JP2007521880A - トーショナル切開チップ - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 遠位先端のねじり変位または縦変位に最適化されたピッチの切削歯をもった切削表面を遠位端に有する縦−ねじり共振器を備えるトーショナル切開チップおよび使用方法。本技術のトーショナル切開チップの利用により外科医は、切開するべきものを除き本技術の器械をいずれの部位にも移動させることなく骨のような硬質組織を容易に除去することができる。

Description

本願は、２００４年２月９日出願の米国特許仮出願第６０／５４２８２０号の優先権を主張する。

本発明の技術は、全体としてトーショナル切開チップに関し、より詳細には、硬質または稠密な生物学的組織のねじり切開および線形切開を独特に行うことができるように独特にパターン化され形成された歯を設けたリニアまたは縦超音波発生器のチップに関する。本発明の技術は、神経外科、脊髄手術、整形外科手術、形成／再建手術および耳鼻咽喉手術の間における骨および石灰化新生物の切開に特に適する。

従来技術は、Ｗｕｃｈｉｎｉｃｈによる「ロンジチューディナル・トーショナル・ウルトラソニック・ティシュー・ディセクション（Longitudinal-Torsional Ultrasonic Tissue Dissection）」と題する米国特許出願第０９／８３３１０９号において縦−ねじり超音波組織切開装置を記載している。上述の従来技術は、縦超音波発生器からのねじり運動を付与するための装置を記載しているが、硬質または稠密な生物学的組織のための最適な切削歯設計を提供することはできない。従来技術は、ねじり切削変位および／または線形切削変位の何倍も離間された一連の角錐形状の歯を利用する。上述の技術は、意図された用途に少しばかり効果的であるにすぎない。本技術は、ねじり超音波発生器のねじりストロークおよび／または縦ストロークに対応するピッチを備える複数の最適に離間された歯を提供する。

多くの外科処置において、他の組織または器官に接近できるようにするために骨性構造の全部または一部を除去することが必要である。他の例では、インプラント、自己由来物質、傷の閉合などの接近を助成するために骨を造形することが必要になる。しばしば、骨性物質の造形または除去は、脆弱かつ／または柔軟な組織にごく近接して行われる。これらの場合、骨除去のために使用される器械は予測可能で精確な様態で機能することが望ましい。具体的な要件は、以下に限らないが、意図した組織接触点からの器械のずれを防ぐために始動時のトルクの最小化、器械の伝達された作用に潜在的に起因する別の部位の損傷を制限するために最小限で精確かつ個別的な組織への衝撃、および外科医が器械の使用に従属的な複雑さに関心を払う必要なく関心領域に集中できるようにする全体的動作を含むであろう。

これらの用途に関連するような技術の現状の多くは、高速エアモータの使用において見られる。最高９５０００ｒｐｍの回転速度に達すると、エアモータに取り付けられたバーが、バーの表面に依存して様々な速度で組織の除去に作用する。硬化鋼の切削工具は骨を迅速に除去し、ダイヤモンド被覆工具は相当に低速度で除去に作用するが、組織破壊のダイヤモンド手段においてはある程度の差別があるので、多大な寛容を伴いそれを行う。回転バーは除去すべき骨に接して向けられ、切削表面はそれを切削または削り取る。高速バーの短所は、それが除去する表面に接触した時に回転方向でのハンドピースの初期接触または変位時に骨から「跳びはねる」傾向である。バーの一定した回転のために、周囲組織および／または、例えば縫合糸、外科用パテなどの材料が器械の回転シャフトによって誤って捕捉され、それにより「スプーリング」作用によりシャフトのまわりで組織および／または材料を引張り得る。ダイヤモンド被覆バーの場合、施術部位からのチップのクリアランスは最小限にされ、それによって工具と骨と間の接触によって発生する熱を閉じ込める。このように、過熱の発生は、臨床的に立証されてきた華氏１８０°を超える温度により、真の懸念事項となる。ニューロン損傷の誘因のために一般に許容される熱のしきい値はおよそ華氏１０９°であるので、高速エアモータのダイヤモンド工具によって発生する熱は真の臨床的懸念事項となる。

