WO2022010044A1 - 마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법 - Google Patents

마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법 Download PDF

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김자영
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재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
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Definitions

  • the present invention was made under the support of the Ministry of Health and Welfare under the project specific number 1465031251 and the project number HI19C0642030020, the research management agency of the project is the Korea Health Industry Development Institute, the research project name is "micro medical robot commercialization technology development project (R & D)", The research project name is "Development of micro-medical robot microcarrier module", the host institution is Korea Micro Medical Robot Research Institute, and the research period is 2020.03.01 ⁇ 2020.12.31.
  • the present invention was made by the project specific number 1465031252 and project number HI19C0642010020 under the support of the Ministry of Health and Welfare.
  • the research project name is "Development of micro-medical robot recognition visualization module and establishment of integrated system", the host institution is Korea Micro Medical Robot Research Institute, and the research period is from March 1, 2020 to December 31, 2020.
  • the present invention relates to a bed-integrated electromagnetic field device for controlling movement of a microrobot and a method for driving a microrobot using the same. It relates to this excellent electromagnetic field device.
  • a procedure using microrobots for example, minimally invasive surgery, is a surgical method that can reduce the patient's pain and shorten the recovery period by enabling precise targeting of diseases and minimization of incisions. is in progress
  • the self-driving method includes a method of propelling using the pressure of gas generated by a mutual chemical reaction between an external fluid and a microrobot body, a method of using biological thrust such as movement of bacteria, and the like.
  • the self-driving method has limitations in that it is difficult to apply to the human body due to low control freedom, low control precision, and chemical/biological toxicity for driving the microrobot.
  • the micro-robot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be classified into a method using a permanent magnet or an electromagnetic driving coil device.
  • the micro-robot control method using an electromagnetic driving coil has the advantage of being able to precisely control the strength and direction of the magnetic field by controlling the current applied to the coil. It is one of the fields in which research is being conducted. In particular, there are many studies that use an external magnetic field to propel microrobots or drive them for treatment. Most of the studies are conducted on a two-dimensional plane or a study that can simply move in a three-dimensional space.
  • the medical device is partially or entirely composed of a magnetic material without a battery or a separate actuator.
  • This electromagnet-driven medical device can be controlled with a magnetic field generated by applying a current to a coil fixedly arranged outside. In this case, by controlling the intensity and direction of the current applied to each coil, desired driving of the medical device can be realized.
  • the method using the electromagnet is easier to control than the method using the permanent magnet, and the movement of the medical device can be quickly controlled according to the characteristics of the coil.
  • such a conventional driving device has many disadvantages in operating it because the number of electromagnets used is large.
  • the existing electromagnetic field driving device uses a plurality of electromagnets to drive the microrobot, so the size of the device becomes huge, making the installation and operation of the device inefficient in the treatment space.
  • the required output is increased and the power consumption is also very high.
  • there were difficulties in compatibility with other equipment used in medical facilities, such as X-ray equipment due to limitations in the size of the existing electromagnetic field driving device and the arrangement direction of (pre)magnets.
  • the conventional electromagnetic field driving device using a permanent magnet generally uses two permanent magnets to control a wired micro-robot, but it is difficult to control the robot in a direction other than the direction in which the magnet is arranged, and a motor is used.
  • a control space for the permanent magnet is secured, but there is a disadvantage in that it is difficult to control the magnetic field in real time due to the time difference of the motor movement.
  • an electromagnetic field driving device capable of accurate movement control of a wired or wireless microrobot, miniaturization of the device by minimizing the number of electromagnets, and excellent compatibility with medical equipment.
  • the present inventors manufactured a bed-integrated electromagnetic field device including a bed, a first electromagnet disposed in the bed, and a second electromagnet disposed to form a predetermined angle with the first electromagnet, and the micro-robot driving through the device according to the present invention It was confirmed that the accuracy and precision were significantly superior.
  • Another object of the present invention is to provide a method for driving a microrobot.
  • the present invention relates to a bed-integrated electromagnetic field device for controlling movement of a microrobot and a method for driving a microrobot using the same. It exhibits excellent compatibility with
  • the electromagnetic field device according to the present invention can precisely move the micro-robot by accurately setting the electromagnetic field for driving the micro-robot.
  • the term "insertable medical device” means any implantable medical device that is partially or entirely surgically or medically designed, and may be inserted into the human body even after surgery to maintain life, or to perform a procedure or diagnosis It includes all medical devices that can be temporarily inserted into the human body.
  • the implantable medical device includes a magnetic material that is magnetized in a magnetic field, for example, a permanent magnet may be used as the magnetic material.
  • micro-robot is a type of implantable medical device into the human body, and a mechanical/electronic micro-robot and a microcarrier for DDS containing a permanent magnet or soft magnetic material as a millimeter-scale magnetic material such as a blood vessel robot and an active capsule endoscope.
  • a mechanical/electronic micro-robot and a microcarrier for DDS containing a permanent magnet or soft magnetic material as a millimeter-scale magnetic material such as a blood vessel robot and an active capsule endoscope.
  • polymer/cell-based microrobots containing magnetic nanoparticles as micro/nano-scale magnetic materials such as microscaffolds, nanorobots, and macrophage robots for delivery of cell therapeutics, and others
  • Other types of micro-robots may be included.
  • One aspect of the present invention is a bed-integrated electromagnetic field device comprising a bed including a first electromagnet, one or more second electromagnets disposed to form an angle with the first electromagnet, and the first electromagnet and the second electromagnet.
  • the first electromagnet may be a coil in the form of a solenoid, a circle, a square, or a saddle.
  • the first electromagnet may be in the form of a soft magnetic core or an air core.
  • circular electromagnet refers to a ring-shaped magnet, that is, an endless magnet that does not show the effect of the magnetic force at the end.
  • the first electromagnet may generate a magnetic field in the z-axis direction.
  • z-axis refers to an axis in a direction parallel to the central axis of the first electromagnet and perpendicular to the longitudinal direction of the bed.
  • the second electromagnet may be a coil in the form of a solenoid, a circle, a square, or a saddle.
  • the second electromagnet may be in the form of a soft magnetic core or an air core.
  • the second electromagnet may generate magnetic fields in the x-axis and y-axis directions.
  • x-axis refers to an axis in a direction perpendicular to the central axis of the first electromagnet and parallel to the longitudinal direction of the bed.
  • y-axis refers to an axis in a direction perpendicular to the central axis of the first electromagnet and perpendicular to the longitudinal direction of the bed, and at the same time perpendicular to the x-axis and the z-axis.
  • the first electromagnet includes a first support plate disposed on one side, a second support plate disposed on the other side of the first support part, a central part connecting the first support plate and the second support plate through a connection part, and a central part of the central part. It may include a first winding wound along the circumference.
  • the center of the first electromagnet according to the present invention may form a hollow, but is not limited thereto.
  • the connecting portion may connect the first and second support plates to the central portion, respectively, and one or more second electromagnets may be in contact with the first electromagnet to form a predetermined angle.
  • connection part according to the present invention may further include a groove part for facilitating connection with the second electromagnet, but is not limited thereto.
  • At least one of the first support plate, the second support plate, the connecting portion, or the central portion is selected from the group consisting of Fe-Co alloys, aluminum, pure iron, iron nitride, electronic steel containing bismuth, and combinations thereof. It may be formed of one or more selected materials, but is not limited thereto.
