JP2009090116A - ロッド接続部およびロッド状骨安定化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外科手術装置において、ロッドが緩やかな軸力でボアに挿入され得るような信頼性の高いロッドを与える。
【解決手段】ロッド受取り部材（４，２０，５９）のボア（６，６ａ，７３）内において外科手術装置（１６，５１）のロッド部（２，２ａ，６７）を固定するためのロッド接続部（１）は、内径を有するボアを含むロッド受取り部材と、外径を有するロッド部とを含み、ロッド部はボアに導入され、ボアの内径およびロッド部の外径は、ロッド部がロッド受取り部材のボアにプレス嵌めされるように選択され、さらにボアはロッド部の外壁面（９，７７）に対向する内壁面（８，７５）を有し、内壁面または外壁面は、ロッド部とロッド受取り部材との間の接触表面積を減じるために少なくとも１つの凹部（１２，７１）を備える。
【選択図】図５Ｂ

Description

この発明は、外科手術装置に与えられるロッド接続部に関する。ロッド接続部は、ボアを含むロッド受取り部材とボア内に導入されるロッド部とを含む。ボアの内径およびロッドの外径は、ロッド部がボアにプレス嵌めされて、２つの部分の間に信頼性の高いプレス嵌めまたは締まり嵌め接続を生じるように、選択される。

外科手術装置はいくつかの部品からなり、それらは、適用例に依存して、製造業者によるそれぞれの装置の組立て時または外科手術時に互いに隣接し得る。したがって、この接続部がこれらの部品間の強固なまたは固定的な接合を表す場合、たとえば引っ張り、曲がり、およびねじれ応力の観点から予め定められた装置の信頼度を確保するような部品間接続部が与えられなければならない。

臨床外科手術では、外科手術装置の特定の部品について選択される材料は、とりわけ、チタンもしくはニッケルチタン合金であるニチノールなどの生体適合可能な金属、または任意で炭素繊維強化されたＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの合成材料であり得る。部品間の接続部の種類は含まれる材料にも一般に依存し得る。

たとえば金属でできた２つの部品の場合、一方の部品(ロッド受取り部材）にボアを与え、ボアに対して締め代を有する他方の部品のロッド状部材がそこへプレス嵌めされることによって、接続部が確立される。換言すれば、分解された状態で、ロッド状部材（ロッド部）の外径はボアの内径よりも大きい。

対応する締め代の量は、含まれる材料、より具体的にはそれぞれの摩擦係数に依存して選ばれる。さらに、対応する直径に対する許容範囲の最大値および最小値の両方で信頼性の高い接続部が維持されるように締め代が選ばれる。

臨床外科手術のさまざまな適用例において、サイズが小さいと同時に外力の転送について高い信頼性を維持した、さらに装置内に構築される接続部に作用するような部品の供給について、継続的な要請がある。

上述のプレス嵌め接続部について、ボアおよびロッドの直径が減少するにつれて、両者間の５μｍの最小許容値が接続部設計に対する影響を増大することが観察され得る。結局、直径サイズを減じるにつれて締め代の相対量が増える。

結果として、外科手術において、部品を組み立てるのに相当な軸力を必要とし得るロッド接続部をもたらす傾向がある。

したがって、上述のような欠点を治癒するような向上したロッド接続部を与えることが目的である。特に、ロッドが緩やかな軸力でボアに挿入され得るような信頼性の高いロッドを与えることが目的である。

これらの、および他の目的は、請求項１による特徴を含む外科手術装置のロッド接続部によって解決される。さらなる有利な局面および実施例は添付の請求項によって明らかに
なる。

１つの局面によればロッド受取り部材はボアを有し、ボアに挿入されるべきロッド部はプレス嵌めされたロッド接続部を達成し、ボアは内面を有し、ロッド部は外面を有する。内壁面または外壁面には、ロッド部とロッド受取り部材のボアとの間の接触面積が減じられるように、凹部が形成される。

したがって、両方の壁面間の摩擦力もまた減じられる。これにより、組立て時にロッド部をボアに挿入することが容易になる。一方で、曲がり運動量に対してロッド部を安定して支えるのに必要なボアの長さが保持され得る。

内壁面に与えられる凹部はボア内に均質に分布したパターンとして形成されてもよい。１つの具体的実施例においては、凹部はボア内の内ねじとして与えられる。しかしながら、接触面積を効率的に減じるのに適したいかなる種類の凹部もこの発明に利用され得ることに注意されたい。

