WO2024025253A1 - 베드 통합형 전자기장 장치를 이용한 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식 동시화 방법 - Google Patents

베드 통합형 전자기장 장치를 이용한 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식 동시화 방법 Download PDF

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WO2024025253A1
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electromagnet
microrobot
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present
bed
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PCT/KR2023/010511
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박종오
김자영
정성환
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재단법인 한국마이크로의료로봇연구원
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Definitions

  • This invention was made under project identification number 1415185642 and task number 20017903 under the support of the Ministry of Trade, Industry and Energy.
  • the research management agency for the project is the Korea Institute of Industrial Technology Evaluation and Planning, the research project name is "Bio-industrial Technology Development”, and the research project name is " “Development of a convergence medical device for active precision delivery of embolic particles for hepatic artery chemical embolization for liver tumor treatment and a simulator for embolization training", hosted by Korea Micromedical Robotics Research Institute, research period: 2023.01.01. ⁇ 2023.12.31.
  • the present invention relates to a method of synchronizing movement control and location recognition of a microrobot using a bed-integrated electromagnetic field device. More specifically, a device that enables precise movement control of a microrobot and simultaneous location recognition of a microrobot within the human body. This relates to a method of synchronizing the movement control and location recognition of a microrobot by using an electromagnetic field device that allows for miniaturization of the device and has excellent compatibility with other medical equipment.
  • Procedures using microrobots are a surgical method that can precisely target the disease and minimize the incision area, thereby reducing patient pain and shortening the recovery period.
  • Many studies have been conducted recently. It's going on.
  • Self-driving methods include propulsion using the pressure of gas generated by mutual chemical reactions between external fluid and the microrobot body, and methods using biological propulsion such as bacterial movement.
  • the self-driving method has limitations in that it is difficult to apply in the human body due to low control freedom for driving microrobots, low control precision, and chemical/biological toxicity problems.
  • the microrobot driving method using a magnetic field is a representative external driving method with high safety in the human body, and can be divided into methods using permanent magnets or electromagnetic driving coil devices.
  • the microrobot control method using an electromagnetic driving coil has a wide range of applications and is the most active due to the advantage of being able to precisely control the strength and direction of the magnetic field by controlling the current applied to the coil. This is one of the areas where research is in progress. In particular, much research is being conducted on using external magnetic fields to propel microrobots or drive them for treatment. Most of the research is conducted on a two-dimensional plane, or research on simply moving in three-dimensional space is conducted. Medical devices are made partially or entirely of magnetic materials without batteries or separate drivers so that electromagnetic driving coil devices can be controlled using magnetic fields.
  • Medical devices driven by electromagnets can be controlled by magnetic fields generated by applying current to a coil fixed to the outside. At this time, by controlling the intensity and direction of the current applied to each coil, the desired operation of the medical device can be achieved.
  • the method using an electromagnet is easier to control than the method using a permanent magnet, and the movement of the medical device can be quickly controlled depending on the characteristics of the coil.
  • conventional electromagnetic field driving devices using permanent magnets generally control microrobots using two permanent magnets, but it is difficult to control the robot in a direction other than the direction in which the magnets are placed, and it is difficult to control the robot in a direction other than the direction in which the magnets are placed.
  • a control space for permanent magnets is secured, there is a disadvantage in that it is difficult to control the magnetic field in real time due to the time difference in motor movement.
  • a location recognition method using video images from an X-ray device or based on magnetic induction has been designed to recognize the location of a microrobot, but the A process of taking images while rotating is necessary, which makes it difficult to obtain location information of the microrobot in real time, and there are problems in that it is difficult to obtain information about the angle and bending shape of the microrobot through an X-ray image.
  • the magnetic induction-based position recognition method requires 3-axis coil arrangement within the microrobot, which increases the size of the microrobot when mounted, and is difficult to mount on a hollow microrobot. Additionally, like the X-ray-based position recognition method, there is a problem that it is difficult to obtain information about the bending shape of the microrobot.
  • the location recognition method consisting of individual devices has the disadvantage of requiring individual technology development and device configuration for driving the microrobot and recognizing its location.
  • the present inventors manufactured a bed-integrated electromagnetic field device including a bed, a first electromagnet disposed in the bed, and a second electromagnet and a third electromagnet disposed to form a certain angle with the first electromagnet, and used this device to Movement control and location recognition of the robot can be performed at the same time, and furthermore, when the user inputs the coordinates of the target lesion, the location recognition information of the microrobot obtained in real time and the microrobot operation using this information can be used to autonomously place the microrobot on the lesion site. It was confirmed that it was possible to target accurately.
  • the purpose of the present invention is to provide a method of synchronizing microrobot driving and location recognition.
  • Another object of the present invention is to provide a microrobot autonomous targeting method.
  • Another object of the present invention is to provide a computer program recorded on a computer-readable recording medium for executing a microrobot autonomous targeting method.
  • Another object of the present invention is to provide a microrobot autonomous targeting system including at least one processor to implement a microrobot autonomous targeting method.
  • the present invention relates to a method for synchronizing movement control and location recognition of a microrobot using a bed-integrated electromagnetic field device, a method for autonomously targeting a microrobot to a lesion using the same, a computer program for executing the same, and a system.
  • human implantable medical device in this specification refers to any human implantable medical device that is partially or entirely surgically or medically designed, and may be a medical device that is inserted into the human body even after a procedure to maintain life, or may be used for 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.
  • a permanent magnet may be used as the magnetic material.
  • microrobot refers to a type of medical device implanted in the human body, including mechanical/electronic microrobots containing permanent magnets or soft magnetic materials as millimeter-scale magnetic materials, such as vascular robots and active capsule endoscopes, and microcarriers for DDS. , microscaffolds for cell therapy delivery, nanorobots, and macrophage robots, which are micro/nanoscale sized magnetic materials that can be classified as polymer/cell-based microrobots containing magnetic nanoparticles, and others. Other types of microrobots may be included.
  • One example of the present invention relates to a bed-integrated electromagnetic field device, including a bed including a first electromagnet, and second and third electromagnets arranged to form a predetermined angle with the first electromagnet.
  • the first electromagnet may be a solenoid, circular, square, or saddle-shaped coil.
  • the first electromagnet may be in the form of a soft magnetic core or an air core.
  • circular electromagnet in this specification refers to a ring-shaped magnet, that is, an endless magnet that is not affected by the magnetic force at the end.
  • the first electromagnet may generate a magnetic field in the z-axis direction.
  • z-axis in this specification refers to an axis that is parallel to the central axis of the first electromagnet and perpendicular to the longitudinal direction of the bed and upward.
  • the second electromagnet may be a solenoid, circular, square, or saddle-shaped coil.
  • the third electromagnet may be a solenoid, circular, square, or saddle-shaped coil.
  • the second electromagnet may be in the form of a soft magnetic core or an air core.
  • the third 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.
  • the third electromagnet may generate magnetic fields in the x-axis and y-axis directions.
  • x-axis in this specification refers to an axis perpendicular to the central axis of the first electromagnet and parallel to the longitudinal direction of the bed.
  • y-axis in this specification refers to an axis that is perpendicular to the central axis of the first electromagnet, perpendicular to the longitudinal direction of the bed, and simultaneously perpendicular to the x-axis and 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 plate, a center connecting the first support plate and the second support plate through a connection portion, and a center portion of the center. 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 body, but is not limited thereto.
  • connection unit can connect the first support plate and the second support plate to the center, and each of the second electromagnet and the third electromagnet can be contacted to form a certain angle with the first electromagnet.
  • connection part according to the present invention may further include a groove to facilitate connection with each of the second and third electromagnets, but is not limited thereto.
  • At least one of the first support plate, the second support plate, the connecting portion, or the center is selected from the group consisting of Fe-Co alloy, 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 such as, but is not limited to, enamel, copper, or aluminum.
  • the second electromagnet includes a first core portion, the first core portion has a first lower side disposed to form a predetermined angle with the first electromagnet, and a first electromagnet disposed on the other side of the first lower side. It includes an upper side, and the second electromagnet may include a second winding wound between the first lower side and the first upper side.
  • the third electromagnet includes a second core portion, the second core portion has a second lower side disposed to form a predetermined angle with the first electromagnet, and a second electromagnet disposed on the other side of the second lower side. It includes an upper side, and the third electromagnet may include a third winding wound between the second lower side and the second upper side.
  • the first upper side may be arranged to face the central axis of the first electromagnet.
  • the second upper side may be arranged to face the central axis of the first electromagnet.
  • the second electromagnet and the third electromagnet may be arranged to face each other.
  • the first lower side of the second electromagnet according to the present invention is angled with the support plate of the first electromagnet or the connection part of the first electromagnet at 0 to 90 degrees, 0 to 80 degrees, 0 to 75 degrees, 0 to 70 degrees, 0 to 65 degrees, Can be positioned forming 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, forming 0 to 45 degrees. However, it is not limited to this.
  • the second lower side of the third electromagnet according to the present invention is angled with the support plate of the first electromagnet or the connection part of the first electromagnet at 0 to 90 degrees, 0 to 80 degrees, 0 to 75 degrees, 0 to 70 degrees, 0 to 65 degrees, Can be positioned forming 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, forming 0 to 45 degrees. However, it is not limited to this.
  • the second winding may include a conductive metal such as, but is not limited to, enamel, copper, or aluminum.
  • the third winding may include a conductive metal such as, but is not limited to, enamel, copper, or aluminum.
  • the first core portion may be formed of one or more materials selected from the group consisting of Fe-Co alloy, aluminum, pure iron, iron nitride, electronic steel containing bismuth, and combinations thereof. It is not limited to this.
  • the second core portion may be formed of one or more materials selected from the group consisting of Fe-Co alloy, aluminum, pure iron, iron nitride, electronic steel containing bismuth, and combinations thereof. It is not limited to this.
  • the bed may include one or more bends and a support disposed between the one or more bends.
  • 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, the second electromagnet, and the third electromagnet may be disposed inside the bed.
  • the bed may further include a power supply unit that supplies power to the first electromagnet, the second electromagnet, and the third electromagnet.
  • the power supply unit may be disposed inside the bed.
  • the bed may further include a moving part that linearly moves the first electromagnet, the second electromagnet, and the third electromagnet.
