KR101795928B1 - 초음파 수술용 드릴 및 이를 이용한 드릴링 방법 - Google Patents

Abstract

초음파 수술용 드릴 및 이를 이용한 드릴링 방법이 제공된다. 본 발명에 따른 초음파 수술용 드릴은 뼈를 드릴링하는 초음파 수술용 드릴에 있어서, 회전 동력을 생성하는 동력부; 상기 동력부로부터 상기 회전 동력을 전달받아 회전되는 드릴날; 상기 드릴날 내부에 위치하며 상기 드릴날의 회전에 대하여 회전되지 않는 드릴 코어부; 및 상기 드릴 코어부의 일단에 구비되어 상기 드릴날 외부로 초음파를 송출하는 초음파 송출부;를 포함한다.

Description

초음파 수술용 드릴 및 이를 이용한 드릴링 방법 {Ultrasound surgery drill and drilling method thereby}

본 발명은 초음파 수술용 드릴 및 이를 이용한 드릴링 방법에 관한 것으로, 특히 초음파를 이용하여 뼈 등 신체에 드릴링하는 수술용 드릴과 그 작동 방법에 관한 것이다.

일반적으로 환자의 수술을 위해 뼈에 드릴링을 하는 경우, 드릴 날이 뼈를 관통하여 반대편 피질 골 외부로 갑자기 돌출되지 않도록 정확한 드릴링이 요구된다. 따라서, 뼈 속에서의 드릴 날의 위치, 뼈의 반대편 피질 골 외벽까지 잔류거리 등을 세밀하게 파악해야 하는 필요성이 있다.

종래에는 드릴 날의 골 내 깊이에 따른 드릴의 마찰력 및 드릴 날의 삽입 속도에 대한 시술자의 감각에 의존하여 드릴링 작업을 하고 있다. 이 경우, 시술자의 실수로 드릴 날이 피질 골 외벽을 뚫고 지나가게 되면, 신경 손상, 혈관 파열, 건 파열 및 기타 연부조직 손상 등의 합병증을 유발하여 의료사고가 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해결 하기 위해, 수술실 내 방사선 기기를 이용하여 골 내 드릴 날의 위치 및 반대편 피질 골 외벽까지 잔류거리를 파악하는 시도가 있으나, 이와 같이 방사선 기기를 이용하는 경우, 의사와 환자 모두가 방사능에 노출될 수 있으며, 수술 중에 드릴링을 멈추고 드릴 날의 위치 등을 수시로 확인해야 하므로 수술 시간이 증가하는 문제점이 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로, 깊이 측정기 및 초음파 측정기가 이용되고 있다.

깊이 측정기는 골 내 드릴 날의 통과 길이를 측정하므로, 골 내 드릴의 잔류거리를 파악하기 용이하다. 하지만, 깊이 측정기는 드릴링을 시행한 후 나사의 삽입 길이를 알기 위해 추가로 시행하는 시술 과정에서 2 내지 3mm 정도의 오차가 발생할 수 있으며, 표준화된 깊이 측정기가 존재하지 않는다는 문제점이 있다.

또한, 깊이 측정기의 반복 사용시 측정기의 앞부분이 구부러지거나 손상될 수 있고, 이 경우 정확한 길이의 측정이 어렵다는 문제점이 있다. 뿐만 아니라, 길이 측정을 위해 측정기의 끝을 피질 골 외벽에 걸어야 하기 때문에 시술자의 숙련도에 따라 수술 시간이 증가할 수 있는 문제점이 있다.

한편, 한국 공개특허 제 2007-7023766호에 초음파를 이용하여 뼈 또는 기타 조직 내의 구멍의 깊이를 측정하는 외과수술용 깊이 측정 기구가 개시되고 있다. 하지만, 개시된 방법은 드릴의 통과위치와 동일한 구멍에 초음파를 방출하기 어렵기 때문에 정밀한 측정이 불가능한 문제점이 있다. 또, 급격한 매질의 변화로 인한 초음파 임피던스의 변화를 보정하지 못하기 때문에 정밀한 측정이 불가능한 문제점이 있다.

KR 2007-7023766 A

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 뼈를 관통하는 드릴링 및 이로 인한 조직 손상을 방지할 수 있는 초음파 수술용 드릴 및 이를 이용한 드릴링 방법을 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 드릴링 도중 초음파를 이용하여 드릴 날의 진행거리 및 드릴 날 끝에서 뼈의 반대편 피질 골 외벽까지 잔류거리를 동시에 확인할 수 있는 초음파 수술용 드릴 및 이를 이용한 드릴링 방법을 제공하고자 한다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 초음파 수술용 드릴이 제공된다. 상기 초음파 수술용 드릴은, 뼈를 드릴링하는 초음파 수술용 드릴에 있어서, 회전 동력을 생성하는 동력부; 상기 동력부로부터 상기 회전 동력을 전달받아 회전되는 드릴날; 상기 드릴날 내부에 위치하며 상기 드릴날의 회전에 대하여 회전되지 않는 드릴 코어부; 및 상기 드릴 코어부의 일단에 구비되어 상기 드릴날 외부로 초음파를 송출하는 초음파 송출부;를 포함한다.

