전압신호로인가되는각축별자기장의변화를분석하여안구의움직임에대한결과를추출하는마이크로콘트롤러 ; 상기마이크로콘트롤러에서인가되는제어신호에따라피검자의안구움직임에대한각축별자기장의변화를표시하는표시장치를포함하는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 2. 상기컨택트렌즈는피검자의안구에착용함에있어이질감이발생되지않도록소프트컨택트렌즈로구성되며, 인체에무해한재질로구성되는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 3. 상기컨택트렌즈의가장자리주변 ( 외주면 ) 에고리형태의마그네틱이배치되는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 4. 제 3 항에있어서, 상기마그네틱은인체부분과접촉에이질감이없고, 무해한고무자석으로이루어지는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 5. 제 3 항에있어서, 상기마그네틱은그중심과컨택트렌즈의중심이같은축좌표를형성하도록배치되는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 6. - 7 -
상기컨택트렌즈는수분의증발에따라변형이발생되지않는재질로이루어지며, 안구에착용함에있어인체에무해하며, 이질감이발생되지않도록구성하는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 7. 상기센서는적어도 2 개이상복수개로구성되는것을특징으로하는안구운도측정장치. 청구항 8. 상기센서는안경형도구에장착되며, 안경형도구의중심을기준으로상하좌우에각각하나이상대칭되게장착되는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 9. 상기센서는피검자의머리와턱을고정시키는고정형검사장치에장착하여센서와마그네틱의거리변화에따른지자계의영향이발생되지않도록하는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 10. 상기센서는안구움직임에따라검출되는각축별자기장의크기변화를저항값으로변환시키고, 이것을내부의브리지회로를통해전압의신호로변환하는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 11. 상기마이크로콘트롤러는상기센서가주변의강한자기장에의하여특성이변화되는것을방지하기위하여설정된주기에따라상기센서를리셋시키는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 12. 상기마이크로콘트롤러는평면적인센서로측정되는공간상의안구움직임을이미지신호로보정하는것을특징으로하는안구운동측정장치. - 8 -
청구항 13. 피검자의안구에착용되는마그네틱이부착된컨택트렌즈 ; 안구의움직임에따라변화되는마그네틱의자기장변화를검출하는센서 ; 센서에서검출되는전압신호를설정된이득값으로증폭조절하는증폭기 ; 상기증폭기에의해이득이조절되어인가되는전압신호를설정된대역의주파수로필터링하여원하는주파수대역의성분만으로추출하는필터 ; 상기필터링되어인가되는아날로그전압신호를디지털전압신호로변환하는 A/D 변환부 ; 상기변환된디지털전압신호를외부의분석장치에전송하는인터페이스를포함하며, 상기한구성요소가구비되는인쇄회로기판을안경형상으로구성하는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 14. 제 13 항에있어서, 상기인터페이스는외부의분석장치와유선, RF 무선, 블루투스통신으로연결되는것을특징으로하는안구운동측정장치. 청구항 15. 피검자의안구에마그네틱이부착된컨택트렌즈를착용시키고, 센서가장착되는안경형도구를착용시킨다음안구의움직임을유도하는과정 ; 안구의움직임에따라센서와의거리변화에따른각축별자기장의변화를검출하는과정 ; 상기검출되는각축별자기장의변화를분석하여그결과를표시하는과정을포함하는것을특징으로하는안구운동측정방법. 도면 - 9 -
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