JP2012516161A - 少なくとも部分的な球体の輪郭をもつ物体を形削りする機器 - Google Patents

Abstract

球体の半径Ｒ_ｓｐｈ及び最大深度Ｄ_ｍａｘによって定義される少なくとも部分的な球体の輪郭をもつ複数の物体を形削りする機器は、主軸上で回転可能であるシャフトセットと、アタッチメント装置に製作された少なくとも１つの切削素子とを備える。各切削素子は、均一な半径ｒ_ＣＥをもつ円形刃先の少なくとも一部分を用いて形削りされ、副軸上で自転可能であり、主軸周りの円軌道上で回転する。各切削素子の軌道は、主軸周りの刃先の円中心の運動軌跡として定義され、半径ｒ_ｏｒｂと、軌道のチルト角度とによって特徴付けられる。

Description

本発明は、限定されることはないが、特に、少なくとも部分的な球体の輪郭を有する複数の物体を形削りする分野に適用できる。本発明は、整形外科用リーマ、及び、他の産業上の用途などに関する。

寛骨臼ソケットを再建するリーマは、全人工股関節置換術（ＴＨＡ）のような現在の処置において広く用いられている。過去これまでに発明された複数のリーマは、主に、「凹凸一致」設計の考え方から導き出され、少数の刃先が突起し、そして、壁の凸面にうまく分布している特定の半径をもつ完全に半球状の薄壁が半球状の「チーズおろし器」を形成するものとして説明することができる。各刃先は、切削ヘッドの外部半球表面から内部室に通じる狭い通路を形成する。特に、刃先は、切削されるべき球体表面全体を覆うために回転軸の方向に向かう渦巻線に沿って分布することがある。半球ドーム型カッタがソケットの極軸の周りに回転するとき、半球ドーム型カッタは、所望の半径及び形状に達するまで、骨表面を削り取り、ソケットを拡大する。
前述されたリーマが人工股関節置換術のための球状空洞を準備するため使用されるとき、いくつかの問題が起こった。第一に、リーマの性能に関連した重要な課題は、刃先の鋭さ及び形状が、引き起こされる直線切削速度とは無関係に、適格な表面及び精度を生じるため十分に優れていることである。第二に、患者間の股関節の臼蓋窩のサイズの変動のため、様々なサイズをもつ一連のリーマヘッドが特有の患者毎の臼蓋窩カップの寸法を厳密に一致させるために必要とされる。第三に、臼蓋窩のための準備処置は、正確な半球体への自然ソケットの拡大を必要とする。このような拡大プロセスは、期待されるサイズまで自然軟骨を擦り減らし、そして、空洞を丸めることを必要とし、典型的に、サイズが増加する解除可能な１組のリーマを用いて行われる。リーマ仕上げ中に臼蓋窩を所望のサイズまで拡大するため、より小型のリーマヘッドを最初に使用し、その後、患者の切開から外され、シャフトから取り外されなければならず、その後、より大型のリーマヘッドが取り付けられ、さらなるリーマ仕上げのため所定の位置に再挿入される。この処置は、空洞が人工器官の寸法に一致するまで数回繰り返され、外科手術時間を不必要に長くすることがある。
課題に関して、リーマの設計は、「凹凸一致」の原理から逸脱することなく、リーマの構成を微調整することにより、長期間に亘って僅かしか変更されていない。このような軽微な変更は、ある程度の改良をもたらしたが、より複雑な構造、より高い製造コスト、及び、使い勝手の悪さの増大のようなトレードオフとして新たな課題ももたらす。この従来型の設計に関する欠点及び難題は、長年の間に実務を通じて露呈されている。ユーザの主要な関心事は、主に凹半球体を準備する２つの観点、即ち、リーマ仕上げされた空洞の質、及び、リーマの性能に集中する。
リーマ仕上げされた空洞の質は、少なくとも３つの態様、即ち、空洞の丸み、半径の正確さ、及び、リーマ仕上げ表面の平滑さが調べられるべきである。いずれの観点も体内への移植の短期安定性及び長期安定性に影響を与えるのに重要である。形成された空洞の丸みは、リーマ仕上げされた空洞の表面とＴＨＡの圧入処置におけるカップ外形の表面との間の接触面積の７０〜８５％という最小限の要件を満たすため、作成された球体のすべての緯度で完全であるべきである。この要件は、新しい骨成長が大きいギャップ距離を埋めることができないという事実を考慮している。作成された空洞の丸みは、用いられるツールの構成及び質に大いに依存する。より具体的には、何らかの回転ツールの切削作用は、表面に沿った直線切削速度の分布と、切削素子の鋭さ及び形状とに依存する。しかし、直線切削速度は、刃先が球体上、球体の赤道円上、又は、回転軸付近で位置している場所に伴ってかなり変化する。従って、所定の回転速度で、ある一定の鋭さをもつ典型的な半球ドーム型カッタは、球体の緯度と緯度との間で異なるこのカッタの直線切削速度に広い変動を与える。原則的に、このような不均一な切削速度は、典型的に、おおよそ楕円形状をした空洞を生成する。刃先の鋭さがより低い直線切削速度で受ける硬骨に打ち勝つために十分に良好でない場合、リーマ仕上げされた空洞は、金属キャップの適切な圧入のため必要とされる丸みの最小限の要件をほとんど満たすことがなく、その結果、新たに成長した骨による最適なキャップ固定は、実現できない。明らかに、このようなより大きいギャップが存在すると、移植の初期安定性及び長期安定性の両方を低下させる。
