[혁신 치과 기술] 치과용 초음파 수술기 절삭 성능의 비밀: 이송속도와 시편 형상이 절삭반력에 미치는 영향 분석

http://dx.doi.org/10.9718/JBER.2023.44.2.109

현대 치과 수술의 패러다임이 최소 침습 수술(Minimally Invasive Surgery)로 변화함에 따라, 치과용 초음파 수술기의 역할이 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다. 초음파 수술기는 20~40kHz의 공진주파수를 활용하여 연조직 손상 없이 경조직만을 선택적으로 절삭하는 혁신적인 도구입니다. 오늘날 전문가들은 단순히 장비를 사용하는 것을 넘어, 환자의 통증을 최소화하고 수술의 정밀도를 높이기 위한 절삭반력(Cutting Force)과 표면거칠기(Surface Roughness)의 상관관계에 주목하고 있습니다.

1. 치과용 초음파 수술기의 메커니즘과 임상적 중요성

치과용 초음파 수술기는 압전 효과를 이용해 팁을 진동시켜 뼈나 치아를 절삭합니다. 전통적인 드릴 방식과 달리, 타겟이 되는 경조직에만 반응하므로 부작용을 최소화하고 수술 효율을 극대화할 수 있는 강점을 지닙니다. 하지만 임상 현장에서 수술자가 가하는 이송속도(Feedrate)에 따라 발생하는 절삭반력은 환자가 느끼는 통증 및 예후와 직결됩니다.

2. 정밀 실험을 위한 시스템 구성: 인공골과 이송시스템

정확한 데이터 분석을 위해 실제 인간의 하악골 밀도(0.85 ~ 1.53 g/cm³)와 유사한 SAWBONES 인공골이 실험에 사용되었습니다.

[표 1] 인공골 재료 물성치 ⁸

Number	Density	Material
#1522-01	PCF 10 (0.16 g/cm3)	Solid Rigid Polyurethane Foam
#1522-04	PCF 30 (0.48 g/cm3)	Solid Rigid Polyurethane Foam
#1522-027	PCF 50 (0.80 g/cm3)	Solid Rigid Polyurethane Foam
영상 판독: 실제 골밀도와 가장 유사한 PCF 50 인공골이 표준 시편으로 선정되었습니다.

실험에 사용된 장비는 세신정밀의 Traus sus 20 모델로, 최대 출력과 최대 주수량 설정 하에 정밀 이송시스템을 통해 데이터가 수집되었습니다.

 

[그림 1] 인공골 시편 설계 및 제작

(a) 인공골 원재료, (b) 사각 및 구형 시편 설계도, (c) CNC 밀링을 통해 제작된 최종 실험용 시편입니다.

 

[그림 2] 치과용 초음파 수술기 구성

(a) 제어 컨트롤러, (b) 핸드피스, (c) 실제 절삭을 담당하는 SP-SAW 팁의 상세 구조입니다.

3. 절삭 성능 분석: 이송속도가 절삭반력에 미치는 영향

연구 결과, 이송속도가 증가함에 따라 절삭반력은 초기에는 비례하여 증가하다가 일정 속도 이상에서는 증가 폭이 둔화되는 양상을 보였습니다. 이는 치과용 초음파 수술기의 최적 작업 구간을 결정하는 중요한 지표가 됩니다.

 

[그림 3] 실험 조건별 절삭 반력 데이터

이송속도 100 mm/min에서 가장 낮은 절삭반력을 보였으며, 300 mm/min으로 갈수록 반력이 상승하지만 증가율은 감소하는 것을 확인할 수 있습니다.

특히 주목할 점은 시편의 형상입니다. 실제 치아와 유사한 곡면을 가진 구형 시편이 사각 시편보다 상대적으로 낮은 절삭반력을 나타냈습니다. 이는 실제 임상에서 환자가 느끼는 불편함이 평면적인 실험 데이터보다 적을 수 있음을 시사합니다.

4. 표면거칠기와 수술 정밀도

수술 후의 표면거칠기는 세균 감염 예방과 치유 속도에 영향을 미칩니다. 3차원 광학 현미경을 통한 분석 결과, 다행히도 이송속도나 시편의 형상은 표면거칠기에 유의미한 변화를 주지 않는 것으로 나타났습니다(P>0.05).

[표 4] 시편 표면 거칠기 측정 결과

Group	Mean Standard deviation (µm)
사각 시편 (100 mm/min)	0.85 ~ 0.21
사각 시편 (300 mm/min)	0.88 ~ 0.23
구형 시편 (100 mm/min)	0.83 ~ 0.26
구형 시편 (300 mm/min)	0.93 ~ 0.25
영상 판독: 이송속도 변화에도 불구하고 표면거칠기는 일정한 수준을 유지하여 수술의 안정성을 입증했습니다.

 

[그림 4] 3차원 광학 현미경 관찰 이미지

(a)~(f) 각 조건에서 측정된 시편의 표면 상태로, 미세한 조도 차이가 있으나 통계적 유의성은 발견되지 않았습니다.

5. 전문가의 결론: 최적의 절삭 조건 제안

치과용 초음파 수술기를 활용한 수술 시, 수술 효율과 환자의 안락함을 동시에 잡기 위해서는 이송속도 100~200 mm/min 구간이 권장됩니다. 이 구간을 벗어나 속도를 과도하게 높일 경우 절삭 팁이 박히거나 정상적인 절삭이 이루어지지 않을 위험이 있습니다.

이번 연구 데이터는 향후 치과용 초음파 수술기의 성능 비교 분석뿐만 아니라, 주파수 및 전류 제어를 통한 차세대 스마트 수술기 개발의 핵심 기초 자료로 활용될 것입니다.

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References

1. Kim NR, et al. Design and Fabrication of a High Power Piezoelectric Ultrasonic Surgery Unit for Dental Implan- taion. J Korean Inst Electr Electron Mater Eng, 2017;30(10): 656-64.
2. Sa MW, et al. Development of Handpiece Moving System (HMS) for Cutting Performance Evaluaion of Dental Ultrasonic Surgery Unit. J Korean Soc Precis Eng, 2016;33(5):377-83.
3. Sa MW, et al. Experimental Evaluation of the Performance and Stability of an Ultrasonic Scaler for Dental Treatment. The Korean Society of Mechanical Engineers, 2017;41(1):13-9.
4. Elfar J, et al. Composite Bone Models in Orthopaedic Surgery Research and Education. J Am Acad Orthop Surg, 2014;22(2):111-20.
5. Misch CE, et al. Mechanical properties of trabecular bone in the human mandible. J Oral Maxillofac Surg, 1999;57(6):700-6.
6. Rasagopal P, et al. A study surface integrity of aluminum hybrid composites during milling operation. J Mater Res Technol, 2020; 9(3):4884-4893.
7. Sa MW, et al. A Study on Temperature Changes during Bone Scaling and Cutting of Dental Ultrasonic Scaling/Surgery System. Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, 2020;19(2):1-8.