KR20230081312A - 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 로봇의 이동을 제어하면서 마이크로 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치에 관한 것이다. 본 발명은 고정 프레임, 고정 프레임에 서로 직교하게 설치되는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재, 한 쌍의 제2 자기장 발생부재 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재를 포함하는 자기장 발생부 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재 사이에 위치되도록 고정 프레임에 설치되는 로봇 제어부를 포함할 수 있다.

Description

표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치{MULTI MODE ELECTROMAGNETIC APPARATUS FOR TARGET MOVEMENT AND HEATING CONTROL}
본 발명은 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 로봇의 이동을 제어하면서 마이크로 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치에 관한 것이다.
마이크로 로봇을 이용한 최소침습시술은 절개 부위를 최소화하여 환자의 고통을 줄일 수 있으며, 회복기간도 짧게 할 수 있는 수술방법으로 최근에 많은 연구가 진행되고 있다.
특히 외부 자기장을 이용하여 마이크로 로봇을 추진하거나 치료를 위한 구동장치에 대한 연구가 많이 진행되고 있으며, 대다수의 연구가 2차원 평면상에서 이루어지거나, 3차원 공간을 단순히 이동할 수 있는 연구가 주로 진행되었다.
일반적으로 회전자계를 이용한 전자기 마이크로 로봇의 구동 시스템은, 기본적인 전자석 같은 방향으로 전류가 흐르는 헬름홀츠 코일(Helmholtz Coil)의 쌍을 x축, y축, z축의 공간상에 수직하게 배치하게 된다.
이러한 헬름홀츠 코일은 균일한 자기장을 발생시키고 세 쌍의 수직한 배치와 전류 조절을 통하여 일정 방향으로 회전하는 자기장을 구현할 수 있어 내부에 축방향으로 수직하게 자화된 영구자석을 포함하고 있는 마이크로 로봇이 회전 자기장을 따라 회전하게 된다.
종래의 헬름홀츠 코일에 의해 이동이 제어되는 마이크로 로봇을 이용한 최소침습시술은 병변 조직 주변에 위치한 마이크로 로봇을 발열시켜 마이크로 로봇에 담지된 약물을 병변 조직에 도포하는 방식으로 진행되고 있다.
그러나, 종래의 마이크로 로봇을 이용한 최소침습시술은 복수의 마이크로 로봇에 대한 발열 지점을 선택할 수 없어 복수의 마이크로 로봇이 모두 발열함에 따라 정상 조직을 손상시키게 되고, 마이크로 로봇을 원하는 온도로 조절하거나 유지시킬 수 없는 문제점이 있다.
또한, 종래의 전자기 마이크로 로봇의 구동 시스템은 마이크로 로봇의 위치를 제어하는 로봇 제어 장치(예를 들어 헬름홀츠 코일), 마이크로 로봇을 발열시키는 열치료 장치 및 마이크로 로봇의 위치를 센싱하는 전자기 센싱 장치가 각각 독립적으로 구비되어, 전체 시스템 공간을 많이 차지하는 문제가 있다.
한국공개특허 제10-2021-0018654호(2021.02.18, 공개)
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 마이크로 로봇의 이동을 제어하면서 마이크로 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 마이크로 로봇을 발열시키기 위한 주파수와 마이크로 로봇의 위치를 추적하기 위한 주파수를 하나의 코일에서 발생시킬 수 있어 복합적인 제어가 가능한 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 마이크로 로봇의 위치를 검출하여 환자의 병변 위치를 추적하고 병변 위치에 대응하는 마이크로 로봇만 선택적으로 발열시켜 마이크로 로봇에 담지된 약물을 병변 위치에 정확하게 도포하여 병변 조직을 치료할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하에 서술되는 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치는 고정 프레임, 고정 프레임에 서로 직교하게 설치되는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재, 한 쌍의 제2 자기장 발생부재 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재를 포함하는 자기장 발생부 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재 사이에 위치되도록 고정 프레임에 설치되는 로봇 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 로봇 제어부는, 발열 및 위치 추적 코일 및 발열 및 위치 추적 코일에 발열 주파수 또는 위치 추적 주파수 중 하나를 발생시키는 발열 및 위치 추적 제어장치를 포함할 수 있다.
