KR102555162B1 - 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것으로, 본 발명을 이용하면 자성체의 위치인식 오차를 줄일 수 있고, 개방형의 구조를 취하고 있어 의료진의 환자에 대한 접근성이 향상되므로 시술중 긴급상황이 발생하더라도 즉각적으로 대응할 수 있다.

Description

개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템 {OPEN-TYPE INTEGRATED SYSYEM FOR ACTUATING AND RECOGNIZING POSITION OF MAGNETIC BODY}

본 발명은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 기준으로 3개의 전자석, 및 이와 대칭되도록 배치되는 3개의 전자석을 포함하는 자기장 발생부; 6개의 전자석이 각각 연결된 체결부; 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부; 및 6개의 전자석에 각각 독립적으로 전류를 인가하는 전원부;를 포함하는 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것이다.

자성 나노 입자 (magnetic nanoparticles; MNP) 및 자기장을 이용한 외부 구동 기반의 표적 약물 전달 (Targeted drug delivery; TDD)은 암 치료에 일반적으로 사용되는 기존의 약물 전달 기술에 비해 장래가 유망하다. 표적 약물 전달은 악성 종양 (cancerous tumors) 치료 요건에 대한 경쟁력 있는 해법으로 고려된다. 표적 약물 전달은 방사선 요법, 화학 요법 및 호르몬 요법을 포함한 기존 암 치료 요법의 주요 문제였던 독성 감소 및 용량 최적화의 이점을 보여주었기 때문이다.

표적 약물 전달의 실현을 위해 자성 나노 입자의 재료와 관련된 몇 가지 후보 물질이 연구된 바 있다. 자성 나노 입자는 외부 장치에 의해 유도된 자기장을 이용하여 이들을 전위시킬 수 있는 자기 특성 (magnetic properties)을 가져 유망한 캐리어 조성물로 대두되었다. 게다가, 나노 크기라는 점과 다양한 모양으로 제작이 가능한 점 때문에, 이론적으로는 표적 약물 전달의 주요 재료로 자성 나노 입자가 적합할 것으로 예상된다.

그러나, 실제로 혈관 환경 조건에서 응집된 입자는 나노 입자 이미징을 곤란하게 하고, 소규모로 인해 나노 입자의 구동 효율성이 저하되어 조작 편의성이 낮다는 문제점이 있다.

인체의 실제 크기를 고려하여 임상에서 표적 약물 전달 시스템을 구현하려면, 자성 나노 입자를 외부에서 구동함으로써 관심 영역 (Region of interest; ROI)에 자성 나노 입자를 위치화 (localization)할 수 있는 단순화된 시스템이 필요하다.

상기 시스템과 관련하여, 전자기 액추에이터 (Electromagnetic actuators; EMA)는 자성 약물 운반체를 표적 병변 (targeted lesions) 뿐만 아니라 캡슐 내시경 (capsule endoscopes; CEs)과 같은 마이크로 사이즈의 로봇 구동 시스템으로 널리 사용된다. 음향 방사력 (acoustic radiation force; ARF), 열-전자기적으로 반응하는 이중층 구조의 자성체 (bilayer-structured microrobots reacting thermo-electromagnetically), 옥타그램 모양의 마이크로 그리퍼 (octagram-shaped micro grippers)와 같은 다른 접근법도 연구된 바 있다.

자성 나노 입자를 기반으로 하는 대부분의 약물 전달 메커니즘은 자성 나노 입자와 상호 작용하는 외부 자기장을 이용하여 나노 입자를 관심 영역 (ROI)으로 이동시킨다. 이 시스템의 난제는 자성 나노 입자를 조작하기 위해 적절한 자기장 및 자기 구배 (gradient fields)를 생성하는 것이다.

후속 연구를 통해, 자기 공명 영상 (magnetic resonance imaging; MRI)을 기반으로 한 자기 공명 탐색 (magnetic resonance navigation; MRN) 시스템이 고안되었다. 이 시스템은 전자석을 이용하여 나노 입자의 이미지를 촬상 (imaging)함과 동시에 나노 입자를 구동 (driving)할 수 있다.

MRI는 이미 임상적으로 이용 가능하며 이미징 포인트 (imaging points)의 독립성과 함께 넓은 범위의 이미지에 대해 좋은 해상도와 대비 (resolution and contrast)를 제공할 수 있다. MRN은 1.5 mm 직경의 자성 비드 (magnetic bead)로 살아있는 돼지의 경동맥에 대하여, 생체 내 (in vivo) 실험이 성공적으로 수행된 바 있다. 그러나, 표적 약물 전달에 나노 사이즈의 입자를 적용하는 것은 아직 완전히 다루어지지 않았기 때문에 자성 나노 입자를 구동하고 동시에 촬상할 수 있는 새로운 접근 방식을 고려해야 한다.

