CN101534731A - 外科手术切割装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了外科手术钻孔装置和方法。根据本发明的示例性外科手术钻孔装置包括外壳、可缩回导引管组件和挠性缆线钻子。可缩回导引管组件包括滑动定位于外壳第一弓形通道内的弓形导引管。弓形导引管可操作地连接于滑动定位于外壳第二通道内的致动杆，其中致动杆可控制地前移并缩回弓形导引管。挠性缆线钻子包括滑动定位于弓形导引管内的第一部分和滑动定位于外壳第三通道内的第二部分。

Description

外科手术切割装置及方法

相关申请的交叉参考

本申请要求对2006年10月30日提交的美国临时申请第60/855,325号的优先权，其全文通过引用方式结合于此，用于所有的目的。

技术领域

本发明涉及挠性切割工具，更特别地，涉及用于外科手术的切割工具和方法。

背景技术

外科手术常常要求在骨骼、牙齿或软组织中切割或钻出孔或通道，如能够用于将金属或其它材料制成的部件固定于病人的骨骼。例如，这些孔可用于接收螺钉、缝合线或骨锚，从而允许植入物或其它装置固定于骨骼，或允许韧带或腱重新附接于骨骼。有多种不同外科手术钻孔装置用于此目的，其中许多包括电动机和钻头，可提供所需深度和直径的孔。Johnson等人的美国专利第5,695,513号和Johnson等人的国际公开第WO97/32577号中描述了该装置的示例，上述公开通过引用方式结合于此，用于所有目的。Johnson等人的参考文件说明了一种挠性切割器械，通过使用镍钛诺或另一超弹性合金等金属制成的螺旋缠绕缆线而形成该挠性切割器械。在该装置中，缆线弯曲成具有预定弯曲半径并沿趋于上紧该缆线的螺旋缠绕纤维的方向而旋转。在执行使用该装置的钻孔的同时，持续保持切割装置至少局部位于正在被钻的孔内并前移缆线通过其支撑架。该类型的装置可在多种情况下提供充分钻孔能力。但仍持续需要用于特定外科手术和特定情况的附加外科手术钻孔工具和方法。

发明内容

本发明提供了外科手术钻孔装置，该装置具有挠性缆线钻子和可缩回弓形导引管。用于挠性缆线钻子的可缩回弓形导引管允许缆线钻子使用大弯曲半径，且允许缆线钻子在外科手术中部署于髓内钉内腔的有限空间内。缆线钻子的大弯曲半径有助于最大化缆线钻子的寿命。有利地，挠性缆线钻子具有可缩回导引管有助于减少外科手术中缆线钻子在骨骼内折断的机率。

根据本发明的外科手术钻孔使用了在钻孔过程中轴向穿过可缩回弓形导引管前移的挠性缆线钻子。在整个过程中，缆线钻子的多个部分有利地暴露于弓形导引管。在本发明的示例性实施例中，缆线钻子优选以如下速率前移，即在该速率下，缆线钻子在弓形导引管内进行的旋转少于特定弯曲半径的缆线钻子的寿命(寿命是按旋转次数计算的)。如果需要，缆线钻子上各点在弓形导引管中能够停留的时间少于特定弯曲半径的缆线钻子的寿命(寿命按给定rpm时的时间计算)。

本发明的一方面提供了一种外科手术钻孔装置。该外科手术钻孔装置包括外壳、可缩回导引管组件和挠性缆线钻子。可缩回导引管组件包括滑动定位于外壳的第一弓形通道内的弓形导引管。弓形导引管可操作地连接于滑动定位于外壳的第二通道内的致动杆，其中，致动杆可控制地前移并缩回弓形导引管。挠性缆线钻子包括滑动定位于弓形导引管内的第一部分和滑动定位于外壳的第三通道内的第二部分。

本发明的另一方面提供了另一种外科手术钻孔装置。外科手术钻孔装置包括外壳、可缩回导引管组件和挠性缆线钻子。外壳包括具有第一弓形部分和第二线性部分的内通道。可缩回导引管组件包括滑动定位于外壳通道弓形部分内的弓形导引管。弓形导引管的端部可操作地连接于滑动定位于外壳通道线性部分内的致动管一端。挠性缆线钻子包括滑动定位于弓形导引管内的第一部分和滑动定位于致动管内的第二部分。