半径の正確さは、同様に重要な関心事である。自然骨の質及び作用は、自然骨の硬度特性及び弾性特性に関して患者同士の間で変化する。人工器官とリーマ仕上げされた空洞との間の最小接触面積の要件を満たす他に、人工器官の取り付け中及び取り付け後に圧入法に関して理想的な結果をもたらし、空洞の中に着座した人工器官の安定性を確保する空洞をどのように準備するかについての問題は、外科医にとって重要な関心事である。安定性を改善するため用いられる１つの従来型のＴＨＡ法は、僅かに大きいカップをリーマ仕上げされたより小さい球状空洞に圧入することである。両者の一致は、リーマ仕上げされた空洞の正確な半径と、骨の弾性特性と、２つの物体間のサイズ差とに依存する。理想的には、健康な骨の弾性特性は、サイズ差約１〜２ｍｍを許容でき、そして、埋伏後にその場でカップを堅固に保持できるべきである。しかし、すべての不健康な患者からの骨の弾性作用は、典型的に、非常に硬直的であるか、又は、非常に降伏し易いため、取り付けの結果を制御できないので、取り付け中に２つの物体間のサイズ差の許容範囲は、推定することがより困難になり、その後の安定性を維持するため重要になる。従って、切削輪郭を精細に調節するか、又は、半径の増分間隔をより小さくする能力をもつリーマは、骨質の変動からの影響を補償するために非常に望ましい。
リーマ仕上げ表面の平滑さは、骨表面の均一性を指す。その場で新たに成長した骨は、外科手術後に人工カップの生物学的締結をもたらす可能性があり、それによって、その場で移植の耐久力を増加する。しかし新たな骨成長は、骨表面とカップアタッチメントとの間の表面を橋渡しするために、ある一定のギャップ差を横断することだけが可能である。広い開口部及び可変的な鋭さをもつボウル形状の刃先と、半球ドーム型カッタの刃先の散乱分布は、非常に粗いので、表面上に滑らかな切削を生成することが難しい。丸み及び半径は、巨視的な意味で許容できることがあるが、溝領域の中の２つの表面の間の距離は、依然として非常に大きいので、カップアタッチメントの中への新たな骨成長を促すことができない。多数の臨床的な場合から収集された破片から、骨粒子の比較的大きいサイズ及び不規則な形状が得られた。これらの不規則な粒子は、「チーズおろし器」によって骨表面を深く切削すること、又は、剥離することの結果であると考えられる。理想的には、骨表面は、得られた表面の最大の平滑さがもたらされるように、「ピンポイント」接触の形で非常に鋭い、精細な分布の刃先によって精細に擦り取られるべきである。
換言すると、このような外科手術に原因がある失敗又は副作用は、外科医の経験又は技能よりツールの機能への制限又はツールの欠陥に帰する可能性が最も高い。
リーマの性能は、リーマの切削速度、安定性、及び、自己集中化の能力の別の重要な観点である。実際には、半球ドーム型リーマは、球体の異なる緯度に沿った可変直線速度と、時折の深い切削によってもたらされたぎざぎざの抵抗と、機能を失った何らかの切れ味の悪い又は阻止された刃先によって発生される摩擦熱とに関する問題に起因して、高速切削速度で作動できない。安定性及び自己集中化の能力は、カッタのシフトと、切削間違いをもたらす可能性があるリーマ仕上げプロセス中のリーマの揺動又は振動を指す。鋭さ、接触角度の観点での切削素子の接触条件、全接触面積、及び、接触面積の分布は、リーマのこのような切削作用を制御する主要な要因である。切削素子のための適切な設計及び正しい材料選択は、切削抵抗及び摩擦を最小限に抑え、もたらされる問題の殆どを顕著に回避するであろう。
別の性能上の関心事は、リーマのサイズである。全半球切断要素のサイズが大きくなることは、従来型のリーマでは、半球ドーム型カッタのサイズがリーマ仕上げされるべき各空洞の１つずつに一致することが必要であるために避けられない。ターゲットのサイズとは無関係にリーマのサイズを小さくすることは、２つの主な理由：増大する低侵襲外科手術、即ち、ＴＨＡのＭＩＳの使用からの要件と、外科手術中の細胞組織周辺への損傷の低減に関する関心事とのため非常に望ましい。
使い勝手の良さは、リーマの性能上の別の重要性である。現在のところ、空洞拡大処置中に切削ヘッドを変更する必要性は、切削ヘッドの変更が非常に時間を浪費し、より多くの損傷を引き起こし、リーマ仕上げされたサイズの調節に役に立たないので、ＭＩＳのためには非常に不便であり、非実際的である。リーマ仕上げサイズを連続的に制御し、リーマ仕上げされる殆どの空洞サイズに適する能力をもつ単一ピースリーマは、いずれのＴＨＡに対しても最も望ましい。
リーマ部品の製造及び保守は、同様に一種の関心事である。現在のところ、半球ドーム型リーマの構造が全く単純であるとしても、この構造の製造及び保守は、非常に複雑であり、コスト高である。これは、用いられる材料の複雑さ及びコストと、この構造の製造中に適用される特殊な処理と、切削素子の鋭さを保存するため必要とされる保守とが原因である。
前述の重要な関心事の検討から、リーマ仕上げ結果の品質関心事とリーマ自体の性能との両方を取り扱うことができる改良されたリーマ仕上げシステムへの強い要望があることがより一層明瞭になる。

本発明において開示されるリーマは、少なくとも部分的な球体の輪郭をもつ凹面などの形削りを可能にする。このようなリーマの典型的な用途は、ＴＨＡの低侵襲処置又は通常の手術のいずれかの間に臼蓋窩カップを移植する空洞を準備することである。
一般に、リーマは、シャフトセットと、少なくとも１つの切削素子と、電動シャフトと結合し、切削素子の軌道の中に切削素子を位置決めする少なくとも１つのアタッチメント装置とを備える。切削素子は、均一な半径をもつ円形刃先の少なくとも一部分を用いて形削りされ、副軸上で自転可能であり、主軸周りの円軌道上で回転可能である。１つずつの特定の切削素子の軌道は、パラメータ、即ち、軌道の半径及び傾斜角度として定義される。
本発明の利点は、リーマが新しい切削原理の下で設計され、簡単な構造及びより小さい挿入輪郭をもつより小さいサイズを有し、比較的容易に操作され、より高い対費用効果で製造できることである。
本発明の別の利点は、切削抵抗及び摩擦を最小限に抑えるため、そして、前述されているように高品質の空洞を実施し、最大の期待を満たすことを可能にするため、刃先のより高い鋭さと合理的な編成及び分布とを有している切削素子を含むリーマである。