이와 관련하여, 자성 입자 이미징 (magnetic particle imaging; MPI)으로 알려진 자성 나노 입자 추적 시스템 (MNP-tracking system)이 개발되었다. 자성 입자 이미징 (MPI)은 SPIOs (Superparamagnetic Iron Oxides)에 대한 검출 감도가 높아, 더 높은 공간적 및 시간적 해상도를 실현할 수 있다. SPIOs는 MRI 검사시 사용되는 조영제 물질로서, 임상적으로 안정성이 입증된 물질이다.

자성 입자 이미징 (MPI)은 자장자유점 (Field-Free Point; FFP) 및 자장자유선 (Field-Free Line; FFL)의 노출에 의해 유도된 SPIOs의 비선형 응답 (nonlinear responses)을 얻음으로써 뚜렷한 이미지를 도출할 수 있게 된다. 그러나, 종래 전통적인 자기장 발생 장치는 FFP의 제어를 위해 추가적인 구동 장치가 필요하고, 이는 적어도 2b쌍의 구동 코일을 구비하게 되면서 시스템의 규모가 커진다는 문제점을 유발하였다.

또한, 종래 전통적인 자기장 발생 장치는 전자석 및 RF 코일을 폐쇄형으로 구성하고 있어, 기존 의료 장치와의 호환성에 제약이 있으며, 시술 중 의사의 환자에 대한 접근성이 낮은 문제점이 있다.

따라서, 자성 나노 입자 (MNP)의 3차원 위치인식이 가능하면서 동시에 구동할 수 있고, 기존 의료 장치와의 호환성 및 환자에 대한 접근성이 증대된 시스템의 개발이 시급하다.

이러한 문제를 해결하기 위해 자장자유점 (Field-Free Point; FFP) 및 자장자유선 (Field-Free Line; FFL) 제어하여 자성체의 구동과 위치인식이 가능하고, 기존 의료 장치와의 호환성 및 환자에 대한 접근성이 증대된 개방형 자성체 구동 및 위치인식 통합 시스템을 발명하였다.

본 발명자는 길이 방향 중심축이 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 향하는 3개의 전자석, 및 이와 대칭되도록 배치되는 3개의 전자석을 포함하는 자기장 발생부; 6개의 전자석이 각각 체결부를 통해 연결된 고정부; 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부; 및 6개의 전자석에 각각 독립적으로 전류를 인가하는 전원부;를 포함하는 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템을 고안하였고, 이를 이용하여 자성 나노 입자의 위치를 인식한 결과 위치인식 오차가 적었으며, 시스템이 개방되어 별도의 기존 의료 장치와 호환성이 높아 의료진의 환자에 대한 접근성이 증대됨을 확인하였다.

이에, 본 발명의 목적은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자성체의 구동 및 위치인식 방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것으로, 구체적으로는 길이 방향 중심축이 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 향하는 3개의 전자석, 및 이와 대칭되도록 배치되는 3개의 전자석을 포함하는 자기장 발생부; 6개의 전자석이 각각 체결부를 통해 연결된 고정부; 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부; 및 6개의 전자석에 각각 독립적으로 전류를 인가하는 전원부;를 포함하는 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것이다.

이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.

본 발명의 일 예는 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것이다.

본 발명에 있어서 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템은 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 향하는 3개의 전자석, 및 이와 대칭되도록 배치되는 3개의 전자석을 포함하는 자기장 발생부; 6개의 전자석이 각각 연결된 체결부; 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부; 및 6개의 전자석에 각각 독립적으로 전류를 인가하는 전원부;를 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 자기장 발생부는 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 향하는 3개의 전자석, 및 이와 대칭되도록 배치되는 3개의 전자석을 포함할 수 있다.

본 명세서에서 용어 "솔레노이드 코일"은 도선을 촘촘하게 말아 원통형으로 만든 기구로 해석될 수 있으며, 솔레노이드는 전기가 통하면 자기장을 만들 수 있어 전자석으로 이용될 수 있다.

본 명세서에서 용어 "원형 코일"은 원형 전자석 (Circular electromagnet)으로 해석될 수 있으며, 원형 전자석은 고리모양의 자석, 즉 끝의 감자력의 영향이 나타나지 않는 무단 자석 (無端磁石)을 의미한다.

본 발명에 있어서 3개의 전자석은 관심 영역의 상측으로부터 관심 영역을 향하는 제1전자석, 및 관심 영역의 하부로부터 관심 영역을 향하고 제1전자석을 기준으로 서로 대칭되도록 배치되는 제2전자석과 제3전자석을 포함하는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 전자석은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일 및 새들 코일로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 형태의 코일일 수 있다.

본 발명에 있어서 6개의 전자석은 각각 전원부로부터 독립적으로 전류를 공급받을 수 있다.

