CN109938806B - 医疗用微型机器人及具备其的微型机器人系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供微型机器人，其包括：钻孔本体部，末端形成有钻头；螺旋结合本体部，内部设有磁铁，上述螺旋结合本体部与上述钻孔本体部的外缘螺旋结合；以及系统控制部，向上述磁铁提供旋转磁场，来控制上述钻孔本体部和上述螺旋结合本体部相互同时进行螺旋运动或着控制上述螺旋结合本体部在上述钻孔本体部的周围进行螺旋运动。并且，本发明还提供包括上述微型机器人的微型机器人系统。

Description

医疗用微型机器人及具备其的微型机器人系统
本申请是申请日为2015年01月16日，申请号为201580023958.5，发明名称为“医疗用微型机器人及具备其的微型机器人系统”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及医疗用微型机器人，更详细地涉及能够投入用于溶解血管内血栓的药物并可进行钻孔的医疗用微型机器人及具备其的微型机器人系统。
背景技术
通常，血管治疗用微型机器人为了治疗血管只能进行机械钻孔运动。
仅使用机械钻孔运动的血管治疗方式的操作方法单纯，因此可能比较易于体现。
但是，治疗如慢性完全闭塞症等严重的血管疾病时需要进行相对高速的钻孔运动，而此时存在高速钻孔运动会对血管壁导致二次损伤的重大缺点。
作为治疗血管疾病的传统方法，通过大腿动脉插入导管后由医生手动操作来贯通血管。
但是，导管由于其结构特征无法适用于复杂的血管，且手术的成功与否极大依赖于医生的熟练度。
为了克服如上所述的导管的缺点，近期在各个先进研究机构对血管治疗用微型机器人正活跃进行研究。
至今开发出的微型机器人主要是利用机械钻孔运动来治疗堵塞的血管的方法。
但是，如慢性完全闭塞症，由坚固的材质而导致血管堵塞的严重的血管疾病的情况下，只用机械钻孔运动则难以治疗疾病。
另一方面，血栓溶解剂作为可生化学地溶解血栓的药物，与微型机器人的机械钻孔运动一并使用时可有效治疗血管疾病。
因此，为了提高微型机器人的血管治疗性能，需要开发同时具有机械钻孔运动功能及药物传达功能的微型机器人。
与本发明相关的现有文献有韩国公开专利公开号第10-2009-0122648号(公开日：2009年12月01日)。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供具有螺旋形结合结构而进行前进及血栓钻孔的同时，可喷射用于溶解血栓的药物的医疗用微型机器人及具备其的微型机器人系统。
技术方案
在第一方面，本发明提供微型机器人，其包括：钻孔本体部，末端形成有钻头；螺旋结合本体部，内部设有磁铁，上述螺旋结合本体部与上述钻孔本体部的外缘螺旋结合；以及系统控制部，向上述磁铁提供旋转磁场，来控制上述钻孔本体部和上述螺旋结合本体部相互同时进行螺旋运动或者上述螺旋结合本体部在上述钻孔本体部的周围进行螺旋运动。
优选地，在上述钻孔本体部的外缘形成有与上述螺旋结合本体部旋转磁场的螺旋形突起。
优选地，在上述钻孔本体部的内部形成有用于装载药物的呈中空形状的药物装载空间。
优选地，在上述钻头的端部形成有上述药物的药物喷射孔。
优选地，上述螺旋结合本体部为，活塞本体，夹设在上述药物装载空间来抽吸上述药物；螺旋形线圈，形成于上述活塞本体的端部并与上述螺旋形突起螺旋结合。
优选地，在上述活塞本体的内部形成有磁铁插槽，上述磁铁夹设在磁铁插槽。
优选地，上述磁铁插槽呈圆筒状的孔，上述磁铁呈圆柱状。
优选地，上述活塞本体的端部突出形成。
优选地，上述螺旋形突起之间的齿距为，大于上述螺旋形线圈的厚度。
上述系统控制部控制产生上述旋转磁场的磁场发生部的驱动。
上述系统控制部具有前进或后退模式、药物喷射模式、钻孔模式。
优选地，在执行上述前进及后退模式的情况下，上述系统控制部符合如下条件：
Figure BDA0001973697600000031
优选地，执行上述药物喷射模式的情况下，上述系统控制部符合如下条件：
Figure BDA0001973697600000032
优选地，执行上述钻孔模式的情况下，上述系统控制部符合
Figure BDA0001973697600000033
