KR102127310B1 - 정형외과적 충돌을 위한 전기 모터 구동식 도구 - Google Patents

정형외과적 충돌을 위한 전기 모터 구동식 도구 Download PDF

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Abstract

정형외과적 충돌 도구는 에너지 저장 수단, 스트라이커, 및 앤빌을 포함한다. 모터는 에너지 저장 수단에 에너지를 저장하고, 그런 다음 이를 방출하여, 수술 세팅에서 사용하기 위한 정밀한 충돌을 생성하도록 스트라이커가 어댑터 상에 제어된 힘을 인가한다. 도구는 앤빌 및 어댑터 조합물을 추가로 포함할 수 있다. 도구는 개구의 크기 또는 체적을 확장하기 위한 또는 개구로부터 브로치, 임플란트, 또는 다른 수술 설비의 제거를 용이하게 하기 위한 전진 또는 후진 충돌을 추가로 허용한다. 도구의 에너지 조정 제어는 의사가 충돌 에너지를 증가시키거나 또는 감소시킬 수 있도록 한다. 광원 및 핸드 그립은 도구의 작동 용이성을 개선한다.

Description

정형외과적 충돌을 위한 전기 모터 구동식 도구{ELECTRIC MOTOR DRIVEN TOOL FOR ORTHOPEDIC IMPACTING}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은, 그 개시 내용이 참조에 의해 통합되는, 35 U.S.C. § 120에 따라서 계류중인 2013년 2월 5일자 출원된 미국 특허출원 제13/759,813호에 대해 계속 출원 및 상기 출원에 대해 우선권을 주장하며, '870 출원은, 그 개시 내용이 참조에 의해 통합되는, 35 U.S.C. § 120에 따라서 계류중인 2010년 12월 29일자 출원된 미국 특허출원 제12/980,329호 및 2012년 5월 8일자 출원된 미국 특허출원 제13/466,870호 뿐만 아니라, 35 USC § 119에 따라서 계류중인 2012년 2월 26일자 출원된 미국 가출원 제61/603,320호의 일부 계속 출원 및 상기 출원들에 대해 우선권을 주장한다. 본 출원은 또한, 그 개시 내용이 참조에 의해 통합되는, 35 U.S.C. § 120에 따라서 계류중인 2010년 12월 29일자 출원된 미국 특허출원 제12/980,329호 및 2012년 5월 8일자 출원된 미국 특허출원 제13/466,870호의 일부 계속 출원 및 상기 출원들에 대해 우선권을 주장한다. 추가적으로, 그 개시 내용이 참조에 의해 통합되는, 35 USC § 119에 따라서 계류중인 2012년 12월 7일자 출원된 미국 가출원 제61/734,539호 및 2012년 8월 4일자 출원된 미국 가출원 제61/682,915호에 대해 우선권을 주장한다.
본 발명은 정형외과적 적용에서 충돌을 위한 전기식 도구에 관한 것이고, 특히 브로치(broach) 또는 다른 엔드 이펙터(end effector)에 제어된 충돌을 제공할 수 있는, 정형외과적 충돌을 위한 전기 모터 구동식 도구에 관한 것이다.
정형외과의 분야에서, 인공관절과 같은 보철기기는 환자의 뼈의 캐비티에 보철기기를 착좌시키는(seating) 것에 의해 때때로 환자의 인체에 임플란트되거나 또는 착좌된다. 전형적으로, 캐비티는 보철이 착좌되거나 또는 임플란트되기 전에 생성되어야만 하고, 전형적으로, 의사는 이러한 캐비티를 형성하도록 뼈를 제거 및 또는 치밀화한다. 보철은 통상적으로 캐비티 내로 삽입되는 보철의 특정 부분의 역할을 하는 스템(stem) 또는 다른 돌출부를 포함한다.
이러한 캐비티를 생성하도록, 의사는 보철의 스템 형상에 일치하는 브로치를 사용할 수 있다. 본 발명의 기술 분야에서 공지된 해결책은 브로치를 핸들에 제공하는 것을 포함하며, 핸들은 의사가 임플란트 영역 내로 브로치를 햄머링하는 동안 움켜잡혀질 수 있다. 불행하게, 이러한 접근은 서투르고, 특정 의사의 숙련도의 대상임으로써 예측할 수 없다. 이러한 접근은 캐비티의 위치 및 구성에서 거의 항상 부정확성을 불가피하게 초래할 것이다. 추가적으로, 외과의사는 이러한 접근에서 일정한 햄머링으로 인하여 피로로 고통받는다. 끝으로, 이러한 접근은 의사가 의도되지 않은 영역에 있는 뼈 구조를 손상시킬 위험이 있다.
보철 캐비티를 생성하기 위한 다른 기술은 브로치를 공압적으로, 즉 압축 공기로 구동하는 것이다. 이러한 접근은, 예를 들어 테더링 공기 라인(tethering air line)의 존재, 도구로부터 살균 수술야(operating field)로 배출되는 공기, 및 도구를 작동하는 의사의 피로 때문에 충돌 도구의 이식성(portability)을 막는다는 점에서 불리하다. 또한, 이러한 접근은, 미국 특허 제5,057,112호에서 예시화된 바와 같이, 충격력 또는 진동수의 정밀한 제어를 가능하게 하지 못하고, 대신에 작동될 때 잭 해머(jackhammer)와 매우 유사한 방식으로 기능한다. 다시, 정밀 제어의 어떠한 조치의 이러한 결핍은 캐비티의 정확한 브로칭(broaching)을 더욱 어렵게 만든다.
