KR102066327B1

KR102066327B1 - 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇

Info

Publication number: KR102066327B1
Application number: KR1020170169466A
Authority: KR
Inventors: 전승문
Original assignee: 공주대학교 산학협력단
Priority date: 2017-12-11
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2020-01-14
Also published as: KR20190069084A

Abstract

본 발명은 굴곡된 혈관을 주행할 수 있는 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것으로서, 다수의 모듈이 결합된 형태를 갖더라도, 단일 모듈일 때와 동일하게 3~4mm 이내의 최소의 조직 절개로 로봇을 체내에 삽입할 수 있는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 (a) 물리적으로 혈관 내의 혈전을 제거할 수 있고, (b) 상기 혈전이 제거됨에 따라 혈관이 협착되어 폐색되는 것을 방지할 수 있도록 보강할 수 있으며, (c) 혈전 제거 후 혈전이 재발하는 것을 방지하고 혈관을 성형할 수 있도록 약물을 제공할 수 있는 약물스텐트가 장착되고, (d) 상기 약물스텐트가 필요에 따라 구동되도록 하되, 체내에 삽입된 이후에 다시 체외로 빼지 않고도 약물스텐트의 구동이 가능하도록 구성되며, (e) 외부 자기장에 따라 로봇이 구동될 수 있어서 무선 구동이 가능한, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것이다.

Description

다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇{A MULTI-MODULAR HELICAL MAGNETIC MILLIROBOT}

본 발명은 굴곡된 혈관을 주행할 수 있는 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것으로서, 다수의 모듈이 결합된 형태를 갖더라도, 단일 모듈일 때와 동일하게 3~4mm 이내의 최소의 조직 절개로 로봇을 체내에 삽입할 수 있는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 (a) 물리적으로 혈관 내의 혈전을 제거할 수 있고, (b) 상기 혈전이 제거됨에 따라 혈관이 협착되어 폐색되는 것을 방지할 수 있도록 보강할 수 있으며, (c) 혈전 제거 후 혈전이 재발하는 것을 방지하고 혈관을 성형할 수 있도록 약물을 제공할 수 있는 약물스텐트가 장착되고, (d) 상기 약물스텐트가 필요에 따라 구동되도록 하되, 체내에 삽입된 이후에 다시 체외로 빼지 않고도 약물스텐트의 구동이 가능하도록 구성되며, (e) 외부 자기장에 따라 로봇이 구동될 수 있어서 무선 구동이 가능한, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것이다.

일반적으로 만성완전협착은 혈관 내벽에 지질이 풍부한 콜레스테롤 등이 적층되어 혈관 내강이 폐색되어 발생한다.

이와 같이 형성된 협착 병변을 구성하는 다층의 지질과 혈전 복합체는 시간이 지남에 따라서 콜라겐(collagen) 등으로 교체가 되며, 이들 콜라겐은 단분자로부터 다분자의 덩어리를 형성하게 되며, 가교반응과 칼슘화(calcification)를 거쳐 기계적으로 안정적인 인산화된 층을 형성하여 혈액의 순환을 막게 된다.

이러한 만성완전협착의 치료 방법으로는 협착 부분의 피브린-콜라겐 복합체를 화학적으로 분해함으로써 재관류하는 방법과 물리적으로 천공하는 방법이 사용되고 있다.

일반적으로 칼슘화가 진행된 단단한 협착 병변에는 특히 회전절삭방법이 유용한 것으로 알려져 있다. 그러나 현재 사용되는 물리적 천공방법들은 단단한 칼슘화 병변을 관통하는 과정에서 혈관의 중심을 따라 병변의 중심부위를 관통하기가 어렵고, 또한 혈관 조영제가 혈관의 폐색부위를 지나 혈류의 진행방향으로 투입되기 어려우므로 만성완전협착 부위를 넘어선 이후의 혈관 전개 형태의 확보가 어려워 상기의 물리적 시술도중 혈관 내벽의 손상 및 천공을 야기할 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 만성완전협착이 아닌 경우에는 혈관 중재술의 성공률이 95%에 이르는 반면에 만성완전협착인 경우에는 성공률이 70%정도 밖에 이르지 못하고 있다.

