KR20080046373A - Temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 온도 센서의 구성을 도시한 도면. 1 is a view showing the configuration of a temperature sensor according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1의 클래딩, 제1 및 제2코어의 온도변화에 따른 굴절율의 변화를 도시한 도면. FIG. 2 is a diagram illustrating a change in refractive index according to temperature changes of the cladding, first and second cores of FIG. 1.
도 3은 도 1의 온도센서를 적용한 레이저 치료기의 구성을 예시한 도면. 3 is a diagram illustrating a configuration of a laser treatment device to which the temperature sensor of FIG. 1 is applied.
본 발명은 레이저 치료기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 치료기에 채용되는 온도 센서에 관한 것이다. The present invention relates to a laser therapy device, and more particularly, to a temperature sensor employed in the laser therapy device.
레이저(LASER)란 "Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation"의 약자이다. 레이저의 작동원리는 "복사파의 유도 방출에 의한 광의 증폭"그 이름이 시사하는 대로, 레이저 기계 내에서 하나의 광입자가 흥분상태의 매질 속에 있는 똑같은 다른 입자의 방출을 유도한다. 이 광입자는 기계 내에 설치된 거울에 반사되어 다시 매질 내를 통과하며 다른 광입자의 방출을 유도한다. 기계 내에 두 개의 거울이 있는데 전면에 위치한 거울은 반투과성이어서 광입자를 일부 통과시킨다. 이렇게 얻어진 광은 밝고 단파장이며, 일시적 또는 공간적으로 결합력을 가지며 확산되지 않고 평행으로 전도되는 평행 광선인데 이것이 바로 레이저 광선이다. LASER stands for "Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation." The principle of operation of a laser, as the name implies, is "amplification of light by induced emission of radiation". In a laser machine, one light particle induces the emission of the same other particle in an excited medium. These light particles are reflected by a mirror installed in the machine and again pass through the medium and induce the release of other light particles. There are two mirrors in the machine, the mirrors on the front are semi-permeable and allow some light to pass through. The light thus obtained is bright, short-wavelength, parallel or light, temporarily or spatially cohesive, and not being diffused, but being conducted in parallel, which is a laser beam.
즉, 어떤 궤도에 있는 전자를 외부의 에너지를 가함으로서 높은 에너지 레벨로 끌어올린 후 다시 원위치로 돌아가면서 발생하는 에너지 차이를 광으로 바꾸어 이 광들을 특수한 장치를 이용하여 한 방향으로 모아서 강한 에너지를 가지도록 증폭시키는 장치를 말한다. 이러한 레이저는 그 발생장치에 들어있는 매체가 어떤 물질인가에 따라서 고체 레이저(루비 레이저, 알렉산드라이트 레이저 등)와 액체 레이저(색소 레이저), 기체 레이저(이산화탄소 레이저 등), 기타 반도체 레이저 등으로 구분할 수 있다. In other words, the electrons in a orbit are pulled up to a high energy level by applying external energy and then returned to their original position, and the energy difference generated by the light is gathered in one direction by using a special device. Amplification device. Such lasers can be classified into solid lasers (ruby lasers, alexandrite lasers, etc.), liquid lasers (color lasers), gas lasers (carbon dioxide lasers, etc.), and other semiconductor lasers, depending on the material of the medium in the generator. .
상기 물질들은 그 각자의 광학적 특성에 따라서 항상 일정한 파장의 광을 만들어내게 되며 이 파장에 따라서 레이저를 어떤 곳에 이용할 것인지가 결정된다. 상기 레이저는 일정한 파장의 광을 아주 강하게 만들어서 쪼여주는 장치이므로 파장과 에너지 수준에 따라서 여러 가지 목적으로 다양하게 사용될 수 있다. The materials always produce light of a certain wavelength depending on their respective optical properties, and the wavelength determines where the laser is to be used. The laser is a device that makes the light of a certain wavelength very strong and can be used for various purposes depending on the wavelength and energy level.
한편, 현대 의학에서 레이저는 다양한 형태로 의학에 이용되고 있다. 이전에 수술분야에 국한되었던 레이저의 의학적 응용은 최근 들어 비관혈적 진단 및 치료분야에까지 폭 넓게 확장되고 있다. On the other hand, laser is used in medicine in various forms in modern medicine. Medical applications of lasers, previously limited to the surgical field, have recently been widely extended to noninvasive diagnostic and therapeutic fields.
