KR20150126948A

KR20150126948A - 의료 장치 내에 구멍을 드릴링하기 위한 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20150126948A
Application number: KR1020157028676A
Authority: KR
Inventors: 레자 케이. 모사비
Original assignee: 에디컨인코포레이티드
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-11-13
Also published as: US20140263215A1; BR112015022111B1; BR112015022111A2; KR102140458B1; EP2969374A1; MX347595B; JP2016520989A; US9452494B2; AU2014249837B2; JP6703170B2; RU2015143445A; JP2019195067A; RU2015143445A3; CA2905353A1; WO2014163962A1; AU2014249837A1; RU2693239C2; CN105189023B; CN105189023A; MX2015011808A

Abstract

신규한 레이저 드릴링 시스템이 개시된다. 레이저 드릴링 시스템은 의료 장치 내에 보어 구멍을, 특히 외과용 니들 내에 막힌 보어 구멍을 드릴링하는 데 유용하다. 레이저 시스템은 저 출력 파이버 시드 레이저를 사용하여, 변조 및 증폭되고 정밀 드릴링된 구멍을 생성하는 정밀한 특성을 갖는 고 품질 레이저 빔을 생성한다.

Description

의료 장치 내에 구멍을 드릴링하기 위한 레이저 시스템{LASER SYSTEMS FOR DRILLING HOLES IN MEDICAL DEVICES}

본 발명이 속하는 기술 분야는 레이저 드릴링 시스템, 보다 구체적으로는 의료 장치용 레이저 드릴링 시스템이다.

의료 장치 내에 구멍을 드릴링하기 위한 레이저 드릴링 시스템이 당업계에 공지되어 있다. 레이저 드릴링 시스템은 외과용 니들(surgical needle)의 근위 단부(proximal end)에 막힌 구멍(blind hole)을 드릴링하는 데 종종 사용된다. 종래의 외과용 니들은 전형적으로 외과용 봉합사가 장착되는 봉합사 장착 단부를 갖는다. 근위 단부는 외과용 봉합사의 원위 단부(distal end)를 수용하기 위한 채널 또는 막힌 보어 구멍을 가질 수 있으며, 외과용 봉합사는 이어서 기계적 스웨이징(swaging), 글루잉(gluing), 접착제 등과 같은 종래의 기술을 사용하여 니들 장착 섹션에 부착된다. 채널에 비해 드릴링된 막힌 보어 구멍을 갖는 니들을 사용하는 것에 대한 선호가 존재한다. 드릴링된 보어 구멍을 갖는 니들은 채널형 장착 단부를 갖는 외과용 니들과 비교할 때 봉합사 부착 후에 보다 규칙적인 프로파일을 갖는 경향이 있다. 니들 직경을 부착된 봉합사의 직경과 보다 엄밀하게 일치시키는 것이 또한 가능하다. 이는 보다 양호하게 인지되는 조직을 통한 이동 및 보다 덜한 조직 항력, 및 보다 좁은 조직 경로를 가져서, 잠재적으로는 개선된 지혈과 같은 우수한 임상 결과를 제공하는 이점을 제공한다. 반면에, 채널형 봉합사 니들은 제조가 보다 경제적이다.

막힌 보어 구멍은 전형적으로 기계적 드릴링 및 레이저 드릴링을 포함한 종래의 방법을 사용하여 외과용 니들의 근위 단부 내로 드릴링된다. 기계적 드릴링이 균일한 구성을 갖는 정밀하게 드릴링된 보어 구멍을 제공할 수 있지만, 기계적 드릴링은 그것의 사용과 관련된 결점을 가질 수 있다는 것이 알려져 있다. 기계적 드릴링은 0.15 mm(0.006 인치) 크기와 같은 미세한 니들 크기를 갖는 외과용 니들을 드릴링하기 위해 미세한 직경을 갖는 드릴을 필요로 한다. 그러한 드릴은 미세한 직경 크기로 인해 제조하기가 어려우며, 고속 생산 공정에서 상대적으로 빨리 마모되는 경향이 있다. 또한, 니들의 미세한 와이어 크기 및 니들의 미세한 직경으로 인해, 정밀 기계적 드릴링 장비는 드릴들을 정밀하게 조정하고 정렬시키기 위해 빈번한 중단 시간(downtime)을 필요로 할 수 있다. 레이저 드릴링 시스템은 고가의 드릴을 필요로 함이 없이 고속 드릴링 능력을 제공함으로써 이들 결점을 극복한다. 또한, 일단 시스템이 설정되면 조정을 위한 중단 시간이 최소화된다. 레이저 드릴링 시스템의 다른 이점은, 상이한 보어 구멍 직경 및 길이를 갖는 다양한 니들 와이어 직경의 드릴링 사이에서 용이하게 전환할 수 있는 능력이다.

