KR100356377B1 - 레이저 절단을 이용한 스텐트 제조장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 의학용 스텐트의 제조장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 스텐트 제조장치는, 스텐트로 가공되는 금속관의 표면에 레이저를 조사하여 천공함으로써 소정의 패턴대로 스텐트를 제조하는 장치로서, 특히 금속관의 가공부위를 냉각시키기 위한 냉각을 냉각기체를 이용한 공냉식으로 한다. 따라서, 냉각수의 기밀을 위한 구성이 필요없어 구조가 단순해지고, 냉각수가 제조장치에 침투함으로써 발생하는 제조장치의 수명 단축이나 오동작을 방지할 수 있다. 또한, 고정 척에 의해 고정·지지되지 않는 금속관의 타단을 가공헤드에 설치된 보조지지구의 구멍에 삽입하여 지지함으로써, 금속관의 지지와 정렬을 정확하고 손쉽게 이룰 수 있다.

Description

레이저 절단을 이용한 스텐트 제조장치 및 그 방법{Apparatus and method for manufacturing stent using laser cutting}

본 발명은 스텐트(stent)를 레이저 절단(laser cutting, 또는 레이저 천공(laser perforation))를 이용하여 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

스텐트는 인체에 삽입되는 의학용 기구이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 스텐트(10)는 그물 모양의 패턴이 반복되어 형성된 지름이 수 mm 이내의 관으로 이루어져 있다. 스텐트(10)는 협착된 혈관이나 요관 등에 삽입한 후 도 2와 같이 반지름 방향으로 팽창시켜 혈관이나 요관을 확장시켜 주는 역할을 한다. 스텐트(10, 10')는 인체에 영구적으로 삽입되므로 인체에 무해하고 내화학성이 강해야 하며, 팽창된 후 다시 축소되지 않도록 탄성도 강해야 한다. 따라서, 스텐트는 그 재질이 예컨대, 스테인레스강 등과 같은 금속으로 제조되는 것이 일반적이다. 또한, 스텐트는 그 표면 및 단부가 날카롭지 않고 부드럽게 처리되어야 하며, 균일한 팽창력을 유지하기 위해 그물 모양의 패턴이 균일하고 정확하게 형성되어야 한다.

이러한 스텐트를 제조하는 방법은 대략 다음과 같은 방법들이 알려져 있다.

먼저, 미국특허 제5,855,597호나 제5,879,370호에서와 같이, 그물 모양의 패턴을 이루는 소정의 형상으로 구부러진 철사와 같은 부재들을 용접이나 접착에 의해 서로 연결함으로써 제조하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 날카로운 연결부위가 발생하거나 그 연결이 약해 떨어질 우려가 있다.

다른 방법으로는, 미국특허 제5,421,955호나 제5,776,161호에서와 같이, 금속관의 외부 표면에 포토레지스트와 같은 내식각성이 있는 물질을 입히고, 형성하고자 하는 스텐트의 패턴대로 노광·현상하여 포토레지스트 패턴을 형성한 후, 이 포토레지스트 패턴을 식각마스크로 하여 금속관을 식각함으로써 스텐트를 제조하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법은 평면이 아닌 원기둥의 외면인 금속관 표면에 원하는 포토레지스트 패턴을 정확하게 형성하는 것이 쉽지 않고 여러 단계의 공정과 장치를 거쳐야 하므로 공정과 장치면에서 복잡하고 비용이 많이 든다.

또 다른 방법으로, 미국특허 제5,780,807호나 제5,852,277호에서와 같이, 금속관을 회전시키면서 금속관 표면에 레이저를 조사하여 금속관을 소정 패턴으로 절단(천공)함으로써 스텐트를 제조하는 방법이 있다. 그러나, 이 방법 역시 해결해야할 문제들이 많다. 예컨대, 충분히 작은 스폿 사이즈(spot size)를 가지며 충분한에너지를 가지는 레이저 빔을 발생하기 위한 레이저 발생장치 및 미세한 광학계, 지름이 작고 긴 금속관을 정밀하고 견고하게 지지할 수 있는 지지구조가 요구되며, 정확한 가공을 위한 정확한 정렬의 문제, 가공되는 부위의 적절한 냉각문제 등이 선결되어야 한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 정밀하고 정확하며 표면이나 단부가 매끄럽게 스텐트를 제조할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 특히 가공되는 금속관의 냉각구조를 개선한 스텐트 제조장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 특히 스텐트 제조시의 금속관의 지지구조와 정렬문제를 간단히 해결할 수 있는 스텐트 제조장치를 제공하는 것이다.

도 1은 사용전의 스텐트(stent)를 도시한 도면이다.

도 2는 도 1의 스텐트를 반지름 방향으로 팽창시킨 상태를 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스텐트 제조장치의 개략적인 정면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 스텐트 제조장치의 개략적인 평면도이다.

