KR20200114841A - Method of angiography based on electromagnetism mapping of microrobot and apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 마이크로 로봇의 구동 전자기장 매핑 기반 혈관조영 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 초상자성/상자성체 자화정도에 따른 초상자성/상자성체의 RF신호 반사특성을 이용한 마이크로 로봇의 구동 전자기장 매핑 기반 혈관조영 방법 및 이를 이용한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an angiography method based on a driving electromagnetic field mapping of a microrobot and an apparatus using the same. More specifically, the present invention relates to an angiography method based on a driving electromagnetic field mapping of a microrobot using the RF signal reflection characteristic of a superparamagnetic/paramagnetic substance according to the degree of superparamagnetic/paramagnetic magnetization, and an apparatus using the same.
마이크로 로봇을 이용한 최소침습시술은 절개 부위를 최소화하여 환자의 고통을 줄일 수 있고, 회복기간도 짧게 할 수 있는 수술방법으로서, 최근 이에 관하여 많은 연구가 진행되고 있다.Minimally invasive surgery using a micro-robot is a surgical method that can reduce patient pain by minimizing the incision site and shorten the recovery period, and many studies have recently been conducted on this.
마이크로 로봇의 움직임을 제어하기 위한 방법은 외부 구동방식과 자체 구동방식으로 나눌 수 있다. 자체 구동방식에는 외부유체와 마이크로 로봇 몸체 사이의 상호 화학반응에 의해 발생된 가스의 압력을 이용하여 추진하는 방식, 박테리아 움직임과 같은 생물학적 추진력을 이용하는 방식 등이 있다. 그러나 자체 구동방식은 마이크로 로봇 구동을 위한 낮은 제어 자유도, 낮은 제어 정밀도 및 화학/생물학적 독성문제 등으로 인하여 인체 내에 적용하기 어렵다는 한계가 있다. 자기장을 이용한 마이크로 로봇 구동방식은 인체 내 안전성이 높은 대표적인 외부 구동방식으로서, 영구자석 또는 전자기 구동코일 장치를 이용한 방법으로 구분할 수 있다. 특히, 영구자석을 이용한 방식과 비교하여 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어방식은 코일에 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인해 적용범위가 다양하고 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야 중 하나다.Methods for controlling the movement of the microrobot can be divided into an external driving method and a self driving method. The self-driving method includes a method of propelling by using the pressure of a gas generated by a chemical reaction between an external fluid and a microrobot body, and a method of using biological propulsion such as bacterial movement. However, the self-driving method has a limitation in that it is difficult to apply in the human body due to low control freedom, low control precision, and chemical/biological toxicity problems for driving the microrobot. The microrobot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be classified as a method using a permanent magnet or an electromagnetic driving coil device. In particular, compared to the method using a permanent magnet, the micro-robot control method using an electromagnetic drive coil has the advantage of being able to precisely control the strength and direction of the magnetic field by controlling the current applied to the coil. It is one of the fields in which research is being conducted.
특히 외부 자기장을 이용해 마이크로 로봇을 추진하거나 치료를 위한 구동을 하는 연구가 많이 진행되고 있는데, 대다수의 연구가 2차원 평면상에서 이루어지거나, 3차원공간을 단순히 이동할 수 있는 연구가 주로 진행되고 있다.In particular, many studies are being conducted to propel a microrobot using an external magnetic field or to drive for treatment. Most of the studies are conducted on a two-dimensional plane or a study that can simply move a three-dimensional space is mainly being conducted.
혈관질환 치료를 목적으로 인체에 삽입되는 마이크로 로봇은 미리 설정된 주행경로를 따라 정확하게 이동될 필요성이 있다. 따라서, 마이크로 로봇의 주행 경로를 모니터링할 수 있는 기술이 요구된다.The microrobot inserted into the human body for the purpose of treating vascular diseases needs to be accurately moved along a preset driving path. Therefore, there is a need for a technology capable of monitoring the travel path of the microrobot.
주행 경로를 모니터링하기 위해서는 인체에 삽입된 마이크로 로봇의 위치를 실시간으로 인식하는 기술이 매우 중요하게 된다.In order to monitor the driving route, a technology that recognizes the position of a microrobot inserted into a human body in real time becomes very important.
전형적으로, 인체 혈관에 삽입된 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식 기술은 X-선, CT, 또는 MRI 장치를 이용하여 마이크로 로봇이 혈관 삽입되기 전후의 영상을 촬영한 후 영상정합 기술을 통해 구현하거나, 마이크로 로봇에 부착된 초음파 센서 신호를 외부로 전송함에 의해 상대적 위치 인식을 통해 구현하는 것이다. 전형적인 위치 인식 기술의 경우에 X-선 등이 주로 사용되므로 방사선에 의한 인체의 피폭이 이슈화될 수 있다.Typically, a location recognition technology that recognizes the location of a microrobot inserted into a human blood vessel is implemented through image matching technology after taking an image before and after the microrobot is inserted into a blood vessel using an X-ray, CT, or MRI device. Alternatively, it is implemented through relative position recognition by transmitting the ultrasonic sensor signal attached to the microrobot to the outside. In the case of a typical location recognition technology, since X-rays are mainly used, exposure to the human body by radiation may become an issue.