제3 기술은 캐비티를 생성하기 위하여 컴퓨터 제어식 로봇 아암에 의지한다. 이러한 접근은 피로 및 정확성 문제는 극복하였지만, 매우 높은 금융 비용을 갖는 것에 시달리고, 추가적으로 의사가 수동 접근으로부터 취할 수 있는 촉각 피드백을 없앤다.
제4 기술은 단일 행정 기반으로 공기를 압축하고, 그런 다음, 충분한 압력이 생성된 후에, 밸브를 통해 스트라이커 상으로 공기를 방출하도록 선형 압축기를 사용하는 본 출원인의 이전의 발명에 의지한다. 이러한 것은 스트라이커를 가이드 튜브를 아래로 진행시키도록 강제하고, 브로치 및 또는 다른 수술 도구를 홀딩하는 앤빌에 충돌한다. 이러한 발명은 아주 잘 작동하지만, 이를 테스트하는 과정에서, 부드러운 조직에 박히면, 간단한 방법이 브로치를 뒤집는 것을 가능하게 하지 못한다. 또한, 공기의 압력은 기어 트레인 및 선형 운동 컨버터 부품에서 큰 힘을 초래하고, 큰 힘은 부품의 너무 빠른 마모를 유발한다.
그 결과, 종래 기술의 다양한 결점을 극복하는 충돌 도구에 대한 필요성이 존재한다.
종래 기술의 이전의 결점을 고려하여, 종래 기술의 모든 장점을 포함하고 종래 기술의 고유한 결점을 극복하도록 구성된 전기 모터 구동식 정형외과적 충돌 도구가 제공된다. 도구는 엉덩이, 무릎, 어깨 등에서 정형외과적 충돌을 위해 정형외과 의사에 의해 사용될 수 있다. 도구는 브로치, 끌(chisel), 또는 다른 엔드 이펙터를 홀딩하고, 제어된 타진 충돌(percussive impact)으로 캐비티 내로 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터를 브드럽게 탭핑하여, 보철 또는 임플란트를 위한 보다 양호한 설치를 유발할 수 있다. 또한, 이러한 전기적으로 조작되는 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터에 의해 제공되는 제어는 환자의 특정 뼈 형태 또는 다른 프로파일에 따라서 충돌 세팅의 조정을 가능하게 한다. 도구는 임플란트 캐비티 내로 또는 외부로 보철 또는 임플란트의 적절한 착좌 또는 제거를 추가로 가능하게 하고, 설비를 가이드하는데 있어서 기존 의사의 숙련도를 유익하게 높인다.
한 실시예에서, 전기 모터 구동식 충돌 도구는 전원(배터리와 같은), 모터, 제어 수단, 하우징, 모터의 회전 운동을 선형 운동으로 변환하기 위한 방법(이후에, 선형 운동 변환기로서 지칭됨), 적어도 하나의 감속 기어, 스트라이커, 멈춤쇠(detent), 및 압축 공기 또는 진공을 포함할 수 있는 에너지 저장 수단을 포함한다. 도구는 LED, 도구의 안락한 파지를 위한 적어도 하나의 핸드 그립을 구비한 핸들 부분, 수술 도구, 배터리 및 적어도 하나의 센서를 수용하도록 구성된 어댑터를 추가로 포함할 수 있다. 다양한 부품들 중 적어도 일부는 바람직하게 하우징 내에 수용된다. 도구는 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터 또는 임플란트 상에 주기적인 충격력을 인가하거나, 또는 다수의 레벨로 충격력을 미세하게 조율할 수 있다.
추가의 실시예에서, 핸들은 위치 전환 가능하거나 또는 인라인(inline) 도구를 제공하도록 도구로 다시 접힐 수 있으며, 의사는 브로치의 방향과 동일 선상으로 도구를 밀거나 당긴다. 이러한 것은 토크의 양을 제한하는 이점을 가지며, 의사는 수술 동안 도구를 움직일 수 있다. 핸드 그립의 추가의 개량에서, 수술 설비를 가이드하고 충돌 작동 동안 증가된 안정성을 제공하기 위한 추가의 핸드 그립이 있을 수 있다.
추가의 실시예에서, 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터는 다수의 위치로 회전될 수 있는 한편 여전히 축방향 정렬을 유지한다. 이러한 것은 수술 동안 다양한 해부학적 프리젠테이션을 위한 브로치의 사용을 용이하게 한다.
추가의 실시예에서, 에너지 저장 수단은 충돌 사이클의 일부 동안 적어도 부분적 진공 하에 있는 챔버를 포함한다.
추가의 실시예에서, 선형 운동 변환기는 슬라이더 크랭크, 링크 메커니즘, 캠, 스크루, 랙 및 피니언, 마찰 구동 또는 벨트 및 풀리 중 하나를 사용한다.
한 실시예에서, 선형 운동 변환기 및 로터리 모터는 리니어 모터, 솔레노이드 또는 보이스 코일 모터에 의해 대체될 수 있다.
한 실시예에서, 도구는 제어 수단을 추가로 포함하고, 제어 수단은 에너지 조정 요소를 포함하며, 에너지 조정 요소는 도구의 충격력을 제어하고, 제어되지 않은 충돌에 의해 유발되는 손상을 감소시키거나 또는 방지할 수 있다. 에너지는 전자적으로 또는 기계적으로 조정될 수 있다. 또한, 에너지 조정 요소는 아날로그일 수 있거나 또는 고정된 세팅을 가질 수 있다. 이러한 제어 수단은 브로치 가공 작동의 정밀한 제어를 허용한다.
