KR102178977B1 - 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터 - Google Patents

광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 인젝터(100)는 상기 인젝터(100)와 타깃 표면(S) 사이의 거리를 일정하게 유지시키도록 구동되는 손떨림보정부와, 상기 타깃의 타깃 층(L)에 약물을 주입하기 위해 구동되는 주입부와, 상기 인젝터(100)의 기울어진 각도를 측정하는 각도센서를 포함하여 이루어진다.

Description

광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터{Smart injector system with acute angle injection for ultra-precise surgery}
본 발명은 CP-OCT(Common-Path Optical Coherence Tomography) 거리 센싱 기반 손떨림 보정 및 정밀 주입이 가능한 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터에 관한 것이다.
떨림은 상보적으로 움직이는 주동근, 길항근의 복합 운동에 의해 발생되는 불수의적인 현상이다.
정상인에게도 50~150μm의 진폭과 6~12Hz의 주파수가 비정상 생리학적 손떨림이 존재한다.
특히 수술 절차의 섬세함과 복잡함이 요구되는 미세 수술에서는 이러한 손떨림 현상 문제가 오랫동안 제기되었으며, 그중에서도 망막수술은 굉장히 민감하고, 망막 수술에 의해 합병증들을 유발할 수 있기 때문에 보다 정교한 수술 도구 및 이의 오차를 보정하는 개선책이 필요하다.
망막의 소정 깊이의 타깃 층으로 약물을 주입하는 망막수술은 약물 주입 시 망막의 타깃 층으로 주입바늘을 주입한 후, 상기 주입바늘을 통해 약물 주입이 이루어진다.
이때, 주입바늘의 망막 주입 시 망막과 예각 주입이 이루어졌을 경우 출혈 및 합병증들이 일어날 확률이 감소한다.
그러나 종래기술들에는 주입바늘과 망막 사이의 각도를 알 수 없으며, 망막으로부터 얼마나 기울인 상태로 주입바늘이 주입되는지 알 수 없어 정밀한 주입이 이루어지기 어려운 문제가 있다.
또한, 인젝터가 기울어진 상태에서는 망막과 인젝터의 주입바늘 사이의 거리가 달라져 타깃 층으로 정밀한 주입바늘의 주입이 어려운 문제가 있다.
또한, 망막의 타깃 층으로 약물이 주입되면 망막 표면이 부풀어 오르게 되는데 이러한 경우 손떨림 보정에 의해 주입바늘이 타깃 층으로부터 멀어져 약물 전달 효율이 저하되는 문제가 있다.
따라서 당 업계에서는 상기와 같은 망막수술을 수행함에 있어 예각 주입에 따른 오차를 보상하여 정밀한 약물 주입을 수행할 수 있으며, 망막 표면의 부풀음 현상에 따른 오차를 보상하여 주입 바늘을 타깃 층에 위치시킬 수 있는 스마트 인젝터 시스템에 대한 개발이 시급한 실정이다.
미국특허 공개번호 제20160030240호(공개일자 2016.02.04) 미국특허 등록번호 제09907696호(등록일자 2018.03.06) 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1746963호
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 타깃과 인젝터 사이의 각도를 실시간으로 측정하면서 인젝터의 기울어진 각도에 따른 오차를 보상하여 타깃 층으로의 정밀한 주입을 가능하게 하고, 타깃 표면의 부풀음 현상을 고려하여 주입 바늘을 타깃 층에 위치시킬 수 있는 초정밀 수술을 위한 예각주입이 가능한 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 인젝터(100)는 상기 인젝터(100)와 타깃 표면(S) 사이의 거리를 일정하게 유지시키도록 구동되는 손떨림보정부와, 상기 타깃의 타깃 층(L)에 약물을 주입하기 위해 구동되는 주입부와, 상기 인젝터(100)의 기울어진 각도를 측정하는 각도센서를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 손떨림보정부는 제1정밀모터(102)(101)와, 상기 제1정밀모터(101)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제1로드(102)와, 상기 제1로드(102)의 하부측에 결합된 조인트(103)와, 상기 조인트(103)의 하부측에 결합되고, 상기 제1로드(102)와 동일축선상에 위치하는 경통형상의 프루브(104)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 주입부는 상기 제1로드(102)와 프루브(104) 사이에 배치되도록 상기 조인트(103)에 결합되는 제2정밀모터(201)와, 상기 제2정밀모터(201)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제2로드(202)와, 상기 제2로드(202)의 하단에 결합되고, 상기 프루브(104) 내부를 따라 하부측으로 구동되어 타깃 층(L)에 약물을 주입하는 내부바늘(203)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 스마트 인젝터 시스템은 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S) 간의 거리를 기설정된 거리값에 유지되도록 상기 제1정밀모터(101)를 제어하며, 상기 타깃 층(L)으로 상기 내부바늘(203)이 주입되도록 제2정밀모터(201)를 제어하는 컨트롤부를 더 포함한다.