상기 드릴 코어부는 일단에 초음파 임피던스 정합 물질부를 더 포함할 수 있다.

상기 드릴 코어부는 일단에 엔드캡을 더 포함할 수 있다.

상기 드릴 날은 일단에 상기 뼈에 접촉되는 접촉단을 가지며, 내부에 상기 드릴 코어부가 위치되도록 관통홀이 형성되며, 타단에 교체를 위한 교체 체결부가 구비될 수 있다.

상기 드릴 코어부는, 전원선과 상기 초음파 변환장치의 회전을 방지하도록 설치될 수 있다.

상기 드릴 코어부는, 몸체부 및 회전 고정부를 더 포함할 수 있다.

상기 동력부의 동력을 상기 드릴 코어부에 전달하지 않고 상기 드릴날에 전달하는 동력 전달부를 더 포함할 수 있다.

상기 동력 전달부는, 상기 드릴 코어부가 접촉되지 않으며 삽입될 수 있는 관통홀을 내부에 형성하며, 일단에 상기 드릴 날과 체결되는 체결부가 구비되어 있는 동력 전달 기어를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 초음파 수술용 드릴의 작동 방법이 제공된다. 상기 초음파 수술용 드릴의 작동 방법은, 수술용 드릴 작동 방법에 있어서, a) 초음파를 송출하고 반사 신호를 획득하는 단계, b) 획득한 초음파 반사 신호를 분석하는 단계, 및 c) 드릴 날의 회전 속도를 제어하는 단계를 포함하고, 상기 초음파 반사 신호는 상기 드릴이 드릴링을 시작하기 전이나 드릴링 중, 뼈의 경계면에서 측정한 반사 신호를 기준 신호로 이용하는 것을 포함한다.

상기 단계 b)는, 상기 초음파 반사 신호의 세기 또는 걸린 시간 중 적어도 하나를 분석할 수 있다.

상기 단계 c)는, 상기 드릴 날 끝에서 뼈의 반대편 피질 골 외벽까지의 잔류 거리가 큰 경우에는 회전 속도를 증가시키고, 잔류 거리가 작은 경우에는 회전 속도를 감소시킬 수 있다.

본 발명의 초음파 수술용 드릴은, 골내 드릴링 시술 중에 실시간으로 초음파를 이용하여 드릴 날의 진행거리를 파악하고, 골내 드릴 날의 길이를 확인할 수 있는 효과가 있다.

또, 본 발명의 초음파 수술용 드릴은 드릴링 과정에서 초음파를 이용한 측정이 동시에 진행되며, 정확한 깊이 측정이 가능하다.

또한, 본 발명의 초음파 수술용 드릴은 초음파 임피던스 정합 물질을 사용하여 초음파 측정 중 급격한 매질의 변화에 대응하여 높은 정밀도를 달성할 수 있다.

또한, 본 발명의 초음파 수술용 드릴을 이용한 드릴링 방법은, 드릴링 시술 중 드릴 날의 진행거리를 정확하게 파악하고, 드릴 날 의 끝에서 반대편 피질 골 외벽까지의 잔류거리를 정확히 측정하여 골을 관통하는 초과 드릴링 및 그에 따른 연부조직 손상을 방지할 수 있다.

또, 본 발명의 초음파 수술용 드릴을 이용한 드릴링 방법은, 초음파 반사 신호를 기준으로 반사 신호의 세기 및 위치를 파악하여 드릴 날의 진행거리를 정확히 파악할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 수술용 드릴의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 수술용 드릴의 드릴 날과 드릴 코어부의 분해 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 수술용 드릴에 사용되는 제 3 기어의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 초음파를 이용하는 수술용 드릴이 (a) 드릴링을 시작할 때, (b) 드릴링을 종료할 때를 도시한 개념 도이다.
도 5는 본 발명의 초음파를 이용하는 수술용 드릴의 구동 방법을 나타낸 순서도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 수술용 드릴(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 동력부(101), 동력 전달부(120), 드릴 코어부(110, Drill-core) 및 드릴 날(150)를 포함하여 구성된다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 수술용 드릴(100)은 동력부에서 생성된 동력을 동력 전달부를 통해 드릴 코어부에 접촉 없이 드릴 날에 공급하도록 구성된다.

이하에서는 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 수술용 드릴(100)에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

먼저, 동력부(101)는 회전 동력을 생성하여 동력 전달부를 통해 드릴 날(150)에 공급한다. 본 발명에서 동력부(101)는 동력을 공급할 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 모터가 사용된다. 본 발명의 한 실시예에 따른 초음파 수술용 드릴(100)은 시술자가 손에 잡고 사용하도록 고안되므로, 동력부(101)는 시술자가 잡는 핸들 부분에 구비될 수 있도록 소형으로 설계되고, 뼈를 관통하기에 충분한 동력을 전달할 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다.

