KR20190101190A - 자기조향 카테터 시스템 - Google Patents

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KR20190101190A
KR20190101190A KR1020180021229A KR20180021229A KR20190101190A KR 20190101190 A KR20190101190 A KR 20190101190A KR 1020180021229 A KR1020180021229 A KR 1020180021229A KR 20180021229 A KR20180021229 A KR 20180021229A KR 20190101190 A KR20190101190 A KR 20190101190A
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Abstract

본 발명은 간단한 코일 구조에 의해 형성된 외부 자기장을 이용하여 3차원 공간상에서 임의 방향으로 자기 조향이 가능한 자기조향 카테터 시스템에 관한 것으로서, 한 쌍의 동일한 원형 코일(111)(112)로 이루어져 중심축(x축) 방향으로 균일한 자기장을 발생시키는 헬름홀츠코일(110)과, 상기 헬름홀츠코일(110)의 중심축(x축)에 대해 축대칭되는 한 쌍의 코일(121)(122)로 구성되어 상기 헬름홀츠코일(110)의 자기장 방향과 수직한 평면(y-z평면) 상에 균일한 자기장을 발생시키며, 상기 헬름홀츠코일(110)과 동일 축(x축)상에서 회전축을 갖고 회전 가능한 균일 새들코일(120)과, 상기 균일 새들코일(120)을 회전 구동시키기 위한 구동부를 포함하는 자기장생성부(100)와; 상기 자기장생성부(100)에서 생성된 자기장에 의해 조향 구동이 가능하도록 선단에 자성체(211)가 마련된 가이드 와이어(210)와; 상기 가이드와이어(110)를 전후 구동하기 위한 가이드 와이어 구동유닛(220)을 포함한다.

Description

자기조향 카테터 시스템{Active catheter system steered by an external electromagnetic actuation}
본 발명은 간단한 코일 구조에 의해 형성된 외부 자기장을 이용하여 3차원 공간상에서 임의 방향으로 자기 조향이 가능한 자기조향 카테터 시스템에 관한 것이다.
세계 인구의 주요한 사망원인인 뇌·심혈관계 질환(Cerebrovascular and Cardiovascular disease), 그리고 연조직(soft tissue)인 뇌(Brain), 폐(Lung), 간(Liver) 질환에 대한 치료적 시술의 중요성이 증가되고 있다. 이러한 요구에 맞춰 유연한 동작을 통해 혈관 및 연조직 내부를 이동하여 병변에 따라 특정 치료시술을 수행하는 카테터 및 유연바늘의 메커니즘, 시스템 및 제어방법에 대한 기술 개발이 활발히 이루어지고 있다. 종래의 시술은 신체 내에 장치를 삽입하고 삽입된 장치를 의사가 직접 손으로 조작하여 방향을 변화시켜 환부까지 도달하는 방법이 일반적으로 사용되고 있다. 이러한 종래 시술방법은 의사의 경험에 상당히 의존하여 시술이 진행되므로 치료의 정확성, 정밀성을 보장하지 못하며 시술 시간이 길어지는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 외부 자기장을 이용하여 자성을 갖는 카테터와 유연바늘을 제어하는 자기 조향 카테터-유연바늘 시스템(Magnetic Steerable Catheter and Needle System)에 대한 연구가 진행되고 있다.
카테터와 유연바늘의 인체 내 3차원 공간상에서의 움직임은 선형 운동(Linear motion)을 위해 카테터를 가이드하는 모터 시스템과, 조향 운동(Steering motion)을 위한 외부 자기장 시스템을 이용하여 구현될 수 있다. 특정 병변 부위에 도달하고 치료를 위한 카테터와 유연바늘의 조향 조작은 외부 전자기장 시스템의 공간상 균일자계 생성 방향과 일치하며, 따라서 시술의 높은 정확성과 정밀성을 위하여 외부 전자기장 시스템의 자기장 방향 제어가 중요하게 요구된다.
일반적으로 자기 조향 카테터와 유연바늘을 제어하기 위한 외부 자기장 생성 시스템은 영구자석을 이용하여 모터 구동을 통해 자기장 방향을 제어하거나, 다중 구조로 배치된 코일에 전기를 인가하여 전류 제어를 통해 자기장의 방향과 세기를 조절한다.
그러나 영구자석 기반의 시스템은 정밀 제어가 어렵고 제어할 수 있는 공간상 영역(Region Of Interest; ROI)이 작다. 더욱이 카테터를 제어하기 위한 충분한 자기장 세기를 생성하기 위해 대형 자석이 요구되며, 이는 시스템의 크기가 매우 커지는 한계를 갖는다.
