Medically Applicable Electromagnetic Microrobot Manipulation System with Air and Metal-Cored Coils for Real‐Time Vascular Interventions

Abstract

소형 로봇은 인간의 몸 속 복잡한 부위에 침습을 최소화하여 접근할 수 있어 의료 및 생물공학 분야에서 유망한 도구로 부상하고 있다. 소형 로봇을 조작하고 제어하기 위한 다양한 작동 전략 중에서 자기장을 통한 구동은 생물 조직에서의 투명성과 안전성과 더불어 우수한 제어성으로 각광받고 있다. 소형로봇의 조작과 제어 분야에서 영구 자석과 전자기석이 자기장을 생성하는 데 사용되고 있다. 영구 자석을 사용하는 시스템은 재배치를 위해 기계적 메커니즘에 의존하여 시간적 비효율성과 안전 문제를 야기하지만, 전자기석은 인가하는 전류를 중단 시 자기장 붕괴를 통한 빠른 자기장 제어와 안전성을 제공한다. 이러한 점을 고려하여 우리는 안전성, 작업 공간 접근성 및 이미징 장비와의 호환성을 우선시하면서 자기 마이크로로봇 및 나노입자의 정밀한 제어를 보장하기 위해 고정식 전자기석을 기반으로 한 자기 제어 시스템을 개발하는 데 중점을 두었다. 이 논문은 작은 규모에서부터 대규모 응용까지 다양한 자기장 제어 시스템의 개발에 초점을 맞추고 있다. 첫 번째로 철로 이루어진 코어를 가진 여덟 개의 원통형 코일로 구성된 소형 시스템을 개발했다. 전자기석 코일들은 반구형으로 배치되어 있으며, 위쪽이 열려있기 때문에 작업 공간과 이미징 장비의 배치가 용이하다. 사전에 정의된 대상 지오메트리를 기반으로 자기장 기반 물체의 조작을 용이하게 하는 "프로그램된 테이블 파트"라는 체계적인 입력 방법을 사용하여 조작 시 수동 값 삽입을 제거하여 반자율적인 시스템 제어를 가능하게 하고 조작을 간소화한다. 자기 제어 가이드 와이어, 마이크로 자석 및 나노입자를 활용한 다양한 실험이 시스템의 효과와 다양성을 보여 주었다. 두 번째로, Z-방향의 자기장 강도를 향상시키기 위해 다음 시스템이 개발되었다. 여덟 개의 철핵이 있는 원통형 코일로 구성된 전자기 자석이 반구형으로 배치되어 있고, 공기 코어를 가진 원형 코일이 두 개 포함시켰다. 원형 전자기 코일 중 하나는 프레임에 고정되어 있으며, 다른 하나는 사용 전 작업 공간의 필요 높이에 따라 사용자가 높이를 조절할 수 있다. 이 구성은 작업 공간에 쉽게 접근할 수 있을 뿐만 아니라 이미징 카메라의 설치를 용이하게 한다. 또한, 이 시스템은 GUI 인터페이스를 통한 직접 입력 값을 통한 자기장의 수동 제어를 제공하며, 두 개의 조이스틱과 반자율 기능을 갖추어 사용 편의성을 향상시킨다. 본 연구에서는 자성 나노입자의 군집 제어에도 초점을 맞추어 입자들의 집합, 분산 및 체인 형성을 조작할 수 있게 했다. 3차원 공간에서 자기장을 제어하는 시스템의 효과를 검증하기 위해 자기 제어 가이드 와이어, 마이크로 자석, 나노입자 및 세포 기반 마이크로로봇을 사용한 여러 실험이 수행되었다. 마지막으로, 침습성 최소화 응용을 위한 대규모 시스템이 개발되었다. 개발한 대규모 시스템은 상용 혈관 조영술 시스템과 호환되며 열 개의 전자 자석으로 구성되어 있다. 이 시스템은 45도 회전 축 주변에 오프셋된 반 구형 배치로 구성된 여덟 개의 철핵이 포함되어 있다. 나머지 두 개의 전자기석 코일은 원형이며, 하나는 프레임에 고정되어 있고 다른 하나는 작업 공간의 상단에서 위치 조절이 가능하다. 상단에 배치한 원형 전자기석 코일을 추가함으로써 Z-방향의 자기장 강도를 향상시킬 수 있다. 이 시스템을 사용하여 실험 중 자기장 제어 성능이 향상되었으며, 실험 중 제어가 단순화되었다. 혈관 침습에 대한 시스템의 효과를 입증하기 위해 실제 혈관 모형인 실리콘 기반 3D 혈관 모형을 사용한 in vitro 실험을 수행하였다. 더불어 실제 돼지를 사용한 생체 내 실험도 실시되었으며, 이는 심혈관 및 신경혈관 치료에 중점을 두었다. 이러한 연구들을 통해 개발된 자기 제어 시스템의 사용은 미래의 정밀한 소형 로봇 제어 응용의 가능성을 보여 주었다. 키워드: 자기 제어 시스템, 마이크로로봇, 가이드 와이어, 나노입자.|Miniature robots have emerged as promising tools in medical and bioengineering fields due to their ability to access intricate areas of the human body with minimal invasiveness. Among various actuation strategies for manipulating and controlling miniature robots, magnetic actuation stands out for its transparency and safety in biological tissues, coupled with excellent controllability. In the realm of miniature robot manipulation and control, both permanent magnets and electromagnets have been utilized to generate magnetic fields. While systems employing permanent magnets often rely on mechanical mechanisms for relocation, resulting in time inefficiencies and safety concerns, electromagnets offer advantages such as rapid field control and safety through field collapse upon current cessation. Considering these, our focus has been on developing magnetic manipulation systems based on stationary electromagnets to ensure precise control of magnetic microrobots and nanoparticles while prioritizing safety, workspace accessibility, and imaging tool compatibility. This dissertation focuses on the development of magnetic