편안한 수술을 위한 자동 늑골 견인기.

미국의 한 최첨단 회사가 환자의 통증 감소와 빠른 회복을 돕는 소형의 자동 늑골 견인기를 개발했습니다.

강력한 토크의 맥슨 모터가 이 수술 도구의 부드러운 구동을 책임집니다.

믿기 어렵겠지만 , 오늘날 외과 수술에 사용되는 수술도구 중 일부는 1930 년대에 개발된 이후 크게 개선된 점이 없습니다. 이러한 수술도구의 경우, 대부분 환자의 회복시간이 오래 걸리기는 하지만 수술용으로는 충분히 적합합니다. 특히 외과의가 심장 또는 폐 수술을 위해 개흉을 할 경우가 이에 해당됩니다. 지금까지 의사가 시술을 할 수 있을 만큼 흉곽을 벌리는 데는 개흉술 ( 흉강 절개) 및 흉골절개술( 흉골의 종절개) 의 두 가지 방법이 주로 사용됩니다. 개흉술 은 두 늑간의 절개를 통해 흉곽을 벌리는 것이고 , 흉골절개술은 외과의가 개흉을 위해 흉골을 종절개하는 것입니다 . 두 가지 경우 모두 외과의가 수동 잭, 이른바 견인기로 늑골 혹은 흉골 사이를 벌리는 것으로 이는 큰 힘을 필요로 합니다. 미국의 Physcient 사의 개발팀은 늑골을 벌리기 위해 필요한 힘이 환자의 체중과 대략적으로 일치한다는 것을 발견했습니다 . 다시 말해 이는 견인기의 사용이 골절, 신경 압박, 관절 변형 및 인대 파열을 동반할 수 있음을 의미하고, 이는 수술후의 외과적 후유증을 초래할 수 있습니다.

노스캐롤라이나 주의 더럼에 위치한 Physcient 사는 흉곽을 벌림으로써 발생하는 손상을 현저히 감소시킬 수 있는 기술을 개발했습니다 . 휴 크렌쇼와 함께 Physcient 사를 공동으로 설립한 척 펠은 " 우리는 두 가지 중요한 문제를 해결해야 했는데, 그 중 첫 번째는 늑골 견인기가 오늘날 수술실에서 사용되는 것보다 커서는 안 된다는 것이었고, 두 번째는 수백 번의 멸균이 가능해야 한다는 것이었습니다.“ 라고 말합니다. Physcient 사의 Assuage™ Smart Retractor™ 는 새로운 기술을 이용해 외과의사의 기존 시술 방법을 유지하면서도 오랜 문제를 해결하기 위한 목적으로 개발되었습니다 . 펠은 " 나와 휴 크렌쇼 모두 생체역학을 전공했습니다. 그래서 생물의 동작 패턴에 대한 저희의 지식을 기술에 응용하려고 했습니다. 얼마 전부터 아주 흥미로운 분야인 수술도구에 대해 연구하고 있습니다. 현재 외과의사가 사용하는 대부분의 도구들은 생체역학이 하나의 완전한 학문 분야로 굳어지기 전에 개발된 것입니다." 라고 말합니다. 미국의 심장·폐·혈액 연구소 ( National Heart, Lung, and Blood Institute ) 에 따르면 매년 50 만번 이상의 심장 수술이 시행되고 있고, 여기에 수십만 번의 폐 수술까지 생각해본다면 더 나은 수술도구의 필요성은 명백해집니다. 현재 사용되고 있는 늑골 견인기의 구식 구조와 시행되고 있는 수술 횟수로 인해 늑골절의 수는 계속적으로 증가하고 있습니다.

크렌쇼와 펠은 그 동안 늑골 견인기에 의해 생성되는 힘에 대한 연구가 없었음을 인식하여 그에 미치는 영향을 측정하고 손상을 최대한 감소시킬 수 있는 기술을 개발하기 위해 팀을 구성했습니다 . 견인기가 움직이는 속도에 따라 사람의 뼈가 골절되기도 합니다. 뼈 조직은 늘어나기 까지 어느 정도의 시간을 필요로 하기 때문에 견인기에 의해 늑골이 갑자기 벌려지면 바로 골절될 수 있습니다. 자동 늑골 견인기인 Assuage™ 에 내장된 센서는 인체의 섬유조직에 무리가 가게 되면 이를 곧바로 인식합니다 . 인식된 정보들은 견인기로 전송되어 조직의 상태에 즉각적으로 반응 할 수 있도록 합니다. 이렇듯 의료장비에 사용되는 클로즈드- 루프 방식의 피드백은 높은 정밀성과 높은 신뢰성을 요구합니다.

