外科用開孔装置
【課題】外科用開孔装置において、生体組織を切削しすぎないように、適切に切削工具の駆動を制御することである。
【解決手段】外科用開孔装置１０は、先端にドリル１４を有するグラインダ１２と、グラインダ１２の駆動制御を行う制御装置２６を内部に有する装置本体部２０と、グラインダ１２と装置本体部２０を接続する接続線１６を備えて構成される。制御装置２６に含まれる制御回路３０は、グラインダ１２の回転電動機１３の負荷電流を検出する負荷電流検出部３２と、開孔加工の過程における負荷電流の変化に基づいて、開孔状況に関する信号を出力する信号出力部３４と、貫通信号が出力されたときに、回転電動機１３を逆回転させて回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部３６と、回転電動機１３への駆動電流の供給を止めて回転電動機１３の駆動を停止させる駆動停止部３８を含んで構成される。
【解決手段】外科用開孔装置１０は、先端にドリル１４を有するグラインダ１２と、グラインダ１２の駆動制御を行う制御装置２６を内部に有する装置本体部２０と、グラインダ１２と装置本体部２０を接続する接続線１６を備えて構成される。制御装置２６に含まれる制御回路３０は、グラインダ１２の回転電動機１３の負荷電流を検出する負荷電流検出部３２と、開孔加工の過程における負荷電流の変化に基づいて、開孔状況に関する信号を出力する信号出力部３４と、貫通信号が出力されたときに、回転電動機１３を逆回転させて回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部３６と、回転電動機１３への駆動電流の供給を止めて回転電動機１３の駆動を停止させる駆動停止部３８を含んで構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外科用開孔装置に係り、特に外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体の組織を貫通して開孔する外科用開孔装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外科治療において、生体組織に孔をあける開孔装置がしばしば用いられる。例えば、特許文献１では、外科用トロカールと呼ばれる腹腔から液を採取するための器具において、組織を切開するように操作自在のオブチュレータが組織の障壁を貫通したときを、光学センサ、電気的センサ、機械的センサで検出することが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２では、外科手術装置で、切削工具の切削抵抗をモータ電流で検出し、負荷が重くなると、超音波振動子の切削力を切削工具の切削力にアシストすることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献３では、外科用穴あけ機として、抵抗負荷がかかるとバネ力で自動的に変位し、抵抗負荷がなくなると自動的に戻って切刃の周囲を遮断するシールドを設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平８−５０８１７６号公報
【特許文献２】特開２００４−２９８５５９号公報
【特許文献３】特表２００１−５１６６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
外科などで骨切除切削を行うときは、骨のすぐ近くを神経等が通っていることがある。そこで、切削工具を用いる医師等は、細心の注意を払って、骨を切削しすぎて神経等を損傷しないようにする。しかし、医師の経験と感覚に依存することが多いのが現状である。
【０００７】
本発明の目的は、生体組織を切削しすぎないように、適切に切削工具の駆動を制御できる外科用開孔装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る外科用開孔装置は、外科開孔用工具を先端に有する回転電動機と、回転電動機を駆動する駆動部と、回転電動機の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織を貫通して開孔する際に、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性に基づき、最初に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、硬質部を開孔して軟質部に入るときとして貫通準備信号を出力し、次に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、軟質部を開孔して再び硬質部に入り、硬質部を開孔して生体組織を貫通したときとして貫通信号を出力する信号出力部と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る外科用開孔装置において、信号出力部は、貫通準備信号が出力されてから、負荷電流の信号波形を微分して、負荷電流のピークを検出し、ピーク検出から予め定めた時間経過後に貫通信号を出力することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る外科用開孔装置において、回転電動機の回転方向を逆転させて回生ブレーキを掛ける回路について、貫通準備信号の出力を取得したときに動作開始し、貫通信号を取得したときに回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部を含むことが好ましい。 また、本発明に係る外科用開孔装置において、回生回路が回生ブレーキを掛けたときから予め定めた遅延時間の経過後に回転電動機の駆動を停止させる駆動停止部を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、外科用開孔装置は、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織を貫通して開孔する際に、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性に基づき、最初に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、硬質部を開孔して軟質部に入るときとして貫通準備信号を出力し、次に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、軟質部を開孔して再び硬質部に入り、硬質部を開孔して生体組織を貫通したときとして貫通信号を出力する。このように、生体組織の構造に基づく負荷電流変化特性を用いるので、貫通時を的確に知ることができ、これにより、切削しすぎないように、適切に切削工具の駆動を制御できる。
【００１２】
また、外科用開孔装置において、貫通準備信号が出力されてから、負荷電流の信号波形を微分して、負荷電流のピークを検出し、ピーク検出から予め定めた時間経過後に貫通信号を出力する。これにより、貫通時の負荷電流ピークを的確に検出することができる。
【００１３】
また、外科用開孔装置において、回転電動機の回転方向を逆転させて回生ブレーキを掛ける回路について、貫通準備信号の出力を取得したときに動作開始し、貫通信号を取得したときに回生ブレーキを掛ける。貫通を検出したら回転電動機の駆動をできるだけ早く止める必要がある。ここでは、回生ブレーキを用いるので、貫通時の負荷電流ピークを検出したら、直ちに回転電動機の回転を止めることができる。
【００１４】
外科用開孔装置の工具を生体組織に押し当てて開孔処理する際に、負荷電流に不安定なノイズが生じ、ノイズのピークを貫通時のピークと誤検出する可能性がある。したがって、回生回路の動作開始が早すぎると、ノイズのピーク検出で、回生ブレーキが掛かってしまう。そこで、回生回路の動作開始は、できるだけ貫通信号が出力される考えられる直前が好ましい。ここでは、貫通準備信号が出てから回生回路の動作を開始させるので、それまでのノイズで回生ブレーキが掛かることがない。なお、貫通準備信号から貫通信号までの間でノイズの心配があるときは、貫通準備信号が出力されてから適当な遅延時間をおいて回生回路を動作開始させるものとしてもよい。