本发明的另一方面提供了一种用于外科手术钻孔装置的驱动系统。驱动系统包括外壳、第一和第二电动机、一次性驱动耦合器和测力传感器。第一电动机包括可操作耦合于导螺杆的驱动轴杆。第一电动机和导螺杆安装于外壳中。第二电动机包括主体部分和驱动轴杆，其中主体部分附接于导螺杆，因此第二电动机可随导螺杆驱动而沿线性路径平移。一次性驱动耦合器可释放地与第二电动机的主体部分接合。一次性驱动耦合器包括驱动轴杆，该驱动轴杆可释放地与第二电动机的驱动轴杆耦合。测力传感器可操作地相对于一次性驱动耦合器而定位，以感测作用于一次性驱动耦合器的驱动轴杆上的轴向力。

本发明的又一方面提供了一种骨骼钻孔方法。该方法包括以下步骤：提供一种包括外壳和滑动定位于弓形可缩回导引管内的缆线钻子的外科手术钻孔装置，其中该缆线钻子包括切割端；滑动前移弓形可缩回导引管；相对于骨骼而定位缆线钻子的切割端；旋转缆线钻子；以及滑动前移缆线钻子穿过弓形可缩回导引管。

附图说明

将参照附图进一步说明本发明，在所有的几幅附图中，相同结构用相同标号表示，附图中：

图1是根据本发明的示例性外科手术钻孔装置的透视图，该示例性外科手术钻孔装置具有弓形可缩回导引管；

图2是图1的外科手术钻孔装置的侧视图；

图3是图1的外科手术钻孔装置的横剖透视图；

图4是图1的外科手术钻孔装置的外壳的横剖透视图；

图5是图1的外科手术钻孔装置的横剖透视图，其具体地示出了处于缩回位置的弓形导引管；

图6是根据本发明的另一示例性外科手术钻孔装置的横剖透视图，该外科手术钻孔装置具有弓形可缩回导引管；

图7是根据本发明的又一示例性外科手术钻孔装置的横剖视图，该外科手术钻孔装置具有弓形可缩回导引管；

图8是图7的外科手术钻孔装置的局部横剖透视图，其具体地示出了处于伸展位置的弓形导引管和从弓形导引管伸出的缆线钻子；

图9是图7的外科手术钻孔装置的局部横剖透视图，其具体地示出了处于缩回位置的弓形导引管；

图10a-10d是根据本发明的可用于挠性缆线钻子的远端或钻孔端的示例性切割刃(edge)的侧视图；

图11是根据本发明的示例性缆线钻子驱动器的透视图；

图12是图11的根据本发明的缆线钻子驱动器的另一透视图，其具体示出了一次性驱动耦合器；

图13是图11和12的缆线钻子驱动器的透视图，其具体示出了定位于钻子驱动器外壳内的导螺杆和第一、第二电动机；

图14是图11和12的缆线钻子驱动器的侧视图，其示出了从钻子驱动器移除的一次性驱动耦合器；

图15图11和图12所示的缆线钻子驱动器的横剖侧视图；

图16是根据本发明的示例性一次性驱动耦合器的横剖透视图，该一次性驱动耦合器用于耦合挠性钻子与钻子驱动器的驱动器电动机；

图17是图11和12的钻头驱动器的端部的透视图，其具体示出了用于一次性驱动耦合器的接收器；

图18是图11和12的钻子驱动器的侧视图，其示出了与一次性驱动耦合器耦合且处于伸展位置的主驱动器；

图19-20分别是图11和12的钻子驱动器的侧视图和透视图，其示出了与一次性驱动耦合器耦合且处于缩回位置的主驱动器；

图21是根据本发明的另一示例性外科手术钻孔装置的示意图；以及

图22是示例性整体弓形导引管和致动管结构的示意图，该整体弓形导引管和致动管结构之间具有挠性区。

具体实施方式

