用于与磁共振成像一起使用的外科手术气动马达 |
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| 申请号 | CN200580013550.6 | 申请日 | 2005-03-09 | 公开(公告)号 | CN100575668C | 公开(公告)日 | 2009-12-30 |
| 申请人 | 安斯波成就公司; | 发明人 | E·H·德尔里奥; | ||||
| 摘要 | 外科手术 气动 马 达设计为在不影响或改变 磁共振成像 机器的 磁性 质的情况下与磁共振成像机器一起使用。虽然某些部件由不锈 钢 材料制造，此材料为非磁性的类型。虽然此外科手术气动马达(50)能够用于非磁共振成像的应用，其还能够通过改变较昂贵的材料以仅用于非磁性应用来 修改 。该马达包括在 心轴 (1)内具有底切以增加 叶片 (2)和心轴自身的动 力 面的改进的叶片马达(53)，修改缸体(3)内的孔以增加心轴(1)之间的密封面积，重新 定位 输入圆柱形孔并且排列缸体孔和凹槽以增强寿命，缸体排出孔以某种模式排列以避免叶片边缘的不均匀的磨损，修改空气流以使得部分空气流入缸体，在离开马达之前围绕缸体并且随后进入缸体，并且软管内的十字交叉塞子衰减马达排出空气。主要的壳体(30)具有锯齿状突起并且定位为靠在外部套筒(40)上的锯齿状突起限定了隔离马达的 手柄 的空气间隙，并且主要的 密封件 由排列为增强密封寿命的多个盘(131)制造。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种能够在存在磁共振成像机器的情况下使用的气动外科手术 马达(50)，所述外科手术马达具有由非磁性的不锈钢材料制造并且 直径充分小以适应用于外科医生抓住以使用所述马达(50)的圆柱形 手柄的壳体(30)，叶片马达(53)包括由非磁性的不锈钢材料制造 并且被旋转地支撑在所述壳体(30)内的心轴(1)，所述心轴(1) 通过轴承(5)支撑和固定到所述壳体(30)的用于接收被所述叶片马 达(53)驱动的外科手术工具的接附机构(52)，用于引导加压的空 气进入所述壳体(30)并且进入所述叶片马达(53)以旋转所述心轴 (1)的所述壳体(30)内的通道(58，62)，和用于引导消耗的空气 从所述壳体(30)出来的所述叶片马达(53)内的排出孔口(55)， 并且所述空气的一部分在被接纳到所述叶片马达(53)内之前经过所 述轴承(5)以冷却所述轴承(5)； |
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| 说明书全文 | 本申请要求2004年4月30日提出的美国临时专利申请60/567,189 的35U.S.C.§119(e)的优先权。交叉引用 本申请涉及在2004年4月30日提出的共同悬而未决的临时专利申 请60/567,188(律师案卷号No.N1075)中描述的主题。本发明还涉及 Thomas E.Anspach和本人在2002年11月27日提出的美国专利申请 序号No.10/306,256，题名为NEEDLE/ROLLER BEARING，表示为律 师案卷号N1009。全部这些申请共同地转让给Anspach Effort，Inc并且 在这里作为参考加入。 联邦政府资助的研究 无 技术领域背景技术如医疗领域中的普通技术人员所理解的，使用任何可能干扰磁共 振成像机器(MRI)的磁场的医疗器械是不能接受的。众所周知，磁 共振成像利用通过扫描器内的一系列电磁体形成的外部磁场来激发被 分析的病人身体内的氢原子。这些氢原子形成通过计算机读取并且转 化成详细的图像的无线电信号。