TWI428159B - 具有用於高黏性材料之觸覺回饋的手持式電動注射裝置 - Google Patents
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Description
本發明係有關一種根據申請專利範圍第1項之概念的用於高黏性材料之具有觸覺回饋的手持式電動注射裝置。
於某些外科插入式治療中，特別是在脊椎骨上，諸如椎體成形術(vertebroplasty)、脊椎椎體填充術(Kyphoplasty)及脊椎盤核替換術(spinal disc nucleus replacement)，其係需要注射高黏性材料(例如骨頭接合劑)進入如骨頭或軟骨之結構。目前，該注射操作係手動地以一傳統之注射器或是藉著使用螺旋式系統施行。於非脊柱之應用中，接合劑輸出有時候係使用槍型注射裝置來施行。
當使用傳統注射器於注射高黏性材料，諸如在椎體成形術或脊椎椎體填充術中之骨頭接合劑時，必需藉著該操作員之拇指施加高達200牛頓之力量。因此，小壓力變化係難以感受到的。
產生較高壓力之系統係典型地基於一螺旋範例：該使用者轉動該柱塞進入一設有螺紋之圓筒，以便壓出該接合劑。使用螺旋式系統，可產生更高之壓力，但其缺點係該觸覺回饋被消除。
由發給歐華理斯(Overes)等人之美國專利第B2 6,425,897號，已知以一可附接式接合劑注射器壓出骨頭接合劑之一噴槍。該骨頭接合劑之射出係基於一液壓原理，而未能給作動該噴槍者任何觸覺，亦即能觸知的回饋。
關於這一點，本發明意圖提供補救之方法。本發明係基於提供一注射裝置之目的，該注射裝置能夠在高壓下射出一高黏性材料及同時提供該操作員一觸覺回饋。
本發明以一種顯示申請專利範圍第1項之各項特色的裝置解決所提出之問題。
該用於黏性材料，特別是骨頭接合劑之新穎注射裝置由一電動注射模組組成，該電動注射模組與一具有觸覺回饋之類注射器的主要驅動器耦接。於該裝置之此特別具體實施例中，吾人使用一具有齒輪之直流馬達，以驅動該注射器之柱塞及磁電流變流體，俾能產生該觸覺回饋。
該系統係最佳地敘述為一主從機構(第1圖)。該使用者在具有該觸覺介面的主要驅動器上之作用被轉變成該電動注射器柱塞之一推進或縮回的動作。該注射器中所測得之壓力或該注射器柱塞上所測得之力量被回饋至該主要驅動器之觸覺單元，其提供觸覺之回饋至該操作員(第2圖)。
該裝置係由電腦控制，因此諸如被測量之力量及注射速率之參數係可自由地依比例調整的。例如：小壓力變化能在該觸覺回饋上被放大。另外，能導入信號處理及控制演算法以檢測及防止潛在之錯誤或危險。
藉由本發明所達成之優點基本上如下文：1.電腦控制式注射提供控制各種注射參數之可能性(例如恆定之壓力、恆定之通量)及操作員輸入之預先處理或過濾，以避免錯誤；2.基於所測得之壓力變化而有即時、可依比例調整的觸覺回饋；3.該高黏性材料之黏度的即時計算；4.反轉與回拉該注射器柱塞之能力，以達一緊急停止或甚至一吸入效果；5.用於證據資料之目的及實驗研究的注射參數記錄日誌；及6.與用完即丟之螺旋式系統作比較，能再使用、可消毒的裝置，其於長期間使用下可降低成本。
根據本發明之注射裝置可保有習知裝置之諸優點，亦即：－黏性材料之高壓注射；及－標準注射器之使用。
本發明之額外有利之具體實施例的特徵在該等申請專利範圍附屬項中。
於一較佳具體實施例中，該主要構件包括一設有一主要驅動器之觸覺單元。這提供以下優點，即藉著該操作員所作動之主要驅動器可用來發出藉由該操作員所施加之作動資訊至該主要構件，以及提供給該操作員有關該感測器資訊之觸覺回饋。
於另一具體實施例中，該裝置另包含一控制單元，其允許一於該主要構件及從動構件間之力量的比例調整。藉此，可達成的優點即藉著該從動單元施加在一外科設備上之力量可相對藉著該操作員之手施加至該主要驅動器的力量而被增加，並可減少該等藉著該感測器所測量及回饋至該主要驅動器以便對該操作員提供一能觸知的回饋之力量。
於又另一具體實施例中，該裝置係架構成一用於高黏性材料之注射裝置，且較佳地是包含一設有一馬達之驅動單元，該馬達具有一動力傳動裝置且係架構成可位移一附接至該注射裝置的注射器之柱塞。再者，該感測器可為易於發出有關該等測量負載之感測器資訊，該等負載作用於一附接至該注射裝置之注射器的柱塞上。
