KR101247165B1 - 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇에 관한 것으로서, 전자기 코일 시스템을 구비하여 전자기력을 발생시켜 마이크로로봇의 다양한 운동을 구현 및 제어하는 마이크로로봇 구동모듈; 뇌척수액으로 채워져 있는 척수강과 뇌실부분을 영상화하고, 상기 마이크로로봇의 영상화할 수 있는 뇌/척수 영상모듈; 상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 뇌·척수 질환을 진단할 수 있는 진단모듈; 및 상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 이동경로를 설계하고, 상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 중 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 움직임을 모니터링 할 수 있는 내비게이션모듈을 포함하는 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동 시스템을 제공한다.

Description

뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템{Therapeutic Microrobot System for Brain and Spinal Cord Diseases}
본 발명은 의료용 마이크로로봇 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템에 관한 것이다.
종래의 뇌·척수 질환의 치료를 위한 외과수술방법으로 척수강 또는 뇌실에서 발생되는 질병 치료를 위해 딱딱한 관형태의 기구를 이용하여 환부에 접근하고 초소형 매니퓰레이터를 이용하여 질환부(뇌실막, 혈전, 종양 등)을 뚫거나 제거하는 시술이 시행되고 있다. 예를 들어 뇌실에서 생성된 뇌척수액이 매우 작은 관들을 통해 척수방향으로 흘러나가게 되는데 뇌척수액의 순환로가 일부 막히게 되면 뇌척수액이 두개강이나 척추강에 비정상적으로 축적되어 뇌압의 상승을 유발하여, 두통, 구토 등 증상과 함께 뇌 발달의 장애를 일으키는데, 이러한 증상을 뇌수두증 또는 수두증(hydrocephalus)이라고 하며, 이 수두증의 치료를 위해 크게 션트수술법과 내시경 제3뇌실 천공술(endoscopic 3rd ventriculostomy)이 사용되고 있다.
션트수술법은 뇌실에 얇은 관을 두고 뇌척수액을 두피 아래로 뽑아내어 이어진 관을 통하여 이를 복강이나 흉강으로 보낸 후 그 곳에서 복막과 흉막을 통하여 다시 몸에 흡수되도록 하는 수술 방법이다. 중간에 밸브 장치를 설치하여 뇌압의 높은 정도에 따라서 흐르는 뇌척수액의 양을 조절해준다. 예전에는 밸브의 압력 수치를 조절하려면 다시 수술하여 밸브 자체를 교체해주었으나 최근에는 체외에서 조절 가능한 밸브가 개발되어 환자의 상태에 따라 쉽게 압력을 조절할 수 있다. 션트 수술은 뇌수두증에 대한 가장 기본적인 수술로서 교통성 및 비교통성 수두증 모두 치료 가능하다.
내시경 제3뇌실 천공술(endoscopic 3rd ventriculostomy)은 비교적 최근에 개발된 수술 방법으로서, 비교통성 수두증에서 뇌실의 확장이 있을 때, 내시경을 통하여 제3뇌실에 들어가 제3뇌실의 바닥을 뚫어서 뇌실과 지주막하 공간 사이에 소통을 만드는 방법이다. 션트 장치를 넣지 않고 자연스러운 뇌척수액 순환과정을 이용한다는 큰 장점이 있으나, 비교통성 수두증에서만 주로 효과가 있으며, 뇌실의 크기가 어느 정도 커야 하고, 제3뇌실 바닥의 모양과 주변 혈관 구조물이 수술에 용이한 상태여야 하며, 만 1세 이상의 소아에서 시행해야 성공률이 높다는 제약이 있다. 또한 뇌출혈이나 중추신경계 감염으로 인한 수두증의 경우 상시상 정맥동의 뇌척수액 최종 흡수 부위가 막히는 경우가 많아서 제3뇌실 천공술의 효과가 많이 떨어진다고 알려져 있다. 제3뇌실 천공술로 수두증이 해결되지 않으면 션트수술을 추가로 해야 한다.
