(57)【要約】モータと駆動シャフトとの間にクラッチを備える、アテローム切除術用デバイスを開示する。クラッチは、一方から他方のプレートにトルクを伝達するのに摩擦に依存する２つのプレートを含む。クラッチは、プレートを一緒に保持する磁気吸引鉛直力を有する。比較的低いトルクについては、通常使用中の場合と同様に、静摩擦トルクがプレートを一緒に保持し、プレートは滑動することなく一緒に回転する。比較的高いトルクについては、駆動シャフトの遠位端が障害物に遭遇して突然停止する時に起こるように、高トルクが最大可能静摩擦トルクを超過し、プレートが滑動する。滑動する時、プレートは、患者またはアテローム切除術用デバイスへの損傷を回避するのに十分低い動摩擦トルクを伝達する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転式アテローム切除術システムであって、
細長い回転可能な可撓性駆動シャフトであって、該細長い回転可能な可撓性駆動シャフトは、患者の血管系に挿入するための遠位端を有し、該患者の該血管系の外側に残存する該遠位端の反対側の近位端を有する、細長い回転可能な可撓性駆動シャフトと、
該駆動シャフトを回転させるモータと、
特徴的な閾値トルクを有するクラッチと
を備え、該クラッチは、
該モータに回転接続されるモータプレートと、
該駆動シャフトに回転接続される駆動シャフトプレートであって、該モータプレートおよび該駆動シャフトプレートは、平行かつ同軸であり、相互に長手方向に直接隣接して配置され、該モータプレートと該駆動シャフトプレートとの間の磁気引力によって長手方向に一緒に保持される、駆動シャフトプレートと
を備え、
該閾値トルク未満である該モータと該駆動シャフトとの間のトルクは、該モータプレートと該駆動シャフトプレートとの間で完全に伝達され、該モータプレートと該駆動シャフトプレートとは、静止摩擦によって一緒に回転保持されたままであり、
該閾値トルクよりも大きい該モータと該駆動シャフトとの間のトルクは、
該モータプレートと該駆動シャフトプレートを、相互に通り越すように回転するように滑動させ、
残留トルクを該モータと該駆動シャフトとの間で伝達させ、該残留トルクは、該閾値トルク未満であり、該モータプレートと該駆動シャフトとの間の摩擦の運動係数によって決定される、回転式アテローム切除術システム。
【請求項２】
前記閾値トルクは、前記磁気引力に正比例し、静止摩擦が前記モータプレートおよび前記駆動シャフトプレートを一緒に回転保持することができる最大トルクを表す、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記閾値トルクは、前記モータプレートと前記駆動シャフトプレートとの間の摩擦の静止摩擦係数に正比例する、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記残留トルクは、前記磁気引力に正比例する、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記残留トルクは、前記モータと前記駆動シャフトとの間の前記トルクの値から独立している、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記モータは、それぞれスピンアップ部分およびスピンダウン部分を用いて、前記駆動シャフトの回転を開始および終了し、
該スピンアップ部分およびスピンダウン部分中の前記モータトルクの絶対値は、前記モータプレートおよび前記駆動シャフトプレートが、該スピンアップおよびスピンダウン部分の全体を通して静摩擦によって一緒に回転保持されたままであるように、前記閾値トルク未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記モータプレートおよび前記駆動シャフトは、両方とも平面的である、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記モータプレートおよび前記駆動シャフトプレートは、整合した曲率を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
回転式アテローム切除術システムであって、
細長い回転可能な可撓性駆動シャフトであって、該細長い回転可能な可撓性駆動シャフトは、患者の血管系に挿入するための遠位端を有し、該患者の該血管系の外側に残存する該遠位端の反対側に近位端を有する、細長い回転可能な可撓性駆動シャフトと、
該駆動シャフトを回転させるモータと、
該モータと該駆動シャフトの該近位端との間に相対トルクを伝達するためのクラッチと
を備え、該クラッチは、
該モータに回転可能に接続されるモータプレートと、
該駆動シャフトに回転可能に接続され、該モータプレートに長手方向に直接隣接し、かつ平行である駆動シャフトと
を備え、
該モータプレートおよび該駆動シャフトプレートは、磁気的に相互に引き付けられ、該磁気引力は、鉛直力を形成し、
該鉛直力は、閾値トルク未満である相対トルクについて、該モータプレートおよび該駆動シャフトプレートを一緒に保持し、該閾値トルクは、該鉛直力に正比例し、
該モータプレートおよび該駆動シャフトプレートは、該閾値トルクよりも大きい相対トルクについて、相互に通り越して滑動し、
