WO2019231088A1 - 기계적 혈전절제술을 위한 가이드-와이어 결합 나선형 마이크로로봇 시스템 - Google Patents

기계적 혈전절제술을 위한 가이드-와이어 결합 나선형 마이크로로봇 시스템 Download PDF

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김창세
박종오
최은표
강병전
응웬김티엔
고광준
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전남대학교 산학협력단
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    • A61M25/01—Introducing, guiding, advancing, emplacing or holding catheters
    • A61M25/09—Guide wires
    • A61M2025/09175—Guide wires having specific characteristics at the distal tip
    • A61M2025/09183—Guide wires having specific characteristics at the distal tip having tools at the distal tip

Definitions

  • the present invention relates to a guidewire coupled microrobot system for mechanical thrombectomy. More specifically, the present invention relates to a medical robot system consisting of a helical microrobot having a guide wire coupled to an end thereof, an electronic motor system for rapidly rotating the helical microrobot, and a real-time imaging device.
  • the present invention was made by the task number 2015M3D5A1065682 under the support of the Ministry of Science and Technology Information and Communication, the research management specialized agency of the task is the Korea Research Foundation, the research project name "New Market Creation Next Generation Medical Device Development Project”, the research title “External Control” Development of capsule and multifunctional module ", the lead institution is Chonnam National University Industry-Academic Cooperation Foundation, and the research period is from November 01, 2015 to October 31, 2018.
  • tissue plasminogen activator Treatment with tissue plasminogen activators is of limited time window after stroke and is less effective in large vessel treatment.
  • Advanced catheter such as Merck retriever with corkscrew distal wire or balloon catheterization, Solitaire stent retriever, and direct aspiration in mechanical thrombectomy Using the technique, the recanalization rate was faster and higher than before.
  • ENS electromagnetic navigation system
  • Self-steering guidewires are considered a promising approach due to the advantages of wireless operation, multi-angle free controllability, strong actuation force, changeability in size and shape, and low cost.
  • a magnetic helical microrobot capable of drilling and locomotion has been proposed by converting an applied electromagnetic torque into a propulsion force using a rotating magnetic field of an externally driven ENS.
  • This magnetic helical microrobot has even more advantages in eliminating blood clots in the blood vessels.
  • electromagnetic navigation system requires a high-frequency alternative electromagnetic field for the stable movement of the spiral microrobot and strong drilling force.
  • the high frequency of the input voltage greatly affects the coil impedance and the phase delay, thereby deteriorating the magnetic force and controllability. Also, in some cases, the input voltage required for the system exceeded the maximum available power, resulting in excessive power consumption.
  • a series of capacitors connected to coils capable of compensating frequencies up to 75 Hz without phase delay has also been proposed, but there are limitations of passive frequency switching in certain ranges.
  • the present invention proposes a feasible solution to the problems associated with the existing ENS, and at the same time, to provide a mechanical thrombectomy device mechanism applying the same.
  • the present inventors earnestly researched to develop a microrobot capable of stably manipulating and driving against a strong electromagnetic field and blood flow in mechanical thrombectomy using a robot.
  • the inventors have developed a prototype of a helical microrobot equipped with a freely rotatable spherical joint.
  • the inventors have implemented an improved electromagnetic navigation system (ENS) using high frequency operation based on the resonant effect in order to improve the puncturing force of the microrobot.
  • ENS electromagnetic navigation system
  • the microrobot system of the present invention is a medical robot system utilizing the spiral microrobot and the electromagnetic navigation system.
  • the inventors have completed the present invention by in vitro experiments that the electromagnetic navigation system successfully improves the kinetic and digging forces of the microrobot.
  • Another object of the present invention is to provide a control method of a microrobot by an electromagnetic actuation system.
  • One aspect of the present invention relates to an electromagnetic actuation system comprising the following configuration:
  • a triaxial Helmholtz coil comprising a pair of circular Helmholtz coils arranged in the x-axis space, a pair of square Helmholtz coils arranged in the y-axis space and a pair of rectangular Helmholtz coils arranged in the z-axis space coil;
  • the present inventors earnestly researched to develop a microrobot and its electronic driving system that can be stably operated and operated against a strong electromagnetic field and blood flow in mechanical thrombectomy using a robot.
  • the inventors have developed a prototype of a helical microrobot equipped with a freely rotatable spherical joint.
  • a spherical joint is connected with a guidewire for externally controlled.
  • the spiral microrobot of the present invention can remove calcified material through a drilling procedure in a blood vessel.
  • Guidewires assist and support the microrobot in the bloodstream during the thrombus removal process.
  • the inventors have invented an electromagnetic actuation system, which uses a high frequency operation based on a resonant effect to improve the puncturing force of the microrobot.
  • the electromagnetic drive system of the present invention includes a three-axis Helmholtz coil and a variable capacitor.
  • the three-axis Helmholtz coil comprises a pair of circular Helmholtz coils arranged in the x-axis space, a pair of square Helmholtz coils arranged in the y-axis space and a pair of square Helmholtz coils arranged in the z-axis space.
  • the rectangular Helmholtz coil is a square Helmholtz coil.
  • the electromagnetic drive system can be designed such that two pairs of square Helmholtz coils are placed inside the circular Helmholtz coil to maximize the region of interest (ROI).
  • ROI region of interest
  • the three-axis Helmholtz coil is a pair of rectangular Helmholtz coils are located inside a pair of circular Helmholtz coils, another pair of Helmholtz coils are located inside the pair of square Helmholtz coils (See FIG. 4B).
  • the variable capacitor is connected in series with each Helmholtz coil.
  • electromagnetic actuation (EMA) system may refer to a system that controls the three-dimensional movement and direction of the microrobot.
  • the electromagnetic drive system of the present invention includes a resonance control circuit and can generate a wide range of resonance frequencies with a maximum magnetic field and almost no phase delay.
  • the electromagnetic drive system of the present invention can maximize the magnetic field generation frequency by using a resonance control circuit.
  • the uniform magnetic field generated from the Helmholtz coil is rapidly rotated (using the high frequency of the coil) around the microrobot's movement planning path, and the propulsion generated by the rotation of the microrobot can be used to control the movement of the microrobot. Can be.
  • the resonant frequency range of the circular Helmholtz coil is 15 Hz-100 Hz
  • the resonant frequency range of the rectangular Helmholtz coil disposed in the y axis space is 25 Hz-135 Hz, and in the z axis space.
  • the resonant frequency range of the rectangular Helmholtz coil disposed at may be 40 Hz-370 Hz.
  • FIG. 5 shows a wide operating frequency range of the inventive electromagnetic drive system.
  • the controllable lowest-maximum resonant frequency ranges of CHCx, SHCy and SHCz shown in FIG. 5 are 16.58 Hz-100 Hz, 26.27 Hz-131.2 Hz, and 41.42 Hz-370 Hz, respectively.
  • the operating frequency of the ENS is controlled by the operator according to the degree of vascular calcification, thereby changing the cutting rotation torque.
  • the Helmholtz coil can generate a uniform magnet field that can rotate and propel the helical microrobot.
  • the Helmholtz coil of the present invention is a pair of circular Helmholtz coils disposed on the x-axis, y-axis or z-axis space, and rapidly rotates a uniform magnetic field generated in the Helmholtz coil of the present invention.
  • the high frequency of the coil can be used to generate the thrust force of the microrobot.
  • the Helmholtz coil generates a torque that aligns the microrobot in three-dimensional space to align the microrobot in an arbitrary direction, and generates a uniform magnetic field that changes the alignment direction to allow rotational movement.
  • the microrobot is moved by using the driving force generated by the rotation of the microrobot.
  • the three-axis Helmholtz coil of the present invention can generate a constant magnetic flux by the magnetizing current, and can generate a magnetic field in any direction on the three-dimensional by controlling the magnitude and direction of the magnetizing current of each coil have.
  • the electromagnetic drive system of the present invention can cancel the reactance of the electromagnetic coil by the variable capacitor selectively activated at the resonance frequency (fr) and deliver the maximum current at the resonance frequency (fr).
  • the impedance of the variable capacitor is adjusted to match the reactance of the electromagnetic coil, delivering maximum current with zero phase delay at the resonant frequency.
  • the electromagnetic drive system of the present invention may further include a switch for selectively activating the variable capacitor (see FIG. 4A).
  • the electromagnetic drive system of the present invention may further include a current amplifier for supplying current to each electromagnetic coil in response to a control command of the switch (see FIG. 4A).
  • Another aspect of the invention is directed to a method of controlling a microrobot comprising the following steps:
  • the control method of the microrobot of the present invention uses the above-described electromagnetic actuation system of the present invention, and the contents in common between the two are omitted in order to avoid excessive complexity of the present specification.
  • the microrobot is placed inside the electromagnetic drive system.
  • the microrobot may be moved into the electromagnetic drive system by a guidewire feeder located outside the electromagnetic drive system.
  • the microrobot is connected to a guidewire, which is connected to a guidewire feeder (see FIG. 1).
  • the microrobot is moved into the interior of the electromagnetic drive system by a guidewire feeder located outside the electromagnetic drive system, so that the body of the subject inside the electromagnetic drive system is moved.
  • a guidewire feeder located outside the electromagnetic drive system, so that the body of the subject inside the electromagnetic drive system is moved.
  • the subject is a mammal, including a human.
  • a current is applied to the electromagnetic drive system to generate an electromagnetic field by the three-axis Helmholtz coil.
  • a uniform magnetic field is generated by the triaxial Helmholtz coil.
  • the uniform magnetic field generates a torque to align the microrobot in three-dimensional space to align the microrobot in an arbitrary direction and change the alignment direction to allow rotational movement.
  • the resonance control circuit to maximize the magnetic field generation frequency it is possible to increase the driving force of the microrobot. That is, it rapidly rotates the uniform magnetic field generated by the Helmholtz coil around the microrobot's movement planning path (using the high frequency of the coil).
  • the propulsion force generated by the rotation of the microrobot can be used to control the movement of the microrobot.
  • the microrobot may include paramagnetic or ferromagnetic material.
  • a paramagnetic body is a material that is magnetized by an external magnetic field and is not magnetized when the external magnetic field is removed.
  • a ferromagnetic material means a material that is magnetized even without an external magnetic field.
  • the magnetic material inside the microrobot is magnetized by the electromagnetic field of the three-axis Helmholtz coil.
  • the microrobot may be controlled by controlling the magnitude and direction of the magnetization current of the magnetized microrobot.
  • the microrobot contains a ferromagnetic material (eg permanent magnet)
  • the microrobot can be controlled by controlling the magnitude and direction of the input current.
  • the electromagnetic drive system may be externally controlled remotely by a control system located in a separated space.
  • control system includes a monitor for real time observation of the microrobot; Signal generators and detectors (eg, X-ray generators and detectors); A processor for measuring magnetic field, impedance, and current generated from the electromagnetic drive system; High Voltage System for Signal Generator; Cooling System; Position recognition device for identifying the position of the micro robot; Or a control device for instructing current control of the 3-axis Helmholtz coil to control the trajectory of the microrobot based on the movement information of the robot detected by the position recognition device and the route information of the microrobot previously input. .
