KR101863996B1

KR101863996B1 - 세라믹 소재 커터의 인공 관절용 커터 어셈블리

Info

Publication number: KR101863996B1
Application number: KR1020150134943A
Authority: KR
Inventors: 황적희
Original assignee: 황적희
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2018-06-01
Also published as: KR20150115708A

Abstract

본 발명은 체인지 구조를 가진 외과 수술용 커터 장치 에 관한 것이고, 구체적으로 커터 부분이 교체가 가능한 구조로 결합되고 이로 인하여 필요에 따라 커터의 신속한 교체가 가능하도록 하는 체인지 구조를 가진 외과 수술용 커터 장치에 관한 것이다. 회전 시스템에 결합되는 관절을 절삭하는 커터 장치(10)는 커터(111); 커터(111)의 한쪽 끝으로부터 연장되는 커넥터(112); 커넥터(112)에 형성된 체결 홈(114a, 114b); 상기 회전 시스템에 한쪽 끝이 고정되어 회전이 되는 고정 부재(12); 및 고정 부재(12)의 다른 끝에 형성된 커플러를 포함하고, 상기 커넥터(112)는 커플러(115)에 분리 가능하도록 결합된다.

Description

세라믹 소재 커터의 인공 관절용 커터 어셈블리{Cutter Assembly for Artificial Joint Having Cutter Made from Ceramic Material}

본 발명은 세라믹 소재 커터의 인공 관절용 커터 어셈블리에 관한 것이고, 구체적으로 지르코늄 산화물 소재의 커터가 일정한 경도를 가진 다른 소재로 이루어진 샹크에 결합된 세라믹 소재 커터의 인공 관절용 커터 어셈블리에 관한 것이다.

인공관절은 관절염 또는 골종양과 같은 것을 원인으로 관절부의 뼈가 손상되거나 또는 관절부의 손상이 발생된 경우 절제된 관절을 대신하여 사용되는 것을 말한다. 또한 인공관절 치환 수술은 관절과 절두를 모두 절제하고 인공재료로 만든 관절로 치환하는 수술을 말한다. 인공 관절 수술을 위하여 관절 부분이 절삭이 되어야 하고 이를 위하여 관절 커터가 사용되고 있다.

관절 커터와 관련된 선행기술로 특허등록번호 제0873014호 ‘로봇을 이용한 관절 절삭시스템’이 있다. 상기 선행기술은 무릎 인공관절 치환 수술에 적용되는 로봇을 이용한 관절 절삭 시스템에 관한 것으로 위치 가변 타입의 팔을 구비함과 함께 팔이 선단 측에 모터가 설치되고 모터의 하우징에 고정 부재가 결합되며 모터의 축에 연결되는 커터가 고정 부재 내에 회전 가능하게 결합되는 로봇을 이용한 관절 절삭 시스템에서 상기 커터가 환봉 형상으로 되어 있어 고정 부재 내에서 모터에 의해 회전할 수 있도록 결합 위치가 되고 고정 부재 외측으로 연장된 외팔보 형태를 취하고 있는 샤프트와 고정 부재 외측으로 연장된 샤프트의 선단부에 형성된 헤드를 포함하고, 상기 헤드가 터널식으로 뼈의 내부로 진입하여 뼈를 절삭하면서 진행하기 위한 샤프트의 외팔보 길이와 헤드의 직경은 외팔보의 길이가 20~30 mm가 되고 직경이 1.5 내지 4.0 mm가 되거나 또는 외팔보의 길이가 70 내지 80 mm이고 그 직경이 4.0 내지 6.0 mm 중 어느 하나의 길이와 직경으로 선택되는 것을 특징으로 하는 로봇을 이용한 관절 절삭 시스템에 대하여 개시한다.

절삭 커터와 관련된 다른 선행기술로 특허등록번호 제1200448호 ‘인공관절 결합 홈을 형성하는 절삭 커터’가 있다. 상기 선행기술은 외측 면과 선단 면에 절삭 날이 형성된 헤드와, 헤드에 연장하여 형성되며 환봉 형상인 샤프트로 구성되어 인공관절 결합 홈을 형성하는 절삭 커터에 있어서, 상기 헤드는 십자 형태로 배열된 절삭 날로 구성되고 상기 절삭 날의 중심부에 경사지게 형성된 제1 칩 배출 홈, 상기 절삭 날의 전면에 호형으로 형성되며 15도의 헬릭스 각으로 형성되는 제2 칩 배출 홈을 포함하고, 상기 절삭 날은 상기 전단면을 기준으로 상단을 15도의 경사각으로 연장되고 하단은 40도의 경사각으로 연장되어 형성되는 인공관절 결합 홈을 형성하는 절삭 커터에 대하여 개시한다.