또한, 종래의 만성완전협착 치료의 대표적인 기구는 고강성(high stiffness)으로 앞부분이 크고 날카로운 와이어를 사용하여 뚫게 되는 치료를 수행하였다.

그러나 이러한 기구는 와이어를 이용하여 밀어줄 때 정확히 협착물의 중심을 맞추기가 어렵고 방향 조절이 어렵다는 단점이 있다.

이와 같이 만성완협착과 같은 혈관 치료에서 마이크로로봇을 이용한 최소침습시술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 마이크로로봇을 이용하는 경우에는 절개 부위를 최소화하여 환자의 고통을 줄일 수가 있으며, 회복기간도 짧게 할 수 있는 장점과 함께, 종래의 시술방법과 비교하여 시술자가 고도의 숙련도를 필요로 하지 않는다.

그러나 종래 다수 공개된 마이크로로봇에 관련된 기술은, 구동에 대한 신뢰성 확보가 어려운 실정이다.

예를 들면, 공개특허공보 제10-2014-0026957호의 혈관치료용 마이크로로봇 및 시스템이 기재되어 있는데, 상기 기술은, 교류의 경사자기장을 이용하여 무선으로 혈관의 협착물 제거가 가능한 혈관치료용 마이크로로봇 및 그 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 마이크로로봇은, 일측 선단부에 절삭툴(111)이 마련되며, 내부에 가이드 중공부(112)가 형성된 하우징(110)과; 상기 가이드 중공부(110) 내에 위치하여 전후 운동이 가능한 영구자석(120)을 포함하여, 외부의 경사 자계 코일부에 의해 발생된 교류 경사자기장에 의해 마이크로로봇의 해머링 구동이 가능하므로, 구성이 단순하여 제작이 용이하면서도 효과적인 혈관 치료가 이루어질 수 있도록 한다.

그러나 상기 기술은, 본 출원인이 제안하고자 하는 (a) 물리적으로 혈관 내의 혈전을 제거할 수 있고, (b) 상기 혈전이 제거됨에 따라 혈관이 협착되어 폐색되는 것을 방지할 수 있도록 보강할 수 있으며, (c) 혈전 제거 후 혈전이 재발하는 것을 방지하고 혈관을 성형할 수 있도록 약물을 제공할 수 있는 약물스텐트가 장착되고, (d) 상기 약물스텐트가 필요에 따라 구동되도록 하되, 체내에 삽입된 이후에 다시 체외로 빼지 않고도 약물스텐트의 구동이 가능하도록 구성되며, (e) 외부 자기장에 따라 로봇이 구동될 수 있어서 무선 구동이 가능하도록 하는 목적을 모두 달성할 수 없는바, 차이가 있다고 사료된다.

공개특허공보 제10-2014-0026957호(2014.03.06.)

본 발명의 목적은, 굴곡된 혈관을 주행할 수 있는 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것으로서, 다수의 모듈이 결합된 형태를 갖더라도, 단일 모듈일 때와 동일하게 3~4mm 이내의 최소의 조직 절개로 로봇을 체내에 삽입할 수 있는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, (a) 물리적으로 혈관 내의 혈전을 제거할 수 있고, (b) 상기 혈전이 제거됨에 따라 혈관이 협착되어 폐색되는 것을 방지할 수 있도록 보강할 수 있으며, (c) 혈전 제거 후 혈전이 재발하는 것을 방지하고 혈관을 성형할 수 있도록 약물을 제공할 수 있는 약물스텐트가 장착되고, (d) 상기 약물스텐트가 필요에 따라 구동되도록 하되, 체내에 삽입된 이후에 다시 체외로 빼지 않고도 약물스텐트의 구동이 가능하도록 구성되며, (e) 외부 자기장에 따라 로봇이 구동될 수 있어서 무선 구동이 가능한, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇을 제공하는데 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇은, 헤드모듈, 바디모듈 및 꼬리모듈을 포함하는 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇(MHMM)에 있어서, 상기 헤드모듈 및 꼬리모듈은 스크류 형태의 나선형으로 구성되고, 상기 헤드모듈의 선단에는 외부 회전 자기장(ERMF)에 의해 구동되는 로터리 팁이 구성되며, 상기 헤드모듈의 후방측으로 제1 연결부(C-1)가 구성되고, 상기 바디모듈의 양단에는 제2 연결부(C-2) 및 제3 연결부(C-3) 구성되되, 제2 연결부(C-2)는 상기 헤드모듈의 제1 연결부(C-1)와 연결되고, 제3 연결부(C-3)는 상기 꼬리모듈에 구성된 제4 연결부(C-4)와 연결되며, 상기 제1 연결부(C-1)와 제2 연결부(C-2)의 연결 및 제3 연결부(C-3)와 제4 연결부(C-4)의 연결는 상호 90°회전되어 수직되는 방향을 갖고, 상기 로터리 팁의 구동에 의해 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇(MHMM)이 혈관 내에서 이동이 가능한 것을 특징으로 한다.

