초음파 수술기의 수술 효율성 향상을 위한 진동자 임피던스 측정에 따른 조직 분류 연구 Classification of Organs Using Impedance of Ultrasonic Surgical Knife to improve Surgical Efficiency원문보기
Ultrasonic shears is currently in wide use as an energy device for minimal invasive surgery. There is an advantage of minimizing the carbonization behavior of the tissue due to the vibrational energy transfer system of the transducer by applying a piezoelectric ceramic. However, the vibrational ener...
Ultrasonic shears is currently in wide use as an energy device for minimal invasive surgery. There is an advantage of minimizing the carbonization behavior of the tissue due to the vibrational energy transfer system of the transducer by applying a piezoelectric ceramic. However, the vibrational energy transfer system has a pitfall in energy consumption. When the movement of the forceps is interrupted by the tissue, the horn which transfers the vibrational energy of the transducer will be affected. A study was performed to recognize different tissues by measuring the impedance of the transducer of the ultrasonic shears in order to find the factor of energy consumption according to the tissue. In the first stage of the study, the voltage and current of the transducer connecting portion were measured, along with the phase changes. Subsequently, in the second stage, the impedance of the transducer was directly measured. In the final stage, using the handpiece, we grasped the tissue and observed the impedance differences appeared in the transducer To verify the proposed tissue distinguishing method, we used the handpiece to apply a force between 5N and 10N to pork while increasing the value of the impedance of the transducer from 400 ${\Omega}$.. It was found that fat and skin tissue, tendon, liver and protein all have different impedance values of 420 ${\Omega}$, 490 ${\Omega}$, 530 ${\Omega}$, and 580 ${\Omega}$, respectively. Thus, the impedance value can be used to distinguish the type of tissues grasped by the forceps. In the future study, this relationship will be used to improve the energy efficiency of ultrasonic shears.
Ultrasonic shears is currently in wide use as an energy device for minimal invasive surgery. There is an advantage of minimizing the carbonization behavior of the tissue due to the vibrational energy transfer system of the transducer by applying a piezoelectric ceramic. However, the vibrational energy transfer system has a pitfall in energy consumption. When the movement of the forceps is interrupted by the tissue, the horn which transfers the vibrational energy of the transducer will be affected. A study was performed to recognize different tissues by measuring the impedance of the transducer of the ultrasonic shears in order to find the factor of energy consumption according to the tissue. In the first stage of the study, the voltage and current of the transducer connecting portion were measured, along with the phase changes. Subsequently, in the second stage, the impedance of the transducer was directly measured. In the final stage, using the handpiece, we grasped the tissue and observed the impedance differences appeared in the transducer To verify the proposed tissue distinguishing method, we used the handpiece to apply a force between 5N and 10N to pork while increasing the value of the impedance of the transducer from 400 ${\Omega}$.. It was found that fat and skin tissue, tendon, liver and protein all have different impedance values of 420 ${\Omega}$, 490 ${\Omega}$, 530 ${\Omega}$, and 580 ${\Omega}$, respectively. Thus, the impedance value can be used to distinguish the type of tissues grasped by the forceps. In the future study, this relationship will be used to improve the energy efficiency of ultrasonic shears.
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문제 정의
또한 조직의 특성에 따라 임피던스의 측정값이 다르게 측정되는 것도 확인 하였다. 따라서 유전손실, 기계적 손실과 조직의 임피던스 측정값의 연관성을 규명하려 노력하였다. 이 결과에 따라 임피던스 수치에 따라 조직을 판별하여 조직에 맞는 에너지 컨트롤 시스템을 구축할 수 있다고 판단하였다.
본 논문에서 초음파 수술기의 진동자에 미치는 유전손실과 기계적 손실을 연구하였다. 집게와 진동자의 진동을 전달해주는 혼 사이 샘플 조직이 혼의 진동을 방해하여 유전손실과 기계적 손실의 원인으로 작용하는 것을 확인하였다.
본 연구는 초음파 수술기를 제작하고 만들어진 혼과 발진부를 이용하여 진동자의 샘플조직 측정 데이터를 이용한 조직간 지표를 구성하는 연구를 수행하였다.
