Journal Archive

가능한 부위는 3D 프린팅을 하였으나, 정밀성을 요하는 기어 및 체결 부분은 알루미늄 CNC 가공을 하였다. 입 안으로 들어가는 1회용 석션팁은 기존의 석션팁을 활용할 수 있게 하여 범용성을 높였다.

멸균소독을 위해 오토클레이브를 돌려야 하고, 매끄럽고 정밀한 움직임을 요하므로 알루미늄 CNC 가공을 하였다. 혀 리트렉터는 광섬유를 활용한 면발광을 의도했으므로, 투명한 레진을 활용하여 3D 프린팅 하였다. 가급적 기성의 바이트 블록을 활용할 수 있게 하여 범용성을 높였다.

무게중심의 역할을 하므로, 알루미늄 CNC 가공과 스테인레스 스틸 CNC 가공을 하였다. 흡인 능력 증대를 위한 진공펌프 DC 모터 및 구강 외 석션을 위한 AC 모터의 진동과 소음을 줄이기 위해 흡음재 등을 사용하였다.

첫 번째 프로토타입을 위해서는 기성의 3관절 arm을 사용하였다.

기능구현을 위해 설계한 회로의 개념 및 제작 후 모습은 Figure 2와 같다.

Figure 2. 
Circuit configuration.

사용한 부품의 세부 사항은 Figure 3과 같다.

Figure 3. 
Detailed specification of electronic parts.

Figure 4. 
Conceptual design and prototype of suction part.

Figure 5. 
Conceptual design and prototype of retraction part.

구강 내 석션은 기성 플라스틱 석션팁을 활용하여 범용성을 높였다. 뺨, 혀 등의 연조직이 팁 안으로 빨려 들어가 흡인 능력이 사라지는 경우가 빈번히 발생하므로, 압력 센서를 연결하여 흡인력이 떨어지는 경우는 석션팁이 미세하게 움직이도록 하였다. 이는 실제 진료환경에서 진료보조자가 연조직이 흡인될 시 석션팁을 살짝 들어 올려 연조직을 팁으로부터 분리시키는 행동을 모방한 것이다.

구강 외 석션은 흡입구 간격 및 각도를 조정할 수 있게 고안하여 구강 밖으로 뿜어져 나오는 에어로졸을 각 상황에 맞게 효과적으로 제거할 수 있도록 하였다. 진료부위에 따라 구강 외 석션의 위치도 달라져야 하므로, 가변적인 상황에 대응할 수 있도록 부가적인 회전 등이 가능하도록 관절을 형성하였다.

개구기를 사용하여 환자들이 편하게 입을 벌린 상태를 유지할 수 있게 하면서, 혀를 보호하는 리트렉터 부위에 보조 조명 및 보조 석션 기능을 추가하였다. 이로 인해 환자의 고개가 어느 쪽으로 기울더라도 안정적인 타액 흡인이 가능하게 되었다.

보다 좋은 치료 결과를 얻기 위해, 인산, 불산, NaOCl 등 불가피하게 생체독성이 있는 재료를 사용하는 경우가 있다(8). 입 안 연조직에 이러한 독성이 있는 재료가 접촉하는 경우 큰 문제가 될 수 있으므로, 어느 상황에서든 완벽한 석션 기능을 유지하는 것은 매우 중요한 일이다. 또한 환자의 구강 사이즈, 형태, 치료 위치에 따라 리트렉터 부위의 길이 및 회전 각도를 조절할 수 있게 하였다.

실제 제작 시에는, 환자의 구강내로 직접 들어가는 파트이기에, 완벽한 멸균소독이 가능하고 생체적합한 재료를 사용하여야 한다.

구강 내, 외 석션과 리트렉터 부위의 보조 석션은 Figure 6과 같은 연결구조를 가진다. 흡인물은 치과의 기존 석션배관을 통해 처리되며, 흡인력을 강화시키기 위해 석션 모터를 추가한다.

Figure 6. 
Connection structure of suction line.

기존 유니트체어와 공간 간섭 없이 설치 가능하되, 안정적인 작동을 위해 무게 중심을 최대한 아래에 둔다. 석션모터의 소음이 진료환경에 불편을 초래하지 않도록 Figure 7과 같이 방음처리를 한다.

Figure 7. 
Assembly and structure of base part.

작업단의 위치와 방향을 확정하기 위하여 Figure 8과 같이 6-자유도의 로봇팔로 구성한다(9). 로봇팔을 접었을 때 공간을 최소화할 수 있도록 링크에 평행 오프셋을 추가 후, 각 링크의 길이는 모델 상에서 적절하다고 생각되는 길이로 우선 설정하여, 추후 설계 변화 시 조정할 수 있게 하였다(10). 각각의 관절에는 Figure 11과 같이 로터리 댐퍼 등으로 관절의 위치가 적절히 고정되도록 하였다.

Figure 8. 
Diagram of passive arm.

Matlab으로 10만 번 무작위로 동작을 시뮬레이션하여 패시브 암이 커버 가능한 영역을 분석하였다(11).

Figure 9, Figure 10과 같이 패시브 암 스탠드로부터 환자 방향으로 0.83 m, 상하 방향으로 0.36~1.4 m 영역에서 다양한 각도로 자유롭게 움직이는 것이 가능하였다.

Figure 9. 
Arm reach area simulated by Matlab.

Figure 10. 
Arm positioning simulation.

Figure 11. 
Rotary damper.

Figure 12와 같이 1차 프로토타입에서는 패시브 암을 기성품으로 대체하였다. 1차 프로토타입임에도 불구하고 상당히 세련된 디자인을 가지며, 모든 기능이 구현되었다. 치과진료보조로봇이 고도화될수록 관절부위에 모터를 장착하여 전기제어 방식으로 작동하게 할 수 있다.

Figure 12. 
1^st prototype, “Willi.”

부스팅 펌프와 구강 외 석션 모터를 추가하여 각각의 흡입력이 독립적으로 조절되게 함으로써 흡입력은 충분한 세기를 유지할 수 있었으나, 다양한 각도에서 구강 외 이물질을 흡인할 수 있도록 구강 외 석션부의 형태 및 구동 방식을 개선할 필요가 있다.

환자의 고개를 좌, 우로 기울이는 것에 관계없이 구강 내 석션이 만족스럽게 유지되었으나, 환자 불편감을 최소화 하기 위해 크기의 소형화가 필요하다. 길이 및 각도 조절이 꼭 필요한지 다양한 증례에서 추가적인 테스트를 해 본 다음, 추가 조절이 필요 없는 최적의 구조를 찾아낸다면 혁신적으로 크기를 줄일 수 있을 것이다.

술자와 어시스트의 공간을 방해하지 않고, 방음이 잘 되는 형태가 필요하다. 공간상으로는 타구대 하방의 공간이 가장 적절할 것으로 사료된다.

암의 길이가 길어질수록 작업단에서의 안정성이 떨어진다. 또한 정교한 움직임을 구현할 경우 제작 비용이 지나치게 상승하게 된다. 다양한 측면을 고려하여, 암 형태가 최적의 형태인지, 아니면 더 좋은 다른 적절한 형태가 있을지 추가적인 연구가 필요하다.