KR101606120B1 - 굽힘가능한 구조물 및 구조물을 굽히는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구부러질 수 있는 몸체 41; 몸체 내에 굽힘력(bending force)을 유도하는 액츄에이터(actuator) 42, 43, 44를 포함하는 굽힘가능한 구조물(40)에 관한 것으로, 상기 액츄에이터는 적어도 부분적으로 단방향성 형상 기억 합금 (SMA) 재료로 제조된 와이어(wire)를 포함하고, 상기 와이어는 사전-변형(pre-deformed)되며 몸체 일부분과 연결되어 브리지(bridge)를 통해 역학적 에너지를 전달시킬 수 있는 브리지 구조를 형성하도록 배치된 것인 구조물에 관한 것이다. 굽힘가능한 구조물(40)은 굽힘가능한 카테터 또는 내시경과 관련될 수 있다.

Description

굽힘가능한 구조물 및 구조물을 굽히는 방법{A bendable structure and a method for bending a structure}

본 발명은 굽힘가능한 구조물에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 카테터 또는 내시경과 같은, 굽힘가능한 의료 기기에 관한 것이다. 또한 본 발명은 구조물을 굽히는 방법에 관한 것이다.

굽힘가능한 구조물의 일 구체예가 박기태 등에 의한 "통신 및 제어를 위한, 집적회로를 포함하는 능동형 카테터(active catheter)"로부터 알려져 있다. 공지된 굽힘가능한 구조물에서, 굽힘 기능은 카테터의 관체(tubular body)에 형상 기억 합금 (shape memory alloy, SMA)으로 만들어진 코일을 제공함으로써 가능하다. SMA 재료는 당해 기술분야에서 그와 같이 알려져 있으며, 제어된 방법, 예를 들면 전류 펄스(current pulse)의 적용을 통한 가열에 의해, 변형될 수 있는 재료의 한 종류와 관련된다. SMA 재료에 대한 세부내용은 M. Langelaar 및 F. van Keulen의 "Modeling of a shape memory alloy active catheter"에서 찾을 수 있다.

공지된 굽힘가능한 구조물은 SMA 코일로 만들어진 복수의 세그먼트(segment)를 포함하며, 상기 세그먼트는 링크에 의해 연속적으로 상호연결되어 있다. SMA 코일은 사전-변형(pre-deform)되며 3%의 변형률(deformation strain)을 갖는다. SMA 액츄에이터(actuator)가 전류에 의해 상 전이 온도 이상으로 가열되고 그 본래의 형태를 회복하기 시작하면, 능동형 카테터가 가열된 SMA 액츄에이터의 방향으로 구부러진다. 공지된 굽힘가능한 구조물을 굽히기 위해서, 구부러질 수 있는 몸체 내에 총 3개의 SMA 액츄에이터 와이어가 제공되며, 이 3개의 액츄에이터 와이어는 몸체의 횡단면 내에 들어맞는 가상의 삼각형의 꼭지점에 배치된다.

낮은 정확도를 갖는 굽힘이 이루어질 수 있다는 것이 상기 공지된 굽힘가능한 몸체의 단점이다. 다음으로, 공지된 굽힘가능한 구조물은 제한된 굽힘 각도를 갖는다. 마지막으로, 공지된 굽힘가능한 구조물은 3개 이상의 SMA 액츄에이터의 필요적 사용으로 인해 충분히 소형화되기 힘들다,

보다 우수한 굽힘 정확도(bending accuracy)에 도달할 수 있는 굽힘가능한 구조물을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 또한, 보다 우수한 굽힘 각도를 가질 수 있는 굽힘가능한 구조물을 제공하는 것이 본 발명의 또다른 목적이다. 구동화시 현저히 감소된 주변환경으로의 전력 소실을 나타내는 굽힘가능한 구조물을 제공하는 것도 본 발명의 또다른 목적이다.

이를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물은:

- 구부러질 수 있는 몸체;

- 상기 몸체 내에 굽힘력(bending force)을 유도하기 위한 액츄에이터를 포함하며, 상기 액츄에이터는 적어도 부분적으로 단방향성 형상 기억 합급 (SMA) 재료로 만들어진 와이어를 포함하고, 상기 와이어는 사전-변형되며(pre-deformed) 몸체의 일부분과 접촉하도록 배치되어 브리지 구조(bridge structure)를 형성한다.

