KR20180124913A - 생리적 혈관 내의 유체 흐름을 제한하는 장치 및 시스템 - Google Patents

Abstract

사람 또는 동물의 생리적 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 장치 및 시스템이 제공되며, 상기 장치는 생리적 혈관 내의 유체 흐름에 의해 수동적으로 추진될 수 있는 제 1 모드와 생리적 혈관을 적어도 부분적으로 폐색하는 제 2 모드로 구성될 수 있고, 상기 장치는 상기 제 1 모드에서 제 1 단면 크기 및 상기 제 2 모드에서 제 2 단면 크기를 가지며, 상기 제 2 단면 크기는 상기 제 1 단면 크기보다 크다. 상기 시스템은: 상기 기술된 복수의 장치들; 상기 장치들에 전력을 공급하기 위한 전력원; 및 상기 장치들을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 제어기를 포함한다.

Description

생리적 혈관 내의 유체 흐름을 제한하는 장치 및 시스템

본 발명은 사람 및 동물의 생리적 혈관 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 장치 및 시스템에 관한 것이다.

특히 현재의 방법을 사용하여 종양 및 암을 치료하는 데 있어 가장 중요한 문제는 세 가지다. 화학 요법은 작은 종양에는 효과적이지만 종양이 특정한 크기에 도달하면 그 치료가 성장을 늦출 수 있는 것보다 빠르게 성장하는 경향이 있다. 화학 요법은 사용된 약물의 부작용으로 인하여 환자들에게는 힘겹다. 방사선 요법은 부작용이 거의 없다고 하더라도 비슷한 단점이 있다. 수술은 원하지 않는 조직(tissue)의 위치 때문에 종종 불가능하다. 현재의 기술은 빠르게 성장하는 종양 또는 실제로 원치않는 인체 조직을 치료하는 데 적응되어 있지 않으며, 현재 진행성 병기의 암 환자에 대해 현재의 전략은 상기한 방법들을 사용하여 질병의 진행을 늦추고 환자 수명의 양을 늘리고자 하는 것이다. 그러나 환자들은 종종 상당한 고통을 받고 많은 불편을 겪게 된다.

위에서 언급한 방법을 사용하여 사람과 동물에서 종양, 병소(lesion) 및 기타 원치 않는 조직을 치료하는 것은, 목표로 하는 조직(종양, 병소 또는 다른 원치 않는 조직)을 건강한 조직으로부터 완전하게 분리하여 치료하는 것이 불가능하게 때문에 부작용을 일으키게 된다.

화학 요법의 경우, 암의 확산을 방지하고 처리 과정에서 그 종양을 제거하기 위해 다량의 투여량으로 약물이 환자에게 투여된다. 그러나 전신이 약물의 활성 화학 물질에 노출됨에 따라, 부작용은 거의 피할 수 없게 된다.

방사선 요법의 경우, MRI 스캐너를 사용하여 환자의 종양을 영상화하고, 그 종양에 초점이 맞춰진 방사선을 적용함으로써(통상적으로) 치료가 수행되며, 상기 방사선은 종양이 위치된 신체의 지점에 초점을 둔 빔으로 선형 가속기에 의해 발생된다. 상기 빔이 가능한한 넓은 각도에 걸쳐 종양에 전달되기 때문에 정상 조직에 대한 선량은 가능한 한 낮게 유지된다. 방사선 요법은 여전히 피부 화상(skin burning)과 같은 부작용을 갖고 있다.

화학 요법과 방사선 요법 양쪽 모두는 작은 종양에는 효과적이다. 종양이 임계 질량에 도달하면, 화학 요법이나 방사선 요법이 파괴할 수 있는 것보다 더 빠른 속도로 성장할 수 있다. 이런 일이 발생하게 되면, 이들 치료들은 단지 암의 진행 속도를 늦추는 데에만 사용된다.

수술이 또한 종양의 크기를 줄이기 위해 사용된다. 그러나 수술은 외과적인(invasive) 것이며, 종종 종양의 위치로 인해 실현 불가능하다. 원하지 않는 조직을 제거하는 것이 바람직한 병을 치료할 때 가장 중요한 문제는 원하는 조직과 원하지 않는 조직 사이를 구별하는 현재 기술의 능력에 있다.

현재의 기술은 빠르게 성장하는 종양 또는 실제로 원하지 않는 사람의 조직의 치료와 현재 진행성 병기의 암 및 다른 그러한 질병을 갖는 환자들에는 적응되지 않는다. 현재 치료는 원하지 않는 피부조직을 파괴할 수 있는 약물의 사용과 실현 가능한 수술에 대부분 의존하고 있다. 이러한 방법들은 원하지 않는 부작용과 같은 몇 가지 단점들이 있으며, 많은 경우 질병에 걸린 환자들은 큰 고통을 겪는다.

종양을 영상화하는 데 사용되는 방법 중 하나는 상업적으로 이용 가능한 MRI(Magnetic Resonance Imaging) 기계로 사람의 뼈와 조직으로 비정상 상태를 진단하기 위해 의학에서 널리 사용되며 이 기술은 주로 진단 도구로 사용된다. MRI 영상화는 아래에서 더 자세히 설명된다.

사람의 신체는 평균 길이가 1.1 mm 인 약 100억 개의 모세혈관이 있다. 모세혈관은 미세 순환(micro circulation)을 구성하는 신체의 혈관(및 림프 혈관) 중에서 가장 작은 것이다. 이들의 내피의 내벽(endothelial linings)은 단지 하나의 두꺼운 세포층이다. 직경이 약 5 ~ 10 마이크로미터(μm)로 측정되는 미세혈관은 세동맥과 세정맥을 연결하며, 이들은 도 1에 도시된 바와 같이 혈액과 그 주변 조직 사이에서 물, 산소, 이산화탄소 및 기타 많은 영양소와 폐 물질의 교환을 가능하게한다.

혈액은 심장으로부터 동맥들을 통해 흐르고, 동맥들은 소동맥들로 갈라져 좁아지고, 이어서 영양소 및 폐기물이 교환되는 모세혈관들(capillaries)로 더 갈라진다. 상기 모세혈관들은 그 다음에 결합하여 넓어져 세정맥이 되고, 더 넓어져 정맥들이 되도록 모아지고, 이어서 대정맥을 통해 피를 심장으로 다시 보낸다.

모세혈관은 그 자체로는 기능하지 않지만 모세혈관계(capillary bed)로 기능을 하며, 도 1에 도시된 바와 같이, 모세혈관들의 인터위빙 네트워크(interweaving network)가 기관들 및 조직들에 공급한다. 대사 작용으로 활성인 세포 또는 환경이 많을수록 영양소를 공급하고 폐기물을 운반하기 위해 더 많은 모세혈관들이 요구된다. 모세혈관계는 두 유형들의 혈관들을 포함할 수 있다: 즉, 세동맥에서 갈라지고 세포들과 혈액 사이에서의 교환을 제공하는 진정한 모세혈관들, 및 장간막 순환(mesenteric circulation)에서만 발견되는 모세혈관계인 메타세동맥의 반대쪽 말단들에서 세동맥과 세정맥을 직접 연결하는 짧은 혈관.

암 및 기타 종양은 혈관형성(vasculogenesis)이라는 과정을 이용하여 새로운 혈관의 형성을 촉진시키는 호르몬을 생성하다. 이 과정을 통해 새로운 조직이 세포 낭비 물질의 처분뿐만 아니라 필요한 영양소와 산소를 얻을 수 있다. 조직의 모세혈관 체계의 기능은 조직의 생존 능력의 핵심이다.

나노 로봇은 주위의 건강한 조직에 영향을 주지 않으면서 암 종양 부위에 약물을 직접 전달하도록 설계됨으로써 암과 같은 질병 치료에 대한 잠재적 해결책으로 환영받고 있다. 이전의 나노 로봇 설계에는 질병을 치료하는 데 있어 나노 로봇의 유용성이 제한되어 있으며 여러 가지 문제가 있다.

이전의 설계는 표적 조직(target tissue)을 검출하기 위해 온보드 센서들을 통합했으며, 이로 인해 설계 비용과 복잡성이 증가하다. 표적 조직을 정확하게 검출할 수 있는 센서 및 처리 능력은 치료를 시작하기 전에 치료 효과의 정확성을 보장하는 것을 어렵게 한다. 또한, 나노봇이 올바른 위치에 그 투여량을 전달했다는 것을 보증하는 것은 어려우며, 이러한 것은 치료가 어떻게 진행하는지를 알아내기 위해 상기 장치들로부터의 복잡한 피드백 시스템을 필요로 한다. 결과적으로, 나노봇의 실시간 제어는 달성하기가 어려울 수 있다.

나노 로봇은 보통 표적이 된 조직에 도달할 수 있도록 박테리아 편모를 모방하면서 신체 주위를 이동할 수 있도록 하는 추진 메커니즘으로 구성된다. 현재 초음파 에너지 전달, 마이크로파 또는 자기장을 포함하여 현재 나노 로봇에 전력을 공급하는 몇 가지 방법이 있다.

현재 의료 진단 분야에서, 3차원 영상은 아래에 설명된 세 가지 방법을 사용하여 달성될 수 있다.

- 자기 공명 영상화(Magnetic Resonance Imaging)(MRI)

- 전산화 단층 촬영(Computed tomography)(CT scan)

- 초음파

자기 공명 영상화(MRI)는 탁월한 진단 도구로 입증되었다. 이것은 강한 자기장, 전파, 및 자장 경사(field gradient)를 사용하여 신체의 영상을 형성하다. 그러나 이 기술에 대한 단점들 중 일부는 (1) 장비의 높은 자본 비용, (2) 높은 운영 비용, (3) 원시 데이터에서 영상을 얻기 위한 긴 데이터 처리 시간, (4) 최대 20 분이 될 수 있는 스캔 기간 동안 환자가 완전히 정지한 상태로 유지해야 하는 것, 및 (5) 환자로부터의 실시간 데이터가 가능하지 않다는 것이 있다; 따라서, 심장 판막의 개폐와 같이 빠르게 움직이는 데이터를 포착하는 것은 불가능하다.

전산화 단층 촬영(CT)은 또 다른 고품질 진단 도구이다; 그러나, 위에서 언급한 거의 모든 단점들을 공유한 데 더하여, (1) 이온화 방사선을 사용함으로써 매 스캔마다 환자의 노출을 증가시키고, (2) 높은 대비의 영상(high contrast imaging)을 얻기 위해 더 높은 선량 노출의 사용을 필요로 하며, 따라서 의사는 고품질 영상과 환자 노출 사이에서 결정해야한다. 진단 목적을 위해, 의사는 최상 품질의 영상을 얻기 위하여 가능한한 높은 선량을 갖기를 원할 것이다. 그러나 그는 환자를 보호하기 위해 더 낮은 선량을 사용하기로 결정해야하고 나중에 이미지의 품질이 좋지 않다는 것을 발견하게 된다면, 그는 환자를 또 다른 스캔을 받게 해야만 하고 그가 첫 번째에서 높은 품질의 영상을 선택하는 경우보다 더 높은 전체적인 선량으로 받게 해야만한다.

