KR20140026958A - 마이크로로봇 시스템 - Google Patents

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KR20140026958A
KR20140026958A KR1020120093137A KR20120093137A KR20140026958A KR 20140026958 A KR20140026958 A KR 20140026958A KR 1020120093137 A KR1020120093137 A KR 1020120093137A KR 20120093137 A KR20120093137 A KR 20120093137A KR 20140026958 A KR20140026958 A KR 20140026958A
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최현철
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전남대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 자석을 갖는 구 형상의 마이크로로봇을 이용하여 혈관 내의 협착물 제거가 가능한 마이크로로봇 시스템에 있어서, 마이크로로봇을 구동하기 위한 코일시스템의 구성을 단순화할 수 있는 마이크로로봇 시스템에 관한 것으로, 자석(120)을 포함하는 구 형상의 마이크로로봇부(100)와; 한 쌍의 코일로 이루어진 헬름홀츠코일부(211)와; 상기 헬름홀츠코일부(211)와 동축 상에 회전 가능하게 마련되어 상기 헬름홀츠코일부(211)와 함께 3차원의 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 코일로 이루어진 균일 새들코일부(212)와; 상기 헬름홀츠코일부(211)와 동축 상에 회전 가능하게 마련되되, 상기 균일 새들코일부(212)와 수직하게 배치되어 경사 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 코일로 이루어진 경사 새들코일부(221)로 구성되어, 세 쌍의 코일구조만으로 마이크로로봇부를 이동시키거나 회전 운동에 의해 협착물을 제거할 수 있으며, 또한 세 쌍의 코일들이 동축 상에 배치가 가능하여 환자가 수평한 상태에서 시술이 가능한 효과가 있다.

Description

마이크로로봇 시스템{Micro-robot system}
본 발명은 마이크로로봇 시스템에 관한 것으로, 특히 자석을 갖는 구 형상의 마이크로로봇을 이용하여 혈관 내의 협착물 제거가 가능한 마이크로로봇 시스템에 있어서, 마이크로로봇을 구동하기 위한 코일시스템의 구성을 단순화할 수 있는 마이크로로봇 시스템에 관한 것이다.
마이크로로봇을 이용한 최소침습시술은 절개 부위를 최소화하여 환자의 고통을 줄일 수 있으며, 회복기간도 짧게 할 수 있는 수술방법으로 최근에 많은 연구가 진행되고 있다. 특히 외부 자기장을 이용하여 마이크로로봇을 추진하거나 치료를 위한 구동장치에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 대다수의 연구가 2차원 평면상에서 이루어지거나, 3차원 공간을 단순히 이동할 수 있는 연구가 주로 진행되었다.
예를 들어, 공개특허 제10-2010-0095781호(공개일자: 2010.09.01)(이하, 선행기술문헌1)와 공개특허 제10-2011-139496호(공개일자: 2011.12.29)(이하, 선행기술문헌2)에는 만성완전협착 병변 제거를 위한 캡슐타입의 마이크로로봇을 보여주고 있다.
그러나 선행기술문헌1은 캡슐타입의 몸체 내부에 드릴팁과, 이 드릴팁을 구동하기 위한 모터와, 이 모터의 회전 동력을 드릴팁으로 전달하기 위한 기어를 포함한 동력전달수단으로 구성됨에 따라서, 구동원인 모터와 기어 등의 동력전달계통을 필요로 하여 구성이 복잡하여 구현이 용이하지 않고, 시술 중의 동작 신뢰성을 확보해야 하는 등의 문제점이 있다.
한편 선행기술문헌2는 캡슐 형태의 내부 몸체에 전원을 공급하기 위한 전력공급수단과, 이 전력공급수단에 의해 전원이 공급되어 충격팁의 토출을 제어하는 격발수단과, 자체 탄성을 이용하여 충격팁을 가속, 토출시키는 탄성수단으로 구성되어, 단단한 병변의 표면에 균열을 발생시키기 위한 충격팁이 탄성수단에 의해 전방으로 가속되어 병변 표면에 충돌이 이루어지는 캡슐형 충격전달장치를 제안하고 있으나, 선행기술문헌1과 마찬가지로 구성이 복잡하여 제작이 어렵고 구현이 용이하지 않는 문제점이 있다.