또한, 상기 컨트롤부는 상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 표면(S) 사이의 거리를 측정하는 거리측정부와, 상기 거리측정부에 의해 측정된 거리/위치 정보와 상기 각도센서에서 측정된 상기 인젝터(100)의 기울어진 각도 정보를 실시간으로 획득하며, 상기 제1정밀모터(101)와 제2정밀모터(201)를 제어하는 신호를 생성하는 CPU(300)와, 상기 CPU(300)로부터 전달된 신호에 따라 상기 제1정밀모터(101)를 구동시키는 제1모터컨트롤러(401) 및 상기 CPU(300)로부터 전달된 신호에 따라 상기 제2정밀모터(201)를 구동시키는 제2모터컨트롤러(402)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 CPU(300)는 상기 거리측정부에 의해 실시간으로 측정된 거리/위치 정보와 상기 기설정된 거리값 정보를 비교하여 상기 인젝터(100)의 떨림을 검출하고, 상기 검출된 떨림에 대한 보상을 위해 거리/위치 변화량을 산출하고, 상기 변화량으로부터 제1보상치를 산출하여, 상기 변화량으로부터 산출된 제1보상치 따라 상기 제1정밀모터(101)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
또한, 상기 CPU(300)는 상기 제1정밀모터(101)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제1로드(102)의 이동거리를 측정한다.
또한, 상기 CPU(300)는 상기 인젝터(100)의 떨림이 보정된 후, 상기 인젝터(100)의 내부바늘(203)이 상기 타깃 표면(S)과 예각을 이루면서 주입되도록 상기 인젝터(100)를 소정각도로 기울일 때, 상기 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도를 아래의 [수학식1]을 통해 실시간으로 측정할 수 있다.
[수학식1]
Figure 112018117228396-pat00001
또한, 상기 CPU(300)는 상기 인젝터(100)가 기울어진 상태에서 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 거리와, 수술 초기 시 상기 인젝터(100)의 떨림이 보정된 상태에서의 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 거리가 동일하게 유지되도록, 상기 측정된 제1로드(102)의 이동거리에 대한 보상을 위해 제2보상치를 산출하고, 상기 제2보상치에 따라 상기 제1정밀모터(101)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
또한, 상기 CPU(300)는 상기 인젝터(100)의 기울어진 상태에 따라 상기 측정된 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도 정보와, 상기 인젝터(100)를 기울인 상태에서 상기 거리측정부에 의해 측정된 거리/위치 정보와, 기설정된 타깃 표면(S)에서 타깃 층(L)까지의 거리 정보를 통해 상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리를 실시간으로 측정하고, 상기 측정된 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리에 따라 상기 내부바늘(203)이 타깃 층(L)으로 주입되도록 상기 제2정밀모터(201)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
또한, 상기 타깃 층(L)으로 내부바늘(203)이 주입되어 약물이 주입되고, 약물 주입에 따른 상기 타깃 표면(S)이 부풀음 현상이 발생할 때, 상기 CPU(300)는 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 변화된 거리/위치 정보에 의해 떨림 보상을 위해 상기 제1정밀모터(101)가 구동되어 측정된 상기 제1로드(102)의 이동거리 정보를 획득하고, 상기 측정된 제1로드(102)의 이동거리에 대해 상기 내부바늘(203)이 상기 타깃 층(L)에 위치하도록 하기 위한 제3보상치를 산출하고, 상기 제3보상치에 따라 상기 제2정밀모터(201)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 인젝터에 두 개의 정밀모터를 구비함으로써 프루브와 내부바늘을 각각 제어할 수 있다.
또한, 인젝터에 각도센서를 구비함으로써 기하학적 알고리즘에 의해 타깃과 인젝터 사이의 각도를 실시간으로 측정할 수 있다.
또한, 타깃과 인젝터 사이의 각도를 측정함으로써 예각 주입에 따른 오차를 보정할 수 있고, 프루브 말단부와 타깃 층까지의 거리를 측정할 수 있어 타깃 층으로의 정밀 주입이 가능하다.
또한, 두 개의 정밀모터를 통해 프루브와 내부바늘을 각각 제어함으로써 타깃 표면의 부풀음 현상에 의한 오차를 보정하여 내부바늘의 위치를 타깃 층에 유지시킬 수 있어 약물 전달 효율을 향상시키고 부작용 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 인젝터의 구성을 개략적으로 도시한 예시 도면,
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터의 구성을 개략적으로 도시한 예시 도면,
도 3 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 프루브와 타깃 표면 사이의 각도를 측정하는 절차를 개략적으로 도시한 예시 도면,
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주입 깊이를 측정하는 절차를 개략적으로 도시한 예시 도면,
도 6은 망막수술 시 발생하는 망막 표면의 부풀음 현상(swelling effect)을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 부풀음 현상에 따른 보상 절차를 도시한 예시 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
아울러, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하며, 본 발명의 명세서 전반에 걸친 기술사상에 포함되고 청구범위의 구성요소에서 균등물로서 치환 가능한 구성요소를 포함하는 실시예는 본 발명의 권리범위에 포함될 수 있다.
