KR101914389B1 - 고민감도 변형률 측정센서를 이용한 장력측정 매듭기구 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 가위동작이 가능하도록 힌지를 포함하여 구성되는 바디부, 사용자가 조작할 수 있도록 바디부의 일단에 구비되는 파지부, 파지부의 조작에 따라 봉합용 매듭실 또는 바늘을 선택적으로 움켜쥘 수 있도록 구성되는 고정부 및 매듭실에 발생하는 장력에 의한 바디부의 변형량(strain rate)을 측정할 수 있도록 바디부에 구비되는 변형률 측정센서를 포함하여 구성되는 장력측정 매듭기구 및 그 세트에 관한 것이다.
본 발명에 따른 고민감도 변형률 측정센서를 이용한 장력측정 매듭기구는 매듭실을 사용할 때 작용하는 장력에 대한 정보를 제공할 수 있으므로 수술 안정성 및 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

고민감도 변형률 측정센서를 이용한 장력측정 매듭기구{TENSILE FORCE MEASURABLE FORCEPS UTILIZING HIGHLY SENSITIVE STRAIN SENSOR}

본 발명은 고민감도 변형률 측정센서를 이용한 장력측정 매듭기구에 관한 것이며, 보다 상세하게는 봉합시에 매듭실에 작용하는 장력을 측정하여 사용자에게 알릴 수 있는 매듭기구에 관한 것이다.

매듭실은 의료적/미용적 측면에서 정상적인 회복을 위해 정확한 봉합 및 매듭과정이 필요한데, 이러한 봉합과정은 시술자의 경험적인 수술능력에 의존하여 이루어지게 된다. 한편, 매듭실은 사용 목적과 대상 조직에 따라 각각 다른 두께와 재질로 구성되어 각각이 갖는 고유의 파단강도는 다르게 구성될 수 있다.

특히 각막 이식 수술과 같은 정밀 봉합 수술에 사용되는 매듭실의 경우 매우 얇은 두께로 구성되어 파단강도를 넘는 힘, 약 0.3 N 정도의 장력이 가해지면 매듭실이 끊어지는 문제가 발생한다. 이와 관련되어 대한민국 공개특허 제2014-0061520호에 ‘안내 삽입물 장치 및 방법’이 공개되어 있다. 그러나, 이러한 전술한 매듭실의 파단을 예방하기 위하여 의사의 손의 감각에 의존하는 한계가 있었다.

대한민국 공개특허 제2014-0061520호(2014.05.21.)

본 발명은 종래의 매듭실을 이용하여 봉합할 때 파단강도 이상의 힘이 전달되어 파단되는 문제를 예방할 수 있는 고민감도 변형률 측정센서를 이용한 장력측정 매듭기구를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

상기 과제의 해결 수단으로서, 가위동작이 가능하도록 힌지를 포함하여 구성되는 바디부, 사용자가 조작할 수 있도록 바디부의 일단에 구비되는 파지부, 파지부의 조작에 따라 봉합용 매듭실 또는 바늘을 선택적으로 움켜쥘 수 있도록 구성되는 고정부 및 매듭실에 발생하는 장력에 의한 바디부의 변형량(strain rate)을 측정할 수 있도록 바디부에 구비되는 변형률 측정센서를 포함하여 구성되는 장력측정 매듭기구가 제공될 수 있다.

여기서, 변형률 측정센서는 길이가 신장됨에 따라 증가되는 저항의 변화율로부터 매듭실의 장력을 계산할 수 있도록 구성될 수 있다.

한편, 바디부는 매듭실에 의해 장력이 작용함에 따라 변형이 집중되는 변형집중부분을 포함하며, 변형률 측정센서는 변형집중부분에 구비될 수 있다.

나아가 변형집중부분은 바디부의 표면 중 일부일 수 있다.

또한, 변형집중부분은 직교하는 복수의 축방향에 대한 변형량을 측정할 수 있도록 2개 이상의 평면을 포함하며, 변형률 측정센서는 개별적 또는 복수의 측정값을 제공할 수 있도록 2개 이상의 면에 구비될 수 있다.

그리고, 바디부는 제1 부재와 제2 부재로 구성되며, 제1 부재는 제2 부재와 힌지연결되며, 제1 부재는 제1 핑거링, 길이방향으로 연장되어 형성되는 링크, 제1 고정편을 포함하여 구성되며, 제1 고정편은 제2 부재에 구비된 제2 고정편과 힌지연결되며, 링크는 제1 핑거링의 조작에 따라 제1 고정부가 회전할 수 있도록 제1 핑거링과 제1 고정부에 각각 힌지연결될 수 있다.

한편, 변형률 측정센서의 저항변화를 측정할 수 있도록 구성되는 프로세서를 더 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 저항변화를 표시할 수 있도록 구성되는 표시부를 더 포함하여 구성될 수 있다.

그리고, 프로세서는 측정되는 저항값에 따라 시각적으로 인지할 수 있도록 표시내용을 변화시킬 수 있다.

한편, 변형률 측정센서는 비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어 및 전도성 물질로 구성되며, 제1 레이어상에 형성되며, 복수의 나노크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하며, 제2 레이어는 복수의 크랙이 제2 레이어의 전 영역에 무작위적으로 균일하고 조밀하게 형성될 수 있도록 2μm 이하로 형성될 수 있다.

그리고, 제2 레이어는 신장시 제2 레이어에 형성된 복수의 크랙의 폭이 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가되도록 구성될 수 있다.

또한, 제1 레이어는 변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성될 수 있다.

