KR20230059908A - 관절 운동 계측 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템은, 환자의 관절을 모사하기 위한 인공 관절을 형성하는 복수개의 인공뼈, 상기 인공뼈들이 설치 고정되고 상기 환자의 관절 운동을 모사하도록 상기 인공뼈들을 동작시키는 힘 계측 지그, 상기 힘 계측 지그의 작동시 상기 인공 관절에 작용되는 힘을 측정하는 힘 측정 유닛, 및 상기 힘 측정 유닛에 측정된 힘의 변화량을 분석하여 상기 환자의 관절에 대한 연골 조직의 상태를 평가하는 관절 평가 유닛을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 관절 운동 계측 시스템에 관한 것으로서, 더 상세하게는 무릎 질환을 가진 환자의 관절을 모사한 인공 관절을 지그로 동작시켜 환자의 관절에 대한 연골 조직의 손상을 효율적으로 분석 및 평가할 수 있는 관절 운동 계측 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 무릎 관절에서 연골 조직은 무릎의 정상적인 운동을 실행하도록 하는 중요한 역할을 수행한다. 하지만, 무릎 관절의 연골 조직은 구조적인 특성으로 인하여 시간이 지나면서 마모가 발생한다. 상기와 같은 연골 조직의 마모에 따라 다양한 무릎 질환들이 발생하고 있다.
또한, 인공관절전치환술은 연골 조직 및 인대의 손상 정도에 따라 수술 여부 및 수술 방법이 달라지므로, 환자의 연골 및 인대에 대한 손상 정도를 파악하는 것은 매우 중요하다.
이를 위하여, 무릎 관절의 다양한 조건에서 관절 운동의 계측 시스템이 필요한 실정이며, 최근에는 CT 또는 MRI 등을 통해 연골 조직이나 인대의 손상 정도를 파악하는 방법들이 사용되고 있다. 하지만, CT 또는 MRI 등을 사용하는 방법은 무릎 관절의 현재 상태만을 파악할 뿐이며 무릎 관절의 운동시 관절에 작용되는 힘에 의한 연골 조직과 인대의 손상을 분석 및 평가하는 것은 불가능한 실정이다.
따라서, 무릎 관절의 운동시 무릎 관절에 작용하는 힘에 의해서 환자의 연골 조직 및 인대에 대한 손상 정도를 파악하기 위한 다양한 기술과 방법 들이 연구 개발되고 있다.
특히, 환자의 무릎 관절에 계측 시스템을 직접 설치하는 방법은, 환자에게 수술에 대한 부담을 줄 수 있을 뿐만 아니라, 무릎 관절의 내부에 설치되는 계측 시스템으로 인하여 무릎 관절의 연골 조직과 인대에 악영향을 줄 수 있는 문제가 있다.
또한, 인공관절전치환술 이후에 인공 관절의 상태를 파악하기 위해 인공 관절에 계측 시스템을 설치하는 경우가 있지만, 이는 인공관절의 밸런스를 구조적으로 조정하기 위한 데이터를 획득하기 위한 것이다. 따라서, 인공관절전치환술을 위한 데이터 획득과는 무관하고, 환자의 실제 무릎 관절을 분석 및 평가하는 것과 관계가 없다.
관련 선행기술문헌으로는 한국등록특허 제10-2285833호 (발명의 명칭: 무릎 인공관절 수술용 스마트 센서 시스템, 등록일: 2021.07.29), 및 한국공개특허 제10-2020-0104525호 (발명의 명칭: 무릎 관절의 압력 측정 장치, 공개일: 2020.09.04)가 있다.
본 발명의 실시예는, 무릎 질환을 가진 환자의 관절을 모사한 인공 관절을 제작한 후 인공 관절을 지그로 동작시켜 환자의 관절 운동을 모사하면서 환자의 무릎 관절에 작용하는 힘의 변화량을 계측하고, 이를 이용하여 환자의 연골 조직에 대한 손상을 효율적으로 파악할 수 있는 관절 운동 계측 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예는, 인공 관절과 지그를 이용하여 환자의 무릎 관절을 모사함으로써 환자의 무릎 관절에 별도의 계측 시스템을 시술하지 않고서도 환자의 관절 운동에 따른 연골과 인대의 손상을 간편하게 분석 및 평가할 수 있는 관절 운동 계측 시스템을 제공한다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 환자의 관절을 모사하기 위한 인공 관절을 형성하는 복수개의 인공뼈, 상기 인공뼈들이 설치 고정되고 상기 환자의 관절 운동을 모사하도록 상기 인공뼈들을 동작시키는 힘 계측 지그, 상기 힘 계측 지그의 작동시 상기 인공 관절에 작용되는 힘을 측정하는 힘 측정 유닛, 및 상기 힘 측정 유닛에 측정된 힘의 변화량을 분석하여 상기 환자의 관절에 대한 연골 조직의 상태를 평가하는 관절 평가 유닛을 포함하는 관절 운동 계측 시스템을 제공한다.
