KR20170107475A - 정형외과적인 임팩트를 하기 위한 전기 모터에 의하여 구동되는 도구 - Google Patents

정형외과적인 임팩트를 하기 위한 전기 모터에 의하여 구동되는 도구 Download PDF

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KR20170107475A
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Abstract

모터, 에너지 저장 챔버, 스트라이커 및 철침을 포함하는 정형외과적인 임팩트하는 도구. 모터는 에너지 저장 챔버에 에너지를 저장하고 이후 에너지를 방출하여 스트라이커로 하여금 외과적인 세팅에서 사용하기 위한 정확한 임팩트를 생성하기 위하여 어댑터에 제어된 힘을 인가한다. 도구는 철침 및 어댑터 조합을 더 포함할 수 있다. 대안적으로 도구는 임팩트 힘을 발생시키기 위한 가스 스프링 어셈블리 시스템을 포함할 수 있다. 도구는 개구로부터 브로치, 임플란트 또는 다른 외과적인 도구의 제거를 용이하게 하기 위하여 또는 개구의 크기 또는 용적을 확장시키기 위하여 전방의 임팩트 또는 후방의 임팩트를 더 허용한다. 도구의 에너지 조절 제어는 외과의사로 하여금 임팩트 에너지를 증가시키거나 감소시키는 것을 허용한다. 광원 및 핸드 그립들은 도구의 작동의 편의성을 향상시킨다.

Description

정형외과적인 임팩트를 하기 위한 전기 모터에 의하여 구동되는 도구{ELECTRIC MOTOR DRIVEN TOOL FOR ORTHOPEDIC IMPACTING}
본 발명은 2015년 1월 9일에 제출된 계류 중인 미국 임시 특허 출원 번호 제62/101,416에 대한 35 USC § 119 규정의 이익을 청구하는 것으로, 이의 전체적인 개시는 참조로서 포함된다.
본 개시는 정형외과적 시술(procedure)들과 같은 외과적인 적용(application)들에서 임팩트(impact)를 하기 위한 전기적인 도구들에 관한 것으로, 더욱 특별하게는, 브로치(broach) 또는 다른 엔드 이펙터(end effector)에 제어된 임팩트들을 제공할 수 있는 외과적인 임팩트를 하기 위한 전기 모터에 의하여 구동되는 도구에 관한 것이다.
정형 외과(orthopedics) 분야에서, 인공 관절(joint)들과 같은 보철 기기(prosthetic device)들은 환자의 뼈 캐비티(골강, bone cavity) 내에 종종 임플란트(implant)되거나 설치(seat)된다. 인공 보철물(prosthesis)이 설치되거나 임플란트 되기 전에, 캐비티(cavity)는 수술 중 전형적으로 형성된다. 예를 들어, 의사(physician)는 캐비티를 형성하기 위하여 존재하는 뼈를 제거 및/또는 단단히 다질(compact) 수 있다. 인공 보철물은 캐비티로 삽입되는 스템(stem) 또는 다른 돌출부(protrusion)를 보통 포함한다.
캐비티를 생성하기 위하여, 의사는 인공 보철물의 스템의 형상과 일치(conform)하는 브로치를 사용할 수 있다. 기술 분야에서 알려진 해결책들은 임플란트 영역으로 브로치를 추진(impel)하기 위하여 수술 중 의사에 의한 수동적인 망치질(hammering)을 위하여 브로치를 구비한 핸들을 제공하는 것을 포함한다. 불행하게도, 이러한 접근 방식은 부정확하여, 뼈에 불필요한 기계적 스트레스(stress)를 유도하고 특별한 의사의 스킬에 의존하여 대단히 예측할 수 없다. 역사적으로, 폭력적인 접근(brute force approach)은 많은 케이스들에서 캐비티의 위치 선정(location) 및 구성의 부정확성의 결과를 낳을 것이다. 추가적으로, 외과 의사(surgeon)는 브로치를 망치질하고 뼈들 및 인공 보철물을 조종(manipulate)하기 위하여 물리적인 힘과 에너지의 흔치 않은 양을 들일 것이 요구된다. 가장 중요하게는, 이러한 접근은 리스크를 수반하고, 의사는 외과적인 영역(area)에 불필요한 추가적인 트라우마(trauma)를 유발하고 그 외의 건강한 조직(tissue), 뼈 구조 등을 손상을 입힐 것이다.
인공 보철물의 캐비티를 생성하기 위한 또 다른 테크닉은 공압식으로(pneumatically), 즉 압축된 공기에 의하여 브로치를 구동하는 것이다. 예를 들어, 테터링 공기-라인(tethering air-line)의 존재, 도구로부터 멸균 처리된 작동 영역(sterile operating field)으로 공기의 소모 및 도구를 동작시키는 의사의 피로로 인하여, 임팩트하는 도구의 휴대성(portability)을 방지한다는 점에서 이러한 접근 방식은 불편하다. 미국 특허번호 제5,057,112호에서 예시화된 바와 같이 이러한 접근 방식은 임팩트 힘 또는 주파수의 정확한 제어를 허용하지 않는 대신, 구동될 때 잭 해머(jackhammer)와 유사한 방식으로(very much like) 기능한다. 다시, 이러한 정확한 제어의 어떠한 조치(measure)의 부족으로 인하여 캐비티의 정확한 브로치하는 것을 어렵게 하고, 불필요한 환자의 합병증(complication)들 및 트라우마를 유도한다.
세번째 테크닉은 캐비티를 생성하기 위하여 컴퓨터-제어된 로봇 암들에 의존한다. 이러한 접근 방식이 피로화 및 정확성 이슈(issue)를 극복하는 반면, 매우 높은 자본 비용에 시달림과 아울러 외과 의사가 수동적인 접근으로부터 얻을 수 있는 촉각 피드백을 제거한다.
네번째 테크닉은 단일의 스트로크 기준(basis)에서 공기를 압축시키기 위하여 선형적인 컴프레서를 사용하고, 충분한 압력이 생성된 후 밸브를 통하여 스트라이커(striker)로 공기를 방출(release)하는 저자(author) 자신의 이전의 작업(work)에 의존한다. 이는 스트라이커로 하여금 가이드 튜브를 아래로 이동시키고 철침(anvil)을 임팩트하도록 강요하여, 브로치 및/또는 다른 외과적인 도구를 유지(hold)한다. 이러한 발명은 꽤 잘 작동하지만, 이를 테스트하는 과정에서, 연조직(soft tissue)에서 브로치가 박히게 되는 경우에 브로치의 진로를 뒤바꾸는(reverse) 단순한 방법을 허용하지 않는다. 아울러, 공기의 존재는 기어 트레인(gear train) 및 선형적인 모션 컨버터 구성 요소들에 커다란 힘을 가하는 결과를 낳아서, 커다란 힘들은 구성 요소들의 조기의 마모(wear)를 유도한다.
결과적으로, 존재하는 시스템들 및 발명자의 이전 소유의(proprietary) 해결책들의 다양한 단점들을 극복하는 임팩트하는 도구를 위한 필요성이 존재한다.
앞서 설명한 단점들의 관점에서, 전기 모터에 의하여 구동되는 정형외과적인 임팩트하는 도구는 엉덩이들, 무릎들, 어깨들 등에서 정형외과적인 임팩트를 하기 위하여 제공된다. 도구는 브로치, 치즐(chisel) 또는 다른 엔드 이펙터(end effector)를 유지(hold)할 수 있고, 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터를 제어된 타진법의(percussive) 임팩트들과 함께 캐비티로 부드럽게(gently) 두드릴(tap) 수 있다. 아울러, 그러한 전기적으로 조종되는 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터에 의하여 제공(afford)되는 제어는 환자의 특별한 뼈 타입 또는 다른 프로파일에 따라 임팩트 세팅(setting)들의 조절을 허용한다. 추가적으로, 도구는 임플란트 캐비티의 안으로 또는 밖으로 인공 보철물 또는 임플란트의 적절한 설치(seat) 또는 제거를 가능하게 하고, 유리하게는 도구를 가이드하는 데 있어서 현존하는 외과 의사의 스킬을 증가(augment)시킨다.