  • the bed may further include a first electromagnet, a second electromagnet, a third electromagnet bed, a power supply unit, or a cooling unit that cools heat generated from the moving unit.
  • the cooling unit may be disposed inside the bed.
  • the device may further include a microrobot including a magnetic material.
  • the microrobot 300 according to the present invention may be implemented wired or wirelessly.
  • the microrobot 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 and 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 center connecting the first support plate and the second support plate through a connection portion, and a perimeter of the center.
  • a first core portion including a first electromagnet including a first winding wound along, a first lower side disposed to form a certain angle with the first support plate, and a first upper side disposed on the other side of the first lower side, and a second electromagnet including a second winding wound between the first lower side and the first upper side; a second lower side disposed to form a predetermined angle with the first support plate, a second core portion including a second upper side disposed on the other side of the second lower side, and between the second lower side and the second upper side.
  • a third electromagnet including a wound third winding; And it includes one or more bent parts and a support part disposed between the one or more bent parts, and may include a bed in which a first electromagnet, a second electromagnet, and a third electromagnet are disposed.
  • Another example of the present invention is a microrobot driving method that includes an application step of forming an electromagnetic field by applying a current to an electromagnetic field device including a first electromagnet, a second electromagnet, and a third electromagnet.
  • microrobot driving method includes the same configuration as the bed-integrated electromagnetic field device described above, the description of information common to both is omitted to avoid excessive complexity of the present specification.
  • the applying step may further include applying currents in different directions to the first electromagnet, the second electromagnet, and the third electromagnet.
  • the method may further include an adjustment step of adjusting the position of the microrobot by adjusting the magnitude or direction of the current applied to the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet.
  • Another example of the present invention relates to a method of synchronizing microrobot driving and location recognition, including an image acquisition step, a current application step, a steering step, and a position recognition step.
  • each step included in the method of synchronizing microrobot driving and location recognition may be performed by a data processing unit that may be included in the bed-integrated electromagnetic field device of the present invention or may be provided separately, but is not limited thereto.
  • the data processing unit may include at least one arithmetic processing unit that controls processing such as interpretation of digital commands and data operation and comparison, but is not limited thereto.
  • the image acquisition step may be acquiring an X-ray image of the Rx module using an X-ray device.
  • a direct current-alternating current may be applied independently to each of the first, second, and third electromagnets included in the electromagnetic field device.
  • the steering step may involve the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet receiving direct current to drive the microrobot.
  • the microrobot may be a catheter-type microrobot.
  • the location recognition step may be recognizing the location of the microrobot using an alternating current magnetic field generated by the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet receiving alternating current.
  • the location recognition step may include a mixed signal reception step, a first extraction step, a second extraction step, an integration step, and a conversion step.
  • the mixed signal reception step may be receiving a mixed signal generated from the Rx module included in the microrobot by the alternating magnetic field generated by the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet receiving alternating current. .
  • the first extraction step may be to separately extract signals for each frequency from the mixed signal.
  • the second extraction step may be extracting the position estimation information of the Rx module from the X-ray image.
  • the second extraction step may be performed by extracting the area where the Rx module is estimated to be located from the X-ray image using an image processing technique used in medical images.
  • the medical image may be one or more types selected from the group consisting of X-ray images, MRI images (Magnetic Resonance Imaging), ultrasound images (Ultra sound imaging), and PET (Positron Emission Tomography).
  • X-ray images MRI images (Magnetic Resonance Imaging), ultrasound images (Ultra sound imaging), and PET (Positron Emission Tomography).
  • MRI images Magnetic Resonance Imaging
  • ultrasound images Ultra sound imaging
  • PET PET (Positron Emission Tomography).
  • it may be an X-ray image, but is not limited thereto.
  • the integration step may be to generate first position information by integrating signals for each frequency into position estimation information with 2 degrees of freedom (2 DoF).
  • the conversion step may be generating second location information with 5 degrees of freedom (5 DoF) from first location information.
  • the first extraction step may be performed using a fast Fourier transform (FFT) algorithm, but is not limited thereto.
  • FFT fast Fourier transform
  • the second extraction step may be to extract the position estimation information of the Rx module including the x and y coordinate information of the Rx module by labeling the coordinates where the Rx module is estimated to be located from the X-ray image. , but is not limited to this.
  • the integration step may be performed by transmitting the x and y coordinate information of the Rx module from the
  • the Rx module may include at least one or more Rx coils, and may have 2 or more, 3 or more, 4 or more, or 5 or more, but is not limited thereto and may be configured according to the length of the catheter-type microrobot. It may include an appropriate number of Rx coils.
  • the Rx module may include a first Rx coil, a second Rx coil, and a third Rx coil, that is, three Rx coils.
  • At least one Rx coil may be spaced apart from each other at regular intervals.
  • the first Rx coil and the second Rx coil may be spaced apart by a predetermined distance.
  • the second Rx coil and the third Rx coil may be spaced apart by a predetermined distance.
  • the conversion step may be performed using a 5-degree-of-freedom positioning equation (5 DoF Inverse model), but is not limited to this.
  • the conversion step may further include a noise removal step.
  • the noise removal step may be removing noise from the second location information using a Kalman filter.
  • Another example of the present invention relates to a microrobot autonomous targeting method including a coordinate input step, a target lesion information generation step, a path generation step, and a microrobot driving and location recognition step.
  • each step included in the microrobot autonomous targeting method may be performed by a data processing unit that may be included in the bed-integrated electromagnetic field device of the present invention or may be provided separately, but is not limited thereto.
  • the coordinate input step may involve receiving the coordinates of the target lesion from the user.
  • the coordinates may be three-dimensional coordinates, but are not limited thereto.
  • the step of generating target lesion information may be to generate location information of the lesion using the coordinates of the target lesion input from the user.
  • the path creation step may be to use the generated location information of the lesion to create a three-dimensional movement path for the microrobot to move from the current location to the target lesion.
  • the microrobot driving and location recognition step may involve driving the microrobot along a movement path and recognizing the current location of the microrobot in real time.
  • the microrobot driving and location recognition step may include an image acquisition step, a current application step, a steering step, and a location recognition step, similarly to the microrobot driving and location recognition synchronization method.
  • the 3D movement path may be a path for one end of the microrobot to reach the coordinates of the target lesion.
  • the path creation step may modify the 3D movement path.
  • the microrobot driving and location recognition step may be to recognize the current location by driving the microrobot according to a modified 3D movement path.
  • Another example of the present invention relates to a microrobot autonomous targeting system including at least one processor for executing a microrobot autonomous targeting method.
  • At least one processor of the microrobot autonomous targeting system receives coordinates of a target lesion; Generating lesion location information using the coordinates of the target lesion; Using the location information of the lesion, the microrobot generates a movement path to move from the current location to the target lesion; and driving the microrobot according to the movement path and recognizing the location of the microrobot in real time.
  • the processor may receive user manipulation information from a haptic device in order to drive the microrobot.
  • the processor can recognize the location of the microrobot in real time and apply the generated location information to a separate display device to display the location of the microrobot to the user in real time.
  • the processor may generate a movement path for the microrobot to move from the current location to the target lesion using location information of the lesion input from the user.
  • the processor may drive the microrobot according to the movement path and recognize the location of the microrobot in real time.
  • the processor drives the microrobot in real time and recognizes its position by acquiring an X-ray image of the Rx module using an X-ray device; Applying a direct current-alternating current (DC-AC) independently to each of the first, second, and third electromagnets included in the bed-integrated electromagnetic field device; The first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet receive direct current to drive the microrobot; And the position of the microrobot may be recognized by using the alternating magnetic field generated by the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet receiving alternating current.
  • the processor can implement a control method (path-following) that can follow the targeting path.
  • a computer program may configure or command the processing units independently or collectively to operate as desired.
  • the computer program may be stored permanently on any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device for the purpose of being interpreted by or providing instructions or data to the processing device. It can be embodied, or temporarily.
  • the software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner.
  • the computer program may be stored in one or more computer-readable recording media.
  • the method of the present invention can be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded on a computer-readable medium.
  • the medium may continuously store a computer-executable program, or may temporarily store it for execution or download.
  • the medium may be a variety of recording or storage means in the form of a single or several pieces of hardware combined. It is not limited to a medium directly connected to a computer system and may be distributed over a network. Examples of media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical recording media such as CD-ROMs and DVDs, magneto-optical media such as floptical disks, and ROM. , RAM, flash memory, etc. may be configured to store program instructions.
  • examples of other media include recording or storage media managed by app stores that distribute applications, sites or servers that supply or distribute various other software, etc.
  • Program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment or may be known and available to those skilled in the art.
  • Examples of program instructions include machine language code, such as that produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter, etc.
  • the present invention relates to a method for synchronizing movement control and location recognition of a microrobot using a bed-integrated electromagnetic field device, a method for autonomously targeting a microrobot to a lesion using the same, a computer program for executing the same, and a system thereof.
  • a method for synchronizing movement control and location recognition of a microrobot using a bed-integrated electromagnetic field device By simultaneously performing drive control and location recognition of the microrobot, the location of the microrobot can be indicated to the user in real time. Furthermore, if the user using the present invention only inputs the coordinates of the target lesion, the microrobot is driven to the target lesion and the microrobot is simultaneously operated. Location recognition can be performed autonomously in real time.
  • FIG. 1 is a diagram showing an electromagnet module of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram showing a first electromagnet and a second electromagnet of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a diagram showing a bed of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a perspective view of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a side view of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 6 is a diagram showing the linear movement of the electromagnet module in the bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7a is a diagram showing the formation of an electromagnetic field in the z-axis direction of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7b is a diagram showing 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.
  • Figure 7c is a diagram 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.
  • Figure 8 is a diagram showing a microrobot of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 9 is a diagram showing the use of a bed-integrated electromagnetic field device in conjunction with a medical device such as an X-ray device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 10 is a diagram showing the use of a bed-integrated electromagnetic field device in conjunction with a medical device such as a microrobot guidance device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 11 shows a flowchart of a microrobot drive-position recognition synchronization technology according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 12 shows the direct current (DC)-alternating current (AC) integrated magnetic field generated by the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet according to an embodiment of the present invention.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • FIG. 13 shows a flowchart of performing position recognition of a microrobot using electromotive force (EMF) induced through an alternating magnetic field (DC magnetic field) according to an embodiment of the present invention.
