KR102567084B1 - 제어된 반복가능 충격을 전달하는 정형외과용 장치 - Google Patents

제어된 반복가능 충격을 전달하는 정형외과용 장치 Download PDF

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Abstract

예시적인 실시예에서, 고관절, 무릎, 어깨 등에서의 정형외과용 충격을 위한 모터-구동식 정형외과용 충격 도구는 브로치, 끌 등과 같은 수술 용구를 보유할 수 있고, 수술 용구는 제어된 충돌식 충격에 의해 공동 내에서 부드럽게 타격될 때 공동의 개구의 크기 또는 체적을 확장시킬 수 있거나 개구로부터의 수술 용구의 제거를 용이하게 할 수 있다. 저장-에너지 구동 메커니즘은 퍼텐셜 에너지를 저장할 수 있고, 이어서 퍼텐셜 에너지를 방출하여 발진 질량체 또는 타격기를 발진시켜 타격력을 전방 방향 또는 역방향으로 어댑터에 전달할 수 있다. 도구는 발진 질량체가 어댑터에 전달하는 타격력을 조절하기 위한 에너지 조절 메커니즘 및 조합된 앤빌과 어댑터를 추가로 포함할 수 있다.

Description

제어된 반복가능 충격을 전달하는 정형외과용 장치
관련 출원
본 출원은 2017년 5월 26일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격 장치(Orthopedic Impacting Device)"인 미국 가특허 출원 제62/511,811호에 대한 우선권을 주장한다. 본 출원은 정형외과용 충격 장치에 관한 하기의 선행 특허 출원들에 관한 것이다: 2017년 10월 20일자로 출원된, 발명의 명칭이 "제어된 반복가능 충격을 전달하는 정형외과용 장치(Orthopedic Device Delivering a Controlled, Repeatable Impact)"인 미국 특허 출원 제15/789,493호; 2013년 3월 8일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격을 위한 전기 모터 구동식 도구(Electric Motor Driven Tool for Orthopedic Impacting)"인 미국 특허 출원 제13/790,870호, 현재 미국 특허 제8,602,124호; 2010년 12월 29일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격을 위한 전기 모터 구동식 도구(Electric Motor Driven Tool for Orthopedic Impacting)"인 미국 특허 출원 제12/980,329호, 현재 미국 특허 제8,695,726호; 2014년 7월 16일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격을 위한 전기 모터 구동식 도구(Electric Motor Driven Tool for Orthopedic Impacting)"인 미국 특허 출원 제14/332,790호, 현재 미국 특허 제8,936,106호; 2012년 5월 8일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격을 위한 전기 모터 구동식 도구(Electric Motor Driven Tool for Orthopedic Impacting)"인 미국 특허 출원 제13/466,870호, 현재 미국 특허 제8,393,409호; 2014년 7월 16일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격을 위한 전기 모터 구동식 도구(Electric Motor Driven Tool for Orthopedic Impacting)"인 미국 특허 출원 제14/332,767호, 현재 미국 특허 제8,936,105호; 2014년 4월 10일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격을 위한 전기 모터 구동식 도구(Electric Motor Driven Tool for Orthopedic Impacting)"인 미국 특허 출원 제14/250,102호; 및 2016년 1월 11일자로 출원된, 발명의 명칭이 "정형외과용 충격을 위한 전기 모터 구동식 도구(Electric Motor Driven Tool for Orthopedic Impacting)"인 미국 특허 출원 제14/992,781호. 모든 위에서 알아본 출원들은 전체적으로 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 발명은 정형외과 시술과 같은 수술 응용에서 충격을 위한 로컬 급전식 도구(locally powered tool)에 관한 것이며, 보다 구체적으로는, 브로치(broach) 또는 다른 엔드 이펙터(end effector)에 제어된 반복가능 충격을 제공하기 위해 발진 질량체(launched mass)에 의해 구동되는 양방향 수술 충격을 위한 핸드헬드(hand-held) 모터 구동식 도구에 관한 것이다.
정형외과 분야에서, 인공 관절과 같은 보철 장치가 종종 환자의 뼈 공동(bone cavity) 내에 이식되거나 안착된다. 공동은 전형적으로 보철물이 안착되거나 이식되기 전에 수술 동안에 형성되는데, 예를 들어 의사가 기존의 뼈를 제거하고/하거나 압밀하여 공동을 형성할 수 있다. 보철물은 일반적으로 공동 내로 삽입되는 스템(stem) 또는 다른 돌출부를 포함한다.
공동을 생성하기 위해, 의사는 보철물의 스템의 형상에 정합하는 브로치를 사용할 수 있다. 당업계에 공지된 해결책은 수술 동안의 의사에 의한 수동 해머링(manual hammering)을 위하여 브로치를 손잡이에 제공하여 브로치를 이식 영역 내로 추진시키는 것을 포함한다. 불행하게도, 이러한 접근법은 투박하고 부정확한 것으로 알려져 있어, 뼈 상에서의 불필요한 기계적 응력으로 이어진다. 결과는 예측불가능할 수 있고, 특정 의사의 기술에 의존할 수 있다. 역사적으로, 이러한 접근법은 많은 경우에 공동의 위치 및 형태에서 부정확성을 초래할 것이다. 부가적으로, 외과의는 브로치에 해머링하고 뼈 및 보철물을 조작하기 위해 이례적인 양의 물리적 힘 및 에너지를 소비하는 것이 요구된다. 가장 중요하게는, 이러한 접근법은 의사가 수술 영역에 불필요한 추가의 외상을 야기하고 그렇지 않으면 건강한 조직, 뼈 구조 등을 손상시킬 위험을 지니고 있다.
보철 공동을 생성하기 위한 다른 기술은 브로치를 공압식으로, 즉 압축 공기에 의해 구동시키는 것이다. 이러한 접근법은, 예를 들어 매달린 공기 라인의 존재, 도구로부터 멸균 수술 구역 내로 배출되는 공기, 및 도구를 작동시키는 의사의 노역(fatigue) 때문에, 충격 도구의 휴대성을 방해한다는 점에서 불리하다. 미국 특허 제5,057,112호에 예시된 바와 같은 이러한 접근법은 충격력 또는 충격 빈도의 정밀한 제어를 허용하지 않으며, 대신에 작동될 때 잭해머(jackhammer)와 매우 유사하게 기능한다. 역시, 정밀한 제어의 임의의 수단의 이러한 결여는 공동의 정확한 브로칭(broaching)을 더 어렵게 만들고, 불필요한 환자 합병증 및 외상으로 이어질 수 있다.
제3의 기술은 공동을 생성하기 위한 컴퓨터-제어식 로봇 아암에 의존한다. 이러한 접근법은 노역 및 정확성 문제를 극복하지만, 이는 매우 높은 자본 비용이 든다는 것을 겪고, 부가적으로 외과의가 수동 접근법으로부터 얻을 수 있는 촉각 피드백을 없앤다.
제4의 기술은, 선형 압축기를 사용하여 단일 스트로크 기준으로 공기를 압축하고 이어서 충분한 압력이 생성된 후에 밸브를 통해 타격기(striker) 상으로 공기를 방출시키는 본 발명자 자신의 이전의 연구에 의존한다. 이는 이어서 타격기가 안내 튜브를 따라 아래로 이동하게 하고, 브로치 및/또는 다른 수술 도구를 보유하는 앤빌(anvil)에 충격을 가하게 한다. 그러나, 이러한 배열은, 공기의 압력으로 인해, 기어 트레인 및 선형 운동 변환기 구성요소 상에서의 큰 힘의 발생을 초래하고, 이러한 큰 힘은 구성요소 상에서의 조기 마모로 이어진다.
제5의 기술은 또한 선형 액추에이터를 사용하여 멈춤쇠(detent)에 대항하여 진공을 생성하는 본 발명자 자신의 이전의 연구에 의존한다. 충분한 진공 체적이 생성된 후에, 멈춤쇠는 타격기를 해제시키며, 타격기가 안내 튜브를 따라 아래로 이동하게 하고, 브로치 또는 다른 수술 도구를 보유하는 앤빌에 충격을 가하게 한다. 그러나, 이러한 배열은 구동 구성요소 상에 과도한 응력을 가하고, 대기압과 같은 환경 조건에 처해진다. 또한, 이러한 기술은 역방향 또는 후방향 충격을 발생시키는 그의 능력에 있어서 제한된다.
결과적으로, 기존의 시스템 및 본 발명자의 이전의 해결책의 다양한 단점을 극복하는 개선된 구동 조립체를 갖는 충격 도구에 대한 필요성이 존재한다.
전술한 단점을 고려하여, 고관절, 무릎, 어깨 등에서 정형외과용 충격을 위해 전기 모터-구동식 정형외과용 충격 도구가 제공된다. 도구는 브로치, 끌(chisel) 또는 다른 엔드 이펙터를 보유하고, 제어된 충돌식 충격으로 공동 내로 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터를 부드럽게 타격하여, 보철물 또는 이식체에 대한 더 양호한 맞춤이 얻어지게 할 수 있다. 또한, 그러한 전기적으로 조작되는 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터에 의해 제공되는 제어는 환자의 특정 뼈 유형 또는 다른 프로파일에 따른 충격 설정의 조절을 허용한다. 도구는 부가적으로 적절한 안착을 가능하게 하고, 양방향 이동의 경우에 이식 공동 내외로의 보철물 또는 이식체의 제거를 가능하게 하며, 유리하게는 기구(instrument)를 안내함에 있어서 기존의 외과의의 기술을 증대시킨다.