외과용 니들 내에 막힌 보어 구멍을 드릴링하기에 유용한 Nd-YAG 레이저 시스템이 미국 특허 제6,252,195호 및 미국 특허 제6,683,276호에 개시되어 있으며, 이들 둘 모두는 참고로 포함된다. 이들 특허는 외과용 니들을 위한 다이오드 펌프형(diode pumped) Nd-YAG 레이저 드릴링 시스템을 개시한다. 이들 시스템에서의 발진기는 다이오드 펌프형이고, 증폭기가 또한 다이오드 펌프형이다. 고속 외과용 니들 제조 공정이 미국 특허 제5,630,268호, 제5,644,834호, 제5,661,893호, 제5,701,656호, 제5,776,268호, 제5,913,875호, 제6,018,860호, 및 제6,252,195호에 기술되어 있으며, 이들은 참고로 포함된다. 와이어의 스풀(spool) 내지 외과용 니들 블랭크(blank)로부터의 외과용 니들을 완성된 외과용 니들로 처리하는 그러한 제조 공정은 전형적으로 니들 블랭크를 캐리어 스트립(carrier strip)에 장착하며, 스트립 및 니들 블랭크가 점진적인 성형 및 처리 스테이션들을 통해 이동되어 완성된 외과용 니들을 제조한다.

그러나, 종래의 레이저 시스템을 사용하는 외과용 니들의 레이저 드릴링과 연관된 소정의 불리한 점이 있다. 외과용 니들의 근위 단부와 같은 구조물 내에 원하는 직경 및 깊이의 보어 구멍을 드릴링하기 위해, 충분한 출력 및 품질의 빔을 갖는 것이 필요하다. 또한, 레이저 드릴링 공정은 레이저 빔이 일련의 펄스들로 초핑되는(chopped) 충격식 드릴링 공정이다. 드릴링 공정이 공정 동안 보어 구멍 밖으로 배출되는 용융 및 기화된 금속을 생성하기 때문에, 충격식 드릴링이 필요하다. 따라서, 레이저 드릴링되는 막힌 보어 구멍은 전형적으로 완벽한 대칭 구성을 갖지 않는 경향이 있다. 이는, 특히 고속 자동화 시스템에서, 봉합사 부착에 있어서 문제일 수 있다. 드릴링된 보어 구멍의 기하학적 구조가 시간이 지남에 따라 달라질 수 있어, 빈번하고 정밀한 품질 보증 검사, 및 드릴링된 보어 구멍을 제조 규격에 일치시키기 위해 레이저 시스템을 조정하기 위한 관련 레이저 및 생산 중단 시간을 필요로 할 수 있다. 또한, 레이저 빔 파라미터의 변동은 리캐스트(recast)와 같은 결점을 야기할 수 있다. 리캐스트는 보어 구멍 주위의 금속을 균열시킴이 없이 외과용 봉합사의 단부를 부착하기 위해 레이저 드릴링된 보어 구멍을 갖는 외과용 니들의 근위 단부가 기계적으로 스웨이징될 수 있는 능력에 영향을 미칠 수 있다. 외과용 니들을 위한 종래의 레이저 드릴링 시스템과 관련될 수 있는 다른 결점은, 다양한 상이한 크기의 외과용 니들들을 손쉽고 용이하게 드릴링할 수 없다는 것이다. 현재 입수가능한 시스템은 전형적으로 좁은 범위의 구멍 직경들, 예를 들어 소형 보어 구멍, 중형 또는 대형을 드릴링하도록 설정된다. 또한, 중간 및 더 큰 직경의 니들 내에 허용가능한 보어 구멍을 드릴링하기 위해, 니들의 근위 단부에 잉크 코팅을 적용하는 것이 전형적으로 필요하다고 알려져 있다. 이러한 잉크 코팅은 보다 효과적인 에너지 흡수 및 빔 결합을 허용한다. 전형적으로, 이러한 잉크 적용 작업 없이 중간 직경 내지 대 직경의 니들 크기를 드릴링하는 것은 매우 어렵고 비실용적이며, 그러한 잉크 적용 작업은 제조 공정에 소정 수준의 복잡성 및 증가된 비용을 부가한다.

조정을 위한 중단 시간이 최소인 상태로 우수한 성능을 제공하는 신규한 레이저 드릴링 시스템에 대한 필요성이 당업계에 존재한다. 봉합사 장착을 위한 고 품질의 레이저 드릴링된 보어 구멍을 제공하는 고 품질 빔을 갖는 외과용 니들을 위한 신규한 레이저 드릴링 시스템에 대한 필요성이 또한 존재한다. 또한, 다양한 니들 와이어 크기를 정밀하게 드릴링할 수 있고 와이어 크기들 간에 전환하도록 손쉽고 용이하게 조정될 수 있는 외과용 니들을 위한 신규한 레이저 드릴링 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