本发明通过提供气动马达解决此问 题，该气动马达能够在存在磁共振成像机器的情况下使用并且不会有 害地影响通过磁共振成像机器产生的磁场，并且因此不能有害地影响 通过此机器产生的图像。另外，如将在下文中更加完全地解释的，本 发明还提供对迄今已知的气动外科手术马达的改进，尽管这些现有技 术的马达不能用于磁共振成像环境。换句话说，本发明适用于能够与 磁共振成像机器一起使用的气动外科手术马达和那些不能与磁共振成 像机器一起使用的马达。明显地，能够与磁共振成像机器一起使用的 马达也能够用于没有使用磁共振成像机器的场合。 本发明预期对迄今已知的气动外科手术马达的改进，包括受让人 制造并且销售并且全部在医疗产业众所周知的气动外科手术马达，诸 如Black Max、Micro Max和Micro Max Plus，并且全部这些在这作为 参考加入。虽然在此段落中在上面刚刚提到的这些马达不能与磁共振 成像机器一起使用，但是本发明提供与这些马达有关的全部特征，而 且用改进的外科手术器械提供。例如，Black Max为比另外两种马达更 有力并且更大的重型马达，但是比起这些其它马达更重、更热、噪声 更大并且振动更大。开发上述Micro Max以减小尺寸、噪声、振动和 热量并且本质上更加温和以用于外科医生使用，并且类似的，已经在 产业中发展出适当的位置。明显地，减小了动力。然而，对于一些医 疗进程，此马达不满足外科医生的需要，因为其缺乏必要的动力，这 导致了Micro Max Plus的产生，其又具有比Micro Max更高的动力但 是仍然比Black Max的动力小。Micor Max Plus属于用于外科医生使 用的更加温和的范畴，但是同样，因为Micor Max Plus的增加的动力、 热量、振动和重量(高于Micro Max但是仍然低于Black Max)，其 同样在产业中得到适当的位置。考虑这些马达中的每个的更加技术的 方法为支撑马达中的每个的叶片的缸体的长度作为产生的动力的函数 增加，即，Black Max的缸体的长度为1.0英寸，Micro Max为3/4英 寸并且Micro Max Plus为1/2英寸。陈述这些马达中的每个适合对于 特别的外科医生在病人身上进行特别的手术或医疗进程的特别的需要 是合理的。 如本领域中的普通技术人员应当理解的，包括上面段落中提到的 全部众所周知的市场上可买到的气动外科手术马达的外部直径基本上 相等，并且包括通过加压的空气驱动的用于旋转通过轴承在用作马达 的手柄的外部壳体内可旋转地支撑的心轴的转子。在一些形式或其它 形式中，全部这样的马达还包括必要的密封件、抗旋转设备、用于加 压的空气的输入口和输出口和用于润滑轴承和它们的支撑结构或内部 壳体的装置。 我们已经发现，我们能够提供满足上面的段落中讨论的三种马达 的全部功能的要求的改进的气动外科手术马达，而且是对那些马达的 改进，同时以比Black Max更小的缸体提供比Black Max更大的动力， 比这三个马达中的最小的更轻，更冷，呈现更小的振动，更安静并且 操作起来和这三个马达中的最小的一样温和。这些改进不但与受让人 制造的马达有密切关系，而且是对迄今已知的竞争的马达的改进。 接下来即将在下面讨论的不能解释为是对其的限制的本发明的方 面有助于对本发明的马达的全面的改进。 1.利用具有替代的金属和塑料针的心轴轴承。 2.用于最小化磨损和降低热量的零速度轴向推力支撑件。 3.用于降低速度和降低热量的层压的密封件。 4.用于增强马达动力的增加的叶片工作表面。 5.在心轴上形成的有角度的槽以增强马达动力和通过离散地最 小化磨损。 6.心轴端部推力轴承以防止在向外施加的轴向推力上金属到金 属。 7.形成在缸体上的排放压缩空气的排气孔合宜地定位以通过均 匀地分配接触面积最小化叶片边缘上的磨损并且减小马达的噪声。 