KR20210047189A

KR20210047189A - 열전소자와 저온상전이소재를 활용한 가변강성 메커니즘 및 내시경

Info

Publication number: KR20210047189A
Application number: KR1020190130940A
Authority: KR
Inventors: 김승원; 조병진; 김충선
Original assignee: 한국과학기술연구원; 한국과학기술원
Priority date: 2019-10-21
Filing date: 2019-10-21
Publication date: 2021-04-29
Also published as: KR102266199B1

Abstract

실시 예에 따른 가변 강성 모듈 및 이를 구비하는 내시경은 일 방향으로 길이방향을 갖도록 연장된 적어도 하나 이상의 저온상전이소재, 저온상전이소재의 길이방향을 따라 소정간격으로 배치되어 가열 또는 냉각하는 복수의 열전소자 및 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단하는 열매체를 포함할 수 있다.

Description

열전소자와 저온상전이소재를 활용한 가변강성 메커니즘 및 내시경{RIGIDITY TUNNABLE MECHANISM AND ENDOSCOPE UTILIZING THERMOELECTRIC MODULES AND PHASE CHANABLE MATERIALS AT LOW TEMPERATURE}

이하의 설명은 열전소자와 저온상전이소재를 활용한 가변강성 메커니즘 및 내시경에 관한 발명이다.

일반적으로 내시경은 의료목적으로 신체의 내부를 살펴보기 위한 의료기구를 의미한다. 내시경은 검사하는 부위에 따라 기관지경, 위내시경, 복강경 및 대장내시경 등으로 불린다. 최근, 내시경은 검사뿐 아니라, 내시경 수술을 위한 용도로도 활용되고 있다. 내시경 수술은 작게 피부를 절개하거나, 삽입한 후 몸 속을 들여다보면서 내시경 내부 관을 통해 미세 수술 도구들을 삽입하여 시술이 이루어지는 수술을 의미한다. 이러한, 내시경 수술은 시술 후 회복도 빨라 빠르기 때문에 비용과 시간을 크게 절약할 수 있다.

이러한, 내시경은 다른 의료용 촬상 기구들과는 달리 신체 내부에 직접 삽입되기 때문에 삽입되는 튜브 부분은 유연성이 필요하다. 하지만 내시경의 튜브가 유연하기만 한 경우에는 신체에 삽입하기 어렵고, 수술 도구를 내시경 내부로 침투시키기 어려우며, 내시경이 수술도구의 이동에 의해 신체를 밀게 되어 정밀한 수술이 어렵게 된다. 이에 반해, 내시경의 튜브의 강성이 높으면 신체에 삽입하기는 쉬우나 신체 내부에 굴곡된 부분에서 절곡되기 어려워 신체에 손상을 주거나 장기내부에서 목표지점까지 이동시키기 어려운 문제가 있다.

이를 해결하기 위해, 내시경은 튜브 내부에 상전이 온도가 낮은 재질의 관을 구비하고, 열선을 관의 길이방향을 따라 구비하여 열선의 가열을 통해 관의 강성을 조절하여 강성을 조절하였다. 하지만, 이 경우 열선의 열로 인해 신체를 손상시킬 수 있었으며 신체 내부에 투입되는 만큼 튜브의 직경을 넓히는 것이 제한되어 관의 냉각을 위한 수단을 구비하기 어려운 문제가 있어 자연냉각을 통해 강성을 높이는 방법 외에 다른 방법을 사용하기는 어려웠다.

전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.

실시 예의 목적은, 열전소자의 가열 및 냉각을 통해 내시경을 신체에 삽입할 때는 체내 장기와 유사한 낮은 강성을 가지며, 경로 설정 및 물리적 시술 작업 시 높은 강성을 가지도록 저온상전이소재의 강성을 가변하는 열전소자와 저온상전이소재를 활용한 가변강성 메카니즘 및 내시경에 관한 것이다.