바람직하게, 상기 인공뼈들은, 상기 환자의 관절을 형성하는 제1 뼈에 대응되는 형상으로 마련된 제1 인공뼈, 및 상기 제1 뼈와 함께 관절을 형성하는 제2 뼈에 대응되는 형상으로 마련된 제2 인공뼈로 제공될 수 있다.
바람직하게, 상기 힘 계측 지그는, 상기 제1 인공뼈가 고정되는 제1 지그, 상기 제1 지그와 회전 가능하게 연결되고 상기 제1 인공뼈과 상기 제2 인공뼈가 상기 환자의 관절을 모사한 인공 관절을 형성하도록 상기 제2 인공뼈가 고정되는 제2 지그, 및 상기 제2 지그와 상기 제1 지그의 연결부에 배치되고 상기 제1 지그와 상기 제2 지그의 연결부를 중심으로 상기 제2 지그를 회전시켜 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동을 모사하는 지그 구동 유닛을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 인공뼈는, 상기 제1 뼈와 동일하게 형성된 제1 인공뼈 본체, 및 상기 제1 인공뼈 본체의 관절 부위에 상기 제1 인공뼈 본체보다 연한 재질로 형성된 제1 연골을 포함할 수 있다. 또한, 상기 제2 인공뼈는, 상기 제2 뼈와 동일하게 형성된 제2 인공뼈 본체, 및 상기 제2 인공뼈 본체의 관절 부위에 상기 제2 인공뼈 본체보다 연한 재질로 형성된 제2 연골을 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 힘 측정 유닛은, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동시 상기 관절 부위에 작용되는 힘을 측정하도록 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 부위에 배치될 수 있다.
예를 들면, 상기 힘 측정 유닛은, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동시 상기 제1 연골과 상기 제2 연골에 작용되는 힘의 변화량을 측정하도록 상기 제1 연골 또는 상기 제2 연골 중 적어도 하나의 내부에 배치되는 로드셀을 포함할 수 있다. 이때, 상기 로드셀은, 상기 제1 인공뼈 본체와 상기 제1 연골의 사이에 매립되게 배치되거나, 또는 상기 제2 인공뼈 본체와 상기 제2 연골의 사이에 매립되게 배치될 수 있다.
상기와 다르게, 상기 제1 인공뼈 본체와 상기 제2 인공뼈 본체에는 인공 인대가 연결될 수 있다. 상기 힘 측정 유닛은, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동시 상기 인공 인대에 작용되는 힘의 변화량을 측정하도록 상기 인공 인대와 연결되는 로드셀을 포함할 수 있다. 이때, 상기 로드셀은 상기 힘 계측 지그에서 이격된 위치에 배치될 수 있고, 상기 인공 인대는 상기 로드셀을 향해 길게 연장되어 상기 로드셀에 연결될 수 있다.
바람직하게, 상기 제1 지그는 바닥면에 안착 고정될 수 있고, 상기 제2 지그의 하단부는 상기 제1 지그의 상단부에 회전 가능하게 연결될 수 있다. 여기서, 상기 지그 구동 유닛은, 상기 제2 지그의 하단부에 회전축이 연결되도록 상기 제1 지그의 상단부에 장착된 구동 모터를 포함할 수 있다.
상기 제1 지그는, 상기 바닥면에 안착되고 상기 제1 인공뼈의 관절 부위의 반대편이 상면부 중앙에 고정되는 베이스 부재, 및 상기 베이스 부재의 상면부 양측에 각각 배치되고 상기 베이스 부재의 상면부에서 수직 방향으로 길게 연장된 제1 링크 부재를 포함할 수 있다.
상기 제2 지그는, 상기 제1 링크 부재의 상측에 배치되고 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 부위가 서로 접촉되도록 상기 제2 인공뼈의 관절 부위의 반대편이 하면부 중앙에 고정된 탑 부재, 및 상기 탑 부재의 하면부 양측에 각각 배치되고, 상기 탑 부재의 하면부에서 수직 방향으로 길게 연장되어 상기 제1 링크 부재에 회전 가능하게 연결된 제2 링크 부재를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 베이스 부재와 상기 탑 부재에는, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈를 고정하기 위한 뼈 고정부가 각각 형성될 수 있다. 특히, 상기 베이스 부재 또는 상기 탑 부재 중 적어도 어느 하나에는, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 고정 위치를 상기 환자의 관절 형상에 따라 변경하도록 상기 뼈 고정부가 복수의 위치에 각각 마련될 수 있다.
