CN108602180A - 传递可控的、可重复的冲击的矫形设备 - Google Patents

Abstract

提供了一种电机驱动矫形冲击工具，用于在臀部、膝盖、肩部等进行矫形冲击。所述工具能够容纳拉刀、骨凿或其他末端执行器，当用可控的敲击冲击在腔中轻轻地敲击时，所述工具可以扩大所述腔的开口的尺寸或体积，或有助于从所述开口移出所述拉刀、植入物或其他手术器械。储能驱动机构储存势能，然后释放势能以发射发射质块或撞针，进而沿着向前方向或相反方向将撞击力传递至适配器。所述工具进一步可以包括组合砧座和适配器以及能量调节机构，以根据患者简况调节所述发射质块传递给所述适配器的撞击力。

Description

传递可控的、可重复的冲击的矫形设备

相关申请的交叉引用

本申请是2017年2月22日提交的第15/439,692号美国专利申请的部分继续申请，并且还要求于2016年9月13日提交的第62/393,975号美国临时专利申请以及于2016年8月31日提交的第62/381,864号待审美国临时专利申请的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及用于在外科应用(诸如矫形手术)中进行冲击的局部动力工具，并且更具体地涉及用于双向手术冲击的手持式电机驱动工具，该双向手术冲击是由发射质块(launched mass)驱动以向拉刀或其他末端执行器提供可控的、可重复的冲击。

背景技术

在矫形领域，假肢器官(诸如人造关节)经常被植入或置入到患者骨腔中。腔通常是在假体被置入和植入之前的手术过程中形成的，例如，医生可以移除和/或压缩现有的骨头来形成腔。假体通常包括可以插入该腔的茎(stem)或其他凸起。

医生可以使用符合假体的茎的形状的拉刀来生成腔。本领域中已知的方案包括提供一种具有拉刀的手柄，使医生在手术过程中手动敲击该手柄以将拉刀推入植入区域。遗憾的是，由于该方法是粗糙的和众所周知不准确的，导致对骨头产生不必要的机械压力。结果可能无法预测并且依赖于特定医生的技术。以往，这种方法会在很多情况下导致腔的位置和结构不准确。此外，外科医生需要花费很大的体力和能量去敲击拉刀并且操作骨头和假体。最重要的是，该方法导致医生将会对手术区域造成不必要的进一步的创伤和损坏其他健康的组织、骨结构等的风险。

另一种用于生成假体腔的技术是气动地(即，通过压缩空气来)驱动拉刀。这种方法的缺点在于其妨碍了冲击工具的便携性，例如，由于存在系索的空气管线，以便空气从工具中排出进入无菌操作区，以及操作工具的医生的疲劳。如在美国专利第5057,112号中所示，该方法不允许精确地控制冲击力或频率，相反，在致动时，功能更像是手提钻。其次，由于缺少对精确控制的任何测量，使腔的准确拉削更加困难，并导致患者不必要的并发症和创伤。

第三种用于生成腔的技术依赖于计算机控制的机械臂。尽管该方法克服了疲劳和准确性的问题，但是该方法遭受具有非常高的资金成本并且另外消除了外科医生能够从手动方法中得到的触觉反馈。

第四种技术依赖于发明人自己之前的工作，其使用线性压缩器在单冲程基础上压缩空气，然后在产生足够的压力后，通过阀门将空气释放到撞针上。然后驱动该撞针沿着导管向下行进并冲击容纳切刀和/或其他手术工具的砧座。但是，由于空气的压力，这种布置导致在齿轮系和线性运动转换器部件产生巨大的力，巨大的力导致部件过早的磨损。

第五种技术也依赖于发明人自己之前的工作，其使用线性致动器来创建真空以阻挡制动器。在产生足够的真空体积之后，止动装置释放撞针并且允许该撞针沿着导管向下行进并冲击容纳切刀或其他手术工具的砧座。然而，这种布置对驱动部件施加了过大的压力并且受制于环境条件(诸如大气压力)。此外，这种技术在产生反向或后向冲击的能力方面受到限制。

因此，需要一种具有克服现有系统和发明人之前的方案的各种缺点的改进的驱动组件的冲击工具。

发明内容

鉴于上述缺点，提供了一种电机驱动矫形冲击工具，用于在臀部、膝盖、肩部等进行矫形冲击。该工具能够容纳拉刀、骨凿或其他末端执行器，并且使用可控的敲击冲击将拉刀、骨凿或其他末端执行器轻轻地敲击进入腔中，从而更好地适合于假体或植入物。此外，由这种电操纵的拉刀、骨凿或其他末端执行器提供的控制允许根据患者的特定骨类型或其他简况来调整冲击设置。该工具还使得能够正确就位，并且在双向移动的情况下将假体或植入物移入或移出植入腔，以及有利地增强了现有外科医生控制器械的技能。