처음에 레이저는 외과적 시술에 도입되었고, 외과영역에 도입된 레이저는 출력에너지가 큰 레이저로서 조직파괴 작용이 있다. 이러한 조직파괴 현상을 통해 조직절단, 응고 및 지혈 등에 고출력 레이저가 응용되었다. Initially, the laser was introduced into the surgical procedure, and the laser introduced into the surgical area is a laser with a large output energy and has a tissue destruction effect. Through this tissue destruction phenomenon, high power laser was applied to tissue cutting, coagulation and hemostasis.
현재 관절염이나 피부염과 같은 경우 파스같이 환부에 붙이는 형태의 치료방 법이나 복용하는 약과 같은 경우, 장기간 이용시 환부가 짓무르거나 위장의 기능장애 등과 같은 부작용이 있으며, 그 약효의 전달도 수동적이라 치료효과가 별로 좋지 않지만 레이저 광을 투사하는 방식의 경우 직접 인체에 접촉하는 방식이 아니라 환부가 짓무르는 부작용이 없고, 또한 환부에 조사하여 적정한 치료효과를 낼 수 있는 레이저 광을 발생시킬 수 있는 알고리즘을 이용하여 치료효과를 극대화시킬 수 있다. In the case of arthritis or dermatitis, in the case of medicines taken in the form of paste on the affected part such as pars or taking medicines, side effects such as soreness of the affected part or gastrointestinal dysfunction are used for a long time. Although not very good, the method of projecting the laser light does not directly touch the human body, but there is no side effect that the affected part is crushed, and also an algorithm that can generate the laser light which can irradiate the affected area and produce proper treatment effect It can be used to maximize the therapeutic effect.
상기 레이저 종류 중 이산화탄소 레이저, 즉 CO2 레이저는 가스 분자의 진동이나 회전 운동 상태의 변화에 의한 에너지 준위를 이용하여 파장 10.6㎛의 적외선을 발진한다. 레이저 발진에 직접적으로 관여하는 것은 가스이지만 가스만으로는 큰 출력을 얻을 수 없으므로 효율을 높이기 위하여 매개 물질인 질소(N2)와 헬륨(He)을 첨가하여 약 15% 정도의 높은 효율로 큰 출력을 얻을 수 있는 발진을 시킨다. 연속 발진에서의 출력은 수십 Kw까지 가능하여 어떤 조직에도 비선택적으로 잘 침투하기 때문에 사마귀나 점을 제거하는 데 흔히 사용되며 에너지를 한 쪽에 모아서 수술시 출혈을 줄이기 위한 절개에도 사용된다. 또한 소위 "코골이" 수술이나 알레르기 비염 환자의 수술에도 이용되고 있으며 근자에는 특수한 스캐너를 이용하여 얼굴의 주름을 제거하는 레이저 박피술이 유행하고 있으며 이는 여드름이나 기타 흉터제거에도 사용되고 있다. Among the laser types, a carbon dioxide laser, that is, a CO2 laser, emits infrared rays having a wavelength of 10.6 μm by using energy levels caused by changes in vibrations or rotational motion states of gas molecules. Although gas is directly involved in the laser oscillation, it is not possible to obtain a large output by gas alone, so it is possible to obtain a large output with high efficiency of about 15% by adding nitrogen (N2) and helium (He) as mediators to increase efficiency. Have a rash. Output from continuous rashes can be up to several tens of kilowatts, allowing them to penetrate any tissue non-selectively, so they are often used to remove warts or spots, and to collect energy on one side to cut incisions to reduce bleeding during surgery. It is also used in so-called "snoring" surgery or surgery for allergic rhinitis patients, and in recent years, laser dermabrasion is used to remove wrinkles on the face with a special scanner, which is also used to remove acne and other scars.
그런데, 상기한 레이저 치료기에 사용되는 반도체 레이저 다이오드는 동작시 온도변화에 따라 LED보다 훨씬 민감한 온도특성을 가지므로, 상기 레이저 치료기에서의 온도 제어는 매우 중요한 문제로 대두되었다. By the way, since the semiconductor laser diode used in the laser therapy device has a temperature characteristic much more sensitive than the LED according to the temperature change during operation, temperature control in the laser therapy device has emerged as a very important problem.
더욱이 레이저 광에 의해 신체부위에 열을 제공하여 치료를 이행하는 경우에, 소정 온도 윈도우에서는 상기 치료가 유효하나 상기 온도 윈도우를 벗어하는 경우에는 치료효과가 없거나 세포가 손상되는 경우도 있었다. Moreover, when the treatment is performed by providing heat to the body part by laser light, the treatment is effective at a predetermined temperature window, but when the temperature is out of the temperature window, there is a case where there is no therapeutic effect or the cells are damaged.
