JP7263390B2 - 外科用電動工具用交換式バッテリーユニット - Google Patents

Description

本発明は、外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニットに関する。本発明はまた、交換可能なバッテリーユニット、又は交換可能なバッテリーユニットを含む外科用電動工具を含む外科用キットにも関する。本発明は更に、交換可能なバッテリーユニットを含む外科用電動工具を作動させる方法にも関する。

外科用電動工具を使用する外科医は、寛骨臼のリーミングなどの処置中にキックバックによって引き起こされる手首の張りから負傷する場合がある。電動工具にトルクリミッターを含めることが知られているが、これらは、手術作業の流れを妨げる場合があり、そのためユーザーによって無効にされる傾向がある。

米国特許出願公開第２０１４／０１６６３２３（Ａ１）号は、電動手持ち式工具などの突然の、予期せぬ動き又は危険な動きから操作者を保護するための装置及び方法を記載している。工具の安全な動作のための一連のパラメータが設けられており、このパラメータは、工具を作動させるやり方に基づいて調整又は選択されてもよい。電動工具には、作動中に複数の軸内で工具の加速度を感知するように動作する加速度計を含むセンサが装着されている。加速度計の出力は、工具の加速度が安全な動作パラメータ内にあるかどうかを判定する計算回路に結合される。工具の加速度が安全な動作パラメータのうちの１つ以上を超えるとき、工具の動きを防止又は抑制し、これにより操作者を保護するために、工具のモータへの電力が制限されるか、あるいはそうでない別の方法で調整される。

米国特許第５，９８４，０２０（Ａ）号は、慣性応答要素を含む工具を記載している。電動工具は、ハウジングと、ハウジングによって支持され、電源に接続されるように適合されたモータと、ハウジングによって支持され、モータに選択的に連結され、モータが運動を付与する出力要素と、ハウジングの動きが所定の閾値を超えた場合、出力要素を電源から切断するための慣性応答要素と、を備える。電動工具は、ハンドルを有する手持ち式電動工具であってよく、慣性応答要素は、ハンドルが所定の比率を超える比率で動いたならば、出力要素を電源から切断する。電動工具は、ドリルプレスなどの固定式電動工具であってもよい。固定式電動工具のハウジングは、加工対象物上に固定式電動工具を支持するための基部を含む。基部は、基部が加工対象物に接続されるとき、ハウジングが加工対象物に対して実質的に固定されるように加工対象物に選択的に接続可能である。慣性応答要素は、ハウジングが所定の比率を超える比率で加工対象物に対して動くとき、出力要素を電源から切断する。

米国特許出願公開第２０１１／０１１４３４５（Ａ１）号は、制御されていない遮断状況に介入する少なくとも１つの安全機構を有し、またセンサユニットを有する手持ち式電動工具装置を記載している。センサユニットは、手持ち式電動工具の少なくとも１つの配向パラメータを直接検出するために設けられている。

米国特許出願公開第２００７／００８４６１３（Ａ１）号は、電動工具で使用するために提供される制御システムを記載している。制御システムは、共振質量体を有する回転速度センサと、回転速度センサに電気的に接続されたコントローラと、を含む。回転速度センサは、共振質量体の横方向の変位を検出し、検出された横方向の変位を示す信号を生成するため、横方向の変位は、電動工具が回転シャフトの軸を中心に回転する回転速度に正比例する。生成された信号に基づいて、コントローラは、電力工具の更なる望ましくない回転を回避するために保護動作を開始する。コントローラは、シャフトに印加されるトルクを、操作者が工具の制御を取り戻すことを可能にする非ゼロ値まで低減するように命令することができる。

欧州特許第２ ２０５ ３９５（Ｂ１）号は、ハウジングと、ハウジング内のモータアセンブリと、を含む電動工具を記載している。モータアセンブリは、出力部材と、出力部材を並進させるためのモータと、を含むことができる。キックバックセンサは、モータを通る連続する電流周期をサンプリングし、それに応答して出力を生成することができる。防キックバック制御装置は、キックバックセンサの出力に応答して、出力部材からエネルギーを取り除くことができる。スイッチは、第１の設定及び第２の設定を有することができる。第１の設定は、防キックバック制御装置の第１の動作条件に対応することができる。第２の設定は、防キックバック制御装置の第２の動作条件に対応することができる。

米国特許出願公開第２０１４／０３２１９３０（Ａ１）号は、少なくとも１つの操作部材を含むハンドツール操作ユニットと、操作部材の位置を確認するように構成された位置センサを有する電子操作ユニットとを記載している。ハンドツール操作ユニットは、少なくとも１つの特徴的な変数を確認するように構成された少なくとも１つの別のセンサを追加で含む。

米国特許第６，４７９，９５８（Ｂ１）号は、モータ電流の急速な増加（所定の閾値を超えるｄｉ／ｄｔ）により、モータ制御システムが、モータの電流が急速にパルス式にオン及びオフにされるパルスモード動作に入ることで、さもなければモータの失速につながるであろう加工対象物の妨害を取り除く、又は拘束状態から外れることを記載している。加工対象物の妨害又は拘束がなくなると、モータは通常の動作を再開する。

