KR102044872B1 - Electromagnetic drive system for medical micro/nano robot using superconducting electromagnet - Google Patents

Electromagnetic drive system for medical micro/nano robot using superconducting electromagnet Download PDF

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KR102044872B1 KR1020170135750A KR20170135750A KR102044872B1 KR 102044872 B1 KR102044872 B1 KR 102044872B1 KR 1020170135750 A KR1020170135750 A KR 1020170135750A KR 20170135750 A KR20170135750 A KR 20170135750A KR 102044872 B1 KR102044872 B1 KR 102044872B1
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강병전
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Abstract

본 발명은, 체내에 삽입된 마이크로/나노 로봇을 자화시켜 전자기로 마이크로/나노 로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치에 있어서, 축 방향으로 자기장을 생성하는 코일과, 상기 코일에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 상기 마이크로/나노 로봇의 방향으로 자기장을 형성하되, 상기 코일은 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일로 이루어진 전자석부; 및 상기 전자석부의 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시켜 상기 전자석부의 초전도 상태를 유지시키는 냉각부를 포함한 것을 특징으로 한다.The present invention provides an electromagnetic drive device for a medical micro / nano robot, which magnetizes a micro / nano robot inserted into a body and controls the driving of the micro / nano robot by electromagnetic, comprising: a coil for generating a magnetic field in an axial direction; An electromagnet portion including a magnetic core for focusing magnetic flux in a magnetic field in the direction of the micro / nano robot, wherein the coil is made of a high temperature superconducting coil in which a superconducting phenomenon occurs at a critical temperature of 100K or more; And a cooling unit cooling the high temperature superconducting coil of the electromagnet portion below a critical temperature to maintain a superconducting state of the electromagnet portion.

Description

초전도 전자석을 이용한 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 장치{ELECTROMAGNETIC DRIVE SYSTEM FOR MEDICAL MICRO/NANO ROBOT USING SUPERCONDUCTING ELECTROMAGNET}Electromagnetic driving device for medical micro / nano robot using superconducting electromagnet {ELECTROMAGNETIC DRIVE SYSTEM FOR MEDICAL MICRO / NANO ROBOT USING SUPERCONDUCTING ELECTROMAGNET}

본 발명은 체내에 삽입된 마이크로/나노로봇을 자화시켜 전자기로 마이크로/나노 로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 장치에 관한 것으로서, 초전도 전자석을 이용한 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an electromagnetic driving device of a medical micro / nano robot which magnetizes a micro / nano robot inserted into a body to electromagnetically control the driving of the micro / nano robot, and an electromagnetic driving device of a micro / nano robot using a superconducting electromagnet. It is about.

일반적으로 의료용 디바이스는 무선 또는 유선으로 구동되어 혈관 및 소화기관 내부 등의 장기에 존재하는 병변을 진단하거나 치료한다. 그 중, 인체 내에 삽입되어 진단 및 치료에 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 and treatment 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, a 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 움직임을 정밀하게 그리고 빠르게 제어할 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 precisely and quickly controlled according to the characteristics of the coil.

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

예시로서, 동 출원인의 등록특허인 제10-1096532호, 제10-1084720호, 10-1082722호, 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, 10-1082722, 10-1084723 and the like of the applicants is an electromagnetic driving device for controlling the micro-robot in the body Patent documents related to various technical problems related to.

자기특성(Magnetic Characteristics)을 가지고 있는 마이크로 의료로봇이 신체내로 삽입이 되면 로봇의 움직임은 신체 외부에서 발생되는 자기장에 의해 구현된다. 외부 자기장을 발생시키기 위해서는, 보통 일반 구리선을 사용하는 솔레노이드 전자석을 이용하거나 원형코일 형태의 전자석을 이용한다. 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 사용해야 한다. When a micro 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. To generate an external magnetic field, solenoid electromagnets using ordinary copper wires or electromagnets in the form of circular coils are used. At this time, according to the type of microrobot driven, a plurality of electromagnets should be arranged and used for a purpose to smoothly control the strength and direction of a magnetic field in a region of interest (ROI).

