KR101077213B1

KR101077213B1 - 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법

Info

Publication number: KR101077213B1
Application number: KR1020090038573A
Authority: KR
Inventors: 김규하
Original assignee: 김규하; 주식회사 지앤디윈텍
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2011-10-27
Also published as: KR20100119456A

Abstract

본 발명은 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자빔 용해법을 이용하여 티타늄 분말로 대퇴스템을 제조함으로써 티타늄의 가볍고 강하고 독성이 없고 내식성이 여타 금속들보다 우수한 성질을 그대로 활용하면서도 거기에 제조 방법의 특성상 중공부 및 보강구조물을 형성할 수 있게 되어 더욱 가볍게 하면서도 충분한 강도를 갖도록 대퇴스템을 제조할 수 있는 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법은, 상단부에 인공골두가 결합되는 경부와, 하부로 갈수록 외경이 축소되는 테이퍼 형상을 갖고 대퇴골에 삽입되는 스템부로 구성되는 인공 고관절용 대퇴스템을 제조하는 방법에 있어서, 티타늄 분말이 수용된 용기에 전자빔 용해법에 사용되는 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔의 포커스를 상기 대퇴스템의 형상에 대응되게 이동시켜 상기 티타늄 분말을 용해시킨 후 응고시켜 주괴를 형성하고, 상기 주괴를 상기 용기에서 분리하여 상기 대퇴스템을 제조하되, 상기 대퇴스템에 부분적으로 내부가 빈 중공부를 형성하도록 상기 중공부에 대응되는 상기 대퇴스템의 외주연을 따라 상기 전자빔의 포커스를 이동시켜 외주연이 응고되도록 하고, 상기 중공부에서 외부로 연통되는 배출홀을 형성하여 상기 중공부 내부의 상기 티타늄 분말을 외부로 배출할 수 있도록 상기 전자빔의 포커스를 이동시키는 것을 특징으로 한다.

고관절, 대퇴스템, 티타늄, 전자빔 용해법, EBM

Description

중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법{FEMORAL STEM FORMED HOLLOWNESS PART FOR ARTIFICIAL HIP JOINT}

고관절은 인체에서 골반뼈와 대퇴골을 잇는 관절부위를 말하는 것으로, 관절부위의 마모와 뼈조직의 노화 및 사고로 인하여 회복 불가능한 상태에 놓이는 환자가 점차 증가하고 있는 추세이다.

최근 관절부위의 심각한 손상으로 회복 불가능한 환자에게 인공관절을 대치하는 시술이 널리 행해지고 있다.

일반적인 인공고관절은 비구컵과 라이너를 포함한 비구부분과, 원형의 대퇴골두를 포함하는 대퇴스템으로 크게 구분된다.

도 1은 상기 인공고관절의 원리를 나타낸 부분 단면도로서, 손상된 대퇴골(101) 내부를 파서 대퇴스템(103)의 스템부(131) 부분을 삽입하여 고정하고, 상기 스템부(131)의 끝단 경부(132)에는 대퇴골두의 역할을 하는 인공골두(133)가 장착되며, 골반뼈(104)에는 수 개의 고정나사(151)나 시멘트로 인공비구소켓(105)이 장착된다.

이때 상기 인공비구소켓(105)에는 인너라이너(Inner Liner,106)가 장착되어 상기 인너라이너(106)와 인공 골두(133)인 인너헤드(Inner Head,133)가 맞물려 운동하도록 하는 것이다.

하지만, 종래기술에 따른 인공고관절용 대퇴스템(103)의 제조 방법은 대퇴스템(103) 형상을 갖는 주형에 용융된 금속을 붓고 응고시키는 주조의 방법을 이용하여 제조함으로써 상기 대퇴스템(103)의 내부가 꽉 차게 형성됨으로써 그 중량이 상당할 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