米国特許出願公開第２０１３／０１０５１８９（Ａ１）号は、ハウジングと、ハウジング内に配設されたモータと、ハウジング内に配設され、モータに連結された伝達機構と、伝達機構に連結された出力エンドエフェクタと、電源からモータへの電力送達を制御するための制御回路と、伝達機構の実質的に静止した要素に結合された力センサを含む力感知電子クラッチと、含む電動工具を記載している。力センサは、エンドエフェクタから、伝達機構の少なくとも一部に伝達される反応トルクを感知する。センサは、反応トルクの量に対応する第１の電子信号を生成するように構成されている。制御回路は、第１の電子信号を、所望の閾値トルク値に対応する第２の電子信号と比較し、第１の電子信号の値が、反応トルクが所望の閾値トルク値を超えたことを示すとき、保護動作を開始する。

米国特許第４，８７１，０３３（Ａ）号は、ドリルなどのモータ駆動ハンドツールにおいて、慣性質量体が、ハウジング内に回転可能に支持され、ハウジング内に取り付けられた駆動シャフトを取り囲むバネによってハウジングに接続されることを記載している。駆動シャフトは、シャフトに固定されたドリルビットを回転させるように配置される。駆動シャフトの回転が防止され、ハウジングがシャフトに対して回転する場合、バネは、駆動シャフトの周りできつく締まり、駆動シャフトを把持し、それに対して制動トルクを及ぼす。制動トルクは、工具の操作者に要求される反応トルクを低減し、駆動シャフトに作用する過負荷クラッチのより迅速な解放をもたらす。過負荷クラッチは、カラー、ギアホイール、カップばね及び調節可能なリングナットによって形成され、これらは全て駆動シャフト上に位置する。

欧州特許第２ ６１２ ７３３（Ａ２）号は、被駆動要素、すなわちドリルビットを回転駆動するための電気モータを有する工具を記載している。制動ブロックが、モータを制動するために使用され、検出ユニット、すなわちジャイロセンサが、モータの制動ブロックを制御するために工具の回転駆動を検出する。モータは、モータを電気供給装置から隔離し、モータを、電流がモータの逆極性に再注入される電流発生器に変換するように構成されたコンタクタ、すなわち電気機械コンタクタを含む。

米国特許出願公開第２０１３／０９６５３９（Ａ１）号は、電子機器と、電力を貯蔵し、電子機器に電力を送達するための容量性電源と、を含む手持ち式デバイスを記載している。容量性電源は、少なくとも１つのコンデンサと、コンデンサからの電圧を、電子機器によって使用するためのより高い電圧に昇圧するように動作可能な電子回路と、を含む。容量性電源は、急速に再充電することができる。いくつかの構成は、手持ち式デバイスが動きを検出し、検出された動きに応答して様々な動作を実行することを可能にする加速度計を含む。二重充電ステーションも開示されている。

米国特許出願公開第２０１７／２０２６０７（Ａ１）号は、ボタンの変位又は強度が第１の閾値を上回るが、第１の閾値より高い第２の閾値を下回るとき、ＲＦ又は超音波エネルギーの印加を低レベルに制御し、変位又は強度が第２の閾値を超えるとき、ＲＦ又は超音波エネルギーの印加を高レベルに制御するように構成されたコントローラを備える外科用器具を記載している。第１の位置で組織特性を測定するように構成された第１のセンサと、第２の位置で組織特性を測定するように構成された第２のセンサと、第１の位置及び第２の位置で測定された組織特性に少なくともある程度基づいて、ＲＦ又は超音波エネルギーの印加を制御するように構成されたコントローラと、を備える外科用器具も記載される。

本発明の態様は、添付の独立請求項及び従属請求項に記載される。従属請求項からの特徴の組み合わせは、独立請求項の特徴と適宜組み合わせることができ、かつ請求項に明示的に記載されるものだけに限定されない。

本発明の一態様によって、外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニットであって、交換可能なバッテリーユニットは、ハウジングであって、
１つ以上の電池セルと、
運動センサユニットと、
コントローラであって、
運動センサユニットの出力から、外科用電動工具のキックバック事象を示す、交換可能なバッテリーユニットの急な動きを判定し、
判定に応答して、交換可能なバッテリーユニットから外科用電動工具への電力を切断するように動作可能なコントローラと、を収容するハウジングを備える、外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニットが提供される。

外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニットに運動センサユニットと、コントローラを含めることにより、既存の外科用電動工具がキックバック事象に対する保護を遡及的に備えることを可能にするようなやり方でキックバックを検出することを可能にし得る。外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニット内に運動センサユニットと、コントローラを含むことの別の利益は、これらの機構を形成するいかなる電子機器も滅菌する必要がないことである。これらの機構を収容する交換可能なバッテリーユニットは、無菌移送を使用して外科的処置の前に外科用電動工具に装填されるだけでよい。

外科用電動工具におけるキックバックは、電動工具の急な動きを生じさせる場合もあるが、外科用工具のモータへの電流の流れに変化を生じさせる場合もある。例えば、このような電流の流れの変化は、電動工具に取り付けられた回転リーマーなどの器具が骨表面に食い込み、それを捕らえたとき、モータによって印加されるトルクの変化と関連付けることができる。交換可能なバッテリーユニットは、外科用電動工具のモータへの電流の流れを感知するための電流センサを更に含んでもよい。コントローラは、運動センサユニットの出力から、及び電流センサの出力から、交換可能なバッテリーユニットの急な動きが外科用電動工具のキックバック事象を示すかどうかを判定するように更に動作可能であってもよい。このようにして、コントローラは、実際のキックバックと、キックバックの結果ではない電動工具の動きに関連する誤判定とを区別することができる。例えば、コントローラは、電流センサによって感知された電流の増加から、運動センサユニットによって感知された交換可能なバッテリーユニットの同時に起こる急な動きが外科用電動工具のキックバック事象を示すことを判定するように動作可能であってもよい。電流の増加は、モータによって印加される上記に挙げたトルクの変化に関連付けられてもよい。