본 발명은 단방향성 SMA 와이어가 사전-변형된 경우, 활성화되는 동안(즉, 가열되는 동안) 이완된다는 통찰에 근거한다. 이완 과정 중에, 이완하는 SMA 와이어에 의해 유도된 굽힘력은 브리지 구조를 가로질러 몸체의 또다른 측면으로 전달될 수 있다. 단방향성 기억 재료는, 선험적으로(a-priori) 정해지는 그의 본래의 형태로 되돌아갈 수 있는 재료를 말한다. 용어 "단방향성(uni-directional)"은 용어 "일-방향(one-way)"으로 대체될 수 있으며, 상기 두 용어 모두는 당해 기술 분야에서, 예를 들면 가열에 의해 마르텐사이트(martensitic) 상에서 오스테나이트(austenitic) 상으로 전이될 수 있는 성질을 의미하는 것으로 이해될 것이다. 가열하는 즉시, 사전-변형된 단방향성 SMA에 저장된 에너지가 방출되며, 이는 상기 에너지가 제2 요소(element), 예를 들면, 바람직하게는 브리지 구조에 대해 제1 SMA 와이어의 반대편에 위치한, 제2 단방향성 SMA 와이어 내에 저장되지 않는 한 재생가능하지 않다.

본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물은 양방향성(bi-directional) SMA 재료를 사용하는 통상적으로 알려진 구체예들과 다르다. 양방향성 SMA 재료(즉, "두-방향(two-way)" SMA)의 두 개의 선(stripe)이 굽힘가능한 구조물 내에 배치될 수 있고, 상기 각각의 선들은 다른 온도에서 다른 길이를 가지며, 이는 마르텐사이트 상 또는 오스테나이트 상에 상응한다. 이 두 가지의 서로 다른 길이는 SMA 선의 온도가 변화할 때마다 재생된다. 그러나, 한 상태에서 다른 상태로 전이되는 동안 SMA 선에 의해 생산된 에너지는, 상기 굽힘가능한 구조물의 어떤 요소에도 저장되지 않는다.

본 발명의 일 양태에 따른 브리지 구조에 대해 예상되는 두 가지 이상의 주요 구체예가 있다. 첫번째로, 몸체는 탄성 힌지(hinge)를 포함할 수 있고, 브리지 구조는 단방향성 SMA 와이어에 연결된 탄성 힌지에 의해 형성될 수 있다. 특정한 구체예에서, 탄성 유연(flexible) 힌지가 SMA 재료로 만들어지는 경우, 단방향성 SMA 와이어로부터 전달된 굽힘력은 탄성 힌지의 반대편 팔(arm) 내에 저장될 수 있다. 이러한 특성은, 특히 유연 힌지의 재료로서 의탄성(pseudo-elastic properties)을 갖는 재료가 선택된 경우, 힌지가 스프링-유사 요소로서 사용될 수 있다는 통찰에 기초한다. 유용하게는, 그와 같은 재료가 실온에서 오스테나이트 성질을 나타내는 경우, 변형을 유도함으로써 마르텐사이트 상태로 변화시킬 수 있다. 변형을 야기하는 힘이 완화되는(relieved) 경우, 상기 재료는 그 본래의 형태로 돌아갈 것이다. 일반적으로 그러한 재료는 오스테나이트 상태에서 마르텐사이트 상태로 전이할 때, 고무와 유사하다. 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로의 전이 중에 상당히 큰 힘이 완화되는 것으로 이해된다. 의탄성 재료의 사용은, 낮은 굽힘 강성(bending stiffness) 및 폭넓은 허용 변형률(allowable strain) (굽힘 각도) 때문에 유리하다. 둘째, 낮은 굽힘 강성, 폭넓은 허용 변형률, 및 저장될 수 있는 에너지로 인해, 힌지 재료로서 단방향성 SMA를 선택하는 것이 유리하다.

브리지 구조의 작동에 대한 세부사항이 도 1을 참고하여 설명된다. SMA 힌지의 반대편이 구동되는 경우, 힘은 다시 단방향성 SMA 와이어로 전달된다. 이러한 방법으로, 굽힘가능한 구조물 내에 유도된 굽힘력은 브리지의 일 측면에서 다른쪽 측면으로 정밀하게 전달된다. 또한 본 구체예는 단지 하나의 구동 단방향성 SMA 와이어만을 사용하며, 따라서, 굽힘가능한 구조물이 소형화 요구를 충족시켜야 하는 상황, 예를 들면 세경 내시경(miniature endoscope)과 같은 최소 침습 수술(minimal invasive surgery)에서 바람직하다. 대안적으로, 소형화된 장치는 산업적 용도, 예를 들면 엔진 또는 기어 검사 목적으로 사용될 수 있다.

