JP7134492B2

JP7134492B2 - 整形外科的処置のためのねじり超音波発生器

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Publication number: JP7134492B2
Application number: JP2019559407A
Authority: JP
Inventors: バドコット、シーン・マイケル; ヤング、スティーブン・マイケル・ラドリー; ヤング、マイケル・ジョン・ラドリー
Original assignee: ラドリー・サイエンティフィック・リミテッド
Priority date: 2017-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2022-09-12
Anticipated expiration: 2038-01-17
Also published as: DK3570763T3; JP2020505198A; EP3570763A1; CN110753522A; WO2018134556A1; EP3570763B1; US20190365409A1; US11583308B2; FI3570763T3; GB201700826D0; CN110753522B

Description

本発明は、手術具のような超音波振動可能な道具を起動するためのねじりモード超音波振動を発生させるための装置に関する。より具体的には、ただし限定するものではないが、それは、手術具、特に整形外科的処置のための手術具、のハンドピースへと組み込まれるように適合された、ねじりモード超音波振動を発生させるための装置に関する。

高度な整形外科用再置換器具において、及び専門家による外傷インプラント除去のために、ねじりモード超音波を使用することが知られている。ねじりモード振動を用いる装置の設計は、縦モード超音波振動を使用する先の技法と比べて、又は衝撃駆動型切削道具と比べてさえ、骨開窓を傷つけるリスクを大幅に低減した、向上された安全性を提供する（国際特許出願第２０１５／１９８００５号及び米国特許第８，８３６，２００号におけるＹｏｕｎｇｅｔａｌを参照）。いくつかのケースでは、保護シュラウドが、その道具のエンドエフェクタに超音波発生トランスデューサをつなぐ導波管の周囲に必要とされる。しかしながら、その道具がそのようなシュラウドなしに安全に展開されることができる場合、振動性システムの効率性は、縦モードとねじりモードとを組み合わせて使用することによって、有意に改善されることができる。Ｗｕｃｈｉｎｉｃｈｅｔａｌの米国特許出願第２００１／００４７１６６号、Ｂｏｕｋｈｎｙｅｔａｌの米国特許出願第２００５／０２７７８６９号、及びＥａｓｌｅｙｅｔａｌの米国特許出願第２００６／０００４３９６号によって開示されているもののような、これを達成するための技法のいくつかの例が知られている。各例では、縦モードからねじりモードへの比例するモード変換を作成するための必須の物理的特徴、断面の不均等は、その道具の導波管又はホーンの選択された領域において螺旋状の溝を機械加工することを伴う。音響的に効率的なシステムを作成するために、その道具のチタン合金においてこれらの特徴を機械加工することは困難であるが、しかしながら、それは、この技術の使用を限定してきた。

本発明の目的は故に、既存のシステムの欠点を取り除くが、上述されたような同等の利益を提供する、ねじりモード超音波振動を生成するための装置、特に超音波で起動可能な整形外科用手術具を付勢するのに適した装置、を提供することである。

本発明の第１の態様によると、ねじりモード超音波振動を生成するように適合された装置が提供され、同軸上に一直線に配列されたアレイの遠位端から伸びる空洞の細長い変換素子を有する圧電セラミック素子のアレイを備え、複数の穴は、空洞の細長い変換素子の壁を貫いて伸び、前記複数の穴は、穴の１つ又は複数の列を形成するように配置され、穴の前記又は各列は、変換素子に沿って、且つその周囲に螺旋状に伸びている。

好ましくは、各前記穴は、各他の前記穴と同一である。

有利には、各前記穴は、空洞の細長い変換素子の縦の中心線と交差する中心線を有する。

好ましくは、変換素子の周りを螺旋状に伸びる穴の複数の前記列が存在する。

有利には、穴の各前記列は、穴の各他の列に対して平行して伸びている。

穴の各前記列は、穴の各他の前記列から一定の距離だけ離間され得る。

好ましくは、各前記穴は、空洞の細長い変換素子の内部に向かってテープが付いている。

有利には、各前記穴は故に、円錐形又は円錐台形である。

代替として、各前記穴は、円筒状である。

代替として、各前記穴は、楕円形の断面を有する。

代替として、各前記穴は、概ね正方形の断面を有する。

好ましくは、空洞の細長い変換素子は、円筒状である。

有利には、細長い変換素子の空洞の内部は、細長い変換素子の縦軸に沿って伸びる細長いルーメンを備える。

空洞の細長い変換素子は、その長さに沿って一定の断面輪郭を有し得る。

空洞の細長い変換素子は、全体を通じて一定の厚さを有する壁手段を有し得る。

好ましくは、変換素子の外径（Ｄ）対穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）の第１の比は、４：１より大きい。