  • the first winding may include a conductive metal, for example, enamel, copper, or aluminum, but is not limited thereto.
  • At least one second electromagnet includes a core part, and the core part includes a lower surface disposed to form an angle with the first electromagnet, an upper surface disposed on the other side of the lower surface, and the second The electromagnet may include a second winding wound between the lower side and the upper side.
  • the one or more second electromagnets may be two.
  • the upper surface may be disposed to face the central axis of the first electromagnet.
  • one or more second electromagnets may be disposed to face each other.
  • the lower side of the at least one second electromagnet according to the present invention is 0 to 90 degrees, 0 to 80 degrees, 0 to 75 degrees, 0 to 70 degrees, 0 to 65 degrees, 0 to 50 degrees, 0 to 45 degrees, 0 to 40 degrees, 30 to 60 degrees, 30 to 50 degrees or 35 to 45 degrees, for example, to be positioned while forming 0 to 45 degrees
  • the present invention is not limited thereto.
  • the second winding may include a conductive metal, for example, enamel, copper, or aluminum, but is not limited thereto.
  • the core part may be formed of one or more materials selected from the group consisting of Fe-Co alloys, aluminum, pure iron, iron nitride, electronic steel materials containing bismuth, and combinations thereof, but limited thereto it is not going to be
  • the bed may include one or more flexures and a support disposed between the one or more flexures.
  • the curvature of the bent portion may be formed in a shape corresponding to the angle at which the second coil is disposed.
  • the first electromagnet and one or more second electromagnets may be disposed inside the bed.
  • the bed may further include a power supply for supplying power to the first electromagnet and the second electromagnet.
  • the power supply unit may be disposed inside the bed.
  • the bed may further include a moving unit for linearly moving the first electromagnet and the second electromagnet.
  • the bed may further include a cooling unit for cooling the heat generated from the first electromagnet, the second electromagnet, the bed, the power supply unit, or the moving unit.
  • the cooling unit may be disposed inside the bed.
  • the device may further include a micro-robot including a magnetic material.
  • the micro-robot 300 may be implemented in a wired or wireless manner.
  • the micro-robot according to the present invention may further include one or more components selected from the group consisting of a camera module, a location information providing unit, a driving unit, a treatment unit, a robot control unit, a data transmitting/receiving unit, and a wireless power receiving unit.
  • the device includes a first support plate disposed on one side, a second support plate disposed on the other side of the first support plate, a central portion connecting the first support plate and the second support plate through a connecting portion, and a perimeter of the central portion
  • a first electromagnet including a first winding wound along the first electromagnet; At least one second electromagnet comprising a second winding wound on the; and a bed including one or more bent portions and a support portion disposed between the one or more bent portions, wherein the first electromagnet and the at least one second electromagnet are disposed therein.
  • Another aspect of the present invention is a method of driving a microrobot, including an applying step of applying a current to an electromagnetic field device including one or more electromagnets to form an electromagnetic field.
  • micro-robot driving method includes the same configuration as the bed-integrated electromagnetic field device described above, descriptions of common contents on the two are omitted in order to avoid excessive complexity of the present specification.
  • the applying step may further include applying currents in different directions to one or more electromagnets.
  • the method may further include the adjusting step of adjusting the position of the microrobot by adjusting the magnitude or direction of the current applied to the first electromagnet and the second electromagnet.
  • the present invention relates to a bed-integrated electromagnetic field device for controlling movement of a micro-robot and a method for driving a micro-robot using the same, and the bed-integrated electromagnetic field device according to the present invention enables accurate movement control of implantable medical devices such as micro-robots, and the device It can be miniaturized and used in procedures for diagnosis and treatment of vascular diseases.
  • FIG. 1 is a view showing an electromagnet module of a bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a first electromagnet and a second electromagnet of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view showing a bed of a bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view of a bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is a side view of a bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing the linear movement of the electromagnet module in the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating the formation of an electromagnetic field in the z-axis direction of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7B is a diagram illustrating the formation of an electromagnetic field in the x-axis direction of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • 7c is a view showing the formation of an electromagnetic field in the y-axis direction of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a micro-robot of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the use in conjunction with a medical device such as an X-ray device of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing the use in connection with a medical device such as a microrobot guidance device of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • a first support plate disposed on one side, a second support plate disposed on the other side of the first support plate, a central portion connecting the first support plate and the second support plate through a connecting portion, and a first winding wound along the periphery of the central portion
  • a first electromagnet comprising; A core portion including a lower surface disposed to form an angle with the first electromagnet and an upper surface disposed on the other side of the lower surface, and a second winding wound between the lower surface and the upper surface , at least one second electromagnet; and a bed including one or more bent portions and a support portion disposed between the one or more bent portions, wherein the first electromagnet and the one or more second electromagnets are disposed therein.
  • FIG. 1 is a view showing the electromagnet module of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view showing the first electromagnet and the second electromagnet of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a view showing a bed of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a perspective view of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the bed integrated electromagnetic field device 1000 has a first electromagnet 110 and one or more second electromagnets 120 disposed to form a predetermined angle with the first electromagnet 110 . (a) and 120 (b)) including the electromagnet module 100 and the bed 200 may be included.
  • the first electromagnet 110 may be a circular electromagnet.
  • the first electromagnet 110 includes a first support plate 111 disposed on one side, a second support plate 112 disposed on the other side of the first support plate 111 , a first support plate 111 and a second support plate 112 . It may include a central part 114 connected through the connection part 115 , and a first winding 113 wound along the circumference of the central part 114 .
  • the first support plate 111 may be disposed on the upper side of the first electromagnet 110 , and may support one or more second electromagnets 120 while in contact with one or more second electromagnets 120 .
  • the first support plate 111 may include a groove portion (not shown), and thus, when connected to the second electromagnet 120 , may firmly support the second electromagnet 120 .
  • the second support plate 112 may have a flat shape.
  • the second support plate 112 is disposed on the lower side of the second electromagnet 120 to support the entire electromagnet module 100 while in contact with the lower surface of the bed 200 , and the electromagnet is formed by the second support plate 112 . Even when the module 100 is moved, the relative positions of the first electromagnet 110 and the second electromagnet 120 do not change and can be firmly supported.
  • connection part 115 may connect the first support plate 111 and the second support plate 112 with the central part 114, and may be in the form of a corner of a vertically bent part as shown in FIGS. 1 to 4, but is limited thereto. is not, for example, may be in the form of a surface with a certain inclination.
  • One or more second electromagnets 120 may be disposed on the first support plate 111 or the connection part 115 to form a predetermined angle.
  • the connection part 115 may include a groove part (not shown) capable of being coupled to one or more second electromagnets 120 , and in this case, the one or more second electromagnets 120 are engaged with the groove of the connection part 115 while the electromagnet is engaged. It may be firmly attached to a predetermined position within the module 100 .
  • the central portion 114 may be connected to the first support plate 111 and the second support plate 112 through the connection part 115, and may be disposed to be perpendicular to the first support plate 111 and the second support plate 112, respectively. .
  • the central portion 114 may form a hollow in the first electromagnet 110 together with the first support plate 111 , the second support plate 112 , and the connection part 115 .
