KR20010081996A

KR20010081996A - 체외 고정기 및 그 구동시스템

Info

Publication number: KR20010081996A
Application number: KR1020010002175A
Authority: KR
Inventors: 구자교; 한정수; 한창수; 최인호; 심형준; 박범석; 김정성; 김병수; 김경태; 신찬수; 차인혁
Original assignee: 구자교; 최인호; 한정수; 한창수
Priority date: 2000-01-31
Filing date: 2001-01-15
Publication date: 2001-08-29
Also published as: KR100399004B1

Abstract

본 발명은 체외 고정기 및 그 구동시스템에 관한 것으로, 상단링 및 하단링과, 상기 상단링과 원형링에 양단이 결합되어 있는 다수개의 길이조정수단을 구비하되; 상기 길이조정수단은 엑추에이터와, 상기 엑추에이터에 의해 이동되는 이동부재와, 상기 이동부재가 이동됨에 따라 변화하는 상기 길이조정수단의 길이를 표시하는 디지털 지시계를 포함하여, 골 변형 교정과 골 연장시 골절편의 연신율(Distration Rate)과 연신주기(Distraction Frequency)를 자동으로 조정할 수 있고, 수동 또는 자동 조정에 따른 길이 변화값을 디지털로 표시해 주므로 길이 조절을 용이하게 한다.

Description

체외 고정기 및 그 구동시스템{Frame fixator and operation system thereof}

본 발명은 골절부의 고정 및 골 연장술 등에 사용되는 6자유도 원형 체외 고정기(Hexapod Ring Type Frame Fixator)에 관한 것으로, 특히 골 변형 교정과 골 연장시 골절편의 연신율과 연신주기를 자동으로 조정하는 체외 고정기 및 그 구동시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 골절부의 고정, 골 연장술, 골 및 연부 조직의 변형교정 등에사용되는 대표적인 정형외과용 체외 고정기구로는 EBI방식, Hoffmann방식, Mono방식, Ilizarov방식 등이 있다.

이중, Ilizarov방식의 체외 고정기구는 골절부의 혈관과 골 형성을 추진하여 치료 기간을 단축시키며, 회전 변형력 등의 외력에 강하여 안정된 고정효과를 얻을 수 있으며, 또한 수술 후 발생할 수 있는 각 변형의 고정에도 우수한 결과를 보여주고 있다.

그런데, 상기한 Ilizarov방식의 체외 고정기구는 골 변형 교정과 골 연장시 시술 결과의 우수성에도 불구하고 골절 형태에 따라 기구를 따로 조립해야 하므로 시술시 상당한 수고가 요구되며, 이러한 구조적 복잡성 때문에 안정성도 문제가 되었다.

또한, 대략 6시간마다 시술의가 기구를 수동 조작하여 연신주기(시술 회수)와 연신율(연신길이)을 조절해야 하기 때문에 시술의 효율성 및 편의성 측면에서 시술의와 환자 모두가 상당히 불편하고, 수동 조정에 따른 오차 발생으로 정밀도가 떨어진다는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 로보틱스나 공작 기기에 사용되고 있는 6자유도 병렬 메커니즘을 적용하여 골절 및 변형 형태에 관계없이 적용이 가능한 범용 골절 및 변형 치료기구로서의 기능을 갖는 체외 고정기 및 그 구동시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 스트럿의 길이 조정이 가능한 모터구동 메카니즘을적용하여 골 변형 교정과 골 연장시 골절편의 연신율(Distration Rate)과 연신주기(Distraction Frequency)를 자동으로 조정하는 체외 고정기 및 그 구동시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 스트럿에 LCD(디지털 지시계)를 부착하여 수동 또는 자동 조정에 따른 스트럿의 길이 변화값을 디지털로 표시해 주므로 길이 조절을 용이하게 하는 체외 고정기 및 그 구동시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 마이크로프로세서를 이용한 모터 구동으로 수동 조작에 비해 연신주기를 증가시켜 골 조직의 재생(Bone Regeneration)을 증진시키고, 점진적인 연신이 가능하여 골 주위의 연조직 손상(Soft Tissue Damage)을 최소화하면서 골신연(Lengthening)시 환자가 느끼는 통증을 감소시켜 진통제와 같은 추가적인 약물의 사용을 줄이는 체외 고정기 및 그 구동시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은, 외부 인터페이스를 통해 모터구동 시스템과 컴퓨터간의 구동정보를 전달하므로 컴퓨터의 조작만으로도 정확하고 간편하게 조정할 수 있는 체외 고정기 및 그 구동시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 체외 고정기의 외관도,

