[논문]골 절삭용 초음파 수술기의 실험적 평가에 관한 연구

사민우; 심해리; 고태조; 이종민; 김종영

doi:10.14775/ksmpe.2016.15.1.001

문제 정의

부스트 량은 전압을 높여줌으로 인해 팁에서의 진폭이 커지게 되어 있다. 그래서 부스트 량의 변화에 따른 절삭능이 어떻게 되는지 확인하였다. 두 수술기는 동일한 제어 방식이 아니기 때문에 비교하는 연구로 평가할 수 없고 각각의 조건에 대해 경향성을 판단하는 것으로 본 연구가 진행되었다.
그래서 부스트 량의 변화에 따른 절삭능이 어떻게 되는지 확인하였다. 두 수술기는 동일한 제어 방식이 아니기 때문에 비교하는 연구로 평가할 수 없고 각각의 조건에 대해 경향성을 판단하는 것으로 본 연구가 진행되었다.
본 연구에서는 개발된 핸드피스 이송 시스템을 이용하여 각각의 초음파 수술기의 설정 조건에서의 뼈 절삭능을 평가하였다. 부스트 량은 전압을 높여줌으로 인해 팁에서의 진폭이 커지게 되어 있다.
본 연구에서는 개발된 핸드피스 이송 시스템을 이용하여 수술기의 제어모드 상에 환경 설정에 따른 골 절삭 깊이를 측정하고, 팁과 골 표면에 발생되는 온도 분포를 관찰하여 수술기의 절삭 성능을 알아보았다.
본 연구에서는 열 화상 카메라를 이용하여 절삭 실험 동안 발생될 수 있는 온도 분포를 측정하였다. 물 분사량을 20%, 60%, 100%로 나누어 실험을 수행하였고, 다른 실험 조건은 Table 2에서 처럼 모두 동일하게 적용하였다.
본 연구에서는 초음파 수술기를 이용하여 핸드피스 이송 시스템을 통해 뼈 절삭능과 온도 발생 변화를 평가하기 위한 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
초음파 수술기를 이용하여 골 절삭 실험을 수행할 때, 물 분사량에 따른 팁과 뼈에 발생되는 온도 분포를 알아보고자 하였다. 실험 조건은 물 분사량을 낮은 세기, 중간 세기, 높은 세기로 구분하여 20%, 60%, 100%로 설정되었다.