외과용 니들과 같은 의료 장치 내에 막힌 보어 구멍을 드릴링하기 위한 신규한 레이저 드릴링 시스템이 개시된다. 레이저 시스템은 고 품질 빔을 생성하는 저 출력 파이버 Nd-YAG 시드 레이저(fiber Nd-YAG seed laser)를 갖는다. 시드 레이저로부터의 빔은 전기-광학 변조기로 지향되며, 여기서 빔은 변조되거나 펄스화된다. 펄스화된 빔은 이어서 적어도 하나의 증폭기로 지향되어, 의료 장치 내에 보어 구멍을 드릴링하기에 충분한 강도로 빔을 증폭시킨다. 빔은 이어서 그것이 의료 장치 내에 원하는 막힌 보어를 드릴링하도록 지향될 수 있도록 빔을 포커싱하기 위한 포커싱 광학체(focusing optic)로 지향된다.

본 발명의 다른 태양은 본 발명의 레이저 드릴링 시스템을 사용하여 의료 장치 내에 보어 구멍을 드릴링하는 방법이다.

본 발명의 이들 및 다른 태양과 이점이 하기의 설명 및 첨부 도면으로부터 보다 명백해질 것이다.

도 1은 본 발명의 레이저 드릴링 시스템의 개략도.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 신규한 시스템에 의해 드릴링된 보어 구멍을 갖는 드릴링된 외과용 니들의 근위 단부의 단면의 사진.
도 3a 내지 도 3c는 상이한 직경을 갖는 보어 구멍을 보여주는, 도 2a 내지 도 2c의 외과용 니들의 근위 단부 면(proximal end face)의 사진.
도 4a 및 도 4b는 종래 기술의 레이저 시스템으로 드릴링된 보어 구멍을 갖는 종래의 외과용 니들의 근위 단부의 사진이며, 여기서 니들의 단부는 드릴링 전에 잉크로 코팅되지 않았음.
도 5는 본 발명의 레이저 드릴링 시스템으로 드릴링된 보어 구멍을 갖는 종래의 외과용 니들의 근위 단부의 사진이며, 여기서 니들의 단부는 드릴링 전에 잉크로 코팅되지 않았음.
도 6은 보조 재료 취급 장비와 함께 드릴링되는 동안 니들이 그 내에 유지되는 고정구(fixture) 및 포커싱 광학체를 예시하는, 레이저 드릴링 시스템의 단부의 사시도.
도 7은 니들이 고정구의 조오(jaw) 내에 유지되어 있는 것을 예시하는, 도 6의 고정구의 측면도.

본 발명의 신규한 레이저 시스템은 정밀 충격식 드릴링에 유용한 고 품질, 펄스화된, 고 출력 레이저 빔을 생성하도록 변조 및 증폭되는 고 품질 빔을 생성하기 위해 시드 레이저를 이용한다. 특히, 본 발명의 레이저 드릴링 시스템은 외과용 니들과 같은 의료 장치 내에 고 품질의 막힌 보어 구멍을 드릴링하는 데 유용하다. 본 발명의 신규한 레이저 드릴링 시스템(5)의 개략도가 도 1에 도시된다. 다이오드 펌프형 파이버 시드 레이저 발진기(10)는 저 출력, 고 품질 레이저 빔(15)을 생성하여 이를 빔 리듀서(beam reducer)(20)로 지향시키는 것으로 도시된다. 빔 리듀서(20)는 빔의 직경을 감소시키도록 빔(15)에 작용하는 종래의 장치이다. 빔 리듀서(20)를 빠져나간 후에, 감소된 직경의 빔(15)은 변조기 장치(30)로 지향된다. 변조기 장치(30)는 충격식으로 보어 구멍을 드릴링하는 데 요구되는 바와 같은 동일한 펄스들의 파열(wave train)로 되도록 빔(15)을 변조하는 종래의 전기-광학 장치(포켈스 셀(Pockels Cell))이다. 펄스화된 레이저 빔(15)은 이어서 빔 익스팬더(beam expander)(40)로 지향된다. 빔 익스팬더(40)는 빔의 직경을 증가시키도록 빔(15)에 작용하는 종래의 장치이다. 펄스화된 레이저 빔(15)은 이어서 패러데이 아이솔레이터(Faraday isolator)(50)로 지향된다. 패러데이 아이솔레이터(50)는 빔이 순방향으로만 전파되도록 허용함으로써 빔(15)에 작용하는 종래의 장치이다. 패러데이 아이솔레이터(50)를 빠져나간 후에, 빔(15)은 종래의 방향전환 미러(60)로 지향되는데, 이 방향전환 미러는 빔(15)을 종래의 방향전환 미러(70)로 지향시킨다. 빔(15)은 이어서 방향전환 미러(70)에 의해 제1 고체 증폭기(solid state amplifier)(80)로 지향된다. 고체 증폭기(80)는, 바람직하게는 플래시 램프 펌프형(flash lamp pumped)이지만 원하는 경우 다이오드 펌프형일 수도 있는 종래의 증폭기이다. 증폭기(80)는 빔(15)의 에너지를 증가시킴으로써 레이저 빔(15)에 작용한다. 증폭기(80)를 빠져나간 후에, 빔(15)은 패러데이 아이솔레이터(50)와 유사한 방식으로 기능하는 패러데이 아이솔레이터(90)로 지향된다. 빔(15)은 이어서 고체 증폭기(100)로 지향되며, 여기서 빔(15)은 다시 더 높은 에너지 수준으로 증폭된다. 증폭기(100)는 유사하게 그리고 바람직하게는 종래의 플래시 램프 펌프형 증폭기이지만, 원하는 경우 다이오드 펌프형일 수도 있다. 증폭기(100)를 빠져나간 후에, 빔(15)은 이어서 종래의 빔 익스팬더(110)로 지향되며, 여기서 빔은 확대된다. 빔(15)은 이어서 종래의 빔 포커싱 장치(120)로 지향되며, 이 포커싱 장치는 빔을 원하는 직경으로 포커싱한다. 이 시점에서, 빔은 출력 밀도, 펄스 폭, 펄스 주파수, 펄스 수, 펄스 형상 및 펄스 피크 출력의 원하는, 충분히 효과적인 빔 특성을 갖는다. 빔(15)은 이제 막힌 보어 구멍을 드릴링하기 위해 의료 장치 상의 지점으로 지향된다. 바람직하게는, 의료 장치는 외과용 니들이고, 포커싱된 빔(15)은 직경, 깊이 및 치수 균일성의 원하는 특성을 갖는 막힌 보어 구멍(140)을 드릴링하기 위해 외과용 니들(130)의 근위 단부에 지향된다. 개략도에 도시되지 않았지만, 시스템은 조작자에 의해 입력되는 설정에 기초하여 개별 구성요소들을 제어함으로써 레이저 빔의 펄스 폭, 출력 밀도, 펄스 주파수, 펄스 수, 펄스 형상 및 펄스 피크 출력 및 직경을 조정할 종래의 컴퓨터에 의해 제어될 수 있다. 원하는 경우, 바람직하지는 않지만, 본 발명의 신규한 시스템은 막힌 보어 구멍에 더하여 다른 유형의 보어 구멍, 예를 들어 관통 구멍을 드릴링하는 데 사용될 수 있다.

