KR101659367B1 - 카테터 부착형 마이크로 로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카테터 수술을 하기 위한 카테터 부착형 마이크로 로봇에 관한 것으로, 환자의 외부의 다수로 배치된 자기장 방출기와, 외부 조향 자기장 또는 외부 회전 자기장의 세기를 제어하여 상기 자기장 방출기에 제공하는 자기장 제어 시스템과, 상기 환자의 병소에 삽입할 카테터를 원격으로 밀거나 잡아당기는 카테터 제어 시스템에 적용되고, 상기 카테터의 돌기에 억지 끼워맞춤 방식으로 탈부착되도록, 연결 구멍이 저면에 형성되어 있으며, 상기 저면의 반대쪽 바닥면의 중심에서 수직한 방향으로 형성된 중심샤프트와, 상기 중심샤프트의 길이보다 짧게 상기 바닥면의 테두리에서 수직한 방향으로 형성된 외벽부를 갖는 베이스부; 상기 중심샤프트에서 회전 가능하게 결합되며, 상기 외부 회전 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 드릴링 기능을 수행하도록, 제 1 자성체가 결합되어 있는 드릴부; 및 상기 중심샤프트의 끝단에 연결되며, 상기 드릴부의 이동을 제한할 수 있도록 상기 중심샤프트의 끝단보다 상대적으로 큰 직경을 갖는 헤드부를 포함하고, 상기 헤드부는 상기 외부 조향 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 조향 기능을 수행하도록, 상기 헤드부의 내부에 제 2 자성체를 구비하고 있다.

Description

카테터 부착형 마이크로 로봇{catheter attached type micro robot}

본 발명은 카테터 부착형 마이크로 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 카테터 수술을 위해서 원격의 자기장 제어에 대응하여 조향과 터널링을 독립적으로 구동시킬 수 있게 한 카테터 부착형 마이크로 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 카테터(catheter)는 관상동맥, 사지동맥(四肢動脈), 신동맥 및 말초혈관 등의 협착부 또는 폐색부를 확장 치료하는 경피적 혈관 형성술(PTA: Percutaneous Transluminal Angioplasty, PTCA: Percutaneous Transluminal Coronary Angioplasty 등)에 사용된다.

경피적 혈관 형성술에 있어서, 우선 가이딩 카테터를 대퇴동맥으로부터 삽입하여 대동맥을 거쳐 관상동맥의 입구에 선단(先端)을 위치시킨 후, 가이드와이어를 관상동맥 등의 협착부 또는 폐색부의 병변 부위 또는 병소를 통과시켜, 그 가이드와이어에 따라 카테터를 삽입하여 병소에 일치시키고, 조영제 등을 카테터에 공급하여 그 카테터를 확장시킨다. 병소의 확장 치료 이후에는, 카테터를 감압 및 수축시켜 체외로 제거한다.

최근, 로봇 수술과 카테터의 접목을 통해서, 협착도나 굴곡도가 높고, 매우 난이도가 높은 병변 혈관 부위에도 적용 가능한 시술이 시도되고 있다.

예를 들면 종래 기술에는, 카테터의 편향을 제어하기 위한 것으로서, 조향식 카테터와 함께 사용되는 제어부와, 제어부에 의해 원격 제어되는 로봇이 있다.

즉, 종래 기술의 장치는 자기장 제어 가능한 카테터 부착형 의료용 마이크로 기계이다. 즉, 종래의 마이크로 로봇 또는 마이크로 기계는 혈관 내부, 뇌조직, 안구 등의 국소부위 진단, 치료 및 수술을 수행하고, 외부 자기장을 이용하여 자성체에 발생하는 힘과 토크에 의해 제어된다.

예컨대, 컴퓨터 시스템으로 구성되는 제어기는 3차원 정보 또는 6축 정보를 사용하여 카테터의 끝단부의 롤링 또는 요동을 제어한다. 카테터의 끝단부에는 자성체가 구비되어 있다. 제어기는 6축 방향에 대응하게 외부 자기장을 원격으로 카테터의 끝단부의 자성체에 인가하고, 이에 따라 자성체 및 끝단부 전체가 직선 또는 편향 이동 가능하게 요동하고, 그러한 요동으로 인하여 끝단부에 연결된 가이드와이어가 굽혀지게 된다.

그러나, 종래 기술에 따른 장치는 자기 토크를 이용하여 와이어를 굽히는 방식이므로 상당히 커다란 크기의 자성체가 카테터의 끝단부에 탑재되어야 하고, 그러한 자성체에 대응하게 상당히 큰 외부 자기장의 세기(예: 800mT)를 요구한다.

이런 연유로 인하여 종래 기술의 카테터의 끝단부의 사이즈는 커질 수 밖에 없고, 직경이 작은 카테터 또는 가이드와이어에는 적합하지 않는 단점이 있다.

또한, 종래 기술에서는 상당히 큰 외부 자기장이 인체에 가해짐은 물론, 혈관 조영술을 시술하는 동안 방사선이 발생되고 있으며, 혈관 조영술의 시술 시간이 길어질 경우, 환자 또는 의사에 대한 장시간의 방사선 피폭에 따른 부작용이 발생될 수 있는 상황이다.