제안 방법

초음파 수술기의 제어 유닛에서 설정 조건을 선택하고 핸드피스 이송 시스템이 작동됨과 동시에 Foot pedal을 이용하여 초음파 수술기를 작동시켰다. 1분 동안 절삭을 하도록 G-code 데이터를 만들었고, 절삭이 끝나면 핸드피스 이송 시스템과 초음파 수술기를 정지시키고 재실험을 반복하였다. 물 분사량은 20%, 40%, 60%, 80% 100%에서 동일한 시간 동안 분사되는 양으로 측정되었고, Table 1에서 나타내고 있다.
Harder^[5]는 3가지 종류의 타사의 초음파 수술기를 이용하여 최고 높은 설정 조건으로 동일하게 맞추어 절삭 깊이를 측정하였다. 또한 골에 발생하는 온도를 측정하여 상온보다 증가된 값으로 비교하는 연구를 수행하였다.
X축 상판 위에 외팔보 형태로 고정된 핸드피스는 팁(BS01, Dmetec, Korea)과 결합되어 절삭을 위해 이송할 수 있도록 고정되었다. 또한 뼈와 팁의 각도를 조절할 수 있도록 설계하였다. 수술에 사용할 수 있는 팁은 그 용도와 목적에 맞게 다양하게 많지만 본 연구에서는 통상적으로 사용되고 있는 팁을 이용하였다.
팁과 시편의 각도는 90도로 접촉시켰고, 절삭 이송 거리는 5mm로 이송시켜 실험을 수행하였다. 또한, 초음파 수술기의 제어 유닛에서 파워, 부스트 값을 20%씩 증가시키면서 최대 100%까지 실험을 조건을 설정하였다. 실험 조건 중 하나인 부스트 량은 인가 전압을 높이면서 팁에 발생되는 진폭의 값을 증가시키는 역할을 한다.
본 연구에서는 열 화상 카메라를 이용하여 절삭 실험 동안 발생될 수 있는 온도 분포를 측정하였다. 물 분사량을 20%, 60%, 100%로 나누어 실험을 수행하였고, 다른 실험 조건은 Table 2에서 처럼 모두 동일하게 적용하였다. 실험을 수행할 때의 실내 온도는 19℃였다.
본 연구는 현재 치과에서 사용되고 있는 D사의 SurgyStar(Dmetec, Korea)와 M사에서 개발한 Ultrasonic_NX(Micro-NX, Korea) 기기를 이용하여 최근 개발된 핸드피스 이송 시스템을 통해 골 절삭 능을 평가하고 실험 중 팁 주변에서 발생되는 온도 분포를 확인하였다.
시편의 크기는 Fig. 2에서 보여주는 것처럼 소의 사골을 자른 후, 지름이 ø38, 두께 10 mm의 동전형 상으로 에폭시와 경화제를 이용하여 뼈를 고정시켜 시편을 제작하였다.
초음파 수술기를 이용하여 골 절삭 실험을 수행할 때, 물 분사량에 따른 팁과 뼈에 발생되는 온도 분포를 알아보고자 하였다. 실험 조건은 물 분사량을 낮은 세기, 중간 세기, 높은 세기로 구분하여 20%, 60%, 100%로 설정되었다. 다른 실험 조건의 경우 모두 동일하게 적용하였으며, 모두 최고 높은 조건에서 실험을 수행하였다.
본 실험을 위해 사용된 적외선 열화상 카메라는 IRI4010(IRISYS, UK)을 사용하였으며, 열화상 이미지의 분석을 위해 IRISYS 4000 Series Imager 프로그램을 이용하였다. 실험을 수행 시 실내 온도는 19℃이며, 카메라의 설정 온도 범위를 최저 19℃~ 최고 35℃로 설정함으로써 동일하게 적용되었다 얻어진 열화상 이미지를 통해 핸드피스 헤드부분과 시편 부분에서 발생되는 온도를 확인하였고 실내 온도에서보다 증가된 값으로 평가하였다.
열 화상 카메라를 통해 얻어진 사진을 프로그램을 이용하여 핸드피스 헤드 부분과 시편 부분에서 발생되는 온도를 측정하여 상온 온도보다 증가된 값으로 비교해보았다.^[7]그 결과, Fig.
제작된 시편을 양팔 저울 위에 육각렌치볼트를 이용하여 견고하게 고정하고 절삭 시 이동이 되지 않도록 하였다. 4N의 작업 하중을 가할 수 있게 분동을 준비하였고, G-code 데이터에 400 mm/min의 이송 속도로 절삭할 수 있도록 코드를 생성하였다.
그런 다음 팁과 시편의 위치를 맞췄다. 초음파 수술기의 제어 유닛에서 설정 조건을 선택하고 핸드피스 이송 시스템이 작동됨과 동시에 Foot pedal을 이용하여 초음파 수술기를 작동시켰다. 1분 동안 절삭을 하도록 G-code 데이터를 만들었고, 절삭이 끝나면 핸드피스 이송 시스템과 초음파 수술기를 정지시키고 재실험을 반복하였다.

대상 데이터

Table 2는 본 연구에 이용된 실험 조건을 나타내고 있다. SurgyStar와 Ultrasonic_NX 2개의 수술기를 이용하였고, 동일한 팁을 사용하였다. 팁과 시편의 각도는 90도로 접촉시켰고, 절삭 이송 거리는 5mm로 이송시켜 실험을 수행하였다.
본 실험에 사용된 양팔 저울(1550 SD, Ohaus, USA)은 시편과 핸드피스에 결합된 팁에 원하는 작업하중을 가해주기 위해 사용되었다.
본 실험을 위해 사용된 적외선 열화상 카메라는 IRI4010(IRISYS, UK)을 사용하였으며, 열화상 이미지의 분석을 위해 IRISYS 4000 Series Imager 프로그램을 이용하였다. 실험을 수행 시 실내 온도는 19℃이며, 카메라의 설정 온도 범위를 최저 19℃~ 최고 35℃로 설정함으로써 동일하게 적용되었다 얻어진 열화상 이미지를 통해 핸드피스 헤드부분과 시편 부분에서 발생되는 온도를 확인하였고 실내 온도에서보다 증가된 값으로 평가하였다.