본 발명의 레이저 드릴링 시스템과 함께 사용될 수 있는 시드 레이저는 구매가능한 종래의 Nd-YAG 시드 레이저 발진기이다. 그러한 레이저는 전형적으로 다음의 목적으로 기구류에 사용된다: 코히런트 빔 코밍(coherent beam combing), 검출 시스템, 감지, 및 실험실 응용. 레이저는 다음의 특성을 가질 것이다: 단일 주파수, 직선 편광됨, 및 빔 품질(M² < 1.4). 본 발명의 레이저 드릴링 시스템에 유용한 시드 레이저의 예는 제조사인, 미국 매사추세츠주 01540 옥스포드 소재의 아이피지 포토닉스(IPG Photonics)로부터의 YLR-50-1064-LP-SF 파이버 레이저이다. 이는 직선 편광되고, 중심 파장이 1064 nm이고, 단일 주파수 선폭이 70 ㎑이며, 빔 품질 M² = 1.25인 50W Yb 파이버 레이저이다. 시드 레이저는 약 10 내지 50 와트의 출력, 약 1 내지 3 밀리초의 펄스 폭, 및 약 2 내지 3 ㎐의 주파수를 가질 것이다. 본 발명의 레이저 드릴링 시스템에 유용한 레이저 빔 변조기는 다음의 특성을 갖는 종래의 구매가능한 변조기를 포함한다: 리튬탄탈레이트 결정을 가짐. 본 발명의 실시에 유용한 종래의 변조기는 콘옵틱스(ConOptics)(미국 코네티컷주 댄버리 소재) 모델 360-80-02-DRY LTA 2.7mm 드라이 셀(Dry Cell)이다. 본 발명의 레이저 시스템에 유용한 빔 익스팬더는 메가와트 레이저스 인크.(MegaWatt Lasers Inc.)(미국 사우스캐롤라이나주 힐튼 헤드 소재) 빔 익스팬더와 같은 종래의 구매가능한 레이저 빔 익스팬더를 포함한다. 빔 익스팬더는 다음의 특성을 가질 것이다: 최대 6배의 조정가능 확대. 본 발명의 실시에 유용한 패러데이 아이솔레이터는 다음과 같은 종래의 구매가능한 패러데이 아이솔레이터를 포함한다: 일렉트로-옵틱스 테크놀로지, 인크.(Electro-Optics Technology, Inc.)(미국 미시간주 트래버스 시티 소재) 모델 8I1055-WP2. 패러데이 아이솔레이터는 예를 들어 다음의 특성을 가질 것이다: 고 출력, 8 mm 직경, 파장 1064 nm, 90도 - 90도의 편광 배향. 본 발명의 실시에 유용한 방향전환 미러는 에드먼드 옵틱스(Edmund Optics)(미국 뉴저지주 배링턴 소재)로부터 입수가능한 것들을 포함한, 레이저 시스템에 유용한 종래의 레이저 방향전환 미러일 것이다. 미러는 다음의 특성을 가질 것이다: 1064 nm 파장에 대해 100% 반사성. 상기의 설명은 1064 nm의 파장을 갖는 레이저를 말하지만, 다른 파장이 가능하다.