现参照附图，在所有的几幅附图中，相同部件用相同标号标记，首先参照图1-3，示出了根据本发明的外科手术钻孔装置30的优选构造，其包括可缩回缆线导引组件。如图所示，该装置30总体包括外壳1、可缩回导引管2、挠性耦合器3、推杆4、缆线钻子5和缆线托架6。如图所示，外壳1基本为圆柱形，且包括内腔7、8、9和10，图4所示剖视图可见。内腔7可定形为例如基板具有圆环面(torus)截面，且用于滑动导引可缩回导引管2。圆环面用于滑动导引可缩回导引管2(也可类似地定形为具有圆环面的截面)，无需提供销接(pin joint)作为枢转点。即，该枢转点一般需要定位于外壳1外部，以使较大半径导引管2装配到外壳1的界限内。外壳1外部的销接是不被希望的，因为该组件将不装配到髓内钉内腔内。但使用基本圆环形内腔7，可使枢转点有利地位于外壳1外部，而无需为此而提供外壳1外部的物理点。

外壳1进一步包括细长内腔8，其尺寸适于可滑动导引并支承缆线钻子5。而轴向靠近内腔8的另一内腔9用于滑动导引缆线托架6，且内腔10尺寸适于滑动导引推杆4。

为将装置30插入髓内钉内腔，沿参考标号100所指方向拉动推杆4，使得挠性耦合器3将可缩回导引管2拉入外壳1，如图5所示。一旦装置30正确定位于髓内钉内后，沿相反方向推动推杆4，使得挠性耦合器3将可缩回导引管2推出外壳1，如图3所示。在此位置，可缩回导引管2的端部11与外壳1的内腔8对齐，从而允许缆线钻子5从内腔8前移进入可缩回导引管2，如图3所示。

挠性耦合器3设计为具充分挠性，允许可缩回导引管2在内腔7内旋转和/或滑动。在一示例性实施例中，挠性耦合器包括铰链耦合器12，如图6所示。铰链耦合器12分别包括第一和第二隔开的铰链13、14，其可包括铰链耦合器12的较细部分，如所示，或例如用作销接铰链等铰链的任何其它所需装置或结构。可使用任何数量的铰链区。

图7、8和9示出了根据本发明的外科手术钻孔装置33的另一示例性实施例，其包括可缩回缆线导引组件。在本实施例中，可缩回导引管15具有增大端部16。致动管17也具有增大端部18。增大端部16和18在导引管15与致动管17之间提供了较大邻接表面接触，其使得即使在导引管15和致动管17之间错位(如导引管15处于缩回位置)时也允许接触。增大端部16也用作通道，如果导引管15和致动管17之间错位，则该通道导引缆线钻子32。致动管17用于将导引管15推至伸展位置，且同时也用作缆线导引器。这样，当处于图8所示伸展位置时，缆线钻子32穿过致动管17进入导引管15。

当处于图7所示伸展位置时，致动管17的增大端部18邻接或抵住导引管15的增大端部16。在导引管15缩回时，缆线钻子32首先沿图8所示参考标号31所指方向从装置拉出，之后沿相同方向拉动致动管17。这使得卷簧19与致动管17一起被拉动。卷簧19又拉动导引管15，使其缩回，如图9所示。卷簧19的挠性允许在缩回期间导引管15和致动管17各端之间的错位，该错位是因为导引管15和致动管17在缩回时沿不同轨迹运动而可能发生的。

在导引管15伸展期间，沿方向31的相反方向推动致动管17。来自致动管17的作用力主要通过增大部分16且其次通过卷簧19传送至导引管15。在沿方向31的相反方向推动致动管17时，导引管15的增大部分16逐渐变得与致动管17的增大部分18对齐。在可选构造中，卷簧19可替换为可吸收张力负载同时也可提供横向移动能力的适当挠性元件或部分。其示例之一是由布或其它材料制成的套筒。

导引管15末梢优选包括尖缘20，可有助于切入松质骨。在导引管15伸展期间突出髓内钉时，该构造特别有利。这允许导引管15充分伸展，且将导引管15稳定在松质骨内。

在本发明的另一示例性实施例中，导引管15和致动管17通过紧密缠绕的拉伸弹簧19a连接，该拉伸弹簧可吸收压缩负载(即其不会压缩)，但仍具挠性以横向变形，从而允许导引管15和致动管17的不同轨迹，如图21所示。同时，拉伸弹簧19a可吸收一些张力负载，以能在缩回时拉动导引管15。