초음파는 수년간 진단을 위해 사용되어 왔으며 진단 데이터를 얻는 낮은 위험성의 방법인 것으로 널리 알려져 있다. 초음파 영상의 또 다른 장점은 이미지가 실시간으로 생성될 수 있으며 심장 판막 진단과 같은 동적인 조직을 진단하는 데 사용될 수 있다는 것이다. 그러나 초음파 영상은 여러 단점들 없이는 있을 수 없으며, 그 중에서도 (1) 대상자의 신체 내부에서 원하지 않는 반사, (2) 의도된 위치에서 초점을 맞추기 어려움, (3) 저해상도 영상, (4) 이미 앞서 설명한 바와 같이 조직 캐비테이션(tissue cavitation)을 일으킬 수 있는 초음파 조영제를 환자에게 주입하지 않고서는 연조직에 사용하기 부적합하다.

이미 논의된 바와 같이, 전통적인 영상화 시스템은 정보를 처리하는 방식이 제한적이다. 예를 들어 현미경 렌즈를 생각해보자. 현미경 대물 렌즈의 개구수는 빛을 모으고 고정된 물체 거리에서 미세한 표본 세부사항을 해결할 수 있는 능력을 측정한 것이다. 도 1은 전통적인 영상화 시스템에서 개구수의 한계를 도시하는 도면이다. 도 1에서, 예를 들어 개구수는 다음과 같이 계산될 수 있다.

N.A. = n × sinθ

여기서 n은 매질의 굴절률이며, θ는 영상화 장치로 들어가거나 빠져나갈 수 있는 파동(wave)의 원추의 최대 반각(half-angle)이다.

전통적인 영상화 시스템에서, 조사파(illuminating wave)(CT의 경우 광파 및 초음파(ultrasound)의 경우 초음파(ultrasonic wave))가 표적을 조사하는 데 사용된다. 이러한 파동들은 표적에 대해 회절하고, 이는 상기 입사파가 표적에 충돌하여 회절 차수들(diffraction orders)이 생성되도록 한다는 것을 의미한다. 이러한 차수들은 영상화 시스템에 의해 수집되어 상기 표적의 영상을 형성하다. 제로 차수의 회절 차수는 매우 많은 에너지를 포함하지만 표적에 대한 정보가 없다. 높은 회절 차수들은 적은 에너지를 포함하지만 표적에 대한 더 많은 정보를 포함하다. 더 높은 회절 차수들은 제로 차수로부터 주어진 각도에서 움직이며, 이는 회절 차수가 높을수록, 즉 더 높은 각도를 가질수록 영상화 시스템의 해상도가 더 높게 달성될 수 있다는 것을 의미한다. 또한 여기서 주목할만한 사실은 각도 성분으로 인한 더 높은 차수들은 이들이 생성된 위치에서부터 수신 메커니즘으로 더 기다란 경로를 갖는다는 것이다. 많은 초음파 장치들은 표적으로부터의 사용가능한 정보와 노이즈 사이를 구별하기 위해 "전파-시간(time-of-flight)"이라고 하는 이러한 속성을 사용한다.

전통적인 초음파 진단 장치들에서, 초음파가 생성되어 오퍼레이터가 원하는 대로 이동하는 핸드헬드 트랜스듀서에 의해 수신된다. 이러한 것은, 더 높은 회절 차수들을 검출하는 능력이 상기 트랜스듀서의 물리적 크기에 의해 제한되므로, 획득된 영상의 해상도를 제한한다. 그 결과, 핸드헬드 초음파 진단 장치는 낮은 차수들을 검출해야만하고, 제로 차수 반사의 원치 않는 영향들을 받게 된다.

상기와 관련하여, 다른 방법들과 공통적으로 연관된 부작용없이 사람 및 동물에서 원치 않는 조직을 신속하고 정확하게 파괴하는 수단이 필요하다.

본 발명에 따라, 청구범위 제 1 항에 기재된 장치가 제공된다. 또한, 청구 범위 제 22 항에 따른 시스템이 제공된다. 유익한 특징들은 종속 청구항들에 청구된다.

본 발명은 사람 및 동물의 생리적 혈관 내의 혈액의 흐름과 같은 유체 흐름을 정확하게 제한하기 위한 장치 및 시스템을 제공한다. 상기 장치는 이후 나노 로봇 또는 나노봇으로 언급될 것이다. 나노봇들은 사람이나 동물의 순환계를 통과하기에 충분히 작은 기계 또는 전기기계 로봇을 포함할 수 있다. 본 발명의 나노봇들은 비 활성화된 상태에서 약 2.8 ㎛ 내지 약 5.2 ㎛ 범위의 단면 크기를 가질 수 있다.

나노봇들은 표준 반도체 또는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 기술을 사용하여 제조될 수 있다. 나노봇들은 RF 인코더/간섭계 시스템을 통해 1 차 유효성 검사 서브-시스템으로부터 위치 신호들을 수신하는 무선 안테나를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 나노봇들은 X, Y 및 Z 축들에서 고정된 시작점으로부터 그 상대적 변위를 검출할 수 있다.

MRI 기계와 같은 영상화 장치는 별도의 장치지만 본 발명과 관련하여 (a) 원하지 않는 조직의 존재 및 위치를 확인하고, (b) 자기장을 통한 나노봇의 전력원으로서 사용될 수 있다.

나노봇의 목적은 손상되거나 원하지 않는 조직을 파괴하기 위해 표적 부위에서의 모세혈관 망의 정상적인 작동을 방해(disrupt)하는 것이다.

나노봇에 전력원을 제공하기 위해 자속 발생 메커니즘이 사용될 수 있다.

나노봇들은 외부에서 생성된 전자기 방사선의 이온화 빔이 표적 부위를 조사하는데 사용되는 외부 빔 방사선 장치와 동시에 동작하도록 구성될 수 있다. 기존의 방사선 요법에 비해 이러한 방법의 장점은 통상적으로 적용되는 방사선량의 단지 일 부분만이 요구된다는 것인데, 이는 상기 방사선이 종양을 직접적으로 처치하지 않고 상기 표적 부위 내부의 나노봇을 활성화시키는 데에만 사용될 것이기 때문이다. 이러한 것은 나노봇의 복잡성을 감소시킨다.

본 발명은 또한 사람 또는 동물의 생리적 혈관 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:

복수의 나노봇들;

상기 나노봇들에 전력을 공급하기 위한 전력원; 및

상기 나노봇들을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 제어기를 포함한다.

상기 전력원은 복수의 전기적으로 절연된 전자석을 포함하는 상기 나노봇들에 전력을 공급하기 위한 자속 발생 메커니즘을 포함할 수 있으며, 상기 복수의 장치들은 전기적으로 절연된 전자석들로부터 생성된 복수의 중첩하는 자기장들을 통해 전력이 공급된다.

상기 시스템은 또한 표적 부위를 조사하기 위해 이온화 전자기 방사선 빔을 생성하기 위한 외부 빔 방사선 장치를 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 외부에서 생성된 초음파 신호를 조사원(illumination source)으로 사용하는 초음파 영상화 시스템을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 내용에서, 전술한 바와 같은 나노봇들이 상기 초음파 신호를 생성하는데 사용될 수 있다.

상기 초음파 영상화 시스템은 패브릭 또는 다른 재료의 표면에 매설된 센서들의 네트워크를 사용하여 초음파 신호들 및 회절 차수들을 광학 영상으로 변환하도록 구성된다. 이러한 것은 초음파 검출 매트릭스라고 칭해질 수 있다. 상기 초음파 검출 매트릭스는 대상자 또는 환자의 신체 주위를 감싸도록 구성되어, 상기 센서들이 상기 대상자 또는 환자의 신체의 외부 표면과 접촉하게 된다.

상기 초음파 영상화 시스템은 초음파 신호들을 측정하도록 구성되며, 이러한 것은 주 감지 축들(main sensing axes)에 평행하게 전파하는 파동들을 검출할 수 있게 하고, 반각(half-angle) θ가 실질적으로 90 도임을 의미하며 이는 계산된 시스템의 개구수를 1(unity)(공기의 경우 n은 1.00)로 되게 한다.

본 출원은 이제 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이다.
도 1은 전통적인 영상화 시스템에서 개구수의 제한을 예시하는 도면이다.
도 2는 모세혈관을 통해 이동하는 본 발명의 한 실시예에 따른 나노봇들을 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 비활성화된 방출 및 연장 상태들의 나노봇의 다양한 모습들을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 환자 주위의 방향으로 배치된 전기적으로 절연된 전자석들로부터 생성된 복수의 중첩하는 자기장들을 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 자속 발생 메커니즘의 중심 축에 대하여 의도적으로 오정렬된 전자석들을 도시한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 사람 또는 동물의 생리학인 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 자속 발생 메커니즘 및 외부 빔 방사선 장치를 포함하는 사람 또는 동물의 생리적 혈관 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 도 7의 시스템을 다양한 구성들로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따라, 대상자의 지지대 상에 위치되는, X, Y 및 Z 무선 주파수(RF) 송신기들과 함께 1 차 유효성 검사 서브-시스템(Primary Validation Sub-system, PVS)의 레이아웃을 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따라 1 차 유효성 검사 서브-시스템(PVS)의 모세혈관 튜브 망과 함께 설치되는 이니셜라이저를 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 광원과 함께 이니셜라이저의 내부 뷰 및 초기화 동안 모세혈관망을 통해 이동하는 나노봇들의 확대 뷰를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따라, f1 및 f2 RF 신호들 사이의 관계를 도시하며, 파면 피크들(wavefront peaks)의 위치에서의 차이가 이니셜라이저로부터의 그 변위를 결정하도록 나노봇에 의해 사용되는 것을 도시한다.
도 13은 PVS에 의해 사용되는 예시적인 f1, f2, f3 및 f4 신호들을 도시한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따라 나노봇들의 동작 제어 방법을 도시하는 흐름도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따라 초음파 영상화 시스템을 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따라 단일 초음파 검출 모듈(UDM)의 평면도 및 사시도이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따라 단일 초음파 검출 어셈블리(UDA)의 입면도이다.
도 18은 본 발명의 한 실시예에 따라 단일의 초음파 검출 어셈블리(UDA)와 그에 관련된 강성 기둥 어셈블리의 평면도이다.
도 19a 및 도 19b는 도 17의 초음파 검출 어셈블리(UDA)에 입사되는 초음파들을 도시한다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 초음파들의 감쇠를 방지하기 위해 환자의 신체와 UDM 매트릭스 사이에 초음파 젤을 갖는 사람 골반 주위에 감싸진 내장된 UDM 매트릭스를 갖는 패브릭을 도시한다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 처리 단계들을 수행하도록 기능하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소들을 포함하는 컴퓨팅 장치의 예시적인 구성을 나타내는 블록도이다.