다른 한편으로, 본 출원인의 등록특허 제10-1096532호(등록일자: 2011.12.14)(이하, 선행기술문헌3)는 3차원 전자기 구동장치를 제안하였으며, 선행기술문헌3은 마이크로로봇을 자화시키고 진행방향으로 정렬시키기 위하여 균일한 자기장을 발생시키기 위한 헬름홀츠코일 및 유니폼새들코일과; 마이크로로봇을 추진 구동하기 위한 맥스웰코일과 그레디언트 새들코일로 이루어진 코일시스템을 이용하여 마이크로로봇의 회전 운동과 병진 운동이 이루어진다.
본 발명은 이러한 종래기술을 보다 개선하고자 하는 것으로, 혈관 치료 등에 활용될 수 있는 마이크로로봇과, 이 마이크로로봇을 구동하기 위한 코일시스템의 작동 메커니즘을 단순화하여 코일시스템의 구조를 단순화하고 제어가 용이하며, 시술에 보다 적합한 코일구조를 갖는 마이크로로봇 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템은, 자석을 포함하는 구 형상의 마이크로로봇부와; 한 쌍의 코일로 이루어진 헬름홀츠코일부와; 상기 헬름홀츠코일부와 동축 상에 회전 가능하게 마련되어 상기 헬름홀츠코일부와 함께 3차원의 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 코일로 이루어진 균일 새들코일부와; 상기 헬름홀츠코일부와 동축 상에 회전 가능하게 마련되되, 상기 균일 새들코일부와 수직하게 배치되어 경사 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 코일로 이루어진 경사 새들코일부에 의해 달성된다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 상기 마이크로로봇부는 표면에 돌출 형성된 다수의 돌기를 더 포함하며, 보다 바람직하게는, 상기 다수의 돌기는 상기 마이크로로봇부의 표면에 균일하게 분포되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 본 발명에 있어서, 엑스레이영상을 이용하여 상기 마이크로로봇부의 위치를 추적하게 되는 영상부를 더 포함하며, 보다 바람직하게는, 상기 영상부는, 구동 중인 상기 마이크로로봇부의 이미지를 얻기 위한 엑스레이모듈과; 상기 엑스레이모듈로부터 얻은 이미지를 사전에 촬영된 대상자의 이미지와 정합하여 상기 마이크로로봇부의 위치를 추적하여 표시하는 이미지정합모듈로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템은, 임의 방향으로 자화된 자석을 갖는 구 형상의 마이크로로봇부와; 한 쌍의 코일로 이루어진 헬름홀츠코일부와; 상기 헬름홀츠코일부와 동축 상에 회전 가능하게 마련되어 상기 헬름홀츠코일부와 함께 3차원의 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 코일로 이루어진 균일 새들코일부와; 헬름홀츠코일부와 동축 상에서 회전 가능하게 마련되고 상기 균일 새들코일부와는 수직하게 배치되어 경사 자기장을 발생시키기 위한 경사 새들코일부로 구성됨으로써, 세 쌍의 코일시스템만으로 마이크로로봇부를 이동시키거나 회전 운동에 의해 협착물을 제거할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명의 마이크로로봇 시스템은 동축 상에 마련되는 세 쌍의 코일만으로 마이크로로봇부의 이동 및/또는 회전이 가능하여 환자가 수평한 상태에서 시술이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템의 구성을 보여주는 도면,
도 2의 (a)(b)는 각각 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에서 마이크로로봇의 외관을 보여주는 도면과, 그 일부를 절개한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에 있어서, 전자기장생성부의 바람직한 실시예를 보여주는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에 있어서, 전자기장생성부의 헬름홀츠코일부 만을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에 있어서, 전자기장생성부의 균일 새들코일부 만을 도시한 도면,
도 6은 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에 있어서, 전자기장생성부의 경사 새들코일부 만을 도시한 도면,
도 7은 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에서 마이크로로봇부를 특정 방향으로 추진시키기 위한 작동예를 설명하기 위한 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로로봇 시스템의 구성을 보여주는 도면.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 마이크로로봇 시스템은 마이크로로봇부(100)와; 이 마이크로로봇부(100)를 구동시키기 위한 전자기장생성부(200)를 포함한다.
