Development of a High-Performance Electromagnetic Actuation System for Multi-functional Capsule Endoscope Applications = 다기능 캡슐 내시경 어플리케이션을 위한 고성능 전자기 구동 시스템 개발

국문 초록 (Abstract)

무선 캡슐 내시경 (Wireless Capsule Endoscope, WCE)은 약 20년 전 처음 개발되어 수동형 캡슐내시경으로 상용화되어 의료현장에서 활용되고 있는 기술이다. 이후 능동조향이 가능한 캡슐내시경이 제안되었으나, 이동성능 및 제어성능에 대한 문제점, 그리고 영상진단 이외의 다양한 부가 기능이 가능한 캡슐내시경 개발 등, 로봇형태의 캡슐로 의료적 파급효과를 극대화하기 위한 더 많은 연구가 요구되고 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하고 능동구동이 가능한 다기능 캡슐내시경의 새로운 모델을 제시하기 위해, 캡슐내시경의 제어성능 향상을 위한 다기능 고성능 전자기구동시스템과 다기능 캡슐내시경의 연구 및 개발내용을 다룬다. 특히, 작업 공간을 극대화하기 위해 새로운 전자기 구동시스템 구조를 제안하였고, 구동성능 및 전자기장 세기를 향상시키기 위한 새로운 제어 알고리즘을 개발하였으며, 캡슐내시경의 의료현장에서 활용성을 확대하기 위한 방법으로, 카메라를 통한 영상진단 이외에, 생검, 약물전달이 가능한 다기능 캡슐내시경을 개발하였다.
첫번째, 위장진단을 목적으로 위장관 내에서 캡슐내시경의 유연한 동작을 구현하기 위해 전자기장의 독립제어기법을 개발하였다. 8개의 공심형 전자석을 이용하여, Maxwell 코일 및 Helmholtz 코일 구조로 구성된 전자기구동시스템은 내부 공간을 최대화하고 그에 따른 외경이 최소화되도록 설계되어 최적화하였다. 캡슐 내시경의 제어성과 불충분한 힘의 중대한 문제는 자기장 중첩 특성 및 선형독립특성을 이용한 새로운 제어 방법을 통해 해결하였다. 제안된 시스템은 기존 시스템에 비해 적은 수의 코일을 사용하지만, 로봇의 위치에 관계없이 강한 전자기력을 발생하여, 캡슐내시경의3 차원 운동을 구현할 수 있다. 방향독립 제어동작 (Orientation-Independent-Drive; OID) 은 이전 연구결과와 차별되는 모션으로, 수평 정렬 및 횡방향 이동과 같은 동작을 구현할 수 있게 되어, 보다 효율적으로 위장관을 스캔할 수 있는 방법으로, in-vitro 및 in-vivo 실험을 통해 성능을 검증하였다.
두번째로, 수치기반 최적화 프로그램을 통해 기존 방법이 가지고 있던 캡슐내시경의 자화값 포화 문제를 해결하고, 전자기구동시스템의 구동 정확성과 자기장세기 제어 성능을 개선하여, 이전의 연구결과와 비교하여 최대 자기장 및 자기장 기울기 세기가 향상되는 결과를 얻었다. 개발된 방법은 시뮬레이션을 통해 특성화되고 검증되었으며, 개선된 성능과 효과는 실험을 통해서 검증하였다.
마지막으로, 본 연구를 통해 개발된 전자기구동시스템 및 제어 방법을 이용하여 다기능 캡슐내시경을 개발하였다. 전자기 구동 원리 및 화학 반응을 기반으로 하는 약물전달캡슐내시경 및 타투잉용 캡슐내시경을 설계 및 제작하였고, 실험을 통해 성능을 검증하였다. 제안된 방법은 소량의 시약으로 고압의 추진력을 발생할 수 있는 방법으로, 성능이 향상된 전자기 구동시스템의 높은 자기력과 사용 가능한 유연한 동작을 통해, 제안된 약물전달 및 타투잉 메커니즘을 구현할 수 있었다.
연구결과들은 최소침습 및 비침습을 주로 하는 현대 의료로봇기술 중 소화기 진단 및 치료의 새로운 영역을 개척하는데 필요한 핵심적인 기술들로, 유효성에 대한 체계적 검증을 통해, 향후 의료기기 상용화 및 고도화된 시스템으로 실제 의료현장에 활용되는 파급효과를 가질 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Wireless Capsule Endoscope (WCE) has emerged for two decades, and many commercial devices have been deployed in clinical; however, ever-challenges such as mobility, controllability and functionality need to be conquered to improve the performance and utility of the current version. This dissertation addresses these challenges by focusing on the development of a high-performance Electromagnetic Actuation (EMA) system and multifunctional capsule endoscopes. A new electromagnet configuration is developed to maximize the working space and novel control algorithms are proposed to improve the mobility and magnetic field strength. Multifunctional robots are also developed and demonstrated to extend the utility of the current diagnostic capsule endoscope.
First, a new hardware system applied independent control method to enable flexible motions of capsule robot for gastrointestinal diagnosis is presented. The configuration of the system was designed to have a large inner workspace and an optimized outer dimension. The critical problems of low force and controllability of the capsule were solved through a new control methodology using superposition property of magnetic fields. Compared to the other systems using electromagnets, the developed system uses fewer electromagnets, but can produce a high magnetic field and propulsion force with three-dimensional locomotion. Orientation-Independent-Drive (OID) motions were proposed and demonstrated for flexible motions to scan and perform functions.
Second, a novel numerical optimization programming-based control method is proposed to address the saturation problem of conventional control methods and improve the control performance in terms of both accuracy and strength of redundant EMA systems. Performance comparisons between the developed method and conventional control approaches have shown a significant increase in the maximum magnetic and gradient fields. The proposed methodology is characterized and validated through simulations and experiments. Experiments have been conducted to verify the performance and effectiveness of the proposed strategy.
Finally, multifunctional capsule endoscopes are developed for the application of the proposed EMA system. Drug delivery and tattooing capsule endoscopes using chemical reaction-based thrust are designed and tested. Chemical reaction can generate high thrust force with a small volume of reagent. Thanks to the high magnetic force and available flexible motions of the proposed EMA system, these mechanisms can be realized, and their performances show the potential applications for minimally invasive therapy in the digestive system.

