KR101107274B1 - 요추 인공 디스크용 나사 고정체 - Google Patents

Abstract

본 고안은 요추에서 전체 인공디스크 대치에 따른 디스크 판(28)과 고정체(17,18,19)에 대한 것이다. 디스크 판에 4개의 너트 구멍(29)을 낸 후, 고안된 나사로써 추골과 디스크를 확실하게 고정하는 방법을 제시하였다. 이 조립형 나사는 크기가 작기 때문에 인체의 디스크 높이처럼 매우 좁은 공간에서도 작업이 가능하고, 연속적인 체결이 허용되므로 추골 속 식립 깊이를 조절할 수 있으며, 3가지 다른 형태의 나사 부분들(17,18,19)로 구성된다. 밑 나사 부분(17,bottom part)은 척추에 최소한의 구멍 내기 후에도 자가 식립이 가능한 구조이며 이 부분의 내측 나사 부위와 체결되는 중간 부분(18,middle part)은 외측 나선이 있어 2-3개의 연속적인 식립이 가능하다. 머리 부분(19,top part)은 중간 부분 위로 조립이 되며 제작된 육각 렌치로 조여서 디스크 판의 돌출부의 나선과 체결이 된다. 따라서 밑 나사와 환자의 골 질에 맞도록 2-3개의 중간 나사부를 조립하고 각각 회전력에 의하여 식립하고, 디스크 판(일반적으로 볼과 소켓 또는 이동 볼 등이 위로 조립되어 진다)을 식립 나사 위의 종판에 놓은 후, 머리 나사의 나사부(15)와 디스크판 나사부(29)를 체결하여 완료한다. 따라서 디스크 판(28)을 추골(1)에 확실하게 고정할 수 있는 장점이 있으며, 인공 디스크가 고정되어야 할 표면, 즉 대부분 매우 불균일한 면을 나타내는 인체 종판의 경우에도 최소한의 면 고르기 후 디스크 고정을 하기 때문에 추골의 강도 손실이 적을 뿐 아니라, 식립 깊이를 추골의 골밀도가 갖는 강도에 맞추어 조절할 수 있는 수술의 용이성도 갖추고 있다.

요추용 인공디스크, 조립형 나사 고정체, 돌기형 디스크 판

Description

요추 인공 디스크용 나사 고정체 {the screw fixture for a lumbar artificial disc}

본 고안은 요추 인공 디스크용 조립형 나사 고정체에 관한 것이다. 보다, 상세하게는, 인체 디스크 제거 후 낮은 높이,좁은 공간에서도 작업이 가능하고 또한 3 부분으로 구성된 일체형 나사는 연속되는 조립을 통하여 추골에 식립되는 바,디스크 판과 추골의 확실한 체결력을 보장하는 고정체에 대한 것이다.

이하 첨부되는 도면과 함께 종래 기술의 소개와 문제점을 살펴보면 다음과 같다.

도 1 은 인공 디스크 아래에 판 모양의 돌기를 가진 고정체의 전형을 보여 준다(이하 판형 고정체). 이러한 고정 방법을 채택하는 인공 디스크로는 1980년대에 마베릭(Maverick)에 의해 개발된 볼-소켓 디스크과 유사 년대에 마르나이(Marnay)에 의해 개발된 볼-소켓용 프로 디스크(PRODISC) 등이 있다. 전자는 판형이 도 1과 매우 유사하고, 후자는 용골 돌기라는 표현대로 톱니형의 핀 모양이지만 두 경우 모두 판형으로 분리될 수 있으므로 고정 방법은 크게 다르지 않다.

전체 인공디스크 대치술은 복강 수술 후 디스크의 수핵과 섬유륜을 대부분 제거한 후 도 1의 요추골 상부(1)와 하부(1)에 각각 끌(chisel)을 사용하여 디스크 판형고 정체가 삽입될 홈(2)을 낸다. 이후 디스크 판(3)을 홈에 끼운 후 판과 추골면을 밀착하여 고정한다. 상부와 하부 추골에 같은 방법을 적용하기 때문에 하부만 표현하였다.