그러나 상기 션트수술을 비롯한 뇌수술들은 두개골에 구멍을 내고 뇌심부를 통과하여 시술이 일어나므로 매우 침습적인 수술이다. 이러한 침습적인 수술법은 감염이나 예상하지 못하는 문제를 야기할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 뇌·척수 질환의 치료에 사용가능한 마이크로로봇 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면,
전자기 코일 시스템을 구비하여 전자기력을 발생시켜 마이크로로봇의 다양한 운동을 구현 및 제어하는 마이크로로봇 구동모듈;
뇌척수액으로 채워져 있는 척수강과 뇌실부분을 영상화하고, 상기 마이크로로봇의 영상화할 수 있는 뇌/척수 영상모듈;
상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 뇌·척수 질환을 진단할 수 있는 진단모듈; 및
상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 이동경로를 설계하고, 상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 중 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 움직임을 모니터링 할 수 있는 내비게이션모듈을 포함하는,
상기 마이크로로봇 구동모듈에 의해 이동할 수 있게 하는 자석 및 질환을 치료할 수 있는 치료수단 및/또는 약물전달 수단을 포함하는 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구동 시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 일 관점에 따르면,
전자기 코일 시스템을 구비하여 전자기력을 발생시켜 마이크로로봇의 다양한 운동을 구현 및 제어하는 마이크로로봇 구동모듈;
뇌척수액으로 채워져 있는 척수강과 뇌실부분을 영상화하고, 상기 마이크로로봇의 영상화할 수 있는 뇌/척수 영상모듈;
상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 뇌·척수 질환을 진단할 수 있는 진단모듈;
상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 이동경로를 설계하고, 상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 중 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 움직임을 모니터링 할 수 있는 내비게이션모듈; 및
상기 마이크로로봇 구동모듈에 의해 이동할 수 있게 하는 자석 및 질환을 치료할 수 있는 치료수단 및/또는 약물전달 수단을 포함하는 이동/치료용 마이크로로봇
을 포함하는 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템이 제공된다.
상기 마이크로로봇 구동모듈은 전자기 구동 코일 시스템과 상기 코일 시스템에 전류를 공급하기 위한 전력공급기(power supply) 및, 전력 제어시스템을 포함할 수 있다.
상기 뇌/척수 영상모듈은 3차원 뇌/척수 영상을 획득할 수 있는 양방향(bi-plane) X-선 조영장치일 수 있다.
상기 진단모듈은 상기 양방향 X-선 조영장치를 통해 획득된 이미지와 임상데이터베이스와의 비교수단, 증상 유무 및 정도에 대한 판단수단 및 판정결과의 표시수단을 포함할 수 있다. 상기 임상데이터베이스는 상기 진단모듈에 내장될 수도 있고, 외부에서 제공될 수 있다.
상기 내비게이션모듈은 상기 뇌/척수 영상모듈로부터 생성된 수술 전 3차원 뇌/척수 영상을 통해 마이크로로봇의 이동경로를 계획하는 이동경로 설계수단 및 상기 수술 전 3차원 뇌/척수 영상과 수술 중 X-선 이미지를 이용하여 마이크로로봇의실제 위치를 표시하는 마이크로로봇 위치 표시수단을 포함할 수 있다.
상기 치료수단은 천공장치 또는 미세가위일 수 있다.
본 발명의 다른 일관점에 따르면, 하기의 단계를 포함하는 자석 및 질환을 치료할 수 있는 치료수단 및/또는 약물전달 수단을 포함하는 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇을 이용한 뇌·척수 질환의 치료방법이 제공된다:
양방향 X-선 조영장치를 이용하여 수술 전 3차원 뇌/척수 영상을 추출 및 프로세싱하는 단계;
내비게이션 모듈을 이용하여 상기 수술 전 3차원 뇌/척수 영상으로부터 상기 마이크로로봇의 이동경로를 설계하는 단계;
환자의 척수강에 상기 마이크로로봇을 삽입하는 단계:
상기 양방향 X-선 조영장치와 상기 내비게이션 모듈을 이용하여 수술 중 뇌/척수 영상을 촬영하여 체내 뇌실 및 척수강의 위치 및 상기 마이크로로봇의 위치를 인식하는 단계;
전자기 코일 시스템을 구비한 마이크로로봇 구동모듈을 통해 상기 설계된 이동경로를 따라 상기 마이크로로봇을 이동시키는 단계;
상기 마이크로로봇이 환부에 도착한 후 상기 치료수단 또는 약물전달 수단을 이용하여 상기 환부에 대한 치료를 수행하는 단계; 및
상기 마이크로로봇 구동모듈을 이용하여 상기 마이크로로봇을 상기 이동경로를 역행하여 몸 밖으로 배출시키는 단계.
