KR102017597B1 - Autonomous navigation system for medical micro/nano robot using superconducting quantum interference device - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 체내에 삽입된 마이크로/나노로봇을 자화시켜 마이크로/나노로봇의 구동을 제어하는 전자기 구동 장치가 설치되는 수술 베드(bed)에 있어서, 조지프슨 접합체인 절연막으로 분리된 두 개의 초전도체가 구성된 초전도 양자 간섭(SQUID) 센서; 신체를 수용할 수 있는 길이로 신장되며 복수개의 상기 초전도 양자 간섭 센서가 배열되는 전자기 센서 플레이트; 상기 전자기 센서 플레이트를 진공으로 밀폐하고, 상기 초전도 양자 간섭 센서의 임계온도를 유지시키는 스퀴드 냉각부를 포함하여, 상기 초전도 양자 간섭 센서가 상기 전자기 구동 장치에 의해 구동 제어되는 상기 마이크로/나노로봇의 자력을 측정하여 상기 마이크로/나노로봇의 신체 내 3차원 위치를 획득할 수 있는 것을 특징으로 한다.The present invention is a surgical bed is provided with an electromagnetic drive device that magnetizes the micro / nano robot inserted into the body to control the driving of the micro / nano robot, the two superconductors separated by an insulating film which is a Josephson junction Configured superconducting quantum interference (SQUID) sensor; An electromagnetic sensor plate extending to a length capable of receiving a body and having a plurality of superconducting quantum interference sensors arranged thereon; The superconducting quantum interference sensor includes a squid cooling unit for sealing the electromagnetic sensor plate with a vacuum and maintaining a critical temperature of the superconducting quantum interference sensor. By measuring the three-dimensional position in the body of the micro / nano robot can be obtained.

Description

스퀴드를 이용한 의료용 마이크로/나노로봇의 자율 내비게이션 시스템{AUTONOMOUS NAVIGATION SYSTEM FOR MEDICAL MICRO/NANO ROBOT USING SUPERCONDUCTING QUANTUM INTERFERENCE DEVICE}AUTONOMOUS NAVIGATION SYSTEM FOR MEDICAL MICRO / NANO ROBOT USING SUPERCONDUCTING QUANTUM INTERFERENCE DEVICE}

본 발명은 스퀴드를 이용한 의료용 마이크로/나노로봇의 자율 내비게이션 시스템에 관한 것으로서, 영상 획득 장치(X-ray, CT)로는 측정하기 어려운 마이크로/나노로봇의 위치를 초전도 양자 간섭 장치를 이용하여 획득하고, 획득된 위치 정보를 기반으로 마이크로/나노로봇의 이동경로를 설정한 후, 그 경로를 따라서 마이크로/나노로봇을 제어할 수 있는 자율 내비게이션 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an autonomous navigation system for medical micro / nanorobots using a squid, and to obtain a position of a micro / nanorobot that is difficult to measure with an image acquisition device (X-ray, CT) using a superconducting quantum interference device. The present invention relates to an autonomous navigation system capable of controlling a micro / nano robot along a path after setting a moving path of the micro / nano robot based on the acquired position information.

일반적으로 의료용 디바이스는 무선 또는 유선으로 구동되어 혈관 및 소화기관 내부 등의 장기에 존재하는 병변을 진단하거나 치료한다. 그 중, 인체 내에 삽입되어 진단에 이용되는 소형의 의료용 디바이스는 배터리나 구동기를 구비하기에 적합하지 않아 제어에 어려움이 있다.In general, medical devices are wirelessly or wired to diagnose or treat lesions present in organs such as blood vessels and the digestive tract. Among them, the small sized medical device inserted into the human body and used for diagnosis is not suitable to be provided with a battery or a driver, which is difficult to control.

최근, 인체 내에 삽입된 소형의 의료용 디바이스를 제어하기 위해서 자기장을 이용하는 연구가 활발하다. 자기장을 이용하여 제어할 수 있도록 의료용 디바이스는 배터리나 별도의 구동기 없이 일부 또는 전체가 자성체로 구성된다. 배터리나 구동기를 자성체로 대체할 경우 의료용 디바이스는 소형으로 설계가 가능하다. 크기가 최소화된 의료용 디바이스는 최소 침습 시술을 가능하게 한다. 이는 곧 수술시 절개 부위가 최소화되어 환자의 고통 및 회복 기간을 감소시키는 이점이 있다. Recently, researches using magnetic fields have been actively conducted to control small medical devices inserted into the human body. In order to be controlled using a magnetic field, the medical device is composed of a magnetic body partly or entirely without a battery or a separate driver. If the battery or actuator is replaced with a magnetic material, the medical device can be designed compact. Medical devices minimized in size allow for minimally invasive procedures. This has the advantage of minimizing the incision site during surgery to reduce the pain and recovery period of the patient.

자성체를 구비한 의료용 디바이스는 외부에 구비된 자기장 발생 장치에 의해서 제어될 수 있다. 사용되는 자기장 발생장치는 영구자석과 전자석이 있다. 영구자석은 의료용 디바이스와 영구자석 사이의 거리 및 자기장의 방향을 제어하여 구동시킬 수 있다. 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.The medical device having a magnetic body may be controlled by a magnetic field generator provided outside. Magnetic field generators used are permanent magnets and electromagnets. The permanent magnet can be driven by controlling the distance between the medical device and the permanent magnet and the direction of the magnetic field. A medical device driven by an electromagnet can be controlled by a magnetic field generated by applying a current to a coil fixedly disposed externally. At this time, if the strength and direction of the current applied to each coil is controlled, desired driving of the medical device can be implemented. The method using the electromagnet is easier to control than the method using the permanent magnet, and the movement of the medical device can be controlled quickly according to the characteristics of the coil.

이러한 배경으로, 외부 전자석에 의해 발생한 자기력을 이용하여 채내 구동이 가능한 마이크로 의료로봇(마이크로로봇, 나노로봇, 캡슐형 내시경, 카테터, 니들)에 대한 연구 개발이 활발히 이루어지고 있다. Against this background, research and development on micro medical robots (micro robots, nano robots, capsule endoscopes, catheters, and needles) that can be driven by using magnetic force generated by external electromagnets have been actively conducted.

예시로서, 동 출원인의 등록특허인 제10-1096532호, 제10-1084720호, 제10-1084723호 등에서 개시한 전자기 구동 장치는 체내의 초소형 마이크로로봇을 제어하기 위한 전자기 구동 장치에 관한 다양한 기술적 해결과제와 관련된 특허문헌이다. As an example, the electromagnetic driving device disclosed in the registered patents Nos. 10-1096532, 10-1084720, 10-1084723, and the like of the applicant have various technical solutions regarding the electromagnetic driving device for controlling the micro robot in the body. Patent documents related to the problem.

자기특성(Magnetic Characteristics)을 가지고 있는 마이크로/나노 의료로봇이 신체내로 삽입이 되면 로봇의 움직임은 신체 외부에서 발생되는 자기장에 의해 구현된다. 이 때, 구동되는 마이크로로봇의 종류에 따라 원하는 영역 내(Region Of Interest, ROI)에서 원활한 자기장의 세기, 방향 제어를 위해 다수의 전자석을 목적에 맞도록 배치하여 사용하고 있다. When a micro / nano medical robot with magnetic characteristics is inserted into the body, the movement of the robot is realized by a magnetic field generated outside the body. At this time, in order to smoothly control the strength and direction of the magnetic field in a desired region (Region Of Interest, ROI) according to the type of microrobot driven, a plurality of electromagnets are arranged and used according to the purpose.

한편, 의료용 마이크로/나노 로봇을 이용한 시술의 안전성 및 치료효율을 증대시키기 위해서는 체내에 삽입된 마이크로/나노로봇의 현재 위치와 특정 병변까지의 최적화된 경로를 의료 영상 장비로부터 실시간으로 획득하여 제어해야 한다. 종래의 경우, 체내에 삽입된 초소형 의료용 마이크로/나노로봇의 위치를 확인하기 위해 X-Ray, CT 등 신체를 투과하여 체내 영상을 획득할 수 있는 일반적인 의료 영상 장비를 사용하였다. On the other hand, in order to increase the safety and treatment efficiency of medical micro / nano robotic procedures, it is necessary to acquire and control the current position of the micro / nano robot inserted into the body and the optimized path to a specific lesion in real time from medical imaging equipment. . In the conventional case, in order to confirm the position of the micro medical nano / nanorobot inserted into the body, a general medical imaging apparatus capable of acquiring the body image through the body such as X-ray and CT was used.

