KR101498657B1 - 인공 척추간 디스크 - Google Patents

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알. 존 헐버트
스테판 제이. 뒤플레시스
라리 세콘
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Abstract

인접한 두 개의 척추골(vertebrae) 사이에 이식하기(implantation) 위한 인공 척추간 디스크는 볼 및 소켓 구조로 연결되어 있는 상위 및 하위 쉘(shell)을 포함한다. 상기 하위 쉘은 상기 상위 쉘에 있는 오목 부분과 연동하는 볼록 부분을 통합한다. 탄성 핵은 상기 쉘들의 반대쪽 내면에 의해 규정되는 인클로저(enclosure) 내에 있으며, 상기 쉘들을 서로에 대해 치우치게 한다. 상기 볼 부분은 고정되거나 슬라이딩 가능하도록 구성된다. 본 발명의 인공 디스크는 상기 쉘들 간에 회전 및 병진(竝進) 운동의 범위를 한정하고 제한하기 위해 다양한 저항 수단을 포함한다.

Description

인공 척추간 디스크{ARTIFICIAL INTERVERTEBRAL DISC}
본 발명은 척추 임플란트 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 척추의 동적인 안정성을 제공하는 척추간 디스크 교체에 관한 것이다.
척추는 매우 유연한 동시에 구조 및 신체에 대한 안정성을 제공하는 다양한 해부학적 요소들로 이루어진 복잡한 구조로 되어 있다. 척추는 척추골(vertebrae)들로 이루어지며, 각각의 척추골은 일반적으로 원통 모양의 복부 몸체(ventral body)를 가지고 있다. 인접한 척추체의 반대 표면들은 섬유연골물질(fibrocartilaginous material)로 이루어진 척추간 디스크 (또는 "디스크")에 의해 서로 연결되며 분리된다. 또한, 척추체(vertebral body)는 과도한 움직임을 제한하면서, 안정성을 제공하기 위해 함께 움직이는 인대(ligament)의 복잡한 배열에 의해 서로 연결된다. 안정된 척추는 무기력한 고통, 진행성 기형 및 신경 손상을 방지하기 위해 중요하다.
척추 조직은 큰 저항 없이 움직임(양방향 및 음방향으로의 병진(竝進) 및 회전)을 가능하게 하지만, 그 움직임의 범위가 생리적 한계에 도달하게 되면, 움직임에 대한 저항이 점진적으로 증가하여 움직임이 점진적으로 제어되어 멈추게 한다.
척추간 디스크는 고도로 기능적이고 복잡한 구조이다. 척추간 디스크는 물을 끌어당겨서 그 부피를 증가시킬 수 있는 친수성 단백질 물질을 포함한다. 속질핵(nucleus pulposis)이라고도 불리는 상기 단백질은 섬유테(annulus fibrosis)라는 인대성 구조에 의해 둘려 싸이며 담기게 된다. 디스크의 주요 기능은 (부하 분배 및 충격 흡수를 포함하는) 부하 지지 및 움직임이다. 이런 무게 지지 기능을 통해, 디스크는 인접한 척추체 사이에 쿠션을 제공함과 동시에 하나의 척추체로부터 다음 척추체로 부하를 전달하게 된다. 디스크는 제한된 범위 내에서 인접한 척추체 사이에 움직임을 가능하게 하며, 이로 인해 척추 구조 및 강성이 제공된다.
나이, 부상, 질병 등과 같은 여러 요인들로 인해 척추간 디스크는 종종 그 입체적 안정성을 잃게 되며, 붕괴, 축소, 원래의 위치에서 이탈되거나 그렇지 않으면 손상되게 된다. 종래 기술에서도 알려진 바와 같이, 병들거나 손상된 디스크를 보철물(prostheses) 및 이런 보철물의 여러 버전, 또는 임프란트로 교체하는 것이 일반적이다. 알려진 방법 중 하나는, 스페이서(spacer)를 디스크에 의해 점유되었던 공간에 채움으로써 손상된 디스크를 교체하는 것을 포함한다. 하지만, 이런 스페이서도 인접한 척추골들을 서로 융합 결합시킴으로 인해 그들 사이의 상대적 움직임이 방해를 받게 되는 결과를 초래한다.
보다 최근에는, 인접한 척추골 간의 움직임을 가능하게 하는 디스크 교체 임플란트가 제안되었다. 일부 종래 기술에 따른 임플란트의 예들이 하기의 미국 특허 제 5,562,738호 (Boyd et al.), 제 6,179,874호 (Cauthen) 및 제 6,572,653호 (Simonson)에 제공된다.
불행하게도, 종래 기술에서 가르친 디스크 교체(즉, 임플란트) 솔루션은 일반적으로 척추의 독특하고 생리적 기능에 대한 고려가 부족하였다. 예를 들어, 알려진 많은 인공 디스크 임플란트는, 대부분의 움직임 평면상에서 척추 움직임의 정상적인 생리적 범위에 대해서 구속받지 않는다. 비록 종래 기술 장치의 일부가 제한적 운동 범위를 제공하더라도, 이런 제한은 흔히 정상적인 운동의 생리적 범위 밖에 있는 경우가 많으며, 이로 인해 상기 장치가 기능적으로 구속되지 않는 결과를 초래한다. 또한, 기존에 알려진 움직임이 구속되지 않는 임플란트는, 과도한 운동을 제한하기 위해 정상 구조 (및 많은 경우 퇴화한 면과 같은 병든 구조)에 의존하게 된다. 이로 인해, 척추 성분에 빠른 또는 더 큰 표면 관절 변성(facet joint degeneration) 및 다른 부수적인 피해를 흔히 입히게 된다.
더하여, 종래 기술에서 알려진 많은 인공 디스크는, 갑작스런 움직임에 따른 인접한 구조 상에서의 스트레스를 최소화하기 위한 메커니즘을 제공하지 않는다.
종래 기술에 따른 많은 상기 결합을 제기한 척추간 디스크는, 본 발명의 발명자들과 동일하며 그 내용이 기술된 PCT 출원 제 WO 2006/116852호에 제공된다. 하지만, 유사한 장점을 제공하는 더 나은 척추간 디스크 보형물(prosthesis)에 대한 필요성이 제기되고 있다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 척추간 디스크 교체를 위한 임플란트를 제공한다.
다른 일 측면에 따르면, 본 발명은 다양한 평면에서 인접한 척추골이 어느 정도의 운동 범위를 가지게 하는 인공 척추간 디스크를 제공한다. 이런 운동은 인접한 척추골의 움직임이 이웃한 척추의 구조적 성분의 악화를 초래하지 않는 미리 결정된 범위 내로 한정될 수 있다.
다른 일 측면에 따르면, 다양한 축에 대한 위에 언급한 움직임들은 더욱 가깝게 자연적인 움직임을 모사하도록 결합될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명은 인접한 척추골 간의 순간 회전 축에 대해 구체적 조정을 가능하게 하는 인공 디스크를 제공한다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명은 순간 회전 축의 동적 변화를 가능하게 하는 인공 디스크를 제공한다.
따라서, 일측면에 따르면, 본 발명은 척추의 인접한 상위 및 하위 척추골(vertebrae) 사이에 이식하기(implantation) 위한 인공 척추간 디스크로서, 상위 쉘(shell), 하위 쉘, 및 탄성 핵; 뒤에 위치한 볼록 부분 및 골(well)를 포함하는 상위면을 가진 상기 하위 쉘; 상기 하위 쉘의 상위면의 반대쪽에 위치하는 하위면을 가지며, 뒤에 위치한 오목 부분 및 리세스(recess)를 포함하는 상기 상위 쉘 - 여기서, 상기 오목 부분은 상기 볼록 부분의 반대쪽에 위치하며, 상기 리세스는 상기 첫째 골의 반대쪽에 위치함; 상기 핵을 담기 위한 인클로저(enclosure)를 형성하기 위해 결합하는 상기 골 및 리세스; 볼 및 소켓 관절을 형성하기 위해 교합(articulating) 연동되는 상기 볼록 및 오목 부분을 포함하는 인공 척추간 디스크를 제공한다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명은 척추의 인접한 상위 및 하위 척추골(vertebrae) 사이에 이식하기(implantation) 위한 인공 척추간 디스크로서, 상위 쉘(shell), 하위 쉘, 및 탄성 핵; 뒤에 위치한 볼록 부분 및 골(well)를 포함하는 상위면을 가진 상기 하위 쉘; 상기 하위 쉘의 상위면의 반대쪽에 위치하는 하위면을 가지며, 뒤에 위치한 오목 부분 및 리세스(recess)를 포함하는 상기 상위 쉘 - 여기서, 상기 오목 부분은 상기 볼록 부분의 반대쪽에 위치하며, 상기 리세스는 상기 첫째 골의 반대쪽에 위치함; 상기 핵을 담기 위한 인클로저(enclosure)를 형성하기 위해 결합하는 상기 골 및 리세스; 볼 및 소켓 관절을 형성하기 위해 교합(articulating) 연동되는 상기 볼록 및 오목 부분을 포함하되, 상기 볼록 부분은 상기 하위 쉘의 하우징 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되는 인공 척추간 디스크를 제공한다.
