KR20240057873A - 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템 - Google Patents

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KR20240057873A
KR20240057873A KR1020220138615A KR20220138615A KR20240057873A KR 20240057873 A KR20240057873 A KR 20240057873A KR 1020220138615 A KR1020220138615 A KR 1020220138615A KR 20220138615 A KR20220138615 A KR 20220138615A KR 20240057873 A KR20240057873 A KR 20240057873A
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김성훈
지동민
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원광대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 방사선을 사용하지 않고 가이드 와이어에 설치된 나노 입자를 검출하여 로봇의 이동을 제어하면서 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 나노 입자를 포함하는 가이드 와이어 및 로봇을 포함하는 이동 모듈을 포함하는 가이드 와이어 장치, 가이드 와이어 장치와 간격을 두고 서로 직교하게 설치되는 제1 자기장 발생부재, 제2 자기장 발생부재 및 제3 자기장 발생부재를 포함하는 자기장 발생부 및 제3 자기장 발생부재 사이에 위치하도록 설치되는 가이드 와이어 제어부를 포함할 수 있다.

Description

표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템{MULTI MODE ELECTROMAGNETIC SYSTEM FOR TARGET MOVEMENT AND HEATING CONTROL}
본 발명은 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사선을 사용하지 않고 가이드 와이어에 설치된 나노 입자를 검출하여 로봇의 이동을 제어하면서 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템에 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.
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.
한편, 기관, 체강, 통로, 조직 등의 관찰 또는 치료를 위하여 최소로 절개하는 시술을 함에 있어 내시경, 카테터(catheter) 등과 같은 의료 기기들이 사용된다. 이러한 카테터 등의 의료 기기를 혈관 내 소정 위치로 안내하기 위해 가이드 와이어가 널리 사용되고 있다.
가이드 와이어는 해부학적으로 제한된 공간 내에서 사용되기 때문에 신체 내부에서 조향 가능하거나, 운용 가능한 것이 바람직하다. 이러한 가이드 와이어의 조향은 운용자가 신체 내의 가이드 와이어를 안내하고 가이드 와이어에 장착된 기구를 해부학적 지표(anatomical landmark)에 정확하게 위치시키는 것을 가능하게 한다.
종래에는 혈관 내에 삽입된 가이드 와이어의 위치를 추적하기 위해 엑스레이(X-ray) 또는 CT(Computed Tomography)를 이용하였으나, 엑스레이 또는 CT를 오랜 시간 지속적으로 사용할 경우 방사능에 지속적으로 노출되어 백내장, 피부암 등 여러 가지 생체 및 유전자적 상해를 입을 가능성이 발생하게 된다.
한국공개특허 제10-2022-0079875호(2022.06.14, 공개) 한국공개특허 제10-2021-0018654호(2021.02.18, 공개)
따라서 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명은 방사선을 사용하지 않고 가이드 와이어에 설치된 나노 입자를 검출하여 로봇의 이동을 제어하면서 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 자성 입자 이미지(MPI)로 가이드 와이어에 포함된 나노 입자를 인식하여 가이드 와이어의 현재 위치와 휨 정도를 센싱할 수 있는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 로봇을 발열시키기 위한 주파수와 로봇의 위치를 추적하기 위한 주파수를 하나의 코일에서 발생시킬 수 있어 복합적인 제어가 가능한 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템을 제공하는데 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 시스템은 나노 입자를 포함하는 가이드 와이어 및 가이드 와이어에 연결되고 로봇을 포함하는 이동 모듈을 포함하는 가이드 와이어 장치, 가이드 와이어 장치와 간격을 두고 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 위치하도록 설치되어 가이드 와이어 장치를 발열시키거나 가이드 와이어 장치의 위치를 추적하는 가이드 와이어 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 가이드 와이어는, 튜브, 튜브 내에 채워진 광경화성 폴리머 및 광경화성 폴리머 내에 일정 간격으로 배치된 나노 입자 마커를 포함할 수 있다.
또한, 이동 모듈은, 가이드 와이어와 연결되는 볼 조인트, 볼 조인트와 연결되고 로봇을 수용하며 내부에 원통형 슬롯이 형성된 이동 몸체 및 원통형 슬롯에 주입되는 나노 입자를 포함할 수 있다.