바디부, 사용자가 조작할 수 있도록 바디부의 일단에 구비되는 파지부, 상기 바디부의 타단에 구비되며, 파지부의 조작에 따라 봉합용 매듭실을 선택적으로 움켜쥘 수 있도록 구성되는 고정부 및 매듭실에 발생하는 장력에 의한 바디부의 변형량(Strain rate)을 측정할 수 있도록 바디부에 구비되는 변형률 측정센서를 포함하는 장력측정 매듭기구를 포함하며, 장력측정 매듭기구는 복수로 구성되며, 매듭실의 사용장력에 따라 각각 강도가 다르게 구성된 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구 세트가 제공될 수 있다.

여기서, 변형률 측정센서의 저항변화를 측정할 수 있도록 구성되는 프로세서를 더 포함하며, 프로세서는 저항변화 및 장력측정 매듭기구의 강도에 따라 매듭실에 작용하는 장력을 계산할 수 있다.

본 발명에 따른 고민감도 변형률 측정센서를 이용한 장력측정 매듭기구는 매듭실을 사용할 때 작용하는 장력에 대한 정보를 제공할 수 있으므로 수술 안정성 및 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 의료용 매듭기구의 사시도이다.
도 2는 의료용 매듭기구를 사용할 때 매듭실에 작용하는 장력의 개념을 도시한 도면이다.
도 3은 매듭실을 잡아당기는 방향에 따라 변형되는 매듭기구의 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 3축 방향으로 잡아당길 때 변형률 측정센서로부터 측정되는 저항값이 도시된 도면이다.
도 5는 표시부가 나타난 부분확대도이다.
도 6은 의료용 매듭기구 세트의 개념이 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력 표시 방법의 순서도이다.
도 8은 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력 표시 방법의 다른 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력표시 방법 중 임계초과여부 및 경고단계를 나타낸 순서도이다.
도 10은 변형률 측정센서의 사시도이다.
도 11은 변형률 측정센서의 제2 레이어에 발생된 크랙을 확대하여 촬영한 사진이다.
도 12는 변형률 측정센서의 제2 레이어에 발생된 크랙을 비교한 사진이다.
도 13은 변형률 측정센서의 변형률-스트레스가 나타난 도면이다.
도 14는 변형률 측정센서의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.
도 15는 변형률 측정센서의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.
도 16은 변형률 측정센서의 제조방법의 순서도이다.
도 17은 변형률 측정센서의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 고민감도 변형률 측정센서를 이용한 장력측정 매듭기구에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.

도 1은 의료용 매듭기구(10)의 사시도이며, 도 2는 의료용 매듭기구(10)를 사용할 때 매듭실(2)에 작용하는 장력의 개념을 도시한 도면이다. 도시된 바와 같이 고민감도 변형률 측정센서(400)를 이용한 의료용 매듭기구(10)는 사용자가 파지하여 매듭실(2) 또는 바늘(3)을 선택적으로 움켜쥐거나 풀어줄 수 있도록 구성되며, 움켜쥔 상태로 동작시 매듭실(2) 또는 바늘(3)이 움켜쥔 위치에서 이탈되지 않도록 구성될 수 있다. 한편, 이하에서는 매듭기구(10)가 매듭실(2) 또는 바늘(3)을 움켜쥘 수 있으나, 설명의 편의상 매듭실(2)을 움켜쥐는 하나의 표현으로 통일하여 설명하기로 한다.

의료용 매듭기구(10)는 파지부, 고정부(40), 바디부(10), 변형률 측정센서(400), 연산부 및 표시부(60)를 포함하여 구성될 수 있다.

파지부는 사용자가 손을 이용하여 파지할 수 있도록 구성된다. 파지부는 사용자가 손가락을 삽입하여 고정할 수 있도록 핑거링(20)을 포함하여 구성될 수 있다. 파지부는 바디부(10)의 일측 또는 양측으로 구성될 수 있다.

고정부(40)는 한쌍의 고정편으로 구성되며, 힌지동작으로 바늘(3) 또는 매듭실(2)을 움켜쥘 수 있도록 구성된다. 고정부(40)의 동작에 대하여는 이하에서 상세하게 설명하도록 한다.

바디부(10)는 매듭기구(10)가 가위 형상으로 구성되어 가위 동작에 의해 움켜쥐는 동작과 풀어주는 동작이 이루어질 수 있도록 두 부분으로 구성될 수 있으며, 중심부분에서 힌지연결되어 상대적으로 회전가능하도록 구성될 수 있다. 바디부(10)는 제1 부재와 제2 부재를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 부재는 제1 핑거링(20)과 링크(30), 제1 고정편(41)을 포함하여 구성될 수 있다. 제1 핑거링(20)은 제2 부재와 힌지연결되어 상대적으로 회전가능하도록 구성된다. 제1 고정편(41)은 제2 고정편(42)에 인접한 지점에서 힌지연결되어 상대적으로 회전가능하도록 구성된다. 링크(30)는 소정길이로 형성되며, 제1 핑거링(20)과 제1 고정편(41)에 각각 힌지연결되도록 구성된다. 따라서 제1 핑거링(20)과 제2 핑거링(20)의 상대적인 회전움직임이 기구적으로 연결되어 제1 고정편(41)과 제2 고정편(42)의 상대적인 회전이 가능해진다. 한편, 고정부(40)의 미세한 조작을 위하여 고정부(40)의 회전반경은 핑거링(20)의 회전반경보다 크게 작게 구성될 수 있다.

바디부(10)는 매듭실(2)을 움켜쥔 상태에서 매듭실(2)에 장력이 발생할 정도로 잡아당기게 되면 변형이 일어날 수 있는 강도의 재질로 구성될 수 있다. 즉 매듭실(2)을 잡아당기는 힘에 따라 변형량이 달라지게 되며, 특히 변형이 집중되는 부분인 변형집중부분(50)이 형성되도록 바디부(10)의 다른 부분보다 2차 모멘트 값이 작은 단면형상을 가진 부분을 적어도 한부분을 포함하여 구성될 수 있다. 또한 2 축 방향의 변형을 측정할 수 있도록 적어도 2개의 면을 포함하여 구성될 수 있다.