前述の通り、最近、Ｗｕｃｈｉｎｉｃｈ出願に記載されているような、前述の目的を達成する手段が市販されてきた。この器械は、造形チップと接続された超音波モータまたは発生器とから構成される。モータは、可変振幅による一定の周波数で縦に（その軸に沿って）振動するように設計されている。チップは、縦振動を縦振動およびねじり振動の組合せに変換するように設計されている。上述の技術は、縦−ねじり運動を併合する手段を製作する方法および、そのチップが組織に適用され得る方法を教示している。それは、有利となり得るかまたはなり得ない潜在的なチップの幾何学形状を記載してはいない。

前述の技術の市販の実施形態は、前述の変位の２倍以下で離間されている個別の角錐形状の歯ではなく、むしろねじり切削変位および／または線形切削変位より著しく大きく離間された複数の歯を有する作業表面を利用する。本技術は、全ての実施形態において最大の上述の変位の少なくとも２倍またはそれ未満で離間された作業表面に配列された複数の角錐または四面体の形状の歯を利用する。

従って、本発明の目的は、ねじり超音波発生器のねじりストロークおよび／または縦ストロークに対応するピッチで複数の最適に離間された歯を有するトーショナル切開チップを提供することである。

本発明の別の目的は、以下に限らないが角錐または四面体の形状を含む多くの異なる形態を取りながら最適に機能し得る、縦またはねじり工具表面変位の少なくとも２倍またはそれ未満で複数の最適に離間された歯を有するトーショナル切開チップを提供することである。

本発明の上述および他の目的を達成するために、超音波モータとともに使用するトーショナル切開チップが提供される。装置は整形外科手術でのその間における使用に特に適する。前述の通り、本技術は、全ての実施形態において最大の前述の変位（すなわち振幅）の少なくとも２倍またはそれ未満で離間された作業表面または切削表面に配列された複数の角錐、四面体または他の形状の歯を利用する。

好ましい実施形態の場合、歯のピッチ、すなわち連続する歯の間の距離は、０．３または１ｍｍであるが、前述の基準が満たされる限り任意の長さを備えることができる。本技術の他の実施形態は、ねじり変位または縦変位に実質的に最適であるピッチを備えるあらゆる形式の歯を利用することができる。本技術および従来技術の場合、ねじり振動変位は一般に３００ミクロン（０．３ｍｍ）であり、縦変位とねじり変位との比はチップの構成によって規定される。日本の川崎市のミワテック（Ｍｉｗａｔｅｃ）から入手可能なような従来技術の市販の実施形態は骨除去の臨床目的を達成することができるが、前記従来技術は、過熱の発生、組織壊死およびニューロン損傷を回避するために器械チップの一定した運動を必要とする。この過熱の発生は溝の先端ではなく溝の側面をこする骨に起因すると推論される。すなわち、器械チップは一般に縦運動およびねじり運動の両方を有し、前記縦運動は従来技術の溝とほぼ平行である。この縦運動は、従来技術で利用された場合、組織を除去せずに前記組織を単に加熱する。この過熱の発生は、本技術においては前述の最適な間隔を備える前記複数の角錐形状の歯の利用によって回避される。

本技術の発明は、前記チップのねじり変位にほぼ等しいピッチ（すなわち運動の平面において連続する歯の間の距離）で配置された複数の歯を備える切削表面チップを有する縦−ねじり共振器（Ｌ−Ｔ共振器）よりなる。前記Ｌ−Ｔ共振器は、超音波発生器または電気機械的トランスデューサと接続する好ましくは雌ねじ部分を有する第１の端または近位端、および前記切削表面平面を有する第２の端または遠位端を有する。前記Ｌ−Ｔ共振器の中心軸は中心に位置し前記第１の端から前記第２の端へ延びる。好ましい実施形態において、管状の吸引経路および／または洗浄経路が前記ねじ部分から前記第２の端にかけて延びる。また好ましい形態では、前記第１の端から前記第２の端まで、前記Ｌ−Ｔ共振器は好ましくは３段で階段状に先細りになっている。別の実施形態は、任意の数の段を利用するか、または前記Ｌ−Ｔ共振器を単純に先細りにし、さらに、以下に限らないがねじ、ピン、圧入、溶接、ろう付けを含む当業の範囲内で認められる多数の第１の端の接続方法を使用することができ、または接続部は超音波発生器と冶金学的に連続であってもよい。前記超音波発生器または電気機械的トランスデューサは、従来技術において記載されており、それは本発明と整合しているのでここで参照するにすぎない。