상기 대퇴스템(103)의 중량이 많이 나가게 되면 대퇴부에 무리한 충격이나 하중이 가해져 대퇴부가 상기 대퇴스템(103)에 의해 손상이 가게 되는 문제점이 있게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전자빔 용해법을 이용하여 티타늄 분말로 대퇴스템을 제조함으로써 티타늄의 가볍고 강하고 독성이 없고 내식성이 여타 금속들보다 우수한 성질을 그대로 활용하면서도 거기에 제조 방법의 특성상 중공부 및 보강구조물을 형성할 수 있게 되어 더욱 가볍게 하면서도 충분한 강도를 갖도록 대퇴스템을 제조할 수 있는 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법을 제공하는 데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하고자 본 발명에 따른 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법은, 상단부에 인공골두가 결합되는 경부와, 하부로 갈수록 외경이 축소되는 테이퍼 형상을 갖고 대퇴골에 삽입되는 스템부로 구성되는 인공 고관절용 대퇴스템을 제조하는 방법에 있어서, 티타늄 분말이 수용된 용기에 전자빔 용해법에 사용되는 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔의 포커스를 상기 대퇴스템의 형상에 대응되게 이동시켜 상기 티타늄 분말을 용해시킨 후 응고시켜 주괴를 형성하고, 상기 주괴를 상기 용기에서 분리하여 상기 대퇴스템을 제조하되, 상기 대퇴스템에 부분적으로 내부가 빈 중공부를 형성하도록 상기 중공부에 대응되는 상기 대퇴스템의 외주연을 따라 상기 전자빔의 포커스를 이동시켜 외주연이 응고되도록 하고, 상기 중공부에서 외부로 연통되는 배출홀을 형성하여 상기 중공부 내부의 상 기 티타늄 분말을 외부로 배출할 수 있도록 상기 전자빔의 포커스를 이동시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법은, 상기 중공부에 내측방향으로 돌출된 보강구조물이 형성되도록 상기 전자빔의 포커스를 이동시키는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법은 전자빔 용해법을 이용하여 티타늄 분말로 대퇴스템을 제조함으로써 티타늄의 가볍고 강하고 독성이 없고 내식성이 여타 금속들보다 우수한 성질을 그대로 활용하면서도 거기에 제조 방법의 특성상 중공부 및 보강구조물을 형성할 수 있게 되어 더욱 가볍게 하면서도 충분한 강도를 갖도록 대퇴스템을 제조할 수 있는 효과가 있다.

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법을 보다 상세하게 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템의 분해 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 결합슬리브의 형태에 따른 대퇴스템의 결합된 모습을 도시한 단면도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템 제조 방법에 사용되는 전자빔 용해법의 구현을 위한 장치 구조도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템 제조 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도면을 살펴보면 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템(1)은 스템부(10)와, 경부(20)와, 결합슬리브(30)를 포함하여 구성된다.

상기 스템부(10)는 대퇴골에 길이방향으로 삽입되는 부분으로, 대퇴골에 원활하게 삽입되도록 하부로 갈수록 외경이 축소되는 테이퍼 형상을 갖는다. 상기 스템부(10)가 대퇴골에 삽입되면 대퇴골에서 분비되는 골수에 의해 대퇴골에 응결 고착되게 된다.

한편, 상기 스템부(10)는 티타늄 재질로 이루어지고, 슬리브삽입홈(11)과, 중공부(12)와, 보강구조물(13)이 형성된다.

상기 대퇴스템(1)은 전체적으로 경량이면서도 충분한 강도를 갖도록 제작되는 것이 유리한데, 이를 위해 비중은 4.51g/㎤ 으로 철강의 약 60%이며, 강도는 철강과 유사한 값을 갖음으로써 비강도(강도/비중)가 큰 티타늄으로 상기 스템부(10)를 제작하는 것이다.

상기 슬리브삽입홈(11)은 상기 스템부(10)의 상단면에 형성되는데 상기 슬리브삽입홈(11)에 상기 결합슬리브(30)가 삽입되어 고정되게 된다.

상기 중공부(12)와 상기 보강구조물(13)을 형성하는 이유는 상술한 바와 같이 상기 스템부(10)를 티타늄 재질로 하여 경량이면서도 충분한 강도를 갖도록 한 것에 더하여 내부에 상기 중공부(12)를 형성하여 더욱 가볍게 하면서도 상기 보강구조물(13)을 형성하여 충분한 강도를 갖도록 하고자 함이다.

종래기술에 따른 상기 대퇴스템(1)을 제조하는 방법은 주형에 용융된 금속을 붓고 응고시키는 주조의 방법을 이용하였으나, 상기와 같은 주조의 방법으로는 상 기 중공부(12)와 상기 보강구조물(13)을 형성할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템(1)을 제조하기 위해서는 새로운 방법이 강구되어야 하는데, 이를 위해 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템(1) 제조 방법은 도 4에 도시된 전자빔 용해법(EBM, Electron Beam Melting)의 구현을 위한 장치에 의해 제조된다.

본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템(1)의 제조 방법을 살펴보면 용기(100)에 티타늄 분말(Ti)을 담고, 그 상부의 전자빔생성장치(200)에서 상기 용기(100)를 향해 전자빔(B)을 조사하게 된다.

상기 전자빔생성장치(200)의 작동원리는 2500℃로 가열된 필라멘트(210)에서 전자가 방출되고, 방출된 전자는 광속 판 양극(220)을 통과하며 가속된다.