또한, 이동 몸체는, 볼 조인트를 수용하는 조인트 연결부, 조인트 연결부에서 연장되고 일단이 뾰족하게 형성된 몸체부 및 몸체부의 외주면에 형성되는 나사산부를 포함할 수 있다.
또한, 가이드 와이어 제어부는, 발열 및 위치 추적 코일과 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, 가이드 와이어 제어부는, 발열 및 위치 추적 코일에 인접하게 설치되는 자기장 수신 코일을 더 포함할 수 있다.
또한, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재에 둘러싸이고 가이드 와이어 제어부와 마주보게 설치되는 무자기장 발생 코일을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.
본 발명은 방사선을 사용하지 않고 가이드 와이어에 설치된 나노 입자를 검출하여 로봇의 이동을 제어하면서 로봇을 선택적으로 가열할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 자성 입자 이미지(MPI)로 가이드 와이어에 포함된 나노 입자를 인식하여 가이드 와이어의 현재 위치와 휨 정도를 센싱할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 로봇을 발열시키기 위한 주파수와 로봇의 위치를 추적하기 위한 주파수를 하나의 코일에서 발생시킬 수 있어 복합적인 제어가 가능한 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 일 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템을 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템의 가이드 와이어 장치의 일 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템의 가이드 와이어 장치의 다른 일 예를 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템의 가이드 와이어 장치의 타입에 따른 구동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템의 가이드 와이어 제어부를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템의 무자기장 발생 코일에서 생성하는 무자기장 영역을 설명하기 위한 도면이다.
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 시스템에 대하여 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템을 도시한 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템(1000)은, 가이드 와이어 장치(100), 자기장 발생부(200) 및 가이드 와이어 제어부(300)를 포함할 수 있다.
표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템(1000)은 가이드 와이어 장치(100)에 포함된 마이크로 로봇 또는 나노 로봇을 자기장 발생부(200)와 가이드 와이어 제어부(300)로 제어하여 병변 조직을 치료하기 위해 사용될 수 있다.
여기서 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 로봇과 나노 로봇을 통칭하여 로봇으로 기재하여 설명한다.
가이드 와이어 장치(100)는 최소침습 시술시 혈관 내부로 삽입될 수 있다. 가이드 와이어 장치(100)는 자기장 발생부(200)와 가이드 와이어 제어부(300)의 내부 공간에 위치할 수 있다.
가이드 와이어 장치(100)는 자기장 발생부(200)에서 발생하는 자기장에 의해 혈관 내에서 위치 이동할 수 있다. 또한, 가이드 와이어 장치(100)는 가이드 와이어 제어부(300)의 제어에 따라 발열할 수 있고, 가이드 와이어 제어부(300)에서 현재 위치를 추적할 수 있다.
구체적으로, 가이드 와이어 장치(100)는 도 2 및 도 3에 도시된 회전 자기장 타입과 도 4에 도시된 경사 자기장 타입으로 구분될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 회전 자기장 타입의 가이드 와이어 장치(100A)는 가이드 와이어(110a) 및 이동 모듈(120a)을 포함할 수 있다.
가이드 와이어(110a)는 가이드 와이어 제어부(300)에서 인식 가능한 나노 입자를 포함할 수 있다. 가이드 와이어(110a)는 튜브(111a), 광경화성 폴리머(112a) 및 나노 입자 마커(113a)를 포함할 수 있다.
튜브(111a)는 혈관 내부로 삽입되어 이동이 용이하도록 플렉시블한 실리콘으로 제작될 수 있다. 튜브(111a)는 내부가 중공으로 형성되고, 튜브(111a)의 중공에는 광경화성 폴리머(112a)와 나노 입자 마커(113a)가 위치할 수 있다.
광경화성 폴리머(112a)는 튜브(111a)내에 투입되고, 자외선 광이 조사되면 튜브(111a) 내에서 경화될 수 있다. 광경화성 폴리머(112a)에는 나노 입자 마커(113a)가 일정한 간격으로 배치될 수 있다.
나노 입자 마커(113a)는 광경화성 폴리머(112a) 내에 일정 간격으로 분산 배치될 수 있다. 나노 입자 마커(113a)는 드롭렛 방식으로 광경화성 폴리머(112a) 내에 투입될 수 있다. 여기서 나노 입자 마커(113a)는 가이드 와이어 제어부(300)에 의해 현재 위치가 인식될 수 있다.