또한, 종래 기술의 장치 또는 기계는 상대적으로 큰 사이즈의 자성체를 이용하기 때문에, 얇은 카테터에 적용하기 어려운 단점이 있다.

또한, 종래 기술의 장치 또는 기계를 이용하는 카테터 수술에서는 혈관을 통해 가이드와이어로 병소까지 이동하고, 가이드와이어로 확보된 통로를 따라 만성완전폐쇄병변(chronic total occlusion, CTO) 수술을 위한 카테터를 추가적으로 삽입하여 터널링을 하기 때문에 수술 시간이 상대적으로 길어지고, 이에 따라 치명적인 혈전 위험이 증가되는 등 부작용도 심화될 수 있는 상황이다.

본 발명 목적은, 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로, 유연한 재질로 형성된 베이스부와, 베이스부를 기초로 회전되는 드릴부를 포함하며, 카테터의 끝단에 부착됨으로써, 상대적으로 작은 세기의 외부 자기장 혹은 부피가 적은 자성체를 사용할 수 있고, 기존의 방식보다 훨씬 얇은 카테터를 이용하여 조향 기능과 드릴링 기능을 독립적으로 구동할 수 있음으로써, 인체 내부에 보다 더 깊숙한 곳에 침투하여 의료 용도로 사용될 수 있고, 상대적으로 효율적으로 카테터 수술을 진행할 수 있는 카테터 부착형 마이크로 로봇을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 카테터 부착형 마이크로 로봇은, 환자의 외부의 다수로 배치된 자기장 방출기와, 외부 조향 자기장 또는 외부 회전 자기장의 세기를 제어하여 상기 자기장 방출기에 제공하는 자기장 제어 시스템과, 상기 환자의 병소에 삽입할 카테터를 원격으로 밀거나 잡아당기는 카테터 제어 시스템에 적용되고, 상기 카테터의 돌기에 억지 끼워맞춤 방식으로 탈부착되도록, 연결 구멍이 저면에 형성되어 있으며, 상기 저면의 반대쪽 바닥면의 중심에서 수직한 방향으로 형성된 중심샤프트와, 상기 중심샤프트의 길이보다 짧게 상기 바닥면의 테두리에서 수직한 방향으로 형성된 외벽부를 갖는 베이스부; 상기 중심샤프트에서 회전 가능하게 결합되며, 상기 외부 회전 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 드릴링 기능을 수행하도록, 제 1 자성체가 결합되어 있는 드릴부; 및 상기 중심샤프트의 끝단에 연결되며, 상기 드릴부의 이동을 제한할 수 있도록 상기 중심샤프트의 끝단보다 상대적으로 큰 직경을 갖는 헤드부를 포함하고, 상기 헤드부는 상기 외부 조향 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 조향 기능을 수행하도록, 상기 헤드부의 내부에 제 2 자성체를 구비하고 있다.

상기 베이스부는, 폴리디메칠실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS) 재질 또는 의료용으로 사용 가능한 가요성 소재 군에서 선택된 하나의 연질 재질로 형성되어 있다.

상기 중심샤프트는, 상기 바닥면의 중심에 일체형으로 연결되며, 상기 외벽부의 내경보다 작은 직경과, 상기 외벽부의 길이보다 상대적으로 긴 길이를 갖는 기저축부, 및 상기 기저축부의 상면 중심에서 일체형으로 돌출되며, 상기 기저축부의 직경보다 상대적으로 작은 직경을 갖는 연결축부를 포함한다.

상기 헤드부는, 상기 베이스부와 동일한 재질로 상기 제 2 자성체의 표면을 감싸고 있으며, 상기 드릴부가 상기 중심샤프트에 회전 가능하게 결합된 후, 상기 연결축부의 끝단에 융착되어 일체형으로 연결되어 있다.

상기 드릴부는, 상기 외벽부의 내주면과 상기 기저축부의 외주면 사이에 회전 가능하게 끼워질 수 있는 벽두께를 갖는 튜브형 몸체와, 상기 튜브형 몸체의 끝단에 일체형으로 형성되며, 상기 기저축부의 직경보다 작은 단차 구멍을 구비하여, 상기 단차 구멍을 통해서 상기 연결축부에 회전 가능하게 끼워지며, 드릴 비트와 같이 콘 형태의 경사 외주면을 갖는 몸체 끝단부와, 상기 튜브형 몸체의 외주면 및 상기 몸체 끝단부의 경사면에 형성된 나선형 홈부를 포함하고, 상기 드릴부가 상기 환자의 혈관 내부에서 혈액 또는 유체에 배치되어 상기 외부 회전 자기장에 대응한 자기 토크에 의해 회전되고, 상기 나선형 홈부가 상기 유체의 운동량을 변화시켜서, 상기 드릴부의 드릴링 기능을 위한 추력을 발생시킨다.

