JP7232755B2 - レーザ胸骨切開 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ源と、ビーム調整構造体と、支持体とを備える切断装置に関する。レーザ源は切断レーザビームを発生するように適合している。ビーム調整構造体は、レーザ源によって発生した切断レーザビームを胸骨の予め定められた切断形状に沿って方向付けるように適合している。支持体はレーザ源を支持する。そのような装置は、様々な医療用途において患者の胸骨を切断するために使用することができる。

多くの医療用途において、ヒトまたは動物の骨は様々な目的のために切断または穿孔される。例えば、骨の形状を補正するために、１回または複数回の切断を行い、その切断部に沿って骨を再形成することが知られている。骨にある腫瘍を除去するために、または歯を交換するために、顎骨に穴をあけ、その穴にインプラントを人工歯根として提供することが一般的なやり方である。そのような切断を行うために、切断の特定の状況に応じて多くの種類の器具または道具が使用される。

より具体的には、様々な医療用途または外科的用途において、ヒトの胸骨が切断される。例えば、胸部臓器へのアクセスを得るため、例えば、心胸郭部手術において心臓にアクセスするために、胸郭を開くことができるように、胸骨が切り離される。それに関して、垂直方向のインライン状切開が胸骨に沿って通常行われ、その後、胸骨が分割され、または砕かれる。胸郭内部の臓器やその他の組織は非常に敏感で、患者の健康にとって非常に重要であるため、胸骨は正確かつ慎重に分割する必要がある。胸骨は比較的太くて強い骨構造であり、心臓や肺等の生命に関わる臓器が接触しているため、正確かつ慎重に分割することは特に困難である。

胸骨を切断するための器具として、従来の鋸、すなわち振動鋸、圧電オステオトーム等の機械的な道具を使用することが広く行われている。そのようなオステオトームの器具による骨の切断の根底に一般的にある原理は、あらゆる種類の器具について本質的に同じである。すなわち、それぞれの器具は、表面硬度を超えて器具が骨に侵入するまで骨表面に機械的応力を加える。

従来の機械的なオステオトームの器具に加えて、近年、胸骨等の太くて強い骨も、比較的正確で静かに切断することができる、代替の骨切断器具が開発されている。例えば、国際公開第２０１１／０３５７９２号パンフレットには、たとえ骨が比較的太くて強い場合であっても、非常に正確かつ静かな骨の切断を可能にするコンピュータ支援およびロボット誘導のレーザオステオトームが記載されている。このレーザオステオトームは、ロボットアームに取り付けられたレーザヘッドを含む。レーザヘッドがレーザビームを供給する間、ロボットアームは、切断すべき骨において、予め定められた切断形状に沿ってレーザヘッドを案内する。それによって、ロボットアームは、あらゆる方向および向きにおいて、レーザヘッドの、非常に正確で、比較的速い動きを可能にする。次いで、レーザビームは骨に当たり、そして予め定められた切断形状が生成されるまで骨組織を連続的に切除する。レーザによる切断は、従来の機械的な道具と比較して、例えば、緊急事態における侵入の停止といった、比較的迅速な反応、比較的小さな副次的損傷、および特に複雑な切断形状を含む場合の比較的高い正確性等の多くの利点を有する。特に重要なのは、レーザ光を使用して適切に切断されると、骨の表面は、骨を高温にさらす機械的な道具の摩擦、機械的応力、および発生した破片で多孔質表面を塞ぐことによる、損傷を受けないという事実である。レーザオステオトームはさらに、レーザビームと骨の接触領域周辺の組織を冷却および加湿するためのスプレー、切断処理によって発生した破片を除去するための破片ノズル、および自動追跡機構等の補助装置を含む。骨を切断する、既知の機械的方法とは対照的に、レーザ切断された骨の表面は、元の梁構造を維持することができ、治癒過程を開始するのに重要となり得る血流を遮断しない。

上述の種類の既知のレーザオステオトームは、胸骨を含むすべての種類の骨の精巧な切断を可能にする医学的適応に関して、やや普遍的ではあるが、そのようなオステオトーム、特にオステオトームのロボットアームは比較的大きい。さらに、オステオトームおよびロボットアームは通常、比較的高価であり、そのようなオステオトームが使用され得る多くの施設はオステオトームを購入する余裕がない。

したがって、患者の胸骨を正確に、迅速かつ信頼性をもって切断することを可能にする、比較的費用効率が高く、手軽な装置が必要とされている。

本発明によれば、この必要性は独立請求項１の特徴によって定義されるような装置によって解決される。好ましい実施形態は従属請求項の主題である。

具体的には、本発明は患者の胸骨を切断するための切断装置である。切断装置は、切断レーザビームを発生させるように適合しているレーザ源と、レーザ源によって発生した切断レーザビームを胸骨における予め定められた切断形状に沿って方向付けるためのビーム調整構造体と、レーザ源を支持する支持体とを備える。支持体は、レーザ源が胸骨に対して予め定められた位置にあるように、患者の胸郭に固定される取付構造を有する。

本明細書で使用される「胸骨」または胸骨という用語は、ネクタイのような形状をしており、胸部の中央に位置する長く平らな骨に関する。この骨は、軟骨を介して肋骨に連結して胸郭の前部を形成し、したがって心臓、肺および主要血管を保護するのを助ける。胸骨は３つの領域、すなわち上から下へ、胸骨柄、胸骨体、および剣状突起に区分することができる。したがって、用語「骨」は、天然のヒトまたは動物の骨だけでなく、人工の骨または骨の代用品を指すことができる。