본 발명에 있어서 체결부는 전자석과 연결된 지지체를 의미할 수 있다. 즉, 체결부는 전자석과 고정부를 연결하는 것일 수 있다. 따라서, 체결부는 고정부를 통해 지면에 고정되는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 고정부는 지면에 고정될 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서 RF 코일부는 관심 영역의 하부에 배치될 수 있다.

본 발명에 있어서 RF 코일부는 RF 코일부는 지면에 대하여 평행하게 배치되는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 RF 코일부는 Rx 코일 및 Tx 코일을 포함할 수 있다.

Rx 코일 (Receive coil, Rx coil)은 무선 신호의 수신에 전용적으로 사용되는 코일이고, Tx 코일 (Transmit coil, Tx-coil)은 무선 신호의 송신에 전용적으로 사용되는 코일을 의미할 수 있다.

본 발명에 있어서 RF 코일부는 지면에 대하여 평행하게 배치되는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 RF 코일부는 중앙부에 관통공을 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 관통공은 지면에 대하여 연직 방향으로 관통되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 수신 코일 (Rx-coil)의 외주면 둘레는 송신 코일 (Tx-coil)의 내주면 둘레와 동일하고, 수신 코일의 외주면은 송신 코일의 내주면에 연접하는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 6개의 전자석은 중심축 방향이 관심 영역을 향하는 것일 수 있다.

관심 영역 (Region of interest; ROI)은 자성체가 있을 것으로 예상되는 영역일 수 있다. 6개의 전자석의 중심축을 관심 영역을 향하여 정렬되는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 자성체는 자성 나노 입자 또는 이를 포함하는 마이크로로봇일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

본 명세서에서 용어 "마이크로로봇"은 인체 삽입형 의료기기의 일종으로, 혈관로봇, 능동캡슐 내시경과 같이 밀리미터, 마이크로미터, 나노미터 스케일 크기의 자성체로서 영구자석 또는 연자성체를 포함하는 기계/전자식 마이크로로봇과 DDS용 마이크로캐리어, 세포 치료제 전달용 마이크로스캐폴드, 나노로봇, 대식세포로봇과 같은 마이크로/나노 스케일 크기의 자성체로서 자성 나노 입자 (magnetic nanoparticles)를 포함하는 고분자/세포기반 마이크로로봇으로 분류될 수 있으며, 그 외 다른 형태의 마이크로로봇이 포함될 수 있다.

본 발명에 따른 마이크로로봇은 카메라 모듈, 위치정보 제공부, 구동부, 치료부, 로봇 제어부, 데이터 송수신부 및 무선전력 수신부로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 전자석은 전류를 인가받아 자기장을 생성할 수 있다. 이를 통해, 자장자유점 (Field free point; FFP) 또는 자장자유선 (Field free line; FFL)이 생성 및 제어될 수 있다.

본 명세서에서 용어 '자장자유점' (Field free point; FFP)은 전자석이 생성하는 자기장 중 자기장의 세기가 0인 지점 (point)을 의미한다.

본 명세서에서 용어 '자장자유선' (Field free line; FFL)은 전자석이 생성하는 자기장 중 자기장의 세기가 0인 선 (line)을 의미한다.

본 발명에 있어서 제1전자석의 길이 방향 중심축은 제2전자석 또는 제3전자석의 길이 방향 중심축과 예각을 이루는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 제1전자석의 길이 방향 중심축은 제2전자석 또는 제3전자석의 길이 방향 중심축과 이루는 예각은 50도일 수 있다.

본 발명에 있어서 제2전자석 및 제3전자석의 길이 방향 중심축은 서로 예각을 이루고 상기 제1전자석을 기준으로 대칭되도록 배치되는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 제2전자석 및 제3전자석의 길이 방향 중심축이 이루는 예각은 70도일 수 있다.

본 발명의 시스템은 관심 영역을 기준으로 RF 코일부와 대향되도록 수용 공간을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 있어서 수용 공간은 빈 공간을 의미하고, 구체적으로 X-Ray 등과 같은 별도의 기존 의료 장치를 추가적으로 포함할 수 있는 여유 공간을 의미할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 시스템은 관심 영역을 기준으로 수용 공간과 대향되도록 베드부를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 베드부는 RF 코일부를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 베드부는 본 발명의 시스템 적용대상인 환자 또는 동물이 위치할 수 있다.

본 발명의 다른 일 예는 다음의 단계를 포함하는 자성체의 구동 및 위치인식 방법에 관한 것이다:

자장자유점 (Field free point; FFP) 또는 자장자유선 (Field free line; FFL)을 이용하여 자성체를 스캔하는 스캔 단계; 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부가 자성체로부터 반사된 반사신호를 수신하는 반사신호 수신 단계; 반사신호를 이용하여 자성체의 현재 위치를 인식하는 현재위치 인식 단계; 및 자성체에 자기력이 작용하도록 자장자유점 또는 자장자유선을 이동시키는 자성체 이동 단계.