첨부된 도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 인젝터의 구성을 개략적으로 도시한 예시 도면, 도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터의 구성을 개략적으로 도시한 예시 도면, 도 3 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 프루브와 타깃 표면 사이의 각도를 측정하는 절차를 개략적으로 도시한 예시 도면, 도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 주입 깊이를 측정하는 절차를 개략적으로 도시한 예시 도면, 도 6은 망막수술 시 발생하는 망막 표면의 부풀음 현상(swelling effect)을 나타낸 도면, 도 7은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 부풀음 현상에 따른 보상 절차를 도시한 예시 도면이다.
도 1이하에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터는 CP-OCT(Common-Path Optical Coherence Tomography) 거리 센싱 기반으로 예각주입 하에서 손떨림 보정 및 정밀 주입이 가능한 스마트 인젝터 시스템에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터는 타깃과 인젝터(100) 사이의 각도(
Figure 112018117228396-pat00002
)를 실시간으로 측정하면서 인젝터(100)의 기울어진 각도(
Figure 112018117228396-pat00003
)에 따른 오차를 보상하여 타깃 층(L)으로의 정밀한 주입을 가능하게 하고, 타깃 표면(S)의 부풀음 현상을 고려하여 주입 바늘을 타깃 층(S)에 위치시킬 수 있다.
이에 상기 인젝터(100)는 상기 인젝터(100)와 타깃 표면(S) 사이의 거리를 일정하게 유지시키도록 구동되는 손떨림보정부와, 상기 타깃의 타깃 층(L)에 약물을 주입하기 위해 구동되는 주입부와, 상기 인젝터(100)의 기울어진 각도를 측정하는 각도센서를 포함하여 이루어진다.
이때, 상기 각도센서는 예를 들어, IMU센서(Inertial Measurement Unit Sensor)(600)와 같은 관성측정장치를 사용가능하며, 이외에도 다른 각도센서를 이용할 수 있음에 한정하지 않는다.
또한, 상기 IMU센서(600)는 글로벌좌표에서 상기 인젝터(100)의 툴 본체(T)가 얼마나 기울어져 있는지에 대한 각도 정보를 제공할 수 있는 센서이다.
또한, 상기 IMU센서(600)는 컴팩트(compact)한 사이즈로 소형이며, 센서 자체의 오일러 각 뿐만 아니라 가속도, 온도 및 다양한 정보들을 제공할 수 있다.
또한, 상기 툴 본체(T)는 휴대용일 수 있고, 그립을 포함할 수 있다.
한편, 상기 손떨림보정부는 제1정밀모터(101)와, 상기 제1정밀모터(101)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제1로드(102)와, 상기 제1로드(102)의 하부측에 결합된 조인트(103)와, 상기 조인트(103)의 하부측에 결합되고, 상기 제1로드(102)와 동일축선상에 위치하는 경통형상의 프루브(probe)(104)를 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 주입부는 상기 제1로드(102)와 프루브(104) 사이에 배치되도록 상기 조인트(103)에 결합되는 제2정밀모터(201)와, 상기 제2정밀모터(201)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제2로드(202)와, 상기 제2로드(202)의 하단에 결합되고, 상기 프루브(104) 내부를 따라 하부측으로 구동되어 타깃 층(L)에 약물을 주입하는 내부바늘(203)을 포함하여 이루어진다.
또한, 상기 제2로드(202)와 상기 내부바늘(203)을 연결하도록 조인트가 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1정밀모터(101)는 리니어(linear) PZT 모터 또는 울트라 소닉(Ultrasonic)과 같은 초정밀 모터를 사용 가능하며, 이외에도 다른 모터를 이용할 수 있음에 한정하지 않는다.
또한, 상기 제2정밀모터(201)는 스퀴글(squiggle) PZT 모터 또는 울트라 소닉(Ultrasonic)과 같은 초정밀 모터를 사용 가능하며, 이외에도 다른 모터를 이용할 수 있음에 한정하지 않는다.
또한, 상기 리니어(linear) PZT 모터는 선형으로 움직일 수 있게 하는 모터이며, 상기 스퀴글(squiggle) PZT 모터는 스크루 타입의 PZT 물질을 이용해 마운트 된 로드를 돌려서 선형으로 움직이게 하는 모터이다.
이에 본 발명에 따른 인젝터(100)는 두 개의 정밀모터(101,201)를 구비하는 것을 특징으로 하며, 두 개의 정밀모터(101,201)를 통해 상기 프루브(104)와 내부바늘(203)을 각각 제어할 수 있다.
즉, 상기 제1정밀모터(101)는 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S) 사이의 거리(
Figure 112018117228396-pat00004
)를 일정하게 유지시키기 위해 작동된다.