다음으로, 동력 전달부(120)는 동력부(101)로부터 회전 동력을 드릴 날(150)로 전달하여 드릴 날이 회전되도록 한다.

본 발명의 한 실시예에 따른 동력 전달부(120)는 동력부(101)와 드릴 날 (150) 사이에 배치 연결되며, 동력부(101)로부터의 회전 동력을 드릴 날(150)로 전달한다. 동력 전달부(120)는 그 내부에 적어도 하나의 기어를 포함하고, 드릴 코어부(110)에 동력을 전달하지 않도록 설계된다.

본 발명의 한 실시예에 따른 동력 전달부(120)는 도 1에 도시된 바와 같이, 동력을 드릴 날에 전달하기 위해, 그 일부가 드릴 날(150)에 체결되도록 구성될 수 있는데, 이때, 동력 전달부(120)는 드릴 날(150) 내부에 구비된 드릴 코어부(110)에 동력을 전달하지 않도록 드릴 코어부(110)와 일정 거리 이상 이격되도록 배치된다.

이를 위해, 동력 전달부(120)의 내부에 포함되는 기어는 드릴 코어부(110)가 회전하지 않고 고정된 상태로 유지되면서, 드릴 날(150)에 동력을 전달할 수 있도록 설치되어야 하며, 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 동력 전달부의 기어들은 드릴 코어를 우회하여 드릴 날에 체결되도록 설치될 수 있다.

하지만, 본 발명에 따른 초음파 수술용 드릴(100)은 도 1에 도시된 바에 한정되는 것은 아니며, 다양한 방법으로 드릴 코어부(110)를 회전시키지 않으며 드릴 날(150)에 동력을 전달할 수 있는 형태로 설치될 수 있다. 즉, 제 3기어(125)가 드릴 코어부(110)와 무관하게 배치 설계 될 수 있다면 이 또한 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 도 1을 참조하면, 우회하여 설치되는 기어는 제 1기어(121), 제 2기어(123) 및 제 3기어(125)를 포함할 수 있다. 제 1기어(121)는 동력부(101)와 제 1축으로 연결되어 동력부(101)의 회전 방향으로 회전한다. 제 2기어(123)는 동력부(101)와 연결되도록 설치된 베어링(103)과 제 2축(124)으로 연결되고 제 1기어(121)와 인접하여 베어링(103)과 제 1기어(121)를 통해 회전할 수 있다. 제 3기어(125)는 드릴 날(150)에 동력을 전달하고, 제 2기어(123)와 인접하여 제 2기어(123)의 회전방향과 반대 방향으로 회전하도록 설치된다.

한편, 제 3기어(125)는 드릴 코어부(110)의 회전을 방지하기 위해 도 3에 도시된 바와 같이, 중심 축을 기준으로 관통 홀을 가지며, 관통 홀을 드릴 코어부(110)가 통과하는 형태로 형성될 수 있다.

이때, 제 3기어(125)의 관통 홀은 드릴 코어부(110)와 일정 거리 이상 이격 되도록 내부 직경이 드릴 코어부의 외부 직경을 초과하도록 형성되는 것이 바람직하다.

만일, 제 3기어(125)의 관통 홀과 드릴 코어부(110)가 이격되지 않는다면, 제 3기어(125)는 드릴 코어부(110)의 회전을 유발하게 되며 그에 따라 드릴 코어부(110) 내부에 수납하는 전원선(111)이 회전되어 꼬이는 문제점이 발생할 수 있다. 또, 드릴 코어부(110)의 회전에 의해 초음파 변환장치(115)에서 송출하는 초음파의 방향이 부정확해지는 문제점이 발생할 수도 있다.

다음으로, 본 발명의 한 실시예에서 드릴 코어부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 몸체(113), 초음파 변환 장치(115), 초음파 임피던스 정합부(130, Impedance matching material), 및 엔드캡(140, End-cap)을 포함한다.

그에 따라, 본 발명의 한 실시예에 따른 드릴 코어부(110)는 초음파 변환장치(115)를 드릴 날(150) 단부에 위치시키는 동시에 드릴 날(150)로부터 초음파 변환장치(115) 및 초음파 임피던스 정합부(130)를 보호한다.

또한, 드릴 코어부(110)는 몸체(113) 내부에 위치한 초음파 변환장치(115)에 전원을 공급하기 위한 전원선(111)을 포함하며, 해당 전원선(111) 역시 드릴 날(150)로부터 보호한다. 이때, 초음파 변환장치(115)는 전기 신호를 받아 초음파 신호로 변환하여 송출할 수도 있고, 초음파 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하여 송출할 수도 있다.

