JP4759266B2 - 磁気標的装置 - Google Patents
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Description
参考引用書誌の完全なリストが本明細書の末尾に添付されている。
髄内釘内の横断遠位開口の正確な位置をもたらす従来方法の1つはX線を用いる。X線透視診断法の下で、所望の連結開口がドリルビットを完全な中心に有する完全な円形として現れると、整列が正確であることが示される。もし整列が失われると、穿孔は停止され、ドリルビットはさらなるX線撮影を用いて再整列される。最も初歩的な形態において、開口はフリーハンド手段で穿孔される。ドリルビットを芯出しする工程では、外科医が操作に必要な十分な場所を有するよう、患者の四肢の軟組織が骨に至るまで完全に切り離されることが求められる。第一に、横断遠位開口の位置を特定し、第二に、開口を正確に穿孔するために、X線撮影は長時間のX線照射を必要とする。よって、X線照射は外科医及び患者の双方によって危険なレベルまで蓄積し得る。加えて、X線撮影はX線装備を患者位置に出し入れ移動することを必要とし、よって、装備が再位置決めされる度に整列が失われる機会が数多くある。
X線撮影を用いないで正確に標的を定めるという要望によって、遠位の髄内釘スクリュ開口の標的を定めるために磁石を用いる最近の試みに導かれた。永久磁石又は電磁石によって髄内釘内に誘引される磁束場の位置を捜すのに外部磁気センサを用いる装置が開発された(Brudermannに発効した米国特許第4,621,628号)。幾つかの装置は髄内釘全体を磁化し、連結開口の周りに発生する磁束内の変化を捜すことさえも試みた(Zacheja et al.,2000)。
磁気標的法は幾つかの顕著な利点を有する。磁界は髄内釘及び人体組織を貫通可能であり、X線とは異なり、歪められたり或いは生理的な損傷を引き起こすことがない。磁気装置は余り動力を必要とせず、携帯型のバッテリ動作を可能とする。
顕著な欠点は、標的装置の大部分が特定の釘だけと作動するように製造され、他に適合し得ないことである。加えて、磁界は、10cmの距離で検知され得る程に強力でなければならない。これは、髄内釘の中心と髄内釘移植片の最も厚い場所における患者の肢、普通は大腿の外側との間の平均的な最大距離である。電磁石はより強力な磁界を発生し得るが、磁界を生成するのに本体内で電流を用いる装置は、その内在的な危険性の故に、厳しいFDA認可を必要とする。
有利に、本発明のシステムは現存する磁石挿入技法の幾つかを用い得るが、標的の課題に対して電子的なアプローチを適用する。本発明の標的装置は、穿孔されるべき開口からズレて所定位置に係止される永久磁石を探し出す。
本発明の好適実施態様は大腿骨のような長骨を修復するための髄内釘の使用に関して記述されるが、他の使用を有することも本発明の範囲内である。これらは以下を含む。即ち、内視鏡、カテーテル及び人体内の移植片を含む医療器具の追跡及び位置付け;特にX線に対して高感度な材料を用いた、産業で用いられる場所及び標的装置の使用;産業及び製造で用いられる治具及び他の計測システムの取替え;ロボット装置のための位置フィードバックの提供;キャビネット製造、グラスファイバの製造及び構築並びにセラミック及びタイルの製造及び据え付けを包含する工程における対向素子の正確な位置付けを含む非鉄材料内の盲穴標的を必要とするあらゆる工程である。前記に議論された通り、生体内での使用のためには、電磁石の使用は好ましくない。しかしながら、電磁石は本発明のこれらの他の利用に適し得る。
