KR20200104525A - 무릎 관절의 압력 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무릎 관절의 압력 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 무릎 인공관절 치환수술 전에 환자의 대퇴골과 경골 사이의 내측 및 외측 압력을 측정하여 인공관절 수술시 관절의 내측 및 외측 압력의 차이 및 운동역학적 상태(굽힘각과 회전각과의 상관관계)를 고려하여 수술할 수 있게 하는 무릎 관절의 압력 측정 장치에 관한 것이다.

Description

무릎 관절의 압력 측정 장치{Pressure measuring device of knee joint}

본 발명은 무릎 관절의 압력 측정 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 무릎 인공관절 치환수술 전에 환자의 대퇴골과 경골 사이의 내측 및 외측 압력을 측정하여 인공관절 수술시 관절의 내측 및 외측 압력의 차이 및 운동역학적 상태(굽힘각과 회전각과의 상관관계)를 고려하여 수술할 수 있게 하는 무릎 관절의 압력 측정 장치에 관한 것이다.

변형성 무릎관절증이나 만성 관절류머티즘 등에 의하여 무릎관절이 고도로 변형된 경우, 정상적인 기능으로 회복시키기 위하여, 인공 무릎관절로 치환하는 수술이 행해지고 있다.

인공 무릎관절 치환 수술은 도 1에 도시한 바와 같이 수술 전(Before) 대퇴골(10)과 경골(20)의 접촉부분을 인공 무릎 관절(30)로 치환하는 수술(After)이며, 상기 무릎관절(30)은 대퇴골 원위단에 고정하는 대퇴골 컴포넌트(31)와, 경골 근위단에 고정하는 경골 컴포넌트(32)를 포함하고 있다(예를 들어, 특허문헌 1 및 2). 상기 경골 컴포넌트(32)는, 경골에 직접 고정되는 금속제 또는 세라믹제 또는 수지제의 경골 트레이(32a)와, 경골 트레이(32a)의 상면에 고정되고, 대퇴골 컴포넌트(31)와 접촉하는 수지제의 경골 플레이트(32b)로 구성되어 있다.

무릎관절을 굴곡하면, 대퇴골 컴포넌트(31)는 경골 플레이트(32b)의 표면을 슬라이딩 운동하면서 회전한다. 이때, 대퇴골 컴포넌트(31)에는 전방향의 힘이 작용한다. 그 때문에, 십자인대를 절제한 경우, 무릎관절의 탈구의 가능성, 특히 대퇴골 컴포넌트(31)가 전방향으로 탈구할 가능성이 있다.

또한, 정상적인 무릎관절에서는 신장 내지 경도 굴곡위치에 있어서 작게 외선(外旋) 하고, 심굴곡일 때에는 크게 외선 운동하는 것이 임상에서 확인되고 있다. 이것은, 십자인대가 신장 내지 경도 굴곡위치에 있어서 과도한 회선을 억제하는 큰 역할을 담당하고 있기 때문으로 생각된다. 그 때문에, 십자인대를 절제한 경우에는 신장 내지 경도 굴곡위치에서 회선방향으로도 불안정해질 가능성이 있다.

무릎관절 굴곡시의 대퇴골 컴포넌트(31)의 전방향으로의 탈구를 방지하기 위하여, 특허문헌 1에서는, 대퇴골 컴포넌트(31)의 후단이며 내측돌기와 외측돌기 사이에 캠을 설치하고, 경골 컴포넌트(32)의 중앙에 상방향으로 돌출되는 포스트를 설치하고 있다. 무릎관절을 굴곡하였을 때, 캠이 포스트의 후면에 접촉하여, 대퇴골 컴포넌트(31)의 전방으로의 이동을 방지하고 있다.

또한, 신장 내지 경도 굴곡시의 회선방향으로의 동요성을 작게 하기 위하여, 대퇴골 돌기 사이의 개구부와 포스트가 회선방향으로 간섭하는 것을 이용하고 있다.