한편, 가이드 와이어(110a)는 아래와 같은 과정을 통해 제작될 수 있다.
튜브(111a)의 중공에 연속상 용액으로 광경화성 폴리머(112a)를 투입하여 흘리고, 분산상 용액으로 나노 입자 용액을 투입하여 흘린다. 연속상 용액의 흐름에 의해 발생하는 항력으로 인해 나노 입자 용액이 일정한 간격과 일정한 크기로 단분산 되어 나노 입자 마커(113a)로 튜브(111a) 내에 위치하게 된다. 이후 자외선 광(UV Light)을 조사하여 튜브(111a) 내부에 있는 광경화성 폴리머(112a)를 경화시킨다. 경화된 광경화성 폴리머(112a)에 의해 나노 입자 마커(113a)가 튜브(111a) 내에서 일정 간격과 일정 크기를 유지할 수 있다.
가이드 와이어(110a)에는 이동 모듈(120a)이 연결될 수 있다.
이동 모듈(120a)은 가이드 와이어(110a)에 연결될 수 있다. 이동 모듈(120a)은 혈관 내에서 전진 또는 후진하여 가이드 와이어(110a)의 이동을 가이드할 수 있다. 예를 들어, 이동 모듈(120a)은 DLP(Digital Light Projector) 3D 프린터를 이용하여 제작될 수 있다.
이동 모듈(120a)은 볼 조인트(121a), 이동 몸체(122a), 로봇(123a) 및 나노 입자(124a)를 포함할 수 있다.
볼 조인트(121a)의 일단은 가이드 와이어(110a)에 연결되고, 타단은 이동 몸체(122a)에 연결될 수 있다. 볼 조인트(121a)는 이동 모듈(120a)의 조향 각도를 증가시킬 수 있다.
즉, 볼 조인트(121a)가 없을 경우 가이드 와이어(110a)의 조향은 연결된 가이드 와이어(110a)의 물리적 특성에 의존할 수밖에 없으나, 볼 조인트(121a)가 있는 경우 가이드 와이어(110a)의 조향은 가이드 와이어(110a)의 물리적 특성과 무관하게 볼 조인트(121a)의 최대 회전 각도까지 조향이 가능하다.
이동 몸체(122a)는 볼 조인트(121a)와 연결되고 로봇(123a)을 수용할 수 있다. 이동 몸체(122a)는 내부에 원통형 슬롯(1221a)이 형성되고, 원통형 슬롯(1221a)에 나노 입자(124a)가 주입될 수 있다.
이동 몸체(122a)는 자기장 발생부(200)에서 인가되는 자기장에 따라 내부에 수용된 로봇(123a)이 제어되어 이동 또는 회전할 수 있다. 이동 몸체(122a)는 조인트 연결부(1222a), 몸체부(1223a) 및 나사산부(1224a)를 포함할 수 있다.
조인트 연결부(1222a)는 볼 조인트(121a)를 수용할 수 있다. 조인트 연결부(1222a)의 내부에는 조인트 수용홈(12221a)이 형성되어 볼 조인트(121a)를 수용할 수 있다.
몸체부(1223a)는 조인트 연결부(1222a)에서 연장되고 일단이 뾰족하게 형성될 수 있다. 몸체부(1223a)는 일단이 뾰족하게 형성되어 혈관이 막혀 있는 경우 혈관을 뚫고 전진할 수 있다.
나사산부(1224a)는 몸체부(1223a)의 외주면에 형성될 수 있다. 이동 모듈(120a)은 자기장 발생부(200)에서 회전 자기장이 인가되어 로봇(123a)이 회전하면 나사산부(1224a)에 의해 회전하면서 전진할 수 있다.
한편, 자기장 발생부(200)에서 경사 자기장이 인가될 경우에는 이동 모듈(120a)의 나사산부(1224a)가 없어도 무관하나, 회전 자기장이 인가될 경우에는 이동 모듈(120a)의 외주면에 나사산부(1224a)가 형성되는 것이 바람직하며, 이에 따라 이동 모듈(120a)이 회전하여 추진력을 얻을 수 있다.
로봇(123a)은 마이크로 로봇 또는 나노 로봇이며, 자성을 띄고 있어 자기장 발생부(200)에서 인가되는 자기장에 따라 혈관 내에서 이동할 수 있다. 즉, 로봇(123a)은 자기장 발생부(200)에서 인가되는 자기장에 의해 이동 또는 회전하여 이동 모듈(120a)의 이동 방향과 회전 각도를 조절할 수 있다.