manipulation systems, ranging from small-scale to large-scale applications. Initially, a small-scale system was developed, comprising eight cylindrical coils with iron cores, all of which remain stationary. Configured in a hemispherical arrangement, these electromagnets feature open tops, facilitating easy access to the workspace and the installation of imaging tools. Employing a systematic input method called the "programmed table part", streamlined operation by eliminating manual value insertion during manipulation, enabling semi-autonomous system control, and facilitating magnetic object manipulation based on predefined target geometries. Various experiments were conducted utilizing a magnetic guidewire, micromagnets, and magnetic nanoparticles, showcasing the system's efficacy and versatility. Secondly, a second system was developed to enhance the magnetic field strength in the Z-orientation, utilizing ten electromagnets: eight cylindrical coils with iron cores arranged in a stationary hemispherical configuration, and two circular coils with air cores. One circular electromagnet is fixed to the frame, while the other is adjustable, allowing for customization of the system based on the required height of the workspace prior to usage. This configuration not only allows easy access to the workspace but also facilitates the installation of imaging cameras. Additionally, the system offers manual control of the magnetic field via direct input values through the GUI interface and is equipped with two joysticks and a semi-autonomous feature, enhancing user-friendliness. In this study, we also focused on swarm control of magnetic nanoparticles, enabling the manipulation of their gathering, dispersion, and chain formation. To validate the system's efficacy in controlling the magnetic field in three-dimensional space, several experiments were conducted using a magnetic guidewire, micromagnets, nanoparticles, and cell-based microrobots. Finally, a large-scale system for minimally invasive applications was developed, comprising ten electromagnets and compatible with commercial angiography system. This system incorporates eight cylindrical coils with iron cores arranged in a hemispherical configuration, each offset by a 45-degree rotation around the z-axis. The remaining two electromagnets are circular, with one fixed to the frame and the other adjustable at the top of the workspace. The addition of the top circular electromagnet enhances the magnetic field strength in the Z-orientation. Utilizing this system, magnetic field control is facilitated using a haptic touch device, simplifying control during experiments. To demonstrate the system's effectiveness in vascular intervention, an in vitro experiment was conducted using a magnetic guidewire within a silicon-based 3D vascular phantom. Furthermore, in vivo experiments were performed on swine, with a focus on cardiovascular and neurovascular interventions. Through these studies, the use of the developed magnetic manipulation systems has shown the feasibility of future applications in precision miniature robot control. Keywords: Magnetic manipulation system, Microrobot, Nanoparticles, Guidewire, Catheter.