運動センサユニットは、
ジャイロスコープ、
加速度計、又は
磁力計のうちの少なくとも１つを備える。

運動センサユニットは、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）であってもよい。

一実施形態では、交換可能なバッテリーユニットは、外科用電動工具のキックバック事象を示す交換可能なバッテリーユニットの急な動きの当該判定に応答する、外科用電動工具のモータの短絡巻線の制動装置を含んでもよい。これにより、モータの迅速な制動を可能にすることができる。

一実施形態では、交換可能なバッテリーユニットの急な動きは回転運動であってもよい。回転運動は、例えば、寛骨臼の内側表面を捕らえる寛骨臼リーマーであって、リーマーの回転軸を中心として急に回転することによって外科用電動工具をキックバックさせる寛骨臼リーマーに関連付けることができる。

一実施形態では、交換可能なバッテリーユニットの急な動きは直線運動である場合もある。

１つ以上の電池セルは、再充電可能であってもよい。

本発明の別の態様によって、上記の種類の交換可能なバッテリーユニットを含む外科用電動工具が提供される。

外科用電動工具は、本体部分を含んでもよい。外科用電動工具はまた、本体部分から外側に延在するハンドルを含んでもよい。交換可能なバッテリーユニットは、ハンドルに取り付けられてもよく、又は少なくとも部分的にハンドルの内部に収容されてもよい。運動センサユニットを有するバッテリーをハンドル上又はハンドル内に配置することによって、運動センサユニットを外科医の手に近接して据えることで、外科医を傷つける可能性がある急な動きの検出を高めることができる。

交換可能なバッテリーユニットは、本体部分の遠位のハンドルの端部に取り付けられるか、又は少なくとも部分的にその内部に収容されてもよい。本体部分の遠位の位置において、運動センサユニットを含む交換可能なバッテリーユニットは、急な動き、特に本体部分の急な回転に関連する急な動きを検出するために最適に配置されてよい。

外科用電動工具は、回転電動工具、例えば、回転リーマーにトルクを加えるためのドリル又は装置であってもよい。

本発明の別の態様によって、外科用キットが提供される。外科用キットは、上記の種類の１つ以上の交換可能なバッテリーユニットを含んでもよい。外科用キットはまた、１つ以上の交換可能なバッテリーユニットを収容するように構成された１つ以上の外科用電動工具を含んでもよい。

本発明の別の態様によって、上記の種類の少なくとも１つの外科用電動工具を含む外科用キットが提供される。

本発明の別の態様によると、
上記に記載した種類の外科用電動工具を作動させることと、
外科用電動工具の作動中、コントローラが、
運動センサユニットの出力から、外科用電動工具のキックバック事象を示す交換可能なバッテリーユニットの急な動きを判定し、
判定に応答して、交換可能なバッテリーユニットから外科用電動工具への電力を切断することと、を含む、方法が提供される。

本発明の実施形態を、あくまで実例として、添付図面を参照しながら以下に説明する。なお、図中、同様の参照符合は同様の要素を示す。
本発明の一実施形態による交換可能なバッテリーユニットを含む外科用電動工具を示す図である。 本発明の一実施形態による外科用電動工具及び交換可能なバッテリーユニットの機能的構成要素を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態による交換可能なバッテリーユニットの運動センサユニットによって検出され得る外科用電動工具の動きを概略的に示す図である。 本発明の一実施形態よる方法を示す図である。

本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら以下に説明する。

図１は、本発明の一実施形態による交換可能なバッテリーユニット５０を含む外科用電動工具１０を示す。外科用電動工具１０は、本体部分２を含む。外科用電動工具１０はまた、ハンドル４を含み、外科医はこれを使用して外科用電動工具１０を保持することができる。ハンドル４は、本体部分２から外側に延在してもよい。外科用電動工具１０はまた、チャック８を含んでもよい。チャック８は、リーマー（例えば、患者の寛骨臼をリーミングするのに使用する回転リーマー、又は表面再建インプラントの場合の大腿骨頭部をリーミングするためのリーマー）、外科用ドリルビット、ピン、ねじ付きピン、穴ぐり器、及びそのようなものなどの外科用器具を外科用電動工具１０に取り付けるための取り付け機構を含んでもよい。

外科用電動工具１０はモータ６も含んでおり、これは、以下に説明する交換可能なバッテリーユニット５０によって給電される。モータ６は、シャフト１８にトルクを印加するように動作可能であってもよく、シャフト１８はチャック８に接続され得る。外科用電動工具１０は、モータコントローラ１４を更に含んでもよい。モータコントローラ１４は、モータ６の作動を制御することができる。例えば、外科用電動工具１０は、外科用電動工具１０を作動させるためのボタン１２を含んでもよい。モータコントローラ１４は、ボタン１２が押されたことを検出すると、モータ６のスイッチを入れてオンにするように動作可能であってよい。ボタン１２は、ハンドル４を把持する外科医の手の指によって簡便にそれを押すことができるようにハンドル４上に配置されてよい。

外科用電動工具１０の本体部分２及びハンドル４は、モータ６、シャフト１８、及びモータコントローラ１４を収容し、それらを保護する外側ハウジングを備えてもよい。外側ハウジングは、例えばプラスチック材料を含んでもよい。

図１はまた、交換可能なバッテリーユニット５０も示す。交換可能なバッテリーユニット５０は、外科用電動工具１０のハウジングに取り付けられるか、又は少なくとも部分的にハウジングの内部に収容されてもよい。