在示例性实施例中，电机驱动矫形冲击工具包括：本地电源(诸如电池或燃料电池)、电机、控制器、壳体、将旋转运动转换成线性运动的方法(以下称为线性运动转换器)、储能驱动系统或机构(诸如能够存储和释放势能的气体弹簧或机械弹簧)以及由所述储能驱动系统激励的沿着向前和/或向后的方向操作的撞针，其中该撞针能够对手术器械产生冲击力。所述工具可以进一步通过半导体光源(诸如LED)或传统的白炽光源将聚焦照明传递至手术区域。可以提供手柄以用于医生手持工具，或合适的安装接口以用于将工具集成到机器人组件中。还可以包括本地电源(诸如电池)。通常，各种部件中的至少一些被优选地包含在壳体内。该工具能够对拉刀、骨凿或其他末端执行器或植入物施加循环的、可重复的冲击力。考虑到冲击力的可重复性，也可以设想将冲击力微调到多个水平。为此，可以将多个气体弹簧与设备一起以套件形式提供，由此可以在外科手术期间根据需要将不同的可视化编码的气体弹簧可拆卸地引入到工具中以提供一定范围的驱动力。

关于所述储能驱动系统，该系统优选地通过电机和齿轮箱结合凸轮致动，该凸轮在第一方向上旋转，压缩弹簧，从而将势能储存在储能驱动系统内。所述凸轮进一步继续旋转并释放所储存的能量，所储存的能量反过来能够使质块加速以产生驱动组件的正向冲击。作为示例，在机械弹簧或气体弹簧的充分位移之后，其中所储存的势能增加，所述凸轮继续旋转直到它移动通过其停止作用于质块的释放点，然后释放所储存的能量。在释放时，所储存的势能使质块沿向前方向加速，直到其与冲击点(诸如砧座或另一冲击表面)有效接触。相反地，对于双向冲击系统，所述凸轮可以替代地沿相反的、第二方向旋转，压缩弹簧，并再次在弹簧存储系统内储存势能。所述凸轮进一步继续旋转到其停止作用在弹簧存储系统上的释放点，并且所述弹簧存储系统可以释放储存的能量，该所储存的能量反过来又能够使质块加速以产生向后冲击力。举例来说，在弹簧的充分位移(其中弹簧的所储存的势能增加)之后，所述凸轮继续旋转直到它移动经过其停止作用于质块的释放点，然后释放储能驱动系统(或机构)。在释放时，所述储能驱动系统中的势能使质块沿相反的、向后方向加速，直到其与冲击点(诸如砧座或另一冲击表面)可操作地接触。

在示例性实施例中，发射质块(其能够包含储能驱动系统的一部分或全部)在其冲击点之前与推板或推动表面分离。因此，在该实施例中，由于整个储能驱动系统是发射质块，出乎意料地实现了非常高的效率。在使用机械弹簧的另一实施例中，弹簧的压缩比约小于其自由长度的50％，并且更优选地，小于其自由长度的40％。发明人发现该压缩比增加了所传递的冲击能量的一致性并且减小了永久弹簧形变的可能性。

在另一个示例性实施例中，手柄可以是可重定位或可折叠回到工具以展现内联工具，其中外科医生将工具与拉刀的方向共线地推动或拉动。这具有限制外科医生在操作工具期间可以放置在工具上的扭矩量的优点。在把手的进一步改进中，可以存在其他把手，用于在冲击操作期间引导手术器械并提供增加的稳定性。在又一个实施例中，工具可以连接到机器人上，从而消除了对手柄的需要，并且工具可以使用系索的(tethered)或远程电源。

在另一示例性实施例中，拉刀、骨凿或其他末端执行器能够旋转到多个位置，同时仍保持轴向对齐，例如，如图9中所示，其中适配器在四个不同的位置是可旋转的，可在每个位置被旋转90°。这有助于在手术过程中使用适配器或拉刀进行各种解剖学演示。

在示例性实施例中，工具的砧座包括两个冲击点(向前撞击表面或第一表面和向后撞击表面或第二表面)中的至少一个，以及引导组件，诸如导辊、轴承或聚四氟乙烯(PTFE)或特氟龙轨道以约束撞针沿大致轴向方向移动。撞针的冲击点以及手术工具上的合力能够沿向前方向和反向方向两个方向。在双向冲击操作中，当在手术工具上产生向前的力时，撞针沿着引导组件移动并沿着向前方向继续。能够使用转向机构来改变撞针的冲击点和手术工具上的合力。使用这种转向机构产生施加到砧座和/或拉刀或其他手术附件的向后的力。如本文所用，“向前方向”意味着撞针朝向拉刀、骨凿或患者的运动，而“向后方向”意味着撞针离开拉刀、骨凿或患者。双向或单向冲击的选择性为外科医生在植入腔内切割或压缩材料时提供了灵活性，因为材料去除或材料压紧的选择通常是外科手术中的关键决定，例如在美国专利第8,602,124号所讨论的。此外，在使用发明人自己先前的工作中发现，如果反向冲击力可以近似等于向前冲击力，则该工具可用于更广泛的外科手术。在实施例中，向前的力和向后的力冲击至少两个分开的不同的点。

