JP2018509961A - ラムダ型固定装置 - Google Patents

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    • A61B17/62—Ring frames, i.e. devices extending around the bones to be positioned

Abstract

【構成】基本的に、本発明のλ型固定装置は、λ型モジュールと呼ぶ異なる３つの主構造要素によって相互に接続した、少なくとも２列の穴を有する２つのリングから構成する。異なる４種類のλ型モジュールを使用し、これらのうち２種類が基本型であり、残りの２つは下位クラスの型である。第１の基本型の場合、両端に３つの球面継手を有し、さらに長脚部を短脚部に接続する単純な回転継手、および脚部の長さを変更する２つのネジナット対を有する。第２の基本型の場合、長脚部の両端に２つの球面継手を有し、さらに脚部の長さを変更する２つのネジナットを有する。一種類のλ型モジュールのみを使用しても、異なる５１２通りの構成方法で固定装置を構成することができる。【選択図】図１９

Description

本発明は工学技術と医療における整形外科術とが交差する多くの学問領域にわたる技術分野に属する。
本発明の対象用途は整形外科である。
本発明は、骨片を目的の位置に外部から移動し、四肢の骨折、変形などの医療における整形外科上の問題を解決できるモジュラーシステム（ｍｏｄｕｌａｒ ｓｙｓｔｅｍ：モジュール式システム）をその要旨とする。
整形外科的な創外固定施術において頻用されている施術具は、ヒンジ、ロッドおよびピン、ピン固定装置と呼ばれている古典的なフレームシステムなどの簡単な装置である。この種のフレームについては各種の実例があり、例示すると、ユニラテラルフレーム、ユニプレーナ／バイラテラルフレーム、バイプレーナ/ユニラテラルフレーム（ｆｒａｍｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ，ｕｎｉｐｌａｎａｒ ｂｉｌａｔｅｒａｌ，ｂｉｐｌａｎａｒ ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ）がある（Ｄｏｎａｌｄ ｅｔ．ａｌ．，１９８２；Ｓｅｌｉｇｓｏｎ ｅｔ．ａｌ．，１９８２；Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ，１９８５；Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ，１９９２）。簡単な構造にもかかわらず、整形外科医にとって大きな負担である、時間がかかる上に複雑な施術計画を練った後に空間自由度が６（ｓｉｘ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）の骨片に対して必要な並進および回転運動を与えるという難題がある。リング固定装置の提案は、創外固定装置（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｉｘａｔｏｒ）用途における新規なステップとして認められている。すべての方向における動作を制御できるからである（Ｉｌｌｉｚａｒｏｖ，１９９２）。近年、米国のＪ．Ｃ．Ｔａｙｌｏｒがパイオニアであり、この者によってＴａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｒａｍｅ Ｆｉｘａｔｏｒ（時にはリング固定装置の間で“ヘキサポッド”と呼ばれこともある）と名付けられた固定装置が人気を博している（Ｔａｙｌｏｒ ｅｔ．ａｌ．，１９９９；Ｓｅｉｄｅ ｅｔ．ａｌ．，２００４；Ｓｉｍｐｓｏｎ ｅｔ．ａｌ．，２００８；Ｔａｙｌｏｒ，２０１５）。テイラーフレームは多数の特許を獲得し、利用を簡単にする方法も示されている（Ａｕｓｔｉｎ ｅｔ．ａｌ．，２００４；Ｋｏｏ ｅｔ．ａｌ．，２００２）。この固定装置の場合、１２の固定点（そのうち６つの固定点は上部フレームにあり、また６つの固定点は下部フレームにある）に６本のロッドを取り付けることによって２つのリングを相互接続する。これについては既に研究があり、シンギュラリティ（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ：機構学的な特異点）分析をしない限り、この種の構造は安全に使用できないことが判明している（Ａｋｃａｌｉ ｅｔ．ａｌ．，２０１４）。さらに、取り付けられたロッドが、Ｘ線画像上で骨折線にある骨片の邪魔になる可能性がきわめて高い。さらに、整形外科医にとって、上下のリングを初期位置や最終位置のいずれかで平行配置し、そして処置の一部を行う前に、再計画や再測定が必要などの難しく、制限的な条件が存在している。他の特許文献もあり、構造パラメーターの変更や、プレローディングを行って、Ｘ線画像における望ましくない複雑さや汚染問題を解決することが提案されている（Ｋａｒｉｄｉｓ ａｎｄ Ｓｔｅｖｅｎｓ．，２００９；Ｋａｒｉｄｉｓ，２００９）。また、英国では、“Ｓｔｏｒｍ”と呼ばれているシステムが実用化され、骨折した脛骨や大腿骨骨片（ｆｅｍｕｒ ｆｒａｇｍｅｎｔｓ）を修復する報告がある（Ｏｇｒｏｄｎｉｋ，２００７）。ところが、このシステムは扱いにくく、患者がベッドに閉じ込められることになる。
Austin E., Schneider, J., Mullaney, M.W., Patent No: US2004/0073211A1 15 April 2004 Karidis, J.P., Stevens, P.M., Patent No: US2009/0036892A1 , 05 Feb. 2009 Karidis, J.P., Patent No: US2009/0036890A1, 05 Feb. 2009 Koo, J.K., Han, J.S., Han, C.S., Chol, I.H., Sim, J.H., Park, B.S., Kim, J.S., Kim, B.S., Kim, K.T., Shin, C.S., Cha, I.H., Patent No: US2002/0010465A1, 24 Jan. 2002 Taylor, J.C., Austin, E.G., Taylor, S.H., Patent No: US5971984A, 26 Oct. 1999
Akcali, I.D. and Mutlu, H., A novel approach in the direct kinematics of Stewart Platform mechanisms with planar platforms. ASME J. Mech. Design 128,Jan. 2006, 252-263 Akcali, I. D., Avsar, E., Un, M. K., Aydin, A., Ibrikci, T., Mutlu, H., Ozkan, C., Bicer, S.O., Durmaz, A. (2014, June), Displacement analysis of robotic frames for reliable and versatile use as external fixator. In Cyber Technology in Automation, Control, and Intelligent Systems (CYBER), 2014 IEEE 4th Annual International Conference on (pp. 180-185). IEEE Dhingra, A.K., Almadi, A.N., Kohli, D., A Grobner-Sylvester Hybrid Method for Closed-Form Displacement Analysis of Mechanisms, Journal of Mechanical Design, December 2000, Vol. 122, pp:431-438 Donald, G. and Seligson, D., Fixateur Systems in Current Use in Concepts in External Fixation, (Eds: Seligson, D. and Pope, M.) Grune and Stratton, (1982), pp:293-308 Fernandez, A.A., External Fixation of the Leg Using Unilateral Biplanar Frames, Arch. Orthop. Trauma Surg., 104 Springer Verlag, (1985),pp:182-186 Fernandez, A.A., External Fixation Using Pin Fixators, Injury 23, Supplement 4, (1992) Ilizarov, G., Transosseons. Berlin, Springer Verlag, (1992) Lee, T.Y., Shim, J.K., Forward Kinematics of the General 6-6 Stewart Platform Using Algebraic Elimination, Mechanism and Machine Theory, Vol.36, 2001, pp:1073-1085 Ogrodnik, P. Mending Broken Legs-The Staffordshire Orthopedic Reduction Machine, Ingenia, Issue 32, September (2007), pp: 25-29 Seide, K., Faschingbauer M., Wenzl M. E., Weinrich N.,Juergens C., A Hexapod Robot External Fixator For Computer Assisted Fracture Reduction And Deformity Correction, Int. J. Medical Robotics And Computer Assisted Surgery, Vol.1 Issue 1, (2004), pp: 64-69 Seligson, D., Pope, M.H., Concepts in External Fixation, Grune & Stratton, New York, (1982) Simpson, A.L, Burton Ma,Slagel, B., Borschneck D.P. and Ellis R.E., Computer-assisted distraction osteogenesis by Ilizarov's Method, The International Journal of Medical Robotics and Computed Assisted Surgery, 2008, 4, pp:310-320 Taylor, J.C., Correction of General Deformity with Taylor Spatial Frame Fixator, www.jcharlestaylor.com, (23/03/2015)
本発明の解決すべき問題、即ち本発明の目的は、使いやすい新規な創外固定装置であって、変位した骨片を目的の軸上で修復する整形外科の分野で利用でき、シンギュラリティ問題（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ ｉｓｓｕｅｓ）を最小限に抑制でき、計算の負担をできるだけ緩和し、妨害のない領域をＸ線フィルムにおける鮮明な骨片画像のために確保でき、構造上の潜在的可能性および自由度を担保できる多方向機能を発現できる創外固定装置を提供することである。