Physcient 사는 맥슨의 드라이브로 프로토 타입의 늑골 견인기를 설계했습니다. 모터의 가장 중요한 사양 중 하나는 저속에서 구동할 시에 코깅 토크가 없어야 한다는 점입니다. 늑골 견인기가 부드럽게 움직여야 환자의 통증을 최소로 감소시킬 수 있기 때문입니다. 브러시리스 DC 모터는 배터리로 쉽게 구동되며 센서 시스템과 함께 내장된 제어기가 늑골 견인 절차를 제어합니다 . Physcient 사는 필요한 강한 힘을 위해 높은 토크의 모터를 선택했으며, " 우리가 사용하는 맥슨 모터는 의료기술 분야에서 가장 강력한 견인력을 제공할 뿐 아니라 인대와 연조직의 손상을 최소화하기 위해 매우 정확하고 정밀해야 합니다.“ 라고 펠은 설명합니다.

부드러운 동작을 위한 강력한 토크의 맥슨 모터

맥슨은 다양한 어플리케이션을 위해 직경 Ø 6 mm 에서 최대 Ø90 mm 의 모터를 생산합니다 . 전자식 정류 방식에 의해 전자파 장애가 최소화되는 이 브러시리스 DC 모터는 브러시가 없기 때문에 긴 수명이 보장될 뿐만 아니라 추가된 고품질의 예압 볼 베어링으로 인해 모터의 수명이 더욱 연장됩니다 .

Physcient 의 Assuage™ Smart Retractor™ 는 뼈와 조직의 물리적 성질을 고려합니다 . 대부분의 흉부외과 분야에서는 생체역학적으로 사람과 매우 유사한 동물인 돼지로 연구 프로젝트를 진행해 왔습니다. Physcient 사는 각각의 늑골을 부드럽게 감싸는 두 줄로 된 곡선 모양의 메탈 핑거를 사용한 프로토 타입을 설계하였습니다. 견인기가 늑골을 자동으로 벌리는 동안 맥슨 모터는 센서에 의해 제공되는 피드백으로 부드러운 개흉 프로세스를 보장합니다. 생체 실험에서 Physcient 사의 견인장치는 조직의 외상과 통증을 현저히 감소시켰으며 환자의 호흡 또한 수월해 졌을 뿐 아니라 회복 속도도 매우 빨랐습니다 . Physcient 사의 개발팀은 Assuage™ 의 생산이 시작되고 나면 오랫동안 개선되지 않은 다른 의료장비의 개발도 추진할 계획입니다 . Physcient 사는 항상 환자 지향적이며 의료장비를 개선하여 외과의의 모든 수술 장비의 자동화와 품질의 향상을 목표로 합니다 . Assuage™ Smart Retractor™ 는 2013 년에 출시될 예정입니다.

테스트 운전자 라파엘(Raffael)이 미소를 짓고 있습니다. 보행장애가 있는 그는 무한궤도 트랙이 장착된 스칼레보(Scalevo) 휠체어를 타고 층계를 뒤로 올라갑니다. 거의 떠있는 자세로 층계 맨 위에 도착하면 다시 두 바퀴로 자기 평형을 이루며 구동을 이어갑니다. 이 전동 휠체어는 취리히 공과대학(ETH Zurich)에서 제작한 프로토 타입으로 아직 상용화되지는 않았습니다. 보행장애가 있는 장애인 대다수는 여전히 일상생활에서 많은 제약을 받고 있으며 연석이나 계단을 우회해서 가야 하는 불편함을 겪습니다. 10명의 스위스 공대생은 이를 바꾸고자 했습니다. 미래에는 어떠한 장애물도 휠체어 사용자의 이동의 자유를 제한해서는 안됩니다. 이 신예 엔지니어들은 일 년 만에 새로운 타입의 휠체어를 개발했습니다. 개발에 참여한 학생들이 자신의 모든 시간을 할애하여 이루어낸 대단한 성과입니다. 전 세계의 보행 장애인들이 보낸 첫 번째 피드백은 매우 긍정적이었습니다. “그 중 많은 사람들은 벌써 우리의 휠체어를 구매하고 싶어합니다.”라고 기계 공학자 카를로스 고메스(Carlos Gomes)는 말합니다.

