JP2016528968A - トルク制限ドライバ - Google Patents
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Abstract
Description
骨に対してプレートを固定するためにねじを骨にねじ込む工程は、いくつかのステップを含む。図2に示すように、初期段階では、ねじは、プレートの開口部を介し、かつ、骨に隣接して所望の挿入位置に位置している。また、ねじは、骨に対するねじの回転を開始する上述のドライバ10に結合されてもよい。ねじが回転すると、ねじは骨に切り込み始めて、ねじの本体が挿入される空間を提供する。セルフタッピングするねじについて、ねじは、材料を外側へ押し始め、これにより、骨への経路を作成することができる。この工程を容易にするために、ユーザは、ドライバ10を介するなどして、いくらかの軸方向の力をねじに加えることができる。図示の通り、初期段階の間、トルク勾配は、急な上向きの(例えば正の)傾斜を示し、ねじの回転速度は、(例えば無負荷時の速度と比較して)低減される。
ねじを所与の骨に挿入するために必要とされるトルクは、大幅に変化することがある。ねじを骨に挿入するために必要なトルクの量に影響を与える要因の1つは骨密度であり、骨密度は、年齢、性別、疾患、およびその他の要因に基づいて変化することがある。一般的に、骨密度が高いほど、ねじを挿入するために必要な力は大きくなる。ねじを骨に挿入するために必要なトルクの量に影響を与える他の要素は、ねじの仕様であり、例えば、直径、長さ、ねじ山の種類(例えば、インチ当たりのねじ山の形状および/または数)、材料、骨との摩擦係数、および他の特徴が挙げられる。一般的に、ねじが長い(例えば、少なくとも約3mm、4mm、5mmまたはそれ以外の軸長)ほど、ねじを完全に設置された位置へ挿入するために、より多くのトルクが必要となる。
特定のドライバは、特定の種類のねじのための固定トルク値を含む。例えば、3mmのねじのために、ドライバ10は、ねじの種類に固有で、かつ、ねじが挿入される骨の特定の種類に固有の値に設定されたトルク限界を含むことができる。(例えば、3mm、4mm、および5mmの)3種類のねじを受けて駆動するように構成されたドライバ10について、ドライバ10は、3つのトルク制限値を含む。各基板を用いてねじの種類毎に実験することで、値を決定することができる。
ドライバ10の様々な実施形態は、トルク限界および/またはねじの回転を停止する時期を動的に決定するアルゴリズムを使用する。これにより、ドライバが挿入変数(例えば、骨密度およびねじの仕様)を考慮することで、ねじを正確に据え付けることを可能にする一方で、ねじが破損することを抑制または防止もする。いくつかの実施形態では、挿入変数をドライバに入力する必要はない。むしろ、ドライバ10の特定の実施形態は、ねじが適切に設置される時期を決定することができ、および/または、ドライバ10がねじを回転していた時間、および、既にねじに加えられたトルクの量などのその他のパラメータに関連して、ねじを回転させるために必要なトルクに基づいて、ねじの破損を回避することができる。
いくつかの実施形態では、アルゴリズムは、トルクが挿入動作の特定の部分の間に変化した程度を比較する。この比較を容易にするために、コントローラ20は、ねじの挿入過程におけるトルク(例えば時間に応じてのトルク)の個別の変化を算出することができる。例えば、図4に示すように、コントローラ20は、ねじの挿入の一部または全てにわたってΔq値およびΔt値を決定することができ、ここで、Δqは、トルクの変化であり、Δtは、時間、深さ、またはねじの回転数の変化である。特定の実施形態は、ねじの挿入段階の間のΔq値とΔt値との関係を使用する。例えば、いくつかの実施形態は、以下の比較が満たされる場合、(例えば、モータを停止するなどの)トルク制限機能を行う。
いくつかの実施形態では、方法およびアルゴリズムは、複数の値が条件を満たす場合に、トルク制限機能性を起動する(または行う)。例えば、以下に詳細に説明する通り、ドライバ10は、複数の(例えば3つの)連続減分値についてトルクを監視することができ、このような満たされた条件に応答して、(例えば、モータ12への電力を低減または停止することで)ねじの回転を低減および/または停止することができる。
tは、マイクロ秒単位の時間増分であり、
Iは、電流サンプリングであり、
Γは、電流サンプルに比例するトルクであり、
iは、システムサンプルの時間増分であり、
nは、配列の長さであり、
