KR101119725B1 - 동적 무릎 평형 유지 장치 - Google Patents

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마이클 지 피셔
안토니 케이 헤들리
마이클 하워드
케빈 코데스
도시노부 가츠야
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신베이시브 테크놀로지 인코포레이티드
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Abstract

무릎의 동적 평형 유지 장치, 시스템 및 방법은 전체 무릎 관절 성형술(TKA)을 개선한다. 이러한 장치는 일반적으로 원위 대퇴골에 분리 가능하게 장착되는 고정 대퇴골 요소와, 무릎의 인대 장력을 조정하도록 고정 대퇴골 요소와 결합된 조정 가능한 대퇴골 요소를 포함한다. 조정 가능한 대퇴골 요소는 TKA 과정을 실행하기 위한 위치 및/또는 방위 정보를 제공하도록 적어도 하나 이상의 위치 결정 요부를 포함한다. 또한, 조정 가능한 대퇴골 요소는 관절 공간으로부터 장치를 제거하지 않으면서 소정 운동 범위에 걸쳐 무릎의 운동을 허용하도록 근위 경골과 결합된 경골 요소와 이동 가능하게 결합된다. 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정할 때에, 위치 결정 요부는 위치 정보를 제공하도록 원위 대퇴골에 대하여 상대 이동한다.

Description

동적 무릎 평형 유지 장치{DYNAMIC KNEE BALANCER}
본 발명은 의료/수술 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 무릎 수술 과정을 개선하기 위한 장치, 방법 및 시스템에 관한 것이다.
만성 무릎 통증 및 관절 기능 장애에 전체 무릎 관절 성형술(TKA; total knee arthroplasty)로도 지칭되는 전체 무릎 치환 수술(total knee replacement surgery)이 점점 중요한 치료로 되고 있다. NIH(National Institutes of Health)의 합의 도출 회의(Consensus Development Conference)의 최근의 토론회는 미국에서 매년 대략 300,000명의 TKA 수술의가 말기의 무릎 관절염을 시술하고 있는 것으로 확인하고 있다. NIH의 토론회에서는, TKA 수술 장치 및 기술에 있어서 진보가 있었지만, 추가의 혁신을 통하여 개선된 성과를 얻고자 여전히 열심히 노력하고 있다는 점에 동의하고 있다. 특히, 토론회는 보다 우수한 결과를 제공하고 인공 기관의 마모를 줄이기 위하여 인공 무릎 기관을 장착하는 기술을 개선하여, 반복적인 TKA 수술의 필요성을 제거해야 하는 것으로 결론을 내렸다. TKA에 있어서 계속적인 진보가 있으면, 수술 과정은 보다 어린 환자, 비만 환자 등에 보다 쉽게 유용하게 될 수 있는데, 이들 환자는 TKA를 필요로 하지만 통상적으로 60 내지 75세로서 규정되는 "이상적인" 연령 범위에 있지 않은 환자들이다. 개선된 기술 및 장치는 또한 무릎 관절의 기능성이 양호하게 되고 인공 무릎의 유효 수명이 증가하는 개선된 성과를 모든 TKA 환자에게 제공한다는 것을 의미한다.
무릎은 일반적으로 대퇴골과 경골의 접합 지점으로서 정의된다. 무릎을 구성하는 구조는 원위 대퇴골, 근위 경골, 슬개골, 무릎 관절 내에서 이 무릎 관절을 둘러싸는 연질 조직을 포함한다. 무릎의 기능과 관련해서는 4개의 인대가 특히 중요한데, 즉 전방 십자 인대, 후방 십자 인대, 내측 측부 인대, 외측 측부 인대가 특히 중요하다. 관절염이 있는 무릎에 있어서는, 대퇴골과 경골의 접합 지점에 있는 보호용 연골이 마모되어 버려, 대퇴골이 경골과 직접적으로 접촉하게 될 수 있다. 이러한 뼈와 뼈의 접촉은 상당한 고통 및 불쾌감을 유발한다. TKA 과정의 주요 목적은 대퇴골의 원위 단부, 경골의 근위 단부, 종종 슬개골의 내면을 인공 부품으로 대체하여, 뼈와 뼈의 접촉을 방지하고, 관절 운동을 위한 원활하고 잘 정렬된 표면을 제공하는 한편, 넓은 운동 범위에 걸쳐 이동하는 안정적인 무릎 관절을 또한 제공하는 것이다.
TKA 수술에 있어서 가장 중요한 과제 중 하나는 무릎의 전체 운동 범위에 걸쳐 특히 내측 및 외측 측부 인대에서의 인대 장력을 적절하게 평형 상태로 유지하는 것이다. 무릎의 내측 및 외측면 상에서 원위 대퇴골과 근위 경골을 연결하는 측부 인대가 무릎의 안정성 및 이동성의 많은 부분을 담당한다. 측부 인대 중 하나가 다른 측부 인대에 대하여 너무 느슨하거나 너무 팽팽하면, 무릎은 통상적으로 불안정하게 되고, 운동 범위가 제한될 수 있으며, 슬개골이 부적절하게 궤적을 그 릴 수 있고, 대퇴골 및/또는 경골이 불균일하게 마모되어, 관절염 및 고통을 유발할 수 있다. TKA 수술 후의 인대 장력이 불균일하게 되면, 관절 불안정 및 열악한 슬개골 트래킹이 초래되며, 운동 범위가 제한되며, 무릎의 기능이 손상되며, 인공 장치의 불균일한 마모 증가가 초래되어, 필수적으로 반복적인 수술이 필요하게 된다. 따라서 전체 운동 범위에 걸쳐 무릎에 있어서 평형 상태의 인대 장력을 달성하기 위해서는 TKA 과정의 단기간 및 장기간 성공이 필수적이다.
원래의 무릎이 단일 축선을 중심으로 이동하는 힌지와 유사하게 작동하지 않는다는 사실로 인하여 TKA 수술 중에 인대 장력의 평형을 유지하는 것은 복잡하다. 무릎은 구부린 위치로부터 완전히 뻗은 위치로 이동함에 따라 경골이 대퇴골에 대하여 동적으로 외부 회전을 행한다. 이러한 경골의 자동 회전은 무릎이 완전히 뻗은 위치로부터 구부려질 때에 반대 방향으로 일어나서 경골이 대퇴골에 대하여 내부 회전을 하게 한다. 따라서 본래의 무릎은 무릎을 구부리는 중에 경골이 제한된 내부 및 외부 아크에 걸쳐 회전할 수 있도록 하는 회전 이완(rotary laxity)을 나타낸다. 또한, 대퇴골은 경골이 그 대퇴골을 중심으로 구부러질 때에 전후로 병진 운동을 하여, 방정식에 또 다른 운동 변수를 추가시킨다. 따라서 무릎의 인대는 대퇴골, 경골 및 슬개골과 함께 진정한 동적 바이오-메커니즘(truly dynamic bio-mechanism)을 생성하여, TKA 수술에서의 인대 장력 평형 유지를 극히 곤란하게 한다. TKA에서의 인대 장력 평형 유지를 위하여 다음과 같은 많은 논문 및 연구가 존재하였다. Mihalko WH 등의 "Comparison of Ligament-Balancing Techniques During Total Knee Arthoplasty", Jnl, Bone & Jt. Surg., Vol. 85-A Supplement 4, 2003, 132-135; Eckhoff, DG 등의 "Three-Dimensional Morphology and Kinematics of the Distal Part of the Femur Viewed in Virtual Reality, Jnl. Bone & Jt. Surg., Vol. 85-A Supplement 4, 2003, 97-104; Ries, MD 등의 "Soft-Tissue Balance in Revision Total Knee Tathroplasty", Jnl, Bone & Jt. Surg., Vol. 85-A Supplement 4, 2003, 38-42 참조.
TKA 과정 중에 측부 인대 장력의 평형을 유지하는 한 가지 기술은 인대 장력을 감소시키기 위하여 하나 또는 양 인대의 섬유를 절단하는 것을 포함하며, 이는 "인대 해제(ligament release)"으로서 지칭되는 기술이다. 인대 이완 기술이 여전히 일반적으로 사용되고 있지만, 이러한 기술은, 인대 조직을 실제로 절단할 필요가 있고, 이에 따라 인대가 취약하게 되며, 추후의 이완 또는 TKA 과정이 필요한 경우에 오류를 위한 여지를 남겨 놓지 않는다는 단점이 있다.
인대 이완 기술 대신에, 또는 이 기술에 추가로, 전체 인공 무릎의 구성 요소는 인대 장력의 평형을 유지하도록 선택되고 위치 결정될 수 있다. 인공 무릎의 대퇴골 요소 및 경골 요소는 원위 대퇴골 및 근위 경골의 절단면에 각각 부착되며, 뼈 절단부(bone cuts)의 배치 및 방위도 또한 매우 중요하다. 통상적으로, 인공 무릎의 경골 요소는 (경골의 장축에 대해 90°의 각도로) 근위 경골의 평탄한 수평 절단면 상에 위치 결정되고, 경골 요소의 위치 및 방위는 통상적으로 여러 무릎에서 크게 변동되지 않는다. 따라서 전체 인공 무릎을 위치 결정할 때의 대부분의 편차는 통상적으로 대퇴골 요소 및 대퇴골 뼈 절단부를 위치 결정할 때에 발생한다. 수술의는 이들 대퇴골 뼈 절단부가 인공 대퇴골 요소의 소정 위치 및 방위를 갖도록 하여, 무릎의 전체 운동 범위에 걸쳐 인대 장력을 최적으로 평형으로 유지한다. 그러나, 인대 이완 기술에 있어서는, 운동 범위에 걸쳐 이상적인 인대 장력을 제공하기 위하여 대퇴골 뼈 절단부와 인공 대퇴골 요소를 위치 결정하는 것이 매우 어려운 경우가 있다. 이는 주로 전술한 바와 같은 무릎 둘레에서의 운동이 복잡하다는 것과, 전체 운동 범위에 걸쳐 소정의 인대 장력을 유지하기 위하여 대퇴골 요소를 배치하는 것이 곤란하다는 것에 기인한 것이다. 구체적으로는, 대퇴골 요소의 회전 방위 및 위치와, 근위/원위 및 전방/후방 방위 및 위치 모두가 무릎의 운동학을 모사하는 데에 중요하다.
