１. 차세대 모발이식장치 최소 유닛 설계
가. 상용기기 분석
현재 모발이식 수술에서 사용되고 있는 수동 식모기의 주요 부품은 (1) 바늘과 하우징(손잡이), (2) 푸쉬로드와 후면 푸쉬버튼, (3) 스프링으로 나눠볼 수 있다.
그리고 이러한 일반적인 수동 식모기를 이용하여 모낭(모발)을 심는 과정은 (1) 모 낭을 바늘 슬릿에 끼우는 과정, (2) 바늘을 두피에 찔러 넣는 과정, (3) 후면 버튼 을 누르며 바늘을 들어올리는 과정, 그리고 (4) 식모기를 두피에서 완전히 떼어내 는 과정으로 나누어 볼 수 있다.
그림 3-35. 기존 수동 식모기의 동작 순서
세 번째 단계인 바늘을 빼내는 과정에서 시술자는 검지로 식모기의 후면부(푸쉬 버튼)를 누른 채로 나머지 손가락을 이용하여 식모기 몸체(그립부)를 들어올리게 된다. 후면부는 노즐과 푸쉬로드에 고정된 상태이고, 몸체는 바늘과 고정된 상태이
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다. 검지를 고정한 채로 식모기 몸체를 들어올려 바늘을 빼내는 과정은 반복 훈련 이 필요한 작업이다. 이 과정 중에 검지의 높이 적절히 유지(레벨링)되지 못하면 모낭을 눌러주는 푸쉬로드의 높이가 바뀌어, 모낭이 두피 밖으로 삐져나오거나, 너 무 깊숙히 박히게 된다. 이렇게 심겨진 모낭의 높이가 적절치 못하면 두피가 울퉁 불퉁해지게 되고, 최악의 경우 심겨진 모낭이 죽어버려 머리카락이 나지 않게 된 다.
수동 식모기를 이용한 실제 시술에서 시술의 편의성과 모낭의 생착률에 큰 영향 을 주는 요소 중 하나는 식모기 바늘(needle)의 모양(shape)이다. 따라서 따라서 그 역할을 정량적 분석을 시도하기 위하여 현재 시판 중인 상용 수동 모발이식기를 수합하여 분석을 진행하였다. 베벨의 각도, 슬릿의 정도, 베벨(bevel)의 모양 등을 조사한 후 결과를 바탕으로 관련된 임상적 의견을 공유하였다. 아래 그림은 분석에 사용된 다양한 수동 식모기와 그 베벨 형태을 보여준다.
그림 3-36. 상용기기 분류(좌), 베벨 비교 분석(우)
수동 식모기의 바늘 형상이 지나치게 뾰족하면 바늘을 두피 내부로 깊이 찔러 넣 어야 할 뿐만 아니라 바늘 팁이 반복 작업에 의해 쉽게 무뎌지게 된다. 반대로 바 늘의 베벨 형상이 뭉툭하면 두피를 관통시키기 위해 큰 힘이 필요하게 되고, 이는
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시술자가 느끼는 피로도에 직접접으로 영향을 준다. 따라서 모발이식 수술에서 모 발 식모시에 필요한 수동모발이식기의 삽입 압력을 정량적으로 측정하였다. 실험은 대구경북첨단의료진흥재단 첨단의료기기개발지원센터에서 진행하였으며, 총 3 차로 진행 되었다. 3 차 테스트는 초당 1.5mm 속도로 돼지 내부 피막에 바늘을 삽입하였 으며, 부위를 옮겨가며 총 3 회 측정하였으며, 수동모발이식기의 평균 삽입 압력은 평균 1.4N 으로 나타났다.