관절 커터는 절삭 과정에서 주변 조직의 손상을 방지하면서 이와 동시에 절단물이 배출이 용이하고 그리고 절단 과정에서 커터 자체의 손상 또는 커터 자체로부터의 파편의 발생이 방지될 수 있는 구조를 가져야 한다. 그리고 이와 같은 구조는 커터의 소재 및 커터와 샹크 사이의 결합 구조에 의하여 이루어질 수 있다. 상기 선행기술은 이에 대하여 개시하지 않는다.

본 발명은 선행기술이 가진 문제점을 해결하기 위한 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.

본 발명의 목적은 세라믹 소재의 커터 및 이와 다른 소재의 샹크가 결합되어 커터로부터 파편의 발생이 방지될 수 있도록 하면서 이와 동시에 높은 인성 및 강도로 인하여 절삭 효율이 향상될 수 있도록 하는 세라믹 소재 커터의 인공 관절용 커터 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 인공 관절용 커터 어셈블리는 서로 대칭으로 배열된 배출 홈을 가지는 커터; 커터로부터 돌출된 헤드; 및 헤드에 체결되는 커플러를 가진 샹크를 포함하고, 상기 커터는 산화칼슘, 산화마그네슘 또는 이트륨을 포함하는 지르코늄 산화물 소재로 모스 경도가 6.25보다 크고 그리고 샹크(12)와 독립적으로 제조되어 결합된다.

본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 샹크는 스테인리스 스틸 소재로 0. 15 내지 0.40 wt%의 탄소, 10 내지 15.0 wt%의 크롬, 0.3 내지 1.2 wt %의 마그네슘, 0.2 내지 1.2 wt% 규소, 0.2 내지 1.2 wt%의 니켈 및 0.01 내지 0.05 wt%의 인 또는 0.01 내지 0.05 wt%의 황을 포함한다.

본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 상기 커플러에 길이 방향을 따라 다수 개의 분리 홈이 형성되고 그리고 헤드는 원형 또는 다각형의 단면으로 연장이 된다.

본 발명에 따른 커터 어셈블리는 높은 균일성과 치밀한 결정 조직을 가지는 세라믹 소재의 커터로 인하여 절삭 효율이 향상되도록 하면서 커터의 자체의 크기가 감소되도록 하고 그리고 커터로부터 파편의 발생이 방지될 수 있도록 한다는 이점을 가진다. 또한 커터가 샹크와 독립적으로 제조되어 결합이 되도록 하는 것에 의하여 커터 어셈블리의 설계가 용이해지면서 용도에 따른 적합한 커터 어셈블리의 구조가 가능하도록 한다는 장점을 가진다.

도 1은 본 발명에 따른 커터 어셈블리의 실시 예를 도시한 것이다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 커터 어셈블리의 다른 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 커터 어셈블리에서 커플러의 실시 예를 도시한 것이다.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 아래의 설명에서 서로 다른 도면에서 동일한 도면 부호를 가지는 구성요소는 유사한 기능을 가지므로 발명의 이해를 위하여 필요하지 않는다면 반복하여 설명이 되지 않으며 공지의 구성요소는 간략하게 설명이 되거나 생략이 되지만 본 발명의 실시 예에서 제외되는 것으로 이해되지 않아야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 커터 어셈블리의 실시 예를 도시한 것이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 커터 어셈블리(10)는 서로 대칭으로 배열된 배출 홈(111b)을 가지는 커터(111); 커터(111)로부터 돌출된 헤드(112); 및 헤드(112)에 체결되는 커플러(121)를 가진 샹크(12)를 포함하고, 상기 커터(111)는 산화칼슘, 산화마그네슘 또는 이트륨을 포함하는 지르코늄 산화물 소재로 모스 경도가 6.25보다 크고 그리고 샹크(12)와 독립적으로 제조되어 결합된다.