基本的に、本発明は自由度が６で、２つの上下リングを接続することによって構成し、好ましくは少なくとも２つの同心円上に穴を秩序よく設け、３つのラムダ形（λ（ｌａｍｂｄａ）−ｓｈａｐｅｄ）構造要素、即ちλ型モジュールを使用するモジュラー式平行ロボット構成に関する。λ型モジュールは、長脚部および短脚部として定義できる２つの円筒形の部材からなる。これら長短の脚部はいずれも長さが可変かつ固定の移動セグメントを有する。これら長短の脚部については、接続点が長脚部の長さが固定のセグメントに位置するように相互に接続する。長脚部の一端を上部リングに、他端を下部リングに、そして短脚部の自由端部を上部リングまたは下部リングのいずれかに接続することができる。これら基本特性によって単一のλ型モジュールは上下のリングを異なる８通りの方法で接続できる。長脚で長さが可変のセグメントについては、上部リング側に設けることができ、また長さが固定のセグメントについては、下部リング側に設けることができる。あるいは逆に、長脚部の長さが可変のセグメントを下部リング側に設けてもよく、長さが固定のセグメントを上部リング側に設けてもよい。さらに、長脚部の一端については、常時リングの一方に接続する一方で、他端については、他方のリングに接続し、短脚部の自由端部は長脚部の左手側から、あるいは右手側から上部リングか下部リングのいずれかに接続できる。このように、ロボット構成で３つのモジュールを創外固定装置として使用した場合には、８３＝５１２通りの異なる構築方法があり、これは、構成上の自由度および多様性が途方もなく高いことを意味する。
３つのλ型モジュールによって、２つのリングを接続するアセンブリーを基本的な構造とするロボット構造に、作動する６つの自由度になる基本的なλ型モジュールのタイプが２つある。第１の基本形のλ型モジュール（Ｆｉｒｓｔ ｂａｓｉｃ λ−ｍｏｄｕｌｅ ｔｙｐｅ）は、長脚部の両端で３つの独立した軸の周りで回転できる球面継手、長短の脚部の接続点において自由度が１の単純な回転継手、および短脚部の自由端部において自由度が３の球面継手を有する構造要素である。図１を参照。第２の基本形のλ型モジュールは、長脚部の両端において自由度が３の球面継手、および長短の脚部の接続点および短脚部の自由端部において自由度が２の自在（カルダン）継手を有する構造要素である。図２を参照。
以下に簡単に説明するように図面および対応する説明から本発明の要旨が明らかになり、本発明の創外固定装置の部品（ｐｉｅｃｅｓ）および特徴が明確になるはずである。
第１の基本形のλ型モジュールを示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールを示す図である。 第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプ（ｓｅｃｏｎｄ ｋｉｎｄ）を示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを示す図である。 第１の基本形のλ型モジュールを使用することによって実現した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用することによって実現した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールを使用することによって構成した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用することによって構成した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 ２列の穴を有する上部リング（１）および下部リング（２）を示す図である。 部材（ｐａｒｔ ｎｕｍｂｅｒｅｄ）（３）を示す図である。 中間部品（４）を示す図である。 部品（ｐｉｅｃｅｓ ｎｕｍｂｅｒｅｄ）（５）および（６）を示す図である。 部材（７）および（８）を示す図である。 部材（１０）を示す図である。 ナット（３）を端部に取り付けた円筒形部材（１０）の組立体を示す図である。 部材（１１）を示す図である。 λ型モジュールの長脚部の組立体を示す図である。 基本形のλ型モジュールの両タイプを併用した中間接続部品（１２）を示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。
図５および図６の部材および部品の符号およびその説明は次の通りである。
（１）上部リング
（２）下部リング
（３）ナット
（４）中間部品
（５）中間接続部品
（６）中間部品（５）の止めネジ穴（ｓｅｔ−ｓｃｒｅｗ ｈｏｌｅ）
（７）ネジ（１１）に接続した球面継手部材
（８）リングに接続した球面継手部材
（９）λ型モジュールの短脚部の自由端部
（１０）中空円筒形部材
（１１）ネジ刻設円筒形部材
（１２）λ型モジュールタイプの中間部品
創外固定装置のロボット構成では、第１の基本形のλ型モジュール（図１）は、一列の穴を有するリングと併用することができる。λ型モジュールの長短の脚部がこれら軸線とともに、これらを接続する回転継手の回転軸に対して直交する単一平面上に存在するからである。同じ平面に長短の脚部を存在させると、短脚部の長さおよびこの長さの変化量に多少の制限が生じることがある。この状態は、図３に示す第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプによって解消することができる。回転継手の回転軸を長脚部の軸線上の所定点に通すことによって、この第２のタイプにおいて短脚部がより長い長さを取る条件を満足できる（図３）。この場合、λ型モジュールの長短の脚部の軸線が、相互に平行で同時に回転継手の回転軸に対して垂直な２つ別な平面上に存在する。即ち、第２タイプ（図３）の継手特徴は、第１の基本形のモジュールに対して相違はないが、短脚部の軸線を、回転継手の回転軸にそって長脚部の軸に対して垂直な放射方向において外向きに見た場合、長脚部の軸上の所定点を通る線に対してシフトさせることによって大きな操作域を実現することができる。第１の基本形のモジュールの第２タイプを使用して固定装置を構成すると、実際に短脚部の自由端部を接続するために二列の穴を持つリングを利用できるため便利である。
第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプを実現するために行った一部変更と同様な一部変更は、第２の基本形のλ型モジュールにも適用できる。図４に、第２の基本形のλ型モジュールの長短の脚部を接続する自由度が２の自在継手（ユニヴァーサル ジョイント：ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｊｏｉｎｔ）が横にシフトする第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを示す。第２の基本形のλ型モジュールの短脚部の操作域が拡大すると同時に、この一部変更によってより長い円筒形部材がこの領域に容易に嵌合する。
上部リングの３点に３つの継手および下部リングの６点に６つの継手を有するシステム、即ち（３−６）型システムを基本形のシステムとして考え、図１〜４に示す４つのλ型モジュールを使用して実現した創外固定装置デバイス選択肢をそれぞれ図５〜８に示す。図５に、第１の基本形の３つのλ型モジュールに上下のリングを接続することによって実現し、長脚部の長さが可変な移動セグメントが上部リング側にあり、かつ短脚部をすべて右手側から接続した（３−６）型の固定装置を示す。図６に、第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用した以外は同様にして構成した（３−６）型固定装置を示す。第２の基本形のλ型モジュールの３つの第１および第２タイプを使用して上下のリングを組み立てることによって実現した（３−６）型固定装置の実施例をそれぞれ図７および図８に示す。
λ型モジュールの細部について、このモジュールから構成した、図５に示す（３−６）型固定装置の一体性に言及しながら、図１に示す第１の基本形のλ型モジュールによって説明することにする。まず図９に、図５の第１の基本形のλ型モジュールを使用して、二列の穴を相互に接続した上部リング（１）および下部リング（２）を示す。本発明の対象となるλ型モジュールは、部品（４）、（５）および（６）を使用して、長さをナット（３）によって調節する長脚部を長脚部と同様な構造的特徴を備えた短脚部とともに組み立てることによって構成する。λ型モジュールの長脚部は、部材（７）および（８）からなる、自由度が３の自在継手によって上部リング（１）に接続し、同様な特性を備えた継手によって下部リング（２）に接続する。λ型モジュールの短脚部の自由端部（９）も、自由度が３の継手を使用して右手側から下部リング（２）に接続する。円筒形部材（１０）および（１１）は、すべてのλ型モジュールの長短の脚部の構造を反映して、ナット（３）によって相互に接続する。
図１０に示す部材（３）は、取り付けネジを刻設した円筒形部材（１１）とともにその最も狭い部分においてネジナット対を形成するもので、これは脚部の長さを変更するさいに利用できるものである。部材（３）は、直径が最大のその円筒形部分にローレット加工面（ギザギザ面）（ｋｎｕｒｌｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を備えているため、手動回転に便利であり、また部材（３）はその上側外側部分に適正に切断された平面を備えているため、標準的なスパナ（ｗｒｅｎｃｈ）を使用でき、同時にこの部材はナット（３）の軸および切断平面に対して垂直な円筒形の穴、およびその内側下部に、ナット（３）を中空の円筒形部材（１０）に接続するリングの受け取りシートになる溝が刻設されている円筒形スペースを備える。
図１１に中間接続部品（４）の細部を示すが、この部品（４）は回転継手の回転軸に対して垂直な同じ単一平面においてλ型モジュールの長短の脚部の軸線を保持し、それ自体に回転継手のピンが挿通する穴を有する一方で、回転継手の位置を接続ボルトナットによって長脚部の長さが固定のセグメント（１０）の軸上の所定点に固定するものである。図１２に回転継手の短い側にある部材（５）を示すが、この部材（５）は止めネジ穴（６）とともに部品（４）に着座し、相対回転が発生しないように部材（５）を短脚部のネジ端部に接続するために使用する。図１３に自在継手を示すが、この自在継手は相対回転が発生しないように止めネジによってλ型モジュールの長脚部のネジ付き端部（１１）に接続された部材（７）、および適当なネジによって上部リングに接続された部材（８）を備える。
図１４に中空の円筒形部材（１０）を示すが、この部材（１０）は長短の脚部両者の構造中に存在し、長さが固定のセグメントである。この部材の下側部分に、自由度が２または３の自在継手を取り付ける止めネジ穴を設け、相互に反対方向における上側部分に２つの球面溝を設け、これらの溝に適当な寸法のボールを収容し、ナット（３）を取り付けることができるように切断されたリングシートを設ける。さらに、円筒形部材（１０）の上端にある部分を円錐形にテーパー加工するため、ナット（３）およびリングの取り付けが容易になる。加えて、円筒形部材（１０）の軸に対して平行にスロットを設け、線形目盛りに従ってグレードを設け、λ型モジュールの脚部の長さを測定するために使用する。図１４を参照。中空の円筒形部材（１０）へのナット（３）の組み付けを図１５に示す。図１５に示すように、ナット（３）をリングによってその着座部分に嵌合し、これを軸方向に並進することなく回転できるようにするとともに、ヘリカルスプリング（ｈｅｌｉｃａｌ ｓｐｒｉｎｇ）によって円筒形部材（１０）の表面の球面溝にボールを押圧する。なお、このスプリングについては、ナット（３）に属する、キャップを端部に位置させた状態で円筒形孔に挿入する。
