KR102467502B1 - 근관 세정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 근관 세정 장치는, 전력의 인가에 따라 작동하는 음압 발생 장치와; 상기 음압 발생 장치를 수용하는 핸드피스 하우징과; 상기 핸드피스 하우징 내부에 형성되는 냉각수 통로와; 상기 핸드피스 하우징에 형성된 상기 냉각수 통로와 연통되는 냉각수 주입구와; 상기 핸드피스 하우징에 설치되는 세정액 노즐을 포함한다. 상기 읍압 발생 장치에 의하여 냉각수에 인가되는 초음파 음압이 세정액에 전달되고, 전달된 초음파 음압에 의하여 세정액 내에서 증기 기포(vapor bubble)가 발생되고, 상기 증기 기포가 세정액과 함께 치료대상 치아에 작용하여 근관을 비롯한 치아 내부의 세정 대상물을 제거한다. 상기 세정액은 탈기액(degassed liquid)이다.

Description

근관 세정 장치{ROOT CANAL IRRIGATION APPARATUS}

본 발명은 근관 세정 장치에 관한 것이다.

1967년 Kakeyash 등이 최초로 치수 염증의 주된 원인이 세균임을 무균 쥐에서 증명한 이후로, 근관 내부에서 군락을 이루는 세균인 바이오 필름 및 괴사조직이 염증 반응의 주된 원인임이 밝혀지게 되었다. 성공적인 신경치료를 위해서는 근관 내에 존재하는 상기와 같은 세균 및 괴사 조직을 완벽히 제거하는 것이 필수적이다.

근관의 치료 과정은 크게 근관 형성, 근관 세척, 근관 충전의 3단계로 이루어진다. 본 발명은 이 중 두번째 단계인 근관 세정에 사용되는 장치에 관한 것이다.

근관 세정은 endo file을 이용해 썩은 신경을 1차적으로 제거한 후에 이루어지며, 감염 미생물 제거에 필수적이어서 신경치료 성공에 큰 영향을 미치는 중요 과정이다.

종래기술의 근관 세정 장치 중에 치아 근관 내에 세정액을 채우고 초음파를 발진하는 팁(tip)을 삽입하여 근관을 세정하는 장치인 PUI(passive ultrasonic irrigation)이 알려져 있으나, 이 장치는 근관에 팁을 삽입하기 위하여 근관 확장이 필요하고, 만곡이 심한 근관의 경우 팁을 삽입하는데 어려움이 있다는 문제를 가지고 있다.

위에 설명한 종래기술의 근관 세정 장치 외에도 본 발명자들은 본 발명에 이르기까지 근관 세정 장치 분야의 유력 연구자들의 특허와 논문들을 다수 검토하였다. 그 중 대표적으로 미국 소넨도 사(Sonendo, Inc.)의 미국 등록특허 제8,753,121B2 호(이하, "'121 특허"라 함)와 US 10,420,630 B2(이하, "'630 특허"라 함)의 기술을 소개하기로 한다. 미국 소넨도 사의 위 미국 등록특허 기술들은 상기 PUI 장치에서와 달리 근관 세정 시 세정 장치를 근관에 직접 삽입하지 않아도 된다는 특징이 있다. 이로 인하여 팁이 부러지는 등의 문제점이 발생하지 않고, 1회의 시술로 다근관 동시 세정이 가능하다는 이점이 있다. 이러한 종래의 PUI 장치 대비 유리한 효과는 미국 소넨도 사의 위 미국 등록특허 기술들에서뿐만 아니라 본 발명에 의해서도 공통적으로 달성되고 있다.

먼저, '121 특허의 대표 도면을 본 명세서에 도 1로서 첨부한다. 이 미국 등록특허는 근관을 세정함에 있어서 liquid jet이라는 매우 고속이며 고압으로 분사된 세정액을 사용함에 1차적인 특징이 있다. 명세서 기재에 의하면, liquid jet는 고압 펌프 시스템에 의하여 분사되는 고속, 고압의 유체를 지칭한다. 도 1에서 도면부호 60에 의하여 지시되며 직선으로 치아 내부 표면을 타격하도록 도시된 것이 liquid jet이다. 명세서 기재 상으로는 압력이 7,000 psi(약 48,263kPa) 이상이며, 속도가 50 m/s 이상인 조건을 만족하여야 한다. 이러한 고속 고압의 분사액을 사용하는 이유는 크게 두가지인데, 첫째는 vapor bubble(증기 기포)을 발생시키는 것이다. 둘째는 liquid jet을 치아 내부의 단단한 조직인 상아질에 충돌시키는 과정에서 acoustic wave를 발생시키는 것이다. Vapor bubble과 acoustic wave는 근관 세정 시 제거 대상인 바이오 필름 및/또는 괴사 조직의 분리를 돕는다. 그런데, 이러한 liquid jet을 사용하는 이 종래기술에서는 liquid jet의 고속 고압으로 인한 문제가 발생한다. liquid jet은 매우 고속 고압이므로, 직접 근관 내부를 향할 경우 안전상의 문제를 발생시킨다. Liquid jet이 직접 근관 내부를 향하는 경우에도 안전상의 문제를 일으키지만 구강 내 다른 연조직에 접촉하는 경우에는 더 큰 안전상 큰 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 이 기술에서는 도 1에 도시된 바와 같이 liquid jet을 반드시 치아 벽의 상아질 경조직에 반사시킨 후 반사된 세정액이 근관 내부로 도입되도록 하고 있다. 이와 같은 기술로 근관 세정을 실시함에 있어서는 liquid jet의 정확한 조준이 어려워 숙련도가 떨어지는 시술자에게 시술의 부담을 준다는 문제도 아울러 발생한다. 따라서, 미국 소넨도 사의 '121 특허에 개시된 liquid jet을 세정 치료를 위하여 사용하기 위해서는 안전상 문제를 해결하기 위한 추가의 구조가 필요하다. 이러한 구조에 관한 특허이자, '121 특허의 개량 특허인 '630 특허에 개시된 사항을 살펴보기로 한다. '630 특허의 대표 도면을 도 2로서 첨부한다.

