KR100457752B1 - 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 질병의 진단 및 치료를 목적으로 인체 또는 동물 체내에 투입하려는 의료용 캡슐(약이나 전자장치가 넣어진 소형 용기)에 자석을 삽입하거나 부착하여 자장의 힘을 받을 수 있도록 만들고, 체외에 있는 자장발생장치에서는 임의 방향과 크기로 자장을 발생시켜 체내에 위치한 캡슐의 이동과 캡슐의 자세를 원격 제어할 수 있도록 하는 것이다. 이러한 본 발명은, 외부 자기장과 상호 작용하는 영구 자석과 체내로 투입하기 위한 치료용 약제를 내부에 구비하고 있는 기능부로 구성되는 캡슐, 및 상기 캡슐의 위치를 검출하고, 검출된 상기 캡슐의 위치를 기초로 상기 캡슐에 소정 세기와 방향의 자기장을 인가하여 상기 캡슐의 위치 이동을 제어하는 체외부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템 {Remote Driving System Using Magnetic Field for Wireless Telemetry Capsule in Body}

최근 매스컴에서 식도를 통해 삽입하는 초소형 카메라가 달린 무선 송신 캡슐이 소개된 적이 있다. 이스라엘의 'Given Imaging'이라는 회사에서 M2A라는 이름으로 개발된 이 캡슐은 굵기 11mm, 길이 2.6cm 정도의 크기로서 베터리 수명 때문에 8시간 정도 영상 전송이 가능하여 소장 관찰에 이용되고 있다. 일본의 Norika란 회사에서도 이와 유사한 무선 내시경 캡슐을 개발했다고 발표된 바 있다.

이제 가까운 미래에는 이보다도 더 크기가 작은 마이크로 캡슐이 개발되어 혈관이나 내분비계통 속을 돌아다니며 질병을 치료하고 진단하는 시기가 도래할 것으로 예상되고 있다. 그러나 체내에 넣는 캡슐에 관한 지금까지의 기술이 가진 치명적인 문제점은 캡슐이 스스로 움직이지 못한다는 것이다. 최근의 M2A 캡슐의 경우 단지 장의 연동 운동에 따라 아래쪽으로 내려가며 식도에서 항문에 도달할 때까지의 통과경로 중 찍은 영상을 일정 주기로 외부로 송신하게만 되어 있다. 만일 이 캡슐을 움직이게 하려면 운동에 필요한 에너지를 공급할 베터리와 움직이기 위한 모터 등 기계적 메카니즘이 필요한데, 이들을 모두 작은 캡슐 속에 넣기가 곤란할 뿐만 아니라 설사 넣는다 하더라도 베터리의 용적이 극히 제한되기 때문에 구동 시간이 짧을 수밖에 없다. 혈관이나 내분비 관속에 넣는 마이크로 캡슐의 경우 그 크기가 작기 때문에 더욱 더 동력이 문제가 된다. 따라서 혈관이나 내분비 관속에 넣는 마이크로 캡슐의 경우 특정한 곳으로 캡슐을 도달하게 하는 방법이 단지 심장이 펌핑하는 혈류의 흐름을 따라 이동하게 하는 방법 밖에는 없었다.

도 1에는 종래 기술에 의한 무선 캡슐 장치의 구성도가 도시되어 있다. 도 1에 도시된 무선 캡슐 장치는 전자파 제어 신호에 의한 생체 진단용 텔레메트리(telemetry) 캡슐 장치이다. 측정부(113)에서 얻어진 생체신호나 영상정보를 송신부(117)를 이용하여 체외로 전송하는 텔레메트리 장치에 있어서, 체외부(120)로부터 수신된 위치 정보에 따라 꿈틀거림이나 오므라드는 동작을 발생하여 위치를 이동할 수 있는 캡슐(110)과, 캡슐 내부에서 발생되는 위치 신호를 검출하여 목적하는 위치로 이동하기 위한 제어 신호를 발생하는 체외부(120)로 구성된 것을 특징으로 한다. 이때, 캡슐(110)은 체외부(120)에서 전달되는 신호를 수신하기 위한 캡슐내 수신부(111), 수신 신호에 포함된 위치정보에 따라 현재 위치를 제어하기 위한 제어 신호를 이동 동작 발생부(114)에 전달하기 위한 위치 제어부(112) 및 전원부(115)로 구성된다. 또한, 체외부(120)는 상기 캡슐(110)로부터 전송되는 획득 영상 신호 및 위치 신호를 수신하기 위한 체외 수신부(121), 수신된 위치 정보에 의해 캡슐의 위치를 검출하기 위한 위치 검출부(122), 상기 위치 검출부(122)의 검출 위치와 원하는 위치와의 차이를 계산하여 캡슐이 이동에 필요한 제어 신호를 발생하기 위한 제어부(123) 및 발생된 제어 신호를 캡슐에 전송하기 위한 제어 신호 송신부(124)로 구성된다. 이 방식에서는 배터리 용적때문에 캡슐의 크기를 작게 하기가 곤란하며, 체내에서 장시간 움직임이 불가능하다.

상기의 체내 캡슐에서 소비되는 전력을 공급할 때 베터리의 용적을 크게 줄이기 위하여 외부에서 캡슐 쪽으로 강한 전자파를 인가하고 캡슐에 코일을 두어 이코일에 유기되는 기전력을 정류하여 쓰는 방법도 제기 될 수 있다. 그러나 이 방식에서는 캡슐의 용적이 매우 작기 때문에 유도 기전력을 얻기 위한 코일을 크게 할 수도 없어 외부에서 생체 쪽으로 주는 전자파의 에너지 밀도가 매우 커야 캡슐이 필요한 에너지를 흡수 할 수 있다. 이 경우 생체 조직을 통해 인가되는 전자파 강도가 매우 커서 FDA(Food and Drug Administration)가 마련한 허용치를 넘게 된다. 그러므로 캡슐 이동을 위한 전력을 외부 전자파를 통해 공급한다는 것은 불가능하다.