또한 다중 코일 구조의 시스템은 사용하는 코일의 개수가 많아서 정밀하고 정확한 카테터와 유연바늘의 운동을 구현하는데 있어 제어가 복잡하며, 다중 코일 구조로 인하여 시스템의 크기가 매우 크고, 전류 인가를 통한 자기장 생성 시에 전력 손실이 매우 크고 자기장 집중을 위하여 ROI가 작아지는 문제점을 가지고 있다.
공개특허공보 제10-2012-0098549호(2012.09.05. 공개)
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 간단한 코일 구조에 의해 형성된 외부 자기장을 이용하여 카테터(유연바늘)의 조향 운동(steering motion)이 가능하여 카테터의 3차원의 움직임을 구현할 수 있는 자기조향 카테터 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기조향 카테터 시스템은, 회전축(x축) 방향으로 두 개의 안장형 코일이 축대칭되게 배치되어 회전축(x축) 방향으로 회전 가능한 균일 새들코일과, 상기 균일 새들코일을 회전 구동시키기 위한 구동부를 포함하는 자기장생성부와; 상기 자기장생성부에서 생성된 자기장에 의해 조향 구동이 가능하도록 선단에 자성체가 마련된 가이드 와이어와; 상기 가이드와이어를 전후 구동하기 위한 가이드 와이어 구동유닛을 포함한다.
바람직하게는, 상기 자기장생성부는, 상기 균일 새들코일이 축방향(x축)으로 수납되는 중공형상의 원통 형상의 하우징과; 상기 하우징이 안착되어 상기 균일 새들코일을 회전 구동하기 위한 상기 구동부가 수납되는 베드를 더 포함하며, 보다 바람직하게는, 한 쌍의 동일한 원형 코일로 이루어져 중심축(x축) 방향으로 균일한 자기장을 발생시키는 헬름홀츠코일을 더 포함한다.
본 발명에 따른 자기조향 카테터 시스템은, 동축 상에서 배치가 이루어지는 헬름홀츠코일 및 균일 새들코일로 구성되어 3차원 공간상에서 임의 방향으로 자기장을 생성할 수 있는 자기장생성부와, 선단에 자성체가 마련된 가이드 와이어와, 가이드 와이어를 전후 구동하기 위한 가이드 와이어 구동유닛을 포함함으로써 단순 코일 구성만으로 자기 조향에 필요한 외부 균일 자기장의 발생시킬 수 있으며, 따라서 심혈관 및 연조직(뇌, 간 부위)의 의료적 치료시술을 위한 카테터(유연바늘) 시스템의 구성을 단순화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 코일 구성은 균일 자기장의 공간상 영역(ROI)을 넓게 만들어서 목표 부위의 모든 3차원 영역을 포함할 수 있으며, 또한 3차원 영역에 균일 자기장을 발생시키기 위한 종래의 코일의 구성(일반적으로, 4개의 조합)을 단순화할 수 있어서 시스템의 전력 사용량을 현저히 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 자기조향 카테터 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 자기조향 카테터 시스템의 코일유닛의 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 자기조향 카테터 시스템의 가이드 와이어 구동부의 구성도,
도 4 및 5의 (a)(b)는 본 발명에 다른 자기조향 카테터 시스템의 작동예를 설명하기 위한 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 아니되며, 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.
또한 본 발명에서 카테터는 얇은 관을 이용하여 인체에 삽입 가능한 의료용 기구를 통칭하는 것으로 사용되며, 강, 관, 또는 혈관에 삽입되는 일반적인 카테터에만 그 의미가 국한된 것이 아니고 예를 들어, 피부 조직을 통해 삽입이 이루어지는 유연바늘도 포함되는 포괄적 의미로 사용됨을 이해하여야 할 것이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 자기조향 카테터 시스템은, 3차원 상에서 임의 방향으로 균일 자기장을 발생시키는 자기장생성부(100)와, 자기장생성부(100)에서 생성된 자기장에 의해 조향(steering)이 이루어지도록 선단에 자성체(211)가 마련된 가이드 와이어(210)와, 가이드 와이어(210)를 전후 구동 조작하기 위한 가이드 와이어 구동유닛(220)을 포함한다.
자기장생성부(100)는 내부에 코일이 수납되는 원통 형상의 하우징(101)과, 하우징(111)이 안착 위치하게 되는 베드(102)를 포함할 수 있다. 베드(102)는 자기장생성부(100)를 구성하는 균일 새들코일의 회전 구동을 위한 구동부가 장착될 수 있다. 하우징(101)은 베드(102) 상부에 수평 방향으로 배치되고, 하우징(101)의 중공부 안쪽으로 환자가 위치하게 되며 베드(102)와 인접 배치되는 가이드 와이어 구동유닛(220)은 가이드 와이어(210)를 전후 구동한다. 또한 가이드 와이어(210)의 선단에는 자성체(211)가 마련되어 가이드 와이어(210) 선단은 하우징(101) 내에서 발생된 자기장에 의해 조향(steering) 조작이 이루어진다.