本書で使用される「レーザ源」という用語は、完全なレーザ装置を指す場合もあるが、場合によっては（請求項１参照）、完全なレーザ装置のうち、レーザビームが出ていく単一部分を具体的に指す場合もある。例えば、レーザ源は、レーザ装置のレーザヘッドであり得、あるいは、中空ファイバ等の光ファイバまたは光導波路の出力端（レーザ装置からの光がここからコリメートされて出射される）にある光学部品であってもよければ、あるいはレーザ装置を介して切断レーザビームを放射する他の任意のものであってもかまわない。典型的に、レーザ装置は、電力手段を備えた固定ベースステーション、制御装置、プログラミング要素等の複数の部分を含む。多くの場合、それらは、例えば、一連のミラーを有する関節アームを使用してレーザビームを攪拌するために、ベースステーションに対して柔軟に移動可能なレーザヘッドまたはハンドピースをさらに含む。レーザビームは、通常、ハンドピースまたはレーザヘッドの一部（光学部分または焦点調整光学系）から、レーザ装置を出る。この部分は、本書の定義によれば、レーザ源であるといえる。

本明細書で使用される「オステオトームの形状」という用語は、加えられるべき切断の指定するために、胸骨または骨に画定される任意の形状に関する。そのようなオステオトームの形状は、例えば、それに沿って骨が切断されることになる直線もしくは曲線、または骨に侵入する目標の態様を画定する、より複雑な形状であってもよい。オステオトームの形状は、典型的には術前の計画段階で予め定められる。それは、例えばコンピュータ断層撮影データ等の骨の収集されたデータに基づいて、予め定めることができる。

オステオトームの形状は、コンピュータ手段を用いて予め定めることができる。また、例えばコンピュータ断層撮影スキャン等からの術前データを必要とせずに、胸骨において直接定めることもできる。例えば、これは、所望の切断の始点および終点を指すために外科医によって使用される光学追跡カメラおよび光学ポインタツールを使用して行われ得る。次いで、そのような選択は、レーザ胸骨切開制御ユニットに送信され得る。さらに、オステオトームの形状をこのように直接定めるために、ソフトウェアプログラムは、外科医またはオペレータに所望の切断形状、および正弦波切断等のパラメータを促すことができ、そこではオペレータは切断の始点と終点との間の周期の数を選択することができる。また、ソフトウェアは、胸骨に対して本質的に垂直であり得るデフォルトとは異なる、レーザビームの入射角を促すこともできる。

切断レーザビームを正確に方向付けるための可能な選択肢は、ビーム調整構造体がレーザ源を予め定められた位置および向きに動かすことである。したがって、用語「予め定められた位置および向き」は、予め定められた切断形状に沿って胸骨を切除するために、レーザ源が胸骨に適切なビームを送達することを可能にする任意の予め定められた位置および予め定められた向きに関連し得る。したがって、予め定められた位置および向きは、予め定められた切断形状と相関し得る。それによって、レーザ源によって発生したレーザビームが妨げられずに胸骨に到達することができるように、胸骨の近くに位置を予め定めることができる。レーザ源の向きは、レーザ源によって発生した切断レーザビームが好ましく骨に当たる角度で切断面に直接到達することができるように予め定めることができる。そのような、予め定められた、骨に当たる角度は、例えば、本質的に直角であり得る。

切断レーザビームを正確に方向付けるための他の可能な選択肢は、レーザ源、ミラー関節アーム、または光ファイバの出力コリメータから放射されるレーザビームが、固定位置またはスキャナに取り付けられた平面または曲面ミラーによって、リニアモータを備えた二次元（ＸＹ）または三次元ステージ（ＸＹＺ）の並進ステージによって、胸骨に向けられることである。

胸骨が切り離される医療用途では、切断レーザビームがパルスレーザビームであることが有利であり得る。したがって、レーザ源は、固体エルビウムレーザ源、または特に、固体エルビウムドープイットリウムアルミニウムガーネットレーザ源とすることができる。そのようなレーザビームのパルスは、サブマイクロ秒のパルスであり得る。したがって、切断レーザビームは、後述する固体エルビウムレーザ源等の固体エルビウムレーザ装置によって発生させることができる。そのような装置およびパルスレーザビームは、胸骨の骨構造に、副次的損傷を全く与えず、または最小限に抑えつつ、胸骨の骨組織の正確かつ効率的な切除を可能にする。ダイオードレーザまたはフラッシュランプ励起レーザ等の様々な種類の固体エルビウムレーザの他に、骨組織を切除することも知られている固体ホルミウムまたはＣＯ_２ガスレーザビーム等の任意の他のパルスレーザビームを使用することができる。

切断レーザビームは、約２，９００ナノメートル（ｎｍ）から約３，０００ｎｍの範囲の波長、または特に約２，９４０ｎｍの波長を有することができる。そのような波長は、骨組織に送達されるのに特に適している場合がある。レーザパルスは、１ピコ秒から約１００ミリ秒の範囲の時間幅、または特に１００マイクロ秒から約２ミリ秒の時間幅を有してもよい。レーザの選択および特性を補正するための調整は、骨組織を効率的に除去するために、したがって、切断形状に沿って骨組織を効率的に切除するために重要となり得る。

切断装置は、レーザ源の切断レーザビームを予め定められた切断形状からずらす、胸骨に対するレーザ源の動きを自動的に特定するように適合している補正装置をさらに含むことが好ましい。本明細書で使用される「胸骨に対するレーザ源の動き」という用語には、レーザ源の動きはもちろん、胸骨の動きも、両方の同時の動きも、予め定められた切断形状からのずれをもたらすような両者間の相対的な動きが含まれる限り、含まれる。補正装置は、胸骨に対するレーザ源の位置を自動的に調整して、予め定められた切断形状に対するレーザ源の切断レーザビームのずれを補正するように適合していることが好ましい。それによって、好ましい実施形態では、補正装置は、予め定められた切断形状からのずれが特定されたときに切断レーザビームの発生を停止し、ずれが補正されたときに切断レーザビームの発生を再開するように適合している。

特定という目的のために、補正装置は、切断レーザビームと胸骨との互いに対する位置に関する空間信号を提供するように適合しているセンサを備えることが好ましい。そのようなセンサは、胸骨までの距離レーザビームを供給し考察するように適合している距離レーザ源、胸骨に音波を提供して考察するように適合している超音波センサ、胸骨を監視するように適合しているカメラ、および赤外光を胸骨に供給して考察するように適合している赤外線センサであってもよいし、これらを備えてもよい。