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또한, 상기 바디모듈은 일측에 압축된 형태의 스텐트가 구성되고, 상기 스텐트의 외측으로 스텐트의 압축을 단속하는 스텐트 커버가 나선형으로 구성되되, 상기 스텐트는 스텐트 커버가 제거되면 팽창되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 꼬리모듈은 맨 후방에 축으로 결합된 자석으로 구성된 스텐트 구동부가 포함되고, 상기 스텐트 구동부는 이의 축을 통해 스텐트 커버에 줄로 연결됨으로써, 스텐트 구동부가 구동되면 스텐트 커버가 바디모듈에서 꼬리모듈로 이동되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 스텐트 커버가 바디모듈로부터 제거됨에 따라 스텐트가 팽창되는 경우, 로터리 팁에 의해 혈전이 제거된 혈관 내벽을 팽창된 스텐트가 지지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 로터리 팁은 NdFeB계 자석을 사용하되, 상기 자석은 955,000A/m의 자화를 갖고, 2mm의 두께를 갖으며, 2.5mm 및 5mm의 내경과 외경을 갖는 것을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 의하면, 굴곡된 혈관을 주행할 수 있는 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 관한 것으로서, 다수의 모듈이 결합된 형태를 갖더라도, 단일 모듈일 때와 동일하게 3~4mm 이내의 최소의 조직 절개로 로봇을 체내에 삽입할 수 있는 이점이 있다.

또한, 이러한 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇에 의하여,

(a) 물리적으로 혈관 내의 혈전을 제거할 수 있고,

(b) 상기 혈전이 제거됨에 따라 혈관이 협착되어 폐색되는 것을 방지할 수 있도록 보강할 수 있으며,

(c) 혈전 제거 후 혈전이 재발하는 것을 방지하고 혈관을 성형할 수 있도록 약물을 제공할 수 있는 약물스텐트가 장착되고,

(d) 상기 약물스텐트가 필요에 따라 구동되도록 하되, 체내에 삽입된 이후에 다시 체외로 빼지 않고도 약물스텐트의 구동이 가능하도록 구성되며,

(e) 외부 자기장에 따라 로봇이 구동될 수 있어서 무선 구동이 가능한 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇이 혈관 내부를 운동하는 것을 나타내는 것(a)과 MHMM의 개략적인 구성(b)을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇을 나타낸 것으로서, (a)는 단부에 부착된 헤드모듈에 로터리 팁이 구비된 것을 나타낸 것이고, (b)는 나선형 몸체 축을 따라 헤드모듈을 회전시키기 위해 필요한 ERMF의 그래픽을 표현한 것이며, (c)는 MHMM의 인접한 두 모듈 사이를 연결하는 유니버셜 조인트의 기하학적 구성을 나타낸 것이다.
도 4는 모든 Ø_{k, k+1}가 0일 때, 각 모듈의 각속도와 가속도는 일정하지만, Ø_{k, k+} ₁와 모듈(k)의 차수가 증가함에 따라 회전 중에 변동한다는 것을 나타내는 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 MHMM을 검증하기 위한 실험 설정을 나타낸 것으로서, (a)는 ERMF를 생성하고 제어하는 MNS이고, (b)는 MHMM이며, (c)는 수직 수로 채워진 유리 튜브에서 동작되는 헤드모듈만 있는 것이고, (d)는 in-line 상태의 MHMM를, (e)는 arc 상태의 MHMM를, (f)는 지그재그 형태의 MHMM를 나타낸 것이다.
도 6은 인간의 심장 혈관 시스템을 모방한 맥 흐름을 구현한 박동수 흐름이 있는 수평 두 갈래로 갈라진 유리관에서 MHMM의 헬리컬 네비게이션 및 막힘 제거(unclogging) 동작을 나타낸 것이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 사항은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도면을 참조하여 설명하기에 앞서, 본 발명의 요지를 드러내기 위해서 필요하지 않은 사항 즉 통상의 지식을 가진 당업자가 자명하게 부가할 수 있는 공지 구성에 대해서는 도시하지 않거나, 구체적으로 기술하지 않았음을 밝혀둔다.

