(19) 대한민국특허청(KR) (12) 공개특허공보(A)

(1)

(19) 대한민국특허청(KR) (12) 공개특허공보(A)

(11) 공개번호 10-2018-0040306 (43) 공개일자 2018년04월20일 (51) 국제특허분류(Int. Cl.)

G01R 33/12 (2006.01) G01R 23/167 (2006.01) G01R 33/00 (2006.01)

(52) CPC특허분류

G01R 33/1276 (2013.01) G01R 23/167 (2013.01)

(21) 출원번호 10-2016-0132004 (22) 출원일자 2016년10월12일 심사청구일자 2017년06월14일

(71) 출원인

한국전자통신연구원

대전광역시 유성구 가정로 218 (가정동) (72) 발명자

최승민

대전광역시 유성구 지족로 343, 209동 1201호 정재찬

대전광역시 유성구 노은서로 222 (뒷면에 계속)

(74) 대리인 한양특허법인 전체 청구항 수 : 총 20 항

(54) 발명의 명칭 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법 및 이를 이용한 장치 (57) 요 약

FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법 및 이를 이용한 장치가 개시된다. 본 발명에 따른 신호 송신 장치는 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일의 전압을 고려하여 주파수가 서로 상이한 두 개의 정현파 신호들을 생성하는 신호 생성부; 상기 두 개의 정현파 신호들을 전자적으로 더하여 자기장을 발생시 키기 위한 입력 신호를 생성하는 신호 가산부; 전송 노이즈를 최소화하기 위해 상기 입력 신호에 대한 디퍼런셜 (differential) 신호를 생성하는 디퍼런셜 신호 생성부; 및 상기 여기 코일에서 자기장을 발생시켜 측정 대상 시 료에 자기장을 인가하기 위해 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전압을 증폭하여 상기 여기 코일로 전송하 는 신호 전송부를 포함한다.

대 표 도 - 도8

(2)

(52) CPC특허분류

G01R 33/0023 (2013.01) (72) 발명자

홍효봉

대전광역시 유성구 어은로 57, 109동 1505호 신성웅

대전광역시 유성구 가정로 266, 11동 405호

조재일

대전광역시 유성구 지족로 343, 204동 1704호(지족 동, 반석마을2단지아파트)

이 발명을 지원한 국가연구개발사업 과제고유번호 B0132-15-1001 부처명 미래창조과학부

연구관리전문기관 정보통신기술진흥센터(IITP) 연구사업명 ETRI연구개발지원사업

연구과제명 차세대 의료영상 이미징 시스템 개발 기 여 율 1/1

주관기관 한국전자통신연구원 연구기간 2015.03.01 ~ 2016.02.29

(3)

명 세 서 청구범위 청구항 1

FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 기술의 신호 분석을 위한 모듈에 있어서,

마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일의 전압을 고려하여 주파수가 서로 상이한 두 개의 정현파 신호들을 생성하는 신호 생성부;

상기 두 개의 정현파 신호들을 전자적으로 더하여 자기장을 발생시키기 위한 입력 신호를 생성하는 신호 가산부;

전송 노이즈를 최소화하기 위해 상기 입력 신호에 대한 디퍼런셜(differential) 신호를 생성하는 디퍼런셜 신호 생성부; 및

상기 여기 코일에서 자기장을 발생시켜 측정 대상 시료에 자기장을 인가하기 위해 상기 입력 신호와 상기 디퍼 런셜 신호의 전압을 증폭하여 상기 여기 코일로 전송하는 신호 전송부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.

청구항 2

청구항 1에 있어서, 상기 신호 가산부는

상기 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상기 두 개의 정현파 신호들에 상 응하는 오프셋(offset) 신호만 더하고, 상기 두개의 정현파 신호들이 하나의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상 기 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.

청구항 3

청구항 1에 있어서, 상기 신호 전송부는

상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호 각각에 대한 전류 값을 측정하고, 상기 전류 값을 기반으로 측정된 상기 여기 코일의 자속 밀도를 고려하여 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전송을 제어하는 것을 특징으로 하 는 신호 송신 장치.

청구항 4

청구항 3에 있어서, 상기 신호 전송부는

단일 증폭기 및 병렬 증폭기 중 적어도 하나를 이용하여 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전압을 증폭하 는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.

청구항 5

청구항 1에 있어서, 상기 신호 생성부는

능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 상기 두 개의 정현파 신호들의 노이즈를 제 거하는 필터부; 및

상기 노이즈를 제거로 인해 낮아진 상기 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압을 상기 여기 코일에서 요구하

(4)

는 수치로 증폭시키는 전압 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.

청구항 6

청구항 5에 있어서, 상기 전압 조절부는

별도의 프로그램을 이용하여 상기 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압의 수치를 상기 여기 코일에서 요구하 는 수치로 설정하여 증폭시키는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.

청구항 7

청구항 2에 있어서,

상기 오프셋 신호를 조절하기 위한 오프셋 신호 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 송신 장치.

청구항 8

마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 검출(detection) 코일로부터 측정 대상 시료에 의해 유도된 검출 신호를 수신하는 신호 수신부;

상기 측정 대상 시료에 여기(excitation)된 자기장을 발생시킨 입력 신호와 상기 검출 신호를 시간 동기화 하여 각각 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부;

상기 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 상기 주파수 영역에서 관심 대역 이외의 신호를 제거하는 노이 즈 제거부; 및

상기 관심 대역에서 상기 입력 신호에 해당하는 주파수와 상기 검출 신호에 해당하는 주파수를 기반으로 신호 분석의 결과 값을 출력하는 신호 분석부

를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 장치.

청구항 9

청구항 8에 있어서, 상기 신호 변환부는

능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 상기 검출 신호의 노이즈를 제거하는 필터 부; 및

별도의 프로그램을 이용하여 상기 검출 신호의 전압을 아날로그-디지털 컨버터의 입력 범위에 상응하게 선형 증 폭시키는 전압 조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 장치.

청구항 10

청구항 9에 있어서, 상기 신호 변환부는

상기 마그네틱 파티클 측정 센서의 여기 코일로 신호를 송신하는 정현파 신호 생성기로부터 상기 입력 신호를 수신하고, 다채널 아날로그 디지털 컨버터를 기반으로 상기 입력 신호에 상응하는 저주파와 고주파를 상기 검출 신호와 동시에 디지털 신호로 변환하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 장치.

청구항 11

청구항 8에 있어서, 상기 노이즈 제거부는

고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 기법을 이용하여 상기 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하는 것

(5)

을 특징으로 하는 신호 수신 장치.

청구항 12

청구항 11에 있어서, 상기 노이즈 제거부는

디지털 소자를 기반으로 상기 디지털 신호에서 상기 관심 대역 이외의 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 신 호 수신 장치.

청구항 13

청구항 8에 있어서, 상기 신호 분석부는

상기 관심 대역에서 상기 검출 신호에 해당하는 주파수의 크기와 입력 신호 대비 위상 지연을 측정하여 상기 결 과 값으로 출력하는 것을 특징으로 하는 신호 수신 장치.

청구항 14

신호 송신 장치가, 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일의 전압을 고려하여 주파수가 서 로 상이한 두 개의 정현파 신호들을 생성하는 단계;

신호 송신 장치가, 상기 두 개의 정현파 신호들을 전자적으로 더하여 상기 여기 코일에서 자기장을 발생시키기 위한 입력 신호를 생성하고, 상기 입력 신호에 대한 디퍼런셜(differential) 신호를 생성하여 상기 입력 신호와 함께 상기 여기 코일로 전송하는 단계;

신호 수신 장치가, 상기 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 검출(detection) 코일로부터 측정 대상 시료에 의 해 유도된 검출 신호를 수신하는 단계; 및

신호 수신 장치가, 상기 검출 신호를 상기 입력 신호와 시간 동기화하여 각각 디지털 신호로 변환하고, 상기 디 지털 신호의 주파수 영역에서 관심 대역에 해당하는 주파수를 분석하여 결과 값으로 출력하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법.

