KR20020035695A - 카테터용 굽힘 액추에이터 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 형상기억합금을 이용한 지그재그형의 스프링을 도입하여 스프링의 공간활용도를 높여 굽힘각도를 45°이상 90°정도까지 가능하도록 하며, 그와같은 굽힘각도를 보장하면서도 전체적인 크기 및 형태를 그대로 유지가능하도록 한 카테터용 굽힘 액추에이터에 관한 것이다.

이 굽힘 액추에이터는 직립상태에서 원통형태의 변형없이 굽힘이 이루어지는 변형방지수단이 마련된 중공의 튜브부재와, 상기 튜브부재의 외주에 수개 배치시켜 그 중 일부에 전원을 공급함에 따라 상기 직립한 튜브부재가 일측으로 수축되거나 원복되는 신축부재를 포함환다.

이 굽힘 액추에이터는 상기 신축부재에 가해지는 소정의 전류신호로 튜브부재가 약 45°에서 90°정도로 굽혀진다.

Description

카테터용 굽힘 액추에이터 및 그 제조방법{Bending actuator for catheter and manufacturing method}

본 발명은 카테터용 굽힘 액추에이터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 특히 형상기억합금을 이용한 지그재그형의 스프링을 도입하여 스프링의 공간활용도를 높여 굽힘각도를 45°에서 90°정도까지 굽힘이 가능하도록 한 카테터용 굽힘 액추에이터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 인체 내에 삽입하여 질병을 진단하거나 환부를 치료하는 카테터형의 의료장비는 튜브체의 작동 유무 및 크기에 따라, 위내시경과 비작동형 혈관카테터, 혈관경, 그리고 작동형 혈관 내시경등이 있다.

이중, 입을 통해 체내에 삽입되는 위내시경은 카테터의 원거리 팁부분에 위나 내장의 구석진 부분을 검사하기 위한 광학관속 및 조명수단 등의 이미지 전달수단과 체액 등을 흡입하여 제거하기 위한 흡입기, 피부조직을 떼어내기 위한 집게나 마이크로 씨져, 소작기 등의 각종 기계요소들이 카테터 내에 장착된다. 직경(대략 8㎜ 정도)이 크다는 단점이 있으나, 기계적인 링크가 설치되어 있어서 카테터의 끝부분을 90°이상 구부릴 수 있다.

X-ray로 혈관을 조영하면서 삽입하거나 그냥 혈관 내에 삽입하는 단순한 철사 형태의 비작동형 혈관카테터는 위내시경보다 직경(0.5∼3㎜)이 작다는 장점은 있으나,카테터의 특정부위-선단 일부-를 구부려 놓았기 때문에 분지관(혈관들이 모이거나 분기되는 지점)을 통과할 수 있는 장점은 있으나, 사람마다 분지관의 형상이 다르기 때문에 수술시 카테터의 선단부를 적당히 구부리거나 펴서 삽입해야 하는 번거로움이 있고, 카테터의 방향을 전환하기 위해서는 혈관 속에 삽입된 카테터 전체를 돌려야 하는 문제가 있다.

광파이버 형태의 혈관경은 직경이 작아 혈관 안에 삽입하기 용이하지만, 비작동형이어서 분지관을 찾아갈 수 없는 단점이 있다.

일본 미쓰비시 케이블과 동북대 등에서 개발중인 것으로 형상기억합금소자(코일형 스프링)를 이용하여 한 방향 혹은 특정 방향으로 구부러질 수 있게 한 모델이 알려져 있다.

미쓰비시 케이블의 모델은 3방향으로 구부러지지만, 카테터 내부에 광학관속이 내장되어 있어 카테터의 끝부분을 40°이상 구부릴 수 없고, 굽힘력도 약하다는단점이 있다.

동북대의 모델은 형상기억합금소자를 이용하고 있으나, 미쓰비시 케이블의 모델처럼 굽힘력이 약하고, 또 전원 접속용 링크의 구조가 복잡하다는 문제점이 있다.

인체내에서 원하는 곳까지 원활하게 접근할 수 있도록 하기 위해서는 현재의 길이를 유지하면서 굽힘각도를 적어도 45°이상 90°정도까지 증가시킬 필요가 있다.

이와같은 점들을 감안한 카테터용 굽힘 액추에이터는 상기한 공간활용도가 높은 스프링구조를 가지면서도 굽힘 각도가 적어도 45°이상 90°정도까지 증가됨이 이상적이다. 그러나, 굽힘각도를 적어도 45°이상 90°까지 증가시키기 위해서는 현재 개발된 얇은 이중구조의 튜브로서도 좌굴되는 현상이 발생한다. 이러한 얇은 튜브가 갖는 좌굴 현상은 튜브구조의 개선으로는 불가능하다.

본 발명은 상술한 형상기억합금소자를 이용하여 굽힘각도를 적어도 45°이상 90°까지 가능하게 한 액추에이터를 제공하고자 한다.

본 발명은 상기와 같은 굽힘 각도를 얻기 위한 굽힘 액추에이터가 지그재그형상의 형상기억합금으로 이루어진 납작한 형태의 스프링을 제공하고자 한다.

본 발명은 최대한 얇은 구조의 튜브로서 굽힘각도를 90°까지 증가시킴과 동시에 좌굴이 방지되는 튜브구조를 제공하고자 한다.

