KR100375761B1 - 발열 가이드와이어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가이드와이어 관한 것으로, 내강에 삽입되는 가이드와이어에 있어서, 자기적 성질을 가지는 선재를 열처리하여 코일형태로 형성시키고, 외부자기장의 변화에 의해 자체적으로 열이 발생되어 발열됨을 특징으로 하는 발열 가이드와이어를 기술적 요지로 한다. 상기 선재는 듀플렉스 스테인레스, 니켈-구리합금, 철-니켈합금, 팔라듐-니켈합금, 팔라듐-코발트 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로 구성되어 200℃∼1500℃에서 열처리되어 최대발열온도가 30℃∼200℃가 된다. 이에 따라, 상기 발열 가이드와이어는 카테터의 인체내강내 삽입을 안전하고 용이하게 함과 동시에 외부의 전기 접속없이 외부자기장을 인가시키면 발열 가이드와이어가 자체 발열되어 종양조직의 괴사를 유발시키거나 내강 주변조직의 생리적 기능을 변화시켜 질환의 치료효과를 상승시키는 이점이 있다.

Description

발열 가이드와이어{thermo guidewire}

본 발명은 가이드 와이어에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 환자 신체의 내강에 삽입되어 카테터가 용이하고 안전하게 삽입되도록 보조함과 동시에 외부와의 전기적인 접속없이 외부자기장과 상호작용하여 자체적으로 발열되어 생체시술부의의 온도를 일정한 수준으로 유지시킴과 동시에 특정부위를 치료시키는 가이드 와이어에 관한 것이다.

일반적으로 심장등의 혈관내에 카테터(catheter)를 도입할 때, 카테터의 삽입을 안전하게 하기 위하여 사용되는 것이 가이드와이어이다. 상기의 가이드와이어는 다양한 형태가 소개되었다.

그 중에서 일본국 특공평4-25024호, 특공평7-10280호, 87858호, 일본국 특개평2-4390호, 일본국 특개평5-92044호 및 대한민국특허청 등록특허공보 등록번호10-188237호에 가이드와이어의 실시예가 소개되어 있다.

상기의 종래기술은 카테터를 인체의 치료하고자 하는 내강에 삽입시키는 방법으로 가이드 와이어를 이용하였으며, 가이드와이어의 구조를 다양하게 변형하여 카테터를 용이하게 삽입하는 구조로 구성되었다.

그러나 상기의 종래기술은 가이드와이어가 단지 카테터를 삽입시키는 보조기구로만 이용되었으며, 따라서 특정부위를 치료하고자 하는 경우에는 치료용 목적을 가진 카테터를 삽입하여서만 치료가 가능하였으므로 삽입된 가이드와이어는 아무 역할도 하지 못하고 도로 제거시켜야만 하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 인체내부의 내강에 삽입되어 카테터의 삽입을 안전하고 용이하게 할 뿐만 아니라, 외부와의 전기적인 접속없이 외부자기장의 영향에 의하여 자체적으로 발열되어 생체시술부의의 온도를 일정한 수준으로 유지하여 주변조직의 괴사나 생리적 기능을 변화시켜 치료효과를 향상시키는 가이드와이어를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1 - 발열량 측정장치도.

도2 - 열처리온도에 따른 단위무게, 단위시간당 발열량을 나타낸도.

도3 - 열처리된 듀플렉스 스테인레스 와이어의 직경에 따른 단위무게, 단위시간당 발열량을 나타낸도.

도4 - 도1의 장치를 이용한 온도측정에 대한 중심거리별 온도차 분포를 나타낸도.

도5 - 가이드와이어의 발열에 의해 단백질변성이 발생된 돼지간을 보인도.

도6 - 튜브가 설치된 가이드와이어의 발열에 의해 단백질변성이 발생된 돼지간을 보인도.