혈관이나 내분비 관에 넣게 될 마이크로 캡슐의 경우에는 최근의 MEMS 기술이 진보된다 하더라도 모터나 구동 메카니즘을 구현하기가 곤란하고 베터리를 넣을만한 공간 확보가 더욱 어려운 문제점이 있다. 이 때문에 캡슐 내부에 움직이기 위한 복잡한 메카니즘이나 베터리를 넣지 않으며 전자파 에너지를 이용하여 에너지를 체내 캡슐에 주지도 않고 외부에서 임의로 체내부에 투입된 캡슐을 이동시키기 위한 구동 방법이 고안되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명은 체내에 투입하는 캡슐 속에 작은 영구자석을 넣고, 체외에는 x, y, z 방향의 강한 정자장을 발생하는 전자석의 강도와 N, S 극성을 제어함으로써, 캡슐의 운동방향과 속도를 자유자재로 원격 조정할 수 있도록 하는 것이다. 또한, 체내의 장기나 혈관 등 생체 조직에 휩싸여 있는 캡슐의 초기 체내 이동을 용이하게 하기 위하여 생체에 유도 기전력의 발생을 최소화시킬 수 있는 10Hz 미만의 느린 교번 자장을 인가하는 방식과, 짧은 시간 동안 외부에서 빠른 회전 자장을 인가하여 마이크로 캡슐을 회전시킴으로써 원심력을 일으켜 내부에 들어 있는 약물 등의 치료제를 캡슐 외부로 발산하게 하는 제안 및 자성체로된 마이크로 캡슐 외피의 크기에 공명하는 외부 교류자장의 짧은 시간 공급에 의한 터뜨림을 통해 약물을 캡슐 외부로 배출하는 제안을 포함한다.

도 1은 종래 기술에 의한 무선 캡슐 장치의 구성도이다.

도 2의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템의 블록 구성도이다.도 2의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 도 2a에서의 캡슐의 블록 구성도이다.도 2의 (c)는 본 발명의 다른 실시예에 의한 도 2a에서의 캡슐의 블록 구성도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 체외부의 장치 구성도이다.

도 4의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 z축 구동용 전자석 코일에 의해 발생한 z축 방향의 자기력이 캡슐에 작용하는 상태도이다.

도 4의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 어셈블리 링의 내부 구성도이다.도 5의 (a)는 캡슐을 x축으로 이동시키기 위한 전자석의 극성과 인가되는 전류 상태도이다.도 5의 (b)는 캡슐을 y축으로 이동시키기 위한 전자석의 극성과 인가되는 전류 상태도이다.

도 6의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 어셈블리 링의 정면 내부 장치 구성도이다.도 6의 (b)는 도 6의 (a)의 사시도이다.

도 7은 캡슐의 위치 제어를 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 체외부의 구성도이다.

도 8의 (a)는 캡슐의 초기 운동 제공을 위해 인가하는 본 발명의 일 실시예에 의한 교번 자장 제어 신호이다.도 8의 (b)는 캡슐의 초기 운동 제공을 위해 인가하는 본 발명의 다른 실시예에 의한 교번 자장 제어 신호이다.

도 9의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 비파괴형 치료용 캡슐의 구조도이다.도 9의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 의한 비파괴형 치료용 캡슐의 단면도이다.도 9의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 의한 비파괴형 치료용 캡슐에 고속 회전 자장을 인가한 경우의 단면도이다.

도 10의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 의한 파괴형 치료용 마이크로 캡슐의 구조도이다.도 10의 (b)는 도 10의 (a)에 의한 파괴형 치료용 마이크로 캡슐의 영구 자석 조각이 분해된 상태의 상태도이다.*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*210 ; 캡슐 211, 211′ ; 영구자석212, 212″ ; 기능부 212′; 치료제 저장 탱크 및 드릴부214 ; 송수신부 215 ; 신호획득 처리부216 ; 전원부 217 ; 치료제 저장탱크220 ; 체외부 221 ; 위치 제어부222 ; 송수신부 223 ; 제어부224 ; 위치 검출부 225-1, 225-2 ; 자장발생부310 ; 전자석 어셈블리 링 312 ; 링 지지대320 ; 제어용 파워 드라이버 330 ; 제어용 컴퓨터340 ; 캡슐 위치 검출용 센서 시스템 341 ; 위치 검출용 신호 처리 장치350 ; 가동 테이블 351 ; 테이블 지지대360 ; 테이블 구동장치 362 ; 테이블 이동용 구동기어363 ; 테이블 이동용 수평 기어 410 ; z축 구동용 전자석 코일420a ; 상측 수직 전자석 420b ; 하측 수직 전자석430a ; 우측 수평 전자석 430b ; 좌측 수평 전자석610a ; 제 1 X선 튜브 610b ; 제 2 X선 튜브620a ; 제 1 디지털 X선 영상 검출 플레이트620b ; 제 2 디지털 X선 영상 검출 플레이트720 ; 코일 전류 드라이버 722 ; 전자석 각도 서보기730 ; 제어기 732 ; 차감기734 ; 목표 위치 입력 장치 740 ; 위치 검출 장치751 ; 테이블 서보기 910 ; 홀S ; 전자석 어셈블리 링 내부 공간