該馬達可藉著電力、液壓力或氣壓力所驅動。再者，可藉由於該作動器及該注射器的柱塞間之一負載感測器或藉由該馬達扭矩之測量，例如藉著測量該馬達電流或藉由該注射器中之壓力測量實現該感測器。該馬達較佳地係耐高壓加熱的。
於一進一步之具體實施例中，該觸覺單元係架構成可將由該控制單元所發出之電輸出信號轉換成與該主要驅動器之位移相向的一機構式阻力。這提供之優點為由該操作員之拇指所施加的力量，其於注射高黏性材料，如骨頭接合劑之期間可高達200牛頓，係可藉著保持該操作員能觸知的小壓力變化之能力而減少。
於一又更進一步之具體實施例中，該觸覺單元包含一磁電流變單元。相較於其他觸覺單元，諸如機電單元、記憶金屬單元或電活性聚合物單元，該磁電流變單元所顯示之優點為：－一快速之反應時間(10毫秒)，比機電單元或記憶金屬單元更快；－可消毒的(難以用一機電單元達成)；－無移動式零件；－需要一般電壓(遠低於用電活性聚合物單元之電壓)；－相較於電活性聚合物單元具有高動量；及－可精確地控制(難以用一記憶材料單元達成)。
於另一較佳具體實施例中，該磁電流變單元包含一具有一第一端部、一第二端部及一同軸向流體室之外殼，該流體室在該第一端部具有至少一用於該讓主要驅動器穿透之開口。再者，該主要驅動器較佳地是包含一具有一柱塞桿之柱塞，兩者皆係與該外殼之縱向軸同軸配置，藉此該柱塞係設有至少一同軸線圈。該磁電流變單元包含一較佳地是基於一烴油之磁電流變流體。
於又另一具體實施例中，該流體室具有一中空之圓筒形內部壁面，該內部壁面具有一內部直徑D，且該柱塞具有一外部直徑d<D，以便允許在該主要驅動器之柱塞及該流體室之間具有一流體間隙。該流體間隙可具有一於0.1毫米到1.0毫米間之寬度W，較佳地是於0.3毫米到0.7毫米之間。
較佳地是，該至少一線圈在該流體間隙內產生一具有磁通量之磁力線的磁場，該等磁力線係延伸平行於該外殼之縱向軸，藉此該磁通量取決於該控制單元之電輸出信號。
於一進一步之具體實施例中，該主要驅動器之柱塞包括配置成軸向地鄰接及具有相反方向之磁通量的二線圈。這提供一較強之磁場於該流體間隙中的優點。該磁場由該鐵芯之中心轉移到中間之間隙。
較佳地是，該二線圈各包括一鐵芯，其分別設有一軸向長度為L1、L2之第一、第二鐵凸緣。該第一及第二鐵凸緣在該線圈自由端徑向地延伸至該線圈的外徑。一個具有一軸向長度L3之第三鐵凸緣係配置於該二線圈之間。該長度L＝L1＋L2＋L3則較佳地是1L5毫米。
於另一具體實施例中，該注射裝置包括一附接於該驅動單元且易於承納一包含該高黏性材料之注射器的注射器承納機構。再者，該裝置可包括一注射器。
於又另一具體實施例中，該控制單元係易於接收該主要驅動器之柱塞及該馬達的位置測量信號。
本發明及本發明之額外架構係參考數個具體實施例之局部概要圖示而更詳細地作說明。
於第1圖中，概要地顯示該主從機構，其中該主要構件40係由人類操作員44藉著一主要驅動器5(第2圖)手動地控制，其允許作動該從動構件41。再者，該主要構件40係易於藉著觸覺單元6提供給該操作員一觸覺回饋。該從動構件41包含一驅動單元10，其作動一外科裝置45，例如一注射器7(第2圖)或其它設備，且該從動構件41係為該主要構件40所控制。再者，該從動構件41係設有一感測器3，該感測器易於測量經過該驅動單元10施加至該外科設備45之力量或壓力。藉由該主要構件40所發出之作動資訊42、42'以及經過該感測器3所發出之感測器資訊43、43'係被一控制單元12依比例調整，且傳送於該主要構件40及該從動構件41之間，使得一依比例之力量調整係於該主要構件40及該從動構件41之間被施行。特別地是，此依比例之力量調整於藉著該主要構件40所發出及送至該控制單元12的作動資訊42與由該控制單元12送至該從動構件41的已依比例調整作動資訊42'之間，以及於由該感測器3送至該控制單元12的感測器資訊43與由該控制單元12送至該觸覺單元6之已依比例調整感測器資訊43'之間施行。該人類操作員44推或拉該主要驅動器5(第2圖)，藉此該位移之資訊，亦即位置及速度係給入該控制單元12，其將該主要驅動器5之使用者動作轉換成一傳送至該驅動單元10的可自由程式化、已按比例調整之作動資訊42。被該驅動單元10施加至一外科設備45之合成力或壓力係由該感測器3之力量測量所計算，並遞送回至該控制單元12。一可自由程式化之觸覺回饋係基於該感測器資訊43在該主要驅動器5(第2圖)上產生。該人類之操作員44感受該主要驅動器5(第2圖)的阻力中之主動變化，其係與由該驅動單元10施加至該外科設備45之力量相反的阻力有關。