도7 - 철 - 니켈합금에서 니켈의 함량에 따른 투자율 변화를 나타낸도.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

100 : 챔버 110 : 시편

120 : 단열재 130 : 자기장발생부

140 : 전원공급부

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내강에 삽입되는 가이드와이어에 있어서, 자기적 성질을 가지는 선재를 열처리하여 코일형태로 형성시키고, 외부자기장의 변화에 의해 자체적으로 열이 발생되어 발열되는 발열 가이드와이어를 기술적 요지로 한다.

여기서, 상기 선재는 듀플렉스 스테인레스, 니켈-구리합금, 철-니켈합금, 팔라듐-니켈합금, 팔라듐-코발트 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 선재는 200℃∼1500℃에서 열처리되어 최대발열온도가 30℃∼200℃가 되도록 구성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 카테터의 삽입을 안전하고 용이하게 함과 동시에 외부자기장의 변화에 의해 자체 발열됨에 의해 생체시술부위의 종양조직 괴사를 유발시키거나 내강 주변조직의 생리적 기능을 변화시켜 질환의 치료효과를 상승시키는 이점이 있다.

본 발명에 대해 상세히 설명하기 전에 본 발명의 자성체가 발열되는 내용에대한 이론적 배경을 고찰해 보기로 한다.

본 발명에 따른 자성체가 발열되는 경우는 크게 두가지로 생각갈 수 있다.

첫째는 자계의 변화에 의한 와전류 즉, 맴돌이 전류에 의해 발생되는 와전류손에 의해 발생되는 열과, 둘째, 자성체로 형성된 자기회로에서 발생되는 히시테르시스손에 의해 발생되는 열이다.

상기 와전류는 일반적으로 도체내를 관통하는 자속이 변화하던가 또는 자속과 도체가 상대적으로 운동하여 도체내의 자속이 시간적으로 변화를 일으키면 이 변화를 막기위하여 도체내에 국부적으로 형성되는 임의의 폐회로를 따라 전류가 유도되는 데 이 전류를 와전류라고 한다. 상기의 와전류가 발생되면 정상전류분포에 영향을 주게되며 동시에 와전류에 의한 주울열이 발생되어 전력의 손실을 유발하게 되어 와전류손이 발생된다.

반지름이 a, 길이 l, 체적V(=πa²l), 저항률 ρ를 갖는 원주의 축방향으로 자속밀도 B=sinωt의 자계를 가했을 때 반지름 r(＜a)의 단면적을 관통하는 자속 Φ는 Φ=лr²B_msinωt이므로 원주방향으로 유기되는 기전력은

로 되므로 반지름 r의 위치에 다른 미소두께 dr인 원통을 고려하면 이원주에흐르는 와전류 di에 대한 저항 dR = 2πrρ/ldr로 주어진다. 따라서,

이므로 와전류 I는 아래의 식과 같이 주어진다.

이때 전류의 실효값 I_e

로 표시된다. 따라서 두께 dr의 원통 중에서 손실되는 전력 dp는 dp = (dl)²dR = (π/2ρ)ω²lB²cosωtr³dr이므로 손실된 전력 P는 아래와 같이 주어진다.

로 주어지며, 반주기에 대한 평균전력 P_m은

로 표현 할 수 있다.

그리고 평균전력 P_m은 와전류에 의해 발생되는 와전류손 P_e와 동일한 바, 단위체적당 발생되는 와전류손은

P_e∝ σf²B_m ²[w]

로 나타난다. 여기서 σ[mho/m]는 철심의 전도율이고, f[Hz]는 주파수이며, B_m[wb/m²]은 최대자속밀도이다.

다음은 자기회로에서 발생되는 히스테리시스손에 관한것으로, 자기회로의 일부에 코일을 감고 전류를 흘리면 직류회로의 기전력에 해당되는 기전력이 발생되고 전기저항에 상당하는 것이 자기저항으로서 자성체에 자기저항을 형성시킨다.

길이 l, 단면적 S 및 투자율 μ의 자성체내의 자계를 H_m이라 하면 자성체내의 자속밀도는 B_m= μH_m으로 주어지므로 단면 S를 통과하는 자속은 아래의 식과 같이 주어진다.