또한, 상기 제2정밀모터(201)는 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S) 사이의 거리(
Figure 112018117228396-pat00005
)가 일정하게 유지되는 떨림 보정이 완료된 후, 타깃 층(S)으로의 약물을 주입할 때, 상기 내부바늘(203)을 이동시켜 상기 타깃 층(S)으로 주입되도록 작동된다.
한편, 상기 스마트 인젝터 시스템은 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S) 간의 거리를 기설정된 거리값에 유지되도록 상기 제1정밀모터(101)를 제어하며, 상기 타깃 층(L)으로 상기 내부바늘(203)이 주입되도록 제2정밀모터(201)를 제어하는 컨트롤부를 더 포함한다.
이때, 상기 컨트롤부는 상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 표면(S) 사이의 거리를 측정하는 거리측정부와, 상기 거리측정부에 의해 측정된 거리/위치 정보와 상기 각도센서에서 측정된 상기 인젝터(100)의 기울어진 각도 정보를 실시간으로 획득하며, 상기 제1정밀모터(101)와 제2정밀모터(201)를 제어하는 신호를 생성하는 CPU(300)와, 상기 CPU(300)로부터 전달된 신호에 따라 상기 제1정밀모터(101)를 구동시키는 제1모터컨트롤러(401) 및 상기 CPU(300)로부터 전달된 신호에 따라 상기 제2정밀모터(201)를 구동시키는 제2모터컨트롤러(402)를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 제1모터컨트롤러(401) 및 제2모터컨트롤러(402)는 상기 프루브(103) 및/또는 내부바늘(203)의 위치를 디지타이저(506)에 의해 추출되어 상기 CPU(300)로부터 전달된 신호에 따라 상기 제1정밀모터(101) 및/또는 제2정밀모터(201)를 구동시킨다.
또한, 상기 거리측정부는 레이저 광을 발산하는 광원부(Swept Source, 501)와, 상기 광원부(501)로부터 출력된 광을 2*2로 분기시키는 커플러(502)와, 상기 커플러(502)로부터 분기된 광원이 유도되며, 상기 인젝터(100)를 따라 프루브(104)의 말단에 밀착된 광섬유(503)와, 상기 프루브(104)의 말단에서 상기 광섬유(503)로부터 방출되어 상기 타깃 표면(S)부위에 닿고 반사된 광을 검출하는 검출부(504)와, 상기 검출된 광을 이용하여 상기 프루브(104)의 말단으로부터 타깃 표면(S) 간의 거리/위치정보를 추출하는 컨버터(505)를 포함하여 이루어진다.
그리고 상기 광원부(501)의 광원은 파장이 변하는 빛을 발생시키는 Swept Source를 사용하며, 간섭무늬를 만들어내는 두 빛을 Sample arm과 Reference arm각각을 통해 받는 것이 아닌 상기 광섬유(503) 끝단에서 반사되는 빛과 상기 타깃 표면(S)에서 반사된 두 빛에서 발생되는 간섭무늬를 이용하는 Common path 타입으로 시스템이 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 컨버터(505)는 아날로그 디지털 컨버터(ADC)를 포함하고, 상기 검출부(504)를 통해 검출된 광원을 이용하여 수술부위와 상기 프루브(104) 말단 사이의 거리를 획득할 수 있다.
한편, 도 3을 참조하면, 상기 CPU(300)는 상기 거리측정부에 의해 실시간으로 측정된 거리/위치 정보와 상기 기설정된 거리값 정보를 비교하여 상기 인젝터(100)의 떨림을 검출하고, 상기 검출된 떨림에 대한 보상을 위해 거리/위치 변화량을 산출하고, 상기 변화량으로부터 제1보상치를 산출하여, 상기 변화량으로부터 산출된 제1보상치 따라 상기 제1정밀모터(101)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
한편, 상기 인젝터(100)를 타깃에 삽입하기 전 프루브(103) 말단과 RCM(105) 사이의 거리(
Figure 112018117228396-pat00006
)를 미리 설정(calibraion)된 값으로 조정하며 이때. 상기 프루브(103) 말단과 타깃 표면(S)사이의 거리값(
Figure 112018117228396-pat00007
)은 실시간으로 측정되고 있다.
여기서, 상기 RCM(105)은 Remote Center of Motion으로, 인젝터(100)의 motion 중심이며 이때, RCM(105)은 툴 본체(T)의 하부측 말단에 형성되는 것이 바람직하며, 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.
그리고 떨림 보정을 시작하면 상기 제1정밀모터(101)의 구동에 의해 상기 제1로드(102)가 작동됨에 따라 상기 프루브(103) 말단과 타깃 표면(S)사이의 거리가 기설정된 값(
Figure 112018117228396-pat00008
)으로 유지된다.
또한, 떨림 보정을 위한 상기 프루브(103) 말단과 타깃 표면(S)사이의 거리값(
Figure 112018117228396-pat00009
)은 기설정된 거리값(
Figure 112018117228396-pat00010
)이다.