第2及3圖顯示該裝置架構成用於高黏性材料之注射裝置1之一具體實施例。該驅動單元10包括一個對應於該注射器7之軸線的中心軸17，該注射器係藉著一注射器承納機構4附接至該驅動單元10。再者，該驅動單元10包括一具有一軸桿22之馬達2，該軸桿具有一垂直於該驅動單元10的縱向軸17之軸線38；一動力傳動裝置11，其包含一同軸地附接至該軸桿22，及與一設有齒狀物之齒條37嚙合的齒輪23，該齒條配置成可平行該驅動單元10之縱向軸17位移。一亦平行於該縱向軸17延伸且位移之第二設有齒狀物的齒條37係連接於該驅動單元10。該第二設有齒狀物的齒條37係與一第二齒輪23嚙合，該第二齒輪係位於與該軸桿22之軸線38同軸而在相對於該中心軸17之對側。視該操作員是慣用左手－或慣用右手而定，該馬達2可固定在該齒輪箱59之任一側面上，使得該齒輪23可與該第一或第二設有齒狀物的齒條37a、37b嚙合。該二設有齒狀物的齒條37係在其後方端部39藉著一端板47連接，且形成一藉著該馬達2所驅動之作動器49，該作動器架構成可壓在該柱塞8之後方端部48上，以位移附接至該驅動單元10之注射器7的柱塞8。該感測器3係附接至該端板47與該柱塞8之後方端部48中間，且係易於發出有關經過該作動器49施加在該柱塞8上之測量負載的感測器資訊43(第2圖)。再者，該驅動單元10包含一附接至該驅動單元10之注射器承納機構4，且其易於承納一包含該高黏性材料之注射器7。如第3圖所示，該注射器承納機構4包括一籠架51及二支柱52，該二支柱平行延伸於該驅動單元10之中心軸17且附接至該驅動單元10。該注射器7可放置於該二支柱52之間，使得該注射器7之注射室的後方端部53停靠在該齒輪箱59之壁面，而該注射器7的柱塞8之柱塞桿係穿過一同軸貫穿該驅動單元10之齒輪箱59的通透開口54，致使該注射器7的柱塞8之後方端部48可附接至該作動器49。將該注射器7插置在該等支柱52之間後該籠架51即被嵌置固定於兩支柱52處。該籠架51具有配置成垂直於該中心軸17之二端板55、56、一在附接於該驅動單元10的該第一端板55上且用於該注射器7本體之第一同軸鑽孔57及一用於該注射器7出口60之第二同軸鑽孔58。如此該注射器7係剛性地固定至該驅動單元10之齒輪箱59，而該注射器7之柱塞8可藉著該驅動單元10之作動器49位移。再者，該控制單元12另包含一馬達回饋46，以便接收該主要驅動器5之柱塞25及該等馬達2的位置測量信號。該馬達回饋46以及該作動器資訊42與該感測器資訊43可透過電線或無線電波傳送。
第4圖描述該裝置1之使用。該操作員44推或拉該主要驅動器5，藉此該位移之資訊，亦即位置及速度係給入該控制單元12(第2圖)，該控制單元藉著該驅動單元10，將該主要驅動器5之操作員的動作轉換成一在該柱塞8(第3圖)上可自由程式化、按比例調整之動作。該注射器7中之合成壓力(第2圖)係由該感測器3之力量測量計算出，且遞送回該控制單元12(第2圖)。一可自由程式化之觸覺回饋係基於該感測器資訊43(第2圖)藉著該觸覺單元6在該主要驅動器5上產生。該操作員感受該主要驅動器5的阻力中之主動變化，其係與該注射器7內之柱塞8(第3圖)的阻力有關。再者，該注射器7之出口60包含一閥門61。
