KR101617686B1

KR101617686B1 - 환자 맞춤형 정형외과 임플란트 플레이트용 가변형 금형장치

Info

Publication number: KR101617686B1
Application number: KR1020150043554A
Authority: KR
Inventors: 정인호
Original assignee: 학교법인 김천대학교
Priority date: 2015-03-27
Filing date: 2015-03-27
Publication date: 2016-05-03

Abstract

본 발명은 골절된 환자로부터 추출된 3차원 데이터로부터 윤곽 가공된 평판 플레이트를 골과 동일한 곡면으로 벤딩시키는 금형장치에 있어서: 상기 플레이트를 수용하는 크기를 가지는 상·하부다이와, 상기 상부다이와 연결되어 플레이트를 소정의 압력으로 가압하는 고정실린더를 구비하는 고정유닛; 상기 상·하부다이에 각각 장착되는 한 쌍의 성형다이와, 상기 성형다이 내에 서로 대향하게 배열되어 플레이트를 골과 동일한 곡면으로 벤딩하는 다수의 성형실린더를 구비하는 성형유닛; 및 상기 고정실린더와 성형실린더에 연결되어 유압을 발생하는 유압펌프와, 상기 발생된 유압을 설정된 시퀀스에 따라 유로를 제어하는 조절밸브를 구비하는 제어유닛;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라 본 발명은, 유압실린더를 이용하여 플레이트를 벤딩함에 따라 플레이트의 두께에 구애받지 않고 벤딩이 가능하면서도 유압실린더의 컴팩트한 크기로 정밀도를 향상시키는 효과가 있다.

Description

환자 맞춤형 정형외과 임플란트 플레이트용 가변형 금형장치{Variable type mold device for patient-customized orthopedic implant plate}

본 발명은 정형외과 임플란트 플레이트를 벤딩하는 금형장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 골절된 환자로부터 추출된 3차원 데이터로부터 윤곽 가공된 평판 플레이트를 골과 동일한 곡면으로 벤딩하는 환자 맞춤형 정형외과 임플란트 플레이트용 가변형 금형장치에 관한 것이다.

통상 골절은 단순골절, 복합골절, 개방골절 등 여러 종류가 있다. 골절 자체는 큰 문제가 되지 않을 수 있으나 골절로 인한 2차적인 손상, 즉 지방 색전증, 구획 증후군, 부정유합, 불유합, 무혈성 골괴사 등의 합병증이 문제가 된다. 여기서 분쇄 골절(뼈가 조각으로 부서지는 것), 유합이 잘 되지 않는 골절에는 인체 친화적인 본 플레이트(bone plate)와 본 스크류(bone screw)등의 내고정물을 사용하여 골절부위를 고정하게 된다. 이때, 본 플레이트는 골절면의 곡면에 정합하도록 변형하여 부착해줌으로서 골절 조각을 정확하게 고정할 수가 있다.

골 고정술에 사용하는 내고정물에 관련한 연구나 개발은 지속적으로 수행되고 있다. 그러나 본 플레이트의 곡면을 성형하기 위한 벤딩장치(bending divicel)에 대한 연구는 거의 진행되지 않고 있다. 현재까지 골절 환자의 외적 고정을 위한 시술은 의사가 환자의 골절 부위를 절개하여 노출시키고 육안으로 보면서 골절 조각을 정확하게 맞춘 다음, 밴딩장치를 이용하여 본 플레이트를 구부려 덧대는 방식이 사용되고 있다. 이러한 방식은 고정할 부위에 본 플레이트가 정합할 수 있도록 여러 번의 시행착오를 거쳐야만 한다. 따라서 평준화된 인체의 골에 대한 데이터를 수집하고, 수집된 데이터를 기초로 사전에 밴딩시킨 기성품 형태의 플레이트가 대체되고 있다. 그러나 환자 개개인마다 골 형태가 각기 달라 수술 이후에 이질감커서 불편을 초래할 뿐만 아니라 심지어 골과 플레이트 사이의 공간으로 이물질이끼이거나 불필요한 조직이 성장하여 부작용이 발생하는 문제가 있다.