청구항 15

청구항 14에 있어서, 상기 전송하는 단계는

상기 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상기 두 개의 정현파 신호들에 상 응하는 오프셋(offset) 신호만 더하여 상기 입력 신호를 생성하는 단계; 및

상기 두개의 정현파 신호들이 하나의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상기 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼 합하여 상기 입력 신호를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송 수신 방법.

청구항 16

상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호 각각에 대한 전류 값을 측정하고, 상기 전류 값을 기반으로 측정된 상기 여기 코일의 자속 밀도를 고려하여 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전송을 제어하는 것을 특징으로 하 는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법.

청구항 17

(6)

단일 증폭기 및 병렬 증폭기 중 적어도 하나를 기반으로 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전압을 증폭하 는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법.

청구항 18

청구항 14에 있어서, 상기 수신하는 단계는

상기 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 상기 검출 신호의 노이즈를 제거하는 단계; 및

별도의 프로그램을 이용하여 상기 검출 신호의 전압을 아날로그-디지털 컨버터의 입력 범위에 상응하게 선형 증 폭시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법.

청구항 19

청구항 14에 있어서, 상기 출력하는 단계는

정현파 신호 생성기로부터 상기 입력 신호를 수신하는 단계;

다채널 아날로그 디지털 컨버터를 기반으로 상기 입력 신호에 상응하는 저주파와 고주파를 상기 검출 신호와 동 시에 디지털 신호로 변환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법.

청구항 20

청구항 19에 있어서, 상기 변환하는 단계는

고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 기법을 이용하여 상기 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하는 단 계; 및

디지털 소자를 기반으로 상기 디지털 신호에서 상기 관심 대역 이외의 신호를 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법.

발명의 설명 기 술 분 야

본 발명은 FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 기술에서 신호 분석을 수행하기 위해 신호를 송신 및 [0001]

수신하는 기술에 관한 것으로, 신호 송신단과 수신단에 다양한 설정 기능을 추가하여 보다 다양한 종류의 물질 을 정확하게 분석할 수 있는 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이 다.

배 경 기 술

자성(magnetic)의 특성을 기반으로 하는 의료영상 장비 중 POST MRI에 기술적으로 가장 근접한 분야는 [0002]

MPI(Magnetic Particle Imaging) 시스템이다. 지금까지 개발된 MPI 기술은 기존의 MRI가 가지고 있는 물리학적 원리와는 상당한 차이가 있다. 실제로 MPI 자체는 자성 입자 분석 이미지 시스템이라는 의미를 가지고 있지만, 이 기술은 입자에 국한되지 않고 매우 다양한 분야에 응용될 수 있다.

MPI 기술에 사용되는 첫 번째 이론은 프랑스 과학자 Paul Langevin이 제안한 Langevin equation에 기초한다.

[0003]

실제로 Langevin equation 이론은 브라운 운동을 설명하기 위해 제안된 것으로, Langevin은 이 이론이 의료 영 상을 획득하는데 사용될 줄은 아마 상상하지 못했을 것이다. MPI의 기본 개념은 두 가지의 물리학적 특성에 기

(7)

초를 두고 있는데, 첫 번째는 특정 자성 물질은 비선형적인 자성 특성을 가진다는 것이다. 우리 신체를 이루고 있는 대부분의 물질과 탄소 기반의 화합물은 자성을 띄지 않고, 오히려 약간 밀어내는 반자성 물질이다.

그리고, 철과 같은 자성 물질은 자석이 되면 일정시간 자력을 띠려고 한다. 하지만, 초상자성 물질은 일정한 크 기(보통 50nm~100nm) 이하로 줄어들면 자석이 옆에 있는 경우에만 자성을 가지게 되는데, 이 때에 초상자성 물 질은 비선형적인 자성 특성을 가지게 된다.

두 번째는 맥스웰 자석 안에서는 FFP(Field Free Point) 또는 FFL(Field Free Line)이 발생한다는 것이다. 하 [0004]

지만, 실제 이 개념이 의료영상 장비에 응용되는 데에는 많은 시간이 필요했다. 기본 물리학적인 개념들은 20세 기 초반에 나왔지만 실제 의료영상에 대한 적용은 2001년 독일 함부르크에 위치한 Royal Philips Research Lap 의 과학자들이 처음 시도를 하였고, 2005년에서야 그때까지의 연구결과를 모아서 Nature에 발표함으로써 세계적 인 주목을 받게 되었다.

현재까지의 연구결과에 따르면 MPI를 사용할 경우, 기존의 MRI가 일반적으로 달성할 수 없는 고해상도의 0.4cm [0005]

해상도의 영상 확보가 가능하며, 전자기적으로 FFP와 FFL을 이동시키면 수십 ms 안에 영상 확보가 가능하다는 장점이 있다. 또한, 조영제로 사용되는 자성 입자에 다양한 종류의 항원-항체를 결합하면, 비방사선이면서도 PET에서 확보할 수 있는 유사한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

이 때, 독일의 Krause 박사팀은 2007년 "Magnetic particle detection by frequency mixing for immunoassay [0006]

applications"논문을 통해서 FMMD 구현의 기본 개념에 해당하는 측정 구조를 제안하였고, 구현하여 실험에 성공 하였다.

선행기술문헌 특허문헌

(특허문헌 0001) 미국 공개 특허 제10-2007-0155024호, 2007년 7월 5일 공개(명칭: 선택적으로 강자성의 또는 [0007]

초상자성 입자를 검출하기 위한 방법과 장치)

발명의 내용 해결하려는 과제

본 발명의 목적은 인가된 자기장 내에 위치하는 비선형 물질의 비선형 정도를 측정하기 위한 FMMD의 구현에 있 [0008]

어서, 보다 다양한 종류의 물질을 측정할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 인가된 자기장 내에 위치하는 비선형 물질의 비선형 정도를 측정하기 위한 FMMD의 구현 [0009]

에 있어서, 디지털 신호 처리 구성을 통해 아날로그 lock-in 방식에 대비하여 높은 SNR과 다양한 주파수 대역의 분석이 동시에 가능하도록 하는 것이다.

과제의 해결 수단

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 신호 송신 장치는, FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) [0010]

기술의 신호 분석을 위한 모듈에 있어서, 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일의 전압을 고려하여 주파수가 서로 상이한 두 개의 정현파 신호들을 생성하는 신호 생성부; 상기 두 개의 정현파 신호들을 전자적으로 더하여 자기장을 발생시키기 위한 입력 신호를 생성하는 신호 가산부; 전송 노이즈를 최소화하기 위 해 상기 입력 신호에 대한 디퍼런셜(differential) 신호를 생성하는 디퍼런셜 신호 생성부; 및 상기 여기 코일 에서 자기장을 발생시켜 측정 대상 시료에 자기장을 인가하기 위해 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전 압을 증폭하여 상기 여기 코일로 전송하는 신호 전송부를 포함한다.

이 때, 신호 가산부는 상기 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상기 두 개 [0011]

의 정현파 신호들에 상응하는 오프셋(offset) 신호만 더하고, 상기 두개의 정현파 신호들이 하나의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상기 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합할 수 있다.

이 때, 신호 전송부는 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호 각각에 대한 전류 값을 측정하고, 상기 전류 값을 [0012]

기반으로 측정된 상기 여기 코일의 자속 밀도를 고려하여 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전송을 제어

(8)

할 수 있다.

이 때, 신호 전송부는 단일 증폭기 및 병렬 증폭기 중 적어도 하나를 이용하여 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 [0013]

신호의 전압을 증폭할 수 있다.

이 때, 상기 신호 생성부는 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 상기 두 개의 [0014]

정현파 신호들의 노이즈를 제거하는 필터부; 및 상기 노이즈를 제거로 인해 낮아진 상기 두 개의 정현파 신호들 에 상응하는 전압을 상기 여기 코일에서 요구하는 수치로 증폭시키는 전압 조절부를 포함할 수 있다.

이 때, 전압 조절부는 별도의 프로그램을 이용하여 상기 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압의 수치를 상기 [0015]

여기 코일에서 요구하는 수치로 설정하여 증폭시킬 수 있다.

