JP4257976B2 - 骨代替材料の送達用ねじ付きシリンジ - Google Patents

骨代替材料の送達用ねじ付きシリンジ Download PDF

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Description

本発明は、ねじ付きシリンジに関する。より詳細には、本発明は、骨代替材料の送達に使用するシリンジに関する。
注射可能な骨代替材料は、骨折および欠陥の整形外科による修復および増強のために使用される。骨代替材料は、骨量における小腔の形成に必要ないくつかの診断または治療処置で使用することもできる。この処置を用いて、たとえば骨粗鬆症、血管壊死、癌、または外傷により骨折した、または圧迫骨折あるいは崩壊し易い骨を治療することもできる。十分に治療できない場合、こうした状態が、奇形、慢性合併症を招き、生活の質に全般的に悪影響を及ぼす可能性がある。
さらに、知られているように、外科手術中に、比較的大量の骨代替材料を比較的低圧力で注射し、その後、実質的に増強した力を加えずに、少量の材料を比較的高圧力で注射する必要がある場合もある。しかし、特に強粘性または固体であり撓み性があるセメント組成物では、標準の押出式シリンジで、シリンジのプランジャに軸方向に圧力を加えることによって、材料を、シリンジの出口開口部を介して押し出すのに必要な圧力を生成するのが難しい場合が多い。他の重大な問題は、プランジャに十分な圧力を加えた後、外筒の出口開口部を介して押し出される材料の量を正確に制御することが難しく、材料が骨外に(すなわち、骨小腔の外に)流れてしまうことである。
様々なタイプのデバイスが、骨セメントなど骨代替材料を送達するために使用されてきた。たとえば、レバーの形のトリガを備えたトリガ機構を有するインジェクタ・ガンが使用されてきた。また、外筒およびプランジャを備えた標準の押出式シリンジもこうした目的に使用することができる。
トリガ・ストロークに呼応する第1および第2の機械的利益を有するトリガ機構を備えた骨セメント・ガンが、米国特許第5,638,997号で開示されている。米国特許第4,338,925号では、第1の機械的利益により高圧力を生じ易くする、一定の機械的利益を備えたトリガ機構を利用するトリガ・ガンが開示されている。
しかし、トリガ・ガンは、一般に、シリンジ装置を使用して得られる改善された触覚フィードバックに欠ける。こうした改善された触覚フィードバックは、材料が送達デバイスから出るのを阻止する閉塞または封鎖がある場合に、外科医に知らせるために、または椎の修復など感覚的処置の実施では重要である。
骨セメントを手術用に作成された骨小腔内に注射するためのインジェクタまたはシリンジの一タイプが、欧州特許第B1−006430号に記載されている。この骨セメント・インジェクタは、ピストン、および比較的小さい断面のノズル管を有するノズル要素が取り付けられた円筒形の管からなる。こうしたインジェクタは、簡単な方法でペースト状の骨セメントを混合し、押し出すことができるように構成されている。これに関して、ノズル管は、比較的小さい断面の2部の部材として作成されている。
骨セメント用の他のタイプのシリンジは、米国特許第4,576,152号に開示されている。インジェクタには、低圧力での操作用シリンダ管の底部に注射ノズルが設けられて、大量の骨セメントを送達するようになされている。ノズル要素は、高圧力での注射用シリンダ管に解放可能に取り付けることができる。このノズル要素は、低圧力の注射では取り外され、高圧力の注射では取り付けられる。
米国特許第5,638,997号 米国特許第4,338,925号 欧州特許第B1−006430号 米国特許第4,576,152号
本発明は、骨代替材料の送達用シリンジに関する。このシリンジは、材料を保持するための外筒、外筒内で受入れ可能であり、ねじ部を有するプランジャ、および外筒と同軸に配置されたねじ付き貫通孔を含む係合部材を備える。プランジャのねじ部は、プランジャを軸方向に押し、プランジャを回転させることによって、外筒のねじ付き貫通孔を介して可動である。