도 2는 본 발명에 적용되는 스트럿의 외관도,

도 3은 본 발명에 의한 모터구동 메카니즘이 설치된 엑추에이터의 내부 구성도,

도 4는 도 3의 A-A' 단면도,

도 5는 본 발명에 의한 체외 고정기의 모터구동 메카니즘을 제어하기 위한 구동시스템도,

도 6은 본 발명에 적용되는 스트럿의 길이 조정 스케쥴을 산출하는 컴퓨터 프로그램의 초기화면을 나타낸 도면,

도 7은 본 발명에 적용되는 스트럿의 길이 조정 스케쥴을 산출하는 컴퓨터 프로그램에 의해 출력되는 스트럿의 길이 조정 스케쥴의 테이블을 나타낸 도면,

도 8은 본 발명에 적용되는 변형 파라메터를 설명하기 위한 X-레이 촬영도,

도 9는 본 발명에 적용되는 마운팅 파라메터를 설명하기 위한 X-레이 촬영도,

도 10은 본 발명에 적용되는 스트럿의 길이 조정 스케쥴이 산출되는 과정을기구학적으로 설명하기 위한 도면,

도 11은 본 발명에 적용되는 잔류 변형 교정 모드를 설명하기 위한 X-레이 촬영도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 체외 고정기 21 : 상단링

22 : 하단링 30 : 스트럿

32 : 엑추에이터 34 : 나사산이 형성된 막대

36 : 너트 38 : LCD

40 : 모터 42,44 : 제1,2기어

46 : 가이드부재 48 : 포텐셔미터

50 : 모터구동장치 52 : 제어수단

56 : 인터페이스수단 80 : 컴퓨터

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 체외 고정기는, 상단링 및 하단링과, 상기 상단링과 원형링에 양단이 결합되어 있는 다수개의 길이조정수단을 구비하되; 상기 길이조정수단은 엑추에이터와, 상기 엑추에이터에 의해 이동되는 이동부재와, 상기 이동부재가 이동됨에 따라 변화하는 상기 길이조정수단의 길이를 표시하는 디지털 지시계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 길이조정수단은 나사산이 형성된 막대를 이용한 스트럿이나 랙과 피니언, 리드 스크류 등과 같이 회전 운동을 직선 운동으로 변환시키거나 유·공압 실린더, 리니어 모터와 같이 직선 운동을 하는 어떠한 기구부도 사용할 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 체외 고정기의 구동시스템은, 상단링 및 하단링과, 상기 상단링과 원형링에 양단이 결합되고 이동부재가 이동됨에 따라 그 길이가 변화하는 다수개의 길이조정수단을 포함하는 체외 고정기에 있어서, 상기 길이조정수단은 연신주기 및 연신율을 자동 조정하는 모터구동장치에 의해 구동되는 것을 특징으로 한다.

상기 모터구동장치는 상기 길이조정수단의 연신주기 및 연신율을 조정하기 위한 제어신호를 출력하는 제어수단과, 상기 제어수단으로부터의 제어신호에 따라 구동하는 모터와, 상기 모터의 구동에 따라 상기 이동부재를 이동시키는 전달부재와, 상기 이동부재의 이동 위치에 따른 상기 길이조정수단의 길이를 측정하는 길이측정수단을 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 전달부재는 평기어는 물론, 헬리컬 기어, 웜 기어와 같은 기어 요소뿐만 아니라 스프라켓-체인, 벨트 등과 같은 전동용 기구도 사용할 수 있으며, 상기 길이측정수단은 포텐셔미터, 엔코더 등과 같은 길이 측정용 장치를 사용할 수 있다.

또, 본 발명에 의한 체외 고정기의 구동시스템은, 환자의 골절 또는 변형 상태에 따라 프레임 파라메터, 변형 파라메터, 마운팅 파라메터 등의 임상 데이터를 입력하면 내장된 프로그램에 의해 상기 길이조정수단의 연신주기와 연신율을 산출하여 상기 모터구동장치에 전송하는 컴퓨터와; 상기 컴퓨터를 이용한 데이터 통신과 자료 수신을 위해 상기 체외 고정기에 주기 또는 비주기적으로 자료를 업데이트시키는 인터페이스수단을 추가로 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 체외 고정기의 외관도이고, 도 2는 본 발명에 적용되는 스트럿의 외관도이며, 도 3은 본 발명에 의한 모터구동 메카니즘이 설치된 엑추에이터의 내부 구성도이고, 도 4는 도 3의 A-A' 단면도이다.