  • Signal generators and detectors eg, X-ray generators and detectors
  • a processor for measuring magnetic field, impedance, and current generated from the electromagnetic drive system
  • High Voltage System for Signal Generator Cooling System
  • Position recognition device for identifying the position of the micro robot
  • control device for instructing current control of the 3-axis Helmholtz coil to control the trajectory of the microrobot based on the movement information of the robot detected by the position recognition device and the route information
  • Another aspect of the invention relates to a medical microrobot system comprising the following configurations:
  • a microrobot body part 100 including a spiral head part 110, a rotatable spherical joint 120, and a magnetic body 130;
  • the inventors have implemented an improved electromagnetic navigation system (ENS) using high frequency operation based on the resonant effect in order to improve the puncturing force of the microrobot.
  • ENS electromagnetic navigation system
  • the microrobot system of the present invention is a medical robot system utilizing the spiral microrobot and the electromagnetic navigation system.
  • the present inventors have confirmed in vitro experiments that the electromagnetic navigation system can successfully improve the motion and excavation force of the microrobot, which can be applied as mechanical thrombectomy in cardiovascular treatment.
  • the medical microrobot system of the present invention is designed to improve occlusion, that is, obstructive diseases in which the blood vessels or the tubes forming the lumen are blocked.
  • the obstructive diseases include thrombosis, embolism, Thrombomboiitis obliterans, obstructive and stenotic cerebrovascular disease, obstructive and stenotic cardiovascular disease, peripheral vascular obstructive disease, and atherosclerosis It may be sclerosis, but is not limited thereto.
  • thrombosis is a disease in which blood clots are formed in blood vessels and obstruct blood flow.
  • Embolism is a disease in which substances from the circulatory system block blood vessels.
  • Thromboembolism refers to a case in which thrombosis and embolism are accompanied at the same time.
  • Obstructive thrombosis Thromboangiitis obliterans
  • Burger's disease is a vascular disease caused by the closure of blood vessels due to inflammation of small and medium diameter arteries that cause the flow of the arteries.
  • Obstructive and narrowing cerebrovascular diseases include cerebral infarction, stroke or Moyamoya disease.
  • Obstructive and narrowing cardiovascular diseases include angina or myocardial infarction.
  • Peripheral vascular obstructive disease is a disease caused by narrowing of blood vessels mainly due to atherosclerosis, which may cause damage to the function of organs that receive blood flow from the blood vessels, and lead to cutting and death.
  • Peripheral blood vessels refer to the arteries and veins that branch off the aorta, vena cava, and lymphatic vessels.
  • Atherosclerosis is a vascular disease in which atherosclerosis is formed, and is mainly caused by the deposition of cholesterol and the proliferation of endothelial cells in the endothelium covering the innermost part of blood vessels.
  • the inside of the atherosclerosis becomes thin like porridge, and its surrounding area is surrounded by a hard disk, a hard fibrous membrane. When the hard disk becomes unstable, it ruptures, creating a thrombus in the blood vessels.
  • CTO chronic total occlusion
  • a microrobot inserted into a blood vessel can be remotely operated in vitro to develop a system capable of tunneling the complete occlusion site by drilling or hammering.
  • the spiral microrobot of the present invention is designed to effectively perform puncture, steering and propulsion functions against strong blood flow in blood vessels.
  • the microrobot of the present invention includes a spiral head for performing drilling and rotating operations.
  • the helical head rotates using an external rotating magnetic field by an electromagnetic navigation system (ENS).
  • ENS electromagnetic navigation system
  • the tip of the microrobot body portion of the present invention may be equipped with a rotatable spherical joint or a ball joint (see FIG. 3A).
  • a tip of the microrobot main body of the present invention may be equipped with a revolute joint (1 degree of freedom).
  • the spherical joint or the rotating joint may be connected to a guidewire.
  • the guidewire is a magnetically steering guidewire controlled by an electromagnetic navigation system (ENS). Meanwhile, the guide wire may be connected to the guide wire feeder and manipulated.
  • ENS electromagnetic navigation system
  • Microrobots are so small that batteries or controls cannot be inserted inside.
  • an external electromagnetic coil system is used to drive the microrobot with the force of electromagnetic field.
  • a magnetic substance is mounted in the microrobot for driving the robot by electromagnetic force.
  • the magnetic material may be paramagnetic or ferromagnetic.
  • the magnetic material may be a permanent magnet or an electromagnet.
  • the electromagnets can be switched in magnetization direction and on / off of magnetization.
  • the magnetization orientation of the magnetic material may be appropriately set in consideration of the direction of the external electromagnetic field.
  • the magnetization direction of the magnetization direction of the magnetic body is perpendicular to the microrobot body axis. By the magnetic field applied from the outside, the magnetic material inside the microrobot can be aligned in the magnetic field direction to match the magnetization direction.
  • the microrobot of the present invention is capable of rotating, translational or drilling motion in a blood vessel.
  • the microrobot of the present invention may perform the rotational movement, the translational movement or the drilling movement at the same time or simultaneously.
  • the microrobot may simultaneously perform rotation or drilling movement during position movement (or translational movement).
  • Electromagnetic navigation system (ENS)
  • a resonant control circuit for driving and controlling the microrobot, (i) a resonant control circuit and (ii) an automatic pseudo-continuous capacitance switching method capable of maintaining a high current at a wide operating frequency.
  • an electromagnetic navigation system ENS
  • electromagnetic navigation system refers to a system for integrally controlling the microrobot and electromagnetic actuation system.
  • the electromagnetic navigation system generates a high frequency and an electromagnetic field to control the driving of the microrobot.
  • the magnetic material inside the microrobot interacts with the electromagnetic field generated by the electromagnetic navigation system to regulate the movement of the microrobot.
  • the electromagnetic navigation system herein includes an electromagnetic actuation (EMA) system that controls the three-dimensional movement and direction of the helical microrobot.
  • EMA electromagnetic actuation
  • the electromagnetic navigation system includes a monitor for real-time observation of the microrobot; Signal generators and detectors (eg, X-ray generators and detectors); A processor for measuring magnetic field, impedance, and current generated from the electromagnetic drive system; High Voltage System for Signal Generator; Or a cooling system.
  • Signal generators and detectors eg, X-ray generators and detectors
  • a processor for measuring magnetic field, impedance, and current generated from the electromagnetic drive system
  • High Voltage System for Signal Generator Or a cooling system.
  • an operator eg, a surgeon
  • the electromagnetic navigation system can use the electromagnetic navigation system to track the location of the microrobot in three-dimensional space or determine the location of the microrobot.
  • the term "electromagnetic actuation (EMA) system” refers to a system that controls the three-dimensional movement and orientation of a helical microrobot.
  • the electromagnetic drive system of the present invention includes a resonance control circuit and can generate a wide range of resonance frequencies with a maximum magnetic field and almost no phase delay.
  • 5 shows a wide operating frequency range of the inventive ENS.
  • the controllable lowest-maximum resonant frequency ranges of CHCx, SHCy and SHCz shown in FIG. 5 are 16.58 Hz-100 Hz, 26.27 Hz-131.2 Hz, and 41.42 Hz-370 Hz, respectively.
  • the operating frequency of the ENS is controlled by the operator according to the degree of vascular calcification, thereby changing the cutting rotation torque.
  • the electromagnetic drive system includes a magnetic field generator for generating a magnetic field in any direction in three dimensions.
  • the magnetic field generating unit is for generating a magnetic field to rotate the spiral microrobot or to perform translational movement in an arbitrary direction, and includes a uniform magnet field generation module and a gradient magnet field generation module.
  • the uniform magnetic field generating module generates a torque that aligns the microrobot in three-dimensional space to align the microrobot in an arbitrary direction, and generates a uniform magnetic field that changes the alignment direction to allow rotational motion.
  • the gradient magnetic field generating module generates a gradient magnetic field to propel the microrobot in a predetermined direction.
  • the magnetic field generating unit may be formed of a combination of various coils for generating a constant magnetic flux by the magnetizing current.
  • the magnetic field generator may include a Maxwell coil, a Helmholtz coil, a saddle coil, or a combination thereof. By controlling the magnitude and direction of the magnetizing current of each coil, a magnetic field can be generated in any direction in the three-dimensional phase.
  • the electronically driven system includes three pairs of air-core type electromagnetic coils (that is, three-axis Helmholtz coils) orthogonal to each other, each of which has a variable capacitor circuit. They are connected in series to form an electromagnetic actuator (EMA) circuit.
  • EMA electromagnetic actuator
  • a circular Helmholtz coil and a square Helmholtz coil may be used in the electromagnetic drive system.
  • the electromagnetic drive system may be designed such that two pairs of square Helmholtz coils are arranged inside the circular Helmholtz coil in order to maximize the region of interest (ROI).
  • ROI region of interest
  • the electromagnetic drive system includes a resonance control circuit in which two pairs of square Helmholtz coils are located inside a pair of circular Helmholtz coils.
  • the magnetic field required for driving can be generated according to the current value applied to each coil.
  • the microrobot of the invention is externally controlled by an electromagnetic actuation (EMA) system.
  • EMA electromagnetic actuation
  • External control means that the device (microrobot) is controlled by an operator outside the operating room, which can avoid X-rays or electromagnetic field exposure.
  • the microrobot of the present invention is driven by the force of the electromagnetic field generated by the electromagnetic coil of the electronic motor drive system. That is, the microrobot of the present invention is driven by the interaction between the electromagnetic field generated from the external electromagnetic coil and the magnetic material inside the microrobot.
  • the three-dimensional imaging system of the present invention is X-ray fluoroscopy, computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), PET / CT (positron) emission tomography-computed tomography, radioisotope imaging (RI), or ultrasonography (ultrasonography).
  • CT computed tomography
  • PET positron emission tomography
  • PET / CT positron emission tomography-computed tomography
  • RI radioisotope imaging
  • ultrasonography ultrasonography
  • X-ray fluoroscopy is for example monoplane X-ray fluoroscopy, bi-plane X-ray fluoroscopy or multi-directional X-ray fluoroscopy (multi-plane X-ray fluoroscopy).
  • the imaging system is a bi-plane X-ray fluoroscopy.
  • the imaging system comprises an X-ray fluoroscopy module for obtaining an image of a microrobot; And an image registration module for matching the image obtained from the X-ray fluoroscopy module with the image of a pre-photographed subject to track and display the position of the microrobot.
  • the medical microrobot system of the present invention may further include a suction device.
  • the spiral microrobot and the suction device of the present invention can be inserted through a catheter (see FIG. 7), and the thrombi crushed by the spiral microrobot is collected through the suction device and discharged to the outside.
  • the medical microrobot system of the present invention may further include a position recognition device for determining the position of the micro robot.
  • the medical microrobot system of the present invention is based on three axes to control the trajectory of the microrobot based on the motion information of the robot detected in the position recognition system and the route information of the microrobot previously input. It may further include a control unit for commanding the current control of the Helmholtz coil.
