KR102035992B1 - 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기 및 수술방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기 및 수술방법에 관한 것이다. 본 발명은 수술 시 사용되는 수술도구를 가이드하기 위해 인체의 골격 부위에 결합되는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기에 있어서, 인체의 골격 형상에 대응되게 형성되는 하우징; 상기 하우징에 단부가 고정되고, 상기 하우징이 골격에 배치되었을 때 상기 골격의 표면에 접촉하여 가고정시키는 가고정핀; 및 상기 하우징을 관통하여 상기 골격에 체결되는 록킹핀을 포함하고, 상기 하우징의 내면은 상기 골격의 표면에 형성된 연부조직과 이격되게 형성될 수 있다.

Description

골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기 및 수술방법{PATIENT SPECIFIC INSTRUMENT AND SURGICAL METHOD FOR SKELETAL SURFACE ALIGNMENT}

본 발명은 환자 맞춤형 수술기기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 환자의 골격 표면의 형상에 맞추어 정렬될 수 있는 환자 맞춤형 수술기기 및 수술방법에 관한 것이다.

인공관절 수술은 무릎관절이 각종 질환이나 외상 등의 원인으로 인해서 더 이상 정상적인 일상생활을 하지 못하고, 장애가 심하여 약물 요법이나 물리치료 등에 반응하지 않는 경우, 다른 수술 방법으로 해결할 수 없는 환자들에게 특수 합금과 고분자 재료로 만들어진 인공관절을 삽입하여 고통을 경감해주고, 무릎관절 운동이 가능해지면서 동시에 안정성을 얻고 변형을 교정하여 일상적인 생활을 가능하게 해주는 수술이다.

최근 들어 3D 프린팅 기술의 발전과 함께 인공관절 수술 및 골종양 제거수술 시에 전기톱(쏘우)과 드릴 등의 수술도구가 사용되는데, 이러한 수술도구들이 정확한 위치에서 작업될 수 있도록 환자의 골격 형상에 맞추어 3D 프린팅으로 제작한 환자 맞춤형 수술기기(PSI: Patient Specific Instrument)를 골격에 미리 정합하고 있다. 이러한 환자 맞춤형 수술기기는 인공관절 시장에서 인공관절의 정렬 정확성을 높이는 차세대 방법으로 인기를 얻고 있고 골종양 제거수술에서도 서서히 도입되고 있는 실정이다.

하지만, 종래의 환자 맞춤형 수술기기의 경우 골격 표면에 형성된 잔여 연부조직으로 인하여 골격 정합 정확성이 떨어지는 문제가 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1561227호(2015.10.12)

본 발명은 인공관절수술 등의 수술 시에 수술도구들이 정확한 위치에서 작업될 수 있도록 환자의 골격 형상에 맞출 수 있는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기 및 수술방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수술 시 사용되는 수술도구를 가이드하기 위해 인체의 골격 부위에 결합되는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기에 있어서, 인체의 골격 형상에 대응되게 형성되는 하우징; 상기 하우징에 단부가 고정되고, 상기 하우징이 골격에 배치되었을 때 상기 골격의 표면에 접촉하여 가고정시키는 가고정핀; 및 상기 하우징을 관통하여 상기 골격에 체결되는 록킹핀을 포함하고, 상기 하우징의 내면은 상기 골격의 표면에 형성된 연부조직과 이격되게 형성될 수 있다.

상기 가고정핀은 상기 록킹핀의 주변에 인접하게 배치될 수 있다.

상기 가고정핀은 상기 록킹핀을 중심으로 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수 있다.

상기 가고정핀은 상기 하우징의 내면에 요입되어 형성된 핀 삽입홈에 후단부가 삽입되고, 선단부는 상기 골격의 표면에 접촉할 수 있다.

상기 가고정핀의 선단부는 뾰족하게 형성될 수 있다.

상기 가고정핀의 선단부는 평평하게 형성되고, 상기 선단부에는 복수개의 마찰돌기가 돌출되어 구비될 수 있다.