상기 내비게이션모듈은 상기 뇌/척수 영상모듈로부터 생성된 수술 전 3차원 뇌/척수 영상을 통해 마이크로로봇의 이동경로를 계획하는 이동경로 설계수단 및 상기 수술 전 3차원 뇌/척수 영상과 수술 중 X-선 이미지를 이용하여 마이크로로봇의 실제 위치를 표시하는 마이크로로봇 위치 표시수단을 포함할 수 있다.
상기 마이크로로봇 구동모듈은 전자기 구동 코일 시스템과 상기 코일스시템에 전류를 공급하기 위한 전력공급기(power supply) 및, 전력 제어시스템을 포함할 수 있다.
상기 마이크로로봇을 삽입하는 단계는 주사바늘 또는 카테터에 의해 수행될 수 있다.
상기 치료수단은 뇌실막 등을 천공할 수 있는 천공장치(puncher) 또는 뇌실막 등을 절제할 수 있는 미세가위일 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇시스템은 기존의 침습적인 Needle 형태의 도구를 이용하여 뇌실막을 천공하거나 약물을 전달하는 치료방법을 대신하는 최소침습적인 수술방법을 제공할 뿐만 아니라, 뇌혈관 질환의 치료 등 다양한 뇌/척수 질환의 치료에 사용될 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동 시스템을 개략적으로 도시하는 개요도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템을 개략적으로 도시하는 개요도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템의 개략 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템의 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부를 도시하는 개요도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템의 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부의 하우징을 제거한 내부구성도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템의 뇌/척수 영상 모듈의 원리를 나타내는 개요도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템의 진단모듈의 구조를 나타내는 개요도이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 수술 전 3차원 뇌/척수 영상 모델을 통해 사전에 설정된 마이크로로봇 이동경로를 나타내는 사진이다:
a: 전후방축을 기준으로 절단된 종단면도;
b: 좌우축을 기준으로 절단된 종단면도;
c: 횡단면도; 및
d: 상기 세 단면도를 종합하여 구현된 입체 단면도.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로로봇을 이용한 뇌/척수 질환치료방법에서, 주사기를 이용하여 마이크로로봇을 척수강에 주입하는 모습이 도시된 개요도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템을 이용하여 마이크로로봇을 내뇌에서 이동시키는 장면이 도시된 개요도이다:
a: 뇌의 해부학적 종단면의 사진;
b: 뇌/척수 CT 촬영을 통해 획득된 두부 종단면 사진; 및
c: 뇌척수강을 통해 이동중인 마이크로로봇의 상상도.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템으로 뇌실막을 천공하는 모습이 도시된 개요도이다:
a: 뇌의 해부학적 종단면의 사진;
b: 수술 중 뇌/척수 CT 촬영을 통해 획득된 두부 종단면 사진; 및
c: 뇌실막을 뚫고 있는 마이크로로봇의 상상도.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템을 이용하여 뇌/척수 상의 특정 부위로 약물을 전달하는 모습을 나타낸 개요도이다:
a: 병소에 마이크로로봇이 도착한 장면을 묘사한 상상도;
b: 병소에서 마이크로로봇으로부터 약물이 방출되는 모습을 묘사한 상상도; 및
c: 병소가 약물의 작용으로 작아진 것을 나타낸 상상도.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구조 및 기능에 대한 개요도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템을 개략적으로 도시한 개요도이다.