本発明のさらに別の利点は、（複数の）リーマの新しい原理によれば、外科手術中に種々の骨に関してより複雑な状況を取り扱うことができるリーマの様々な設計を開発することが可能である。
以下の詳細な説明は、発明のある種の特定の実施形態を対象とする。しかし、発明は、請求項によって定められ、保護されるような多数の様々な方法又は設計で実施することができる。本説明では、全体を通じて類似した部品が類似した符号を用いて表された図面が参照される。さらに、発明の実施形態は、いくつかの新規な特徴を含むことがあるが、これらの特徴のうちの単一の特徴が発明の望ましい属性を単独で担うことはなく、又は、本明細書中に記載された発明を実施するのに不可欠ではない。
発明の前述された他の特徴及び利点と、これらを達成する方法とがより明白になり、発明は、添付図面と併せて発明の実施形態の以下の説明を参照することによってより良く理解される。

発明が従う幾何学的原理の概略図であり、発明の詳細な説明で用いられる主要な対応パラメータ及び項目を示す図である。 切削されるべき寛骨臼ソケットの中に配置された典型的なリーマ組立体の基本構造の断面図である。 アタッチメント装置に対称的に製作された２つの同一の切削刃をもつ交換可能なリーマ組立体の断面図である。 対称的な配置でアタッチメント装置の２つのレベルにそれぞれ製作された４つの同一の切削刃をもつ他の交換可能なリーマ組立体の断面図である。 非対称形式でアタッチメント装置に製作された２つの同一の円形切削刃をもつ別の交換可能なリーマ組立体の断面図である。 「一体」設計と呼ばれる動作中にリーマの切削輪郭を調整する調節可能な機構部を用いて製作されたリーマ組立体の実施例の断面図であり、左部分が引込位置にあるリーマ組立体を示し、右部分が拡張位置にあるリーマ組立体を示す図である。 能動的な切削の２軸回転の切削機構部に属している交換可能な円形切削刃をもつリーマ組立体の別の実施例の断面図である。

次に図面、より具体的には図１ａを参照すると、リーマの幾何学的原理の概要図が示され、発明を記述するときに用いられた定義されたパラメータ及び定義は以下の通りである。
定義：
主軸１：リーマの回転軸であり、切削されようとする球体の極軸にも対応する。
副軸２：この軸は、刃先の円中心を通過し、切削素子の自転軸に対応する。
リーマ組立体又はアタッチメント装置の仮想中心３：各切削素子の主軸と副軸との交点であり、リーマ仕上げされようとする球体の中心にさらに一致する。
リーマ組立体の頂点４：リーマ組立体の最低点であり、リーマ仕上げされようとする球体の極点と等価である。
赤道円５：中心が仮想中心にあり、主軸の周り３６０°にあるリーマ組立体の水平円／平面である。
Ｒ_ｓｐｈ６：切削されようとする球体の半径である。
切削されようとする球体の最大深度Ｄ_ｍａｘ７：リーマ仕上げされようとする球体３０の上方緯度（又は点）と下方緯度（又は点）との間の垂直距離であり、用いられる切削素子によってセグメント化される（厳密な定義のための式（２）も参照のこと）。
傾斜（チルト）角度α８：特定の切削素子の副軸とリーマ組立体の主軸との間の角度である。
各切削素子の回転軌道の半径ｒ_ｏｒｂ９：刃先の円中心とアタッチメント装置又はリーマ組立体の仮想中心との間の距離である。
ｒ_ＣＥ１０：円形刃先の半径Ｒである。
切削素子の円軌道１１：主軸周りを移動した刃先の円中心の運動軌跡である。
図１ａ及び１ｂに記載されるように、一般に、リーマは、実質的に、３つのコンポーネント、即ち、シャフトセットと、少なくとも１つの切削素子４０と、少なくとも１つのアタッチメント装置８０とを備える。アタッチメント装置８０と（複数の）切削素子４０とは、「一体」設計と呼ばれ、動作中にリーマの切削輪郭を調整するために、交換可能なリーマ組立体、又は、調節可能な機構部をもつリーマ組立体のいずれかを一体として構成することがある。交換可能なリーマ組立体のグループは、半球空洞を拡大するため半径が増大する一連又は一組のリーマ組立体を構成する。
シャフトセットは、リーマ仕上げされようとする球体の極軸と同軸上に向けられている主軸１の周りで回転可能であり、単一シャフト２０、又は、それぞれに主シャフト２２及び副シャフト２３である二重シャフトで構成されることがある。二重シャフトは、一体的に同心円状に組み付けられる。主シャフト２２は、管状シャフトであり、主シャフトの高速端部によって変速機の低速端部に接続されることがある。副シャフト２３は、ロッド状シャフトでもよく、主シャフト２２の内側に同心円状に挿入され、副シャフトの高速端部によって変速機の高速端部に接続される。
リーマ組立体は、１つ以上のアタッチメント装置８０で構成されることがある。２つのアタッチメント装置は、異なる速度で、同じ回転軸、即ち、主軸１を中心に同心円状に回転することができ、同じ仮想中心３を保有することができるように、相互に重ねて組み付けられることがある。各アタッチメント装置８０は、対応するシャフトと結合する係合ポート又はバーと、対応する切削素子４０を切削素子の固有の軌道の中に位置決めする１つ以上のアームとを保有する。各アームは、仮想中心３から、特定の切削素子４０の副軸２に沿って、放射状に拡張されている。アームの構成は、特定の切削素子４０のための軌道１１の半径ｒ_ｏｒｂ９及び傾斜角度α８によって特徴付けられることがある。各特定のリーマ組立体の中で各切削素子４０を位置決めするパラメータは、「完全一体型」の設計をもつリーマ組立体の場合、切削されようとする球体の幾何学的輪郭に応じてアタッチメント装置８０の調節機構部によって、交換可能なリーマ組立体毎に予め決められるか、又は、調節できることがある。