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템은, 외부 자기장과 상호 작용하는 영구 자석과 체내로 투입하기 위한 치료용 약제를 내부에 구비하고 있는 기능부로 구성되는 캡슐, 및 상기 캡슐의 위치를 검출하고 검출된 상기 캡슐의 위치를 기초로 상기 캡슐에 소정 세기와 방향의 자기장을 인가하여 상기 캡슐의 위치 이동을 제어하는 체외부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.이하에서는, 본 발명인 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템의 바람직한 일 실시예를 첨부한 도면을 기초로 설명한다.도 2의 (a)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템의 블록 구성도가 도시되어 있다.도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템은, 외부 자기장과 상호 작용하는 영구 자석(211)과, 체내로 투입하기 위한 치료용 약제를 내부에 구비하고 있는 기능부(212)로 구성되는 캡슐(210), 및 상기 캡슐(210)의 위치를 검출하고 검출된 상기 캡슐의 위치를 기초로 상기 캡슐에 소정 세기와 방향의 자기장을 인가하여 상기 캡슐의 위치 이동을 제어하는 체외부(220)로 구성된다.

도 2의 (b)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 상기 캡슐(210)의 블록 구성도가 도시되어 있다.도 2의 (b)에 도시된 캡슐은 혈관 및 내분비 관에 투입되는 치료용 마이크로 캡슐로서, 도 2의 (b)에 도시된 캡슐(210)의 기능부는 치료제 저장 탱크 및 드릴부(212′)로 구성된다. 상기 치료제 저장 탱크 및 드릴부(212′)는 치료를 위한 약제가 들어 있거나 혈관을 뚫기 위한 초소형 드릴 등을 구비할 수 있다.도 2의 (c)에는 본 발명의 다른 실시예에 의한 상기 캡슐(210)의 블록 구성도가 도시되어 있다. 도 2의 (c)에 도시된 캡슐은 체내 생체 정보를 획득하고 치료용 약물을 체내로 투입할 수 있는 진단 및 치료용 캡슐이다.도 2의 (c)에 도시된 상기 캡슐은, 체외로 생체 정보를 전송하고 외부 제어 신호를 받기 위한 송수신부(214)와, 상기 송수신부(214)로부터 수신한 제어 신호를 기초로 생체 정보를 획득하여 가공처리하여 상기 송수신부(214)로 송신하는 신호 획득 처리부(215)와, 치료용 약제를 저장하는 치료제 저장 탱크(217)와, 상기 송수신부(214)를 비롯한 기능부(212″) 전체 구성에 구동 전원을 공급하는 전원부(216)로 구성된다.송수신부(214)가 수신하는 상기 외부 제어 신호는, 체외부(220)로부터 수신하는 신호로서, 예컨대 상기 전원부(216)의 온/오프(on/off) 제어, 생체 체액의 샘플링(sampling), 및 신호의 선택적 전송 등의 캡슐의 기능을 제어하기 위한 신호이다.

그리고, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 체외부(220)는, 상기 캡슐(210)로부터 전송된 생체 정보를 수신하고, 상기 캡슐(210)의 기능 제어를 위한 제어 신호를 체내 캡슐(210)로 송신하기 위한 송수신부(222), 상기 송수신부(222)로부터 수신한 신호를 기초로 현재 캡슐의 위치를 검출하는 위치 검출부(224), 상기 위치 검출부(224)에 의해 검출된 캡슐의 현재 위치를 실시간 위치 되먹임(position feedback)시켜서 미리 기억되어 있는 캡슐의 원하는 위치(즉, 캡슐의 목표 위치)를 기준으로 이동해야하는 위치 이동 정보를 연산하는 제어부(223), 상기 제어부(223)에 의해서 연산된 위치 이동 정보를 기초로 소정 전류를 출력하는 위치 제어부(221), 상기 위치 제어부(221)로부터 인가된 전류를 기초로 소정 자기장을 발생시키는 자장 발생부(225-1, 225-2)로 구성된다.상기 송수신부(222)가 송신하는 캡슐(210)의 기능 제어를 위한 제어 신호라 함은, 예컨대 상기 전원부(216)의 온/오프(on/off) 제어, 생체 체액의 샘플링(sampling), 및 신호의 선택적 전송 등의 캡슐 기능을 제어하기 위한 신호임은 위에서 기술한 바와 같다.