그리고, 상기 제1 링크 부재와 상기 제2 링크 부재에는, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 간격을 상기 환자의 관절 형상에 따라 변경하도록 상기 제1 링크 부재와 상기 제2 링크 부재의 연결 길이를 조절하기 위한 복수개의 링크 연결부가 각각 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템은, 인공뼈들을 힘 계측 지그에 설치 고정하여 환자의 무릎 관절을 모사한 후 힘 계측 지그의 작동에 의해 인공뼈들의 인공 관절 운동이 환자의 관절 운동을 모사하는 구조이므로, 힘 측정 유닛을 힘 계측 지그에 설치하여 인공 관절의 운동시 연골과 인대에 작용되는 힘의 변화량을 간편하게 계측할 수 있고, 이를 이용하여 관절 평가 유닛이 환자의 관절 운동시 실제 무릎 관절의 연골이나 인대에 발생 가능한 손상을 효율적으로 분석 및 평가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템은, 환자의 무릎 관절에 힘 측정 유닛과 관절 평가 유닛을 직접 설치하지 않는 구조이므로, 환자의 심리적 부담감을 미연에 차단할 수 있고, 환자의 무릎 수술에 따른 후유증도 방지할 수 있으며, 환자의 무릎 관절을 실제 운동시킬 필요가 없어 무릎 관절의 보호에도 매우 유리할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서는 환자의 무릎 관절에 힘 측정 유닛을 설치하지 않은 상태에서 환자의 관절 운동에 따른 연골과 인대의 손상을 간편하게 분석 및 평가할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템은, 무릎 질환을 가진 환자의 무릎 관절을 인공뼈로 모사한 인공 관절을 제작하여 힘 계측 지그에 설치한 후 힘 계측 지그가 인공 관절을 작동시켜 환자의 관절 운동을 모사하면서 힘 측정 유닛이 인공 관절에 작용하는 힘의 변화량을 계측하는 구조이므로, 힘 측정 유닛이 환자의 실제 관절 운동시 환자의 연골이나 인대에 작용하는 힘의 변화량을 인공 관절을 통해 간접적으로 측정할 수 있고, 이를 이용하여 관절 평가 유닛을 통해 환자의 연골과 인대에 대한 손상 여부 및 상태를 효율적으로 정확하게 파악할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템은, 무릎 관절의 질환을 갖는 환자에 대한 관절 운동을 모사함으로써 환자의 무릎 관절에 부담을 주지 않으면서 환자의 무릎 관절에 대한 상태를 간편하게 파악할 수 있고, 환자의 무릎 관절에 대한 수술 여부 및 수술 방식 등에 대한 데이터를 정확하게 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템은, 다양한 형태의 무릎 관절을 갖는 환자들의 분석에 간편하게 적용할 수 있고, 다양한 관절 운동에 대해 무릎 관절에 작용하는 힘의 변화량을 측정할 수 있으며, 환자의 무릎 관절을 치료하기 위한 데이터를 정확하게 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템의 힘 계측 지그가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2와 도 3은 도 1에 도시된 관절 운동 계측 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2와 도 3에 도시된 제1 인공뼈를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2와 도 3은 도 1에 도시된 관절 운동 계측 시스템을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2와 도 3에 도시된 제1 인공뼈를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템이 개략적으로 도시된 도면이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템(1000)의 힘 계측 지그(200)가 개략적으로 도시된 도면이다. 도 2와 도 3은 도 1에 도시된 관절 운동 계측 시스템(1000)을 나타낸 도면이며, 도 4는 도 2와 도 3에 도시된 제1 인공뼈(110)를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템(1000)는, 인공뼈(100), 힘 계측 지그(200), 힘 측정 유닛(300), 및 관절 평가 유닛(400)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는, 인공뼈(100)들을 제작한 후 힘 계측 지그(200)에 인공뼈(100)들 고정하여 환자의 무릎 관절과 동일한 인공 관절을 형성할 수 있고, 힘 계측 지그(200)를 작동시켜 인공 관절을 관절 운동시키면서 힘 측정 유닛(300)을 통해 인공 관절에 작용하는 힘을 측정할 수 있으며, 힘 측정 유닛(300)에 측정된 힘의 변화량을 이용하여 관절 평가 유닛(400)이 관절의 연골 조직에 대한 손상을 분석 및 평가할 수 있다.
상기와 같이 본 실시예의 관절 운동 계측 시스템(1000)은 환자의 무릎 관절 및 관절 운동을 모사하여 환자의 무릎 관절에 있는 연골 조직이나 인대를 효율적으로 분석 및 평가할 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 인공뼈(100)가 환자의 대퇴골과 경골로 제작하여 힘 계측 지그(200)에 인공 무릎 관절을 형성하는 구조로 설치하되, 인공 무릎의 연골 조직에 작용하는 힘을 측정하여 환자의 실제 연골 조직에 대한 손상을 분석 및 평가하는 것으로 설명한다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 실시예의 인공뼈(100)는, 환자의 관절을 모사하기 위한 인공 관절을 형성하도록 복수개로 마련될 수 있다. 상기와 같은 인공뼈(100)들은 CT 또는 MRI 등과 같은 환자의 영상 데이터를 이용하여 3D 프린팅 제조 방법으로 제작할 수 있다. 일례로, 환자의 무릎 관절을 구성하는 뼈의 데이터를 획득하면, 해당 뼈의 데이터를 STL로 변형하여 3D 프린팅을 통해 인공뼈(100)들을 제작할 수 있다. 이때, 인공 관절을 형성하는 인공뼈(100)의 단부는, 연질 재료로 제작하여 연골 조직을 구현할 수 있고, 환자의 인대를 모사한 인공 인대를 설치하기 위한 구멍도 형성할 수 있다.
