KR101666237B1 - 뼈절단장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 신속하고 용이하게 뼈만을 선택적으로 절단할 수 있는 뼈절단장치를 제공하는 것으로, 레이저광을 조사함으로써 뼈를 절단하기 위한 장치로서, 1000 ~ 1500㎚의 레이저광을 피크출력 10 ~ 70W／㎠로 사출하는 광원을 구비하고 있도록 했다.

Description

뼈절단장치 {BONE CUTTING DEVICE}

본 발명은 용이하고 또한 신속하게 뼈만을 선택적으로 절단할 수 있는 뼈절단장치에 관한 것이다.

개두(開頭)수술은 뇌신경외과 수술의 기본적 손 기술로서, 개두수술이 행해지는 질환으로서는, 예를 들면, 뇌내출혈, 지주막하출혈(subarachnoid bleeding) 등을 들 수 있다.

뇌는 지극히 부드러운 조직이며, 200mmH₂O(1.96 × 10³Pa) 정도의 압력이 가해지면 파괴되어 버린다. 이 때문에, 뇌출혈에서는 발증(發症) 후 6시간 이내에 그25%가 사망하며, 지주막하출혈에서는 발증 후 8시간 이내에 그 35%가 사망한다. 따라서, 그 치료는 일각을 다투는 것이다.

종래, 개두수술을 행하는 데에는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 우선, 두피(S)를 호상(弧狀)으로 절개하고, 절개한 피부판(皮膚瓣, skin flap) 및 그 아래의 근막(筋膜)이나 건막(腱膜)을 박리하여, 두개골(BS)을 노출시키고, 다음으로, 두개골 천공용으로 구성한 드릴인 천공기로 작은 구멍(버 홀(burr hole))(H)을 몇 개 뚫고, 이들 구멍을 잇도록 도면 중의 파선(D)을 따라서 전동식 실톱과 유사한 기구(본 쏘우(bone saw))를 사용하여 골편(骨片)을 절단하며, 필요에 따라서 끌(鑿, chisel) 등을 사용하여 당해 골편을 두개골로부터 떼어내어 골창(骨窓)을 형성한다. 이와 같은 골창의 형성에는 통상 약10 ~ 15분을 필요로 한다.

이와 같은 개두작업에서는, 드릴 등의 기계적인 기구를 이용하여 개두하기 때문에, 환자의 머리를 전용의 고정기로 강하게 고정해 둘 필요가 있다. 또, 두개골은 환자의 혈액 등의 체액으로 매우 미끄러지기 쉬운 상태로 되어 있으며, 게다가 다른 조직(특히 뇌)을 손상시켜서는 안 되기 때문에, 시술에는 세심한 주의가 필요하게 된다.

그리고, 개두 후에는, 경막(硬膜)을 절개하고, 질환에 따라 적절한 처치를 행한다. 즉, 뇌출혈인 경우, 현미경 아래에서 뇌내혈종(腦內血腫)을 제거하거나, 지주막하출혈인 경우, 뇌동맥류의 근원에 금속성의 클립을 걸거나 한다.

뇌로의 처치 후에 골창을 닫기 위해서는, 떼어낸 골편의 손상이 적은 경우라도, 깎은 부분이 크고 골편이 작아져 버리므로, 그대로는 골판(骨瓣, bone flap)과 두개골과의 사이에 큰 틈새가 생겨 골편이 떨어져 들어가 버린다고 하는 문제점이 있다. 이 때문에, 고가의 티탄제의 플레이트에 형성된 고정구를 이용하여, 골편과 두개골을 강고하게 고정하고, 드릴에 의해 뚫린 구멍에도 그것을 덮도록 금속제의 덮개를 씌운다. 그렇지만, 끌 등을 사용하여 골편을 잘라내기 때문에, 파손시키지 않고 골편을 잘라내는 것은 어렵다. 잘라낸 골편의 손상이 심한 경우는 그대로 사용할 수 없기 때문에, 돼지나 소 등의 뼈가 대체품으로서 사용되는 경우가 많고, 그 경우, 이들 이물에 대해서 거절반응이 일어날 가능성이 높다.

따라서, 종래의 개두수술은, 환자에게 있어서는, 고침습(高侵襲)한 수법이며 육체적 부담이 크고, 수술 후의 감염증이나 거절반응의 위험성도 높으며, 또, 의사에 있어서도, 복수 공정에 걸친 개두작업은 경험이나 감(勘)에 의지하지 않을 수 없는 점도 많기 때문에, 육체적·정신적 부담이 크고, 의료실수도 유발되기 쉽다.