  • the first electromagnet 110 may form a space in which one or more second electromagnets 120 can be disposed through a hollow formed in the center.
  • One electromagnet 110 and a predetermined angle may be formed.
  • the first electromagnet 110 may include a first winding 113 wound along the circumference of the central portion 114 .
  • a current provided from a power supply unit (not shown) disposed in the bed integrated electromagnetic field device 1000 or the bed 200 may flow in the first winding 113 , and the central portion 114 is the first support plate 111 and the second As it is disposed in a direction perpendicular to the support plate 112 , the first winding 113 may form an electromagnetic field in a direction perpendicular to the first support plate 111 and the second support plate 112 .
  • the first electromagnet 110 may form an electromagnetic field in the vertical direction of the bed 200 while a current is applied to the first winding 113 wound around the center 114, and through this, a human body implantable medical device,
  • the position of the medical device inserted into the human body may be adjusted vertically through a magnet embedded in the medical device such as a microrobot.
  • the first support plate 111 , the second support plate 112 , the connection part 115 and the central part 114 of the first electromagnet 110 are, but are not limited to, Fe-Co alloy, aluminum, pure iron, iron nitride , may be formed of one or more materials selected from the group consisting of bismuth-containing electronic steel and combinations thereof.
  • the second electromagnet 120 may be a solenoid electromagnet as shown in FIGS. 1 to 2 .
  • the second electromagnet 120 includes a core 125 including a lower side 122 disposed to form an angle with the first electromagnet 110 and an upper side 121 disposed on the other side of the lower side 122, and A second winding 123 wound between the lower surface 122 and the upper surface 121 may be included.
  • One or more second electromagnets 120 may be included in the bed integrated electromagnetic field device 1000, and two may be included in the device as shown in FIGS. 1 to 4 .
  • the lower surface 122 may be disposed to form a predetermined angle with the connection part 115 of the first electromagnet 110 or the first support plate 111 , for example, the connection part 115 of the first electromagnet 110 .
  • it is arranged to form 0 to 45 degrees with the first support plate 111 to optimize the strength and direction performance of the magnetic field in the longitudinal and width directions of the bed 200 within the same allowable current, and the first electromagnet 100 ), it is possible to optimize the three-dimensional magnetic field control performance.
  • the lower surface 122 may be firmly coupled thereto through the connection part 115 of the first electromagnet 110 or the groove formed in the first support plate 111 .
  • the second winding 113 may be wound between the lower side 122 and the upper side 121 .
  • the second winding 113 may include a conductive metal, for example, enamel, copper, or aluminum.
  • the second electromagnet 120 a part of the second electromagnet 120 is positioned in the hollow formed in the first electromagnet 110 , and the first support plate 111 or the connection part 115 and It may be disposed obliquely to the first electromagnet 110 to form a predetermined angle. Accordingly, it is possible for the second electromagnet 120 to form an electromagnetic field in the front, back, left, and right directions of the bed integrated electromagnetic field device 1000 .
  • the second electromagnet may be disposed such that the upper side 121 faces the central axis 1 of the first electromagnet 110 , and accordingly, as shown in FIG. 1 , a human body insert type It is possible to freely move the medical device in the x-axis and y-axis directions of the electromagnet module.
  • the bed 200 may include one or more bent portions 220 (a) and 220 (b) and a support portion 210 disposed between the one or more bent portions, and a first electromagnet 110 and a first electromagnet 110 in the bed 200
  • the electromagnet module 100 including the second electromagnet 120 may be disposed.
  • the support 210 may have a flat shape to stably support the body of a patient.
  • the bed 200 may further include a power supply unit (not shown) for supplying power to the first electromagnet 110 and the second electromagnet 120 .
  • the bed 200 may further include a moving unit (not shown) for linearly moving the first electromagnet 110 and the second electromagnet 120 .
  • the bed 200 may further include a cooling unit for cooling the heat generated by the first electromagnet 110 , the second electromagnet 120 , the bed 130 , the power supply unit, or the moving unit.
  • the curvature of one or more of the bent portions 220(a) and 220(b) may be formed in a shape corresponding to the angle at which the second electromagnet 120 is disposed. Accordingly, the support portion 210 and the bent portions 220 (a) and 220 (b) of the bed 200 may be formed in a shape corresponding to the outer shape of the electromagnet module 100, and thus the first electromagnet 110 and Each distance between the second electromagnet 120 and the patient's body 10 positioned on the bed 200 may be made closer.
  • the distance between the medical device inserted into the patient's body and the first electromagnet 110 and the second electromagnet 120 is remarkably reduced. It is possible to reduce the amount of current required for the electromagnet to move the implantable medical device, so that it is possible to drive the medical device without high power consumption.
  • FIG. 6 is a view showing the linear movement of the electromagnet module in the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the electromagnet module 100 is an arbitrary position (100 (a), 100 (b) of the bed through the motor driving of the moving unit (not shown) included in the bed 200 or the electromagnetic field device 1000. ), 100(c)) can be linearly moved.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 is capable of moving the electromagnet module 100 to a position where a disease has occurred or the occurrence of a disease is suspected in the body of the patient located in the bed 200, As the electromagnet module 100 guides the medical device to the corresponding position, it is possible to move the human body implantable medical device to the corresponding part.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 can freely control the position of the inserted medical device in the patient's body through the linear movement of the electromagnet module 100 .
  • Figure 7a is a view showing the formation of an electromagnetic field in the z-axis direction of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7b is an electromagnetic field in the x-axis direction of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • 7c is a view showing the formation of an electromagnetic field in the y-axis direction of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the bed-integrated electromagnetic field device may focus a magnetic field using a first electromagnet and a second electromagnet to move the microrobot 300 to a region of interest.
  • the user may apply a current to the first electromagnet to move the microrobot 300 in the z-axis direction.
  • the user adjusts the direction and strength 40(z) of the current applied to the first electromagnet to freely move the microrobot 300 in the z-axis direction of the region of interest 20(z) in the z-axis direction.
  • the user can properly drive the microrobot 300 in the z-axis direction in the region of interest 20(z) in the patient's body.
  • the user can move the micro-robot 300 in the x-axis and y-axis directions by applying a current to the second electromagnet.
  • the upper side of the second electromagnet is arranged to face the central axis of the first electromagnet, and the lower side of the second electromagnet can be arranged to form an angle with the first support plate or connection part of the first electromagnet, so that the second electromagnet is
  • the micro-robot 300 may be moved in the x-axis and y-axis directions of the electromagnet module.
  • the movement in the x-axis and y-axis direction of the microrobot 300 is similar to the movement in the z-axis direction, the user controls the direction and intensity (40(x), 40(y)) of the current applied to the second electromagnet.
  • the micro-robot 300 can be freely moved within the regions of interest 20(x) and 20(y).
  • the user may apply currents in opposite directions to each other to the second electromagnet, and accordingly, the magnetic field may be focused to increase the strength of the magnetic fields 30(x) and 30(y) formed in the region of interest.
  • the user adjusts the direction and intensity of the current applied to the first and second electromagnets, respectively, and places the first and second electromagnets in the region of interest 20(x), 20(y,) 20(z) in the patient's body.