예시적 실시예에서, 전기 모터에 의하여 구동되는 정형외과적 임팩트하는 도구는 (배터리 또는 연료 전지와 같은) 국소적인 전력원, 모터, 제어기(controller), 하우징, (이하에서 선형 운동 컨버터로 언급되는) 모터의 회전 운동을 선형 운동으로 전환하기 위한 모듈, 적어도 하나의 감속 기어(reducing gear), 스트라이커(striker), 디텐트(detent), 및 압축된 공기 또는 진공 중 어느 하나를 포함할 수 있는 에너지 저장 메커니즘을 포함한다. 추가적으로, 도구는 LED, 도구를 안정적으로 그립(grip)하는 적어도 하나의 핸드그립을 구비하는 핸들 부분, 외과적인 도구를 수용하도록 구성된 어댑터, 배터리 및 적어도 하나의 센서를 포함할 수 있다. 다양한 구성 요소들 중 적어도 일부는 하우징 내에 바람직하게 담겨 있다. 도구는 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터, 또는 임플란트에 주기적인 임팩트 힘을 인가할 수 있고, 복수 개의 레벨(level)들로 미세하게 임팩트 힘을 튜닝(tune)할 수 있다. 장치에 대한 어떤 연결부(connection)들도 요구되지 않기 때문에, 장치는 휴대 가능하다.
또 다른 실시예에서, 정형외과적인 임팩트하는 도구는 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터에 인가된 임팩트 힘을 발생시키기 위한 가스 스프링 어셈블리 시스템을 포함할 수 있다. 가스 스프링 어셈블리 시스템은 캠과 조합하여 모터 및 기어 박스에 의하여 구동 가능하고, 상기 캠은 임팩트 힘을 발생시키기 위한 기동하는 매스(launching mass)를 차례로 가속시키는 가스 스프링 피스톤을 해제(release)한다. 일 예로, 가스 스프링의 저장된 퍼텐셜 에너지가 증가되는 가스 스프링 피스톤의 충분한 변위(displacement) 이후에, 가스 스프링 피스톤은 캠으로부터 해제된다. 가스 스프링 피스톤의 해제 시, 기동되는 매스는 임팩트 점(point), 철침(anvil) 또는 또 다른 임팩트 표면(impact surface)과 가동 접촉(operative contact)하게 될 때까지 가스 스프링 피스톤과 함께 전방으로 가속된다. 일 실시예에서, 기동되는 매스는 임팩트 점 이전에 가스 스프링 피스톤으로부터 분리한다. 전방 임팩트 표면 및 후방 임팩트를 위한 다른 표면인, 기동되는 매스를 위한 적어도 두 개의 다른 임팩트 표면들이 있다. 전체 이동 매스(moving mass), 즉 기동되는 매스와 조합하는 가스 스프링 피스톤에 대한 가스 스프링 피스톤 매스의 비율은 50% 미만이고, 이는 효과적인 임팩트를 제공(impart)하기 위하여 기동되는 매스에 더욱 효율적인 에너지 전달을 용이하게 한다. 추가적으로, 가스 스프링의 압축 비율은 50% 미만이고, 이는 압축 열로부터 열적 손실들을 감소시킨다. 기동되는 매스가 임팩트 표면 또는 접촉 점에 임팩트한 후에, 트리거(trigger)가 유지(maintain)된다면, 다음 주기를 위하여 캠은 가스 스프링 피스톤에 대하여 리코크한다(recock).
추가적인 실시예에서, 핸들은 인라인(inline) 도구를 제시하기 위하여 도구로 재위치 가능하거나 다시 접혀질 수 있고, 외과 의사는 브로치의 방향과 함께 동일 선상으로(co-linearly) 도구를 밀거나(push) 당긴다(pull). 이는 도구가 작동 중에 외과 의사가 도구를 가동(put on)할 수 있는 토크의 양을 제한하는 이점을 가진다. 핸드 그립의 추가적인 개선점(refinement)에서, 외과적인 도구를 가이드하기 위한 및 임팩트하는 작동(operation) 동안 증가된 안정성을 제공하기 위한 추가적인 핸드 그립이 있을 수 있다.
추가적인 실시예에서, 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터는 축 방향의 정렬을 계속하여 유지하는 동안 수 많은 위치들에 대하여 회전될 수 있다. 이는 수술 중 다양한 해부학적 프리젠테이션(presentation)들을 위하여 브로치의 사용을 용이하게 한다.
추가적인 실시예에서, 에너지 저장 메커니즘은 임팩트 주기의 일부 동안 적어도 부분적인 진공 하에 있는 챔버를 포함한다.
추가적인 실시예에서, 선형 운동 컨버터는 슬라이더 크랭크(slider crank), 링키지 메커니즘, 캠, 스크류, 랙(rack) 및 피니언, 마찰 구동부(friction drive) 또는 벨트 및 풀리 중 하나를 사용한다.
일 실시예에서, 선형 운동 컨버터 및 회전 모터는 선형 모터, 솔레노이드 또는 보이스 코일 모터(voice coil motor)에 의하여 대체될 수 있다.
추가적인 실시예에서, 도구는 제어 요소를 추가적으로 포함하고, 제어 요소는 에너지 조절 요소를 포함하고, 에너지 조절 요소는 도구의 임팩트 힘을 제어할 수 있고 제어되지 않은 임팩트들에 의하여 유발되는 손상을 감소 또는 회피할 수 있다. 에너지는 전자적으로 또는 기계적으로 조절(regulate)될 수 있다. 아울러, 에너지 조절 요소는 아날로그 일 수 있거나, 고정된 세팅들을 구비할 수 있다. 이러한 제어 요소는 브로치 머시닝 작동(broach machining operation)의 정확한 제어를 허용한다.
일 실시예에서, 도구의 철침은 임팩트의 두 개의 점들 중 적어도 하나의 점 및 스트라이커를 실질적으로 축 방향으로 이동하는 것을 억제(constrain)하는 가이드(guide)를 포함한다. 작동 시, 가이드를 따라 스트라이커의 이동은 전방으로 계속된다. 반전 메커니즘(reversing mechanism)은 스트라이커의 임팩트 점 및 외과적인 도구에 대한 합력(resulting force)를 변화시키기 위하여 사용될 수 있다. 그러한 반전 메커니즘의 사용은 철침 및/또는 브로치 또는 다른 외과적인 부가물(attachment)에 가해지는 전방 힘 또는 후방 힘 중 어느 하나의 힘의 결과를 낳는다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "전방 방향(forward direction)"은 브로치, 치즐 또는 환자를 향하는 방향으로 스트라이커의 이동을 의미하고, "후방 방향(rearward direction)"은 브로치, 치즐 또는 환자로부터 멀어지는 방향으로 스트라이커의 이동을 의미한다. 양방향의 임팩트하는 것 또는 단일 방향의 임팩트하는 것 중 어느 하나의 선택성은 물질 제거 또는 물질 다짐(compaction)의 선택이 종종 외과적인 시술에서 중요한 결정이라는 점에서 임플란트 캐비티 내부에서 물질의 절단 또는 압축 중 어느 하나에서 외과 의사에게 유연성(융통성, flexibility)을 제공한다. 아울러, 저자 자신의 이전 작업의 사용에서 발견되었던 바와 같이, 도구는 시술 중 종종 박힐 때(get stuck)가 있고 그러한 도구의 방향을 바꾸는 방법은 외과적인 도구를 이탈(dislodge)시키기에 불충분했다. 본원에서 개시된 본 실시예들은 이러한 단점을 극복한다. 일 실시예에서 전방 힘 또는 후방 힘 중 어느 하나와 소통(communicate)하는 임팩트 점들은 적어도 두 개의 분리된 및 구별되는 점들이다.