또한, 발열 및 위치 추적 제어장치는, 서로 다른 시간에 작동되고, 발열 주파수를 발생시키는 발열 공진부재 및 위치 추적 주파수를 발생시키는 위치 추적 공진부재를 포함할 수 있다.
또한, 로봇 제어부는, 발열 및 위치 추적 코일에 인접하게 설치되는 자기장 수신 코일을 더 포함할 수 있다.
또한, 제3 자기장 발생 부재에 둘러싸이고 로봇 제어부와 마주보게 고정 프레임에 설치되는 무자기장 발생 코일을 더 포함할 수 있다.
또한, 자기장 발생부는, 한 쌍의 제1 자기장 발생부재, 한 쌍의 제2 자기장 발생부재 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재 각각에 균일 자기장을 발생시키거나, 한 쌍의 제1 자기장 발생부재와 한 쌍의 제2 자기장 발생부재에 균일 자기장을 발생시키고 한 쌍의 제3 자기장 발생부재에 경사 자기장을 발생시키거나 또는 한 쌍의 제3 자기장 발생부재에만 경사 자기장을 발생시키는 로코모션 제어장치를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치는 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명은 마이크로 로봇의 이동을 제어하면서 마이크로 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 마이크로 로봇을 발열시키기 위한 주파수와 마이크로 로봇의 위치를 추적하기 위한 주파수를 하나의 코일에서 발생시킬 수 있어 복합적인 제어가 가능한 효과가 있다.
본 발명은 마이크로 로봇의 위치를 검출하여 환자의 병변 위치를 추적하고 병변 위치에 대응하는 마이크로 로봇만 선택적으로 발열시켜 마이크로 로봇에 담지된 약물을 병변 위치에 정확하게 도포하여 병변 조직을 치료할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 사시도이다.
도 2는 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 정면도이다.
도 4는 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 측면도이다.
도 5는 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 평면도이다.
도 6은 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치의 로봇 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치의 자기장 발생부에 의해 마이크로 로봇의 발열 온도가 제어된 상태를 설명하기 위할 실험 이미지이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 분해 사시도이다.
도 9는 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 정면도이다.
도 10은 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 측면도이다.
도 11은 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 평면도이다.
도 12는 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치의 무자기장 발생 코일에서 생성하는 무자기장 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치의 무자기장 발생 코일에서 생성하는 무자기장 영역의 면적을 설명하기 위한 이미지이다.
도 14는 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치의 무자기장 발생 코일에서 생성하는 무자기장 영역의 이동을 설명하기 위한 이미지이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하 본 발명의 실시예들에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치에 대하여 도 1 내지 도 14를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 사시도이고, 도 2는 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 정면도이고, 도 4는 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 측면도이고, 도 5는 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 평면도이며, 도 6은 도 1의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치의 로봇 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(100)는, 고정 프레임(110), 자기장 발생부(120) 및 로봇 제어부(130)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(100)는 마이크로 로봇 또는 나노 로봇을 제어하여 병변 조직을 치료하기 위해 사용될 수 있다. 마이크로 로봇 또는 나노 로봇은 병변 조직을 치료하기 위한 약물을 담지하고 있으며, 일정 온도 이상으로 발열하면 담지된 약물을 방출하여 병변 조직을 치료할 수 있다. 이하에서는 마이크로 로봇으로만 기재하여 설명하나 나노 로봇도 동일하게 제어할 수 있음은 자명하다.