오랫동안 인간의 심장 혈관 계통에서 협착되거나 막힌 동맥에 의해 나타나는 폐색성 혈관 질환은 사망의 주요 원인이 되어 치료가 지속되고 있었다.

이러한 치료 요법으로, 경피적 관상 동맥 중재술(percutaneous coronary intervention)이라고 하는 저침습요법이 사용되고 있지만, 사용되는 테더형 장치가 유선이기 때문에 구조적 한계로 인해 제한적인 적용만 가능할 뿐이다.

반면, 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇(MULTI-MODULAR HELICAL MAGNETIC MILLIROBOT, MHMM)은 동력 전달 장치나 액추에이터가 필요없기 때문에 효율적인 소형화가 가능하고, 다중 모듈이 각 2개 축으로 구동될 수 있으므로, 좁고 꼬인 체내의 혈관에서의 구동이 유리하다.

이와 같은, 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇은, 첨부된 도면의 도 1과 같이 헤드모듈, 바디모듈 및 꼬리모듈로 구성된다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇을 나타낸 것이다.

헤드모듈(Head module)은, MHMM의 진행방향의 최선단에 위치되고, 이의 진행방향 기준의 단부에는 MHMM의 진행을 가능하게 하는 로터리 팁(Rotary tip)이 구성되는데, 상기 로터리 팁(Rotary tip)의 후방측으로는 스크류 형태의 나선형의 헤드몸체가 구성되고, 상기 헤드몸체의 후방측으로는 제1 연결부(C-1)가 형성된다.

로터리 팁(Rotary tip)은, MHMM의 진행방향과 수직방향을 갖는 축을 갖으며, 상기 축은 헤드몸체의 진행방향측으로 형성된 가이드부에 감싸짐으로써, 로터리 팁(Rotary tip)의 일부만 노출되도록 구성함으로써, 혈관 내부를 이동하여도 혈관에서 회전 운동할 때 혈관 벽을 손상하는 것을 방지할 수 있다.

헤드몸체는, 나선형으로 구성됨에 따라 혈관 내부를 운동하면서 혈관 벽에 형성된 혈전을 제거할 수 있다.

이러한 헤드모듈은 상기 제1 연결부(C-1)을, 바디모듈의 제2 연결부(C-2)와 연결시켜, 바디모듈과 연결될 수 있다.

이때, 제1 연결부(C-1)와 제2 연결부(C-2)는 축의 단부가 삽입될 수 있도록 고리가 형성되며, 상호 90°회전되어 수직되는 방향을 갖도록 한다.

그리고 도 1과 같이 연결 축을 '+'형태로 구성함으로써, 축의 4개 단부가 제1 연결부(C-1)와 제2 연결부(C-2)에 삽입되어 고정되도록 함으로써, 헤드모듈과 바디모듈이 4방향으로 회동될 수 있도록 한다. 즉, 연결 축은 유니버셜 조인트로 구성된다.

이는 후술되는 바디모듈과 꼬리모듈을 연결하는 제3 연결부(C-3)와 제4 연결부(C-4) 역시 마찬가지이다.

바디모듈은, 양단에 제2 연결부(C-2)와 제3 연결부(C-3)가 각각 구성된다.

