KR101880294B1 - 균형화된 수정체 유화 팁 - Google Patents

Abstract

다양한 실시예에서, 수정체 유화 팁은 샤프트와, 적어도 제 1 및 제 2 굴곡부를 갖는 절단 에지 부분을 포함할 수 있다. 팁의 형상은 팁의 절단 에지 부분의 제 1 굴곡부를 통한 팁의 원추형 부분의 단부로부터 연장하는 샤프트의 일부 전반에 걸친 팁의 말단 단부 지점의 측방향 변위의 대략 5% 내지 25%(예를 들어, 15%)보다 작은, 10 kHz와 60 kHz 사이의 주파수에서의 팁의 비틀림 진동 동안 샤프트에 수직인 측방향 변위(u_x)를 초래하도록 구성될 수 있다. 팁 형상을 결정하기 위해 소프트웨어 및/또는 물리적 모델링이 사용될 수 있다.

Description

균형화된 수정체 유화 팁 {BALANCED PHACOEMULSIFICATION TIP}

본 발명은 일반적으로 수정체 유화술에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수정체 유화 팁에 관한 것이지만, 이에 한정되지는 않는다.

가장 간단히 말하면 인간의 눈은 각막(cornea)으로 지칭되는 투명한 외부 부분을 통해 광을 전달하고 수정체(lens)에 의해 망막(retina) 상에 이미지를 집속함으로써 시력을 제공하도록 기능한다. 집속된 이미지의 품질은 눈의 크기 및 형상과 각막과 수정체의 투명도를 포함하는 다수의 인자에 의존한다.

노화 또는 질병으로 인해 수정체의 투명성이 감소하면, 망막에 전달될 수 있는 빛이 감소됨으로써 시력이 약해진다. 눈의 수정체의 이러한 결함은 의학적으로 백내장이라 알려져 있다. 이러한 상태를 위한 수용된 치료법은 수술로 수정체를 제거하고 수정체 기능을 인공 수정체(intraocular lens: IOL)로 대체하는 것이다.

백내장에 걸린 수정체는 수정체 유화라 알려진 수술 기술에 의해 제거될 수 있다. 이러한 절차 동안, 얇은 수정체 유화 팁이 병든 수정체 내에 삽입되고 초음파 진동될 수 있다. 진동하는 팁은 수정체를 액화 또는 유화함으로써 수정체는 눈의 외부로 흡입 배출될 수 있다. 병든 수정체가 제거되고 나면 인공 수정체로 대체될 수 있다.

다양한 실시예에서, 수정체 유화 팁은 적어도 제 1 및 제 2 굴곡부를 갖는 절단 에지와 샤프트를 포함할 수 있다. 적어도 제 1 및 제 2 굴곡부와 샤프트의 형상은 팁의 말단 단부 지점의 변위의 대략 5% 내지 25%(예를 들어, 15%)(다른 임계치도 사용될 수 있음) 미만인 그 길이를 따른, 팁의 초음파 비틀림 진동 동안 샤프트에 수직인, 샤프트의 측방향 변위를 초래하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트는 절단 에지 부분의 제 1 굴곡부를 통해(예로서, 팁의 말단 단부 지점으로부터 대략 5 mm일 수 있음) 원추형 부분의 단부(예로서, 팁의 말단 단부 지점으로부터 대략 12 mm일 수 있음)로부터 연장할 수 있다. 또한, 제 1 굴곡부의 다른 위치가 고려된다(예를 들어, 팁의 말단 단부 지점으로부터 3 mm, 8 mm 등). 일부 실시예에서, 원주형 부분의 기단 단부(즉, 허브)는 초음파 혼(ultrasonic horn)에 결합하도록 구성될 수 있다.

일부 실시예에서, 팁 형상을 결정하는 방법은 2개 이상의 팁 형상(예를 들어, 그 형상을 그리는 하나 이상의 저장된 변수를 구비하는 컴퓨터 판독 가능한 입력 파일과 같은 전자기 포맷으로)을 제공하는 단계와, 초음파 비틀림 진동 동안 팁 형상의 거동을 모델링하는 단계와, 수정체 유화 절차 동안 눈의 절개부를 따르도록 구성된 팁 샤프트의 일부를 따른 최소 측방향 변위(예로서, 제 1 굴곡부의 원추형 부분의 단부로부터일 수 있음)를 갖는 팁을 선택하기 위해 다양한 팁 형상의 측방향 변위들을 비교하는 단계를 포함할 수 있다.

일부 실시예에서, 팁 형상을 결정하는 방법은 다양한 형상을 갖는 2개 이상의 물리적 팁[예를 들어, 팁을 따른 2개 이상의 위치에서 굴곡된 핸드(hand)]을 제공하는 단계와, 다양한 팁을 초음파 비틀림 진동시키는 단계와, 다양한 팁의 측방향 변위를 결정하는 단계와, 수정체 유화 절차 동안 눈의 절개부를 따르도록 구성되는 팁 샤프트의 일부를 따른 최소 측방향 변위를 갖는 팁을 선택하기 위해 결정된 측방향 변위들을 비교하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 더욱 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 연계하여 이루어지는 이하의 설명을 참조한다.

도 1은 일 실시예에 따른, 2개의 굴곡부를 갖는 말단 단부를 구비하는 균형화된 수정체 유화 팁을 도시하며,
도 2는 일 실시예에 따른, 흡입 라인과 관개 라인을 통해 핸드피스(handpiece)에 연결된 수정체 유화 수술 콘솔을 도시하며,
도 3은 일 실시예에 따른, 균형화된 팁에 부착된 초음파 혼을 도시하며,
도 4는 일 실시예에 따른, 균형화된 팁의 운동을 도시하며,
도 5는 일 실시예에 따른, 눈의 절개부 내에 삽입된 균형화된 팁을 도시하며,
도 6은 일 실시예에 따른, 균형화된 팁에 대한 측방향 진동 및 트위스트 진동을 도시하며,
도 7a는 일 실시예에 따른, 팁의 z축을 따른 트위스트 변위를 위한 모델 방정식을 도시하며,
도 7b는 일 실시예에 따른, 팁의 z축을 따른 측방향 변위를 위한 모델 방정식을 도시하며,
도 7c는 일 실시예에 따른, 모델링 방정식의 성분[l(z)]을 도시하며,
도 8a 및 도 8b는 모델 방정식에 따른, 입력 팁 형상과 대응하는 출력 측방향 변위 및 팁 길이를 따른 트위스트 각도의 실시예를 도시하며,
도 9는 일 실시예에 따른, 팁 형상을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 도시하며,
도 10은 일 실시예에 따른 팁 형상을 결정하기 위한 다른 방법의 흐름도를 도시하며,
도 11은 6개 가능한 균형화된 팁 실시예를 도시한다.

