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JPH05200036A - 形状記憶効果を有する外科針 - Google Patents

形状記憶効果を有する外科針

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JPH05200036A
JPH05200036A JP4250406A JP25040692A JPH05200036A JP H05200036 A JPH05200036 A JP H05200036A JP 4250406 A JP4250406 A JP 4250406A JP 25040692 A JP25040692 A JP 25040692A JP H05200036 A JPH05200036 A JP H05200036A
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needle
shape
surgical
cannula
alloy
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ウイリアム・シー・マツクジエイムズ
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ウオルター・マクレガー
Robert J Tannhauser
ロバート・ジエイ・タンハウザー
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 形状記憶合金を用いて外科針を製造する。 【構成】 この合金は、この針を長く伸びた管に通すこ
とが可能なように、長く伸びた形状に成形可能である低
温形態と、この針が弧を形成する高温形態とを有してい
る。この針は特に内視鏡外科で用いるに適合している。
湾曲形状を記憶させた針を直線状にし、そしてカニュー
レを通して外科部位に到達させる。次に、この外科部位
でそれを加熱すると、それが有する湾曲した形状に戻
る。それを、使用後カニューレを通して取り出す。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】本発明は、形状記憶を示す合金から製造
した外科針、並びに上記外科針の使用方法に関する。
【０００２】
【関連技術の説明】形状記憶は、この名前が意味するよ
うに、これらの金属を変形させた場合、単に加熱するこ
とでそれらが有する元の形状に戻ることができるところ
の、特定の金属の特徴を意味している。この「形状記憶
効果」を示す金属合金は、数十年に渡って知られてい
る。これらの材料に関する初期の用途は主に軍用であっ
たが、最近になって、これらの合金は種々の用途で用い
られてきており、これには医学用が含まれる。数多くの
合金が形状記憶効果を示すが、ＮｉＴｉ合金（ニチノー
ル（Nitinol）合金と呼ばれる）が最も高い利用度を有
することが見いだされた。約５０（原子）％がＮｉであ
りそして５０％がチタンである合金が特に広く用いられ
ている。
【０００３】1979年10月16日に発行されたBaumgart他の
米国特許番号4,170,990には、形状記憶合金から製造し
た機械的連結要素を、生きた組織の中に移植した後、最
終的にその要素を取り出す方法を開示している。移植に
先立って、高温でこの要素に形状を記憶させ、次に冷却
した後、挿入するため変形させる。移植後、この要素を
特定温度以上に加熱することで、可塑的変形以前にそれ
が有していた形状を生じさせる。この要素を取り出すと
き、これを冷却することで、挿入のためそれに持たせた
形状に戻す。
【０００４】1984年1月17日に発行されたSimonの米国特
許番号4,425,908には、低温相では直線状でありそして
冷却したまま管もしくはカテーテルを通すことが可能で
あるところの、ニチノール血餅フィルターが開示されて