λ型モジュールの長短脚部の全体構造内に存在し、かつ長さが可変な移動セグメントになる部材が円筒形部材（１１）である。図１６を参照。ナット（３）ネジに嵌合するネジを切った円筒形部材（１１）の上端に、平坦面を形成し、ここに接続用止めネジの端部が着座する。なお、この平坦面は、直径が小さいステップ付き部分の側に設けるため、円筒形部材が接続される継手要素に対して回転することはない。また、円筒形部材（１１）の下端には、適当な大きさの表示ピン（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｐｉｎ）を取り付ける円筒形部材の軸に対して垂直な方向に穴をあけ、ネジ穴を設ける。図１６を参照。
図１７は、上下のリングを相互に接続するλ型モジュールの長脚部の組立形態の、２つの相互に垂直方向における図であり、また長手方向（ｌｏｎｇ ａｘｉｓ）における横断面図である。両端の自由度が３の自在継手（７）は止めネジによって上部側のネジ（１１）に取り付け、同様に止めネジによって下側に長さスケールを備えた中空の円筒形部材（１０）に取り付ける。さらに、長脚部の長さが固定の円筒形セグメント（１０）に、リングおよび中間接続部品（４）または（１２）によってナット（３）を取り付け、これら接続部品にボルトナットによって短脚部を接続する。中間接続部品（１２）は、突出する円筒体によって、自由度が２の自在継手の固定接続軸、および突出円筒体の軸が垂直になるボルトナットによって円筒体（１０）の軸に接続されることによって第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプの簡単な、自由度が１の回転継手の回転軸を構成する。表示ピンについては、その寸法が円筒体（１０）に切られたスケール付きスロットの寸法に合うように、止めネジによってネジ（１１）の端部に設ける。図１７から、円筒形部材（１０）の軸の周りでナットを回転させると、ナット（３）に接続されたネジ（１１）が円筒体の軸にそって並進し、長脚部の長さが可変のセグメントの長さが変化することが理解できるはずである。ボールは、バネの作用を受けて、ロッキング機能の仕事を行い、ナット（３）が半回転する毎に球面溝の表面に着座することによって脚部の長さを固定する。従って、ネジピッチの半分に等しいレゾルーション（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）でλ型モジュールの脚部サイズを加減することができる。
図１７の長脚部の構造および長さ変化に関する説明は短脚部にも該当する。なお、両端の継手の自由度が３の止めネジを取り外す場合には、代わりに適切な継手を設けるとともに、長さが固定のセグメントの中間接続部品（１２）を取り外す。両端の継手および中間接続部品（４または１２）を使用しない場合には、基本形の的に中空の円筒形部材（１０）をナット（３）で接合することによって長短脚部を組み立てる。
以上、２つの基本形のλ型モジュールを使用した状態の、λ型モジュールの４種類の異なるタイプに共通する特徴を説明してきた。この点に関して、異なる要素について説明することにする。これらの内の一つは、第１の基本形のλ型モジュールの二種類のタイプの中間にある。相違点は、図５の部品（４）（詳細は図１１に示す）がλ型モジュールの第１タイプに存在する一方で、図６の部品（１２）（詳細は図１８に示す）がλ型モジュールの第２タイプに存在する点にある。図１８に示す全く同じ部品については、長短の脚部を相互に接続するさいに第２の基本形のλ型モジュールの２つのタイプの両者に利用でき、そして相互に９０℃分離した２つの異なる位置でこれを評価する。この状態は図２、図４、図７および図８からよく理解できるはずである。λ型モジュール間に相違を作るもう一つの理由は、構造的に類似しているにもかかわらず、自由度が３の自在継手は、図５の部材（８）の場合と同様に、接続ボルトともに、リングに対して穴の軸の周りで自由に回転できる一方、短脚部の両端に取り付けられ、自由度が２の自在継手は、図２、図４、図７および図８に見られるように、これが接続される部材に対して自由に回転できないことにある。このために、継手をリングに接続するボルトは、自由度が２の自在継手の場合には、堅固に取り付ける一方、自由度が３の自在継手の場合には、ネジ部分の長さを調節することによってネジヘッドとリングの接触面間にクリアランス（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）を残して、ネジがリングに対して相対的に回転するように構成する。
基本形のλ型モジュールの際立った構造的特徴を吟味することによって、幾何学的に多くの手段を含むλ型モジュールで課題を解決する新しいデバイスアーキテクチャーと従来の固定装置との相違がよく認識できるはずである。基本的に、第１の基本形のλ型モジュールは自由度が３の３つの球面継手、自由度が１の一つの回転継手および自由度が１の２つのネジ対を有する一方で、第２の基本形のλ型モジュールは自由度が３の２つの球面継手、自由度が２の２つの自在（カルダン）継手および自由度が１の２つのネジ対を有する。これら両モジュールに共通していることは、両モジュールの長脚部の端部に自由度が３の継手が存在し、かつ両モジュール内において相互に移動できる４つの実質的な部材（ｂｏｄｙ）が存在していることである。それ自体がモジュラー式構造であることが容易に認識できる２つの基本形のモジュールの場合、好適な止めネジによって、かつ図１１、図１２および図１８の中間部品の価値を見極めることによって短脚部の端部にある継手を変更できる特徴があるため、４つの異なるλ型モジュールタイプの中においてあるタイプから他のタイプに移行することが容易になる。このモジュラー式構造の特徴によって、モジュールを使用して構成できる新規な固定装置を組み立てることが極めて容易になる。
第１モジュールから誘導される平行ロボット構造（ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｂｏｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）では、本質的に、合計で９つの、自由度が３の球面継手を６つの、自由度が１のネジナット対および３つの、自由度が１の回転継手と併用する。他方、第２モジュールから誘導される平行ロボット構成には、６つの、自由度が３の球面継手、６つのネジナット対および６つの、自由度が２の自在（カルダン）継手が存在する。即ち、基本的には、上下のリング間における３回転および３並進からなる自由度が６の相対運動が生じる結果、２つのモジュールによって新規な固定装置のアーキテクチャーが実現する。この結果、目的に応じて、リングに取り付けられる骨片を位置決めすることが容易になる。
上記の原理の枠内で２つのモジュールから実現した平行ロボット構成によって、固定装置が骨片を安定した平衡状態で保持する機能、および脚部長さの加減調節を介して外部手段によって医療上の制約に合わせてこれらを移動させる機能を遂行することが可能になる。さらに、システムの有効自由度が能動的なネジナット対の個数に等しいため、すべてのネジナット対を非動作状態に保持（ロック（ｌｏｃｋ ｕｐ））することによって、システムを安定した静的平衡状態に保持できる。
既に説明したように、３本の直交軸の周りで２方向に角度がほぼ１８０°の一つのλ型モジュールを回転させることによって、一つのλ型モジュールが２３＝８通りの異なる方法で上下のリングを接続することが可能になる。これとは別に、同じ型のλ型モジュールを３つ使用して構成した固定装置には８３＝５１２の異なる構成が考えられる。４つの異なる種類のλ型モジュールから新規な装置構造を形成する場合には、固定装置を構成するために合計で４３×５１２＝３２，７６８通りの異なる可能性が考えられる。これは、本発明の新規なモジュラーシステムがきわめて自由度の高い構造を有することを明らかにするものである。
上記の５１２通りの構成体の実施例として、４つの異なる型のλ型モジュールを使用して形成できる多種多様な固定装置構成を例示できる。図１９に、第１タイプの第１λ型モジュールのみを使用して構成し、すべての短脚部を右手側から長脚部に接続した（３−６）システムを示す。図１９に示すシステムのλ型モジュールのうちの一つにおける短脚部の端部にある球面自在継手（自由度は３）の一つを下部リングから取り外し、上部リングに接続した場合には、図２０に示す（４−５）システムが得られる。図１９に示すシステムのλ型モジュールの短脚部の端部にある球面自在継手の二つを下部リングから取り外し、上部リングに接続した場合、今度は図２１に示す（５−４）システムが得られる。図１９に示すすべてのλ型モジュールの短脚部の端部にある３つの球面自在継手すべてを上部リングに接続した場合には、図２２に示す（６−３）システムが得られる。図１９、図２０、図２１および図２２において、λ型モジュールの長脚部の長さが可変のネジ付設部材は上部リング近くに保持される一方、長さが固定の部材は下部リングに隣接する。長脚部の長さが可変のネジ付設部材が下部リングにより近く、そして長さが固定の部材が上部リングにより近くなるように平行ロボット構造を構成した場合、得られる構成は既に説明した構成とは基本形の的に相違しないが、関係する正運動学計算および逆運動学計算（ｄｉｒｅｃｔ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ）が変わってくる。この理由から、固定システムを構築するさいにあらゆる種類のλ型モジュールを使用する８通りの異なる方法について説明するのが適切と考える。ここでは、異なる構成をもつシステムの実施例のみを選択する。
図２３、図２４、図２５および図２６それぞれに、ここでは（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼び、そして上部リング上の３点、４点、５点および６点に球面自在継手を有し、かつそれぞれに下部リング上の６点、５点、４点および３点に球面自在継手を有し、すべてのλ型モジュールが、すべての短脚部を右手側から長脚部に接続した第１型モジュールの第２タイプからなる固定装置構成を示す。図２７、図２８、図２９および図３０それぞれに、ここでは（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼び、そして上部リング上の３点、４点、５点および６点に球面自在継手有し、かつそれぞれに下部リング上の６点、５点、４点および３点に球面自在継手を有し、すべてのλ型モジュールが、すべての短脚部を右手側から長脚部に接続した第２型モジュールの第１タイプからなる固定装置構成を示す。固定装置を組み立てる工程を、第２型のλ型モジュールの第２タイプを対象として短脚部のすべてを右手側から長脚部に接続した場合に適用する場合、（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置構成をそれぞれ図３１、図３２、図３３および図３４に示す。