마이크로로봇부(100)는 임의 자화 방향을 갖도록 자석을 포함하는 구 형상을 갖는다. 이러한 마이크로로봇(100)은 전자기장생성부(200)에 의해 발생된 자기장에 의해 회전 운동 및/또는 임의 방향으로의 병진 운동이 이루어진다.
이러한 마이크로로봇부(100)는 카메라 모듈이 추가되어 캡슐형 내시경으로 사용될 수 있으며, 회전 운동에 의해 혈관 내의 협착물을 제거하기 위한 병변 제거용 툴로써 이용될 수가 있다.
도 2의 (a)(b)는 각각 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에서 마이크로로봇의 바람직한 실시예의 외관을 보여주는 도면과, 그 일부를 절개한 도면으로, 예시된 것과 같이, 마이크로로봇부(100)는 구 형상을 갖는 몸체(110)로 이루어지며, 몸체(110) 내부에는 임의의 자화방향을 갖는 자석(120)이 마련된다.
본 발명에서 마이크로로봇부(100)는 구 형상을 가짐으로써 자석(120)의 자화방향은 중요하지 않으며, 한편 외부에서 인가되는 자기장에 의해 마이크로로봇부(100)의 자석(120)은 자화방향과 일치하도록 자기장 방향으로 정렬이 이루어질 수 있다.
바람직하게는 본 발명에서 마이크로로봇부(100)는 표면에 돌출 형성된 다수의 돌기(111)를 더 포함한다.
이와 같이 몸체(110)에 형성된 다수의 돌기(111)는 마이크로로봇부(100)의 회전 운동에 의해 혈관 내의 협착물을 제거할 수 있는 절삭툴로써 기능할 수 있다.
전자기장생성부(200)는 구 형상의 마이크로로봇부(100)를 회전시키거나 임의 방향으로 병진 운동이 이루어지도록 자기장을 발생시키기 위한 것으로, 임의 방향으로 마이크로로봇부(100)를 정렬시키고, 정렬방향을 바꾸어 회전 운동이 가능하도록 균일 자기장을 발생시키기 위한 균일 자기장생성모듈(210)과; 마이크로로봇부(100)를 일정 방향으로 추진시키기 위하여 경사 자기장을 발생시키기 위한 경사 자기장생성모듈(220)에 의해 제공될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에 있어서, 전자기장생성부의 바람직한 실시예를 보여주는 도면이다.
도 3을 참고하면, 전자기장생성부(200)는 3차원의 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시키기 위한 헬름홀츠코일부(211) 및 균일 새들코일부(212)와; 경사 자기장을 발생시키기 위한 경사 새들코일부(221)를 포함한다.
헬름홀츠코일부(211)는 두 개의 동축 코일이 그 반경만큼 이격되어 위치하여 제공되며, 두 개의 코일 사이의 자기장은 축방향으로 균일한 자기장을 형성한다.
균일 새들코일부(212)는 안장 형태를 갖는 한 쌍의 코일로 구성되며, 헬름홀츠코일부(211)와는 동축 상에 회전 가능하게 마련되어 헬름홀츠코일부(211)와 함께 3차원의 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시킨다.
경사 새들코일부(221)는 안장 형태를 갖는 한 쌍의 코일로 구성되며, 헬름홀츠코일부(211)와는 동축 상에 회전 가능하게 마련되되, 균일 새들코일부(212)와는 수직한 배치를 갖는다. 경사 새들코일부(221)는 균일 새들코일부(212)와는 달리 두 코일에 통전되는 전류의 방향이 반대로 인가되어 경사 자기장을 발생시킨다.
구체적으로 도 4를 참고하면, 헬름홀츠코일부(211)는 두 개의 코일(211a)(211b)이 한 쌍을 이루게 되며, 동축(x축) 상에서 두 개 코일(211a)(211b)은 반경(r) 만큼의 간격(d)이 이격되어 배치된다. 두 개의 코일에 동일한 방향으로 같은 크기의 전류가 인가됨으로써 헬름홀츠코일부(211)의 동축(x축) 상으로 균일한 자기장이 발생된다.
헬름홀츠코일부의 동축 상에서 발생되는 자기장은 다음의 [수학식 1]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
ih는 인가된 전류이며, nh는 권선수이며, rh는 코일의 반경(또는 두 코일 사이의 간격)이다.