도 1은 척추골의 운동 범위를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 인공 척추간 디스크의 측면도.
도 3은 도 2의 디스크의 상면도.
도 4는 도 5에 도시된 시상 평면(sagittal plane)IV-IV 을 따라 도 2의 디스크의 측면 또는 측단면도.
도 5는 도 6에 도시된 축 평면(axial plane)V-V 을 따라 도 2의 디스크의 하위 쉘의 상면 또는 상위 단면도.
도 6은 도 5에 도시된 관상 평면(coronal plane)Vl-Vl 을 따라 도 2의 디스크의 전면 또는 전방 단면도.
도 7 및 도 8은 척추에 이식된 도 2의 디스크의 단면도로서, 확장 및 굽힘 위치에 있는 디스크를 각각 나타낸 도면.
도 9는 도 10에 도시된 시상 평면(sagittal plane)IX-IX 을 따라 본 발명의 다른 실시예에 다른 디스크의 측면 또는 측단면도.
도 10은 도 11에 도시된 축 평면(axial plane)X-X 을 따라 도 9의 디스크의 하위 쉘의 상면 또는 상위 단면도.
도 11은 도 10에 도시된 관상 평면(coronal plane)Xl-Xl 을 따라 도 9의 디스크의 전면 또는 전방 단면도.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스크의 측면 사시도.
도 13은 하위 쉘과 상위 쉘이 분리된 상태에 있는 도 12의 디스크의 측면 사시도.
도 14는 도 12의 하위 쉘의 상면 사시도.
도 15는 굽힘 상태에 있는 도 12의 디스크의 측면 사시도.
도 16은 도 15의 디스크의 측면 단면도.
도 17은 확장 상태에 있는 도 12의 디스크의 측면 사시도.
도 18은 도 17의 디스크의 측면 단면도.
도 19는 측면으로 확장된 상태에 있는 도 12의 디스크의 후면 단면도.
도 20 및 도 21은 본 발명의 핵의 측면도.
이하 설명에서는, 용어 "상위", "하위", "전방", "후방" 및 "측면"이 사용될 것이다. 상기 용어들은 척추 내에 위치한 본 발명의 임플란트의 방위를 설명하기 위한 것이다. 따라서, "상위"는 상부 부분을 인용하며, "후방"은 척추가 똑바로 선 상태에 있을 때 환자 몸의 뒤쪽을 바라보는 임플란트(또는 다른 척추 성분) 부분을 인용한다. 이와 비슷하게, 상기 용어 "하위"는 임플란트의 하부 부분을 인용하며, "전방"은 척추가 직립 상태에 있을 때, 환자 몸의 앞쪽을 바라보는 부분을 인용하기 위해 사용될 것이다. 첨부된 모든 도면에 도시된 것과 관련하여, 용어 "관상(coronal)"은 측면 말단 사이를 연장하는 평면을 나타내는 것으로서 이로 인해 물체는 전방 및 후방 부분으로 나눠짐을 알 수 있을 것이다. 용어 "시상(sagittal)"은 전후간을 연장하는 평면을 나타내는 것으로서 이로 인해 물체는 측면 부분들로 나눠짐을 알 수 있을 것이다. 용어 "축(axial)"은 물체를 상위 및 하위 부분들로 분리하는 평면을 나타내기 위한 것임을 알 수 있을 것이다. 이러한 위치 및 방위 관련 용어들은 본 발명을 어느 특정 방위에 한정하려는 것이 아니며, 아래의 설명을 용이하게 하기 위해 사용됨을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명은 손상되었거나 제 기능을 못하는 척추간 디스크를 교체하기 위한 인공 디스크 또는 임플란트를 제공한다. 본 발명의 임플란트는 허용한계 내에서 인접한 척추체간의 다양한 각도의 움직임이 가능하도록 설계된다.
도 1은 척추 움직임의 복잡성을 그에 연관된 다양한 각도의 자유로운 움직임으로 표시하여 나타낸 도면이다. 생리학적 움직임의 정상 범위 내에서, 척추골은 "중립 영역"과 "탄성 영역" 사이에서 연장된다. 중립 영역은 척추 구조를 지지하는 인대에 상대적으로 부하가 걸리지 않은, 즉, 인대가 움직임에 상대적으로 작은 저항을 가지는, 전체 움직임 범위 내에 있는 하나의 영역이다. 탄성 영역은 움직임의 한계 범위에서 또는 그 근처에서 움직임이 발생할 경우 생성된다. 탄성 영역에서, 인대의 점도-탄성 특성은 이런 움직임에 저항을 제공함으로써 그 움직임을 제한하게 된다. 일상의 또는 일반적인 움직임의 대부분은 중립 영역 내에서 발생하지만, 가끔씩은 탄성 영역까지 계속되기도 한다. 중립 영역 내에서 발생하는 움직임은 연한 조직 구조에 부하를 주지 않지만, 탄성 영역까지 진행되는 움직임은 다양한 각도의 탄성 반응을 야기시킬 수 있다. 따라서, 특히 척추 보철 임플란트 분야에서의 목표는 보철물에 인접한 척추골의 움직임을 중립 영역으로 한정할 수 있는 보철물을 제공하는 것이다. 이런 움직임에 대한 제한은 인접한 뼈 및 연한 조직 구조에 가해지는 부하를 최소화한다. 예를 들면, 이런 움직임의 제한은 표면 관절 변성을 최소화하거나 감소시킬 것이다.
일반적으로, 본 발명은 척추간 디스크를 교체하기 위해 이식할 수 있는 척추 보철물을 제공한다. 본 발명에서의 임플란트는 일반적으로 서로 연동하는 하위 부분 및 상위 부분, 또는 쉘(shell)로 구성되며, 이들은 서로에 대해 움직일 수 있으며, 최소한 그 일부분을 따라 탄력적인 외력 흡수 핵(force absorbing nucleus)에 의해 이격되어 있다. 본 발명의 디스크의 성분들 간의 움직임은 다양한 각도에서의 움직임을 포함하지만, 지정된 범위 내에 제한되는 것이 일반적이다. 즉, 인공 삽입물은, 이에 인접한 척추골 사이에 움직임을 제한하기 위해 다양한 "소프트(soft)" 및 "하드(hard)" 멈추개(stop)가 구비된다. 특히, 본 발명의 인공 디스크는 중립 및 탄성 영역에서의 정상적 움직임(즉, 정상 또는 본래의 디스크와 관련된 움직임)과 유사한 회전, 굽힘, 확장 및 측면 움직임을 제공한다. 더하여, 본 발명의 디스크는 이러한 움직임의 다양한 조합 또는 결합된 움직임을 가능하게 한다. 예를 들어, 본 발명의 디스크는 굽힘 및 병진(竝進), 또는 측면 굽힘 및 측면 병진, 또는 굽힘 및 회전될 수 있다. 본 주어진 공개내용에서 다른 다양한 움직임이 당업자에게 명백할 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 인공 척추간 디스크(10)를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 디스크(10)는 상위 쉘(12), 하위 쉘(14), 및 전방(16) 및 후방(18) 말단을 포함한다. 쉘(12, 14)의 외곽 상위면(13) 및 외곽 하위면(15)은, 이웃한 척추체 구조 사이의 공간에 이식(implantation)을 강화하거나 용이하게 하기 위해 요구되는 것과 같이, 바람직한 표면 구조 또는 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 본 실시예에서는, 상위 쉘의 외곽 상위면(13)은 볼록하게 형성될 수 있다. 또한, 상위면(13) 및 하위면(15)에는 골질의 성장(bony in-growth)을 용이하게 및/또는 유발하기 위해 및/또는 다르게는 인접한 뼈 구조에 접착력을 증진시키기 위해 잘 알려진 코팅 또는 표면 처리가 제공된다. 이러한 코팅 등은 당업자에게 알려진 것이다. 또한, 쉘(12, 14)의 다른 외곽 면들에는 인접한 뼈 구조에 디스크(10)를 고정하기 위한 별도의 앵커 장치가 있을 수 있다. 이러한 장치들은, 인접한 척추체들 사이에 본 발명의 이식을 용이하게 하거나 강화하기 위한 예를 들어 나사, 스파이크, 구멍 또는 핀(미도시)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 디스크(10)는 인공 척추체와 관련하여 사용되도록 맞춰질 수 있다. 이러한 경우, 본 발명의 디스크(10)에는, 인공 척추체에 고정하기 위해 사용될 수 있는 용골(keel) 등(미도시)과 같은 다양한 앵커 수단이 있을 수 있다. 이런 인공 몸체의 예가 본 출원인의 공동 출원된 PCT 출원 제 WO 2006/116850호에 제공된다. 일반적으로, 본 발명의 디스크(10)에는, 두 개의 구조가 결합될 때 인공 척추체의 인접한 면에 부착을 용이하게 할 수 있는 어떤 외부 표면 또는 표면 수단이 있을 수 있다. 이런 부착 수단은 인공 디스크와 인공 척추체 간에 어느 정도의 상대적 움직임을 가능하게 할 수 있다. 따라서, 비록 (도 2 및 도 3에 도시된 것처럼) 일실시예에서는 자연적으로 생성되는 척추체에 맞추기 위해 외곽 하위면(15)에 곡면 형상이 제공되더라도, 인공 척추체의 표면과 서로 맞물리게 하거나 연동하도록 맞춰진 다른 구조가 동일하게 있을 수 있다. 인공 디스크 및 인공 몸체는 둘 다 그들 사이에서 이런 연동되는 구조가 가능하도록 설계될 수 있다.
