KR102228451B1 - 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법 및 이를 이용한 전자기 구동장치와 그 구동 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법 및 이를 이용한 전자기 구동장치와 그 구동 방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 한 쌍 또는 복수개의 경사자장 형성코일로 이루어진 전자기 구동장치의 최적화 설계 방법은, 최적화하고자 하는 경사자장 형성코일의 장축의 길이 및 두 코일간 거리를 변경하면서 3차원 자기장 경사를 구하고, 자기장 경사의 선형 공간의 크기가 기준크기 이상을 만족하는 경사자장 형성코일 중에서, 자기장 경사가 가장 큰 코일을 선택한다. 본 발명에 의하면 특이성이 없어서 캡슐형 내시경의 공중부양을 위한 전류의 계산이 가능하면서도, 환자의 위장영역에 충분한 선형성을 가지고 있어서 캡슐형 내시경의 조정이 용이하고, 전력소모도 적은 최적의 경사자장 형성코일을 설계할 수 있다.

Description

외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한　경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법 및 이를 이용한 전자기 구동장치와 그 구동 방법{OPTIMUM DESIGN METHOD OF GRADIENT COIL FOR ELECTROMAGNETIC DRIVE DEVICE WHICH CONTROL CAPSULE ENDOSCOPE FROM THE OUTSIDE, ELECTROMAGNETIC DRIVE DEVICE USING THE SAME, AND DRIVE METHOD THEREFOR}

본 발명은 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법 및 이를 이용한 전자기 구동장치와 그 구동 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 복수개의 경사자장 형성코일을 가진 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에서 장축의 길이와 코일간 거리가 다른 최적의 경사자장 형성코일을 특정 축에 설계하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 특이성을 해소시켜 캡슐형 내시경의 특정 방향으로의 주행을 위한 전류의 계산이 가능하면서도, 목표 검진 영역에 대해 충분한 선형성을 가지고 있어서 캡슐형 내시경의 조종이 용이하고, 전력소모도 적은 최적의 전자기 구동장치를 설계할 수 있다.

내시경은 내장장기 또는 체강 내부를 직접 볼 수 있게 만든 의료기구로서 종래의 유선형 내시경은 입이나 항문을 통해 삽입이 이루어져 그 시술에 어려움이 있고, 환자의 고통을 수반하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근 캡슐형 내시경이 개발되고 있으며, 캡슐형 내시경은 캡슐형상으로 된 내시경을 입으로 삼켜 소화기관의 연동운동에 의해 소화기관 내부를 이동하면서 진단이 이루어진다.

현재 상용화되고 있는 캡슐형 내시경은 별도의 자체 구동기능이 없어서 소화기관의 연동운동을 통해 이동이 이루어지게 되며, 따라서 수동적인 관찰만이 가능하여 병변 관찰에 많은 문제점이 있다.

한편, 이러한 문제점을 개선하기 위하여 자화 방향을 갖는 캡슐형 내시경과, 이 캡슐형 내시경에 전자기장을 형성하여 캡슐형 내시경의 조향 구동하기 위한 전자기장생성수단으로 구성된 마이크로로봇 시스템이 제안되어 있다.

예를 들어, 공개특허공보 제10-2014-0066372호 “전자기장을 이용한 드릴링 마이크로로봇 시스템”은, 캡슐형 내시경이 관형 기관을 따라서 나선형 운동에 의해 이동이 이루어져 관벽에 대한 정확한 진단이 이루어질 수 있는 캡슐형 내시경 구동 제어시스템 및 캡슐형 내시경 시스템을 개시한다.

캡슐형 내시경 시스템은 자화 방향을 갖는 캡슐형 내시경과, 이 캡슐형 내시경의 구동을 위한 자기장을 생성하기 위한 코일유닛으로 구성되며, 코일유닛에 인가되는 전류의 제어를 통해 코일유닛의 3차원 상에서 임의 방향으로 캡슐형 내시경을 조향 구동하거나 병진 운동의 제어가 이루어진다.

축 방향으로 균일한 자기장을 발생시킬 수 있는 원형의 헬름홀츠 코일(Helmholz coil)부와, 축 방향으로 경사자장을 형성할 수 있는 원형의 맥스웰 코일(Maxwell coil)부가, 서로 직교하는 3개의 축에 각각 고정 설치된다. 헬름홀츠 코일은 캡슐형 내시경의 회전을 제어하고, 맥스웰 코일은 캡슐형 내시경의 병진운동을 제어할 수 있다.

이러한 마이크로로봇 시스템에서는 캡슐형 내시경의 위치를 모니터링하면서 코일유닛에 인가되는 전류를 제어하여 캡슐형 내시경을 원격 조작할 수 있다.

한편, 이러한 마이크로로봇 시스템에서 전자기장 생성수단인 맥스웰 코일과 헬름홀츠 코일의 자기장 발생 성능은 코일 쌍의 물리적 사양에 따라 달라질 수 있다.

이러한 코일 쌍의 물리적 사양에는 권선 수, 코일의 형태(원형 코일의 경우 반지름, 타원 코일의 경우 장축 및 단축의 길이), 코일 간의 거리가 있을 수 있다.

공개특허공보 제10-2011-0083232호 “전자기장을 이용한 드릴링 마이크로로봇 시스템”에서는 사각형 코일쌍에 의한 자기장을 이용한 마이크로로봇 시스템이 개시되었고, 공개특허공보 제10-2014-0026958호 “마이크로로봇 시스템”에서는 한쌍의 말안장 형태의 코일로 이루어진 새들코일부에 의한 자기장을 이용한 마이크로로봇 시스템이 개시되었다.

동일한 사양의 맥스웰 코일의 조합으로 설계된 전자기 구동장치의 경우에는 전류 계산시 역행렬이 구해지지 않는 문제가 있다. 또한, 임의 공간에 대한 자기장의 계산은 일반적으로 복잡할 뿐만 아니라 그 결과도 다양하게 나타나므로, 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법이 필요하다.

공개특허공보 제10-2014-0066372호 “전자기장을 이용한 드릴링 마이크로로봇 시스템” 공개특허공보 제10-2011-0083232호 “전자기장을 이용한 드릴링 마이크로로봇 시스템” 공개특허공보 제10-2014-0026958호 “마이크로로봇 시스템”

본 발명의 목적은, 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에서 특이성이 없어서 코일의 전류를 계산할 수 있는 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에서 환자의 측정 영역에서 선형성을 확보할 수 있는 경사자장 형성코일을 설계하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에서 전력 소모가 적은 최적의 경사자장 형성코일을 설계하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 이용하여 캡슐형 내시경을 임의의 조향 방향으로 구동시키기 위하여 경사자장 형성코일에 인가되는 전류를 구하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에 사용되어, 캡슐형 내시경을 안정적으로 조종할 수 있으며, 구동장치의 전력소모를 줄일 수 있는 경사자장 형성코일을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 본 발명은 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법에 있어서, (a) 자기장 경사의 선형성 판단기준 및 선형 공간의 기준크기를 설정하는 단계; (b) 최적화하고자 하는 경사자장 형성코일의 장축의 길이 및 두 코일간 거리를 변경하면서 두 코일 내부의 모든 공간에 대하여 3차원 자기장 경사를 구하는 단계; (c) 상기 자기장 경사로부터 상기 선형성 판단기준에 맞는 자기장 경사를 가지는 선형 공간의 크기를 구하는 단계; (d) 상기 선형 공간의 크기가 상기 기준크기 이상을 만족하는 경사자장 형성코일의 장축의 길이 및 두 코일간의 거리 조건을 선별하는 단계; 및 (e) 상기 선별된 조건을 만족하는 경사자장 형성코일 중에서 자기장 경사가 가장 큰 코일을 선택하는 단계;를 포함한다.