도 5는 도 3의 가공헤드와 금속관의 가공 상태를 도시한 부분단면도이다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위해 본 발명은, 금속관의 표면에 레이저 빔을 조사하여 천공함으로써 스텐트를 제조하는 장치 및 방법을 제공한다. 특히, 여기서 본 발명의 스텐트 제조장치 및 방법은 레이저 천공시 발생하는 열을 기체를 이용하여 공냉식으로 냉각한다.

즉, 본 발명에 따른 스텐트 제조장치는, 스텐트로 가공하고자 하는 금속관의 일단을 고정하는 고정 척, 고정 척을 금속관의 중심축을 중심으로 회전시키는 구동부, 고정 척과 구동부가 장착되며 수평방향으로 운동가능한 테이블, 고정 척에 고정된 금속관에 연결되어 금속관의 내부로 냉각기체를 공급하는 냉각기체 공급관,금속관의 표면에 조사되는 레이저 빔을 발생하는 레이저 발생기, 및 레이저 발생기에서 발생된 레이저 빔을 금속관의 표면에 집속하여 조사하고, 그 선단부에 상기 레이저 빔이 조사되는 부위의 금속관 표면에 가스를 고압으로 분사하는 노즐을 가지는 가공헤드를 구비한다.

여기서, 상기 냉각기체는 산소, 질소, 아르곤 또는 공기일 수 있다.

본 발명에 따른 스텐트 제조장치는 상기 가공헤드의 노즐에 인접하여 설치되어 고정 척에 의해 고정되는 금속관의 일단과 반대쪽의 타단을 수평으로 지지하는 보조지지구를 더 구비할 수 있다.

또한, 상기 레이저 발생기는 Nd:YAG 펄스 레이저 발생기인 것이 바람직하다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 스텐트 제조방법은, 스텐트로 가공하고자 하는 금속관의 일단을 그 중심축을 중심으로 회전가능하고 수평방향으로 운동가능하도록 고정하는 단계, 금속관을 회전시키거나 길이방향으로 이동시키면서 금속관의 상기 일단과 반대쪽의 타단에 레이저 빔을 조사함과 동시에 고압의 가스를 분사하여 소정의 패턴으로 천공하는 단계, 및 천공과 동시에 금속관의 내부로 냉각기체를 공급하여 레이저 빔에 의한 천공시 발생하는 열을 냉각시키는 단계를 구비한다.

여기서, 상기 금속관은 스테인레스강, 타이타늄(Ti), 탄탈륨(Ta), 백금(Pt), 이리듐(Ir) 또는 이들중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다.

이와 같이, 본 발명에 따르면 레이저 천공시 발생되는 열을 냉각기체를 이용하여 냉각함으로써 수냉식에 비해 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다. 또한, 외팔보 형식으로 고정되는 금속관의 지지되지 않는 타단을 보조지지구를 이용하여 지지함으로써 가공의 정확성과 정렬의 정확성을 보장할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스텐트 제조장치 및 방법을 상세히 설명한다. 이하의 실시예는 본 발명을 이 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명의 충분한 이해를 돕기 위해 제시되는 것으로서, 본 발명이 이하의 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 요소를 지칭하며, 도면은 설명의 편의 및 명확성을 위해 그 크기가 과장될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스텐트 제조장치의 개략적인 구성을 도시한 정면도이고, 도 4는 그 평면도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 스텐트 제조장치는 레이저 발생기(30), 광학계(32), 가공헤드(34), 고정 척(42), 척 구동부(44), 냉각기체 공급관(46), 수평 테이블(50, 52)을 구비한다. 각 구성요소들의 구체적인 구성 및 동작을 설명하면 다음과 같다.

레이저 발생기(30)는 금속관(40)의 천공에 필요한 레이저 빔을 발생하는 장치로서, 펄스 방식의 Nd:YAG 레이저 발생기인 것이 바람직하고, 그 피크 파워는 금속관(40)이 스테인레스강으로 이루어진 경우, 10∼100 W 정도이고 바람직하게는 50∼60 W가 적절하다. 레이저 발생기(30)에서 발생된 레이저 빔은 집속과 광로 변경을 위한 광학계(32)를 통과하여 가공헤드(34)로 입사한다. 가공헤드(34)는 금속관(40)의 표면에 초점을 맞추어 레이저 빔을 조사하고 가스를 고압으로 분사하여 금속관(40)의 표면을 소정의 패턴으로 천공함으로써 스텐트를 제조한다. 가공헤드(34)는 수직방향(Z축 방향)으로 운동가능하도록 벨로우즈에 의해 광학계(32)와 연결된다.

