(57)【要約】  骨に穴を開けることができるチップ又はヘッド（４０；１４０）を備えている外科用工具（３；１０３）を含んで構成されている、骨に穴を開けるためのハンドピース（１）が記載されている。このハンドピースは超音波によって機能し、工具のチップ（４０；１４０）は骨に形成される穴の輪郭を規定する複数の切削要素（４３）を含んで構成されている。また、工具チップの影響を受けている作業エリアを冷却するために、チップ（４０；１４０）内で開口しており、端部が排出口（４４）になっている、冷却流体が通過するための主流路（３６）を上記工具の本体に備えている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
骨を貫くように構成されているチップ又はヘッド（４０；１４０）を備えている外科用工具（３；１０３）を含んで構成されている、骨に穴を開けるためのハンドピース（１）であって、
上記工具の上記チップ（４０；１４０）を超音波周波数にて振動させるように構成されている超音波ハンドピースであり、
上記工具の上記チップ（４０；１４０）は上記骨に形成される上記穴の輪郭を規定する複数の切削要素（４３）を含んで構成されており、
上記工具チップの影響を受けている作業エリアを冷却するために、上記チップ（４０；１４０）内で開口しており、端部が排出口（４４）になっている、冷却流体が通過するための主流路（３６）を上記工具の本体に備えていることを特徴とする、ハンドピース（１）。
【請求項２】
中子（３０）を介して接続されている上記工具（３；１０３）を振動させるための、電力供給信号を超音波周波数の振動に変換できる圧電性超音波振動子を含んで構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のハンドピース（１）。
【請求項３】
上記切削要素（４３）の間に、上記冷却流体が通過するための放射状流路（４６）を生じさせるように、上記工具（３；１０３）の上記チップの上記切削要素（４３）が上記排出口（４４）に対して放射状に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載のハンドピース（１）。
【請求項４】
上記冷却流体が通過するため、かつ除去物質を外部へ取り除くための、上記放射状流路（４６）に連結している複数の縦方向流路（４７）が上記チップ（４０；１４０）の側面に設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のハンドピース（１）。
【請求項５】
上記切削要素（４３）が、上記チップ（４０；１４０）の遠位端に向いている尖部（４５）を周囲に有していることを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項６】
上記切削要素（４３）は、上記チップ（４０；１４０）が実質凹型状の切削輪郭となるように、切削軸が上記チップの軸に対して傾いている実質くさび型形状であり、かつ排出口（４４）に向かって集束している、ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項７】
上記チップ（４０；１４０）の側面（４１）が実質円筒状であることを特徴とする、請求項１〜６の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項８】
上記工具が９０°から１８０°まで（両端を除く）、好ましくは１１０°から１５０°までの鈍角の湾曲中間部（３４）を有する軸部（３２）を含んで構成されており、上記湾曲中間部（３４）は上記軸部（３２）を第１の近位部（３２’）と上記チップを支える第２の遠位部（３２”）とに分けていることを特徴とする、請求項１〜７の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項９】
上記工具の上記軸部の上記近位部（３２’）の軸が、上記工具の上記中子（３０）の軸（Ｘ）に対して約２０°の角度αを形成しており、上記軸部の上記遠位部（３２”）の軸が、上記中子の上記軸（Ｘ）に対して約１３°の角度βを形成していることを特徴とする、請求項８に記載のハンドピース（１）。
【請求項１０】