그러나, 이 경우 기존의 영상 장비로는 마이크로 또는 나노 스케일의 로봇을 신체 내부에서 분별하는 것이 극히 어려운 문제점이 있었으며, 이에 따라 다양한 시술 부위에 마이크로/나노 로봇을 활용하는 데 한계가 있었다. However, in this case, the conventional imaging equipment has a problem that it is extremely difficult to separate the micro- or nano-scale robot from the inside of the body, and accordingly, there is a limit in using the micro / nano robot in various surgical sites.

이에 본 출원인은 종래의 의료 영상 장비로 획득한 체내 영상으로 조작 제어가 어려운 마이크로/나노 로봇의 조정성능 한계를 극복하고, 검진 또는 시술이 필요한 체내 부위에 마이크로/나노 로봇을 시술 전체 과정 중 일부 또는 전체를 자율적으로 정밀하게 이동시킬 수 있는 의료용 자율 내비게이션 시스템을 고안하게 되었다.In this regard, the present applicant overcomes limitations in the adjustment performance of the micro / nano robot, which is difficult to control by using an internal body image obtained by a conventional medical imaging apparatus, and applies the micro / nano robot to a part of the whole procedure that requires examination or procedure. A medical autonomous navigation system has been devised that can move the whole autonomously and precisely.

한국 등록특허 제10-1096532호Korean Patent Registration No. 10-1096532 한국 등록특허 제10-1084720호Korean Patent Registration No. 10-1084720 한국 등록특허 제10-1084723호Korean Patent Registration No. 10-1084723

따라서 본 발명은 종래의 의료 영상 장비로 파악이 어려운 초소형 마이크로/나노로봇의 3차원 위치를 정확하게 파악하여 계획된 경로를 따라서 정밀하게 제어할 수 있는 의료용 마이크로/나노로봇의 자율 네비게이션시스템을 제공하고자 한다.Therefore, the present invention is to provide an autonomous navigation system of medical micro / nano robot that can accurately determine the three-dimensional position of the micro / nano robot that is difficult to grasp with the conventional medical imaging equipment and precisely control along the planned path.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 체내에 삽입된 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇의 구동을 제어하는 전자기 구동 장치가 설치되는 수술 베드(bed)에 있어서, 조지프슨 접합체인 절연막으로 분리된 두 개의 초전도체가 구성된 초전도 양자 간섭(SQUID) 센서; 신체를 수용할 수 있는 길이로 신장되며 복수개의 상기 초전도 양자 간섭 센서가 배열되는 전자기 센서 플레이트; 상기 전자기 센서 플레이트를 진공으로 밀폐하고, 상기 초전도 양자 간섭 센서의 임계온도를 유지시키는 스퀴드 냉각부를 포함하여, 상기 초전도 양자 간섭 센서가 상기 전자기 구동 장치에 의해 초상자성체(Superparamagnetic materials) 또는 상자성체(Paramagnetic materials)를 포함하는 상기 마이크로/나노로봇의 자화된 자력을 측정하거나 또는 강자성체(Ferromagnetic substances)를 포함하는 상기 마이크로/나노로봇의 잔류자기를 측정하여 상기 마이크로/나노로봇의 신체 내 3차원 위치를 획득할 수 있는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the surgical bed is provided with an electromagnetic drive device for controlling the drive of the micro / nano-robot including a magnetic material inserted into the body, two separated by an insulating film that is a Josephson junction Superconducting quantum interference (SQUID) sensors configured with two superconductors; An electromagnetic sensor plate extending to a length capable of receiving a body and having a plurality of superconducting quantum interference sensors arranged thereon; The superconducting quantum interference sensor is a superparamagnetic material or paramagnetic material by the electromagnetic drive device, including a squid cooling unit for sealing the electromagnetic sensor plate with a vacuum and maintaining a critical temperature of the superconducting quantum interference sensor. To measure the magnetized magnetic force of the micro / nano robot, or to measure the residual magnetism of the micro / nano robot including ferromagnetic substances to obtain a three-dimensional position in the body of the micro / nano robot. Characterized in that it can.

바람직하게, 상기 전자기 센서 플레이트는, 상면이 음의 곡률을 갖도록 만곡된 역 아치 형상으로 형성되고 복수개의 상기 초전도 양자 간섭 센서는 상기 상면의 곡면을 따라 역 아치 형상으로 정렬될 수 있다.Preferably, the electromagnetic sensor plate may be formed in an inverted arch shape in which an upper surface is curved to have a negative curvature, and the plurality of superconducting quantum interference sensors may be aligned in an inverted arch shape along the curved surface of the upper surface.

바람직하게, 본 발명에 따른 수술 베드는 상기 초전도 양자 간섭 센서의 자력 측정 시그널을 수신하여 신체 내의 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇의 위치를 산출하는 위치 측정 모듈; 신체 내의 이미지를 획득하여 환자의 환부 위치를 목표로 상기 마이크로/나노로봇의 이동 경로를 생성하는 의료 영상 모듈; 및 상기 위치 측정 모듈의 위치 정보와 상기 의료 영상 모듈의 이동 경로 간 편차를 계산하고, 계산된 편차와 대비되는 전류의 값을 지령값으로 생성하는 제어 모듈을 더 포함할 수 있다.Preferably, the surgical bed according to the present invention comprises a position measuring module for receiving the magnetic force measurement signal of the superconducting quantum interference sensor to calculate the position of the micro / nano robot including a magnetic body in the body; A medical imaging module for acquiring an image in the body and generating a movement path of the micro / nanorobot to target the affected position of the patient; And a control module for calculating a deviation between the position information of the position measuring module and the moving path of the medical imaging module and generating a current value as a command value compared to the calculated deviation.

바람직하게, 본 발명에 따른 수술 베드는 상기 전자기 구동 장치가 결합되어 슬라이딩 이동이 가능하도록 측면에 길이 방향으로 가이드 라인이 형성될 수 있다. Preferably, the surgical bed according to the present invention may be formed with a guide line in the longitudinal direction to the side coupled to the electromagnetic drive device to enable a sliding movement.

또한, 본 발명은 체내에 삽입된 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇을 전자기로 마이크로/나노로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템에 있어서, 축 방향으로 자기장을 생성하는 코일과, 상기 코일에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 상기 마이크로/나노로봇의 방향으로 자기장을 형성하는 전자기 구동 장치되, 상기 코일은 일반 구리선재로 이루어진 전자기 구동 장치 또는 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일로 이루어진 전자석부와, 상기 전자석부의 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시켜 상기 전자석부의 초전도 상태를 유지시키는 전자기 냉각부를 구비한 전자기 구동 장치; 및 상기 전자기 구동 장치가 자성체를 포함하는 상기 마이크로/나노로봇의 자력을 측정하여 상기 마이크로/나노로봇의 신체 내 3차원 위치를 획득하는 수술 베드(bed)를 포함하고, 상기 수술 베드는, 조지프슨 접합체인 절연막으로 분리된 두 개의 초전도체가 구성된 초전도 양자 간섭(SQUID) 센서와, 신체를 수용할 수 있는 길이로 신장되며 복수개의 상기 초전도 양자 간섭 센서가 배열되는 전자기 센서 플레이트와, 상기 전자기 센서 플레이트를 진공으로 밀폐하고, 상기 초전도 양자 간섭 센서의 임계온도를 유지시키는 스퀴드 냉각부를 포함하여, 상기 초전도 양자 간섭 센서가 상기 전자기 구동 장치에 의해 자화된 초상자성체 또는 상자성체를 포함하는 상기 마이크로/나노로봇의 자력 또는 강자성체를 포함하는 상기 마이크로/나노로봇의 잔류자기를 측정하는 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is a micro / nano-robot electromagnetic drive system for controlling the operation of the micro / nano-robot including a magnetic body inserted into the body in the electromagnetic, in the electromagnetic drive system, a coil for generating a magnetic field in the axial direction and And an electromagnetic drive device including a magnetic core for focusing magnetic flux on the coil to form a magnetic field in the direction of the micro / nano robot, wherein the coil is an electromagnetic drive device made of a common copper wire or a superconducting phenomenon at a critical temperature of 100K or more. An electromagnetic drive unit including an electromagnet unit comprising a high temperature superconducting coil, and an electromagnetic cooling unit cooling the high temperature superconducting coil of the electromagnet unit to a critical temperature or less to maintain a superconducting state of the electromagnet unit; And a surgical bed, in which the electromagnetic driving device measures a magnetic force of the micro / nano robot including a magnetic body to obtain a three-dimensional position in the body of the micro / nano robot, wherein the surgical bed is a Josephson A superconducting quantum interference (SQUID) sensor composed of two superconductors separated by an insulating film, which is a bonded body, an electromagnetic sensor plate extending to a length that can accommodate a body, and arranged with a plurality of the superconducting quantum interference sensors; A magnetic force of the micro / nano robot including a superparamagnetic or paramagnetic material magnetized by the electromagnetic drive device, including a squid cooling unit sealed in a vacuum and maintaining a critical temperature of the superconducting quantum interference sensor. Or residual magnetism of the micro / nano robot including ferromagnetic materials. Measurement is another feature.