즉,
Figure 112018117228396-pat00011
값을 실시간으로 측정하면서 상기
Figure 112018117228396-pat00012
값을 조정하여 상기 프루브(103) 말단과 타깃 표면(S)사이의 거리를 일정하게 유지한 후, 떨림 보정을 통해 상기 프루브(103) 말단과 타깃 표면(S)사이의 거리를 기설정된 값(
Figure 112018117228396-pat00013
)으로 유지시킨다.
이때,
Figure 112018117228396-pat00014
값을 조정할 당시의
Figure 112018117228396-pat00015
값을 기준으로 변화된 제1로드(102)의 변위(
Figure 112018117228396-pat00016
)를 획득할 수 있다.
또한, 떨림 보정을 실행한 후, 상기 인젝터(100)의 내부바늘(203)이 상기 타깃 표면(S)과 예각을 이루면서 주입되도록 상기 인젝터(100)를 소정각도로 기울인다.
이때, 떨림 보정을 실행할 당시의 각도센서(600)의 각도 값(
Figure 112018117228396-pat00017
)과 상기 제1로드(102)의 변위(
Figure 112018117228396-pat00018
)를 기준으로 상기 인젝터(100)를 소정각도로 기울인 후에 변화된 제1로드(102)의 변위(
Figure 112018117228396-pat00019
)와 인젝터(100)의 각도 변화값(
Figure 112018117228396-pat00020
)을 계산할 수 있다.
즉, 도 3 내지 도 4를 참조하면, 상기 인젝터(100)를 기울인 상태에서 상기 거리측정부에 의해 실시간으로 측정되는 거리/위치 정보(
Figure 112018117228396-pat00021
)및 보정을 실행할 당시의 값(
Figure 112018117228396-pat00022
)은 미리 정해놓은 기설정된 거리값(
Figure 112018117228396-pat00023
)으로 같을 것이며, 획득된 각 정보들(
Figure 112018117228396-pat00024
,
Figure 112018117228396-pat00025
,
Figure 112018117228396-pat00026
,
Figure 112018117228396-pat00027
,
Figure 112018117228396-pat00028
)을 통해 상기 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도(
Figure 112018117228396-pat00029
)를 실시간으로 측정할 수 있다.
이때, 상기 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도는 아래의 [수학식1]에 의해 기하학적으로 계산될 수 있다.
[수학식1]
Figure 112018117228396-pat00030
여기서,
Figure 112018117228396-pat00031
: 프루브(103) 말단과 RCM(105) 사이의 거리,
Figure 112018117228396-pat00032
: Cross Point(C)와 RCM(105)사이의 거리,
Figure 112018117228396-pat00033
: Cross Point(C)와 떨림 보정 시작 할 때의 프루브(103) 말단 사이의 거리,
Figure 112018117228396-pat00034
: 떨림 보정을 시작할 당시를 기준으로 각도센서(600)로부터 측정된 인젝터(100)의 각도 변화이다.
여기서, 상기 Cross Point(C,106)는
Figure 112018117228396-pat00035
와
Figure 112018117228396-pat00036
의 교차점이다.
또한, 도 4를 참조하면,
Figure 112018117228396-pat00037
와
Figure 112018117228396-pat00038
은 닮음 도형이며, 이 닮음 도형의 비율은
Figure 112018117228396-pat00039
와
Figure 112018117228396-pat00040
의 비율과 같으므로
Figure 112018117228396-pat00041
:
Figure 112018117228396-pat00042
이다.
또한,
Figure 112018117228396-pat00043
와
Figure 112018117228396-pat00044
은 닮은 도형이고 비율이
Figure 112018117228396-pat00045
:
Figure 112018117228396-pat00046
이므로
Figure 112018117228396-pat00047
와
Figure 112018117228396-pat00048
의 비율도 이와 같으므로
Figure 112018117228396-pat00049
이다.
따라서
Figure 112018117228396-pat00050
에서
Figure 112018117228396-pat00051
를 획득할 수 있고,
Figure 112018117228396-pat00052
에서
Figure 112018117228396-pat00053
는 초기 값들(
Figure 112018117228396-pat00054
,
Figure 112018117228396-pat00055
)로부터 알 수 있으며,
Figure 112018117228396-pat00056
은 제 1로드(102)의 변위(
Figure 112018117228396-pat00057
)로부터 획득할 수 있고,
Figure 112018117228396-pat00058
는
Figure 112018117228396-pat00059
을 통해 기하학적으로 계산할 수 있으므로 타깃과의 각도
Figure 112018117228396-pat00060
를 추출할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 스마트 인젝터 시스템의 CPU(300)는 상기 제1정밀모터(101)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제1로드(102)의 이동거리를 측정할 수 있다.
이에 상기 제1로드(102)의 이동거리를 측정하기 위한 일실시예로써, 상기 제1로드(102)에는 제1로드(102)의 이동거리를 측정하기 위한 별도의 광섬유(미도시)가 더 구비될 수 있다.
즉, 별도의 광섬유(미도시)를 상기 제1로드(102)의 소정의 위치에 부착하여 직접적으로 제1로드(102)의 이동거리를 측정할 수 있다.
