KR101456102B1 - 입자상 물질의 재밍 현상을 이용하는 신체 요소 고정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치는, (1) 제1 가요성 연장부와, 제2 가요성 연장부와, 상기 제1 가요성 연장부와 상기 제2 가요성 연장부를 연결하는 가요성 연결부를 포함하며 진공 제어부에 의해서 내부 압력이 진공상태로 될 수 있는 몸체부와, (2) 상기 몸체부의 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질을 포함한다.

Description

입자상 물질의 재밍 현상을 이용하는 신체 요소 고정 장치{Fixation Device of Body Component Using Jamming of Granular Parrticle}

본 발명은 입자상 물질의 재밍 현상을 이용하는 신체 고정 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 석고를 이용하지 않고 치료 목적을 위해 신체 요소를 소정의 기간 동안 고정시킬 수 있는 신체 고정 장치에 관한 것이다.

뼈가 골절되거나 금이 가는 경우에 치료 목적을 위하여 소정의 상태로 신체 요소를 제 위치에서 고정하는 것이 정형외과적으로 필요한 경우가 많다.

그러한 목적을 위해서 소위 깁스(gips)를 이용하는 경우가 많은데 통상의 깁스는 석고를 경화시켜서 신체 요소를 고정시키는데, 경화에 소요되는 시간도 오래 걸리고 깁스를 제거할 때에는 전기톱과 같은 커터기로 제거해야 해서 요란한 소음 발생 및 착용자에게 공포감을 유발시키는 문제가 있다. 또한, 깁스를 착용하고 있는 상태에서는 해당 신체 부위를 씻을 수 없기 때문에 장기 착용의 경우 위생상의 문제도 발생한다.

착탈을 용이하게 하기 위한 깁스의 일례가 2010년 10월 28일에 등록공고된 한국특허 제0989427호에 개시된 바 있는데, 이 특허에 개시된 깁스는 하부와 상부를 따로 제작하여 조립함으로써 결합 및 해체가 용이하다고 해당 특허에 기재되어 있다.

그러나, 이 깁스는 별체로 제작되어야 하며, 여전히 석고(캐스트)를 이용하는 종래 기술의 단점을 해결하지는 못하고 있다.

본 발명은, 종래 기술의 문제점을 해결하여 일체로 구성되고 탈부착이 매우 용이하며 경량화된 신체 요소 고정 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치는, (1) 제1 가요성 연장부와, 제2 가요성 연장부와, 상기 제1 가요성 연장부와 상기 제2 가요성 연장부를 연결하는 가요성 연결부를 포함하며 진공 제어부에 의해서 내부 압력이 진공상태로 될 수 있는 몸체부와, (2) 상기 몸체부의 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질을 포함한다.

상기 입자상 물질은 내부가 비어 있는 입자상 물질인 것이 바람직하다. 이 경우 신체 요소 고정 장치의 경량화를 도모할 수 있다.

본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치가 신체에 장착될 때에는, 상기 제1 가요성 연장부는 제1 신체부를 감싸며, 상기 제2 가요성 연장부는 관절에 의해서 상기 제1 신체부에 대해서 피봇 운동이 가능하게 연결되는 제2 신체부를 감싸며, 상기 가요성 연결부는 상기 제1 신체부와 상기 제2 신체부의 길이 방향을 따라서 밀착한다.

또는, 상기 제1 가요성 연장부는 골절된 뼈가 내부에 있는 제1 신체 요소를 감싸며, 상기 제2 가요성 연장부는 골절된 뼈가 내부에 있는 제2 부분을 감싸며, 상기 가요성 연결부는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 길이 방향을 따라서 밀착하도록 장착될 수 있다.

상기 제1 가요성 연장부와, 상기 제2 가요성 연장부와, 상기 가요성 연결부는 서로 분리되는 챔버로 구성될 수 있다. 또는, 제1 가요성 연장부와, 상기 제2 가요성 연장부와, 상기 가요성 연결부는 적어도 한 개는 다른 두 개와 분리되는 챔버로 구성될 수도 있다.