도 1에 따르면, 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동 시스템(1)은 마이크로로봇 구동모듈(100), 뇌/척수 영상모듈(200), 진단모듈(300), 내비게이션모듈(400)으로 구성된다. 선택적으로 진단모듈(300) 및 내비게이션모듈(400)은 순수하게 소프트웨어로 제공되고, 이와 별도로 총괄제어스테이션(도 1에서 점선으로 도시됨, 500)가 구비될 수 있다. 더 나아가, 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동 시스템(1)은 도 2에 도시된 바와 같이, 이동/치료용 마이크로로봇(600)을 포함하여, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템(2)으로 제공되는 것도 가능하다. 총괄제어스테이션(500)은 입출력 버스, 표시장치, 연산수단, 입력장치를 구비한 컴퓨터 하드웨어 및 상기 컴퓨터 하드웨어의 보조기억장치에 내장된 진단모듈(300) 및 내비게이션모듈(400) 및 마이크로로봇의 구동제어 수단이 통합적으로 작동할 수 있게 해주는 총괄 소프트웨어를 구비할 수 있다. 선택적으로, 상기 총괄 소프트웨어는 상기 컴퓨터 하드웨어의 보조기억장치에 설치되지 않고, 플로피디스크, MD, CD-ROM, DVD-ROM, USB 메모리 등 별도의 보조기억장치에 설치가능한 형태로 저장된 채 제공될 수 있다. 상기 입력장치는 키보드 및/또는 포인팅 디바이스일 수 있고, 상기 포인팅 디바이스는 마우스, 트랙볼, 조이스틱 또는 터치패드일 수 있다. 상기 표시장치는 CRT, LCD, PDP 등 각종 디스플레이장치를 구비한 모니터일 수 있으며, 터치패널을 구비할 수 있고, 3차원 영상을 표시할 수도 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면 도 3에 도시된 바와 같이, 마이크로로봇 구동모듈(100) 및 뇌/척수 영상모듈(200)은 하나의 하우징내에 설치되어 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부(10)을 구성할 수 있다. 이는, 본 발명의 마이크로로봇 구동 시스템이 수술 중 영상화(intraoperative imaging)를 수행하기 때문이다. 즉, 본 발명의 마이크로로봇 구동 시스템은 뇌/척수를 영상화하는 동시에, 화면에 실시간으로 표시되는 마이크로로봇을 주어진 경로에 따라 이동시키므로, 영상화 대상인 뇌/척수와 상기 뇌/척수 내에서의 이동대상이 되는 마이크로로봇이 동공간을 점하고 있을 수 있다.
아울러, 도 3에 도시된 바와 같이, 진단모듈(300) 및 내비게이션 모듈(400)은 뇌/척수 영상모듈(200)으로부터 획득된 수술 전 3차원 뇌/척수 영상 및/또는 수술 중 3차원 뇌/척수 영상을 통해, 특정 질환을 진단하거나 마이크로로봇의 이동경로를 설정 및 표시하는 기능을 수행하므로, 통합제어스테이션 또는 통합제어부(20)라는 하나의 컴퓨터 시스템을 통해 구현될 수 있다.
이하, 본 발명의 마이크로로봇 구동시스템(1)의 각 구성요소에 대하여 더 상세히 설명하기로 한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부(10)는 마이크로로봇 구동모듈(100) 및 뇌/척수 영상모듈(200)은 하나의 하우징 내에 통합되어 구비될 수 있다. 본 발명이 일실시예에 따르면 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부(10)는 환자(30)의 상체가 삽입될 수 있는 도넛 모양의 형상을 띠거나, 반구형의 형상을 띨 수도 있다. 환자(30)는 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부(10)에 고정된 시술대(40)에 누워 진단 및 시술을 받을 수도 있고, 이동형 침대에 누운 채로 이동하여 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부(10)에 상체가 진입할 수도 있다.
뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부(10) 내에 설치되는 마이크로로봇 구동모듈(100) 및 뇌/척수 영상모듈(200)은 일예로서 도 5에 도시된 것 같이 배치될 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
마이크로로봇 구동모듈(100)은 전자기 구동 코일 시스템(110), 코일 시스템(110)에 전력을 공급하기 위한 전력공급기(Power Supplier), 코일 시스템(110)에 공급되는 전력제어를 위한 제어시스템을 포함할 수 있다. 코일 시스템(110)은 마이크로로봇을 구동하기 위해 공간상에 원하는 전자기장을 생성하는 장치로서, 원하는 자기장을 발생시킬 수 있는 코일의 형태, 배치, 코일 사양 등이 고려되어야 한다. 코일 시스템(110)은 3차원 공간에서 전자기장을 발생시켜 자석 또는 전자석을 특정 방향으로 이동시킬 수 있는 것이라면 어떤 것이라도 사용이 가능하다(Anderst et al., Med. Eng. Phys. 31(1): 10-16, 2009; Jeong et al., Sensors and Acutuators A, 157: 118-125, 2010; 및 Choi et al., Sensors and Actuators A 163: 410-417, 2010).