도 5를 참고하면, 균일 새들코일부(212)는 안장 형태를 갖는 두 개의 코일(212a)(212b)에 의해 제공되며, 두 코일에 동일한 방향으로 같은 크기의 전류가 인가됨으로써 x-y 평면상에서 균일한 자기장이 발생된다.
균일 새들코일부(212)에서 발생되는 자기장은 다음의 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
iu는 인가된 전류이며, nu는 권선수이며, ru는 코일의 반경이다.
도 6을 참고하면, 경사 새들코일부(221)는 안장 형태를 갖는 두 개의 코일(221a)(221b)에 의해 제공되며, 두 코일에 서로 반대 방향의 전류가 인가됨으로써 x-z 평면상에서 경사 자기장이 발생된다.
경사 새들코일부(221)에서 발생되는 자기장은 다음의 [수학식 3]과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
gg는 자기장 기울기이며, ig는 인가된 전류이며, ng는 권선수이며, rg는 코일의 반경이며, x, y, z는 관심영역의 중심부 (코일의 중심부)를 (0,0,0)의 좌표로 했을 때 각 위치에서의 좌표값을 나타낸다.
이와 같이 구성된 본 발명의 전자기장생성부(200)는 고정된 헬름홀츠코일부(211)와, 이 헬름홀츠코일부(211)와 동축 상에 배치되어 회전 가능한 균일 새들코일부(212)에 의해 3차원의 임의 방향에 대해 균일 자기장을 발생시킬 수가 있으며, 마이크로로봇부(100)는 균일 자기장 방향으로 정렬이 이루어질 수 있다.
구체적으로는, 헬름홀츠코일부(211)와 균일 새들코일부(212)에 의해 2차원 평면상에서 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시킬 수 있으며, 또한 균일 새들코일부(212)는 회전이 가능하므로, 균일 새들코일부(212)의 회전에 의해 3차원에서 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시킬 수 있다.
한편, 균일 자기장생성모듈(210)에 의해 발생되는 균일 자기장의 정렬 방향이 임의 회전축을 따라서 회전이 이루어짐으로서, 마이크로로봇부는 균일 자기장의 방향을 따라서 회전 운동이 가능하다. 이러한 마이크로로봇부의 회전 운동을 이용하여 혈관 내의 협착물 제거에 이용될 수가 있다.
다음으로, 도 7은 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템에서 마이크로로봇부를 특정 방향으로 추진시키기 위한 작동예를 설명하기 위한 도면으로, 도 7의 좌측은 3차원 좌표공간을 도시한 것이며, 우측은 x-r 평면을 도시한 도면이다.
도 7에서 M은 마이크로로봇부에 마련되는 자석의 단위체적당 자기모멘트인 자기화(magnetization)를 나타내며, 헬름홀츠코일부와 균일 새들코일부에 의해 발생된 균일자기장과 같은 방향으로 정렬이 이루어진다.
한편, 임의 벡터인 r은 마이크로로봇부의 추진 방향을 나타내며, 이때 x-r 평면과 z축과의 각도는 α로 표시하며, 임의 벡터 r과 x축 사이의 각도는 β로 표시한다.
전자기장생성부의 경사 자기장은 [수학식 3]로부터 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
한편, 다음의 [수학식 5]에서와 같이 마이크로로봇부를 추진하기 위한 추진력 F의 x축과 r축의 분력으로부터 각각의 자기장 기울기를 나타낼 수 있다. 아래 식에서 V는 자석의 체적을 나타낸다.
[수학식 5]
Figure pat00005
[수학식 5]의 (1),(2)로부터 x-r평면상에서 마이크로로봇부를 임의 방향으로 추진시키기 위하여 x 축과 자석 사이의 각도(θ)와, 이때 추진에 필요한 경사 자기장의 크기는 다음의 [수학식 6]으로부터 얻을 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템은, 마이크로로봇부가 구 형상을 가짐으로써 정렬방향과 추진방향을 일치할 필요가 없으며, 헬름홀츠코일부와 균일 새들코일부의 구동에 의해 마이크로로봇부를 정렬시킬 수 있다.
특히 균일 자기장을 생성하는 균일 자기장생성모듈(210)을 이용하여 마이크로로봇부의 정렬방향을 회전시킴으로써 마이크로로봇부의 회전 운동이 가능하며, 이를 이용하여 혈관 내의 협착물 제거가 가능하다.