好ましい係合部材は、C形をしており、係合部材を通って半径方向に延びるスロットを含む。さらに、好ましい係合部材は、半径方向に拡張可能である。一実施形態では、貫通孔の断面の大きさは可変である。他の実施形態では、貫通孔は、プランジャが貫通孔を通って移動するときに、プランジャと全面で接触する内面を備える。
他の好ましい実施形態では、プランジャが遠位方向に押されるときは、材料は第1の圧力下で外筒から出され、プランジャが回転によって前進するときは、材料は第2の圧力下で外筒から出される。好ましくは、プランジャが軸方向に押されるときは、プランジャのねじ部が係合部材を通過するときに可聴ノイズを生じる。好ましくは、可聴クリック音毎に所定量の材料が外筒から押し出される。さらに、プランジャの回転と共に外筒が前進するときに、所定量の材料が外筒から押し出される。
好ましくは、シリンジは、材料を含んだパッケージの一部を受けるように構成された結合部材も備えて、材料をパッケージから外筒に移送し易くする。好ましい結合部材は、材料を外筒内に注ぎ込む漏斗部材を備える。
好ましくは、このシリンジは、近位端で外筒に結合されたフィンガ・グリップも備え、係合部材は、フィンガ・グリップ内に収容される。一実施形態では、このフィンガ・グリップは、1対の半殻を備える。好ましい実施形態では、この係合部材はフィンガ・グリップ内で、プランジャを軸方向に押すことによってプランジャを前進させることができる第1の位置と、プランジャを回転させることによってプランジャを前進させることができる第2の位置との間で可動である。好ましい係合部材は、係合部材が第1の位置にあるときに、フィンガ・グリップの内壁と接触する延長アームを備える。好ましくは、係合部材は座部と係合して、係合部材が第2の位置にあるときに、係合部材が拡張するのを阻止する。
本発明は、外筒と係合部材とプランジャとを有するシリンジから、材料を放出する方法にも関する。好ましい一方法は、係合部材を介してプランジャを押すことによって、プランジャを外筒内で移動させる段階、および係合部材を介してプランジャを回転させることによって、プランジャを外筒内で移動させる段階を含む。
図1および2を全般的に参照すると、本発明によって作成されたシリンジ10の第1の実施形態は、円筒形本体または外筒12、係合部材13、およびねじ付きプランジャ14を備える。このシリンジは、薬物の送達、好ましくは、骨の外傷または病気からの回復を促進する材料の送達に使用するものである。骨の治療に適用可能な適した材料の例には、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、Norian Corporation of Cupertino、CAから入手可能なNorian Calcium Phosphate Bone Cementなどリン酸カルシウム・セメント、硫酸カルシウム・セメント、脱塩骨懸濁液、または他の骨充填剤材料あるいは骨代替材量が含まれる。好ましい実施形態では、シリンジ10は、比較的強粘性または固体であり撓み性がある材料、またはペーストなど固体に対する液体の割合が比較的小さい材料を送達するものである。
外筒12は、近位端20から遠位端22まで外筒12の長手方向軸18に沿って延びる中央チャネルまたは孔16を備える。孔16の内部は、実質的に円筒形であり、径Dが約0.625インチであることが好ましい。シリンジ10を使用するとき、出口チャネル24は、孔16の遠位端で孔16と流体連通しており、外筒12の内容物を孔16を介して放出するための、孔16の径よりも小さい径を有する。孔16の内壁は、遠位端で減少角度26で先細りになり、より小さい径の出口チャネル24へ移行する。好ましい実施形態では、減少角度26は、材料が孔16から外に出口チャネル32内に移動し易くするため、侠角が約90°である。外筒12は、全般的に円筒形の外面28を有し、近位端20で外面28を超えて半径方向に延びる好ましくは少なくとも1つの円形フランジ30を有する。1対の平坦なフィンガ・グリップ取付部33は、外筒12の近位端20から半径方向に外側に、かつ長手方向に近位端20を超えて延びて、フィンガ・グリップ34を支持する。