補正装置は、計算装置、または計算装置上で実行されるソフトウェアアプリケーションをさらに有することができる。そのような計算装置は、胸骨に対するレーザ源の、自動的に特定された動きに関連して、信号または情報を自動的に評価するように具現化することができる。具体的には、計算装置は、上述したセンサによって提供された信号を評価するように適合してもよい。

予め定められた切断形状に対する、レーザ源の切断レーザビームのずれを補正するために、胸骨に対するレーザ源の位置を調整するために、補正装置をビーム調整構造体に接続してもよい。具体的には、補正装置は、特定されたずれを補正するためにレーザ源を移動させるか、そうでなければ切断レーザビームを移動させるために、ビーム調整構造体にコマンドを提供してもよい。したがって、コマンドは、計算装置によって生成および提供され得る。

使用時には、他のことに加えて切断形状が予め定められる術前計画の後、切断装置は、切断装置の支持体の取付構造を介して患者の胸郭に取り付けられる。それにより、レーザ源は胸骨に対して明確に定められた位置にある。特に患者の胸骨が切断されている間、患者はまだ呼吸しているので、肋骨は絶えず動いている。切断装置は取付構造によって直接患者に取り付けられるので、切断装置は胸郭と共に動き、それによってさらなる動き補償の必要をなくすことができる。したがって、本発明による切断装置は、比較的手軽な装置として、患者の胸骨の正確で信頼性のある切断を可能にする。

しかしながら、本発明の一実施形態では、付加的な補正装置が、レーザヘッドの、この明確に定められた位置のずれを絶えず自動的に特定し、特定されたずれを自動的に補正する。上述のように、そのような補正は、レーザ源を移動させることによって、および／または切断レーザビームを再成形することによって実施することができる。これは、特に切断装置と胸骨との間の相対移動が起こり得る状況、またはそのような相対移動が比較的大きい状況において、切断精度を向上させることを可能にすることができる。

支持体が支持要素を含み、補正装置が胸骨に対する支持要素の動きを自動的に特定するように適合していることが好ましい。具体的には、支持要素は、取付構造に固定的に接続することができる。胸骨に対する動きに関して支持要素を監視することによって、補正装置は、胸骨に対するレーザ源のずれを効率的に補正することを可能にする。

したがって、支持体がレーザマウントを備え、レーザマウントにレーザ源が固定的に取り付けられ、レーザマウントが支持要素に移動可能に接続されることが好ましい。切断レーザビームを胸骨に正確に提供するためにレーザ源は胸骨に対して動くことができるので、必要なレーザ源の動きの一部分、すなわち胸骨を切断するための動きの一部分と、意図しないレーザ源の動きの他の部分、例えば呼吸の動きを区別することは困難となり得る。上述のようなレーザマウントを設けることによって、レーザ源の動きのこれら２つの部分を効率的に分離することができる。具体的には、支持要素を監視することによって、補正装置は、レーザ源の動きの意図しない部分のみを特定し、必要な部分は補正装置によって気付かれることも考慮されることもない。

切断装置は、支持要素に対してレーザ源を移動させるように適合している駆動ユニットを含むことが好ましい。具体的には、駆動ユニットは、胸骨の切断形状に沿って切断レーザビームを移動させるように適合することができる。そのような駆動ユニットを用いると、切断レーザビームは切断形状に沿って自動的にまたは半自動的に移動され得る。例えば、駆動ユニットは、術前計画段階において適切に調整できるようにプログラム可能であってもよい。駆動ユニットは、胸骨を切断するために骨組織を切除するときの効率および精度を高めることを可能にする。また、補正装置は、特定されたずれを補正するために駆動ユニットを操作することができる。例えば、補正装置は駆動ユニットに接続されて、駆動ユニットに制御信号を提供することができる。このようにして、レーザ源と胸骨との間のずれを効率的に補償することができる。

したがって、駆動ユニットは、支持要素に対してレーザ源を移動させるように適合しているリニアモータを含むことが好ましい。そのようなリニアモータは、レーザ源を迅速かつ正確に動かすことを可能にする。このように、レーザ源またはレーザ源の一部を動かすことによって、レーザ源によって発生した切断レーザビームを胸骨の切断形状に沿って効率的に案内することができる。また、このようなリニアモータによって、レーザ源の動きの補正を効率的に提供することができる。特に、安全機能として、胸骨の位置が補正を必要とするときはいつでも、空間的補正が達成されるまで、切断装置はレーザビームの発生を一時的に停止することができる。

代替的または付加的に、駆動ユニットは、レーザ源によって発生した切断レーザビームが供給される方向を調整するように適合しているビームディレクタを備えることが好ましい。したがって、ビームディレクタは、支持要素に対してレーザ源を傾斜させるように適合しているヒンジモータ、またはヒンジモータ内に取り付けられたミラー、または任意の種類のスキャナを含むことが好ましい。代替的または付加的に、ビームディレクタは、レーザ源によって発生した切断レーザビームを向け直すように適合している調整可能な光学系を含むことが好ましい。調整可能な光学系は、レーザ源によって供給される切断レーザビームを偏向させるミラーを含むことができ、ミラーは、切断レーザビームを３６０°の周りに放射状に供給することができるように軸を中心に回転することができる。そのようなヒンジモータおよび／または光学系は、切断レーザビームを任意の所望の方法で精巧に供給することを可能にする。これにより、比較的複雑な切断形状を適用し、特定されたずれを正確に補正することが可能になる。

支持体の取付構造は、固定方式で胸骨に連結されるように具体化されている。例えば、取付構造は、解放可能ではあるが、固定的に胸骨に取り付けられることを可能にするクリップ手段またはクランプ手段を有することができる。また、取付構造は、肋骨にねじ止めするためのねじおよびねじ凹部を含んでもよい。支持体の取付構造が、複数の脚部を含み、複数の脚部の各々が、患者の胸郭の肋骨の１つに固定されるような形状の足部を有することが好ましい。このように、胸骨に対してレーザヘッドの位置を効率的に固定し、規定することが可能である。