따라서, 방사선에 피폭 등에 영향을 받지 않고서, 피검사체의 내부에 삽입된 마이크로 로봇의 위치를 정확하게 인식할 수 있는 개선된 기술이 요망된다.Accordingly, there is a need for an improved technology capable of accurately recognizing the position of a microrobot inserted inside an object to be tested without being affected by radiation exposure or the like.
마이크로 로봇의 시술을 위해서는 체내 혈관의 형상을 인식할 필요가 있다. 현재, 필요한 혈관의 형상을 인식하기 위해서는 x-ray장비를 이용하는 방법 또는 마이크로/나노입자 이미징 기술이 이용되고 있다.In order to perform microrobotic procedures, it is necessary to recognize the shape of blood vessels in the body. Currently, a method using an x-ray device or a micro/nanoparticle imaging technology is used to recognize the shape of a blood vessel required.
x-ray를 이용하는 방법은 의사 및 환자에게 방사선 노출이 불가피하며 또한 조영제를 이용함으로 부작용을 초래할 수 있어 문제점이 있다. 기존의 마이크로/나노로봇 이미징 기술은 상자성체를 포함하는 입자의 위치를 자기장 field free point를 이용하여 관심 영역의 모든 공간을 스캔함으로 실시간성에 단점이 있으며, 특히, 마이크로/나노로봇를 구동하는 것과 동시에 위치를 인식하는데 한계가 있다.The method of using x-ray is inevitable for doctors and patients to be exposed to radiation, and there is a problem as it may cause side effects by using a contrast agent. Existing micro/nanorobot imaging technology has a disadvantage in real-time by scanning all spaces of the region of interest by using a magnetic field free point to locate particles including paramagnetic objects. There is a limit to recognition.
자기장 field free point를 모든 공간에 스캔하는 동안에는 마이크로/나노로봇 내 상자성체의 요구방향 구동 자기력이 상실됨과 동시에 입자 간의 응집력이 약해져 입자를 손실할 수 위험성이 존재한다.While scanning the magnetic field free point in all spaces, there is a risk of loss of particles due to loss of the driving magnetic force of the paramagnetic body in the micro/nanorobot in the required direction and at the same time, weakening the cohesive force between particles.
따라서 근래에는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 강구되고 있다.Therefore, in recent years, a method for solving this problem has been devised.
본 발명의 목적은, 균일 자기장을 형성하는 다중 평면의 자기장 변화와 상자성체의 RF반사신호의 관계(매칭성)을 통한 혈관 조영 방법 및 이를 이용한 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an angiography method and an apparatus using the same through the relationship (matching property) between a multi-planar magnetic field change forming a uniform magnetic field and an RF reflected signal of a paramagnetic body.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above technical problems, and other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 마이크로 로봇의 구동 전자기장 매핑 기반 혈관조영 방법 및 이를 이용한 장치는 전자기장을 발생하여 마이크로 로봇 내 상자성체를 자화시키고, 상기 자화된 상자성체에 대한 RF반사신호 특성을 연산하고, 상기 RF반사신호 특성을 이용하여 제 1방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하고, 상기 제 1방향에 대응되는 균일 자기장을 이용하여 상기 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 것을 특징으로 한다.An angiography method based on a driving electromagnetic field mapping of a microrobot according to an embodiment of the present invention for solving the above-described problem and an apparatus using the same generates an electromagnetic field to magnetize a paramagnetic body in the microrobot, and RF reflection on the magnetized paramagnetic body Calculate signal characteristics, induce a uniform magnetic field plane corresponding to the first direction using the RF reflection signal characteristics, recognize the position of the microrobot using the uniform magnetic field corresponding to the first direction, and shape the blood vessel Characterized in that to implement.
또한, 본 발명의 상기 RF반사신호 특성은, 상기 RF반사신호의 가감 기울기 및 상기 RF반사신호의 포화유지시간을 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the RF reflection signal characteristic of the present invention is characterized in that it includes an increase/decrease slope of the RF reflection signal and a saturation maintenance time of the RF reflection signal.
또한, 본 발명의 상기 RF반사신호 특성을 이용하여 제 1방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하는 것은, 상기 상자성체의 RF반사신호 특성과 상기 균일 자기장 평면의 자기장 변화의 유사성을 이용하는 것을 특징으로 한다.In addition, inducing a uniform magnetic field plane corresponding to the first direction by using the RF reflection signal characteristic of the present invention is characterized in that the similarity between the RF reflection signal characteristic of the paramagnetic body and the magnetic field change of the uniform magnetic field plane are used. .
또한, 본 발명의 상기 RF반사신호의 가감 기울기는 균일 자기장 평면에 대응되는 자기장 가감 기울기에 대응되고, 상기 RF반사신호의 포화유지시간은 균일 자기장 평면에 대응되는 자기장 유지시간에 대응되는 것을 특징으로 한다.In addition, the slope of the RF reflection signal according to the present invention corresponds to the slope of the magnetic field corresponding to the plane of the uniform magnetic field, and the saturation holding time of the RF reflected signal corresponds to the holding time of the magnetic field corresponding to the plane of the uniform magnetic field. do.