고정 프레임(110)은 일정 면적과 일정 높이를 가지도록 형성될 수 있다. 고정 프레임(110)에는 자기장 발생부(120) 및 로봇 제어부(120)가 설치될 수 있다. 예를 들어, 고정 프레임(110)은 용접으로 자기장 발생부(120) 및 로봇 제어부(120)를 고정하거나, 볼트 및 너트와 같은 별도의 체결부재(미도시됨)를 통해 자기장 발생부(120) 및 로봇 제어부(120)를 고정할 수 있다.
일 실시예에서, 고정 프레임(110)은 설치 장소에 따라 높이 조절 가능하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 고정 프레임(110)은 높이 방향에 대해 텔레스코프(telescope) 방식으로 형성되고 리니어 모터에 연결되어 높이가 조절될 수 있다.
한편, 고정 프레임(110)은 도면에서 장방형으로 형성되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정하고자 하는 것은 아니며, 본 실세예에 따른 자기장 발생부(120) 및 로봇 제어부(120)가 설치될 수 있는 형상이라면 어떠한 것도 채택 가능하다.
자기장 발생부(120)는 고정 프레임(110)에 설치될 수 있다. 자기장 발생부(120)는 마이크로 로봇 또는 나노 로봇의 로코모션(locomotion)을 제어하고, 마이크로 로봇의 발열 온도를 제어하며, 복수의 마이크로 로봇 중 특정 마이크로 로봇만 선택적으로 발열하도록 발열 위치를 조절할 수 있다.
이러한 자기장 발생부(120)는 서로 직교하게 설치되는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)는 헬름홀츠 코일일 수 있고, 각각 두 개의 동축 코일이 그 반경만큼 이격되어 위치할 수 있다.
한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)는 각각 두 개의 동축 코일에 동일한 방향으로 같은 크기의 전류가 인가됨으로써 두 개의 동축 코일 사이에서 축방향으로 자기장을 형성할 수 있다.
또한, 자기장 발생부(120)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에 인가되는 전류를 제어하는 로코모션 제어장치(미도시됨)를 더 포함할 수 있다.
한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121)는 x축을 축으로 하여 고정 프레임(110)에 설치될 수 있다. 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121)는 로코모션 제어장치(미도시됨)의 제어에 따라 전류를 인가받아 균일 자기장을 발생시킬 수 있다.
한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122)는 y축을 축으로 하여 고정 프레임(110)에 설치될 수 있다. 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121)의 내측에 위치할 수 있다. 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122)는 로코모션 제어장치(미도시됨)의 제어에 따라 전류를 인가받아 균일 자기장을 발생시킬 수 있다.
한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)는 z축을 축으로 하여 고정 프레임(110)에 설치될 수 있다. 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)는 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122)의 내측에 위치할 수 있다. 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)는 로코모션 제어장치(미도시됨)의 제어에 따라 전류를 인가받아 균일 자기장 또는 경사 자기장을 발생시킬 수 있다.
로코모션 제어장치(미도시됨)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123) 각각에 전류를 인가하여 균일 자기장을 발생시키도록 할 수 있다.
이때 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123) 각각에서 발생되는 균일 자기장으로 인해 회전 자기장이 발생되고, 마이크로 로봇은 회전 자기장에 동기화되어 추진력을 발생시킬 수 있다. 이 경우 마이크로 로봇은 롤링 및 회전이 가능할 수 있다.
또한, 로코모션 제어장치(미도시됨)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121)와 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 각각에 전류를 인가하여 균일 자기장을 발생시키도록 하고, 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에 전류를 인가하여 경사 자기장을 발생시키도록 할 수 있다.
이때 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121) 및 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 각각에서 발생되는 균일 자기장과 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에서 발생되는 경사 자기장의 벡터 합으로 인해 직선 자기장이 발생되고, 마이크로 로봇은 직선 자기장에 동기화되어 직선 이동할 수 있다.