본 발명에 있어서 스캔 단계는 자장자유점 (Field free point; FFP) 또는 자장자유선 (Field free line; FFL)을 이용하여 자성체를 스캔하는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 스캔 단계는 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 향하는 3개의 전자석, 및 이와 대칭되도록 배치되는 3개의 전자석을 포함하는 자기장 발생부에 의해 수행되는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 반사신호 수신 단계는 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부가 상기 자성체로부터 반사된 반사신호를 수신하는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 RF 코일부는 관심 영역의 하부에 배치될 수 있다. 이에, 관심 영역을 기준으로 RF 코일부와 대향되도록 수용 공간이 추가로 포함될 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 시스템은 기존 의료 장치와의 호환성이 증대되고, 또한, 의료진의 환자에 대한 접근성이 증대될 수 있다.

본 발명에 있어서 반사 신호는 안테나를 구비한 RF 신호 수신 장치 등에 의해 수신이 가능한 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 현재위치 인식 단계는 반사신호를 이용하여 자성체의 현재 위치를 인식하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 자성체 이동 단계는 목표 위치를 향해 자성체에 자기력이 작용하도록 자장자유점 또는 자장자유선을 이동시키는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 자성체 이동 단계는 목표 위치를 향해 자성체에 자기력이 작용하게 하기 위해, 자성체를 기준으로 목표 위치와 대향되도록 자장자유점을 이동시키는 것일 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 자성체 이동 단계는 목표 위치를 향해 자성체에 자기력이 작용하게 하기 위해, 자장자유선의 자기장 벡터 방향과 일정 각도 (θ)를 이루도록 자장자유점을 회전시키는 것일 수 있다.

본 발명에 있어서 "자기력이 작용하도록" 또는 "자기력이 작용하기 위해"란 자성체가 자장자유점이나 자장자유선 부근의 자기 구배상에 위치할 경우, 자장자유점 중심이나 자장자유선 중심선으로부터 발생하는 자기력으로 인해 자기력이 작용하는 방향으로 자성체가 이동하는 것을 의미할 수 있다.

이를 통해, 본 발명의 시스템 및 방법은 자성체를 구동시키면서 동시에 위치인식이 가능하므로, 목표 위치까지 효율적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명은 전자석을 포함하는 자기장 발생부, 전자석이 연결된 체결부, 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부, 및 전자석에 독립적으로 전류를 인가하는 전원부를 포함하는 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것으로, 본 발명을 이용하면 자성체의 위치인식 오차를 줄일 수 있고, 개방형의 구조를 취하고 있어 의료진의 환자에 대한 접근성이 향상되므로 시술중 긴급상황이 발생하더라도 즉각적으로 대응할 수 있으며, 동시에 자성체의 구동 및 위치인식을 달성할 수 있다.

도 1은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것이다.
도 2는 개방형 RF 코일부의 세부 구성을 나타낸 것이다.
도 3은 실제 제작된 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템을 정면 (Front view) 및 평면 (Top view)에서 촬영한 모습과 그 모습을 도식화한 것이다.
도 4는 본 발명의 자성체 위치인식 방법에 대한 전체 흐름도를 나타낸 것이다.
도 5a는 관심 영역 내 특정 위치에 FFP 또는 FFL을 발생시키기 위하여, 6개의 전자석이 필요로 하는 요구전류 유도수식을 나타낸 것이다.
도 5b는 FFP 또는 FFL을 발생시키기 위해 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템이 필요로 하는 요구전류를 유도하는 수식연산 흐름도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 시스템이 관심영역 (Region of interest; ROI) 내 특정 지점에 자장자유점 (Field free point, FFP)을 생성한 결과를 나타낸 것이다.
도 7은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템의 관심영역 내에서 3차원 위치가 다른 4개의 특정 위치에 자성 입자 (산화철)를 두고, 위치인식 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.
도 8은 자장자유점을 제어하여 자성입자를 구동하는 과정을 모식도로 나타낸 것이다.
도 9는 자장자유선을 제어하여 자성입자를 구동하는 과정을 모식도로 나타낸 것이다.

이하, 도면 및 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 도면 및 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 도면 및 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.

도 1은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템에 관한 것이다.

도 1을 참조하면, 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템은 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 기준으로 3개씩 상호 대칭되도록 배치된 6개의 전자석 (100)을 포함하는 자기장 발생부; 전자석이 연결된 체결부 (200); 및 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부 (300);를 포함할 수 있다.

이 때, 6개의 전자석 (100)의 중심축은 3차원 공간상 일 영역인 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 향할 수 있다. 관심 영역은 자성체가 있을 것으로 예상되는 3차원 공간상 일 영역을 의미할 수 있다.

RF 코일부 (300)는 관심 영역의 하부에 배치되고, 관심 영역을 기준으로 RF 코일부 (300)와 대향되는 3차원 공간은 개방된 것일 수 있다. 이에, 관심 영역은 RF 코일부 (300)와 대향되도록 별도 장치를 추가적으로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 구체예에서, 본 발명의 시스템은 인체 내 환경을 관찰하기 위하여, X-ray 장비 (400`)를 추가적으로 포함하도록 호환이 가능한 것일 수 있다.

