CN101406406A - 手术装置中的杆连接布置以及包括该杆连接布置的杆状骨头稳定装置 - Google Patents

手术装置中的杆连接布置以及包括该杆连接布置的杆状骨头稳定装置 Download PDF

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Abstract

一种杆连接布置(1)，其用于将手术装置(16、51)中的杆部件(2、2a、67)固定于杆接收构件(4、20、59)的孔(6、6a、73)中，包括：所述杆接收构件，该杆接收构件的所述孔具有内径；所述杆部件，该杆部件具有外径，所述杆部件被导入所述孔中；其特征在于，所述孔的所述内径和所述杆部件的所述外径选择成使得所述杆部件被压配合到所述杆接收构件的所述孔中；并且所述孔具有与所述杆部件的外壁面(9、77)相对的内壁面(8、75)，所述内壁面或所述外壁面设置有至少一个凹部(12、71)以减小所述杆部件和所述杆接收构件之间的接触面的面积；以及包括该杆连接布置的杆状骨头稳定装置。

Description

手术装置中的杆连接布置以及包括该杆连接布置的杆状骨头稳定装置
技术领域
本发明涉及一种设置在手术装置中的杆连接布置。该杆连接布置包括具有孔的杆接收构件以及被导入该孔中的杆部件。孔的内径和杆的外径进行选择，使得杆部件被压配合到该孔中，以获得两部件之间可靠的压配合或者过盈配合连接。
背景技术
手术装置可能由若干部件组成，根据应用场合，这些部件或者在制造商组装相应的装置时彼此附连，或者在手术时彼此附连。因此，必须在这些部件之间提供连接；当该连接反映组件之间的刚性或者固定的连接时，该连接例如确保装置在应变、弯曲应力以及扭转应力方面有预定程度的可靠性。
在临床手术中，被选择用作手术装置的不同部件的材料可以是生物相容性金属，例如钛或镍钛诺(Nitinol)、镍-钛合金或者合成材料，例如可选地经过碳纤维增强的PEEK(聚醚醚酮)。部件之间的连接类型通常也取决于所涉及的材料。
例如，对于两部件由金属制成的情形，可以通过在一个部件(杆接收构件)上设置孔，并将另一个部件的杆状构件压配合入该孔中(杆状构件与该孔过盈配合)来建立连接。换句话说，在未组装的状态下，杆状构件(杆部件)的外径大于该孔的内径。
根据所涉及的材料，更具体而言是根据相应的摩擦系数，选择对应的过盈量。过盈量还要选择成使得无论是在对应直径的公差区间的最大值和最小值的情况下均可维持可靠的连接。
在临床手术的各种应用场合中，一直存在提供如下部件的要求，即：所述部件具有减小的尺寸同时能维持其在外力传递(外力传递也作用于在装置中建立的连接)方面的可靠性。
关于上述的压配合连接，可以看到的是，随着孔和杆的直径的减少，正负5μm的最小公差对连接设计的影响增加。因此，随着直径的尺寸减小，相对的过盈量增加。
结果，容易得到这样一种临床手术中的杆连接布置：其可能需要相当大的轴向力来组装部件。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的杆连接布置，其克服了例如如上所述的缺陷。更具体而言，本发明的目的是提供一种可靠的杆连接布置，其允许通过适中的轴向力将杆插入孔中。
这些和其他目的通过包括如权利要求1所述特征的手术装置中的杆连接布置来实现。根据所附权利要求，其他有利的方面以及实施方式将变得明显。
根据一个方面，杆接收构件具有孔，待插入孔中的杆部件实现压配合的杆连接布置，其中，所述孔具有内表面，杆部件具有外表面。在内壁面或外壁面上形成有凹部，从而使得杆部件与杆接收构件的孔之间的接触面的面积减小。