【００１５】
また、外科用開孔装置において、回生回路が回生ブレーキを掛けたときから予め定めた遅延時間の経過後に回転電動機の駆動を停止させる。回生ブレーキは回転電動機への負荷電流供給を遮断すると、回転電動機自身が発電するためこれを利用するものである。したがって、回生ブレーキを掛けた後、できるだけ速やかに回転電動機の駆動を止めることが好ましい。予め定めた遅延時間は、ゼロであってもよい。このときには回生ブレーキが掛かると同時に回転電動機の駆動が止められる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置が用いられる例として、椎間板ヘルニアの際の骨切除の様子を説明する図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置において、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置において、外科用開孔用工具の種類によって、負荷電流がどのように変化するかを説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置の回路構成を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置において、貫通時の負荷電流ピーク検出の様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、外科用開孔装置として、椎間板ヘルニアの症例に対し、椎骨に貫通孔を開けるための装置を説明するが、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体の組織を貫通して開孔するための装置であれば、椎骨以外の生体組織に貫通孔を開けるためのものであってもよい。また、開孔用工具としてドリルを説明するが、これは説明のための例示であって、開孔に適した工具で、回転電動機で駆動されるものであればよい。
【００１８】
以下で述べる寸法、形状、電圧値、回転数等は、説明のための例示であって、外科用開孔装置の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１９】
図１は、外科用開孔装置１０の構成を説明する図である。この外科用開孔装置１０は、椎間板ヘルニアの症例に対し、椎骨に貫通孔を開けるための装置である。以下では、外科用開孔装置１０を、特に断らない限り、単に、開孔装置１０として説明する。開孔装置１０は、先端にドリル１４を有するグラインダ１２と、グラインダ１２の駆動制御を行う装置本体部２０と、グラインダ１２と装置本体部２０を接続する接続線１６を含んで構成される。
【００２０】
グラインダ１２は、小型の回転電動機１３を含む装置であって、操作者が手で持って操作しやすいような外形を有し、回転電動機１３の出力軸が回転自在に保持されて先端から突き出されているものである。回転電動機１３は、直流電源で動作するＤＣモータで、回転数が毎分１，５００回転から１００，０００回転の間で動作するものを用いることができる。好ましくは、回転数を毎分３，５００回転から２０，０００回転の間とすることがよい。
【００２１】
ドリル１４は、開孔用切削工具である。具体的には、細長い軸の先端に、工具鋼、セラミック等の硬質な工具材料を孔あけに適した工具外形に成型した工具刃先を設けたものを用いることができる。ドリル１４は、グラインダ１２の先端から突き出る出力軸に設けられる工具チャックを用いて、交換可能に着脱自在で取り付けられる。ドリル１４の刃先の大きさは、開孔しようとする孔径に応じたものが選択される。例えば、ドリル刃先について、異なる外形、異なる材質のものを複数種類準備し、その中から、適当なものを選択するものとできる。
【００２２】
一例をあげると、外径で、約０．３ｍｍから約２ｍｍまで、数種類の大きさの刃先を有するドリル１４を準備する。なお、必要に応じ、外径で約９ｍｍまでの刃先を準備する。そして、開孔しようとする孔径に応じて、適当な種類のドリル１４を選択し、これを工具チャックに取り付けて用いることができる。開孔の過程で、ドリル１４の種類を交換するものとしてもよい。例えば、最初は、粗加工用に適した外形と材質のドリル１４を用いて短時間で大きな孔を開け、その後に、精密加工用に適した外形と材質のドリル１４を用いるものとしてもよい。
【００２３】
装置本体部２０は、内部に制御装置２６である電気回路等を含む箱型のものである。図１では、グラインダ１２とカール線である接続線１６によって接続される様子が示される。接続線１６は、グラインダ１２に内蔵される回転電動機１３に駆動電流を伝送するための電線である。また、図１には、商用電源に接続される電源線１８が示されている。電源線１８は、先端に商用電源コネクタに挿入できる接続端子が設けられる。商用電源としては、交流１００Ｖ電源を用いることができる。
【００２４】
装置本体部２０に設けられるダイヤル２２は、グラインダ１２の先端のドリル１４の回転数を設定するための操作子である。このダイヤル２２の回転角度を操作者が適当に変更することで、ドリル１４の毎分当りの回転数を約３，５００から約２０，０００まで可変することができる。これによって、最初の粗削りのときは低速回転数とし、その後に精密加工に適した高速回転数とする等とできる。
【００２５】
装置本体部２０に設けられるスイッチ２４は、電源のオン・オフスイッチである。スイッチ２４をオンとすることで、制御装置２６を起動させ、グラインダ１２の回転電動機１３に適当な駆動電流を供給し、ドリル１４を回転させることができる。また、スイッチ２４をオフとすることで、制御装置２６の動作を停止させ、グラインダ１２の回転電動機１３の動作を停止させることができる。
【００２６】
制御装置２６は、制御回路３０と、グラインダ１２の駆動回路である駆動部４０を含んで構成される。制御回路３０は、グラインダ１２の回転電動機１３の電流である負荷電流を検出する負荷電流検出部３２と、開孔加工の過程における負荷電流の変化に基づいて、開孔状況に関する信号を出力する信号出力部３４と、開孔過程において孔が生体組織を貫通したことを示す貫通信号が出力されたときに、回転電動機１３を逆回転させて回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部３６と、貫通信号が出力されたときに、回生ブレーキ作動と協働しながら回転電動機１３への駆動電流の供給を止めて回転電動機１３の駆動を停止させる駆動停止部３８を含んで構成される。
【００２７】
ここで、グラインダ１２に内蔵される回転電動機１３の特性について説明する。回転電動機１３は上記のように直流電動機である。この回転電動機１３は、ドリル１４の先端の負荷が重くなると、その負荷の重さに応じて電流が多くなる。負荷が軽くなると電流が少なくなる。すなわち、回転電動機１３の負荷電流を観察することで、ドリル１４にかかる負荷の大きさの程度が分かる。そこで、回転電動機１３の負荷による電流を負荷電流と呼ぶことができる。
【００２８】
したがって、対象物に孔を開けるとき、対象物が軟質のときは負荷が軽いので、負荷による電流は少なく、対象物が硬質のときは負荷が重くなって電流が多くなる。対象物に孔を開けることが進行して、貫通直前になると、正確な理由はまだ明らかになっていないが、負荷電流が一時的に急上昇する。そして、貫通してドリル１４の先端に負荷がなくなると、負荷電流は小さい値となる。このように、孔が貫通するときは、貫通直前に負荷電流が急増し、貫通と共に負荷電流が急減する負荷電流ピーク特性を示す。
【００２９】
次に、実際に生体組織として骨組織に貫通孔を開ける場合の負荷電流特性について説明する。その前に、図２、図３は、椎間板ヘルニアの椎間板ヘルニアの症例に対し、椎骨に貫通孔を開けるために開孔装置１０が用いられる様子を説明する図である。図２は、人体の脊骨部分を示す図で、上下方向が人体の身長方向である。図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【００３０】