各リーマ組立体は、１つの切削素子、又は、２つ以上の切削素子を備えることがある。切削素子４０は、円形刃先の少なくとも一部分によって構成されることがある。球状凹面を形削りする典型的な切削素子４０は、切削素子の円形刃で突起する複数の切削歯をもつ円形切削刃又は半円形切削刃のいずれでもよい。各切削素子４０は、副軸２と呼ばれ、切削素子の円中心を通る自転軸と、主軸１周りに回転する切削素子の円中心の移動軌跡として切削素子の固有の軌道１１とを有している。半径ｒ_ｏｒｂ９及び傾斜角度α８は、さらに、各特定の切削素子４０の軌道の特性をさらに定義する。切削素子４０は、１つずつの対応するアームの下端部に堅固に締結されてもよく、又は、各アーム上で自由に自転してもよい。さらに、切削素子４０は、副シャフト２３によって直接的に動力供給され、副軸２の上で能動的に自転してもよく、一方、主シャフト２２によって動力供給されたアタッチメント装置８０は、主軸１を中心に回転している。したがって、切削素子が別個の回転軸に沿って同時に移動し、回転することは、回転軸で又は回転軸の付近で切削の死点を除去する。一旦、切削素子４０がこの切削素子の軌道の中に位置決めされると、切削素子刃は、リーマ仕上げされようとする球体の２つの緯度の間で曲率を区分し、弦を形成する。同様に、切削されようとする球体の特定の曲率は、１つ又は２つ以上の切削素子４０によって多数の形式で区分されることがある。２つに区分される場合、２つの隣接するリーマ仕上げ領域又は部分的に重複したリーマ仕上げ領域は、切削されようとする球体の表面を覆うことになる。
当業者によって理解されるように、組み付けられた切削素子４０が切削されようとするソケットの中に位置決めされたとき、各円形刃上のすべての切削歯は、密接するか、又は、骨表面に接触する適切な領域の中にある。すべての切削歯は、選択された材料のより優れた等級と、切削されようとする表面に向かう合理的な切削角度と、歯の理想的な分布及び形成とのため、そして、切削歯の設計及び製造方法に関するより多くの選択肢のため、高い鋭さ及び堅さを有することがある。さらに、破片の存在を可能にする隣接する歯の間の溝の形成及びレイアウトパターンに選択の幅が存在する。以上のすべてが全体としてリーマの切削形式及び性能を最適化することになる。
従来型のリーマと同様に、機器は、様々なサイズをもつ一連の交換可能なリーマ組立体で構成されることがある。各リーマ組立体は、特定のＲ_ｓｐｈ６及びＤ_ｍａｘ７をもつ空洞をリーマ仕上げするため適している。切削されようとする球体の幾何学的輪郭と同様にリーマ組立体の切削輪郭を決定するリーマ組立体の３つのパラメータｒ_ｏｒｂ９、α８及びｒ_ＣＥ１０がそれぞれ存在する。これらのパラメータのうちの２つは、特定のＲ_ｓｐ６及びＤ_ｍａｘ７を決定する時点と独立に変化することがある。いずれか２つの要因又はこの組み合わせは、リーマ組立体の適切な切削輪郭を所望の形状に調整する調節可能な寸法として選択されることがある。パラメータとパラメータ同士の関係は、一般に、空洞の所定の形状に対し、式（１）及び（２）によって定義される。Ｒ_ｓｐｈ６は、以下の式の関数：
Ｒ_ｓｐｈ＝√（ｒ_ｏｒｂ）^２＋（ｒ_ＣＥ）^２＝平方根（（ｒ_ｏｒｂ）^２＋（ｒ_ＣＥ）^２） （１）
によって満たされ、Ｄ_ｍａｘ７は、以下の式の関数：
Ｄ_ｍａｘ＝２ｒ_ＣＥｓｉｎ（１８０−α） （２）
によって生成される。
図２に示されるように、第１の好適な実施形態は、ここで、リーマが単一のシャフト２０と、主軸１に関してアタッチメント装置８０上に対称的に製作された円形刃４５のような２つの同一の切削素子をもつ交換可能なリーマ組立体とを有していることについて記載する。
アタッチメント装置８０は、ねじ係合、ねじり及びロック、差し込み嵌合などの適当な方式でシャフト２０と結合する係合ポート８１を備えている。ポート８１は、主軸１と同軸方向に向けられ、アタッチメント装置８０の上方セクションに位置している回転軸を有している。
アタッチメント装置８０の仮想中心３（図示せず）から対称的に分離され、９０度の角度８８を挟み、第２の軸２に沿って放射状に延伸した２つの同一の分岐アーム８４が存在する。各アーム８４の構成は、主軸１からおよそ１３５度チルトした副軸２の傾斜角α８と、仮想中心と刃先の円中心との間の距離であり、前述の式（１）及び（２）を用いて計算されるアーム長ｒ_ｏｒｂとによって特徴付けられる。或いは、より簡単に言うと、ｒ_ｏｒｂ９は、ここでは、装着された特定の刃４５の半径ｒ_ＣＥ１０に一致すべきである。１つずつの対応する切削刃４５を位置決めするため成形されたスピンドル９５は、各アーム８４の遠方端部に位置している。
２つの円形切削刃４５は、複数の刃先によって構成されるか、又は、歯がペア化され、適切にスピンドル９５上に組み付けられる。当業者によって理解されるように、切削刃４５は、スピンドル９５に堅固に締め付けられることがあり、又は、（副軸２の上で）スピンドル９５上で自由に自転することがある。一旦組み付けられると、２つの刃のうちの下方点は、頂点４又は頂点４の付近で互いに直接に隣接して位置決めされることになる。２つの刃の上方点は、赤道円５上の点と交わることになる。換言すると、円形切削刃のスパン線は、頂点４から赤道円５まで半球体の曲率を区分けする弦線になる。アタッチメント装置８０が主軸１を中心に回転するとき、２つの切削刃４５の下方点は、切削されようとする球体の頂点４を削り取るため係合することになり、２つの切削刃４５の上方点は、赤道円５上の点をリーマ仕上げするため係合することになり、これらの上方点の間に突起させられた切削歯は、球体の他の残りの緯度の領域上の点を削り取るため係合することになる。これは、少なくとも半球表面を生成する。切削刃４５は、副軸２上に受動的にスパンされ、同時に主軸１の周りで回転するので、頂点４の付近の領域に作用する２つのタイプの切削刃が存在する。その上、本構成では、２つの切削刃４５は、同じ軌道軌跡上を移動し、１回転当たりに４回に亘って表面の各点を完全に精細に切削又は削り取る。従って、種々の歯形式が円形切削刃に突起するとしても、依然として滑らかな表面を提供することが可能になる。