該モータプレートおよび該駆動シャフトプレートが相互に通り越して滑動すると、該モータプレートは、残留トルクを該駆動シャフトプレートに伝達し、該残留トルクは、該鉛直力に正比例し、該閾値トルク未満である、回転式アテローム切除術システム。
【請求項１０】
前記閾値トルクは、静摩擦が、前記モータプレートおよび前記駆動シャフトプレートを一緒に回転保持することができる最大相対トルクを表す、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記閾値トルクは、前記モータプレートと前記駆動シャフトプレートとの間の静止摩擦係数に正比例する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記残留トルクは、前記モータと前記駆動シャフトとの間の前記相対トルクの値から独立している、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記モータは、それぞれスピンアップ部分およびスピンダウン部分を有する、駆動シャフトの回転を開始および終了し、
該スピンアップ部分および前記スピンダウン部分中の前記モータトルクの絶対値は、前記モータプレートおよび前記駆動シャフトプレートが、該スピンアップおよびスピンダウン部分の全体を通して静摩擦によって一緒に回転保持されたままであるように、前記閾値トルク未満である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記モータプレートおよび前記駆動シャフトプレートは、両方とも平面的である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記モータプレートおよび前記駆動シャフトプレートは、整合した曲率を有する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
回転式アテローム切除術システムであって、
細長い回転可能な可撓性駆動シャフトであって、該細長い回転可能な可撓性駆動シャフトは、患者の血管系に挿入するための遠位端を有し、該患者の該血管系の外側に残存する該遠位端の反対側の近位端を有する、細長い回転可能な可撓性駆動シャフトと、
該駆動シャフトを回転させるためのモータと、
該モータと該駆動シャフトの該近位端との間にトルクを伝達するためのクラッチと
を備え、閾値トルク未満のトルクを完全に伝達し、該閾値トルクよりも大きいトルクの残留トルクを伝達し、
該残留トルクは、該閾値トルク未満である、回転式アテローム切除術システム。
【請求項１７】
前記クラッチの中の２つの回転可能プレートは、前記閾値トルク未満であるトルクについて、静止摩擦によって一緒に回転保持され、
該閾値トルクは、該２つのプレート間の磁気引力に正比例する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記クラッチの中の２つの回転可能プレートは、前記閾値トルクよりも大きいトルクについて、相互に通り越すように回転するように滑動し、
前記残留トルクは、該２つのプレート間の動摩擦によって生成され、該トルクの値から独立しており、
該残留トルクは、該２つのプレート間の磁気引力に正比例する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１９】
前記クラッチの中の２つの回転可能プレートは、両方とも平面的である、請求項１６に記載のシステム。
【請求項２０】
前記クラッチの中の２つの回転可能プレートは、整合した曲率を有する、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明者
Ｂｒｏｏｋｌｙｎ  Ｐａｒｋ，ＭＮ在住の米国市民、Ｖｌａｄｉｍｉｒ  Ｇｒｕｂａｃ
Ｓｔ．Ｐａｕｌ，ＭＮ在住の米国市民、Ｗａｌｔｅｒ  Ｊ．Ｄｏｂｒｏｖｏｌｎｙ
Ｇｒｅｅｎｆｉｅｌｄ，ＭＮ在住の米国市民、Ｖｉｃｔｏｒ  Ｌ．Ｓｃｈｏｅｎｌｅ
関連出願の引用
適用なし
連邦支援の研究または開発に関する声明
適用なし
本発明は、回転式アテローム切除術用デバイスを利用して、動脈からのアテローム性動脈硬化プラークの除去等の、組織を身体通路から除去するためのデバイスおよび方法に関する。具体的には、本発明は、磁気的に誘導された鉛直力を有する、摩擦クラッチを有する回転式アテローム切除術用デバイスの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
アテローム切除術は、動脈硬化性プラーク（動脈壁の内層に蓄積する脂肪および他の物質の沈着）を切り取る、または削り取るために、カテーテルの端の上のデバイスを使用することによって、閉鎖した冠状動脈または静脈を開口する非外科的手技である。本願の目的で、「研磨」という用語は、そのようなアテローム切除術用ヘッドの研削および／または擦過作用を説明するために使用される。
【０００３】
アテローム切除術は、心臓への酸素を豊富に含む血液流を修復するように、胸痛を緩和するように、および心臓発作を予防するように行われる。それは、他の内科的治療に応答しなかった胸痛がある患者に、およびバルーン血管形成術（動脈壁に対するプラークを平たくするためにバルーンカテーテルが使用される手術手技）の候補者である特定の患者に、行われてもよい。それは、冠状動脈バイパス移植手術後に蓄積したプラークを除去するように行われることもある。
【０００４】