소정 실시예에서, 전기 모터-구동식 정형외과용 충격 도구는 로컬 전원(예를 들어, 배터리 또는 연료 전지), 모터 조립체, 제어기, 하우징, 퍼텐셜 에너지(potential energy)를 저장 및 방출할 수 있는 가스 또는 기계식 스프링과 같은 저장-에너지 구동 시스템 또는 메커니즘, 및 전방 및/또는 후방 방향으로 작동되도록 저장-에너지 구동 시스템에 의해 동력공급되고 수술 용구(surgical implement)에 대해 충격력을 발생시킬 수 있는 타격기를 포함한다. 모터 조립체는 선형 구동부를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 모터 조립체는 회전 구동부, 및 회전 운동을 선형 운동으로 변환하는 방법(이하, 선형 운동 변환기로 지칭됨)을 포함할 수 있다. 도구는 LED와 같은 반도체 광원 또는 전통적인 백열 광원에 의해 수술 영역에 집중된 조명을 추가로 전달할 수 있다. 의사에 의한 도구의 취급을 위해 또는 도구를 로봇 조립체 내로 통합하기 위한 적합한 장착 인터페이스를 위해 손잡이가 제공될 수 있다. 배터리와 같은 로컬 전원이 또한 포함된다. 전형적인 바와 같이, 다양한 구성요소 중 적어도 일부는 바람직하게는 하우징 내에 수용된다. 도구는 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터, 또는 이식체 상에 사이클식 반복가능 충격력을 인가할 수 있다. 충격력의 반복성이 주어지면, 충격력을 다수의 수준으로 미세하게 조정하는 것이 또한 고려된다. 이를 위해, 다수의 스프링이 키트 구성 방식으로 장치와 함께 제공될 수 있으며, 이에 의해 일정 범위의 구동력을 제공하기 위해 외과 시술 동안에 필요한 대로 상이한 시각적으로 코딩된 스프링들이 도구에 제거가능하게 도입될 수 있다.
저장-에너지 구동 시스템에 관하여, 일부 실시예에서, 시스템은 캠(cam) 및 캠으로부터 반경방향으로 돌출되는 웜(worm)과 조합된 모터에 의해 작동가능하고, 이는 스프링을 압축하는 제1 방향으로 회전하여서 저장-에너지 구동 시스템 내에 퍼텐셜 에너지를 저장한다. 캠은 예를 들어 배럴(barrel) 캠 또는 원통형 캠일 수 있다. 캠은 더욱 계속 회전하여 저장된 에너지를 방출시키고, 방출된 에너지는 이어서 질량체를 가속시켜 전방향 충격을 발생시킬 수 있다. 일례로서, 저장된 퍼텐셜 에너지가 증가되는 기계식 스프링 또는 가스 스프링의 충분한 변위 후에, 캠과 웜은 웜이 질량체에 작용하는 것을 중단하는 제2 웜 단부를 지나 웜이 이동할 때까지 계속 회전하여, 저장된 에너지를 방출시킨다. 방출시, 저장된 퍼텐셜 에너지는 질량체가 앤빌 또는 다른 충돌 표면과 같은 충돌 지점과 작동식으로 접촉할 때까지 질량체를 전방 방향으로 가속시킨다. 반대로, 양방향 충격 시스템을 포함하는 실시예에서, 캠은 반대의 제2 방향으로 택일적으로 회전하여, 스프링을 압축하여, 스프링 저장 시스템 내에 퍼텐셜 에너지를 다시 저장할 수 있다. 이러한 예에서, 캠 및 웜은 이것이 스프링 저장 시스템에 작용하는 것을 중단하고 스프링 저장 시스템이 저장된 에너지를 방출시킬 수 있는 제1 웜 단부로 더욱 계속 회전하며, 방출된 에너지는 이어서 질량체를 가속시켜 후방향 충격을 생성할 수 있다. 일례로서, 스프링의 저장된 퍼텐셜 에너지가 증가되는 스프링의 충분한 변위 후에, 캠과 웜은 웜이 질량체에 작용하는 것을 중단하는 제1 웜 단부를 지나 웜이 이동할 때까지 계속 회전하여, 저장-에너지 구동 시스템(또는 메커니즘)을 해제시킨다. 방출시, 저장-에너지 구동 시스템 내의 퍼텐셜 에너지는 질량체가 앤빌 또는 다른 충돌 표면과 같은 충돌 지점과 작동식으로 접촉할 때까지 질량체를 반대의 후방 방향으로 가속시킨다.
예시적인 실시예에서, (저장-에너지 구동 시스템의 일부 또는 전부를 포함할 수 있는) 발진 질량체는 그의 충돌 지점 이전에 푸셔 플레이트(pusher plate) 또는 푸싱(pushing) 표면으로부터 분리된다. 따라서, 이 실시예에서, 전체 저장-에너지 구동 시스템이 발진 질량체이므로, 매우 높은 효율이 예기치 않게 달성되었다. 기계식 스프링을 사용하는 추가의 실시예에서, 스프링의 압축비는 그의 자유 길이의 약 50% 미만, 더 바람직하게는 그의 자유 길이의 40% 미만이다. 본 발명자는 그러한 압축비가 전달되는 충격 에너지의 일관성을 증가시키고 영구적인 스프링 변형의 가능성을 감소시킨다는 것을 발견하였다.
추가의 예시적인 실시예에서, 손잡이는 외과의가 도구를 브로치의 방향과 동일 선형으로 밀거나 잡아당기는 인라인(inline) 도구를 제공하기 위해 도구에 대해 재위치가능하거나 되접힘가능할 수 있다. 이는 도구가 작동 중인 동안에 외과의가 도구를 잡아당길 수 있는 토크의 양을 제한하는 이점을 갖는다. 핸드 그립(hand grip)의 추가의 개량에서, 수술 기구를 안내하고 충격 작동 동안에 증가된 안정성을 제공하기 위한 추가의 핸드 그립이 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 도구는 로봇에 부착될 수 있어서 손잡이에 대한 필요성을 없앨 수 있고, 도구는 유선 연결식 또는 원격 전원을 사용할 수 있다.
추가의 예시적인 실시예에서, 수술 용구(예컨대, 어댑터, 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터)는, 예를 들어 도 9에 예시된 바와 같이, 다수의 위치로 회전되면서 여전히 축방향 정렬을 유지할 수 있는데, 여기서 어댑터는 4개의 상이한 위치들에서 회전가능하고, 각각의 위치는 90°만큼 회전되어 있다. 이는 예를 들어 수술 동안 다양한 해부학적 외양에서 어댑터 또는 브로치의 사용을 용이하게 한다.
예시적인 실시예에서, 도구의 앤빌은 2개의 충돌 지점, 즉 전방 타격 표면(striking surface) 또는 제1 표면과 후방 타격 표면 또는 제2 표면 중 적어도 하나; 및 타격기가 실질적으로 축방향인 방향으로 이동하게 하는 안내 롤러, 베어링, 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 테플론 트랙(Teflon track)과 같은 안내 조립체를 포함한다. 타격기의 충돌 지점 및 수술 도구 상의 결과적인 힘은 전방 방향 및 역방향 둘 모두일 수 있다. 양방향 충격 작동에서, 수술 도구 상의 전방향 힘이 발생될 때, 타격기는 안내 조립체를 따라 이동하여 전방 방향으로 계속된다. 타격기의 충돌 지점 및 수술 도구 상의 결과적인 힘을 변경하기 위해 역전(reversing) 메커니즘이 사용될 수 있다. 그러한 역전 메커니즘의 사용은 후방향 힘이 앤빌 및/또는 브로치 또는 다른 수술 부착물에 가해지게 한다. 이와 관련하여 사용되는 바와 같이, "전방 방향"은 수술 용구 또는 환자를 향한 타격기의 이동을 의미하고, "후방 방향"은 수술 용구 또는 환자로부터 멀어지는 타격기의 이동을 의미한다. 양방향 또는 일방향 충격의 선택성은, 예를 들어 미국 특허 제8,602,124호에서 논의된 바와 같이, 재료 제거 또는 재료 압밀의 선택이 흔히 외과 시술에서 중요한 결정이라는 점에서, 이식 공동 내에서 재료를 절삭 또는 압축하는 데 있어서 외과의에게 유연성을 제공한다. 또한, 본 발명자 자신의 이전의 연구의 사용에서, 역방향 충격력이 전방향 충격력과 대략 동일할 수 있다면, 도구가 더 넓은 범위의 외과 시술에 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 일 실시예에서, 전방향 및 후방향 힘들은 적어도 2개의 별개의 개별 지점에 충격을 가한다.
예시적인 실시예에서, 앤빌 및 어댑터는 단일 요소를 포함하거나, 하나가 다른 것과 일체형일 수 있다.
해체 작업에 사용되는 바와 같은, 미국 특허 제6,938,705호에 도시된 전형적인 충격기에서, 속도를 변화시키는 것은 충격력을 변화시켜, 가변 속도 작동에서 +/-20%로 정의되는 일정한 충격 에너지를 유지하는 것을 불가능하게 한다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 도구는 에너지 조절 요소 또는 메커니즘을 포함하는 제어 요소 또는 제어기를 포함하고, 이 에너지 조절 요소는 저장-에너지 구동 메커니즘으로부터 출력되는 에너지의 저장 및 방출을 제어함으로써 도구의 충격력을 제어할 수 있다. 에너지는 전자적으로 또는 기계적으로 조절될 수 있다(예를 들어, 도 9의 스위치(34) 참조). 또한, 에너지 조절 요소는 아날로그식일 수 있거나 고정된 설정을 가질 수 있다. 이러한 제어 요소는 충격 작동의 정밀한 제어를 허용한다. 에너지 조절 요소는 외과의가 환자의 프로파일에 따라 도구의 충격 에너지를 증가시키거나 감소시키게 한다.