본 발명은 사람 및 동물의 생리적 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 장치를 제공한다. 사람 및 동물의 생리적 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 장치로서, 생리적 혈관 내의 유체 흐름에 의해 수동적으로 추진될 수 있는(propellable) 제 1 모드와 생리적 혈관을 적어도 부분적으로 폐색하는 제 2 모드로 구성될 수 있는, 상기 장치가 제공된다. 상기 장치는 상기 제 1 모드에서 제 1 단면 크기 및 제 2 모드에서 제 2 단면 크기를 가지며, 상기 제 2 단면 크기는 상기 제 1 단면 크기보다 크다. 혈액의 관과 같은 생리적 혈관을 통해 성공적으로 이동하기 위해, 이후 나노봇들(nanobots)이라고 칭하는 복수의 나노 크기 장치들이 대상자들에게 주입될 수 있다. 사람의 경우, 나노봇들은 제 1 모드 또는 비활성 상태에서 약 2.8 ㎛ 내지 약 5.2 ㎛ 범위의 제 1 단면 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 상기 나노봇들은 용액을 얻기 위해 유기 용매에 용해될 수 있으며, 상기 용액은 대상자에게 투여되기 전에 워터-베이스 용매에 분산될 수 있다. 나노봇들은 대상자가 MRI 기계와 같은 영상화 장치에 위치되는 동안 상기 대상자에게 주입될 수 있다. 상기 나노봇들은 폐의 시스템과 신체의 자연적 작용에 의해 신체의 모든 모세혈관들에 도달하도록 운반될 수 있다. 나노봇들은 활성화되지 않은 동안 전체 폐의 시스템을 통해 자유롭게 이동할 수 있다. 그러나 일단 그들이 활성화되면, 나노봇들은 그들의 단면적을 증가시켜 혈관 내에서의 이동하는 유체 흐름을 억제하도록 구성된다. 나노봇들은 비활성화될 때 약 2.8 ㎛ 내지 약 5.2 ㎛ 범위의 단면 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 본 명세서에서, 나노봇의 단면 크기는 나노봇의 단면 직경 또는 폭을 지칭한다. 약 2.8 ㎛ 내지 약 5.2 ㎛ 범위의 제 1 단면 크기에서, 나노봇들은 사람의 혈관 내에서 자유롭게 이동할 수 있다. 나노봇들은 팽창될 때 약 7.7 ㎛ 내지 약 14.3 ㎛의 제 2 단면 크기를 갖도록 구성될 수 있다. 약 7.7 ㎛ 내지 약 14.3 ㎛의 제 2 단면 크기에서, 나노봇들은 사람의 혈관을 적어도 부분적으로 폐색할 수 있다. 그러나 다른 동물에서는 모세혈관 크기들이 다양하고 상이한 크기의 나노봇들이 다른 동물들을 처치하기 위해 필요할 수 있음을 이해할 것이다. 비활성 상태에 있는 장치의 최대 단면 크기는 대상의 사람 또는 동물의 혈관 직경의 약 40 %가 되도록 구성될 수 있다.

일단 활성화되면, 나노봇들은 표적 부위(target region)에서 혈액 흐름을 방해하기 위해 확장(expand)하도록 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 나노봇들은 3 가지 동작 모드들을 가질 수 있다. 첫 번째 모드는 전력이 공급되지 않고 비활성인 모드이며, 여기에서 나노봇은 혈관을 통해 자유롭게 움직일 수 있는 크기가 되다. 두 번째 모드는 전력이 공급되고 비활성인 모드이다. 세 번째 모드는 전력이 공급되고 활성인 모드이며, 여기에서 나노봇들의 단면적이 증가되어 상기 표적 부위에서의 혈액 흐름을 방해한다. 제 1 및 제 2 동작 모드에서, 나노봇들은 전술한 제 1 단면 크기, 즉 그들의 활성화되지 않은 크기로 구성될 수 있다. 제 3 동작 모드에서, 나노봇들은 전술한 제 2 단면 크기, 즉 그들의 활성화된 크기로 구성될 수 있다. 상기 동작 모드는 이하에서 더 설명될 것이다.

본 발명의 나노봇들은 혈관(blood vessels)과 같은 사람 또는 동물의 생리적 혈관(physiological vessels)을 통과하기에 맞는 충분히 작은 나노 크기의 장치이다. 혈관은 심장으로부터 혈액을 옮기는 동맥; 혈액과 조직 사이에 물과 화학물질의 교환을 가능하게 하는 모세혈관, 및 상기 모세혈관으로부터 상기 심장으로 혈액을 다시 돌려보내는 정맥을 포함한다. 도 2는 나노봇들(100)이 모세혈관들(105)을 통해 이동하게 되는 본 발명에 따른 나노봇들(100)을 도시한다. 도면은 본 발명의 실시예에 따라 다양한 모드들에서의 나노봇들(100)의 다양한 모습을 도시한다. 도 3을 참조하면, 나노봇들(100)은 본체(120)와, 활성화되었을 때 나노봇들(100)의 단면적을 증가시키도록 본체(120)로부터 연장(extend)되도록 구성된 하나 이상의 연장 요소들(extending elements)(122)을 포함한다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 본체(120) 내에 수납되도록 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 본체(120)의 외부 표면으로부터 돌출하도록 구성될 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 평탄한 시트형 구조를 가질 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122) 각각은 혈관 벽에 대한 손상을 방지하기 위해 원형 또는 정사각형 말단부들(distal ends)을 가질 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 본체(120)의 하나 이상의 측면들로부터 돌출할 수 있다. 도 3에서, 본체(120)는 평탄한 면들을 갖는 평행 육면체 형상(parallelepiped shape)을 가지나, 이것은 단지 한 실시예이며 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)이 연장되지 않을 때, 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 본체(120) 내에 포함될 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)이 본체(120)로부터 연장되지 않을 때, 나노봇들(100)은 비활성 상태에 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 구성, 즉 비활성화 상태에서, 나노봇들(100)은 자유롭게 혈관들을 통과할 수 있다. 그러나, 일단 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)이 활성화되면, 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 본체(120)로부터 돌출하여 혈관들의 내부 표면들과 접촉한다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)이 본체(120)로부터 연장될 때, 나노봇들(100)은 그 연장된 상태를 취한다는 것을 이해할 것이다. 이러한 구성, 즉 연장된 모드에서, 나노봇들(100)의 단면 크기는 나노봇들(100)이 더 이상 자유롭게 혈관들을 통과할 수 없게 되도록 된다. 나노봇들(100)은 비활성 모드에서 약 2.8 ㎛ 내지 약 5.2 ㎛ 범위의 제 1 단면 크기를 가질 수 있다. 나노봇들(100)은 그 연장 모드에서 약 7.7 ㎛ 내지 약 14.3 ㎛의 제 2 단면 크기를 가질 수 있다. 따라서, 하나 이상의 연장 요소들(122)이 활성화되면, 나노봇들(100)은 적어도 부분적으로 혈관을 폐색하고 혈관 내에서의 혈액 또는 다른 유체의 흐름을 방해하는 것으로 이해될 것이다. 나노봇들(100)은 혈관을 적어도 부분적으로 폐색하거나 또는 혈관을 완전히 폐색하도록 구성될 수 있다. 나노봇들(100)은 환자의 혈류에 운반되도록 구성되므로 자체 추진 수단을 갖지 않는다. 따라서, 나노봇들(100)은 유체 흐름에 의해 혈관들 내에서 수동적으로 추진되는 것으로 생각될 수 있다. 수백만 또는 수십억의 이러한 나노봇들(100)이 환자에게 투여되어 혈액 순환 시스템에 의해 환자의 신체를 이리저리 이동할 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 인치웜(inchworm) 모터와 같은 마이크로모터에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 인치웜 모터는 압전-구동(piezo-driven) 인치웜 모터가 될 수 있다. 상기 마이크로모터는 본체(120)의 내부에 수납될 수 있다.

본 발명의 한 실시예에 따라, 본체(120)는 나노봇들(100)이 활성화될 수 있도록 트랜지스터 또는 다이오드와 같은 방사선 감지 장치를 포함할 수 있다. 상기 방사선 감지 장치는 포토다이오드가 될 수 있다. 상기 방사선 감지 장치는 인광 물질 또는 임의의 다른 그러한 섬광 물질(scintillating material)로 코팅될 수 있다. 대안적으로, 상기 방사선 감지 장치는 RADFET 종류의 MOSFET 또는 실제로 코팅되지 않은 다이오드가 될 수 있다.

도 3을 참조하면, 본체(120)는 또한 나노봇들(100)에 전력을 공급하는 데 필요한 전력을 발생시키는 코일(126)을 수납할 수 있다. 전력은 자속 발생 메커니즘으로부터 얻어질 수 있다. 본 발명에 따른 나노봇들은 그들이 자속 발생 메커니즘으로부터 코일(126)을 통해 전력을 받을 때까지 자력으로 움직일 수 없는 비활성 상태로 유지된다. 자속 발생 메커니즘의 실시예들은 이하에서 설명되고 도 4 및 도 5에 도시된다.

자속 발생 메커니즘의 에너지 출력은 모든 자기적으로 생성된 필드들이 중첩되는 공간만이 나노봇들(100)에 전력을 공급하기에 충분한 에너지가 되도록 할 수 있다.

제 1 동작 모드에서, 나노봇들(100)은 전력원이 공급되기만 하고 활성화되지 않는다. 활성화되기 위해, 나노봇들(100)의 방사선 감지 장치가 이온화 전자기 방사선의 존재를 검출해야한다. 본 발명의 나노봇들(100)은 외부에서 생성된 이온화 전자기 방사선 빔이 표적 부위를 조사하는데 사용되는 외부 빔 방사선 장치들과 동시에 동작하도록 구성될 수 있다. 이온화 전자기 방사선이 존재할 때, 방사선 감지 장치는 상태를 변경시킬 것이다. 상기 방사선 감지 장치가 상태를 변경시킬 때, 하나 이상의 연장 요소들(122)이 활성화되도록 구성될 수 있다. 한 실시예에서, 나노봇(100) 내의 하나 이상의 파워 트랜지스터는 하나 이상의 연장 요소들(122)을 활성화시키는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 나노봇(100)은 MOSFET 또는 X-선을 감지하는 다른 유사한 트랜지스터를 포함할 수 있다.