アテローム切除術は、プラークを薄く切り取る、または破壊するために、カテーテルの遠位端の上に配置された回転シェーバまたは他のデバイスを使用する。手技の開始時に、血圧を制御し、冠状動脈を拡張し、血栓を予防する薬剤が投与される。患者は、覚醒しているが鎮静状態である。カテーテルは、鼠径部、脚、または腕の動脈に挿入され、血管を通して閉鎖した冠状動脈に螺入される。切断ヘッドが、プラークに対して位置付けられて起動され、プラークが挽き砕かれるか、または吸い出される。
【０００５】
アテローム切除術の種類は、回転式、指向性、および経腔的摘出である。回転式アテローム切除術は、プラークを挽き砕くために高速回転シェーバを使用する。指向性アテローム切除術は、最初に承認された種類であったが、もはや一般的に使用されておらず、カテーテルの一側面の開口部の中へプラークを擦り取る。経腔的摘出冠状アテローム切除術は、血管壁からプラークを切り取り、それをボトルの中へ吸い込むデバイスを使用する。それは、バイパス移植片から不要物を除去するために使用される。
【０００６】
心臓カテーテル法実習で行われる、アテローム切除術は、冠状動脈からのプラークの除去とも呼ばれる。それは、バルーン血管形成術の代わりに、またはバルーン血管形成術ともに使用することができる。
【０００７】
回転式アテローム切除術を行う、いくつかのデバイスが開示されている。例えば、１９９４年１１月１日にＬｅｏｎｉｄ  Ｓｈｔｕｒｍａｎに発行され、「Ａｂｒａｓｉｖｅ  ｄｒｉｖｉｎｇ  ｓｈａｆｔ  ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  ａｔｈｅｒｅｃｔｏｍｙ」と題された特許文献１は、動脈から狭窄組織を除去するための研磨駆動シャフトアテローム切除術用デバイスを開示し、参照することによりその全体が本明細書に援用される。該デバイスは、中心管腔と、研磨区分を画定するように研磨材で被覆された、その遠位端付近の区分とを有する、可撓性で細長い駆動シャフトを有する回転式アテローム切除術用装置を含む。純分に高い回転速度で、研磨区分は、半径方向に拡張し、その静止直径よりも大きい研磨直径を掃引することができる。このように、アテローム切除術用デバイスは、カテーテル自体よりも大きい妨害物を除去してもよい。拡張型ヘッドの使用は、非拡張型ヘッドを使用するアテローム切除術用デバイスと比べた改良であり、そのような非拡張型デバイスは、典型的には、段階的に特定の妨害物の除去を必要とし、各段階が異なるサイズのヘッドを使用する。
【０００８】
特許文献２（Ｓｈｔｕｒｍａｎ）は、拡大した直径を有する駆動シャフト断面を持つ回転駆動シャフトを有する、別のアテローム切除術用デバイスを示し、この拡大した直径断面の少なくとも一部分は、研磨材で被覆され、駆動シャフトの研磨区分を定義する。高速で回転させると、研磨区分は、狭窄組織を動脈から除去することができる。
【０００９】
典型的なアテローム切除術用デバイスは、非使い捨て制御ユニット（コントローラとも呼ばれる）から脱着することができる、単回使用の使い捨て部分を含む。使い捨て部分は、生理食塩水および患者の体液に曝露される要素、例えば、ハンドル、カテーテル、回転駆動シャフト、および研磨ヘッド等を含む。ハンドルは、駆動シャフトを回転させるタービン、および駆動シャフトをカテーテルに沿って長手方向に前後させることができるノブを含む。多くの場合、デバイスは、ハンドルを起動するフットスイッチを有する。
【００１０】
典型的な公知のアテローム切除術用デバイスは、空気動力を使用し、ハンドル内のタービンに送達される圧縮空気の量を管理するコントローラを用いて、駆動シャフトを駆動する。圧縮空気は、タービンをスピンさせ、順に駆動シャフトをスピンさせて、駆動シャフトに取り付けられた研磨クラウンをスピンさせる。クラウンの軌道運動は、制限または遮断された血管のチャネル開口部を拡大および拡張する。
【００１１】
現在、他の種類の回転アクチュエータをアテローム切除術用デバイスに組み込むこと、主に圧縮空気源の必要性を置換することに多大な努力が注がれている。モータは、駆動シャフトに送達されるトルクを制限する方法を必要とする。例えば、駆動シャフトの遠位端が、障害物に遭遇して動けなくなる（すなわち、回転が止まる）場合、駆動シャフトが過剰に巻き上げ、急激に放出しないように、駆動シャフトに送達されるトルクを制限することが好ましい。そのようなエネルギーの突然の放出は、患者またはデバイスに損傷をもたらし得るため、回避すべきである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許第５，３６０，４３２号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３１４，４３８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、回転式アテローム切除術用デバイスのモータと駆動シャフトとの間にクラッチが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