도 3에는 본 발명의 일 실시예에 의한 체외부의 장치 구성도가 도시되어 있다.도면 부호 (350)은 환자가 누워서 시술을 받기 위한 가동 테이블이며, 후술하는 테이블 구동장치(360)에 의해 도시된 화살표 방향(본 명세서에서는, '앞뒤 방향', 또는 '전후 방향', 또는 'z축 방향'이라고도 칭한다)으로 구동된다.도면 부호 (310)은 캡슐을 자기력에 의해 이동시키기 위한 후술하는 전자석을 구비하고 있는 전자석 어셈블리 링(elctromagnet assembly ring)으로서, 각각 'x축 방향'(본 명세서에서는 '수평 방향'이라고도 칭한다), 'y축 방향'(본 명세서에서는 '수직 방향'이라고도 칭한다), 'z축 방향'의 자력선을 발생하는 전자석을 구비하고 있다.상기 전자석 어셈블리 링(310)은 기계적인 움직임은 없고 제자리에 고정되어있으나, 전자석을 이루는 코일들에 상기 제어부(223)에서 제공되는 출력 신호에 기초하여 상기 위치 제어부(221)가 해당하는 전류를 흘림으로써 강한 자장이 발생되어 캡슐을 원하는 좌표로 이동할 수 있도록 제공된다. 그리고, 전자석은 초전도 자석(superconducting magnet) 또는 상전도 자석이 이용될 수 있다.전자석 어셈블리 링(310)에 구비된 전자석에서 발생되는 자기장은, 캡슐(210)이 신체 상부와 하부의 어느 곳에 위치하여도 캡슐(210)에 들어있는 영구 자석(211)이 제어 자장 중심에 올 수 있도록 도시된 화살표 방향으로 이동되는 가동 테이블(350)과 연계되어 제어된다.도면 부호 (351)은 테이블을 지지하는 테이블 지지대이고, 도면 부호 (312)는 링 지지대로서 후술하는 전자석 각도 서보기(722)와 코일 전류 드라이버(720)를 구비하고 있다. 그리고, 도면 부호 (360)은 테이블 구동 장치(360)로서, 가동 테이블(350)을 구동시키는 구동용 모터인 후술하는 테이블 서보기(751)와 테이블 이동용 구동기어(362)를 구비하고 있다.캡슐 위치 검출용 센서 시스템(340)과 위치 검출용 신호 처리 장치(341)는 상기 위치 검출부(224)를 구현한 것으로, 캡슐(210)로부터 수신한 신호를 기초로 캡슐의 위치를 검출한다.그리고, 캡슐의 위치 검출을 위한 방법으로는, 예컨대 국내 특허 출원된 체내 투입 텔레메트리 캡슐의 위치측정을 위한 방법(출원 번호: 특허 2002-27334) 등에 의해 구현 가능하다. 또한, 체내 캡슐의 위치를 검출하는 방법으로는, 기존의 투시 X선 장치(fluoro-scopic X선 system)나 디지털 X선 영상 진단 장치 등을 이용하여 검출된 신호를 영상 처리한 후 위치를 얻는 방법, 혹은 캡슐 내부에 미약한 전자파 발진기를 설치하고 여기에서 발생되는 전자파를 체외의 3점 이상에서 측정하여 위치를 산출하는 방식, 및 캡슐 외피에 설치된 전극에 소량의 전류를 흘려 놓고 이를 외부에서 전극을 이용하여 검출한 후 위치를 계산하는 방식 등이 이용될 수 있다.그리고, 제어용 컴퓨터(330)는 상기 제어부(223)를 구현하고 있는 구성으로,캡슐 위치 검출 센서시스템(340)에서 검출된 캡슐의 현재 위치의 좌표 신호를 입력 받아서 위치 제어에 필요한 정확한 전자석의 구동 전류를 계산하여 어셈블리 링에 공급할 수 있도록 입력신호를 제어용 파워드라이버(320)에 보낸다.제어용 파워드라이버(320)는 제어용 컴퓨터(330)로부터 발생한 신호로부터 전자석을 구동하기 위해 큰 전류로 변환하는 기능과 가동 테이블 제어 신호를 받아 가동 테이블 구동을 위한 파워를 공급하는 일을 담당한다.도 4a에는 본 발명의 일 실시예에 의한 z축 구동용 전자석 코일에 의해 발생한 z축 방향의 자기력이 캡슐에 작용하는 상태도가 도시되어 있다.캡슐(210)을 z축 방향으로 이동시키기 위한(엄밀하게는 캡슐(210) 내의 영구 자석(211)을 z축 방향으로 이동시킴으로서 캡슐(210)을 z축 방향으로 이동시키기 위한) z축 방향의 자기장을 발생시키는 z축 구동용 전자석 코일(410)이 상기 전자석 어셈블리 링(310)의 외주면에 소정 회수 감겨져 있다.도 4의 (a)에 도시된 점선 화살표(- - →)는 z축 구동용 전자석 코일(410)에 의해 형성되는 자기장(magnetic field)을 나타내며, 이러한 z축 구동용 전자석 코일에 의해 형성된 자기장 내에서 상기 영구 자석(211)이 받는 자기력이 화살표(→)로 도시되어 있다.실제로 체내의 장기나 혈관 등 연조직(soft tissue)관 내부에 굵기 1cm, 길이 3cm 정도의 캡슐이 지나가는데 소요되는 힘은 1000 dyne 미만이 될 것으로 예상되고, N번 감긴 반경 r 의 원형 전자석 코일의 중심부에 세기가 m(Wb/㎠)인 캡슐 내부의 영구 자석이 위치한다고 하면, 전자석 코일과 자석 사이에 발생되는 힘 F 는 H를 코일이 만드는 자장의 세기, 코일에 흐르는 전류를 I(A)라 하면