특히 초음파 수술기의 장점을 극대화 하기 위해서는 전기 에너지를 초음파 진동 에너지로 변환하는 압전소재의 특징을 파악하여야 한다. 에너지 변환 및 전달 과정에서 발생하는 에너지의 전기적 특성을 관찰하고 이를 보상함으로써 효율적인 에너지 컨트롤 시스템을 구축하여 에너지를 전달하고자 하는 조직에 따른 소모 에너지 관계를 밝혀내어 조직에 따른 효율적인 에너지 제어를 할 수 있는 시스템 개발을 목표로 하였다[7].
제안 방법
먼저 실험을 하기 위하여 그림 4(a)의 압력측정기(pushpull gauge)에 4(b)와 같이 핸드피스(handpiece)를 장착하여 일정 압력에 따른 전압과 전류의 변화를 측정하였다.
집게와 진동자의 진동을 전달해주는 혼 사이 샘플 조직이 혼의 진동을 방해하여 유전손실과 기계적 손실의 원인으로 작용하는 것을 확인하였다. 또한 조직의 특성에 따라 임피던스의 측정값이 다르게 측정되는 것도 확인 하였다. 따라서 유전손실, 기계적 손실과 조직의 임피던스 측정값의 연관성을 규명하려 노력하였다.
본 실험에 앞서서 유전손실과 기계적 손실에 관여하는 요소로 작용하는 인자로 집게의 파지하는 힘의 변화와 파지하는 조직의 종류에 의한 변화로 예측을 하였고 이에 따라 실험을 진행하였다.
본 실험은 Rd(Cd의 손실에 대한 병렬 저항) 에 따른 전류의 유전손실 및 진동에 따른 내부 마찰에 의한 기계적 손실 측면에서 접근하여 실험을 실시 하였다. Rd 요소는 전극의 정전용량에 걸리는 병렬 저항 요소로서 외부의 표면적 접촉 마찰력 및 힘에 의해 발생하는 저항이다.
정전류 방식의 하모닉스칼펠에서 전압의 변화가 발생시키는 원인은 임피던스 이므로 핸드피스에 적은 량의 전압으로 임피던스의 변화 량을 관측할 수 있는 임피던스분석기(Impedance Analyzer, HP 4194A)를 활용한 실험방식을 채택하였다. 실험은 두 가지 케이스로 나누어 측정을 하였다. 실험은 진동자의 연결 커넥터에 그림 6에 표시된 핀에 임피던스 분석기를 직접 연결하여 측정을 실시하였다.
실험은 두 가지 케이스로 나누어 측정을 하였다. 실험은 진동자의 연결 커넥터에 그림 6에 표시된 핀에 임피던스 분석기를 직접 연결하여 측정을 실시하였다. 5 V의 낮은 전압으로 측정을 하였기에 탄화현상은 발생하지 않았다.
실험은 하모닉스칼펠의 집게 부위에 두께 4.39 mm의 젖은 휴지를 잡고 3 레벨 모드로 동작하여 핸드피스의 파지력을 압력측정기로 1N씩 증가시키면서 관찰하였다. 처음 기준은 전압과 전류의 측정값과 전압과 전류의 위상이 변화하는 시점을 0N으로 기준을 잡고 측정하였다.
5 mm, 피부(skin) 2 mm 이었다. 앞의 실험과 마찬가지로 임피던스와 위상이 변화하는 시점을 0N으로 기준을 잡고 시작하였으며 1N씩 증가시키며 측정하였다.
집게가 혼의 진동을 방해할 때 유전손실과 기계적 손실이 발생하게 된다는 것을 실험적으로 확인하였고 힘(N)의 변위가 변화함에 따라 임피던스(Ω)의 변위가 바뀐다는 것을 확인하였다. 이에 따라 집게 사이에 여러 종류의 돼지고기 샘플을 잡았을 때(부하 시) 각 조직 별로 어떠한 값으로 측정되는지 확인하고 실험 결과를 확인 하였을 때 결과 값에 의한 조직 별 분류가 가능한지 알아보기 위하여 실험을 실시하였으며 이에 따른 그래프의 형태는 그림 9과 같이 나타났다. 임피던스 측정 값은 실수부와 허수부의 크기로 치환한 값으로 산출 하였다.
이에 따라 집게 사이에 여러 종류의 돼지고기 샘플을 잡았을 때(부하 시) 각 조직 별로 어떠한 값으로 측정되는지 확인하고 실험 결과를 확인 하였을 때 결과 값에 의한 조직 별 분류가 가능한지 알아보기 위하여 실험을 실시하였으며 이에 따른 그래프의 형태는 그림 9과 같이 나타났다. 임피던스 측정 값은 실수부와 허수부의 크기로 치환한 값으로 산출 하였다.