一実施形態は、患者の血管に挿入するための遠位端を有し、かつ患者の血管系の外側に残存する遠位端の反対側の近位端を有する、細長い回転可能な可撓性駆動シャフトと、駆動シャフトを回転させるためのモータと、モータに回転で接続されたモータプレートおよび駆動シャフトに回転で接続された駆動シャフトプレートを備える、特徴的な閾値トルクを有するクラッチとを備える回転式アテローム切除用システムであり、モータプレートおよび駆動シャフトプレートは、平行かつ同軸であり、直接長手方向に相互に隣接して配置され、モータプレートと駆動シャフトプレートとの間の磁気引力によって、長手方向に一緒に保持される。閾値トルク未満のモータと駆動シャフトとの間のトルクは、モータプレートと駆動シャフトプレートとの間に完全に伝達され、静摩擦によって一緒に回転保持されたままである。閾値トルクよりも大きいモータと駆動シャフトとの間のトルクは、モータプレートおよび駆動シャフトプレートが相互に通り越して回転滑動するようにする。閾値トルクよりも大きいモータと駆動シャフトとの間のトルクは、残留トルクがモータと駆動シャフトとの間に伝達されるようにし、閾値トルク未満の残留トルクは、モータプレートと駆動シャフトプレートとの間の動摩擦係数によって決定される。
【００１５】
他の実施形態は、患者の血管に挿入するための遠位端を有し、かつ患者の血管系の外側に残存する遠位端の反対側の近位端を有する、細長い回転可能な可撓性駆動シャフトと、駆動シャフトを回転させるためのモータと、モータと駆動シャフトの近位端との間に相対トルクを伝達するためのクラッチとを備える回転式アテローム切除術用システムであり、クラッチは、モータに回転接続されたモータプレートと、駆動シャフトに回転接続され、モータプレートに直接長手方向に隣接し、かつ平行である駆動シャフトプレートとを備える。モータプレートおよび駆動シャフトプレートは、相互に磁気的に引き付けられ、磁力は鉛直力を形成する。鉛直力は、相対トルクが閾値トルク未満である時、モータプレートおよび駆動シャフトプレートを一緒に保持し、閾値トルクは、鉛直力に正比例する。モータプレートおよび駆動シャフトプレートは、相対トルクが閾値トルクよりも大きい時、相互に通り越して滑動する。モータプレートおよび駆動シャフトプレートが相互に通り越して滑動すると、モータプレートは、残留トルクを駆動シャフトプレートに伝達し、残留トルクは、鉛直力に正比例し、閾値トルク未満である。
【００１６】
別の実施形態は、患者の血管に挿入するための遠位端を有し、かつ患者の血管系の外側に残存する遠位端の反対側の近位端を有する、細長い回転可能な可撓性駆動シャフトと、駆動シャフトを回転させるためのモータと、モータと駆動シャフトの近位端との間に相対トルクを伝達するためのクラッチとを備える回転式アテローム切除術用システムであり、クラッチは、閾値トルク未満のトルクを完全に伝達し、トルクが閾値トルクよりも大きい時は残留トルクを伝達する。残留トルクは、閾値トルク未満である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、公知の回転式アテローム切除術用デバイスの斜視図である。
【図２】図２は、モータ、駆動シャフト、およびそれらを一緒に機械的に連結するクラッチのブロック図である。
【図３】図３は、図２のクラッチの概略図である。
【図４】図４は、典型的な手順における、駆動シャフトの回転速度と、駆動シャフトの遠位端におけるトルクのプロットである。
【図５】図５は、駆動シャフトの近位端に伝達されるトルクと、モータのトルクのプロットである。
【図６】図６は、公知のガスタービンシステムにおける、駆動シャフトの遠位端におけるトルクと、遠位端停止イベントの時間のプロットである。
【図７】図７は、図３のクラッチを有する本モータ駆動システムにおける、駆動シャフトの遠位端におけるトルクと、遠位端停止イベントの時間のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
モータと駆動シャフトとの間にクラッチを有する、アテローム切除術用デバイスが開示される。クラッチは、一方のプレートから他方のプレートにトルクを伝達するように、摩擦に依存する２つのプレートを含む。クラッチは、プレートを一緒に保持する磁気吸引鉛直力を有する。比較的低いトルクについては、通常使用中の場合と同様に、静摩擦トルクがプレートを一緒に保持し、プレートは滑動することなく一緒に回転する。比較的高いトルクについては、駆動シャフトの遠位端が障害物に遭遇して突然停止する時に起こるように、高トルクが最大可能静摩擦トルクを超過し、プレートが滑動する。滑動する時、プレートは、患者またはアテローム切除術用デバイスへの損傷を回避するのに十分低い動摩擦トルクを伝達する。いくつかの事例において、駆動シャフト遠位端の停止と関連付けられるトルクレベルは、ガス駆動タビンがクラッチレスで駆動シャフトに取り付けられる、公知のアテローム切除術用デバイスのレベルを模倣するように選択される。
【００１９】
上記の段落は、概要にすぎず、決して限定的と解釈されるべきではない。さらに詳細な記述は以下のとおりである。
【００２０】
図１は、典型的な回転式アテローム切除術用デバイスの概略図である。デバイスは、ハンドル部分１０と、偏心拡大研磨ヘッド２８を有する細長い可撓性駆動シャフト２０と、ハンドル部分１０から遠位に伸長する細長いカテーテル１３とを含む。駆動シャフト２０は、当該技術分野において知られているように、らせんコイル状のワイヤから構成され、研磨ヘッド２８は、そこに固定して取り付けられる。カテーテル１３は、拡大研磨ヘッド２８および拡大研磨ヘッド２８に遠位の短い区分を除いて、駆動シャフト２０の長さの大部分が配置される管腔を有する。駆動シャフト２０は内腔も含み、駆動シャフト２０がガイドワイヤ１５を越えて前進および回転させられるのを許可する。流体供給ライン１７は、冷却液および潤滑液（通常、生理食塩水または別の生体適合液）をカテーテル１３に導入するために提供されてもよい。