이 때, 상기 오프셋 신호를 조절하기 위한 오프셋 신호 조절부를 더 포함할 수 있다.

[0016]

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 신호 수신 장치는, FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 기술의 신호 [0017]

분석을 위한 모듈에 있어서, 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 검출(detection) 코일로부터 측정 대상 시료 에 의해 유도된 검출 신호를 수신하는 신호 수신부; 상기 측정 대상 시료에 여기(excitation)된 자기장을 발생 시킨 입력 신호와 상기 검출 신호를 시간 동기화 하여 각각 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부; 상기 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 상기 주파수 영역에서 관심 대역 이외의 신호를 제거하는 노이즈 제거부; 및 상기 관심 대역에서 상기 입력 신호에 해당하는 주파수와 상기 검출 신호에 해당하는 주파수를 기반으로 신호 분석의 결과 값을 출력하는 신호 분석부를 포함한다.

이 때, 신호 변환부는 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 상기 검출 신호의 노 [0018]

이즈를 제거하는 필터부; 및 별도의 프로그램을 이용하여 상기 검출 신호의 전압을 아날로그-디지털 컨버터의 입력 범위에 상응하게 선형 증폭시키는 전압 조절부를 포함할 수 있다.

이 때, 신호 변환부는 상기 마그네틱 파티클 측정 센서의 여기 코일로 신호를 송신하는 정현파 신호 생성기로부 [0019]

터 상기 입력 신호를 수신하고, 다채널 아날로그 디지털 컨버터를 기반으로 상기 입력 신호에 상응하는 저주파 와 고주파를 상기 검출 신호와 동시에 디지털 신호로 변환할 수 있다.

이 때, 노이즈 제거부는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 기법을 이용하여 상기 디지털 신호를 주파 [0020]

수 영역으로 변환할 수 있다.

이 때, 노이즈 제거부는 디지털 소자를 기반으로 상기 디지털 신호에서 상기 관심 대역 이외의 신호를 제거할 [0021]

수 있다.

이 때, 신호 분석부는 상기 관심 대역에서 상기 검출 신호에 해당하는 주파수의 크기와 입력 신호 대비 위상 지 [0022]

연을 측정하여 상기 결과 값으로 출력할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법은, FMMD(Frequency Mixing [0023]

Magnetic Detection) 기술의 신호 분석을 위한 모듈에 있어서, 신호 송신 장치가, 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일의 전압을 고려하여 주파수가 서로 상이한 두 개의 정현파 신호들을 생성하는 단 계; 신호 송신 장치가, 상기 두 개의 정현파 신호들을 전자적으로 더하여 상기 여기 코일에서 자기장을 발생시 키기 위한 입력 신호를 생성하고, 상기 입력 신호에 대한 디퍼런셜(differential) 신호를 생성하여 상기 입력 신호와 함께 상기 여기 코일로 전송하는 단계; 신호 수신 장치가, 상기 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 검 출(detection) 코일로부터 측정 대상 시료에 의해 유도된 검출 신호를 수신하는 단계; 및 신호 수신 장치가, 상 기 검출 신호를 상기 입력 신호와 시간 동기화하여 각각 디지털 신호로 변환하고, 상기 디지털 신호의 주파수 영역에서 관심 대역에 해당하는 주파수를 분석하여 결과 값으로 출력하는 단계를 포함한다.

이 때, 상기 전송하는 단계는 상기 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상 [0024]

기 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 오프셋(offset) 신호만 더하여 상기 입력 신호를 생성하는 단계; 및 상기 두개의 정현파 신호들이 하나의 여기 코일로 전송되는 경우에는 상기 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합하여 상기 입력 신호를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 전송하는 단계는 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호 각각에 대한 전류 값을 측정하고, 상기 전류 값 [0025]

을 기반으로 측정된 상기 여기 코일의 자속 밀도를 고려하여 상기 입력 신호와 상기 디퍼런셜 신호의 전송을 제 어할 수 있다.

이 때, 전송하는 단계는 단일 증폭기 및 병렬 증폭기 중 적어도 하나를 기반으로 상기 입력 신호와 상기 디퍼런 [0026]

(9)

셜 신호의 전압을 증폭하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 수신하는 단계는 상기 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 상기 검출 신 [0027]

호의 노이즈를 제거하는 단계; 및 별도의 프로그램을 이용하여 상기 검출 신호의 전압을 아날로그-디지털 컨버 터의 입력 범위에 상응하게 선형 증폭시키는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 출력하는 단계는 정현파 신호 생성기로부터 상기 입력 신호를 수신하는 단계; 다채널 아날로그 디지털 [0028]

컨버터를 기반으로 상기 입력 신호에 상응하는 저주파와 고주파를 상기 검출 신호와 동시에 디지털 신호로 변환 하는 단계를 포함할 수 있다.

이 때, 변환하는 단계는 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 기법을 이용하여 상기 디지털 신호를 주파 [0029]

수 영역으로 변환하는 단계; 및 디지털 소자를 기반으로 상기 디지털 신호에서 상기 관심 대역 이외의 신호를 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

발명의 효과

본 발명에 따르면, 인가된 자기장 내에 위치하는 비선형 물질의 비선형 정도를 측정하기 위한 FMMD의 구현에 있 [0030]

어서, 보다 다양한 종류의 물질을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명은 인가된 자기장 내에 위치하는 비선형 물질의 비선형 정도를 측정하기 위한 FMMD의 구현에 있어 [0031]

서, 디지털 신호 처리 구성을 통해 아날로그 lock-in 방식에 대비하여 높은 SNR과 다양한 주파수 대역의 분석이 동시에 가능하도록 할 수 있다.

도면의 간단한 설명

도 1은 FMMD 구현의 기본 개념에 해당하는 측정 구조를 나타낸 도면이다.

[0032]

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 송신 장치를 나타낸 블록도이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 수신 장치를 나타낸 블록도이다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 송신 장치를 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 수신 장치를 상세하게 나타낸 블록도이다.

도 6 내지 도 7은 본 발명에 따른 마그네틱 파티클 측정 센서의 일 예를 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

발명을 실시하기 위한 구체적인 내용

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불 [0033]

필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

[0034]

도 1은 FMMD 구현의 기본 개념에 해당하는 측정 구조를 나타낸 도면이다.

[0036]

도 1을 참조하면, FMMD 구현의 기본 개념에 해당하는 측정 구조는 크게 신호 송신단(110), 신호 측정단(120) 및 [0037]

신호 수신단(130)으로 나누어 볼 수 있다.

신호 송신단(110)은 두 종류의 주파수를 가진 신호를 생성하고, 생성한 신호를 증폭하여 신호 측정단(120)의 여 [0038]

기(excitation) 코일로 전송하는 역할을 할 수 있다.

신호 측정단(120)은 여기 코일과 검출(detection)로 구성된 센서 형태로 구성될 수 있다.

[0039]

이 때, 신호 송신단(110)에서 전달된 신호는 여기 코일에 인가되고, 여기 코일의 내부 또는 외부에 위치할 수 [0040]

있는 시료에 자기장을 유발시킬 수 있다.

한편, 검출 코일은 여기 코일에서 인가된 자기장 B와 상자성 또는 초상자성 특징을 갖는 시료에 의해 생성된 B' [0041]

(10)

신호에 의해 전자기 유도된 신호를 검출하여 신호 수신단(130)으로 전달할 수 있다.

신호 수신단(130)은 여기 코일과 시료로부터 유도된 신호를 각각 입력 받을 수 있고, 입력된 각각의 신호들을 [0042]

증폭한 후에 분석하고자 하는 주파수의 신호 강도를 측정하여 아날로그-디지털 컨버터(ADC)로 출력할 수 있다.

이와 같은 구조의 FMMD에서 최종 측정 값은 신호 수신단(130)에서 출력되는 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 값에 [0043]

상응할 수 있다.

이 때, 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 값의 신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)가 높고, 시료의 자화 [0044]

특성이 고려된 상태에서 측정이 수행되는 경우에는 보다 정확한 측정이 수행될 수 있다.