代替的実施例において、凹部はたとえば均質に分布したパターンとして、より具体的には外ねじとして、ロッド部の外壁面に与えられてもよい。

内ねじはロッド部の対応する外ねじに係合するように意図されないことに注意されたい。しかしながらこの発明はこれに限定されない。ねじは、それが制御された態様で容易に製造され得るという利点を有する。表面接触面積の減少は大きな労力を伴わずにさらに制御することができる。

ロッド接続部は、外科手術において一般に採用される金属と連動して有利に用いられ得る。これらのチタンまたはチタン合金などの金属、特にニチノールは、熱膨張係数が小さい一方で、高い圧力および相対運動によって部品間の磨耗を示す。

ロッド接続部は、２つ以上の骨固定要素を接続するための骨安定化装置に適用することができ、それは可撓部分の存在によって動的な挙動を示す。可撓部分は第１の部分と第２の部分との間に延在し、たとえば骨ねじなどの骨固定要素に接続を与える。

この発明のこの局面によるロッド接続部のロッド受取り部材は第１の部分に強固に固定され、その一方で対応するロッド部は可撓部分を通って第２の部分に向かって延在し、そこで自由端によって摺動可能に支持される。ロッド部は、曲がりに対して装置を安定化し、ロッド受取り部材のボアにおいて固定された端部を介して、また自由端で案内支持を介して、外部から与えられる曲げモーメントを効率的に伝えるように機能する。それにより、ボアの長さ全体が十分な支持を与えるように保持され、その一方で凹部は、ロッド部をボアに挿入するのに必要な力を減じるように機能する。

この発明は、添付の図面に関連してこの発明の具体的な実施例を参照するとよりよく理解される。

先行技術による外科手術装置に典型的に用いられるロッド接続部１０１の概略表示が図１に示される。ロッド状部材１０２がボア１０６を備えるロッド受取り部材１０４の前に置かれる（図１の上部を参照）。ロッド状部材１０２およびボア１０６は長手軸１１０について軸対称である。

ボア１０６はさらに、真っ直ぐな、すなわち少なくともロッド状部材１０２を受取るよ
う設計された領域内では内壁面が突出部も凹部も有さない、（円筒状）内壁面１０８を有する。ロッド状部材１０２は外径を有し、外径は、結果として両方の部材間に固定したプレス嵌めを生じる締め代を与えるために、ボア１０６の内径よりも僅かに大きい。

したがって、ロッド状部材１０２をボア１０６に挿入するには、長手軸１１０に沿った予め定められた力Ｆ₁の行使が必要である（図の下部部分）。そこでは力Ｆ₁は高圧から生じた摩擦力によって平衡を保たれる。

この発明の基本原理のいくつかを表わすロッド接続部１の対応する概略表示図が図２に示される。図１に示される装置のロッド状部材１０２に類似し得るロッド状部材２はロッド受取り部材４のボア６に挿入されることとなる（図２の上部部分）。両方の部材について選択される材料は図１の例と同じである。

しかしながら、図１とは対照的に、ボア６は、凹部、またはより具体的にはボア６の内壁面８に形成されるメートルねじ１２を備える。ボア６のコア径または内径は図１に関して詳説された径に類似し得る。ロッド状部材２の同じ外径を部材１０２の外径と考えると、ロッド状部材２をボア６に嵌込むのに予め定められた挿入力Ｆ₂が必要である。

挿入力Ｆ₂は、図２に示されるロッド接続部１によると、内壁面８に形成されるメートルねじの存在により、挿入力Ｆ₁よりも小さい。メートルねじ１２はロッド状部材２の外壁面９とロッド受取り部材４の内壁面８との間の接触面積を減じる。結果として挿入力Ｆ₂に対して作用する摩擦力もまた減じられる。

下記にこの発明によるさらに２つの外科手術装置の具体的実施例がさらに詳細に説明される。しかしながら当業者には、本願明細書に提示されるロッド接続部が、添付の請求項に記載された範囲を逸脱することなく、類似の効果を生じつつ、さまざまな他の外科手術装置に適用できることが明らかとなるであろう。

骨安定化装置に関する第１の実施例が、図３−図８で詳説される。図３はさまざまに位置決めされた骨固定要素１４ａ−１４ｆとの関連で脊椎の解剖図の下部を示す。骨固定要素は、骨ねじなどの骨定着要素、および、たとえば骨ねじのヘッド部分などを受取って固定するための受取り部を含む。骨固定要素１４ａ−１４ｆの各々は胸部または腰部脊椎のいずれかの１つの椎骨に定着される。

