KR102371305B1 - 제어된, 반복 가능한 충격을 전달하는 정형외과 디바이스 - Google Patents

Abstract

모터-구동 정형외과 충격 제공 도구는 엉덩이, 무릎, 어깨 등에 정형외과 충격 제공을 위해서 제공된다. 도구는 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터를 유지할 수 있어, 완만하게 제어된 타격 충격으로 탭핑될 때, 공동의 개구 크기 또는 부피를 확장하거나 개구로부터 브로치, 임플란트 또는 다른 수술 기구의 제거를 촉진할 수 있다. 저장-에너지 구동 메커니즘을 포텐셜 에너지를 저장한 다음 전방 또는 후방 중 어느 하나로 어댑터에 타격력을 전달하기 위해서 론치된 매스 또는 타격기를 론치하기 위해서 포텐셜 에너지를 해제한다. 도구는 앤빌 및 어댑터 콤비네이션(combination anvil and adapter) 및 론치된 매스가 환자 프로파일에 따라서 어댑터에 전달하는 타격력을 조절하기 위한 에너지 조절 메커니즘을 더 포함할 수 있다.

Description

제어된, 반복 가능한 충격을 전달하는 정형외과 디바이스

본 출원은 2017년 2월 22일에 출원된 미국 특허출원 No. 15/439,692의 계속 출원이고, 2016년 9월 13일에 출원된 계류 중인 미국 가특허출원 No. 62/393,975 및 2016년 8월 31일에 출원된 계류 중인 미국 가특허출원 No. 62/381,864에 대하여 35 USC § 119의 이익을 주장하며, 전체 문헌은 참조로서 포함된다.

본 발명은 정형외과 절차와 같은 수술 시에 충격(impact)을 가하기 위한 로컬 전원 도구(locally powered tool)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 브로치(broach) 또는 다른 엔드 이펙터에 제어된, 반복 가능한 충격을 제공하기 위해서 론치된 매스(launched mass)에 의해서 구동되는 양방향(bidirectional), 수술용 충격 제공을 위한 휴대용(hand-held) 모터 구동 도구에 관한 것이다.

정형외과 분야에서, 인공관절과 같은 의지(prosthetic) 장치가 종종 환자의 뼈 공동(bone cavity) 내에 이식 또는 안착된다. 공동은 일반적으로 의지가 안착 또는 이식되기 전에 수술 동안 형성되고, 예를 들어 의사가 공동을 형성하기 위해서 존재하는 뼈를 제거 및 또는 다질 수 있다(compact). 의지는 보통 스템(stem) 또는 공동 안에 삽입되는 다른 프로트루션(protrusion)을 포함한다.

공동을 생성하기 위해서, 의사는 의지의 스템 형상에 대응하는 브로치를 사용할 수 있다. 기술분야에서 알려진 해결책은 수술 동안 의사에 의해서 임플란트 영역(implant area) 안으로 브로치를 압박하도록(impel) 수동 해머링(manual hammering)을 위한 브로치를 구비하는 핸들을 제공하는 것을 포함한다. 안타깝게도, 이러한 접근은 투박하고(crude) 매우 정밀하지 못하여(notoriously imprecise), 뼈에 대해서 불필요한 기계적 응력을 유도한다. 그 결과 예측 불가능하고 특정 의사의 숙련도(skill)에 의존할 수 있다. 역사적으로, 이러한 접근은 많은 경우에 공동의 위치 및 구성에서 부정확성을 야기할 것이다. 게다가, 외과의사는 뼈 및 의지를 조작하기(manipulate) 위해서 그리고 브로치를 해머링하기 위해서 비정상적인 크기의 물리적 힘 및 에너지를 소비하는 것이 요구된다. 가장 중요하게, 이러한 접근은 의사가 수술 영역에 대한 불필요한 추가적인 트라우마 및 그 외의 건강한 조직, 뼈 구조 등의 손상을 야기할 것이라는 위험을 수반한다.

의지 공동을 생성하기 위한 다른 기술은 공압으로, 즉 압축 공기에 의해서 브로치를 구동하는 것이다. 이러한 접근의 단점은 예를 들어 공기가 도구로부터 무균 수술실(sterile operating field) 안으로 배출되는, 테더링 공기-라인(tethering air-line)의 존재 및 도구를 작동시키는 의사의 피로에 의해서, 충격 적용 도구의 휴대성을 저하시킨다는 것이다. U.S. Pat. No. 5,057,112에 예시된 것과 같이 이러한 접근은 충격력 또는 진동수의 정밀한 제어를 허용하지 않고 대신 작동될 때 잭해머(jackhammer)와 매우 유사하게 기능한다. 또한, 정밀한 제어 조치의 부재는 공동의 정확한 브로칭(broaching)을 더 어렵게 하고, 환자에게 불필요한 합병증과 트라우마를 유발한다.

제3 기술은 공동을 생성하기 위한 컴퓨터-제어 로보틱 암(computer-controlled robotic arms)에 의존한다. 이러한 접근은 피로 및 정확성 문제를 극복할 수 있으나, 자본 비용이 많이 들게 되고, 추가적으로 외과의사가 수동 접근(manual approach)으로부터 얻을 수 있는 촉각 피드백(tactile feedback)을 제거한다.

제4 기술은 단일 스트로크 기준(single stroke basis)에 따라서 공기를 압축한 다음, 충분한 압력이 생성된 후, 밸브를 통해서 타격기(striker) 상으로 공기를 해제하기 위해서 리니어 압축기를 사용하는 발명자의 이전 제품(work)에 의존한다. 그런 다음 이는 타격기가 가이드 튜브 아래로 이동하게 해서, 브로치 및 또는 다른 수술 도구를 유지하는 앤빌에 충격을 가한다. 그러나, 이러한 구성은, 공기의 압력에 의해서 기어 트레인(gear train) 및 리니어 모션 컨버터(linear motion converter) 부품 상에 큰 힘을 발생시키고, 이러한 큰 힘은 부품 상에 이른 마모를 유도하다.

제5 기술은 또한 디텐트(detent)에 대하여 진공을 생성하기 위해서 리니어 액추에이터를 사용하는 발명자의 이전 제품(work)에 의존한다. 충분한 진공 부피가 발생된 후에, 디텐트는 타격기를 해제하고 타격기가 가이드 튜브 아래로 이동하게 해서 브로치 및 또는 다른 수술 도구를 유지하는 앤빌에 충격을 가하게 한다. 그러나, 이러한 구성은, 구동 부품에 대하여 과도한 응력을 가하고 대기압과 같은, 환경 조건에 종속된다. 게다가, 이 기술은 역방향(reverse) 또는 후방 충격을 발생시키는 능력이 제한된다.

따라서, 발명자의 이전 해결책들 및 기존 시스템의 다양한 단점을 극복하는 개선된 구동 어셈블리를 갖는 충격 적용 도구에 대한 필요성이 존재한다.

전술된 단점의 관점에서, 전기 모터-구동 정형외과 충격 제공 도구는 엉덩이, 무릎, 어깨 등에 정형외과 충격 제공을 위해서 제공된다. 완만하게 제어된 충격을 가하여 공동 안으로 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터를 탭핑하여(tapping), 의지 또는 임플란트를 위한 더 나은 고정(fit)을 제공할 수 있다. 또한, 전기적으로 조작되는 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터에 의해서 제공되는 제어는 특별한 뼈 형상 또는 환자의 다른 프로파일에 따라서 충격 설정(impact setting)의 조절(adjustment)을 허용한다. 도구는 추가적으로 양방향 이동의 경우에 임플란트 공동의 안팎으로 의지 또는 임플란트의 제거 및 적절한 안착을 가능하게 하고 바람직하게 기존 외과의사가 숙련되게 기구를 안내하게 한다.