在示例性实施例中，砧座和适配器包括单个元件，或者一个可以与另一个整体形成。

如在美国专利第6,938,705号中示出的，在拆除工作中使用的典型的冲击器中，改变速度会改变冲击力，使得在变速操作中不可能保持恒定(定义为+/-20％)冲击能量。因此，在示例性实施例中，该工具包括控制元件或控制器，该控制元件或控制器包括能量调节元件或机构，并且该能量调节元件可以通过控制从能量驱动机构输出的能量的存储和释放来控制工具的冲击力。可以电动地或机械地调节能量(例如，见图9中的开关34)。此外，能量调节元件可以是模拟的或具有固定的设置。该控制元件允许精确控制冲击操作。能量调节元件允许外科医生根据患者的简况增加或减少工具的冲击能量。

在另一示例性实施例中，该工具还能够例如使用图9中所示的机械开关36来控制撞针冲击运动的频率。通过调节撞针的频率，该工具可以例如赋予更大的总加权时间敲击冲击，同时保持相同的冲击量级。这允许外科医生控制拉刀或骨凿的切割速度。例如，外科医生可以选择在拉刀或骨凿移动的大部分期间以更快的速率(更高的频率冲击)切割，然后在拉刀或骨凿接近期望的深度时减慢切割速率。事实上，在工具的测试期间，发现更高频的冲击速率(诸如每秒3次冲击，更优选地，达到每秒10次冲击)与每次冲击时的固定能量(诸如每秒2焦耳至6焦耳之间，更优选地达到每秒40焦耳)相结合允许外科医生更好地定位特定的手术器械。例如，在髋臼的就位上发现，其中以每秒2焦耳至6焦耳的能量、每秒至少3次冲击的冲击频率使得比之前的手动敲击技术，能更好地控制髋臼的位置。

在示例性实施例中，能量存储驱动机构或能量存储和释放机构机械地或电动地定义了操作点。因此，每次冲击的能量是根据所选择的操作点来传递的。事实上，每次冲击的能量能够被控制为大于20％。在又一实施例中，可以将定时元件结合到系统中，使得冲击可以以用户选择的预定频率被传递。使用电子控制元件或控制器以及精确控制冲击速率允许外科医生控制工具传递的总能量。

在示例性实施例中，冲击的方向由用户施加在工具上并且由砧座上的传感器(诸如定位器传感器)检测到的偏置力来控制。例如，沿向前方向偏置工具使得发射质块向前发射并产生向前冲击，而沿向后方向偏置工具使得发射质块向后发射并产生向后冲击。

在示例性实施例中，该工具可以具有照明元件以照亮工作区域并且准确地将拉刀、骨凿或其他末端执行器定位在假体或植入物上的期望位置上。

在示例性实施例中，缓冲器被预先设置在活塞的头部和撞针的端部之间，从而减小冲击应力并延长整个组件的寿命。

在示例性实施例中，该工具还可以包括反馈系统，该反馈系统在拉刀、骨凿或其他末端执行器或植入物接口或矫形器械处检测到超过一定大小的弯曲或离线取向时警告用户没有前进。

在示例性实施例中，该工具还可以允许可替换的筒来改变冲击力。这些筒可以在由直线运动转换器致动时由储能系统传递的总能量进行评估。举例来说，限制在2焦耳到3焦耳或更小的范围内的低功率筒可以用于软骨或骨质疏松骨。如果是年轻的硬骨头，可以选择冲击能量为4焦耳或更多焦耳的功率筒。通过允许多种筒，其在一个实施例中可以根据功率被可视化地编码，外科医生将通过简单地选择工具箱中的工具配备的适当的功率筒来灵活地确定每个周期的冲击能量。

这些特征与本公开的其他方面一起连同表征本公开的新颖性的各种特征在所附权利要求中特别指出，并形成本公开的一部分。为了更好地理解本公开、其操作优点以及通过其用途获得的具体的非限制性目的，应当参考其中示出和描述了本公开的示例性实施例的附图和详细描述。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参考下面的详细描述，将更容易获得本公开的更全面的了解以及其许多伴随的优点，同时其变得更好理解，其中：

图1例示了根据本公开的示例性实施例的矫形冲击工具的透视图，其中机械弹簧组件系统用于产生向前冲击力；

图2例示了图1中的工具的示例性实施例，其中凸轮将活塞定位在可操作位置以释放向前冲击；

图3例示了图1中的工具的示例性实施例，其中在释放储存的能量之后，发射质块沿向前的方向朝向冲击点被加速；

图4例示了根据本公开的示例性实施例的矫形冲击工具的透视图，其中机械弹簧用于产生向后冲击力；

图5例示了图4中的冲击工具的另一角度的另一透视图；

图6例示了图4中的工具的示例性实施例，其中机械弹簧的凸轮将活塞定位在可操作位置以释放用于向后冲击；

图7例示了图4中的工具的示例性实施例，其中在释放弹簧之后，发射质块沿向后的方向朝向冲击点被加速；

图8是例示了根据本公开的示例性实施例的矫形冲击工具的循环操作的示例性流程图；

图9例示了具有用于控制能量和频率相关的参数的机械开关的工具的示例性实施例；

图10例示了具有用于确定冲击的方向的定位传感器的工具的示例性实施例。

具体实施例

提供了一种具有可控的敲击冲击的电机驱动矫形冲击工具。电机可以是电动的(例如无刷的)、可高压灭菌的电机，诸如通常可从Maxon 和/或获得的电机。该工具具有执行单次或多次冲击以及执行可变的、可变方向、可变力和可变频率冲击的能力。在实施例中，冲击能量是可调节的。在另一实施例中，冲击被传递到连接至该工具的拉刀、骨凿或其他末端执行器。