그러나, 종래의 외부 자기장 발생 장치는 구리선의 고유 물리적 특성에 의해 시간이 지남에 따라 구리 코일의 발열로 인하여 전자석 자체 저항이 증가되는 문제점이 있다. 따라서, 초기 요구했던 자기장의 세기 및 ROI를 얻지 못하는 문제가 발생되며, 원하는 자기장의 세기를 맞추기 위해서 전자석의 크기가 커지고 배치되는 전자석의 개수가 많이 요구되는 단점이 발생되었다.However, the conventional external magnetic field generating device has a problem in that the electromagnet self-resistance increases due to the heat generation of the copper coil over time due to the inherent physical properties of the copper wire. Therefore, there is a problem that the strength and ROI of the initial required magnetic field is not obtained, and the size of the electromagnet is increased and the number of electromagnets that are placed is required to match the desired magnetic field.

이에, 본 출원인은 고온의 초전도 코일을 이용한 전자석을 이용하여 전자기 구동장치를 구현함에 따라, 외부에서 고자장을 발생시켜 신체 내 마이크로/나노 로봇의 운동을 제어할 수 있는 장치 및 방법을 고안하게 되었다. Accordingly, the present inventors have devised an apparatus and method for controlling the movement of the micro / nano robot in the body by generating a high magnetic field by implementing an electromagnetic driving device using an electromagnet using a high temperature superconducting coil. .

한국 등록특허 제10-1096532호Korean Patent Registration No. 10-1096532 한국 등록특허 제10-1084720호Korean Patent Registration No. 10-1084720 한국 등록특허 제10-1082722호Korean Patent Registration No. 10-1082722 한국 등록특허 제10-1084723호Korean Patent Registration No. 10-1084723

따라서 본 발명은 전술한 종래의 외부 자기장 시스템 기술의 문제점을 해소하기 위한 것으로, 전자석의 개수를 최소화하여 공간상 ROI 내에 고 자기장을 생성시킬 수 있는 의료용 마이크로/나노 로봇을 제어하기 위한 전자기 구동 장치를 제공하고자 한다. 보다 상세하게, 본 발명은 기존의 구리선 코일 전자석의 발열에 따른 전력손실 증가 및 자기장 세기가 감소되는 문제점을 해결하고, 자기장 발생 장치의 부피와 무게를 저감하여 시스템의 경량화가 가능한 전자기 구동 장치를 제공하고자 한다. Accordingly, the present invention is to solve the above problems of the conventional external magnetic field system technology, an electromagnetic drive device for controlling a medical micro / nano robot that can generate a high magnetic field in the ROI by minimizing the number of electromagnets To provide. More specifically, the present invention solves the problem of increased power loss and reduced magnetic field strength due to heat generation of the conventional copper coil electromagnet, and provides an electromagnetic drive device capable of lightening the system by reducing the volume and weight of the magnetic field generating device. I would like to.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 체내에 삽입된 마이크로/나노 로봇을 자화시켜 전자기로 마이크로/나노 로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치에 있어서, 축 방향으로 자기장을 생성하는 코일과, 상기 코일에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 상기 마이크로/나노 로봇의 방향으로 자기장을 형성하되, 상기 코일은 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일로 이루어진 전자석부; 및 상기 전자석부의 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시켜 상기 전자석부의 초전도 상태를 유지시키는 냉각부를 포함한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention, in the electromagnetic drive device of the medical micro / nano robot for controlling the operation of the micro / nano robot by magnetizing the micro / nano robot inserted into the body, generating a magnetic field in the axial direction An electromagnet portion comprising a high temperature superconducting coil having a superconducting phenomenon at a critical temperature of 100K or more, wherein the coil forms a magnetic field in the direction of the micro / nano robot, including a magnetic core for focusing magnetic flux on the coil; And a cooling unit cooling the high temperature superconducting coil of the electromagnet portion below a critical temperature to maintain a superconducting state of the electromagnet portion.