  • the present invention relates to a new guide-wired helical microrobot for mechanical thrombectomy applied to calcified thrombi. Specifically, the present invention relates to a resonant effect for improving the puncturing force of a microrobot.
  • the micro-robot system of the present invention can accurately tunnel the vascular occlusion site without damaging the vascular wall through the electromagnetic navigation system, and the recovery period after surgery is shortened due to the minimization of the invasive area, thereby improving the quality of life of the patient.
  • the electromagnetic navigation system of the present invention can be remotely steered outside the operating room, there is no risk of radiation exposure of the operator.
  • Microrobot system of the present invention has a wide range of applications, such as thrombosis, obstructive thrombosis due to vascular occlusion, cerebral infarction, stroke, angina or myocardial infarction, peripheral vascular obstructive disease or atherosclerosis.
  • Figure 1 shows the overall structure of the guidewire coupled spiral microrobot system of the present invention.
  • FIG. 2A shows the ENS system used in the present invention.
  • Figure 2b shows the ENS platform of the present invention using a bidirectional X-ray fluoroscopy method.
  • Figure 2c shows the intravascular tracking image of the spiral microrobot of the present invention.
  • Figure 3a shows the structural design of the microrobot.
  • 3B shows a 3D printed spiral microrobot.
  • the arrow in the F direction indicates the X-direction coordinate system of the microrobot.
  • the arrow at the microrobot tip indicates the Y-direction coordinate system.
  • R radius of the microrobot body
  • T rotation cycle
  • ⁇ angular velocity
  • 3C shows the movement coordinates of the helical microrobot with a constant rotating electromagnetic field.
  • ⁇ angle between the x-y plane and the magnet
  • ⁇ angle between the x axis and the magnet
  • u microrobot propulsion direction vector
  • n rotation direction vector
  • FIG. 4A shows a conceptual design diagram of an electromagnetic actuator circuit to which a resonance control system is applied.
  • Rp internal resistance
  • CHCx Round Helmholtz coil in x-direction
  • SHCy Square helmholtz coil in y-direction
  • SHCz Square helmholtz coil in z-direction.
  • FIG. 5 shows the maximum magnetic flux density and usable operating frequency range of the inventive ENS system with a series resonance control system.
  • FIG. 6A shows the movement and drilling movements in five branch phantoms (4 mm in diameter) as in-vitro experimental results of the guide-wire microrobot.
  • 6B shows the operation and drilling operation in the flow tube as an in-vitro experimental result of the guide-wire microrobot.
  • Fig. 7 schematically shows the guide-wire microrobot and the suction device of the present invention inserted through a catheter.
  • the system of the present invention is configured to include at least a helical microrobot, an electromagnetic navigation system (ENS) and an imaging system ( See FIG. 1).
  • ENS electromagnetic navigation system
  • imaging system See FIG. 1.
  • the microrobot is externally controlled by an electromagnetic actuation (EMA) system in the ENS.
  • EMA electromagnetic actuation
  • This system is controlled outside the operating room where the operator can avoid X-ray exposure.
  • the key components of the medical microrobot system of the present invention are as follows:
  • the robot must be helical or spiral for effective movement and puncturing within the vessels of the microrobot.
  • the size of the robot should be minimized to improve blood vessel insertion and mobility.
  • a small permanent magnet is placed inside the robot body to drive the microrobot externally using an electromagnetic navigation system (ENS) that provides sufficient force to realize external drive and drilling operations.
  • ENS electromagnetic navigation system
  • the magnetization direction of the helical microrobot which can design the control strategy of the ENS, is also important.
  • ENS utilizes a uniform magnet field and a gradient magnet field to produce torque that aligns the micro robot in three-dimensional space and forces to control and drive the micro robot. It plays an important role in generating the required magnetic field.
  • Tracking and recognizing the direction and position of the robot in the human body is an important issue in clinical applications. This is related to the target accuracy and endothelial control safety of microrobots in mechanical thrombectomy, and further to remote control applications. Since X-ray fluoroscopy is currently available in the operating room, the present invention also used an X-ray imaging system.
  • the MRI system can be used to recognize and manipulate objects.
  • control sequence collisions of control and monitoring appeared simultaneously, resulting in relatively small driving forces for driving the microrobot in the vessel.
  • the imaging system of the present invention was developed to have the ability to locate and detect the microrobot using bi-plane X-ray fluoroscopy through three-dimensional object reconstruction (FIGS. 2B and 2C). Reference).
  • FIG. 3A shows a helical microrobot structure
  • FIG. 3B shows a prototype of a helical microrobot made with a 3D printer (VeroClear-RGD810 from Stratasys).
  • the device of the invention is equipped with a rotatable spherical joint at the tip of the helical microrobot, which is connected to a guidewire.
  • Guide wire connection aims to support the microrobot against blood flow in the blood vessel.
  • the spherical joint allows the support guidewire to maintain the drilling operation without twisting.
  • the geometric parameters of the helical-head guidewires are summarized in Table 1 below.
  • the body size of the microrobot was minimized to be inserted into a commercially available arterial catheter. Permanent magnets are placed inside the body to control movement by interacting with the electromagnetic fields generated by the ENS. The magnetization direction of the tip is perpendicular to the body axis. The ball joint allows the 0.011 "super-elastic guidewire to be connected to the microrobot body. The guidewire length and the retraction motion are controlled by the guidewire feeder.
  • ENS uses three orthogonal pairs of air-core type electromagnetic coils:
  • Circular Helmholtz coil (CHCx)
  • the system's frame is designed to use non-conductive materials (Bakelite) to prevent eddy current effects and heat generation.
  • variable capacitor circuits consisting of various capacitors, relays, and switching circuits. Assuming that each coil is a simple RL circuit, as shown in FIG. 4A, a variable capacitor circuit is connected to each coil in series to form an RLC equivalent circuit. The output current I (s) of the RLC circuit is then calculated as follows:
  • Cv is designed as a variable capacitor that can match the resonant frequency of the coil system.
  • the capacitors are automatically switched to match the coil impedance and then change the capacitance to cancel out the inductor reactance.
  • the circuit will resonate at the following frequencies:
  • the controllable lowest-maximum resonant frequency ranges of CHCx, SHCy and SHCz are 16.58 Hz-100 Hz, 26.27 Hz-131.2 Hz, and 41.42 Hz-370 Hz, respectively.
  • the CHCx coil had the lowest maximum frequency of 100 Hz.
  • Coil systems require high voltages to maintain high coil currents because of their high inductance values.
  • the step-out frequency is directly related to the driving force of the microrobot.
  • the rotating magnetic field frequency was continuously increased until the microrobot speed decreased, and the input frequency was regarded as the limit frequency of the microrobot movement.
  • the step-out frequency of the robot without the resonance control system was about 50 Hz
  • the step-out frequency of the inventive ENS was 200 Hz, which is much higher than the previous system. Since the step-out frequency can be improved by 400%, the moving speed is improved by about 388% (As the input frequency increases, the speed of change of the magnetic field increases. Movement speed increases).
  • 3D printed phantoms were fabricated by mimicking the vascular environment for mechanical thrombectomy applications. Agar block regions at the ends of the desired portions to mimic obstacles in human blood vessels (formerly [F. Carpi et al., IEEE Trans. Biomed. Eng., Vol. 58, no. 0.5% agarose, 7 times harder than that.
  • the effect of the guide wire method on flow was evaluated in a water flow tube as in FIG. 6B.
  • the guide-wire coupled microrobot maintains its position during the drilling operation and can move freely back and forth without being affected by the flow of water. It can also move back and forth while drilling.
  • the use of a guide-wired helical microrobot and an improved ENS system demonstrated the usefulness of the new mechanical thrombus removal device.
  • a prototype of a spiral microrobot with a spherical joint connected to the guide wire was constructed, and the in vitro experiment confirmed the drilling and steering motion of the microrobot.
  • a resonance control system for generating high frequency and electromagnetic fields has been developed.
  • the ENS of the present invention can generate a wide range of resonant frequencies with a maximum magnetic field and almost no phase delay.
  • the present invention relates to a guidewire coupled microrobot system for mechanical thrombectomy. More specifically, the present invention relates to a medical robot system consisting of a helical microrobot having a guide wire coupled to an end thereof, an electronic motor system for rapidly rotating the helical microrobot, and a real-time imaging device.

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Abstract

본 발명은 혈관 내 석회화된 혈전을 효과적으로 제거할 수 있는 의료로봇 시스템에 관한 것이다. 본 발명에서는 석회화된 혈전에 적용되는 기계적 혈전제거술을 위한 새로운 가이드-와이어 헬리컬 마이크로로봇(guide-wired helical microrobot)을 제안한다. 또한, 마이크로로봇의 천공력을 향상시키기 위하여 공진 효과(resonant effect)에 기반한 고주파 동작(high frequency operation)을 이용하는, 전자기 네비게이션 시스템 (electromagnetic navigation system, ENS)을 제안한다. 본 발명의 마이크로 로봇 시스템은, 전자기 네비게이션 시스템을 통해 혈관벽의 손상없이 혈관 폐색 부위를 정확하게 터널링할 수 있다. 본 발명의 마이크로로봇 시스템은 혈전증뿐만 아니라, 혈관폐색에 의한 폐쇄성 혈전혈관염, 뇌경색, 뇌졸중, 협심증 또는 심근경색증, 말초혈관폐쇄성질환 또는 죽상경화증 등 응용분야가 넓다.

Description

기계적 혈전절제술을 위한 가이드-와이어 결합 나선형 마이크로로봇 시스템
본 발명은 기계적 혈전절제술(mechanical thrombectomy)을 위한 가이드와이어 결합형 마이크로로봇 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 끝 단에 가이드와이어가 결합된 나선형(helical) 마이크로로봇， 상기 나선형 마이크로로봇을 빠르게 회전시키기 위한 전자기구동시스템 및 실시간 영상장치로 구성된 의료 로봇 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 대한민국 과학기술정보통신부의 지원 하에서 과제번호 2015M3D5A1065682에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국연구재단, 연구사업명은 "신시장창조 차세대의료기기개발사업", 연구과제명은 "외부조종 캡슐 및 다기능 모듈 개발", 주관기관은 전남대학교 산학협력단, 연구기간은 2015. 11. 01 ~ 2018. 10. 31 이다.
본 특허출원은 2018년 5월 28일에 대한민국 특허청에 제출된 대한민국 특허출원 제 10-2018-0060669호에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 특허출원의 개시 사항은 본 명세서에 참조로서 삽입된다.
기계적 혈전절제술(mechanical thrombectomy)은 조직 플라스미노겐 활성제(tissue plasminogen activator, tPA)를 이용한 혈관 내 치료방법의 대안으로서 제안되었다. 조직 플라스미노겐 활성제를 이용한 치료방법은 뇌졸중 발생 후 치료가능시간이 제한적이고(restrictive time window), 대혈관 치료(large vessel treatment)에서 덜 효과적이다. 기계적 혈전절제술에서 나사형 원위 와이어(corkscrew distal wire) 또는 풍선카테터(balloon catheterization)가 있는 머시 리트리버(Merci retriever), 솔리테르 스텐트 리트리버(Solitaire stent retriever), 및 직접 흡입(direct aspiration)과 같은 첨단 카테터 기술을 이용한 결과, 혈관 재개통율(recanalization rate)이 이전보다 빠르고 더 높게 나타났다.
