KR20040055479A - 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대퇴골의 내부에 인공관절을 삽입하기 위해 골내강을 수술하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대퇴골의 골내강에 고정장치를 삽입하여 고정한 후 고정장치에 설치된 절삭로봇을 이용하여 시술자가 손쉽게 골내강을 가공할 수 있도록 한 수술로봇에 관한 것이다. 이를 위해 골내강에 삽입되는 고정장치; 상기 고정장치에 설치되는 지지대; 및 상기 지지대의 일측에 장착되고 상기 지지대를 따라 이동이 가능한 절삭공구를 구비한 절삭로봇을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇이 제공된다.

Description

골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇{BONE CANAL SHAPING ROBOT USING BONE CANAL INSERTED FIXTURE}

본 발명은 인체 대퇴골의 내부에 인공관절을 삽입하기 위해 골내강을 수술하는 로봇에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대퇴골의 골내강에 고정장치를 고정한 후 고정장치에 지지대를 통해 설치된 절삭로봇을 이용하여 시술자가 용이하게 골내강을 가공할 수 있도록 한 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇에 관한 것이다.

관절염이나 골종양 등으로 인하여 관절부의 뼈가 파괴되거나 관절손상을 입어 관절로서의 기능을 할 수 없게 된 경우에는 그 관절을 절제하고 이를 대체하는 인공관절을 사용한다. 일반적으로 인공관절의 대퇴골 부분은 금속이나 세라믹으로 제조하여 사용하고 있다.

인체의 대퇴골은 다공질 뼈로 구성되어 있고 내부에 길이방향으로 골내강이 있다. 인공관절 대체수술은 이 골내강을 적절한 크기로 파내고 이 곳에 인공관절 주대를 삽입하여 시멘트로 고정시키는 시멘트 사용방법과, 다공질의 주대를 삽입하여 대퇴골이 성장하면서 다공질의 주대와 대퇴골이 고착되도록 하는 시멘트 비사용 방법을 사용하고 있다.

따라서, 대퇴골 내부의 골내강을 파낼 때에는 삽입할 주대의 모양에 정확히 맞도록 가공하는 것이 중요하다.

도 7은 종래의 대퇴골 고정장치를 이용한 고관절수술로봇의 고정장치를 나타낸 사시도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 대퇴골(60) 주위의 절개부위를 통해 클램프(69)를 사용하여 대퇴골을 고정함으로써 대퇴골에 직접 로봇설치대(66)를 설치하고, 로봇설치대(66)에 직접 장착되는 수술로봇(미도시)을 이용하여 수술을 수행하였다.

대퇴골에 로봇설치대를 설치할 경우에 외부로부터 클램프를 사용하여 로봇설치대를 고정하는 것이므로, 로봇설치대가 차지하는 부위를 형성하기 위해 절개부위가 커지는 문제가 있었다. 또한, 설치되는 로봇과 가공 대상물인 대퇴골간의 상대위치 정보를 정확하게 측정하여 로봇에게 알려주는 정합(registration)과정이 반드시 필요하다.

또한, 수술로봇의 가공이 적절하지 않은 경우에 다시 가공하기 위해서는 초기위치를 찾는 정합(registration)과정을 거친 후에, 이로부터 재가공을 실시해야 함으로시간과 노력이 많이 요구된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 골내강에 골내강 고정장치를 설치하고 고정장치에 절삭로봇을 설치하여 골내강을 가공함으로써, 결과가 만족스럽지 않은 경우에는 쉽게 재가공을 실시하여 다른 치수의 가공면을 형성할 수 있도록 하는 골내강 수술로봇을 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적은 골내강에 삽입되는 고정장치; 상기 고정장치에 설치되는 지지대; 및 상기 지지대의 일측에 장착되고 상기 지지대를 따라 이동이 가능한 절삭공구를 구비한 절삭로봇을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇에 의해 달성될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 상기 절삭로봇은 일측에 형성된 손잡이; 및 상기 손잡이에 설치되며 상기 절삭공구가 일측에 구비된 골성형공구를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 골성형공구는 상기 손잡이에 힌지로 고정되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 절삭공구는 단부가 구형인 엔드밀인 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 절삭공구의 위치 데이터를 수신하여 상기 절삭공구의 위치를 제어하는 제어기를 더 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 지지대는 상기 골성형공구의 움직임을 안내하는 "U"자형 가이드와 원형의 하단봉으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 고정장치는 중심축선상에 상기 지지대의 하단봉을 삽입하기 위한 원형의 홈으로 구성되는 지지대 삽입부가 더 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 상기 하단봉은 슬라이딩 운동이 가능하도록 상기 지지대 삽입부와 헐거운 끼워맞춤이 되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 대략적인 사시도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 골성형공구의 엔드밀의 확대도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 제어기의 구성을 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 가공범위를 나타낸 사시도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 사용상태도,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 고정장치의 삽입을 위한 골내강 형성단계를 나타낸 도면,