上記工具の上記軸部の上記近位部（３２’）の軸が、上記工具の上記中子（３０）の軸（Ｘ）と一致しており、上記軸部の上記遠位部（３２”）の軸が、上記中子の上記軸（Ｘ）に対して約６４°の角度θを形成していることを特徴とする、請求項８に記載のハンドピース（１）。
【請求項１１】
上記工具（３）の上記チップの上記切削要素（４３）は、数が６つであり、６０°の角度で互いに等間隔に並んでおり、直径が１．８ｍｍから２．５ｍｍまでの範囲内で、好ましくは２．０ｍｍである外周を規定している周囲尖部（４５）を有していることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項１２】
上記工具（１０３）の上記チップの上記切削要素（４３）は、数が８つであり、４５°の角度で互いに等間隔に並んでおり、直径が２．８ｍｍから４．５ｍｍまでの範囲内で、好ましくは３．１５ｍｍである外周を規定している周囲尖部（４５）を有していることを特徴とする、請求項１〜１０の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項１３】
主流路に連結しており、上記チップ（１４０）の上記側壁に上記冷却流体を送るために上記チップの近くで開口している側方流出流路（１３８）を、上記工具がさらに備えていることを特徴とする、請求項１〜１２の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項１４】
上記工具（１０３）が上記チップ（１４０）の近くにおいて上記軸部上に位置しているフランジ、リング又はつば（１３７）をさらに備えており、上記フランジ、上記リング又は上記つば（１３７）の外側の輪郭が上記切削要素（４３）の外側の輪郭と実質的に同じか、これよりわずかに小さいことを特徴とする、請求項１〜１３の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項１５】
上記つば（１３７）が円形の輪郭を有していることを特徴とする、請求項１４に記載のハンドピース（１）。
【請求項１６】
上記側方排出流路（１３８）が、上記つば（１３７）と上記切削要素（４３）との間で、上記チップの側面において開口していることを特徴とする、請求項１３及び１４又は１５に記載のハンドピース（１）。
【請求項１７】
上記チップの上記つば（１３７）と上記切削要素（４３）との間に、上記遠位端に向かって直径が増加しているテーパー状連結部（４３）が設けられていることを特徴とする、請求項１４〜１６の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項１８】
上記工具（１０３）の上記側方排出流路（１３８）の軸が、上記工具の上記主流路（３６）の軸に対して５°から９０°までの角度、好ましくは４５°の角度で傾いていることを特徴とする、請求項１３〜１７の何れか１項に記載のハンドピース（１）。
【請求項１９】
上記超音波振動子には低周波数調節信号によって調節されている超音波搬送信号が供給されていることを特徴とする、請求項２〜１８の何れか１項に記載の超音波ハンドピース（１）。
【請求項２０】
上記低周波数調節信号がバーストからなることを特徴とする、請求項１９に記載の超音波ハンドピース（１）。
【請求項２１】
請求項１〜２０の何れか１項に記載の特徴を有しており、骨組織に穴を開けることができるチップ又はヘッド（４０；１４０）を備えた超音波外科用工具（３；１０３）。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、様々な形の穴を骨組織に開ける外科用工具を備えているハンドピースに関するものであり、この穴は、様々な固定システム（ねじ単独、固定板を固定するためのねじ）及び／又は歯科インプラントを受け入れるのに適している。
【０００２】
従来技術では、マイクロモータによって駆動する回転器具又は工具を利用して、骨に、ねじ及び／又は様々な固定システムを挿入するための部位（穴又は台座）を形成していた。この回転工具は、通常、らせん形状チップ（ツイストドリル）、カッター又はリーマーを有している。
【０００３】
しかしながら、とりわけ解剖学的に複雑な状況にある場合に、これらの器具には深刻な限界があり、特に以下の場合が該当する。