도 1에 도시한 바와같이, 체외 고정기(10)는 상측 및 하측에 상단링(21)과 하단링(22)이 각각 설치되어 있고, 상기 상단링(21)과 하단링(22)의 사이에는 다수개(예를들면, 여섯 개)의 스트럿(30)이 설치되어 있으며, 상기 다수개의 스트럿(30)은 상단링(21) 및 하단링(22)에 유니버설 조인트(universal joint), 스페리컬 조인트(spherical joint) 등으로 힌지결합되어 있다.

도 2에 도시한 바와같이, 상기 각 스트럿(30)은 엑추에이터(32)와, 상기 엑추에이터(32)에 너트(36)로 결합되어 상기 너트(36)의 회전조작에 따라 이동하는 나사산이 형성된 막대(34)로 구성되어 있으며, 상기 엑추에이터(32)의 일측 외주면에는 상기 나사산이 형성된 막대(34)의 이동에 따라 변화하는 상기 스트럿(30)의 전체 길이(mm)를 디지털로 표시해줌은 물론, 작동 모드(수동/자동), 전원 상태(전압) 및 컴퓨터 연결상태를 표시해 주는 LCD(38)가 형성되어 있고, 상기 LCD(38)는 투명창에 의해 외부로부터 보호된다.

도 3 및 도 4에 도시한 바와같이, 상기 엑추에이터(32)의 내부에는 상기 나사산이 형성된 막대(34)를 이동시키도록 구동력을 발생하는 모터(40)가 설치되어있고, 상기 모터(40)의 축에는 제1기어(42)가 설치되어 있으며, 상기 제1기어(42)의 일측에는 제1기어(42)에 맞물려 상기 나사산이 형성된 막대(34)를 이동시키는 제2기어(44)가 너트(36)에 결합되어 있다.

그리고, 상기 나사산이 형성된 막대(34)의 일측 끝단부에는 상기 나사산이 형성된 막대(34)의 이동에 따라 연동하여 이동하는 가이드부재(46)가 설치되어 있고, 상기 가이드부재(46)의 일측에는 상기 가이드부재(46)의 이동에 따라 변화하는 전압값 또는 저항값을 이용하여 상기 스트럿(30)의 길이를 측정하는 포텐셔미터(48)가 설치되어 있다.

또한, 상기 엑추에이터(32)의 내부에는 컴퓨터(80)로부터 입력되어 저장된 스트럿의 길이 조정 스케쥴에 따라 상기 스트럿(30)의 길이를 자동 조정하도록 상기 모터(40)를 구동시키는 모터구동장치(50)와, 상기 모터구동장치(50) 및 모터(40) 등에 전원을 공급하는 전원수단(60)이 설치되어 있고, 상기 모터구동장치(50)의 일측에는 모터구동장치(50)로부터의 제어신호에 따라 상기 LCD(38)를 구동시키는 LCD구동부(70)가 설치되어 있다.

상기 전원수단(60)은 휴대용 소형전지 또는 외부입력에 의해 전원을 공급하는 배터리로서, 일상적인 일회용 전지에서부터 외부 DC공급장치에 의한 재충전에서부터 직접 외부에서 DC전원에 의한 구동까지를 포함한다.

다음에는, 상기와 같이 구성된 체외 고정기의 모터구동 메카니즘을 제어하기 위한 구동시스템을 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5에 도시한 바와같이, 체외 고정기의 구동시스템은, 컴퓨터(80)에서 입력되어 저장된 스트럿의 길이 조정 스케쥴에 따라 상기 모터(40)를 구동하여 상기 스트럿(30)의 길이를 자동 조정하는 모터구동장치(50)와, 환자의 골절 상태 또는 변형(기형) 상태에 따라 스트럿의 길이 조정 스케쥴(스트럿의 길이 조정 시기 및 이 시기에서의 스트럿의 길이)을 산출하여 전송케이블(81)을 통해 상기 모터구동장치(50)에 전송하는 컴퓨터(80)로 구성되어 있으며, 상기 전송케이블(81)은 시술의가 필요에 따라 모터구동장치(50)에 연결 또는 분리시킬 수 있다.

상기 모터구동장치(50)는 컴퓨터(80)에서 입력되어 저장된 스트럿의 길이 조정 스케쥴에 따라 상기 스트럿(30)의 길이를 자동 조정하는 제어수단(52)과, 상기 제어수단(52)으로부터의 제어신호에 따라 상기 모터(40)를 구동시키는 모터구동수단(54)과, 상기 모터(40)의 구동에 따라 상기 나사산이 형성된 막대(34)를 이동시키는 기어(42,44)와, 상기 나사산이 형성된 막대(34)의 이동위치에 따라 상기 스트럿(30)의 길이를 측정하여 상기 제어수단(52)에 입력하는 포텐셔미터(48)와, 시술의가 주기 또는 비주기적으로 스트럿의 길이 조정 스케쥴을 업데이트시키기 위한 인터페이스수단(56)으로 구성되어 있다.