도 3 및 도 5에 도시된 것처럼, 바람직하게는, 본 발명의 디스크(10)는 상부(상위에서) 또는 하부(하위에서)에서 바라볼 때 일반적으로 직사각형, 달걀형 또는 타원형 구성이 제공된다. 인접한 척추체와의 표면 접촉을 최대화하기 위해 이런 형태의 디스크가 바람직하다는 것을 당업자는 알 수 있을 것이다. 그러나, 다른 다양한 형태, 크기 및 비율도 가능할 것이다. 또한, 도시된 바와 같이, 바람직하게 디스크(10)에는 상위 및 하위에서 서로 다른 특정 외부 형태가 있을 수 있다. 예를 들어, 여기 첨부된 도면에 도시된 외부의 미적 특성은, 인접한 척추 구조의 자연적 형태를 반영함으로써 기존 뼈 구조 내에 이식을 용이하게 할 수 있다. 하지만, 본 발명은 어떤 형태나 크기에 국한되지 않음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 첨부된 도면에 도시된 디스크의 외형은 인공 척추체와 사용함에 있어서 필요하지 않거나 적당하지 않을 수 있다.
디스크(10)는 도 4의 시상(矢狀) 단면도에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 상위 및 하위 쉘(12, 14)은 디스크(10)를 형성하기 위해 연동되도록 배열된다. 쉘(12, 14) 사이에는 탄성 핵(20)이 제공된다. 도 4 내지 도 6에 도시된 것처럼, 하위 쉘(14)의 내면(또는 상위면)은 후방 말단(18)에 근접한 볼록한 부분(22)을 포함한다. 볼록 부분(22)은, 추후 더 상세히 설명되는 바와 같이, 볼 및 소켓 타입의 관절을 형성하기 위해 상위 쉘(12)의 내면(또는 하위면)에 제공된 오목한 부분 또는 표면(24)과 연동한다. 알 수 있는 바와 같이, 이런 관절은 쉘(12, 14)이 교합(articulating) 연동되도록 함으로써 다양한 방향에서 상대적 움직임을 가능하게 한다. 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 일실시예에 따르면, 볼록 부분 또는 볼(22)은 하위 쉘의 후방 말단(18)에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 볼(22)의 후방 및 전방 말단(19, 21)은 끝부분을 잘라 없애거나 절삭된다. 당업자가 알 수 있으며 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 볼록 부분(22) 및/또는 오목 부분(24)의 형태, 위치 및 치수는 원하는 움직임의 범위 또는 정도, 또는 회전 축에 따라 조절될 수 있다.
또한, 하위 쉘은 상향 확장 외벽(26)을 포함함으로써, 볼록 부분 또는 볼(22) 및 외벽(26) 간의 경계를 형성하며, 핵(20)이 담기는 우묵한 골(28)을 만든다. 도 5에 도시된 것처럼, 도시된 실시예의 골(28)은 일반적으로 후방으로 연장되는 팔을 가진 "U" 모양의 구조를 가진다. 핵(20)은 바람직하게는 유사한 구조가 제공되는데, 이로 인해 핵은 골(28)의 형태를 따르며 골(28) 안에 수용되게 된다. 그러나, 알 수 있으며 추후 더 상세히 설명되는 바와 같이, 골(28) 및/또는 핵(20)에는 동일한 기능을 얻기 위해 다른 형태가 제공될 수 있다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상위 쉘(12)은 하향 확장 후방 부분(30)이 제공되며, 후방 부분(30)의 하위면은 상술한 오목면(24) 또는 소켓을 포함한다. 위에 상술한 바와 같이, 상위 쉘(12)의 오목면 또는 소켓(24)은, 하위 쉘의 볼록 부분 또는 볼(22)과 연동되고 그들 사이에 교합 관절(articulating joint)을 형성하도록 맞춰지거나 설계된다. 또한, 상위 쉘(12)은 적어도 그 전방 말단을 따라 하향 확장 테두리(32)를 포함한다. 테두리(32)는 하위 쉘의 벽(26)의 앞부분 또는 앞쪽에 놓일 수 있는 크기가 된다. 이하에서 보다 상세히 설명되겠지만, 이런 구성은, 하위 쉘에 걸쳐 앞쪽으로 또는 뒤쪽으로 이동하는 상위 쉘의 움직임인 굽힘 및 확장 움직임에 대해 "하드 멈추개"를 제공하는 역할을 한다. 도 4에 도시된 디스크는, 상위 쉘(12)의 테두리(32)가 하위 쉘의 벽(26)과 접촉됨으로 인해 상위 쉘(12)이 더 이상 뒤쪽으로 움직일 수 없도록 막은 상태를 나타내고 있다. 상기 쉘들의 테두리(32)와 벽(26)은 각각의 쉘의 전체 표면을 따라 연속적이거나 확장될 필요가 없다는 것을 알 수 있을 것이다.
도 4 및 도 6에 도시된 것처럼, 상위 쉘은 후방 소켓 부분(24)을 둘러싸는 리세스(recess)(29)를 포함한다. 리세스(29)는 일반적으로 하위 쉘의 골(28)과 동일한 형태를 가지며, 상기 핵을 담는 인클로저(enclosure)를 형성하기 위해 리세스(29)와 골(28)이 결합된다.
도 6에 도시된 바와 같이, 바람직하게는, 상위 쉘(12)에는 그 측면 말단에 한 쌍의 하향 확장 탭(34, 36)이 있을 수 있다. 탭(34, 36)은 각각 슬랏(38, 40) 내에 수용될 수 있도록 맞춰지며, 상기 슬랏은 하위 쉘(14)의 측면 말단에 제공된다. 예를 들어, 본 출원인의 공동 출원된 PCT 출원 제 WO 2006/116852호에서 배운 바와 같이, 이런 타입의 탭 및 슬랏 구조는 측면 굴절 모멘트뿐만 아니라 축 회전 모멘트에 대해서도 "하드 멈추개"를 제공하는 역할을 한다.
보다 상세하게는, 측면 움직임의 경우, 도 6에서 볼 수 있는 것처럼, 슬랏(38, 40)은 탭(34, 36)의 길이보다 하위 쉘(14) 내에 더 깊이 확장된다. 따라서, 상위 및 하위 쉘 간의 측면 또는 좌우 움직임은, 탭들 중의 하나의 말단이 슬랏의 베이스에 접촉되게 만듦으로 인해 더 이상 그 방향으로는 움직임이 진행되지 않게 한다. 축 회전의 경우, 슬랏(38, 40)은 탭(34, 36)보다 더 넓게 만들어질 것이기 때문에, 탭(34, 36)의 측면 가장자리가 슬랏(38, 40)의 측벽을 접촉할 때까지 상위 및 하위 쉘이 그들 사이에 형성된 볼(22) 및 소켓(24) 관절 상에서 회전될 수 있게 한다. 이러한 탭 및 슬랏에 관한 상세한 설명이 상술한 본 출원인의 공동 출원에 역시 제공된다. 또한, 달걀형의 디스크 자체도 회전 움직임에 대해 필요한 어떤 "멈추개"로 기능함으로 인해 탭(34, 36) 및 슬랏(38, 40)이 필요하지 않음을 알 수 있다. 또한, 디스크(10)는 회전 움직임과 관련하여 구속 받지 않거나, 또는, 모든 회전 움직임을 억제할 수 있도록 설계될 수 있음을 알 수 있다. 디스크의 허용 가능 회전 정도는 당업자에게 알려진 것과 같은 다양한 변수에 의해 결정될 것이다.