추가의 예시적인 실시예에서, 도구는 또한, 예를 들어 도 9에 예시된 기계식 스위치(36)를 사용하여, 타격기의 충격 이동의 빈도를 제어할 수 있다. 타격기의 빈도를 조절함으로써, 도구는 예를 들어 더 큰 총 시간-가중된 충돌식 충격을 부여하면서 동일한 충격 크기를 유지할 수 있다. 이는 수술 용구의 절삭 속도에 대하여 외과의의 더 양호한 제어를 허용한다. 예를 들어, 외과의는 수술 용구 이동의 대부분 동안에 보다 빠른 속도(더 높은 빈도의 충격)에서의 절삭을 선택하고, 이어서 수술 용구가 원하는 깊이에 접근함에 따라 절삭 속도를 늦출 수 있다. 실제로, 도구의 시험 동안, 초당 2 내지 6 줄(joule), 바람직하게는 초당 최대 40 줄과 같은 충격당 일정한 에너지와 결합된, 초당 3회 충격, 바람직하게는 초당 최대 10회 충격과 같은 더 높은 빈도의 충격 속도가 외과의가 소정의 수술 용구를 더 잘 위치시키게 하였음을 발견하였다. 이는 예를 들어 비구 컵(acetabular cup)의 안착에서 보여졌는데, 여기서 초당 2 내지 6 줄의 에너지에서 초당 적어도 3회 충격의 충격 빈도는 종래 기술의 수동 해머링 기술에 비해 비구 컵의 위치의 훨씬 더 양호한 제어가 얻어지게 하였다.
예시적인 실시예에서, 저장-에너지 구동 메커니즘 또는 에너지 저장 및 방출 메커니즘은 기계적으로 또는 전기적으로 작동 지점을 한정한다. 그 결과, 충격당 에너지는 선택된 작동 지점에 따라 전달된다. 실제로, 충격당 에너지는 20%보다 더 양호하게 제어될 수 있다. 추가의 실시예에서, 충격이 사용자에 의해 선택가능한 미리 결정된 빈도로 전달되도록 타이밍 요소가 시스템 내에 통합될 수 있다. 전자 제어 요소 또는 제어기의 사용, 또는 충격 속도의 정밀 제어는 외과의가 도구에 의해 전달되는 총 에너지를 제어하게 한다.
소정 실시예에서, 충격 방향은 사용자에 의해 도구 상에 배치되고 앤빌 상의 센서, 예를 들어 포지셔너(positioner) 센서에 의해 검출되는 편의력(biasing force)에 의해 제어된다. 예를 들어, 도구를 전방 방향으로 편의시키는 것은 발진 질량체가 전방으로 발진되게 하고 전방향 충격을 제공하는 반면, 도구를 후방 방향으로 편의시키는 것은 발진 질량체가 후방으로 발진되게 하고 후방향 충격을 제공한다.
일부 실시예에서, 도구는, 작업 영역을 조명하고 수술 용구를 보철물 또는 이식체 상의 원하는 위치에 정확하게 위치시키기 위해 조명 요소를 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 피스톤의 헤드와 타격기의 단부 사이에 범퍼(bumper)가 미리 배치되어, 충격 응력을 감소시키고 전체 조립체의 수명을 연장시킨다.
일부 실시예에서, 도구는 또한, 소정 크기를 넘어서는 굽힘 또는 선-이탈(off-line) 배향이 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터 또는 이식 인터페이스에서 검출될 때 또는 정형외과용 용구가 전진하지 않을 때 사용자에게 경고하는 피드백 시스템을 포함한다.
일부 실시예에서, 도구는 또한 교체가능 카트리지가 충격력을 변화시키게 한다. 이들 카트리지는 모터 조립체 또는 선형 운동 변환기에 의해 작동될 때 저장-에너지 시스템에 의해 전달되는 총 에너지에 의해 등급이 매겨질 수 있다. 일례로서, 2 내지 3 줄 이하의 범위의 한계치를 갖는 저-출력 카트리지가 연질 또는 골다공증 뼈에 사용될 수 있다. 젊은 경골(hard bone)의 경우에, 4 줄 이상의 충격 에너지를 갖는 강력 카트리지가 선택될 수 있다. 일 실시예에서 출력에 따라 시각적으로 코딩될 수 있는 다양한 카트리지를 허용함으로써, 외과의는 키트에서 도구와 함께 제공되는 적절한 출력의 카트리지를 간단히 선택함으로써 사이클당 충격 에너지를 결정하는 데 있어서 유연성을 가질 것이다.
일부 실시예에서, 도구는 작동가능하게 연결된 수술 용구를 구동하기 위해 초당 1 내지 10회의 속도로 내부에 저장된 에너지를 방출하는 에너지 저장 및 방출 메커니즘, 에너지 저장 및 방출 메커니즘의 저장 및 방출을 모니터링 및 관리하도록 구성되는 제어기, 수술 용구를 고정하기 위한 어댑터, 및 방출 에너지에 응답하는 충격력을 수술 용구에 전달하기 위한 발사 질량체(thrown mass)를 포함한다.
일부 실시예에서, 에너지 저장 및 방출 메커니즘은 충격력을 발생시키기 위해 스프링을 압축하고 해제하도록 회전하는 배럴 또는 원통형 캠을 포함한다. 배럴 또는 원통형 캠은 배럴 캠으로부터 돌출되는 웜, 및 웜과 스프링을 연결하는 캠 종동자(cam follower)를 포함할 수 있으며, 여기서 배럴 또는 원통형 캠의 회전은 캠 종동자를 스프링에 대항하여 밀고 캠 종동자를 스프링으로부터 해제시킨다. 웜은 제1 웜 단부와 제2 웜 단부 사이에서 연장되는 나선 표면(helicoid surface)을 포함할 수 있다. 캠 종동자는 배럴 또는 원통형 캠이 회전함에 따라 맞닿음 지점으로부터 제1 웜 단부까지 나선 표면 상에서 활주할 수 있다.
일부 실시예에서, 도구는 작동가능하게 연결된 수술 용구를 구동하기 위해 초당 1 내지 10회의 속도로 내부에 저장된 에너지를 방출하는 에너지 저장 및 방출 메커니즘, 에너지 저장 및 방출 메커니즘의 저장 및 방출을 모니터링 및 관리하도록 구성되는 제어기, 수술 용구를 고정하기 위한 어댑터, 및 방출 에너지에 응답하는 충격력을 수술 용구에 전달하기 위한 발사 질량체를 포함한다.
일부 실시예에서, 에너지 저장 및 방출 메커니즘은 발사 질량체를 변위시키고 충격력을 발생시키기 위해 스프링을 압축하고 해제하도록 회전하는 배럴 또는 원통형 캠을 포함한다. 배럴 또는 원통형 캠은 배럴 또는 원통형 캠으로부터 돌출되는 웜, 및 웜과 스프링을 연결하는 캠 종동자를 포함할 수 있으며, 여기서 배럴 또는 원통형 캠의 회전은 캠 종동자를 스프링에 대항하여 밀고 캠 종동자를 스프링으로부터 해제시킨다. 웜은 제1 웜 단부와 제2 웜 단부 사이에서 연장되는 나선 표면을 포함할 수 있다. 캠 종동자는 배럴 또는 원통형 캠이 회전함에 따라 제1 웜 단부로부터 제2 웜 단부까지 나선 표면 상에서 활주할 수 있다.
본 발명의 다른 태양들과 함께 이들은, 본 발명을 특징짓는 신규성의 다양한 특징부와 더불어, 특히 본 명세서에 첨부되고 본 발명의 일부를 형성하는 청구범위에서 언급되어 있다. 본 발명, 그의 작동 이점, 및 그의 사용에 의해 얻어지는 구체적인 비제한적인 대상의 보다 양호한 이해를 위해, 본 발명의 예시적인 실시예들이 예시되고 기술되어 있는 첨부 도면 및 상세한 설명을 참조해야 한다.
예시적인 구현예들의 전술한 전반적인 설명 및 그의 하기의 상세한 설명은 단지 본 발명의 교시 내용의 예시적인 태양들이며, 제한적인 것이 아니다.
본 명세서에 포함되고 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 하나 이상의 실시예를 예시하며, 상세한 설명과 함께 이들 실시예를 설명한다. 첨부 도면은 반드시 축척대로 그려진 것은 아니다. 첨부 그래프 및 도면에 예시된 임의의 값 치수는 단지 예시 목적을 위한 것이며, 실제 또는 바람직한 값 또는 치수를 나타낼 수 있거나 나타내지 않을 수 있다. 적용가능한 경우, 일부 또는 모든 특징부는 하부에 놓인 특징부의 설명을 돕기 위해 예시되지 않을 수 있다. 도면에서:
도 1은 기계식 스프링 조립체 시스템이 전방향 충격력을 생성하는 데 사용되는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과용 충격 도구의 사시도.
도 2는 배럴 또는 원통형 캠이 피스톤을 전방향 충격을 위한 해제를 위한 작동 위치에 위치시킨, 도 1의 도구의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 3은 저장된 에너지가 방출된 후에, 발진 질량체가 전방 방향으로 충돌 지점을 향해 가속되는, 도 1의 도구의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 4는 기계식 스프링이 후방향 충격력을 생성하는 데 사용되는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과용 충격 도구의 사시도.
도 5는 다른 각도로부터의 도 4의 충격 도구의 다른 사시도.
도 6은 기계식 스프링의 배럴 또는 원통형 캠이 피스톤을 후방향 충격을 위한 해제를 위한 작동 위치에 위치시킨, 도 4의 도구의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 스프링이 해제된 후에, 발진 질량체가 후방 방향으로 충돌 지점을 향해 가속되는, 도 4의 도구의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과용 충격 도구의 사이클 작동을 예시하는 예시적인 흐름도.
도 9는 에너지 및 빈도-관련 파라미터들을 제어하기 위해 사용되는 기계식 스위치들을 갖는 도구의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 충격 방향을 결정하는 데 사용되는 위치 센서를 갖는 도구의 예시적인 실시예를 도시하는 도면.
도 11은 단일 스프링이 전방향 충격력 및 후방향 충격력을 생성하는 데 사용되는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과용 충격 도구의 사시도.
도 12는 다른 각도로부터의 도 11의 충격 도구의 다른 사시도.
도 13은 도 11의 충격 도구의 단면도.
첨부 도면과 관련하여 하기에 기술되는 설명은 개시된 요지의 다양한 예시적인 실시예의 설명이도록 의도된다. 특정 특징들 및 기능들이 각각의 예시적인 실시예와 관련하여 기술되지만, 개시된 실시예들이 그들 특정 특징들 및 기능들 각각 없이 실시될 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.