본 발명은 궁극적으로 스프링구조의 개선으로 공간활용도가 높아 튜브의 좌굴이 방지되고, 굽힘각도가 적어도 45°내지 90°까지 가능하게 된 카테터용 굽힘 액추에이터를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 이와같은 굽힘각도를 얻음과 동시에 좌굴이 방지되는 튜브구조와 공간활용도가 높은 스프링구조가 적용된 굽힘액추에이터 제조방법을 제공하는 데에도 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 사시도이고,

도 2는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 분해사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 결합단면도이고,

도 4a는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 신축부재를 제조하기 위한 1차 공정의 요부 확대도이고,

도 4b는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 신축부재를 제조하기 위한 2차 공정의 요부 확대도이며,

도 4c는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 신축부재의 일부를 상세하게 확대한 발췌도이고,

도 5a는 본 발명에 따른 카테터용 굽힙 액추에이터 제조방법중 스틸봉에 실리콘튜브를 삽관한 상태이고,

도 5b는 본 발명에 따른 카테터용 굽힙 액추에이터 제조방법중 변형방지수단이 권취된 상태이고,

도 5c는 본 발명에 따른 카테터용 굽힙 액추에이터 제조방법중 변형방지수단위에 폴리우레탄 코팅한 상태를 나타내고,

도 5d는 본 발명에 따른 카테터용 굽힙 액추에이터 제조방법중 스틸바와 실리콘 튜브를 제거한 상태에서 파렐린 코팅한 상태를 나타내며,

도 6a는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 자연귀환 신축부재의 전원공급관계를 나타내고,

도 6b는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 강제귀환 신축부재의 전원 공급관계를 나타내는 도면이며,

도 7a는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 자연귀환 관계를 나타내고,

도 7b는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 강제귀환관계를 나타내는 도면이며,

도 8a는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 굽힘작동을 설명하기 위한 초기 상태 도면이고,

도 8b는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 굽힘작동을 설명하기 위한 수축상태를 나타내는 도면이며,

도 9a는 본 발명에 따은 카테터용 굽힘 액추에이터의 초기 45°굽힘각도를 얻은 상태를 나타내는 도면이고.

도 9b는 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터가 가장 큰 각인 90° 굽어진 상태를 나타내는 도면이며,

도10은 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터와 종래의 굽힘 액추에이터의 굽힘특성을 비교하기 위한 비교장치를 나타낸다.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100...액추에이터

110...외부튜브, 120...내부튜브,

121...강선, 122...실리콘튜브,

123...변형방지수단, 124...폴리우레탄층,

125...파릴렌층, 126...중공부,

130...신축부재, 131...기둥선,

132...안내선 140...접지라인,

150...고정링, 160,162...링크부재

160a,162a.....접속공 170...접속핀,

상기한 본 발명의 목적은 직립상태에서 자유방향으로 좌굴없이 소정각도의 굽힘이 이루어지도록 내주면을 따라 변형방지수단이 강구된 중공의 튜브부재와, 굽힘이 가능한 상기 튜브부재의 외주에 수개 배치시켜 그 중 일부에 전원을 공급함에 따라 상기 직립한 튜브부재가 일측으로 수축되거나 원복되는 신축부재를 포함시켜 신축부재에 가해지는 소정의 전류신호로 튜브부재가 소정각도 굽혀지는 액추에이터에 의하여 달성된다.

본 발명은 상기 신축부재의 수축만으로도 굽힘각을 얻을 수 있으며, 바람직하게는 반대쪽 형상기억합금을 통전시킴으로써 잔류각의 위치를 바로 잡을 수 있다. 상기 튜브부재는 굽힘 각도가 적어도 45°이상 90°정도가 바람직하다.

이와같은 본 발명의 상기 튜브부재는 굽힘력에 방해받지 않도록 링형의 그루브룰 반복형성하거나,나선상의 그루브를 형성한다. 본 발명은 상기 튜브부재의 변형방지수단을 연속하는 라이너 코일로 하고자 한다. 이와같은 라이너 코일은 형상기억합금으로 함이 바람직하다.

한편, 본 발명의 상기 튜브부재는 내부튜브와 외부튜브로 분리시키고, 상기내부튜브의 내주면에는 변형방지수단을 형성하며,그 외측에는 신축부재가 형성됨이 바람직하다. 강성의 보강을 위하여 내부튜브 주면으로 파릴렌(palyurethane)층을 코팅함이 바람직하다. 상기한 신축부재는 적어도 3개 이상 형성되고,상기 전원공급이 가능하도록 내부튜브 외측으로 접지라인을 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명 액추에이터는 상기 튜브부재의 외주에 고정된 접지라인과 신축부재에 전원이 공급되도록 상기 접지라인과 신축부재의 끝이 삽입되는 접속공을 형성한 링크부재를 포함하며, 이 링크부재의 접속공에는 상기 접지라인과 신축부재를 고정하면서 외부 전원과 접속되기 위한 단자를 형성하기 위한 접속핀을 구비한다.