도 4 및 도 6에 도시된 것처럼, 탄성 핵(20)은 상위 및 하위 쉘(12, 14)의 상대적 움직임에 저항을 제공하는 역할을 한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 핵(20)은, 핵의 탄성적 고유 특성으로 인해 디스크의 전방 부분에 가해지는 압축력이 상기 쉘들의 앞 부분이 서로 가까워지게 만듦으로 인해 서로 이격된 쉘(12, 14)의 전방 말단을 탄성적으로 치우치게 한다. 쉘의 이런 형태의 움직임은 예를 들어 굽힘 움직임이 있는 동안(즉, 상위 쉘(12)이 하위 쉘(14)에 대하여 앞쪽으로 움직일 때) 발생할 수 있다.
도 6은 상위 및 하위 쉘(12, 14)에 (주로 상기 쉘의 각각의 측면 말단에) 바깥쪽으로 각진 가장자리가 있는 옵션 구조를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 상위 쉘(12)은 각각의 반대쪽 측단에 아래로 각진 가장자리(37a, 37b)를 포함하며, 하위 쉘(14)은 위로 각진 가장자리(39a, 39b)를 포함한다. 가장자리(37a, 37b)는 각각 가장자리(39a, 39b)의 반대 편에서 정렬된다. 도시된 바와 같이, 이런 가장자리(37a, 37b 및 39a, 39b)의 배열은 디스크(10)가 측면으로 (즉, 관상 평면(coronal plane)을 따라) 압축될 때 집게와 같은 기능을 하게 된다. 이런 구성은, 일단 이식되고 정상 움직임에 해당하면 디스크(10) 주위에 형성될 수 있는 흉터 조직을 베어내는 역할을 한다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 굽힘 움직임을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 손상되거나 병든 척추간 디스크를 절단한 후에 생성된 척추간 공간 내에 디스크(10)가 이식된 상태를 도시하고 있다. 도 7은 디스크(10)가 확장된 상태를 도시하고 있으며, 도 8은 굽힌 상태를 도시하고 있다. 도시된 바와 같이, 도 7의 확장된 상태에서는, 상위 및 하위 쉘(12, 14)이 도 4에 이미 도시된 상태에 있게 되며, 핵(20)은 골(28) 및 리세스(29)에 의해 형성된 인클로저 내에 있게 된다. 하지만, 상위 척추골이 굽힘 움직임 내에서 앞쪽으로 이동함에 따라, 상위 쉘(12)의 소켓(30)은 하위 쉘(14)의 볼(22) 상에서 미끄러지면서 이동한다. 도 8에 도시된 것처럼, 이런 굽힘 움직임의 과정에서 소켓 부분(30)의 앞쪽 벽은 탄성 핵(20)에 부딪치게 되며, 탄성 핵(20)은 하위 쉘(14)의 벽(26)에 부딪쳐서 압력을 받게 된다. 역시 도시된 바와 같이, 굽힘 움직임의 과정에서 핵(20)을 담는 인클로저(29)의 부피는, 하위 쉘의 볼(22) 상에서 미끄러지는 상위 쉘(12)의 소켓(30)으로 인해 줄어들게 된다. 도시된 것처럼, 이러한 방식에 의해, 상위 쉘의 전방 말단은 수직적으로 낮아지며, 인클로저(29)의 부피가 압축된다. 알 수 있는 것처럼, 이런 굽힘 움직임은 핵(20)이 인클로저(29) 내에서 더 이상 압축될 수 없을 때까지(이 시점에서 더 이상의 굽힘 운동은 방지된다) 계속될 수 있다. 이와 같은 핵의 압축은, 상기 쉘들 간의 각각의 움직임에 대해 "소프트 멈추개"로 기능함을 알 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 디스크(10)는 굽힘 움직임에 대한 "하드 멈추개"로서 상술한 탭(34, 36)과 슬롯(38, 40)을 활용할 수도 있다. 즉, 굽힘을 제한하기 위해서, 탭과 슬롯은 탭(34, 36)의 전방 가장자리가 슬롯(38, 40)의 전방 벽에 접촉될 때까지(이 시점에서 더 이상의 굽힘은 일어나지 않는다) 일정 정도의 움직임만 허용되도록 크기지어질 수 있다.
상술한 굽힘 움직임에서, 핵(20)과 리세스(29)의 내벽 사이의 접촉면은 마찰력을 받을 수 있다. 이와 같이, 본 발명은 이런 마찰력을 최소화하기 위해 알려진 코팅이나 처리 등이 제공됨으로써 핵(20)이 손상되는 것을 방지할 수 있는 리세스(29) 벽을 제공한다.
또한, 도 8은 볼 또는 볼록 부분(22)의 곡률을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 볼(22)은 바람직하게는 하위 척추골 내에 있는 포인트 P로부터 시작하는 반지름 "r"를 가진 구면을 포함한다. 도시된 것처럼, 디스크(10)를 위해 순간 회전축을 규정하는 포인트 P는 하위 척추골의 후방 부분에 위치한다. 이런 위치는 볼(22) 및 소켓(24)의 의해 형성된 관절 또는 뒤쪽으로 위치한 포인트에 의해 결정된다.
특정한 경우, 인공 디스크를 이식하기 위해서는 특정 병리 작용을 완화하기 위해 인접한 척추골의 재배치가 요구될 수도 있다. 예를 들어, 척추전만증(lordosis)을 복원하기 위해 척추골이 새로 정열될 필요가 있다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 디스크의 순간적 회전 축이 필요에 따라 다양한 원하는 곳에 위치할 수 있게 한다. 회전 축의 재배치는 예를 들어 본 발명의 디스크(10)에 제공된 볼(22)의 형상 및 위치를 바꿈으로써 얻어질 수 있다. 즉, 볼(22)의 형태를 바꿈으로써, 순간적 회전 축이 앞이나 뒤쪽으로 이동할 수 있다. 따라서, 도 8의 도면에서, 예를 들어 포인트 P는 볼(22) 및 관련 소켓(24)의 위치를 조절함으로써 앞 또는 뒷방향으로 이동될 수 있다. 또한, 볼(22)의 곡률도 그 위치와 더불어 또는 그와 상관없이 독립적으로 조절됨으로써, 포인트 P의 수직 위치가 다양해질 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 상술한 반지름 "r"를 줄임으로써, 순간 회전 축(즉, 도 8의 포인트 P)이 디스크(10)의 하위 쉘(14)에 근접하여 위치하도록 수직적으로 상승할 수 있음을 알 수 있다. 이런 위치에서, 인접한 척추골 사이의 표면 관절에 가해지는 전단력이 감소될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 볼록 부분(22)의 곡률은 각종 비원형 형태일 수 있다. 예를 들어, 전방 말단에서 상기 곡률을 더 두드려지게 조절함으로써, 볼록 부분(22)이 굽힘 작용에 대해 움직임 억제제(inhibitor)로서 기능하도록 맞춰질 수 있다. 이러한 볼록 부분 또는 볼(22)에 대한 조정은, 원하는 볼 및 소켓 배치를 유지하면서도 하나 이상의 움직임을 위해 이루어질 수 있음을 알게 될 것이다.