Φ= B_mS = μH_mS[wb]

자성체의 양단간의 자위차는

U = H_ml

로 주어지고 자위차 U를 자속 Φ로 나누면

R_m= U/Φ = l/(μS)[AT/wb]

로 주어진다. 여기서 R_m은 자기저항이고 단위는 [AT/wb]이다.

따라서 자성체의 자기저항은 길이 l에 비례하고 투자율 μ와 단면적 S의 곱에 반비례한다. 그리고 자기저항 R_m의 역수를 퍼미넌스(permenance)라 한다.

따라서 위의 식에서 다음식이 얻어진다.

U = R_mΦ[AT]

이것을 자기회로에 있어서의 옴의법칙이라하며 자성체내의 에너지밀도는 아래와 같이 주어지므로

w = 1/2 H_mR_m

이므로 자성체 전체에 축적되는 에너지 W는 에너지밀도 w에 자성체의 체적을 곱하면 얻어진다. 즉

W = wlS = 1/2 H_mlB_mS

로 주어지게 되어 히스테리시스손을 의미하게된다.

따라서 자성체내에서의 히스테리시스손은 자속이 통과하는 자성체의 체적에 비례함을 알 수 있다.

위에서 본 바와 같이 자성체인 경우에는 외부자기장의 영향에 의해 와전류손과 히스테리시스손이 발생되어 자성체 자체가 발열됨을 알수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 상세히 설명한다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 발열 가이드와이어는 코일형상이며 내강내에 삽입되어 카테터의 내강내 삽입을 용이하게 함과 동시에 내식성이 우수하고 생체적합성을 가지며, 200℃∼1500℃에서 어닐링하여 α상과 γ상 또는 마르텐사이트 상을 가지는 듀플렉스 스테인레스 스틸, 니켈-구리합금, 철-니켈합금, 팔라듐-니켈합금 및 팔라듐-코발트합금등의 와이어가 이용된다.

상기 코일형상의 발열 가이드와이어 형성은 소정길이를 가지는 와이어를 이용하여 코일형태로 감아 유연성이 있도록 구성시킨다.

여기서 상기 듀플렉스 스테인레스 스틸와이어인 경우, α상과 마르텐사이트 상은 자성체상을 나타내며 γ상은 비자성체 상을 나타낸다.

상기 자성체상 및 비자성체상의 도메인포션은 상기의 열처리 과정에 의해 조절된다. 즉, 상기 열처리과정을 거침에 의해 상기 자성체 물질내부의 자성체상과 비자성체상의 도메인 포션을 조절시키게 된다.

상기 α상 및 마르텐사이트 상은 자성체상을 나타내는 바, 상기 α상과 마르텐사이트상 도메인에서는 외부자기장의 변화에 의해 와전류손 및 히스테리시스손에 의한 발열이 병행됨에 의해 발열량이 많아지며 γ상인 경우 비자성체상을 나타내게되어 상기 γ상의 도메인에서는 와전류손에 의한 발열만이 존재하므로 발열량이 적어진다.

따라서 본 발명의 듀플렉스 스테인레스 스틸에서는 상기 자성체상과 비자성체상의 도메인 포션을 열처리과정을 통하여 조절시킴에 의해 와이어에서 발열되는 발열량을 제어시킨다.

또한 상기 철-니켈 합금인 경우에는 니켈함량을 변화시키거나 상기온도에서 열처리함에 의해 자성체의 투자율이 변화된다. 외부자기장이 가해지는 경우 자기장의 변화에 따라 발열량을 제어 할 수 있다는 것이다.

이하에서는 듀플렉스 스테인레스 스틸로 제작되는 발열 가이드와이어에 대해 설명한다.