  • EMF electromotive force
  • Figure 14 shows a flow chart of the microrobot autonomous targeting technology using the microrobot's drive-position recognition synchronization technology according to an embodiment of the present invention.
  • DC-AC direct current-alternating current
  • a method of synchronizing microrobot driving and location recognition including:
  • the location recognition step is,
  • a method for synchronizing microrobot driving and location recognition including a conversion step of generating second location information having 5 degrees of freedom (5 DoF) from the first location information.
  • a component when referred to as being “connected” or “connected” to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may also exist in between. It must be understood that there is. On the other hand, when it is mentioned that a component is “directly connected” or “directly connected” to another component, it should be understood that there are no other components in between. Other expressions that describe the relationship between components, such as “between” and “immediately between” or “neighboring” and “directly adjacent to” should be interpreted similarly.
  • Figure 1 is a diagram showing the electromagnet module of the bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a diagram showing the first electromagnet and the second electromagnet (or third electromagnet) of the bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 is a diagram showing a bed of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 4 is a perspective view of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 includes a first electromagnet 110 and a second electromagnet 120 (a) arranged to form a certain angle with the first electromagnet 110. )) and an electromagnet module 100 including a third electromagnet 120(b) and a bed 200.
  • 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, and the first support plate 111 and the second support plate 112. It may include a central portion 114 connected through a connection portion 115, and a first winding 113 wound around the central portion 114.
  • the first support plate 111 is disposed on the upper side of the first electromagnet 110, and is in contact with the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b). ) and the third electromagnet (120(b)).
  • the first support plate 111 may include a groove (not shown), and accordingly, when connected to the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b), the second electromagnet 120(a) )) and the third electromagnet 120(b) can be firmly supported.
  • the second support plate 112 may have a flat shape.
  • the second support plate 112 is disposed below the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) and supports the entire electromagnet module 100 while contacting the lower side of the bed 200. Even when the electromagnet module 100 is moved by the second support plate 112, the relative positions of the first electromagnet 110, the second electromagnet 120(a), and the third electromagnet 120(b) are relative to each other. It can be supported firmly without being changed.
  • connection portion 115 may connect the first support plate 111 and the second support plate 112 with the center 114, and may be in the form of a corner of a vertically bent portion as shown in FIGS. 1 to 4, but is limited to this. This does not mean that it can be, for example, in the form of a surface with a certain slope.
  • the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) may be arranged on the first support plate 111 or the connection portion 115 to form a predetermined angle.
  • the connection portion 115 may include a groove (not shown) that can be coupled to the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b). In this case, the second electromagnet 120(a) ) and the third electromagnet 120(b) are engaged with the groove of the connection portion 115 and can be firmly attached to a certain position within the electromagnet module 100.
  • the center 114 may be connected to the first support plate 111 and the second support plate 112 through the connection portion 115, and may be arranged perpendicular to the first support plate 111 and the second support plate 112, respectively. .
  • the center 114 may form a hollow within the first electromagnet 110 together with the first support plate 111, the second support plate 112, and the connection portion 115.
  • the first electromagnet 110 may form a space in which the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) can be placed through a hollow formed in the center, and accordingly, the second electromagnet 110 Parts of (120(a)) and the third electromagnet (120(b)) may be disposed in the hollow and form a certain angle with the first electromagnet (110).
  • the first electromagnet 110 may include a first winding 113 wound around the center 114.
  • a current provided from the bed-integrated electromagnetic field device 1000 or a power supply disposed in the bed 200 may flow through the first winding 113, and the center 114 is connected to the first support plate 111 and the second support plate 112.
  • the first winding 113 can form an electromagnetic field in a direction perpendicular to the first and second support plates 111 and 112.
  • the first electromagnet 110 can form an electromagnetic field in the vertical direction of the bed 200 as a current is applied to the first winding 113 wound around the center 114, and through this, a human implantable medical device, For example, the position of a medical device inserted into the human body can be adjusted up and down through magnets embedded in medical devices such as microrobots.
  • the first support plate 111, the second support plate 112, the connecting portion 115, and the center 114 of the first electromagnet 110 include, but are not limited to, Fe-Co alloy, aluminum, pure iron, and iron nitride. It may be formed of one or more materials selected from the group consisting of electronic steels containing bismuth, and combinations thereof.
  • the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) may be solenoid electromagnets, as shown in FIGS. 1 and 2.
  • the second electromagnet 120 (a) is a core including a lower side 122 disposed at a certain angle with the first electromagnet 110 and an upper side 121 disposed on the other side of the lower side 122 ( 125) and a second winding 123 wound between the lower side 122 and the upper side 121.
  • the third electromagnet 120(b) has the same structure as the second electromagnet 120(a), and has a lower side 122 and a lower side 122 arranged to form a certain angle with the first electromagnet 110.
  • the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) may be included in the bed-integrated electromagnetic field device 1000, as shown in FIGS. 1 to 4.
  • the lower side 122 may be arranged to form a certain angle with the connection portion 115 of the first electromagnet 110 or the first support plate 111, for example, the connection portion 115 of the first electromagnet 110. Alternatively, it may be arranged to form an angle of 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 3D magnetic field control performance.
  • the lower side 122 can be firmly coupled to the connection portion 115 of the first electromagnet 110 or the groove formed in the first support plate 111.
  • the second winding 123 may be wound between the lower side 122 and the upper side 121.
  • the second winding 123 may include a conductive metal, for example, enamel, copper, or aluminum.
  • the third winding 123 may be wound between the lower side 122 and the upper side 121.
  • the third winding 123 may include a conductive metal, for example, enamel, copper, or aluminum.
  • the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) are located in the hollow formed in the first electromagnet 110, as shown in FIG. 1.
  • a portion of each of the third electromagnets 120(b) may be positioned and arranged at an angle to the first electromagnet 110 to form a predetermined angle with the first support plate 111 or the connecting portion 115.
  • the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) are capable of forming an electromagnetic field in the front, rear, left and right directions of the bed integrated electromagnetic field device 1000.
  • the second electromagnet may be arranged so that the upper side 121 faces the central axis 1 of the first electromagnet 110, as shown in FIG. 1, and accordingly, as will be described later, it can be inserted into the human body. It is possible to freely move the medical device in the x- and y-axis directions of the electromagnetic 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. Inside the bed 200, a first electromagnet 110, An electromagnetic module 100 including a second electromagnet 120(a) and a third electromagnet 120(b) may be disposed.
  • the support portion 210 may have a flat shape to stably support the patient's body.
  • the bed 200 may further include a power supply unit that independently supplies power to the first electromagnet 110, the second electromagnet 120(a), and the third electromagnet 120(b).
  • the bed 200 may further include a moving part (not shown) that linearly moves the first electromagnet 110, the second electromagnet 120(a), and the third electromagnet 120(b).
  • the bed 200 includes a first electromagnet 110, a second electromagnet 120(a), a third electromagnet 120(b), a bed 130, a power supply unit, or a moving unit. It may further include a cooling unit that cools the heat generated from the.
  • the curvature of one or more bends 220(a) and 220(b) has a shape corresponding to the angle at which the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) are disposed. It may be formed by . 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 the first electromagnet 110, The respective distances between the second electromagnet 120(a) and the third electromagnet 120(b) and the patient's body 10 located on the bed 200 can be made closer.
  • Figure 6 is a diagram 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 moved to any position 100(a), 100(b) of the bed through motor driving of a moving part (not shown) included in the bed 200 or the electromagnetic field device 1000. ), 100(c)) can be used for linear movement.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 is capable of moving the electromagnetic module 100 to a location on the patient's body located in the bed 200 where a disease has occurred or a disease is suspected to occur, As the electromagnet module 100 guides the medical device to the corresponding location, it is possible to move the implantable medical device to the corresponding location.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 is capable of freely controlling the position of the medical device inserted into the patient's body through linear movement of the electromagnet module 100.
  • Figure 7a is a diagram 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 a diagram showing the 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 diagram 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 can focus the magnetic field using a first electromagnet, a second electromagnet, and a third electromagnet to move the microrobot 300 to the area of interest.
  • the user can move the microrobot 300 in the z-axis direction by applying current to the first electromagnet.
  • the user controls the direction and intensity (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)).
  • This is possible, and accordingly, 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 microrobot 300 in the x-axis and y-axis directions by applying current to the second and third electromagnets.
  • the upper side of each of the second and third electromagnets is disposed to face the central axis of the first electromagnet, and the lower side of each is disposed to form a certain angle with the first support plate or connection portion of the first electromagnet. Therefore, the second electromagnet and the third electromagnet can move the microrobot 300 in the x-axis and y-axis directions of the electromagnet module.
  • the movement of the microrobot 300 in the x- and y-axis directions is similar to the movement in the z-axis direction, and the user controls the direction and strength of the current applied to the second and third electromagnets (40(x), 40( y)) can be adjusted to move the microrobot 300 in the x-axis and y-axis directions so that the microrobot 300 can be freely moved within the area of interest (20(x), 20(y)).
  • the user can apply currents in opposite directions to the second and third electromagnets, thereby focusing the magnetic fields and increasing the strength of the magnetic fields (30(x), 30(y)) formed in the area of interest. You can do it.
  • the user adjusts the direction and intensity of the current applied to the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet, respectively, to the area of interest (20(x), 20(y,) 20(z)) in the patient's body. It is possible to freely and precisely move the microrobot in the area of interest by overlapping the respective magnetic fields (30(x), 30(y), 30(z)) generated by the first and second electromagnets. That is, it is possible to accurately drive the microrobot 300 by independently adjusting the specific arrangement of the first and second electromagnets and the direction and intensity of the current applied to each electromagnet.
  • Figure 8 is a diagram showing a microrobot of a bed-integrated electromagnetic field device according to an embodiment of the present invention.
  • the microrobot 300 may include a magnet having a random magnetization direction.
  • the microrobot 300 may rotate and/or move in any direction by the magnetic field generated by the bed-integrated electromagnetic field device described above.
  • the micro robot 300 may be implemented wired or wirelessly.
  • the microrobot 300 may include a robot body.
  • the microrobot 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 components of.
  • the robot body 310 is a part that defines the exterior of the microrobot 300 and can be manufactured to a size that can move inside a subject or blood vessel.