변형률 측정센서(400)는 바디부(10)의 변형집중부분(50)에 부착되어 바디부(10)의 변형량을 측정할 수 있도록 구성된다. 변형률 측정센서(400)는 길이가 신장됨에 따라 저항이 변화될 수 있는 박막형 센서가 이용될 수 있다. 길이가 신장됨에 따라 전도성 레이어의 표면에 크랙의 폭이 넓어져 저항값이 커지는 센서로 구성될 수 있다. 변형률 측정센서(400)는 2축 이상에 대한 변형률을 측정할 수 있도록 적어도 2개 이상의 면에 구비되어 변형률을 측정할 수 있도록 구성된다. 한편, 이러한 센서의 구성에 대하여는 차후 도 10 내지 17을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

연산부(미도시)는 변형률 측정센서(400)로부터 발생하는 저항변화를 측정하고 저항변화로부터 바디부(10)의 변형량을 계산하고, 매듭실(2)에 작용하는 장력을 계산할 수 있도록 구성된다. 연산부는 바디부(10) 내측에 구비될 수 있으며, 마이크로 프로세서를 포함하며, 매듭기구(10)의 기구적인 수치에 대한 정보, 2차 모멘트와 같은 변형률과 관련된 정보, 매듭실(2) 별 임계장력에 대한 정보가 수록된 메모리를 포함하여 구성될 수 있다. 연산부는 매듭실(2)의 사용장력 범위내에서 현재 가해지는 장력을 계산하여 표시부(60)에서 출력될 수 있는 신호를 생성할 수 있다. 연산부는 매듭실(2)의 사용장력 내에서 현재의 장력이 어느 수준인지 여부를 시각적으로 인지가능한 색깔 또는 스케일 바(scale bar)로 표시하는 신호를 생성할 수 있다. 또한 임계장력에 도달한 경우에만 알림을 수행할 수 있도록 점등 등의 단순한 시각 인식을 위한 신호를 생성하도록 구성될 수 있다.

표시부(60)는 연산부로부터 신호를 수신하고 매듭실(2)의 사용장력 내에서 현재 매듭실(2)에 작용하는 장력을 표시할 수 있도록 구성될 수 있다. 연산부로부터 신호를 받아 시각적으로 표시될 수 있도록 LCD 또는 LED로 구성될 수 있다.

다만, 표시되지는 않았으나 연산부와 표시부(60)를 구동하기 위한 별도의 전원부를 포함하여 구성될 수 있다.

이하에서는 의료용 매듭기구(10)의 동작에 대하여 도 3 내지 도 5를 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 3은 매듭실(2)을 잡아당기는 방향에 따라 변형되는 매듭기구(10)의 모습을 도시한 도면이고, 도 4는 3축 방향으로 잡아당길 때 변형률 측정센서(400)로부터 측정되는 저항값이 도시된 도면이고, 도 5는 표시부(60)가 나타난 부분확대도이다.

도시된 바와 같이, 의료용 매듭기구(10)에는 단부에 구비된 고정부(40)에서 매듭실(2)을 움켜쥐어 고정하고 잡아당길 때 변형률을 측정하여 장력을 산출할 수 있도록 구성된다. 한편, 실제 임상에서 매듭기구(10)의 길이방향으로 매듭실(2)을 잡아당기는 경우는 빈번하지 않으므로 매듭실(2)의 장력방향과 길이방향이 수직인 대표적인 2 방향에 대하여만 상세히 설명하도록 한다.

도 3 (a)를 살펴보면, 매듭실(2)이 고정부(40)에서 고정된 상태에서 Y방향으로 잡아당겼을 때 나타난 변화가 도시되어 있다. 매듭기구(10)의 끝단은 매듭실의 장력에 의해 y방향으로 구부러져 있으며, 이때 변형집중부분(50)에 변형이 이루어지게 된다. 또한, 도 3 (b)에 나타난 바와 같이, 매듭기구(10)를 x 방향으로 잡아당기면 매듭실의 장력에 의해 x방향으로 구부러진 변형이 이루어진다. 이 경우에도 변형집중부분(50)에 변형이 집중적으로 일어나게 된다. 변형집중부분의 각 면에는 변형률 측정센서(400)가 구비되어 변형에 따른 저항변화를 각각 측정할 수 있게 된다. 다만 도시되지는 않았으나, z 방향으로 잡아당겨 변형이 이루어지는 경우에도 복수의 변형률 측정센서의 저항 측정 값으로부터 매듭실의 장력을 계산할 수 있게 된다.

도 4를 살펴보면, 각 축방향으로 장력이 작용할 때 변형률 측정센서(400)에서 측정되는 저항변화가 나타나 있다. 이때, 하나의 변형률 측정센서(400)에서 하나의 축방향의 + 방향 및 방향으로의 변형을 측정할 수 있도록 소정길이로 신장시킨 상태로 변형집중부분(50)에 부착될 수 있다. 이 경우, 소정길이로 연장된 상태가 초기 상태가 되므로 수축 및 신장에 따른 저항변화를 측정할 수 있게 된다.

한편, 실질적으로 독립적인 3 방향의 변형보다 3방향의 성분이 조합된 크기와 방향을 갖는 장력이 작용되는 것이 일반적인 경우가 된다. 이때 매듭실(2)의 종류에 따른 사용장력, 매듭기구(10)의 기구적인 수치, 영률(young’s modulus)와 같은 물성치의 정보를 바탕으로 장력이 산출될 수 있다. 즉 사전 입력된 정보와 장력의 크기 및 방향에 따라 복수의 변형률 측정센서(400)에서 측정되는 저항변화 값의 조합이 유일하게 매칭될 수 있다. 따라서 연산부는 복수의 변형률 측정센서(400)에서 측정된 저항값의 조합으로 현재 매듭실(2)에 작용하는 장력을 산출할 수 있게 된다.