나노봇들(100)에 전력이 공급되지만 방사선이 존재하지 않을 때, 나노봇들(100)은 그들의 하나 이상의 연장 요소들(122)을 수축하도록 구성될 수 있다. 이러한 것은 표적 부위를 통한 혈류의 복귀를 가능하게 하고, 치료 후에 장치의 교정을 가능하게 하다.

도 3을 참조하면, 나노봇들(100)은 데이터를 수집하고 처리하기 위한 온-보드 프로세서(130)를 포함할 수 있다. 온-보드 프로세서(130)는 하나 이상의 연장 요소들(122)을 활성화시키도록 구성될 수 있다. 상기 온-보드 프로세서(130)는 감소된 프로세싱 요건들로 인해 아날로그 데이터 프로세싱 유닛이 될 수 있다.

전술한 바와 같이, 나노봇들(100)은 자속 발생 메커니즘을 통해 그 전력을 수신할 수 있다. 자속 발생 메커니즘은 복수의 중첩하는 자기장들을 발생시키는 전기적으로 절연된 복수의 전자석들을 포함할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 환자 주위의 방향으로 배치된 전기적으로 절연된 전자석들(138)로부터 생성된 복수의 중첩하는 자기장들을 도시한다. 전자석들(138)은 도 4에 도시된 바와 같이 환자 주위의 방향으로 배치되지만, 자속 발생 메커니즘의 중심 축들은 표적 영역에 근접하게 된다. 전자석들(138)은 그들이 동일한 전력원을 공유하는 경우 발생할 수 있게 되는 원치않는 크로스토크 및 간섭을 방지하기 위해 서로 전기적으로 절연이 유지되도록 구성될 수 있다.

이러한 방법을 이용함으로써, 최대 자속(140)은 모든 자기장들이 중첩하는 공간에서만 발생하고 자속 밀도는 이러한 공간 외부에서 급속히 떨어질 것으로 예상될 수 있다. 이러한 방식으로, 최대 자속의 영역은 정의된 영역(즉, 모든 자기장들이 중첩하는 영역) 내부에서 나노봇들(100)에 전력을 공급하는 강도로 미리 설정될 수 있다. 도 5에 도시된 예에서, 4 개의 전기적으로 절연된 전자석들(138)이 사용되고 4 개의 자기장들이 중첩하는 곳에 최대 자속(140)이 발생된다.

도 5는 최대 자속의 공간이 조정 가능하고 예를 들어 더 작은 종양들을 표적으로 하기 위해 감소될 수 있음을 도시한다. 자속 발생 메카니즘의 중심 축들에 대하여 전자석들(138)을 의도적으로 어긋나게 함으로써, 최대 자속(140)의 면적을 원하는 만큼 작은 크기로 감소시킬 수 있고, 이에 따라 자기장의 볼륨이 표적 부위의 볼륨과 아주 일치되도록 셋업을 수행하는 것이 가능하다.

도 4 및 도 5는 전자석들(138)의 2 차원(2D) 배열을 도시한다. 그러나 이는 단지 설명과 명확성 목적을 위한 것이다. 다른 실시예에서, 자속 발생 메커니즘은 3 차원(3D) 구성으로 배열된 전자석들을 가질 수 있고, 최대 자속의 공간은 3 차원으로 조절가능할 수 있다.

3D 구성은 보다 정확한 표적화를 가능하게 하면서 환자 안전을 상당히 과감하게 향상시킬 수 있다. 현재, 외부 빔 방사선 장치들은 밀리미터 범위의 표적화 정확도를 갖는다. 그러나 여기에 설명된 자속 발성 메커니즘과 결합하면 더 줄이는 것이 가능하다. 정렬 불량 또는 핸들링 불량이 있는 경우, 매우 낮은 강도의 외부 방사 빔과 자기장이 동일한 장소에 있도록 요구된다는 사실로 인해 잘못된 조직이 파괴되지 않을 수 있다. 환자가 피해를 입을 수 있는 유일한 상황은 외부 빔 방사선 장치와 자속 발생기 모두가 동시에 잘못된 위치상에 의도적으로 표적된 경우이다.

본 발명은 또한 사람 또는 동물의 생리적 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템을 제공하며, 상기 시스템은:

상기 설명된 복수의 나노봇들(100);

나노봇들(100)에 전력을 공급하기 위한 전력원; 및

나노봇들(100)을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 제어기를 포함한다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라, 사람 또는 동물의 생리적 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템(400)을 예시하는 블록도이다. 도 6을 참조하면, 시스템(400)은 전술한 복수의 나노봇들(100); 상기 나노봇들(100)에 전력을 공급하기 위한 전력원(410); 및 상기 나노봇들(100)을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서들(425)을 포함하는 제어기(420)를 포함한다. 상기 나노봇들(100)은 대상자(430)에 주입되도록 구성된다.

상기 전력원(410)은 복수의 전기적으로 절연된 전자석들을 포함하는, 나노봇들(100)에 전력을 공급하기 위한 자속 발생 메커니즘을 포함할 수 있으며, 상기 나노봇들(100)은 상기 전기적으로 절연된 전자석들로부터 생성된 복수의 중첩하는 자기장들을 통해 전력을 공급받는다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따라, 자속 발생 메커니즘(510) 및 외부 빔 방사선 장치(520)를 포함하는, 사람 또는 동물의 생리적 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템(500)을 도시한다. 도 7을 참조하면, 자속 발생 메커니즘(510)은 C 자형 어셈블리(515) 상에 서로 대향하여 배치된 2 개의 전자석 어셈블리들(510A 및 510B)을 포함한다. 이 실시예에 대한 변형 예에서, 단일 전자석 어셈블리가 중량을 위한 카운터 매스(counter mass for weight)에 의해 대향될 수 있다. 외부 빔 방사선 장치(520)는 X-선관(525)을 포함하는 방사선 소스를 포함한다. 상기 자속 발생 메커니즘(510)은 또한 상기 자속 발생 메커니즘(510)을 동작시키기 위한 오퍼레이터 콘솔(518)을 포함할 수 있다.

전자석 어셈블리들(510A 및 510B)은 자기장을 집속하기 위한 장치를 기술한 미국 특허 US5929732에 기술된 바와 같이 구성될 수 있다. 거기에 설명된 메커니즘을 사용하여, 1 차 자석으로부터의 자기장은 작은 영역으로 압축될 수 있고, 그에 따라 전자석으로부터 빔과 같은 방식으로 연장되는 고밀도 자기장을 생성할 수 있다.

X-선관(525)은 출사하는 X-선 빔이 시준되고 생성된 자기장과 중첩할 수 있도록 하는 시준기(collimator)가 장착될 수 있다. X-선 빔과 집속된 자기장이 중첩하는 지점에서, 나노봇이 활성화되는 조건이 존재하다.

치료 중에, 자속 발생 메커니즘(510)은 도 7에 도시된 바와 같이 오퍼레이터 콘솔(518)을 통해 이동하도록 구성되어, X-선 빔 및 자기장의 의도된 집속 지점이 종양 또는 표적 부위 내부에 위치하도록 한다. 일단 나노봇들이 환자에게 주입되면, 그들은 신체 여기저기를 이동하고, X-선 빔과 자기장의 집속 지점 내부에서 활성화된다. 미리 결정된 시간 후, 상기 자속 발생 메커니즘(510)은 상기 집속 지점이 종양 또는 표적 부위 내부 주위로 이동되도록 오퍼레이터의 지시에 따라 구동될 수 있다. 치료가 완료되면, X-선 소스 및 전자석들(510A 및 510B) 모두에는 전력원 공급이 단절될 수 있다. 상기 치료는 모든 남아있는 활성화된 나노봇들이 활성화되지 않은 상태로 재설정될 수 있도록 보장하기 위해 X-선 소스 없이 치료가 반복될 수 있다. 도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 다양한 구성들의 시스템(500)을 도시한다.

본 발명의 시스템은 1 차 유효성 확인 서브 시스템(Primary Validation Sub-system; PVS)을 포함할 수 있다. PVS는, 1) 나노봇들이 대상자 내부의 위치를 측정할 수 있는 방법을 제공하는 것과, 2) 나노봇들이 대상자에 주입되기 전에 그들의 위치들을 측정하고 교정하고 유효성을 확인할 수 있는 능력의 2 가지 기능들을 갖는다. 도 9를 참조하면, 상기 PVS는 X, Y 및 Z 축들을 포함하는 환자 또는 대상자 지지대(118)를 포함할 수 있다. 상기 X, Y 및 Z 축들 각각에는 복수의 무선 주파수(RF) 송신기들이 제공될 수 있다. 예를 들어, 대상자 지지대(118)는 2 개의 X 송신기들(102, 104), 2 개의 Y 송신기들(106, 108) 및 2 개의 Z 송신기들(110, 112)을 포함하는 6 개의 RF 송신기들을 포함할 수 있다. 상기 RF 송신기들 각각은 f1, f2, f3 및 f4로 지칭되는 4 개의 파장들로 송신하도록 구성될 수 있다. 각각의 축은 f1, f2, f3 및 f4에 대해 고유한 파장을 할당하여 나노봇이 다른 축들과 독립적으로 각각의 축에 대한 위치 정보를 수신할 수 있게 한다. f1, f2, f3 및 f4의 파장들은 굴절 오차의 측정 및 보정을 가능하게 하기 위해 신호들 각각의 기본 파장 사이에 충분한 차이가 있도록 선택될 수 있다. 상기 4 개의 파장들은 가능한 한 선택된 RF 스펙트럼에 걸쳐 훨씬 벗어나 선택될 수 있다. 도 12에 도시된 f1과 f2의 파면들 사이의 차이가 나노봇들(100)의 초기화 좌표들에 대한 나노봇(100)의 변위를 결정하는데 사용될 수 있다. 나노봇(100)의 초기화 좌표들은 대상자 지지대(118)의 X, Y 및 Z 축들 상에 위치될 수 있다. 이상적인 시스템에서, f1과 f2를 사용하면 상기 초기화 좌표들에 대한 변위를 정확히 측정하기에 충분할 것이다. 그러나, 나노봇들(100)은 사람 또는 동물 환자에 사용될 수 있기 때문에, 뼈, 근육 및 다른 신체 조직을 통과하는 RF 신호들로 인해 굴절 오차들이 일어날 수 있다고 예측될 수 있다. 이러한 오차를 보상하기 위해, 두 개의 추가 파장들, 즉 f3과 f4가 추가될 수 있다. 굴절은 상이한 방식들로 다른 파장들에 영향을 미칠 수 있으므로(즉, 상기 오차는 각각의 파장에서 다를 수 있음), 오차가 없는 시스템에서 예상된 값들과 비교하여, 도 13에 도시된 바와 같은 f2와 f3 및 f2와 f4 사이에서 측정된 차이는 굴절 오차에 기인한다. 이러한 것은 나노봇(100)의 온-보드 프로세서(130)에서 측정되고 보상될 수 있다. 2 개의 송신기들이 각각의 축에 대해 제공될 수 있고, 나노봇(100)의 온-보드 프로세서(130)는 각각의 송신기로부터 수신된 신호들을 삼각측량하고 이니셜라이저(116)로부터 참 오프셋(true offset)을 계산함으로써 상기 축들에서 그 실제 위치를 얻을 수 있다.