−手術において近づくのに制限があり、正確に骨に穴を調製することが困難である場合；
−解剖学的に壊れやすい骨の構造がある場合、そして、
−軟組織（神経、血管）の近傍にあり、結果として損傷を起こす危険がある場合である。
【０００４】
この回転器具が制限される別の局面として、回転により高い力学的エネルギーが生じる点が挙げられる。この回転器具は、工具に適用した場合に所定の圧力が必要となり、摩擦損失及び熱の発生を生じさせる。この結果、手術を施される組織において過熱の危険を招く。これは回復の障害になり得る。
【０００５】
通常、摩擦により生じる熱量は、回転工具に加えられる圧力強度、回転速度、チップ／カッター／リーマーの大きさ及び形状、並びに穴を生成するために要する時間に直接関連している。そのため、骨の穿孔には、熱の発生を低減させるために注水がおこなわれる。この注水は、外的又は内的であり得る。
【０００６】
さらに、注水溶液は、骨と工具との間における接触面すべて、すなわち、切削正面部および側面部に作用し得るものでなければならない。この作用は、工具（カッター）をしょっちゅう穴から除かなければ実現しない。工具を穴から除くことによって、骨断片を取り除くこと、およびその部位に注水用流体を入れることの両方が可能になる。
【０００７】
温度上昇は、冷却流体が完全には穴に到達していないことに起因するだけでなく、カッターの刃の先端部に堆積している骨の破片による妨害にも起因することは考慮されるべきである。骨の破片による妨害によって、穿孔動作はより非効率的なものになり、穴を開けるのに要する時間が引き延ばされる。さらに、カッターの回転動作により、骨の破片が穴の壁面に押し付けられ、汚れの層が形成される。この層は、海綿骨がもともと有する洞の邪魔となり、骨再生過程における障害の原因となる。
【０００８】
低速（１５００〜１８００ｒｐｍ）で回転しているカッターの場合、操作者は、骨を切削するために、かなりの圧力（１．８ｋｇから２．５ｋｇまで）をハンドピースに加えなければならない。これは二つの類型の問題を引き起こす。
【０００９】
ａ）外科的制御の低減
操作者は、穿孔動作の間、かなりの圧力を加えなければならず、これは正確さとは両立しないものである。とりわけ、起伏のある石灰化部分を有する骨組織を貫く場合には、なおさらである。この状況は、回転中のカッター／チップの回転動作に接触すると裂けてしまう管又は神経終末の近くである場合などの難しい解剖学的状況においては、損傷を起こす危険が少なからずある。
【００１０】
ｂ）過熱
回転工具のマクロな振動は、骨表面の過熱を引き起こす。この過熱は、遠心的に穴の周囲の骨部分に拡がる。このような事実、および洞に残っている骨の破片の存在により、骨の再生が遅くなり、及び／又は制限される。
【００１１】
本発明の目的は、工具の特殊形状及びその操作モードによって、極めて正確に骨組織に穴を形成できるようになる、特別な外科用工具を備えたハンドピースを提供することにより、従来技術の欠点を克服することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、要求に応じて、多用途であり、円形以外の形状の穴を形成できる、骨組織に穴を形成するための外科用工具を備えたハンドピースを提供することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、その後の骨形成過程を改善できる、骨組織に穴を形成するための外科用工具を備えたハンドピースを提供することである。
【００１４】
これらの目的は、独立請求項１に記載された特徴を有する発明によって実現される。
【００１５】
本発明の有利な実施形態は、従属請求項によって明らかになっている。
【００１６】
本発明によれば、骨組織に穴を開けるためのハンドピースは、骨に穴を開けるように構成されているチップ（又はヘッド）を備えた外科用工具を含んで構成されている。ハンドピースは超音波によって機能し、工具のチップは骨に形成される穴の輪郭を規定する複数の切削要素を含んで構成されている。工具チップの影響を受けている作業エリアを冷却するために、チップ内で開口しており、端部が排出口になっている、冷却流体が通過するための主流路を工具の本体に備えている。