본 명세서 전체에 걸쳐 "일 실시예" 또는 "실시예"에 대한 언급은 실시예와 관련되어 기술된 특정 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 요지의 적어도 하나의 실시예에 포함됨을 의미한다. 본 명세서 전체에 걸쳐 다양한 곳에서의 어구 "일 실시예에서" 또는 "실시예에서"의 출현은 반드시 동일한 실시예를 지칭하는 것은 아니다. 또한, 특정 특징, 구조 또는 특성은 하나 이상의 실시예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 개시된 요지의 실시예들이 그의 수정 및 변형을 포함하는 것이 의도된다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위에 사용되는 바와 같이, 단수 형태("a", "an" 및 "the")는 그 내용이 명백히 달리 지시하지 않는 한 복수의 지시 대상을 포함하는 것에 유의하여야 한다. 즉, 명백히 달리 명시되지 않는 한, 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단수 단어("a", "an", "the" 등)는 "하나 이상"의 의미를 지닌다. 부가적으로, 본 명세서에 사용될 수 있는 "좌측", "우측", "상단", "저부", "전방", "후방", "측부", "높이", "길이", "폭", "상부", "하부", "내부", "외부", "내측", "외측" 등과 같은 용어가 단지 기준점을 기술하고, 본 발명의 실시예들을 반드시 임의의 특정 배향 또는 구성으로 제한하는 것이 아님이 이해될 것이다. 또한, "제1", "제2", "제3" 등과 같은 용어는 단지 본 명세서에 개시된 바와 같은 다수의 부분, 구성요소, 단계, 작동, 기능, 및/또는 기준점 중 하나를 식별하며, 마찬가지로 본 발명의 실시예들을 반드시 임의의 특정 구성 또는 배향으로 제한하는 것은 아니다.
또한, 용어 "대략", "약", "근사", "작은 변동" 및 유사한 용어는 일반적으로 소정 실시예에서 20%, 10% 또는 바람직하게는 5%의 여유 내의 식별된 값, 및 이들 사이의 임의의 값들을 포함하는 범위를 지칭한다.
일 실시예와 관련하여 기술된 기능들 모두는, 명백히 언급되는 경우 또는 특징 또는 기능이 추가 실시예들과 비-상용인 경우를 제외하고는, 후술되는 추가 실시예들에 적용가능하도록 의도된다. 예를 들어, 주어진 특징 또는 기능이 일 실시예와 관련하여 명백히 기술되지만, 대안적인 실시예와 관련하여 명백히 언급되지 않는 경우, 그 특징 또는 기능이 대안적인 실시예와 비-상용이 아닌 한 그 특징 또는 기능이 대안적인 실시예와 관련하여 활용되거나 이용되거나 구현될 수 있음을 본 발명자가 의도한다는 것이 이해되어야 한다.
모터-구동식 정형외과용 충격 도구에는 제어된 충돌식 충격이 제공된다. 모터는 맥슨 모터(Maxon Motor)(등록상표) 및/또는 포르테스캡(Portescap)(등록상표)으로부터 일반적으로 입수가능한 것들과 같은 무-브러시 오토클레이브-사용가능 모터(brushless, autoclavable motor)와 같은 전기 모터일 수 있다. 모터는 배터리 작동식일 수 있다. 정형외과용 충격 도구에 대한 에너지 공급은 정형외과용 충격 도구에 대한 무선 휴대성을 제공할 수 있다. 도구는 단일 충격 및 다수 충격뿐만 아니라 가변적이고 다양한 방향, 힘 및 빈도의 충격을 수행하는 능력을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 충격 에너지는 조절가능하다. 소정 실시예에서, 충격은 도구에 연결된 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터와 같은 수술 용구로 전달된다.
일부 실시예에서, 도구는 하우징을 포함한다. 하우징은 도구의 적어도 하나의 구성요소를 확실히 덮고 보유할 수 있으며, 라델(Radel)(등록상표)로도 알려진 폴리페닐설폰(PPSF 또는 PPSU) 또는 알루미늄과 같은, 수술 응용에 적합한 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예에서, 하우징은 모터 조립체, 적어도 하나의 감속 기어, 스프링 요소, 타격기 또는 발진 질량체, 제어 회로 또는 모듈, 앤빌, 전방향 충격을 위한 제1 또는 전방 타격 표면, 및 후방향 충격을 위한 상이한 제2 또는 후방 타격 표면을 포함한다. 모터 조립체는 회전 모터 구동을 변환시키기 위한 선형 운동 변환기를 포함할 수 있다. 스프링 요소는 기계식 또는 가스 스프링일 수 있다.
도구는 도구의 편안하고 견고한 보유를 위한 선택적인 핸드 그립을 갖는 손잡이 부분, 또는 사용 중인 동안에 도구를 로봇 조립체 내에 통합시키기 위한 적합한 장착 인터페이스, 및 어댑터, 배터리, 위치 센서, 방향성 센서, 및 비틀림 센서를 추가로 포함할 수 있다. 도구는 또한 LED와 같은 반도체 광원 또는 전통적인 백열 광원에 의해 집속 조명을 전달하여, 외과의가 도구를 이용하는 수술 업무 구역에서 광을 제공할 수 있다. 앤빌은 인터페이싱 어댑터의 사용을 통해 당업계에 공지된 수술 용구 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터에 결합될 수 있으며, 이 어댑터는 상이한 브로칭 크기들의 빠른 변경을 용이하게 하기 위해 신속 연결 메커니즘을 가질 수 있다. 앤빌은 손잡이와 같은 도구 특징부에 대한 조직 간극을 얻는 것에 관해 상이한 방식들로 도구가 위치되게 하는 로킹 회전 특징부(locking rotational feature)를 추가로 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 발진 또는 발사 질량체의 축이 이동 방향을 따라 어댑터의 축의 20도 내까지, 더 바람직하게는 어댑터의 축의 10도 내까지 축방향으로 정렬된다. 그러한 축방향 정렬은 수술 용구로 전달되는 에너지를 최대화하는 것뿐만 아니라 골절과 같은 부정적 수술 결과의 원인이 될 수 있는 축외(off-axis) 힘의 발생을 최소화하는 관점에서 중요하다.
이제 도 1 내지 도 7을 전반적으로 참조하면, 일부 실시예에서, 예를 들어 도 1에 예시된 바와 같은 기계식 스프링 조립체 시스템을 사용하여 양방향 충격력이 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, 단일의 기계식 스프링 조립체가 사용될 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 정형외과용 충격 도구의 사시도를 도시하는데, 여기서 배럴 또는 원통형 캠(12) 및 캠 종동자(13)를 포함하는 선형 운동 변환기와 조합된 기계식 스프링 조립체 시스템의 모터(8)가 제1 스프링 피스톤(19a)(이하, "제1 피스톤(19a)"으로 지칭됨) 및/또는 발진 질량체 또는 타격기(15)를 작동시켜 궁극적으로 전방향 충격력을 발생시킨다. 피스톤이 일반적으로 추력(thrusting) 또는 푸시 오프(push off) 요소를 지칭하고, 다수의 형상 중 임의의 형상을 가질 수 있음에 유의하여야 한다.
배럴 캠(12)은 모터(8)와 베어링 지지부(124) 사이에서 연장되는 샤프트(122) 상에 길이방향으로 장착된 원통형 부분(120), 및 원통형 부분(120)으로부터 반경방향으로 그리고 원통형 부분(120)의 길이를 따라 제1 웜 단부(126a)로부터 제2 웜 단부(126b)까지 나선형으로 돌출하는 웜(126)을 포함할 수 있다.
베어링 지지부(124)는 제2 푸셔 플레이트(26b)에 의해 지지되는 하우징(125), 및 샤프트(122)를 지지하도록 하우징(125)에 내포된 베어링을 포함할 수 있다.
웜(126)은 후방 표면(126bs), 예컨대 제1 푸셔 플레이트(26a)를 향하는 표면, 및 웜(126)의 전방 표면(126fs), 예컨대 제2 푸셔 플레이트(26b)를 향하는 표면을 포함할 수 있고, 웜은 캠 종동자(13)와 접촉하고, 웜(126)이 회전함에 따라 캠 종동자(13)가 제1 웜 단부(126a)와 제2 웜 단부(126b) 사이에서 직선 이동을 따르게 한다.
캠 종동자(13)는, 도 1 내지 도 3에 예시된 바와 같이, 캠 종동자(13)를 웜(126)의 후방 표면(126bs), 예컨대 푸셔 플레이트(26a)를 향하는 표면과 접촉하게 하고 웜(126)을 제1 방향(42a)으로 회전하게 함으로써, 후방 방향으로, 예컨대 제1 푸셔 플레이트(26a)를 향해 웜(126)을 따라 변위될 수 있다. 유사하게, 캠 종동자(13)는, 도 4 내지 도 7에 예시된 바와 같이, 캠 종동자(13)를 웜(126)의 후방 표면(126fs)과 접촉하게 하고 웜(126)을 제2 방향(42b)으로 회전하게 함으로써, 전방 방향으로, 예컨대 제2 푸셔 플레이트(26b)를 향해 웜(126)을 따라 변위될 수 있다.
배럴 캠(12)은, 작은 반복 스트로크를 통해 캠 종동자(13)와 부딪치는 종래의 수직 캠에 의존할 수 있는 종래의 선형 운동 변환기에 비해, 모터(8)가 더 큰 각도로 회전하게 함으로써 정형외과용 충격 도구의 효율을 향상시킬 수 있다. 즉, 배럴 캠(12)은 모터에 대해 더 큰 회전 라디안(radian)의 사용을 허용하여 에너지를 얻고, 따라서 배터리 상의 전류 드레인을 상당히 감소시킨다. 따라서, 전류 드레인의 감소에 있어서 배럴 캠(12)에 의해 제공되는 이점을 이용함으로써 소정 실시예에서 단일의 1차 배터리가 사용될 수 있다.