통상의 TKA 과정에 있어서, 인공 무릎의 대퇴골 요소를 부착하기 전에 원위 대퇴골에 복수의 절단부가 형성된다. 예컨대, 대부분의 과정은 대퇴골의 원위 단부를 가로지르는 원위 절단부, 전방 및 후방 절단부, 각진 전방 및 후방 모따기 절단부(chamfer cuts)를 형성하는 것을 포함하여, 대퇴골 요소를 적소에 확실히 단단하게 유지하는 것을 돕는다. 이들 절제를 효과적이고 정확하게 실행하기 위하여, 정형외과 의사는 통상적으로 절단 블록 또는 절단 가이드를 사용하며, 이들 가이드는 대퇴골의 원위 단부에 일시적으로 부착되는 수술용 톱날 또는 회전 공구를 안내하는 데에 사용된다. 따라서 이러한 절단 블록의 위치 결정은 인공 대퇴골 요소의 부착을 위하여 양호하게 위치 결정된 뼈 절단부를 형성하는 데에 결정적인 요인이다.
TKA 과정 중에 인대의 평형을 용이하게 유지하는 것과 관련한 복수의 장치 및 기술이 개시되어 있다. 미국 특허 제5,733,292호에 개시된 것과 같은 일부 기 술은 인대 장력을 평가하기 위하여 대퇴골 및 경골 뼈 절단부를 형성한 후에 사용되는 시험용 인공물 요소(trial prosthesis components)를 포함한다. 미국 특허 출원 제2003/0187452호에 개시된 것과 같은 일부 장치는, 무릎을 뻗은 상태에서 원위 대퇴골과 근위 경골 사이의 간격을 측정하고, 무릎이 구부러진 상태에서 수술의가 상기 간격을 변형하는 것을 돕는 데에 사용된다. 그 외의 다른 "간격 검사(gap checking)" 장치는 미국 특허 제6,575,980호에 개시되어 있다. 인대 장력의 크기를 측정하는 것을 돕거나 소정 크기의 장력을 인대에 적용하기 위하여 다른 장치가 개발되었다. 예컨대 미국 특허 제4,501,266호는 소정 크기의 장력을 인가하기 위한 무릎 신연 장치(knee distraction device)를 개시하고 있다. 무릎 관절을 가로질러 장력을 측정하거나 인가하는 많은 패들형 장치가, 예컨대 미국 특허 제5,597,379호; 제5,540,696호; 제5,800,438호; 제5,860,980호; 제5,911,723호; 제6,022,377호에 제안되어 있다.
원위 대퇴골 상에 뼈 절단부를 형성하기 위한 절단 블록 기술에 대한 하나의 변형예는 원위 대퇴골 뼈 절단부를 형성하기 위하여 로봇 수술 시스템을 사용하는 것을 포함한다. 로봇 수술 및 수술용 내비게이션과 함께, 수술용 톱날 또는 버(bur)가 여전히 사용되고 있지만, 뼈 절단부는 환자의 해부학적 구조의 기준-근거(fiducial-based) 또는 형상-근거(shape-based) 등록의 결과로서 위치 결정된다. 기준-근거를 이용한 방법에 있어서, 기준부 또는 마커가 이미징 전에 주요 해부학적 구조에 부착된다. 수술 중에, 마커는 노출되고, 센서 시스템이 이들의 위치를 컴퓨터에 전송한다. 광학 트래커(tracker), 전자기 트랜스시버, 관절형 프로브 아 암, 초음파 및 레이저 범위 검출기를 포함한 다양한 검출 시스템을 이용할 수 있다. 형상-근거를 이용한 방법에 있어서, 해부학적 구조의 형상이 수술전 이미지 데이터에 피팅된다. 환자에 대한 측정치는 전술한 검출 시스템 중 하나 또는 일부를 이용하여, 곡선 추적, 거리 스캐닝 또는 이미지 처리를 포함한 다양한 검출 기술에 의해 얻을 수 있다. 무릎 수술 과정에 로봇 수술 시스템을 사용하고 있는 하나의 예는 Howe, RD 및 Matsuoka, Y의 "Robotics for Surgery", Annu. Rev. Biomed Eng. 1999, 01:211-240에 설명되어 있다.
전술한 장치 및 기술 중 일부는 TKA 과정을 개선하고 실행하는 것을 돕고 있지만, 현재의 이용 가능한 장치 및 기술은 여전히 많은 문제점이 있다. 가장 중요하게는, 현재에 이용 가능한 장치에 의해서는, 내과의사가 무릎의 인대 장력을 조정할 수 없고, 또한 TKA 수술을 종료하기 위하여 사용될 수 있는 위치 정보를 그러한 조정에 기초하여 수용할 수 없다. 예컨대, 현재의 많은 이용 가능한 장치는 단지 무릎을 뻗은 상태에서만 적용되거나 단지 무릎을 구부린 상태에서만 적용되고, 또는 무릎이 뻗은 상태로부터 구부린 상태로 이동할 때에 제거되어 교체되어야 한다. 따라서 현재의 많은 이용 가능한 장치를 이용해서는 전체 운동 범위에 걸쳐 인대 장력을 평가하는 것이 곤란하거나 불가능하다. 일부 장치는 뻗은 상태의 장력의 크기 또는 간격을 측정하는 것에 의존하여, 구부린 상태의 간격 또는 장력을 예상한다. 다시, 이는 항상 전체 운동 범위에 걸쳐 측부 인대 평형을 유도하지는 못한다. 또 다른 장치는 매우 번거롭고 및/또는 복잡하다. 많은 장치가 무릎 관절의 외부에 설치되는 대형 부품을 포함하며, 슬개골이 TKA 과정의 측정 또는 다른 단계 중에 측부로 이동하는 것을 필요로 한다. 또한, 현재의 장치는 통상적으로 수술 과정 중에 주로 관절 공간 내에 체류하지 않으므로, 무릎이 소정 운동 범위에 걸쳐 구부러짐에 따라 경골과 대퇴골이 자연적 이동, 회전 및 병진 운동을 할 수 있게 된다. 일부 기술에서는, 인대 평형 유지를 달성하기 전에 뼈 절단부가 형성되어, 이들 동일한 뼈 절단부를 재절단할 필요가 있다. 뼈 절단부가 많다는 것은, 환자에게 보다 많은 외상을 초래하고, 회복 기간이 길어지며, 추후에 두 번째 TKA 과정이 필요한 경우에 작업할 뼈가 부족하게 되는 것을 의미한다.
로봇 수술이 보다 통상적인 기술에 비하여 소정 수준의 개량을 제공할 수 있지만, 현재의 로봇 기술을 사용해서는, 인공 대퇴골 요소를 부착하기 위하여 우수하게 위치 결정된 후속 뼈 절단부를 형성하도록 적절한 동적 위치를 동적으로 표시하거나 등록하고, 검출하는 것은 곤란하거나 불가능하다. 따라서 로봇 시스템을 이용하더라도, 무릎 안정성, 운동 범위 및 슬개골 트래킹을 개선하기 위하여 소정의 인대 평형을 달성하는 것은 여전히 어렵다. 현재에 이용 가능한 장치 및 방법의 이들 및 다른 단점은 인대의 평형, 구체적으로 측부 인대의 평형을 계속적으로 유지하는 것을 필요로 한다는 것인데, 이는 TKA 수술에 있어서 가장 어려운 과제이다.
따라서 인공 무릎 관절의 운동 범위, 안정성 및 슬개골 트래킹을 개선하도록 TKA 수술을 개량하기 위한, 구체적으로 TKA 수술 중에 인대를 동적 평형 상태로 유지하기 위한 개량된 장치, 시스템 및 방법에 대한 요구가 존재한다. 이상적으로, 이러한 장치는 무릎의 전체 운동 범위에 걸쳐 수술의가 인대를 동적 평형 상태 로 유지하는 것을 도와서, 경골이 대퇴골을 중심으로 구부러져 있는 동안에 경골의 자연적 회전 및 대퇴골의 자연적 병진 운동을 허용한다. 또한, 이상적으로는, 이러한 장치 및 방법은 대퇴골에 인도되어 최종의 뼈 절단부를 형성하기 전에 소정의 인대 장력 평형을 달성할 수 있도록 한다. 이상적으로, 이러한 장치는 또한 절단 가이드, 톱날 또는 버, 및 로봇 및 내비게이션 시스템과 함께 사용하기에 간단하여, 바람직하게는 인대 장력의 평가 중에 슬개골을 적소에 유지할 수 있다. 이들 목적 중 적어도 일부를 본원 발명에 의해 달성할 수 있다.
본 발명은 무릎 수술 절차, 보다 구체적으로 전체 무릎 치환 과정(전체 무릎 관절 성형술; TKA)을 개선하기 위한 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다. 다양한 실시예는 일반적으로 원위 대퇴골에 분리 가능하게 부착되는 고정 대퇴골 요소와 이 고정 대퇴골 요소와 결합되어 조정 능력을 제공하는 조정 가능한 대퇴골 요소를 포함한다. 조정 가능한 대퇴골 요소는 무릎의 근위 경골과 맞물린 경골 요소와 이동 가능하게 결합할 수 있어서, 무릎이 소정의 운동 범위에 걸쳐 구부러지거나 및/또는 뻗어짐에 따라 경골과 대퇴골의 자연적 이동, 회전 및 병진 운동이 발생할 수 있게 하며, 그 결과 무릎의 소정 운동 범위에 걸쳐 인대 장력의 동적 평형을 유지할 수 있다.
조정 가능한 대퇴골 요소는 무릎의 또는 이 무릎에 인접한 적어도 하나의 인대에서의 장력을 조정하도록 조정될 수 있다. 통상적으로, 조정 가능한 대퇴골 요소는 무릎에 인접한 외측 및/또는 내측 측부 인대에서의 장력을 조정하도록 어느 일측에서 개별적으로 조정될 수 있다. 인대 장력을 조정하기 위하여 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정하는 때에, 조정 가능한 대퇴골 요소의 하나 이상의 위치 결정 요부는 절단 가이드, 수술용 톱날, 버, 밀(mill), 수술용 내비게이션 시스템, 로봇 수술 시스템 등을 위치 결정하거나 및/또는 정향시키는 것을 돕는 위치 정보를 제공한다. 이러한 위치 정보는 통상적으로 원위 대퇴골에 후속 뼈 절단부를 형성하는 데에 사용되거나, 원위 대퇴골을 그 외의 방식으로 밀링하거나 성형하는 데에 사용되어, 인공 대퇴골 요소를 적용하는 때에 무릎은 소정의 안정성, 운동 범위 및/또는 슬개골 트래킹을 갖는다. 따라서 본 발명의 장치 및 방법은 인대 이완을 필요로 하지 않으면서 TKA 수술 중에 무릎에서의 인대 장력의 동적 평형을 유지하는 것을 도와서, 수술이 종료된 후에 무릎의 동적 평형을 제공한다.