该工具可以进一步包括壳体。该壳体可以安全地盖住并容纳工具的至少一个部件，并且该壳体是由适于外科应用的材料形成的，诸如，铝或聚亚苯基砜(PPSF或PPSU)，也被称为在实施例中，壳体包含：电机、至少一个减速齿轮、线性运动转换器、弹簧元件(优选为机械弹簧或气体弹簧)、撞针或发射质块、控制电路或模块、砧座、用于向前冲击的第一表面或向前撞击表面和用于向后冲击的不同的第二表面或向后撞击表面。

该工具可以进一步包括：具有用于舒适并牢固地握住该工具的可选的把手的手柄部分，或者用于在使用时将工具集成到机器人组件中的合适的安装接口，以及适配器、电池、位置传感器、方向传感器和扭矩传感器。该工具可以进一步通过半导体光源(诸如LED)或者传统的白炽灯光源发出聚焦照明以在外科医生采用该工具的手术工作区域中提供光。砧座可以通过使用接口适配器被耦接到拉刀、骨凿或本领域已知的其他末端执行器，该适配器可以具有快速连接机构以有助于迅速改变不同的拉削大小。砧座可以进一步包括锁定旋转部件以允许工具以不同方式定位以获得到工具部件(诸如手柄)的组织间隙。

在又一实施例中，发射或抛出质块的轴线优选地沿着运动方向轴向对准到适配器的轴线的20度内，并且更优选地，轴向对准到适配器的轴线的10度内。这种轴向对准在将传递到手术器械的能量最大化以及将生成的能够导致不利的手术结果(例如骨折)的离轴力最小化方面是重要的。

现在一般地参考图1至图7，在示例性实施例中，可以使用双机械弹簧组件系统来产生双向冲击力，例如图1所示。可替代地，可以使用单机械弹簧组件。图1示出了根据本公开的实施例的矫形冲击工具的透视图，其中机械弹簧组件系统的电机和齿轮箱8与直线运动转换器结合(其中直线运动转换器包括凸轮12和凸轮从动件13)，致动第一弹簧活塞19a(在下文中称为“第一活塞19a”)和/或发射质块或撞针15，以最终产生向前冲击力。应该注意的是，活塞通常是指推压或推出元件并且能够具有多种形状中的任何一种。凸轮12被示出为具有对称轮廓、双楔形形状，但是该设计设想可以使用任何提供弹簧的快速释放的形状。用于致动和快速释放弹簧的可选方式包括但不限于使用断续(interrupted)的齿条和小齿轮或爬升机构。除其他部件之外，弹簧组件系统还包括减速齿轮7和砧座5。第一活塞19a啮合第一弹簧2a，第一弹簧2a可以是机械弹簧或气体弹簧。在机械弹簧组件系统中，关于弹簧的自由长度的挠度优选小于50％。琴用钢丝或更优选不锈钢或钛是用于弹簧的合适材料。优选地，弹簧是压缩弹簧，但也可以考虑其他类型的弹簧。例如，在气体弹簧组件系统中，气体弹簧在约100psi至3000psi(磅/平方英寸)范围的压力下工作。气体弹簧最好先充入非氧化气体(诸如氮气)或惰性气体(诸如氩气)。使用氮气的优点之一能够包括穿过气体弹簧的密封件的较低渗透速率，使得密封件和弹簧本身具有潜在地更长的保存期限。

图2是图1中的工具的示例性实施例，其中用于致动第一活塞19a的凸轮12使第一活塞19a“扳起(cocked)”在准备释放的操作位置，或者换言之，电机8沿第一方向旋转凸轮12(视为逆时针的同义词)，如箭头42a所示，并且将第一活塞19a压靠在第一推板26a上，从而将势能储存在第一弹簧2a内。在“扳起阶段”，与发射质块或撞针15结合的第一活塞19a与凸轮从动件13接触并由凸轮从动件13推动，凸轮从动件13由凸轮12在第一方向上驱动。随着凸轮12继续在第一方向上旋转，存储在第一弹簧2a内的能量增加，直到凸轮12移动经过其停止对撞针15起作用(例如，参见图3)的释放点。撞针(或发射质块)15现在在第一弹簧2a的所存储的势能下自由行进。特别地，在第一活塞19a的充分位移之后，并且在凸轮12释放第一活塞19a和/或发射质块15组合之后，第一活塞19a沿着向前的方向移动，即朝向冲击点的方向，并且同时使与第一活塞19a的表面接触的发射质块或撞针15加速。例如，如图3所示，第一活塞19a从撞针15释放，将其朝向砧座5发射。在本发明中出乎意料地发现撞针15从推板26a的释放基本上在其行程期间产生一部分自由飞行，大大减少了产生的并由外科医生的手承受的反冲力，从而产生更可控的工具。然后已经朝向接近末端执行器或患者的工具的末端发射的撞针15敲击地冲击砧座5的第一表面或向前撞击表面，其中当与撞针接触时砧座的最大位移小于15mm。出乎预料的发现当砧座的最大向前位移限制为小于15mm以及更优选地小于10mm时，就更明确和准确的而言，在测试工具期间外科医生实现了更好的结果。与更大的冲程相比，通过限制冲程，更准确地执行了所产生的手术过程并且更好地符合了手术目标。形成鲜明对比的是，例如在手术过程中使用木槌通常导致20mm或更大的位移，导致手术过程中的准确性较低。