図２に示されるように、人体の背骨部分は、背骨を構成する複数の椎骨５０と、隣接する椎骨５０の間にある椎間板５２が示される。椎骨５０は、人体の腹部側の椎体と、背中側の椎弓とで構成され、その間に椎孔６０と呼ばれる隙間がある。図３に示すように、椎孔６０には、脊髄５４が納まっている硬膜５６が通り、神経根６２が左右に枝分かれして延びている。その内側、つまり人体の腹側には、後縦靭帯５５があり、これによって硬膜５６が保護されている。
【００３１】
椎間板５２は、中心部にゼリー状の髄核があり、その周囲は繊維輪組織となっている。椎間板ヘルニアは、椎間板５２が上下の椎骨５０に押され、中心部の髄核が周囲の繊維輪組織を通って外部にはみ出す症状である。図２、図３では、このはみ出した部分をヘルニア部位５８として示した。この症状の患者は、この椎間板５２においてはみ出した部分が神経根６２に触れる等で、下肢や腰部に、しびれや激しい痛みを感じることがある。
【００３２】
椎間板５２からはみ出したヘルニア部位５８は、椎孔６０のところであって、背中側から見て診断を行おうとしても、椎骨５０の椎弓にさえぎられて、直接的に見ることができない。そこで、外科的診断、治療のために、高速回転するドリル１４を用い、椎骨５０の椎弓のところに椎孔６０に至る貫通孔を開けることが行われる。
【００３３】
この場合に、貫通孔を開けた後、ドリル１４がさらに進むと、硬膜５６、神経根６２を損傷する恐れがある。そこで、ドリル１４は、貫通孔が開いたならば、できるだけ即時的に、それ以上進まず、回転を止めることが好ましい。そのためには、ドリル１４が貫通孔を形成した瞬間をできるだけ正確に把握することが必要である。本発明は、その瞬間を、ドリル１４を回転させる回転電動機１３の負荷電流で検出しようというものである。
【００３４】
次に、本発明の構成に至った回転電動機１３の負荷電流変化の知見について説明する。図４は、椎骨５０の椎弓のような骨組織に貫通孔を開ける際の、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性７０を説明する図である。負荷電流の大きさは、抵抗素子に負荷電流を流し、抵抗素子の両端の電圧差で評価する。図４の負荷電流特性７０に関する図の横軸は時間、縦軸は負荷電流の大きさを示す抵抗素子の両端電圧差Ｖである。負荷電流特性７０に関する図の下側に、ドリル１４が骨組織を進んでゆく様子が示されている。
【００３５】
貫通孔を開けようとする椎骨５０の椎弓は、骨組織であって、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織である。図４では、その様子を、椎骨５０を、硬質部７２−軟質部７４−硬質部７６の三層構造として示されている。ドリル１４は、背中側の硬質部７２から孔を開け始め、硬質部７２から軟質部７４に入り、軟質部７４を通過すると再び硬質部７６に入り、その硬質部７６を開け終えると、椎孔６０である空間に出ることになる。椎孔６０には、上記のように、硬膜５６、神経根６２等があるので、ドリル１４は、椎孔６０に入ったら直ちに進むことを止め、回転を止める必要がある。
【００３６】
図４の負荷電流特性７０は、ドリル１４の進行と共に変化する。時間ｔ1は、ドリル１４が回転開始する時間である。時間ｔ1より前は、ドリル１４は停止しているので、負荷電流は流れず、図４の電圧はゼロである。時間ｔ1からドリル１４が回転を始めるので、負荷電流はゼロから立ち上がる。時間ｔ2は、操作者がグラインダ１２を手で持って、ドリル１４を椎骨５０に押し付け、ちょうどドリル１４が硬質部７２の表面に接触したときである。時間ｔ1から時間ｔ2の間は、ドリル１４は空中で回転しているだけであるので、グラインダ１２の内部の回転摩擦等による負荷電流が流れ、図４で電圧が現れる。負荷電流の大きさは、電圧でＶ1として示されている。
【００３７】
時間ｔ2からｔ3の間は、ドリル１４が硬質部７２に接触し、その表面を切削し始めている期間である。ドリル１４が硬質部７２に接触することで、負荷電流はＶ1で示される大きさよりも大きくなる。次に、時間ｔ3からｔ4は、ドリル１４が硬質部７２を進んでゆく期間である。この期間は、硬質部７２の材質の硬さに応じた負荷電流が流れる。図４では、その大きさを電圧でＶ2として示されている。
【００３８】
時間ｔ4からｔ6は、ドリル１４の先端が硬質部７２を全部開口し、軟質部７４に入る期間である。時間ｔ4が硬質部７２を貫通する直前、時間ｔ6が硬質部７２を貫通したときである、このとき、貫通直前の時間ｔ4から負荷電流は急増し、ピークを示した後、貫通時には、急に減少する。時間ｔ5は、負荷電流がピークを示す時間である。負荷電流の増加の程度は、図４において、電圧でＶ3として示されている。すなわち、硬質部７２をドリル１４が進んでいる間は、負荷電流は電圧でＶ2のほぼ一定値であるが、硬質部７２を貫通する直前で負荷電流が急増し、時間ｔ5でピーク値（Ｖ2＋Ｖ3）を示し、貫通すると、負荷電流はＶ2以下に減少する。
【００３９】
時間ｔ6からｔ7は、ドリル１４が軟質部７４を進んでゆく期間である。この期間は、軟質部７４の材質の硬さに応じた負荷電流が流れる。軟質部７４は、硬質部７２に比べ、切削負荷が軽いので、図４に示されるように、時間ｔ6からｔ7における負荷電流の大きさは、硬質部７２を進んでゆくときの電圧Ｖ2よりも小さな値を示している。
【００４０】
時間ｔ7から時間ｔ9は、ドリル１４の先端が軟質部７４を全部開口し、硬質部７６に入り、硬質部７６を進んで、硬質部７６を貫通する期間である。時間ｔ7が硬質部７６に接触した時間、時間ｔ9は硬質部７６を貫通して、ドリル１４が椎孔６０の空間に出たときである。ドリル１４が硬質部７６を進んでゆく期間の負荷電流の大きさは、電圧でＶ4として示されている。硬質部７６が硬質部７２と同じ硬さであれば、Ｖ4はＶ2と同じとなる。
【００４１】
ドリル１４が硬質部７６を貫通するときも、貫通直前の時間から負荷電流は急増し、ピークを示した後、貫通時には、急に減少する。時間ｔ8は、負荷電流がピークを示す時間である。負荷電流の増加の程度は、図４において、電圧でＶ5として示されている。すなわち、硬質部７６をドリル１４が進んでいる間は、負荷電流は電圧でＶ4のほぼ一定値であるが、硬質部７６を貫通する直前で負荷電流が急増し、時間ｔ8でピーク値（Ｖ4＋Ｖ5＝Ｖ6）を示し、貫通すると、負荷電流はＶ4以下のＶ7に減少する。
【００４２】
図５は、負荷電流特性７０を、Ｖ1からＶ7がどのように変化するかをまとめた図である。負荷電流の大きさは、ドリル１４の形状によって異なる。図５では、ドリル１４の直径ｄとして、４種類について、負荷電流の大きさがどのように異なるかも示されている。開口の過程における負荷電流の変化については、硬質部７２を貫通して軟質部７４に入るときに、Ｖ3として、大きな負荷電流の増加があることが分かる。さらに、硬質部７６を貫通して、椎孔６０の空間に抜けるときに、Ｖ6として、Ｖ3よりも格段に大きな負荷電流の増加があることが分かる。
【００４３】
なお、ドリル１４の直径ｄの効果は、直径ｄが大きくなるほど、負荷電流の大きさが大きくなることが分かる。これは、ドリル１４の直径ｄが大きくなると、ドリル１回転に対する仕事量が大きくなるからと考えられる。ショウとオクスフォード（Ｍ．Ｃ．Ｓｈｏｗ ＆ Ｃ．Ｊ．Ｏｘｆｏｒｄ）の式として知られているものは、切削トルクＭdとブリネル硬さＨBとドリル直径ｄとの間に、Ｍd＝Ａ・ＨB・ｆ0.8・ｄ1.8の関係があるとされる。ここでＡは定数、ｆは送り量である。この式からは、対象物の硬さが硬いほど、切削トルクが大きく、ドリル１４の直径ｄが大きいほど切削トルクが大きいことが示される。直流回転電動機１３では、切削トルクが大きいほど負荷電流が大きくなる。したがって、硬質部７２，７６における負荷電流の方が軟質部７４における負荷電流よりも大きく、ドリル１４の直径ｄが大きいほど負荷電流が大きくなることになる。
【００４４】