뇌/척수 영상 모듈(200)은 마이크로로봇이 이동하여야 하는 공간에 대한 수술 전 & 수술 중 & 수술 후 영상을 얻기 위한 모듈이다. 본 발명에서는 수술 전 영상과 수술 중 영상 그리고 수술 후 영상을 동일한 X-선 조영장치를 통하여 얻고자 한다. 이를 위해 양방향(bi-plane) X-선 조영장치(210)를 구성하게 된다. 양방향 X-선 조영장치(210)의 기본적인 구조 및 원리는 도 5 및 6을 통해 설명된다. 양방향 또는 이중면 X-선 조영장치(210)는 두 개의 X-선원(211a, 211b)과 이에 대응되는 두 개의 이미지 센서(212a, 212b)를 가지며, 선택적으로 이미지 센서(212) 전단에 이미지 강화기(image intesifier, 213)를 구비할 수 있다. 두 선원 사이의 각도(214)에 따라 조영 영역(215)의 면적이 결정된다.
뇌/척수 영상 모듈(200)의 구현원리는 하기와 같다. 우선 수술 전에 영상을 얻고자 하는 영역에 조영제를 삽입하고 양방향 X-선 조영장치(210)의 선원(211)을 일정각도로 회전시키며 각도마다의 평면 X-선 영상을 얻게 된다. 각도에 해당하는 평면영상을 조합하여 컴퓨터 및 컴퓨터에 통합된 영상 프로세싱 소프트웨어로 프로세싱하면 3차원의 수술 전 뇌/척수 영상 모델(pre-operative cerebrospinal image model)을 얻을 수 있게 된다. 이것이 X-선을 이용한 CT(computer tomograph)인 것이다. 이를 통해 수술 전 환부의 진단이 가능하게 된다. 그리고 수술 중에는 마이크로로봇이 뇌/척수 부분에 삽입되어 양방향 X-선 조영장치(210)를 이용하여 뇌/척수 및 마이크로로봇에 대한 각각의 두 평면의 영상을 얻게 된다. 이 두 개의 평면 영상과 수술 전 뇌/척수 영상 모듈(200)을 이용하여 현재 마이크로로봇의 위치를 파악하게 된다. 마지막으로 수술 후에는 수술 전과 마찬가지로 양방향 X-선 조영장치(210)를 이용하여 뇌/척수 영상을 얻으므로 실제 시술의 효과를 판단할 수 있다.
진단모듈(300)은 수술 전 또는 수술 후에 양방향 X-선 조영장치(210)를 이용하여 환부를 진단할 수 있는 모듈로서, 도 7에 도시된 바와 같이 임상 데이터베이스(310), 상기 임상데이터베이스(310)과 양방향 X-선 조영장치(210)를 통해 획득된 이미지와의 비교수단(320), 증상 유무 및 정도에 대한 판단수단(330)으로 구성되어, 증상의 유무 및 정도가 자동적으로 판정되게 구성될 수 있다. 선택적으로 진단모듈(300) 및 내비게이션모듈(400)이 하드웨어를 구비한 경우에는 판단수단(330)에서 판정된 결과가 표시되는 표시수단(340)을 추가적으로 포함할 수 있다. 선택적으로 상기 임상데이터베이스(310)은 진단모듈(300)에 포함되지 않고, 인터넷이나 인트라넷을 통해 외부에서 제공받을 수도 있다. 진단모듈(300)을 통한 특정 뇌/척수 질환의 진단의 예를 들면 다음과 같다. 수두증의 경우 뇌실에서 생성된 뇌척수액이 순환되지 아니하여 뇌실이 부풀어올라 발생하는 질환으로, 이의 진단과 관련된 임상데이터가 누적이 되면, 전체 뇌의 부피에 대한 뇌실의 부피가 특정 값 이상일 경우 뇌수두증으로 판정할 수 있게 된다. 따라서, 이러한 임상데이터가 누적된 임상데이터베이스(310)를 자체 내장하거나 외부에 구축된 임상데이터베이스(310)로부터 필요에 따라 데이터를 다운받은 후, 양방향 X-선 조영장치(210)를 통해 획득된 3차원 수술 전 뇌/척수 영상으로부터 계산된 전체 뇌의 부피/뇌실의 부피 비율을 상기 데이터와 비교하여, 환자가 수두증에 걸렸는지 여부를 판정할 수 있다. 선택적으로, 진단모듈(300)은 기기를 조절하는 시술자의 주관적인 판단에 의한 수동적인 판정을 배제하지 않는다. 