従来技術の中で述べた通り、前記Ｌ−Ｔ共振器の胴体内には断面部が不均質である不均質断面部がある。前記不均質な断面は、平らな棒をねじるか、または丸棒に溝を付ける、すなわち外周の周りの溝を螺旋形にする、または棒の密度または弾力を螺旋状に変化させている形態を取り得る。この不均質部は、最大応力を受ける棒の部分に優先的に作成されなければならない。上述の不均質部が導入された場合、超音波発生器の縦運動は、作業表面または遠位先端において少なくとも部分的にねじり運動に変換される。好ましい実施形態において、前記不均質部はＬ−Ｔ共振器の第２段内における複数の螺旋形の溝よりなる。

前記切削表面の平面は、前記第２の端でＬ−Ｔ共振器の外径から離れてほぼ接線方向に好適に配置されている。すなわち、前記表面は、前記Ｌ−Ｔ共振器の外径または外周から離れて前記第２の端の短腕に好適に配置されている。好ましくは前記切削表面は、平面状であり、すなわちＬ−Ｔ共振器の中心軸から切削表面までの半径にほぼ一致する半径を有する。各図に図示の通り、本技術は、従来技術とは異なり、硬質組織を縦およびねじり方向に両方で切削することができる複数の切削歯を前記切削表面に独特に採り入れている。記載された形態において、前記歯の各々は前記中心軸から最大限に離れた点にほぼ来ている。好ましい形態において、前記歯は、形状が角錐状または四面体であり前記切削表面上に一様に配置されている。前記歯は、本技術の範囲を逸脱しなければ他の実施形態において任意の数の表面を備えるほぼ１次元の三角形または矩形、立方体、または他の四面体、五面体、または角錐の形態を取ることができる。

本技術の発明は、器械チップのねじり運動または縦運動により骨の効率的な除去を可能にする。装置は、縦方向で、ねじりにより、または縦運動およびねじり運動の両方の組合せで振動する超音波モータに適用され得る。すなわち、従来技術の溝とは異なり、本技術の複数の歯は、運動が複数の歯の平面に沿っていずれかの二次元方向で適用された時に、稠密組織を除去するであろう。

作業表面での振動振幅または変位は一般に約３００ミクロン（０．３ｍｍ）であり、歯のピッチは好ましい実施形態において前記振動振幅にほぼ等しい。歯の形状および配列パターンは、作業表面が複数の歯を備えている限り、多くの形態を取ることができる。別の実施形態の場合、歯のピッチは振動振幅の２倍以下でなければならず、前述の通り、好ましい形態では、振動振幅に等しいか、またはそれ未満でなければならない。これは、振動する歯によってスイープされる経路を隣接する歯の経路と合致または重畳させる。このようにして、骨はチップの作業表面全体に沿って除去され、骨と歯の側面との直接的な接触による熱の捕捉を許さない。このようにして、熱の発生は最小限にされ、骨の除去は最大限にされ、有害な副次的効果は排除される。

本発明の技術は、以下に限らないが、チタン合金、工業的に純粋なチタン、そしてニチノールといった超弾性合金を含む、所要の弾性および硬度特性を有する複数の材料から製造され得る。本技術はさらに、反射防止表面処理、コーティングまたは動作を最適化するためのプロセスを利用することができる。

