※ 글 : 한국폴리텍Ⅲ대학 원주캠퍼스 의용공학과장 나승권 교수
가시광선보다 파장이 긴 전자기파를 적외선이라 하는데 자연계에 존재하는 모든 물체는 적외선을 방사한다. 적외선은 사람에게서는 9[μm]∼10[μm]파장대의 원적외선을 방사하고 400 ∼700[℃]로 가열된 물체에는 3[μm]∼5[μm]파장대의 적외선을 방사한다. 방사적외선 파장은 온도에 따라 다르다.
1) 적외선 체열촬영
적외선 전신 체열촬영기는 인체에서 자연적으로 방출되는 적외선을 감지하여 통증부위나 질병부위를 컬러 영상으로 나타내 주는 진단 의료기기이다.
적외선 체열촬영은 통증이나 질병에 의해 유발되는 피부의 온도 조절기능 변화를 검사하는 방법으로 기존의 x-선, CT나 MRI의 해부학적인 진단방사선법과는 전혀 다른 신체의 생리적인 변화를 검사하는 새로운 방법이다. 통증을 객관화시킬 수 있는 검사로서 기존의 검사로는 불가능한 자율신경계의 질환을 진단할 수 있다.
체온의 변화는 질병의 상태를 간접적으로 표현한 것으로 전자공학의 발달로 환자의 신체에 접촉이 없이 0.1[°]까지 정확하게 인체에서 발산되는 전 영역의 온도를 측정할 수 있게 되어 있다. 이를 기초로 동통을 객관화하여 영상화해 주는 의료기기로 환자도 느낄 수 없는 통증을 나타낼 수 있으며 인체에 무해한 적외선을 이용한다.
(1) 적외선 센서의 종류
적외선센서란 적외선의 0.78[㎛]에서 1,000[㎛]까지의 빛을 감지하는 센서를 말한다. 동작원리에 따라 양자형과 열형으로 구분되어진다.
① 양자형 : 적외선 중에서도 3[μm] 이상의 긴 파장을 검출하는 것으로 동작원리에 따라 광도전형과 광 기전력형으로 나누어진다. 바이어스 된 반도체의 접합면에서의 에너지 흡수 차이에 따라 이동되는 전하량을 이용한 광전도 효과나 광기전력 효과에 의한 전압 또는 전류변화를 이용하는 방식이다. 감도가 높으며 수[μs] 정도로 응답속도가 빠르고 파장에 따른 감도 변화가 크며, 작동 중 열의 발생으로 냉각이 필요한 특성이 있다.
② 열형: 적외선이 열로 바뀌어 열에 의한 저항변화에 따라 전류나 기전력의 형태로 적외선을 감지하는 방식이다. 주로 상온에서 동작하며 파장에 따른 감도변화가 낮으며 수십[ms]정도로 응답속도가 느린 특성을 보인다.
(2) 센서의 원리
① 초전효과: 감지소자의 표면 온도가 변화하면 온도변화량만큼 극성의 크기가 변화한다. 즉 온도변화에 따라 전하가 서로 평형인 안정 상태에서 전기적 평형상태가 무너지게 되고 이는 [그림 1]처럼 결합할 상대가 없는 전하가 발생한다.
[그림 1] 초전형 센서 원리
(3) 재료와 구성
① 적외선 센서: 동작원리에 따라 양자형과 열형으로 나누어진다. 양자형에는 포토 트랜지스터 ( PHOTO TR) 이나 포토 다이오드 (PHOTO DIODE) 또는 CDS 셀 등이 있고, 열형에는 써모파일 이나 초전형 적외선 센서가 있는데 최근 에는 인체를 감지하여 활성화 시키는 초전형 센서를 주로 쓴다.
② 초전형 센서: 초전 효과를 이용한 것이며 그 재료로는 PZT (지르콘산 티탄산염) ,강유전체 세라믹, 혹은 탄탈산리튬 (LiTaO3)등의 단결정, PVDF등 의 유기 재료가 초전 효과를 보이는 물질이다.
③ 구성요소: 어떤 물체의 온도범위에 따른 파장 부근의 적외선만을 통과시키기 위한 광필터, 통과된 적외선의 방사에너지를 흡수하여 발열하도록 하는 흑체, 열을 전기 에너지로 변환하는 센서, 센서에서 출력되는 미소전압을 증폭하기 위한 증폭기 (FET)로 구성된다.