그러나, 이러한 장치를 이용하는 과정에서 환자의 상태 개선을 위해 매우 능숙한 조작자(operator)를 필요로 한다. 또한, 조작자가 X-선 모니터링 장치 하에서 직접 장치를 작동해야하기 때문에, 조작자의 방사선 노출과 관련된 위험이 있다.
이러한 문제점을 극복하고 원격 수술(remote operations)을 수행하기 위해, 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)에 의해 제어되는 자기 조향 가이드와이어(magnetically steering guidewire)가 개발되었다.
자기 조향 가이드와이어는 무선작동, 다각도 자유 제어가능성, 강력한 작동력, 크기 및 모양의 변경가능성 및 낮은 비용이라는 장점으로 인해 유망한 접근법으로 여겨지고 있다.
ENS를 사용하여 말단부에 작은 영구 자석이 장착된 가이드 와이어를 효과적으로 제어하기 위해 많은 연구가 수행되었다. 예를 들어, 혈전을 용해하기 위해 동력 공급 장치에 의한 가이드 와이어의 전방 및 후방 운동을 시도하였지만, 가이드 와이어의 낮은 강성(stiffness)으로 인해 혈전을 통과하는데 효과적이지 못했다.
따라서 외부에서 구동되는 ENS의 회전 자기장을 이용하여, 인가된 전자기 토크(electromagnetic torque)를 추진력으로 변환함으로써 천공(drilling) 및 이동(locomotion)이 가능한 자기 나선형 마이크로로봇(magnetic helical microrobot)이 제안되었다. 이 자기 나선형 마이크로로봇은 혈관 내 혈전 제거에 있어 더 많은 이점이 있다.
그러나 인 비보 실험결과, 빠른 혈류 내에서 나선형 마이크로로봇이 목표 구역으로 이동하고 천공과정에서 안정적으로 작동할 수 있도록 충분한 추진력과 천공력을 제공하는 것은 매우 어려웠다.
한편, 전자기 네비게이션 시스템 (electromagnetic navigation system, ENS)에서는 나선형 마이크로로봇의 안정적인 이동 및 강력한 천공력을 위한 고주파 대체 전자기장이 필요하다.
그러나, 종래의 ENS에서는, 입력 전압의 고주파가 코일 임피던스(coil impedance) 및 위상 지연(phase delay)에 크게 영향을 주어 자력 및 제어성을 악화시켰다. 또한, 경우에 따라서는 시스템에 필요한 입력 전압이 가용 최대 전력을 초과하여, 과도한 전력 소비를 초래하였다. 한편, 위상 지연없이 최대 75 Hz의 주파수를 보상할 수 있는 코일에 연결된 일련의 커패시터도 제안되었지만, 특정 범위에서 수동 주파수 스위칭의 한계가 있었다.
또한, 대부분의 선행 연구에서는 최대 전류가 증폭기 드라이버의 출력 전류의 능력에 의해 제한되어 보다 높은 전자기장 이용을 방해하였다. 결국, 기계적 혈전제거술을 위한 혈관 내 마이크로로봇의 성공적인 구현을 위해서는 강력한 전자기장과 혈류에 대해 안정적인 로봇 운동이 이루어져야 한다.
이에 본 발명에서는 기존 ENS와 관련된 문제에 대한 실현 가능한 해결책을 제시함과 동시에, 이를 적용한 기계적 혈전절제술 장치 메커니즘을 제공하고자 한다.
본 발명자들은 로봇을 이용한 기계적 혈전제거술에 있어, 강력한 전자기장과 혈류에 대항하여 조작 및 구동이 안정적으로 이루어질 수 있는 마이크로로봇(microrobot)을 개발하기 위하여 예의 연구 노력하였다.
그 결과, 본 발명자들은 자유롭게 회전가능한 구형 조인트(spherical joint)가 장착되어 있는 나선형 마이크로로봇(helical microrobot)의 프로토타입을 개발하였다.
한편, 본 발명자들은 마이크로로봇의 천공력을 향상시키기 위하여 공진 효과(resonant effect)에 기반한 고주파 동작(high frequency operation)을 이용하는, 개선된 전자기 네비게이션 시스템 (electromagnetic navigation system, ENS)을 구현하였다.
본 발명의 마이크로로봇 시스템은 상기 나선형 마이크로로봇 및 전자기 네비게이션 시스템을 활용한 의료로봇 시스템이다.
본 발명자들은 상기 전자기 네비게이션 시스템이 마이크로로봇의 운동력과 굴착력을 성공적으로 향상시키는 것을 인 비트로 실험으로 확인함으로써, 본 발명을 완성하게 되었다.
따라서, 본 발명의 목적은 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system)을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system)에 의한 마이크로로봇의 제어방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 석회화된 혈전 제거에 사용되는 의료용 마이크로로봇 시스템(medical microrobot system) 을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 양태는 다음의 구성을 포함하는 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system)에 관한 것이다:
(a) x 축 공간상에 배치된 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일, y축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일 및 z 축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일을 포함하는 3축 헬름홀츠 코일; 및
(b) 각각의 헬름홀츠 코일과 각각 직렬로 연결된 가변 커패시터.
본 발명자들은 로봇을 이용한 기계적 혈전제거술에 있어, 강력한 전자기장과 혈류에 대항하여 조작 및 구동이 안정적으로 이루어질 수 있는 마이크로로봇(microrobot) 및 이의 전자기구동시스템을 개발하기 위하여 예의 연구 노력하였다.
그 결과, 본 발명자들은 자유롭게 회전가능한 구형 조인트(spherical joint)가 장착되어 있는 나선형 마이크로로봇(helical microrobot)의 프로토타입을 개발하였다. 구형 조인트(spherical joint)에는 외부제어(externally controlled)를 위한 가이드와이어(guidewire)가 연결된다.
본 발명의 나선형 마이크로로봇은 혈관 내에서 천공작업(drilling procedure)을 통하여 석회화된 물질을 제거할 수 있다. 가이드와이어(guidewire)는 혈전 제거과정동안 혈류 속에서 마이크로로봇을 지지하고 조종하는 것을 돕는다.
한편, 본 발명자들은 마이크로로봇의 천공력을 향상시키기 위하여 공진 효과(resonant effect)에 기반한 고주파 동작(high frequency operation)을 이용하는, 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system)을 발명하였다.
이하, 본 발명의 나선형 마이크로로봇의 제어에 이용되는, 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system)에 대하여 상세히 설명한다.
I. 전자기 구동 시스템 (electromagnetic actuation system)
본 발명의 전자기 구동 시스템은 3축 헬름홀츠 코일 및 가변 커패시터를 포함한다.
3축 헬름홀츠 코일은 x 축 공간상에 배치된 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일, y축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일 및 z 축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일을 포함한다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 사각형 헬름홀츠 코일은 정사각형 헬름홀츠 코일이다.
전자기 구동시스템은 관심 영역(region of interest, ROI)을 최대화하기 위해 원형 헬름홀츠 코일 내부에 두 쌍의 정사각형 헬름홀츠 코일이 배치되도록 설계할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 3축 헬름홀츠 코일은 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일 내부에 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일이 위치하고, 상기 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일 내부에 또 다른 한 쌍의 헬름홀츠 코일이 위치할 수 있다(도 4b 참조). 한편, 가변 커패시터는 각각의 헬름홀츠 코일과 각각 직렬로 연결된다.
본 명세서에서, 용어 "전자기 구동(electromagnetic actuation, EMA) 시스템"은 마이크로로봇의 3차원 움직임 및 방향을 제어하는 시스템을 의미할 수 있다. 본 발명의 전자기 구동 시스템은 공진 제어 회로(resonance control circuit)를 포함하며, 최대 자기장을 가지고 거의 위상 지연이 없는 넓은 범위의 공진 주파수를 생성할 수 있다.
본 발명의 전자기 구동 시스템은 공진 제어 회로를 이용하여 자기장 발생 주파수를 최대화할 수 있다. 즉, 마이크로로봇의 이동 계획 경로를 중심축으로 헬름홀츠 코일에서 발생된 균일자기장을 빠르게 회전(코일의 높은 주파수 활용)시키고, 마이크로로봇의 회전에 의해 발생된 추진력을 이용하여 마이크로로봇의 이동을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 원형 헬름홀츠 코일의 공진 주파수 범위는 15 Hz - 100 Hz이고, y 축 공간상에 배치된 사각형 헬름홀츠 코일의 공진 주파수 범위는 25 Hz - 135 Hz이며, z 축 공간상에 배치된 사각형 헬름홀츠 코일의 공진 주파수 범위는 40 Hz - 370 Hz일 수 있다.
도 5는 본 발명 전자기 구동 시스템의 넓은 작동 주파수 범위를 보여준다. 도 5에서 나타난 CHCx, SHCy 및 SHCz의 제어 가능한 최저 - 최고 공진 주파수 범위는 각각 16.58 Hz - 100 Hz, 26.27 Hz - 131.2 Hz, 및 41.42 Hz - 370 Hz이다. ENS의 작동 주파수는 혈관 석회화 정도에 따라 사용자(operator)에 의해 제어되고, 이에 의해 절삭 회전 토크를 변화시킬 수 있다.
상기 헬름홀츠 코일은 나선형 마이크로로봇을 회전 및 추진시킬 수 있는 균일자기장(uniform magnet field)을 생성할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 헬름홀츠 코일은 x 축, y축 또는 z 축 공간상에 배치된 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일로서, 본 발명의 헬름홀츠 코일에서 발생된 균일자기장을 빠르게 회전(코일의 높은 주파수 활용)시킴으로써 마이크로로봇의 추진력을 발생시킬 수 있다.
상기 헬름홀츠 코일은 3 차원 공간에서 마이크로로봇을 정렬하는(align) 토크(torque)를 발생시켜 임의 방향으로 마이크로로봇을 정렬시키고, 회전 운동이 가능하도록 정렬방향을 바꾸는 균일 자기장을 발생시킨다. 한편, 마이크로로봇의 회전에 의해 발생된 추진력을 이용하여 마이크로로봇을 이동시킨다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 3축 헬름홀츠 코일은 자화 전류로 일정한 자속을 발생시킬 수 있으며, 각 코일의 자화 전류 크기와 방향을 제어하여 3차원 상의 임의 방향으로 자기장을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 전자기 구동 시스템은 공진 주파수(resonance frequency, fr)에서 선택적으로 활성화된 가변 커패시터에 의해 전자기 코일의 리액턴스를 상쇄시키고, 공진 주파수(resonance frequency, fr)에서 최대 전류를 전달할 수 있다. 공진주파수에서 가변 커패시터의 임피던스는 전자기 코일의 리액턴스와 일치하도록 조절되며, 공진 주파수에서 제로 위상 지연으로 최대 전류를 전달한다.
