１. 일반 사항
가. 연구개발 개요
현재 사용되는 수동식모기의 경우 1 명 환자에 대한 1 회 시술은 약 2,000 모낭 (graft)을 시술하고 있기 때문에, 시술 시간도 3~4 시간 정도 소요되고 있다. 또한 의사와 환자가 느끼는 피로도가 상당하다. 이처럼 수동 식모기를 이용하여 모낭을 이식하는 것은 시술 시간이나 환자의 비용적인 면에서 많이 불편한 것이 현실이며, 이를 해결하기 위하여 자동/반자동으로 모낭을 이식할 수 있는 장비가 연구되고 있 다. 본 연구에서는 반자동 모발 이식 장치에서 모낭을 자동으로 공급하는 모낭 자 동 공급부를 이용하여 기존 식모기의 시술 시간을 개선하는 것을 목적으로 한다.
목표로 하는 1 회 연속 평균 모낭이식 수는 7 graft 이상이다.
나. 개발 범위
바늘이송형 자동식모기 상용시제품은 기존 수동 식모기의 단순 반복 작업 및 장 시간 작업을 개선하기 위하여 개발하고자 한다. 바늘이송형 자동식모기 상용시제품 은 모낭 공급부 (바늘 탄창 또는 매거진), 모낭 이송부 (외부캠 구조), 모낭 장착 부(바늘 그리퍼), 모낭 회수부, 봉, 및 이들을 구동하기 위한 모터를 포함한다. 구 동 모터의 경우, 봉 및 바늘을 자동으로 구동시키는 각각의 구동 장치가 존재하며, 다수의 모낭을 공급할 수 있는 모낭 공급부는 Tandem 또는 Revolving 타입일 수 있 다. 또한 자동 식모기 제어부는 사용자가 자동식모기를 동하기 위한 모터 컨트롤러 GUI 및 식모 속도 조절 GUI 를 포함한다.
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그림 3-5. 개발시스템 구성도
다. 위험 및 종속사항
바늘이송형 자동식모기 상용시제품의 큐마크 테스트 범위는 바늘이송형 자동식 모기 상용시제품의 식모 동작 및 이 식모 동작을 구동하기 위한 구동 모터의 연계 동작 테스트만을 포함한다. 이 테스트는 모낭이 삽입된 다수의 바늘이 모낭 공급부 (바늘 탄창 또는 매거진)에서 이송되어 바늘 그리퍼에 장착된 후, 바늘 그리퍼의 전후진 운동에 의한 식모 동작을 의미하며, 기존 수동 식모기의 식모 동작을 토대 로 바늘이송형 자동식모기 상용시제품의 동작을 검증한다.
２. 바늘이송형 자동식모기 상용시제품 요구사항
본 문서에서 기술한 요구사항은 크게 사용자 요구사항과 시스템 요구사항으로 구 분된다.
가. 사용자 요구사항
본 절에서는 바늘이송형 자동식모기 상용시제품에 대한 사용자 측면에서 요구사 항을 도출한다. 도출된 사용자 요구사항을 바탕으로 요소기술을 조사하고 분석하여
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３. 바늘이송형 자동식모기 상용시제품 제작
가. 전체 구성 및 주요 부분
바늘이송형 자동식모기 상용시제품의 동작 원리는 외부캠 (External cam)에 의 해 바늘 탄창 (또는 매거진) 안의 바늘이 주축으로 이동하여 이식 후 회수되는 구 조를 가진다. 자동식모기가 모낭이 삽입된 바늘을 두피에 찌른 후, 봉 (Push-rod) 이 바늘 속 모낭을 지지하여 두피 속에 모낭을 이식하는 동작을 수행한다. 바늘 이 송에 직접적으로 관련되는 헤드 어셈블리 (Head-assembly) 부분은 멸균하여 재사용 이 가능하도록 설계 및 제작되었다. 바늘이송형 자동식모기 상용시제품의 총 어셈 블리는 그림 3-6 과 같다.
그림 3-6. 바늘이송형 자동식모기 상용시제품 총 어셈블리
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바늘이송형 자동식모기 상용시제품의 조립도는 그림 3-7 과 같다. 바늘이송형 자 동식모기 상용시제품은 바늘 매거진 (Needle magazine)을 통하여 다수의 식모 바늘 이 외부캠 구동에 의해 바늘 매거진에서 순차적으로 자동식모기의 식모부에 공급되 며, 이 식모 바늘을 바늘 그리퍼 (Needle gripper) 작동에 의해 연속 식모 시술을 가능하게 해준다. 그림에서 보이는 것처럼 상용시제품은 바늘을 잡고 전진하는 바 늘 그리퍼 구동을 위한 모터와 바늘 속 모낭을 이식 시 지지해주는 봉 구동을 위한 모터로 구성되어 있다.