또한, 로코모션 제어장치(미도시됨)는 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에만 전류를 인가하여 경사 자기장을 발생시키도록 할 수 있다. 이때 x축-y축 평면 상에 트래핑 포인트(Trapping Point, TP)가 형성되고, 마이크로 로봇은 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에서 발생되는 경사 자기장과 자체적인 자기력에 의해 트래핑 포인트로 이동할 수 있다.
여기서, 트래핑 포인트는 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에서 발생되는 경사 자기장에 의해 생성되며, 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121) 및 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 각각에서 발생되는 균일 자기장에 의해 위치가 제어될 수 있다.
마이크로 로봇이 복수인 경우 복수의 마이크로 로봇은 모두 트래핑 포인트 지점으로 이동하려고 하지만 자체적으로 발생되는 자기장에 의한 척력으로 일정한 간격을 유지할 수 있다. 이에 따라 트래핑 포인트를 이동시키면 일정한 간격으로 마이크로 로봇의 군집 제어가 가능할 수 있다.
또한, 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에 인가되는 전류를 감소시키면 트래핑 포인트 지점으로 향하는 경사 자기장이 감소하여 복수의 마이크로 로봇의 군집 형태가 척력에 의해 넓어지고, 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123)에 인가되는 전류를 증가시키면 트래핑 포인트 지점으로 향하는 경사 자기장이 증가하여 복수의 마이크로 로봇의 군집 형태가 좁아질 수 있다.
즉, 자기장 발생부(120)는 로코모션 제어장치(미도시됨)에서 인가하는 전류에 따라 마이크로 로봇의 회전 이동, 직선(평행) 이동 및 트래핑 포인트를 통한 이동을 제어할 수 있다.
자기장 발생부(120)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(121), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(122) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123) 각각에 균일 자기장이 발생되는 경우 정적 자기장(Static Magnetic Fields, SMF)을 생성할 수 있다. 여기서 정적 자기장은 저주파 및 고주파 교류 자기장과 달리 시간이 지남에 따라 강도나 방향이 변하지 않는 일정한 자기장으로, 경사 자기장이 전혀 없는 상태이며 0Hz의 주파수일 수 있다.
또한, 정적 자기장은 이하에서 설명할 로봇 제어부(130)의 발열 및 위치 추적 코일(131)에 의해 마이크로 로봇이 발열하는 경우 마이크로 로봇의 발열 온도를 조절할 수 있다.
즉, 마이크로 로봇은 정적 자기장이 없는 경우 최대 발열을 하고, 정적 자기장의 세기가 증가할수록 발열 온도가 낮아질 수 있다. 여기서 정적 자기장은 마이크로 로봇의 정렬 상태를 제어할 수 있으며, 마이크로 로봇은 정렬된 상태에서 발열 효율이 증대될 수 있다.
도 7을 참조하면, 마이크로 로봇은 정적 자기장이 없는 경우(SMF=0kA/m)의 발열 온도와 정적 자기장이 일부 있는 경우(SMF=4kA/m)의 발열 온도와 정적 자기장이 큰 경우(SMF=8kA/m)의 발열 온도가 다르다는 것을 알 수 있다.
로봇 제어부(130)는 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(123) 사이에 위치되도록 고정 프레임(110)에 설치될 수 있다. 로봇 제어부(130)는 발열 및 위치 추적 코일(131), 자기장 수신 코일(132) 및 발열 및 위치 추적 제어장치(133)를 포함할 수 있다.
도 6을 참조하면, 발열 및 위치 추적 코일(131)은 마이크로 로봇의 발열을 위한 교류 자기장(Alternating Magnetic Fields, AMF) 발생용 코일의 기능과 마이크로 로봇의 위치를 추적하기 위한 자성 입자 이미지(Magnetic Particle Image, MPI)용 코일의 기능을 모두 수행할 수 있다.
발열 및 위치 추적 코일(131)은 발열 및 위치 추적 제어장치(133)의 제어에 의해 마이크로 로봇의 발열을 위한 발열 주파수를 발생시키거나 또는 마이크로 로봇의 위치 추적을 위한 위치 추적 주파수를 발생시킬 수 있다.