본 발명을 설명할 목적으로, "무릎의 인대", "무릎 내의 인대", "무릎에 인접한 인대" 등의 표현은 모두 유사한 의미를 가지며, 모두 일반적으로 무릎 관절 공간의 내부, 무릎 둘레, 무릎 인근, 무릎 부근의 임의의 인대를 지칭하는 것이다. 이들 표현은 통상적으로 무릎의 기능을 지원하는 인대를 지칭하고, 여기서 지칭되는 인대는 종종 내측 측부 인대, 외측 측부 인대, 전방 십자 인대, 후방 십자 인대가 있다. 이하의 설명이 TKA 수술 과정에서의 다양한 실시예의 사용에 초점을 맞추고 있지만, 다른 무릎 수술 과정, 다른 정형외과 관절 수술 과정 등을 실시하기 위하여 이들 및/또는 다른 실시예를 적절하게 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따르면, 무릎 수술 과정 개선 장치는 원위 대퇴골에 분리 가능하게 장착되는 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소와, 무릎의 또는 이 무릎에 인접한 적어도 하나의 인대의 장력을 조정하도록 고정 대퇴골 요소와 이동 가능하게 결합된 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소를 포함한다. 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는, 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정함에 따라 원위 대퇴골에 대하여 상대 이동하여, 수술 과정을 용이하게 종료하여 무릎의 운동 범위, 안정성 및 슬개골 트래킹(patella tracking) 중 적어도 하나를 개선하도록 원위 대퇴골 상의 적어도 하나의 위치를 확인하는 적어도 하나의 위치 결정 요부를 구비한다. 또한, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 근위 경골에 맞물린 적어도 하나의 경골 요소와 이동 가능하게 결합되어, 대퇴골 요소 및 경골 요소를 제거하지 않고 무릎을 소정의 운동 범위에 걸쳐 이동시킬 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소는 원위 대퇴골의 원위 단부에서 절단면과 맞물릴 수 있다. 마찬가지로, 일부 실시예에 따르면, 경골 요소는 경골의 근위 단부에서 절단면과 맞물릴 수 있다. 통상적으로, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 적어도 하나의 인대의 장력을 조정하기 위하여 대퇴골 요소의 내측 및 외측에서 개별적으로 조정될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 타측에 대한 일측에서의 조정에 의해 조정 가능한 대퇴골 요소를 원위 대퇴골의 전방면 및 후방면에 대하여 상대 회전시킨다.
상기 적어도 하나의 조정 가능한 요소의 조정은 임의의 적절한 조정 장치, 구성 요소, 기술 등을 매개로 달성될 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에 따르면, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는, 조정 가능한 대퇴골 요소의 외측부를 조정하는 적어도 하나의 외측 조정 요소와, 조정 가능한 대퇴골 요소의 내측부를 조정하는 적어도 하나의 내측 조정 요소를 포함한다. 이들 조정 요소는 나사, 핀, 레버, 스프링-하중식 기구 또는 조정 능력을 부여하는 임의의 다른 적절한 장치(들)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 조정 가능한 대퇴골 요소는 예컨대 하나 이상의 스프링-하중식 또는 형상 기억 자가 조정 요소 등을 매개로 부분적으로 또는 전체적으로 자가 조절될 수 있다. 일부 다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소는 다수의 예비 조정된 대퇴골 요소를 포함하며, 각각의 예비 조정된 대퇴골 요소는 상이한 크기의 인대 장력 및 무릎 둘레에서의 평형을 부여한다. 수술의는 사용할 것을 결정하기 전에 예비 조정된 대퇴골 요소 중 임의의 것을 선택할 수 있다. 따라서 "조정 가능한", "조정 가능한 대퇴골 요소", "조정 능력" 등은 하나 이상의 요소를 사용하여 무릎에서의 인대 장력을 조정할 수 있다는 것을 의미하는 것이다. 다양한 실시예에서, 조정 능력은 하나 이상의 조정 가능한 대퇴골 요소, 자가 조정 요소, 상호 교환 가능한 예비 조정된 요소 또는 기타 다른 적절한 장치를 매개로 달성될 수 있다.
각종 실시예에 따르면, 좌측 무릎 또는 우측 무릎에 대하여 상호 호환되는 무릎 수술 개선 장치를 사용할 수 있다. 달리 말하면, 무릎 수술 장치의 일부 실시예는 통상적으로 좌측 무릎 또는 우측 무릎으로 특정되지 않지만, 그러한 좌측 전용/우측 전용 장치를 생각해 볼 수도 있다. 따라서, 본 발명의 통상의 무릎 평형 유지 장치는 어느 쪽 무릎에도 사용되므로, "내측(medial)" 및 "외측(lateral)"이라는 표현이 장치를 좌측 무릎 또는 우측 무릎에 사용하는 것으로 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 예컨대, 우측 무릎에 대하여 외측으로 정향되어 있는 조정 요소는 좌측 무릎에 대하여 내측으로 정향되어 있다.
일부 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소는 대퇴골의 원위면을 모사하는 적어도 하나의 원위 대퇴골 부분과, 대퇴골의 후방 관절 융기 표면을 모사하는 적어도 하나의 후방 관절 융기부를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 후방 관절 융기부는 내측 대퇴골의 후방 관절 융기부와, 외측 대퇴골의 후방 관절 융기부를 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 원위 대퇴골 부분, 내측 대퇴골의 후방 관절 융기부 및 외측 대퇴골의 후방 관절 융기부는 모두 일체의 부재이거나 압출물이다. 다른 실시예에서, 이들 부분은 다수의, 결합되는 부분일 수 있다. 원위 및 후방 관절 융기부로 인하여, 대퇴골 요소를 경골 요소와 이동 가능하게 결합할 수 있어서, 장치가 무릎과 결합되어 있는 동안에 무릎을 소정의 운동 범위에 걸쳐 이동시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소의 원위 대퇴골 부분과 후방 관절 융기부는 경골 요소에 있는 하나 이상의 상보적 형상의 오목부와 이동 가능하게 결합될 수 있다. 예컨대, 상기 후방 관절 융기 요소는 상기 경골 요소의 내측 오목부와 슬라이드 가능하게 결합할 수 있는 내측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소와, 상기 경골 요소의 외측 오목부와 슬라이드 가능하게 결합할 수 있는 외측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소를 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 상기 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소는,
조정 가능한 대퇴골 요소의 원위 대퇴골 부분을 원위 대퇴골에 결합하기 위한 적어도 하나의 원위 대퇴골 플레이트와, 원위 대퇴골의 내측 후방 대퇴골의 관절 융기 및 외측 후방 대퇴골의 관절 융기 중 적어도 일부와 접촉하도록 원위 대퇴골 부분으로부터 주위를 둘러싸는 적어도 하나의 후방 관절 융기 요소를 포함한다. 선택적으로, 상기 후방 관절 융기 요소는 내측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소와, 외측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소를 포함한다. 종종, 이러한 실시예에 있어서는, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소의 내측 대퇴골의 후방 관절 융기부는 고정 대퇴골 요소의 내측에 대해 조정될 수 있고, 조정 가능한 대퇴골 요소의 외측 대퇴골의 후방 관절 융기부는 고정 대퇴골 요소의 외측에 대해 개별적으로 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 고정 대퇴골 요소의 원위 대퇴골 부분 및 후방 관절 융기 요소는 일체의 부재이거나 압출물이다. 변형예에서, 상기 고정 대퇴골 요소는 복수의 결합되는 부분으로 구성될 수 있다.
조정 가능한 요소를 다양한 방법으로 조정할 수 있지만, 일 실시예에서는 무릎의 내측 측부 인대 및/또는 외측 측부 인대의 장력을 개별적으로 조정하도록 고정 대퇴골 요소에 대해 조정될 수 있다. 그러한 조정을 실행할 때에, 전방 및/또는 후방 십자 인대와 같은 다른 인대의 장력을 또한 조정할 수도 있다. 일부 실시예에서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 내측 측부 인대, 외측 측부 인대 및/또는 기타 인대의 장력을 개별적으로 조정하도록 고정 대퇴골 요소에 대해 자가 조정된다.
인대 장력을 조정하고 평형을 유지하도록 상기 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정할 때에, 적어도 하나의 위치 결정 요부가 원위 대퇴골 및 고정 대퇴골 요소에 대해 상대 이동한다. 위치 결정 요부의 선-조정 위치는 위치 정보를 제공하고, 이는 TKA 과정을 종료하는 데에 사용할 수 있다. 예컨대, 그러한 위치 정보를 사용하여, 후속 뼈 절단부를 형성하도록 원위 대퇴골 상에서 절단 가이드를 위치 결정하고, 뼈 절단부 자체를 형성하고, 인공 대퇴골 요소를 원위 대퇴골에 적용하는 등을 실행할 수 있다. 위치 결정 요부 자체는 하나 이상의 개구, 드릴 비트 가이드, 표면 마커, 표면 요부, 측정 장치, 매립된 마커, 기준부, 트랜스폰더, 트랜스시버 및/또는 센서와 같은 복수의 다양한 요부를 포함할 수 있지만, 이들로 한정되는 것은 아니다.
일 실시예에서, 예컨대 2개 이상의 개구가 위치 결정 요부로서 작용한다. 일부 실시예에서, 이들 개구는 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정할 때에 원위 대퇴골에 대해 상대 회전한다. 추가로 또는 대안으로, 개구는 원위 대퇴골에 대하여 전방 및/또는 후방으로 이동할 수 있다. 개구는 많은 다양한 방법으로 정보를 제공할 수 있다. 예컨대, 이들 개구는 절단 가이드의 장착을 위하여 원위 대퇴골에 구멍을 천공하는 것을 안내하는 드릴 비트 가이드로서 작용할 수 있다. 통상적으로, 이러한 개구는 드릴 비트의 통과를 허용하도록 조정 가능한 대퇴골 요소와 고정 대퇴골 요소의 개구를 통과하여 원위 대퇴골로 연장된다. 대안으로, 기준부, 센서, 트랜스미터, 마커 등을 개구에 배치할 수 있고, 외부 장치에 사용하도록 신호를 송신 및 수신할 수도 있고 마커로서 작용할 수도 있다. 예컨대, 일 실시예에 따르면, 로봇 수술 시스템 및/또는 내비게이션 시스템은 그러한 기준부, 센서, 마커 등의 위치를 사용하여 원위 대퇴골을 성형하도록 수술용 톱날, 버 등을 안내할 수 있다. 선택적으로, 상기 개구들은 인대에 고유의 소정 가요성(built-in desired flexibility)을 제공하도록 조정 가능한 대퇴골 요소 상에 약간 비대칭으로 위치 결정되어, 수술 과정의 종료 시에 인공 무릎 관절의 운동 범위, 안정성 및 슬개골 트래킹을 개선할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소는 인대에 고유의 소정 가요성(built-in desired flexibility)을 제공하도록 고정 대퇴골 요소에 비대칭으로 정향되어, 수술 과정의 종료 시에 인공 무릎 관절의 운동 범위, 안정성 및 슬개골 트래킹을 개선할 수 있다.