図３５〜３８にそれぞれ示すように、固定装置の構成方法を、上部リングに３つ、４つ、５つおよび６つの接続点が、そして下部リングに６つ、５つ、４つおよび３つの接続点が形成するように左手側から短脚部を長脚部に接続した第１の形式のλ型モジュールの第１タイプに適用した場合、（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ装置構造が得られる。第１の形式のλ型モジュールの第２タイプを利用して、その他はすべて同じ条件でこの構成方法を実施した場合、それぞれ図３９〜４２に示すように、（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置のアーキテクチャー（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ）が得られる。他の条件を同じにして、第２の形式のλ型モジュールの第１タイプを利用して上記の構成方法を実施した場合、それぞれ図４３〜４６に示す（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置のアーキテクチャーが得られる。また、他の状態をすべて同じにした状態で上記の構成方法を適用するλ型モジュールとして第２形式の第２タイプを選択した場合には、それぞれ図４７〜５０に示す（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置のアーキテクチャーが得られる。
λ型モジュール、およびこれらを有するため、自由度がきわめて高い構造の創外固定装置の場合、Ｔａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｒａｍｅよりも非常に優れた構造上の特性を有する。本発明の第１の特性は、本システムが合計で９つの点で上下のリングを接合する構造をもつ点にあり、一方、Ｔａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｒａｍｅの場合、合計で１２の点で２つのリングを接合する構造である。整形外科施術において、これはＴａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｙｓｔｅｍの場合、組立工程時により多くの継手を使用し、従って時間および労力がより必要になることを意味し、一方、本システムの場合には、セットアップ（ｓｅｔ ｕｐ：組立調整）に必要な時間および労力がこれよりも少なくて済む。モジュラー式構造を使用する新規システムの第２の特性は、Ｔａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｙｓｔｅｍはただ一つのセットアップ（ｓｅｔ−ｕｐ）しかないが、ある一つの型のλ型モジュールの一つのタイプでも、５１２通りの構築工程が考えられ、４つの異なるモジュールを使用することによって、合計で３２，７６８通りの異なる構築工程を実現できる。
本発明の新規な固定装置の最も重要な作用効果の一つは、Ｔａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｒａｍｅの構造に内在する潜在的な異常リスクの多くが、本発明の新規なシステムには存在しないことである。例えば、Ｔａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｙｓｔｅｍの構造の場合、治療過程の任意段階時においてシステムの平衡位置が不安定になる平行四辺形が発生する確率は、平面数で言えば６×５/２＝１５であるが、本発明の新規なシステムの場合、この平面数は３×２/２＝３に過ぎない。また、遠位リングに作用する力の４方向が治療の任意段階中にある共通点を通過するフレームの構成異常が発生する確率は６×５×４×３/２４＝１５回であるが、本発明の新規なシステムの場合はゼロに過ぎない。本発明の新規なシステムの場合、上部リング（１）および下部リング（２）の半径が等しくなくなるように単純な方法を取った場合、そして治療開始時にわずか３対の長脚部がいかなる平行四辺形も含まないように構成した場合、望ましくない異常に遭遇するリスクはゼロまで低くなる。
全体構成が（６−６）型のＳｔｅｗａｒｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍに類似しているＴａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｒａｍｅの場合、解析上正確な解を得るさいに膨大な量の計算が必要である（Ｄｈｉｎｇｒａ ｅｔ．ａｌ．，２０００；Ｌｅｅ ｅｔ．ａｌ．，２００１を参照）が、本発明の新規なシステムでは、計算量は比較的少なくて済む。計算量が合理的であることが示されている（３−３）型のＳｔｅｗａｒｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍに落とし込むことによって正確な解が得られるからである（Ａｋｃａｌｉ ａｎｄ Ｍｕｔｌｕ、２００６を参照）。
骨片の画像がフレーム部材の画像に一致する確率は、本発明の新規なシステムではきわめて低い。使用する長脚部が３つに過ぎず、また骨の画像に６つの脚部画像が重なる確率もＴａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｙｓｔｅｍに６つの脚部画像が存在している以上、骨折部位において高いからである。さらに、一つの型のλ型モジュールに基づいて固定装置には５１２通りの異なる構築工程があり、モジュラー式構造によって一つの構築工程から他の構築工程に移行することが容易であるため、鮮明な画像を得ることができる妨害のない領域を得ることがきわめて容易である。
結論としては、本発明の創外固定装置は外部制御式の機械的手段として動作し、骨片の解剖学的軸への整合、骨の奇形矯正や骨延長法などの整形外科上の問題を解決するさいに有利であり、また異常問題からはかけ離れたいくつかの解決策に寄与するもので、ほとんど計算することなく正確な計算を可能にし、従って使用部品数がすくないため、構造上の自由度の高い、きわめて多数の構築工程を可能にすることによってＸ線フィルムにおいて妨害のない画像の領域を確保でき、従って整形外科上の問題を解決できると言える。
１：上部リング
２：下部リング
３：ナット
４：中間部品
５：中間接続部品
６：中間部品（５）の止めネジ穴
７：ネジ（１１）に接続した球面継手部材
８：リングに接続した球面継手部材
９：λ型モジュールの短脚部の自由端部
１０：中空円筒形部材
１１：ネジ刻設円筒形部材
１２：λ型モジュールタイプの中間部品
本発明は工学技術と医療における整形外科術とが交差する多くの学問領域にわたる技術分野に属する。
本発明の対象用途は整形外科である。
本発明は、骨片を目的の位置に外部から移動し、四肢の骨折、変形などの医療における整形外科上の問題を解決できるモジュラーシステム（ｍｏｄｕｌａｒ ｓｙｓｔｅｍ：モジュール式システム）をその要旨とする。
整形外科的な創外固定施術において頻用されている施術具は、ヒンジ、ロッドおよびピン、ピン固定装置と呼ばれている古典的なフレームシステムなどの簡単な装置である。この種のフレームについては各種の実例があり、例示すると、ユニラテラルフレーム、ユニプレーナ／バイラテラルフレーム、バイプレーナ/ユニラテラルフレーム（ｆｒａｍｅｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ，ｕｎｉｐｌａｎａｒ ｂｉｌａｔｅｒａｌ，ｂｉｐｌａｎａｒ ｕｎｉｌａｔｅｒａｌ）がある（Ｄｏｎａｌｄ ｅｔ．ａｌ．，１９８２；Ｓｅｌｉｇｓｏｎ ｅｔ．ａｌ．，１９８２；Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ，１９８５；Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ，１９９２）。簡単な構造にもかかわらず、整形外科医にとって大きな負担である、時間がかかる上に複雑な施術計画を練った後に空間自由度が６（ｓｉｘ ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ）の骨片に対して必要な並進および回転運動を与えるという難題がある。リング固定装置の提案は、創外固定装置（ｅｘｔｅｒｎａｌ ｆｉｘａｔｏｒ）用途における新規なステップとして認められている。すべての方向における動作を制御できるからである（Ｉｌｌｉｚａｒｏｖ，１９９２）。近年、米国のＪ．Ｃ．Ｔａｙｌｏｒがパイオニアであり、この者によってＴａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｒａｍｅ Ｆｉｘａｔｏｒ（時にはリング固定装置の間で“ヘキサポッド”と呼ばれこともある）と名付けられた固定装置が人気を博している（Ｔａｙｌｏｒ ｅｔ．ａｌ．，１９９９；Ｓｅｉｄｅ ｅｔ．ａｌ．，２００４；Ｓｉｍｐｓｏｎ ｅｔ．ａｌ．，２００８；Ｔａｙｌｏｒ，２０１５）。テイラーフレームは多数の特許を獲得し、利用を簡単にする方法も示されている（Ａｕｓｔｉｎ ｅｔ．ａｌ．，２００４；Ｋｏｏ ｅｔ．ａｌ．，２００２）。この固定装置の場合、１２の固定点（そのうち６つの固定点は上部フレームにあり、また６つの固定点は下部フレームにある）に６本のロッドを取り付けることによって２つのリングを相互接続する。これについては既に研究があり、シンギュラリティ（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ：機構学的な特異点）分析をしない限り、この種の構造は安全に使用できないことが判明している（Ａｋｃａｌｉ ｅｔ．ａｌ．，２０１４）。さらに、取り付けられたロッドが、Ｘ線画像上で骨折線にある骨片の邪魔になる可能性がきわめて高い。さらに、整形外科医にとって、上下のリングを初期位置や最終位置のいずれかで平行配置し、そして処置の一部を行う前に、再計画や再測定が必要などの難しく、制限的な条件が存在している。他の特許文献もあり、構造パラメーターの変更や、プレローディングを行って、Ｘ線画像における望ましくない複雑さや汚染問題を解決することが提案されている（Ｋａｒｉｄｉｓ ａｎｄ Ｓｔｅｖｅｎｓ．，２００９；Ｋａｒｉｄｉｓ，２００９）。また、英国では、“Ｓｔｏｒｍ”と呼ばれているシステムが実用化され、骨折した脛骨や大腿骨骨片（ｆｅｍｕｒ ｆｒａｇｍｅｎｔｓ）を修復する報告がある（Ｏｇｒｏｄｎｉｋ，２００７）。ところが、このシステムは扱いにくく、患者がベッドに閉じ込められることになる。
ごく最近になって、２件の特許文献（Ｗｏｎｇ、Ｋ−Ｍ、２０１１、およびＴａｍｅｒ、Ｉ．、２０１２）が発行されている。一つは「整形外科用創外固定装置」であって、ヘキサポッドと呼称されるロボット機構に基づいており、対称的に配置した１２の接続点を介して６つの脚部が単列の穴を備えた２つのリングに接続している（Ｗｏｎｇ、Ｋ−Ｍ．、２０１１）。これは、組立（セットアップ）時間が長く、シンギュラリティ（singularity：機構学的な特異点）の恐れもあり、その上、この組立体がＸ線撮像の邪魔になる可能性が高いことがこの装置の明確な欠点になる。他の一つは、１６本の縁辺接線を必須として構成された定形構造を有する「直交した縁辺接線の幾何的配列を有する装置」に関する（Ｔａｍｅｒ、Ｉ．、２０１２)。この装置の場合、８つのアームを８つのスクリュペア（螺子対）によって操作し、２つの特別なプレート間に自由度が６の相対運動を発生する。この構造システムは多くの部材と共に１６の継手の位置が固定かつ予め設定されているので、整形外科医がこの装置を組み立てるさいに、制約があり過ぎまた複雑さも増す。従って、整形外科医にとって不必要なほどコスト、時間および労力がかかり過ぎる。