【００１７】
本発明に係る工具を備えた超音波ハンドピースには、従来技術と比較して以下の利点がある。
【００１８】
（１．より優れた精度）
従来の装置（チップ、カッターと組み合わされたマイクロモータ）の動作はマクロな振動と結びついており、これにより作業の遂行が不正確なものとなっている。これに対し、本発明に係る超音波ハンドピースの動作は工具の微小な振動を特徴としており、これにより、操作者に、より優れた触覚感度及び作業中の精度がもたらされる。工具の微小な超音波振動、並びに切削要素の特殊な設計及び工具のチップの切削要素の間にある排出口の特殊な設計の結果、本発明に係るハンドピースは、組織の微粉化の過程を経て骨に穴を形成する。この組織は、超音波振動を受けてキャビテーション効果を生じさせる注水流体の機械的作用によって即座に除去される。この結果、穴の位置に相当する骨の表面が完全にきれいになる。除去及び注水作用は、チップの特殊な幾何学形状によっても支えられている。骨の除去は、微小な振動を介しておこなわれる。この方法によれば、遠心的過熱の影響は、チップ／カッターの回転によって生み出されるマクロな振動により生じる遠心的過熱の影響よりも拡がりが小さい。
【００１９】
（２．穿孔を開始する際における、より優れた工具の安定性）
回転工具は遠心ドリフト部品があるため、穿孔を開始する際に不安定となる。このため、目的の穿孔軸から工具がずれてしまう。実際のところ、従来技術によれば、インプラント治療の分野において、穿孔されるべき骨の表面をかみ合わせるために、進入用誘導穴を形成するための特殊なチップ（一般に、ローズチップとして知られている）が使われている。代わりに、本発明に係る工具チップでは、その特殊な形状により、より優れた安定性を得ることができる。事実、工具チップは、周辺部において先端に向かって突出している尖形状の切削要素により鋭くなっている、凹状型である。工具チップのこの形状及び超音波振動のおかげで、骨に穴を形成し始める際に目的の穿孔軸から工具がずれる原因となる遠心ドリフト部品が不要となる。
【００２０】
（３．工具／骨の接触面における、より優れた洗浄力、及びその結果としてもたらされる骨再生過程における改善）
本発明によれば、工具チップの特殊な幾何学形状（チップの側面における縦方向排出口）、及び注水流体のキャビテーション効果をもたらす超音波振動によって、工具により形成された穴の側壁から骨の破片を除去でき、工具と骨との接触面を清潔にしておくことができる。この手法によれば、ツイストドリル及びカッターの典型的な汚れの層は形成されない。そのため、骨再生過程において有利である。
【００２１】
（４．骨を穿孔中の加工表面における、工具と骨との間の摩擦による、より小さい温度上昇）
本発明に係る工具は軸方向流路を有しており、これにより注水流体の通過が可能となる。この注水流体は工具チップの中央の穴を通って流出し、骨の破片を洗い流し、放射状のチャネルを経て、チップの縦方向排出口に到達するまで破片を運ぶ。これにより、破片が除去される。この手法により、作業エリアにおける、かなりの温度減少が実現される。さらに、穴の側壁に接しているチップによってなされる洗浄作用及び冷却作用は、チップの近傍に位置する第２の側方流路の存在によって強められる。この第２の側方流路により、注水流体の流出が可能となる。さらに、工具における超音波周波数の微小振動は、注水流体のキャビテーション現象を生じさせ、工具によって形成された穴の壁面の洗浄に寄与する。
【００２２】
（５．骨組織の選択的な穿孔）
低周波数（２０ＫＨｚから３０ＫＨｚまで）での超音波微小振動が本発明に係る工具に作用する。それゆえ、骨組織の穿孔には最適であるが軟組織に対しては効果が及ばない。これに接触したとしても引き裂く作用は一切なく、一時的に熱が放出されるだけである。これらの振動では石灰化した組織を切削することはできない。事実、軟組織を切削できる超音波振動では、より大きな周波数（５０／６０ＫＨｚ）を使用していることが知られている。それゆえ、超音波周波数で作用するという事実、及び特殊な幾何学的／構造的形状のおかげで、本発明に係る工具は、明らかな臨床上の利点を有しつつ、（従来技術で用いられている工具による典型的な回転動作を通じてではなく、）刃の先端に作用する微小振動の作用を通じて、骨物質に穴を形成することができる。