本発明の多数の他の目的、特徴および利益は、ここで添付図面と連係してなされる以下の詳細な説明を読んだ時に明白となるはずである。

ここで図面に言及すれば、図１〜８には、トーショナル切開チップ１０のねじり変位にほぼ等しいピッチ（すなわち運動の平面における連続する歯２９の間の距離）で配置された複数の歯２９を備える切削表面チップ１４を有する縦−ねじり共振器１２（Ｌ−Ｔ共振器）を有する前記チップ１０の好ましい実施形態が図示されている。前記Ｌ−Ｔ共振器１２は、超音波発生器または電気機械的トランスデューサと接続する好ましくは雌ねじ部分１９を有する第１の端または近位端１８および、前記切削表面平面２２を有する第２の端または遠位端２０を有する。前記Ｌ−Ｔ共振器１２の中心軸２４は、中心に位置し、前記第１の端１８から前記第２の端２０に延びる。好ましい実施形態において、管状洗浄経路２６が前記ねじ部分１９から前記第２の端２０にかけて延びる。また好ましい形態において、前記第１の端１８から前記第２の端２０まで、前記Ｌ−Ｔ共振器１２は好ましくは３段３０で階段状３０に先細り（２８）になっている。別の実施形態は、任意の数の段３０を利用することができ、または前記Ｌ−Ｔ共振器１２を単純に先細りにし、さらに、以下に限らないがねじ、ピン、圧入、溶接、ろう付けを含む当業の範囲内で認められる多数の第１の端１８の接続方法を使用することができ、または接続部は超音波発生器と冶金学的に連続であってもよい。前記超音波発生器または電気機械的トランスデューサは、従来技術において記載されており、それは本発明１０と整合しているのでここで参照するにすぎない。

従来技術の中で記載した通り、前記Ｌ−Ｔ共振器１２の胴体内には不均質断面部３２がある。前記不均質断面部３２は、平らな棒をねじるか、または丸棒に溝を付ける、すなわち外周の周りの溝３４を螺旋形にする、または棒の密度または弾力を螺旋状に変化させている形態を取り得る。この不均質部３２は、最大応力を受ける棒の部分に優先的に作成されなければならない。前述の不均質部３２が導入された場合、超音波発生器の縦運動は、作業表面または遠位先端２０において少なくとも部分的にねじり運動に変換される。好ましい実施形態において、前記不均質部３２はＬ−Ｔ共振器１２の第２段３０内における複数の螺旋形の溝３４よりなる。

前記切削表面２２の平面は、前記第２の端２０のＬ−Ｔ共振器１２の外径から離れてほぼ接線方向に好適に配置されている。すなわち、前記表面２２は、前記Ｌ−Ｔ共振器１２の外径または外周から離れて前記第２の端２０の短腕２３に好適に配置されている。好ましくは前記切削表面２２は、平面状２５であり、すなわちＬ−Ｔ共振器１２の中心軸２４から切削表面２２までの半径にほぼ一致する半径２７を有する。好ましい実施形態では、前記平面切削表面２２は０．０７９×０．０４８インチのほぼ矩形の寸法を有するが、あらゆる望ましい大きさまたは面積のものとしてよい。各図に図示の通り、本技術は、従来技術とは異なり、硬質組織を縦およびねじり方向に両方で切削することができる複数の切削歯２９を前記切削表面２２に独特に採り入れている。記載された形態において、前記歯２９の各々は前記中心軸２４から最大限に離れた点３１にほぼ来ている。好ましい形態において、前記歯２９は、形状が角錐状または四面体であり前記切削表面２２上に一様に配置されている。前記歯２９は、本技術の範囲を逸脱しなければ他の実施形態において任意の数の表面を備えるほぼ１次元の三角形または矩形、立方体、または他の四面体、五面体、または角錐の形態を取ることができる。

本発明によれば、器械チップ１４のねじりまたは縦運動により骨の効率的な除去を可能にする。装置は、縦方向で、ねじりにより、または縦運動およびねじり運動の両方の組合せで振動する超音波モータに適用され得る。すなわち、従来技術の溝とは異なり、本技術の複数の歯２９は、運動が複数の歯２９の平面に沿っていずれかの二次元方向で適用された時に、稠密組織を除去するであろう。