도 7은 종래의 대퇴골 고정장치를 이용한 고관절수술로봇의 고정장치를 나타낸 사시도이다.

* 주요 도면 부호의 설명 *

1: 고정장치, 2: 지지대 삽입부,

5: 지지대, 6: 하단봉,

7: U자형 가이드, 10: 잘삭로봇,

15: 골성형공구, 16: 엔드밀,

30: 제어기.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 구성에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇을 나타낸 사시도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 골내강(55) 수술로봇은 대퇴골의 골내강(55)에 고정장치(1)가 삽입되어 고정되고, 고정장치(1) 위에 지지대(5)가 설치되며, 절삭로봇(10)의 수술동작을 제어하기 위해 무선 제어기(30)를 구비한다.

고정장치(1)는 대퇴골의 골내강(55)에 수용될 수 있도록 실린더형 외형을 갖고, 내부에는 지지대(5)의 위치를 감지하는 센서(37)가 내장된다. 고정장치(1)에는 이후 기술될 절삭로봇(10)이 장착될 지지대(5)를 설치해야 하므로, 소정깊이의 원형홈인 지지대 삽입부(2)가 고정장치(1)의 중심축선을 따라 형성되어 있다.

상기 고정장치(1)의 상부에는 절삭로봇(10)이 장착되는 지지대(5)가 설치된다. 지지대(5)는 상부에 말굽자석 형상의 "U"자형 가이드(7)가 위치하고 하부에 원형 단면의 하단봉(6)이 결합한 것이고, 상기 지지대(5)의 하단봉(6)은 고정장치(1)의 지지대 삽입부(2)와 미끄럼운동이 가능하도록 헐거운 끼워맞춤으로 결합되어 있다.

상기 지지대(5)에는 절삭로봇(10)이 장착되며, 절삭로봇(10)은 위치조정을 위해 구비된 실린더형 손잡이(13)와 손잡이(13)의 일측에 설치되는 골성형공구(15)로 구성된다. 손잡이(13)는 외형이 실린더형이며 하부가 지지대(5)의 "U"자형 가이드(7)의 단부에 부착됨으로써 지지대(5)에 고정되고, 손잡이(13)의 하부에는 내측으로 함몰되어 골성형공구(15)를 수용하는 골성형공구 수용부(11)가 형성되어 있다. 손잡이(13)의 골성형공구 수용부(11)에는 절삭공구(16), 즉 엔드밀(16)을 구비한 골성형공구(15)의 중간부가 힌지(20)로 고정되어 있다. 따라서 골성형공구(15)는 양단이 손잡이(13)의 외부로 노출되고, 골성형공구(15)의 중간부는 손잡이(13)에 수용되어 힌지(20)로 고정되도록 설치된다. 골성형공구(15)의 바깥 끝에는 엔드밀(16)을 구동하는 제1모터(미도시)가 부착되며, 손잡이(13)로부터 골성형공구(15)를 회전시키기 위해, 힌지로 고정되는 상기 골성형공구(15)의 일측에 형성된 회전축(미도시)에 직결되도록 제2모터(미도시)가 구비된다. 엔드밀(16)을 구동하는 제1모터는 강력한 구동력을 발생시키는데 적합한 공압모터인 것이 바람직하다.