위에 상술한 바와 같이, 탄성 핵(20)은 굽힘 작용에 대해 저항을 증가시킨다. 이러한 저항은 핵을 포함하는 재료의 압축성에 따라 결정되기 때문에, 적절한 특성을 가진 재료를 선택함으로써 굽힘의 정도가 맞춰질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 덜 압축성인 재료로 이루어진 핵 또는 핵이 수용되는 인클로저의 부피를 더 차지하는 핵의 경우 움직임 범위가 감소될 것이다. 상술한 바와 같이, 핵(20)은 일반적으로 바람직하게는 "U" 형태의 구조가 제공되는데, 이로 인해 핵(20)이 "U" 형태의 골(28)의 모양에 더 쉽게 맞춰진다. 하지만, 이해되는 바와 같이, 골(28) 및/또는 핵(20)에는 동일한 기능을 얻기 위해 다른 형태가 있을 수 있다. 예를 들어, 일실시예에 따르면, 핵(20)은 골의 전방 부분에만 수용되고 상기 "U" 모양의 팔(arm) 내에는 수용되지 않을 수 있다. 예를 들어, 핵은 긴 형태(즉, 타원형, 달걀형, 또는 직사각형)의 구조를 가질 수 있다. 이러한 경우, 골(28) 또는 인클로저(29)에는 핵의 변위를 방지하기 위해 벽이나 다른 장애물 수단이 있을 수 있음을 알 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 핵은 일반적으로 디스크의 전방 부분에만 위치하는 둥근 구조를 포함할 수 있다. 이런 경우, 핵에 의해 제공되는 소프트 멈추개는 굽힘 움직임에 대해서만 효과적일 수 있음을 알 수 있다. 위의 설명에서, 핵은 하나의 몸체로 언급되고 있다. 하지만, 다른 실시예에서는, 일단 상위 쉘이 결합되면, 핵의 탄성 특성이 벽의 형태 (또는 벽의 특정 부분)을 띠도록 하기 때문에, 핵은 하나 이상의 조각으로 있을 수 있다. 예를 들어, 일실시예에서, 핵은 하나의 전방 세그먼트(segment)과 두 개의 측면 세그먼트에 해당하는 세 개의 세그먼트로 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 핵은 두 개의 세그먼트로 있을 수 있으며, 각각의 세그먼트는 ("U" 형태의 골의 두 팔 내와 같은) 디스크의 인클로저의 측면 부분에 위치하게 된다. 이러한 경우, 핵은 측면 굴절 모멘트에 대한 소프트 멈추개로서만 효과적일 수 있음을 알 수 있다. 하지만, 만약 두 개의 핵 세그먼트가 디스크의 전방 부분을 향해 길쭉하게 형성되는 경우, 굽힘 움직임에 대해 적어도 어느 정도의 소프트 멈추개로 기능함을 알 수 있다. 일반적으로 바람직하게는, 본 발명의 핵은 굽힘 및 측면 압축 움직임에 대한 소프트 멈추개를 제공한다. 따라서, 이 기준과 본 공개 내용의 관점에서 볼 때, 핵 및/또는 골의 형태와 크기에 대한 여러 가지 다른 수정이 당업자에게 명백할 것이다.
비록 상술한 내용이 굽힘 작용에 초점을 맞춘 것일지라도, 본 발명의 디스크에 의해 각종 다양한 개별 또는 결합된 움직임도 가능함을 알게 될 것이다. 예를 들어, 위에 언급한 바와 같이, 본 발명은 디스크(10)에 인접한 척추골의 제어된 측면 움직임을 가능하게 한다. 도 6에 도시된 실시예에서, 일반적으로 "U" 형태의 구조를 가진 핵(20)은, 상위 쉘(12) 및 하위 쉘(14)에 의해 형성된 인클로저의 측면 부분 내에 제공되는 "U"의 팔을 포함한다. 다시 말하면, 일반적으로 "U" 형태의 핵의 팔은 골(28)의 측면 부분을 차지한다. 이에 따라, 측면(즉, 좌우) 움직임이 발생하는 동안, 디스크의 측면 말단 중 하나는 압축을 받게 됨을 알게 될 것이다. 이는 도 19에도 도시되어 있다. 이런 움직임으로 인해 압축 하에 있는 측면에 해당하는 핵의 측면 부분은 압축을 받게 될 것이다. 굽힘 및 확장에 관하여 상술한 바와 같이, 핵의 탄성 특성은 핵의 최대 압축량이 발생할 때까지 측면 압축량을 점진적으로 제한하도록 기능할 수도 있다. 따라서, 이를 통해 측면 움직임에 대한 소프트 멈추개를 제공한다. 위에 상술한 바와 같이, 이런 움직임은 핵을 이루는 재료의 적당한 선택을 통해 및/또는 디스크의 인클로저 내에 담기는 핵의 부피를 통해 제어될 수 있다. 상술한 바와 같이, 비록 위에 언급한 "U" 형태의 구조를 가진 핵이 바람직할 지라도, 본 발명의 인공 디스크에는 다른 형상을 가진 핵이 있을 수도 있다. 예를 들어, 타원형, 달걀형, 또는 다르게는 직사각형 구조를 포함하는 핵의 경우, 여전히 어느 정도의 측면 압축이 발생할 수 있으며, 이런 핵이 측면 움직임에 대해 위에 언급한 소프트 멈추개를 제공하게 됨을 알게 될 것이다. 다르게는, 핵은 굽힘 및 확장 움직임에 대해서만 소프트 멈추개를 제공하도록 설계될 수 있다. 일단 본 발명의 내용을 검토함으로써, 이런 옵션은 당업자에게 명백해질 것이다.
다른 측면에 따르면, 상술한 바와 같이 디스크(10)의 다양한 하드 멈추개는, 환자의 필요 및 문제의 척추골의 자연스런 움직임 요구 사항에 따라 더 많거나 적은 움직임 범위를 제공하기 위해 맞춰질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예가 도 9 내지 도 11에 도시되어 있으며, 그 구성요소는 앞선 실시예와 동일한 참조 번호로 식별되어 있다. 유사하지만 변화를 포함하는 구성요소는 동일한 참조 번호로 식별되어 있으며, 이해를 돕기 위해 소문자 "a"가 더해진다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 디스크(10)의 일반적 구조는 상술한 실시예와 유사하다. 또한, 상위 쉘(12)은 상술한 것과 동일한 구조를 포함한다. 하지만, 하위 쉘(14)은 순간 회전 축을 동적으로 바꾸기 위한 수단을 제공하기 위해 수정된다. 더 구체적으로, 도시된 본 실시예에서, 하위 쉘(14a)의 고정된 볼록 또는 볼 부분(22)은 볼록한 상위면을 가진 이동 가능 코어(54)로 교체된다. 도 9 내지 도 11에 도시된 것처럼, 일실시예에 따르면, 하위 쉘(14)에는 하위 쉘(14)의 후방 말단(18)에 그리고 하위 쉘(14)의 측면 말단 간에 일반적으로 중심적으로 위치하는 리세스(50)가 있다. 그러나, 본 발명의 내용에 따르면, 리세스(50)는 필요에 따라 어떠한 위치에도 위치할 수 있음을 알 수 있다. 리세스(50)는 일반적으로 평면 베이스(52)를 포함하며, 이동 가능 또는 부유하는 코어(54)를 받기 위해 맞춰진다. 코어(54)는 일반적으로 리세스(50)의 베이스(52)에 걸쳐 슬라이딩할 수 있는 평평한 하위면(56)을 가지고 있다.
도 9 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 코어(54)는 상위 쉘(12)의 오목 또는 소켓 부분(30)과 연동하도록 맞춰진 볼록한 상위면(58)을 포함한다. 따라서, 볼록면(58)은 상술한 볼록면과 동일한 기능을 수행한다. 바람직한 실시예에서, 코어(54)의 볼록한 상위면 또는 볼(58)은, 이식되었을 때 아래로 인접한 척추체 내에 위치하는 상술한 포인트 P와 같은 회전 축을 가진 원형 형태를 가지고 있다. 또한, 상술한 실시예와 마찬가지로, 코어의 볼록면(58)의 형상은 어떠한 원하는 위치에도 순간 회전 축(즉, 포인트 P (미도시))을 위치할 수 있도록 맞춰질 수 있다. 그러나, 도 9 내지 도 11의 실시예는, 코어(54)보다 더 큰 하나 이상의 치수를 포함하는 리세스(50)를 제공함으로써 이러한 회전 축의 위치를 보다 다양하게 한다. 예를 들어, 일실시예에서, 리세스(50)는 시상 평면(sagittal plane)에서 측정된 것처럼 코어보다 더 클 수 있는데, 이를 통해 코어(54)는 전후로 미끄러질 수 있으며, 이는 알 수 있는 바와 같이 환자의 정상 움직임의 코스 내에서 순간 회전 축을 이동시킬 것이다. 이런 슬라이딩 움직임의 정도는 코어(54)와 리세스(50) 사이에 필요한 만큼 적은 또는 많은 여유를 제공함으로써 미리 결정될 수 있다.
도 9 내지 도 11에 도시된 실시예에서, 관상 평면을 가로지르는 리세스(50)의 크기는 코어(54)의 크기에 매우 가까우며, 이를 통해 전후 움직임이 진행되는 동안에도 코어의 측면 이동이 방지된다. 그러나, 다른 실시예에서, 하위 쉘(14a)의 리세스(50)는 코어의 이런 측면 움직임을 가능하도록 크기지어질 수 있다. 따라서, 요구되는 바와 같이 리세스(50)의 크기를 결정함으로써, 코어(54)는 시상 및/또는 관상 평면에서 자유로운 움직임이 가능해진다.
본 발명의 디스크는 당업자에게 알려질 것과 같이 다양한 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 쉘은 (스테인리스 스틸, 티타늄, 티타늄 합금, 니티놀(TM)과 같은 니켈-티타늄 합금, 코발트-크롬 합금 등과 같은) 금속, 자기(porcelain), 및 플라스틱 및/또는 (PEEK (TM)와 같은) 열가소성 폴리머 또는 이들의 조합으로 제조될 수 있다. 또한, 하위 쉘의 "볼" 및/또는 상위 쉘의 "소켓"은 각각의 쉘의 나머지 부분과 동일하거나 다른 재료로 이루어질 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, "볼"은 티타늄으로 이루어질 수 있으며, "소켓"과 양쪽 쉘들은 PEEK로 이루어질 수 있다. 다양한 소재의 다른 조합들이 당업자에게 알려진 것이다.