상기 하우징의 내면과 상기 골격의 표면 사이의 갭은 상기 연부조직보다 두껍게 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 수술 시 사용되는 수술도구를 가이드하기 위해 인체의 골격 부위에 결합되는 환자 맞춤형 수술기기를 이용한 환자 맞춤형 수술방법에 있어서, 인체의 골격에 대응되게 하우징을 형성하는 단계; 상기 하우징의 내면을 상기 골격의 표면에 형성된 연부조직과 이격되게 형성하는 단계; 상기 하우징에 결합된 가고정핀을 상기 골격의 표면에 접촉시켜 상기 하우징을 가고정하는 단계; 및 상기 하우징을 관통하여 상기 골격에 록킹핀을 체결하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 골격 표면에 존재하는 연부조직에도 불구하고 환자의 골격 형상에 맞춤형으로 제작되기 때문에 수술도구들이 정확한 위치에서 작업될 수 있다. 결과적으로, 수술도구의 가이드가 정확해지고 수술 성공률이 높아질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 맞춤형 수술기기를 골격 표면에 가고정한 상태를 보인 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 맞춤형 수술기기를 골격 표면에 체결한 상태를 보인 도면.
도 3은 가고정핀의 일 실시예를 보인 도면.
도 4는 가고정핀의 다른 실시예를 보인 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 맞춤형 수술방법을 보인 도면.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명에 의한 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기 및 수술방법의 일 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 맞춤형 수술기기를 골격 표면에 가고정한 상태를 보인 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 맞춤형 수술기기를 골격 표면에 체결한 상태를 보인 도면이며, 도 3은 가고정핀의 일 실시예를 보인 도면이고, 도 4는 가고정핀의 다른 실시예를 보인 도면이다.

이에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 의한 환자 맞춤형 수술기기는 수술 시 사용되는 수술도구를 가이드하기 위해 인체의 골격 부위에 결합되는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기에 있어서, 인체의 골격(1) 형상에 대응되게 형성되는 하우징(10); 상기 하우징(10)에 단부가 고정되고, 상기 하우징(10)이 골격(1)에 배치되었을 때 상기 골격(1)의 표면에 접촉하여 가고정시키는 가고정핀(20); 및 상기 하우징(10)을 관통하여 상기 골격(1)에 체결되는 록킹핀(30)을 포함할 수 있다.

본 환자 맞춤형 수술기기는 3D 시뮬레이션으로 설계한 후 3D 프린터로 제조되어 수술 시에 사용되는 기기로서, 인공관절을 삽입한 후에 불편함이 없도록 인공관절의 위치를 잡고 관절모양을 다듬는 가이드로서의 역할을 한다.

도 1 및 도 2에 도시된 골격(1)은 인체의 무릎근처의 대퇴골을 구현한 것으로서, 이는 일 예로 제시한 것에 불과하므로 인체의 다양한 부위의 골격에 환자 맞춤형 수술기기가 적용될 수 있다.

일반적으로 무릎인공관절과 같은 수술을 할 경우에 골격(1)의 표면에는 연골과 같은 연부조직(2)이 일부 남아있을 수 있다. 이러한 연부조직(2)은 환자 맞춤형 수술기기를 골격(1)의 표면에 밀착시키는 데에 장애가 된다. 즉, 연부조직(2)이 형성된 두께만큼 환자 맞춤형 수술기기가 골격(1)의 표면에 밀착될 수 있게 되고 이러한 오차로 인하여 수술도구(전기톱, 드릴 등)가 정확하게 가이드될 수 없다.

따라서, 본 실시예에서는 이를 해결하기 위하여 하우징(10)의 내면이 골격(1)의 표면에 형성된 연부조직(2)과 이격되게 형성되도록 하였다. 다시 말해, 하우징(10)의 내면이 골격(1)의 표면에 직접 접촉하도록 제조하지 않고 내면이 골격(1)의 표면에서 오프셋(offset)되어 소정의 갭을 형성하도록 제조한 것이다. 하우징(10)의 내면은 예를 들어, 골격(1)의 표면에 형성된 연부조직(2)의 두께를 미리 측정하고 이를 반영하여 제조될 수 있다. 결국, 하우징(10)의 내면과 골격(1)의 표면 사이의 갭은 연부조직(2)보다 두껍게 형성되어야 할 것이다.