본 발명에 의하면, 신체 요소에 장착하거나 탈거할 때에 매우 간편하며, 경량화된 신체 요소 고정 장치가 제공되는 효과가 있다.

도 1 내지 도 3은 본 발명의 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치에서 수직력과 변위 및 유효 강성과의 관계를 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치의 내부가 도시되어 있는 평면도.
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치를 팔에 부착하는 상태를 도시한 도면.

이하에서는 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 자세하게 설명한다.

본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치(1)에 대해서 설명하기 전에, 본 발명에 적용되는 입자상 물질에 의한 강성 변화 원리에 대해서 설명하기로 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 복수 개의 입자상 물질들(10; granular particle)이 배치되어 있는 가요성 챔버(flexible chamber) 내부를 진공상태(대기압보다 낮은 압력 상태)로 하면, 도 1의 아래쪽에 도시된 바와 같이 가요성 챔버에 대기압이 작용하면서 챔버 내부에서의 입자상 물질의 배열 밀도가 높아지고, 입자상 물질에 변형이 발생하게 된다. 이와 같이 밀도가 높아지면 단단해지게 되는데 이를 재밍효과(jamming effect)라고 한다. 본 명세서 및 첨부 도면에서 "가요성"이라 함은, 대기압 및/또는 (내부 압력보다 높은) 소정의 압력 내지 외력이 챔버(하우징)의 외부에서 작용할 때 그 형태가 변형 가능한 특성으로 정의된다.

챔버 내에 배치되는 입자상 물질이 비압축성의 비선형 탄성 물질(incompressible nonlinear elastic material)인 경우 3차원 구성방정식은 아래와 같이 표현할 수 있다.

(n: 물질에 따른 응력지수(stress exponent), k_s: 응력 단위의 상수)

Von Mises 응력은 다음과 같이 표현할 수 있다.

스트레인 요소(strain component)는 다음과 같이 표현된다.

(u_i: infenitesimal displacement,

는 j번째 직교 좌표(orthogonal coordinate)에 대한 u_i의 미분값)

그리고 응력 평형(stress equilibrium)으로 인해서 다음과 같은 수학식 5가 성립한다.

반지름이 R₀인 비선형 탄성구(nonlinear elastic sphere)가 단단한 판(plate)에 접촉할 때를 고려해 보면, 원통 극좌표계(cylindrical polar coordinate)에서 구의 표면 경계 조건(boundary condition)은 다음과 같다.

r > a (접촉이 없는 경우)

r < a (접촉한 경우)

(σ_t: 접선 응력(tangential stress), σ_n: 수직 응력(normal stress), a: 접촉 면적의 반지름, u(r): 접촉부 표면의 변위, d: r=0일 때 접촉부의 변위)

원 접촉면의 force balance는 다음과 같다.

(σ_zz: 접촉면의 수직 응력 성분)

무차원변수를 다음과 같이 정의하기로 한다.

수학식 4에

와

를 대입하면 다음과 같은 수학식을 구할 수 있다.

따라서, 다음과 같은 식을 구할 수 있다.

여기서 적분항은 무차원이다. 따라서 상수항을 모두 모으면 다음과 같다.

(γ: 수직력의 지수(exponent of normal force, c: 입자상 물질의 크기와 재료에 따른 상수)

수학식 17 및 18은 접촉면의 반지름 및 작용하는 수직력의 관계에 대한 멱함수 법칙(power law)로 정의할 수 있다.

이 멱함수 법칙을 이용해서 도 2에 도시된 바와 같이 두 입자상 물질이 접촉하는 경우에 있어서의 접촉 강성(contact stiffness)를 유도해 보기로 한다.

도 2와 같이 입자상 물질이 접촉하는 경우에 기하학적 조건을 다음과 같이 규정할 수 있다.

d ≪ R₀라고 가정하고, 수학식 19를 수학식 18에 대입하면 다음과 같이 d와 수직력 N과의 관계식을 구할 수 있다.