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本発明の解決すべき問題、即ち本発明の目的は、使いやすい新規な創外固定装置であって、変位した骨片を目的の軸上で修復する整形外科の分野で利用でき、シンギュラリティ問題（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ ｉｓｓｕｅｓ：特異点に関する課題）を最小限に抑制でき、計算の負担をできるだけ緩和し、妨害のない領域をＸ線フィルムにおける鮮明な骨片画像のために確保でき、構造上の潜在的可能性および自由度を担保できる多方向機能を発現できる創外固定装置を提供することである。
基本的に、本発明は自由度が６で、２つの平坦な平面状の上下リングを接続することによって構成し、好ましくは少なくとも２つの同心円上に穴を秩序よく一様に設け、３つより多くも少なくもなく、正に３つのラムダ形（λ（ｌａｍｂｄａ）−ｓｈａｐｅｄ）構造要素、即ちλ型モジュールを使用するモジュラー式平行ロボット構成に関する。λ型モジュールは、長脚部および短脚部として定義できる２つの円筒形の部材からなる。これら長短の脚部はいずれも長さが可変かつ固定の移動セグメントを有する。これら長短の脚部については、接続点が長脚部の長さが固定のセグメントに位置するように相互に接続する。長脚部の一端を上部リングに、他端を下部リングに、そして短脚部の自由端部を上部リングまたは下部リングのいずれかに接続することができる。これら基本特性によって単一のλ型モジュールは上下のリングを異なる８通りの方法で接続できる。長脚で長さが可変のセグメントについては、上部リング側に設けることができ、また長さが固定のセグメントについては、下部リング側に設けることができる。あるいは逆に、長脚部の長さが可変のセグメントを下部リング側に設けてもよく、長さが固定のセグメントを上部リング側に設けてもよい。さらに、長脚部の一端については、常時リングの一方に接続する一方で、他端については、他方のリングに接続し、短脚部の自由端部は長脚部の左手側から、あるいは右手側から上部リングか下部リングのいずれかに接続できる。このように、ロボット構成で３つのモジュールを創外固定装置として使用した場合には、８３＝５１２通りの異なる構築方法があり、これは、構成上の自由度および多様性が途方もなく高いことを意味する。
ところで、３個より多くも少なくもなく、正に３つのλ型モジュールによって平坦な平面である２つのリングを接続するアセンブリーを基本的な構造とするロボット構造に、長脚部や短脚部の長さが固定の時に動作しない非作動であり、且つ長脚部や短脚部の長さが変化した時に動作して作動する６つの自由度になる基本的なλ型モジュールのタイプが２つある。第１の基本形のλ型モジュール（Ｆｉｒｓｔ ｂａｓｉｃ λ−ｍｏｄｕｌｅ ｔｙｐｅ）は、長脚部の両端で３つの独立した軸の周りで回転できる球面継手、長短の脚部の接続点において自由度が１の単純な回転継手、および短脚部の自由端部において自由度が３の球面継手を有する構造要素である。図１を参照。第２の基本形のλ型モジュールは、長脚部の両端において自由度が３の球面継手、および長短の脚部の接続点および短脚部の自由端部において自由度が２の自在（カルダン）継手を有する構造要素である。図２を参照。
以下に簡単に説明するように図面および対応する説明から本発明の要旨が明らかになり、本発明の創外固定装置の部品（ｐｉｅｃｅｓ）および特徴が明確になるはずである。
第１の基本形のλ型モジュールを示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールを示す図である。 第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプ（ｓｅｃｏｎｄ ｋｉｎｄ）を示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを示す図である。 第１の基本形のλ型モジュールを使用することによって実現した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用することによって実現した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールを使用することによって構成した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用することによって構成した（３−６）型固定装置の実施例を示す図である。 ２列の穴を有する上部リング（１）および下部リング（２）を示す図である。 部材（ｐａｒｔ ｎｕｍｂｅｒｅｄ）（３）を示す図である。 中間部品（４）を示す図である。 部品（ｐｉｅｃｅｓ ｎｕｍｂｅｒｅｄ）（５）および（６）を示す図である。 部材（７）および（８）を示す図である。 部材（１０）を示す図である。 ナット（３）を端部に取り付けた円筒形部材（１０）の組立体を示す図である。 部材（１１）を示す図である。 λ型モジュールの長脚部の組立体を示す図である。 基本形のλ型モジュールの両タイプを併用した中間接続部品（１２）を示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第１のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第１タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（３−６）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（４−５）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（５−４）システムを示す図である。 すべての短脚部を左手側から接続した第２のλ型モジュールの第２タイプを使用して構成した（６−３）システムを示す図である。
図５および図６の部材および部品の符号およびその説明は次の通りである。
（１）上部リング
（２）下部リング
（３）ナット
（４）中間部品
（５）中間接続部品
（６）中間部品（５）の止めネジ穴（ｓｅｔ−ｓｃｒｅｗ ｈｏｌｅ）
（７）ネジ（１１）に接続した球面継手部材
（８）リングに接続した球面継手部材
（９）λ型モジュールの短脚部の自由端部
（１０）中空円筒形部材
（１１）ネジ刻設円筒形部材
（１２）λ型モジュールタイプの中間部品
創外固定装置のロボット構成では、第１の基本形のλ型モジュール（図１）は、一列の穴を有するリングと併用することができる。λ型モジュールの長短の脚部がこれら軸線とともに、これらを接続する回転継手の回転軸に対して直交する単一平面上に存在するからである。同じ平面に長短の脚部を存在させると、短脚部の長さおよびこの長さの変化量に多少の制限が生じることがある。この状態は、図３に示す第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプによって解消することができる。回転継手の回転軸を長脚部の軸線上の所定点に通すことによって、この第２のタイプにおいて短脚部がより長い長さを取る条件を満足できる（図３）。この場合、λ型モジュールの長短の脚部の軸線が、相互に平行で同時に回転継手の回転軸に対して垂直な２つ別な平面上に存在する。即ち、第２タイプ（図３）の継手特徴は、第１の基本形のモジュールに対して相違はないが、短脚部の軸線を、回転継手の回転軸にそって長脚部の軸に対して垂直な放射方向において外向きに見た場合、長脚部の軸上の所定点を通る線に対してシフトさせることによって大きな操作域を実現することができる。第１の基本形のモジュールの第２タイプを使用して固定装置を構成すると、実際に短脚部の自由端部を接続するために二列の穴を持つリングを利用できるため便利である。
第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプを実現するために行った一部変更と同様な一部変更は、第２の基本形のλ型モジュールにも適用できる。図４に、第２の基本形のλ型モジュールの長短の脚部を接続する自由度が２の自在継手（ユニヴァーサル ジョイント：ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｊｏｉｎｔ）が横にシフトする第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを示す。第２の基本形のλ型モジュールの短脚部の操作域が拡大すると同時に、この一部変更によってより長い円筒形部材がこの領域に容易に嵌合する。
上部リングの３点に３つの継手および下部リングの６点に６つの継手を有するシステム、即ち（３−６）型システムを基本形のシステムとして考え、図１〜４に示す４つの異なるλ型モジュールを使用して実現した創外固定装置デバイス選択肢をそれぞれ図５〜８に示す。図５に、第１の基本形の３つのλ型モジュールに上下のリングを接続することによって実現し、長脚部の長さが可変な移動セグメントが上部リング側にあり、かつ短脚部をすべて右手側から接続した（３−６）型の固定装置を示す。図６に、第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用した以外は同様にして構成した（３−６）型固定装置を示す。第２の基本形のλ型モジュールの３つの第１および第２タイプを使用して上下のリングを組み立てることによって実現した（３−６）型固定装置の実施例をそれぞれ図７および図８に示す。
λ型モジュールの細部について、このモジュールから構成した、図５に示す（３−６）型固定装置の一体性に言及しながら、図１に示す第１の基本形のλ型モジュールによって説明することにする。まず図９に、図５の第１の基本形のλ型モジュールを使用して、二列の穴を相互に接続した平坦な平面状の上部リング（１）および平坦な平面状の下部リング（２）を示す。本発明の対象となるλ型モジュールは、部品（４）、（５）および（６）を使用して、長さをナット（３）によって調節する長脚部を長脚部と同様な構造的特徴を備えた短脚部とともに組み立てることによって構成する。λ型モジュールの長脚部は、部材（７）および（８）からなる、自由度が３の自在継手によって上部リング（１）に接続し、同様な特性を備えた継手によって下部リング（２）に接続する。λ型モジュールの短脚部の自由端部（９）も、自由度が３の継手を使用して右手側から下部リング（２）に接続する。円筒形部材（１０）および（１１）は、すべてのλ型モジュールの長短の脚部の構造を反映して、ナット（３）によって相互に接続する。
図１０に示す部材（３）は、取り付けネジを刻設した円筒形部材（１１）とともにその最も狭い部分においてネジナット対を形成するもので、これは脚部の長さを変更するさいに利用できるものである。部材（３）は、直径が最大のその円筒形部分にローレット加工面（ギザギザ面）（ｋｎｕｒｌｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を備えているため、手動回転に便利であり、また部材（３）はその上側外側部分に適正に切断された平面を備えているため、標準的なスパナ（ｗｒｅｎｃｈ）を使用でき、同時にこの部材はナット（３）の軸および切断平面に対して垂直な円筒形の穴、およびその内側下部に、ナット（３）を中空の円筒形部材（１０）に接続するリングの受け取りシートになる溝が刻設されている円筒形スペースを備える。
図１１に中間接続部品（４）の細部を示すが、この部品（４）は回転継手の回転軸に対して垂直な同じ単一平面においてλ型モジュールの長短の脚部の軸線を保持し、それ自体に回転継手のピンが挿通する穴を有する一方で、回転継手の位置を接続ボルトナットによって長脚部の長さが固定のセグメント（１０）の軸上の所定点に固定するものである。図１２に回転継手の短い側にある部材（５）を示すが、この部材（５）は止めネジ穴（６）とともに部品（４）に着座し、相対回転が発生しないように部材（５）を短脚部のネジ端部に接続するために使用する。図１３に自在継手を示すが、この自在継手は相対回転が発生しないように止めネジによってλ型モジュールの長脚部のネジ付き端部（１１）に接続された部材（７）、および適当なネジによって上部リングに接続された部材（８）を備える。
