KR20200063942A - 자기장 구동 시스템 - Google Patents

Abstract

자기장 구동 시스템이 개시된다. 자기장 구동 시스템은 레일; 상기 레일 상에 설치되는 제1자기장 생성부; 및 상기 레일 상에 설치되며, 타겟 영역을 사이에 두고 상기 제1자기장 생성부와 마주 배치되는 제2자기장 생성부를 포함하되, 상기 제1자자장 생성부와 상기 자기장 생성부는 상기 타겟 영역에 자기장을 생성할 수 있다.

Description

자기장 구동 시스템{Magnetic navigation system}

본 발명은 자기장 구동 시스템에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 타겟 영역에 자기장을 생성할 수 있는 자기장 구동 시스템에 관한 것이다.

내부에 자석이 장착된 마그네틱 로봇은 자기장 구동 시스템이 생성하는 외부 자기장에 의해 자기토크와 자기력을 받아 구동하게 되며, 원격으로 정밀제어가 가능하여 많은 부위에 적용 및 연구개발이 진행되고 있다. 대표적으로 소화기계에 적용된 자기 구동형 캡슐형 내시경, 심장 부정맥 치료에 적용된 마그네틱 카테터 등이 있으며, 이 외에도 폐색성 혈관 치료를 위한 혈관치료용 마그네틱 로봇, 안구 내 약물전달을 위한 마이크로 로봇, 조직 내 표적 약물전달을 위한 자기 나노 입자 등이 있다.

이와 같이 마그네틱 로봇이 적용되는 인체 부위 및 병변부의 위치는 매우 다양하다. 이러한 마그네틱 로봇의 구동 및 제어의 핵심은 외부 자기장을 생성하는 자기장 구동 시스템이다. 그러나 기존의 자기장 구동 시스템들은 자기장을 생성하는 전자석의 위치 및 배치형태가 고정되어 있어 병변부의 위치 및 특성을 고려하지 못해 비효율적으로 자기장을 생성 및 제어하였다. 그리고 자성 코어 등 자성 구조가 갖는 자기적 특성으로 인해 고출력의 고주파 자기장을 생성하지 못하는 한계들이 있었다. 이러한 자기장 구동 시스템의 한계는 마그네틱 로봇이 적용 가능한 질환 및 생성 가능한 운동 등의 한계로 이어진다.

본 발명은 병변부의 위치 및 특성에 따라 자기장 생성부의 위치 및 배치를 최적화할 수 있는 자기장 구동 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 고출력의 고주파 자기장을 생성할 수 있는 자기장 구동 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 자기장 구동 시스템은 레일; 상기 레일 상에 설치되는 제1자기장 생성부; 및 상기 레일 상에 설치되며, 타겟 영역을 사이에 두고 상기 제1자기장 생성부와 마주 배치되는 제2자기장 생성부를 포함하되, 상기 제1자자장 생성부와 상기 자기장 생성부는 상기 타겟 영역에 자기장을 생성할 수 있다.

또한, 상기 레일을 따라 상기 제1자기장 생성부와 상기 제2자기장 생성부를 이동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1자기장 생성부는, 상기 레일 상에 설치되는 제1지지 프레임; 상기 제1지지 프레임에 지지되며, 그 끝단이 상기 타겟 영역을 향해 배치되는 적어도 하나 이상의 제1자성 코어; 및 상기 제1자성 코어들 각각에 권선되는 제1코일을 포함하고, 상기 제2자기장 생성부는, 상기 레일 상에 설치되며, 상기 제1지지 프레임과 마주 배치되는 제2지지 프레임; 상기 제2지지 프레임에 지지되며, 그 끝단이 상기 타겟 영역을 향해 배치되는 적어도 하나 이상의 제2자성 코어; 및 상기 제2자성 코어들 각각에 권선되는 제2코일을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1자기장 생성부는, 상기 제1지지 프레임을 따라 상기 제1자성 코어를 이동시키는 제1 코어 가변 모듈을 포함하고, 상기 제2자기장 생성부는, 상기 제2지지 프레임을 따라 상기 제2자성 코어를 이동시키는 제2 코어 가변 모듈을 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1코어 가변 모듈은 복수 개의 상기 제1자성 코어들을 개별적으로 이동시키고, 상기 제2코어 가변 모듈은 복수 개의 상기 제2자성 코어들을 개별적으로 이동시킬 수 있다.

또한, 상기 제1코어 가변 모듈은 상기 제1자성 코어의 중심축 방향으로 상기 제1자성 코어를 직선 이동시키고, 상기 제2코어 가변 모듈은 상기 제2자성 코어의 중심축 방향으로 상기 제2자성 코어를 직선 이동시킬 수 있다.

또한, 상기 제1지지 프레임과 상기 제2지지 프레임 각각은 크기가 동일한 링 형상을 가지고, 그 중심이 동일 축 상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 제1자성 코어, 상기 제2자성 코어, 상기 제1지지 프레임, 제2지지 프레임, 그리고 상기 레일은 자성 재질로 제공되며, 상기 타겟 영역에 형성된 자기장과, 상기 제1자성 코어, 상기 제1지지 프레임, 상기 레일, 상기 제2지지 프레임, 그리고 제2자성 코어에 각각 형성된 자기장은 폐자기회로를 형성할 수 있다.