상기 드릴부는, 상기 베이스부와 동일한 연질 재질 또는 상기 베이스부에 비하여 상대적으로 큰 경도의 경질 재질로 형성되어 있다.

상기 드릴부는, 상기 튜브형 몸체의 내주면 또는 상기 몸체 끝단부의 단차 구멍의 내주면은 원주면으로 형성되어 있다.

상기 중심샤프트는, 상기 드릴부의 일부분이 상기 외벽부의 안쪽 공간에 들어가 있을 때, 상기 외부 조향 자기장 및 상기 제 2 자성체에 대응한 자기 토크에 의해 상기 중심샤프트의 연결축부가 벤딩됨으로써, 상기 헤드부의 위치 및 방향을 바꾸는 상기 조향 기능을 수행한다.

상기 외부 회전 자기장을 인가하였을 때 상기 드릴부와 상기 중심샤프트의 연결축부는 같이 상기 외부 회전 자기장의 방향을 따라 움직이게 된다. 상기 외부 회전 자기장 및 상기 제 1 자성체와 제 2 자성체에 대응한 자기 토크에 의해서 상기 드릴부와 상기 연결축부는 회전 또는 역회전하여 추력 또는 역추력을 발생하고, 상기 추력 또는 상기 역추력에 대응하게 이동하면서 상기 중심샤프트의 연결축부는 벤딩이 어렵게 되고, 이때부터는 상기 드릴부만이 회전을 한다.

상기 드릴링 기능과 상기 조향 기능은, 상기 드릴링 기능 및 상기 조향 기능 중 어느 하나가 진행 중일 때 다른 하나는 진행되지 않게 서로 독립적으로 이루어진다.

본 발명에 의한 카테터 부착형 마이크로 로봇은, 베이스부가 유연한 재질로 형성되며, 드릴부가 결합되어 있는 베이스부의 중심샤프트가 서로 다른 직경을 갖는 기저축부 및 연결축부로 형성되어 있음으로써, 상대적으로 작은 크기의 외부 자기장의 세기(예: 10 ~ 20mT) 만으로도 상대적으로 가장 얇은 직경을 갖는 연결축부가 용이하게 벤딩될 수 있어서, 민감하고도 민첩한 조향 기능을 발휘할 수 있는 장점이 있다.

이렇게 본 발명에 의한 카테터 부착형 마이크로 로봇은, 카테터의 끝단에 형성된 돌기에 연결된 베이스부 중에서 연결축부 만을 벤딩시킬 수 있는 외부 자기장을 사용함으로써, 연결축부의 끝단에 연결된 헤드부에 상대적으로 작은 사이즈의 자성체를 탑재할 수 있고, 이로 인하여 상대적으로 훨씬 얇은 카테터의 적용이 가능한 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의한 카테터 부착형 마이크로 로봇은, 조향 기능과 드릴링 기능을 독립적으로 구동할 수 있어서, 기존의 카테터 수술보다 시간을 상대적으로 단축할 수 있어서 환자와 의사가 방사능에 노출되는 시간이 줄어든다. 최소 침습적이면서 수술 시간이 짧기 때문에 환자의 회복 시간이 짧아질 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 카테터 부착형 마이크로 로봇은, 터널링 기능을 이용하여 난이도가 높아 개복술로만 치료 가능한 수술을 카테터를 이용한 수술로 대체하여 개복 부위를 상대적으로 작게 만들면서 최소 침습적인 방법으로 동맥경화를 치료할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 카테터 부착형 마이크로 로봇은, 베이스부의 저면에 연결구멍을 형성하여 기존의 카테터의 끝단에 형성된 돌기에 억지 끼워맞춤 방식으로 탈부착될 수 있어서, 유지 보수 및 교체가 용이한 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카테터 부착형 마이크로 로봇의 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 카테터 부착형 마이크로 로봇에서 드릴부가 회전 및 이동된 상태의 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 카테터 부착형 마이크로 로봇의 분해 조립 관계를 설명하기 위한 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 카테터 부착형 마이크로 로봇의 결합 상태를 설명하기 위한 단면도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자에 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가함을 배제하지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 카테터 부착형 마이크로 로봇의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 카테터 부착형 마이크로 로봇에서 드릴부가 회전 및 이동된 상태의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 카테터 부착형 마이크로 로봇은 베이스부(100), 드릴부(200) 및 헤드부(300)를 포함한다.

본 발명에 따른 카테터 부착형 마이크로 로봇은 환자의 외부의 다수로 배치된 자기장 방출기(21)와, 외부 조향 자기장 또는 외부 회전 자기장의 세기를 제어하여 상기 자기장 방출기(21)에 제공하는 자기장 제어 시스템(22)과, 상기 환자의 협착부 또는 폐색부 등과 같은 병소에 삽입할 카테터를 원격으로 밀거나 잡아당기는 카테터 제어 시스템(23)에 적용 또는 함께 사용될 수 있다. 자기장 제어 시스템(22)에는 외부 조향 자기장 또는 외부 회전 자기장을 시술자의 의도대로 발생시킬 수 있거나 제어할 수 있는 리모트 커트롤러(24)가 더 결합되어 있을 수 있다.