표 3-12. 사용자 요구사항
구분 내용 결과
1 차 인공두피패드로 실험 진행 peak 값 발생되지 않아 재실험 진행
2 차 돼지 외피로 실험 진행 외피 두께가 두꺼워
바늘이 휘는 현상 발생
3 차 돼지 내피로 실험 진행
그림 3-37. 수동모발이식기 삽입 압력 및 삽입 깊이에 따른 압력하중
나. 최소 단위 유닛 개념 정립 및 구현
자동 모발이식장치의 개발을 위해 바늘모듈 및 매거진이 만족시켜야 할 요구사
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항에 대한 논의가 이루어졌다. 우선, 현재 매거진을 포함한 그립부의 두께는 원형 형상을 기준으로 직경이 40mm 이내가 되는 것이 바람직하다. 이 이상의 두께가 되 면 시술자가 느끼는 사용감이 나빠져 활용도 떨어질 것으로 예상된다. 하나의 매거 진이 저장하는 바늘모듈의 수는 8 개 이상이 되어야 한다. 병원 측에서는 매거진이 커서 전체적인 유닛의 부피가 커지면 사용하기 어려울 것으로 예상되며, 멀티 볼펜 과 유사한 구조로 제작하는 것을 제안하였다. 또한, 스프링의 힘으로 바늘이 후진 하며, 니들과 푸쉬로드가 각자 따로 구동하는 형태로 설계를 진행하였다. 바늘 교 환은 매거진이 회전하여 교환하는 방식이 바람직할 것이다. 또한, 기기에 매거진을 모터 자체 힘만으로 고정할 경우, 백래쉬(backlash)가 발생할 수 있으므로 볼플런 저 등을 이용하여 고정할 필요가 있다.
바늘모듈의 구조에서는 SUS 재질의 파이프를 하우징으로 활용한다. 니들의 전체 길이 현재 60~70mm 로, 바늘길이에 따라 휘어짐 발생 가능성을 예측하였으나, 어떤 방식이라도 비슷한 휘어짐은 발생하므로 그대로 진행하는 것으로 협의하였다. 한 편, 수술마다 쓰고 버리게 되는 disposable 파트는 다른 부품들과의 조립성이 전제 되어야 한다. 니들 전체 교환 시, 소모품에 대한 단가가 올라가 부담이 될 것으로 예상되므로, 니들 부분만을 탈착할 수 있는 구조가 바람직하다. 초기에 볼트-너트 와 같은 체결 구조가 고려되었으나, 얇은 부품 두께에 적용하기에는 한계가 있다고 판단되어, 억지끼움에 의한 탈착 방식을 적용하였다. 또한 설계안에 소독/교체 단 계가 함께 고려되어야 하며, 밸런스 암과의 연결 또한 추후에 고려될 필요가 있다.
그림 3-38. 초기 바늘 모듈 및 매거진 설계 개념도
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다. Retractable 바늘모듈의 설계
수동 식모기의 사용에 있어서 균일한 레벨링의 어려움을 해소하기 위한 목적에 적절히 활용될 수 있는 메커니즘으로 retractable 볼펜(똑딱이 볼펜 등)의 메커니 즘을 고려해볼 수 있다. retractable 볼펜 메커니즘의 기본적인 내용은 60 년대부 터 이미 특허로 존재하였다. 기본적인 동작은 다음과 같다: (1) 후면의 누름 버튼 을 눌러서 전진시킨다. (2) 일정한 위치가 되면 내부의 스프링 힘에 의해 볼펜 심 블록이 회전을 하며 경사면을 타고 조금 후진해서 원하는 위치만큼 전진한 상태로 멈춘다. (3) 한번 더 누름 버튼을 누르면 볼펜 심 블록이 다시 회전을 하며 다음 경사면을 타고 크게 후진하여 원래 위치로 돌아간다. 볼펜의 구조와 동작에 대한 구체적인 설명 자료는 다음 인터넷 페이지를 참고할 수 있다.
https://www.youtube.com/watch?v=MhVw-MHGv4s
https://www.youtube.com/watch?v=UbgO2sfWzNg
https://www.youtube.com/watch?v=Zv5Qa2kGL04
retractable 볼펜의 구조를 자동 모발이식장치의 바늘모듈에 적용하면 구동에 필 요한 액츄에이터의 수를 감소시킬 수 있다. retractable 식모기의 기본적인 구조는 크게 다음과 같은 세 파트로 나누어볼 수 있다: (1) 외부 하우징(파란색), (2) 바 늘 블록(초록색), (3) 푸쉬로드 블록(빨간색).
그림 3-39. Retractable 식모기의 기본 구조
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제안된 retractable 식모기의 동작은 다음과 같이 네 단계로 나누어볼 수 있다.