도 2는 돌기 고정체를 갖는 인공디스크 판을, 복강 후 퇴행된 인체 디스크 제거 후에 전체 대치하는 방법의 그림이다. 뼈자름술(osteotomy)을 한 후 인공디스크 판(6)을 상하 종판 위의 디스크 공간 사이에 넣고 위와 아래로 확장하여 앞과 뒷부분에 나 있는 3쌍의 돌기(7)를 추골에 골막하(5,subperiosteal) 삽입이 되도록 박는다.

도 1,2에서 나타낸 두 경우 모두, 판과 추골면은 수산화인회석(Hydroxyapatite)과 칼슘 메타인산(CMP, Calcium Metaphosphate)을 이용한 표면처리로 골성장을 통한 완전 접촉 상태를 추구한다. 그러나 추골과 판형 고정체의 고정 정도는 완전히 뼈에 박히는 상태가 아니며 디스크 판과 추골 면의 접촉도 강한 하중에 의한 강제 접촉은 아니다. 다만 도 2의 경우 접촉면을 증대시켜 돌기의 접촉을 극대화하기 위해서는 상당한 추골의 뼈자름이 필요하며, 이럴 경우 추골의 강도 저하와 같은 수술 후 합병증이 유발될 수 있다. 따라서 두 경우 모두 골내(intraosseous), 추골면 즉 골외(extraosseous) 및 다소 발전된 도 2의 골막하(subperiosteal)의 유착 상태는 역학적인 요인에 의한 만족할만한 골유착(osseointegration)을 기대하기는 어렵고 생체활성화 재료들(bioactive materials)을 이용한 물리-화학반응에 의한 접합으로 표현되는 생체유착 (biointegration)에 가깝다. 더구나 코팅된 물질이 추골 속과 표면에 녹아서 골 성장을 하는 과정은 일정 시간을 필요로 하기 때문에, 척추 골내 이식 후 초기 이동량에 많은 문제를 야기할 수 있다. 이러한 임상의 증례로부터 도 1,2의 경우 약 20% 정도가 고정체에 원인이 있다고 판단되며, 또한 생체유착을 이용한 수산화 인회석으로 표면 처리된 디스크 면과 경사진 포스트로 추골 종판면과 고정을 하려고 했던 아크로플렉스(Acroflex) 인공디스크의 실험에서 약 20% 내외의 이식 성공율만을 보이고 약 80%는 실패한 점을 통하여, 보다 확실한 골유착이 가능한 고정체의 개발이 필요한 실정이다.

이에 본 고안에서는 불완전한 생체유착을 보완할 수 있는, 역학적 요인에 의한 강제적인 골유착이 가능하여 보다 확실하고 안전한 체결력을 갖는 인공디스크 고정체 기구를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 인공디스크 판과 추체 종판을 나사로써 고정하는 방법을 고안하였다. 조립형 나사이기에 좁은 공간에서도 작업 가능하고, 작지만 체결이 쉽고, 조립된 후에도 일체로 움직이며, 골질에 따라서 중간 나사부의 수를 추가하여 추골 속으로 깊은 박힘이 가능하여 체결을 확실하게 할 수 있도록 특수 나사를 설계하였다.

본 고안에 의한 요추 인공디스크의 조립형 나사 고정체는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 골외 이식면에서 추골면과 인공디스크 판의 체결이 역학적인 면에서 매우 확실하다. 따라서 기존의 수산화 인회석과 칼슘 메타인산 등의 표면처리 기술에 의한 생체유착의 문제를 해결할 수 있다.

둘째, 골외 이식면에서 기존 방법은 추골의 모든 면을 평면으로 만들면 유리한 것에 반하여 약간의 면 고르기 후 골 내 이식되는 나사의 체결 모멘트에 의한 고정으로도 충분한 체결력을 얻는 장점이 있다. 따라서 척추뼈의 손상이 적어 추골의 파 손 가능성이 줄어 든다.