또한, 열전소자에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단하여 신체에 고온 또는 저온의 열이 전달되지 않도록 하여 신체를 보호하고, 열이 내시경 내부에서 순환하도록 하여 열전소자의 효율을 유지할 수 있는 열전소자와 저온상전이소재를 활용한 가변강성 메카니즘 및 내시경에 관한 것이다.

실시 예들에서 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 가변강성 메카니즘은 일 방향으로 길이방향을 갖도록 연장된 적어도 하나 이상의 저온상전이소재, 상기 저온상전이소재의 길이방향을 따라 소정간격으로 배치되어 가열 또는 냉각하는 복수의 열전소자 및 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단하는 열매체를 포함할 수 있다.

또한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 내시경은 튜브 및 상기 튜브의 길이방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 저온상전이소재와, 상기 저온상전이소재의 길이방향을 따라 소정간격으로 배치되어 가열 또는 냉각하는 복수의 열전소자 및 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단하는 열매체를 구비하는 가변강성 메커니즘을 포함할 수 있다.

실시 예에 따르면, 열전소자의 가열 및 냉각을 통해 내시경을 신체에 삽입할 때는 체내 장기와 유사한 낮은 강성을 가지며, 경로 설정 및 물리적 시술 작업 시 높은 강성을 가지도록 저온상전이소재의 강성을 조절할 수 있다.

또한, 메커니즘과 내시경에 내장되는 열매체는 열전소자에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단하여 신체에 손상을 입힐 정도의 고온 또는 저온의 열이 전달되지 않도록 하여 신체를 보호하고, 신체에 손상을 입히지 않는 범위에서 열을 신체로 발산시키거나 내시경 내부에서 순환하도록 하여 열전소자의 열전 효율을 유지할 수 있다.

일 실시예에 따른 가변강성 메커니즘 및 이를 구비하는 내시경의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 일 실시 예에 따른 내시경을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 삽입관의 부분절단 사시도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 삽입관의 측단면도이다.
도 4는 다른 실시 예에 따른 삽입관의 부분절단 사시도이다.
도 5는 또 다른 실시 예에 다른 삽입관의 부분절단 사시도이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니 된다.

이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 일 실시 예에 따른 내시경을 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 일 실시 예에 따른 삽입관의 부분절단 사시도이고, 도 3은 일 실시 예에 따른 삽입관의 측단면도이다.

내시경(1)은 원위단부에 카메라(미도시)가 구비되고 인체(B)에 삽입되어서 검사 또는 시술을 진행할 수 있다. 내시경(1)은 조작부(10) 및 삽입관(20)을 포함한다.

조작부(10)는 삽입관(20)에 구비된 카메라 등의 모듈에 전원을 공급하고 사용자의 조작을 통해 삽입관을 조절할 수 있다. 조작부(10)는 삽입관의 원위단부에 연결된다. 조작부(10)는 사람이 파지할 수 있는 형태로 구비될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 수술용 로봇에 구비되어 삽입관의 원위단부가 연결되고 수술용 로봇의 제어를 통해 삽입관이 제어되는 것도 가능하다.

삽입관(20)은 인체(B) 내부에 삽입되어서 검사 또는 시술을 진행하기 위한 통로를 형성한다. 삽입관(20)은 인체(B)의 장기와 접촉하며 이동되며, 목표지점에서 고정되어야 하기 때문에 강성의 변화가 가능하여 삽입 및 고정이 가능할 수 있다.

삽입관(20)은 튜브(210) 및 가변강성 메커니즘(220)을 포함한다.

튜브(210)는 환형의 단면이 일방향을 길이방향을 갖도록 연장된 형상을 가진다. 튜브(210)는 폴리머 재질일 수 있다. 튜브(210)는 외부튜브(211) 및 내부튜브(212)로 구성된다. 내부튜브(212)는 내부에 홀이 형성되어 시술용 툴(S)이 내부의 홀을 따라 이동된다.