예시적인 실시예에서, 전기 모터-구동 정형외과 충격 제공 도구는 (배터리 또는 연료전지와 같은) 로컬 전원, 모터, 제어기, 하우징, 회전 모션을 리니어 모션으로 변환하는 방법(이하에서 리니어 모션 컨버터(linear motion converter)로 언급됨), 포텐셜 에너지(potential energy)를 저장 및 해제(release)할 수 있는 가스 또는 기계적 스프링과 같은 저장-에너지 구동 시스템 또는 메커니즘, 및 전방 및/또는 후방으로 작동 가능하도록 저장-에너지 구동 시스템에 의해서 작동되는 타격기를 포함하고, 타격기는 수술 기구에 충격력을 발생시킬 수 있다. 도구는 트래디셔널 백열 광원(traditional incandescent light source) 또는 LED와 같은 반도체 광원에 의해 수술 영역에 집중된 조명을 더 전달할 수 있다. 로보틱 어셈블리 안에 도구를 통합시키기 위해 적절한 마운트 인터페이스(mount interface), 또는 의사에 의한 도구의 핸들링을 위해서 핸들이 제공될 수 있다. 배터리와 같은 로컬 전원 또한 포함된다. 일반적으로 그렇듯이, 다양한 부품 중 적어도 일부가 바람직하게 하우징 내에 수용된다. 도구는 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터, 또는 임플란트 상에 사이클(cyclic), 반복 가능한 충격력을 작용할 수 있다. 충격력의 반복 가능성이 제공된다면, 복수 개의 레벨로 충격력을 미세하게 조절하는 것(tuning) 또한 고려된다. 이를 위해서 복수 개의 스프링이 키트 포맷으로 디바이스와 함께 제공되어, 상이한 시각-코드 스프링(visually-coded spring)이 구동력의 범위를 제공하기 위해서 수술 절차 동안 요구되는 바와 같이 장치에 제거 가능하게 안내될 수 있다.

저장-에너지 구동 시스템과 관련하여, 시스템은 바람직하게 스프링을 압축시키는 제1 방향으로 회전하여, 저장-에너지 구동 시스템 내에 포텐셜 에너지를 저장하는 캠과 결합된 모터 및 기어박스에 의해서 작동 가능하다. 캠은 계속 회전하고 저장된 에너지를 해제하여, 전방 충격력(forward impact force)을 발생시키도록 매스를 가속시킬 수 있다. 예시로서, 저장된 포텐셜 에너지가 증가되는 기계적 스프링 또는 가스 스프링의 충분한 변위 후에, 캠은 매스 상에 작용하는 것을 중단하는 해제 지점을 지나서 이동할 때까지 계속 회전하여, 저장된 에너지를 해제한다. 해제 시에, 저장된 포텐셜 에너지는 앤빌 또는 다른 충격 표면과 같은, 충격 지점과 작동 가능하게(operative) 접촉하게 될 때까지 매스를 전방으로 가속시킨다. 역으로, 양방향 충격 제공 시스템에서 캠은 반대되는, 제2 방향으로 회전하여, 스프링을 압축하고, 스프링 저장 시스템 내에 포텐셜 에너지를 다시 저장할 수 있다. 캠은 스프링 저장 시스템 상에 작용하는 것을 중단하는 해제 지점으로 계속 회전하여 스프링 저장 시스템이 저장된 에너지를 해제할 수 있고, 이어서, 후방 충격(rearward impact)을 발생시키도록 매스를 가속시킬 수 있다. 예시로서, 저장된 스프링의 포텐셜 에너지가 증가되는 스프링의 충분한 변위 후에, 캠은 매스 상에 작용하는 것을 중단하는 해제 지점을 지나 이동할 때까지 계속 회전하여, 저장-에너지 구동 시스템(또는 메커니즘)을 해제한다. 해제 시에, 저장-에너지 구동 시스템 내의 포텐셜 에너지는 앤빌 또는 다른 충격 표면과 같은 충격 지점과 작동 가능하게 접촉할 때까지 저장-에너지 구동 시스템에 의해서 매스를 반대되는, 후방으로 가속시킨다.

예시적인 실시예에서, (저장-에너지 구동 시스템의 전부 또는 일부를 포함할 수 있는) 론치된 매스는 충격 지점 이전에 푸셔 플레이트 또는 푸싱 표면으로부터 분리된다. 따라서, 이 실시예에서, 전체 저장-에너지 구동 시스템을 론치된 매스로 한 이후로, 뜻밖에 매우 높은 효율이 획득되었다. 기계적 스프링을 사용하는 추가적인 실시예에서, 스프링의 압축 비율은 그것의 자유 길이의 약 50% 미만이고, 보다 바람직하게 그것의 자유 길이의 40% 미만이다. 발명자는 그러한 압축 비율이 전달된 충격 에너지의 일관성을 증가시키고 영구적인 스프링 변형의 가능성을 감소시키는 것을 발견했다.

추가적인 예시적인 실시예에서, 핸들은 인라인 도구(inline tool)를 제공하기 위해서 도구의 뒤로 접힘 가능하거나(foldable back) 재위치 가능할(repositionable) 수 있고, 이때 외과의사는 브로치의 방향과 동일-선상으로(co-linearly) 도구를 누르거나(push) 당긴다(pull). 이는 외과의사가 수술하면서 도구 상에 제공할 수 있는(put on) 토크의 양을 제한하는 이점을 가진다. 핸드 그립의 추가적인 개선에서, 충격 제공 동안 증가된 안정성을 제공하고 수술 기구를 안내하기 위한 추가적인 핸드 그립이 있을 수 있다. 또 추가적인 실시예에서, 도구는 로봇에 장착되어 핸들에 대한 필요성을 제거하고 도구는 테더링되거나(tethered) 원격 전원을 사용할 수 있다.

추가적인 예시적인 실시예에서, 어댑터, 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터는 축방향 정렬을 유지하면서 많은 위치로 회전될 수 있고, 예를 들어 도 9에 도시된 바와 같이 어댑터는 네 개의 다른 위치들로 회전 가능하고, 각각의 위치는 90°만큼 회전된다. 이는 예를 들어 수술 동안 다양한 해부학적 프리젠테이션(anatomical presentation)에서 어댑터 또는 브로치의 사용을 촉진시킨다.

예시적인 실시예에서, 도구의 앤빌은 두 개의 충격 지점 중 적어도 하나, 전방 타격 표면 또는 제1 표면과 후방 타격 표면 또는 제2 표면, 및 타격기가 실질적으로 축방향으로 이동하는 것을 구속하기 위해서 가이드 롤러, 베어링 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 테플론 트랙과 같은 가이드 어셈블리를 포함한다. 타격기의 충격 지점 및 수술용 도구 상의 최종적인 힘은 전방 및 후방으로 될 수 있다. 양방향 충격 제공 작동에서, 수술용 도구 상에 전방 힘이 발생될 때, 타격기는 가이드 어셈블리를 따라서 전방으로 계속 이동한다. 전환 메커니즘(reversing mechanism)은 타격기의 충격 지점 및 수술용 도구 상의 최종적인 힘을 변화시키기 위해서 사용될 수 있다. 이 문맥에서 사용되는 바와 같이 "전방(forward direction)"은 브로치, 끌 또는 환자를 향하는 타격기의 이동을 함축하고, "후방(rearward direction)"은 브로치, 끌 또는 환자로부터 먼 타격기의 이동을 함축한다. 양방향 또는 단방향 충격 제공 중 하나의 선택 가능성은, 예를 들어, U.S. Pat. No. 8,602,124에서 설명된 바와 같이, 물질 제거 또는 물질 다짐(compaction)의 선택이 종종 수술 절차에서 중요한 결정이라는 점에서, 임플란트 공동 내에 물질을 절단 또는 압축하는 것에 대한 유연성(flexibility)을 외과의사에게 제공한다. 게다가, 발명자 자신의 이전 제품 사용 시에, 후방 충격력이 전방 충격력과 대략적으로 동일할 수 있다면 도구가 보다 폭넓은 범위의 수술 절차에서 사용될 수 있다는 것이 발견되었다. 일 실시예에서 전방 및 후방 힘을 적어도 두 개의 분리된 그리고 별개의 지점에 충격을 가한다.

예시적인 실시예에서 앤빌 및 어댑터는 단일의 요소를 포함하거나, 하나가 다른 것에 통합될 수 있다.