이를 위해, 본 발명의 한 실시예에 따른 드릴 코어부(110)는 도 2에 도시된 바와 같이, 초음파 변환장치(115)를 몸체의 끝단에 배치시키며, 내부에 초음파 변환장치(115)로 연결되는 전원선(111)을 포함한다. 그리고, 회전되는 드릴 날(150)로부터 초음파 변환장치(115) 및 전원선(111)을 보호하기 위해 드릴 날(150) 내부에 배치되는데, 드릴 코어부(110)의 외경이 드릴 날의 내경 미만이 되어 드릴 날(150)의 내측이 드릴 코어부(110)의 외측에 접촉되지 않도록 배치된다.

이때, 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 드릴 날(150)의 내측과 드릴 코어부(110)의 외측은 일정 거리 이상 이격되도록 구비된다.

또한, 드릴 코어부(110)는 그 중심축이 드릴 날(150)의 중심축에 일치하도록 배치됨으로써 드릴 날(150)의 회전이 드릴 코어부(110)에 영향을 주지 않도록 설계된다.

본 발명의 한 실시예에서, 드릴 코어부(150)는 외측으로부터 전원선(111)을 수용하며, 그 끝단에 초음파 변환장치(115)를 수납하므로, 이를 위한 각각의 공간을 구비하게 된다. 이를 위해 드릴 코어부(150)는 내부가 비어 있는 관의 형태로 형성될 수 있다.

드릴 코어부(110)는 드릴링 과정에서 발생할 수 있는 드릴 날의 회전 등으로부터 비롯되는 충격을 드릴 코어부(110)에 수납된 전원선(111) 및 초음파 변환장치(115)로 전달되는 것을 차단한다.

한편, 본 발명의 한 실시예에서는 드릴 코어부(110)의 몸체(113)의 타단에 회전 억제 수단을 더 포함할 수 있다. 회전 억제 수단은 도 1에 도시된 바와 같이, 드릴 코어(110)의 몸체(113)의 길이 방향에 대하여 타단부에 소정의 각도로 꺽여 걸림턱을 형성한다.

이러한 회전 억제수단은 드릴 코어부(110)의 회전을 원천적으로 차단하며, 만일 드릴링 과정 중에 드릴 날(150)이 드릴 코어부(110)에 접촉되어 드릴 코어부(110)가 회전력을 전달 받는 상황이 발생하더라도 회전 억제수단을 통해 드릴 코어부(110)는 회전하지 않게 된다.

또한, 이러한 회전 억제수단에 회전력이 가해지게 되면, 드릴에 이상이 발생한 것으로 간주하여 해당 드릴 구동을 중단하게 하는 안전 수단을 구비하도록 설계될 수도 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 드릴 코어부(110)는 그 몸체(113)가 도 1 에 도시된 바와 같이, 드릴 날(150)에 동력을 전달하는 제 3기어(125)의 중앙 부를 관통하도록 배치될 수 있다. 그에 따라, 드릴 코어부(110)는 드릴 날(150)에 동력을 전달하기 위해 회전하는 제 3기어(125)의 회전에도 영향을 받지 않도록 배치되는 것이다.

본 발명의 한 실시예에서는 드릴 코어부(110)가 제 3기어(125)의 중앙 부를 관통하도록 배치되나, 본 발명의 드릴 코어부(110)는 제 3기어(125)의 동력 전달에 대하여 영향이 없도록 배치되면 되는 것으로서 본 실시예에 제한되는 것은 아니다. 즉, 제 3기어(125)가 드릴 코어부(110)와 무관하게 배치 설계 될 수 있다면 이 또한 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

한편, 초음파 임피던스 정합 물질부(130)는 초음파 변환장치(115)로부터 발생한 초음파의 투과율 저하현상을 감소시킨다. 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 임피던스 정합 물질부(130)는 초음파 변환장치(115)를 보호하는 드릴 코어부(110)의 끝단과 연결된다.

초음파 투과율 저하현상은 초음파가 진행하는 매질에서의 흡수 및 산란에 의해 발생한다. 초음파 투과율 저하현상은 송출되는 초음파 신호의 세기가 투과 깊이에 따라 약해지는 현상으로써 초음파 변환장치(115)에서 초음파를 송출할 때뿐만 아니라, 뼈에서 반사된 초음파 반사 신호가 초음파 센서로 전달 되는 과정에서도 나타날 수 있다.

따라서, 초음파 임피던스 정합 물질부(130)는 뼈와 같은 타겟 샘플로의 초음파 신호 전달을 극대화 하기 위해 구비되며, 타겟 샘플에 따라 선택적으로 교환될 수도 있다.