또한, 제1회로를 통해 상기 제1코일에 전원을 공급하고, 제2회로를 통해 상기 제2코일에 전원을 공급하는 전원부; 및 상기 제1회로 및 상기 제2회로 각각에 제공되는 가변 커패시터를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1지지 프레임은, 자성 재질로 제공되는 복수 개의 베이스 프레임들이 적층된 구조를 가질 수 있다.

또한, 상기 베이스 프레임들은 상기 제1지지 프레임과 동일한 반경을 가지며, 동일한 중심축 상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 제1자성 코어는, 자성 재질로 제공되는 복수 개의 베이스 프레임들이 적층된 구조로 제공되며, 상기 베이스 프레임들은 상기 제1자성 코어와 동일한 길이를 가질 수 있다.

또한, 상기 레일은, 자성 재질로 제공되는 복수 개의 베이스 프레임들이 적층된 구조로 제공되며, 상기 베이스 프레임들은 상기 레일과 동일한 길이를 가질 수 있다.

또한, 상기 제1자성 코어는, 외측면에 상기 제1코일이 권선되고, 내부 공간을 가지며, 일 단부에 개구가 형성된 제1코어 하우징; 상기 개구를 통해 상기 내부 공간으로 삽입되는 제1보조 코어; 및 상기 제1보조 코어를 그 중심축 방향으로 직선 이동시키는 제1코어 구동부를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1코어 하우징의 중심축과 상기 제1보조 코어의 중심축은 동일 선상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 제1코어 하우징의 중심축과 상기 제1보조 코어의 중심축은 서로 평행하게 배열될 수 있다.

또한, 상기 제1코어 하우징의 일 단부에는 상기 개구가 복수 개 형성되고, 상기 제1보조 코어는 복수 개가 상기 개구들 각각에 삽입되며, 상기 제1코어 구동부는 상기 제1보조 코어들을 개별적으로 이동시킬 수 있다.

또한, 상기 개구들은 서로 상이한 크기를 가지며, 상기 제1보조 코어들은 상기 개구들 각각에 상응하는 크기를 가질 수 있다.

본 발명에 의하면, 자성 코어들이 지지 프레임을 따라 이동하거나, 그 축방향으로 직선이동 가능하므로, 병변부의 위치 및 특성에 따라 자기장의 생성을 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 폐자기회로의 생성, 가변 커패시터와 적층형 자성 구조의 제공으로, 타겟 영역에 고출력의 고주파 자기장을 생성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 생성 시스템을 나타내는 사시도이다.
도 2는 도 1의 자기상 생성 시스템을 나타내는 정면도이다.
도 3은 도 1의 자기장 생성 시스템을 나타내는 우측면도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1자기장 생성부와 전원부의 연결을 나타내는 도면(A)과 이의 전기 회로도(B)이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제2자기장 생성부와 전원부의 연결을 나타내는 도면(A)과 이의 전기 회로도(B)이다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제1자기장 생성부와 제2자기장 생성부에서 생성되는 자기장의 흐름을 각각 나타내는 도면이다.
도 8은 비교 예에 따른 자기장 생성부에서 생성되는 자기장의 흐름을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 자기장 구동 시스템에서의 자기장 흐름을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성 코어, 지지 프레임, 그리고 레일의 단면을 각각 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자성 코어, 지지 프레임, 그리고 레일의 단면을 각각 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 자성 코어를 나타내는 단면도이다.
도 13은 가변 커패시터와 적층형 자성 구조의 적용에 따라 고주파 자기장 생성 시 생성 가능한 자기장의 세기를 해석적으로 구한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 및 제2자성 코어를 나타내는 도면이다.
도 15는 도 14의 제1 및 제2자성 코어를 나타내는 정면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1자성 코어를 나타내는 사시도이다.
도 17은 도 16의 제1자성 코어를 나타내는 정면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1자성 코어를 나타내는 사시도이다.
도 19는 도 18의 제1자성 코어를 나타내는 정면도이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 구동 시스템의 구동 방법을 순차적으로 나타내는 도면이다.
도 24 내지 도 26은 본 발명의 서로 다른 실시 예에 따른 자기장 구동 시스템을 나타내는 사시도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 생성 시스템을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1의 자기상 생성 시스템을 나타내는 정면도이고, 도 3은 도 1의 자기장 생성 시스템을 나타내는 우측면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 자기장 생성 시스템은 타겟 영역에 자기장을 생성한다. 자기장 생성 시스템(10)은 레일(100), 제1자기장 생성부(200), 제2자기장 생성부(300), 구동부(400), 그리고 전원부(500)를 포함한다.

레일(100)은 일 방향으로 소정 길이를 가지며, 지면에 놓인다. 실시 예에 의하면, 레일(100)은 자성 재질로 제공될 수 있다.

제1자기장 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)는 레일(100) 상에 각각 설치된다. 제1자기장 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)은 레일(100)의 길이 방향을 따라 일렬 배치된다. 제1자기상 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)의 사이 공간 중 적어도 일부 영역은 타겟 영역(T)으로 정의된다. 제1자기상 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)는 타겟 영역(T)에 자기장을 생성한다.

제1자기장 생성부(200)는 제1지지 프레임(210), 제1자성 코어(220), 제1코일(230), 그리고 제1코어 가변 모듈(240)을 포함한다.

