JP6651192B1 - ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム(robot-assisted ultrasonic osteotome powered system)に関し、ここでは、特に、超音波オステオトーム動力源付きシステムは、骨の整形及び切断(cutting)などの外科手術を行うために、ロボットによって正確に操作され、且つまた、内視鏡下で整形及び切断などの外科手術を行うのに有用である。
骨切り手術では、超音波オステオトーム動力源付きシステムが切断に使用されることが多い。超音波オステオトーム動力源付きシステムは、超音波トランスデューサによって電気エネルギーを機械的エネルギーに変換し、高周波の超音波振動によって、接触した骨組織を完全に破壊するが、振動の振幅は一般的に約100μmであるため、血管及び神経組織への損傷は少ない。それゆえ、脊椎・神経手術(spinal and neurological surgery)などの適用例における手術の安全性が高い。
本発明の目的は、超音波オステオトーム動力源付きシステム及びロボット手術システムを組み込んだ、ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステムを提供することにあり、ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステムは、以下の技術的な問題の1つ以上を少なくとも部分的に解決又は軽減することができる:
1) 超音波オステオトーム動力源付きシステムの力フィードバックの問題:現在のところ、整形外科手術の骨切り手術は、医師の臨床経験及び感覚に完全に頼っており、これは、特に危険な部位において、例えば、脊椎・神経手術において、効果的に伝達することが困難であるが、これは、患者の骨組織の機械的性質がかなり異なり、特にいくつかの石灰化部位においては硬さが高い一方で、他の部位は、カルシウム密度に起因してあまり硬くないことがあるためであり、医師の経験にのみ頼って超音波オステオトーム動力源付きシステムを制御することにより、過剰圧力を加える傾向があり、超音波カッターヘッドが急速に骨に侵入し、骨の下側にある神経、脊髄及び他の組織への損傷を引き起こし、並びに医療事故を生じる;
2) 超音波オステオトーム動力源付きシステムの切断ジッター問題:超音波オステオトーム動力源付きシステムを切断に使用する場合、医師が骨組織を切断するためにハンドルを操作するとき、骨の不規則な湾曲形状のために、超音波システムの振動によって、超音波カッターヘッドを簡単に横方向へ摺動させる。超音波振動と骨との間の相互作用下では、超音波オステオトーム動力源付きシステムは、ある一定の横振動を有する。それゆえ、医師は、カッターヘッドの横の動きを防止するようにハンドルを保持するために大きな力を加える必要がある。この横の動きは、骨の切開部のサイズを大きくしがちであり、患部の機械的性質に幾分影響を及ぼし、及び切断部位に横方向の損傷を引き起こす可能性が高い;及び
3) 伝統的な整形外科手術ロボットは、効果的な骨組織切断器具が欠如しており、及び依然として伝統的な骨組織切断器具を使用しており、その結果、大きな圧力又は回転摩擦を切断中に加える必要がある。それゆえ、安全上の大きな問題があり、及び整形外科手術、特に整形外科最小侵襲手術を成功裏に完了することが困難であり、これは、伝統的な骨組織切断器具を使用する骨手術ロボットを広く適用することを困難にする。
ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステムであって、
超音波オステオトーム動力源付きシステムであって:
電気エネルギーを機械的エネルギーへ変換するための超音波トランスデューサ;及び
前記機械的エネルギーを、切断されるべき骨へ送達するための超音波オステオトーム
を含む、超音波オステオトーム動力源付きシステムと;
ロボット支援型手術システムであって:
ベース;及び
前記ベースに装着された固定端部を有するロボットアームであって、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムが前記ロボットアームの可動端部に取り外し自在に接続されており、並びに前記ロボットアームは、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの切断端部の位置、空間角度、及び前記切断されるべき骨へ切断端部によって加えられる力を制御するために使用される、ロボットアーム
を含む、ロボット支援型手術システムと;
前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの出力パワーを制御するために、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムに通信接続される、コントローラと
を含み、
前記コントローラは、以下の式に従って、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの出力パワーPを制御し、
P=P0×α
(式中、P0は、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの基準出力パワーであり、及びαは、パワーの補正係数であり、0<α≦1である)
前記αは、少なくとも以下のパラメータ1)〜6)のうちの1つ以上によって、決定され、
1) 骨の残りの切断厚さ;
2) 骨の密度;