撞针15在砧座5上的冲击将向前冲击力传递到适配器(未示出)并由此传递到拉刀、骨凿或其他矫形器械。发射质块或撞针15可以由合适的材料构造，例如钢或具有类似性能的任何其他材料，从而使其可以重复地冲击。在实施例中，发射质块或撞针15的重量或质量与工具的重量或质量之比优选地小于25％，并且发射质块15在接触之前具有一定量的自由飞行，这两个因素有助于进一步减少所产生的反冲力。

在另一个实施例中，出乎意料的发现通过相对于砧座的重量或质量增加发射质块的重量或质量，冲击能量被更有效地传递到手术器械。例如，当发射质块的质量与砧座的质量之比小于25％时，结果传递效率极低，即相对于0.8的典型恢复系数小于50％。同样地，发现质量比在50％以下产生最低的冲击传递效率。

在另一个实施例中，例如，如图2所示，随着撞针15沿着向后的方向朝向推板26a移动，缓冲器14a作为阻挡器以防止活塞19a的端面冲击撞针15。在紧接沿着向前的方向发射发射质块或撞针15之前，缓冲器14a吸收活塞19a的冲击。在本发明的过程中发现如果没有使活塞19a在缓冲器14a上停止移动，会发生过度的损耗，导致活塞19a的故障。因此，在重复操作中，这样的缓冲器14a防止了对弹簧组件系统的损害，特别是活塞19a。缓冲器14a可以是塑料或更优的是橡胶或聚氨酯材料中的一种。

如上所述的，发明人已经确定之前的设计偶尔会导致手术器械卡在生物腔并且撞针15沿着向后方向上的冲击可能不足以拉出工具。此外，发现为了拉出手术器械，向后的力需要被传递为急剧的收缩冲击。因此，在本双向冲击系统中，有至少两个不同的冲击表面，并且，当工具被从腔拉出时，撞针15将会冲击砧座5上的另一表面并由此将向后的力传递到砧座5。

例如，图4-图7示出了根据本公开的实施例的矫形冲击工具的透视图，其中机械弹簧组件系统的电机和齿轮箱8使凸轮12沿第二方向旋转(视为顺时针的同义词)，如箭头42b所示，并且发射该质块或撞针15，以便最终产生向后冲击力。图4示出了凸轮12处于旋转中，类似地，图5是图4中所示的冲击工具的另一个角度的另一透视图。当电机8沿第二方向继续旋转凸轮12时，第二弹簧活塞19b(在下文中称为“第二活塞19b”)啮合第二弹簧2b并压靠第二推板26b，从而在第二弹簧2b内存储势能。第二活塞19b转而被“扳起”在准备释放的操作位置(见图6)。在“扳起阶段”，与发射质块或撞针15结合的第二活塞19b接触凸轮从动件13并由凸轮从动件13推动。例如，在图6和图7中所示，撞针或发射质块15的端面包括一对延伸部或突出部32，该延伸部或突出部32与发射质块15形成一体，或者作为螺栓连接到发射质块15的分开的元件被提供。当凸轮12沿第二方向继续旋转时，储存在第二弹簧2b内部的能量增加，直到凸轮12移动经过其停止作用在撞针15上的释放点(例如参见图7)。撞针或发射质块15现在在第二弹簧2b储存的势能下自由行进。特别地，在第二活塞19b的充分位移之后，并且在凸轮12释放第二活塞19b和/或发射质块15组合之后，第二活塞19b沿着向后方向移动，即朝向冲击点的方向，并且同时使与第二活塞19b的表面接触的发射质块或撞针15加速。例如，如图7所示，第二弹簧2b从撞针15释放，将其从靠近末端执行器或患者的工具末端发射，发射质块15的延伸部或突出部32冲击砧座5的另一、第二或向后撞击表面从而在砧座5上敲击地施加向后冲击力。

类似于图2中所示的弹簧缓冲器14a并且如上所述的，随着活塞19b沿着向后的方向移动，图4中示出的弹簧缓冲器14b也作为阻挡器以防止活塞19a的端面冲击撞针15。在紧接沿着向后的方向发射发射质块或撞针15之前，缓冲器14b吸收活塞19b的冲击。如上所述的，在本发明的过程中发现如果没有使活塞19b在缓冲器14b上停止移动，会发生过度的损耗，导致活塞19b的故障。因此，在重复操作中，这样的缓冲器14b防止了对弹簧组件系统的损害，特别是对活塞19b的损害。类似于缓冲器14a，缓冲器14b可以是塑料或更优的橡胶或聚氨酯材料中的一种。