【００２１】
ハンドル１０は、望ましくは、高速で駆動シャフト２０を回転させるためのタービン（または同様の回転駆動機構）を含有する。ハンドル１０は、通常、チューブ１６を通して送達される圧縮空気等の電源に接続されてもよい。一対の光ファイバーケーブル２５、あるいは単一の光ファイバーケーブルを使用してもよく、タービンおよび駆動シャフト２０の回転速度を監視するために提供されてもよい。そのようなハンドルおよび関連器具に関する詳細は、当該産業においてよく知られており、Ａｕｔｈに対して発行され、参照することによりその全体で本明細書に組み込まれる、米国特許第５，３１４，４０７号において説明されている。ハンドル１０はまた、望ましくは、カテーテル１３およびハンドルの本体に対してタービンおよび駆動シャフト２０を前進および後退させるための制御ノブ１１も含む。
【００２２】
図１の研磨素子２８は、偏心立体クラウンであり、駆動シャフト２０の遠位端付近の駆動シャフト２０に取り付けられる。用語「偏心」は、本明細書において、クラウンの質量中心が、駆動シャフト２０の回転軸から離れて横方向に移動することを示すために使用される。駆動シャフトが急速に回転すると、クラウンの移動した質量中心は、駆動シャフトが回転するにつれて、駆動シャフトをクラウンの近接で外側に半径方向に屈曲させ、クラウンは、その独自の静止直径よりも大きい直径を研磨し得る。偏心立体クラウンは、例えば、２００７年６月１１日に提出され、２００８年１２月１１日に米国特許出願公開第ＵＳ２００８／０３０６４９８号として公開された、Ｔｈａｔｃｈｅｒらに対する「Ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ  ａｂｒａｄｉｎｇ  ｈｅａｄ  ｆｏｒ  ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ  ａｔｈｅｒｅｃｔｏｍｙ  ｄｅｖｉｃｅｓ」と題された米国特許出願第１１／７６１，１２８号において詳細に開示され、参照することによりその全体が本明細書に援用される。
【００２３】
現在、偏心モータを有する公知のアテローム切除術用デバイスのガス駆動タービンを置換する努力が為されている。そのようなモータは、増大した回転慣性等のタービンとは異なる機械特性を有する。本出願は、主にモータを駆動シャフトに接続するクラッチを対象とする。そのようなクラッチは、駆動シャフトの遠位端が障害物に遭遇し、突然回転を停止させる場合に、クラッチが、損傷量のトルクが駆動シャフトに送達されないように、モータによって送達されるトルクを制限することができる。モータとは別に、図１の公知のアテローム切除術用デバイスの他の素子の多くまたはすべては、カテーテル１３、ガイドワイヤ１５、ハンドル１０上のコントロールノブ１１、らせんコイル状駆動シャフト２０、および偏心立体クラウン２８を含む、本開示のヘッド設計とともに使用されてもよい。
【００２４】
図２は、モータ３０、駆動シャフト２０、およびそれらを一緒に機械的に連結するクラッチ４０のブロック図である。本図および以下の図面において、「モータ」は、偏心モータ、ガス駆動タービン、または制御可能な量の回転を生成する、あらゆる適切なデバイスであってもよい。通常使用中、クラッチ４０は係合され、モータ３０によって生成された回転は、駆動シャフト２０に直接伝達される。駆動シャフト２０の遠位端が捕まるか、またはその回転を突然停止させる棒が異物に遭遇する事象において、クラッチは解除され、モータ３０が駆動シャフトの近位端を回転し続けないようにする。そのような連続回転は、駆動シャフトを過度に巻き上げ、そのような巻き上げに関連付けられるトルクは、潜在的に患者の血管またはアテローム切除術用デバイス自体を損傷する可能性があり、いずれも望ましくない結果である。
【００２５】
さらに、クラッチは、通常、置換可能または使い捨て素子である、駆動シャフト間に便利なインターフェース、および通常、繰り返し使用されるモータを提供し得る。
【００２６】
図３は、図２のクラッチ４０の概略図である。クラッチ４０は、磁気引力によって一緒に保持される、２つのプレート４１および４２を含む。プレート４１、４２は、それらをそれぞれモータ３０および駆動シャフト２０に回転連結する、スピンドルに取り付けられる。
【００２７】
スピンアップ、一定回転速度、およびスピンダウンを含む通常動作中、モータと駆動シャフトの近位端との間のトルクの差異は、比較的小さい。これらの小トルク差異について、磁気引力は、プレート４１および４２を一緒に保持するのに十分であり、駆動シャフトの近位端は、モータとともに回転させられる。
【００２８】
駆動シャフトの遠位端が障害物に遭遇し、突然回転を停止する場合、モータと駆動シャフトの近位端との間のトルク差異は、急速に増加し、プレートを一緒に保持する静摩擦トルクを徐々に超過する。これが起こる場合、プレートは、相互に対して回転滑動し、それらが滑動すると、一方から他方に動摩擦トルクを伝達する。これらの摩擦作用に関する詳細な考察は以下のとおりである。