그래서 본 발명은 상기 현상을 감안하여, 신속하고 또한 용이하게 뼈만을 선택적으로 절단할 수 있는 뼈절단장치를 제공하기 위하여 도모한 것이다.

본 발명자는, 예의 검토한 결과, 특정의 파장의 레이저광을 특정의 피크출력으로 조사함으로써, 뼈와 주위의 조직과의 사이에 레이저광을 차단하는 부재를 마련하지 않아도, 주위의 조직을 손상시키지 않고, 뼈만을 선택적으로 절단 가능한 것을 찾아내어, 당해 지견(知見)에 근거하여 본 발명을 완성시키기에 이르렀다. 또한, 본 발명에서, 「뼈」에는 연골도 포함된다.

즉 본 발명에 관한 뼈절단장치는, 레이저광을 조사함으로써 뼈를 절단하기 위한 장치로서, 1000 ~ 1500㎚의 레이저광을 피크출력 10 ~ 70W/㎠로 사출하는 광원을 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 것으로 하면, 물로의 흡수율이 20 ~ 30% 정도로 낮은 1000 ~ 1500㎚의 레이저광을 피크출력 10 ~ 70W/㎠로 조사함으로써, 주위의 조직에 손상을 주지 않고, 뼈만을 선택적으로, 또한, 2㎜/s정도의 속도로 신속히 절단하는 것이 가능하다. 이 때문에, 본 발명에 관한 뼈절단장치를 개두수술에 이용한 경우는, 두피의 절개 후, 두개골에 구멍을 뚫지 않고, 레이저광을 조사하는 1공정만으로 뇌를 손상시키지 않고, 두개골만을 신속히 절단해 절취(切取)하는 것이 가능하다.

또, 1000 ~ 1500㎚의 레이저광을 피크출력 10 ~ 70W/㎠로 절단대상의 뼈에 조사하면, 뼈를 투과한 레이저광의 출력은 약 30W/㎠ 이하 정도로 저하해 있으므로, 주위의 조직은 전혀 손상을 받지 않는다. 이 때문에, 뼈와 그 주위의 조직과의 사이에 레이저광을 차단하는 부재를 마련할 필요는 전혀 없다.

또, 본 발명에 관한 뼈절단장치를 이용한 개두수술에서는, 종래와 같이 환자의 머리를 강하게 고정하지 않아도, 안전하고 정확하게 골편을 잘라낼 수 있다.

또한, 레이저광을 조사함으로써 뼈를 절단하므로, 깎은 부분은 매우 적어, 잘라낸 골편의 탄화(炭化)가 억제되어, 물리적 파손·열화도 적다. 이 때문에, 고정구 등을 사용하지 않아도, 잘라낸 골편을 절단개소에 그대로 재접합시키는 것도 가능하다.

따라서, 이와 같은 본 발명에 관한 뼈절단장치를 이용한 개두수술은 드릴, 전동식 실톱, 끌 등의 기계적인 기구를 사용하는 종래의 개두수술에 비해, 훨씬 저침습으로 환자의 육체적 부담이 가볍고, 수술 후의 감염증이나 거절반응의 위험성도 낮다. 또, 의료실수의 유발 요인도 적은 개두수술을 실시할 수 있으므로, 의사의 육체적 및 정신적 부담도 큰 폭으로 경감된다.

또, 상기 광원은 파이버 레이저인 것이 바람직하다. 파이버 레이저는 광파이버에 희토류를 첨가하여 파이버 자체를 레이저 매체로 한 것으로, 광파이버를 감아 사용함으로써, 광로(光路) 길이는 그대로 유지하면서, 레이저 발진(發振)에 필요한 공간을 큰 폭으로 축소할 수 있다.

또한, 뼈의 열변성(熱變性)을 보다 효과적으로 억제하기 위해서는, 질소가스 등의 불활성가스 분출부를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

이에 더하여, 레이저광의 초점위치를 정확하게 제어하기 위해서는, 거리센서를 구비하고 있는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 관한 뼈절단장치의 용도는 개두수술에 한정되지 않고, 뼈를 절단하는 공정이 포함되는 용도이면 어느 것이라도 되며, 또, 의료 이외의 용도라도 된다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 저침습인 수단에 의해 뼈의 절단을 행하는 것이 가능하게 되므로, 환자의 육체적 부담이 큰 폭으로 경감되고, 또, 수술 후에 감염증이 발병하는 위험성을 저하할 수도 있다. 또한, 골편의 손상·열화가 적기 때문에, 고정구 등을 사용하지 않아도, 절단개소에 재차 접합하는 것도 가능하게 된다. 이에 더하여, 의사의 뼈절단작업의 부담도 큰 폭으로 경감된다. 또, 본 발명에 의하면, 신속히 뼈를 절단하는 것이 가능하므로, 일각을 다투는 사태에서 지극히 우위(優位)이다.