8.用于将空气输入叶片马达以便增加空气体积的圆柱形孔。 9.缸体新月形密封以增加心轴到缸体间隙密封的效率并且最小 化润滑需要。 10.不锈钢壳体和隔离窥视套筒。 11.通过增加叶片马达的输入和输出口之间的圆周的间隔增加的 动力循环。 12.通过十字交叉输出空气流减小噪声。 13.邻近输入孔在缸体内形成的槽，用于引导空气在进入叶片马 达以前冷却缸体。 发明内容本发明的一个目的为提供用于在利用磁共振成像机器的场合为用 于外科手术进程的钻孔机、磨锥和类似物提供动力的外科手术马达和 改进的外科手术马达。 本发明的另一个目的为提供改进的外科手术马达，其特征在于， 具有带替代的金属和塑料针的心轴轴承，用于最小化磨损和降低热量 的零速度轴向推力支撑件，用于降低速度和降低热量的层压的密封 件，用于增强马达动力的增加的叶片工作表面，在心轴上形成的有角 度的槽以增强马达动力和通过离散地最小化磨损，心轴端部推力轴承 以防止在向外施加的轴向推力上金属到金属，形成在缸体上的排放压 缩空气的排气孔合宜地定位以通过均匀地分配接触面积最小化叶片边 缘上的磨损并且减小马达的噪声，用于将空气输入叶片马达以便增加 空气体积的圆柱形孔，缸体新月形密封以增加心轴到缸体间隙密封的 效率并且最小化润滑需要，不锈钢壳体和隔离窥视套筒，通过增加叶 片马达的输入和输出口之间的圆周的间隔增加的动力循环，通过十字 交叉输出空气流减小噪声，邻近输入孔在缸体内形成的槽，用于引导 空气在进入叶片马达以前冷却缸体， 本发明的前述和其它特征将通过接下来的描述和附图变得更加明 显。 附图说明这些图仅用来进一步阐明和说明本发明并且不企图限制本发明的 范围。 图1为示出了本发明的马达和用于接附钻头的卡盘机构和各种接 附组件的细节的纵向切掉截面图； 图2为示出了本发明的细节的分解图； 图3为本发明的叶片马达的缸体的透视图； 图3A为示出了图3所示缸体的冷却槽的细节的放大的正视的透视 图； 图3B为示出了图3所示缸体的排出槽的细节的放大的正视的透视 图； 图3C为形成在图3B所示缸体内的排出孔的取向的示意图，并且 示出了当叶片在缸体表面和孔上方位移时其模式； 图4为图1和图2所示叶片马达的心轴的透视图； 图4A为沿图4所示心轴的纵轴线4A-4A取的截面图； 图4B为沿侧轴线4B-4B取的视图，示出了作用在图4所示叶片 和心轴上的空气流的增加的工作面积； 图4C为与图4B所示视图相同的视图，示出了叶片的增加的位移 以增加叶片马达的动力。 图4D为心轴的外部直径与缸体的内部直径之间的关系的示意 图，示出了接触的切点和放大的部分以限定新月形密封； 图4E为与图4C所示视图相同的视图，示出了缸体的输入口与心 轴的叶片的关系以增加马达的动力； 图5为图1和2所示马达适配器的透视图； 图6为安装到软管连接器的用于供给和排出本发明的叶片马达的 压缩空气的万向旋转节的截面图； 图7为与图6所示相同的部件的截面图，示出了该万向旋转节的 另一个视图； 图8为用于十字交叉从图1和2所示马达流出的输出空气的输入 分流器的透视图； 图9为图1和2所示马达的心轴延长部分的俯视图；及 图10为示出了通入图1和2所示叶片马达的缸体的排放口并且位 置相对于图3A的叶片的接触特性的图表。 具体实施方式虽然在其优选的实施例中，本发明可以在不危害与磁共振成像机 器有关的磁性的情况下与磁共振成像机器一起使用，本领域中的普通 技术人员应当理解，本发明能够用于其它环境并且在不企图将本发明 用于磁共振成像应用的情况下，其可以由通常更加便宜或具有其它优 点的不同材料制造。 通过参考图1和2能够得到对本发明的更好的理解，其中示出的 马达通常通过参考数字50指示，和通常通过参考数字52示出的接附 机构包括用于可移除地接附附件并且用于可移除地接附钻头、磨锥和 与马达一起使用的各种外科手术器械(没有示出)的卡盘装置。