【００２３】
（６．外科的処置をおこなっている間の汚染源の減少）
最後に、本発明に係る工具を備えており、回転部材を有していない超音波ハンドピースでは、カッターを用いた従来のシステムと比較して、外科的処置をおこなっている間の存在し得る汚染源の数が減っている。事実、従来技術において、チップ／カッターなどはマイクロモータによって駆動しており、伝導部材への注油が必要となる。
【００２４】
本発明のさらなる特徴は、添付の図面に図示されており、単なる例示である非限定的な実施形態を参照して、下記の詳細な説明によって明らかになるだろう。
【００２５】
図１は、本発明に係る外科用工具が取り付けられている超音波ハンドピースを図示している斜視図であり；
図２は、図１の工具の斜視図であり；
図３は、図２の工具の軸方向断面図であり；
図４は、図２の工具の先端部の拡大斜視図であり；
図５Ａは、図２の工具の正面図であって、チップは省略されており；
図５Ｂは、図５Ａの軸部の変化した図であり；
図６は、本発明に係る工具の第２の実施形態における斜視図であり；
図７は、図６の工具の軸方向断面図であり；
図８は、図６の工具の先端部の拡大斜視図であり；
図９Ａ及び図９Ｂは、仕上げ要素（finished elements）（ＦＥ）解析の手段により得られた２つの線図であって、それぞれ、圧縮及び伸長サイクルの間の、図２の工具の動的挙動を図示しており；
図１０は、振動サイクルの間の、図２の工具のｘ−ｙ面における揺動運動を図示したグラフであり；
図１１Ａ及び図１１Ｂは、図９Ａ及び図９Ｂと同様の線図であるが、図６の挿入物の動的挙動を図示しており；
図１２Ａ及び図１２Ｂは、図６の工具の構造の動的挙動を図示した線図であり、それぞれ、仕上げ要素（ＦＥ）解析の手段及び実験的解析（ＥＭＡ）の手段によって得られたものである。
【００２６】
図１には、本明細書に参照として引用される米国特許第６，６９５，８４７に図示されているような超音波ハンドピースのような、外科用機器１が図示されている。ハンドピース１は、本体２を含んで構成されている。本体２は、外科医が容易に握れるように、実質的に円筒状の形状である。本体２の先端部には、骨の穿孔に適しており、そのためインプラント部位の形成に適した形状である工具３が取り付けられている。
【００２７】
ハンドピースの本体２は、外部コネクタ部材４と接続されている。外部コネクタ４は電力及び流体供給ケーブル５を保持しており、電力及び流体供給ケーブル５はそれぞれ、制御装置に備え付けられている電源並びに流体供給装置及びぜん動ポンプに接続されるようになっている。制御装置は、ハンドピース１の操作のためのコントロールパネルが備え付けられている。
【００２８】
工具３に接続されている振動子がハンドピース１の内部に備えられている。振動子は好ましくは圧電型であり、工具３を振動させることができるように、電気入力信号を超音波周波数の振動に変換することが可能な圧電セラミック共振器を用い得る。発振周波数は、２５ｋＨｚから３０ｋＨｚまでである。好ましくは、２７ｋＨｚの基本使用超音波周波数が選択される。
【００２９】
必要に応じて、基本超音波周波数を有する振動子の供給信号は、しばしば、低周波数信号（６〜４０Ｈｚ）によって調節され得るか、又は過度に調節され得る。あるいは、低周波数バーストによって調節され得るか、又は過度に調節され得る。
【００３０】
この技術は、工具３の振動の調節を利用するものである。この技術により、工具の振動によるエネルギーの浪費によって軟組織において生み出される熱を、最小限に抑えることができる。
【００３１】
低周波数バーストによって調節された超音波周波数での基本信号を使用する方法により、挿入物３のハンマー効果を得ることができる。同時に、骨に穴を形成するために、石灰化した組織において、清潔で正確な切削をもたらす超音波振動の効果を得ることができる。
【００３２】
特に、図２、３及び４を参照すれば、工具３は、ハンドピース１の内部において超音波振動子に接続される円筒状の中子３０を含んで構成されている。中子３０は、互いに平行な、全く正反対の位置に配置されている２つの外部溝３１を含んで構成されている。外部溝３１は、組み立てのためのダイナモメトリック・キー（dynamometric key）によってハンドピース１にかみ合うように作られている。この中子３０は、ハンドピース１の振動子に正確に固定されるための内部ねじ山３９を有している。