상기 (b)단계는, (b-1) 장축의 길이와 두 코일간의 거리를 기준값으로 설정하는 단계; (b-2) 장축의 길이와 두 코일간의 거리를 변경하면서 코일 내부의 자기장을 계산하는 단계; 및 (b-3) 계산된 자기장으로부터 두 코일 내부의 자기장 경사를 구하는 단계;를 포함할 수 있다.

상기 3차원 자기장 경사는, 하기 수학식 11을 만족하는 자기장 경사 벡터( G ) 값으로 구하고, 하기 수학식 11에서 자기장 경사 행렬( K ’)은 역행렬을 가질 수 있다.

[수학식 11]

(여기에서,α _n , β _n , γ _n 는 각 축(n)으로 설치된 경사자장 형성코일에 의하여 x, y, z축에 각각 생기는 자기장 경사 값이고, i _x , i _y , i _z 는 각각 x, y, z 축 코일에 흐르는 전류이다.)

상기 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법은, 프로그램으로 작성되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장할 수 있다.

상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 본 발명은 경사자장 형성코일에 전류를 인가하는 방법에 있어서, (f) 3쌍의 경사자장 형성코일에 대응하는 자기장 경사 행렬을 구하는 단계; (g) 구동방향에 따른 자기장 경사 벡터에 상기 자기장 경사 행렬의 역행렬 또는 유사역행렬을 적용하여, 경사자장 형성코일의 전류를 구하는 단계; 및 (h) 계산된 각 축의 경사자장 형성코일의 전류를 각 축의 경사자장 형성코일에 인가하여 자기장 경사를 형성하는 단계;를 포함한다.

상기 각 축의 경사자장 형성코일의 전류(I)는, 하기 수학식 12를 만족할 수 있다.

[수학식 12]

(여기에서 상기 자기장 경사 행렬 G는 구동하고자하는 움직임에 따라 형성되어야하는 각 축의 경사자장의 크기이다)

상기 경사자장 형성코일에 전류를 인가하는 방법은, 프로그램으로 작성되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 저장할 수 있다.

상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 경사자장 형성코일에 있어서, 도전성 와이어를 타원형으로 복수회 감아서 만든 제1 코일; 상기 도전성 와이어를 이용하여, 상기 제1 코일과 동일한 크기의 타원형으로 상기 제1 코일과 동일한 회수로 감아서 만든 제2 코일; 및 상기 제1 코일과 제2 코일에 전력을 공급하는 경사자장 회로부;를 포함한다.

상기 제2 코일은, 타원면이 상기 제1 코일의 타원면과 평행하고, 타원의 중심을 지나는 법선이 상기 제1 코일의 타원의 중심을 지나는 법선과 일치하도록 배치된다.

상기 경사자장 회로부는, 상기 제2 코일의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 상기 제1 코일의 중심에서 생성되는 자기장의 방향과 반대방향으로 생성되도록, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일에 전력을 공급한다.

상기 제1 코일 및 제2 코일은, 장축의 길이가 485 mm 내지 545 mm 인 타원형 코일이며, 상기 제1 코일과 제2 코일의 중심간 거리는 760 mm 내지 800 mm 인 것을 사용할 수 있다.

상기 목적을 이루기 위한 또 다른 양태에 따르면, 본 발명은 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에 있어서, 서로 수직인 3축에 각각 배치된 3쌍의 균일자장 형성코일; 서로 수직인 3축에 각각 배치된 3쌍의 경사자장 형성코일; 및 각각의 균일자장 형성코일 및 경사자장 형성코일에 전력을 공급하는 제어부;를 포함한다.

상기 각 축에 배치된 균일자장 형성코일은, 도전성 와이어를 원형으로 복수회 감아서 만든 동일한 형상의 원형 코일쌍; 및 상기 원형 코일쌍에 전력을 공급하는 균일자장 회로부;를 구비한다.

상기 원형 코일쌍은, 원형 코일면이 서로 평행하고, 원형 코일면의 중심을 지나는 법선이 서로 일치하도록 배치되고, 상기 균일자장 회로부는, 상기 원형 코일쌍의 각 원형 코일면의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 일치하도록 상기 원형 코일쌍에 전력을 공급한다.

상기 각 축에 배치된 경사자장 형성코일은, 도전성 와이어를 타원형으로 복수회 감아서 만든 동일한 형상의 타원형 코일쌍; 및 상기 타원형 코일쌍에 전력을 공급하는 경사자장 회로부;를 구비한다.

상기 타원형 코일쌍은, 타원형 코일면이 서로 평행하고, 타원형 코일면의 중심을 지나는 법선이 서로 일치하도록 배치된다.

상기 경사자장 회로부는, 상기 타원형 코일쌍의 각 타원형 코일면의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 서로 반대가 되도록 상기 타원형 코일쌍에 전력을 공급한다.

상기 타원형 코일쌍은, 장축의 길이가 485 mm 내지 545 mm 이며, 타원형 코일면의 중심간 거리는 760 mm 내지 800 mm 인 것을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법은, 경사자장 형성코일의 장축의 길이와 코일간 거리를 조절하여 행렬 표현식 상에서 역행렬의 존재에 관해 특이성이 없으므로 코일의 전류를 계산할 수 있어 캡슐형 내시경을 외부에서 조종하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법은, 환자의 측정 영역에서 선형성을 확보할 수 있도록 경사자장 형성코일을 설계하므로 캡슐형 내시경을 외부에서 안정적으로 조종 가능하다.

본 발명에 따른 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법은, 자기장 경사가 큰 최적의 경사자장 형성코일을 설계하여 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치의 전력 소모를 줄일 수 있다.