특히, 상기 신축부재는 지그재그형의 스프링으로 함이 바람직하며, 상기 신축부재와 접지라인의 고정을 위하여 내부튜브 외측으로 고정용 링크를 구비함이 바람직하다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명 카테터용 굽힘 액추에이터의 제조방법은, 내부튜브 내주면을 따라 변형방지수단을 형성한 중공의 내부튜브를 만드는 단계; 상기 내부튜브의 외주에 일부에 전원을 공급함에 따라 상기 직립한 튜브부재가 일측으로 수축되거나 원복되도록 그 외주에 적어도 3개 이상의 신축부재와 접지라인을 배치하는 단계; 내부튜브의 외측에 위치한 신축부재와 접지라인의 고정을 위하여 고정용 링을 내부튜브 외측에 외삽시키는 단계; 상기 링크부재와 접속핀으로 접지라인과 신축부재의 끝을 외측으로 인출되도록 함과 동시에 상기 내외부 튜브부재의 양단을 고정시키는 단계; 상기 내외부 튜브의 양단에 인출된 단자에 소정의 전원 공급이 가능하도록 전원접속구조를 형성하는 단계; 및 상기 신축부재와 접지라인을 형성한 내부 튜브의 외측을 커버하기 위한 외부튜브를 삽관하는 단계로 이루어진다.

특히, 상기 제조공정중 상기 신축부재는,

두 개의 기둥선을 소정 간격만큼 사이를 두고 나란히 배치하는 단계; 이와같은 기둥선의 주위에 안내선을 권취하는 단계; 안내선의 권취와 동시에 가공선이 안내선의 사이에서 수직방향으로 사인곡선으로 굴곡되어 나가도록 안내선의 매 반바퀴마다 지그재그로 감아나가는 단계; 소정길이 권취가 끝나면 열처리를 하여 형상을 기억시키는 단계; 및 기둥선과 안내선을 제거하여 지그재그형상의 가공선을 형성하는 단계로서 제조된다.

또한, 상기 제조공정중 내부튜브는,

강선외주면에 실리콘튜브를 삽관하는 단계; 상기 실리콘튜브 표면에 코일스프링을 권취하는 단계; 상기 실리콘튜브와 코일스프링의 외면에 폴리우레탄층을 형성하는 단계; 상기 폴리우레탄층과 코일스프링이 접합된 상태에서 알코올로 스웰링하여 강선과 실리콘튜브를 분리하는 단계; 및 상기 폴리우레탄과 코일스프링의 결합체의 내외면에 파릴렌층을 형성하는 단계를 포함하여서 된다.

이와같은 목적달성을 위한 구성을 통하여 본 발명은 중공 튜브를 90°이상의 각도로 구부리더라도 좌굴되는 일이 없으며, 혈관 내에 삽입된 카테터의 방향을 쉽게 바꿀 수 있는 신규의 카테터용 굽힘 액추에이터를 제공하게 되었다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 바람직한 실시예를 설명한다.

첨부 도면중 도 1은 본 발명에 따른 카테터용 굽힘 액추에이터의 사시도이다.

상기 도면에 따르는 본 발명 카테터용 굽힘 액추에이터(100)는 내부가 중공되어 있는 복층의 튜브결합형태를 갖는다. 즉, 내부튜브(120)의 외측에 외부튜브(110)이 삽관된 형태를 갖는다.

상기 외부튜브(110)는 외경이 3.0㎜이고 내경이 2.8㎜인 폴리우레탄(polyurethane) 소재의 튜브이다. 이에 대해 내부튜브(120)는 외경이 2.5㎜이고 내경이 2.0㎜인 실리콘 러버 소재의 튜브이다.

따라서, 내부튜브(120)와 외부튜브(110)를 조립하여 얻는 이중 튜브체는 전체적으로 볼 때, 외경이 3.0㎜이고 내경이 2.0㎜이며, 이들은 결합된 하나의 튜브체를 형성한다.

그리고, 이러한 튜브체의 양단에는 접속핀(170)이 노출된 링크부재(160)(162)가 형성된다.

첨부 도면중 도 2는 본 발명 카테터용 굽힘 액추에이터의 분해사시도이고, 도 3은 본 발명 굽힘 액추에이터의 결합단면도이다.

이 도면들에서 도시하는 바와같이 본 발명 카테터용 굽힘액추에이터는 가장 안쪽으로 중공의 내부튜브(120)가 위치하고, 그 외측으로 소정각도로 간격을 두고 3개의 신축부재(130)를 배치한다. 접지라인(140)은 신축부재(130)의 간격에 부관하게 적당한 간격으로 배치된다.

이와같은 신축부재(130)과 접지라인(140)의 배치구조위에 내경이 2.6mm이고,외경이 2.8mm인 고정링(150)이 설치된다. 이와같은 상태에서 외부튜브(110)를 삽관시킨다.

따라서 튜브체는 내외부 이중구조를 갖는 것이며, 이와같은 내외튜브체 사이에 소정의 신축부재와 접지라인을 매설한 일체형의 구조로 함이 바람직하다.

내외부튜브의 양단으로 신축부재(130)와 접지라인(140)의 단자가 인출된다. 이 단자는 내경 2.mm, 외경 3.0mm인 링크부재(160)(162)의 접속공(160a)(162a)에 삽입되어 있고, 그 외측에 접속핀(170)이 위치한다.

