KR102314636B1

KR102314636B1 - Electromagnetic drive system for micro robot

Info

Publication number: KR102314636B1
Application number: KR1020200014849A
Authority: KR
Inventors: 김창세; 박종오; 최은표; 강병전; 김자영; 고광준; 김 티엔 응웬
Original assignee: 전남대학교산학협력단; 재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
Priority date: 2019-02-19
Filing date: 2020-02-07
Publication date: 2021-10-20
Also published as: KR20200101286A

Abstract

본 발명은 마이크로 로봇을 구동하기 위한 전자기 구동 코일부에 자기 차폐부를 장착함으로써 마이크로 로봇의 구동영역 내에서 자기장 발생 세기를 증가시키거나, 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 자기장을 집속시킬 수 있는 마이크로 로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 관심영역 내의 자기장 발생 세기를 증가시키거나, 자기장을 집속시킴으로서 체내 주입된 마이크로 로봇의 구동을 제어할 수 있는 효과가 있다.The present invention is a micro-robot capable of increasing the magnetic field generation strength within the driving region of the micro-robot by mounting a magnetic shield on the electromagnetic driving coil for driving the micro-robot, or concentrating the magnetic field locally through the combination of two electromagnets. It relates to a robot driving device and a system using the same.
According to the present invention as described above, it is possible to control the driving of the microrobot injected into the body by increasing the magnetic field generation strength in the region of interest or focusing the magnetic field.

Description

Micro Robot Drive {ELECTROMAGNETIC DRIVE SYSTEM FOR MICRO ROBOT}

본 발명은 마이크로 로봇 구동장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로 로봇을 구동하기 위한 전자기 구동 코일부에 자기 차폐부를 장착함으로써 마이크로 로봇의 구동영역 내에서 자기장 발생 세기를 증가시키거나, 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 자기장을 집속시킬 수 있는 마이크로 로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a micro-robot driving device, and more particularly, by mounting a magnetic shield on an electromagnetic driving coil for driving the micro-robot to increase the magnetic field generation strength within the driving region of the micro-robot, or to combine two electromagnets It relates to a micro-robot driving device capable of locally focusing a magnetic field through a magnetic field and a system using the same.

마이크로 로봇을 이용한 최소 침습 시술은 절개부위를 최소화하여 환자의 고통을 줄일 수 있고, 회복기간도 짧게 할 수 있는 수술방법으로 최근에 많은 연구가 진행되고 있다. Minimally invasive surgery using microrobots is a surgical method that can reduce the patient's pain by minimizing the incision and shorten the recovery period.

마이크로 로봇의 움직임을 제어하기 위한 방법은 외부구동과 자체구동방식으로 나눌 수 있다. 자체 구동방식에는 외부유체와 마이크로 로봇 몸체 사이의 상호 화학반응에 의해 발생된 가스의 압력을 이용하여 추진하는 방식, 박테리아 움직임과 같은 생물학적 추진력을 이용하는 방식 등이 있다. 그러나 자체 구동방식은 마이크로 로봇 구동을 위한 낮은 제어 자유도, 낮은 제어 정밀도 및 화학/생물학적 독성문제 등으로 인하여 인체 내에 적용하기 어렵다는 한계가 있다. Methods for controlling the movement of micro-robots can be divided into external driving and self driving methods. The self-driving method includes a method of propelling using the pressure of gas generated by a mutual chemical reaction between an external fluid and a microrobot body, a method of using biological propulsion such as movement of bacteria, and the like. However, the self-driving method has limitations in that it is difficult to apply to the human body due to low control freedom, low control precision, and chemical/biological toxicity for driving the microrobot.

자기장을 이용한 마이크로 로봇 구동방식은 인체 내 안전성이 높은 대표적인 외부구동방식으로서, 영구자석 또는 전자기 구동코일 장치를 이용한 방법으로 구분할 수 있다. 특히, 영구자석을 이용한 방식과 비교하여 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어방식은 코일에 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인해 적용범위가 다양하고 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야 중 하나다. 특히 외부 자기장을 이용해 마이크로 로봇을 추진하거나 치료를 위한 구동을 하는 연구가 많이 진행되고 있는데, 대다수의 연구가 2차원 평면상에서 이루어지거나, 3차원공간을 단순히 이동할 수 있는 연구가 주로 진행되고 있다. 자기장을 이용하여 제어할 수 있도록 의료용 디바이스는 배터리나 별도의 구동기 없이 일부 또는 전체가 자성체로 구성된다. 배터리나 구동기를 자성체로 대체할 경우 의료용 디바이스는 소형으로 설계가 가능하다. 크기가 최소화된 의료용 디바이스는 최소 침습 시술을 가능하게 한다. 이는 곧 수술 시 절개 부위가 최소화되어 환자의 고통 및 회복 기간을 감소시키는 이점이 있다. 이러한 시스템들은 체내에 위치한 자성체를 포함하는 의료장치를 정렬시키거나 이동을 유도하기 위해, 체외에 자석을 배치하거나 MRI 같은 원통형의 구조물 형태를 가지는 전자기 구동 시스템을 이용하여, 체내의 자성체를 정렬시키거나 이동을 유도시킬 수 있다. 자성체를 구비한 의료용 디바이스는 외부에 구비된 자기장 발생 장치에 의해서 제어될 수 있다. 사용되는 자기장 발생장치는 영구자석과 전자석이 있다. 영구자석은 의료용 디바이스와 영구자석 사이의 거리 및 자기장의 방향을 제어하여 구동시킬 수 있다. 하지만 이 경우, 의료용 디바이스의 움직임 및 제어 속도에 한계가 있는 문제점이 있다.The micro-robot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be classified into a method using a permanent magnet or an electromagnetic driving coil device. In particular, compared to the method using a permanent magnet, the micro-robot control method using an electromagnetic driving coil has a wide range of applications and is the most active due to the advantage that the strength and direction of the magnetic field can be precisely controlled by controlling the current applied to the coil. It is one of the fields in which research is being conducted. In particular, many studies are being conducted to propel micro-robots using an external magnetic field or to drive them for treatment. A medical device is partially or entirely composed of a magnetic material without a battery or a separate actuator so that it can be controlled using a magnetic field. When batteries or actuators are replaced with magnetic materials, medical devices can be designed in a compact size. A medical device with a minimal size enables minimally invasive procedures. This has the advantage of reducing the patient's pain and recovery period by minimizing the incision site during surgery. In order to align or induce movement of a medical device including a magnetic body located in the body, these systems arrange a magnetic body in the body or use an electromagnetic drive system having a cylindrical structure shape such as an MRI by placing a magnet outside the body. may induce movement. A medical device having a magnetic material may be controlled by an external magnetic field generating device. Magnetic field generators used include permanent magnets and electromagnets. The permanent magnet may be driven by controlling the distance between the medical device and the permanent magnet and the direction of the magnetic field. However, in this case, there is a problem in that there is a limit to the movement and control speed of the medical device.

전자석으로 구동되는 의료용 디바이스는 외부에 고정 배치된 코일에 전류를 인가하여 생성된 자기장으로 제어가 가능하다. 이때 각 코일에 인가되는 전류의 세기와 방향 등을 제어하게 되면 의료용 디바이스의 원하는 구동을 구현할 수 있다. 전자석을 이용한 방법은 영구자석을 이용한 방법에 비해서 제어가 용이하고, 코일의 특성에 따라 의료용 디바이스의 움직임이 빠르게 제어될 수 있다. 하지만, 의료용 디바이스는 전자기 구동 장치와 이격될수록, 의료용 디바이스에 작용하는 자기장이 급격하게 감소한다. 이 경우, 의료용 디바이스의 제어를 위해서 전자기 구동 장치는 이격 거리에 따라 코일에 많은 전류를 인가해야 하는 문제점이 있다. 보다 상세하게, 종래의 전자기 구동 장치는 피검자가 누워있는 테이블로 자기장을 형성함에 있어서 코일이 고정 배치된다. 따라서, 피검자의 진단 시 피검자의 체형, 진단 부위에 따라 코일과 의료용 디바이스의 이격 거리가 변화하게 된다. 거리에 따라 변화하는 자기장의 세기를 고려하여 코일로 인가되는 전류량을 제어하는 것은 제어 정밀도 및 전력 측면에서 비효율적이다.A medical device driven by an electromagnet can be controlled by a magnetic field generated by applying a current to a coil fixedly arranged outside. In this case, by controlling the intensity and direction of the current applied to each coil, desired driving of the medical device can be realized. The method using the electromagnet is easier to control than the method using the permanent magnet, and the movement of the medical device can be quickly controlled according to the characteristics of the coil. However, as the medical device is spaced apart from the electromagnetic driving device, the magnetic field acting on the medical device sharply decreases. In this case, in order to control the medical device, the electromagnetic driving device has a problem in that a large amount of current must be applied to the coil according to the separation distance. More specifically, in the conventional electromagnetic driving device, a coil is fixedly disposed in forming a magnetic field with a table on which a subject lies. Accordingly, when a subject is diagnosed, the separation distance between the coil and the medical device is changed according to the body type and diagnosis part of the subject. It is inefficient in terms of control precision and power to control the amount of current applied to the coil in consideration of the strength of the magnetic field that changes according to the distance.