본 발명에 따른 커터 어셈블리(10)는 예를 들어 인공관절의 이식을 위한 무릎 뼈의 절삭을 위하여 사용될 수 있지만 이에 제한되지 않고 필요에 따라 적절한 설계 변경을 통하여 다양한 부위의 절삭에 적용될 수 있다. 또한 발명에 따른 커터 어셈블리(10)는 다양한 구조를 가지는 의료용 로봇 닥터에 연결되어 사용될 수 있다.

커터 어셈블리(10)는 절삭을 위한 커터 유닛(11)과 커터 유닛(11)을 예를 들어 핸드 피스 또는 로봇 닥터의 모터 어셈블리와 연결시키는 샹크(12)로 이루어질 수 있다. 본 발명에 따르면, 커터 유닛(11)의 적어도 일부 또는 커터(111)는 샹크(12)와 다른 소재로 이루어질 수 있고 독립적으로 제작되어 샹크(12)에 결합될 수 있다.

도 1의 (가)는 커터 유닛(11)과 샹크(12)의 분리된 상태를, 도 1의 (나)는 (가)의 결합 상태를 그리고 도 1의 (다)는 커터 유닛(11)의 정면도를 각각 도시한 것이다.

커터 유닛(11)은 절삭을 위한 커터(111)와 커터(111)가 샹크(12)의 커플러(121)에 결합되도록 하는 헤드(112)로 이루어질 수 있다. 커터(111)는 전체적으로 실린더 형상이 될 수 있고 길이 방향으로 연장되는 블레이드(111a) 및 블레이드(111a)의 사이에 형성되어 길이 방향을 따라 반원형의 단면을 가지면서 연장되는 배출 홈(111b)으로 이루어질 수 있다. 블레이드(111a)는 길이 방향으로 연장이 되도록 형성될 수 있고 예를 들어 5 내지 30도로 길이 방향에 대하여 경사진 형태로 연장될 수 있다. 또한 블레이드(111a)는 서로 등각으로 배치될 수 있고 3 내지 6개가 될 수 있다. 배출 홈(111b)의 형상은 블레이드(111a)의 구조에 의하여 결정될 수 있다. 예를 들어 블레이드(111a)의 양쪽 측면은 곡면으로 연장이 될 수 있고 이에 따라 배출 홈(111b)은 반원 형상의 단면을 가지도록 연장될 수 있다.

헤드(112)는 원형 또는 삼각, 사각, 오각, 육각 또는 팔각과 같은 다각 형상의 단면을 가지면서 연장이 될 수 있고 도 1의 (다)에 도시된 것처럼, 배출 홈(111b)의 정점(peak)이 연결되면서 형성되는 둘레 또는 직경을 가질 수 있다. 이와 같은 구조는 헤드(112)가 가능한 최대 직경을 가지고 이로 인하여 구조적으로 안정이 되도록 하면서 배출 홈(111b)으로 절삭된 뼈 조각이 용이하게 배출이 되도록 한다는 이점을 가진다. 헤드(112)는 커터(111)와 일체로 형성이 될 수 있고 예를 들어 지르코늄 산화물 입자의 소결 성형에 의하여 만들어질 수 있다.

커플러(121)는 헤드(112)가 결합되어 고정될 수 있는 적절한 형상을 가질 수 있고 아래에서 헤드(112)와 커플러(121)의 결합 구조에 대하여 다시 설명이 된다.

커플러(121)는 연장 부재(122)의 앞쪽에 형성될 수 있고 연장 부재(122)는 예를 들어 모터 블록과 같은 커터 어셈블리(10)의 작동을 위한 임의의 구동 장치 또는 구동과 관련된 장치에 연결될 수 있는 구조를 가질 수 있다. 본 발명은 연장 부재(122)의 구조에 의하여 제한되지 않는다.