도 5를 살펴보면 표시부(60)에서 시각적 정보를 전달하는 방법의 개념이 나타나 있다. 현재 상대적인 저항값의 변형률이 측정되고, 이로부터 장력이 계산되면 매듭실(2)의 장력이 계산된다. 이때, 매듭실(2)이 끊어질 위험이 있는 경우까지 장력이 증가되는 경우 이를 판단하고 사용자에게 경고가 수행될 수 있다. 표시부(60)는 시각적으로 인식가능할 수 있도록, 예를 들어 LED 또는 LCE로 구성되어 점멸 또는 색깔의 변화를 통하여 경고를 수행한다. 따라서 사용자는 위험을 감지하고 외력을 낮추어 봉합을 수행할 수 있다.

도 6은 의료용 매듭기구(10) 세트의 개념이 도시된 도면이다. 의료용 매듭실(2)은 다양한 종류와 두께로 구성될 수 있으며, 이에 따라 장력이 측정될 수 있도록 다양한 종류의 매듭기구(10)를 포함하여 구성될 수 있다. 의료용 매듭기구(10)는 매듭실(2)의 사용장력에 따라 적절한 변형량이 발생하여야 변형률을 측정하고 매듭실(2)의 장력을 산출할 수 있게 된다. 그러나 매듭기구(10)의 강도가 작아 매듭실(2)의 사용장력 내에서 너무 큰 변형이 일어나는 경우에는 사용자의 조작감을 떨어뜨리게 되며, 낮은 반응성을 갖게 되어 바람직하지 않다. 반대로 매듭기구(10)의 강도가 커 매듭실(2)의 사용장력 내에서 너무 작은 변형이 일어나는 경우에는 사용자로부터 과도한 조작력이 인가되더라도 장력측정이 원활하게 이루어지지 않아 매듭실(2)의 파단의 우려가 있기 때문에 바람직하지 않다. 따라서 매듭실(2)의 사용장력에 따른 적절한 변형량을 갖는 조작기구가 매치될 수 있다. 이러한 매칭은 실험적으로 결정될 수 있다.

이하에서는 도 7 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력 표시 방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 7은 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력 표시 방법의 순서도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력 표시 방법은 변형률 측정센서의 저항변화를 측정하는 단계(S1000), 의료용 매듭기구의 변형률 계산단계(S2000), 매듭실의 장력을 계산하는 단계(S3000) 및 장력을 표시하는 단계(S4000)를 포함하여 구성될 수 있다.

변형률 측정센서의 저항변화를 측정하는 단계(S1000)는 사용자가 파지하여 사용하며, 선택적으로 매듭실을 움켜쥘 수 있는 구조로 구성된 매듭기구를 이용하여 수행된다. 매듭실의 일단은 조직에 고정되어 있음을 전제로 하여 설명하면, 타단을 매듭기구로 움켜쥔 상태에서 매듭실을 잡아당기면 매듭실에 장력이 발생하게 되는데, 이때 매듭기구에 발생하는 변형률을 측정하게 된다. 변형률은 변형률 측정센서를 이용하여 수행되며, 변형률 측정센서는 신장됨에 따라 전도층의 크랙의 폭이 넓어져 저항이 증가하는 센서가 이용될 수 있다. 3축 방향의 변형률을 각각 측정할 수 있도록 매듭기구의 3 방향의 표면에 부착된 변형률 측정센서로부터 복수의 저항값이 측정될 수 있다.

의료용 매듭기구의 변형률 계산단계(S2000)는 기 저장된 복수의 변형률 측정센서로부터 측정된 저항변화의 조합에 따른 의료용 매듭기구의 외형의 변형량 정보로부터 현재의 저항변화의 조합에 따른 매듭기구의 변형률을 매칭하는 단계에 해당한다. 이때 변형률 측정센서로부터 측정된 저항값이 이용되거나, 변형률 측정센서로부터 측정된 저항값의 변화를 이용하여 매듭기구의 변형률을 매칭시킬 수 있도록 구성된다.

매듭실의 장력을 계산하는 단계(S3000)는 이전 단계에서 산출된 매듭기구의 변형률 및 매듭기구의 지오메트리, 물성치 정보를 이용하여 매듭실을 고정한 부분에서의 외력을 산출하는 단계에 해당한다. 이때에는 외력에 따른 물체의 변형률 이론 등을 이용한 연산과정이 수행되어 외력을 산출할 수 있게 된다.

장력을 표시하는 단계(S4000)는 이전단계에서 산출된 외력을 장력으로 표시하는 단계에 해당한다. 장력을 표시하는 단계(S4000)는 사용자가 시각적으로 인식할 수 있도록 매듭기구에 구비된 표시부를 이용하거나, 별도로 구비된 표시부를 이용하여 장력을 인식할 수 있도록 구성된다. 장력을 표시하는 단계(S4000)는 산출된 장력이 수치로 표시되거나, 사용장력 내에서 현재 작용하는 장력이 어느 정도인지 확인할 수 있도록 scale bar 형태로 표시되거나, 색깔의 변화로 표시하는 방법 등 사용자가 시각적으로 인식 가능한 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력 표시 방법의 다른 순서도에 대하여 설명하며, 전술한 실시예와 동일한 실시예에 대하여는 중복기재를 피하기 위해 설명을 생략하며, 차이가 있는 구성에 대하여만 설명하기로 한다.