파괴 작업(demolition work)에서 사용되는, U.S. Pat. No. 6,938,705에 도시된 바와 같은 일반적인 충격기(impactor)에서, 속도를 변화시키는 것은 충격력을 변화시키고, 그것은 다양한 속도의 작동에서 (+/- 20%로 정의된) 일정한 충격 에너지를 유지하는 것을 불가능하게 한다. 따라서, 예시적인 실시예에서, 도구는 에너지 조절 요소 또는 메커니즘을 포함하는 제어 요소 또는 제어기를 포함하고, 에너지 조절 요소는 저장-에너지 구동 메커니즘으로부터 출력된 에너지의 해제 및 저장을 제어하는 것에 의해서 도구의 충격력을 제어할 수 있다. 에너지는 전자적으로 또는 기계적으로 조정될 수 있다(예를 들어, 도 9에서 스위치(34)를 보기 바란다). 게다가, 에너지 조절 요소는 아날로그로 되거나 고정된 설정을 구비할 수 있다. 이러한 제어 요소는 충격 제공 작동의 정밀한 제어를 허용한다. 에너지 조절 요소는 외과의사가 환자의 프로파일에 따라서 도구의 충격 에너지를 증가 또는 감소시키게 한다.

추가적인 예시적인 실시예에서, 도구는 또한 예를 들어 도 9에 도시된 기계적 스위치(36)를 사용하여, 타격기의 충격 제공 이동(striker's impacting movement)의 진동수를 조절할 수 있다. 타격기의 진동수를 조정하는 것에 의해서, 예를 들어 도구는 동일한 충격 규모(impact magnitude)를 유지하면서, 예를 들어 더 큰 전체 시간-가중 타격 충격(time-weighted percussive impact)을 전달할 수 있다. 이는 외과의사가 브로치 또는 끌의 절단 속도(rate)를 제어하게 한다. 예를 들어, 외과의사는 브로치 또는 끌 이동의 대부분 동안 더 빠른 속도에서(더 높은 진동수의 충격 제공에서) 절단을 선택할 수 있고, 그런 다음 브로치 또는 끌이 바람직한 깊이에 접근함에 따라서 절단 속도를 늦출 수 있다. 사실, 도구의 테스트 동안, 초당 2 내지 6 joules, 바람직하게 초당 최대 40 joules과 같이 일정한 충격 당 에너지와 함께, 초당 3회의 충격, 바람직하게 초당 최대 10회의 충격과 같은, 높은 진동수의 충격 제공률(impacting rate)은 외과의사가 특정 수술 기구를 더 잘 위치시킨다는 것이 밝혀졌다. 예를 들어 이는 초당 2 내지 6 joules의 에너지에서, 초당 3회 이상 충격의 충격 진동수인 경우, 비구컵(acetabular cup)의 안착 시에 이전의 수동 해머링 기술에 비해서 비구컵의 위치를 훨씬 더 잘 제어할 수 있는 것으로 보였다.

예시적인 실시예에서, 저장-에너지 구동 메커니즘, 또는 에너지 저장 및 해제 메커니즘은 기계적으로 또는 전기적으로 작동 지점을 정의한다. 그 결과, 충격당 에너지는 선택된 작동 지점에 따라서 전달된다. 사실, 충격당 에너지는 20%보다 더 잘 제어될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 타이밍 요소(timing elements)가 시스템에 포함되어 충격이 사용자에 의해서 선택 가능한, 미리 결정된 진동수로 전달된다. 전자 제어 요소 또는 제어기를 사용하여 충격률을 정밀하게 제어하는 것은 외과의사가 도구에 의해 전달되는 에너지를 제어하게 한다.

예시적인 실시예에서, 충격 제공의 방향은 도구 상에 사용자에 의해서 가해지는 편향력(biasing force)에 의해서 제어되고 앤빌 상의 위치 센서와 같은 센서에 의해서 검출된다. 예를 들어, 전방으로 도구를 편향시키는 것은 론치된 매스가 전방으로 론치되고 전방 충격을 제공하게 하는 반면, 후방으로 도구를 편향시키는 것은 론치된 매스가 후방향으로 론치되고 후방 충격을 제공하게 한다.

예시적인 실시예에서 도구는 수술 영역을 조명하여 의지 또는 임플란트 상의 바람직한 위치에 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터를 정확하게 위치시키기 위한 조명 요소를 구비할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 범퍼가 타격기의 단부 및 피스톤의 헤드 사이에 미리 배치되어(predisposed), 충격 응력(impact stress)을 감소시키고 전체 어셈블리의 수명을 연장시킨다.

예시적인 실시예에서, 도구는 또한 특정 규모를 초과하여 굽힘(bending) 또는 오프-라인 배향(off-line orientation)이 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터에서 검출되거나, 임플란트 인터페이스 또는 정형외과 기구가 전진하지 않을 때 사용자에게 경고하는 피드백 시스템을 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에서, 도구는 충격력을 변화시키기 위해서 교체 가능한 카트리지를 허용할 수 있다. 이러한 카트리지는 리니어 모션 컨버터에 의해서 작동될 때 저장 에너지 시스템에 의해서 전달되는 총 에너지에 의해서 등급이 매겨질 수 있다(rated). 예시로서, 연약한 또는 골다공증 뼈에 대해서는 2 내지 3 joules 이하의 범위에서 한계를 갖는 낮은 파워 카트리지(power cartridge)가 사용될 수 있다. 어린, 단단한 뼈의 경우에는, 4 joules 이상의 충격 에너지를 갖는 파워 카트리지가 선택될 수 있다. 이 실시예에서 파워에 따라서 시각 코드로 될 수 있는, 다양한 카트리지를 허용하는 것에 의해서, 외과의사는 키트 내 도구와 함께 제공되는 적절한 파워 카트리지를 간단하게 선택하는 것에 의해서 사이클 당 충격 에너지를 결정하는 데 유연성을 가질 수 있다.

이것들은 본 발명을 특징짓는 신규성 있는 다양한 구성들과 마찬가지로, 본 발명의 다른 측면들과 함께 여기에 첨부된 청구범위에서 상세하게 지적되고 본 발명의 일부를 형성한다. 본 발명, 그것의 작동 이점 및 그것의 이용에 의해서 얻어지는 구체적인 비-제한적인 목적의 더 나은 이해를 위해서, 본 발명의 도시되고 설명된 예시적인 실시예들이 있는 첨부된 도면 및 상세한 설명이 참조될 수 있다.

본 명세서 내에 포함됨.

다음과 같이 첨부된 도면들과 함께 고려할 때 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 쉽게 이해되는 것과 같이 본 발명 및 그것의 많은 부수적인 이점들에 대한 보다 완벽한 이해가 얻어질 것이다.
도 1은 기계적 스프링 어셈블리 시스템이 전방 충격력을 발생시키기 위해 사용되는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과 충격 제공 도구의 사시도이다.
도 2는 캠이 전방 충격을 위해 해제를 준비하는 작동 위치에 피스톤을 위치시키는, 도 1에 도시된 도구의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 3은 저장-에너지가 해제된 후에, 론치된 매스가 전방으로 충격 지점을 향해서 가속되는, 도 1에 도시된 도구의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 4는 기계적 스프링이 후방 충격력을 발생시키기 위해서 사용되는, 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과 충격 제공 도구의 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 충격 제공 도구를 다른 각도에서 본 다른 사시도이다.
도 6은 기계적 스프링의 캠이 후방 충격을 위해 해제를 준비하는 작동 위치에 피스톤을 위치시키는, 도 4에 도시된 도구의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 7은 스프링이 해제된 후에, 론치된 매스가 후방으로 충격 지점을 향해서 가속되는, 도 4에 도시된 도구의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과 충격 제공 도구의 사이클 작동을 도시하는 예시적인 플로우 차트이다.
도 9는 에너지 및 진동수-관련 변수를 제어하기 위해서 사용되는 기계적 스위치를 구비하는 도구의 예시적인 실시예이다.
도 10은 충격 방향을 결정하는 데 사용되는 위치 센서를 구비하는 도구의 예시적인 실시예이다.

모터-구동 정형외과 충격 적용 도구(motor-driven orthopedic impacting tool)에는 제어된 타격 충격(controlled percussive impacts)이 제공된다. 모터는 Maxon Motor® 및/또는 Portescap®로부터 이용 가능한 브러시리스, 오토클레이브 가능한 모터(brushless, autoclavable motor)와 같이 전기를 이용할 수 있다. 도구는 다양하고 변화하는 방향, 힘 및 진동수의 충격뿐만 아니라, 단일 및 다수의 충격을 수행하는 능력을 포함한다. 일 실시예에서, 충격 에너지는 조절 가능하다. 다른 실시에에서, 충격은 브로치(broach), 끌(chisel), 또는 도구에 연결된 다른 엔드 이펙터에 전달된다.