在本发明的又一示例性实施例中，导引管15、拉伸弹簧19a和致动管17可组合于一个单一整体主体39内，如图22所示。主体39，如图所示，包括弓形部分41、挠性区43和线性区47。主体39可包括如不锈钢或超弹性材料等的挠性材料制成的管。管的一端可弯曲或成形，使得整个管被基本定形为类似于元件15、19a和17的组合形状。在本实施例中，可通过在拉伸弹簧19a的相应位置加工出元件15、19a和17组合形状的狭缝来制成挠性区43。狭缝可由如激光加工或放电加工(EDM)提供。这样，该结构的这部分可具相对挠性，从而以与上述拉伸弹簧19a相同的方式作用。

另外，缆线的切割端优选包括一个或多个切割刃，该切割刃被构造成通过减少缆线上的切割力而改进切割作用，从而允许缆线更直地进行切割。图10a-10d示出了可用作缆线钻子5(图1)和缆线钻子32(图8)等的根据本发明的缆线钻子的末梢的示例性构造。具体地，图10a示出了套管针末梢34，其包括相互倾斜的多个(诸如三个或更多个)切割面或刃；图10b示出了方形末梢36；图10c示出了楔形末梢38；图10d示出了铲形末梢40。在套管针末梢的一实施例中，三边末梢具有定向为与缆线轴线成13至15度的磨削表面，但本发明也可使用更大或更小的角度。

当穿过具有不同机械属性的复合材料(如由软松质骨和硬皮质骨组成的人类或动物骨骼)钻孔时，缆线钻子在缆线穿过较软材料至较硬材料的分界处时能够易于变形。缆线钻子的易变形性受缆线钻子遇到的来自缆线钻子正在钻孔的材料的轴向阻力(切割力)大小的影响。因此，根据本发明，使用特定进给速率(如沿长度前移缆线钻子的速率)时，缆线钻子上的切割力随缆线钻子的旋转速度增大而减小。为了在缆线钻子穿过较软材料至较硬材料的分界处时缆线钻子不变形，缆线钻子必须以足够高的速度旋转，使得缆线钻子在较硬材料中所受切割力充分低，以使较软材料支承切割端后的缆线钻子长度。这使得钻孔方向相对较直。如果切割力过高，则较软材料不能够支承缆线钻子并保持其笔直。

尽管根据使用的装置，钻孔参数变化较大(如速度、缆线钻子尺寸和材料属性等)，但是在使用特定装置钻通松质和皮质牛骨的示例性手术中，优选地，对于缆线钻子上的切割力相对较低的情况，如约0.21b(0.9N)，或至少小于0.51b(2.2N)，旋转速度是足够的，以便最小化当缆线钻子穿过松质骨和皮质骨的分界处时缆线钻子从所需路径(如，线性路径)的偏离。在高切割力等特定条件下，缆线钻子可能不能沿所需路径钻通骨骼。可用于根据本发明的钻孔的示例性参数包括介于约120,000rpm至140,000rpm之间旋转速度，这是对于牛股骨且进给速率1.3mm/s而言的。对于人体胫骨远端骨，当进给速率是1.3mm/s时，速度可介于70,000rpm至100,000rpm之间。对于不同类型骨骼或不同物种和不同解剖位置的骨骼，所需速度和进给速率可有变化。缆线钻子的尺寸以及缆线钻子绞线构造和其它属性对于最佳切割速度和进给速率也有影响。

为使缆线钻子沿引导缆线钻子的所需轨迹(如垂直于髓内钉)移动，缆线钻子钻孔的材料和弓形导引管之间优选没有间隙。优选最小化弓形导引管和正在被钻孔的材料之间的间隙(如小于约2mm)。缆线钻子和弓形导引管端部内径之间的游隙优选最小化(距缆线钻子退出的端部约2mm)。