하지만, 특허문헌 1에서는, 굴곡시에 대퇴골 컴포넌트(31)로부터의 부하가 포스트에 집중되므로, 포스트가 국소적으로 현저하게 마모되어, 변형이나 파손되는 경우가 있었다.

또한, 심굴곡에 있어서도 대퇴골 돌기 사이의 개구부와 포스트가 작은 회선각도로 간섭하므로, 큰 회선운동을 기대할 수 없는 상태에 있었다.

특허문헌 1의 캠-포스트 구조에서의 회선 자유도와 마모의 문제점을 해결하기 위하여, 특허문헌 2에 개시된 인공 무릎관절에서는, 대퇴골 컴포넌트(31)의 후단이며 내측돌기와 외측돌기 사이에 볼록한 형상의 슬라이딩 운동면을 설치하고, 경골 컴포넌트(32)의 뒷부분 중앙에 오목한 형상의 슬라이딩 운동면을 설치하고 있다. 무릎관절을 굴곡하였을 때, 볼록한 형상의 슬라이딩 운동면이 오목한 형상의 슬라이딩 운동면에 접촉하여, 대퇴골 컴포넌트(31)의 전방으로의 이동을 방지한다. 또한, 굴곡시의 대퇴골 컴포넌트(31)로부터의 부하는, 오목한 형상의 슬라이딩 운동면에 넓게 분산되므로, 오목한 형상의 슬라이딩 운동면의 국소마모가 억제된다.

하지만, 인대의 장력을 적절하게 조정할 수 없었던 경우, 신장 내지 경도 굴곡위치에 있어서의 전후방향, 회선 방향으로의 저항력이 비교적 작으므로, 전후방향, 회선방향으로 안정되지 않을 우려가 있었다.

또한, 관절염이 오게 되면 뼈를 덮고 있던 초기 자연골이 닳아 없어지게 되면 뼈가 노출되고 통증이 발생하게 된다. 주로 체중이 많이 실리게 되는 무릎 내측의 연골부터 많이 닳게 되며, 연골이 서서히 마모되기에 관절의 간격이 줄어들게 된다. 간격이 줄어들면서 뼈와 뼈의 마찰을 시작되면 없던 뼈, 즉 부골이 발생하게 된다. 뼈와 뼈가 맞닿는 상태가 되면 인공관절 수술을 해야 한다. 인공관절을 수술해야 하는 상태에서 뼈와 인공관절 수술시 좌, 우측 똑같은 힘을 받지 못하면, 즉 좌우측의 압력이 균형을 이루지 못하면, 보형물의 면이 힘이 많이 받는 쪽이 마모되기 시작하여 궁극적으로 보형물의 불안정이 발생되며, 오랫동안 인공관절을 사용하기 어려운 실정이다.

특허문헌 1: 미국등록특허 제4298992호, 'Posteriorly stabilized total knee joint prosthesis' 특허문헌 2: 일본등록특허 제2981917호, '인공 무릎관절'