게다가, 배럴 캠(12)이 샤프트(122) 상에 직접 장착되어서 정형외과용 도구의 효율을 향상시킬 수 있으므로, 배럴 캠(12)은 기어 조립체, 예컨대 직선형 베벨 기어 조립체의 사용을 방지할 수 있다.
스프링 조립체 시스템은, 일부 실시예에서, 앤빌(5)을 추가로 포함한다. 제1 피스톤(19a)은, 예를 들어 기계식 또는 가스 스프링일 수 있는 제1 스프링(2a)과 맞닿는다. 기계식 스프링 조립체 시스템에서, 스프링의 자유 길이에 대한 편향(deflection)은 바람직하게는 50% 미만이다. 피아노 선(music wire) 또는 더 바람직하게는 스테인리스강 또는 티타늄이 스프링에 적합한 재료이다. 바람직하게는, 스프링은 압축 스프링이지만, 다른 유형의 스프링이 고려된다. 가스 스프링 조립체 시스템에서, 가스 스프링은 예를 들어 약 100 내지 3000 psi의 범위의 압력 하에서 작동한다. 가스 스프링은 바람직하게는 질소와 같은 비-산화 가스, 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 초기에 충전된다. 유리하게는, 질소는 가스 스프링의 시일(seal)을 통해 보다 낮은 투과율을 가져, 시일 및 스프링 자체에 대해 잠재적으로 더 긴 보관 수명이 얻어지게 한다.
도 2는 도 1의 예시적인 도구를 추가로 예시하며, 여기서 제1 피스톤(19a)을 작동시키기 위해 사용되는 배럴 캠(12)은 제1 피스톤(19a)을 해제 준비가 되는 작동 위치에서 "코킹되게(cocked)" 하는데, 달리 말하면, 모터(8)는 배럴 캠(12)을 회전시키는 샤프트(122)를 회전시키며, 웜(126)의 제1 웜 단부(126a)는 캠 종동자(13)와 접촉하고 캠 종동자(13)는 후방 표면(126bs)을 따라 선형으로 활주하여 제1 피스톤(19a)을 제1 푸셔 플레이트(26a)에 대항하여 압박하여서 퍼텐셜 에너지를 제1 스프링(2a) 내에 저장한다. "코킹 단계(cocking phase)"에서, 발진 질량체 또는 타격기(15)와 조합된 제1 피스톤(19a)은 모터(8)의 작용 하에서 회전하는 배럴 캠(12)의 웜(126)에 의해 구동되는 캠 종동자(13)와 접촉하여 캠 종동자에 의해 밀린다. 배럴 캠(12) 및 웜(126)이 계속 회전함에 따라, 제1 웜 단부(126a)가 캠 종동자(13)를 지나 이동하여 캠 종동자(13)가 제1 웜 단부(126a)로부터 제2 웜 단부(126b)로 점프하게 할 때까지 제1 스프링(2a) 내부에 저장되는 에너지가 증가한다. 타격기(또는 발진 질량체)(15)는 이제 제1 스프링(2a)의 저장된 퍼텐셜 에너지 하에서 자유롭게 이동한다. 특히, 제1 피스톤(19a)의 충분한 변위 후에, 그리고 배럴 캠(12)이 제1 피스톤(19a) 및/또는 발진 질량체(15)를 해제한 후에, 제1 피스톤(19a)은 전방 방향으로 이동하고, 동시에 제1 피스톤(19a)의 면과 접촉하는 발진 질량체 또는 타격기(15)를 가속시킨다. 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 피스톤(19a)은 타격기(15)로부터 해제되어, 타격기를 앤빌(5)을 향해 발진시킨다. 타격기의 이동 동안에 자유 비행의 일부분을 본질적으로 생성하는, 푸셔 플레이트(26a)로부터의 타격기(15)의 해제가 외과의의 손에 의해 발생되고 경험되는 반동(recoil)을 극적으로 감소시켜, 보다 제어가능한 도구를 생성한다는 것이 본 발명자에 의해 예기치 않게 발견되었다. 최종 수술 용구 또는 환자에 근접한 도구의 단부를 향해 발진된 타격기(15)는 앤빌(5)의 제1 표면 또는 전방 타격 표면에 충돌식으로 충격을 가한다. 타격기와 접촉할 때 앤빌의 최대 변위는 15 mm 미만일 수 있다. 앤빌의 최대 전방향 변위가 15 mm 미만, 더 바람직하게는 10 mm 미만으로 제한되었을 때, 외과의가 더 정밀하고 정확한 이동에 관하여 더 양호한 결과를 달성하였음이 도구의 시험 동안에 예상치 않게 발견되었다. 스트로크를 제한함으로써, 결과적인 외과 시술은 더 큰 스트로크와 비교하여 더 정확하게 실행되었고 수술 목표와 더 잘 정렬되었다. 아주 대조적으로, 예를 들어 수술 동안 망치(mallet)의 사용은 종종 20 mm 이상의 변위로 이어져, 시술 동안 더 작은 정확성을 초래한다.
앤빌(5) 상에서의 타격기(15)의 충격은 어댑터(도시되지 않음)에 그리고 이에 의해 브로치, 끌, 또는 다른 정형외과용 기구에 전방향 충격력을 전달한다. 발진 질량체 또는 타격기(15)는 강철 또는 유사한 특성을 갖는 임의의 다른 재료와 같은 적합한 재료로부터 구성될 수 있어, 발진 질량체 또는 타격기를 반복된 충격에 적합하게 한다.
일부 실시예에서, 도구의 중량 또는 질량에 대한 발진 질량체 또는 타격기(15)의 중량 또는 질량의 비는 바람직하게는 25% 미만이고, 발진 질량체(15)는 접촉 전에 일정량의 자유 비행을 가지며, 이들 둘 모두의 인자는 발생되는 반동의 추가의 감소에 기여한다. 앤빌의 중량 또는 질량과 관련하여 발진 질량체의 중량 또는 질량을 증가시킴으로써 충격 에너지가 수술 용구로 더 효과적으로 전달되었음이 예기치 않게 발견되었다. 예를 들어, 앤빌의 질량에 대한 발진 질량체의 질량의 비가 25% 미만일 때, 결과적인 전달 효율은 극히 낮은데, 즉 0.8의 전형적인 반발 계수(coefficient of restitution)에 대해 50% 미만이다. 이와 같이, 50% 미만의 질량비가 충격의 최저 전달 효율을 초래하였음이 밝혀졌다.
소정 실시예에서, 도 2에 예시된 바와 같이, 예를 들어 타격기(15)가 후방 방향으로 푸셔 플레이트(26a)를 향해 이동함에 따라, 범퍼(14a)가 스토퍼(stopper)로서 기능하여 피스톤(19a)의 단부면이 타격기(15)에 충돌하는 것을 방지한다. 범퍼(14a)는 발진 질량체 또는 타격기(15)가 전방 방향으로 발진되기 직전에 피스톤(19a)의 충격을 흡수한다. 피스톤(19a)이 범퍼(14a) 상에 안착되게 하지 않으면, 과도한 마모가 발생하여 피스톤(19a)의 파손을 초래함이 개발 과정 중에 본 발명자에 의해 발견되었다. 따라서, 그러한 범퍼(14a)는 반복된 작동 동안 스프링 조립체 시스템, 특히 피스톤(19a)에 대한 손상을 방지한다. 범퍼(14a)는 플라스틱 또는 더 바람직하게는 고무 또는 우레탄 재료 중 하나일 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 발명자의 이전의 설계가 때때로 수술 용구가 생물체 공동 내에 붙잡히게 하였고, 후방 방향으로의 타격기(15)의 충격이 도구를 제거하기에 불충분할 수 있다는 것이 본 발명자에 의해 밝혀졌다. 또한, 수술 용구를 제거하기 위해 급격한 후퇴 충격으로서 후방향 힘이 전달될 필요가 있다는 것을 발견하였다. 따라서, 양방향 충격 시스템을 갖는 소정 실시예에서, 적어도 2개의 상이한 충격 표면이 있으며, 도구가 공동으로부터 멀리 당겨지고 있을 때, 타격기(15)는 앤빌(5) 상의 다른 표면에 충격을 가하고 이에 의해 앤빌(5) 상에 후방향 힘을 전달할 것이다.
도 4 내지 도 7은 예시적인 정형외과용 충격 도구의 사시도를 예시하는데, 여기서 캠 종동자(13)는 전방 표면(126fs)과 접촉하고 기계식 스프링 조립체 시스템의 모터(8)는 배럴 캠(12)을 회전시켜 질량체 또는 타격기(15)를 발진시키고 후방향 충격력을 발생시킨다. 도 4, 및 유사하게 다른 각도로부터의 도 4에 도시된 충격 도구의 다른 사시도인 도 5는 배럴 캠(12)을 코스 중간에서, 예컨대 캠 종동자(13)가 제2 웜 단부(126b)와 제1 웜 단부(126a) 사이에 있을 때에서 예시한다. 모터(8)가 배럴 캠(12)과 웜(126)을 계속 회전시킴에 따라, 캠 종동자(13)는 제2 웜 단부(126b)를 향해 계속 이동하며, 제2 스프링 피스톤(19b)(이하, "제2 피스톤(19b)"으로 지칭됨)이 제2 스프링(2b)과 맞닿고 제2 푸셔 플레이트(26b)에 대항하여 압박되어서, 제2 스프링(2b) 내에 퍼텐셜 에너지를 저장한다. 제2 피스톤(19b)은 이어서 해제 준비가 되는 작동 위치에서 "코킹된다"(도 6 참조). "코킹 단계"에서, 발진 질량체 또는 타격기(15)와 조합된 제2 피스톤(19b)은 캠 종동자(13)와 접촉하여 캠 종동자에 의해 밀린다. 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 타격기 또는 발진 질량체(15)의 단부 표면은 발진 질량체(15)와 일체이거나 발진 질량체(15)에 연결되는(예컨대, 볼트 체결되는) 별개의 요소로서 제공되는 한 쌍의 연장부 또는 돌출부(32)를 포함한다. 배럴 캠(12) 및 웜(126)이 계속 회전함에 따라, 웜(126)의 제2 웜 단부(126b)가 캠 종동자(13)를 지나 이동하여 캠 종동자(13)가 제2 웜 단부(126b)로부터 제1 웜 단부(126a)로 점프하게 할 때까지 제2 스프링(2b) 내부에 저장되는 에너지가 증가한다(예를 들어, 도 7 참조). 타격기 또는 발진 질량체(15)는 이제 제2 스프링(2b)의 저장된 퍼텐셜 에너지 하에서 자유롭게 이동한다. 특히, 제2 피스톤(19b)의 충분한 변위 후에, 그리고 배럴 캠(12)이 제2 피스톤(19b) 및/또는 발진 질량체(15) 조합을 해제한 후에, 제2 피스톤(19b)은 후방 방향, 즉 충돌 지점을 향하는 방향으로 이동하고, 동시에 제2 피스톤(19b)의 면과 접촉하는 발진 질량체 또는 타격기(15)를 가속시킨다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 스프링(2b)은 타격기(15)로부터 해제되어, 타격기를 수술 용구 또는 환자에 근접한 도구의 단부로부터 멀어지게 발진시키며, 이때 발진 질량체(15)의 연장부 또는 돌출부(32)들은 앤빌(5)의 다른 제2 또는 후방 타격 표면에 충돌함으로써, 앤빌(5) 상에 후방향 충격력을 충돌식으로 충격을 가한다.