상술한 일반적 설명 및 이하의 상세한 설명 양자 모두는 예시적이며, 단지 설명을 위한 것이고, 청구된 바와 같은 본 발명의 추가적 설명을 제공하기 위한 것이라는 것을 이해하여야 한다.

도 1은 팁 샤프트(108)에 대해 굴곡된 절단 에지 부분(112)과 기단 단부(114)를 구비한 균형화된 수정체 유화 팁(100)을 예시한다. 균형화된 팁(100)은 주로 직선의 샤프트(108)와 절단 에지 부분(112)의 적어도 2개의 굴곡부[제 1 굴곡부(102) 및 제 2 굴곡부(104)]를 포함할 수 있다. 또한, 다른 수의 굴곡부가 고려된다(예를 들어, 3개의 굴곡부, 4개의 굴곡부, 7개의 굴곡부 등). 균형화된 팁(100)은 수정체 유화 핸드피스(204)와 연계하여 사용될 수 있다(도 2 참조). 핸드피스(204)와 함께 사용될 때, 균형화된 팁(100)은 종방향으로 및/또는 비틀림 식으로, 즉, 그 축을 중심으로 팁(100)을 전후로 회전시킴으로써 진동될 수 있다. 굴곡부(102/104)는 예로서, 균형화된 팁(100)의 길이의 말단의 대략 5 내지 25%를 따라 위치될 수 있다[팁(100)의 말단 단부 지점(106)으로부터 대략 12 mm까지를 통해 팁의 말단 단부 지점(106)으로부터 대략 5 mm에(팁 축(116)을 따라 측정됨) 위치된 부분일 수 있음]. 또한, 길이의 다른 부분이 고려된다.

일부 실시예에서, 팁(100)의 균형화는 팁(100)의 초음파 비틀림 진동 동안, 그 길이를 따른 샤프트(108)에 수직인 샤프트(108)의 측방향 변위가 팁(100)의 말단 단부 지점(106)의 측방향 변위의 대략 5% 내지 25%(예를 들어, 15%) 미만일 수 있도록 팁(100)의 형상[예를 들어, 팁의 원추형 부분(110), 샤프트(108) 및/또는 적어도 제 1 굴곡부(102) 및 제 2 굴곡부(104)의 형상]을 구성하는 단계를 포함할 수 있다(예를 들어, 주파수 동안 측정시, 팁은 안과 절차 동안 진동됨). 또한, 다른 임계치가 사용될 수 있다(예를 들어, 10 내지 20%, 15 내지 30%, 10 내지 40% 등). 일부 실시예에서, 말단 단부 지점(106)에서의 팁의 측방향 변위(예상 작동 주파수 동안)는 대략 30 내지 200 미크론의 범위일 수 있다. 일 예로서, 말단 단부 지점(106)이 팁(100)의 초음파 비틀림 진동 동안 대략 +/- 0.035 mm의 측방향 변위를 가지는 경우, 팁의 형상은 샤프트를 따른 최대 측방향 변위가 5 미크론 미만이도록 구성될 수 있다(다른 변위도 가능함). 다른 예로서, 말단 단부 지점(106)이 팁(100)의 초음파 비틀림 진동 동안 대략 +/- 0.055 mm의 측방향 변위를 갖는 경우, 팁의 형상은 샤프트를 따른 최대 측방향 변위가 8 미크론 미만이도록 구성될 수 있다. 일부 실시예에서, 샤프트는 절단 에지 부분(112)의 제 1 굴곡부(102)[예로서, 말단 단부 지점(106)으로부터 대략 5 mm일 수 있음]를 통해 원추형 부분(110)의 단부로부터 연장할 수 있다[예로서, 말단 단부 지점(106)으로부터 대략 12 mm일 수 있음]. 또한, 제 1 굴곡부(102)의 다른 위치가 고려된다[예를 들어, 말단 단부 지점(106)으로부터 3 mm, 8 mm 등].

도 2는 관개 라인(206)과 흡입 라인(208)을 통해 핸드피스(204)에 연결된 수정체 유화 수술 콘솔(214)을 예시한다. 일부 실시예에서, 전기 케이블(210)을 통한 핸드피스(204)에 공급될 수 있으며 관개/흡입 라인(206, 208)을 통한 유동은 수정체 유화 절차를 수행하기 위해 사용자에 의해 제어될 수 있다[예를 들어, 풋스위치(212)를 통해]. 수정체 유화 절차를 수행하기 위한 핸드피스의 일 예는 그 전문이 본 명세서에 전체적으로 그리고 완전히 기재된 것 같이 참조로 통합되어 있는, 2005년 7월 18일자로 출원된 미칼리 보우크니(Mikhail Boukhny), 제임스 와이. 촌(James Y. Chon) 및 아마드 살레히(Ahmad Salehi)의 발명의 명칭이 "초음파 핸드피스(Ultrasound Handpiece)"인 미국 특허 출원 공개 제 2006/0041220호(출원 번호 제 11/183.591호)에 개시되어 있다.