この実施形態では、交換可能なバッテリーユニット５０は、本体部分２の遠位のハンドル４の端部に取り付けられている。交換可能なバッテリーユニット５０は、少なくとも部分的にハンドル４（例えば、遠位端）の内部に収容され得ることも想定される。交換可能なバッテリーユニット５０は、外科用電動工具１０（例えば、ハンドル４）の内部に位置する区画内に設けられる場合もあることも更に想定される。区画は、交換可能なバッテリーユニット５０にアクセスし、交換するためのハッチを含んでもよい。

外科用電動工具１０及び交換可能なバッテリーユニット５０には、交換可能なバッテリーユニット５０を外科用電動工具１０に取り付けるための対応する接続機構を備わっていてもよい。対応する接続機構は、交換可能なバッテリーユニット５０がモータ６に電力を供給できるように、外科用電動工具１０と交換可能なバッテリーユニット５０との間の電気的接続を完全なものにするための機構を含んでもよい。対応する接続機構はまた、交換可能なバッテリーユニット５０を外科用電動工具１０から取り外すことを可能にするために、ボタンによって操作される留め金などの解放機構を含んでもよい。

この例では、交換可能なバッテリーユニット５０はハウジング５２を有し、ハウジング５２は、以下に記載される交換可能なバッテリーユニット５０の機構を収容し、これらに保護を与えることができる。前述したように、交換可能なバッテリーユニット５０に本明細書に記載される種類の運動センサユニット及びコントローラなどの機構を含めることの利益は、これらの機構を形成する任意の電子機器を滅菌する必要がないことである（例えば、ハウジング５２によって提供されるこれらの機構の保護のおかげで）。これらの機構を収容する交換可能なバッテリーユニット５０は、無菌移送を使用して外科的処置の前に外科用電動工具１０に装填されるだけでよい。ハウジング５２は、例えば、プラスチック材料を含んでもよい。

図２は、本発明の一実施形態による外科用電動工具１０及び交換可能なバッテリーユニット５０の機能的構成要素の概略図を示す。

上述したように、外科用電動工具１０は、モータ６を含んでもよい。モータ６は、モータコントローラ１４に接続されている。ここで、本実施形態における交換可能なバッテリーユニット５０の特徴について説明する。

交換可能なバッテリーユニット５０は、１つ以上の電池セル６２を含む。電池セル６２は、再充電可能であってもよい。電池セル６は、任意の好適な種類、例えば、ニッケルカドミウム（ＮｉＣｄ）、ニッケル金属水素化物（ＮｉＭＨ）、リチウムイオン（Ｌｉイオン）、リチウムイオンポリマー（Ｌｉイオンポリマー）、又はリン酸リチウム鉄（ＬｉＦｅＰＯ４／ＬＦＰ）であり得る。

交換可能なバッテリーユニット５０はまた、運動センサユニット７０も含む。運動センサユニット７０は、以下のジャイロスコープ、加速度計、又は磁力計のうちの１つ以上を含んでもよい。ジャイロスコープは、１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄジャイロスコープであってもよい。加速度計は、１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄ加速度計であってよい。磁力計は、１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄ磁力計であってもよい。運動センサユニット７０は、これらのセンサの種類の組み合わせを含み得ることが想定される。運動センサユニット７０は、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）であり得ることが想定される。

運動センサユニット７０は、交換可能なバッテリーユニット５０の動きを検出するために使用されてよい。交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きは、外科用電動工具１０のキックバック事象を示す場合がある。運動センサユニット７０は、外科用電動工具１０のキックバック事象に通常関連付けられる、交換可能なバッテリーユニット５０の所定の方向の動き、又は（回転運動の場合には）軸の周りの動きを検出するように構成されてよい（例えば、交換可能なバッテリーユニット５０の中に配向される）。

図３は、本発明の一実施形態による交換可能なバッテリーユニット５０の運動センサユニット７０によって検出され得る外科用電動工具１０の動きを概略的に示す。図３では、外科用電動工具がデカルト座標の中心に位置しており、シャフト１８の回転軸はｘ軸に沿って配向されていると想定される。また交換可能なバッテリーユニット５０の運動センサユニット７０は、位置９２に位置すると想定される。例えば、交換可能なバッテリーユニット５０は、ハンドルが負のｚ方向に沿って延在する状態で、上記に記載するようにハンドル４に取り付けられてよい、又は少なくとも部分的にハンドル４の内部に収容されてもよい。

キックバック事象の間、チャック８に取り付けられたリーマー又はドリルビットなどの外科用器具は、患者の骨表面に食い込み、それを捕らえることができる。これによって、外科用電動工具１０は、９０で標識された図３の矢印によって示されるように、シャフト１８の回転軸（この例ではｘ軸）を中心に回転し始める可能性がある。位置９２において、これにより、運動センサユニット７０は、図３において９４で標識された矢印によって示されるように、ｘ－ｙ平面に向かって上向きに円弧状に運動し始める可能性がある。運動センサユニット７０が動く方向（すなわち、正のｙ方向又は負のｙ方向に向かう）は、キックバック事象より前のシャフト１８の回転方向に依存する。

小さい動きの場合、又は位置９２がシャフト１８の回転の軸（この例ではｘ軸）から十分に離れている場合、運動センサユニット７０の動きは、線形であると近似される場合もある（図３の矢印９６によって示されるように）。運動センサユニット７０は、回転運動／又は直線運動を検出するためのセンサ装置を含んでもよい。