이 때, 도 1에 도시된 측정 구조는 2007년 독일의 Krause 박사팀이 "Magnetic particle detection by [0045]

frequency mixing for immunoassay applications"논문을 통해서 제안한 구조이다.

이 때, 본 발명에서는 도 1에 도시된 측정 구조를 기초로 하는 FMMD 기술의 신호 분석 방법에 있어서, 기존의 [0046]

방식보다 다양한 설정 기능을 활용하여 다양한 종류의 물질을 용이하게 측정할 수 있고, 보다 향상된 SNR을 제 공할 수 있는 신호 송수신 방법에 대해 제안하고자 한다.

즉, 본 발명에서는 도 1에 도시된 신호 송신단(110)을 구성할 때, 측정 대상 시료의 자화 특성에 따라 전송되는 [0047]

신호의 주파수와 공급 전류를 제어할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

또한, 도 1에 도시된 신호 수신단(130)을 구성할 때, 측정 대상 시료로부터 검출된 신호에서 다양한 주파수를 [0048]

선택적으로 분리해 낼 수 있도록 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 기법을 이용하여 주파수 분석을 수 행할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 송신 장치를 나타낸 블록도이다.

[0050]

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신호 송신 장치(200)는 신호 생성부(210), 신호 가산부(220), 디 [0051]

퍼런셜 신호 생성부(230) 및 신호 전송부(240)를 포함한다.

신호 생성부(210)는 FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 기술의 신호 분석을 위한 모듈에 있어서, 마 [0052]

그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일의 전압을 고려하여 주파수가 서로 상이한 두 개의 정 현파 신호들을 생성한다.

이 때, FMMD 기술의 신호 분석을 위한 모듈은 도 1에 도시된 측정 구조와 같이 송신단, 측정단 및 수신단으로 [0053]

구성될 수 있고, 도 2에 도시된 신호 송신 장치는 측정 구조 중 송신단에 상응하는 장치일 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들은 정현파 신호 생성기를 기반으로 생성될 수 있다. 이 때, 두 개의 정현파 신호 [0054]

들 각각에 해당하는 주파수는 사용자가 선택할 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호는 기본 주파수를 기반으로 생성된 신호에 상응할 수 있다. 이 때, 기본 주파수는 [0055]

사인 함수로 표시되어 공간 주파수나 소리를 표시하는데 사용되는 기본 파형에 상응할 수 있다. 또한, 두 개의 정현파 신호는 하나의 고주파 신호와 하나의 저주파 신호에 상응할 수도 있다.

이 때, 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 두 개의 정현파 신호들의 노이즈를 [0056]

제거할 수 있다. 예를 들어, 정현파 신호 생성기에서 생성된 신호들을 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 포함하는 필터로 통과시켜 노이즈를 제거할 수 있다.

이 때, 노이즈 제거로 인해 낮아진 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압을 여기 코일에서 요구하는 수치로 [0057]

증폭시킬 수 있다.

이 때, 별도의 프로그램을 이용하여 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압의 수치를 여기 코일에서 요구하는 [0058]

수치로 설정하여 증폭시킬 수 있다.

이 때, 별도의 프로그램을 이용하여 전압의 수치를 조절하는 증폭기에 앞서서 또 다른 추가 증폭기를 구비함으 [0059]

로써, 프로그램을 통해 게인(gain)의 설정이 가능한 증폭기의 설정 특성에 맞게 신호를 증폭하여 입력시킬 수도 있다.

예를 들어, 별도의 프로그램을 이용하여 전압의 수치를 조절하는 증폭기를 제1 증폭기라고 가정한다면, 노이즈 [0060]

를 제거하는 필터와 제1 증폭기 사이에 추가로 제2 증폭기를 구비함으로써 제1 증폭기로 입력되는 신호를 제1

(11)

증폭기의 설정 특성에 맞게 증폭시킬 수 있다.

신호 가산부(220)는 두 개의 정현파 신호들을 전자적으로 더하여 자기장을 발생시키기 위한 입력 신호를 생성한 [0061]

다.

예를 들어, 두 개의 여기 코일을 사용하는 경우에는 각각의 여기 코일에서 자기장을 발생시키되, 마그네틱 파티 [0062]

클을 측정하기에 적합한 혼합 자기장을 발생시키기 위해 두 개의 여기 코일을 캘리브레이션하는 과정을 포함할 수 있다.

다른 예를 들어, 하나의 여기 코일을 사용하는 경우에는 사전에 두 개의 신호들을 혼합하여 여기 코일로 여기함 [0063]

으로써 하나의 여기 코일에서 혼합된 신호에 의한 자기장이 발생하도록 할 수도 있다. 즉, 이러한 경우에는 하 나의 여기 코일에 대한 비용 및 캘리브레이션에 필요한 비용을 절감하는 효과가 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정현파 신호들에 상응 [0064]

하는 오프셋(offset) 신호만 더하고, 두 개의 정현파 신호들이 하나의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합할 수 있다.

이 때, 오프셋 신호는 오프셋 전압을 의미하는 것으로, 입력 회로의 신호가 제로임에도 불구하고 출력이 발생하 [0065]

는 경우에 출력을 제로로 맞추기 위해 입력 단자에 가하는 전압에 상응할 수 있다.

즉, 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 [0066]

오프셋 전압을 더하여 두 개의 정현파 신호들에 의해 생성되는 입력 신호에 적용시킬 수 있다.

이 때, 두 개의 신호를 더하여 혼합하는 컴바이너(combiner)로 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합할 수 [0067]

있다. 즉, 컴바이너는 두 개의 신호를 더하여 혼합하는 전자적 수동 소자에 상응할 수 있다.

예를 들어, 컴바이너는 입력 신호의 특성에 상응하는 RF(Radio Frequency) 컴바이너, 가산 증폭기 및 아날로그 [0068]

신호의 덧셈 연산이 가능한 전자 장비 중 어느 하나에 상응할 수 있다. 이 때, 어떤 장치를 사용할 것인지는 FMMD를 구현하는 사용자 및 관리자에 의해 선택적으로 결정될 수 있다.

이 때, 컴바이너는 RF 컴바이너나 가산 증폭기와 같이 기존에 이용되는 전자 장비뿐만 아니라 향후 개발 가능하 [0069]

고 아날로그 신호의 덧셈 연산이 가능한 전자 장비를 모두 포괄하는 개념일 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합함으로써 두 개의 신호들이 상호간에 영향을 주지 않으면서 혼합될 [0070]

수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합하는 과정은 앞서 설명한 별도의 프로그램을 이용하여 전압의 수치 [0071]

를 조절하는 증폭기에 의해 조절된 비율에 상응하게 혼합될 수도 있다.

또한, 도 2에는 도시하지 아니하였으나, 본 발명의 일실시예에 따른 신호 송신 장치는 두 개의 정현파 신호들에 [0072]

상응하는 오프셋 신호를 조절할 수 있다.

예를 들어, 플러스 또는 마이너스의 DC 신호를 생성하여 더해줌으로써 오프셋 전압을 제어할 수 있다.

[0073]

디퍼런셜 신호 생성부(230)는 전송 노이즈를 최소화하기 위해 입력 신호에 대한 디퍼런셜(differential) 신호를 [0074]

생성한다.

이 때, 디퍼런셜(differential) 신호는 입력 신호에 대해 위상이 반대인 신호를 의미할 수 있다. 이 때, 신호 [0075]

전송 시에 입력 신호에서 발생하는 노이즈와 디퍼런셜 신호에서 발생하는 노이즈가 서로 상쇄되어, 결과적으로 입력 신호가 전송된 후에 노이즈에 의한 변형이 최소화될 수 있다.

신호 전송부(240)는 여기 코일에서 자기장을 발생시켜 측정 대상 시료에 자기장을 인가하기 위해 입력 신호와 [0076]

디퍼런셜 신호의 전압을 증폭하여 여기 코일로 전송한다.

이 때, 입력 신호와 디퍼런셜 신호 각각에 대한 전류 값을 측정하고, 전류 값을 기반으로 측정된 여기 코일의 [0077]

자속 밀도를 고려하여 입력 신호와 디퍼런셜 신호의 전송을 제어할 수 있다.