3) 切断方向にある、骨の下側にある組織のタイプであって、少なくとも血管組織、脊髄組織、及び神経組織を含むタイプ;
4) 前記超音波オステオトームの前記切断端部の温度;
5) 切断中の骨の構造のタイプであって、少なくとも皮質骨及び海綿骨を含むタイプ;及び
6) 前記超音波オステオトームが骨に切込んだ深さ
前記αは、前記パラメータ1)〜6)に基づいて、以下のように制御される:
(1)前記パラメータ1)が薄くなるにつれて減少する;
(2)前記パラメータ2)が低下するにつれて減少する;
(3)前記パラメータ3)が血管組織である場合、脊髄組織である場合の値以上となる、又は、前記パラメータ3)が脊髄組織である場合、神経組織である場合の値以上となる;
(4)前記パラメータ4)が上昇するにつれて減少する;
(5)前記パラメータ5)が皮質骨である場合、海綿骨である場合の値以上となる;
(6)前記パラメータ6)が増すにつれて減少する、
ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステムを提供する。
本発明の技術的な解決法を、以下で、好ましい実施形態及び添付図面と併せて、さらに詳細に説明する。
まず第1に、本発明の整形外科手術を支援するための機器の基本的な構造、特性及び利点は、下記で、例として具体的に説明されるが、その記載は全て説明のためであり、本発明をなんら限定するとみなされるべきではないことに留意すべきである。さらに、本明細書に記載された様々な実施形態で説明若しくは暗示されるいずれの単一の技術的な特徴も、又は図面に図示若しくは暗示されるいずれの単一の技術的な特徴も、本明細書では直接的に記載されていない可能性のある本発明のさらなる実施形態を得るために、これらの技術的な特徴(又はその均等物)を任意の組み合わせにしてもよいし、又はこれらの中で削除されてもよい。
P=P0×α
(式中、P0は、超音波オステオトーム動力源付きシステム10の基準出力パワーであり、及びαは、パワーの補正係数であり、0<α≦1である)
αは、少なくとも以下のパラメータ1)〜6)のうちの1つ以上によって、決定される。
1) 骨の残りの切断厚さ
残りの切断厚さが減少するにつれて、αは減少するように制御される。それにより、残りの切断厚さが薄いときに、超音波オステオトームが急速に骨に侵入して、骨の下側にある血管、神経、及び脊髄などの組織を損傷させる大きな出力パワーを依然として加えるのを回避する。
2) 骨の密度
骨の密度が低下するにつれて、αは減少するように制御される。
3) 切断方向にある、骨の下側にある組織のタイプであって、少なくとも血管組織、脊髄組織、及び神経組織を含むタイプ
αは、組織のタイプが血管組織である場合、脊髄組織である場合のαの値以上となるように制御され、並びに、αは、組織のタイプが脊髄組織である場合、神経組織である場合のαの値以上となるように制御される。例として、組織のタイプは、解剖学的構造によって決定され得、及び手術の開始前にコントローラに入力され、このようにして、パワーの補正係数αの値は、よりきめ細かく設定され、これにより、切断方向にある骨の下側にある組織に悪影響を及ぼすリスクを回避し得る又は低下させ得る一方で、好適な切断速度を維持する。
4) 超音波オステオトームの切断端部の温度
温度が上昇するにつれて、αは減少するように制御される。それにより、非標的切断組織、例えば神経、血管、及び脊髄などに悪影響を及ぼす高温が生成するのを回避する。
5) 切断中の骨の構造のタイプであって、少なくとも皮質骨及び海綿骨を含むタイプ
αは、切断中の骨の構造のタイプが皮質骨である場合、海綿骨である場合のαの値以上となるように制御され、皮質骨及び海綿骨など、切断中の骨の構造のタイプを区別することによって、出力パワーがよりきめ細かく制御され得る。
6) 超音波オステオトームが骨に切込んだ深さ
該深さが増すにつれて、αは減少するように制御される。超音波オステオトームが骨組織にかなりの深さで切込んだとき、液体の流れを冷却することは困難であり、並びに生成された熱も、対流及び輻射によって骨組織から簡単には放散されないため、局所的な高温領域を形成する可能性が高く、これは、骨及び神経にとって不都合である。切断深さを増すことによってパワーの補正係数αの値を減少させることによって、局所的な高温領域の形成が回避され得る。
F=F0×β
(式中、F0は、ロボットアーム22によって超音波オステオトーム11に加えられる基準縦力であり、及びβは、力の補正係数であり、0<β≦1である)
βは、少なくとも以下のパラメータ1)〜6)のうちの1つ以上によって、決定される。
1) 骨の残りの切断厚さ
βは、残りの切断厚さが減少するにつれて減少するように制御される。それにより、残りの切断厚さが薄いときに、超音波オステオトームが迅速に骨に侵入して、組織、例えば骨の下側にある血管、神経、及び脊髄への損傷を引き起こす、さらに大きな切断力を加えることを回避する。
2) 骨の密度
βは、骨の密度が低下するにつれて減少するように制御される。
3) 切断方向にある、骨の下側にある組織のタイプであって、少なくとも血管組織、脊髄組織、及び神経組織を含むタイプ
βは、組織のタイプが血管組織である場合、脊髄組織である場合のβの値以上となるように制御され、並びに、βは、組織のタイプが脊髄組織である場合、神経組織である場合のβの値以上となるように制御される。例として、組織のタイプは解剖学的構造によって決定され得、このようにして、力の補正係数βの値は、よりきめ細かく設定され、これにより、切断方向にある骨の下側にある組織に悪影響を及ぼすリスクを回避又は低下できる一方で、好適な切断速度を維持する。