일 실시예에서, 철침 및 어댑터는 단일 요소(single element)를 포함하거나, 어느 하나가 다른 하나에 일체화될 수 있다.
일 실시예에서, 추가적으로 도구는 스트라이커의 임팩트하는 이동의 주파수를 조절할 수 있다. 스트라이커의 주파수를 조절함으로써, 동일한 임팩트 크기를 유지하는 동안에, 도구는, 예를 들어, 더 큰 전체적인 시간 가중(time-weighted)된 타진법의 임팩트를 제공할 수 있다. 이는 외과 의사로 하여금 브로치 또는 치즐의 절단 속도를 제어하는 것을 허용한다. 예를 들어, 외과 의사는 대부분의 브로치 또는 치즐 이동 중 (더 높은 주파수 임팩트하는 것) 더 빠른 비율로 절단하는 것을 선택할 수 있고, 브로치 또는 치즐이 원하는 깊이에 접근할 때 절단 비율을 느리게 할 수 있다. 파괴 작업(demolition work)에서 사용되는 바와 같은, 미국 특허번호 제6,938,705호에 도시된 바와 같이, 전형적인 임팩터들에서, 속도를 변화시키는 것은 임팩트 힘을 변화시키고, 이는 가변적인 속도 작동(operation)에서 (+/- 20%로 정의된) 일정한 임팩트 에너지를 유지하는 것을 불가능하게 한다.
일 실시예에서, 임팩트하는 방향은 사용자에 의하여 도구에 놓이는 바이어스 힘(biasing force)에 의하여 제어된다. 예를 들어, 도구를 전방 방향으로 바이어스하는 것은 전방의 임팩트하는 것을 제공하고, 후방 방향으로 도구를 바이어스하는 것은 후방의 임팩트하는 것을 제공한다.
일 실시예에서, 도구는 작업 영역(work area)를 비추고(illuminate) 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터를 인공 보철물 또는 임플란트 상에서 원하는 위치에 정확히 위치시키기 위하여 발광 요소(lighting element)를 구비할 수 있다.
일 실시예에서, 도구는 벤딩 지향(orientation) 또는 특정 크기를 넘어서는 오프-라인(off-line) 지향(orientation)이 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터 또는 임플란트 인터페이스(interface)에서 감지될 때 사용자에게 경고하는 피드백 시스템을 포함할 수도 있다.
일 실시예에서, 도구는 기계적인 또는 전기적인 제어기에 의하여 활성화될 수 있는 스트라이커를 보유(retain)하는 디텐트(detent)를 포함할 수도 있어서, 도구로부터 외과적인 엔드 이펙터로 임팩트 당 에너지는 증가된다. 일 실시예에서, 이러한 디텐트의 특성들에 있어서 스트라이커 이동의 30% 내에서 디텐트에 의하여 스트라이커에 인가되는 보유 힘이 약 50% 감소된다.
본 개시를 특징화하는 신규한 다양한 특성들과 함께, 본 개시의 다른 측면들과 더불어 앞서 언급한 사항들은 본원에 첨부된 청구범위에서 특별히 언급되고 본 개시의 일부를 형성한다. 본 개시, 이의 작동 이점들 및 본 개시의 사용에 의하여 달성되는 구체적인 비제한적인 대상체들의 더 나은 이해를 위하여, 본 개시의 예시적 실시예들로 도시되고 기재되는 수반된 도면들 및 발명의 설명을 참조하여 이루어져야 한다.
본 발명의 이점들 및 특징들은 수반하는 도면들과 조합하여 다음의 발명의 설명 및 청구범위를 참조하여 더욱 잘 이해될 것이고, 동일한 요소들은 동일한 도면 부호로 식별화될 것이다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 정형외과적인 임팩트하는 도구의 사시도를 도시한다;
도 2는 진공 작동 중 도 1의 도구의 피스톤의 예시적인 위치를 도시한다;
도 3은 전방 방향으로 철침을 임팩트하고 이동하는 도 1의 도구의 스트라이커를 도시한다;
도 4는 철침이 반대 방향으로 임팩트되도록 이동하는 도 1의 도구의 스트라이커를 도시한다;
도 5는 제1위치를 향하여 다시 이동하고 스트라이커를 다시 세팅하는 도 1의 도구의 피스톤을 도시한다;
도 6은 압축 챔버가 임팩트 힘을 생성하기 위하여 사용되는 도구의 추가적인 예시적인 실시예를 도시한다;
도 7은 밸브가 스트라이커의 임팩트의 에너지를 조절하기 위하여 사용되는 도구의 예시적인 실시예를 도시한다;
도 8은 스트라이커가 철침에 후방 힘을 제공한 표면을 제공하는 도구의 예시적인 실시예를 도시한다;
도 9는 스트라이커가 철침에 전방 작용 힘을 제공하는 도구의 예시적인 실시예를 도시한다;
도 10은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 컴플라이언스 메커니즘(compliance mechanism)을 사용하는 변경된(modified) 임팩트 및 날카로운(sharp) 임팩트 사이의 힘 vs 시간 곡선을 비교하는 차트(chart)이다;
도 11은 가스 스프링 시스템이 임팩트 힘을 발생시키기 위하여 사용되는 본 개시의 추가적인 실시예에 따른 정형외과적 임팩트하는 도구의 사시도를 도시한다;
도 12는 캠이 가스 스프링을 구동시키기 위하여 사용되는 가스 스프링 어셈블리 시스템의 사시도를 도시한다;
도 13은 가스 스프링 시스템의 캠이 가스 스프링을 해제하는 도구의 예시적 실시예를 도시한다;
도 14는 가스 스프링이 해제된 후 기동되는 매스가 전방 방향으로 임팩트 점을 향하여 가속되는 도구의 예시적 실시예를 도시한다;
도 15는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 정형외과적인 임팩트하는 도구의 주기적인 작동을 도시하는 예시적인 플로우 차트(flow chart)이다.
예증적인 목적들을 위하여 본원에서 상세히 기재된 바람직한 실시예들은 많은 변형들의 대상이다. 상황들이 방편(expedient)을 암시 또는 제공함에 따라 등가물들의 다양한 생략들 및 대체들이 고려되는 것으로 이해되지만, 본 개시의 사상 또는 범위로부터 벗어나지 않고 적용 또는 이행을 커버하는 것으로 의도된다.
본 개시는 제어된 타진법의(percussive) 임팩트(impact)들과 함께 전기 모터에 의하여 구동되는(electric motor-driven) 정형외과적인 임팩트하는 도구(tool)를 제공한다. 도구는 가변적이고 변화하는 방향들, 힘들 및 주파수들의 임팩트하는 것 뿐만 아니라 단일 및 다수의 임팩트들을 수행하는 능력을 포함한다. 또 다른 실시예에서, 디텐트(detent)가 제공될 수 있고, 디텐트는 더 높은 에너지 임팩트의 생산을 용이하게 한다. 또 다른 실시예에서, 임팩트는 도구에 연결된 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터로 전달된다.
도구는 하우징을 더 포함할 수 있다. 하우징은 도구의 적어도 하나의 구성 요소를 단단히(securely) 커버하고 유지(hold)할 수 있고, 외과적인 적용들에 적절한 물질로 형성된다. 일 실시예에서, 하우징은 모터, 적어도 하나의 감속 기어, 선형 운동 컨버터, 가스 챔버, 스트라이커, 힘 조절기(force adjuster), 제어 회로 또는 모듈, 철침(anvil), 전방의 임팩트 표면 및 후방의 임팩트를 위한 다른 표면을 보유한다.