相应地，两壁面之间的摩擦力也减小。这样便于在组装时将杆部件插入孔中。同时，可以保留在考虑弯矩的情况下可靠地支撑杆部件所必需的孔的长度。
设置在内壁面中的凹部可以在孔内形成为均匀分布的图案。在一个特定实施方式中，凹部设置成孔内的内螺纹。不过，需要注意的是，根据本发明，可以使用任意类型的、适于有效减小接触面面积的一个或多个凹部。
在一替换实施方式中，凹部可以设置在杆部件的外壁面上，例如设置成均匀分布的图案，更具体地设置成外螺纹。
不过，需要注意的是，内螺纹并非用来与杆部件的对应外螺纹啮合，相应地本发明并未有限制。螺纹的优点在于其可以以可控方式很容易地制造。进而，不用费太大力气就可以控制表面接触面积的减小量。
该杆连接布置能够有利地与临床手术中常用的金属结合使用。这些金属(例如钛或钛合金尤其是镍钛诺)具有低的热膨胀系数，同时还承受部件之间由于高的压力以及相对运动而产生的磨损。
该杆连接布置能够用在用于连接两个或多个骨头固定件的骨头稳定装置中，其中骨头稳定装置由于柔性部分的存在而具有动态特性。该柔性部分在第一部分和第二部分之间延伸，而第一部分和第二部分提供与骨头固定件例如接骨螺钉的连接。
根据本发明该方面的杆连接布置的杆接收构件刚性地固定到第一部分，而对应的杆部件穿过该柔性部分向着第二部分延伸，在第二部分处，杆部件借助其自由端以可滑动方式支撑。杆部件用来稳定该装置以对抗弯曲，并且有效地将从外部施加的弯矩经由其在杆接收构件的孔中的固定端并且经由在其自由端处的导引支撑来进行传递。从而，孔的全长保持为能提供足够的支撑，同时凹部用来减少将杆部件插入孔中所需的力。
附图说明
参考结合附图所描述的本发明的具体实施方式，将能更好地理解本发明，附图中：
图1示出了根据现有技术的手术装置的杆连接布置的示意图；
图2示出了与图1类似的杆连接布置的示意图，但是其涉及本发明的方案；
图3示出了脊柱的图示；
图4以局部透视图的方式示出了包括根据第一实施方式的杆连接布置的骨头稳定装置；
图5A是图4装置的侧视图；
图5B是图4装置的剖视图；
图6示出了图5B所示装置的第一部分的局部放大图；
图7A示出了根据现有技术的杆连接布置的用于执行模拟的输入模型；
图7B是与图7A类似的视图，但是其涉及第一实施方式；
图8A示出了图7A中所示模型中的杆部件在插入过程中的剪应力的分布；
图8B是与图7B类似的视图，但是其涉及第一实施方式；
图9示出了具有根据本发明第二实施方式的杆连接布置的角度测量装置的透视图；
图10示出了该第二实施方式的杆连接布置的局部放大图，其包括作为杆接收构件的推杆以及固定于其中的作为杆部件的转轴；
图11A是图10的剖视图；
图11B是图10的侧视图；
图12示出了图10A的局部放大视图，其中转轴被压配合在推杆的孔内。
具体实施方式
图1中示出了根据现有技术的通常用在手术装置中的杆连接布置101的示意图。杆状构件102位于杆接收构件104的前方，杆接收构件104设置有孔106(参见图1的上部)。杆状构件102和孔106关于纵向轴线110轴对称。
孔106还具有内(圆柱形)壁面108，该内壁面是笔直的，即：该内壁面至少在被设计用来接收杆状构件102的区域内既没有突起，也没有设置凹部。杆状构件102具有外径，该外径略大于孔106的内径，以提供在两个构件之间产生可靠的压配合连接的过盈量。
因此，将杆状构件102插入孔106中需要沿纵向轴线110施加预定的力F1(图1的下部)。此时，力F1由高压力产生的摩擦力来平衡。