한편, 임상 데이터베이스(310), 비교수단(320) 및 판단수단(330)은 내비게이션 모듈(400)이 내장된 컴퓨터의 보조기억장치에 같이 내장될 수 있고, 효율적인 작업을 위해 별도의 컴퓨터의 보조기억장치에 내장되어 구동될 수 있다. 더 나아가, 진단모듈(300), CT 이미지 프로세싱 소프트웨어, 내비게이션 모듈(400)는 별개의 소프트웨어로 제공되는 것이 가능하고, 필요에 따라서는 하나의 통합된 소프트웨어로 제공되는 것도 가능하다. 표시수단(340)은 통상의 모니터가 사용될 수 있고, 모니터 두 개가 직렬 또는 병렬로 연결되는 듀얼모니터 시스템 또는 모니터 세 개가 직렬 또는 병렬로 연결되는 트리플모니터 시스템으로 구성될 수 있으며, 3차원 영상의 표시가 가능한 3차원 디스플레이장치일 수 있다. 아울러, 표시수단(340)은 진단모듈(300) 전용일 수도 있고, 뇌/척수 영상모듈(200)에서 획득되고 프로세싱된 수술 전 및/또는 수술 중 뇌/척수 영상의 표시, 내비게이션 모듈(400)을 위한 표시장치를 겸할 수도 있다. 선택적으로, 본 발명의 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템의 진단모듈(300) 및 내비게이션모듈(400)이 소프트웨어적으로만 구성되고, 이와 별도의 총괄제어스테이션(500)이 구비되는 경우, 표시수단(340)은 총괄제어스테이션(500)의 표시수단으로 대체될 수 있다.
내비게이션 모듈(400)은 3차원 수술 전 뇌/척수 영상 모델을 통해 마이크로로봇의 이동경로를 계획(planning)하는 이동경로 계획 수단과 3차원 수술 전 뇌/척수 영상모델과 수술 중 뇌/척수 이미지를 이용하여 마이크로로봇의 실제 위치를 표시하는 마이크로로봇 표시수단으로 이루어진다. 이를 통해 마이크로로봇이 가야할 경로와 마이크로로봇의 실제 이동경로를 동시에 표현될 수 있다. 더 나아가, 마이크로로봇 표시수단 상에 설계된 이동경로를 중첩(overay)시킨 후, 상기 이동경로를 따라 마이크로로봇이 이동하도록 하는 마이크로로봇 제어부(미도시)가 내비게이션 모듈(400)에 통합될 수도 있다. 선택적으로, 상기 마이크로로봇 제어부는 조이스틱, 터치패드, 트랙볼 또는 마우스와 같이 별도로 구비된 포인팅 디바이스일 수도 있다.
상기 마이크로로봇 구동시스템(1)과 함께 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템(2)을 이루는 이동/치료용 마이크로로봇(600)은 실제 뇌/척수 부분에서 이동하며 치료를 수행하는 마이크로로봇으로 내부에 자석이 구비된 구동부(610)을 포함하고 있고, 환부를 치료할 수 있는 치료수단(620)을 포함하고 있다. 즉 마이크로로봇(600)은 내부의 자석과 구동모듈에 의해 생성된 전자기장을 통하여 원하는 위치로 이동하는 이동기능을 가진다. 또한 치료수단(620)을 가지고 있어서, 막힌 부분(뇌실막 등)을 뚫거나 치료를 위해 약물을 전달할 수 있다. 치료수단(620)은 미세 천공 또는 미세절제를 위한 천공장치 또는 미세가위일 수 있고, 약물전달을 위한 약물전달수단일 수도 있으며, 이들 둘을 모두 포함할 수도 있다.
이하, 본 발명의 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동 시스템에 의해 마이크로로봇이 생체 내에 삽입되어 뇌/척수 질환을 치료하는 과정을 첨부되는 도면을 이용하여 설명하기로 한다.
우선, 마이크로로봇의 이동경로를 설정하기 위해서, 수술 전 3차원 뇌/척수 영상의 획득이 필요하다. 도 8은 양방향 X-선 조영장치(210)으로 촬영한 환자의 뇌 CT사진을 나타낸다. 척수강을 통하여 삽입된 마이크로로봇이 최소침습적 경로를 따라 환부에 도달할 수 있도록 설정된 이동경로(410)는 적색 점선으로 도시되었다.