이때, 본 발명의 한 실시예에서는 초음파 임피던스 정합 물질부(130)를 구성하는 물질로 다양한 종류의 중합체(폴리머, polymer) 등을 포함할 수 있다. 뼈의 음향 임피던스 값은 일반적으로 3~8 Mrayl로 나타나고, 압전 방식 초음파 변환자의 음향 임피던스 값은 30~40 Mrayl로 나타난다. 대부분의 초음파는 큰 음향 임피던스 값 차에 의해 경계면에서 투과되지 않고 반사 되므로, 본 발명의 일 실시예에서는, 진동자와 뼈 사이에 임피던스 정합층을 배치함으로써 초음파 투과율 저하현상을 감소시킬 수 있다.

엔드캡(140)은 드릴 코어부(110)의 단부에 구비되어 드릴 날(150)과 이격되어 구비된다. 초음파 변환장치(115)에서 생성된 초음파는 드릴 날(150)을 관통하여 외부로 전달되는데, 드릴 날(150)의 단부가 지나치게 두껍게 되면 초음파가 외부로 충분히 전달되지 못하게 된다. 그에 반해서, 드릴 날(150)의 단부가 초음파 전달을 위해 지나치게 얇게 구성되면 뼈와 직접적으로 접촉하여 뼈를 드릴링하는 드릴 날(150)의 강도가 지나치게 저하되는 문제가 발생할 수 있다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에서는 드릴 날(150)의 단부에 뼈와 유사한 음향 임피던스를 가지는 단단한 물질로 엔드캡(140)을 구비하여, 초음파가 뼈로 잘 전달되면서도 드릴 날(150)의 강도 저하문제를 해결하였다.

또, 엔드캡(140)은 드릴 코어부(110) 내부에 포함되는 구성 요소들이 드릴 코어부(110)를 벗어나는 것을 방지한다. 엔드캡(140)이 설치되지 않는 경우, 드릴 코어부(110) 내부에 포함되는 구성 요소들은 초음파 수술용 드릴(100)이 드릴링 하는 과정에서 드릴(100)의 진동에 의해 드릴 코어부(110) 내부에서 움직임이 발생할 수 있다. 이 경우, 드릴 코어부(110) 내부의 초음파 변환장치(115)에서 송출하는 초음파의 방향이 부정확해지는 문제점이 발생할 수도 있다.

따라서, 엔드캡(140)은 초음파 임피던스 정합 물질부(130)와 드릴 날(150)의 사이에 설치된다. 이때, 엔드캡(140)은 초음파 신호가 통과하며 발생할 수 있는 초음파 투과율 저하현상을 감소시키기 위해 뼈의 임피던스와 비슷한 임피던스를 가지는 물질로 제작될 수 있다. 또, 엔드캡(140)은 초음파 수술용 드릴(100)의 구성에 따라 드릴 날(150)과 접촉할 수 있다. 이 경우, 밀도가 뼈보다 낮은 경우, 드릴링 과정에서 엔드캡(140)에 손상이 가해질 수 있다. 따라서, 엔드캡(140)은 바람직하게는 뼈의 밀도보다 높은 밀도의 물질로 제작될 수 있다.

드릴 날(150)은 회전을 통해 뼈를 드릴링하여 천공한다. 도 2를 참조하면, 드릴 날(150)의 내부는 중심 축을 중심으로 비어 있는 관 형태로 제작되며, 외부에는 드릴링의 효율을 높이기 위한 블레이드가 장착된다.

또한, 드릴 날(150)은 드릴 날(150)의 교체 및 드릴링 사이즈 등을 이유로 필요에 따라 교체 가능한 형태로 드릴 코어부(110)와 연결될 수 있다.

드릴 날(150)은 드릴 코어부(110)를 내부에 수납하는 형태로 연결될 수 있으며, 드릴 날(150)은 드릴링 도중 초음파 수술용 드릴(100)에서 회전력에 의해 이탈하는 것을 방지하기 위한 회전 억제 부재를 추가로 포함할 수 있다.

이때, 드릴 날(150)의 회전이 드릴 코어부(110)에 영향을 미치지 않아야 하므로, 바람직하게는 추가로 포함되는 회전 억제 부재는 드릴 날(150)과 제 3기어(125)를 서로 연결함으로써 드릴 날(150)을 고정할 수 있다.

하지만, 드릴 날(150)과 초음파 수술용 드릴(100)의 연결은 단순히 회전 억제 부재 만을 사용하는 것에 한정되는 것은 아니다. 즉, 드릴 날(150)이 드릴 코어부(110)를 회전시키지 않으며 초음파 수술용 드릴(100)과 연결되도록 설계될 수 있다면 이 또한 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

이하에서는 도 1에 도시된 한 실시예를 통해 본 발명의 초음파 수술용 드릴(100)에 대하여 보다 상세히 설명하도록 한다.

초음파 수술용 드릴(100)은 동력부(101)의 회전을 이용하여 동작한다. 동력부(101)는 동력부(101)와 연결된 제 1축(122)을 통해 동력 전달부(120)의 제 1기어(121)를 회전시킨다. 이때, 제 1기어(121)는 제 2기어(123)를 회전시키고, 제 1기어(121)와 제 2기어(123)는 서로 반대 방향으로 회전한다.