본 발명에 따른 캡슐형 내시경을 공중부양하기 위하여 경사자장 형성코일에 인가되는 전류를 구하는 방법은, 코일의 자기장 경사에서부터 전류를 구하는 체계적인 방법을 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 경사자장 형성코일은, 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에 사용되어, 캡슐형 내시경을 안정적으로 조종할 수 있으며, 구동장치의 전력소모를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 캡슐형 내시경을 구동시키기 위한 한쌍의 경사자장 형성코일에 의한 자속밀도의 미분 방향 성분을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 캡슐형 내시경에 포함된 영구자석의 자화벡터를 직교좌표에 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 형태의 경사자장 형성코일을 구비한 코일 시스템을 직교좌표에 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화된 경사자장 형성코일의 설계 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일 조건에 따른 자기장 경사를 구하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일을 이용하여 캡슐형 내시경을 구동하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일 중, 타원 형태를 가진 경사자장 형성코일의 자기장 세기 및 자기장 경사를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 타원 형태의 경사자장 형성코일의 장축 길이와 코일쌍의 거리에 따른 선형성을 만족하는 면적의 크기와 자기장 경사의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일 중 타원 형태의 경사자장 형성코일에 대한 캡슐형 영구자석의 공중부양에 필요한 전류값을 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되어지는 것이다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급되지 않는 한 복수형도 포함된다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자가 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

캡슐형 내시경은 영구자석을 포함하며, 영구자석은 N극과 S극이 쌍극자를 이루고 있다. 이러한 자기 쌍극자를 일정방향으로 회전시키기 위해서는 회전시키려는 방향으로 균일한 자기장(균일자장)을 인가하여야 하고, 자기 쌍극자를 일정방향으로 병진운동 시키기 위해서는 이동시키려는 방향으로 자기장 경사(경사자장)를 인가하여야 한다. 균일한 자기장을 형성하기 위해 원형 코일로 구성된 헬름홀츠 코일을 사용할 수 있으며, 선형 구간을 포함하는 자기장 경사를 형성하기 위해서 원형 코일로 구성된 맥스웰 코일을 사용할 수 있다.

헬름홀츠 코일은 두개의 동일한 크기(반경, 권선수)의 코일을 중심축이 맞도록 설치하고, 두 코일에 동일한 방향으로 전류를 흘린다. 코일의 반경과 두 코일의 중심 사이의 간격을 동일하게 하는 경우, 중심축을 지나는 구간에 자속밀도가 일정한 균일한 자기장(균일 자장)을 형성할 수 있다. 자석은 N극과 S극이 쌍극자를 이루고 있기 때문에 균일한 자기장에서는 이동하지 않고, 자기장 방향에 맞추어 토크를 받아 회전(조향운동)할 수 있다.

맥스웰 코일은 두개의 동일한 크기의 코일을 중심축이 맞도록 설치하고, 동일한 세기의 전류를 서로 반대 방향으로 흐르도록 한다. 맥스웰 코일의 내부에는 자속밀도(자기장)가 공간 상에서 증가 또는 감소하는 기울기를 가진 자기장 경사(경사자장)가 발생한다. 두 코일의 중심 사이의 간격을 반경의

배가 되도록 하는 경우, 코일 쌍 중심부에 선형 구간이 발생한다. 맥스웰 코일 내부에 위치하는 영구자석은 맥스웰 코일 내부의 자기장 경사에 의해 이동(병진운동)할 수 있다.

헬름홀츠 코일과 맥스웰 코일은 보다 큰 영역에서 선형 자속 밀도(자기장)를 얻기 위해 원형 코일 쌍으로 제작할 수 있으나, 사각형, 말안장형, 타원형 등으로 제작할 수도 있다.

본 명세서에서, 타원은 원을 포함하는 개념이며, 장축의 길이는 타원의 긴 쪽 방향의 반지름을 말하며, 자속밀도는 자기장과 동일한 의미를 나타낸다. 또한, 자기장의 경사, 기울기, 미분은 모두 동일한 의미로 거리에 따른 자기장의 변화율을 의미한다.

캡슐형 내시경 시스템은 영구자석을 포함하는 캡슐형 내시경과, 이러한 캡슐형 내시경을 움직이는 전자기 구동장치를 포함한다. 전자기 구동장치는 직교하는 3축에 각각 형성되는 코일쌍을 포함한다.

외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치는, 서로 수직인 3축에 각각 배치된 3쌍의 균일자장 형성코일과, 서로 수직인 3축에 각각 배치된 3쌍의 경사자장 형성코일, 그리고 각각의 균일자장 형성코일 및 경사자장 형성코일에 전력을 공급하는 제어부를 포함한다.

각 축에 배치된 균일자장 형성코일은, 도전성 와이어를 원형으로 복수회 감아서 만든 동일한 형상의 원형 코일쌍과, 원형 코일쌍에 전력을 공급하는 균일자장 회로부를 구비한다. 이때 원형 코일쌍은, 원형 코일면이 서로 평행하고, 원형 코일면의 중심을 지나는 법선이 서로 일치하도록 배치한다. 균일자장 회로부는, 원형 코일쌍의 각 원형 코일면의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 일치하도록 원형 코일쌍에 전력을 공급한다.

각 축에 배치된 경사자장 형성코일은, 도전성 와이어를 타원형으로 복수회 감아서 만든 동일한 형상의 타원형 코일쌍과, 타원형 코일쌍에 전력을 공급하는 경사자장 회로부를 구비한다.

타원형 코일쌍은, 타원형 코일면이 서로 평행하고, 타원형 코일면의 중심을 지나는 법선이 서로 일치하도록 배치한다. 경사자장 회로부는, 타원형 코일쌍의 각 타원형 코일면의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 서로 반대가 되도록 타원형 코일쌍에 전력을 공급한다.

경사자장 형성코일을 좀더 자세히 살펴보면, 경사자장 형성코일은 동일한 타원형 형상으로 만들어진 제1 코일과 제2 코일을 포함한다. 제1 코일은 도전성 와이어를 타원형으로 복수회 감아서 만든다. 제2 코일은 제1 코일에 사용한 도전성 와이어를 이용하여 제1 코일과 동일한 크기의 타원형으로 제1 코일과 동일한 회수로 감아서 만든다.

경사자장 형성코일에서 제2 코일의 타원면이 제1 코일의 타원면과 평행하도록 배치한다. 이 때, 제2 코일의 타원의 중심을 지나는 법선이 제1 코일의 타원의 중심을 지나는 법선과 일치하도록 배치한다.

경사자장 형성코일은 경사자장 회로부를 포함할 수 있다. 경사자장 회로부는 제1 코일과 제2 코일에 전력을 공급한다. 이때, 경사자장 회로부는 제2 코일의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 제1 코일의 중심에서 생성되는 자기장의 방향과 반대방향으로 생성되도록, 제1 코일과 상기 제2 코일에 전력을 공급한다.

서로 수직인 3축에 각각 배치된 3쌍의 경사자장 형성코일은 원형 코일쌍으로 구성된 경사자장 형성코일을 포함할 수 있다. 이 경우, 3쌍의 경사자장 형성코일 중에서 1쌍 이상은 타원형 코일쌍으로 구성된 경사자장 형성코일을 포함하는 것이 바람직하다.

캡슐형 내시경은 그 내부의 영구자석에 가해지는 자기력에 의해 이동할 수 있고, 영구자석에 미치는 자기력(

)은 다음 수학식 1로 구할 수 있다.

[수학식 1]

여기에서, V 는 영구자석의 부피,

은 영구자석의 자화벡터(magnetization vector),

는 영구자석이 위치한 영역의 자속 밀도(magnetic flux density) 벡터이다. 영구자석이 위치한 영역의 자속 밀도는 맥스웰 코일에 의해 형성할 수 있다.

수학식 1에서 자기력은 자속밀도(자기장)의 미분에 비례하므로, 자기장 경사(magnetic gradient)가 일정하면 일정한 힘을 얻을 수 있다.