한 실시예에서, 도구의 앤빌은 충돌의 2개 지점 중 적어도 하나와, 실질적으로 축방향으로 움직이도록 스트라이커를 강제하는 가이드를 포함한다. 작동 시에, 가이드를 따르는 스트라이커의 운동은 전진 방향으로 계속한다. 반전 메커니즘은 스트라이커의 충돌 지점 및 수술 도구 상의 결과적인 힘을 변화시키도록 사용될 수 있다. 이러한 반전 메커니즘의 사용은 앤빌 및/또는 브로치 또는 다른 수술 부착물 상에 발휘되는 전진력 또는 후진력을 유발한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "전진 방향"은 브로치, 끌 또는 환자를 향한 스트라이커의 운동을 내포하고, "후진 방향"은 브로치, 끌 또는 환자로부터 멀어지는 스트라이커의 운동을 내포한다. 양방향성 또는 일방향성 충돌의 선택성은, 물질 제거 또는 물질 채움의 선택이 때때로 수술 처치에서 중요한 결정이라는 점에서 임플란트 캐비티 내에서 물질을 절단하거나 또는 압축하는데 있어서 의사에게 융통성을 제공한다. 또한, 도구가 때때로 처치 동안 박히고 그 도구에서의 반전의 방법이 수술 도구를 축출하는데(dislodge) 불충분한 것이 본 발명자의 이전의 개시의 사용에서 밝혀졌다. 이러한 새로운 실시예는 이러한 제한을 극복한다. 한 실시예에서, 전진력 또는 후진력을 전달하는 충돌 지점은 적어도 2개의 분리된 명확한 지점들이다.
한 실시예에서, 앤빌과 어댑터는 단일 요소를 포함할 수 있거나, 또는 하나가 다른 것에 내장될 수 있다.
한 실시예에서, 도구는 스트라이커의 충돌 운동의 진동수를 추가로 조정할 수 있다. 스트라이커의 진동수를 조정하는 것에 의해, 도구는 예를 들어 보다 큰 전체 시간 가중 타진 충돌(time-weighted percussive impact)을 주는 한편, 동일한 충돌 크기를 유지한다. 이러한 것은 의사가 브로치 또는 끌의 절단 속도를 제어하는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 의사는 브로치 또는 끌 운동의 대부분 동안 보다 빠른 속도(보다 높은 진동수 충돌)로 절단을 선택할 수 있으며, 브로치 또는 끌이 원하는 깊이에 접근함으로써 절단 속도를 늦출 수 있다. 미국 특허 제6,938,705호에 도시된 바와 같이, 해체 작업에서 사용되는 바와 같은 전형적인 충돌기에서, 속도를 변화시키는 것은 충격력을 변화시키고, 가변 속도 작업에서 충돌 에너지를 일정하게(+/- 20%로서 한정된) 유지하는 것을 불가능하게 한다.
한 실시예에서, 충돌 방향은 도구의 사용자에 의해 배치된 편향력에 의해 제어된다. 예를 들어, 전진 방향으로 도구를 편향시키는 것은 전진 충돌을 주고, 후진 방향으로 도구를 편향시키는 것은 후진 충돌을 준다.
한 실시예에서, 도구는 작업 영역을 조명하고 보철 또는 임플란트 상의 원하는 위치에 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터를 정확히 위치시키도록 조명 요소를 가질 수 있다.
한 실시예에서, 도구는 특정 규모를 넘는 굽힘 또는 오프-라인 배향이 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터 또는 임플란트 인터페이스에서 검출될 때 사용자에게 경고하는 피드백 시스템을 또한 포함할 수 있다.
한 실시예에서, 도구는 멈춤쇠를 또한 포함할 수 있으며, 멈춤쇠는 스트라이커를 보유하고, 도구로부터 수술 엔드 이펙터로 충돌당 에너지가 증가되도록 기계 또는 전기 수단에 의해 작동될 수 있다. 한 실시예에서, 이러한 멈춤쇠의 특징은, 스트라이커 운동의 30% 내에서, 스트라이커 상에서 멈춤쇠에 의해 발휘되는 보유력이 50%까지 감소되도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 양태들과 함께, 본 발명을 특징화하는 신규성의 다양한 특징들과 함께 이러한 것들은 특히 첨부된 청구항들에 있는 특징에 의해 지시되고 본 발명의 일부를 형성한다. 본 발명, 그 작동 이점, 및 그 사용에 의해 달성되는 특정 목적의 보다 양호한 이해를 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예가 예시되고 도시된 첨부된 도면 및 상세한 설명에 대해 참조한다.
본 발명의 이점 및 특징은 첨부된 도면과 함께 다음의 상세한 설명 및 청구항을 참조하여 더 잘 이해될 것이며, 도면에서 동일한 요소는 동일한 부호로 확인된다:
도 1은 모터, 선형 운동 변환기, 및 에너지 저장 수단으로서 진공이 사용되는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과적 충돌 도구의 사시도;
도 2는 진공이 생성된 피스톤의 예시적인 위치를 도시한 도면;
도 3은 해제된 스트라이커, 및 전진 방향으로 앤빌에 충돌하기 위하여 전진하여 움직이는 스트라이커를 도시한 도면;
도 4는 해제된 스트라이커, 및 앤빌이 후진 방향으로 충돌되도록 움직인 스트라이커를 도시한 도면;
도 5는 제1 위치를 향해 뒤로 움직이고 스트라이커를 재세팅하는 진공 피스톤을 도시한 도면;
도 6은 압축 챔버가 충격력을 생성하도록 사용되는 도구의 예시적인 실시예를 도시한 도면;
도 7은 밸브가 스트라이커의 충돌 에너지를 조정하도록 사용되는 도구의 예시적인 실시예를 도시한 도면;
도 8은 스트라이커가 앤빌 상에 후진력을 주는 표면을 주는 도구의 예시적인 실시예를 도시한 도면;
도 9는 스트라이커가 앤빌 상에 전진 작용력을 주는 표면을 주는 도구의 예시적인 실시예를 도시한 도면; 및
도 10은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 컴플라이언스 메커니즘(compliance mechanism)을 사용하여 급격한 충돌(sharp impact) 및 변형된 충돌 사이의 힘 대 시간 곡선의 비교를 도시한 도면.