본 실시예에서는 인공뼈(100)들이 환자의 관절을 형성하는 제1 뼈(예컨대, 경골)와 제2 뼈(예컨대, 대퇴골)에 대응되는 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)로 제공될 수 있다. 상기와 같은 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)는 힘 계측 지그(200)에 상하 방향으로 길게 세워진 상태로 배치될 수 있다. 이때, 제1 인공뼈(110)는 힘 계측 지그(200)의 하부에 위치될 수 있고, 제2 인공뼈(120)는 힘 계측 지그(200)의 상부에 위치될 수 있다.
여기서, 제1 인공뼈(110)는 환자의 관절을 형성하는 제1 뼈에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들면, 제1 인공뼈(110)는, 제1 뼈와 동일하게 형성된 제1 인공뼈 본체(112), 및 제1 인공뼈 본체(112)의 관절 부위에 제1 인공뼈 본체보다 연한 재질로 형성된 제1 연골(114)을 포함할 수 있다.
제1 인공뼈 본체(112)는 3D 프린팅 방식으로 제작될 수 있고, 제1 연골(114)은 실리콘 등과 같은 연한 재질로 사출 성형될 수 있다. 상기와 같은 제1 연골(114)은 제1 인공뼈 본체(112)의 관절 부위에 결합 고정될 수 있다.
그리고, 제2 인공뼈(120)는 환자의 관절을 형성하는 제2 뼈에 대응되는 형상으로 마련될 수 있다. 예를 들면, 제2 인공뼈(120)는, 제2 뼈와 동일하게 형성된 제2 인공뼈 본체(122), 및 상기 제2 인공뼈 본체(122)의 관절 부위에 제2 인공뼈 본체(122)보다 연한 재질로 형성된 제2 연골(124)을 포함할 수 있다.
제2 인공뼈 본체(122)는 3D 프린팅 방식으로 제작될 수 있고, 제2 연골(124)은 실리콘 등과 같은 연한 재질로 사출 성형될 수 있다. 상기와 같은 제2 연골(124)은 제2 인공뼈 본체(122)의 관절 부위에 결합 고정될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 힘 계측 지그(200)는, 인공뼈(100)들을 동작시켜 환자의 관절 운동을 모사할 수 있다. 이를 위하여, 힘 계측 지그(200)의 하부에는 제1 인공뼈(110)가 수직 방향으로 세워진 상태로 고정될 수 있고, 힘 계측 지그(200)의 상부에는 제1 인공뼈(110)와 마주보도록 제2 인공뼈(120)가 수직 방향으로 세워진 상태로 고정될 수 있다. 이때, 제1 인공뼈(110)의 상단부 및 제2 인공뼈(120)의 하단부가 힘 계측 지그(200)의 중간부에서 인공 관절을 형성할 수 있다.
이때, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)는 힘 계측 지그(200)에 서로 반대방향으로 배치되되, 제1 인공뼈(110)의 상단부 및 제2 인공뼈(120)의 하단부가 서로 접촉됨으로써 인공 관절이 형성될 수 있다. 즉, 제1 인공뼈(110)의 상단부에는 제1 연골(114)이 배치될 수 있고, 제2 인공뼈(120)의 하단부에는 제2 연골(124)이 배치될 수 있다.
예를 들면, 힘 계측 지그(200)는 제1 지그(210), 제2 지그(220), 및 지그 구동 유닛(230)을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 지그(210)는 힘 계측 지그(200)를 설치하기 위한 바닥면에 안정적으로 안착 고정될 수 있다. 제1 지그(210)에는 제1 인공뼈(110)가 고정될 수 있다. 따라서, 제1 지그(210)는 바닥면에 안착된 상태에서 제1 인공뼈(110)를 지지할 수 있다. 한편, 제1 지그(210)의 상단부에는 제2 지그(220)가 회전 가능하게 연결될 수 있다.
일례로, 제1 지그(210)는, 제1 인공뼈(110)의 관절 부위의 반대편이 상면부 중앙에 고정되는 베이스 부재(212), 및 베이스 부재(212)의 상면부 양측에 각각 배치된 제1 링크 부재(214)를 포함할 수 있다.
여기서, 베이스 부재(212)는 직사각형 판넬 형상으로 형성되어 바닥면에 안정적으로 안착될 수 있다. 베이스 부재(212)에는 바닥면에 체결 부재로 설치하는데 활용되는 적어도 하나의 설치홀부(미도시)가 형성될 수 있다.