경사자장 형성코일인 맥스웰 코일은 동일한 형태의 코일쌍에 서로 반대방향의 전류가 흐르도록 하여 구성한다. 이 경우 맥스웰 코일 내부에 반경 방향 뿐만 아니라 두 코일의 축방향으로도 자기장 경사가 생긴다.

수학식 1을 미분형식으로 다시 쓰면 다음 수학식 2와 같이 된다.

[수학식 2]

여기에서, M _x , M _y , M _z 는 각각 영구자석의 자화벡터의 x축, y축, z축 성분이고, B _x , B _y , B _z 는 각각 코일에 의해 생성된 자속밀도의 x축, y축, z축 성분이다.

자속밀도는 축방향 성분의 변화가 훨씬 크고, 다른 축에 대한 변화는 상대적으로 작다. 따라서, 각 축방향의 자기장(자속 밀도) 경사(미분)를 각각 g _x , g _y , g _z 라고 하면, 수학식 2는 수학식 3과 같이 간단하게 표현할 수 있다.

[수학식 3]

도 1은 본 발명의 일 실시예에 사용되는 캡슐형 내시경을 구동시키기 위한 한쌍의 경사자장 형성코일에 의한 자속밀도의 미분 방향 성분을 나타내는 모식도이다.

도 1에 경사자장 형성코일인 맥스웰 코일에 의해 생성된 자기장 경사 방향을 g _x , g _y , g _z 로 나타내었다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 사용되는 캡슐형 내시경에 포함된 영구자석의 자화벡터를 직교좌표에 나타내는 그래프이다.

도 2를 참조하면, 자화벡터의 성분은 수학식 4와 같이 나타낼 수 있음을 알 수 있다.

[수학식 4]

여기에서 M은 영구자석의 자화벡터의 크기, γ는 자화벡터가 xy평면과 이루는 각도, θ는 자화벡터를 xy평면에 투영시킨 벡터가 x축과 이루는 각도이다.

수학식 4를 이용하면, 수학식 3은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

캡슐형 내시경을 중력에 대응하여 공중 부양하는 경우에는, 수평 자력은 0 이 되고, 수직 자력은 영구자석의 중력 p 가 되어야 한다. 수학식 6은 이러한 경우의 영구자석에 미치는 힘의 성분을 표현한다.

[수학식 6]

자속밀도의 미분값(자기장 경사)은 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 7]

여기에서

이다.

코일쌍의 중심간 거리가 반지름의

인 조건에서, x-축 방향의 단일 코일 쌍에 대하여 3방향의 자기장 경사는 수학식 8로 주어진다.

[수학식 8]

여기에서 k 는 자기장 경사와 전류 사이의 비례상수이고, i _x 는 x-축 코일에 흐르는 전류이다.

3축 방향의 자기장을 고려하기 위해, 직교하는 위치에 3쌍의 맥스웰 코일을 사용할 수 있다. 3쌍의 경사자장 형성코일에 물리적으로 동일한 맥스웰 코일 쌍을 사용하는 경우, 고유한 자기장 경사 비율을 유지하도록 3×3 자기장 경사 행렬(gradient matrix) K 를 설정할 수 있다.

[수학식 9]

여기에서 i _x , i _y , i _z 는 각각 x, y, z 축 코일에 흐르는 전류이다.

캡슐형 내시경을 공중 부양하기 위한 전류는 구하기 위해서 수학식 9의 양변에 K 의 역행렬을 곱해주면, 수학식 10을 얻을 수 있다. 따라서 수학식 10을 이용하여 공중 부양을 위한 전류를 구하기 위해서는, 먼저 자기장 경사 행렬 K 의 역행렬을 구해야 한다.

[수학식 10]

그러나 3축에 동일한 원형의 맥스웰 코일을 사용한 구조에서는, 특이성(singularity)때문에 자기장 경사 행렬의 역행렬 K ^-1 가 존재하지 않는다.

따라서, 캡슐형 내시경 구동장치에서 캡슐형 내시경을 원하는 만큼 이동시키기 위한 전류를 구하기 위해서는, 수학식 10에서 역행렬이 존재하도록 자기력을 조정하여야 한다.

특이성을 없애기 위해서는, 맥스웰 코일 중 한 쌍 또는 복수의 코일을 일반적인 맥스웰 코일의 형태가 아닌 다른 형태의 경사자장 형성코일로 교체할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다양한 형태의 경사자장 형성코일을 구비한 코일 시스템을 직교좌표에 나타내는 모식도이다.

도 3을 참조하면, x-축의 코일쌍 A와, y-축의 코일쌍 B가 설치되고, z-축을 따라 경사자장 형성코일쌍 C가 설치된다. 변형된 코일 쌍의 새로운 조합에 의해 캡슐형 내시경의 영구자석에 새로운 비율의 자기력이 작용하고, 그 결과 자기력 비율이 변화되어 수학적인 특이성 문제를 해결할 수 있다.

1개 이상의 변형된 경사자장 형성코일을 사용한 경우, 수학식 11의 자기장 경사 맵

은 수학식 11로 구할 수 있고, 이때의 자기장 경사 행렬 K ’은 특이성이 없는 자기장 경사 행렬이 된다.

[수학식 11]

여기에서, α _n , β _n , γ _n 는 각 축(n)으로 설치된 경사자장 형성코일에 의하여 x, y, z축에 각각 생기는 자기장 경사 값이고, i _x , i _y , i _z 는 각각 x, y, z 축 코일에 흐르는 전류이다.

수학식 11에서 자기장 경사 행렬( K ’)은 역행렬 또는 유사역행렬을 가지며, 시뮬레이션 또는 측정을 통하여 결정할 수 있다. 예를 들어, x축과 y축에 각각 원형의 동일한 맥스웰 경사코일을 사용하고 z축에 타원의 경사코일을 사용할 경우, 상기 자기장 경사 행렬( K ’)은 다음과 같이 기술될 수 있다.

여기에서, k 는 자기장 경사와 전류 사이의 비례상수이고, α, β, γ 는 한 쌍의 타원형 경사자장 형성코일에 의하여 x, y, z축에 각각 생기는 자기장 경사 값이다.

설계 파라미터는 grid search 또는 random search 등의 방법을 통해 적절한 범위를 가진 다수의 각 파라미터에 대하여 자기장 경사 행렬( K ’)을 업데이트하면서, 수학식 11을 통해 자기장 경사 벡터( G )를 구함으로써 최적의 파라미터를 선정할 수 있다.

공중 부양의 경우, x-축과 y-축의 방향으로 작용하는 힘은 0으로 설정하고, z-축 방향으로 작용하는 힘을 상수 q 라고 설정하면, 코일에 인가해야 하는 전류는 수학식 12로 구할 수 있다.

[수학식 12]

(여기에서 상기 자기장 경사 행렬 G는 구동하고자하는 움직임에 따라 형성되어야하는 각 축의 경사자장의 크기이다)

캡슐형 내시경의 공중 부양을 외부에서 조종하기 위한 전자기 구동장치에서는 특이성 없이 전류값을 구할 수 있어야 하므로, 역행렬을 가질 수 있도록 특이성을 해소하여야 하며, 이를 위해 사용할 수 있는 장축의 길이 또는 코일간 거리가 다른 한 쌍 또는 복수개의 경사자장 형성코일로 이루어진 전자기 구동장치를 새로 설계할 필요가 있다.