前述の通り、１実施形態において、作業表面２２の平面は、器械の遠位先端２０の中心軸にほぼ平行でありながらずらされているが、作業表面の位置は実質的に無限の様態で変更することができる。複数の角錐形の歯２９は、前記中心軸から最も遠い尖り部分３１を備えて作業表面２２に配列されている。作業表面２２での振動振幅または変位は一般に約３００ミクロン（０．３ｍｍ）であり、歯２９のピッチは好ましい実施形態において前記振動振幅にほぼ等しい。歯２９の形状および配列パターンは、作業表面が複数の歯２９を備えている限り、多くの形態を取ることができる。別の実施形態の場合、歯２９のピッチは振動振幅の２倍以下でなければならず、前述の通り、好ましい形態では、振動振幅に等しいか、またはそれ未満でなければならない。これは、振動する歯２９によってスイープされる経路を隣接する歯２９の経路と合致または重畳させる。このようにして、骨はチップ１４の作業表面全体に沿って除去され、骨と歯２９の側面との直接的な接触による熱の捕捉を許さない。このようにして、熱の発生は最小限にされ、骨の除去は最大限にされ、有害な副次的効果は排除される。ここで使用される用語「振幅」は、正弦曲線の振幅の定義においてと同様、単一方向でのピーク変位を指し、用語「ストローク」は正弦曲線のピークピーク値と同様、全変位、すなわち振幅の２倍を言う。

本発明の技術は、以下に限らないが、チタン合金、工業的に純粋なチタン、そしてニチノールといった超弾性合金を含む、所要の弾性および硬度特性を有する複数の材料から製造され得る。本技術はさらに、反射防止表面処理、コーティングまたは動作を最適化するためのプロセスを利用することができる。

当業者は、トーショナル切開チップ１０が図示説明されたことを了解するであろう。本発明は、切削表面２２が当該物に接触した時に、骨、骨性突起、石灰化新生物、軟骨、軟骨性物質、椎間板および他の病変の除去において効果的であると考えられる。装置は、神経外科、脊髄手術、整形外科手術、形成／再建手術および、耳鼻咽喉手術、そしてそれによって前述の組織に遭遇する他の手術において、特に有用である。

本発明を詳細に説明したが、当業者は、その精神を逸脱することなく本発明の修正が行い得ることを理解するであろう。従って、本発明の範囲は例示説明した特定の実施形態に限定されるように意図されていない。むしろ、本発明の範囲は添付特許請求の範囲およびそれらの等価物によって決定されるように意図されている。

右方斜視図とほぼ対称であるトーショナル切開チップの好ましい実施形態の左方斜視図である。 右方平面図とほぼ対称であるその左方平面図である。 その底面図である。 実施形態の遠位端切削表面の分解平面図である。 その平面図である。 その第２の端の平面図である。 その第１の端の平面図である。 その中心線に沿って得られる図６および７の断面図である。

符号の説明

１０ トーショナル切開チップ
１２ Ｌ−Ｔ共振器
１４ 切削表面チップ
１８ 第１の端、近位端
２０ 第２の端、遠位端
２２ 切削表面
２３ 短腕
２４ 中心軸
２５ 平面
２６ 管状洗浄経路
２７ 半径
２８ テーパ
２９ 切削歯
３０ 段
３２ 不均質断面部
３４ 溝

Claims (18)