여기서 발열 주파수는 200kHz일 수 있고, 발열 및 위치 추적 코일(131)의 중심에서 자기장의 세기가 최대 30kA/m까지 가능하도록 할 수 있다. 위치 추적 주파수는 20kHz일 수 있고, 발열 및 위치 추적 코일(131)의 중심에서 자기장의 세기가 최대 25kA/m까지 가능하도록 할 수 있다.
마이크로 로봇은 발열 주파수의 발생에 따라 자기 모멘트의 회전(Neel), 물리적 회전(Brownian), 히스테리시스 손실(hysteresis loss) 등에 의해 발열할 수 있다.
마이크로 로봇은 위치 추적 주파수의 발생에 따라 현재 위치에 대한 신호가 이하에서 설명할 자기장 수신 코일(132)로 전송될 수 있다.
자기장 수신 코일(132)은 발열 및 위치 추적 코일(131)에 인접하게 설치될 수 있다. 보다 구체적으로 자기장 수신 코일(132)은 발열 및 위치 추적 코일(131)의 내부에 설치될 수 있다.
자기장 수신 코일(132)은 발열 및 위치 추적 코일(131)에서 위치 추적 주파수를 발생시키면 마이크로 로봇의 위치에 대한 신호를 수신할 수 있다.
발열 및 위치 추적 제어장치(133)는 발열 및 위치 추적 코일(131)에 전류를 인가하여 발열 주파수 또는 위치 추적 주파수 중 하나를 발생시킬 수 있다. 발열 및 위치 추적 제어장치(133)는 발열 공진부재(1331) 및 위치 추적 공진부재(1332)를 포함할 수 있다.
발열 공진부재(1331) 및 위치 추적 공진부재(1332)는 스위치(1333)에 의해 서로 다른 시간에 작동될 수 있다. 즉, 발열 공진부재(1331) 및 위치 추적 공진부재(1332)는 같은 시간에 동시에 작동되지 않고 하나만 작동될 수 있다.
발열 공진부재(1331)는 스위치(1333)에 의해 온되면 발열 주파수를 발생시킬 수 있다. 발열 공진부재(1331)는 200kHz 공진 회로일 수 있다.
위치 추적 공진부재(1332)는 스위치(1333)에 의해 온되면 위치 추적 주파수를 발생시킬 수 있다. 위치 추적 공진부재(1332)는 20kHz 공진 회로일 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(100)는 자기장 발생부(120)에서 발생되는 자기장에 따라 마이크로 로봇의 회전 이동, 직선(평행) 이동 및 트래핑 포인트를 통한 이동을 제어하여 마이크로 로봇의 3차원 이동을 제어하고, 자기장 발생부(120)에서 발생되는 정적 자기장을 이용하여 발열 및 위치 추적 코일(131)에 의해 발열되는 마이크로 로봇의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(100)는 발열 주파수와 위치 추적 주파수를 하나의 발열 및 위치 추적 코일(131)에서 발생시킬 수 있어, 발열 주파수를 발생시키는 코일과 위치 추적 주파수를 발생시키는 코일을 각각 구비하지 않아도 되므로 장치 자체의 크기를 줄일 수 있는 특징이 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 분해 사시도이고, 도 9는 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 정면도이고, 도 10은 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 측면도이며, 도 11은 도 8의 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치를 도시한 평면도이다.
도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(200)는, 고정 프레임(210), 자기장 발생부(220), 로봇 제어부(230) 및 무자기장 발생 코일(240)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 고정 프레임(210), 자기장 발생부(220) 및 무자기장 발생 코일(240)은 제1 실시예에 따른 고정 프레임(110), 자기장 발생부(120) 및 로봇 제어부(130)와 동일하므로, 이하에서 상이한 구성에 대해서만 설명한다.