목차 (Table of Contents)

• List of figures v
• List of tables viii
• Abbreviation ix
• Abstract xi
• Chapter 1: Introduction 1
• 1.1 Wireless capsule endoscope 1
• 1.2 Active WCE and magnetic actuation system 3
• 1.3 Functional capsule endoscopes 8
• 1.3.1 Targeted drug delivery 9
• 1.3.2 Biopsy function 10
• 1.3.3 Tattooing endoscopy 11
• 1.4 Motivation 11
• 1.5 Dissertation review 12
• Chapter 2: High performance EMA system applying independent control algorithm 13
• 2.1 Introduction 13
• 2.2 System overview 15
• 2.2.1 Design of MACE 15
• 2.2.2 Designed motions of the WCE 17
• 2.3 Independent Magnetic Field Control 17
• 2.3.1 Independently Controlled Electromagnet 17
• 2.3.2 Remote Control Scheme 21
• 2. 4. Characterization of the developed system 22
• 2.4.1 Controllability analysis 22
• 2.4.2 Simulation: HAG and OID Motion Verification 24
• 2.5 System validation 25
• 2.5.1 Experiment setup 25
• 2.5.2 System calibration 26
• 2.5.3 Test of EMA Performance 29
• 2.5.4 Demonstration of HAG motions 31
• 2.5.5 Demonstration OID motions in water 32
• 2.5.6 Demonstration of OID Control in Air 33
• 2.5.7 Capsule Endoscope in a Phantom 34
• 2.5.7 Ex-vivo test 35
• Chapter 3: Optimized Magnetic Field Control for Enhanced Microrobot Manipulation 37
• 3.1 Introduction 37
• 3.2 Electromagnetic force and torque models 40
• 3.3 Optimization-based control 43
• 3.3.1 Optimization strategy 1: Single-objective optimization 44
• 3.3.2 Optimization strategy 2: Multi-objective optimization 45
• 3.3.3 Analysis of proposed control methods 48
• 3.3.4 Field enhancement of MOO control approach 51
• 3.4 Experimental Results 54
• 3.4.1 Experimental setup 54
• 3.4.2 Controller implementation 55
• 3.4.3 Closed-loop control performance 57
• 3.4.4 Enhancement of magnetic and gradient fields 59
• Chapter 4: Multi-functional capsule endoscope applications 61
• 4.1 A Wireless Tattooing Capsule Endoscope 61
• 4.1.1 Design of tattooing capsule endoscope 61
• 4.1.2 Tattooing ink injection module 64
• 4.1.3 Needle-control module 65
• 4.1.4 Method of magnetic control 66
• 4.1.5 Experimental results 68
• 4.2 Battery-free tattooing capsule endoscope 75
• 4.2.1 System overview 75
• 4.2.2 Design of tattoo module 77
• 4.2.3 Manipulation method 78
• 4.2.4 Ex-vivo experiment 81
• 4.3 A modular targeted drug delivery capsule endoscope 82
• 4.3.1 Overall system description and actuation method 83
• 4.3.2 Design of drug delivery module and actuation method 87
• 4.3.3 Experiment results 91
• Chapter 5: Conclusion and Discussion 98
• 5.1 Contributions 98
• 5.2 Discussion and outlook of WCE 99
• 5.3 Future works 103
• Reference 105
• 국문초록 119
• List of publications 122
• Acknowlegement 127