본 발명을 수행하기 위한 최상의 모드는 첨부된 도면에 도시된 그 바람직한 실시예들에 의해 제공된다. 예시 목적을 위하여 본 명세서에 기술된 바람직한 실시예는 많은 변형의 대상이다. 상황이 방책을 제안하거나 또는 제공할 수 있지만, 본 발명의 사상 또는 범위로부터 벗어남이 없이 본 출원 또는 실시를 커버하도록 의도됨에 따라서, 등가물의 다양한 생략 및 대체가 고려되는 것을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 단수표현은 양의 제한을 나타내는 것이 아니고, 기술된 물품의 적어도 하나의 존재를 나타낸다.
본 발명은 제어된 타진 충돌을 전기 모터 구동식 정형외과적 충돌 도구에 제공한다. 도구는 단일 및 다중 충돌뿐만 아니라 가변적이며 변화하는 방향, 힘 및 진동수의 충돌을 수행하는 능력을 포함한다. 한 실시예에서, 충격력은 조정 가능하다. 다른 실시예에서, 멈춤쇠가 제공될 수 있으며, 멈춤쇠는 보다 큰은 에너지 충돌의 발생을 촉진한다. 여전히 다른 실시예에서, 충돌은 도구에 연결된 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터로 전달된다.
도구는 하우징을 추가로 포함할 수 있다. 하우징은 도구의 적어도 하나의 부품을 안전하게 덮고 홀딩할 수 있다. 한 실시예에서, 하우징은 모터, 적어도 하나의 감속 기어, 선형 운동 변환기, 가스 챔버, 스트라이커, 힘 조정기, 제어 수단, 앤빌, 전진 충돌 표면과 후진 충돌을 위한 다른 표면을 수용한다.
도구는 사용 동안 도구의 안락하고 안전한 홀딩을 위한 적어도 하나의 핸드 그립을 구비한 핸들 부분, 어댑터, 배터리, 위치 센서, 방향 센서, 및 토션 센서를 추가로 포함할 수 있다. 도구는 의사가 도구를 이용하는 작업 영역에 조명을 제공하는 LED와 같은 조명 요소를 추가로 포함할 수 있다. 앤빌은 어댑터의 사용을 통해 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터에 결합될 수 있으며, 어댑터는 상이한 브로칭 크기의 급격한 변화를 촉진하도록 신속 연결 메커니즘을 가질 수 있다. 앤빌은 의사의 손에서 도구의 배향을 변화시킴이 없이 브로치가 상이한 해부학적 구성으로 제공되고 구성되는 것을 가능하게 하도록 록킹 회전 특징부를 추가로 포함할 수 있다.
지금 도 1 내지 도 5를 참조하여, 한 실시예에서, 선형 운동 변환기(12)는 슬라이더 크랭크 메커니즘을 포함하고, 슬라이더 크랭크는 모터(8) 및 감속 기어(7)에 작동적으로 결합된다. 도구는 선형 운동 변환기(12)에 의해 작동될 수 있는 피스톤(24)을 수용하는 진공 챔버(23)를 추가로 포함한다. 피스톤(24)이 하나 이상의 방향으로 작동될 수 있다는 것은 명백하다. 진공은 스트라이커(25)로부터 멀어지는 피스톤(24)의 운동에 의해 진공 챔버(23)에서 생성된다. 진공 챔버(23)에서 생성된 진공은 작동 사이클의 적어도 일부 동안 9 psia 미만의 압력으로서 한정된다.
한 실시예에서, 도구의 모터(8)는 선형 운동 변환기(12)를 움직이고, 이러한 것은 스트라이커(25)의 페이스 상에서 진공을 흡인하여, 도 2에 도시된 바와 같이 진공 챔버(23)에서 적어도 부분적 진공을 생성한다. 피스톤(24)은 스트라이커(25)의 전방 부분(즉, 엔드 이펙터 또는 환자에 근접한 스트라이커의 부분)을 타격할 때까지 계속 움직여 진공 챔버(23)의 크기를 증가시키며, 이러한 것은 그 멈춤쇠(10)로부터 스트라이커(25)를 축출하고, 스트라이커가 엔드 이펙터 또는 환자에 근접한 도구의 단부를 향하여 급격히 가속하는 것을 가능하게 한다. 한 실시예에서, 멈춤쇠는 기계식, 전기식, 또는 그 조합일 수 있으며, 바람직한 멈춤쇠는 자석으로서 도면에 도시되어 있다. 멈춤쇠(10)의 특징은, 멈춤쇠(10)가 해제되거나 또는 극복되면, 스트라이커(25) 상의 멈춤쇠(10)의 보유력이 스트라이커(25)의 첫번째 30% 운동 내에서 적어도 50%만큼 감소시키는 것이다. 앤빌(14) 상에서 스트라이커(25)의 충돌은 어댑터(1) 및 브로치, 끌 또는 다른 정형외과 설비로 힘을 전달한다.