골격(1)의 표면 중에 연부조직(2)이 형성된 부분은 상술한 바와 같이 하우징(10)에서 이격부(14)를 형성하고, 연부조직(2)이 형성되지 않은 부분은 골격(1)의 표면에 직접 접촉되는 접촉부(12)를 형성하게 된다.

다음으로, 하우징(10)의 내면에는 핀 삽입홈(16)이 요입되어 형성된다. 핀 삽입홈(16)은 가고정핀(20)의 후단부가 삽입되어 고정되는 부분이다. 핀 삽입홈(16)은 하우징(10)을 3D 프린터를 이용하여 제조하는 과정에서 미리 형성될 수 있고, 가고정핀(20)의 길이에 맞추어 핀 삽입홈(16)의 깊이가 설계될 수 있다. 핀 삽입홈(16)은 하우징(10)의 내면 중 이격부(14)의 내면 측에 형성된다.

가고정핀(20)은 상술한 핀 삽입홈(16)의 후단부가 삽입되고, 선단부는 연부조직(2)을 관통하여 골격(1)의 표면과 접촉한다. 가고정핀(20)은 하우징(10)의 최종적으로 골격(1)에 체결하기 전에 하우징(10)과 골격(1)의 표면 사이의 갭을 전체적으로 유지할 수 있도록 하기 위해 하우징(10)을 가고정시키는 역할을 한다.

만약에 가고정핀(20) 없이 골격(1)의 표면과 갭이 형성된 하우징(10)을 록킹핀(30)을 이용하여 체결시키게 되면 하우징(10)과 골격(1)의 표면 사이에 갭이 유지되지 않게 된다. 예를 들어, 도 2에서 이격부(14)의 끝단 부분에 록킹핀(30)을 관통시켜 골격(1)에 체결시키는 경우 이격부(14)의 끝단이 휘면서 골격(1)에 체결될 수 있고 이와 같이 되면 이격부(14)와 골격(1)의 표면 사이의 갭이 최초 설계대로 유지되지 않기 때문에 수술도구가 정확하게 가이드되지 않아 수술이 어려워질 수 있다.

이상에서는 가고정핀(20)이 핀 삽입홈(16)의 후단부가 삽입된 상태로 하우징(10)을 가고정시키는 것으로 설명하였으나, 이에 제한되는 것은 아니고 가고정핀(20)이 록킹핀(30)과 같이 하우징(10)을 관통하여 골격(1)의 표면에 접촉하도록 구성할 수도 있다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시한 하우징(10)의 내면과 골격(1)의 표면 사이의 갭은 원활한 설명을 위해 다소 과장하여 도시한 것이고 실제 갭은 약간의 간격만 가지도록 형성될 것이다.

도 1을 참조하면, 가고정핀(20)이 연부조직(2)을 관통하여 골격(1)의 표면에 접촉하게 되면 하우징(10)의 가고정이 완료된다. 이 상태에서 시술자는 도 2에 도시된 바와 같이 록킹핀(30)을 골격(1)에 체결하게 된다.

록킹핀(30)은 실질적으로 하우징(10)과 골격(1)을 체결시키는 역할을 하는 것으로서, 록킹핀(30)은 하우징(10) 전체에 걸쳐 복수개가 배치되어 골격(1)에 체결될 수 있다.

이때, 가고정핀(20)은 주로 록킹핀(30)의 주변에 인접하게 배치되는 것이 바람직하다. 이는 가고정핀(20)이 가고정시킨 부분이 상대적으로 갭이 잘 유지되는 부분이므로, 갭이 잘 유지되는 이 부분을 중심으로 록킹핀(30)을 체결시켜야 하우징(10)이 보다 견고하게 골격(1)에 체결될 수 있기 때문이다. 도 2에서는 2차원으로 표시하였지만, 3차원 상에서 실제로는 록킹핀(30)이 체결되는 위치를 중심으로 가고정핀(20)이 원주방향을 따라 복수개가 배치될 수도 있는 것이다.