도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 뼈절단장치의 모식적 전체도이다.
도 2는 같은 실시형태에서의 레이저광 사출부 및 질소가스 분출부의 내부 구조를 나타내는 모식적 종단면도이다.
도 3은 종래의 개두수술의 개요를 나타내는 도면이다.

이하에, 본 발명의 일실시형태를, 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시형태에 관한 뼈절단장치(1)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 디스크형 파이버 레이저(22)의 기단부를 케이스(21) 내에 수용하여 이루어지는 레이저장치(2)와, 디스크형 파이버 레이저(22)의 선단에 마련되고 광학계(32)를 내장한 레이저광 사출부(3)와, 절단대상의 뼈에 대해서 질소가스를 분출하는 질소가스 분출부(4)와, 절단대상의 뼈와의 거리를 측정하기 위한 거리센서(5)를 구비하고 있다.

레이저장치(2)는 케이스(21)와, 케이스(21) 내에 기단부가 수용된 디스크형 파이버 레이저(22)로 이루어진 것이다.

케이스(21)는 내부에 디스크형 파이버 레이저(22)를 수용하는 공간을 가지는 중공(中空)의 것으로, 예를 들면, 외형이 폭 60 × 깊이 50 × 높이 25(cm) 정도의 컴팩트한 크기의 것이다.

디스크형 파이버 레이저(22)는 광파이버에 Er나 Yb 등의 희토류를 첨가하여 파이버 자체를 레이저 매체로 하는 파이버 레이저를 감아 사용함으로써, 광로 길이는 그대로 유지하면서, 레이저 발진에 필요한 공간을 큰 폭으로 축소한 것이다. 파이버 레이저는 여기(勵起)로부터 발진, 전송까지가 광파이버 안에서 행해지기 때문에, 충격에 강하고, 소형이며 또한 경량이다. 디스크형 파이버 레이저(22)는 1000 ~ 1500㎚의 레이저광(L)을 10 ~ 70W/㎠의 피크출력으로 사출하는 것이다. 디스크형 파이버 레이저(22)는 절단개소의 발열을 억제되는 점으로부터, 단(單)펄스 레이저인 것이 바람직하다.

디스크형 파이버 레이저(22)의 선단부는 케이스(21)의 외부로 나와 있고, 레이저광 사출부(3)의 기단부에 접속되어 있다.

레이저광 사출부(3)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 디스크형 파이버 레이저(22)로부터 도입된 레이저광(L)을 선단부에 마련한 사출구(31c)로부터 사출하는 것으로, 바디(31)와, 바디(31) 내부에 수용된 광학계(32)로 이루어진 것이다.

바디(31)는 길이가 긴 모양을 이루는 중공의 것으로, 원통형의 파지부(31a)와 테이퍼 모양의 차광통(遮光筒)(31b)을 구비하고 있고, 시술자가 파지부(31a)의 측둘레면을 한 손으로 파지하여 조작할 수 있는 정도의 크기와 무게를 가진다. 그리고, 그 기단부에는 디스크형 파이버 레이저(22)의 선단을 접속하기 위한 접속 포트가 마련되어 있으며, 그 선단부에는 디스크형 파이버 레이저(22)의 선단으로부터 나와 내부를 통과해 온 레이저광(L)을 외부로 사출하기 위한 사출구(31c)가 개구하고 있다.

광학계(32)는 디스크형 파이버 레이저(22)로부터 확개(擴開)하여 사출된 레이저광(L)을 평행으로 하는 콜리메이터 렌즈(collimator lens)(32a) 및 레이저광(L)을 수렴시키는 렌즈(32b)를 레이저광(L) 입사측으로부터 이 순서로 직렬로 배치한 것이다. 렌즈(32b)로서는, 예를 들면, 평볼록렌즈, 아크로마틱 렌즈(achromatic lens), 대물렌즈 등을 이용할 수 있으며, 초점거리(f)로서는, f = 2 ~ 100㎜이다.