④ 센서와 증폭회로: 센서는 외부로부터 자기장에 의해 잡음이 쉽게 유도되고 또한 피사체의 온도가 낮을 경우 출력전압이 매우 낮아 이를 증폭하여 낮은 출력임피던스를 유지해야만 한다. 따라서 센서와 동일한 기판에 증폭회로를 내장한다.
(4) 체열진단기의 특성
① 주변 환경의 온도변화로부터 보호하기 위한 온도 보상장치와 항온, 항습장치가 필요하고 센서가 감응하는 적외선 파장대의 광학필터가 필요하다.
② 전극 간 임피던스가 높아 잡음에 취약하며, 증폭기의 입력임피던스에 따라 센서의 특성이 달라질 수 있다.
③ 전극으로 유입되는 적외선의 변화량에 따라 미분형태의 출력전압이 얻어지므로 온도 변화가 없으면 출력전압이 변하지 않으므로 초퍼회로나 셔터장치가 필요하다.
④ 전극 간 바이어스 전압 공급을 위한 안정된 전원장치가 필요하다.
⑤ 압전효과를 이용한 초전세라믹은 진동에 의한 잡음제거를 위해 역방향으로
직렬연결 하여 사용한다.
⑥ 양자형 센서로부터 영상신호획득을 위한 이미지 센서는 냉각장치가 필요하다.
2) 체열진단기의 원리 및 구성
흑체의 온도가 결정되면 그것에 대응한 파장특성을 가진 에너지를 방사하는 것은 프랑크 법칙으로 주어지고 있다. 따라서 피측정물의 온도를 예측할 수 있고 방사 에너지의 이용률이 결정되면 검출기에서 필요한 파장 감도대역이 결정된다. 피부의 방사율은 상온에서 대체로 0.99이므로 흑체로 보아도 큰 오차가 생기지 않는다.
예) 체온이 37[°]라고 하면 절대온도에서 310[°]가 되고 적외선 방사 에너지가 최대로 되는 파장은 빈(Wien)법칙에서 9.35[μm]가 된다.
① 적외선 검출기를 사용해서 체표의 온도분포를 구하기 위해서는 주사기구(scanning mechanism:스캐닝 메커니즘)가 필요하고 이것을 갖춘 것이 서멀 카메라 (thermal camera)이다. 전기적 주사를 하는 적외선 비디콘, 이미지 주사관 등이 있으나 현재 서멀 카메라라고 하는 것의 대부분은 기계적 주사를 하는 것인데 주사와 동기 시켜 브라운관, 필링 위에 열 분포상을 얻는다.
② 기본적인 구성으로는 광학계 주사장치, 검출장치, 표시부로 구성된다.
㉮ 주사장치:기계적인 구성방법으로 사용하고 광학계는 반사경으로 구성된다.
㉯ 검출기:강도가 높은 인듐안티몬 검출기를 사용한다.
㉰ 표시부:브라운관으로 하고 이것을 폴라로이드 카메라로 촬영해서 기록으로 남기거나 컬러 프린트한다.
③ 선상의 온도 분포를 표시하는 방법으로 5가지가 있다.
㉮ 단순히 X-Y측으로 표시하는 방법이 있다.
㉯ 이를 평면으로 확장해서 표시하는 방법이 있다.
㉰ 휘도 변조상으로 표시하는 방법이 있다.
㉱ 등온선 분포상 방법이 있다.
㉲ 컬러로 온도 분포를 촬영할 수 있다.
④ 일반적으로 상온 부근의 방사 온도계측용 기술적으로 어려운 영역으로 특히 체온분포의 측정은 고성능이 요구된다.
예) 공간적 분해능 150선/프레임, 온도분해능 0.1[°], 주사속도 5∼90초/프레임, 구경 200[mm], 시야 수평 20[°], 수직 15[°]가 사용된다.
