JP7010701B2 - 整形外科用の衝撃を付与する電気モータ駆動式器具 - Google Patents

Description

本発明は、２０１５年１月９日に出願された、係属中の米国仮特許出願第６２／１０１，４１６に対する米国特許法第１１９条に基づく利益を主張し、これらの全体的な開示は参照として援用される。

本開示は、整形外科手術などの外科手術の用途において衝撃を付与するための電動器具に関し、より詳細には、ブローチ又は他の手先効果器に制御された衝撃を付与することが可能な、外科的衝撃のための電気モータ駆動式器具に関する。

整形外科の分野で、人工関節などの補綴具が多くの場合に、患者の骨の空洞に埋め込まれるか着座される。空洞は、典型的には補綴材が着座されるか埋め込まれる前に手術中に形成される。例えば、医師は、存在する骨を除去及び／又は圧縮して空洞を作ることができる。補綴材は通常、空洞内に挿入される軸部又は他の突起を含む。

このような空洞を作るために、医師はブローチを用いることができ、このブローチは補綴材の軸部の形状に一致する。当技術分野で公知の解決策は、埋め込み領域にブローチを押し込むために、手術中に医師が手動で打ち込むためのブローチを備えたハンドルを提供することを含む。残念ながら、このような手法は不正確であり、骨に不要な機械的ストレスをもたらし、特定の医師の技量に依存して非常に予測不能である。歴史的にも力押しの手法は、多くの場合、空洞の位置及び形状の不正確さをもたらす。さらに、外科医は、ブローチを打撃し、骨及び補綴材を操作するために、非常な量の物理的な力及びエネルギーを費やす必要がある。最も重要なことは、このような手法は、医師が外科領域への不要な更なる外傷を誘発し、さもなくば健康な組織、骨構造などに損傷を与えるリスクを伴うことである。

補綴材用の空洞を作るための別の技法は、ブローチを空気圧によって、すなわち圧縮空気によって駆動することである。この手法は、例えば、空気を器具から滅菌術野に排出する連結空気管路の存在によって衝撃付与器具の可搬性が妨げられ、また、器具を操作する医師が疲労するという点で不都合である。さらに、この手法は、米国特許第５，０５７，１１２号に例示されているように、衝撃力又は頻度の正確な制御を可能とせず、むしろ、作動されたときに削岩機に非常によく似た機能を果たす。この場合も同様に、このように正確な制御のいかなる措置もないことにより、空洞を正確にブローチングすることがより難しくなり、かつ、患者に合併症や外傷を引き起こす。

第３の技法は、空洞を作るためにコンピュータ制御されるロボットアームに依存するものである。このような手法は、疲労及び正確性の問題を克服するが、資本費用が非常に高くなり、外科医が手動の手法から得ることができる触覚フィードバックをさらに排除する。

第４の技法は、出願人自身の以前の開示に依拠するものであり、リニア圧縮機を使用して一回の行程毎に空気を圧縮し、次に、十分な圧力が形成された後で、空気を、弁を通して打撃体に対して放出する。これにより、打撃体は案内管を下降し、ブローチ及び／又は他の手術器具を保持するアンビルに衝撃を付与する。本発明は、非常に良好に機能するが、検査の過程において、軟組織でブローチが動かなくなった場合に、ブローチを元に戻す簡単な方法を可能としない。さらに、空気の圧力によって、歯車列及び直線運動変換器の構成要素において大きな力が生じ、この大きな力は、構成要素の早期摩耗をもたらす。

結果として、既存のシステムの様々な欠点及び本発明者の過去の独自のソリューションを克服する衝撃を付与する器具が必要とされている。

上述の欠点に鑑みて、臀部、膝、肩などに整形外科用の衝撃を付与するための電気モータ駆動式の整形外科用の衝撃を付与する器具が提供される。器具は、ブローチ、ノミ又は他の手先効果器を保持し、ブローチ、ノミ又は他の手先効果器を、制御された打撃衝撃によって空洞内に優しく打ち付けることが可能であり、その結果、補綴材又は埋没物（インプラント）がより良く嵌まる。さらに、そのような電気的に操作されるブローチ、ノミ又は他の手先効果器によって可能となる制御は、患者の特定の骨の種類又は他の外形に従って衝撃設定を調整することを可能にする。器具は、補綴材又は埋没物の、埋め込み空洞内への又は埋め込み空洞からの適切な着座又は取り出しをさらに可能にし、有利には、その用具を案内する上で現在の外科医の技量を向上させる。

例示的な実施形態では、電気モータ駆動式の整形外科用の衝撃を付与する器具は、局所電源（電池又は燃料電池など）、モータ、制御機、ハウジング、モータの回転運動を直線運動に変換するモジュール（以下、直線運動変換器と称する）、少なくとも１つの減速装置、打撃体、戻り止め、及び、圧縮空気又は真空のいずれかを含むことができるエネルギー貯蔵機構を備える。器具は、ＬＥＤ、器具を快適に把持するための少なくとも１つの取っ手を有するハンドル部分、手術器具を受け入れるように構成されているアダプタ、電池、及び少なくとも１つのセンサをさらに含むことができる。種々の構成要素の少なくとも幾つかは、好ましくはハウジング内に収容される。器具は、ブローチ、ノミ、又は他の手先効果器、又は、埋没物に周期的な衝撃力を加えるとともに、衝撃力を複数のレベルに微調整することが可能である。装置にいかなる接続部も必要としないため、装置は持ち運び可能である。