처음은 집게에 샘플을 잡지 않았을 때(무부하 시) 집게가 혼의 진동을 방해하는 요소로 작용할 때에 따른 임피던스와 위상의 변화하는 값을 측정하였다. 임피던스와 위상이 변화하는 시점을 0N으로 기준을 잡고 측정을 시작하였으며 각 조직의 두께는 단백질(등심부위,protein) 0.8 mm, 지방(fat) 1.1 mm, 힘줄(tendon) 4.5 mm, 간(liver) 0.5 mm, 피부(skin) 2 mm 이었다. 앞의 실험과 마찬가지로 임피던스와 위상이 변화하는 시점을 0N으로 기준을 잡고 시작하였으며 1N씩 증가시키며 측정하였다.
전압 파형은 정전류를 유지하기 위하여 혼에 가해지는 압력에 따라 최대, 최소 값이 증가 및 감소하는 그래프 파형이며 그림 7에서 전류 파형보다 최대, 최소 값이 크게 나타나는 그래프이다. 전압 파형을 고정 시켜 기준 파형으로 측정을 실시 하였다. 이에 따라 전류 값의 위상이 오른쪽으로 이동하여 전압과 전류의 위상 차이를 나타내고 있다.
이에 따라 다른 방식의 실험 방법이 필요하였다. 정전류 방식의 하모닉스칼펠에서 전압의 변화가 발생시키는 원인은 임피던스 이므로 핸드피스에 적은 량의 전압으로 임피던스의 변화 량을 관측할 수 있는 임피던스분석기(Impedance Analyzer, HP 4194A)를 활용한 실험방식을 채택하였다. 실험은 두 가지 케이스로 나누어 측정을 하였다.
5 V의 낮은 전압으로 측정을 하였기에 탄화현상은 발생하지 않았다. 조직의 임피던스를 직접 측정하지 않고 진동자의 임피던스 만으로 조직을 분류 할 수 있는 지 확인 하기 위하여 진동자의 임피던스를 측정하였다.
집게에 파지하는 조직에 따른 Rd와 내부 마찰 계수가 변화하는 수치를 측정하기 위하여 진동자에 인가하는 전압 단에 전류프루브(A6303 & AM503B, Tektronix, 미국)와 오실로스코프(TDS5054, Tektronix, 미국)를 사용하여 전압과 전류를 측정하고 두 파형 사이에서 일어나는 위상차의 변화량을 측정하였다.
처음은 집게에 샘플을 잡지 않았을 때(무부하 시) 집게가 혼의 진동을 방해하는 요소로 작용할 때에 따른 임피던스와 위상의 변화하는 값을 측정하였다. 임피던스와 위상이 변화하는 시점을 0N으로 기준을 잡고 측정을 시작하였으며 각 조직의 두께는 단백질(등심부위,protein) 0.
성능/효과
하지만 5N이상의 힘이 가해지면 각 조직 별로 구분이 가능할 정도로 다른 변위 값을 나타내었다. 5N에서 10N사이에서 각 조직간 임피던스 증가 값은 각각 400 Ω에서 시작하여 단백질은 580 Ω, 간은 530 Ω, 힘줄은 490 Ω, 지방과 피부조직은 420 Ω으로 증가하여 구분이 가능하였다. 또한 위상의 변화는 임피던스의 기울기(Ω/N) 변화에 따라 변화하는 곡선을 나타낸다.
조직의 구성성분적인 측면으로 보았을 때 지방 함유량이 많은 부위인 지방, 피부조직이 임피던스 증가 폭이 적었으며 간과 힘줄 부위는 지방과 피부 조직에 비해 지방 함유량이 낮기 때문에 임피던스의 증가 폭이 지방과 피부 군에 비에 높게 나타났다. 그리고 마지막으로 단백질 조직은 지방함유량이 가장 적기 때문에 임피던스 증가 폭이 가장 높게 나타났다.
따라서 임피던스 그래프 상에서 10N을 기점으로 지방 조직은 −72º 이상 피부 조직은 −75º 이상에서 지속적으로 증가하였고 힘줄부위는 −82º로 거의 수평으로 나타났으며 등심과 간 조직은 −86º로 거의 수평으로 나타나며 구분이 가능하였다.