이때, 상기 별도의 광섬유를 위한 추가적인 검출부를 구비할 수 있으며, 상기 검출부(504)를 통해 작동될 경우에는 상기 프루브(104)와 타깃 표면(L) 사이의 거리를 측정하는 광섬유(503)의 신호와 구별하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제1로드(102)의 이동거리를 측정하기 위한 다른 일실시예로써, 상기 CPU(300)는 상기 제1정밀모터(101)에 의해 입력되는 인풋들을 시간에 대해 적분하여 상기 제1로드(102)의 이동거리를 측정할 수 있다.
즉, 상기 제1정밀모터(101)의 리니어 PZT 모터는 인풋 값에 따라 모터의 속도를 선형적으로 증가 시키는 1차 시스템임을 아래의 [그래프1]을 통해 확인할 수 있다.
[그래프1]
Figure 112018117228396-pat00061
즉, 상기 리니어 PZT 모터는 인풋 값을 받으면 이에 선형적으로 비례하는 속도로 제1로드(102)를 구동시키기 때문에 입력해준 인풋들을 시간에 대해 적분한다면 제1로드(102)가 움직인 거리를 역추적할 수 있다.
따라서 상기 리니어 PZT 모터의 인풋 값에 의한 속도 값들을 적분한다면 상기 프루브(104)의 변위를 역추적할 수 있어 리니어 PZT 모터 인풋을 통한 역추적이 가능하다.
이는 아래의 [수학식2]에 의해 계산될 수 있다.
[수학식2]
Figure 112018117228396-pat00062
또한, 상기 CPU(300)는 상기 인젝터(100)가 소정각도(
Figure 112018117228396-pat00063
) 기울어진 상태에서 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 거리(
Figure 112018117228396-pat00064
)와, 수술 초기 시 상기 인젝터(100)의 떨림이 보정된 상태에서의 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 거리(
Figure 112018117228396-pat00065
)가 동일하게 유지되도록, 상기 측정된 제1로드(102)의 이동거리(
Figure 112018117228396-pat00066
)에 대한 보상을 위해 제2보상치를 산출하고, 상기 제2보상치에 따라 상기 제1정밀모터(101)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
또한, 도 5를 참조하면, 상기 CPU(300)는 상기 인젝터(100)의 기울어진 상태에 따라 상기 측정된 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도(
Figure 112018117228396-pat00067
) 정보와, 상기 인젝터(100)를 기울인 상태에서 상기 거리측정부에 의해 측정된 거리/위치(
Figure 112018117228396-pat00068
) 정보와, 기설정된 타깃 표면(S)에서 타깃 층(L)까지의 거리(
Figure 112018117228396-pat00069
) 정보를 통해 상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리(
Figure 112018117228396-pat00070
) 실시간으로 측정하고, 상기 측정된 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리(
Figure 112018117228396-pat00071
)에 따라 상기 내부바늘(203)이 타깃 층(L)으로 주입되도록 상기 제2정밀모터(201)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
이때, 상기 인젝터(100)의 기울어진 상태에서 상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리는 아래의 [수학식3]에 의해 기하학적으로 계산될 수 있다.
[수학식3]
Figure 112018117228396-pat00072
여기서,
Figure 112018117228396-pat00073
: [수학식1]로부터 측정된 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도,
Figure 112018117228396-pat00074
: 프루브(103) 말단과 타깃 표면(S) 사이의 거리,
Figure 112018117228396-pat00075
: 기설정된 타깃 표면(S)에서 타깃 층(L)까지의 거리이다.
즉, 본 발명에 따른 스마트 인젝터 시스템은 인젝터와 타깃 사이의 각도를 실시간으로 계산하여 알 수 있으므로 예각 주입을 위한 충분한 플랫폼을 제공하며, 인젝터와 타깃 사이의 각도를 추정하는 알고리즘을 통해 기울어진 상태에서도 타깃으로부터 같은 높이로 유지할 수 있도록 떨림 방지 기능이 가능하여 예각 주입 시 타깃 층으로의 정밀 주입 가능하며, 상기 인젝터(100)의 기울임 각도를 고려하여 상기 내부바늘(203)의 주입 깊이를 실시간으로 업데이트할 수 있어 예각 주입 시 타깃 층으로의 정밀 주입 가능이 가능하다.
따라서 상기 인젝터(100)에 두 개의 정밀모터(101,201)를 구비함으로써 프루브(104)와 내부바늘(203)을 각각 제어할 수 있으며, 상기 인젝터(100)에 각도센서(600)를 구비함으로써 기하학적 알고리즘에 의해 타깃과 인젝터(100) 사이의 각도를 실시간으로 측정함으로써 예각 주입에 따른 오차를 보정할 수 있고, 프루브(104) 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리를 측정할 수 있어 타깃 층(L)으로의 정밀 주입이 가능한 효과가 있다.