이러한 제2 연결부(C-2)와 제3 연결부(C-3) 사이에는, 이들을 잇는 봉이 연결되는데, 이 봉의 외측으로는 스텐트(Self-expandable Stent)가 감싸진다.

그리고 스텐트의 외측으로는 스텐트 커버(Stent cover)가 나선형으로 구성되어, MHMM이 운동할 때, 스크류 형태의 나선형으로 형성되지 않은 바디모듈의 움직임이 가능하도록 하고, 또 혈관 내벽에 닿을 때에도 혈관이 손상되지 않도록 한다.

꼬리모듈은, 바디모듈의 제3 연결부(C-3)에 연결되는 제4 연결부(C-4)를 포함하고, 상기 제4 연결부(C-4)의 후방측으로는 스크류 형태의 나선형으로 구성된 꼬리몸체가 구성된다. 그리고 상기 꼬리몸체의 후방측으로는 스텐트 구동부가 구성된다.

이때, 스텐트 구동부는 외부 자력에 의해 구동되는 것으로서, 각 단부에 축이 구성되어, 꼬리모듈의 꼬리몸체에 구성된 고리에 삽입되어, 축을 기준으로 회전할 수 있다.

즉, 스텐트 구동부는 자석으로 구성되고, 상기 축에는 줄(Stent releasing cord)이 연결되어, 상기 줄이 스텐트 커버에 연결되도록 구성된다. 따라서, 스텐트 구동부가 회전함에 따라 줄이 감겨 스텐트 커버가 바디모듈에서 꼬리모듈로 이동될 수 있도록 한다.

이와 같이, 스텐트 커버가 꼬리모듈로 이동되게 되면, 스텐트가 제한을 받지 않아서 팽창되어 부피가 커지게 되고, 이로 인해 혈전이 제거된 혈관을 지지하게 됨에 따라 혈관이 협착되는 것을 방지해준다.

이러한 스텐트 구동부의 자석 구동은 본 발명에 따른 명세서에 기재된 로터리 팁의 구동원리와 동일하나, 로터리 팁 보다는 상대적으로 느린 회전자기장을 사용한다.

MHMM이 혈관 내부를 운동하는 것을 첨부된 도면의 도 2를 통해 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇이 혈관 내부를 운동하는 것을 나타내는 것(a)과 MHMM의 개략적인 구성(b)을 나타낸 것이다.

헤드모듈의 로터리 팁은 도 2에 도시된 외부 회전 자기장(external rotating magnetic field, ERMF)에 의해, 로터리 팁의 자석(Ring magnet)이 구동되어 운동된다.

이러한 헤드모듈의 로터리 팁은 도 3에 도시된 바와 같이 나선형의 바디몸체와 로터리 팁의 축을 따라 회전할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇을 나타낸 것으로서, (a)는 단부에 부착된 헤드모듈에 로터리 팁이 구비된 것을 나타낸 것이고, (b)는 나선형 몸체 축을 따라 헤드모듈을 회전시키기 위해 필요한 ERMF의 그래픽을 표현한 것이며, (c)는 MHMM의 인접한 두 모듈 사이를 연결하는 유니버셜 조인트의 기하학적 구성을 나타낸 것이다.

이때, 로터리 팁에 사용된 자석의 방향(magnetic moment, m)은 자기 토크 방정식을 기반으로 적용된 자기장과 항상 일치하기 때문에 도 3의 (b)에 도시된 ERMF는 아래의 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

즉, 아래의 [수학식 1]은 헤드몸체의 축(P)을 따라 전방 또는 후방으로 헤드모듈을 나선형으로 이동하기 위한 것이다.

이때, B₀는 ERMF의 크기, ω는 각속도, U는 P의 수직인 단위 벡터 및 δ는 P로부터 로터리 팁의 각을 나타낸 것이다.

또한, [수학식 1]은 ω가 0(정적 자기장, static magnetic field)이고, δ가 90°가 아닌 경우 헤드모듈의 방향을 제어하는데 사용된다.

따라서, ERMF(ω≠0, δ≠0)는 헤드모듈의 방향과 회전 운동을 동시에 제어할 수 있다.