일부 실시예에서, 핸드피스(204)는 균형화된 수정체 유화 팁(100)에 결합될 수 있다. 일부 실시예에서, 핸드피스(204)는 관련 공진 주파수에서 여기될 때 종방향 운동을 생성하기 위해 분극화된 적어도 한 세트의 압전 소자(227)를 포함할 수 있다. 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 압전 결정(227)은 균형화된 팁(100)이 부착되는 초음파 혼(216)에 연결될 수 있다. 혼(216) 및/또는 균형화된 팁(100)은 복수의 대각선 슬릿 또는 홈(224)을 포함할 수 있다. 슬릿 또는 홈(224)은 공진 주파수에서 압전 결정이 여기될 때 균형화된 팁(100) 내에 비틀림 운동을 생성할 수 있다. 핸드피스(204)에 고정 요소를 결합하는 홈(224)에 의해 유발되는 균형화된 팁(100)의 운동은 혼(216)의 중심선에 대한 비틀림 회전 성분을 포함할 수 있다.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 일부 실시예에서, 균형화된 팁(100)은 대략 2 내지 6도 범위의 대략적 원호(예를 들어, 4도의 원호)를 통해 전후로 초음파 비틀림 회전하도록 구성될 수 있다. 또한, 다른 원호도 고려된다{예를 들어, 10도 원호[예를 들어, 중심 외 ±5도(중간 도면 2 참조) 중심 외 ±20도, 중심 외 ±90도 등의 다른 원호]}. 일부 실시예에서, 균형화된 팁(100)은 대략 10 내지 60 kHz 사이(예를 들어, 31 kHz)의 주파수에서 초음파 비틀림 진동될 수 있다. 또한, 다른 원호 및 주파수가 고려된다. 예로서, ±20도의 원호 및/또는 42 kHz의 주파수가 사용될 수 있다. 도 5에 도시된 원호는 이동을 나타내기 위해 과장되어 있다[즉, 도시된 전체 원호는 180도인 반면, 균형화된 팁(100)은 4도의 원호를 가질 수 있음]. 일부 실시예에서, 도 4의 팁 이동은 또한 종방향 성분(예를 들어, 샤프트에 평행한 축을 따른 상하로의)을 포함할 수 있다.

도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 수정체 유화를 수행하기 위해 사용될 때, 관개 슬리브(226)와 균형화된 팁(100)의 단부들은 예로서, 눈(509)의 전방 챔버(503)에 대한 접근을 취득하기 위해 각막(501), 공막(507) 또는 눈 조직의 다른 위치의 절개부(511) 내로 삽입될 수 있다. 다양한 실시예에서, 균형화된 팁(100)의 일부 또는 전체가 관개 슬리브(226) 내부에 있을 수 있다. 절개부(511)를 따른 팁(100)의 일부(513)는 수정체 유화 절차 동안 관개 슬리브(226)를 통해 절개부(511)(및/또는 눈의 다른 부분)와 열적 접촉될 수 있다. 일부 실시예에서, 절개부(511)를 따른 부분(513)은 절개부(511)와 직접 접촉할 수 있다[예를 들어, 슬리브(226)가 존재하지 않는 상태로]. 균형화된 팁(100)은 결정 구동 초음파 혼(216)에 의해 관개 슬리브(226) 내에서 그 종방향 축을 따라 초음파 비틀림 진동될 수 있고, 그에 의해, 현장의 선택된 조직과 접촉하여 유화시킬 수 있다. 균형화된 팁(100)의 중공 보어는 혼 내의 보어와 소통할 수 있으며, 혼 내의 보어는 순차적으로 핸드피스(204)로부터 콘솔(214)로의 흡입 라인과 소통할 수 있다(예를 들어, 도 2 참조). 콘솔(214) 내의 감소된 압력 또는 진공 소스는 균형화된 팁(100)의 개방 단부, 균형화된 팁(100)의 보어, 혼 보어 및 흡입 라인(208)을 통해 눈(509)으로부터 유화된 조직을 수집 장치로 견인 또는 흡입할 수 있다. 유화된 조직의 흡입은 균형화된 팁(100)의 외측 표면과 관개 슬리브(226)의 내측 표면 사이의 작은 환형 간극을 통해 수술 부위 내로 주입될 수 있는 식염수 플러싱 용액이나 관개보조제(irrigant)에 의해 보조될 수 있다.

도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 균형화된 팁(100)의 초음파 비틀림 진동은 적어도 두 가지 운동, 즉 1) 팁의 굴곡 축(도 1에 y축으로 표시됨)에 수직이면서, 직선 샤프트 부분과 동일 직선상에 있는 축(116)[축(116)은 "z축"으로 표시될 수 있음]에 수직인 그 평형 위치로부터의 균형화된 팁(100)의 측방향 변위(y축 및 z축은 굴곡부를 포함하는 평면을 형성함), 2) 균형화된 팁(100)의 z축을 따른 트위스트 각도를 초래할 수 있다. 균형화되지 않은 팁은 비틀림 진동의 작용하에 팁 길이를 따른(특히, 샤프트 내에서의) 현저한 굴곡을 가질 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같이 팁을 균형화함으로써, 팁(100)의 샤프트를 따른 측방향 변위는 감소될 수 있지만, 팁(100)의 말단 단부 지점(106)에서의 측방향 변위가 증가될 수 있다. 트위스트 진동(예를 들어, z축에 대한 비틀림 각도를 따른 전후방향 비틀림)이 샤프트(108)의 측방향 변위의 부재시 또는 그에 추가로 말단 단부 지점(106)의 비교적 큰 측방향 변위를 초래할 수 있는 팁(100)에 존재할 수 있다.

일부 실시예에서, 팁(100)을 균형화하는 것은 팁 형상을 조절하고 조절된 팁 형상을 갖는 팁을 물리적으로 테스트하거나, 증가된 측방향 변위를 갖는 샤프트(108)를 따른 감소된 측방향 변위 및 말단 단부 지점(106)에서의 트위스트를 초래하는 팁 형상을 발견하기 위해 팁 진동을 모델링하기 위해 모델링 방정식 또는 유한 요소 분석(FEA)을 사용하는 것을 포함할 수 있다. 팁 형상 특성은 예로서, 굴곡부의 수[예를 들어, 굴곡부(102, 104)], 굴곡부의 위치, 샤프트의 길이, 샤프트(108)의 직경, 원추형 부분(110)의 길이 및 원추형 부분의 직경을 포함할 수 있다. 다른 팁 형상 특성도 변경될 수 있다. 일부 실시예에서, 예로서, 다양한 팁 형상을 갖는 팁을 물리적으로 생성하고, 팁을 진동시키고(예를 들어, 수정체 유화 동안 사용되는 모드 및 주파수를 사용하고), 다양한 팁 형상에 의해 생성된 측방향 변위 및/또는 열을 감시함으로써 테스트될 수 있다. 다양한 팁 형상의 테스트의 한번 이상의 반복(예를 들어, 팁 내의 하나의 굴곡부의 위치를 고정하고 다양한 제 2 굴곡 위치 및 곡률을 갖는 다양한 팁을 테스트함으로써)은 하나 이상의 최적화된 팁 형상의 식별을 초래할 수 있다. 다른 수의 굴곡부 및 형상 변경(예를 들어, 양 굴곡부의 곡률을 일정하게 유지하면서 양 굴곡부의 위치를 변경, 굴곡부의 위치 및 곡률의 변경, 굴곡부의 수의 변경, 샤프트의 위치의 변경, 원추형 부분의 길이의 변경, 샤프트의 반경의 변경, 원추형 부분의 반경의 변경 등)도 가능하다.