Figure PCTKR2019003320-appb-I000001
(L: 코일 인덕턴스, Cv: 가변 캐패시턴스)
본 발명의 전자기 구동 시스템은 가변 커패시터를 선택적으로 활성화하는 스위치를 추가적으로 포함할 수 있다(도 4a 참조).
본 발명의 전자기 구동 시스템은 스위치의 제어명령에 응답하여 각 전자기 코일로 전류를 공급하는 전류 증폭부(amplifier)를 추가적으로 포함할 수 있다(도 4a 참조).
II. 마이크로로봇 제어방법
본 발명의 다른 양태는 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 제어방법에 관한 것이다:
(a) 마이크로로봇을 전자기 구동 시스템의 내부에 위치시키는 단계;
(b) 상기 전자기 구동 시스템에 전류를 인가하여 3축 헬름홀츠 코일에 의한 전자기장을 발생시키는 단계; 및
(c) 상기 전자기장에 의해 자화된 마이크로로봇 또는 강자성체를 포함하는 마이크로로봇에 인가되는 전류 크기와 방향을 조정하여 마이크로로봇을 제어하는 단계.
본 발명의 마이크로로봇의 제어방법은 상술한 본 발명의 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system)을 이용하는 것으로서, 이 둘 사이에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여, 그 기재를 생략한다.
이하, 본 발명의 마이크로로봇 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.
단계 (a): 마이크로로봇을 전자기 구동 시스템의 내부에 위치시키는 단계
우선, 마이크로로봇을 전자기 구동 시스템의 내부에 위치시킨다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 마이크로로봇은 전자기 구동 시스템의 외부에 위치하는 가이드와이어 피더(guidewire)에 의해 전자기 구동 시스템의 내부로 이동할 수 있다. 마이크로로봇은 가이드와이어에 연결되고, 상기 가이드와이어는 가이드와이어 피더(guidewire)와 연결된다(도 1 참조).
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 마이크로로봇은 전자기 구동 시스템의 외부에 위치하는 가이드와이어 피더(guidewire)에 의해 전자기 구동 시스템의 내부로 이동하여, 전자기 구동 시스템의 내부에 있는 대상(subject)의 체내로 삽입될 수 있다. 예를 들면, 상기 대상은 인간을 포함한 포유동물이다.
단계 (b): 전자기 구동 시스템에 전류를 인가하여 전자기장을 발생시키는 단계
이어, 전자기 구동 시스템에 전류를 인가하여 3축 헬름홀츠 코일에 의한 전자기장을 발생시킨다. 전자기 구동 시스템에 전류를 인가하는 경우, 3축 헬름홀츠 코일에 의해 균일 자기장이 발생한다. 상기 균일자기장은 3 차원 공간에서 마이크로로봇을 정렬하는(align) 토크(torque)를 발생시켜 임의 방향으로 마이크로로봇을 정렬시키고, 회전 운동이 가능하도록 정렬방향을 바꾼다.
한편, 공진 제어 회로에 의해 자기장 발생 주파수를 최대화하여, 마이크로로봇의 추진력을 높일 수 있다. 즉, 마이크로로봇의 이동 계획 경로를 중심축으로 헬름홀츠 코일에서 발생된 균일자기장을 빠르게 회전(코일의 높은 주파수 활용)시킨다. 마이크로로봇의 회전에 의해 발생된 추진력을 이용하여 마이크로로봇의 이동을 제어할 수 있다.
단계 (c): 마이크로로봇에 인가되는 전류 크기와 방향을 제어하는 단계
마이크로로봇은 상자성체 또는 강자성체를 포함할 수 있다. 상자성체는 외부자기장에 의해 자화 되고 외부자기장이 제거되면 자화되지 않는 물질이며, 강자성체는 외부자기장이 없어도 자화 되어 있는 물질을 의미한다.
마이크로로봇이 상자성체를 포함하는 경우, 3축 헬름홀츠 코일의 전자기장에 의해 마이크로로봇의 내부에 있는 자성체가 자화(magnetization) 된다. 상기 자화된 마이크로로봇의 자화 전류 크기와 방향을 제어하여 마이크로로봇을 제어할 수 있다.
마이크로로봇이 강자성체(예를들면, 영구자석)를 포함하는 경우, 입력 전류 크기와 방향을 제어하여 마이크로로봇을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전자기 구동 시스템은 분리된 공간(separated space)에 위치한 제어시스템에 의해 원격으로 외부제어(externally controlled) 될 수 있다.
예를 들면, 상기 제어시스템은 마이크로로봇을 실시간 관찰하기 위한 모니터(monitor); 신호 발생기(generator) 및 검출기(detector) (예를 들어, X-선 발생기 및 검출기); 전자기 구동시스템으로부터 발생되는 자기장, 임피던스 및 전류를 측정하기 위한 프로세서; 신호 발생기를 위한 고전압 공급장치(High Voltage System); 냉각장치(Cooling System); 마이크로 로봇의 위치를 파악하기 위한 위치인식 장치; 또는 위치인식장치에서 검출된 로봇의 움직임 정보와 기 입력된 상기 마이크로로봇의 노선 정보를 기반으로, 마이크로로봇의 궤적을 제어하도록 3축 헬름홀츠 코일의 전류 제어를 명령하는 제어장치 등을 포함할 수 있다.
III. 의료용 마이크로로봇 시스템(medical microrobot system)
본 발명의 또 다른 양태는 다음의 구성을 포함하는 의료용 마이크로로봇 시스템(medical microrobot system)에 관한 것이다:
(a) 나선형 헤드부(110), 회전 가능한 구형 조인트(120) 및 자성체(130)를 포함하는 마이크로로봇 본체부(100);
(b) 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS) (200); 및
(c) 3차원 이미징 시스템(three-dimensional imaging system)(300).
한편, 본 발명자들은 마이크로로봇의 천공력을 향상시키기 위하여 공진 효과(resonant effect)에 기반한 고주파 동작(high frequency operation)을 이용하는, 개선된 전자기 네비게이션 시스템 (electromagnetic navigation system, ENS)을 구현하였다.
본 발명의 마이크로로봇 시스템은 상기 나선형 마이크로로봇 및 전자기 네비게이션 시스템을 활용한 의료로봇 시스템이다.
본 발명자들은 상기 전자기 네비게이션 시스템이 마이크로로봇의 운동력과 굴착력을 성공적으로 향상시켜, 심장 혈관 치료에서 기계적 혈전제거술로서 적용될 수 있음을 인 비트로 실험 결과로 확인하였다.
본 발명의 의료용 마이크로로봇 시스템은 폐색(occlusion), 즉 혈관이나 내강을 이루는 관이 막히는 폐색성 질환을 개선하기 위해 고안되었다.
예를 들어상기 폐색성 질환은 혈전증(thrombosis), 색전증(embolism), 폐쇄성 혈전혈관염(Thromboangiitis obliterans), 폐색성 및 협착성 뇌혈관 질환, 폐색성 및 협착성 심혈관 질환, 말초혈관폐쇄성질환, 및 죽상경화증인 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
혈전증은 (thrombosis) 혈관 내에 혈병(blood clot)이 형성되어 피의 흐름을 방해하는 질환이다.
색전증(embolism)은 순환계로부터 나온 물질이 혈관을 막는 질환이다. 혈전색전증은 혈전증과 색전증이 동시에 수반되는 경우를 말한다.
폐쇄성 혈전혈관염(Thromboangiitis obliterans) 또는 버거씨병(Buerger's disease)은 비교적 직경이 작은 중소 동맥에 염증이 생겨 동맥의 흐름 방해를 유발하는 질환으로 혈관이 폐쇄되어 초래되는 혈관 질환이다.
폐색성 및 협착성 뇌혈관 질환으로는 뇌경색, 뇌졸중 또는 모야모야병 (Moyamoya disease)이 있다.
폐색성 및 협착성 심혈관 질환으로는 협심증 또는 심근경색증 등이 있다.
말초혈관폐쇄성질환은 주로 죽상동맥경화로 인해 혈관이 협착되어 나타나는 질환으로서, 해당 혈관으로부터 혈류를 공급받는 장기의 기능에 손상이 생기고, 절단 및 사망에 이를 수 있다.
말초혈관은 대동맥, 대정맥에서 갈라지는 동맥과 정맥, 그리고 림프관을 의미한다.
한편, 죽상경화증은 죽종(atheroma)이 형성되는 혈관질환으로서, 주로 혈관의 가장 안쪽을 덮고 있는 내막(endothelium)에 콜레스테롤이 침착하고 내피세포의 증식이 일어난 결과 나타난다. 죽종 내부는 죽처럼 묽어지고 그 주변 부위는 단단한 섬유성 막인 경화반으로 둘러싸이게 되는데, 경화반이 불안정하게 되면 파열되어 혈관 내에 혈전(thrombus)이 생성된다.
현재까지 혈관폐색은 카테터를 이용해 치료하는 것이 주류를 이루고 있다. 그러나, 혈관이 혈전에 의해 완전히 폐색되는 경우(예를 들어, 만성완전폐색(CTO: Chronic Total Occlusion)에는, 카테터를 유도하는 가이드와이어를 삽입하는데 어려움이 있다.
이러한 카테터 시술의 어려움을 극복하고자, 혈관에 삽입되는 마이크로로봇을 체외에서 원격 조작하여, 드릴링(Drilling) 또는 해머링(Hammering)의 방법으로 완전폐색 부위를 터널링할 수 있는 시스템을 개발하였다.
이하, 본 발명의 의료용 마이크로로봇 시스템(medical microrobot system)에 대하여 상세히 설명한다.
1. 가이드와이어 결합된 나선형 마이크로로봇 (guide-wired helical microrobot) - 마이크로로봇 본체부(100)
본 발명의 나선형 마이크로로봇은 혈관 내 강한 혈류에 대항하여 천공, 조향 및 추진 기능을 효과적으로 수행할 수 있도록 설계되었다.
본 발명의 마이크로로봇은 드릴링(drilling) 및 회전(rotating) 동작을 수행하기 위한 나선형 헤드부(head)를 포함한다. 나선형 헤드부(head)는 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)에 의한 외부 회전 자기장을 이용하여 회전한다.
본 발명의 마이크로로봇 본체부의 말단(tip)에는 회전 가능한 구형 조인트(spherical joint) 또는 볼 조인트(ball joint) 가 장착될 수 있다(도 3a 참조). 또는, 본 발명의 마이크로로봇 본체부의 말단(tip)에는 회전 조인트(revolute joint, 1자유도)가 장착될 수 있다.
상기 구형 조인트 또는 회전 조인트는 가이드와이어(guidewire)에 연결될 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 가이드와이어는 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)에 의해 제어되는 자기 조향 가이드와이어(magnetically steering guidewire)이다. 한편, 가이드 와이어는 가이드 와이어 피더(feeder)에 연결되어 조종될 수 있다.