도 2에 개시된 바와 같이, '630 특허에서는 도면부호 100에 의해 지시되는 가이드 튜브를 따라 liquid jet(60)이 안내되고, 최종적으로는 impingement member, 즉 충돌 부재라고 명명된 말단부의 구성요소(도면부호 110에 의해 지시됨)에 liquid jet(60)이 충돌한 후 퍼지는 물줄기를 근관 내부로 도입하도록 하고 있다. 이와 같은 조치를 시행하는 이유에 대하여 '630 특허의 명세서는 아래와 같이 기재하고 있다.

"Embodiments of the guide tube 100 which include an impingement member 110 may reduce or prevent possible damage that may be caused by the jet during certain dental treatments. For example, use of the impingement member 110 may reduce the likelihood that the jet may undesirably cut tissue or propagate into the root canal spaces 30 (which may undesirably pressurize the canal spaces in some cases)."

'630 특허 명세서의 위 인용된 부분은 liquid jet을 사용함으로써 발생하는 문제, 즉 환자의 damage에 대하여 기재하고 있으며, 조직을 절단(cut tissue)하거나 근관 내부의 압력을 안전상 문제를 초래할 정도로 높이는 문제를 해결하기 위하여 도입된 구성요소로서 impingement member(110)의 기능에 대하여 설명하고 있다. '630 특허의 핵심은 바로 이 impingement member(110)에 있다.

본 발명자들은 이상 기술한 바와 같은 미국 소넨도 사의 특허들에서 언급된 종래기술의 세정 장치의 문제점을 다음과 같이 파악하였다. 먼저, 상기 미국 특허들에서 언급된 정도의 고속 고압 유체의 발생을 위해서는 특수한 고압 펌프가 사용되어야 한다. 아울러, 펌프 등 고압 발생 유닛 뿐만 아니라 이러한 고압의 유체가 유동하는 유체 튜브 등 유체 통로의 내구성이 특별한 수준으로 관리되어야 한다. 또한, '603 특허에 소개된 impingement member 등 추가적인 구성요소가 필요하다. 이는 결국 세정 치료를 위한 장비의 구조를 복잡하게 하고 장비의 생산 원가를 상승시킨다. 나아가, 고속 고압의 liquid jet을 사용하는 이상 앞서 언급한 안전상의 문제, 즉 환자의 구강 내 조직을 절단하거나 근관 내 압력을 과도하게 높이는 문제가 근본적으로 해결될 수 없다.

이러한 문제점 파악에 이어 본 발명자들은 위 미국 등록특허에서 사용하는 고속 고압의 세정액보다 상대적으로 저속 저압의 세정액을 사용하면서도 세정 효율을 극대화할 수 있는 장치의 개발 필요성을 절감하고 연구 개발 노력을 지속한 끝에 본 발명에 이르게 되었다.

본 발명은 근관에 대한 세정 치료를 실시함에 있어서 근관 확장이 필요 없고 만곡이 심한 근관의 경우에도 용이하게 세정을 실시할 수 있으며, 근관에 세정 장치를 직접 삽입하지 않고도 세정을 실시할 수 있어서 팁이 부러지는 문제가 없고 1회의 시술로 다근관 동시 세정이 가능한 세정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 근관 세정을 위하여 고속 고압의 liquid jet을 사용하는 종래기술 대비 저속 저압으로 세정액을 분사하면서도 세정 효과를 극대화할 수 있는 세정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 세정액을 저속 저압으로 분사하고, 세정액으로서 degassed liquid(탈기액, 脫氣液, 당업계에서 'degassed liquid'라는 용어의 사용이 일반적이므로, 이하에서는 영문 용어인 degassed liquid를 한글 용어와 병기하여 또는 단독으로 사용하겠음)를 사용하는 환경에서도 효과적으로 vapor bubble을 발생시킬 수 있는 초음파 진동 구조를 포함하는 세정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 초음파 진동이 치아 내부로 용이하게 전달될 수 있도록 하는 구조의 세정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 degassed liquid를 사용하여도 발생을 완전히 막을 수 없는 gas bubble이 근관 통로를 막는 것을 방지할 수 있는 세정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 근관 세정 장치는, 전력의 인가에 따라 작동하는 음압 발생 장치와; 상기 음압 발생 장치를 수용하는 핸드피스 하우징과; 상기 핸드피스 하우징 내부에 형성되는 냉각수 통로와; 상기 핸드피스 하우징에 형성된 상기 냉각수 통로와 연통되는 냉각수 주입구와; 상기 핸드피스 하우징에 설치되는 세정액 노즐을 포함한다. 상기 읍압 발생 장치에 의하여 냉각수에 인가되는 초음파 음압이 세정액에 전달되고, 전달된 초음파 음압에 의하여 세정액 내에서 증기 기포(vapor bubble)가 발생되고, 상기 증기 기포가 세정액과 함께 치료대상 치아에 작용하여 근관을 비롯한 치아 내부의 세정 대상물을 제거한다. 상기 세정액은 탈기액(degassed liquid)이다.

상기 냉각수는 상기 음압 발생 장치를 냉각시키고, 상기 냉각수로서도 탈기액(degassed liquid)이 사용될 수 있다.

상기 음압 발생 장치는 전력의 인가에 따라 진동하는 진동자와, 상기 진동자에 연결되어 진동하고, 직선으로 연장하는 형상의 진동혼을 포함한다.