제1지지 프레임(210)은 레일(100) 상에 설치된다. 제1지지 프레임(210)은 하단부가 레일(100) 상에 설치된다. 제1지지 프레임(210)은 자성 재질로 제공될 수 있다. 제1지지 프레임(210)은 제1코일(230)에서 생성된 자기장이 지나는 통로로 제공된다. 실시 예에 의하면, 제1지지 프레임(210)은 소정 반경을 갖는 링 형상을 가지며, 그 중심축이 레일(100)의 길이 방향과 나란하게 배치된다. 일 예에 의하면, 제1지지 프레임(210)은 하나의 프레임으로 제공될 수 있다. 이와 달리, 제1지지 프레임(210)은 한 쌍의 프레임(211, 212)이 소정 거리를 두고 마주 배치된 구조로 제공될 수 있다.

제1자성 코어(220)는 제1지지 프레임(210)에 지지되며, 제1지지 프레임(210)의 소정 위치로부터 타겟 영역(T)을 향해 연장된다. 제1자성 코어(220)는 소정 형상의 자성체로, 그 끝단이 타겟 영역(T)을 향해 배치된다. 제1자성 코어(220)는 원기둥 또는 다각 기둥 형상을 가질 수 있다. 제1자성 코어(220)는 적어도 하나 이상 제공될 수 있다. 실시 예에 의하면, 제1자성 코어(220)는 4개 제공되며, 제1지지 프레임(210)의 둘레를 따라 소정 간격 이격하여 배치된다. 각각의 제1자성 코어(220)들은 그 끝단이 타겟 영역(T)을 향해 경사지게 배치된다.

제1코일(230)은 제1자성 코어(220)들에 각각 권선된다.

제1코어 가변 모듈(240)은 제1지지 프레임(210)에 설치되며, 제1자성 코어(220)를 이동시킨다. 제1코어 가변 모듈(240)은 제1지지 프레임(210)의 둘레를 따라 제1자성 코어(220)를 이동시킨다. 또한, 제1코어 가변 모듈(240)은 제1자성 코어(220)의 중심축 방향으로 제1자성 코어(220)를 직선 이동시킨다. 제1코어 가변 모듈(240)은 제1자성 코어(220)들 각각에 제공되며, 제1자성 코어(220)들을 개별적으로 이동시킨다. 제1자성 코어(220)들이 제1지지 프레임(210)의 둘레를 따라 개별적으로 이동함에 따라, 제1자성 코어(220)들의 사이 간격이 조절될 수 있다. 제1코어 가변 모듈(240)들은 제1자성 코어(220)들의 사이 간격이 동일하도록 제1자성 코어(220)들을 이동시킬 수 있다. 이와 달리, 제1코어 가변 모듈(240)들은 제1자성 코어(220)들의 사이 간격이 상이하도록 제1자성 코어(220)들을 이동시킬 수 있다. 제1코어 가변 모듈(240)들의 구동으로, 제1자성 코어(220)들이 그 중심축 방향으로 전진 또는 후퇴 이동함에 타겟 영역(T)의 크기 및 상기 타겟 영역(T)에 형성되는 자기장의 세기가 조절될 수 있다. 구체적으로 제1자성 코어(220)들이 전진 이동할 경우, 타겟 영역(T)의 크기가 감소하고, 상기 타겟 영역(T)에는 높은 세기의 자기장이 생성될 수 있다. 반면, 제1자성 코어(220)들이 후퇴 이동할 경우, 타겟 영역(T)의 크기가 커지고, 상기 타겟 영역(T)에는 상대적은 낮은 세기의 자기장이 생성될 수 있다. 이와 같이, 제1자성 코어(220)들의 직선 이동에 따라 타겟 영역(T)의 크기 및 상기 타겟 영역(T)에 형성되는 자기장의 세기를 조절할 수 있다.

제2자기장 생성부(300)는 제2지지 프레임(310), 제2자성 코어(320), 제2코일(330), 그리고 제2코어 가변 모듈(340)을 포함한다.

제2지지 프레임(310)은 레일(100) 상에 설치된다. 제2지지 프레임(310)은 제1지지 프레임(210)과 동일한 형상, 재질 및 크기를 가지며, 하단부가 레일(100) 상에 놓인다. 제2지지 프레임(310)은 제1지지 프레임(210)과 마주 배치되며, 그 중심축이 제1지지 프레임(210)의 중심축과 동일 선상에 위치한다.

제2자성 코어(320)는 제2지지 프레임(310)에 지지되며, 제2지지 프레임(310)의 소정 위치로부터 타겟 영역(T)을 향해 연장된다. 제2자성 코어(320)는 제1자성 코어(220)와 동일한 형상을 갖는 자성체로, 그 끝단이 타겟 영역(T)을 향해 배치된다. 제2자성 코어(320)는 적어도 하나 이상 제공될 수 있다. 실시 예에 의하면, 제2자성 코어(320)는 제1자성 코어(220)와 동일한 개수로 제공된다.

제2코일(330)은 제2자성 코어(320)들에 각각 권선된다.