4) 超音波オステオトーム11の切断端部11aの温度
βは、温度が上昇するにつれて減少するように制御される。それにより、非標的切断組織、例えば神経、血管、及び脊髄に悪影響を及ぼす高温の生成を回避する。
5) 切断中の骨の構造のタイプであって、少なくとも皮質骨及び海綿骨を含むタイプ
βは、切断中の骨の構造のタイプが皮質骨である場合、海綿骨である場合のβの値以上となるように制御される。切断中の骨の構造のタイプ、例えば皮質骨及び海綿骨を区別することによって、力の大きさをよりきめ細かく制御できる。
6) 超音波オステオトームが骨に切込んだ深さ
βは、該深さが増すにつれて減少するように制御される。超音波オステオトームが骨組織にかなりの深さで切込んだら、液体の流れを冷却することは困難であり、並びに生成される熱も、対流及び輻射によって骨組織から簡単には放散されないため、局所的な高温領域を形成する可能性が高く、これは、骨及び神経にとって不都合である。切断深さが増すにつれて力の補正係数βの値を減少させることによって、局所的な高温領域の形成が回避され得る。
10 超音波オステオトーム動力源付きシステム
11 超音波オステオトーム
11a 切断端部
20 ロボット支援型手術システム
21 ベース
22 ロボットアーム
22a 固定端部
22b 可動端部
23 ディスプレイ
Claims (15)
- ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステムであって、
超音波オステオトーム動力源付きシステムであって:
電気エネルギーを機械的エネルギーへ変換するための超音波トランスデューサ;及び
前記機械的エネルギーを、切断されるべき骨へ送達するための超音波オステオトーム
を含む、超音波オステオトーム動力源付きシステムと;
ロボット支援型手術システムであって:
ベース;及び
前記ベースに装着された固定端部を有するロボットアームであって、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムが前記ロボットアームの可動端部に取り外し自在に接続されており、並びに前記ロボットアームは、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの切断端部の位置、空間角度、及び前記切断されるべき骨へ切断端部によって加えられる力を制御するために使用される、ロボットアーム
を含む、ロボット支援型手術システムと;
前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの出力パワーを制御するために、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムに通信接続される、コントローラと
を含み、
前記コントローラは、以下の式に従って、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの出力パワーPを制御し、
P=P0×α
(式中、P0は、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの基準出力パワーであり、及びαは、パワーの補正係数であり、0<α≦1である)
前記αは、少なくとも以下のパラメータ1)〜6)のうちの1つ以上によって、決定され、
1) 骨の残りの切断厚さ;
2) 骨の密度;
3) 切断方向にある、骨の下側にある組織のタイプであって、少なくとも血管組織、脊髄組織、及び神経組織を含むタイプ;
4) 前記超音波オステオトームの前記切断端部の温度;
5) 切断中の骨の構造のタイプであって、少なくとも皮質骨及び海綿骨を含むタイプ;及び
6) 前記超音波オステオトームが骨に切込んだ深さ
前記αは、前記パラメータ1)〜6)に基づいて、以下のように制御される:
(1)前記パラメータ1)が薄くなるにつれて減少する;
(2)前記パラメータ2)が低下するにつれて減少する;
(3)前記パラメータ3)が血管組織である場合、脊髄組織である場合の値以上となる、又は、前記パラメータ3)が脊髄組織である場合、神経組織である場合の値以上となる;
(4)前記パラメータ4)が上昇するにつれて減少する;
(5)前記パラメータ5)が皮質骨である場合、海綿骨である場合の値以上となる;
(6)前記パラメータ6)が増すにつれて減少する、
ロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。 - αは、さらに、前記超音波オステオトームの前記切断端部が切刃を有するか否かによって、及び/又は前記超音波オステオトームが冷却構造を有するか否かによって、決定され、
前記αは、
前記超音波オステオトームの前記切断端部が切刃を有する場合、切刃を有さない場合より、小さくなるように制御され;
前記超音波オステオトームが前記冷却構造を備える場合、前記冷却構造を備えない場合より、大きくなるように制御される、