상기 세정액 노즐에 의하여 근관 내에서 형성되는 분사 유동이 근관 통로를 막는 가스 기포(gas bubble) 및/또는 근관으로부터 이탈된 오염물질을 근관 외부로 배출한다.

상기 핸드피스 하우징은 단부에서 꺾인 형상을 가지고, 이 꺾인 부분에 음향 리플렉터가 설치되어, 상기 진동혼에 의하여 냉각수에 인가되는 초음파가 상기 음향 리플렉터에 의해 반사된다.

상기 음향 리플렉터는 진동혼의 단면을 기준으로 소정 각도로 기울어져 배치된다.

상기 핸드피스 하우징의 상부면에 기포 포집 공간이 형성되고, 상기 기포 포집 공간에 음향 리플렉터 부근에 모이는 기포들이 부력에 의해 떠올라 포집된다.

상기 세정액 노즐은 근관 세정 시 치아의 근관와동(access cavity)에 세정액을 분사하도록 길이가 설정될 수 있다.

이외에도 추가적인 구성이 본 발명에 따른 세정 장치에 더 포함될 수 있다.

본 발명에 따르면, 근관에 대한 세정 치료를 실시함에 있어서 근관 확장이 필요 없고 만곡이 심한 근관의 경우에도 용이하게 세정을 실시할 수 있으며, 근관에 세정 장치를 직접 삽입하지 않고도 세정을 실시할 수 있어서 팁이 부러지는 문제가 없고 1회의 시술로 다근관 동시 세정이 가능한 세정 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 근관 세정을 위하여 고속 고압의 liquid jet을 사용하는 종래기술 대비 저속 저압으로 세정액을 분사하면서도 세정 효율을 극대화할 수 있는 세정 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 세정액을 저속 저압으로 분사하고, 세정액으로서 degassed liquid를 사용하는 환경에서도 효과적으로 vapor bubble을 발생시킬 수 있는 초음파 진동 구조를 포함하는 세정 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, 초음파 진동이 치아 내부로 용이하게 전달될 수 있도록 하는 구조의 세정 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에 따르면, degassed liquid를 사용하여도 발생을 완전히 막을 수 없는 gas bubble이 근관 통로를 막는 것을 방지할 수 있는 세정 장치가 제공된다.

도 1은 배경기술 부분에서 설명한 종래기술의 미국 등록특허('121 특허)의 대표도면이다.
도 2는 배경기술 부분에서 설명한 종래기술의 미국 등록특허('630 특허)의 대표도면이다.
도 3은 본 발명자들의 연구 결과 밝혀진 gas bubble과 vapor bubble의 특성 차이를 정리한 표이다.
도 4는 종래의 치과용 세정 장치의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치 시제품의 진동자와 진동혼이 결합된 모습을 촬영한 사진이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치에 사용되는 음향 리플렉터의 기능에 대하여 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 음향 리플렉터에 의한 초음파 전달 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 음향 리플렉터에 의하여 진동 방향이 전환되어 치아에 이르는 모습을 도시하는 도면이다.
도 9는 초음파 출력 측정을 통한 음향 리플렉터의 성능 검증을 위한 실험에 관한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치(10)의 전체적인 구조를 시하는 도면이다.
도 11은 근관 세정에 있어서 vapor bubble과 노즐의 기능을 도시하는 도면이다.
도 12는 gas bubble이 모형 근관을 막아 세정을 방해하는 모습을 촬영한 사진이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치에 사용된 노즐(7)의 치근단 유출 안정성 평가 실험에 대하여 도시하는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치의 핸드피스 하우징에 제공된 공간에 기포가 포집되는 모습을 도시하는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치 시제품을 사용하여 모형 근관에 대한 세정을 실시한 결과를 촬영한 사진이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이러한 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 명세서에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 일 실시예로부터 다른 실시예로 변경되어 구현될 수 있다. 또한, 각각의 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치도 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 행하여지는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 특허청구범위의 청구항들이 청구하는 범위 및 그와 균등한 모든 범위를 포괄하는 것으로 받아들여져야 한다.

이하에서는, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 여러 바람직한 실시예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

<gas bubble과 vapor bubble>

도 3은 본 발명자들의 연구 결과 밝혀진 gas bubble(가스 기포)과 vapor bubble(증기 기포)의 특성 차이를 정리한 표이다. 도 3의 표에 정리한 바와 같이, gas bubble과 vapor bubble은 그 특성에 차이가 존재한다. Gas bubble은 생존 시간이 길며, 동시 다발적으로 발생한다. 개별 gas bubble은 표면을 따라 이동하면서 기포 근처 좁은 영역에서 입자를 비교적 약한 힘으로 세정하는 특성을 보인다. 반면, vapor bubble은 생존 시간이 상대적으로 짧으나 생존 시간 동안의 운동 강도가 강하여 한 지점에서 넓은 영역에 비교적 강력한 힘으로 세정하는 특성을 보인다. 두 가지의 서로 다른 특성을 보이는 기포 모두 세정에 도움을 주는 효과가 있지만, 본 발명자들은 이들 중 vapor bubble만의 발생을 추구하였다. 그 첫번째 이유는 근관 세정에 있어서 gas bubble의 치명적인 단점을 인식하였기 때문이다. gas bubble은 좁고 긴 근관에서 기포 막힘 현상을 유발하며, 이러한 기포 막힘 현상을 해결하지 않고는 좁고 가는 근관의 말단까지 양호한 세정을 수행하는 것이 불가능하다는 점이 본 발명자들의 연구 결과 밝혀졌다. 두번째 이유는 vapor bubble의 gas bubble 대비 상대적으로 높은 운동 강도로 인해 세정 성능이 더 좋기 때문이다.