한편, 마이크로로봇은 매우 작으므로 내부에 배터리나 제어장치를 삽입 할 수 없다. 이러한 결점을 극복하기 위하여 외부에서 전자기 코일 시스템을 이용하여 전자기장의 힘으로 마이크로로봇을 구동시킨다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 마이크로로봇의 내부에는 전자기력(electromagnetic force)에 의한 로봇 구동을 위해 자성체(magnetic substance)가 장착된다. 상기 자성체는 상자성체 또는 강자성체일 수 있다. 예를 들어, 상기 자성체는 영구자석(permanent magnet) 또는 전자석(electromagnet)일 수 있다. 상기 전자석은 자화방향 전환 및 자기화의 온/오프가 가능하다.
상기 자성체의 자화방향(magnetization orientation)은 외부 전자기장의 방향을 고려하여 적절하게 설정할 수 있다. 본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 자성체의 자화방향의 자화방향은 마이크로로봇 본체 축에 직각이다. 외부에 서 인가되는 자기장에 의해 마이크로로봇 내부의 자성체는 자화방향과 일치하도록 자기장 방향으로 정렬될 수 있다.
본 발명의 마이크로로봇은 혈관 내에서 회전운동, 병진운동 또는 드릴링운동(drilling motion 또는 hammering motion)이 가능하다. 본 발명의 마이크로로봇은 상기 회전운동, 병진운동 또는 드릴링운동을 이시 또는 동시에 수행할 수 있다. 예를 들어, 상기 마이크로로로봇은 위치이동(또는 병진운동) 중에 회전 또는 드릴링 운동을 동시에 수행할 수 있다.
2. 전자기 네비게이션 시스템 (electromagnetic navigation system, ENS)
본 발명에서는 마이크로로봇의 구동 및 제어를 위해, (i) 공진 제어 회로(resonant control circuit) 및 (ii) 넓은 동작 주파수에서 고전류를 유지할 수 있는 자동 가연속 커패시턴스 스위칭 방법(automatic pseudo-continuous capacitance switching method)이 구현된, 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)을 제안한다.
이 시스템은 커패시턴스(capacitance)를 자연스럽게 전환하여 원하는 주파수로의 연속적인 주파수 이동을 가능하게 한다. 본 발명 실시예의 인 비트로 실험 결과는 실제 임상 응용을 위한 기계적 혈전제거술 시스템의 실현가능성을 보여준다.
본 명세서에서, 용어 "전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)"은 상기 마이크로로봇 및 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system)을 통합적으로 제어하는 시스템을 의미한다. 상기 전자기 네비게이션 시스템은 고주파(high frequency) 및 전자기장(electromagnetic field)을 발생하여 마이크로로봇의 구동을 조절할 수 있다. 마이크로로봇 내부의 자성체는 전자기 네비게이션 시스템에 의해 생성된 전자기장과 상호 작용하여 상기 마이크로로봇의 운동을 조절한다.
본 명세서에서 전자기 네비게이션 시스템은 나선형 마이크로로봇의 3차원 움직임 및 방향을 제어하는 전자기 구동(electromagnetic actuation, EMA) 시스템을 포함한다.
또한, 전자기 네비게이션 시스템은 마이크로로봇을 실시간 관찰하기 위한 모니터(monitor); 신호 발생기(generator) 및 검출기(detector) (예를 들어, X-선 발생기 및 검출기); 전자기 구동시스템으로부터 발생되는 자기장, 임피던스 및 전류를 측정하기 위한 프로세서; 신호 발생기를 위한 고전압 공급장치(High Voltage System); 또는 냉각장치(Cooling System) 등을 포함할 수 있다.
따라서, 조작자(예를 들어, 외과의사)는 상기 전자기 네비게이션 시스템을 이용하여, 3차원 공간에서의 마이크로로봇의 위치를 추적하거나, 마이크로로봇의 위치를 결정할 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "전자기 구동(electromagnetic actuation, EMA) 시스템"은 나선형 마이크로로봇의 3차원 움직임 및 방향을 제어하는 시스템을 의미한다. 본 발명의 전자기 구동 시스템은 공진 제어 회로(resonance control circuit)를 포함하며, 최대 자기장을 가지고 거의 위상 지연이 없는 넓은 범위의 공진 주파수를 생성할 수 있다. 도 5는 본 발명 ENS의 넓은 작동 주파수 범위를 보여준다. 도 5에서 나타난 CHCx, SHCy 및 SHCz의 제어 가능한 최저 - 최고 공진 주파수 범위는 각각 16.58 Hz - 100 Hz, 26.27 Hz - 131.2 Hz, 및 41.42 Hz - 370 Hz이다. ENS의 작동 주파수는 혈관 석회화 정도에 따라 사용자(operator)에 의해 제어되고, 이에 의해 절삭 회전 토크를 변화시킬 수 있다.
상기 전자기 구동 시스템은 3차원 상에서 임의 방향으로 자기장을 발생시키는 자기장 발생부를 포함한다.
상기 자기장 발생부는 나선형 마이크로로봇을 회전시키거나 임의 방향으로 병진운동이 이루어지도록 자기장을 발생시키기 위한 것으로, 균일자기장(uniform magnet field) 생성모듈과 경사자기장(gradient magnet field) 생성모듈을 포함한다.
균일자기장 생성모듈은 3 차원 공간에서 마이크로로봇을 정렬하는(align) 토크(torque)를 발생시켜 임의 방향으로 마이크로로봇을 정렬시키고, 회전 운동이 가능하도록 정렬방향을 바꾸는 균일 자기장을 발생시킨다. 경사자기장 생성모듈은 마이크로로봇을 일정 방향으로 추진시키기 위하여 경사 자기장을 발생시킨다.
상기 자기장 발생부는 자화 전류로 일정한 자속을 발생시키는 다양한 코일들의 조합으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 상기 자기장 발생부는 맥스웰 코일, 헬름홀츠 코일, 새들 코일 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 각 코일의 자화 전류 크기와 방향을 제어하여 3차원 상의 임의 방향으로 자기장을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전자기구동시스템은 서로 직교하는 3쌍의 공심형(air-core type) 전자기 코일(즉, 3축 헬름홀츠 코일)을 포함하며, 상기 코일에는 각각 가변 커패시터 회로가 직렬로 연결되어 전자기 구동(electromagnetic actuator, EMA) 회로를 구성한다.
본 발명의 특정 구현예에 따르면, 상기 전자기 구동시스템에는 원형 헬름홀츠(Helmholtz coil) 코일 및 사각형 헬름홀츠 코일이 사용될 수 있다. 특히, 상기 전자기 구동시스템은 관심 영역(region of interest, ROI)을 최대화하기 위해 원형 헬름홀츠 코일 내부에 두 쌍의 정사각형 헬름홀츠 코일이 배치되도록 설계할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 전자기 구동 시스템은 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일 내부에 두 쌍의 정사각형 헬름홀츠 코일이 위치하는 공진 제어 회로(resonance control circuit)를 포함한다. 각 코일에 인가되는 전류값에 따라 구동에 필요한 자기장을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 마이크로로봇은 전자기 구동(electromagnetic actuation, EMA) 시스템에 의해 외부 제어된다(externally controlled).
외부 제어란, X-선 또는 전자기장 노출을 피할 수 있는 수술실 외부에서 작동자(operator)에 의해 장치(마이크로로봇)가 제어됨을 의미한다.
본 발명의 마이크로로봇은 전자기구동시스템의 전자기 코일에서 발생하는 전자기장의 힘으로 구동된다. 즉, 본 발명의 마이크로로봇은 외부의 전자기 코일에서 발생하는 전자기장 및 마이크로로봇 내부의 자성체 간의 상호작용에 의해 구동된다.
3. 3차원 이미징 시스템 (three-dimensional imaging system)
상술한 나선형 마이크로로봇을 실시간 모니터링하기 위하여, 3차원 이미징 시스템을 사용한다.
본 발명의 3차원 이미징 시스템은 X-선 형광 투시장치(X-ray fluoroscopy), 컴퓨터 단층촬영장치(computed tomography, CT), 양전자방출단층촬영장치(positron emission tomography, PET), PET/CT (positron emission tomography-computed tomography), 방사성 동위원소 이미징 장치(radioisotope imaging, RI) 또는 초음파검사 장치(ultrasonography)를 포함할 수 있다.
X-선 형광 투시장치는 예를 들어, 단방향 X-선 형광투시장치(monoplane X-ray fluoroscopy), 양방향 X-선 형광 투시장치(bi-plane X-ray fluoroscopy) 또는 다방향 X-선 투시장치(multi-plane X-ray fluoroscopy)를 포함한다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 상기 이미징 시스템은 양방향 X-선 형광 투시장치(bi-plane X-ray fluoroscopy)이다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 상기 이미징 시스템은 마이크로로봇의 이미지를 얻기 위한 X-선 형광 투시모듈; 및 상기 X-선 형광 투시모듈로부터 얻은 이미지를 사전 촬영된 대상자(subject)의 이미지와 정합하여 상기 마이크로로봇의 위치를 추적하여 표시하는 이미지정합모듈로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 의료용 마이크로로봇 시스템은 흡입(suction) 장치를 추가적으로 포함할 수 있다. 예를 들면, 본 발명의 나선형 마이크로로봇과 흡입장치는 카테터를 통하여 삽입될 수 있으며(도 7 참조), 나선형 마이크로로봇에 의해 분쇄된 혈전은 흡입장치를 통해 수거되어 외부로 배출된다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 본 발명의 의료용 마이크로로봇 시스템은 마이크로 로봇의 위치를 파악하기 위한 위치인식 장치를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예에 따르면, 본 발명의 의료용 마이크로로봇 시스템은 위치인식 시스템에서 검출된 로봇의 움직임 정보와 기 입력된 상기 마이크로로봇의 노선 정보를 기반으로, 마이크로로봇의 궤적을 제어하도록 3축 헬름홀츠 코일의 전류 제어를 명령하는 제어부를 추가적으로 포함할 수 있다.
본 발명은 석회화된 혈전에 적용되는 기계적 혈전제거술을 위한 새로운 가이드-와이어 헬리컬 마이크로로봇(guide-wired helical microrobot)에 관한 것으로, 구체적으로, 마이크로로봇의 천공력을 향상시키기 위하여 공진 효과(resonant effect)에 기반한 고주파 동작(high frequency operation)을 이용하는 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)에 관한 것이다. 본 발명의 마이크로 로봇 시스템은, 전자기 네비게이션 시스템을 통해 혈관벽의 손상 없이 혈관 폐색 부위를 정확하게 터널링할 수 있으며, 침습부위의 최소화로 인해 수술 후 회복기간이 짧아 환자의 삶의 질이 향상된다. 또한, 본 발명의 전자기 네비게이션 시스템은 수술실 외부에서 원격 조향 가능하여, 조작자의 방사선 노출위험이 없다. 본 발명의 마이크로 로봇 시스템은 혈전증뿐만 아니라, 혈관폐색에 의한 폐쇄성 혈전혈관염, 뇌경색, 뇌졸중, 협심증 또는 심근경색증, 말초혈관폐쇄성질환 또는 죽상경화증 등 응용분야가 넓다.