캡슐형 내시경의 공중부양을 위해 가장 적합한 코일을 설계하기 위해서는, 새로 설계하는 코일에 의해 형성된 자기장이 선형적인지, 얼마나 넓은 면적에서 캡슐을 조종할 수 있는지, 얼마나 강한 자기장 경사를 형성할 수 있는 지를 고려하여야 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 최적화된 경사자장 형성코일의 설계 방법을 나타내는 순서도이다.

먼저, 자기장 경사의 선형성 판단기준과 선형공간의 기준크기를 설정하여야 한다(S410). 자기장 내에서 일정한 힘을 가하기 위해서는 전류를 인가하였을 때 자기장 경사가 일정하여야 하므로 자기장 경사의 선형성이 중요하다. 선형성 판단기준과 선형공간의 기준크기는 설계자 요구수준에 준하여 설정할 수 있다.

선형성 판단기준으로 가장 이상적인 선형성 비율은 선택 영역에 대한 완전한 선형성을 나타내는 100% 이다. 실제 설계시에는 요구수준에 맞추어 낮게 설정할 수 있으나, 캡슐형 내시경의 정밀한 제어를 위해서는 95% 이상을 선택하는 것이 바람직하다.

선형공간의 기준크기에 대하여, 캡슐형 내시경의 경우에는 위장에서 측정 및 이동이 가능하여야 하므로, 자기장 경사는 위장의 크기 이상으로 선형성을 가지는 것이 바람직하다. 즉, 선형공간의 기준크기는 위장의 크기를 고려하여 설정하는 것이 바람직하다. 일반인의 위장의 최대 크기는 약 30 cm 정도로 알려져 있다. 따라서 선형공간의 기준크기는 예를 들어 0.3 m 또는 0.4 m 와 같이 설정할 수 있다.

다음으로, 최적화하고자 하는 경사자장 형성코일의 조건을 변경하면서 두 코일 내부의 모든 공간에 대하여 3차원 자기장 경사를 구한다(S430). 경사자장 형성코일에서 변경가능한 조건으로는 장축의 길이 및 두 코일간 거리 등이 있다. 3차원 자기장 경사는 수학식 11로 구할 수 있다.

구해진 자기장 경사로부터 각 조건별 선형성 판단기준에 맞는 자기장 경사를 가지는 선형 공간의 크기를 구한다(S450). 선형 공간의 크기는 두 코일의 중심점의 자기장 경사 값을 기준으로 선형성 판단기준의 한계값이 위치하는 거리까지의 값으로 구할 수 있다. 예를 들어, 선형성 판단기준을 95%라고 할 때, 중심점의 자기장 경사값의 95% 또는 105% 가 되는 거리까지를 선형 공간의 크기로 결정할 수 있다.

그다음으로 선형 공간의 크기가 선형공간의 기준크기 이상이 되는 조건, 즉 장축의 길이 및 두 코일간 거리를 포함하는 조건을 선별한다(S470).

한편, 장축의 길이가 단축의 길이와 같은 경우에는, 특이성을 제외하기 위해 두 코일간의 거리를 맥스웰 코일에 해당하는 장축의 길이의

배를 제외한 값 중에서 선별하는 것이 바람직하다.

이렇게 선별된 조건은 선형성을 가지는 면적이 캡슐형 내시경이 측정 및 이동하는 위장의 크기 이상이므로, 환자의 위장내에서 캡슐형 내시경을 용이하게 이동시킬 수 있다.

다음으로, 선별된 조건을 만족하는 경사자장 형성코일 중에서 자기장 경사가 가장 큰 코일을 선택한다(S490). 자기장 경사가 큰 경우, 적은 전류로도 캡슐형 내시경에 큰 자기력을 작용시킬 수 있으므로 전자기 구동장치의 전력 소모를 줄일 수 있다.

즉, 이렇게 설계된 경사자장 형성코일은 선형 공간의 크기가 측정영역 이상으로 커서 안정적으로 캡슐형 내시경을 동작시킬 수 있으며, 전자기 구동장치의 전력 소모도 줄일 수 있도록 최적화된 코일이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일 조건에 따른 자기장 경사를 구하는 방법을 나타내는 순서도이다.

우선, 경사자장 형성코일의 두 코일간의 거리를 기준값으로 설정한다(S431). 두 코일간의 거리의 기준값은 위장의 크기를 고려하여 임의로 설정될 수 있다. 기준값은 예를 들어 0.3 m 또는 0.4 m 와 같이 설정할 수 있다.

그리고 경사자장 형성코일의 장축의 길이를 기준값으로 설정한다(S435). 장축의 길이는 원형 경사자장 형성코일의 반지름을 기준값으로 설정할 수 있다.

이러한 설정값을 이용하여 두 코일 내부의 자기장을 계산할 수 있다(S439). 계산된 자기장으로부터 두 코일 내부의 자기장 경사를 구할 수 있다(S441).

코일의 장축이 미리 설정된 최대 장축 길이 이하인 경우(S443), 장축 길이를 증가시키면서(S437) 두 코일 내부의 자기장과 자기장 경사를 계속 구할 수 있다. 이 때 코일의 형상은 원형에서 점점 길쭉한 타원 형상으로 바뀐다.

코일의 장축 설계값이 자기장을 평가하고자 하는 최대 장축에 도달했으나 두 코일간의 거리가 평가하고자 하는 최대의 코일간 거리 이하인 경우(S445), 두 코일간 거리를 증가시키면서(S433) 두 코일 내부의 자기장과 자기장 경사를 구하는 과정을 반복할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일을 이용하여 캡슐형 내시경을 구동하는 방법을 나타내는 순서도이다.

캡슐형 내시경을 구동하기 위해서는, x-축, y-축, z-축에 설치된 경사자장 형성코일 쌍으로 구성된 3쌍의 코일의 자기장 경사에 대한 행렬을 독립된 행렬로 구해야 한다(S610). 자기장 경사 행렬을 구한 다음에는 자기장 경사 행렬의 역행렬을 구한다(S630).

수학식 12를 이용하여, 캡슐형 내시경을 구동하는 전자기력을 생성할 수 있는 자기장 경사 형성에 필요한 각 축에 대응하는 채널의 경사자장 형성코일의 전류를 구한다(S650). 계산된 전류를 경사자장 형성코일에 인가하여 자기장 경사를 형성하면, 영구자석이 포함된 캡슐형 내시경에 전자기력이 작용하여 캡슐형 내시경을 구동할 수 있다(S670).

이때, 임의의 방향으로의 캡슐 구동을 위해서는 캡슐의 정렬 방향에 따른 자화값을 고려하고, 중력을 상쇄시킬 수 있는 힘으로 설정하여야 한다.

실시예 : 경사자장 형성코일 설계 방법

실제 캡슐형 내시경을 고려하여, 영구자석은 실제 경구 투여가 가능한 크기 조건을 충족하는 모든 크기와 형상으로 제작할 수 있다. 일 실시예로, 밀도가 7.01 g/cm³ 인 네오디움 재질을 이용하여, 반경을 4.5 mm, 높이 10 mm 를 가진 원기둥 형태의 영구자석을 제작하였다. 이러한 영구자석을 포함한 캡슐형 내시경의 전체 무게는 0.072 N 으로 측정되었다.