이 때, 여기 코일의 내부 또는 외부의 자속 밀도는 전류와 단위 전류당 자속의 곱으로 이루어 질 수 있기 때문 [0078]

에, 자속 밀도의 적절한 제어를 위해서도 전류 값을 측정하는 과정이 반드시 필요할 수 있다.

특히, 전류는, 여기 코일의 임피던스와 최종 적으로 출력된 전압과 옴의 법칙 관계에 있고, 전류당 자속은 여기 [0079]

코일의 지오메트리에만 관계될 수 있다. 따라서, 전류와 전류당 자속을 분리하여 제어하는 것이 여기 코일의 자

(12)

속 밀도를 제어하는데 보다 수월할 수 있다.

이 때, 단일 증폭기 및 병렬 증폭기 중 적어도 하나를 이용하여 입력 신호와 디퍼런셜 신호의 전압을 증폭할 수 [0080]

있다.

이 때, 전류 값을 기반으로 단일 증폭기로 전류 공급이 원활하지 않다고 판단되는 경우, 병렬 증폭기를 이용하 [0081]

여 전압을 증폭시킬 수 있다.

예를 들어, 1차적으로는 단일 증폭기를 이용하여 전압이 증폭된 신호들을 전송해보고, 전류 값 측정결과에 따라 [0082]

2차적으로 파워 앰프가 병렬로 삽입된 병렬 증폭기를 이용하여 전압을 증폭시킬 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 신호 수신 장치를 나타낸 블록도이다.

[0084]

도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신호 수신 장치(300)는 신호 수신부(310), 신호 변환부(320), 노 [0085]

이즈 제거부(330) 및 신호 분석부(340)를 포함한다.

신호 수신부(310)는 FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 기술의 신호 분석을 위한 모듈에 있어서, 마 [0086]

그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 검출(detection) 코일로부터 측정 대상 시료에 의해 유도된 검출 신호를 수 신한다.

이 때, FMMD 기술의 신호 분석을 위한 모듈은 도 1에 도시된 측정 구조와 같이 송신단, 측정단 및 수신단으로 [0087]

구성될 수 있고, 도 3에 도시된 신호 수신 장치는 측정 구조 중 수신단에 상응하는 장치일 수 있다.

이 때, 검출 신호는, 마그네틱 파티클 측정 센서에서 발생한 혼합 자기장이 측정 대상 시료에 의해 변형되어 검 [0088]

출 코일로 입력된 신호에 상응할 수 있다.

이 때, 혼합 자기장은 입력 신호에 해당하는 두 개의 정현파 신호들에 의해 각각 발생하는 두 개의 자기장이 혼 [0089]

합되어 생성될 수 있다.

신호 변환부(320)는 측정 대상 시료에 여기(excitation)된 자기장을 발생시킨 입력 신호와 검출 신호를 시간 동 [0090]

기화 하여 각각 디지털 신호로 변환한다.

이 때, 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 검출 신호의 노이즈를 제거할 수 있 [0091]

다. 예를 들어, 검출 신호를 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 포함하는 필터로 통과시 켜 노이즈를 제거할 수 있다.

이 때, 검출 신호의 노이즈를 제거함으로써 관심 대역에 해당하는 신호만 유지시킬 수 있다.

[0092]

이 때, 필터로 입력되는 검출 신호의 세기나 필터의 설정에 따라 검출 코일로부터 수신된 검출 신호를 필터로 [0093]

통과시키기 전, 별도의 증폭기를 이용하여 검출 신호의 세기를 선형 증폭시킬 수도 있다.

이 때, 별도의 프로그램을 이용하여 검출 신호의 전압을 아날로그-디지털 컨버터의 입력 범위에 상응하게 선형 [0094]

증폭시킬 수 있다. 이 때, 검출 코일로부터 수신되는 검출 신호는 측정 대상 시료에 해당하는 물질 별로 신호의 강도가 다르게 수신될 수 있기 때문에 프로그램을 이용하는 증폭기를 기반으로 검출 신호의 게인(gain)을 조절 해 줄 수 있다.

로써, 프로그램을 통해 게인(gain)의 설정이 가능한 증폭기의 설정 특성에 맞게 신호를 증폭하여 입력시킬 수 도 있다.

를 제거하는 필터와 제1 증폭기 사이에 추가로 제2 증폭기를 구비함으로써 제1 증폭기로 입력되는 신호를 제1 증폭기의 설정 특성에 맞게 증폭시킬 수 있다.

이 때, 마그네틱 파티클 측정 센서의 여기 코일로 신호를 송신하는 정현파 신호 생성기로부터 입력 신호를 수신 [0097]

하고, 다채널 아날로그 컨버터를 기반으로 입력 신호에 상응하는 저주파와 고주파를 검출 신호와 동시에 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이 때, 저주파와 고주파 채널을 시간 동기화 하여 동시에 디지털 신호로 변환할 수 있 다.

또한, 별도의 프로그램을 이용하여 검출 신호의 전압을 증폭시키되, 신호의 선형성이 보장되지 않는다면, 앞서 [0098]

(13)

수행한 필터 과정을 생략하고 검출 코일로부터 수신된 검출 신호를 바로 선형 증폭시킬 수도 있다. 이 때, 필터 과정이 생략됨으로써 수행되지 못한 절차는 이후의 노이즈 제거 과정을 통해 수행되므로, 전체적인 처리 절차에 있어서 큰 문제를 발생시키지 않을 수 있다.

노이즈 제거부(330)는 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 주파수 영역에서 관심 대역 이외의 신호를 제 [0099]

거한다.

이 때, 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 기법을 이용하여 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환할 수 [0100]

있다.

이 때, 주파수 영역이란, 시간 영역으로 출력되는 디지털 신호를 주파수를 기준으로 나타내는 것으로 그래프의 [0101]

가로 영역이 주파수에 해당할 수 있다. 따라서, 노이즈에 의해서 다양한 주파수가 검출되어도, 관심 대역의 주 파수와 노이즈를 쉽게 구분할 수 있어 보다 정확하고 수월하게 신호 분석을 수행할 수 있다.

이 때, 디지털 소자를 기반으로 디지털 신호에서 관심 대역 이외의 신호를 제거할 수 있다. 이 때, 신호가 아날 [0102]

로그에서 디지털로 변환된 상태이므로 노이즈 제거를 위한 필터 또한 디지털 소자를 이용한 필터를 이용할 수 있다.

이 때, 아날로그 필터를 이용할 때와 유사하게 디지털 신호를 디지털 필터로 통과시켜 관심 대역 이외의 신호를 [0103]

제거할 수 있다.

신호 분석부(340)는 관심 대역에서 입력 신호에 해당하는 주파수와 검출 신호에 해당하는 주파수를 기반으로 신 [0104]

호 분석의 결과 값을 출력한다.

이 때, 관심 대역에서 검출 신호에 해당하는 주파수의 크기와 입력 신호 대비 위상 지연을 측정하여 결과 값으 [0105]

로 출력할 수 있다.

이와 같이 출력된 결과 값은 FMMD 방식에 상응하는 결과로써, 측정 대상 시료에 해당하는 물질의 특성을 분석하 [0106]

는데 활용될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 송신 장치를 상세하게 나타낸 블록도이다.

[0108]

도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신호 송신 장치는 신호 생성부(410), 신호 가산부(420), 디퍼런셜 [0109]

신호 생성부(430) 및 신호 전송부(440)를 포함한다.

이 때, 신호 생성부(410)는 정현파 신호 생성기(411, 412), 송신 필터부(413, 414), 파워 앰프(415, 416) 및 [0110]

송신 전압 조절부(417, 418)를 포함할 수 있다.

이 때, 신호 생성부(410)는 주파수가 서로 상이한 두 개의 정현파 신호들을 생성하기 위해서 두 개의 정현파 신 [0111]

호 생성기(411, 412)들을 포함할 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호 생성기(411, 412)들은 각각 고주파의 정현파 신호와 저주파의 정현파 신호를 생성 [0112]

하여 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일로 신호를 인가할 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호 생성기(411, 412)들 각각에 해당하는 주파수는 사용자에 의해 자유롭게 설정될 수 [0113]

있다.

