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문제 정의
- 5-9 그러므로 실험의 정밀도가 다소 떨어질 수 있고, 또한 다양한 공정 조건에 따라 절삭성능을 평가하는 문헌 결과가 없었다. 그래서 본 연구를 통해 제품의 절삭성능을 좀 더 완벽하게 평가할 수 있는 시스템을 개발해보고자 하였다. 이 시스템을 이용하면 모든 수술기 및 치석제거기 등의 핸드피스를 장착할 수 있기 때문에 많은 연구에 유익할 것으로 기대된다.
- 본 연구에서는 기존에 상용화된 디메텍 회사의 SurgyStar 수술기의 절삭성능을 평가할 수 있는 핸드피스 이송 시스템 (Handpiece Moving System, HMS)을 설계하고 제작하였다. SurgyStar 수술기의 핸드피스 부분을 이송하기 위해 Y축의 지그 (Jig)에 고정하였고 진폭 (Amplitude), 작업 하중 (Working Load), 이송 속도 (Moving Velocity)와 같은 실험 조건을 이용하여 절삭 깊이를 측정한 후 절삭성능을 알아보았다.
- 실험적 연구를 위한 조건과 절차를 탐색하고 적절한 방법을 제안하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 수술기의 구성은 본체, 핸드피스와 케이블, 어답터, 발판스위치, 팁 세트로 구성되어 있다.
- 3은 자체 개발된 핸드피스 이송 시스템의 제작된 실물을 보여준다. 이 시스템을 통해 본 연구에서는 골 절삭성능의 평가에 대한 가능성을 탐색하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 기존에 상용화된 디메텍 회사의 SurgyStar 수술기의 절삭성능을 평가할 수 있는 핸드피스 이송 시스템 (Handpiece Moving System, HMS)을 설계하고 제작하였다. SurgyStar 수술기의 핸드피스 부분을 이송하기 위해 Y축의 지그 (Jig)에 고정하였고 진폭 (Amplitude), 작업 하중 (Working Load), 이송 속도 (Moving Velocity)와 같은 실험 조건을 이용하여 절삭 깊이를 측정한 후 절삭성능을 알아보았다. 향후 HMS를 이용한 다양한 초음파 수술기의 절삭 성능과 시편에 발생되는 온도 실험 그리고 치아 스케일링 효과에 대한 연구를 추가적으로 수행할 계획이다.
- 수술기 본체의 환경에는 10% 단위로 파워 량 (10-100%), 물 분사량 (10-100%), 부스트 량 (0-100%)이 조절 가능하다. 그러나 파워 량, 부스트 량은 정량적인 값이라 할 수 없어 3가지 조건인 낮은 세기, 중 세기, 높은 세기로 파워 량와 부스트 량을 선택하여 팁에서 발생되는 진폭의 값으로 수행되었다. 낮은 세기 (파워 량 20%/부스트 량 20%) 의 진폭은 2 µm, 중간 세기 (파워 량 60%/부스트 량 60%)는 4 µm, 높은 세기 (파워 량 60%/부스트 량 60%)는 6 µm 로 산출된 값을 통해 이용하였다.
- 낮은 세기 (파워 량 20%/부스트 량 20%) 의 진폭은 2 µm, 중간 세기 (파워 량 60%/부스트 량 60%)는 4 µm, 높은 세기 (파워 량 60%/부스트 량 60%)는 6 µm 로 산출된 값을 통해 이용하였다.
- 본 연구에서는 치과용 초음파 수술기의 절삭성능 평가를 위해 X-Y 축 구동부, 핸드피스를 고정하고 이송시킬 수 있는 고정부, 그리고 팁에 하중을 줄 수 있는 양팔 저울부를 설계하였다. 이로써 초음파 수술기의 골 절삭성능을 평가하기 위해 HMS를 개발하고, 수술기의 출력에 대한 진폭, 이송 속도 및 작업 하중에 따른 절삭 깊이를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 구축된 제어 시스템은 PC환경에서의 소프트웨어에서 G-Code를 이용하여 정밀하게 구동할 수 있게 하였다. 뼈를 절삭하기 위해서는 핸드피스의 팁 부분이 자동적으로 이송이 되기 위해 X 축 방향으로 +5 mm, -5 mm로 연속적인 G-Code를 생성하였다.