각 자기장 방출기(21)는 외부 회전 자기장 또는 외부 조향 자기장을 방출하는 자기장 라디에이터 등을 의미한다. 자기장 제어 시스템(22) 또는 카테터 제어 시스템(23)은 일반적인 혈관치료용 로봇 시스템에서 사용하는 것과 유사 또는 동일한 구성을 사용할 수 있으므로, 발명을 명확하게 한정 및 설명하기 위해서 본 실시예에서 그 상세한 설명은 생략될 수 있다.

본 발명에 따른 카테터 부착형 마이크로 로봇은 가이드와이어(미 도시) 또는 카테터(10)에 탈부착 가능하게 연결되어 사용될 수 있다.

본 발명의 카테터 부착형 마이크로 로봇은 환자 외부 등의 원격지에서 공급되는 외부 자기장을 통해 조향과 터널링을 독립적으로 수행할 수 있는 동맥경화 치료용 의료 장비로서, 시술자의 편의성과 수술시간의 최소화를 위한 최소 침습적인 방법을 실현할 수 있는 수단이다.

카테터(10)는 그의 직경보다 상대적으로 작고, 카테터(10)의 끝단에 돌출된 돌기(11)를 포함한다. 여기서, 돌기(11)는 가이드와이어 루멘(guidewire lumen) 등에 해당하는 부위이거나, 카테터(10)의 일부분을 지칭한다.

베이스부(100)는 카테터(10)의 돌기(11)에 억지 끼워맞춤 방식으로 탈부착되도록, 카테터(10)용 연결 구멍(101)이 베이스부(100)의 저면에 형성되어 있다.

본 실시예에서 연결 구멍(101)은 돌기(11)에 대하여 억지 끼워맞춤 될 수 있도록 형성되어 있다.

본 실시예를 응용하여서, 돌기가 없고 본 실시예의 로봇의 직경보다 작은 사이즈의 카테터(미 도시)의 경우에는, 작은 사이즈의 카테터의 직경에 대응하여 연결 구멍(101)을 크게 또는 작게 형성할 경우, 상기 작은 사이즈의 카테터가 억지 끼워맞춤에 의해 베이스부(100)의 연결 구멍(101)에 연결될 수도 있다. 또한, 본 실시예의 카테터 부착형 마이크로 로봇은 연결 구멍(101)을 통해 가이드와이어의 끝단부에도 직접 부착될 수 있다. 즉, 직경이 작은 카테터 또는 가이드와이어에 매우 적합하게 연결되어 사용될 수 있다.

이러한 베이스부(100)와 카테터(10)의 탈부착은 억지 끼워맞춤 방식을 이용하였지만, 나사 체결 방식 또는 클램프 방식(미 도시) 등에 의해서도 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예로서, 베이스부(100)는 저면의 반대쪽 바닥면의 중심에서 수직한 방향으로 형성된 중심샤프트(110)와, 상기 중심샤프트(110)의 길이보다 짧게 상기 바닥면의 테두리에서 수직한 방향으로 형성된 외벽부(120)를 가지는 것 역시 가능하다.

베이스부(100)는 폴리디메칠실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS) 재질 또는 의료용으로 사용 가능한 가요성 소재 군에서 선택된 하나의 연질 재질로 형성되어 있다. 베이스부(100)는 그의 재질에 있어서, 생체에 친화적인 범위 내에서 사용될 수 있는 연질 합성수지 또는 연질 플라스틱 재질로서 특별하게 한정되지 않을 수 있다. 예컨대, 베이스부(100)의 연질 재질은 생체 내에서 부작용을 발생시키지 않는 항혈전성이 우수한 연질 폴리머 재질일 수 있다.

드릴부(200)는 스크류 타입의 원통형상을 가지고 있다.

드릴부(200)는 중심샤프트(110)의 대응하여 삽입될 수 있도록 서로 다른 내경을 갖는다.

드릴부(200)도 베이스부(100)와 동일한 연질 재질로 형성될 수 있거나, 드릴부(200)의 내구성 증대를 위해서 베이스부(100)에 비하여 상대적으로 큰 경도의 경질 재질로 형성될 수도 있다.

드릴부(200)는 베이스부(100)를 기반으로 회전될 수 있는 부품을 의미한다. 드릴부(200)의 일부는 베이스부(100)의 내부에 배치되고, 드릴부(200)의 타부는 베이스부(100)의 외부에 노출된다. 드릴부(200)에는 외부 회전 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 드릴링 기능을 수행하도록, 제 1 자성체(210)가 결합되어 있다.

제 1 자성체(210)는 영구자석일 수 있다. 제 1 자성체(210)는 모터 로터와 유사한 구조를 갖는다. 즉, 제 1 자성체(210)는 드릴부(200)의 원주 방향으로 배열된 다수의 N극 또는 S극을 갖는 링형 마그네트 등을 지칭한다.