한 실시예에서, 앤빌 상에서의 힘의 방향은 도구 상에서의 사용자(의사와 같은)의 힘과 스트로크 리미터(13)에 의해 제어된다. 종래의 도구들이 가끔 캐비티에서 움직이지 못하게 될 수 있으며, 상기된 문단에서의 스트라이커의 충돌은 도구를 축출하는데 불충분할 수 있다는 것이 측정되었다. 이러한 본 실시예에서, 도구가 캐비티로부터 멀리 당겨질 때, 스트라이커(25)는 앤빌(14)에 충돌하지 않고, 대안적인 표면에 충돌하고, 이에 의해 앤빌(14) 상에 후진력을 전달한다. 이러한 충돌 표면은 예시적인 실시예에서 작동 핀(27)으로서 도시된다. 작동 핀(27)은 레버 아암(17)에 힘을 전달하고, 레버 아암은 앤빌(14) 상에, 특히 앤빌 후퇴 충돌 표면(26) 상에 후진력을 전달한다. 이러한 실시예는 수술용 캐비티에 박힌 도구 및 설비를 용이하게 축출하는 예상하지 못한 이점을 갖는 한편, 정밀 제어된 충돌이란 면에서 기존의 도구의 모든 이점을 보유한다. 그러므로, 이러한 도구의 추가의 이점은 사용자가 도구 상에 배치할 수 있는 편향력(bias)에 의한 충돌 방향을 의사가 제어할 수 있으며, 그리하여, 환자 또는 수술용 캐비티에서 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터를 움직이지 못하게 할 가능성을 감소시킬 수 있다는 것이 알려짐으로써 밝혀졌다.
추가의 실시예에서, 전자석은 멈춤쇠(10)로서 통합될 수 있으며, 스트라이커(25)가 앤빌(14)에 충돌하는 것을 허용하도록 작동 사이클에 있는 적절한 지점에서 해제된다. 스트라이커(25)가 멈춤쇠(10)로부터 해제되면, 스트라이커(25)의 배면측 상의 공기 압력은 스트라이커를 전방으로 움직여 앤빌(14) 또는 다른 타격 표면에 충돌한다. 결과적인 힘은 앤빌 전진 충돌 표면(16)에 근접한 앤빌(14)의 단부를 통하여, 선택적으로 임플란트 또는 보철의 착좌 및 제거를 위하여 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터가 부착되는 어댑터(1)에 전달될 수 있다.
스트라이커 가이드(11)는 스트라이커 가이드 통기공(20)을 또한 가질 수 있으며, 통기공은 스트라이커(25)의 전방에 있는 공기가 나가는 것을 허용하며, 그러므로 앤빌(14) 상에서 스트라이커(25)의 충격력을 증가시킨다. 스트라이커 가이드 통기공(20)은 도구 본체의 캐비티 내에서 통기할 수 있으며, 그러므로 공기가 도구로부터 나가는 것을 방지하는 자체 수용 공기 사이클을 생성하며, 도구의 더욱 양호한 밀봉을 가능하게 한다. 스트라이커 가이드 통기공(20)의 위치 및 크기는 충격력을 조정하도록 또한 사용될 수 있다. 또한, 스트라이커 가이드 통기공(20)을 추가하는 것이 앤빌(14) 상에서 스트라이커(25)의 충격력을 증가시킨다는 것이 예상치않게 알려졌다.
한 실시예에서, 피스톤(24)이 그 스트로크를 내내 계속함으로써, 피스톤은 후진 방향을 향하여 이동하고, 이 운동은 스트라이커(25)의 후방 스트라이커 페이스(28)와 피스톤을 접촉시켜, 도구의 후방을 향해 스트라이커를 움직인다. 이러한 것은 멈춤쇠(10)가 다음의 충돌을 위해 적소에서 스트라이커(25)를 록킹하거나 또는 보유하는 것을 가능하게 한다. 피스톤(24)은 그 후진 스트로크를 완료하고, 바람직하게 센서(22)를 작동시키며, 센서는 모터(8)를 정지시키도록 신호를 보내서, 피스톤(24)은 진공 챔버(23)의 하사점에 또는 그 가까이에서 정지한다. 진공 챔버(23)는 바람직하게 실시예에서 피스톤(24)의 부분인 릴리프 또는 체크 밸브(9) 또는 다른 작은 개구를 가진다. 밸브(9)는 진공 챔버(23)의 다른 지점에 또한 위치될 수 있으며, 진공 챔버(23)에서 축적될 수 있었던 임의의 공기가 각 사이클 동안 진공 챔버(23)로부터 외부로 추방되는 것을 가능하게 한다. 추가 실시예에서, 이러한 밸브 효과는 O-링 밀봉 대신에 컵 밀봉으로 달성될 수 있다. 이러한 것은 대략 대기압이 작동 사이클에서의 시작 지점에서 진공 챔버(23)에 존재하는 것을 보장하며, 그러므로, 적어도 다중 충돌 상황에서 실질적으로 일정한 힘 및 충돌률을 보장하는 이유때문에 정형외과적 충돌에서 중요함으로써, 각 충돌이 동일한 양의 에너지를 이용하는 것을 보장한다. 그러므로, 하나의 완전한 사이클에서, 전진 또는 후진 충격력은 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터, 또는 임플란트 또는 보철 상에 인가될 수 있다.