상기 듀플렉스 스테인레스 스틸와이어로 제작된 발열 가이드와이어는 자성천이온도이하에서는 위에서 설명한 바와 같이 α상 및 마르텐사이트 상인 자성체 상이 존재하게 높은투자율을 나타내어 외부자기장이 가해지는 경우 많은 양의 발열을 하게 되며, 자성천이온도이상이 되면 비자성체상인 γ상만이 존재하게 되어 발열 가이드와이어는 더 이상 가열되지 못하고 냉각이 된다. 냉각이 진행되면 발열 가이드와이어는 잃어버렸던 자성 즉 자성체상으로 상전이 되어 투자율을 회복하게 되고 발열 가이드와이어는 재가열되어 온도가 상승하게 된다. 이러한 과정이 반복되면서 가이드와이어는 일정한 온도를 유지하게 된다. 이하 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

< 제1실시예 >

본 발명의 제1실시예에서는 가이드와이어의 발열특성에 관한 것이다.

먼저 가이드와이어를 제작하기에 앞서, 듀플렉스 스테인레스 스틸 와이어의 열처리 온도 및 직경에 따른 발열특성을 살펴보기로 한다.

도1은 발열량 측정장치도로서, 챔버(100) 내부에 수직되게 시편(110)이 위치되며, 챔버(100)내부에는 증류수가 충전된다. 그리고 챔버(100)외부는 단열재(120)로 감싸지며 챔버(100)와 소정이격되어 자기장 발생부(130)가 상기 챔버(100)를 감싸는 형태로 설치되어 전원공급부(140)의 전원을 공급받아 자기장을 발생시킨다.

상기 자기장 발생부(130)의 동작에 의해 상기 시편(100)에는 자체열이 발생되어 가열되었다. 온도측정은 열전대를 이용하여 4군데에서 온도데이터를 획득하여 평균값을 낸것이다.

먼저 열처리온도에 따른 발열특성에 대해 알아보기로 한다.

도2는 직경이 0.16mm인 듀플렉스 스테인레스 스틸와이어의 열처리 온도에 따른 단위무게, 단위시간당 발열량을 나타낸도로서, 열처리 하지 않은 스테인레스 스틸와이어와, 300, 500, 700, 800, 900, 1100, 1300℃에서 열처리한 와이어의 발열특성에 대한결과이다. 열처리가 되지 않은 스테인레스 와이어가 단위시간, 단위무게당 발열량이 최대인 것을 알 수 있으며, 열처리 온도가 높아질수록 발열량이 감소됨을 알 수 있다.

도3에서 보는 바와 같이, 본 발명에 사용되는 열처리된 듀프렉스 스테인레스 스틸 와이어는 온도가 상승함에 따라 발열되는 양이 감소함을 알 수 있으며, 이것은 상기 스테인레스 스틸 와이어가 자성천이온도에 근접하게 되면서 발열량이 줄어드는 것이다.

또한, 특정온도에서의 발열량은 와이어의 직경이 굵으면 크다는 것을 알 수 있다. 상기의 현상은 위에서 살펴본 바와 같이 히스테리시스손이 와이어의 단면적에 비례하므로 나타나는 현상이다.

다음 소정길이와 직경을 가지는 듀플렉스 스테인레스 와이어를 이용하여 가이드와이어가 제작되는 바, 먼저 가이드와이어 제작은 상기에서 설명한 열처리 과정을 거친 듀플렉스 스테인레스 재질로 제작되며, 상기 열처리된 듀플렉스 스테인레스 와이어를 코일형태로 감음에 의해 제작된다.

상기의 방법을 제작된 가이드와이어를 이용하여 발열특성 및 발열속도를 측정한 바, 가이드와이어의 직경이 굵을수록 최대온도가 높다는 것을 알 수 있었다. 즉 발열량이 많았으며, 직경이 클수록 발열속도가 대체로 빠르게 나타났으며, 상기의 결과는 위에서 살펴본 바와 같이 히스테리시스손이 와이어의 단면적에 비례하므로 나타나는 현상이다.

따라서 위에서 살펴본 바와 같이 소정의 열처리 과정을 거친 와이어를 이용하여 제작된 가이드와이어는 직경에 따라서 외부자기장에 반응하여 나타나는 최대발열온도가 달라지며, 직경을 조절시킴에 의해 사용자가 원하는 최대발열온도를 제어할 수 있다는 것을 의미한다. 즉, 치료하고자하는 부위의 온도를 유지할 수 있다는 의미이다.