図１４に中空の円筒形部材（１０）を示すが、この部材（１０）は長短の脚部両者の構造中に存在し、長さが固定のセグメントである。この部材の下側部分に、自由度が２または３の自在継手を取り付ける止めネジ穴を設け、相互に反対方向における上側部分に２つの球面溝を設け、これらの溝に適当な寸法のボールを収容し、ナット（３）を取り付けることができるように切断されたリングシートを設ける。さらに、円筒形部材（１０）の上端にある部分を円錐形にテーパー加工するため、ナット（３）およびリングの取り付けが容易になる。加えて、円筒形部材（１０）の軸に対して平行にスロットを設け、線形目盛りに従ってグレードを設け、λ型モジュールの脚部の長さを測定するために使用する。図１４を参照。中空の円筒形部材（１０）へのナット（３）の組み付けを図１５に示す。図１５に示すように、ナット（３）をリングによってその着座部分に嵌合し、これを軸方向に並進することなく回転できるようにするとともに、ヘリカルスプリング（ｈｅｌｉｃａｌ ｓｐｒｉｎｇ）によって円筒形部材（１０）の表面の球面溝にボールを押圧する。なお、このスプリングについては、ナット（３）に属する、キャップを端部に位置させた状態で円筒形孔に挿入する。
λ型モジュールの長短脚部の全体構造内に存在し、かつ長さが可変な移動セグメントになる部材が円筒形部材（１１）である。図１６を参照。ナット（３）ネジに嵌合するネジを切った円筒形部材（１１）の上端に、平坦面を形成し、ここに接続用止めネジの端部が着座する。なお、この平坦面は、直径が小さいステップ付き部分の側に設けるため、円筒形部材が接続される継手要素に対して回転することはない。また、円筒形部材（１１）の下端には、適当な大きさの表示ピン（ｉｎｄｉｃａｔｏｒ ｐｉｎ）を取り付ける円筒形部材の軸に対して垂直な方向に穴をあけ、ネジ穴を設ける。図１６を参照。
図１７は、上下のリングを相互に接続するλ型モジュールの長脚部の組立形態の、２つの相互に垂直方向における図であり、また長手方向（ｌｏｎｇ ａｘｉｓ）における横断面図である。両端の自由度が３の自在継手（７）は止めネジによって上部側のネジ（１１）に取り付け、同様に止めネジによって下側に長さスケールを備えた中空の円筒形部材（１０）に取り付ける。さらに、長脚部の長さが固定の円筒形セグメント（１０）に、リングおよび中間接続部品（４）または（１２）によってナット（３）を取り付け、これら接続部品にボルトナットによって短脚部を接続する。中間接続部品（１２）は、突出する円筒体によって、自由度が２の自在継手の固定接続軸、および突出円筒体の軸が垂直になるボルトナットによって円筒体（１０）の軸に接続されることによって第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプの簡単な、自由度が１の回転継手の回転軸を構成する。表示ピンについては、その寸法が円筒体（１０）に切られたスケール付きスロットの寸法に合うように、止めネジによってネジ（１１）の端部に設ける。図１７から、円筒形部材（１０）の軸の周りでナットを回転させると、ナット（３）に接続されたネジ（１１）が円筒体の軸にそって並進し、長脚部の長さが可変のセグメントの長さが変化することが理解できるはずである。ボールは、バネの作用を受けて、ロッキング機能の仕事を行い、ナット（３）が半回転する毎に球面溝の表面に着座することによって脚部の長さを固定する。従って、ネジピッチの半分に等しいレゾルーション（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ：分解度）でλ型モジュールの脚部サイズを加減することができる。
図１７の長脚部の構造および長さ変化に関する説明は短脚部にも該当する。なお、両端の継手の自由度が３の止めネジを取り外す場合には、代わりに適切な継手を設けるとともに、長さが固定のセグメントの中間接続部品（１２）を取り外す。両端の継手および中間接続部品（４または１２）を使用しない場合には、基本形の的に中空の円筒形部材（１０）をナット（３）で接合することによって長短脚部を組み立てる。
以上、２つの基本形のλ型モジュールを使用した状態の、λ型モジュールの４種類の異なるタイプに共通する特徴を説明してきた。この点に関して、異なる要素について説明することにする。これらの内の一つは、第１の基本形のλ型モジュールの二種類のタイプの中間にある。相違点は、図５の部品（４）（詳細は図１１に示す）がλ型モジュールの第１タイプに存在する一方で、図６の部品（１２）（詳細は図１８に示す）がλ型モジュールの第２タイプに存在する点にある。図１８に示す全く同じ部品については、長短の脚部を相互に接続するさいに第２の基本形のλ型モジュールの２つのタイプの両者に利用でき、そして相互に９０度分離した２つの異なる位置でこれを評価する。この状態は図２、図４、図７および図８からよく理解できるはずである。λ型モジュール間に相違を作るもう一つの理由は、構造的に類似しているにもかかわらず、自由度が３の自在継手は、図５の部材（８）の場合と同様に、接続ボルトともに、リングに対して穴の軸の周りで自由に回転できる一方、短脚部の両端に取り付けられ、自由度が２の自在継手は、図２、図４、図７および図８に見られるように、これが接続される部材に対して自由に回転できないことにある。このために、継手をリングに接続するボルトは、自由度が２の自在継手の場合には、堅固に取り付ける一方、自由度が３の自在継手の場合には、ネジ部分の長さを調節することによってネジヘッドとリングの接触面間にクリアランス（ｃｌｅａｒａｎｃｅ）を残して、ネジがリングに対して相対的に回転するように構成する。
基本形のλ型モジュールの際立った構造的特徴を吟味することによって、幾何学的に多くの手段を含むλ型モジュールで課題を解決する新しいデバイスアーキテクチャーと従来の固定装置との相違がよく認識できるはずである。基本的に、第１の基本形のλ型モジュールは自由度が３の３つの球面継手、自由度が１の一つの回転継手および自由度が１の２つのネジ対を有する一方で、第２の基本形のλ型モジュールは自由度が３の２つの球面継手、自由度が２の２つの自在（カルダン）継手および自由度が１の２つのネジ対を有する。これら両モジュールに共通していることは、両モジュールの長脚部の端部に自由度が３の継手が存在し、かつ両モジュール内において相互に移動できる４つの実質的な部材（ｂｏｄｙ）が存在していることである。それ自体がモジュラー式構造であることが容易に認識できる２つの基本形のモジュールの場合、好適な止めネジによって、かつ図１１、図１２および図１８の中間部品の価値を見極めることによって短脚部の端部にある継手を変更できる特徴があるため、４つの異なるλ型モジュールタイプの中においてあるタイプから他のタイプに移行することが容易になる。このモジュラー式構造の特徴によって、モジュールを使用して構成できる新規な固定装置を組み立てることが極めて容易になる。
第１モジュールから誘導される平行ロボット構造（ｐａｒａｌｌｅｌ ｒｏｂｏｔｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）では、本質的に、合計で９つの、自由度が３の球面継手を６つの、自由度が１のネジナット対および３つの、自由度が１の回転継手と併用する。他方、第２モジュールから誘導される平行ロボット構成には、６つの、自由度が３の球面継手、６つのネジナット対および６つの、自由度が２の自在（カルダン）継手が存在する。即ち、基本的には、上下のリング間における３回転および３並進からなる自由度が６の相対運動が生じる結果、２つのモジュールによって新規な固定装置のアーキテクチャーが実現する。この結果、目的に応じて、リングに取り付けられる骨片を位置決めすることが容易になる。
上記の原理の枠内で２つのモジュールから実現した平行ロボット構成によって、固定装置が骨片を安定した平衡状態で保持する機能、および脚部長さの加減調節を介して外部手段によって医療上の制約に合わせてこれらを移動させる機能を遂行することが可能になる。さらに、システムの有効自由度が能動的なネジナット対の個数に等しいため、すべてのネジナット対を非動作状態に保持（ロック（ｌｏｃｋ ｕｐ））することによって、システムを安定した静的平衡状態に保持できる。
既に説明したように、３本の直交軸の周りで２方向に角度がほぼ１８０°の一つのλ型モジュールを回転させることによって、一つのλ型モジュールが２３＝８通りの異なる方法で上下のリングを接続することが可能になる。これとは別に、同じ型のλ型モジュールを３つ使用して構成した固定装置には８３＝５１２の異なる構成が考えられる。４つの異なる種類のλ型モジュールから新規な装置構造を形成する場合には、固定装置を構成するために合計で４３×５１２＝３２，７６８通りの異なる可能性が考えられる。これは、本発明の新規なモジュラーシステムがきわめて自由度の高い構造を有することを明らかにするものである。
上記の５１２通りの構成体の実施例として、４つの異なる型のλ型モジュールを使用して形成できる多種多様な固定装置構成を例示できる。図１９に、第１タイプの第１λ型モジュールのみを使用して構成し、すべての短脚部を右手側から長脚部に接続した（３−６）システムを示す。図１９に示すシステムのλ型モジュールのうちの一つにおける短脚部の端部にある球面自在継手（自由度は３）の一つを下部リングから取り外し、上部リングに接続した場合には、図２０に示す（４−５）システムが得られる。図１９に示すシステムのλ型モジュールの短脚部の端部にある球面自在継手の二つを下部リングから取り外し、上部リングに接続した場合、今度は図２１に示す（５−４）システムが得られる。図１９に示すすべてのλ型モジュールの短脚部の端部にある３つの球面自在継手すべてを上部リングに接続した場合には、図２２に示す（６−３）システムが得られる。図１９、図２０、図２１および図２２において、λ型モジュールの長脚部の長さが可変のネジ付設部材は上部リング近くに保持される一方、長さが固定の部材は下部リングに隣接する。長脚部の長さが可変のネジ付設部材が下部リングにより近く、そして長さが固定の部材が上部リングにより近くなるように平行ロボット構造を構成した場合、得られる構成は既に説明した構成とは基本形の的に相違しないが、関係する正運動学計算および逆運動学計算（ｄｉｒｅｃｔ ａｎｄ ｉｎｖｅｒｓｅ ｋｉｎｅｍａｔｉｃ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ）が変わってくる。この理由から、固定システムを構築するさいにあらゆる種類のλ型モジュールを使用する８通りの異なる方法について説明するのが適切と考える。ここでは、異なる構成をもつシステムの実施例のみを選択する。
図２３、図２４、図２５および図２６それぞれに、ここでは（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼び、そして上部リング上の３点、４点、５点および６点に球面自在継手を有し、かつそれぞれに下部リング上の６点、５点、４点および３点に球面自在継手を有し、すべてのλ型モジュールが、すべての短脚部を右手側から長脚部に接続した第１型モジュールの第２タイプからなる固定装置構成を示す。図２７、図２８、図２９および図３０それぞれに、ここでは（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼び、そして上部リング上の３点、４点、５点および６点に球面自在継手有し、かつそれぞれに下部リング上の６点、５点、４点および３点に球面自在継手を有し、すべてのλ型モジュールが、すべての短脚部を右手側から長脚部に接続した第２型モジュールの第１タイプからなる固定装置構成を示す。固定装置を組み立てる工程を、第２型のλ型モジュールの第２タイプを対象として短脚部のすべてを右手側から長脚部に接続した場合に適用する場合、（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置構成をそれぞれ図３１、図３２、図３３および図３４に示す。