그림 3-7. 조립도
헤드 어셈블리 (Head-assembly) 부품은 그림 3-8 과 같다. 헤드 어셈블리는 바늘 탄창과 결합하여 식모 바늘을 주축으로 이송하며, 이식 후 회수하는 구조를 가진 바늘이송형 자동식모기 상용시제품의 핵심 부품이다. 이 헤드 어셈블리는 식모기 몸체와 결합되며 시술 이후, 멸균 및 소독을 위해 자동식모기 몸체와 분리되는 구 조를 가진다. 또한 헤드 어셈블리는 탄창에서의 바늘 이송, 식모를 위한 바늘 전진 및 회수를 위한 바늘 후퇴 동작을 위한 외부캠과 연결되는 부품을 가지고 있으며, 식모 바늘이 돌출될 때 두피와 맞닿는 노즐이 입구에 부착되어 있다.
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그림 3-8. 헤드 어셈블리 (Head assembly)
서브 어셈블리 (Sub-assembly)는 바늘 탄창 어셈블리를 의미하며, 그림 3-9 와 같다. 바늘 탄창 (Needle magazine)은 식모 바늘을 공급하는 바늘 저장소를 의미하 며, 모낭이 삽입된 다수의 바늘이 바늘 탄창 안에 일렬로 장착되어 헤드 어셈블리 에 바늘을 공급한다. 바늘 탄창 안에 삽입된 바늘은 스프링 닫힘 구조에 의해 기본 상태에서는 밖으로 흘러내리지 않으며, 헤드 어셈블리와 결합되면 입구가 개폐되면 서 바늘 탄창 안의 스프링에 의해 바늘이 순차적으로 공급된다. 이와 더불어 바늘 탄창의 세로 크기를 확장할 경우 더 많은 식모 바늘이 삽입될 수 있다.
그림 3-9. 바늘 탄창 어셈블리 (Needle magazine assembly)
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모터 어셈블리 부품 (Motor assembly part)은 메인 모터 (Main-motor) 및 서브 모터 (Sub-motor)로 구성되며, 그림 3-10 과 같다. 메인 모터는 바늘 탄창에서 바 늘 회수부까지의 바늘 이동과 관련된 바늘 이송, 이식, 및 회수를 담당하며, 메인 모터는 Maxon motor 사의 16Φ 스핀들 드라이브를 사용하였다. 서브 모터는 모낭이 삽입된 바늘이 두피에 침투할 때 모낭이 두피 속에 안착하도록 모낭을 지지하는 봉 을 구동하는 모터를 의미하며, Maxon motor 사의 6Φ 스핀들 드라이브를 사용하였 다.
그림 3-10. 메인 모터 (Main-motor, 좌) 및 서브 모터 (Sub-motor, 우)
나. 부품 설계 보완
본 절에서는 이식 동작의 안정성 및 신뢰성을 향상시키기 위하여 바늘이송형 자동 식모기 상용시제품을 구성하는 주요 부품의 보완에 대해 설명한다. 체결을 위한 볼 트나 와셔, 그리고 기타 소형 부품에 대한 설명은 생략하도록 한다. 첨부된 그림들은 실제 제작을 위한 도면으로, 치수 등의 구체적인 정보는 생략하였다. 먼저 그리퍼 몸 체 (Gripper body) 치수를 변경하였다. 그림 3-11 은 그리퍼 몸체의 설계 변경 도 면을 나타낸다. 바늘이 기존 시제품에 비해 더 깊이 삽입될 수 있도록 삽입구의 깊 이를 변경하였으며, 붉은색 부위가 설계 변경된 부분을 의미한다.
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그림 3-11. 그리퍼 몸체 (Gripper body) 설계 변경 도면
두번째로 캠 서플라이어 (Cam-supplier)의 치수를 변경하였다. 그림 3-12 는 캠 프로파일의 설계 변경 도면을 나타낸다. 바늘 삽입 시 우측 바늘 서포터 (Needle supporter)가 충분히 후퇴하지 않는 문제를 해결하기 위해 캠 서플라이어의 치수를 변경하였으며, 붉은색 치수 부위가 설계 변경된 부분을 의미한다.