제2코어 가변 모듈(340)은 제2지지 프레임(310)에 설치되며, 제2자성 코어(320)를 이동시킨다. 제2코어 가변 모듈(340)은 제2지지 프레임(310)의 둘레를 따라 제2자성 코어(320)를 이동시킨다. 또한, 제2코어 가변 모듈(340)은 제2자성 코어(320)의 중심축 방향으로 제2자성 코어(320)를 직선 이동시킨다. 제2코어 가변 모듈(340)은 제2자성 코어(320)들 각각에 제공되며, 제2자성 코어(320)들을 개별적으로 이동시킨다.

구동부(400)는 레일(100)을 따라 제1자기장 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)를 이동시킨다. 구동부(400)는 제1자기장 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)를 개별적으로 이동시킬 수 있다. 구동부(400)는 제1자기장 생성부(200)를 이동시키는 제1구동부(410)와 제2자기장 생성부(300)를 이동시키는 제2구동부(420)를 포함한다. 제1구동부(410)는 레일(100)에 설치되며, 제1지지 프레임(210)과 결합한다. 제1구동부(410)가 레일(100)을 따라 이동함에 따라 제1지지 프레임(210)이 이동할 수 있다. 제2구동부(420)는 레일(100)에 설치되며, 제2지지 프레임(310)과 결합한다. 제2구동부(420)가 레일(100)을 따라 이동함에 따라 제2지지 프레임(310)이 이동할 수 있다. 이러한 제1지지 프레임(210) 및 제2지지 프레임(310)의 이동에 따라 타겟 영역(T)의 위치 및 크기가 조절될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 제1자기장 생성부와 전원부의 연결을 나타내는 도면(A)과 이의 전기 회로도(B)이고, 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 제2자기장 생성부와 전원부의 연결을 나타내는 도면(A)과 이의 전기 회로도(B)이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 전원부(500)는 제1코일(230)과 제2코일(330)에 전원을 공급한다. 전원부(500)는 제1코일(230)과 연결된 제1회로와 제2코일(330)과 연결된 제2회로에 각각 전원을 공급한다.

제1자기장 생성부(200)는 제1회로(201)에 제공되는 제1가변 커패시터(250)를 더 포함하고, 제2자기장 생성부(300)는 제2회로(301)에 제공되는 제2가변 커패시터(250)를 더 포함한다. 이에 의해, 제1 및 제2회로(201, 301)는 전원(P1, P2), 저항(R1, R2), 인덕턴스(L1, L2), 커패시턴스(C1, C2)로 구성된 폐회로로 제공된다. 여기서 전원(P1, P2)은 상기 전원부(500)를, 저항(R1, R2)과 인덕턴스(L1, L2)는 제1 및 제2자성코어(220, 320)과 제1 및 제2코일(230, 330)을, 커패시턴스(C1, C2)는 제1 및 제2 가변 커패시터(250, 350)를 의미한다.

재1 및 제2가변 커패시터(250, 350)는 상기 회로(201, 301)의 커패시턴스(C1, C2)를 제어하여 고주파 자기장 생성 시 자기장의 세기를 감소시키는 인덕턴스(L1, L2)에 의한 영향을 저감시킨다. 이에 의해, 상기 회로는 특정한 주파수에서 자기장이 최대화되는 공진을 일으킬 수 있다. 이때 공진점은 제1가변 커패시터(230)와 제2가변 커패시터(330)의 커패시턴스(C1, C2)의 제어를 통해 조절할 수 있다. 따라서, 커패시턴스(C1, C2)의 변화 범위가 충분하다면 어떤 주파수에서든 공진을 발생시키는 것이 가능할 수 있다.

따라서, 원하는 주파수에서 공진이 발생하도록 제 1 가변 커패시터(250) 및/또는 제 2 가변 커패시터(350)의 커패시턴스(C1, C2)를 조절하여, 특정 주파수(예를 들어, 입력 전압의 주파수)에서 자기장을 생성할 수 있다.

이 때, 제1코일(230) 및 제2코일(330)에 흐르는 전류는 아래 수학식1과 같다.

[수학식 1]

여기서,

는 인가전압의 크기,

는 인가전압의 주파수,

,

는 코일의 저항 및 인덕턴스,

는 가변 커패시터의 커패시턴스이다. 최대 전압은 폐회로의 공진 주파수

(

)에서 얻어지며, 공진 주파수는 가변 커패시터에 의하여 조절될 수 있다.

도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따라 제1자기장 생성부와 제2자기장 생성부에서 생성되는 자기장의 흐름을 각각 나타내는 도면이고, 도 8은 비교 예에 따른 자기장 생성부에서 생성되는 자기장의 흐름을 나타내는 도면이다.

먼저 도 6 및 도 7을 참조하면, 전원부(500)에서 공급된 전원에 의해, 제1코일(230)에 자기장이 생성되며, 생성된 자기장은 제1자성 코어(220)와 제1지지 프레임(210)을 따라 흐른다. 제1자성 코어(220)에 형성된 자기장(M1), 제1지지 프레임(210)에 형성된 자기장(M2), 그리고 타겟 영역(T1)에 형성된 자기장(M3)은 폐자기회로(Closed magnetic circuit)를 형성한다.

전원부(500)에서 공급된 전원에 의해, 제2코일(330)에 자기장이 생성되며, 생성된 자기장은 제2자성 코어(320)와 제2지지 프레임(310)을 따라 흐른다. 제2자성 코어(320)에 형성된 자기장(M1), 제2지지 프레임(310)에 형성된 자기장(M2), 타겟 영역(T2)에 형성된 자기장(M3)은 폐자기회로(Closed magnetic circuit)를 형성한다.