도 1은 본 발명의 가이드와이어 결합된 나선형 마이크로로봇 시스템의 전체 구조를 나타낸다.
도 2a는 본 발명에서 사용된 ENS 시스템을 나타낸다.
도 2b는 양방향 X-선 형광투시방법을 이용하는 본 발명의 ENS 플랫폼을 나타낸다.
도 2c는 본 발명의 나선형 마이크로로봇의 혈관 내 추적 영상을 나타낸다.
도 3a는 마이크로로봇의 구조 설계도를 나타낸다.
도 3b는 3D 프린팅된 나선형 마이크로로봇을 나타낸다. F 방향의 화살표는 마이크로로봇의 X-방향 좌표계를 나타낸다. 마이크로로봇 말단(tip)의 화살표는 Y-방향 좌표계를 나타낸다.
R: 마이크로로봇 본체의 반경
2r: 나선 두께
λ: 나선 피치(pitch)
T: 회전주기, ω: 각속도
F: 추진력, u: 속도
도 3c는 일정 회전 전자기장을 가지는 나선형 마이크로로봇의 이동 좌표를 나타낸다.
α: x-y 평면과 자석 사이의 각도, θ: x 축과 자석 사이의 각도
u: 마이크로로봇 추진방향(진행방향) 벡터, n: 회전방향벡터
도 4a는 공진 제어 시스템이 적용된 전자기 구동 회로(electromagnetic actuator circuit)의 개념설계도를 나타낸다. Rp: 내부 저항
도 4b는 본 발명의 전자기 구동 회로에 포함된 전자기 코일의 일 실시예이다. CHCx: x- 방향 원형 헬름홀츠(Helmholtz coil) 코일, SHCy: y- 방향 사각 헬름홀츠 코일, SHCz: z- 방향 사각 헬름홀츠 코일.
도 5는 직렬 공진 제어 시스템을 갖춘 본 발명 ENS 시스템의 최대 자속 밀도 및 사용 가능한 작동 주파수 범위를 나타낸다.
도 6a는 가이드-와이어 마이크로로봇의 인 비트로 실험결과로서, 5 개 브랜치 팬텀 (직경 4 mm)에서의 이동 및 드릴링 동작을 나타낸다.
도 6b는 가이드-와이어 마이크로로봇의 인 비트로 실험결과로서, 유동 튜브에서의 작동 및 드릴링 동작을 나타낸다.
도 7은 카테터를 통해 삽입된, 본 발명의 가이드-와이어 마이크로로봇과 흡입(suction) 장치를 모식적으로 나타낸 것이다.
이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명할 것이다.
실시예
I. 본 발명의 시스템 개요(overview)
실제적으로 완전제어 가능한 마이크로로봇이라는 관점에서 볼 때, 본 발명의 시스템은 적어도 나선형 마이크로로봇(helical microrobot), 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS) 및 이미징시스템(imaging system)을 포함하도록 구성된다(도 1 참조).
마이크로로봇은 ENS내의 전자기 구동(electromagnetic actuation, EMA) 시스템에 의해 외부 제어된다. 한편 이러한 시스템은 작동자(operator)가 X-선 노출을 피할 수 있는 수술실 외부에서 제어된다. 본 발명의 의료용 마이크로로봇 시스템의 핵심 구성요소는 다음과 같다:
A. 혈관 내 드릴링(drilling) 작업을 위한 나선형 마이크로로봇
마이크로 로봇의 혈관 내에서의 효과적인 이동 및 천공을 위해서는 로봇이 나선형(helical or spiral)이어야 한다. 로봇의 크기는 혈관 삽입 및 이동성 향상을 위해 최소화되어야 한다.
외부적 구동 및 드릴링 동작을 실현하기 위한 충분한 힘을 제공하는 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)을 이용하여 마이크로로봇을 외부적으로 구동하기 위해, 작은 크기의 영구 자석이 로봇 본체 내부에 배치된다.
ENS의 제어 전략을 디자인할 수 있는 나선형 마이크로로봇의 자화방향(magnetization direction) 또한 중요하다.
B. 외부작동을 위한 전자기 네비게이션 시스템 (electromagnetic navigation system, ENS)
ENS는 균일 자기장(uniform magnet field)과 경사 자기장(gradient magnet field)을 활용하여, 3 차원 공간에서 마이크로 로봇을 정렬하는(align) 토크(torque) 및 마이크로 로봇을 조종하고 구동하는 힘을 생산하는 데 필요한 자기장을 생성하는데 중요한 역할을 한다.
선행연구에서 본 발명자들은 마이크로 로봇의 3D 운동을 가능하게 하는, 공심형(air-core type) 전자석을 기반으로 한 ENS의 여러 가지 구성(configuration)과 크기(size)를 성공적으로 증명하였다.
C. 마이크로로봇 추적을 위한 이미징 시스템
인체 내에서 로봇의 방향과 위치를 추적하고 인지하는 것은 임상적용에 있어 중요한 문제이다. 이는 기계적 혈전절제과정에서의 마이크로로봇의 타겟 정확도와 혈관내 조정 안전성, 및 나아가 원격 제어 적용과 연관이 있다. 현재 수술실에서 X-선 형광투시법을 사용할 수 있으므로, 본 발명에서도 X 선 촬영 시스템을 사용하였다.
이의 대안으로 MRI 시스템을 사용하여 대상을 조작함과 동시에 인식할 수 있다. 그러나, 제어 및 모니터링의 제어 순서 충돌이 동시에 나타나, 혈관 내에서 마이크로로봇을 구동하는데 있어 상대적으로 작은 구동력이 발생하였다.
따라서 본 발명의 이미징 시스템은 3 차원 물체 재구성을 통한 양방향 X-선 형광 투시법(bi-plane X-ray fluoroscopy)을 활용하여 마이크로로봇의 위치 파악 및 탐지 능력을 가지도록 개발되었다(도 2b 및 도 2c 참조).
II. 개선된 나선형 마이크로로봇 시스템
이하, 본 발명의 기계적 혈전절제술용 기기에 대하여 설명한다. 보다 상세하게는, 가이드-와이어 결합된 나선형 마이크로로봇의 구조, 및 동력(power)- 및 주파수- 범위가 향상된 ENS 에 대하여 설명한다.
A. 가이드-와이어 결합된 나선형 마이크로로봇 (Guide-wired helical microrobot)
도 3a는 나선형 마이크로로봇 구조를 나타내고, 도 3b는 3D 프린터(VeroClear-RGD810 from Stratasys)로 제작한 나선형 마이크로로봇의 프로토타입(prototype)을 나타낸다.
본 발명의 장치는 나선형 마이크로 로봇의 말단부(tip)에 회전 가능한 구형 조인트(spherical joint)가 장착되어 있고, 구형 조인트는 가이드와이어(guidewire)에 연결되어 있다.
가이드 와이어 연결은 혈관 내에서 혈액 흐름에 대항하여 마이크로로봇을 지지하는 것을 목표로 한다.
또한, 구형 조인트는 지지용 가이드와이어가 비틀림 없이 드릴링 동작을 유지할 수 있도록 한다. 나선형-헤드 가이드와이어의 기하학적 파라미터는 하기 표 1에 정리하였다.
파라미터 설명 값 (Value)
R 본체(Body) 반경 [mm] 1
λ 나선 피치(Helix pitch) [mm] 5.5
2r 나선 두께(Spiral thickness) [μm] 120
- 나선 높이(Spiral height) [mm] 1.2
- 헤드길이(Head length) [mm] 12
- 영구자석(Permanent magnet) [mm] 1(직경) x 5(길이)
상업적으로 이용 가능한 동맥 치료용 카테터에 삽입되도록 마이크로로봇의 본체 크기를 최소화하였다. 영구자석은 ENS에 의해 생성된 전자기장과 상호작용하여 운동을 제어하기 위해 본체 내부에 배치된다. 말단(tip)의 자화방향은 본체 축에 직각이다. 볼 조인트(ball joint)는 마이크로로봇 본체에 0.011" 고탄성(super-elastic) 가이드와이어가 연결되도록 한다. 가이드와이어 길이와 진퇴 동작은 가이드와이어 피더(feeder)에 의해 제어된다.
B. 동력(Power)- 및 주파수- 범위 개선된 ENS
ENS에는 직교하는 3쌍의 공심형(air-core type) 전자기 코일이 사용된다:
원형 헬름홀츠(Helmholtz coil) 코일 (CHCx), 및
y- 및 z- 방향 사각 헬름홀츠 코일(SHCy 및 SHCz).
관심 영역(region of interest, ROI)을 최대화하기 위해 원형 헬름홀츠 코일 내부에 두 쌍의 정사각형 헬름홀츠 코일을 설계하였다(도 4b 참조). 이 시스템의 프레임은 맴돌이 전류효과(eddy current effects) 및 발열을 방지하기 위해 비전도성 물질(베이클라이트, Bakelite)을 사용하도록 설계되었다.
ENS의 세부 사양을 하기 표 2에 나타내었다.
사양 CHCx SHCy SHCz
코일의 반경/길이 (mm) 162 168 120
코일의 권수(Number of turns) 472 380 300
저항 (Ohm) 6.75 9.27 5.42
인덕턴스(mH) 258 92 37
자장의 세기(A/m) 1982.4 2679.1 2913.3
전자기 코일은 구리 코일 권선(winding)으로 만들어지기 때문에, 인덕턴스 효과로 인해 자속 밀도(magnetic flux density) 감소와 위상 지연(phase delay)이 불가피하다. 3 쌍 코일의 자속 밀도는 극적으로 감소하였고, 작동 주파수에 대하여 위상 지연이 증가하였다. 실험에서 대략 30 Hz - 300 Hz의 주파수 변화에 대해 자속 밀도가 90% 감소하고 위상 지연이 90°로 증가하였다.
따라서, 작동력(actuation force)을 향상시키고 ENS 시스템의 작동 주파수 범위를 넓히기 위해서는 인덕턴스 효과를 줄여야 한다. 각 코일에서, 다양한 커패시터, 릴레이(relays) 및 스위칭 회로로 구성된 가변 커패시터 회로를 사용하여 인덕턴스 감소 회로 및 가연속(pseudo-continuous) 스위칭 알고리즘을 설계하였다. 각 코일이 간단한 RL 회로라고 가정하고, 도 4a와 같이 가변 커패시터 회로를 각 코일에 직렬로 연결하여 RLC 등가 회로를 구성한다. 이 때 RLC 회로의 출력전류(I(s))는 다음과 같이 계산된다:
Figure PCTKR2019003320-appb-I000002
(1)
s: 라플라스 상수
Cv: 가변 캐패시턴스 값
Vi: 입력 전압
L: 코일 인덕턴스
R: RLC 회로에서 저항값
그리고 RLC 회로의 위상은 다음과 같다:
Figure PCTKR2019003320-appb-I000003
(2)
여기에서 Cv 는 코일 시스템의 공진 주파수와 일치할 수 있는 가변 커패시터로 설계되었다. 원하는 주파수에 대해 커패시터는 코일 임피던스와 일치하도록 자동전환된 다음 커패시턴스를 변경하여 인덕터 리액턴스를 상쇄시킨다.