在示例性实施例中，如图10所示，砧座5上的力的方向由用户(诸如外科医生)在工具上的手动力来控制，该手动力由传感器28检测，传感器28可以是位于砧座5上的定位传感器。例如，沿着向前方向偏置工具导致发射质块或撞针15向前发射并给予向前冲击，而沿着向后方向偏置工具导致撞针15向后发射并给予向后冲击。

在实施例中，例如，在图5中所示，当凸轮12组件完成其冲程时，其优选地启动可操作地耦接到控制器21的传感器22。传感器22辅助调节凸轮12的优选循环操作。例如，传感器22可以信号通知电机8停止，使得凸轮12位于或靠近最小势能储存的点。因此，在一个完整的周期中，可以在拉刀、骨凿或其他末端执行器上，或者在植入物或假体上施加向前或向后冲击力。在另一实施例中，有利的是，在开始下一个循环之前，对于任何给定的手术，插入延时或者计算冲击的次数，使得能够准确地控制冲击的速度，并且反过来，这样允许外科医生在任何给定的操作下准确地控制能量传递的效率。在另一个实施例中，有利的是，将凸轮12停止在最大势能储存的点附近以减少外科医生手中的延迟。如定义的，延迟是在外科医生(或用户)激活矫形冲击工具和工具实际产生冲击之间的时间。发明人已经确定，大约100毫秒或更短的延迟基本上算是瞬时响应。通过将凸轮12停止在已经存储至少部分势能的点处，工具具有在致动工具触发器30时接近瞬时释放势能的作用。

在另一实施例中，另外的传感器(未示出)可以用来检测在敲击冲击之间，手术器械没有前进。如果手术器械已经停止前进小于10秒的时间，或者更优选地小于3秒，该工具可以向外科医生提供反馈。可以以光、减少或停止冲击、或者其他手段提供这种反馈。然后外科医生将会有机会评估手术并且判断是否重新发起冲击操作。

图8是示出根据本公开的示例性实施例的矫形冲击工具的循环操作的示例性流程图。在循环开始时，在步骤800中按下触发器，并且在步骤802中首先确定矫形冲击工具是否被充电并准备使用。如果本地电源(例如电池)的电压小于阈值最小值，则在步骤804中将电池设定为充电。如果电池的电压大于阈值最小值，则接下来在步骤806中，确定砧座和/或拉刀或其他手术附件是否相对于患者骨骼的腔被正确定位。如果砧座和/或拉刀或其他手术附件被正确定位，则操作前进到步骤810；否则，系统等待直到步骤808中的位置被校正。接下来，在步骤810中，基于工具是用于产生向前冲击力还是向后冲击力来确定是否已经做出将电动机和齿轮箱旋转到哪个方向的决定。如果旋转方向已经确定，则在步骤814中，电动机和变速箱组合开始旋转以完成冲击循环；否则，系统等待，直到在步骤812中确定了旋转方向。一旦电机变速箱完成冲击循环，则步骤816确定凸轮传感器是否已被激活。如果传感器已被激活，则过程进行到步骤818以确定是否仍维持触发器；否则，过程返回到步骤814以允许电机继续旋转，直到凸轮传感器已被激活。如果在步骤818中维持触发器，则操作循环回到步骤814，其中电机继续旋转，使得工具继续产生冲击；否则，在步骤820中停止矫形冲击工具的操作。

控制器21优选地利用实现图8中所描述的循环操作的固件来操作，这使得矫形冲击工具能够产生可重复的、可控的冲击力。控制器21可以包括例如智能硬件设备，例如任何数据处理器、微控制器或FPGA设备，诸如由英特尔公司(Santa Clara，CA)或AMD(Sunnyvale，CA)制造的那些设备。如本领域技术人员所认识到的，也可以使用其他类型的控制器。

有利的是，活塞和弹簧组件系统不需要或不使用制动器或磁体来产生较高的能量冲击。考虑到诸如弹簧常数、弹簧预载荷和操作循环期间弹簧的总压缩等因素，系统的能量输出的大小对于任何给定的一组操作条件是一致的。对于任何给定操作循环，从储能驱动系统中输出的冲击能量在1焦耳到10焦耳之间，其变化不超过20％，并且更优选地不超过10％。例如，冲击工具可以包括具有每英寸100磅的弹簧常数、操作在100磅的预载荷力以及具有0.5英寸的凸轮冲程的弹簧，减去摩擦力和其他损失，使得储能驱动系统输出大约7.1焦耳的总冲击能量。

在本双向冲击系统中，与现有设计相比，活塞和弹簧组件机构沿着向后方向上的效率大约为80％，现有设计的效率大约为20％。例如，在发明人以前的设计中，3.5焦耳(J)的能量的向前冲击大约产生0.4J的能量的向后冲击，导致近80％的能量的损失，这是不理想的。

发明人已经确定，就如何有效地将抛出质块(thrown mass)的动能传递给手术器械而言，用于发射质块或抛出质块、砧座和适配器的质量比和材料是至关重要的。为了本发明的目的，传递到外科手术器械的能量与抛出质块或撞针中的动能的函数的比率被称为传递函数。就该工具是如何有效地执行拉削、冲击或提取手术过程而言，传递函数被用来衡量性能。例如，在抛出质块、砧座和适配器都是由坚硬的不锈钢制成的一种设计中，发现传递到手术器械的能量与抛出质块的动能之比或传递函数小于50％。通过增加抛出质块与所冲击的质量(砧座、适配器和手术器械的质量的总和)的质量比，系统的效率，特别是传递函数，增加到大于60％，并且在很多情况下，接近75％。