Qは、dΓ/dtであり、そして、
Sは、カウント変数である。
図7および図8は、さらなるトルク制限方法およびアルゴリズムを示している。図示の通り、特定の実施形態は、トルク曲線の頂点の前後の「公差域」を含む。公差域におけるねじの回転の停止は、ねじが骨に固定されている(例えば、ねじが外れていない)という確信をもたらす。
ドライバ10のいくつかの実施形態は、ユーザが、コントローラ20によって決定されるトルク限界をオーバーライドすることを可能にする。これは、ユーザがねじの停止をオーバーライドすることを可能にすることで、(例えば、ねじがプレートに据え付けられる前に偶然停止する場合に)有益である。いくつかの実施形態では、ドライバ10は、スイッチ、ボタンなどのオーバーライド入力を含む。オーバーライド入力は、コントローラによる、ドライバによるねじの回転の停止をオーバーライドする、オーバーライド信号をコントローラ20へ送信するように構成される。
ドライバ10の様々な実施形態は、様々な動作特性を有する。例えば、いくつかの実施形態は、(無負荷で)少なくとも約3,000rpm、約4,000rpm、約5,000rpm、約6,000rpm、約10,000rpm、上述の値の間、またはその他の値の最大回転速度を提供する。上述の通り、いくつかの実施形態は、減速点に到達した後にねじの回転を遅らせる。このような特定の実施形態は、(無負荷で)約500rpm、約600rpm、約700rpm、約800rpm、約900rpm、約1,000rpm、約1,100rpm、約1,200rpm、上述の値の間、またはその他の値以下の減速された速度を有する。ドライバ10の特定の実施形態は、少なくとも約25in−oz、約30in−oz、約35in−oz、約40in−oz、約45in−oz、上述の値の間、またはその他の値のねじにトルクを与えることができる。ドライバ10のいくつかの実施形態は、少なくとも約25N−cm、約30N−cm、約35N−cm、約40N−cm、約45N−cm、上述の値の間、またはその他の値のねじにトルクを与えることができる。
様々なトルク制限ドライバシステムおよび方法を、特定の実施形態、実施例および変形例の態様を背景として説明してきた。それにもかかわらず、本開示は、具体的に開示された実施形態、実施例、および変形例を越えて、その他の代替的な実施形態および/または本発明の用途、ならびに明白な修正およびその均等物にまで及ぶ。また、ドライバの多数の変形例を詳細に示し、説明してきたが、当業者にとって、本開示の範囲内であるその他の変更は、本開示に基づいて容易に明らかとなるであろう。
Claims (23)
- 外科用トルク制限ドライバであって、
ハウジングと、
ハウジング内に位置し、かつ電源からの電力を受けるように構成されたモータと、
ドライバの遠位端に位置する駆動ヘッドであって、ねじを係合するビットを受け、かつ、モータによって回転されることでドライバがねじを骨にねじ込むことを可能にするように構成された駆動ヘッドと、
モータの動作中にモータによって引き込まれた電流をサンプリングする電流センサと、
コントローラとを備え、コントローラは、ねじを骨にねじ込んでいる間に、モータによって引き込まれた電流を示す電流センサからの信号を受信し、
複数の駆動トルク値を決定するための信号を使用し、複数の駆動トルク値の各々は、ドライバが各時間tの間にねじに加えるトルクの量を示し、
少なくとも3つの直近の複数の駆動トルク値をメモリに記憶し、
不感帯の後に生じる駆動トルク値の各々を閾トルク値と比較し、
不感帯の後に生じる少なくとも1つの駆動トルク値が閾トルク値以上となるまでの間にトルク制限機能を行うことを防止し、
不感帯の後に生じる閾トルク値以上の少なくとも1つの駆動トルク値に応答して、トルク制限機能を行うことを許容し、
不感帯の後に生じる閾トルク値以上の少なくとも1つの駆動トルク値に応答して、ドライバがねじを駆動する回転速度を低減し、そして、
トルク制限機能を行うことが許容されたか、および、不感帯の後に生じる少なくとも3つの駆動トルク値が連続して減少したかの決定に応答して、トルク制限機能を行い、