  • each magnetic field 30(x), 30(y), 30(z) by two electromagnets, it is possible to freely and precisely move the microrobot in the region of interest. That is, it is possible to accurately drive the micro-robot 300 as the specific arrangement of the first and second electromagnets and the direction and intensity of current applied to each electromagnet are independently controlled.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a micro-robot of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the micro-robot 300 may include a magnet to have an arbitrary magnetization direction.
  • the micro-robot 300 may be rotated and/or moved in any direction by the magnetic field generated by the above-described bed-integrated electromagnetic field device.
  • the micro-robot 300 may be implemented in a wired or wireless manner.
  • the micro-robot 300 may include a robot body.
  • the micro-robot 300 may consist of only the robot body 310, and one or more selected from the group consisting of a camera module, a location information providing unit, a driving unit, a treatment unit, a robot control unit, a data transmitting/receiving unit, and a wireless power receiving unit. It may be configured to further include a component of.
  • the robot body 310 is a part for defining the outside of the microrobot 300 and may be manufactured in a size that can be moved inside the subject or inside the blood vessel.
  • the head of the robot body 310 may be manufactured in a streamlined shape so that blood flow and friction are small, and the head of the robot body 310 may be provided with a debris collector for collecting treatment fragments generated during blood vessel treatment.
  • FIG. 9 is a view showing the use in conjunction with a medical device such as an X-ray device of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 may be used in combination with an X-ray device 1100 in a hospital, an image navigation system 1200 , and a catheter insertion-recovery device 1300 . have.
  • FIG. 10 is a view showing the use in connection with a medical device such as a microrobot guidance device of the bed integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 may be used in combination with a microrobot guidance device 1500 and an image navigation system 1200 in a hospital.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 may be implemented with the micro-robot 300 as a vascular robot together with the catheter insertion-and-retrieval device 1300 as shown in FIG. 9, or, as shown in FIG. 1500) together with the micro-robot 300 as a digestive endoscope can be implemented.
  • the bed integrated electromagnetic field device 1000 minimizes the number of coils included in the device as described above, and since it has a structure integrated with the bed in which the patient's body is located, the overall size of the system can be reduced do.
  • the present invention relates to a bed-integrated electromagnetic field device for controlling movement of a microrobot and a method for driving a microrobot using the same. It relates to this excellent electromagnetic field device.

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Abstract

본 발명은 마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 베드 통합형 전자기장 장치는 마이크로 로봇 등의 인체 삽입형 의료기기의 정확한 이동 제어가 가능하고, 장치의 소형화가 가능하여 혈관질환 등의 진단 및 치료를 위한 시술에 사용될 수 있다.

Description

마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제고유번호 1465031251, 과제번호 HI19C0642030020에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "마이크로의료로봇실용화기술개발사업(R＆D)", 연구과제명은 "마이크로의료로봇 마이크로캐리어모듈 개발", 주관기관은 한국마이크로의료로봇연구원, 연구기간은 2020.03.01 ~ 2020.12.31이다.
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제고유번호 1465031252, 과제번호 HI19C0642010020에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "마이크로의료로봇실용화기술개발사업(R＆D)", 연구과제명은 "마이크로의료로봇 인식시각화 모듈 개발 및 통합시스템 구축", 주관기관은 한국마이크로의료로봇연구원, 연구기간은 2020.03.01 ~ 2020.12.31이다.
본 발명은 마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 로봇의 정확한 이동 제어가 가능하고, 장치의 소형화가 가능하여 기타 의료장비와의 호환성이 우수한 전자기장 장치에 관한 것이다.
마이크로 로봇을 이용한 시술, 예를 들어, 최소 침습시술은 질환에 대한 정밀 타겟팅 및 절개부위의 최소화가 가능하여 환자의 고통을 줄일 수 있고, 회복기간도 짧게 할 수 있는 수술방법으로 최근에 많은 연구가 진행되고 있다.
마이크로 로봇의 움직임을 제어하기 위한 방법은 외부구동과 자체구동방식으로 나눌 수 있다. 자체 구동방식에는 외부유체와 마이크로 로봇 몸체 사이의 상호 화학반응에 의해 발생된 가스의 압력을 이용하여 추진하는 방식, 박테리아 움직임과 같은 생물학적 추진력을 이용하는 방식 등이 있다. 그러나 자체 구동방식은 마이크로 로봇 구동을 위한 낮은 제어 자유도, 낮은 제어 정밀도 및 화학/생물학적 독성문제 등으로 인하여 인체 내에 적용하기 어렵다는 한계가 있다.
자기장을 이용한 마이크로 로봇 구동방식은 인체 내 안전성이 높은 대표적인 외부 구동방식으로서, 영구자석 또는 전자기 구동코일 장치를 이용한 방법으로 구분할 수 있다. 특히, 영구자석을 이용한 방식과 비교하여 전자기 구동 코일을 이용한 마이크로 로봇 제어방식은 코일에 인가되는 전류를 제어하여 자기장의 세기 및 방향을 정밀하게 제어할 수 있다는 장점으로 인해 적용범위가 다양하고 가장 활발하게 연구가 진행되고 있는 분야 중 하나다. 특히, 외부 자기장을 이용해 마이크로 로봇을 추진하거나 치료를 위한 구동을 하는 연구가 많이 진행되고 있는데, 대다수의 연구가 2차원 평면상에서 이루어지거나, 3차원공간을 단순히 이동할 수 있는 연구가 주로 진행되고 있다. 전자기 구동코일 장치는 자기장을 이용하여 제어할 수 있도록 의료용 디바이스는 배터리나 별도의 구동기 없이 일부 또는 전체가 자성체로 구성된다.
이렇게 전자석으로 구동되는 의료용 디바이스는 외부에 고정 배치된 코일에 전류를 인가하여 생성된 자기장으로 제어가 가능하다. 이때, 각 코일에 인가되는 전류의 세기와 방향 등을 제어하게 되면 의료용 디바이스의 원하는 구동을 구현할 수 있다. 전자석을 이용한 방법은 영구자석을 이용한 방법에 비해서 제어가 용이하고, 코일의 특성에 따라 의료용 디바이스의 움직임이 빠르게 제어될 수 있다.
하지만, 이러한 기존의 구동장치는 사용하는 전자석의 개수가 많아 이를 운용하는데 있어서 여러 단점들을 가지고 있다. 구체적으로, 기존의 전자기장 구동장치는 다수개의 전자석을 이용하여 마이크로 로봇을 구동함에 따라, 장치의 크기가 거대화 되어 시술 공간상 장치설치 및 운용이 비효율적이며, 전자석개수가 많아 전원공급용 파워의 개수 및 필요출력이 증가되고, 전력사용량 또한 매우 높은 문제점이 있다. 또한, 기존 전자기장 구동장치의 크기 및 (전)자석의 배치방향에 한계에 따라 X-ray 장치 등 기타 의료시설에서 사용되는 장비와 호환하여 사용하는데 어려움이 존재하였다.
또한, 종래의 영구자석을 이용하는 전자기장 구동장치는 일반적으로 2개의 영구자석을 이용하여 유선 마이크로 로봇을 제어하고 있으나, 자석이 배치된 방향 이외의 방향으로 로봇을 제어하기데에는 어려움이 있으며, 모터를 이용하여 영구자석을 위한 제어공간을 확보하고 있으나, 모터 이동의 시간차로 인해 실시간 자기장 제어에 어려움이 있는 단점이 있다.