셋째, 골내 이식면에서 기존 방법이 생체유착에 의한 기능회복을 기대하기 위해서는 많은 회복시간이 걸리거나 골유착이 약한데 반하여, 나사의 체결력에 의한 골유착이 가능하기 때문에 별도의 전체 대치된 인공디스크의 기능 회복 시간은 필요치 않고 수술회복 시간만이 필요하다.

넷째, 골다공이 심하거나 척추뼈의 퇴행이 심한 경우, 또는 추체의 강도 보완이 필요한 경우에도 나사 주변의 틈 즉 확실한 공간에만 골 시멘트나 인조 골을 추가하는 것으로 충분한 체결력 증대를 얻을 수 있다. 따라서 추골 면이나 추골 속에 광범위하게 사용되는 추가 경화 재료가 필요치 않다.

이하 첨부되는 도면과 관련하여 상기 목적을 달성하기 위한 본 고안 및 효과를 살펴보면 다음과 같다.

도 3은 본 고안의 설계 기술이 적용된 조립형 나사의 밑, 중간,머리 부분의 사시 부품도, 도 4는 본 고안의 설계 기술이 적용된 보조 조임 나사들의 사시도, 도 5는 본 고안의 설계 기술이 적용된 조립형 나사의 밑 나사 1개, 중간 나사 2개,머리 나사 1개로 체결된 조립 단면도, 도 6은 본 고안의 설계 시술이 적용된 돌기형 너트 나사부를 가지는 인공 디스크 판의 밑면 사시도, 도 7은 본 고안의 기술이 적용된 골 내 식립 과정을 보여주는 사시도, 도 8은 본 고안의 기술이 적용된 인공디스크 판과 얕은 구멍을 낸 추골의 사시도, 도 9는 본 고안의 기술이 적용된 식립 깊이가 다양한 조립형 나사 고정체와 추골의 사시 부품도, 도 10은 본 고안의 설계 기술에 의한 추골 내 조립형 나사 고정체가 이식되고, 인공 디스크 판이 추골면에 체결된 조립 단면도이다.

좁은 공간에서의 작업성을 위하여 설계된 조립형 나사는 밑(8,9,10) 나사와 중간(11,12,13) 나사 그리고 머리(14,15,16) 나사 부분으로 구성된다. 밑 나사(17)는 추골을 뚫을 수 있도록 고안되어 있는데 뾰족한 부분(8)과 나사부분(9)이 구멍을 내고 추골에 깊이 박히는 역할을 한다. 이들 위의 육각머리(10) 부분은 제작된 스패너에 의하여 회전력을 가할 수 있는 부분이다. 중간나사(18)는 체결용 나사부분(11)과 외부 나사부분(12) 그리고 회전력을 가하여 깊이 방향으로 직진시키기 위한 육각머리 부분(13)으로 구성된다. 머리나사(19) 부분은 체결용 나사부분(14),디스크 돌출 너트 나사산과 체결되는 나사 부분(15) 그리고 육각 렌치(16) 부분으로 구성된다.

이 외에도 밑 나사, 밑 나사와 중간나사 그리고 밑,중간,머리나사의 체결 후 조임 회전력을 증대시키기 위한 보조 나사(21,22,24)들이 고안되었다. 홈형 육각 렌치를 갖는 육각머리 나사(21)와 단순 육각 머리나사(22)는 외형 나사부분은 없고 밑 나사와 중간 나사의 탭 나사와 바로 체결되어 회전력 증대용으로 사용될 수 있다. 그러므로 보조 조임나사는 머리나사 부분보다 나사부위(20)가 짧고 육각 머리부분의 높이와 폭이 약간이지만 높거나 크게 고안되어 진다. 밑나사와 중간나사 2개가 체결되었을 경우, 중간 나사의 육각 머리 부분만의 회전력으로 추골 속까지 식립 시키기 어렵기 때문에 보조 나사류(21,22)는 매우 효과적인 보조 도구가 된다. 보조 나사류의 특징은 육각머리 모양의 높이나 폭이 높거나 크게 되어 있어서 회전력 전 달에 유리하고, 체결되는 나사(20) 높이가 주 나사에 비하여 절반 이하이기 때문에 작업이 용이하다. 따라서 밑나사나 중간나사의 내부 나사부에 끼워서 스패너를 이용하여 추골 깊이까지 심을 수 있다. 또한 머리나사(19)를 디스크 판의 너트나사에 체결할 때에도 육각렌치붙이(23)가 있는 보조나사(24)를 사용하여 측면에서 쉽게 조일 수 있다.