이 때, 송신 필터부(413, 414)에 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 구비함으로써 두 개 [0114]

의 정현파 신호들의 노이즈를 제거할 수 있다. 즉, 두 개의 정현파 신호 생성기(411, 412)들에서 각각 생성된 고주파의 정현파 신호와 저주파의 정현파 신호를 각각 두 개의 송신 필터부(413, 414)들로 통과시켜 노이즈를 제거할 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들이 송신 필터부(413, 414)를 통과함으로써 전압이 낮아질 수 있으므로, 이 후 각 [0115]

각의 신호에 대해 송신 전압 조절부(417, 418)를 구비함으로써 두 개의 정현파 신호들의 전압을 여기 코일에서 요구하는 수치에 상응하게 조절할 수 있다.

이 때, 송신 전압 조절부(417, 418)는 별도의 프로그램을 이용하여 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압의 [0116]

수치를 여기 코일에서 요구하는 수치로 설정하여 증폭시킬 수 있다.

또한, 송신 전압 조절부(417, 418)를 이용하여 전압의 수치를 조절하기 앞서서 또 다른 파워 앰프(415, 416)를 [0117]

(14)

구비함으로써, 송신 전압 조절부(417, 418)의 설정 특성에 맞게 신호를 증폭할 수도 있다.

예를 들어, 도 4와 같이 송신 필터부(413, 414)와 송신 전압 조절부(417, 418)의 사이에 파워 앰프(415, 416)를 [0118]

구비함으로써, 송신 전압 조절부(417, 418)로 입력되는 신호를 송신 전압 조절부(417, 418)의 설정 특성에 상응 하게 증폭시킬 수 있다.

또한, 신호 가산부(420)는 필터(421, 422), 파워 앰프(423, 424), 가산기(425) 및 오프셋 신호 조절부(426)를 [0119]

포함할 수 있다.

이 때, 신호 가산부(420)는 신호 생성부(410)로부터 노이즈가 제거되어 전달된 두 개의 정현파 신호들을 전자적 [0120]

으로 더하여 자기장을 발생시키기 위한 입력 신호를 생성할 수 있다.

이 때, 별도의 가산기(425)를 구비하여 두 개의 정현파 신호들을 전자적으로 더할 수 있다.

[0121]

이 때, 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합함으로써 두 개의 신호들이 상호간에 영향을 주지 않으면서 혼합된 [0122]

신호를 생성할 수 있다.

이 때, 가산기(425)는 두 개의 신호를 더하여 혼합하는 컴바이너(combiner)에 상응할 수 있다. 예를 들어, 컴바 [0123]

이너는 입력 신호의 특성에 상응하는 RF(Radio Frequency) 컴바이너, 가산 증폭기 및 아날로그 신호의 덧셈 연 산이 가능한 전자 장비 중 어느 하나에 상응할 수 있다. 이 때, 어떤 장비를 사용할 것인지는 FMMD를 구현하는 사용자 및 관리자에 의해 선택적으로 결정될 수 있다.

이 때, 도 4에 도시된 것과 같이 가산기(425)로 신호가 입력되기 전에 신호 생성부(410)로부터 전달된 두 개의 [0124]

정현파 신호들을 각각 필터(421, 422)와 파워 앰프(423, 424)로 통과시킬 수 있다.

이 때, 필터(421, 422)는 신호 생성부(410)의 송신 필터부(413, 414)와 유사하게 노이즈를 제거하는 역할을 수 [0125]

행할 수 있고, 파워 앰프(423, 424)도 신호 생성부(410)의 파워 앰프(415, 416)와 유사한 역할을 수행할 수 있 다.

이 때, 신호 가산부(420)는 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정 [0126]

현파 신호들에 상응하는 오프셋(offset) 신호만 더하고, 두 개의 정현파 신호들이 하나의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합할 수 있다.

따라서, 신호 가산부(420)는 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우를 대비하여 오 [0127]

프셋 신호, 즉 오프셋 전압을 제어할 수 있는 오프셋 신호 조절부(426)를 포함할 수도 있다.

이 때, 오프셋 신호 조절부(426)는 플러스 또는 마이너스의 DC 신호를 생성하여 더해줌으로써 오프셋 전압을 제 [0128]

어할 수 있다.

또한, 디퍼런셜 신호 생성부(430)는 인버터(431) 및 파워 앰프(432)를 포함할 수 있다.

[0129]

이 때, 디퍼런셜 신호 생성부(430)는 전송 노이즈를 최소화하기 위한 디퍼런셜 신호를 생성할 수 있다.

[0130]

이 때, 디퍼런셜(differential) 신호는 입력 신호와 위상이 정반대인 신호를 의미하는 것으로, 입력 신호 전송 [0131]

시 디퍼런셜 신호를 함께 전송함으로써 각각의 신호에서 발생하는 노이즈가 서로 상쇄될 수 있다.

따라서, 디퍼런셜 신호 생성부(430)는 입력 신호와 위상이 정반대인 신호를 생성하기 위한 컨버터(431)를 구비 [0132]

할 수 있다.

또한, 디퍼런셜 신호 생성부(430)는 상황에 따라 입력 신호의 게인을 조절하기 위한 별도의 파워 앰프(432)를 [0133]

구비하여 입력 신호를 여기 코일에서 요구하는 설정에 맞게 조절할 수도 있다.

또한, 신호 전송부(440)는 병렬 증폭기(441, 442) 및 전류 측정기(443, 444)를 포함할 수 있다.

[0134]

이 때, 신호 전송부(440)는 여기 코일에서 자기장을 발생시켜 측정 대상 시료에 자기장을 인가하기 위해 입력 [0135]

신호와 디퍼런셜 신호의 전압을 증폭하여 여기 코일로 전송할 수 있다.

따라서, 신호 전송부(440)는 입력 신호와 디퍼런셜 신호를 각각 증폭시키기 위한 병렬 증폭기(411, 442)를 구비 [0136]

할 수 있다.

이 때, 도 4에서는 입력 신호와 디퍼런셜 신호를 증폭시키기 위해서 병렬 증폭기(441, 442)를 구비하는 구성을 [0137]

도시하였으나, 경우에 따라 단일 증폭기를 이용하여 입력 신호와 디퍼런셜 신호를 증폭시킬 수도 있다.

(15)

이 후, 전류 측정기(443, 444)를 기반으로 입력 신호와 디퍼런셜 신호 각각의 전류 값을 측정한 뒤, 전류 값을 [0138]

기반으로 측정된 여기 코일의 자속 밀도를 고려하여 전송을 제어할 수 있다.

이와 같이 신호 전송부(440)에서 전류 값을 기반으로 입력 신호 및 디퍼런셜 신호의 전송이 결정되는 경우, 각 [0139]

각의 신호를 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기 코일(450)로 인가하여 측정 대상 시료에 자기장을 발생 시킬 수 있다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 신호 수신 장치를 상세하게 나타낸 블록도이다.

[0141]

도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 신호 수신 장치는 신호 수신부(520), 신호 변환부(530), 노이즈 [0142]

제거부(540) 및 신호 분석부(550)를 포함한다.

이 때, 신호 수신부(520)는 파워 앰프(521)를 포함할 수 있다.

[0143]

이 때, 신호 수신부(520)는 마그네틱 파티클 측정 센서에 포함된 검출 코일(510)로부터 측정 대상 시료에 의해 [0144]

유도된 검출 신호를 수신할 수 있다.

합되어 생성된 자기장에 상응할 수 있다.

이 때, 신호 수신부(520)는 별도의 파워 앰프(521)를 구비함으로써, 이 후의 신호 변환부(530)에서 노이즈 제거 [0147]

를 위한 필터로 입력되는 검출 신호의 전압을 미리 증폭시킬 수 있다.

또한, 신호 변환부(530)는 수신 필터부(531), 파워 앰프(532), 수신 전압 조절부(533) 및 다채널 ADC(534)를 포 [0148]

함할 수 있다.

