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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.15 No.1 pp.1-7
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2016.15.1.001

A Study about Experimental Evaluation of an Ultrasonic Surgery Unit for Bone-cutting

Min-Woo Sa*, Hae-Ri Shim*, Tae-Jo Ko**, Jong-Min Lee***, Jong Young Kim*#
*Department of Mechanical Engineering, Andong National UNIV.
**Department of Mechanical Engineering, Yeungnam UNIV.
***R&D Center, Micro-NX, LTD.
Corresponding Author : jykim@anu.ac.kr+82-54-820-5669, +82-54-820-6127
December 10, 2015 December 16, 2015 December 17, 2015

Abstract

In the dentistry field, an ultrasonic surgery unit is widely used in bone cutting and scaling to reduce operation time and minimize hemorrhage. The purpose of this study was to evaluate bone cutting and the effect of a specimen’s temperature on the two-type ultrasonic surgery unit using a handpiece moving system(HMS). A HMS, which can cut the bone, was developed to perform the experimental procedure with precision of motion control. Bone specimens were prepared from a combination of epoxy-hardener and cortical bone of bovine leg. Through the bone-cutting experiment, the cutting depth was evaluated by not only scanning electron microscopy, but also Vernier calipers. Also, the temperature distribution was measured by a thermo-graphic camera. This study may be applied methodically in various experimental evaluations on a
performance test by a HMS.


골 절삭용 초음파 수술기의 실험적 평가에 관한 연구

사 민우*, 심 해리*, 고 태조**, 이 종민***, 김 종영*#
*안동대학교 기계공학과
**영남대학교 기계공학과
***마이크로엔엑스

초록


    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    최근 치과, 성형외과, 정형외과 등에서는 환자를 치료하는데 있어 정밀하게 시술할 수 있는 의료용 초음파 수술기가많 이 사용되고 있다. 의료용 초음 파 수술기를 이용하게 되면 뼈, 혈관, 조직 등을 절 개하는 용도로 수술 시 출혈은 최소화하고 봉합사 의 사용을 줄여 환축의 회복 및 수술시간을 단축할 수 있는 장점이 있다[1].

    이때 골 절삭을 위한 압전소자(PZT)의 압전 (piezo electric) 현상[2]을 이용하는 초음파 수술기 는 뼈의 경 조직(bone)에는 반응을 보이나, 부드러 운 연조직(tissue)에는 반응을 보이지 않는 것이 특 징이다. 그러므로 치과 및 성형외과에서는 임플란 트 식립 시 잇몸 뼈를 절단하거나 성형 시술을 위 한 수술도구로 초음파 수술기를 이용하는 사례가 늘고 있다[3,4]. 따라서 골 절단을 위해 사용되는 초 음파 골 수술기의 성능을 실험적으로 평가하는 연 구가필 요하고 정밀하게 실험을 수행할 수 있는 장치가개발되어야 한다.

    국내에는 아직까지 골 절삭 실험을 통한 연구 결과가없는 것으로 조사되었고, 국외에는 간단한 실험 장치로 구성하여 연구한 사례가있었다. Harder[5]는 3가지 종류의 타사의 초음파 수술기를 이용하여 최고 높은 설정 조건으로 동일하게 맞추 어 절삭 깊이를 측정하였다. 또한 골에 발생하는 온도를 측정하여 상온보다 증가된 값으로 비교하 는 연구를 수행하였다.

    본 연구에서는 개발된 핸드피스 이송 시스템을 이용하여 수술기의 제어모드 상에 환경 설정에 따 른 골 절삭 깊이를 측정하고, 팁과 골 표면에 발 생되는 온도 분포를 관찰하여 수술기의 절삭 성능 을 알아보았다.

    2.실험 장치 및 방법

    2.1실험 장치

    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.

    Fig. 1은 본 연구를 위해 개발된 핸드피스 이송 시스템의 사진이다. 핸드피스 이송 시스템의 구성 은 초음파 수술기, 핸드피스 및 팁, 양팔 저울, 골 시편, X-Y 이송 스테이지로 구성된다. 본 연구에서 사용된 초음파 수술기는 파워, 부스트, 물 분사량의 값으로 설정 조건을 변화시켜 사용되며, 핸드피스 부에 연결된 팁으로 물이 분사된다.

    X축 상판 위에 외팔보 형태로 고정된 핸드피스 는 팁(BS01, Dmetec, Korea)과 결합되어 절삭을 위 해 이송할 수 있도록 고정되었다. 또한 뼈와 팁의 각도를 조절할 수 있도록 설계하였다. 수술에 사용 할 수 있는 팁은 그 용도와 목적에 맞게 다양하게 많지만 본 연구에서는 통상적으로 사용되고 있는 팁을 이용하였다.