그리고, 제1 링크 부재(214)는 베이스 부재(212)의 상면부 양측에 각각 설치되되, 베이스 부재(212)의 상면부에 수직 방향으로 길게 연장되는 형상으로 형성될 수 있다. 상기와 같은 제1 링크 부재(214)들은, 환자의 관절 형상에 따라 다양한 형상과 크기를 갖는 제1 인공뼈(110)와의 간섭을 회피하도록 다양한 위치에 배치될 수 있다.
또한, 베이스 부재(212)의 상면부 중앙에는 제1 인공뼈(110)의 하단부를 고정하는데 사용되는 제1 뼈 고정부(212a)가 형성될 수 있다. 제1 뼈 고정부(212a)는 제1 인공뼈(110)의 고정 위치를 다양하게 변경할 수 있도록 복수의 위치에 각각 형성될 수 있다. 하지만, 본 실시예에서는, 제1 뼈 고정부(212a)가 베이스 부재(212)의 상면부 중앙에 홀 또는 홈 형상으로 단수개가 형성된 것으로 설명한다. 이때, 제1 인공뼈(110)의 제1 인공뼈 본체(112)의 하단부에는 제1 뼈 고정부(212a)에 고정되기 위한 뼈 고정돌기(116)가 돌출되게 형성될 수 있다. 한편, 제1 뼈 고정부(212a)와 뼈 고정돌기(116)는 제1 인공뼈(110)의 임의 회전을 방지하도록 타원형이나 다각형의 단면 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 제1 링크 부재(214)의 하단부에는 베이스 부재(212)의 상면부 양측에 각각 형성된 복수개의 제1 링크 고정홀에 선택적으로 체결 고정되는 제1 링크 고정부(216)가 마련될 수 있다. 상기와 같은 제1 링크 고정부(216)는 복수개의 제1 링크 고정홀 중 어느 하나에 체결 부재로 설치 고정될 수 있고, 그에 따라 제1 링크 부재(214)들 사이의 거리가 다양하게 변경될 수 있다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 제2 지그(220)는 제1 지그(210)의 상단부와 회전 가능하게 연결될 수 있다. 제2 지그(220)에는 제2 인공뼈(120)가 고정될 수 있다. 따라서, 제2 지그(220)는 제2 인공뼈(120)와 함께 회전할 수 있다. 이때, 제2 인공뼈(120)는 제1 인공뼈(110)와 함께 환자의 관절을 모사한 인공 관절을 형성하도록 제2 지그(220)에 제1 인공뼈(110)와 반대 방향으로 배치될 수 있다. 한편, 제2 지그(220)의 하단부에는 제1 지그(210)가 회전 가능하게 연결될 수 있다.
일례로, 제2 지그(220)는, 제2 인공뼈(120)의 관절 부위의 반대편이 하면부 중앙에 고정되는 탑 부재(222), 및 탑 부재(222)의 하면부 양측에 각각 배치된 제2 링크 부재(224)를 포함할 수 있다.
여기서, 탑 부재(222)는 제1 링크 부재(214)의 상측에 배치되어 제2 링크 부재(224)에 의해 제1 링크 부재(214)에 연결될 수 있다. 상기와 같은 탑 부재(222)는 제1 인공뼈(110)의 상단부 및 제2 인공뼈(120)의 하단부가 서로 접촉하여 인공 관절을 형성하는 높이에 배치될 수 있다.
그리고, 제2 링크 부재(224)는 탑 부재(222)의 하면부 양측에 각각 설치되되, 탑 부재(222)의 하면부에 수직 방향으로 길게 연장되는 형상으로 형성될 수 있다. 상기와 같은 제2 링크 부재(224)들은 제1 링크 부재(214)들의 배치 위치에 따라 다양한 위치에 배치될 수 있다.
또한, 탑 부재(222)의 하면부 중앙에는 제2 인공뼈(120)의 상단부를 고정하는데 사용되는 제2 뼈 고정부(222a)가 형성될 수 있다. 제2 뼈 고정부(222a)는 제2 인공뼈(120)의 고정 위치를 다양하게 변경할 수 있도록 복수의 위치에 각각 형성될 수 있다. 하지만, 본 실시예에서는, 제2 뼈 고정부(222a)가 탑 부재(222)의 하면부 중앙에 홀 또는 홈 형상으로 제1 뼈 고정부(212a)와 대응되는 위치에 단수개가 형성된 것으로 설명한다. 이때, 제2 인공뼈(120)의 제2 인공뼈 본체(122)의 하단부에는 제2 뼈 고정부(222a)에 고정되기 위한 뼈 고정돌기가 돌출되게 형성될 수 있다. 한편, 제2 뼈 고정부(222a)와 뼈 고정돌기는 제2 인공뼈(120)의 임의 회전을 방지하도록 타원형이나 다각형의 단면 형상으로 형성될 수 있다.