본 발명에 따르면, 커터 유닛(11)의 적어도 일부는 산화칼슘, 산화마그네슘 또는 이트륨을 포함하는 지르코늄 산화물 소재로 모스 경도가 6.25보다 크고 그리고 샹크(12)와 독립적으로 제조되어 결합될 수 있다. 지르코늄 산화물(ZrO2)은 온도에 따라 다양한 상변화를 나타내고 이로 인하여 상변화로 인한 부피 변화로 인하여 입자가 깨지는 현상이 발생될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 지르코늄 산화물에 산화칼슘(CaO), 산화마그네슘(MgO) 또는 산화이트륨(Y2O3)과 같은 것이 첨가될 필요가 있다. 그리고 이와 같은 첨가로 인하여 지르코늄 산화물은 부분 안정화 지르코늄(Partially Stabilized Zirconia)가 될 수 있다. 본 발명에 따르면, 산화칼슘, 산화마그네슘 또는 산화이트륨의 양은 중량비로 1 내지 18 wt%로 첨가가 될 수 있다. 첨가되는 산화물의 종류 또는 산화물의 양은 밀도가 4.0 내지 6.2 g/㎤가 되고, 모스 경도가 6.25보다 크고, 굽힘 강도가 400 내지 1000 Mpa이 되고, 인장 강도가 250 내지 400 Mpa이 되는 범위에서 조절될 수 있다. 다른 한편으로 열팽창 계수는 8.0 내지 10.5 × 10-5/℃가 되도록 조절될 수 있다. 이와 같은 물리적 특성은 커터(111)의 회전 및 마찰을 고려하여 결정될 수 있고 다른 한편으로 아래에서 설명이 되는 커플러(121)의 물리적 특성에 기초하여 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 커터(111)는 예를 들어 0.5 내지 15 ㎛의 평균 직경을 가지는 지르코늄 산화물 입자를 위에서 설명이 된 첨가물을 첨가하면서 전기 용융에 의한 소결 방법으로 제조가 될 수 있다. 다양한 방법으로 커터(111)의 제조를 위한 지르코늄 산화물이 제시된 물리적 특성을 충족하도록 제조될 수 있다.

커플러(121) 또는 연장 부재(122)는 예를 들어 스테인리스 스틸로 제조될 수 있고, 0.15 내지 0.40 wt%의 탄소, 10 내지 15.0 wt%의 크롬, 0.3 내지 1.2 wt %의 마그네슘, 0.2 내지 1.2 wt% 규소, 0.2 내지 1.2 wt%의 니켈 및 0.01 내지 0.05 wt%의 인 또는 0.01 내지 0.05 wt%의 황을 포함할 수 있다. 탄소의 양은 로크웰 경도(HRc)가 50 내지 60이 되는 양으로 첨가될 수 있다. 또한 커플러(121) 또는 연장 부재(122)는 경도 또는 인장력 조절을 위한 진공 열처리가 될 수 있다. 커플러(121) 또는 연장 부재(122)의 경도 또는 응력 조절은 커터(111)의 물리적 특성과 매칭이 되도록 하기 위한 것이다. 예를 들어 커플러(121) 또는 연장 부재(122)에 첨가되는 크롬의 양은 인장력이 50 Mpa 내지 200 Mpa이 되도록 조절하기 위한 것이다. 또한 마그네슘의 첨가는 항복 강도의 조절을 위한 것이다. 커플러(121) 또는 연장 부재(122)를 위한 소재의 물리적 특성은 커터(111)의 물리적 특성에 기초하여 적절하게 결정될 수 있다.

커터 유닛(11)은 독립적으로 제작이 되어 샹크(12)에 결합이 될 수 있다. 상크(12)에 대한 결합은 분리 가능한 결합 또는 고정 결합이 될 수 있다.

아래에서 커터 유닛(11)이 샹크(12)에 연결되는 구조에 대하여 설명이 된다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명에 따른 커터 어셈블리의 다른 실시 예를 도시한 것이다.

도 2a의 (가)는 커터 유닛(11)이 샹크(12)에 연결되기 전의 분해도, (나)는 뒤쪽에 위치하는 체결 수단 그리고 (다)는 커터 유닛(11)이 샹크(12)에 결합된 상태를 각각 도시한 것이다.

커터(111)에 형성된 헤드(112)는 커터(111)와 접하는 목 부분의 직경이 작고 그리고 커플러(121a, 121b)와 연결되는 부분의 직경은 상대적으로 크게 형성될 수 있다. 헤드(112)는 억지 끼움 방식으로 결합 홀(121a)에 삽입이 될 수 있고 그리고 결합 홀(121a)의 바깥쪽 둘레 면에 나사 면(121b)이 형성될 수 있다. 헤드(112)가 결합 홀(121a)에 끼워진 후 조임 볼트(121c)가 연장 부재(122)의 뒤쪽으로 삽입이 되어 나사 면(121b)에 결합될 수 있다.