골성형공구(15)는 봉형상이며, 골성형공구(15)의 일측에는 골내강(55)을 형성하기 위해 제1모터와 연결된 엔드밀(16)이 장착된다. 골성형공구(15)는 상기 지지대(5)의 "U"자형 가이드(7)의 상부이며 손잡이(13)의 골성형공구 수용부(11)에서 회전이 가능하도록 힌지(20)로 고정되어 있다. 도 1에 도시하지는 않았지만 골성형공구를 구동하기 위한 공기를 공급하기 위한 공기공급호스(미도시)가 골성형공구의 단부에 설치되는 것도 가능하다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 골성형공구의 엔드밀의 확대도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드밀(16)은 골성형공구(15)에 내설되며, 엔드밀(16)의 단부는 골성형공구(15)의 외부로 노출되어 있다. 엔드밀(16)은 단부가 구형이며, 엔드밀(16)의 구면에는 절삭을 위한 절삭돌기(17)가 형성되어 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 제어기의 구성을 나타낸 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 골내강(55) 수술로봇을 제어하는 제어기(30)는 대략 입력장치(31), 저장장치(32), 수신장치(33), 송신장치 및 중앙처리장치(34)로 구성된다.

제어기(30)는 수술시 대퇴골의 가공영역 데이터를 입력하는 키보드 등을 구비하고, 상기 입력된 대퇴골의 가공영역 데이터를 기억하기 위해 저장장치(32)가 구비된다. 골성형공구(15)의 위치제어를 위해 고정장치(1)의 센서가 감지한 지지대(5)의 위치 데이터를 수신하는 수신장치(33)가 상기 중앙처리장치(34)와 연결된다.

중앙처리장치(34)는 저장장치(32)에 저장된 가공영역 데이터와 위치 데이터를 조합하여 골성형공구(15)의 가공범위를 산출하고 이를 기초로 골성형공구(15)의 회전량 데이터를 산출하는 것으로서 상기 입력장치(31), 저장장치(32), 수신장치(33)에 연결된다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 작동방법에 대해 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 고정장치의 삽입을 위한 골내강 형성단계를 나타낸 도면이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 골내강(55) 수술로봇을 이용하여 수술을 하기 위해서는 우선 대퇴골(50)의 내부에 고정장치(1)가 삽입될 수 있는 공간이 마련되야 한다.

따라서, (1): 대퇴골(50)과 리이머(60)의 중심축선을 일치시키고, (2): 리이머(60)를 회전하면서 하강하여 대퇴골(50)을 절삭하며, (3): 대퇴골의 내부에 수술로봇이 수용될 삽입공간을 형성한다. 대퇴골(50)의 내부에 공간을 형성한 후에, 수술로봇의 고정장치(1)를 대퇴골(50) 내부로 밀어 넣어 삽입한다. 고정장치(1)가 대퇴골(50)의 내부에 설치된 후에는 절삭로봇(10)이 장착된 지지대(5)를 고정장치(1)의 지지대 삽입부(2)에 장착하여 설치한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 가공범위를 나타낸 사시도이고, 도 5은 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇의 사용상태도이다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 시술자는 수술로봇의 손잡이(13)를 수동으로 조정하여 수술부위로 골성형공구(15)를 위치시킨다. 이 때 고정장치(1)에 내장된 센서(37)가 지지대(5)의 위치를 감지하여 제어기(30)로 지지대(5)의 위치 데이터를 송신한다.

지지대(5)의 위치 데이터를 수신한 제어기(30)는 저장된 피수술자의 가공영역 데이터와 조합하여, 현재 지지대(5)의 위치에서의 가공영역을 산출하고 제2모터(미도시)로 회전량 데이터를 송신한다.

제2모터는 상기 회전량 데이터에 기초하여 골성형공구(15)를 회전시킨다. 동시에 제1모터가 엔드밀(16)을 구동하여 대퇴골 내부를 가공하여 골내강(55)을 형성한다.