リーマ組立体の静的な輪郭は、従来技術において検討されているように、ドーム型カッタの半球体断面の代わりにＶ字型断面を示す。この構成のリーマ組立体の動的な輪郭を見るとき、リーマ組立体が主軸１を中心に回転する間に、輪郭は完全な半球体であるように見える。明らかに、この設計は、リーマのサイズを実質的に縮小させ、リアルタイムでリーマ仕上げされた表面の質及び程度を観察する付加的な能力を提供するだけでなく、ツール動作中に破片の排除の余地をさらに実現しやすくする。
完全円形切削刃に加えて、半円形（又は円形の半分以上の）刃先をもつ切削素子４０は、このリーマ組立体の設計に適応させることも可能である。殆どの特徴形状は前述されたままであるが、アタッチメント装置８０上の対称的に拡張されたアーム８４の個数は、隣接するアーム間のおよそ１８０度、１２０度、及び、９０度の角度分離にそれぞれに対応する２、３、又は、４から選択することができる。切削刃は、各切削刃４５の刃先上の上方点が赤道面５上の点と融合し、切削刃４５の下方点がリーマ組立体の頂点４又は頂点４の付近で交わる場所で、対応するスピンドルに対称的に実質的に実装される。
図３に示されるように、別の好適な実施形態は、異なるリーマ仕上げ領域を対象とするため主軸１に関して２つのレベルのアタッチメント装置８６及び８７のそれぞれに対称的に製作された４個の同一の切削素子をもつ交換可能なリーマ組立体について記述する。
前述の説明における理解のように、球体３０の曲率は、異なる方式で２つ以上の隣接する切削素子によって弦を張ることができる。例えば、より小さい半径をもつ２つの隣接する切削素子は、第１の好適な実施形態で記述された同じ曲率の球体３０を区分けすることができる。より具体的には、各切削素子の半径は、１つの切削素子の場合の１．４１４Ｒ_ｓｐｈから２つの隣接する切削素子の場合の０．６５３Ｒ_ｓｐｈまで縮小させることができる。これは、軸方向から見た輪郭面積、続いて、リーマ組立体のサイズ全体を著しく縮小する。
さらに、切削されようとする球体の下方緯度領域（頂点付近）に位置している軌道をもつ切削素子セットが主軸１の周りに高速回転速度で動き、一方、球体の上方緯度領域を対象とする他の切削素子セットが比較的低速回転速度で動く場合、リーマは、領域全体を通じて単一の切削速度を用いる場合より均一化された切削速度を提供し、リーマ仕上げされた空洞の粗さの正確さと、より高い切削速度とを確保することになる。
より具体的には、上方アタッチメント装置８６及び下方アタッチメント装置８７は、切削されようとする球体３０の異なる緯度領域をリーマ仕上げすることに対応し、同じ回転軸、即ち、主軸１と、仮想中心とを有するが、同じ駆動シャフト又は別個の駆動シャフト２２及び２３によって動力供給されることがある。下方アタッチメント装置８７は、上方アタッチメント装置８６の中心開口部を通って上向きに延伸し、副シャフト２３とペアにできるようになっている係合ポート８７１によって構成され、仮想中心３（図示せず）から下向きに延伸された２つの同一のアーム８７３を有している。スピンドル９７１は、各アーム８７３の下方遠端部に配置され、副軸２_ｂと同軸方向に向けられる。２つのスピンドル９７１の副軸２_ｂは、主軸１からのおよそ１５７．５度のチルトに等しいおよそ４５度の角度８８２で互いに離れている。
上方アタッチメント装置８６は、下方アタッチメント８７の上に同心円状に配置され、副シャフト２３の外側を囲み、副シャフトの外側と同心円状に回転する主シャフト２２と接続するための管状ポート８６１を有し、下向きに延伸された２つの同一のアーム８６３を有している。上方レベルにおいて各アーム８６３の遠方端部にあるスピンドル９６１は、主軸１からおよそ１１２．５度の角度でチルトした副軸２_ａに沿って延伸する。２つの同心円状に配置されたシャフトは、モータによって駆動されるが、別個の変速機ポートを介して、異なる回転速度で回転する。中心に位置しているシャフト、即ち、副シャフト２３は、下方切削刃の切削速度を増大させ、頂点４の付近の副シャフトの小さい回転半径の不足を補償し、一定回転速度で回転する主シャフト２２によって駆動される速度と厳密に一致する比較的高速度で動く。
下方アタッチメント装置８７上の２つの円形切削刃４７１の下方点は、頂点４に緊密に融合させられる。上方アタッチメント装置８６上の２つの円形切削刃４６１の下方点は、下方アタッチメント装置８７上の２つの円形切削刃４７１の上方点に直ぐに隣接している。上方アタッチメント装置８６上の２つの円形切削刃４６１の上方点は、赤道円５上の点と交差させられる。このリーマセットアップにおける素子の残りの特徴形状は、第１の実施形態において説明された特徴形状と同じである。各レベルにおける切削刃のｒ_ｏｒｂ及びｒ_ＣＥは、両方の式（１）、（２）に記載された関係に依然として従い、そして、切削されようとする球体の寸法に応じて式（１）、（２）によって決定されてもよいことに留意することが重要である。
第１の実施形態における設計と比較すると、切削刃の２レベルセットの利点は、リーマの全体的なサイズをさらに縮小することを含み、リーマ仕上げされた球体の緯度を用いて回転半径の変動による直線切削速度の差を補償するリーマのより均一化された切削速度（率）を提供する。さらに、異なる速度率で走る２つのセットの切削刃は、リーマ仕上げされようとする凹面においてリーマを実質的また効率的に中心に集め、安定させることが可能になる。その上、各レベルにおけるより小さい切削素子によって感知される減少したトルクのため、より少ない動力がこのリーマに動力供給するため必要とされることになる。