캡슐형 내시경의 공중부양을 가능하게 함과 동시에 이에 필요한 전류값을 역행렬 연산으로 도출 가능하도록 하게끔 특이성을 해소하기 위해 3개의 축으로 설치된 경사자장 형성코일 중에서 하나 또는 복수개의 코일 쌍을 본 발명의 방법에 따라 새롭게 설계하였다. 새롭게 설계된 경사자장 형성코일은 기본적인 맥스웰 코일 형태의 원형코일을 비롯하여 타원형태의 코일을 포함하며, 코일 쌍의 중심간 거리 또한 맥스웰 코일의 정의보다 더욱 폭넓게 설정할 수 있다.

일 실시예로, x-축과 y-축을 따라 2쌍의 원형 경사자장 형성코일을 설치하였다. 코일 반지름은 0.335 m 이고, 코일 중심간 거리는 코일 반지름의

배인 0.58 m 에 맞추어 설치하였다. 코일의 감은 수는 631회 이었으며, 각 코일에 흐르는 전류는 1A 로 측정되었다.

z-축을 따라 새롭게 설계된 타원형 경사자장 형성코일은 감은수, 단축의 길이, 및 코일에 흐르는 전류를 x-축, y-축 코일과 동일하게 설정하였다. 다만, 장축의 길기를 0.335 m 에서부터 0.545 m 까지 변화시키고, 코일 중심간 거리를 0.4 m 에서 0.8 m 사이에서 변화시키면서, 각 경우에 대해 자기장 경사를 계산하였다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일 중, 타원 형태를 가진 경사자장 형성코일의 자기장 세기 및 자기장 경사를 나타내는 그래프이다.

도 7(a)는 타원 형태를 가지는 경사자장 형성코일에 대한 성능결과로서, 장축 길이가 0.505 m, 단축 길이가 0.335 m 인 경우의 코일 중심축 위치에 따른 자기장(자속밀도) 크기를 나타낸다. 각각의 그래프는 코일 쌍 거리가 0.02 m 차이를 가지고 그려진다. 그래프에서 파란색으로 표시된 피크 사이의 거리가 좁은 그래프는 축간 거리가 0.4 m의 그래프이고, 빨간색으로 표시된 피크 사이의 거리가 넓은 그래프는 축간 거리가 0.8 m의 그래프이다.

중심(60cm)에서 기울기(경사)의 크기는 0.4 m의 경우가 (음의 값으로) 가장 크고, 0.8 m의 경우에 가장 작다.

도 7(b)는 타원 형태를 가지는 경사자장 형성코일에 대한 성능결과로서, 장축 길이가 0.505 m, 단축 길이가 0.335 m 인 경우의 코일 중심축 위치에 따른 자기장(자속밀도) 경사를 나타낸다. 도 7(a)와 마찬가지로, 각각의 그래프는 코일 쌍 거리가 0.02 m 간격으로 그려진다. 중심(60cm)에서 가장 자기장 경사의 크기가 (음의 값으로) 큰 것은 가장 밑의 그래프인 코일 쌍 거리가 0.4 m 인 경우이고, 가장 경사가 작은 것은 0.8 m의 경우이다.

각 코일쌍의 거리에 대하여, 도 7(b)의 그래프를 구한 후에는, 중심부에서 일정 비율 이상의 선형성을 가지는 영역의 크기를 구할 수 있다. 일정 비율은 설계자 요구수준에 준하여 설정할 수 있으며, 가장 이상적인 성형성 비율은 100% 로서 선택 영역에 대한 완전한 선형성을 나타내는 것이다. 선형 비율은 캡슐형 내시경의 조종 정도에 따라 98% 또는 95% 등을 선택할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 타원 형태의 경사자장 형성코일의 장축 길이와 코일쌍의 거리에 따른 선형성을 만족하는 면적의 크기와 자기장 경사의 크기를 나타내는 그래프이다.

도 8의 위쪽에 표시한 그래프는 장축의 길이와 코일쌍 사이의 거리에 따른 자기장 경사의 선형성을 만족하는 구간의 크기를 색으로 표시한 것이다. 도 8의 경우 선형성을 만족하는 구간의 크기는 95% 를 기준으로 선정되었으나, 더욱 높은 수준으로 설정 될 수도 있다. 선형성이 95% 이상인 구간이 10 cm 이하인 경우에는 짙은 갈색으로 표시되었고, 선형성이 95% 이상인 구간이 30 내지 40 cm 인 경우에는 파란색으로 표시되었다.

최적의 코일쌍을 선정하기 위해서는 먼저 선형구간이 측정하고자 하는 범위보다 넓어야 한다. 캡슐형 내시경의 경우에는 위장에서 이동이 가능하여야 하고, 위장의 크기는 최대 30 cm 정도로 알려져 있다. 따라서 우선 선형성을 만족하는 파란색 구간을 선택할 수 있다.

도 8의 아래쪽에 표시한 그래프는 장축의 길이와 코일쌍 사이의 거리에 따른 자기장 경사의 크기를 나타낸다.

최적의 코일쌍을 선정하기 위해서는 도 8의 파란색에 해당하는 부분 중에서 자기장 경사가 가장 큰 것을 선택하는 것이 전력 소모를 줄이기 위해 바람직하다.

도면에서 파란색에 해당하는 부분 중에서 가장 자기장 경사가 큰 것은 장축의 길이가 0.335 m 이고, 코일 간 거리가 0.62 m 인 경우에 해당한다. 장축의 길이가 단축과 동일한 경우에는 코일쌍간 거리는 특이성을 일으키는 0.58 m가 아닌 것을 확인한다.

이상의 방법으로 선택된 선형성에 따른 경사자장 형성코일의 사양은 다음 표 1과 같다.

선형성 (%)	선형 구간 크기 (cm)	장축 길이 (m)	코일간 거리 (m)	자기장 경사 (mT/m)	비고
98	20	0.335	0.58	4.516	case 1
	30	0.345	0.64	3.998	case 2
97	20	0.335	0.58	4.516	case 3
	30	0.335	0.62	4.202	case 4
	40	0.435	0.72	3.157	case 5
95	20	0.335	0.54	4.816	case 6
	30	0.335	0.62	4.202	case 7
	40	0.335	0.66	3.885	case 8
	50	0.515	0.78	2.673	case 9

최적의 설계를 선택하기 위해서는, 우선 선형성 정도(%)와 선형 구간의 크기(cm)를 선택하여야 한다. 만약 선형성을 98% 이상으로, 선형 구간을 30 cm 이상으로 선택한다면, 최적의 코일은 표 1에서 case 2에 해당한다. 즉, 새로운 코인은 장축 길이 0.345 m 인 타원형 코일이고, 이러한 코일쌍을 코일간 거리가 0.62 m가 되도록 떨어뜨려서 설치할 수 있다.