가속된 전자는 자기장렌즈(230)와 편향판(240)을 통과하며 전자빔(B)의 형태로 조사되는데, 상기 자기장렌즈(230)와 상기 편향판(240)은 상기 전자빔(B)의 포커스를 이동시키는 역할을 한다.

상기 용기(100)에 담긴 티타늄 분말(Ti)에 상기 전자빔(B)의 포커스가 맞춰지면 그 부분에 위치한 티타늄 분말(Ti) 입자의 운동에너지를 가속화 시키고, 입자들의 운동에너지가 열에너지로 바뀌면서 티타늄 분말(Ti)은 용융된 후 응고되게 된다.

상기와 같은 원리를 이용하여 상기 전자빔(B)의 포커스를 제조하고자 하는 형상에 맞게 3차원으로 이동시키면서 스캔방식으로 상기 대퇴스템(1)을 제조하는 것이다.

상기의 제조 방법으로 상기 대퇴스템(1)을 일체형으로 제작할 수도 있지만, 본 발명의 일실시예에서는 상기 대퇴스템(1)이 스템부(10)와, 경부(20)와, 결합슬리브(30)로 나뉘어서 상호 결합되어 구성되므로 상기 스템부(10)만을 상기의 전자빔 용융법을 이용한 제조 방법으로 제조하였다.

상기 스템부(10)를 제조함에 있어서는 상기 중공부(12) 및 상기 보강구조물(13)을 형성할 수 있도록 도 5에 도시된 바와 같이 상기 전자빔(B)의 포커스를 상기 스템부(10)의 외주연의 형상을 따라 이동시켜 상시 스템부(10)의 외주연이 응고되도록 하여 상기 중공부(12)를 형성함과 동시에 상기 전자빔(B)의 포커스를 상기 중공부(12)에 소정의 형상으로 예를 들면 트러스 형상으로 이동시켜 응고된 부분이 상기 보강구조물(13)이 되도록 하는 것이다.

상기 보강구조물(13)은 도면에 도시된 바와 같이 트러스구조물이 될 수 있고 내측으로 돌출된 보강리브가 될 수도 있음은 물론이다.

상기 응고된 스템부(10)를 상기 용기(100)에서 분리하는 경우에는 상기 스템부(10) 내부에서 상기 전자빔(B)의 포커스가 맞춰지지 않아 아무런 반응을 일으키지 않았던 상기 티타늄 분말(Ti)은 상기 중공부(12)의 하단부에 형성된 배출홀(121)을 통해 배출됨으로써 상기 스템부(10)가 제조되게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템(1) 제조 방법으로 제조된 상기 스템부(10)의 표면은 도 5의 부분확대부분에서 살펴보는 바와 같이 전자빔 용해법(EBM)이라는 제조 방법의 특성상 표면이 거칠게 형성되는데, 이는 상기 스템부(10)가 대퇴골에 삽입되었을 경우 슬립(slip)되어 빠져나오지 않게 하는 역할을 하므로 바람직한 표면 가공의 형태가 된다고 할 것이다.

상기 경부(20)는 상단부에 인공골두가 결합되는 부분으로 티타늄 재질로 이루어지고, 하단면에 하부로 돌출된 끼움돌기(21)가 형성되어 하단면이 상기 스템부(10)의 상단면과 마주보도록 위치된다.

상기 경부(20)를 티타늄 재질로 하는 이유는 상기 스템부(10)에서 설명한 바와 동일하고, 상기 경부(20)을 제조하는 방법은 본 발명의 일실시예에서의 상기 스템부(10)를 제조하는 방법과 같이 전자빔 용해법(EBM)을 이용할 수도 있고, 내부에 상기 스템부(10)의 중공부(12)와 같은 형상이 없으므로 주조의 방법으로도 제조할 수도 있다 할 것이다.

상기 끼움돌기(21)는 상기 결합슬리브(30)의 돌기끼움홈(31)에 끼워져 결합되게 된다.

상기 결합슬리브(30)는 스틸재질로 이루어져 상기 스템부(10)와 상기 경부(20)가 상호 결합되도록 연결하는 역할을 하는 것으로 상기 스템부(10)의 슬리브삽입홈(11)에 삽입되어 고정되고, 상단면에는 상기 경부(20)의 끼움돌기(21) 형상의 돌기끼움홈(31)이 형성되어 있다. 상기 돌기끼움홈(31)에 상기 끼움돌기(21)가 끼워지면 상기 스템부(10)와 상기 경부(20)가 상호 결합되며 연결되는 것이다.