이 되고 이때 자장의 세기 H는

로 주어진다.캡슐 내의 영구 자석의 세기를 1000Gauss 라고 하고, 반경이 50cm 인 전자석이 철심 등의 코어를 쓰지 않고 N=5000인 공심 코일을 사용한다고 할 때, 공기의 비투자율이 약 1 이므로 이때 코일 전류는 약 180(A)가 필요한데, 이 정도의 전류를 공급할 수 있는 가변 전원 공급기와 전자석 제작은 초전도 및 상전도 방식 모두 현재 국내 기술로서도 충분히 구현 가능하다.체내에서 영구 자석(211)을 이동시킬 때 캡슐(210) 내의 영구 자석이 받는 힘은, z축 구동용 전자석 코일에 인가하는 전류의 크기와 z축 구동용 전자석 코일과 캡슐 사이의 거리 및 각도에도 관계되므로, 상술한 바와 같이, 위치 검출기를 통하여 얻은 위치 데이터를 이용하여 제어 출력을 계산한 다음, z축 구동용 전자석코일에 전류를 흘려 위치 제어를 실시한다.그리고, 캡슐과 z축 구동용 전자석 코일과의 적절한 거리를 확보하기 위하여, 제어용 컴퓨터에 의하여 테이블 서보기를 제어함으로서 환자가 눕는 가동 테이블을 움직일 수 있도록 한 것은 전술한 바와 같다.도 4의 (b)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 어셈블리 링의 내부 구성도가 도시되어 있다.도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 전자석 어셈블리 링(310)의 내부에는 상측 수직 전자석(420a)과 하측 수직 전자석(420b)과 우측 수평 전자석(430a)과 좌측 수평 전자석(430b)이 구비되어 있다.상측 수직 전자석(420a)과 하측 수직 전자석(420b)은 영구 자석(211)을 y축 방향(수직 방향)으로 이동시키기 위한 자기장을 발생시키고, 우측 수평 전자석(430a)과 좌측 수평 전자석(430b)은 영구 자석(211)을 x축 방향(수평 방향)으로 이동시키기 위한 자기장을 발생시킨다.도 5의 (a)에는 캡슐을 x축으로 이동시키기 위한 전자석의 극성과 인가되는 전류 상태도가 도시되어 있고, 도 5의 (b)에는 캡슐을 y축으로 이동시키기 위한 전자석의 극성과 인가되는 전류 상태도가 도시되어 있다.도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 캡슐을 x축 방향으로 움직이고자 할 때는 우측 수평 전자석(430a)과 좌측 수평 전자석(430b)의 코일에는 전류를 인가하지 않고, 캡슐을 y축 방향으로만 움직이고자 하는 경우에는 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 상측 수직 전자석(420a)과 하측 수직 전자석(420b)에는 전류를 인가하지 않는다.

한편, 도 4 ~ 도 5에 도시된 z축 구동용 전자석 코일(410)이 상기 전자석 어셈블리 링(310)에 구비된 형태는, z축 구동용 전자석 코일(410)이 전자석 어셈블리 링(310)의 바깥 외주면에 감긴 형태로 되어 있으나, 이에 한하는 것은 물론 아니며, 캡슐의 위치를 측정하기 위한 구성이, 부피를 차지하는, 예컨대 X선 튜브 및 디지털 X선 영상 검출 플레이트 등을 사용하지 아니하고, 예컨대 전자파 및 피부 부착 전극에 의한 위치 측정 장치 등의 부피를 차지하지 않는 구성를 이용하는 경우 전자석 어셈블리 링(310)의 가장 안쪽 내주면에 z축 구동용 전자석 코일을 감아서 구비할 수도 있다.도 6의 (a)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 전자석 어셈블리 링의 정면 내부 장치 구성도가 도시되어 있고, 도 6의 (b)에는 도 6의 (a)의 사시도가 도시되어 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, z축 구동용 전자석 코일(410)은 상기 전자석 어셈블리 링(310)의 외주면에 감겨진 형태로 구비되어 있다.그리고, 도 6에 도시된 바와 같이, 캡슐의 위치를 측정하기 위하여, 상기 X선 튜브 및 디지털 X선 영상 검출 플레이트를 사용하였다.상기 X선 튜브(610a, 610b)는 X선을 방사하고, 상기 디지털 X선 영상 검출 플레이트(620a, 620b)는 상기 X선 튜브로부터 방사되어 체내를 통과한 X선을 디지털 영상 신호로 처리하여 검출한다.도 6의 (a), (b)에 도시된 바와 같이, 캡슐을 몸 속에 지닌 사람이 전자석 어셈블리 링(310)의 중앙에 누워있고, 90도의 각도를 둔 2개의 X선 튜브(610a, 620b)가 사람을 향해 빔을 발사하면, 신체 투과 후 반대편에 위치한 디지털 X선 영상 검출 플레이트(620a, 620b)에 각각 도달하게 되고, 이때 얻어진 디지털 신호 처리된 영상 신호를 받아서 캡슐의 모양 인식 기능을 갖는 컴퓨터를 구비한 위치 검출부에서 영상처리 후 캡슐의 위치정보를 얻는다.캡슐 위치 촬영시 솔레노이드 코일에서 강한 구동용 자장이 발생하면 X선 튜브(610a, 610b) 내부의 전자빔 주행경로가 초점에서 이탈 할 수 있으므로 캡슐 구동 신호와 위치 측정은 번갈아 가며 실시함이 바람직 하나, 캡슐 위치를 측정하는 또 다른 기술, 예컨대 전자파 및 캡슐 전류 측정에 의한 위치 검출 방법을 이용할 경우 위치측정과 위치이동 수행을 동시에 하여도 무방하다.