도 2는 본 발명에 따른 자기조향 카테터 시스템의 코일유닛의 구성도이다.
도 2에 예시된 것과 같이, 본 발명의 자기장생성부는 중심축(x) 방향으로 균일한 자기장을 발생시키는 한 쌍의 코일(121)(122)로 구성된 헬름홀츠코일(110)과, 헬름홀츠코일(110)의 자기장 방향과 수직한 평면(y-z평면) 상에 균일한 자기장을 발생시키고 헬름홀츠코일(110)과 동일 축(x축)상에서 회전축(C)을 갖고 회전 가능한 균일 새들코일(120)로 구성되어 헬름홀츠코일 및/또는 균일 새들코일(120)에 인가되는 전류 방향에 따라서 3차원 상에서 임의 방향으로 균일 자기장을 생성함을 특징으로 한다.
헬름홀츠코일(Helmholtz Coil)(110)은 크기가 같은 두 개의 동축 코일로 이루어져 그 반경만큼 이격되게 배치되어 구성되며, 각각의 코일에는 동일한 세기의 전류가 동일 방향으로 인가되어 두 개의 코일에 의해 생성된 자기장은 축방향으로 균일한 자기장을 형성한다.
균일 새들코일(Uniform Saddle Coil)(120)은 안장 형태를 갖는 두 개의 코일(121)(122)로 구성되며, 두 코일에 동일한 방향으로 같은 크기의 전류가 인가되어 축(C)과 수직한 평면(x-z평면) 상에서 균일한 자기장이 발생된다.
본 발명에서 균일 새들코일(120)은 축방향(C)으로 회전 구동이 가능하며, 따라서 균일 새들코일(120)의 회전각에 따라서 균일 새들코일(120)에 의해 자기장과 헬름홀츠코일(110)에 의해 자기장에 의해 3차원 상에서 임의 방향으로 균일 자기장을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 자기조향 카테터 시스템의 가이드 와이어 구동부의 구성도이다.
도 3을 참고하면, 가이드 와이어 구동유닛(220)은 가이드 와이어(210)를 전후 구동하기 위한 선형구동부(221)를 포함하며, 이러한 선형구동부(221)는 가이드 와이어(210)가 삽입되어 회전 구동이 가능한 한 쌍의 롤러에 의해 제공될 수 있으며, 롤러의 회전 구동에 의해 가이드 와이어(210)는 전후 방향으로 이동하여 가이드 와이어(210)의 선단에 마련된 자성체(211)의 전후 위치 조작이 가능하다.
가이드 와이어(210)는 선단에 임의 방향으로 자화(M)된 자성체(211)가 마련되며, 예를 들어, 자성체(211)의 자화 방향(M)이 가이드 와이어(210)와 나란한 경우에 외부에서 인가된 자기장에 의해 자성체(211)는 나란하게 정렬되어 가이드 와이어(210)의 선단은 자기장 방향과 동일한 방향으로 조향이 이루어질 수 있다.
부가적으로 가이드 와이어 구동유닛(220)은 가이드 와이어(210)를 회전 조작하기 위한 회전구동부(222)를 더 포함할 수 있으며, 회전구동부(222)는 가이드 와이어(210)가 삽입 고정되는 고정블록과, 이 고정블록을 회전 구동하기 위한 주지의 전동모터, 또는 스템핑모터에 의해 제공될 수 있다.
한편 앞서도 언급한 것과 같이 본 발명에서 가이드 와이어(210)는 선단에 자성체(211)가 구비되어 자기장에 의해 조향이 가능한 범위 내에서 시술 목적에 따라서 혈관 확장을 위한 벌룬(balloon)이 부가될 수도 있으며, 또는 니들(needle) 형태를 갖고 유연바늘로 사용되는 것과 같이 다양하게 변형될 수 있을 것이다.
가이드 와이어(210)는 유연성을 갖고 금속 또는 합성수재의 단일 소재의 선재에 의해 제공될 수 있으며, 또는 시술 목적에 따라서 부분적으로 적당한 강성(내좌굴성)이 요구되는 부위에 코일스프링 또는 금속와이어가 편조된 블레이드(braid)가 보강부재로 구비된 다층구조를 가질 수도 있다.