여기에서

d와 N과의 관계식을 구했으므로, 이를 토대로 접촉부의 수직 변위 변화량에 대한 수직력의 변화량의 비로서 비선형 접촉 강성(nonlinear contact stiffness)를 다음과 같이 구할 수 있다.

(p:압력, A: 유효 면적)

다음으로 도 3과 같이 여러 입자상 물질(10)이 가요성 챔버 내에 배치되는 경우에 유효 강성(effective stiffness)을 유도하기로 한다. 여기에서 압력 p는 가요성 챔버 내를 진공상태로 함으로써, 대기압과 가요성 챔버 내의 진공 압력과의 차이로 인해 가요성 챔버에 가해지는 압력이다.

본 유효 강성 유도에 있어서는 각각의 입자상 물질(10)을 도 3에서와 같이 스프링으로 모델링한다. 따라서 입자상 물질(10)의 배치에 따라서 전체 유효 강성이 변하게 되는데, 스프링의 병렬 연결과 직렬 연결 관계를 통해서 다음과 같이 유효 강성을 유도할 수 있다.

즉 유효 강성은, 입자상 물질(10)의 크기, 외부에서 가해지는 압력, 그리고 입자상 물질의 배치에 따라 변화한다. 압력의 크기에 따라서 입자상 물질(10)에 작용하는 수직력(N)의 크기가 결정되고 그에 따라서 변위(d)가 결정된다. 도 4의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이 수직력(N)과 변위(d)의 관계는 비선형적이다. 따라서, 압력의 크기를 변화시킴으로써 다른 유효 강성을 획득할 수 있게 된다.

이와 같이 가요성 챔버 내에 여러 개의 입자상 물질(10)을 배치하고, 가요성 챔버를 진공 상태로 하며, 그 진공의 수준을 제어함으로써 유효 강성을 자유롭게 제어할 수 있게 된다.

진공 제어부(70)는 통상의 진공 펌프로 구성되는데, 진공의 수준을 제어할 수 있는 진공 펌프 및/또는 제어부를 포함하는 것이 바람직하며, 진공 펌프의 구성은 공지되어 있는 진공 펌프를 이용하면 되므로, 자세한 설명은 생략하기로 한다. 진공 수준을 제어하지 못하며 단순히 미리 설정되어 있는 진공 압력의 진공 상태로만 작동 가능한 진공 제어부인 경우에도 본 발명의 기본적이고 본질적인 특징을 구현할 수는 있음이 명백하게 이해되어야 한다.

진공 제어부(70)를 이용하여 하우징(250) 내부의 진공 수준을 제어하면, 하우징(250)에 가해지는 외부 압력을 제어할 수 있고, 따라서, 유효 강성을 원하는 대로 변화시킬 수 있다.

한편, 하우징(250) 내부에 배치되는 여러 입자상 물질은 동일한 소재의 입자상 물질로 구성하는 것이 바람직하지만, 서로 다른 소재의 입자상 물질로 구성하더라도 무방하다. 본 명세서 및 특허청구범위에서 "입자상 물질"은 단일 종류의 입자상 물질 뿐만 아니라, 서로 다른 소재 또는 크기의 다양한 입자상 물질도 포함하는 것으로 정의된다.

도 5에는 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치(1)가 도시되어 있다. 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치(1)는 제1 가요성 연장부(2)와, 제2 가요성 연장부(3)와, 제1 가요성 연장부(2)와 제2 가요성 연장부(3)를 연결하는 가요성 연결부(4)를 포함하는 몸체부로 구성되며, 이 몸체부 내부 즉, 제1 가요성 연장부(2), 제2 가요성 연장부(3)와, 가요성 연결부(4)의 내부에 복수 개의 입자상 물질(10)이 제공된다. 그리고 몸체부의 내부는 진공 제어부(70)에 의해서 내부 압력이 진공으로 될 수 있다. 도 5에서는 가요성 연장부가 두 개인 실시예가 도시되어 있지만, 이 연장부는 3개 이상이 제공되어도 무방하며, 치료 목적에 따라서 그 개수가 정해진다는 점이 이해되어야 한다. 본 명세서에서 "연장부"라 함은, 고정되어야 하는 신체 요소를 감싸는 부분을 의미한다.