此外，意外地发现，通过将弹簧的压缩比保持为小于其自由长度的50％，并且更优选地小于30％，弹簧寿命和冲击一致性被最大化。一个意想不到的效果是在撞针15和砧座5之间产生更一致的冲击，这是弹簧不会永久变形的结果。实际上，因为冲击能量仅稍微受环境条件影响，所以由气体弹簧或机械弹簧产生的冲击的一致性被发现在标称设计值的+/-10％内。

例如，该工具可以进一步有助于受控的连续冲击，该冲击例如取决于可操作地耦接到电源或电机的触发开关30的位置。对于这样的连续冲击，例如，在触发开关被激活之后并且取决于触发开关30的位置，工具可以以与触发开关的位置成比例完成整个循环。因此，无论是单次冲击还是持续冲击操作模式，外科医生都可以轻松控制手术区域的产生或成形。

如前面所讨论的，该工具能够通过例如为储能驱动系统的可替换气体弹簧筒(未示出)或不同的机械弹簧选择合适的内部压力来改变每个循环的冲击能量的量。可以理解的是，由于用于向气体弹簧施加势能的驱动机构是固定冲程，所以通过简单地使用具有不同的预载荷或弹簧常数的弹簧筒，在任何给定手术中可以获得不同的冲击能量。在另一实施例中，例如通过改变推板的位置，可以使用元件(诸如线性凸轮)来改变储能驱动系统中的压缩量。通过控制冲击能量，外科医生在手术中有更大的灵活性。

在又一个实施例中，工具可以进一步被设计成有助于抽出良好固定的植入物或“盆状(potted)”拉刀。这种实施例沿第二方向、顺时针方向42b旋转凸轮12并且发射该质块或撞针15，使得撞针15移动远离患者，从而在砧座5上引起回缩或向后的力。

该工具可以进一步包括插入在撞针15和砧座5之间的柔性元件(未示出)。优选地，柔性元件是弹性材料，其可以从冲击良好地恢复并且对总能量施加最小的阻尼。作为示例，聚氨酯组件能够被插入在撞针15冲击砧座5的界面处。在另一个实施例中，可以以如下方式插入柔性元件，即它仅减小向前方向的冲击力，但不会影响期望的对向后方向的急剧冲击力。这种类型的柔性元件可以限制冲击过程中的峰值力，从而排除引起患者骨头中的骨折的此种峰值，同时维持能够回缩卡住的拉刀或其他手术器械所需的高峰值力。

在又一个实施例中，可以理解的是，冲击器例如可以耦接到机器人，从而潜在地消除了对便携式电源(电池)和/或工具上的把手的需求。

在另一个实施例中，适配器(未示出)与工具的耦接可以包括本领域已知的联动装置或其他调节机构，使得能够在不需要要求外科医生旋转工具的情况下修改拉刀、骨凿或其他末端执行器的位置。这里公开的矫形工具相对于现有技术提供了各种优点。它有助于控制对手术部位的冲击，从而最大限度地减少对患者身体造成的不必要损伤，并且允许精确成形植入物座或假体座。该工具还允许外科医生调整冲击的方向、力和频率，这提高了外科医生操纵和控制该工具的能力。例如，取决于正在进行的外科手术，矫形工具可以仅用于回缩目的。同样，该工具可以定制为具有不同的向前和反向冲击力。例如，在机械弹簧组件系统中，可以使用不同的计量弹簧来进行向前和反向冲击。冲击设置的力和柔性控制调整允许外科医生根据患者的特定骨类型或其他轮廓参数设置冲击力。此外，改进的效率和降低的线性运动转换器负载允许使用更小的电池和更低成本的组件。由此该工具能够使假体或植入物正确地安置到植入腔或从植入腔移出。此外，活塞和弹簧组件提供了用于调整特定手术的冲击能量的简单手段。此外，由于弹簧组件基本上由弹簧的机械特性(诸如挠度、预载荷和弹簧常数)支配，因此所得到的工具赋予了独立于操作速度的可预测冲击能量。此外，在其中气体弹簧筒可替换的一个实施例中，在每次手术中可以更换经受高磨损的元件(诸如密封件和活塞)，从而产生更坚固、寿命更长的工具并减少故障点。

已经出于说明和描述的目的呈现了本公开的具体实施例的前述描述。它们不旨在是穷尽性的或将本公开限制为所公开的确切形式，并且显然根据上述教导可以进行许多修改和变化。选择和描述示例性实施例是为了最好地解释本公开的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最好地利用本公开和具有各种修改的各种实施例，以适合于预期的特定使用。

Claims (28)