第5及6圖描述根據第2圖之具體實施例的觸覺單元6。該觸覺單元6係經過一磁電流變單元50而實現，該磁電流變單元基本上包含一個外殼13，其具有一縱向軸9且設有一中空而以縱向軸9為中心之圓筒形流體室14及一柱塞25，該柱塞係可在該流體室14內平行於該縱向軸9位移。該流體室14具有一在該外殼13之第一及第二軸向端部32、33上之同軸開口31。該主要驅動器5係經過一可軸向位移之柱塞25而實現，該柱塞係在其軸向端部之任一端部皆設有一柱塞桿34。二柱塞桿34同軸地延伸穿過該開口31，使得該操作員可藉著推或拉該等柱塞桿中之一的柱塞桿34手動地於各軸向方向位移該柱塞25。該外殼13中之流體室14係以一磁電流變流體27(MR流體)充滿，該磁電流變流體由一載體流體及體積百分比約略為30之奈米尺寸微粒組成。當一磁場係藉著線圈15施加至該MR流體時，該等微粒在該磁場之磁力線28方向中對齊，如此增加該MR流體27之黏度。該柱塞25係配備一捲繞著一鐵芯26之雙重銅線圈15，其於該柱塞25中形成一電磁鐵。該雙重之銅線圈15係藉著該等電線35連至一電源(未示出)接電。當關掉該電磁鐵時，該主要驅動器5能夠在該流體室14中自由地移動一該MR流體27自由地流經該柱塞25之橫側表面29及該流體室14的壁面30間之流體間隙21。當打開該電磁鐵時，產生一磁場，其具有延伸平行於該流體室14之縱向軸9的磁場線28，且該流體間隙21中之MR流體的黏度增加，導致一與該主要驅動器5之位移相向的較高阻力。該黏度之變化可藉著調整流經該等線圈15之電流來控制。一較高之電流產生一較強之磁場，其導致較強金屬微粒鏈產生於該MR流體中。該二鐵芯26係分別設有一軸向長度為L1
、L2
之第一、第二鐵凸緣63、64，且係在該柱塞25之自由端部徑向地延伸直至該線圈15之外徑。再者，該柱塞25包含一第三軸向鐵凸緣65，其軸向地位於該二線圈15之間，並具有一軸向長度L3
。
1．．．注射裝置
2．．．馬達
3．．．感測器
4．．．注射器承納機構
5．．．主要驅動器
6．．．觸覺單元
7．．．注射器
8．．．柱塞
9．．．縱向軸
10．．．驅動單元
11．．．動力傳動裝置
12．．．控制單元
13．．．外殼
14．．．流體室
15．．．線圈
17．．．中心軸
21．．．流體間隙
22．．．軸桿
23．．．齒輪
25．．．柱塞
26．．．鐵芯
27．．．磁電流變流體
28．．．磁力線
29．．．橫側表面
30．．．壁面
31．．．開口
32．．．第一軸向端部
33．．．第二軸向端部
34．．．柱塞桿
35．．．電線
37．．．設有齒狀物的齒條
37a．．．第一設有齒狀物的齒條
37b．．．第二設有齒狀物的齒條
38．．．軸心
39．．．後方端部
40．．．主要構件
41．．．從動構件
42．．．作動資訊
42’．．．作動資訊
43．．．感測器資訊
43’．．．感測器資訊
44．．．操作員
45．．．外科設備
46．．．馬達回饋
47．．．端板
48．．．後方端部
49．．．作動器
50．．．磁電流變單元
51．．．籠架
52．．．支柱
53．．．後方端部
54．．．通透開口
55．．．端板
56．．．端板
57．．．第一同軸鑽孔
58．．．第二同軸鑽孔
59．．．齒輪箱
60．．．出口
61．．．閥門
63．．．第一鐵凸緣
64．．．第二鐵凸緣
65．．．第三鐵凸緣
所顯示者是：第1圖係概要地顯示用於一主從機構之圖解；第2圖係根據本發明之注射裝置的一具體實施例之立體圖；第3圖係根據第2圖之具體實施例的一分解視圖；第4圖係根據本發明之注射裝置施加至一病人之概要圖；第5圖係該觸覺單元之縱剖面視圖；及第6圖係根據第5圖中之標記區域A的一放大部分。
3．．．感測器
5．．．主要驅動器
6．．．觸覺單元
10．．．驅動單元
12．．．控制單元
40．．．主要構件
41．．．從動構件
42．．．作動資訊
42’．．．作動資訊
43．．．感測器資訊
43’．．．感測器資訊
44．．．操作員
45．．．外科設備
Claims (20)