- 뼈의 시편에 대해서는 기존의 연구방법을 참고하여 본 연구에 적합한 형태로 준비하였다.4 뼈는 동물의 사골 (Leg Bone)을 구입하여 가로 28 mm × 세로 10 mm × 높이20 mm로 핸드그라인더를 이용하여 자른 후 멸균수에 세척하여 냉동 보관하였다.
- 6은 HMS의 골 절삭 공정에 대한 실험 방법을 보여주는 순서도를 나타낸다. 위의 실험 순서대로 절삭 실험을 수행함으로써 절삭 깊이를 측정하여 절삭성능을 평가할 수 있는 방안을 제시하였다.
- 본 연구에서는 치과용 초음파 수술기의 절삭성능 평가를 위해 X-Y 축 구동부, 핸드피스를 고정하고 이송시킬 수 있는 고정부, 그리고 팁에 하중을 줄 수 있는 양팔 저울부를 설계하였다. 이로써 초음파 수술기의 골 절삭성능을 평가하기 위해 HMS를 개발하고, 수술기의 출력에 대한 진폭, 이송 속도 및 작업 하중에 따른 절삭 깊이를 측정한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 케이블베어 (Hanshin RoboChain®, Korea)를 이용하여 리미트 센서, 모터, 엔코더와 같이 하드웨어에 제공된 다양한 케이블을 이동에 방해 받지 않고 이동할 수 있게 하였다. 이송 부분의 충격 및 경로 이탈을 방지하기 위해 각 LM 가이드 끝 부분에 충격 방지기를 설계하였다. X-Y축의 스트로크 (Stroke)는 최대 150 mm (X 축) × 150 mm (Y 축)이다.
- 4 뼈는 동물의 사골 (Leg Bone)을 구입하여 가로 28 mm × 세로 10 mm × 높이20 mm로 핸드그라인더를 이용하여 자른 후 멸균수에 세척하여 냉동 보관하였다. 이후 시편을 만들기 위해 에폭시와 경화제를 사용하여 2일 동안 실내 온도에서 건조시켜 만들었다. 준비된 시편에서 뼈의 가장자리에 해당하는 위, 아래 부분에 직경 5.
- 이후 시편을 만들기 위해 에폭시와 경화제를 사용하여 2일 동안 실내 온도에서 건조시켜 만들었다. 준비된 시편에서 뼈의 가장자리에 해당하는 위, 아래 부분에 직경 5.5 mm로 구멍을 내어 볼트로 고정을 시킬 수 있도록 하였다. 뼈에 하중을 가해주기 위해 양팔저울 (1550 SD, Ohaus, USA)을 준비하였고, 원판 위에 앞에서 뚫은 위치와 동일한 부분에 탭 나사산을 내어 실험할 때 움직이지 않도록 하였다.
- 또한 핸드피스의 각도를 조절할 수 있도록 90도 반경의 구멍이 뚫려 있다. 즉, 핸드피스에 결합된 팁의 각도는 용도에 따라 다양하게 사용되고 있기 때문에 각도 조절을 위한 부분도 고려하여 설계되었다.
- 케이블베어 (Hanshin RoboChain®, Korea)를 이용하여 리미트 센서, 모터, 엔코더와 같이 하드웨어에 제공된 다양한 케이블을 이동에 방해 받지 않고 이동할 수 있게 하였다.
- 7에서 보여주고 있다. 파워와 부스트의 값을 통해 세가지 조건으로 구분되었고, 각각에 대해 진폭을 측정하여 실험 조건에 반영하였다. 작업 하중은 3 N으로 동일하게 나타내었으며, 실험 시간도 60 초로 같도록 코드가 만들어졌다.