上記知見からは、硬質部７６を貫通するときに現れる負荷電流のピークを検出し、その時間ｔ8のときに、グラインダ１２の駆動を停止させれば、ドリル１４が椎孔６０の中を余分に回転しながら進むことがなくなることになる。
【００４５】
ところで、図４の負荷電流特性７０は模式的なもので、実際の負荷電流波形は、非常にノイズの大きなものである。したがって、一般的なピーク検出を行うと、ノイズのピークを誤検出することになる。ピークを検出したならば直ちにグラインダ１２の駆動を止めることにすると、ノイズのピークの誤検出のために、グラインダ１２が停止してしまう。誤検出のときに、そこで再びグラインダ１２を再駆動しても、またノイズのピークの誤検出によってグラインダ１２が止まってしまう。このように、一般的なノイズ検出をすると、グラインダ１２が頻繁に停止と再駆動を繰り返すことになる。
【００４６】
図６は、上記の知見を具体化した制御装置２６の構成を示す図である。図６に示されるように、駆動部４０とグラインダ１２の回転電動機１３との間には、負荷電流検出用の抵抗素子８０と、回生回路８２によって回転状態切替部８３が作動する。負荷電流検出用の抵抗素子８０の抵抗値の一例を示すと、０．３Ωである。
【００４７】
回転状態切替部８３は、グラインダ１２側の２本の信号線ａ，ｂと、駆動部４０から引き出される２本の信号線ｃ，ｄとの間の接続状態を切り替えるスイッチ部である。回転状態切替部８３は、回生回路８２によって切替動作を行う。回生回路８２は、図１で説明した制御回路３０の回生ブレーキ作動部３６によって動作が制御される。
【００４８】
具体的には、通常時には、ａ−ｃ，ｂ−ｄの接続が行われる。この状態におけるグラインダ１２の回転電動機１３の回転方向を正方向と呼ぶことにすると、通常時とは、回転電動機１３に取り付けられたドリル１４が高速に正回転しているときである。この状況において、接続ａ−ｃまたはｂ−ｄを開いても、高速回転しているドリル１４は慣性力により回転し続けることになる。このとき、回転電動機１３は発電を行っているため、ａ−ｂを接続することで、慣性力で回転しているドリル１４にブレーキが掛かり停止させることができる。したがって、切り替えて回生状態になったらすぐに回転電動機１３の駆動を停止すれば、極めて短時間でドリル１４の回転が停止する。このように、回生回路８２と回転状態切替部８３は、ドリル１４の回転を短時間で停止させるブレーキ機能を有する。
【００４９】
信号出力部３４は、抵抗素子８０の両端の電圧信号を用いて、負荷電流のピーク検出を行い、ドリル１４が硬質部７６を貫通したことを示す貫通信号と、貫通信号の手前の時期を示す貫通準備信号を出力する機能を有する。
【００５０】
貫通信号は、図４における時間ｔ8を検出して出力される信号である。時間ｔ8は、硬質部７６をドリル１４が貫通する際に、負荷電流がピークを示す時間であるので、負荷電流の微分信号のゼロクロス時間を用いることで、正確に検出できる。その様子を図７に示す。図７の上段側の図は、負荷電流特性７０の波形であり、横軸が時間、縦軸が負荷電流の大きさを電圧で示したものである。図７の下段側の図は、負荷電流特性７０を時間で微分した微分信号７１の波形であり、横軸が時間、縦軸はｄＶ／ｄｔの値である。ここに示されるように、時間ｔ8は、微分信号７１が（ｄＶ／ｄｔ）＝０となるゼロクロス時間で与えられる。
【００５１】
貫通信号が出力されると、制御装置２６において、回生回路８２に回生ブレーキ作動指令が出される。これとともに、正回転している状態から回転電動機１３への負荷電流を遮断するために、予め定めた所定の短時間の遅延時間経過後に、駆動部４０に回転電動機１３の駆動停止指令が出される。予め定めた所定の短時間としては、回生ブレーキ作動指令が出されて、回転電動機１３が一旦停止するタイミングで、駆動部４０に駆動停止指令が出されるように設定されることが好ましい。
【００５２】
ところで、このように、微分信号７１のゼロクロス時間で貫通信号を出力することにしても、上記のように負荷電流特性７０にノイズが重畳されるときは、ノイズのピークを検出してしまう恐れがある。そこで、できるだけノイズによる誤動作を避けるため、回生回路８２の動作開始を貫通準備信号によって行うものとする。具体的には、回生回路８２の電源を、貫通準備信号が出力されたときとする。
【００５３】
回生回路８２が作動していないときは、回転状態切替部８３は通常の接続状態のままである。したがって、グラインダ１２の回転電動機１３に回生ブレーキは掛からない。また、駆動部４０への駆動停止指令は、回生回路８２によって回転電動機１３に回生ブレーキが掛けられた後であるので、回生回路８２が作動開始するまでは、回転電動機１３の駆動停止することがない。このようにすることで、貫通準備信号が出力するまでは、ノイズによるピーク誤検出によって回転電動機１３を停止することがなくなる。
【００５４】
貫通準備信号が出力されるタイミングとしては、貫通信号が出力するタイミングの前の時間であって、できるだけ貫通信号が出力されるタイミングに近い時間が好ましい。ここでは、図４のｔ5が貫通準備信号の出力タイミングとされる。時間ｔ5は、貫通孔を開ける対象物が、硬質部−軟質部−硬質部の三層構造を有するときに必ず確実に現れる負荷電流特性７０のピークの時間であり、かつ、貫通信号よりも手前の時間である。このようなことから、時間ｔ5を貫通準備信号が出力するタイミングとして用いることができる。
【００５５】
貫通準備信号は、時間ｔ5から予め定めた遅延時間経過後として設定することができる。この場合には、遅延時間経過後でも貫通信号が出力されるタイミングのｔ8以前の時間となるようにすることが必要である。例えば、図４で時間ｔ7で負荷電流が増加して電圧値でＶ4となるが、その時間を閾値設定等の方法で検出し、ｔ5以後を条件としてｔ7まで遅延させるようにしてもよい。また、ノイズによる誤検出を抑制する他の方法として、負荷電流特性７０の信号に対し、適当なフィルタ処理を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係る外科用開孔装置は、骨組織への開孔を行うグラインダとして利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１０ （外科用）開孔装置、１２ グラインダ、１３ 回転電動機、１４ ドリル、１６ 接続線、１８ 電源線、２０ 装置本体部、２２ ダイヤル、２４ スイッチ、２６ 制御装置、３０ 制御回路、３２ 負荷電流検出部、３４ 信号出力部、３６ 回生ブレーキ作動部、３８ 駆動停止部、４０ 駆動部、５０ 椎骨、５２ 椎間板、５４ 脊髄、５５ 後縦靭帯、５６ 硬膜、５８ ヘルニア部位、６０ 椎孔、６２ 神経根、７０ 負荷電流特性、７１ 微分信号、７２，７６ 硬質部、７４ 軟質部、８０ 抵抗素子、８２ 回生回路、８３ 回転状態切替部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外科用開孔装置に係り、特に外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体の組織を貫通して開孔する外科用開孔装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
外科治療において、生体組織に孔をあける開孔装置がしばしば用いられる。例えば、特許文献１では、外科用トロカールと呼ばれる腹腔から液を採取するための器具において、組織を切開するように操作自在のオブチュレータが組織の障壁を貫通したときを、光学センサ、電気的センサ、機械的センサで検出することが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２では、外科手術装置で、切削工具の切削抵抗をモータ電流で検出し、負荷が重くなると、超音波振動子の切削力を切削工具の切削力にアシストすることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献３では、外科用穴あけ機として、抵抗負荷がかかるとバネ力で自動的に変位し、抵抗負荷がなくなると自動的に戻って切刃の周囲を遮断するシールドを設けることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表平８−５０８１７６号公報