상술된 바와 같이 헤드모듈에 대해 임의의 개수만큼 추가 모듈이 유니버셜 조인트에 의해 직렬로 연결되어 MHMM을 구성한다고 가정하였을 때, 기하학적으로 구부러진 튜브는 도 2의 (a)와 같이 구성될 수 있다.

이때, 헤드모듈이 ERMF에 의해 나선형으로 회전되면, 헤드모듈 후방측의 나머지 모듈들도 각각의 나선형으로 회전운동하는 헤드모듈을 따라 동시에 회전하게 된다.

예를 들어, k번째 유니버설 조인트에 의해 연결된 k번째 모듈과 k+1번째 모듈에 대해 회전하는 두 개의 단위벡터와, k+1번째 모듈에 대해 각각 회전하는 r_k 및 r_k+1은 도 3의 (c)과 같이 정의될 수 있다.

이들 벡터는 회전 중에 항상 서로 직각을 유지하기 때문에(r_k·r_k ₊₁=0) k+1모듈의 각도 변위 (k 및 k+1) 사이의 각도 관계는 오일러 각(Euler angles)과 회전 행렬(Rotation matrices)을 사용하여 아래의 [수학식 2]와 같이 도출될 수 있다.

여기서, k 및 k+1은 k번째 모듈과 k+1번째 모듈 사이의 각도이다. 이때, 상기의 k번째 모듈의 각 변위는 아래 [수학식 3]에 의해 헤드모듈 각도위치(θ₁)로 표현될 수 있다.

이를 기반으로, k번째 모듈의 각속도 및 가속도는 각각 수학식 2의 1차 및 2차 시간 도함수를 계산하여 헤드모듈의 각속도 및 가속도로 나타낼 수 있다.

또한, [수학식 2]와 [수학식 3]을 통해 각 모듈의 회전운동이 다른 모듈과 비선형적으로 관련되어 있음을 알 수 있다.

헤드모듈에 주어진 일정한 각속도(ω₁=2π rad/s (1Hz))에 대해, Ø_{k, k+1}의 변화에 대한 헤드모듈, 바디모듈 및 꼬리모듈의 각속도의 변화(ω₁, ω₂ 및 ω₃), 가속도(α₁,α₂ 및 α₃)의 변화는 도 4에 도시된 바와 같이 계산될 수 있다.

도 4는 모든 Ø_{k, k+1}가 0일 때, 각 모듈의 각속도와 가속도는 일정하지만, Ø_{k, k+} ₁와 모듈(k)의 차수가 증가함에 따라 회전 중에 변동한다는 것을 나타내는 것이다. 즉, 도 4를 통해 헤드모듈보다 빠른 각속도는 이러한 변동을 증가시킬 수 있는 것이다.

첨부된 도면의 도 4를 참조하면, 헤드모듈, 바디모듈 및 꼬리모듈의 각속도와 가속도의 변화를 나타낸 것으로서, Ø_{k, k+1}의 변화의 정도에 따라, MHMM의 후측 모듈(꼬리모듈 방향)은 회전 중에 불안정한 것으로 나타났다.

이로 인해, MHMM가 회전 중에 덜거덕거림이나 흔들림이 발생될 수 있으며, 이에 따라 로봇 본체와 튜브 벽에 바람직하지 못한 압력이 발생될 수 있다.

따라서, [수학식 3]은 MHMM이 안정되고 안전한 방식으로 조작될 수 있도록 모듈의 수, 관의 곡률 및 항법속도와 같은 적절한 작동조건을 결정하는데 사용되는 것이다.

상술된 구조를 갖는, 본 발명에 따른 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇을 검증하기 위하여 다양한 실험을 수행하였다.

먼저, 자기 항법 시스템(Magnetic Navigation System, MNS)은 다양한 외부 회전 자기장(External Rotating Magnetic Field, ERMF)을 생성하고 제어하기 위하여 구축되었다(도 5의 (a) 참조).

MNS는 3쌍의 균일한 코일(x축의 헬름홀츠 코일, y축의 균일한 새들코일 및 z축의 균일한 새들코일)로 구성되어 있으며, 이 코일의 입력 전류는 제어판에서 동시에 독립적으로 제어할 수 있다.