세정액 내의 vapor bubble만의 발생을 추구하는 목표 설정에 따라 세정액으로서는 당연히 degassed liquid를 사용해야 한다. Gas가 제거되지 않은 liquid를 세정액으로 사용하면 gas bubble이 발생하는 것을 막을 수 없다. Degassed liquid를 세정액으로 사용하더라도 gas bubble의 발생을 100% 막을 수는 없고, 이로 인하여 간헐적으로 발생하는 gas bubble이 근관을 막는 현상을 제거해야 하는 과제가 남는데 이에 대해서는 후술하기로 한다. Degassed liquid를 세정액으로 사용하여 vapor bubble을 발생시키려면, 도 3의 표에 정리한 바와 같이 세정액에 특정 임계 값 이상의 높은 음압을 걸어주어야 한다. 본 발명자들이 세정액에 높은 음압을 인가하기 위하여 도출한 구성에 대해서는 바로 다음의 항에서 설명하기로 한다.

<강력한 초음파 인가 장치의 필요성>

Vapor bubble의 발생을 위해서는 초음파 인가 장치의 출력(또는 초음파 음압)이 높아야 한다. 높은 초음파 출력을 위해서는 초음파 진동자 뿐만 아니라, 진동자와 결합되어 있는 진동 인가용 부품(스케일러 팁, 파일, 진동혼 등)의 단면적이 일정 면적 이상 되어야 하며, 직선의 형태인 것이 유리하다. 기존의 치과용 세정 장치들은 구강에 적용하기 위해 얇고 구부러진 형태의 부품(스테일러 팁 또는 파일 등)을 사용하였는데, 이로 인하여 높은 초음파 출력을 활용하기는 어려웠다.

본 발명자들은 진동자로서 BLT 타입 진동자를 선택하고 직선 형태의 진동혼을 결합하여 사용하는 방안을 고안하기에 이르렀다. BLT는 Bolt-clamped Langevin Transducer의 약자로서, BLT 타입 진동자는 본 발명의 완성 당시 시점에서 상업적으로 이용 가능한 니켈 진동자, 페라이트 진동자, 압전세라믹 진동자, BLT 진동자, 수정 진동자 등 여러가지의 진동자 타입 중 하나이다. BLT 타입 진동자의 사용 목적은 높은 초음파 출력을 달성하기 위한 것이다. 높은 출력을 위하여 BLT 진동자의 직경은 비교적 큰 대략 30mm 수준으로 결정되었다. 본 발명자들이 여러가지 타입의 진동자들 중 BLT 타입을 선택하여 사용하였지만, 본 발명에 사용되는 진동자가 BLT 타입으로 제한해석 되어서는 아니된다. 어떤 타입의 진동자를 사용하더라도 degassed liquid인 세정액 내에서 vapor bubble을 양호하게 발생시킬 수 있는 초음파 출력을 제공하는 한 본 발명의 범주에 속한다는 점이 반드시 이해되어야 한다.

진동자 외에 또 다른 중요 구성 요소는 진동자에 결합되고, 진동자에 의하여 발생한 진동을 유체인 매질(냉각수와 세정액)에 전달하는 진동 전달 요소이다. 본 실시예에서는 BLT 진동자에서 발생한 초음파를 유체 매질을 통해 구강 내로 전달하기 위한 진동 전달 요소로서 진동혼이 사용된다. 본 실시예에서는 진동 전달 요소로서 진동혼을 사용하였지만, 진동혼 이외에도 다른 구조 또는 형상의 진동 전달 요소가 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. BLT 진동자에서 인가된 초음파의 출력 손실을 최소화 하기 위해서는 직선 형태의 진동혼을 사용하는 것이 유리하다. 본 발명에 따른 세정 장치는 작동 시 환자의 구강에 삽입되는 특성이 있으므로 진동혼의 부피는 제한될 수밖에 없으나 진동혼의 부피가 지나치게 작으면 초음파 출력 손실이 유발되어 degassed liquid 내에서 vapor bubble을 효과적으로 발생시킬 수 없으므로, 본 발명자들은 직선 형태의 진동혼을 고안한 것이다. 본 발명자들은 단면 직경이 대략 8mm인 직선 형태의 진동혼을 BLT 타입의 진동자와 결합하는 것으로 최종 선택하였고, 시제품을 제작하였으며, 이러한 시제품을 실제로 적용하여 세정 성능을 입증하였다.

치과용 세정 장비에 있어서 초음파 인가 장치는 본 발명 이전에도 사용되었다. 도 4는 종래의 치과용 세정 장치 사진이다. 이와 대비되는 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치 시제품의 진동자와 진동혼이 결합된 모습을 촬영한 사진이다. 도 4와 도 5를 대비해 보면, 초음파를 사용하는 기존의 치과용 세정 장치의 진동 인가용 부품(얇은 팁 또는 파일)과 본 발명에 따른 장치의 진동 인가용 부품(진동혼)의 차이가 명확히 드러날 것이다. 도 4에 도시된 바와 같은 종래의 치과용 세정 장치는 degassed liquid에서 vapor bubble을 발생시킬 수 있을 정도의 초음파 출력을 발생시키는 것이 거의 불가능하였다. 본 명세서의 배경기술 부분에서 인용한 두 가지의 종래기술, 즉 미국 소넨도 사의 '121 특허와 '630 특허의 발명자들은 환자의 구강 내로 삽입되는 치과 치료용 장치 크기의 물리적인 한계로 인하여 초음파 진동발생 장치를 사용하여 degassed liquid에서 vapor bubble을 발생시키는 것이 어렵다는 사실을 인식하고 고속 고압의 liquid jet을 활용하여 vapor bubble을 발생시키는 방식으로 우회한 것으로 이해된다.