運動センサユニット７０による動きの効果的な検出のために、ジャイロスコープ、加速度計、及び／又は磁力計などのその機構は、動きの検出のためのそれぞれのそのままの軸／複数の軸が、キックバック事象における交換可能なバッテリーユニット５０の予測される動きと一致するように位置合わせされるように、交換可能なバッテリーユニット５０内に配向されてよい。例えば、１Ｄ／２Ｄ／３Ｄジャイロスコープの場合、ジャイロスコープの軸は、外科用電動工具１０の回転の軸（例えば、前述したようなシャフト１８の回転の軸）に平行に位置合わせされてよい。図３の例では、１Ｄ／２Ｄ／３Ｄジャイロスコープの軸は、ｘ軸と平行に位置合わせされてもよい。

図２に戻ると、交換可能なバッテリーユニット５０は、コントローラ６０を更に含む。コントローラ６０は、運動センサユニット７０に接続されている。コントローラ６０は、運動センサユニット７０の出力を監視して、そこから、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きの検出を判定するように動作可能であり得る。交換可能なバッテリーユニット５０の正常な運動を、キックバック事象に関連付けられ得る急な運動と区別するために、コントローラ６０は、運動センサユニット７０によって出力されたデータに特定のアルゴリズムを適用することが可能であり得る。これらのアルゴリズムは、例えば、出力データと特定の閾値の比較を含んでもよい。これらの閾値に達するか又はこれを超えた場合、コントローラ６０は、キックバック事象が発生していると結論を下してもよい。

運動センサユニット７０が２つ以上の種類の検出デバイス（例えば、ジャイロスコープと加速度計、ジャイロスコープと磁力計、加速度計と磁力計、又はジャイロスコープと加速度計と磁力計）を含む実施形態では、コントローラ６０は、それぞれから受信したデータを比較するように動作可能であり得る。このようにして、誤判定を低減することができる（例えば、運動センサユニット７０の検知装置の全て又は大部分からのデータが急な動きを示した場合のみ、キックバック事象が判定され得る）。以下に説明するように、コントローラ６０はまた、キックバック事象が起きているかどうかを判定するとき、モータ６への電流の流れなどの他の要因を考慮するように動作可能であってもよい。

コントローラ６０は、運動センサユニット７０の出力が、外科用電動工具１０のキックバック事象を示す、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きと一致していると判断すると、交換可能なバッテリーユニットから外科用電動工具１０への電力を切断するように動作可能である。外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニット５０に運動センサユニット７０と、コントローラ６０を含めることにより、既存の外科用電動工具がキックバック事象に対する保護を遡及的に備えるようなやり方でキックバックを検出することを可能にし得る。更に、交換可能なバッテリーユニット５０が外科用電動工具１０の先端部に取り付けられるか、又は少なくとも部分的に先端部に収容される実施形態では、運動センサユニット７０は、シャフト１８の回転軸から離れて位置付けられてよい。これにより、シャフト１８の回転軸の周りでの外科用電動工具１０の急な動きを引き起こすキックバック事象を検出する運動センサユニット７０の感度を高めることができる。例えば、図１に関して説明したように、交換可能なバッテリーユニット５０は、モータ６及びシャフト１８を収容する本体部分２の遠位のハンドル４の端部に取り付けられてもよい、又は少なくとも部分的にその中に収容されてもよい。この位置において、運動センサユニット７０は、シャフト１８の回転軸の周りでの外科用電動工具１０の急な動きを検出するために最適に配置されてよく、その一方で交換可能なバッテリーユニット５０のハンドル４内又はハンドル４上の簡便な設置を可能にする。運動センサユニット７０を有する交換可能なバッテリーユニット５０をハンドル４上又はハンドル４内に配置することによって、運動センサユニット７０を外科医の手に近接して据えることで、外科医を傷つける可能性がある急な動きの検出を高めることができることにも留意されたい。

交換可能なバッテリーユニット５０はまた、トランジスタなどの電源スイッチ６６を含んでもよい。コントローラ６０は、電源スイッチ６６の制御端子に接続され得る。コントローラ６０は、電源スイッチ６６を使用して、交換可能なバッテリーユニット５０から外科用電動工具１０に電力を接続し、また（例えば、本明細書に記載されるようなキックバック事象の間）交換可能なバッテリーユニット５０から外科用電動工具１０への電力を切断するように動作可能であってよい。

交換可能なバッテリーユニット５０はまた、電源ユニット６８を含んでもよい。電源ユニット６８は、コントローラ６０及び運動センサユニット７０など、交換可能なバッテリーユニット５０の他の構成要素に電力を供給するために、１つ以上の電池セル６２から電力を引き出すことができる。電源ユニット６８は、電圧コンバータを備えてもよい。電源ユニット６８は、低電力待機モード（＞１ｕＡ）を有してもよい。一実施形態では、電源ユニット６８は、交換可能なバッテリーユニット５０の外科用電動工具１０への取り付け／挿入を検出し、コントローラ６０の電源を入れる、また任意選択的に、運動センサユニット７０などの別の構成要素の電源を入れるウェイクアップ機能を有してもよい。一実施形態では、コントローラ６０は、交換可能なバッテリーユニット５０の電源を切断するように動作可能であってもよい（例えば、交換可能なバッテリーユニット５０の外科用電動工具１０からの取り外しが検出された場合、又はタイムアウト状態が満たされたとき（すなわち、外科用電動工具１０がある程度の時間、使用されていないと判定される））。