상기 제어수단(52)은 내부적으로 타이머, 제어장치, 제어기억장치, 레지스터, ALU, 주기억장치, 인터페이스, 등으로 구성된 중앙연산장치(Central Process Unit)로서, 대개 회로기판으로 구성되어 있으나 소형 프로세서에서는 초고밀도 집적회로(VLSI:Very Large Scale Interface)로 구성된 마이크로프로세서 칩 하나가 중앙연산장치의 기능을 수행한다.

상기 인터페이스수단(56)은 컴퓨터(80)를 이용한 데이터 통신과 자료 수신을위한 외부 인터페이스로서, 시술의가 임의 입력수단의 연결체가 될 수 있는 중간 터미널의 입력창구로 사용하여 전기적인 자료의 입출력수단이 되는 것으로 접속이나 인터페이스 또는 서로 다른 두 장치나 회로사이의 연결을 위해 필요한 제반 사항을 규정하여 두 장비를 연결하는 수단이다. 즉, 접속, 인터페이스, 모터구동장치(50)와 컴퓨터(80) 같이 두 시스템이나 장비를 연결할 때 공통되는 경계부분에서 연결하는 것으로, IEEE-488, RS-232C 등이 사용된다.

상기 컴퓨터(80)는 시술의가 X-레이 촬영사진을 보고 시술 환자의 골절 상태 또는 변형(기형) 상태를 파악하여 정상 상태와 비교 분석한 다음, 초기 입력값인 3개의 프레임 파라메터(Frame Parameter), 변형 정도를 나타내는 6개의 변형 파라메터(Deformity Parameter), 상단링(21) 또는 하단링(22)의 중심에 대한 뼈의 위치를 나타내는 4개의 마운팅 파라메터(Mounting Parameter) 등의 임상 데이터를 입력하면 스트럿의 길이 조정 스케쥴을 자동적으로 산출하는 프로그램이 내장되어 있으며, 상기 프로그램은 상기와 같이 입력된 임상 데이터를 바탕으로 기구학 해석(Kinematic Analysis)을 하여 골 주위의 연부 조직이나 신경 등에 손상이 가지 않도록 체외 고정기(10)가 적절한 궤적을 가지면서 이동하여 최종 위치에 도달하게 하도록 하는 스트럿의 길이 조정 스케쥴을 산출한다.

이하, 상기와 같이 구성된 체외 고정기 및 그 구동시스템의 작용효과를 설명한다.

시술의는 체외 고정기(10)를 시술 환자(사고 골절 치료 또는 만성 기형 교정)에게 다음과 같이 장착시킨다.

먼저, 시술 환자의 X-레이 촬영사진(전면, 측면)을 보고 사고 골절이나 만성 기형에 따른 골절 또는 변형 상태를 파악한 다음 상단링(21)과 하단링(22)의 직경을 적절히 선택하여 도 9에 도시된 바와 같이 골절부에 수직하게 고정한다.

이때, 상기 상단링(21)과 하단링(22)은 각각의 골절편의 길이방향축(ⓧ)에 대해 수직으로 와이어에 의해 각각 고정되므로, 상단링(21)과 하단링(22)은 서로 평행하지 않게 된다.

이어서, 도 6에 도시된 컴퓨터(80)의 화면상에서 변형 교정 모드(초기 변형 교정 모드(Inital Deformity Correction mode) 또는 잔류 변형 교정 모드(Remaining Deformity Correction Mode)) 및 시술부위(예를 들어, 경골 또는 비골)를 선택하고, 마우스 또는 키보드를 이용하여 3개의 프레임 파라메터(Frame parameter), 6개의 변형 파라메터(Deformity Parameter), 4개의 마운팅 파라메터(Mounting Parameter)를 각각 입력한 다음 최대 안전 연신율(Max. Safe Distraction Rate)을 입력한다.