优选地，其中，上述
Figure BDA0001973697600000034
为借助上述旋转磁场施加于上述钻孔本体部的磁矩，上述
Figure BDA0001973697600000035
为在上述钻孔本体部和上述螺旋结合本体部之间发生的摩擦力矩，上述
Figure BDA0001973697600000036
为借助上述钻孔本体部的螺旋运动而发生的阻力矩，上述
Figure BDA0001973697600000037
为借助上述螺旋结合本体部的螺旋运动而发生的阻力矩，上述IH1为上述钻孔本体部的旋转惯性矩，上述IH2为上述螺旋结合本体部的旋转惯性矩，上述
Figure BDA0001973697600000038
为在上述钻孔本体部与上述螺旋结合本体部之间发生的最大摩擦力矩。
并且，在上述前进及后退模式的情况下，上述钻孔本体部和上述螺旋结合本体部相互同时进行螺旋运动。
在上述药物喷射模式的情况下，上述螺旋结合本体部在与上述钻孔本体部的外缘部分螺旋结合的状态下进行螺旋运动，上述活塞本体抽吸装载于上述药物装载空间的药物并通过上述药物喷射孔向外部喷射。
优选地，在上述钻孔模式的情况下，在上述螺旋结合本体部与上述钻孔本体部的外缘完成螺旋结合的状态下，上述钻孔本体部进行螺旋运动。
另一方面，本发明提供包括上述微型机器人的微型机器人系统。
有益效果
本发明具有构成螺旋形结合结构而进行前进并对血栓进行钻孔的同时，可喷射用于溶解血栓的药物的效果。
并且，本发明不仅治疗血管而且适用于多种人体疾病，具有可进行最小浸湿、低成本、高效率的治疗的效果。
附图说明
图1为示出本发明的医疗用微型机器人的结合立体图。
图2为示出本发明的医疗用微型机器人的分解立体图。
图3为示出作用于本发明的医疗用微型机器人的多个扭矩的附图。
图4为示出具有本发明的医疗用微型机器人的微型机器人系统的附图。
图5为示出本发明的医疗用微型机器人位于血管内而除去血栓的过程的试验照片。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的医疗用微型机器人。
图1为示出本发明的医疗用微型机器人的结合立体图，图2为示出本发明的医疗用微型机器人的分解立体图，图3为示出作用于本发明的医疗用微型机器人的多个扭矩的附图。
参照图1及图2，说明本发明的医疗用微型机器人的结构。
本发明的医疗用微型机器人1大体上由钻孔本体部100、螺旋结合本体部200及系统控制部300构成。
上述钻孔本体部100呈中空形状，以另一端或末端的直径逐渐变小的方式形成。
在上述钻孔本体部100的末端形成有钻头110。
上述钻孔本体部100呈中空形状，内部形成有空间。
优选地，上述空间为可装载或收容药物的药物装载空间130。
上述药物可以为溶解形成于血管的血栓的药物，也可以为其他通途的药物。
并且，上述药物装载空间130提供夹设有后述的螺旋结合本体部200的活塞本体210并可左右移动的空间。
而且，在上述钻孔本体部100的末端，优选地在钻头110的中央部形成有向外部露出药物装载空间130的同时可向外部喷射药物的药物喷射孔120。
并且，在上述钻孔本体部100的外缘突出形成有具有规定齿距(pitch)的螺旋形突起140。
上述螺旋结合本体部200包括活塞本体210和螺旋形线圈220。
上述活塞本体210的末端以末端突出的方式形成。
上述活塞本体210夹设于上述药物装载空间130，用于抽吸上述药物。
上述螺旋形线圈220的一端以固定于上述活塞本体210的方式形成，沿着另一端具有规定齿距来形成螺旋形。
上述螺旋形线圈220与上述形成于钻孔本体部100的外缘的螺旋形突起140之间的螺旋形槽150螺旋结合。
因此，随着螺旋形线圈220与上述螺旋形槽150螺旋结合并进行前进或后退动作，螺旋结合本体部200以能够在钻孔本体部100的外缘进行前进或后退的方式螺旋结合。
并且，上述螺旋结合本体部200具有磁铁插槽230。
上述磁铁插槽230以具有规定深度的方式形成在活塞本体210的一端侧。
优选地，上述磁铁插槽230根据磁铁的形状形成，例如，可以呈圆筒状的槽。
而且，在上述磁铁插槽230以夹设方式固定有圆柱状的磁铁400。