いる。これが体内の目的地（例えば大静脈）に到達した
とき、この要素は変態を生じそれの高温形態になり、そ
して記憶させたフィルター形状になる。
【０００５】1984年12月4日に発行されたKrummeの米国
特許番号4,485,816には、形状記憶外科ステープルが開
示されている。このステープルには、最初に、上昇させ
た温度で所望の閉じた形状が与えられている。次にこれ
を冷却すると変形して、開いた位置になる。その後、こ
の開いたステープルを適当な位置に置くと、その結果と
してそれが組織の部分の間で広がり、その組織の部分と
接触して互いに連結する。このステープルを加熱する
と、これは記憶させた（閉じた）形状になり、その結
果、その組織を貫通して連結する。
【０００６】1990年5月22日に発行されたStice他の米国
特許番号4,926,860は、形状記憶合金に固有の「超弾
性」の利点を用いた関節鏡機器の使用を開示している。
超弾性（または「擬弾性」）は、実質的な変形の後、荷
重を取り除いたとき、それらが有する元の形状に戻る形
状記憶合金の特性を説明するものである。上記機器使用
には、湾曲した内腔を有するカニューレおよび柔軟な形
状記憶合金プローブが含まれる。この湾曲したカニュー
レを、その遠方末端を手術部位に隣接させるように体の
中に挿入する。このプローブには、オーステナイト形態
もしくは冷処理したマルテンサイト形態で、直線形状が
与えられている。上記カニューレを通したとき、このプ
ローブは弾性的に曲がるが、それが該遠方末端から出た
とき直線形状になる。この機器使用により、直線状のプ
ローブを、それを用いないではこのプローブを近付ける
ことができない遠隔手術部位に到達させる、ことが可能
になる。このプローブには、針の基部末端と向かい合う
縫合糸末端に取り付けた１対のＳＭＥ針が備わっていて
もよい。同様な技術が、1991年1月15日に発行されたSti
ceの米国特許番号4,984,581に開示されている。
【０００７】1991年3月26日に発行されたPyka他の米国
特許番号5,002,563には、形状記憶合金を用いた縫合糸
が開示されている。これらの縫合糸には、上昇させた温
度でループ状に成る形状が与えられており、そしてそれ
を冷却すると変形して（直線状になって）、組織への挿
入が容易になる。縫合糸を適当な場所に置いた後、これ
を加熱するかさもなければ変形させて、それが有する高
温（ループ）の形状を生じさせる。この縫合糸は一般に
挿入用針に取り付けられているが、これは二者択一的
に、その先を鋭角にすることで針の使用を回避してもよ
い。この技術は、この合金の先を鋭角にして、それが有
する低温形態で組織を貫通させることを前提条件として
いる。
【０００８】
【発明の要約】本発明に従い、１番目の低温形態と２番
目の高温形態とを有する形状記憶合金で針が構成されて
おり、そしてこの針は、（ａ）その低温形態では、長く
伸びた管に通すことが可能であるように、長く伸びた形
状に成形可能であり、そして（ｂ）その高温形態では、
（ｉ）予め決定した弧を生じ、そして（ｉｉ）外科針と
しての使用に適切である。
【０００９】この針は特に内視鏡および他の外科操作で
用いるに適合しており、ここで、狭い内腔を有するカニ
ューレ［これは、外科部位で必要とされているか或は望
まれている種類の、通常は湾曲している硬質針を通さな
い］を通して要素を外科部位に到達させる。
【００１０】このような操作で用いるための、湾曲した
針を患者の外科部位に導入する方法は、（ａ）患者にカ
ニューレを挿入することで、その患者の外側から外科部
位に近付くことを可能にし、（ｂ）上昇した温度で弧状
に成形され且つ焼き戻され、１番目の低温形態で長く伸
びた形状に成形される記憶合金針を準備し、（ｃ）この
長く伸びた針をカニューレに通し、そして（ｄ）この針
を、この合金が２番目の高温形態に変わる温度に加熱
し、それによってこの針を弧状に戻す、段階から成る。