바람직하게, 상기 전자석부는 상기 고온 초전도 코일을 포함하도록 밀폐하여 진공으로 유지하는 진공 용기를 포함하고, 상기 냉각부는 상기 진공 용기의 둘레로 냉각라인을 형성하고 상기 냉각라인으로 액체질소를 순환시켜 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시킬 수 있다.Preferably, the electromagnet portion includes a vacuum container sealed to include the high temperature superconducting coil to maintain a vacuum, the cooling unit forms a cooling line around the vacuum container and circulates the liquid nitrogen to the cooling line to the high temperature The superconducting coil can be cooled below the critical temperature.

바람직하게, 본 발명에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치는 상기 고온 초전도 코일이 외부의 전원으로부터 파워선을 통해 전류를 인가받고, 상기 파워선이 인가하는 전류를 제어하여 상기 전자석부가 발생시키는 자기장의 세기를 조절하는 전류제어기와, 상기 냉각부의 냉매를 조절하여 상기 진공 용기의 온도를 조절하는 온도제어기를 포함하는 컨트롤부를 더 포함할 수 있다.Preferably, the electromagnetic driving device of the medical micro / nano robot according to the present invention is the high-temperature superconducting coil is applied with a current through a power line from an external power source, and the current is controlled by the power line to generate the electromagnet portion The apparatus may further include a controller including a current controller configured to control the strength of the magnetic field, and a temperature controller configured to adjust a temperature of the vacuum container by controlling a refrigerant of the cooling unit.

또한, 본 발명은 체내에 삽입된 마이크로/나노 로봇을 자화시켜 전자기로 마이크로/나노 로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치에 있어서, 단부인 로봇 핸드에 상기 마이크로/나노 로봇을 자화시키기 위한 자기장을 생성하는 하기의 전자석부가 구비되는 다자유도의 로봇 암(arm); 축 방향으로 자기장을 생성하는 코일과, 상기 코일에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 상기 마이크로/나노 로봇의 방향으로 자기장을 형성하되, 상기 코일은 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일로 이루어진 전자석부; 및 상기 전자석부의 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시켜 상기 전자석부의 초전도 상태를 유지시키는 냉각부를 포함하여, 상기 로봇 암에는 하나의 상기 전자석부가 구비되어, 체내에 삽입된 상기 마이크로/나노 로봇의 3차원 제어가 하나의 상기 로봇 암의 위치 제어로 가능한 것을 다른 특징으로 한다.In addition, the present invention is an electromagnetic drive device for a medical micro / nano robot that magnetizes the micro / nano robot inserted into the body to control the driving of the micro / nano robot electromagnetically, the micro / nano robot to the end of the robot hand A robot arm having multiple degrees of freedom provided with an electromagnet portion for generating a magnetic field for magnetizing; 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 a high temperature superconductivity in which superconductivity occurs at a critical temperature of 100 K or higher. An electromagnet portion consisting of a coil; And a cooling unit cooling the high temperature superconducting coil of the electromagnet portion to a critical temperature or less to maintain the superconducting state of the electromagnet portion. The robot arm is provided with one electromagnet portion, and the micro / nano is inserted into the body. Another feature is that three-dimensional control of the robot is possible with position control of one of the robot arms.