  • the front part of the robot body 310 may be manufactured in a streamlined shape to reduce blood flow and friction, and the front part of the robot main body 310 may be equipped with a debris collector to collect treatment debris generated during vascular treatment. You can.
  • Figure 9 is a diagram showing the use of a bed-integrated electromagnetic field device in conjunction with a medical device such as an X-ray device according to an embodiment of the present invention.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 can be used in combination with an X-ray device 1100, an image navigation system 1200, and a catheter insertion-retrieval device 1300 in a hospital. there is.
  • Figure 10 is a diagram showing the use of a bed-integrated electromagnetic field device in conjunction with a medical device such as a microrobot guidance device according to an embodiment of the present invention.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 can 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 can be implemented with a microrobot 300 as a vascular robot together with a catheter insertion-retrieval device 1300 as shown in FIG. 9, or, as shown in FIG. 10, a microrobot guidance device ( 1500) can be implemented together with a microrobot 300 as a gastrointestinal endoscope.
  • the bed-integrated electromagnetic field device 1000 minimizes the number of coils included in the device, and has a structure integrated with the bed where the patient's body is located, so the overall size of the system can be miniaturized. do.
  • Figure 11 shows a flowchart of a microrobot drive-position recognition synchronization technology according to an embodiment of the present invention.
  • the microrobot driving-position recognition synchronization method of the present invention includes an image acquisition step (S100) of acquiring an X-ray image of the Rx module using an X-ray device; A current application step (S200) of independently applying a direct current-alternating current (DC-AC) to each of the first, second, and third electromagnets included in the bed-integrated electromagnetic field device; A steering step (S300) in which the first electromagnet, the second electromagnet, and the third electromagnet receive direct current to drive the microrobot; and a position recognition step (S400) in which the position of the microrobot is recognized using an alternating magnetic field generated by the first electromagnet, the second electromagnet, and the third electromagnet receiving alternating current.
  • S100 image acquisition step
  • S200 of independently applying a direct current-alternating current (DC-AC) to each of the first, second, and third electromagnets included in the bed-integrated electromagnetic field device
  • a steering step (S300) in which the first electromagnet, the second electro
  • the image acquisition step (S100) may involve acquiring an X-ray image of the Rx module using an X-ray device.
  • the image acquisition step (S100) may be performed before the current application step (S200), which will be described later, but is not limited thereto, and may be performed in real time or at regular time intervals throughout the entire process of performing the method of the present invention. It could be.
  • the integrated current of direct current (DC) and alternating current (AC) is applied to the first electromagnet through the first channel (ch1), second channel (ch2), and third channel (ch3) of the power supply.
  • (110) (EM1), the second electromagnet (120 (a)) (EM2), and the third electromagnet (120 (b)) (EM3) are applied independently to generate a direct current-alternating current (DC-AC) integrated magnetic field. It may be to do so.
  • the DC magnetic field reacts with the magnetic material located at the end of the main body 310 of the wired catheter-type microrobot 300 to induce a steering motion of the microrobot.
  • the AC magnetic field can induce electromotive force (EMF) by reacting with the first to third Rx modules 322, 324, 326 (Rx Coil 1 to 3) of the microrobot. (S400).
  • the location recognition step (S400) includes a mixed signal reception step (S410) of receiving a mixed signal generated from an Rx module included in the microrobot; A first extraction step (S420) of separately extracting signals for each frequency from the mixed signal; A second extraction step (S430) of extracting position estimation information of the Rx module from the X-ray image; An integration step (S440) of generating first position information by integrating signals for each frequency into position estimation information with 2 degrees of freedom (2 DoF); And it may include a conversion step (S450) of generating second location information with 5 degrees of freedom (5 DoF) from the first location information.
  • the mixed signal reception step (S410) uses an alternating magnetic field generated by the first electromagnet, the second electromagnet, and the third electromagnet receiving alternating current, and the first to third Rx modules 322, 324, and 326 included in the microrobot. ) may be receiving a mixed signal generated from.
  • the mixed signal reception step (S410) may be performed using a data acquisition unit (not shown), and the data acquisition unit refers to a device that is separately provided to receive a wireless signal or is provided in the bed-integrated electromagnetic field device of the present invention. It may be.
  • the first extraction step (S420) may be to separately extract signals for each frequency from the mixed signal
  • the second extraction step (S430) may be to extract the position estimation information of the Rx module from the X-ray image
  • (S440) may be to generate first location information by integrating signals for each frequency into position estimation information with 2 degrees of freedom (2 DoF)
  • the conversion step (S450) may be to generate first location information.
  • Second position information having 5 degrees of freedom (5 DoF) may be generated from.
  • Driving the microrobot through the steering step (S300) can be implemented through steering through a direct current magnetic field and insertion/retrieval operations through a feeder.
  • the electromotive force information of the microrobot is transmitted to the video navigation system 1200 through wired communication, and the end of the microrobot generated using an This can be done by integrating with X-ray position estimation information and converting it into end position and bending shape information of the microrobot's 5 degrees of freedom (DOF) (5 DoF; there is.
  • DOF degrees of freedom
  • the location recognition step (S400) specifically includes a mixed signal reception step (S410), a first extraction step (S420) of separately extracting signals by frequency from the mixed signal, and a first extraction step of extracting the position estimation information of the Rx module from the X-ray image.
  • it may include a conversion step (S450) of generating second location information from first location information.
  • the manipulation information generated by the haptic device is transmitted to the feeder and power supply.
  • Direct current (AC) can change in real time depending on the operation of the haptic device, but alternating current (AC) is the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet with the frequency and magnitude set for position recognition. It is permanently applied to the electromagnet.
  • the current application step (S200) may be performed again after the location recognition step (S400), and may also be performed simultaneously with the location recognition step.
  • This location recognition step (S400) may be executable by a computer program or software recorded on a computer-readable recording medium. Each detailed step included in the location recognition step may be performed by at least one processor implemented to execute computer-readable instructions.
  • Figure 12 shows the direct current (DC)-alternating current (AC) integrated magnetic field generated by the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet according to an embodiment of the present invention.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • each of the first to third electromagnets integrates and generates a DC magnetic field for driving the wired microrobot and an AC magnetic field for position recognition, and each magnetic field can be independently separated, so the influence of interference on driving and position recognition can be ignored.
  • FIG. 13 shows a flowchart of performing position recognition of a microrobot using electromotive force (EMF) induced through an alternating magnetic field (DC magnetic field) according to an embodiment of the present invention.
  • EMF electromotive force
  • the induced electromotive force (EMF) is mixed in the single-axis Rx module through the AC magnetic field of the first electromagnet 110, the second electromagnet 120(a), and the third electromagnet 120(b). It is induced in the form of electromotive force (mixed EMF).
  • the AC magnetic fields of each of the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet have different specific frequencies and magnitudes, and these characteristics are derived from the Rx modules 322, 324, and 326. It appears in the form of mixed signals in electromotive force.
  • This mixed signal of electromotive force can be classified by frequency through fast Fourier transform (FFT) technology.
  • FFT fast Fourier transform
  • the position recognition step (S400) first receives a mixed signal generated from the Rx module included in the microrobot by the alternating magnetic field generated by the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet receiving alternating current (S410 ), separately extract signals by frequency from the mixed signal (S420).
  • the second extraction step (S430) may be extracting the position estimation information of the Rx module from the X-ray image.
  • the second extraction step (S430) may be performed simultaneously with the mixed signal receiving step (S410) or the first extraction step (S420), or may be performed first or later.
  • the integration step (S440) may be to generate first position information by integrating the signal for each frequency with the position estimation information having 2 degrees of freedom (2 DoF).
  • the conversion step (S450) may be to generate second location information with 5 degrees of freedom (5 DoF) from the first location information. This makes it possible to recognize the 3D position of the microrobot.
  • the frequency-specific electromotive force signal generated in the first extraction step (S420) is the position estimation information of 2 degrees of freedom (2 DoF; x, y position) within the X-ray image plane of the end of the microrobot through the X-ray device. It is integrated with the 5-DOF positioning formula (5 DoF Inverse model), converted into position information, goes through a Kalman filter to remove noise, and finally provides 5-degree-of-freedom microrobot position information (Catheter Tip 5). DoF Tracking) and shape information (Catheter Bending Tracking) can be obtained.
  • the 5-degree-of-freedom positioning formula may mean determining the coordinates of one end of a robot with 5 degrees-of-freedom through analysis using known forward kinematics and reverse kinematics.
  • the Kalman filter may refer to a recursive filter that estimates the state of a linear dynamical system based on measurements containing noise.
  • Figure 14 shows a flowchart of the microrobot autonomous targeting technology using the microrobot's drive-position recognition synchronization technology according to an embodiment of the present invention.
  • the microrobot autonomous targeting technology using the microrobot's drive-position recognition synchronization technology includes a coordinate input step (S1100) of receiving the coordinates of the target lesion; A target lesion information generation step (S1200) of generating location information of the lesion using the coordinates of the target lesion; A path creation step (S1300) of generating a movement path for the microrobot to move from the current location to the target lesion using the location information of the lesion; And it may include a microrobot driving and location recognition step (S1400) in which the microrobot is driven according to the movement path and the location of the microrobot is recognized in real time.
  • This microrobot autonomous targeting technology may be executable by a computer program or software recorded on a computer-readable recording medium.
  • the coordinate input step may be performed by the user using a haptic device
  • the target lesion information generation step, path generation step, and microrobot driving and location recognition step may execute computer-readable commands. It may be performed by at least one processor implemented to do so.
  • the coordinate input step (S1100) may involve receiving the coordinates of the target lesion.
  • the coordinate input step may mean that the user selects and inputs the 3D coordinates of the target lesion (target selection) within the X-ray-based autonomous image navigation system 1200 for the autonomous targeting function.
  • the target lesion information generation step (S1200) may generate location information of the lesion using the coordinates of the target lesion.
  • the path creation step (S1300) may be to generate a movement path for the microrobot to move from the current location to the target lesion using the location information of the lesion. That is, a process of generating a targeting path by integrating the location information of the generated target lesion and the location information of the microrobot can be additionally implemented.
