KR20180078108A - 다중대역 blt 진동자를 적용한 초음파 수술기 - Google Patents

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KR20180078108A
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Abstract

초음파 수술기의 제너레이터로부터의 제어신호를 이용하여 다중 대역의 진동 파형을 발생시키는 BLT 진동자가 제공된다. 상기 BLT 진동자는: 복수 개의 압전소자와, 상기 복수 개의 압전소자를 구동시키는 전극, 및 상기 제어신호에 기초하여 상기 복수 개의 압전소자에 상기 전극을 인가하는 스위치를 포함할 수 있다.

Description

다중대역 BLT 진동자를 적용한 초음파 수술기{AN ULTRASONIC SURGERY UNIT USING A MULTIBAND BOLT CLAMPED LANGEVIN TYPE TRANSDUCER}
초음파 수술기의 구동 기술에 연관되며, 보다 상세하게는 다중대역 BLT 진동자를 적용하는 초음파 수술기 시스템에 연관된다.
최근 일정한 의료 절차 및 수술 절차를 수행함에 있어, 초음파 수술기의 사용이 점차 증가하고 있다. 초음파 수술기는 사람이 들을 수 없는 20KHz 이상의 초음파를 이용하는 수술도구로써, 크게 제너레이터, 핸드피스 및 핸드 인스트루먼트로 구성된다. 기존에 출시된 초음파 수술기들의 경우, 단일 초음파 주파수를 사용하는 제품들이 대부분이다. 에디컨 엔도-서저리의 연조직용 초음파 수술기는 55.5KHz의 단일 주파수를 사용하여 조직을 응고 및 절개하는 방식이고, 올림푸스의 연조직용 전기 및 초음파 수술기는 47KHz의 단일 주파수를 사용하여 조직을 응고 및 절개하는 방식이다. 또한, Misonic의 경조직용 초음파 수술기는 22.5KHz의 단일 주파수를 사용하여 연부조직 손상없이 경조직을 절단하는 방식이며, Mectron의 치과용 수술기는 22.5KHz의 단일 주파수를 사용하여 세포 손상 없이 골조직을 절단하는 방식이다. 이와 같이, 기존의 초음파 수술기는 단일 주파수의 BLT 진동자를 사용하여 단일 주파수로 동작하기 때문에, 조직에 따라 다른 장비를 사용하여야 한다. 이에 따라, 경조직과 연조직을 동시에 사용하는 수술에서는 둘 이상의 장비가 필요하다는 문제점이 있다.
일측에 따르면, 초음파 수술기의 제너레이터로부터의 제어신호를 이용하여 다중 대역의 진동 파형을 발생시키는 BLT 진동자가 제공된다. 상기 BLT 진동자는: 복수 개의 압전소자와, 상기 복수 개의 압전소자를 구동시키는 전극, 및 상기 제어신호에 기초하여 상기 복수 개의 압전소자에 상기 전극을 인가하는 스위치를 포함할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 스위치는 상기 제어신호에 따라 적어도 두 개의 전극 조합으로 상기 복수 개의 압전소자에 상기 전극을 인가할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 복수 개의 압전소자는 복수 개의 단결정 압전체가 병렬로 배치될 수 있다.
여기서, 상기 전극은 상기 병렬로 배치되는 복수 개의 단결정 압전체 각각에 연결된다.
일실시예에 따르면, 4개의 압전소자가 배열되는 경우 4개의 전극이 상기 압전소자에 각각 연결되고, 2개의 스위치가 상기 전극에 연결될 수 있다.
이 때, 상기 2개의 스위치 중 제1 스위치는 양(+)극 또는 오프(off) 상태로 연결되고, 제2 스위치는 음(-)극 또는 양(+)극에 연결된다.
다른 일측에 따르면, 다중대역의 주파수를 가지는 진동 파형을 이용하여 조직을 응고 및 절단하는 초음파 수술기가 제공된다. 상기 초음파 수술기는: 상기 초음파 수술기를 구동하기 위한 제어신호를 생성하는 제너레이터, 및 상기 제어신호를 기초로 복수 개의 압전소자에 전극을 인가하여 진동 파형을 발생시키는 BLT 진동자를 포함하며, 상기 BLT 진동자는 상기 제어신호에 따라 적어도 두 개의 전극 조합으로 상기 복수 개의 압전소자에 상기 전극을 인가할 수 있다.