이 때, 신호 변환부(530)는 측정 대상 시료에 여기된 자기장을 발생시킨 입력 신호와 검출신호를 시간 동기화하 [0149]

여 각각 디지털 신호로 변환할 수 있다.

이 때, 신호 변환부는 수신 필터부(531)와 파워 앰프(532) 및 수신 전압 조절부(533)를 통해서 노이즈 제거와 [0150]

함께 다채널 ADC(534)로 입력된 검출 신호의 전압을 다채널 ADC(534)의 설정에 맞게 조절할 수 있다.

이 때, 수신 필터부(531)는 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 구비하여 노이즈를 제거 [0151]

할 수 있다. 예를 들어, 검출 신호를 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 포함하는 수신 필터부(531)로 통과시켜 노이즈를 제거할 수 있다.

이 후, 노이즈가 제거된 검출 신호를 파워 앰프(532)로 통과시켜 증폭시킨 뒤에 수신 전압 조절부(533)로 입력 [0152]

시킬 수 있다.

이 때, 수신 전압 조절부(533)는 별도의 프로그램을 이용하여 검출 신호의 전압을 다채널 ADC(534)의 입력 범위 [0153]

에 상응하게 선형 증폭시킬 수 있다. 이 때, 검출 코일(510)로부터 수신되는 검출 신호는 측정 대상 시료에 해 당하는 물질에 따라 강도가 다르게 수신될 수 있기 때문에 수신 전압 조절부(533)의 프로그램을 기반으로 검출 신호의 게인(gain)을 조절해 줄 수 있다.

이 때, 마그네틱 파티클 측정 센서의 여기 코일로 송신되는 입력 신호를 생성하는 정현파 신호 생성기(560)로부 [0154]

터 직접 입력 신호를 수신하고, 다채널 ADC(534)를 기반으로 입력 신호에 상응하는 저주파와 고주파를 검출 신 호와 동시에 디지털 신호로 변환할 수 있다. 이 때, 저주파와 고주파 채널을 시간 동기화하여 동시에 디지털 신 호로 변환할 수 있다.

이 때, 수신 전압 조절부(533)를 이용하여 검출 신호의 전압을 조절하여 증폭시키되, 검출 신호의 선형성이 보 [0155]

장되지 않는다면, 앞서 수행한 수신 필터부(531)에 의한 노이즈 제거 과정을 생략하고 신호 수신부(520)로부터 전달된 검출 신호를 바로 수신 전압 조절부(533)로 입력시킬 수도 있다. 이 때, 필터(531)와 파워 앰프(532)를 이용한 노이즈 제거 과정이 생략됨으로써 수행되지 못한 절차는 이 후의 노이즈 제거부(540)에서 수행되므로, 전체적인 처리 절차에 있어서 큰 문제를 발생시키지 않을 수 있다.

또한, 노이즈 제거부(540)는 FFT 변환기(541) 및 디지털 필터(542)를 포함할 수 있다.

[0156]

(16)

이 때, 노이즈 제거부(540)는 디지털 신호를 주파수 영역으로 변환하고, 주파수 영역에서 관심 대역 이외의 신 [0157]

호를 제거할 수 있다.

이 때, FFT 변환기(541)를 통한 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform) 기법으로 디지털 신호를 주파수 영 [0158]

역으로 변환할 수 있다.

이 때, 주파수 영역이란, 시간 영역으로 출력되는 디지털 신호를 주파수를 기준으로 나타내는 것으로 그래프의 [0159]

가로 영역이 주파수에 해당할 수 있다. 따라서, 노이즈에 의해서 다양한 주파수가 검출되는 경우에도, 관심대역 의 주파수와 노이즈를 쉽게 구분할 수 있어 보다 정확하고 수월하게 신호 분석을 수행할 수 있다는 장점이 있다.

이 때, 디지털 필터(542)는 디지털 소자를 기반으로 디지털 신호에서 관심 대역 이외의 신호를 제거할 수 있다.

[0160]

즉, 이미 다채널 ADC 컨버터(534)를 이용하여 검출 신호를 아날로그에서 디지털로 변환하였기 때문에 노이즈 제 거를 위한 필터에도 디지털 소자를 이용할 수 있다.

또한, 신호 분석부(550)는 관심 대역 주파수 선택기(551) 및 위상 지연 측정기(552)를 포함할 수 있다.

[0161]

이 때, 신호 분석부(550)는 관심 대역에서 입력 신호에 해당하는 주파수와 검출 신호에 해당하는 주파수를 기반 [0162]

으로 신호 분석의 결과 값을 출력할 수 있다.

이 때, 관심 대역 주파수 선택기(551)를 기반으로 주파수 영역에서 관심 대역에 해당하는 주파수만 선택할 수 [0163]

있다.

이 후, 위상 지연 측정기(552)를 통해 검출 신호에 해당하는 주파수의 크기와 입력 신호 대비 위상 지연을 측정 [0164]

하여 결과 값으로 출력할 수 있다.

도 6 내지 도 7은 본 발명에 따른 마그네틱 파티클 측정 센서의 일 예를 나타낸 도면이다.

[0166]

도 6 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 마그네틱 파티클 측정 센서는 도 6에 도시된 것과 같이 두 개의 여 [0167]

기 코일들(611, 612)을 포함하는 형태와 도 7에 도시된 것과 같이 한 개의 여기 코일(711)을 포함하는 형태로 구성될 수 있다.

이 때, 도 6에 도시된 것과 같이 두 개의 여기 코일들(611, 612)을 포함하는 마그네틱 파티클 측정 센서(610)는 [0168]

각각의 여기 코일마다 입력 신호를 인가 받을 수 있다. 즉, 두 개의 여기 코일들(611, 612)이 각각 자기장을 발 생시킬 수 있다.

이 때, 발생한 두 개의 자기장은 혼합된 형태로 측정 대상 시료(614)에 인가될 수 있다.

[0169]

이 때, 측정 대상 시료(614)에 의해 혼합된 자기장의 전자가 유도된 신호가 생성되면, 검출 코일(613)을 통해 [0170]

신호를 검출할 수 있다.

이 때, 측정 대상 시료(614)에 측정 물질이 포함되어 있는지 여부를 확인하기 위해서는 특정한 주파수가 혼합된 [0171]

자기장을 인가시킬 필요가 있다. 따라서, 두 개의 여기 코일들(611, 612)은 일정한 비율과 기하학적 위치 등이 정교하게 조정되는 캘리브레이션 과정을 통해 마그네틱 파티클 측정 센서(610)에 구비되어야 할 수 있다.

그러나, 도 7에 도시된 것과 같이 한 개의 여기 코일(711)을 포함하는 마그네틱 파티클 측정 센서(710)는 한 개 [0172]

의 여기 코일(711)에 이미 혼합된 입력 신호를 인가하여 혼합된 자기장을 발생시킬 수 있다.

즉, 이미 혼합된 입력 신호가 인가되므로, 도 7과 같은 구성의 마그네틱 파티클 측정 센서(710)에서는 캘리브레 [0173]

이션을 수행하는 과정을 생략할 수 있어, 비용적인 측면이나 정확도 면에서 도 6에 도시된 마그네틱 파티클 측 정 센서(610)보다 효과적일 수 있다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.

[0175]

도 8을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법은 [0176]

FMMD(Frequency Mixing Magnetic Detection) 기술의 신호 분석을 위한 모듈에 있어서, 신호 송신 장치가, 마그 네틱 파티클 측정 센서에 포함된 여기(excitation) 코일의 전압을 고려하여 주파수가 서로 상이한 두 개의 정현

(17)

파 신호들을 생성한다(S810).

이 때, 두 개의 정현파 신호들은 정현파 신호 생성기를 기반으로 생성될 수 있다. 이 때, 두 개의 정현파 신호 [0177]

들 각각에 해당하는 주파수는 사용자가 선택할 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호는 기본 주파수를 기반으로 생성된 신호에 상응할 수 있다. 이 때, 기본 주파수는 [0178]

사인 함수로 표시되어 공간 주파수나 소리를 표시하는데 사용되는 기본 파형에 상응할 수 있다. 또한, 두 개의 정현파 신호는 하나의 고주파 신호와 하나의 저주파 신호에 상응할 수도 있다.