한편, 스텐트로 가공되는 금속관(40)은 그 일단이 고정 척(42)에 의해 고정되고 그 타단이 가공헤드(34)의 바로 아래에 위치하도록 정렬된다. 금속관(40)의 재질로는 스테인레스강이 바람직하며, 스테인레스강 이외에도 타이타늄, 탄탈륨, 백금, 이리듐 또는 이들중 어느 하나의 금속을 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 금속관(40)이 고정된 고정 척(42)은 회전할 수 있도록 구동부(44) 내부로 삽입된다. 구동부(44)는 컴퓨터 수치 제어(computer numerical control; CNC)에 의해 그 동작이 제어된다.

또한, 고정 척(42)에는 냉각기체를 공급하는 냉각기체 공급관(46)이 연결되어, 금속관(40)의 내부로 냉각기체가 공급되도록 한다. 냉각기체로는 산소가 바람직하며 산소이외에도 질소나 아르곤 또는 공기가 될 수 있다. 이 냉각기체는 냉각기체 펌프(미도시)에 의해 냉각기체 공급관(46)으로 공급된다.

고정 척(42)이 삽입된 구동부(44)는 X축 방향으로 운동할 수 있는 수평 테이블(50)에 장착되고, X축 방향으로 운동가능한 수평 테이블(50)은 Y축 방향으로 운동할 수 있는 수평 테이블(52) 위에 놓여진다. 따라서, 고정 척(42)에 의해 고정된 금속관(40)은, 수평 테이블(50, 52)의 수평 이동과 가공헤드(34)의 수직 이동에 의해, 가공헤드(34)의 바로 아래 소정 거리에 위치할 수 있게 된다.

한편, 참조부호 54는 스텐트의 제조시 금속관(40)의 가공 부산물과 완성된 스텐트가 분산되지 않도록 보호하는 용기로서 가공상태를 육안으로 식별할 수 있도록 투명한 재질로 이루어진다.

또한, 도시하지는 않았지만, 본 실시예의 스텐트 제조장치는 스텐트 패턴의 CAD 데이터에 따라 수평 테이블(50)의 직선 운동과 구동부(44)의 회전운동, 레이저 빔의 조사를 제어하는 제어부와, 금속관(40)의 가공되는 현재 상태를 구동부(44) 및 수평 테이블(50)의 운동으로부터 환산하여 표시하는 표시부를 더 구비할 수 있다.

도 5는 스텐트 제조시의 가공헤드(34)와 금속관(40)의 가공 상태를 보여주는 확대 단면도이다. 도 5를 참조하여 가공헤드(34)의 구체적인 구성과 본 실시예의 스텐트 제조장치의 금속관 가공 동작을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

가공헤드(34)는 그 선단부에 노즐(345)이 형성되고 그 측부에 고압 가스의 주입구(36)가 형성된 하우징(341)과, 하우징(341) 내부에 레이저 빔(38)의 집속을 위한 집속렌즈(343)를 구비한다. 또한, 가공헤드(34)에는 고정 척(42)에 의해 그 일단이 고정된 금속관(40)의 타단을 지지하기 위한 보조지지구(347)가 설치된다. 보조지지구(347)의 중앙에는 금속관(40)의 지름보다 약간 더 큰 지름의 구멍(349)이 뚫려있어, 금속관(40)이 삽입되어 지지되도록 한다. 보조지지구(347)는 가늘고 긴 금속관(40)의 타단이 처지거나 진동하는 것을 방지하는 역할을 함과 동시에, 금속관(40)의 Y, Z축 방향의 정렬이 정확히 이루어지도록 보장한다. 즉, 보조지지구(347)의 중앙에 형성된 구멍(349)은 이미 가공헤드(34)의 선단부 노즐(345)과 수평방향 정렬이 이루어진 상태이고, 노즐(345)과 수직방향으로 소정의 간격(구멍에 금속관이 삽입되었을 때 레이저 빔의 초점이 금속관 표면에 맺히도록 하는 간격)만큼 이격되어 형성되어 있으므로, 수평 테이블(50, 52)과 가공헤드(34)를 적절하게 이동시켜 금속관(40)이 보조지지구(347)의 구멍(349)에 삽입되면 Y, Z축 방향의 정렬이 자동적으로 이루어지게 된다.

한편, 금속관의 정확하고 견고한 고정 및 지지를 위해, 금속관의 일단은 상기와 같은 고정 척으로 고정하고 타단은 도 5에 도시된 바와는 달리, 금속관의 최선단부에 금속관의 내부 지름보다 조금 작은 지름의 고정된 지지봉을 삽입하거나, 금속관의 최선단부에 본 실시예의 보조지지구(347)와 유사한 구조의 고정된 지지구를 구비하여, 고정 척과 상기 지지봉 또는 지지구 사이의 부위의 금속관을 가공하는 방법도 가능하다. 그러나, 이러한 경우, 금속관 가공시의 고정 및 지지 문제는 해결될 수 있으나, 가공이 완료되어 금속관으로부터 완성된 스텐트를 절단해 낼 때 지지의 불안정 문제가 발생하고, 무엇보다도 이러한 방법에서는 금속관과 가공헤드의 정렬의 문제는 여전히 남게된다.