0~10N 구간에서는 음의 기울기(º/N)를 나타내고 있지만 10N 이후로는 양의 기울기(º/N)를 나타내고 있다. 위의 분석 결과에 따르면 10N이후로는 완전히 파지된 상태에서 약간씩의 변화만 발생하는 상태임을 알 수 있다.
따라서 유전손실, 기계적 손실과 조직의 임피던스 측정값의 연관성을 규명하려 노력하였다. 이 결과에 따라 임피던스 수치에 따라 조직을 판별하여 조직에 맞는 에너지 컨트롤 시스템을 구축할 수 있다고 판단하였다. 이에 따라 조직 별 에너지 조절을 하여 조직 별 절개 및 지혈 시간을 단축하여 수술에서 시행되는 회당 시술 시간을 최소화 하여 전체 수술시간을 단축하기 위한 목적을 달성하는 것이 가능하리라 예상하였다.
전압과 전류의 위상차이를 관측한 결과 0N일 때 4.72 µs, 11N일 때 6.32 µs로 변화하였으며 차이는 1.6 µs으로 이를 360º 위상 값으로 치환을 하게 되면 46.08º 의 위상차이를 나타내었다.
조직의 구성성분적인 측면으로 보았을 때 지방 함유량이 많은 부위인 지방, 피부조직이 임피던스 증가 폭이 적었으며 간과 힘줄 부위는 지방과 피부 조직에 비해 지방 함유량이 낮기 때문에 임피던스의 증가 폭이 지방과 피부 군에 비에 높게 나타났다. 그리고 마지막으로 단백질 조직은 지방함유량이 가장 적기 때문에 임피던스 증가 폭이 가장 높게 나타났다.
집게가 혼의 진동을 방해할 때 유전손실과 기계적 손실이 발생하게 된다는 것을 실험적으로 확인하였고 힘(N)의 변위가 변화함에 따라 임피던스(Ω)의 변위가 바뀐다는 것을 확인하였다. 이에 따라 집게 사이에 여러 종류의 돼지고기 샘플을 잡았을 때(부하 시) 각 조직 별로 어떠한 값으로 측정되는지 확인하고 실험 결과를 확인 하였을 때 결과 값에 의한 조직 별 분류가 가능한지 알아보기 위하여 실험을 실시하였으며 이에 따른 그래프의 형태는 그림 9과 같이 나타났다.
집게를 파지하면서 변위가 변하는 시점을 기준으로 힘의 변위를 증가 시키면서 파형을 관찰한 결과 크게 0N~10N, 10N~30N의 두 구간으로 구분되었다. 0N~10N 구간에서는 10회의 실험측정 동안 150만큼의 변위가 발생하여 15의 기울기(Ω/N)가 측정되었다.
본 논문에서 초음파 수술기의 진동자에 미치는 유전손실과 기계적 손실을 연구하였다. 집게와 진동자의 진동을 전달해주는 혼 사이 샘플 조직이 혼의 진동을 방해하여 유전손실과 기계적 손실의 원인으로 작용하는 것을 확인하였다. 또한 조직의 특성에 따라 임피던스의 측정값이 다르게 측정되는 것도 확인 하였다.
11N일 때 위상변화가 최고점에 이르렀으며 그 이후는 위상의 변화가 발생하지 않았다. 첫째로 전압의 변화량은 0N일 때 60 V, 11N일 때 102 V로 42 V가 변화하였으며 하모닉스칼펠은 정 전류 방식을 채택하여 각각의 단계에서는 전류 값의 변화량은 거의 발생하지 않았다. 전압과 전류의 위상차이를 관측한 결과 0N일 때 4.
후속연구
그리고 본 논문에서는 유전손실과 기계적 손실이라는 큰 타이틀에 대해서만 언급을 하였지만 세부적으로 연구할 필요가 있다.
따라서 본 연구 결과를 바탕으로 향후 연구에서는 앞의 연구 결과를 바탕으로 실험에 의한 조직 분류 데이터를 적용했을 때 같은 결과가 나오는 지 확인할 예정이며, 이에 따른 오류 수정 및 오차 조정으로 더욱 신뢰성 있는 데이터를 구축할 예정이다.
이에 따라 조직 별 에너지 조절을 하여 조직 별 절개 및 지혈 시간을 단축하여 수술에서 시행되는 회당 시술 시간을 최소화 하여 전체 수술시간을 단축하기 위한 목적을 달성하는 것이 가능하리라 예상하였다. 또한 유전손실과 기계적 손실을 더 세밀하게 연구 할 필요가 있다고 판단하였다.