도 2b는 본 발명에 따른 커터 유닛(11)이 샹크(12)에 결합이 되는 다른 실시 예를 도시한 것으로 도 2b의 (가)는 분해 상태를 그리고 도 2b의 (나)는 결합 상태를 각각 도시한 것이다.

헤드(112)는 도 2a에 도시된 실시 예와 유사한 구조를 가지면서 둘레 면에 형성된 결합 나사 면(112a)을 가질 수 있다. 또한 커플러(121)에 결합 나사 면(112a)에 대응되는 나사 면 홀(121d)이 형성될 수 있다. 그리고 헤드(112)와 커플러(121d)는 나사 결합이 될 수 있다.

도 2c의 (가)는 본 발명에 다른 커터 유닛(11)이 샹크(12)에 결합되는 또 다른 실시 예를 도시한 것으로 (가)는 분해 상태를 그리고 (나)는 결합 상태를 각각 도시한 것이다.

도 2c를 참조하면, 헤드(112)의 둘레 면에 체결 나사 홈(112b)이 형성되고 그리고 커플러(121)에 고정 나사 홀(121e)가 형성될 수 있다. 헤드(112)는 커플러(121)에 억지 끼움 방식으로 결합이 될 수 있고 그리고 고정 볼트(123)가 고정 나사 홀(121e)에 결합이 되면서 고정 볼트(123)의 끝 부분이 체결 나사 홈(112b)에 결합이 될 수 있다

커터 유닛(11)은 다양한 방법으로 샹크(12)에 결합이 될 수 있고 본 발명은 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

본 발명에 따르면, 커터 유닛(11)은 샹크(12)에 분리 가능하도록 결합이 되므로 결합이 된 후 해제가 되지 않도록 하거나 또는 풀림이 방지될 수 있도록 하는 수단이 요구된다. 이를 위하여 헤드(112) 또는 커플러(121)가 특별한 구조를 가질 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 커터 어셈블리에서 커플러의 실시 예를 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 커플러(121)의 바깥 쪽 둘레 면에 체결 나사 면(121f)이 형성되고 위에서 설명이 된 것처럼, 조임 볼트가 체결 나사 면(121f)에 결합이 될 수 있다. 추가로 커플러(121)는 길이 방향으로 조임 가능한 분리 편의 구조를 가질 수 있다. 구체적으로 도 3의 (가)의 정면도 및 (나)에 도시된 것처럼, 커플러(121)의 길이 방향을 따라 다수 개의 분리 홈(121g)이 형성될 수 있다. 분리 홈(121g)은 원주 방향으로 등각으로 형성이 될 수 있고 조임 볼트의 결합 위치를 고려하여 길이가 결정될 수 있다. 또한 분리 홈(121g)은 뼈 조각이 통로가 되는 유입 통로(124)의 위치에 따라 적절하게 형성될 수 있다.

다양한 형태의 풀림 방지를 위한 구조가 헤드 또는 커플러(121)에 적용이 될 수 있고 본 발명은 제시된 실시 예에 제한되지 않는다.

위에서 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

10: 커터 어셈블리 11: 커터 유닛
12: 샹크 111: 커터
112: 헤드 111a: 블레이드
111b: 배출 홈 112: 헤드
121: 커플러 122: 연장 부재
123: 고정 볼트

Claims

서로 대칭으로 배열된 배출 홈(111b)을 가지는 커터(111);
커터(111)로부터 돌출된 헤드(112); 및
헤드(112)에 체결되는 커플러(121)를 가진 샹크(12)를 포함하고,
상기 커터(111)는 산화칼슘, 산화마그네슘 또는 이트륨을 포함하는 지르코늄 산화물 소재로 모스 경도가 6.25보다 크고 그리고 샹크(12)와 독립적으로 제조되어 결합되고; 상기 커플러(121)는 스테인리스 스틸로 제조되고 상기 커플러(121)의 인장력이 50 Mpa 내지 200 Mpa이 되도록 크롬이 첨가되고,
상기 커플러(121)의 바깥 쪽 둘레 면에 체결 나사 면이 형성되고 상기 커플러(121)에 길이 방향을 따라 다수 개의 분리 홈(121g)이 형성되고 그리고 상기 헤드(112)는 원형 또는 다각형의 단면으로 연장이 되는 것을 특징으로 하는 세라믹 소재 커터의 인공 관절용 커터 어셈블리.
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