최근 연구에서는 유연 광섬유 곡률 센서 (flexible fiber optic curvature sensor) 또는 광유도 프로브 (optically tracked probe)를 이용하여 골절 부위의 3차원 곡면을 측정하는 방법들이 개발되었으나, 골절 부위를 절개하여 노출시키고 측정 장치를 수술부위에 접촉시켜야 하는 단점이 있다. 또한 본 플레이트의 모양을 측정된 곡면과 일치하도록 수정하기 위해서는 여전히 의사가 밴딩 장치를 이용하여 수동으로 조정해야만 했다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 일환으로 한국 등록특허공보 제1147936호"3차원 골 영상 시뮬레이션 기술을 이용한 본 플레이트 제작 방법"이 제안되었다. 제안된 방법은 환자의 골을 3차원 영상 데이터를 생성하고, 생성된 데이터로 플레이트를 가상의 3D 모델로 생성한 이후에 성형장치가 데이터를 토대로 벤딩하였다. 따라서 환자 맞춤형 플레이트를 제공할 수가 있었으며 최소 침습적 수술이 가능하므로 환자의 회복시간을 단축시킬 수가 있었다. 그러나 플레이트를 벤딩하는 성형장치를 살펴보면, 다이 상에 나사선으로 체결되는 다수의 압착봉이 구비되고, 구동부에 의해 데이터를 토대로 높낮이가 가변되는 구조이다. 이러한 구조는 한국 등록특허공보 제1030382호"금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치 및 이를 구비한 가변형 금형장치"에 보다 상세히 개시되어 있다. 즉, 전자와 후자에 따르면 압착봉(펀치)가 스크류(나사산)로 연결시켜 모터의 회전에 따라 압착봉의 높낮이를 가변하여 설정 곡면으로 벤딩하는 기술이 제안된다.

그러나 압착봉이 나사산에 연결되므로 벤딩될 플레이트의 두께가 제한되거나 정밀도가 낮을 수 밖에 없는 단점이 있다. 여기서 설정된 다이 내에 압착봉이 배열되는 간격이 좁으면서 개수가 많을수록 벤딩 해상도(정밀도)가 높아지게 된다. 즉, 압착봉의 강도를 높이기 위해서는 압착봉의 크기가 나사산에 비례하는 크기로 커질 수 밖에 없으므로 정밀도가 낮아질 수 밖에 없다. 반대로 정밀도를 높이기 위해서 압착봉의 크기를 줄이면 나사산이 작아지므로 견딜 수 있는 강도가 낮아지게 된다. 또한, 압착봉의 작동을 위해서 모터를 개별적으로 연결해야 하면서도 압착봉의 후퇴를 방지하기 위해 브레이킹 기능을 가진 모터를 사용해야 함에 따라 전반적인 비용이 증가되며 유지보수가 어려운 문제가 있다. 더욱이 이러한 모터를 상·하부 다이에 모두 장착되어야 하며 이들을 각기 제어하기가 복잡하고 어려운 문제가 있다.

한국 등록특허공보 제1147936호"3차원 골 영상 시뮬레이션 기술을 이용한 본 플레이트 제작 방법" 한국 등록특허공보 제1030382호"금속판 성형을 위한 가변형 금형장치용 성형펀치 및 이를 구비한 가변형 금형장치"