한편, 제2 링크 부재(224)의 하단부에는 탑 부재(222)의 하면부 양측에 각각 형성된 복수개의 제2 링크 고정홀에 선택적으로 체결 고정되는 제2 링크 고정부(226)가 마련될 수 있다. 상기와 같은 제2 링크 고정부(226)는 복수개의 제2 링크 고정홀 중 어느 하나에 체결 부재로 설치 고정될 수 있고, 그에 따라 제2 링크 부재(224)들 사이의 거리가 다양하게 변경될 수 있다.
제1 링크 부재(214)의 상단부에는 제1 링크 연결부(214a)가 형성될 수 있고, 제2 링크 부재(224)의 하단부에는 제2 링크 연결부(224a)가 형성될 수 있다. 제1 링크 부재(214)와 제2 링크 부재(224)는 제1 링크 연결부(214a)와 제2 링크 연결부(224a)에 체결부재를 체결하여 회전 가능하게 연결할 수 있다. 이때, 제1 링크 연결부(214a) 또는 제2 링크 연결부(224a) 중 적어도 어느 하나는 복수개로 마련됨으로써, 제1 링크 연결부(214a)와 제2 링크 연결부(224a)의 연결 위치를 변경하여 제1 링크 부재(214)와 제2 링크 부재(224)의 연결 길이를 간편하게 조절할 수 있고, 그에 따라 제1 인공뼈(110)의 제1 연골(114) 및 제2 인공뼈(120)의 제2 연골(124) 사이의 간격을 환자의 관절 형상에 따라 다양하게 변경할 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 단수개의 제1 링크 연결부(214a)가 제1 링크 부재(214)에 형성되고, 복수개의 제2 링크 연결부(224a)가 제2 링크 부재(224)에 형성된 것으로 설명한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 지그 구동 유닛(230)은, 제1 지그(210)의 제1 링크 부재(214) 및 제2 지그(220)의 제2 링크 부재(224)를 연결한 부위에 배치될 수 있다. 지그 구동 유닛(230)은 제1 링크 부재(214)와 제2 링크 부재(224)의 연결부에 연결되되, 제1 링크 부재(214)와 제2 링크 부재(224)의 연결부를 중심으로 제2 지그(220)를 회전시키도록 작동될 수 있다. 따라서, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 관절 운동이 환자의 관절 운동을 원활하게 모사할 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 지그 구동 유닛(230)이 제2 링크 부재(224)에 회전축이 연결된 구동 모터를 포함하는 것으로 설명한다. 이때, 구동 모터는 제1 링크 부재(214)에 장착되는 것이 바람직하다.
도 4를 참조하면, 본 실시예의 힘 측정 유닛(300)은, 힘 계측 지그(200)의 작동시 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 인공 관절에 작용되는 힘을 실시간으로 측정할 수 있다. 즉, 힘 측정 유닛(300)은, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 관절 운동시 관절 부위에 작용되는 힘을 측정하도록 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 관절 부위에 배치될 수 있다.
예를 들면, 힘 측정 유닛(300)은, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 관절 운동시 제1 연골(114)과 제2 연골(124)에 작용되는 힘의 변화량을 측정하는 로드셀을 포함할 수 있다. 로드셀은 제1 연골(114) 또는 제2 연골(124) 중 적어도 하나의 내부에 배치될 수 있다. 즉, 로드셀은, 제1 인공뼈 본체(112)와 제1 연골(114)의 사이에 매립되게 배치되거나, 또는 제2 인공뼈 본체(122)와 제2 연골(124)의 사이에 매립되게 배치될 수 있다.
이하, 본 실시예에서는 힘 측정 유닛(300)이 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)에 모두 설치되는 것으로 설명하지만, 이에 한정되지 않고 제1 인공뼈(110)에만 설치되거나 제2 인공뼈(120)에만 설치될 수 있다. 상기와 같은 힘 측정 유닛(300)의 배치 구조는 관절 운동 계측 시스템(1000)의 설계 조건 및 관절의 구조에 따라 변경될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예의 관절 평가 유닛(400)은, 힘 측정 유닛(300)에 측정된 힘의 변화량을 분석하여 환자의 관절에 대한 연골 조직의 상태를 평가할 수 있다. 이를 위하여, 관절 평가 유닛(400)은 힘 측정 유닛(300)의 측정 결과를 전달 받도록 힘 측정 유닛(300)에 유선 방식 또는 무선 방식으로 연결될 수 있다. 이하, 본 실시예에서는 관절 평가 유닛(400)이 무선 방식으로 힘 측정 유닛(300)과 연결되는 것으로 설명한다.