다시 도 1을 참고하면, 이와 같이 구성된 본 발명의 자기조향 카테터 시스템에서 가이드 와이어 구동유닛(220)에 의해 가이드 와이어(210)의 전후 조작이 이루어져 가이드 와이어(210) 선단(즉, 자성체)의 선형적인 위치 조작이 이루어지며, 또한 자기장생성부(100)에서 발생된 3차원 상에서 임의 방향의 균일 자기장에 의해 가이드 와이어(210)의 선단(즉, 자성체)의 조향 조작이 이루어질 수 있다.
도 4 및 5의 (a)(b)는 본 발명에 다른 자기조향 카테터 시스템의 작동예를 설명하기 위한 도면으로서, 자기장생성부에 의한 가이드 와이어 선단의 제어가 이루어지는 것을 예시하여 보여주고 있다.
도 4의 (a)(b)를 참고하면, 심혈관계 질환 치료로 전극도자절제술(catheter ablation) 등의 특정 시술에서는 가이드 와이어(210)의 선단이 모든 공간상에서 360°의 회전이 가능하여야 하며, 이러한 움직임은 헬름홀츠코일(110)과 균일 새들코일(120)에 적절한 크기의 전류를 인가하여 임의 방향으로 자기장을 생성할 수 있으며, 가이드 와이어(210)의 자성체(211)는 생성된 외부 자기장의 방향으로 정렬되어 특정방향으로 조향 조작이 이루어질 수 있다.
다음으로, 도 5의 (a)(b)를 참고하면, 자기조향 유연바늘 시술에서는 특정 병변 부위로의 표적화가 요구되며, 이러한 경우에는 균일 새들코일(120)만을 이용하여 임의 평면 상에서 자기장을 발생시키고, 균일 새들코일(120)의 축방향(x축)의 회전 구동에 의해 180°(-90°~ +90°)의 방향 제어가 이루어져 유연 바늘의 방향은 생성된 외부 균일 자기장에 의한 회전힘(Torque)와 유연바늘의 휘는 힘(Bending force)의 합력에 의해 결정되어 공간상 모든 방향으로 유연바늘 끝단의 방향 제어가 이루어질 수 있다.
이와 같이, 시술 목적에 따라서 균일 새들코일 단독 또는 헬름홀츠코일과 함께 외부 자기장을 생성함으로써 가이드 와이어 끝단의 3차원 공간상에서의 필요한 조향 조작이 가능하며, 따라서 자기 조향 카테터의 조향 조작에 필요한 코일 구성을 단순화할 수 있다.
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 : 자기장생성부 110 : 헬름홀츠코일
120 : 균일 새들코일 210 : 가이드 와이어
211 : 자성체 220 : 가이드 와이어 구동유닛

Claims (4)

  1. 회전축(x축) 방향으로 두 개의 안장형 코일이 축대칭되게 배치되어 회전축(x축) 방향으로 회전 가능한 균일 새들코일과, 상기 균일 새들코일을 회전 구동시키기 위한 구동부를 포함하는 자기장생성부와;
    상기 자기장생성부에서 생성된 자기장에 의해 조향 구동이 가능하도록 선단에 자성체가 마련된 가이드 와이어와;
    상기 가이드와이어를 전후 구동하기 위한 가이드 와이어 구동유닛을 포함하는 자기조향 카테터 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기장생성부는,
    상기 균일 새들코일이 축방향(x축)으로 수납되는 중공형상의 원통 형상의 하우징과;
    상기 하우징이 안착되어 상기 균일 새들코일을 회전 구동하기 위한 상기 구동부가 수납되는 베드를 더 포함하는 자기조향 카테터 시스템.
  3. 제2항에 에 있어서, 상기 자기장생성부는,
    한 쌍의 동일한 원형 코일로 이루어져 중심축(x축) 방향으로 균일한 자기장을 발생시키는 헬름홀츠코일을 더 포함하는 자기조향 카테터 시스템.
  4. 한 쌍의 동일한 원형 코일로 이루어져 중심축(x축) 방향으로 균일한 자기장을 발생시키는 헬름홀츠코일과, 상기 헬름홀츠코일의 중심축(X축)에 대해 축대칭되는 한 쌍의 코일로 구성되어 상기 헬름홀츠코일의 자기장 방향과 수직한 평면(y-z평면) 상에 균일한 자기장을 발생시키며, 상기 헬름홀츠코일과 동일 축(x축)상에서 회전축을 갖고 회전 가능한 균일 새들코일과, 상기 균일 새들코일을 회전 구동시키기 위한 구동부를 포함하는 자기장생성부와;
    상기 자기장생성부에서 생성된 자기장에 의해 조향 구동이 가능하도록 선단에 자성체가 마련된 가이드 와이어와;
    상기 가이드와이어를 전후 구동하기 위한 가이드 와이어 구동유닛을 포함하는 자기조향 카테터 시스템.
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