한편, 선형성을 95% 이상으로 선택하고 선형 구간이 30 cm 이상인 것을 선택하는 경우에는 표 1에서 case 7에 해당한다. 따라서 장축 길이 0.335 m, 그리고 코일간 거리 0.62 m 를 선택할 수 있다. 이 경우는 장축 길이가 원의 반경과 같아서 코일 형태는 원형을 유지하지만, 그 코일쌍의 중심 사이의 거리를 x-축, y-축과의 0.58 m 보다 큰 0.62 m 로 설치할 수 있다.

이렇게 선택된 코일 배치는 특이성을 가지지 않아서 자기장 경사 행렬이 역행렬을 가지고, 선형 구간이 충분히 넓으므로 캡슐형 내시경의 영구자석의 조정에 필요한 전류를 손쉽게 구할 수 있다. 또한, 자기장 경사가 크기 때문에 영구자석의 구동에 필요한 전류가 작아서 적은 전력으로 캡슐형 내시경울 구동할 수 있다.

실시예 : 전류 시뮬레이션

선형성이 95% 이상인 구간이 30 cm 이상에서 자기장 경사가 가장 큰 코일들에 대하여 수학식 12를 이용하여 전류를 구하였다. 두개의 원형 맥스웰 코일과 함께 사용되는 선택된 경사자장 형성코일은 자기장 경사 행렬의 특이성 문제를 일으키지 않으므로 전류값을 구할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 경사자장 형성코일 중 타원 형태의 경사자장 형성코일에 대한 캡슐형 영구자석의 공중부양에 필요한 전류값을 나타내는 그래프이다.

영구자석이 x-축, y-축과 θ=45°를 이루는 경우, 전류는 피치(pitch) 각도 γ에 대한 함수이다. 따라서 도 9에서는 가로축에 피치각도를 나타내었고, 세로축에는 각 축방향의 전류의 크기를 나타내었다.

도 9(a)는 표 1의 Case 2인 경우(장축 길이 0.345 m, 코일간 거리 0.64 m)에 대해 구한 전류값들이고, 도 9(b)는 표 1의 Case 5인 경우(장축 길이 0.435 m, 코일간 거리 0.72 m)에 대해 구한 전류값들이고, 도 9(c)는 표 1의 Case 9인 경우(장축 길이 0.515 m, 코일간 거리 0.78 m)에 대해 구한 전류값들이다.

각 도면에서 영구자석의 피치 각도가 90°일 때의 경우에 대하여 도면 내에 확대된 그래프가 표시되어 있다.

도 9(a)에서 Case 2의 경우에는 파란색으로 표시된 Y축 코일에 인가하는 전류가 가장 작고, 초록색의 Z축 코일에 인가하는 전류와 빨간색의 X축 코일에 인가하는 전류가 비슷한 값을 가진다.

도 9(c)에서 Case 9의 경우에는 파란색으로 표시된 Y축 코일에 인가하는 전류가 약간 증가하고, 초록색의 Z축 코일에 인가하는 전류와 빨간색의 X축 코일에 인가하는 전류의 차이가 조금더 벌어진 것을 알 수 있다.

도 9(a) 내지 도 9(c)를 참조하면, x-축, y-축, 및 z-축에 인가되는 전류는 영구자석의 피치 각도가 90°부근에서, 2.0 A 이하의 최저값을 나타낸다. 또한, 피치 각도가 약 10°및 170°인 경우에 약 10.0 A를 나타낸다. x-축 또는 y-축에 인가되는 전류보다 약간씩 증가한 것을 알 수 있다. 다만, 어느 경우에도 10 A의 전류로 약 160°구간의 영구자석을 조종할 수 있다.

영구자석이 (-) 각도를 가지는 방향인 경우, 음의 전류값도 동일한 패턴을 보이므로, 결국 3축의 모든 코일에서 ±10 A 이내의 적은 전류로 피치각도 약 320°구간의 모든 영구자석을 조종할 수 있다.

실시예 : 최적 코일 선정

선형성 95% 이상을 확보할 수 있으면서, 코일 장축의 크기와 코일간 거리의 변동에도 49 cm 이상의 면적을 확보할 수 있는 코일을 선정할 수 있다. 전체 시스템의 크기를 너무 크게 만들지 않기 위해서는 가급적 장축의 크기와 코일간 거리가 작은 쪽에서 선택하여야 하며, 단축의 길이를 0.335 m 로 설정한 경우, 결과가 다음 표 2에 나타나 있다.

선형성 (%)	코일간 거리 (m)	장축 길이 (m)	선형구간 크기 (cm)	판정 (선형구간 49이상)
95 이상	0.74	0.455	47	NG
		0.485	47	NG
		0.515	45	NG
		0.545	45	NG
		0.575	45	NG
	0.76	0.455	51	OK
		0.485	49	OK
		0.515	49	OK
		0.545	49	OK
		0.575	47	NG
	0.78	0.455	55	OK
		0.485	53	OK
		0.515	53	OK
		0.545	51	OK
		0.575	51	OK
	0.80	0.455	29	NG
		0.485	57	OK
		0.515	55	OK
		0.545	55	OK
		0.575	55	OK
	0.82	0.455	27	NG
		0.485	29	NG
		0.515	33	NG
		0.545	57	OK
		0.575	57	OK

즉, 장축의 길이가 485 mm 내지 545 mm 인 타원형 코일을, 타원형 코일쌍의 중심간 거리가 760 mm 내지 800 mm 가 되도록 배치한 경사자장 형성코일의 경우, 선형성 95% 이상인 면적을 49 cm 이상 얻을 수 있음을 알 수 있다.

이러한 장축 길이와 코일쌍 중심간 거리를 가지는 경사자장 형성코일은 타원형 코일의 단축의 길이가 변화되어도, 특히 단축의 길이가 0.305 m 내지 0.365 m 라면, 마찬가지로 선형성이 높은 넓은 면적을 얻을 수 있다.

이상에서, 본 발명에 따른 경사자장 형성코일 선택 방법에 따르면, 특이성이 없으며 선형성이 넓어 영구자석의 조정이 용이하고, 자기장 경사가 커서 적은 전력으로 캡슐형 내시경의 조종이 가능한 최적의 경사자장 형성코일을 선택할 수 있다.

본 발명에 의하면, 복수개의 코일 쌍의 전자기장 계수를 단일 행렬의 내 성분으로 취함으로써 캡슐형 내시경 주행에 필요한 전류를 도출하는 연산을 수행하고, 경사자장 형성코일 쌍의 코일 간 거리 및 형태변경을 통하여 특이성을 해소시켜, 캡슐형 내시경의 특정 방향으로의 주행을 위한 전류의 계산이 가능하면서도, 목표 검진 영역에 대해 충분한 선형성을 가지고 있어서 캡슐형 내시경의 조종이 용이하고, 전력소모도 적은 최적의 전자기 구동장치를 설계할 수 있다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다.