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 인공 관절 수술시 무릎 내측와 외측의 압력을 측정하여 압력의 균형을 이루도록 한 상태에서 인공 관절을 삽입 시술하도록 한 무릎 관절의 압력 측정 장치를 제공하는데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 환자의 허벅지에 부착되어 상부 무릎의 각도를 측정하는 상부 무릎각도 측정센서; 환자의 정강이 부분에 부착되어 하부 무릎의 각도를 측정하는 하부 무릎각도 측정센서; 및 인공 무릎관절 치환 전에 환자의 대퇴골과 경골 사이에 삽입하여 상기 대퇴골과 상기 경골의 움직임에 따른 압력(이하, '무릎 압력'이라 함)을 측정하는 압력 측정모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 관절의 압력 측정 장치를 제공한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 상부 무릎각도 측정센서, 상기 하부 무릎각도 측정센서 및 상기 압력 측정모듈로부터 측정 신호를 입력받고, 입력된 신호를 이용하여 무릎의 굽힘각 및 회전각의 변화에 따른 상기 무릎 압력을 계산하는 컴퓨터;를 더 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 압력 측정모듈:은, 검사자가 손으로 잡을 수 있는 손잡이부; 및 상기 손잡이부의 단부에 구비되며, 상기 대퇴골과 상기 경골 사이에 삽입할 수 있는 납작한 형상의 센서부;를 포함한다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 센서부의 내측에는 평면상에서 서로 이격된 복수 개의 필름형 압력센서가 구비되고, 상기 필름형 압력센서들:은, 상기 센서부의 일측 후방에 구비되며, 무릎의 일측 후방 압력을 측정하는 일측 후방 압력센서; 상기 센서부의 일측 전방에 구비되며, 무릎의 일측 전방 압력을 측정하는 일측 전방 압력센서; 상기 센서부의 타측 후방에 구비되며, 무릎의 타측 후방 압력을 측정하는 타측 후방 압력센서; 및 상기 센서부의 타측 전방에 구비되며, 무릎의 타측 전방 압력을 측정하는 타측 전방 압력센서;로 이루어진다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 센서부의 외측 상면에는 상기 대퇴골의 하단 형상의 음각형상을 갖고 상기 대퇴골의 압력을 상기 필름형 압력 센서들로 전달하는 보형물 인서트가 구비된다.

바람직한 실시예에 있어서, 상기 보형물 인서트는 환자의 대퇴골 하단 모양에 따라 모양이 가변할 수 있도록 플렉시블 소재로 제작된다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과를 가진다.

먼저, 본 발명의 압력 측정장치에 의하면 무릎 관절에 인공 관절 및 보형물을 삽입 수술하기 전에 상부 무릎과 하부 무릎의 사이에 삽입되는 보형물이 균형을 이루도록 하부 무릎의 좌우측 압력을 측정할 수 있다.

또한, 본 발명의 압력 측정장치에 의하면, 보형물 인서트를 삽입한 후, 4정점에서 압력을 측정하여 압력의 균형을 이루게 한 후, 인공 관절을 위치시킬 수 있으므로 수술의 정확도를 매우 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 압력 측정장치에 의하면, 상 하부 무릎의 운동역학적 상태, 즉, 굽힘각과 회전각을 압력과 동시에 측정가능하여 가능한 모든 상황에서 인공관절에 부하되는 압력을 측정할 수 있어 인공관절 및 보형물의 사용이 오랫동안 지속될 수 있게 하는 효과가 있다.

도 1은 무릎 인공관절 치환수술을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 측정 장치를 보여주는 도면,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 측정 장치 중, 압력 측정모듈의 분해도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 압력 측정 장치 중, 압력 측정모듈의 평면을 보여주는 도면이다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 관절의 압력 측정 장치(100,이하, '압력 측정 장치'라 함)는 인공 관절 치환수술 전에 대퇴골과 경골 사이의 압력을 4정점에서 측정하여 대퇴골과 경골 사이의 내측 및 외측 간에 압력의 균형을 이루도록 한 상태에서 시술할 수 있게 하는 장치이다.

상기 압력 측정 장치(100)는 상부 무릎각도 측정 센서(110), 하부 무릎각도 측정 센서(120) 및 압력 측정모듈(130)을 포함하며, 컴퓨터(140)와 보형물 인서트(150)를 더 포함할 수 있다.

상기 상부 무릎각도 측정 센서(110)는 환자의 허벅지 부분에 부착되며 무릎을 구부렸을 때 허벅지에 해당하는 상부 무릎의 각도를 측정하는 센서이다.

또한, 상기 상부 무릎각도 측정 센서(110)는 X축, Y축, Z축의 3축에 대해 각도를 측정할 수 있으며, 관성센서, 가속도센서 및 지자기센서 중, 하나 또는 복수 개로 이루어질 수 있다.