따라서, 유선 또는 무선의 마이크로 로봇에 대한 정확한 이동 제어가 가능하고, 전자석의 개수를 최소화하여 장치의 소형화가 가능하고 의료장비와의 호환성이 우수한 전자기장 구동장치에 대한 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 베드, 베드 내에 배치되는 제1전자석 및 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 제2전자석을 포함하는 베드 통합형 전자기장 장치를 제조하였고, 본 발명에 따른 장치를 통한 마이크로 로봇 구동의 정확도와 정밀성은 월등히 우수한 것을 확인하였다.
이에, 본 발명의 목적은 베드 통합형 전자기장 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 로봇 구동 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전자기장 장치는 마이크로 로봇의 정확한 이동 제어가 가능하고, 장치의 소형화가 가능하여 기타 의료장비와의 호환성이 우수한 효과를 나타낸다.
본 발명자들은 이에 본 발명에 따른 전자기장 장치는 마이크로 로봇의 구동을 위한 전자기장 영역을 정확하게 설정함에 따라, 마이크로 로봇을 정밀하게 이동시킬 수 있음을 확인하였다.
이하 본 발명을 더욱 자세히 설명하고자 한다.
본 명세서 상의 용어, "인체 삽입형 의료기기"는 부분적이나 전체적으로 외과적, 의학적으로 고안된 모든 인체 삽입형 의료기기를 의미하며, 시술 이후에도 인체 내에 삽입되어 생명 유지를 위한 의료기구일 수 있으며, 또는 시술 또는 진단을 위하여 일시적으로 인체 내에 삽입될 수 있는 의료기기를 모두 포함한다. 특히 본 발명에서 인체 삽입형 의료기기는 자기장 내에서 자화가 이루어지는 자성체를 포함하게 되며, 예를 들어, 영구자석이 자성체로 사용될 수 있다.
본 명세서 상의 용어, "마이크로 로봇"은 인체 삽입형 의료기기의 일종으로, 혈관로봇, 능동캡슐 내시경과 같이 밀리미터 스케일 크기의 자성체로서 영구자석 또는 연자성체를 포함하는 기계/전자식 마이크로 로봇과 DDS용 마이크로캐리어, 세포 치료제 전달용 마이크로스캐폴드, 나노로봇, 대식세포로봇과 같은 마이크로/나노 스케일 크기의 자성체로서 자성 나노입자 (magnetic nanoparticles)를 포함하는 고분자/세포기반 마이크로 로봇으로 분류될 수 있으며, 그 외 다른 형태의 마이크로 로봇이 포함될 수 있다.
본 발명의 일 양태는, 제1전자석, 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 하나 이상의 제2전자석, 및 제1전자석 및 제2전자석을 포함하는 베드를 포함하는, 베드 통합형 전자기장 장치이다.
본 발명에 있어서 제1전자석은 솔레노이드, 원형, 사각, 새들 형태의 코일일 수 있다.
본 발명에 있어서 제1전자석은 연자성체 코어 또는 에어코어의 형태일 수 있다.
본 명세서 상의 용어 "원형 전자석 (Circular electromagnet)"은 고리모양의 자석, 즉 끝의 감자력의 영향이 나타나지 않는 무단 자석 (無端磁石)을 의미한다.
본 발명에 있어서 제1전자석은 z축 방향의 자기장을 생성하는 것일 수 있다.
본 명세서 상의 용어 "z축"은 제1전자석의 중심축과 평행하며, 베드의 길이방향과 상측으로 수직한 방향의 축을 의미한다.
본 발명에 있어서 제2전자석은 솔레노이드, 원형, 사각, 새들 형태의 코일일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2전자석은 연자성체 코어 또는 에어코어의 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2전자석은 x축 및 y축 방향의 자기장을 생성하는 것일 수 있다.
본 명세서 상의 용어 "x축"은 제1전자석의 중심축과 수직하고 베드의 길이방향과 평행한 방향의 축을 의미한다.
본 명세서 상의 용어 "y축"은 제1전자석의 중심축과 수직하고 베드의 길이방향과 수직하면서, x축 및 z축과 동시에 수직한 방향의 축을 의미한다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1전자석은 일측에 배치되는 제1지지판, 제1지지부의 타측에 배치되는 제2지지판, 제1지지판과 제2지지판을 연결부를 통해 연결하는 중심부, 및 중심부의 둘레를 따라 권취되는 제1권선을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 제1전자석의 중심부는 중공을 형성하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 따른 연결부는 제1지지판과 제2지지판을 중심부와 각각 연결할 수 있고, 하나 이상의 제2전자석이 제1전자석과 일정각도를 형성하도록 접촉될 수 있다.
본 발명에 따른 연결부는 제2전자석과의 연결을 용이하게 하기 위한 홈부를 더 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1지지판, 제2지지판, 연결부 또는 중심부 중 하나 이상은 Fe-Co계 합금, 알루미늄, 순철, 질화철, 비스무트를 함유한 전자 강재 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 재질로 형성된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1권선은 도전성 금속, 예를 들어, 에나멜, 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 하나 이상의 제2전자석은 코어부를 포함하고, 코어부는 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 하측면, 하측면의 타측에 배치되는 상측면을 포함하고, 제2전자석은 하측면과 상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 하나 이상의 제2전자석은 2개일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 상측면은 제1전자석의 중심축을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 하나 이상의 제2전자석은 서로 대향하도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 제2전자석의 하측면은 제1전자석의 지지판 또는 제1전자석의 연결부와 0 내지 90 도, 0 내지 80 도, 0 내지 75 도, 0 내지 70 도, 0 내지 65 도, 0 내지 50 도, 0 내지 45 도, 0 내지 40 도, 30 내지 60 도, 30 내지 50 도 또는 35 내지 45 도를 형성하면서 배치될 수 있고, 예를 들어, 0 내지 45 도를 형성하면서 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2권선은 도전성 금속, 예를 들어, 에나멜, 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 코어부는 Fe-Co계 합금, 알루미늄, 순철, 질화철, 비스무트를 함유한 전자 강재 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 재질로 형성된 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 베드는 하나 이상의 굴곡부 및 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 굴곡부의 곡률은 상기 제2코일이 배치되는 각도에 대응되는 형상으로 형성되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1전자석 및 하나 이상의 제2전자석은 베드의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 베드는 제1전자석 및 제2전자석에 전력을 공급하는 전원공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서 전원공급부는 베드 내부에 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 베드는 제1전자석 및 제2전자석을 선형이동 시키는 이동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 베드는 제1전자석, 제2전자석, 베드, 전원공급부, 또는 이동부에서 발생한 열을 냉각하는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서 냉각부는 베드 내부에 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 장치는 자성체를 포함하는 마이크로 로봇을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 로봇(300)은 유선 또는 무선으로 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로 로봇은 카메라 모듈, 위치정보 제공부, 구동부, 치료부, 로봇 제어부, 데이터 송수신부 및 무선전력 수신부로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상의 구성부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 장치는 일측에 배치되는 제1지지판, 제1지지판의 타측에 배치되는 제2지지판, 제1지지판과 제2지지판을 연결부를 통해 연결하는 중심부, 및 중심부의 둘레를 따라 권취되는 제1권선을 포함하는 제1전자석, 제1지지판과 일정각도를 형성하도록 배치되는 하측면, 하측면의 타측에 배치되는 상측면을 포함하는 코어부, 및 하측면과 상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함하는, 하나 이상의 제2전자석; 및 하나 이상의 굴곡부 및 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부를 포함하고, 제1전자석 및 하나 이상의 제2전자석이 내부에 배치되는 베드를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태는 하나 이상의 전자석을 포함하는 전자기장 장치에 전류를 인가하여 전자기장을 형성하는 인가 단계를 포함하는, 마이크로 로봇 구동방법이다.