其中，上述螺旋形突起140之间的齿距可大于上述螺旋形线圈220的厚度。
参照图2及图3，根据本发明的系统控制部300控制产生上述旋转磁场的磁场发生部(未图示)的驱动。
钻孔本体部100可借助向磁铁插槽230插入的磁铁400而向x轴方向旋转的外部旋转磁场产生x轴方向的螺旋运动。
此时，若钻孔本体部100和螺旋结合本体部200的一部分螺旋结合，则借助钻孔本体部100和螺旋结合本体部200之间的旋转摩擦矩，螺旋结合本体部200可沿着钻孔本体部100同时旋转或着钻产生孔本体部100和螺旋结合本体部200的螺旋结合的运动。
钻孔本体部100在外部磁场内所受到的磁矩可由【数学式1】表示。
【数学式1】
Figure BDA0001973697600000061
其中，
Figure BDA0001973697600000062
为借助外部磁场施加于钻孔本体部100的磁矩，m为磁铁磁力矩，B为外部磁场的强度。
用于从【数学式1】产生使微型机器人1向x轴方向螺旋运动的外部旋转磁场可由【数学式2】表示。
BERMF(t)＝B0(0，cos2πft，sin 2πft)
其中，B0为外部旋转磁场的强度，f为外部旋转磁场的频率，t为时间。
所提出的微型机器人1的钻孔本体部100和螺旋结合本体部200的旋转运动方程式可由如下【数学式3】、【数学式4】表示。
【数学式3】
Figure BDA0001973697600000063
【数学式4】
Figure BDA0001973697600000064
其中，上述
Figure BDA0001973697600000065
为借助上述旋转磁场而施加于上述钻孔本体部100的磁矩。
上述
Figure BDA0001973697600000066
为借助上述钻孔本体部100的螺旋运动而发生的阻力矩。
上述
Figure BDA0001973697600000068
为借助上述螺旋结合本体部200的螺旋运动而发生的阻力矩。
上述IH1为，上述钻孔本体部100的旋转惯性矩，上述IH2为上述螺旋结合本体部200的旋转惯性矩，上述
Figure BDA0001973697600000067
为上述钻孔本体部100和上述螺旋结合本体部200之间发生的最大摩擦力矩。
并且，上述αH1为钻孔本体部100的角加速度，上述αH2为螺旋结合本体部200的角加速度。
参照【数学式1】至【数学式4】，当施加于钻孔本体部100的磁矩在以下【数学式5】的范围内作用时，钻孔本体部100和螺旋结合本体部200可借助外部旋转磁场同时产生螺旋运动。
【数学式5】
Figure BDA0001973697600000071
其中，
Figure BDA0001973697600000072
为钻孔本体部100和螺旋结合本体部200之间发生的最大摩擦矩。
如此，钻孔本体部100和螺旋结合本体部200的同步螺旋运动部分能够使部分螺旋结合的微型机器人1在药物装载空间130装载药物且不发生药物的流出地生成前进推力，因此微型机器人1可在如血管的流体环境下有效进行移动、转向运动。
当施加于钻孔本体部100的磁矩在以下【数学式6】的范围内作用时，钻孔本体部100可与螺旋结合本体部200螺旋结合。
【数学式6】
Figure BDA0001973697600000073
此类螺旋结合对螺旋结合本体部200的内部发生压力，此压力使装载于药物装载空间130药物可通过药物喷射孔120向外部喷射。
当完全螺旋结合的微型机器人1在以下【数学式7】的条件下驱动时，可产生机械钻孔运动。
【数学式7】
Figure BDA0001973697600000081
再次整理上述内容，根据本发明的系统控制部300具有前进或后退模式、药物喷射模式、钻孔模式。
在执行上述前进及后退模式的情况下，上述系统控制部300符合如下条件：
Figure BDA0001973697600000082
在执行上述药物喷射模式的情况下，上述系统控制部300符合如下条件：
Figure BDA0001973697600000083
在执行上述钻孔模式的情况下，上述系统控制部300符合如下条件：
Figure BDA0001973697600000084
其中，上述
Figure BDA0001973697600000085