< 제2실시예 >

본 발명의 제2실시예에서는 상기에서 제작된 가이드와이어를 이용한 동물실험에 관한 것이다. 즉, 상기와 같이 제작된 가이드와이어를 온열치료에 이용하기 위하여 돼지간에서의 발열특성에 관하여 실험한 것이다.

본 발명의 동물실험은 도1에 도시된 장치를 이용하여 시행되며, 챔버(100) 내부에 돼지간이 위치됨과 동시에 증류수가 충전된다.

그리고 상기 돼지간에는 가이드와이어의 크기에 대응되는 크기의 공간을 형성시켜 공간부 내부에 가이드와이어가 삽입설치되고 상기 돼지간은 삽입된 가이드와이어가 수직방향으로 되도록 놓여진다. 또한 챔버(100)외부는 단열재(120)로 감싸지며 챔버(100)와 소정이격되어 자기장 발생부(130)가 상기 챔버(100)를 감싸는 형태로 설치되어 전원공급부(140)의 전원을 공급받아 자기장을 발생시킨다.

상기 자기장 발생부(130)의 작동에 의해 상기 가이드와이어는 외부자기장의 영향에 의해 자체에 열이 발생되어 가열되었다. 온도측정은 열전대를 이용하여 7군데에서 온도데이터를 획득하여 온도를 측정하였다. 상기 7군데의 온도측정은 가이드와이어의 중심 및 중심으로 부터 3,6,9,12,15,18인 7곳의 온도를 측정하였다.

상기 발열 가이드와이어의 제작은 다양한 직경을 가지는 것 중에서 현재임상에서 가장 널리사용되는 직경으로 제작되었다. 즉, 가이드와이어의 직경이 0.87mm이고, 길이는 46cm가 되도록 제작되었다.

발열실험은 위에서 제작된 발열 가이드와이에 튜브를 씌운것과 씌우지 않은것 두가지를 이용하여 발열특성을 조사하였다.

표1는 상기 발열 가이드와이어의 온도측정에 의한 결과를 나타낸표이다.

여기서, 온도차 = 최종온도 - 최초온도이고, 채널1은 중심의 온도에 대한 결과이고 채널 2,3,4,5,6,7은 각각 중심으로 부터 3,6,9,12,15,18mm 떨어진 지점의 온도측정결과이다.

그리고 도4는 온도측정에 대한 중심거리별 온도차 분포를 나타낸도이다.

표1 및 도4에서 보는 바와 같이, 튜브를 한 경우와 튜브를 하지 않은 경우의 발열은 큰 차이를 보이지 않았으며, 발열 가이드와이어의 발열은 끝부분보다는 바디부분에서 많음을 알 수 있었다. 따라서 온열치료를 하기위해서는 바디부분을 이용하여야 된다는 것이다.

도5 또는 도6에 도시된 바와 같이, 본원 발명에 따른 가이드와이어에 의해 돼지간의 단백질 변성이 일어났으며, 가이드와이어 삽입부위에서 멀어짐에 따라 변성정도가 줄어듬을 알 수 있다. 그리고 변성정도는 위에서 설명한 바와 같이 가이드와이어의 바디부분에서의 변성정도가 끝부분에서의 변성정도보다 큼을 알 수 있다.

상기에서 본 바와 같이, 본원 발명에 따른 가이드와이어는 열처리 온도 및 와이어의 직경을 제어시킴에 의해 온도를 제어 시킬 수 있다.

상기의 구성에 의한 작동효과는 후술하는 바와 같다.