둘째, 브리지 구조는 강성 힌지(rigid hinge)에 의해 사전-변형된 와이어와 연결되는, 추가적인 변형가능한 단방향성 SMA 와이어를 포함할 수 있다.

이러한 경우 브리지 구조는, 힌지의 팔(arm)로 작용하는 두 개의 변형가능한 SMA 와이어에 연결된, 상당한 강성의 힌지를 나타낼 수 있다. 용어 '강성(rigid)'은 실질적으로 변형할 수 없는(non-deformable) 힌지 재료에 관한 것으로 이해될 것이다. 바람직하게, 힌지 재료는 T = 20℃에서, 1 GPa를 초과하는 영 계수(Young modulus)를 갖는다. 사전-변형된 와이어를 상호연결하는 힌지 및 추가적 힌지는 힌지의 일 측면에서 다른 측면으로 굽힘 모멘트(bending momentum)를 전달하기 위한 기계적 브리지(mechanical bridge)를 형성하고, 그에 의해 상기 굽힘가능한 구조물의 몸체가 구부러지도록 한다. 제1 단방향성 SMA 와이어가 사전-변형되었다는 사실에 기인하여, 상기 브리지는 미리-저장된 역학적 에너지(mechanical energy)를 갖는 것으로 이해될 것이다. 이러한 방법으로 적당한 지속기간을 갖는 전류 펄스가 사전-변형된 제1 와이어에 적용되고, 상기 와이어의 재료는 상전이 온도 이상으로 가열되며, SMA 와이어는 추가적인 변형가능한 SMA 와이어에 힘을 발생시킨다. 이에 대응하여, 제2 변형가능한 단방향성 SMA 와이어가 브리지를 가로질러 힘의 평형에 도달될 때까지 신장될 것이다. 이러한 방법으로, 역학적 에너지는 제2 와이어로 전달되고 그 곳에 저장된다. 제2 단방향성 SMA가 전류 또는 기타 수단에 의해 그의 상전이 온도 이상으로 가열되면, 제2 와이어는 그에 대응하여 길이가 단축될 것이고, 그에 의해 (이제 이완된 상태인) 제1 단방향성 SMA 와이어에 힘을 발생시킬 것이다. 그 결과, 제1 단방향성 SMA 와이어는 브리지를 가로질러 힘의 평형에 도달될 때까지 신장될 것이다. 이제, 역학적 에너지는 다시 브리지를 가로질러 전달되고 제1 와이어 내에 저장된다. 제1 와이어와 제2 와이어의 교대 가열을 반복함으로써, 굽힘가능한 구조물의 제어된 굽힘이 이루어진다. 이러한 현상은 도 1을 참고하여 더욱 상세하게 설명된다.

본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물은 다음의 장점들을 가진다. 첫째, 브리지 구조의 제공으로 인해, 단방향성 SMA 재료의 상 전이의 양호한 제어가능성에 기인한 정확한 굽힘 구동이 달성된다. 또한, 단방향성 SMA 재료의 사용으로 인해, 상기 굽힘가능한 구조물을 굽히는 데에 적은 양의 활성화 에너지가 요구된다. 둘째, 활성화 에너지는 짧은 시간 동안에만 적용되며, 예를 들어 필요한 굽힘 각도를 달성하기 위해 1-10 s 길이의 전류 펄스, 바람직하게는 5 s 길이의 전류 펄스가 사용될 수 있다. 본 발명은 활성화 펄스가 지속적으로 적용되어 주변으로의 큰 에너지 소실을 야기해야 했던 종래 기술과 관련하여 이익이 된다. 이러한 종래 기술은 주변 조직의 가열이 허용되지 않는 의학적 적용(medical application)에 있어서는 사용이 불가능할 수 있다.