<강력한 초음파를 구강 내로 도입하기 위한 음향 리플렉터>

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치에 사용되는 음향 리플렉터의 기능에 대하여 개략적으로 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같은 초음파 진동자와 이에 연결된 진동혼을 환자의 구강에 삽입하는데 있어서는 문제가 발생한다. 직선의 진동혼을 사용하는 것으로 인하여 세정 장치의 길이가 길어진다. 따라서, 진동혼에 의하여 발생하는 초음파 진동을 치아로 전달하는데 있어서 추가의 구성요소를 도입할 필요성이 제기되었다. 본 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치가 도 6에 도시된 바와 같은 음향 리플렉터를 포함하도록 함으로써 이러한 문제를 해결하였다. 음향 리플렉터는 직선 형태의 초음파 인가 장치를 포함하는 세정 장치를 구강에 용이하게 위치시키기 위한 용도로 도입되었다. 음향 리플렉터를 사용함으로써, 높은 출력의 초음파가 치아 근관와동(access cavity) 및 근관에 직접적으로 인가될 수 있다. 초음파는 직진 특성을 보이는데, 음향 리플렉터는 직진하는 초음파의 진행 방향을 변경하는 기능을 수행한다.

도 7은 음향 리플렉터에 의한 초음파 전달 원리를 설명하기 위한 도면이다. 진동혼에서 인가된 초음파는 매질(본 발명의 경우 냉각수)에 전파되면서 압력파(pressure wave)를 생성한다. 이때, 초음파는 진동혼 단면과 수직한 방향으로 전파된다(초음파의 직진성). 초음파는 acoustic impedance(각 매질에서의 밀도와 음파 전달 속도의 곱)가 현격히 다른 매질을 만나면 반사되는 특성이 있다. 이때, 반사된 초음파의 진행 방향은 파동의 입사각, 반사각 원리를 따른다.

도 8은 음향 리플렉터에 의하여 진동 방향이 전환되어 치아에 이르는 모습을 도시하는 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치에 포함되는 음향 리플렉터는 초음파 진동혼의 단면을 기준으로 45도 각도로 기울어져 배치됨이 양호하다. 음향 리플렉터의 재료로 일반적인 고체 소재는 모두 가능하다. 단, 액체와 음향 임피던스 차이가 큰 재료일수록 반사 효율이 우수할 것이다. 이러한 측면에서, 플라스틱 재질보다는 유리 또는 금속 재질을 사용하는 것이 좋다. 도 8에는 음향 리플렉터가 평판으로 도시되었지만, 음향 리플렉터는 평판 이외에도 초음파를 반사시킬 수 있는 그 어떠한 형상도 가질 수 있다.

도 19는 초음파 출력 측정을 통한 음향 리플렉터의 성능 검증을 위한 실험에 관한 도면이다. 본 발명자들은 음향 리플렉터의 성능을 검증하기 위하여 도 9에 도시된 바와 같은 실험을 수행하였다. 본 발명자들은 진동혼에 의해 인가되는 초음파 음압을 음향 리플렉터가 있는 조건과 없는 조건에서 각각 수중 청음기(hydrophone)로 측정하여 비교를 실시하였다. 이러한 실험의 결과로서 음향 리플렉터가 있는 경우에도 초음파가 양호하게 전달되는 것을 확인할 수 있었다. 단, 음향 리플렉터를 통해 반사되었기 때문에 출력(음압)의 손실은 다소 발생함을 확인할 수 있었다. 도 9의 오른쪽 표에 정리한 바와 같이, 음향 리플렉터를 통해 반사된 초음파의 출력은 대략 150kPa에서 220kPa에 이르는 것으로 측정되었는데, 이 정도의 출력이면 degassed liquid인 세정액에서 vapor bubble을 생성하는데 문제가 없는 것으로 파악되었다.

<본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치의 전체적인 구조>

도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치(10)의 전체적인 구조에 대하여 설명하기로 한다. 세정 장치(10)는 전력의 인가에 따라 진동하는 읍압 발생 장치로서, 진동자(1)와 상기 진동자(1)에 연결된 직선 형태의 진동혼(2)을 포함한다. 여기서, “연결”이라 함은 직접 연결 또는 다른 진동 전달 매개체를 통한 간접 연결을 포함하는 의미이다. 여기서, “직선”이라 함은 전체적으로 직선 형태인 것을 의미한다. 부분적으로 구부러지거나 다소 휜 부분이 있더라도 전체적으로 직선 형태, 즉 길이 방향으로 길게 연장되는 형태이면 직선 형태에 해당한다고 할 것이다. 진동자(1)와 진동혼(2) 모두 핸드피스 하우징(3)에 수용된다. 진동자(1)의 수용을 위한 핸드피스 하우징과 진동혼(2)의 수용을 위한 핸드피스 하우징은 분리형으로도 일체형으로도 실시 가능하다. 진동자(1)를 수용하는 핸드피스 하우징(3)이 나머지 부분과 분리 가능한 경우 추가적인 이점이 달성될 수 있다. 세정 치료후에는 환자 구강과 직간접적으로 접촉을 하였던 부분을 제거하고 차회의 세정 치료에는 새로운 핸드피스 장치로 교체하는 것이 위생상 바람직하다. 진동자(1) 및 진동혼(2)을 포함하는 부분의 교체 시에는 비용 부담이 크다. 도 10으로부터 파악 가능하듯이 진동자(1)는 환자의 구강에 적용되었던 냉각수(A) 및 세정액(B)과 접촉을 하지 않고 환자 구강과 접촉하는 전체 핸드피스 장치 중에서 환자 구강으로부터 가장 먼 곳에 위치한다. 핸드피스 하우징(3)을 분리형으로 제작하여 진동자(1)를 수용하는 핸드피스 하우징(3)이 나머지 부분과 분리 가능하도록 할 경우, 진동자(1)를 수용하는 핸드피스 하우징(3)은 교체하지 않고 이에 결합되는 나머지 부분만을 교체하는 것이 가능하여 비용 절감에 유리하다.