일부 실시예에서, 다양한 팁 형상을 테스트하기 위해 모델링 방정식이 사용될 수 있다(FEA 및/또는 물리적 테스트의 대신 또는 그에 추가로). 예로서, 직선(주로 원통형) 팁의 초음파 비틀림 진동(예를 들어, 일반적 탄성 이론에 기초함) 동안 트위스트 각도(

)와 측방향 변위(u_x)가 z축을 따라 변하는 방식을 설명하는 방정식은 이하와 같이 표현될 수 있다(또한 도 7a 및 도 7b 참조).

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및

여기서,

는 팁의 트위스트 각도이고, ρ는 팁 재료의 밀도이고, I(z)는 z축을 중심으로 한 원통형 팁 단면의 관성 모멘트이고, R₁(z)는 원통형 팁 본체의 중공 내부 섹션의 내경[원통형 본체는 중실체이고, R₁(z)는 전체 z축을 따라 0일 수 있음], R₂(z)는 원통형 팁 본체의 외경이고, t는 시간이고, u_x는 x축을 따른 측방향 변위이고, S(z)는 z축을 따른 원통형 팁의 단면적이고, E는 팁 재료의 영의 계수이고, I_y(z)는 y축을 중심으로 한 원통형 팁의 단면의 관성 모멘트이고, μ는 팁 재료의 비틀림 계수이다. ρ와 같은 특성은 전체 팁에 대해 동일할 수 있고, R₁(z) 및 R₂(z)와 같은 특성은 z축을 따라 변할 수 있다(그리고, 따라서, 예로서, 값들의 어레이로서 표현될 수 있다). 트위스트 각도(

)와 측방향 변위(u_x)가 굴곡된(주로 원통형) 팁[예를 들어, 굴곡부(102/104)를 갖는 팁]의 초음파 비틀림 진동 동안 z축을 따라 변하는 방식을 설명하는 방정식은 이하와 같이 표현될 수 있다(역시, 도 7a 및 도 7b 참조).

, 여기서,

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,

, 여기서,

,

및

여기서,

는 팁의 트위스트 각도이고, ρ는 팁 재료의 밀도이고, I(z)는 z축을 중심으로 한 원통형 팁 단면의 관성 모멘트이고, R₁(z)는 원통형 팁 본체의 중공 내부 섹션의 내경[원통형 본체는 중실체이고, R₁(z)는 전체 z축을 따라 0일 수 있음], R₂(z)는 원통형 팁 본체의 외경이고, t는 시간이고, u_x는 x축을 따른 측방향 변위이고, S(z)는 z축을 따른 원통형 팁의 단면적이고, E는 팁 재료의 영의 계수이고, I_y(z)는 y축을 중심으로 한 원통형 팁의 단면의 관성 모멘트이고, μ는 팁 재료의 비틀림 계수이고, l(z)는 도 7c에 도시된 바와 같이 y축을 따른 측방향 변위이다. 일부 실시예에서, 방정식 및/또는 입력들 중 하나 이상은 팁이 내부에서 진동하는 매체(예를 들어, 물, 유리 등)의 존재를 고려하도록 변형될 수 있다. 예로서, 팁의 측방향 변위를 위한 방정식은 이하와 같이 변형될 수 있다:

여기서, γ는 매체(물과 같은)에 기인한 소실을 나타내는 경험적 파라미터이다. γ의 값은 매체 내에 존재하는 팁의 측정된 변위와 방정식을 정렬시키도록 조절될 수 있다. 분모의 ρ_MediaS_Media(z) 항은 팁의 운동을 따르는 매체에 기인한 팁 질량의 증가를 나타낸다. ρ_Media 항은 매체의 밀도이고, S_Media(z)는 팁과 함께 이동하는 매체의 단면이며, 이는 이상적 유체 이론을 사용하여 평가될 수 있고, 이는 이하와 같다(여기서, R₁은 매체 질량의 내경이고, R₂는 팁을 따르는 매체 질량의 외경이다):

. 또한, 다른 변형도 고려된다.

일부 실시예에서, 다양한 팁 특성(예를 들어, ρ, E 등)과 함께, 형상 특성[예를 들어, S(z), I(z), C(z), I_y(z) 등]이 사용자에 의해 입력될 수 있거나, 사용자에 의해 제공된 다른 입력[예를 들어, 사용자는 내경(팁이 중심에서 중공인 경우), z축을 따른 팁의 외경, 위치(예를 들어, 시작 및 정지 지점(z축을 따른) 및 하나 이상의 굴곡부의 곡률 등을 제공할 수 있음]에 기초하여 모델링 소프트웨어(예를 들어, Matlab^TM)에 의해 연산될 수 있다. 또한, 사용자는 그래픽 사용자 인터페이스(예를 들어, 도 8a 및 도 8b의 입력 플롯 참조)를 사용하여 팁 형상을 그릴 수 있고, 사용자는 팁 형상 등을 미리 로딩할 수 있다(예를 들어, 3차원 렌더링). 일부 실시예에서, 외경은 작은 z 값(즉, 팁의 원추형 부분)에서 클 수 있고, 팁의 단부에서 비교적 작을 수 있다. 다른 입력도 고려된다.