바람직하게, 상기 전자기 구동 장치는 상기 초전도 양자 간섭 센서가 상기 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇의 자력을 측정할 때, 인가 자기장에 의한 간섭을 피할 수 있도록 균일 자계를 펄스 폭 변조(PWM) 형태로 인가하여 상기 마이크로/나노로봇을 구동제어 할 수 있다.Preferably, the electromagnetic driving device may convert a uniform magnetic field into a pulse width modulation (PWM) form so as to avoid interference by an applied magnetic field when the superconducting quantum interference sensor measures the magnetic force of the micro / nano robot including the magnetic body. It can be applied to drive control the micro / nano robot.

본 발명에 따르면, 기존의 영상 장비로 확인하기 어려운 신체 내의 마이크로/나노로봇을 3차원 위치 정보로 정확하게 획득할 수 있는 이점이 있다.According to the present invention, there is an advantage in that the micro / nanorobot in the body, which is difficult to identify with existing imaging equipment, can be accurately obtained as three-dimensional position information.

또한 본 발명은, 실시간으로 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇의 자력을 통해 위치정보를 획득할 수 있으므로, 마이크로/나노로봇의 이동 경로를 실시간 원격 제어할 수 있다. 따라서, 장시간 시술의 전체 과정 중 일부 또는 전체를 자율적으로 마이크로/나노로봇을 구동시킴에 따라 의료진의 시술피로를 저감시킬 수 있으며, 시술 시간 단축 및 치료 효과 증대의 장점을 가져올 수 있다.In addition, the present invention can obtain the position information through the magnetic force of the micro / nano robot including the magnetic material in real time, it is possible to remotely control the movement path of the micro / nano robot in real time. Therefore, by driving the micro / nano-robot autonomously part or all of the entire process of the long-term procedure can reduce the treatment fatigue of the medical staff, it can bring the advantages of shortening the procedure time and increase the treatment effect.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위치 측정 모듈이 마이크로/나노로봇의 위치 정보를 획득하는 방법을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자기 구동 시스템의 제어 방법을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자기 구동 시스템이 신체의 모든 영역으로 마이크로/나노로봇을 자화/제어하는 구동 모습을 나타낸 것이다.1 illustrates an electromagnetic drive system of a medical micro / nano robot according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an electromagnetic drive device for medical micro / nano robot according to an embodiment of the present invention.
3 illustrates a method of obtaining location information of a micro / nano robot by a location measurement module according to an embodiment of the present invention.
4 illustrates a control method of an electromagnetic driving system according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 illustrates a driving mode in which an electromagnetic driving system according to an embodiment of the present invention magnetizes / controls a micro / nano robot to all regions of the body.

이하, 첨부된 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 예시적 실시 예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일 참조부호는 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 부재를 나타낸다.Hereinafter, with reference to the contents described in the accompanying drawings will be described in detail the present invention. However, the present invention is not limited or limited by the exemplary embodiments. Like reference numerals in the drawings denote members that perform substantially the same function.

본 발명의 목적 및 효과는 하기의 설명에 의해서 자연스럽게 이해되거나 보다 분명해 질 수 있으며, 하기의 기재만으로 본 발명의 목적 및 효과가 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.The objects and effects of the present invention may be naturally understood or more apparent from the following description, and the objects and effects of the present invention are not limited only by the following description. In addition, in describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템(1)을 나타낸 것이다. 도 1a는 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템(1) 구성도를 나타내고, 도 1b는 환자의 배면으로 초전도 양자 간섭 센서(31)가 배열된 모습을 나타낸다.1 shows an electromagnetic drive system 1 of a medical micro / nano robot according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A shows the configuration of the electromagnetic drive system 1 of the medical micro / nano robot, and FIG. 1B shows the superconducting quantum interference sensor 31 arranged in the back of the patient.

도 1을 참조하면, 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템(1)은 전자기 구동 장치(10), 수술 베드(30), 및 제어 장치(50)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, an electromagnetic drive system 1 of a medical micro / nano robot may include an electromagnetic drive device 10, a surgical bed 30, and a control device 50.

이하의 실시예에서 설명하게 될 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 장치(10)는 체내에 삽입된 의료용 디바이스(7)를 원격으로 제어하기 위한 장치를 총칭한다. 체내에 삽입되는 의료용 디바이스(7)는 진단 및 치료의 응용 범위가 넓어 일반적인 의료기기를 이용한 시술에 비해 많은 장점을 갖는다. 하지만, 마이크로 크기의 의료용 디바이스(7)는 구동기와 센서, 무선통신, 약물전달, 배터리 등을 모두 집적시키기에 어려움이 있다. 이러한 한계에 따라, 최근에는 전자기장을 이용하여 마이크로 크기의 의료용 디바이스(7)를 구동 및 제어하는 연구가 주목받고 있다. The electromagnetic driving device 10 of the medical micro / nano robot, which will be described in the following embodiments, refers to a device for remotely controlling the medical device 7 inserted into the body. The medical device 7 inserted into the body has a wide range of applications for diagnosis and treatment, and thus has many advantages over procedures using general medical devices. However, the micro-sized medical device 7 has difficulty in integrating all of the drivers and sensors, wireless communication, drug delivery, batteries, and the like. In accordance with these limitations, recently, researches for driving and controlling the micro-sized medical device 7 using electromagnetic fields have attracted attention.

본 실시예에 따른 전자기 구동 장치(10)가 제어하게 되는 의료용 디바이스는 내부에 하나 이상의 자성체를 구비하고, 외부로부터 발생된 균일자계, 경사자계 또는 균일자계와 경사자계의 조합에 의해 진행방향으로 정렬, 회전, 추진 등의 구동이 가능하다. 한편, 상기 자성체는 강자성체 및 상자성체(초상자성체 포함)를 포함한다. 본 실시예로, 의료용 디바이스는 전자기 구동 장치(10)가 발생한 자기장 중 균일자계에 의해 원하는 진행방향으로 정렬되거나 관심영역 내에서 균일자계의 방향을 변경함으로써 회전력을 제공받을 수 있다. 의료용 디바이스는 외부 전자기 구동 장치(10)가 발생한 자기장 중 경사자계에 의해 추진력을 제공받을 수 있다. 본 실시예로 의료용 디바이스로는 인체 내에 삽입되어 다양한 질환의 치료나 약물을 전달할 수 있는 마이크로/나노 로봇, 마이크로 캡슐, 캡슐형 내시경 등의 장치(이하 ‘마이크로/나노로봇’이라 칭한다)가 될 수 있다.The medical device controlled by the electromagnetic drive device 10 according to the present embodiment includes one or more magnetic bodies therein, and is aligned in a traveling direction by a uniform magnetic field, a gradient magnetic field, or a combination of the uniform magnetic field and the gradient magnetic field generated from the outside. It can be driven by rotation, propulsion. On the other hand, the magnetic material includes a ferromagnetic material and a paramagnetic material (including superparamagnetic material). In the present embodiment, the medical device may be provided with a rotational force by being aligned in a desired traveling direction by the uniform magnetic field among the magnetic fields generated by the electromagnetic drive device 10 or by changing the direction of the uniform magnetic field in the ROI. The medical device may be provided with a driving force by an inclined magnetic field among magnetic fields generated by the external electromagnetic driving device 10. In the present embodiment, the medical device may be a micro / nano robot, a microcapsule, a capsule endoscope, or the like (hereinafter, referred to as a “micro / nano robot”) that can be inserted into a human body to deliver a treatment or drug for various diseases. have.