あるいは、支持体の取付構造は、中空の支柱を含み、中空の支柱が、胸郭の複数の肋骨に固定され、レーザ源の切断レーザビームが中空の支柱の中空内部を通るように位置決めされるような形状であることが好ましい。このような支柱は、胸骨に対して切断装置を正確に位置決めすると同時に、レーザビームを覆い、胸骨の切断によって発生した破片から保護することを可能にする。

支持体の取付構造は、取付構造を胸郭に固定するように適合している１つまたは複数のベルトを含むことが好ましい。そのようなベルトは、他の装着手段に対して付加的にまたは代替的にも適用することができる。ベルトは、切断装置を胸郭に、速く、静かに、かつ容易に固定することを可能にする。ベルトはまた、必要に応じて、例えばねじによる最終的な固定を行いやすくするように、切断装置を、事前固定することを可能にする。

使用時には、切断装置は、切断形状で、または切断形状に沿って胸骨を切除する。レーザ切除の間、破片が発生し、切断レーザビームによって、発生した破片は、例えば約２，０００ｍ／ｓ等の比較的高速で、骨から離れる方向に移動する。骨の観点からは、切断レーザビームによる切除は、梁構造が破片で汚染されないので、破片フリーと呼ぶことができる。また、本明細書に記載の装置および方法を使用しても骨表面の融解は観察されないので、これは冷たい（光またはレーザによる）切除と呼ぶことができる。しかしながら、患者の胸骨を切断するときに発生する破片を排出するために、切断装置は、胸骨に当たる切断レーザビームによって発生する破片を除去するように適合している吸引要素または破片抽出ユニットを含むことが好ましい。そのような吸引または破片の抽出は、切断形状およびその周囲の空間を清潔に保つのに役立ち得る。

切断レーザビームが当てられる胸骨を冷却および水和するために、切断装置はスプレーノズルまたはノズルアレイを含んでもよい。それによって、多流体ノズルは特に効率的になり得る。冷却流体は滅菌塩化ナトリウムであってもよい。冷却流体は、切断レーザビームと骨組織との接触領域から、骨の他の部分への熱伝達を最小にすることを可能にする。したがって、骨組織の副次的な損傷を防止または最小限に抑えることができる。

切断装置は、胸骨に行われた切除の深度を検出するように適合している深度検出ユニットを備えることが好ましい。そのようなユニットは、所望の深度まで骨組織を正確に切除することを可能にする。それによって、骨組織の性質変化を考慮することができる。例えば、深度検出ユニットは、切除された骨組織の深度についての情報を中央制御ユニットに連続的に提供することができ、中央制御ユニットはそれに応じて切断レーザビームおよび／または駆動を調整する。これにより、胸骨を効率的かつ安全に切断することができる。

切断装置は、胸骨の切断形状に対して切断レーザビームの焦点を自動的に調整するように適合している自動焦点調整装置を備えることが好ましい。そのような自動焦点調整装置は、切除の進行に、連続的に焦点を合わせることを可能にする。有利な実施形態では、自動焦点調整装置は、上述の深度検出ユニットと組み合わせられる。したがって、自動焦点調整装置は、深度検出ユニットによって検出された深度に従って切断レーザビームの焦点を調整するように適合していることが好ましい。このようにして、切断レーザビームの焦点は、予め定められた切断レーザビーム強度が、切断形状で胸骨に当たることを確実にするために自動的に調整することができる。それによって、焦点は、切除される骨組織のそれぞれの深度に従って連続的に調整することができる。自動焦点調整装置は、放物面ミラーを含んでもよい。また、自動焦点調整装置は、例えば切断レーザビームを放射する要素であることによって、切断装置のレーザ源であることができる。

切断装置は、胸骨が予め定められた程度まで切断されたとき、レーザ切断レーザビームを発生させるレーザ源を停止させるように構成された深度制御ユニットを備えることが好ましい。胸骨が非常に薄い膜によってのみ心臓および肺から隔てられていることを考えると、切断形状全体に沿って切断深度を制御できることが最も重要となり得る。具体的には、胸骨が完全に切断されたとき、または切断形状全体が得られたら、最後に外科医が容易に分割できるように非常に薄い骨を残して完全な切断の直前で、切断レーザビームの発生を止めることができるように切断深度および外形を制御することが重要である。したがって、切断に関連した用語「予め定められた程度」は、胸骨の深度に対応する深度、または本質的に胸骨の深度に関連し得る。

そのような深度制御ユニットを実装するためのいくつかの好ましい適切な方法がある。一実施形態では、深度制御ユニットはレーザベースの光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）装置である。このようなＯＣＴ装置と、切断レーザビームと同軸モードで伝播することができる付加的なレーザビームとを使用することによって、切断の深度をリアルタイムに、例えば各レーザショットの直後に、制御することができる。

別の実施形態では、深度制御ユニットはレーザベースの光音響分光センサである。そのようなレーザ光音響分光（ＰＡＳ）センサを使用することによって、最後のショットが硬組織または軟組織に遭遇したか否かを判定することが可能になる。したがって、胸骨が完全に切断されているか否かに関する結論を効率的に引き出すことができる。

一般に、胸骨を切断するとき、または各レーザパルスの後には、切断部から破片が飛散する。この破片は高温にさらされる可能性があり、切断経路に存在する可能性のある病原体は生き残れないことを意味する。しかしながら、切断装置の破片除去ユニットを用いて破片を捕捉することは有意義な場合がある。このユニットは、例えば、切断部の近くに配置することができる吸引装置を含んでもよい。あるいは、吸引は別個の器具を用いて行ってもよい。