현재 알려져 있거나 후에 발견될 임의의 요부를 포함한 임의의 다른 위치 결정 요부 또는 요부의 조합이 조정 가능한 대퇴골 요소에 구비될 수 있다. 또한, 위치 결정 요부로부터 벗어난 위치 정보를 발생시켜 임의의 적절한 방식으로 사용할 수 있다. 예컨대, 위치 정보는 내비게이션 시스템 또는 로봇 시스템과 같은 외부 시스템에 의해 문의될 수 있는 마커로서 작용할 수 있다. 그 후, 위치 정보는 컴퓨터를 매개로 발생 및/또는 처리될 수 있고, 데이터 관련 후-조정 위치, 압력, 소정의 운동 범위에서 다양한 위치에서의 인대 장력을 사용자 및/또는 로봇 수술 장치에 제공할 수 있다. 위치 정보는 또한 인가 및 조정된 토크와 같은 기계적 수단에 의해 조정 가능한 요소의 조정 메커니즘으로 제공될 수 있다. 일반적으로, 임의의 적절한 위치 결정 요부를 사용할 수 있고, 임의의 위치 정보, 인대 장력 정보 등을 본 발명의 다양한 실시예에 의해 생성할 수 있다.
통상적으로, 상기 적어도 하나의 경골 요소는 근위 경골의 절단면과 맞물릴 수 있다. 경골 요소의 예로는 심, 패들, 플레이트, 바, 플랫폼 또는 로드를 포함하지만, 이들로 한정되는 것은 아니다. 바람직한 실시예에 따르면, 상이한 두께 및 높이의 복수의 경골 심(tibial shim)이 제공되고, 복수의 심 중 어느 하나는 인대에 소정 크기의 장력을 제공하기 위하여 근위 경골의 절단면과 맞물리도록 선택될 수 있다. 선택적으로, 상기 적어도 하나의 경골 요소는 근위 경골의 절단면에 분리 가능하게 장착되는 플레이트를 포함할 수 있고, 이 플레이트는 절단면과 선택된 경골 심 사이에 배치되어 있다.
일 실시예에서, 상기 대퇴골 요소와 경골 요소는 무릎에 인접한 적어도 하나의 인대가 가하는 힘을 통하여 이동 가능하게 결합된다. 보다 구체적으로, 일 실시예에서는, 대퇴골 요소와 경골 요소는 인대의 힘에 의해 제공된 힘에 의해서만 결합된다. 인대의 힘에 의한 이러한 대퇴골 요소와 경골 요소의 결합은 "동적(dynamic)" 결합으로서 개시될 수 있다. 이러한 결합으로 인하여, 주로 관절 공간 내에 배치되는 장치에 의해 인대 장력의 평형을 유지하는 것을 돕고, 또한 무릎을 소정 운동 범위에 걸쳐 구부리는 때에 경골 및 대퇴골의 자연적 이동, 회전 및 병진 운동이 발생할 수 있게 하며, 그 결과 무릎의 소정 운동 범위에 걸쳐 인대의 동적 장력 평형을 유지할 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 상기 대퇴골 요소와 경골 요소는, 원위 대퇴골 및 근위 경골과 각각 맞물릴 때에, 주로 원위 대퇴골과 근위 경골 사이의 관절 공간 내에 배치된다. 이러한 실시예에 있어서, 무릎의 슬개골은, 대퇴골 요소와 경골 요소가 맞물려 있고 무릎이 TKA 과정 중에 소정 운동 범위에 걸쳐 이동하는 동안에 대략 해부학적 위치에 유지될 수 있다. 상기 대퇴골 요소와 경골 요소의 이동 가능한 결합에 의해 소정의 운동 범위에 걸쳐 무릎을 구부리고 뻗을 수 있도록 한다. "운동 범위(range of motion)"는, 무릎이 뻗은 위치로부터 구부린 위치로 및/또는 구부린 위치로부터 뻗은 위치로 이동하는 것을 의미하는 것이다. 일부 실시예에서, 운동 범위는 대략 무릎을 완전히 뻗은 상태로부터 대략 무릎을 완전히 구부린 상태에 이르는 범위를 포함한다. 다른 실시예에서, 운동 범위는 보다 협소할 수 있다.
당업계에 공지되어 있거나 추후에 발견될 임의의 재료 또는 재료의 조합으로 대퇴골 및 경골 요소의 부분을 제조할 수 있다. 예컨대, 일 실시예에 따르면, 상기 고정 대퇴골 요소와 조정 가능한 대퇴골 요소 중 어느 하나 또는 양자는 플라스틱, 복합물, 알루미늄, 스테인리스강, 합성물, 코발트-크롬, 티탄 및 기타 금속을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 구성된다. 일부 실시예에서, 고정 대퇴골 요소 및/또는 조정 가능한 대퇴골 요소는 장치를 배치하거나 제거하는 것을 용이하게 하도록 적어도 하나의 파지 요소를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 무릎 수술 과정 개선 시스템은 원위 대퇴골에 분리 가능하게 결합될 수 있는 적어도 하나의 대퇴골 요소와, 근위 경골에 분리 가능하게 결합되고, 대퇴골 요소와 이동 가능하게 결합되어, 대퇴골 요소 및 경골 요소를 제거하지 않으면서 무릎을 소정의 운동 범위에 걸쳐 이동시킬 수 있는 것인 적어도 하나의 경골 요소를 포함한다. 상기 대퇴골 요소는 원위 대퇴골에 장착되는 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소와, 무릎의 또는 이 무릎에 인접한 적어도 하나의 인대의 장력을 조정하도록 고정 대퇴골 요소와 이동 가능하게 결합된 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소를 포함한다. 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는, 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정함에 따라 원위 대퇴골에 대하여 상대 이동하여, 수술 과정을 용이하게 종료하여 무릎의 운동 범위, 안정성 및 슬개골 트래킹 중 적어도 하나를 개선하도록 원위 대퇴골 상의 적어도 하나의 위치를 확인하는 적어도 하나의 위치 결정 요부를 구비한다.
전술한 장치의 여러 다양한 실시예와 함께, 적어도 하나의 조정 가능한 요소의 조정을 임의의 적절한 수단에 의해 달성할 수 있다. 따라서 본 발명의 시스템의 다양한 실시예에서, 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소는 하나 이상의 조정 요소, 자가-조정 요소, 상호 교환 가능한 예비 조정된 요소 또는 조정 능력을 부여하는 기타 다른 적절한 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 무릎 수술 절차의 실시 방법은, 근위 경골과 결합된 경골 요소에 이동 가능하게 결합하도록 적어도 하나의 대퇴골 요소를 원위 대퇴골에 결합하는 단계로서, 상기 대퇴골 요소가 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소와 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소를 구비하는 것인 단계와, 무릎을 이동시키는 단계와, 무릎의 또는 무릎에 인접한 인대 중 적어도 하나에 장력을 제공하도록 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정하여, 조정 가능한 대퇴골 요소의 적어도 하나의 위치 결정 요부를 원위 대퇴골에 대해 상대 이동시켜 수술 과정을 종료하도록 원위 대퇴골 상의 적어도 하나의 위치를 확인하는 단계를 포함한다.
통상적으로, 필수적인 것은 아니지만, 경골 요소는 근위 경골의 절단면과 결합되고, 대퇴골 요소는 원위 대퇴골의 절단면과 결합된다. 전술한 바와 같이, 일부 실시예에 따르면, 경골 및 대퇴골 요소는 원위 대퇴골과 근위 경골의 절단면 사이의 관절 공간 내에 주로 결합되고, 무릎에 인접한 적어도 하나의 인대가 제공하는 힘을 통하여 이동 가능하게 결합된다. 인대의 힘에 의한 이러한 대퇴골 요소와 경골 요소의 결합은 "동적(dynamic)" 결합으로서 개시될 수 있다. 이러한 결합으로 인하여, 주로 관절 공간 내에 배치되는 장치에 의해 인대 장력의 평형을 유지하는 것을 돕고, 또한 무릎을 소정 운동 범위에 걸쳐 구부리는 때에 경골 및 대퇴골의 자연적 이동, 회전 및 병진 운동이 발생할 수 있게 하며, 그 결과 무릎의 소정 운동 범위에 걸쳐 인대의 동적 장력 평형을 유지할 수 있다.
일부 실시예에서, 경골 요소를 결합하는 단계는 상이한 치수를 갖는 복수의 경골 요소 중에서 경골 요소를 선택하는 것을 포함하며, 선택된 경골 요소는 소정 크기의 장력을 적어도 하나의 인대에 인가하는 치수를 갖는다. 일부 실시예에 따르면, 대퇴골 요소를 결합하는 단계는 대퇴골 요소의 고정부를 대퇴골의 원위 표면에 부착하는 것을 포함하며, 대퇴골 요소의 조정 가능한 부분은 고정부와 결합된다. 일부 실시예에서, 상기 무릎을 이동시키는 단계는 대퇴골 요소의 적어도 하나의 원위 대퇴골 관절 융기 및 후방 관절 융기 요소를 경골 요소의 적어도 하나의 상보적 형상의 오목부를 따라 슬라이드 이동시키는 것을 포함한다. 보다 일반적으로, 상기 무릎을 이동시키는 단계는 경골 요소를 대퇴골 요소를 따라 슬라이드 이동시키는 것을 포함한다.
일부 실시예에 따르면, 상기 무릎을 이동시키는 단계는 대략 완전히 뻗은 상태로부터 대략 완전히 구부린 상태로 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 대안으로, 상기 무릎을 이동시키는 단계는 대략 완전히 구부린 상태로부터 대략 완전히 뻗은 상태로 이동시키는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 무릎은 조정 가능한 요소의 조정 전에, 후에 또는 도중에 뻗은 상태와 구부린 상태 사이에서 1회 이상 이동할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서, 상기 무릎 수술 절차의 실시 방법은 조정 단계 후에 무릎을 이동시키는 단계와, 조정 가능한 대퇴골 요소를 추가 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 범위 내에는 무릎 운동과 조정의 임의의 조합도 포함될 수 있다. 예컨대, 방법은 소정 운동 범위 중에 무릎에서의 소정의 인대 장력 평형을 결정하는 것을 돕도록 운동 범위에 걸쳐 무릎을 이동시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 적어도 상기 이동 단계와 조정 단계는 대략 무릎의 슬개골이 무릎 위의 해부학적 위치에 배치된 상태로 실행된다.