상기 회로는 다음의 주파수에서 공진할 것이다:
Figure PCTKR2019003320-appb-I000004
(3)
Figure PCTKR2019003320-appb-I000005
로 두고,
Figure PCTKR2019003320-appb-I000006
와 같이 설정하였다. 이로써, 코일과 커패시터 양단의 전압은 같았고(
Figure PCTKR2019003320-appb-I000007
), 코일과 공진제어회로의 순 전압(net voltage)은 키르히호프의 전압 법칙(Kirchhoff's voltage law)에 의해 0 V가 되었다. 나머지 기생저항 (parasitic resistance)이 상대적으로 작기 때문에, 기생 저항을 유지하기 위해 인가된 전압은 ENS를 통해 주어진 입력 주파수에서 제로 위상 지연(zero phase delay)으로 최대 전류를 전달할 수 있다.
III. 실험결과
도 5는 본 발명 ENS의 넓은 작동 주파수 범위를 보여준다. CHCx, SHCy 및 SHCz의 제어 가능한 최저 - 최고 공진 주파수 범위는 각각 16.58 Hz - 100 Hz, 26.27 Hz - 131.2 Hz, 및 41.42 Hz - 370 Hz 이다. CHCx 코일은 100 Hz의 가장 낮은 최대 주파수를 가졌다. 코일 시스템은 높은 코일 전류를 유지하기 위해 고전압을 필요로 하는데, 이로 인해 큰 인덕턴스 값을 나타내기 때문이다.
본 발명에서 제안된 공진 제어 회로를 검증하기 위해, 스텝-아웃(step-out) 주파수 실험을 수행하였다. 스텝-아웃 주파수는 마이크로로봇의 구동력과 직접적인 관련이 있다. 마이크로로봇 속도가 떨어질 때까지 회전하는 자기장 주파수를 지속적으로 증가시켰고, 이때 입력 주파수를 마이크로 로봇 움직임의 한계 주파수로 간주하였다. 결과적으로, 공진제어 시스템이 없는 로봇의 스텝-아웃 주파수는 약 50 Hz 였고, 본 발명 ENS의 스텝-아웃 주파수는 이전 시스템보다 훨씬 높은 200 Hz로 나타났다. 스텝-아웃 주파수를 400% 향상시킬 수 있으므로 이동 속도는 약 388% 향상되었다 (입력 주파수가 증가하면, 자기장의 변화속도가 증가한다. 이로 인해, 로봇의 회전속도가 증가하고, 결과적으로 마이크로로봇의 이동속도가 증가한다).
본 발명의 가이드와이어 결합형 나선형 마이크로로봇 시스템의 실현 가능성을 보여주기 위해 두 가지 인 비트로 실험을 수행하였다:
다른 브랜치로의 방향 제어(도 6a) 및 수류관 내 주행력 및 천공력(도 6b).
헬리컬 마이크로로봇의 3 차원 제어력 및 장애물 제거실험은 도 6a와 같이 5 개의 브랜치 팬텀에서 수행되었다.
첫째, 가이드-와이어(guide-wired) 마이크로로봇은 15°, 0° 및 -15°의 팬텀 가지의 다른 방향으로 이동하도록 제어되었다.
둘째, 원하는 지점에 가이드 와이어를 성공적으로 삽입한 후, 장애물을 효과적으로 제거하기 위해 드릴링 동작과 추진이 동시에 수행되었다. 기계적 혈전 절제술 적용을 위해 혈관 환경을 모방하여 3D 인쇄된 팬텀(phantom)을 제작하였다. 인간의 혈관에 있는 장애물을 모방하기 위해 원하는 부분의 끝에 한천 블록 영역 (이전 [F. Carpi et al., IEEE Trans. Biomed. Eng., vol. 58, no. 2, pp. 231-234, 2011] 보다 7 배 더 단단한 0.5 % 아가로오스)을 만들었다.
본 발명의 시스템은 20 초 이내에 장애물을 효과적으로 뚫을 수 있어 천공력(drilling force)이 크게 증가하였음을 알 수 있다(도 6a 참조).
유동(flow)에 대한 가이드 와이어 방법의 효과는 도 6b에서와 같이 수류관(water flow tube)에서 평가되었다. 가이드-와이어 결합된 마이크로로봇은 드릴링 동작 중에 자세(position)를 유지하고 물의 흐름에 영향을 받지 않고 전후방으로 자유롭게 움직일 수 있다. 또한 드릴링 작업을 진행함과 동시에 앞뒤로 움직일 수 있다.
IV. 결론
본 발명에서는 가이드와이어 결합된 나선형 마이크로로봇(guide-wired helical microrobot)과 개선된 ENS 시스템을 이용하여 새로운 기계적 혈전 제거 장치의 유용성을 입증하였다. 구형 조인트가 가이드 와이어에 연결되어있는 나선형 마이크로로봇의 프로토타입이 구축되었고, 인 비트로 실험을 통해 마이크로로봇의 드릴링 동작과 조향 운동을 확인하였다. 또한 본 발명의 나선형 마이크로로봇 시스템의 천공력을 향상시키기 위해 고주파 및 전자기장을 발생시키는 공진 제어 시스템(resonance control system)을 개발하였다.
본 발명의 ENS는 최대 자기장을 가지고 거의 위상 지연이 없는 넓은 범위의 공진 주파수를 생성할 수 있음이 실험적으로 증명되었다. 또한, 혈관계에서 혈전을 제거하기 위한 운동 제어력 및 천공력을 얻을 수 있었다.
본 발명은 기계적 혈전절제술(mechanical thrombectomy)을 위한 가이드와이어 결합형 마이크로로봇 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 끝 단에 가이드와이어가 결합된 나선형(helical) 마이크로로봇， 상기 나선형 마이크로로봇을 빠르게 회전시키기 위한 전자기구동시스템 및 실시간 영상장치로 구성된 의료 로봇 시스템에 관한 것이다.

Claims (18)

  1. 다음의 구성을 포함하는 전자기 구동 시스템(electromagnetic actuation system):
    (a) x 축 공간상에 배치된 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일, y축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일 및 z 축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일을 포함하는 3축 헬름홀츠 코일; 및
    (b) 각각의 헬름홀츠 코일과 각각 직렬로 연결된 가변 커패시터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 전자기 구동 시스템은 상기 가변 커패시터를 선택적으로 활성화하는 스위치를 추가적으로 포함하는 것인, 전자기 구동 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 3축 헬름홀츠 코일은 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일 내부에 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일이 위치하고, 상기 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일 내부에 또 다른 한 쌍의 헬름홀츠 코일이 위치하는 것인, 전자기 구동 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 전자기 구동 시스템은 공진 주파수(resonance frequency, fr)에서 선택적으로 활성화된 가변 커패시터에 의해 전자기 코일의 리액턴스를 상쇄시키고, 공진 주파수(resonance frequency, fr)에서 최대 전류를 전달하는 것인, 전자기 구동 시스템:
    Figure PCTKR2019003320-appb-I000008
    (L: 코일 인덕턴스, Cv: 가변 캐패시턴스).
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 전자기 구동 시스템은 스위치의 제어명령에 응답하여 각 전자기 코일로 전류를 공급하는 전류 증폭부(amplifier)를 추가적으로 포함하는 것인, 전자기 구동 시스템.
  6. 다음 단계를 포함하는 마이크로로봇의 제어방법:
    (a) 마이크로로봇을 제 1 항의 전자기 구동 시스템의 내부에 위치시키는 단계;
    (b) 상기 전자기 구동 시스템에 전류를 인가하여 3축 헬름홀츠 코일에 의한 전자기장을 발생시키는 단계; 및
    (c) 상기 전자기장에 의해 자화된 마이크로로봇 또는 강자성체를 포함하는 마이크로로봇에 인가되는 전류 크기와 방향을 조정하여 마이크로로봇을 제어하는 단계.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 전자기 구동 시스템은 분리된 공간(separated space)에 위치한 제어시스템에 의해 원격 제어되는 것인, 제어방법.
  8. 다음의 구성을 포함하는 의료용 마이크로로봇 시스템(medical microrobot system):
    (a) 나선형 헤드부(110), 회전 가능한 구형 조인트(120) 및 자성체(130)를 포함하는 마이크로로봇 본체부(100);
    (b) 전자기 네비게이션 시스템(electromagnetic navigation system, ENS)(200); 및
    (c) 3차원 이미징 시스템(three-dimensional imaging system)(300).
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 마이크로로봇 본체부(100)의 말단(tip)에는 회전 가능한 구형 조인트(spherical joint)가 장착되며, 상기 구형 조인트는 가이드와이어(guidewire)에 연결된, 의료용 마이크로로봇 시스템.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 전자기 네비게이션 시스템은 마이크로로봇을 제어하는 전자기 구동(electromagnetic actuation, EMA) 시스템을 포함하는 것인, 의료용 마이크로로봇 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 전자기 구동 시스템은 3축 헬름홀츠 코일 및 가변 커패시터를 포함하는 것인, 의료용 마이크로로봇 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 3축 헬름홀츠 코일은 x 축 공간상에 배치된 한 쌍의 원형 헬름홀츠 코일, y축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일 및 z축 공간상에 배치된 한 쌍의 사각형 헬름홀츠 코일인, 의료용 마이크로로봇 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 3축 헬름홀츠 코일에는 각각 가변 커패시터가 직렬로 연결되어 공진 제어 회로(resonance control circuit)를 형성하는 것인, 의료용 마이크로로봇 시스템.
  14. 제 8 항에 있어서, 상기 이미징 시스템은 X-선 형광 투시장치(X-ray fluoroscopy), 컴퓨터 단층촬영장치(computed tomography, CT), 양전자방출단층촬영장치(positron emission tomography, PET), PET/CT (positron emission tomography-computed tomography), 방사성 동위원소 이미징 장치(radioisotope imaging, RI) 또는 초음파검사 장치(ultrasonography)를 포함하는 의료용 마이크로로봇 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 X-선 형광 투시장치는 단방향 X-선 형광투시장치(mono-plane X-ray fluoroscopy), 양방향 X-선 형광 투시장치(bi-plane X-ray fluoroscopy) 또는 다방향 X-선 투시장치(multi-plane X-ray fluoroscopy)인, 의료용 마이크로로봇 시스템.
  16. 제 8 항에 있어서, 상기 자성체는 영구자석(permanent magnet) 또는 전자석인 것을 특징으로 하는 의료용 마이크로로봇 시스템.
  17. 제 8 항에 있어서, 상기 가이드와이어는 자기 조향 가이드와이어(magnetically steering guidewire)인, 의료용 마이크로로봇 시스템.
  18. 제 8 항에 있어서, 상기 의료용 마이크로로봇 시스템은 흡입장치를 추가적으로 포함하는, 의료용 마이크로로봇 시스템.
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