바람직하게, SMA 와이어는 처음 길이의 4-8% 만큼 신장됨으로써 사전-변형된다. 이는 직경 1 mm에 대해 약 10 mm의 예상 굽힘 반경(bending radius)을 달성하기 위해서는, 최소한 SMA 와이어의 4-8%의 신장이 유리하다는 것을 의미한다. 또한 두 개의 SMA 와이어가 모두 4-8% 범위의 일부만큼 사전-변형되는 것도 가능한 것으로 이해될 것이다.

본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물의 일 구체예에서, 단방향성 형상 기억 합금은 하기로 이루어진 재료들의 군으로부터 선택된다: NiTi, CuZnAl 또는 CuAlNi.

앞에서 언급된 바와 같이, 단방향성 형상 기억 특성은 가열된 후 변형된 상태(condition)에서 본래 형태로 전이하는 재료의 기능(functionality)이다. 이 현상은, 경질의(rigid) 고온 상태(오스테나이트)를 보다 강도가 낮고 저온인 상태(마르텐사이트)로 냉각시키는 동안, 및 역으로 가열하는 동안, 결정 구조에서의 상 전이를 바탕으로 한다. 이러한 상 변화는 가역적이며, 따라서 구동화 목적으로 용이하게 이용될 수 있다. 형상 기억 합금에 있어서 가능한 또다른 전이, 즉 오스테나이트 상태와 이른바 R-상 사이의 전이가 존재하는 것으로 이해될 것이다. R-상은 능면정 결정 방위(rhombohedral crystal orientation)에 해당한다. 보다 작은 굽힘 반경이 필요한 경우에는, 오스테나이트 상 및 마르텐사이트 상 사이의 변화를 이용하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 보다 큰 굽힘 반경을 위해서는 오스테나이트상과 R-상 사이의 변화를 이용하는 것이 유리한데, 그와 같은 전이는 온도의 함수로서 선형적(linear)이며 이력 현상(hysteresis)을 거의 갖지 않아, 굽힘의 제어를 단순화하는데 유리하기 때문이다.

본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물의 추가적 구체예에서, 상기 몸체는 낮은 굽힘 강성을 가지며, 이는 힌지의 재료로서 SMA 재료, 특히 의-탄성을 갖는 재료가 선택되는 경우 이루어질 수 있다.

이는 본 경우와 같이, 몸체가 실질적으로 굽힘에 대한 저항 및 코일 되풀림(backward recoiling)을 나타내지 않아 유익하다. 이는 또한 굽힘 정확도를 개선시킨다.

본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물의 또다른 구체예에서, 상기 구조물은 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로, 또는 오스테나이트 상에서 R-상으로의 형상 기억 합금의 전이를 유도하기 위한 제어 수단을 더 포함한다.

바람직하게, 형상 기억 합금의 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로 또는 오스테나이트 상에서 R-상으로의 전이를 가능하게 하기 위해, 상기 제어 수단은 배치되어 적당한 지속시간(duration) 및/또는 진폭을 갖는 전류 펄스를 적용한다.

제어 수단은 유용하게는 미리 보정된(pre-calibrated), 상기 굽힘가능한 구조물의 원하는 굽힘 반경 및 그러한 굽힘을 가능하게 하기 위해 SMA 와이어에 적용되도록 되어 있는 전류 펄스의 지속시간 또는 진폭 사이의 의존관계(dependency)를 이용하도록 구성된다. 이러한 특징은 또한 굽힘 정확도를 향상시킨다. 단기의 활성화 (0.1 s - 10 s, 바람직하게 약 5 s)는 굽힘가능한 구조물에서 전력 소실이 감소된다는 이점을 가지며, 이는 조직의 국소 가열에 대한 엄격한 제한으로 인해 의학적 적용에 있어 바람직하다.

본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물의 추가적인 구체예에서, 탄성 힌지는 몸체의 길이 방향으로 연장되는(extend) 복수의 상호연결된 힌지 요소를 포함한다.

이러한 기술적 특징은 복수의 상호연결된 브리지 구조를 갖는 연속적 구조물을 제공함으로써 굽힘의 정확도가 향상된다는 통찰을 기초로 한다. 특히, 탄성 힌지가 실질적으로 관 형태의 횡단면을 가지며 리세스(recess)를 구비한, 복수의 상호연결된 힌지 요소를 포함하는 경우, 횡단면의 형태를 유지하면서 제어된 굽힘이 달성될 수 있다. 이는 의학적 적용에 특히 유익하다. 본 구체예에 대한 더욱 세부적인 사항이 도 2를 참조하여 제시된다.