다양한 실시예로서, 전자기장으로 구동되는 의료용 디바이스의 구성은 동 출원인의 한국등록특허 제10-1128045호 "전자기장을 이용한 드릴링 마이크로로봇 시스템", 한국등록특허 제10-1001291호 "3차원 전자기구동 마이크로로봇 구동모듈 및 시스템", 한국등록특허 제10-1272156호 "혈관치료용 마이크로로봇시스템 및 그 제어방법" 등에 상세히 기술된 바 그 원용을 생략한다. 이하에서는, 상기의 마이크로로봇 시스템, 제어 방법에 적용될 수 있는 3차원 전자기 구동 장치(10)에 대해 설명한다.In various embodiments, the configuration of a medical device driven by an electromagnetic field is disclosed in Korean Patent No. 10-1128045, "Drilling Microrobot System Using Electromagnetic Field", and Korean Patent No. 10-1001291, "Three-dimensional electronically controlled microrobot." Drive module and system ", Korean Patent No. 10-1272156" vascular robot microrobot system and its control method ", etc. are described in detail, its use is omitted. Hereinafter, a three-dimensional electromagnetic driving device 10 that can be applied to the microrobot system and the control method will be described.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 장치(10)를 나타낸 것이다.Figure 2 shows the electromagnetic drive device 10 of the medical micro / nano robot according to an embodiment of the present invention.

전자기 구동 장치(10)는 로봇 암(10)의 형태로 구현될 수 있으며, 전자석부(13), 전자기 냉각부(15), 및 컨트롤부(17)를 포함하여 구성될 수 있다. The electromagnetic drive device 10 may be implemented in the form of a robot arm 10, and may include an electromagnet unit 13, an electromagnetic cooling unit 15, and a control unit 17.

로봇 암(10)은 다단 링크 구조로 구성되어 임의의 위치나 자세를 취하는 다자유도의 능동 기구이다. 본 실시예에 따른 로봇 암(10)은 선단의 로봇 핸드에 하기의 전자석부(13)가 마련되어 수술의 위치, 자기장의 세기나 자기장의 방향을 제어하기 위해 전자석부(13)를 적절하게 위치시킨다. 본 출원인은 한국등록특허 제10-1084720호의 3차원 입체 전자기 구동장치에서, 환자의 주변으로 헬름홀츠 코일과 맥스웰 코일의 배치 및 코일의 회동 구동으로 마이크로 로봇의 3차원 제어가 가능한 전자기 구동 장치를 개시한 바 있다. 상기의 선행문헌에서와 같이, 자화시킨 마이크로 로봇의 3차원 구동은 환자의 주변으로 점유되는 다수개의 코일 시스템이 요구되어 시스템의 부피가 큰 단점을 갖는다. 따라서, 본 실시예와 같이 다자유도의 로봇 암(10)을 이용하여 전자기 구동 장치를 구성한다면 부피 감소 및 경량화가 가능하여 시스템 설치의 공간적 이점을 갖게 된다. 본 실시예는, 로봇 암(10)의 로봇 핸드에 장착된 전자석부(13)만으로도 체내의 마이크로/나노로봇의 제어가 가능하도록 고온 초전도 코일(131)을 적용시킨 것을 기술적 특징으로 한다. The robot arm 10 is a multi-degree-of-freedom active mechanism composed of a multi-stage link structure and taking an arbitrary position or posture. In the robot arm 10 according to the present embodiment, the following electromagnet part 13 is provided at the tip of the robot hand to properly position the electromagnet part 13 to control the position of the surgery, the strength of the magnetic field, or the direction of the magnetic field. . The present applicant discloses an electromagnetic drive device capable of three-dimensional control of a micro robot by arranging a Helmholtz coil and a Maxwell coil and rotating the coil in a three-dimensional three-dimensional electromagnetic drive device of Korean Patent No. 10-1084720. There is a bar. As in the above prior document, the three-dimensional drive of the magnetized micro robot requires a large number of coil systems occupied by the periphery of the patient, which has the disadvantage that the system is bulky. Therefore, if the electromagnetic drive device is configured by using the robot arm 10 of multiple degrees of freedom as in the present embodiment, volume reduction and weight reduction are possible, and thus have a spatial advantage of system installation. The present embodiment is characterized in that the high temperature superconducting coil 131 is applied to control the micro / nano robot in the body with only the electromagnet part 13 mounted on the robot hand of the robot arm 10.

전자석부(13)는 축 방향으로 자기장을 생성하는 코일(131)과, 코일(131)에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 체내에 삽입된 마이크로/나노로봇의 방향으로 자기장을 형성할 수 있다. 이 경우, 코일(131)은 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일(131)로 적용됨에 주목한다.The electromagnet unit 13 may include a coil 131 for generating a magnetic field in the axial direction, and a magnetic core for focusing the magnetic flux on the coil 131 to form a magnetic field in the direction of the micro / nano robot inserted into the body. . In this case, it is noted that the coil 131 is applied to the high temperature superconducting coil 131 where the superconducting phenomenon occurs at a critical temperature of 100K or more.

고온 초전도란 절대온도 영도에 가까운 저온 초전도와 비교하여, 임계온도가 100K(-173℃) 부근으로 비교적 높은 온도에서 초전도를 나타내는 현상을 말한다. 고온 초전도체는 임계온도에서 갑자기 전기 저항을 잃고 전류를 무제한으로 흘려보내는 도체의 역할을 한다. 일반적으로 고온 초전도체는 초고속 자기부상열차나 전력의 무손실 송전, 고속 컴퓨터 등의 산업군에 실용화가 진행되고 있다. 본 실시예에 따른 전자석부(13)는 고온 초전도 현상을 갖는 코일을 이용하여 전자석을 구성함에 따라, 공간적 제약과 코일의 발열, 시간에 따른 자기장 세기의 감쇠 등의 문제점을 해결할 수 있다. 이 경우, 저온 초전도체는 임계온도가 4K(-269℃) 대역으로 기화점이 4.2K인 액체헬륨이 사용되는데 전자석부(13)의 온도 제어와 전류 제어의 어려움 때문에 고온 초전도체를 코일로 적용시키는 것이 보다 바람직하다.The high temperature superconductivity refers to a phenomenon in which the critical temperature shows superconductivity at a relatively high temperature near 100K (-173 ° C), compared to the low temperature superconductivity close to the absolute temperature zero. High-temperature superconductors act as conductors that suddenly lose their electrical resistance and flow an unlimited current at critical temperatures. In general, high temperature superconductors have been put to practical use in industries such as high-speed magnetic levitation trains, lossless transmission of electric power, and high-speed computers. The electromagnet unit 13 according to the present exemplary embodiment may solve problems such as spatial constraints, heat generation of the coil, and attenuation of magnetic field strength over time, by configuring an electromagnet using a coil having a high temperature superconducting phenomenon. In this case, the low temperature superconductor has a critical temperature of 4K (-269 ° C) and a liquid helium having a vaporization point of 4.2K is used. desirable.

전자석부(13)는 고온 초전도 코일(131)의 임계온도를 유지하기 위해 고온 초전도 코일(131)을 포함하도록 밀폐하여 진공으로 유지하는 진공 용기(133)를 포함한다. 진공 용기(133)는 상기의 고온 초전도 코일(131)이 노출되는 영역을 진공으로 밀폐시키는 수단이면 족하며 특정의 구성재로 한정되지 않는다. The electromagnet portion 13 includes a vacuum container 133 sealed to hold the high temperature superconducting coil 131 in a vacuum to maintain the critical temperature of the high temperature superconducting coil 131. The vacuum container 133 is sufficient as a means for sealing the area | region which the said high temperature superconducting coil 131 is exposed by vacuum, and is not limited to a specific component material.

전자기 냉각부(15)는 전자석부(13)의 고온 초전도 코일(131)을 임계온도 이하로 냉각시켜 전자석부(13)의 초전도 상태를 유지시킬 수 있다. 전자기 냉각부(15)는 진공 용기(133)의 둘레로 냉각라인을 형성하고 냉각라인으로 액체질소를 순환시켜 고온 초전도 코일(131)을 임계온도 이하로 냉각시킬 수 있다.The electromagnetic cooling unit 15 may maintain the superconducting state of the electromagnet unit 13 by cooling the high temperature superconducting coil 131 of the electromagnet unit 13 to a critical temperature or less. The electromagnetic cooling unit 15 may form a cooling line around the vacuum container 133 and circulate the liquid nitrogen in the cooling line to cool the high temperature superconducting coil 131 below a critical temperature.

컨트롤부(17)는 파워 서플라이(171), 전류제어기(173) 및 온도제어기(175)를 포함할 수 있다. 컨트롤부(17)는 파워 서플라이(171)의 파워선(135)을 통해 전자석부(13)로 전류를 공급할 수 있다. 전류제어기(173)는 전자석부(13)를 컨트롤 하는 제어 모듈이다. 전류제어기(173)는 고온 초전도 코일(131)과 코어가 구성된 전자석에 원하는 세기의 자기장을 만들어 주기 위한 전류의 세기를 조절할 수 있다. The controller 17 may include a power supply 171, a current controller 173, and a temperature controller 175. The control unit 17 may supply a current to the electromagnet unit 13 through the power line 135 of the power supply 171. The current controller 173 is a control module for controlling the electromagnet unit 13. The current controller 173 may adjust the strength of the current to create a magnetic field of a desired intensity in the electromagnet composed of the high temperature superconducting coil 131 and the core.