상기 PVS는 또한 시스템이 정확하게 교정되고 나노봇들(100)이 대상자에 투여되기 전에 정확성이 유지되는지를 확인하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 나노봇들(100)은 그 비활성 상태로부터 확장 상태로의 변환 동안 확장되어 카메라 시스템에 의해 살펴볼 수 있게 되어 그 의도된 위치에서 확장이 일어나는 것을 보장할 수 있다. 이러한 이유로, 도 9 및 도 10을 참조하면, 모세관 네트워크(capillary tube network)(114)가 대상자 지지대(118)의 폭 및 길이에서 작동(run)하도록 구성될 수 있다. 상기 모세관 네트워크(114)는 유리 모세관들을 포함할 수 있다. 이니셜라이저(116)는 대상자 지지대(118)의 한 곳에 배치될 수 있다. 도 11은 본 발명의 실시예에 따라, 광원들과 함께 이니셜라이저(116)의 내부 뷰 및 초기화 동안 모세관(114)을 통해 이동하는 나노봇들(100)의 확대 뷰를 도시한다. 도 10을 참조하면, 모세관 튜브 네트워크(114)는 카메라 제어 유닛(CCU)(136)에 연결되는 네트워크(114)를 가로질러 다양한 지점들에 부착된 광섬유들(134)을 가질 수 있어, 나노봇들이 대상자에게 주입되기 전에 테스트되는 동안 관찰될 수 있다. 이러한 것의 목적은 CCU(136)를 사용하여 나노봇들이 지정된 지점들에서 모세관 네트워크 내부에서 연장될 수 있음을 확인하는 것이다. 이러한 것은 나노봇들의 올바르고 정확한 동작을 보장하고 부정확성이 검출되는 경우 교정 방법을 제공하다. 다시 도 9를 참조하면, 환자로의 나노봇들의 주입(140)과 모세관 네트워크(114)를 통한 그들의 이동을 돕기 위해 나노봇들을 식염수와 같은 용액과 혼합하기 위한 용기(139)가 도시되어있다.

본 발명의 시스템은 또한 2 차 유효성 확인 서브-시스템(SVS)을 포함할 수 있다. 상기 SVS는, 파괴될 조직의 위치가 최초 대상자 스캔 데이터로부터 도출된 의도된 위치를 확인하기 위해 입증될 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 전술한 바와 같이, 도 3을 참조하면, 각각의 나노봇(100)은 송신기(128)를 포함할 수 있다. 상기 송신기(128)는 나노봇(100)의 본체(120)의 외부 표면상에 구비될 수 있다. 상기 송신기(128)는 초음파 송신기(128)를 포함할 수 있다. 상기 송신기(128)는 나노봇(100)이 표적 부위의 좌표들 내에 들어갈 때 초음파 신호를 송신하도록 구성될 수 있다. 표적 부위의 좌표들은 모든 축들의 초기화 좌표들로부터의 오프셋들로 정의될 수 있다. 일단 나노봇들(100)이 환자의 순환 시스템 주위로 나아갈 시간을 가지면, 표적화 정보(targeting information)는 제어기에 의해 범위 내의 모든 나노봇들(100)로 전송될 수 있다. 나노봇(100) 자체에 의해 측정된 나노봇 위치가 수신된 표적 부위의 X, Y 및 Z 좌표들의 범위 내에 있다면, 나노봇들(100)은 송신기(128)로부터 신호를 방출하기 시작할 수 있다. 이러한 구성에서, 나노봇들(100)은 그들의 방출 모드에서 동작한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그들의 방출 모드에서, 하나 이상의 연장 요소들(122)은 연장되지 않을 수 있으며; 오히려 그들은 초음파 신호를 발생시키기 위해 진동할 것이다. 따라서, 그들의 방출 모드에서, 나노봇들(100)은 제 1 단면 크기로 구성될 수 있다. 상기 신호는 적절하게 구성된 수신기에 의해 수신되고 그에 따라 분석되도록 구성될 수 있다. 상기 SVS는 따라서 의도된 표적이 치료되고 의도하지 않은 영역이 치료되지 않는 것을 보장하기 위해 사용될 수 있다.

나노봇들(100)은 또한 하나 이상의 연장 요소들(122)로부터 초음파 신호를 발생시킬 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 초음파 출력을 증가시키기 위해 루테늄과 같은 조밀한 재료를 포함할 수 있다. 본체(120)는 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)보다 가볍게 되도록 구성될 수 있다. 본체(120)는 실리콘을 포함할 수 있다. 나노봇들(100)이 신호를 생성하기 위해 하나 이상의 연장 요소들(122)을 연장 및 수축하기 시작하면, 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)보다 가볍게 되도록 구성될 수 있는 본체(120)가 이동할 것이다. 초음파 신호를 발생시키기 위해, 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 매우 짧은 거리에 걸쳐 수 킬로헤르츠에서 연장되고 수축될 수 있다. 상기 하나 이상의 연장 요소들(122)은 본체(120)보다 무겁게 될 수 있으므로, 상기 본체(120)는 나노봇(100)의 전체 외부 표면이 신호를 발생시키는 데 사용될 수 있도록 이동하는 경향이 있을 것이다. 이러한 방식으로, 나노봇들(100)의 전체 면은 스피커로서 기능하도록 구성될 수 있다(뉴턴의 제 3 법칙).

상기 SVS의 또 다른 용도는 혈류의 속도를 측정할 목적으로 혈관들 내부로부터 송신된 신호를 사용하고 상기 혈관들 자체의 내부로부터 혈관들의 영상화를 가능하게 하는 것이다. 전술한 바와 같이, 나노봇들에 의해 송신된 신호는 초음파 신호를 포함할 수 있다. 통상적으로, 초음파 수신기들은 초음파 신호를 송신한 다음 반사된 신호를 수신하고 해석한다. 외부 송신기 대신에 대상자 내부로부터의 초음파 신호를 송신하는 것은 표적 부위 내부로부터의 초음파 영상화를 가능하게 하고, 그에 따라, 환자 스캔 중에 원하지 않는 초음파 반사들의 양을 줄일 수 있다. 초음파 방출의 소스는 상기 PVS 좌표들을 통해 정확하게 알려지고 전파-시간(time of flight)이 알려지므로, 상기 신호가 상기 표적 부위로부터 센서까지 이동하는 데 얼마나 걸리는지 정확하게 예측될 수 있다. 반사들은 직접 신호들보다 긴 경로를 가질 것이므로, 이들은 용이하게 식별될 수 있고 무시되거나 오프 위치 영상화(off location imaging)로 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 신호가 근처의 기관에서 튀어나오면 반사된 신호는 센서에 도달하는 데 더 오래 걸릴 것이다; 그러나 이러한 반사된 신호도 또한 영상화에 역시 사용될 수 있다. 예를 들어, 초음파 소스가 큰 종양 내부에 있다면, 반사 데이터는 종양의 외부 표면 형태에 대한 더 자세한 정보를 제공할 수 있다.

도 14는 본 발명의 한 실시예에 따라 나노봇들의 동작을 제어하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 이 방법의 단계들은 도 6에 도시된 제어기(420)에 의해 수행될 수 있다. 도 14를 참조하면, 본 방법은 나노봇들(810)을 초기화하는 단계를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 및 도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 나노봇들(100)은 이니셜라이저(116)에서 초기화될 수 있다. 한 실시예에서, 나노봇들(100)은 광원(117)으로부터 높은 강도의 광을 방출하는 광 송신기의 전방으로 통과할 수 있다. 나노봇들(100)은 광원(117)에 의해 조사된 광을 검출하기 위해 온보드 광 센서(124)를 포함할 수 있다. 이니셜라이저(116)에 의한 통과에 의해, 나노봇(100)은 먼저 광원(117)을 통과함에 따라 광 센서(124)로부터의 증가된 전압을 검출하고, 이니셜라이저(116)를 떠남에 따라 전압의 감소를 검출할 수 있다. 상기 방법은 X, Y 및 Z RF 신호들을 획득하고 나노봇들의 좌표들을 0으로 설정하는 단계(820)를 포함할 수 있다. 그런 다음, 모든 축들에 대한 RF 주파수들로부터 프린지들(fringes)의 카운트가 수행되어 초기화 좌표들로부터 나노봇들의 상대적 위치를 결정하다(830). 그런 다음, 표적 부위의 좌표들이 나노봇들로 전송될 수 있다. 그런 다음, 표적 부위의 좌표들이 나노봇들(840)에 의해 수신되었는지 여부가 결정될 수 있다(840). 표적 부위의 좌표들이 나노봇들에 의해 수신되었다면, 나노봇들은 그들의 현재 좌표들이 표적 부위의 좌표들 내에 있는지를 결정할 수 있다(850). 표적 부위의 좌표들(850)은 사용자 정의될 수 있다. 나노봇들의 현재 좌표들이 표적 부위의 좌표들 내에 있다면, 온보드 송신기는 신호를 송신하도록 구성될 수 있다(860). 이러한 구성에서, 나노봇들(100)은 그들의 방출 모드에서 동작하는 것으로 이해될 것이다. 그들의 방출 모드에서, 나노봇들의 하나 이상의 연장 요소들(122)은 연장될 수 없다. 다음으로, 상기 신호가 표적 부위로부터 수신되었는지 여부가 결정될 수 있다(870). 신호가 표적 부위로부터 수신되었다면, 활성화 신호가 상기 표적 부위의 나노봇들로 전송될 수 있다(880). 상기 신호들이 표적 부위와는 다른 영역으로부터 수신되었다고 판단되면, 상기 표적 부위의 좌표들에 오프셋이 추가될 수 있다(875). 상기 표적 부위의 좌표들에 오프셋을 적용함으로써 새로운 표적 영역이 정의될 수 있다. 이러한 것이 일어날 수 있는 한 가지 원인은 폐 종양이 항상 호흡과 함께 이동함에 따라 폐 종양을 표적으로 삼을 때이며; 이러한 것은 또한 소화 시스템의 종양들에도 적용될 수 있다. 일단 활성화 신호가 관련 나노봇들에 의해 수신되면, 해당 나노봇들은 전술한 바와 같이 확장 모드로 활성화될 수 있다(890). 사람 또는 동물 조직에서의 배치와 관련하여, 표적 부위에서 그들의 확장 모드로의 나노봇들의 활성화는 혈관(900) 내의 유체 흐름을 방해하여(900) 주변 조직을 죽게 할 수 있다(910). 비활성화 신호가 관련 나노봇들에 보내져(920) 나노봇들의 연장 요소들이 수축되게 할 수 있다. 치료가 완료되었는지 여부가 최종적으로 판정될 수 있다(940).