도구는 하우징을 더 포함한다. 하우징은 도구의 적어도 하나의 부품을 단단하게 덮고 유지할 수 있으며, 알루미늄 또는 폴리페닐술폰(Polyphenylsulfone)(PPSF 또는 PPSU), 또한 Radel®로 알려진, 수술 적용에 적합한 재질로 형성된다. 일 실시예에서, 하우징은 모터, 적어도 하나의 감속 기어, 리니어 모션 컨버터, 바람직하게 기계적 또는 가스 스프링인 스프링 요소, 타격기(striker) 또는 론치된 매스(launched mass), 제어 회로 또는 모듈, 앤빌, 전방 충격을 위한 제1 또는 전방 타격 표면(striking surface) 및 후방 충격을 위한 제2 또는 후방 타격 표면을 포함한다.

도구는 도구의 편안하고 확실한 유지를 위한 임의의 핸드 그립(optional hand grip), 또는 사용 동안 로보틱 어셈블리에 도구를 통합하기 위한 적절한 마운트 인터페이스(mount interface), 및 어댑터, 배터리, 위치 센서, 방향 센서 및 토션 센서(torsional sensor)를 구비하는 핸들 부분을 더 포함할 수 있다. 도구는 외과의사가 도구를 사용하는 수술 작업 영역(surgical work area) 내에 빛을 제공하기 위한 트래디셔널 백열 광원(traditional incandescent light source) 또는 LED와 같은 반도체 광원에 의해 집중된 조명을 전달할 수 있다. 앤빌은 인터페이스 어댑터의 사용을 통해서 브로치, 끌, 기술분야에서 알려진 다른 엔드 이펙터에 결합될 수 있고, 어댑터는 다양한 브로칭 사이즈의 빠른 변화를 촉진하기 위해 퀵 커넥터 메커니즘(quick connect mechanism)을 구비할 수 있다. 앤빌은 로킹 회전 부재(locking rotational feature)를 더 포함하여 도구가 핸들과 같은 도구 부재들(tool features)에 대하여 조직 클리어런스(tissue clearance)를 얻기 위하여 다양한 방식으로 위치되게 할 수 있다.

추가적인 실시예에서, 론치된 또는 스로된(thrown) 매스는 바람직하게 어댑터 축의 20도 내, 보다 바람직하게 어댑터 축의 10도 내에서, 이동 방향을 따라서 축방향으로 정렬된다. 그러한 축방향 정렬은 수술 기구에 전달된 에너지를 최대화할 뿐만 아니라, 균열(fracture)과 같은, 수술의 부정적인 결과에 기여할 수 있는 오프-축 힘(off-axis force)의 발생을 최소화한다는 점에서 중요하다.

도 1 내지 7을 참조하여, 예시적인 실시예에서, 양방향 충격력은 예를 들어 도 1에 도시된 바와 같이 기계적 스프링 어셈블리 시스템(mechanical spring assembly system)을 사용하여 발생될 수 있다. 그 대신에 싱글 기계적 스프링 어셈블리가 사용될 수 있다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정형외과 충격 적용 도구의 사시도로서, 기계적 스프링 어셈블리 시스템의 모터 및 기어박스(8)가, 캠(12) 및 캠 팔로워(cam follower; 13)를 포함하는 리니어 모션 컨버터와 결합하여, 제1 스프링 피스톤(19a)(이하에서 "제1 피스톤(19a)"으로 언급됨) 및/또는 론치된 매스 또는 타격기(15)를 작동시켜서, 궁극적으로 전방 충격력을 발생시킨다. 피스톤은 일반적으로 트러스트 또는 푸시 오프 요소(thrusting or push off element)를 언급하고 다양한 형상을 구비할 수 있다. 캠(12)은 대칭 프로파일(symmetrical profile), 듀얼 웨지 형상(dual wedge shape)을 구비하는 것으로 도시되었으나, 스프링의 퀵 해제(quick release of the spring)를 제공하는 임의의 형상이 사용될 수 있다. 스프링을 작동시키고 신속하게 해제하기 위한 대안적인 방법은 이에 국한되지 않고, 불연속 랙(interrupted rack) 및 피니언 또는 클라이밍 메커니즘(climbing mechanism)을 사용하는 것을 포함한다. 스프링 어셈블리 시스템은, 다른 부품들 중에서, 감속 기어(7) 및 앤빌(5)을 더 포함한다. 제1 피스톤(19a)은 기계적 또는 가스 스프링 중 하나로 될 수 있는 제1 스프링(2a)과 결합한다. 기계적 스프링 어셈블리 시스템에서, 스프링의 자유 길이(free length)에 대한 휨(deflection)은 바람직하게 50% 미만이다. 악기용 강선(music wire) 또는 보다 바람직하게 스테인리스 스틸 또는 티타늄이 스프링을 위해서 적합한 재질이다. 바람직하게, 스프링은 압축 스프링이지만, 다른 유형의 스프링이 고려될 수 있다. 가스 스프링 어셈블리 시스템에서, 가스 스프링은 예를 들어 약 100 내지 3000 psi 범위의 압력 하에서 작동한다. 가스 스프링은 초기에 바람직하게 질소와 같은 비-산화 가스 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 충진된다. 질소를 사용하는 이점 중 하나는 가스 스프링의 시일(seal)을 통한 침투율(permeation rate)이 낮아서, 시일 및 스프링 자체의 수명(shelf life)을 잠재적으로 연장시킬 수 있다는 것이다.

도 2는 도 1의 도구의 예시적인 실시예로서, 제1 피스톤(19a)을 작동시키기 위해 사용되는 캠(12)이 해제 준비를 하는 작동 위치(operative position)에서 "코크된(cocked)" 제1 피스톤(19a)을 구비하고, 또는 다른 방식으로 말하면, 모터(8)가 캠(12)을 화살표(42a)에 의해서 도시된 바와 같이 (중복 목적(tautological purpose)으로, 반시계 방향으로 보여지는) 제1 방향으로 회전시키고 제1 푸셔 플레이트(first pusher plate; 26a)에 대하여 제1 피스톤(19a)을 압축시켜, 제1 스프링(2a) 내에 포텐셜 에너지를 저장한다. "코킹 상태(cocking phase)"에서, 제1 피스톤(19a)은 론치된 매스 또는 타격기(15)와 결합하여, 제1 방향으로 캠(12)에 의해서 구동되는, 캠 팔로워(13)에 접촉하고 캠 팔로워(13)에 의해서 푸쉬된다. 캠(12)이 제1 방향으로 계속 회전함에 따라서, 캠(12)이 타격기(15) 상에 작용하는 것을 중단하는 해제 지점(release point)을 지나서 이동할 때까지(예를 들어, 도 3을 보기 바란다) 제1 스프링(2a) 내에 저장된 에너지가 증가한다. 타격기(또는 론치된 매스)(15)는 제1 스프링(2a)의 저장된 포텐셜 에너지 하에서 자유롭게 이동한다. 특히, 제1 피스톤(19a)의 충분한 변위 후에, 그리고 캠(12)이 제1 피스톤(19a) 및/또는 론치된 매스(15) 결합을 해제한 후, 제1 피스톤(19a)은 전방으로, 즉 충격 지점을 향하는 방향으로 이동하고, 동시에 제1 피스톤(19a)의 면과 접촉하는 론치된 매스 또는 타격기(15)를 가속시킨다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 피스톤(19a)이 타격기(15)로부터 해제되고, 앤빌(5)을 향해서 그것을 론치한다(launching). 본 발명에서 필연적으로 타격기(15)의 이동(travel) 동안에 자유 비행(free flight)의 일부를 생성하는, 푸셔 플레이트(26a)로부터 타격기(15)의 해제가 외과의사의 손에 의해서 발생되고 경험되는 되튐(recoil)이 급격하게 감소시켜, 보다 제어 가능한 도구를 만들어 낸다는 것이 뜻밖에 발견되었다. 그런 다음 엔드 이펙터 또는 환자에 근접한 도구의 단부를 향해서 론치된 타격기(15)는 앤빌(5)의 제1 표면 또는 전방 타격 표면에 타격 충격을 가하고, 타격기와 접촉할 때 앤빌의 최대 변위가 15㎜ 미만이다. 도구의 테스트 동안 앤빌의 최대 전방 변위가 15㎜ 미만이었을 때, 보다 바람직하게 10㎜ 미만이었을 때 보다 정밀하고 정확한 이동의 관점에서, 외과의사가 더 좋은 결과를 획득했다는 것이 뜻밖에 밝혀졌다. 스트로크를 제한하는 것에 의해, 더 큰 스트로크에 비해서, 최종적인 수술 절차가 보다 정확하게 실행되고 수술 타겟과 더 잘 정렬되었다. 아주 대조적으로, 예를 들어 수술 동안 맬릿(mallet)의 사용은 종종 20㎜ 이상의 변위를 유도하여, 절차 동안 더 낮은 정확성을 초래한다.