로봇(123a)은 극성 방향이 경 방향인 원통형 자석을 포함할 수 있다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 로봇(123a)에 포함된 원통형 자석은 경 방향으로 자기 배향될 수 있다.
로봇(123a)에 경 방향의 자석이 구비된 경우, 자기장 발생부(200)에서 경 방향의 자석으로 회전 자기장이 인가되어 로봇(123a)이 조향될 수 있다. 여기서 회전 자기장은 x축, y축 및 z축 코일(한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230))에서 발생하는 자기장의 벡터(Vector) 합을 통해 모든 방향으로의 일정한 자기장을 생성할 수 있다.
나노 입자(124a)는 이동 몸체(122a)에 형성된 원통형 슬롯(1221a)에 주입될 수 있다. 나노 입자(124a)는 가이드 와이어 제어부(300)에 의해 위치가 추적될 수 있다.
이에 따라 가이드 와이어 장치(100)는 나노 입자(124a)에 의해 이동 모듈(120a)의 위치가 인식 및 추적되고, 나노 입자 마커(113a)에 의해 가이드 와이어(110a)의 위치가 인식 및 추적될 수 있다.
도 4를 참조하면, 경사 자기장 타입의 가이드 와이어 장치(100B)는 가이드 와이어(110b) 및 이동 모듈(120b)을 포함할 수 있다.
가이드 와이어(110b)는 회전 자기장 타입의 가이드 와이어(110a)와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
경사 자기장 타입의 이동 모듈(120b)은 가이드 와이어(110b)에 연결될 수 있다. 이동 모듈(120b)은 혈관 내에서 전진 또는 후진하여 가이드 와이어(110b)의 이동을 가이드할 수 있다.
이동 모듈(120b)에는 로봇(121b)이 수용될 수 있다.
로봇(121b)은 마이크로 로봇 또는 나노 로봇이며, 자성을 띄고 있어 자기장 발생부(200)에서 인가되는 자기장에 따라 혈관 내에서 이동할 수 있다. 로봇(121b)은 극성 방향이 축 방향인 원통형 자석을 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 로봇(121b)에 포함된 원통형 자석은 축 방향으로 자기 배향될 수 있다.
로봇(121b)에 축 방향의 자석이 구비된 경우, 자기장 발생부(200)에서 축 방향의 자석으로 경사 자기장이 인가되어 로봇(121b)이 조향될 수 있다. 여기서 경사 자기장은 직선 형태의 일정한 자기장을 생성할 수 있다.
자기장 발생부(200)는 로봇(123a, 121b)의 로코모션(locomotion)을 제어하고, 로봇(123a, 121b)의 발열 온도를 제어하며, 복수의 로봇(123a, 121b) 중 특정 로봇(123a, 121b)만 선택적으로 발열하도록 발열 위치를 조절할 수 있다.
자기장 발생부(200)는 가이드 와이어 장치(100)와 간격을 두고 서로 직교하게 설치되는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)를 포함할 수 있다.
한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)는 헬름홀츠 코일일 수 있고, 각각 두 개의 동축 코일이 이격되어 설치될 수 있다.
한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)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(200)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에 인가되는 전류를 제어하는 로코모션 제어장치(미도시됨)를 더 포함할 수 있다.
한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210)는 x축을 축으로 하여 설치될 수 있다. 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210)는 로코모션 제어장치(미도시됨)의 제어에 따라 전류를 인가받아 균일 자기장을 발생시킬 수 있다.
한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220)는 y축을 축으로 하여 설치될 수 있다. 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210)에 수직하여 배치될 수 있다. 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220)는 로코모션 제어장치(미도시됨)의 제어에 따라 전류를 인가받아 균일 자기장을 발생시킬 수 있다.
한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)는 z축을 축으로 하여 설치될 수 있다. 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210)와 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 각각에 수직하여 배치될 수 있다. 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)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(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230) 각각에 전류를 인가하여 균일 자기장을 발생시키도록 할 수 있다.
이때 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230) 각각에서 발생되는 균일 자기장으로 인해 회전 자기장이 발생되고, 로봇(123a, 121b)은 회전 자기장에 동기화되어 추진력을 발생시킬 수 있다. 이 경우 로봇(123a, 121b)은 롤링 및 회전이 가능할 수 있다.