다음으로, 도 9에 도시된 바와 같이, 주사기바늘(420) 또는 카테터를 이용하여 마이크로로봇이 뇌척수액이 존재하는 뇌척수강(430)으로 주입된다. 이때, 마이크로로봇은 2번-3번 경추 사이(C2-C3)를 통해 주입될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
이렇게 삽입된 마이크로로봇(600)은 도 10에 도시된 바와 같이, 미리 설정된 이동경로(410)을 따라 뇌척수강(430)을 따라 이동하게 되며, 실제 이동경로(440)가 미리 설정된 이동경로(410)와 일치하는지 수술 중 이미징을 통해 확인하는 것이 가능하다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템에 의해 구동된 마이크로로봇에 의해 뇌/척수 질환이 치료되는 과정을 뇌수두증을 예로 나타낸 개요도이다. 마이크로로봇 구동모듈(100)과 내부에 구비된 자석을 포함한 구동부(610)에 의해 환부까지 이동한 마이크로로봇(600)은 마이크로로봇 첨단에 장착된 치료수단(620)으로 뇌실막(630)을 천공하거나 절제함으로써 뇌척수액이 해당 천공부위 또는 절제부위(640)를 통해 흘러내려갈 수 있게 할 수 있다. 치료수단(620)을 구동하기 위한 구동부가 마이크로로봇(600)에 구비될 수 있고, 이 경우 마이크로로봇 구동모듈(100)에는 치료수단(620)의 작동을 제어할 수 있는 치료수단 제어부가 부가될 수 있다. 이 경우 치료수단(620)은 천공장치 또는 미세가위일 수 있다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동시스템에 의해 구동된 마이크로봇(600)의 치료수단(620)으로 약물전달수단이 사용되어, 약물을 환부에 특이적으로 전달함으로써 뇌/척수 질환이 치료되는 과정을 나타낸 개요도이다. 마이크로로봇이 마이크로로봇 구동시스템에 의해 병소(450)에 도달하면, 약물(650)이 방출되어 병소(450)에 대한 치료작용을 수행한다. 이 경우, 마이크로로봇(610)의 치료수단(620)은 약물(650)을 담지하고 있는 약물 저장조와 약물 방출을 위한 밸브 및 밸브 구동을 이한 구동부를 추가적으로 포함할 수 있고, 마이크로로봇 구동모듈(100)에는 상기 밸브의 구동을 제어하기 위한 밸브 제어부가 부가될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇은 도 13에 도시된 바와 같이, 약물내에 자성을 띠는 자석 입자가 분산되어 있는 구조를 가질 수 있다. 이 경우 자석 입자가 분산된 약물은 생체적합 소재로 이루어진 캡슐내에 담지될 수 있으며, 상기 생체적합 소재는 병소 특이적으로 분해작용을 일으킴으로써 병소특이적 약물방출을 가능하게 할 수 있다. 약물이 방출되면서 같이 방출된 자석 입자는 본 발명의 마이크로로봇 구동시스템으로 회수가 가능하다.
선택적으로, 본 발명의 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇은 약물을 봉입하고 있는 마이크로구체와 마이크로 자석입자가 생체적합 매트릭스 내에 분산되어 있는 구조를 가질 수 있다. 이 경우 마이크로 구체 역시 생분해성 생체적합 소재로 코팅되어 있을 수 있다. 상기 생체 적합 매트릭스 또는 상기 생체적합 소재로는 콜라겐, 셀룰로오스, 초산셀룰로오스, 폴리비닐알콜, 폴리에틸렌글리콜, HEMA, PLA, PLGA, PGA, 히알루론산, 알긴산, 폴리라이신, 폴리디메킬실록산, 키토산 등이 사용될 수 있으나, 특별히 이로 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1: 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇 구동 시스템
10: 뇌/척수 영상화 및 마이크로로봇 구동부
20: 통합제어부
30: 환자
40: 시술대
100: 마이크로로봇 구동모듈
110: 코일 시스템
200: 뇌/척수 영상모듈
210: 양방향 X-선 조영장치
211: 방사선원
212: 이미지 센서
300: 진단모듈
310: 임상데이터베이스
320: 비교수단
330: 판정수단
340: 표시수단
400: 내비게이션모듈
410: 예상 이동경로
420: 주사기 바늘
430: 척수강
440: 실제 이동경로
450: 병소
500: 총괄제어스테이션
600: 마이크로로봇
610: 구동부
620: 치료수단
630: 뇌실막
640: 천공부위 또는 절제부위
650: 약물

Claims (19)

  1. 전자기 코일 시스템을 구비하여 전자기력을 발생시켜 마이크로로봇의 다양한 운동을 구현 및 제어하는 마이크로로봇 구동모듈;
    뇌척수액으로 채워져 있는 척수강과 뇌실부분을 영상화하고, 상기 마이크로로봇의 영상화할 수 있는 뇌/척수 영상모듈;
    상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 뇌·척수 질환을 진단할 수 있는 진단모듈; 및
    상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 이동경로를 설계하고, 상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 중 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 움직임을 모니터링 할 수 있는 내비게이션모듈을 포함하는,