일부 실시예에서, 상술한 방정식으로부터의

및 u_x를 위한 해들은 다양한 팁 형상을 위한 z축을 따른 트위스트 각도 및 측방향 변위를 검사하기 위해 사용될 수 있고, 균형화된/조율된 팁 형상은 팁 길이를 따른[예를 들어, 샤프트(108)를 따른] 측방향 변위(u_x)를 최소화하면서 말단 단부 지점(106)의 트위스트 각도(

)와 측방향 변위(u_x)를 최대화하는 다수의 팁 형상으로부터 선택될 수 있다. 일부 실시예에서,

및 u_x를 푸는 것은 조화 분석을 사용하는 것을 포함할 수 있다.

및 u_x를 위한 방정식의 해는 z 및 t 양자 모두의 함수[예를 들어, u(z,t) 및

(z,t)]로서 트위스트 각도 및/또는 측방향 변위를 제공할 수 있다. 이들 해는 이 때 조화력에 따라 팁을 모델링하기 위해 사용될 수 있다. 조화력에 따른 모델링은 팁이 cos(ωt) 같이 소정 주파수(ω)로 진동하는 것처럼 팁을 모델링하는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 조화 함수가 위에서 제공된

및

를 위한 방정식에 따라 u(z,t) 및

(z,t)를 위한 모델링 방정식을 단순화하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 해는 u(z)cos(ωt)를 따라 모델링될 수 있다(즉, 진동 진폭은 단지 z에만 의존하도록 모델링될 수 있음). 공식 u(z)cos(ωt)는 시간에 독립적인 진동 진폭[u(z)]을 위한 미분 방정식을 제공하기 위해 운동 방정식(

및

)에 사용될 수 있다. 팁 변위 진폭 및 트위스트 진폭을 위한 해들이 이때 플롯팅될 수 있다(예를 들어, 도 8a 및 도 8b의 출력 참조). 일부 실시예에서, 조화 분석이 사용될 수 있다(예를 들어, 시간 및 z에 의존한 다양한 해가 결정 및 분석될 수 있음).

도 8a 및 도 8b는 입력 팁 형상과 대응하는 변위 및 상술한 모델 방정식에 따른 팁 길이를 따른 트위스트 각도를 예시한다. 일부 실시예에서, 제 1 굴곡부(102)의 곡률 및 위치는 인간 공학 및 제조 고려 사항과 같은 다양한 인자에 기초하여 선택될 수 있다. 제 2 굴곡부(104)는 균형화된 팁(100)의 말단 단부 지점(106)에 더 근접하게 위치될 수 있다. 이 굴곡의 곡률은 그 후 앞서 제공된 모델 방정식의 예측을 사용하여 선택될 수 있다. 이때, 결과적 팁 형상이 확인되고 및/또는 유한 요소 분석 시뮬레이션을 수행함으로써 조절될 수 있다. 이상적 곡률은 균형화된 팁(100)의 트위스트 진동 모드 및 굴곡 진동 모드가 언커플링되도록 이루어질 수 있다. 비틀림 힘 하에서 균형화된 팁(100)의 운동은 그 트위스트 진동 모드와 동일할 수 있다. 일부 실시예에서, 팁 굴곡부(예를 들어, 102/104)는 균형화된 팁(100)의 초음파 비틀림 진동 에너지가 샤프트(108)의 상당한 부분을 따라 트위스트 진동 모드에 있을 수 있도록(감소된 측방향 운동과 함께) 위치될 수 있다. 일부 실시예에서, 또한, 샤프트(108)의 길이는 말단 단부 지점(106)에서 트위스트 변위를 증가시키도록 초음파 구동 메커니즘[예를 들어, 혼과 조합된 핸드피스 내의 압전 소자(227)]과 공진하도록 트위스트 진동 모드를 조율하도록 조절될 수도 있다.

일부 실시예에서, 균형화된 팁(100)의 말단 단부 지점 측방향 변위의 진폭은 트위스트 진동 모드와 비틀림 구동력 사이의 공진에 의존할 수 있다. 구동 주파수가 비틀림 혼 디자인에 의해 설정될 수 있지만, 트위스트 모드의 주파수는 예로서 균형화된 팁(100)의 원추형 부분(110)의 길이를 선택함으로써 조절될 수 있다. 원추형 부분(110)의 길이는 균형화된 팁(100)의 트위스트 진동을 최대화하도록 선택됨으로써 말단 단부 지점(106)의 최대 트위스트 변위를 초래할 수 있다. 다른 팁 특성도 변할 수 있다.

일부 실시예에서, 균형화된 팁(100)은 대략 0.5 mm 내지 2 mm의 범위(예를 들어, 1.5 mm)의 직경을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 균형화된 팁(100)은 대략 1.5 mm의 팁의 상단에서의 직경 및 0.9 mm의 팁의 말단 단부 부근의 직경일 수 있다(또한, 다른 직경 및 구성이 고려됨). 일 실시예에서, 균형화된 팁(100)은 대략 1과 3/8 in의 길이를 가질 수 있고, 굴곡부(102, 104)는 말단부를 따라 대략 1/8 in 및 2/8 in에 위치될 수 있다. 또한, 다른 치수도 고려된다. 일부 실시예에서, 제 1 굴곡부(102)는 대략 -10 내지 -30도의 범위일 수 있고, 제 2 굴곡부(104)는 대략 20 내지 50도의 범위일 수 있다. 다른 굴곡부 각도도 고려된다. 절단 에지 부분(112)은 벌어진, 테이퍼형 및/또는 경사진 단부[일부 실시예에서, 절단 에지 부분(112)은 평탄할 수 있음]. 균형화된 팁(100)은 0.50 in와 1.50 in 사이의[예를 들어, 1.20 in] 전체 길이를 가질 수 있다. 다른 길이도 고려된다. 균형화된 팁(100)은 종래의 네트워킹 기술을 사용하여 형성될 수 있거나, 전해 연마될 수 있다. 샤프트(108)는 대체로 관형일 수 있으며, 0.05 in와 0.100 in 사이의 외경과 0.001 in와 0.090 in 사이의 내경을 갖는다(다른 직경도 고려됨).

도 9는 일 실시예에 따른 팁 형상을 결정하기 위한 방법의 흐름도를 예시한다. 흐름도에 제공된 요소는 단지 예시적이다. 다양한 제공된 요소들은 생략될 수 있고, 다른 요소들이 추가될 수 있고, 및/도는 다양한 요소가 아래에 제공된 것 이외의 다른 순서로 수행될 수 있다.