도 8은 의료용 매듭실의 장력 표시 방법의 다른 순서도이다. 도시된 바와 같이, 매칭단계(S2500)는 측정된 저항값의 조합을 이용하여, 현재 사용되는 매듭기구의 지오메트리 및 종류에 따라 현재 매듭실에 작용하는 장력 DB을 매칭시켜 산출하는 단계에 해당한다. DB에는 각각의 매듭기구에 대하여 매듭실에서 작용하는 장력의 크기와 방향에 따라 복수의 변형률 측정센서에서 발생하는 저항변화의 조합값이 저장되어 있다. 따라서 매듭기구가 선택되고 변형률 측정센서에서 저항값이 측정되어 조합되면 DB로부터 용이하게 장력이 도출될 수 있다. 이 경우 DB를 설정해 놓으면 프로세서의 리소스 낭비를 최소화 할 수 있다.

도 9는 본 발명에 따른 의료용 매듭실의 장력표시 방법 중 임계초과여부 및 경고단계를 나타낸 순서도이다.

도시된 바와 같이 본 실시예에서는 임계 초과여부 판단단계(S2600), 경고단계(S2700)를 포함하여 구성될 수 있다.

임계 초과여부 판단단계(S2600)는 측정된 저항값을 이용하여 현재의 장력을 도출하고 현재 장력이 위험수준인지 판단하는 단계이다. 임계 초과여부를 판단하기 위하여 매듭실의 파단강도값이 이용될 수 있다. 파단강도는 매듭실의 종류에 따라 달라지게 되며, 파단강도 값과 매듭실의 단면적을 이용하여 파단이 이루어지는 장력이 결정될 수 있다. 이러한 장력과, 장력에 따른 매듭기구의 변형률 데이터가 저장될 수 있으며, 이를 이용하여 변형률 측정센서에서 측정된 저항값에 따른 매듭기구의 변형률이 임계 변형률을 초과하는지 여부를 판단할 수 있게 된다. 임계 변형률을 초과하는 것으로 판단되는 경우 경고단계(S2700)가 수행될 수 있으며, 초과하지 않는 경우에는 현재의 장력을 표시하고 임계 변형률 초과여부 판단단계(S2600)가 재수행 될 수 있다. 한편, 임계 변형률 초과여부 판단단계(S2600)는 일정한 샘플링 타임으로 저항변화를 측정하고 반복적으로 수행될 수 있다.

경고 단계(S2700)는 매듭기구의 변형률이 임계 변형률을 초과하는 것으로 판단된 경우 사용자에게 매듭실이 끊어질 위험이 있음을 경고하는 단계에 해당한다. 사용자에게 시청각적인 방법으로 수행될 수 있으며, 경고 수행 시 봉합동작에 영향을 최소화 할 수 있도록 시각적인 방법으로 경고가 수행되는 것이 바람직하다. 할 수 있도록 시각적인 방법으로 경고가 수행되는 것이 바람직하다.

이하에서는 본 발명에 적용되는 변형률 측정센서에 대하여 도 10 내지 도 17을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 10은 본 발명에 따른 변형률 측정센서의 사시도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)는 제1 레이어(410), 제2 레이어(420)를 포함하여 구성될 수 있다.

제1 레이어(410)와 제2 레이어(420)는 서로 부착되어 있으며, 변형률 측정시 함께 신장되도록 구성된다.

제1 레이어(410)는 측정 대상으로부터 외력을 받아 신장될 수 있도록 신축성 부재로 구성되며, 이하 기술할 제2 레이어(420)의 저항 변화에 전기적으로 영향을 미치지 않도록 비전도성 부재로 구성될 수 있다.

제1 레이어(410)는 변형률 측정범위 내에서 크랙(430)이 발생되지 않도록 구성될 수 있다. 제1 레이어(410)의 크랙(430) 발생시 제2 레이어(420)에 발생되는 크랙(430)이 불균일해 질 수 있으므로 이를 방지하기 위함이다. 본 실시예에서는 변형률 60%를 한계로 한 예를 들고 있으며, 이에 따라 제1 레이어(410)의 길이의 60% 이내로 신장되는 경우에는 제1 레이어(410)에 크랙(430)이 발생되지 않도록 구성되어 있다. 구체적으로 제1 레이어(410)를 구성하는 재질은 폴리우레탄(Polyurechane)을 포함하여 구성될 수 있으며, 제1 레이어(410)의 두께는 200μm 이하로 구성되는 것이 바람직하다. 그러나 이러한 두께 및 재질은 측정범위에 따라 다양하게 구성될 수 있다.

제2 레이어(420)는 전도성 재질로 구성되며 길이가 신장됨에 따라 복수의 크랙(430)의 폭이 넓어짐으로써 자체 저항이 증가되도록 구성된다. 이때 복수의 크랙(430)은 제2 레이어(420)를 제1 레이어(410)에 부착시킨 후 신장시켜 발생된 것을 이용한다.

제2 레이어(420)는 변형률 측정범위 내에서 신장되더라도 전류의 흐름이 완전히 차단되지 않도록 구성된다. 즉 한 부분에서 과도하게 신장되어 전기적으로 단절되지 않도록 복수의 크랙(430)이 밀집되도록 구성된다. 한편, 이러한 특징을 갖도록 적절한 재료를 선정할 수 있으며, 금, 은, 백금과 같은 전도성과 연성이 뛰어난 재료를 포함하여 구성될 수 있다. 본 실시예에서는 백금을 포함하여 구성되어 있다.

복수의 크랙(430)은 제2 레이어(420)의 길이가 신장되는 방향과 대략적으로 수직한 방향성을 가지며 형성된다. 따라서 제2 레이어(420)의 신장시 크랙(430)의 폭이 증가함에 따라 접촉하는 면적이 줄어들게 되어, 저항의 크기를 결정하는 유효단면적이 감소하여 자체 저항이 증가하게 된다. 반대로 원래의 길이로 회귀시 크랙(430)의 폭이 감소하여 접촉하는 면적이 넓어지게 되므로, 유효단면적이 증가하게 되어 자체 저항이 감소하게 된다.