【００１１】本明細書および添付請求の範囲における便
利さのため、我々は、湾曲した針を弧状にあるとして表
すが、この針は明らかにいかなる所望の「記憶させた」
形状であってもよい。
【００１２】
【発明の詳細な記述】近年、病院および医学コストの急
速な上昇を制御することに対して多大な注意が払われて
いる。外科分野において、侵入性の低い操作を用いる
と、コストが軽減できるばかりでなく、患者の外傷を少
なくしそして回復を速める可能性がある。外科操作の侵
入性を低下させる目的で最近開発された技術は、内視鏡
手術である。
【００１３】内視鏡手術は、内視鏡、即ち外科医が体の
いかなる腔部でも可視的に検査することを可能にする装
置、の使用を伴う。体の腔部を保護している柔らかい組
織に穴を開けた後、上記内視鏡を、通常カニューレと呼
ばれている管に挿入する。この穴は、トロカール（これ
は先端が鋭角な装置である）を用いて作られる。このト
ロカールには、栓子、即ちトロカールのカニューレの中
を滑る切断用装置、が備わっている。最初に、この栓子
が組織の中に、大きさがカニューレの内径とほぼ等しい
穴を開ける。次に、この栓子をカニューレから引き抜
く。しばしば、行うべき操作に従って、この方法では２
本以上のカニューレが挿入される。各々のカニューレ
は、１種以上の機能、例えば照明、可視化、外科器具の
導入などのための、外科部位への通路を与える。その
後、外科医は、上記カニューレを通すに適合させるよう
に設計した装置を用いて、その外科部位における診断お
よび治療操作を行うことができる。
【００１４】患者の外傷を最小限にする点で、患者に挿
入するカニューレの数および直径両方を最小限にするこ
とが明らかに望ましい。この操作が手術を伴う場合、一
般に、その外科部位で組織を結合させる必要がある。こ
のような要求が問題を生じさせる。好ましい外科針は、
弧状［これは典型的には、円の１／４〜５／８の範囲
（即ち内角が約９０度〜２２５度の範囲にある弧）であ
る］のものであるため、この好適な外科針を、外科部位
にとって好適な（即ち細い）カニューレに通すことは不
可能である。
【００１５】ここに、該形状記憶効果（ＳＭＥ）が上記
問題の解決に対するルートを与えることを見い出した。
このＳＭＥの基盤は、特定の合金に生じる相変化、即ち
形状記憶合金（ＳＭＡ）であり、ここで、これらが有す
る特徴的な変態温度を通して冷却もしくは加熱する。最
もよく知られているＳＭＡは、それの変態温度（ＴＴ
Ｒ）以上での、整然とした立方形の結晶形態から、ＴＴ
Ｒ以下の単斜結晶相へ相変化するところの、ＮｉＴｉ
（ニチノール）合金である。この変態は、高温の「オー
ステナイト形態」と低温の「マルテンサイト形態」との
間のマルテンサイト変態として知られている。この変態
は、与えられたアニール化状態に在る一定の合金組成に
関し、予測可能でありそして繰り返し可能な温度で生じ
る。１つの相に在る合金が、もう一方の相が熱力学的に
より安定であるような温度に到達したとき、上記変態が
生じる。この変化は、拡散機構ではなく上記のずれ運動
によって生じるため、この変態は実際上瞬時に生じる。
【００１６】この相変態が生じる単一ＴＴＲを言及する
のが便利であることを特記する。より詳細には、合金
は、ＴＴＲを通して冷却すると狭い温度範囲でマルテン
サイトになり、そしてそれをＴＴＲを通して加熱する
と、狭くそして若干高い温度範囲でオーステナイトにな
る。
【００１７】この挙動を説明する曲線（ヒステリシス曲
線）を図１に示す。この合金を加熱すると直ちに、高温
のオーステナイト相への変態がＡsで始まりそしてＡfで
完結する。引き続いて冷却すると直ちに、この合金は、
Ｍsでマルテンサイト変態が始まりそしてＭfでそれが完
結する。この合金の中に記憶させた形状を生じさせるた
めには、これを所望の型に閉じ込めた後、これをＡfよ
り充分に高い温度に加熱することによって、この合金を
好みの形に仕立てる必要がある。
【００１８】ＳＭＡの挙動を調べるもう１つの方法は、