図４に示されるように、第３の好適な実施形態は、交換可能なリーマ組立体が、主軸１に関してアタッチメント装置８０に対称的に位置している２つの同じサイズ及び形状にされた切削素子、即ち、円形切削刃４４及び４５を有することについて記載する。本状況において、組み付けられた各切削素子は、この切削素子自体の固有の軌道で、主軸１の周りに回転する。各軌道に対応するリーマ仕上げ領域は、互いに直ぐに隣接すること、又は、互いに部分的に重複することがある。
より具体的には、アタッチメント装置８０は、第１の好適な実施形態において説明されたのと同じように構成された係合ポート８１を装備している。各特定の円形切削刃４４又は４５を位置決めする２つのアーム８４及び８５は、それぞれに副軸２ａ及び２ｂに沿ってリーマ組立体の仮想中心から分離し、距離ｒ_ｏｒｂ９によって放射状に延伸されている。各特定のアームの副軸２ａ又は２ｂは、第１の好適な実施形態において記載された副軸のようにおよそ９０度の角度８８だけ遠くに依然として分岐している。しかし、第１のアーム８４は、主軸１からα^１度の角度８４１でチルトし、第２のアーム８５は、主軸１からα^２度の角度８５１で主軸１からチルトしている。さらに、α^１＝α^０−Δα及びα^２＝α^０＋Δαである。同一の半径ｒ_ＣＥをもつ２つの円形切削刃４４及び４５は、第１の好適な実施形態に記載されているように両方が一つに融合されるのではなく、互いに離れていることがある。α^０は、ここでは、第１の好適な実施形態に記載されているように同じ定義及びαの値８（およそ約１３５度）を有している。しかし、Δαは、第１の切削刃が下方軌道に位置することを許可し、第２の切削刃が上方軌道に位置することを許可する特定のアームの揺れ角度又はバイアス角度として定義され、切削されようとする球体のサイズに依存する。原理的に、およそα^２８５１及びｒ_ｏｒｂ ^２をもつ下方円形切削刃４５の下方点は、常にリーマ組立体の頂点４に位置し、およそα^１８４１及びｒ_ｏｒｂ ^１をもつ上方円形切削刃４４の上方点は、赤道円５上の点と、それぞれ交差する。下方軌道及び上方軌道は、それぞれ、場合によっては互いにある程度まで重複することがあるリーマ仕上げされた下方部分及び上方リーマ仕上げ領域に対応する。
ここで検討されている設計の原理によれば、パラメータｒ_ｏｒｂ９及びα８は、切削されようとする球体の寸法に従う独立した要因として可変である。ｒ_ＣＥ１０は、ここでは、不変要因であり、連続してどのようなサイズのリーマ組立体にも適合することになる。換言すると、Ｒ_ｓｐｈ６は、場合によって変化するので、ｒ_ｏｒｂ９及びΔαは、式（１）及び（２）に従って続いて変化させられる。
図５に示されるように、第４の好適な実施形態は、「完全一体型」設計をもつリーマ組立体の設計について記載する。リーマ組立体は、主軸１の周りに対称的に組み付けられた円形切削刃（延伸位置に示された４４及び引込位置に示された４５）のような２つの同一のサイズ及び形状にされた切削素子と、いずれかの特有のサイズの空洞をリーマ仕上げするために独立した（複数の）要因又は（複数の）パラメータを微調整することによりリーマ組立体の切削輪郭を調節する能力を外科医に与える作動機構部を特別に装備したアタッチメント装置とを保有する。
アタッチメント装置は、ベースコンポーネント８６１と、摺動可能下方スリーブ８６２及び上方スリーブ８６３と、１対の揺動可能なアーム８６５と、１対の連結レッグ８６６とを備える。
ベースコンポーネント８６１は、前述されているように、このベースコンポーネントの上方端部に回転シャフト２０と結合する係合ポート８１をもつ細長い円筒状の形状と、中間部と、遠方部とをそれぞれ有している。遠方部は、軌跡半径ｒ_{ｔｒａｃｋ}と、リーマ組立体の頂点４に中心をもつ約１０乃至６０度の円弧とを有しているトンネルのような円弧形状の谷を構築する。円弧形状の谷は、頂点４の周りで１対の揺動可能なアーム８６５の運動を抑制する軌道を形成する。
揺動可能なアーム８６５の主要部は、ベースコンポーネント上の円弧形状の谷に正確に嵌め合わせることができる特徴形状をもつ円弧形状のリブ又はロッドによって構成される。２つの揺動可能なアーム８６５は、頂点４の周りで主軸１に近づくか、又は、主軸１から遠ざかる谷の軌跡の中で揺動することがある。揺動角度φ７４（延伸位置に示されている）又は７５（引込位置に示されている）は、切削素子（円形切削刃）の平面と主軸１の延伸線との間の角度として定義され、式（３）に従う。
ｓｉｎ（１８０−φ）＝ｒ_ＣＥ／Ｒ_ｓｐｈ （３）
式（１）及び（２）は、リーマ組立体のパラメータと、リーマ仕上げされた球体の寸法とを決定するため依然として有効である。φとαとの間の関係は、φ＝α−９０を定義する。
特定の円形切削刃と結合する各リブの外側端から延伸するスピンドル９５が存在する。スピンドル９５の軸は、副軸と同軸方向に向けられる。下方スリーブ８６２と揺動可能なアーム８６５とを一体的に回動接続するため、連結レッグ８６６のための各アーム８６５のリブとスピンドル９５との構造体の間に回動ピン９２が存在する。２つの揺動可能なアーム８６５は、互いに鏡面対称構造体を有し、円弧形状の谷の中に対向して対称的に組み付けられ、この円弧形状の谷は、揺動中心としてのリーマ組立体の頂点４に関して円弧形状の谷を追跡して拡張又は引き込む揺動可能なアーム８６５を係合する。
摺動可能なスリーブ８６２及び８６３は、一緒に主軸１の縦方向に沿ってベースコンポーネント８６１の中間部分を自由に摺動し、上方スリーブ８６３が駆動シャフト及び下方スリーブ８６２の両方の自転から解放されることを可能にする軸受構造体と接合する。下方スリーブ８６２は、連結レッグ８６６のための場所を構成するスリーブの側に１８０度離れて位置している２つの別個の回動場所を有している。上方スリープ８６３は、（図５の右側として示された）アームを延伸させるか、又は、（図５の左側として示された）アームを引き込む調節ハンドルなどと結合するための機構部を装備し、回転シャフトの回転又はアタッチメント装置と干渉なしに、リーマ組立体の切削輪郭の調節を可能にする。