온도제어기(175)는 전자기 냉각부(15)를 컨트롤 하는 제어 모듈이다. 온도제어기(175)는 전자석부(13)의 진공 상태를 체크하며, 전자기 냉각부(15)를 제어하여 고온 초전도 코일(131)의 임계상태를 유지시킬 수 있다. 그 밖에, 컨트롤부(17)는 로봇 암(10)의 구동을 제어하여 마이크로/나노로봇의 요구된 운동을 구현하기 위해 자기장의 방향을 바꾸는 엑츄에이터 제어기가 더 포함될 수 있다. 이상에서의 전자기 구동 장치(10) 실시예는 수술 베드(5)와 이격되어 제어되는 로봇 암(10)의 실시예를 예시하였다. 이하에서는 수술 베드(5)에 설치될 수 있도록 구현되고, 전자기 구동 장치(10)가 자화시킨 마이크로/나노로봇(7)의 차력을 측정할 수 있도록 구성된 수술 베드(5)를 설명한다.The temperature controller 175 is a control module for controlling the electromagnetic cooling unit 15. The temperature controller 175 checks the vacuum state of the electromagnet unit 13 and controls the electromagnetic cooling unit 15 to maintain the critical state of the high temperature superconducting coil 131. In addition, the control unit 17 may further include an actuator controller for controlling the driving of the robot arm 10 to change the direction of the magnetic field to implement the required motion of the micro / nanorobot. The embodiment of the electromagnetic drive device 10 described above illustrates an embodiment of the robot arm 10 that is controlled to be spaced apart from the surgical bed 5. Hereinafter, a surgical bed 5 implemented to be installed in the surgical bed 5 and configured to measure the differential force of the micro / nano robot 7 magnetized by the electromagnetic driving device 10 will be described.

다시 도 1을 참조하면, 수술 베드(30)는 초전도 양자 간섭(SQUID) 센서(31), 전자기 센서 플레이트(33), 스퀴드 냉각부(35)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 수술 베드(30)에는 체내에 삽입된 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇(7)의 구동을 제어하는 전자기 구동 장치(10)가 설치 결합 될 수 있다. 이 경우, 수술 베드(30)는 전자기 구동 장치(10)가 결합되어 길이 방향으로 슬라이딩 이동이 가능하도록 측면에 길이 방향을 따라 가이드 라인(37)이 형성될 수 있다.Referring back to FIG. 1, the surgical bed 30 may include a superconducting quantum interference (SQUID) sensor 31, an electromagnetic sensor plate 33, and a squid cooling unit 35. In the surgical bed 30 according to the present embodiment, an electromagnetic driving device 10 for controlling the driving of the micro / nano robot 7 including the magnetic material inserted into the body may be installed and coupled. In this case, the surgical bed 30 may be coupled to the electromagnetic drive device 10 may be formed with a guide line 37 along the longitudinal direction on the side to enable sliding movement in the longitudinal direction.

본 실시예에 따른 수술 베드(30)는 초전도 양자 간섭 센서(31)를 구비하여 전자기 구동 장치(10)에 의해 자성체가 포함된 마이크로/나노로봇(7)의 자력을 측정하여 마이크로/나노로봇(7)의 신체 내 3차원 위치를 획득하는 것을 특징으로 한다. The surgical bed 30 according to the present embodiment includes a superconducting quantum interference sensor 31 and measures the magnetic force of the micro / nano robot 7 including the magnetic body by the electromagnetic driving device 10 to measure the micro / nano robot ( 7) to obtain a three-dimensional position in the body.

초전도 양자 간섭 센서(31)는 조지프슨 접합체인 절연막으로 분리된 두 개의 초전도체가 구성된다. 본 실시예로, 초전도 양자 간섭 센서(31)를 구성하는 초전도체는 임계온도가 100K인 고온 초전도체임이 바람직하다. SQUID로 알려진 초전도 양자 간섭계는 두 개의 조지프슨 접합체인 매우 얇은 절연막으로 분리된 두 개의 초전도체로 이루어진다. 초전도 양자 간섭계에 전압이 인가되면 절연막을 통해 고주파에서 전류가 진동하기 시작하며, 전류는 주변 자기장에 영향을 받게 된다. 이 과정에서 초전도 양자 간섭 센서(31)는 전기 저항이 변하게 되어 매우 작고 약한 자기장을 측정할 수 있다. SQUID는 냉장고 부착용 자석이 발생시키는 자기장보다 천억 배가 약한 자기장을 쉽사리 정량화할 수 있다. 인체에서 나오는 자기신호의 크기는 심장에서 10-11T 정도이고, 뇌의 경우 10-12T~10- 13T 이며, 척추는 10-14T로 매우 작은데 초전도 양자 간섭계(SQUID)는 상기의 신호를 모두 측정할 수 있도록 민감도가 좋은 특성을 갖는다. The superconducting quantum interference sensor 31 is composed of two superconductors separated by an insulating film which is a Josephson junction. In this embodiment, the superconductor constituting the superconducting quantum interference sensor 31 is preferably a high temperature superconductor having a critical temperature of 100K. A superconducting quantum interferometer, known as SQUID, consists of two superconductors separated by two thin film dielectrics, two Josephson junctions. When voltage is applied to the superconducting quantum interferometer, the current starts to vibrate at high frequency through the insulating film, and the current is affected by the surrounding magnetic field. In this process, the superconducting quantum interference sensor 31 may change an electric resistance so that a very small and weak magnetic field may be measured. SQUID can easily quantify magnetic fields that are 100 billion times weaker than the magnetic fields generated by magnets for refrigerators. The size of magnetic signals from the human body is approximately 10 -11 T in the heart, in the case of a brain 10 -12 T ~ 10 - 13 is T, the spine is very jakeunde squid (SQUID) is a signal in the 10 -14 to T It has good sensitivity so that all of them can be measured.

따라서, 종래의 경우 초전도 양자 간섭계(SQUID)는 상기의 민감도 장점으로 군 감시 업무 및 공항 보안에 직접적으로 사용되고 있다. 본 실시예에서, 상기와 같이 자력 측정의 민감도가 우수한 초전도 양자 간섭 센서(31)는 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇(7)의 자력을 분별하기에 무리가 없으며, 전자기로 구동되는 의료용 마이크로/나노로봇 시스템(1)에 적용되기에 특히 적합하다.Therefore, in the conventional case, the superconducting quantum interferometer (SQUID) is directly used for military surveillance and airport security due to the above sensitivity. In the present embodiment, as described above, the superconducting quantum interference sensor 31 having excellent sensitivity of magnetic force measurement has no difficulty in discriminating the magnetic force of the micro / nano robot 7 including the magnetic material, and the medical micro / It is particularly suitable for application to the nanorobot system 1.

전자기 센서 플레이트(33)는 환자(3)의 신체를 수용할 수 있는 길이로 신장되며 복수개의 초전도 양자 간섭 센서(31)가 배열될 수 있다. 본 실시예에서 지칭하는 전자기 센서 플레이트(33)는 복수개의 초전도 양자 간섭 센서(31)가 고정 배치 되는 수단을 의미한다.The electromagnetic sensor plate 33 extends to a length that can accommodate the body of the patient 3, and a plurality of superconducting quantum interference sensors 31 may be arranged. The electromagnetic sensor plate 33 referred to in this embodiment means a means in which a plurality of superconducting quantum interference sensors 31 are fixedly arranged.

전자기 센서 플레이트(33)는 상면이 음의 곡률을 갖도록 만곡된 역 아치 형상으로 형성되고, 복수개의 초전도 양자 간섭 센서(31)는 전자기 센서 플레이트(33) 상면의 곡면을 따라 역 아치 형상으로 정렬될 수 있다.The electromagnetic sensor plate 33 is formed in an inverted arch shape whose upper surface is curved to have a negative curvature, and the plurality of superconducting quantum interference sensors 31 are aligned in an inverted arch shape along the curved surface of the upper surface of the electromagnetic sensor plate 33. Can be.

