WO2020171408A2 - 단일방향 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템 - Google Patents

단일방향 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템 Download PDF

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Korea Institute of Medical Microrobotics
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Definitions

  • the present invention was made by the project number HI19C0642 under the support of the Ministry of Health and Welfare, the research management institution of the project is the Korea Health Industry Development Institute, the name of the research project is “Development of technology for practical use of micro medical robots”, and the name of the research project is "Common commercialization of micro medical robots.
  • Base Technology Development Center the host institution is Korea Micro Medical Robot Research Institute, and the research period is from June 12 to 2022. December 31.
  • the present invention relates to a microrobot driving apparatus using a unidirectional ultrasonic transducer and a system using the same. More specifically, it relates to an apparatus and system for wirelessly controlling a position of a microrobot in a subject by using a microrobot driving apparatus including a unidirectional ultrasonic transducer arranged to face a specific position.
  • the electromagnetic field driving device has a problem in that the size of the driving device is large and the weight is large, along with problems of a reduction in collection ability, a possibility of overdosing of drugs, and use of magnetic particles.
  • an ultrasonic field driving device has appeared to replace the electromagnetic field driving device.
  • the ultrasonic field driving device is largely divided into a method of controlling a microrobot by using a standing wave or by using a difference in the face of ultrasonic waves traveling in a single direction.
  • the standing wave is formed by superimposing ultrasonic waves using a plurality of ultrasonic transducers, or superimposing reflected ultrasonic waves using an ultrasonic transducer and a reflector.
  • an acoustic radiation force is generated by the pressure node in the area where the pressure is low (the area in which the acoustic potential is low), and the microrobots spread around the area are captured by the pressure node.
  • the microrobot collected in the standing wave acoustic field moves accordingly by changing the position of the pressure node.
  • there are two methods of use frequency control and pace control.
  • the standing wave is regenerated according to the frequency, and the position of the node that was present at the half-wavelength interval of the frequency is also changed.
  • the microrobot is recaptured to the changed node location and movement control becomes possible.
  • the method of giving a difference to the face is by simultaneously changing the faces of two facing ultrasonic transducers, so that the position of the node and the movement of the collected particles can be controlled.
  • the ultrasonic transducer arrangement it is impossible to transmit and apply when there is an obstacle such as bone when using it on the human body, and when using a reflector, it is possible to achieve a stable standing wave due to regular reflection and diffuse reflection depending on the condition of the medium and reflection wall.
  • the conventional driving system on a single medium can implement the movement of the microrobot by using a standing wave, but there is a problem in generating a standing wave when the medium is applied to a human body with an uneven medium.
  • There is a limit to the formation of a standing wave through the placement of the ultrasonic transducer because of the reflection phenomenon that occurs from the bones when the ultrasonic waves proceed inside the human body.
  • a method of forming a standing wave using a reflected wave generated from a change in a medium in the body also has difficulty in generating a stable standing wave region by performing regular and diffuse reflections depending on the state of the medium and the reflective wall.
  • a driving system using a single directional ultrasonic transducer array is a method of forming a focal region for collection by using an ultrasonic transducer arrangement and structural shape, and controlling a microrobot through stage and face control after collection.
  • an ultrasonic wave is generally focused to form a focal area.
  • a method using a structural shape of an ultrasonic transducer is used to focus ultrasonic waves in a driving system using an array of unidirectional ultrasonic transducers.
  • Sound waves have the property of propagating through the vibration of the medium. Therefore, when sound waves pass through two different media, the transmittance or reflectance is different depending on the inherent acoustic resistance (density X speed of sound) of each medium. When the difference in acoustic resistance between the two different media is small, the reflectance is small and the transmittance is high, so that there is no great difficulty in the progress of the ultrasonic wave, but when the difference is large, most of the sound waves are reflected to have a low transmittance.
  • An object of the present invention is to propose a driving device for precisely controlling a microrobot in a space using an array of unidirectional ultrasonic transducers and a system using the same.
  • the driving device for precisely controlling the microrobot in a space using the unidirectional ultrasonic transducer array according to the present invention and a system using the same are capable of collecting or driving the microrobot only where the ultrasonic transducer is placed. It is to solve the conventional problem and propose a method in which the microrobot collection for ultrasonic driving can be smoothly performed by reducing the reflectance even when the difference in acoustic resistance between the medium is large.
  • a microrobot driving system using an ultrasonic transducer for solving the above-described problems includes: a microrobot injected into a subject; And a microrobot driving device that controls the position of the microrobot.
  • a microrobot driving apparatus using an ultrasonic transducer includes: an ultrasonic transducer unit including a plurality of ultrasonic transducers; And a control unit for controlling the plurality of ultrasonic transducers, wherein the plurality of ultrasonic transducers are arranged to form a curved surface toward a specific position in space, and the control unit is included in the plurality of ultrasonic transducers.
  • a signal is applied with a time difference, and the focal point indicates a height in a vertical direction at which the microrobot is positioned with respect to the ultrasonic transducer unit.
  • the microrobot driving apparatus using an ultrasonic transducer further includes a motor stage part for adjusting a position in the same plane as the ultrasonic transducer part, and the controller controls the motor stage part. You can do it.
  • a microrobot driving device using an ultrasonic transducer further includes an interface including a liquid medium, wherein the interface is located between the microrobot driving device and a space in which the microrobot is located. You can do it.
  • a plurality of ultrasonic transducers of a microrobot driving apparatus using an ultrasonic transducer according to an embodiment of the present invention are divided into n regions of a sector shape having a central angle of 360°/n (n is an integer of 2 or more), and adjacent The phase difference between the regions is set to increase or decrease sequentially by 2 ⁇ /n and is driven.
  • the drive device for precisely controlling the microrobot using the unidirectional ultrasonic transducer array of the present invention and the system using the same can capture and move the microrobot, thereby improving the targeting of the microrobot and the efficiency of drug delivery. have.
  • the system can be made smaller and lighter, and the power consumption is relatively low.
  • it is easy to control precisely because it is compatible with medical ultrasound probes and imaging and driving can be performed simultaneously by using the ultrasound diagnostic probe.
  • FIG. 1 is a diagram showing a driving device for controlling movement of a microrobot using an array of unidirectional ultrasonic transducers as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing an example of an arrangement of a plurality of ultrasonic transducers as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a region to which a face difference is applied to an ultrasonic transducer arranged in an ultrasonic transducer unit according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of analyzing an acoustic field when a phase difference is given by ⁇ /2 (90°) to a plurality of ultrasonic transducers divided into four regions as an embodiment of the present invention.
  • 5A is a diagram illustrating an example of a method of controlling movement of a microrobot collected through a time delay as an embodiment of the present invention.