추가의 실시예에서, 도구의 모터(8)는, 피스톤의 전방 부분이 스트라이커의 일부에 충돌하고 후방 위치에서 스트라이크를 보유하는 멈춤쇠(10)를 극복하도록, 피스톤(24)이 충분한 거리를 움직일 때까지 선형 운동 변환기(12)가 피스톤(24)을 움직이도록 한다. 스트라이커가 멈춤쇠(10)로부터 해제되었으면, 진공 챔버(23) 내의 진공은 스트라이커 상에 힘을 발휘하고, 이러한 것은 스트라이커를 가속하며, 도구 하우징 내부의 캐비티 아래로 스트라이커를 축방향으로 슬라이딩시켜, 앤빌 전진 충돌 표면(16)을 타격하도록 한다. 도 3에서, 앤빌 전진 충돌 표면(16)은 앤빌(14) 및/또는 도구 홀더의 전진 운동을 유발하고, 도 4에서, 앤빌 후퇴 충돌 표면(26)은 앤빌(14) 및/또는 도구 홀더의 후진 운동을 유발한다. 결과적인 힘은 앤빌 전진 충돌 표면(16)에 근접한 앤빌(14)의 단부를 통하여, 선택적으로 임플란트 또는 보철의 착좌 및 제거를 위하여 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터가 부착될 수 있는 어댑터(1)에 전달될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 충격력은 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이 피스톤(6) 및 스트라이커(4)와 함께 압축 공기 챔버(5)를 사용하여 발생될 수 있다. 이 실시예에서, 도구의 모터(8)는, 후방 위치에서 스트라이커(4)를 다른 방법으로 보유하는 멈춤쇠(10) 또는 후방 위치에서 스트라이커(4)를 유지하는 관성 및 마찰력을 극복하도록 피스톤(6)의 원위 단부와 스트라이커(4)의 근위 단부 사이에 배치된 압축 공기 챔버(5) 내에서 충분한 압력이 만들어질 때까지, 선형 운동 변환기(12)로 하여금 피스톤(6)을 움직이도록 한다. 이러한 충분한 압력이 도달되면, 공기 통로(19)는 개방되고, 공기 압력은 스트라이커(4)를 가속하며, 스트라이커(4)는 캐비티 아래로 축방향으로 슬라이딩하여 앤빌(14)을 타격한다. 공기 통로(19)는 멈춤쇠(10)로부터 요구되는 보유력의 양을 감소시키도록 바람직하게 스트라이커(4)의 단면적의 50% 미만의 단면적을 가진다. 결과적인 힘은 앤빌 전진 충돌 표면(16)에 근접한 앤빌(14)의 단부를 통하여, 선택적으로 임플란트 또는 보철의 착좌 및 제거를 위하여 브로치, 끌, 또는 다른 디바이스가 부착될 수 있는 어댑터(1)에 전달될 수 있다.
피스톤(6)이 그 스트로크를 내내 계속함으로써, 피스톤은 후진 방향을 향하여 이동하고, 압축 공기 챔버(5)에서 약간의 진공을 흡인한다. 이러한 진공은 공기 통로(19)를 통해 스트라이커(4)의 배면측에 전달되고, 스트라이커(4) 상에 복귀력을 생성할 수 있으며, 복귀력은 후진 방향으로, 즉 앤빌 전진 충돌 표면(16) 상의 스트라이커(4)의 충돌 지점으로부터 멀어지는 방향으로 스트라이커(4)를 움직인다. 어댑터(1)가 앤빌(14)에 부착된 경우에, 힘은 임플란트 또는 보철의 착좌 및 제거를 위하여 브로치, 끌, 또는 다른 디바이스가 부착되는 어댑터(1)에 전달될 수 있다.
또한, 도구가 캐비티로부터 멀리 당겨질 때, 스트라이커(4)는 앤빌(14)에 충돌하지 않고, 대신에 대안적인 표면에 충돌하고, 이에 의해 앤빌(14) 상에 후진력을 전달한다. 이러한 충돌 표면은 예시적인 실시예에서 작동 핀(27)으로서 도시된다. 작동 핀(27)은 힘을 레버 아암(17)에 전달하고, 레버 아암은 앤빌(14) 상에, 특히 앤빌 후퇴 충돌 표면(26) 상에 후진력을 전달한다.
도구는 제어된 연속 충돌을 더욱 촉진할 수 있으며, 이 충돌은 시동 스위치의 위치에 의존한다(시동 스위치는 예를 들어 전원 또는 모터에 작동적으로 결합될 수 있다). 시동 스위치가 작동된 후에, 시동 스위치의 위치에 의존하는 이러한 연속 충돌에 대하여, 도구는 예를 들어 시동 스위치의 위치에 비례하는 속도로 완전한 사이클을 거칠 수 있다. 그러므로, 단일 충돌 또는 연속 충돌 작동 모드에 의해, 수술 영역의 생성 및 형상화는 의사에 의해 용이하게 제어된다.
제어 수단(21)에 작동적으로 결합된 센서(22)는 선형 운동 변환기(12)의 바람직한 사이클 작동을 조정하는 것을 돕도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 센서(22)는 제어 수단(21)으로 적어도 하나의 위치를 전달할 수 있으며, 전체 동력 스트로크의 적어도 75%가 다음의 사이클에 이용 가능한 위치에서 또는 그 가까이에서 선형 운동 변환기(12)가 정지하는 것을 가능하게 한다. 이러한 위치는 정지 위치(rest position)로서 지칭된다. 이것은 도구가 사이클당 동일한 양의 에너지로 충돌하는 것을 사용자가 보장한다는 점에서 기존의 도구 이상으로 유익한 것으로 알려졌다. 이러한 레벨의 제어 없이, 단일의 사이클 충돌의 반복성은 제한되고, 의사가 도구를 갖는 신뢰성을 감소시킨다.
도구는 예를 들어 에너지 제어 요소(18)의 방식에 의해 사이클당 충돌 에너지의 양을 조절할 수 있다. 충돌 에너지를 제어하는 것에 의해, 도구는 제어되지 않은 충돌 또는 과잉 에너지의 충돌에 의해 유발되는 손상을 피할 수 있다. 예를 들어, 의사는 골다공증을 가진 노년 환자의 경우에 충돌 세팅을 감소시킬 수 있거나, 또는 더욱 탄력적이거나 또는 온전하고 건강한 뼈 구조에 대하여 충돌 세팅을 증가시킬 수 있다.