가변강성 메커니즘(220)은 튜브(210)에 구비되어 삽입관(20)의 강성을 변화시킨다. 가변강성 메커니즘(220)은 저온상전이소재(221), 열전소자(222) 및 열매체(223)를 포함한다.

저온상전이소재(221)는 적어도 하나 이상이 구비되어 일방향으로 연장된다. 예를 들어, 저온상전이소재(221)는 외부튜브(211) 및 내부튜브(212)의 사이에 개재되어 튜브(210)의 길이방향으로 환형의 단면이 연장된 형상을 가진다. 저온상전이소재(221)는 체온 37℃를 기준으로 체내 시술용 의료기기의 적용이 가능한 소재로 25℃이상 55℃이하의 온도의 상전이 온도를 가지며, 체온에서 기본상이 액체상 또는 고체상인 모든 재질이 가능할 수 있다. 여기서 상전이 온도는 유리전이온도 또는 융점일 수 있다.

열전소자(222)는 저온상전이소재(221)의 길이방향을 따라 소정간격으로 배치된다. 또한, 열전소자(222)는 도 2에서의 삽입관의 단면을 기준으로 저온상전이소재(221)의 외주면에 방사상으로 소정각도로 복수개가 배치될 수 있다. 여기서, 열전소자(222)는 일면이 발열하면 타면이 흡열되는 펠티어 소자로 전류의 흐름에 따라 일면에서의 발열 및 흡열을 조절할 수 있다. 또한, 열전소자(222)는 전류의 세기를 조절하여 온도를 용이하게 제어할 수 있다.

열전소자(222)는 저온상전이소재(221)와 접촉하는 면이 발열하면 저온상전이소재(221)의 가열되어 강성이 낮아져 유연성이 높아지고, 이와 반대로 저온상전이소재(221)와 접촉하는 면이 흡열하면 저온상전이소재(221)가 냉각되어 강성이 높아져 단단해진다. 상기에 기술한 바와 같이 삽입관에 열전소자를 배치하여 저온상전이소재(221)를 가열 또는 냉각함으로써 삽입관의 강성을 가변하게 된다.

한편, 열전소자(222)는 유연 열전소자(flexible thermoelectric device)일 수 있다. 유연 열전소자는 서로 이격 배열된 하나 이상의 N형 열전물질 및 P형 열전물질을 포함하는 열전물질 기둥 어레이(미도시)와, 열전물질 기둥 어레이의 열전물질을 전기적으로 연결하는 전극(미도시) 및 적어도 열전물질 기둥 어레이의 빈 공간을 충진하는 발포체(미도시)를 포함하여 유연성을 가지는 연성 폴리머 구조체를 형성할 수 있다. 열전소자(222)가 유연성을 가짐에 따라 내시경 내부에 적용할 때, 열전소자(222)가 배치된 곳도 절곡이 가능하게 되고, 내시경(1)의 삽입관(20)의 전체에 걸쳐 절곡이 가능할 수 있다.

열매체(223)는 외부튜브(211)의 외주면을 둘러싸고 배치된다. 열매체(223)는 열전소자(222)에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단할 수 있다. 예를 들어, 열매체(223)는 복수의 열전소자(222)에서 발생하는 열을 차단하는 단열재로 구성될 수 있다. 또 다른 예로 열매체(223)는 복수의 열전소자에서 발생하는 열을 방열하되, 신체조직에 손상을 입히지 않는 범위내에서 열을 방열할 수 있다. 예를 들어, 열매체(223)는 표면의 온도가 신체조직의 온도에 ±10% 이내의 온도가 되도록 방열할 수 있다.

열매체(223)는 외부튜브(211)의 길이방향을 따라 전체를 감싸도록 배치될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 열매체(223)는 길이방향을 따라 소정간격으로 형성된 복수의 열배출 홀(미도시)을 포함할 수 있다. 이때, 열배출 홀은 열전소자(222)가 위치한 부분과 소정간격 이격되어 형성되어서 열전소자(222)의 직접적인 열은 차단하고 열전도된 열만 방열하도록 구성된다.