  • 5B shows an example in which the ultrasonic transducer is disposed on a plane, and shows a conceptual diagram of imparting a phase difference through a time delay.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a simulation result of controlling a distance between a microrobot and an ultrasonic transducer by giving a phase difference through a time delay as an embodiment of the present invention.
  • An ultrasonic transducer unit including a plurality of ultrasonic transducers; And a control unit for controlling the plurality of ultrasonic transducers, wherein the plurality of ultrasonic transducers are arranged to form a curved surface toward a specific position in space, and the control unit is included in the plurality of ultrasonic transducers.
  • a signal is applied with a time difference, and the focal point represents a height in a vertical direction at which the microrobot is positioned with respect to the ultrasonic transducer unit.
  • Microrobot driving device using transducers In order to change the position of the focal point to each of the ultrasonic transducers, a signal is applied with a time difference, and the focal point represents a height in a vertical direction at which the microrobot is positioned with respect to the ultrasonic transducer unit.
  • ... unit described in the specification means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
  • “one (a or an)”, “one”, and similar related terms are both singular and plural, unless otherwise indicated in the specification or clearly contradicted by context in the context describing the present invention. It can be used as a meaning including.
  • a driving system using a single directional ultrasonic transducer array is a method of forming a focal region for collection by using an ultrasonic transducer arrangement and structural shape, and controlling a microrobot through stage and face control after collection.
  • an ultrasonic wave is generally focused to form a focal area.
  • a method using a structural shape of an ultrasonic transducer and a method using a plurality of ultrasonic transducers are used.
  • the position of the focus is mechanically designed and manufactured, it is fixed, and an additional system must be additionally used to change the position of the focus.
  • a microrobot driving device capable of adjusting the position of a focus without an additional system through the face control of each ultrasonic transducer by focusing ultrasonic waves through an ultrasonic transducer array, and a microrobot driving system using the same will be described. do.
  • a microrobot driving system using an ultrasonic transducer may include a microrobot that moves inside a subject and a microrobot driving device that controls the position of the microrobot.
  • the microrobot according to an embodiment of the present invention refers to all objects whose movement is controlled by a driving device using an ultrasonic transducer, and should be interpreted in a broad sense that can include solid particles of a single component and bubble particles in a fluid. do.
  • the microrobot according to an embodiment of the present invention does not need to be manufactured by a specific method or contain specific components. This is an advantage of the ultrasonic driving of the present invention, and when the driving system of the present invention is used, collection is possible regardless of the type or component of the control object. Specifically, for example, when a standing wave is formed by ultrasonic waves in a small chamber, various particles including proteins, nucleic acids, red blood cells, biocompatible polymers, and chemical drugs can be collected without limitation. In addition, according to the acoustic radiation formula, even air bubbles in a fluid with high compressibility can be collected not in the pressure node, but in the anti-node with high pressure, so that bubbles in various fluids can be collected without limitation. .
  • the transducer system and the face control method of the present invention can be used to capture.
  • the microrobot of the present invention that is, the particles to be collected are preferably particles having a diameter smaller than the wavelength of the frequency used for ultrasonic driving, and generally, when the diameter of the particles is smaller than half wavelength, stable collection is possible.
  • the particles referred to herein may include micro robots.
  • a microrobot whose movement is controlled by a driving device using an ultrasonic transducer of the present invention may receive a driving force by ultrasonic waves.
  • FIG. 1 is a diagram showing a driving device for controlling movement of a microrobot using an array of unidirectional ultrasonic transducers as an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 shows an example of a driving device for controlling movement of a microrobot using an array of unidirectional ultrasonic transducers of the present invention.
  • a driving device for controlling movement of a microrobot using an array of unidirectional ultrasonic transducers is It may be configured to include at least one of the arranged ultrasonic transducer unit 110, motor stage unit 120, interface unit 130, and control unit.
  • the right figure of FIG. 1 shows the ultrasonic transducer unit 110.
  • the ultrasonic transducer unit 110 may be arranged such that a plurality of ultrasonic transducers 111 are positioned in the curved surface to indicate a specific position on the ultrasonic transducer unit to form the ultrasonic transducer array 112.
  • an ultrasonic probe 113 for image realization may be located in the center of the ultrasonic transducer.
  • the left figure of FIG. 1 shows an integrated ultrasonic transducer driving apparatus including a planar motor system 120 and an interface 130 in addition to the ultrasonic transducer unit 110.
  • the ultrasonic transducer unit 110 is located in the center, and the XY plane motor system, which is the motor stage unit 120, may be located outside the ultrasonic transducer unit 110.
  • the interface 130 may be applied or positioned in contact with the ultrasonic transducer unit or at a predetermined distance.
  • the interface 130 is for minimizing reflection according to a change in a medium of ultrasonic waves, and is used to serve as a contact medium between an ultrasonic transducer driving device or a system and a human body.
  • the interface 130 is made of a material such as silicone that is similar to the tissue of the human body, and the inside of the interface is filled with a liquid medium such as a gel applied during ultrasonic examination to remove the air layer between the ultrasonic transducer and the interface.
  • the silicone outer surface can be contacted with the human body by applying a gel to minimize the reflection effect due to the medium change during the ultrasonic wave.
  • the control unit is a command for controlling at least one of the ultrasonic transducer unit 110, the motor stage unit 120, and the interface 130 included in the driving device for controlling the movement of the microrobot using a single directional ultrasonic transducer array, or Signals may be transmitted to each module or unit, or signals or information collected from each module or unit may be received and processed.
  • control unit controls the module or unit in the driving device that controls the movement of the microrobot using a single direction ultrasonic transducer array
  • the microrobot through the face control of each ultrasonic transducer 111 in the ultrasonic transducer unit 110
  • the Z-axis driving of the motor stage unit 120 By controlling the Z-axis driving of the motor stage unit 120 and driving the micro-robot on the XY plane (a plane parallel to the outermost surface of the ultrasonic transducer) through the motor stage unit 120, three-dimensional driving is integrated.
  • FIG. 2 is a view showing an example of an arrangement of a plurality of ultrasonic transducers as an embodiment of the present invention.
  • the ultrasonic transducers 111 may be arranged and configured in a curved structure.
  • the plurality of ultrasonic transducers 111 may be arranged so that the plurality of ultrasonic transducers 111 point to a specific position.
  • a specific position indicated by the plurality of ultrasonic transducers 111 may be a position in space above the ultrasonic transducers.
  • ultrasonic waves are focused to form a focal region, and characteristics of the acoustic field are determined through a face control method of each ultrasonic transducer 111.
  • a signal is given by applying a time delay (time difference) to the ultrasonic transducer 111, a difference may be applied to a phase, and a position of a structurally set focus may be changed through this.
  • time difference time difference
  • it is mainly used to change the position of the focal point in the vertical direction of the ultrasonic transducer array. An embodiment of changing the position of the focus through the face control will be described later with reference to FIGS. 5A and 6.