그림 3-12. 캠 프로파일 (Cam profile) 설계 변경 도면
세번째로 그리퍼 (Gripper)의 치수를 변경하였다. 그리퍼에서 바늘 삽입을 위해 개방되는 부분의 길이를 확장하여, 바늘 삽입의 안정성을 높였다. 그림 3-11 은 그 리퍼의 설계 변경 도면을 나타낸다. 붉은색 치수 부위가 설계 변경 된 부분을 의미 한다.
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그림 3-13. 그리퍼 (Gripper) 설계 변경 도면
네번째로 캠 서플라이어 및 서포터 (Cam Supplier, Supporter) 체결부의 구조를 변경하였다. 그림 3-14 는 외부캠 서플라이어와 서포터가 결합되는 부분의 변경 구 조를 나타낸다. 기존 열십자 형태에서 쉽게 체결이 가능하도록 원통형으로 체결부 의 형태를 변경하였다.
그림 3-14. 캠 서플라이어 및 서포터 체결부 구조 변경 도면
다섯번째로 3-15 와 같이 가이드 롤러 (Guide roller)를 추가하였다. 그리퍼 몸 체 (Gripper body)가 직진할 때 좌우에서 외부캠으로부터 받는 응력의 불균형으로 인해 발생하는 치우침을 보정하기 위해 가이드 롤러를 추가하였다. 이 가이드 롤러 는 그리퍼 바디가 직진성을 유지할 수 있도록 가이드 역할을 수행한다.
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그림 3-15. 가이드 롤러 (Guide roller) 도면
여섯번째로 바늘 탄창 브라켓 (Needle Magazine Bracket)의 치수를 변경하였다.
식모를 위해 사용된 바늘이 회수 및 퇴출 동작을 위해 바늘 그리퍼에서 바늘 서포 터 (Needle supporter)로 인계될 때 슬라이딩 (Sliding) 현상이 발생하면, 바늘의 공간 위치에 편차가 발생할 수 있다. 이때 바늘이 퇴출부로 삽입될 수 있도록 유도 하는 역할을 하는 바늘 탄창 브라켓 (Needle Magazine Bracket) 삽입부 가장자리의 각도를 크게 하여 (10 도->35 도) 퇴출보장성을 높이도록 개선하였다. 그림 3-16 은 바늘 탄창 브라켓의 설계 변경 도면을 나타내며, 붉은색 치수 부위가 설계 변경 된 부분을 의미한다.
그림 3-16. 바늘 탄창 브라켓 (Needle Magazine Bracket) 설계 변경 도면
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일곱번째로 가이드 그립 (Guide Grip)의 치수를 변경하였다. 바늘이 바늘 그리 퍼로 그리핑 (Gripping) 될 때, 좌우 정렬 보장성을 높이기 위해 가이드 그립 (Guide grip)이 그리퍼 몸체 (Gripper body)의 우측 유격을 막아주는 역할을 할 수 있도록 두께를 크게 변경하였다. 그림 3-17 은 가이드 그립 (Guide grip)의 설계 변경 도 면을 나타내며, 붉은색 치수 부위가 설계 변경된 부분을 나타낸다.
그림 3-17. 가이드 그립 (Guide grip) 설계 변경 도면
또한 경량화를 위해 헤드 브라켓 서포터 (Head bracket supporter)에 홀을 뚫고, 필렛 (Fillet)을 만들어 경량화하였다. 그림 3-18 은 헤드 브라켓 서포터 (Head bracket supporter)의 설계 변경 도면을 나타내고, 파란색 표시 부위가 변경된 부 분을 의미한다.
그림 3-18. 헤드 브라켓 서포터 (Head bracket supporter) 설계 변경 도면
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또한 캠 서플라이어 및 서포터 (Cam supplier, supporter) 연결부 클립 (Clip) 을 추가하였다. 그림 3-19 와 같이 캠 서플라이어 및 서포터에서 체결 부위의 유격 을 방지하기 위하여 클립을 추가하였으며, 회색 표시 부품이 추가된 부품을 의미한
또한 캠 서플라이어 및 서포터 (Cam supplier, supporter) 연결부 클립 (Clip) 을 추가하였다. 그림 3-19 와 같이 캠 서플라이어 및 서포터에서 체결 부위의 유격 을 방지하기 위하여 클립을 추가하였으며, 회색 표시 부품이 추가된 부품을 의미한