도구는 사용 중 도구의 안정적이고 단단한 유지(holding)를 위한 선택적인 핸드 그립을 구비한 핸들 부분(handle portion), 어댑터, 배터리, 위치 센서, 방향 센서 및 비틀림 센서를 포함할 수 있다. 도구는 외과의사가 도구를 이용하는 작업 영역에서 빛을 제공하기 위하여 LED와 같은 발광 요소를 더 포함할 수 있다. 철침은 인터페이스(interface)하는 어댑터의 사용을 통하여 기술 분야에서 알려진 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터에 커플링(couple)될 수 있고, 어댑터는 다른 브로치하는 크기들의 신속한 변화를 용이하게 하기 위하여 빠른 연결 메커니즘(quick connect mechanism)을 구비할 수 있다. 철침은 브로치로 하여금 외과의사의 손들에서 도구의 방향을 바꾸지 않고 다른 해부학적 구성(configuration)들에서 구성되고 제시(present)되는 것을 허용하기 위하여 록킹 회전 특징부(locking rotational feature)를 더 포함할 수 있다.
이제 일반적으로 도 1 내지 도 5를 참고하면, 일 예시적인 실시예에서, 선형 운동 컨버터(12)는 슬라이더 크랭크 메커니즘을 포함한다. 슬라이더 크랭크는 모터(8) 및 감속 기어(7)들에 직접적으로 또는 간접적으로 작동되게 커플링된다. 도구는 선형 운동 컨버터(12)에 의하여 구동될 수 있는 피스톤(24)을 수용하는 진공 챔버(23)를 더 포함한다. 피스톤(24)이 하나 이상의 방향으로 구동될 수 있음은 명백할 것이다. 진공은 스트라이커(25)로부터 멀어지는 방향으로 피스톤(24)의 이동에 의하여 진공 챔버(23)에서 생성된다. 진공 챔버(23)에서 생성된 진공은 작동 주기(operational cycle)의 적어도 일부에 대하여 약 9 psi 보다 작은 압력으로 정의된다.
일 실시예에서, 도 2에 더욱 특별하게 도시된 바와 같이, 모터(8)는 선형 운동 컨버터(12)로 하여금 이동을 유발하고, 스트라이커(25)의 면(face) 위에 진공을 당기고(pull) 진공 챔버(23)에서 적어도 부분적인 진공을 생성한다. 피스톤(24)은 스트라이커(25)의 전방 부분(즉, 엔드 이펙터 또는 환자에 근접한 스트라이커의 일부)를 타격(hit)할 때까지 진공 챔버(23)의 크기를 증가시키면서 계속 이동하고, 스트라이커(25)를 (디텐트를 이용하는 실시예들에 대하여) 디텐트(10)로부터 이탈(dislodge)시키고, 스트라이커로 하여금 엔드 이펙터 또는 환자에 근접한 도구의 단부를 향하여 급속히 가속시키는 것을 허용한다. 일 실시예에서, 디텐트는 자석 또는 전자석과 같이 도면들에 도시된 바람직한 디텐트와 함께, 기계적이거나, 전기적이거나, 이들의 조합일 수 있다. 디텐트(10)의 특성에 있어서, 일단 디텐트(10)가 해제되거나 극복되면, 스트라이커(25)에 대한 디텐트(10)의 보유 힘(retention force)은 스트라이커(25)의 30%의 제1이동 내에 적어도 약 50%까지 감소한다. 철침(14)에 대한 스트라이커(25)의 임팩트는 어댑터(1) 및 브로치, 치즐 또는 다른 정형외과적인 도구에 대한 힘을 소통한다.
일 예시적인 실시예에서, 철침에 대한 힘의 방향은 도구에 대한 (외과 의사와 같은) 사용자의 수동적인 힘 및 스트로크 리미터(stroke limiter)(13)에 의하여 제어된다. 발명자의 이전 설계들은 캐비티에서 때때로 장악할(seize) 수 있고 선행 문단에서 스트라이커의 임팩트가 도구를 이탈시키기에 불충분할 수 있음은 발명자에 의하여 결정되어 왔다. 본 실시예에서, 도구가 캐비티로부터 멀어지는 방향으로 당겨질 때, 스트라이커(25)는 철침(14)에 임팩트를 가하지 않을 것이지만, 교대하는 평면(alternate surface)에 임팩트를 인가하여 철침(14)에 대하여 후방 힘을 소통할 것이다. 이러한 임팩트 표면은 구동 핀(actuation pin)(27)으로서 예시적인 실시예에서 도시된다. 구동 핀(27)은 레버 암(lever arm)(17)에 대하여 힘을 소통하고, 철침(14), 구체적으로는 철침의 후퇴 임팩트 표면(anvil retract impact surface)(26)에 대하여 후방 힘을 소통한다. 본 실시예는 상술한 장악(seizure) 문제를 쉽게 해결하는 예상치 못한 이익을 구비하는 한편, 정확하게 제어된 임팩트의 관점에서 현존하는 도구의 모든 이점들을 보유한다. 그러므로, 외과 의사가 도구 위에 두는 바이어스(bias)에 의하여 임팩트하는 방향을 외과 의사가 제어할 수 있는 것이 보일 수 있기 때문에, 환자 또는 외과적인 캐비티에서 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터가 박힐 가능성을 감소시킬 수 있음이, 이 도구의 추가적인 이점으로 발견되었다.
추가적인 실시예에서, 전자석은 디텐트(10)로서 구체화(incorporate)될 수 있고 스트라이커(25)로 하여금 철침(14)을 임팩트하는 것을 허용하기 위하여 작동 주기에서의 적절한 점(point)에서 전자석은 해제될 수 있다. 일단 스트라이커(25)가 디텐트(10)로부터 해제되면, 스트라이커(25)의 후방 측 상의 공기 압력은 스트라이커(25)를 전방으로 나아가게 하여 철침(14) 또는 다른 스트라이커 표면을 임팩트한다. 철침의 전방의 임팩트 표면(16)에 근접한 철침(14)의 단부를 통하여 합력이 소통될 수 있고, 선택적으로 임플란트 또는 인공 보철물을 설치 또는 제거하기 위한 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터가 부착되는 어댑터(1)를 통하여 합력이 소통될 수 있다.
또한, 스트라이커 가이드(11)는 스트라이커 가이드 벤트 홀(20)들을 구비할 수 있고, 스트라이커 가이드 벤트 홀(20)은 스트라이커(25)의 앞의 공기로 하여금 탈출(escape)하는 것을 허용함으로써, 철침(14)에 대한 스트라이커(25)의 임팩트 힘을 증가시킨다. 스트라이커 가이드 벤트 홀(20)들은 도구 본체의 캐비티 내에서 환기(vent)할 수 있음으로써, 공기가 도구로부터 탈출하는 것을 방지하는 자립의 공기 주기(self-contained air cycle)를 생성하고 도구의 더 나은 밀봉(sealing)을 허용한다. 발명자의 판단에 따르면, 스트라이커 가이드 벤트 홀(20)들의 위치 및 크기는 임팩트 힘을 조절하기 위하여 변화될 수 있다. 게다가, 발명자의 판단에 따르면, 스트라이커 가이드 벤트 홀(20)들을 추가하는 것은 철침(14)에 대한 스트라이커(25)의 임팩트 힘을 증가시킨다.