본 발명에 따른 구조물을 굽히는 방법은 하기 단계들을 포함한다;

- 몸체가 굽힘력을 전달하기(transform) 위해 상기 몸체와 연결된 액츄에이터와 함께 배치된, 구조를 선택하는 단계로, 상기 액츄에이터는 적어도 부분적으로 단방향성 형상기억 합금 (SMA) 재료로 만들어진 와이어를 포함하고, 상기 와이어는 사전-변형되며 상기 몸체의 일부와 연결되도록 배치되어 브리지 구조를 형성하는 것인 단계; 및

- 상기 와이어에 구동(actuation) 신호를 제공하여 그에 의해 구조물을 굽히는 단계.

본 발명에 따른 방법의 특정한 구체예에서, 상기 브리지 구조는 사전-변형된 와이어와 상호작용하도록 된 추가적인 변형가능한 단방향성 SMA 와이어를 포함하고, 본 방법은 상기 와이어 및 추가적 와이어를 교대로(alternatively) 구동시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 상기 양태 및 다른 양태들이 도면을 참고하여 더 논의될 것이며, 도면에서 동일한 지시기호는 동일한 요소를 나타낸다. 도면들은 예시의 목적으로만 사용되며, 첨부된 청구항의 범위를 제한하는 것으로 해석되지 않는 것으로 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물에서 사용되는 브리지 원리의 도식적인 그림을 나타낸다.
도 2는 복수의 힌지 요소를 포함하는 힌지의 도식적인 그림을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물을 포함하는 의료 기기를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물에서 사용되는 브리지 원리의 도식적인 그림을 나타낸다. 굽힘가능한 구조물(10)은 몸체(1), 바람직하게는 탄성 재료로 만들어진 관 형태의 몸체를 포함한다. 상기 몸체는 제1 단방향성 SMA 와이어(4), 제2 단방향성 SMA 와이어(2), 및 제1 와이어(2)와 제2 와이어(4)를 기계적으로 상호연결시켜 브리지를 형성하도록 하는 상당한 강성의 힌지(3)을 포함하는 액츄에이터(actuator)를 구비한다. 대응되는 역학적 개요(mechanical scheme)가 요소(20)에 의해 제시되며, 제1 와이어(24), 제2 와이어(22) 및 브리징 요소(bridging element)(23)를 도시한다. 제1 와이어(4)는 휴지기, 즉 상기 굽힘가능한 구조물이 작동되기 전에, 바람직하게는 그 길이의 최소 4-8%만큼 사전-변형된다. 상기 와이어는 휴지기에 그의 길이의 최소 4-8%만큼 신장될 수 있다. 제1 와이어가 적어도 부분적으로는 적당한 단방향성 SMA 재료로 만들어진다는 사실에 기인하여, 작동시에는, 예를 들면 적당한 지속시간 및 진폭의 전류 펄스의 적용에 의해 상전이 온도 이상으로 가열하는 즉시, 상기 와이어는 그의 정상적 형태를 회복할 것이며, 즉 길이가 단축되어 힌지의 부분(3a)을 좌측으로 당길 것이다. 힌지(3)가 상당한 강성의 재료로 만들어진다는 사실로 인해, 제1 와이어(4)에 의해 부분(3a)에 적용된 힘은 실질적으로 손실 없이 힌지(3)의 부분(3b)으로 전달될 것이다. 그 결과, 와이어(2)는 힘의 평형에 도달될 때까지 신장될 것이다. 그 결과, 제2 SMA 와이어(2)는 이완 중에 제1 단방향성 SMA 와이어에 의해 방출된 역학적 에너지를 저장할 것이다. 제2 와이어가 그의 상전이 온도를 넘어 가열되면, 제2 와이어는 부분(3b)을 우측으로 당김으로써 그의 본래 길이로 돌아갈 것이다. 그 결과로 제1 SMA 와이어(4)는 그의 본래의 변형 상태로 다시 신장될 것이다. 따라서, 적당한 진폭 및 지속시간을 갖는 전류 펄스의 교대 적용에 의해, 몸체의 제어된 굽힘에 도달할 수 있다. 몸체를 한 방향으로 굽히기 위해서는 둘 이상의 SMA 와이어(2, 4)가 필요한 것으로 이해될 것이다. 힌지는 몸체(1)에 연결되며, 도식적으로 팔(arm) A, B로 표시되어 있다. 실제에서는 팔 대신 접착제 등과 같은 다른 기술적 수단이 사용될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 대안적으로, 상기 힌지와 와이어들을 포함하는 액츄에이터는 몸체(1)의 내부에 단단히 맞춰져, 액츄에이터의 굽힘이 실질적으로 몸체(1)의 굽힘으로 이행(transfer)될 수 있도록 한다. 다른 방향으로의 구조물(10)의 제어된 굽힘를 위해서는, 추가적 와이어가 필요할 수 있는 것으로 이해될 것이다.

