CN1009154B - 骨折内固定装置 - Google Patents

Abstract

一种骨折内固定装置，由最好三根凹槽形应力梁和两个张力环构成框架式结构，每一张力环上有至少一个扣栓结构和一个紧固装置使其可以分为两段，并可围绕骨干形成一个封闭环。应力梁凹槽边缘和张力环两边均有指向骨干的齿状结构，通过齿尖与骨干啮合实现牢固的内固定。齿尖的定向排列可实现依靠病人自重和肌收缩对骨折断面的自动加压。该装置适用于各种类型骨干骨折的牢固内固定。有利骨折断面的均匀愈合并增强其愈合的强度。

Description

本发明涉及一种骨折内固定装置，更具体地说，利用本发明的骨折内固定装置的框架式有齿固定结构，无须采用螺丝钉、钢板和一次性加压器械，即可实现良好的骨折内固定并在骨折愈合过程中实现依靠病人自身的体重和肌收缩力对骨折断端的自动加压。

在骨折治疗的临床实践中，采用钢板和螺丝钉对骨折进行加压内固定的治疗方式获得了普遍的应用。与采用石膏或夹板进行外固定的治疗方式相比，用钢板螺丝钉进行加压内固定可以获得良好的解剖对位，在早期阶段可达到稳定和可靠的固定作用，因而有利于病人早期起床活动和负重，这就避免了外固定所带来的废用性肌肉萎缩，关节强直等副作用。参见《内固定手册》M.E.米勒。M.阿高文，R.斯艾德。H.维廉艾哥，斯普林格出版社中文版，1983年，106-119页。或《骨折与关节损伤》，过邦辅等编译，上海科学技术出版社，1984，207-215页。

然而，常规的钢板螺丝钉加压内固定的治疗方法存在着很多不可避免的缺点。

1.固定过程中必须用螺丝钉穿透骨膜、骨皮质、骨髓腔和骨髓，这样的操作对已经发生骨折的骨组织进一步造成严重的损害，使骨的结构更加不完整，骨折断端的血液供应进一步被破坏。

2.经螺丝钉穿通后破坏了骨的受力结构，使螺丝钉附近的骨组织发生应力集中，这种不正常的应力分布影响了骨的生长和愈合。

3.从机械力学角度考虑，当两个或两个以上具有不同弹性模量的成分组成一个机械系统时，就会发生应力遮挡保护作用。当一个负载加于这种机械系统上时，具有较高弹性模量的成分就承担更多的负载，从而保护另一具有较低弹性模量的成分，使后者少承担或不承担负载。由于钢板螺丝钉的弹性模量大大超过骨的弹性模量，因此在受力过程中钢板对于骨组织就会发生应力遮挡保护作用，这种应力遮挡作用一方面可以保护骨折的固定，但另一方面，由于骨折端处的骨的骨外膜受不到应力的作用，骨外膜的成骨活性受到抑制，这就影响了骨的修复，并会由于缺乏应力而产生骨质疏松，使骨的强度明显减弱。

4.常规钢板螺丝钉的固定结构一般是在骨的一侧进行固定，相对于骨骼的正常状态来说这种固定结构是不对称的，因而使断骨在固定后受力也是不对称的，特别是在加压固定的过程中，钢板侧骨折断端所受的压力很大，而其对侧的压力则很小，甚至可变为有害的分离力（即张力），在用双侧钢板进行固定时并未完全解决这种固定结构的不对称性，但却造成以下所述的更为严重的压迫问题。

5.采用常规的钢板螺丝钉固定之后不可避免地造成了钢板本身对骨膜的压迫，这种压迫影响了骨膜的活性和骨的血液供应，并使受压迫的骨组织发生萎缩，临床上称之为“钢板源性骨质疏松”。

6.为了解决骨折断端压力不足的问题，临床上普遍采用加压内固定的方式，以保持复位后的断面上有足够的压力来促进断骨的修 复，但由于病人年龄，性别，职业，骨折部位等情况不同，临床医生很难掌握加压固定时压力的适当值，压力过大会造成断面上的骨坏死，过小又不利于刺激骨的生长，此外，即使在进行内固定时加压适当，随着断端的骨吸收，加压固定的压力也会进行性地下降，这成为钢板螺丝钉内固定难以解决的问题。