한편, 외부튜브(211)는 열을 보존할 수 있는 보온재로 구성될 수 있다. 이 경우, 열전소자(222)에서 발생하는 냉각 또는 가열된 열을 보존하여 열매체(223)에서 방열되는 온도를 일부 감소시켜 인체의 안정성을 확보하고, 열전소자(222)에서 방열 및 흡열 변화에 의해 타면에서 발생하는 온도변화에 대한 효율 저하를 일부 방지할 수 있다.

삽입관(20)은 열전소자(222)가 저온상전이소재(221)를 가열하여 강성이 낮아져 신체와 유사한 강성을 가지고 유연하게 절곡되며 목표지점까지 이동된다. 이후, 목표지점에 도달한 삽입관(20)은 열전소자(222)가 저온상전이소재(221)를 냉각시켜 강성이 높아지며 고정되어 검사를 진행하거나, 삽입관(20) 내부로 시술용 툴(S)이 삽입되어 조직(T)을 파지하고나 절단하는 등의 용이한 시술진행을 할 수 있다.

이하 도 4를 참조하여 다른 실시 예에 따른 삽입관에 대해 설명한다.

도 4는 다른 실시 예에 따른 삽입관의 부분절단 사시도이다.

도 4를 참조하면, 삽입관(30)은 튜브(210) 및 가변강성 메커니즘(320)을 포함한다. 여기서, 튜브(210)는 일 실시 예의 삽입관(20)과 동일한 구성을 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

가변강성 메커니즘(320)은 제1저온상전이소재(321), 제2저온상전이소재(322), 열전소자(222) 및 열매체(223)를 포함한다. 여기서 열매체(223)는 일 실시 예의 열매체(223)와 동일한 구성을 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

제1저온상전이소재(321)와 제2저온상전이소재(322)는 외부튜브(211) 및 내부튜브(212) 사이에 개재되고 제1저온상전이소재(321)의 외주면상에 제2저온상전이소재(322)가 배치된다. 제1저온상전이소재(321)와 제2저온상전이소재(322)는 서로 다른 유리전이온도 또는 융점을 가진다. 예를 들어 제1저온상전이소재(321)는 제1저온상전이소재(321)보다 낮은 유리전이온도 또는 융점을 가진다.

열전소자(222)는 일 실시예의 열전소자(222)와 동일한 구성요소를 포함할 수 있다. 여기서, 열전소자(222)는 전류의 세기를 조절하면 온도조절이 용이하다. 실시 예에 따른 삽입관()은 열전소자(222)의 온도를 조절함으로써 제1저온상전이소재(321)와 제2저온상전이소재(322)에 상을 형성할 수 있어 강성을 단계별로 조절할 수 있다.

이하, 도 5를 참조하여, 다른 실시 예에 따른 삽입관에 대해 설명한다.

도 5는 또 다른 실시 예에 다른 삽입관의 부분절단 사시도이다.

도 5를 참조하면, 삽입관(40)은 튜브(210) 및 가변강성 메커니즘(420)을 포함한다. 여기서, 튜브(210)는 일 실시 예의 삽입관(20)의 튜브와 동일한 구성을 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

가변강성 메커니즘(420)은 제3저온상전이소재(421), 제4저온상전이소재(422), 제5저온상전이소재(423), 제6저온상전이소재(424), 열전소자(222) 및 열매체(223)를 포함한다. 여기서 열매체(223)는 일 실시 예의 열매체(223)와 동일한 구성을 포함하고 있으므로 설명을 생략한다.