도 7은 제1 및 제2코어 가변 모듈(240, 340)에 의해, 제1 및 제2자성 코어(220, 320)들이 길이방향으로 직선 이동되어 병변부 맞춤으로 타겟 영역(T2)을 형성한 것으로, 도 6과 비교할 때, 높은 세기의 자기장을 생성할 수 있다.

실제 실험 예에서, 도 6은 타겟 영역(T1)의 크기를 직경 500mm로 설정하고, 도 7은 타겟 영역(T2)의 크기를 직경 300mm로 설정하고, 각 코일을 1,000회 권선하고 10A의 전류를 인가하였다. 타겟 영역(T1, T2)의 중심점(Tc)에서 자기장 세기는 도 6의 경우 27mT로, 도 7의 경우 70mT로 나타났다.

이와 달리, 도 8에 따른 자기장 생성부는 코일(21)에서 생성된 자기장은 자성 코어(22)들에서 흐름이 차단된 개자기회로(Open magnetic circuit)를 형성한다. 타겟 영역(T1)의 크기를 도 6과 동일하게 직경 500mm로 설정하고, 코일의 권선 수와 인가 전류를 위와 동일하게 하여 실험한 결과 타겟 영역(T1)의 중심점(Tc)에서는 자기장 세기가 10mT로 나타났다.

이와 같이, 폐자기회로는 개자기회로보다 자기장 생성 능력이 향상됨을 알 수 있다. 특히, 병변부 맞춤으로 타겟 영역을 형성할 경우 효과적으로 높은 세기의 자기장을 생성할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따라 자기장 구동 시스템에서의 자기장 흐름을 나타내는 도면이다.

도 9를 참조하면, 제1지지 프레임(210)을 따라 흐르는 자기장은 자성 재질의 레일(100)을 거쳐 제2지지 프레임(320)으로 흐를 수 있다. 이와 반대로 제2지지 프레임(320)을 따라 흐르는 자기장은 레일을 거쳐 제1지지 프레임(210)으로 흐를 수 있다. 이러한 자기장 흐름에 의해, 제1자성 코어(220)와 제1지지 프레임(210)에 형성된 자기장(M1, M2), 레일(100)에 형성된 자기장(M3), 제2자성 코어(320)와 제2지지 프레임(310)에 형성된 자기장(M4, M5), 그리고 타겟 영역(T)에 형성된 자기장(Mt)은 폐자기회로를 형성한다. 폐자기회로의 형성은 타겟 영역(T)에서의 자기장 생성능력을 극대화한다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 자성 코어, 지지 프레임, 그리고 레일의 단면을 각각 나타내는 도면이고, 도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 자성 코어, 지지 프레임, 그리고 레일의 단면을 각각 나타내는 도면이다. 자성 코어(220, 320)는 도 3의 A1-A2선에 따른 단면을, 지지 프레임(210, 310)은 도 3의 B1-B2선에 따른 단면을, 레일(100)은 도 2의 C1-C2선에 따른 단면을 나타낸다.

먼저 도 10을 참조하면, 제1 및 제2자성 코어(220, 320), 제1 및 제2지지 프레임(210, 310), 그리고 레일(100)은 솔리드(solid) 형태의 단일 프레임으로 구성될 수 있다.

이와 달리, 도 11을 참조하면, 제1 및 제2자성 코어(220, 320)는 복수 개의 제1베이스 프레임(F1)들이 적층되어 구성되고, 제 1 및 제2지지 프레임(210, 310)은 복수 개의 제2베이스 프레임(F2)들이 적층되어 구성되고, 레일(100)은 복수 개의 제3베이스 프레임(F3)들이 적층되어 구성될 수 있다. 상기 제1 내지 제3베이스 프레임(F1 내지 F3)들은 자성 재질로 제공된다.

제1 및 제2자성 코어(220, 320)는 전체적으로 원기둥 형상을 갖는데, 제1베이스 프레임(F1)들은 제1 및 제2자성 코어와 동일한 길이를 갖는 두께가 얇은 판들이 적층된 구조를 갖는다. 이와 달리, 제1 및 제2자성 코어(220, 320)는 사각 기둥 형상을 가질 수 있으며, 이 경우 제1 및 제2자성 코어(220, 320)는 도 12와 같이, 사각 단면을 가지고, 두께 및 길이가 동일한 판 형상의 제1베이스 프레임(F1)들이 적층된 구조를 가질 수 있다.

제2베이스 프레임(F2)들은 제1 및 제2지지 프레임(210, 220)과 동일한 반경을 가지며 두께가 얇은 링 형상의 판으로 제공되며, 그 중심축이 동일 축 상에 위치한다. 제2베이스 프레임(F2)들은 서로 적층되어 제1 및 제2지지 프레임(210, 220)을 구성한다.

제3베이스 프레임(F3)은 레일(100)과 동일한 길이를 갖는 두께가 얇은 판들이 레일(100)의 폭 방향으로 적층되어 레일(100)을 구성한다.