이어서, 도 6에 도시된 컴퓨터(80) 화면상의 스케쥴 버튼을 클릭하여 시뮬레이션을 수행하면, 상기 컴퓨터(80)에 내장된 프로그램이 스트럿(30)의 길이를 점진적으로 조정하여 상단링(21)과 하단링(22)이 골절 또는 변형 상태를 모사하고 있는 상태(초기 변형 교정을 하기 전 상태)에서 중립 상태(초기 변형 교정 완료후 상태)로 점진적으로 이동하도록 각 스트럿의 길이 조정 스케쥴(스트럿의 길이 조정시기와 이 시기에서의 스트럿의 길이에 대한 스케쥴)을 산출하여 디스플레이하며, 또한 필요에 따라 도 7에 도시된 바와 같이 화면에 디스플레이되는 내용을 한 장의 문서로 출력하여 시술 할때마다 매번 시뮬레이션 하지 않고 이미 출력된 문서를 사용할 수 있다. 이때, 상기 각 스트럿의 길이 조정 스케쥴은 골절편의 연신율이 상기 최대 안전 연신율을 넘지 않도록 산출된다.

상기와 같이 스트럿의 길이 조정 스케쥴이 산출되면, 시술의는 6개(S1∼S6)의 스트럿(30)의 길이를 상기 스트럿의 길이 조정 스케쥴상의 초기 스트럿 길이(예; S1=223.8, S2=167.7, S3=199.7, S4=195.2, S5=236.2, S6=198.0)로 수동 조정해 준다.

시술의가 각 스트럿(30)의 길이를 수동으로 조정하기 위해, 스트럿(30)의 엑추에이터(32)에 결합된 너트(36)를 돌리게 되면, 너트(36)의 회전조작에 따라 엑추에이터(32)에 너트(36) 결합된 나사산이 형성된 막대(34)가 직선 이동하면서 나사산이 형성된 막대(34)의 일측 끝단부에 결합된 가이드부재(46)가 연동하여 이동한다.

따라서, 상기 가이드부재(46)의 일측에 설치된 포텐셔미터(48)에서 나사산이 형성된 막대(34)의 이동위치에 따른 스트럿(30)의 길이를 측정하여 LCD(38)를 통해 스트럿(30)의 길이를 디지털(예:130mm)로 표시해 주므로 시술의는 용이하고도 정확하게 스트럿(30)의 길이를 수동으로 조정할 수 있게 된다.

이어서, 상기와 같이 스트럿의 길이 조정 스케쥴상의 초기 스트럿 길이로 조정된 6개(S1~S6)의 스트럿(30)을 시술 환자에 고정된 상단링(21)과 하단링(22)에 유니버설 조인트, 스페리컬 조인트 등으로 힌지결합시켜 도 1에 도시한 바와같이 조립하여 체외 고정기(10)의 장착을 완료한다.

그리고, 상기와 같이 체외 고정기(10)의 장착을 완료한 다음 각 스트럿(30)에 설치된 엑추에이터(32)를 전송케이블(81)을 통해 컴퓨터(80)에 연결시켜서 상기 컴퓨터(80)에서 산출된 각 스트럿의 길이 조정 스케쥴을 각 엑추에이터(32) 내부에 설치된 모터구동장치(50)의 인터페이스수단(56)을 통해 제어수단(52)에 입력하여 저장시킨다.

이후, 상기 모터구동장치(50)의 제어수단(52)에서는 상기와 같이 인터페이스수단(56)을 통해 입력되어 저장된 스트럿의 길이 조정 스케쥴에 따라 스트럿(30)의 길이를 조절해주기 위한 제어신호를 모터구동수단(54)에 출력한다.

이에 따라, 상기 모터구동수단(54)에서는 제어수단(52)으로부터 출력되는 제어신호를 입력받아 모터(40)를 구동시키고, 상기 모터(40)가 구동되면 모터(40)의 축에 결합된 제1기어(42)가 회전하고 제1기어(42)에 맞물려 제2기어(44)가 회전하면서 너트(36)에 결합된 나사산이 형성된 막대(34)를 이동시킨다.

상기 나사산이 형성된 막대(34)가 이동하면, 나사산이 형성된 막대(34)의 일측 끝단부에 결합된 가이드부재(46)가 연동 이동하면서 나사산이 형성된 막대(34)의 이동위치에 따른 스트럿(30)의 길이를 포텐셔미터(48)에서 측정하여 제어수단(52)에 입력한다.

따라서, 상기 제어수단(52)에서는 포텐셔미터(48)에서 측정된 스트럿(30)의 길이를 저장되어 있는 스트럿의 길이 조정 스케쥴상의 스트럿 길이와 비교하면서 스트럿(30)의 길이를 점차적으로 중립 위치로 조정하여 골절이나 만성 변형(기형)을 치료한다.