이에 따라 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 근본적으로 해결하기 위한 것으로서, 유압실린더를 이용하여 플레이트를 벤딩함에 따라 플레이트의 두께에 구애받지 않고 벤딩이 가능하면서도 유압실린더의 컴팩트한 크기로 정밀도를 향상시키며 서로 대향하는 유압실린더끼리 연동시켜 유지보수와 함께 제어가 용이한 환자 맞춤형 정형외과 임플란트 플레이트용 가변형 금형장치를 제공하려는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 골절된 환자로부터 추출된 3차원 데이터로부터 윤곽 가공된 평판 플레이트를 골과 동일한 곡면으로 벤딩시키는 금형장치에 있어서: 상기 플레이트를 수용하는 크기를 가지는 상·하부다이와, 상기 상부다이와 연결되어 플레이트를 소정의 압력으로 가압하는 고정실린더를 구비하는 고정유닛; 상기 상·하부다이에 각각 장착되는 한 쌍의 성형다이와, 상기 성형다이 내에 서로 대향하게 배열되어 플레이트를 골과 동일한 곡면으로 벤딩하는 다수의 성형실린더를 구비하되, 상기 성형실린더는 유압에 의해 승·하강 운동하는 로드의 일단에 플레이트의 표면과 점 접촉되는 구형의 성형블록을 교체 가능하게 구비하는 성형유닛; 및 상기 고정실린더와 성형실린더에 연결되어 유압을 발생하는 유압펌프와, 상기 발생된 유압을 서로 마주하는 성형실린더의 비대칭 되는 유로끼리 병렬로 연결되어 플레이트의 두께만큼 이격된 상태를 유지하면서 연동 작동시키는 조절밸브를 구비하는 제어유닛;을 포함하여 이루어지되, 상기 조절밸브는 1차적으로 고정실린더로 일정 유압을 가해서 성형실린더에 작용되는 압력을 검출하여 플레이트의 위치를 감지한 후, 2차적으로 플레이트가 위치하는 영역내로 배열된 성형실린더로 3차원 데이터로 산출된 매트릭스의 곡률 값과 일치하는 유압을 가해서 플레이트를 환자의 골과 동일한 곡면으로 벤딩하는 것을 특징으로 한다.

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한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상의 구성 및 작용에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 플레이트를 유압으로 성형하므로 플레이트의 두께와 형상에 구애받지 않고 정밀한 벤딩이 가능하고, 플레이트의 위치를 자동으로 감지해주므로 신속한 작업과 정확성으로 전반적인 품질을 향상함과 동시에 공수를 절감할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 금형장치를 전체적으로 나타내는 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 금형장치의 요부를 나타내는 정면도.
도 3은 본 발명에 따른 금형장치의 성형유닛을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 성형유닛의 성형실린더를 나타내는 구성도.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 금형장치의 벤딩과정을 나타내는 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

본 발명은 골절된 환자로부터 추출된 3차원 데이터로부터 윤곽 가공된 평판 플레이트(P)를 골(B)과 동일한 곡면으로 벤딩하는 금형장치에 관련되며, 고정유닛(10)과 성형유닛(20) 및 제어유닛(30)을 주요 구성으로 하는 환자 맞춤형 정형외과 임플란트 플레이트용 가변형 금형장치이다.

본 발명에 따른 고정유닛(10)은 도 1처럼 성형유닛(20)이 플레이트(P)를 벤딩하기 이전에 플레이트(P)를 안정적으로 고정해줌과 동시에 제어유닛(30)이 성형유닛(20)상에 투입된 플레이트(P)의 위치가 검출되게 가압한다. 이러한 고정유닛(10)은 도 2처럼 플레이트(P)를 수용하는 크기를 가지는 상·하부다이(11)(12)와, 상부다이(11)와 연결되어 플레이트(P)를 소정의 압력으로 가압하는 고정실린더(15)로 이루어진다. 즉, 하부다이(12)는 고정유닛(10)에 고정되고 상부다이(11)는 하부다이(12)와 대향하는 위치에 가이드를 따라 승하강 운동되게 장착된다. 고정실린더(15)는 고정유닛(10)의 상단에 장착되어 제어유닛(30)에 따라 상부다이(11)의 승하강 운동력을 부여한다.