상기 하부 무릎각도 측정 센서(120)는 환자의 정강이 부분에 부착되며 무릎을 구부렸을 때 종아리에 해당하는 하부 무릎의 각도를 측정하는 센서이며, X축, Y축, Z축의 3축에 대해 각도를 측정할 수 있으며, 관성센서, 가속도센서 및 지자기센서 중, 하나 또는 복수 개로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 하부 무릎각도 측정 센서(120)는 상기 상부 무릎각도 측정 센서(110)와 함께 x축, y축, z축 3축에 대해 각속도, 가속도, 자기장 값을 측정 및 가공하여 3축에 대한 각도 및 회전의 변화량을 계산하여 굽힘각 및 회전각에 대한 상대 각도 값을 산출한다.

즉, 상기 하부 무릎각도 측정 센서(120)는 상기 상부 무릎각도 측정 센서(110)와 함께 상부 무릎과 하부 무릎의 굽힘각 및 회전각을 획득할 수 있는 모션센서로 기능한다.

상기 압력 측정모듈(130)은 인공 무릎관절 치환 전에 환자의 대퇴골과 경골 사이에 삽입하여 상기 대퇴골과 상기 경골 사이의 압력을 측정한다.

도 3 및 도 4를 추가적으로 참조하면, 상기 압력 측정모듈(130)은 검사자가 손으로 잡을 수 있는 손잡이부(131)와 상기 손잡이부(131)의 전단에 구비되며, 상기 대퇴골과 상기 경골 사이에 삽입할 수 있으며, 상기 대퇴골과 상기 경골 사이의 압력을 측정하는 납작한 형상의 센서부(131)를 포함한다.

또한, 상기 센서부(131)는 4정점에서 압력을 측정할 수 있으며, 평면상에서 서로 이격된 네 개의 필름형 압력센서들(133)을 구비한다.

또한, 상기 필름형 압력센서들(133)은 상기 센서부(131)의 일측 후방(대퇴골과 경골 사이에 삽입하였을 때, 뒷무릎 쪽)에 위치하며, 무릎의 일측 후방 압력을 측정하는 일측 후방 압력센서(133a), 상기 센서부(131)의 일측 전방(대퇴골과 경골 사이에 삽입하였을 때, 앞무릎 쪽)에 위치하며, 무릎의 일측 전방 압력을 측정하는 일측 전방 압력센서(133b), 상기 센서부(131)의 타측 후방에 위치하며, 무릎의 타측 후방 압력을 측정하는 타측 후방 압력센서(133c), 상기 센서부(131)의 타측 전방에 위치하며, 무릎의 타측 전방 압력을 측정하는 타측 전방 압력센서(133d)로 이루어진다.

즉, 상기 센서부(131)는 무릎의 좌측 및 우측 압력을 4정점에서 측정할 수 있으며, 측정된 압력의 균형을 이루는 값을 산정하여 보형물 제작 후 삽입이 가능하다. 이 보형물 위에는 인공관절 중 대퇴골 컴포넌트가 위치하여 균형을 이루는 압력을 받게 된다.

또한, 상기 센서부(131)의 상면에는 환자의 대퇴골 하단 형상에 대해 음각형상을 갖고 상기 대퇴골 하단의 압력을 상기 필름형 압력센서들(133)로 전달하는 모형물 인서트(150)가 구비되며, 하면에는 하부 보형물(160)이 구비된다.

또한, 상기 보형물 인서트(150)의 높이는 2mm이다. 또한, 상기 보형물 인서트(150)의 중앙부분에는 대퇴골 하단 중앙 홈에 삽입될 수 있는 돌기(151)가 형성되며, 이 돌기(151)의 높이는 3.2mm일 수 있다.

또한, 상기 하부 보형물(160)의 높이는 0.1mm일 수 있다.

또한, 상기 보형물 인서트(150)와 하부 보형물(160)은 각각 환자의 대퇴골 및 경골의 형상에 따라 모양이 소폭 가변될 수 있도록 플렉시블 소재로 제작될 수 있다.