도 5에서는 제1 가요성 연장부(2)와, 제2 가요성 연장부(3) 그리고 가요성 연결부(4)의 내부가 서로 연통하는 것으로 도시되어 있지만, 이들 각각을 별도로 분리되는 챔버로 구성할 수도 있고, 또는 적어도 한 개를 다른 두 개와 분리되는 챔버로 구성할 수도 있다. 분리되는 챔버로 구성하는 경우에는 진공 제어부(70)와 몸체부를 연결하는 호스(hose)가 분리되는 챔버의 개수만큼 제공되는 것이 바람직하다.

입자상 물질(10)은 내부가 비어 있는 입자상 물질로 구성하는 것이 바람직한데, 이렇게 구성하면 신체 요소 고정 장치의 전체 무게를 저감할 수 있는 효과가 있다. 그러나 내부가 비어 있지 않은 입자상 물질(10)을 사용하더라도 본 발명의 권리범위에서 벗어나지 않음은 명백하다.

도 6 및 도 7에는 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치(1)가 신체에 장착되는 상태가 도시되어 있다. 도 6은 팔꿈치를 사이에 두는 두 개의 신체부를 서로에 대해 고정 위치로 고정하는 치료에서 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치를 적용하는 개념도이다.

제1 가요성 연장부(2)는 팔의 제1 부분(100; 어깨에서 팔꿈치 사이의 부분)을 감싸도록 배치되고, 제2 가요성 연장부(3)는 팔의 제2 부분(200; 팔꿈치에서 손목 사이의 부분)을 감싸도록 배치된다. 이렇게 배치하면, 가요성 연결부(4)는 팔의 길이 방향 즉 제1 부분(100)과 제2 부분(200)의 길이 방향을 따라서 밀착시킨다. 처음에는 진공 제어부(70)가 작동되지 않기 때문에, 원하는 위치에 몸체부의 각 구성요소를 도 6과 같이 배치할 수 있다.

그 다음에 진공 제어부(70)를 작동시켜서 몸체부 내부의 압력을 진공상태로 하면, 전술한 바와 같이 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질들(10)이 서로 밀착하게 되면서 유효 강성이 변화하게 된다. 이 때 유효 강성은 전술한 바와 같이, 외부에서 가해지는 압력, 입자상 물질(10)의 크기, 입자상 물질들의 배치에 따라서 변화하며, 그러한 변수들은 신체 요소 고정 장치의 설계 사양에 따라서 변화될 수 있다.

유효 강성이 증가하게 되면, 제1 부분(100)을 감싸는 제1 가요성 연장부(2)와, 제2 부분(200)을 감싸는 제2 가요성 연장부(3) 그리고 가요성 연결부(4)의 강성이 증가하게 되면서, 제1 부분(100)과 제2 부분(200)을 원하는 위치로 고정시킬 수 있게 됨으로써, 종래 기술에 의한 소위 깁스의 효과와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

도 6에서는 서로에 대해서 관절부(팔꿈치)에서 피봇 운동이 가능한 신체 요소에 본 발명에 의한 신체 요소 고정 장치(1)를 부착하는 것이 도시되고 설명되었지만, 제1 가요성 연장부(2)와 제2 가요성 연장부(3)가 골절된 뼈가 내부에 있는 신체 요소들에 각각 부착될 수도 있다.

신체 요소 고정 장치(1)를 신체에서 제거하기 위해서는 몸체부 내부의 진공 상태를 해제하면 된다. 진공 상태가 해제되면 유효 강성이 낮아지면서 신체 요소 고정 장치(1)가 신체 요소에서 분리될 수 있게 된다.

이러한 본 발명에 의하면, 석고를 이용한 종래의 깁스 장치에 비해서 신체 요소에 부착하기도, 탈거하기도 매우 간단해지며, 그 무게 역시 현저하게 저감되기 때문에 의사와 환자 모두에게 편리하다.