한편, 제 2기어(123)는 제 2축(124)을 통해 베어링(103)과 연결된다. 이때, 제 2기어(123)와 제 3기어(125)는 서로 반대방향으로 회전하며, 제 3기어(125)의 회전방향은 동력부(101)의 회전방향과 동일하다. 제 3기어(125)는 제 3기어(125)와 연결된 드릴 날(150)이 수술을 위한 드릴링 작업을 할 수 있도록 드릴 날(150)을 회전시킨다.

이때, 드릴 날(150)은 제 3기어(125)와 체결 부재를 이용하여 체결될 수도 있다. 또, 동력 전달부(120)는 드릴 코어부(110)가 회전하지 않도록 제 1기어(121) 및 제 2기어(123)가 드릴 코어부(110)를 우회하도록 설치하고, 드릴 날(150)을 회전시키는 제 3기어(125)의 중심축을 기준으로 홀을 형성하여 드릴 코어부(110)가 제 3기어(125)의 회전과 무관하게 제 3기어(125)를 관통하여 설치될 수 있도록 형성된다.

한편, 드릴 코어부(110)의 일 측은 수술용 드릴(100) 내부로부터 전원선(111)을 획득한다. 전원선(111)은 드릴 코어부(110)의 몸체(113) 내부를 통과하여 드릴 코어부(110)의 타측에 연결된 초음파 변환장치(115)에 전원을 공급할 수 있다.

이때, 바람직하게는 초음파 변환장치(115)는 드릴 코어부(110)의 몸체(113)에 포함되어 드릴링 과정의 충격으로부터 몸체(113)에 의해 보호 될 수 있다.

또, 드릴 코어부(110)는 드릴 날(150)과 일정 거리 이격 되어 설치됨으로써, 초음파 변환장치(115)와 전원선(111)이 드릴 날(150)의 회전과 상관 없이 회전하지 않을 수 있다.

한편, 드릴 코어부(110)로 보호되는 전원선(111)에서 전원을 공급받은 초음파 변환장치(115)는 초음파를 발생시킨다. 이때, 초음파 변환장치(115)로부터 발생한 초음파를 이용하여 드릴 날의 진행거리를 확인할 수 있으며, 드릴 날 끝과 뼈의 반대편 피질 골 외벽 사이의 잔류거리에 따라 변화하는 초음파 반사 신호를 측정하여 드릴링 속도를 제어하도록 사용될 수 있다.

이때, 공기와 뼈의 급격한 밀도 차이로 인해 초음파 변환장치(115)에서 발생한 초음파의 투과율 저하현상이 나타날 수 있다. 초음파 투과율 저하현상이 나타나면 초음파 반사신호의 정확도가 감소할 수 있으므로, 이를 보정해 주기 위해 일 측이 전원선(111)과 연결된 초음파 변환장치(115)의 타 측에 초음파 임피던스 정합 물질부(130)가 연결된다.

초음파 임피던스 정합 물질부(130)는 초음파 투과율 저하현상을 감소시키기 위해 뼈의 임피던스와 유사한 임피던스를 가지는 물질로 구성된다.

초음파 임피던스 정합 물질부(130)를 통과한 초음파는 초음파 임피던스 정합 물질부(130)와 연결된 엔드캡(140)을 통해 초음파 수술용 드릴(100) 외부로 송출된다. 이때, 엔드캡(140)은 뼈를 분쇄하는 드릴링 과정에서 드릴 날(150) 내부에 설치되는 초음파 변환장치(115)로 인해 발생하는 수술용 드릴(100)의 강도 저하를 보완한다. 또, 초음파 임피던스 정합 물질부(130)를 통과한 초음파 신호의 전달을 극대화 하기 위해 뼈와 유사한 초음파 임피던스를 갖도록 설치될 수 있다.

한편, 초음파 수술용 드릴(100)은 도 4(a)에 도시된 바와 같이 드릴링 과정에서 초음파를 방출한다. 초음파 수술용 드릴(100)에서 방출되는 초음파는 뼈의 경계면에서 반사된다. 이때 반사되는 초음파 반사신호를 이용하면, 도 4(b)에 도시된 바와 같이, 초음파 반사신호를 분석하여 드릴 날(150) 끝에서 뼈의 반대편 피질 골 외벽까지의 잔류 거리 및 드릴 날(150)의 삽입 거리를 확인할 수 있다.

일 예로, 수술용 드릴(100)은 삽입되는 방향의 뼈의 경계면에서 반사되는 초기 초음파 반사 신호를 획득할 수 있다. 또, 드릴링이 시작되면, 수술용 드릴(100)은 삽입된 반대 측의 뼈의 경계면에서 반사되는 초음파 반사 신호를 획득할 수 있다. 초기 초음파 반사 신호를 기준 신호로 설정하는 경우, 드릴링 과정에서 획득되는 초음파 반사 신호는 드릴 날(150)이 뼈를 드릴링 할수록 초기 초음파 반사 신호에 근접한다. 따라서, 이를 이용하여 드릴 날(150)의 진행거리 및 드릴 날(150) 끝과 뼈의 반대편 피질 골 외벽 사이의 잔류 거리를 파악 할 수 있다.