骨安定化装置は、骨固定要素１４ａ−１４ｆのうち少なくとも２つを接続するロッド装置１６（図３では示されない）を含んでもよい。図４、図５Ａ、図５Ｂの部分図で示されるように、ロッドは第１の部分２０、第２の部分２２、および部分２０，２２の間に延在する可撓部分２４を含む。図示する目的で、部分２０，２２は左右の端部でそれぞれ切断されていることに注意されたい。骨固定要素１４ａ−１４ｆはロッド装置１６の解剖図および最小接続長さに従って配置される。ロッドは骨固定要素に挿入され、セットねじを剛性の第１の部分２０および第２の部分２２に締め付けることによって固定される。

可撓要素２４および２つの部分２０，２２は、好ましくはチタン、チタン合金、または別の生体に適合可能な金属材料でできている。可撓要素は、螺旋凹部２６がその中に形成される円筒状パイプを含む。凹部２６により、可撓要素２４の長手部分はコイルばねのような形状になる。可撓要素２４は軸方向にショック吸収装置として機能することができる。

図３から明らかなように、上部胸部の２つの隣接する骨固定要素１４ａおよび１４ｂの間の相互距離は、２５ｍｍ−３０ｍｍから下部腰部のそれぞれの骨固定要素１４ｅおよび
１４ｆの１０ｍｍ−１５ｍｍの値に向かって減少する（これがＬ５−Ｓ１を安定化する）。したがって、下部胸部を考えると、ロッド装置１６およびその部品の小型化に関する要求が強くなる。

図５Ｂに示されるロッド装置１６の断面プロファイルでは、ロッド状部材２ａは第１の部分２０からばね形状の可撓部分２４の内部空間を通って第２の部分２２に向かって延在するよう表示される。部材２ａはニチノールワイヤによって体現されてもよい。これはロッド装置１６を曲げ力に対して安定化するよう機能し、それによりある程度の曲げ弾性が可能になる。番号２３は中空の空間を指す。

図５Ｂのロッド状部材の右（固定）端部２ａは第１の部分２０のボア６ａ内にプレス嵌めされ、後者は図２の部材４と同様にこの発明のロッド受取り部材として機能する。

ロッド状部材の左（自由）端部２ａは案内部材２８において摺動可能に支持され、たとえば炭素強化ＰＥＥＫからできている。したがって、可撓部分２４が外的衝撃により短縮または拡張すると、ニチノールワイヤがその自由端で軸方向に自由に動くことができる。

ロッド状部材の固定された右端部２ａに戻ると、対応するロッド接続部は第１の部分２０に形成されたボア６ａ内に部材端部２ａがプレス嵌めされることにより確立される。それにより、任意でメートルねじであってもよいねじ１２がボアの内壁面８に形成される。対照的にロッド状部材２ａは均一な外壁面９を有し、すなわちそこにねじは形成されない。ねじ切られたボア６ａの拡大部分図が図６に示される。

図２を参照して上述したように、ロッド状部材を挿入するのに必要な力は、安定性および曲げ特性が維持されつつ減少する。これは特に、装置の寸法を減じるという観点から重要である。上述のニチノールワイヤ（部材２ａ）の直径は４ｍｍ以下であり、より好ましくは３ｍｍ以下であり得る。ある具体的な局面によれば、ニチノールワイヤの直径は２ｍｍ以下でさえあり得る。

直径が小さい場合、部材２ａおよび２０（または図２の部材４）の両方についてチタンまたはチタン合金を共通して使用することは、従来は接続部の製造可能性に深刻な制約を与えていた。チタンは約９・１０^-6／Ｋの小さい熱膨張係数を有する（たとえばアルミニウムの２４・１０^-6／Ｋと比較されたい）。受取り部材が次に、当初の直径２ｍｍを拡張するために、たとえば２００℃高く加熱されると、約３,６μｍの増加が得られる。対照的に、上述のように、ボアおよびロッドの両方の直径について、向上した製造機械においては５μｍの許容範囲または幅がそれぞれ得られる。したがって、温度差がさらに増大し得いので、接続部を生じるためには大きな挿入力Ｆ₁が必要である。