別の実施形態では、整形外科用の衝撃を付与する器具は、ブローチ、ノミ、又は他の手先効果器に加えられる衝撃力を形成するためのガススプリング組立システムを備えてもよい。ガススプリング組立システムは、カムと組み合わせてモータ及びギヤボックスによって駆動可能であり、前記カムは、衝撃力を形成するために発射する質量を順に加速させるガススプリングピストンを解放する。一例として、ガススプリングの蓄積された電位エネルギーが増加するガススプリングピストンが十分に変位した後に、ガススプリングピストンはカムから解放される。ガススプリングピストンが解放されると、発射質量は、衝撃点、アンビル又はまた異なる衝撃面と動作可能に接触するまでガススプリングピストンと共に前方方向に加速される。一実施形態では、発射質量は、衝撃点の前にガススプリングピストンから分離する。前方衝撃面及び後方衝撃のための異なる表面である発射質量のための少なくとも２つの異なる衝撃面がある。全移動質量に対するガススプリングピストンの質量の比、すなわち、発射質量と組み合わせたガススプリングピストンは５０％未満であり、効果的な衝撃を与えるための発射質量へのより効率的なエネルギー伝達を容易にする。さらに、ガススプリングの圧縮比率は５０％未満であり、これは、圧縮熱による熱的損失を低下させる。発射質量が衝撃面又は接触点に衝撃した後、トリガーが維持されていれば、次の周期のためにカムはガススプリングピストンを再び発動（コック：ｃｏｃｋ）する。

更なる実施形態では、ハンドルは、直列形の器具を提示するように位置決め可能であるか又は器具に折り曲げ可能であるものとすることができ、この場合、外科医は、器具を、ブローチの方向と同一直線上に押し引きする。これは、外科医が操作中に器具に加え得るトルクの量を制限するという利点を有する。取っ手の更なる改良形態では、手術用具を案内するとともに衝撃を付与する動作中に安定性を高めるために、付加的な取っ手があるものとすることができる。

更なる実施形態では、ブローチ、ノミ又は他の手先効果器を、依然として軸方向に位置合わせしたままで複数の位置に回転させることができる。これは、手術中に種々の解剖学的対象に対してブローチを使用することを容易にする。

更なる実施形態では、エネルギー貯蔵機構は、衝撃周期の一部の間に少なくとも部分真空下にある室を含む。

更なる実施形態では、直線運動変換器は、スライダクランク、連結機構、カム、スクリュ、ラックアンドピニオン、摩擦駆動装置、又はベルト及び滑車のうちの１つを用いる。

一実施形態では、直線運動変換器及び回転モータの代わりに、リニアモータ、ソレノイド又はボイスコイルモータを用いることができる。

更なる実施形態では、器具は制御機をさらに備え、この制御機はエネルギー調整要素を含み、このエネルギー調整要素は、器具の衝撃力を制御し、制御されない衝撃によって生じる損傷を低減又は回避することができる。エネルギーは、電子的又は機械的に調節することができる。さらに、エネルギー調整要素はアナログであるか又は一定の設定を有することができる。この制御機は、ブローチの機械加工作業の正確な制御を可能にする。

一実施形態では、器具のアンビルが、２つの衝撃点のうちの少なくとも一方、及び、打撃体が実質的に軸方向に移動するように抑制する案内部を含む。操作時に、案内部に沿う打撃体の移動は前方方向に続く。逆進機構を用いて、打撃体の衝撃点、及び手術器具に対する結果として生じる力を変化させることができる。そのような逆進機構を用いる結果として、前方又は後方への力がアンビル及び／又はブローチ若しくは他の手術用取付具に加わる。この文脈において用いられる場合、「前方方向」とは、ブローチ、ノミ又は患者に向かう打撃体の移動を含意し、「後方方向」とは、ブローチ、ノミ又は患者から離れる打撃体の移動を含意する。衝撃を双方向に付与するか又は一方向に付与するかを選択することは、物質を除去するか又は物質を締め固めるかという選択が多くの場合に外科的処置において重要な決定であるという点で、物質を切削するか又は埋め込み空洞内で圧縮する上で外科医に自由度を与える。さらに、出願人の以前の開示の使用において、器具が多くの場合に処置中に突き刺さること、及び、その器具において逆進させる方法が手術用具を取り出すのに不十分であることが発見されている。本明細書にて開示した本実施形態は、このような短所を克服する。一実施形態では、前方への力又は後方への力を伝える衝撃点は、少なくとも２つの別個の異なる点である。

一実施形態では、アンビル及びアダプタは単一の要素を含むか、又は一方が他方に対して一体的であるものとすることができる。

一実施形態では、器具は、打撃体の衝撃を付与する移動の頻度を調節することがさらに可能である。打撃体の頻度を調節することによって、器具は、例えば、同じ衝撃の大きさを維持しながらも、より大きい総時間加重の打撃衝撃を与えることができる。このことは、外科医がブローチ又はノミの切削速度を制御することを可能にする。例えば、外科医は、ブローチ又はノミの移動の大部分の間に、より速い速度（高い頻度の衝撃付与）で切削することを選択し、次に、ブローチ又はノミが所望の深さに近づくと切削速度を遅くすることができる。取り壊し作業において用いられるような、米国特許第６，９３８，７０５号に示されているような典型的な打撃器具では、速度を変化させることによって衝撃力が変化し、可変速度の作業において一定の（±２０％として規定される）衝撃エネルギーを維持することが不可能となる。