또한, 자기력의 증가를 위해 전자석은 코일과 마그네틱 코어의 조합으로 구성될 수 있다. 상기에서 언급된 바와 같이 자기력의 증가를 위해 전자석(코일과 마그네틱 코어)이 피검체에 근접할수록 큰 자기력을 발휘할 수 있다.In addition, in order to increase the magnetic force, the electromagnet may be composed of a combination of a coil and a magnetic core. As mentioned above, the closer the electromagnet (coil and magnetic core) is to the object to increase the magnetic force, the greater the magnetic force may be exerted.

마이크로 로봇을 인체에 적용하고 이를 인체 내에서 구동하기 위해서는 충분한 크기의 자기장 세기가 필요하다. 하지만. 이를 위해는 자기장 발생을 위한 전자기 구동코일의 크기 및 무게 또한 커져야 한다는 한계점이 있다. 따라서 실용화를 위해서는 마이크로 로봇을 구동하기에 충분한 크기의 자기장 발생이 가능하면서 소형화된 전자기 구동코일에 대한 개발이 필요하다.In order to apply the microrobot to the human body and drive it in the human body, a magnetic field strength of sufficient magnitude is required. However. To this end, there is a limit in that the size and weight of the electromagnetic driving coil for generating a magnetic field must also be increased. Therefore, for practical use, it is necessary to develop a miniaturized electromagnetic driving coil that can generate a magnetic field sufficient to drive a microrobot.

또한 다수의 전자석의 배치구조를 기반으로 각 전자석이 가지는 자기장을 공간상에서 중첩하는 형태로 자기력을 발생하여 체내에 주입된 마이크로 로봇의 구동 제어를 하도록 하는 경우 단방향으로만 자기력을 가할 수 있기 때문에 마이크로 로봇을 원하는 위치로 이동시키기 위해서는 체내에 주입된 마이크로 로봇의 위치를 정확히 인식하고 있어야 하는데 인체 내에서 마이크로 로봇 또는 나노 로봇의 위치를 정확히 인식하는 것은 상당히 어려운 문제점이 있다. In addition, based on the arrangement structure of a plurality of electromagnets, when generating a magnetic force in the form of overlapping the magnetic field of each electromagnet in space to control the driving of the microrobot injected into the body, the magnetic force can be applied only in one direction. In order to move the micro-robot to a desired position, it is necessary to accurately recognize the position of the micro-robot injected into the body.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 마이크로 로봇을 구동하기에 충분한 크기의 자기장 발생이 가능하면서 소형화된 전자기 구동코일을 포함하는 마이크로 로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention has been devised to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a micro-robot driving device including a miniaturized electromagnetic driving coil and a system using the same, while generating a magnetic field of a size sufficient to drive the micro-robot. do.

본 발명의 다른 목적은 두개의 전자석을 결합하여 국소부위의 원하는 위치에 자기장을 집속시켜 체내 주입된 마이크로로봇의 구동을 효과적으로 제어할 수 있는 마이크로 로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a microrobot driving device and a system using the same, which can effectively control the driving of a microrobot injected into the body by combining two electromagnets to focus a magnetic field at a desired location in a local area. .

본 발명의 또 다른 목적은 두 개의 전자석을 결합하고, 자기차폐부를 포함하여 국소부위의 원하는 위치에 자기장을 집속시킬 수 있을 뿐만 아니라 마이크로 로봇을 구동하기에 충분한 크기의 자기장 발생이 가능한 소형화된 전자석을 포함하는 마이크로 로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to combine two electromagnets, and to provide a miniaturized electromagnet capable of focusing a magnetic field at a desired location in a local area, including a magnetic shield, as well as generating a magnetic field of a size sufficient to drive a microrobot. An object of the present invention is to provide a micro-robot driving device comprising the same and a system using the same.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects and advantages of the present invention not mentioned can be understood by the following description, and will be more clearly understood by the examples of the present invention. It will also be readily apparent that the objects and advantages of the present invention may be realized by means and combinations indicated in the claims.

본 발명의 일 양태에 따르면, 마이크로 로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템은 자성체를 포함한 마이크로 로봇을 전자기 구동하기 위한 장치로서, 코일 권선부와 자기 차폐부로 구성된 자기 차폐 전자기 구동 코일모듈을 포함하는 자기 차폐 전자기 구동 코일부; 상기 자기 차폐 전자기 구동 코일모듈에 자화전류를 인가하여 유도 자기장을 발생시키게 되는 전원공급부를 포함하고, 상기 자기 차폐부는, 상기 코일 권선부의 단일 말단을 감싸도록 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇 구동장치를 제공한다.According to one aspect of the present invention, a micro-robot driving device and a system using the same are a device for electromagnetically driving a micro-robot including a magnetic material, and magnetic shielding electromagnetic including a magnetic shielding electromagnetic driving coil module composed of a coil winding part and a magnetic shielding part. driving coil unit; and a power supply unit for generating an induced magnetic field by applying a magnetizing current to the magnetic shielding electromagnetic driving coil module, wherein the magnetic shielding unit is configured to surround a single end of the coil winding unit. to provide.

상기 자기 차폐 전자기 구동 코일모듈은 연자성체 재질의 코어부를 포함하고, 상기 코어부는 상기 자기 차폐부가 위치한 상기 코일 권선부의 반대편 말단에 위치한다. The magnetic shielding electromagnetic driving coil module includes a core part made of a soft magnetic material, and the core part is located at the opposite end of the coil winding part where the magnetic shield part is located.

상기 코일 권선부와 상기 자기 차폐부의 길이비는 4 내지 1 : 1 내지 3일 수 있고, 바람직한 구현예에 따르면 코일 권선부와 자기 차폐부의 길이비는 4:1, 3:1, 3:2, 4:3, 1:1일 수 있고, 보다 바람직하게는 4:3의 길이비를 갖는 것이다.The length ratio of the coil winding part and the magnetic shielding part may be 4 to 1:1 to 3, and according to a preferred embodiment, the length ratio of the coil winding part to the magnetic shielding part is 4:1, 3:1, 3:2, It may be 4:3 or 1:1, and more preferably has a length ratio of 4:3.

상기 마이크로 로봇 구동장치는 자기 차폐 전자기 구동 코일부 및 상기 전원 공급부를 제어하는 제어부와 상기 자기 차폐부의 길이를 조절하여 상기 코일 권선부를 감싼 영역을 조절하는 자기 차폐 영역 조절부를 포함할 수 있고, 상기 자기 차폐 영역 조절부는 상기 제어부에 의해 제어된다.The micro-robot driving device may include a control unit for controlling the magnetic shielding electromagnetic driving coil unit and the power supply unit, and a magnetic shielding area adjusting unit for adjusting the area surrounding the coil winding unit by adjusting the length of the magnetic shield unit, The shielding area adjustment unit is controlled by the control unit.