본 발명의 레이저 드릴링 시스템에 유용한 증폭기는 플래시 램프 펌프형 또는 다이오드 펌프형인, Nd-YAG 로드(rod)를 갖는 종래의 구매가능한 증폭기를 포함한다. 증폭기는 바람직하게는, 비용 문제가 문제이고 또한 용이한 입수가능성으로 인해 바람직하다면, 플래시 램프 펌프형일 것이다. 증폭기는 다음의 특성을 가질 것이다: 로드의 양 단부 상의 반사 방지 코팅(AR), 예를 들어 1064 nm와 같은 레이저의 파장에서 AR을 갖는 Nd-YAG 로드. 바람직한 로드의 예는 6.35 mm 직경의 로드이다. 증폭기는 전형적으로 약 350 내지 750 볼트의 전압 범위, 약 200 내지 700 마이크로초의 펄스 폭, 및 약 2 내지 3 ㎐의 주파수를 가질 것이다. 유용하고 구매가능한 증폭기는 다음을 포함한다: 미국 사우스캐롤라이나주 힐튼 헤드 아일랜드 소재의 메가와트 레이저스, 인크.로부터의 6.35x150FS 펌프 챔버. 본 발명의 시스템에 유용한 빔 포커싱 렌즈는 다음의 공급원으로부터 입수가능한 구매가능한 종래의 포커싱 렌즈 시스템을 포함한다: 라삭(LASAG)(현 로핀-시나(Rofin-Sinar), 미국 미네소타주 48170 플라이마우스 소재) 모델 번호 24.0105 또는 유사품. 빔 포커싱 렌즈는 다음의 특징을 가질 것이다: 30 mm 렌즈 보호구를 갖는 렌즈 더블릿(doublet).

본 발명의 레이저 드릴링 시스템에 의해 생성되는 레이저 빔은 양호한 치수 정합을 갖는 보어 구멍들을 외과용 니들 내에 드릴링하기에 충분히 효과적일 것이다. 레이저 빔은 외과용 니들과 같은 의료 장치 내에 막힌 구멍 및 다른 보어 구멍을 효과적으로 드릴링하기에 충분한 출력, 펄스 주파수 및 펄스 폭을 가질 것이다. 레이저 빔은 전형적으로 약 0.05 mm 내지 약 0.45 mm, 보다 전형적으로는 약 0.1 mm 내지 약 0.4 mm, 그리고 바람직하게는 약 0.2 mm 내지 약 0.35 mm의 포커싱된 직경을 가질 것이다. 레이저 빔은 전형적으로 약 25 ㎑ 내지 약 1000 ㎑, 보다 전형적으로는 약 50 ㎑ 내지 약 200 ㎑, 그리고 바람직하게는 약 71 ㎑ 내지 약 125 ㎑의 펄스 주파수를 가질 것이다. 빔의 피크 출력은 전형적으로 약 5 kW 내지 약 80 kW, 보다 전형적으로는 약 10 kW 내지 약 70 kW, 그리고 바람직하게는 약 20 kW 내지 약 60 kW일 것이다. 빔의 평균 출력은 약 0.5 내지 약 80 와트일 것이다. 다음은 평균 출력 및 피크 출력의 정의이다: 1. 평균 출력 = 레이저 에너지 X 레이저 주파수: 및 2. 피크 출력 = 펄스당 레이저 에너지 / 펄스 지속시간. 평균 출력에 관한 예로, 레이저 에너지가 8 줄(Joule)이고 레이저가 초당 3회 샷(shot)으로 발사되면, 평균 출력은 8 X 3 = 24 와트이다. 또한, 피크 출력에 관한 예로, 펄스당 에너지가 0.8 줄이고 펄스 지속시간이 10 마이크로초이면, 피크 출력은 0.8/10^-5 = 80 KW이다. 빔의 펄스 폭은 전형적으로 약 0.1 ms 내지 약 2 ms, 보다 전형적으로는 약 0.5 ms 내지 약 2 ms, 그리고 바람직하게는 약 1 ms 내지 약 1.5 ms일 것이다. 빔의 주파수는 전형적으로 약 1 ㎐ 내지 약 10 ㎐, 보다 전형적으로는 약 2 ㎐ 내지 약 10 ㎐, 그리고 바람직하게는 약 6 ㎐ 내지 약 10 ㎐일 것이다.