도 5는 전형적인 조립형 나사의 조립도를 보여 준다. 밑 나사 1개와 중간 나사 2개 그리고 머리 나사 1개의 부품으로 구성된 모습이다. 밑 나사의 탭 나사부(25)와 중간나사의 나사부분(11)이 체결되고, 중간나사의 탭나사 부분(26)에 중간나사의 나사(11)가 체결된다. 최종 조립은 머리 나사의 나사부분(14)이 중간 나사의 탭나사(27)에 조립되면서 하나의 나사가 만들어진다. 밑 나사는 추골과 직접 접촉하면서 박히고 머리나사는 윗나사부분(15)이 인공 디스크 판의 너트 나사부(29)에 체결 되고, 조임 회전력에 의하여 조여지게 되면 밑나사는 더욱 추골에 깊이 박히고 따라서 인공 디스크 판은 확실히 고정된다.

이에 따라서 인공 디스크 판(28)은 돌출형 너트부(29)가 4개로 구성되는데, 나사산의 위치는 중심을 기준으로 좌,우 그리고 앞뒤 대칭의 형상을 갖고 있다(도 6). 이러한 돌기형 너트부를 갖는 디스크의 고안은 볼과 소켓의 위치가 판의 중심에 위치하지 않더라도 나사 구멍의 위치를 바꾸기보다는, 추체의 종판 위 중심에서 후방으로 1-2mm 이동된 곳에 나사 고정체를 설치하여 최대한 디스크 판과 종판의 밀착에 의한 일정한 분포하중을 유지하기 위함이다.

도 7은 골내 이식의 과정을 간략하게 보여 준다. 좁은 공간에서도 수직 구멍 뚫기 가 용이한 기기(수직형 핸드 자동 드릴)를 이용하여 밑 나사의 지름(4-5mm)과 일치하는 약 3mm 내외의 구멍 깊이(30)를 확보하고 디스크 판의 돌기 너트부가 삽입될 수 있는 깊이 2.5mm의 구멍(6-7mm)도 확보한다(31). 고온이 발생하지 않도록 식염수를 이용하는 의료용 핸드 자동 드릴이 권장된다. 정확한 구멍의 위치를 얻기 위해서 도 6의 디스크 구멍 위치를 이용한다. 추골 표면의 요철이 심할 경우에는, 부분적으로 나사와 디스크가 접하는 부위는 평편하게 면 고르기(추골면 자름술)를 한다. 밑 나사를 약간 파진 구멍에 수직으로 세운 후(32) 자체의 육각머리 혹은 보조 조임 나사(21,22)를 이용하여 스패너로 회전력을 주어 추골 속으로 깊이 박는다. 중간 나사를 추골 속의 밑나사에 체결 한 후(33), 중간 나사의 육각머리를 스패너를 사용하여 추골에 약간 막고 그 위로 보조 조임 나사를 체결한 후(34) 스패너를 사용하여 추골 안으로 박는다. 머리나사(18)를 조립하기 위해서는 추가적인 과정이 요구된다(35).