  • FIG 3 is a view showing an example of a region to which a face difference is applied to an ultrasonic transducer arranged in an ultrasonic transducer unit according to an embodiment of the present invention.
  • the plurality of ultrasonic transducers are divided into n regions of a sector shape with a central angle of 360°/n (n is an integer greater than or equal to 2), so that the phase difference between adjacent regions increases or decreases sequentially by 2 ⁇ /n. It can be set to form an ultrasonic acoustic field.
  • the left drawing of FIG. 3 shows a case where a plurality of ultrasonic transducers is divided into two regions, and a phase difference is applied to each of the two regions by ⁇ (180°).
  • ⁇ 180°
  • the phase difference is given by ⁇ (180°) in each of the two regions, the acoustic radiation force that pushes the left and right regions with high pressure to the center is generated.
  • the right drawing of FIG. 3 shows a case where a plurality of ultrasonic transducers is divided into four regions, and a phase difference is applied to each of the four regions by ⁇ /2 (90°). If the four areas are given at ⁇ /2 intervals, an acoustic field is formed like a tornado, and acoustic radiation is generated in the middle direction in the surrounding area where the pressure is strong.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of analyzing an acoustic field when a phase difference is given by ⁇ /2 (90°) to a plurality of ultrasonic transducers divided into four regions as an embodiment of the present invention.
  • the microrobot When a plurality of ultrasonic transducers are divided into 4 areas and the phase difference is given by ⁇ /2 (90°) to each of the 4 areas, the pressure in the peripheral area far from the focus is higher than that of the focus area close to the focus, resulting in the twist direction. An acoustic field of is formed, and acoustic radiation is generated in the focal area. Accordingly, as shown in FIG. 4, the microrobot will be collected in a focal area where the pressure in the acoustic field is low. In Fig. 4, when viewed from above, the microrobot will be collected in a place where the pressure existing in the middle indicated in red is low.
  • an ultrasonic acoustic field may be formed by setting to decrease, and a time delay may be applied according to the distance of each transducer from the center of the transducer to control the movement of the focal point in the z-axis direction at which the particles are collected.
  • 5A is a diagram illustrating an example of a method of controlling movement of particles collected through a time delay as an embodiment of the present invention.
  • the controller may control a distance between the collected particles and the ultrasonic transducer through a time delay of a signal applied to each ultrasonic transducer 111.
  • the focal point or the focal area may indicate a location where the microrobot is clustered.
  • the distance between the focal or focal region and the ultrasonic transducer can be controlled through a phase difference.
  • the phase control may be performed through a time delay of a signal transmitted to each ultrasonic transducer.
  • the time delay is for generating a phase difference of the applied signal applied to the transducer, and simply setting the time delay differently does not change the position of the focus.
  • a sine-wave is applied as an applied signal and one period of the signal consists of a phase of 2 ⁇
  • the position change of the focus is controlled as shown in Fig. 5a. can do.
  • FIG. 5B is a diagram illustrating a case of arranging the transducer on a plane.
  • the transducer is disposed to be curved as shown in FIG. 5A, if a face difference is given as shown in FIG. 5B, the focus is formed A more converging effect occurs, so the focus is formed at the bottom.
  • the focus rises upward.
  • the difference (time delay) between the signal application time to the ultrasonic transducer located in the middle of the array of the plurality of ultrasonic transducers 111 and the signal application time to the ultrasonic transducer located in the outer part is The shorter it is given, the closer the distance between the ultrasonic transducer and the focal area is. Conversely, in an array of multiple ultrasonic transducers, the difference between the signal application time to the ultrasonic transducer located at the outer side and the signal application time to the ultrasonic transducer located at the center is large, so the longer the time delay is, the more the focus area and the ultrasonic transducer are. The distance gets farther away.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a simulation result of controlling a distance between a microrobot and an ultrasonic transducer by giving a phase difference through a time delay as an embodiment of the present invention.
  • the array system of the ultrasonic transducer assumed a diameter of about 15 cm, and the three consecutive designs in FIG. 6 were each given a face difference in two regions (face difference ⁇ ) and four regions (face difference ⁇ /2). This is a simulation result confirming the change of focus through additional pace control afterwards.
  • the upper three images of FIG. 6 are a case in which a face difference is given to two areas with an interval of ⁇ , and the lower three images are a case where a face difference by ⁇ /2 is given to four areas. According to this, it can be seen that the position control of the focal area in which the microrobot is collected is possible through the face control.
  • a focus is formed as shown in the center figure (Normal) of FIG. 6.
  • Normal the center figure
  • a focus is formed in the center without giving a face difference to each ultrasonic transducer due to structural influence.
  • a face difference must be given.
  • FIGS. 5A and 6 A method of controlling the movement of the microrobot up and down (Z axis) based on the ultrasonic transducer has been described with reference to FIGS. 5A and 6.
  • a description will be given of a microrobot driving apparatus in which an interface for minimizing reflection according to a change in an ultrasonic medium and a movement in a plane (XY plane) parallel to a plurality of ultrasonic transducers in addition to the Z-axis movement is added.
  • FIG. 7 is a photograph showing an actual implementation example of an ultrasonic driving system.
  • FIG. 7 an example of implementing the ultrasonic transducer unit 110 and the motor stage unit 120 can be seen.
  • the driving device for controlling the movement of the microrobot using the unidirectional ultrasonic transducer array of the present invention forms an acoustic field by giving a face difference to each region of the ultrasonic transducer to form a three-dimensional space.
  • a focal area on the image it is possible to perform a medical treatment procedure on a region filled with a liquid medium (eyeball, etc.) by driving the microbots.
  • the ultrasonic driving system according to the present invention is capable of collecting and moving a plurality of micro-robots, unlike a method using conventional directionality and propulsion. This is effective for targeting to the affected area when the microrobot is driven, thereby improving the efficiency of drug delivery.
  • each ultrasonic transducer due to the characteristics of each ultrasonic transducer, it is possible to reduce the size and weight of the system, and the power consumption is kept low. This has the advantage of being inexpensive compared to the existing micro-robot driving system.
  • Micro, nano robots and particles applied through the present invention can be controlled in two dimensions in a plane in a medium through an ultrasonic transducer array system and a two-axis motor system that form a focal region in a single direction, It is possible to induce a three-dimensional motion through the position control of the focus accordingly.
  • the present invention relates to a microrobot driving apparatus using a unidirectional ultrasonic transducer and a system using the same. More specifically, it relates to an apparatus and system for wirelessly controlling a position of a microrobot in a subject by using a microrobot driving apparatus including a unidirectional ultrasonic transducer arranged to face a specific position.