앤빌(5) 상에 타격기(15)의 충격은 어댑터(미도시)에 전방 충격력을 전달하여, 브로치, 끌 또는 다른 정형외과 기구에 전방 충격력을 전달한다. 론치된 매스 또는 타격기(15)는 스틸 또는 유사한 특성을 갖는 다른 재질과 같이 적합한 재질로 마련되어, 그것에 반복된 충격 적용(impacting)을 부여할 수 있다. 일 실시예에서, 도구의 중량 또는 질량에 대한 론치된 매스 또는 타격기(15)의 중량 또는 질량의 비율은 바람직하게 25% 미만이고 론치된 매스(15)는 접촉 전에 상당한 양의 자유 비행을 가지고, 이러한 요인들(factor)은 발생된 되튐의 추가적인 감소에 기여한다.

추가적인 실시예에서, 앤빌의 중량 또는 질량에 대하여 론치된 매스의 중량 또는 질량을 증가시키는 것에 의해서 충격 에너지가 보다 효과적으로 수술 기구에 전달되는 것이 뜻밖에 발견되었다. 예를 들어, 앤빌의 질량에 대한 론치된 매스의 질량의 비율이 25% 미만일 때, 최종적인 전달 효율이 매우 낮아지고, 즉, 0.8인 일반적인 복구 상수(typical coefficient of restitution)에 대하여 50% 미만이다. 이로서, 50%보다 낮은 질량 비율이 최저 충격 전달 효율을 초래한다는 것을 알게 되었다.

예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 추가적인 실시예에서, 타격기(15)가 후방으로 푸셔 플레이트(26a)를 향해서 이동할 때, 범퍼(bumper; 14a)는 피스톤(19a)의 단부면이 타격기(15)에 충격을 가하는 것을 방지하는 스토퍼 역할을 한다. 범퍼(14a)는 론치된 매스 또는 타격기(15)가 전방으로 론치되기 직전에 피스톤(19a)의 충격을 흡수한다. 본 발명 중에 범퍼(14a) 상에 피스톤(19a)이 멈추지 않게 되면, 피스톤(19a)의 고장(failure)을 초래하는 과도한 마모가 발생되는 것이 발견되었다. 따라서, 그러한 범퍼(14a)는 반복된 작동 동안에, 스프링 어셈블리 시스템, 특히 피스톤(19a)의 손상을 방지한다. 범퍼(14a)는 플라스틱 또는 보다 바람직하게 고무 또는 우레탄 재질 중 하나로 될 수 있다.

전술된 바와 같이, 발명자의 이전 설계가 종종 생물학적 공동(biological cavity) 내에 수술 기구가 시즈되는 것(seizing)을 초래하고 후방으로 타격기(15)의 충격이 도구를 제거하는(dislodge) 데 불충분할 수 있다는 것이 발명자에 의해서 밝혀졌다. 또한, 수술 기구를 제거하기 위해서 샤프한 후퇴 충격(sharp retracting impact)과 같이 후방 힘(rearward force)이 필요하다는 것이 발견되었다. 따라서, 본 발명의 양방향 충격 제공 시스템에서, 적어도 두 개의 다른 충격 표면이 있고, 도구가 공동으로부터 벗어날 때(pulled away), 타격기(15)는 앤빌(5) 상의 다른 표면(alternate surface)에 충격을 가하여 앤빌(5) 상에 후방력을 전달할 것이다.

도 4 내지 7은 예를 들어 본 발명의 일 실시예에 따른 정형외과 충격 제공 도구의 사시도로서, 기계적 스프링 어셈블리 시스템의 모터 및 기어박스(8)가 화살표(42b)에 의해서 도시된 바와 같이 (중복 목적으로, 시계 방향으로 보여지는) 제2 방향으로 캠(12)을 회전시키고, 매스 또는 타격기(15)를 론치하여 궁극적으로 후방 충격력을 발생시킨다. 도 4 및 유사하게 도 4에 도시된 충격 제공 도구의 다른 각도(alternate angle)로부터의 다른 사시도인 도 5는, 중앙-회전(mid-rotation) 중인 캠(12)을 도시한다. 모터(8)가 제2 방향으로 캠(12)을 계속 회전시킴에 따라서, 제2 스프링 피스톤(19b)(이하에서 "제2 피스톤(19b)"으로 언급됨)은 제2 스프링(2b)과 결합하고 제2 푸셔 플레이트(26b)에 대하여 압축되어, 제2 스프링(2b) 내에 포텐셜 에너지를 저장한다. 결국, 제2 피스톤(19b)은 해제 준비를 하는 작동 위치(operative position)에서 "코크된다(cocked)"(도 6을 보기 바란다). "코킹 상태(cocking phase)"에서, 제2 피스톤(19b)은, 론치된 매스 또는 타격기(15)와 결합하여, 캠 팔로워(13)에 접촉하고 캠 팔로워(13)에 의해서 푸쉬된다. 도 6 및 7에 도시된 바와 같이, 예를 들어 타격기 또는 론치된 매스(15)의 단부면은 론치된 매스(15)에 볼팅된 별개의 요소로서 제공되거나 론치된 매스(15)와 일체로 되는 한 쌍의 익스텐션(extension) 또는 프로트루션(32)을 포함한다. 캠(12)이 제2 방향으로 계속 회전함에 따라서, 캠(12)이 타격기(15) 상에 작용하는 것을 중단하는 해제 지점을 지나서 이동할 때까지(예를 들어, 도 7을 보기 바란다) 제2 스프링(2b) 내에 저장된 에너지가 증가한다. 타격기 또는 론치된 매스(15)는 제2 스프링(2b)의 저장된 포텐셜 에너지 하에서 자유롭게 이동한다. 특히, 제2 피스톤(19b)의 충분한 변위 후에, 그리고 캠(12)이 제2 피스톤(19b) 및/또는 론치된 매스(15) 결합을 해제한 후에, 제2 피스톤(19b)은 후방으로, 즉 충격 지점을 향하는 방향으로 이동하고, 동시에 제2 피스톤(19b)의 면과 접촉하는 론치된 매스 또는 타격기(15)를 가속시킨다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 피스톤(2b)은 타격기(15)로부터 해제되고, 엔드 이펙터 또는 환자에 근접한 도구의 단부로부터 멀리 론치하여, 론치된 매스(15)의 익스텐션 또는 프로트루션(32)이 앤빌(5)의 다른, 제2 또는 후방 타격 표면에 충격을 가하여, 앤빌(5) 상에 후방 충격력을 타격하여(percussively) 전달한다.

도 2에 도시되고 전술된 스프링 범퍼(14a)와 유사하게, 도 4에 도시된 스프링 범퍼(14b) 또한, 피스톤(19b)이 전방으로 이동할 때, 피스톤(19b)의 단부면이 타격기(15)에 충격을 가하는 것을 방지하는 스토퍼 역할을 한다. 범퍼(14b)는 론치된 매스 또는 타격기(15)가 후방으로 론치되기 직전에 피스톤(19b)의 충격을 흡수한다. 전술된 바와 같이, 본 발명 중에 범퍼(14b) 상에 피스톤(19b)이 멈추지 않게 되면, 피스톤(19b)의 고장을 초래하는 과도한 마모가 발생되는 것이 발견되었다. 따라서, 그러한 범퍼(14b)는 반복된 작동 동안에, 스프링 어셈블리 시스템, 특히 피스톤(19b)의 손상을 방지한다. 범퍼(14a)와 유사하게, 범퍼(14b)는 플라스틱 또는 보다 바람직하게 고무 또는 우레탄 재질 중 하나로 될 수 있다.