도 1은 일실시예에 따른 BLT 진동자를 도시하는 블록도이다.
도 2는 일실시예에 따라 초음파 수술기에서 이중 대역의 진동 파형을 발생시키는 BLT 진동자의 구조를 설명하는 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 일실시예에 따라 구현되는 전극 조합에 의한 진동 파형과 이중대역 BLT 주파수 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 초음파 수술기의 제너레이터를 설명하는 도면이다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만, 예를 들어 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 표현들, 예를 들어 "~사이에"와 "바로~사이에" 또는 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 특허출원의 범위가 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 BLT 진동자(100)를 도시하는 블록도이다.
초음파 수술기는 사람이나 동물 조직의 절단 및 지혈 기능을 동시에 가지면서 조직의 탄화 현상을 최소화하도록 설계되는데, 대상 조직의 특성에 따라 다른 주파수 특성을 가지는 초음파 수술기가 이용된다. 이를 테면, 경조직(bone) 수술의 경우 20-40kHz의 공진주파수 특성을 가지는 압전형 초음파(Piezoelectric Ultrasonic) 수술기를 이용하여 연조직은 손상시키지 않으면서 경조직만을 절삭하도록 하고, 연조직(tissue) 수술에서는 더 높은 주파수 특성을 가지는 수술기가 주로 이용된다. 대부분의 초음파 수술기들이 단일 주파수의 BLT 진동자를 이용하여 제작되어 단일 주파수로 동작하기 때문에, 경조직과 연조직을 모두 대상으로 하는 수술에서는 수술 중 수술기를 교체해야 하는 불편함이 발생할 수 밖에 없다.
이러한 문제점을 해소하기 위해, 초음파 수술기의 핸드피스에 다중대역 BLT 진동자를 적용한다면 경조직과 연조직을 동시에 진행하는 수술 시 장비 교체 대신 팁 교체와 같은 간단한 동작만으로 주파수 변경이 가능하여, 경조직과 연조직을 동시에 진행하는 수술에서도 하나의 장비만으로도 수술이 가능해진다.
도 1에서, 다중대역 BLT 진동자(100)는 초음파 수술기의 제너레이터로부터 인가되는 제어신호를 이용하여 다중 대역의 진동 파형을 발생시키는 수단으로, 복수 개의 압전소자(110), 전극(120) 및 스위치(130)를 포함할 수 있다.
먼저, 압전소자(110)는 상기 제너레이터로부터 전달되는 전기적 제어신호를 초음파 진동에너지로 변환시키는 소재로서, 어느 특정 조직을 위한 단일 주파수가 아닌 다중 대역의 주파수를 구현하기 위해서는 복수 개의 압전소자가 포함되어야 한다. 상기 복수 개의 압전소자(110)는 다결정 압전체에 비해 광대역 특성을 가지면서 효율이 높은 단결정 압전체를 활용할 수 있으며, 복수 개의 단결정 압전체가 병렬 구조로 배치된다.
전극(120)은 상기 복수 개의 압전소자(110)의 수에 대응하는 개수로 구비되며, 상기 복수 개의 압전소자(110) 각각에 부착되어 구동시킬 수 있다. 상기 전극(120)은 상기 병렬로 배치되는 복수 개의 단결정 압전체 각각에 연결되는데, 상기 제어신호에 따라 복수 개의 조합으로 상기 복수 개의 단결정 압전체를 활성화시키는 방식으로 다중 대역의 주파수 신호가 발생될 수 있다.
스위치(130)는 상기 제어신호에 기초하여 적어도 두 개의 조합으로 상기 복수 개의 압전소자(110)에 상기 전극(120)을 인가할 수 있다. 이를 테면, BLT 진동자(100)에 4개의 단결정 압전체가 배열되는 경우, 4개의 전극이 상기 압전체에 각각 연결되고, 2개의 스위치가 상기 전극에 연결된다. 이 때, 상기 2개의 스위치 중 어느 하나인 제1 스위치는 양(+)극 또는 오프(off) 상태로 연결되고, 나머지 하나인 제2 스위치는 음(-)극 또는 양(+)극에 연결되며, 상기 2개의 스위치의 연결 조합에 따라 서로 다른 주파수 특성을 가지는 진동 파형이 발생된다.