901에서, 팁 형상이 시스템에 입력될 수 있다. 예로서, 형상 입력은 입력 파일에 저장될 수 있다. 일부 실시예에서, 팁 형상은 팁의 슬라이스에서 형상의 값들로서 이하에 규정된바 중 하나 이상을 포함할 수 있다(예를 들어, 팁은 500 슬라이스로 분할될 수 있고, 각 슬라이스에서의 팁의 형상 특성은 각각의 형상 변수에 할당된 별개의 어레이에 저장될 수 있음). 예로서, 팁 슬라이스를 위한 형상 특성은 곡률(예를 들어, °단위), 비틀림 강성[예를 들어, C(z)], x축을 중심으로 한 관성 모멘트[예를 들어, I(z)], 단면적[예를 들어, S(z)], 팁의 굴곡 강도를 제어하는 y축을 중심으로 한 슬라이스의 관성 모멘트[예를 들어, I_y(z)], z축으로부터의 팁의 거리[예를 들어, l(z)]를 포함할 수 있다. 또한, 다른 입력도 고려된다.

일부 실시예에서, 이들 슬라이스 기반 어레이는 사용자에 의해 직접적으로 입력될 수 있거나, 다른 형상 입력에 기초하여 계산될 수 있다. 예로서, 사용자는 팁의 길이, 원추형 부분의 길이, 제 1 굴곡부가 시작되는 팁을 따른 위치, 제 1 굴곡부가 종료되는 팁을 따른 위치, 제 1 굴곡부의 곡률, 제 2 굴곡부가 시작되는 팁을 따른 위치, 제 2 굴곡부가 종결되는 팁을 따른 위치, 제 2 굴곡부의 곡률, 팁 재료의 전단 계수, 팁 재료를 위한 영의 계수, 팁 재료의 밀도 등을 제공할 수 있고, 다양한 슬라이스를 위한 특정 입력이 계산되고 입력 파일에 저장되거나 모델링 소프트웨어에 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 컴퓨터 시스템은 자동으로 입력을 생성할 수 있다. 예로서, 컴퓨터 시스템은 가능한 팁 형상의 다양한 반복을 통해 사이클링될 수 있다. 일부 실시예에서, 사용자는 팁을 견인할 수 있으며(예를 들어, 그래픽 사용자 인터페이스를 통해), 컴퓨터 시스템은 견인에 기초하여 형상을 계산할 수 있다. 또한, 다른 입력 유형도 고려된다.

903에서, 시스템은 주어진 팁 형상 및 초음파 비틀림 진동 주파수(예를 들어, 대략 31 kHz)를 위한 팁의 길이를 따른 측방향 변위 및 트위스트 각도를 결정하기 위해 모델링 방정식 및 조화 분석을 사용할 수 있다. 또한, 다른 주파수가 고려된다. 예로서, 방정식

및

는 제거 시간만큼 결과를 단순화하기 위해 조화 분석[예를 들어, u(z)cos(ωt),

(z)cos(ωt)를 갖는 조화 함수를 사용하여] 및 입력(앞서 규정된 바와 같이)을 사용하여 u_x 및

에 대해 풀릴 수 있다. 조화 분석에 따라서, 일부 실시예에서, u_x(z,t) = u(z)cos(ωt) 및

(z,t)=

(z)cos(ωt)가 가정될 수 있다.

아래와 같이 시간 도함수를 취하고,

이를 원래 방정식에 치환하고, 시간 코사인을 소거함으로써, 시간 독립적 방정식을 취득할 수 있다:

및

.

상술한 방정식은 그 후 변위 진폭[u(z)] 및 트위스트 각도[

(z)]에 대해 풀릴 수 있다. u_x를 풀기 위한 다른 방정식도 사용될 수 있다.

905에서, 시스템은 팁 형상을 위한 트위스트 각도 및/또는 측방향 변위 중 하나 이상을 플롯팅할 수 있다(예를 들어, 도 8a 및 도 8b 참조).

907에서, 사용자(또는 시스템)는 제 2 팁 형상을 제공(또는 제 1 팁 형상을 변형)할 수 있으며, 팁의 길이를 따른 트위스트 각도(

)와 측방향 변위(u_x)를 재계산할 수 있다. 또한, 다른 모델링 기술이 사용될 수 있다. 예로서, 유한 요소 분석(FEA)이 다양한 진동을 받는 다양한 형상의 팁의 길이를 따른 측방향 변위(u_x) 및/또는 트위스트 각도(

)를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 다른 방정식도 사용될 수 있다(예를 들어, 정사각형 팁 모델링을 위해 다른 방정식이 사용될 수 있음).

909에서, 다양한 형상을 갖는 다수의 팁을 위한 특성이 901 내지 907에 따라 계산될 수 있고, 팁 형상 중 하나의 선택(또는 분석을 위한 새로운 팁 형상의 생성)을 위해 비교될 수 있다. 팁 형상 중 하나의 선택은 그에 기초하여 팁 형상이 수정체 유화 절차 동안 눈 내의 절개부를 따르도록 구성된 팁 샤프트의 일부를 따른 더 작은 측방향 변위를 갖게 되는 팁 형상을 선택하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 수정체 유화 절차 동안 눈 내의 절개부를 따르도록[예를 들어, 샤프트의 기단 단부(원추형 부분의 단부와 같은)로부터 절단 에지 부분의 제 1 굴곡부로 연장하는 샤프트의 일부 전반에 걸쳐] 구성된 팁 샤프트의 일부를 따른 (분석된 팁 형상의) 측방향 변위가 말단 단부 지점(106)의 측방향 변위의 대략 5% 내지 25%(예를 들어, 15%)보다 큰 경우[다른 임계치(예를 들어, 1 미크론, 2 미크론, 100 미크론, 2 mm 등)도 사용될 수 있음], 다른 팁 형상이 생성될 수 있고, 새로운 팁 형상의 측방향 변위가 모델링되고, 제 1 , 제 2 및 새로운 형상 사이의 다른 선택을 위해 제 1 또는 제 2 팁 형상의 측방향 변위 중 적어도 하나에 비교된다(어느 지점에서든, 팁 중 하나가 선택되거나 다른 팁 형상기 비교 목적을 위해 생성될 수 있음).