図１Ａの応力／歪み曲線を用いることである。原点
「０」で、その記憶させた形状に在りそしてマルテンサ
イト相に在る合金を用いて開始し、この合金を経路Ｏ−
Ａを通して変形させる。この変形が完結したら（即ち応
力を除去したら）、この合金は、曲線Ａ−Ｂに沿って若
干弛緩する。この合金をオーステナイト相に加熱する
と、これは曲線Ｂ−Ｃに沿って、それが有する元の（ほ
とんど同じ）形状に戻る。
【００１９】外科針のためのＳＭＡの使用は下記の通り
である。ＳＭＡから外科針を製造して、所望の「弧」形
状物を生じさせる。この明細書および添付請求の範囲で
用いる言葉「弧」は、一般に、湾曲した形状を意味して
いるが、外科針では、円の弧が最も通常に用いられてい
る形状である。この弧を、オーステナイト相で、Ａ
f（図１）よりも充分に高い温度に維持する。その後、
この針をＭf以下に冷却することで、マルテンサイト相
への変態を生じさせる。マルテンサイト相に在る間、こ
の針は、カニューレを通過し得るに必要な程度まで変形
する（即ち直線状になる）。
【００２０】図２は、針保持装置１６の中に保持されて
いると同時に、カニューレ１４に通した縫合糸１２を取
り付けたところの、変形した針１０を示している。この
針をＡs未満の温度に保ちながら、これをカニューレに
通す。
【００２１】図３は、栓子を引き抜くときの、カニュー
レ１４の適当な位置に取り付けたトロカール１８を示し
ている。針保持装置１６の中に保持されている針１０
は、体内の外科部位に在る。体壁（皮膚）を図式的に断
面図２０で示す。この針を外科部位に位置させた後、こ
れをヒーター２２でＡf以上に加熱する。例えば照射
光、レーザー、或は内視鏡手術で用いられているいずれ
かの種類の焼灼を用いて熱を与えることができる。この
針はオーステナイト相に変態して湾曲した形状に戻る。
図４に、ヒーター２２で加熱することによって生じる針
１０の形状変化を拡大図で示す。
【００２２】この針は、その機能を外科部位で果した
後、図５に示すように、カニューレを通して引き抜かれ
る。仮想図で、針１０がカニューレ１４に入ろうとして
いるところを示す。針１０がカニューレ１４を通して引
き出される時、これは実線で示すように変形する。縫合
糸１２は、簡潔さのため、非常に短く切断されているよ
うに示したが、典型的には、縫合糸は針１０に取り付け
られておりそしてより長い状態で存在している。
【００２３】内視鏡で用いられている（そして図２、３
および５に示す）カニューレの内径は、典型的には５、
７または１０ｍｍである。外科部位で用いられる湾曲し
た針の最大横寸法、即ち図４の「ｈ」は、１２ｍｍの大
きさである。［真っすぐにした配置では、ｈ＝Ｒ−１／
２（４Ｒ2−Ｌ2）1/2（式中、Ｒは湾曲の半径であり、
そしてＬは、この湾曲した針の長さ寸法（即ち弦）であ
る）で示される］。もし外科医が、このような針を１０
ｍｍのカニューレに通そうとする場合、この針の先端お
よび／またはカニューレがひどく損傷を受けてしまうで
あろう。恐らくは更にひどく、この針が上記カニューレ
に突き刺さり、その結果として、カニューレを取り出す
か或は交換する必要が生じるであろう。
【００２４】もしｈがカニューレの内径よりも２、３倍
大きくても、その外科部位で湾曲したＳＭＥ針を、該カ
ニューレを通して引き出すことは可能である（図５に示
されているように）、何故ならば、堅いカニューレの壁
によって与えられた拘束に応じて、上記針が直線形に曲
がるからである。
【００２５】本発明の針で用いるＳＭＡの重要な特性
は、これらが充分な強度を有していることである。より
詳細には、これらは、それらの高温相でその強度を有し
ているべきである。［もし、この合金の強度が通常の針
材料（例えばステンレス鋼）のそれよりも若干のみ低い
場合、それを補う目的で、直径が若干大きい針を用いて
もよいが、実質的に大きい直径は望ましくない］。この
針の相変態特性に対して上記が与える制限は、図１を参