도 2는 일실시예에 따라 초음파 수술기에서 이중 대역의 진동 파형을 발생시키는 BLT 진동자(200)의 구조를 설명하는 도면이다.
다중대역 BLT 진동자를 적용한 초음파 수술기의 경우, 단일 주파수로 동작하는 기존 초음파 수술기와 달리, 장비 교체를 하지 않아도 팁 교체와 같은 간단한 동작만으로 주파수 변경이 가능하므로, 경조직과 연조직을 동시에 진행하는 수술에서 하나의 장비만으로도 수술이 가능하다는 장점이 있다. 다중대역 BLT 진동자는 이중대역 또는 다중대역의 주파수를 구현하기 위해 복수 개의 압전소자가 구비되고, 상기 복수 개의 압전소자에 복수의 조합으로 전극을 인가하는 방식으로 서로 다른 주파수 특성을 가지는 진동 파형이 생성될 수 있다.
도 2에 도시된 BLT 진동자(200)는 4개의 압전소자(210)를 포함하고, 병렬로 배치된 상기 4개의 압전소자에 4개의 전극(221, 222, 223, 224)이 연결된다. 상기 4개의 전극(221, 222, 223, 224)은 2개의 스위치 S1(231) 및 S2(232)에 의해 상기 압전소자로의 인가 여부가 결정되는데, 전극 조합을 위해 전극 221 및 전극 222는 S1(231)에 연결되고 전극 223 및 전극 224는 S2(232)에 각각 연결된다. 이 때, S1(231)은 전극 221 및 222에 (+)극을 인가하거나 또는 OFF 상태가 되도록 동작 가능하고, S2(232)는 전극 223 및 224에 (-)극 또는 (+)극을 선택적으로 인가하도록 동작할 수 있다.
스위치 S1(231) 및 S2(232)를 이용하여 아래 표 1과 같은 조합의 전극을 상기 압전소자(210)에 인가할 수 있으며, 전극 조합에 따라 이중대역의 주파수 구현이 가능해진다. 이를 테면, S1(231)에서 전극 221 및 222에 (+)극을 인가하고 S2(232)에서 전극 223 및 224에 (-)극을 인가하는 경우에는 제1 주파수(f1) 대역의 파형이 발생되고, S1(231)가 전극 221 및 222을 OFF 시킨 상태에서 S2(232)가 전극 223 및 224에 (+)극을 인가하는 경우에는 제2 주파수(f2) 대역의 파형이 각각 구현 가능하다.
Figure pat00001
표 1에 의한 전극 조합을 압전소자(210)에 인가하였을 때, 이에 따른 진동 파형은 도 3a와 같이 나타날 수 있고, 이중대역 BLT 진동자(200)의 주파수 특성은 도 3b와 같이 나타날 수 있다.
도 2에서 S1(231)가 전극 221 및 222에 (+)극을 인가하고 S2(232)가 전극 223 및 224에 (-)극을 인가하는 경우, 도 3a의 압전소자(310)는 도 3a 좌측과 같이 제1 주파수(f1) 대역의 파형을 발생시킬 수 있다.
또한, 도 2에서 S1(231)가 전극 221 및 222을 OFF 시키고 S2(232)가 전극 223 및 224에 (+)극을 인가하는 경우에는, 도 3a의 압전소자(310)는 도 3a 우측과 같은 제2 주파수(f2) 대역의 파형을 구현할 수 있다.
이에 따라, 도 3b에서 확인할 수 있듯이, 도 2의 BLT 진동자(200)는 4개의 압전소자에 인가되는 전극 조합에 따라 제1 주파수(f1) 대역의 파형 및 제2 주파수(f2) 대역의 파형의 이중 대역 주파수 구현이 가능하다.
다중대역 BLT 진동자를 구현하는 방식은 상술한 전극 조합을 이용한 방식 외에도, 다양한 실시예에 의해 구현 가능하다. 이를 테면, 다결정에 비해 광대역 특성을 가지는 단결정 압전체를 활용하여 광대역 BLT를 구현하는 방식이나, 또는 하모닉스 성분의 효율이 낮아 사용할 수 없는 기존의 다결정 대신 비교적 효율이 높은 하모닉스 성분을 이용하는 단결정을 BLT 진동자에 적용하여 이중대역의 주파수를 구현하는 방식도 적용 가능하다.