一実施形態では、衝撃を付与する方向は、ユーザが器具に加える付勢力によって制御される。例えば、器具を前方方向に付勢することによって前方への衝撃が付与され、器具を後方方向に付勢することによって後方への衝撃が付与される。

一実施形態では、器具は照明要素を有し、作業領域を照明するとともに、ブローチ、ノミ又は他の手先効果器を補綴材又は埋没物の所望の位置に正確に位置決めすることができる。

一実施形態では、器具は、特定の大きさを上回る曲げ又はずれた向きがブローチ、ノミ若しくは他の手先効果器又は埋没物の界面において検出されると、ユーザに警告するフィードバックシステムも含むことができる。

一実施形態では、器具は、打撃体を保持する戻り止めも含むことができ、打撃体は、器具から外科用手先効果器への衝撃毎にエネルギーが増すように、機械的又は電気的な制御機によって起動することができる。一実施形態では、この戻り止めの特徴は、打撃体の移動の３０％以内で、戻り止めが打撃体に加える保持力が５０％低下するようなものである。

これらは、本開示の他の態様と一緒に、本開示を特徴付ける新規性の種々の特徴とともに、添付の特許請求の範囲において具体的に指摘され、本開示の一部を形成する。本開示、その動作上の利点、及びその使用によって得られる特定の目的のより良い理解のために、添付の図面、及び本開示の例示的な実施形態が例示され記載される。

本発明の利点及び特徴は、添付の図面と併せて読まれる以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を参照してより良く理解され、添付の図面において、同様の要素は同様の符号を用いて特定される。

本開示の例示的実施形態による整形外科用の衝撃を付与する器具の斜視図である。 真空操作中の図１の器具のピストンの例示的な位置を示す説明図である。 前方方向にアンビルを衝撃して移動する図１の器具の打撃体を示す説明図である。 アンビルが反対方向に衝撃するように移動する図１の器具の打撃体を示す説明図である。 第１位置に向かって再び移動して打撃体をリセットする図１の器具のピストンを示す説明図である。 圧縮室が衝撃力を形成するために使用される器具の更なる例示的な実施形態を示す。 打撃体の衝撃エネルギーを調整するのに弁が用いられる、器具の例示的な実施形態を示す説明図である。 打撃体がアンビルに対して後方への力を与える面を与える、器具の例示的な実施形態を示す説明図である。 打撃体がアンビルに対して前方に作用する力を与える、器具の例示的な実施形態を示す説明図である。 本開示の例示的な実施形態による、弾性機構を用いた鋭い衝撃と変更された衝撃との間の力対時間曲線を比較する図である。 本開示の例示的な実施形態による、弾性機構を用いた鋭い衝撃と変更された衝撃との間の力対時間曲線を比較する図である。 衝撃力を形成するためにガススプリング組立システムが使用される、本開示の更なる実施形態による整形外科用の衝撃を付与する器具の斜視図である。 ガススプリングを駆動させるためにカムが使用される、ガススプリング組立システムの斜視図である。 ガススプリング組立システムのカムがガススプリングを解放した器具の例示的実施形態を示す。 ガススプリングが解放された後に、発射質量が前方方向の衝撃点に向かって加速される器具の例示的実施形態を示す。 本開示の例示的実施形態による整形外科用の衝撃を付与する器具の周期的動作を示す例示的なフローチャートである。

本明細書において例示のために詳細に記載される好ましい実施形態は、多くの変形形態が可能である。状況により示唆されるか又は好都合になり得るため均等物の種々の省略及び置換が意図されるが、本開示の主旨又は範囲から逸脱することなくその適用又は実施態様を包含する。

本開示は、制御された打撃衝撃を用いる、電気モータ駆動式の整形外科用の衝撃を付与する器具を提供する。器具は、一回及び複数回の衝撃を加えることができること、並びに、可変の及び変化する方向、力及び頻度の衝撃を付与することを含む。

別の実施形態では、戻り止めを設けることができ、この戻り止めは、より高いエネルギー衝撃の生成を容易にする。また別の実施形態では、衝撃は、器具に接続されているブローチ、ノミ又は他の手先効果器に伝達される。

器具はハウジングをさらに含むことができる。ハウジングは器具の少なくとも１つの構成要素を確実に覆って保持することができ、外科手術の用途に適した物質で形成される。一実施形態では、ハウジングは、モータ、少なくとも１つの減速装置、直線運動変換器、ガス室、打撃体、力調整部、制御回路又はモジュール、アンビル、前方衝撃面、及び異なる後方衝撃面を収容する。

器具は、使用中に器具を快適かつ確実に保持するための選択的な取っ手を有するハンドル部分、並びに、アダプタ、電池、位置センサ、方向センサ、及びねじれセンサをさらに含むことができる。器具は、外科医が器具を使用する作業領域において明かりを提供するためにＬＥＤ等の照明要素をさらに含むことができる。アンビルは、アダプタの使用によってブローチ、ノミ又は他の手先効果器に連結することができ、このアダプタは、異なるブローチの大きさの迅速な変更を容易にするために迅速接続機構を有することができる。アンビルは、ブローチが、外科医の手の中で器具の向きを変えることなく異なる解剖学的形態に提示されるとともに異なる解剖学的形態で構成されることを可能にするように、固定用回転特徴部をさらに含むことができる。