또한, 본 발명의 마이크로 로봇의 구동 전자기장 매핑 기반 혈관조영 방법 및 이를 이용한 장치는 제 2방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하고, 제 3방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하고, 상기 제 1방향, 제 2방향 및 제 3방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하되, 상기 제 1방향, 제 2방향 및 제 3방향은 상호 직교하는 것을 특징으로 한다.In addition, an angiography method based on driving electromagnetic field mapping of a microrobot of the present invention and an apparatus using the same induce a uniform magnetic field plane corresponding to a second direction, a uniform magnetic field plane corresponding to a third direction, and the first direction. , Using a uniform magnetic field plane corresponding to the second direction and the third direction, the position of the microrobot is recognized and the shape of the blood vessel is realized, but the first direction, the second direction, and the third direction are mutually orthogonal. do.
상기와 같은 본 발명에 따르면 아래에 기재된 효과를 얻을 수 있다. 다만, 본 발명을 통해 얻을 수 있는 효과는 이에 제한되지 않는다.According to the present invention as described above, the effects described below can be obtained. However, the effect obtained through the present invention is not limited thereto.
본 발명의 마이크로 로봇의 구동 전자기장 매핑 기반 혈관조영 방법 및 이를 이용한 장치는 의료시술 시 X-ray의 사용을 최소한으로 줄일 수 있으며, 조영제 사용이 필요하지 않아, 환자의 부작용 위험성을 줄일 수 있다.The method of angiography based on the driving electromagnetic field mapping of the microrobot of the present invention and an apparatus using the same can minimize the use of X-rays during medical procedures and do not require the use of contrast agents, thereby reducing the risk of side effects to the patient.
또한, 본 발명의 마이크로 로봇의 구동 전자기장 매핑 기반 혈관조영 방법 및 이를 이용한 장치는 마이크로/나노로봇의 실시간 3차원 구동, 위치인식 및 혈관조영의 동시화가 가능하다.In addition, the method of angiography based on the driving electromagnetic field mapping of the microrobot of the present invention and the apparatus using the same enable real-time 3D driving of the micro/nano robot, position recognition, and simultaneous angiography.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the above technical problems, and other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those of ordinary skill in the technical field to which the present invention belongs from the following description.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 시스템의 일례를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예로서, 전자기장 구동 및 혈관조영 장치를 통해 균일 자기장 평면을 갖는 3차원 자기장 맵을 생성하는 실시예를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예로서, 자기장의 변화에 따른 초상자성/상자성체의 RF반사신호 특성을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예로서, 균일 자기장 평면과 RF반사신호 간 관계를 통해 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예로서, 마이크로 로봇이 포함되는 관심영역(특정 자기장 영역)의 3차원 위치를 매칭하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예로서, 전자기장 구동 및 혈관조영 장치를 마이크로 로봇을 구동하면서 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 실시예를 나타내는 도면이다.1 shows an example of a micro robot system according to an embodiment of the present invention.
2 shows an embodiment of generating a three-dimensional magnetic field map having a uniform magnetic field plane through an electromagnetic field driving and angiography apparatus as an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing RF reflection signal characteristics of a superparamagnetic/paramagnetic material according to a change in a magnetic field according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a method of recognizing a position of a microrobot and implementing a shape of a blood vessel through a relationship between a uniform magnetic field plane and an RF reflection signal as an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating a method of matching a three-dimensional position of a region of interest (a specific magnetic field region) in which a microrobot is included, as an embodiment of the present invention.
6 is a view showing an embodiment of recognizing the position of the micro-robot in real time and implementing the shape of a blood vessel while driving an electromagnetic field driving and angiography apparatus as an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The detailed description to be disclosed hereinafter together with the accompanying drawings is intended to describe exemplary embodiments of the present invention, and is not intended to represent the only embodiments in which the present invention may be practiced.
단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전히 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.These embodiments are provided only to make the disclosure of the present invention complete, and to fully inform the scope of the invention to those skilled in the art to which the present invention pertains, and the present invention will be defined by the scope of the claims. Only.
몇몇의 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.In some cases, in order to avoid obscuring the concept of the present invention, well-known structures and devices may be omitted or illustrated in a block diagram form centering on core functions of each structure and device. In addition, the same components will be described with the same reference numerals throughout the present specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. Throughout the specification, when a part is said to "comprising or including" a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless specifically stated to the contrary. do.
또한, 명세서에 기재된 "…부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, "일(a 또는 an)", "하나(one)", 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.In addition, the term "... unit" described in the specification means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software. Furthermore, "a or an", "one", and similar related terms are both singular and plural in the context describing the present invention, unless otherwise indicated herein or clearly contradicted by the context. It can be used as a meaning including.
아울러, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 특정(特定) 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.In addition, specific terms used in the embodiments of the present invention are provided to aid in understanding of the present invention, and unless otherwise defined, all terms used herein including technical or scientific terms are It has the same meaning as commonly understood by those of ordinary skill in the art to which it belongs. The use of these specific terms may be changed in other forms without departing from the technical spirit of the present invention.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The detailed description to be disclosed hereinafter together with the accompanying drawings is intended to describe exemplary embodiments of the present invention, and is not intended to represent the only embodiments in which the present invention may be practiced.