为借助上述旋转磁场施加于上述钻孔本体部100的磁矩。
上述
Figure BDA0001973697600000086
为上述钻孔本体部100和上述螺旋结合本体部200之间发生的摩擦力矩。
上述
Figure BDA0001973697600000087
为借助上述钻孔本体部100的螺旋运动而发生的阻力矩。
上述
Figure BDA0001973697600000088
为借助上述螺旋结合本体部200的螺旋运动而发生的阻力矩。
上述IH1为上述钻孔本体部100的旋转惯性矩，上述IH2为上述螺旋结合本体部200的旋转惯性矩，上述
Figure BDA0001973697600000089
为上述钻孔本体部100和上述螺旋结合本体部200之间发生的最大摩擦力矩。
在上述前进及后退模式的情况下，上述钻孔本体部100和上述螺旋结合本体部200相互同时进行螺旋运动。
在上述药物喷射模式的情况下，上述螺旋结合本体部200在与上述钻孔本体部100的外缘部分螺旋结合的状态下进行螺旋运动，上述活塞本体210抽吸装载于上述药物装载空间130的药物并通过上述药物喷射孔120向外部喷射。
在上述钻孔模式的情况下，在上述螺旋结合本体部200与上述钻孔本体部100的外缘完成螺旋结合的状态下，上述钻孔本体部100进行螺旋运动。
图4为示出具有本发明的微型机器人的系统的附图。
参照图4，本发明的微型机器人系统包括微型机器人1、驱动部600及上述系统控制部300。
其中，上述微型机器人1与参照图1至图4的说明的结构相同，因此以下省略对其的说明。
上述驱动部600利用从作为检测对象的人体30的外部向上述人体30的内部插入的微型机器人1传达驱动力。
上述驱动部600包括外部驱动部610，在上述外部驱动部610的发生的驱动力包括超声波、微波或电磁场。
优选地，上述外部驱动部610为发生上述外部旋转磁场的磁场发生部。
并且，上述驱动部600还包括位置识别部620，上述位置识别部620用于识别在上述人体30的内部移动的微型机器人1的位置。
并且，上述位置识别部620拍摄上述人体30的x线影像来可识别上述微型机器人1的位置。
上述系统控制部300从上述驱动部600接收上述微型机器人1的位置信息来控制上述驱动部600。
并且，上述系统控制部300包括位置控制部310，上述位置控制部310处理从上述位置识别部610传送的超声波位置信息或处理从上述位置识别部210传送的x线影像。
并且，上述位置控制部310包括处理上述x线影像来识别上述微型机器人1的位置的功能。
上述系统控制部300用显示面板330显示在上述位置控制部310识别到的上述微型机器人1的位置。
操作员操作上述系统控制部300的操作面板320来控制上述驱动部600，上述微型机器人1可向病变的位置移动。
其次，说明使用具有如上结构的医疗用微型机器人除去及溶解血管内血栓的实验例。
图5为示出本发明的医疗用微型机器人1位于血管10内而除去血栓的过程的实验照片。
图5的(a)部分示出利用本发明的微型机器人1在模拟血管10内进行移动、药物放出、机械钻孔运动的状态。
首先，在分支管形态的模拟血管10设置由碳酸钙构成的模拟血栓20。
在微型机器人1装载有可与碳酸钙进行化学反应的乙酸。上述乙酸装载或收容于药物装载空间130。
首先，本发明的微型机器人1首先借助符合上述【数学式5】的4mT，20Hz的外部旋转磁场，向模拟血管10内的治疗区域未产生药物的放出地进行螺旋运动形式的前进移动。
本发明的微型机器人1抵达治疗区域后，银模拟血栓20而无法继续移动。
本发明中微型机器人1借助符合上述【数学式6】的14mT，20Hz的外部旋转磁场，钻孔本体部100和螺旋结合本体部200进行螺旋结合并放出药物。
此时，碳酸钙和二氧化碳的化学反应产生二氧化碳气泡。
通过二氧化碳气泡的发生可确认到装载于微型机器人1的血栓溶解剂可溶解实际血栓20。
放出作为药物的乙酸后，完全螺旋结合的微型机器人1借助符合【数学式7】的4mT，20Hz的外部旋转磁场产生有效的钻孔运动。
完成钻孔运动约需45秒左右。
其后，借助与前进所使用的外部旋转磁场相反的方向旋转的4mT，20Hz的外部旋转磁场，实施返回到始发位置的后退运动。