이론/모형

또한 뼈와 팁의 각도를 조절할 수 있도록 설계하였다. 수술에 사용할 수 있는 팁은 그 용도와 목적에 맞게 다양하게 많지만 본 연구에서는 통상적으로 사용되고 있는 팁을 이용하였다.

성능/효과

(1) 수술기들의 파워를 증가시킴으로써 대체적으로 뼈 절삭능은 증가 하는 경향을 보였다. 하지만, 부스트가 40%이상이고 파워가 80% 일 때는 부스트 량과의 상관관계에 의해 절삭능이 낮아지는 경향을 나타내었다.
(2) 온도 발생 평가에 있어서 최대 설정 조건에서의 온도 발생은 시편이나 핸드피스의 팁 부분에 손상을 유발시키지 않는 범위라는 것을 확인하였다.
파워 량이 20%에서 60%로 올라갈수록 파워 량에 따라 뼈 절삭능은 증가하였고, 파워 량이 80%일 때 오히려 낮아지는 경향을 나타내었다. 그리고 파워 량이 100% 일 때 절삭능이 증가하는 경향을 보였 는데 이와 같은 결과는 뼈를 절삭하는데 있어 파워 량과 부스트 량의 상관관계가 있는 것으로 판단되었다. 이때 부스트 량이 40, 60%일 때가 파워가 60%일 때까지 높은 절삭능을 보였고, 파워가 증가함에 따라 부스트 량이 낮은 0, 20%일 때가 절삭능이 높은 특성을 나타내었다.
따라서 수술기마다 제어 방식 및 초음파 특성에 따라 뼈 절삭능의 값 차이가 다르게 나타났으며, 더욱이 파워와 부스트 량에 의해 절삭능의 차이가 난다는 것을 알 수 있었다.
하지만, 부스트가 40%이상이고 파워가 80% 일 때는 부스트 량과의 상관관계에 의해 절삭능이 낮아지는 경향을 나타내었다. 또한 수술기마다 최고 절삭능을 나타 내는 조건에 차이가 있었으며 이는 수술기마다 제어 방식 및 초음파 특성에 따라 다른 절삭능을 나타내는 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 핸드피스 팁과 골에 발생되는 온도가 30℃ 이내의 낮은 온도로 평가 되었기 때문에 인체에는 영향을 미치지 않을 것으로 사료되었다. 이러한 평가를 통해 사전에 불필요한 물 분사량을 조절하여 설계할 수 있을 것이며, 핸드피스나 환자의 뼈에 발생될 수 있는 온도에 대해 미리 예측할 수있을 것으로 사료된다.
3(a)는 SurgyStar 수술기를 사용하여 뼈 절삭능을 평가한 그래프이다. 부스트 량이 0%와 20%일 때는 파워 량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그 중에서도 부스트 량이 20%일 때가 0%일 때보다 높은 뼈 절삭능을 보였다.
다만 수술기가 다르기 때문에 절삭능의 값은 차이가 있었다. 부스트 량이 40, 80, 100%일 때가 파워가60%일 때까지 높은 절삭능을 보였고, 파워가 증가함에 따라 부스터 량이 20%일 때가 절삭능이 높은 특성을 나타내었다.
그 중에서도 부스트 량이 20%일 때가 0%일 때보다 높은 뼈 절삭능을 보였다. 부스트 량이 작은 세기일 때는 뼈절삭능에 있어 부스트 량에 관계없이 파워 량에 의존하여 증가한다는 것을 알 수 있었다. 파워 량이 20%에서 60%로 올라갈수록 파워 량에 따라 뼈 절삭능은 증가하였고, 파워 량이 80%일 때 오히려 낮아지는 경향을 나타내었다.
그리고 파워 량이 100% 일 때 절삭능이 증가하는 경향을 보였 는데 이와 같은 결과는 뼈를 절삭하는데 있어 파워 량과 부스트 량의 상관관계가 있는 것으로 판단되었다. 이때 부스트 량이 40, 60%일 때가 파워가 60%일 때까지 높은 절삭능을 보였고, 파워가 증가함에 따라 부스트 량이 낮은 0, 20%일 때가 절삭능이 높은 특성을 나타내었다. Fig.
부스트 량이 작은 세기일 때는 뼈절삭능에 있어 부스트 량에 관계없이 파워 량에 의존하여 증가한다는 것을 알 수 있었다. 파워 량이 20%에서 60%로 올라갈수록 파워 량에 따라 뼈 절삭능은 증가하였고, 파워 량이 80%일 때 오히려 낮아지는 경향을 나타내었다. 그리고 파워 량이 100% 일 때 절삭능이 증가하는 경향을 보였 는데 이와 같은 결과는 뼈를 절삭하는데 있어 파워 량과 부스트 량의 상관관계가 있는 것으로 판단되었다.