3) 체열진단기의 촬영목적
정상적인 인체의 피부온도는 항상 좌우 대칭적인 양상을 보인다는 미국의학협회(AMA)의 가이드라인에 따른 것이다. 통증, 염증 등으로 발생되는 미세한 체온 변화가 피부에 전도되어 나타남으로 이를 적외선 촬영을 바탕으로 가공과 처리 과정을 통하여 색깔로 표시하는 영상을 사용함으로써 발열 위치와 질병의 유무를 쉽게 찾을 수 있도록 진단 자료를 제공 한다
4) 체열진단기의 촬영 장치
① 적외선 열화상카메라 ( thermal camera:서멀 카메라:IR)는 피사체에서 방사되는 적외선을 광학필터로 측정하고자 하는 범위의 파장대만을 통과시키고 렌즈로 집광 후 이미지센서에 조사하여 영상을 얻는다.
초기 적외선 카메라는 피사체를 고정하여 고정된 영상을 확보하고 종축과 횡축으로 분할한 픽셀을 한 개의 센서에 주사하여 적외선 정보를 얻어 이미지를 재구성하는 방식이 사용되었다. 근래에는 반도체 제조기술의 발달로 적외선 센서들 간의 특성이 균일하게 제조가 가능하게 되었다. 이미지 센서는 독립된 센서들을 평면에 나열한 마이크로볼로미터 (microbolo meter)이다.
기본적으로 초전형 적외선 센서로서 제조회사에 따라 구성과 형태는 달리하며 종축과 횡축으로 배열되는 픽셀숫자에 의해 해상도가 결정된다. 적외선 센서는 온도변화를 전압변화의 형태로 변환하므로 정시된 피사체를 측정하는 것은 불가능하다.
따라서 센서의 바이어스를 변화시키는 전자초퍼방식과 기계적인 셔터로 피사체의 영상을 단속하여 이미지 센서에 조사되는 적외선 영상을 강제적인 온도변화가 일어나도록 하는 방식이나, 이미지 센서에 가해지는 바이어스를 조절하여 촬영하고자 하는 피사체의 측정 온도 범위를 설정하여 원하는 적외선 영상을 얻는다.
② image grabber (이미지 그래버)는 IR camera로 부터의 영상신호를 필터링과 이득조정을 통해 화상을 최적화하여 라인 스캔데이터를 만들거나 동일한 온도 값을 갖는 각 픽셀들을 배열하여 패턴 인식처리후 등고선 맵핑 (mapping)방식으로 이미지 프로세서가 가능하도록 메모리에 저장한다.
③ image processor (이미지 프로세서)는 image grabber (이미지 그래버)에서 1차 처리된 신호를 이미지 파일 포메이션에 의해 각기 대응하는 정의된 색깔로 처리하여 화면과 파일로 저장한다.
④ 중앙처리장치 (CPU): 이미지프로세서에 의해 처리된 이미지파일을 외부기억장치 (HDD)에 저장하고 영상장치 (CRT, LCD)에 표시하며 프린터와 네트워크에 전송할 수 있도록 한다.
5) 체열진단기 설치환경 조건
① 습도 30[%]∼60[%]정도 이며, 온도 23[℃]∼25[℃]정도 이어야 한다.
② 화학물질, 가스, 염분 등이 없어야한다.
③ 태양광선을 차단하는 적절한 커튼이 설치되어야 한다.
④ 먼지가 없어야 하며 카펫설치를 금지 하여야 한다.
⑤ 공기의 흐름이 적고 난방기, 에어컨, 공조기 등의 공기가 직접 유입되지 않아야 한다.
⑥ 파장이 비교적 짧은 형광등과 같은 조명기구를 설치한다.
⑦ 수평이 맞고 진동이 없어야하며, 상용전원 접지를 설치한다.
⑧ 발열하는 전열기, 전기제품, 가습기와 전자파를 발생하는 제품을 격리 한다.
6) 촬영 시 유의사항
① 촬영 10여분 전에 피부온도의 분포가 왜곡되지 않도록 장식품 (반지, 목걸이, 귀걸이, 옷)을 착용하지 않는다.
② 물리치료, 촬영 전 운동과 피부를 자극하는 검사와 치료 (주사, EMG, ECG) 등을 금지하여 체온이 변하는 것을 방지한다.
③ 로션, 연고도포, 반창고, 파스, 흡연, 음주와 같은 피부온도변화를 유도하는 치료나 검사를 하지 않아야 한다.
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