【特許文献２】特開２００４−２９８５５９号公報
【特許文献３】特表２００１−５１６６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
外科などで骨切除切削を行うときは、骨のすぐ近くを神経等が通っていることがある。そこで、切削工具を用いる医師等は、細心の注意を払って、骨を切削しすぎて神経等を損傷しないようにする。しかし、医師の経験と感覚に依存することが多いのが現状である。
【０００７】
本発明の目的は、生体組織を切削しすぎないように、適切に切削工具の駆動を制御できる外科用開孔装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る外科用開孔装置は、外科開孔用工具を先端に有する回転電動機と、回転電動機を駆動する駆動部と、回転電動機の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織を貫通して開孔する際に、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性に基づき、最初に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、硬質部を開孔して軟質部に入るときとして貫通準備信号を出力し、次に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、軟質部を開孔して再び硬質部に入り、硬質部を開孔して生体組織を貫通したときとして貫通信号を出力する信号出力部と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る外科用開孔装置において、信号出力部は、貫通準備信号が出力されてから、負荷電流の信号波形を微分して、負荷電流のピークを検出し、ピーク検出から予め定めた時間経過後に貫通信号を出力することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る外科用開孔装置において、回転電動機の回転方向を逆転させて回生ブレーキを掛ける回路について、貫通準備信号の出力を取得したときに動作開始し、貫通信号を取得したときに回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部を含むことが好ましい。 また、本発明に係る外科用開孔装置において、回生回路が回生ブレーキを掛けたときから予め定めた遅延時間の経過後に回転電動機の駆動を停止させる駆動停止部を含むことが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、外科用開孔装置は、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織を貫通して開孔する際に、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性に基づき、最初に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、硬質部を開孔して軟質部に入るときとして貫通準備信号を出力し、次に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、軟質部を開孔して再び硬質部に入り、硬質部を開孔して生体組織を貫通したときとして貫通信号を出力する。このように、生体組織の構造に基づく負荷電流変化特性を用いるので、貫通時を的確に知ることができ、これにより、切削しすぎないように、適切に切削工具の駆動を制御できる。
【００１２】
また、外科用開孔装置において、貫通準備信号が出力されてから、負荷電流の信号波形を微分して、負荷電流のピークを検出し、ピーク検出から予め定めた時間経過後に貫通信号を出力する。これにより、貫通時の負荷電流ピークを的確に検出することができる。
【００１３】
また、外科用開孔装置において、回転電動機の回転方向を逆転させて回生ブレーキを掛ける回路について、貫通準備信号の出力を取得したときに動作開始し、貫通信号を取得したときに回生ブレーキを掛ける。貫通を検出したら回転電動機の駆動をできるだけ早く止める必要がある。ここでは、回生ブレーキを用いるので、貫通時の負荷電流ピークを検出したら、直ちに回転電動機の回転を止めることができる。
【００１４】
外科用開孔装置の工具を生体組織に押し当てて開孔処理する際に、負荷電流に不安定なノイズが生じ、ノイズのピークを貫通時のピークと誤検出する可能性がある。したがって、回生回路の動作開始が早すぎると、ノイズのピーク検出で、回生ブレーキが掛かってしまう。そこで、回生回路の動作開始は、できるだけ貫通信号が出力される考えられる直前が好ましい。ここでは、貫通準備信号が出てから回生回路の動作を開始させるので、それまでのノイズで回生ブレーキが掛かることがない。なお、貫通準備信号から貫通信号までの間でノイズの心配があるときは、貫通準備信号が出力されてから適当な遅延時間をおいて回生回路を動作開始させるものとしてもよい。
【００１５】
また、外科用開孔装置において、回生回路が回生ブレーキを掛けたときから予め定めた遅延時間の経過後に回転電動機の駆動を停止させる。回生ブレーキは回転電動機への負荷電流供給を遮断すると、回転電動機自身が発電するためこれを利用するものである。したがって、回生ブレーキを掛けた後、できるだけ速やかに回転電動機の駆動を止めることが好ましい。予め定めた遅延時間は、ゼロであってもよい。このときには回生ブレーキが掛かると同時に回転電動機の駆動が止められる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置が用いられる例として、椎間板ヘルニアの際の骨切除の様子を説明する図である。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置において、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置において、外科用開孔用工具の種類によって、負荷電流がどのように変化するかを説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置の回路構成を説明する図である。
【図７】本発明に係る実施の形態の外科用開孔装置において、貫通時の負荷電流ピーク検出の様子を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、外科用開孔装置として、椎間板ヘルニアの症例に対し、椎骨に貫通孔を開けるための装置を説明するが、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体の組織を貫通して開孔するための装置であれば、椎骨以外の生体組織に貫通孔を開けるためのものであってもよい。また、開孔用工具としてドリルを説明するが、これは説明のための例示であって、開孔に適した工具で、回転電動機で駆動されるものであればよい。
【００１８】
以下で述べる寸法、形状、電圧値、回転数等は、説明のための例示であって、外科用開孔装置の仕様に合わせ、適宜変更が可能である。以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００１９】
図１は、外科用開孔装置１０の構成を説明する図である。この外科用開孔装置１０は、椎間板ヘルニアの症例に対し、椎骨に貫通孔を開けるための装置である。以下では、外科用開孔装置１０を、特に断らない限り、単に、開孔装置１０として説明する。開孔装置１０は、先端にドリル１４を有するグラインダ１２と、グラインダ１２の駆動制御を行う装置本体部２０と、グラインダ１２と装置本体部２０を接続する接続線１６を含んで構成される。
【００２０】