【００３３】
中子３０はその前方部において、直径がより小さい軸部３２と、テーパー状の移行部３３によってつながっている。テーパー状の移行部３３の直径は、中子３０から軸部３２に向かって小さくなっている。軸部３２は、複数の切削要素によって構成されているチップ又はヘッド４０を、遠位端に有している。チップ４０は工具３の作用部である。
【００３４】
軸部３２は移行部３３からチップ４０に向かって直径が小さくなっている（２．２ｍｍから１．８ｍｍまで、好ましくは２．０ｍｍから１．７ｍｍまで）円筒状本体を有している。軸部３２は軸部３２を第１近位部３２’と第２遠位部３２”とに分ける湾曲した中間部３４を有する。軸部３２がこの形状／構造である主たる理由は、手術部位の解剖の必要性を考慮した、振動の最適化に関係している。
【００３５】
図５Ａ及び５Ｂに示すように、軸部の湾曲部３４は、１８０°−θの鈍角を規定する。この角度は９０°から１８０°まで（両端は除く）の間で変動でき、１１０°から１５０°までであることが好ましい。図５Ａでは、軸部の近位部３２’の軸が中子３０の軸Ｘに対して約２０°の角度αを形成しており、かつ、軸部の遠位部３２”の軸が中子の軸Ｘに対して約１３°の角度βを形成している、軸部３２が図示されている。その結果、近位部３２’の軸と遠位部３２”の軸との間において、約３３°の角度θが規定されている。そのため、軸部の湾曲部３４は１４７°の鈍角を規定している。
【００３６】
図５Ｂに図示されている変化形態では、軸部の近位部３２’の軸は中子３０の軸Ｘと一致しており、かつ、軸部の遠位部３２”の軸は中子の軸Ｘに対して約６４°の角度θを形成している。そのため、軸部の湾曲部３４は１１６°の鈍角を規定している。
【００３７】
よりよく図示された図４に示されるように、チップ４０はシリンダー４１から形成されており、テーパー部材４２によって軸部に接続されている。切削要素又は歯４３がチップの円筒部４１上に形成されている。切削要素又は歯４３は特に鋭くなっており、実質的に環状構造となるように配置されている。
【００３８】
図３に示すように、工具３の本体に、流路３６が軸に沿って形成されている。流路３６は工具の全長に亘っており、チップ４０の中央部で終結している。この流路３６は中子３０の近位部において開口しており、これにより、例えばハンドピース１からくる生理食塩水などの注水流体が通過できるようになる。
【００３９】
流路３６はチップ４０の中央部にある排出口４４で終結している。そのため、チップの穴４４から出てくる流体によって、骨組織とチップ４０の切削部との接触面エリアへの注水が可能になり、直接冷却できるようになる。同時に、（超音波の微小振動によって生じる）キャビテーションの物理的効果が骨組織とチップ４０の切削部との接触面において十分に引き出される。これにより、手術部位の洗浄がよりきれいになされ、よく冷却されるようになる。
【００４０】
図４にもどって、切削要素４３はチップの排出口４４から放射状に突出している。切削要素４３の数は好ましくは６つであり、６０°の角度で互いに等間隔に並んでいる。
【００４１】
切削要素４３の周辺端部は、工具の遠位端に向かって突出している尖部４５を形成している。切削要素の尖部４５は、直径が１．８ｍｍから２．５ｍｍまでの範囲内で、好ましくは２．０ｍｍの外周を規定している。
【００４２】
各切削要素４３は、チップの軸に対して傾いた切削側面を有する変則的なピラミッド型又はくさび型形状である。各歯４３は、それゆえ、周辺から（すなわち、歯の尖部４５から）排出口４４の中心に向かって放射状に集束する切削側面を有している。
【００４３】
切削歯４３を形成するためにおこなわれる特殊な研磨工程により、隣り合う歯どうしの間に、放射状構造の流路４６を規定する排出口が残される／形成される。この排出口は中央流出口４４から始まり、チップ４０の外縁に向かって放射状に広がっている。したがって、（チップの中央にある）流出口４４から放射方向に流れる注水流体は、上記放射状流路４６を通って枝分かれして出てくる。これにより、切削エリアでの冷却が最大限おこなわれ、係合／切削器具の排出が促進され得る。