질소가스 분출부(4)는 절단대상의 뼈에 대해서 2 ~ 15기압의 질소가스를 분출하여 당해 뼈를 냉각해 열변성을 억제하기 위한 것으로, 튜브(41)를 통하여 도시하지 않은 질소가스 공급원에 접속되어 있고, 내부에 가스유로(42a)가 형성된 바디(42)를 구비하고 있다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 레이저광 사출부(3)의 차광통(31b)과 질소가스 분출부(4)의 바디(42)는 일체 성형되어 있고, 차광통(31b)의 내부는 그 선단부 근방에서 질소가스 분출부(4)의 가스유로(42a)와 연통하고 있으며, 질소가스 공급원으로부터 공급된 질소가스는 레이저광(L)과 함께 차광통(31b)의 선단에 마련된 사출구(31c)로부터 외부로 분출한다.

거리센서(5)는 절단대상인 뼈와의 거리를 측정하는 것으로, 예를 들면, 뼈를 완전하게 절단하는 경우는 뼈의 골수(骨髓) 중심으로 레이저광(L)의 초점이 위치하도록, 또, 골질(骨質)만을 박리하는 경우는 골질 중심으로 레이저광(L)의 초점이 위치하도록, 레이저광 사출부(3)의 파지위치를 조정하기 위한 것이다. 그렇지만, 골수 중심을 목표 초점위치로 했을 경우, 상하 20㎜정도 디포커스(defocus)해도 주위의 조직을 손상시키지 않고 뼈만을 절단하는 것이 가능하다. 또한, 레이저광 사출부(3)의 사출구(31c)와 절단대상인 뼈와의 거리는 질소가스가 효율적으로 절단 부위를 냉각할 수 있도록 2 ~ 20㎜정도인 것이 바람직하고, 5㎜ 전후인 것이 보다 바람직하다.

이와 같은 거리센서(5)로서는, 예를 들면, 적외선 반도체 레이저를 광원으로 하는 광학식의 것이 이용된다.

다음으로, 이와 같이 구성한 뼈절단장치(1)를 이용하여 개두수술을 행하는 방법에 대해서 설명한다.

의사는, 우선, 두피를 절개해 두개골을 노출시키고, 다음으로, 거리센서(5)로 거리를 측정하면서, 노출시킨 두개골에 레이저광 사출부(3)의 선단을 접근시켜, 또는, 접촉시켜, 1000 ~ 1500㎚의 레이저광(L)을 10 ~ 70W/㎠의 범위 내에서 절단대상의 뼈의 두께에 의해 적절히 선택된 피크출력으로, 연속적(CW) 또는 간헐적(100㎱ ~ 5㎲의 펄스파)으로 사출하면서, 개두 범위의 윤곽을 따라서 레이저광 사출부(3)를 이동시킨다. 이것에 의해, 두개골만이 선택적으로 절단되고, 뇌를 필두로 하는 다른 조직은 전혀 손상을 받지 않는다. 이 때, 레이저광(L) 조사부분을 냉각하기 위해서, 그리고, 뼈를 깎아낸 부스러기를 날려 버리기 위해서, 0.4MPa 정도의 질소가스를 질소가스 분출부(4)로부터 분출하면서 절단작업을 행한다. 또한, 당해 개두수술에서는 미리 두개골에 구멍을 뚫을 필요는 없다.

따라서, 이와 같이 구성한 본 실시형태에 관한 뼈절단장치(1)에 의하면, 물로의 흡수율이 20 ~ 30% 정도로 낮은 1000 ~ 1500㎚의 레이저광(L)을 피크출력 10 ~ 70W/㎠로 조사함으로써, 주위의 조직에 손상을 주지 않고, 뼈만을 선택적, 또한, 2㎜/s정도의 속도로 신속히 절단하는 것이 가능하다. 이 때문에, 개두수술에 이용한 경우는, 두피의 절개 후, 두개골에 구멍을 뚫지 않고, 레이저광(L)을 조사하는 1공정만으로 뇌를 손상시키지 않고, 두개골만을 신속히 절단해 절취하는 것이 가능하다.

또, 1000 ~ 1500㎚의 레이저광(L)을 피크출력 10 ~ 70W/㎠로 절단대상의 뼈에 조사하면, 뼈를 투과한 레이저광(L)의 출력은 약 30W/㎠ 이하 정도로까지 저하되고 있으므로, 주위의 조직은 전혀 손상을 받지 않는다. 이 때문에, 뼈와 주위의 조직과의 사이에 레이저광(L)을 차단하는 부재를 마련할 필요는 전혀 없다.

또, 본 실시형태에 관한 뼈절단장치(1)를 이용한 개두수술에서는, 종래와 같이 환자의 머리를 강하게 고정하지 않아도 안전하고 정확하게 골편을 잘라낼 수 있다.