일부 실시예에 따르면, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정하는 단계는 내측 측부 인대 및 외측 측부 인대 중 적어도 하나의 장력을 조정하는 것을 포함한다. 경우에 따라서는, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정하는 단계는 인대 중 적어도 하나에 장력을 인가하도록 근위 경골과 원위 대퇴골의 적어도 일부 사이의 관절 공간을 확장하는 것을 포함한다. 다양한 실시예에서 상기 관절 공간을 확장하는 단계는 주로 무릎의 내측에서 또는 주로 무릎의 외측에서 공간을 확장하는 것을 포함할 수 있다. 통상적으로, 상기 관절 공간을 확장하는 단계는 내측 측부 인대, 외측 측부 인대, 또는 이들 양자에 장력을 가한다. 일부 실시예에서, 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정하는 것은 대퇴골 요소의 조정 가능한 부분을 대퇴골 요소의 고정부에 대해 상대 이동시키는 것을 포함한다. 예컨대, 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정하는 단계는 조정 가능한 대퇴골 요소 상에서 적어도 하나의 조정 요소를 조정하는 것을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 예컨대 하나 이상의 나사를 회전시켜 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정함으로써, 대퇴골 요소 상의 적어도 하나의 위치 결정 요부를 대퇴골의 원위 단부에 대해 정향시킬 수 있고, 위치 결정 요부는, 절단 가이드를 원위 대퇴골에 적용하고, 수술용 내비게이션 시스템의 센서를 정향시키고, 후속 뼈 절단부를 위치 결정 및 형성하기 위한 위치를 결정하는 것 등을 돕는다. 일부 실시예에 따르면, 예컨대 적어도 하나의 위치 결정 요부는 절단 가이드를 부착하는 데 사용된 하나 이상의 드릴 구멍을 형성하는 드릴 비트를 안내하고, 뼈 절단 장치를 동적으로 정향시키고, 수술용 내비게이션 시스템의 센서를 대퇴골의 원위 단부에 대해 정향시키도록 기준부 또는 마커를 동적으로 배치하기 위한 하나 이상의 개구를 포함한다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 개구는 2개 이상의 개구를 의미하며, 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정함으로써 상기 2개 이상의 개구가 대퇴골의 원위 단부 위에서 서로에 대해 상대 회전하게 된다. 예컨대, 개구는 원위 대퇴골의 장축에 대략 대응하는 축선을 중심으로 회전할 수 있다. 대안으로 또는 추가로, 조정 가능한 대퇴골 요소를 조정함으로써 적어도 하나의 개구가 원위 대퇴골에 대하여 전후 방향으로 이동할 수 있게 된다. 물론, 전술한 바와 같이, 임의의 적절한 위치 결정 요부를 조정 가능한 요소에 구비할 수 있고, 위치 정보를 획득하거나 사용하는 임의의 방법을 다양한 실시예에 채용할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 본 발명의 방법은 적어도 하나의 개구를 이용하여 드릴 비트를 안내하기 위하여, 대퇴골의 원위 단부에 적어도 하나의 구멍 또는 슬롯을 마련하는 단계와, 상기 원위 대퇴골로부터 조정 가능한 대퇴골 요소를 제거하는 단계와, 적어도 하나의 천공 구멍을 이용하여 절단 가이드를 대퇴골의 원위 단부에 장착하는 단계와, 대퇴골의 원위 단부에 적어도 하나의 절단부를 형성하는 단계를 더 포함한다. 선택적으로, 상기 방법은 인공 대퇴골 요소를 대퇴골의 절단 원위 단부에 장착하는 단계와, 인공 경골 요소를 근위 경골의 절단면에 장착하는 단계를 더 포함할 수 있다. 변형예에 따르면, 하나 이상의 신호를 적어도 하나의 위치 결정 장치로부터 원위 대퇴골 절단 장치로 보내는 단계와, 신호를 기초로 하여 절단 장치에 의해 원위 대퇴골을 절단하는 단계를 더 포함할 수 있다. 예컨대, 이러한 신호는 내비게이션 시스템 및/또는 로봇 수술 시스템의 일부로서 사용될 수 있다.
이들 및 다른 실시예를 첨부 도면을 참고로 하여 이하에서 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 평형 유지 장치가 무릎 관절 내의 적소에 있는 뻗은 상태의 무릎의 정면도이고,
도 1b는 도 1a에 도시된 무릎 평형 유지 장치와 뻗은 상태로 있는 무릎의 측면도이고,
도 1c는 무릎을 구부린 상태로 있는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 무릎 평형 유지 장치와 무릎의 측면도이고,
도 1d는 무릎 평형 유지 장치가 본 발명의 일 실시예에 따라 소정의 무릎 인대 장력 평형을 유지하도록 조정되어 있는, 도 1a 내지 도 1c에 도시된 무릎 평형 유지 장치와 무릎의 측면도이고,
도 1e는 무릎 평형 유지 장치가 본 발명의 일 실시예에 따라 소정의 무릎 인대 장력 평형을 유지하도록 조정되어 있는, 도 1a 내지 도 1d에 도시된 무릎 평형 유지 장치와 무릎의 정면도이고,
도 2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 평형 유지 장치의 정면도이고,
도 2b는 도 2a에 도시된 무릎 평형 유지 장치의 이면도이고,
도 2c는 도 2a 및 도 2b에 도시된 무릎 평형 유지 장치의 측면도이고,
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 평형 유지 장치의 정면 사시도이고,
도 3b는 도 2a에 도시된 무릎 평형 유지 장치의 이면 사시도이고,
도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 무릎 평형 유지 장치의 정면 사시도이고,
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 무릎 평형 유지 장치를 분해한 정면 사시도이고,
도 4b는 도 4a에 도시된 무릎 평형 유지 장치를 분해하여 도시하는 이면 사시도이다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 전체 무릎 관절 성형(TKA) 수술 과정을 개선하는 것을 주요 목적으로 하는 장치, 시스템 및 방법을 제공한다. 이들 장치, 시스템 및 방법을 주로 TKA에 사용하고 있지만, 일부 실시예에 따르면 다른 무릎 수술 과정 또는 팔꿈치와 같은 다른 관절에 대한 수술 과정을 개선하는 데에 사용될 수 있다.
그러한 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 일반적으로 수술의가 TKA 과정 중에 무릎의 인대 장력을 평형으로 유지하는 것을 도와서, 수술의가 수술 종료 시에 소정의 인대 평형을 달성하도록 TKA를 실시할 수 있게 돕는다. 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 일반적으로 무릎 인대의 동적 평형 유지를 용이하게 하여, 이들 인대는 무릎 주변에서의 소정의 운동 범위에 걸쳐 평형 상태로 유지된다. 종종, 이러한 동적 평형 유지는 소정 레벨의 안정성, 슬개골 트래킹(tracking) 및 운동 범위를 갖는 인공 무릎 관절을 제조하는 것을 돕는다.
이제 도 1a를 참고하면, 뻗은 상태의 우측 무릎(K)의 정면도가 도시되어 있고, 무릎 평형 유지 장치(10)가 무릎 관절 공간 내의 적소에 배치되어 있다. 본 발명의 설명에 필수적인 무릎(K)의 해부학적 요소로는, 원위 대퇴골(F), 근위 경골(T), 내측 측부 인대(MCL), 외측 측부 인대(LCL)가 포함된다. 〔또한 LCL이 부착되는 근위 비골(Fi)도 도시되어 있다.〕 명확성을 위하여 슬개골, 내측 측부 인대 또는 외측 측부 인대를 생략한 상태로 무릎(K)을 도시하고 있지만, 무릎(K)의 앞면(anterior aspect) 상의 해부학적 위치에 슬개골이 있는 상태로 많은 실시예를 사용할 수 있다. 도 1a에 있어서는, 원위 대퇴골(F)의 원위 단부의 일부와 근위 경골(T)의 근위 단부의 일부를 절단하거나 깎아서, 동적 무릎 평형 유지 시스템(10)의 대퇴골 요소(12) 및 경골 요소(14)를 각각 배치하는 평탄면을 형성한다. 다양한 실시예에 따르면, 무릎 평형 유지 장치를 단지 대퇴골 요소로서 제공할 수 있고, 예컨대 오프-더-쉘 경골 시험용 인서트(off-the-shell tibial trial insert)와 함께 사용될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 대퇴골 요소(12) 및 경골 요소(14)를 포함하는 무릎 평형 유지 시스템(10)을 제공할 수 있다.
도시된 실시예에 따르면, 대퇴골 요소(12)는 MCL, LCL 또는 양자에서의 장력을 조정하도록 조정될 수 있다. 임의의 적합한 수단에 의해 조정 능력을 얻을 수 있고, 이들 중 일부는 본 명세서에 보다 상세하게 설명되어 있다. 일 실시예에 따르면, 예컨대 나사, 핀, 레버, 스프링-하중식 기구, 형상 기억 재료 등을 포함할 수 있는 하나 이상의 조정 요소(16)가 대퇴골 요소(12)와 결합되어 조정 능력을 제공한다. 일부 실시예에 따르면, MCL 또는 LCL에서의 장력을 개별적으로 조정하도록 어느 일측의 대퇴골 요소(12)를 개별적으로 조정하는 조정 요소(16)를 사용할 수 있다.
일반적으로, 대퇴골 요소(12), 경골 요소(14) 및 이들 구성 부품 중 임의의 것을 이제 공지되어 있거나 추후에 발견될 임의의 적절한 재료로 제조할 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에서는, 대퇴골 요소(12) 및/또는 경골 요소(14)는 하나 이상의 플라스틱, 합성물 및/또는, 알루미늄, 스테인리스강과 같은 금속, 복합물, 코발트-크롬, 티탄 등으로 제조될 수 있다. 이들 또는 임의의 다른 적절한 재료 및 이들 재료의 조합을 다양한 실시예에서 사용할 수 있다.