7.由于需要钻孔，上螺丝钉加压等操作，使钢板螺丝钉内固定的手术复杂，辅助工具多，对医生的要求也高，因而对病人的损害和代价都较大。

8.由于以上的原因会造成骨折愈合不良，再生骨的应力不均匀，去除钢板之后还有可能发生再骨折。

对以上问题的讨论，可参见柴本甫的文章“应力对骨及骨折愈合的影响-论坚硬内固定的一些缺点”，《生物力学》杂志，第一卷，第一期，1986年，6月。

针对常规的钢板螺丝钉加压内固定治疗方法存在的上述缺点，0024653A号欧洲专利申请中公开了一种不同的骨折内固定装置，该装置包括一个金属板，在板的两侧形成了多个指状突出部件，其端部有锐利的固定结构，通过将多个指状突出部件弯曲使其端部的固定结构嵌入骨皮质即可对骨折断端实现沿骨干长轴的多点箝夹固定。该装置的优点是避免了螺丝钉穿透骨干所造成的损伤，同时解决了由螺钉穿孔造成的应力集中，此外还避免了对骨和骨膜的压迫。但是，利用该装置仍存在以下的问题。

1.由金属板和锐利的固定结构对骨折断端的应力遮挡仍未解决。

2.相对于骨骼的正常状态来说，该装置的固定结构仍是不对称的，因而使骨折断面上的受力不均衡。

3.在进行内固定操作时以及其后骨折愈合过程中，断端压力不足的问题仍未解决，骨折断端仍会发生进行性的压力下降。

4.该装置的相对固定强度和稳定性要低于常规的钢板螺丝钉加压内固定方式。

对骨的生长和骨折愈合过程的生物力学研究表明，骨骼内部承受的各种应力在一定程度上决定了骨骼的形态结构，同时也决定了骨骼内部的结构排列。在整个生命过程中，骨骼始终进行着骨改建，这种改建与应力关系十分密切，在骨折情况下，骨组织的生长和骨折的修复必需有应力才能实现。

对骨的受力分析表明，正常情况下骨所承受的应力包括病人自身的重力和肌收缩力以及外部环境施加到人体的负重力，它们在骨上的作用可分为压力、张力、扭力、剪切力和弯曲力等多种形式，其中对骨的弯曲力又可分为受力一侧的压力和对侧的张力。

骨折内固定的目的是通过固定装置克服骨折部位可能承受的各种移位力，包括张力，扭力和剪切力，以保持骨折的解剖复位、伤骨的完整性和骨的修复。同时保证病人早期活动以防止伤肢的废用性肌萎缩和关节强直;除此之外，生物力学研究还表明，为了保证断骨的愈合，骨折断面上应有一个适当的压力来刺激骨组织的生长和修复。然而，由于个体差异，每个病人所需压力的适当值是不同的，但对任何人该适当值都应当是在正常情况下其自身体重和肌收缩力所能施加到骨骼上的力。因此，利用病人自身体重和肌收缩给骨折断面上加压将 是促进骨愈合的最佳加压方式。

本发明的一个目的是提供一种骨折内固定装置，它通过框架式结构实现骨折断端的均衡固定，以确保骨折段的解剖复位和断面上的应力均匀。

本发明的再一目的是提供一种骨折内固定装置，其框架结构由凹槽形部件构成以提高其固定强度，其凹面与骨干相对，凹面边缘有齿状结构，这样当齿尖与骨皮质牢固啮合的同时整个装置不会造成对骨膜的成片压迫。

本发明的再一个目的是提供一种骨折内固定装置，通过特别安排的齿尖方向可使病人依靠自身体重和肌收缩力对骨折断面施加压力以刺激骨组织生长，同时限制骨折断端的移位力，从而加速骨折愈合和功能恢复。

根据本发明的骨折内固定装置的特征如下：

多根应力梁（其优选方案为三根）每根应力梁的截面均为凹槽形以增强其抗弯强度并减轻重量，凹槽的两个边缘上纵向排列着突起的齿状结构，以便与骨皮质啮合;

至少两个张力环，它们分别横向固定在上述应力梁的两端并与其形成包绕骨折部位的框架结构，每一张力环分别包括至少一个可拆装的扣拴结构和一个可连接的紧固结构，打开这些结构可使张力环分为至少两段，将其扣拴连接后即可成为一个围绕骨干周径的整体，该张力环两边缘均有多个指向环形中央的齿状结构，用于同骨干啮合;和