グラインダ１２は、小型の回転電動機１３を含む装置であって、操作者が手で持って操作しやすいような外形を有し、回転電動機１３の出力軸が回転自在に保持されて先端から突き出されているものである。回転電動機１３は、直流電源で動作するＤＣモータで、回転数が毎分１，５００回転から１００，０００回転の間で動作するものを用いることができる。好ましくは、回転数を毎分３，５００回転から２０，０００回転の間とすることがよい。
【００２１】
ドリル１４は、開孔用切削工具である。具体的には、細長い軸の先端に、工具鋼、セラミック等の硬質な工具材料を孔あけに適した工具外形に成型した工具刃先を設けたものを用いることができる。ドリル１４は、グラインダ１２の先端から突き出る出力軸に設けられる工具チャックを用いて、交換可能に着脱自在で取り付けられる。ドリル１４の刃先の大きさは、開孔しようとする孔径に応じたものが選択される。例えば、ドリル刃先について、異なる外形、異なる材質のものを複数種類準備し、その中から、適当なものを選択するものとできる。
【００２２】
一例をあげると、外径で、約０．３ｍｍから約２ｍｍまで、数種類の大きさの刃先を有するドリル１４を準備する。なお、必要に応じ、外径で約９ｍｍまでの刃先を準備する。そして、開孔しようとする孔径に応じて、適当な種類のドリル１４を選択し、これを工具チャックに取り付けて用いることができる。開孔の過程で、ドリル１４の種類を交換するものとしてもよい。例えば、最初は、粗加工用に適した外形と材質のドリル１４を用いて短時間で大きな孔を開け、その後に、精密加工用に適した外形と材質のドリル１４を用いるものとしてもよい。
【００２３】
装置本体部２０は、内部に制御装置２６である電気回路等を含む箱型のものである。図１では、グラインダ１２とカール線である接続線１６によって接続される様子が示される。接続線１６は、グラインダ１２に内蔵される回転電動機１３に駆動電流を伝送するための電線である。また、図１には、商用電源に接続される電源線１８が示されている。電源線１８は、先端に商用電源コネクタに挿入できる接続端子が設けられる。商用電源としては、交流１００Ｖ電源を用いることができる。
【００２４】
装置本体部２０に設けられるダイヤル２２は、グラインダ１２の先端のドリル１４の回転数を設定するための操作子である。このダイヤル２２の回転角度を操作者が適当に変更することで、ドリル１４の毎分当りの回転数を約３，５００から約２０，０００まで可変することができる。これによって、最初の粗削りのときは低速回転数とし、その後に精密加工に適した高速回転数とする等とできる。
【００２５】
装置本体部２０に設けられるスイッチ２４は、電源のオン・オフスイッチである。スイッチ２４をオンとすることで、制御装置２６を起動させ、グラインダ１２の回転電動機１３に適当な駆動電流を供給し、ドリル１４を回転させることができる。また、スイッチ２４をオフとすることで、制御装置２６の動作を停止させ、グラインダ１２の回転電動機１３の動作を停止させることができる。
【００２６】
制御装置２６は、制御回路３０と、グラインダ１２の駆動回路である駆動部４０を含んで構成される。制御回路３０は、グラインダ１２の回転電動機１３の電流である負荷電流を検出する負荷電流検出部３２と、開孔加工の過程における負荷電流の変化に基づいて、開孔状況に関する信号を出力する信号出力部３４と、開孔過程において孔が生体組織を貫通したことを示す貫通信号が出力されたときに、回転電動機１３を逆回転させて回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部３６と、貫通信号が出力されたときに、回生ブレーキ作動と協働しながら回転電動機１３への駆動電流の供給を止めて回転電動機１３の駆動を停止させる駆動停止部３８を含んで構成される。
【００２７】
ここで、グラインダ１２に内蔵される回転電動機１３の特性について説明する。回転電動機１３は上記のように直流電動機である。この回転電動機１３は、ドリル１４の先端の負荷が重くなると、その負荷の重さに応じて電流が多くなる。負荷が軽くなると電流が少なくなる。すなわち、回転電動機１３の負荷電流を観察することで、ドリル１４にかかる負荷の大きさの程度が分かる。そこで、回転電動機１３の負荷による電流を負荷電流と呼ぶことができる。
【００２８】
したがって、対象物に孔を開けるとき、対象物が軟質のときは負荷が軽いので、負荷による電流は少なく、対象物が硬質のときは負荷が重くなって電流が多くなる。対象物に孔を開けることが進行して、貫通直前になると、正確な理由はまだ明らかになっていないが、負荷電流が一時的に急上昇する。そして、貫通してドリル１４の先端に負荷がなくなると、負荷電流は小さい値となる。このように、孔が貫通するときは、貫通直前に負荷電流が急増し、貫通と共に負荷電流が急減する負荷電流ピーク特性を示す。
【００２９】
次に、実際に生体組織として骨組織に貫通孔を開ける場合の負荷電流特性について説明する。その前に、図２、図３は、椎間板ヘルニアの椎間板ヘルニアの症例に対し、椎骨に貫通孔を開けるために開孔装置１０が用いられる様子を説明する図である。図２は、人体の脊骨部分を示す図で、上下方向が人体の身長方向である。図３は、図２のＡ−Ａ線における断面図である。
【００３０】
図２に示されるように、人体の背骨部分は、背骨を構成する複数の椎骨５０と、隣接する椎骨５０の間にある椎間板５２が示される。椎骨５０は、人体の腹部側の椎体と、背中側の椎弓とで構成され、その間に椎孔６０と呼ばれる隙間がある。図３に示すように、椎孔６０には、脊髄５４が納まっている硬膜５６が通り、神経根６２が左右に枝分かれして延びている。その内側、つまり人体の腹側には、後縦靭帯５５があり、これによって硬膜５６が保護されている。
【００３１】
椎間板５２は、中心部にゼリー状の髄核があり、その周囲は繊維輪組織となっている。椎間板ヘルニアは、椎間板５２が上下の椎骨５０に押され、中心部の髄核が周囲の繊維輪組織を通って外部にはみ出す症状である。図２、図３では、このはみ出した部分をヘルニア部位５８として示した。この症状の患者は、この椎間板５２においてはみ出した部分が神経根６２に触れる等で、下肢や腰部に、しびれや激しい痛みを感じることがある。
【００３２】
椎間板５２からはみ出したヘルニア部位５８は、椎孔６０のところであって、背中側から見て診断を行おうとしても、椎骨５０の椎弓にさえぎられて、直接的に見ることができない。そこで、外科的診断、治療のために、高速回転するドリル１４を用い、椎骨５０の椎弓のところに椎孔６０に至る貫通孔を開けることが行われる。
【００３３】
この場合に、貫通孔を開けた後、ドリル１４がさらに進むと、硬膜５６、神経根６２を損傷する恐れがある。そこで、ドリル１４は、貫通孔が開いたならば、できるだけ即時的に、それ以上進まず、回転を止めることが好ましい。そのためには、ドリル１４が貫通孔を形成した瞬間をできるだけ正確に把握することが必要である。本発明は、その瞬間を、ドリル１４を回転させる回転電動機１３の負荷電流で検出しようというものである。
【００３４】
次に、本発明の構成に至った回転電動機１３の負荷電流変化の知見について説明する。図４は、椎骨５０の椎弓のような骨組織に貫通孔を開ける際の、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性７０を説明する図である。負荷電流の大きさは、抵抗素子に負荷電流を流し、抵抗素子の両端の電圧差で評価する。図４の負荷電流特性７０に関する図の横軸は時間、縦軸は負荷電流の大きさを示す抵抗素子の両端電圧差Ｖである。負荷電流特性７０に関する図の下側に、ドリル１４が骨組織を進んでゆく様子が示されている。
【００３５】
貫通孔を開けようとする椎骨５０の椎弓は、骨組織であって、外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織である。図４では、その様子を、椎骨５０を、硬質部７２−軟質部７４−硬質部７６の三層構造として示されている。ドリル１４は、背中側の硬質部７２から孔を開け始め、硬質部７２から軟質部７４に入り、軟質部７４を通過すると再び硬質部７６に入り、その硬質部７６を開け終えると、椎孔６０である空間に出ることになる。椎孔６０には、上記のように、硬膜５６、神経根６２等があるので、ドリル１４は、椎孔６０に入ったら直ちに進むことを止め、回転を止める必要がある。