제3저온상전이소재(421), 제4저온상전이소재(422), 제5저온상전이소재(423), 제6저온상전이소재(424)는 하나의 환형단면에 방사상으로 배치된 형상을 가진다. 실시 예에서 저온상전이소재(421, 422, 423, 424)가 4개로 구성된 것을 예를 들어 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 저온상전이소재가 방사상으로 배치되어 하나의 환형의 단면을 형성할 수 있다. 한편, 제3저온상전이소재(421), 제4저온상전이소재(422), 제5저온상전이소재(423), 제6저온상전이소재(424)는 각기 다른 유리전이온도 및 융점을 가지는 것도 가능한다.

여기서, 열전소자(222)는 각 저온상전이소재(421, 422, 423, 424)와 대응하는 위치에 구비된다. 열전소자(222)는 각 저온상전이소재(421, 422, 423, 424)를 별도로 가열하여 강성변화 발생시킬 수 있다. 이 경우, 신체 내부에서 강성이 강화되어 고정된 이후에 일부 절곡된 부분에 강성을 낮게하여 유연성을 증가시킴으로써 신체에 내시경에 접촉하여 발생하는 사용자의 불편함을 일부 완화시킬 수 있다.

이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 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 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

1: 내시경
10: 조작부
20: 삽입관
210: 튜브
211: 외부튜브
212: 내부튜브
220: 가변강성 메커니즘
221: 저온상전이소재
222: 열전소자
223: 열매체
30: 삽입관
320: 가변강성 메커니즘
321, 322: 제1저온상전이소재
40: 삽입관
420: 가변강성 메커니즘
421, 422, 423, 424: 저온상전이소재
B: 인체
S: 시술용 툴
T: 조직

Claims

일 방향으로 길이방향을 갖도록 연장된 적어도 하나 이상의 저온상전이소재;
상기 저온상전이소재의 길이방향을 따라 소정간격으로 배치되어 가열 또는 냉각하는 복수의 열전소자; 및
상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단하는 열매체;
를 포함하는 가변강성 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 열매체는, 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열을 차단하는 가변강성 메커니즘.
제2항에 있어서,
상기 열매체는, 표면의 온도가 신체조직의 온도에 ±10% 이내의 온도가 되도록 방열하는 가변강성 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 열매체는, 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열을 방열하되, 신체조직에 손상을 입히지 않는 범위내에 열을 방열하는 가변강성 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 열매체는,
상기 가변강성 메커니즘의 길이방향 전체에 구비되는 가변강성 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 열매체는
길이방향을 따라 소정간격으로 형성된 복수의 열배출 홀을 포함하는 가변강성 메커니즘.
제1항에 있어서,
상기 저온상전이소재는 복수로 구비되고, 각각의 저온상전이소재는 서로 다른 융점을 가지는 가변강성 메커니즘.
튜브; 및
상기 튜브의 길이방향으로 연장된 적어도 하나 이상의 저온상전이소재와, 상기 저온상전이소재의 길이방향을 따라 소정간격으로 배치되어 가열 또는 냉각하는 복수의 열전소자 및 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열의 적어도 일부를 차단하는 열매체를 구비하는 가변강성 메커니즘;
을 포함하는 내시경.
제8항에 있어서,
상기 열매체는, 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열을 방열하되, 신체조직에 손상을 입히지 않는 범위내에 열을 방열하는 내시경.
제9항에 있어서,
상기 열매체는, 표면의 온도가 신체조직의 온도에 ±10% 이내의 온도가 되도록 방열하는 내시경.
제8항에 있어서,
상기 열매체는, 상기 복수의 열전소자에서 발생하는 열을 차단하는 내시경.
제8항에 있어서,
상기 열매체는,
상기 가변강성 메커니즘의 길이방향 전체에 구비되는 내시경.
제8항에 있어서,
상기 열매체는
길이방향을 따라 소정간격으로 형성된 복수의 열배출 홀을 포함하는 내시경.
제1항에 있어서,
상기 저온상전이소재는 복수로 구비되고, 각각의 저온상전이소재는 서로 다른 융점을 가지는 내시경.