至少两个紧固装置（例如用螺丝钉或螺钉加螺母，钢带或钢丝 等）它们分别通过上述每一张力环上的紧固结构使该张力环形成包绕骨干的封闭环，同时保持张力环以一定的张力固定在骨折断面每一侧的骨干上;

其中，在进行内固定时，上述多根应力梁的长轴方向与骨干的纵轴方向保持一致，各应力梁的凹面均面对骨干，各应力梁相对骨干外周呈大致对称的分布，上述至少两个张力环分别固定在各应力梁来两端以形成环绕骨折段的框架结构，通过紧固装置的作用，各应力梁和张力环边缘上的齿尖嵌入骨皮质表层，实现整个固定装置和骨干的牢固啮合。

根据本发明的骨折内固定装置进一步包括以下特征：

上述应力梁两边缘上的齿形大致为直角三角形，其中一条直角边垂直于应力梁的边缘，其斜边的指向称为齿的方向，延着应力梁两边缘纵向分布的齿的方向不同，以应力梁纵向的中部为对称点，可将应力梁分为上下两段，这两部分应力梁的齿尖方向均指向中部，形成沿纵向中点的对称分布。

本发明的骨折内固定装置在进行骨折治疗时具有以下优点：

1.该装置的框架结构对骨折的固定力大小适当，通过多个嵌入骨皮质的齿尖实现的固定力在骨干上分布均匀，因此由本发明的装置与骨折段共同构成的机械系统的稳定性高，其抗弯、抗扭和抗剪切力的强度大，自身重量轻，无须采用石膏夹板外固定。

2.对骨和骨膜的损伤小，不损伤骨髓和骨折段上残存的血液供应，手术操作简化，因而有利于断骨的愈合。

3解决了由常规的钢板螺丝钉加压内固定产生的应力集中和应力 遮挡的问题。改善了骨折段的应力分布，在治疗过程中通过病人的早期活动和功能训练，可利用病人自身的体重和肌收缩力实现对骨折断面的均匀加压，有利于刺激骨组织生长，加速骨修复过程。

4.利用本发明的装置进行内固定的过程中，随着时间推移，由于齿尖压迫处骨组织的少量吸收，该装置通过齿尖加至骨干的固定力会逐渐下降，但随着骨折的愈合，骨本身的强度增加，因而整个系统的稳定性并不下降，不会产生骨折段的移位。另一方面，装置的固定力下降却使骨折段所承受的应力增加，这样一个动态过程有利于刺激骨组织更快的生长和愈合，因而加快了骨的功能恢复。这种有益的动态过程是已有技术中不能实现的。

5.本发明的装置适用范围广，其框架结构和齿尖啮合的固定方式适合于各种复杂类型的骨折内固定。

6.本发明装置的框架结构对X线遮挡少，便于治疗过程中进行观察。

本发明上述的以及其它的目的、特征和优点将在以下结合附图进行实施方案详细描述中更加清楚地表现出来。

图1示出利用本发明的骨科内固定装置的第一实施方案进行内固定的透视图。

图2是图1所示装置的俯视图。

图3A-3B示出图1中装置的一部分。

图4A-4C示出图1中装置的另一部分。

图5A-5B示出应力梁的齿状结构。

图6示出本发明的另一个实施方案的展开示意图。

图7示出图6所示实施方案的局部俯视图。

图8示出应力梁的另一实施方案。

参见图1，所示为本发明的骨科内固定装置的第一个实施方案的透视图。图1中，参考号1表示纵向的应力梁，每一装置可有多根应力梁，但较为优选的方案是三根应力梁，每根应力梁的结构是类似的。参考号2表示横向的张力环，每一装置应有至少两个张力环，它们分别固定在各应力梁的两端，张力环2围绕断骨4形成闭封的环，这样应力梁1和张力环2即形成一个包括骨折段的框架结构，以此形成对骨折段的内固定。参考号3为紧固装置，每一个张力环2通过紧固装置3的作用而以足够大的张力牢固的环绕在骨干上，由此实现了牢固的内固定。显而易见，该装置的应力梁决不限于三根，张力环也不限于两个，根据临床实际需要可对该结构进行调整，以达到所需的牢固的固定。此外，图1中所示的紧固装置为螺钉和螺母，但实际应用时也可采用钢丝、钢带、铆钉或类似的装置。参考号21表示张力环2上的开孔，张力环的两端上都有开孔，在手术过程中操作者可利用手术器械通过该开孔勒紧张力环。