图11和12示出了本发明的示例性缆线钻子驱动器44。缆线钻子驱动器44可用作上述钻孔装置的旋转力源。缆线钻子驱动器44也用于沿所需钻孔路径前移(和缩回)缆线钻子。图13和14示出了钻头驱动器44内的部件，其总体包括外壳45、主驱动器46、进给电动机48、导螺杆50和一次性驱动耦合器52。

图15更具体地示出了主驱动器46内的部件。主驱动器46包括高速无刷DC电动机54，该电动机驱动一次性驱动耦合器52内的轴杆56。主驱动器46也包括用于感测过载条件的测力传感器58。一次性驱动耦合器52耦合于测力传感器58，使得轴杆56所受的基本所有轴向力传送至测力传感器58。一次性驱动耦合器52包括轴承60和将管64耦合至电动机的轴杆56(见图16)。缆线(未示出)附于(如经粘合剂或其它手段)附于管64内腔内，使得缆线长度伸出管64。管64叠入可缩回弯曲导引管组件的较大管内。为将一次性驱动耦合器52耦合于主驱动器46，朝向一次性驱动耦合器52纵轴线按压一次性驱动耦合器的弹性爪指66，之后将一次性驱动耦合器52插入主驱动器46，释放爪指以将一次性驱动耦合器52锁定于主驱动器46内。

进给电动机48驱动导螺杆50，以预定进给速率前后平移主驱动器46。控制单元(未示出)基于用户输入和来自测力传感器58的输入控制两个电动机。控制单元和缆线钻子驱动器44可为不同单元，或可整合成钻子驱动器44。可选地，缆线钻子驱动器44包括限位开关(未示出)，该限位开关可用于向控制单元提供指示冲程终点的信号。示例性手术开始时，如图18所示前移主驱动器46并插入一次性驱动耦合器52。之后如图19所示缩回主驱动器46和一次性驱动耦合器52。图20示出了主驱动器46缩回位置的另一示例性视图。之后缆线钻子(未示出)插入髓内钉内的导引管组件(如果未预先插入)。其后当用户激活启动按钮或其它机构时，控制单元优选启动钻孔顺序。钻孔过程结束时，电动机优选根据控制单元的控制而自动停止。在手术程序中，电动机也优选在测力传感器58探测到可能折断缆线钻子的过载条件期间的任何时间停止。可选地，前后手控开关也可结合于缆线钻子驱动器44和/或控制单元内，用于附接一次性驱动耦合器52。

参照图19说明了使用本发明的钻子驱动器可依照的本发明一示例性钻孔顺序。在主驱动器46的缩回位置，主驱动器46可以预设rpm(如约90,000rpm)旋转。之后主驱动器46可以恒定速率前移，如1.3mm/s。以此速率前移主驱动器46，直至限位开关(未示出)启动，发出预定长度(如2英寸)冲程终止的信号。如果在手术期间的任何时间测力传感器58探测到负载高于预定水平(如0.51b)，则主驱动器54和进给电动机48均自动停止，且发光二极管(LED)优选闪烁，指示错误出现。如果发生这种情况时，使用者一般需要更换缆线和导引管组件，并尝试再次钻孔。该子顺序可作为预防措施进行，以避免当缆线穿过骨骼的前移最小或不前移时发生缆线折断。被描述的所有这些步骤可通过控制单元而电子控制，该控制单元被编程以遵循这些步骤。

尽管所提供的上述说明主要针对涉及骨骼钻孔的手术，但是同一理念同样适用于其它组织和身体结构，如软骨、皮肤、肌肉、脂肪等。另外，本文提供的说明应包括这些不同结构中的任意的相互组合和/或与骨骼结构的组合。

现已参照几个实施例说明了本发明。本文所引任何专利或专利申请全文公开内容通过引用结合于此。前述详细说明和示例仅是为清晰理解而给出。不应将它们理解成具有任何非必要的限制性。对于本领域技术人员，很明显可对所述实施例做出许多改变而不背离本发明的范围。因此，本发明的范围不应受限为本文所述结构，而仅由权利要求的语言所限定的结构及这些结构的等同物所限定。

Claims (23)

1.一种外科手术钻孔装置，包括：

外壳；

可缩回导引管组件，包括滑动定位于所述外壳的第一弓形通道中的弓形导引管，所述弓形导引管可操作地连接于致动杆，所述致动杆滑动定位于所述外壳的第二通道内，其中，所述致动杆可控制地前移和缩回所述弓形导引管；以及