종래 레이저 치료기에 구비되는 온도센서로는 써멀 커플(thermal couple) 센서가 채용되었으나, 상기 센서는 측정감도가 낮고 주변 전자파에 의한 영향도 많이 받으며, 센서로 전류가 공급되어야 동작되기 때문에 사용자 부주의로 센서 인가 전류에 의해 세포가 손상되는 문제가 야기되곤 하였다.Although a thermal couple sensor is used as a temperature sensor provided in the conventional laser treatment device, the sensor has low measurement sensitivity, is affected by ambient electromagnetic waves, and is operated only when a current is supplied to the sensor. The problem is that the cells are damaged by the applied current.
이에 종래에는 측정감도가 높은 브래그 격자 또는 광섬유 간섭계 센서 등을 채용하기도 하였으나, 상기 센서들은 온도 윈도우를 가지고 있지 않아 온도조절을 위한 프로세스가 복잡해지는 문제가 있었다. In the related art, although a high-sensitivity Bragg grating or an optical fiber interferometer sensor is used, the sensors do not have a temperature window, and thus, a process for controlling temperature is complicated.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 전자파에 영향을 받지 않으면서 측정 감도가 높고, 소정 온도 윈도우를 가지는 광섬유 페브리-페로 온도센서, 및 상기 온도센서를 구비하는 레이저 치료기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is to overcome the above-mentioned conventional problems, and provides an optical fiber Fabry-Perot temperature sensor having a high measurement sensitivity and a predetermined temperature window without being affected by electromagnetic waves, and a laser treatment device having the temperature sensor. It is for that purpose.
상기의 목적을 이루고 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 온도 센서는, 온도변화에 따라 굴절률이 가변되는 특성을 가지는 코어와 클래딩으로 구성된 광섬유; 상기 광섬유에 소정 간격으로 설치된 광섬유 거울들; 상기 광섬유 거울들 사이에 온도변화에 따른 굴절률이 가변되는 특성이 서로 다른 두 물질로 코어 가 구성되는 광섬유; 상기 광섬유로 입사된 광을 둘 이상의 코어가 온도에 따라 다른 굴절률 변화량을 가짐에 따라 소정 온도 윈도우에 속하는 경우에만 정상적으로 동작하는 광섬유 온도센서를 특징으로 한다.The temperature sensor of the present invention to achieve the above object and to solve the problems of the prior art, the optical fiber consisting of a core and a cladding having a characteristic that the refractive index is variable according to the temperature change; Optical fiber mirrors installed on the optical fiber at predetermined intervals; An optical fiber having a core made of two materials having different characteristics in which refractive indices vary according to temperature changes between the optical fiber mirrors; The optical fiber temperature sensor operates normally only when the light incident on the optical fiber belongs to a predetermined temperature window as two or more cores have different refractive index changes according to temperature.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 페브리-페로 온도 센서의 구조를 도시한 것이고, 도 2는 상기 광섬유 코어로 사용될 물질들 및 광섬유 클래딩의 온도 변화에 따른 굴절률 변화를 도시한 것이다.1 illustrates a structure of an optical fiber Fabry-Perot temperature sensor according to a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2 illustrates a change in refractive index according to temperature changes of materials and optical fiber claddings to be used as the optical fiber core.
상기 광섬유 페브리-페로 온도센서는 코어(13)와 클래딩(14)으로 구성되는 광섬유에 설치된 제1 및 제2광섬유 거울(10a,b)과 상기 제1 및 제2광섬유 거울(10a,b)사이에 위치하는 제1 물질(16) 및 제2 물질(17)로 이루어진 코어로 구성된다. The optical fiber Fabry-Perot temperature sensor includes first and second optical fiber mirrors 10a, b and first and second optical fiber mirrors 10a, b installed in an optical fiber composed of a
상기 제1 및 제2광섬유 거울(10a,b)은 일정 거리를 두고 설치되며, 상기 제1 및 제2광섬유 거울(10a,b) 사이에는 열에 따른 굴절률 특성이 서로 상이한 두 물질로 구성되는 코어가 구비된다. 여기서, 상기 코어를 구성하는 제1 물질(16) 및 제2 물질(17)과 클레딩(14)간의 열에 따른 굴절률 특성 역시 상이하다. The first and second optical fiber mirrors 10a and b are provided at a predetermined distance, and the cores made of two materials having different refractive index characteristics according to heat are disposed between the first and second optical fiber mirrors 10a and b. It is provided. Here, the refractive index characteristic according to the heat between the