이용한 시스템은 상기 자기 차폐 전자기 구동 코일부는 복수의 자기 차폐 전자기구동 코일모듈을 포함할 수 있다.The used system may include the magnetic shielding electromagnetic driving coil unit including a plurality of magnetic shielding electromagnetic driving coil modules.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 자성체를 포함한 마이크로 로봇을 전자기 구동하기 위한 장치로서, 중공이 형성되고 제1 전자석; 상기 제1 전자석의 중공에 배치되고, 전류가 인가되어 제2 전기장을 형성하는 제2 전자석; 상기 전자석에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키는 전원공급부를 포함하고, 상기 제1 전자석에 의해 형성되는 제1 자기장과, 상기 제2 전자석에 의해 형성되는 제2 자기장이 서로 중첩되어 일정 영역의 중첩자기장이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇 구동장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for electromagnetically driving a microrobot including a magnetic body, the hollow being formed and comprising: a first electromagnet; a second electromagnet disposed in the hollow of the first electromagnet, to which a current is applied to form a second electric field; and a power supply unit for generating a magnetic field by applying a current to the electromagnet, wherein a first magnetic field formed by the first electromagnet and a second magnetic field formed by the second electromagnet are overlapped with each other to form an overlapping magnetic field in a predetermined region It provides a micro-robot driving device, characterized in that formed.

상기 제1 전자석에 흐르는 전류 방향과 상기 제2 전자석에 흐르는 전류 방향은 서로 정반대 방향이다.A direction of a current flowing through the first electromagnet and a direction of a current flowing through the second electromagnet are opposite to each other.

상기 제1 전자석은 원형 코일 형태로 구성되고, 상기 제2 전자석은 솔레노이드 코일로 구성될 수 있다.The first electromagnet may be configured in a circular coil shape, and the second electromagnet may be configured in a solenoid coil shape.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 자성체를 포함한 마이크로 로봇을 전자기 구동하기 위한 장치로서, 중공이 형성되고 제1 전자석; 상기 제1 전자석의 중공에 배치되고, 자기 차폐부를 포함하는 제2 전자석; 상기 전자석에 전류를 인가하여 자기장을 발생시키는 전원공급부를 포함하고, 상기 제1 전자석에 의해 형성되는 제1 자기장과, 상기 제2 전자석에 의해 형성되는 제2 자기장이 서로 중첩되어 일정 영역의 중첩자기장이 형성하며, 상기 자기 차폐부는 제1 전자석과 반대편 말단에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로 로봇 구동장치를 제공한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an apparatus for electromagnetically driving a microrobot including a magnetic body, the hollow being formed and comprising: a first electromagnet; a second electromagnet disposed in the hollow of the first electromagnet and including a magnetic shield; and a power supply unit for generating a magnetic field by applying a current to the electromagnet, wherein a first magnetic field formed by the first electromagnet and a second magnetic field formed by the second electromagnet are overlapped with each other to form an overlapping magnetic field in a predetermined region This provides a micro-robot driving device, characterized in that the magnetic shield is located at an end opposite to the first electromagnet.

상기 마이크로 로봇 구동장치는 상기 자기 차폐부를 포함하는 제2 전자석 및 상기 전원공급부를 제어하는 제어부; 및 상기 자기 차폐부의 길이를 조절하여 상기 제2 전자석을 감싸는 영역을 조절하는 자기차폐 영역 조절부;를 포함할 수 있고, 상기 자기차폐 영역 조절부는 상기 제어부에 의해 제어된다.The micro-robot driving device includes: a control unit for controlling a second electromagnet including the magnetic shield and the power supply; and a magnetic shielding area adjusting unit configured to adjust a region surrounding the second electromagnet by adjusting the length of the magnetic shielding unit, wherein the magnetic shielding area adjusting unit is controlled by the controller.

상기 제2 전자석과 상기 자기 차폐부의 길이비는 4 내지 1 : 1 내지 3일 수 있고, 바람직한 구현예에 따르면 제2 전자석과 자기 차폐부의 길이비는 4:1, 3:1, 3:2, 4:3, 1:1일 수 있고, 보다 바람직하게는 4:3의 길이비를 갖는 것이다.The length ratio of the second electromagnet and the magnetic shielding part may be 4 to 1:1 to 3, and according to a preferred embodiment, the length ratio of the second electromagnet to the magnetic shielding part is 4:1, 3:1, 3:2, It may be 4:3 or 1:1, and more preferably has a length ratio of 4:3.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 본 발명의 마이크로 로봇 구동 장치 및 이를 이용한 시스템은 전자기 구동 코일부의 자기 차폐부 장착을 통한 관심영역 내의 자기장 발생 세기를 증가시키거나, 두 개의 전자석 결합을 통해 자기장을 집속시킴으로서 체내 주입된 마이크로 로봇의 구동을 제어할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, the micro-robot driving device and the system using the same of the present invention increase the magnetic field generation strength in the region of interest through the mounting of the magnetic shield of the electromagnetic driving coil unit, or increase the magnetic field through the combination of two electromagnets. By focusing, there is an effect of controlling the operation of the microrobot injected into the body.

또한, 두 개의 전자석 결합을 통해 자기장을 집속시키는 경우 자기장이 집속되는 위치를 정확하게 제어할 수 있어 체내에 주입된 마이크로 로봇의 위치를 미리 인식하지 않고 특정 위치에 표적화 할 수 있는 효과가 있다.In addition, when the magnetic field is focused through the combination of two electromagnets, the location where the magnetic field is focused can be precisely controlled, so that it is possible to target the location of the microrobot injected into the body in advance without recognizing it in advance.

또한, 자기장을 발생시키기 위한 코일의 소형화가 가능하고, 다수의 코일로 이루어지는 마이크로 로봇 구동장치(또는 구동시스템)의 소형화가 가능할 수 있다.In addition, it is possible to miniaturize a coil for generating a magnetic field, and to miniaturize a micro-robot driving device (or driving system) composed of a plurality of coils.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 시스템의 일례를 나타낸 것이다.
도 2 는 본 발명의 일실시예로서, 자기장 세기 증가를 위한 자기 차폐 전자기구동 코일 장치 개요도를 나타낸 것이다.
도 3 은 본 발명의 일실시예로서, 자기 차폐부 적용 여부에 따른 자기장 방향과 세기를 도식화한 도면이다.
도 4 는 본 발명의 일실시예로서, 코일 권선부 및 자기 차폐부에 대한 길이비에 따른 관심영역 내 자기장 세기를 도식화한 것이다.
도 5 는 본 발명의 일실시예로서, 자기 차폐 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 구동용 전자기 코일 장치의 일례를 나타낸 것이다.
도 6 은 본 발명의 일실시예로서, 마이크로 로봇 구동장치에서 국소적으로 집속된 자기장을 발생시키기 위한 두 개의 전자석이 결합된 일례를 나타낸 것이다.
도 7 은 본 발명에 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 집속된 자기장이 발생되는 영역을 나타낸 도면이다.1 shows an example of a microrobot system according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a magnetic shielding electromagnetic driving coil device for increasing magnetic field strength as an embodiment of the present invention.
3 is a diagram schematically illustrating the direction and strength of a magnetic field according to whether or not a magnetic shield is applied as an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating the magnetic field strength in the region of interest according to the length ratio of the coil winding part and the magnetic shielding part as an embodiment of the present invention.
5 shows an example of an electromagnetic coil device for driving a microrobot using a magnetic shielding electromagnetic driving coil as an embodiment of the present invention.
6 shows an example in which two electromagnets for generating a locally focused magnetic field in a micro-robot driving device are combined as an embodiment of the present invention.
7 is a view showing a region in which a locally focused magnetic field is generated through the coupling of two electromagnets in the present invention.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기고 한다. The above-described objects, features and advantages will become more clear through the detailed description to be described later with reference to the accompanying drawings, and accordingly, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains to easily implement the technical idea of the present invention You can do it. In addition, in the description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, "일(a 또는 an)", "하나(one)", 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.Throughout the specification, when a part is said to "comprising or including" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated. do. In addition, the term “…unit” described in the specification means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software. Furthermore, "a or an", "one", and like related terms in the context of describing the present invention are used in both the singular and the plural unless otherwise indicated herein or otherwise clearly contradicted by the context. may be used in a sense including

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.In addition, when it is said that a certain element is "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. It should be understood that there is On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle. Other expressions describing the relationship between elements, such as "between" and "immediately between" or "neighboring to" and "directly adjacent to", should be interpreted similarly.

자기장을 이용한 마이크로 로봇 구동방식은 인체 내 안전성이 높은 대표적인 외부구동방식으로서, 영구자석 또는 전자기 구동코일 장치를 이용한 방법으로 구분할 수 있음. 특히, 영구자석을 이용한 방식과 비교하여 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어방식은 코일에 인가되는 전류를 제어하여 자기장의세기 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인해 적용범위가 다양하고 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야다.The micro-robot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be divided into a method using a permanent magnet or an electromagnetic driving coil device. In particular, compared to the method using a permanent magnet, the micro-robot control method using an electromagnetic driving coil has the advantage of being able to precisely control the strength and direction of the magnetic field by controlling the current applied to the coil. It is an area in which research is being conducted.