【００３６】
図４の負荷電流特性７０は、ドリル１４の進行と共に変化する。時間ｔ1は、ドリル１４が回転開始する時間である。時間ｔ1より前は、ドリル１４は停止しているので、負荷電流は流れず、図４の電圧はゼロである。時間ｔ1からドリル１４が回転を始めるので、負荷電流はゼロから立ち上がる。時間ｔ2は、操作者がグラインダ１２を手で持って、ドリル１４を椎骨５０に押し付け、ちょうどドリル１４が硬質部７２の表面に接触したときである。時間ｔ1から時間ｔ2の間は、ドリル１４は空中で回転しているだけであるので、グラインダ１２の内部の回転摩擦等による負荷電流が流れ、図４で電圧が現れる。負荷電流の大きさは、電圧でＶ1として示されている。
【００３７】
時間ｔ2からｔ3の間は、ドリル１４が硬質部７２に接触し、その表面を切削し始めている期間である。ドリル１４が硬質部７２に接触することで、負荷電流はＶ1で示される大きさよりも大きくなる。次に、時間ｔ3からｔ4は、ドリル１４が硬質部７２を進んでゆく期間である。この期間は、硬質部７２の材質の硬さに応じた負荷電流が流れる。図４では、その大きさを電圧でＶ2として示されている。
【００３８】
時間ｔ4からｔ6は、ドリル１４の先端が硬質部７２を全部開口し、軟質部７４に入る期間である。時間ｔ4が硬質部７２を貫通する直前、時間ｔ6が硬質部７２を貫通したときである、このとき、貫通直前の時間ｔ4から負荷電流は急増し、ピークを示した後、貫通時には、急に減少する。時間ｔ5は、負荷電流がピークを示す時間である。負荷電流の増加の程度は、図４において、電圧でＶ3として示されている。すなわち、硬質部７２をドリル１４が進んでいる間は、負荷電流は電圧でＶ2のほぼ一定値であるが、硬質部７２を貫通する直前で負荷電流が急増し、時間ｔ5でピーク値（Ｖ2＋Ｖ3）を示し、貫通すると、負荷電流はＶ2以下に減少する。
【００３９】
時間ｔ6からｔ7は、ドリル１４が軟質部７４を進んでゆく期間である。この期間は、軟質部７４の材質の硬さに応じた負荷電流が流れる。軟質部７４は、硬質部７２に比べ、切削負荷が軽いので、図４に示されるように、時間ｔ6からｔ7における負荷電流の大きさは、硬質部７２を進んでゆくときの電圧Ｖ2よりも小さな値を示している。
【００４０】
時間ｔ7から時間ｔ9は、ドリル１４の先端が軟質部７４を全部開口し、硬質部７６に入り、硬質部７６を進んで、硬質部７６を貫通する期間である。時間ｔ7が硬質部７６に接触した時間、時間ｔ9は硬質部７６を貫通して、ドリル１４が椎孔６０の空間に出たときである。ドリル１４が硬質部７６を進んでゆく期間の負荷電流の大きさは、電圧でＶ4として示されている。硬質部７６が硬質部７２と同じ硬さであれば、Ｖ4はＶ2と同じとなる。
【００４１】
ドリル１４が硬質部７６を貫通するときも、貫通直前の時間から負荷電流は急増し、ピークを示した後、貫通時には、急に減少する。時間ｔ8は、負荷電流がピークを示す時間である。負荷電流の増加の程度は、図４において、電圧でＶ5として示されている。すなわち、硬質部７６をドリル１４が進んでいる間は、負荷電流は電圧でＶ4のほぼ一定値であるが、硬質部７６を貫通する直前で負荷電流が急増し、時間ｔ8でピーク値（Ｖ4＋Ｖ5＝Ｖ6）を示し、貫通すると、負荷電流はＶ4以下のＶ7に減少する。
【００４２】
図５は、負荷電流特性７０を、Ｖ1からＶ7がどのように変化するかをまとめた図である。負荷電流の大きさは、ドリル１４の形状によって異なる。図５では、ドリル１４の直径ｄとして、４種類について、負荷電流の大きさがどのように異なるかも示されている。開口の過程における負荷電流の変化については、硬質部７２を貫通して軟質部７４に入るときに、Ｖ3として、大きな負荷電流の増加があることが分かる。さらに、硬質部７６を貫通して、椎孔６０の空間に抜けるときに、Ｖ6として、Ｖ3よりも格段に大きな負荷電流の増加があることが分かる。
【００４３】
なお、ドリル１４の直径ｄの効果は、直径ｄが大きくなるほど、負荷電流の大きさが大きくなることが分かる。これは、ドリル１４の直径ｄが大きくなると、ドリル１回転に対する仕事量が大きくなるからと考えられる。ショウとオクスフォード（Ｍ．Ｃ．Ｓｈｏｗ ＆ Ｃ．Ｊ．Ｏｘｆｏｒｄ）の式として知られているものは、切削トルクＭdとブリネル硬さＨBとドリル直径ｄとの間に、Ｍd＝Ａ・ＨB・ｆ0.8・ｄ1.8の関係があるとされる。ここでＡは定数、ｆは送り量である。この式からは、対象物の硬さが硬いほど、切削トルクが大きく、ドリル１４の直径ｄが大きいほど切削トルクが大きいことが示される。直流回転電動機１３では、切削トルクが大きいほど負荷電流が大きくなる。したがって、硬質部７２，７６における負荷電流の方が軟質部７４における負荷電流よりも大きく、ドリル１４の直径ｄが大きいほど負荷電流が大きくなることになる。
【００４４】
上記知見からは、硬質部７６を貫通するときに現れる負荷電流のピークを検出し、その時間ｔ8のときに、グラインダ１２の駆動を停止させれば、ドリル１４が椎孔６０の中を余分に回転しながら進むことがなくなることになる。
【００４５】
ところで、図４の負荷電流特性７０は模式的なもので、実際の負荷電流波形は、非常にノイズの大きなものである。したがって、一般的なピーク検出を行うと、ノイズのピークを誤検出することになる。ピークを検出したならば直ちにグラインダ１２の駆動を止めることにすると、ノイズのピークの誤検出のために、グラインダ１２が停止してしまう。誤検出のときに、そこで再びグラインダ１２を再駆動しても、またノイズのピークの誤検出によってグラインダ１２が止まってしまう。このように、一般的なノイズ検出をすると、グラインダ１２が頻繁に停止と再駆動を繰り返すことになる。
【００４６】
図６は、上記の知見を具体化した制御装置２６の構成を示す図である。図６に示されるように、駆動部４０とグラインダ１２の回転電動機１３との間には、負荷電流検出用の抵抗素子８０と、回生回路８２によって回転状態切替部８３が作動する。負荷電流検出用の抵抗素子８０の抵抗値の一例を示すと、０．３Ωである。
【００４７】
回転状態切替部８３は、グラインダ１２側の２本の信号線ａ，ｂと、駆動部４０から引き出される２本の信号線ｃ，ｄとの間の接続状態を切り替えるスイッチ部である。回転状態切替部８３は、回生回路８２によって切替動作を行う。回生回路８２は、図１で説明した制御回路３０の回生ブレーキ作動部３６によって動作が制御される。
【００４８】
具体的には、通常時には、ａ−ｃ，ｂ−ｄの接続が行われる。この状態におけるグラインダ１２の回転電動機１３の回転方向を正方向と呼ぶことにすると、通常時とは、回転電動機１３に取り付けられたドリル１４が高速に正回転しているときである。この状況において、接続ａ−ｃまたはｂ−ｄを開いても、高速回転しているドリル１４は慣性力により回転し続けることになる。このとき、回転電動機１３は発電を行っているため、ａ−ｂを接続することで、慣性力で回転しているドリル１４にブレーキが掛かり停止させることができる。したがって、切り替えて回生状態になったらすぐに回転電動機１３の駆動を停止すれば、極めて短時間でドリル１４の回転が停止する。このように、回生回路８２と回転状態切替部８３は、ドリル１４の回転を短時間で停止させるブレーキ機能を有する。
【００４９】
信号出力部３４は、抵抗素子８０の両端の電圧信号を用いて、負荷電流のピーク検出を行い、ドリル１４が硬質部７６を貫通したことを示す貫通信号と、貫通信号の手前の時期を示す貫通準備信号を出力する機能を有する。
【００５０】
貫通信号は、図４における時間ｔ8を検出して出力される信号である。時間ｔ8は、硬質部７６をドリル１４が貫通する際に、負荷電流がピークを示す時間であるので、負荷電流の微分信号のゼロクロス時間を用いることで、正確に検出できる。その様子を図７に示す。図７の上段側の図は、負荷電流特性７０の波形であり、横軸が時間、縦軸が負荷電流の大きさを電圧で示したものである。図７の下段側の図は、負荷電流特性７０を時間で微分した微分信号７１の波形であり、横軸が時間、縦軸はｄＶ／ｄｔの値である。ここに示されるように、時間ｔ8は、微分信号７１が（ｄＶ／ｄｔ）＝０となるゼロクロス時間で与えられる。