이 때, 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 두 개의 정현파 신호들의 노이즈를 [0179]

제거할 수 있다. 예를 들어, 정현파 신호 생성기에서 생성된 신호들을 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 포함하는 필터로 통과시켜 노이즈를 제거할 수 있다.

이 때, 노이즈 제거로 인해 낮아진 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압을 여기 코일에서 요구하는 수치로 [0180]

증폭시킬 수 있다.

이 때, 별도의 프로그램을 이용하여 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 전압의 수치를 여기 코일에서 요구하는 [0181]

수치로 설정하여 증폭시킬 수 있다.

로써, 프로그램을 통해 게인(gain)의 설정이 가능한 증폭기의 설정 특성에 맞게 신호를 증폭하여 입력시킬 수도 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법은 신호 송신 장치가, 두 개 [0184]

의 정현파 신호들을 전자적으로 더하여 여기 코일에서 자기장을 발생시키기 위한 입력 신호를 생성하고, 입력 신호에 대한 디퍼런셜(differential) 신호를 생성하여 입력 신호와 함께 여기 코일로 전송한다(S820).

예를 들어, 두 개의 여기 코일을 사용하는 경우에는 각각의 여기 코일에서 자기장을 발생시키되, 마그네틱 파티 [0185]

클을 측정하기에 적합한 혼합 자기장을 발생시키기 위해 두 개의 여기 코일을 캘리브레이션하는 과정을 포함할 수 있다.

다른 예를 들어, 하나의 여기 코일을 사용하는 경우에는 사전에 두 개의 신호들을 혼합하여 여기 코일로 여기함 [0186]

으로써 하나의 여기 코일에서 혼합된 신호에 의한 자기장이 발생하도록 할 수도 있다. 즉, 이러한 경우에는 하 나의 여기 코일에 대한 비용 및 캘리브레이션에 필요한 비용을 절감하는 효과가 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정현파 신호들에 상응 [0187]

하는 오프셋(offset) 신호만 더하여 입력 신호를 생성할 수 있다.

이 때, 오프셋 신호는 오프셋 전압을 의미하는 것으로, 입력 회로의 신호가 제로임에도 불구하고 출력이 발생하 [0188]

는 경우에 출력을 제로로 맞추기 위해 입력 단자에 가하는 전압에 상응할 수 있다.

즉, 두 개의 정현파 신호들이 각각 하나씩의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정현파 신호들에 상응하는 [0189]

오프셋 전압을 더하여 두 개의 정현파 신호들에 의해 생성되는 입력 신호에 적용시킬 수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들이 하나의 여기 코일로 전송되는 경우에는 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합 [0190]

하여 입력 신호를 생성할 수 있다.

이 때, 두 개의 신호를 더하여 혼합하는 컴바이너(combiner)로 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합할 수 [0191]

있다. 즉, 컴바이너는 두 개의 신호를 더하여 혼합하는 전자적 수동 소자에 상응할 수 있다.

예를 들어, 컴바이너는 입력 신호의 특성에 상응하는 RF(Radio Frequency) 컴바이너, 가산 증폭기 및 아날로그 [0192]

신호의 덧셈 연산이 가능한 전자 장비 중 어느 하나에 상응할 수 있다. 이 때, 어떤 장치를 사용할 것인지는 FMMD를 구현하는 사용자 및 관리자에 의해 선택적으로 결정될 수 있다.

이 때, 컴바이너는 RF 컴바이너나 가산 증폭기와 같이 기존에 이용되는 전자 장비뿐만 아니라 향후 개발 가능하 [0193]

고 아날로그 신호의 덧셈 연산이 가능한 전자 장비를 모두 포괄하는 개념일 수 있다.

(18)

이 때, 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합함으로써 두 개의 신호들이 상호간에 영향을 주지 않으면서 혼합될 [0194]

수 있다.

이 때, 두 개의 정현파 신호들을 더하여 혼합하는 과정은 앞서 설명한 별도의 프로그램을 이용하여 전압의 수치 [0195]

를 조절하는 증폭기에 의해 조절된 비율에 상응하게 혼합될 수도 있다.

이 때, 디퍼런셜(differential) 신호는 입력 신호에 대해 위상이 반대인 신호를 의미할 수 있다. 이 때, 신호 [0196]

전송 시에 입력 신호에서 발생하는 노이즈와 디퍼런셜 신호에서 발생하는 노이즈가 서로 상쇄되어, 결과적으로 입력 신호가 전송된 후에 노이즈에 의한 변형이 최소화될 수 있다.

이 때, 입력 신호와 디퍼런셜 신호 각각에 대한 전류 값을 측정하고, 전류 값을 기반으로 측정된 여기 코일의 [0197]

자속 밀도를 고려하여 입력 신호와 디퍼런셜 신호의 전송을 제어할 수 있다.

이 때, 여기 코일의 내부 또는 외부의 자속 밀도는 전류와 단위 전류당 자속의 곱으로 이루어 질 수 있기 때문 [0198]

에, 자속 밀도의 적절한 제어를 위해서도 전류 값을 측정하는 과정이 반드시 필요할 수 있다.

특히, 전류는, 여기 코일의 임피던스와 최종 적으로 출력된 전압과 옴의 법칙 관계에 있고, 전류당 자속은 여기 [0199]

코일의 지오메트리에만 관계될 수 있다. 따라서, 전류와 전류당 자속을 분리하여 제어하는 것이 여기 코일의 자 속 밀도를 제어하는데 보다 수월할 수 있다.

이 때, 단일 증폭기 및 병렬 증폭기 중 적어도 하나를 기반으로 입력 신호와 디퍼런셜 신호의 전압을 증폭할 수 [0200]

있다.

이 때, 전류 값을 기반으로 단일 증폭기로 전류 공급이 원활하지 않다고 판단되는 경우, 병렬 증폭기를 이용하 [0201]

여 전압을 증폭시킬 수 있다.

예를 들어, 1차적으로는 단일 증폭기를 이용하여 전압이 증폭된 신호들을 전송해보고, 전류 값 측정결과에 따라 [0202]

2차적으로 파워 앰프가 병렬로 삽입된 병렬 증폭기를 이용하여 전압을 증폭시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 FMMD 기술의 신호 분석을 위한 신호 송수신 방법은 신호 수신 장치가, 마그네 [0203]

틱 파티클 측정 센서에 포함된 검출(detection) 코일로부터 측정 대상 시료에 의해 유도된 검출 신호를 수신한 다(S830).

합되어 생성될 수 있다.

이 때, 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 기반으로 검출 신호의 노이즈를 제거할 수 있 [0206]

다. 예를 들어, 검출 신호를 능동 및 수동 중 적어도 하나에 해당하는 아날로그 소자를 포함하는 필터로 통과시 켜 노이즈를 제거할 수 있다.

이 때, 검출 신호의 노이즈를 제거함으로써 관심 대역에 해당하는 신호만 유지시킬 수 있다.

[0207]

이 때, 필터로 입력되는 검출 신호의 세기나 필터의 설정에 따라 검출 코일로부터 수신된 검출 신호를 필터로 [0208]

통과시키기 전, 별도의 증폭기를 이용하여 검출 신호의 세기를 선형 증폭시킬 수도 있다.

이 때, 별도의 프로그램을 이용하여 검출 신호의 전압을 아날로그-디지털 컨버터의 입력 범위에 상응하게 선형 [0209]

증폭시킬 수 있다. 이 때, 검출 코일로부터 수신되는 검출 신호는 측정 대상 시료에 해당하는 물질 별로 신호의 강도가 다르게 수신될 수 있기 때문에 프로그램을 이용하는 증폭기를 기반으로 검출 신호의 게인(gain)을 조절 해 줄 수 있다.

로써, 프로그램을 통해 게인(gain)의 설정이 가능한 증폭기의 설정 특성에 맞게 신호를 증폭하여 입력시킬 수 도 있다.