본 발명에서 인체 삽입형 의료기기는 부분적이나 전체적으로 외과적, 의학적으로 고안된 모든 인체 삽입형 의료기기를 의미하며, 시술 이후에도 인체 내에 삽입되어 생명 유지를 위한 의료기구일 수 있으며, 또는 시술 또는 진단을 위하여 일시적으로 인체 내에 삽입될 수 있는 의료기기를 모두 포함한다.In the present invention, the implantable medical device refers to any implantable medical device designed partially or entirely surgically and medically, and may be inserted into the human body even after the procedure and may be a medical device for maintaining life, or temporarily for a procedure or diagnosis. It includes any medical device that can be inserted into it.

본 발명에서 마이크로 로봇은 혈관로봇, 능동캡슐 내시경과 같이 밀리미터 스케일 크기의 자성체로서 영구자석 또는 연장성체를 포함하는 기계/전자식 마이크로 로봇과 DDS용 마이크로캐리어, 세포 치료제 전달용 마이크로스캐폴드, 나노로봇, 대식세포로봇과 같은 마이크로/나노 스케일 크기의 자성체로서 magnetic nanoparticles를 포함하는 고분자/세포기반 마이크로 로봇으로 분류될 수 있으며, 그 외 다른 형태의 마이크로 로봇이 포함될 수 있다. 특히 본 발명에서 인체 삽입형 의료기기는 자기장 내에서 자화가 이루어지는 자성체를 포함하게 되며, 예를 들어 영구자석이 자성체로 사용될 수 있을 것이다.In the present invention, micro-robots include mechanical/electronic micro-robots containing permanent magnets or elongated bodies as millimeter-scale magnetic materials such as vascular robots and active capsule endoscopes, micro-carriers for DDS, micro-scaffolds for cell therapy delivery, and nano-robots. , can be classified as polymer/cell-based micro-robots containing magnetic nanoparticles as micro/nano-scale sized magnetic materials such as macrophage robots, and other types of micro-robots may be included. In particular, in the present invention, the implantable medical device includes a magnetic material that is magnetized in a magnetic field, for example, a permanent magnet may be used as the magnetic material.

이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 시스템의 일례를 나타낸 것이다.1 shows an example of a microrobot system according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 마이크로 로봇 구동 시스템은 마이크로 로봇(100)과; 이 마이크로 로봇(100)를 구동시키기 위한 마이크로 로봇 구동장치(200)인 자기 차폐 전자기 구동 장치를 포함한다.As shown in Figure 1, the micro-robot driving system of the present invention includes a micro-robot 100; and a magnetic shielding electromagnetic driving device, which is a micro-robot driving device 200 for driving the micro-robot 100 .

마이크로 로봇(100)은 임의 자화 방향을 갖도록 자석을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 마이크로 로봇(100)은 마이크로 로봇 구동장치(200)에 의해 발생된 자기장에 의해 회전 운동 및/또는 임의 방향으로의 운동이 이루어진다.The micro-robot 100 may be configured to include a magnet to have an arbitrary magnetization direction. The micro-robot 100 is rotated and/or moved in an arbitrary direction by the magnetic field generated by the micro-robot driving device 200 .

마이크로 로봇(100)은 로봇 본체를 포함하여 구성될 수 있다. 마이크로 로봇은 로봇 본체만으로 구성될 수 있고, 카메라 모듈, 위치정보 제공부, 구동부, 치료부, 로봇 제어부, 데이터 송수신부 및 무선전력 수신부 중 적어도 하나의 구성부를 더 포함되어 구성될 수 있다.The micro-robot 100 may be configured to include a robot body. The micro-robot may be composed of only the robot body, and may further include at least one of a camera module, a location information providing unit, a driving unit, a treatment unit, a robot control unit, a data transmitting/receiving unit, and a wireless power receiving unit.

로봇 본체(110)는 마이크로 로봇의 외부를 규정하기 위한 부분으로써 피검체 내부 또는 혈관 내부에서 이동할 수 있는 크기로 제작될 수 있다. 또한, 로봇 본체(110)의 선두부는 혈류와 마찰이 작도록 유선형으로 제작될 수 있다. 또한, 로봇 본체(110)의 선두부에는 혈관 치료시에 발생하는 치료파편들을 포집하기 위한 파편포집기를 구비할 수 있다.The robot body 110 is a part for defining the outside of the microrobot and may be manufactured to have a size that can be moved inside the subject or inside the blood vessel. In addition, the head of the robot body 110 may be manufactured in a streamlined shape so that blood flow and friction are small. In addition, the head of the robot body 110 may be provided with a debris collector for collecting treatment fragments generated during blood vessel treatment.

위치정보 제공부(120)는 로봇 본체의 내부 일정부분에 구비되고 로봇 본체의 혈관 내부에서의 위치정보를 외부로 제공한다. 예를 들면, 위치정보 제공부(120)는 초음파를 발생하는 초음파 센서(IVUS:Intravascular ultrasound)로 구비되고, 마이크로 로봇이 혈관 내부로 투입되어 발생되는 초음파 영상과 기존의 수술전 영상(CT, MRI)을 통한 혈관 영상을 비교하여 마이크로 로봇의 위치를 외부로 제공할 수 있다.The location information providing unit 120 is provided in a certain part of the inside of the robot body and provides location information inside the blood vessels of the robot body to the outside. For example, the location information providing unit 120 is provided with an ultrasound sensor (IVUS: Intravascular ultrasound) that generates ultrasound, an ultrasound image generated when a microrobot is inserted into a blood vessel, and a conventional preoperative image (CT, MRI). ), the position of the microrobot can be provided to the outside by comparing the blood vessel images.

마이크로 로봇은 위치정보 제공부를 포함하지 않을 수 있다. 위치정보 제공부를 포함하지 않는 마이크로 로봇의 경우는, X-ray, MRI와 같은 방사선 또는 자기장 등을 이용한 외부 영상 이미징 장치를 통해 인체 내 마이크로 로봇의 위치가 외부로 제공될 수 있다.The micro-robot may not include a location information providing unit. In the case of a micro-robot that does not include a location information providing unit, the location of the micro-robot in the human body may be provided to the outside through an external image imaging device using radiation such as X-ray or MRI or a magnetic field.

구동부(130)는 로봇 본체의 일정부분 구비되고, 로봇 본체를 혈관내부에서 이동하게 한다. 마이크로 로봇은 자기장에 의해 구동력을 전달받을 수 있다.The driving unit 130 is provided as a part of the robot body, and moves the robot body inside the blood vessel. The micro-robot may receive driving force by a magnetic field.

치료부(140)는 로봇 본체의 일정부분에 구비되어 혈관 질환을 치료하는 부분으로써, 혈관 질환을 물리적으로 치료하는 마이크로 드릴, 혈관 질환을 화학적으로 치료하는 약물탱크 및 약물분사기, 혈관 치료시에 로봇 본체를 혈관 내부에서 고정하는 중심유지기 및 치료시에 발생하는 치료 파편을 포집하는 파편 포집기를 포함하여 이루어진다.The treatment unit 140 is provided in a certain part of the robot body to treat vascular diseases, and includes a micro drill for physically treating vascular diseases, a drug tank and a drug injector for chemically treating vascular diseases, and a robot for vascular treatment. It consists of a center retainer for fixing the main body inside the blood vessel and a debris collector for collecting treatment fragments generated during treatment.

한편, 본 발명의 일 실시예에서는 물리적인 치료방법으로서 마이크로 드릴을 로봇 본체의 선두부에 구비하였으나, 마이크로 드릴 이외에 메스, 집게 혹은 가위 등을 더 구비하여 물리적으로 혈관 질환을 치료할 수 있다.On the other hand, in an embodiment of the present invention, a micro-drill is provided at the head of the robot body as a physical treatment method, but a scalpel, forceps or scissors may be further provided in addition to the micro-drill to physically treat vascular diseases.

또한, 약물탱크에 저장되는 약물은 예를 들면, 약물전달체, 약물전달체의 외부에 형성된 리간드 및 분해용 효소를 포함하여 CTO나 혈전을 타겟으로 하는 약물일 수 있다.In addition, the drug stored in the drug tank may be, for example, a drug targeting a CTO or a thrombus, including a drug delivery system, a ligand formed outside of the drug delivery system, and an enzyme for decomposition.