본 발명에 따르면 전자기 구동 장치에 있어서, 기존의 구리선 코일 전자석의 발열에 따른 전력손실 증가 및 자기장의 세기가 저감되는 문제점이 해결될 수 있다. 보다 상세하게, 본 발명은 고온 초전도 전자석을 진공 상태에서 냉각하여 임계온도 내에서 사용하므로 전류에 의한 저항이 없어 외부 자기장 시스템의 발열에 대한 문제점이 해결된다. 또한, 고온 초전도 전자석으로 구현된 전자석부는 저항이 없으므로 전력 손실이 적고 허용전류가 증가하여 자기장의 세기가 증가한다. 이에 따라 ROI 내에 배치시킬 수 있는 전자석의 개수 및 크기를 줄일 수 있어 시스템의 부피를 감소 및 경량화에 이점이 있다. According to the present invention, the problem of increasing the power loss and the strength of the magnetic field due to the heat generation of the conventional copper coil electromagnet can be solved. More specifically, since the high temperature superconducting electromagnet is cooled in a vacuum state and used within a critical temperature, there is no resistance due to current, thereby solving the problem of heat generation in an external magnetic field system. In addition, the electromagnet is implemented as a high-temperature superconducting electromagnet has no resistance, so the power loss is small, the allowable current increases, the strength of the magnetic field increases. Accordingly, the number and size of electromagnets that can be placed in the ROI can be reduced, thereby reducing the volume and weight of the system.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치의 시스템 플로우를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 회전형 전자기 구동 장치를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치를 나타낸다. 1 shows an electromagnetic drive device of a medical micro / nano robot according to an embodiment of the present invention.
2 illustrates a system flow of an electromagnetic driving device of a medical micro / nano robot according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a rotary electromagnetic drive device of a medical micro / nano robot according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 shows an electromagnetic drive device of a medical micro / nano robot according to another embodiment of the present invention.

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/나노 로봇의 전자기 구동 장치(1)를 나타낸다. 이하의 실시예에서 설명하게 될 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치(1)는 체내에 삽입된 의료용 디바이스를 원격으로 제어하기 위한 장치를 총칭한다. 체내에 삽입되는 의료용 디바이스는 진단의 응용 범위가 넓어 일반적인 카테터 시술에 비해 많은 장점을 갖는다. 하지만, 마이크로 크기의 의료용 디바이스는 구동기와 센서, 무선통신, 약물전달, 배터리 등을 모두 집적시키기에 어려움이 있다. 이러한 한계에 따라, 최근에는 전자기장을 이용하여 마이크로 크기의 의료용 디바이스를 구동 및 제어하는 연구가 주목받고 있다.  1 shows an electromagnetic drive device 1 of a medical micro / nano robot according to an embodiment of the present invention. The electromagnetic driving device 1 of a medical micro / nano robot to be described in the following embodiments refers to a device for remotely controlling a medical device inserted into a body. Medical devices inserted into the body have many advantages over general catheterization because of the wide range of diagnostic applications. However, micro-sized medical devices have difficulty integrating all of the drivers and sensors, wireless communication, drug delivery, and batteries. In accordance with these limitations, recently, researches for driving and controlling micro-sized medical devices using electromagnetic fields have attracted attention.

본 실시예에 따른 전자기 구동 장치(1)가 제어하게 되는 의료용 디바이스는 내부에 하나 이상의 자성체를 구비하고, 외부로부터 발생된 회전자계 및 경사자계에 의해 진행방향으로 정렬, 회전, 추진 등의 구동이 가능하다. 본 실시예로, 의료용 디바이스는 전자기 구동 장치(1)가 발생한 자기장 중 회전자계에 의해 원하는 진행방향으로 정렬되거나 회전력을 제공받을 수 있다. 의료용 디바이는 외부 전자기 구동 장치(1)가 발생한 자기장 중 경사자계에 의해 추진력을 제공받을 수 있다. 본 실시예로 의료용 디바이스로는 인체 내에 삽입되어 심혈관질환의 치료나 약물을 전달할 수 있는 마이크로/나노 로봇, 마이크로 캡슐, 캡슐형 내시경 등의 장치(이하 ‘마이크로 로봇’이라 칭한다)가 될 수 있다.The medical device controlled by the electromagnetic drive device 1 according to the present embodiment includes one or more magnetic bodies therein, and the driving, such as alignment, rotation, and propulsion in the direction of travel is performed by a rotating magnetic field and an inclined magnetic field generated from the outside. It is possible. In the present embodiment, the medical device may be aligned in the desired direction of travel by the rotating magnetic field of the magnetic field generated by the electromagnetic drive device 1 or may be provided with a rotating force. The medical device may be provided with a driving force by a gradient magnetic field among magnetic fields in which the external electromagnetic driving device 1 is generated. In the present embodiment, the medical device may be a micro / nano robot, a microcapsule, a capsule endoscope, etc. (hereinafter, referred to as a “micro robot”) that can be inserted into a human body to treat a cardiovascular disease or deliver a drug.