또한, 최대 유속 1000cc/min의 유량 발생기를 MNS에 설치하여 체외 순환식 박동 유동 환경을 구축하였다.

또한, MHMM은 멀티 제트 성형 기반의 3차원 프린팅 기술을 사용하여 자외선 경화형 아크릴 플라스틱으로 제작하였다(도 5의 (d), (e) 및 (f) 참조).

자석은 NdFeB계 자석을 사용하고, 955,000A/m의 자화를 갖고, 2mm의 두께를 갖으며, 2.5mm 및 5mm의 내경과 외경을 갖는 것을 사용하여 로터리 팁에 적용하였다.

로터리 팁은, 외경이 요철(凹凸)이 반복되는 범프로 덮여있어서 ERMF에 의해 작동되는 언클럭모션(Unclogging Motion)을 발생시킬 수 있다.

실험방법은, 먼저 MHMM과 헤드모듈만 구비된 것의 유체 역학적 추진력을 조사하기 위하여, 내경이 10mm인 정적인 물로 채워진 직선 유리관에서 조사하였다.

이때 ERMF는 B₀=10mT, P=[100]^T, δ=90° 및 50π rad/s (25Hz)로 하고, 이 조건에서 MHMM과 헤드모듈만 구비된 것은 수평 배치된 튜브에서 20mm/s의 이동속도로 헬리컬 네비게이션 동작을 생성할 수 있었다.

그러나 MHMM이 헤드모듈만 구비된 것보다 2배 더 무겁고, 나선형 나사 영역이 3개 더 컸기 때문에, MHMM은 상대적으로 더 큰 추진력 대 중량비를 가질 것으로 예상되었고, 이로써 헬리컬 네비게이션 동작이 수직으로 배치된 튜브에서 보다 효과적으로 생성될 수 있었다(도 5의 (b) 및 (c) 참조).

예상대로, B₀=10mT, P=[100]^T, δ=90°일 때, MHMM의 수직 평형 위치를 유지하기 위해 요구되는 ERMF의 각속도는 59π rad/s (25Hz)로 측정되었고, 별도의 헤드모듈만 구비된 것에 필요한 ERMF의 각속도는 110 rad/s 보다 훨씬 높은 값으로 측정되었다.

또한, 도 6과 같이 인간의 심장 혈관 시스템을 모방한 맥 흐름에서 MHMM은 나선형 탐색 움직임을 나타내었다.

직경 10mm인 수평의 두 갈래로 갈라진 유리튜브(도 6 참조)에서 물의 유속을 300cc/min, 맥동 주파수를 1.2Hz로 했을 때, MHMM의 현재 위치를 유지하기 위해 요구되는 각속도는 36π rad/s (18Hz)로 측정되었다.

이때, 도 6의 Step 1에서 ERMF는 B₀=10mT, P=[100]^T, ω=50π rad/s, δ=90°일 때, 튜브의 유출구에 위치한 MHMM은 평균 이동속도가 8mm/s인 x축을 따라 나선형으로 이동하여 두 갈래 지점에 도달한다.

이 후, MHMM은 ERMF의 P와 δ가 각각

와 δ=45°로 바뀌었을 때, 하부 분지로 이동하였다(STEP 2).

이보다 더 빠른 ERMF(ω=80π rad/s)에서 MHMM은 막힘 현상이 발생된 지점에서 막힘 제거(unclogging) 동작이 가능하다(STEP 3). 이 경우, MHMM의 꼬리모듈은 상대적으로 짧은 하부 브랜치로 인해 x축(Ø_2,3=30°)을 따라 정렬되면서 회전운동 중에 덜거덕거림이 발생되었다. 이는 ERMF의 각속도가 증가함에 따라 덜거덕거림의 정도가 강하게 발생되는 것을 알 수 있었다.

이후, MHMM은 STEP 4와 같이, STEP 2에서 사용된 ERMF의 역전에 의해 다시 두 갈래 지점의 후방으로 이동되었고, MHMM를 다시 STEP 5 및 6과 같이 이동하기 위한 MHMM의 추가 항법 동작은 ERMF의 P를

및 [100]^T로 순차적으로 변화시킴으로써 생성되었다.