또한, 로코모션 제어장치(미도시됨)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210)와 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 각각에 전류를 인가하여 균일 자기장을 발생시키도록 하고, 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에 전류를 인가하여 직선 자기장을 발생시키도록 할 수 있다.
이때 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210) 및 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 각각에서 발생되는 균일 자기장과 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에서 발생되는 직선 자기장의 벡터 합으로 인해 경사 자기장이 발생되고, 로봇(123a, 121b)은 경사 자기장에 동기화되어 직선 이동할 수 있다.
또한, 로코모션 제어장치(미도시됨)는 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에만 전류를 인가하여 경사 자기장을 발생시키도록 할 수 있다. 이때 x축-y축 평면 상에 트래핑 포인트(Trapping Point, TP)가 형성되고, 로봇(123a, 121b)은 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에서 발생되는 경사 자기장과 자체적인 자기력에 의해 트래핑 포인트로 이동할 수 있다.
여기서, 트래핑 포인트는 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에서 발생되는 경사 자기장에 의해 생성되며, 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210) 및 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 각각에서 발생되는 균일 자기장에 의해 위치가 제어될 수 있다.
로봇(123a, 121b)이 복수인 경우, 복수의 로봇(123a, 121b)은 모두 트래핑 포인트 지점으로 이동하려고 하지만 자체적으로 발생되는 자기장에 의한 척력으로 일정한 간격을 유지할 수 있다. 이에 따라 트래핑 포인트를 이동시키면 일정한 간격으로 로봇(123a, 121b)의 군집 제어가 가능할 수 있다.
또한, 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에 인가되는 전류를 감소시키면 트래핑 포인트 지점으로 향하는 경사 자기장이 감소하여 복수의 로봇(123a, 121b)의 군집 형태가 척력에 의해 넓어지고, 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230)에 인가되는 전류를 증가시키면 트래핑 포인트 지점으로 향하는 경사 자기장이 증가하여 복수의 로봇(123a, 121b)의 군집 형태가 좁아질 수 있다.
즉, 자기장 발생부(200)는 로코모션 제어장치(미도시됨)에서 인가하는 전류에 따라 로봇(123a, 121b)의 회전 이동, 직선(평행) 이동 및 트래핑 포인트를 통한 이동을 제어할 수 있다.
자기장 발생부(200)는 한 쌍의 제1 자기장 발생부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230) 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 가이드 와이어 제어부(300)의 발열 및 위치 추적 코일(310)에 의해 로봇(123a, 121b)이 발열하는 경우 로봇(123a, 121b)의 발열 온도를 조절할 수 있다.
즉, 로봇(123a, 121b)은 정적 자기장이 없는 경우 최대 발열을 하고, 정적 자기장의 세기가 증가할수록 발열 온도가 낮아질 수 있다. 여기서 정적 자기장은 로봇(123a, 121b)의 정렬 상태를 제어할 수 있으며, 로봇(123a, 121b)은 정렬된 상태에서 발열 효율이 증대될 수 있다.
가이드 와이어 제어부(300)는 한 쌍의 제3 자기장 발생부재(230) 사이에 위치하도록 설치될 수 있다. 가이드 와이어 제어부(300)는 내측에 위치하는 가이드 와이어 장치(100)의 로봇(123a, 121b)을 발열시키거나, 위치를 추적할 수 있다.
가이드 와이어 제어부(300)는 발열 및 위치 추적 코일(310), 자기장 수신 코일(320) 및 발열 및 위치 추적 제어장치(330)를 포함할 수 있다.
도 8을 참조하면, 발열 및 위치 추적 코일(310)은 로봇(123a, 121b)의 발열을 위한 교류 자기장(Alternating Magnetic Fields, AMF) 발생용 코일의 기능과 로봇(123a, 121b)의 위치를 추적하기 위한 자성 입자 이미지(Magnetic Particle Image, MPI)용 코일의 기능을 모두 수행할 수 있다.
발열 및 위치 추적 코일(310)은 발열 및 위치 추적 제어장치(330)의 제어에 의해 로봇(123a, 121b)의 발열을 위한 발열 주파수를 발생시키거나 또는 로봇(123a, 121b)의 위치 추적을 위한 위치 추적 주파수를 발생시킬 수 있다.