좀더 설명하면, 온도가 T1 보다 작으면 코어를 구성하는 제1물질(16)의 굴절률(21)이 광섬유 클래딩(14)의 굴절률(20)보다 작아져서, 입사되는 광이 제1코어(16)를 투과하지 못한다. In more detail, when the temperature is less than T1, the
그리고, 온도가 T2 보다 크면 입사 되는 광이 제1 물질로 구성된 코어(16)를 투과하기는 하나, 제2물질(17)의 굴절률(22)이 클래딩(14)의 굴절률(20)보다 작아져서, 입사 되는 광이 제2코어(17)를 투과하지 못한다.When the temperature is greater than T2, the incident light passes through the
그리고, 온도가 본 발명에 따른 온도 윈도우인 T1과 T2 사이이면, 상기 제1 및 제2코어(16,17)의 굴절률(21,22)이 클래딩(14)의 굴절률(20)보다 크므로, 입사되는 광은 코어를 구성하는 제1물질 및 제2물질(16,17)을 통과함으로써, 센서로서 작동을 하게 된다. If the temperature is between the temperature windows T1 and T2 according to the present invention, since the
여기서, 상기 온도가 T1과 T2 사이의 온도 윈도우에 속할 경우, 광섬유를 통해 진행하던 광은 제1 및 제2광섬유 거울(10a,b) 각각 일부 반사된다. 특히 제2광섬유 거울(10b)에서 반사된 광은 다시 제1광섬유 거울(10a)로 돌아오며, 상기 제1광섬유 거울(10a)로 돌아온 광의 일부는 제1광섬유 거울(10a)을 통과하여 제1광섬유 거울(10b)에서 반사된 광에 간섭을 일으킨다. Here, when the temperature belongs to the temperature window between T1 and T2, the light traveling through the optical fiber is partially reflected by the first and second optical fiber mirrors 10a and b, respectively. Particularly, the light reflected from the second
상기한 간섭 현상을 감안한 광섬유 페브리-페롯 온도센서의 반사 출력광(Pr)은 하기 수학식 1로 나타낼 수 있다.Reflected output light P r of the optical fiber Fabry-Perot temperature sensor in consideration of the interference phenomenon may be represented by Equation 1 below.
상기 수학식 1에서 상기 R은 광섬유 거울의 반사율, 상기 n1은 광섬유의 코어로 사용된 제1물질의 굴절률, 상기 n2는 광섬유의 코어로 사용된 제2물질의 굴절률, L은 거울사이의 거리, L1은 물질1이 코어로 구성된 광섬유의 길이, L2는 물질2가 코어로 구성된 광섬유의 길이, λ는 광의 파장이다. 상기 수학식 1로부터 출력 반사광(Pr)은 광섬유 코어의 굴절률(n1,n2)과 거울 사이의 거리(L1,L2)에 함수임을 알 수 있다. In Equation 1, R is the reflectance of the optical fiber mirror, n 1 is the refractive index of the first material used as the core of the optical fiber, n 2 is the refractive index of the second material used as the core of the optical fiber, L is between the mirror The distance, L 1 is the length of the optical fiber composed of material 1 as the core, L 2 is the length of the optical fiber composed of material 2 as the core, and λ is the wavelength of light. It can be seen from Equation 1 that the output reflected light Pr is a function of the distance between the refractive indices n 1 and n 2 of the optical fiber core and the mirrors L 1 and L 2 .
즉, 주변온도가 변하면 광섬유 굴절율과 광섬유 페브리-페로 센서의 광 길이가 변하여 광섬유 페브리-페롯 간섭계 센서의 출력 광신호의 위상이 변화하며, 상기 출력광 신호의 위상변화는 하기 수학식 2와 같다. That is, when the ambient temperature changes, the optical refraction index and the optical length of the optical fiber Fabry-Perot sensor are changed to change the phase of the output optical signal of the optical fiber Fabry-Perot interferometer sensor, and the phase change of the output optical signal is represented by Equation 2 below. same.
상기 수학식 2에서 상기 ΔT는 측정하려고 하는 주변의 온도변화이다. [Delta] T in Equation 2 is a change in temperature of the surroundings to be measured.
상기 수학식 2로부터 광섬유 페브리-페롯 온도센서의 출력광 위상변화는 주변 온도 변화에 비례함을 알 수 있다. 즉, 출력광 위상 변화로부터 주변 온도의 변화를 알아 낼 수 있다. It can be seen from Equation 2 that the output light phase change of the optical fiber Fabry-Perot temperature sensor is proportional to the ambient temperature change. In other words, the change in the ambient temperature can be found from the change in the output light phase.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 페브리-페로 온도센서를 구비한 레이저 열 치료기의 구성을 도시한 것이다. Figure 3 shows the configuration of a laser heat treatment device having an optical fiber Fabry-Perot temperature sensor according to a preferred embodiment of the present invention.