  • the microrobot driving and location recognition step may be to drive the microrobot according to the movement path and recognize the location of the microrobot in real time. In detail, it represents the same flow as described in FIG. 11. It may be carried out. Additionally, a control method (path-following) that can follow the targeting path through the real-time location of the microrobot based on the targeting path can be implemented. This may be accomplished by pre-calculating the next operation of the microrobot by path-following the targeting path in real time and sending request commands (driving command & steering command) to the power supply and feeder.
  • path-following that can follow the targeting path through the real-time location of the microrobot based on the targeting path can be implemented. This may be accomplished by pre-calculating the next operation of the microrobot by path-following the targeting path in real time and sending request commands (driving command & steering command) to the power supply and feeder.
  • This method of synchronizing microrobot driving and location recognition, and the microrobot autonomous targeting method using the same, is such that the device for implementing the method includes a total of three of the first electromagnet, second electromagnet, and third electromagnet described above, so that the size of the entire device is small. , It is optimal in terms of microrobot drivability and compatibility with X-ray devices.
  • electromagnet module 110 first electromagnet
  • first support plate 112 second support plate
  • Micro robot 310 Robot body
  • Bed-integrated electromagnetic field device 1100 X-ray device
  • Video navigation system 1300 Catheter insertion-retrieval device
  • the present inventors manufactured a bed-integrated electromagnetic field device including a bed, a first electromagnet disposed in the bed, and a second electromagnet and a third electromagnet disposed to form a certain angle with the first electromagnet, and used this device to create a microrobot. Movement control and location recognition can be performed at the same time, and furthermore, when the user simply inputs the coordinates of the target lesion, the location recognition information of the microrobot obtained in real time and the microrobot operation using this information can be used to autonomously move the microrobot to the lesion area. It was confirmed that accurate targeting was possible.
  • the purpose of the present invention is to provide a method of synchronizing microrobot driving and location recognition.
  • Another object of the present invention is to provide a microrobot autonomous targeting method.
  • Another object of the present invention is to provide a computer program recorded on a computer-readable recording medium for executing a microrobot autonomous targeting method.
  • Another object of the present invention is to provide a microrobot autonomous targeting system including at least one processor to implement a microrobot autonomous targeting method.

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Abstract

본 발명은 베드 통합형 전자기장 장치를 이용한 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식 동시화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 로봇의 정확한 이동 제어 및 동시적으로 마이크로 로봇의 위치 인식이 가능하고, 장치의 소형화가 가능하여 기타 의료장비와의 호환성이 우수한 전자기장 장치를 이용함으로써 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식을 동시화하는 방법에 관한 것이다.

Description

베드 통합형 전자기장 장치를 이용한 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식 동시화 방법
본 발명은 산업통상자원부의 지원 하에서 과제고유번호 1415185642, 과제번호 20017903에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국산업기술평가관리원, 연구사업명은 "바이오산업기술개발", 연구과제명은 "간종양 치료를 위한 간동맥화학색전술용 색전입자 능동 정밀전달 융복합의료기기 및 색전술 훈련용 시뮬레이터 개발", 주관기관은 한국마이크로의료로봇연구원, 연구기간은 2023.01.01. ~ 2023.12.31.이다.
본 발명은 베드 통합형 전자기장 장치를 이용한 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식 동시화 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인체 내에서 마이크로 로봇의 정확한 이동 제어 및 동시적으로 마이크로 로봇의 위치 인식을 가능하게 하는 장치로, 장치의 소형화가 가능하여 기타 의료장비와의 호환성이 우수한 전자기장 장치를 이용함으로써 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식을 동시화하는 방법에 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, 전자석 개수가 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 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.
한편, 마이크로 로봇의 위치 인식을 위해 X-ray 장치의 영상 이미지를 활용하거나 자기 유도 기반의 위치 인식 방법이 고안된 바 있으나, X-ray 기반 위치 인식 방법은 다자유도의 위치 인식을 위해서 X-ray 장치를 회전시키며 이미지를 촬영하는 과정이 필요하며, 이로 인해 실시간으로 마이크로 로봇의 위치 정보를 획득하기 어렵고, X-ray 이미지로 마이크로 로봇의 각도 및 벤딩 형상에 대한 정보를 획득하기 어렵다는 문제점이 있다. 자기 유도 기반의 위치 인식 방법은 마이크로 로봇 내에 3축의 코일 배치가 필요하며, 장착시 마이크로 로봇의 크기가 커지게 되며, 중공형으로 이루어진 마이크로 로봇에는 장착 자체가 곤란하다. 또한, X-ray 기반의 위치 인식 방법과 마찬가지로 마이크로 로봇의 벤딩 형상에 대한 정보를 획득하기 어렵다는 문제점이 있다. 개별 장치로 구성하는 위치 인식 방법은 마이크로 로봇의 구동과 이의 위치 인식을 위해 개별적인 기술개발 및 장치구성을 필요로 하는 단점이 있다.
따라서, 유선 또는 무선의 마이크로 로봇에 대한 정확한 이동 제어 및 위치 인식을 동시에 수행 가능하고, 전자석의 개수를 최소화하여 장치의 소형화가 가능하고 의료장비와의 호환성이 우수한 전자기장 구동장치 및 이를 이용하여 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식을 동시화하는 방법에 대한 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
이에 본 발명자들은 베드, 베드 내에 배치되는 제1전자석, 및 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 제2전자석 및 제3전자석을 포함하는 베드 통합형 전자기장 장치를 제조하였고, 이의 장치를 이용하여 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식을 동시에 수행할 수 있으며, 나아가 사용자가 표적 병변의 좌표만 입력하면 실시간으로 획득되는 마이크로 로봇의 위치인식 정보와 이를 활용한 마이크로 로봇 구동을 통해 자율적으로 병변부위에 마이크로 로봇을 정확하게 표적화 할 수 있음을 확인하였다.
이에, 본 발명의 목적은 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 실행시키기 위해 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 실행하기 위하여, 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 마이크로 로봇 자율 표적화 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 베드 통합형 전자기장 장치를 이용한 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식 동시화 방법, 이를 이용한 병변으로의 마이크로 로봇 자율 표적화 방법, 이를 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램, 및 시스템에 관한 것이다.
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 예는, 제1전자석, 및 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 제2전자석 및 제3전자석을 포함한 베드를 포함하는, 베드 통합형 전자기장 장치에 관한 것이다.
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 제3전자석은 솔레노이드, 원형, 사각, 새들 형태의 코일일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2전자석은 연자성체 코어 또는 에어코어의 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서 제3전자석은 연자성체 코어 또는 에어코어의 형태일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2전자석은 x축 및 y축 방향의 자기장을 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제3전자석은 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, 제2전자석 및 제3전자석 각각이 제1전자석과 일정각도를 형성하도록 접촉될 수 있다.
본 발명에 따른 연결부는 제2전자석 및 제3전자석 각각과의 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, 제2전자석은 제1코어부를 포함하고, 제1코어부는 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 제1하측면, 제1하측면의 타측에 배치되는 제1상측면을 포함하고, 제2전자석은 제1하측면과 제1상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제3전자석은 제2코어부를 포함하고, 제2코어부는 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 제2하측면, 제2하측면의 타측에 배치되는 제2상측면을 포함하고, 제3전자석은 제2하측면과 제2상측면의 사이에 권취되는 제3권선을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1상측면은 제1전자석의 중심축을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2상측면은 제1전자석의 중심축을 향하도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 제2전자석 및 제3전자석은 서로 대향하도록 배치되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 제2전자석의 제1하측면은 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 발명에 따른 제3전자석의 제2하측면은 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, 제3권선은 도전성 금속, 예를 들어, 에나멜, 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구현예에서, 제1코어부는 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, 제2코어부는 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, 제2전자석 및 제3전자석은 베드의 내부에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 베드는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석에 전력을 공급하는 전원공급부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 있어서 전원공급부는 베드 내부에 배치되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 베드는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석을 선형이동 시키는 이동부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 베드는 제1전자석, 제2전자석, 제3전자석 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 제1하측면, 제1하측면의 타측에 배치되는 제1상측면을 포함하는 제1코어부, 및 제1하측면과 제1상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함하는 제2전자석; 제1지지판과 일정각도를 형성하도록 배치되는 제2하측면, 제2하측면의 타측에 배치되는 제2상측면을 포함하는 제2코어부, 및 제2하측면과 제2상측면의 사이에 권취되는 제3권선을 포함하는 제3전자석; 및 하나 이상의 굴곡부 및 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부를 포함하고, 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 내부에 배치되는 베드를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 예는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석을 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 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석에 서로 다른 방향의 전류를 인가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 방법은 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석에 인가되는 전류의 크기 또는 방향을 조절하여 마이크로 로봇의 위치를 조정하는 조정 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 예는 이미지 획득 단계, 전류 인가 단계, 조향 단계 및 위치 인식 단계를 포함하는 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법에 포함되는 각 단계는 본 발명의 베드 통합형 전자기장 장치에 포함되거나 별도로 구비될 수 있는 데이터 처리부에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 데이터 처리부는 디지털 명령어의 해석과 자료의 연산, 비교 등의 처리를 제어하는 연산처리장치를 적어도 하나 이상 포함하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 이미지 획득 단계는 X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 조향 단계는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 직류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 마이크로 로봇은 카테터형 마이크로 로봇일 수 있다.