挠性缆线钻子，具有滑动定位于所述弓形导引管内的第一部分和滑动定位于所述外壳的第三通道内的第二部分。

2.根据权利要求1所述的外科手术钻孔装置，其中，所述弓形导引管与所述致动杆之间的连接包括挠性连接。

3.根据权利要求2所述的外科手术钻孔装置，其中，所述挠性连接包括缆线。

4.根据权利要求2所述的外科手术钻孔装置，其中，所述挠性连接包括一个或多个铰链。

5.根据权利要求1所述的外科手术钻孔装置，其中，所述弓形导引管的前缘包括尖锐区。

6.根据权利要求1所述的外科手术钻孔装置，进一步包括可操作地连接于所述缆线钻子的电动机。

7.根据权利要求6所述的外科手术钻孔装置，进一步包括用于沿钻孔方向可控制地前移所述缆线钻子的前移装置。

8.根据权利要求7所述的外科手术钻孔装置，进一步包括控制系统。

9.一种外科手术钻孔装置，包括：

外壳，包括具有第一弓形部分和第二线性部分的内通道；

可缩回导引管组件，包括滑动定位于所述外壳的通道的弓形部分内的弓形导引管，所述弓形导引管的端部可操作地连接于滑动定位于所述外壳的通道的线性部分内的致动管的端部；以及

挠性缆线钻子，具有切割端并具有滑动定位于所述弓形导引管内的第一部分和滑动定位于所述致动管内的第二部分。

10.根据权利要求9所述的外科手术钻孔装置，其中，所述缆线钻子的切割端包括套管针。

11.根据权利要求9所述的外科手术钻孔装置，其中，所述缆线钻子的切割端包括凿子。

12.根据权利要求9所述的外科手术钻孔装置，其中，所述弓形导引管与所述致动管之间的连接包括挠性连接。

13.根据权利要求12所述的外科手术钻孔装置，其中，所述挠性连接包括弹簧、编织套筒、橡胶套筒和塑料套筒中的一个或多个。

14.根据权利要求12所述的外科手术钻孔装置，其中，所述弓形导引管和所述致动管包括整体结构，且所述弓形导引管与所述致动管之间的连接包括与所述整体结构整体形成的挠性区。

15.一种用于外科手术钻孔装置的驱动系统，所述驱动系统包括：

外壳；

驱动电动机，可相对于所述外壳沿线性路径平移；

一次性驱动耦合器，具有驱动轴杆，所述驱动轴杆可释放地与所述驱动电动机的驱动轴杆耦合；以及

测力传感器，可操作地相对于所述一次性驱动耦合器定位，以感测作用在所述一次性驱动耦合器的驱动轴杆上的轴向力。

16.根据权利要求15所述的驱动系统，其中，所述驱动电动机以受控速率前移，以便前移所述外科手术钻孔装置内的钻子。

17.根据权利要求15所述的驱动系统，其与钻孔装置组合。

18.一种用于钻孔骨骼的方法，所述方法包括以下步骤：

提供外科手术钻孔装置，所述外科手术钻孔装置包括外壳和滑动定位于弓形可缩回导引管内的缆线钻子，所述缆线钻子包括切割端；

相对于骨骼定位所述缆线钻子的切割端；

旋转所述缆线钻子；

滑动前移所述缆线钻子穿过所述弓形可缩回导引管；以及

滑动前移所述弓形可缩回导引管。

19.根据权利要求18所述的方法，包括以恒定速率前移所述缆线钻子。

20.根据权利要求18所述的方法，进一步包括钻通包括松质骨和皮质骨的骨骼材料的步骤。

21.根据权利要求18所述的方法，进一步包括保持被钻的通道的底部与所述弓形导引管的端部之间的间隙最小的步骤。

22.根据权利要求18所述的方法，进一步包括将所述外壳的至少一部分定位于髓内杆内且相对于所述髓内杆的孔而定位所述缆线钻子的切割端。

23.根据权利要求18所述的方法，其中，所述钻孔装置包括根据权利要求1所述的钻孔装置。

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