또한, 마이크로로봇부의 병진 운동에는 회전 가능하게 마련된 경사 새들코일부를 이용함으로써, 마이크로로봇의 추진 제어가 용이하게 이루어질 수가 있다.
예를 들어, 혈관 내에 삽입된 마이크로로봇부(100)는 전자기장생성부(200)의 경사 자기장생성모듈(220)에 의해 시술 목표 부위의 협착물까지 병진 운동에 의해 이동이 이루어질 수 있으며, 협착물까지 마이크로로봇부(100)가 이동한 후에는 균일 자기장생성모듈(210)에 의해 회전 운동이 이루어짐으로써 마이크로로봇부(100)는 협착물을 드릴링하여 협착물의 제거가 이루어질 수 있다.
특히 본 발명의 전자기장생성부는 균일 자기장생성모듈을 구성하는 헬름홀츠코일부 및 균일 새들코일부와, 경사 자기장생성모듈을 구성하는 경사 새들코일부가 수평한 동축 상에 배치가 가능하므로, 환자는 전자기장생성부를 구성하는 코일 안쪽으로 수평하게 누운 상태에서 시술이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명의 코일시스템은 세 쌍의 코일만으로 구성이 가능하여 마이크로로봇의 구동에 요구되는 코일시스템의 구성을 단순화하고 전력소비를 저감할 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로로봇 시스템의 구성을 보여주는 도면으로, 본 발명에 따른 마이크로로봇 시스템은, 엑스레이영상을 이용하여 마이크로로봇부(100)의 위치를 추적하게 되는 영상부(300)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에서 영상부(300)는, 구동 중인 상기 마이크로로봇부의 이미지를 얻기 위한 엑스레이모듈(310)과; 상기 엑스레이모듈(310)로부터 얻은 이미지를 사전에 촬영된 대상자의 이미지와 정합하여 상기 마이크로로봇부의 위치를 추적하여 표시하는 이미지정합모듈(320)에 의해 제공될 수 있다.
엑스레이모듈(310)은 단층 이미지를 얻을 수 있는 CT가 사용될 수 있다.
이미지정합모듈(320)은 시술 전에 촬영된 시술 대상자의 CT나 MRI 이미지를 저장하며, 시술 중에 엑스레이모듈(310)로부터 얻은 마이크로로봇부(100)의 이미지와 시술 대상자의 시술전 CT나 MRI 이미지를 정합함으로써, 시술 과정에서 마이크로로봇부의 위치를 추적하여 표시하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
100 : 마이크로로봇부 110 : 몸체
120 : 자석 200 : 전자기장생성부
210 : 균일 자기장생성모듈 211 : 헬름홀츠코일부
212 : 균일 새들코일부 220 : 경사 자기장생성모듈
221 : 경사 새들코일부 300 : 영상부
310 : 엑스레이모듈 320 : 이미지정합모듈

Claims (4)

  1. 자석을 포함하는 구 형상의 마이크로로봇부와;
    한 쌍의 코일로 이루어진 헬름홀츠코일부와;
    상기 헬름홀츠코일부와 동축 상에 회전 가능하게 마련되어 상기 헬름홀츠코일부와 함께 3차원의 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 코일로 이루어진 균일 새들코일부와;
    상기 헬름홀츠코일부와 동축 상에 회전 가능하게 마련되되, 상기 균일 새들코일부와 수직하게 배치되어 경사 자기장을 발생시키기 위한 한 쌍의 코일로 이루어진 경사 새들코일부를 포함하는 마이크로로봇 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로로봇부는 표면에 돌출 형성된 다수의 돌기를 더 포함하는 마이크로로봇 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 엑스레이영상을 이용하여 상기 마이크로로봇부의 위치를 추적하게 되는 영상부를 더 포함하는 마이크로로봇 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 영상부는,
    구동 중인 상기 마이크로로봇부의 이미지를 얻기 위한 엑스레이모듈과;
    상기 엑스레이모듈로부터 얻은 이미지를 사전에 촬영된 대상자의 이미지와 정합하여 상기 마이크로로봇부의 위치를 추적하여 표시하는 이미지정합모듈로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로로봇 시스템.
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