무자기장 발생 코일(240)은 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에 둘러싸이고 로봇 제어부(230)와 마주보게 고정 프레임(210)에 설치될 수 있다. 즉, 무자기장 발생 코일(240)은 한 쌍으로 이루어지고, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)의 내측에 위치할 수 있다. 그리고 무자기장 발생 코일(240)의 내측에는 로봇 제어부(230)가 위치할 수 있다.
무자기장 발생 코일(240)은 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)와 동축인 z축을 축으로 하여 설치될 수 있다. 무자기장 발생 코일(240)은 한 쌍 각각에 반대 방향의 전류가 인가되고, 이에 따라 중심부에 자기장이 없는 영역인 무자기장 영역(Field Free Point, FFP)이 형성될 수 있다(도 12 참조). 무자기장 발생 코일(240)은 하나의 코일에 I1의 전류를 인가하고, 다른 하나의 코일에 -I1의 전류를 인가하여 무자기장 영역(FFP)을 생성할 수 있다.
여기서 무자기장 영역(FFP)의 면적은 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에서 발생하는 경사 자기장에 의해 가변될 수 있다. 무자기장 영역(FFP)의 면적은 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에서 발생하는 경사 자기장이 클수록 감소하고, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에서 발생하는 경사 자기장이 작을수록 증가할 수 있다.
또한, 무자기장 영역(FFP)은 한 쌍의 제1 자기장 발생 부재(221) 및 한 쌍의 제2 자기장 발생 부재(222) 각각에서 발생하는 균일 자기장에 의해 위치가 변경될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 자성 입자 이미지(MPI) 기법을 이용한 마이크로 로봇의 위치 추적은 다음과 같은 과정으로 이루어질 수 있다.
우선 발열 및 위치 추적 코일(231)에서 위치 추적 주파수 20kHz를 발생시키면, 무자기장 발생 코일(240)에서 무자기장 영역(FFP)을 생성하고 자기장 발생부(220)에 전류를 인가하여 정적 자기장을 생성하여 무자기장 영역(FFP)의 위치를 제어할 수 있다.
이후 자기장 발생부(220)에서 무자기장 영역(FFP)의 위치를 제어하면서 무자기장 영역(FFP)을 스캔하면 무자기장 영역(FFP)에 존재하는 마이크로 로봇만 반응하여 위치 신호를 생성하고, 자기장 수신 코일(232)에서 마이크로 로봇의 위치 신호를 수신하여 마이크로 로봇의 위치를 검출할 수 있다.
도 13을 참조하면, 무자기장 발생 코일(240)에 의해 무자기장 영역(FFP)이 생성된 상태에서, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에 전류를 인가하지 않아 경사 자기장이 형성되지 않은 경우(Im=0A)를 제1 무자기장 영역(FFP) 면적이라고 하고, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에 낮은 전류를 인가하여 경사 자기장이 형성된 경우(Im=20A)를 제2 무자기장 영역(FFP) 면적이라고 하며, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에 높은 전류를 인가하여 경사 자기장이 형성된 경우(Im=40A)를 제3 무자기장 영역(FFP) 면적이라고 하면, 제1 무자기장 영역(FFP) 면적보다 제2 무자기장 영역(FFP) 면적이 더 작아지고, 제2 무자기장 영역(FFP) 면적보다 제3 무자기장 영역(FFP) 면적이 더 작아진 것을 확인할 수 있다.