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동시스템은 피검체의 내부를 이동하는 마이크로로봇; 및 상기 마이크로로봇의 위치를 제어하는 마이크로로봇 구동장치;를 포함할 수 있다. 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치는 복수의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 트랜스듀서부 및 상기 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 공간 상 특정 위치를 향하도록 굴곡면을 형성하도록 배열될 수 있다.

Description

단일방향 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템
본 발명은 보건복지부의 지원 하에서 과제번호 HI19C0642에 의해 이루어진 것으로서, 상기 과제의 연구관리전문기관은 한국보건산업진흥원, 연구사업명은 "마이크로의료로봇실용화기술개발", 연구과제명은 "마이크로의료로봇 실용화 공통기반 기술개발 센터", 주관기관은 한국마이크로의료로봇연구원, 연구기간은 2019.06.12 ~ 2022.12.31이다.
본 특허출원은 2019년 02월 19일에 대한민국 특허청에 제출된 대한민국 특허출원 제10-2019-0019447호에 대하여 우선권을 주장하며, 상기 특허출원의 개시 사항은 본 명세서에 참조로서 삽입된다.
본 발명은 단일방향 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 특정 위치를 향하도록 배열된 단일방향 초음파 트랜스듀서를 포함하는 마이크로 로봇 구동 장치를 이용하여 피검체 내 마이크로 로봇의 위치를 무선으로 제어하는 장치 및 시스템에 관한 것이다.
종래의 마이크로로봇을 이동시키기 위한 구동장치 중 전자기장 구동장치는 포집 능력 저하, 약물을 과다 투여할 가능성, 자성입자 사용의 문제와 더불어 구동 장치의 크기가 크고 무게가 많이 나가는 문제점을 가지고 있었다.
이에, 전자기장 구동 장치를 대체하기 위한 초음파장 구동 장치가 등장하였다. 초음파장 구동 장치는 크게 스탠딩웨이브를 이용하거나, 단일 방향으로 진행하는 초음파의 페이스 차이를 이용하여 마이크로로봇을 제어하는 방법으로 구분된다.
먼저, 스탠딩웨이브는 복수의 초음파 트랜스듀서를 이용해 초음파를 중첩시키거나 또는, 초음파 트랜스듀서와 반사체 (Reflector)를 이용해 반사된 초음파를 중첩시켜 형성시킨다. 스탠딩웨이브가 형성되면 그 영역 내의 압력이 낮은 영역 (음향포텐셜이 낮은 영역), 즉 압력 노드로 음향 방사력이 발생하게 되고, 주변에 퍼져있던 마이크로로봇들은 그 압력 노드로 포집되게 된다. 스탠딩웨이브 음향장 내에 포집된 마이크로로봇은 그 압력노드의 위치를 변경함으로써 같이 따라서 이동하게 되는데, 이 때, 사용하는 방법은 주파수 제어, 페이스 제어 두 가지가 존재한다. 주파수를 변경할 경우 스탠딩웨이브는 그 주파수에 맞게 재 생성되며, 그 주파수의 반파장 간격으로 존재하던 노드의 위치 또한 변경된다. 마이크로로봇은 변경된 노드의 위치로 재 포집되며 이동 제어가 가능해진다. 페이스에 차이를 주는 방법은 마주보고 있는 두 초음파 트랜스듀서의 페이스를 동시에 변경함으로써, 노드의 위치와 포집된 파티클의 이동 제어가 가능하다.
다만, 초음파 트랜스듀서 배치를 이용한 경우, 인체에 사용 시 뼈와 같은 장애물이 있을 시 투과 및 적용을 불가하고, 반사체를 이용하는 경우, 매질 및 반사 벽의 상태에 따라 정반사 및 난반사가 이루어져 안정적인 스탠딩웨이브의 생성에 한계가 존재하는 문제가 있다. 단일 매질 상에서 종래의 구동 시스템은 스탠딩웨이브를 이용하여 마이크로로봇의 움직임은 구현할 수는 있으나, 매질이 일정하지 않은 인체에 적용할 경우 스탠딩웨이브 생성에 있어서 문제점이 존재한다. 인체 내부에서 초음파 진행시 뼈에서 발생하는 반사 현상 때문에 초음파 트랜스듀서의 배치를 통한 스탠딩웨이브의 형성은 한계가 있다. 또한 체내의 매질 변화에서 발생하는 반사파를 이용해 스탠딩웨이브를 형성하는 방법 또한, 매질 및 반사 벽의 상태에 따라 정반사 및 난반사가 이루어져 안정적인 스탠딩웨이브 영역을 생성하는데 어려움이 존재한다.
단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 구동 시스템은 초음파 트랜스듀서 배치 및 구조적 형상 이용을 이용하여 포집을 위한 초점영역을 형성하고, 포집 후 스테이지 및 페이스 제어를 통해 마이크로로봇을 제어하는 방식이다. 단일 방향 구동 시스템의 경우 일반적으로 초음파를 집속시켜 초점영역을 형성시킨다. 종래 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 구동 시스템에서 초음파를 집속시키는 방법에는 구조적인 초음파 트랜스듀서의 형상을 이용한 방법이 사용되고 있다. 다만, 구조적 형상을 통한 집속과 같은 경우 초점의 위치가 기계적으로 설계되어 제작되기 때문에 고정적이며, 마이크로로봇을 구동하기 위해서는 초점영역에 포집된 마이크로로봇을 움직이기가 어려운 문제점이 있다. 또한, 초음파 트랜스듀서가 배치되어 있는 곳에서만 마이크로 로봇의 포집 또는 구동이 가능하며, 배치의 구조적 특성에 따라 마이크로 로봇의 제어 반경이 보다 더 제한될 수 있다.
음파는 매질의 진동을 통해 진행되는 성질을 갖고 있다. 그렇기 때문에 서로 다른 두 매질을 음파가 통과한다고 했을 때, 각 매질이 갖고 있는 고유한 음향저항(밀도 X 소리의 속도)에 따라 투과율이나 반사율이 다르게 발생한다. 서로 다른 두 매질의 음향저항 차이가 작을 경우, 반사율이 작고, 투과율이 높아 초음파 진행에 큰 무리가 없지만, 차이가 클 경우 음파의 대부분은 반사되어 낮은 투과율을 가져가게 된다. 즉, 외부에서 발생하는 초음파를 중간 매개체 없이 공기를 통해 인체로 전달할 경우 공기와 인체 조직의 커다란 음향저항의 차이에 의해 많은 양이 공기 중에서 반사하게 되며, 이는 초음파 구동의 핵심인 마이크로 로봇 포집에 있어서 충분한 힘을 발생시키지 못할 것이다.
따라서 근래에는 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법이 강구되고 있다.