因为 接附机构52中的元件众所周知，为了简单和方便，其细节将在下文中 省略，对于进一步的细节可以参考Black Max、Micro Max和Micro Max Plus外科手术马达。本发明的外科手术马达包括心轴1、叶片2、马达 缸体3、销4、轴承壳体5、推力垫圈6、小特氟纶密封件7、销8、托 朗销9、销保持器10、密封件壳体11、密封件壳体帽12、O形圈13、 心轴延长部分14、安全隔离物15、小销16、安全销17、弹簧18、保 持球19、键环20、键环帽21、轴承隔离物22、背板轴承23、轴承调 节螺钉24、O形圈25、销26、马达适配器27、定位销28、陶瓷球29、 马达壳体30、O形圈31、管壳体32、锁定隔离物33、固定螺钉34、 壳体销37、O形圈38、扣环39和套筒40。 通常通过参考数字53示出的包括缸体3和心轴1的叶片马达产生 动力。具有在其相对的端上延伸并且通过适合的轴承(5，23)支撑的 正相反地相对的短轴61和63的心轴携带围绕圆周间隔的多个叶片2， 并且缸体3包括引导加压的空气进入缸体3内以冲击叶片以便旋转心 轴以驱动输出轴并且如将在下文中详细描述地合宜地排出排放空气的 多个输入孔和排出孔。首先考虑由诸如316SST的非磁性的不锈钢材料 制造的马达缸体3，马达缸体3为圆柱形元件，具有单一排多个轴向地 间隔的心轴输入孔56，并且马达缸体3通过中心输入开口59接收加压 的空气，空气朝向壳体30的内部表面流动进入轴向槽58。如在此视图 中所看到的，马达的后端或后部端在左手侧上并且马达的前端在右手 侧上。多个轴向地间隔的圆周的槽或凹槽60形成在缸体3的前端上， 紧接地在阻塞部分69前面。从轴向槽58输入的空气的一部分流动经 过部分69并且圆周地流动通过凹槽60并且倒入心轴输入孔56，并且 空气的剩余的部分继续朝向缸体3的前端流动并且随后被引导以倒转 通过轴向槽62。加压的输入空气的剩余的部分被引导到多个心轴输入 孔56内。应当注意心轴输入孔为钻制孔并且形状为圆柱形并且不是 槽，如迄今为心轴提供输入开口的公认的方法。 如通过前述内容显而易见的，流动通过圆周槽60的空气用来冷却 缸体，并且流动经过缸体3并且回到缸体内的空气的部分用来冷却轴 承，这将在下文中更加详细地描述。如图3B所示，流出孔66的排放 空气被引导朝向马达的后部，即朝向如图3B所示的左端，并且随后从 缸体3排出，如将在接下来描述中详述的。 图3B示出了合宜地布置在缸体3内并且用作心轴1的排放出口的 排出孔66。这些孔布置为使得经过其下方的叶片将实际上经历缸体表 面的均匀的接触，以便消除叶片的外部边缘的不均匀的磨损。因为迄 今已知的外科手术马达中的排出口的布置，在叶片的外部边缘上呈现 不均匀的磨损。为了避免此不均匀，如图3C所示，孔66的队列识别 为66A、66A1、66B、66B1、66C、66C1、66D和66D1，对于孔的模 式中的每个重复，孔A和B的相对位置为使得对于一个孔建立测量单 元U并且使用该测量单元U定位全部其它孔。参考图3C所示的孔 66A，选择在右手侧的弦H并且其等于半径R。孔66A的中心线和此 弦H之间的距离建立单元U(测量单元)，其用于测量以设定队列内 的全部其它弦的相对距离。弦(垂直线)之间的每个间隔等于测量单 元U的1/2。排的间隔不严格，只是给定的排内的邻近的孔不与邻近的 孔交迭。通过对准孔66B的弦H与66A和66A1的弦H建立孔66B。 通过对准弦G与66A的中心线F建立下一个排66C。通过对准66C1 的中心线F与66A1的弦G建立徘66C1。用此孔的模式，叶片2中的 每个将如图10所示在缸体3的表面上均匀地位移。