종래 전자석부와 RF 코일부가 폐쇄형으로 구성된 자성 나노 입자의 구동 및 위치인식 장치에 비해, 본 발명의 통합 시스템은 개방형으로 구성되어 기존 별도 장치와의 호환성이 증대될 수 있다. 나아가, 개방형 구조는 시술 중 시술자의 환자에 대한 접근성을 향상시킬 수 있다.

전자석 (100)은 체결부 (200)에 고정되는 것일 수 있다.

전자석 (100)은 관심 영역 내에 마이크로로봇과 같은 자성체의 구동 및 위치인식에 필요한 자기장을 생성할 수 있다.

전자석 (100)은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일 및 새들 코일로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들어, 솔레노이드 코일일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

3개의 전자석은 관심 영역의 상측으로부터 관심 영역을 향하는 제1전자석, 및 관심 영역의 하부로부터 관심 영역을 향하고 제1전자석을 기준으로 서로 대칭되도록 배치되는 제2전자석과 제3전자석을 포함하는 것일 수 있다.

제1전자석의 길이 방향 중심축은 제2전자석 또는 제3전자석의 길이 방향 중심축과 예각을 이루는 것일 수 있다.

제2전자석 및 제3전자석의 길이 방향 중심축은 서로 예각을 이루고 상기 제1전자석을 기준으로 대칭되도록 배치되는 것일 수 있다.

6개의 전자석 (100)은 전원부 (미도시)로부터 독립적으로 전류를 인가받을 수 있고, 전자석은 자장자유점 (Field free point; FFP) 또는 자장자유선 (Field free line; FFL)의 생성 및 이동을 제어하는 것일 수 있다.

본 명세서에서 용어 '자장자유점' (Field free point; FFP)은 전자석이 생성하는 자기장 중 자기장의 세기가 0인 지점 (point)을 의미한다.

본 명세서에서 용어 '자장자유선' (Field free line; FFL)은 전자석이 생성하는 자기장 중 자기장의 세기가 0인 선 (line)을 의미한다.

3개의 체결부 (200)는 1개의 고정부 (220)에 결합할 수 있다.

고정부 (220)는 예를 들어, 지면에 고정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2는 RF 코일부 (300)의 세부 구성 및 수용 공간 (400)을 나타낸 것이다.

도 2를 참조하면, RF 코일부 (300)는 송신 코일 (Tx-coil, 310))과 수신 코일 (Rx-coil, 320)이 한 쌍으로 포개져 있는 형태임을 확인할 수 있다. 즉, 수신 코일 (320)의 외주면 둘레는 송신 코일 (310)의 내주면 둘레와 동일하여, 수신 코일 (320)의 외주면이 송신 코일 (310)의 내주면에 연접하는 것일 수 있다.

전자석 (100)의 말단 및 RF 코일부 (300)는 지지캡 (150)으로 감싸질 수 있다. 지지캡 (150)은 6개의 전자석을 지지하도록 연결되는 것일 수 있다. 지지캡 (150)은 6개의 전자석을 지지하는 지지대 역할을 할 수 있고, 동시에 관심 영역의 하부에 RF 코일부가 배치되도록 수납 공간을 추가로 포함할 수 있다.

RF 코일부 (300)는 관심 영역 (ROI)의 하단부에 배치될 수 있다.

RF 코일부 (300)는 중앙부에 관통공을 포함할 수 있다.

RF 코일부 (300)는 관통공이 지면에 대하여 연직 방향으로 관통되도록 배치되는 것일 수 있다.

RF 코일부 (300)는 환자가 누울 수 있는 침대 등과 같은 베드부 (미도시)에 내장되어 일체화 구조를 이룰 수 있다.

6개의 전자석 (100)은 관심 영역을 기준으로 3개씩 상호 대칭되도록 배치되고, RF 코일부 (300)는 환자가 위치하는 침대 등의 하부에 배치될 수 있다. 이를 통해, RF 코일부 (300)와 대향되는 방향으로 본 발명의 자성체 위치인식 시스템은 개방될 수 있고, 침대 등에 위치하는 환자는 개방감을 느낄 수 있다. 또한, 의료진의 환자에 대한 접근성이 향상될 수 있다.

나아가, 본 발명의 시스템은 관심 영역을 기준으로 RF 코일부 (300)와 대향되도록 수용 공간 (400)을 추가로 포함하여, X-Ray 등과 같은 기존 의료 장치 (400`)와의 호환성을 증대되므로 함께 환자에게 적용하기 용이하다.

도 3은 실제 제작된 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템을 정면 (Front view) 및 평면 (Top view)에서 촬영한 모습과 그 모습을 도식화한 것을 나타낸 것이다.