상기와 같이 측정된 캡슐의 위치를 기초로 캡슐의 위치 이동을 수행하는 방법에 대하여 기술한다.도 7에는 캡슐의 위치 제어를 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 체외부의 구성이 도시되어 있다. 도 7에 도시된 캡슐의 위치 제어를 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 구성은, 실시간 위치 되먹임 제어(position feedback control)를 구현하기 위한 구성이다.즉, 사용자(예컨대, 의사 또는 시술전문가)가 관찰 혹은 시술을 원하는 위치 좌표(즉, 목표 위치)(x,y,z)를 예컨대, 키보드, 마우스, 조이스틱 등의 목표 위치 입력 장치(734)에 입력시키면, 차감기(732)는 목표 위치 입력 장치(734)로부터 입력된 목표 위치(x,y,z)와 상기 디지털 X선 영상 검출 플레이트(620a, 620b)로부터 영상 신호를 입력 받아 캡슐의 현재 위치를 검출하는 위치 검출 장치(740)로부터 입력된 현재 캡슐의 위치(즉, 위치 검출 장치(740)가 측정한 위치)(x',y',z')를 기초로 에러 성분((x-x'),(y-y'),(z-z'))을 계산한다.상기 차감기(732)에 의해서 계산된 측정한 현재 위치(x',y',z')와 목표 위치(x,y,z)의 에러 성분((x-x'),(y-y'),(z-z'))은 제어기(730)로 입력되고, 제어기(730)는 캡슐이 이동해야 하는 위치 이동 정보(즉, 가동 테이블을 얼만큼 이동시켜야 하는지와 전자석(420a, 420b, 430a, 430b)과 z축 구동용 전자석 코일(410)에는 얼마만큼의 전류가 인가되어야 하는지에 대한 정보)를 연산하여, 상기 제어용 파워 드라이버(320)를 통해 테이블 서보기(751)와 코일 전류 드라이버(720)와 전자석 각도 서보기(722)가 출력해야하는 소정 출력 값을 결정한다.여기서, 상기 제어기(730)는 상기 제어부(223)의 구현 수단이며, 실시간 위치 되먹임 제어 구성 설명을 위해 도 7에는 도시가 생략된 상기 제어용 파워 드라이버(320)는 상기 제어기(730)에 연결되어 제어기(730)로부터 받은 신호를 기초로 전자석 각도 서보기(722), 코일 전류 드라이버(720) 및 테이블 서보기(751)로 전류를 공급하며, 이는 전술한 바와 같다.상기 테이블 서보기(751)는 상기 제어기의 출력 제어에 의해 가동 테이블을 z축 방향으로 구동시키기 위한 구동력을 출력하며, 상기 코일 전류 드라이버(720)는 상기 제어기의 출력 제어에 의해 상기 z축 구동용 전자석 코일에 인가되는 전류를 출력하며, 상기 전자석 각도 서보기(722)는 상기 상측 수직 전자석(420a), 하측 수직 전자석(420b), 우측 수평 전자석(430a), 및 좌측 수평 전자석(430b)에 인가되는 전류를 출력하여 캡슐의 위치를 제어한다.상기와 같은 제어 과정에 의해 캡슐의 위치가 새롭게 정해지게 되고, 이렇게 새롭게 정해진 캡슐의 현재 위치는 다시 되먹임 입력으로 들어가서 오차를 줄임으로써 궁극적으로 원하는 외부 자기장에 의한 캡슐의 위치 제어가 수행되게 된다.이러한 외부 자기장에 의한 위치 되먹임 제어로 캡슐의 위치를 정확하게 제어 할 수 있다는 기술적 사상은, 예컨대 국립 과학관 같은 곳에서 지름이 2-3 cm 정도인 쇠구슬을 땅에서 떨어지지 않게, 그렇다고 위쪽에 있는 자석에 달라붙지도 않게 해서 공간에서 정지시키는 전시물에서도 실시되고 있음을 알 수 있다.

한편, 도 5 및 6에 도시된 전자석의 구성은, 영구자석을 가진 갭슐을 체내 임의의 위치로 이동 시키는 것 뿐만 아니라, 회전 자장을 발생 시킬 수도 있다.즉, 도 5의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 90°의 각도를 유지하면서 원형으로 배치된 4 개의 전자석(420a, 420b, 430a, 430b)의 극을 순차적으로 회전하도록 전류를 인가하면 회전 자장이 발생하게 된다. 이는 교류 전동기의 계자(field magnet)와 동일한 역할을 할 수 있도록 전류를 제어 하는 것을 의미하며, 이때 발생하는 회전 자장의 주파수는 계자에 걸어주는 교류의 주파수를 f, 계자의 극수를 p라하면 다음식과 같이 주어 진다.

도 5 및 도 6의 경우는 4 극이므로, 분당 회전 자장의 속도는 주파수를 400 Hz로 할 경우 12000rpm의 고속 자장을 얻을 수 있다. 또한 주파수를 20Hz로 할 경우 600rpm, 즉 초당 10 회의 회전 자장을 얻을 수 있다.

한편, 캡슐이 신체 조직의 돌출부나 이물질 때문에 꽉 끼이거나 걸려 있는 경우, 외부의 정자장을 어지간히 강하게 걸어 주어도 움직이지 않을 수 있기 때문에, 이 때에는 환자의 장이나 혈관을 조금 움직여 주기 위한 초기 운동이 필요하다.그러나, 진료 행위시 관찰자가 늘 이렇게 캡슐이 위치한 부위를 건드려서 소통시키는 초기운동을 제공하는 것은 불편하므로, 본 발명의 일 실시예에서는 캡슐의 영구 자석에 교번 자장을 걸어 주어서 캡슐의 초기 운동을 유도한다.즉, 도 8에 도시된 바와 같이, 짧은 시간 동안 10Hz 미만의 교번자장을 인가해서 캡슐이 앞 뒤 혹은 전후 좌우로 진동하며 움직이도록 충격을 주어서 초기 운동을 제공한다.

한편, 소화관 및 혈관이나 내분비 계통에 치료 목적으로 마이크로 캡슐을 투입하는 경우 정확한 목표 투입 위치로 캡슐을 끌고 가기 위한 위치 이동 동작은 필수적이지만, 혈관 및 내분비관에 투입되는 마이크로 캡슐 혹은, 소화관에 넣을 수 있는 다소 부피가 큰 캡슐의 경우에도 캡슐 내부에 들어 있는 치료용 약물을 캡슐 바깥으로 방출시키는 작업이 필요하다.