図1を参照すると、従来技術の中空の髄内釘10が例示されている。髄内釘の例は従来技術によく見られる。例えば、Krauseに発効した米国特許第6,503,249号及びDurhamに発効した諸特許(本明細書中で引用されている)が参照され、それらの内容は髄内釘及び使用方法の記述のためにその全文が本明細書が引用される。髄内釘10は、中空の本体部又はシャフト15を有する細長い金属ロッドである。髄内釘10は、第一係止スクリュ開口12と、より遠位の係止スクリュ開口14とを含む。典型的な髄内釘10のスクリュ開口12,14は横断的、即ち、図1に例示されているように髄内釘10の長さに対して90°の角度に位置しているが、非横断的なスクリュ開口、即ち、髄内釘10の長さに対して90°の角度以外での開口を有することも本発明の範囲内である。この開示のために、そのような開口は「傾斜」(oblique)と称される。髄内釘10の配置に先立ち、従来技術であるリームロッド(reaming rod)は骨折した大腿骨、脛骨又は上腕骨長骨20の髄管を通じて動かされる。次に、スクリュ開口12,14(図1には例示されていない)を通じて位置決められた交差係止スクリュ又はボルトによって骨20内に固定するために、髄内釘10は髄管内に配置される。
ドリルビット(図7内の60)を骨20を通じて正確に整列し且つ進行するために、外科医は、横断係止スクリュ開口12,14の軸35,39に対するドリルスリーブ47,48の位置に関する正確な知識を有さなければならない。全角度の自由を解決するために、これは適切な磁界をもたらす標的磁石を必要とする。従って、髄内釘10内の磁界は、全ての可能な平面における特異な標的情報を提供する形状及び極性を有さなければならない。このアプローチで標的を定めるために、標的センサ44が整列されるよう、図2に例示されている磁束線50は、ピークと、各平面の軸の周りにおける非円形磁界形状とを有する。非円形、軸対称の磁界が選択されることで、標的センサ44はZ軸36の周りの回転を識別可能であるのに加え、磁石30と直交するピーク磁束線50は正確な中心を示す。
図1に例示されているように、標的装置40は連結スクリュ開口12,14の適当な領域に経皮的に適用される。例示の実施態様において、標的装置40は、少なくとも一組のセンサ、好ましくは、以下に詳述されるセンサ配列42と、ハンドル46とを含む。標的装置40の末端部に配置されているのは、通路47a,48a(図7に例示されている)内に位置するドリルスリーブ47,48である。ドリルスリーブ47,48が通路47a,48a内に摺動可能に位置するのは従来技術である。このようにして、正確な穿孔のために皮膚に切開がなされた後、ドリルスリーブ47,48は、骨20の方向に、摺動可能に位置し得る。
上述されたセンサの組44a−c、44b−f、44c−g及び44d−hの好適実施態様の配置は、磁石30のZ軸36の周りに集中するときに、配列内の各センサ44が磁束50の同一の大きさ及び角度によって励起されることを許容し、正確な出力電圧を生成する。センサ配列42はZ軸に直交する平面内で移動可能であり、その平面の磁界形状は常に一定なので、位置に関する同一のフィードバックを保持し得る。図2に最も例示されているように、センサ44が標的磁石30に接近する方向に移動するとき、標的装置40の読み取り及び正確性はより強くなる。図2は、X−Y平面内のこれらの磁束線のコンピュータモデリングの結果を、センサ44の最適な配置と共に示している。
図1及び4に例示されたより好適な実施態様において、センサ配列42からの出力は読取可能なディスプレイに転換され、外科医がスクリュ開口14の場所を正確に決定可能にする。この例において、ディスプレイ52は発光ダイオード(LED)の「目玉」に似ており、発光ダイオードはリング状の有色光54a−hを含み、それらは他の色の「目玉」光56の周りに配置されている。例えば、リング状の光54a−hは黄色で、中心光56は赤色のような弱められた色であり得る。各LEDは楕円形配列内の対応センサ44a−hと結合されている。もしセンサの組がそれらの間に電圧差を有するならば、それはLEDディスプレイ54a−h(図5に例示されている)上に表示される。照明された光は、標的装置40がその光の方向に移動されなければならないことを意味する。位置を示すLEDは可変の明度を有し、明度は標的装置40が正しい整列方向に移動するのに応じて減少する。全ての標的センサ44a−hが正しく整列されると、各センサはその対向する組の部材の出力を打ち消し、全ての光54a−hは消灯し、中心光56が点灯する。照明された中心光56は、骨20を貫通した孔を穿孔するための、並びに、髄内釘連結スクリュ開口12,14内の横断連結スクリュの正しい配置のための、ドリルスリーブ47,48の正しい配置を指し示す。さらなる実施態様において、上述の可視的ディスプレイを、音声的、感触的又は整列を指し示すための他のフィードバック機構と置換することも本発明の範囲内である。そのような機構は当業者に周知である。