本発明による切断装置は、添付の概略図を参照して、例示的な実施形態によって以下にさらに詳細に説明される。

胸郭に取り付けられた、本発明による切断装置の第１実施形態の一部の斜視図を示す。 ハウジングが取り外された図１の切断装置の上面図を示す。 ハウジングが取り外された図１の切断装置の側面図を示す。 ハウジングが取り外された図１の切断装置の正面図を示す。 図１の切断装置の電子ユニットの斜視図を示す。 図１の切断装置の媒体配線の斜視図を示す。 図１の切断装置のレーザ源の詳細を示す図である。 胸骨を切り離すための精巧な切断形状の斜視図を示す。

以下の説明では、便宜上の理由で特定の用語を使用しているが、本発明を限定することを意図していない。用語「右（ｒｉｇｈｔ）」、「左（ｌｅｆｔ）」、「上（ｕｐ）」、「下（ｄｏｗｎ）」、「下（ｕｎｄｅｒ）」および「上（ａｂｏｖｅ）」は、図中の方向を指す。用語は、明示的に言及された用語だけでなく、それらの派生語および類似の意味を有する用語を含む。また、「下方（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下方（ｂｅｌｏｗ）」、「下方（ｌｏｗｅｒ）」、「上方（ａｂｏｖｅ）」、「上方（ｕｐｐｅｒ）」、「近位（ｐｒｏｘｉｍａｌ）」、「遠位（ｄｉｓｔａｌ）」等の空間的に相対的な用語を使用して、１つの要素または特徴、他の要素または特徴に対する関係を、図面に示されるように説明する場合がある。これらの空間的に相対的な用語は、図に示される位置および向きに加えて、使用または動作中の装置の異なる位置および向きを包含することを意図している。例えば、図中の装置をひっくり返すと、他の要素または特徴の「下（ｂｅｌｏｗ）」または「下（ｂｅｎｅａｔｈ）」として説明されている要素は、他の要素または特徴の「上（ａｂｏｖｅ）」または「上（ｏｖｅｒ）」になる。したがって、例示的な用語「下（ｂｅｌｏｗ）」は、上下の位置および向きの両方を包含し得る。装置は他の方向を向いて（９０度回転し、または他の方向を向いて）いてもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述語はそれに応じて解釈される。同様に、様々な軸線に沿った、および様々な軸線の周りの動きの説明は、様々な特別の装置位置および向きを含む。

様々な態様および例示的な実施形態の、図面および説明における繰り返しを避けるために、多くの特徴が多くの態様および実施形態に共通していることを理解されたい。説明または図面から、ある態様を省略することは、その態様が、その態様を組み込む実施形態から欠落していることを意味するものではない。そうではなく、明瞭性、および冗長な説明を避けるために、その態様が省略される場合がある。これに関連して、以下は本明細書の残りに適用される。図面を明確にするために、図面が説明の直接関連部分で説明されていない参照符号を含む場合、その参照符号は、前または後の説明段落で参照される。さらに、明瞭性のために、図面において、ある部品のすべての特徴に参照符号が付されていない場合、その特徴は、同じ部品を示す他の図面において参照される。２つ以上の図中の類似の番号は、同一または類似の要素を表す。

図１は、本発明による切断装置１の一実施形態を示す。切断装置１は、ハウジング１１を支持する支持体１２と、補正装置１４とを備える。レーザ源１６（図１では不可視）がハウジング１１内に配置され、支持体１２によって支持されている。レーザ源１６は、切断レーザビーム１５を発生させ、または照射するように適合している。

支持体１２は、４本の脚部１２２を有する取付構造を有する。脚部の各々は、支柱１２２１と、ねじ１２２３によって患者の胸郭２の肋骨２１のうちの１つに固定されるように適合している足部１２２２とを有する。具体的には、足部１２２２は、胸郭２の肋骨２１のうちの１つを受けるような形状にされた、凹状の下面を有する。取付構造を胸郭２に固定するために、少なくとも脚部１２２の足部１２２２が肋骨２１にねじ止めされている間、支持体１２はベルト１２３を備える。ベルト１２３は、胸郭２の周りに配置され、一般的な方法で締められる。切断装置１は、胸郭２に固定されると、胸郭２の胸骨２２の上方に配置される。

支持体１２はさらに、４つの脚部１２２に連結された支持要素としての支持板１２１を有する。脚部１２２と支持板１２１との間の連結は、支持板１２１と胸骨２２との間の距離を変えられるように、調整可能である。調整されると、脚部１２２および支持板１２１は、胸骨部２２および肋骨２１が互いに対して動かない限り、支持板１２１の位置および向きが、胸骨２２に対して予め定められたものとなるように、しっかりと連結される。

切断装置１は、支持体１２の支持板１２１に取り付けられたセンサとして、１つまたは複数のカメラ１４１を有する補正装置１４をさらに備える。カメラ１４１は、胸骨２２に向けられており、より具体的には、胸骨２２のうち切断レーザビーム１５が当たる領域に向けられている。カメラ１４１は、胸骨２２に対する支持板１２１の位置、したがって、レーザ源１６（図１では不可視）、および切断レーザビーム１５の位置に関する空間信号を提供するように適合している。補正装置１４は、カメラ１４１の空間信号を受信して評価する電子ユニット１７（図１では不図示）に実装された計算ユニットをさらに備える。胸骨２２に対する支持板１２１の位置のずれを特定するとき、補正装置１４の計算ユニットは、ずれを補正するために制御信号を駆動ユニット１９（図１では不可視）に提供する。計算装置１７と通信するため、および他の対話のために、切断装置１は媒体配線１３を備える。

図２では、切断装置はハウジング１１および媒体配線１３の無い状態で示されている。これにより、レーザ装置１８のレーザ照射部１８２が支持板１２１に取り付けられていることが分かる。レーザ照射部１８２は、ファイバコネクタ１８２１を有し、このファイバコネクタ１８２１に対して、媒体配線１３の光ファイバを接続することができる。レーザ照射部１８２は出口を有し、この出口から切断レーザビーム１５の光が放射される。図２において、レーザ照射部１８２は、切断レーザビーム１５光を上向きに照射する。