힌지 요소(3)은 바람직하게는, 반경 R을 갖는 공동(void) 생성을 위한 레이져 절제에 의해, 관 형태의 구조물로 만들어질 수 있다. 힌지(3)의 절대 치수(absolute dimension) 및 반경 R은 용도(application)에 따라 달라진다. 예를 들면, 굽힘가능한 내시경에서의 적용을 위해서는, 몸체의 외측 치수(outer dimension)는 0.7 mm 이고, 몸체의 내측(inner) 치수는 0.5 mm이며, L1은 약 0.5 mm이고, L2는 약 0.1 mm이며 반경 R은 약 0.5 mm일 수 있다. 본 구조물에 있어서 실현가능한 굽힘 각도를 결정하기 위해서는, 다음의 식이 고려되어야 한다:

M = F * L ,

상기에서

M은 한 지점에 적용되는 모멘트를 나타내고; F는 한 지점에 작용하는 힘을 나타내며; L은 팔의 길이를 나타낸다.

F = A * E * ε (후크의 법칙)

도 2에 도시된 유공(perforated) 힌지의 구동화 중에, 힌지는 구동되는 와이어의 방향으로 회전할 것이다. 본 설명은 신장되어 있고 구동 펄스의 적용시 길이가 단축되는 와이어에 관한 것이나, 와이어가 본래적으로(a-priori) 단축된 상태이고 구동 펄스의 적용 중에 신장되는 것도 가능하다.

힌지의 회전은 브리지를 가로질러 힘의 평형에 도달될 때까지 (도 1의 요소(20) 참조) 계속된다. 이 상태에서 굽힘가능한 구조물 내의 운동량의 합은 0이며, 하기와 같이 주어진다:

ΣM = 0

힌지의 기하학에 관련된 데이터를 대입하면, 하기의 식을 얻는다:

F1*l1 - F2*l2 -Tψ = 0

상기 방정식을 각도 ψ에 대해 풀면, 각도 ψ가 7.2 도일 때 힘의 평형이 유지된다는 결과를 얻는다. 도 2에 나타난 바와 같이, 적절한 복수의 힌지 요소 31, 32,..., N를 제공함으로써 적당한 굽힘 각도가 얻어진다. 예를 들어, 힌지(30)를 형성하는 30개의 요소에 대해서는, 216도의 굽힘 각도가 얻어진다. 몸체가 탄성 힌지를 포함하고 와이어에 연결된 상기 탄성 힌지에 의해 브리지 구조가 형성되는 경우, 특히 탄성 힌지가 단방향성 SMA 재료로 만들어진 경우, 탄성 힌지가 제2 단방향성 SMA 와이어로 작용하므로, 원하는 각 굽힘 방향에 대해 하나의 구동 단방향성 SMA을 사용하면 충분한 것으로 알려져 있다.

도 3은 본 발명에 따른 굽힘가능한 구조물을 포함하는 의료 기기의 도식적인 그림을 나타낸다. 굽힘가능한 구조물(40)은 굽힘가능한 카테터 또는 내시경과 관련될 수 있다. 카테터는 체관(body's conduit) 내, 예를 들면 혈관 또는 요로 내에서 조작하기에(maneuver) 적합한 것일 수 있다. 세경 내시경 내에서 사용되는 굽힘가능한 구조물의 예가 하기에 제시될 것이다. 숙련된 기술자는 동일한 원리(teaching)를 카테터 또는 원격 제어되는 굽힘를 요하는 다른 적당한 장비에의 적용에 이용할 수 있는 것으로 인식될 것이다.