【００２９】
トルクは、量、力の回転アナログであることに留意されたい。トルクは、角運動量の変化を生じ、線形力に酷似するものは、線運動量の変化を生じる。デバイスコンポーネントの回転慣性は、それらの動作全体で主に一定であるため、非ゼロトルクは、したがって、回転速度の変化を生じる。
【００３０】
磁気的に一緒に保持される２つのプレート４１および４２は、置換に便利なインターフェースを提供し得ることも留意されたい。例えば、手順が行われた後、駆動シャフトおよび関連付けられた機械部品は、磁気的に引き付けられたプレート４１および４２を分離することによって除去されてもよい。プレート４２は、駆動シャフトとともに配置されるが、プレート４１は、モータユニットとともに残存し、繰り返し使用されてもよい。
【００３１】
図４は、典型的な手順における、駆動シャフトの回転速度と、駆動シャフトの遠位端におけるトルクのプロットである。最初に、駆動シャフトは静止していて、純トルクは存在しない。「スピンアップ」相の間、モータは、非ゼロトルクを駆動シャフトの近位端に適用し、駆動シャフトの回転速度が増加する。所望の回転速度に到達すると、モータのトルクは、駆動シャフトを一定の回転速度に維持するように低減される。モータによって駆動シャフトの近位端に適用される実際のトルクは、駆動シャフトの近位端と遠位端との間の摩擦作用を克服するために、小さいが非ゼロであり得る。プロットは、駆動シャフトの遠位端におけるトルクを示し、駆動シャフトの遠位端が一定回転速度で回転する時は真にゼロである。「スピンダウン」相の間、モータは、非ゼロトルクを反対方向に適用して、駆動シャフトの回転速度をゼロに低減する。
【００３２】
使用中に一般に起こる、図４に示される典型的なトルクレベルは、通常、クラッチ４０におけるプレート４１、４２が滑動し始める閾値を下回る。通常使用の間、クラッチは係合されたままであり、プレート間の静摩擦力がプレートを一緒に保持する。プレートが滑動し、異常事態の間のみ、例えば、駆動シャフトの遠位端が動かなくなり、回転を停止する場合のみにクラッチが解除されることが望ましい。しかしながら、閾値を超えるスピンアップおよび／またはスピンダウントルクに起因して、スピンアップおよび／またはスピンダウンの間にプレートが滑動する可能性がある。
【００３３】
この点で、クラッチがプレートを一緒に保持する場合、およびそれらが滑動する場合をより良く理解するために、摩擦力の物理特性を再検討することが有益である。
【００３４】
図３の真のクラッチに見られるように、２つの回転可能プレートではなく、２つの線運動プレートを考慮する。線形プレートは、図３のクラッチの場合と同様に、磁気的に生成され得るか、または外的に生成され得る鉛直力によって一緒に保持される。接触表面に平行な比較的小さい力について、プレートは一緒に保持される。つまり、１つのプレート上を接触表面に対して平行にやさしく押すと、他方のプレートは、それと一緒に保持され、滑動はない。ハンマーで打つ等の接触表面に平行な比較的大きい力について、プレートは、一緒に保持されなくなり、接触表面に沿って相互に通り越して滑動する。
【００３５】
滑動が起こり始める閾値は、鉛直力（すなわち、磁気的または他の方法で生成される、プレートを一緒に保持する力）と、静摩擦係数の積によって与えられる。静摩擦係数は、通常、１未満の無次元量である。この閾値未満の力について、プレートは一緒に保持される。この閾値よりも大きい力について、プレートは滑動する。
【００３６】
実施例として、ゴムタイヤと路面との間のインターフェースを考慮する。小さい鉛直力について、タイヤがそれ自体の重力の作用下で、路上に静止しているに過ぎない場合と同様に、タイヤを路面に沿って引きずることは容易である。大きい鉛直力については、タイヤが車の重量を支持する場合と同様に、タイヤを路面と接触した状態で維持する摩擦力を克服することはかなり困難である。実際に、横滑りは、駆動状態中のブレーキ上のスラミング等、大きい力についてのみ起こる。
【００３７】
この実施例から、鉛直力（すなわち、プレートを相互に引き付ける磁気的に生成された力）は、プレート間の滑動が起こり始める閾値を決定するという、当該クラッチについての第１の一般原則を述べることができる。
【００３８】
そのような鉛直力は、クラッチの設計段階で制御可能であり、プレート内の磁気材料の横分布、ならびにそれらの材料の縦分布によって制御されてもよい。例えば、鉛直力は、磁気粒子間の縦間隔が増加するにつれて減少し、そのような間隔は、磁気粒子を非磁気層でコーティングすることによって、多くの方法で達成することができる。
【００３９】
２つの線形プレートの実施例に戻って、ここで、プレートが既に相互に通り越して滑動する場合を考慮する。接触面で生成される抵抗力があり、他の力が作用していない場合、滑動運動を減速し、最終的に停止させる。同様に、表面に平行な滑動プレートを抵抗力に等しい力で押す場合、プレート上に純力はなく、プレートは、それらの間で一定速度を維持する。
【００４０】
抵抗力は、鉛直力と動摩擦係数との積に等しい。動摩擦係数はまた、無次元量であり、通常、１未満でもある。さらに、動摩擦係数は、通常、静摩擦係数未満であり、これは、横滑りを伴わない場合により大きい停止力を付与し得る、自動車のアンチロックブレーキの有効性の背後にある理由である。
【００４１】