ここで図１～図５を全体的に参照すると、一実施形態では、直線運動変換器１２は、スライダクランク機構を含む。このスライダクランクは、モータ８及び減速装置７に直接的に又は間接的に動作可能に連結される。器具は、ピストン２４を受け入れる真空室２３をさらに含み、ピストン２４は直線運動変換器１２によって作動することができる。ピストン２４を１つ以上の方向に作動することができることが明らかであろう。真空は、打撃体２５から離れるピストン２４の移動によって真空室２３内に形成される。真空室２３内に形成される真空は、動作周期の少なくとも一部にわたる約９ｐｓｉａ未満の圧力として規定される。

一実施形態では、モータ８は直線運動変換器１２を移動させ、直線運動変換器１２は、図２により詳細に示されているように、打撃体２５の面に真空引きし、真空室２３内に少なくとも部分的な真空を形成する。ピストン２４は、打撃体２５の前方部分（すなわち、打撃体の、手先効果器又は患者に近接する部分）に当たるまで移動し続け、真空室２３の大きさを増大させ、これによって、打撃体２５がその戻り止め１０から取り外され、打撃体２５が、器具の、手先効果器又は患者に近接する端部に向かって迅速に加速することを可能にする。一実施形態では、戻り止めは、機械的、電気的又はそれらの組み合わせであるものとすることができ、好ましい戻り止めは図面には磁石として示されている。戻り止め１０の特徴は、戻り止め１０が一旦解放又は克服されると、打撃体２５に対する戻り止め１０の保持力が、打撃体２５の最初の３０％の移動内で少なくとも５０％低下することである。アンビル１４に対する打撃体２５の衝撃は、アダプタ１、及びブローチ、ノミ又は他の整形外科用具に力を伝える。

一例示的な実施形態では、アンビルに対する力の方向は、器具及び行程制限部１３への（外科医等の）ユーザの手動の力によって制御される。本発明者は、彼の以前の設計が時には空洞内に留まることがあり、上述した段落における打撃体の衝撃では器具を取り出すのに不十分である可能性があることが分かっている。この実施形態では、器具が空洞から引き離されるときに、打撃体２５はアンビル１４に衝撃を付与しないが、別の面に衝撃を付与し、それによってアンビル１４に対して後方への力を伝える。この衝撃面は、例示的な実施形態では作動ピン２７として示されている。作動ピン２７はレバーアーム１７に力を伝え、レバーアーム１７はアンビル１４に、具体的にはアンビルの後退衝撃面２６に後方への力を伝える。この実施形態は、精密に制御される衝撃に関して既存の器具の全ての利点を保ちながら、上述の取り出しの問題を容易に解決するという予期しない利点を有する。従って、この器具の更なる利点は、外科医が器具に加えることができる付勢によって衝撃を付与する方向を制御することができ、その際に、ブローチ、ノミ又は他の手先効果器が患者又は外科的な空洞に突き刺さる可能性を低下させることができるとみなされるものとして発見されている。

更なる実施形態では、電磁石を戻り止め１０として組み込み、動作周期の適切な時点で解放し、打撃体２５がアンビル１４に衝撃を付与することを可能にすることができる。打撃体２５が戻り止め１０から解放されると、打撃体２５の後面に対する空気圧によって打撃体２５を前方に推進してアンビル１４又は他の打撃面に衝撃を付与する。結果として生じる力は、アンビル１４の、アンビルの前方衝撃面１６に近接する端部を通して、任意選択的には、埋没物又は補綴材を着座させるか又は除去するブローチ、ノミ又は他の手先効果器を取り付けることができるアダプタ１を通して伝えることができる。

打撃体案内部１１は、打撃体２５の正面の空気が逃げることでアンビル１４に対する打撃体２５の衝撃力を高めることを可能にする打撃体案内部の通気孔２０も有することができる。打撃体案内部の通気孔２０は、器具本体の空洞内で通気することができ、従って、空気が器具から逃げることを防止するとともに器具のより良い封止を可能にする、自己完結型の空気サイクルを形成する。発明者は、衝撃力を調節するために打撃体案内部の通気孔２０の位置及び大きさを変えることができることが分かった。さらに、発明者は、打撃体案内部の通気孔２０を加えることによって、アンビル１４に対する打撃体２５の衝撃力が増すことが分かった。

一実施形態では、ピストン２４は、その行程を継続すると、後方方向に向かって移動する。この移動によってピストン２４は打撃体２５の後方打撃体面２８に接触し、打撃体２５を器具の後方に向かって移動させる。これによって、戻り止め１０が打撃体２５を次の衝撃に備えて適所に固定又は保持することが可能になる。ピストン２４は、その後方への行程を完了し、好ましくは、ピストン２４を真空室２３の下死点において又は下死点付近で静止させるようにモータ８を停止するよう信号伝達するセンサ２２を作動する。真空室２３は好ましくは、一実施形態ではピストン２４の一部である逃がし弁若しくは逆止弁９又は他の小さい開口を有する。弁９は真空室２３の他の地点に位置付けることもでき、各周期中に真空室２３内に蓄積している場合がある幾らかの空気を真空室２３から押し出すことを可能にする。更なる実施形態では、この弁の効果は、Ｏリングシールの代わりにカップシールを用いて達成することができる。これによって、ほぼ大気圧が動作周期の開始時点において真空室２３内に存在することを確実にし、従って、少なくとも、複数回の衝撃の状況において実質的に一定の力及び衝撃速度を保証するという理由から整形外科用の衝撃を付与することにおいて重要であるように、各衝撃が同じ量のエネルギーを使用することを確実にする。従って、１つの完全な周期で、前方又は後方への衝撃を付与する力を、ブローチ、ノミ若しくは他の手先効果器、又は埋没物若しくは補綴材に印加することができる。