본 발명에 따른 마이크로 로봇 구동 방법은 상술한 베드 통합형 전자기장 장치와 동일한 구성을 포함하므로, 이 둘 상에 공통된 내용은 본 명세서의 과도한 복잡성을 피하기 위하여 그 기재를 생략한다.
본 발명의 일 구현예에서, 인가 단계는 하나 이상의 전자석에 서로 다른 방향의 전류를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 방법은 제1전자석 및 제2전자석에 인가되는 전류의 크기 또는 방향을 조절하여 마이크로 로봇의 위치를 조정하는 조정 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 베드 통합형 전자기장 장치는 마이크로 로봇 등의 인체 삽입형 의료기기의 정확한 이동 제어가 가능하고, 장치의 소형화가 가능하여 혈관질환 등의 진단 및 치료를 위한 시술에 사용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 전자석 모듈을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 제1전자석 및 제2전자석을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 베드를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치에서의 전자석 모듈의 선형이동을 나타내는 도면이다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 z축 방향의 전자기장을 형성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 x축 방향의 전자기장을 형성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 y축 방향의 전자기장을 형성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 마이크로 로봇을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 X-ray 장치 등의 의료장치와 연계한 사용을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 마이크로로봇 유도장치 등의 의료장치와 연계한 사용을 나타내는 도면이다.
일측에 배치되는 제1지지판, 상기 제1지지판의 타측에 배치되는 제2지지판, 상기 제1지지판과 상기 제2지지판을 연결부를 통해 연결하는 중심부, 및 상기 중심부의 둘레를 따라 권취되는 제1권선을 포함하는 제1전자석; 상기 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 하측면 및 상기 하측면의 타측에 배치되는 상측면을 포함하는 코어부, 및 상기 하측면과 상기 상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함하는, 하나 이상의 제2전자석; 및 하나 이상의 굴곡부 및 상기 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부를 포함하고, 상기 제1전자석 및 상기 하나 이상의 제2전자석이 내부에 배치되는 베드;를 포함하는, 베드 통합형 전자기장 장치.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함(comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "쪋부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, "일(a 또는 an)", "하나(one)", 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해 되어야할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 전자석 모듈을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 제1전자석 및 제2전자석을 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 베드를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 제1전자석(110) 및 제1전자석(110)과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 하나 이상의 제2전자석(120(a), 120(b))을 포함하는 전자석 모듈(100) 및 베드(200)를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 2에 도시된 것과 같이, 제1전자석(110)은 원형 전자석인 것일 수 있다.
제1전자석(110)은 일측에 배치되는 제1지지판(111), 제1지지판(111)의 타측에 배치되는 제2지지판(112), 제1지지판(111)과 제2지지판(112)을 연결부(115)를 통해 연결하는 중심부(114), 및 중심부(114)의 둘레를 따라 권취되는 제1권선(113)을 포함할 수 있다.
제1지지판(111)은 제1전자석(110)의 상측에 배치되어, 하나 이상의 제2전자석(120) 맞닿으면서 하나 이상의 제2전자석(120)을 지지할 수 있다.
제1지지판(111)은 홈부(미도시)를 포함할 수 있고, 이에 따라, 제2전자석(120)과 연결 시 제2전자석(120)을 견고하게 지지할 수 있다.
제2지지판(112)은 평탄한 형상일 수 있다. 제2지지판(112)은 제2전자석(120)의 하측에 배치되어 배드(200)의 하측면과 맞닿으면서 전자석 모듈(100) 전체를 지지할 수 있고, 제2지지판(112)에 의해 전자석 모듈(100)의 이동시에도 제1전자석(110) 및 제2전자석(120) 서로의 상대적인 위치가 변경되지 않고 견고하게 지지할 수 있다.
연결부(115)는 제1지지판(111) 및 제2지지판(112)을 중심부(114)와 연결할 수 있으며, 도 1 내지 4에 도시된 것과 같이 수직으로 꺾인 부분의 모서리 형태일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 일정 경사를 가진 면의 형태일 수 있다.
제1지지판(111) 또는 연결부(115)에는 하나 이상의 제2전자석(120)이 일정 각도를 형성하도록 배치될 수 있다. 연결부(115)는 하나 이상의 제2전자석(120)과 결합할 수 있는 홈부(미도시)를 포함할 수 있고, 이때, 하나 이상의 제2전자석(120)은 연결부(115)의 홈에 맞물리게 되면서 전자석 모듈(100) 내에서 일정한 위치에 견고하게 부착될 수 있다.
중심부(114)는 연결부(115)를 통해 제1지지판(111) 및 제2지지판(112)과 연결될 수 있으며, 제1지지판(111) 및 제2지지판(112)과 각각 수직하도록 배치될 수 있다.
중심부(114)는 제1지지판(111), 제2지지판(112), 및 연결부(115)와 함께 제1전자석(110) 내에 중공을 형성할 수 있다. 제1전자석(110)은 중심에 형성된 중공을 통해 하나 이상의 제2전자석(120)이 배치될 수 있는 공간을 형성할 수 있고, 이에 따라, 제2전자석(120)의 일부는 중공내에 배치되면서 제1전자석(110)과 일정 각도를 형성할 수 있다.
제1전자석(110)에는 중심부(114)의 둘레를 따라 권취되는 제1권선(113)이 포함될 수 있다.
제1권선(113)에는 베드 통합형 전자기장 장치(1000) 또는 베드(200) 내에 배치된 전원공급부(미도시)에서 제공된 전류가 흐를 수 있으며, 중심부(114)가 제1지지판(111) 및 제2지지판(112)과 수직한 방향으로 배치됨에 따라, 제1권선(113)은 제1지지판(111) 및 제2지지판(112)과 수직한 방향으로의 전자기장을 형성할 수 있다.
따라서, 제1전자석(110)은 중심부(114)에 권취된 제1권선(113)에 전류가 인가되면서 베드(200)의 상하방향으로의 전자기장을 형성할 수 있고, 이를 통해 인체 삽입형 의료기기, 예를 들어, 마이크로 로봇 등의 의료기기에 내재된 자석을 통해 인체 내에 삽입된 의료기기의 위치를 상하로 조절할 수 있다.
제1전자석(110)의 제1지지판(111), 제2지지판(112), 연결부(115) 및 중심부(114)는, 이에 제한되는 것은 아니나, Fe-Co계 합금, 알루미늄, 순철, 질화철, 비스무트를 함유한 전자 강재 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹 중에서 선택되는 하나 이상의 재질로 형성될 수 있다.
제2전자석(120)은 도 1 내지 2에 도시된 것과 같이, 솔레노이드 전자석일 수 있다.