여기서 발열 주파수는 200kHz일 수 있고, 발열 및 위치 추적 코일(310)의 중심에서 자기장의 세기가 최대 30kA/m까지 가능하도록 할 수 있다. 위치 추적 주파수는 20kHz일 수 있고, 발열 및 위치 추적 코일(310)의 중심에서 자기장의 세기가 최대 25kA/m까지 가능하도록 할 수 있다.
로봇(123a, 121b)은 발열 주파수의 발생에 따라 자기 모멘트의 회전(Neel), 물리적 회전(Brownian), 히스테리시스 손실(hysteresis loss) 등에 의해 발열할 수 있다.
또한, 로봇(123a, 121b)은 위치 추적 주파수의 발생에 따라 현재 위치에 대한 신호가 이하에서 설명할 자기장 수신 코일(320)로 전송될 수 있다.
자기장 수신 코일(320)은 발열 및 위치 추적 코일(310)에 인접하게 설치될 수 있다. 보다 구체적으로 자기장 수신 코일(320)은 발열 및 위치 추적 코일(310)의 내부에 설치될 수 있다.
자기장 수신 코일(310)은 발열 및 위치 추적 코일(310)에서 위치 추적 주파수를 발생시키면 로봇(123a, 121b)의 위치에 대한 신호를 수신할 수 있다. 즉, 자기장 수신 코일(310)은 로봇(123a, 121b)의 위치에 대한 신호를 수신하여 가이드 와이어 장치(100)의 위치를 추적할 수 있다.
발열 및 위치 추적 제어장치(330)는 발열 및 위치 추적 코일(310)에 전류를 인가하여 발열 주파수 또는 위치 추적 주파수 중 하나를 발생시킬 수 있다. 발열 및 위치 추적 제어장치(330)는 발열 공진부재(331) 및 위치 추적 공진부재(332)를 포함할 수 있다.
발열 공진부재(331) 및 위치 추적 공진부재(332)는 스위치(333)에 의해 서로 다른 시간에 작동될 수 있다. 즉, 발열 공진부재(331) 및 위치 추적 공진부재(332)는 같은 시간에 동시에 작동되지 않고 하나만 작동될 수 있다.
발열 공진부재(331)는 스위치(333)에 의해 온되면 발열 주파수를 발생시킬 수 있다. 발열 공진부재(331)는 200kHz 공진 회로일 수 있다.
위치 추적 공진부재(332)는 스위치(333)에 의해 온되면 위치 추적 주파수를 발생시킬 수 있다. 위치 추적 공진부재(332)는 20kHz 공진 회로일 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템(1000)은 자기장 발생부(200)에서 발생되는 자기장에 따라 로봇(123a, 121b)의 회전 이동, 직선(평행) 이동 및 트래핑 포인트를 통한 이동을 제어하여 로봇(123a, 121b)의 3차원 이동을 제어하고, 자기장 발생부(200)에서 발생되는 정적 자기장을 이용하여 발열 및 위치 추적 코일(310)에 의해 발열되는 로봇(123a, 121b)의 온도를 제어할 수 있다.
또한, 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템(1000)은 발열 주파수와 위치 추적 주파수를 하나의 발열 및 위치 추적 코일(310)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.
본 발명의 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템(1000)은 무자기장 발생 코일(400)을 더 포함할 수 있다.
무자기장 발생 코일(400)은 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(230)와 같은 축으로 하여 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(230)에 둘러싸이고 가이드 와이어 제어부(300)와 마주보게 설치될 수 있다.
즉, 무자기장 발생 코일(400)은 한 쌍으로 이루어지고, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(230)의 내측에서 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(230)와 동축인 z축을 축으로 하여 설치될 수 있다. 그리고 무자기장 발생 코일(400)의 내측에는 가이드 와이어 제어부(300)가 위치할 수 있다.
무자기장 발생 코일(400)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 9 참조).
즉, 무자기장 발생 코일(400)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(230)에서 발생하는 경사 자기장에 의해 가변될 수 있다. 무자기장 영역(FFP)의 면적은 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(230)에서 발생하는 경사 자기장이 클수록 감소하고, 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(230)에서 발생하는 경사 자기장이 작을수록 증가할 수 있다.