図１５は、本開示の例示的な実施形態による整形外科用の衝撃を付与する器具の周期的動作を例示する例示的なフローチャートである。周期の開始（１５００）時に、まず整形外科用の衝撃を付与する器具が充電されて使用の準備ができているか否かがステップ１５０２で判断される。電池などの局所電源の電圧が閾値の最小値よりも小さい場合、電池はステップ１５０４で充電するように設定される。電池の電圧が閾値の最小値よりも大きい場合、ステップ１５０６でアンビル及び／又はブローチ又は他の手術用取付具が患者の骨の空洞に対して正確に位置決めされているか否かを判定する。アンビル及び／又はブローチ又は他の外科的な手術用取付具が正確に位置決めされると、動作はステップ１５１０に進み、そうでなければ、システムはステップ１５０８で位置が修正されるまで待機する。ステップ１５１０では、電動モータとギヤボックスの組み合わせが回転しているか否かを判定する。モータが回転し始めると、ステップ１５１２でカムセンサが作動したか否かが判定される。センサが作動している場合、トリガーはステップ１５１４で押さえられ、これによりカムがガススプリングピストンを「発動（コック：ｃｏｃｋ）」させ、最終的に衝撃力を形成する。カムセンサが作動していない場合、プロセスはステップ１５１０に戻り、カムセンサが作動するまでモータが回転を続けるように許容する。次に、ステップ１５１４でトリガーが維持されると、動作周期は、モータが継続して回転するステップ１５１０に再び戻って、カムは次の周期のためにガススプリングピストンを「再び発動（コック）」し、そうでなければ、整形外科用の衝撃を付与する器具の動作はステップ１５１６で停止する。

制御機２１は、好ましくは図１５に記載された周期的動作を履行するファームウェアと共に動作し、その結果、整形外科用の衝撃を付与する器具は、反復可能かつ制御可能な衝撃力を生成することができる。制御機２１は、例えば、インテル（登録商標）社（サンタクララ、カリフォルニア州）又はＡＭＤ（登録商標）社（サニーベール、カリフォルニア州）によって製造されたものなどの、任意のデータプロセッサ、マイクロコントローラ又はＦＰＧＡデバイスなどのインテリジェントハードウェアデバイスを含むことができる。当業者によって認識されるように、他の制御機のタイプも利用することができる。

更なる実施形態では、器具のモータ８は、ピストン２４の前方部分が打撃体の一部に衝撃を付与し、打撃体を後方位置に保持する戻り止め１０を克服するようにピストン２４が十分な距離を移動するまで、直線運動変換器１２にピストンを移動させる。打撃体が戻り止め１０から解放されると、真空室２３内の真空が打撃体に力を加え、これによって打撃体を加速させ、打撃体を、器具のハウジングの内部の空洞を軸方向に摺動させ、アンビルの前方衝撃面１６を打撃させる。図３では、アンビルの前方衝撃面１６がアンビル１４及び／又は器具保持体を前方移動させ、図４では、アンビルの後退衝撃面２６がアンビル１４及び／又は器具保持体を後方移動させる。結果として生じる力は、アンビル１４の、アンビルの前方衝撃面１６に近接する端部を通して、任意選択的には、埋没物又は補綴材を着座させるか又は除去するブローチ、ノミ又は他の手先効果器を取り付けることができるアダプタ１を通して伝わる。

別の例示的な実施形態では、衝撃力は、一般に図６～９に示されているように、ピストン６及び打撃体４と併せて圧縮空気室５を用いて発生させることができる。この実施形態では、器具のモータ８は、ピストン６の遠位端と打撃体４の近位端との間に配置される圧縮空気室５内に十分な圧力が形成され、そうでなければ打撃体４を後方位置に保持している戻り止め１０、及び／又は、打撃体４をその後方位置に保持する慣性及び摩擦力を克服するまで、直線運動変換器１２にピストン６を移動させる。この十分な圧力に達すると、空気通路１９が開き、空気圧が打撃体４を加速させ、この打撃体４は空洞を軸方向に摺動してアンビル１４を打撃する。空気通路１９は、戻り止め１０からの必要とされる保持力の量を低下させるように、打撃体４の断面積の好ましくは５０％未満の断面積を有する。結果として生じる力は、アンビル１４の、アンビルの前方衝撃面１６に近接する端部を通して、任意選択的には、埋没物又は補綴材を着座させるか又は除去するブローチ、ノミ又は他の装置を取り付けることができるアダプタ１を通して伝わる。

ピストン６は、その行程を継続すると、後方方向に向かって移動し、圧縮空気室５に僅かに真空引きする。この真空は、空気通路１９を通して打撃体４の後面に連通することができ、打撃体４に対して戻る力を形成し、この戻る力は、打撃体４を後方方向、すなわちアンビルの前方衝撃面１６に対する打撃体４の衝撃点から離れる方向に移動させる。アダプタ１がアンビル１４に取り付けられている場合、力は、埋没物又は補綴材を着座させるか又は除去するブローチ、ノミ又は他の手先効果器が取り付けられるアダプタ１を通して伝えることができる。