또한, 본 발명에 따른 성형유닛(20)은 도 1처럼 고정유닛(10)상에 장착되어 플레이트(P)를 골(B)과 동일한 곡면으로 벤딩한다. 이러한 성형유닛(20)은 도 2처럼 상·하부다이(11)(12)에 각각 장착되는 한 쌍의 성형다이(21)와, 성형다이(21)내에 서로 대향하게 배열되는 다수의 성형실린더(25)로 이루어진다. 성형다이(21)는 일면에 다수의 성형실린더(25)를 장착시키는 구획홈이 형성되고, 구획홈과 외면에 성형실린더(25)로 유압이 공급되게 연결하는 배관(도면 미도시)이 장착된다.

성형실린더(25)는 도 3처럼 성형다이(21)의 구획홈 내에 비교적 촘촘한 간격으로 장착된다. 성형실린더(25)의 간격이 촘촘할수록 플레이트(P)의 벤딩 정밀도를 향상할 수가 있다. 이러한 성형실린더(25)는 복동형으로서 도 4처럼 유압에 의해 승·하강 운동하는 로드가 구비되고, 유압이 입출되는 헤드측 유로와 로드측 유로가 형성된다. 여기서 로드의 일단에는 성형블록(26)이 장착된다. 즉, 플레이트(P)를 소정의 곡면으로 정밀하게 벤딩하기 위해서는 접촉하는 면적을 최소화 하는 것이 좋다. 그러나 잦은 가압에 의해 성형블록(35)의 접촉부위가 마모될 가능성이 높다. 따라서 성형블록(36)은 플레이트(P)의 표면과 점 접촉되는 구형이나 타원형으로 형성되며 로드로부터 교체가능하게 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 제어유닛(30)은 도 3처럼 고정유닛(10)과 성형유닛(20)에 배관으로 연결되어 작동력을 부여하면서 작동을 제어한다. 이러한 제어유닛(30)은 일정한 유압을 연속으로 발생시키는 유압펌프(31)와, 유압펌프(31)와 배관으로 연결되어 발생된 유압을 설정된 시퀀스에 따라 유로를 제어하는 조절밸브(35)로 이루어진다. 유압펌프(31)는 모터의 회전에 따라 작동유를 조절밸브(35)로 압송하고, 조절밸브(35)는 솔레노이드 또는 서보모터에 의해 유로를 조절하여 고정실린더(15)와 성형실린더(25)로 유압을 전달한다.

여기서 조절밸브(35)는 도 4a처럼 서로 마주하는 성형실린더(25)의 비대칭 되는 유로끼리 병렬로 연결된다. 즉, 상측 성형실린더(25)의 헤드측 유로와 하측 성형실린더(25)의 로드측 유로가 하나의 제1배관으로 병합되고, 상측 성형실린더(25)의 로드측 유로와 하측 성형실린더(25)의 헤드측 유로가 하나의 제2배관으로 병합되어 조절밸브(35)와 연결된다.

예컨대, 도 4b처럼 제1배관으로 유압을 유입시키면 제2배관으로 유압이 리턴되면서 상·하측 성형실린더(25)가 동시에 작동하게 된다. 따라서 한 쌍의 성형실린더(25)를 동시에 작동할 수가 있어 구조가 간소화되면서 제어가 용이하다. 무엇보다 플레이트(P)의 두께만큼 이격된 상태를 유지하면서 작동되므로 벤딩 정밀도를 향상할 수가 있다.

본 발명에 따른 금형장치의 벤딩과정을 살펴보면 다음과 같다. 먼저 도 5처럼 환자로부터 MRI 촬영을 통하여 3차원 골(B) 데이터를 추출한다. 여기서 골절된 부위 외에 정상적인 골(B) 데이터도 동시에 추출한다. 예컨대, 왼팔이 골절 시에 정상적인 오른팔의 골(B) 데이터도 동시에 추출한다. 그리고 도 6처럼 골절된 골(B) 데이터를 토대로 플레이트(P)의 윤곽형상과 두께를 설정하고, 설정된 윤곽 프로파일을 정상 골(B) 데이터에 일치시킨다. 그리고 윤곽 프로파일에 일치된 정상 골(B) 데이터를 토대로 곡률 값을 산출한 다음 제어유닛(30)으로 전송한다. 여기서 곡률 값은 성형실린더(25)가 배열되는 매트릭스를 토대로 산출된다.