다양한 실시예로서, 전자기장으로 구동되는 의료용 디바이스의 구성은 동 출원인의 한국등록특허 제10-1128045호 "전자기장을 이용한 드릴링 마이크로/나노 로봇 시스템", 한국등록특허 제10-1001291호 "3차원 전자기구동 마이크로/나노 로봇 구동모듈 및 시스템", 한국등록특허 제10-1272156호 "혈관치료용 마이크로/나노 로봇시스템 및 그 제어방법" 등에 상세히 기술된 바 그 원용을 생략한다. 이하에서는, 상기의 마이크로/나노 로봇 시스템, 제어 방법에 적용될 수 있는 3차원 전자기 구동 장치(1)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 Micro / Nano Robot System Using Electromagnetic Field", and Korean Patent No. 10-1001291, "Three-Dimensional Electronic Device." Micro / nano robot drive module and system ”, Korean Patent No. 10-1272156,“ Micro / nano robot system for blood vessel treatment and control method thereof ”, etc. are omitted in detail. Hereinafter, the three-dimensional electromagnetic drive device 1 that can be applied to the micro / nano robot system and the control method will be described.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치의 시스템 플로우를 나타낸다. 도 1과 도 2를 참조하면, 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치(1)는 로봇 암(10), 전자석부(13), 냉각부(15), 및 컨트롤부(17)를 포함하여 구성될 수 있다. 2 illustrates a system flow of an electromagnetic driving device of a medical micro / nano robot according to an embodiment of the present invention. 1 and 2, the electromagnetic driving device 1 of the medical micro / nano robot includes a robot arm 10, an electromagnet unit 13, a cooling unit 15, and a control unit 17. Can be.

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/나노 로봇의 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 so that the micro / nano robot in the body can be controlled only by the electromagnet portion 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/나노 로봇의 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 form a magnetic field in the direction of a micro / nano robot inserted into the body, including a coil 131 that generates a magnetic field in the axial direction, and a magnetic core that focuses the magnetic flux on the coil 131. . 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. It is more preferable to apply the high temperature superconductor as a coil due to the difficulty in controlling the temperature of the electromagnet part 13 and the current control. 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.

냉각부(15)는 전자석부(13)의 고온 초전도 코일(131)을 임계온도 이하로 냉각시켜 전자석부(13)의 초전도 상태를 유지시킬 수 있다. 냉각부(15)는 진공 용기(133)의 둘레로 냉각라인을 형성하고 냉각라인으로 액체질소를 순환시켜 고온 초전도 코일(131)을 임계온도 이하로 냉각시킬 수 있다. 또는 열전도도가 우수한 재질의 비자성철재를 초전도코일에 부착하여 발생된 열을 냉동기로 전도시키는 방식으로 냉각시킬 수도 있다. The 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 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. Alternatively, the non-magnetic iron material having excellent thermal conductivity may be attached to the superconducting coil to cool the generated heat to the freezer.