レーザ装置１８は、レンズユニット１８７を介して切断レーザビーム１５を左に９０°偏向する第１方向転換ミラー１８７をさらに有する。レンズユニット１８７により、切断レーザビーム１５は広げられる。レンズユニット１８７の左側に、レーザ装置は、広げられた切断レーザビーム１５を下方向に９０°偏向する第２方向転換ミラー１８８を備える。それによって、切断レーザビーム１５は、レーザ装置１８の第３方向転換ミラー１８９に当たるまで、レーザ照射部１８２に沿って進む。第３方向転換ミラー１８９は、広げられた切断レーザビーム１５を再び左に９０°だけ偏向させ、放物面ミラー部材１６に向けるようにする。

放物面ミラー部材１６は、様々な方法で調整可能である。特に、放物面ミラー部材１６は放物面ミラーを有し、その円錐形または形状は調整可能である。広げられた切断レーザビーム１５が、放物面ミラー部材１６の放物面ミラーに当たることによって、一方で広げられた切断レーザビーム１５を胸骨２２に向け直し、他方で切断レーザビーム１５の焦点調整をする。したがって、放物面ミラー部材１６は切断装置１のレーザ源を形成する。放物面ミラーの円錐を調整することによって、切断レーザビーム１５の焦点または形状を適合させることができる。放物面ミラー部材１６は、切断レーザビーム１５を自動的に胸骨２２に焦点調整するように制御される。したがって、放物面ミラー部材１６は付加的に切断装置１の自動焦点調整装置を形成し、それはまた切断形状２２１において切断レーザビーム１５の強度を正確に調整することを可能にする。このように、骨組織の効率的な切除が胸骨２２において可能である。さらに、放物面ミラー部材１６を調整することは、切断レーザビームが切断装置１によって放射される方向を規定する。それにより、放物面ミラー部材１６は、予め定められた切断形状２２１を胸骨２２に適用するように制御される。

放物面ミラー部材１６は、支持板１２１に移動可能に連結されているレーザマウント１２４に固定されている。レーザマウント１２４は、水平ｘレール１２６および垂直ｙレール１２５に連結されている。放物面ミラー部材１６、レーザマウント１２４、ｘレール１２６、およびｙレール１２５は共に、レーザ装置１の駆動ユニット１９のビーム調整構造体またはビームディレクタを形成する。駆動ユニット１９は、切断レーザビーム１５が放物面ミラー部材１６から照射される方向を調整するために、レーザマウント１２４を傾斜させるように適合しているヒンジモータをさらに有する。駆動ユニット１９は、レーザマウント１２４をｘレール１２６およびｙレール１２５に沿って移動させるリニアモータを備える。胸骨２２を予め定められた切断形状２２１に沿って正確に切断するために、放物面ミラー部材１６が調整される。放物面ミラー部材１６の適切な調整範囲の限界に達すると、切断レーザビーム１５の発生が停止され、放物面ミラー部材１６を移動させ傾斜させることによって放物面ミラー部材１６が再配置される。適切に再配置されると、切断形状２２１に沿った胸骨２２の切断が続けられる。

図３は、切断装置１を側面から見た図である。それにより、カメラ１４１が胸骨２２に、より具体的には、切断レーザビーム１５が組織に当たる胸骨の部分に向けられることが分かる。また、放物面ミラー部材１６は、制御および／またはデータ送信を接続することができるインターフェースとして２つのソケットを有することが分かる。

図４は、切断装置を正面から見た図である。放物面ミラー部材１６は左側に傾斜しており、これにより、第３方向転換ミラー１８９から広げられた切断レーザビーム１５を効率的に受けることが可能になる。切断装置１は、破片抽出ユニット（不図示）の吸引ノーズをさらに備える。吸引ノーズは、胸骨２２に当たる切断レーザビーム１５によって発生した破片を排出するように適合している。

図５には、切断装置１の電子ユニット１７が示されている。電子ユニット１７は、媒体配線１３を介してハウジング１１や切断装置１の他の各構成部品と接続されている。電子ユニット１７は、気液制御部１７１と、深度検出ユニット１７２と、補正装置の計算ユニットを含む処理ユニット１７３と、ディスプレイ１７４とを備える。電子ユニット１７は、レーザ装置１８の固体エルビウムドープイットリウムアルミニウムガーネット（ＥｒＹＡＧ）レーザ１８１をさらに備え、このレーザ１８１はレーザ照射部１８２に接続されている。深度検出ユニット１７２は、切断レーザビーム１５によって胸骨２２に行われた切除の深度を検出するように適合している。

図３に示すように、媒体配線１３は、送り冷却媒体管１３１、戻り冷却媒体管１３２、ガス管１３３、電源ケーブル１３４、深度検出ユニット１７２の深度制御用光ファイバ１３５、液体管１３６、およびコントローラケーブル１３７を備える。媒体配線１３は、レーザ装置１８の切除用光ファイバ１８３をさらに収容する。

電源ケーブル１３４は、電子ユニット１７から離れているすべての電力消費装置に接続されている。それによって、特に駆動ユニットのモータ、カメラ１４１、吸引ノーズおよび放物面ミラー装置１６等の電力消費装置に、媒体配線１３の電源ケーブル１３４を介して電気エネルギーが供給される。

送り冷却媒体管１３１および戻り冷却媒体管１３２は、冷却体に接続されている。冷却媒体は、レーザ源等の、取り付けられた構成部品を冷却するのに適したソール等の任意の液体または他の媒体とすることができる。より具体的には、送り冷却媒体管１３１で、冷却媒体が冷却媒体リザーバから冷却体に供給され、冷却媒体が冷却構成部品を循環した後に、加熱された冷却媒体が戻り冷却媒体管１３２で戻される。