图2中示出了揭示本发明部分基本原理的杆连接布置1的对应示意图。可以与图1中所示装置的杆状构件102类似的杆状构件2插入杆接收构件4的孔6中(图2的上部)。两构件选用的材料与图1的实例所用材料相同。
不过，与图1中不同，孔6设置凹部，或者更具体而言设置公制螺纹12，所述公制螺纹12形成于孔6的内壁面8上。孔6的孔径或者说内径可以与图1所示的类似。考虑杆状构件2的外径与构件102的外径相同，需要预定的插入力F2来将杆状构件2安装到孔6中。
根据图2中所示的杆连接布置1，由于形成于内壁面8中的公制螺纹的存在，插入力F2小于插入力F1。公制螺纹12减少了杆状构件2的外壁面9与杆接收构件4的内壁面8之间的接触面的面积。结果，对抗插入力F2的摩擦力也减小。
下面将更详细地描述根据本发明的手术装置的两个更具体的实施方式。不过，对于本领域技术人员而言显见的是，在不脱离如所附权利要求所限定的范围的情况下，这里所提到的杆连接布置可以应用于各种其他的手术装置，并产生类似的效果。
首先参考图3-8详细描述涉及骨头稳定装置的第一实施方式。图3示出了解剖状态脊柱的下部，其结合有各种定位的骨头固定件14a-14f。所述骨头固定件包括：骨头锚固件，例如接骨螺钉；以及接收部件，其用于接收并固定例如该接骨螺钉的头部。所述骨头固定件14a-14f中的每一个均锚固到胸脊柱或腰脊柱的一块椎骨中。
骨头稳定装置可以包括连接所述骨头固定件14a-14f中的至少两个的杆装置16(图3中未示出)。如图4、5A和5B的局部视图所示，该杆包括第一部分20、第二部分22以及在第一部分20和第二部分22之间延伸的柔性部分24。需要注意的是，出于示例性的目的，第一部分20和第二部分22分别在右端和左端处切断。骨头固定件14a-14f根据解剖学原理以及杆装置16的最小连接长度来进行布置。杆插入到骨头固定件中，并且通过将定位螺丝紧固到刚性的第一部分20和第二部分22上而实现固定。
柔性件24、第一部分20、第二部分22优选地由钛、钛合金或其他的生物相容性金属材料制成。该柔性件包括其中形成有螺旋凹部26的圆筒形管。由于凹部26，柔性件24的纵向部分的形状类似于螺旋弹簧。柔性件24可以用作沿轴向方向的减震装置。
从图3中可以看到，两个相邻的骨头固定件之间的相互距离从位于较高的胸部中的骨头固定件14a和14b之间的25mm-30mm向着位于较低的腰部中的相应的骨头固定件14e和14f(其稳定L5-S1)之间的10-15mm减少。因此，当考虑到较低的腰部时，更强烈地要求减小杆装置16及其部件的尺寸。
在图5B所示出的杆装置16的剖视图中，示出了杆状构件2a从第一部分20穿过弹簧状的柔性部分24的内部空间向着第二部分22延伸。该杆状构件2a可以由镍钛诺丝来实现。杆状构件2a用来稳定杆装置16以对抗弯曲力，从而允许一定程度的弯曲弹性。附图标记23表示中空空间。
图5B中的杆状构件2a的右端(固定端)压配合到第一部分20的孔6a中，第一部分20用作根据本发明的杆接收构件，其与图2中的构件4类似。
杆状构件2a的左端(自由端)以可滑动方式支撑于例如由碳增强聚醚醚酮(PEEK)制成的滑动构件28中。相应地，当柔性部分24由于外部冲击而缩短或者变长时，镍钛诺丝在其自由端处可以沿轴向自由地运动。
再返回来说一下杆状构件2a的固定的右端，通过将杆状构件2a的该端压配合到形成于第一部分20的孔6a中，建立起对应的杆连接布置。这里，在该孔的内壁面8上形成有螺纹12，其可选地可以是公制螺纹。相反地，杆状构件2a具有平滑的外壁面9，即，外壁面9上没有形成螺纹。图6中示出了该螺纹孔6a的局部放大图。