도 2에 예시되고 위에서 논의된 스프링 범퍼(14a)와 유사하게, 도 4에 도시된 스프링 범퍼(14b)는 또한, 피스톤(19b)이 전방 방향으로 이동함에 따라, 피스톤(19b)의 단부면이 타격기(15)에 충돌하는 것을 방지하기 위한 스토퍼로서 기능한다. 범퍼(14b)는 발진 질량체 또는 타격기(15)가 후방 방향으로 발진되기 직전에 피스톤(19b)의 충격을 흡수한다. 위에서 논의된 바와 같이, 피스톤(19b)이 범퍼(14b) 상에 안착되게 하지 않으면, 과도한 마모가 발생하여 피스톤(19b)의 파손을 초래함이 개발 과정 중에 본 발명자에 의해 발견되었다. 따라서, 그러한 범퍼(14b)는 반복된 작동 동안 스프링 조립체 시스템, 특히 피스톤(19b)에 대한 손상을 방지한다. 범퍼(14a)와 유사하게, 범퍼(14b)는 플라스틱 또는 더 바람직하게는 고무 또는 우레탄 재료 중 하나일 수 있다.
일부 실시예에서, 앤빌(5) 상에서의 힘의 방향은 센서(28)에 의해 검출되는 도구 상의 사용자의(예컨대, 외과의의) 수동 힘에 의해 제어된다. 센서는, 예를 들어 도 10에 도시된 바와 같이 앤빌(5) 상의 위치 센서(38)일 수 있다. 예를 들어, 도구를 전방 방향으로 편의시키는 것은 발진 질량체 또는 타격기(15)가 전방으로 발진되게 하고 전방향 충격을 제공하는 반면, 도구를 후방 방향으로 편의시키는 것은 타격기(15)가 후방으로 발진되게 하고 후방향 충격을 제공한다.
일부 실시예에서, 배럴 캠(12) 조립체가 그의 코스를 완료함에 따라, 예컨대 캠 종동자(13)가 후방 표면(126fs)을 따라 제1 웜 단부(126a)로부터 제2 웜 단부(126b)까지 또는 전방 표면(126bs)을 따라 제2 웜 단부(126b)로부터 제1 웜 단부(126a)까지 변위됨에 따라, 배럴 캠 조립체는 바람직하게는, 제어기(21)에 작동가능하게 결합된, 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같은 센서(28)를 활성화시킨다. 센서(28)는 배럴 캠(12)의 바람직한 사이클 작동의 조절을 돕는다. 예를 들어, 센서(28)는 모터(8)에 신호를 보내어, 배럴 캠(12)이 최소 퍼텐셜 에너지 저장 지점에 또는 그 부근에 있도록 정지시킨다. 따라서, 하나의 완전한 사이클에서, 전방향 또는 후방향 충격력이 브로치, 끌, 또는 다른 엔드 이펙터 상에, 또는 이식체 또는 보철물 상에 인가될 수 있다. 추가의 실시예에서, 다음 사이클을 시작하기 전에 임의의 주어진 시술을 위한 지연을 삽입하거나 충돌 횟수를 계수하여, 충돌 속도를 정확히 제어하는 것을 가능하게 하고, 이어서 외과의가 임의의 주어진 작동에서 에너지 전달률을 정확히 제어하게 하는 것이 유리할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 외과의의 손에서의 대기 시간(latency)을 감소시키기 위해 배럴 캠(12)을 최대 퍼텐셜 에너지 저장 지점 부근에서 정지시키는 것이 유리할 수 있다. 정의된 바와 같은 대기 시간은 외과의(또는 사용자)가 정형외과용 충격 도구를 활성화시킬 때와 도구가 실제로 충격을 전달할 때 사이의 시간이다. 약 100 밀리초 이하의 대기 시간이 본질적으로 즉각적인 응답으로서 보인다는 것이 본 발명자에 의해 밝혀졌다. 퍼텐셜 에너지의 적어도 일부가 저장된 지점에서 배럴 캠(12)을 정지시킴으로써, 도구는 도구 트리거(30)의 작동시 퍼텐셜 에너지의 거의 즉각적인 방출의 효과를 갖는다.
추가의 실시예에서, 충돌식 충격 동안에 수술 용구가 나아가고 있지 않음을 검출하기 위해 추가의 센서(도시되지 않음)가 사용될 수 있다. 수술 용구가 10초 미만, 또는 더 바람직하게는 3초 미만의 기간 동안 전진하는 것을 중단한 경우, 도구는 외과의에게 피드백을 제공할 수 있다. 그러한 피드백은 광, 충격의 감소 또는 정지, 또는 다른 수단의 형태로 제공될 수 있다. 이어서, 외과의는 시술을 평가할 기회를 갖고 충격 작동을 재개시할지 여부를 결정할 기회를 가질 것이다.
도 8은 정형외과용 충격 도구의 예시적인 사이클 작동을 예시하는 흐름도이다. 제어기(21)는, 일부 실시예에서, 도 8에 기술된 사이클 작동을 구현하는 펌웨어에 의해 작동하고, 이는 정형외과용 충격 도구가 반복가능하고 제어가능한 충격력을 발생시킬 수 있게 한다. 제어기(21)는, 예를 들어 지능형 하드웨어 장치, 예컨대 데이터 프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 FPGA 장치와 같은 처리 회로, 예를 들어 인텔(Intel)(등록상표) 코포레이션(미국 캘리포니아주 산타 클라라 소재) 또는 AMD(등록상표)(미국 캘리포니아주 서니베일 소재)에 의해 제조된 것들을 포함할 수 있다. 당업자에 의해 인식되는 바와 같이, 다른 유형의 제어기가 또한 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 사이클의 시작시에, 단계 800에서 트리거(trigger)가 눌려져 작동을 개시한다. 예를 들어, 외과의 또는 로봇 제어기가 트리거를 작동시킬 수 있다. 일부 실시예에서, 트리거는 누름가능한 버튼 또는 레버와 같은 수동 트리거이다. 다른 실시예에서, 트리거는 작동을 개시하기 위해 로봇 제어기에 의해 발생된 신호와 같은 전기적 트리거이다. 예를 들어, 트리거는 센서가 정형외과용 도구의 손잡이 또는 그립 상에의 외과의의 손의 준비 배치를 검출할 때 활성화될 수 있다.
일부 실시예에서, 단계(802)에서 정형외과용 충격 도구가 충전되어 사용할 준비가 되어 있는지 여부가 판단된다. 배터리와 같은 로컬 전원의 전압이 예를 들어 임계 최소치 미만으로 충전된 것으로 판단된 경우, 로컬 전원은 단계(804)에서 충전하도록 설정될 수 있다. 일부 예에서, 정형외과용 도구가 충전을 필요로 함을 나타내기 위해 충전 표시기 램프가 켜지거나 번쩍일 수 있고/있거나, 발신음(tone)이 청각적으로 발생될 수 있다.
일부 실시예에서, 로컬 전원의 전압이 임계 최소치보다 크면, 다음으로 단계(806)에서 앤빌 및/또는 브로치 또는 다른 수술용 부착물이 환자의 뼈의 공동에 대해 올바르게 위치되어 있는지 여부가 판단된다. 예를 들어, 센서는 앤빌 및/또는 수술용 부착물이 공동에 근접하여 있는지 여부를 판단할 수 있다. 다른 예에서, 앤빌 및/또는 다른 수술용 부착물을 환자의 뼈의 공동에 대해 위치시키기 위해, 환자 프로파일이 예를 들어 로봇 제어기의 배향을 결정할 수 있다.
일부 실시예에서, 앤빌 및/또는 수술용 부착물이 정확하게 위치되는 경우, 작동은 단계(810)로 이동하며, 그렇지 않으면, 시스템은 단계(808)에서 위치가 교정될 때까지 기다린다.
다음으로, 단계(810)에서, 일부 실시예에서, 도구가 전방향 충격력 또는 후방향 충격력을 발생시키는 데 사용되고 있는지 여부에 기초하여 캠 종동자를 변위시키는 어떤 방향에 대한 결정이 이루어졌는지 여부가 판단된다. 일례에서, 판단은 사용자에 의해 도구 상에 놓이는 편의력에 적어도 부분적으로 기초할 수 있다. 편의력은, 예를 들어 수술 용구를 위한 앤빌 및/또는 커넥터 상의 센서, 예컨대 포지셔너 센서에 의해 검출될 수 있다. 다른 예에서, 초기 방향을 선택하는 자동화된 시스템에 의해 신호가 발생될 수 있다. 또한, 일부 구현예에서, 방향을 판단하기보다는, 이 방향은 최근 충격 방향(예컨대, 저장된 힘이 존재하는 환경에서 인가된 가장 최근의 힘의 반대 방향)에 기초하여 자동적으로 개시될 수 있다.