또한, 무자기장 영역(FFP)은 한 쌍의 제1 자기장 발생 부재(210) 및 한 쌍의 제2 자기장 발생 부재(220) 각각에서 발생하는 균일 자기장에 의해 위치가 변경될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 자성 입자 이미지(MPI) 기법을 이용한 로봇(123a, 121b)의 위치 추적은 다음과 같은 과정으로 이루어질 수 있다.
우선 발열 및 위치 추적 코일(310)에서 위치 추적 주파수 20kHz를 발생시키면, 무자기장 발생 코일(400)에서 무자기장 영역(FFP)을 생성하고 자기장 발생부(200)에 전류를 인가하여 정적 자기장을 생성하여 무자기장 영역(FFP)의 위치를 제어할 수 있다.
이후 자기장 발생부(200)에서 무자기장 영역(FFP)의 위치를 제어하면서 무자기장 영역(FFP)을 스캔하면 무자기장 영역(FFP)에 존재하는 로봇(123a, 121b)만 반응하여 위치 신호를 생성하고, 자기장 수신 코일(320)에서 로봇(123a, 121b)의 위치 신호를 수신하여 가이드 와이어 장치(100)의 위치를 검출할 수 있다.
본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템(1000)은 무자기장 발생 코일(400)을 통해 무자기장 영역(FFP)을 생성하고, 한 쌍의 제1 자기장 발생 부재(210), 한 쌍의 제2 자기장 발생 부재(220) 및 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재(230)를 이용하여 무자기장 영역(FFP)의 위치와 면적을 제어하여, 무자기장 영역(FFP) 내에 있는 로봇(123a, 121b)만 선택적으로 발열시킬 수 있다.
이에 따라 본 실시예에 따른 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템(1000)은 병변 위치에 대응하는 무자기장 영역(FFP)에 있는 로봇(123a, 121b)만 선택적으로 발열시킬 수 있어 종래의 열 치료(hypertherima) 방식에서 모든 로봇(123a, 121b)을 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.
1000: 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템
100: 가이드 와이어 장치 110: 가이드 와이어
120: 이동 모듈
200: 자기장 발생부 210: 한 쌍의 제1 자기장 발생부재
220: 한 쌍의 제2 자기장 발생부재 230: 한 쌍의 제3 자기장 발생부재
300: 가이드 와이어 제어부 310: 발열 및 위치 추적 코일
320: 자기장 수신 코일 330: 발열 및 위치 추적 제어장치
400: 무자기장 발생 코일

Claims (8)

  1. 나노 입자를 포함하는 가이드 와이어 및 상기 가이드 와이어에 연결되고 로봇을 포함하는 이동 모듈을 포함하는 가이드 와이어 장치;
    상기 가이드 와이어 장치와 간격을 두고 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 위치하도록 설치되어 상기 가이드 와이어 장치를 발열시키거나 상기 가이드 와이어 장치의 위치를 추적하는 가이드 와이어 제어부를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 와이어는,
    튜브, 상기 튜브 내에 채워진 광경화성 폴리머 및 상기 광경화성 폴리머 내에 일정 간격으로 배치된 나노 입자 마커를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이동 모듈은,
    상기 가이드 와이어와 연결되는 볼 조인트, 상기 볼 조인트와 연결되고 상기 로봇을 수용하며 내부에 원통형 슬롯이 형성된 이동 몸체 및 상기 원통형 슬롯에 주입되는 나노 입자를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 이동 몸체는,
    상기 볼 조인트를 수용하는 조인트 연결부, 상기 조인트 연결부에서 연장되고 일단이 뾰족하게 형성된 몸체부 및 상기 몸체부의 외주면에 형성되는 나사산부를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가이드 와이어 제어부는,
    발열 및 위치 추적 코일과 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 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발열 및 위치 추적 제어장치는,
    서로 다른 시간에 작동되고, 상기 발열 주파수를 발생시키는 발열 공진부재 및 상기 위치 추적 주파수를 발생시키는 위치 추적 공진부재를 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가이드 와이어 제어부는,
    상기 발열 및 위치 추적 코일에 인접하게 설치되는 자기장 수신 코일을 더 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제3 자기장 발생 부재에 둘러싸이고 상기 가이드 와이어 제어부와 마주보게 설치되는 무자기장 발생 코일을 더 포함하는 표적 이동 및 가열 제어 다중 모드 전자기 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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