有利には、変換素子の外径（Ｄ）対穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）の第１の比は、６：１より大きい。

変換素子の外径（Ｄ）対穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）の第１の比は、有利には１５：１未満である。

変換素子の外径（Ｄ）対穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）の第１の比は、１０：１未満であり得る。

好ましくは、穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）対同じ列の穴の間の距離

「以下、「ｇ」とする」の第２の比は、１．５：１より大きい。

有利には、穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）対同一列の穴の間の距離ｇの第２の比は、１．７：１より大きい。

穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）対同一列の穴の間の距離ｇの第２の比は、有利には５：１未満である。

穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）対同一列の穴の間の距離ｇの第２の比は、３．７５：１未満であり得る。

本発明の第２の態様によると、ねじりモード超音波振動によって起動される手術具が提供され、上記の第１の態様において説明されたような装置を備え、ここで、空洞の細長い変換素子の遠位端から同軸上に伸びる細長い導波管手段が、超音波振動を伝達するように適合され、及び手術具のエフェクタ素子が、導波管手段の遠位端に又は隣接して位置する。

本発明の実施形態はここで、例として、及び添付の図面の図を参照して、より具体的に説明されることになる。

ねじりモード超音波振動を生成するための既知の装置の斜視図である。本発明を具現化するねじりモード超音波振動を生成するための装置を備える手術具の斜視図である。図２の装置から分離された第１の変換素子の斜視図である。図３の第１の変換素子の一部分の拡大された断片的な斜視図である。図２の手術具の側面図である。図４と一直線に配列された、手術具の長さに沿ったねじり振動の変位振幅のグラフである。本発明を具現化する第２の変換素子の側面図である。本発明を具現化する第２の変換素子の側面図である。点線ＶＩ～ＶＩに沿って取られた、図５ａ及び５ｂの第２の変換素子の壁の概略的な断片的な断面である。

ここで図面を、特に図１を参照すると、ねじりモード超音波振動を生成するための既知の装置５０、具体的にはＢｏｕｋｈｎｙによる米国特許出願第２００５／０２７７８６９号に開示されているもの、が示されている。これは、段のある変換ホーン４２の近位端４６においてそのホーン４２に接続された、ＰＺＴセラミックリングのスタックを備える従来の形式のトランスデューサ４１を備える。トランスデューサ４１は、スタックのＰＺＴリングの間に交互配置された電極を介して、適した電気信号が印加されたときに縦モード超音波振動を生成するように適合されている。変換器ホーン４２は、それに対して一連の平行する螺旋状の溝４７が切削されている、４分の１の波長の長さの第１の近位部４０と、同じく４分の１の波長の長さであり、ホーン４２の遠位端４５において終端する、より小さい直径のプレーンな第２の遠位部４４とを備える。この遠位端４５において、トランスデューサ４１によって発生させられ、且つ変換器ホーン４２を通じて伝達される超音波振動の変位は、それぞれ、矢印４８と４９とによって表されているように、ねじりモードと縦モードとの組み合わせになっている。

先行技術のこの例は、軸方向に／縦方向に励振されるロッドシステムにおいて、縦振動のねじり振動への変換がどのように生じるのかを実証しており、それにおいて、４分の１の波長の長さのロッドのセクションは、一連の平行する螺旋状の溝で機械加工されている。しかしながら、これらの溝の間隔及び深さは、生成されるねじりモードの縦モードへの変位の比率に決定的な影響を及ぼす。（図１に示されている装置は、上記の導入節において論述された既知のシステムの不利な点を有すると考えられることに留意されたい）。そのような螺旋状の溝を正確に切削することは、ほとんどのケースにおいて、そのような装置５０が主にチタンから成ることから、困難なプロセスであることが分かっている。

図２では、本発明を具現化し、及び縦モード超音波振動を部分的に又は全体的にねじりモード振動に変換する改善された手段を提供する、代替の振動性ロッドシステムが例示されている。このシステムは、手術具２０において具現化され、トランスデューサ２７、第１の空洞セクションモード変換器２９、及び整形外科用骨セメントの除去のために設計された器具１８を備える。ここでのトランスデューサ２７は、従来の軸モードランジュバントランスデューサ設計のものであり、同軸上に配置され、環状電極と交互配置され、及びバックプレート２４とフロントプレート１４との間に挟まれた複数の圧電セラミック（ＰＺＴ）リング２２から成る。フロントプレート１４は、その遠位／出力端１３において適切な振動運動特性を作成するためのオプションの段２６とともに示されている（詳細については以下を参照）。絶縁フランジ２５は、その中に発生させられる超音波振動の節点において、フロントプレート１４とトランスデューサスタック２２との間にオプションとして位置する。絶縁フランジ２５は、ハンドピースのケーシングがトランスデューサ２７と第１のモード変換器２９との周囲に装着されることを可能にし、超音波振動から絶縁される。