제2전자석(120)은 제1전자석(110)과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 하측면(122), 하측면(122)의 타측에 배치되는 상측면(121)을 포함하는 코어(125) 및 하측면(122)과 상측면(121)의 사이에 권취되는 제2권선(123)을 포함할 수 있다.
제2전자석(120)은 베드 통합형 전자기장 장치(1000)에 하나 이상 포함될 수 있고, 도 1 내지 도 4에 도시된 것과 같이, 장치 내에 2개가 포함될 수 있다.
하측면(122)은 제1전자석(110)의 연결부(115) 또는 제1지지판(111)과 일정 각도를 형성하도록 배치될 수 있고, 예를 들어, 제1전자석(110)의 연결부(115) 또는 제1지지판(111)과 0 내지 45 도를 형성하도록 배치되어 동일한 허용전류 내에서 베드(200)의 길이 방향 및 너비 방향으로 자기장의 세기 및 방향 성능을 최적화시킬 수 있고, 제1전자석(100)과 함께 3차원 자기장 제어 성능을 최적화 하는 것이 가능하다.
그리고, 하측면(122)은 제1전자석(110)의 연결부(115) 또는 제1지지판(111)에 형성된 홈부를 통해 이와 견고하게 결합할 수 있다.
제2권선(113)은 하측면(122) 및 상측면(121)의 사이에 권취될 수 있다. 그리고, 제2권선(113)은 도전성 금속, 예를 들어, 에나멜, 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
한편, 제2전자석(120)은 도 1에 도시된 것과 같이, 제1전자석(110)에 형성된 중공에 제2전자석(120)의 일부가 위치하고, 제1지지판(111) 또는 연결부(115)와 일정 각도를 형성하도록 제1전자석(110)과 비스듬하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2전자석(120)은 베드 통합형 전자기장 장치(1000)의 전후좌우 방향으로의 전자기장을 형성하는 것이 가능하다.
바꿔 말하면, 제2 전자석은 도 1에 도시된 것과 같이 상측면(121)은 제1전자석(110)의 중심축(1)을 향하도록 배치될 수 있고, 이에 따라, 후술할 내용과 같이 인체 삽입형 의료기기를 전자석 모듈의 x축 및 y축 방향으로 자유롭게 이동시키는 것이 가능하다.
베드(200)는 하나 이상의 굴곡부(220(a), 220(b)) 및 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부(210)를 포함할 수 있고, 베드(200) 내부에는 제1전자석(110) 및 제2전자석(120)을 포함하는 전자기석 모듈(100)이 배치될 수 있다.
지지부(210)는 환자의 신체를 안정적으로 지지하기 위해 평탄한 형상일 수 있다.
베드(200)는 제1전자석(110) 및 제2전자석(120)에 전력을 공급하는 전원공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
베드(200)는 제1전자석(110) 및 제2전자석(120)을 선형이동 시키는 이동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
베드(200)는 제1전자석(110), 제2전자석(120), 베드(130), 전원공급부, 또는 이동부에서 발생한 열을 냉각하는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
도 5를 참조하면, 하나 이상의 굴곡부(220(a), 220(b))의 곡률은 제2전자석(120)이 배치되는 각도에 대응되는 형상으로 형성되는 것일 수 있다. 따라서, 베드(200)의 지지부(210) 및 굴곡부(220(a), 220(b))는 전자석 모듈(100)의 외형과 대응되는 형상으로 형성될 수 있고, 이에 제1전자석(110) 및 제2전자석(120)과 베드(200)에 위치한 환자의 신체(10) 간의 각각의 거리가 더욱 가까워지도록 할 수 있다.
즉, 전자기석 모듈(100)에 대응되는 베드(200)의 형상을 통해, 환자의 체내에 삽입된 의료기기와 제1전자석(110) 및 제2전자석(120)의 거리가 현저하게 줄어들게 되면서, 인체삽입형 의료기기의 이동을 위해 전자석에 요구되는 전류의 양을을 줄일 수 있어, 높은 전력소모 없이 의료기기를 구동시키는 것이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치에서의 전자석 모듈의 선형이동을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하면, 전자석 모듈(100)은 베드(200) 또는 전자기장 장치(1000)에 포함된 이동부(미도시)의 모터구동을 통해 베드의 임의의 위치(100(a), 100(b), 100(c))로 선형이동을 할 수 있다.
즉, 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 베드(200)에 위치한 환자의 신체 중 질환이 발생하였거나 또는 질환의 발생이 의심되는 위치에 전자석 모듈(100)을 이동시키는 것이 가능하고, 전자석 모듈(100)이 의료기기를 해당 위치로 유도함에 따라, 인체 삽입형 의료기기를 해당부분으로 이동시키는 것이 가능하다.
따라서, 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 전자석 모듈(100)의 선형이동을 통해 환자의 체내의 삽입된 의료기기의 위치를 자유롭게 제어하는 것이 가능하다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 z축 방향의 전자기장을 형성하는 것을 나타내는 도면이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 x축 방향의 전자기장을 형성하는 것을 나타내는 도면이고, 도 7c는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 y축 방향의 전자기장을 형성하는 것을 나타내는 도면이다.
도 7a 내지 7c를 참조하면, 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치는 제1전자석 및 제2전자석을 이용하여 자기장을 집속시켜 관심영역으로 마이크로 로봇(300)을 이동시킬 수 있다.
구체적으로, 도 7a에 도시된 것과 같이, 사용자는 제1전자석에 전류를 인가시켜 z축 방향으로 마이크로 로봇(300)을 이동시키는 것이 가능하다. 이때, 사용자는 제1전자석에 인가되는 전류의 방향 및 세기(40(z))를 조절하여 관심영역(20(z))의 z축 방향으로 마이크로 로봇(300)을 z축 방향으로 자유롭게 이동시키는 것이 가능하고, 이에 따라, 사용자는 마이크로 로봇(300)을 환자의 신체내의 관심영역(20(z))에서 z축 방향으로 적절이 구동할 수 있다.
그리고, 도 7b 및 7c에 도시된 것과 같이 사용자는 제2전자석에 전류를 인가하여 x축 및 y축 방향으로 마이크로 로봇(300)을 이동시키는 것이 가능하다. 상술한 바와 같이, 제2전자석의 상측면은 제1전자석의 중심축을 향하도록 배치되고, 하측면은 제1전자석의 제1지지판 또는 연결부와 일정 각도를 형성하도록 배치될 수 있으므로, 제2전자석은 전자석 모듈의 x축 및 y축 방향으로 마이크로 로봇(300)을 이동시킬 수 있다. 그리고, 마이크로 로봇(300)의 x축 및 y축 방향의 이동은 z축 방향의 이동과 마찬가지로, 사용자가 제2전자석에 인가되는 전류의 방향 및 세기(40(x), 40(y))를 조절하여 x축 및 y축 방향으로 마이크로 로봇(300)을 이동시켜 관심영역(20(x), 20(y)) 내에서 마이크로 로봇(300)을 자유롭게 이동시킬 수 있다.
이때, 사용자는 제2전자석에는 서로 역방향의 전류를 인가시킬 수 있고, 이에 따라, 자기장을 집속시켜 관심영역에 형성되는 자기장(30(x), 30(y))의 세기를 증가시킬 수 있다.