첨부된 도면중 도 4a,도 4b 및 도 4c는 상술한 본 발명의 신축부재(130)의 세부구조와 그 제작과정을 설명하기 위한 것이다.

상기 도면에 따르는 본 발명의 신축부재(130)는 지그재그형의 형상기억합금으로 된다. 본 발명 신축부재(130)는 첨부도면 도 4c에서 도시하는 바와같이 그 형태는 평면적으로 이어가는 사인곡선형태(혹은 지그재그형태)를 갖는다.

종래와 같은 코일스프링의 형태로 실시되는 신축부재는 선경(線徑)이 작은 와이어를 사용해서 제작하더라도 3차원적인 구조이기 때문에 설치공간을 많이 차지하고, 액추에이터의 체적이 커지게 되는 단점이 있다. 그러나, 코일스프링을 가늘게 만들기 위하여 소경의 와이어를 사용하는 경우 액추에이터의 굽힘 특성이 나빠져 교차각이 30°정도만 되어도 혈관 분지관을 통과할 수 없게 된다.

본 발명은 선경이 굵은 와이어를 이용한 지그재그형태의 스프링은 스프링의 설치공간을 줄여 전체적으로 액추에이터를 작게 만들 수 있을 뿐 아니라 굽힘 특성도 개선할 수 있다.

본 발명의 신축부재(130)의 제작은 다음과 같다.

우선, 도 4a에 도시된 것처럼, 형상기억합금 와이어의 선경(線徑)만큼 간격을 두고 나란히 설치된 2개의 기둥선(131) 주위에 안내선(132)을 감아 나간다.

이때, 상기 안내선(132)의 매 반바퀴마다 상기 안내선의 주위로 마치 바느질을 하듯이 가공선(신축부재)(130)을 감는다.

이후 이들을 550℃에서 10분간 열처리하여 가공선(130)에 형상을 기억시킨 다음, 도 4b에서 도시하는 바와같이 상기 기둥선(131)과 안내선(132)을 잘라냄으로써 지그재그형 스프링(신축부재)을 얻게 된다.

일반적으로, 전술한 가공선(130)은 강성(rigidity)이 크기 때문에 열처리를 하기 전에는 일정 형태로 성형하기 어려우나 상기 기둥선(131)의 주위로 안내선(132)과 가공선(130)을 마치 그물 엮듯이 감아 나가기 때문에 제작과정 중에 가공선이 풀어져 버리는 일이 생기지 않는다.

또한, 상기의 방법에 따르면, 단지 기둥선(131)과 안내선(132)의 선경만으로 신축부재(130)의 세부적인 치수를 결정할 수 있다.

즉, 기둥선의 직경(Dp)과 안내선의 직경(Dg)과 가공선의 직경(Ds)에 의하여 신축부재(130)의 선경을 결정할 수 있다. 도 4c에 도시한 신축부재(130)는 스프링의 곡률 반경(r)과 직선부분의 길이(2ℓ)와 스프링의 폭(w)이 주어지면 다음 공식으로 계산된다.

상기한 공식에 따르면 본 발명에 따른 신축부재(130)의 주요 치수들은 기둥선(131)과 안내선(132)의 선경을 변화시킴으로써 쉽게 조절할 수 있음을 알 수 있다. 특히 상기 가공선(130)은 변태온도(Af)가 70℃인 니켈(Ni)-티타늄(Ti)계의 형상기억합금 와이어였으며 선경은 0.1㎜였다.

한편, 본 발명에서는 상기 기둥선(131)과 안내선(132)도 가공선(130)과 동일한 것을 사용하여 다음과 같이 직경을 알 수 있었다.

즉, 본 발명의 신축부재(130)는 곡률 반경(r)이 0.1㎜, 직선부분의 길이(2ℓ)가 0.2㎜, 폭(w)이 0.5㎜가 된다.

이상과 같이, 본 발명의 신축부재는 구성재료로 이용되는 와이어의 선경이 큼에도 불구하고, 종래의 코일형 스프링보다 전체적으로 설치공간이 작아지는 장점이 있다. 이처럼, 스프링의 선경이 커지면 액추에이터의 굽힘 특성은 향상된다.

첨부 도면중 도 5a는 스틸봉에 실리콘튜브를 삽관한 상태이고, 도 5b는 그 위에 변형방지수단이 권취된 상태이고, 도 5c는 변형방지수단위에 폴리우레탄 코팅한 상태를 나타내고, 도 5d는 스틸바와 실리콘 튜브를 제거한 상태에서 파렐린 코팅한 상태를 나타낸다.

상기 도면들에 따르는 본 발명에 따르는 카테터형 굽힘 액추에이터의 내부 튜브제작 공정은 다음과 같다.

<제 1공정>

도 5a에서 도시하는 바와같이 직경이 약 1.0㎜인 강선(121)의 일측부에 실리콘튜브(122)를 끼운다.

<제 2공정>

변형방지수단은 첨부 도면 도 5b에서 도시하는 바와같이 상기 실리콘튜브 표면에 권취된다. 실리콘튜브(122)는 외경이 2.0㎜이고, 내경이 1.0㎜이다. 이 실리콘튜브(122)의 외표면에 선경이 0.1㎜인 코일형 스프링(123)을 끼운다.