図３５〜３８にそれぞれ示すように、固定装置の構成方法を、上部リングに３つ、４つ、５つおよび６つの接続点が、そして下部リングに６つ、５つ、４つおよび３つの接続点が形成するように左手側から短脚部を長脚部に接続した第１の形式のλ型モジュールの第１タイプに適用した場合、（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ装置構造が得られる。第１の形式のλ型モジュールの第２タイプを利用して、その他はすべて同じ条件でこの構成方法を実施した場合、それぞれ図３９〜４２に示すように、（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置のアーキテクチャー（ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ）が得られる。他の条件を同じにして、第２の形式のλ型モジュールの第１タイプを利用して上記の構成方法を実施した場合、それぞれ図４３〜４６に示す（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置のアーキテクチャーが得られる。また、他の状態をすべて同じにした状態で上記の構成方法を適用するλ型モジュールとして第２形式の第２タイプを選択した場合には、それぞれ図４７〜５０に示す（３−６）システム、（４−５）システム、（５−４）システムおよび（６−３）システムと呼ぶ固定装置のアーキテクチャーが得られる。
λ型モジュール、およびこれらを有するため、自由度がきわめて高い構造の創外固定装置の場合、ヘキサポット（Ｔａｙｌｏｒ’ｓ Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｒａｍｅ、Ｔａｙｌｏｒ ｅｔ． ａｌ．１９９９、２０１５およびＷｏｎｇ’ｓ Ｆｒａｍｅ、Ｗｏｎｇ、２０１１）よりも非常に優れた構造上の特性を有する。本発明の第１の特性は、本システムが合計で９つの点で上下のリングを接合する構造をもつ点にあり、一方、ヘキサポットの場合、合計で１２の点で２つのリングを接合する構造である。整形外科施術において、これはヘキサポットの場合、組立工程時により多くの継手を使用し、従って時間および労力がより必要になることを意味し、一方、本システムの場合には、セットアップ（ｓｅｔ ｕｐ：組立調整）に必要な時間および労力がこれよりも少なくて済む。モジュラー式構造を使用する新規システムの第２の特性は、ヘキサポットはただ一つのセットアップ（ｓｅｔ−ｕｐ）しかないが、ある一つの型のλ型モジュールの一つのタイプでも、５１２通りの構築工程が考えられ、４つの異なるモジュールを使用することによって、合計で３２，７６８通りの異なる構築工程を実現できる。
以上の説明から、本願発明のラムダ(λ)型固定装置の場合、３つを超えない、あるいは３つを下回らない、即ち正に３つのラムダ（λ）型モジュールに任意に接続した２つの平坦な平面状リングを使用して構成することが明らかに理解できるはずである。また、このラムダ(λ)型固定装置の場合、多くの点で“直交した縁辺接線の幾何的配列を有する装置”（Ｔａｍｅｒ、Ｉ．、２０１２）よりも優れている。ラムダ(λ)型固定装置の場合、合計で１８通りの異なる継手を使用して本質的に１４の相対的に移動する固体物体（ｓｏｌｉｄ ｂｏｄｉｅｓ：剛体）を接続するが、上記装置（Ｔａｍｅｒ、Ｉ．、２０１２）の場合、合計で２４の継手を使用して、１８の移動物体を接続している。上記装置（Ｔａｍｅｒ、Ｉ．、２０１２）の場合、角度９０度ほど離れた４つの突出セグメントを備え、特殊な幾何学的形状のプレート（板）上に合計で１２の継手を固定するもので、即ちこれらは取り換え不可能であり、整形外科医に負担をかけるものである。一方、本願発明のラムダ（λ）型固定装置では、治療状態に応じてこの固定装置をセッティングする時に整形外科医がラムダ（λ）型固定装置の２つの平坦な平面状リングの９つの穴の選択に制約を全く受けない。上記の装置（Ｔａｍｅｒ、Ｉ．、２０１２）の場合、８本のアームに８つのスクリューペアーを設けているため、プレート間に自由度が６の動作を与えることができるが、これは８つの入力動作のすべてが独立していないことを意味する。他方、ラムダ（λ）型固定装置の場合、６本のアームに６つのスクリューペアーを設けるため、正確には自由度が６の必要な動作を得ることができる。そこで、上記装置（Ｔａｍｅｒ、Ｉ．、２０１２）よりも本願発明のラムダ（λ）型固定装置がすぐれている点は、前者の装置には構造的な構成方法が一つしかないが、本願発明の装置の場合は一つの型式のモジュールで５１２通りの異なる構造的な構成が可能なので、異なる４通りのモジュールを使用する本願発明では結局３２，７６８通りの異なるセットアップを実現できることになる。
本発明の新規な固定装置の最も重要な作用効果の一つは、ヘキサポットの構造に内在する潜在的な異常リスク（ｒｉｓｋｓ ｏｆ ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ）の多くが、本発明の新規なシステムには存在しないことである。例えば、ヘキサポットの構造の場合、治療過程の任意段階時においてシステムの平衡位置が不安定になる平行四辺形が発生する確率は、平面数で言えば６×５/２＝１５であるが、本発明の新規なシステムの場合、この平面数は３×２/２＝３に過ぎない。また、遠位リングに作用する力の４方向が治療の任意段階中にある共通点を通過するフレームの構成異常（ｓｉｎｇｕｌａｒ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）が発生する確率は６×５×４×３/２４＝１５回であるが、本発明の新規なシステムの場合はゼロに過ぎない。本発明の新規なシステムの場合、上部リング（１）および下部リング（２）の半径が等しくなくなるように単純な方法を取った場合、そして治療開始時にわずか３対の長脚部がいかなる平行四辺形も含まないように構成した場合、望ましくない異常（ｕｎｄｅｓｉｒｅｄ ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ）に遭遇するリスクはゼロまで低くなる。
全体構成が（６−６）型のＳｔｅｗａｒｄ Ｐｌａｔｆｏｒｍに類似しているヘキサポッドの場合、解析上正確な解を得るさいに膨大な量の計算が必要である（Ｄｈｉｎｇｒａ ｅｔ．ａｌ．，２０００；Ｌｅｅ ｅｔ．ａｌ．，２００１を参照）が、本発明の新規なシステムでは、計算量は比較的少なくて済む。計算量が合理的であることが示されている（３−３）型のＳｔｅｗａｒｔ Ｐｌａｔｆｏｒｍに落とし込むことによって正確な解が得られるからである（Ａｋｃａｌｉ ａｎｄ Ｍｕｔｌｕ、２００６を参照）。
骨片の画像がフレーム部材の画像に一致する確率は、本発明の新規なシステムではきわめて低い。使用する長脚部が３つに過ぎず、また骨の画像に６つの脚部画像が重なる確率もヘキサポッドに６つの脚部画像が存在している以上、骨折部位において高いからである。さらに、一つの型のλ型モジュールに基づいて固定装置には５１２通りの異なる構築工程があり、モジュラー式構造によって一つの構築工程から他の構築工程に移行することが容易であるため、鮮明な画像を得ることができる妨害のない領域を得ることがきわめて容易である。
結論としては、本発明の創外固定装置は外部制御式の機械的手段として動作し、骨片の解剖学的軸への整合、骨の奇形矯正や骨延長法などの整形外科上の問題を解決するさいに有利であり、また異常問題（ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ ｉｓｓｕｅｓ）からはかけ離れたいくつかの解決策に寄与するもので、ほとんど計算することなく正確な計算を可能にし、従って使用部品数がすくないため、構造上の自由度の高い、きわめて多数の構築工程を可能にすることによってＸ線フィルムにおいて妨害のない画像の領域を確保でき、従って整形外科上の問題を解決できると言える。
１：上部リング
２：下部リング
３：ナット
４：中間部品
５：中間接続部品
６：中間部品（５）の止めネジ穴
７：ネジ（１１）に接続した球面継手部材
８：リングに接続した球面継手部材
９：λ型モジュールの短脚部の自由端部
１０：中空円筒形部材
１１：ネジ刻設円筒形部材
１２：λ型モジュールタイプの中間部品

Claims (29)

  1. 自由度が６のモジュラー式平行ロボット構成であって、この構成が２つのリング、即ち上部リング（１）および下部リング（２）を接続し、λ（ラムダ）の形で構成された３つの構造要素、即ちλ型モジュールによって好ましくは少なくとも２つの同心円状に穴を秩序よく設けた構成を基本的な特徴とする創外固定装置。
  2. 長脚部および短脚部として定義でき、また二つの長さが固定のセグメント（１０）および長さが可変の移動セグメント（１１）を有する円筒形部材を、前記の長脚部の前記の長さが固定のセグメントに設けられた点において相互に接合することを主な特徴とする請求項１に記載のλ型モジュール。
  3. 請求項１に記載の前記上部リング（１）および下部リング（２）を８通りの異なる方法で接続し、これによって前記の長脚部の前記の長さが可変のセグメント（１１）を前記上部リング側に設け、また前記の長さが固定のセグメント（１０）を前記下部リング側に設けるか、あるいは前記の長さが可変のセグメント（１１）を前記下部リング側に設け、また前記の長さが固定のセグメント（１０）を前記上部リング側に設け、さらに前記の短脚部を前記の長脚部に左手側あるいは右手側から接合し、前記の短脚部の自由端部を前記上部または下部リングに接合したことをさらに特徴とする請求項１および２に記載のλ型モジュール。
  4. 請求項３に記載の特徴を利用することによって、構造中に３つのλ型モジュールを有するため、５１２通りの異なる方法で構築できることをさらに特徴とする請求項１に記載の平行ロボット構成。
  5. 請求項２〜４の記載に従って、請求項１に記載のモジュラー式平行ロボット構成を形成する第１の基本形のλ型モジュールであって、このモジュールが基本的な構造要素であり、この要素に３つの独立した軸の周りで回転できる２つの球面継手（７、８）が存在し、これら球面継手が前記の長脚部の各端部に存在し、前記の長脚部および前記の短脚部が相互に接続される点に自由度が１の一つの単純な回転継手が存在し、前記の短脚部の自由端部に自由度が３のもう一つの球面継手が存在し、そして前記の長脚部および短脚部それぞれの長さが可変な移動セグメントに２つのネジナット対が存在することを主たる特徴とする第１の基本形のλ型モジュール。
  6. 請求項２〜４の記載に従って、請求項１に記載のモジュラー式平行ロボット構成を形成する第２の基本形のλ型モジュールであって、このモジュールが基本的な構造要素であり、前記の長脚部の両端に２つの自由度が３の球面継手を有し、２つの自由度が２の自在（カルダン）継手を設け、即ち一つを前記の短脚部の自由端部に設け、そしてもう一つを長脚部との接続点に設け、そして長短の脚部両者の長さが可変の移動セグメントに２つのネジナット対を設けたことを主たる特徴とする第２の基本形のλ型モジュール。