도 3을 참조하면, 가고정핀(20)은 선단부(22)가 뾰족하게 형성된다. 가고정핀(20)은 단단한 표면에 하우징(10)을 가고정하기 위해 선단부(22)가 뾰족하게 형성되어 골격(1)의 표면에 접촉된다. 이와 같이 되면, 가고정핀(20)이 골격(1)의 표면에 약간 파고들어 가고정이 견고하게 이루어진다.

다른 실시예로 도 4를 참조하면, 가고정핀(20)의 선단부(22)는 평평하게 형성되고, 선단부(22)에는 복수개의 마찰돌기(24)가 돌출되어 구비될 수 있다. 이와 같이 형성된 마찰돌기(24)는 골격(1)의 표면과 접촉하였을 때 가고정핀(20)의 선단부(22)의 마찰력을 증대시켜 가고정이 견고하게 이루어질 수 있도록 한다.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 환자 맞춤형 수술방법을 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

먼저, 시술자는 3D 시뮬레이션을 통해 3D 프린터를 이용하여 인체의 골격(1) 형상에 대응되게 하우징(10)을 제작한다(S10). 제작된 하우징(10)은 골격(1)의 표면에 대응되는 내면을 가지지만 골격(1)의 표면에 존재하는 연부조직(2)으로 인하여 밀착되지는 못한다.

따라서, 시술자는 하우징(10)의 내면을 골격(1)의 표면에 형성된 연부조직(2)과 이격되게 형성한다(S20). 하우징(10)의 내면은 골격(1)의 표면과 갭을 가지도록 약간 깎아서 형성할 수 있다.

다음으로, 시술자는 하우징(10)에 결합된 가고정핀(20)을 골격(1)의 표면에 접촉시켜 하우징(10)을 가고정한다(S30). 이와 같이 되면 골격(1)의 표면에 대하여 하우징(10)이 상대적으로 고정되기 때문에 록킹핀(30)을 안정적으로 체결할 수 있는 상태가 된다.

끝으로, 시술자는 하우징(10)을 관통하여 골격(1)에 록킹핀(30)을 체결한다(S40). 록킹핀(30)은 하우징(10) 전면을 따라 적절한 위치에 복수개가 체결될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 특정의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1 : 골격 2 : 연부조직
10 : 하우징 12 : 접촉부
14 : 이격부 20 : 가고정핀
22 : 선단부 24 : 마찰돌기
30 : 록킹핀

Claims (11)

1. 수술 시 사용되는 수술도구를 가이드하기 위해 인체의 골격 부위에 결합되는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기에 있어서,
   인체의 골격 형상에 대응되게 형성되는 하우징;
   상기 하우징에 단부가 고정되고, 상기 하우징이 골격에 배치되었을 때 상기 골격의 표면에 접촉하여 가고정시키는 가고정핀; 및
   상기 하우징을 관통하여 상기 골격에 체결되는 록킹핀을 포함하고,
   상기 하우징의 내면은 상기 골격의 표면에 형성된 연부조직과 이격되게 형성되며,
   상기 가고정핀은 상기 하우징의 내면에 요입되어 형성된 핀 삽입홈에 후단부가 삽입되고, 선단부는 상기 골격의 표면에 접촉하는 것을 특징으로 하는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가고정핀은 상기 록킹핀의 주변에 배치되는 것을 특징으로 하는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 가고정핀은 상기 록킹핀을 중심으로 원주방향을 따라 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기.
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 가고정핀의 선단부는 뾰족하게 형성되는 것을 특징으로 하는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 가고정핀의 선단부는 평평하게 형성되고, 상기 선단부에는 복수개의 마찰돌기가 돌출되어 구비되는 것을 특징으로 하는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 하우징의 내면과 상기 골격의 표면 사이의 갭은 상기 연부조직보다 두껍게 형성되는 것을 특징으로 하는 골격 표면 정렬을 위한 환자 맞춤형 수술기기.
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제

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