도 4는 본 발명의 자성체 위치인식 방법에 대한 전체 흐름도를 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 자성체 위치인식 방법은 자장자유점 (Field free point; FFP) 또는 자장자유선 (Field free line; FFL)을 이용하여 자성체를 스캔하는 스캔 단계 (S100); 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부가 자성체로부터 반사된 반사신호를 수신하는 반사신호 수신 단계 (S200); 반사신호를 이용하여 자성체의 현재 위치를 인식하는 현재위치 인식 단계 (S300) 및 목표 위치를 향해 자성체에 자기력이 작용하도록 자장자유점 또는 자장자유선을 이동하는 자성체 이동 단계 (S400)를 포함할 수 있다.

자성체의 위치를 확인하기 위하여 먼저, 자장자유점 (Field free point; FFP) 또는 자장자유선 (Field free line; FFL)을 이용하여 자성체가 있을 것으로 예상되는 관심 영역 (Region of interest; ROI)를 스캔한다. 자성체는 자기장을 인가받으면 반사 신호를 생성할 수 있다.

반사 신호는 관심 영역의 하부에 배치되는 RF 코일부에 의해 수신될 수 있다. RF 코일부는 관심 영역의 하부 즉, 환자가 누워있는 침대 등과 같은 베드부에 내장되어 일체화할 수 있어, 환자는 개방된 공간에 위치할 수 있다. 개방된 공간에는 별도의 기존 의료 장치 등이 결합되어 사용될 수 있다.

수신한 반사신호는 자성체의 현재위치를 인식하기 위해 이용될 수 있다. 자장자유점 또는 자장자유선이 자성체에 가까워질수록 반사신호의 세기는 강해질 수 있으므로, 반사신호를 이용하면 자성체의 현위치를 인식할 수 있다. 이를 통해, 적은 오차로 자성체의 현재 위치를 인식할 수 있게 된다.

도 5a는 본 발명의 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템이 관심 영역 내 특정 위치에 FFP 또는 FFL을 발생시키기 위하여, 6개의 전자석이 필요로 하는 요구전류 유도수식을 나타낸 것이다.

도 5b는 FFP 또는 FFL을 발생시키기 위해 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템이 필요로 하는 요구전류를 유도하는 수식연산 흐름도를 나타낸 것이다. FFP 또는 FFL의 생성 및 제어 관련 상세한 내용은 다음과 같다.

전자기 코일에 의해 자성체의 표면에 가해지는 자력 (magnetic force; F)은 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, M은 자성체의 자화값을 나타내고, ∇는 자기장의 기울기 (gradient)를 나타낸다.

자기장의 세기 H (단위 A/m)와 자속 밀도 B에 관한 일반식은 하기 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 2]

여기서, μ₀는 상수 4π10^-7N/A²를 의미하고, 자유공간상 자성체의 투자율을 나타낸 것이다. μ_r은 자성체의 투자율 (permeability)을 나타낸 것이다. 자기장의 세기 H는 비오-사바르 (Biot-Savart) 법칙에 따라, 전선을 통해 전달되는 전류로부터 도출될 수 있다. 자기력은 각 공간상 방향을 따라 하기 수학식 3의 구성 요소로 표현될 수 있다.

[수학식 3]

원하는 위치에서 FFP를 결정할 수 있는 자속 밀도 B는 수학식 1에서 제어 가능한 매개 변수이므로, 먼저 하기 수학식 4에 따라, 관심 영역 (ROI) 상 원하는 위치 (x, y, z)에 자기장을 생성하는 1개의 코일의 자속 밀도를 정의할 수 있다. 이 때, S개의 전자석을 기준으로 인가 전류 (I)는 [i₁ i₂ i₃ i₄ ... i_S]^T이다.

[수학식 4]

S개의 코일에 의해 유도된 S개의 자기장에 대한 자기장 중첩 특성을 이용하여 특정 위치 (x, y, z)에서의 자속 밀도는 하기 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.

[수학식 5]

여기서 "P=(x, y, z)"는 계산된 지점의 위치를 나타낸다. 또한, 수학식 3에 의해 자속 밀도를 표현하는 방법과 마찬가지로, 자력을 각 방향으로 편미분하면 수학식 6으로 표현될 수 있다.

[수학식 6]

수학식 5 및 6에서 코일 개수(S)를 6개로 설정하면, 본 발명에 포함되는 6개의 전자석에 인가되어야 할 요구전류를 유도할 수 있다.

수학식 6에서 도출된 경사 조건 (gradient terms)은 하기 수학식 7과 같이 자력에 관한 수학식 1을 표현하는 데에 이용될 수 있다.

[수학식 7]

여기서, M은 [M_x M_y M_z]^T _-이다.