자기장을 이용한 마이크로 로봇 구동방식은 인체 내 안전성이 높은 대표적인 외부 구동방식으로서, 영구자석 또는 전자기 구동코일 장치를 이용한 방법으로 구분할 수 있다. 특히, 영구자석을 이용한 방식과 비교하여 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어방식은 코일에 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인해 적용범위가 다양하고 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야이다.The microrobot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be classified as a method using a permanent magnet or an electromagnetic driving coil device. In particular, compared to the method using a permanent magnet, the micro-robot control method using an electromagnetic drive coil has the advantage of being able to precisely control the strength and direction of the magnetic field by controlling the current applied to the coil. It is a field in which research is underway.
본 발명에서 인체 삽입형 의료기기는 부분적이나 전체적으로 외과적, 의학적으로 고안된 모든 인체 삽입형 의료기기를 의미하고, 시술 이후에도 인체 내에 삽입되어 생명 유지를 위한 의료기구일 수 있으며, 시술 또는 진단을 위하여 일시적으로 인체 내에 삽입될 수 있는 의료기기를 모두 포함한다.In the present invention, the human body implantable medical device refers to all human body implantable medical devices that are partially or entirely surgically or medically designed, and may be inserted into the human body even after the procedure to maintain life, and temporarily within the human body for treatment or diagnosis. Includes all medical devices that can be inserted.
특히 본 발명에서 인체 삽입형 의료기기는 자기장 내에서 자화가 이루어지는 자성체를 포함하게 되며, 예를 들어 초상자성/상자성체가 포함될 수 있다.In particular, in the present invention, the human body implantable medical device includes a magnetic material that is magnetized in a magnetic field, and for example, a superparamagnetic/paramagnetic material may be included.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 로봇 시스템의 일례를 나타낸 것이다.1 shows an example of a micro robot system according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 마이크로 로봇 구동 시스템은 마이크로 로봇(100)과; 상기 마이크로 로봇(100)를 구동시키기 위한 마이크로 로봇 구동장치(200)인 전자기장 구동 및 혈관조영 장치를 포함한다.As shown in Fig. 1, the micro-robot driving system of the present invention includes a micro-robot 100; It includes an electromagnetic field driving and angiography device, which is a
마이크로 로봇(마이크로/나노로봇)(100)은 임의 자화 방향을 갖도록 자석을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 마이크로 로봇(100)은 마이크로 로봇 구동장치(200)에 의해 발생된 자기장에 의해 회전 운동 및/또는 임의 방향으로의 운동이 이루어진다.The micro robot (micro/nano robot) 100 may be configured to include a magnet to have an arbitrary magnetization direction. The micro-robot 100 performs a rotational motion and/or a motion in an arbitrary direction by a magnetic field generated by the
이러한 마이크로 로봇(100)은 카메라 모듈이 추가되어 캡슐형 내시경으로 사용될 수 있으며, 회전 운동에 의해 혈관 내의 협착물을 제거하기 위한 병변 제거용 툴로써 이용될 수가 있다. The micro-robot 100 may be used as a capsule endoscope by adding a camera module, and may be used as a tool for removing a lesion to remove a constriction in a blood vessel by a rotational motion.
마이크로 로봇(100)은 로봇 본체를 포함하고, 더불어 위치정보 제공부, 구동부, 치료부, 로봇 제어부, 데이터 송수신부 및 무선전력 수신부 중 일부가 더 포함되어 구성될 수 있다.The micro-robot 100 may include a robot body, and may further include a location information providing unit, a driving unit, a treatment unit, a robot control unit, a data transmission/reception unit, and a wireless power receiving unit.
로봇 본체(110)는 마이크로 로봇의 외부를 규정하기 위한 부분으로써 피검체 내부 또는 혈관 내부에서 이동할 수 있는 크기로 제작될 수 있다. 또한, 로봇 본체(110)의 선두부는 혈류와 마찰이 작도록 유선형으로 제작될 수 있다. 또한, 로봇 본체(110)의 선두부에는 혈관 치료시에 발생하는 치료파편들을 포집하기 위한 파편포집기를 구비할 수 있다.The
위치정보 제공부(120)는 로봇 본체의 내부 일정부분에 구비되고 로봇 본체의 혈관 내부에서의 위치정보를 외부로 제공한다. 예를 들면, 위치정보 제공부(120)는 초음파를 발생하는 초음파 센서(IVUS:Intravascular ultrasound)로 구비되고, 마이크로 로봇이 혈관 내부로 투입되어 발생되는 초음파 영상과 기존의 수술전 영상(CT, MRI)을 통한 혈관 영상을 비교하여 마이크로 로봇의 위치를 외부로 제공할 수 있다.The location
구동부(130)는 로봇 본체의 일정부분 구비되고, 로봇 본체를 혈관 내부에서 이동하게 한다. 마이크로 로봇은 자기장에 의해 구동력을 전달받을 수 있다.The driving
치료부(140)는 로봇 본체의 일정부분에 구비되어 혈관 질환을 치료하는 부분으로써, 혈관 질환을 물리적으로 치료하는 마이크로 드릴, 혈관 질환을 화학적으로 치료하는 약물탱크 및 약물분사기, 혈관 치료시에 로봇 본체를 혈관 내부에서 고정하는 중심유지기 및 치료시에 발생하는 치료 파편을 포집하는 파편 포집기를 포함하여 이루어진다.The
한편, 본 발명의 일 실시예에서는 물리적인 치료방법으로서 마이크로 드릴을 로봇 본체의 선두부에 구비하였으나, 마이크로 드릴 이외에 메스, 집게 혹은 가위 등을 더 구비하여 물리적으로 혈관 질환을 치료할 수 있다.Meanwhile, in an embodiment of the present invention, a micro-drill is provided at the head of the robot body as a physical treatment method. However, in addition to the micro-drill, a scalpel, forceps, or scissors may be further provided to physically treat vascular disease.