개발의 시작

처음 고메스와 그의 동료들은 층계를 오를 수 있는 로봇을 개발하고자 했습니다. 하지만 담당 교수는 이보다 한 단계 더 나아간 개발을 제안했습니다. 이렇게 취리히 공과대학 8명의 엔지니어들은 2014년 여름, 층계를 오를 수 있는 휠체어 개발에 착수하게 되었습니다. 휠체어는 조작이 쉬워야 하고, 무엇보다도 안전성이 보장되어야 합니다. 또한 외관 디자인을 위해 취리히 미술대학의 산업 디자이너 2명을 영입하여 팀을 강화했습니다. 이 전동 휠체어의 기본 원리는 세그웨이(Segway)처럼 두 바퀴로 주행해야 하며, 층계에서는 접이식 무한궤도를 이용해 오르내릴 수 있어야 합니다. 스칼레보(Scalevo)라고 불리는 이 휠체어는 두 가지 이동원리를 하나로 합친 결과물로 하이브리드 휠체어라 할 수 있습니다.

실용화 테스트

휠체어가 계단 앞에 이르면 사용자는 터치스크린을 통해 필요한 기능을 선택합니다. 휠체어는 센서와 카메라를 통해 계단의 기울기를 측정하고 자동으로 뒤로 돌아 구동을 시작합니다. 무한궤도가 내려지고 구동을 시작하면서 층계를 오릅니다. 이 때 속도는 1초 당 한 계단이며, 휠체어 사용자는 바른 자세를 유지합니다. 센서가 마지막 계단을 감지하면 바로 지지용 바퀴가 나오기 때문에 휠체어는 기울어지지 않습니다. 이어서 궤도가 올라가고 휠체어는 두 바퀴로 주행을 이어갑니다.

휠체어의 바퀴와 무한궤도에는 각각 2개의 맥슨 모터가 장착되어 있습니다. 브러시리스 DC 모터에 세라믹 버전의 기어헤드가 결합되어 사용됩니다. 세라믹 버전의 기어헤드는 부품에 강한 힘이 주어지는 환경에서 뛰어난 내구성을 보장합니다. 카를로스 고메스와 그의 팀은 맥슨의 드라이브에 크게 만족하고 있습니다. "맥슨 모터와 기어헤드의 결합은 강하고 정밀하며, 소음이 적고 무게가 각각 3.2 kg으로 비교적 가볍습니다. 맥슨 모터의 엔지니어들은 전문적인 조언과 훌륭한 지원을 아끼지 않았습니다."라고 이야기합니다.

성공의 열쇠

학생들은 그들의 성과에 매우 만족해하며 "좋은 팀워크가 성공의 열쇠입니다."라고 고메스는 말합니다. 또한 이들은 보행 장애를 겪고 있는 사람들의 조언을 개발에 적극적으로 반영했습니다. 예를 들어 안전 벨트를 설치하거나 휠체어 사용자가 앞으로 미끄러지지 않도록 의자를 약간 뒤로 기울게 하는 것입니다. "이러한 점들을 우리 스스로는 생각해내지 못했을 것이다."라고 이야기합니다.

대회 참가

이것이 끝이 아닙니다. 프로젝트는 사실상 종료되었지만, 엔지니어들은 2016년 10월 취리히에서 개최될 사이배슬론(Cybathlon)에 참가할 예정입니다. 이 경기는 장애를 가진 사람들이 기술적인 보조기구를 사용하여 승부를 겨루는 대회입니다. 이 경기를 통해 개발자나 엔지니어는 더욱 향상된 휠체어, 인공기관 및 기타 보조기구 등의 개발에 동기를 부여 받게 됩니다.

앞으로의 비전

스칼레보 팀은 사이배슬론 대회의 휠체어 부문에서 우승하는 것을 목표로 삼고 있습니다. 아직 몇 가지 기구적인 보완이 이루어져야 하지만 우승하지 못하리란 법은 없습니다. 이 젊은 엔지니어들이 만약 창업을 한다면 이 전동 휠체어는 곧 상용화될 수 있을 것입니다. 휠체어가 층계를 자연스럽게 오르내리는 것은 앞으로 평범한 일상이 될 것입니다.

 

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