参照图2，所示为图1中内固定装置的俯视图。图2示出张力环2的连接方式和详细结构，通过局部剖视可以看出开孔21的位置。参考号22为张力环2边缘上的齿，当张力环2勒紧之后，这些齿22刺入骨皮质表面，形成与骨干4的牢固啮合，参考号23示出张力环两端的紧固结构，紧固装置3通过该结构将张力环勒紧。参考号24为张力环上的扣拴结构，它是由一个挂勾和一个扣孔组成，该结构便于将整个内固定装置安装在骨折段上或在骨折愈合后将该内固定 装置取下。显而易见，该扣拴结构可由任何可拆卸结构来代替，如枢轴结构或卡扣结构，在此不一一赘述，为了便于装卸该内固定装置，张力环2上应至少包括一个可拆装的扣拴结构，当然，多个类似的结构可使张力环装卸更加灵活。

图3A示出图1和图2所示内固定装置拆开后一个部分的详细结构，其中，张力环2的上下两边缘上分别有齿22和25。应力梁1的两个边缘上也分别有齿，这些齿按应力梁的纵向分为上部齿11和下部齿12，上部齿11的方向下，下部齿的方向朝上，其具体结构可参见图5。图3B为图3A的俯视图，示出其弧形结构。

图4A示出图1和图2所示内固定装置拆开后另一部分的详细结构，其中扣拴结构24′正好与图3A中的结构24相连接，形成可拆装的连接结构，其它各部分的结构，功能和标号均与图3A所示相似，不再一一赘述。图4B示出图4A的俯视图。图4C示出图4A中链状线A-A的截面图，从图4C中可以清楚地看出齿25有一个向下倾斜的方向，这种结构与应力梁1上的齿11和12的方向性相配合有利于对骨折断面进行加压。

图5A示出应力梁1上齿的详细结构。上部齿11和下部齿12的齿形均为近似于直角三角形，其一条直角边与梁的边缘垂直，斜边的方向称为齿的方向，如图5A所示，所有齿的方向均指向应力梁的中央的部位，也就是进行内固定时骨折线所在的部位，利用这种指向中央的齿形结构有利于在内固定时使上下两个骨折断面相互靠扰，以此形成利用病人自重和肌收缩力对骨折断面的自动加压。图5B示出应力梁1的截面图，图中所示的槽形结构使应力梁的抗弯强度增大， 自身重量减轻，同时还可避免对骨和骨膜的大面积压迫。当然，为了相同的目的也可采用其它凹形结构，如U形、V形、半圆形等等。

图6示出本发明的骨折内固定装置的另一实施方案的展开示意图。在图6中，三个应力梁1均由结构相同的三个I形部件构成，该部件的中段与图1-5中所示的应力梁结构相同，其两端形成了具有挂勾24的连接结构，用于同张力部件2连接。在图6中，该内固定装置的每一张力环是由四个弧形张力部件2和2′分别与三个应力梁的端部连接结构相互连接而成，端部的张力部件2′上有紧固孔21，在手术过程中操作者可利用手术器械通过张力带两端的紧固孔将张力环在骨干上勒紧。在每一部分2′上还有紧固结构23，当张力环在骨干上勒紧之后用钢丝或钢带穿过该紧固结构将张力环的两端固定在一起以形成一个封闭的环。图7示出了图6所示实施方案的局部俯视图，其中两个张力部件2分别通过可拆装扣拴结构24与应力梁1的端部连接结构相连。每一张力部件2的弧度和长度可以不同，以便医务人员根据病人骨干周径选择合适尺寸的张力部件。这就特别适合于固定两端周径不相等的骨折部位（临床称之为异形骨的骨折）。图8示出了应力梁1的另一实施方案，其中所示的固定齿是排列在一个弧形的边缘上，这一结构同样是为了固定异形骨折部位，利用图6-8所示的实施方案，通过采用形状和尺寸不相同的部件进行组合构成不同的内固定装置，即可适用临床上各种不同病人和/或不同部位骨折内固定的不同需要。此外，可在应力梁和张力部件上不受力的部位（例如其中央部位）开孔或开槽，以些减轻部件的重量，并有利于建立组织间的微循环同时便于愈合过程中的X线观察。