- 一種用於驅動外科設備(45)且架構成一主從機構之裝置，其具有：A)一從動構件(41)，其包含：A1)一驅動單元(10)，其易於作動一與其連接之外科設備(45)；及A2)一感測器(3)，其易於發出與該驅動單元(10)之作動相向的阻力有關之感測器資訊(43)；及B)一主要構件(40)，其允許一與該感測器(3)所偵測之阻力有關的觸覺回饋，其特徵為：C)該裝置係架構成為一用於高黏性材料之注射裝置(1)，以及D)該主要構件(40)允許一可依比例調整之觸覺回饋，其中該主要構件(40)包括一設有一主要驅動器(5)之觸覺單元(6)；及該裝置另包含一控制單元(12)，而此控制單元允許一於該主要構件(40)及該從動構件(41)間之力量的比例調整。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其特徵在於其包含一具有一中心軸(17)及一馬達(2)之驅動單元(10)，該馬達具有一動力傳動裝置(11)，其係架構成可位移一附接於該注射裝置(1)的注射器(7)之柱塞(8)。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，其特徵在於該感測器(3)係易於發出與該等測量負載有關之感測器資訊 (43)，該等測量負載作用係於一附接至該注射裝置(1)的注射器(7)之一柱塞(8)上。
- 根據申請專利範圍第2或第3項之裝置，其特徵在於該觸覺單元(6)係易於將該控制單元(12)所發出之電輸出信號轉換成一與該主要驅動器(5)之位移相向的機構式阻力。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其特徵在於該觸覺單元(6)包含一磁電流變單元(50)。
- 根據申請專利範圍第5項之裝置，其特徵在於該磁電流變單元(50)包含一具有一縱向軸(9)、一第一端部(32)、一第二端部(33)，及一同軸之流體室(14)之外殼(13)，該流體室在該第一端部(32)具有至少一用於讓該主要驅動器(5)穿過之開口(31)。
- 根據申請專利範圍第6項之裝置，其特徵在於該主要驅動器(5)包含一具有一柱塞桿(34)之柱塞(25)，該二者皆係與該縱向軸(9)同軸地配置。
- 根據申請專利範圍第7項之裝置，其特徵在於該主要驅動器(5)之柱塞(25)係設有至少一同軸線圈(15)。
- 根據申請專利範圍第5項之裝置，其特徵在於該磁電流變單元(50)包含一基於一烴油之磁電流變流體。
- 根據申請專利範圍第9項之裝置，其中該流體室(14)具有一中空之圓筒形內部壁面(30)，該內部壁面具有一內部直徑D，且該主要驅動器(5)之柱塞(25)具有一外部直徑d<D，以便允許在該主要驅動器(5)之柱塞(25)及該流體室 (14)之間具有一流體間隙(21)。
- 根據申請專利範圍第10項之裝置，其中該流體間隙(21)具有一介於0.1毫米到1.0毫米間之寬度W，較佳地是於0.3毫米到0.7毫米之間。
- 根據申請專利範圍第8項之裝置，其中該至少一線圈(15)在該流體間隙(21)內產生一具有磁通量之磁力線的磁場，該等磁力線係延伸平行於該縱向軸(9)。
- 根據申請專利範圍第12項之裝置，其中該磁通量之強度取決於該控制單元(12)之電輸出信號。
- 根據申請專利範圍第7項之裝置，其中該主要驅動器(5)之柱塞(25)包含配置成軸向地鄰接且具有相反方向之磁通量的二線圈(15)。
- 根據申請專利範圍第14項之裝置，其中該二線圈(15)各包含一鐵芯(26)，各鐵芯分別設有一軸向長度為L1、L2之第一、第二鐵凸緣(63、64)，且該第一及第二鐵凸緣係在該線圈(15)之自由端部徑向地延伸至該線圈(15)之外徑，又其中該柱塞(25)包含一第三鐵凸緣(65)，該第三鐵凸緣軸向地位於該二線圈(15)之間，並具有一軸向長度L3 。
- 根據申請專利範圍第15項之裝置，其中該長度L=L1+L2+L3則係1L5毫米。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中其包含一附接於該驅動單元(10)且易於承納一包含該高黏性材料之注射器(7)的注射器承納機構(4)。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該裝置另包 含一注射器(7)。
- 根據申請專利範圍第2項之裝置，其中該馬達(2)係耐高壓加熱的。
- 根據申請專利範圍第1項之裝置，其中該控制單元(12)係易於接收該主要驅動器(5)之柱塞(25)及該馬達(2)的位置測量信號。
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