일부 실시예에서, 새로운 형상을 생성하는 것은 추가적 모델링을 위해 이전에 테스트된 형상을 변경하는 것을 포함한다. 일부 실시예에서, 사용자는 추가적 기준에 따라 형상을 조율하기 위해 선택된 팁 형상을 추가로 변형할 수 있다. 예로서, 사용자는 말단 단부 지점(106)의 더 큰 측방향 변위를 제공하기 위해 균형화된 팁(100)의 트위스트 진동을 증가시키기 위해 원추형 부분(110)의 길이(또는 샤프트의 길이와 같은 다른 형상 특성)를 변형할 수 있다. 일부 실시예에서, 사용자는 팁의 말단 단부를 향한 측방향 변위를 증가시키면서 팁의 기단 단부를 향한 측방향 변위를 감소시키도록 굴곡부들 중 하나 이상의 다른 위치들 및 곡률들을 시도할 수 있다. 변형은 제 3, 제 4 등의 팁을 위해 사용될 수 있으며, 이전의 팁에 비교된 결과들은 팁의 형상 특성의 선택을 최적화할 수 있다.

도 10은 일 실시예에 따른 팁 형상을 결정하기 위한 다른 방법의 흐름도를 예시한다. 흐름도에 제공된 요소들은 단지 예시적이다. 다양한 제공된 요소들은 생략될 수 있고, 추가적 요소들이 추가될 수 있고 및/또는 다양한 요소가 이하에 제공된 것 이외의 다른 순서로 수행될 수 있다.

1001에서, 제 1 형상을 갖는 제 1 팁은 물리적으로 구성 또는 모델링될 수 있다(예를 들어, 유한 요소 분석을 사용하여). 일부 실시예에서, 제 1 팁은 원형 단면, 정사각형 단면 또는 팁의 축을 따라서 변하는 단면을 가질 수 있다.

1003에서, 제 1 팁은 수정체 유화 절차와 유사한 조건 하에서 진동될 수 있다(예를 들어, 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같은 수정체 유화 핸드피스에 고정되고 대략 31 kHz의 주파수에서 진동되고 및/또는 ANSYS와 같은 모델링 소프트웨어를 사용하여 "진동"됨으로써). 또한, 다른 주파수도 고려된다(예를 들어, 대략 10 kHz와 60 kHz 사이). 일부 실시예에서, 제 1 팁은 진동되는 수정체 유화 핸드피스에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 팁은 진동을 적용하기 위해 다른 장치(예를 들어, 테스트 고정구)에 고정될 수 있다. 일부 실시예에서, 제 1 팁의 단부는 유리질과 유사한 특성을 갖는 물 또는 재료 내에 배치될 수 있다(다른 액체도 고려됨). 일부 실시예에서, 제 1 팁은 2개의 굴곡부(예를 들어, 102, 104)를 포함할 수 있다. 다른 수의 굴곡부들도 고려된다.

1005에서, 제 1 팁은 진동 동안 분석될 수 있다. 예로서, 열적 이미징, 스트로브스코피(stroboscopy), 물리적 변위 측정 등이 팁을 위한 측방향 변위(u_x) 및/또는 트위스트 각도(

)[또는 측방향 변위(u_x) 및/또는 트위스트 각도(

)의 특성 지표]를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 예로서, 진동 팁의 열적 스캔에서, 팁 길이를 따른 더 높은 열의 위치는 더 큰 측방향 변위(u_x)를 나타낼 수 있다.

1007에서, 제 2 팁이 구성될 수 있다(예를 들어, 제 1 팁의 형상이 변형될 수 있음). 앞서 제공된 바와 같이 다양한 형상 특성에 대한 변형이 이루어질 수 있다. 예로서, 제 2 굴곡부(104)의 위치 및/또는 곡률이 변형될 수 있다.

1009에서, 제 2 팁은 제 1 팁과 유사한 조건 하에서 진동될 수 있다.

1011에서, 제 2 팁은 제 1 팁을 위해 결정된 바와 유사한 특성(측방향 변위 및 트위스트 각도와 같은)을 결정하도록 진동 동안 분석될 수 있다.

1013에서, 제 1 팁 및 제 2 팁을 위한 특성이 비교될 수 있으며, 제 1 및 제 2 팁 형상 중 하나가 선택될 수 있거나, 새로운 팁 형상이 비교 목적을 위해 생성 및 테스트될 수 있다. 예로서, 제 1 팁 형상 또는 제 2 팁 형상을 선택하는 것은 어느 팁이 수정체 유화 절차 동안 눈 내의 절개부를 따르도록 구성된 팁 샤프트의 일부를 따라 더 작은 측방향 변위를 갖는지에 기초할 수 있다. 일부 실시예에서, 수정체 유화 절차 동안 눈 내의 절개부를 따르도록 구성된 팁 샤프트의 일부를 따른 측방향 변위[예를 들어, 샤프트의 기단 단부(원추형 부분의 단부와 같은)로부터 절단 에지 부분의 제 1 굴곡부까지 연장하는 샤프트의 일부 전반에 걸쳐]가 팁의 말단 단부 지점(106)의 변위의 대략 5% 내지 25%(예를 들어, 15%)(상술한 바와 같이, 다른 임계치도 가능함)보다 큰 경우, 제 3 팁이 생성 및 테스트될 수 있다. 제 3 팁 형상의 측방향 변위 및/또는 트위스트 각도가 결정될 수 있고, 제 1, 제 2 및 제 3 팁 형상 사이의 추가적 선택을 위해 제 1 또는 제 2 팁 형상의 측방향 변위 및/또는 트위스트 각도에 비교될 수 있다(어느 지점에서든, 팁 중 하나가 선택될 수 있거나 다른 팁 형상이 비교 목적을 위해 생성될 수 있음).