본 발명의 마이크로 로봇 구동장치(200)는 전자기 구동 장치에서 발생하는 자기장을 차폐하는 자기 차폐부가 적용된 자기 차폐 전자기 구동 장치일 수 있다.The micro-robot driving device 200 of the present invention may be a magnetic shielding electromagnetic driving device to which a magnetic shield for shielding a magnetic field generated by the electromagnetic driving device is applied.

이하에서는, 본 발명의 마이크로 로봇 구동장치(200)인 자기 차폐전자기 구동 장치에 대해 자세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the magnetic shielding electromagnetic driving device, which is the micro-robot driving device 200 of the present invention, will be described in detail.

도 2는 본 발명의 일실시예로서, 자기장 세기 증가를 위한 자기 차폐 전자기 구동 장치 개요도를 나타낸 것이다.2 is a schematic diagram of a magnetic shielding electromagnetic driving device for increasing magnetic field strength as an embodiment of the present invention.

도 2의 마이크로 로봇 구동장치(200)인 자기 차폐 전자기 구동 장치는 하나 또는 복수의 자기 차폐 전자기 구동 코일모듈로 구성된 자기 차폐 전자기 구동 코일부, 자기 차폐 전자기 구동 코일모듈에 자화전류를 인가하여 유도 자기장을 발생시키게 되는 전원공급부 및 자기 차폐 전자기 구동 코일부 및 전원 공급부를 제어하는 제어부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.The magnetic shielding electromagnetic driving device, which is the microrobot driving device 200 of FIG. 2, is a magnetic shielding electromagnetic driving coil unit composed of one or a plurality of magnetic shielding electromagnetic driving coil modules, and applying a magnetizing current to the magnetic shielding electromagnetic driving coil module to induce an induced magnetic field. It may include at least one of a power supply unit and a magnetic shield electromagnetic driving coil unit and a control unit for controlling the power supply unit to generate a.

그리고, 자기 차폐 전자기 구동 코일은 코일 권선부(210), 코어부(220), 자기 차폐부(230) 및 자기 차폐 영역 조절부(미도시) 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the magnetic shielding electromagnetic driving coil may include at least one of a coil winding unit 210 , a core unit 220 , a magnetic shielding unit 230 , and a magnetic shielding area adjusting unit (not shown).

코일 권선부(210)는 절연재료로 피막된 구리선, 알루미늄선으로 이루어진 코일이 연속적인 고리모양으로 감겨진 형태로 구성될 수 있다.The coil winding unit 210 may be configured in a form in which a coil made of a copper wire or an aluminum wire coated with an insulating material is wound in a continuous annular shape.

코어부(220)는 코일 권선부(210) 내부에 삽입되어 구성될 수 있다.The core part 220 may be configured to be inserted into the coil winding part 210 .

코어부(220)는 외부 자기장에 의해 자화되는 연자성체 재질로 구성된다. 연자성체는 외부 자계를 조금만 가해도 강하게 자화되며, 잔류자화가 작은 자성체를 말한다.The core part 220 is made of a soft magnetic material magnetized by an external magnetic field. A soft magnetic material is a magnetic material that is strongly magnetized even when a little external magnetic field is applied and has a small residual magnetization.

자기 차폐부(230)는 전자기 코일로부터 발생된 자기장이 자기 차폐부(230)의 영역 내에서 빠져나가지 못하도록 구성된다. 자기 차폐부(230)는 코일 권선부(210)의 외곽에 위치하여, 코일 권선부(210)의 전부 또는 일부분을 감싸는 형태로 구성될 수 있다. 바람직하게, 자기 차폐부(230)는 코일 권선부(210) 내 코일의 단일 말단을 감싸고 있는 형태로 구성될 수 있다. 자기 차폐부(230)는 외부자기장에 의해 자화되는 연자성체 재질로 구성된다.The magnetic shield 230 is configured to prevent a magnetic field generated from the electromagnetic coil from escaping within the area of the magnetic shield 230 . The magnetic shielding unit 230 may be positioned outside the coil winding unit 210 to surround all or a portion of the coil winding unit 210 . Preferably, the magnetic shield 230 may be configured to surround a single end of the coil in the coil winding 210 . The magnetic shield 230 is made of a soft magnetic material magnetized by an external magnetic field.

상기 연자성체의 재질은 순철, 전자연철, 규소강, 퍼멀로이(permalloy, Ni-Fe 계), Co-Fe계 합금(ex. VACOFULXTM), 센더스트(sendust, Fe-Al-Si계), Mn-Zn계 페라이트, Ni-Zn계 페라이트, Fe계 비정질합금, Co계 비정질합금, Fe계 박막 및 다층막, Co계 박막 및 다층막, 및 Ni계 박막 및 다층막으로 이루어진 군으로부터 선택되는 연자성체이나, 이에 한정되는 것은 아니다.The material of the soft magnetic material is pure iron, electromagnetic soft iron, silicon steel, permalloy (Ni-Fe-based), Co-Fe-based alloy (ex. VACOFULXTM), sentust (Fe-Al-Si-based), Mn- Soft magnetic material selected from the group consisting of Zn-based ferrite, Ni-Zn-based ferrite, Fe-based amorphous alloy, Co-based amorphous alloy, Fe-based thin film and multilayer film, Co-based thin film and multilayer film, and Ni-based thin film and multilayer film, but limited thereto it's not going to be

자기 차폐 영역 조절부는 자기 차폐부(230)의 길이를 조절하여, 코일 권선부를 감싼 자기 차폐 영역을 조절하 수 있다. 자기 차폐영역 조절부는 마이크로 로봇 구동장치(200)의 제어부를 통해 제어되어, 자기 차폐 영역을 조절하여 자기 차폐를 통한 자기장 세기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 제어부는 자기 차폐를 통해 자기장의 세기가 가장 크게 되는 자기 차폐부(230)의 길이를 설정하여, 자기 차폐 영역 조절부를 제어하고, 이로 인해 자기 차폐 전자기 구동 장치에 의해 발생한 자기장이 최대가 되도록 제어할 수 있다. 또 다른 예로, 제어부는 입력된 자기장의 세기에 의해 자기 차폐 전자기 구동 장치가 동작되도록 하기 위해, 입력된 자기장의 세기에 대응되는 자기 차폐부(230)의 길이를 통해 자기 차폐 영역을 제어하고, 이로 인해 자기 차폐 전자기 구동 장치가 입력된 자기장의 세기로 동작하도록 제어할 수 있다.The magnetic shielding area adjusting unit may adjust the length of the magnetic shielding unit 230 to adjust the magnetic shielding area surrounding the coil winding unit. The magnetic shielding area adjusting unit may be controlled through the control unit of the micro-robot driving device 200 to adjust the magnetic shielding area to adjust the magnetic field strength through the magnetic shielding. For example, the control unit sets the length of the magnetic shielding unit 230 at which the strength of the magnetic field is greatest through magnetic shielding to control the magnetic shielding area adjusting unit, whereby the magnetic field generated by the magnetic shielding electromagnetic driving device is maximized can be controlled to become As another example, the controller controls the magnetic shielding area through the length of the magnetic shielding unit 230 corresponding to the inputted magnetic field strength to operate the magnetic shielding electromagnetic driving device by the input magnetic field strength, Due to this, it is possible to control the magnetic shielding electromagnetic driving device to operate with the strength of the input magnetic field.

자기 차폐부(230)에 의해 감싸지지 않은 코일 권선부 방향으로 관심영역이 위치할 수 있다. 관심영역은 자기 차폐 전자기 구동 장치에 의해 발생한 자기장이 작용하여 이동되는 마이크로 로봇이 위치하는 영역 또는, 자기 차폐 전자기 구동 장치를 통해 마이크로 로봇을 제어하기 위한 영역으로 정의할 수 있다.The region of interest may be positioned in the direction of the coil winding that is not covered by the magnetic shield 230 . The region of interest may be defined as a region in which the micro-robot moved by the action of a magnetic field generated by the magnetic shielding electromagnetic driving device is located, or a region for controlling the micro-robot through the magnetic shielding electromagnetic driving device.