本发明的骨科内固定装置可采用外科不锈钢，医用记忆合金或任何可用于制作人工骨的合成材料来制作，由于这些材料均为本领域人员所公知，在此不再予以说明。

通过以上结合附图对本发明的骨折内固定装置的不同实施方案进行详细说明之后，本领域的专业人员不难理解其优点。

首先，该装置与骨干的固定方式是通过张力环和应力梁上多个齿实现的，每个齿都刺入骨皮质表面，因此其固定牢固而固定力在骨折段上的分布也比较均匀。由于在固定区的任一截面上都是通过三个应力梁的齿尖固定，使其固定的稳定性很高，两端张力环上围绕骨干一周的齿进一步增加了骨折端抗扭曲的能力。应力梁的凹槽结构使其抗弯强度很大。因此，整个系统的抗弯，抗扭和抗剪切力的性能都很好。但是，当病人进行功能恢复训练时，由于应力梁上齿尖的排列方向和张力环内缘上齿尖的倾斜方向，病人自重力和肌收缩力的效果很容易作用到骨折断面上形成刺激骨生长和愈合的有益的断面压力。而这种产生于病人自身运动的压力值正好是骨生长所需要的最佳压力值的范围。因此，利用本发明的骨折内固定装置可以加速骨折的愈合，缩短病程，并有利于断骨迅速恢复其正常功能和强度。

不难理解，以上结合附图对本发明实施方案的说明仅仅在于帮助理解本发明，本领域内的专业人员很容易对其进行多种形式的改进，例如，应力梁并不限于三根，对于较小的骨干也可用两根，并可用钢丝构成张力环在应力梁上进行固定，而对大骨干，应力梁和张力环的数目都可相应地增加。

Claims (10)

1、一种骨折内固定装置，其特征在于：

多根应力梁，其横截面均为凹形，两个边缘上有纵向排列的齿状结构；

至少两个张力环，分别横向固定在上述应力梁的两端以形成一个框架结构，每个张力环至少包括一个可拆装的扣栓结构和一个可连接的紧固结构使其可以至少分为两段，张力环的两边缘上有指向环中央的齿状结构；和

至少两个紧固装置，用于通过上述张力环上的紧固结构将其封闭；

其中，在进行骨折内固定时上述多根应力梁的纵向与骨干纵轴一致，其凹面与骨干相对各应力梁相对骨干外周呈大致对称分布，上述两张力环分别环绕在骨折段两端并与各应力梁端部刚性连接，通过上述紧固装置的作用使各应力梁和张力环边缘的齿尖嵌入骨皮质表层，实现固定装置与骨的牢固啮合。

2、权利要求1所述的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

所述应力梁上的齿为直角三角形，其一条直角边与应力梁的边缘垂直，斜边方向称为齿的方向，所有齿的方向均指向应力梁的中部，进行内固定时该部位对应于骨折断面。

3、权利要求1所述的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

所述张力环内缘的齿状结构具有一个指向骨折断面的倾斜。

4、权利要求1所述的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

所述紧固装置可选自以下任何一种装置或它们的结合，包括：螺钉和螺母，紧固钢带，钢丝。

5、权利要求1所述的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

所述张力环上的紧固结构包括分别在张力环两端上的一对紧固孔，用于同上述紧固装置连接，另外还包括一对张力孔，以便于操作者利用手术器械通过该对张力孔勒紧张力环，以便安装上述紧固装置。

6、权利要求1所述的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

该装置的各部件均为外科不锈钢制成。

7、权利要求1所述的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

该装置的各部件均为医用记忆合金制成。

8、权利要求1所述的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

该装置的各部件均为适合于制作人工骨或人工关节的合成材料制成。

9、权利要求1-8中任意一项的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

所述应力梁的两端分别有两个扣栓结构;

所述张力环包括多个张力部件，每一部件的两端均有扣拴结构，以便与上述应力梁端部的扣拴结构相连接;

其中，在进行内固定时，每一张力环都是由应力梁端和它们之间连接的多个张力部件共同构成一个围绕骨干周径的环。

10、权利要求1-8中任意一项的骨折内固定装置，其进一步的特征为：

所述应力梁的齿状结构纵向排列在两个弧线形凸起的边缘上，以此适应对弯曲骨干的内固定。

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