본 발명에 있어서 위치 인식 단계는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 위치 인식 단계는 혼합 신호 수신 단계, 제1추출 단계, 제2추출 단계, 통합 단계 및 변환 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 혼합 신호 수신 단계는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장에 의하여 마이크로 로봇에 포함되는 Rx 모듈로부터 생성된 혼합 신호를 수신하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제1추출 단계는 혼합 신호로부터 주파수별 신호를 구분 추출하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2추출 단계는 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제2추출 단계는 의료 영상에 사용되는 영상 처리 기법을 이용하여 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈이 위치할 것으로 추정되는 영역을 추출함으로써 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 의료 영상은 X-ray 영상, MRI 영상(Magnetic Resonance Imaging), 초음파 영상(Ultra sound imaging) 및 PET(Positron Emission Tomography; 양전자방출단츨촬영기)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 예를 들어, X-ray 영상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 통합 단계는 2자유도(2 Degree of freedom; 2 DoF)를 갖는 위치 추정 정보에 주파수별 신호를 통합하여, 제1위치 정보를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 변환 단계는 제1위치 정보로부터 5자유도(5 DoF)를 갖는 제2위치 정보를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 제1추출 단계는 고속 푸리에 변환(fast fourier transform; FFT) 알고리즘을 이용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 제2추출 단계는 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈이 위치할 것으로 추정되는 좌표를 라벨링함으로써, Rx 모듈의 x, y 좌표정보를 포함하는 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 통합 단계는 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 x, y 좌표정보를 5자유도 위치화 수식(5DoF Inverse model)으로 전송함으로써 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 Rx 모듈은 적어도 하나 이상의 Rx 코일을 포함하는 것일 수 있고, 2개 이상, 3개 이상, 4개 이상 또는 5개 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 카테터형 마이크로 로봇의 길이에 따라 적정한 개수의 Rx 코일을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, Rx 모듈은 제1Rx 코일, 제2Rx 코일 및 제3Rx 코일 즉, 3개의 Rx 코일을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 적어도 하나 이상의 Rx 코일은 서로 일정한 간격으로 이격된 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 제1Rx 코일 및 제2Rx 코일은 소정의 간격만큼 이격될 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 제2Rx 코일 및 제3Rx 코일은 소정의 간격만큼 이격될 수 있다.
본 발명에 있어서 변환 단계는 5자유도 위치화 수식(5 DoF Inverse model)을 이용하여 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 구체예에서, 변환 단계는 노이즈 제거 단계를 추가로 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 노이즈 제거 단계는 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 제2위치 정보의 노이즈를 제거하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 예는 좌표 입력 단계, 표적 병변 정보 생성 단계, 경로 생성 단계, 및 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계를 포함하는 마이크로 로봇 자율 표적화 방법에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 마이크로 로봇 자율 표적화 방법에 포함되는 각 단계는 본 발명의 베드 통합형 전자기장 장치에 포함되거나 별도로 구비될 수 있는 데이터 처리부에 의해 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 좌표 입력 단계는 사용자로부터 표적 병변의 좌표를 입력받는 것일 수 있다. 여기서 좌표는 3차원 좌표일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에 있어서 표적 병변 정보 생성 단계는 사용자로부터 입력받은 표적 병변의 좌표를 이용하여 병변의 위치 정보를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 경로 생성 단계는 생성된 병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 3차원 이동 경로를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계는 이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며, 실시간으로 마이크로 로봇의 현재 위치를 인식하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계는 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법에 마찬가지로 이미지 획득 단계, 전류 인가 단계, 조향 단계 및 위치 인식 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 3차원 이동 경로는 마이크로 로봇의 일단부가 표적 병변의 좌표에 도달하기 위한 경로일 수 있다. 다만, 경로 생성 단계가 3차원 이동 경로를 생성된 후 사용자로부터 새로운 표적 병변의 좌표를 입력받는 경우, 경로 생성 단계는 3차원 이동 경로를 수정할 수 있다. 이에, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계는 수정된 3차원 이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하여 현재 위치를 인식하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 예는 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 실행하기 위하여, 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 마이크로 로봇 자율 표적화 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 있어서 마이크로 로봇 자율 표적화 시스템의 적어도 하나의 프로세서는 표적 병변의 좌표를 입력받고; 표적 병변의 좌표를 이용하여 병변의 위치 정보를 생성하고; 병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 이동 경로를 생성하고; 및 이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며, 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 프로세서는 마이크로 로봇을 구동하기 위해 햅틱 장치로부터 사용자의 조작 정보를 인가받는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 프로세서는 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식함으로써 생성한 위치 정보를 별도의 디스플레이 장치 등에 인가하여 사용자에게 마이크로 로봇의 위치를 실시간으로 표시할 수 있다.
본 발명에 있어서 프로세서는 사용자로부터 입력받은 병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 이동 경로를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명에 있어서 프로세서는 이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 구체예에서, 프로세서가 실시간으로 마이크로 로봇을 구동하고 이의 위치를 인식하는 것은 X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하고; 베드 통합형 전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하고; 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 직류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하고; 및 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용함으로써 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 것일 수 있다. 이를 통해, 프로세서는 표적화 경로를 추종할 수 있는 제어 방법(path-following)을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서, 컴퓨터 프로그램은 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로 (collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 상기 컴퓨터 프로그램은, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소 (component), 물리적 장치, 가상장치 (virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화 (embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수 있다. 상기 컴퓨터 프로그램은 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
본 발명의 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독이 가능한 매체에 기록될 수 있다. 매체는 컴퓨터로 실행 가능한 프로그램을 계속 저장하거나, 실행 또는 다운로드를 위해 임시 저장하는 것일 수도 있다. 또한, 매체는 단일 또는 수 개의 하드웨어가 결합된 형태의 다양한 기록수단 또는 저장수단일 수 있는데, 어떤 컴퓨터 시스템에 직접 접속되는 매체에 한정되지 않고, 네트워크 상에 분산 존재하는 것일 수도 있다. 매체의 예시로는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magnetooptical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등을 포함하여 프로그램 명령어가 저장되도록 구성된 것이 있을 수 있다. 또한, 다른 매체의 예시로, 어플리케이션을 유통하는 앱 스토어나 기타 다양한 소프트웨어를 공급 내지 유통하는 사이트, 서버 등에서 관리하는 기록매체 내지 저장매체도 들 수 있다. 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
본 발명은 베드 통합형 전자기장 장치를 이용한 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식 동시화 방법, 이를 이용한 병변으로의 마이크로 로봇 자율 표적화 방법, 이를 실행시키기 위한 컴퓨터 프로그램, 및 이의 시스템에 관한 것으로, 본 발명을 이용하면 마이크로 로봇의 구동 제어 및 위치 인식을 동시 수행하여 실시간으로 사용자에게 마이크로 로봇의 위치를 나타낼 수 있고, 나아가 본 발명을 이용하는 사용자가 표적 병변의 좌표만 입력하면 마이크로 로봇이 표적 병변으로 구동됨과 동시에 마이크로 로봇의 위치 인식을 실시간으로 자율 수행할 수 있게 된다.
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 마이크로 로봇 유도장치 등의 의료장치와 연계한 사용을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른 마이크로 로봇의 구동-위치 인식 동시화 기술의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 생성하는 직류(DC)-교류(AC) 통합 자기장을 나타낸 것이다.
도 13은 본 발명의 일 구현예에 따라 교류 자기장(DC magnetic field)을 통해 유도되는 기전력(EMF)을 이용하여 마이크로 로봇의 위치 인식을 수행하는 흐름도를 나타낸 것이다.
도 14는 본 발명의 일 구현예에 따라 마이크로 로봇의 구동-위치 인식 동시화 기술을 활용한 마이크로 로봇 자율 표적화 기술의 흐름도를 나타낸 것이다.
X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계;
전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하는 전류 인가 단계;
제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 직류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하는 조향 단계; 및
제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식 단계;를 포함하는 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법에 있어서,
상기 위치 인식 단계는,
제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장에 의하여 마이크로 로봇에 포함되는 Rx 모듈로부터 생성된 혼합 신호를 수신하는 혼합 신호 수신 단계;
혼합 신호로부터 주파수별 신호를 구분 추출하는 제1추출 단계;
X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 제2추출 단계;
2자유도(2 Degree of freedom; 2 DoF)를 갖는 위치 추정 정보에 주파수별 신호를 통합하여, 제1위치 정보를 생성하는 통합 단계; 및
제1위치 정보로부터 5자유도(5 DoF)를 갖는 제2위치 정보를 생성하는 변환 단계;를 포함하는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
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 제2전자석(또는 제3전자석)을 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 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(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, 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))과 맞닿으면서 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))을 지지할 수 있다.
제1지지판(111)은 홈부(미도시)를 포함할 수 있고, 이에 따라, 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))과 연결 시 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))을 견고하게 지지할 수 있다.
제2지지판(112)은 평탄한 형상일 수 있다. 제2지지판(112)은 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))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), 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b)) 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 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))이 일정 각도를 형성하도록 배치될 수 있다. 연결부(115)는 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))과 결합할 수 있는 홈부(미도시)를 포함할 수 있고, 이때, 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))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 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))이 배치될 수 있는 공간을 형성할 수 있고, 이에 따라, 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))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 전원공급부에서 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(a)) 및 제3전자석(120(b))은 도 1 내지 2에 도시된 것과 같이, 솔레노이드 전자석일 수 있다.
제2전자석(120(a))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.
제3전자석(120(b))은 제2전자석(120(a))과 동일한 구조를 갖는 것으로, 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 제3권선(123)을 포함할 수 있다.
제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))은 도 1 내지 도 4에 도시된 것과 같이, 베드 통합형 전자기장 장치(1000)에 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(123)은 하측면(122) 및 상측면(121)의 사이에 권취될 수 있다. 그리고, 제2권선(123)은 도전성 금속, 예를 들어, 에나멜, 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
또한, 제3권선(123)은 하측면(122) 및 상측면(121)의 사이에 권취될 수 있다. 그리고, 제3권선(123)은 도전성 금속, 예를 들어, 에나멜, 구리 또는 알루미늄을 포함할 수 있다.
한편, 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))은 도 1에 도시된 것과 같이, 제1전자석(110)에 형성된 중공에 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b)) 각각의 일부가 위치하고, 제1지지판(111) 또는 연결부(115)와 일정 각도를 형성하도록 제1전자석(110)과 비스듬하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))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), 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))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), 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))에 각각 독립적으로 전력을 공급하는 전원공급부를 더 포함할 수 있다.
베드(200)는 제1전자석(110), 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))을 선형이동 시키는 이동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
베드(200)는 제1전자석(110), 제1전자석(110), 제2전자석(120(a)), 제3전자석(120(b)), 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(a)) 및 제3전자석(120(b))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), 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))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), 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))의 거리가 현저하게 줄어들게 되면서, 인체삽입형 의료기기의 이동을 위해 전자석에 요구되는 전류의 양을 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, 제2전자석 및 제3전자석을 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 제2전자석 및 제3전자석에 전류를 인가하여 x축 및 y축 방향으로 마이크로 로봇(300)을 이동시키는 것이 가능하다. 상술한 바와 같이, 제2전자석 및 제3전자석 각각의 상측면은 제1전자석의 중심축을 향하도록 배치되고, 각각의 하측면은 제1전자석의 제1지지판 또는 연결부와 일정 각도를 형성하도록 배치될 수 있으므로, 제2전자석 및 제3전자석은 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 제2전자석 및 제3전자석에 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 제2전자석 및 제3전자석에는 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, 제2전자석 및 제3전자석에 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 마이크로 로봇 유도장치 등의 의료장치와 연계한 사용을 나타내는 도면이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 베드 통합형 전자기장 장치(1000)는 병원 내의 마이크로 로봇 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.