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 냉각부(15)를 컨트롤 하는 제어 모듈이다. 온도제어기(175)는 전자석부(13)의 진공 상태를 체크하며, 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/나노 로봇의 요구된 운동을 구현하기 위해 자기장의 방향을 바꾸는 엑츄에이터 제어기가 더 포함될 수 있다.The temperature controller 175 is a control module for controlling the cooling unit 15. The temperature controller 175 may check the vacuum state of the electromagnet unit 13 and control the 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 in order to implement the required motion of the micro / nano robot.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 회전형 전자기 구동 장치(1)를 나타낸다. 도 3의 예시는 마이크로/나노 로봇을 이용한 어깨관절 등의 미소 부위의 치료적 시술에 있어서 회전형 8개의 초전도 전자석을 사용한 전자기 구동 장치(1)를 나타낸다. 전자기 구동 장치(1)의 전자석부(13)는 시술 부위에 따라 배치될 수 있는 전자석의 개수와 위치가 변동될 수 있으며, 원하는 자기장의 영역 및 방향이 다르므로, 도 3의 예시와 같이 회전 구동을 통해 전자석부(13)를 회전시켜 환자의 위치 변동과 전자석부(13)의 배치변경 없이 마이크로/나노 로봇을 제어하여 환부의 치료 시술을 수행할 수 있다. 그러나, 이 경우 또한 본 실시예에 따른 고온 초전도 코일(131)리 적용된 전자석부(13)를 사용함에 따라 전자석의 개수가 최소화 될 수 있음은 당업자에게 자명하게 이해될 것이다.3 shows a rotary electromagnetic drive device 1 of a medical micro / nano robot according to another embodiment of the present invention. The example of FIG. 3 shows the electromagnetic drive device 1 using the rotational eight superconducting electromagnets in the treatment of a micro area, such as a shoulder joint using a micro / nano robot. The electromagnet portion 13 of the electromagnetic drive device 1 may vary in the number and position of electromagnets that can be disposed according to the treatment site, and the region and the direction of the desired magnetic field are different. By rotating the electromagnet portion 13 through the control of the micro / nano robot without changing the position of the patient and changing the arrangement of the electromagnet portion 13 can perform the treatment of the affected area. In this case, however, it will be apparent to those skilled in the art that the number of electromagnets can be minimized by using the electromagnet portion 13 applied to the high temperature superconducting coil 131 according to the present embodiment.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치(1)를 나타낸다. 도 4는 능동형 캡슈 내시경(Active Capsule Endoscope)을 이용한 내시경 검사 시술을 위해서 챔버(Chamber)의 형태로 구현된 전자기 구동 장치(1)를 나타낸다. 도 4의 실시예에서는 챔버 상에 고온 초전도 코일(131)로 구성된 전자석부(13)가 마련되며, 챔버의 하단에 냉각부(15)가 구비될 수 있다. 챔버의 전자기 구동 장치(1)에는 능동형 캡슐 내시경의 제어에 5쌍의 원형 초전도 전자석이 구비될 수 있다. 4 shows an electromagnetic drive device 1 of a medical micro / nano robot according to another embodiment of the present invention. FIG. 4 shows an electromagnetic drive device 1 implemented in the form of a chamber for endoscopy using an active capsule endoscope. In the embodiment of FIG. 4, the electromagnet portion 13 including the high temperature superconducting coil 131 is provided on the chamber, and the cooling unit 15 may be provided at the lower end of the chamber. The electromagnetic drive device 1 of the chamber may be provided with five pairs of circular superconducting electromagnets for controlling the active capsule endoscope.