トランスデューサ２７の遠位端１３は、第１の空洞セクションモード変換器２９にねじ式装着（可視でない）によって取り付けられる（以下の図３においてより詳細に示される）。第１のモード変換器２９は、一連の平行して伸びる螺旋７に配置された複数の放射状に穿たれた穴１１を提供され、各穴１１は、第１の空洞のモード変換器２９の壁を完全に貫いてその内部へと穿たれる（これもまた、以下の図３において十分に示される）。

第１のモード変換器２９の遠位端１５に、これもまたねじ式装着によって、整形外科用骨セメントの除去のための器具１８が取り付けられる。例示されている代表的な骨セメント除去器具１８は、拡大された直径の近位セクション２と、細長い導波管部６と、導波管部６の遠位端におけるエンドエフェクタ４とを備える。段のあるセクションチェンジ３が、導波管部６内にオプションとして存在し、これらは、その中の振動モードに影響を及ぼすことなしに、システム２０の周波数チューニングを容易にし得る。

図３及び３ａは、第１の空洞のモード変換器２９のさらなる詳細を示している。第１のモード変換器２９の本体は、円筒状であり、空洞の中心９が、第１のモード変換器２９の中心線に沿って縦方向に伸びている。このことから、第１のモード変換器２９の壁１６は、一定の厚さを有する。複数の同一の円形セクションの穴１１は各々、壁１６を貫いて空洞の中心９へと伸び、各穴１１の中心軸は、第１のモード変換器２９の縦軸と交差する。

穴１１は、一連の平行する列、線又はチェーン７に全て配置され、各列７は、各他の列７と平行して、第１のモード変換器２９の周囲に螺旋状に伸びる。

図３は、振動モード変換の程度、よって遠位端１５においてセメント除去器具１８へと伝達されるねじりモード振動の比率を決定すると考えられる穴１１、列７及び第１のモード変換器２９の臨界寸法の詳細を示している。穴１１の２つの平行する列７が、これらの図に示されており、各々から、列７に３つの穴１１を有することが見て取れる。４つの臨界寸法が示されている：Ｗ（５）、ｄ（８）、Ｌ（１０）及びｇ（１２）。Ｗは、穴１１の隣接する平行する列７の間の（中心線から中心線までの測定された）一定の距離を表し、ｄは、各穴１１の同一の直径を表し、Ｌは、縁から縁までの測定された、隣接する螺旋状の列７の穴１１を隔てる最短距離を表し、及びｇは、同じ列７の隣接する穴１１の間の一定の距離を表す。角度αは、第１のモード変換器２９の縦軸に対する各螺旋状の列７のスパイラル角度を定義する。Ｄ（この図ではラベル付けされていない）は、円筒状の第１のモード変換器２９の外径である。

モード組成を決定する、臨界寸法間の定義関係は、以下の式に示されている。有意なねじりモード変換は、
Ｗ－ｄ≧ｇ
のとき、及びスパイラル角度αが
６０°＞α＞４５°
の範囲内にあるときに生じる。（注：量（Ｗ－ｄ）とＬとは、同じではない。隣接する列７の穴１１が必ずしも一直線に配列される訳ではないことから、２つの個々の穴１１の最近接であるＬは、（Ｗ－ｄ）以上になるであろう）。

加えて、初期の作業は、
５＞２πＤ／Ｌ＞２；
５＞２πＤ／（Ｗ－ｄ）＞２；
３＞（Ｗ－ｄ）／ｇ＞１
であることを示唆したが、さらなる展開は、最良の結果について、
１５＞Ｄ／（Ｗ－ｄ）＞４；及び好ましくは
１０＞Ｄ／（Ｗ－ｄ）＞６；その一方で
５＞（Ｗ－ｄ）／ｇ＞１．５；及び好ましくは
３．７５＞（Ｗ－ｄ）／ｇ＞１．７
であることを示している。

図４及び４ａは、変位振幅ξに対するシステム２０の長さに沿ったモード変化を概略的に示しており、３つの主たる素子２７、２９、１８の各々における節と腹とを定義している。例示されているシステム２０は、モード変換器２９からの、及びセメント除去器具１８全体を通じた、純粋なねじり出力を示している。除去器具１８は理想的には、ｎλ／２の長さを有し、ここで、λは、超音波振動、ここではねじりモード、の波長である。