초전도 양자 간섭 센서(31)는 수술 베드(30)에 누운 환자(3)의 신체 전 영역으로부터 자력을 측정할 수 있도록 배열됨이 바람직하다. 따라서, 도 1b에 도시된 바와 같이 초전도 양자 간섭 센서(31)는 환자(3)를 중심으로 원호를 그리듯 배치되어, 마이크로/나노로봇(7)의 측면 구동의 경우에도 충분한 세기의 자력을 획득할 수 있도록 한다.The superconducting quantum interference sensor 31 is preferably arranged to measure the magnetic force from the entire body of the patient 3 lying on the surgical bed 30. Accordingly, as shown in FIG. 1B, the superconducting quantum interference sensor 31 is arranged like an arc around the patient 3 to acquire a magnetic force of sufficient intensity even in the case of lateral driving of the micro / nano robot 7. Do it.

스퀴드 냉각부(35)는 전자기 센서 플레이트(33)를 진공으로 밀폐하고, 초전도 양자 간섭 센서(31)의 임계온도를 유지시킬 수 있다. 스퀴드 냉각부(35)는 초전도 양자 간섭 센서(31)의 진공 상태를 확보하기 위한 진공 용기(351)를 포함할 수 있다. 스퀴드 냉각부(35)는 진공 용기(351)의 둘레로 냉각라인을 형성하고, 냉각라인으로 액체질소를 순환시켜 초전도 양자 간섭 센서(31)를 임계온도 이하로 냉각 유지시킬 수 있다.The squid cooling unit 35 may seal the electromagnetic sensor plate 33 in a vacuum and maintain a critical temperature of the superconducting quantum interference sensor 31. The squid cooling unit 35 may include a vacuum container 351 for securing a vacuum state of the superconducting quantum interference sensor 31. The squid cooling unit 35 forms a cooling line around the vacuum container 351, and circulates liquid nitrogen through the cooling line to cool and maintain the superconducting quantum interference sensor 31 below a critical temperature.

제어 장치(5)는 위치 측정 모듈(501), 의료 영상 모듈(503), 및 제어 모듈(505)을 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 제어 장치(5)는 의료 종사자가 전자기 구동 장치(10)를 원격으로 제어 및 조작하게 되는 구성으로, 수술 베드(30)와 이격되어 구비될 수 있으며, 전술한 컨트롤부(17)의 구성을 함께 포함할 수 있다. 전술한 컨트롤부(17)의 온도제어기(175)는 전자기 냉각부(15) 뿐만 아니라, 스퀴드 냉각부(35)의 온도 제어 기능을 함께 수행할 수 있다. 이에 따라, 온도제어기(175)는 전자기 센서 플레이트(33)의 진공 상태를 체크하며, 스퀴드 냉각부(35)의 온도를 제어하여 초전도 양자 간섭 센서(31)의 고온 초전도 코일의 임계상태를 유지시킬 수 있다.The control device 5 may include a position measuring module 501, a medical imaging module 503, and a control module 505. The control device 5 according to the present embodiment is configured to remotely control and manipulate the electromagnetic drive device 10 by a medical worker, and may be provided spaced apart from the surgical bed 30, and the control unit 17 described above. ) May be included together. The temperature controller 175 of the above-described control unit 17 may perform the temperature control function of the squid cooling unit 35 as well as the electromagnetic cooling unit 15. Accordingly, the temperature controller 175 checks the vacuum state of the electromagnetic sensor plate 33 and controls the temperature of the squid cooling unit 35 to maintain the critical state of the high temperature superconducting coil of the superconducting quantum interference sensor 31. Can be.

위치 측정 모듈(501)은 초전도 양자 간섭 센서(31)의 자력 측정 시그널을 수신하여 신체 내의 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇(7)의 위치를 산출할 수 있다. 본 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노로봇 전자기 구동 시스템(1)은 전자기 구동 장치(10)가 발생시킨 자기장을 통해 마이크로/나노로봇(7)을 구동하며, 균일 자계(Uniform magnetic field) 또는 경사자계(Gradient magnetic field)에 의해서 회전 및 이동에 대한 마이크로/나노로봇(7)의 다양한 동작을 제어한다. 전술한 초전도 양자 간섭 센서(31)는 전자기 구동 장치(10)를 통해 자화된 마이크로/나노로봇(7)에 포함된 초상자성체 또는 상자성체의 자력을 측정하거나, 강자성체가 포함된 마이크로/나노로봇의 잔류자기를 측정한다. 측정된 값은 위치 측정 모듈(501)로 전송된다. The position measuring module 501 may receive the magnetic force measurement signal of the superconducting quantum interference sensor 31 to calculate the position of the micro / nano robot 7 including the magnetic material in the body. The medical micro / nano robot electromagnetic drive system 1 according to the present embodiment drives the micro / nano robot 7 through a magnetic field generated by the electromagnetic driving device 10, and generates a uniform magnetic field or a gradient magnetic field. (Gradient magnetic field) controls the various operations of the micro / nano robot 7 for rotation and movement. The superconducting quantum interference sensor 31 described above measures the magnetic force of the superparamagnetic or paramagnetic material included in the micro / nano robot 7 magnetized by the electromagnetic driving device 10, or the residual of the micro / nano robot containing the ferromagnetic material. Measure your magnetism. The measured value is sent to the position measurement module 501.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 위치 측정 모듈(501)이 강자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇(7)의 위치 정보를 획득하는 방법을 나타낸 것이다. 도 3을 참조하면, 전자기 구동 장치(10)의해 발생된 자계가 펄스 폭 변조(PWM) 형태로 인가 될 때 신호의 On/Off 사이 자기장이 0이 되는 구간에서 강자성체(Ferromagnetic materials)는 자기이력곡선에 기반한 잔류자기(Remanence, Residual magnetism)가 존재한다. 위치 측정 모듈(501)은 초전도 양자 간섭 센서(31)가 측청한 상기 잔류자기 값을 획득하여 마이크로/나노로봇(7)의 신체 내 위치 정보를 생성할 수 있다. 한편, 초상자성체(Superparamagnetic materials) 또는 상자성체(Paramagnetic materials)를 포함하는 마이크로/나노로봇(7)의 경우, 상기 초상자성체 및 상자성체는 외부 자기장이 제거되면(즉, 자기장이 0일 때) 자화하지 되지 않는 물질로 잔류자기를 이용한 위치정보를 알기가 어렵다. 따라서, 상기 초상자성체 또는 상자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇의 위치 정보를 획득하는 방법은 전자기 구동 장치(10)의 자계가 PWM 형태로 인가 될 때, 초전도 양자 간선 센서(31)가 실시간으로 측정한 자화된 초상자성체 또는 상자성체의 자력값을 획득한 후, 위치 측정 모듈(501)은 상기 초상자성체 또는 상자성체 자력의 신호 On/Off 사이 자기장이 0이 되는 구간과 0이 아닌 구간의 자력 차이값을 계산하여 마이크로/나노로봇(7)의 신체 내 위치 정보를 생성 할 수 있다.3 illustrates a method of obtaining position information of the micro / nano robot 7 including the ferromagnetic material by the position measuring module 501 according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, when a magnetic field generated by the electromagnetic driving apparatus 10 is applied in the form of pulse width modulation (PWM), a ferromagnetic material has a magnetic history curve in a section in which a magnetic field becomes zero between on and off of a signal. Based residual magnetism (Remanence, Residual magnetism). The position measuring module 501 may generate position information in the body of the micro / nano robot 7 by obtaining the residual magnetic value measured by the superconducting quantum interference sensor 31. On the other hand, in the case of the micro / nano robot 7 including the superparamagnetic material or the paramagnetic material, the superparamagnetic material and the paramagnetic material are not magnetized when the external magnetic field is removed (that is, when the magnetic field is zero). It is difficult to know the location information using the residual magnetic material. Therefore, the method of acquiring position information of the micro / nano robot including the superparamagnetic body or paramagnetic body is measured in real time by the superconducting quantum trunk sensor 31 when the magnetic field of the electromagnetic driving device 10 is applied in the PWM form. After acquiring the magnetic force value of the magnetized superparamagnetic or paramagnetic body, the position measuring module 501 calculates a magnetic force difference value between a section where the magnetic field becomes 0 and a nonzero section between signals On / Off of the superparamagnetic or paramagnetic magnetic force. It is possible to generate position information in the body of the micro / nano robot (7).