그러나 이는 당업자의 이해를 돕기 위하여 제시한 제1자성체의 한 예로서, 본 발명은 이러한 영구자석인 제1자성체를 포함함에 제한되지 아니하고, 일정한 자화 방향을 갖는 자성 물질인 제1자성체를 드릴부(200)에 코팅을 함으로써 이를 대체하는 것 역시 가능하다.

제 1 자성체(210)의 외부는 생체 내에서 부작용을 발생시키지 않는 항혈전성이 우수한 연질 폴리머 재질로 코팅되어 있을 수 있다.

헤드부(300)는 초음파 융착 또는 열융착 혹은 접착 방식으로 베이스부(100)에 연결 또는 일체화될 수 있다. 예컨대, 헤드부(300)는 베이스부(100)의 중심샤프트(110)의 끝단(114)에 결합되어 있다.

헤드부(300)의 내부에는 제 2 자성체(310)가 구비되어 있다. 헤드부(300)는 외부 조향 자기장에 의해 자기 토크를 갖게 되어 조향 기능을 수행한다. 제 2 자성체(310)도 영구자석 또는 바형 마그네트를 의미한다.

그러나 이는 당업자의 이해를 돕기 위하여 제시한 제2자성체의 한 예로서, 본 발명은 이러한 형태에 제한되지 아니하고, 일정한 자화 방향을 가지는 자성 물질인 제2자성체를 헤드부(300)에 코팅을 함으로써, 헤드부(300)의 내부에 배치되는 제2 자성체를 대체하는 것 역시 가능하다.

헤드부(300)에서 제 2 자성체(310)를 감싸는 보호막(320)의 소재는 베이스부(100)와 동일한 연질 재질로 형성된다.

헤드부(300)는 중심샤프트(110)의 샤프트 연장방향을 따라 드릴부(200)가 이동한 후, 미리 정한 이동 스트로크 범위 내에서 드릴부(200)의 이동을 제한할 수 있도록, 중심샤프트(110)의 끝단(114)보다 상대적으로 큰 직경을 갖는다.

중심샤프트(110)의 끝단(114)가 연결된 부위를 제외한 헤드부(300)의 측면 테두리부는 드릴부(200)의 이탈 또는 분리를 방지하는 정지턱 역할을 담당할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 앞서 언급한 유연한 재질 또는 연질 재질을 이용하여 상대적으로 작은 크기의 자기 토크만으로도 벤딩과 같은 굽힘 또는 복원을 이용하여 조향 기능이 수행된다.

예컨대, 조향 기능은 드릴부(200)의 일부분이 베이스부(100)의 외벽부(120)의 안쪽 공간에 들어가 있을 때, 외부 조향 자기장 및 제 2 자성체(310)에 대응한 자기 토크에 의해서 중심샤프트(110)에서 직경이 가장 얇은 부위에 해당하는 연결축부가 벤딩 또는 복원됨으로써, 헤드부(300)의 위치 및 방향을 바꾸는 것을 의미할 수 있다.

본 실시예에 따르면, 터널링 기능은 드릴부(200)에 의해 수행된다. 드릴부(200)의 회전축은 상기 조향 기능에 사용된 중심샤프트(110)일 수 있다.

제 1 자성체(210)를 갖는 드릴부(200)는 외부 회전 자기장을 이용하여 회전한다.

도 2를 참조하면, 드릴링 기능을 수행하기 위해서, 외부 회전 자기장 및 제 1 자성체(210)와 제 2 자성체(310)에 대응한 자기토크에 의해서 드릴부(200)와 중심샤프트의 연결축부(112)가 회전을 하게 된다.

이 때, 드릴부(200)의 회전 또는 역회전하여 추력 또는 역추력을 발생하고, 이러한 추력 또는 역추력에 대응되어 이동하게 된다.

드릴부(200)가 전진하였을 때 연결축부(112)는 조향하는 것을 방해 받으므로 결국 드릴부만이 회전을 하게 되며, 이러한 드릴링 기능을 통하여 환자의 혈관 벽면으로부터 이물질을 분리 또는 제거하는 것이 가능하다.

드릴부(200)는 베이스부(100)의 중심샤프트(110)에 단순히 회전 가능하게 삽입되어 있지만, 혈관 내부의 혈액 등과 같은 유체 내에 존재할 때, 일종의 스크류 또는 프로펠러와 같은 역할을 하기 때문에, 드릴부(200)의 회전에 의한 추력으로 전진 방향으로 이동하거나 또는 역회전에 의한 역추력으로 후진 방향으로 이동할 수 있다.

즉, 드릴링 기능과 조향 기능은 드릴링 기능 및 조향 기능 중 어느 하나가 진행 중일 때 다른 하나는 진행되지 않게 서로 독립적으로 이루어진다.

부연 설명하면, 조향 기능과 터널링 기능이 독립적으로 구동되기 위해서, 드릴부(200)는 베이스부(100)의 중심샤프트(110)의 샤프트 연장방향을 따라 움직일 수 있다.