도 9의 (a) ~ 도 9의 (c)에서는 캡슐 내의 치료용 약물을 체내로 방출시키기 위한 비파괴형 치료용 캡슐의 구현 방법을 나타내었다. 도 9의 (a)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 비파괴형 치료용 캡슐의 구조도가 도시되어 있고, 도 9의 (b)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 비파괴형 치료용 캡슐의 단면도가 도시되어 있다.예컨대, 연철 재질로 구성되는 캡슐의 외피에는 치료용 약제(유동성을 좋게 하기 위하여 약물이 바람직하다)가 체내로 방출되는 통로인 홀(910)이 형성되어 있고, 일 극(본 실시예에서는 N 극)이 상기 홀(910)을 막고 있으면서 캡슐의 외피에 자기력에 의해 결합되어 있고, 타 극(본 실시예에서는 S 극)은 상기 캡슐의 외피와 이격되도록 상기 일 극, 즉 N 극에 단차지게 형성되어 있는 영구 자석(211')이 4개 구비되어 있다. 그리고, 이 들 두 "ㄴ" 자 영구자석(211') 중 S 극은 N 극보다 질량이 조금 크도록 구성되어 있다.그리고, 캡슐 내에 이들 4개의 영구 자석(211')이 있기 때문에 체외의 전자석 어셈블리 링에서 위치 제어용 직류 자장에 의해 목표 위치로의 이동 제어가 가능하다.N극 부분의 "ㄴ" 자 영구자석은 캡슐 외피의 연철 구조물에 흡인되어 부착되어 있으나 S극 부분의 "ㄴ" 자 영구자석은 캡슐 내면으로부터 간격을 둔 채 공간에 떠 있다.

정지된 캡슐에서 영구 자석의 N 극이 캡슐 내면에 붙어 있고 S 극은 공간에 떠있는 상태이기 때문에, 캡슐 내면에 붙어 있는 N 극 부분이 바로 아래에 뚫려 있는 약물 방출 구멍인 홀(910)을 막고 있는 모습이다.

만일, 체외의 전자석 어셈블리 링(310)에 구비된 4 개의 전자석(420a, 420b, 430a, 430b)을 이용하여 초당 수백에서 수만 번 회전하는 회전 자장을 형성시키면, 캡슐 내에 배치된 영구자석은 마치 동기 전동기(synchronous motor) 혹은 스테핑 모터의 회전자와 같은 구조로 되어 있기 때문에 캡슐은 회전 자장을 따라 회전한다.체외의 전자석 어셈블리 링에서 회전 자장이 발생하면 그림 (c)와 같이 캡슐이 회전하고 질량이 큰 쪽의 "ㄴ" 자형 초소형 영구자석의 원심력에 의해 자석 전체가 비스듬히 뒤집히면서 S 극이 캡슐의 내면 쪽으로 붙게 된다.그러면 아래쪽 "ㄴ" 자형 초소형 영구자석의 N 극은 캡슐의 내면에서 떨어지게 되고 막혔던 홀(910)들이 개방되면서 내부의 약물 역시 원심력에 의해 화살표 방향으로 체내로 방출된다.초기 운동을 위한 교류 자장이나 약물 방출을 위한 회전 자장은 1-2초 미만의 매우 짧은 시간으로 노출이 이루어지기 때문에 인체에 대한 위험은 방지된다.도 10의 (a)에는 본 발명의 일 실시예에 의한 파괴형 치료용 마이크로 캡슐의 구조도가 도시되어 있고, 도 10의 (b)는 도 10의 (a)에 의한 파괴형 치료용 마이크로 캡슐의 영구 자석 조각이 분해된 상태의 상태도가 도시되어 있다. 도 10 도시의 마이크로 캡슐은 혈관 및 내분비관에서 약제를 투입하는데 사용되는 1000㎛ 미만 사이즈의 파괴형 마이크로 캡슐이다.치료제는 둥근 공과 같이 생긴 캡슐 내부에 들어 가며, 캡슐의 외피는 모두 작은 영구 자석 조각(m₁~ m₁₂)들이 자기력에 의하여 결합되어 구성되어 있으며, 바람직하게는 약한 접착제에 의하여 접착되어서 구성된다. 이 마이크로 캡슐은 상기 도 6과 같은 회전 자장발생 장치와, 이에 반응하여 회전하게 되는 도 9와 같은 캡슐의 경우 처럼 동일한 원리로 회전하게된다.마이크로 캡슐이 고속으로 회전할 경우 원심력에의해 캡슐이 파괴 되어 내부에 저장했던 약물이 혈관 및 조직으로 방출되어 소정의 치료 목적을 달성하게된다. 마이크로 캡슐의 고유 회전수는 캡슐을 구성하는 영구 자석 조각의 자기 도메인 사이즈와 질량 및 영구자석의 세기의 함수로 주어지게되는데, 외부의 회전 자장 발생기에서 이 고유주파수와 동일한 주파수의 회전 자장을 주면 공명이 일어나고 캡슐와해가 촉발되어 약물이 방출된다. 캡슐의 파괴가 일어난후에 상기 영구 자석 조각((m₁~ m₁₂))들은 모두 상기 캡슐 사이즈보다 작은 영구 자석이므로 외부에 강한 정자장을 걸어 특정 혈관 혹은 피부 특정부위로 모이게 한다음 바깥으로 주사기 등을 이용하여 배출 시킬 수 있다.

본 발명은 체내에 투입된 초소형 캡슐이 움직이는데 필요한 모든 에너지는 캡슐 내부가 아닌 외부에서 인체에 무해한 정자장 형태로 주어지므로 캡슐의 사이즈가 작아질 뿐만 아니라 안전하다.이는 초소형 기계로 만들어 베터리로 동력을 제공하는 어떠한 운동방식의 기존 장치보다 우수하다. 또한, 캡슐이 장시간 동안 체내에서 오랫동안 머물러 있으면서 먼 거리를 이동해도 운동에 필요한 에너지 공급에 전혀 문제가 되지 않으며, 장기간동안 안정된 치료 및 시술을 가능케 한다. 또한, 캡슐의 정밀한 위치 이동은 물론 혈관이나 내분비 관에 투입하는 마이크로 캡슐의 경우 원하는 위에서 약물 주입도 가능하고 원하는 위치에서 배출도 가능하므로 원격측정에 의한 초소형 무선내시경, 각종 혈관 질환 치료, 항암치료, 호르몬 요법 등에 널리 이용될 수 있다.