한 실시예에서, 에너지 제어 요소(18)는 바람직하게 스트라이커(25)를 홀딩하는 멈춤쇠(10) 상의 선택 가능한 해제 세팅을 포함할 수 있다. 멈춤쇠(10)로부터 스트라이커(25)를 축출하는데 필요한 압력이 증가되는 경우에, 스트라이커(25)가 보다 큰 에너지로 앤빌(14)에 충돌할 것이라는 것은 명백하다. 다른 실시예에서, 멈춤쇠(10)는 전기 제어식 요소를 포함할 수 있다. 전기 제어식 요소는 상기 사이클에서의 상이한 지점에서 해제될 수 있으며, 그러므로 스트라이커(25) 상에서 작용하는 진공 챔버(23)의 크기를 제한한다. 한 실시예에서, 전기 제어식 요소는 전자석이다.
다른 실시예에서, 진공 챔버(23) 또는 압축 공기 챔버(5)는 조정 가능한 밸브와 같은 조정 가능한 누설의 형태를 취하는 에너지 제어 요소(18)를 포함할 수 있다. 누설은 스트라이커(4 또는 25)를 가속하는 에너지의 양을 감소시키며, 그러므로 앤빌(14) 상에서의 충돌 에너지를 감소시킨다. 조정 가능한 누설의 경우에, 누설을 최대로 조정하는 것은 스트라이커(4 또는 25)로부터 가장 낮은 충돌 에너지를 줄 수 있으며, 누설을 차단하도록 조정하는 것(제로 누설)은 스트라이커(4 또는 25)로부터 가장 높은 충돌 에너지를 줄 수 있다.
도구는 스트라이커(4 또는 25)와 수술 엔드 이펙터 사이에 삽입된 컴플라이언스 수단을 추가로 포함할 수 있으며, 이것의 목적은 보다 긴 시간 기간 동안 충격력을 더욱 널리 퍼지게 하는 것이며, 그러므로 감소된 힘에서 충돌당 동일한 전체 에너지를 달성한다. 이러한 것은 도 10에 도시된 바와 같은 설비 상에서 2개의 로드 셀 테스트의 결과로서 명확하게 보여질 수 있다. 이러한 형태의 컴플라이언스 수단은 피크가 환자의 뼈에서의 골절을 유발하는 것을 불가능하게 하도록 충돌 동안 이러한 피크 힘을 제한할 수 있다. 추가의 실시예에서, 이러한 컴플라이언스 수단은 조정 가능하고, 여전히 추가의 실시예에서, 컴플라이언스 수단은 스트라이커(4 또는 25)와 앤빌(14) 또는 수술 도구 사이에 삽입될 수 있다. 이러한 방식 및 다른 방식에서, 도구는 일정한 축방향 브로칭 및 임플란트 착좌를 촉진한다. 바람직하게, 컴플라이언스 수단은 적어도 4밀리초, 바람직하게 10밀리초까지 스트라이커로부터 충돌 시간을 증가시킨다. 이러한 것은, 스트라이커(4 또는 25)와 앤빌(14)의 비교적 높은 강도(예를 들어, 둘 모두 강)로 인하여 매우 큰 힘이 발생되는 충돌과 대조적이다. 바람직하게, 컴플라이언스 수단은, 충돌으로부터 잘 회복하고 전체 에너지에서 최소 댐핑을 주는 우레탄, 고무 또는 다른 탄성재와 같은 탄력재를 포함한다.
추가 실시예에서, 어댑터(1)는, 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터의 위치가 의사에게 도구를 회전시키도록 요구함이 없이 변경될 수 있도록, 링크 배열 또는 다른 조정 수단을 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 어댑터(1)는 옵셋 메커니즘을 통하여 또는 도구와 환자 사이의 회전 또는 선회 커플링에 의해 전위 또는 후위 조인트 교체를 위하여 브로치를 수용할 수 있다. 어댑터(1)는 이에 의해 도구의 본체와 스트라이커(25)에 평행하거나 또는 동일 선상에 있는 배향으로 브로치 또는 수술 엔드 이펙터를 유지할 수 있다. 어댑터(1)는 도구의 작동 동안 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터를 안전하게 홀딩할 수 있는 클램프, 바이스, 또는 임의의 다른 체결구를 또한 포함할 수 있다.
사용 시에, 의사는 핸들 그립 또는 그립들로 도구를 확실하게 홀딩하고, 작업 영역을 조명하고 보철 또는 임플란트 상의 원하는 위치에, 도구에 부착된 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터를 정확하게 위치시키도록 LED에 의해 발산된 광을 이용한다. 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터 위에서 도구에 의해 주어진 왕복 운동은 캐비티의 형상화 및 보철의 착좌 또는 제거를 가능하게 한다.
본 명세서에 개시된 도구는 종래 기술 이상의 다양한 이점을 제공한다. 이는 수술 부위에서 제어된 충돌을 용이하게 하며, 이러한 것은 환자의 인체에 대한 불필요한 손상을 최소화하고, 임플란트 또는 보철 자리의 정밀한 형상화를 가능하게 한다. 도구는 또한 의사가 충돌의 방향, 힘 및 진동수를 조절하도록 허용하며, 이러한 것은 도구를 조작하는 의사의 능력을 개선한다. 충돌 세팅의 힘 및 컴플라이언스 제어 조정은 의사가 환자의 특정 뼈 형태 또는 다른 프로파일에 따라서 충돌의 힘을 설정하도록 허용한다. 개선된 효율 및 감소된 선형 운동 변환기 부하는 보다 작은 배터리의 사용 및 보다 저렴한 비용의 부품의 사용을 가능하게 한다. 도구는 이에 의해 임플란트 캐비티 내로 또는 외부로 보철 또는 임플란트의 적절한 착좌 또는 제거를 가능하게 한다.