종합하면, 사용자는 제1전자석 및 제2전자석에 인가되는 전류의 방향 및 세기를 각각 조절하여 환자 체내의 관심영역(20(x), 20(y,) 20(z))에 제1 및 제2전자석에 의한 각각의 자기장(30(x), 30(y), 30(z))을 중첩시켜 관심영역에서 마이크로 로봇을 자유롭고 정밀하게 이동시키는 것이 가능하다. 즉, 제1 및 제2전자석의 특이적인 배치형태 및 각 전자석에 인가되는 전류의 방향 및 세기가 독립적으로 조절됨에 따라 마이크로 로봇(300)을 정확하게 구동시키는 것이 가능하다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 마이크로 로봇을 나타내는 도면이다.
도 8을 참조하면, 마이크로 로봇(300)은 임의의 자화 방향을 갖도록 자석을 포함할 수 있다. 그리고, 마이크로 로봇(300)은 전술한 베드 통합형 전자기장 장치에 의해 발생된 자기장에 의해 회전 운동 및/또는 임의 방향으로의 운동이 이루어질 수 있다.
마이크로 로봇(300)은 유선 또는 무선으로 구현될 수 있다.
마이크로 로봇(300)은 로봇 본체를 포함할 수 있다. 마이크로 로봇(300)은 로봇 본체만(310)으로 구성될 수 있고, 카메라 모듈, 위치정보 제공부, 구동부, 치료부, 로봇 제어부, 데이터 송수신부 및 무선전력 수신부으로 이루어지는 그룹 중 선택되는 하나 이상의 하나의 구성부를 더 포함되어 구성될 수 있다.
로봇 본체(310)는 마이크로 로봇(300)의 외부를 규정하기 위한 부분으로써 피검체 내부 또는 혈관 내부에서 이동할 수 있는 크기로 제작될 수 있다. 또한, 로봇 본체(310)의 선두부는 혈류와 마찰이 작도록 유선형으로 제작될 수 있고, 로봇 본체(310)의 선두부에는 혈관 치료시에 발생하는 치료파편들을 포집하기 위한 파편포집기 등을 구비할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 X-ray 장치 등의 의료장치와 연계한 사용을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 병원 내의 X-ray 장치(1100), 영상 내비게이션 시스템(1200), 카테터 삽입-회수장치(1300)와 함께 결합하여 사용될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치의 마이크로로봇 유도장치 등의 의료장치와 연계한 사용을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 병원 내의 마이크로로봇 유도장치(1500) 및 영상 내비게이션 시스템(1200)와 함께 결합하여 사용될 수 있다.
따라서, 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 도 9와 같이 카테터 삽입-회수장치(1300)와 함께 혈관 로봇으로서의 마이크로 로봇(300)과 함께 구현될 수 있고, 또는, 도 10과 같이 마이크로 로봇 유도장치(1500)와 함께 소화기 유선내시경으로서의 마이크로 로봇(300)과 함께 구현될 수 있다.
일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 상술한 것과 같이 장치 내에 포함되는 코일의 개수가 최소화되며, 환자의 신체가 위치되는 베드와 통합된 구조를 갖기 때문에 시스템 전체의 크기의 소형화가 가능하다.
이에 따라, 기존의 의료장비와의 호환성이 우수하며, 병원 내 설치가 간편하고, 전자기장 시스템으로 인한 시술동작의 간섭이 발생하지 않아 시술 작업이 용이하다.
이상에서 설명한 본 발명은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
[부호의 설명]
100: 전자석 모듈
110: 제1전자석
111: 제1지지판
112: 제2지지판
113: 제1권선
114: 중심부
115: 연결부
120: 제2전자석
121: 상측면
122: 하측면
123: 제2권선
125: 코어부
200: 베드
210: 지지부
220: 굴곡부
본 발명은 마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 로봇의 정확한 이동 제어가 가능하고, 장치의 소형화가 가능하여 기타 의료장비와의 호환성이 우수한 전자기장 장치에 관한 것이다.

Claims (13)

  1. 일측에 배치되는 제1지지판, 상기 제1지지판의 타측에 배치되는 제2지지판, 상기 제1지지판과 상기 제2지지판을 연결부를 통해 연결하는 중심부, 및 상기 중심부의 둘레를 따라 권취되는 제1권선을 포함하는 제1전자석;
    상기 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 하측면 및 상기 하측면의 타측에 배치되는 상측면을 포함하는 코어부, 및 상기 하측면과 상기 상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함하는, 하나 이상의 제2전자석; 및
    하나 이상의 굴곡부 및 상기 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부를 포함하고, 상기 제1전자석 및 상기 하나 이상의 제2전자석이 내부에 배치되는 베드;
    를 포함하는, 베드 통합형 전자기장 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 중심부는 중공을 형성하는 것인, 베드 통합형 전자기장 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 하측면은 상기 연결부와 맞닿도록 배치되는 것인, 베드 통합형 전자기장 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 굴곡부의 곡률은 상기 제2코일이 배치되는 각도에 대응되는 형상으로 형성되는 것인, 베드 통합형 전자기장 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 장치는 전원공급부를 더 포함하는 것인, 베드 통합형 전자기장 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 장치는 냉각부를 더 포함하는 것인, 베드 통합형 전자기장 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 각각의 제2전자석은 상기 제1전자석의 중심축을 향하도록 배치되고, 상기 각각의 제2전자석은 서로 대향하도록 배치되는 것인, 베드 통합형 전자기장 장치.
  8. 제1항에 있어서, 자성체를 포함하는 마이크로 로봇을 더 포함하는, 베드 통합형 전자기장 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2전자석의 하측면은 상기 연결부와 0 내지 45 도를 형성하도록 배치되는 것인, 베드 통합형 전자기장 장치.
  10. 하나 이상의 전자석을 포함하는 전자기장 장치에 전류를 인가하여 전자기장을 형성하는 전류인가 단계;를 포함하고,
    상기 전자기장 장치는,
    일측에 배치되는 제1지지판, 상기 제1지지판의 타측에 배치되는 제2지지판, 상기 제1지지판과 상기 제2지지판을 연결부를 통해 연결하는 중심부, 및 상기 중심부의 둘레를 따라 권취되는 제1권선을 포함하는 제1전자석;
    상기 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 하측면 및 상기 하측면의 타측에 배치되는 상측면을 포함하는 코어부, 및 상기 하측면과 상기 상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함하는, 하나 이상의 제2전자석; 및
    하나 이상의 굴곡부 및 상기 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부를 포함하고, 상기 제1전자석 및 상기 하나 이상의 제2전자석이 내부에 배치되는 베드;
    를 포함하는 것인, 마이크로 로봇 구동 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제2전자석의 하측면은 상기 연결부와 0 내지 45 도를 형성하도록 배치되는 것인, 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2전자석은 2개인 것이고, 상기 제2전자석에는 각각 반대방향의 전류가 인가되는 것인, 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 제1전자석 및 상기 제2전자석에 인가되는 전류의 크기 또는 방향을 조절하여 마이크로 로봇의 위치를 조정하는 조정 단계를 더 포함하는, 방법.
PCT/KR2020/014714 2020-07-07 2020-10-27 마이크로 로봇 이동제어를 위한 베드 통합형 전자기장 장치 및 이를 이용한 마이크로 로봇 구동 방법 WO2022010044A1 (ko)

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