또한, 약물탱크에 저장되는 약물은 예를 들면, 약물전달체, 약물전달체의 외부에 형성된 리간드 및 분해용 효소를 포함하여 CTO나 혈전을 타겟으로 하는 약물일 수 있다.In addition, the drug stored in the drug tank may be, for example, a drug that targets CTO or blood clots, including a drug delivery system, a ligand formed outside the drug delivery system, and an enzyme for degradation.
본 발명의 마이크로 로봇 구동장치(200)는 마이크로 로봇을 이동시킴과 동시에 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현할 수 있는 전자기장 구동 및 혈관조영 장치일 수 있다.The
이하에서는, 본 발명의 마이크로 로봇 구동장치(200)인 전자기장 구동 및 혈관조영 장치에 대해 자세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, an electromagnetic field driving and angiography apparatus, which is the
도 2는 본 발명의 일실시예로서, 전자기장 구동 및 혈관조영 장치를 통해 균일 자기장 평면을 갖는 3차원 자기장 맵을 생성하는 실시예를 나타낸 것이다.2 shows an embodiment of generating a three-dimensional magnetic field map having a uniform magnetic field plane through an electromagnetic field driving and angiography apparatus as an embodiment of the present invention.
도 2의 마이크로 로봇 구동장치(200)인 전자기장 구동 및 혈관조영 장치는 하나 또는 복수의 전자기 구동 코일모듈로 구성된 전자기 구동 코일부, 전자기 구동 코일모듈에 자화전류를 인가하여 유도 자기장을 발생시키게 되는 전원공급부 및 전자기 구동 코일부 및 전원 공급부를 제어하는 제어부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 전자기 구동 코일부는 구리선과 같은 코일이 감겨진 형태로 구성될 수 있다. 전자기 구동 코일부는 초상자성/상자성체를 포함하는 진단/치료용 마이크로 로봇을 구동하기 위해 특정 방향으로 자기장(H)의 경사자계(G)를 생성할 수 있다.The electromagnetic field driving and angiography device, which is the
도 2와 같이 전자기장 구동 및 혈관조영 장치로부터 체내의 마이크로 로봇을 구동시킴과 동시에 관심영역 내에 균일 자기장 평면을 갖는 3차원 자기장 맵을 생성할 수 있다.As shown in FIG. 2, it is possible to generate a three-dimensional magnetic field map having a uniform magnetic field plane in a region of interest while driving an in-body microrobot from an electromagnetic field driving and angiography apparatus.
여기서, 관심영역은 전자기장 구동 및 혈관조영 장치에 의해 발생한 자기장이 작용하여 이동되는 마이크로 로봇이 위치하는 영역과, 마이크로 로봇 주변 영역으로 정의할 수 있다. 또한, 3차원 자기장 맵은 마이크로 로봇의 위치를 표시하거나, 마이크로 로봇 주변의 혈관의 형상을 구현한 사진 또는 영상으로 정의할 수 있다.Here, the region of interest may be defined as an area in which the micro-robot is moved by an electromagnetic field driving and a magnetic field generated by the angiography device is positioned, and an area around the micro-robot. In addition, the 3D magnetic field map may be defined as a photograph or image in which the location of the microrobot is displayed or the shape of a blood vessel around the microrobot is implemented.
본 발명에서 상자성체는 비투자율이 1보다 약간 큰 것으로, 외부 자계에 의해서 매우 약한 자성을 나타내는 자성체로, 진공 중보다 약간 큰 투자율을 갖는 물질이다. 망간, 백금, 주석, 알루미늄 등이 상자성체에 속한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 초상자성은 외부 자기장이 없는 경우 열에너지에 의해 자기적 모멘트가 랜덤화되어 자기적 특성이 관찰되지 않는 반면, 외부 자기장이 가해지는 경우 자기적 모멘트가 일정한 방향으로 배열되어 강한 자기적 특성을 나타내는 것을 일컫는다.In the present invention, the paramagnetic material is a magnetic material having a relative magnetic permeability slightly greater than 1, exhibiting very weak magnetism by an external magnetic field, and is a material having a magnetic permeability slightly larger than that in a vacuum. Manganese, platinum, tin, and aluminum belong to paramagnetic materials. In addition, the superparamagnetism used in the present invention has a magnetic moment randomized by thermal energy when there is no external magnetic field, so that magnetic properties are not observed, whereas when an external magnetic field is applied, the magnetic moments are arranged in a certain direction. It refers to showing magnetic properties.
도 3은 본 발명의 일실시예로서, 자기장의 변화에 따른 초상자성/상자성체의 RF반사신호 특성을 나타낸 도면이다.3 is a diagram showing RF reflection signal characteristics of a superparamagnetic/paramagnetic material according to a change in a magnetic field according to an embodiment of the present invention.