ガス管１３３および液体管１３６は、レーザ源または放物面ミラー部材１６において、またはその近くでノズル本体（不図示）に接続されている。ノズル本体は、切断レーザビーム１５と胸骨２２との接触領域に向けられた複数の二流体ノズルを含む。消毒物質を富化することができる、例えば滅菌塩化ナトリウムまたは蒸留水等の、液体管１３６によって提供される液体と、ガス管１３３によって提供されるガスとを、二流体ノズルによって高圧で混合して噴霧を発生させる。胸骨２２の骨組織の切除中に、二流体ノズルが、切断レーザビーム１５と胸骨２２との接触領域を冷却するために噴霧し、それによって骨組織内の熱伝達を最小にする。例えば、二流体ノズルは、約３バールの圧力下で、約８～１０ｍｌ／分の流速で滅菌塩化ナトリウムを送達することができる。その後、液体は吸引ノーズを介して破片と共に胸骨２２から除去される。

コントローラケーブル１３７は、処理ユニット、および駆動ユニットのモータ、カメラ１４１、自動焦点調整装置、ノズル本体の二流体ノズル等の、切断装置１の制御可能な構成部品に接続される。コントローラケーブル１３７を介して、処理ユニット１７３は上述の制御可能な構成部品と通信する。例えば、処理ユニット１７３は、胸骨２２の切断形状における骨組織の切除深度を考慮して、自動焦点ユニットのレンズの向きを自動的に調整する。

切断レーザビーム１５の光は、切除用光ファイバ１８３を通って、切除用光ファイバ１８３のファイバコネクタ１８２１を介してＥｒ：ＹＡＧレーザ１８１からレーザ照射部１８２に供給される。このために、レーザ１８１によって発生したレーザビームは、図４に示すように切除用光ファイバ１８３に導入される。特に、レーザ装置１８のＥｒ：ＹＡＧレーザ１８１はビーム発生器１８４を有する。初期のレーザビームは、ビーム発生器１８４を出て、レーザ装置１８の焦点調整レンズ１８５によって切除用光ファイバ１８３内に向けられる。切除用光ファイバ１８３内では、レーザビームは上述のようにレーザ源に進み、レーザ源を出る。

骨組織を切除するためのレーザビームと同様に、第２レーザビームが深度制御用光ファイバ１３５を通して提供される。この第２レーザビームは、胸骨２上の切除プロセスの深度を検出するためのものである。

使用中、切断装置１は、胸骨２２を切断する方法の一実施形態に適用することができる。装置１が使用される前に、胸骨２２は、切断装置１にアクセス可能であるように準備される。胸骨２２を準備するために、術前にいくつかのステップを行うことができる。例えば、胸骨２２に関するデータをコンピュータ断層撮影法によって取得することができる。データを分析することができ、コンピュータ断層撮影画像上で、正弦曲線または曲線等のオステオトームの形状を胸骨２２上に規定することができる。次いで、胸骨２２をアクセス可能にし、レーザ源が予め定められた位置になるように、切断装置１を胸郭２に固定することができる。

胸骨２２で骨組織を切除するために、処理ユニット１７３は、駆動ユニットが、切断形状に沿って胸骨２上でノズル本体と共にレーザ源を移動させるように、駆動ユニットを制御する。それによって、切断装置１のレーザ装置によって発生したサブマイクロ秒のパルスレーザビームは、隣接する複数の円形スポットの線を形成する。スポットは交互に形成されるので、骨組織が冷却される時間があり、それは、骨組織に対する副次的な損傷を最小限にすることを可能にする。

胸骨２２において骨組織を効率的に切除するために、レーザ源によって発生した切断レーザビーム１５は、２，９４０ｎｍの波長を有するように調整される。切断レーザビーム１５の胸骨２２への送達中に、ノズル本体内の二流体ノズルによって、滅菌塩化ナトリウムが噴霧される。このように、切断レーザビーム１５と胸骨２２との接触領域は冷却され、水和される。

切除中、深度制御ユニット１７２は、切除された骨組織の深度を監視し制御する。切断レーザビーム１５は、骨組織が切断形状に沿って胸骨２２から正確に切除されるような深度に調整される。

図５は、胸骨切開手術プロセスにおいて、本発明による切断装置によって提供することができる精巧な切断形状の一例を示す。胸骨８は、切断形状に沿って、ねじれた構造で、右側の第１胸骨部８１と左側の第２胸骨部８２とに切断されている。切断形状の構造は、第１胸骨部分８１に複数の不均一な凸部８１１および凹部８１２を生成し、第２胸骨部分８２に対応する複数の不均一な凸部８２１および凹部８２２を生成する不均一な周期を有する周期的正弦関数によって規定される。それに加えて、正弦関数は、非垂直の、それぞれの切断角度が形成されるように、胸骨８の近位方向または内部方向に変化する。胸骨８を切開するために、このような非周期的な切断関数およびねじれた切断面を使用することによって、胸部が元の位置で再び閉じられることを保証することができる。したがって、この切断形状によって、第１胸骨部分８１および第２胸骨部分８２の、初期状況に等しい、予め定められた目標状況への明確な再組み立てのみが可能となる。

本発明の態様および実施形態の説明および、本発明の態様および実施形態を示す添付図面は、保護される発明を定義する特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。言い換えれば、本発明を図面および前述の説明において詳細に図示および説明してきたが、そのような図示および説明は、実例となるもの、すなわち例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。本明細書および特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく、様々な機械的、組成的、構造的、電気的、および動作的な変更を加えることができる。場合によっては、本発明を曖昧にしないために、よく知られている回路、構造および技術は詳細には示されていない。したがって、当業者には、添付の特許請求の範囲および趣旨の範囲内で変更および修正がなされ得ることが理解されよう。特に、本発明は、上記および下記の異なる実施形態からの特徴の任意の組み合わせを有するさらなる実施形態を網羅する。