別の例示的な実施形態では、衝撃力は、例えば、図１１に示すようにエアスプリング組立システムなどのガススプリング組立システムを使用して生成してもよい。図１１は、本開示の実施形態による整形外科用の衝撃を付与する器具の斜視図を示し、ガススプリング組立システムのモータ及びギヤボックス８はカム３０と組み合わせて、ガススプリングピストン３２及び／又は発射質量３４を駆動して最終的に衝撃力を発生させる。カム３０は、涙滴形状で示されているが、設計はガススプリングの迅速な解放を提供する任意の形状が使用され得ることを意図する。ガススプリングを駆動して迅速に解放するための代替的な方法には、断続的なラックアンドピニオン又はクライミング機構を使用することが含まれるが、これらに限定されない。ガススプリング組立システムは、他の構成要素の中でも、ローラフォロア３６、減速装置７、及びアンビル１４をさらに含む。ガススプリングピストン３２は、例えば、約３００から３０００ｐｓｉの範囲の圧力下で動作するガス室４０を含む。

図１２は、ガススプリング組立システムの斜視図であって、ガススプリングピストン３２を駆動するために使用されるカム３０は、動作位置で「発動（コック）」し、解放の準備ができたガススプリングを備える。「発動（コック）過程」では、発射質量３４と組み合わされたガススプリングピストン３２は、ローラフォロア３６に接触して押され、矢印４２で示すように第１方向にカム３０によって駆動する。カム３０が第１方向に回転し続けると（同語反復のため時計方向と称する）、発射質量３４と組み合わせるガススプリングピストン３２は、カム３０から解放される。特に、ガススプリングピストン３２がガス室４０内で十分に変位した後、及びカム３０がガススプリングピストン３２及び／又は発射質量３４の組み合わせを解放した後、ガススプリングピストン３２は、前方方向、すなわち衝撃点に向かう方向に移動し、同時にガススプリングピストン３２の面と接触している発射質量３４を加速する。発射質量３４は、繰り返しの衝撃に耐えられる鋼などの適切な材料又は同様の特性を有する任意の他の材料で構成されてもよい。

図１３及び図１４は、整形外科用の衝撃を付与する器具の例示的な実施形態であり、ガススプリング組立システムのカム３０が第１方向４２に回転し、ガススプリングピストン３２がカム３０から解放される。ガススプリングピストン３２が解放されると、発射質量は、衝撃点、アンビル１４又はまた他の衝撃面と動作可能に接触するまでガススプリングピストン３２と共に前方方向に加速される。ガススプリングピストン３２が前方方向に移動するとき、ガススプリングバンパ４４はストッパとして機能し、ガススプリングピストン３２のフランジ４６がガススプリングピストン３２のシリンダに衝撃するのを防止する。バンパ４４は、行程の終了時に達して質量３４を発射する時にガススプリングピストン３２の衝撃を吸収する。このようなバンパ４４は、反復動作中のガススプリングピストン３２の損傷を防止する。衝撃の少なくとも一部の間、好ましくは衝撃点の前に、発射質量３４は、ガススプリングピストン３２の面から分離する。トリガーが維持されている場合、カム３０は次の周期のためにガススプリングピストン３２を再び発動（コック）する。

上述したように、少なくとも２つの異なる衝撃面として、前方衝撃面及び後方衝撃のための他の表面が存在する。図１４は、レバーアーム１７を示しており、このレバーアーム１７は、アンビル１４の後方力を伝達し、特に後方衝撃のための異なる表面に連通する。これは、外科的な空洞内に打ち込まれる器具及び機構を容易に外せる予期せぬ利点を有する。図６、図８及び図９を具体的に参照すると、例えば、整形外科用の衝撃を付与する器具が患者の骨の空洞から引き離されるときに、例えば、打撃体４はアンビル１４に衝撃しないが、代わりに代替面に衝撃し、それによりアンビル１４に後方力を伝達する。この衝撃面は、例示的な実施形態では作動ピン２７として示されている。作動ピン２７はレバーアーム１７に力を伝え、レバーアーム１７はアンビル１４に、具体的にはアンビルの後退衝撃面２６に後方への力を伝える。全移動質量に対するガススプリングピストン３２の質量の比、すなわち、発射質量３４と組み合わせたガススプリングピストン３２は約５０％未満であり、衝撃面に効果的な衝撃を与えるための発射質量体３４へのより効率的なエネルギー伝達を容易にする。好都合なことに、ガススプリング組立システムは、より高いエネルギー衝撃を発生させるために、戻り止め又は磁石を必要とせず、又は使用しない。さらに、ガススプリングの圧縮比は５０％未満であり、これはガスの圧縮中に発生する熱を低下させる。従って、ガススプリング組立システムは、前述の衝撃発生システムに比べて、よりコンパクト、効率的、軽量、及び全体部位と可動部位が少ない。

器具は、連続的に制御して衝撃を付与することをさらに容易にすることができ、このように衝撃を付与することは、開始スイッチの位置に依存する（この開始スイッチは例えば電源又はモータに動作可能に連結することができる）。そのように連続的に衝撃を付与する場合、開始スイッチを起動した後で、また開始スイッチの位置に応じて、器具は、例えば開始スイッチの位置に比例する速度で完全な周期を行うことができる。従って、一回の衝撃又は連続的に衝撃を付与する動作モードによって、手術領域を形成するか又は形作ることが外科医によって容易に制御される。