도 4는 일실시예에 따른 초음파 수술기의 제너레이터(400)를 설명하는 도면이다.
초음파 수술기는 사람이나 동물 조직의 절개 및 응고를 위해 초음파 주파수로 진동하는 기기로서, 크게 제어신호를 발생시키는 제너레이터와 상기 구동 신호에 의해 동작하는 핸드피스로 구성될 수 있다. 이 중, 제너레이터(400)는 초음파 수술을 위한 진동 에너지를 생성하기 위해 특정 전압이나 전류, 주파수를 가지는 제어신호를 발생시키는 수단으로, 핸드피스의 BLT 진동자에 상기 제어신호를 인가할 수 있다.
상기 제너레이터(400)에 AC 전원이 입력되면, AC/DC 및/또는 DC/DC 변환 후 전압 및 주파수 제어 모듈(410)에 의해 처리되어 생성된 신호가 핸드피스를 구동하기 위한 제어신호로 출력된다. 상기 제어신호는 다중대역 BLT의 구동 주파수(이를 테면, 20~60KHz)를 모두 포함하는 대역의 주파수로 제어될 수 있다. 상기 제너레이터(400)로부터 적절한 주파수 특징을 가지는 제어신호가, 상기 제너레이터와 전기적으로 연결된 핸드피스의 BLT 진동자로 인가되면, 상기 BLT 진동자가 효율적으로 동작하여 상기 제어신호를 진동 에너지로 변환하게 된다.
다만, 제너레이터(400)의 구동 주파수와 BLT 진동자의 특성 주파수가 일치하지 않는 경우, 상기 제너레이터(400) 및 상기 BLT 진동자 간의 주파수 부정합으로 인해 핸드피스에 열이 발산되고 에너지 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위해, 제너레이터(400)는 모니터링 모듈을 통해 주기적 또는 지속적으로 BLT 진동자의 특성 주파수를 모니터링하고, 상기 모니터링 결과를 고려하여 상기 전압 및 주파수 제어 모듈(410)을 통해 제너레이터의 구동 주파수를 보정함으로써, BLT 진동자가 보다 안정적으로 동작할 수 있도록 한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (7)

  1. 초음파 수술기의 제너레이터로부터의 제어신호를 이용하여 다중 대역의 진동 파형을 발생시키는 BLT 진동자에 있어서,
    복수 개의 압전소자;
    상기 복수 개의 압전소자를 구동시키는 전극; 및
    상기 제어신호에 기초하여, 상기 복수 개의 압전소자에 상기 전극을 인가하는 스위치
    를 포함하는 BLT 진동자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스위치는,
    상기 제어신호에 따라 적어도 두 개의 전극 조합으로 상기 복수 개의 압전소자에 상기 전극을 인가하는 BLT 진동자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 압전소자는,
    복수 개의 단결정 압전체가 병렬로 배치되는 것인 BLT 진동자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 전극은,
    상기 병렬로 배치되는 복수 개의 단결정 압전체 각각에 연결되는 BLT 진동자.
  5. 제1항에 있어서,
    4개의 압전소자가 배열되는 경우 4개의 전극이 상기 압전소자에 각각 연결되고, 2개의 스위치가 상기 전극에 연결되는 BLT 진동자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 2개의 스위치 중 제1 스위치는 양(+)극 또는 오프(off) 상태로 연결되고, 제2 스위치는 음(-)극 또는 양(+)극에 연결되는 BLT 진동자.
  7. 다중대역의 주파수를 가지는 진동 파형을 이용하여 조직을 응고 및 절단하는 초음파 수술기에 있어서,
    상기 초음파 수술기를 구동하기 위한 제어신호를 생성하는 제너레이터; 및
    상기 제어신호를 기초로 복수 개의 압전소자에 전극을 인가하여 진동 파형을 발생시키는 BLT 진동자를 포함하며,
    상기 BLT 진동자는, 상기 제어신호에 따라 적어도 두 개의 전극 조합으로 상기 복수 개의 압전소자에 상기 전극을 인가하는 초음파 수술기.
KR1020170009251A 2016-12-29 2017-01-19 다중대역 blt 진동자를 적용한 초음파 수술기 KR20180078108A (ko)

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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH06339484A (ja) * 1993-06-01 1994-12-13 Olympus Optical Co Ltd 超音波振動子駆動装置
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