먼저 사용자는 소정의 길이를 가지는 듀플렉스 스테인레스 와이어를 소정길이로 절단한다. 상기 절단된 외이어를 200℃∼1500℃에서 어닐링하면 자성체상인α상과 마르텐사이트 상의 도메인 포션과 비자성체상인 γ상의 도메인 포션이 변화되어 투자율이 변화되며, 자성천이온도가 변하게 되어 외부자기장 인가시 발열온도가 30℃∼200℃를 유지하는 듀플렉스 스테인레스 와이어가 완성된다. 즉, 상기 듀플렉스 스테인레스 와이어를 열처리함에 의해 발열온도의 제어가 가능하다.

상기 절단된 와이어를 이용하여 코일형상으로 감음에 의해 발열가이드와이어가 제작된다.

한편 위에서는 와이어를 절단하여 열처리 한 후에 가이드와이어를 구성하는 형태로 설명하였으나, 와이어를 절단하여 가이드와이어를 제작한 다음 열처리를 하여도 동일한 결과가 나타났다.

상기 완성된 가이드와이어를 치료하고자 하는 인체내부의 내강에 삽입시킨 후 상기 가이드와이어를 통하여 카테터를 내강내부로 안정되게 삽입시킬 수 있다. 그리고 가이드와이어가 삽입된 내강주위에 외부자기장을 가해줌과 동시에 외부자기장을 변화시키게 되면 상기 가이드와이어가 외부자기장의 영향에 의해 발열되어 소정의 온도에 도달하게 된다. 따라서 온열치료에 의래 내강내부의 종양조직의 괴사를 유발시키거나 내강 주변조직의 생리적 기능을 변화시켜 질환의 치료효과를 상승시킨다.

다음은 철-니켈 합금으로 형성된 스틸와이어로 제작된 가이드 와이어에 관한 것이다.

상기 철-니켈합금인 경우에도 위에서 설명한 바와 같은 동일 한 열처리 과정을 거치게 되며, 동일한 형태의 가이드와이어를 제작하였다.

도7에 도시된 바와 같이 열처리 과정을 거친 철-니켈 합금인 경우에 니켈함량이 증가함에 의해 투자율이 커짐을 알 수 있다. 즉, 니켈함량이 증가하면 발열량이 상대적으로 많다는 것을 의미한다.

또한 특정온도에 도달하게 되면 투자율이 급격히 감소하게 됨을 알 수 있으며, 이것은 철-니켈합금의 자성천이온도에 도달함을 알 수 있다. 즉, 자성천이온도에 도달하기까지는 철-니켈합금이 외부자기장에 의해 발열된다는 것을 의미하며자성천이온도에 도달하면 발열량이 급격히 감소한다는 것을 의미한다.

따라서 상기의 성질를 가지는 철-니켈합금을 이용하여 가이드와이어를 제작한 결과 위에서 설명한 듀플렉스 스테인레스 스틸와이어로 제작된 가이드와이어와 거의 유사한 성질을 가지는 것으로 나타났다.

상기의 구성에 의한 본 발명은 내강내부에 삽입되어 카테터의 내강내 삽입을 안전하고 용이하게 함과 동시에 외부와의 전기 접속없이 외부자기장에 반응하여 발열됨에 의해 종양조직의 괴사를 유발시키거나 생체조직의 생리적 변화를 유발시켜 치료기능을 발휘하는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 내강에 삽입되는 가이드와이어에 있어서,

   자기적 성질을 가지는 선재를 열처리하여 코일형태로 형성시키고, 외부자기장의 변화에 의해 자체적으로 열이 발생되어 발열됨을 특징으로 하는 발열 가이드와이어.
2. 제1항에 있어서, 상기 선재는 듀플렉스 스테인레스, 니켈-구리합금, 철-니켈합금, 팔라듐-니켈합금, 팔라듐-코발트 합금으로 구성되는 그룹 중 하나로 구성됨을 특징으로 하는 발열 가이드와이어.
3. 제1항에 있어서, 상기 선재는 200℃∼1500℃에서 열처리됨을 특징으로 하는 발열 가이드와이어.
4. 제1항에 있어서, 상기 발열 가이드와이어는 최대발열온도가 30℃∼200℃가 됨을 특징으로 하는 발열 가이드와이어.