照にすることで理解されるであろう。
【００２６】この針は、外科部位で、Ａsの温度もしく
はそれ以下の温度から、Ａf以上の温度に加熱される。
この熱を取り除いたとき、この温度は約Ｍs以下に落ち
るべきでなく、さもなければ、この針が弱くなり過ぎて
しまう。従って、ＳＭＥ外科針に用いられる合金は、好
適には、正常な体温の近くの狭い範囲でその相変態を受
けるものである。実用上および医学的理由により、外科
部位でこの針を加熱することが可能な温度に制限がある
ため、この合金は、好適には約３５度以上でオーステナ
イトである（Ａf ３５℃）。貯蔵、輸送、或はカニュー
レへの挿入中、この針の温度がＡs以上に上昇するのは
望ましくなく、その場合、これは早期に湾曲してしま
う。この傾向は、冷蔵および／または狭い内腔を有する
堅い殻の中に針を保持することで、上記傾向を回避する
ことができるが、取り扱いの便利さのため、Ａsは好適
には約２５℃以上である。
【００２７】度合の大小に拘らず、ＳＭＥ外科針に適切
な種々のＳＭＡが見付け出された。好適な合金は、ニッ
ケルと、アルミニウム、コバルトおよびチタンの少なく
とも１つと、から成っており、これの低温形態はマルテ
ンサイトでありそして高温形態はオーステナイトであ
る。とりわけ、ニチノール合金であり、これらは主にニ
ッケルとチタン（一般に各々約５０％）であるが、これ
らはまた、少量の鉄を含有していてもよく、そしてニッ
ケル、チタンおよびコバルトの合金、並びに約６３％が
ニッケルで約３７％がアルミニウムである合金が含まれ
る。また適切なものは、鉄を基としておりそしてクロ
ム、ニッケル、マンガン、ケイ素およびコバルトの１種
以上を含有しているステンレス鋼合金である。特に好適
な合金組成物は、９％のクロム、最大で１０％のニッケ
ル、最大で１５％のマンガン、最大で７％のケイ素、を
含むもので、その残りは鉄である。
【００２８】本発明のＳＭＥ外科針は、外科針技術で公
知の全ての形態に製造することも可能である。例えば、
この針の遠方末端に、細くした先端、三角形の先端、或
はこの２つを組み合わせ先端、を持たせることができ
る。この針の長さ部分に渡って平らにした平面を持たせ
ることで、この針をつかむか或は方向付けするのを容易
にさせることも可能であり、そしてその基部末端に穴ま
たは溝を設けて、縫合糸の取り付けを容易にすることも
できる。
【００２９】
【実施例】実施例１ インビトロ 組成の５０％（原子）がニッケルでありそして５０％が
チタンの、直径が約１ｍｍのニチノール合金ワイヤー
を、ねじを設けた直径が１５ｍｍロッドの回りに巻き付
け、４２５℃で約５分間焼き戻した後、−７５℃に冷却
した。３５ｍｍの片に切断し、直線状にした後、先を細
くした。これらの針をペルビトレーナー（pelvitraine
r）の中に置いて、内視鏡外科部位を模擬し、そしてレ
ーザーもしくは焼灼で加熱することによってこれらを湾
曲させた。
【００３０】実施例２ インビボ 実施例１と同様にして調製した直線状の針を、Endopath
＊７ｍｍカニューレに通して、豚の手術部位に到達させ
た。これを照射光で加熱して曲げ、直径が約２３ｍｍの
半円ループにした。針保持装置を用いて、この針を、上
記カニューレを通して引き抜くことで、これを上記手術
部位から取り出した。
【００３１】本発明の特徴および態様は以下のとうりで
ある。
【００３２】１． １番目の低温形態と２番目の高温形
態とを有する形状記憶合金から成る針であり、そして
（ａ）その低温形態では、長く伸びた管に通すことが可
能であるように、長く伸びた形状に成形可能であり、そ
して（ｂ）その高温形態では、（ｉ）予め決定した弧を
生じ、そして（ｉｉ）外科針としての使用に適切であ
る、針。
【００３３】２． 該合金が、ニッケルと、アルミニウ
ム、コバルトおよびチタンから成る群から選択される１
種以上の金属と、から成り、そして低温形態がマルテン
サイトでありそして高温形態がオーステナイトである第