如上参考图2所述地，在维持稳定和弯曲特性的同时，减小了插入杆状构件所需的力。考虑到减小的装置尺寸：上述的镍钛诺丝(杆状构件2a)可能具有4mm或更少、更优选地3mm或更少的直径，这一点是尤为重要的。根据一个特定的实施方式，镍钛诺丝甚至可以具有小于或等于2mm的直径。
在小直径的情况下，使用钛或钛合金来制造两个构件2a和20(或者图2中的构件4)的通常做法将会对连接的可制造性带来严重的制约。钛具有大约9·10-6/K的低的热膨胀系数(与之对比地，例如，铝的热膨胀系数为24·10-6/K)。当接收构件被加热例如升高200℃以使其原为2mm的直径膨胀时，可以增加大约3.6μm。而另一方面，如上所述，借助分别用来制造孔和杆的直径的改进的加工机器，可以实现5μm的公差区间或者公差带。这样，因为温度差不能再进一步增加，因此将需要大的插入力F1以实现连接。
不过，根据该实施方式，与杆状构件2a的平滑表面相对的螺纹12帮助减小摩擦力，这一点从示于图7A、图7B和图8A、图8B中的模型仿真可以看到。
图7A示出了用于模拟根据现有技术的杆连接布置10(无螺纹)的输入模型。图7B示出了图5B的骨头稳定装置(杆装置16)的杆连接布置1(即带公制螺纹12)的对应模型。杆接收构件4(第一部分20)和杆接收构件104分别具有1.75mm的壁厚以及5.5mm的外径。其管的长度为6mm。杆接收构件20(4)、104由钛合金形成。杆状构件是镍钛诺丝，直径为2mm，具有0.020mm的过盈量。摩擦系数μ为0.3。
图8A和图8B示出了应力结果。尽管螺纹的齿状螺旋突起显示有较大的局部应力，但是与没有螺纹的情形(即图8A)相比较，具有公制螺纹的杆连接布置1具有整体上适中的应力分布。计算得到的、根据现有技术的杆连接布置101的插入力F1＝5.370N，而根据第一实施方式的杆连接布置1的插入力F2＝2.120N。
下面将参考图9至图12来解释第二实施方式。图9示出了用于临床手术应用场合的角度测量装置51。可以借助未示出的致动器沿着主体壳53的纵向方向手动推压移位件57。根据移位件57的移位位置，获得板状构件61、63的打开角度。这里，板状构件绕着保持于支撑臂66上的轴的轴线65枢转。
移位件的移位位置通过连接构件59转变成板状构件61、63的枢转运动。连接构件59具有轴孔69，安装到移位件57上的轴(图9中未示出)延伸穿过该轴孔69，从而使得连接构件59相对于所述轴能够转动。
进一步地，如图10、11A和11B所示，连接构件59具有孔73，另一轴67延伸穿过该孔73。轴67以预定的过盈量被压配合到孔73中，以提供与连接构件59的刚性的杆连接布置1。在孔73的内壁面75上设置有公制螺纹71(参见图12的局部放大图)。轴67具有平滑的外壁面77。轴67在孔73的两侧上从孔73突出以与板状构件61的对应孔接合。从而，轴67相对于板状构件61能够转动。
需要注意的是，根据图2所示原理的杆接收构件4对应于该实施方式中的连接件59，而图2中的杆状构件2就其功能而言对应于该实施方式中的轴67。
还需要注意的是，本发明的范围还包括这样的实施方式：其中，在杆状构件的外壁面上形成至少一个凹部。更具体地，外壁面上的所述凹部可以具有与上述实施方式相类似的形状，例如，具有外螺纹图案或规则的图案等等。

Claims (13)

1.一种杆连接布置(1)，其用于将手术装置(16、51)中的杆部件(2、2a、67)固定于杆接收构件(4、20、59)的孔(6、6a、73)中，包括：