電子装置は、センサ44からの信号を受信及び調整し、これらの信号を処理し、且つ、ディスプレイ52を駆動する機能を遂行する。図5及び6を参照すると、70で概ね参照されるシステムハードウェアブロック図を例示しており、図6は標的装置40を外被の半分を取り除いて例示している。システム70内には、本システムの中核であるマイクロコントローラ72がある。マイクロコントローラ72は、オンボードのアナログ−デジタル変換器(図示せず)を含み、変換機は計装用増幅器74からの信号をデジタル化するために用いられる。計装用増幅器74はセンサ44に直接結合している。演算処理はマイクロコントローラ72によって遂行され、センサ配列42内のどのディスプレイ光52が照明されるべきかを決定する。
本発明の動作は上記の記述から自明であるが、図7を特に参照して、以下に工程に関して簡単な記述する。
Claims (36)
- 長手開口とスクリュ孔とを有する中空物体内の場所及び位置を検知するための標的装置であって、
a.前記中空物体の前記長手開口内に位置付けられるよう構成される磁石を含み、該磁石は、X軸、Y軸、及び、Z軸に三次元の向きを有し、且つ、前記X軸、Y軸、及び、Z軸によって定められる各平面の軸に沿って放射されるピークを備える磁界をもたらし、
b.標的を含み、該標的は、前記磁石の前記三次元の向きを感知するためのセンサと、前記磁石の前記三次元の向きを表示するためのディスプレイとを含み、
前記センサは、それぞれのセンサが前記磁石から径方向に外向きに放射する磁束線に対して直交して向けられるよう配置される楕円形配列の組のセンサを含み、前記楕円形配列は、前記標的が前記磁石と整列されるとき、前記Z軸に沿って放射されるピークが前記楕円形配列の中心に配置され、各センサが同一の大きさの磁束で励起されるよう配置され、
前記磁石と前記スクリュ孔との間には、距離がある、
標的装置。 - 前記磁石は、前記標的の前記センサによって感知されるべき十分な強度の磁界を発生する、請求項1に記載の標的装置。
- 前記磁界は、非均一である、請求項2に記載の標的装置。
- 前記磁界は、非円形であることによって、前記センサをZ軸の周りの回転を識別可能とし、且つ、前記磁石に対し直交するピーク磁束線を認知し得る、請求項3に記載の標的装置。
- 前記磁石は、円筒形形状である、請求項1に記載の標的装置。
- 前記磁石は、4mm以下の直径を有する、請求項1に記載の標的装置。
- 前記磁石は、前記磁石の長軸に対し直交して磁化されたネオジム−鉄−ボロン(NeFeB)磁石である、請求項1に記載の標的装置。
- 前記楕円形配列は、前記磁石の磁束線を検知するために、4組のセンサを含む、請求項1に記載の標的装置。
- 前記センサは、読取可能なディスプレイを含む、請求項1に記載の標的装置。
- 前記センサは、前記磁石からの各センサの異なる空間位置に応じた前記センサ間の異なる出力を感知する、請求項1に記載の標的装置。
- 前記標的は、前記磁石に対する前記センサの位置を表示するための読取可能なディスプレイを含む、請求項1に記載の標的装置。
- 前記読取可能なディスプレイは、複数個の発光ダイオードを含み、各発光ダイオードは、前記センサが前記磁石と整列するときに、明るくされ及び/又は暗くされる、請求項11に記載の標的装置。
- 前記中空物体は、長骨の内固定のための髄内釘である、請求項1に記載の標的装置。