    상기 마이크로로봇 구동모듈에 의해 이동할 수 있게 하는 자석 및 질환을 치료할 수 있는 치료수단 및/또는 약물전달 수단을 포함하는 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구동 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로로봇 구동모듈은 전자기 구동 코일 시스템과 상기 코일스시템에 전류를 공급하기 위한 전력공급기(power supply) 및, 전력 제어시스템을 포함하는, 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구동 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 뇌척수 영상모듈은 3차원 뇌/척수 영상을 획득할 수 있는 양방향(bi-plane) X-선 조영장치인, 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구동 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 진단모듈은 상기 양방향 X-선 조영장치를 통해 획득된 이미지와 임상데이터베이스와의 비교수단, 증상 유무 및 정도에 대한 판단수단 및 판정결과의 표시수단을 포함하는, 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구동 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 임상데이터베이스는 상기 진단모듈에 내장되는, 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구동 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 내비게이션 모듈은 상기 뇌/척수 영상모듈로부터 생성된 수술 전 3차원 뇌/척수 영상을 통해 마이크로로봇의 이동경로를 계획하는 이동경로 설계수단 및 상기 수술 전 3차원 뇌/척수 영상과 수술 중 X-선 이미지를 이용하여 마이크로로봇의실제 위치를 표시하는 마이크로로봇 위치 표시수단을 포함하는, 뇌/척수 질환 치료용 마이크로로봇의 구동 시스템.
  7. 전자기 코일 시스템을 구비하여 전자기력을 발생시켜 마이크로로봇의 다양한 운동을 구현 및 제어하는 마이크로로봇 구동모듈;
    뇌척수액으로 채워져 있는 척수강과 뇌실부분을 영상화하고, 상기 마이크로로봇의 영상화할 수 있는 뇌/척수 영상모듈;
    상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 뇌·척수 질환을 진단할 수 있는 진단모듈;
    상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 전 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 이동경로를 설계하고, 상기 뇌/척수 영상모듈에서 획득된 수술 중 영상을 통해 상기 마이크로로봇의 움직임을 모니터링 할 수 있는 내비게이션모듈; 및
    상기 마이크로로봇 구동모듈에 의해 구동되어 이동하고 질환을 치료할 수 있는 이동/치료용 마이크로로봇
    을 포함하는 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 마이크로로봇 구동모듈은 전자기 구동 코일 시스템과 상기 코일스시템에 전류를 공급하기 위한 전력공급기(power supply) 및, 전력 제어시스템을 포함하는, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 뇌척수 영상모듈은 3차원 뇌/척수 영상을 획득할 수 있는 양방향(bi-plane) X-선 조영장치인, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 진단모듈은 상기 양방향 X-선 조영장치를 통해 획득된 이미지와 임상데이터베이스와의 비교수단, 증상 유무 및 정도에 대한 판단수단 및 판정결과의 표시수단을 포함하는, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 임상데이터베이스는 상기 진단모듈에 내장되는, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 내비게이션 모듈은 상기 뇌/척수 영상모듈로부터 생성된 수술 전 3차원 뇌/척수 영상을 통해 마이크로로봇의 이동경로를 계획하는 이동경로 설계수단 및 상기 수술 전 3차원 뇌/척수 영상과 수술 중 X-선 이미지를 이용하여 마이크로로봇의실제 위치를 표시하는 마이크로로봇 위치 표시수단을 포함하는, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 이동/치료용 마이크로로봇은 내부에 상기 전자기력에 의해 구동되는 자석 및 치료수단 및/또는 약물전달 수단을 포함하는, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 치료수단은 천공장치 또는 미세가위인, 뇌·척수 질환 치료용 마이크로로봇 시스템.
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