도 1a 및 후속 도면에 도시된 바와 같이, 무릎 평형 유지 장치(10)는 통상적으로 TKA 수술 중에 주로 무릎(K)의 관절 공간 내에 배치되어 있으며, 이에 따라 무릎을 보다 편리하게 조작할 수 있고, 수술 중에 슬개골의 해부학적 위치를 보다 용이하게 결정하는 등의 장점을 제공한다. 그러나, 변형예에 따르면, 무릎 평형 유지 장치 또는 시스템은 무릎 관절 외측의 소정 위치에서 무릎에 결합될 수 있다. 예컨대, 일 실시예에 따르면, 무릎 평형 유지 장치는 본 명세서에서 설명하는 장치와 동일한 기능을 실행하는 외부 적용된 프레임을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에 따르면, 무릎 평형 유지 장치 중 일부 또는 전부는 무릎 관절의 외부에 위치될 수 있으며, 그에 따라 수술 과정 중에 무릎 관절 공간 내에 끼워지지 않는다.
이제 도 1b를 참고하면, 무릎(K)의 측면도가 도시되어 있다. 도 1b 및 후속 도면에서는, 명확성을 위하여 측부 인대(MCL 및 LCL)와, 후방 십자 인대(PCL), 비골(Fi) 등과 같은 다른 인대를 생략하고 있다. 도 1b로부터 알 수 있듯이, 대퇴골 요소(12)는 고정 대퇴골 요소(18) 및 조정 가능한 대퇴골 요소(17)를 적절하게 포함한다. 고정 대퇴골 요소(18)는 통상적으로 원위 대퇴골(F)의 표면, 종종 원위 대퇴골(F)의 원위 단부에 있는 절단면에 분리 가능하게 장착되고, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 고정 대퇴골 요소(18)와 결합되어 있다. 고정 대퇴골 요소(18)는 원위 대퇴골(F)의 내측 및 외측 후방 관절 융기(PC) 중 적어도 하나와 접촉하도록 후방으로 연장되는 적어도 하나의 고정 후방 관절 융기(condylar) 요소(18')를 포함한다. 통상적으로 고정 대퇴골 요소(18)는 2개의 후방 관절 융기 요소(18')를 포함하고, 각각의 후방 관절 융기(PC)에 대하여 하나씩 포함한다. 마찬가지로, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 2개의 후방 관절 융기(PC)를 모사하도록 후방으로 연장되는 하나 이상(바람직하게는 2개)의 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(17')를 적절하게 포함한다. 이하에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같이, 후방 관절 융 기 요소(17', 18')로 인하여, 무릎(K)의 인대 장력을 평형 상태로 하도록 대퇴골 요소(12)를 조정할 수 있고, 또한 무릎(K)이 소정의 운동 범위로 이동하는 동안에 무릎 평형 유지 장치(10)를 관절 공간 내의 적소에 유지할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 고정 대퇴골 요소(18)와 고정 후방 관절 융기 요소(18')는 복수 개의 결합되는 부분일 수도 있고, 일체의 부분 또는 압출물일 수도 있다. 마찬가지로, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)와 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(17')는 일부 실시예에서는 모두 일체의 부분 또는 압출물일 수도 있지만, 다른 예에서는 복수 개의 결합되는 부분일 수도 있다.
통상적으로, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는, 무릎(K)이 소정의 운동 범위에 걸쳐 이동하는 동안에 무릎 평형 유지 시스템(10)을 무릎 관절 공간 내의 적소에 유지할 수 있도록 경골 요소(14)와 이동 가능하게 결합될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 도 1 및 후속 도면에 도시된 것과 같은 조정 가능한 대퇴골 요소(17)와 경골 요소(14)는 무릎(K)의 인대, 특히 MCL 및 LCL에 의해 인가된 힘을 매개로 서로 이동 가능하게 맞물리고, 조정 가능한 대퇴골 요소는 무릎을 뻗은 상태에서 경골 요소와 접촉하도록 배치된 제1 표면을 갖는다. 달리 말하면, 대퇴골 요소(12)와 경골 요소(14)는 인대의 힘에 의해 함께 이동 가능한/슬라이딩 가능한 결합으로 되는 2개의 개별적인 부분이다. 인대의 힘을 매개로 하는 조정 가능한 대퇴골 요소(17)와 경골 요소(14)의 이러한 결합은 전체 운동 범위에 걸쳐 무릎의 동적 평형을 제공한다. 다양한 변형예에 따르면, 인대의 힘을 대퇴골 요소(12)와 경골 요소(14)를 결합하는 데에 사용할 수 없고, 그 대신에 수동적 기계 결합을 사용할 수 있다.
이제 도 1c를 참조하면, 무릎(K)을 구부린 상태에서의 무릎 평형 유지 장 치(10)가 도시되어 있다. 도 1c로부터, 고정 후방 관절 융기 요소(18')와 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(17')가 경골 요소(14) 상의 상보적 형상의 개구(20)와 슬라이딩 가능하게 결합되는 것을 볼 수 있다. 따라서 무릎 평형 유지 장치(10)는 완전히 뻗은 상태로부터 완전히 구부린 상태로, 또는 그 반대와 같은 상황에서 대략 무릎(K)의 전체 운동 범위에 걸쳐 이동 가능하거나 슬라이딩 가능하다.
도 1d를 참조하면, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)를 조정한 후의 무릎 평형 유지 장치(10)가 도시되어 있다. 일 실시예에 따르면, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 MCL 및/또는 LCL의 장력을 개별적으로 조정하도록 어느 일측에서 개별적으로 조정될 수 있다. 나사 또는 다른 조정 요소를 통한 수동 조정, 스프링-하중식 기구를 통한 자가-조정 등과 같은 임의의 적절한 수단에 전술한 조정을 행할 수 있다. 도시된 실시예에 따르면, 조정 요소(16)는 조정 가능한 대퇴골 요소(17)를 고정 대퇴골 요소(18)에 대하여 상대 이동시키도록 조정된다. 조정 요소(16)를 조정함에 따라, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 고정 대퇴골 요소(18)에 대하여 상대 회전하여, 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(17')를 고정 후방 관절 융기 요소(18')로부터 멀어지게 이동시킬 수 있다. 이러한 이동에 따라, 조정측에 보다 큰 관절 공간이 형성되고, 이에 따라 그 조정측에 측부 인대가 체결된다. 한편, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)의 원위 대퇴골은 대략 대퇴골(F)의 축선을 중심으로 고정 대퇴골 요소(18)의 원위 대퇴골에 대하여 상대 회전한다. 조정 가능한 대퇴골 요소(17)의 양측에 있는 조정 요소(16)를 동일한 방향으로 조정하면, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 고정 대퇴골 요소(18)에 대하여 전방으로 또는 후방으로 상 대 이동할 수 있다. 따라서 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 전방/후방 방위로 뿐 아니라 회전식으로 조정될 수 있다.
이제 도 1e를 참조하면, 도 1d의 무릎(K)과 무릎 평형 유지 시스템(10)의 정면도가 도시되어 있다. 여기서, 원위 대퇴골(F)의 내측에서 조정 가능한 요소(16)를 조정함으로써, 내측에 있는 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(17')는 내측에 있는 고정 후방 관절 융기 요소(18')로부터 멀어지게 이동하고, 이에 따라 내측에서의 관절 공간의 높이가 증가하고, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)가 원위 대퇴골에 대하여 약간 회전한다. 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 TKA 절차를 용이하게 하는 위치 정보를 제공하는 적어도 하나의 위치 결정 요부를 포함한다. 전술한 바와 같이, 개구, 표면 마커, 매립된 마커, 기준부(fiducial), 트랜스미터, 트랜스폰더, 트랜스시버, 센서 등과 같은 복수의 다양한 요부 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 이들 위치 결정 요부는 TKA 절차를 실시하는 데에 사용될 수 있는 위치 정보를 제공한다. 예컨대, 개구는 후속 뼈 절단을 위하여 커팅 가이드를 원위 대퇴골(F)에 적용하는 구멍을 천공하기 위한 드릴 비트 가이드(drill bit guide)로서 작용할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 개구는 후속 뼈 절단부(subsequent bone cuts)를 위치 결정하거나 그 외의 방식으로 밀링, 버링(burring) 등을 통하여 원위 대퇴골(F)을 성형하기 위하여 내비게이션 시스템 및/또는 로봇 수술 시스템에 정보를 제공하는 기준부 또는 마커를 포함할 수 있다. 이상에서 다양한 실시예를 전체적으로 설명하였으며, 다양한 실시예에 임의의 적절한 위치 결정 요부 및 위치 정보를 사용할 수 있다.
도시된 실시예에 따르면, 조정 가능한 대퇴골 요소(17)는 위치 결정 요부로서 2개의 개구(24)를 포함한다. 개구(24)는 조정 가능한 대퇴골 요소(17)와 또한 고정 대퇴골 요소(18)를 통과하여, 원위 대퇴골(F)에 구멍을 형성하도록 드릴 비트를 안내하는 데에 개구(24)를 사용할 수 있다. 물론, 방금 설명한 바와 같이, 개구(24)는 기준부, 센서, 마커 등을 수반하는 등의 다른 많은 기능 중 임의의 기능을 가질 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 고정 대퇴골 요소(18)의 대응 개구는 조정 가능한 대퇴골 요소(17) 상의 개구(24)의 이동을 허용하기에 충분히 커서, 개구(24)는 항상 원위 대퇴골(F)의 절단면으로 연장된다. 개구(24)를 사용하여 절단 가이드용 구멍을 천공하는 경우에, 평형 유지 시스템(10)은 제거되고, 구멍은 절단 가이드를 원위 대퇴골(F)에 장착하는 데에 사용되며, 이 절단 가이드는 원위 대퇴골(F)에서 후속 뼈 절단을 실행하는 데에 사용된다. 일단 이들 뼈 절단을 실시하게 되면, 인공 대퇴골 부분이 통상적으로 대퇴골의 절단된 원위 단부에 위치한다. 이들 최종 뼈 절단부는 인공 대퇴골 부분의 위치 및 방위를 결정한다. 대안으로, 실제 뼈 절단을 실행하기 위하여 (절단 가이드를 사용하지 않고) 톱날, 로터리 커터, 버(bur) 등을 안내하는 등의 일부 다른 수단에 의해 뼈 절단의 방위/위치를 결정하는 데에 위치 결정 정보를 사용할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 위치 정보를 사용하여 로봇 수술 시스템을 안내하여, 내비게이션 시스템 등을 통한 과정을 개선할 수 있다.
2개의 고정 대퇴골 요소 장착 나사(22)가 또한 도 1e에 도시되어 있다. 이들 나사는 고정 대퇴골 요소(18)를 원위 대퇴골(F)에 분리 가능하게 장착하는 데에 사용된다. 고정 대퇴골 요소(18)를 원위 대퇴골(F)에 장착하기 위하여 장착 나사(22) 대신에, 또는 이에 추가로 임의의 다른 적절한 장착 장치를 사용할 수도 있다. 예컨대, 일부 실시예에서는 접착제, 핀 등을 사용할 수도 있다.