- 핸드피스 이송 시스템의 설계를 위해 X-Y축에 대한 사양을 결정하고 이를 토대로 하여 Fig. 1과 같이 3차원 모델링을 수행하였다. X-Y축 이송계는 리니어 모터 (Yaskawa, Japan), 리니어 엔코더 (RSF Elektronik, Austria), LM 가이드 (SamickTHK, Japan)로 구성되었다.
대상 데이터
- 4 뼈는 동물의 사골 (Leg Bone)을 구입하여 가로 28 mm × 세로 10 mm × 높이20 mm로 핸드그라인더를 이용하여 자른 후 멸균수에 세척하여 냉동 보관하였다.
- 본 시스템의 정밀 모션 제어를 위해 사용된 제어기는 DANAHER사의 ZMP-SynqNet이 사용되었고, 이송 코드는 G-코드 명령어를 사용하도록 구성되었다. Fig.
- 실험적 연구를 위한 조건과 절차를 탐색하고 적절한 방법을 제안하고자 하였다. 본 연구에서 사용된 수술기의 구성은 본체, 핸드피스와 케이블, 어답터, 발판스위치, 팁 세트로 구성되어 있다. Table 1은 절삭성능 평가를 위해 설정된 공정 조건을 보여준다.
- 본 연구에서 사용된 초음파 수술기는 디메텍회사의 제품인 SurgyStar이다. 이 수술기의 선택 환경은 파워, 물 공급, 부스트 량으로 LCD 화면에서 설정할 수 있다.
- 5 mm로 구멍을 내어 볼트로 고정을 시킬 수 있도록 하였다. 뼈에 하중을 가해주기 위해 양팔저울 (1550 SD, Ohaus, USA)을 준비하였고, 원판 위에 앞에서 뚫은 위치와 동일한 부분에 탭 나사산을 내어 실험할 때 움직이지 않도록 하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 절삭 깊이를 통해 절삭성능이 평가되었고, 더불어 절삭된 시편의 표면을 관찰하기 위해 주사전자현미경 (Scanning Electron Microscopy, Tescan VEGA II LMU, Czech)이 이용되었다. Fig.
- 시스템 제어 파트는 X-Y 축 제어를 PC환경에서 가능하도록 한국모션 (Korea Motion) 회사를 통해 구축되었다. 구축된 제어 시스템은 PC환경에서의 소프트웨어에서 G-Code를 이용하여 정밀하게 구동할 수 있게 하였다.
성능/효과
- (a)는 진폭이 2 µm때 절삭된 뼈의 단면을 보여주는 사진이며, 절삭 폭은 대략 340 µm로 측정되었고, 절삭된 뼈의 단면은 매끈하게 잘 잘려진 것을 알 수 있었다.
- 따라서, 수술기의 진폭과 이송 속도가 높으면 절삭 깊이가 증가하고, 이송 속도가 낮으면 절삭 깊이가 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러므로 수술기의 높은 절삭성능을 위해서는 수술기의 진폭과 이송 속도를 높이는 것이 바람직하다고 판단되었다. 하지만, 일반적으로 수술 시 뼈를 자를 때 속도를 높이면 시술자의 정교함이 떨어질 수 있기 때문에 그 시술 부위와 용도에 맞는 조건을 선택하는 것이 중요하다고 사료되었다.
- 이러한 특성은 4N의 작업 하중은 실제 수술 시 높은 접촉력을 가져다 주어 환자에게 불편함과 고통을 유발시킬 수 있을 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구 결과를 통해 3 N의 작업 하중과 통상적으로 사용되는 200 mm/min 혹은 증가된 300 mm/min의 이송 속도를 유지한다면 좋은 절삭성능을 얻을 수 있을 것으로 사료되었다.