본 실시예에 따르면, 도 3 및 도 4와 같이 시술 종류 또는 제어 방법에 따라 복수개의 전자석부(13)가 구비되는 전자기 구동 장치(1)의 다양한 구현에 본 기술이 적용될 수 있다. 본 실시예에 따른 전자기 구동 장치(1)는 전자석부(13)의 개수를 최소화할 수 있으며, 이에 따라 로봇 암(10)으로의 구성이 가능한 특장점을 갖는다. 결국, 로봇 암(10)에는 하나의 전자석부(13)를 구비시켜도 마이크로/나노 로봇의 제어가 가능한 자기장의 세기 및 유지가 가능해짐에 따라, 체내에 삽입된 마이크로/나노 로봇의 3차원 제어가 하나의 로봇 암(10)의 위치 제어로 가능할 수 있다.According to the present embodiment, the present technology may be applied to various implementations of the electromagnetic driving device 1 including the plurality of electromagnet parts 13 according to the type of treatment or the control method as shown in FIGS. 3 and 4. The electromagnetic drive device 1 according to the present embodiment can minimize the number of the electromagnet parts 13, and accordingly, the electromagnetic driving device 1 can be configured as the robot arm 10. As a result, even if the robot arm 10 is provided with one electromagnet portion 13, the strength and maintenance of the magnetic field that can be controlled by the micro / nano robot can be maintained, so that the three-dimensional control of the micro / nano robot inserted into the body can be achieved. It may be possible to control the position of one robot arm 10.

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/나노 로봇의 전자기 구동 장치
3: 환자
5: 수술대
10: 로봇 암(arm)
13: 전자석부
131: 고온 초전도 코일
133: 진공 용기
135: 파워선
15: 냉각부
17: 컨트롤부
171: 파워 서플라이
173: 전류 제어기
175: 온도 제어기1: Electromagnetic drive of medical micro / nano robot
3: patient
5: operating table
10: robot arm
13: electromagnetism
131: high temperature superconducting coil
133: vacuum container
135: power line
15: cooling unit
17: control unit
171: power supply
173: current controller
175: temperature controller

Claims (4)