또, 초음파 반사 신호를 이용한 드릴링 속도 제어 알고리즘을 구현함으로써, 초기 초음파 반사 신호와 가까워질수록 드릴링 속도를 감소 시킬 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 초음파 수술용 드릴을 이용한 드릴링 방법을 도 5를 참조하여 단계별로 설명하도록 한다. 초음파 수술용 드릴을 이용한 드릴링 방법(300)은 초음파를 송출하고 반사 신호를 획득하는 단계(S110), 획득한 초음파 반사 신호를 분석하는 단계(S120), 및 드릴 날의 회전 속도를 제어하는 단계(S130)를 포함한다.

먼저, 초음파를 송출하고 반사 신호를 획득한다(단계 S110). 초음파 수술용 드릴의 초음파 변환장치는 드릴 코어부로 보호되는 전원선으로부터 동력을 획득하여 초음파를 발생시킨다.

초음파 변환장치에서 발생된 초음파는 초음파 투과율 저하현상을 감소시키기 위해 뼈의 임피던스와 비슷한 물질로 형성된 초음파 임피던스 정합 물질부 및 엔드캡을 통과하여 초음파 수술용 드릴 외부로 송출된다. 이때, 초음파는 드릴링 과정에서 실시간으로 드릴 날의 위치, 속도, 및 진행거리 등의 정보를 획득할 수 있도록 드릴이 작동하는 동안 계속하여 송출될 수 있다.

송출된 초음파는 뼈의 경계면에서 반사되고, 초음파 수술용 드릴은 반사 신호를 획득한다. 이때, 사용자는 초음파 수술용 드릴이 뼈의 드릴링 작업을 시작하는 순간, 즉 뼈와 드릴 날이 맞닿은 상태에서의 초음파 반사신호를 기준 신호로 획득할 수 있다. 이때, 초음파 수술용 드릴에 설치된 초음파 변환장치는 전기 신호를 획득하여 초음파 신호로 변환하여 송출할 수도 있고, 초음파 신호를 수신하여 전기 신호로 변환할 수도 있다.

다음으로, 획득한 초음파 반사신호를 분석한다(단계 S120).

초음파 반사신호는 초음파를 송출하는 초음파 변환장치와 뼈의 경계면 사이의 거리에 따라 그 세기 및 획득 시간이 변화한다. 즉, 뼈의 경계면과 초음파 변환장치 사이의 거리가 멀수록 초음파 반사신호의 세기가 감소하고 획득하는데 걸리는 시간이 증가한다. 따라서, 단계 S110에서 획득한 기준 신호와 드릴링 도중에 획득한 초음파 반사신호의 정보를 비교 분석하여 드릴 날의 진행거리 및 드릴 날 끝에서 뼈의 반대편 피질 골 외벽까지 잔류 거리를 파악 할 수 있다.

기준 신호는 상술한 바와 같이, 드릴이 뼈와 닿는 순간의 초음파 반사 신호로서 설정된다. 이 경우, 초음파 변환장치와 뼈의 경계면 사이의 거리는 초음파 임피던스 정합 물질부 및 엔드캡의 두께의 합으로 나타날 수 있다. 따라서, 드릴을 이용하여 뼈를 드릴링 하는 도중에 획득하는 초음파 반사신호의 세기 및 획득하는데 걸리는 시간이 기준 신호에 근접하는 경우에는 드릴이 뼈의 반대편 경계면과 가까워지는 것으로 판단할 수 있다.

한편, 일 예로 드릴이 드릴링 한 거리는 초음파 반사신호를 분석하여 획득할 수 있다. 드릴링을 시작하기 직전의 초음파 반사신호는 기준 신호로써 획득되는데, 드릴링이 시작되면 기준 신호와 차이가 존재하는 반사신호가 획득된다.

이때, 획득한 기준 신호와 차이가 존재하는 초음파 반사신호는 뼈의 일 경계면으로부터 송출된 초음파가 타 경계면에서 반사되어 획득되는 신호이기 때문에, 이를 분석함으로써 뼈의 총 두께를 획득할 수 있다. 뼈의 총 두께는 송출한 초음파가 뼈의 타 경계면에서 반사되어 드릴에 설치된 초음파 변환자에 의해 다시 수신되는데 걸리는 시간을 측정 및 분석하여 획득할 수 있다.