本明細書に記載されるように、外科用電動工具１０におけるキックバックは、外科用電動工具１０の急な動きを生じさせる場合がある。しかしながら、キックバックは、モータ６への電流の流れに変化をもたらす場合もある。これは、外科用電動工具１０に取り付けられた回転リーマーなどの器具が骨表面に食い込み、それを捕らえたとき、モータ６によって印加されるトルクの変化と関連付けることができる。本発明の一実施形態によれば、これらの電流の変化を検出し、キックバック事象が起きていることの別のインジケータとして使用することができる。

図２に示すように、交換可能なバッテリーユニット５０は、電流センサ６４を更に含んでもよい。コントローラ６０は、電流センサ６４に接続されて、外科用電動工具１０のモータ６への電流の流れを示す電流センサ６４の出力を受信してもよい。コントローラ６０は、運動センサユニット７０の出力及び電流センサ６４の出力から、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きが外科用電動工具１０のキックバック事象を示すかどうかを判定するように動作可能であり得る。

このようにして、コントローラは、実際のキックバックと、キックバックの結果ではない外科用電動工具１０の動きに関連する誤判定とを区別することができる。例えば、コントローラ６０は、電流センサ６４の出力に、同時に起こる変化が生じていない場合、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きはキックバック事象に関連していないと判定するように動作可能であってよい。

一実施形態では、運動センサユニット７０によって感知された、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きと同時に起こる、電流センサ６４によって感知されるモータ６への電流の増加は、本物のキックバック事象を示すものとしてコントローラ６０によって解釈されてよい。電流自体の増加は、上述のように、外科用器具が骨表面に食い込み、それを捕らえたとき、モータ６によって印加されるトルクの増加と関連付けられてよい。

一実施形態では、運動センサユニット７０は、１Ｄジャイロスコープを含む場合もある。ジャイロスコープは、外科用電動工具１０の回転の軸（例えば、前述したようなシャフト１８の回転軸）に関する角速度の変化を検出するように配向されてよい。この種の運動センサユニット７０はまた、上述の種類の電流センサ６４と併せて使用されてもよく、これにより、コントローラ６０が、外科用電動工具１０の急な動きが、モータ６によって印加されるトルクの増加に関連するモータ６への電流の増加と同時に起こっているかどうかを判定することによって、コントローラ６０が誤判定を低減することを可能にし得る。

本明細書に記載されるように、運動センサユニット７０は、２つ以上の方向成分を有する、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きを判定するように動作可能な機構を含んでもよい。例えば、運動センサユニット７０は、以下により詳細に記載されるように、２Ｄ／３Ｄジャイロスコープ、２Ｄ／３Ｄ加速度計、及び／又は２Ｄ／３Ｄ磁力計を含んでもよい。これにより、運動センサユニット７０が、例えば、１Ｄジャイロスコープ、１Ｄ加速度計、又は１Ｄ磁力計を使用する実施形態と比較して、交換可能なバッテリーユニット５０によって検出される誤判定の数を低減することを可能にし得る。例えば、２Ｄ／３Ｄジャイロスコープ、２Ｄ／３Ｄ加速度計、及び／又は２Ｄ／３Ｄ磁力計を使用することにより、運動センサユニット７０と外科用電動工具１０の回転の軸との位置合わせ不良に対して修正を行うことを可能にすることができる。本明細書に記載されるような２つ以上の方向成分を有する、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きを判定するように動作可能な機構の使用はまた、例えば、キックバック事象が２つ以上の軸に対する動きとしてそれ自体を全体的に表すことが知られている場合、キックバック事象のより正確な特徴付けを可能にすることもできる。本明細書に記載される機能（すなわち、２つ以上の方向成分を有する交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きの判定）はまた、２つ以上のセンサ（例えば、１Ｄ／２Ｄ／３Ｄ加速度計と組み合わされた１Ｄジャイロスコープ）の組み合わせを使用することによって達成される場合もあることが想定される。

較正工程が、外科用電動工具１０の使用前に実行される場合もあることが想定されており、これによって、運動センサユニット７０の座標系で取得された読み取り値を、外科用電動工具１０の実際の回転の軸に基づいた座標系に変換／分解することができるこれにより、上述した外科用電動工具１０の回転の軸に対する運動センサユニット７０の位置合わせ不良を補正することを可能にすることができる。

一実施形態では、運動センサユニット７０は、３Ｄジャイロスコープを含む場合もある。３Ｄジャイロスコープは、外科用電動工具１０の角速度の変化を検出することができる。このような変化は、外科用電動工具１０の回転の通常の軸（例えば、前述したようなシャフト１８の回転の軸）の周りの変化であり得るが、他の軸の周りの角速度の変化も含む場合もある。上述のように、これにより、運動センサユニット７０は、交換可能なバッテリーユニット５０によって検出される誤判定の数を低減すること、及び／又は１Ｄジャイロスコープを使用する実施形態と比較してキックバック事象のより正確な特徴付けを可能にすることができる。

更なる実施形態では、運動センサユニット７０は加速度計を含んでもよい。加速度計は、１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄ加速度計であってよい。このような実施形態では、コントローラ６０は、加速度計及び／又はその導関数によって提供される加速度信号から、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きを判定するように動作可能であってもよい。一実施形態では、コントローラ６０は、加速度信号及び／又はその導関数を、典型的なキックバック事象に関連する加速度プロファイルと比較するアルゴリズムを適用するように動作可能であってもよい。１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄ加速度計の代わりに、１Ｄ、２Ｄ、又は３Ｄ磁力計が使用される場合もあることも想定される。１Ｄ、２Ｄ、若しくは３Ｄ加速度計、又は１Ｄ、２Ｄ、若しくは３Ｄ磁力計を含む運動センサユニット７０が、上述の種類の電流センサ６４と共に使用されることで、外科用電動工具１０の急な動きが、モータ６によって印加されるトルクの増加に関連するモータ６への電流の増加と同時に起こっているかどうかを判定することによって、コントローラ６０が誤検出を低減することを可能にする場合もある。