본 발명의 레이저 시스템은 다음의 특징을 갖는 고 품질, 펄스화된 레이저 빔을 생성할 것이다. 펄스는 전형적으로 약 5 내지 30 펄스, 보다 전형적으로는 약 6 내지 약 20 펄스, 그리고 바람직하게는 약 7 내지 약 15 펄스일 것이다. 펄스 지속시간은, 구멍 크기 및 재료에 따라, 전형적으로 약 3 내지 30 마이크로초, 보다 전형적으로는 약 5 내지 약 15 마이크로초, 그리고 바람직하게는 약 10 내지 약 12 마이크로초일 것이다. 펄스당 에너지는, 구멍 크기 및 재료에 따라, 전형적으로 약 0.05 내지 0.8 줄, 보다 전형적으로는 약 0.1 내지 약 0.7 줄, 그리고 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6 줄일 것이다.

외과용 니들과 같은 의료 장치는 다음의 방식으로 신규한 레이저 드릴링 시스템을 사용하여 드릴링된다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 재료 취급 시스템이 부분적으로 예시되며, 여기서 외과용 니들(200)이 종래의 고정구(250) 내에 장착된다. 니들(200)은 근위 단부(210), 원위 단부(202) 및 미부 섹션(tail section)(205)을 갖는다. 고정구(250)는 클램핑 조오 부재(255) 및 다이(258)를 갖는 것으로 도시되어, 조오 부재(255)와 다이(258) 사이에 수용될 때, 니들(200)의 근위 단부(210)가 빔 포커싱 장치(120)와 정렬되고 그것에 인접하게 된다. 니들(200)이 고정구(250) 내에 맞물린 때, 미부 단부(205)는 커팅 다이(260)에 의해 니들(200)로부터 잘려나가 근위 단부(210)를 노출시키며, 동시에 니들(200)을 캐리어 스트립(220)으로부터 제거한다. 니들(200)은 파일럿 구멍(pilot hole)(225)을 갖는 종래의 캐리어 스트립(220)에 장착되는 것으로 도시되는데, 이 캐리어 스트립은 파일럿 구멍(225)과 맞물리기 위한 반경방향으로 연장되는 맞물림 핀(235)을 갖는 구동 휠(230)을 인덱싱(indexing)함으로써 구동된다. 니들은 종래의 탭 부재(222)에 의해 스트립(220) 상에 유지된다. 휠(230)은 화살표(290)의 방향으로 시계방향으로 회전하는 것으로 도시된다. 미부 섹션(205)이 니들(200)로부터 잘려나가기 전에 그리고 후에 미부 섹션과 맞물리기 위한 홈(242)을 갖는 보조 휠(240)이 휠(230)과 동축으로 장착된다. 고정구(250) 및 포커싱 장치(120)는 레이저 빔(15)이 바람직하게는 니들(200)의 근위 단부(210)의 중심에 충돌하도록 지향되어 드릴링된 막힌 보어 구멍(215)을 형성하도록 조정 및 위치설정되지만, 선택적으로 빔은 원하는 바에 따라 어느 정도 중심을 벗어나 지향될 수 있다. 레이저 시스템(5)은 다음의 방식으로 조정 및 설정된다. 시드 레이저(10)는 약 10 내지 100% 출력, 보다 바람직하게는 100% 출력으로 조정되고, 변조기 장치(30)는 원하는 그리고 효율적으로 효과적인 펄스 수와 펄스 지속시간 및 주파수에 대해 조정되고, 고체 증폭기(80, 100)는 니들 상에의 포커싱 전에 빔(15)을 증폭하기 위해 원하는 그리고 충분히 효과적인 전압 및 전류 값 및 온-타임(on-time) 지속시간에 대해 조정된다. 증폭기의 출력은 전압 및 전류 값 그리고 지속시간에 의해 정의된다. 증폭기는 당업계에 공지된 바와 같이 작은 신호 이득 및 증폭의 포화도에 기초해 선택될 것임이 당업자에 의해 인식될 것이다. 작은 신호 이득 증폭은 약 20 내지 120배, 보다 전형적으로는 약 100배이다. 이들 조정은 각각의 장치를 위한 전자장치 패널을 통해 수동으로 이루어질 수 있거나, 이들 조정은 컴퓨터 제어식 프로그래밍을 통해 이루어질 수 있다. 각각의 구성요소가 조정된 후에, 개시 스위치가 조작자에 의해 활성화된다. 이는 니들 취급 유닛이 상기에 기술된 바와 같이 드릴링을 위한 위치로 각각의 니들을 이동시키게 한다. 서보모터가 프로그래밍 가능 논리 제어기(programmable logic controller, PLC)로 신호를 보내고, 이 프로그래밍 가능 논리 제어기는 이어서 레이저 시스템 내의 각각의 장치를 트리거링(triggering)하도록 펄스 지연 발생기로 신호를 보낸다. 이어서 레이저 빔(15)이 방출되고 각각의 외과용 니들(200)의 근위 단부(210)와 접촉하여, 요구되는 크기 및 특징을 갖는 막힌 보어 구멍(215)을 드릴링한다. 각각의 드릴링되고 절단된 니들(200)은 드릴링 후에 캐리어 스트립(220)으로부터 제거되고, 다음의 드릴링되지 않은 니들(200)이 절단 및 보어 구멍(215)의 레이저 드릴링을 위해 고정구(250) 내의 위치로 인덱싱된다.