参考图10，示出了 孔模式的一个重复，应当注意，在孔66A和66C上的前两个弦的位移 等于F和G。在孔66A和66C上的接下来的位移等于G和F。叶片2 的接下来的位移在66A、66B和66C内的孔上，并且等于弦H、H和G。 通过遍及叶片的位移遵循此模式，应当注意总距离并且从而叶片边缘 与缸体的孔中的每个接触的面积相等。从而叶片的边缘相对于缸体表 面的接触的总平均面积也相等。通过以此方式设计缸体的孔模式，叶 片将在其循环中均匀地磨损并且从而将显示更长的寿命。 描述的接下来的部分涉及在图4、4A、4B和4C中详述的心轴1 和叶片2。心轴1为延长的缸体主体，包括一对由诸如316SST的非磁 性的不锈钢材料制造并且偏心地安装在缸体3内的正相反地布置的短 轴61和63。心轴1包括圆周地间隔并且从心轴中心线偏置的四个轴向 槽80。如图4B所示，由诸如Vespel的塑料材料制造的叶片安装在槽 80内，用于往复运动并且在缸体3内旋转以以众所周知的叶片马达方 式产生动力。然而，此心轴与现有技术的心轴不同，不仅因为槽80的 偏置，并且还因为其被开槽以增加其动力。为此，如图4、4A和4B所 示，将一系列切口引入心轴1。邻近叶片2中的每个的工作面的三个轴 向凹槽82增加叶片的工作表面的工作面积。如图4B所示，箭头A表 示冲击叶片2的工作或动力面83的加压的空气。另外，圆周地间隔的 槽84形成在心轴1的周缘表面内并且用作肩部，输入的加压的空气在 该肩部处冲击动力面85以同样增加心轴的动力并且从而增加外科手术 马达的总动力。 如上面提到的，槽80从心轴中心线CL偏置。这用来减小当叶片 在叶片的动力循环以后返回槽内时叶片上的摩擦。因为心轴以大约 80000转数/分的速度旋转，其产生倾向于使得其动作线朝向中心线的 相当大的离心力。该偏置减小离心力的影响并且显著地减小当叶片往 复运动回到槽80内时叶片需要克服的力。 通过将排出口定位得离输入口更远，增加了叶片位移，从而进一 步增加了通过叶片马达产生的动力。如图4C所示，输入孔之间的位移 跨越几乎180度。在迄今的叶片马达中，该跨度较近。这是由于现在 输入口为钻制孔并且更少数量的排出孔跨越孔的队列的事实。 在迄今已知的叶片马达中的内在的问题中的一个为在心轴与缸体 相切的接合点处的接触点或窄点，该接触简单地为点。根据本发明， 缸体3的内部表面如图所示通过限定延伸的间隙而不是简单的点的底 切90衬里。此延伸的间隙用作密封，如在现有设计中窄点所做的，然 而，间隙的圆周长度长得多，使得阻挠泄漏并且因此，现在该密封更 加有效并且从而减小了泄漏。 根据本发明，通过合宜地将输入孔56定向为进一步远离靠近叶片 2的工作面的窄点产生附加的动力。如图4E所示，在迄今的设计中， 空气输入孔的位置为使得心轴和缸体的表面靠近窄点，并且与将孔56 重新定位为进一步远离窄点相比，这些表面之间的空间最小。箭头A 和B示出了此特征。明显地，与箭头B之间的距离相比，箭头A之间 的距离更加靠近彼此。到叶片工作表面的增加的流量增加了心轴产生 的动力。 在此马达中，装入马达的部件的壳体30由诸如市场上可以购买到 的316或317不锈钢的非磁性材料制造。全部其它金属零件相似地由 相同的材料制造。例如，通过安装在销保持器10内的针轴承8和9在 每端上支撑心轴1，针轴承8和9替代地由316不锈钢销或针构成和由 市场上可以购买到的托朗销或针构成。这些轴承在美国专利申请序号 10/306,256中描述，上述和对于其进一步的细节将参考此专利申请，该 专利申请在这里作为参考加入。针轴承8和9在背板轴承23和轴承壳 体5内圆周地堆叠，背板轴承和轴承壳体每个包括用于保持油脂的腔。 这些腔和轴承适当地密封。 通过轴向地堆叠优选地由特氟纶材料制造的多个密封盘131减小 密封件7的磨损。