도 11은 6개 가능한 균형화된 팁 실시예를 예시한다(다른 실시예도 가능함). 균형화된 팁(100)은 도 11의 표에 제공된 파라미터의 세트 중 하나에 따른 형상을 가질 수 있다. 균형화된 팁(100)은 OD in의 외경, ID in의 내부 보어의 직경, L in의 허브로부터 팁(100)의 말단 단부 지점(106)까지의 총 길이[초음파 혼에 부착되도록 구성된 팁(100)의 기단 지점]를 가질 수 있다. 팁(100)의 원추형 부분(110)은 허브로부터 L_c in 연장할 수 있다. 팁(100)의 제 1 굴곡부(102)는 α₁ 도의 각도를 가지며, 말단 단부 지점(106)으로부터 x₁ 및 x₂의 거리에 배치된 지점들 사이에서 연장한다. 제 2 굴곡부(104)는 α₂ 도의 각도를 가지며, 말단 단부 지점(106)으로부터 y₁ 및 y₂의 거리에 배치된 지점들 사이에서 연장한다. 절단 에지 부분(112)은 표에 표시된 바와 같이 30 또는 45도 상향 지향 또는 30도 하향 지향하는(예로서, 도 1에 도시된 경사는 하향 지향 상태임) 경사 에지(즉, 절단 에지 부분의 최말단 에지에서)를 가질 수 있다.

일부 실시예에서, 모델링 시스템은 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는 단일 처리 장치 또는 복수의 처리 장치를 포함할 수 있다. 이런 처리 장치는 마이크로프로세서, 제어기(마이크로제어기일 수 있음), 디지털 신호 프로세서, 마이크로컴퓨터, 중앙 처리 유닛, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이, 프로그램 가능한 로직 어레이, 상태 기계, 로직 회로, 제어 회로, 아날로그 회로, 디지털 회로 및/또는 연산 명령에 기초한 신호(아날로그 및/또는 디지털)를 조작하는 임의의 장치일 수 있다. 프로세서에 결합된 및/또는 프로세서 내에 내장된 메모리는 단일 메모리 장치 또는 복수의 메모리 장치일 수 있다. 이런 메모리 장치는 판독 전용 메모리, 임의 접근 메모리, 휘발성 메모리, 비휘발성 메모리, 정적 메모리, 동적 메모리, 플래시 메모리, 캐시 메모리 및/또는 디지털 정보를 저장하는 임의의 장치일 수 있다. 프로세서가 상태 기계, 아날로그 회로, 디지털 회로 및/또는 로직 회로를 통해 그 기능 중 하나 이상을 이행할 때, 대응 연산 명령을 저장하는 메모리는 상태 기계, 아날로그 회로, 디지털 회로 및/또는 로직 회로를 포함하는 회로 내에 내장되거나 그 외부에 있을 수 있다. 도면(예를 들어, 도 9 및 도 10)과 연계하여 예시 및 설명된 요소들 중 적어도 일부에 대응하는 연산 명령을 메모리가 저장하고 프로세서가 이들을 실행할 수 있다.

당 기술 분야의 숙련자는 제공된 실시예에 대해 다양한 변형을 안출할 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 본 발명의 실시예 및 본 명세서의 고려 사항으로부터 당 기술 분야의 숙련자는 본 발명의 다른 실시예를 명백히 알 수 있을 것이다. 본 명세서 및 예들은 예시적인 것으로 고려되며, 본 발명의 진정한 범주 및 개념은 이하의 청구범위 및 그 균등물에 의해 나타나 있다.

Claims (20)

1. 수정체 유화 팁(phacoemulsification tip)으로서,
   기단 단부 및 말단 단부를 갖는 샤프트와,
   적어도 제 1 및 제 2 굴곡부를 포함하는, 샤프트의 말단 단부의 절단 에지 부분을 포함하고,
   상기 샤프트 및 적어도 제 1 및 제 2 굴곡부의 형상은, 상기 샤프트의 기단 단부로부터 상기 절단 에지 부분의 제 1 굴곡부로 연장하는 샤프트의 일부 전반에 걸친 상기 팁의 말단 단부 지점에서의 측방향 변위의 5 내지 25%보다 작은, 상기 팁의 초음파 비틀림 진동 동안의, 샤프트에 수직인 측방향 변위를 초래하도록 구성되고,
   상기 적어도 제 1 및 제 2 굴곡부는, 초음파 비틀림 진동 동안의 상기 샤프트 내의 초음파 비틀림 진동 에너지가 상기 샤프트를 따라 트위스트 진동 모드(twisting vibrational mode) 내에 있도록, 위치되고,
   샤프트의 길이는, 상기 팁의 말단 단부 지점에서 트위스트 변위를 증가시키기 위하여 트위스트 진동이 초음파 구동 메커니즘과 함께 공명하도록, 상기 트위스트 진동 모드를 조절하도록 선택되는,
   수정체 유화 팁.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   측방향 변위(u_x)는 적어도 부분적으로 이하의 방정식을 사용하여 규정되며,
   

   

   
   여기서,

   

   는 상기 팁의 트위스트 각도이고,
   ρ는 팁 재료의 밀도이고,
   S(z)는 상기 샤프트와 동일직선상에 있는 축을 따른 팁의 단면적이고,
   E는 상기 팁 재료의 영의 계수(young's modulus)이고,
   I_y(z)는 상기 샤프트와 동일직선상에 있는 축에 수직인 축 둘레의 팁의 단면의 관성 모멘트이고,
   l(z)는 샤프트와 동일직선상에 있는 축에 수직인 축을 따른 측방향 변위인,
   수정체 유화 팁.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   

   

   는 이하의 방정식을 통해 제공되고,
   

   

   
   여기서, I(z)는 샤프트와 동일직선상에 있는 상기 축의 둘레의 원통형 팁 단면의 관성 모멘트이고, C(z) = I(z)*μ이며, μ는 팁 재료의 비틀림 계수(torsional modulus)인,
   수정체 유화 팁.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   방정식
   

   

   및
   

   

   
   는 조화 분석(harmonic analysis)을 통해 풀리는,
   수정체 유화 팁.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 팁의 기단 단부는 원추형 부분을 포함하고, 상기 원추형 부분의 길이는 팁의 말단 단부 지점에서 더 큰 측방향 변위를 제공하도록 상기 초음파 비틀림 진동 동안 상기 팁의 트위스트 진동을 증가시키도록 선택되는,
   수정체 유화 팁.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 팁의 말단 단부 지점에서의 팁의 측방향 변위는 40 내지 200μm의 범위인,
   수정체 유화 팁.
   
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
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