Claims (10)

1. 외부 자기장과 상호 작용하는 영구 자석과, 체내로 투입하기 위한 치료용 약제를 내부에 구비하고 있는 기능부로 구성되는 캡슐; 및,

   상기 캡슐의 위치를 검출하고, 검출된 상기 캡슐의 위치를 기초로 상기 캡슐에 소정 세기와 방향의 자기장을 인가하여 상기 캡슐의 위치 이동을 제어하는 체외부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 캡슐의 기능부는,

   체외로 생체 정보를 송신하고 외부 제어 신호를 수신하는 송수신부;

   상기 송수신부로부터 수신한 제어 신호를 기초로 체내의 생체 정보를 획득하여 가공처리하는 신호 획득 처리부;

   상기 치료용 약제룰 저장하는 치료제 저장 탱크; 및,

   상기 송수신부, 신호 획득 처리부에 구동 전원을 공급하는 전원부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동시스템.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 체외부는,

   상기 캡슐로부터 전송된 생체 정보를 수신하고, 상기 캡슐의 기능 제어를 위한 제어 신호를 송출하는 송수신부;

   상기 송수신부로부터 수신한 신호를 기초로 캡슐의 위치를 검출하는 위치 검출부;

   상기 위치 검출부에 의해 검출된 상기 캡슐의 위치를 실시간 위치 되먹임(position feedback)시켜서 미리 기억되어 있는 상기 캡슐의 원하는 위치를 기준으로 이동해야하는 위치 이동 정보를 연산하는 제어부;

   상기 제어부에 의해서 연산된 위치 이동 정보를 기초로 소정 전류를 출력하는 위치 제어부; 및,

   상기 위치 제어부로부터 인가된 전류를 기초로 소정 자기장을 발생하는 자장 발생부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 자장 발생부는,

   상기 캡슐의 초기 구동을 위한 교번 자장을 발생하는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
5. 청구항 3에 있어서, 상기 자장 발생부는,

   상기 영구 자석을 직교좌표계의 z축 방향으로 이동시키기 위해 상기 z축 방향의 자기장을 발생시키는 z축 구동용 전자석 코일;

   상기 영구 자석을 직교좌표계의 y축 방향으로 이동시키 위해 상기 y축 방향의 자기장을 발생시키며, 상기 영구 자석에서 상방으로 소정 간격 설치되는 상측 수직 전자석;

   상기 상측 수직 전자석으로부터 대향으로 소정 위치 이격 설치되어 상기 y축 방향으로 자기장을 발생시키는 하측 수직 전자석;

   상기 영구 자석을 직교좌표계의 z축 방향으로 이동시키기 위해 상기 z축 방향의 자기장을 발생시키며, 상기 영구 자석에서 우측방으로 소정 간격 설치되는 우측 수평 전자석;

   상기 우측 수평 전자석으로부터 대향으로 소정 위치 이격 설치되어 상기 x축 방향으로 자기장을 발생시키는 좌측 수평 전자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
6. 청구항 5에 있어서, 상기 상측 수직 전자석과 하측 수직 전자석과 우측 수평 전자석과 좌측 수평 전자석은,

   중공부에 상기 캡슐이 위치하는 도너츠 형상의 전자석 어셈블리 링(electromagnet assembly ring)의 내부에 소정 각도를 유지하여 구비되어 있고,

   상기 z축 구동용 전자석 코일은, 상기 전자석 어셈블리 링의 외주면을 따라서 감겨 있는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 전자석 어셈블리 링의 내부에는, 상기 중공부의 중심부 방향으로 X선을 방사하는 하나 이상의 X선 튜브와, 상기 X선 튜브에서 방사되어 체내를 통과한 X선을 디지털 영상 신호로 처리 검출하는 디지털 X선 영상 검출 플레이트를 구비하고,

   상기 위치 검출부는 상기 디지털 X선 영상 검출 플레이트로부터 수신한 디지털 영상 신호를 기초로 상기 캡슐의 위치를 검출하는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
8. 청구항 5 내지 청구항 7 중 어느 한 청구항에 있어서, 상기 자장 발생부는,

   상기 위치 제어부의 제어에 의하여, 상기 상측 수직 전자석, 하측 수직 전자석, 우측 수평 전자석 및 좌측 수평 전자석에 순차적으로 회전하도록 전류를 인가하여 회전 자장을 발생시키는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
9. 청구항 8에 있어서, 상기 캡슐은,

   연철 재질로 구성되는 상기 캡슐의 외피에는 상기 치료용 약제를 체내로 방출시키 위한 홀이 하나 이상 형성되어 있고,

   상기 영구 자석의 일 극은 상기 홀을 막은 상태로 상기 캡슐의 외피에 결합되고, 상기 영구 자석의 타 극은 상기 일 극에 단차 형성되어 상기 외피와 이격되어 있으며 상기 일 극보다 질량이 큰 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.
10. 청구항 8에 있어서, 상기 캡슐은,

    상기 자장 발생부에 의하여 발생되는 회전 자장에 의하여 상기 캡슐이 파괴될 수 있도록 캡슐의 외피는, 자기력에 의해 결합되어 있는 복수의 영구 자석 조각으로 구성되는 것을 특징으로 하는 체내 무선 텔레메트리 캡슐의 자기장 원격 구동 시스템.