도 3과 같이, 외부 자기장이 A0에서 A2로 증가하면서 초상자성/상자성체 자화크기도 상승한다. 또한, 초상자성/상자성체 자화크기(자화정도)에 따라 RF신호에 대한 초상자성/상자성체의 반사특성이 달라진다.As shown in FIG. 3, as the external magnetic field increases from A0 to A2, the superparamagnetic/paramagnetic magnetization size also increases. In addition, the reflection characteristics of the superparamagnetic/paramagnetic material with respect to the RF signal vary depending on the size of the superparamagnetic/paramagnetic material (magnetization degree).
보다 상세하게, 외부 자기장의 세기(Magnetizing Force)가 증가함에 따라, 초상자성/상자성체의 자화크기(Magnetic Flux Density)도 증가한다. 그러나, 외부 자기장의 세기에 정비례하여 초상자성/상자성체의 자화크기가 커지지 않는다. 자화 포화선 이상으로 외부 자기장이 커질 경우, 초상자성/상자성체의 자화크기는 조금의 상승폭을 가지고 커진다.More specifically, as the magnetizing force of the external magnetic field increases, the magnetic flux density of the superparamagnetic/paramagnetic material also increases. However, the magnetization size of the superparamagnetic/paramagnetic body does not increase in direct proportion to the strength of the external magnetic field. When the external magnetic field increases beyond the magnetization saturation line, the magnetization size of the superparamagnetic/paramagnetic material increases with a slight increase.
외부 자기장이 A0에서 A2로 증가하더라도 초상자성/상자성체의 RF반사신호는 주파수가 일정하다. Even if the external magnetic field increases from A0 to A2, the frequency of the RF reflected signal of superparamagnetic/paramagnetic material is constant.
외부 자기장이 A0에서 A2로 증가할 경우, RF반사신호의 주파수크기는 자화크기가 클수록 작아진다. 그리나, 자화 포화선 이상에서는 외부자기장의 크기가 커져도 자화크기에 변화가 극미하여 RF반사신호의 주파수크기에 거의 변화가 없다.When the external magnetic field increases from A0 to A2, the frequency amplitude of the RF reflected signal decreases as the magnetization size increases. However, above the magnetization saturation line, there is little change in the frequency size of the RF reflected signal because the change in the magnetization size is very slight even when the size of the external magnetic field increases.
도 4는 본 발명의 일실시예로서, 균일 자기장 평면과 RF반사신호 간 관계(매칭성)를 통해 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a method of recognizing a position of a microrobot and implementing a shape of a blood vessel through a relationship (matching property) between a uniform magnetic field plane and an RF reflected signal as an embodiment of the present invention.
전자기장 구동 및 혈관조영 장치는 특정 경사자계(G)를 유지하며 균일 자기장 평면(H2, H3, H4)의 자기장 값(H)을 시간에 따라 제어할 수 있다.The electromagnetic field driving and angiography apparatus maintains a specific gradient magnetic field (G) and can control the magnetic field value (H) of the uniform magnetic field planes (H2, H3, H4) over time.
초상자성/상자성체의 자화크기(A2, A3, A4)에 대응되는 도 4의 그림과 같이, 균일 자기장 평면의 최대자기장(H2, H3, H4)에 따라 자기장 가감 기울기가 다르며, 자화 포화선 보다 큰 자기장이 유지되는 시간도 다름을 알 수 있다.As shown in Fig. 4 corresponding to the superparamagnetic/paramagnetic magnetization size (A2, A3, A4), the magnetic field gradient is different according to the maximum magnetic field (H2, H3, H4) of the uniform magnetic field plane, and is larger than the magnetization saturation line. It can be seen that the time the magnetic field is maintained is also different.
자기장 가감의 기울기는 RF반사신호의 가감 기울기(K)와 대응되며, 서로 매칭되는 특성을 갖는다. 예를 들어, 자기장 가감의 기울기가 양수인 경우, RF반사신호의 가감 기울기는 음수이다. 반대로, 자기장 가감의 기울기가 음수인 경우, RF반사신호의 가감 기울기는 양수의 값을 갖는다.The slope of the magnetic field adjustment corresponds to the slope (K) of the RF reflection signal, and has characteristics that match each other. For example, if the slope of the magnetic field is positive, the slope of the RF reflected signal is negative. Conversely, when the slope of the magnetic field is negative, the slope of the RF reflected signal has a positive value.
자기장 유지시간(자화 포화선 보다 큰 자기장의 크기가 유지되는 시간)은 RF반사신호의 포화유지시간(최소전압 보다 큰 RF반사신호의 크기가 유지되는 시간, Ts)과 대응되며, 서로 매칭되는 유사한 특성을 갖는다. 예를 들어, 자기장 유지시간은 RF반사신호의 포화유지시간과 동일하거나 유사하다. 자기장의 크기가 자화 포화선에 다다를 때, RF반사신호의 크기는 최소전압과 동일하고, 자기장의 크기가 자화 포화선 보다 커질 때, RF반사신호의 크기는 최소전압과 동일하게 유지된다. 또한, 자기장의 크기가 자화 포화선 보다 작아질 때, RF반사신호의 크기는 최소전압 보다 커진다.The magnetic field retention time (the time that the magnitude of the magnetic field larger than the magnetization saturation line is maintained) corresponds to the saturation retention time of the RF reflected signal (the time that the magnitude of the RF reflection signal larger than the minimum voltage is maintained, Ts), and is similar to each other. Has characteristics. For example, the magnetic field retention time is the same as or similar to the saturation retention time of the RF reflected signal. When the magnitude of the magnetic field reaches the magnetization saturation line, the magnitude of the RF reflection signal is the same as the minimum voltage, and when the magnitude of the magnetic field becomes larger than the magnetization saturation line, the magnitude of the RF reflection signal remains the same as the minimum voltage. Also, when the magnitude of the magnetic field becomes smaller than the magnetization saturation line, the magnitude of the RF reflected signal becomes larger than the minimum voltage.