    본 실험에 사용된 양팔 저울(1550 SD, Ohaus, USA)은 시편과 핸드피스에 결합된 팁에 원하는 작 업하중을 가해주기 위해 사용되었다.

    X-Y 스테이지는 정밀 모션을 위해 리니어 모터, 리니어 엔코더를 이용하였고, LM 가이드에서 이송 될 수 있도록 설계되었으며 조립되었다. 이와 같이 X-Y축의 모션을 제어하기 위해 DANAHER 사의 ZMP-SynqNet 제어기가컴 퓨터와 연결되었다.

    시편의 크기는 Fig. 2에서 보여주는 것처럼 소의 사골을 자른 후, 지름이 ø38, 두께 10 mm의 동전형 상으로 에폭시와 경화제를 이용하여 뼈를 고정시켜 시편을 제작하였다.

    2.2실험 조건 및 방법

    2.2.1절삭 실험 및 절차

    제작된 시편을 양팔 저울 위에 육각렌치볼트를 이용하여 견고하게 고정하고 절삭 시 이동이 되지 않도록 하였다. 4 N의 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 수 술기의 제어 유닛에서 설정 조건을 선택하고 핸드 피스 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 재 실험을 반복하였다. 물 분사량은 20%, 40%, 60%, 80% 100%에서 동일한 시간 동안 분사되는 양으로 측정되었고, Table 1에서 나타내고 있다.

    Table 2는 본 연구에 이용된 실험 조건을 나타내 고 있다. SurgyStar와 Ultrasonic_NX 2개의 수술기를 이용하였고, 동일한 팁을 사용하였다. 팁과 시편의 각도는 90도로 접촉시켰고, 절삭 이송 거리는 5 mm로 이송시켜 실험을 수행하였다. 또한, 초음파 수술기의 제어 유닛에서 파워, 부스트 값을 20%씩 증가시키면서 최대 100%까지 실험을 조건을 설정 하였다. 실험 조건 중 하나인 부스트 량은 인가 전 압을 높이면서 팁에 발생되는 진폭의 값을 증가시 키는 역할을 한다.

    2.2.2열 화상 카메라를 이용한 온도 분포에 대한 측정

    초음파 수술기를 이용하여 골 절삭 실험을 수행 할 때, 물 분사량에 따른 팁과 뼈에 발생되는 온도 분포를 알아보고자 하였다. 실험 조건은 물 분사량 을 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. 그리고 물은 멸균된 증류수로 사용되었다(Table 3).

    본 실험을 위해 사용된 적외선 열화상 카메라는 IRI4010(IRISYS, UK)을 사용하였으며, 열화상 이미 지의 분석을 위해 IRISYS 4000 Series Imager 프로 그램을 이용하였다. 실험을 수행 시 실내 온도는 19°C이며, 카메라의 설정 온도 범위를 최저 19°C~ 최고 35°C로 설정함으로써 동일하게 적용되었다. 얻어진 열화상 이미지를 통해 핸드피스 헤드부분과 시편 부분에서 발생되는 온도를 확인하였고, 실내 온도에서보다 증가된 값으로 평가하였다.

    3.실험결과 및 고찰

    3.1절삭능 분석

    본 연구에서는 개발된 핸드피스 이송 시스템을 이용하여 각각의 초음파 수술기의 설정 조건에서 의 뼈 절삭능을 평가하였다. 부스트 량은 전압을 높여줌으로 인해 팁에서의 진폭이 커지게 되어 있 다. 그래서 부스트 량의 변화에 따른 절삭능이 어 떻게 되는지 확인하였다. 두 수술기는 동일한 제 어 방식이 아니기 때문에 비교하는 연구로 평가할 수 없고 각각의 조건에 대해 경향성을 판단하는 것으로 본 연구가진 행되었다.