１項の針。
【００３４】３． 該合金が約２５℃未満の温度でマル
テンサイトでありそして約３５℃以上の温度でオーステ
ナイトである第２項の針。
【００３５】４． 該合金の組成の約５０％がニッケル
でありそして約５０％がチタンである第２項の針。
【００３６】５． 該合金が本質的にニッケル、チタン
および少量の鉄から成る第２項の針。 ６． 該合金が本質的にニッケル、チタンおよびコバル
トから成る第２項の針。 ７． 該合金の組成の約６３％がニッケルでありそして
約３７％がアルミニウムである第２項の針。
【００３７】８． 該合金が、Ｆｅと、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍ
ｎ、ＳｉおよびＣｏから成る群から選択される１種以上
の金属と、から成る第１項の針。
【００３８】９． （ａ）患者にカニューレを挿入する
ことで、その患者の外側から外科部位に近付くことを可
能にし、（ｂ）上昇した温度で弧状に成形され且つ焼き
戻され、１番目の低温形態で長く伸びた形状に成形され
る記憶合金針を準備し、（ｃ）この長く伸びた針をカニ
ューレに通し、そして（ｄ）この針を、この合金が２番
目の高温形態に変わる温度に加熱し、それによってこの
針を弧状に戻す、段階から成る、湾曲した針を患者の外
科部位に導入する方法。
【００３９】１０． 照射光を用いて該針を高温形態に
まで加熱する第９項の方法。
【００４０】１１． レーザーを用いて該針を高温形態
にまで加熱する第９項の方法。
【００４１】１２． 焼灼で該針を高温形態にまで加熱
する第９項の方法。
【００４２】１３． 該針を、該カニューレを通して取
り出すことを更に含む第９項の方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、形状記憶合金におけるマルテンサイト
変態に関するヒステリシス曲線を表す。Ａは、形状記憶
合金の変形および熱誘導回復に関する応力歪み曲線を表
す。
【図２】図２は、カニューレ断面中の本発明の針を表
す。
【図３】図３は、本発明の針およびそれを外科部位に配
置させるために用いる装置の透視図である。
【図４】図４は、ヒーターで湾曲させたときの本発明の
針の図式図である。
【図５】図５は、カニューレの断面を通して引き抜くと
きの本発明の針を表す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウオルター・マクレガー アメリカ合衆国ニユージヤージイ州08822 フレミントン・ホフマンロード104 (72)発明者 ロバート・ジエイ・タンハウザー アメリカ合衆国ニユージヤージイ州08854 ピスカタウエイ・ベイベリイクローズ54

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 １番目の低温形態と２番目の高温形態と
    を有する形状記憶合金から成る針であり、そして （ａ）その低温形態では、長く伸びた管に通すことが可
    能であるように、長く伸びた形状に成形可能であり、そ
    して （ｂ）その高温形態では、（ｉ）予め決定した弧を生
    じ、そして（ｉｉ）外科針としての使用に適切である、
    針。
  2. 【請求項２】（ａ）患者にカニューレを挿入すること
    で、その患者の外側から外科部位に近付くことを可能に
    し、 （ｂ）上昇した温度で弧状に成形され且つ焼き戻され、
    １番目の低温形態で長く伸びた形状に成形される記憶合
    金針を準備し、 （ｃ）この長く伸びた針をカニューレに通し、そして （ｄ）この針を、この合金が２番目の高温形態に変わる
    温度に加熱し、それによってこの針を弧状に戻す、段階
    から成る、湾曲した針を患者の外科部位に導入する方
    法。
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