別の実施形態では、運動センサユニット７０は、３Ｄ加速度計、３Ｄ磁力計、３Ｄジャイロスコープ、及び電流センサ６４を含む場合もある。運動センサユニット７０の各３Ｄセンサデバイスの出力に対するキックバック事象の判定に基づくことと、それをモータ６を流れる電流の検出と組み合わせることによって、少ない数の誤判定のキックバックのロバストな検出が達成され得ることが想定される。

交換可能なバッテリーユニット５０はまた、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きが外科用電動工具１０のキックバック事象を示すという判定に応答する、外科用電動工具１０のモータ６の短絡巻線のための制動装置７２を含んでもよい。これにより、モータ６の迅速な制動を可能にすることができる。

一実施形態では、本明細書に記載される種類の１つ以上の交換可能なバッテリーユニット５０を含む外科用キットが提供されてもよい。外科用キットはまた、１つ以上の交換可能なバッテリーユニット５０を収容するように構成された１つ以上の外科用電動工具１０を含んでもよい。一実施形態では、本明細書に記載される種類の少なくとも１つの外科用電動工具１０を含む外科用キットが提供されてもよく、各外科用電動工具１０は、取り付けられた交換可能なバッテリーユニット５０を有する。

図４は、本発明の一実施形態による、方法８０におけるいくつかの工程を示す。

第１の工程８２において、方法８０は、上述の種類の外科用電動工具１０を作動させることを含む。工程８２は、様々な異なる種類の外科手術の一部を形成してもよい。一実施例では、工程８２は、外科用電動工具１０の（例えば、チャック８）に取り付けられた外科用ドリルビットを使用して骨にドリルで穴あけすることを含む。別の例では、工程８２は、股関節置換手技中に寛骨臼の内面をリーマーで加工するために、外科用電動工具１０に取り付けられた回転リーマー（例えば、チャック８）を使用することを含む。工程８２は一般に、モータ６が外科用電動工具１０に取り付けられた外科用器具にトルクを印加しながら、外科医が外科用電動工具１０を保持する（例えば、ハンドル４）ことを含んでもよい。

工程８４は、外科用電動工具１０の作動中に実行される。工程８４は、コントローラ６０が、運動センサユニット７０の出力から、交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きが外科用電動工具のキックバック事象を示すことを判定することを含む。ステップ８４は、運動センサユニット７０の出力に上述した種類のアルゴリズムを適用することを含んでもよい。工程８４はまた、上述のように、電流センサ６４の出力を監視して、運動センサユニット７０によって示される交換可能なバッテリーユニット５０の急な動きがモータ６への電流の変化と同時に起こっているかどうかをチェックすることを含んでもよい。

ステップ８６において、キックバック事象の判定に応答して、コントローラは交換可能なバッテリーユニット５０から外科用電動工具１０への電力を切断する。これは、コントローラ６０が電源スイッチ６６に制御信号を適用して電力を切断することを含んでもよい。ステップ８６はまた、モータ６の迅速な制動のために制動装置７２を作動させることを含んでもよい。

したがって、外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニット、及び交換可能なバッテリーユニットを含む外科用電動工具を作動させる方法が記載されている。交換可能なバッテリーユニットは、１つ以上の電池セルと、運動センサユニットと、コントローラと、を収容するハウジングを含む。コントローラは、運動センサユニットの出力から、外科用電動工具のキックバック事象を示す交換可能なバッテリーユニットの急な動きを判定するように動作可能である。コントローラはまた、判定に応答して、交換可能なバッテリーユニットから外科用電動工具への電力を切断するように動作可能である。

以上、本発明の特定の実施形態について説明したが、特許請求される発明の範囲内で多くの変更／追加、及び／又は置換を行い得ることが理解されよう。

〔実施の態様〕
（１） 外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニットであって、前記交換可能なバッテリーユニットは、
ハウジングであって、
１つ以上の電池セルと、
運動センサユニットと、
コントローラであって、
前記運動センサユニットの出力から、前記外科用電動工具のキックバック事象を示す前記交換可能なバッテリーユニットの急な動きを判定し、
前記判定に応答して、前記交換可能なバッテリーユニットから前記外科用電動工具への電力を切断するように動作可能なコントローラと、を収容するハウジングを備える、外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニット。
（２） 前記交換可能なバッテリーユニットが、前記外科用電動工具のモータへの電流の流れを感知するための電流センサを更に含み、前記コントローラは、前記運動センサユニットの出力及び前記電流センサの出力から、前記交換可能なバッテリーユニットの急な動きが前記外科用電動工具のキックバック事象を示すかどうかを判定するように更に動作可能である、実施態様１に記載の交換可能なバッテリーユニット。
（３） 前記コントローラは、前記電流センサによって感知された電流の増加から、前記運動センサユニットによって感知された前記交換可能なバッテリーユニットの同時に起こる急な動きが前記外科用電動工具のキックバック事象を示すことを判定するように動作可能である、実施態様２に記載の交換可能なバッテリーユニット。
（４） 前記運動センサユニットが、
ジャイロスコープ、
加速度計、又は、
磁力計、のうちの少なくとも１つを備える、実施態様１～３のいずれかに記載の交換可能なバッテリーユニット。
（５） 前記運動センサユニットが、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を備える、実施態様４に記載の交換可能なバッテリーユニット。