도 2에 도시된 바와 같이, 도 2의 관심영역을 확대한 영역 내 화살표는 자기장의 방향을 나타내고, 각 색깔은 자기장의 크기를 나타내는 것이다.As shown in FIG. 2 , arrows within the enlarged region of interest of FIG. 2 indicate the direction of the magnetic field, and each color indicates the magnitude of the magnetic field.

이하에서는, 자기 차폐부 장착에 의한 자기 차폐 전자기 구동 장치에 대한 해석적 검증을 설명하도록 한다.Hereinafter, analytical verification of the magnetic shielding electromagnetic driving device by mounting the magnetic shield will be described.

도 3은 본 발명의 일실시예로서, 자기 차폐부 적용 여부에 따른 자기장 방향과 세기를 도식화한 도면이다.3 is a diagram schematically illustrating the direction and strength of a magnetic field according to whether or not a magnetic shield is applied as an embodiment of the present invention.

도 3의 도면의 순철이 삽입된 전자기 코일에 자기 차폐부(230) 장착의 유·무에 따라 자기장 흐름을 FEM 해석을 통해 확인한 것이다. 우선 도 3의 아래 그림은 자기 차폐부가 적용되지 않은 일반적인 전자기 구동 장치의 자기장 흐름이다. 코어부(220) 내 자기장의 흐름이 코어부(220)의 오른쪽에서 왼쪽 방향인 경우, 코어부(220) 외부에서는 코어부(220)의 왼쪽에서 코어부(220)의 오른쪽으로 자기장의 흐름이 형성된다. 그리고, 1A 전류를 인가하였을 때, 자기 차폐 미적용 시엔 최대 약 0.14 T의 자기장이 발생되는 것을 확인하였다. 반면, 도 3의 위 그림은 자기 차폐부(230)가 적용된 자기 차폐 전자기 구동 장치의 자기장 흐름이다. 코어부(220) 내 자기장의 흐름은 전체적으로, 자기 차폐부가 적용되지 않을 경우와 유사하다. 다만, 전자기 코일에 의한 자기장은 자기 차폐부가 적용된 영역으로는 빠져나가지 못한다.The magnetic field flow was confirmed through FEM analysis depending on whether or not the magnetic shield 230 is mounted on the electromagnetic coil in which pure iron is inserted in the drawing of FIG. 3 . First, the figure below in FIG. 3 is a magnetic field flow of a general electromagnetic driving device to which a magnetic shield is not applied. When the flow of the magnetic field in the core part 220 is from the right to the left of the core part 220 , the magnetic field flows from the left side of the core part 220 to the right side of the core part 220 outside the core part 220 . is formed And, it was confirmed that when a 1A current was applied, a maximum magnetic field of about 0.14 T was generated when magnetic shielding was not applied. On the other hand, the figure above of FIG. 3 shows the magnetic field flow of the magnetic shielding electromagnetic driving device to which the magnetic shield 230 is applied. The flow of the magnetic field in the core 220 is similar to the case in which the magnetic shield is not applied as a whole. However, the magnetic field by the electromagnetic coil cannot escape to the area to which the magnetic shield is applied.

그러나, 1A 전류를 인가하였을 때, 자기 차폐 적용 시엔 최대 약 1.9 T의 자기장이 발생되는 것을 확인하였다. 자기 차폐부(230)가 적용될 경우, 적용되지 않을 경우와 비교하여 약 10배 이상의 자기장이 발생하는 것을 알 수 있다. 이러한 차이는 자기 차폐부(230)가 장착됨에 따라 전자기 코일로부터 발생된 자기장이 밖으로 빠져나가지 못하고 자기 차폐부(230)에 갇힘에 따라 나타나며, 일종의 magnetic field circuit 효과와 같다.However, it was confirmed that when a 1A current was applied, a magnetic field of up to about 1.9 T was generated when magnetic shielding was applied. When the magnetic shield 230 is applied, it can be seen that about 10 times more magnetic field is generated compared to the case where the magnetic shield 230 is not applied. This difference appears as a magnetic field generated from the electromagnetic coil does not escape as the magnetic shield 230 is mounted and is trapped in the magnetic shield 230 , which is like a kind of magnetic field circuit effect.

도 4는 본 발명의 일실시예로서, 코일 권선부 및 자기 차폐부에 대한 길이 비에 따른 관심영역 내 자기장 세기를 도식화한 것이다.4 is a diagram illustrating the magnetic field strength in the region of interest according to the length ratio of the coil winding portion and the magnetic shielding portion as an embodiment of the present invention.

자기 차폐부의 역할은 상기 도 3의 자기 차폐부 적용에 따른 자기장 흐름 확인을 통해 검증되었다.The role of the magnetic shield was verified by checking the magnetic field flow according to the application of the magnetic shield of FIG. 3 .

도 4에서는 좀더 구체적으로, 자기 차폐부가 전자기 코일 장치에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 코일 권선부 및 자기 차폐부에 대한 길이비(4:1, 3:1, 2:1, 3:2, 4:3, 1:1)에 따른 관심영역 내 자기장 세기를 FEM 해석을 통해 비교하였다.4, in order to quantitatively evaluate the effect of the magnetic shield on the electromagnetic coil device, the length ratios (4:1, 3:1, 2:1, 3:2, The magnetic field strength in the region of interest according to 4:3, 1:1) was compared through FEM analysis.

도 4에 나타난 바와 같이, 자기 차폐부의 적용이 없는 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 2.5mT인 것을 알 수 있다.As shown in FIG. 4 , it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the region of interest is about 2.5 mT when no magnetic shield is applied.

자기 차폐부의 적용이 있고, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 4:1인 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.3mT인 것을 알 수 있다.When a magnetic shield is applied and the ratio of the length of the coil winding to the length of the magnetic shield is 4:1, it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the region of interest is about 3.3 mT.

자기 차폐부의 적용이 있고, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 3:1인 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.5mT인 것을 알 수 있다.When a magnetic shield is applied and the ratio of the length of the coil winding to the length of the magnetic shield is 3:1, it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the region of interest is about 3.5 mT.

자기 차폐부의 적용이 있고, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 2:1인 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.6mT인 것을 알 수 있다.When a magnetic shield is applied and the ratio of the length of the coil winding to the length of the magnetic shield is 2:1, it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the region of interest is about 3.6 mT.

자기 차폐부의 적용이 있고, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 3:2인 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.9mT인 것을 알 수 있다.When a magnetic shield is applied and the ratio of the length of the coil winding to the length of the magnetic shield is 3:2, it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the region of interest is about 3.9 mT.

자기 차폐부의 적용이 있고, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 4:3인 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 4.1mT인 것을 알 수 있다.When a magnetic shield is applied and the ratio of the length of the coil winding to the length of the magnetic shield is 4:3, it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the region of interest is about 4.1 mT.

자기 차폐부의 적용이 있고, 코일 권선부의 길이와 자기 차폐부의 길이의 비가 1:1인 경우, 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 약 3.8mT인 것을 알 수 있다.When a magnetic shield is applied and the ratio of the length of the coil winding to the length of the magnetic shield is 1:1, it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the region of interest is about 3.8 mT.

실험 결과와 같이, 자기 차폐부의 길이가 늘어남에 따라 마이크로 로봇의 관심영역 중심점에서의 자기장 세기는 점차 증가하는 것을 알 수 있다. 그러나, 자기 차폐부의 길이가 코일 권선부와 동일해질 때(1:1), 마이크로 로봇의 관심영역 중심점에서의 자기장 세기가 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 코일 권선부의 끝에서 나오는 자기장이 magnetic field circuit 효과에 의해 자기 차폐부로 바로 흘러감에 따라 발생하는 효과다.As shown in the experimental results, it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the ROI of the microrobot gradually increases as the length of the magnetic shield increases. However, when the length of the magnetic shield is equal to that of the coil winding (1:1), it can be seen that the magnetic field strength at the center point of the ROI of the microrobot decreases. This is the effect that occurs as the magnetic field from the end of the coil winding flows directly into the magnetic shield by the magnetic field circuit effect.

이에, 자기 차폐부를 코일 권선부를 전부 감싸도록 구성하는 것 보다 일부 말단을 감싸지 않는 형태로 구성하는 것이 자기장 세기를 최대화시키는 것을 알 수 있다.Accordingly, it can be seen that configuring the magnetic shield in a shape that does not wrap some ends of the coil winding portion rather than configuring the coil winding portion maximizes the magnetic field strength.