핸드피스 하우징(3)은 그 출구 부분에 이르러 90도로 꺾인 형상을 가진다. 이 꺾인 부분에 음향 리플렉터(4)가 설치된다. 양호한 설치 각도는 진동혼의 단면을 기준으로 45도 기울어진 각도이다. 이와 같이 설치된 음향 리플렉터(4)에 의하여 초음파가 반사되어 치료 대상 치아로 전달될 수 있다. 음향 리플렉터(4)의 기능, 원리 및 초음파 반사 효과에 대해서는 본 명세서의 앞선 항목에서 상세히 기술하였다.

핸드피스 하우징(3) 내부에는 냉각수(A, 도 11에서 청색으로 표시됨)의 통로가 형성된다. 핸드피스 하우징(3)에는 냉각수 주입구(5)가 형성되고, 이 냉각수 주입구(5)는 핸드피스 하우징 내부 공간, 즉 냉각수의 통로와 연통된다. 냉각수 주입구(5)에는 냉각수 주입 펌프(도시 생략)가 연결되어 냉각수 저장소에 저장된 냉각수에 압력을 인가하여 주입구(5)를 통하여 핸드피스 하우징(3) 내부의 냉각수 통로로 냉각수(A)를 주입할 수 있다. 주입 펌프가 인가하는 압력으로 냉각수 주입구(5)를 통해 냉각수 통로로 주입된 냉각수(A)는 진동혼(2)을 감싸면서 핸드피스 하우징(3)의 개방된 출구를 향해 이동한다. 본 실시예에서는 냉각수 주입 펌프의 사용을 예시하였지만, 냉각수(A)는 반드시 특정 압력 이상 또는 특정 속도 이상으로 유동하여야 할 필요는 없으므로, 냉각수 주입 펌프의 사용이 배제될 수도 있다. 냉각수(A)는 초음파 가진에 의해 온도가 상승한 진동혼(2)을 냉각하는 기능을 수행한다. 냉각수(A)의 또 다른 중요한 기능은 세정액(B, 도 10에서 황색으로 표시됨)으로 초음파를 전달하는 것이다. 도 10에서 핸드피스 하우징(3)의 출구 근처에 화살표로 도시된 바와 같이, 진동혼(2)을 냉각시키고 세정액(B)에 초음파를 전달한 냉각수(A)는 세정 장치와 치아 사이의 틈으로 넘쳐 흘러 배출될 수 있다. 다른 실시예로서, 냉각수(A)가 세정 장치와 치아 사이의 틈으로 넘쳐 흘러 배출되도록 하지 않고, 별도의 흡입 수단을 추가함으로써 냉각수(A)를 흡입하여 회수하는 방식도 가능하다.

핸드피스 하우징(3)의 출구에는 세정액(B)을 치아 내부로 주입하는 세정액 노즐(7)이 배치된다. 세정액 노즐(7)은 세정액 통로(6)에 연결되고, 세정액 통로(6)는 압력을 제공하는 세정액 주입 펌프(도시 생략)에 연결된다. 본 실시예에서는 세정액 주입 펌프의 사용을 예시하였지만, 펌프 이외에도 세정액 통로(6)와 노즐(7)을 통하여 배출되는 세정액(B)에 분사 압력을 인가할 수 있는 수단이면 그 어느 것이든 본 발명에 따른 세정 장치에 채용 가능하다.

이하에서 세정액 노즐(7)의 기능에 대하여 설명한다. 도 11은 근관 세정에 있어서 vapor bubble과 노즐(7)의 기능을 도시하는 도면이다. 도 11에 도시된 바와 같이, 근관 벽면에 부착된 오염물질은 vapor bubble의 세정력으로 인해 벽면으로부터 이탈된다. 벽면으로부터 이탈되더라도 오염물질은 근관 내에 계속 머무를 수 있는데, 이를 근관 외부로 배출하기 위해서는 노즐(7)이 반드시 필요하다. 도 11에서는 적색 꺾인 화살표에 의하여 “분사 유동에 의한 오염물질 배출”이 개념적으로 도시되고 있다. 노즐(7)에 의하여 치아의 근관와동(access cavity)에 분사되어 근관으로 도입되는 세정액은 근관 내에서 분사 유동을 생성함으로써 vapor bubble의 세정력으로 인해 벽면에서 이탈된 오염물질을 근관 외부로 배출한다. 노즐(7)에 의해 생성된 분사 유동은 gas bubble이 근관을 막아 세정을 방해하는 문제도 해결한다.