내시경(40)은 단방향성 SMA 와이어(43, 44)와 함께 배치된 유연(flexible) 힌지(42)가 부착되어 있는, 외측 관체(outer tubular body; 41)를 포함할 수 있다. 또한 내시경(40)은 내부 부피의 일부분만을 차지하는 적당한 내강을 포함할 수 있으며, 힌지(42)가 와이어(43, 44)와 함께 상기 내강에 배치될 수 있다. 바람직하게, 관체(41)는 0.5-10 mm 범위의 직경, 바람직하게 0.5-2 mm의 직경을 가진다.

단방향성 SMA 와이어는 단방향성 SMA 와이어를 그의 상전이 온도 이상으로 가열하기 위해 전류의 펄스를 적용함으로써 구동될 수 있다. 마르텐사이트 상에서 오스테나이트 상으로, 또는 오스테나이트 상에서 R-상으로의 적당한 SMA 재료의 전이가 예상된다. 와이어(43, 44)를 구동시키기 위해, 내시경(45)는 제어 유닛(control unit)을 포함하며, 상기 단위는 필요한 특성을 갖는 전류 펄스를 제1 와이어(43) 또는 제2 와이어(45)로 전달하도록 배치된다.

의료 분야에서, 사람 또는 동물 체내에서 내시경(40)의 돌출여부(protrusion)는 실시간으로 모니터링 되는 것이 유리하다. 바람직하게는, 그와 같은 모니터링은 내시경 위치의 3차원적 추적을 보여주도록 처리된다. 유용하게는, 제어 유닛(45)은 내시경, 특히 그의 말단 부분(T)가 머무르는 구역에 대한 영상 데이터와 함께 내시경에 대한 위치 정보를 수용하도록 처리된다. 또한 변형 감지기(strain sensor) 또는 광섬유를 사용하여 굽힘 각도가 모니터링될 수 있다.

영상 데이터에 따라, 적절한 영상화 유닛(48)과 소통가능하게 배치된 제어 유닛(45) 또는 적절한 데이터 분석 유닛(47)은 현미경의 말단 부분(T)이 추가적인 삽입에 앞서 굽혀져야 할 각도를 계산한다. 검시(inspection) 내시경이 실시되는 경우, 예를 들면 내시경이 기관 내 또는 내강(cavity)에 위치하고 광학 수단(46)을 위한 넓은 시야를 제공하기 위해 주변으로 이동되는 경우, 상기와 동일한 방법을 따를 수 있는 것으로 이해될 것이다. 광학 수단(46)은 데이터의 추가적 가공을 위해 외부 기기(표시되지 않음)와 연결되어 배치된다. 이러한 연결은 바람직하게는 광섬유를 사용하여 수행된다.

바람직하게, 단방향성 SMA 와이어(43, 44)는 납작한 횡단면을 갖는 상태로 배치된다. 이는 와이어(43, 44)가 보다 적은 공간을 차지하게 된다는 이점을 가진다. 심장 기기의 소형화는 유도성 허혈(induced ischemia)과 관련하여 중요한 역할을 하므로, 본 특징은 심동맥에 사용되도록 구성된 카테터에 있어서 특히 유용하다.

본 발명의 특정한 구체예가 상기에 개시되었으나, 본 발명은 기술된 것과 다른 방법으로도 실시될 수 있는 것으로 이해될 것이다. 또한 서로 다른 도면들과 관련하여 논의된, 분리된 특징들은 결합될 수 있다. 상기 굽힘가능한 구조물이 내시경과 관련하여 설명되었더라도, 다른 광학 기기, 예를 들면 산업적 적용을 위한 광학 기기, 카테터 등 다른 적용이 고려될 수 있다.

Claims (20)