1. 胴体と、第１の近位端および第２の遠位端とを有し、前記第２の遠位端は、変位を生じる超音波発生器によって前記第１の近位端が励振された時にねじり運動振幅および／または縦運動振幅が可能である、縦−ねじり共振器と、
   前記第２の遠位端に付属した切削表面と、
   前記切削表面上の複数の切削歯とを備え、
   前記切削歯は、前記ねじりまたは縦運動振幅の少なくとも１つの２倍未満または２倍に等しいピッチを有することを特徴とするトーショナル切開チップ。
2. 前記切削表面は平らな表面をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のトーショナル切開チップ。
3. 前記第２の遠位端と前記切削表面との間に付属した短腕をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のトーショナル切開チップ。
4. 前記切削表面は、前記縦−ねじり共振器の中心軸から前記切削表面までの第２の半径にほぼ一致する第１の半径を有する平らな表面をさらに備えることを特徴とする請求項３記載のトーショナル切開チップ。
5. 前記超音波発生器と接続する前記第１の近位端のねじ部分と、
   前記ねじ部分から前記第２の遠位端にかけて延びる管状経路と、
   前記縦−ねじり共振器の胴体内の不均質断面部とをさらに備え、それによって前記超音波発生器からの前記変位の少なくとも一部は前記第２の遠位端におけるねじり変位に変換されることを特徴とする請求項１記載のトーショナル切開チップ。
6. 前記不均質断面部は、１つまたはそれ以上の溝よりなることを特徴とする請求項５記載のトーショナル切開チップ。
7. 前記第２の遠位端と前記切削表面との間に付属した短腕と、
   前記切削歯を形成する点を有する複数の角錐形態とをさらに備え、
   前記切削表面は、前記縦−ねじり共振器の中心軸から前記切削表面までの第２の半径にほぼ一致する第１の半径を有する平らな表面を有することを特徴とする請求項５記載のトーショナル切開チップ。
8. 第１の近位端および第２の遠位端を有し、前記第２の遠位端は、前記第１の近位端が超音波発生器によって励振された時にねじり運動振幅および／または縦運動振幅が可能である、縦−ねじり共振器と、
   前記第２の遠位端に付属した切削表面と、
   前記切削表面上の複数の切削歯とを備え、
   前記切削歯は、前記ねじりまたは縦運動振幅の少なくとも一方より少ないまたはそれと等しいピッチを有することを特徴とするトーショナル切開チップ。
9. 前記切削表面は平らな表面をさらに備えることを特徴とする請求項８記載のトーショナル切開チップ。
10. 前記第２の遠位端と前記切削表面との間に付属した短腕をさらに備えることを特徴とする請求項８記載のトーショナル切開チップ。
11. 前記切削表面は、前記縦−ねじり共振器の中心軸から前記切削表面までの第２の半径にほぼ一致する第１の半径を有する平らな表面をさらに備えることを特徴とする請求項１０記載のトーショナル切開チップ。
12. 前記超音波発生器と接続する前記第１の近位端のねじ部分と、
    前記ねじ部分から前記第２の遠位端にかけて延びる管状経路と、
    前記縦−ねじり共振器の胴体内の不均質断面部とをさらに備え、それによって、前記超音波発生器からの前記変位の少なくとも一部は前記第２の遠位端におけるねじり変位に変換されることを特徴とする請求項８記載のトーショナル切開チップ。
13. 前記不均質断面部は、１つまたはそれ以上の溝よりなることを特徴とする請求項１２記載のトーショナル切開チップ。
14. 前記第２の遠位端と前記切削表面との間に付属した短腕と、
    前記切削歯を形成する点を有する複数の角錐形態とをさらに備え、
    前記切削表面は、前記縦−ねじり共振器の中心軸から前記切削表面までの第２の半径にほぼ一致する第１の半径を有する平らな表面を有することを特徴とする請求項１２記載のトーショナル切開チップ。
15. 胴体と、第１の近位端および第２の遠位端とを有する縦−ねじり共振器を形成するステップと、
    超音波発生器により前記第１の近位端を超音波で励振および変位させ、それによって前記第２の遠位端がねじりストロークおよび／または縦ストロークを付与するステップと、
    前記第２の遠位端において切削表面を形成し取り付けるステップと、
    前記ねじりストロークまたは縦ストロークの少なくとも一方より少ないまたはそれと等しいピッチを有する複数の切削歯を前記切削表面に形成するステップと、
    前記切削表面を硬質または稠密な生物学的組織に接触させ、それによって前記第２の遠位端の一定運動を必要とすることなく前記組織を除去するステップとを含むことを特徴とする硬質または稠密な生物学的組織の切開を実施する方法。
16. 前記第２の遠位端と前記切削表面との間に短腕を配置し接続するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１５記載の硬質または稠密な生物学的組織の切開を実施する方法。
17. 前記胴体内に１つまたはそれ以上の溝を形成し、それによって前記第２の遠位端のねじりストロークは最大限にされるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１６記載の硬質または稠密な生物学的組織の切開を実施する方法。
18. 複数の角錐形態から前記切削歯を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１７記載の硬質または稠密な生物学的組織の切開を実施する方法。

Images