도 3은 도 1에 도시된 카테터 부착형 마이크로 로봇의 분해 조립 관계를 설명하기 위한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 카테터 부착형 마이크로 로봇의 결합 상태를 설명하기 위한 단면도이다.

드릴부(200)는 앞서 언급한 바와 같이, 베이스부(100)의 중심샤프트(110)에서 회전 가능하게 결합된다.

중심샤프트(110)는 기저축부(111) 및 연결축부(112)를 포함한다.

외벽부(120)는 바닥면(102)에 의해 폐쇄되어 있고, 바닥면(102)의 반대쪽 부위는 드릴부(200)의 일부분을 수납하도록 개방되어 있다.

기저축부(111)는 베이스부(100)의 바닥면(102)의 중심에 일체형으로 연결된다. 기저축부(111)는 외벽부(120)의 내경보다 작은 직경과, 외벽부(120)의 길이보다 상대적으로 긴 길이를 갖는다.

연결축부(112)는 기저축부(111)의 상면 중심에서 일체형으로 돌출되며, 기저축부(111)의 직경보다 상대적으로 작은 직경을 갖는다.

기저축부(111) 및 연결축부(112)는 매끄러운 외주면으로 형성되어 있다.

이러한 기저축부(111) 및 연결축부(112)와 접촉하는 드릴부(200)의 해당 부위도 역시 마찰을 줄일 수 있도록 매끄러운 표면 또는 내주면으로 형성되어 있다. 따라서, 중심샤프트(110)와 드릴부(200)는 공차 정도의 틈새만을 유지하면서 회전 가능하게 결합된다.

또한, 중심샤프트(110)에는 기저축부(111) 및 연결축부(112)의 사이에 제 1 단차면(113)이 형성된다. 제 1 단차면(113)은 드릴부(200)의 제 2 단차면(225)에 대한 마찰면 또는 접촉면이 될 수 있다.

드릴부(200)는 외벽부(120)의 내주면과 기저축부(111)의 외주면 사이에 회전 가능하게 끼워질 수 있는 벽두께를 갖는 튜브형 몸체(220)와, 튜브형 몸체(220)의 끝단에 일체형으로 형성된 튜브형 몸체 끝단부(230)를 포함한다. 튜브형 몸체(220)의 외표면도 외벽부(120)의 내주면과 공차 정도의 틈새를 유지한다.

여기서, 몸체 끝단부(230)는 기저축부(111)의 직경보다 작은 단차 구멍(231)을 구비한다. 단차 구멍(231)의 직경은 연결축부(112)의 외경보다 크지만 튜브형 몸체(220)의 내경보다 작게 형성된다.

몸체 끝단부(230)는 상기 단차 구멍(231)을 통해서 상기 연결축부(112)에 회전 가능하게 끼워진다.

또한, 몸체 끝단부(230)는 드릴 비트 형상과 같이 콘 형태의 경사면(232) 또는 혈관 내에서 드릴링 기능을 효율적으로 수행할 수 있도록 설계된 형상을 갖는다.

드릴부(200)에 따르면, 튜브형 몸체(220)의 내주면(221) 또는 몸체 끝단부(230)의 단차 구멍(231)의 내주면은 매끄러운 거칠기를 갖는 원주면으로 형성되어 있다.

또한, 튜브형 몸체(220)의 내주면(221) 및 단차 구멍(231)의 내주면 사이에는 상기 제 1 단차면(113)에 대응하여 접촉 가능한 제 2 단차면(225)이 형성된다.

또한, 드릴부(200)는 튜브형 몸체(220)의 외주면 및 몸체 끝단부(230)의 경사면(232)에 형성된 나선형 홈부(240)를 포함한다. 나선형 홈부(240)는 스크류의 산과 골을 지칭할 수 있다.

또한, 헤드부(300)는 몰딩 가공을 통해서 베이스부(100)와 동일한 재질로 제 2 자성체(310)의 표면을 감싸고 있다.

이러한 헤드부(300)는 드릴부(200)가 중심샤프트(110)에 회전 가능하게 결합된 후, 중심샤프트(110)의 연결축부(112)의 끝단(114)에 융착되어 일체형으로 연결 또는 결합된다.

중심샤프트(110)의 연결축부(112)의 끝단(114)에 끼워질 수 있도록 헤드부(300)에는 위치결정홈(330)이 더 형성되어 있을 수 있다. 위치결정홈(330)은 연결축부(112)와 헤드부(300)의 조립을 용이하고 정확하게 수행하는 역할을 담당한다.

헤드부(300)는 원기둥 형상으로 형성되어 있다. 헤드부(300)의 형상은 연결축부(112)의 끝단(114)에 융착되는 곳을 제외하고, 반구 형상, 구 형상, 캡슐 형상, 타원 형상 중 어느 하나의 형상으로 변형되어 제작될 수 있다. 또한, 헤드부(300)의 형상은 혈관 내부 공간을 비집고 헤쳐나가는 성능을 극대화하기 위해서 뾰족한 형상으로 형상되어 있을 수 있고, 헤드부(300)의 사용처 또는 기능에 따라 다양한 형태로 헤드부(300)의 외형상이 제작 가능하기 때문에, 여기서는 헤드부(300)의 외형상에 대하여 특정 형상으로 한정되지 않을 수 있다.