캠 종동자를 변위시키는 방향이 결정되면, 일부 실시예에서, 모터 조립체는 충격 사이클을 완성하기 위해 단계(814)에서 활성화되고; 그렇지 않으면, 시스템은 단계(812)에서 변위가 판단될 때까지 기다린다.
일단 모터 조립체가 충격 사이클을 완료하면, 일부 실시예에서, 단계(816)는 캠 센서가 활성화되었는지 여부를 판단한다. 센서가 활성화되었다면, 프로세스는 트리거가 여전히 유지되는지 여부를 판단하기 위해 단계(818)로 진행하고; 그렇지 않으면, 프로세스는 단계(814)로 복귀하여 캠 센서가 활성화될 때까지 모터가 계속 회전하게 한다. 단계 818에서 트리거가 유지되면, 작동은 모터가 계속 구동되어 도구가 충격을 계속 발생시키게 하는 단계(814)로 되돌아가고; 그렇지 않으면, 정형외과용 충격 도구의 작동은 단계(820)에서 중단된다.
유리하게는, 피스톤 및 스프링 조립체 시스템은 더 높은 에너지 충격을 발생시키기 위한 멈춤쇠 또는 자석을 필요로 하거나 사용하지 않는다. 시스템으로부터 출력되는 에너지의 크기는, 스프링 상수, 스프링 예비하중 힘, 및/또는 작동 사이클 동안의 스프링의 총 압축과 같은 인자들을 고려하여, 임의의 주어진 세트의 작동 조건들에 대해 일관된다. 일부 구현예에서, 저장-에너지 구동 시스템으로부터 출력되는 충격 에너지는 주어진 작동 사이클에 대해 20% 이하, 그리고 바람직하게는 10% 이하로 변하는 1 내지 10 줄이다. 예를 들어, 충격 도구는 100 파운드/인치의 스프링 상수를 갖고 100 파운드의 예비하중 힘에서 작동하며 0.5 인치의 캠 스트로크를 갖는 스프링을 포함할 수 있어, 저장-에너지 구동 시스템이 마찰 및 다른 손실을 제외한 약 7.1 줄의 총 충격 에너지를 출력하게 한다.
양방향 충격 시스템을 갖는 실시예에서, 피스톤 및 스프링 조립체 메커니즘은 약 20% 효율적이었던 이전의 설계와 비교하여 후방 방향으로 대략 80% 효율적일 수 있다. 예를 들어, 발명자의 이전의 설계에서, 대략 3.5 J의 에너지의 전방향 충격은 단지 0.4 J의 에너지의 후방향 충격을 초래하여, 에너지의 거의 80%의 손실을 초래할 것이며, 이는 이상적이지 않았다.
발사 질량체의 운동 에너지가 수술 용구로 어떻게 효과적으로 전달되는지에 관하여 발진 또는 발사 질량체, 앤빌, 및 어댑터에 사용되는 질량비 및 재료가 중요하다는 것이 본 발명자에 의해 밝혀졌다. 소정 실시예의 목적을 위해, 발사 질량체 또는 타격기 내의 운동 에너지의 함수로서 수술 용구로 전달된 에너지의 비는 전달 함수로 지칭된다. 전달 함수는, 도구가 브로칭, 충격, 또는 추출 외과 시술들을 어떻게 효율적으로 수행하는지에 관하여 성능의 척도로서 사용된다. 예를 들어, 발사 질량체, 앤빌 및 어댑터가 모두 경화 스테인리스강으로 제조된 하나의 설계에서, 발사 질량체의 운동 에너지에 대한 수술 용구로 전달된 에너지의 비 또는 전달 함수는 50% 미만인 것으로 밝혀졌다. 충격된 질량체(앤빌, 어댑터, 및 수술 용구의 질량의 합)에 대한 발사 질량체의 질량비를 증가시킴으로써, 시스템의 효율, 특히 전달 함수는 60% 초과로, 그리고 많은 경우에 75%에 가깝게 증가되었다.
또한, 스프링의 압축비를 그의 자유 길이의 50% 미만으로, 그리고 더 바람직하게는 30% 미만으로 유지함으로써, 그 스프링 수명 및 충격 일관성이 최대화되었음이 예기치 않게 밝혀졌다. 하나의 예기치 못한 효과는 타격기(15)와 앤빌(5) 사이에 훨씬 더 일관된 충격을 발생시킨다는 것이었고, 이는 영구적으로 변형되지 않는 스프링의 결과였다. 실제로, 가스 또는 기계식 스프링에 의해 발생되는 바와 같은 충격의 일관성은 공칭 설계 값의 +/-10% 이내인 것으로 밝혀졌는데, 그 이유는 충격 에너지가 환경 조건에 의해 단지 약간 영향을 받기 때문이다.
도구는, 일부 실시예에서, 예를 들어 전원 또는 모터에 작동식으로 결합된 트리거 스위치(30)의 위치에 의존하는 제어된 연속적인 충격을 용이하게 한다. 그러한 연속적인 충격을 위해, 트리거 스위치가 활성화된 후에 그리고 트리거 스위치(30)의 위치에 따라, 도구는 예를 들어 트리거 스위치의 위치에 비례하는 속도로 완전한 사이클들을 거칠 수 있다. 따라서, 단일 충격 작동 모드 또는 연속 충격 작동 모드에서, 수술 영역의 생성 또는 구체화는 외과의에 의해 용이하게 제어될 수 있다.
앞서 논의된 바와 같이, 소정 실시예에서, 도구는, 예를 들어 저장-에너지 구동 시스템을 위한 교체가능 가스 스프링 카트리지(도시되지 않음) 또는 상이한 기계식 스프링을 위한 적절한 내부 압력을 선택하는 것에 의해, 사이클당 충격 에너지의 양을 변화시킬 수 있다. 스프링 내에 퍼텐셜 에너지를 부여하기 위한 구동 메커니즘이 고정된 스트로크이기 때문에, 상이한 예비하중 또는 스프링 상수를 갖는 스프링 카트리지를 단순히 사용함으로써 임의의 주어진 수술에서 상이한 충격 에너지들이 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 추가의 실시예에서, 선형 캠과 같은 요소가, 예를 들어 푸셔 플레이트의 위치를 변화시킴으로써 저장-에너지 구동 시스템에서의 압축량을 변화시키는 데 사용될 수 있다. 충격 에너지를 제어함으로써, 외과의는 시술 동안 더 큰 가요성을 갖는다.
일부 실시예에서, 도구는 잘 고정된 이식체 또는 "포팅된(potted)" 브로치의 추출을 용이하게 하도록 설계된다. 그러한 실시예에서, 배럴 캠(12)은 제2 시계 방향(42b)으로 회전되고, 타격기(15)의 이동이 환자로부터 멀어지도록 질량체 또는 타격기(15)를 발진시켜 앤빌(5) 상에 후퇴 또는 후방향 힘을 유발한다.
추가 실시예에서, 도구는 타격기(15)와 앤빌(5) 사이에 삽입된 컴플라이언스(compliance) 요소(도시되지 않음)를 포함한다. 바람직하게는, 컴플라이언스 요소는 충격으로부터 잘 회복되고 총 에너지에 대한 최소한의 감쇠를 부여하는 탄성 재료이다. 일례로서, 타격기(15)가 앤빌(5)에 충돌하는 인터페이스에서 우레탄 구성요소가 삽입될 수 있다. 다른 예에서, 컴플라이언스 요소는 전방 방향으로의 충격력만을 감소시키고 후방 방향으로의 급격한 충격력에 대한 요구에 영향을 미치지 않는 방식으로 삽입될 수 있다. 이러한 유형의 컴플라이언스 요소는 충격 동안의 피크 힘을 제한하여, 그러한 피크가 환자의 뼈에서 골절을 유발시키는 것을 막지만, 고착된 브로치 또는 다른 수술 용구를 후퇴시킬 수 있는 데 필요한 높은 피크 힘을 유지할 수 있다.
일부 실시예에서, 충격기는 예를 들어 로봇에 결합되어서, 휴대용 전원(배터리) 및 도구 상의 핸드 그립에 대한 필요성을 잠재적으로 제거한다.
일부 실시예에서, 도구에 대한 어댑터(도시되지 않음)의 커플링은 외과의가 도구를 회전시키는 것을 요구함이 없이 수술 용구(브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터)의 위치가 수정될 수 있도록 당업계에 공지된 링크 설비(linkage arrangement) 또는 다른 조절 메커니즘을 포함한다.