도 12는 gas bubble이 모형 근관을 막아 세정을 방해하는 모습을 촬영한 사진이다. 본 발명의 특징 중 하나는 냉각수(A)와 세정액(B)으로서 degassed liquid를 사용하는 것이고, 이러한 특징에 의하여 세정 중 근관 내 gas bubble의 발생은 최대한 억제될 수 있으나, degassed liquid라 할 지라도 100% 탈기된 상태를 보장할 수는 없다. 따라서, degassed liquid에 vapor bubble을 발생시키는 강력한 초음파 음압에 의해 gas bubble도 간헐적으로 발생하게 된다. 본 명세서의 gas bubble과 vapor bubble의 특징에 관한 항목에서 설명하였듯이, gas bubble은 vapor bubble에 비하여 생존 시간이 길기 때문에 gas bubble이 근관을 막으면 긴 시간 동안 gas bubble에 의해 막힌 부분에 대한 세정이 이루어지지 않기 때문에 근관에 막힌 gas bubble은 반드시 외력을 가해 제거해야만 한다. 본 발명자들은 노즐(7)에 의해 발생한 분사 유동이 근관에 막힌 gas bubble에 외력을 작용하여 근관 외부로 용이하게 배출시키는 것을 확인하였다. 반대로 노즐(7)을 사용하지 않는 구조에서는 gas bubble이 배출되지 않는 것도 확인하였다. 다음으로 세정액 노즐(7)의 치근단 유출 안정성에 대하여 설명한다.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치에 사용된 노즐(7)의 치근단 유출 안정성 평가 실험에 대하여 도시하는 도면이다. 본 발명자들은 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치에 채용된 분사 노즐과 needle irrigation(종래에 치아 세정을 위하여 사용되고 있는 방식)의 안정성을 치근단 압력 측정을 통해 비교하였다. 치근단에서 압력이 높을수록 실제 임상에서 유출 위험성이 커진다. 현재 치과에서 근관 세정을 위하여 사용되고 있는 방식과 본 발명의 일 실시예에 따른 방식이 모두 도 13의 좌측에 도시된다. 분사 노즐의 기능을 수행하는 니들의 직경은 양자 모두 30 gauge(150μm)로 동일하다. 다만, 본 발명에 따른 세정 장치에 채용된 니들은 일반 니들임에 반해, 대조군인 종래의 주사기 세정 장치에 채용된 니들은 side-vented 구조의 니들이다. 종래기술에서는 일반 니들을 사용할 경우 치근단에 가해지는 압력이 과도해지는 문제를 해결하기 위하여 side-vented 구조의 니들을 채용하였다. 양자를 비교하면 가장 큰 차이가 니들의 분사 위치에 존재한다. 종래기술에서는 근관 내부로 세정액을 주입하기 위하여 근관 입구에서 세정액의 분사를 실시한다. 반면, 본 발명의 일 실시예에서는 근관으로부터 다소 떨어진 위치인 근관와동(access cavity)에서 세정액의 분사를 실시한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치의 세정액 분사 유속을 15m/s으로 한 경우와 20m/s로 한 경우 모두에서 치근단 압력이 종래의 방식에 비하여 훨씬 낮은 것으로 측정되었으며, 이로부터 치근단 유출 안정성 측면에서 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치를 사용하였을 때 종래기술에 비하여 현격히 증가된 안정성을 가져온 것으로 평가할 수 있다.

다음으로, 도10과 도 14를 참조하여 본 발명 고유의 특징 중 하나인 핸드피스 하우징(3)에 설치되는 기포 포집 공간에 대하여 설명한다. 기포 포집 공간은 도 10에서 도면부호 8에 의해 지시된다. 기포 포집 공간(8)은 크기가 커진 기포(C)들이 한 곳에 갇힐 수 있도록 설계된다. 불필요하게 생성된 gas bubble인 기포(C)들이 음향 리플렉터(4) 부근에 모이면, 초음파 전달 효율이 급격히 떨어진다. 본 발명자들은 병합되어 크기가 커진 기포(C)들이 부력으로 떠올라서 특정 공간에 포집될 수 있도록 기포 포집 공간(8)을 핸드피스 하우징(3) 내에 마련하였다. 기포 포집 공간(8)은 도 10과 도 14에 도시된 바와 같이 돔 형상일 수 있으나, 기포(C)들의 포집이 가능하기만 하면 그 어떠한 형상이라도 가질 수 있다. 기포 포집 공간(8)은 음향 리플렉터(4) 부근에 모이는 기포(C)들의 포집을 위한 것이므로, 이 공간이 형성되는 위치가 핸드피스 하우징(3) 내 음향 리플렉터(4) 근처인 것이 바람직하다. 도 10과 도 14에 도시된 바와 같이 45도 각도로 기울어진 음향 리플렉터(4)와 연결되는 핸드피스 하우징(3)의 상부면 끝부분에 기포 포집 공간(8)을 제공하면 음향 리플렉터(4) 부근에 모여서 초음파 전달 효율을 저하시키는 기포(C)들이 포집하기에 유리하다. 도 14에 도시된 3개의 상태 중 좌측 상태가 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치가 올바르게 사용되는 상태, 즉 세정 장치의 핸드피스가 수평으로 사용되는 상태를 도시한다. 이와 같이 기포 포집 공간(8)은 세정 장치의 핸드피스가 수평으로 놓인 경우를 위해 필요하다. 도 14의 중앙 및 우측 상태와 같이 핸드피스가 기울어져 있는 경우에는 음향 리플렉터(4) 부근에 기포가 모이는 경우가 없다. 핸드피스가 수평인 상태에서 사용되는 본 발명에 따른 세정 장치에서 기포 포집 공간(8) 내에 기포(C)들이 포집되어 초음파 전달 효율을 양호하게 유지하는 것은 본 발명의 중요 특징 중 하나로서 이해되어야 한다.

상술한 구조의 세정 장치를 사용하여 본 발명자들은 세정 효과를 검증하였다. 세정 조건은 다음표에 정리한 바와 같다.

세정액	Degassed NaOCl (2.5 wt%)
냉각수	Degassed water
세정 시간	대략 6분
분사 노즐 직경	30 gauge(150μm)
분사 유속	20 m/s
치근단 조건	막힌 조건

본 발명자들은 세정에 어려운 환경을 인위적으로 조성하고자 위 표에 명시된 바와 같이 치근단이 막힌 조건을 적용하였다. 치근단이 열린 조건은 세정이 상대적으로 용이한 조건으로서, 치근단이 막힌 조건에서도 효과적인 세정이 가능하다면 치근단이 열린 조건에서의 세정 효과는 충분히 보장된다.