1.一种手术冲击工具，包括：

能量存储和释放机构，所述能量存储和释放机构以每秒1至10次的速率释放存储在其中的能量以驱动可操作地连接的手术器械；

控制器，所述控制器被配置为监视和管理所述能量存储和释放机构的存储和释放；

适配器，所述适配器用于固定所述手术器械；和

用于将响应于所释放的能量的冲击力传递到所述手术器械的装置。

2.根据权利要求1所述的手术冲击工具，其中，所释放的能量是每次冲击1焦耳至8焦耳之间。

3.根据权利要求1所述的手术冲击工具，其中，所述适配器的最大位移是每次冲击小于15mm。

4.根据权利要求1所述的手术冲击工具，还包括：

具有第一冲击表面和不同的第二冲击表面的砧座，

其中用于传递所述冲击力的所述装置包括抛出质块，所述抛出质块冲击所述第一冲击表面以产生向前冲击力，并且冲击所述第二冲击表面以产生向后冲击力。

5.根据权利要求4所述的手术冲击工具，其中，冲击的方向由施加到所述工具的偏置力来控制，

其中沿朝向生物体的方向的所述偏置力在所述第一冲击表面上产生所述向前冲击力，以及

其中沿远离所述生物体的方向的所述偏置力在所述第二冲击表面上产生所述向后冲击力。

6.根据权利要求1所述的手术冲击工具，还包括：

能量调节机构，所述能量调节机构用于根据患者简况调节所释放的能量。

7.根据权利要求1所述的手术冲击工具，其中，每次冲击所传递的冲击能量是恒定的。

8.根据权利要求4所述的手术用冲击工具，其中，所述抛出质块的轴向取向偏离所述适配器的轴线不超过10度。

9.根据权利要求1所述的手术冲击工具，其中，所述适配器被形成为将冲击能量的至少60％传递到所述手术器械。

10.根据权利要求4所述的手术冲击工具，其中，所述砧座和所述适配器是单个组件。

11.一种双向手术冲击工具，包括：

能量存储和释放机构，所述能量存储和释放机构以每秒1至10次的速率释放储存在其中的能量以驱动可操作地连接的手术器械；

控制器，所述控制器被配置为监视和管理所述能量存储和释放机构的存储和释放；

具有第一冲击表面和不同的第二冲击表面的砧座；以及

用于将响应于所释放的能量的冲击力传递到手术器械的装置，

其中冲击的方向由施加到所述工具的偏置力来控制。

12.根据权利要求11所述的双向手术冲击工具，其中，所释放的能量是每次冲击1焦耳至8焦耳之间。

13.根据权利要求11所述的双向手术冲击工具，其中，所述砧座的最大位移是每次冲击小于15mm。

14.根据权利要求11所述的双向手术冲击工具，其中，用于传递所述冲击力的所述装置包括抛出质块，所述抛出质块冲击所述第一冲击表面以产生向前冲击力以及冲击所述第二冲击表面以产生向后冲击力。

15.根据权利要求11所述的双向手术冲击工具，还包括：

能量调节机构，所述能量调节机构用于根据患者简况调节所释放的能量。

16.根据权利要求11所述的双向手术冲击工具，其中，每次冲击所传递的冲击能量是恒定的。

17.根据权利要求14所述的双向手术冲击工具，其中，所述抛出质块的轴向取向偏离所述适配器的轴线不超过10度。

18.根据权利要求11所述的双向手术冲击工具，其中，所述适配器被形成为将冲击能量的至少60％传递到所述手术器械。

19.一种手术冲击工具，包括：

能量储存和释放机构，所述能量储存和释放机构以每秒1至10次的速率释放储存在其中的能量以驱动可操作地连接的手术器械；

控制器，所述控制器被配置为监视和管理所述能量存储和释放机构的存储和释放；

适配器，所述适配器用于固定所述手术器械；以及

抛出质块，所述抛出质块用于将响应于所释放的能量的冲击力传递给所述手术器械。

20.根据权利要求19所述的手术冲击工具，其中，所释放的能量是每次冲击1焦耳至8焦耳之间。

21.根据权利要求19所述的手术冲击工具，其中，所述适配器的最大位移是每次冲击小于15mm。

22.根据权利要求19所述的手术冲击工具，还包括：

具有第一冲击表面和不同的第二冲击表面的砧座，

其中所述抛出质块可操作地冲击所述第一冲击表面以产生向前冲击力以及冲击所述第二冲击表面以产生向后冲击力。

23.根据权利要求22所述的手术冲击工具，其中，所述冲击的方向由施加到所述工具的偏置力来控制，

其中沿朝向生物体的方向的所述偏置力在所述第一冲击表面上产生所述向前冲击力，以及

其中沿远离所述生物体的方向的所述偏置力在所述第二冲击表面上产生所述向后冲击力。

24.根据权利要求19所述的手术冲击工具，还包括：

能量调节机构，所述能量调节机构用于根据患者简况调节所释放的能量。

25.根据权利要求19所述的手术冲击工具，其中，每次冲击所传递的冲击能量是恒定的。

26.根据权利要求19所述的手术冲击工具，其中，所述抛出质块的轴向取向偏离所述适配器的轴线偏移不超过10度。

27.根据权利要求19所述的手术冲击工具，其中，所述适配器被形成为将冲击能量的至少60％传递到所述手术器械。

28.根据权利要求1所述的手术冲击工具，其中，所述能量以每秒3焦耳至每秒30焦耳之间的速率释放。