도 14를 참조하면, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)에 높은 전류를 인가하여 경사 자기장이 형성된 경우(Im=40A)에서 제3 무자기장 영역(FFP) 면적이 생성되면, 한 쌍의 제1 자기장 발생 부재(221)와 한 쌍의 제2 자기장 발생 부재(222) 각각에 균일 자기장(Bx=-7.5mT, By=7.5mT)을 발생시켜 제3 무자기장 영역(FFP)을 대각선 방향으로 이동시키거나, 한 쌍의 제1 자기장 발생 부재(221)에 균일 자기장(Bx=15mT)을 발생시켜 제3 무자기장 영역(FFP)을 x축 방향으로 이동시키거나, 한 쌍의 제2 자기장 발생 부재(222)에 균일 자기장(미도시됨)을 발생시켜 제3 무자기장 영역(FFP)을 y축 방향으로 이동시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(200)는 자기장 발생부(220)에서 발생되는 자기장에 따라 마이크로 로봇의 회전 이동, 직선(평행) 이동 및 트래핑 포인트를 통한 이동을 제어하여 마이크로 로봇의 3차원 이동을 제어하고, 자기장 발생부(220)에서 발생되는 정적 자기장을 이용하여 발열 및 위치 추적 코일(231)에 의해 발열되는 마이크로 로봇의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(200)는 발열 주파수와 위치 추적 주파수를 하나의 발열 및 위치 추적 코일(231)에서 발생시킬 수 있어, 발열 주파수를 발생시키는 코일과 위치 추적 주파수를 발생시키는 코일을 각각 구비하지 않아도 되므로 장치 자체의 크기를 줄일 수 있는 특징이 있다.
더불어, 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(200)는 무자기장 발생 코일(240)을 통해 무자기장 영역(FFP)을 생성하고, 한 쌍의 제1 자기장 발생 부재(221), 한 쌍의 제2 자기장 발생 부재(222) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(223)를 이용하여 무자기장 영역(FFP)의 위치와 면적을 제어하여, 무자기장 영역(FFP) 내에 있는 마이크로 로봇만 선택적으로 발열시킬 수 있다.
이에 따라 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치(200)는 병변 위치에 대응하는 무자기장 영역(FFP)에 있는 마이크로 로봇만 선택적으로 발열시킬 수 있어 종래의 열 치료(hypertherima) 방식에서 모든 마이크로 로봇을 발열시켜 정상 조직을 손상시키는 문제점을 개선할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 일 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100, 200: 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치
110, 210: 고정 프레임
120, 220: 자기장 발생부
130, 230: 로봇 제어부
240: 무자기장 발생 코일

Claims (6)

  1. 고정 프레임;
    상기 고정 프레임에 서로 직교하게 설치되는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재, 한 쌍의 제2 자기장 발생부재 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재를 포함하는 자기장 발생부; 및
    상기 한 쌍의 제3 자기장 발생부재 사이에 위치되도록 상기 고정 프레임에 설치되는 로봇 제어부를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 로봇 제어부는,
    발열 및 위치 추적 코일 및 상기 발열 및 위치 추적 코일에 발열 주파수 또는 위치 추적 주파수 중 하나를 발생시키는 발열 및 위치 추적 제어장치를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발열 및 위치 추적 제어장치는,
    서로 다른 시간에 작동되고, 발열 주파수를 발생시키는 발열 공진부재 및 위치 추적 주파수를 발생시키는 위치 추적 공진부재를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 로봇 제어부는,
    상기 발열 및 위치 추적 코일에 인접하게 설치되는 자기장 수신 코일을 더 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재에 둘러싸이고 상기 로봇 제어부와 마주보게 상기 고정 프레임에 설치되는 무자기장 발생 코일을 더 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 자기장 발생부는,
    상기 한 쌍의 제1 자기장 발생부재, 상기 한 쌍의 제2 자기장 발생부재 및 상기 한 쌍의 제3 자기장 발생부재 각각에 균일 자기장을 발생시키거나, 상기 한 쌍의 제1 자기장 발생부재와 상기 한 쌍의 제2 자기장 발생부재에 균일 자기장을 발생시키고 상기 한 쌍의 제3 자기장 발생부재에 경사 자기장을 발생시키거나 또는 상기 한 쌍의 제3 자기장 발생부재에만 경사 자기장을 발생시키는 로코모션 제어장치를 더 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 장치.
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