各連結レッグ８６６は、下方スリープ８６２と特定のアームとを一緒に回動接続する。２つの円形切削刃は、アーム８６５の特定のスピンドル９５に組み付けられ、Ｖ字型の静的輪郭を形成する。２つの円形切削刃の刃先上の下方点は、パラメータφ７４又は７５の調節とは無関係に、常に互いに直ちに隣接し、頂点４に位置している。用いられる切削刃の半径は、以下の式（４）による関係に従うか、又は、式（４）からの計算値を上回るべきである。
ｒ_ＣＥ＝０．７０７×Ｒ_{ｌａｒｇｅ} （４）
式中、Ｒ_{ｌａｒｇｅ}は、切削されようとする最大半球体の半径である。
作動機構部は、一般に、ある程度の数の並進機構部を利用して、並進運動を提供し、調節ハンドルは、上方スリーブ８６３及び下方スリーブ８６２に直線運動を実施し、下方スリーブ８６２は、直線運動を１対の連結レッグ８６６を介する１対のアーム８６５の揺動運動に変換し、揺動角度φを変化させる。よく知られているように、φの変動と共に、リーマ組立体の仮想中心もまた、φ７４に対応する３_ａとしてシフトされ、同様にφ７５に対応する３_ｂとしてシフトされる。
図６を参照すると、第５の好適な実施形態は、リーマ組立体が、特に、１次切削として定義された、副軸２３によって直接的に動力供給され、副軸２を中心として能動的に自転する少なくとも１つの交換可能な円形切削刃４５を有し、と同時に、２次切削として定義された、主軸２２によって動力供給されるアタッチメント装置５０が主軸１を中心としてこの円形軌道で回転するように切削刃４５を動かすことについて記載する。
リーマ組立体は、湾曲した管状アタッチメント装置５０と、斜めのシャフト５１と、交換可能な円形切削刃４５とにより構成される。
アタッチメント装置５０は、この上端部に主シャフト２２と結合するための外側特徴形状５４と、斜めのシャフト５１、ソフトシャフト、または、同じ機能をもつ同じようなものが中に挿入されることを可能にする湾曲したシャフトトンネルとを保有する。シャフトトンネルは、２つの端部開口部、即ち、上方出口１１１及び下方出口１１２をそれぞれに保有している。他の実施形態において前述されているように球体３０の中心に対応するトンネルの中間に定義されたアタッチメント装置５０の仮想中心３が存在する。トンネルの上方出口１１１及び下方出口１１２は、主軸１及び副軸２とそれぞれに一致したこの出口自体の軸を有している。湾曲したトンネルの角度は、ここでは、端部の２つの軸の間などでおよそ１３５度である。
斜めのシャフト５１などは、これらのシャフトの端部軸の２つの間でおよそ１３５度の角度で湾曲し、それぞれ、上方アダプタ１２１及び下方アダプタ１２２と呼ばれるアダプタをシャフトの各端部に保有している。各アダプタは、それぞれにトンネルの対応する出口１１１及び１１２上の構成と一致し、ペア化する外側構造を有し、この外側構造は、アタッチメント装置５０の内部に組み付けられたとき、斜めのシャフトがトンネルの中で自由に自転することを可能にさせる。上方アダプタ１２１は、副シャフト２３とペア化することができる構造体を保有している。下方アダプタ１２２は、切削刃４５の特色のあるカップラ４７と結合することを可能にするための特徴形状を有している。
切削刃４５は、所定の半径ｒ_ＣＥと、Δｒ_ｏｒｂ＝ｒ_ｏｒｂ−ｒ_ａｔｔによって定義される主軸の縦方向に変化する長さΔ_ｏｒｂ４８をもつカップラ４７とを有している。カップラ４７は、斜めのシャフト５１の下方アダプタ１２２上の特徴形状と貼り付くためにカップラの中心に構造体を有している。カップラ４７の遠方端部は、円形切削刃４５とペア化される。従って、円形切削刃４５は、この円形切削刃の副軸を中心として能動的に自転することができ、同時に、主軸１の周りでこの円形切削刃の軌道を中心として回転する。ここで、軌道は、ｒ_ｏｒｂ及びｒ_ＣＥによって定義される。ｒ_ａｔｔ４９は、仮想中心３からカップラ４７と斜めのシャフト５１の下方アダプタ１２２上の接触面までの実効距離に等しい。
この特有の設計では、各リーマ組立体の特徴形状パラメータｒ_ｏｒｂ及びｒ_ＣＥは、可変要因である。リーマ仕上げされようとする球体の様々なサイズを満たすために、所定の半径ｒ_ＣＥ及びカップラ４７の対応する長さΔｒ_ｏｒｂ４８をもつ一連の交換可能な切削刃４５が存在する。動作中に、副軸２３により動力供給される切削ブレードは、副軸２を中心として高い回転速度で能動的に自転し、表面上で触れたあらゆる点を均一に切削し、と同時に、主シャフト２２によって動力供給されたアタッチメント装置５０は、一定の回転速度で主軸の周りに軌道上で回転するように切削刃を駆動する。切削されようとする球表面のいずれの位置にも死点が全く存在しないので、切削刃の二重の能動的運動（２軸回転）は、どのような物体上でも完全な凹半球体を生成することができる。これは、１次元における回転が零回転速度に関してこの回転の回転中心に死点を常に有するという欠点を解決する。
本発明は、少数の好適な設計を有するものとして記載されているが、本発明は、本開示の要旨と範囲から外れることなくさらに変更されることができる。従って、本願は、本発明の一般的な原理を使用して本発明のあらゆる変形、用途、又は、適応を対象とすることが意図されている。さらに、本願は、本発明に関係があり、そして、請求項の範囲内に含まれる技術において公知又は慣例的に実施されるような本開示からの逸脱を対象とすることが意図されている。

Claims (15)