    Fig. 3은 깊이를 측정한 값을 가지고 시간에 따 른 골 절삭 깊이를 절삭능으로 나타낸 그래프이 다. Fig. 3(a)는 SurgyStar 수술기를 사용하여 뼈 절 삭능을 평가한 그래프이다. 부스트 량이 0%와 20%일 때는 파워 량이 증가함에 따라 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그 중에서도 부 스트 량이 20%일 때가일0% 때보다 높은 뼈 절 삭능을 보였다. 부스트 량이 작은 세기일 때는 뼈 절삭능에 있어 부스트 량에 관계없이 파워 량에 의존하여 증가한다는 것을 알 수 있었다. 파워 량 이 20%에서 60%로 올라갈수록 파워 량에 따라 뼈 절삭능은 증가하였고, 파워 량이 80%일 때 오 히려 낮아지는 경향을 나타내었다. 그리고 파워 량이 100% 일 때 절삭능이 증가하는 경향을 보였 는데 이와 같은 결과는 뼈를 절삭하는데 있어 파 워 량과 부스트 량의 상관관계가있는 것으로 판 단되었다. 이때 부스트 량이 40, 60%일 때가파워 가일60% 때까지 높은 절삭능을 보였고, 파워가 증가함에 따라 부스트 량이 낮은 0, 20%일 때가 절삭능이 높은 특성을 나타내었다. Fig. 3(b)는 Ultrasonic_NX 수술기를 사용하여 골 절삭능을 평 가 한 그래프이다. 절삭능의 경향성은 SurgyStar 수 술기와 유사한 것으로 나타났다. 다만 수술기가 다르기 때문에 절삭능의 값은 차이가있었다 . 부 스트 량이 40, 80, 100%일 때가파 워가 60%일 때 까지 높은 절삭능을 보였고, 파워가증 가함에 따 라 부스터 량이 20%일 때가절 삭능이 높은 특성 을 나타내었다.

    따라서 수술기마다 제어 방식 및 초음파 특성 에 따라 뼈 절삭능의 값 차이가다 르게 나타났으 며, 더욱이 파워와 부스트 량에 의해 절삭능의 차 이가 난다는 것을 알 수 있었다.

    3.2온도 분포 측정 결과

    본 연구에서는 열 화상 카메라를 이용하여 절 삭 실험 동안 발생될 수 있는 온도 분포를 측정하 였다. 물 분사량을 20%, 60%, 100%로 나누어 실 험을 수행하였고, 다른 실험 조건은 Table 2에서 처럼 모두 동일하게 적용하였다. 실험을 수행할 때의 실내 온도는 19°C였다. Table 3은 물 분사량의 정량적인값을보여준다.

    Fig. 4는 SurgyStar 수술기의 물 분사량에 따른 온도 분포의 열 화상 카메라 사진을 보여준다. 물 분사량이 20%일 때는 핸드피스 부분에 평균적으 로 최대 31.9°C, 시편에는 23.8°C로 확인되었고, 60% 일 때는 핸드피스 부분에 최대 31.7°C, 시편에는 24. 0°C로 확인되었다. 그리고 물 분사량이 100%일 때는 핸드피스 부분에 31.4°C, 시편에는 23.6°C로 확인되 었다.

    Fig. 5는 Ultrasonic_NX 수술기의 물 분사량에 따른 온도 분포의 열 화상 카메라 사진을 보여준 다. 물 분사량이 20%일 때는 핸드피스 부분에 평 균적으로 최대 31.2°C, 시편에는 26.8°C로 확인되었 고, 60%일때는 핸드피스부분에최대 31.2°C,시편에 는 23.6°C로확인되었다.그리고 물 분사량이 100%일 때는 핸드피스 부분에 32.2°C, 시편에는 23.0°C로 확 인되었다.

    열 화상 카메라를 통해 얻어진 사진을 프로그 램을 이용하여 핸드피스 헤드 부분과 시편 부분에 서 발생되는 온도를 측정하여 상온 온도보다 증가 된 값으로 비교해보았다.[7] 그 결과, Fig. 6(a)의 핸 드피스 헤드 부분의 온도 증가값 을 보면 물 분사 량에 따라 온도 차이가발생하지 않았다. 증가된 온도 값은 약 12~13°C에서 분포되는 것을 알 수 있 었다. Fig. 6(b)는 뼈 시편에서 발생되는 온도의 증가 된 값을 보여준다. 20%일 때 온도가까7.지8°C 증가 된것을 알수 있다. 물 분사량이 20%일때 16 ml/min 의유량으로가장낮은것으로확인되었다.

    Harder[5] 외 연구자들에 따르면 골 실험 장치의 주요 문제점은 골 절삭에 의한 골 조직에 열적 손 상을 야기할 수 있다고 한다. 그래서 높은 온도를 발생시키는 지에 대해 평가하는 연구가 필요하다 고 하였다. Grunder[6] 외 연구자에 따르면, 임상적 으로 47°C에서는 골 흡수 과정이 시작되고 지방세포 의 괴사를 유발시킨다고 하였으며, 40~41°C에서는 골 내의 충혈을 발생시킨다고 하였다. 또한 Eriksson[8] 외 연구자들은 골 절단된 부위로부터 47°C 에서 1분동안 노출되면 되돌릴 수 없는 골 흡수 과정 이발생된다고하였다.