이러한 자기장 가감의 기울기와 RF반사신호의 가감 기울기 간 관계, 자기장 유지시간과 RF반사신호의 포화유지시간 간 관계에 따라, RF반사신호의 가감 기울기(K)와 포화유지시간(Ts)을 실시간으로 연산하여 와부자기장 신호와의 매칭성을 이용하여 균일 자기장 평면을 유도할 수 있다.According to the relationship between the slope of the magnetic field adjustment and the slope of the RF reflected signal, and the relationship between the magnetic field holding time and the saturation holding time of the RF reflected signal, the slope of the RF reflected signal (K) and the saturation holding time (Ts) are determined in real time. It is possible to induce a uniform magnetic field plane by calculating and using the matchability with the weak magnetic field signal.
도 5는 본 발명의 일실시예로서, 마이크로 로봇이 포함되는 관심영역(특정 자기장 영역)의 3차원 위치를 매칭하는 방법을 나타내는 도면이다.FIG. 5 is a diagram illustrating a method of matching a three-dimensional position of a region of interest (a specific magnetic field region) including a microrobot according to an embodiment of the present invention.
마이크로 로봇이 포함되는 관심영역(특정 자기장 영역)의 3차원 위치를 매칭하는 방법은 도 4에서 설명한 방법을 3차원적으로 확장하는 것으로 설명할 수 있다.The method of matching the three-dimensional position of the region of interest (a specific magnetic field region) including the micro-robot may be described as extending the method described in FIG. 4 in three dimensions.
예를 들어, 도 5와 같이 상호 직교하는 3가지 방향(a, b, c방향)에 대해서 도 4의 방법을 수행하면, 각 방향(a, b, c방향)에 대해 마이크로 로봇의 위치와 대응되는 균일 자기장 평면이 존재한다. 각 방향(a, b, c방향)에 대응되는 균일 자기장 평면을 이용하면(겹치면) 마이크로 로봇의 위치에 매칭되는 한 점 또는 영역이 생성되고, 이를 이용하여 3차원 자기장 맵을 생성할 수 있다.For example, if the method of FIG. 4 is performed for three directions (a, b, c directions) that are mutually orthogonal as shown in FIG. 5, the position of the microrobot corresponds to each direction (a, b, c direction). There is a uniform magnetic field plane. When a uniform magnetic field plane corresponding to each direction (a, b, c direction) is used (on an overlapping surface), a point or region matching the position of the microrobot is generated, and a 3D magnetic field map can be generated using this.
도 6은 본 발명의 일실시예로서, 전자기장 구동 및 혈관조영 장치를 마이크로 로봇을 구동하면서 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 실시예를 나타내는 도면이다.6 is a view showing an embodiment of recognizing the position of the micro-robot in real time and implementing the shape of a blood vessel while driving an electromagnetic field driving and angiography apparatus as an embodiment of the present invention.
도 6과 같이 초상자성/상자성체를 포함하는 마이크로 로봇을 구동하기 위해 요구방향에 대한 경사자계(G)를 인가하여 마이크로 로봇을 혈관을 통해 이동시킬 수 있다. 또한, 도 4와 도 5의 혈관조영방법을 이용하여 마이크로 로봇을 이동시킴과 동시에 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현할 수 있다.As shown in FIG. 6, in order to drive the microrobot including a superparamagnetic/paramagnetic material, a gradient magnetic field (G) in a required direction may be applied to move the microrobot through a blood vessel. In addition, by using the angiography method of FIGS. 4 and 5, it is possible to move the micro-robot, recognize the position of the micro-robot, and implement the shape of the blood vessel.
100 : 마이크로 로봇
110 : 로봇 본체
120 : 위치정보 제공부
130 : 구동부
140 : 치료부
200 : 마이크로 로봇 구동장치100: micro robot
110: robot body
120: location information provider
130: drive unit
140: treatment department
200: micro robot driving device
Claims (10)
상기 자화된 상자성체에 대한 RF반사신호 특성을 연산하는 단계;
상기 RF반사신호 특성을 이용하여 제 1방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하는 단계; 및
상기 제 1방향에 대응되는 균일 자기장을 이용하여 상기 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 단계를 포함하는, 전자기장 매핑기반 혈관조영방법.
Generating an electromagnetic field to magnetize a paramagnetic body in the microrobot;
Calculating characteristics of an RF reflection signal for the magnetized paramagnetic material;
Inducing a uniform magnetic field plane corresponding to a first direction by using the RF reflection signal characteristic; And
And recognizing the position of the micro-robot using a uniform magnetic field corresponding to the first direction and implementing a shape of a blood vessel.
상기 RF반사신호 특성은,
상기 RF반사신호의 가감 기울기 및 상기 RF반사신호의 포화유지시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기장 매핑기반 혈관조영방법.