도 2a 내지 도 2c는 각각 대퇴골 요소(12)의 실시예에 따른 전면, 후면 및 측면도이다. 이들 도면은 고정 대퇴골 요소(18)를 원위 대퇴골에 장착하는 데 사용된 2개의 나사 구멍(23)을 도시하고 있다. 이들 도면은 조정 가능한 대퇴골 요소(17)와 고정 대퇴골 요소(18)에 결합된 부싱(26)에 의해 형성되는 드릴 안내 개구(24)를 또한 도시하고 있다. 대퇴골 요소(12)를 조정함에 따라 부싱(26)은 조정 가능한 대퇴골 요소(17)의 슬롯(27)을 따라 이동한다.
이제 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 무릎 평형 유지 시스템(100)의 실시예의 전면 및 후면 사시도가 각각 도시되어 있다. 무릎 평형 유지 시스템(100)은 대퇴골 요소(140)와 경골 요소(120)를 적절하게 포함한다. 대퇴골 요소(140)는 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(170')를 갖는 조정 가능한 대퇴골 요소(170)와 고정 후방 관절 융기 요소(180')를 갖는 고정 대퇴골 요소(180)를 더 포함할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 조정 가능한 대퇴골 요소(170)와 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(170')는 일체의 부재 또는 압출물일 수 있고, 다른 실시예에 따르면 2개 이상의 결합되는 부재일 수 있다. 마찰가지로, 고정 대퇴골 요소(180)와 고정 후방 관절 융기 요소(180')는 일체의 구조로 구성될 수도 있고, 함께 결합되는 복수의 부분일 수도 있다. 도시된 실시예에 따르면, 고정 대퇴골 요소(180)는 2개의 고정 후방 관절 융기 요소(180')와 결합되는 원위의 대퇴골 플레이트를 포함한다. 다양한 실시예에 임의의 적절한 구조, 조합 또는 제조 방법을 사용할 수 있다.
대퇴골 요소(140)는 조정 나사(도시 생략)의 인입/인출을 위한 조정 나사 구멍(161), 장착 나사(220), 드릴 가이드 개구(240), 부싱(260), 슬롯(270) 및/또는 이전에 설명한 임의의 다른 요부를 더 포함할 수 있다. 경골 요소(120)는 대퇴골 요소(140)와의 슬라이딩 가능한 결합을 제공하도록 2개의 홈(200) 또는 오목부를 적절하게 포함할 수 있다. 일반적으로, 전술한 임의의 요부를 무릎 평형 유지 시스템(100)에 적용할 수 있다.
이제 도 3c를 참조하면, 전술한 것과 유사한 무릎 평형 유지 시스템(300)의 전방 사시도가 도시되어 있다. 무릎 평형 유지 시스템(300)은 경골 요소(320)와 대퇴골 요소(340)를 포함하며, 대퇴골 요소(340)는 고정 요소(380)와 결합된 조정 가능한 요소(370)를 포함한다. 조정 가능한 요소(370)는 2개의 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(370')를 포함하고, 고정 요소(380)는 2개의 고정 후방 관절 융기 요소(380')를 포함한다. 도 3c에서, 하나의 조정 요소(360a)는 조정 가능한 후방 관절 융기 요소(370')를 그 측면 상의 고정 후방 관절 융기 요소(380')로부터 멀어지게 이동시키도록 조정되며, 이로 인하여, 장치가 무릎 관절인 경우에 그 측부 상의 관절 공간의 높이가 증가하고, 또한 조정 가능한 대퇴골 요소(370)가 원위 대퇴골에 대해 약간 상대 회전한다. 도시된 실시예는 위치 결정 요부로서 2개의 개구(345)를 포함하며, 컴퓨터 내비게이션 시스템 또는 로봇 수술 시스템에 위치 정보를 제공하도록 2개의 기준부(390; 또는 마커, 센서 등)가 상기 개구(345) 내에 배치되어 있다. 이러한 위치 정보는 예컨대, 대퇴골(F)에 후속 뼈 절단을 실시하 도록 동적 평형 상태의 무릎의 방위를 포함할 수 있다.
이제 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 구성 요소를 보다 명확하게 알 수 있도록 도 3a 및 도 3b로부터 무릎 평형 유지 시스템(100)의 실시예가 분해도로 도시되어 있다. 이 실시예에 따르면, 무릎 평형 유지 시스템(100)의 구성 부품은 도 3a 및 도 3b를 참고로 전술하고 도시한 것과 동일하다. 도 4a 및 도 4b에서, 고정 대퇴골 요소(180)가 3개의 결합된 부분, 즉 고정 대퇴골 요소의 원위 플레이트(180)와 2개의 고정 후방 관절 융기 요소(180')를 포함하는 것을 볼 수 있다. 이러한 부분은 가압 피팅, 플레이트(180)와 조정 가능한 대퇴골 요소(170) 사이의 관절 융기 요소의 개재, 나사, 접착제 등과 같은 임의의 적절한 수단에 의해 결합될 수 있다. 대안으로, 고정 대퇴골 요소(180)는 하나의 단일 부재 또는 압출물을 포함할 수 있다.
도 4b에는 추가의 부분으로서의 바이어스 스프링(300)이 도시되어 있다. 바이어스 스프링은 고정 대퇴골 요소(180)에 대한 조정 가능한 대퇴골 요소(170)의 상대 회전을 허용하도록 대퇴골 요소(140) 내에 합체될 수 있다. 무릎 평형 유지 시스템(100)의 대안의 실시예는 그러한 회전, 전면-후면 조정 및/또는 임의의 다른 적절한 조정을 허용하도록 임의의 적절한 기구를 포함할 수 있다.
TKA 과정을 개선하기 위한 예시적인 방법에 있어서, 대퇴골 요소는 통상적으로 무릎의 원위 대퇴골과 분리 가능하게 결합된다. 일반적으로, 원위 대퇴골은 대퇴골 요소와 결합되는 표면을 형성하도록 절단되지만, 이것이 모든 실시예에서 요구되는 것은 아니다. 경골 요소가 또한 무릎의 근위 경골, 일반적으로는 경골의 절단된 수평면과 결합된다. 이러한 경골 요소는 동적 무릎 평형 유지 시스템의 일부로서 제공될 수도 있고, 다양한 실시예에서 오프-더-쉘 경골 시험용 인서트일 수도 있다. 다양한 실시예에 따르면, 경골 요소는 대퇴골 요소 앞에 배치될 수도 있고, 이와 반대로 배치될 수도 있다. 일 실시예에서, 대퇴골 요소와 경골 요소는 무릎이 완전히 또는 거의 완전히 뻗은 상태로 있는 동안에 대퇴골 및 경골과 결합되지만, 변형예에 따르면 이들 요소는 구부러진 상태에서 배치될 수 있다. 경골 요소의 높이, 두께 또는 전체 형상은 무릎을 뻗은 상태로 있는 동안에 인대 장력의 소정 크기 및 평형을 제공하도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 무릎은 뻗은 상태로부터 구부린 상태로 이동하고, 대퇴골 요소는 구부린 상태에서 소정의 인대 평형을 달성하기 위하여 MCL, LCL, 후방 십자 인대 및/또는 기타 인대에서의 장력을 조정하도록 조정된다. 그 후, 무릎은 소정의 운동 범위에 걸쳐 이동할 수 있고, 소정의 운동 범위에 걸쳐 인대 장력을 조정하고 평형 상태로 하도록 대퇴골 요소에 대해 하나 이상의 후속 조정을 행할 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 그러한 조정 및 이동은, 무릎의 슬개골이 대략 무릎 위의 통상의 해부학적 위치에 유지되는 동안에 전부는 아닐지라도 대부분은 가능하게 된다. 이것은, TKA 과정 중에 무릎 기능 중 중요한 사항인 슬개골 트래킹을 평가 및 조정할 수 있기 때문에 유리하다. 통상적으로, 수술의가 목적으로 하는 것은 무릎의 소정의 운동 범위에 걸쳐 인대 장력의 동적 평형을 달성하는 것이다. 대퇴골 요소 및 경골 요소가 적소에 있는 상태로 이러한 평형을 달성하게 되면, 조정 가능한 대퇴골 요소 상의 위치 결정 요부는 수술의, 컴퓨터, 로봇 시스템 등에 위치 정 보를 제공하여, TKA 과정의 용이한 실행을 돕는다. 이러한 위치 정보를 이용하여, 후속 절단(또는 천공, 버링 또는 기타 성형 방법)을 대퇴골에 적용하고, 그러한 절단/성형은 인공 무릎 관절의 인조 대퇴골 부품을 원위 대퇴골 상에 위치 결정하고 배향하는 방법을 결정한다.
전술한 임의의 장치, 시스템 및 방법을 현재에 사용되고 있거나 미래에 사용될 임의의 적절한 무릎 수술 과정 또는 시스템에 적용할 수 있을 것으로 생각된다. 예컨대, 본 발명의 장치, 시스템 및 방법은 임의의 수의 다양한 시각화, 내비게이션, 및/또는 이미지-안내 시스템과 같이 무릎 수술을 실시하기 위한 로봇 시스템에 용이하게 적용되어, TKA 과정, (캘리포니아주 서니배일에 소재하는) Intuitive Surgical, Inc에서 제공하는 da Vinci(등록 상표) 수술 시스템과 같은 로봇 수술 시스템을 실행, 계획 또는 개선한다. 한정의 의도는 없는 자외선 또는 초음파 이미징과 같은 임의의 적절한 이미징 또는 시각화 방식 및 기법을 본 발명의 다양한 실시예에 따른 장치, 시스템 및 방법에 사용할 수 있다.
본 발명의 보호 범위를 벗어나지 않으면서 전술한 장치에 대한 많은 적절한 변형예 및 추가예가 있을 수 있다. 예컨대, 일부 실시예에 따르면, 인대 장력을 측정하는 측정 장치가 구비될 수도 있고, 측정된 인대 장력의 양을 사용자에게 보여주기 위하여 디스플레이가 또한 구비될 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 인대 장력의 양이 그 장치 내로 다이얼-인(dial-in)되거나 그 외의 방식으로 입력되어, 장치가 그 인대 장력의 양을 무릎 내에 적용하도록 할 수 있다. 또 다른 실시예는 장력 측정 및 장력 다이얼-인 능력 모두를 포함할 수 있다.