따라서, 관절 평가 유닛(400)은, 힘 측정 유닛(300)에 측정된 힘의 변화량을 분석하여 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 인공 관절이 모사하고 있는 환자의 무릎 관절에 대한 연골 조직의 상태를 간접적으로 분석할 수 있고, 이를 이용하여 연골 조직의 손상을 미리 평가하여 환자의 관절 수술을 위한 데이터를 획득할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템(2000)이 개략적으로 도시된 도면이다.
도 5에서 도 1 내지 도 4에 도시된 참조부호와 동일 유사한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이하에서는 도 1 내지 도 4에 도시된 관절 운동 계측 시스템(1000)과 상이한 점을 중심으로 서술하도록 한다.
도 5을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 관절 운동 계측 시스템(2000)이 도 1 내지 도 4에 도시된 관절 운동 계측 시스템(1000)과 상이한 점은, 힘 측정 유닛(310)이 인공 인대(130)에 배치되는 구조라는 점에 차이가 있다.
본 실시예의 관절 운동 계측 시스템(2000)은, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 관절 부위에 인공 인대(130)가 배치되되, 힘 측정 유닛(310)은 인공 인대(130)에 가해지는 힘을 측정하도록 인공 인대(130)와 연결될 수 있다.
여기서, 인공 인대(130)는 환자의 무릎 관절에 있는 인대를 모사하는 와이어 타입의 구성으로서, 제1 인공뼈(110)의 상단부와 제2 인공뼈(120)의 하단부에 뚫려진 구멍에 연결될 수 있다. 인공 인대(130)의 일측은 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)에 연결될 수 있고, 인공 인대(130)의 타측은 힘 측정 유닛(310)에 연결될 수 있다.
참고로, 인공 인대(130)는 환자의 무릎 관절에 있는 4가지 인대 중 전방 십자 인대를 제외한 후방 십자 인대, 내방 측부 인대, 외측 측부 인대를 모사할 수 있다. 상기와 같은 인공 인대(130)들 중 힘 측정 유닛(310)과 연결되지 않은 인공 인대(130)들의 양단부는, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 관절 부위에 각각 고정될 수 있다.
또한, 힘 측정 유닛(310)은, 힘 계측 지그(200)에 의해 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 인공 관절이 환자의 관절 운동을 구현할 때 인공 인대(130)에 가해지는 힘이 어떻게 달라지는지 측정할 수 있다. 예를 들면, 힘 측정 유닛(310)은, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)의 관절 운동시 인공 인대(130)에 작용되는 힘의 변화량을 측정하도록 인공 인대(130)와 연결되는 로드셀을 포함할 수 있다.
상기와 같은 힘 측정 유닛(310)은 힘 계측 지그(200)의 외측으로 소정 거리 이격된 위치에 배치될 수 있다. 이때, 인공 인대(130)는 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)에서 힘 측정 유닛(310)으로 길게 연장되어 힘 측정 유닛(310)에 연결될 수 있다.
한편, 본 실시예의 관절 운동 계측 시스템(2000)에서는, 힘 측정 유닛(310)이 인공 인대(130)에만 연결된 구조로 설명하되, 설명의 편의를 위하여 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)에 힘 측정 유닛을 설치하지 않은 구조인 것으로 설명하고 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 도 4에 도시된 것과 같이 힘 측정 유닛(300)을 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)에 설치할 수 있으며, 그런 경우라도 힘 측정 유닛(310)이 인공 인대(130)에 작용되는 힘의 변화량을 측정하는데 전혀 문제가 없다.
또한, 본 실시예의 관절 운동 계측 시스템(2000)에서는, 제1 인공뼈(110)와 제2 인공뼈(120)가 도 4에 도시된 것과 같이 인공뼈 몸체(112, 122)와 연골(114, 124)로 구성된 것으로 설명한다. 하지만, 본 실시예와 같이 힘 측정 유닛(300)이 인공뼈(100)에 설치되지 않는 구조의 경우 인공뼈(100)를 인공뼈 몸체(112, 122)로만 구성하고 연골은 생략할 수도 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
1000, 200: 관절 운동 계측 시스템
100: 인공뼈
110: 제1 인공뼈
120: 제2 인공뼈
130: 인공 인대
200: 힘 계측 지그
210: 제1 지그
220: 제2 지그
230: 지그 구동 유닛
300, 310: 힘 측정 유닛
400: 관절 평가 유닛
100: 인공뼈
110: 제1 인공뼈
120: 제2 인공뼈
130: 인공 인대
200: 힘 계측 지그
210: 제1 지그
220: 제2 지그
230: 지그 구동 유닛
300, 310: 힘 측정 유닛
400: 관절 평가 유닛
Claims (10)
- 환자의 관절을 모사하기 위한 인공 관절을 형성하는 복수개의 인공뼈; 및
상기 인공뼈들이 설치 고정되고, 상기 환자의 관절 운동을 모사하도록 상기 인공뼈들을 동작시키는 힘 계측 지그;
상기 힘 계측 지그의 작동시 상기 인공 관절에 작용되는 힘을 측정하는 힘 측정 유닛; 및