図５及び５ｂは、第１のモード変換器２９に優先して、手術具２０へと組み込まれることができる、第２の空洞セクションモード変換器５９を示している。第２のモード変換器５９は、ラベル付けを簡略化するために、２回示されている。また、図５ｂでは、図５ａにおける近壁１６中の穴６１を通じて可視である第２のモード変換器５９の遠壁１６上の特徴は、明確性のために省略されている。

第１のモード変換器２９と第２のモード変換器５９とは、機能的及び構造的に非常に類似しており、それらの間の主要な差異は、第２のモード変換器５９の壁１６を貫いて穿たれた穴６１の輪郭にある。螺旋状に伸びる列７のこれらの穴６１の配置は、同じままである。第１のモード変換器２９の穴１１は、輪郭が円筒状であるが、第２のモード変換器５９の穴６１は、輪郭が円錐台形であり、第２のモード変換器５９の空洞の内部９に向かってテーパーが付いている。各穴６１によって範囲を定められた円錐角βは、典型的に約１４°である（以下の図６を参照）。第２のモード変換器５９は、各端部における接続素子６２、６３とともに示されており、各々は、使用されるねじ式接続を締め付けるためのスパナフラット６４を提供される。

図６は、第２のモード変換器５９の壁１６を貫く断片的な断面を示しており、穴６１の同じ列７の隣接する穴６１の間、及び隣接する列７の穴６１の間、の壁１６の輪郭を示すために、図５ａにおけるジグザグ線ＶＩ～ＶＩを辿っている。穴６１は、この例では、１４°の円錐角βで、第２のモード変換器５９の内部９に向かってテーパーが付けられている。結果として、同じ列７の２つの隣接する穴６１の間の壁１６の厚さは、第２のモード変換器５９の外面にわたって、一定であり、それらの間の距離ｇに等しい。円筒状の穴１１が使用された場合、それらの間の壁１６は、モード変換器２９の内部９に向かって非常により薄くなるであろう、又は円筒状の穴１１は、それらの内端において交差さえし得る。テーパーが付けられている穴６１それら自体は、それらが内部９に入るにつれて、外面におけるｄ₁からｄ₂まで直径が小さくなる。穴の直径ｄについての値が必要とされる場合、ｄ₁又はｄ₁とｄ₂との平均値のいずれかが、それが大きな差異を生むことなしに使用されることができる。図６において見られることができるように、隣接する列７の穴６１の間の壁１６の一部分は、依然として一定の厚さではないが、ここでも、比例する変動は、同じ列７の隣接する穴６１の間の狭壁１６における変動が生むであろうものよりはるかに少ない差異しか生まない。