본 명세서에 개시된 정형외과용 도구는 종래 기술에 비해 다양한 이점을 제공한다. 이는 환자의 신체에 대한 불필요한 손상을 최소화하고 이식체 또는 보철물 시트(seat)의 정밀한 형상화를 허용하는, 수술 부위에서의 제어된 충격을 용이하게 한다. 도구는 또한 외과의가 충격의 방향, 힘 및 빈도를 조작하게 하며, 이는 도구를 조작 및 제어하는 외과의의 능력을 개선한다. 예를 들어, 정형외과용 도구는 수행되는 외과 시술에 따라 후퇴 목적을 위해 단독으로 사용될 수 있다. 유사하게, 도구는 상이한 전방향 및 역방향 충격력들을 갖도록 맞춤화될 수 있다. 기계식 스프링 조립체 시스템에서, 예를 들어, 전방향 및 역방향 충격을 위해 상이한 게이지 스프링들이 사용될 수 있다. 충격 설정의 힘 및 컴플라이언스 제어 조절은 외과의가 환자의 특정 뼈 유형 또는 다른 프로파일 파라미터에 따라 충격력을 설정하게 한다. 또한, 개선된 효율 및 감소된 선형 운동 변환기 부하는 더 작은 배터리 및 더 낮은 비용의 구성요소의 사용을 허용한다. 이에 의해, 도구는 이식체 공동 내외로의 보철물 또는 이식체의 적절한 안착 또는 제거를 가능하게 한다. 또한, 피스톤 및 스프링 조립체는 특정 수술을 위한 충격 에너지를 조절하기 위한 간단한 수단을 제공한다. 부가적으로, 스프링 조립체는 편향, 예비하중 및 스프링 상수와 같은 스프링의 기계적 특성에 의해 본질적으로 지배되기 때문에, 생성된 도구는 작동 속도와 독립적으로 예측가능한 충격 에너지를 부여한다. 또한, 가스 스프링 카트리지가 교체가능한 실시예에서, 높은 마모를 받는 요소들, 예를 들어 시일 및 피스톤은 각각의 수술에서 교체될 수 있어, 보다 강건하고 긴 수명의 도구가 얻어지게 하고 파손 지점을 감소시킨다.
도 11 내지 도 13은 전방향 충격력 및 후방향 충격력을 발생시키기 위해 단일 스프링이 채용되는 다른 예시적인 정형외과용 충격 도구의 사시도를 예시한다. 일부 실시예에서, 캠 종동자(13)는 스프링(2a)에 부착되어 스프링(2a)을 후방 방향으로 압축하여 전방향 충격력을 발생시키고, 스프링(19a)을 전방 방향으로 당겨 후방향 충격력을 발생시킨다. 웜(126)은 270도에 근사하는 양과 같은 360도 미만으로 원통형 부분(120)의 표면 둘레를 감쌀 수 있다. 웜(126)에 의해 덮이지 않는 원통형 부분(120)의 섹션, 예를 들어 원통형 부분(120)의 90도 섹션은 전방 및 후방 방향들로의 타격기 또는 발진 질량체(15)의 이동을 용이하게 할 수 있다.
캠 종동자(13)가 웜(126)의 후방 표면(126bs)과 접촉할 때, 일부 실시예에서, 캠 종동자는 제1 웜 단부(126a)로부터 제2 웜 단부(126b)까지 후방 표면(126bs)을 따라 활주하여 스프링(2a)을 압축한다. 배럴 캠(12) 및 웜(126)이 계속 회전함에 따라, 웜(126)의 제2 웜 단부(126b)가 캠 종동자(13)를 지나 이동하여 캠 종동자(13)가 제2 웜 단부(126b)로부터 제1 웜 단부(126a)로 점프하게 할 때까지 스프링(2a) 내부에 저장되는 에너지가 증가한다. 타격기 또는 발진 질량체(15)는 이제 스프링(2a)의 저장된 퍼텐셜 에너지 하에서 전방 방향으로 자유롭게 이동하여 전방향 충격력을 발생시킨다.
캠 종동자(13)가 웜(126)의 전방 표면(126fs)과 접촉할 때, 일부 실시예에서, 캠 종동자는 제2 웜 단부(126b)로부터 제1 웜 단부(126a)까지 전방 표면(126fs)을 따라 활주하여 스프링(2a)을 연장시킨다. 배럴 캠(12) 및 웜(126)이 계속 회전함에 따라, 웜(126)의 제1 웜 단부(126a)가 캠 종동자(13)를 지나 이동하여 캠 종동자(13)가 제1 웜 단부(126a)로부터 제2 웜 단부(126b)로 점프하게 할 때까지 스프링(2a) 내부에 저장되는 에너지가 증가한다. 타격기 또는 발진 질량체(15)는 이제 스프링(2a)의 저장된 퍼텐셜 에너지 하에서 후방 방향으로 자유롭게 이동하여 후방향 충격력을 발생시킨다.
소정 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예로서 제시되었으며, 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다. 실제로, 본 명세서에 기술된 신규한 방법, 기기(apparatus) 및 시스템은 다양한 다른 형태로 실시될 수 있으며; 또한, 본 명세서에 기술된 방법, 기기 및 시스템의 형태에서의 다양한 생략, 치환 및 변경이 본 발명의 사상으로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다. 첨부된 청구범위 및 그의 등가물은 본 발명의 범주 및 사상 내에 속하는 바와 같은 그러한 형태 또는 수정을 포함하도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 수술용 충격 도구(surgical impacting tool)로서,
    작동가능하게 연결된 수술 용구(surgical implement)를 구동하기 위해 초당 1 내지 10회의 속도로, 내부에 저장된 에너지를 방출하는 에너지 저장 및 방출 메커니즘;
    상기 에너지 저장 및 방출 메커니즘의 저장 및 방출을 모니터링 및 관리하도록 구성되는 제어기;
    상기 수술 용구를 고정하기 위한 어댑터; 및
    방출된 에너지에 응답하는 충격력을 상기 수술 용구에 전달하기 위한 수단
    을 구비하고,
    상기 에너지 저장 및 방출 메커니즘은 상기 충격력을 발생시키기 위해 스프링 요소를 압축하고 해제하도록 회전하는 캠(cam)을 포함하고,
    상기 스프링 요소는 제1 스프링 및 상기 제1 스프링과 축방향으로 정렬되는 제2 스프링을 포함하고,
    캠 종동자(cam follower)가 상기 제1 스프링 및 상기 제2 스프링 사이에 배치되고,
    상기 제1 스프링 및 상기 제2 스프링 각각은 상기 캠 종동자에 의해 서로 반대 방향으로 압축되도록 구성되는, 수술용 충격 도구.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캠은 상기 캠의 원통형 부분으로부터 돌출되는 웜(worm), 및 상기 웜과 상기 스프링 요소를 연결하는 상기 캠 종동자(cam follower)를 포함하고,
    상기 캠의 회전은 상기 스프링 요소에 대항하여 상기 캠 종동자를 밀고 상기 캠 종동자를 상기 스프링 요소로부터 해제시키는, 수술용 충격 도구.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 웜은 제1 웜 단부와 제2 웜 단부 사이에서 연장되는 나선 표면(helicoid surface)을 포함하고,
    상기 캠 종동자는 상기 캠이 회전함에 따라 상기 제1 웜 단부로부터 상기 제2 웜 단부까지 상기 나선 표면 상에서 활주하는, 수술용 충격 도구.
  5. 제1항에 있어서, 상기 스프링 요소는 기계식 스프링을 구비하고, 상기 기계식 스프링은 상기 기계식 스프링의 자유 길이의 50% 미만의 압축비를 갖는, 수술용 충격 도구.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 충격력의 전달 후에, 퍼텐셜 에너지(potential energy)의 적어도 일부가 상기 에너지 저장 및 방출 메커니즘에 의해 저장된 위치에서 상기 캠을 정지시킴으로써, 상기 수술용 충격 도구의 활성화시에 최대 100 밀리초의 대기 시간(latency)을 제공하도록 구성되는, 수술용 충격 도구.
  7. 제1항에 있어서, 상기 충격력을 전달하기 위한 상기 수단은 전방향 충격력 및 역방향 충격력 둘 모두를 전달하기 위한 수단을 구비하고, 상기 역방향 충격력은 상기 전방향 충격력과 동일하거나 그보다 큰, 수술용 충격 도구.
  8. 제1항에 있어서, 상기 충격력을 전달하기 위한 상기 수단은 피스톤에 의해 활성화되는 타격기(striker)를 구비하고, 상기 피스톤은 상기 에너지 저장 및 방출 메커니즘에 의해 작동되는, 수술용 충격 도구.
  9. 제8항에 있어서, 상기 피스톤은 작동시에 범퍼(bumper) 요소 상에 안착되는, 수술용 충격 도구.
  10. 수술용 충격 도구로서,
    작동가능하게 연결된 수술 용구를 구동하기 위해, 내부에 저장된 에너지를 초당 1 내지 10회의 속도로 방출하는 에너지 저장 및 방출 메커니즘;
    상기 에너지 저장 및 방출 메커니즘의 저장 및 방출을 모니터링 및 관리하도록 구성되는 제어기;
    상기 수술 용구를 고정하기 위한 어댑터; 및
    방출된 에너지에 응답하는 충격력을 상기 수술 용구에 전달하기 위한 발사 질량체(thrown mass)를 구비하고,
    상기 에너지 저장 및 방출 메커니즘은 상기 발사 질량체를 변위시키고 상기 충격력을 발생시키기 위해 스프링 요소를 압축하고 해제하도록 회전하는 캠(cam)을 포함하고,
    상기 스프링 요소는 제1 스프링 및 상기 제1 스프링과 축방향으로 정렬되는 제2 스프링을 포함하고,
    캠 종동자(cam follower)가 상기 제1 스프링 및 상기 제2 스프링 사이에 배치되고,
    상기 제1 스프링 및 상기 제2 스프링 각각은 상기 캠 종동자에 의해 서로 반대 방향으로 압축되도록 구성되는, 수술용 충격 도구.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 캠은 상기 캠의 원통형 부분으로부터 돌출되는 웜, 및 상기 웜과 상기 스프링 요소를 연결하는 상기 캠 종동자를 포함하고,
    상기 캠의 회전은 상기 스프링 요소에 대항하여 상기 캠 종동자를 밀고 상기 캠 종동자를 상기 스프링 요소로부터 해제시키는, 수술용 충격 도구.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 웜은 제1 웜 단부와 제2 웜 단부 사이에서 연장되는 나선 표면을 포함하고,
    상기 캠 종동자는 상기 캠이 회전함에 따라 상기 제1 웜 단부로부터 상기 제2 웜 단부까지 상기 나선 표면 상에서 활주하는, 수술용 충격 도구.
  14. 제10항에 있어서, 상기 어댑터 및 상기 어댑터 내에 고정된 상기 수술 용구의 조합된 중량에 대한 상기 발사 질량체의 중량의 비가 25% 미만인, 수술용 충격 도구.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
  20. 삭제
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