【００４４】
チップの円筒部４１の側面には、ある歯と別の歯との間に、さらに排出口が形成されている。この排出口は、放射状流路４６から始まり軸部に向かって縦方向に枝が伸びている縦方向流路４７を規定している。これらの特殊な縦方向流路４７により、切削された骨物質の除去が容易になる。
【００４５】
図６〜８を参照すれば、本発明の第２の実施形態に係る工具１０３が表されている。第１の実施形態において既に表されている部材と類似の、又は対応する部材には、同一の符号を付し、その説明を省略している。
【００４６】
図８を参照すれば、工具１０３は、第１の実施形態の工具３におけるチップ４０と比較してわずかに相違するチップ１４０を有している。実際のところ、８つの切削要素又は歯が、４５°の角度で互いに等間隔に配置されており、チップ１４０の流出口４０から放射方向に突出している。この場合、歯の尖部４５が、２．８ｍｍから４．５ｍｍまでの範囲内、好ましくは３．１５ｍｍの直径を有する外周を規定している。
【００４７】
工具１０３はさらに、軸部３２上でチップ１４０のテーパー部４２の近くに配設されている円形リング又はつば１３７を有している。リング１３７の外側の直径は、実質的に、切削要素の尖部４５によって規定されている外周の直径と等しいか、又はわずかに小さい（約１／１０ｍｍ小さい）。リング１３７の目的は、直径がより小さいチップ４０を有する第１の実施形態の工具３によっておこなわれる場合と合致して、工具１０３の穿孔の方向を保つことを補助することにある。
【００４８】
図７に示すように、側方注水流路１３８がリング１３７と同じ高さに設けられている。側方注水流路１３８は主注水流路３６に連結しており、主注水流路３６に対して５°から９０°までの角度、好ましくは４５°の角度で傾いている。この側方流路１３８は、リング１３７とチップ１４０との間の軸部３２の側面において開口している。これにより、切削エリアの側壁４１を冷却することができ、この壁から除去される骨物質を取り除くことができる。
【００４９】
図面においては、第２の実施形態の工具１０３にのみリング１３７及び側方注水流路１３８が図示されているとしても、本発明に係るいかなるタイプの工具においてもこれらを設けることができることは明白である。
【００５０】
骨組織に穴を開けるために、本発明に係るハンドピース１が超音波周波数にて振動する切削工具（３，１０３）を有していることは、留意すべきである。従来技術において同じ目的のために使用されていた器具とは異なり、工具３及び１０３は回転する必要がない。それゆえ、適当なチップが備え付けられると、円形以外の様々な形状の穴を開けることができる。
【００５１】
骨内固定システム（ネジ／ピンなど）は円形状の穴用のみ、現在市場において入手可能であることは、考慮されなければならない。実際のところ、現在利用可能な回転器具は、円形断面の穴のみを開けることができる。このため、図面においては、円筒形状のチップ（円形断面を有する穴形成用）を有するいくつかの可能な工具（３，１０３）が例証として図示されている。
【００５２】
しかしながら、回転運動を利用せず、超音波微小振動を有効に利用する本発明に係るハンドピース１を用いれば、（円形以外の形状の穴を形成するための）工具チップの他の幾何学形状が可能である。
【００５３】
本発明に係る工具の形状及び寸法に完全を期すために、工具と連結された超音波ハンドピースの構造を表している有限要素（ＦＥ）デジタルモデルを実現した。次いで、超音波振動に供したときのＦＥモデルの動的挙動をシミュレーションした。ＦＥ手法によってなされた工具の動的挙動のシミュレーションを確かなものにするために、実験的解析（ＥＭＡ）もおこなった。実験的解析は：
１）０ｋＨＺから５０ｋＨｚまでの周波数の電気信号にて、構造を刺激し（ランダム刺激）；
２）予め規定していたポイントにおける電気入力信号及び振動応答を、３Ｄレーザ振動計にて測定し；
３）入力信号及び出力信号を取得し、周波数応答関数（ＦＲＦ）が得られるように処理し；
４）振動している間の工具の自然振動数及びモード形状を抽出するために、時間領域におけるカーブフィット法を利用した。