또한, 헤드부(300)는 분리형으로 제작된 후 중심샤프트(110)에 연결되는 것으로 제작되어 있다. 만일 3D 프린팅 기술을 이용할 경우, 3D 프린터에 의해서, 드릴부(200)가 회전 가능하게 중심샤프트(110)에 결합한 상태이면서, 헤드부(300) 및 베이스부(100)가 일체형으로 형성된 상태의 출력물이 될 수 있다.

이하, 본 실시예에 따른 카테터 부착형 마이크로 로봇의 작동 관계에 대해서 설명하고자 한다.

도 1을 참조하면, 카테터 수술 도중, 드릴부(200)는 혈관 내에서 혈액 등의 유체의 압력에 의해 카테터(10) 쪽으로 이동되어서, 외벽부(120)의 안쪽 공간에 안착 되어 있을 수 있다.

이런 경우, 중심샤프트(110)는 드릴부(200)의 바깥쪽으로 노출된다.

이런 상태에서, 자기장 방출기(21)에서는 헤드부(300)의 방향 또는 위치 혹은 편향을 제어하기 위하여, 즉 조향 기능을 위해서 외부 조향 자기장이 방출된다.

헤드부(300)는 그의 제 2 자성체(310)를 통해서 상기 외부 조향 자기장에 대응한 자기 토크를 받게 되는데, 이때 중심샤프트(110)의 연결축부(112)가 연질 재질이면서도 기저축부(111)에 비해 직경이 상대적으로 작기 때문에, 굽힘 강성이 가장 낮고, 베이스부(100)가 카테터에 지지되어 있으므로, 토크연결축부(112)에서 굽힘이 발생한다.

예컨대, 중심샤프트(110)에서 연결축부(112)의 직경은 400마이크로미터이고, 기저축부(111)는 700마이크로미터이고, 외벽부(120)의 외경은 1200마이크로미터이다. 따라서, 직경 또는 외경에 따라 굽힘 강성이 상대적으로 작은 연결축부(112)를 기준으로 굽힘이 쉽게 일어날 수 있다.

이에 따라, 헤드부(300)의 방향이 외부 조향 자기장에 의해 제어되는 목표 위치 또는 목표 방향으로 비교적 쉽게 용이하게 변경될 수 있고, 그 결과 조향이 신속하게 이루어질 수 있다.

스크류 타입의 드릴부(200)는 앞서 언급한 추력에 의해 도 2와 같이 이동하게 되고, 드릴부(200)가 연결축부(112)를 감싸게 된다.

이렇게 드릴부(200)를 통해서 연결축부(112)가 벤딩되지 않을 정도로 굽힘 강성이 증대된다. 그 결과, 조향을 위해 발생된 자기 토크만으로는 조향이 불가능하게 되지만, 드릴부(200)가 직선형으로 펴진 상태의 연결축부(112) 또는 기저축부(111)(도 3 참조)를 기반으로 원활하게 회전하면서 드릴링 기능을 수행할 수 있게 된다.

특히, 드릴부(200)는 환자의 혈관 내부에서 혈액 또는 유체에 배치되어 외부 회전 자기장에 대응한 자기 토크에 의해 회전되고, 이때 나선형 홈부(240)가 상기 유체의 운동량을 변화시켜서, 드릴부(200)의 드릴링 기능을 위한 추력을 발생시킨다.

드릴부(200)는 역회전 또는 정지될 경우, 드릴부(200)는 다시 도 1과 같은 상태로 복귀될 수 있고, 다시 조향 기능이 가능한 상태가 될 수 있다.

이처럼 본 실시예에서는 조향 기능과 터널링 기능이 선택적 또는 반복적으로 시술자 또는 의사에게 제공될 수 있다.

따라서, 시술자 또는 의사는 기존과 달리 가이드와이어로 혈관내 통로를 확보하는 과정 이후 카테터를 삽입하는 터널링 과정을 추가적으로 수행하지 않고 하나의 로봇을 통해 수행함으로써, 만성완전폐쇄병변(CTO) 등의 수술을 상대적으로 신속하게 수술할 수 있고, 이에 따라 기존의 부작용도 감소시킬 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 베이스부 101 : 연결구멍
102 : 바닥면 110 : 중심샤프트
111 : 기저축부 112 : 연결축부
120 : 외벽부 200 : 드립부
210 : 제 1 자성체 220 : 튜브형 몸체
230 : 몸체 끝단부 240 : 나선형 홈부
300 : 헤드부 310 : 제 2 자성체

Claims (11)