한편, 도 6 및 도 7을 참조하면, 상기 타깃 층(L)으로 내부바늘(203)이 주입되어 약물이 주입되고, 약물 주입에 따른 상기 타깃 표면(S)이 부풀음 현상이 발생할 때, 상기 CPU(300)는 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 변화된 거리/위치 정보에 의해 떨림 보상을 위해 상기 제1정밀모터(101)가 구동되어 측정된 상기 제1로드(102)의 이동거리 정보를 획득하고, 상기 측정된 제1로드(102)의 이동거리에 대해 상기 내부바늘(203)이 상기 타깃 층(L)에 위치하도록 하기 위한 제3보상치를 산출하고, 상기 제3보상치에 따라 상기 제2정밀모터(201)를 제어하기 위한 신호를 생성한다.
이때, 타깃 표면의 부풀음 현상을 보상하기 위한 제3보상치는 아래의 [수학식4]에 의해 기하학적으로 계산될 수 있다.
[수학식4]
Figure 112018117228396-pat00076
Figure 112018117228396-pat00077
여기서,
Figure 112018117228396-pat00078
: 타깃 표면이 부풀은 높이,
Figure 112018117228396-pat00079
: 떨림 보정에 의해 구동된 제1로드(102)의 이동거리,
Figure 112018117228396-pat00080
: 보상치에 따른 내부바늘(203)의 이동거리,
Figure 112018117228396-pat00081
: [수학식1]로부터 측정된 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도,
Figure 112018117228396-pat00082
: 프루브(103) 말단과 타깃 표면(S) 사이의 거리,
Figure 112018117228396-pat00083
: 기설정된 타깃 표면(S)에서 타깃 층(L)까지의 거리이다.
즉, [수학식4]에 기재된 바와 같이 환부에 약물을 주입할 때 환부가 부풀어 오르며, 손떨림 보정 알고리즘에 따라 제1로드(102) 또한 위로 들어 올려진다.
이때, 상기 내부바늘(203)의 끝단의 위치를 타깃 층(S)으로 유지시키기 위해 부풀어 올라오는 타깃 표면의 높이를 상기 제1로드(102)가 움직인 거리와 같다는 것을 이용하여 그 만큼 내부바늘(203)을 더 밀어 넣음으로써 부풀음 현상(Swelling effect) 보상할 수 있다.
종래의 손떨림 보정 시스템을 기반으로 하는 인젝터로 수술 진행 시, 망막의 표면이 부풀어 오르면 손떨림 보정에 의해서 약물을 주입하는 주입 바늘이 상부측으로 들어 올려져 망막의 타깃 층에 주입 바늘을 위치시키는데 어려움이 있었다.
이에 본 발명에 따른 스마트 인젝터 시스템은 내부바늘(203)을 구동시키는 제2정밀모터(201)를 더 구비함으로써 손떨림 보정을 위한 제1정밀모터(101)와의 컨트롤을 각각 분리시켜 타깃 표면의 막이 부풀어 올라도 손떨림 보정이 이루어진 만큼 내부바늘(203)을 주입시켜 내부바늘(203)의 위치를 타깃 층(S)에 유지할 수 있다.
따라서 두 개의 정밀모터(101,201)를 통해 프루브(104)와 내부바늘(203)을 각각 제어함으로써 타깃 표면(S)의 부풀음 현상(Swelling effect)에 의한 오차를 보t상하여 내부바늘(203)의 위치를 타깃 층(S)에 유지시킬 수 있어 약물 전달 효율을 향상시키고 부작용 발생을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 범주에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 명확해질 것이다.