본 발명의 목적은 단일방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용하여 마이크로로봇을 공간 내에서 정밀하게 제어하는 구동 장치 및 이를 이용한 시스템을 제안하는데 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 단일방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용하여 마이크로로봇을 공간 내에서 정밀하게 제어하는 구동 장치 및 이를 이용한 시스템은 초음파 트랜스듀서가 배치되어 있는 곳에서만 마이크로 로봇의 포집 또는 구동이 가능한 종래의 문제를 해결하고, 매질 간 음향저항의 차이가 큰 경우에도 반사율을 줄여 초음파 구동을 위한 마이크로 로봇 포집이 원활하게 수행될 수 있는 방법을 제안하는데 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동시스템은 대상 (subject)의 내부에 주입된 마이크로로봇; 및 상기 마이크로로봇의 위치를 제어하는 마이크로로봇 구동장치;를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치는 복수의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 트랜스듀서부; 및 상기 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 공간 상 특정 위치를 향하도록 굴곡면을 형성하도록 배열되고, 상기 제어부는 상기 복수의 초음파 트랜스듀서에 포함되는 각각의 초음파 트랜스듀서에 초점의 위치를 변경하기 위해 시간 차이를 두어 신호를 인가하고, 상기 초점은 상기 초음파 트랜스듀서부를 기준으로 마이크로로봇이 위치하는 수직방향의 높이를 나타내는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치는 상기 초음파 트랜스듀서부와 동일한 평면 상 내 위치 조절을 위한 모터 스테이지부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 모터 스테이지부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치는 액체의 매질을 포함하는 인터페이스를 더 포함하고, 상기 인터페이스는 상기 마이크로로봇 구동장치와 상기 마이크로로봇이 위치한 공간 사이 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치의 복수의 초음파 트랜스듀서는 360°/n (n은 2 이상의 정수)의 중심각을 갖는 부채꼴 형상의 n개의 영역으로 분할되어, 인접한 영역 간의 페이스 차이가 2ð/n 씩 순차적으로 증가하거나 또는 감소하도록 설정되어 구동된다.
본 발명의 단일방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용하여 마이크로로봇을 정밀하게 제어하는 구동 장치 및 이를 이용한 시스템은 마이크로 로봇을 포집해서 이동 가능하고, 그로 인한 마이크로 로봇의 타겟팅 및 약물전달의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 전자기장 구동 장치에 비해 시스템의 소형화 및 경량화가 가능하고, 상대적으로 전력 사용량이 낮다. 또한, 의료용 초음파 프로브와의 호환성, 초음파 진단 프로브를 같이 사용해서 이미징과 구동을 같이 실행 가능함에 따라 정밀한 제어가 용이하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 복수의 초음파 트랜스듀서에 대한 배열의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 초음파 트랜스듀서부 내 배열된 초음파 트랜스듀서에 페이스 차이가 부여된 영역의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 4개의 영역으로 나뉜 복수의 초음파 트랜스듀서들에 페이스 차이를 π/2(90°) 만큼 준 경우, 음향장을 분석한 예를 나타낸 도면이다.
도 5a는 본 발명의 일 실시예로서, 시간 딜레이를 통해 포집된 마이크로로봇의 이동을 제어하는 방법의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5b는 초음파 트랜스듀서가 평면상으로 배치된 경우의 예를 나타내며, 시간 딜레이를 통한 페이스 차이 부여의 개념도를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 시간 딜레이를 통한 페이스 차이를 부여하여 마이크로 로봇과 초음파 트랜스듀서 간 거리를 제어하는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 7은 초음파 구동의 기초 실험검증을 위한 실험 설정 사진이다.
복수의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 트랜스듀서부; 및 상기 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 공간 상 특정 위치를 향하도록 굴곡면을 형성하도록 배열되고, 상기 제어부는, 상기 복수의 초음파 트랜스듀서에 포함되는 각각의 초음파 트랜스듀서에 초점의 위치를 변경하기 위해 시간 차이를 두어 신호를 인가하고, 상기 초점은 상기 초음파 트랜스듀서부를 기준으로 마이크로로봇이 위치하는 수직방향의 높이를 나타내는 것을 특징으로 하는, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전히 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
몇몇의 경우, 본 발명의 개념이 모호해지는 것을 피하기 위하여 공지의 구조 및 장치는 생략되거나, 각 구조 및 장치의 핵심기능을 중심으로 한 블록도 형식으로 도시될 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함 (comprising 또는 including)"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 "…부"의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 나아가, "일 (a 또는 an)", "하나 (one)", 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시예들에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시될 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다.
단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 구동 시스템은 초음파 트랜스듀서 배치 및 구조적 형상 이용을 이용하여 포집을 위한 초점영역을 형성하고, 포집 후 스테이지 및 페이스 제어를 통해 마이크로로봇을 제어하는 방식이다.
단일 방향 구동 시스템의 경우 일반적으로 초음파를 집속시켜 초점영역을 형성시킨다. 집속시키는 방법에는 구조적인 초음파 트랜스듀서의 형상을 이용한 방법과 다수의 초음파 트랜스듀서의 배치를 통한 방법이 사용되고 있다. 구조적 형상을 통한 집속과 같은 경우 초점의 위치가 기계적으로 설계되어 제작되기 때문에 고정적이며, 초점의 위치를 변경하기 위해 추가적인 시스템을 추가적으로 이용해야 한다.
따라서, 본 발명에서는 초음파 트랜스듀서 배열을 통해 초음파를 집속시켜 각 초음파 트랜스듀서의 페이스 제어를 통해 추가적인 시스템 없이 초점의 위치를 조절하는 것이 가능한 마이크로로봇 구동 장치 및 이를 이용한 마이크로로봇 구동 시스템에 대해 설명하도록 한다.
초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동시스템은 피검체의 내부를 이동하는 마이크로로봇 및 마이크로로봇의 위치를 제어하는 마이크로로봇 구동장치를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇은 초음파 트랜스듀서를 이용한 구동 장치에 의해 이동이 제어되는 모든 물체를 의미하며, 단일 성분의 고형 입자 및 유체 내 기포 입자도 포함될 수 있는 광의적 의미로 해석되어야 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로로봇은 특정 방법으로 제조되거나 특정 성분을 포함할 필요가 없다. 이는 본 발명의 초음파 구동이 갖는 장점으로서, 본 발명의 구동시스템을 이용하면 제어 대상의 종류나 성분에 상관없이 포집이 가능하다. 구체적으로 예를 들면, 작은 챔버 속에서 초음파에 의해 스탠딩웨이브가 형성될 경우, 단백질, 핵산, 적혈구, 생체적합성 고분자, 화학약물을 비롯한 다양한 입자들을 제한 없이 포집할 수 있다. 뿐만 아니라, 음향방사력 식에 의하면 높은 압축성을 갖는 유체 내 공기방울까지도 압력노드가 아닌 압력이 높게 형성되는 안티노드에 포집할 수 있어, 다양한 유체 내 기포들도 제한 없이 포집이 가능하다는 특징이 있다. 음향 방사력의 특성상 어떠한 재질의 파티클이라도 음향장 내 매질보다 밀도가 높다면, 본 발명의 트랜스듀서 시스템 및 페이스 제어방식으로 포집이 가능하다. 본 발명의 마이크로로봇, 즉 포집 대상 입자는 초음파 구동에 사용하는 주파수의 파장보다 작은 직경의 입자인 것이 바람직하며, 일반적으로 입자의 직경이 반파장보다 작은 경우 안정적인 포집이 가능하다. 구체적인 일례로서, 트랜스듀서에서 사용되는 초음파 파장보다 훨씬 작은 직경을 갖고 음향장의 유체 매질보다 높은 밀도를 갖는 나노입자 및 마이크로입자를 안정적으로 포집 할 수 있다.