레이저 빔 품질은 다음과 같이 정의 및 측정될 수 있다: 순수 가우시안 레이저 빔이 포커싱될 때, 포커싱된 점의 폭은 d₀ =4λf/πD₀에 의해 정의된다.

여기서, d₀는 이상적인 포커싱된 점 폭이고, λ은 파장이고, f는 렌즈의 초점 거리이고, D₀는 빔 웨이스트(beam waist)의 폭(빔이 포커싱되기 전의 빔의 직경)이다. 하첨자 "0"은 이상화된 가우시안 빔을 말한다.

그러나, 찌그러진 또는 다중모드 빔이 포커싱될 때, 상기 방정식은

d = M²d₀로 된다.

여기서, M²는 빔의 품질을 규정하는 무차원 파라미터이고, 여기서 d는 실제 빔에 대한 포커싱된 점 폭이다. 실제 포커싱된 점 폭은 순수 가우시안 빔에 대해 예상되는 것보다 M²배 더 크다. 따라서, 빔 출력 밀도는 순수 가우시안 빔에 대한 것보다 M⁴배 더 작다.

하기의 예에 이용된 본 발명의 시스템은 M² = 1.25를 갖는 시드 파이버 레이저 발진기를 사용하였다. 본 발명의 시스템 전체에 대해, M²는 약 3 내지 약 6의 범위인 것으로 추정되지만, 이러한 값은 레이저 드릴링 시스템 및 개별 구성요소의 특징에 따라 변동될 수 있음이 인식될 것이다. M²에 대한 실제 데이터는 예 3에 포함되어 있다.

하기의 예는 본 발명의 원리 및 실시를 예시하지만, 이로 제한되지 않는다.

예 1

본 발명의 레이저 드릴링 시스템을 사용하여 외과용 니들 내에 드릴링된 보어 구멍

0.66 mm(0.026")의 와이어 크기(직경)를 갖는 종래의 스테인레스강 외과용 니들을, 본 명세서에 기술된 바와 같은 본 발명의 신규한 레이저 드릴링 시스템을 이용하여 드릴링하였다. 신규한 레이저 시스템은 다양한 직경 및 깊이의 구멍을 드릴링할 수 있었다. 사용되었된 시스템 파라미터가 표 1에 열거되어 있다.

[표 1]

드릴링된 보어 구멍을 갖는 니들의 근위 단부의 단면의 사진이 도 2a 내지 도 2c에 도시된다. 드릴링된 보어 구멍을 보여주는, 니들의 근위 단부의 단부도의 사진이 도 3a 내지 도 3c에 도시된다. 보어 구멍은 구멍 주위의 리캐스트 또는 재용융이 없고, 1.32 mm(0.052") 내지 2.56 mm(0.101")의 깊이를 갖는 매우 깔끔한 구멍으로 기술될 수 있다. 또한, 놀랍게도, 시스템은 상이한 직경 및 깊이를 갖는 다양한 보어 구멍(소형, 중형 및 대형)을 손쉽게 드릴링할 수 있었다.

예 2

드릴링된 니들의 비교

종래의 스테인레스강 니들을, 종래의 플래시 램프 펌프형 레이저 드릴링 시스템을 이용하여, 그리고 또한 본 발명의 신규한 레이저 드릴링 시스템을 이용하여 드릴링하였다. 종래의 시스템은 다음의 구성요소로 이루어졌다: 플래시 램프 펌프형 고체 NdYag 발진기, 포켈스 셀 및 플래시 램프 펌프형 고체 증폭기. 종래의 플래시 램프 펌프형 레이저 시스템을 사용할 때, 비교 목적으로 근위 봉합사 장착 단부가 청색 잉크로 코팅된 상태 및 코팅되지 않은 상태 둘 모두로 니들을 드릴링하였다. 잉크 코팅을 갖지 않는 동일한 외과용 니들을, 본 발명의 신규한 레이저 드릴링 시스템을 사용하여 드릴링하였다. 니들들 모두는 니들 와이어 크기가 0.026 인치였다. 니들은, 에쓰앨로이(Ethalloy)™ 스테인레스강 합금으로부터 제조하였다. 니들 파라미터 및 레이저 파라미터가 표 2에 포함되어 있다.