<제 3공정>

도 5c는 코일형스프링(변형방지수단)위에 폴리우레탄 코팅한 상태를 나타낸다. 이 변형방지수단(123)은 본 발명의 내부튜브에서 라이너의 역할을 한다. 즉, 실리콘튜브(122)와 변형방지수단(123)의 외면에 약 0.1㎜이하의 두께로 폴리우레탄층(124)을 형성한다.

<제 4공정>

도 5d는 스틸바와 실리콘 튜브를 제거한 상태에서 파렐린 코팅한 상태를 나타낸다. 이 도면에서 도시하는 바와같이 상기 폴리우레탄층과 코일스프링이 접합된 상태에서 알코올로 스웰링하여 강선과 실리콘튜브를 분리한 뒤 상기 폴리우레탄과 코일스프링의 결합체의 내외면에 파릴렌층을 형성함으로써 만들어진다.

이와 같이 하여, 상기 폴리우레탄층(124)과 변형방지수단(123)이 완전히 접합되면, 상기 실리콘튜브(122)로부터 폴리우레탄층(124)과 변형방지수단(123)의 결합체를 알코올로 스웰링하여 분리해 낸 후, 이 결합체의 내·외면에 파릴렌층(125)을 형성한다.

상기 파릴렌(parylene)층(125)은 본 발명의 내부튜브(120)에서 라이너의 역할을 하는 변형방지수단(123)과 폴리우레탄층(124)을 에워싸는 보호막의 역할을 할 뿐만 아니라, 여러 가지 작동기(미세수술도구)가 중공부(126)를 쉽게 지날 수 있게 만드는 역할도 한다. 또한, 상기 파릴렌층은 두께가 약 5마이크론 정도의 얇은 막이고, 내외면 모두 코팅되어 있으며, 윤활특성이 좋고, 습기 투과가 방지되는 특성이 있다.

첨부 도면 도 6a는 본 발명 카테터용 굽힘 액추에이터의 자연귀환 신축부재의 전원공급관계를 나타내고, 도 6b는 본 발명 카테터용 굽힘 액추에이터의 강제귀환 신축부재의 전원공급관계를 나타내는 도면이다.

도 6a와 도 6b는 약 0.2Hz의 전류 주파수에서 각각 자연 귀환시와 강제귀환시를 나타낸다. 즉 도 6a는 한개의 스프링에 전류를 흘려 주어 굽힘동작을 발생시킨 후 전류를 끊고, 튜브의 복원력에 의해 원래의 위치로 되돌아가도록 한 것이다. 이때에는 동작이 반복되어도 굽힘각도는 원래의 위치로 완전히 돌아가지 못하고 약 10°정도의 굽힘각도가 잔류한다.

도 6b는 한개의 스프링에 전류를 흘려주어 굽힘 동작을 발생시킨 후 전류를 끊고 다른 두개의 스프링에 동시에 전류를 흘려 줌으로써 원래의 위치로 되돌아오는 동작을 강제한 경우이다. 다른 두개의 스프링에 전류를 흘려주면 원래의 위치를 지나쳐서 반대방향으로 굽힘 동작이 발생하게 되며 다시 다른 한쪽의 스프링에 전류를 흘려주면 반대쪽 두개의 스프링이 충분히 냉각되지 않은 상태에서 굽힘각도는반복적이며 점차적으로 감소하게 된다.

첨부 도면 도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 굽힘 액추에이터의 강제귀환특성을 나타낸 그래프이다. 도시된 자연귀환의 경우, 1개의 지그재그형 형상기억합금 스프링(130)에 전류를 인가하여 굽힘 액추에이터가 구부러지게 한 다음, 전류의 공급을 끊어서 상기 액추에이터가 자연스럽게 복귀되도록 한 것이다. 자연귀환인 경우, 굽힘 동작을 반복하여도 액추에이터의 굽힘 각도는 약 23°로 일정하게 유지되었다. 그러나, 원래의 위치로는 완전히 복귀하지 못한 채 약 10°정도의 각도로 구부러져 있었는데, 그 이유는 전류 인가시 발생된 열이 충분히 방열되지 못하였기 때문으로 일시적인 현상이었다.

강제귀환의 경우, 1개의 지그재그형 형상기억합금 스프링에 전류를 흘려주어 굽힘 동작을 발생시킨 후, 나머지 다른 2개의 스프링에 전류를 흘려서 복귀동작을 강제로 실시한 경우이다.

이처럼, 나머지 스프링에 전류를 흘려주면, 최초에 전류가 인가된 스프링과 다른 방향으로 굽힘 동작이 발생하여, 액추에이터가 변형 전의 상태로 복귀된다.

도면에서 음의 각도는, 최초의 굽힘 방향과는 반대방향으로 구부려지는 성질을 나타낸 것이다.

이상의 설명으로부터, 굽힘 액추에이터가 원활하게 작동하기 위해서는 귀환특성을 양호하게 하는 것이 필요하다는 것을 알 수 있다.

따라서, 지그재그형 스프링의 방열이 매우 중요하다는 것을 알 수 있는데, 변태온도가 낮은 형상기억합금 소재를 이용할 경우, 방열특성이 좋아짐은 물론 입력되는 전력량도 줄일 수 있어 바람직하다.