고출력의 고주파 자기장의 생성 시, 제1 및 제2자성 코어(220, 320), 제1 및 제2지지 프레임(210, 310), 그리고 레일(100)의 내부에는 와전류(eddy current, EC1, EC2)가 발생되며, 이러한 와전류(EC1, EC2)는 고주파 자기장의 세기를 감소시키는 요인이 될 수 있다.

도 10의 실시 예의 경우, 제1 및 제2자성 코어(220, 320), 제1 및 제2지지 프레임(210, 310), 그리고 레일(100)이 상대적으로 넓은 단면적을 가짐에 따라, 와전류(EC1)가 흐를 수 있는 면적이 커져 와전류(EC1)의 세기가 증대된다.

반면, 도 11 및 도 12의 실시 예의 경우, 제1 및 제2자성 코어(220, 320), 제1 및 제2지지 프레임(210, 310), 그리고 레일(100)은 베이스 프레임(F1, F2, F3)들 내부에서 와전류(EC2)가 각각 생성된다. 도 10의 실시 예와 비교하여, 베이스 프레임(F1, F2, F3)들은 각각의 단면적이 상대적으로 작기 때문에, 와전류(EC2)가 흐를 수 있는 면적이 감소된다. 이로 인해 베이스 프레임(F1, F2, F3)들의 내부에 흐르는 와전류(EC2)의 세기가 감소되고, 와전류에 의한 자기장 세기 감소효과가 저감될 수 있다.

도 13은 가변 커패시터와 적층형 자성 구조의 적용에 따라 고주파 자기장 생성 시 생성 가능한 자기장의 세기를 해석적으로 구한 결과를 나타내는 그래프이다. 제1그래프(A)는 가변 커패시터와 적층형 자성 구조가 적용되지 않은 실시 예에 따른 자기장의 세기를 나타내고, 제2그래프(B)는 도 10과 같이 가변 커패시터가 적용되고 적층형 자성 구조가 적용되지 않은 실시 예에 따른 자기장의 세기를 나타내고, 제3그래프(C)는 도 11과 같이 가변 커패시터와 적층형 자성 구조가 모두 적용된 실시 예에 따른 자기장 세기를 나타낸다.

도 13을 참조하면, 자기장 생성부의 저항을 약 8Ω, 인덕턴스를 약 0.8H로 설정하고, 전류의 세기는 타겟 영역에 약 200mT 세기의 자기장을 생성할 수 있도록 인가하였다. 각 실시 예에 따른 결과를 비교하면, 생성 가능한 자기장의 세기 차이는 자기장의 주파수가 증가할수록 급격하게 벌어지는 것을 알 수 있다. 이를 통해 고출력의 고주파 자기장을 생성하기 위해서는 가변 커패시터와 적층형 자성 구조가 필수적임을 알 수 있다.

도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 및 제2자성 코어를 나타내는 도면이고, 도 15는 도 14의 제1 및 제2자성 코어를 나타내는 정면도이다. 제1자성 코어와 제2자성 코어는 동일한 구조로 제공될 수 있으며, 아래에서는 제1자성 코어를 예를 들어 설명한다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 제1자성 코어(220)는 제1코어 하우징(211), 제1보조 코어(213), 그리고 제1코어 구동부(미도시)를 포함한다.

제1코어 하우징(211)은 외측면에 제1코일(230)이 권선되며, 내부에 공간이 형성된다. 제1코어 하우징(211)의 일 단부에는 개구(211a)가 형성된다. 개구(211a)는 제1코어 하우징(211)의 내부와 연통된다.

제1보조 코어(213)는 제1코어 하우징(211) 보다 작은 부피를 가지며, 개구(211a)를 통해 제1코어 하우징(211)의 내부로 삽입된다. 제1보조 코어(213)는 자성 재질로 제공된다. 실시 예에 의하면, 제1보조 코어(213)는 개구(211a)에 상응하는 직경을 갖는 기둥 형상을 가질 수 있다. 제1보조 코어(213)는 그 중심축(C)이 제1코어 하우징(211)의 중심축(C)과 동일 선상에 위치할 수 있다.

제1코어 구동부는 제1보조 코어(213)를 그 중심축(C) 방향으로 직선 이동시킨다. 이에 의해, 제1보조 코어(213)의 선단은 제1코어 하우징(211)의 일 단부와 동일 지점에 위치하거나, 제1코어 하우징(211)의 전방으로 돌출될 수 있다.

제1코일(230)에서 생성된 자기장은 제1코어 하우징(211)과 제1보조 코어(213)를 따라 흘러 타겟 영역(T)에 자기장을 생성한다. 제1자성 코어(210)는 제1보조 코어(213)의 직선 이동에 따라 제1자성 코어(210)의 끝단의 위치가 달라지고, 이에 따라 생성 가능한 자기장의 세기 및 분포를 다양하게 조절할 수 있다. 또한, 상대적으로 무게가 작은 제1보조 코어(213)를 이동시킴으로써, 이동에 따른 부하 발생을 최소화할 수 있다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1자성 코어를 나타내는 사시도이고, 도 17은 도 16의 제1자성 코어를 나타내는 정면도이다.

도 16 및 도 17을 참조하면, 제1보조 코어(213)는 그 중심축(C1)이 제1코어 하우징(211)의 중심축(C)으로부터 소정 거리 이격되어, 제1코어 하우징(211)의 중심축(C)과 나란하게 배치된다. 제1보조 코어(213)는 제1코어 구동부에 의해 그 중심축(C1) 방향으로 직선 이동된다.