(1) 하우징의 전면 노즐 부분을 두피에 밀착시킨다. (2) 후면의 푸쉬 버튼(푸쉬로 드 블록)을 눌러 바늘과 푸쉬로드를 함께 전진시킨다. (3) 푸쉬버튼이 일정한 위치 에 이르게 되면 바늘 블록이 전면의 큰 스프링의 힘에 의해서 경사면을 타고 회전 하며 후진하여 두피에서 빠져 나온다. (4) 식모기를 두피에서 떼어낸다. 과정이 복 잡해 보이지만, 사용자가 하는 일은 단순히 식모기를 두피에 밀착시켜 푸쉬버튼을 눌렀다가 식모기를 두피에서 떼어내는 것뿐이다. 따라서 제안된 retractable 식모 기의 사용은 의사가 느끼는 피로도를 크게 감소시킬 수 있다. retractable 식모기 가 가지는 특징은 스프링에 의한 순간적인 바늘의 후진 동작으로 모낭이 두피에 심 기게 된다는 것이다. 구조적인 관점에서 볼펜과 달리 두 개의 스프링이 필요하지 만, 바늘이 전진한 상태에서 고정될 필요가 없어, 경사면의 구조가 비교적 단순화 시킬 수 있다.
그림 3-40. Retractable 수동 식모기의 동작 순서
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라. Retractable 바늘모듈 매거진의 개발
여러 개의 retractable 수동 식모기를 이용하여 자동 모발이식장치용 매거진 구 성할 수 있다. 이 때, 하나의 바늘모듈은 기본적으로 수동 식모기를 축소해놓은 구 조와 동일하며, 동작 순서 또한 수동 식모기의 그것과 일치한다. 매거진은 원통형 구조이며, 매거진 전체를 회전시켜 사용할 바늘모듈의 위치를 조절하게 된다.
그림 3-41. 자동 식모기용 4 모듈 매거진 구조
retractable 바늘모듈 및 매거진 시제품의 제작을 위해 3D 프린팅 등 다양한 가 공 방법을 고려할 수 있으나, 스프링의 힘에 의한 전후진 동작을 가능함을 확인하 기 위해서 기계가공을 이용한다. 경사면의 형상과 표면의 조도가 중요하므로 재료 는 금속(알루미늄)을 CNC 밀링을 이용하여 제작한다. 제작된 바늘모듈과 매거진은 기본적인 메커니즘의 검증을 위한 시제품으로, 그 크기와 저장 수량에 구애받을 필 요는 없다. 따라서 설계된 매거진은 4 개의 바늘모듈만을 저장 가능하며, 매거진의 외경은 30mm 로 설계되었다. 앞서 설명한 retractable 수동 식모기가 손가락 하나 만으로 눌러서 작동되는 것과 마찬가지로, 본 자동 모발이식장치용 바늘모듈은 후 면에 위치한 하나의 리니어 액츄에이터 만으로 구동이 가능하다. 설계도를 바탕으 로 시제품이 제작되었고, 성능을 검증하기 위한 간단한 테스트가 수행되었다. 큰 문제 없이 동작이 가능하였으나, 부품 간의 마찰로 인한 오작동이 관찰되었다. 동 작이 매끄럽지 않은 이유는 내부에 사용된 소형 스프링의 위치 때문이다. 구조를 변경하여 스프링을 바늘 블록과 푸쉬로드 블록 사이가 아닌, 외부 하우징과 푸쉬로 드 블록 사이로 변경하면 동작이 훨씬 부드러워질 것으로 예상된다. 그러나 안정적
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인 구동을 위해서는 추가적인 연구가 더 필요할 것으로 판단된다.
그림 3-42. 자동 식모기용 4 모듈 매거진 동작 순서
그림 3-43. 제작된 retractable 바늘모듈과 매거진
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마. 푸쉬로드 일체형 바늘모듈 및 매거진 메커니즘 개발
안정적으로 구동되기 위해서는 검증된 메커니즘을 활용하는 것이 바람직하다. 따
안정적으로 구동되기 위해서는 검증된 메커니즘을 활용하는 것이 바람직하다. 따