이러한 크랙(430)의 작용, 기능 및 형성과정에 대하여는 차후 상세히 설명하기로 한다.

제1 레이어(410)는 변형률 측정 대상에 고정되어 설치될 수 있다. 측정 대상으 길이 신장에 따라 제1 레이어(410)가 늘어나게 된다. 이때 제1 레이어(410)에 부착된 제2 레이어(420)가 함께 신장되면서 저항 값이 달라지게 되며, 제2 레이어(420)의 양측에 외부 기기가 연결되어 저항변화를 측정하도록 구성될 수 있다.

다시 도 10을 살펴보면 제2 레이어(420)는 제1 레이어(410)에 외력이 작용하는 지점과 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 따라서 외력의 작용에 의해 제2 레이어(420)에 발생될 수 있는 응력집중, 부분적인 파손 등을 방지할 수 있다.

또한, 제2 레이어(420)는 제1 레이어(410)의 모서리로부터 소정거리 이격되어 부착될 수 있다. 제1 레이어(410)를 절단할 때, 절단면이 거칠어질 수 있으며, 거친 모서리에 제2 레이어(420)가 부착된 경우, 응력집중 등으로 적절한 성능을 발휘할 수 있는 문제점을 방지하기 위함이다.

이하에서는 도 11 내지 도 14를 참조하여 변형률 측정센서(400)의 기능 및 작용에 대하여 상세히 설명한다.

도 11은 본 발명에 따른 제2 레이어(420)에 발생된 크랙(430)을 확대하여 촬영한 사진이다.

도 11 (a)에는 변형률 측정센서(400)의 길이가 20% 신장되었을 때의 모습, 도 11 (b)에는 변형률 측정센서(400)의 길이가 50% 신장되었을 때의 모습이 도시되어 있다. 우상측에 나타난 스케일 바의 길이는 5μm이다.

제2 레이어(420)에는 도시된 바와 같은 복수의 크랙(430)이 균일하게 분포되어 있다. 크랙(430)은 제2 레이어(420)가 신장되는 방향과 대체로 수직한 방향으로 형성되어 있다. 전술한 바와 같이 크랙(430)은 제2 레이어(420)가 신장시 신장되는 방향의 폭이 넓어져 접촉면적이 감소함으로써 저항이 증가되도록 구성되며, 회기시에는 반대로 폭이 좁아짐으로써 저항이 감소되도록 구성될 수 있다.

크랙(430)은 제2 레이어(420)의 일측에서부터 타측을 가로지르는 방향으로 형성되어 있으나, 제2 레이어(420)가 파단되지는 않도록 형성된다. 따라서 크랙(430)의 폭이 넓어지더라도 어느 하나의 크랙(430)에 의해 제2 레이어(420)에 흐르는 전류가 완전히 차단되지 않는다. 즉 제2 레이어(420)가 신장되더라도 크랙(430)이 형성되지 않는 부분으로 전류가 통과될 수 있도록, 제2 레이어(420)의 폭보다 짧은 길이로 형성된 복수의 크랙(430)이 형성된다.

도 12는 본 발명에 따른 제2 레이어(420)에 발생된 크랙(430)을 비교한 사진이며, 길이가 20% 신장되었을 때의 모습이 나타나 있다.

도 12(a)는 제2 레이어(420)에 형성된 크랙(430)의 폭이 부적절하게 넓은 모습이 도시되어 있으며, 도 12(b)는 제2 레이어(420)에 형성된 크랙(430)의 폭이 적절하게 구성되며, 균일하고 촘촘하게 형성되어 있는 모습이 도시되어 있다.

도 12(a)와 같이 크랙(430)의 폭이 부적절하게 큰 경우에는 어느 하나의 크랙(430)에 의해 부분적으로 파단이 일어나게 된다. 부분적 파단으로 인해 해당 부분에서는 전류의 흐름이 차단되며, 전체적으로는 5%이내의 적은 변형에도 불구하고 측정되는 제2 레이어(420)의 저항이 급격하게 증가하게 된다. 이는 측정범위가 변형률 5% 이상이 되면 측정이 불가능하게 됨을 뜻한다.

반면 도 12(b)와 같이 크랙(430)이 도 12(a)보다 조밀하게 형성된 경우에는, 동일한 신장률(20%)에도 불구하고 더 많은 수의 크랙(430)의 폭이 균일하게 증가하여 제2 레이어(420)상에서 크랙(430)과 크랙(430) 사이에 전류가 흐를 수 있는 다양한 경로가 형성될 수 있으므로 안정적으로 전류가 흘러갈 수 있게 된다.

이와 같은 크랙(430)의 폭과 밀집도는 측정 대상의 신장률에 따라 다양하게 구성될 수 있다. 예를들어 최대 신장률 60%의 측정범위를 가질 때 크랙(430)의 폭이 최대 변형률로 신장된 상태에서 5nm 이상으로 형성된 경우, 변형률 측정범위 내에서 급격한 저항변화가 발생하여 정밀한 측정이 어려워지게 된다. 따라서 이러한 경우, 크랙(430)의 폭은 5nm 이하로 구성되는 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 변형률-스트레스 그래프가 나타난 도면이다. 변형률 측정센서(400)를 60% 변형률로 반복적으로 신장시킨 데이터가 나타나 있으며, 신장시키는 횟수에 따라 다른 색깔로 표시되어 있다.

도시된 바와 같이, 최초 1회의 신장시의 데이터는 이후의 데이터와 다소 차이가 있는 모습이 나타나 있다. 이때 최초 1회의 신장은 제2 레이어(420)에 크랙(430)이 형성되기 전 상태에서 신장시킨 데이터이며, 최초의 1회 신장시에는 다소 높게 인가되는 응력(stress)에 따라 제2 레이어(420)에는 전술한 복수의 크랙(430)이 발생되며, 제1 레이어(410)는 미세변형이 발생되게 된다.