도 18은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 제1자성 코어를 나타내는 사시도이고, 도 19는 도 18의 제1자성 코어를 나타내는 정면도이다.

도 18 및 도 19를 참조하면, 제1코어 하우징(211)의 일 단부에는 개구(211a, 211b)가 복수 개 형성될 수 있다. 개구(211a, 211b)들은 그 크기가 동일할 수 있다. 이와 달리, 개구(211a, 211b)들은 그 크기가 상이할 수 있다. 실시 예에 의하면, 제1코어 하우징(211)의 일 단부에는 두 개의 개구(211a, 211b)가 형성되며, 각각의 개구(211a, 211b)는 그 크기가 동일할 수 있다.

개구(211a, 211b)에는 제1보조 코어(213)가 각각 삽입된다. 제1보조 코어(213)는 삽입되는 개구(211a, 211b)에 상응하는 직경을 갖는다. 제1보조 코어(211a, 211b)들은 그 중심축(C1, C2)이 제1코어 하우징(211)의 중심축(C)으로부터 소정 거리 이격되어, 제1코어 하우징(211)의 중심축(C)과 나란하게 배치된다.

제1코어 구동부는 제1보조 코어(213)들을 개별적으로 그 중심축(C1, C2) 방향으로 직선 이동시킨다. 이에 의해, 제1보조 코어(213)들은 제1코어 하우징(211)의 전방으로 돌출되는 길이가 조절될 수 있다.

도 20 내지 도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 자기장 구동 시스템의 구동 방법을 순차적으로 나타내는 도면이다.

도 20 내지 도 23을 참조하면, 자기장 구동 시스템(10)의 구동 방법은 먼저 환자(20)를 베드(30)에 위치시킨다. 그리고 환자(20)의 병변부가 자기장 구동 시스템(10)의 타겟 영역에 위치하도록 제1자기장 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)의 위치를 조절한다. 본 실시 예에서는 환자(20)의 뇌질환 시술을 위해 환자(20)의 머리 영역이 타겟영역에 위치한다. 제1구동부(410)와 제2구동부(420)의 구동에 의해 제1자기장 생성부(200)와 제2자기장 생성부(300)가 레일(100)을 따라 직선 이동하여 환자(20)의 병변부가 타겟영역에 위치한다. 제1 및 제2코어 가변 모듈(240, 340)은 제1 및 제2지지 프레임(210, 310)을 따라 제1 및 제2자성 코어(220, 320)를 이동시키고, 제1및 제2자성 코어(220, 320)를 그 중심축 방향으로 직선 이동시켜 제1 및 제2자성 코어(220, 320)의 위치를 정렬한다. 이에 의해 타겟 영역은 병변부에 맞게 최적화 될 수 있다. X-ray 영상 장치(40)가 위치된 상태에서, 제1 및 제2코일(230, 330)들에 전원이 인가된다. 전원의 인가로 타겟 영역에는 자기장이 생성된다. X-ray 영상 장치(40)에 의해 얻어진 투시 영상을 바탕으로 환자(20)의 신체 내에 삽입된 마그네틱 로봇의 위치를 추적하며, 자기장 구동 시스템(10)에서 생성된 자기장을 이용하여 마그네틱 로봇의 운동을 제어할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 폐자기회로의 형성으로 타겟 영역에 생성되는 자기장의 세기가 증대될 수 있다.

도 24 내지 도 26은 본 발명의 서로 다른 실시 예에 따른 자기장 구동 시스템을 나타내는 사시도이다.

도 24 내지 도 26을 참조하면, 자기장 구동 시스템의 제1 및 제2지지 프레임은 링 형상 또는 호 형상을 가질 수 있다. 도 24를 참조하면, 제1지지 프레임(210a)는 링 형상을 가지고, 제2지지 프레임(310a)은 상부가 개방된 호 형상을 가질 수 있다. 도 25를 참조하면, 제1 및 제2지지 프레임(210b, 310b)는 모두 상부가 개방된 호 형상을 가질 수 있다. 도 26을 참조하면, 제1 및 제2지지 프레임(210b, 310b)는 모두 상부 및 하부가 개방된 호 형상을 가질 수 있다. 제1 및 제2지지 프레임의 조합은 이에 한정되지 않으며, 상술한 링 형상과 호 형상의 다양한 조합으로 변경될 수 있다.

상술한 제1 및 제2지지 프레임(210a 내지 210c, 310a 내지 310c)의 형상은 C-arm 등으로 구성되는 X-ray 영상 장치와 자기장 구동 시스템과의 호환성을 극대화한다. 또한 제1 및 제2지지 프레임(210a 내지 210c, 310a 내지 310c)을 경량화시킨다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

10: 자기장 생성 시스템
100: 레일
200: 제1자기장 생성부
210: 제1지지 프레임
220: 제1자성 코어
230: 제1코일
240: 제1코어 가변 모듈
300: 제2자기장 생성부
310: 제2지지 프레임
320: 제2자성 코어
330: 제2코일
340: 제2코어 가변 모듈
400: 구동부
500: 전원부

Claims (18)