1. 球体の半径Ｒ_ｓｐｈ及び最大深さＤ_ｍａｘによって実質的に定義される前記球体の少なくとも一部分の輪郭をもつ複数の凹面を形削りする機器であって、主軸を中心に回転可能である少なくとも１つのシャフトを含む複数のシャフトセットと、均一半径ｒ_ＣＥを有する円形刃先の少なくとも一部分によって構成され、副軸の上で自転できるようにされ、その上、（切削素子が）^１前記主軸の周りで円形軌道上を（公転する）^２（移動する^３少なくとも１つの切削素子と、
   少なくとも１つのアタッチメント装置と、を備える機器。
2. １つずつの前記アタッチメント装置は、前記シャフトと結合する複数の係合ポートと、少なくとも１つの機能的アームとを備え、 １つずつの前記アームは、実質的に前記副軸に沿って前記アタッチメント装置の仮想中心から放射状に延伸させられ、前記切削素子を対応する前記軌道の中に実質的に位置決めし、 前記軌道は、前記主軸の周りの１つずつの対応する刃先の円中心の運動軌跡として定義され、前記軌道の半径ｒ_ｏｒｂ及び傾斜角度αによって特徴付けられている、請求項１に記載の機器。
3. 前記球体の前記半径Ｒ_ｓｐｈは、式の関数：
   Ｒ_ｓｐｈ＝√（ｒ_ｏｒｂ）^２＋（ｒ_ＣＥ）^２＝平方根（（ｒ_ｏｒｂ）^２＋（ｒ_ＣＥ）^２） （１）
   によって満たされ、前記球体の前記最大深さＤ_ｍａｘは、球体の上方緯度と下方緯度との間の広さとして定義され、式の関数：
   Ｄ_ｍａｘ＝２ｒ_ＣＥｓｉｎ（１８０−α） （２）
   によって生成される、請求項１に記載の機器。
4. （前記軌道の前記半径）^４ｒ_ｏｒｂは、前記刃先の前記円中心と前記アタッチメント装置の前記仮想中心との間の距離として定義され、 前記アタッチメント装置の前記仮想中心は、前記主軸と前記副軸との交点として定義され、 前記傾斜角度αは、前記対応する切削素子の前記副軸と前記主軸との間の角度として定義され、 前記主軸及び前記副軸は、切削されようとする前記球体の極軸及び前記切削素子の自転軸のそれぞれと同軸上にある、請求項２に記載の機器。
5. １つずつの前記切削素子は、前記副軸の上で受動的に自転可能であり、同時に前記主軸の周りで公転する、請求項１に記載の機器。
6. 前記球体の前記一部分は、リーマ仕上げされようとする前記球体の上方緯度と下方緯度との間のいずれの部分でもよく、半球体を含むことがある、請求項１に記載の機器。
7. 前記シャフトセットは、前記主軸に沿って同心円状に組み付けられた複数の主シャフト及び複数の副シャフトをさらに備える、請求項１に記載の機器。
8. 前記切削素子は、（前記）^５（１つの）^６副シャフトによって直接的に駆動され、前記副軸の上で能動的に自転し、その上、主シャフトによって動力供給される前記（対応する）^７アタッチメント装置は、前記主軸を中心に公転する、請求項１に記載の機器。
9. 球体の半径Ｒ_ｓｐｈ及び最大深さＤ_ｍａｘによって定義される複数の物体などを形削りする機器であって、 均一半径ｒ_ＣＥを有する円形刃先の少なくとも一部分によって構成され、副軸の上で自転できるように構成され、その上、（切削素子）^８は、主軸の周りで円形軌道上を（公転する）^９（移動する）^１０少なくとも１つの切削素子を備え、１つずつの前記切削素子の前記軌道は、前記主軸の周りの前記刃先の円中心の運動軌跡として定義され、前記軌道の半径ｒ_ｏｒｂ及びチルト角度αによって特徴付けられている、機器。
10. 特定の切削素子のための前記軌道の（前記）^１１半径ｒ_ｏｒｂは、前記切削素子の前記刃先の円中心と仮想中心との間の距離として定義され、前記チルト角度αは、前記特定の切削素子の前記副軸と前記主軸との間の角度として定義され、
    前記最大深さＤ_ｍａｘは、形削りされようとする前記球体の上方緯度と下方緯度との間の広さとして定義される、
    請求項９に記載の機器。
11. 前記仮想中心は、前記主軸と前記特定の切削素子の前記副軸との交点として定義され、前記主軸及び前記副軸は、それぞれ、形削りされようとする前記球体の極軸及び前記特定の切削素子の自転軸と同軸上にある、請求項１０に記載の機器。
12. 前記特定の球体の前記半径Ｒ_ｓｐｈは、式の関数：
    Ｒ_ｓｐｈ＝√（ｒ_ｏｒｂ）^２＋（ｒ_ＣＥ）^２＝平方根（（ｒ_ｏｒｂ）^２＋（ｒ_ＣＥ）^２） （１）
    によって満たされ、前記球体の前記最大深さＤ_ｍａｘは、球体の上方緯度と下方緯度との間の広さとして定義され、以下の式の関数：
    Ｄ_ｍａｘ＝２ｒ_ＣＥｓｉｎ（１８０−α） （２）
    により生成される、
    請求項９に記載の機器。
13. 前記切削素子は、
    可動部品として定義された前記切削素子が固定部品として定義された前記物体の表面に関して相対的に公転することと、可動部品としての前記物体の表面が固定部品として定義された対応前記切削素子に相対的に公転することと、前記切削素子及び可動部品として定義された前記物体の表面の両方が前記主軸に沿って互いの方へ逆向きに回転することと、よりなるグループから選択される方法で移動するものとしてさらに定義される、請求項９に記載の機器。
14. １つずつの前記切削素子は、中間フレームに実質的に位置決めされるようにさらに構築され、前記フレームは、複数の回転可能な機構部のアクセス可能なアダプタと保持固定機構とよりなるグループから選択される相手部品を実質的に係合することができる係合機構部をさらに有している、請求項９に記載の機器。
15. １つずつの前記切削素子は、前記切削素子が前記副軸の上で受動的に自転し、副シャフトによって直接的に駆動されることと、前記切削素子が前記副軸の上で能動的に自転し、同時に、前記主軸の周りで公転することと、よりなるグループから選択される方式でさらに定義される、請求項１に記載の機器。

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