1. 구부러지도록 되어 있는 몸체; 및
   몸체 내에 굽힘력(bending force)을 유도하기 위한 액츄에이터(actuator);를 포함하는 굽힘가능한 구조물로서,
   상기 액츄에이터는, 적어도 부분적으로 단방향성(uni-directional) 형상 기억 합금(shape memory alloy; SMA) 재료로 제조된 제1 와이어를 포함하고,
   상기 제1 와이어는, 사전-변형(pre-deformed)되고, 그리고 몸체의 일부분과 접촉하여 브리지 구조(bridge structure)를 형성하도록 구성되며,
   상기 브리지 구조는, 힌지에 의해서 상기 사전-변형된 제1 단방향성 SMA 와이어에 연결되는 변형가능한 제2 단방향성 SMA 와이어를 포함하고,
   상기 굽힘가능한 구조물의 굽힘을 가능하도록 하기 위한 사용시, 제2 와이어는 상기 제1 와이어의 단축에 응답하여 기계적 에너지의 전달에 의해서 신장되고, 상기 제1 와이어는 제2 와이어의 단축에 응답하여 기계적 에너지의 전달에 의해서 신장되는, 굽힘가능한 구조물.
2. 제1항에 있어서,
   상기 몸체는 탄성 힌지(elastic hinge)를 포함하며, 상기 브리지 구조는 상기 와이어에 연결된 탄성 힌지에 의해 형성되는, 굽힘가능한 구조물.
3. 제2항에 있어서,
   상기 몸체는 몸체의 길이방향으로 연장되는 복수의 상호연결된 힌지들을 포함하는, 굽힘가능한 구조물.
4. 제2항에 있어서,
   상기 몸체는 SMA 재료를 포함하는, 굽힘가능한 구조물.
5. 제1항에 있어서,
   상기 힌지는 강성의(rigid) 힌지인, 굽힘가능한 구조물.
6. 제5항에 있어서,
   상기 단방향성 SMA 재료는 NiTi, CuZnAl, 또는 CuAlNi로 이루어진 재료들의 군으로부터 선택되는, 굽힘가능한 구조물.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 몸체는 낮은 굽힘 강성(bending stiffness)을 갖는, 굽힘가능한 구조물.
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 굽힘가능한 구조물은, 형상 기억 합금의 마르텐사이트 상(martensitic phase)으로부터 오스테나이트 상(austenitic phase)으로의 전이, 또는 형상 기억 합금의 오스테나이트 상으로부터 R-상(R-phase)으로의 전이를 유도하는 제어 수단을 더 포함하는, 굽힘가능한 구조물.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제어 수단은 단기(short duration)의 전류 펄스(current pulse)를 적용함으로써 단방향성 형상 기억 합금을 제어하도록 구성되는, 굽힘가능한 구조물.
10. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브리지 구조는 몸체의 캐리어(carrier)로서 형성되는, 굽힘가능한 구조물.
11. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는 관(tube) 형태이고, 0.5 내지 10 mm 범위의 직경을 갖는, 굽힘가능한 구조물.
12. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는 광학 기기(optical device)의 일부를 형성하는, 굽힘가능한 구조물.
13. 제12항에 있어서,
    상기 광학 기기는 내시경인, 굽힘가능한 구조물.
14. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는 카테터(catheter)의 일부를 구성하는, 굽힘가능한 구조물.
15. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 와이어 및 추가적 와이어는 납작한 횡단면(flattened cross-section)을 갖는, 굽힘가능한 구조물.
16. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 변형가능한 와이어는 처음 길이의 4-8% 만큼 신장됨에 의해 사전-변형되는, 굽힘가능한 구조물.
17. 제6항에 있어서,
    상기 와이어 및 추가적 와이어는 사전-변형되는, 굽힘가능한 구조물.
18. 구조물용 몸체를 선택하는 단계로서, 상기 몸체는 몸체에 굽힘력을 전환(transform)하기 위해 몸체와 접촉하는 액츄에이터와 함께 배치되며, 상기 액츄에이터는 적어도 부분적으로 단방향성 형상 기억 합금(SMA) 재료로 제조된 제1 와이어를 포함하고, 상기 제1 와이어는 사전-변형되며 또한 상기 몸체의 일부분과 접촉하도록 배치되어 브리지 구조를 형성하며, 상기 브리지 구조는, 힌지에 의해서 상기 제1 와이어에 연결되고 또한 상기 제1 와이어와 상호작용하도록 되어 있는 변형가능한 제2 단방향성 SMA 와이어를 포함하는, 단계; 및
    상기 와이어에 구동 신호(actuation signals)를 제공함으로써 상기 구조물을 굽히는 단계;를 포함하는, 구조물을 굽히는 방법.
19. 제18항에 있어서,
    상기 방법은 상기 제1 와이어와 제2 와이어를 교대로(alternatively) 구동시키는 단계들을 포함하는, 구조물을 굽히는 방법.
20. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 몸체는 관(tube) 형태이고, 0.5 내지 2 mm 범위의 직경을 갖는, 굽힘가능한 구조물.

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