トルク制限機能は、ドライバによるねじの駆動を停止する、外科用トルク制限ドライバ。 - コントローラに信号を送信するオーバーライド入力をさらに備え、オーバーライド入力は、ユーザがトルク制限機能をオーバーライドすることを可能にする、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- オーバーライド入力の起動は、ねじを一定量回転させる、請求項2に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 一定量は、約1/4回転である、請求項3に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- オーバーライド入力の起動は、トルク制限機能を一定の期間解除する、請求項2に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 期間は、1分未満である、請求項5に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- オーバーライド入力は、ボタンを備える、請求項2に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 不感帯は、時間量である、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 不感帯は、少なくとも50msである、請求項8に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 不感帯は、ねじの回転量である、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 不感帯は、少なくとも5回転である、請求項9に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 時間tは、約10msである、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 回転速度は、900rpm以下に低減される、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 回転速度は、約1/4に低減される、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 閾トルク値は、少なくとも15N−cmである、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- 電源をさらに備え、電源は、ハウジング内のバッテリを含む、請求項1に記載の外科用トルク制限ドライバ。
- トルク制限ドライバであって、
ハウジングと、
ハウジング内に位置し、かつ電源からの電力を受けるように構成されたモータと、
ドライバの遠位端に位置し、ねじを係合するビットを受けるように構成された駆動ヘッドと、
駆動ヘッドがモータによって回転可能となることで、ドライバがねじを骨に挿入することを可能にするように、モータおよび駆動ヘッドを接続する伝達アセンブリと、
モータの動作中にモータによって引き込まれた電流を検出するセンサと、
モータによって引き込まれた電流を示す、センサからの信号を受信し、かつ、ねじの挿入中にねじに加えられるトルクの複数の値を決定するためにこのような信号を使用するコントローラと、
トルク制限条件が満たされることに応答してねじの回転を停止するドライバと、そして、
ねじ挿入の第1段階の間に第1速度でねじを回転させ、かつ、ねじ挿入の第2段階の間に第2速度でねじを回転させるドライバとを備え、第2段階は、第1段階の後であり、第2速度は第1段階の速度の半分未満であり、これによって、ドライバがねじを骨に挿入するための挿入時間を増加させ、かつ、第2段階の間のねじの角運動量を低減させる、トルク制限ドライバ。 - コントローラが、複数の値のうち少なくとも4つが連続して減少したと決定した場合、トルク制限条件は満たされる、請求項17に記載のトルク制限ドライバ。
- 不感帯が終了し、かつ、コントローラが複数の値において変曲点を検出した場合、トルク制限条件は満たされる、請求項17に記載のトルク制限ドライバ。
- 第1速度は、3,600rpm以上であり、第2速度は、900rpm以下である、請求項17に記載のトルク制限ドライバ。
- ドライバは、不感帯の後に生じるトルク値のうち少なくとも1つが閾トルク値以上となる場合に、第1段階から第2段階へ変化する、請求項17に記載のトルク制限ドライバ。
- ドライバは、一定期間が経過した後に第1段階から第2段階へ変化し、期間は、ドライバによる骨へのねじの初期挿入から開始する、請求項17に記載のトルク制限ドライバ。
- 期間は少なくとも150msである、請求項22に記載のトルク制限ドライバ。
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