도 11은 본 발명의 일 구현예에 따른 마이크로 로봇의 구동-위치 인식 동시화 기술의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 11을 참조하면, 본 발명의 마이크로 로봇 구동-위치 인식 동시화 방법은 X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계(S100); 베드 통합형 전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하는 전류 인가 단계(S200); 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 직류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하는 조향 단계(S300); 및 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식 단계(S400);를 포함할 수 있다.
이미지 획득 단계(S100)는 X-ray 장치(X-ray device)를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하는 것일 수 있다. 이미지 획득 단계(S100)는 후술하는 전류 인가 단계(S200) 이전에 수행되는 것일 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 본 발명의 방법이 수행되는 전 과정에 걸쳐 실시간으로 수행되거나 일정한 시간 간격을 두고 수행되는 것일 수 있다.
전류 인가 단계(S200)는 전원공급부의 제1채널(ch1), 제2채널(ch2) 및 제3채널(ch3)을 통해 직류 전류(DC)와 교류 전류(AC)의 통합 전류를 제1전자석(110)(EM1), 제2전자석(120(a))(EM2) 및 제3전자석(120(b))(EM3)에 각각 독립적으로 인가하여 직류-교류(DC-AC) 통합 자기장을 발생시키는 것일 수 있다.
직류-교류(DC-AC) 통합 자기장에서 직류 자기장(DC magnetic field)은 유선 카테터형 마이크로 로봇(300)의 본체(310) 말단에 위치한 자성체와 반응하여 마이크로 로봇의 조향(steering) 동작을 유도하고(S300), 교류 자기장(AC magnetic field)은 마이크로 로봇의 제1 내지 제3Rx 모듈(322, 324, 326)(Rx Coil 1 내지 3)과 반응하여 기전력(electromotive force; EMF)을 유도할 수 있다(S400).
여기서, 위치 인식 단계(S400)는 마이크로 로봇에 포함되는 Rx 모듈로부터 생성되는 혼합 신호를 수신하는 혼합 신호 수신 단계(S410); 혼합 신호로부터 주파수별 신호를 구분 추출하는 제1추출 단계(S420); X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 제2추출 단계(S430); 2자유도(2 Degree of freedom; 2 DoF)를 갖는 위치 추정 정보에 주파수별 신호를 통합하여, 제1위치 정보를 생성하는 통합 단계(S440); 및 제1위치 정보로부터 5자유도(5 DoF)를 갖는 제2위치 정보를 생성하는 변환 단계(S450)를 포함할 수 있다.
혼합 신호 수신 단계(S410)는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용하여, 마이크로 로봇에 포함되는 제1 내지 제3Rx 모듈(322, 324, 326)로부터 생성되는 혼합 신호를 수신하는 것일 수 있다. 혼합 신호 수신 단계(S410)는 데이터 획득부(미도시)를 이용하여 수행되는 것일 수 있으며, 데이터 획득부는 무선 신호를 수신할 수 있도록 별도 구비되거나 본 발명의 베드 통합형 전자기장 장치에 구비되는 장치를 의미하는 것일 수 있다.
제1추출 단계(S420)는 혼합 신호로부터 주파수별 신호를 구분 추출하는 것일 수 있고, 제2추출 단계(S430)는 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 것일 수 있고, 통합 단계(S440)는 2자유도(2 Degree of freedom; 2 DoF)를 갖는 위치 추정 정보에 주파수별 신호를 통합하여, 제1위치 정보를 생성하는 것일 수 있고, 변환 단계(S450)는 제1위치 정보로부터 5자유도(5 DoF)를 갖는 제2위치 정보를 생성하는 것일 수 있다.
조향 단계(S300)에 의한 마이크로 로봇의 구동은 직류 자기장을 통한 조향(steering)과 피더(feeder) 를 통한 삽입/회수 동작을 통해 구현될 수 있다. 위치 인식 단계(S400)를 통해 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 과정은 마이크로 로봇의 기전력 정보가 유선 통신을 통해 영상 내비게이션 시스템(1200)으로 전송되며, X-ray 이미지를 이용하여 생성된 마이크로 로봇 말단의 X-ray 위치 추정 정보와 통합되어 마이크로 로봇의 5자유도(degree of freedom; DOF) (5 DoF; x, y, z, pitch, yaw)의 말단 위치와 벤딩 형상 정보로 변환됨으로써 수행되는 것일 수 있다.
인체 내에 삽입된 마이크로 로봇을 X-ray를 통해 촬영을 하면 흑백 이미지에서 투과성 높은 재료는 하얀색 계열, 투과성 낮은 재료는 검은색 계열으로 표시된다. X-ray 이미지상 본 발명의 마이크로 로봇을 구성하는 Rx 코일 부분과 자석 부분은 검은색 계열로 나타나는 반면, 마이크로 로봇의 카테터 튜브 부분은 X-ray 투과성이 높아 흰색으로 잘 보이지 않는다. 영상 트래킹 기술을 이용하면 마이크로 로봇의 위치를 추정할 수 있게 되며, 이를 통해 X-ray 위치 추정 정보를 생성할 수 있다.
위치 인식 단계(S400)는 구체적으로 혼합 신호 수신 단계(S410), 혼합 신호로부터 주파수별 신호를 구분 추출하는 제1추출 단계(S420), X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 제2추출 단계(S430), 위치 추정 정보에 주파수별 신호를 통합하여, 제1위치 정보를 생성하는 통합 단계(S440); 및 제1위치 정보로부터 제2위치 정보를 생성하는 변환 단계(S450)를 포함할 수 있다.
한편, 사용자는 X-ray 영상과 제2위치 정보에 나타난 마이크로 로봇의 위치 정보를 별도의 디스플레이 장치 등을 통해 확인한 후 햅틱 장치(haptic device)를 조작함으로써 마이크로 로봇의 다음 움직임 경로를 수동으로 설정할 수 있다. 햅틱 장치가 생성한 조작 정보는 피더(feeder)와 전원공급부로 전송된다. 직류 전류(AC)는 햅틱 장치의 조작에 따라 실시간 변화될 수 있으나, 교류 전류(AC)는 위치 인식을 위해 설정된 주파수(frequency)와 크기값(magnitude)으로 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석에 고정적으로 인가된다. 전류 인가 단계(S200)는 위치 인식 단계(S400) 이후 다시 수행될 수 있으며, 위치 인식 단계와 동시에 수행될 수도 있다.
이러한 위치 인식 단계(S400)는 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램이나 소프트웨어에 의하여 실행 가능한 것일 수 있다. 위치 인식 단계에 포함되는 각 세부 단계는 컴퓨터로 판독 가능한 명령을 실행하도록 구현되는 적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 것일 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 구현예에 따른 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 생성하는 직류(DC)-교류(AC) 통합 자기장을 나타낸 것이다.
도 12를 참조하면, 제1전자석 내지 제3전자석 각각은 유선 마이크로로봇의 구동을 위한 직류 자기장(DC magnetic field)과 위치인식을 위한 교류 자기장(AC magentic field)을 통합 생성을 하며, 각각의 자기장은 독립적으로 분리가 가능하여 구동과 위치 인식에 있어 간섭의 영향을 무시할 수 있음을 알 수 있다.
도 13은 본 발명의 일 구현예에 따라 교류 자기장(DC magnetic field)을 통해 유도되는 기전력(EMF)을 이용하여 마이크로 로봇의 위치 인식을 수행하는 흐름도를 나타낸 것이다.
도 13을 참조하면, 마이크로 로봇의 위치 인식 단계(S400)의 세부 과정을 파악할 수 있다. 유도 기전력(EMF)은 제1전자석(110), 제2전자석(120(a)) 및 제3전자석(120(b))의 교류 자기장(AC magnetic field)을 통해, 단일 축 Rx 모듈에서 혼합된 기전력(Mixed EMF)의 형태로 유도된다. 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각의 교류 자기장(AC magnetic field)은 서로 다른 특정한 주파수(frequency)와 크기(magnitude)를 가지며, 이러한 특징은 Rx 모듈(322, 324, 326)의 유도 기전력에서 혼합된 신호 형태로 나타난다. 이러한 기전력의 혼합 신호는 고속 푸리에 변환(fast fourier transform; FFT) 기술을 통해 주파수별로 구분될 수 있다. 즉, 위치 인식 단계(S400)는 먼저 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장에 의하여 마이크로 로봇에 포함되는 Rx 모듈로부터 생성된 혼합 신호를 수신하고(S410), 혼합 신호로부터 주파수별 신호를 구분 추출(S420)한다.
제2추출 단계(S430)는 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 것일 수 있다. 제2추출 단계(S430)는 혼합 신호 수신 단계(S410)나 제1추출 단계(S420)와 동시에 수행되거나, 먼저 또는 나중에 수행되는 것일 수 있다.
통합 단계(S440)는 2자유도(2 Degree of freedom; 2 DoF)를 갖는 상기 위치 추정 정보에 상기 주파수별 신호를 통합하여, 제1위치 정보를 생성하는 것일 수 있다.
변환 단계(S450)는 제1위치 정보로부터 5자유도(5 DoF)를 갖는 제2위치 정보를 생성하는 것일 수 있다. 이를 통해 마이크로 로봇의 3차원 위치를 인식할 수 있게 된다.
구체적으로, 제1추출 단계(S420)에서 생성된 주파수별 기전력 신호는 X-ray 장치를 통한 마이크로 로봇 말단의 X-ray 이미지 평면내 2자유도(2 DoF; x, y position)의 위치 추정 정보와 통합되고, 5자유도 위치화 수식(5 DoF Inverse model)을 활용해 위치 정보로 변환되며, 노이즈 제거를 위해 칼만 필터(Kalman filter)를 거쳐 최종적으로 5자유도의 마이크로 로봇 위치 정보(Catheter Tip 5 DoF Tracking) 및 형상 정보(Catheter Bending Tracking)를 획득할 수 있다.