所述杆接收构件(4、20、59)，该杆接收构件的所述孔(6、6a、73)具有内径；
所述杆部件(2、2a、67)，该杆部件具有外径，所述杆部件被导入所述孔(6、6a、73)中；
其特征在于，所述孔的所述内径和所述杆部件的所述外径选择成使得所述杆部件(2、2a、67)被压配合到所述杆接收构件(4、20、59)的所述孔中；并且
所述孔(6、6a、73)具有与所述杆部件(2、2a、67)的外壁面(9、77)相对的内壁面(8、75)，所述内壁面或所述外壁面设置有至少一个凹部(12、71)以减小所述杆部件(2、2a、67)和所述杆接收构件(4、20、59)之间的接触面的面积。
2.如权利要求1所述的杆连接布置(1)，其中：
所述杆部件(2、2a、67)和所述杆接收构件(4、20、59)均由金属形成。
3.如权利要求2所述的杆连接布置(1)，其中：
所述杆部件和/或所述杆接收构件均包括钛或钛合金。
4.如权利要求2所述的杆连接布置(1)，其中：
所述杆接收构件由钛或钛合金形成，并且所述杆部件由镍钛诺形成。
5.如权利要求1或2所述的杆连接布置(1)，其中：
所述至少一个凹部(12、71)由形成于所述孔(6、6a、73)内的内壁面(8、75)上的内螺纹或者形成于所述外壁面(9、77)上的外螺纹提供。
6.如权利要求1至5中任一项所述的杆连接布置(1)，其中：
所述至少一个凹部(12、71)形成为使得所述杆接收构件(4、20、59)和位于所述孔内的所述杆部件(2、2a、67)之间的接触面的面积减小，并且与两者之间形状配合连接的情形相比，接触面的面积减小超过20％但不到80％。
7.如权利要求1至7中任一项所述的杆连接布置(1)，其中：
所述至少一个凹部在所述孔内形成规则的或均匀分布的图案。
8.如权利要求1至7中任一项所述的杆连接布置(1)，其中：
所述孔(6、6a、73)的内径为4mm或更小。
9.如权利要求8所述的杆连接布置(1)，其中：
所述孔(6、6a、73)的内径为3mm或更小。
10.如权利要求9所述的杆连接布置(1)，其中：
所述孔(6、6a、73)的内径为2mm或更小。
11.如权利要求1至10中任一项所述的杆连接布置(1)，其中：
所述孔具有纵向轴线，其中，所述杆接收构件和所述杆部件之间的接触面在所述纵向轴线的方向上延伸的长度超过4mm，优选为超过6mm。
12.一种杆状骨头稳定装置(16)，其用于连接两个或更多个骨头固定件(14a-14f)，包括：
第一部分(20)和第二部分(22)，其均能够连接至所述骨头固定件(14a-14f)中的一个；
柔性部分(24)，其在所述第一部分(20)和所述第二部分(22)之间延伸，并且为所述杆状骨头稳定装置(16)提供沿轴向方向的弹性；
根据权利要求1至11中任一项所述的杆连接布置(1)，其中，所述杆接收构件(4)固定至所述第一部分(20)或者由所述第一部分(20)提供；并且
所述杆部件(2a)的一端被压配合到所述杆接收构件(4、20)的所述孔(6a)中，并且所述杆部件(2a)穿过所述柔性部分(24)向着所述第二部分(22)延伸，其中，所述杆部件(2a)的自由的另一端以能够滑动的方式支撑，从而为所述杆状骨头稳定装置(16)提供弯曲弹性。
13.如权利要求12所述的杆状骨头稳定装置，其中：
所述第二部分(22)包括用于滑动导引所述杆部件(2a)的所述自由的另一端的滑动支撑构件(28)。
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