따라서 위에서는 본 발명의 예시적인 실시예를 완전하고 정확하게 설명하고 있지만, 위에서 설명한 장치, 시스템 및 방법의 다양한 실시예는 임의의 수의 변형예 및 추가예를 포함할 수 있다. 따라서 이상의 예시적인 설명은 첨부된 청구범위에 의해서만 한정되는 발명의 보호 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (114)

  1. 무릎 수술 과정 개선 장치로서,
    상보적 형상의 한쌍의 오목부를 구비하고, 근위 경골의 표면과 맞물릴 수 있는 경골 요소와,
    원위 대퇴골에 분리 가능하게 부착되는 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소와,
    무릎을 뻗은 상태에서 상기 경골 요소와 접촉하도록 배치되는 제1 표면을 갖고, 내측 대퇴골의 후방 관절 융기부와 외측 대퇴골의 후방 관절 융기부를 포함하는 후방 관절 융기 요소를 갖는 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소
    를 구비하고, 상기 후방 관절 융기 요소는 무릎을 구부린 상태에서 상기 내측 대퇴골의 후방 관절 융기부와 외측 대퇴골의 후방 관절 융기부가 경골 요소의 상보적 형상의 오목부와 슬라이딩 접촉하도록 상기 제1 표면에 대해 직각으로 배치되며, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 무릎의 적어도 하나의 인대의 장력을 조정하도록 고정 대퇴골 요소와 이동 가능하게 맞물리고, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 조정 가능한 대퇴골 요소를 고정 대퇴골 요소에 대해 전후 방향으로 이동시키는 조정 요소를 포함하며, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 근위 경골에 맞물린 경골 요소와 이동 가능하게 맞물릴 수 있어, 고정 대퇴골 요소, 조정 가능한 대퇴골 요소 및 경골 요소를 제거하지 않고 무릎을 고정된 위치에서 연장된 위치까지의 운동 범위에 걸쳐 이동시킬 수 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소는 원위 대퇴골의 원위 단부의 표면과 맞물릴 수 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 적어도 하나의 인대의 장력을 조정하기 위하여 상기 조정 가능한 대퇴골 요소의 내측 및 외측에서 개별적으로 조정될 수 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  4. 제3항에 있어서, 조정 가능한 대퇴골 요소를 원위 대퇴골에 대해 상대적으로 회전시키는 조정 요소를 더 포함하는 무릎 수술 과정 개선 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 조정 요소는,
    조정 가능한 대퇴골 요소의 외측부를 조정하는 적어도 하나의 외측 조정 요소와,
    조정 가능한 대퇴골 요소의 내측부를 조정하는 적어도 하나의 내측 조정 요소를 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 외측 및 내측 조정 요소는 나사, 핀, 레버, 로드, 스프링, 스프링-하중식 기구 및 형상 기억 재료를 포함하는 군에서 선택되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소는 대퇴골의 원위면을 모사하는 적어도 하나의 원위 대퇴골 부분을 더 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 원위 대퇴골 부분, 내측 대퇴골의 후방 관절 융기부 및 외측 대퇴골의 후방 관절 융기부는 모두 일체의 부재이거나 압출물인 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소는, 조정 가능한 대퇴골 요소의 원위 대퇴골 부분을 원위 대퇴골에 결합하기 위한 적어도 하나의 원위 대퇴골 플레이트를 포함하고, 후방 관절 융기 요소는 원위 대퇴골의 내측 후방 대퇴골의 관절 융기 및 외측 후방 대퇴골의 관절 융기 중 적어도 일부와 접촉하도록 원위 대퇴골 부분으로부터 연장되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 원위 대퇴골 플레이트, 내측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소 및 외측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소는 모두 일체의 부재이거나 압출물인 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소의 내측 대퇴골의 후방 관절 융기부는 고정 대퇴골 요소의 내측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소에 대해 조정될 수 있고, 조정 가능한 대퇴골 요소의 외측 대퇴골의 후방 관절 융기부는 고정 대퇴골 요소의 외측 대퇴골의 후방 관절 융기 요소에 대해 개별적으로 조정될 수 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  12. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 무릎의 내측 측부 인대 및 외측 측부 인대 중 적어도 하나의 장력을 개별적으로 조정하도록 고정 대퇴골 요소에 대해 조정될 수 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  13. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소는 적어도 하나의 자가-조정 요소(self-adjusting member)를 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자가-조정 요소는 스프링-하중식 요소 및 형상 기억 요소 중 적어도 하나를 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 자가-조정 요소는 무릎의 내측 측부 인대 및 외측 측부 인대 중 적어도 하나의 장력을 조정하도록 고정 대퇴골 요소에 대해 조정되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  16. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 조정 가능한 대퇴골 요소는 복수의 예비 조정된 대퇴골 요소를 포함하고, 상기 복수의 예비 조정된 대퇴골 요소 각각은 고정 대퇴골 요소에 대하여 비대칭적으로 배치되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  17. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소의 조정 요소는 개구, 드릴 비트 가이드, 표면 마커, 표면 요부, 측정 장치, 매립된 마커, 기준부, 트랜스폰더, 트랜스시버 및 센서를 포함하는 군에서 선택되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 조정 요소는 뼈 절단부(bone cuts)를 형성하도록 원위 대퇴골 상에 절단 가이드를 배치하는 것, 원위 대퇴골 상에 하나 이상의 뼈 절단부를 형성하는 것, 원위 대퇴골 상에 인공 대퇴골 요소를 위치 결정하는 것 중 적어도 하나를 가능케 하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  19. 제17항에 있어서, 상기 조정 요소는 적어도 2개의 개구를 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 적어도 2개의 개구 각각은 절단 가이드를 대퇴골에 부착하도록 원위 대퇴골에 구멍을 형성하기 위해 드릴 비트를 안내하도록 구성되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  21. 제19항에 있어서, 상기 적어도 2개의 개구 각각은 마커, 기준부, 트랜스폰더, 트랜스시버 및 센서 중 적어도 하나를 수용하도록 구성되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  22. 제19항에 있어서, 상기 적어도 2개의 개구는 조정 가능한 대퇴골 요소와 고정 대퇴골 요소의 개구를 통해 연장되어 원위 대퇴골에 대한 접근을 제공하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 적어도 2개의 개구는 수술 과정의 종료 시에 인대 고유의 요구되는 가요성(built-in desired flexibility)을 제공하도록 조정 가능한 대퇴골 요소 상에 비대칭으로 위치 결정되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  24. 제17항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소와 조정 요소 중 적어도 하나는 수술 과정의 종료 시에 고유의 운동 범위를 제공하도록 고정 대퇴골 요소에 대하여 비대칭으로 정향되어 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  25. 제24항에 있어서, 고정 대퇴골 요소에 대하여 서로 다른 비대칭성을 각각 구비한 복수의 조정 가능한 대퇴골 요소를 더 포함하는 무릎 수술 과정 개선 장치.
  26. 제1항에 있어서, 경골 요소는 적어도 하나의 심(shim), 패들, 플레이트, 바, 플랫폼 또는 로드를 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  27. 제26항에 있어서, 경골 요소는 두께 또는 높이가 상이한 복수의 경골 심(tibial shim)을 포함하고, 복수의 심 중 어느 하나는 인대에 요구되는 크기의 장력을 제공하기 위하여 근위 경골의 표면과 맞물리도록 선택될 수 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  28. 제27항에 있어서, 경골 요소는 근위 경골의 표면에 분리 가능하게 부착되는 플레이트를 더 포함하고, 이 플레이트는 상기 표면과 선택된 경골 심 사이에 배치되어 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  29. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소와 경골 요소는 무릎의 또는 무릎에 인접한 적어도 하나의 인대가 가하는 힘을 통하여 이동 가능하게 결합되도록 구성되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  30. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소, 고정 대퇴골 요소 및 경골 요소는, 원위 대퇴골 및 근위 경골과 각각 맞물릴 때에, 원위 대퇴골과 근위 경골 사이의 관절 공간 내에 배치되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  31. 제30항에 있어서, 무릎의 슬개골은, 조정 가능한 대퇴골 요소와 경골 요소가 맞물려 있고 무릎이 상기 운동 범위에 걸쳐 이동하는 동안에 해부학적 위치에 유지되어 있는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  32. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소와 경골 요소의 이동 가능한 결합에 의해 상기 운동 범위에 걸쳐 무릎을 구부리고 뻗을 수 있도록 하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  33. 제32항에 있어서, 상기 운동 범위는 무릎을 완전히 뻗은 상태로부터 무릎을 완전히 구부린 상태에 이르는 범위를 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  34. 제1항에 있어서, 상기 고정 대퇴골 요소는 플라스틱, 복합물, 알루미늄, 스테인리스강, 합성물, 코발트-크롬, 티탄 및 기타 금속을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 구성되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  35. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 플라스틱, 합성물, 알루미늄, 스테인리스강, 복합체, 코발트-크롬, 티탄 및 기타 금속을 포함하는 군에서 선택되는 적어도 하나의 재료로 구성되는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  36. 제1항에 있어서, 장치를 무릎에 배치하거나 무릎으로부터 제거할 수 있도록 고정 대퇴골 요소와 조정 가능한 대퇴골 요소 중 적어도 하나와 결합되는 적어도 하나의 파지 요소를 더 포함하는 무릎 수술 과정 개선 장치.
  37. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는, 이식된 인공 대퇴골 장치를 위치 결정하기 위한 적어도 하나의 뼈 절단부를 만들도록 대퇴골 상에서 안내 장치를 회전 정향시키기 위해, 원위 대퇴골 상의 적어도 하나의 위치 정보를 제공하는 적어도 하나의 위치 결정 요부를 포함하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  38. 제37항에 있어서, 상기 안내 장치는 절단 가이드, 기준부, 마커, 트랜스폰더 또는 트랜스시버 및 센서인 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  39. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 고정 대퇴골 요소는, 원위 대퇴골에 분리 가능하게 부착하는 적어도 하나의 원위 대퇴골 플레이트와, 원위 대퇴골의 내측 후방 대퇴골의 관절 융기 또는 외측 후방 대퇴골의 관절 융기 중 적어도 일부와 접촉하도록 원위 대퇴골 플레이트로부터 수직으로 연장되는 적어도 하나의 고정 후방 관절 융기 요소를 구비하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
  40. 제1항에 있어서, 상기 조정 가능한 대퇴골 요소는 플레이트와, 이 플레이트로부터 수직으로 연장되는 후방 관절 융기 요소를 구비하는 것인 무릎 수술 과정 개선 장치.
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