일 실시예에서, 피스톤(24)이 피스톤의 스트로크를 통하여 진행함에 따라, 피스톤은 후방 방향을 향하여 이동한다. 이러한 움직임은 피스톤(24)이 스트라이커(25)의 후방의 스트라이커 면(28)과 접촉하게 하고 도구의 후방을 향하여 피스톤(24)을 이동시킨다. 이는 디텐트(10)로 하여금 다음 임팩트를 위하여 제 위치에 스트라이커(25)를 고정(lock) 또는 보유(retain)하는 것을 허용한다. 피스톤(24)은 피스톤의 후방의 스트로크를 완료하고, 바람직하게는 피스톤(24)이 진공 챔버(23)의 하사점(bottom dead center)에서 또는 하사점의 근처에서 있도록 모터(8)에게 정지하라는 신호를 주는 센서(22)를 활성화시킨다. 바람직하게는, 진공 챔버(23)는 릴리프 밸브 또는 체크 밸브(9) 또는 다른 작은 개구를 구비하고, 이는 일 실시예에서 피스톤(24)의 일부이다. 밸브(9)는 진공 챔버(23)에서 다른 점들에서 위치될 수도 있고 진공 챔버(23)에 축적되어 있을 수 있는 어떤 공기로 하여금 각각의 주기 동안 진공 챔버의 밖으로 퍼지(purge)되는 것을 허용한다. 추가적인 실시예에서, 이러한 밸브 효과는 O-링 씰 대신에 컵 씰(cup seal)로 달성될 수 있다. 이는 대략적으로 대기압이 작동 주기에서 시작점에서 진공 챔버(23)에서 존재하는 것을 보장함으로써, 적어도 다-임팩트 상황(multi-impact situation)들에서 실질적으로 일관된 힘 및 임팩트 비율을 보장(assure)하는 이유로 정형외과적인 임팩트에서 중요한 바와 같이, 각각의 임팩트가 동일한 양의 에너지를 이용하는 것을 보장한다. 결국, 하나의 완전한 주기에서, 전방의 임팩트 힘 또는 후방의 임팩트 힘은 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터에 인가될 수 있거나, 임플란트 또는 인공 보철물에 인가될 수 있다.
도 15는 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 정형외과적인 임팩트하는 도구의 주기적인 작동을 예증하는 예시적인 플로우 차트이다. 주기의 시작(1500)에서, 정형외과적인 임팩트하는 도구가 충전되고 사용 준비가 되었는지 여부를 단계(1502)에서 먼저 결정된다. 배터리와 같은 국소적인 전력원의 전압이 문턱 최소치(threshold minimum)보다 작다면, 배터리는 단계(1504)에서 충전되도록 세팅된다. 배터리의 전압이 문턱 최소치보다 크다면, 단계(1506)에서 철침 및/또는 브로치 또는 다른 외과적인 부착물이 환자의 뼈의 캐비티에 대하여 올바르게 위치되었는지 여부를 결정한다. 철침 및/또는 브로치 또는 다른 외과적인 부착물이 올바르게 위치되면, 단계(1510)로 작동이 진행된다; 그렇지 않으면, 단계(1508)에서 위치가 수정될 때까지 시스템은 대기한다. 단계(1510)에서, 전기 모터 및 기어 박스의 조합이 회전하는지 여부가 결정된다. 일단 모터가 회전하기 시작하면, 단계(1512)에서 캠 센서가 활성화되었는지 여부가 결정된다. 센서가 활성화되었다면, 트리거(trigger)는 단계(1514)에서 눌리고(press), 이는 캠이 가스 스프링 피스톤을 "코크(cock)"하고, 궁극적으로 임팩트 힘을 발생시키는 결과를 낳는다. 캠 센서가 활성화되지 않았다면, 상기 과정은 단계(1510)로 회귀하여 캠 센서가 활성화될 때까지 모터로 하여금 계속 회전하는 것을 허용한다. 그 다음, 트리거가 단계(1514)에서 유지되면, 작동 주기들은 모터가 계속하여 회전하는 단계(1510)로 다시 돌아가서, 캠으로 하여금 다음 주기를 위하여 가스 스프링 피스톤을 "리코크(re-cock)"한다; 그렇지 않으면, 정형외과적인 임팩트하는 도구의 작동은 단계(1516)에서 중단된다.
제어기(21)는 도 15에 기재된 주기적인 작동을 이행하는 펌웨어(firmware)와 함께 바람직하게 작동하여, 정형외과적인 임팩트하는 도구가 반복 가능하고 제어 가능한 임팩트 힘을 생산할 수 있도록 하는 결과를 낳는다. 예를 들어, 제어기(21)는 지능적인 하드웨어 디바이스들, 예를 들어, Intel? Corporation (Santa Clara, CA) or AMD? (Sunnyvale, CA)에 의하여 제조된 것들과 같은, 데이터 프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 FPGA 디바이스를 포함할 수 있다. 다른 제어기 타입들은 통상의 기술자에 의하여 인식되는 바와 같이 이용될 수도 있다.
추가적인 실시예에서, 피스톤의 전방 위치가 스트라이커의 일부를 임팩트하고 후방 위치에서 스트라이커를 보유하는 디텐트(10)를 극복하도록 피스톤(24)이 충분한 거리를 이동할 때까지 도구의 모터(8)는 선형 운동 컨버터(12)로 하여금 피스톤(24)을 이동시키도록 유발한다. 일단 스트라이커가 디텐트(10)로부터 해제되면, 진공 챔버(23)에서의 진공은 스트라이커에 힘을 가하고, 스트라이커를 가속시켜, 스트라이커로 하여금 도구에 대하여 내부에 있는 캐비를 축 방향으로 미끄러져 내려가게 하고 철침의 전방의 임팩트 표면(16)을 스트라이크(strike)하도록 유발한다. 도 3에서, 철침의 전방의 임팩트 표면(16)은 철침(14) 및/또는 도구 홀더의 전방의 이동을 유발하고, 도 4에서, 철침의 후퇴 임팩트 표면(26)은 철침(14) 및/또는 도구 홀더의 후방의 이동을 유발한다. 합력은 철침의 전방의 임팩트 표면(16)에 근접한 철침(14)의 단부를 통하여 소통되고, 선택적으로 임플란트 또는 인공 보철물을 설치 또는 제거하기 위한 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터가 부착될 수 있는 어댑터(1)를 통하여 합력이 소통될 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에서, 임팩트 힘은 도 6 내지 도 9에서 일반적으로 도시되는 바와 같이, 피스톤(6) 및 스트라이커(4)와 함께 압축 공기 챔버(5)를 사용하여 발생될 수 있다. 이 실시예에서, 후방의 위치에서 스트라이커(4)를 보유하는 디텐트(10) 및/또는 상기 후방의 위치에서 스트라이커(4)를 유지하는 관성력 및 마찰력을 극복하기 위하여 스트라이커(4)의 근접 단부 및 피스톤(6)의 말단 단부 사이에 배치되는 압축 공기 챔버(5) 내에 충분한 압력이 빌드(build)될 때까지 도구의 모터(8)는 선형 운동 컨버터(12)로 하여금 피스톤(6)을 이동시킨다. 일단 이러한 충분한 압력이 도달되면, 공기 통로(air passageway)(19)는 개방되고 공기 압력은 스트라이커(4)를 가속시켜, 스트라이커(4)는 캐비티를 축 방향으로 미끄러져 내려가고 철침(14)을 스트라이크한다. 공기 통로(19)는 스트라이커(4)의 단면의 바람직하게는 적어도 50% 미만의 단면을 구비하여서 디텐트(10)로부터 요구되는 보유 힘의 양을 감소시킨다. 합력은 철침의 전방의 임팩트 표면(16)에 근접한 철침(14)의 단부를 통하여 소통되고, 선택적으로 임플란트 또는 인공 보철물을 설치 또는 제거하기 위한 브로치, 치즐 또는 다른 디바이스가 부착될 수 있는 어댑터(1)를 통하여 소통될 수 있다.