이 경우, 전자기 구동 장치(10)는 초전도 양자 간섭 센서(31)가 마이크로/나노로봇(7)의 자력을 측정할 때, 인가 자기장에 의한 간섭을 최소화 할 수 균일 자계를 펄스 폭 변조(PWM) 형태로 인가하여 마이크로/나노로봇(7)을 구동제어하는 것이 바람직하다. 의료 영상 모듈(503)은 신체 내의 이미지를 획득하여 환자(3)의 환부 위치를 목표로 마이크로/나노로봇(7)의 이동 경로를 생성할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 의료 영상 모듈(503)과 연계되는 의료 영상 장비는 신체 투과 영상을 획득하는 장비이면 족하며, 일 예시로 X-ray 또는 CT 장비가 될 수 있다. 의료 영상 모듈(503)은 마이크로/나노로봇(7)이 투입되는 시작점과 확인된 환부(병변)의 위치를 가시적으로 디스플레이하고, 마이크로/나노로봇(7)의 시작점으로부터 환부에 이르는 신체 이동 경로(P)를 설정할 수 있다.In this case, when the superconducting quantum interference sensor 31 measures the magnetic force of the micro / nano robot 7, the electromagnetic driving device 10 may minimize the interference caused by the applied magnetic field. It is preferable to drive control the micro / nano robot 7 by applying in the form. The medical imaging module 503 may acquire an image in the body and generate a movement path of the micro / nano robot 7 based on the affected position of the patient 3. As shown in FIG. 2, the medical imaging equipment associated with the medical imaging module 503 may be a device for acquiring a body transmission image, and may be, for example, X-ray or CT equipment. The medical imaging module 503 visually displays the starting point where the micro / nano robot 7 is input and the location of the identified lesion (lesion), and the body movement path from the starting point of the micro / nano robot 7 to the affected part ( P) can be set.

제어 모듈(505)은 위치 측정 모듈(501)의 위치 정보와 의료 영상 모듈(503)의 이동 경로 간 편차를 계산하고, 계산된 편차와 대비되는 전류의 값을 지령값으로 생성할 수 있다. 제어 모듈(505)은 의료 영상 모듈(503)이 생성한 이동 경로(P)로부터 위치 측정 모듈(501)이 획득한 마이크로/나노로봇(7)의 위치가 얼마나 이탈되었는지 확인 및 보정하기 위한 제어 구성으로 이해될 수 있다. 마이크로/나노로봇(7)은 자력 측정으로 3차원 공간 상에 위치가 좌표로서 계산될 수 있으며, 이러한 위치 정보는 영상 장비로 기 생성한 이동 경로(P)와 데이터 적인 편차의 계산이 가능하다. 제어 모듈(505)은 마이크로/나노로봇(7)의 바람직한 경로 제어를 위해 이동 경로(P)의 오차에 대비되는 전류 지령치를 생성하고, 생성된 지령치는 전자기 구동 장치(10)의 전자석부(13)로 인가된다. The control module 505 may calculate a deviation between the position information of the position measuring module 501 and the moving path of the medical imaging module 503, and generate a current value compared with the calculated deviation as a command value. The control module 505 is configured to check and correct how far the position of the micro / nano robot 7 acquired by the position measuring module 501 is from the moving path P generated by the medical imaging module 503. It can be understood as. The micro / nano robot 7 can calculate the position in the three-dimensional space as a coordinate by magnetic force measurement, the position information can be calculated by the movement path (P) and data deviation previously created by the imaging equipment. The control module 505 generates a current command value against the error of the movement path P for the desired path control of the micro / nano robot 7, and the generated command value is an electromagnet portion 13 of the electromagnetic drive device 10. Is applied.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전자기 구동 시스템(1)의 제어 방법을 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 전자기 구동 장치(10)의 전자석부(13)가 전류 제어로서 목적한 Magnetic Field를 생성하고, Magnetic Field가 인가된 마이크로/나노로봇(7)이 구동 제어되며, 4 shows a control method of the electromagnetic drive system 1 according to the embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the electromagnet part 13 of the electromagnetic driving device 10 generates a desired magnetic field as current control, and the micro / nano robot 7 to which the magnetic field is applied is driven and controlled.

자화된 자력을 측정하거나 또는 강자성체(Ferromagnetic substances)를 포함하는 상기 마이크로/나노로봇의 잔류자기를 측정Measuring magnetized magnetic force or measuring residual magnetism of the micro / nanorobot containing ferromagnetic substances

강자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇의 경우 Hysteresis Effect로 초전도 양자 간섭 센서(31)가 강자성체의 자류자기을 측정하고, 초상자성체 또는 상자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇의 경우 전도 양자 잔접 센서(31)가 실시간으로 측정한 자화된 초상자성체 또는 상자성체의 자력을 위치 측정 모듈(501)을 통해 자화된 자력의 시간에 따른 변화값으로 얻어지게 된다. 이로부터 계산된 마이크로/나노로봇(7)의 3차원적 위치는 의료 영상 장비의 이미지와 함께 위치를 보정하기 위한 전류 지령치를 계산하고, 전자기 구동 장치(10)의 전자석부(13)를 제어하는 과정이 반복된다. In the case of a micro / nano robot including a ferromagnetic material, the superconducting quantum interference sensor 31 measures the magnetic field of the ferromagnetic material with the hysteresis effect, and in the case of a micro / nano robot including a superparamagnetic or paramagnetic material, the conducting quantum residual sensor 31 is a real time The magnetic force of the magnetized superparamagnetic body or paramagnetic body measured by using the position measuring module 501 is obtained as a change value over time of the magnetized magnetic force. The three-dimensional position of the micro / nano robot 7 calculated therefrom calculates a current command value for correcting the position together with the image of the medical imaging equipment, and controls the electromagnet portion 13 of the electromagnetic driving device 10. The process is repeated.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 전자기 구동 시스템(1)이 신체의 모든 영역으로 마이크로/나노로봇(7)을 자화/제어하는 구동 모습을 나타낸 것이다. 도 5a는 전자기 구동 장치(10)가 복부의 영역에서 마이크로/나노로봇(7)을 구동 제어하는 모습을 나타내고, 도 5b는 전자기 구동 장치(10)가 환자의 하지 영역으로 이동하면서 마이크로/나노로봇(7)을 구동 제어하는 모습을 나타낸다.FIG. 5 shows a driving mode in which the electromagnetic drive system 1 according to an embodiment of the present invention magnetizes / controls the micro / nano robot 7 to all areas of the body. FIG. 5A shows the electromagnetic drive device 10 driving and controlling the micro / nano robot 7 in the abdomen area, and FIG. 5B shows the micro / nano robot while the electromagnetic drive device 10 moves to the lower limb area of the patient. (7) shows how to drive control.

도 5를 참조하면, 가이드 라인(37)이 형성된 수술 베드(10)를 따라 환자(3)의 머리부터 발끝까지 전자기 구동 장치(10)가 슬라이딩 구동될 수 있다. 전자기 구동 장치(10)에 의해서 마이크로/나노로봇(7)이 환자(3)의 머리부터 발끝까지 모든 영역으로의 이동이 가능하며, 수술 베드(10)에 길이 방향으로 구비된 초전도 양자 간섭 센서(31)가 환자의 어떠한 영역이든 마이크로/나노로봇(7)의 위치를 획득할 수 있음을 이해할 수 있다. Referring to FIG. 5, the electromagnetic driving device 10 may be slidingly driven from the head to the toe of the patient 3 along the surgical bed 10 on which the guide line 37 is formed. The electromagnetic drive device 10 allows the micro / nano robot 7 to move from the head to the toe of the patient 3 in all areas, and the superconducting quantum interference sensor provided in the lengthwise direction of the surgical bed 10 ( It will be appreciated that 31) can acquire the position of the micro / nanorobot 7 in any area of the patient.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명한 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 특허청구범위와 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태에 의하여 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through the representative embodiments above, it will be understood by those skilled in the art that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention with respect to the above-described embodiments. will be. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the embodiments described, but should be defined by all changes or modifications derived from the claims and the equivalent concepts as well as the following claims.