현재 위치에서의 골내강(55)의 가공이 완료되면 시술자는 손잡이(13)를 돌리거나 상하로 이동시켜서 지지대(5)를 다른 위치로 이동시킨다. 지지대(5)의 위치가 변경되면 고정장치(1)에 내장된 센서가 다시 위치를 감지하여 제어기(30)로 지지대(5)의 위치 데이터를 송신하고, 제어기(30)는 상기 위치 데이터를 기초로 제2모터를 제어하여 다시 가공을 반복한다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 상기 수술로봇의 제어기(30)로서 무선으로 송수신되는 제어기(30)를 사용하였으나, 본 발명은 이에 한하지 않고, 유선으로 수술로봇을 제어하는 제어기를 사용하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 골성형공구(15)의 힌지(20)에 대한 회전을 생성하기 위해 모터를 사용하였으나, 본 발명은 이에 한하지 않고, 골성형공구(15)의 일단을 유압실린더와 결합하여 회전운동을 생성하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에서는 손잡이(13)의 형상을 원형봉의 형상으로 하였으나, 본 발명은 이에 한하지 않고, 손에 쥐기 쉽도록 돌출부를 형성하거나 또는 손잡이의 내부에 모터 등의 설치를 용이하게 하기 위해 손잡이의 크기를 더 크게 하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서는 골성형공구의 엔드밀의 형상으로 구형의 엔드밀을 사용하였으나, 본 발명은 이에 한하지 않고, 스크류형의 엔드밀을 사용하는 것도 가능하다.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 수술로봇에 의하면, 골내강에 설치된 고정장치에 직접 절삭로봇을 설치하고 절삭로봇이 골내강을 가공하는 것이므로, 고정장치의 삽입부분의 주위로 한정하여 절개부위를 최소화 할 수 있는 효과가 있다.

대퇴골의 골내강내에 고정된 고정장치에 장착된 수술로봇이 가공을 하는 것이므로 대퇴골과 절삭로봇의 움직임을 방지할 수 있어서, 완성도가 높은 수술이 가능한 장점이 있다.

또한, 수술로봇에 의한 수술이 만족스럽지 않은 경우에도 초기위치를 찾아서 수술로봇을 배치하는 정합과정이 용이하게 이루어지므로, 쉽게 재수술을 수행할 수 있는 현저한 효과를 갖는다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (8)

1. 골내강(55)에 삽입되는 고정장치(1);

   상기 고정장치(1)에 설치되는 지지대(5); 및

   상기 지지대(5)의 일측에 장착되고 상기 지지대(5)를 따라 이동이 가능한 절삭공구(16)를 구비한 절삭로봇(10)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.
2. 제 1항에 있어서, 상기 절삭로봇(10)은,

   일측에 형성된 손잡이(13); 및

   상기 손잡이(13)에 설치되며 상기 절삭공구(16)가 일측에 구비된 골성형공구(15)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.
3. 제 2항에 있어서, 상기 골성형공구(15)는 상기 손잡이(13)에 힌지(20)로 고정되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.
4. 제 1항 내지 제 3항 중의 하나에 있어서, 상기 절삭공구(16)는 구형인 엔드밀(16)인 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 절삭공구(16)의 위치 데이터를 수신하여 상기 절삭공구(16)의 위치를 제어하는 제어기(30)를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.
6. 제 2항 또는 제 3항에 있어서, 상기 지지대(5)는 상기 골성형공구(15)의 움직임을 안내하는 "U"자형 가이드(7)와 원형의 하단봉(6)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.
7. 제 1항에 있어서, 상기 고정장치(1)는 중심축선상에 상기 지지대(5)의 하단봉(6)을 삽입하기 위한 원형의 홈으로 구성되는 지지대 삽입부(2)가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.
8. 제 7항에 있어서, 상기 하단봉(6)은 슬라이딩 운동이 가능하도록 상기 지지대 삽입부(2)와 헐거운 끼워맞춤으로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 골내강 삽입형 고정장치를 이용한 골내강 수술로봇.