이러한 세정 효과 검증 실험의 결과가 도 15에 도시된다. 본 발명자들은 도 15의 사진과 같은 투명한 모형 근관을 사용하여 실험을 실시하였고, 근관의 세정이 진행되는 과정을 관찰하였고, 다음 세가지의 중요한 결과를 확인하였다. 첫째, 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치를 이용하여 모형 근관에 대한 세정을 실시하였을 때, 오염시키기 전의 근관과 동등한 수준으로 다근관 동시 세정이 실시되는 것을 확인하였다. 둘째, 세정액(B)과 냉각수(A) 모두를 degassed liquid로 사용하는 조건에서도 근관 내에서 vapor bubble이 발생하고 이들의 작용으로 세정이 수행됨을 확인하였다. 셋째, gas bubble이 간헐적으로 형성되어 좁고 가는 근관을 막으나 노즐(7)의 분사 유동에 의해 근관 밖으로 배출됨을 확인하였다.

마지막으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 세정 장치에서 초음파 음압 및 세정액의 분사 압력 조건에 대하여 기술한다.

본 발명자들이 degassed liquid인 세정액에서 vapor bubble을 발생시키려는 실험을 반복하여 실시한 결과, 초음파 음압의 임계값이 대략 80kPa 수준인 것으로 파악되었다. 상술한 임계값을 초과하는 초음파 음압을 발생시켜 degassed liquid에서 vapor bubble을 원활하게 발생시키기 위하여 실제로 본 발명자들이 세정 장치의 시제품의 음압 발생 장치로 발생시킨 초음파 음압은 150kPa 내지 220kPa이다. 한편, 본 발명자들은 세정 장치 시제품에 장착된 노즐(7)로부터 대략 6 bar 내지 12 bar의 분사 압력으로 세정액(B)을 분사하였다. 이러한 분사 압력을 적용하였을 때 노즐(7)로부터 세정액(B)의 분사 속도는 대략 15 m/s 내지 20 m/s를 기록하였다. 상술한 초음파 음압, 분사압 및 분사 속도는 예시적인 것이어서 본 발명에 따른 세정 장치의 구조를 제한하는 것은 아니다. 상술한 수치들은 본 발명에 따른 세정 장치를 사용할 경우 대략 이러한 정도의 범위에서 초음파 음압, 분사압 및 분사 속도를 구현할 수 있고, 이렇게 함으로써 원활한 세정이 가능하다는 정도의 참고적 목적으로 활용되어야 한다.

본 명세서의 배경기술 부분에 설명한 미국 소넨도 사의 미국 등록특허들에서 사용하고 있는 liquid jet의 분사 압력은 최소 7000 psi(대략 483 bar), 분사 속도는 최소 50 m/s에 이른다. 이들 수치를 본 발명에 따른 세정 장치에서 근관의 세정을 위하여 구현한 분사 압력 및 분사 속도와 대비해 보면, 근관 세정을 위하여 고속 고압의 liquid jet을 사용하는 종래기술 대비 저속 저압으로 세정액을 분사하면서도 세정 효과를 극대화할 수 있고, 따라서, 장비의 생산 원가를 낮추면서도 안정성 측면에서 훨씬 진보된 근관 세정 장치를 제공할 수 있다는 본 발명의 대표적인 효과가 명확히 이해될 것이다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

10: 근관 세정 장치
1: 진동자
2: 진동혼
3: 핸드피스 하우징
4: 음향 리플렉터
5: 냉각수 주입구
6: 세정액 통로
7: 노즐
8: 기포 포집 공간
A: 냉각수
B: 세정액
C: 기포

Claims (8)

1. 전력의 인가에 따라 작동하는 음압 발생 장치와,
   상기 음압 발생 장치를 수용하는 핸드피스 하우징과,
   상기 핸드피스 하우징 내부에 형성되는 냉각수 통로와,
   상기 핸드피스 하우징에 형성된 상기 냉각수 통로와 연통되는 냉각수 주입구와,
   상기 핸드피스 하우징에 설치되는 세정액 노즐을 포함하고,
   상기 음압 발생 장치에 의하여 냉각수에 인가되는 초음파 음압이 세정액에 전달되고, 전달된 초음파 음압에 의하여 세정액 내에서 증기 기포(vapor bubble)가 발생되고, 상기 증기 기포가 세정액과 함께 치료대상 치아에 작용하여 근관을 비롯한 치아 내부의 세정 대상물을 제거하고,
   상기 세정액은 탈기액(degassed liquid)인,
   근관 세정 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수는 상기 음압 발생 장치를 냉각시키고,
   상기 냉각수는 탈기액(degassed liquid)인,
   근관 세정 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 음압 발생 장치는 전력의 인가에 따라 진동하는 진동자와, 상기 진동자에 연결되어 진동하고, 직선으로 연장하는 형상의 진동혼을 포함하는,
   근관 세정 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 세정액 노즐에 의하여 근관 내에서 형성되는 분사 유동이 근관 통로를 막는 가스 기포(gas bubble) 및/또는 근관으로부터 이탈된 오염물질을 근관 외부로 배출하는,
   근관 세정 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 핸드피스 하우징은 단부에서 꺾인 형상을 가지고, 이 꺾인 부분에 음향 리플렉터가 설치되어, 상기 진동혼에 의하여 냉각수에 인가되는 초음파가 상기 음향 리플렉터에 의해 반사되는,
   근관 세정 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 음향 리플렉터는 진동혼의 단면을 기준으로 소정 각도로 기울어져 배치되는,
   근관 세정 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 핸드피스 하우징의 상부면에 기포 포집 공간이 형성되고,
   상기 기포 포집 공간에 음향 리플렉터 부근에 모이는 기포들이 부력에 의해 떠올라 포집되는,
   근관 세정 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 세정액 노즐은 근관 세정 시 치아의 근관와동(access cavity)에 세정액을 분사하도록 길이가 설정되는,
   근관 세정 장치.

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