1. 환자의 외부에 다수로 배치된 자기장 방출기와, 외부 조향 자기장 또는 외부 회전 자기장의 세기를 제어하여 상기 자기장 방출기에 제공하는 자기장 제어 시스템과, 상기 환자의 병소에 삽입할 카테터를 원격으로 밀거나 잡아당기는 카테터 제어 시스템에 적용되는 카테터 부착형 마이크로 로봇에 있어서,
   상기 카테터의 돌기에 탈부착되며, 중심샤프트를 갖는 베이스부;
   상기 중심샤프트에서 회전 가능하게 결합되며, 상기 외부 회전 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 드릴링 기능을 수행하도록, 제 1 자성체가 결합되거나 상기 제1자성체에 의하여 그 외부가 코팅되는 드릴부; 및
   상기 중심샤프트의 끝단에 연결되며, 상기 드릴부의 이동을 제한할 수 있도록 상기 중심샤프트의 끝단보다 상대적으로 큰 직경을 갖는 헤드부를 포함하고,
   상기 헤드부는 상기 외부 조향 자기장에 의해 자기 토크를 발생하여 조향 기능을 수행하도록, 상기 헤드부의 내부에 제 2 자성체를 구비하거나 상기 제2 자성체에 의하여 그 외부가 코팅되는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 베이스부는,
   폴리디메칠실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS) 재질 또는 의료용으로 사용 가능한 가요성 소재 군에서 선택된 하나의 연질 재질로 형성되어 있는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 베이스부는,
   상기 카테터의 돌기에 억지 끼워맞춤 방식으로 탈부착되도록, 연결 구멍이 저면에 형성되어 있으며, 상기 중심샤프트는 상기 저면의 반대쪽 바닥면의 중심에서 수직한 방향으로 형성되고, 상기 중심샤프트의 길이보다 짧게 상기 바닥면의 테두리에서 수직한 방향으로 형성된 외벽부를 갖는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 중심샤프트는,
   상기 바닥면의 중심에 일체형으로 연결되며, 상기 외벽부의 내경보다 작은 직경과, 상기 외벽부의 길이보다 상대적으로 긴 길이를 갖는 기저축부, 및
   상기 기저축부의 상면 중심에서 일체형으로 돌출되며, 상기 기저축부의 직경보다 상대적으로 작은 직경을 갖는 연결축부를 포함하는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 헤드부는,
   상기 베이스부와 동일한 재질로 상기 제 2 자성체의 표면을 감싸고 있으며, 상기 드릴부가 상기 중심샤프트에 회전 가능하게 결합된 후, 상기 연결축부의 끝단에 융착되어 일체형으로 연결되는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 드릴부는,
   상기 외벽부의 내주면과 상기 기저축부의 외주면 사이에 회전 가능하게 끼워질 수 있는 벽두께를 갖는 튜브형 몸체와,
   상기 튜브형 몸체의 끝단에 일체형으로 형성되며, 상기 기저축부의 직경보다 작은 단차 구멍을 구비하여, 상기 단차 구멍을 통해서 상기 연결축부에 회전 가능하게 끼워지며, 드릴 비트와 같이 콘 형태의 경사 외주면을 갖는 몸체 끝단부와,
   상기 튜브형 몸체의 외주면 및 상기 몸체 끝단부의 경사면에 형성된 나선형 홈부를 포함하고,
   상기 드릴부가 상기 환자의 혈관 내부에서 혈액 또는 유체에 배치되어 상기 외부 회전 자기장에 대응한 자기 토크에 의해 회전되고,
   상기 나선형 홈부가 상기 유체의 운동량을 변화시켜서, 상기 드릴부의 드릴링 기능을 위한 추력을 발생시키는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 드릴부는,
   상기 베이스부와 동일한 연질 재질 또는 상기 베이스부에 비하여 상대적으로 큰 경도의 경질 재질로 형성되어 있는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
8. 제 6 항에 있어서,
   상기 드릴부는,
   상기 튜브형 몸체의 내주면 또는 상기 몸체 끝단부의 단차 구멍의 내주면을 원주면으로 형성하고 있는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 중심샤프트는,
   상기 드릴부의 일부분이 상기 외벽부의 안쪽 공간에 들어가 있을 때, 상기 외부 조향 자기장 및 상기 제 2 자성체에 대응한 자기 토크에 의해 상기 중심샤프트의 연결축부가 벤딩됨으로써, 상기 헤드부의 위치 및 방향을 바꾸는 상기 조향 기능을 수행하는 것
   인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 드릴부는,
    상기 외부 회전 자기장 및 상기 제 1 자성체와 제 2 자성체에 대응한 자기 토크에 의해서, 상기 연결축부와 같이 회전 또는 역회전하여 추력 또는 역추력을 발생하되, 상기 추력 또는 역추력에 대응하게 이동함에 따라 상기 연결축부는 회전을 방해 받고, 상기 드릴부만이 회전하여 환자의 혈관 벽면으로부터 이물질을 분리 또는 제거하는 것
    인 카테터 부착형 마이크로 로봇.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 드릴링 기능과 상기 조향 기능은,
    상기 드릴링 기능 및 상기 조향 기능 중 어느 하나가 진행 중일 때 다른 하나는 진행되지 않게 서로 독립적으로 이루어지는 것
    인 카테터 부착형 마이크로 로봇.

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