후속연구

그러므로 치과 및 성형외과 에서는 임플란트 식립 시 잇몸 뼈를 절단하거나 성형 시술을 위한 수술도구로 초음파 수술기를 이용하는 사례가 늘고 있다^[3,4] . 따라서 골 절단을 위해 사용되는 초음파 골 수술기의 성능을 실험적으로 평가하는 연구가 필요하고 정밀하게 실험을 수행할 수 있는 장치가 개발되어야 한다.
본 연구에서는 핸드피스 팁과 골에 발생되는 온도가 30℃ 이내의 낮은 온도로 평가 되었기 때문에 인체에는 영향을 미치지 않을 것으로 사료되었다. 이러한 평가를 통해 사전에 불필요한 물 분사량을 조절하여 설계할 수 있을 것이며, 핸드피스나 환자의 뼈에 발생될 수 있는 온도에 대해 미리 예측할 수있을 것으로 사료된다.
향후 다른 수술기를 이용한 비교 실험과 치아의 치석 제거를 위한 스케일링에 대한 연구도 추가적으로 진행할 계획이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	의료용 초음파 수술기를 이용하게 되면 어떤 장점이 있는가?	최근 치과, 성형외과, 정형외과 등에서는 환자를 치료하는데 있어 정밀하게 시술할 수 있는 의료용 초음파 수술기가 많이 사용되고 있다. 의료용 초음파 수술기를 이용하게 되면 뼈, 혈관, 조직 등을 절개하는 용도로 수술 시 출혈은 최소화하고 봉합사의 사용을 줄여 환축의 회복 및 수술시간을 단축할수 있는 장점이 있다[1] .
	골 절삭 실험을 통한 연구에 대한 사례는 어떤 것이 있는가?	국내에는 아직까지 골 절삭 실험을 통한 연구 결과가 없는 것으로 조사되었고, 국외에는 간단한 실험 장치로 구성하여 연구한 사례가 있었다. Harder[5]는 3가지 종류의 타사의 초음파 수술기를 이용하여 최고 높은 설정 조건으로 동일하게 맞추어 절삭 깊이를 측정하였다. 또한 골에 발생하는 온도를 측정하여 상온보다 증가된 값으로 비교하는 연구를 수행하였다.
	골 절삭을 위한 압전소자(PZT)의 압전(piezo electric)현상을 이용하는 초음파 수술기는 어떤 특징을 가지는가?	이때 골 절삭을 위한 압전소자(PZT)의 압전 (piezo electric) 현상[2] 을 이용하는 초음파 수술기는 뼈의 경 조직(bone)에는 반응을 보이나, 부드러운 연조직(tissue)에는 반응을 보이지 않는 것이 특징이다. 그러므로 치과 및 성형외과 에서는 임플란트 식립 시 잇몸 뼈를 절단하거나 성형 시술을 위한 수술도구로 초음파 수술기를 이용하는 사례가 늘고 있다[3,4] .

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