전술한 2 차 유효성 확인 서브-시스템(SVS)에 대한 대안으로서, 본 발명의 한 실시예에 따라 초음파 영상화 시스템이 이용될 수 있다. 전술한 나노봇들은 초음파 영상화 소스가 될 수 있다. 전술한 바와 같이, 나노봇들은 초음파 신호들을 방출하기 위한 초음파 송신기를 포함할 수 있다. 대상자 내의 나노봇들로부터의 초음파 신호를 송신하는 것은 표적 부위 내에서부터의 초음파 영상화를 가능하게 한다. 초음파 영상화 시스템은 나노봇들의 외부 교정에 대한 필요성을 제거하여, 대상자 지지대를 따라 움직이는 카메라, 모세관 네트워크 및 광섬유에 대한 필요성을 없애준다. 초음파 영상화 시스템은 또한 상기 시스템이 예방 의학에 사용되도록 치료 전에 영상화를 위한 CT 스캔이나 MRI에 대한 필요성을 제거한다. 초음파 영상화 시스템은 나노봇들과 PVS 모두가 작동할 것을 요구하다. 초음파 영상화 시스템은 다음과 같이 환자 검진을 위해 사용될 수 있다. 환자는 초음파 영상화 시스템에 가서 눕고, 나노봇들이 주입될 수 있다. 상기 시스템은 (잠재적 동맥 폐색을 검사하기 위해) 혈관 조영술과 같은 중요한 기관의 전체 검진을 수행하도록 구성될 수 있다. 초음파 영상화 시스템은 실시간으로 다른 진단 시스템보다 높은 품질의 영상을 획득하도록 구성된다. 작은 암 종양들은 보통 발견하기가 매우 어렵다. 본 실시예에 따른 초음파 영상화 시스템에서, 암은 주변 조직보다 혈관을 더 많이 갖기 때문에, 암 종양들은 스캔에서 밝게 나타날 것이다. 이들 종양들이 발견되면 이들은 진단 시점에서 파괴될 수 있어 암은 빠르게 퇴치될 수 있다.

본 실시예는 패브릭 또는 다른 재료의 표면에 걸쳐 매설된 센서들의 네트워크를 사용하여 초음파 신호들 및 회절 차수들을 광학 영상으로 변환하기 위한 시스템을 포함한다. 이것은 초음파 검출 매트릭스라고 칭해질 수 있다. 초음파 검출 매트릭스는 도 15 및 도 20에 도시된 바와 같이 센서들이 대상자 또는 환자의 신체의 외부 표면과 접촉하도록 대상자 또는 환자의 신체 주위를 감싸도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 굴절된 및 반사된 파장들은 임의의 축(시상면(sagittal plane), 횡단면(transverse plane) 또는 관상면(coronal plane))에 대해 최대 360 도의 임의의 각도에서 검출될 수 있다. 이 때문에, 패브릭 내부(또는 환자 내부) 공간에서 발생하는 초음파들이 검출될 수 있다. 특히, 본 발명의 상황에서, 대상자 또는 환자 내부의 나노봇들에 의해 발생된 초음파 신호들이 검출될 수 있다. 실제로 모든 회절 차수들이 이러한 방식으로 획득될 수 있고, 초음파 검출 매트릭스는 초음파들의 입사각을 검출하도록 구성될 수 있으며, 측정된 신호의 시간 영역 추적과 함께 어떤 차수가 검출되었는지 및 강도뿐만 아니라 검출 각도를 설정하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 고차 정보를 처리하는 동안 원할 때 제로 및 낮은 차수들의 효과를 억제할 수 있어 우수한 실시간 영상화 실행을 얻는다.

전통적인 영상화 시스템에서는 평면에 영상을 형성하기 위해 제로 차수 파를 더 높은 차수들과 결합해야하다. 이러한 개념은 광의 가능한 입사각 또는 출사각 상의 물리적 제한이 있기 때문에 영상화 시스템의 영상화 능력을 제한한다. 본 발명의 시스템은 상기 차수들을 일관된 이미지로 재구성하도록 시도하지 않는다. 대신에, 상기 시스템은 회절 차수의 강도뿐만 아니라 회절 차수의 입사 각도를 검출할 수 있다. 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 제어기는 영상을 전자적으로 형성하기 위해 초음파 검출 매트릭스로부터의 데이터를 처리할 수 있다. 이러한 방법의 이점은 현재 증폭될 수 있는 더 높은 차수들의 강도와 관련하여 낮은 차수들뿐만 아니라 제로 차수의 효과를 전자적으로 감소시킬 수 있다는 것이다. 또한 입사하는 회절 차수들은 물리적으로 재결합될 필요가 없기 때문에, 상기 시스템의 심도 초점(depth focus)은 개구수(NA)와 독립적이며 실제로 NA는 사실상 1 이상(above unity)으로 충분한 처리 능력을 갖는 것을 의미하며, 전체의 인체는 매우 높은 해상도로 동시에 초점에 맞추어 영상화되고 유지될 수 있다.

본 발명은 조사원(illumination source)으로서 외부에서 생성된 초음파 신호를 사용하는 초음파 영상화 시스템을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 상황에서, 전술한 바와 같이 매우 정확한 혈액 매개의 나노봇들이 초음파 신호를 발생시키는데 사용될 수 있다. 인체의 모든 조직은 혈액 공급을 필요로 하므로, 이러한 방법은 나노봇들에 대한 정확한 안내 시스템과 결합될 때 초음파 소스들의 위치를 아주 유연하게 제공한다.

정확하게 이미지화하기 위해 상기 시스템은 하나의 변수로서 "전파-시간" 방법을 사용하여 이미지를 형성하다. 전파-시간 개념은 초음파 신호가 송신 위치로부터 송신되는 시간과 수신기에 의해 수신되는 시간 사이의 차이에 기초하는 것으로 매우 빈번하게 초음파 영상화에 사용된다. 이러한 시간의 측정으로부터, 초음파에 의해 이동된 전체 거리가 측정될 수 있고, 이로부터 파동이 반사되거나 굴절된 위치가 계산될 수 있다. 본 실시예의 초음파 영상화 방법은 입사 파의 각도뿐만 아니라 그 강도를 측정하는 능력을 제공한다. 도 15는 이것이 어떻게 달성되는지 보여준다.

특히, 도 16은 본 발명의 실시예에 따라 단일 초음파 검출 모듈(UDM)(160)의 평면도 및 사시도를 도시한다. 도 16을 참조하면, 단일 UDM(160)은 초음파 신호들을 전기 신호들로 변환하도록 구성된 압전 소자들의 어셈블리를 포함한다. 이러한 단일 UDM(160)은 복수의 압전 센서들(1601)을 포함할 수 있으며, 그 위에 강성 기둥(rigid column)(180)이 장착된다. 상기 강성 기둥(180)은 강성이고 낮은 질량을 갖도록(공진을 피하기 위해) 구성될 수 있다. 상기 강성 기둥(180)은 탄소 섬유 또는 탄소 나노튜브와 같은 물질을 포함할 수 있다. 상기 강성 기둥(180)은 세라믹 물질을 포함할 수 있다. 상기 강성 기둥(180)은 가장 효율적인 형상으로서 원통형이 될 수 있다. 다른 모양들이 사용될 수도 있지만, 신호들에 적용되도록 보정 계수들이 필요할 것이다.

압전 센서들(1601) 및 강성 기둥(180)은 함께 단일 초음파 검출 모듈(UDM)을 구성한다. 도 17 및 도 18을 참조하면, 많은 수의 UDM들이 환자 주위에 감싸질 수 있는 재료 또는 패브릭의 표면을 덮도록 장착될 수 있다. 이러한 방식으로, 강성 어셈블리가 상이한 높이들의 개별 기둥들을 포함하는 압전 어셈블리의 상부에 형성될 수 있으며, 초음파 검출 어셈블리(UDA)로 불리는 유닛으로 함께 결합(assemble)될 수 있다. 초음파 검출 어셈블리(UDA)는 복수의 UDM들을 포함하며, 각각의 UDM의 강성 기둥은 UDA에 걸쳐 다른 UDM들에 대해 상이한 높이를 갖는다. 이러한 방식으로, 단일 UDA는 컬러를 검출하는 대신에 UDA가 입사하는 회절 차수들의 각도들과 그 강도를 검출할 수 있고 상이한 차수들의 강도를 차별화할 수 있다는 것을 제외하면 카메라 픽셀과 유사하다고 생각할 수 있다. UDM들 각각은 상이한 높이의 강성 기둥을 가지며, UDA의 중심 근처에 있는 기둥들은 높은 각도를 갖는 회절 차수들(낮은 전력이지만 소스에 관해 상세한 정보를 포함하고 있음)에 매우 민감하다. 이러한 구성으로 인해, 제로 차수(많은 에너지를 포함하지만 정보는 포함하지 않음)를 전자적으로 빼낼 수 있으며 더 높은 차수들을 증폭시킬 수 있다(카메라 렌즈와 같이 반대되는 기존의 영상화 시스템과 다름).

도 17을 참조하면, UDM(160)은 각각의 UDM 사이의 상대적인 오프셋을 측정하기 위해 커패시턴스 게이지와 같은 하나 이상의 변위 센서들(182)을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 단순화를 위해 각각의 UDM 상에 변위 센서를 배치할 필요는 없을 수도 있지만, 각각의 UDA 상에는 배치한다.

회절 차수들의 구별은 다음과 같이 달성될 수 있다. 도 17은 본 발명의 실시예에 따라 단일 초음파 검출 어셈블리(UDA)의 입면도를 도시한다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따라 그 연관된 강성 어셈블리와 함께 단일 UDA(160)의 평면도를 도시한다. 도 17에서, 개별 기둥(180)은 상기 어셈블리의 중심을 향해 높이가 증가한다는 것을 유의해야한다. 도 19a를 참조하면, 파동이 압전 센서들의 상부 표면에 직교하여 접근하는 경우, 압전 센서들(1601)에 전압이 발생할 것이고, 접근하는 파동이 직교이면 상기 압전 센서들(1601)에 의해 발생한 전압은 모든 압전 센서들(1601)에 걸쳐 동일할 것이다. 그러나, 도 19b를 참조하면, 파동이 강성 기둥(180)에 일정 각도로 접근하면, 압전 센서들(1601)에 의해 발생한 전압은 모든 압전 센서들(1601)에 걸쳐 동일하지 않게 될 것인데, 이는 아래로 압전 센서들(1601)에 전달될 강성 기둥(180) 상의 측면 힘(lateral power)이 있을 것이기 때문이다. 모든 압전 센서들(1601)에 걸쳐 발생한 전압에서의 임의의 차이는 도달하는 파동의 각도 성분에 대응할 것이다. 상이한 압전 센서들(1601)에 의해 측정된 스트레인의 차이는 입사하는 파동의 방향에 비례한다. 이미 언급된 전파-시간 방법과 결합된 이러한 방법을 사용하면, 입사하는 파동의 에너지 및 방향은 이미지 위치(image location)와 함께 용이하게 계산될 수 있다.