그리고, 2개의 지배 방정식 (governing equation) 수학식 3 및 7이 결합되어 관심 영역의 자기장을 계산한다. 따라서, 기본 방정식 (primary equation)은 하기 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

[수학식 8]

여기서, D=[B F]^T는 원하는 행렬을 나타내고, M_u ∈ R^{12 x 6}는 관심 영역의 범위에 있는 6개의 전자기 코일에 해당하는 단위 행렬을 나타낸다. 수학식 8의 입력 전류값을 계산하기 위해, M_u에 역행렬 (matrix inversion)을 적용하고, 하기 수학식 9를 통해 현재 행렬을 얻기 위해 의사 역행렬 (pseudo inversion)을 적용한다.

[수학식 9]

M_u ⁺는 권선 수와 스케일을 포함한 전자기 코일의 동일한 물리적 조건을 기반으로, COMSOL Multiphysics (COMSOL Group Sweden)의 시뮬레이션을 통해 얻은 M_u의 의사 역행렬을 나타낸 것이다. 여기서, COMSOL은 일반적으로 유한 요소법 (finite element method)에 기반한 자기장 분석에 활용된다.

본 발명의 시스템상 기본 관심 영역은 40 x 40 x 40 mm³이나, 아래의 실시예에서는 자성체의 위치인식 가능성을 확인하기 위해, 관심영역이 20 x 20 mm² 이고, XYZ의 각 축에 따른 FFP의 간격은 1 mm인 것으로 가정하여, 441개의 단위 행렬을 수집하였다. 수학식 9로 표현된 의존도 (dependence)는 관심 영역에서 자성체의 움직임을 제어하기 위해 자기 토크 및 자력을 조작하는 데에 이용될 수 있다.

이 전략을 통해 미리 결정된 지점에서 FFP를 유도하기 위해, 수학식 10에서 원하는 행렬과 관련된 B(P) 항목을 0으로 설정하였고, 이는 주어진 비선형 자화 곡선의 자기 구배 세기 (gradient strength) 값으로 입자 신호의 우세를 포착할 수 있게 한다. 그 후, 수학식 8을 이용하여 원하는 행렬을 하기 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 10]

여기서, B_x, B_y 및 B_z의 값은 0으로 간주된다. FFP 조작을 위한 추가적인 이론은 G_xx + G_yy + G_zz = 0의 제한이 있는 맥스웰 (Maxwell) 방정식에서 얻을 수 있다.

수학식 10의 G 항목에 있어서, FFL의 생성을 원하는 방향 좌표 (xx, xy, xz, ??)에 자기 구배 세기값을 입력하면 관심 영역 내 FFL을 유도할 수 있다.

실시예 1. 자장자유점의 생성

도 6은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템의 관심영역 (Region of interest; ROI) 내 특정 지점에서 자장자유점 (Field free point, FFP)을 생성한 결과를 나타낸 것이다.

도 6을 참조하면, (a)는 XY 평면에 대하여, (X, Y) = (5, 0) 위치에 FFP를 형성한 것을 나타낸 것이고, (b)는 XZ 평면에 대하여, (X, Z) = (5, 0) 위치에 FPP를 형성한 것을 나타낸 것이다. 이를 종합하면 (X, Y, Z) = (5, 0, 0) 위치에 FFP가 형성되었음을 확인할 수 있다.

“X축"은 고정부 (220)의 길이 방향에 대하여 수직이고 RF 코일부 (300)의 중심을 지나는 축 방향을 의미하고, "Y축"은 RF 코일부의 중앙부에 형성된 관통공을 지나고 지면에 대하여 연직 방향인 축을 의미한다. "Z축"은 X축 및 Y축 모두에 대하여 수직인 축을 의미한다.

본 발명의 일 구체예에서, 환자는 Z축 방향으로 위치할 수 있다. 이 때, XZ 평면은 지면에 대하여 평행한 RF 코일부 (300)를 포함하는 평면 즉, 환자가 위치하는 베드부를 포함한 평면을 의미하고, XY 평면은 베드부의 길이 방향에 대하여 수직인 평면을 의미한다.

실시예 2. 자장자유점을 이용한 자성체의 위치 인식

도 7은 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템의 관심영역 (ROI) 내에서 3차원 공간상 위치가 서로 다른 4개의 특정 위치 (P1, P2, P3 및 P4)에 마이크로로봇과 같은 자성체를 두고, 위치인식 실험을 수행한 결과를 나타낸 것이다.

도 7을 참조하면, (a)는 자성체 (Magnetic Particle)로서 8 x 8 x 8 mm³의 크기를 갖는 산화철 [Iron oxide(II,III); Fe₃O₄] 입자를 이용한 것을 나타낸 것이고, (b)는 4개의 산화철 입자의 3차원 공간상 위치를 인식한 것을 나타낸 것이다.

4개의 포인트 (P1, P2, P3 및 P4)에서 계산된 측정 오차는 표 1에 나타내었다.