200㎃ 이상의 전류를 인가하였을 때 액추에이터의 굽힘 각도는 약 35°이며, 이때 소요된 시간은 3∼4초(sec)이다. 그러나, 액추에이터의 자연귀환 시간은 약 20초 정도로 느리다.

첨부 도면 도 8a는 본 발명 굽힘 액추에이터의 초기 상태를 나타내는 도면이고, 도 8b는 본 발명 굽힘 액추에이터의 수축상태를 나타내는 도면이다.

상기 도면들에 따르면 본 발명 액추에이터의 작동은 소정의 전원공급에 의하여 일측으로 편심된 굽힘이 일어남으로써 작동하게 된다. 접지라인으로는 전원의 음극단자를 연결하고 나머지 3개의 신축부재에는 양극전원이 서로 독립적으로 인가되게 함으로써 선택된 신축부재와 접지라인간의 통전으로 굽힘작동이 일어난다.

도 9a는 본 발명자들이 초기에 실시한 카테터용 굽힘 액추에이터의 45°굽어진 수축상태를 나타내는 도면이고, 도 9b는 본 발명 카테터용 굽힘 액추에이터의 전원공급에 따라 최대 90°로 굽어진 굽힘상태를 나타내는 도면이다.

이 도면은 본 발명에서 달성한 굽힘 액추에이터의 각도가 45°에서 90°까지 변화하였음을 의미하며, 90°의 굽힘특성을 나타내는 굽힘 액추에이터는 크기가 모두 같고, 인가되는 전류의 양도 같다.

도 9a에 도시된 굽힘 액추에이터는 내외면이 평활한 실리콘튜브와 코일형의 스프링으로 구성되어 있고, 도 9b에 도시된 굽힘 액추에이터는 벽체 속에 라이너 코일이 들어 있는 내부튜브와 지그재그형의 스프링으로 구성되어 있다. 도면에서 참조되는 바와 같이, 지그재그형의 신축부재로 이루어진 굽힘 액추에이터가 코일스프링의 것보다 현저하게 구부러졌다.

검측한 결과에 의하면, 본 발명의 굽힘 액추에이터는 90°이상 굽힘이 가능하였지만, 굽힘각도가 증가함에 따라 라이너 코일로 사용된 변형방지수단(코일 스프링)의 간격이 좁아져 내부튜브가 주저 앉는 현상이 나타났으며, 이 경우에는 더 이상 굽힘 동작이 일어나지 않았다. 그러나, 상기 문제점은 전술한 라이너 코일을 촘촘히 감음으로써 해결 가능하였다. 이때 주의할 점은, 라이너 코일을 촘촘히 감는 경우, 폴리우레탄과 코일 사이의 접합력이 저하될 우려가 있기 때문에 보강구조가 요구되었다.

본 발명은 이를 실리콘튜브 위에 먼저 폴리우레탄을 코팅한 다음 그 위에 라이너 코일을 감고 다시 폴리우레탄을 코팅하여 해결하였다.

첨부 도면 도 10은 상술한 본 발명의 지그재그형 스프링의 인장특성을 실험하기 위한 장치를 나타낸 것이다.

상기의 도면에 나타난 실험장치로 지그재그형 스프링의 인장률(인장특성)을 측정한다. 이 실험장치는 지그재그형 스프링을 굽힘 액추에이터에 장착할 때 요구되는 최적의 인장률을 알아보고, 입력전류에 의한 스프링의 복원력을 알아내기 위한 것이다.

여기서, 인장률은

로 정의된다.

또한, 최적의 인장률이라 함은, 지그재그형 스프링에 전류를 입력하였을 때, 상기 스프링이 원래 기억된 길이에 가장 가깝게 수축되었을 때의 인장률을 의미한다.

도시된 인장률 실험장치(200)는 바닥면(201)이 매끈한 "U"자 형의 채널로 되어 있는데, 이 바닥면(201)의 좌우 양측에 입설되어 있는 측판(202) 중앙에는 접속공이 천설되어 있어 이 접속공 속으로 형상기억합금으로 만든 본 발명에 적용된 지그재그형의 스프링으로 이루어진 신축부재(130)와 스틸재의 코일형 스프링(205)의 일측 단부를 끼워 넣게 된다.

이 스프링들은 클램프(203)에 의해 일렬로 연결되며, 길이가 인장된 상태로 접속공에 내삽되어 상기 측판의 내외측에서 너트(204)로 고정되어진다.

이러한 상태에서 전류를 인가하면, 저항열에 의해 지그재그형 스프링의 길이가 수축되어 클램프의 위치가 변하게 되는데, 이때의 변위를 알아봄으로써 최적의 인장률을 유추해 내었다.

아래의 그래프 1은 본 발명에 따른 지그재그형 스프링의 온도-복원력의 관계를 나타낸 것이고, 그래프 2는 인장률 변화-변위의 관계를 나타낸 것이다.

그래프를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 지그재그형 스프링의 변위는, 인장률이 15.2443%인 경우에 최대였다.

이는 인장률이 15.2443%인 경우 최대의 스프링 복원력이 발생됨을 의미한다.