因为端部盘邻近非运动的零件，它们将具有不旋转 的倾向。然而，中间的盘将由于旋转的轴随机地旋转。因为每个盘以 不同的速度旋转，密封件将呈现较少的磨损并且因此有助于延长马达 的寿命以及有效地提供用于密封轴承壳体内的油脂的改进的密封件。 当外科手术进程正在被执行时，通过外科手术马达产生的推力被 适当地由市场上可以购买到的Delrin AF制造的推力垫圈6和适当地由 市场上可以购买到的陶瓷材料制造的球29吸收。球29与马达的中心 线一致地定位，使得球29不旋转。这确保其磨损最小并且不产生热量。 如图1所示，推力垫圈6将心轴1夹在中间，使得全部推力负载被推 力球29和推力垫圈6吸收。依靠此设计，针轴承经历的负载仅为径向 负载。 壳体30的外部表面94为有锯齿状突起的或有螺纹的，并且位于 由适合的塑料材料制造的外部套筒下方。因为这是当执行诸如除毛刺 或钻孔的外科手术进程时外科医生把握住外科手术马达的位置，为了 容易操作此器械，锯齿状突起或螺纹和选择的材料维持可以忍受的温 度。 通过在一端120连接到心轴并且包括接收销以连接到卡盘组件的 正相反的钻制孔122的心轴延长部分14将动力传输到用于驱动切割器 和类似物的卡盘。心轴延长部分14的右手端上的中心钻孔124适合接 收切割器轴(没有示出)的端部，其中保持球19(图2)装配到孔126 内，以将切割器锁定到心轴延长部分14和卡盘以旋转切割器。 在轴承调节螺钉24将背板轴承23锁定以在马达壳体(图1)内固 定心轴和缸体的同时，安装在马达壳体的端部(如图1所示的左手侧) 上的马达适配器27用作集合管以引导空气进出马达。马达适配器27 包括连接到软管107的输入口100和排出凹槽102，软管107又连接到 高压源和排出接收器。 在用于迄今已知的外科手术马达的软管107众所周知的同时，根 据本发明修改软管107以减小通过从马达出来的高压空气流产生的噪 声水平。为此，如图6和7所示，安装在软管的端部并且装配到马达 适配器27的输入口内的万向旋转节104设计为具有以十字交叉模式流 动空气以消除通过流动的排出空气产生的噪声的交叉的孔108、110、 112和114。圆柱形分流器或塞116(图8)安装在邻近马达的软管(没 有示出)的通道内，并且包括多个交叉的通道118，使得空气以十字交 叉模式流出马达。进入马达的空气通过分流器116内的中心通过开口。 和通用的适配器内的流动通道相似，分流器116内的流动通道118削 弱在其它情况中通过高速输出的空气产生的噪声。 如上所述，本外科手术马达对于靠近磁共振成像马达使用特别有 效，但是其也能够用于不包括磁共振成像机器的环境。然而，因为本 马达包括增加动力、减小磨损、抑制噪声并且具有增加的寿命的特征， 包括在本马达中的构思可以用于其它外科手术器械并且还能够用不同 的材料修改以减小马达的成本。另外，本马达在几乎没有润滑的情况 下操作。虽然轴承壳体包括密封的油脂隔室，与操作时在马达操作流 体内具有空气/油薄雾的迄今的马达不同，本马达不需要此条件。因此， 在正常操作期间，驱动叶片马达的压缩空气是无油的。已经提到，通 过在外科医生使用马达前流入马达的空气/油薄雾预先处理马达。正常 的操作顺序为在马达已经用于外科手术进程以后，彻底地清洗马达， 马达连接在线路上，空气/油薄雾在其中流动，直到操作者感觉到马达 已经到达其操作速度。随后关闭空气/薄雾并且通过任何众所周知的装 置诸如通过高压灭菌器为马达杀菌。 虽然已经对于本发明的详细的实施例示出并且描述了本发明，本 领域中的普通技术人员应当理解可以在不偏离要求的本发明的精神和 范围的情况下对本发明的形式和细节作出不同改变。 |
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