Location; (x, y, z)	Error (mm)
P1	1.4
P2	1.6
P3	1.6
P4	1.4

도 7의 (b) 및 표 1에서 확인할 수 있듯이, 본 발명의 시스템을 이용하여 산화철 입자의 위치를 인식한 결과, 오차는 P1에서 1.4 mm, P2에서 1.6 mm, P3에서 1.6 mm, 및 P4에서 1.4 mm인 것으로 계산되어, 총 자성체의 위치인식 오차는 평균 1.5 mm인 것으로 계산되었다.

실시예 3. 자성체의 구동

도 8은 자장자유점을 제어하여 자성입자를 구동하는 과정을 모식도로 나타낸 것이다.

도 8을 참조하면, 자성체 (자성 입자)의 초기 위치를 기준으로 자성체의 이동방향과 대향되도록 자장자유점 (FFP)을 위치시키면, 자성체에는 이동방향을 향하도록 자기력이 작용하게 된다. 이를 이용하여, 목표지점으로 자성체를 구동하는 것이 가능하다.

도 9는 자장자유선을 제어하여 자성입자를 구동하는 과정을 모식도로 나타낸 것이다.

도 9를 참조하면, 자성체 (자성 입자)의 초기 위치에 자장자유선 (FFL)이 중첩되도록 정렬한 다음, 자기장 벡터 및 자성체의 이동방향을 고려하여 자장자유선을 자기장 벡터 방향을 기준으로 일정 각도 (θ) 회전시키면, 자성체에는 이동방향을 향하도록 자기력이 작용하게 된다. 이동방향을 향해 자성체를 이동시킨 후, 다시 자성체에 자장자유선이 중첩되도록 정렬하면 자성체를 정지시킬 수 있다. 이를 이용하여, 목표지점으로 자성체를 구동시키는 것이 가능하다.

자성체를 목표지점으로 이동시키고 난 후, 다시 자성체의 초기 위치에 대하여 자장자유점을 위치시키거나, 자장자유선을 중첩되도록 정렬하는 일련의 과정을 반복하면, 자성체를 원하는 지점까지 구동시키면서 동시에 위치를 인식할 수 있다.

100: 전자석
150: 지지캡
200: 체결부
220: 고정부
300: RF 코일부
310: 송신 코일 (Tx-coil)
320: 수신 코일 (Rx-coil)
S100: 스캔 단계
S200: 반사신호 수신 단계
S300: 현재위치 인식 단계
S400: 자성체 이동 단계

Claims (10)

1. 3차원 공간상의 관심 영역 (Region of interest; ROI)을 향하는 3개의 전자석, 및 이와 대칭되도록 배치되는 3개의 전자석을 포함하는 자기장 발생부;
   상기 6개의 전자석이 각각 연결된 체결부;
   상기 관심 영역의 하부에 배치되며, 중앙부에 관통공을 포함하고, 상기 관통공이 지면에 대하여 연직 방향으로 관통되는 RF 코일부; 및
   상기 6개의 전자석에 각각 독립적으로 전류를 인가하는 전원부;를 포함하고,
   상기 3차원 공간상의 관심 영역을 향하는 3개의 전자석은,
   관심 영역의 상측으로부터 관심 영역을 향하는 제1전자석, 및 관심 영역의 하측으로부터 관심 영역을 향하고 제1전자석을 기준으로 서로 대칭되도록 배치되는 제2전자석과 제3전자석을 포함하고,
   상기 자기장 발생부는,
   자장자유선(Field free line; FFL)을 이용하여 자성체를 스캔하고, 상기 자성체의 초기 위치에 상기 자장자유선이 중첩되도록 정렬하고, 자기장 벡터 방향을 기준으로 상기 자장자유선을 일정각도 회전시켜 상기 자성체를 이동시키고, 상기 자성체와 상기 자장자유선을 중첩시켜 상기 자성체를 정지시키는 것을 특징으로 하는 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 전자석은 솔레노이드 코일, 원형 코일, 사각 코일 및 새들 코일로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인 것인, 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 RF 코일부는 지면에 대하여 평행하게 배치되는 것인, 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 RF 코일부는 Rx 코일 및 Tx 코일을 포함하는 것인, 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템.
6. 제5항에 있어서, 상기 Rx 코일의 외주면은 Tx 코일의 내주면에 연접하는 것인, 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 제1전자석의 길이 방향 중심축은 상기 제2전자석 또는 상기 제3전자석의 길이 방향 중심축과 예각을 이루고,
   상기 제2전자석 및 상기 제3전자석의 길이 방향 중심축은 서로 예각을 이루며, 상기 제1전자석을 기준으로 대칭되도록 배치되는 것인, 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템.
8. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 관심 영역을 기준으로 RF 코일부와 대향되도록 수용 공간을 추가로 포함하는 것인, 개방형 자성체의 구동 및 위치인식 통합 시스템.
9. 삭제
10. 삭제

Images