しかしながら、実施例によれば、ロッド状部材２ａの均一な表面に対向するねじ１２が摩擦力を減じるのを助ける。これは図７Ａ、図７Ｂ、および図８Ａ、図８Ｂに表示されるモデルシミュレーションから明らかとなる。

図７Ａは、先行技術による（ねじのない）ロッド接続部１０１のシミュレーションの入力モデルを示す。図７Ｂは、図５Ｂの骨安定化装置（ロッド装置１６）のロッド接続部１、すなわちメートルねじ１２の対応するモデルを示す。ロッド受取り部４（第１の部分２０）およびロッド受取り部１０４は、それぞれ、１．７５ｍｍの壁厚および５．５ｍｍの外径を有する。そのパイプ長さは６ｍｍとなる。ロッド受取り部材２０（４）、１０４はチタン合金で形成される。ロッド状部材は０．０２０ｍｍの締め代を有する直径２ｍｍのニチノールワイヤである。摩擦係数μは０．３となる。

図８Ａ、図８Ｂは、応力の点からそれぞれの結果を示す。ねじの歯状螺旋突起部の局所的応力量が大きいが、メートルねじを有するロッド接続部１は、ねじのない場合（すなわち図８Ａ）とは対照的に全体として緩やかな応力分布を有する。計算された挿入力は、先行技術によればロッド接続部１０１についてＦ₁＝５．３７０Ｎ、第１の実施例によればロッド接続部１０１についてＦ₂＝２．１２０Ｎである。

第２の実施例が図９−図１２を参照して説明される。図９は臨床外科手術適用例の角計測装置５１を示す。シフト要素５７が示されないアクチュエータ手段によって本体ハウジング５３の長手方向に手動で押し込まれる。シフト要素５７のシフト位置に依存して、プレート状部材６１、６３の開口角度が達成される。それにより、プレート状部材は支持アーム６６上に保持されるシャフト軸６５のまわりを旋回する。

シフト要素のシフト位置は、接続部材５９によりプレート状部材６１、６３の旋回運動へと変換される。接続部材５９は、シフト要素５７に取付けられた（図９では示されない）シャフトが接続部材５９がシャフトに相対して回転可能になるようにそこを通って延在する、シャフト孔６９を有する。

さらに、図１０、図１１Ａおよび図１１Ｂに示されるように、接続部材５９はボア７３を有し、そこを通ってさらなるシャフト６７が延在する。シャフト６７はある量の締め代を伴ってボア７３内にプレス嵌めされて強固な接続部１に接続部材５９を与える。メートルねじ７１がボア７３の内壁面７５に与えられる（図１２の部分拡大図参照）。シャフト６７は均一な外壁面７７を有する。それは両側においてボア７３から突出してプレート状部材６１の対応する孔と係合する。それにより、シャフト６７はプレート状部材６１に対して回転可能である。

図２に示される原理によるロッド受取り部４はこの実施例の接続部材５９に対応し、図２のロッド状部材２はその機能に関してこの実施例のシャフト６７に対応することに注意され得る。

この発明の範囲はまた、少なくとも１つの凹部がロッド状部材の外壁面に形成される実施例をも包含することにもさらに注意される。より具体的には、外壁面の凹部は、たとえば外ねじパターンまたは規則的パターンなどの上述の実施例に関して詳説されたものに類似の形状を有し得る。

先行技術による外科手術装置のロッド接続部の概略表示である。 図１に類似のロッド接続部の概略表示であるが、この発明の局面に関する図である。 脊柱の図である。 第１の実施例によるロッド接続部を含む骨安定化装置の部分斜視図である。 図４と同じであるが側面図である。 図４と同じであるが断面図である。 図５Ｂに示される装置の第１の部分の部分拡大図である。 シミュレーションを実行するための先行技術によるロッド接続部の入力モデルである。 図７Ａと同じであるが第１の実施例に関する図である。 図７Ａに示すモデルのロッド部の挿入に際しての剪断応力の分布を示す図である。 図７Ｂと同じであるが第１の実施例に関する図である。 この発明の第２の実施例によるロッド接続部を有する角測定装置の斜視図である。 ロッド受取り部材としてのプッシュロッドとそこに固定されたロッド部としての回転軸とを含む第２の実施例のロッド接続部の部分拡大図である。 図１０と同じであるが断面図である。 図１０と同じであるが側面図である。 回転軸がプッシュロッドのボア内にプレス嵌めされた、図１０Ａの部分拡大図である。