특히, 본 명세서에서 언급되는 파티클은 마이크로 로봇을 포함할 수 있다. 이하에서는, 본 발명의 초음파 트랜스듀서를 이용한 구동 장치에 의해 이동이 제어되는 마이크로 로봇은 초음파에 의해 구동력을 전달받을 수 있다.
이하에서는 초음파 트랜스듀서를 이용한 파티클 구동 장치 및 이를 이용한 시스템에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치를 나타낸 도면이다.
도 1의 왼쪽 그림은 본 발명의 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치의 일례를 나타낸 것으로서, 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치는 배열된 초음파 트랜스듀서부(110), 모터 스테이지부(120), 인터페이스부(130) 및 제어부 중 적어도 하나를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1의 오른쪽 그림은 초음파 트랜스듀서부(110)를 나타낸 것이다. 초음파 트랜스듀서부(110)는 복수의 초음파 트랜스듀서(111)가 굴곡면 내 위치하여 초음파 트랜스듀서부 위의 특정 위치를 가리키도록 배열되어 초음파 트랜스듀서 어레이(112)를 형성할 수 있다. 또한, 초음파 트랜스뷰서부 내 가운데는 이미지 구현을 위한 초음파 프로브(113)가 위치할 수 있다.
도 1의 왼쪽 그림은 초음파 트랜스듀서부(110)와 더불어 평면 모터 시스템(120) 및 인터페이스(130)를 포함한 통합 초음파 트랜스뷰서 구동장치를 나타낸 것이다. 가운데 초음파 트랜스듀서부(110)가 위치하고, 초음파 트랜스듀서부(110) 외곽에 모터 스테이지부(120)인 XY 평면 모터시스템이 위치할 수 있다. 그리고, 초음파 트랜스듀서부에 접촉 또는 일정한 거리를 두어 인터페이스(130)를 도포 또는 위치시킬 수 있다.
인터페이스(130)는 초음파의 매질 변화에 따른 반사를 최소화하기 위한 것으로, 초음파 트랜스듀서 구동장치 또는 시스템과 인체 사이 접촉 매개체 역할을 위해 사용된다. 인터페이스(130)는 인체의 조직과 유사한 실리콘과 같은 재질을 이용하며, 인터페이스 내부에는 초음파 검사 시 바르는 젤과 같은 액체의 매질을 채워 넣어 초음파 트랜스듀서와 인터페이스 사이의 공기층을 제거한다. 실리콘 겉면은 젤을 발라 인체와 접촉시켜 초음파 진행 중 매질변화로 인한 반사효과를 최소화할 수 있다.
제어부는 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치 내 포함된 초음파 트랜스듀서부(110), 모터 스테이지부(120), 인터페이스(130) 중 적어도 하나를 제어하기 위한 명령 또는 신호를 각 모듈 또는 부에 전송하거나 각 모듈 또는 부로부터 수집된 신호 또는 정보를 수신하여 처리할 수 있다.
제어부가 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치 내 모듈 또는 부를 제어하는 일례로, 초음파 트랜스듀서부(110) 내 각 초음파 트랜스듀서(111)의 페이스 제어를 통해 마이크로 로봇의 Z축 구동을 제어하고, 모터 스테이지부(120)를 통해 XY 평면 (초음파 트랜스듀서의 최외곽 면과 평행하는 평면) 상에서 마이크로 로봇을 구동함으로써, 통합적으로 3차원 구동을 구현시킨다.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 복수의 초음파 트랜스듀서에 대한 배열의 일례를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이 초음파 트랜스듀서(111)들을 굴곡이 있는 구조로 배열되어 구성될 수 있다. 복수의 초음파 트랜스듀서(111)들은 복수의 초음파 트랜스듀서(111)들이 특정 위치를 가리키도록 배열될 수 있다. 복수의 초음파 트랜스듀서(111)들이 가리키는 특정 위치는 초음파 트랜스듀서들 위의 공간 상의 위치일 수 있다.
구조적인 특성에 의해 초음파는 집속되어 초점영역이 형성되며, 각각의 초음파 트랜스듀서(111)의 페이스 제어 방법을 통해 음향장의 특징이 결정된다. 초음파 트랜스듀서(111)에 시간 딜레이 (시간 차이)를 주어 신호를 줄 경우 페이스에 차이를 부여할 수 있으며, 이를 통해 구조적으로 설정된 초점의 위치를 변경할 수 있다. 본 발명에서는, 초점의 위치를 초음파 트랜스듀서 배열의 수직방향으로 변경시키는 데에 중점적으로 사용한다. 페이스 제어를 통한 초점의 위치를 변경하는 실시예에 대해서는 차후 도 5a 및 도 6을 이용하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예로서, 초음파 트랜스듀서부 내 배열된 초음파 트랜스듀서에 페이스 차이가 부여된 영역의 일례를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이 초음파 트랜스듀서 배열을 위에서 보았을 때, 각 영역에 페이스 차이를 줌으로써 마이크로 로봇을 포집할 수 있는 초음파 음향장의 형성이 가능하다.
구체적으로, 복수의 초음파 트랜스듀서는 360°/n (n은 2 이상의 정수)의 중심각을 갖는 부채꼴 형상의 n개의 영역으로 분할되어, 인접한 영역 간의 페이스 차이가 2ð/n씩 순차적으로 증가하거나 또는 감소하도록 설정하여 초음파 음향장을 형성시킬 수 있다.
구체적인 일례로서, 도 3의 왼쪽 도면은 복수의 초음파 트랜스듀서들을 2개의 영역으로 나누고, 페이스 차이를 2개의 각 영역에 ð (180°) 만큼 주는 경우를 나타낸다. 2개의 각 영역에 ð (180°) 만큼 페이스 차이를 줄 경우 압력이 높게 형성된 좌우 영역에서 가운데로 밀어주는 음향방사력이 강하게 발생한다.