또한, 레이저광(L)을 조사함으로써 뼈를 절단하므로, 깎은 부분은 매우 적고, 잘라낸 골편의 물리적 파손·열화도 적다. 이 때문에, 고정구 등을 사용하지 않아도, 잘라낸 골편을 절단개소에 그대로 재접합시키는 것도 가능하게 된다.

따라서, 이와 같은 본 실시형태에 관한 뼈절단장치(1)를 이용한 개두수술은 드릴, 전동식 실톱, 끌 등의 기계적인 기구를 사용하는 종래의 개두수술에 비해, 훨씬 저침습이며 환자의 육체적 부담이 가볍고, 수술 후의 감염증이나 거절반응의 위험성도 낮다. 또, 의료실수의 유발 요인도 적은 개두수술을 실시할 수 있으므로, 의사의 육체적 및 정신적 부담도 큰 폭으로 경감된다.

또, 본 실시형태에 관한 뼈절단장치(1)는 질소가스 분출부(4)를 구비하고 있으므로, 절단대상의 뼈의 열변성을 보다 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 본 쏘우(bone saw)에 의해 뼈를 절단할 때는 유수(流水)를 이용하여 열변성을 예방하는 것이 많아, 이 경우 물의 회수작업이 번잡했지만, 본 실시형태에서는 질소가스에 의해 뼈를 냉각하므로 그와 같은 회수작업이 불필요하고, 또, 물을 사용한 경우, 물 그 자체에 의한 레이저광(L)의 흡수, 반사의 가능성도 있지만, 질소가스를 이용한 경우는 그와 같은 문제는 생기지 않는다.

또한, 본 실시형태에 관한 뼈절단장치(1)는 거리센서(5)를 구비하고 있으므로, 레이저광(L)의 초점위치를 정확하게 제어할 수 있어, 정밀도가 높은 위치결정을 행할 수 있으며, 나아가서는, 안전성이 높은 뼈절단수술을 행할 수 있다. 이 때문에, 환자 및 의사 쌍방의 부담을 경감할 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는 광원으로서 파이버 레이저를 감아 디스크형으로 한 디스크형 파이버 레이저(22)를 이용하고 있으므로, 면적이 넓은 측면으로 복수의 여기용 반도체 레이저를 배치하여 고강도 여기하는 것이 가능하여, 고출력화를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

예를 들면, 본 발명에서의 광원으로서는 1000 ~ 1500㎚의 레이저광(L)을 사출하는 것이면 디스크형 파이버 레이저에 한정되지 않고, 예를 들면, Nd:YAG 레이저 등을 이용할 수도 있다.

레이저광 사출부(3)는 시술자에 의해 직접 파지되지 않아도 되고, 예를 들면, 로봇암에 의해 파지된 레이저광 사출부(3)를 시술자가 원격조작해도 된다.

또, 본 발명에 관한 뼈절단장치의 용도는 개두수술에 한정되지 않고, 뼈를 절단하는 공정이 포함되는 용도이면 어느 것이라도 되고, 또, 의료 이외의 용도라도 된다.

그 외, 상술한 실시형태나 변형실시형태의 일부 또는 전부를 적절히 조합해도 되고, 그 취지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지의 변형이 가능하다는 것은 말할 필요도 없다.

<산업상의 이용 가능성>

본 발명을 적용함으로써, 저침습인 수단에 의해 뼈의 절단을 행하는 것이 가능하게 되므로, 환자의 육체적 부담이 큰 폭으로 경감되며, 또, 수술 후에 감염증이 발병하는 위험성을 저하시킬 수도 있다. 또한, 골편의 손상·열화가 적기 때문에, 고정구 등을 사용하지 않아도, 절단개소에 재차 접합하는 것도 가능하게 된다. 이에 더하여, 의사의 뼈절단작업의 부담도 큰 폭으로 경감된다.

1 … 뼈절단장치 22 … 디스크형 파이버 레이저

Claims (4)

1. 레이저광을 조사함으로써 뼈를 절단하기 위한 장치로서,
   1000 ~ 1500㎚의 레이저광을 피크출력 10 ~ 70W/㎠로 사출하는 광원과,
   상기 광원으로부터 레이저광이 기단부로부터 도입되고, 선단에 마련된 사출구로부터 도입된 레이저광을 외부로 사출하는 바디와,
   불활성가스가 도입되어, 상기 바디의 사출구로부터 절단대상의 뼈에 불활성가스를 분출하도록 구성된 불활성가스 분출부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 뼈절단장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 광원은 파이버 레이저인 뼈절단장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   거리센서를 구비하고 있는 뼈절단장치.
4. 삭제

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