100 : 코일
200 : 영구자석

Claims (11)

1. 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법에 있어서,
   (a) 자기장 경사의 선형성 판단기준 및 선형 공간의 기준크기를 설정하는 단계;
   (b) 최적화하고자 하는 경사자장 형성코일의 장축의 길이 및 두 코일간 거리를 변경하면서 두 코일 내부의 모든 공간에 대하여 3차원 자기장 경사를 구하는 단계;
   (c) 상기 자기장 경사로부터 상기 선형성 판단기준에 맞는 자기장 경사를 가지는 선형 공간의 크기를 구하는 단계;
   (d) 상기 선형 공간의 크기가 상기 기준크기 이상을 만족하는 경사자장 형성코일의 장축의 길이 및 두 코일간의 중심 거리 조건을 선별하는 단계; 및
   (e) 상기 선별된 조건을 만족하는 경사자장 형성코일 중에서 자기장 경사가 가장 큰 코일을 선택하는 단계;를 포함하고,
   상기 (b)단계는,
   (b-1) 장축의 길이와 두 코일간의 거리를 기준값으로 설정하는 단계;
   (b-2) 장축의 길이와 두 코일간의 거리를 변경하면서 코일 내부의 자기장을 계산하는 단계; 및
   (b-3) 계산된 자기장으로부터 두 코일 내부의 자기장 경사를 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 3차원 자기장 경사는, 하기 수학식 11을 만족하는 자기장 경사 벡터( G ) 값으로 구하고,
   하기 수학식 11에서 자기장 경사 행렬( K ’)은 역행렬을 가지는 것을 특징으로 하는 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법.
   [수학식 11]
   

   

   
   (여기에서, α _n , β _n , γ _n 는 각 축(n)으로 설치된 경사자장 형성코일에 의하여 x, y, z축에 각각 생기는 자기장 경사 값이고, i _x , i _y , i _z 는 각각 x, y, z 축 코일에 흐르는 전류이다.)
4. 제1항에 따른 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
5. 제1항에 기재된 경사자장 형성코일의 최적화 설계 방법에서 타원형 코일로 이루어진 경사자장 형성코일에 전류를 인가하는 방법은
   (f) 3쌍의 경사자장 형성코일에 대응하는 자기장 경사 행렬을 구하는 단계;
   (g) 구동방향에 따른 자기장 경사 벡터에 상기 자기장 경사 행렬의 역행렬 또는 유사역행렬을 적용하여, 경사자장 형성코일의 전류를 구하는 단계; 및
   (h) 계산된 각 축의 경사자장 형성코일의 전류를 각 축의 경사자장 형성코일에 인가하여 자기장 경사를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일에 전류를 인가하는 방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 각 축의 경사자장 형성코일의 전류는, 하기 수학식 12를 만족하는 것을 특징으로 하는 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치를 위한 경사자장 형성코일에 전류를 인가하는 방법.
   [수학식 12]
   

   

   
   

   

   
   (여기에서 상기 자기장 경사 행렬 G는 구동하고자하는 움직임에 따라 형성되어야하는 각 축의 경사자장의 크기이다)
7. 제5항 또는 제6항에 따른 타원형 코일로 이루어진 경사자장 형성코일에 전류를 인가하는 방법을 실행하기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.
8. 도전성 와이어를 타원형으로 복수회 감아서 만든 제1 코일;
   상기 도전성 와이어를 이용하여, 상기 제1 코일과 동일한 크기의 타원형으로 상기 제1 코일과 동일한 회수로 감아서 만든 제2 코일; 및
   상기 제1 코일과 제2 코일에 전력을 공급하는 경사자장 회로부;를 포함하고,
   상기 제2 코일은, 타원면이 상기 제1 코일의 타원면과 평행하고, 타원의 중심을 지나는 법선이 상기 제1 코일의 타원의 중심을 지나는 법선과 일치하도록 배치되고,
   상기 경사자장 회로부는, 상기 제2 코일의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 상기 제1 코일의 중심에서 생성되는 자기장의 방향과 반대방향으로 생성되도록, 상기 제1 코일과 상기 제2 코일에 전력을 공급하고,
   제1 코일 및 제2 코일의 장축의 길이를 485 mm 내지 545 mm 및 상기 제1 코일과 제2 코일의 중심간 거리를 760 mm 내지 800 mm 로 변경하면서 두 코일 내부의 모든 공간에 대하여 3차원 자기장 경사를 구하고,
   상기 자기장 경사로부터 설정된 선형성 판단기준에 맞는 자기장 경사를 가지는 선형 공간의 크기를 구한 다음 상기 선형 공간의 크기가 기준크기 이상을 만족하는 경사자장 형성코일의 장축의 길이 및 두 코일간의 거리 조건을 선별하며,
   상기 선별된 조건을 만족하는 경사자장 형성코일 중에서 자기장 경사가 가장 큰 코일을 선택하여 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 경사자장 형성코일.
   
9. 삭제
10. 외부에서 조종 가능한 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치에 있어서,
    서로 수직인 3축에 각각 배치된 3쌍의 균일자장 형성코일;
    서로 수직인 3축에 각각 배치된 3쌍의 경사자장 형성코일; 및
    각각의 균일자장 형성코일 및 경사자장 형성코일에 전력을 공급하는 제어부;를 포함하며,
    상기 각 축에 배치된 균일자장 형성코일은,
    도전성 와이어를 원형으로 복수회 감아서 만든 동일한 형상의 원형 코일쌍; 및
    상기 원형 코일쌍에 전력을 공급하는 균일자장 회로부;를 구비하고,
    상기 원형 코일쌍은, 원형 코일면이 서로 평행하고, 원형 코일면의 중심을 지나는 법선이 서로 일치하도록 배치되고,
    상기 균일자장 회로부는, 상기 원형 코일쌍의 각 원형 코일면의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 일치하도록 상기 원형 코일쌍에 전력을 공급하며,
    상기 각 축에 배치된 경사자장 형성코일은,
    도전성 와이어를 타원형으로 복수회 감아서 만든 동일한 형상의 타원형 코일쌍; 및
    상기 타원형 코일쌍에 전력을 공급하는 경사자장 회로부;를 구비하고,
    상기 타원형 코일쌍은, 타원형 코일면이 서로 평행하고, 타원형 코일면의 중심을 지나는 법선이 서로 일치하도록 배치되고,
    상기 경사자장 회로부는, 상기 타원형 코일쌍의 각 타원형 코일면의 중심에서 생성되는 자기장의 방향이 서로 반대가 되도록 상기 타원형 코일쌍에 전력을 공급하고,
    상기 제어부는
    상기 타원형 코일쌍의 장축의 길이를 485 mm 내지 545 mm와 상기 타원형 코일면의 중심간 거리를 760 mm 내지 800 mm 로 변경하면서 두 코일 내부의 모든 공간에 대하여 3차원 자기장 경사를 구하고,
    상기 자기장 경사로부터 설정된 선형성 판단기준에 맞는 자기장 경사를 가지는 선형 공간의 크기를 구한 다음 상기 선형 공간의 크기가 기 정해진 기준크기 이상을 만족하는 경사자장 형성 코일의 장축의 길이 및 두 코일 중심 간의 거리 조건을 선별하며,
    상기 선별된 조건을 만족하는 경사자장 형성코일 중에서 자기장 경사가 가장 큰 코일을 선택하여 전력을 공급하는 것을 특징으로 하는 캡슐형 내시경의 전자기 구동장치.
11. 삭제

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