그러나 이후의 반복 사용시에는 도시된 것처럼 변형에 따라 일정한 응력이 인가되게 되며, 반복사용을 할수록 데이터가 수렴하는 모습을 보이고 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)를 사용시 신뢰도 향상을 위하여 1차적으로 신장시켜 균일한 크랙(430)을 발생시켜야 한다. 다만 크랙(430)이 형성되지 않고 제1 레이어(410) 및 제2 레이어(420)가 부착된 상태에서 사용 직전 크랙(430)을 발생시키기 위해 신장시킬 수 있다.

도 14는 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 반복신장시 저항변화가 나타난 도면이다.

도시된 바와 같이 변형률 측정센서(400)는 50%의 신장률로 반복했을 때, 저항의 변화는 대략 15배 정도 차이가 발생할 수 있다. 즉 10%의 변형이 일어나더라도 저항은 3배 이상의 차이가 발생되므로 매우 민감하게 작동될 수 있다.

한편, 신장 가능한 변형률 측정센서(400)의 민감도를 나타내는 가장 대표적인 인자로 gauge factor(GF=(저항변화량/초기저항)/변형률)를 들 수 있으며, 본 실시예의 GF 값은 20 내지 40의 값을 가질 수 있어 종래의 메탈 게이지가 5% 이내의 변형률 측정시 GF는 약 2 정도, 종래의 신장 가능한 변형률 측정센서(400)가 약 0.8 정도인 것에 비하여 10배 이상의 높은 GF값을 가질 수 있다. 따라서 변형률을 매우 민감하게 측정이 가능하여 0.01 N 단위로 변화되는 외력에 의한 변형을 측정 가능하다.

또한 반복사용을 사더라도 변형률에 따른 변형률 측정센서(400)의 저항 값은 일정하게 변화되므로 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

도 15는 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 변형에 따른 저항변화를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이 변형률 30% 내에서 변형률 측정센서(400)의 신장에 따라 저항이 증가되고 있으며, 30%까지 선형적으로 길이를 증가시킴에 따라 변형률 측정센서(400)의 저항 값이 선형적으로 증가되는 실험결과 데이터가 나타나 있다.

제2 레이어(420)에 형성된 복수의 크랙(430)이 밀집되어 있어 급격한 저항변화를 방지하며 길이의 신장에 따라 선형적으로 저항이 달라지게 되므로, 측정값을 이용하여 절대값을 이용한 변형률 산출 또는 저항의 상대적 변화에 따른 변형률의 산출이 용이하다. 또한 변형에 따른 저항의 변화가 빠르게 이루어지며, 작은 오버슈트(overshoot) 및 회귀시 작은 복구시간이 나타난다.

도 16은 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 제조방법의 순서도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)는 제1 레이어를 생성시키는 단계(S100), 제2 레이어를 생성시키는 단계(S200), 크랙(430)을 발생시키는 단계(S300)를 포함하여 구성될 수 있다.

나아가 제2 레이어(420)를 생성시 제2 레이어(420)를 부착시키는 영역을 결정하는 마스크를 부착 및 제거하는 과정이 포함될 수 있다.

제1 레이어를 생성시키는 단계(S100)는, 비전도성이고 신축성 부재를 스핀 코팅 방법으로 생성시킬 수 있다. 회전하는 슬라이드 글라스의 상측에서 폴리우레탄 솔루션을 떨어뜨려 회전에 의해 박막형태의 제1 레이어(410)를 형성시킨다. 이때 제1 레이어는 200μm 이하로 생성될 수 있다.

이후 전술한 바와 같이 제2 레이어(420)의 응력집중을 방지하기 위하여 제1 레이어(410)의 모서리에서 소정간격 이격되어 부착될 수 있도록, 생성영역을 결정하는 마스크를 부착시킬 수 있다. 마스크는 제2 레이어(420)를 부착시키는 영역만이 관통되어 있어 제1 레이어(410)상에서 제2 레이어(420)를 선택적으로 생성시킬 수 있게 된다.

제2 레이어를 생성시키는 단계(S200)는 제1 레이어(410)의 일면에 전도성 제2 레이어(420)를 부착시킨다. 일 예로, 스퍼터링(Sputtering) 공정을 이용하여 제2 레이어(420)를 생성시키며, 이때 스퍼터링은 백금 타겟을 이용하고, 10 내지 20 mA 로 200 내지 300초 간 이루어질 수 있다. 스퍼터링이 15mA 로 240초 간 수행되는 경우 신장률 60% 이내로 측정가능한 변형률 측정센서(400)의 제조에 바람직하다. 한편 이와 같은 스퍼터링은 일 예이며, 측정하고자 하는 측정범위에 따라서 다양한 공정이 채택될 수 있으며, 스퍼터링에 적용되는 시간 및 전류도 다양하게 적용될 수 있다. 한편, 이때 제2 레이어(420)의 두께는 2μm 이하로 형성될 수 있다.

제2 레이어(420)를 생성시킨 후에는 마스크를 제거한다.

크랙을 발생시키는 단계(S300)는 제1 레이어(410)를 신장시킴으로써 제2 레이어(420)의 전 영역에 균일한 인장력을 인가하여 균일한 분포로 복수의 크랙(430)을 발생시키게 된다.

이때, 크랙(430)을 발생시킬 때 신장되는 길이는 변형률 측정센서(400)로 측정하고자 하는 변형률의 최대치로 적용시켜 신장시킬 수 있다. 일 예로 측정범위가 60% 이내인 변형률 측정센서(400)를 제조하고자 하는 경우, 제1 레이어(410)를 60% 신장시켜 제2 레이어(420)상에 복수의 크랙(430)을 발생시킨다. 이후의 반복 사용에 의한 변형률에 대한 데이터는 도 13과 같이 나타날 수 있게 된다.