[표 2]

도 4a 및 도 4b의 사진에 보여지는 바와 같은, 플래시 램프 펌프형 레이저 시스템으로 드릴링된 니들은, 니들이 잉크 코팅 없이 드릴링되었을 때, 과도한 리캐스트 및 재용융을 나타냈다. 잉크 코팅을 갖지 않은, 본 발명의 레이저 드릴링 시스템에 의해 드릴링된 니들은, 도 5의 사진에 의해 보여지는 바와 같이 리캐스트 또는 재용융을 나타내지 않았다.

예 3

빔 품질에 대한 레이저 빔의 비교

예 2의 종래의 플래시 램프 펌프형 레이저 드릴링 시스템과 NdYAG 시드 레이저를 갖는 본 발명의 레이저 드릴링 시스템(예 1)에 대한 M² 값을, 오피르-스피리콘(Ophir-Spiricon) M² - 200s 빔 전파 분석기 기구를 사용하여 측정하였다. 예 2의 플래시 램프 펌프형 시스템의 경우 M² 값은 8인 것으로 측정되었고, 본 발명의 신규한 레이저 시스템의 경우 M² 값은 2인 것으로 측정되었다. 이러한 데이터는 본 발명의 레이저 시스템이 종래의 레이저 시스템의 빔 품질보다 4배 더 좋은 레이저 빔 품질을 갖는다는 것을 보여주었다.

본 발명이 본 발명의 상세한 실시예에 대해 도시되고 설명되었지만, 그것의 형태 및 상세사항에 있어서의 다양한 변경이 청구되는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.

Claims

의료 장치들 내에 보어 구멍(bore hole)들을 드릴링하기에 유용한 레이저 드릴링 시스템으로서,
저 출력 빔을 생성하는 파이버 Nd-YAG 시드 레이저(fiber Nd-YAG seed laser);
상기 빔을 펄스화하는 변조기;
상기 빔을 수신하고 증폭시키는 적어도 하나의 증폭기; 및
포커싱 광학체(focusing optic)들
을 포함하는, 레이저 드릴링 시스템.
제1항에 있어서, 제2 증폭기를 추가로 포함하는, 레이저 드릴링 시스템.
제1항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 평균 빔 출력이 약 0.5 내지 약 80 와트인, 레이저 드릴링 시스템.
제1항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 피크 빔 출력이 약 5 kW 내지 약 80 kW인, 레이저 드릴링 시스템.
제1항에 있어서, 상기 증폭기는 플래시 램프 펌프형(flash lamp pumped)인, 레이저 드릴링 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제2 증폭기는 플래시 램프 펌프형인, 레이저 드릴링 시스템.
제1항에 있어서, 상기 증폭기는 다이오드 펌프형(diode pumped)인, 레이저 드릴링 시스템.
제2항에 있어서, 상기 제2 증폭기는 다이오드 펌프형인, 레이저 드릴링 시스템.
제1항에 있어서, 상기 시스템 및 상기 빔을 제어하는 프로세서를 추가로 포함하는, 레이저 드릴링 시스템.
제1항에 있어서, 상기 시스템에 의해 드릴링되는 상기 보어 구멍들은 막힌(blind) 보어 구멍들인, 레이저 드릴링 시스템.
외과용 니들(surgical needle) 내에 보어 구멍들을 레이저 드릴링하는 방법으로서,
A.
저 출력 빔을 생성하는 파이버 Nd-YAG 시드 레이저;
상기 빔을 수신하고 펄스화하는 변조기;
상기 빔을 수신하고 증폭시키는 적어도 하나의 증폭기; 및
포커싱 광학체들
을 포함하는 레이저 드릴링 시스템을 제공하는 단계;
B. 상기 광학체들로부터의 상기 빔을 외과용 니들의 근위 단부(proximal end) 상에 포커싱하는 단계; 및
C. 상기 외과용 니들의 상기 근위 단부 내에 보어 구멍을 드릴링하는 단계
를 포함하는, 방법.
제11항에 있어서, 상기 드릴링 시스템은 제2 증폭기를 추가로 포함하는, 방법.
제11항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 평균 빔 출력이 약 0.5 내지 약 80 와트인, 방법.
제11항에 있어서, 상기 레이저 시스템은 빔 피크 빔 출력이 약 5 kW 내지 약 80 kW인, 방법.
제11항에 있어서, 상기 증폭기는 플래시 램프 펌프형인, 방법.
제12항에 있어서, 상기 제2 증폭기는 플래시 램프 펌프형인, 방법.
제11항에 있어서, 상기 증폭기는 다이오드 펌프형인, 방법.
제12항에 있어서, 상기 제2 증폭기는 다이오드 펌프형인, 방법.
제11항에 있어서, 상기 시스템 및 상기 빔을 제어하는 프로세서를 추가로 포함하는, 방법.
제11항에 있어서, 상기 보어 구멍은 막힌 보어 구멍인, 방법.