このことから、本発明は、円筒状のロッドへと縦方向に切削される一連の螺旋状の溝の振動性特性が、断面の剛性を変えるために多様な形状を機械加工することによって複製又は模倣されることができることを認識しており、それによって、ロッドの縦軸に対する選択された方向に変位が生じることを促している。チューブ状のロッドセクションを選択し、及びチューブ状のロッドの縦軸の周りの平行する螺旋状の構成に配置された、チューブ壁を貫く一連の穴を穿つことによって、近位的に印加される圧縮波（縦モード）入力によって付勢されるとき、２つの運動成分が、機構の下流に作成されることができる。円筒状の穿たれた穴が、それらが製造するのに最も容易な形状であることから、上記の図２～３ａに示されている。（図４～５に見られるような）テーパーが付けられている穿たれた穴もまた、適切に輪郭を象られたビットで生成されることが容易である。しかしながら、スパークエロージョン技法に頼ることよって、他の形状、例えば、正方形又は楕円形、が個々の穴として発生させられることができる。これらの各々は依然として、本発明が取って代わることを意図されている、既知の変換器の既存の細長い連続的なスパイラル溝より容易に形成されるであろう。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ねじりモード超音波振動を生成するように適合された装置であって、同軸上に一直線に配列されたアレイの遠位端から伸びる空洞の細長い変換素子を有する圧電セラミック素子のアレイを備え、複数の穴が、前記空洞の細長い変換素子の壁を貫いて伸び、前記複数の穴は、穴の１つ又は複数の列を形成するように配置され、前記穴の列又は前記穴の列の各々は、前記変換素子に沿って、且つその周囲に螺旋状に伸びている、装置。
［２］前記穴の各々は、他の各穴と同一である、［１］に記載の装置。
［３］前記穴の各々によって定義される中心軸は、前記空洞の細長い変換素子の縦軸と交差する、［１］又は［２］に記載の装置。
［４］前記空洞の細長い変換素子は、複数の前記穴の列を備え、前記穴の列の各々は、前記変換素子の周りに螺旋状に伸びている、［１］～［３］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［５］前記穴の列の各々は、他の前記穴の列に対して互いに平行に延びている、［４］に記載の装置。
［６］前記穴の列の各々は、各隣接する前記穴の列から一定の距離だけ離間している、［４］又は［５］に記載の装置。
［７］列内の各穴は、前記列内の隣接する穴から一定の距離だけ離間している、［１］～［６］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［８］前記穴の各々は、前記空洞の細長い変換素子の内部に向かってテーパーが付けられている、［１］～［７］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［９］前記穴の各々は、円筒状である、［１］～［７］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［１０］前記空洞の細長い変換素子は、円筒状である、［１］～［９］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［１１］前記細長い変換素子の空洞の内部は、前記細長い変換素子の縦軸に沿って伸びる細長いルーメンを備える、［１０］に記載の装置。
［１２］前記空洞の細長い変換素子は、その長さに沿って一定の断面輪郭を有する、［１１］に記載の装置。
［１３］前記空洞の細長い変換素子の壁は、全体を通じて一定の厚さを有する、［１０］～［１２］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［１４］前記変換素子の外径（Ｄ）対穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）の第１の比は、４：１より大きい、［１］～［１３］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［１５］Ｄ対（Ｗ－ｄ）の前記第１の比は、１５：１未満である、［１４］に記載の装置。
［１６］穴の隣接する列の実質的な隔たり（Ｗ－ｄ）対同じ列の穴の間の距離ｇの第２の比は、１．５：１より大きい、［１］～［１５］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［１７］（Ｗ－ｄ）対ｇの前記第２の比は、５：１未満である、［１６］に記載の装置。
［１８］ねじりモード超音波振動によって起動される手術具であって、［１］～［１７］のうちのいずれか一項に記載のねじりモード超音波振動を生成するように適合された装置を備え、ここで、前記装置の前記空洞の細長い変換素子の遠位端から同軸上に延びる細長い導波管手段が、超音波振動を伝達するように適合され、前記手術具のエフェクタ素子が、前記導波管手段の遠位端において又は隣接して位置する、手術具。

Claims

ねじりモード超音波振動を生成するように適合された装置であって、同軸上に一直線に配列されたアレイの遠位端から延びる空洞の細長い変換素子を有する圧電セラミック素子のアレイを備え、複数の穴が、前記空洞の細長い変換素子の壁を貫いて延び、前記複数の穴は、穴の１つ又は複数の列を形成するように配置され、前記穴の列又は前記穴の列の各々は、前記変換素子に沿って、且つその周囲に螺旋状に延びている、装置。
前記穴の各々は、他の各穴と同一である、請求項１に記載の装置。
前記穴の各々によって定義される中心軸は、前記空洞の細長い変換素子の縦軸と交差する、請求項１又は請求項２に記載の装置。
前記空洞の細長い変換素子は、複数の前記穴の列を備え、前記穴の列の各々は、前記変換素子の周りに螺旋状に延びている、請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の装置。
前記穴の列の各々は、他の前記穴の列に対して互いに平行に延びている、請求項４に記載の装置。
前記穴の列の各々は、各隣接する前記穴の列から一定の距離だけ離間している、請求項４又は請求項５に記載の装置。
列内の各穴は、前記列内の隣接する穴から一定の距離だけ離間している、請求項１～６のうちのいずれか一項に記載の装置。
前記穴の各々は、前記空洞の細長い変換素子の内部に向かってテーパーが付けられている、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載の装置。
前記穴の各々は、円筒状である、請求項１～７のうちのいずれか一項に記載の装置。
前記空洞の細長い変換素子は、円筒状である、請求項１～９のうちのいずれか一項に記載の装置。
前記細長い変換素子の空洞の内部は、前記細長い変換素子の縦軸に沿って延びる細長いルーメンを備える、請求項１０に記載の装置。
前記空洞の細長い変換素子は、その長さに沿って一定の断面輪郭を有する、請求項１１に記載の装置。
前記空洞の細長い変換素子の壁は、全体を通じて一定の厚さを有する、請求項１０～１２のうちのいずれか一項に記載の装置。
ねじりモード超音波振動によって起動される手術具であって、請求項１～１３のうちのいずれか一項に記載のねじりモード超音波振動を生成するように適合された装置を備え、ここで、前記装置の前記空洞の細長い変換素子の遠位端から同軸上に延びる細長い導波管手段が、超音波振動を伝達するように適合され、前記手術具のエフェクタ素子が、前記導波管手段の遠位端において又は遠位端に隣接して位置する、手術具。