針取付部分36は、シリンジ10の遠位端22に形成されている。針取付部分36は、外筒12の遠位端から遠位方向に延びる中央シリンダ38を備え、中央シリンダ38の内部で出口チャネル32を画定する。1対のフィン40は、外筒12の遠位端からシリンジ10の遠位端22に延びている。少なくとも1つのフランジ42が、針取付部分36の遠位端に配置されて、針などをシリンジ10の遠位端22に取り付け易くする。
フィンガ・グリップ34は、シリンジ10の近位端20でフィンガ・グリップ取付部33に結合されており、シリンジを使用するときに、ユーザの指に対応するように構成されている。好ましい一実施形態では、フィンガ・グリップ34は、取付部33上に嵌合され、超音波溶接などによって、対合関係で共に取り付けられた1対の半殻44を備える。好ましくは、フィンガ・グリップ34の遠位部分は、円形フランジ30と衝合して、シリンジを使用するときに、フィンガ・グリップ34に近位方向に加えられる力を全て外筒12に伝達し、またその逆に伝達する。フィンガ・グリップ34の内部の一部は、取付部33と衝合し、または接触して、フィンガ・グリップ34に伝達される回転力を全て外筒12に伝達し、またその逆に伝達する。フィンガ・グリップ34の外部は、外筒12の径よりもわずかに大きい径の中央円筒形部分46、および外筒12の長手方向軸18に平行に方向付けられた1対のフィンガ部分48を備える。フィンガ・グリップ34の内部は、少なくとも部分的に中空であり、その中に係合部材13を収容する。好ましい実施形態では、係合部材13は、半径方向に自由に拡張し、中央円筒形部分46の内部で軸方向に移動する。代替実施形態では、係合部材13を外筒12内に収容し、または外筒12と一体型に形成することができる。
図2および3を参照すると、係合部材13は、外筒12の近位端20に隣接して配置され、その内面54上にねじ山52を有するねじ付き貫通孔50を含む。係合部材13のねじ山52は、プランジャ14のねじ山と相補的なものである。好ましい実施形態では、係合部材13は、C形をしており、上記の円形フランジ30の径に全般的に対応する外径である。スロット56は、貫通孔50から係合部材13の外面58まで半径方向に延びて、係合部材13が、図3の矢印60で示したように、半径方向に拡張できるようにする。好ましい実施形態では、係合部材13およびねじ付き貫通孔50は、フィンガ・グリップ34内に配置されて、外筒12の中央孔16と軸方向に整列するようになされている。スロット56は、フィンガ・グリップ取付部33の1つと整列かつ係合し、係合部材13の外面58の一部は、もう一方のフィンガ・グリップ取付部33と衝合する。係合部材13は、フィンガ・グリップ34の内部で軸方向に可動である。係合部材13は、図11Aで示したように、係合部材が外筒12と衝合または接触する、フィンガ・グリップ34の遠位側の第1の位置と、図11Bで示したように、係合部材がフィンガ・グリップの内壁と衝合または接触する、フィンガ・グリップ34の近位側の第2の位置との間で可動である。係合部材13は、フィンガ・グリップ取付部33と係合したときに、スロット56によって回転が阻止される。係合部材13は、係合部材が第1の位置にあり、係合部材の簡単に確認できる特徴を提供して、シリンジ10の適切なアセンブリを助けるときに、フィンガ・グリップ34の内壁と接触する延長アーム62を備える。
図4を参照すると、プランジャ14は、近位端72、遠位端74、ねじ付きステム76、ねじが付いていない遠位先端部78、および一体型に形成されたハンドル形頭部80を有する。ねじ付きステム76の外側ねじ山82は、係合部材13の内側ねじ山52を相補し、それと対合するように構成されている。ねじ付きステム76のねじ山82の外径は、外筒12の中央孔16の内径Dとおおむね同じであるが、それよりも僅かに小さくなっており、ねじ付きステム76が、僅かな公差で中央孔16内でスライドするようになされている。好ましい一実施形態では、ねじ付きステム76のねじ山82のピッチは、約0.10インチ、または1インチ当たりの山数が約10である。ねじ山82のフランク角84、86は、対称でないことが好ましい。図5で見ることができるように、それぞれねじ付きステム76のねじ山82の進み側フランク面88は、進み側フランク角84を有する。好ましい実施形態では、進み側フランク角は、約60度である。ただし、好ましい進み側フランク角84は、約45度〜約75度である。