이어서 윤곽 프로파일을 MCT로 전송하여 도 8(좌측)처럼 평판형의 임시 플레이트(P)를 확보한 이후에 임시 플레이트(P)를 성형실린더(25) 사이에 투입한다. 그리고 조절밸브(35)가 고정실린더(15)로 일정 유압을 가해서 임시 플레이트(P)를 가압한다. 여기서 조절밸브(35)는 도 7처럼 임시 플레이트(P)와 접촉되는 성형실린더(25)에 작용되는 압력을 검출하여 플레이트(P)의 위치를 감지한다. 감지가 완료되면 임시 플레이트(P)가 위치하는 영역내로 배열된 성형실린더(25)에 산출된 매트릭스의 곡률 값과 일치하는 유압을 가해서 임시 플레이트(P)를 환자의 골(B)과 동일한 곡면으로 벤딩한다.

밴딩이 완료되면 도 8(우측)처럼 환자의 골(B)과 동일한 곡면을 가지는 플레이트(P)가 완성된다. 완성된 플레이트(P)는 MCT가공을 거쳐 나사홀이 형성되고, 후처리 과정을 거쳐 병원으로 납품된다. 이러한 과정은 제조공장과 병원이 연동하여 실시간 작업이 가능하며 자동화를 통하여 당일이내로 납품이 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

B: 골 P: 플레이트
10: 고정유닛 11: 상부다이
12: 하부다이 15: 고정실린더
20: 성형유닛 21: 성형다이
25: 성형실린더 26: 성형블록
30: 제어유닛 31: 유압펌프
35: 조절밸브

Claims

골절된 환자로부터 추출된 3차원 데이터로부터 윤곽 가공된 평판 플레이트를 골과 동일한 곡면으로 벤딩시키는 금형장치에 있어서:
상기 플레이트를 수용하는 크기를 가지는 상·하부다이와, 상기 상부다이와 연결되어 플레이트를 소정의 압력으로 가압하는 고정실린더를 구비하는 고정유닛;
상기 상·하부다이에 각각 장착되는 한 쌍의 성형다이와, 상기 성형다이 내에 서로 대향하게 배열되어 플레이트를 골과 동일한 곡면으로 벤딩하는 다수의 성형실린더를 구비하되, 상기 성형실린더는 유압에 의해 승·하강 운동하는 로드의 일단에 플레이트의 표면과 점 접촉되는 구형의 성형블록을 교체 가능하게 구비하는 성형유닛; 및
상기 고정실린더와 성형실린더에 연결되어 유압을 발생하는 유압펌프와, 상기 발생된 유압을 서로 마주하는 성형실린더의 비대칭 되는 유로끼리 병렬로 연결되어 플레이트의 두께만큼 이격된 상태를 유지하면서 연동 작동시키는 조절밸브를 구비하는 제어유닛;을 포함하여 이루어지되, 상기 조절밸브는 1차적으로 고정실린더로 일정 유압을 가해서 성형실린더에 작용되는 압력을 검출하여 플레이트의 위치를 감지한 후, 2차적으로 플레이트가 위치하는 영역내로 배열된 성형실린더로 3차원 데이터로 산출된 매트릭스의 곡률 값과 일치하는 유압을 가해서 플레이트를 환자의 골과 동일한 곡면으로 벤딩하는 것을 특징으로 하는 환자 맞춤형 정형외과 임플란트 플레이트용 가변형 금형장치.
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