  7. 請求項２〜４の記載に従って、請求項１に記載の平行ロボット構成を形成する第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプであって、前記の短脚部の軸線を、請求項５に記載の第１の基本形のλ型モジュールの同じ平面に存在する前記の長短脚部の軸線から、前記回転継手の前記回転軸にそって見た場合に、前記の長脚部軸上の一点を通って前記の長脚部の軸に対して垂直な半径方向外側に進む直線にシフトすることによって操作領域を広げたことを主たる特徴とする第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプ。
  8. 請求項２〜４の記載に従って、請求項１に記載の平行ロボット構成を形成する第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプであって、長脚部と短脚部の前記接続点の前記自在継手を長脚部の軸に垂直な半径方向外側にシフトすることによって、請求項６に記載の前記第２の基本形のλ型モジュールの前記の短脚部の操作領域を広げたことを主たる特徴とする第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプ。
  9. 請求項２に記載の主たる特徴をもつ前記λ型モジュール、請求項５に記載の第１の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項６に記載の第２の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項７に記載の第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプおよび／または請求項８に記載の第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用した、細部を請求項３に記載した、請求項１に従う平行ロボット構成体であって、前記上部リング（１）の３点に３つの継手を設け、かつ前記下部リング（２）の６点に６つの継手を設けた（３−６）型と呼ぶ固定装置を実現できることを特徴とする平行ロボット構成体。
  10. 請求項２に記載の主たる特徴をもつ前記λ型モジュール、請求項５に記載の第１の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項６に記載の第２の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項７に記載の第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプおよび／または請求項８に記載の第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用した、細部を請求項３に記載した、請求項１に従う平行ロボット構成体であって、前記上部リング（１）の４点に４つの継手を設け、かつ前記下部リング（２）の５点に５つの継手を設けた（４−５）型と呼ぶ固定装置を実現できることをさらに特徴とする平行ロボット構成体。
  11. 請求項２に記載の主たる特徴をもつ前記λ型モジュール、請求項５に記載の第１の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項６に記載の第２の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項７に記載の第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプおよび／または請求項８に記載の第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用した、細部を請求項３に記載した、請求項１に従う平行ロボット構成機構であって、前記上部リング（１）の５点に５つの継手を設け、かつ前記下部リング（２）の４点に４つの継手を設けた（５−４）型と呼ぶ固定装置を実現できることをさらに特徴とする平行ロボット構成体。
  12. 請求項２に記載の主たる特徴をもつ前記λ型モジュール、請求項５に記載の第１の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項６に記載の第２の基本形のモジュールの第１タイプおよび／または請求項７に記載の第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプおよび／または請求項８に記載の第２の基本形のλ型モジュールの第２タイプを使用した、細部を請求項３に記載した、請求項１に従う平行ロボット構成機構であって、前記上部リング（１）の６点に６つの継手を設け、かつ前記下部リング（２）の３点に３つの継手を設けた（６−３）型と呼ぶ固定装置を実現できることをさらに特徴とする平行ロボット構成体。
  13. 固定装置構造中に合計で９つの自由度が３の球面継手、６つのネジナット対、および３つの自由度が１の単純回転継手を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、５および７に記載の平行ロボット構成体。
  14. 固定装置構造中に合計で６つの自由度が３の球面継手、６つの自由度が２の自在継手、および６つのネジナット対を設けたことを特徴とする請求項１、２、３、６および８に記載の平行ロボット構成体。
  15. 請求項５、６、７、および８に記載の４つの異なるλ型モジュラーを使用して請求項１および３に従って構築できるモジュラー式平行構成であって、その他のすべての請求項に従って、３２，７６８通りの異なる創外固定装置を実現できることを特徴とするモジュラー式平行構成。
  16. 請求項１〜１５、特に請求項２に記載のすべての型式のλ型モジュールの全体構成であって、長脚部および短脚部の構造を反映した長さが固定の円筒体部材（１０）および長脚部および短脚部の構造を反映した長さが可変の移動円筒形部材（１１）をナット（３）によって相互に接続したことを特徴とする構成。
  17. 請求項１６に記載のλ型モジュールの構造中に存在するナット（３）であって、取り付けネジを刻設した前記円筒形部材（１１）とともに、前記脚部の長さを変更するさいに利用できる、ネジナット対を最も狭い部分に形成し、そしてさらに最も直径が大きい円筒形部分に手動回転するのに便利なローレット加工刻みを有し、上部外側部分に標準的なスパナに嵌合する適正な切断平面を有し、前記ナット（３）の軸および切断平面に同時に垂直な円筒形穴を有し、前記ナット（３）を前記中空円筒形部材（１０）に接続するためのリングの着座部分になるように溝を刻設した円筒形スペースを内側下部に有することを特徴するナット。
  18. 請求項２、１６、および１７に記載の中空円筒形部材（１０）であって、下部に自由度が２か、あるいは自由度が３の継手の取り付けを容易にする止めネジを有し、好適な寸法のボールが着座できる２つの球面溝を上部側に相互に逆方向で有し、前記ナット（３）を好便に取り付けることができるよう切断したリングシートを有し、前記λ型モジュール脚部の長さを測定できるように線形スケールで等級化した前記円筒形部材（１０）の軸に平行なスロットを有し、前記ナット（３）および前記リングの取り付けを容易にするように上端部分を円形にテーパー加工したことを特徴とする中空円筒形部材。
  19. 請求項１６および１７に記載した特徴を備えたナット（１３）と請求項１８に記載した中空円筒形部材（１０）とを有する組立品であって、軸方向に並進することなく回転できるようにナット（３）をリングによってそのシートに嵌合し、前記ボールが前記ナット（１３）に属する、端部にキャップを備えた円筒形穴に挿入されたヘリカルバネによって前記円筒形部材（１０）の表面の球面溝に押圧することを特徴とする組立品。
  20. 前記ナットを取り付けた円筒形部材（１０）の組立品であって、前記バネ作用を受けている前記ボールが、係止機構として作用する仕事を実行し、前記ナット（３）が半回転するたびに、球面溝の表面に着座することによって脚の長さを固定することを特徴とする組立品。
  21. 上部リング（１）と下部リング（２）とを接続するλ型モジュールの長脚部の組立品であって、両端における自由度が３の自在継手（７）を止めネジによって上部側のネジ（１１）に取り付け、同様に止めネジによって下側に長さスケールを備えた中空円筒形部材（１０）に取り付け、リングによってナット（３）を取り付け、そして中間接続部品（４）または（１２）をボルトナットによって取り付けることを特徴とする組立形態。
  22. 請求項２および２１に従って請求項５に記載のλ型モジュールの構成に必要な中間接続部品（４）であって、それ自体に回転継手のピンが挿通する穴を有し、この回転継手穴の軸に垂直な長短の脚部の軸線を回転継手穴の軸に対して垂直な同じ単一平面内に保持し、そしてボルトナットの使用によって長脚部の軸の長さが固定のセグメント（１０）上の点に前記回転継手の位置を固定することを特徴とする中間接続部品。
  23. 突出する円筒部によって自由度が２の自在継手の固定接続軸を構成するとともに、前記円筒部の軸が垂直関係にあるボルトナットによって前記円筒部（１０）の軸に接続されることによって請求項７に記載の第１の基本形のλ型モジュールの第２タイプの単純な自由度が１の回転継手の回転軸を構成することを特徴とする請求項２１に記載の中間接続部品。
  24. さらに、相対的な回転が生じないように止めネジ穴（６）および前記中間部品（５）上の好適な止めネジによって前記の短脚部の端部に取り付けた、請求項２２に記載の中間接続部品（４）を使用して、組立形態を請求項２１に記載した前記ナット（３）の部分において長さを調節する前記の長脚部をこの長脚部と同様な構造上の特徴を備えた前記の短脚部に接続することによって構成したことを特徴とする請求項５に記載の第１の基本形のλ型モジュール。
  25. さらに、相対的な回転が生じないように止めネジ（６）および前記中間部品（５）上の好適な止めネジによって前記の短脚部の端部に取り付けた、請求項２３に記載の中間接続部品（１２）を使用して、組立形態を請求項２１に記載した前記ナット（３）の部分において長さを調節する前記の長脚部をこの長脚部と同様な構造上の特徴を備えた前記の短脚部に接続することによって構成したことを特徴とする請求項７に記載の第１の基本形のλ型モジュールの第１タイプ。
  26. ９０度の角度で分離した２通りの異なる構成で、前記の長短の脚部を相互接続するさいに前記中間接続部品（１２）を評価することをさらに特徴とする請求項６および８に記載の第２の基本形のλ型モジュール。
  27. 接続点において相対的な回転が生じないように、接続ネジによって前記リングにきつく取り付けたことを特徴とする請求項６および８に記載の第２の基本形のλ型モジュールに使用する自由度が２の自在継手。
  28. 前記自在継手を前記リングに接合する接続ネジに、前記ボルトヘッドと前記リングとの接触面の間にネジ長さを調節することによってある程度のクリアランスを残すことによって前記リングに対して回転できる能力を付与したことを特徴とする請求項５〜８に記載のすべての形式のλ型モジュールに使用する自由度が３の自在継手。
  29. いずれもが請求項２に記載の独自のモジュラー式構成であり、好適な止めネジによって、機能を請求項２２、２３、２４、２５および２６に記載した前記中間接続部品（４）、（５）、（６）、（１２）を評価することによって前記の短脚部の両端の継手を変更し、一つのモジュール型から別なモジュール型に変更できることを共通の特徴とする請求項５〜８に記載のすべての形式のλ型モジュール。
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