追い側フランク面90は、それぞれ追い側フランク角86が、約0〜約10度、好ましくは0度である。好ましいフランク角は、材料をシリンジ10から押出式に送出し、使用の際に、プランジャ14が近位方向に押され、または強制されるのを阻止し易くするものである。上記のねじの輪郭は、アクメねじの輪郭から明らかに逸脱し変更された構成をもつ。読者は、Machinery’s Handbookを参照されたい。本明細書でねじ山およびその構成要素を記載するために使用する用語のより詳細な記載については、Industrial Press Incorporated、New York、N.Y.、24版を参照されたい。ねじ部分を説明する記述に含まれた定義の多くを、参照により本明細書に組み込む。
材料が外筒12内に前進するときに、材料が、ねじ付きステム76のねじ山の間に逆流するのを阻止するため、ねじの付いていない先端部78の外径は中央孔16の内径とおおむね同じであるが僅かにそれよりも小さくなっており、ねじの付いていない先端部78が中央孔16内で僅かな公差でスライドするようになされている。ねじの付いていない先端部78は、環状の凹部も有して、適したサイズのOリング(図示せず)を受けて、中央孔16の内面に対するさらに有効な密封を提供する。ねじの付いていない先端部78の遠位端74は、角度を付けた先端面92を有し、この先端面92は、最大量の材料をシリンジ10から外に放出し易くする。好ましい一実施形態では、先端部78の遠位端のプランジャの角度94は、約95〜145度、さらに好ましくは約105〜135度、最も好ましくは約120度である。プランジャの角度94が減少角度26と等しくないことが望ましいことも判定されている。プランジャの角度94を、減少角度26よりも大きくして、最大量の材料をシリンジから出すことができるようにすることも好ましい。
プランジャ14を、係合部材13を介して軸方向に押し、または回転させて、外筒12内で前進させることができる。プランジャ14は、プランジャを軸方向に押すことによって、係合部材13のねじ付き貫通孔50を通って、外筒12の長手方向軸18に沿って可動である。プランジャ14は、また、プランジャを回転させることによって、外筒12の長手方向軸に沿って移動させることができ、プランジャ14のねじ付きステム76のねじ山82が、ねじ付き貫通孔50のねじ山52と係合するようになされている。
図6〜9を参照すると、好ましい一実施形態では、結合部材110を外筒12の近位端20に取り付けて、材料を外筒12内に挿入し易くすることができる。結合部材110は、カップラ98を有するパッケージまたは管96に嵌合するように適合されて、管96内に保持された材料をシリンジに移動させ易くする。
図7で示した、1つの好ましい結合部材110は、その底部にある比較的広い開口部116から上方に延びる比較的細い円筒形ノーズ114を有する逆中央漏斗部材112を含む。ねじ係合フィンガ118は開口部116から間隔を置いて配置され、係合部材13のねじ山52と係合するように構成されている。1対のリリーズ・アーム120は、ノーズ114の頂部から半径方向に外側に延び、結合部材110を外筒12の近位端20に対して挿入し、取り外し易くする。図8で見ることができるように、結合部材110を外筒12の近位端20内に挿入した後、管96のカップラ98は、結合部材110と係合し、ノーズ114はカップラ98内に延びる。管96が外筒12と係合した状態で、管96内の材料を、たとえば管96を締めつけることによって、管96から簡単に移動させることができる。材料が外筒12に入ると、結合部材110の逆漏斗112は、係合部材13を介して材料の向きを有利にそらし、材料の移送中に係合部材13を材料との接触から保護する。係合部材を材料と接触しないように維持することは、係合部材がシリンジの操作中に自由に移動することができるようにするために望ましい。図9を参照すると、十分な材料を外筒12に移送した後、リリーズ・アーム120にアクセスし、フィンガ118をねじ山52から解放することによって、結合部材110および管96をシリンジ10から簡単に取り外すことができる。