本開示はまた、図に示されたさらなる特徴すべてを個別に網羅しているが、それらは上記および下記の説明では説明されていない場合がある。また、図面および明細書に記載された実施形態の単一の代替形態、およびその特徴の単一の代替物は、本発明の主題または開示された主題から放棄される場合がある。本開示には、特許請求の範囲、または例示的な実施形態に定義された特徴からなる主題だけでなく、その特徴を含む主題が含まれる。

さらに、特許請求の範囲において、単語「備える」は他の要素またはステップを排除するものではなく、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」は複数を排除するものではない。単一のユニットまたはステップが、特許請求の範囲に記載のいくつかの特徴の機能を果たすことができる。特定の手段が互いに異なる従属請求項に記載されているという事実のみによって、これらの手段の組み合わせが有利に使用され得ないことを示すものではない。属性または値に関連した用語「本質的に」、「約」、「およそ」等は、特に、その正確な属性、または正確な値もそれぞれ定義する。所与の数値または範囲の文脈における「約」という用語は、所与の値または範囲の、例えば２０％以内、１０％以内、５％以内、または２％以内の値または範囲を指す。連結または接続されていると記載された構成部品は、電気的または機械的に直接連結されていてもよく、あるいは１つ以上の中間構成部品を介して間接的に連結されていてもよい。特許請求の範囲中の如何なる参照符号も範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (15)

1. 患者の胸骨（２２、８）を切断するための切断装置（１）であって、
   切断レーザビーム（１５）が出ていくレーザ装置（１８）の単一部分を形成するレーザ源（１６）を具備し、前記切断レーザビーム（１５）を発生させるように適合しているレーザ装置（１８）と、
   前記レーザ源（１６）から供給された前記切断レーザビーム（１５）を前記胸骨（２２、８）における、予め定められた切断形状（８１１、８１２、８２１、８２２）に沿って方向付けるためのビーム調整構造体（１２４、１２５，１２６）と、
   前記レーザ源（１６）を支持する支持体（１２）と、
   補正装置（１４）とを備え、
   前記レーザ源（１６）が前記胸骨（２２、８）に対して予め定められた位置にあるように、前記支持体（１２）には、前記患者の胸郭（２）に固定するための取付構造（１２２）が設けられ、
   前記補正装置（１４）は、前記胸骨（２２、８）に対して前記レーザ源（１６）が動いて、前記レーザ源（１６）から供給された前記切断レーザビーム（１５）が、予め定められた前記切断形状（２２１、８１１、８１２、８２１、８２２）からずれたことを自動的に識別し、その際に、前記胸骨（２２、８）に対する前記レーザ源（１６）の位置を自動的に調整して、予め定められた前記切断形状（２２１、８１１、８１２、８２１、８２２）に対する前記レーザ源（１６）から供給された前記切断レーザビーム（１５）のずれを補正することができ、前記補正装置は、任意選択的に、前記切断レーザビーム（１５）および前記胸骨（２２、８）の相対位置に関する空間情報を提供するセンサ（１４１）を含むことを特徴とする、切断装置（１）。
2. 前記支持体（１２）が支持要素（１２１）を含み、前記補正装置（１４）が前記胸骨（２２、８）に対する前記支持要素（１２１）の動きを自動的に識別することができる、請求項１に記載の切断装置（１）。
3. 前記支持体（１２）は前記ビーム調整構造体（１２４、１２５、１２６）を具備し、前記ビーム調整構造体はレーザマウント（１２４）を備え、当該レーザマウント（１２４）に前記レーザ源（１６）が固定的に取り付けられ、前記レーザマウント（１２４）が前記支持要素（１２１）に移動可能に連結される、請求項２に記載の切断要素。
4. 前記支持要素（１２１）に対して前記レーザマウント（１２４）を移動させるための駆動ユニット（１９）を備える、請求項３に記載の切断装置（１）。
5. 前記駆動ユニット（１９）が、前記支持要素（１２１）に対して前記レーザマウント（１２４）を移動させるためのリニアモータアダプタを含む、請求項４に記載の切断装置（１）。
6. 前記駆動ユニット（１９）は、前記支持要素（１２１）に対する前記レーザ源（１６）の傾きを調整して、前記レーザ源（１６）から供給される前記切断レーザビーム（１５）の方向を調整するためのヒンジモータを含む、請求項４に記載の切断装置（１）。
7. 前記支持体（１２）の前記取付構造（１２２）が複数の脚部（１２２）を含み、前記複数の脚部（１２２）の各々が、前記胸郭（２）の肋骨（２１）に固定されるような形状の足部（１２２２）を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の切断装置（１）。
8. 前記支持体（１２）の前記取付構造（１２２）が中空の支柱を含み、前記中空の支柱が前記胸郭（２）の複数の肋骨（２１）に固定され、前記レーザ源（１６）の前記切断レーザビーム（１５）が前記中空の支柱の中空内部を通るように配置される形状である、請求項１から６のいずれか一項に記載の切断装置（１）。
9. 前記支持体（１２）の前記取付構造（１２２）は、前記胸郭（２）に固定するためのベルト（１２３）を含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の切断装置（１）。
10. 前記切断レーザビーム（１５）が前記胸骨（２２、８）に当たって発生した破片を排出するための破片抽出ユニットを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の切断装置（１）。
11. 前記切断装置（１）によって前記胸骨（２２、８）に行われた切除の深度を検出するための深度検出ユニットを備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の切断装置（１）。
12. 前記胸骨（２２、８）に対して前記切断レーザビーム（１５）の焦点を自動的に調整するための自動焦点調整装置を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の切断装置（１）。
13. 前記胸骨（２２）が予め定められた程度まで切断された場合に、前記切断レーザビーム（１５）を発生させる前記レーザ源（１６）を停止させるように構成された深度制御ユニットを備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の切断装置（１）。
14. 前記深度制御ユニットがレーザベースの光コヒーレンス断層撮影装置を備える、請求項１３に記載の切断装置（１）。
15. 前記深度制御ユニットがレーザベースの光音響分光センサを備える、請求項１３または１４に記載の切断装置（１）。

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