도 17은 본 발명에 따른 변형률 측정센서(400)의 제조되는 모습을 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이, 제1 레이어를 생성시키고(a), 생성된 제1 레이어에 마스크를 부착하고(b), 일부분에 스퍼터링을 이용하여 제2 레이어(420)를 생성시킨다(c). 이후 마스크를 제거하고(d), 제1 레이어(410)를 신장시켜 제2 레이어(420)에 균일한 크랙(430)을 발생시키게 된다(e).

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 장력측정 매듭기구는 정밀한 봉합시 사용되는 매듭실의 장력을 사용자가 인지할 수 있는 정보로 전환하여 전달할 수 있어 매듭실이 끊어지는 것을 방지할 수 있고 수술의 정확도와 안정성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

1: 매듭기구
2: 매듭실
3: 바늘
10: 바디부
20: 핑거링
30: 링크
40: 고정부
41: 제1 고정편
42: 제2 고정편
50: 변형집중부분
60: 표시부
400: 변형률 측정센서
S1000: 변형률 측정센서 저항변화 측정단계
S2000: 의료용 매듭기구의 변형률 계산단계
S3000: 매듭실 장력 계산 단계
S2500: 저항변화 장력 DB 매칭단계
S2600: 임계 초과여부 판단단계
S2700: 경고 단계
S4000: 표시단계

Claims (14)

1. 바디부;
   사용자가 조작할 수 있도록 상기 바디부의 일단에 구비되는 파지부;
   상기 바디부의 타단에 구비되며, 상기 파지부의 조작에 따라 봉합용 매듭실 또는 바늘을 선택적으로 움켜쥘 수 있도록 구성되는 고정부; 및
   상기 매듭실에 발생하는 장력에 의한 상기 바디부의 변형량(strain rate)을 측정할 수 있도록 상기 바디부에 구비되는 변형률 측정센서를 포함하며,
   상기 변형률 측정센서는,
   비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어; 및
   전도성 물질로 구성되며, 상기 제1 레이어상에 형성되며, 복수의 나노크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하는 장력측정 매듭기구.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 변형률 측정센서는 길이가 신장됨에 따라 증가되는 저항의 변화율로부터 상기 매듭실의 장력을 계산할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 바디부는 상기 매듭실에 의해 장력이 작용함에 따라 변형이 집중되는 변형집중부분을 포함하며,
   상기 변형률 측정센서는 상기 변형집중부분에 구비되는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 변형집중부분은 상기 바디부의 표면 중 일부인 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 변형집중부분은 직교하는 복수의 축방향에 대한 변형량을 측정할 수 있도록 2개 이상의 평면을 포함하며,
   상기 변형률 측정센서는 개별적 또는 복수의 측정값을 제공할 수 있도록 2개 이상의 면에 구비되는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
6. 제2 항에 있어서,
   상기 바디부는 제1 부재와 제2 부재로 구성되며,
   상기 제1 부재는 상기 제2 부재와 힌지연결되며,
   제1 부재는 제1 핑거링, 길이방향으로 연장되어 형성되는 링크, 제1 고정편을 포함하여 구성되며,
   상기 제1 고정편은 상기 제2 부재에 구비된 제2 고정편과 힌지연결되며,
   상기 링크는 상기 제1 핑거링의 조작에 따라 상기 제1 고정편이 회전할 수 있도록 상기 제1 핑거링과 상기 제1 고정편에 각각 힌지연결되는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
7. 제3 항에 있어서,
   상기 변형률 측정센서의 저항변화를 측정할 수 있도록 구성되는 프로세서를 더 포함하는 장력측정 매듭기구.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 저항변화를 표시할 수 있도록 구성되는 표시부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
9. 제7 항에 있어서,
   상기 프로세서는 측정되는 저항값에 따라 시각적으로 인지할 수 있도록 표시내용을 변화시키는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
10. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 레이어의 두께는 상기 복수의 크랙이 상기 제2 레이어의 전 영역에 무작위적으로 균일하고 조밀하게 형성될 수 있도록 2μm 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 레이어는 신장시 상기 제2 레이어에 형성된 복수의 상기 크랙의 폭이 신장되는 방향으로 넒어짐으로써 저항이 증가되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 레이어는,
    변형률을 측정하는 신장범위 내에서 크랙이 발생되지 않도록 신축성 부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구.
13. 바디부;
    사용자가 조작할 수 있도록 상기 바디부의 일단에 구비되는 파지부;
    상기 바디부의 타단에 구비되며, 상기 파지부의 조작에 따라 봉합용 매듭실을 선택적으로 움켜쥘 수 있도록 구성되는 고정부; 및
    상기 매듭실에 발생하는 장력에 의한 상기 바디부의 변형량(Strain rate)을 측정할 수 있도록 상기 바디부에 구비되는 변형률 측정센서를 포함하는 장력측정 매듭기구를 포함하며,
    상기 장력측정 매듭기구는 복수로 구성되며, 매듭실의 사용장력에 따라 각각 강도가 다르게 구성되며,
    상기 변형률 측정센서는,
    비전도성 물질로 구성되는 제1 레이어; 및
    전도성 물질로 구성되며, 상기 제1 레이어상에 형성되며, 복수의 나노크랙의 폭이 변화됨에 따라 저항의 크기가 달라지도록 구성되는 제2 레이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구 세트.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 변형률 측정센서의 저항변화를 측정할 수 있도록 구성되는 프로세서를 더 포함하며,
    상기 프로세서는 상기 저항변화 및 상기 장력측정 매듭기구의 강도에 따라 상기 매듭실에 작용하는 장력을 계산하는 것을 특징으로 하는 장력측정 매듭기구 세트.
    
    
    

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