상기 실험 결과를 통해 전자기 구동 코일부의 자기 차폐부 장착을 통한 관심영역 내의 자기장 세기가 증가하는 것을 확인하였다. 이에 따라, 코일에 자기 차폐부를 적용하여, 관심영역 내 발생되는 자기장이 증가되는 원리를 적용하면 코일의 소형화, 경량화를 구현할 수 있다. 또한, 다수개의 코일로 이루어지는 마이크로 로봇 구동장치 및 이를 포함한 시스템의 소형화, 경량화 또한 구현할 수 있다. Through the above experimental results, it was confirmed that the magnetic field strength in the region of interest was increased through the mounting of the magnetic shielding unit of the electromagnetic driving coil unit. Accordingly, by applying the magnetic shielding unit to the coil and applying the principle of increasing the magnetic field generated in the region of interest, it is possible to realize miniaturization and weight reduction of the coil. In addition, miniaturization and weight reduction of a micro-robot driving device made of a plurality of coils and a system including the same can also be implemented.

마이크로 로봇 구동장치 및 이를 포함한 시스템이 소형화, 경량화되는 경우, 병원, 진료센터 등 실제 임상현장에 적용이 용이해질 수 있는 장점이 있다.When the micro-robot driving device and the system including the same are miniaturized and lightweight, there is an advantage that it can be easily applied to actual clinical sites such as hospitals and medical centers.

도 5는 본 발명의 일실시예로서, 자기 차폐부를 적용한 마이크로 로봇 구동용 전자기 코일 장치의 일례를 나타낸 것이다. 5 shows an example of an electromagnetic coil device for driving a microrobot to which a magnetic shield is applied as an embodiment of the present invention.

도 5에 나타난 바와 같이, 마이크로 로봇 구동 장치(200)는 자기 차폐부가 포함된 복수의 자기 차폐 전자기 구동 코일부의 조합/배치를 통하여 구성될 수 있다.As shown in FIG. 5 , the micro-robot driving device 200 may be configured through combination/arrangement of a plurality of magnetic shielding electromagnetic driving coil parts including magnetic shielding parts.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적 으로 자기장을 집속할 수 있는 장치를 개략적으로 나타내는 개략도이고, 도 7은 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 자기장을 집속할 수 있는 장치를 이용하여 형성한 자기장 집속 영역을 나타낸 도면이다.6 is a schematic diagram schematically showing a device capable of locally focusing a magnetic field through two electromagnet coupling according to an embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a magnetic field locally focused through two electromagnet coupling. It is a diagram showing a magnetic field focusing area formed using a device capable of

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 자기장을 집속할 수 있는 장치(300)는 중공이 형성되고, 전류가 인가되어 제1 자기장을 형성하는 제1 전자석(310)과, 상기 제1 전자석의 중공에 배치되고, 전류가 인가되어 제2 자기장을 형성하는 제2 전자석(320)을 포함하고, 상기 제1 전자석에 의해 형성되는 제1자기장과, 상기 제2 전자석에 의해 형성되는 제2 자기장이 서로 중첩되어 일정 영역의 중첩자기장이 형성된다. 본 발명의 기술적 특징은 제2 전자석이 제1 전자석의 중공에 배치되어, 소정의 영역에 중첩자기장을 발생시키도록 하는데 있고, 제1 및 제2 전자석의 직경, 제1 전자석에 형성된 중공의 직경, 제1 전자석에 형성된 중공부의 표면과 제2 전자석의 외벽면 사이의 이격 거리 등은 적용되는 인체 환경, 적용환부의 크기, 마이크로로봇의 크기, 의욕하는 생성자장의 크기 및 방향 등에 따라 실시자가 적절히 선택하여 적용할 수 있다.6 and 7, the device 300 that can locally focus the magnetic field through the combination of two electromagnets according to an embodiment of the present invention is hollow is formed, a current is applied to generate a first magnetic field A first electromagnet 310 to form, and a second electromagnet 320 disposed in the hollow of the first electromagnet, to which a current is applied to form a second magnetic field, the first electromagnet formed by the first electromagnet The magnetic field and the second magnetic field formed by the second electromagnet overlap each other to form an overlapping magnetic field of a predetermined region. A technical feature of the present invention is that the second electromagnet is disposed in the hollow of the first electromagnet to generate an overlapping magnetic field in a predetermined area, and the diameters of the first and second electromagnets, the diameter of the hollow formed in the first electromagnet, The distance between the surface of the hollow part formed in the first electromagnet and the outer wall surface of the second electromagnet is appropriately selected by the practitioner according to the applied human environment, the size of the affected part, the size of the microrobot, the size and direction of the generated magnetic field, etc. can be applied.

집속 자장을 발생시키기 위해 제1 전자석과 제2 전자석에 인가되는 전류의 방향은 반대이며, 그 크기는 자기장이 집속되는 위치에 기반하여 다르게 설정할 수 있다. 자기장 집속의 위치변화는 전자석의 중심 축 방향으로 이루어지며, 맥스웰이론을 통해 전류를 변수로 갖는 자기장 방정식을 제1 전자석과 제2전자석에 대해 유도할 수 있다. 제1 전자석과 제2 전자석의 자기장 방정식을 결합하여 원하는 자기장 집속 위치에 따라 제1 전자석과 제2 전자석에 인가되는 전류의 크기를 결정 할 수 있다. 제1 전자석과 제2 전자석에 요구되는 전류는 파워공급장치(Power Supplier)를 통해 공급할 수 있다.The directions of the currents applied to the first electromagnet and the second electromagnet to generate the focused magnetic field are opposite, and the magnitude may be set differently based on the location where the magnetic field is focused. The change in the position of the magnetic field focusing is made in the direction of the central axis of the electromagnet, and the magnetic field equation having the current as a variable can be derived for the first and second electromagnets through Maxwell's theory. By combining the magnetic field equations of the first electromagnet and the second electromagnet, the magnitude of the current applied to the first electromagnet and the second electromagnet may be determined according to a desired magnetic field focusing position. Currents required for the first electromagnet and the second electromagnet may be supplied through a power supplier.

본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 자기장을 집속할 수 있는 장치(300)는 구체적인 일 사용례로서, 인체의 국소 부위에 자기장을 집속하기 위한 장치로 이용될 수 있다. 인체의 국소 부위에 자기장을 집속함으로써, 체내에 주입된 마이크로 로봇(도시하지 않음)의 구동을 제어할 수 있다. 여기서, 마이크로 로봇은 전자기장에 의해서 방향 및 속도가 제어되며 전자기장에 반응하기 위하여, 강자성체(hard magnet) 또는 연자성체(soft magnet) 성질을 가질 수 있다.The device 300 capable of locally focusing a magnetic field through a combination of two electromagnets according to an embodiment of the present invention is a specific use case, and may be used as a device for focusing a magnetic field on a local part of the human body. By focusing the magnetic field on a local part of the human body, it is possible to control the driving of the microrobot (not shown) injected into the body. Here, the direction and speed of the microrobot are controlled by the electromagnetic field, and in order to respond to the electromagnetic field, the microrobot may have a property of a hard magnet or a soft magnet.

상기 마이크로 로봇은 부분적으로 자성 입자가 도입된 다 성분 집합체일 수 있으며, 상술한 다 성분은 생체적합성 고분자, 다양한 약물, 단백질, 세포 등을 비롯한 다양한 물질로부터 제한 없이 선택될 수 있다.The microrobot may be a multi-component assembly into which magnetic particles are partially introduced, and the above-described multi-component may be selected from various materials including biocompatible polymers, various drugs, proteins, cells, and the like without limitation.