피스톤(6)이 피스톤의 스트로크를 통하여 진행함에 따라, 피스톤(6)은 후방 방향을 향하여 이동하고, 압축 공기 챔버(5)에서 약간의 진공(slight vacuum)을 당긴다. 이러한 진공은 스트라이커(4)의 뒤쪽으로 공기 통로(19)를 통하여 소통될 수 있고, 스트라이커(4)에 회귀 힘(returning force)을 생성하여, 회귀 힘으로 하여금 스트라이커(4)를 후방 방향, 즉 철침의 전방의 임팩트 표면(16)에 대한 스트라이커(4)의 임팩트 점으로부터 멀어지는 방향으로 이동시킨다. 어댑터(1)가 철침(14)에 부착되는 경우에, 임플란트 또는 인공 보철물을 설치 또는 제거하기 위한 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터가 부착되는 어댑터(1)를 통하여 힘이 소통될 수 있다.
또 다른 예시적 실시예에서, 임팩트 힘은, 예를 들어 도 11에 도시된 바와 같이 에어 스프링 어셈블리 시스템과 같은 가스 스프링 어셈블리 시스템을 사용하여 발생될 수 있다. 도 11은 본 개시의 실시예에 따른 정형외과적인 임팩트하는 도구의 사시도를 도시하고, 이 실시예에서, 캠(30)과 조합하여 가스 스프링 어셈블리 시스템의 모터(8) 및 기어 박스는 임팩트 힘을 궁극적으로 발생시키기 위하여 가스 스프링 피스톤(32) 및/또는 기동되는 매스(34)를 구동시킨다. 캠(30)은 물방울 형상으로 도시되지만, 가스 스프링의 빠른 해제를 제공하는 임의의 형상이 사용되는 설계가 고려된다. 가스 스프링을 구동하게 빠르게 해제하기 위한 대안적인 방법들은 단속적인(interrupted) 랙 및 피니언을 사용하거나 등반 메커니즘(climbing mechanism)을 사용하는 것을 포함하지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 가스 스프링 어셈블리 시스템은 다른 구성 요소들 중에서, 롤러 팔로워(roller follower)(36), 감속 기어(7)들 및 철침(14)을 더 포함한다. 가스 스프링 피스톤(32)은, 예를 들어, 약 300 내지 3000 psi의 범위 내의 압력 하에서 작동하는 가스 챔버(40)를 포함한다.
도 12는 가스 스프링 어셈블리 시스템의 사시도로서, 가스 스프링 피스톤(32)을 구동하기 위하여 사용되는 캠(30)은 작동 위치에서 "코크된(cocked)", 해제 준비가 된 가스 스프링을 구비한다. "코크 페이즈(cocking phase)"에서, 기동되는 매스(34)와 조합하는 가스 스프링 피스톤(32)은 접촉하고 롤러 팔로워(36)가 가스 스프링 피스톤(32)을 밀어붙이고, 화살표(42)에 의하여 도시된 바와 같이, 롤러 팔로워(36)는 제1방향으로 캠(30)에 의하여 구동된다. 캠(30)이 (동어 반복적인(tautological) 목적들을 위하여 시계 방향으로 보이는) 제1방향으로 계속하여 회전할 때, 기동되는 매스(34)와 조합하는 가스 스프링 피스톤(32)은 캠(30)으로부터 해제된다. 특별하게는, 가스 챔버(40) 내에서 가스 스프링 피스톤(32)의 충분한 변위 이후 및 캠(30)이 가스 스프링 피스톤(32) 및/또는 기동되는 매스(34)의 조합을 해제한 후, 가스 스프링 피스톤(32)은 전방 방향, 즉 임팩트 점을 향하는 방향으로 이동하고, 동시에 기동되는 매스(34)를 가속시키고, 기동되는 매스(34)는 가스 스프링 피스톤(32)의 면과 접촉한다. 기동되는 매스(34)는 반복된 임팩트에 도움이 되는(lend oneself to) 유사한 특성들을 구비하는 강철 또는 어느 다른 물질과 같은 적절한 물질로부터 구성될 수 있다.
도 13 및 도 14는 정형외과적인 임팩트하는 도구의 예시적인 실시예로서, 가스 스프링 어셈블리 시스템의 캠(30)은 제1방향(42)으로 회전되고, 가스 스프링 피스톤(32)은 캠(30)으로부터 해제된다. 가스 스프링 피스톤(32)의 해제 시, 기동되는 매스는 임팩트 점, 철침(14) 또는 또 다른 임팩트 표면과 가동 접촉하게 될 때까지 가스 스프링 피스톤(32)과 함께 전방 방향으로 가속된다. 가스 스프링 피스톤(32)이 전방 방향으로 이동될 때, 가스 스프링 범퍼(gas spring bumper)(44)는 가스 스프링 피스톤(32)의 플랜지(46)가 가스 스프링 피스톤(32)의 실린더를 임팩트하는 것을 방지하기 위하여 스토퍼(stopper)로서 기능한다. 범퍼(44)는 스트로크의 단부에 이르러 매스(34)를 기동시킬 때 가스 스프링 피스톤(32)의 임팩트를 흡수한다. 그러한 범퍼(44)는 반복되는 작동 동안 가스 스프링 피스톤(32)에 대한 손상을 방지한다. 적어도 일부의 임팩트 동안, 바람직하게는 임팩트 점 이전에, 기동되는 매스(34)는 가스 스프링 피스톤(32)의 면으로부터 분리한다. 캠(30)은 그 이후 트리거가 유지된다면, 다음 주기를 위하여 가스 스프링 피스톤(32)을 리코크한다.
상술한 바와 같이, 적어도 두 개의 다른 임팩트 표면들로서 전방의 임팩트 표면 및 후방의 임팩트를 위한 다른 표면이 있다. 도 14는 철침(14), 구체적으로는 후방 임팩트를 위한 다른 표면에 대한 후방 힘을 소통하는 레버 암(lever arm)(17)을 도시한다. 그러한 것은 외과적인 캐비티 내에 박히게 되는 도구들 및 기구들을 쉽게 이탈시키는 예상하지 못한 이점을 구비한다. 도 6, 도 8 및 도 9를 구체적으로 참조하면, 예를 들어, 정형외과적인 임팩트하는 도구가 환자의 뼈의 캐비티로부터 당겨지는 때, 예를 들어, 스트라이커(4)는 철침(14)을 임팩트하지 않을 것이지만, 대신에 교대하는 표면(alternate surface)을 임팩트할 수 있고, 이에 따라 철침(14)에 대한 후방의 힘을 소통한다. 이러한 임팩트 표면은 예시적 실시예에서 구동 핀(27)으로 도시된다. 구동 핀(27)은 레버 암(17)에 대한 힘을 소통하고, 철침(14), 구체적으로는 철침의 후퇴 임팩트 표면(26)에 대한 후방 힘을 소통한다.
기동되는 매스(34)와 조합하는 가스 스프링 피스톤(32), 즉, 전체 이동 매스에 대한 가스 스프링 피스톤(32)의 비율은 약 50% 미만이고, 이는 임팩트 표면에 대한 효율적인 임팩트를 제공하기 위하여 기동되는 매스(34)에 더욱 효율적인 에너지 전달을 용이하게 한다. 유리하게는, 가스 스프링 어셈블리 시스템은 더 높은 에너지 임팩트를 위하여 디텐트 또는 자석을 필요로 하지 않거나 사용하지 않는다. 아울러, 가스 스프링의 압축 비율은 50% 미만이고, 이는 가스의 압축 중 발생된 열적인 열(thermal heat)을 감소시킨다. 따라서, 가스 스프링 피스톤은 더욱 컴팩트하고, 효율적이고, 경량이며, 이전에 기재된 임팩트 발생 시스템들에 비하여 적은 전체 파트들 이동 파트들을 구비한다.