100 : 인젝터 101 : 제1정밀모터
102 : 제1로드 103 : 조인트
104 : 프루브 105 : Remote Center of Motion(RCM)
106 : Cross Point(C) 201 : 제2정밀모터
202 : 제2로드 203 : 내부바늘
300 : CPU 401 : 제1모터컨트롤러
402 : 제2모터컨트롤러 501 : 광원부
502 : 커플러 503 : 광섬유
504 : 검출부 505 : 컨버터
600 : IMU센서(Inertial Measurement Unit Sensor)

Claims (12)

  1. CP-OCT(Common-Path Optical Coherence Tomography) 거리 센싱 기반 손떨림 보정 및 정밀 주입이 가능한 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터에 있어서,
    상기 인젝터(100)는,
    상기 인젝터(100)와 타깃 표면(S) 사이의 거리를 일정하게 유지시키도록 구동되는 손떨림보정부와,
    상기 타깃의 타깃 층(L)에 약물을 주입하기 위해 구동되는 주입부와,
    상기 인젝터(100)의 기울어진 각도를 측정하는 각도센서를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하되,
    상기 손떨림보정부는,
    제1정밀모터(101)와,
    상기 제1정밀모터(101)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제1로드(102)와,
    상기 제1로드(102)의 하부측에 결합된 조인트(103)와,
    상기 조인트(103)의 하부측에 결합되고, 상기 제1로드(102)와 동일축선상에 위치하는 경통형상의 프루브(probe)(104)를 포함하며,
    상기 주입부는,
    상기 제1로드(102)와 프루브(104) 사이에 배치되도록 상기 조인트(103)에 결합되는 제2정밀모터(201)와,
    상기 제2정밀모터(201)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제2로드(202)와,
    상기 제2로드(202)의 하단에 결합되고, 상기 프루브(104) 내부를 따라 하부측으로 구동되어 타깃 층(L)에 약물을 주입하는 내부바늘(203)을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S) 간의 거리를 기설정된 거리값에 유지되도록 상기 제1정밀모터(101)를 제어하며,
    상기 타깃 층(L)으로 상기 내부바늘(203)이 주입되도록 제2정밀모터(201)를 제어하는 컨트롤부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 컨트롤부는,
    상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 표면(S) 사이의 거리를 측정하는 거리측정부와,
    상기 거리측정부에 의해 측정된 거리/위치 정보와 상기 각도센서에서 측정된 상기 인젝터(100)의 기울어진 각도 정보를 실시간으로 획득하며, 상기 제1정밀모터(101)와 제2정밀모터(201)를 제어하는 신호를 생성하는 CPU(300)와,
    상기 CPU(300)로부터 전달된 신호에 따라 상기 제1정밀모터(101)를 구동시키는 제1모터컨트롤러(401) 및
    상기 CPU(300)로부터 전달된 신호에 따라 상기 제2정밀모터(201)를 구동시키는 제2모터컨트롤러(402)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 CPU(300)는,
    상기 거리측정부에 의해 실시간으로 측정된 거리/위치 정보와 상기 기설정된 거리값 정보를 비교하여 상기 인젝터(100)의 떨림을 검출하고,
    상기 검출된 떨림에 대한 보상을 위해 거리/위치 변화량을 산출하고, 상기 변화량으로부터 제1보상치를 산출하여,
    상기 변화량으로부터 산출된 제1보상치 따라 상기 제1정밀모터(101)를 제어하기 위한 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 CPU(300)는,
    상기 제1정밀모터(101)의 구동에 의해 축방향으로 구동되는 제1로드(102)의 이동거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
  8. 제5항에 있어서, 상기 CPU(300)는,
    상기 인젝터(100)의 떨림이 보정된 후, 상기 인젝터(100)의 내부바늘(203)이 상기 타깃 표면(S)과 예각을 이루면서 주입되도록 상기 인젝터(100)를 소정각도로 기울일 때, 상기 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도를 아래의 [수학식1]을 통해 실시간으로 측정하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
    [수학식1]
    Figure 112018117228396-pat00084

  9. 제8항에 있어서, 상기 CPU(300)는,
    예각 주입을 위해 상기 인젝터(100)를 소정각도 기울인 상태에서 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 거리와, 수술 초기 시 상기 인젝터(100)의 떨림이 보정된 상태에서의 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 거리가 동일하게 유지되도록,
    상기 측정된 제1로드(102)의 이동거리에 대한 보상을 위해 제2보상치를 산출하고, 상기 제2보상치에 따라 상기 제1정밀모터(101)를 제어하기 위한 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
  10. 제8항에 있어서, 상기 CPU(300)는,
    상기 인젝터(100)의 기울어진 상태에 따라 상기 측정된 프루브(104)와 타깃 표면(S) 사이의 각도 정보와, 상기 인젝터(100)를 기울인 상태에서 상기 거리측정부에 의해 측정된 거리/위치 정보와, 기설정된 타깃 표면(S)에서 타깃 층(L)까지의 거리 정보를 통해 상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리를 실시간으로 측정하고,
    상기 측정된 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리에 따라 상기 내부바늘(203)이 타깃 층(L)으로 주입되도록 상기 제2정밀모터(201)를 제어하기 위한 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 인젝터(100)가 기울어진 상태에서 상기 프루브(104)의 말단부와 타깃 층(L)까지의 거리는 아래의 [수학식3]을 통해 기하학적으로 계산되는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.
    [수학식3]
    Figure 112018117228396-pat00085

  12. 제10항에 있어서,
    상기 타깃 층(L)으로 내부바늘(203)이 주입되어 약물이 주입되고, 약물 주입에 따른 상기 타깃 표면(S)이 부풀음 현상이 발생할 때,
    상기 CPU(300)는 상기 프루브(104) 말단부와 타깃 표면(S)간의 변화된 거리/위치 정보에 의해 떨림 보상을 위해 상기 제1정밀모터(101)가 구동되어 측정된 상기 제1로드(102)의 이동거리 정보를 획득하고,
    상기 측정된 제1로드(102)의 이동거리에 대해 상기 내부바늘(203)이 상기 타깃 층(L)에 위치하도록 하기 위한 제3보상치를 산출하고, 상기 제3보상치에 따라 상기 제2정밀모터(201)를 제어하기 위한 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 광섬유 센서 기반 초정밀 인젝터.





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