본 발명의 핵(20)은 일반적으로 탄성 소재를 포함하는 것으로 설명되고 있다. 일실시예에 따르면, 이런 소재는 종래 기술에서 공지된 소재인 수화 겔(hydrogel)을 포함한다. 하지만, 대체 물질이 핵으로 사용될 수도 있다. 예를 들어, 핵은 (예를 들어, 금속으로 이루어진) 기계적 스프링, 유압 피스톤, 수화 겔이나 실리콘 낭(sac), 고무, 폴리머 또는 탄성체 물질, 또는 다른 탄성 물질 또는 장치를 포함할 수 있다. 핵을 위한 적당한 폴리머 소재의 일예가 카보테인(carbothane)일 수 있다. 일반적으로, 핵은 상술한 바와 같이 상위 쉘(12) 및 하위 쉘(14, 14a) 간의 움직임을 제한하며, 디스크(10, 10a)를 그 중립 영역으로 환원시키기 위한 힘을 제공하는 기능을 하는 탄성적으로 압축성이 있는 소재로 이루어진다.
본 발명의 다른 실시예가 도 12 내지 도 21에 도시되어 있으며, 상술한 실시예와 유사한 구성요소들은 접두사 "1"로 구별되어 있다. 도시된 바와 같이, 도시된 실시예에 따른 디스크(110)는 상위 쉘(112) 및 하위 쉘(114)를 포함한다. 인공 디스크(110)의 외곽 표면에는 요구되는 바와 같이 형상 또는 표면 처리가 있을 수 있다. 예를 들어, 상술된 것처럼, 상위 쉘(112)의 상위면(113)에는 디스크(110)가 이식될 때 접하게 될 척추체의 모양을 따르는 형태가 있을 수 있다.
도 13은 상위 쉘(112)과 하위 쉘(114)이 서로 분리된 열린 상태의 디스크(110)를 나타낸 도면이다. 도 12 및 도 13 둘 다, 디스크의 핵이 도시되어 있지 않다. 도 12 및 도 13에서 볼 수 있는 바와 같이, 탭(134, 136)이 상위 쉘(112)의 측면에 제공되며, 위에 상술된 탭 구조와 유사하게 기능한다. 앞서 설명한 실시예와 같이, 디스크(110)의 하위 쉘(114)에는 한 쌍의 슬랏(138, 140)이 제공되며, 하나의 슬랏은 하위 쉘(114)의 각각의 측면에 제공된다. 위와 같이, 디스크(110)을 형성하기 위해 쉘(112, 114)이 서로 조립될 때, 슬랏(138, 140)은 탭(134, 136)을 각각 수용할 수 있도록 맞춰진다. 도 12 및 도 13의 실시예에서, 슬랏(138, 140)이 연동되는 탭(134, 136)의 폭보다 큰 폭을 가지도록 크기지어짐을 알 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 구성은 연동되는 슬랏(138, 140) 내에서 어느 정도의 탭(134, 136)의 병진 운동을 가능하도록 하는 역할을 한다. 슬랏과 탭 사이의 이런 자유로운 움직임은 상위 쉘(112)과 하위 쉘(114)이 서로에 대해 회전하도록 만들며, 디스크(110)가 이식된 척추 부분에서의 어느 정도의 축 회전 운동을 가능하게 한다. 회전 운동의 정도는 슬랏이나 탭의 크기를 조절함으로써 맞춰질 수 있음을 알 수 있다. 비록 디스크의 각 측면에 있는 단일 탭을 설명하였지만, 동일한 결과를 얻기 위해 임의의 개수의 탭이 있을 수 있음을 알 수 있다. 또한, 다른 실시예에서는, 탭과 슬랏의 위치가 서로 바뀔 수 있으며, 이 경우 탭은 하위 쉘에 있게 되며 슬랏은 상위 쉘에 있게 된다.
도 13은 하위 쉘(114)의 외곽 벽(126)에 의해 규정된 일반적으로 "U" 형태의 골(128)을 나타낸 도면이다. 상술한 바와 같이, 골(128)는 디스크(110)의 핵(도 12 및 도 13에서는 미도시)을 수용한다. 도 14는 핵(120)이 도 13에 도시된 골(128)에 수용되어 있는 하위 쉘(114)를 나타낸 도면이다.
도 13 및 도 14에 도시된 하위 쉘(114)은 상술한 바와 동일한 방식으로 상위 쉘(112)의 오목면(도 13 및 도 14에서는 미도시)과 연동하는 볼록면 또는 볼(122)를 포함한다.
앞선 실시예와 관련하여 설명된 바와 같이, 상위 쉘(112)은 그 전방 말단(116)에 테두리(132)가 제공된다. 디스크(110)가 조립되고 이식된 상태에 있을 때, 테두리(132)는 하위 쉘(114)를 향해 확장된다. 일실시예에 따르면, 도 12 내지 도 14에 도시된 것처럼, 하위 쉘의 하위 부분은, 전방으로 확장하며 테두리(132)의 하위 가장자리(201) 아래 위치하도록 맞춰진 립(202)을 가지고 있거나 립을 형성하기 위해 확장될 수 있다. 이하에서 더 상세히 설명될 것이지만, 립(202)은 굽힘 운동이 발생하는 동안 디스크(110)에 추가 하드 멈추개로서 기능한다.
하위 쉘의 슬랏(138, 140)은 각각 전방 벽(203, 205) 및 후방 벽(204, 206)에 의해 규정된다. 상술한 바와 같이, 슬랏(138, 140) 및 탭(134, 136)은, 디스크(110)에 축 회전 운동이 작용할 때 탭이 그 각각의 슬랏 내에서 움직일 수 있도록 각각 크기지어진다. 이런 움직임에서, 탭 중 하나의 전방 가장자리는 그 연동되는 슬랏의 전방 벽에 접하게 되며, 동시에 탭 중 다른 하나의 후방 가장자리는 그 연동되는 슬랏의 후방 벽에 접하게 됨을 알 수 있다. 디스크(110)가 반대 방향으로 회전할 때는, 반대 가장자리 및 벽들이 접하게 됨을 알 수 있다.
도 15 및 도 16은 굽힘(즉, 후방에서 전방으로) 운동하는 상태의 디스크(110)를 나타낸 도면이다. 도시되고 상술된 바와 같이, 이런 운동 과정에서, 상위 및 하위 쉘은, 하위 쉘(114)의 볼록면(또는 볼)(122)과 상위 쉘(112)의 오목면(또는 소켓)(124) 사이에 형성된 볼 및 소켓 타입의 연결을 관절로 잇는다. 쉘(112, 114) 간에 발생하는 모든 병진 및 회전 운동에 대해 이런 관절 잇기가 생성됨을 알 수 있다. 도 16에 도시된 것처럼, 굽힘 운동이 있는 동안 상위 쉘(112)은 하위 쉘(114)를 관절로 잇게 되는데, 이로 인해 소켓 부분(124)의 몸체와 하위 쉘(114)의 외벽(126) 사이에 있는 핵은 압축되게 된다. 굽힘 운동은 탄성 핵(120)이 더 이상 압축될 수 없을 때까지 계속될 수 있다. 핵(120)의 압축은 상기 굽힘 운동에 대한 점진적 또는 소프트의 멈추개로 기능하게 됨을 알 수 있다. 하지만, 하드 멈추개를 제공하기 위해서, 도 15 및 도 16에 도시된 실시예에서는 다른 특징들이 제공된다. 예를 들어, 상술한 바와 같이, 하위 쉘(114)에는 상위 쉘(112)의 태두리(132)의 하위 가장자리(201) 아래에서 전방으로 확장하는 립(202)이 있을 수 있다. 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 이런 구성에서, 디스크(110)의 굽힘 운동은 하위 가장자리(201)가 립(202)의 상위면을 접촉함에 따라 방지된다. 양자 택일로 또는 조합으로, 슬랏(138, 140)의 전방 벽(203, 205) 각각은, 굽힘 운동에 하드 멈추개로 기능하기 위해 탭(134, 136)의 전방 가장자리 각각에 접하도록 크기지어질 수도 있다. 이런 특징이 도 15에 도시되어 있는데, 여기서 디스크(110)는 완전 굽힘 상태로 도시되어 있으며, 탭(136)의 전방 가장자리는 슬랏(140)의 전방 벽(205)을 접하고 있다 (탭(134)이 슬랏(138)의 전방 벽(203)에 비슷하게 접함을 알 수 있다).