결론적으로, 상기 컴퓨터(80)에서 산출된 스트럿의 길이 조정 스케쥴에 따라 체외 고정기(10)의 스트럿(30)의 길이를 급진적 또는 점진적으로 자동 조정하여(골절편의 연신주기 및 연신율을 자동으로 조정하여) 상단링(21)과 하단링(22)이 평행상태로 되면 골절편이 일직선이 되어 초기 변형 교정이 완료되는 것이다.

한편, 상기와 같이 컴퓨터(80)에서 각 스트럿의 길이 조정 스케쥴을 산출하는 과정을 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 3개의 프레임 파라메터는, 상단링(21)과 하단링(22)의 직경과 중립 프레임 높이(Neural Frame Height)로 이루어지는데, 상기 중립 프레임 높이는 초기 변형 교정후에 가지게 되는 상단링(21)과 하단링(22) 사이의 거리이며, 상기 중립 프레임의 높이 대신에 중립 스트럿의 길이를 사용하여도 좋다.

상기 6개의 변형 파라메터는 변형 정도를 나타내는 값으로, 도 8에 도시한 바와같이, 시술의가 X-레이 촬영사진(전면, 측면)을 가지고 시술전 초기 대응점(ⓐ)(corresponding point)과 시술후 정상 기준점(ⓢ)(origin point)을 잡은 상태에서 전면(Anterior-Posterior view, AP view)에서의 각변형(Angulation)(A1) 및 선형변형(Translation)(T1), 측면(Medial-Lateral view, ML view)에서의 각변형(A1) 및 선형변형(T2) 및, 상면(Axial view)에서의 각변형(A3) 및 선형변형(T3)으로 이루어진다.

이때, 상기 변형 파라메터는 초기 변형 교정 모드와 잔류 교정 모드에서 각각 다른 의미를 가지는데, 상기 초기 변형 교정 모드에서는 시작값을 나타내고, 상기 잔류 교정 모드에서는 목표값을 나타낸다.

또한, 상기 4개의 마운팅 파라메터는 X-레이 촬영사진(전면, 측면)을 가지고 기준링(경골의 경우에는 하단링, 비골의 경우에는 상단링)의 중심에 대한 뼈의 위치를 나타내는 것으로서, 도 9에 도시한 바와같이, 시술후 정상 기준점(ⓢ)으로부터 기준링의 높이(Axial view Offset)(01), 전면 및 측면에서의 기준링의 중심점(ⓒ)으로부터 시술후 정상 기준점(ⓢ)의 이탈 정도(AP view Offset, ML view Offset)(O2, O3), 기준링의 중심점(ⓒ)으로부터의 이탈 각도(시작점: 스트럿 일련번호 순)(Rotary Offset)(04)로 이루어진다.

상기와 같이, 3개의 프레임 파라메터, 6개의 변형 파라메터, 4개의 마운팅 파라메터를 포함하는 13개의 임상 데이터를 컴퓨터(80)에 입력하고, 최대 안전 연신율을 입력한 다음 시뮬레이션을 수행하면, 상기 컴퓨터(80)에 내장된 프로그램에서 기구학 해석을 통해 각 스트럿의 길이 조정 스케쥴(스트럿의 길이 조정시기와 이 시기에서의 스트럿의 길이에 대한 스케쥴)을 산출한다.

도 10은 경골 시술(Femur Operation)에 대한 예로서, 하단링(22)이 기준링(refernace ring)이 되고, 상단링(21)이 교정링(moving ring)이 된다. 또한, 전면(Anterior-Posterior view, AP view), 측면(ML view), 상면(Axial view) 방향은 각각 x, y, x 좌표로 나타내었으며, 교정링의 중심점은 Ou, 기준링의 중심점은 Or로 나타내었다. 그리고, 분리된 두 개의 뼈가 만나는 지점에 대해 임의로 원점(Origin Point)을 정하였다.

상기 도 10에서 점진적으로 조정되는 각 스트럿의 길이()를 계산하기 위한 기구학적 계산식은 하기의 수학식 1과 같다.

상기 수학식 1에서는 기준링의 중심과 교정링의 중심간의 위치벡터로서 하기의 수학식 2에 의해 산출된다. 그리고, 상기 수학식 1에서은 기준링과 교정링 사이의 회전행렬으로서 하기의 수학식 6에 의해 산출된다. 또,는 교정링의 중심에 대한 각 조인트의 위치벡터(n= 1 ....6)이고,는 기준링의 중심에 대한 각 조인트의 위치벡터(n=1 ... 6)이다.