예시적인 실시예에서, 앤빌(5) 상에서 힘의 방향은, 도 10에 도시된 바와 같이 앤빌(5) 상에서 위치 센서로 될 수 있는, 센서(28)에 의해 검출된 도구에 대한 (외과의사와 같은) 사용자의 수동 힘(manual force)에 의해서 제어된다. 예를 들어, 전방으로 도구를 편향시키는 것(biasing)은 론치된 매스 또는 타격기(15)가 전방으로 론치되고 전방 충격을 제공하게 하는 반면, 후방으로 도구를 편향시키는 것은 타격기(15)가 후방으로 론치되고 후방 충격을 제공하게 한다.

일 실시예에서, 캠(12) 어셈블리가 그것의 스트로크를 완료할 때, 바람직하게 제어기(21)에 작동 가능하게 결합된, 예를 들어 도 5에 도시된 것과 같은, 센서(22)를 작동시킨다(activate). 센서(22)는 캠(12)의 바람직한 사이클 작동(cyclic operation)의 조절(regulation)을 보조한다. 예를 들어, 센서(22)는 캠(12)이 최소 포텐셜 에너지 저장 지점에 있거나 최소 포텐셜 에너지 저장 지점에 근접하도록 모터(8)를 정지시키는 신호를 보낼 수 있다. 따라서, 하나의 완전 사이클에서, 전방 또는 후방 충격력은 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터 상에, 또는 임플란트 또는 의지 상에 작용될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 다음 사이클을 시작하기 전에 주어진 절차에 대한 충격의 수를 계산하거나 지연을 삽입하는 것이 바람직할 수 있고, 이는 충격 속도를 정확하게 제어할 수 있고, 외과의사가 주어진 수술에서 에너지 전달률을 정확하게 제어하게 할 수 있다. 더 추가적인 실시예에서, 외과의사의 손에서 지연 시간(latency)을 감소하기 위해서 최대 포텐셜 에너지 저장 지점 근처에서 캠(12)을 정지시키는 것이 바람직할 수 있다. 정의된 바와 같이 지연 시간은 외과의사(또는 사용자)가 정형외과 충격 제공 도구를 작동시키는 때와 도구가 실제로 충격을 전달하는 때 사이의 시간이다. 즉각적인 반응과 같이 본질적으로 대략 100 milliseconds 이하의 지연 시간이 나타난다는 것이 발명자에 의해서 밝혀졌다. 포텐셜 에너지의 적어도 일부가 저장되는 지점에서 캠(12)을 정지시키는 것에 의해서, 도구는 도구 트리거(tool trigger; 30)의 작동 시에 포텐셜 에너지의 거의 즉각적인 해제의 효과를 가진다.

추가적인 실시예에서, 타격 충격 제공 동안 수술 기구가 전진하지 않는 것을 검출하기 위해서 추가적인 센서(미도시)가 사용될 수 있다. 만약 수술 기구가 10초 미만, 또는 보다 바람직하게 3초 미만의 기간 동안 전진을 멈췄다면, 도구는 외과의사에게 피드백을 제공할 수 있다. 그러한 피드백은 빛, 충격 제공의 감소 또는 중단(stoppage), 또는 다른 수단의 형태로 제공될 수 있다. 외과의사는 그런 다음 절차를 평가할 기회를 가질 것이고 충격 제공 작동을 재개시할지를 결정할 것이다.

도 8은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 정형외과 충격 제공 도구의 사이클 작동을 도시하는 예시적인 플로우차트이다. 사이클의 초기에, 단계(800)에서 트리거가 프레스되고, 단계(802)에서 정형외과 충격 제공 도구가 충전되고 사용될 준비가 되었는지가 우선 결정된다. 만약 배터리와 같은 로컬 전원의 전압이 최소 임계값(threshold minimum)보다 작다면, 단계(804)에서 배터리는 충전되도록 예정된다. 만약 배터리의 전압이 최소 임계값보다 크다면, 단계(806)에서 앤빌 및/또는 브로치 또는 다른 수술용 어태치먼트(surgical attachment)가 환자의 뼈의 공동에 대하여 정확하게 위치되었는지가 결정된다. 만약 앤빌 및/또는 브로치 또는 다른 수술용 어태치먼트가 정확하게 위치되었다면, 단계(810)으로 작동이 이동하고; 그렇지 않으면 위치가 교정될 때까지 단계(808)에서 대기한다. 그런 다음, 단계(810)에서, 도구가 전방 충격력 또는 후방 충격력을 발생시키는지에 기초하여 모터 및 기어박스를 회전시키는 방향이 결정된다. 만약 회전 방향이 결정되었다면, 모터 및 기어박스 결합이 충격 사이클을 완료하기 위해서 단계(814)에서 회전하기 시작하고; 그렇지 않으면, 시스템은 회전 방향이 결정될 때까지 단계(812)에서 대기한다. 일단 모터 기어박스가 충격 사이클을 완료하면, 단계(816)는 캠 센서가 작동되었는지를 결정한다. 만약 센서가 작동되었다면, 트리거가 여전히 유지되는지를 결정하기 위해서 단계(818)를 진행하고; 그렇지 않으면, 캠 센서가 작동될 때까지 모터가 계속 회전하게 하기 위해서 단계(814)로 복귀한다. 만약 트리거가 단계(818)에서 유지된다면, 작동 사이클이 모터가 회전을 계속하는 단계(814)로 돌아가서, 도구가 충격을 계속 발생시키고; 그렇지 않으면, 정형외과 충격 제공 도구의 작동이 단계(820)에서 중단된다.

제어기(21)는 바람직하게 도 8에 설명된 사이클 작동을 수행하는 펌웨어와 함께 작동하여, 정형외과 충격 제공 도구가 반복 가능한, 제어 가능한 충격력을 발생시킬 수 있게 한다. 제어기(21)는 예를 들어 인텔리전트 하드웨어 디바이스, 예를 들어 데이터 프로세서, 마이크로컨트롤러 또는 FPGA 디바이스, 예를 들어 그것들은 Intel® Corporation (Santa Clara, CA) 또는 AMD® (Sunnyvale, CA)에 의해서 제조된다. 통상의 기술자에 의해서 인정되는 바와 같이, 다른 유형의 제어기 또한 활용될 수 있다.

바람직하게, 피스톤 및 스프링 어셈블리 시스템은 더 큰 에너지 충격을 발생시키기 위해서 디텐트(detent) 또는 자석을 사용하거나 요구되지 않는다. 시스템으로부터 출력된 에너지의 규모는 스프링 상수, 스프링 예비하중 힘, 작동 사이클 동안 스프링의 총 압축과 같은 인자를 고려하여, 주어진 작동 조건 세트에 대하여 일정하다. 저장-에너지 구동 시스템으로부터 출력된 충격 에너지는 1 내지 10 joules이고, 주어진 작동 사이클에서 단지(no more than) 20%, 그리고 바람직하게 단지 10%만큼 변한다. 예를 들어, 충격 제공 도구는 0.5 inches의 캠 스트로크와 함께, 100pounds의 예비하중 힘에서 작동하는, 인치당 100 pounds의 스프링 상수를 구비하는 스프링을 포함하여, 저장-에너지 구동 시스템은 마찰 및 다른 손실을 제외한, 약 7.1 joules의 총 충격 에너지를 출력할 수 있다.

본 발명의 양방향 충격 제공 시스템에서 피스톤 및 스프링 어셈블리 메커니즘은 약 20% 효율성이 있었던 이전의 설계에 비해서 후방으로 대략 80% 효율성이 있다. 예를 들어, 발명자의 이전 설계에서, 대략 3.5 J의 에너지인 전방 충격이 단지 0.4 J의 에너지인 후방 충격을 초래하여, 거의 80%의 에너지 손실이 발생하였고, 이는 이상적이지 못하다.

론치된 또는 스로된 매스를 위해서 사용되는 물질, 앤빌 및 어댑터의 질량 비율이 스로된 매스의 운동 에너지가 수술 기구에 얼마나 전달되는지의 관점에서 중대한 중요성이 있다는 것이 발명자에 의해서 밝혀졌다. 본 발명의 목적을 위해서, 스로된 매스 또는 타격기 내 운동 에너지의 함수(fuction)와 같이 수술 기구에 전달된 에너지의 비율은 전달 함수(transfer function)로 언급된다. 전달 함수는 얼마나 효율적으로 도구가 브로칭, 충격 제공 또는 추출 수술 절차를 수행하는지의 관점에서, 성능 측정(measure of performance)으로 사용된다. 예를 들어, 스로운 매스, 앤빌 및 어댑터가 모두 경질의(hardened) 스테인리스 스틸로 마련된 설계에서, 스로운 매스의 운동 에너지에 대한 수술 기구에 전달된 에너지의 비율 또는 전달 함수는 50% 미만인 것으로 발견되었다. 충격을 받은 질량(impacted mass)(앤빌, 어댑터 및 수술 기술의 질량의 합)에 대한 스로운 매스의 질량비를 증가시키는 것에 의해서, 시스템의 효율, 특히 전달 함수가 60%보다 크게, 많은 경우에 75%에 근접하게 증가될 수 있다.

