KR20190043778A - 스퀴드를 이용한 의료용 마이크로/나노로봇의 자율 내비게이션 시스템 - Google Patents

스퀴드를 이용한 의료용 마이크로/나노로봇의 자율 내비게이션 시스템 Download PDF

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KR20190043778A
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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.

Description

스퀴드를 이용한 의료용 마이크로/나노로봇의 자율 내비게이션 시스템{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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
한국 등록특허 제10-1096532호 한국 등록특허 제10-1084720호 한국 등록특허 제10-1082722호 한국 등록특허 제10-1084723호
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.
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.
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.
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.
바람직하게, 본 발명에 따른 수술 베드는 상기 전자기 구동 장치가 결합되어 슬라이딩 이동이 가능하도록 측면에 길이 방향으로 가이드 라인이 형성될 수 있다.
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.
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.
본 발명에 따르면, 기존의 영상 장비로 확인하기 어려운 신체 내의 마이크로/나노로봇을 3차원 위치 정보로 정확하게 획득할 수 있는 이점이 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 디바이는 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.
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.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 의료용 마이크로/나노로봇의 전자기 구동 장치(10)를 나타낸 것이다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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,
자화된 자력을 측정하거나 또는 강자성체(Ferromagnetic substances)를 포함하는 상기 마이크로/나노로봇의 잔류자기를 측정
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.
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.
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.
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.
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 모듈

Claims (7)

  1. 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 마이크로/나노로봇의 자력을 측정하여 상기 마이크로/나노로봇의 신체 내 3차원 위치를 획득할 수 있는 것을 특징으로 하는 수술 베드.
  2. 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.
  3. 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 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 포함하는 것을 특징으로 하는 수술 베드.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 전자기 구동 장치가 결합되어 슬라이딩 이동이 가능하도록 측면에 길이 방향으로 가이드 라인이 형성된 것을 특징으로 하는 수술 베드.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.







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