그래프 1

그래프 2

아래의 표 1은, 실험 조건을 달리하여 측정한 인장시험의 결과표로서, 스프링의 복원력은 미리 실험을 통하여 구한 강성 값 16.35(N/m)에 변위를 곱셈하여 구한 것이다.

상기의 표 1과 그래프 1을 통해 알 수 있는 것 처럼, 본 발명의 지그재그형 스프링은, 50℃ 이상의 구간부터 복원력이 급격히 증가하였다.

이로부터, 본 발명의 굽힘 액추에이터는 상기 구간 이후부터 굽힘 특성이 향상될 것이라는 것을 유추할 수 있다.

본 발명 굽힘 액추에이터(100)의 조립은 다음과 같은 공정을 통하여 실시된다.

먼저, 내부튜브(120)의 외측에 신축부재(130)과 접지라인(140)을 배치시킨다. 이 상태에서 고정용링(150)을 끼워 위치를 고정시킨다. 이후 외부튜브(110)을 외측에서 삽관한다.

내부튜브(120)와 외부튜브(110)를 조립하여 얻는 이중 튜브체는 전체적으로 볼 때, 외경이 3.0㎜이고 내경이 2.0㎜이며, 이들은 결합된 하나의 튜브체를 형성한다. 이와같은 내외부튜브(110)(120)의 양단에는 신축부재(130)의 끝과접지부재(140)의 끝이 인출되어 있다. 이 양단으로 제 1, 제 2링크부재(160)(162)를 결합시킨다. 이 제 1링크부재(160)는 황동으로 제작한 접지용 링크이고, 제 2링크부재(162)는 폴리부틸렌으로 제작한 연결용 링크이며, 이들 링크상에 형성되어 있는 4개의 접속공(160a)(162a)속으로 지그재그형의 형상기억합금 스프링인 신축부재(130)과 접지부재(140)의 끝을 통과시켜 연결한다.

이들 링크(160)(162)상에 형성되어 있는 4개의 접속공(160a)(162a)은 직경이 대략 0.3㎜이며, 신축부재(130)가 끼워지는 3개의 접속공은 중심선을 기준으로 120°로 배치된다.

이 상태에서 상기 제 1링크부재(160)와 제 2링크부재(162)의 접속공(160a)(162a) 및 이 접속공을 지나는 신축부재(130)과 접지부재(140) 사이의 틈새에 전원선과 접속되는 접속핀(170)을 끼워 전원 공급이 가능하게 한다.

상기 접속핀(170)은 하부직경이 0.18㎜, 상부직경이 0.22㎜인 원추형(tapered)으로서, 이 접속핀(170)에 의해 신축부재와 접지부재 및 전원선이 물리적으로 결합하며, 상기 전원선을 통해 외부의 전원이 본 발명 굽힘 액추에이터(100)에 공급된다.

한편, 상술한 구성 요소중 내부튜브(120)의 외면에 끼워지는 폴리부틸렌(PBT) 재질의 고정링(150)은 3개의 스프링중 어느 스프링에 전류를 인가하여 굽힙 동작을 일으켰을 때, 전류가 인가되지 않은 나머지 다른 스프링이 굽힘 방향으로 치우치는 것을 방지하기 위하여 사용된다.

이에 대해 액추에이터의 양단에 장착되는 외경 3.0㎜, 내경 2.0㎜, 폭 2.0㎜의 접지용 제 1링크부재(160)와 연결용 제 2링크부재(162)는 굽힘 액추에이터(100)를 연속하여 조립하는 경우 일측은 숫합부재로, 타측은 암합부재의 접속수단으로 써 각 링크부재사이에 대응하여 접속되는 구조를 취한다. 따라서 본 발명 굽힘 액추에이터는 그 수를 증가하여 연속연결함으로써 길이를 늘릴 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 카테터용 굽힘 액추에이터는 튜브와 튜브사이의 얇은 공간을 통하여 배치가 가능하게 되었고 이로 인해 종래 코일스프링타입이 갖는 3차원적 배치구조로 인한 공간의 필요성을 배제하게 되어 보다 얇은 액추에이터를 제공하게 되었다.

특히 본 발명의 카테터용 굽힘 액추에이터는 종래 카테터가 갖는 여러 단점을 보완하여 최소한의 얇은 튜브를 채택한 상태에서도 좌굴 없이 90°의 굽힘각을 얻을 수 있게 되었다.

실제로 굽힘이 이루어지는 부분의 강성이 종래보다 낮아져 다른 작동형 내시경 장치의 액추에이터에 비하여 굽힘각도 등의 특성이 좋아졌다.

결국 본 발명의 카테터용 액추에이터는 종래의 카테터에 비하여 선단부 굽힘 액추에이터를 원하는 방향으로 충분히 구부려질수 있게 되어 혈관 내부의 분지관을 만났을 때 임의의 방향으로 구부려 진행시킬 수 있는 효과를 거두게 되었다.

이와같은 카테터용 굽힘 액추에이터의 굽힘성 개선으로 여러 기능들을 카테터에서 분리하여 각각 별도의 미세도구로 제작함으로써, 기능성 기계요소들이 서로 간섭받지 않도록 하여 치료 및 진단의 정확성이 향상되었으며, 굽힘 액추에이터의전체 외경이 3㎜ 이내로 제한되므로 관상동맥과 같은 미세혈관으로의 접근이 가능해진 이점도 얻게 되었다.