（６） 前記外科用電動工具のキックバック事象を示す前記交換可能なバッテリーユニットの急な動きの前記判定に応答する、前記外科用電動工具のモータの短絡巻線の制動装置を更に備える、実施態様１～５のいずれかに記載の交換可能なバッテリーユニット。
（７） 前記交換可能なバッテリーユニットの前記急な動きが回転運動を含む、実施態様１～６のいずれかに記載の交換可能なバッテリーユニット。
（８） 前記１つ以上の電池セルが再充電可能である、実施態様１～７のいずれかに記載の交換可能なバッテリーユニット。
（９） 実施態様１～８のいずれかに記載の交換可能なバッテリーユニットを含む、外科用電動工具。
（１０） 前記外科用電動工具が、
本体部分と、
前記本体部分から外側に延在するハンドルと、を含み、
前記交換可能なバッテリーユニットが、前記ハンドルに取り付けられるか、又は少なくとも部分的に前記ハンドルの内部に収容されている、実施態様９に記載の外科用電動工具。

（１１） 前記交換可能なバッテリーユニットが、前記本体部分の遠位の前記ハンドルの端部に取り付けられるか、又は少なくとも部分的にその内部に収容されている、実施態様１０に記載の外科用電動工具。
（１２） 前記外科用電動工具が、回転電動工具を備える、実施態様９～１１のいずれかに記載の外科用電動工具。
（１３） 外科用キットであって、
実施態様１～８のいずれかに記載の１つ以上の交換可能なバッテリーユニットと、
前記１つ以上の交換可能なバッテリーユニットを収容するように構成された１つ以上の外科用電動工具と、を含む外科用キット。
（１４） 実施態様９～１２のいずれかに記載の少なくとも１つの外科用電動工具を含む外科用キット。
（１５） 方法であって、
実施態様９～１２のいずれかに記載の外科用電動工具を作動させることと、
前記外科用電動工具の前記作動中、前記コントローラが、
前記運動センサユニットの出力から、前記外科用電動工具のキックバック事象を示す前記交換可能なバッテリーユニットの急な動きを判定し、
前記判定に応答して、前記交換可能なバッテリーユニットから前記外科用電動工具への電力を切断することと、を含む、方法。

Claims (14)

1. 外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニットであって、前記交換可能なバッテリーユニットは、
   ハウジングであって、
   １つ以上の電池セルと、
   運動センサユニットと、
   コントローラであって、
   前記運動センサユニットの出力から、前記外科用電動工具のキックバック事象を示す前記交換可能なバッテリーユニットの急な動きを判定し、
   前記判定に応答して、前記交換可能なバッテリーユニットから前記外科用電動工具への電力を切断するように動作可能なコントローラと、を収容するハウジングを備える、外科用電動工具用の交換可能なバッテリーユニット。
2. 前記交換可能なバッテリーユニットが、前記外科用電動工具のモータへの電流の流れを感知するための電流センサを更に含み、前記コントローラは、前記運動センサユニットの出力及び前記電流センサの出力から、前記交換可能なバッテリーユニットの急な動きが前記外科用電動工具のキックバック事象を示すかどうかを判定するように更に動作可能である、請求項１に記載の交換可能なバッテリーユニット。
3. 前記コントローラは、前記電流センサによって感知された電流の増加から、前記運動センサユニットによって感知された前記交換可能なバッテリーユニットの同時に起こる急な動きが前記外科用電動工具のキックバック事象を示すことを判定するように動作可能である、請求項２に記載の交換可能なバッテリーユニット。
4. 前記運動センサユニットが、
   ジャイロスコープ、
   加速度計、又は、
   磁力計、のうちの少なくとも１つを備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の交換可能なバッテリーユニット。
5. 前記運動センサユニットが、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を備える、請求項４に記載の交換可能なバッテリーユニット。
6. 前記外科用電動工具のキックバック事象を示す前記交換可能なバッテリーユニットの急な動きの前記判定に応答する、前記外科用電動工具のモータの短絡巻線の制動装置を更に備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の交換可能なバッテリーユニット。
7. 前記交換可能なバッテリーユニットの前記急な動きが回転運動を含む、請求項１～６のいずれか一項に記載の交換可能なバッテリーユニット。
8. 前記１つ以上の電池セルが再充電可能である、請求項１～７のいずれか一項に記載の交換可能なバッテリーユニット。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の交換可能なバッテリーユニットを含む、外科用電動工具。
10. 前記外科用電動工具が、
    本体部分と、
    前記本体部分から外側に延在するハンドルと、を含み、
    前記交換可能なバッテリーユニットが、前記ハンドルに取り付けられるか、又は少なくとも部分的に前記ハンドルの内部に収容されている、請求項９に記載の外科用電動工具。
11. 前記交換可能なバッテリーユニットが、前記本体部分の遠位の前記ハンドルの端部に取り付けられるか、又は少なくとも部分的にその内部に収容されている、請求項１０に記載の外科用電動工具。
12. 前記外科用電動工具が、回転電動工具を備える、請求項９～１１のいずれか一項に記載の外科用電動工具。
13. 外科用キットであって、
    請求項１～８のいずれか一項に記載の１つ以上の交換可能なバッテリーユニットと、
    前記１つ以上の交換可能なバッテリーユニットを収容するように構成された１つ以上の外科用電動工具と、を含む外科用キット。
14. 請求項９～１２のいずれか一項に記載の少なくとも１つの外科用電動工具を含む外科用キット。

Images