좀 더 확장하여 세밀하게 분석한다면 조직구성의 차이는 혼과 조직 사이의 매질의 초음파 전달 에너지 차이의 발생이라고 볼 수 있다. 매질의 경계면 사이의 초음파 입사각의 변화와 에너지 전달 그리고 에너지 손실을 연구하여 분석한다면 더욱 세밀한 에너지 전달 메커니즘을 구축할 수 있을 것이다. 특히 에너지 손실이라는 측면에서 혼에서 발생하는 열을 측정하게 된다면 손실되는 에너지를 분석하는데 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다.
이러한 지속적인 연구가 계속 된다면 임피던스 및 위상 측정에 의한 초음파 수술기 개발 연구에 크게 기여 할 수 있을 것으로 예상 하였다.
이 결과에 따라 임피던스 수치에 따라 조직을 판별하여 조직에 맞는 에너지 컨트롤 시스템을 구축할 수 있다고 판단하였다. 이에 따라 조직 별 에너지 조절을 하여 조직 별 절개 및 지혈 시간을 단축하여 수술에서 시행되는 회당 시술 시간을 최소화 하여 전체 수술시간을 단축하기 위한 목적을 달성하는 것이 가능하리라 예상하였다. 또한 유전손실과 기계적 손실을 더 세밀하게 연구 할 필요가 있다고 판단하였다.
특히 에너지 손실이라는 측면에서 혼에서 발생하는 열을 측정하게 된다면 손실되는 에너지를 분석하는데 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다. 진동에너지가 열에너지로 치환되어 원하는 조직에 전달되지 못하기 때문에 이 손실에너지를 최소화 할 수 있는 연구도 진행할 예정이다. 조직 접촉면이 평행하게 될 수 있도록 기구적인 설계가 필요할 것으로 보인다.
매질의 경계면 사이의 초음파 입사각의 변화와 에너지 전달 그리고 에너지 손실을 연구하여 분석한다면 더욱 세밀한 에너지 전달 메커니즘을 구축할 수 있을 것이다. 특히 에너지 손실이라는 측면에서 혼에서 발생하는 열을 측정하게 된다면 손실되는 에너지를 분석하는데 도움이 될 수 있을 것으로 생각된다. 진동에너지가 열에너지로 치환되어 원하는 조직에 전달되지 못하기 때문에 이 손실에너지를 최소화 할 수 있는 연구도 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
진동자는 언제부터 사용되기 시작하였나?
이런 초음파 수술기의 진동에너지를 만들어 내는 핵심 역할을 하고 있는 부분이 진동자 이다. 진동자는 압전소자(piezoelectric ceramics)를 발견하면서 사용 되기 시작하였다. 압전소자란 전기에너지를 기계에너지로, 또는 반대로 기계에너지를 전기에너지로 변환 시키는 기술로서, 통신기기분야, 의료기기분야, 센서기기분야, 전자기기분야, 군수분야 등 다양한 산업분야에 연관이 있다[2-5].
압전소자란 무엇인가?
진동자는 압전소자(piezoelectric ceramics)를 발견하면서 사용 되기 시작하였다. 압전소자란 전기에너지를 기계에너지로, 또는 반대로 기계에너지를 전기에너지로 변환 시키는 기술로서, 통신기기분야, 의료기기분야, 센서기기분야, 전자기기분야, 군수분야 등 다양한 산업분야에 연관이 있다[2-5].
압전소자를 주파수 대역 별로 세분화시킨 의료기기에는 무엇들이 있나?
1-200 Hz 저주파 대역(low frequency)을 사용하는 의료기기로는 전기자극치료(EST, electrical stimulation therapy), 기능적 전기자극치료(FES), 경피신경자극치료(TENS)등이 있으며 4 kHz 중주파 대역(middle frequency)을 사용하는 의료기기로는 간섭전류치료(ICT), 러시아전류치료(Russian technique)등이 있으며 50-60 kHz 초음파 대역(ultrasonic)을 사용하는 의료기기로는 본 실험에서 사용한 그림 1과 같은 초음파 수술기(ultrasonic surgical knife)가 있으며 500-600 kHz 고주파 대역(high frequency)을 쓰는 의료기기로는 전기수술(electro surgical knife) 및 심부투열치료(medical diathermy)가 있다[6].
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