制御機２１に動作可能に連結されているセンサ２２を設け、直線運動変換器１２の好ましい周期的動作を調節することを補助することができる。例えば、センサ２２は少なくとも１つの位置を制御機２１に通信することができ、直線運動変換器１２が、全出力行程の少なくとも約７５％が次の周期に利用可能である位置において又はその位置付近で停止することを可能にする。この位置は静止位置と称される。このことは、器具が周期毎に同じ量のエネルギーで衝撃を付与することをユーザが確実にできるという点で、既存の器具に対して有利であることが分かっている。このレベルの制御がなければ、単一の周期で衝撃を付与することの再現性が制限され、器具に対する外科医の信頼性が低下する。

器具は、例えばエネルギー制御要素１８によって周期毎に衝撃エネルギーの量を調整することがさらに可能である。衝撃エネルギーを制御することによって、器具は、制御されない衝撃又は過度のエネルギーの衝撃によって生じる損傷を回避することができる。例えば、外科医は、骨粗鬆症を患っている高齢の患者の場合には衝撃の設定を下げることができるか、又はより回復力に富む若しくは無傷の強健な骨構造に対しては衝撃設定を高めることができる。

一実施形態では、エネルギー制御要素１８は好ましくは、打撃体２５を保持する戻り止め１０に対する選択可能な解放設定を含む。打撃体２５を戻り止め１０から取り外すのに必要な圧力が増大する場合には、打撃体２５はアンビル１４により高いエネルギーで衝撃を付与することが明らかであろう。別の実施形態では、戻り止め１０は電気的に制御される要素を含むことができる。電気的に制御される要素は、周期の様々な時点で解放することができ、従って打撃体２５に作用する真空室２３の大きさを制限する。一実施形態では、電気的に制御される要素は電磁石である。

別の実施形態では、真空室２３又は圧縮空気室５は、調整可能な弁等の調整可能な漏出部の形態をとるエネルギー制御要素１８を含むことができる。漏出部は、打撃体４又は２５を加速させるエネルギーの量を減らし、従ってアンビル１４に対する衝撃エネルギーを低下させる。調整可能な漏出部の場合、漏出部を最大に調整することは、打撃体４又は２５から最も低い衝撃エネルギーを与えることができ、漏出部を遮断する（漏出ゼロ）ように調整することは、打撃体４又は２５から最も高い衝撃エネルギーを与えることができる。

器具は、打撃体４又は２５と外科用の手先効果器との間に挿入される弾性要素をさらに含むことができ、この目的は、より長時間にわたって衝撃力を拡散し、従って、衝撃毎に同じ総エネルギーを、但し小さな力で達成することである。これは、図１０に示されているような用具に対する２つのロードセル試験の結果としてはっきりと分かる。この種類の弾性要素は、衝撃中のピークの力を制限し、そのようなピークによって患者の骨に骨折が生じないようにする。更なる実施形態では、この弾性要素は調整可能であるものとすることができ、また更なる実施形態では、弾性要素は打撃体４又は２５とアンビル１４又は手術器具との間に挿入することができる。このように及び別様に、器具は、一貫性のある軸方向のブローチ及び埋没物の着座を容易にする。好ましくは、弾性要素は、打撃体からの衝撃時間を少なくとも４ミリ秒、また好ましくは１０ミリ秒に延ばす。これは、打撃体４又は２５及びアンビル１４（例えばともに鋼である）の比較的高い強度に起因して非常に高い力が生成される衝撃とは対照をなす。好ましくは、弾性要素は、衝撃から良好に回復し、総エネルギーに最小限の減衰を与える、ウレタン、ゴム又は他の弾性材料等の弾力性のある材料を含む。

更なる実施形態では、アダプタ１は、ブローチ、ノミ又は他の手先効果器の位置を、外科医が器具を回転させる必要なく変更することができるように、当該技術分野において既知の連結構成又は他の調整機構を含むことができる。一実施形態では、アダプタ１は、オフセット機構を通じて、又は器具と患者との間の回転連結若しくは枢動連結によって、前方又は後方の関節置換のためにブローチを受け入れることができる。アダプタ１はそれによって、ブローチ又は外科用の手先効果器を、器具の本体及び打撃体２５に平行であるか又は同一直線上にある向きに維持することができる。アダプタ１は、器具の操作中にブローチ、ノミ又は他の手先効果器を確実に保持することができる挟持装置、万力、又は任意の他の締結具も含むことができる。

使用時に、外科医は、ハンドル把持部（単数又は複数）によって器具をしっかりと保持し、ＬＥＤが発する光を用いて作業領域を照明し、器具に取り付けられているブローチ、ノミ又は他の手先効果器を、補綴材又は埋没物の所望の位置に正確に位置決めする。器具がブローチ、ノミ又は他の手先効果器に与える往復運動によって、空洞を形作ること、及び補綴材を着座させること又は取り出すことを可能にする。