레이저(30)에서 나온 광은 광섬유(32)를 통과하여 신체내부로 들어가 치료가 필요한 신체부위(33)에 조사(35)되며, 이에 따라 상기 신체부위(33)의 온도가 변화하게 된다. The light emitted from the
상기 광이 조사되는 신체부위(33)에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광섬유 페브리-페로 온도센서(34)가 설치되며, 상기 광섬유 페브리-페로 온도센서(34)는 상기 신체부위(33)의 온도가 제1물질 및 제2물질로 구성된 코어가 생성하는 온도 윈도우에 속하면 온도센서로서 동작을 하고, 상기 온도 윈도우를 벗어나면 광을 존재하지 않기 때문에 동작하지 않는, 상기 신체부위(33)의 온도에 대한 정보를 출력한다. 상기 온도에 대한 정보는 상기 레이저(30)의 광 출사량을 조절하는 온도조절회로(31)에 제공된다. The
상기 온도조절회로(31)는 상기 온도에 대한 정보를 토대로 상기 레이저 (30)의 구동 전류를 조절하여, 상기 온도 윈도우에 속하는 열이 상기 신체부위(33)에 가해질 수 있도록 상기 레이저(30)를 제어한다. The temperature regulating
예를 들어, 레이저 광이 조사되는 신체부위의 온도가 섭씨 40℃ 보다 커야 치료가 가능하고 45℃보다 크면 그 부분의 세포가 변종이 일어나므로, 열 치료를 할 때에는 광이 조사되는 신체 부위의 온도가 일정한 온도 범위 안에 있도록 조정되어져야 한다. For example, if the temperature of the body part where the laser light is irradiated is greater than 40 ° C., it can be treated. If the temperature is higher than 45 ° C., the cells of the part will be deformed. Should be adjusted to be within a certain temperature range.
그러나 레이저에서 나온 광은 항상 일정한 양이 나오는 것이 아니라 시간에 따라 변하므로, 본 발명은 치료 신체부위에 광섬유 페브리-페로 온도센서를 부착하여 치료부위의 온도를 읽어 치료부위의 온도가 항상 일정한 온도 범위 내에 있도록 레이저의 광 출사량을 조절한다. However, since the light emitted from the laser does not always come out in a constant amount, but changes with time, the present invention attaches the optical fiber Fabry-Perot temperature sensor to the treated body part to read the temperature of the treated part so that the temperature of the treated part is always constant. Adjust the light output of the laser to stay within range.
상기한 도 3의 예에서는 광섬유 페브리-페로 온도센서를 이용하여 신체부위(33)의 온도가 온도 윈도우에 속하도록 레이저의 광 출사량을 조절하는 것만을 예시하였으나, 상기 광섬유 페브리-페로 온도센서로부터 출사되는 광의 주기를 검출하여, 온도를 정확하게 센싱한 정보를 제공하는 온도 검출부를 더 구비하고, 상기 온도 검출부로부터의 온도 센싱정보를 상기 온도조절회로가 제공받아 레이저의 광 출사량을 조절할 수도 있음은 본 발명으로부터 당업자에게 자명하다. In the above-described example of FIG. 3, only the light emission amount of the laser is controlled so that the temperature of the
상술한 바와 같이 본 발명은 온도변화에 따라 굴절률이 변화하는 광섬유의 특성을 이용하여 온도를 센싱함으로써, 전자파에 영향을 받지 않으면서 측정 감도가 높고, 소정 온도 윈도우를 가지는 광섬유 페브리-페로 온도센서를 제공하여, 의료용 레이저 치료기가 신체부위에 소정 온도 윈도우에 속하는 열이 제공되도록 레이저 광을 출사할 수 있게 할 수 있는 이점이 있다. As described above, the present invention senses the temperature by using the characteristics of the optical fiber whose refractive index changes according to the temperature change, so that the measurement sensitivity is high without being affected by electromagnetic waves, and the optical fiber Fabry-Perot temperature sensor has a predetermined temperature window. By providing a medical laser treatment device there is an advantage that can be emitted to the laser light so that the heat belonging to a predetermined temperature window on the body part.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described by way of limited embodiments and drawings, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, which can be variously modified and modified by those skilled in the art to which the present invention pertains. Modifications are possible.
따라서, 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Accordingly, the spirit of the present invention should be understood only by the claims set forth below, and all equivalent or equivalent modifications thereof will belong to the scope of the present invention.
Claims (3)
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| KR1020060115745A KR100859255B1 (en) | 2006-11-22 | 2006-11-22 | Temperature sensor |
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