상술한 바와 같이 금속관(40)이 가공헤드(34)의 바로 아래에 정확히 정렬되면, 레이저 빔(38)을 금속관(40)의 표면에 조사하고 가스 주입구(36)를 통해 고압 가스 예컨대, 2.5∼3.5 기압의 산소가스를 화살표 A 방향으로 주입하면, 레이저 빔(38)에 의해 국부가열된 금속관(40)이 노즐(345)로부터 초음속으로 분사되는 가스의 힘에 의해 천공된다. 동시에, 금속관(40)의 내부로는 냉각기체 공급관(46)으로부터 공급된 냉각기체가 화살표 B 방향으로 공급되어 레이저 천공에 의해 발생되는 열을 냉각시킨다. 금속관(40)을 회전시키고 X축 방향으로 이동시키면서 상기와 같은 과정을 거치면 금속관(40)의 선단부에서 스텐트가 완성되어 절단된다.

여기서, 상기의 산소가스와 냉각기체는 미세하고 정확한 레이저 천공을 가능하게 하는 것으로서, 만약 이들이 없다면 금속관(40)의 레이저 빔(38)에 의해 조사된 부위뿐만 아니라 그 인접하는 부위까지 열이 전달되고 결과적으로 미세하고 정확한 천공이 불가능하게 되고 금속관(40)은 타버릴 수 있다.

특히, 본 실시예에서 금속관(40)의 가공부위의 냉각은 냉각기체를 사용한 공냉식으로 수행되는데, 이는 현재 사용되는 수냉식에 비해 다음과 같은 장점을 가진다. 수냉식에 의하는 경우에는 금속관(40)의 냉각시 수증기가 발생하고, 이 수증기는 스텐트 제조장치에 스며들어 수명을 단축시키지만 공냉식의 경우에는 이러한 문제가 없다. 또한, 수냉식에서는 본 실시예의 냉각기체 공급관(46)에 대신하여 냉각수 공급관을 구비하게 되는데, 냉각수 공급관과 고정 척(42)의 연결부위 및 고정 척(42)의 금속관(40) 고정 부위에서 냉각수가 새지 않도록 기밀을 유지하여야 할 필요가 있다. 이는, 고정 척(42)이 삽입된 구동부(44)에 습기가 침투하면 구동부(44) 내에 장착된 미세 제어가 가능한 모터와 모터의 제어 및 신호전달을 위한 전자 부품들이 오동작하거나 동작불능하게 될 우려가 있기 때문이다. 그러나, 공냉식의 경우에는 이러한 염려가 없고 구성이 단순해진다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 레이저 천공에 의한 스텐트의 제조시 냉각을 공냉식으로 함으로써 냉각수에 의해 발생할 수 있는 제조장치의 수명 단축, 오동작 등을 막을 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 고정 척에 의해 고정·지지되지 않는 금속관의 타단을 보조지지구에 의해 지지함으로써, 금속관의 처짐이나 진동을 방지할 수 있고, 가공헤드와 금속관의 정확한 정렬을 손쉽게 이룰 수 있다.

Claims (9)

1. 스텐트로 가공하고자 하는 금속관의 일단을 고정하는 고정 척;

   상기 고정 척을 상기 금속관의 중심축을 중심으로 회전시키는 구동부;

   상기 고정 척과 구동부가 장착되며 수평방향으로 운동가능한 테이블;

   상기 고정 척에 고정된 금속관에 연결되어 상기 금속관의 내부로 냉각기체를 공급하는 냉각기체 공급관;

   상기 금속관의 표면에 조사되는 레이저 빔을 발생하는 레이저 발생기;

   상기 레이저 발생기에서 발생된 레이저 빔을 상기 금속관의 표면에 집속하여 조사하고, 그 선단부에 상기 레이저 빔이 조사되는 부위의 금속관 표면에 가스를 고압으로 분사하는 노즐을 가지는 가공헤드; 및

   상기 가공헤드에 고정되게 설치되어, 상기 고정 척에 의해 고정되는 상기 금속관의 일단과 반대쪽의 타단을 수평으로 지지하는 보조지지구;를 구비하는 것을 특징으로 하는 스텐트 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각기체는 산소, 질소, 아르곤 또는 공기인 것을 특징으로 하는 스텐트 제조장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 발생기는 Nd:YAG 펄스 레이저 발생기인 것을 특징으로 하는 스텐트 제조장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 가공헤드는 수직방향으로 운동할 수 있는 것을 특징으로 하는 스텐트 제조장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제