【００５１】
貫通信号が出力されると、制御装置２６において、回生回路８２に回生ブレーキ作動指令が出される。これとともに、正回転している状態から回転電動機１３への負荷電流を遮断するために、予め定めた所定の短時間の遅延時間経過後に、駆動部４０に回転電動機１３の駆動停止指令が出される。予め定めた所定の短時間としては、回生ブレーキ作動指令が出されて、回転電動機１３が一旦停止するタイミングで、駆動部４０に駆動停止指令が出されるように設定されることが好ましい。
【００５２】
ところで、このように、微分信号７１のゼロクロス時間で貫通信号を出力することにしても、上記のように負荷電流特性７０にノイズが重畳されるときは、ノイズのピークを検出してしまう恐れがある。そこで、できるだけノイズによる誤動作を避けるため、回生回路８２の動作開始を貫通準備信号によって行うものとする。具体的には、回生回路８２の電源を、貫通準備信号が出力されたときとする。
【００５３】
回生回路８２が作動していないときは、回転状態切替部８３は通常の接続状態のままである。したがって、グラインダ１２の回転電動機１３に回生ブレーキは掛からない。また、駆動部４０への駆動停止指令は、回生回路８２によって回転電動機１３に回生ブレーキが掛けられた後であるので、回生回路８２が作動開始するまでは、回転電動機１３の駆動停止することがない。このようにすることで、貫通準備信号が出力するまでは、ノイズによるピーク誤検出によって回転電動機１３を停止することがなくなる。
【００５４】
貫通準備信号が出力されるタイミングとしては、貫通信号が出力するタイミングの前の時間であって、できるだけ貫通信号が出力されるタイミングに近い時間が好ましい。ここでは、図４のｔ5が貫通準備信号の出力タイミングとされる。時間ｔ5は、貫通孔を開ける対象物が、硬質部−軟質部−硬質部の三層構造を有するときに必ず確実に現れる負荷電流特性７０のピークの時間であり、かつ、貫通信号よりも手前の時間である。このようなことから、時間ｔ5を貫通準備信号が出力するタイミングとして用いることができる。
【００５５】
貫通準備信号は、時間ｔ5から予め定めた遅延時間経過後として設定することができる。この場合には、遅延時間経過後でも貫通信号が出力されるタイミングのｔ8以前の時間となるようにすることが必要である。例えば、図４で時間ｔ7で負荷電流が増加して電圧値でＶ4となるが、その時間を閾値設定等の方法で検出し、ｔ5以後を条件としてｔ7まで遅延させるようにしてもよい。また、ノイズによる誤検出を抑制する他の方法として、負荷電流特性７０の信号に対し、適当なフィルタ処理を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明に係る外科用開孔装置は、骨組織への開孔を行うグラインダとして利用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１０ （外科用）開孔装置、１２ グラインダ、１３ 回転電動機、１４ ドリル、１６ 接続線、１８ 電源線、２０ 装置本体部、２２ ダイヤル、２４ スイッチ、２６ 制御装置、３０ 制御回路、３２ 負荷電流検出部、３４ 信号出力部、３６ 回生ブレーキ作動部、３８ 駆動停止部、４０ 駆動部、５０ 椎骨、５２ 椎間板、５４ 脊髄、５５ 後縦靭帯、５６ 硬膜、５８ ヘルニア部位、６０ 椎孔、６２ 神経根、７０ 負荷電流特性、７１ 微分信号、７２，７６ 硬質部、７４ 軟質部、８０ 抵抗素子、８２ 回生回路、８３ 回転状態切替部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外科開孔用工具を先端に有する回転電動機と、
回転電動機を駆動する駆動部と、
回転電動機の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、
外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織を貫通して開孔する際に、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性に基づき、最初に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、硬質部を開孔して軟質部に入るときとして貫通準備信号を出力し、次に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、軟質部を開孔して再び硬質部に入り、硬質部を開孔して生体組織を貫通したときとして貫通信号を出力する信号出力部と、
を含むことを特徴とする外科用開孔装置。
【請求項２】
請求項１に記載の外科用開孔装置において、
信号出力部は、
貫通準備信号が出力されてから、負荷電流の信号波形を微分して、負荷電流のピークを検出し、ピーク検出から予め定めた時間経過後に貫通信号を出力することを特徴とする外科用開孔装置。
【請求項３】
請求項１に記載の外科用開孔装置において、
回転電動機の回転方向を逆転させて回生ブレーキを掛ける回路について、貫通準備信号の出力を取得したときに動作開始し、貫通信号を取得したときに回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部を含むことを特徴とする外科用開孔装置。
【請求項４】
請求項３に記載の外科用開孔装置において、
回生回路が回生ブレーキを掛けたときから予め定めた遅延時間の経過後に回転電動機の駆動を停止させる駆動停止部を含むことを特徴とする外科用開孔装置。
【請求項１】
外科開孔用工具を先端に有する回転電動機と、
回転電動機を駆動する駆動部と、
回転電動機の負荷電流を検出する負荷電流検出部と、
外側が硬い硬質部で、内側が柔らかい軟質部である生体組織を貫通して開孔する際に、開孔の過程に応じて変化する負荷電流特性に基づき、最初に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、硬質部を開孔して軟質部に入るときとして貫通準備信号を出力し、次に負荷電流が急増しピークに達した後急減する時点を、軟質部を開孔して再び硬質部に入り、硬質部を開孔して生体組織を貫通したときとして貫通信号を出力する信号出力部と、
を含むことを特徴とする外科用開孔装置。
【請求項２】
請求項１に記載の外科用開孔装置において、
信号出力部は、
貫通準備信号が出力されてから、負荷電流の信号波形を微分して、負荷電流のピークを検出し、ピーク検出から予め定めた時間経過後に貫通信号を出力することを特徴とする外科用開孔装置。
【請求項３】
請求項１に記載の外科用開孔装置において、
回転電動機の回転方向を逆転させて回生ブレーキを掛ける回路について、貫通準備信号の出力を取得したときに動作開始し、貫通信号を取得したときに回生ブレーキを掛ける回生ブレーキ作動部を含むことを特徴とする外科用開孔装置。
【請求項４】
請求項３に記載の外科用開孔装置において、
回生回路が回生ブレーキを掛けたときから予め定めた遅延時間の経過後に回転電動機の駆動を停止させる駆動停止部を含むことを特徴とする外科用開孔装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１６１４０１（Ｐ２０１２−１６１４０１Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２６４５（Ｐ２０１１−２２６４５）
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月４日（２０１１．２．４）
【出願人】（８９９００００５７）学校法人日本大学 (650)
【Ｆターム（参考）】
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