이상 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되며, 첨부 도면 및/또는 전술한 실시예에 제한되는 것으로 해석되어서는 아니된다. 그리고 특허청구범위에 기재된 발명의, 당업자에게 자명한 개량, 변경 및/또는 수정도 본 발명의 권리범위에 포함됨이 명백하게 이해되어야 한다.

2: 제1 가요성 연장부
3: 제2 가요성 연장부
4: 가요성 연결부

Claims (6)

1. 제1 가요성 연장부와, 제2 가요성 연장부와, 상기 제1 가요성 연장부와 상기 제2 가요성 연장부를 연결하는 가요성 연결부를 포함하며, 진공 제어부에 의해 내부 압력이 진공 상태로 될 수 있는 몸체부와,
   상기 몸체부의 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질을 포함하며,
   상기 제1 가요성 연장부는 제1 신체부를 감싸며,
   상기 제2 가요성 연장부는 관절에 의해서 상기 제1 신체부에 대해서 피봇 운동이 가능하게 연결되는 제2 신체부를 감싸며,
   상기 가요성 연결부는 상기 제1 신체부와 상기 제2 신체부의 길이 방향을 따라서 밀착하는,
   신체 요소 고정 장치.
   
2. 제1 가요성 연장부와, 제2 가요성 연장부와, 상기 제1 가요성 연장부와 상기 제2 가요성 연장부를 연결하는 가요성 연결부를 포함하며, 진공 제어부에 의해 내부 압력이 진공 상태로 될 수 있는 몸체부와,
   상기 몸체부의 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질을 포함하며,
   상기 제1 가요성 연장부는 제1 신체부를 감싸며,
   상기 제2 가요성 연장부는 관절에 의해서 상기 제1 신체부에 대해서 피봇 운동이 가능하게 연결되는 제2 신체부를 감싸며,
   상기 가요성 연결부는 상기 제1 신체부와 상기 제2 신체부의 길이 방향을 따라서 밀착하며,
   상기 입자상 물질은 내부가 비어 있는 입자상 물질인,
   신체 요소 고정 장치.
   
3. 삭제
4. 제1 가요성 연장부와, 제2 가요성 연장부와, 상기 제1 가요성 연장부와 상기 제2 가요성 연장부를 연결하는 가요성 연결부를 포함하며, 진공 제어부에 의해 내부 압력이 진공 상태로 될 수 있는 몸체부와,
   상기 몸체부의 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질을 포함하며,
   상기 제1 가요성 연장부는 골절된 뼈가 내부에 있는 제1 신체 요소를 감싸며,
   상기 제2 가요성 연장부는 골절된 뼈가 내부에 있는 제2 부분을 감싸며,
   상기 가요성 연결부는 상기 제1 부분과 상기 제2 부분의 길이 방향을 따라서 밀착하는,
   신체 요소 고정 장치.
   
5. 제1 가요성 연장부와, 제2 가요성 연장부와, 상기 제1 가요성 연장부와 상기 제2 가요성 연장부를 연결하는 가요성 연결부를 포함하며, 진공 제어부에 의해 내부 압력이 진공 상태로 될 수 있는 몸체부와,
   상기 몸체부의 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질을 포함하며,
   상기 제1 가요성 연장부와, 상기 제2 가요성 연장부와, 상기 가요성 연결부는 서로 분리되는 챔버로 구성되는,
   신체 요소 고정 장치.
   
6. 제1 가요성 연장부와, 제2 가요성 연장부와, 상기 제1 가요성 연장부와 상기 제2 가요성 연장부를 연결하는 가요성 연결부를 포함하며, 진공 제어부에 의해 내부 압력이 진공 상태로 될 수 있는 몸체부와,
   상기 몸체부의 내부에 제공되는 복수 개의 입자상 물질을 포함하며,
   상기 제1 가요성 연장부와, 상기 제2 가요성 연장부와, 상기 가요성 연결부는 적어도 한 개는 다른 두 개와 분리되는 챔버로 구성되는,
   신체 요소 고정 장치.
   
   

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