구체적인 일례로서, 도 3의 오른쪽 도면은 복수의 초음파 트랜스듀서들을 4개의 영역으로 나누고, 페이스 차이를 4개의 각 영역에 ð/2 (90°) 만큼 주는 경우를 나타낸다. 4개의 영역에 ð/2 간격으로 부여할 경우 회오리와 같이 음향장이 형성되며, 압력이 강한 주변 영역에서 가운데 방향으로 음향방사력이 발생한다.
도 4는 본 발명의 일실시예로서, 4개의 영역으로 나뉜 복수의 초음파 트랜스듀서들에 페이스 차이를 ð/2 (90°) 만큼 준 경우, 음향장을 분석한 예를 나타낸 도면이다.
복수의 초음파 트랜스듀서들을 4개의 영역으로 나누고, 페이스 차이를 4개의 각 영역에 ð/2 (90°) 만큼 주는 경우, 초점에서 먼 주변 영역의 압력이 초점과 가까운 초점 영역 보다 압력이 높아 회오리 방향의 음향장이 형성되며, 초점 영역으로 음향 방사력이 발생한다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 마이크로 로봇은 음향장 내 압력이 낮은 초점영역에 포집될 것이다. 도 4의, 위에서 볼 경우 빨갛게 표시된 가운데에 존재하는 압력이 낮은 곳에 마이크로 로봇이 포집될 것이다.
상술한 바에 따라, 복수의 초음파 트랜스듀서를 360°/n (n은 2 이상의 정수)의 중심각을 갖는 부채꼴 형상의 n개의 영역으로 분할하여, 인접한 영역 간의 페이스 차이가 2ð/n씩 순차적으로 증가하거나 또는 감소하도록 설정하여 초음파 음향장을 형성시키고, 이에 더해 트랜스듀서부의 중심으로부터 각 트랜스듀서의 거리에 따라 시간 딜레이를 부여하여 파티클이 포집되는 위치인 초점의 z 축 방향 이동을 제어할 수 있다.
도 5a는 본 발명의 일실시예로서, 시간 딜레이를 통해 포집된 파티클의 이동을 제어하는 방법의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 제어부는 각 초음파 트랜스듀서(111)에 인가되는 신호의 시간 딜레이를 통해 포집된 파티클과 초음파 트랜스듀서 간 거리를 제어할 수 있다. 초점 또는 초점영역은 마이크로로봇이 군집한 위치를 나타낼 수 있다. 초점 또는 초점영역과 초음파 트랜스듀서 간의 거리는 페이스 차이를 통해 제어할 수 있다. 그리고, 페이스 제어는 각각의 초음파 트랜스듀서에 보내는 신호의 시간 딜레이를 통해 이루어질 수 있다.
시간 딜레이는 트랜스듀서에 가해지는 인가 신호의 페이스차이를 발생시키기 위한 것으로, 단순히 시간 딜레이만을 다르게 설정함에 따라 초점의 위치가 변하는 것이 아니다. 사인파 (Sine-wave)를 인가 신호로 주고, 신호의 한 주기가 2ð의 페이스로 이루어져 있을 때, 시간 딜레이를 통해 인가신호의 페이스를 2ð 내로 변경시켜 줄 경우 도 5a와 같이 초점의 위치 변화를 제어할 수 있다.
도 5b는 평면상에 트랜스듀서를 배치할 경우를 예시적으로 나타낸 도면으로서, 트랜스듀서가 도 5a와 같이 굴곡이 있게 배치될 경우, 도 5b에 나타낸 바와 같이 페이스 차이를 준다면, 초점이 형성된 상태에서 더욱 모아주는 효과가 발생하므로, 초점은 아래쪽에 형성된다. 또한, 도 5a와 같이 바깥쪽으로 갈수록 시간딜레이를 줄 경우, 초점은 위로 올라가게 된다.
예를 들어, 도 5a에 나타낸 바와 같이 복수의 초음파 트랜스듀서(111) 어레이 중 가운데에 위치한 초음파 트랜스듀서에 대한 신호 인가 시간과 외곽에 위치한 초음파 트랜스듀서에 대한 신호 인가 시간 간 차이 (시간 딜레이)가 짧게 부여될수록 초음파 트랜스듀서와 초점영역 사이의 거리는 가까워진다. 반대로, 복수의 초음파 트랜스듀서 배열에서 외곽에 위치한 초음파 트랜스듀서에 대한 신호 인가 시간과 가운데에 위치한 초음파 트랜스듀서에 대한 신호 인가 시간 간 차이가 커서 시간 딜레이가 길게 부여될수록 초점영역과 초음파 트랜스듀서와의 거리는 점점 멀어진다.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 시간 딜레이를 통한 페이스 차이를 부여하여 마이크로 로봇과 초음파 트랜스듀서 간 거리를 제어하는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
시뮬레이션에서는 초음파 트랜스듀서의 배열 시스템은 약 15cm 직경을 가정하였으며, 도 6에서 연속된 3개의 도안들은 각각 2개의 영역 (페이스 차이 ð), 4개의 영역 (페이스 차이 ð/2)으로 페이스 차이를 부여한 후 추가적인 페이스 제어를 통해 초점의 변화를 확인한 시뮬레이션 결과이다.
음향장 내 초점 영역의 페이스 제어를 통한 초점영역의 상하 제어 검증은 시뮬레이션 결과를 통해 확인할 수 있다. 도 6의 위 3개의 이미지는 페이스 차이를 2개의 영역에 ð 간격으로 부여한 경우이며, 아래 3개의 이미지는 4개의 영역에 ð/2만큼의 페이스 차이를 부여한 경우이다. 이에 따르면 페이스 제어를 통해 마이크로 로봇이 포집되는 초점영역의 위치제어가 가능한 것을 볼 수 있다.
초점을 위한 페이스 차이의 부여가 없을 시, 도 6의 가운데 그림 (Normal)과 같이 초점을 형성하게 된다. 상기 설명한 바와 같이, 가운데가 움푹 파인 굴곡 구조로 초음파 트랜스듀서를 배치하게 되면, 구조적인 영향에 의해 각 초음파 트랜스듀서에 페이스 차이를 부여하지 않아도 가운데서 초점이 형성이 된다. 물론 마이크로 로봇을 포집하기 위해서 압력이 낮은 영역을 형성하려면 페이스 차이가 부여되어야 한다.
도 6의 왼쪽 그림 (Down)에 도시된 바와 같이, 가운데 초음파 트랜스듀서에서 가장자리 초음파 트랜스듀서로 갈수록 신호에 시간 딜레이를 많이 주거나, 페이스를 빼줄 경우 초점은 가운데 그림 (Normal)에서의 초점보다 아래에서 형성된다.