Claims (19)

1. 카테터용 굽힘 액추에이터에 있어서,

   직립상태에서 자유방향으로 좌굴없이 굽힘이 이루어지도록 변형방지수단이 강구된 중공의 튜브부재; 및

   상기 튜브부재의 소정위치에 배치시키고 전원을 공급함에 따라 상기 튜브부재가 수축되거나 원복되는 적어도 1개 이상의 신축부재를 포함하여,

   상기 신축부재의 전원공급에 따라 상기 튜브부재가 소정의 굽힘각도를 얻는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
2. 제 1항에 있어서,

   제 1신축부재는 수축동작을 하고, 다른 2개의 신축부재는 복귀동작을 하여 튜브부재가 원복되는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 튜브부재의 굽힘 각도가 적어도 45°내지 90°정도인 것을 특징으로 하는 카테터용 액추에이터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 튜브부재의 변형방지수단은 링형의 그루브가 반복형성되는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 튜브부재의 변형방지수단은 나선상의 그루브인 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 튜브부재의 변형방지수단은 연속하는 라이너 코일인 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 튜브부재는 내부튜브와 외부튜브로 분리되는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 내부튜브의 내주면에는 변형방지수단을 형성하고,그 외측 외부튜브와의 사이에 신축부재가 개재되는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 내부튜브 주면은 파릴렌(palyurethane)층으로 코팅됨을 특징으로 하는카테터용 굽힘 액추에이터.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 신축부재는 적어도 3개 이상 인 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
11. 제 8항에 있어서,

    상기 전원공급이 가능하도록 내부튜브 외측으로 접지라인을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
12. 제 1항 내지 제 11항중 어느 한항에 있어서,

    상기 튜브부재의 외주에 고정된 접지라인과 신축부재에 전원이 공급되도록 상기 접지라인과 신축부재의 끝이 삽입되는 접속공을 형성한 링크부재를 더 포함하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
13. 제 12항에 있어서, 상기 링크부재의 접속공에는 상기 접지라인과 신축부재를 고정하면서 외부 전원과 접속되기 위한 단자를 형성하기 위한 접속핀이 더 구비되는 것을 특징으로 카테터용 굽힘 액추에이터.
14. 제 10항에 있어서,

    상기 신축부재는 납작하게 지그재그형을 이루는 스프링인 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
15. 제 10항에 있어서,

    상기 신축부재는 코일스프링인 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
16. 제 12항에 있어서,

    상기 신축부재와 접지라인의 고정을 위하여 내부튜브 외측에 외삽되는 고정용 링크를 더 포함하는 카테터용 굽힘 액추에이터.
17. 카테터용 굽힘 액추에이터의 제조방법에 있어서,

    1)내부튜브 내주면을 따라 변형방지수단을 형성한 중공의 내부튜브를 만드는 단계;

    2)상기 내부튜브의 외주에 일부에 전원을 공급함에 따라 상기 직립한 튜브부재가 일측으로 수축되거나 원복되도록 그 외주에 적어도 3개 이상의 통전가능한 신축부재와 접지라인을 형성하는 단계;

    3)내부튜브의 외측에 위치한 신축부재와 접지라인의 고정을 위하여 고정용 링크를 내부튜브 외측에 외삽시키는 단계;

    4)상기 링크부재와 접속핀으로 접지라인과 신축부재의 끝을 외측으로 인출되도록 함과 동시에 상기 내외부 튜브부재의 양단을 고정시키는 단계;

    5)상기 내외부 튜브의 양단에 인출된 단자에 소정의 전원 공급이 가능하도록 전원접속 단자를 형성하는 단계; 및

    6)상기 신축부재와 접지라인을 형성한 내부 튜브의 외측을 커버하기 위한 외부튜브를 삽관하는 단계를 포함하는 카테터용 굽힘 액추에이터 제조방법.
18. 제 17항에 있어서,

    상기 신축부재는,

    1)두 개의 기둥선을 소정 간격만큼 사이를 두고 나란히 배치하는 단계;

    2)이와같은 기둥선의 주위에 안내선을 권취하는 단계;

    3)안내선의 권취와 동시에 가공선이 안내선의 사이에서 수직방향으로 사인곡선으로 굴곡되어 나가도록 안내선의 매 반바퀴마다 지그재그로 감아나가는 단계;

    4)소정길이 권취가 끝나면 열처리를 하여 형상을 기억시키는 단계; 및

    5)기둥선과 안내선을 제거하여 지그재그형상의 가공선을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터의 제조방법.
19. 제 17항에 있어서,

    내부튜브는,

    1)강선 외주면에 실리콘튜브를 삽관하는 단계;

    2)상기 실리콘튜브 표면에 코일스프링을 권취하는 단계;

    3)상기 실리콘튜브와 코일스프링의 외면에 폴리우레탄층을 형성하는 단계;

    4)상기 폴리우레탄층과 코일스프링이 접합된 상태에서 알코올로 스웰링하여 강선과 실리콘튜브를 분리하는 단계; 및

    5)상기 폴리우레탄과 코일스프링의 결합체의 내외면에 파릴렌층을 형성하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 카테터용 굽힘 액추에이터의 제조방법.