使用本发明的微型机器人1的上述实验例中，填充有实际的水的微型机器人1完成上述相同的钻孔运动所需的时间约为300秒左右。
据此，本发明的微型机器人1借助血栓溶解剂的辅助可有效治疗血管。
通过如上的结构及作用，根据本发明的实施例构成螺旋形结合结构而进行前进并对血栓进行钻孔的同时，可喷射用于溶解血栓的药物。
并且，根据本发明的实施例不仅治疗血管而且适用于多种人体疾病，所以可实现最小浸湿、低成本、高效率的治疗。
以上，说明了有关本发明的医疗用微型机器人的具体实施例，但是在未超出本发明的范围内可采取各种实施变更。
因此，本发明的范围不应限于所说明的实施例，应根据上述发明要求保护范围及其等同物。
即，应理解为，上述实施例在各方面为示例性的，并不限定本发明。与具体实施方式相比，本发明的范围在后述的发明要求保护范围中更加以体现，其发明要求保护范围的意义及范围且由其等同的概念导出的所有修改或变更的形态则应属于本发明。

Claims (7)

1.一种微型机器人，其特征在于，包括：
钻孔本体部，末端形成有钻头；
螺旋结合本体部，内部布置有磁铁，并与上述钻孔本体部的外缘螺旋结合，
其中，在上述钻孔本体部的内部形成有用于装载药物的中空形状的药物装载空间，在上述钻头形成有将装载于上述药物装载空间的药物向外部喷射的药物喷射孔，
上述螺旋结合本体部包括：
活塞本体，夹设在上述药物装载空间来抽吸上述药物，用于将装载在上述药物装载空间的上述药物抽吸而通过上述药物喷射孔向外部喷射；
螺旋形线圈，形成于上述活塞本体的端部并与形成于上述钻孔本体部的外缘的螺旋形突起螺旋结合，
上述螺旋结合本体部借助上述磁铁被提供的旋转磁场而与上述钻孔本体部相互同时进行螺旋运动或者在上述钻孔本体部的周围进行螺旋运动。
2.根据权利要求1所述的微型机器人，其特征在于，
在上述活塞本体形成有磁铁插槽，上述磁铁夹设在上述磁铁插槽。
3.根据权利要求2所述的微型机器人，其特征在于，
上述磁铁插槽呈圆筒状的孔，上述磁铁呈圆柱状。
4.根据权利要求1所述的微型机器人，其特征在于，
上述活塞本体的端部突出形成。
5.一种微型机器人系统，其特征在于，包括：
权利要求1至4中的任意一项所述的微型机器人；
系统控制部，提供旋转磁场，来控制上述钻孔本体部和上述螺旋结合本体部相互同时进行螺旋运动或者上述螺旋结合本体部在上述钻孔本体部的周围进行螺旋运动，
在前进及后退模式下，上述钻孔本体部和上述螺旋结合本体部相互同时进行螺旋运动，
在药物喷射模式下，上述螺旋结合本体部在与上述钻孔本体部的外缘部分螺旋结合的状态下进行螺旋运动，上述活塞本体抽吸装载于上述药物装载空间的药物并通过上述药物喷射孔向外部喷射。
6.根据权利要求5所述的微型机器人系统，其特征在于，
在钻孔模式下，在上述螺旋结合本体部与上述钻孔本体部的外缘完成螺旋结合的状态下，上述钻孔本体部进行螺旋运动。
7.根据权利要求5所述的微型机器人系统，其特征在于，
上述系统控制部控制产生上述旋转磁场的磁场发生部的驱动，在上述系统控制部设置有前进及后退模式、药物喷射模式、钻孔模式，
在执行上述前进及后退模式的情况下，上述系统控制部符合如下条件：
Figure FDA0003479880070000021
执行上述药物喷射模式的情况下，上述系统控制部符合如下条件：
Figure FDA0003479880070000022
执行上述钻孔模式的情况下，上述系统控制部符合如下条件：
Figure FDA0003479880070000023
上述
Figure FDA0003479880070000024
为借助上述旋转磁场施加于上述钻孔本体部的磁矩，
上述
Figure FDA0003479880070000025
为借助上述钻孔本体部的螺旋运动而发生的阻力矩，
上述
Figure FDA0003479880070000026
为借助上述螺旋结合本体部的螺旋运动而发生的阻力矩，
上述IH1为上述钻孔本体部的旋转惯性矩，
上述IH2为上述螺旋结合本体部的旋转惯性矩，
上述
Figure FDA0003479880070000027
为在上述钻孔本体部和上述螺旋结合本体部之间发生的最大摩擦力矩。
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