도구는 제어된 연속적인 임팩트하는 것을 더 용이하게 할 수 있고, 임팩트하는 것은 스타트 스위치의 위치에 종속한다(예를 들어, 스타트 스위치는 전력원 또는 모터에 작동되게 커플링될 수 있다). 그러한 연속적인 임팩트에 대하여, 스타트 스위치가 활성화된 후, 스타트 스위치의 위치에 종속하여, 예를 들어, 도구는 스타트 스위치의 위치에 비례하는 비율로 완전한 주기들을 겪을 수 있다. 그러므로, 단일의 임팩트 또는 연속적인 임팩트하는 작동적인 모드들 중 어느 하나와 함께, 외과적인 영역의 생성 또는 형상화가 외과 의사에 의하여 쉽게 제어된다.
제어기(21)에 작동되게 커플링되는 센서(22)는 선형 운동 컨버터(12)의 바람직한 주기적인 작동을 조절하는 것을 돕기 위하여 제공될 수 있다. 예를 들어, 센서(22)는 제어기(21)에 대하여 적어도 하나의 위치와 소통할 수 있고, 이는 선형 운동 컨버터(12)가 전출력 스트로크(full power stroke)의 적어도 약 75%가 다음 주기를 위하여 이용 가능한 위치에서 또는 그 위치 주변에 정지하는 것을 허용한다. 이러한 위치는 휴지 위치(rest position)으로 언급된다. 이는 주기마다 동일한 양의 에너지로 도구가 임팩트하는 것을 사용자가 보장하는 것을 허용한다는 점에서 현존하는 도구들에 비하여 유리하다는 점이 밝혀져 왔다. 이러한 수준의 제어가 없으면, 단일 주기의 임팩트의 반복성이 제한되고 도구에 있어서 외과 의사가 가지는 자신감을 감소시킨다.
도구는, 예를 들어 에너지 제어 요소(18)의 방식으로 주기 당 임팩트 에너지의 양을 더 조절할 수 있다. 임팩트 에너지를 제어함으로써, 도구는 과도한 에너지의 임팩트들 또는 제어되지 않은 임팩트들에 의하여 유발된 손상을 회피할 수 있다. 예를 들어, 외과 의사는 골다공증을 가진 노인 환자의 경우에 임팩트 세팅을 감소시킬 수 있거나, 탄력이 있는(resilient) 또는 온전한(intact) 탄탄한(athletic) 뼈 구조를 위한 임팩트 세팅들을 증가시킬 수 있다.
일 실시예에서, 바람직하게는 에너지 제어 요소(18)는 스트라이커(25)를 유지하는 디텐트(10)에 대한 선택 가능한 해제 세팅을 포함한다. 디텐트(10)로부터 스트라이커(25)를 이탈시키는 데 필요되는 압력이 증가되는 경우에 더 큰 에너지로 스트라이커(25)가 철침(14)을 임팩트할 것은 명백할 것이다. 또 다른 실시예에서, 디텐트(10)는 전기적으로 제어된 요소를 포함할 수 있다. 전기적으로 제어된 요소는 주기에서의 다른 점들에서 해제될 수 있고, 스트라이커(25)에 작용하는 진공 챔버(23)의 크기를 제한시킨다. 일 실시예에서, 전기적으로 제어된 요소는 전자석이다.
또 다른 실시예에서, 진공 챔버(23) 또는 압축 공기 챔버(5)는 에너지 제어 요소(18)를 포함할 수 있고, 조절 가능한 밸브와 같은 조절 가능한 누출부(leak)의 형태를 취한다. 누출부는 스트라이커(4 또는 25)를 가속시키는 에너지의 양을 감소키기고, 철침(14)에 대한 임팩트 에너지를 감소시킨다. 조절 가능한 누출부의 경우에, 누출부를 최대치로 조절하는 것은 스트라이커(4 또는 25)로부터 최저 임팩트 에너지를 제공할 수 있고, 누출 오프(제로 누출)를 차단하도록 조절하는 것은 스트라이커(4 또는 25)로부터 최고 임팩트 에너지를 제공할 수 있다.
도구는 스트라이커(4 또는 25) 및 외과적인 엔드 이펙터 사이에 삽입된 컴플라이언스 요소(compliance element)를 더 포함할 수 있고, 그 목적은 더 긴 시간 주기 동안 임팩트 힘을 퍼뜨리는(spread out) 것으로서, 감소된 힘으로, 임팩트 당 동일한 전체 에너지를 달성한다. 이는 도 10에 도시된 기구에 대한 두 개의 로드 셀 테스트들의 결과로서 명백히 보일 수 있다. 컴플라이언스 요소의 이러한 타입은 피크(peak)들이 환자의 뼈에서 골절(fracture)들을 유발하는 것을 방해(preclude)하기 위하여 임팩트 동안 피크 힘(peak force)을 제한할 수 있다. 추가적인 실시예에서, 이러한 컴플라이언스 요소는 조절 가능하고, 또 다른 추가적인 실시예에서, 컴플라이언스 요소는 스트라이커(4 또는 25) 및 철침(14) 또는 외과적인 도구 사이에 삽입될 수 있다. 이러한 방식으로 및 또 다른 방식으로, 도구는 일관된 축 방향의 브로치하는 것 및 임플란트 설치를 용이하게 한다. 바람직하게는, 컴플라이언스 요소는 스트라이커로부터 임팩트의 시간을 적어도 4밀리초(millisecond) 및 바람직하게는 적어도 10밀리초로 증가시킨다. 이는 스트라이커(4 또는 25) 및 철침(14)(예를 들어, 강철 모두)의 상대적으로 높은 강도들로 인하여 매우 높은 힘이 발생되는 임팩트하는 것에 대조된다. 바람직하게는, 컴플라이언스 요소는 전체적인 에너지에 최소의 댐핑(damping)을 제공하고 임팩트로부터 잘 회복하는 우레탄, 고무 또는 다른 탄성적인 물질과 같은 탄성력이 있는 물질(resilient material)을 포함한다.
추가적인 실시예에서, 어댑터(1)는 링키지 장치(arrangement) 또는 기술 분야에서 알려진 다른 조절 메커니즘들을 포함할 수 있어서, 외과 의사로 하여금 도구를 회전시킬 것을 요구하지 않고 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터의 위치가 변경될 수 있다. 일 실시예에서, 어댑터(1)는 도구 및 환자 사이의 회전 커플링 또는 피봇(pivot) 커플링에 의하여 또는 오프셋 메커니즘 중 어느 하나를 통하여 전방 관절 치환(replacement) 또는 후방 관절 치환을 위하여 어댑터(1)는 브로치를 수용할 수 있다. 이에 따라, 스트라이커(25) 및 도구의 본체에 평행 또는 동일선상에 있는(co-linear) 지향(orientation)으로 어댑터(1)는 브로치 또는 외과적인 엔드 이펙터를 유지할 수 있다. 어댑터(1)는 도구의 작동 중 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터를 단단하게 유지할 수 있는 클램프들, 바이스(vice) 또는 어느 다른 파스너(fastener)를 포함할 수도 있다.
사용 시, 외과 의사는 핸들 그립 또는 그립들에 의하여 도구를 유지하고, 작업 영역을 비추고 인공 보철물 또는 임플란트 상에서 원하는 위치에 도구에 부착되어 있는 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터를 정확하게 위치시키기 위하여 LED에 의하여 발광되는 빛을 이용한다. 브로치, 치즐 또는 다른 엔드 이펙터에 대한 도구에 의하여 제공된 왕복 운동(reciprocating movement)은 캐비티를 형상화하는 것 및 인공 보철물의 설치 또는 제거하는 것을 허용한다.