상기 수학식 2에서은 기준링의 중심에 대한 원점(origin point)의 위치벡터로서 하기의 수학식 3에 의해 산출되고,는 변형량을 나타내는 위치벡터로서 하기의 수학식 4에 의해 산출되는데, 초기 변형 교정 모드에서는 시작값이고, 잔류 변형 교정 모드에서는 목표값이 된다.는 교정링의 중심에 대한 원점의 위치벡터로서 하기의 수학식 5에 의해 산출된다.

상기 수학식 3에서 조인트 높이 마진(Joint Height Margin)은 체외 고정기에구비되는 조인트의 높이이다.

상기 수학식 4에서,,는 각각 전면(AP view)의 선형변형(Translation), 측면(ML view)의 선형변형(Translation), 상면(Axial view)의 선형변형(Translation)이다.

상기 수학식 6에서,,,는 각각 전면(AP view)의 각변형(Angulation), 측면(ML view)의 각변형(Angulation), 상면(Axial view)의 각변형(Angulation),는 로터리 프레임 옵셋(Rotary Frame Offset)이다.

이때, 교정 기간은 초기 변형 상태(시술전 상태)에서 최종 변형 상태(시술 완료후의 상태)까지를 최대 안전 연신율(r)로 나누어 결정하며, 상기와 같이 결정된 교정 기간에 대해 하기의 수학식 7과 수학식 8을 이용하여,를 결정한다.

(i= 0, 1, 2 ....... 최대 교정 회수)

한편, 초기 변형 교정을 수행하여 도 11에 도시한 바와같이, 상단링(21)과 하단링(22)이 평행한 상태가 되어도 골절편이 일직선이 되지 않았을 경우에는 잔류 변형 교정인 최종 치료 단계에 들어가게 된다.

즉, 잔류 변형 교정 모드(Remaining Deformity Correction Mode)시 시술의가 시술 환자의 X-레이 촬영사진을 보고 3개의 프레임 파라메터(Frame Parameter)와, 6개의 변형 파라메터(Deformity Parameter), 4개의 마운팅 파라메터(Mounting Parameter)를 각각 입력한다. 그리고, 최대 안전 연신율(Max. Safe Distraction Rate)을 입력하고 시뮬레이션을 수행하면, 상기 컴퓨터(80)가 내장된 프로그램이 스트럿(30)의 길이를 점진적으로 조정하여 중립 상태에 있는 상단링(21)과 하단링(22)을 스케줄에 따라 기형 상태를 교정하는 변형 상태로 이동하도록 6개(S1~S6) 스트럿(30)에 대한 각각의 스트럿의 길이 조정 스케쥴이 산출되는데, 이와 같은 스트럿의 길이 조절 스케쥴은 초기 변형 교정 모드에서 출력되는 스케쥴과는 반대가 된다.

이때, 상기와 같은 잔류 변형 교정은 초기 변형 교정 이후에 수행되므로, 3개의 프레임 파라메터와, 4개의 마운팅 파라메터는 이전과 동일하므로 6개의 변형 파라메터만을 입력하여 사용할 수 있다.

상기와 같이, 컴퓨터(80)에서 산출된 스트럿의 길이 조정 스케쥴은 인터페이스수단(56)을 통해 모터구동장치(50)의 제어수단(52)에 재전송되고, 상기 모터구동수단(54)에서는 제어수단(52)으로부터 출력되는 제어신호를 입력받아 모터(40)를 구동시켜 도 11에 도시한 바와같이, 평행하게 고정된 상단링(21)과 하단링(22)을 변형된 상태로 조정하여 잔류 변형 상태를 교정하게 된다.

이와 동시에, LCD구동부(70)에서는 제어수단(52)으로부터의 제어신호에 따라 LCD(38)를 통해 스트럿(30)의 길이를 디지털로 표시해 주므로 시술의 또는 환자가 스트럿(30)의 길이를 용이하게 확인할 수 있게 하면서 작동모드(자동) 상태를 표시해 준다.

이와같이, 체외 고정기(10)의 상단링(21)과 하단링(22)에 힌지결합된 6개(S1~S6)의 스트럿(30)은 각각의 엑추에이터(32) 내부에 설치된 모터구동장치(50)에 의해 스케쥴에 따라 자동으로 조정되어 시술의와 환자 모두가 편리하게 진료가 가능해진다.

또한, 연신주기를 원하는대로 증가시킬 수 있고, 연신주기의 증가로 연신율의 폭을 미세하게 조정하므로 수동 조작에 비해 정밀도가 높아지게 된다.

한편, 본 발명의 일실시예에서는 나사산이 형성된 막대(34)를 이용한 스트럿(30)을 사용하여 연신주기와 연신율을 조정하는 것을 예로들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 랙과 피니언, 리드 스크류, 유·공압 실린더, 리니어 모터 등을 사용하여도 본 발명과 동일한 목적 및 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.