1: 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템
3: 환자
7: 마이크로/나노로봇
10: 전자기 구동 장치
13: 전자석부
131: 고온 초전도 코일
133: 진공 용기
135: 파워선
15: 전자기 냉각부
17: 컨트롤부
171: 파워 서플라이
173: 전류 제어기
175: 온도 제어기
5, 30: 수술 베드
31: 초전도 양자 간섭 센서
33: 전자기 센서 플레이트
35: 스퀴드 냉각부
37: 가이드 라인
351: 진공 용기
50: 제어 장치
501: 위치 측정 모듈
503: 의료 영상 모듈
505: 제어 모듈1: Electromagnetic drive system of medical micro / nano robot
3: patient
7: Micro / nano robot
10: electromagnetic drive
13: electromagnetism
131: high temperature superconducting coil
133: vacuum container
135: power line
15: electromagnetic cooling part
17: control unit
171: power supply
173: current controller
175: temperature controller
5, 30: surgical bed
31: Superconducting quantum interference sensor
33: electromagnetic sensor plate
35: squid cooling unit
37: guidelines
351: vacuum vessel
50: control unit
501 position measuring module
503: medical imaging module
505: control module

Claims (7)

체내에 삽입된 마이크로/나노로봇을 자화시켜 마이크로/나노로봇의 구동을 제어하는 전자기 구동 장치가 설치되는 수술 베드(bed)에 있어서,
조지프슨 접합체인 절연막으로 분리된 두 개의 초전도체가 구성된 초전도 양자 간섭(SQUID) 센서;
신체를 수용할 수 있는 길이로 신장되며 복수개의 상기 초전도 양자 간섭 센서가 배열되는 전자기 센서 플레이트;
상기 전자기 센서 플레이트를 진공으로 밀폐하고, 상기 초전도 양자 간섭 센서의 임계온도를 유지시키는 스퀴드 냉각부; 및
상기 초전도 양자 간섭 센서의 자력에 의해 측정된 상기 마이크로/나노로봇의 위치와 환자의 환부 위치로의 이동 경로 간 편차를 계산한 후, 상기 편차와 대비되는 전류의 값을 지령값으로 생성하는 제어 모듈을 포함하여,
상기 초전도 양자 간섭 센서가 상기 마이크로/나노로봇의 자력을 측정하여 상기 마이크로/나노로봇의 신체 내 3차원 위치를 획득할 수 있는 것을 특징으로 하는 수술 베드.
In the surgical bed is provided with an electromagnetic drive device for controlling the driving of the micro / nano robot by magnetizing the micro / nano robot inserted into the body,
A superconducting quantum interference (SQUID) sensor composed of two superconductors separated by an insulating film which is a Josephson junction;
An electromagnetic sensor plate extending to a length capable of receiving a body and having a plurality of superconducting quantum interference sensors arranged thereon;
A squid cooling unit sealing the electromagnetic sensor plate with a vacuum and maintaining a critical temperature of the superconducting quantum interference sensor; And
A control module for calculating a deviation between the position of the micro / nano robot measured by the magnetic force of the superconducting quantum interference sensor and the movement path to the affected part of the patient, and then generating a current value which is compared with the deviation as a command value Including,
And the superconducting quantum interference sensor measures the magnetic force of the micro / nano robot to obtain a three-dimensional position in the body of the micro / nano robot.
제 1 항에 있어서,
상기 전자기 센서 플레이트는,
상면이 음의 곡률을 갖도록 만곡된 역 아치 형상으로 형성되고 복수개의 상기 초전도 양자 간섭 센서는 상기 상면의 곡면을 따라 역 아치 형상으로 정렬된 것을 특징으로 하는 수술 베드.
The method of claim 1,
The electromagnetic sensor plate,
And a plurality of superconducting quantum interference sensors arranged in a reverse arch shape along the curved surface of the upper surface, wherein the upper surface is formed in an inverted arch shape curved to have a negative curvature.
제 1 항에 있어서,
상기 초전도 양자 간섭 센서의 자력 측정 시그널을 수신하여 신체 내의 자화된 마이크로/나노로봇의 위치를 산출하는 위치 측정 모듈;
신체 내의 이미지를 획득하여 환자의 환부 위치를 목표로 상기 마이크로/나노로봇의 이동 경로를 생성하는 의료 영상 모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 베드.
The method of claim 1,
A position measurement module for receiving a magnetic force measurement signal of the superconducting quantum interference sensor and calculating a position of the magnetized micro / nanorobot in the body;
And a medical imaging module for acquiring an image in the body and generating a movement path of the micro / nanorobot to target the affected position of the patient.
제 1 항에 있어서,
상기 전자기 구동 장치가 결합되어 슬라이딩 이동이 가능하도록 측면에 길이 방향으로 가이드 라인이 형성된 것을 특징으로 하는 수술 베드.
The method of claim 1,
Surgical bed, characterized in that the guide line is formed in the longitudinal direction to the side coupled to the electromagnetic drive device to enable the sliding movement.
체내에 삽입된 자성체를 포함하는 마이크로/나노로봇을 전자기로 마이크로/나노로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템에 있어서,
축 방향으로 자기장을 생성하는 코일과, 상기 코일에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 상기 마이크로/나노로봇의 방향으로 자기장을 형성하되, 상기 코일은 일반 구리 선재로 이루어진 전자기 구동 장치 또는 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일로 이루어진 전자석부와, 상기 전자석부의 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시켜 상기 전자석부의 초전도 상태를 유지시키는 전자기 냉각부를 구비한 전자기 구동 장치; 및
상기 전자기 구동 장치가 자화시킨 상기 마이크로/나노로봇의 자력을 측정하여 상기 마이크로/나노로봇의 신체 내 3차원 위치를 획득하는 수술 베드(bed)를 포함하고,
상기 수술 베드는,
조지프슨 접합체인 절연막으로 분리된 두 개의 초전도체가 구성된 초전도 양자 간섭(SQUID) 센서와, 신체를 수용할 수 있는 길이로 신장되며 복수개의 상기 초전도 양자 간섭 센서가 배열되는 전자기 센서 플레이트와,
상기 전자기 센서 플레이트를 진공으로 밀폐하고, 상기 초전도 양자 간섭 센서의 임계온도를 유지시키는 스퀴드 냉각부를 포함하여,
상기 초전도 양자 간섭 센서가 상기 전자기 구동 장치에 의해 자화된 상기 마이크로/나노로봇의 자력을 측정하는 것을 특징으로 하는 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템.
In the electromagnetic drive system of the medical micro / nano robot for controlling the operation of the micro / nano robot to the micro / nano robot containing a magnetic material inserted into the body,
A magnetic field is formed in the direction of the micro / nano robot, including a coil generating a magnetic field in an axial direction and a magnetic core focusing magnetic flux on the coil, wherein the coil has an electromagnetic drive device or a critical temperature made of a common copper wire. An electromagnetic drive device including an electromagnet portion made of a high temperature superconducting coil having a superconductivity phenomenon at 100K or higher, and an electromagnetic cooling unit cooling the high temperature superconducting coil of the electromagnet portion to a critical temperature or less to maintain a superconducting state of the electromagnet portion; And
And a surgical bed measuring the magnetic force of the micro / nano robot magnetized by the electromagnetic driving device to obtain a three-dimensional position in the body of the micro / nano robot.
The surgical bed,
A superconducting quantum interference (SQUID) sensor composed of two superconductors separated by an insulating film which is a Josephson junction, an electromagnetic sensor plate extending to a length that can accommodate a body, and arranged with a plurality of the superconducting quantum interference sensors;
Including a squid cooling unit for sealing the electromagnetic sensor plate in a vacuum, maintaining a critical temperature of the superconducting quantum interference sensor,
And the superconducting quantum interference sensor measures the magnetic force of the micro / nano robot magnetized by the electromagnetic driving device.
제 5 항에 있어서,
상기 초전도 양자 간섭 센서의 자력 측정 시그널을 수신하여 신체 내의 자화된 마이크로/나노로봇의 위치를 산출하는 위치 측정 모듈과,
신체 내의 이미지를 획득하여 환자의 환부 위치를 목표로 상기 마이크로/나노로봇의 이동 경로를 생성하는 의료 영상 모듈과,
상기 위치 측정 모듈의 위치 정보와 상기 의료 영상 모듈의 이동 경로 간 편차를 계산하고, 계산된 편차와 대비되는 전류의 값을 지령값으로 생성하는 제어 모듈을 구비한 제어 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템.
The method of claim 5,
A position measuring module for receiving a magnetic force measurement signal of the superconducting quantum interference sensor and calculating a position of the magnetized micro / nano robot in the body;
A medical imaging module for acquiring an image in the body and generating a movement path of the micro / nano robot aiming at the location of the affected part of the patient;
And a control device including a control module for calculating a deviation between the position information of the position measuring module and the moving path of the medical imaging module and generating a current value which is compared with the calculated deviation as a command value. Medical micro / nano robot electromagnetic drive system.
제 5 항에 있어서,
상기 전자기 구동 장치는,
상기 초전도 양자 간섭 센서가 상기 마이크로/나노로봇의 자력을 측정할 때, 인가 자기장에 의한 간섭을 최소화 할 수 있도록 균일 자계를 펄스 폭 변조(PWM) 형태로 인가하여 상기 마이크로/나노로봇을 구동 제어 하는 것을 특징으로 하는 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 시스템.







The method of claim 5,
The electromagnetic drive device,
When the superconducting quantum interference sensor measures the magnetic force of the micro / nano robot, the micro / nano robot is controlled by applying a uniform magnetic field in the form of pulse width modulation (PWM) so as to minimize the interference caused by the applied magnetic field. Electromagnetic drive system of the medical micro / nano robot.







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