우선, 추골 면 위에 앞서서 파진 구멍으로 인공 디스크를 돌기부를 끼운다(도 8). 끼우기 전 또는 후에 추골과 중간 나사 사이의 간극(40,41)으로 인조골 조각이나 골 시멘트를 주입한다. 이 과정은 조립형 나사와 추골의 체결 부위를 확실히 하기 위한 방법이다. 머리나사를 중간나사의 탭 나사 부위 뿐아니라 디스크 돌기의 너트 나사부에 완전히 체결되도록 육각 렌치를 이용하거나 보조 나사류(24)를 이용한다.

이러한 과정을 통하여 완성된 부품도가 도 9이다. 식립 깊이를 조절할 수 있음을 중간 나사를 1개 또는 2개가 조립되는 과정(36,39)의 도면과 추골 속에 박혀져 있어야 할 완성된 조립나사 (37,38) 및 디스크 판(28)지만 조립 체결의 상태를 보여 준다. 일반적으로 조립형 나사가 추골과 확실한 체결력을 갖기 위해서는 식립을 해야 할 골질(bone quallity)에 대한 정보가 우선적이다. 그러나 대체로 척추골의 경우, 해면골의 밀도가 매우 낮고, 노화된 추골의 형상은 파손 위험의 가능성이 있다. 따라서 인조골과 골시멘트의 사용에 대한 언급은 필요한 수술과정이며 이러한 점을 설계시 반영하였다.

도 10은 일체형 조립나사들이 추골에 식립되고, 인공 디스크 판이 추골면에 체결된 상태의 단면을 나타낸다. 디스크 판의 돌기 너트부와 체결되는 머리나사의 나사부의 접촉을 증대시키기 위하여 추골 내로 돌출되어 있음을 보여 준다. 중간 나사부와 추골간의 틈은 인공 골 또는 골 시멘트를 효과적으로 투입하여 고정을 확실히 할 수 있다. 밑 나사부는 단독 탭핑(self tapping)이 가능한 구조로 추골 깊이 식립되어도 안정함을 줄 수 있으며, 골유착을 짧은 시간 내에 효과적으로 유도하는 나사형 고정체임을 보여준다.

도 1은 종래의 기술의 대표격인 판형 고정체를 나타내는 사시도.

도 2는 종래의 기술의 대표격인 돌기 고정체를 나타내는 사시도.

도 3은 본 고안의 기술이 적용된 조립형 나사의 밑, 중간, 머리 부분의 사시 부품도.

도 4는 본 고안의 설계 기술이 적용된 보조 조임 나사들의 사시도.

도 5는 본 고안의 설계 기술이 적용된 조립형 나사의 밑 1개,중간 2개,머리 1개 부분이 체결된 조립 단면도.

도 6은 본 고안의 설계 기술이 적용된 돌기형 너트부를 갖는 인공 디스크 판의 사시도.

도 7은 본 고안의 기술이 적용된 골 내 식립 되는 과정을 보여주는 사시도.

도 8은 본 고안의 기술이 적용된 인공디스크 판과 얕은 구멍을 낸 추골의 사시도.

도 9는 본 고안의 기술이 적용된 식립 깊이가 다양한 조립형 나사 고정체와 추골의 사시 부품도.

도 10은 본 고안의 설계 기술에 의한 추골 내 조립형 나사 고정체가 이식되고, 인공 디스크 판이 추골면에 체결된 조립 단면도.

Claims (1)

1. 인체 요추의 좁은 공간에서도 인공디스크 판(28)과 추골(1)을 골유착 시키기 위하여 밑나사(17),중간나사(18),머리나사(19)로 구성되었고, 보조 조임나사(21,22,24)를 활용하여 추골에 용이하게 골막하 이식이 가능하며, 디스크 판의 돌기 너트부(29)와 머리 나사의 나사부가 체결이 가능하고, 추골과 조립나사의 밑나사를 제외한 중간나사부와 머리 나사부의 간극에 인조골이나 골시멘트를 사용하여 확실한 체결이 가능하도록 고안된 요추 디스크의 고정체.

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