次に図10を参照すると、材料が外筒12内に置かれた後、プランジャ14は、外筒12の近位端20内に係合部材13を介して挿入され、外筒12の中央孔16内に延びる。所望に応じて、材料を、低圧および高圧下で放出することができる。たとえば、低圧力は、大量の材料を放出するのに適しており、高圧力は、たとえば材料を閉鎖腔内に流し込まなければならない場合、または海綿骨への浸透が望まれる場合に適している。いくつかの実施形態では、十分なレートで治療材料を注射するには、約100psi〜約500psiをもたらさなければならない。ユーザが、材料の挿入中に、触覚フィードバックを受けて、必要な処置に応じて、材料を最適の圧力下で送達することが望ましいことを留意されたい。
プランジャ14を軸方向に押すことによって、材料を低圧力下で放出することができる。上記で述べたように、ねじ山82のフランク角84、86は対称ではなく、進み側フランク角84をもつ進み側フランク面88を有する。したがって、プランジャを軸方向に前進させ、または押したとき、この進み側フランク角84は、係合部材13をフィンガ・グリップ34内の領域に案内し、そこで図3の矢印60で示したように、係合部材13が半径方向に弾性的に拡張する。これに関して、プランジャの各ねじ山82が貫通孔50を通過したとき、貫通孔50の断面の大きさは、係合部材13の拡張および収縮と共に変化する。こうすると、プランジャが遠位方向に前進したときに、係合部材13が、最小限の抵抗をもつラチェットのような働きをする。追い側フランク角が約0度の好ましい実施形態では、ねじ山82が係合部材を通って遠位方向に前進した後、プランジャを反時計回りの方向に回転させずに、すなわちプランジャのねじをゆるめずに、ねじ山が、係合部材を介して近位方向に戻るのが阻止される。好ましい実施形態では、貫通孔50の内面54は、プランジャ14を取り囲み、好ましくは、プランジャが貫通孔50を通って移動するときに、プランジャ14と全面で接触する。ねじ山82が係合部材を完全に通過する毎に、同時に可聴クリック音がすることが好ましい。ねじ山82のピッチを外筒12の断面の大きさに対して調整することによって、このクリック音は、シリンジから押し出した材料の個々の体積を示す。径0.625インチ、ねじ山ピッチ0.10インチの好ましい一実施形態では、1クリック音が、シリンジから押し出した材料0.5ccを示す。これによって、ユーザに、送達した体積を決定する方法が提供される。
プランジャ14の頭部80を外筒12に対して時計回りの方向に回転させることによって、材料を、高圧下で放出することができる。この頭部を回転させると、プランジャ14の遠位端74は、外筒12の中央孔16内に次第に前進する。ねじ付き貫通孔70およびねじ付きステム76は協働して、頭部80に加えられる回転外力を、プランジャ16の遠位端74を介して外筒12内に含まれた骨セメント材料に加えられる長手方向の力に転換する。ねじ付きプランジャの使用により、ユーザが、比較的高圧下で材料を外筒12の遠位端22から外に押し出すために外筒12内で必要とされる力を生成し易くなることが、当業者には理解されるであろう。頭部80の形も、ユーザが最低限の手および手首の回転で、プランジャ16を有効に回転させることができるようにすることを留意されたい。拡大した頭部80は、ユーザが把持し、操作し易い形をしている。特に、強粘性または固体であり撓み性がある骨セメント組成物が外筒12内に存在する場合は、プランジャ16を外筒12に対して回転させることによって、プランジャ16を外筒12内に前進させるときに、外筒12内にかなりの圧力を生成することができることを当業者は理解されたい。これに関して、好ましい一実施形態では、ねじ付きプランジャの使用によってもたらされる機械的利益は、好ましくは、約5対1である。さらに、外筒12に対するプランジャ14の回転数(またはその分数)により、シリンジ10の遠位端22から排出された材料の量を計量する手段が提供される。ねじピッチ0.10インチを含む、好ましい一実施形態では、それぞれ頭部80の完全な回転(たとえば360度)によって、プランジャ14を、材料0.5ccを外筒12の遠位端22から外に押し出すのに十分な距離だけ長手方向に前進させる。