강성 기둥(180)의 높이는 각도 성분 검출에 대한 초음파 검출 모듈(UDM)의 감도를 결정한다. 이러한 이유로, 더 높은 회절 차수들에 대한 검출 성능을 향상시키기 위해 다수의 UDM들이 상이한 높이들의 강성 기둥들과 함께 결합될 수 있다. 더 높은 강성 기둥들을 가진 그 이웃으로부터 단일 UDM으로부터 압전 센서 어셈블리로부터의 전압을 빼냄으로써, 더 낮은 회절 차수로부터의 에너지가 동일한 각으로 검출기에 접근하더라도 계산될 수 있다.

도 15에서 알 수 있듯이, 이 구성은 패브릭에 매립된 센서들의 표면에 평행하게 이동하는 파동들의 검출을 가능하게 한다. 고해상도 영상화의 경우, 실시간으로 최적의 영상 품질을 얻기 위해 더 낮은 차수들은 전자적으로 감쇠될 수 있고 더 높은 차수들은 필요할 때 증폭될 수 있다.

또한, 의도된 표적 부위로부터의 원하는 이미지 데이터가 획득될 수 있고, 원하지 않는 반사들이 용이하게 식별될 수 있고(도달 각도 및 신호 강도의 측정과 함께 전파-시간 데이터를 사용하여), 원하는 곳에서 제거되거나 또는 원하는 경우 실제로 재사용될 수 있는데, 이는 일반적으로 바람직하지 않은 반사파가 무엇인지 식별할 수 있고 적용 가능한 경우 이들을 보조 초음파 조사원(secondary ultrasonic illumination source)으로서 사용할 수 있기 때문이다. 전통적으로 노이즈로 간주되었던 것을 재사용함으로써(파동의 전체 히스토리가 그 전파-시간 데이터뿐만 아니라 그 강도 및 접근하는 각도와 강도로부터 얻어질 수 있기 때문), 상기 시스템은 초음파 영상화 분야에서 이전에 유효하지 않았던 진단 옵션을 제공할 수 있다.

상기 시스템은 전통적인 의미에서 실제 이미지 평면을 갖지 않기 때문에(회절 차수들이 영상 검출 메커니즘에 의해 재결합(reassemble)되지 않고 컴퓨터에 의해 디지털 방식으로 재구성됨에 따라), 초점 심도(depth of focus)는 더 이상 고려 사항이 아니며 이는 회절 차수들이 영상 검출 메커니즘에 의해 측정될 수 있고, 컴퓨터에 의해 결합되어(assemble) 모델링될 수 있기 때문이다.

UDA들은 기질 재료(substrate material)에 부착될 수 있다. 기질 재료는 UDA들이 서로에 대해 이동할 수 있도록 면직물(cotton) 또는 고무 또는 다른 그러한 재료와 같은 가요성 막을 포함할 수 있다. 도 20은 본 발명의 한 실시예에 따라 초음파들의 감쇠를 방지하기 위해 환자의 신체와 UDM 매트릭스 사이에 초음파 겔(200)을 갖는 사람 골반 주위에 감싸여 있는 매설된 UDM 매트릭스(220)를 갖는 패브릭을 도시한다. 기판 재료가 가요성이므로, 센서들(예컨대, 용량성 센서들 또는 다른 그러한 센서들)은 각각의 UDA 사이의 상대 오프셋을 측정할 수 있다. 이러한 목적은 환자의 신체 프로필의 변화에 의해 야기된 검출 평면에서의 편차를 측정하는 것이다. 이러한 데이터는, 전파-시간 데이터가 유용되도록 이미터(emitter)로부터의 검출기 거리가 알려져야 하므로, 수신된 초음파 신호들을 보간하기 위해 필요하다.

상기 기재 재료는 환자의 신체 프로필에 가장 적합하도록 상이한 형태들을 가질 수 있다. 일부 경우들에서, 환자의 바깥쪽 신체의 많은 부분을 검출 메커니즘과 접촉시키기 위해 맞춤형 수트(예를 들면, 다이빙 또는 스쿠버 수트)를 사용해야할 수도 있다. 상기 수트 안쪽에는 UDM들이 늘어서 있고, 상기 수트는 "기본" 형상을 형성한다. 환자가 상기 수트를 입을 때, UDM들이 환자 주위에 형성되며, 디폴트 형상과 환자 형상의 차이는 UDM들의 변위 센서들을 사용하여 측정될 수 있다. 절차가 시작할 때, 상기 변위 센서들(182)은 공지된 기준으로부터 리셋되도록 구성될 수 있다. 플랫 검출기(flat detector)의 경우, 상기 검출기는 평평하게 롤링될 수 있고, 상기 센서들은 공지된(플랫) 기준을 위해 초기화된다. 전신 검출기(full body detector)의 경우, 상기 슈트는 먼저 마네킹 또는 다른 리셋을 위한 알려진 레퍼런스에 걸쳐질 수 있다. 이러한 방식으로, 환자와 레퍼런스 사이의 신체 프로필의 임의의 차이가 측정되고 수정될 수 있다.

본 실시예에 따른 초음파 영상화 시스템은 초음파를 사용하여 실시간으로 고해상도 영상들을 얻는 데 이용될 수 있다. 신호의 소스를 정확하게 알 수 있기 때문에, 종래의 초음파 진단에서 통상적으로 노이즈로 간주되는 모든 반사들이 추가의 조사원(additional illumination source)으로서 사용될 수 있다(소스들의 전파-시간 데이터 및 위치를 항상 알 수 있기 때문). 물리적 영상화 시스템 대신 가상 환경에서 회절 차수들을 재결합함으로써 영상이 디지털 방식으로 구성될 수 있으므로, 초점 심도는 고려되지 않는다.

도 21은 본 발명의 실시예에 따라 컴퓨팅 장치(1000)의 구성을 도시한 블록도이다. 컴퓨팅 장치(1000)는 본 발명의 실시예들에 따라 1 차 유효성 확인, 2 차 유효성 확인, 및 초음파 영상화와 같은 처리 단계들을 수행하도록 기능하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성요소를 포함한다. 도 21을 참조하면, 컴퓨팅 장치(1000)는 사용자 인터페이스(1100), 메모리(1150)와 통신하는 제어기(1120), 및 통신 인터페이스(1130)를 포함한다. 상기 제어기(1120)는 나노봇들을 제어하기 위한 전술한 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어기(1120)는 대상자에서 복수의 나노봇들의 좌표들을 수신하고; 표적 부위의 좌표들과 상기 나노봇들의 좌표들을 비교하고; 상기 나노봇들 중 어느 것이 상기 표적 부위에 위치하는지를 결정하고; 상기 표적 부위에 위치된 나노봇들을 활성화시키도록 구성될 수 있다. 상기 제어기(1120)는 또한 대상자의 영상을 생성하기 위해 초음파 검출 매트릭스에서 수신된 신호 데이터를 수신하도록 구성될 수 있으며, 상기 신호 데이터는 나노봇들에 의해 방출된 초음파 신호들에 대응하는 회절 차수들을 포함한다. 상기 제어기(1120)는 상기 메모리(1150)에 로딩되고 저장될 수 있는 소프트웨어 명령들을 실행하도록 기능한다. 상기 제어기(1120)는 특정의 구현에 따라 복수의 프로세서들, 멀티-프로세서 코어, 또는 일부 다른 유형의 프로세서를 포함할 수 있다. 상기 메모리(1150)는 상기 제어기(1120)에 의해 액세스 가능할 수 있으며, 이에 의해 상기 제어기(1120)가 상기 메모리(1150) 상에 저장된 명령들을 수신 및 실행할 수 있게 된다. 상기 메모리(1150)는 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(RAM) 또는 임의의 다른 적절한 휘발성 또는 비-휘발성 컴퓨터 판독가능 저장 매체일 수 있다. 또한, 상기 메모리(1150)는 고정식 또는 분리형일 수 있고, 하드 드라이브, 플래시 메모리, 재기록 가능한 광 디스크, 재기록 가능한 자기 테이프, 또는 상기의 일부 조합과 같은 하나 이상의 구성요소들 또는 장치들을 포함할 수 있다.

하나 이상의 소프트웨어 모듈(1160)이 메모리(1150)에서 인코딩될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈(1160)은 상기 제어기(1120)에 의해 실행되도록 구성된 컴퓨터 프로그램 코드 또는 명령들의 세트를 갖는 하나 이상의 소프트웨어 프로그램들 또는 애플리케이션들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 개시된 시스템 및 방법의 양태들에 대한 동작들을 수행하기 위한 그러한 컴퓨터 프로그램 코드 또는 명령들은 하나 이상의 프로그래밍 언어들의 임의의 조합으로 기록될 수 있다.

상기 소프트웨어 모듈들(1160)은 상기 제어기(1120)에 의해 실행되도록 구성된 프로그램들을 포함할 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈(1160)의 실행 중에, 상기 제어기(1120)는 전술한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 따라 나노봇들의 제어와 관련된 다양한 동작들을 수행하도록 컴퓨팅 장치(1000)를 구성한다.

데이터베이스(1170)와 같은 본 시스템 및 방법의 동작과 관련된 다른 정보 및/또는 데이터는 또한 상기 메모리(1150)에 저장될 수 있다. 상기 데이터베이스(1170)는 상술한 시스템의 다양한 동작들 전반에 걸쳐 이용되는 다양한 데이터 항목들 및 요소들을 포함 및/또는 유지할 수 있다. 상기 데이터베이스(1170)에 저장된 정보는 환자 정보 및 MRI 데이터를 포함하지만 이에 한정되지는 않는다. 상기 데이터베이스(1170)가 컴퓨팅 장치(1000)에 국부적으로 구성되는 것으로 도시되어 있지만, 특정의 구현들에서 데이터베이스(1170) 및/또는 거기에 저장된 다양한 다른 데이터 요소들은 원격으로 위치될 수 있음을 알아야한다. 그러한 요소들은 도시되지 않은 원격 장치 또는 서버상에 위치될 수 있고, 프로세서에 로딩되고 실행되도록 당업자에게 알려진 방식으로 네트워크를 통해 컴퓨팅 장치(1000)에 접속될 수 있다.

또한, 상기 소프트웨어 모듈들(1160)의 프로그램 코드 및 (메모리(1150)와 같은) 하나 이상의 컴퓨터 판독가능 저장 장치는 당업자는 당업자에게 알려진 바와 같이 본 발명에 따라 제조 및/또는 배포될 수 있는 컴퓨터 프로그램 제품을 형성한다.