- 前記スクリュ孔は、前記髄内釘の長手軸に対して垂直に位置付けられる横断連結スクリュ孔である、請求項13に記載の標的装置。
- 前記スクリュ孔は、前記髄内釘の長手軸に対して傾斜して位置付けられる傾斜連結スクリュ孔である、請求項13に記載の標的装置。
- ドリルビットを整列し且つ前記スクリュ孔に整列するために、少なくとも1つのドリルスリーブをさらに含む、請求項1に記載の標的装置。
- 長骨の内固定のために、長手開口とスクリュ孔とを有する髄内釘内の前記スクリュ孔を経皮的に検知するための標的装置であって、
a.前記髄内釘の前記長手開口内に位置付けられるよう構成される磁石を含み、該磁石は、X軸、Y軸、及び、Z軸に三次元の向きを有し、且つ、前記X軸、Y軸、及び、Z軸によって定められる各平面の軸に沿って放射されるピークを備える磁界をもたらし、
b.標的を含み、該標的は、前記磁石の前記三次元の向きを感知するためのセンサと、前記磁石の前記三次元の向きを表示するためのディスプレイとを含み、
前記センサは、それぞれのセンサが前記磁石から径方向に外向きに放射する磁束線に対して直交して向けられるよう配置される楕円形配列の組のセンサを含み、前記楕円形配列は、前記標的が前記磁石と整列されるとき、前記Z軸に沿って放射されるピークが前記楕円形配列の中心に配置され、各センサが同一の大きさの磁束で励起されるよう配置され、
前記磁石と前記スクリュ孔との間には、距離がある、
標的装置。 - 前記スクリュ孔は、前記髄内釘の長手軸に対して垂直に位置付けられる横断連結スクリュ孔である、請求項17に記載の標的装置。
- 前記スクリュ孔は、前記髄内釘の長手軸に対して傾斜して位置付けられる傾斜連結スクリュ孔である、請求項17に記載の標的装置。
- ドリルビットを整列し且つ前記スクリュ孔に整列するために、少なくとも1つのドリルスリーブをさらに含む、請求項17に記載の標的装置。
- 前記髄内釘は、第一及び第二の横断スクリュ孔を含む、請求項17に記載の標的装置。
- ドリルビットを収容し且つ前記磁石に整列するために、2つのドリルスリーブをさらに含む、請求項17に記載の標的装置。
- 前記磁石は、前記横断連結スクリュ孔近傍の所定位置で、前記髄内釘の前記開口内に固定的に位置する、請求項18に記載の標的装置。
- 前記髄内釘の前記開口内における前記横断連結スクリュ孔近傍の所定位置に位置するために、前記磁石は挿入ロッド上に位置する、請求項18に記載の標的装置。
- 前記磁石は、前記センサによって感知されるべき十分な磁束場を発生する、請求項17に記載の標的装置。
- 前記磁界は、非均一である、請求項17に記載の標的装置。
- 前記磁界は、前記センサによって、10cmの距離で感知される、請求項26に記載の標的装置。
- 前記磁石は円筒形であり、4mm以下の直径を備える、請求項17に記載の標的装置。
- 前記磁石は、前記磁石の長軸に対して直交して磁化された円筒形のネオジム−鉄−ボロン(NdFeB)磁石である、請求項17に記載の標的装置。
- 前記楕円形配列は、4組のセンサを含む、請求項17に記載の標的装置。
- 前記センサは、読取可能なディスプレイを含む、請求項17に記載の標的装置。
- 前記センサ及び前記ドリルスリーブを保持するためのハンドルを含む、請求項20に記載の標的装置。
- 前記センサ及び複数のドリルスリーブを保持するためのハンドルを含む、請求項22に記載の標的装置。
- 前記センサは、前記磁石からの各センサの異なる空間位置に応じた前記センサ間の異なる出力を感知する、請求項17に記載の標的装置。
- 前記標的は、前記磁石に対する前記センサの位置を表示するための読取可能な発光ダイオードディスプレイを含むことを特徴とする、請求項17に記載の標的装置。
- 前記読取可能な発光ダイオードディスプレイは、複数の発光ダイオードを含み、各発光ダイオードは、前記センサが前記磁石と整列するときに、明るくされ且つ/或いは暗くされる、請求項35に記載の標的装置。
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