도 17 및 도 18은 확장(즉, 전방에서 후방으로) 운동하는 본 실시예의 디스크(110)을 나타낸 도면이다. 도 18에서, 핵(120)은 이해를 돕기 위해 생략되었으며, 따라서 골(128)를 도시하고 있다. 상술한 바와 같이, 테두리(132)의 후방면이 벽(126)의 전방면을 접할 때, 확장 운동에 대한 하드 멈추개가 작동한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 이런 접촉은 일반적으로 벽(126)의 상위 가장자리에서 발생한다. 그러나, 이는 테두리(132)와 벽(126) 사이에 제공되는 틈 정도에 따라 달라짐을 알 수 있다. 즉, 테두리(132)와 벽(126) 간의 이격이 도시된 것보다 작은 경우, 확장하는 동안 둘 사이의 접촉 영역은 아래에 위치하게 될 것이다. 도 17은 탭(134, 136) 및 그 각각의 슬랏(138, 140)과 관련된 확장 운동에 대한 별도의 하드 멈추개를 나타낸 도면이다. 즉, 굽힘 운동과 관련하여 상술한 바와 같이, 확장하는 동안, 탭(134, 136)의 후방 가장자리는 슬랏(138, 140)의 후방 벽(204, 206)을 향해 각각 이동된다. 따라서, 알 수 있는 바와 같이, 이런 확장 운동은, 탭(134, 136)의 후방 가장자리가 벽(204, 206)의 후방 벽을 접촉함에 따라(즉, 하드 멈추개에 도달됨에 따라) 진행이 멈추게 된다.
도 19는 상위 및 하위 쉘(112, 114) 간의 측면(좌우) 운동하는 본 실시예의 디스크(110)를 나타내고 있지만, 핵은 도시되지 않은 도면이다. 도 19에 도시된 바와 같이, 하위 쉘(114)와 관련하여 상위 쉘(112)의 좌우 움직임은 볼(122)에 걸쳐 소켓(124)의 관절 잇기를 포함한다. 이런 움직임은 탭(136)의 하위 가장자리(207)가 슬랏(140)의 베이스(208)를 접촉할 때까지(이 시점에서 더 이상의 측면 움직임은 방지된다) 지속된다. 하위 쉘(114)에 있는 벽(126)은 상향되게 맞춰짐을 도 19에서 알 수 있다. 이해되는 바와 같이, 이런 구성은 벽(126)을 접촉하지 않고 오른쪽에서 왼쪽으로 움직이는 동안 탭(134)이 상승하도록 하기 위해 선호될 것이다. 위의 설명은 오른쪽에서 왼쪽으로의 움직임에 초점을 두고 있지만, 왼쪽에서 오른쪽으로 움직이는 동안에도 유사한 멈추개가 발생됨을 알 수 있다. 또한, 도 19에 도시된 것처럼, 측면 움직임 동안, 디스크의 한쪽은 압축을 받으며, 그로 인해 골(128)이나 인클로저 내에 존재하는 핵(미도시)의 임의의 부분은 압축을 받게 되며, 이런 측면 움직임에 대해 소프트 멈추개를 제공하게 된다.
또한, 비록 디스크(110)에 대한 상술한 설명이 단일 평면에서의 특정 움직임을 설명하고 있더라고, 본 발명에서는 움직임의 다양한 조합이 가능하다는 것을 알 수 있다.
도 20 및 도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 핵의 다양한 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 이해를 돕기 위해, 상기 도면의 두 개의 실시예들은 각각 120a 및 120b로 표시된다. 도시된 실시예에서, 핵(120a, 120b)은 일반적으로 디스크(미도시)의 후방 말단(118)을 향해 연장되는 "U" 형태의 팔을 가진 "U" 형태의 구조를 가지는 것으로 도시되어 있다. 각각의 핵(120a, 120b)은 하위면(210a, 210b) 및 상위면(211a, 211b)를 각각 가지고 있다. 도시된 바와 같이, 하위면(210a, 210b)은 일반적으로 평면이며, (상술한 것처럼) 디스크의 하위 쉘의 골 내에 수용되도록 맞춰진다. 도 20 및 도 21에 도시된 실시예에서, 핵(120a, 120b)의 전방(즉, 116의 방향) 부분에는 두꺼운 섹션이 제공되며, 이로 인해 핵의 상위면(211a, 211b)의 전방 말단은 그 후방 말단 위로 솟아 있다. 도 20에서, 상위면(211a)에는 경사진 형태가 더 제공된다. 도 20 및 21에 도시된 핵의 구조에 의하면, 상위 쉘을 하위 쉘에서 이격시키기 위해 더 큰 분리력(separation force)이 핵에 의해 있을 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 디스크의 전방 말단(116)에 이런 분리력을 집중시킴으로써, 도 20 및 21의 핵은 환자가 똑바로 섰을 때 중립 위치 내에 디스크가 이식되는 척추 세그먼트를 초래한다. 즉, 디스크의 전방 말단에 가해지는 증가된 분리력은 (환자의 머리 무게를 수용하는 것과 같은) 어는 정도의 압축을 가능하게 하며, 여전히 세그먼트가 중립 위치를 띠게 한다. 주로 경부 척추 세그먼트cervical spinal segment) 내에 이식되는 디스크에서 또는 하중으로 인한 핵의 압축에 대한 조정이 필요한 곳에서 이런 특성이 중요할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이런 수용이 요구되는 구체적 상황이 당업자에게는 명백할 것이다.
본 발명의 특징의 요약
본 발명의 인공 디스크(즉, 10, 10a 등)는 이하 요약될 다양한 특징을 포함한다. 첫째, 일측면에 따르면, 상기 디스크는 축 회전, 측면 굴절, 및 굽힘/확장과 같은 각각 또는 결합된 움직임을 수용하기 위해 다양한 구조적 구성요소들을 포함한다. 그 결과, 본 발명의 보철 디스크는 자연 그대로인 디스크와 연동되어 중립 영역 및 탄성 영역 움직임을 일반적으로 재현한다. 또한, 본 발명은 과도하거나 비생리적 움직임을 방지할 수 있는 공학적으로 설계된 엔드-포인트(end-point)를 통하여 자유로운 및/또는 부분적으로 구속된 결합된 움직임을 가능하게 한다. 완전히 구속된 멈춤 메커니즘(즉, "하드 멈추개")은 움직임이 예를 들어 탄성 영역을 지나 확장되지 않도록 막는 역할을 한다.
다른 실시예에 따르면, 본 발명의 디스크는 척추 전만 구성(lordotic spine configuration)이 서로 통합되고 촉진하도록 시상 평면에서 일반적으로 쐐기형일 수 있다. 이런 임플란트는 척추 재배치가 요구되는 경우 사용될 수 있다. 예를 들어, 디스크는 위에 언급된 쐐기형을 형성하기 위해 전방 말단이 후방 말단의 높이보다 더 높을 수 있다. 비슷하게, 관상 평면 상에 있는 디스크의 측면 간에도 이런 높이 차이가 있을 수 있다. 이런 타입의 구성은 예를 들어 척추측만증(scoliosis)과 같은 부정렬(malalignment)을 바로 잡기 위해 사용될 수 있다.
일반적으로 구면으로 구부러진 쉘의 외부 표면은 관상 평면 상에서 난형의 곡률를 가진 본 발명의 디스크를 제공한다. 이런 구조는 뼈 표면에서의 디스크를 최대화하며, 골질의 성장을 촉진한다. 또한, 이런 구조는 이식 후 뼈에 대한 디스크의 안정성을 유지하는 동시에, 디스크 공간에 보철물을 채우는 것을 최대화할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상위 및 하위 쉘 간에 형성된 볼 및 소켓형태의 관절은 그들 간의 복잡한 상대적 운동을 가능하게 한다. "볼" 부분은 다양한 형상(예를 들어, 곡률의 반지름)이 있을 수 있으며, 필요에 따라 서로 다른 회전축을 생성하기 위해 하위 쉘에 걸쳐 다양한 위치에 있을 수 있다. 상술한 볼 및 소켓 관절 구성을 형성하기 위해서, 상위 쉘의 소켓 부분의 위치도 정해짐을 알 수 있을 것이다. 다른 실시예에 따르면, 볼 부분은 순간 회전 축이 역동적으로 변하는 것이 가능하도록, 본 발명의 디스크에 의해 주어지는 운동 범위 내에서 큰 변화가 가능하도록, 제한된 공간 내의 하나 이상의 평면 상에서 이동 가능할 수 있다.
쉘 간의 과도한 측면, 회전 및 확장 움직임을 방지하기 위해 다양한 "하드 멈추개"가 제공된다.