【００５４】
初めに、振動子を有する第１の実施形態（図２〜４）の工具３の構造のＦＥモデルを作り出し、検討した。図９Ａ及び９Ｂはそれぞれ、圧縮サイクル及び伸長サイクルにおける、２５ｋＨｚから３０ｋＨｚの間の周波数での上記構造の振動のノミナルモード（nominal mode）を示している。工具のマイクロメータ振動をはっきりとみるために、構造の縦モードのモード形状を１０，０００倍に増幅している。
【００５５】
図１０のグラフは、振動サイクルでのｘ−ｙ平面における工具の揺動運動を図示しており、ｘ成分とｙ成分との比が１：２であることが検出されている。上記工具を用いておこなった試験では、運動における予測された分布によれば効果的な貫入性能が提供されることが示されている。
【００５６】
骨に穴を調製している間の外科医の助けとするために、第２の実施形態の工具１０３が設計されている（図６〜９）。これには、骨への貫入の高さを表示するように、フランジ又はつば１３７が設けられている。つば１３７の大きさ及び位置は、工具の振動能力に対する影響が可能な限り最小限になるように、選択されている。したがって、この場合でも、工具１０３の構造を表しているＦＥモデルが実現される。
【００５７】
図１１Ａ及び図１１Ｂはそれぞれ、圧縮サイクル及び伸長サイクルにおける、振動子を有する工具１０３の構造の周波数２５−３０ｋＨｚでのノミナル振動モードを図示している。ここでは、構造の縦モードのモード形状を１０，０００倍に増幅している。
【００５８】
図９Ａ，９Ｂと図１１Ａ，１１Ｂとの比較から明らかなように、つばを有する工具３とつばを有していない工具１０３との間で、振動特性における大きな変動は見られなかった。
【００５９】
ＦＥモデルによるシミュレーションが確かであることを確認するために、３Ｄレーザ振動計（ＬＤＶ）によるＥＭＡを実施した。図１２Ａ及び図１２Ｂはそれぞれ、伸長サイクルにおける周波数２５〜３０ｋＨｚでの、ＦＥ解析により得られたデータ及び３Ｄ  ＬＤＶ振動計によるＥＭＡ解析により得られたデータを示している。図から明らかなように、ＦＥ解析によって得られたデータとＥＭＡ解析によって得られたデータとの間に、見事な相関関係がある。
【００６０】
添付の特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲を逸脱しない限り、本発明の本実施形態に対して、当業者の理解の範囲内において、細部の数多くの変更及び修飾が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明に係る外科用工具が取り付けられている超音波ハンドピースを図示している斜視図である。
【図２】図１の工具の斜視図である。
【図３】図２の工具の軸方向断面図である。
【図４】図２の工具の先端部の拡大斜視図である。
【図５Ａ】図２の工具の正面図であって、チップは省略されている。
【図５Ｂ】図５Ａの軸部の変化した図である。
【図６】本発明に係る工具の第２の実施形態における斜視図である。
【図７】図６の工具の軸方向断面図である。
【図８】図６の工具の先端部の拡大斜視図である。
【図９Ａ】仕上げ要素（ＦＥ）解析の手段により得られた線図であって、圧縮サイクルの間の、図２の工具の動的挙動を図示している。
【図９Ｂ】仕上げ要素（ＦＥ）解析の手段により得られた線図であって、伸長サイクルの間の、図２の工具の動的挙動を図示している。
【図１０】振動サイクルの間の、図２の工具のｘ−ｙ面における揺動運動を図示したグラフである。
【図１１Ａ】図９Ａと同様の線図であるが、図６の挿入物の動的挙動を図示している。
【図１１Ｂ】図９Ｂと同様の線図であるが、図６の挿入物の動的挙動を図示している。
【図１２Ａ】図６の工具の構造の動的挙動を図示した線図であり、仕上げ要素（ＦＥ）解析の手段によって得られたものである。
【図１２Ｂ】図６の工具の構造の動的挙動を図示した線図であり、実験的解析（ＥＭＡ）の手段によって得られたものである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【国際調査報告】
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