또한, 본 발명의 일실시예에서는 제1 및 제2기어(42,44)로 구성된 평기어를 사용하여 나사산이 형성된 막대(34)를 이동시키는 것을 예로들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 헬리컬 기어, 웜 기어, 스프라켓-체인 구동, 벨트 구동 등의 다른 형태의 기어 및 전동용 기구를 사용하여도 본 발명과 동일한 목적 및 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.

또, 본 발명의 일실시예에서는 포텐셔미터(48)를 사용하여 스트럿(30)의 길이를 측정하는 것을 예로들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 엔코더를 사용하여도 본 발명과 동일한 목적 및 효과를 달성할 수 있음은 물론이다.

상기의 설명에서와 같이 본 발명에 의한 체외 고정기 및 그 구동시스템에 의하면, 로보틱스나 공작 기기에 사용되고 있는 6자유도 병렬 메커니즘을 적용하여 골절 및 변형 형태에 관계없이 적용이 가능한 범용 골절 및 변형 치료기구로서의 기능을 갖고, 스트럿의 길이 조정이 가능한 모터구동 메카니즘을 적용하여 골 변형 교정과 골 연장시 골절편의 연신율(Distration Rate)과 연신주기(Distraction Frequency)를 자동으로 조정할 수 있다.

그리고, 스트럿에 LCD를 부착하여 수동 또는 자동 조정에 따른 스트럿의 길이 변화값을 디지털로 표시해 주므로 길이 조절을 용이하게 하고, 마이크로프로세서를 이용한 모터 구동으로 수동 조작에 비해 연신주기를 증가시켜 골 조직의 재생(Bone Regeneration)을 증진시키며, 점진적인 연신이 가능하여 골 주위의 연조직 손상(Soft Tissue Damage)을 최소화하면서 골신연(Lengthening)시 환자가 느끼는 통증을 감소시켜 진통제와 같은 추가적인 약물의 사용을 줄일 수 있다.

또한, 외부 인터페이스를 통해 모터구동 시스템과 컴퓨터간의 구동정보를 전달하므로 컴퓨터의 조작만으로도 정확하고 간편하게 조정할 수 있고, 치료기간 동안의 구동 데이터를 제어기에 저장하여 체외 고정기를 독립적으로 작동시킬 수 있으며, 장기간의 치료가 필요한 경우에도 데이터 베이스를 이용하여 환자의 진료과정을 체계적으로 관리할 수 있다.

Claims

상단링 및 하단링과,

상기 상단링과 원형링에 양단이 결합되어 있는 다수개의 길이조정수단을 구비하되;

상기 길이조정수단은 엑추에이터와, 상기 엑추에이터에 의해 이동되는 이동부재와, 상기 이동부재가 이동됨에 따라 변화하는 상기 길이조정수단의 길이를 표시하는 디지털 지시계를 포함하는 것을 특징으로 하는 체외 고정기.
상단링 및 하단링과, 상기 상단링과 원형링에 양단이 결합되고 이동부재가 이동됨에 따라 그 길이가 변화하는 다수개의 길이조정수단을 포함하는 체외 고정기에 있어서,

상기 길이조정수단은 연신주기 및 연신율을 자동 조정하는 모터구동장치에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 체외 고정기의 구동시스템.
제 2 항에 있어서,

상기 모터구동장치는, 상기 길이조정수단의 연신주기 및 연신율을 조정하기 위한 제어신호를 출력하는 제어수단과, 상기 제어수단으로부터의 제어신호에 따라 구동하는 모터와, 상기 모터의 구동에 따라 상기 이동부재를 이동시키는 전달부재와, 상기 이동부재의 이동 위치에 따른 상기 길이조정수단의 길이를 측정하는 길이측정수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 체외 고정기의 구동시스템.
제 3 항에 있어서,

환자의 골절 또는 변형 상태에 따라 프레임 파라메터, 변형 파라메터, 마운팅 파라메터 등의 임상 데이터를 입력하면 내장된 프로그램에 의해 상기 길이조정수단의 연신주기와 연신율을 산출하여 상기 모터구동장치에 전송하는 컴퓨터를 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 체외 고정기의 구동시스템.
제 4 항에 있어서,

상기 컴퓨터를 이용한 데이터 통신과 자료 수신을 위해 상기 체외 고정기에 주기 또는 비주기적으로 자료를 업데이트시키는 인터페이스수단을 추가로 구비한 것을 특징으로 하는 체외 고정기의 구동시스템.