도면에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 자기장을 집속할 수 있는 장치(300)는 제1 전자석(3100)과 제2 전자석(3200)이 결합된 형태로 이루어진다. 제1 전자석(310)과 제2 전자석(320)의 결합은 전도성을 갖지 않고 자기장 형성을 방해하지 않는 제3의 지지체에 의해 형성될 수 있다. 제3의 지지체는 제1 전자석(310)과 제2 전자석(320)에 부분적으로 결합되어 제1 전자석(310)과 제2 전자석(320)의 배치를 고정시키는 방식으로 배치되거나, 제1 전자석(310)과 제2 전자석(320)의 외곽면을 씌우는 커버 형상으로 배치될 수 있다. 제1 전자석과 제2 전자석의 배치를 고정시키는 종래 알려진 어떠한 방식도 사용될 수 있다.As shown in the figure, a device 300 capable of locally focusing a magnetic field through a combination of two electromagnets according to an embodiment of the present invention includes a first electromagnet 3100 and a second electromagnet 3200 combined. made in the form The combination of the first electromagnet 310 and the second electromagnet 320 may be formed by a third support that has no conductivity and does not interfere with the formation of a magnetic field. The third support is partially coupled to the first electromagnet 310 and the second electromagnet 320 to fix the arrangement of the first electromagnet 310 and the second electromagnet 320, or the first electromagnet ( 310 and the second electromagnet 320 may be disposed in the shape of a cover covering the outer surfaces. Any conventionally known method of fixing the arrangement of the first electromagnet and the second electromagnet may be used.

제1 전자석(3100)은 중공이 형성된 원형 코일 형태로 이루어져, 제1 전자석(100)에 전류가 인가되어 제1 자기장을 형성한다. 또한, 제1 전자석(100)의 중공에 배치되는 제2 전자석(110)은 솔레노이드 코일로 구성되고, 제2 전자석(110)에 전류를 인가하여 제2 자기장을 형성할 수 있다. 이때, 도시한 바와 같이, 제1 전자석(310)에 흐르는 전류 방향과 제2 전자석(320)에 흐르는 전류 방향을 서로 정반대 방향으로 설정한다.The first electromagnet 3100 has a hollow circular coil shape, and a current is applied to the first electromagnet 100 to form a first magnetic field. In addition, the second electromagnet 110 disposed in the hollow of the first electromagnet 100 may be configured as a solenoid coil, and may form a second magnetic field by applying a current to the second electromagnet 110 . At this time, as shown, the direction of the current flowing through the first electromagnet 310 and the direction of the current flowing through the second electromagnet 320 are set to be opposite to each other.

상술한 바와 같이, 제1 전자석(310)과 제2 전자석(320)을 단방향으로 결합하고, 각 전자석(310, 320)에 인가되는 전류를 서로 역방향으로 인가시킴으로써, 제1 전자석(310)에 의해 형성되는 제1 자기장과, 제2 전자석(320)에 의해 형성되는 제2 자기장을 서로 중첩시켜 중첩자기장을 형성할 수 있다.As described above, by coupling the first electromagnet 310 and the second electromagnet 320 in one direction, and applying currents applied to the respective electromagnets 310 and 320 in opposite directions to each other, by the first electromagnet 310 An overlapping magnetic field may be formed by overlapping the first magnetic field formed and the second magnetic field formed by the second electromagnet 320 .

도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 전자석(310)과 제2 전자석(320)에 의해 형성된 중첩자기장은 일정 영역 즉, 원하는 위치에서 자기장의 수치가 높게 형성될 수 있도록 자기력을 집속시킨다. 따라서, 본 발명의 두 개의 전자석 결합을 통해 국소적으로 자기장을 집속할 수 있는 장치에 의하면, 체내에 주입된 마이크로 로봇의 제어를 위해 다수 전자석 배치구조를 활용하지 않고도, 원하는 위치에서 자기력을 집속시킴으로써 자기력이 집속된 국소위치로 마이크로 로봇을 정렬시킬 수 있다.As shown in FIG. 7 , the superimposed magnetic field formed by the first electromagnet 310 and the second electromagnet 320 concentrates the magnetic force so that the value of the magnetic field is high in a predetermined area, that is, a desired position. Therefore, according to the device capable of locally focusing the magnetic field through the combination of two electromagnets of the present invention, it is possible to focus the magnetic force at a desired position without using a multi-electromagnet arrangement structure for controlling the micro-robot injected into the body. It is possible to align the microrobot to the local position where the magnetic force is focused.

이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.The present invention described above can be various substitutions, modifications and changes within the scope without departing from the technical spirit of the present invention for those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains. is not limited by

Claims

A device for electromagnetically driving a microrobot including a magnetic material, comprising:
a magnetic shielding electromagnetic driving coil unit including a magnetic shielding electromagnetic driving coil module composed of a coil winding unit and a magnetic shielding unit;
a power supply unit for generating an induced magnetic field by applying a magnetizing current to the magnetic shielding electromagnetic driving coil module;
a control unit controlling the magnetic shielding electromagnetic driving coil unit and the power supply unit; and
a magnetic shielding area control unit for adjusting a length of the magnetic shielding unit to adjust an area surrounding the coil winding unit;
including,
The magnetic shield is configured to surround a single end of the coil winding,
The magnetic shielding area control unit is a micro-robot driving device, characterized in that controlled by the control unit.

According to claim 1, wherein the magnetic shielding electromagnetic driving coil module comprises a core portion made of a soft magnetic material,
The micro-robot driving device, characterized in that the core part is located at the opposite end of the coil winding part where the magnetic shield part is located.

The method of claim 1,
The length ratio of the coil winding part and the magnetic shield part is 4 to 1: 1 to 3, micro-robot driving apparatus.

delete

The method of claim 1,
The magnetic shielding electromagnetic driving coil unit micro-robot driving apparatus, characterized in that it comprises a plurality of magnetic shielding electromagnetic driving coil module.

micro-robots with magnetic bodies; and
A micro-robot driving device for controlling the position of the micro-robot,
The micro-robot driving device includes:
a magnetic shielding electromagnetic driving coil unit including a magnetic shielding electromagnetic driving coil module composed of a coil winding unit and a magnetic shielding unit;
a power supply unit for generating an induced magnetic field by applying a magnetizing current to the magnetic shielding electromagnetic driving coil module;
a control unit controlling the magnetic shielding electromagnetic driving coil unit and the power supply unit; and
a magnetic shielding area control unit for adjusting a length of the magnetic shielding unit to adjust an area surrounding the coil winding unit;
including,
The magnetic shield is configured to surround a single end of the coil winding,
The micro-robot driving system, characterized in that the magnetic shield area control unit is controlled by the control unit.

7. The method of claim 6,
The magnetic shielding electromagnetic driving coil module includes a core part made of a soft magnetic material,
The micro-robot driving system, characterized in that the core part is located at the opposite end of the coil winding part where the magnetic shield part is located.

7. The method of claim 6,
The length ratio of the coil winding part and the magnetic shield part is 4:3.

delete

7. The method of claim 6,
The magnetic shielding electromagnetic driving coil unit micro-robot driving system, characterized in that it comprises a plurality of magnetic shielding electromagnetic driving coil module.

delete

A device for electromagnetically driving a microrobot including a magnetic material, comprising:
A hollow is formed and the first electromagnet;
a second electromagnet disposed in the hollow of the first electromagnet and including a magnetic shield;
a power supply unit for generating a magnetic field by applying a current to the electromagnet;
a controller for controlling a second electromagnet including the magnetic shield and the power supply; and
a magnetic shielding area control unit for adjusting a length of the magnetic shielding unit to adjust an area surrounding the second electromagnet;
including,
A first magnetic field formed by the first electromagnet and a second magnetic field formed by the second electromagnet overlap each other to form an overlapping magnetic field of a certain region,
The magnetic shield is located at an end opposite to the first electromagnet,
The magnetic shielding area control unit is a micro-robot driving device, characterized in that controlled by the control unit.

delete

20. The method of claim 19,
The length ratio of the second electromagnet and the magnetic shield portion is 4 to 1:1 to 3, micro-robot driving device.

micro-robots with magnetic bodies; and
A micro-robot driving device for controlling the position of the micro-robot,
The micro-robot driving device includes:
A hollow is formed and the first electromagnet;
a second electromagnet disposed in the hollow of the first electromagnet and including a magnetic shield;
a power supply unit for generating a magnetic field by applying a current to the electromagnet;
a controller for controlling a second electromagnet including the magnetic shield and the power supply; and
a magnetic shielding area control unit for adjusting a length of the magnetic shielding unit to adjust an area surrounding the second electromagnet;
including,
A first magnetic field formed by the first electromagnet and a second magnetic field formed by the second electromagnet overlap each other to form an overlapping magnetic field of a certain region,
The magnetic shield is located at an end opposite to the first electromagnet,
The micro-robot driving system, characterized in that the magnetic shield area control unit is controlled by the control unit.

delete

23. The method of claim 22,
The length ratio of the second electromagnet and the magnetic shield portion is 4 to 1:1 to 3, the micro-robot driving system.