본 발명의 특정 실시예의 이전의 설명은 예시 및 설명의 목적을 위하여 제공되었다. 이것들은 개시된 특정 형태로 본 발명을 완전하도록 또는 제한하도록 의되되지 않으며, 명백히 많은 변형 및 변경이 상기 교시의 관점에서 가능하다. 예시적인 실시예는 본 발명의 원리 및 그 실제 적용을 최상으로 설명하기 위하여 기술되며, 이에 의해 고려된 특정 용도에 적합한 것으로서 다양한 변형과 함께 본 발명 및 다양한 실시예를 당업자가 최상으로 이용하도록 할 수 있다.

Claims (19)

  1. 반대되는 방향으로 수술 도구를 작동시키기 위해 반복 가능하고 제어된 타격력으로 물체를 타격하기 위한 배터리 구동의 외과적 충돌 도구에 있어서,
    상기 외과적 충돌 도구는,
    구동 메커니즘;
    상기 충돌 도구의 구동 메커니즘에 전원을 공급하는 일체형 전원;
    상기 구동 메커니즘에 대해 응답하여 반복 가능한, 제어된 타격력을 산출하도록 에너지 저장 메커니즘에 구동 에너지의 저장 및 해제를 제어하기 위한 제어 회로;
    상기 물체에 접속하기 위하여 수술 도구를 해제 가능하게 수용하도록 구성된 어댑터; 및
    상기 어댑터에 반복 가능하고 제어된 타격력을 제공하기 위해서, 전달된 반복 가능하고 제어 가능한 타격력에 기초하여 적어도 두 개의 별개의 충돌 표면들로부터 선택된 하나의 충돌 표면에 충돌 가능한 스트라이커;
    를 포함하고,
    제1 충돌 표면에 대한 반복 가능하고 제어 가능한 타격력의 제공은 상기 어댑터를 제1 방향으로 향하게 하고, 제2 충돌 표면에 대한 반복 가능하고 제어 가능한 타격력의 제공은 상기 어댑터를 상기 제1 방향과 반대되는 방향으로 향하게 하는 외과적 충돌 도구.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 충돌 표면들은 상기 충돌 도구에 작용된 사용자 편향력에 기초되는 외과적 충돌 도구.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 물체의 방향으로 되는 사용자 편향력은 상기 스트라이커가 상기 제1 충돌 표면에 충돌하게 하는 외과적 충돌 도구.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 물체로부터 멀리 향하는 방향으로 되는 사용자 편향력은 상기 스트라이커가 제2 충돌 표면에 충돌하게 하는 외과적 충돌 도구.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 메커니즘은 저장 사이클의 일부에 대해서 9 psia 미만으로 작동하는 챔버를 포함하는 외과적 충돌 도구.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 메커니즘은 적어도 50 psia의 압력에서 작동되는 외과적 충돌 도구.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 메커니즘은 상기 스트라이커가 상기 제1 방향으로 수술 도구를 향하게 하기 위해 상기 제1 충돌 표면에 충돌할 때 적어도 부분 진공 하에 있는 챔버를 포함하는 외과적 충돌 도구.
  8. 제1항에 있어서,
    멈춤쇠 메커니즘을 더 포함하고,
    상기 멈춤쇠 메커니즘은 상기 에너지 저장 메커니즘이 상기 스트라이커에 에너지를 해제하게 하기 위해서 상기 멈춤쇠 메커니즘이 해제될 때까지 제1 위치에 상기 스트라이커를 유지하는 외과적 충돌 도구.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 저장 메커니즘은 압축 공기 저장 챔버인 외과적 충돌 도구.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스트라이커가 환자 프로파일에 따라서 상기 어댑터에 전달하는 충돌 에너지를 조절하기 위한 에너지 조절 메커니즘을 더 포함하는 외과적 충돌 도구.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 구동 메커니즘의 출력(output)을 선형 운동으로 변환하기 위한 선형 운동 변환 메커니즘을 더 포함하는 외과적 충돌 도구.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 어댑터의 스트로크를 상기 스트라이커의 스트로크의 50퍼센트 미만으로 제한하기 위한 스트로크 리미터를 더 포함하는 외과적 충돌 도구.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 스트라이커는 상기 적어도 두 개의 충돌 표면을 구비하는 앤빌에 의해서 상기 어댑터에 작동 가능하게 연결되는 외과적 충돌 도구.
  14. 제1항에 있어서,
    일정 기간 동안 상기 적어도 두 개의 별개의 충돌 표면에 타격력을 퍼지게 하기 위한 컴플라이언스 부재를 더 포함하는 외과적 충돌 도구.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 컴플라이언스 부재는 탄력 있는 재질로 형성되는 외과적 충돌 도구.
  16. 제1항에 있어서,
    작동 동안 공기를 배출하기 위한 통기공(opening)을 구비하는 가이드 부분을 더 포함하는 외과적 충돌 도구.
  17. 제11항에 있어서,
    선형 운동 변환을 바람직한 사이클 작동으로 조절하기 위해서 상기 제어 회로에 작동 가능하게 연결된 센서를 더 포함하는 외과적 충돌 도구.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 센서는 선형 전력 변환기의 위치를 감지하여 스트로크를 전체 전력 스트로크의 적어도 75 퍼센트로 제한하는 외과적 충돌 도구.
  19. 삭제
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