반대로 도 6의 오른쪽 그림 (Up)에 도시된 바와 같이, 가운데 초음파 트랜스듀서에서 가장자리 초음파 트랜스듀서로 갈수록 시간 딜레이를 적게 주거나, 페이스를 더해줄 경우 초점은 가운데 그림 (Normal)에서의 초점보다 위에 형성되게 된다.
상기 도 5a와 도 6를 통해서 초음파 트랜스듀서를 기준으로 위아래 (Z축)로 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 방법에 대해 설명하였다. 이하에서는, Z축 이동에 더불어 복수의 초음파 트랜스듀서들과 평행한 평면 (XY평면) 내 이동과 초음파 매질 변화에 따른 반사를 최소화하는 인터페이스를 더한 마이크로 로봇 구동장치에 대해서 설명하도록 한다.
이하에서는 도 7을 통해 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치 통한 실험 내용을 설명하여 본 발명의 효과를 설명하도록 한다.
도 7은 초음파 구동 시스템의 실 구현예를 나타내는 사진이다.
도 7에서 초음파 트랜스듀서부(110)와 모터 스테이지부(120)를 구현한 일례를 볼 수 있다.
상술한 결과들을 통해 알아본 바와 같이, 본 발명의 단일 방향 초음파 트랜스듀서 배열을 이용한 마이크로 로봇의 이동을 제어하는 구동 장치는 초음파 트랜스듀서의 각 영역에 페이스 차이를 줌으로써 음향장을 형성하여 3차원 공간상에서 초점영역을 생성시켜 마이크로봇들의 구동을 통해 액체의 매질이 채워져 있는 부위 (안구 등)에 대한 의료적 치료시술을 수행할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 초음파 구동 시스템은 기존의 방향성과 추진성을 이용한 방법과는 다르게 다수의 마이크로 로봇을 포집해서 이동이 가능하다. 이는 마이크로 로봇을 구동 시 환부로의 타겟팅에 효과적이며 그로 인한 약물 전달의 효율을 향상시켜준다.
또한, 각 초음파 트랜스듀서의 특성상 시스템의 소형화 및 경량화가 가능하며 전력 사용량도 낮게 유지된다. 이는 기존 마이크로 로봇 구동 시스템에 비해 저렴하다는 장점을 갖고 있다.
본 발명을 통해 적용되는 마이크로, 나노로봇 및 입자들은 단일방향의 초점영역을 형성시키는 초음파 트랜스듀서 배열 시스템과 2축 모터 시스템을 통해 매질 내에서 평면상 2차원 제어가 가능하고, 초음파의 위상 제어에 따른 초점의 위치제어를 통해 3차원 운동을 유도할 수 있다.
또한, 현재 병원에서 사용중인 진단용 초음파 프로브를 같이 이용해서 마이크로 로봇의 이미지 및 영상을 확보할 수 있으며, 이를 통해 포집되거나 주변에 위치하는 입자들을 확인하면서 이동 제어하는 것이 가능하다.
본원 발명의 실시예들과 관련된 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상기 기재의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 개시된 방법들은 한정적인 관점이 아닌 설명적 관점에서 고려되어야 한다.
본 발명의 범위는 발명의 상세한 설명이 아닌 특허청구 범위에 나타나며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
110: 초음파 트랜스듀서부
111: 초음파 트랜스듀서
112: 초음파 트랜스듀서 어레이
113: 초음파 프로브
120: 모터 스테이지부
130: 인터페이스부
본 발명은 단일방향 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치 및 이를 이용한 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 특정 위치를 향하도록 배열된 단일방향 초음파 트랜스듀서를 포함하는 마이크로 로봇 구동 장치를 이용하여 피검체 내 마이크로 로봇의 위치를 무선으로 제어하는 장치 및 시스템에 관한 것이다.

Claims (8)

  1. 복수의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 트랜스듀서부; 및
    상기 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하는 제어부;
    를 포함하고,
    상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 공간 상 특정 위치를 향하도록 굴곡면을 형성하도록 배열되고,
    상기 제어부는 상기 복수의 초음파 트랜스듀서에 포함되는 각각의 초음파 트랜스듀서에 초점의 위치를 변경하기 위해 시간 차이를 두어 신호를 인가하고,
    상기 초점은 상기 초음파 트랜스듀서부를 기준으로 마이크로로봇이 위치하는 수직방향의 높이를 나타내는 것인, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치 는 초음파 트랜스듀서부와 동일한 평면 상 내 위치 조절을 위한 모터 스테이지부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 모터 스테이지부를 제어하는 것인,
    초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치.
  3. 제2항에 있어서, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치는 액체 매질을 포함하는 인터페이스를 더 포함하고,
    상기 인터페이스는 상기 마이크로로봇 구동장치와 마이크로로봇이 위치한 공간 사이에 위치하는 것인,
    초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 360°/n (n은 2 이상의 정수)의 중심각을 갖는 부채꼴 형상의 n개의 영역으로 분할되어, 인접한 영역 간의 페이스 차이가 2ð/n씩 순차적으로 증가하거나 또는 감소하도록 설정되어 구동되는 것인, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동장치.
  5. 대상 (subject)의 내부에 주입된 마이크로로봇; 및
    상기 마이크로로봇의 위치를 제어하는 마이크로로봇 구동장치;
    를 포함하고,
    상기 마이크로로봇 구동장치는 복수의 초음파 트랜스듀서를 포함하는 초음파 트랜스듀서부 및 상기 복수의 초음파 트랜스듀서를 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 공간 상 특정 위치를 향하도록 굴곡면을 형성하도록 배열되고,
    상기 제어부는 상기 복수의 초음파 트랜스듀서에 포함되는 각각의 초음파 트랜스듀서에 초점의 위치를 변경하기 위해 시간 차이를 두어 신호를 인가하고,
    상기 초점은 상기 초음파 트랜스듀서부를 기준으로 마이크로로봇이 위치하는 수직방향의 높이를 나타내는 것인, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 마이크로로봇 구동장치는 상기 초음파 트랜스듀서부와 동일한 평면 상 내 위치 조절을 위한 모터 스테이지부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 모터 스테이지부를 제어하는 것인, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동시스템.
  7. 제5항에 있어서, 상기 마이크로로봇 구동장치는 액체의 매질을 포함하는 인터페이스를 더 포함하고, 상기 인터페이스는 상기 마이크로로봇 구동장치와 상기 마이크로로봇이 위치한 공간 사이 위치하는 것인, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동시스템.
  8. 제5항에 있어서, 상기 복수의 초음파 트랜스듀서는 360°/n (n은 2 이상의 정수)의 중심각을 갖는 부채꼴 형상의 n개의 영역으로 분할되어, 인접한 영역 간의 페이스 차이가 2ð/n씩 순차적으로 증가하거나 또는 감소하도록 설정되어 구동되는 것인, 초음파 트랜스듀서를 이용한 마이크로로봇 구동시스템.
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