본원에 기재된 도구는 종래 기술에 비하여 다양한 이점들을 제공한다. 외과적인 부위(site)에서 제어된 임팩트를 하는 것을 용이하게 하고, 환자의 몸체에 대한 불필요한 손상을 최소화하고, 임플란트 또는 인공 보철물 설치(seat)의 정확한 형상화(shaping)를 허용한다. 또한, 도구는 외과 의사로 하여금 임팩트들의 방향, 힘 및 주파수를 조절(modulate)하고, 도구를 조종하는 외과 의사의 능력을 향상시킨다. 임팩트 세팅들의 힘 및 컴플라이언스 제어 조절들은 외과 의사로 하여금 환자의 특별한 뼈 타입 또는 다른 프로파일에 따라 임팩트 힘을 세팅하는 것을 허용한다. 향상된 효울 및 감소된 선형 운동 컨버터 부하(load)들은 더 작은 배터리들 및 더 낮은 비용 구성 요소들의 사용을 허용한다. 이에 따라, 도구는 임플란트 캐비티의 안으로 또는 밖으로 인공 보철물 또는 임플란트의 적절한 설치(seat)하는 것 또는 제거를 가능하게 한다.
본 개시의 구체적인 실시예들의 상술한 설명들은 예증 및 설명의 목적들을 위하여 제시되어 왔다. 이들은 배타적이라거나 개시된 정확한 형태(form)들로 본 개시를 제한하려는 의도가 아니고, 명백하게는 많은 변경들 및 변화들이 상술한 교시에 비추어 가능하다. 본 개시의 원리들 및 이의 실제적인 적용을 최대한 설명하여, 고려된 특별한 용도에 적합한 바와 같이 통상의 기술자로 하여금 다양한 변경들과 함께 개시 및 다양한 실시예들을 최대한 이용하게 하기 위하여 예시적인 실시예가 선택되고 기재되었다.

Claims (20)

  1. 대립하는 방향들로 외과적 도구의 작동을 추진하기 위하여 반복 가능하고 제어된 접촉 힘으로 대상체를 스트라이크하기 위한 외과적 임팩터에 있어서,
    상기 외과적 임팩터는,
    가스 스프링 어셈블리를 구비한 구동 메커니즘;
    상기 반복 가능하고 제어된 접촉 힘을 생산하기 위하여 상기 구동 메커니즘으로부터 에너지 저장 메커니즘으로 에너지 출력의 저장 및 방출을 제어하는 제어 회로;
    상기 대상체와 인터페이스하기 위하여 외과적 도구를 수용하도록 구성된 어댑터; 및
    상기 반복 가능하고 제어 가능한 접촉 힘을 상기 어댑터로 제공하기 위하여 이동체로 전달되는 상기 반복 가능하고 제어된 접촉 힘에 기초하여 적어도 두 개의 구별되는 임팩트 표면들에 접촉하도록 작동 가능한 이동체;
    를 포함하고,
    제1임팩트 표면으로 상기 반복 가능하고 제어 가능한 접촉 힘의 제공은 제1방향으로 상기 어댑터를 추진시키고,
    제2임팩트 표면으로 상기 반복 가능하고 제어 가능한 접촉 힘의 제공은 상기 제1방향에 반대되는 방향으로 상기 어댑터를 추진시키는 외과적 임팩터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 표면들의 선택은 상기 임팩터에 가해지는 사용자 바이어스 힘에 기초하는 임팩터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 대상체의 방향으로의 상기 사용자 바이어스 힘은 상기 이동체로 하여금 상기 제1임팩트 표면과 접촉하도록 유발하는 임팩터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 대상체로부터 멀어지는 방향으로의 상기 사용자 바이어스 힘은 상기 이동체로 하여금 상기 제2임팩트 표면과 접촉하도록 유발하는 임팩터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 스프링 어셈블리는 가스 스프링, 가스 스프링 피스톤, 캠, 모터 및 기어 박스를 포함하는 임팩터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 스프링 피스톤 및 상기 이동체의 전체 이동 매스 대비 가스 피스톤 매스의 비율은 50% 미만인 임팩터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 가스 스프링의 압축 비율은 50% 미만인 임팩터.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 캠은 상기 가스 스프링 피스톤을 변위(displace)시키기 위하여 사용되는 임팩터.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 가스 스프링 피스톤은 300 내지 3000 psi의 범위 내 압력 하에서 작동하는 가스 챔버를 포함하는 임팩터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이동체는 상기 가스 스프링 피스톤 및 이동 매스를 포함하는 임팩터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 이동체는 이동 매스를 포함하는 임팩터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 이동 매스는 강철로 구성되는 임팩터.
  13. 제1항에 있어서,
    환자 프로파일에 따라 상기 이동체로부터 상기 어댑터로 전달되는 임팩트 에너지를 조절하는 에너지 조절 메커니즘을 포함하는 임팩터.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 어댑터는 상기 외과적 도구에 해제 가능하게 연결되도록 구성되는 임팩터.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 이동체는 상기 적어도 두 개의 임팩트 표면들을 구비하는 철침(anvil)에 의하여 상기 어댑터에 작동 가능하게 링크(link)되는 임팩터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 어댑터는 상기 철침에 후방으로의 힘을 가하는 레버 암에 의하여 상기 제1방향에 반대되는 방향으로 추진되는 임팩터.
  17. 제5항에 있어서,
    상기 캠은 상기 이동체가 상기 적어도 두 개의 구별되는 임팩트 표면들과 접촉하기 이전에 상기 가스 스프링 피스톤과 맞물리고, 상기 캠은 상기 적어도 두 개의 구분되는 임팩트 표면들과 접촉하도록 상기 이동체를 추진시키기 위하여 상기 캠으로부터 상기 가스 스프링 피스톤을 해제시키는 임팩터.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 이동 매스는 상기 적어도 두 개의 구분되는 임팩트 표면들과 접촉하기 이전에 상기 가스 스프링 피스톤의 면에 부착되는 임팩터.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 이동 매스는 상기 적어도 두 개의 구분되는 임팩트 표면들과 적어도 일부 접촉하는 동안에 상기 가스 스프링 피스톤의 상기 면으로부터 분리하는 임팩터.
  20. 대립하는 방향들로 외과적 도구의 작동을 추진하기 위하여 반복 가능하고 제어된 접촉 힘으로 대상체를 스트라이크하기 위한 외과적 임팩터에 있어서,
    상기 임팩터는,
    가스 스프링 어셈블리를 구비하는 상기 임팩터를 구동시키는 수단으로서 상기 가스 스프링 어셈블리는 가스 스프링 피스톤을 포함하는 상기 임팩터를 구동시키는 수단;
    상기 반복 가능하고 제어된 접촉 힘을 생산하기 위하여 상기 임팩터를 구동시키는 수단으로부터 에너지 저장 디바이스로 에너지의 저장 및 방출을 제어하는 제어 회로;
    외과적 도구를 수용하는 도구 마운트; 및
    상기 반복 가능하고 제어된 접촉 힘을 상기 도구 마운트로 제공하기 위하여 이동체로 전달되는 상기 반복 가능하고 제어 가능한 접촉 힘에 기초하여 적어도 두 개의 구분되는 임팩트 표면들과 접촉하도록 작동 가능한 이동체;
    를 포함하고,
    제1임팩트 표면으로 상기 반복 가능하고 제어 가능한 접촉 힘의 제공은 제1방향으로 상기 도구 마운트를 추진시키고,
    제2임팩트 표면으로 상기 반복 가능하고 제어 가능한 접촉 힘의 제공은 상기 제1방향과 반대되는 방향으로 상기 도구 마운트를 추진시키는 외과적 임팩터.
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