또한, 스프링의 압축 비율을 그것의 자유 길이의 50% 미만, 그리고 보다 바람직하게 30% 미만으로 유지하는 것에 의해서, 스프링 수명 및 충격 일관성이 극대화된다는 것이 뜻밖에 발견되었다. 하나의 예상치 못한 효과는 스프링이 영구적으로 변형되지 않아서, 타격기(15) 및 앤빌(5) 사이에 훨씬 일관성 있는 충격을 발생시킨다는 것이었다. 실제로, 충격 에너지는 환경 조건에 의해서 단지 약간 영향을 받기 때문에 가스 또는 기계적 스프링에 의해서 발생된 바와 같이, 충격의 일관성이 정규 설계값(nominal design value)의 +/- 10% 내인 것으로 발견되었다.

도구는 제어된 연속적인 충격 제공을 촉진시킬 수 있고, 충격 제공은 예를 들어 전원 또는 모터에 작동 가능하게 결합된 트리거 스위치(30)의 위치에 의존한다. 그러한 연속적인 충격 제공을 위해서, 트리거 스위치가 작동된 후에, 그리고 트리거 스위치(30)의 위치에 따라서, 도구는 예를 들어 트리거 스위치의 위치에 비례하는 비율로 완전 사이클(complete cycle)을 겪을 수 있다. 따라서, 단일 충격 또는 연속적인 충격 제공 작동(impacting operation) 모드 중 어느 하나에서, 외과의사에 의해서 수술 영역의 생성 또는 형성이 쉽게 제어된다.

이전에 설명된 바와 같이, 도구는 예를 들어 저장-에너지 구동 시스템을 위해 다른 기계적 스프링 또는 교체 가능한 가스 스프링 카트리지(미도시)에 대한 적절한 내부 압력을 선택하는 것에 의해서, 사이클 당 충격 에너지의 양을 변화시킬 수 있다. 스프링 안으로 포텐셜 에너지를 전달하기 위한 구동 메커니즘이 고정된 스트로크이므로, 간단하게 상이한 예비하중 또는 스프링 상수를 구비하는 스프링 카트리지를 사용하여 주어진 수술에서 상이한 충격 에너지가 획득될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 리니어 캠과 같은 요소가, 예를 들어 푸셔 플레이트의 위치를 변화시키는 것에 의해서 저장-에너지 구동 시스템 내 압축 양을 변화시키는 데 사용될 수 있다. 충격 에너지를 제어하는 것에 의해서 외과의사는 절차 동안 더 큰 유연성을 가진다.

추가적인 실시예에서, 도구는 잘-고정된 임플란트(well-fixed implant) 또는 "포티드(potted)" 브로치의 추출(extraction)을 촉진시키도록 설계될 수 있다. 그러한 실시예는 캠(12)을 제2, 시계 방향(42b)으로 회전시키고 매스 또는 타격기(15)를 론치하여, 타격기(15)의 이동이 환자로부터 멀어지게 하고, 앤빌(5) 상에 후퇴 또는 후방 힘을 유발할 수 있다.

도구는 타격기(15) 및 앤빌(5) 사이에 삽입된 컴플라이언스 요소(compliance element; 미도시)를 더 포함할 수 있다. 바람직하게, 컴플라이언스 요소는 충격으로부터 잘 복귀되고 총 에너지에 대한 최소 댐핑을 전달하는 탄력 있는 재질로 된다. 예시로서, 우레탄 성분이 타격기(15)가 앤빌(5)에 충격을 가하는 인터페이스(interface)에 삽입될 수 있다. 추가적인 실시예에서, 컴플라이언스 요소는 오직 전방으로 충격력을 감소시키고 후방으로 샤프한 충격력에 대한 요구에 영향을 미치지 않는 방식으로 삽입될 수 있다. 이러한 유형의 컴플라이언스 요소는 충격 동안 피크 힘(peak force)을 제한하여 그러한 피크가 환자의 뼈 내에 균열(fracture)을 유발하는 것을 방지할 수 있고, 또 스턱 브로치(stuck broach) 또는 다른 수술 기구를 후퇴시키는(retract) 데 필요한 높은 피크 힘을 유지할 수 있다.

더 추가적인 실시예에서, 충격기(impactor)는 예를 들어 로봇에 결합되어, 도구 상의 핸드 그립 및 휴대용 전원(배터리)의 필요성을 잠재적으로 제거할 수 있다.

추가적인 실시예에서, 도구에 대한 어댑터(미도시)의 결합은 링크 장치(linkage arrangement) 또는 기술분야에서 알려진 다른 조절 메커니즘을 포함하여, 브로치, 끌 또는 다른 엔드 이펙터의 위치가 외과의사가 도구를 회전시킬 필요 없이 변형될 수 있다. 여기에 개시된 정형외과 도구는 종래기술에 비해서 다양한 이점을 제공한다. 그것은 수술 부위에 대한 제어된 충격 제공을 촉진하여, 환자의 신체에 불필요한 손상을 최소화하고 임플란트 또는 의지 시트(prosthesis seat)의 정밀한 형상을 허용한다. 도구는 또한 외과의사가 충격의 방향, 힘 및 진동수를 조절하게 하여, 외과의사가 도구를 조작하고 제어하는 능력을 개선한다. 예를 들어, 정형외과 도구는 수행되는 수술 절차에 따라서 후퇴 목적을 위해서 단독으로 사용될 수 있다. 유사하게, 도구는 상이한 전방 및 후방(reverse) 충격력을 가지도록 맞춤형으로 될 수 있다(customized). 기계적 스프링 어셈블리 시스템에서, 예를 들어 상이한 게이지 스프링이 전방 및 후방 충격을 위해서 사용될 수 있다. 충격 설정(impact setting)의 힘 및 컴플라이언스 제어 조절 장치(adjustment)는 외과의사가 특별한 뼈 유형 또는 환자의 다른 프로파일 파라미터에 따라서 충격력을 설정하게 한다. 또한, 개선된 효율 및 감소된 리니어 모션 컨버터 로드(linear motion converter load)는 더 작은 배터리의 사용 및 더 낮은 비용을 허용한다. 이에 의해서 도구는 임플란트 공동의 안팎으로 임플란트 또는 의지의 적절한 안착 또는 제거를 가능하게 한다. 또한, 피스톤 및 스프링 어셈블리는 특별한 수술에 대하여 충격 에너지를 조절하기 위한 단순한 수단을 제공한다. 추가적으로, 스프링 어셈블리는 본질적으로 휨, 예비하중(preload) 및 스프링 상수와 같은 스프링의 기계적 성질에 의해서 관리되므로, 최종적인 도구는 작동 속도와 독립적으로 예측 가능한 충격 에너지를 전달한다. 더욱이, 가스 스프링 카트리지가 교체 가능한 일 실시예에서, 시일 및 피스톤과 같이 마모가 되기 쉬운 요소가 각각의 수술에서 교체될 수 있어, 보다 견고하고, 수명이 긴 도구를 제공하고 고장 지점을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 특정 실시예의 전술된 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 그것들은 포괄적이거나 본 발명을 개시된 정확한 형태로 한정하려는 것이 아니며, 앞선 교시에 비추어 많은 수정 및 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 예시적인 실시예는 본 발명의 원리 및 그것의 실제 적용을 가장 잘 설명하고, 통상의 기술자가 본 발명 및 의도된 특정 용도에 적합한 다양한 변형을 갖는 다양한 실시예를 가장 잘 이용할 수 있도록 선택되고 설명되었다.