本明細書において開示される器具は、従来技術に勝る種々の利点を提供する。器具は、手術部位において衝撃を制御して付与することを容易にし、これによって、患者の身体に対する不必要な損傷が最小限に抑えられ、また、埋没物又は補綴材の座部を正確に形作ることが可能となる。器具は、外科医が衝撃の方向、力及び頻度を変えることも可能にし、これによって、外科医の器具を操作する能力が改善される。衝撃設定の力制御調整部及び弾性制御調整部は、外科医が、特定の骨の種類又は患者の他の外形に従って衝撃力を設定することを可能にする。効率を改善し直線運動変換器の荷重を小さくすることは、より小さい電池及びより低い費用の構成要素の使用を可能にする。器具はそれによって、補綴材又は埋没物を、埋め込み空洞内に適切に着座させること、又は、埋め込み空洞から適切に取り出すことを可能にする。

本開示の特定の実施形態の上記の記載は、例示及び説明のために提示されている。それらの説明は、網羅的であることも、本開示を、開示の正確な形態に限定することも意図せず、明らかに、上記教示を踏まえて多くの変更形態及び変形形態が可能である。例示的な実施形態は、本開示の原理及びその実際的な適用を最も良く説明し、それによって、当業者が本開示及び種々の変更形態を含む種々の実施形態を意図される特定の用途に適したものとして最も良く使用することを可能にするために選択され記載されている。

Claims (13)

1. 前方および後方に手術器具の動作を促すための外科用打撃器具であって、
   前記外科用打撃器具は、
   ガススプリングピストンを有するガススプリングを含むガススプリング組立体を備える駆動機構と、
   反復可能かつ制御された接触力を生じさせるために、前記ガススプリング組立体を制御する制御回路と、
   対象物と相互作用する前記手術器具を受け入れるように構成されたアダプタと、
   前記アダプタと連結しており、前方衝撃面および後方衝撃面を有するアンビルと、
   前記反復可能かつ制御された接触力を前記アンビルに提供し、前記ガススプリングピストンと接触することで移動する移動体であって、前記アンビルの前記前方衝撃面に接触することで、前記アダプタを前方に移動させると共に、前記アンビルの前記前方衝撃面に接触せずに、レバーアームに接触して、前記レバーアームが前記アンビルの前記後方衝撃面に接触することで、前記アダプタを後方に移動させる移動体と、
   を含み、
   前記アンビルの前記前方衝撃面に対する前記反復可能かつ制御された接触力の提供は、前方に前記アダプタを押し、
   前記アンビルの前記後方衝撃面に対する前記反復可能かつ制御された接触力の提供は、後方に前記アダプタを押す、外科用打撃器具。
2. ユーザの付勢力が前記外科用打撃器具に対して後方に加えられたとき、前記移動体が前記レバーアームに接触して、前記レバーアームが前記アンビルの前記後方衝撃面に接触して、前記後方衝撃面を後方に押す、請求項１に記載の打撃器具。
3. 前記ガススプリング組立体は、カム、モータ、及びギヤボックスをさらに含む、請求項１に記載の打撃器具。
4. 前記ガススプリングピストンと前記移動体との全移動質量に対するガススプリングピストン質量の比率が５０％未満である、請求項１に記載の打撃器具。
5. 前記ガススプリングの圧縮比率は５０％未満である、請求項１に記載の打撃器具。
6. 前記カムは、前記ガススプリングピストンを変位させるために使用される、請求項３に記載の打撃器具。
7. 前記ガススプリングは、３００から３０００ｐｓｉの範囲の圧力下で動作するガス室を含む、請求項１に記載の打撃器具。
8. 前記移動体は、鋼で構成される発射質量を含む、請求項１に記載の打撃器具。
9. 前記アダプタは、前記手術器具に解放可能に接続するように構成される、請求項１に記載の打撃器具。
10. 前記カムは、前記移動体が前記前方衝撃面および前記後方衝撃面と接触する前に前記ガススプリングピストンと係合し、前記カムは、前記前方衝撃面および前記後方衝撃面へ前記反復可能かつ制御された接触力を加えるように前記移動体を押すために前記カムから前記ガススプリングピストンを解放させる、請求項３に記載の打撃器具。
11. 前記移動体は、前記前方衝撃面および前記後方衝撃面と接触する前に前記ガススプリングピストンの面に取り付けられる、請求項１に記載の打撃器具。
12. 前記移動体は、前記前方衝撃面および前記後方衝撃面と少なくとも一部接触する間に、前記ガススプリングピストンの前記面から分離する、請求項１１に記載の打撃器具。
13. 前方および後方に手術器具の動作を促すための外科用打撃器具であって、
    前記外科用打撃器具は、
    ガススプリングピストンを有するガススプリングを含むガススプリング組立体で前記外科用打撃器具を駆動させる手段と、
    反復可能かつ制御された接触力を生じさせるために、前記ガススプリング組立体を制御する制御回路と、
    前記手術器具を受容するアダプタと、
    前記アダプタと連結しており、前方衝撃面および後方衝撃面を有するアンビルと、
    前記反復可能かつ制御された接触力を前記アンビルに提供し、前記ガススプリングピストンと接触することで移動する移動体であって、前記アンビルの前記前方衝撃面に接触することで、前記アダプタを前方に移動させると共に、前記アンビルの前記前方衝撃面に接触せずに、レバーアームに接触して、前記レバーアームが前記アンビルの前記後方衝撃面に接触することで、前記アダプタを後方に移動させる移動体と、
    を含み、
    前記アンビルの前記前方衝撃面に対する前記反復可能かつ制御された接触力の提供は、前方に前記アダプタを押し、
    前記アンビルの前記後方衝撃面に対する前記反復可能かつ制御された接触力の提供は、後方に前記アダプタを押す、外科用打撃器具。

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