체내에 삽입된 마이크로/나노 로봇을 자화시켜 전자기로 마이크로/나노 로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치에 있어서,
축 방향으로 자기장을 생성하는 코일과, 상기 코일에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 상기 마이크로/나노 로봇의 방향으로 자기장을 형성하되, 상기 코일은 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일로 이루어진 전자석부;
상기 전자석부의 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시켜 상기 전자석부의 초전도 상태를 유지시키는 냉각부; 및
상기 고온 초전도 코일은 외부의 전원으로부터 파워선을 통해 연속적으로 변화하는 전류를 인가받고, 상기 파워선이 인가하는 전류를 제어하여 상기 전자석부가 발생시키는 자기장의 세기를 조절하는 전류제어기를 포함하며,
상기 전류제어기는,
복수개의 상기 마그네틱 코어로 자기장을 형성하는 경우 자기장 중첩원리를 이용하여 자기장의 세기 및 방향을 조절하여 마이크로/나노 로봇의 이동 및 자세(orientation) 제어가 가능한 것 을 특징으로 하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치.
In the electromagnetic drive device of the medical micro / nano robot for magnetizing the micro / nano robot inserted into the body to control the driving of the micro / nano robot by electromagnetic,
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 a high temperature superconductivity in which superconductivity occurs at a critical temperature of 100K or higher. An electromagnet portion consisting of a coil;
A cooling unit cooling the high temperature superconducting coil of the electromagnet portion below a critical temperature to maintain a superconducting state of the electromagnet portion; And
The high temperature superconducting coil receives a current that is continuously changed through a power line from an external power source, and includes a current controller for controlling the strength of the magnetic field generated by the electromagnet by controlling the current applied by the power line,
The current controller,
In the case of forming a magnetic field using a plurality of magnetic cores , the medical micro / nano robot can be controlled by controlling the strength and direction of the magnetic field by using the magnetic field superposition principle. Electromagnetic drive.
제 1 항에 있어서,
상기 전자석부는,
상기 고온 초전도 코일을 포함하도록 밀폐하여 진공으로 유지하는 진공 용기를 포함하고,
상기 냉각부는,
상기 진공 용기의 둘레로 냉각라인을 형성하고 상기 냉각라인으로 액체질소를 순환시켜 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치.
The method of claim 1,
The electromagnet portion,
A vacuum container sealed to include the high temperature superconducting coil and kept in a vacuum,
The cooling unit,
And forming a cooling line around the vacuum vessel and circulating liquid nitrogen through the cooling line to cool the high temperature superconducting coil below a critical temperature.
제 2 항에 있어서,
상기 냉각부의 냉매를 조절하여 상기 진공 용기의 온도를 조절하는 온도제어기를 포함하는 컨트롤부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치.
 The method of claim 2,
And a control unit including a temperature controller for controlling a temperature of the vacuum container by adjusting a refrigerant of the cooling unit.
체내에 삽입된 마이크로/나노 로봇을 자화시켜 전자기로 마이크로/나노 로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치에 있어서,
단부인 로봇 핸드에 상기 마이크로/나노 로봇을 자화시키기 위한 자기장을 생성하는 하기의 전자석부가 구비되는 다자유도의 로봇 암(arm);체내에 삽입된 마이크로/나노 로봇을 자화시켜 전자기로 마이크로/나노 로봇의 구동을 제어하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치에 있어서,
단부인 로봇 핸드에 상기 마이크로/나노 로봇을 자화시키기 위한 자기장을 생성하는 하기의 전자석부가 구비되는 다자유도의 로봇 암(arm);
축 방향으로 자기장을 생성하는 코일과, 상기 코일에 자속을 집속시키는 마그네틱 코어를 포함하여 상기 마이크로/나노 로봇의 방향으로 자기장을 형성하되, 상기 코일은 임계 온도가 100K 이상에서 초전도 현상이 나타나는 고온 초전도 코일로 이루어진 전자석부;
상기 전자석부의 상기 고온 초전도 코일을 임계온도 이하로 냉각시켜 상기 전자석부의 초전도 상태를 유지시키는 냉각부; 및
상기 고온 초전도 코일은 외부의 전원으로부터 파워선을 통해 연속적으로 변화하는 전류를 인가받고, 상기 파워선이 인가하는 전류를 제어하여 상기 전자석부가 발생시키는 자기장의 세기를 조절하는 전류제어기를 포함하며,
상기 전류제어기는,
복수개의 상기 마그네틱 코어로 자기장을 형성하는 경우 자기장 중첩원리를 이용하여 자기장의 세기 및 방향을 조절하여 마이크로/나노 로봇의 이동 및 자세(orientation) 제어가 가능하고, 상기 로봇 암에는 하나의 상기 전자석부가 구비되어, 체내에 삽입된 상기 마이크로/나노 로봇의 3차원 제어가 하나의 상기 로봇 암의 위치 제어로 가능한 것을 특징으로 하는 의료용 마이크로/나노 로봇의 전자기 구동 장치.In the electromagnetic drive device of the medical micro / nano robot for magnetizing the micro / nano robot inserted into the body to control the driving of the micro / nano robot by electromagnetic,
A robot arm having multiple degrees of freedom provided with an electromagnet portion for generating a magnetic field for magnetizing the micro / nano robot to an end of the robot hand; a micro / nano robot electromagnetically by magnetizing the micro / nano robot inserted into the body An electromagnetic drive device for a medical micro / nano robot for controlling the driving of
A robot arm having a degree of freedom provided with an electromagnet portion for generating a magnetic field for magnetizing the micro / nano robot on an end of the robot hand;
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 a high temperature superconductivity in which superconductivity occurs at a critical temperature of 100K or higher. An electromagnet portion consisting of a coil;
A cooling unit cooling the high temperature superconducting coil of the electromagnet portion below a critical temperature to maintain a superconducting state of the electromagnet portion; And
The high temperature superconducting coil receives a current that is continuously changed through a power line from an external power source, and includes a current controller for controlling the strength of the magnetic field generated by the electromagnet by controlling the current applied by the power line,
The current controller,
When the magnetic field is formed of a plurality of the magnetic cores, the strength and direction of the magnetic field may be controlled by using the magnetic field superposition principle to control the movement and orientation of the micro / nano robot. And three-dimensional control of the micro / nano robot inserted into the body is possible by position control of one robot arm.
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