따라서, MHMM이 안정된 작업 조건 내에서 작동된다면, 원형 MHMM은 ERMF에 의해 단순히 작동되는 곡선 튜브에서 네비게이션 및 막힘 제거(unclogging) 동작을 효과적으로 생성할 수 있을 것으로 기대된다.

상기에서 도면을 이용하여 서술한 것은, 본 고안의 주요 사항만을 서술한 것으로, 그 기술적 범위 내에서 다양한 설계가 가능한 만큼, 본 고안이 도면의 구성에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

Claims

헤드모듈, 바디모듈 및 꼬리모듈을 포함하는 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇(MHMM)에 있어서,
상기 헤드모듈의 몸체 및 꼬리모듈의 몸체는 스크류 형태의 나선형으로 구성되고,
상기 헤드모듈의 선단에는 외부 회전 자기장(ERMF)에 의해 구동되는 로터리 팁이 구성되며, 상기 헤드모듈의 후방측으로 제1 연결부(C-1)가 구성되고,
상기 바디모듈의 양단에는 제2 연결부(C-2) 및 제3 연결부(C-3) 구성되되, 제2 연결부(C-2)는 상기 헤드모듈의 제1 연결부(C-1)와 연결되고, 제3 연결부(C-3)는 상기 꼬리모듈에 구성된 제4 연결부(C-4)와 연결되며,
상기 제1 연결부(C-1)와 제2 연결부(C-2)의 연결 및 제3 연결부(C-3)와 제4 연결부(C-4)의 연결는 상호 90°회전되어 수직되는 방향을 갖고,
상기 로터리 팁의 구동에 의해 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇(MHMM)이 혈관 내에서 이동이 가능한 것을 특징으로 하는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 바디모듈은,
일측에 압축된 형태의 스텐트가 구성되고,
상기 스텐트의 외측으로 스텐트의 압축을 단속하는 스텐트 커버가 나선형으로 구성되되,
상기 스텐트는 스텐트 커버가 제거되면 팽창되는 것을 특징으로 하는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇.
청구항 3에 있어서,
꼬리모듈은,
맨 후방에 축으로 결합된 자석으로 구성된 스텐트 구동부가 포함되고,
상기 스텐트 구동부는,
이의 축을 통해 스텐트 커버에 줄로 연결됨으로써, 스텐트 구동부가 구동되면 스텐트 커버가 바디모듈에서 꼬리모듈로 이동되도록 하는 것을 특징으로 하는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇.
청구항 4에 있어서,
상기 스텐트 커버가 바디모듈로부터 제거됨에 따라 스텐트가 팽창되는 경우, 로터리 팁에 의해 혈전이 제거된 혈관 내벽을 팽창된 스텐트가 지지하는 것을 특징으로 하는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇.
청구항 1에 있어서,
상기 로터리 팁은,
NdFeB계 자석을 사용하되, 상기 자석은 955,000A/m의 자화를 갖고, 2mm의 두께를 갖으며, 2.5mm 및 5mm의 내경과 외경을 갖는 것을 사용하는 것을 특징으로 하는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 외부 회전 자기장(ERMF)에 의해 헤드모듈이 나선형으로 회전되면, 바디모듈 및 꼬리모듈도 헤드모듈을 따라 동시에 회전하게 되며,
어느 하나의 모듈(k)과 다음 단의 모듈(k+1)에 대해 회전하는 두 개의 단위벡터와 k+1번째 모듈에 대해 각각 회전하는 r_k 및 r_k+1은 서로 직각을 유지하고,
이들 r_k 및 r_k+1은 오일러 각과 회전 행렬을 사용하여 아래의 수학식과 같이 도출되는 것을 특징으로 하는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇.
청구항 8에 있어서,
어느 하나의 모듈(k)의 변위는 아래의 수학식에 의해 각도위치(θ₁)로 표현되는 것을 특징으로 하는, 다중 모듈 헬리컬 자기 밀리 로봇.