상기 컴퓨터(140)는 상기 상부 무릎 각도 측정센서(110), 상기 하부 무릎 각도 측정센서(120) 및 상기 압력 측정모듈(130)과 블루투스와 같은 무선통신망을 통해 연결되며, 상기 센서들(110,120)에 의해 측정된 정보들로부터 무릎의 각도 회전변화량을 계산하며, 측정된 압력을 표시하여 시술자가 무릎을 움직여 좌우측 압력의 균형을 이루게 할 수 있다.

따라서 시술자는 무릎 좌우의 압력이 균형을 이루는 상태에서 상기 보형물 인서트(150)와 상기 하부 보형물(160)를 위치시킨 후, 인공 관절을 삽입하여 압력의 균형을 이루도록 할 수 있다.

즉, 기존의 압력 측정장치들은 무릎의 완전 신전 및 90도 굴곡 상태에서 압력의 상태만 확인 가능한 것에 비해 본 발명은 상하부 무릎 각도 측정센서(110,120)를 이용하여 무릎의 운동역학적 상태, 즉, 굽힘각과 회전각과 압력의 동시측정이 가능하므로 가능한 모든 상황에서 인공관절에 부하되는 압력을 측정할 수 있어 가장 적합한 상태로 설정이 가능하여 인공관절 및 보형물의 사용을 오랫동안 지속할 수 있는 장점이 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

100: 압력 측정장치 110:상부 무릎 각도 측정센서
120:하부 무릎 각도 측정센서 130:압력 측정 모듈
140:컴퓨터 150:보형물 인서트
160:하부 보형물

Claims (6)

1. 환자의 허벅지에 부착되어 상부 무릎의 각도를 측정하는 상부 무릎각도 측정센서;
   환자의 정강이 부분에 부착되어 하부 무릎의 각도를 측정하는 하부 무릎각도 측정센서; 및
   인공 무릎관절 치환 전에 환자의 대퇴골과 경골 사이에 삽입하여 상기 대퇴골과 상기 경골의 움직임에 따른 압력(이하, '무릎 압력'이라 함)을 측정하는 압력 측정모듈;을 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 관절의 압력 측정 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 상부 무릎각도 측정센서, 상기 하부 무릎각도 측정센서 및 상기 압력 측정모듈로부터 측정 신호를 입력받고, 입력된 신호를 이용하여 무릎의 굽힘각 및 회전각의 변화에 따른 상기 무릎 압력을 계산하는 컴퓨터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 관절의 압력 측정 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 압력 측정모듈:은,
   검사자가 손으로 잡을 수 있는 손잡이부; 및
   상기 손잡이부의 단부에 구비되며, 상기 대퇴골과 상기 경골 사이에 삽입할 수 있는 납작한 형상의 센서부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무릎 관절의 압력 측정 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 센서부의 내측에는 평면상에서 서로 이격된 복수 개의 필름형 압력센서가 구비되고,
   상기 필름형 압력센서들:은,
   상기 센서부의 일측 후방에 구비되며, 무릎의 일측 후방 압력을 측정하는 일측 후방 압력센서;
   상기 센서부의 일측 전방에 구비되며, 무릎의 일측 전방 압력을 측정하는 일측 전방 압력센서;
   상기 센서부의 타측 후방에 구비되며, 무릎의 타측 후방 압력을 측정하는 타측 후방 압력센서; 및
   상기 센서부의 타측 전방에 구비되며, 무릎의 타측 전방 압력을 측정하는 타측 전방 압력센서;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 무릎 관절의 압력 측정장치.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 센서부의 외측 상면에는 상기 대퇴골의 하단 형상의 음각형상을 갖고 상기 대퇴골의 압력을 상기 필름형 압력 센서들로 전달하는 보형물 인서트가 구비되는 것을 특징으로 하는 무릎 관절의 압력 측정장치.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 보형물 인서트는 환자의 대퇴골 하단 모양에 따라 모양이 가변할 수 있도록 플렉시블 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 무릎 관절의 압력 측정장치.

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