- 이러한 경향은 4 N의 작업 하중일 때 시편과 팁에 매우 큰 접촉력이 발생하여 절삭이 잘 이루어져서 절삭 깊이가 급 상승한 것으로 판단되었다. 따라서 작업 하중이 3 N이상으로 높아지면 절삭 깊이는 증가한다는 것을 알 수 있었으나, 실제 수술 시 환자에게 힘이 많이 전달되어 불편한 점이나 통증을 유발할 수 있기 때문에 가급적이면 3 N의 힘에서 절삭을 하는 것이 올바르다고 보여진다.
- 진폭의 값이 2, 4, 6µm로 증가되고 이송 속도가 100, 200, 300 mm/min으로 증가할수록 높은 절삭 깊이를 보였다. 따라서, 수술기의 진폭과 이송 속도가 높으면 절삭 깊이가 증가하고, 이송 속도가 낮으면 절삭 깊이가 감소하는 것을 알 수 있었다. 그러므로 수술기의 높은 절삭성능을 위해서는 수술기의 진폭과 이송 속도를 높이는 것이 바람직하다고 판단되었다.
- • 작업 하중에 따른 변화에서는 절삭 깊이가3 N에서 4 N으로 높아질 때 급격히 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 특성은 4N의 작업 하중은 실제 수술 시 높은 접촉력을 가져다 주어 환자에게 불편함과 고통을 유발시킬 수 있을 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구 결과를 통해 3 N의 작업 하중과 통상적으로 사용되는 200 mm/min 혹은 증가된 300 mm/min의 이송 속도를 유지한다면 좋은 절삭성능을 얻을 수 있을 것으로 사료되었다.
- 8은 진폭과 작업 하중에 따른 절삭 깊이를 나타내는 그래프이다. 이송 속도를 200 mm/min으로 고정하고 진폭과 작업 하중이 높아질수록 점차적으로 증가하다가 작업 하중이 3 N에서 4 N으로 높아질 때 절삭 깊이가 크게 증가하는 경향을 볼 수 있었다. 이러한 경향은 4 N의 작업 하중일 때 시편과 팁에 매우 큰 접촉력이 발생하여 절삭이 잘 이루어져서 절삭 깊이가 급 상승한 것으로 판단되었다.
- 절삭 깊이는 대략 220 µm로 확인되었으며, 이는 진폭이 높을수록 절삭 깊이가 증가한다는 것을 SEM 이미지를 통해 확인되었다.
- 절삭 깊이를 확인해 본 결과, 대략 80 µm로 측정된 것을 확인할 수 있다.
- 절삭 폭은 낮은 세기일 때와 크게 다른 차이가 없었고, 절삭 깊이는 대략 140 µm로 측정되었다.
- 진폭의 값이 2, 4, 6µm로 증가되고 이송 속도가 100, 200, 300 mm/min으로 증가할수록 높은 절삭 깊이를 보였다.
후속연구
- 그래서 본 연구를 통해 제품의 절삭성능을 좀 더 완벽하게 평가할 수 있는 시스템을 개발해보고자 하였다. 이 시스템을 이용하면 모든 수술기 및 치석제거기 등의 핸드피스를 장착할 수 있기 때문에 많은 연구에 유익할 것으로 기대된다.
- 이러한 결과는 국내 생산업체의 의료기기에 대한 안전성과 품질의 우수성이 국내외에서 인정받고 있는 것으로 보여지며, 더 나아가 국가 기술 경쟁력을 점차 확대시킬 것으로 기대하고 있다.2
- SurgyStar 수술기의 핸드피스 부분을 이송하기 위해 Y축의 지그 (Jig)에 고정하였고 진폭 (Amplitude), 작업 하중 (Working Load), 이송 속도 (Moving Velocity)와 같은 실험 조건을 이용하여 절삭 깊이를 측정한 후 절삭성능을 알아보았다. 향후 HMS를 이용한 다양한 초음파 수술기의 절삭 성능과 시편에 발생되는 온도 실험 그리고 치아 스케일링 효과에 대한 연구를 추가적으로 수행할 계획이다.10
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