2a: 제1 스프링
2b: 제2 스프링
5: 앤빌
7: 감속 기어
8: 모터
12: 캠
13: 캠 팔로워
14a: 범퍼
15: 론치된 매스 또는 타격기
19a: 제1 피스톤
19b: 제2 피스톤
26a: 푸셔 플레이트

Claims (28)

1. 수술용 충격 제공 도구로서,
   작동 가능하게 링크된 수술 기구를 구동하기 위해서 저장된 에너지를 해제하는 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로서, 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘은,
   에너지를 저장하고 상기 에너지를 해제하도록 구성된 제1 스프링,
   에너지를 저장하고 상기 에너지를 해제하도록 구성된 제2 스프링,
   상기 제1 스프링 및 제2 스프링 사이에 배치된 캠을 포함하는, 상기 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘;
   상기 캠의 이동을 제어함으로써 상기 제1 스프링 및 제2 스프링의 상기 에너지의 저장 및 해제를 제어하도록 구성된 제어기;
   상기 수술 기구에 고정하도록 구성된 어댑터; 및
   상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지에 반응하여 상기 수술 기구에 충격력을 전달하는 수단;
   을 포함하는 수술용 충격 제공 도구.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지는 충격당 1 내지 8 joules인 수술용 충격 제공 도구.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 어댑터의 최대 변위는 충격당 15㎜ 미만인 수술용 충격 제공 도구.
   
4. 제1항에 있어서,
   제1 충격 표면 및 제2 충격 표면을 구비하는 앤빌;
   을 더 포함하고,
   상기 충격력을 전달하는 수단은 스로운 매스(thrown mass)를 포함하고, 상기 스로운 매스는 전방 충격력을 발생시키기 위해 상기 제1 충격 표면에 충격을 가하고 후방 충격력을 발생시키기 위해 상기 제2 충격 표면에 충격을 가하는 수술용 충격 제공 도구.
   
5. 제4항에 있어서,
   충격 방향은 상기 도구에 작용된 편향력에 의해서 제어되고,
   생물학적 대상을 향하는 방향으로의 편향력은 상기 제1 충격 표면 상에 상기전방 충격력을 발생시키고,
   상기 생물학적 대상으로부터 멀어지는 방향으로의 편향력은 상기 제2 충격 표면 상에 상기 후방 충격력을 발생시키는 수술용 충격 제공 도구.
   
6. 제1항에 있어서,
   환자 프로파일에 따라서 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지를 조절하는 에너지 조절 메커니즘을 더 포함하는 수술용 충격 제공 도구.
   
7. 제1항에 있어서,
   충격당 전달된 충격 에너지는 일정한 수술용 충격 제공 도구.
   
8. 제4항에 있어서,
   상기 스로운 매스는 상기 어댑터의 축으로부터 10도 이하 오프셋된(offset) 축방향 배향(axial orientation)을 구비하는 수술용 충격 제공 도구.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 어댑터는 상기 수술 기구에 충격 에너지의 60% 이상을 전달하도록 형성되는 수술용 충격 제공 도구.
   
10. 제4항에 있어서,
    상기 앤빌 및 상기 어댑터는 단일 부품인 수술용 충격 제공 도구.
    
11. 수술용 충격 제공 도구로서,
    작동 가능하게 링크된 수술 기구를 구동하기 위해서 저장된 에너지를 해제하는 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로서, 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘은,
    에너지를 저장하고 상기 에너지를 해제하도록 구성된 제1 스프링,
    에너지를 저장하고 상기 에너지를 해제하도록 구성된 제2 스프링,
    상기 제1 스프링 및 제2 스프링 사이에 배치된 캠을 포함하는, 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘;
    상기 캠의 이동을 제어함으로써 상기 제1 스프링 및 제2 스프링의 상기 에너지 저장 및 해제를 제어하도록 구성된 제어기;
    제1 충격 표면 및 제2 충격 표면을 구비하는 앤빌; 및
    상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지에 반응하여 상기 수술 기구에 충격력을 전달하는 수단;
    을 포함하고,
    충격 방향은 상기 수술용 충격 제공 도구에 작용된 편향력에 의해서 제어되는 수술용 충격 제공 도구
    
12. 제11항에 있어서,
    상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지는 충격당 1 내지 8 joules인 수술용 충격 제공 도구.
    
13. 제11항에 있어서,
    상기 앤빌의 최대 변위는 충격당 15㎜ 미만인 수술용 충격 제공 도구.
    
14. 제11항에 있어서,
    상기 충격력을 전달하는 수단은 스로운 매스(thrown mass)를 포함하고, 상기 스로운 매스는 전방 충격력을 발생시키기 위해 상기 제1 충격 표면에 충격을 가하고 후방 충격력을 발생시키기 위해 상기 제2 충격 표면에 충격을 가하는 수술용 충격 제공 도구.
    
15. 제11항에 있어서,
    환자 프로파일에 따라서 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지를 조절하는 에너지 조절 메커니즘을 더 포함하는 수술용 충격 제공 도구.
    
16. 제11항에 있어서,
    충격당 전달된 충격 에너지는 일정한 수술용 충격 제공 도구.
    
17. 제14항에 있어서,
    상기 수술 기구에 고정하도록 구성된 어댑터를 더 포함하고,
    상기 스로운 매스는 상기 어댑터의 축으로부터 10도 이하 오프셋된(offset) 축방향 배향을 구비하는 수술용 충격 제공 도구.
    
18. 제17항에 있어서,
    상기 어댑터는 상기 수술 기구에 충격 에너지의 60% 이상을 전달하도록 형성되는 수술용 충격 제공 도구.
    
19. 수술용 충격 제공 도구로서,
    작동 가능하게 링크된 수술 기구를 구동하기 위해서 저장된 에너지를 해제하는 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로서, 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘은,
    에너지를 저장하고 상기 에너지를 해제하도록 구성된 제1 스프링,
    에너지를 저장하고 상기 에너지를 해제하도록 구성된 제2 스프링,
    상기 제1 스프링 및 제2 스프링 사이에 배치된 캠을 포함하는, 상기 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘;
    상기 캠의 이동을 제어함으로써 상기 제1 스프링 및 제2 스프링의 상기 에너지의 저장 및 해제를 제어하도록 구성된 제어기;
    상기 수술 기구에 고정하도록 구성된 어댑터; 및
    상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지에 반응하여 상기 수술 기구에 충격력을 전달하는 스로운 매스(thrown mass);
    를 포함하는 수술용 충격 제공 도구.
    
20. 제19항에 있어서,
    상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지는 충격당 1 내지 8 joules인 수술용 충격 제공 도구.
    
21. 제19항에 있어서,
    상기 어댑터의 최대 변위는 충격당 15㎜ 미만인 수술용 충격 제공 도구.
    
22. 제19항에 있어서,
    제1 충격 표면 및 제2 충격 표면을 구비하는 앤빌;
    을 더 포함하고,
    상기 스로운 매스는 전방 충격력을 발생시키기 위해 상기 제1 충격 표면에 충격을 가하고 후방 충격력을 발생시키기 위해 상기 제2 충격 표면에 충격을 가하도록 작동 가능한 수술용 충격 제공 도구.
    
23. 제22항에 있어서,
    충격 방향은 상기 도구에 작용된 편향력에 의해서 제어되고,
    생물학적 대상을 향하는 방향으로의 편향력은 상기 제1 충격 표면 상에 상기전방 충격력을 발생시키고,
    상기 생물학적 대상으로부터 멀어지는 방향으로의 편향력은 상기 제2 충격 표면 상에 상기 후방 충격력을 발생시키는 수술용 충격 제공 도구.
    
24. 제19항에 있어서,
    환자 프로파일에 따라서 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제된 상기 에너지를 조절하는 에너지 조절 메커니즘을 더 포함하는 수술용 충격 제공 도구.
    
25. 제19항에 있어서,
    충격당 전달된 충격 에너지는 일정한 수술용 충격 제공 도구.
    
26. 제19항에 있어서,
    상기 스로운 매스는 상기 어댑터의 축으로부터 10도 이하 오프셋된 축방향 배향을 구비하는 수술용 충격 제공 도구.
    
27. 제19항에 있어서,
    상기 어댑터는 상기 수술 기구에 충격 에너지의 60% 이상을 전달하도록 형성되는 수술용 충격 제공 도구.
    
28. 제1항에 있어서,
    상기 에너지는 초당 3 내지 30 joules의 속도로 상기 에너지 저장 및 해제 메커니즘으로부터 해제되는 수술용 충격 제공 도구.

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