請求項1に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。 - 前記コントローラは、さらに、前記超音波オステオトームの位置、空間角度、及び前記ロボットアームによって前記超音波オステオトームに加えられる力を制御するために、前記ロボット支援型手術システムに通信接続される、請求項1又は2に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記超音波オステオトーム動力源付きシステムは、前記切断端部の温度を検出し且つ前記温度を示す信号を前記コントローラへ送信するための温度センサーを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記超音波オステオトーム動力源付きシステム及び/又は前記ロボット支援型手術システムは、前記超音波オステオトームの前記切断端部によって骨に加えられる力を検出し且つ前記力を示す信号を前記コントローラへ送信するための力センサーを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記コントローラは、以下の式に従って、前記ロボットアームによって、実質的に切断方向において前記超音波オステオトームの前記切断端部へ加えられる力Fを制御し、
F=F0×β
(式中、F0は、前記ロボットアームによって前記超音波オステオトームへ加えられる基準力であり、及びβは、力の補正係数であり、0<β≦1である)
前記βは、少なくとも以下のパラメータ1)〜6)のうちの1つ以上によって、決定され、
1) 骨の残りの切断厚;
2) 骨の密度;
3) 切断方向にある、骨の下側にある組織のタイプであって、少なくとも血管組織、脊髄組織、及び神経組織を含むタイプ;
4) 前記超音波オステオトームの前記切断端部の温度;
5) 切断中の骨の構造のタイプであって、少なくとも皮質骨及び海綿骨を含むタイプ;及び
6) 前記超音波オステオトームが骨に切込んだ深さ
前記βは、前記パラメータ1)〜6)に基づいて、以下のように制御される:
(1)前記パラメータ1)が薄くなるにつれて減少する;
(2)前記パラメータ2)が低下するにつれて減少する;
(3)前記パラメータ3)が血管組織である場合、脊髄組織である場合の値以上となる、又は、前記パラメータ3)が脊髄組織である場合、神経組織である場合の値以上となる;
(4)前記パラメータ4)が上昇するにつれて減少する;
(5)前記パラメータ5)が皮質骨である場合、海綿骨である場合の値以上となる;
(6)前記パラメータ6)が増すにつれて減少する、
請求項3に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。 - βは、さらに、前記超音波オステオトームの前記切断端部が切刃を有するか否かによって、及び/又は前記超音波オステオトームが冷却構造を有するか否かによって、決定され、
前記βは、
前記超音波オステオトームの前記切断端部が切刃を有する場合、切刃を有さない場合より、小さくなるように制御され;
前記超音波オステオトームが前記冷却構造を備える場合、前記冷却構造を備えない場合より、大きくなるように制御される、請求項6に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。 - 前記コントローラは、切断中に骨の種類によって異なる前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの周波数オフセットの大きさを検出することによって、切断中の前記骨部分が、皮質骨であるか、又は海綿骨であるかを決定する、請求項1〜7のいずれか1項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記コントローラは、前記切断されるべき骨の3次元モデルを獲得するための外部入力データ及び/又は寸法データ及び/又は密度データを受信するためのデータ受信部を含む、請求項1〜8のいずれか1項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記外部入力データは、前記切断されるべき骨のCTデータ、MRデータ、及び密度データのうちの1つ以上を含む、請求項9に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記コントローラは、前記超音波オステオトーム動力源付きシステムの振動の振幅及び/又は周波数を変更することによって、前記出力パワーを制御する、請求項1〜10のいずれか1項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記出力パワー、及び/又は前記切断されるべき骨に前記超音波オステオトームによって加えられる力は、前記切断されるべき骨の所定の範囲の残りの切断厚さによって、一次関数的、二次関数的又は指数関数的に減衰する、請求項1〜11のいずれか1項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記コントローラは、前記残りの切断厚さが閾値厚さを下回るときにのみ、前記出力パワー及び/又は前記力の制御を開始する、請求項1〜12のいずれか1項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記超音波オステオトーム動力源付きシステム及び/又は前記超音波オステオトームは交換可能である、請求項1〜13のいずれか1項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
- 前記超音波オステオトーム動力源付きシステム及び/又は前記超音波オステオトームは電子的識別タグを含み、前記電子的識別タグは、前記コントローラによって読み取られて、前記超音波オステオトーム動力源付きシステム及び/又は前記超音波オステオトームの特性パラメータを識別できる、請求項1〜14のいずれか1項に記載のロボット支援型超音波オステオトーム動力源付きシステム。
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