상기 힘 측정 유닛에 측정된 힘의 변화량을 분석하여 상기 환자의 관절에 대한 연골 조직의 상태를 평가하는 관절 평가 유닛;
를 포함하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 인공뼈들은, 상기 환자의 관절을 형성하는 제1 뼈에 대응되는 형상으로 마련된 제1 인공뼈; 및 상기 제1 뼈와 함께 관절을 형성하는 제2 뼈에 대응되는 형상으로 마련된 제2 인공뼈;로 제공되고,
상기 힘 계측 지그는, 상기 제1 인공뼈가 고정되는 제1 지그; 상기 제1 지그와 회전 가능하게 연결되고, 상기 제1 인공뼈과 상기 제2 인공뼈가 상기 환자의 관절을 모사한 인공 관절을 형성하도록 상기 제2 인공뼈가 고정되는 제2 지그; 및 상기 제2 지그와 상기 제1 지그의 연결부에 배치되고, 상기 제1 지그와 상기 제2 지그의 연결부를 중심으로 상기 제2 지그를 회전시켜 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동을 모사하는 지그 구동 유닛;을 포함하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 제1 인공뼈는, 상기 제1 뼈와 동일하게 형성된 제1 인공뼈 본체; 및 상기 제1 인공뼈 본체의 관절 부위에 상기 제1 인공뼈 본체보다 연한 재질로 형성된 제1 연골;을 포함하고,
상기 제2 인공뼈는, 상기 제2 뼈와 동일하게 형성된 제2 인공뼈 본체; 및 상기 제2 인공뼈 본체의 관절 부위에 상기 제2 인공뼈 본체보다 연한 재질로 형성된 제2 연골;을 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제3항에 있어서,
상기 힘 측정 유닛은, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동시 상기 관절 부위에 작용되는 힘을 측정하도록 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 부위에 배치되는 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 힘 측정 유닛은, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동시 상기 제1 연골과 상기 제2 연골에 작용되는 힘의 변화량을 측정하도록 상기 제1 연골 또는 상기 제2 연골 중 적어도 하나의 내부에 배치되는 로드셀을 포함하며,
상기 로드셀은, 상기 제1 인공뼈 본체와 상기 제1 연골의 사이에 매립되게 배치되거나, 또는 상기 제2 인공뼈 본체와 상기 제2 연골의 사이에 매립되게 배치되는 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 제1 인공뼈 본체와 상기 제2 인공뼈 본체에는 인공 인대가 연결되고,
상기 힘 측정 유닛은, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 운동시 상기 인공 인대에 작용되는 힘의 변화량을 측정하도록 상기 인공 인대와 연결되는 로드셀을 포함하며,
상기 로드셀은 상기 힘 계측 지그에서 이격된 위치에 배치되고, 상기 인공 인대는 상기 로드셀을 향해 길게 연장되어 상기 로드셀에 연결되는 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 지그는 바닥면에 안착 고정되고,
상기 제2 지그의 하단부는 상기 제1 지그의 상단부에 회전 가능하게 연결되며,
상기 지그 구동 유닛은, 상기 제2 지그의 하단부에 회전축이 연결되도록 상기 제1 지그의 상단부에 장착된 구동 모터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제7항에 있어서,
상기 제1 지그는, 상기 바닥면에 안착되고, 상기 제1 인공뼈의 관절 부위의 반대편이 상면부 중앙에 고정되는 베이스 부재; 및 상기 베이스 부재의 상면부 양측에 각각 배치되고, 상기 베이스 부재의 상면부에서 수직 방향으로 길게 연장된 제1 링크 부재;를 포함하고,
상기 제2 지그는, 상기 제1 링크 부재의 상측에 배치되고, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 관절 부위가 서로 접촉되도록 상기 제2 인공뼈의 관절 부위의 반대편이 하면부 중앙에 고정된 탑 부재; 및 상기 탑 부재의 하면부 양측에 각각 배치되고, 상기 탑 부재의 하면부에서 수직 방향으로 길게 연장되어 상기 제1 링크 부재에 회전 가능하게 연결된 제2 링크 부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 베이스 부재와 상기 탑 부재에는, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈를 고정하기 위한 뼈 고정부가 각각 형성되고,
상기 베이스 부재 또는 상기 탑 부재 중 적어도 어느 하나에는, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 고정 위치를 상기 환자의 관절 형상에 따라 변경하도록 상기 뼈 고정부가 복수의 위치에 각각 마련된 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
- 제8항에 있어서,
상기 제1 링크 부재와 상기 제2 링크 부재에는, 상기 제1 인공뼈와 상기 제2 인공뼈의 간격을 상기 환자의 관절 형상에 따라 변경하도록 상기 제1 링크 부재와 상기 제2 링크 부재의 연결 길이를 조절하기 위한 복수개의 링크 연결부가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 관절 운동 계측 시스템.
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