重要なことに、プレート間に滑動が存在する限り、抵抗力は、プレート間の速度に依存せず、抵抗力は、プレート間の鉛直力のみに依存する。
【００４２】
鉛直力（すなわち、プレートを相互に引き付ける磁気的に生成された力）は、プレートが滑動する時、一方のプレートから他方のプレートに伝達されるトルクを決定するという、当該クラッチに関する第２の一般原則を述べることができる。
【００４３】
これら２つの一般原則は、駆動シャフト（垂直軸）の近位端に伝達されるトルクと、モータのトルク（水平軸）とのプロットである、図５に要約される。
【００４４】
クラッチが存在せず、駆動シャフトが直接モータに回転で取り付けられる場合、図５の「滑動なし」曲線は、起点からプロットの上右端まで１：１の関係で増加する。つまり、クラッチレス接続について、モータトルクのすべてが常に駆動シャフトに伝達される。
【００４５】
クラッチが係合し、プレートが接触するが相互に対して滑動しない、比較的低いトルクで、１：１の関係が見られる。アテローム切除術サイクルのスピンアップおよびスピンダウン部分の間等、通常の使用において、クラッチが手順を通して係合されたままであるように、モータによって生成されるトルクは、比較的低いと考えられる。図５のプロット上で、これは、起点から右および上に伸長する４５度の分岐に対応する（「滑動なし」と標識される）。
【００４６】
いくつかの特定トルク閾値において、患者およびデバイス自体への損傷を回避するために、滑動の開始を所望する。この閾値は、「滑動なし」曲線の右上の点で起こり、鉛直力に比例する。滑動は、モータのトルクがこの閾値以上である時に起こる。
【００４７】
クラッチ内のプレート間に滑動がある場合、駆動シャフトに伝達されるトルクは、モータの実際のトルクがどれ程大きいかに関わらず、特定の「滑動」値を超えることはできない。これは、駆動シャフトに伝達され得る最大トルクを制限し、これもまた患者およびデバイス自体への損傷を回避する。この「滑動」トルク値も鉛直力に比例し、本明細書において、「残留」トルクと称され得る。
【００４８】
動摩擦係数は、一般に静摩擦係数未満であるため、２つの曲線は、図５に示されるように交差し、「滑動なし」部分は、交差点を越えて右上方に伸長する。
【００４９】
一般に、図５の曲線は、鉛直力に比例して測定可能である。鉛直力が二重である場合、例えば、「滑動なし」曲線は、右上まで２倍伸長し、「滑動」トルク値は二倍である。鉛直力は、クラッチの設計段階の間、プレート内の磁気材料およびそれらの材料の横および縦配置の選択を通して制御可能である。
【００５０】
図５の曲線は、トルク対トルクとしてプロットされる。駆動シャフトの遠位端が突然停止した時、それらのトルクが時間内にどのように発展するかを見るために、２つの実施例が図６および７に提示される。図６は、駆動シャフトがガスタービンに接続され、クラッチを使用しない公知のシステムに関する。ガスタービンの回転慣性は、関連トルクが患者またはデバイスに全く損傷を与えないように十分小さい。図７は、損傷を回避するためにクラッチを使用する、電気モータ等の高回転慣性モータを使用するシステムに関する。特に、図７のピークおよび定常状態トルク値は、図６に示されるものを模倣するように選択され、実践において許容されることが決定されている。
【００５１】
最初に、公知のガスタービンシステムについて、駆動シャフトの遠位端におけるトルクと、遠位端停止イベントにかかる時間とのプロットである、図６を参照する。公知のガスタービンシステムは、クラッチを有しない。
【００５２】
最初に、モータおよび駆動シャフトの両方が一緒に回転している。回転は、一定回転速度であると想定されるため、駆動シャフトの遠位端上に純トルクはない。
【００５３】
次に、駆動シャフトの遠位端は、血管内で動かなくなるか、または障害物に遭遇する場合に起こるように突然停止する。
【００５４】
突然の停止に続いて、駆動シャフトは巻き上げ、または回転圧縮を開始する。そのような圧縮は、線形バネに類似し、圧縮されるほど、追加の圧縮を付与することが困難になる。この段階において、ドラフトシャフトは、本質的にモータ上で回転して「押し戻す」ため、モータが減速する。
【００５５】
すべての回転エネルギーがバネを回転圧縮することに利用され、バネおよびモータがバネの最大圧縮点で停止することがある。この点において、駆動シャフトの遠位端がその最大トルクを経験する。
【００５６】
最大圧縮に続いて、駆動シャフトは「跳ね返る」ため、少し弛緩する。この弛緩中、モータおよび駆動シャフトの近位端は逆走する。実際に、システム内のエネルギーは、動力学（運動）とポテンシャル（駆動シャフトの回転圧縮）との間で振動するため、この曲線に対していくつかの「リンギング」が存在し得る。「リンギング」の大部分は摩擦に起因して減衰し、振動はシステムが静止安定状態に落ち着くと、ますます小さくなる。「リンギング」は図６から省略される。
【００５７】
この安定状態において、モータは停止されるが、依然としてトルクを適用している。駆動シャフトも安定しているが、モータトルクに起因して、回転圧縮された位置に固定される。
【００５８】
図６の全体水平軸は、約数ミリ秒存続し得る。公知のガスタービンは、その回転速度が閾値を下回るか、またはゼロに低下し、続いてモータを遮断する時を検出する、制御システムを有してもよい。そのような制御システムは、反応するための特定の時間、通常、約数秒を必要とし得る。これらの制御システムは、スパイクおよび安定状態への定着は、通常、制御システムが反応できるよりもはるかに急速に起こるため、図６の曲線の部分に直接反応することができない。