1. 레일;
   상기 레일 상에 설치되는 제1자기장 생성부; 및
   상기 레일 상에 설치되며, 타겟 영역을 사이에 두고 상기 제1자기장 생성부와 마주 배치되는 제2자기장 생성부를 포함하되,
   상기 제1자자장 생성부와 상기 자기장 생성부는 상기 타겟 영역에 자기장을 생성하는 자기장 구동 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 레일을 따라 상기 제1자기장 생성부와 상기 제2자기장 생성부를 이동시키는 구동부를 더 포함하는 자기장 구동 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1자기장 생성부는,
   상기 레일 상에 설치되는 제1지지 프레임;
   상기 제1지지 프레임에 지지되며, 그 끝단이 상기 타겟 영역을 향해 배치되는 적어도 하나 이상의 제1자성 코어; 및
   상기 제1자성 코어들 각각에 권선되는 제1코일을 포함하고,
   상기 제2자기장 생성부는,
   상기 레일 상에 설치되며, 상기 제1지지 프레임과 마주 배치되는 제2지지 프레임;
   상기 제2지지 프레임에 지지되며, 그 끝단이 상기 타겟 영역을 향해 배치되는 적어도 하나 이상의 제2자성 코어; 및
   상기 제2자성 코어들 각각에 권선되는 제2코일을 포함하는 자기장 구동 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1자기장 생성부는,
   상기 제1지지 프레임을 따라 상기 제1자성 코어를 이동시키는 제1 코어 가변 모듈을 포함하고,
   상기 제2자기장 생성부는,
   상기 제2지지 프레임을 따라 상기 제2자성 코어를 이동시키는 제2 코어 가변 모듈을 포함하는 자기장 구동 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1코어 가변 모듈은 복수 개의 상기 제1자성 코어들을 개별적으로 이동시키고,
   상기 제2코어 가변 모듈은 복수 개의 상기 제2자성 코어들을 개별적으로 이동시키는 자기장 구동 시스템.
6. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1코어 가변 모듈은 상기 제1자성 코어의 중심축 방향으로 상기 제1자성 코어를 직선 이동시키고,
   상기 제2코어 가변 모듈은 상기 제2자성 코어의 중심축 방향으로 상기 제2자성 코어를 직선 이동시키는 자기장 구동 시스템.
7. 제 4 항에 있어서,
   상기 제1지지 프레임과 상기 제2지지 프레임 각각은 링 또는 호 형상을 가지고, 그 중심이 동일 축 상에 위치하는 자기장 구동 시스템.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 제1자성 코어, 상기 제2자성 코어, 상기 제1지지 프레임, 제2지지 프레임, 그리고 상기 레일은 자성 재질로 제공되며,
   상기 타겟 영역에 형성된 자기장과, 상기 제1자성 코어, 상기 제1지지 프레임, 상기 레일, 상기 제2지지 프레임, 그리고 제2자성 코어에 각각 형성된 자기장은 폐자기회로를 형성하는 자기장 구동 시스템.
9. 제 3 항에 있어서,
   제1회로를 통해 상기 제1코일에 전원을 공급하고, 제2회로를 통해 상기 제2코일에 전원을 공급하는 전원부; 및
   상기 제1회로 및 상기 제2회로 각각에 제공되는 가변 커패시터를 포함하는 자기장 구동 시스템.
10. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1지지 프레임은,
    자성 재질로 제공되는 복수 개의 베이스 프레임들이 적층된 구조를 가지는 자기장 구동 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 베이스 프레임들은 상기 제1지지 프레임과 동일한 반경을 가지며, 동일한 중심축 상에 위치하는 자기장 구동 시스템.
12. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1자성 코어는,
    자성 재질로 제공되는 복수 개의 베이스 프레임들이 적층된 구조로 제공되며,
    상기 베이스 프레임들은 상기 제1자성 코어와 동일한 길이를 갖는 자기장 구동 시스템.
13. 제 3 항에 있어서,
    상기 레일은,
    자성 재질로 제공되는 복수 개의 베이스 프레임들이 적층된 구조로 제공되며,
    상기 베이스 프레임들은 상기 레일과 동일한 길이를 갖는 자기장 구동 시스템.
14. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1자성 코어는,
    외측면에 상기 제1코일이 권선되고, 내부 공간을 가지며, 일 단부에 개구가 형성된 제1코어 하우징;
    상기 개구를 통해 상기 내부 공간으로 삽입되는 제1보조 코어; 및
    상기 제1보조 코어를 그 중심축 방향으로 직선 이동시키는 제1코어 구동부를 포함하는 자기장 구동 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1코어 하우징의 중심축과 상기 제1보조 코어의 중심축은 동일 선상에 위치하는 자기장 구동 시스템.
16. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1코어 하우징의 중심축과 상기 제1보조 코어의 중심축은 서로 평행하게 배열되는 자기장 구동 시스템.
17. 제 14 항에 있어서,
    상기 제1코어 하우징의 일 단부에는 상기 개구가 복수 개 형성되고,
    상기 제1보조 코어는 복수 개가 상기 개구들 각각에 삽입되며,
    상기 제1코어 구동부는 상기 제1보조 코어들을 개별적으로 이동시키는 자기장 구동 시스템.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 개구들은 서로 상이한 크기를 가지며,
    상기 제1보조 코어들은 상기 개구들 각각에 상응하는 크기를 가지는 자기장 구동 시스템.

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