상기 결합슬리브(30)는 상기 스템부(10) 및 상기 경부(20)와 달리 티타늄 재질이 아닌 스틸 재질로 하는 이유는 티타늄 재질 상호간에는 마찰에 의해 마모가 일어나는 경향이 심하나 스틸 재질과 마찰되는 경우에는 마찰에 의한 마모가 거의 일어나지 않기 때문에 상기 스템부(10)와 상기 경부(20) 사이에 개재되는 상기 결 합슬리브(30)를 스틸재질로 하는 것이다. 상기 결합슬리브(30)에 사용되는 스틸의 종류는 의료분야에서 사용되는 녹이 슬지 않는 스테인리스 스틸 재질로 하는 것이 바람직하다 할 것이다.

한편, 상기 결합슬리브(30)는 도 3에 도시된 바와 같이 상기 경부(20)와 상기 스템부(10)가 이루는 경부경사각(α)에 따라 상기 돌기끼움홈(31)의 길이방향이 상기 스템부(10)의 길이방향과 소정의 결합경사각(β)을 갖게 된다.

즉, 종래에는 상기 대퇴스템(1)이 일체형으로 이루어짐으로써 경부경사각(α)이 고정됨으로써 이를 대처하기 위해서는 다양한 경부경사각(α)을 갖는 다수의 대퇴스템(103)을 보유하여야 하는 문제점이 있었는데, 본 발명의 일실시예에서는 도 3에 도시된 바와 같이 경부(20)와 스템부(10)가 이루는 경부경사각(α)에 따라 상기 결합슬리브(30)에 형성된 상기 돌기끼움홈(31)의 결합경사각(β,β',β")을 달리하여 상기 결합슬리브(30)의 교체만으로 경부경사각(α,α',α")을 달리하여 다양한 환자에게 시술할 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 3의 첫번째 도면에 도시된 바와 같이 결합경사각(β)은 0°일때, 상기 경부경사각(α)은 135°가 되도록 하는 것이 바람직하다.

왜냐하면, 통상의 사람은 상기 경부경사각(α)이 120° ~ 145°범위내에서 이루어지기 때문이다.

상기와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템(1)은 스템부(10)와, 경부(20)와, 결합슬리브(30)의 조립식으로 되어 상기 스템부(10)를 대퇴골에 삽입한 후 경부(20)를 인공골두에 결합한 상태로 상기 결합슬리브(30)를 매개로 상기 스템 부(10)에 연결하는 방법으로 시술이 이루어져, 상기 대퇴스템(1)을 대치하기 위한 피부의 연부조직을 절개시 약 5Cm정도로 소폭으로 절개하여도 수술이 가능하게 되고, 수술이 간편함과 아울러 연부조직의 손상을 적개함으로써 수술 후 환자의 회복속도를 단축시킬 수 있게 되는 것이다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

도 1은 인공고관절의 원리를 나타내는 부분 단면도

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템의 분해 사시도

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 결합슬리브의 형태에 따른 대퇴스템의 결합된 모습을 도시한 단면도

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템 제조 방법에 사용되는 전자빔 용해법의 구현을 위한 장치 구조도.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 대퇴스템 제조 방법의 흐름을 개략적으로 도시한 단면도

<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>

1 대퇴스템

10 스템부

11 슬리브삽입홈

12 중공부

121 배출홀

13 보강구조물

20 경부

21 경부

22 끼움돌기

30 결합슬리브

31 돌기끼움홈

Claims

상단부에 인공골두가 결합되는 경부와, 하부로 갈수록 외경이 축소되는 테이퍼 형상을 갖고 대퇴골에 삽입되는 스템부로 구성되는 인공 고관절용 대퇴스템을 제조하는 방법에 있어서,

티타늄 분말이 수용된 용기에 전자빔 용해법에 사용되는 전자빔을 조사하고, 상기 전자빔의 포커스를 상기 대퇴스템의 형상에 대응되게 이동시켜 상기 티타늄 분말을 용해시킨 후 응고시켜 주괴를 형성하고, 상기 주괴를 상기 용기에서 분리하여 상기 대퇴스템을 제조하되,

상기 대퇴스템에 부분적으로 내부가 빈 중공부를 형성하도록 상기 중공부에 대응되는 상기 대퇴스템의 외주연을 따라 상기 전자빔의 포커스를 이동시켜 외주연이 응고되도록 하고, 상기 중공부에서 외부로 연통되는 배출홀을 형성하여 상기 중공부 내부의 상기 티타늄 분말을 외부로 배출할 수 있도록 상기 전자빔의 포커스를 이동시키고,

상기 중공부에 보강구조물이 형성되도록 상기 전자빔의 포커스를 이동시키는 것을 특징으로 하는 중공부가 형성된 인공 고관절용 대퇴스템 제조 방법.
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