【００５９】
図６の曲線上に、注意すべき２つのトルク値がある。第１の値は、駆動シャフトが最も固く巻かれ、モータが停止している時に起こるピーク値である。第２の値は、安定状態値である。これらのトルク値の両方は、公知のガスタービン駆動アテローム切除術システムにおける使用に安全であると見なされている。結果として、クラッチ４０は、これらの安全トルク値の一方または両方を模倣するように設計されてもよい。
【００６０】
図７は、図３のクラッチを有する本モータ駆動システムについて、駆動シャフトの遠位端におけるトルクと、遠位端停止イベントの時間のプロットである。図６と７との間の差異は、本クラッチ設計について、モータがクラッチ解除の間を通して回転を継続するが、図６の公知のガスタービンについて、タービンは駆動シャフトとともに停止する。本モータのそのような停止は、モータの比較的大きい回転慣性に起因して実行可能ではない。
【００６１】
最初に、モータおよび駆動シャフトの両方が一緒に回転している。回転は、一定回転速度であると想定されるため、駆動シャフトの遠位端上に純トルクは存在しない。クラッチは係合され、クラッチのプレート間に滑動は存在しない。
【００６２】
次に、駆動シャフトの遠位端が突然停止する。図６に関して、遠位端の停止に関連付けられるスパイクしたトルクは、図７から省略される。
【００６３】
突然の停止に続いて、駆動シャフトは巻き上げ、または回転圧縮を開始する。この段階において、ドラフトシャフトは、本質的にモータ上で回転して「押し戻す」ため、モータが減速し得る。実際に、このモータの減速は、特に上述されるガスタービンのそれと比較して、モータの回転慣性が比較的大きいため、ごくわずかであり得る。
【００６４】
最終的に、駆動シャフトの遠位端は固定されたままであり、駆動シャフトの近位端は巻き続けるため、モータと駆動シャフトの近位端との間のトルク差異が、それを超えるとクラッチプレートが滑動し始める閾値トルクに等しい点に到達する。この閾値点は、図７の曲線のピークに対応する。
【００６５】
図５において、これまでの進行を追跡してもよい。最初に、モータおよび駆動シャフトは一緒に回転しているが、システムは起点にある。遠位端が停止した後、システムは、「滑動なし」曲線にそって、上方および右に上昇する。図７の曲線のピークである閾値点は、図５の「滑動なし」曲線の上右端にある。
【００６６】
一旦プレートが滑動し始めると、クラッチは解除される。モータは、クラッチ４０のプレート４１に沿って、回転を継続する。しかしながら、他のプレート４２は、プレート４１よりもゆっくり回転し、駆動シャフトの近位端とともに、最終的に停止し弛緩する。すべてのリンギング作用が消滅し、安定状態に到達すると、駆動シャフトは固定されてわずかに巻かれ、駆動シャフトの近位端は固定され、プレート４２は固定され、プレート４１は、モータとともに回転し続け、回転可能プレート４２は、駆動シャフトをわずかに巻かれた状態で維持するのに十分なトルクを固定プレート４１に伝達する。
【００６７】
本質的に、クラッチ４０によってその滑動モードで伝達されるトルクは、ガスタービンが固定されている時、図６のガスタービンのトルクに類似する。実際に、ガスタービンの安定状態トルクは使用に安全であると見なされているため、クラッチ４０の設計段階中、プレート間の磁気吸引鉛直力は、図７の安定状態トルクが図６のそれと合致するように設定することができる。あるいは、プレート間の磁気吸引鉛直力は、ピークトルク、すなわち、プレートが滑動し始める閾値トルク値（図７のピーク）が図６のそれと合致するように設定することができる。さらなる代替例として、ピークおよび安定状態トルク値の両方は、クラッチ表面の一方または両方をテクスチャリングし、接触面の直径を調整し、および／またはクラッチ内の対向面上の材料を調整することによって合致させることができる。
【００６８】
プレート４１および４２は、図３において、同軸および円形であるとして描かれているが、他の適切な形状および配向が使用されてもよい。表面の一方または両方は、随意にテクスチャ化されてもよく、接触している表面積を調整することができ、インターフェースの摩擦性能に影響し得る。さらに、プレート４１および４２は、随意に湾曲してもよく、一緒に適合する整合した曲率を有してもよい。例えば、１つのプレートは、特定の曲率半径を有する凸面であってもよく、他のプレートは、同一曲率半径を有する凹面であり得る。
【００６９】
本明細書で記載される、本発明およびその用途の説明は、例証的であり、本発明の範囲を限定することを目的としない。本明細書で開示される実施形態の変化例および修正が可能であり、実施形態の種々の要素の実用的な代替案および同等物が、本特許文献を検討すると、当業者に理解されるであろう。本明細書で開示される実施形態のこれらおよび他の変化例および修正は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、行われてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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