상위 및 하위 쉘의 외부 표면은, 척추의 어는 영역에서나 양방향 오목한 또는 직사각형 관절원판 절제술(discectomy) 사이트에 대해 구부러지거나 구형(즉, 달걀형, 타원형) 또는 직선(즉,직각)일 수 있다. 외부 표면에는 디스크를 인접한 뼈 구조나 다른 인공 척추 구조에 고정하기 위해 별도의 고정하는 갈비뼈 또는 용골이 있다.
일실시예에 따르면, 상위 쉘은 "정상" 조건에 더 근접할 수 있도록 시상 평면(즉, 전후 방향)에서 측정된 것처럼 하위 쉘보다 지름이 더 클 수 있다.
일실시예에 따르면, 본 발명의 디스크의 외곽 표면에는 방사선 촬영(radiography)에 있어서 동일한 불투명체를 나타내기 위해 하나 이상의 마킹이나 물리적 특징이 있다. 알 수 있는 바와 같이, 이런 특징은 수술 후 임플란트의 정렬 및/또는 위치를 확인함에 있어 도움이 될 것이다.
바람직하게는, 디스크의 접지면은 침하(subsidence)를 제거하기 위해 관상 및 시상 평면에서 최대화된다. 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 디스크의 크기는 정상 척추 내에 다양한 크기의 디스크를 수용하기 위해 다양할 것이다.
비록 본 발명이 이러한 특정 실시예들을 참조하여 설명되고 있지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (23)

  1. 척추의 인접한 상위 및 하위 척추골(vertebrae) 사이에 이식하기(implantation) 위한 인공 척추간 디스크로서,
    상위 쉘(shell), 하위 쉘, 및 탄성 핵;
    서로에 대하여 이동 가능한 상기 상위 및 하위 쉘;
    상기 하위 쉘은 상위면(superior surface)을 가지며, 상기 상위면은 내장된 볼록 부분(integral convex portion) 및 골(well)을 포함하며, 상기 볼록 부분은 상기 하위 쉘의 상위면에서 후방에 위치하며;
    상기 상위 쉘은 상기 하위 쉘의 상위면의 반대측에 위치하는 하위면(inferior surface)을 가지며, 상기 하위면은 내장된 오목 부분(integral concave portion) 및 리세스(recess)를 포함하며, 상기 오목 부분은 상기 하위면에서 후방에 위치하며, 상기 오목 부분은 상기 볼록 부분에 대향하며, 상기 리세스는 상기 하위 쉘과 상기 상위 쉘이 정렬될 때 상기 골에 대향하며;
    상기 핵을 담기 위한 인클로저(enclosure)를 형성하기 위해 결합하는 상기 골 및 리세스;
    볼 및 소켓 관절(a ball and socket joint)을 형성하기 위해 교합(articulating) 연동되는 상기 하위 쉘의 상기 볼록 부분 및 상기 상위 쉘의 상기 오목 부분을 포함하는 인공 척추간 디스크.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 핵은 상기 하위 및 상위 쉘을 탄성적으로 이격하기 위해 편향력(biasing force)을 적용하는 인공 척추간 디스크.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 핵 및 상기 인클로저는 "U" 형상의 구조를 포함하는 인공 척추간 디스크.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 핵은 적어도 상기 디스크의 전방 섹션에 제공되는 인공 척추간 디스크.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 핵은 하나 이상의 섹션으로 형성되는 인공 척추간 디스크.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 항에 있어서,
    하나 이상의 평면 상에서 상기 상위 및 하위 쉘 간의 상대적 움직임을 제한하거나 방지하기 위해 하나 이상의 움직임 조절 수단을 더 포함하는 인공 척추간 디스크.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상위 쉘은 제 1 벽을 포함하며, 상기 하위 쉘은 제 2 벽을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 벽은 상기 디스크의 전방 말단에 위치하며, 상기 벽들의 적어도 일 부분은 서로 겹쳐져 있으되,
    상기 제 1 벽은 아래로 연장되며, 상기 제 2 벽은 위로 연장되며 상기 제 1 벽의 뒤쪽에 위치하는 인공 척추간 디스크.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 볼록 부분은 상기 하위 쉘의 하우징 내에서 슬라이딩 가능하게 수용되는 인공 척추간 디스크.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 볼록 부분의 전후 움직임이 가능하게 하는 크기인 인공 척추간 디스크.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 볼록 부분의 측면 움직임이 가능하게 하는 크기인 인공 척추간 디스크.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 상위 또는 하위 쉘 중 하나는 그 측면에 하나 이상의 아래로 향하는 탭(tab)을 포함하며, 상기 상위 및 하위 쉘의 다른 하나는 상기 탭을 수용하기 위한 슬랏(slot)을 포함하며,
    상기 슬랏은 상기 상위 쉘 또는 상기 하위 쉘의 세로방향으로 연장되며,
    상기 슬랏은 상기 상위 쉘 또는 상기 하위 쉘의 전단부와 후단부에 위치한 벽에 의해 경계 지어지는 인공 척추간 디스크.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 탭은 상기 상위 쉘에 있으며, 상기 슬랏은 상기 하위 쉘에 있는 인공 척추간 디스크.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제 2 벽이 상기 제 1 벽의 후방 움직임을 방지함으로써 상기 디스크의 확장 운동이 제한되는 인공 척추간 디스크.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 하위 쉘은 상기 제 1 벽의 전방 움직임을 제한하기 위해 전방으로 연장하는 립(lip)을 포함하는 인공 척추간 디스크.
  15. 척추의 인접한 상위 및 하위 척추골(vertebrae) 사이에 이식하기(implantation) 위한 인공 척추간 디스크로서,
    상위 쉘(shell), 하위 쉘, 및 탄성 핵;
    서로에 대하여 이동 가능한 상기 상위 및 하위 쉘;
    후방에 위치하는 하우징(housing)과 골(well)을 포함하는 상위면(superior surface)을 가지는 상기 하위 쉘, 상기 하우징은 평면 베이스를 포함함,
    상기 하우징 내에 배치되는 코어(core), 상기 코어는 상기 하우징의 평면 베이스와 슬라이딩 가능하게 결합되는 평평한 하위면(flat inferior surface) 및 볼록한 상위면(convex superior surface)을 포함함;
    상기 하위 쉘의 상위면에 대향하는 하위면을 가지며, 후방에 위치한 오목 부분 및 리세스(recess)를 포함하는 상기 상위 쉘, 상기 오목 부분은 상기 코어의 볼록한 상위면에 대향하며, 상기 리세스는 상기 골에 대향함;
    상기 핵을 담기 위한 인클로저(enclosure)를 형성하기 위해 결합하는 상기 골 및 리세스;
    볼 및 소켓 관절(a ball and socket joint)을 형성하기 위해 교합(articulating) 연동되는 상기 코어의 볼록한 상위면 및 상기 상위 쉘의 오목 부분을 포함하는 인공 척추간 디스크.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 하우징 내에서 상기 코어의 전후 움직임 또는 측면 움직임이 가능하게 하는 크기인 인공 척추간 디스크.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 핵은 상기 하위 및 상위 쉘을 탄성적으로 이격하기 위해 편향력(biasing force)을 적용하는 인공 척추간 디스크.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 핵 및 상기 인클로저는 "U" 형상의 구조를 포함하는 인공 척추간 디스크.
  19. 제15항에 있어서,
    하나 이상의 평면 상에서 상기 상위 및 하위 쉘 간의 상대적 움직임을 제한하거나 방지하기 위해 하나 이상의 움직임 조절 수단을 더 포함하는 인공 척추간 디스크.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 상위 쉘은 제 1 벽을 포함하며, 상기 하위 쉘은 제 2 벽을 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 벽은 상기 디스크의 전방 말단에 위치하며, 상기 벽들의 적어도 일 부분은 서로 겹쳐져 있으되,
    상기 제 1 벽은 아래로 연장되며, 상기 제 2 벽은 위로 연장되며 상기 제 1 벽의 뒤쪽에 위치하는 인공 척추간 디스크.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제 2 벽이 상기 제 1 벽의 후방 움직임을 방지함으로써 상기 디스크의 확장 운동이 제한되는 인공 척추간 디스크.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 하위 쉘은 상기 제 1 벽의 전방 움직임을 제한하기 위해 전방으로 연장하는 립(lip)을 포함하는 인공 척추간 디스크.
  23. 제15항에 있어서,
    상기 상위 또는 하위 쉘 중 하나는 그 측면에 하나 이상의 아래로 향하는 탭(tab)을 포함하며, 상기 상위 및 하위 쉘의 다른 하나는 상기 탭을 수용하기 위한 슬랏(slot)을 포함하는 인공 척추간 디스크.
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