    본 연구에서는 핸드피스 팁과 골에 발생되는 온도 가이30내°C의 낮은 온도로 평가되었기 때문에 인체 에는 영향을 미치지 않을 것으로 사료되었다. 이러한 평가를 통해 사전에 불필요한 물 분사량을 조절하 여 설계할 수 있을 것이며, 핸드피스나 환자의 뼈 에 발생될 수 있는 온도에 대해 미리 예측할 수 있을 것으로 사료된다.

    4.결 론

    본 연구에서는 초음파 수술기를 이용하여 핸드피 스 이송 시스템을 통해 뼈 절삭능과 온도 발생 변 화를 평가하기 위한 실험을 통해 다음과 같은 결론 을 얻을 수 있었다.

    • (1) 수술기들의 파워를 증가시킴으로써 대체적으 로 뼈 절삭능은 증가 하는 경향을 보였다. 하지만, 부스트가이4상0%이 고 파워가 80% 일 때는 부스트 량과의 상관관계에 의해 절삭능이 낮아지는 경향을 나타내었다. 또한 수술기마다 최고 절삭능을 나타 내는 조건에 차이가있었으 며 이는 수술기마다 제 어 방식 및 초음파 특성에 따라 다른 절삭능을 나 타내는 것으로 판단되었다.

    • (2) 온도 발생 평가에 있어서 최대 설정 조건에서 의 온도 발생은 시편이나 핸드피스의 팁 부분에 손 상을 유발시키지 않는 범위라는 것을 확인하였다.

    향후 다른 수술기를 이용한 비교 실험과 치아의 치석 제거를 위한 스케일링에 대한 연구도 추가 적 으로 진행할 계획이다.

    후 기

    “이 논문은 미래창조과학부/ 연구개발특구진흥재단 에서 시행한 2013년 대구연구개발특구 특구기술사업 화사업의지원을 받아 수행된 연구임”

    Figure

    KSMPE-15-1_F1.gif
    Experimental set up; (a) Ultrasonic bone surgery unit (b) Handpiece and tip (c) Double balance (d) Bone sample (e) X-Y stage (f) controller (g) Personal computer
    KSMPE-15-1_F2.gif
    Bone sample for an experiment
    KSMPE-15-1_F3.gif
    Graphs of bone-cutting performance of the ultrasonic devices (Water : 60%, Working load : 4 N, Feed rate : 400 mm/min)
    KSMPE-15-1_F4.gif
    Thermal Camera images according to the water supply during the test of SurgyStar ultrasonic surgery unit
    KSMPE-15-1_F5.gif
    Thermal Camera images according to the water supply during the test of Ultrasonic_NX ultrasonic surgery unit
    KSMPE-15-1_F6.gif
    Graph of increased temperature occurred during cutting test of the ultrasonic devices (measurement temperature on (a) handpiece head part and (b) specimen)

    Table

    Flow rate(ml/min) of ultrasonic devices
    Experimental conditions for bone-cutting
    Experimental conditions for the observation of temperature distribution

    Reference

    1. Vercellotti T (2004) “Technological characteristics and clinical indications of piezoelectric bone surgery” , Miverva Stomatologica, Vol.53 (5) ; pp.207-214
    2. Li C P , Kim M Y , Park J K , Ko T J (2015) “A Study on the Development of Rotary Ultrasonic Machining Spindle” , J. Korean Soc. Manuf. Process Eng, Vol.14 (4) ; pp.160-166
    3. Son D S (2008) Clinical Applications of Piezoelectric Bone Surgery, Koonja Publisher,
    4. Lee H C , Kim B J , Yun M S (2008) “On-site Sinus Compaction technique (Crestally approached sinus graft using piezoelectric device)” , J. Dent. Implant Res, Vol.27 (2) ; pp.17-30
    5. Harder S , Wolfart S , Mehl C , Kern M (2009) “Performance of Ultrasonic Devices for Bone Surgery and Associated Intraosseous Temperature Development” , Int. J. Oral Maxillofac. Implants, Vol.24 (3) ; pp.484-490
    6. Grunder U , Strub J R (1986) “Die Problematik der Temperaturehöhung beim Bearbeiton des Knochens mit rotierenden Instrumenten/eine Literaturübersicht” , Schweiz Monatsschr Zahnmed, Vol.96 (8) ; pp.956-959
    7. Lee S M , Chae S S , Lee J K , Choi H , Lee J C (2014) “A Study on the Drilling Characteristics for Implant Procedure Drill” , J. Korean Soc. Manuf. Process Eng, Vol.13 (2) ; pp.49-54
    8. Eriksson A R , Albrektsson T , Albrektsson B (1984) “Heat caused by drilling cortical bone: Temperature measured in vivo in patients and animals” , Acta Orthop. Scand, Vol.55 (6) ; pp.629-631