The method of claim 1,
The RF reflected signal characteristics,
An electromagnetic field mapping-based angiography method comprising: a slope of the RF reflection signal and a saturation maintenance time of the RF reflection signal.
상기 RF반사신호 특성을 이용하여 제 1방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하는 단계는,
상기 상자성체의 RF반사신호 특성과 상기 균일 자기장 평면의 자기장 변화의 유사성을 이용하는 것을 특징으로 하는 전자기장 매핑기반 혈관조영방법.
The method of claim 1,
Inducing a uniform magnetic field plane corresponding to the first direction using the RF reflection signal characteristic,
An angiography method based on electromagnetic field mapping, characterized in that using the similarity between the characteristics of the RF reflection signal of the paramagnetic material and the magnetic field change in the uniform magnetic field plane.
상기 RF반사신호의 가감 기울기는 균일 자기장 평면에 대응되는 자기장 가감 기울기에 대응되고,
상기 RF반사신호의 포화유지시간은 균일 자기장 평면에 대응되는 자기장 유지시간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전자기장 매핑기반 혈관조영방법.
The method of claim 3,
The slope of the RF reflection signal corresponds to the slope of the magnetic field corresponding to the plane of the uniform magnetic field,
The saturation retention time of the RF reflection signal corresponds to a magnetic field retention time corresponding to a uniform magnetic field plane.
제 2방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하는 단계;
제 3방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하는 단계; 및
상기 제 1방향, 제 2방향 및 제 3방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 단계를 더 포함하되,
상기 제 1방향, 제 2방향 및 제 3방향은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는 전자기장 매핑기반 혈관조영방법.
The method of claim 1,
Inducing a uniform magnetic field plane corresponding to the second direction;
Inducing a uniform magnetic field plane corresponding to the third direction; And
Recognizing the position of the micro-robot using a uniform magnetic field plane corresponding to the first direction, the second direction, and the third direction and implementing the shape of the blood vessel, further comprising,
The electromagnetic field mapping-based angiography method, characterized in that the first direction, the second direction and the third direction are orthogonal to each other.
상기 자화된 상자성체에 대한 RF반사신호 특성을 연산하고, 상기 RF반사신호 특성을 이용하여 제 1방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하고, 상기 제 1방향에 대응되는 균일 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하는 제어부;
를 포함하는, 전자기장 구동 및 혈관조영 장치.
An electromagnetic driving coil unit for generating an electromagnetic field to magnetize a paramagnetic body in the microrobot;
Calculate the RF reflection signal characteristics of the magnetized paramagnetic body, induce a uniform magnetic field plane corresponding to the first direction using the RF reflection signal characteristics, and use the uniform magnetic field corresponding to the first direction of the microrobot. A control unit that recognizes a location and implements a shape of a blood vessel;
Containing, electromagnetic field driving and angiography device.
상기 RF반사신호 특성은,
상기 RF반사신호의 가감 기울기 및 상기 RF반사신호의 포화유지시간을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기장 구동 및 혈관조영 장치.
The method of claim 6,
The RF reflected signal characteristics,
An electromagnetic field driving and angiography apparatus comprising: a slope of the RF reflection signal and a saturation maintenance time of the RF reflection signal.
상기 제어부는 상기 RF반사신호 특성을 이용하여 제 1방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하기 위해
상기 상자성체의 RF반사신호 특성과 상기 균일 자기장 평면의 자기장 변화의 유사성을 이용하는 것을 특징으로 하는 전자기장 구동 및 혈관조영 장치.
The method of claim 6,
The control unit uses the RF reflection signal characteristics to induce a uniform magnetic field plane corresponding to the first direction.
An electromagnetic field driving and angiography apparatus, characterized in that using the similarity between the RF reflection signal characteristic of the paramagnetic material and the magnetic field change in the uniform magnetic field plane.
상기 RF반사신호의 가감 기울기는 균일 자기장 평면에 대응되는 자기장 가감 기울기에 대응되고,
상기 RF반사신호의 포화유지시간은 균일 자기장 평면에 대응되는 자기장 유지시간에 대응되는 것을 특징으로 하는 전자기장 구동 및 혈관조영 장치.
The method of claim 8,
The slope of the RF reflection signal corresponds to the slope of the magnetic field corresponding to the plane of the uniform magnetic field,
An electromagnetic field driving and angiography apparatus, characterized in that the saturation holding time of the RF reflection signal corresponds to a magnetic field holding time corresponding to a uniform magnetic field plane.
상기 제어부는,
제 2방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하고, 제 3방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 유도하고, 상기 제 1방향, 제 2방향 및 제 3방향에 대응되는 균일 자기장 평면을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하고 혈관의 형상을 구현하되,
상기 제 1방향, 제 2방향 및 제 3방향은 상호 직교하는 것을 특징으로 하는,
전자기장 구동 및 혈관조영 장치.The method of claim 6,
The control unit,
Induce a uniform magnetic field plane corresponding to the second direction, a uniform magnetic field plane corresponding to the third direction, and the uniform magnetic field plane corresponding to the first, second, and third directions of the microrobot. Recognize the location and implement the shape of the blood vessel,
The first, second and third directions are orthogonal to each other,
Electromagnetic field drive and angiography device.
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| Publication number | Publication date |
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| KR102239108B1 (en) | 2021-04-13 |
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