符号の説明

１ ロッド接続部、２，２ａ，６７ ロッド部、４，２０，５９ ロッド受取り部材、６，６ａ，７３ ボア、８，７５ 内壁面、９，７７ 外壁面、１２，７１ 凹部、１６，５１ 外科手術装置。

Claims (13)

1. ロッド受取り部材（４，２０，５９）のボア（６，６ａ，７３）内において外科手術装置（１６，５１）のロッド部（２，２ａ，６７）を固定するためのロッド接続部（１）であって、
   内径を有するボア（６，６ａ，７３）を含むロッド受取り部材（４，２０，５９）と、
   外径を有するロッド部（２，２ａ，６７）とを含み、ロッド部はボア（６，６ａ，７３）に導入され、
   ボアの内径およびロッド部の外径は、ロッド部（２，２ａ，６７）がロッド受取り部材（４，２０，５９）のボアにプレス嵌めされるように選択され、さらに
   ボア（６，６ａ，７３）はロッド部（２，２ａ，６７）の外壁面（９，７７）に対向する内壁面（８，７５）を有し、内壁面または外壁面は、ロッド部（２，２ａ，６７）とロッド受取り部材（４，２０，５９）との間の接触表面積を減じるために少なくとも１つの凹部（１２，７１）を備える、ロッド接続部（１）。
2. ロッド部（２，２ａ，６７）およびロッド受取り部材（４，２０，５９）はそれぞれ金属で形成される、請求項１に記載のロッド接続部（１）。
3. ロッド部および／またはロッド受取り部材は両方ともチタンまたはチタン合金を含む、請求項２に記載のロッド接続部（１）。
4. ロッド受取り部材はチタンまたはチタン合金で形成され、ロッド部はニチノールで形成される、請求項２に記載のロッド接続部（１）。
5. 少なくとも１つの凹部（１２，７１）は、ボア（６，６ａ，７３）内の内壁面（８，７５）または外壁面（９，７７）に形成される内ねじによって与えられる、請求項１または２のいずれかに記載のロッド接続部（１）。
6. 少なくとも１つの凹部（１２，７１）は、ロッド受取り部材（４，２０，５９）とボア内のロッド部（２，２ａ，６７）との間の接触表面積を嵌合接続に比べて２０％を超えて８０％未満だけ減じるよう形成される、請求項１から５のいずれかに記載のロッド接続部（１）。
7. １つ以上の凹部はボア内で規則的または均質に分布したパターンを形成する、請求項１から６のいずれかに記載のロッド接続部（１）。
8. ボア（６，６ａ，７３）の内径は４ｍｍ以下となる、請求項１から７のいずれかに記載のロッド接続部（１）。
9. ボア（６，６ａ，７３）の内径は３ｍｍ以下となる、請求項８に記載のロッド接続部（１）。
10. ボア（６，６ａ，７３）の内径は２ｍｍ以下となる、請求項９に記載のロッド接続部（１）。
11. ボアは長手軸を有し、長手軸方向に延在するロッド受取り部材とロッド部との間の接触表面の長さは４ｍｍを超え、好ましくは６ｍｍを超える、請求項１から１０のいずれかに記載のロッド接続部（１）。
12. ２つ以上の骨固定要素（１４ａー１４ｆ）を接続するためのロッド形状骨安定化装置（
    １６）であって、
    前記骨固定要素（１４ａー１４ｆ）の１つに接続可能な第１の部分（２０）および第２の部分（２２）と、
    第１の部分（２０）および第２の部分（２２）の間に延在して装置（１６）に軸方向に弾性を与える可撓部分（２４）と、
    請求項１から１１の１つに記載のロッド接続部（１）とを含み、ロッド受取り部材（４）は第１の部分（２０）に固定されているかこれによって表され、さらに
    ロッド部（２ａ）はロッド受取り部材（４，２０）のボア（６ａ）にその一方端をプレス嵌めされて可撓部分（２４）を通って第２の部分（２２）に向かって延在し、そこでロッド部（２ａ）の他方の自由端は装置（１６）に曲げ弾性を与えるように摺動可能に支持される、ロッド状骨安定化装置（１６）。
13. 第２の部分（２２）はロッド部（２ａ）の自由端を摺動して案内するための摺動する支持部材（２８）を含む、請求項１２に記載のロッド状骨安定化装置（１６）。

Images