마지막으로, 드릴 날의 회전 속도를 제어한다(단계 S130). 초음파 반사신호의 분석을 통해 획득한 드릴의 잔류 거리 및 방향은 드릴의 속도를 결정하는 중요한 요소로서 활용될 수 있다. 잔류 거리가 작을 때 드릴이 빠르게 동작하면 원하는 위치에서 정지하기 어려우며, 잔류 거리가 클 때 드릴이 느리게 동작하면 수술에 소요되는 시간이 증가한다.

따라서, 드릴링 속도 제어 알고리즘을 이용하여 드릴링 속도를 제어함으로써 수술에 소요되는 시간을 최소화 하며, 원하는 위치에서 드릴링을 정확히 정지할 수 있고, 이로 인해 초과 드릴링 및 의료 사고를 예방할 수 있다.

이때, 드릴링 속도는 단계 S120에서 획득한 기준 신호를 이용할 수도 있고, 뼈의 총 두께와 드릴링 거리를 이용하여 제어될 수도 있다. 일 예로, 기준 신호를 이용하는 경우에는, 기준 신호는 드릴이 뼈와 맞닿아 드릴링 작업이 시작되는 순간에 획득한 신호이기 때문에 드릴이 뼈의 타 경계면과 맞닿는 경우에 동일한 기준 신호를 획득할 수 있다.

따라서, 획득하는 초음파 반사신호의 분석 결과, 기준 신호와 큰 차이를 보이는 경우에는 드릴링 속도가 증가하고, 기준 신호와 차이가 작아질수록 드릴링 속도가 감소하는 알고리즘을 이용하면, 드릴 날의 속도를 자동으로 제어할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.

100 : 초음파 수술용 드릴 101 : 동력부
103 : 베어링 110 : 드릴 코어부
111 : 전원선 113 : 몸체
115 : 초음파 변환장치 120 : 동력 전달부
121 : 제 1기어 122 : 제 1축
123 : 제 2기어 124 : 제 2축
125 : 제 3기어 130 : 초음파 임피던스 정합 물질부
140 : 엔드캡 150 : 드릴 날

Claims (11)

1. 뼈를 드릴링하는 초음파 수술용 드릴로서,
   회전 동력을 생성하는 동력부;
   상기 동력부로부터 상기 회전 동력을 전달받아 회전되는 드릴 날;
   상기 드릴 날 내부에 위치하며 상기 드릴 날의 회전에 대하여 회전되지 않는 드릴 코어부;
   상기 드릴 코어부 내에 구비되어 상기 드릴 날 외부로 초음파를 송출하는 초음파 변환장치; 및
   상기 드릴 코어부의 일단에 구비되는 엔드캡;을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
2. 제1항에 있어서,
   상기 드릴 코어부 내에 구비되되, 상기 엔드캡과 상기 초음파 변환장치 사이에 구비되는 초음파 임피던스 정합 물질부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
3. 제1항에 있어서,
   상기 엔드캡은 뼈 보다 높은 밀도의 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
4. 제1항에 있어서,
   상기 드릴 코어부는 상기 드릴 날의 내부를 관통하며,
   상기 드릴 날의 내측과 상기 드릴 코어부의 외측은 일정 거리 이상 이격되는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
5. 제1항에 있어서,
   상기 드릴 코어부는 전원선과 상기 초음파 변환장치의 회전을 방지하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
6. 제1항에 있어서,
   상기 드릴 코어부는,
   전원선을 수용하며, 초음파 변환장치를 수납하는 몸체; 및
   상기 몸체의 타단에 소정의 각도로 꺽여 걸림턱을 형성하는 회전 억제 수단;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
7. 제1항에 있어서,
   상기 동력부의 동력을 상기 드릴 코어부에 전달하지 않고 상기 드릴 날에 전달하는 동력 전달부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
8. 제7항에 있어서,
   상기 동력 전달부는,
   상기 드릴 코어부가 접촉되지 않으며 삽입될 수 있는 관통 홀이 내부에 형성되고 상기 드릴 날과 체결되는 기어를 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 수술용 드릴.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 초음파 수술용 드릴을 이용하며, 인간을 제외한 동물의 수술을 위한 드릴링 방법으로서,
   a) 초음파를 송출하고 반사 신호를 획득하며, 뼈와 드릴 날이 맞닿은 상태에서의 초음파 반사 신호를 기준 신호로 획득하는 단계;
   b) 획득한 초음파 반사 신호를 분석하는 단계; 및
   c) 드릴 날의 회전 속도를 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 드릴링 방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 b)는,
    상기 초음파 반사 신호의 세기 또는 걸린 시간 중 적어도 하나를 분석하는 것을 특징으로 하는 드릴링 방법.
11. 제10항에 있어서,
    상기 단계 c)는,
    상기 드릴 날 끝에서 뼈의 반대편 피질 골 외벽까지의 잔류 거리가 큰 경우에는 회전 속도를 증가시키고, 잔류 거리가 작은 경우에는 회전 속도를 감소시키는 것을 특징으로 하는 드릴링 방법.
    

Images