図11Bを参照すると、好ましい一実施形態では、プランジャを時計回りの方向に回転した後、係合部材13を近位方向に移動させ、フィンガ・グリップ34の近位の内部で座部126と係合させる。座部126は、好ましくは、係合部材13の外部の少なくとも一部分を取り囲み、または捕捉し、係合部材が半径方向に拡張するのを阻止する。それによって、係合部材に剛体的支持を有利に提供して、係合部材がねじ付きナットのような働きをし、プランジャ14の回転運動を軸方向の運動に変えるようにする。
当業者は、本明細書で開示した本発明への多数の変形および修正を考察されるであろう。こうした修正は全て、頭記の特許請求の範囲の真の精神および範囲で企図されている。
本発明により作成されたシリンジ装置を示す斜視図。 フィンガ・グリップの断面図を示す、図1のシリンジの正面図。 図1の係合部材を示す斜視図。 図1のねじ付きプランジャを示す斜視図。 図1のねじ付きプランジャのねじ山を示す長手方向の部分断面図。 材料の管の図1のシリンジへの取付けを示す分解斜視図。 図6の結合部材を示す斜視図。 材料の図1のシリンジへの移送を示す正面断面図。 図6の管を図1のシリンジから取り外したところを示す斜視図。 図4のプランジャの図1の外筒内への挿入を示す斜視図。 図11A,Bは、それぞれ第1および第2の位置にある係合部材を示す、図1のフィンガ・グリップの部分断面図。

Claims (11)

  1. 材料を保持し、外筒を通って延びる長手方向軸を有する外筒と、
    前記外筒内で受入れ可能であり、ねじ部を有するプランジャと、
    係合部材であって、前記外筒と同軸に配置され、前記プランジャの前記ねじ部と相補的なねじ山を有するねじ付き貫通孔を備え、かつ、該貫通孔から該係合部材の外面まで半径方向に延びるスロットを備えてC形を成す係合部材と、を備え、
    前記係合部材は、第1の位置と第2の位置との間で可動であり、
    前記貫通孔は、前記プランジャが該貫通孔を通って移動するときに、該プランジャと全面で接触する内面を備えており、
    前記第1の位置では、係合部材は半径方向に拡張可能であり、前記プランジャは、該プランジャを軸方向に押すことによって係合部材を通って前進することができ、
    前記第2の位置では、係合部材は半径方向に拡張するのを阻止され、プランジャは該係合部材に対して回転可能であって、該プランジャを回転させることによって該プランジャを前進させることができる、骨代替材料の送達用シリンジ。
  2. 前記貫通孔をその軸方向で見た際の該貫通孔の断面の大きさが可変である、請求項1に記載のシリンジ。
  3. 前記プランジャが遠位方向に押されるときに、第1の圧力下で前記材料が外筒から出され、前記プランジャが回転によって前進するときに、第2の圧力下で材料が外筒から出される、請求項1に記載のシリンジ。
  4. 前記プランジャが、その回転と共に前進するときに、所定量の材料が前記外筒から放出される、請求項1に記載のシリンジ。
  5. 材料を含むパッケージの一部を受けることにより、パッケージから前記外筒への材料の移送を容易にするように構成された結合部材をさらに備える、請求項1に記載のシリンジ。
  6. 前記結合部材が、前記材料を前記外筒内に注ぎ込むための漏斗部材を備える請求項5に記載のシリンジ。
  7. 前記外筒に近位端で結合されたフィンガ・グリップをさらに備え、前記係合部材が前記フィンガ・グリップ内に収容される、請求項1に記載のシリンジ。
  8. 前記フィンガ・グリップが1対の半殻を備える、請求項7に記載のシリンジ。
  9. 前記係合部材が、前記フィンガ・グリップ内で、前記プランジャを軸方向に押すことによって前記プランジャを前進させることができる第1の位置と、前記プランジャを回転させることによって前記プランジャを前進させることができる第2の位置との間で可動である、請求項7に記載のシリンジ。
  10. 前記係合部材は、前記係合部材が前記第1の位置にあるときに前記フィンガ・グリップの内壁と接触する延長アームを含む、請求項9に記載のシリンジ。
  11. 前記係合部材は、該係合部材が前記第2の位置にあるときに、前記フィンガ・グリップの近位の内部で座部と係合することにより、該係合部材が拡張するのを阻止される、請求項9に記載のシリンジ。
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