5자유도 위치화 수식은 공지된 순기구학(Forward kinematics) 및 역기구학(Reverse kinematics)에 의한 해석을 통해, 5자유도를 갖는 로봇의 일측 말단 좌표를 결정하는 것을 의미할 수 있다. 칼만 필터는 노이즈가 포함된 측정치를 바탕으로 선형 역학계의 상태를 추정하는 재귀 필터를 의미하는 것일 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 구현예에 따라 마이크로 로봇의 구동-위치 인식 동시화 기술을 활용한 마이크로 로봇 자율 표적화 기술의 흐름도를 나타낸 것이다.
도 14를 참조하면, 마이크로 로봇의 구동-위치 인식 동시화 기술을 활용한 마이크로 로봇 자율 표적화 기술은 표적 병변의 좌표를 입력받는 좌표 입력 단계(S1100); 표적 병변의 좌표를 이용하여 병변의 위치 정보를 생성하는 표적 병변 정보 생성 단계(S1200); 병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 이동 경로를 생성하는 경로 생성 단계(S1300); 및 이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며, 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계(S1400)를 포함할 수 있다.
이러한 마이크로 로봇 자율 표적화 기술은 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램이나 소프트웨어에 의하여 실행 가능한 것일 수 있다. 마이크로 로봇 자율 표적화 기술에 있어서 좌표 입력 단계는 사용자가 햅틱 장치를 이용하여 수행하는 것일 수 있고, 표적 병변 정보 생성 단계, 경로 생성 단계, 및 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계는 컴퓨터로 판독 가능한 명령을 실행하도록 구현되는 적어도 하나의 프로세서에 의해 수행되는 것일 수 있다.
좌표 입력 단계(S1100)는 표적 병변의 좌표를 입력받는 것일 수 있다. 구체적으로, 좌표 입력 단계는 자율 표적화 기능을 위해 X-ray 기반의 자율 영상 내비게이션 시스템(1200) 내에서 사용자가 목표 병변의 3차원 좌표를 선정하여 입력하는 것(target selection)을 의미할 수 있다.
표적 병변 정보 생성 단계(S1200)는 표적 병변의 좌표를 이용하여 병변의 위치 정보를 생성하는 것일 수 있다.
경로 생성 단계(S1300)는 병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 이동 경로를 생성하는 것일 수 있다. 즉, 생성된 표적 병변의 위치 정보와 마이크로 로봇의 위치 정보를 통합하여 표적화 경로를 생성(path generation)하는 과정이 추가로 구현될 수 있다.
마지막으로, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계(S1400)는 이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며, 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 것일 수 있으며, 상세하게는 도 11에서 서술한 것과 동일한 흐름을 나타내며 수행되는 것일 수 있다. 또한, 표적화 경로를 기반으로 마이크로 로봇의 실시간 위치를 통해 표적화 경로를 추종할 수 있는 제어 방법(path-following)이 구현될 수 있다. 이는 실시간으로 표적화 경로를 추종(path-following)하여 마이크로 로봇의 다음 동작을 미리 연산함으로써, 전원공급부 및 피더에 요구 명령(driving command & steering command)을 전송함으로써 수행되는 것일 수 있다.
이러한 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법, 및 이를 이용한 마이크로 로봇 자율 표적화 방법은 방법의 실시를 위한 장치가 상술한 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 총 3개를 포함하는 것이 전체 장치의 크기, 마이크로 로봇의 구동성 및 X-ray 장치와의 호환성 측면에서 최적이다.
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(a): 제2전자석 120(b): 제3전자석
121: 상측면 122: 하측면
123: 제2권선, 제3권선 125: 코어부
200: 베드 210: 지지부
220: 굴곡부
300: 마이크로 로봇 310: 로봇 본체
322: 제1Rx 코일 324: 제2Rx 코일
326: 제3Rx 코일
1000: 베드 통합형 전자기장 장치 1100: X-ray 장치
1200: 영상 네비게이션 시스템 1300: 카테터 삽입-회수장치
1500: 마이크로 로봇 유도 장치
S100: 이미지 획득 단계 S200: 전류 인가 단계
S300: 조향 단계 S400: 위치 인식 단계
S410: 혼합 신호 수신 단계 S420: 제1추출 단계
S430: 제2추출 단계 S440: 통합 단계
S450: 변환 단계
S1100: 좌표 입력 단계
S1200: 표적 병변 정보 생성 단계
S1300: 경로 생성 단계
S1400: 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계
본 발명자들은 베드, 베드 내에 배치되는 제1전자석, 및 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 제2전자석 및 제3전자석을 포함하는 베드 통합형 전자기장 장치를 제조하였고, 이의 장치를 이용하여 마이크로 로봇의 이동 제어 및 위치 인식을 동시에 수행할 수 있으며, 나아가 사용자가 표적 병변의 좌표만 입력하면 실시간으로 획득되는 마이크로 로봇의 위치인식 정보와 이를 활용한 마이크로 로봇 구동을 통해 자율적으로 병변부위에 마이크로 로봇을 정확하게 표적화 할 수 있음을 확인하였다.
이에, 본 발명의 목적은 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 실행시키기 위해 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 실행하기 위하여, 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 마이크로 로봇 자율 표적화 시스템을 제공하는 것이다.

Claims (10)

  1. X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계;
    전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하는 전류 인가 단계;
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 직류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하는 조향 단계; 및
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식 단계;를 포함하는 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법에 있어서,
    상기 위치 인식 단계는,
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장에 의하여 마이크로 로봇에 포함되는 Rx 모듈로부터 생성된 혼합 신호를 수신하는 혼합 신호 수신 단계;
    혼합 신호로부터 주파수별 신호를 구분 추출하는 제1추출 단계;
    X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 제2추출 단계;
    2자유도(2 Degree of freedom; 2 DoF)를 갖는 위치 추정 정보에 주파수별 신호를 통합하여, 제1위치 정보를 생성하는 통합 단계; 및
    제1위치 정보로부터 5자유도(5 DoF)를 갖는 제2위치 정보를 생성하는 변환 단계;를 포함하는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 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 제1하측면 및 상기 제1하측면의 타측에 배치되는 제1상측면을 포함하는 제1코어부, 및 상기 제1하측면과 상기 제1상측면의 사이에 권취되는 제2권선을 포함하는 제2전자석;
    상기 제1전자석과 일정 각도를 형성하도록 배치되는 제2하측면 및 상기 제2하측면의 타측에 배치되는 제2상측면을 포함하는 제2코어부, 및 상기 제2하측면과 상기 제2상측면의 사이에 권취되는 제3권선을 포함하는 제3전자석; 및
    하나 이상의 굴곡부 및 상기 하나 이상의 굴곡부 사이에 배치되는 지지부를 포함하고, 상기 제1전자석, 상기 제2전자석 및 상기 제3전자석이 내부에 배치되는 베드;를 포함하는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1추출 단계는 고속 푸리에 변환(fast fourier transform; FFT) 알고리즘을 이용하여 수행되는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제2추출 단계는 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈이 위치할 것으로 추정되는 좌표를 라벨링함으로써 Rx 모듈의 위치 추정 정보를 추출하는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 통합 단계는 X-ray 이미지로부터 Rx 모듈의 x, y 좌표정보를 5자유도 위치화 수식(5DoF Inverse model)으로 전송함으로써 수행되는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 변환 단계는 5자유도 위치화 수식(5 DoF Inverse model)을 이용하여 수행되는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 변환 단계는 노이즈 제거 단계를 추가로 포함하고,
    노이즈 제거 단계는 칼만 필터(Kalman filter)를 이용하여 제2위치 정보의 노이즈를 제거하는 것인, 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 동시화 방법.
  8. 표적 병변의 좌표를 입력받는 좌표 입력 단계;
    표적 병변의 좌표를 이용하여 병변의 위치 정보를 생성하는 표적 병변 정보 생성 단계;
    병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 이동 경로를 생성하는 경로 생성 단계; 및
    이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며, 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계;를 포함하는 마이크로 로봇 자율 표적화 방법에 있어서,
    상기 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계는,
    X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계;
    전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하는 전류 인가 단계;
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 직류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하는 조향 단계; 및
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식 단계;를 포함하는 것인, 마이크로 로봇 자율 표적화 방법.
  9. 다음의 단계를 포함하는 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 실행시키기 위해 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록된 컴퓨터 프로그램:
    표적 병변의 좌표를 입력받는 좌표 입력 단계;
    표적 병변의 좌표를 이용하여 병변의 위치 정보를 생성하는 표적 병변 정보 생성 단계;
    병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 이동 경로를 생성하는 경로 생성 단계; 및
    이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며, 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계;를 포함하고,
    상기 마이크로 로봇 구동 및 위치 인식 단계는,
    X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하는 이미지 획득 단계;
    전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하는 전류 인가 단계;
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 직류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하는 조향 단계; 및
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용하여 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 위치 인식 단계;를 포함하는 것인, 컴퓨터 프로그램.
  10. 마이크로 로봇 자율 표적화 방법을 실행하기 위하여, 적어도 하나의 프로세서를 포함하는 마이크로 로봇 자율 표적화 시스템에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서는,
    표적 병변의 좌표를 입력받고;
    표적 병변의 좌표를 이용하여 병변의 위치 정보를 생성하고;
    병변의 위치 정보를 이용하여 마이크로 로봇이 현재 위치로부터 표적 병변으로 이동하기 위한 이동 경로를 생성하고; 및
    이동 경로에 따라 마이크로 로봇을 구동하며, 실시간으로 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 것인, 프로세서로서,
    상기 프로세서가 실시간으로 마이크로 로봇을 구동하고 이의 위치를 인식하는 것은,
    X-ray 장치를 이용하여 Rx 모듈의 X-ray 이미지를 획득하고;
    베드 통합형 전자기장 장치에 포함되는 제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석 각각에 대하여 독립적으로 직류-교류 통합 전류(DC-AC)를 인가하고;
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 마이크로 로봇을 구동하고; 및
    제1전자석, 제2전자석 및 제3전자석이 교류 전류를 인가받아 생성한 교류 자기장을 이용함으로써 마이크로 로봇의 위치를 인식하는 것인, 마이크로 로봇 자율 표적화 시스템.
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