통신 인터페이스(1140)가 또한 상기 제어기(1120)에 동작 가능하게 접속되며, 상기 통신 인터페이스(1140)는 컴퓨팅 장치(1000)와 외부 장치들, 기계들 및/또는 요소들 사이의 통신을 가능하게 하는 임의의 인터페이스가 될 수 있다. 상기 통신 인터페이스(1140)는 데이터를 송신 및/또는 수신하도록 구성된다. 예를 들어, 상기 통신 인터페이스(1140)는 블루투스(RTM), 셀룰러 송수신기, 위성 통신 송신기/수신기, 광 포트 및/또는 상기 컴퓨팅 장치(1000)와 나노봇들 사이에서 무선으로 통신하기 위한 임의의 다른 그러한 인터페이스들을 포함할 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 사용자 인터페이스(1100)는 또한 상기 제어기(1120)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 상기 사용자 인터페이스(1100)는 스위치(들), 버튼(들), 키(들), 및 터치 스크린과 같은 하나 이상의 입력 장치(들)를 포함할 수 있다.

상기 사용자 인터페이스(1100)는 전술한 바와 같이 환자 및 활성화/비활성화 신호들에 관한 특정 정보의 입력을 허용하도록 기능한다.

디스플레이가 또한 프로세서(120)에 동작 가능하게 연결될 수 있다. 상기 디스플레이는 스크린 또는 사용자가 다양한 옵션들, 파라미터들, 및 결과들을 볼 수 있게 하는 다른 그러한 표시 장치를 포함할 수 있다. 상기 디스플레이는 LED 디스플레이와 같은 디지털 디스플레이가 될 수 있다. 상기 사용자 인터페이스(1100) 및 상기 디스플레이는 터치 스크린 디스플레이에 통합될 수 있다.

상기 컴퓨팅 장치(1000) 및 전술한 다양한 요소들 및 구성요소들의 동작은 본 발명에 따라 사람 또는 동물의 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 장치 및 시스템을 참조하여 당업자에 의해 이해될 것이다.

본 명세서에 사용되는 포함된/포함하는 이라는 용어들은 명시된 특징들, 정수들, 단계들, 또는 구성요소들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 구성요소들 또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

Claims (47)

1. 사람 또는 동물의 생리적 혈관들(physiological vessels) 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 장치로서, 상기 장치는 생리적 혈관 내의 유체 흐름에 의해 수동적으로 추진될 수 있는(propellable) 제 1 모드와 생리적 혈관을 적어도 부분적으로 폐색하는 제 2 모드로 구성될 수 있고, 상기 장치는 상기 제 1 모드에서 제 1 단면 크기 및 상기 제 2 모드에서 제 2 단면 크기를 가지며, 상기 제 2 단면 크기는 상기 제 1 단면 크기보다 큰, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단면 크기는 약 2.8 ㎛ 내지 약 5.2 ㎛의 범위에 있는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 단면 크기는 약 7.7 ㎛ 내지 약 14.3 ㎛의 범위에 있는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   본체; 및
   활성화되었을 때 상기 장치의 단면 크기를 증가시키도록 상기 본체로부터 연장되도록 구성된 하나 이상의 연장 요소들을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 본체는 패러럴파이프 형상(parallelpiped shape)을 가지며, 상기 하나 이상의 연장 요소들은 상기 본체의 적어도 한 면으로부터 연장하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
   상기 하나 이상의 연장 요소들을 구동하기 위한 마이크로모터;
   상기 장치를 초기화하기 위한 광 센서; 및
   데이터를 수집하고 처리하기 위한 온-보드 프로세서, 중 적어도 하나를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 온-보드 프로세서는 상기 장치의 좌표들을 결정하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 온-보드 프로세서는 상기 장치의 초기화 좌표들로부터 상기 장치의 선형 변위를 검출하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 온-보드 프로세서는 각각의 축에 대해 상이한 무선 주파수들로 수신된 복수의 RF 신호들을 삼각측량하고 상기 초기화 좌표들로부터 오프셋을 측정함으로써 상기 초기화 좌표들로부터 X, Y 및 Z 축들에서의 선형 변위를 계산하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
10. 제 8 항에 있어서, 상기 온-보드 프로세서는 상기 장치의 현재 좌표들이 표적 부위의 좌표들 내에 있는지를 결정하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 대상자 내에 상기 장치의 위치를 확인하기 위한 송신기를 더 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 송신기는 초음파 송신기를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 송신기는 상기 장치의 현재 좌표들이 상기 표적 부위의 좌표들 내에 있는 것으로 결정되면 송신을 시작하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
14. 제 13 항에 있어서, 상기 장치가 표적 부위 내에 있는 것으로 확인되면, 상기 온-보드 프로세서는 상기 하나 이상의 연장 요소들을 연장하는 신호를 보내도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 자기장으로부터 상기 장치에 전력을 공급하기 위해 요구된 전력을 발생하기 위한 코일을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 이온화 전자기 방사선에 의해 상기 장치가 활성화되도록 하는 방사선 감지 장치를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 방사선 감지 장치는 다이오드 또는 포토다이오드를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 방사선 감지 장치는 트랜지스터 또는 MOSFET를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
19. 제 16 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 방사선 감지 장치는 섬광 물질(scintillating material)로 코팅되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
20. 제 19 항에 있어서, 상기 섬광 재료는 인광 물질을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 생리적 혈관을 완전히 폐색하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 장치.
22. 사람 또는 동물의 생리적 혈관들 내의 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템에 있어서:
    제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 복수의 장치들;
    상기 장치들에 전력을 공급하기 위한 전력원; 및
    상기 장치들을 제어하기 위한 하나 이상의 프로세서들을 포함하는 제어기를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 전력원은 나노봇들(nanobots)에 전력을 공급하기 위한 복수의 전기적으로 절연된 전자석들을 포함하는 자속 발생 메커니즘을 포함하고, 상기 복수의 장치들은 상기 전기적으로 절연된 전자석들로부터 발생한 복수의 중첩하는 자기장들을 통해 전력을 공급받는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
24. 제 22 항 또는 제 23 항에 있어서, 표적 부위 내의 조직을 조사하기 위해 이온화 전자기 방사선 빔을 생성하기 위한 외부 빔 방사선 장치를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
25. 제 22 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는:
    대상자 내의 상기 복수의 장치들의 좌표들을 수신하고;
    표적 부위의 좌표들을 상기 장치들의 좌표들과 비교하고;
    상기 장치들 중 어느 것이 상기 표적 부위 내에 위치되는지를 결정하고;
    상기 표적 부위 내에 위치된 장치들을 활성화시키도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
26. 제 25 항에 있어서,
    대상자 지지대의 X, Y 및 Z 축들의 각각에 대한 복수의 무선 주파수(RF) 송신기들을 포함하고;
    상기 RF 송신기들의 각각은 각각의 축이 대응하는 RF 주파수들을 갖도록 상이한 무선 주파수들에 대한 상이한 파장들의 복수의 RF 신호들을 송신하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서,
    상기 장치를 초기화하는 이니셜라이저를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 이니셜라이저는 상기 장치들이 상기 이니셜라이져를 통과할 때 상기 장치들을 조사하기 위한 광원을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
29. 제 22 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어기는 신호들이 표적 부위로부터 수신되었는지를 결정하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
30. 제 29 항에 있어서, 신호들이 상기 표적 부위로부터 수신되었다면, 상기 제어기는 상기 표적 부위 내의 장치들을 활성화하기 위해 상기 표적 부위 내의 장치들에 활성화 신호를 송신하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 신호들이 상기 표적 부위와는 다른 영역으로부터 수신되었다면, 상기 제어기는 상기 표적 부위의 좌표들에 오프셋을 추가하도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
32. 제 22 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치들이 상기 대상자에게 주입되기 전에 활성화되는 동안 관찰될 수 있도록 카메라 제어 유닛에 부착된 광섬유들을 갖는 모세관 네트워크(capillary tube network)를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
33. 제 22 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대상자 내에서부터 발생한 초음파 신호들을 검출하기 위한 초음파 검출 매트릭스를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
34. 제 33 항에 있어서, 상기 초음파 검출 매트릭스는 대상자 주위를 감싸도록 구성되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
35. 제 33 항 또는 제 34 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 대상자의 영상을 발생시키도록 상기 초음파 검출 매트릭스에서 수신된 신호 데이터를 수신하도록 구성되고, 상기 신호 데이터는 상기 나노봇들에 의해 방출된 초음파 신호들에 대응하는 회절 차수들(diffraction orders)을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
36. 제 33 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 초음파 검출 매트릭스는:
    가요성 기재 재료; 및
    상기 기재 재료에 부착된 복수의 초음파 검출 어셈블리들(UDA)을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
37. 제 36 항에 있어서, 상기 기재 재료는 가용성 막을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
38. 제 36 항 또는 제 37 항에 있어서, 상기 기재 재료는 면직물(cotton) 또는 고무를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
39. 제 36 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 UDA는 상기 나노봇들에 의해 방출된 초음파 신호들을 검출하기 위한 복수의 초음파 검출 모듈들(UDM)을 포함하고, 각각의 UDM은 복수의 압전 센서들 상에 배치된 강성 기둥(rigid column)을 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
40. 제 39 항에 있어서, 상기 강성 기둥은 세라믹 물질, 탄소 섬유 또는 탄소 나노튜브를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
41. 제 39 항 또는 제 40 항에 있어서, 상기 강성 기둥은 원통형 형상인, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
42. 제 39 항 내지 제 41 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 초음파 검출 어셈블리(UDA)는 어레이로 배열된 복수의 UDM들을 포함하고, 각각의 UDM의 강성 기둥은 다른 UDM들의 높이에 대해 상이한 높이인, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
43. 제 42 항에 있어서, 상기 UDA의 강성 기둥들은 상기 UDA의 중심을 향해 높이가 증가하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
44. 제 39 항 내지 제 43 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 UDA는 각각의 UDM에 도달하는 신호의 신호 데이터를 검출하도록 구성되고, 그에 따라 상기 신호가 비롯되는 위치를 계산하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
45. 제 44 항에 있어서, 상기 신호 데이터는 각도 성분, 신호 강도 및 각각의 신호의 전파 시간 데이터를 포함하는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
46. 제 45 항에 있어서, 상기 각도 성분은 상기 복수의 압전 센서들에 걸쳐 발생한 전압의 차이들에 따라 측정되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
47. 제 46 항에 있어서, 상기 전압의 차이는 상기 회절 차수의 크기를 설정하기 위해 입사하는 신호의 접근 각도를 계산하는데 사용되는, 유체 흐름을 제한하기 위한 시스템.
    
    
    
    

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