CN108472047A - 用于准备表面置换髋关节植入物的股骨骨骼的旋转刀具 - Google Patents

Abstract

一种具有主体的旋转刀具，该主体包括至少一个部分，该至少一个部分包括至少一个切削装置，所述刀具由单个金属部件提供，该单个金属部件通过增材制造来制造。

Description

用于准备表面置换髋关节植入物的股骨骨骼的旋转刀具

背景

在髋关节表面置换手术中，保持股骨的头部并用带有与自然关节相似尺寸的球形支座的头部植入物来覆盖股骨的头部。股骨的头部用旋转刀具(rotary cutters)，并且有时用平锯切刀来成形，使得表面置换头部植入物的内部轮廓精确地贴合股骨骨骼。在粘结的头部植入物的情况下，骨骼被机械加工成尺寸稍小，因此植入物和骨骼之间有一均匀层的骨骼接合剂。对于多孔涂层(无接合剂)表面置换头部植入物的情况，需要小的过盈配合，使得头部植入物紧密配合在骨骼上，直到发生骨生长进入多孔表面以进一步加强固定。如果不存在过盈或存在较小过盈，则头部植入物最初可能不足够稳定，并且植入物可能失败。如果存在太多过盈，头部植入物将很难配合。因此，旋转刀具必须足够精确，以提供小间隙配合或更关键的小过盈配合。现有的表面置换头部植入物具有很大程度上为圆柱形的孔，其具有平坦的端部以及中间的倒角或拱顶侧。典型地，旋转刀具对应于这些形状，并且包括圆柱形刀具、平面刀具和倒角刀具以分阶段地使股骨的头部成形。但是，一些系统具有用于形成平坦平面切削的锯导引件，而一些系统具有用于对成形手术进行组合的刀具，例如组合的圆柱形刀具和倒角刀具或组合的倒角刀具和平面刀具。刀具在使用中通过预先放置在股骨骨骼中的中心导引杆以正确的角度和定向被导引。因此，旋转刀具包括切削端部特征部、配合在导引杆上的孔和用于附接到动力手术钻的标准驱动器特征部。一些还包括用于在使用中收集骨骼切屑的塑料附件。

现有的表面置换器械是可重复使用的，因此它们必须在使用前以及每一次使用之间进行清洁和消毒。清洁可能需要数天的时间，因此如果医院只有少量的髋臼铰刀，这可能降低患者可以被治疗的速度，因为外科医生在可以治疗下一位患者之前必须等待因清洁而待返回的铰刀。一般来说，可重复使用的器械给患者带来更高的感染风险，因为存在它们将未被彻底清洁或未正确消毒的可能。具有骨切削功能的器械在使用中会严重受到骨骼和组织碎片的污染，并且特别难以清洁。此外，由于锋利的切削刃，它们对于涉及操作和清洁的人员是危险的。除了再加工可重复使用刀具的风险和困难之外，它们在数次使用和清洁周期后也变钝，并且需要更换或磨锋利。由于其复杂性和对典型地在多个制造阶段中形成的锋利切削齿的需求，旋转刀具制造起来是昂贵的。此外，一套刀具包括许多与头部植入物尺寸范围相对应的尺寸变型，因此制造起来也是昂贵的，它们在手术室占用大量空间。由于上面所讨论的困难，再加工和维护成本也很高。

发明陈述

为了克服这些困难，本发明提出了一种单次使用的旋转刀具，其具有切削装置，切削装置由单个金属部件提供，单个金属部件通过增材制造(AM)来制造。

优点和描述

在本发明的一个实施方案中，提供了一种旋转刀具，其优选地被设计成用于在髋关节表面置换手术期间使股骨骨骼成形，该旋转刀具具有主体，主体包括至少一个部分，该至少一个部分包括至少一个切削装置，所述刀具由单个金属部件来提供，该单个金属部件通过增材制造来制造。

许多增材制造方法是本领域技术人员已知的。一种选择是使用直接金属激光烧结(DMLS)，以及另一种选择是电子束熔化(EBM)。刀具可以由任何合适的金属制成，例如钢(例如不锈钢)、钛或钴合金(例如钴铬合金)。

刀具通常将由具有远侧端部和近侧端部的大致圆柱形主体界定。为了便于描述，本文中将远侧端部称为在使用中远离外科医生定位的端部。换句话说，该端部将首先接近骨骼。该远侧端部通常包括大体上圆柱形的区域。圆柱体由刀具的壁来界定，并且将是内部中空的。圆柱体的直径(从外壁到外壁，或可选择地从内壁到内壁所测量的)将根据待切削的骨骼的尺寸来选择。圆柱形部分内的空间(中空部)将在刀具在骨骼上被推动时，容纳骨骼。

任选地，大体上圆柱形的区域可以包括一个或更多个孔口。这些孔口可用于允许骨碎片从刀具中排出。

刀具的主体将通常还包括用于将刀具固定到保持器(下面更详细地描述)的部分。再次，为了在本文中便于参考，所述固定部分被认为界定了刀具的近侧部分(即，它将是接近保持器/外科医生的部分)。

典型地，用于将所述刀具固定到保持器的部分的横截面具有比远侧圆柱形区域小的直径。在优选的实施方案中，存在将所述大体上圆柱形的远侧区域连接到所述近侧固定区域的锥形区域。

根据刀具的预期用途，可以存在放置在刀具上的不同位置上的各种齿的布置。

为了在股骨骨骼上执行圆柱形切削(cylindrical cut)，将存在周向地定位在主体的圆柱形区域的远侧端部处的切削齿。可以有任何数量的齿，但通常是将多于一个。例如，1、2、3、4、5、6、7、8个。优选地是8个。这些齿通常被设定轮廓使得当旋转刀具在骨骼上被推动时，延伸超过圆柱形部分的内直径的骨骼的任何部分被齿接合并被切除。通常，齿将具有与它们所形成的微小角度，以便实现有效的切削。

除了上面所描述的齿之外还可以具有另一种齿的布置，其中切削齿定位在刀具的主体的内表面上。

如果这些齿轴向地倾斜，例如定位在将圆柱形远侧部分与近侧固定部分连接一起的锥形区域的至少一部分上，则在使用中，它们将能够在刀具被推动以接合锥形区域处的骨骼时，在股骨骨骼上进行倒角切削(chamfered cut)。

再次，这些齿可以以适合于在骨骼中造成均匀切削的任何方式来设定轮廓。如同本文中所描述的任何切削齿一样，齿不需要由单个平坦的切削刃形成。相反，它们可以包含锯齿状物或诸如此类的，以影响有效的切削。此外，在具有多于一个倾斜切削齿(例如2、3、4、5、6、7、8，优选是4个)的旋转刀具中，则存在于每个齿上的任何锯齿状物可以相对于彼此偏移，使得不存在具有由于其落入由锯齿状物引起的间隙的路径而未适当地被切削的骨骼上的周向区域的可能性。

在需要刀具也能够在其平面上切削骨骼的情况下，刀具也将具有定位在刀具主体的内部使得它们大体上垂直于刀具的轴线定位的齿。在一些情况下，这些切削齿定位在其中的刀具主体的内部区域也可以形成固定部分的开始部分，其中刀具的固定装置从该平坦部分向近侧延伸。

任选地，用于将所述刀具固定到保持器的刀具的部分包括至少一个腿部。任选地1、2、3、4、5或6个。优选地是4个。这些腿部设计成配合到保持器上的相应的接纳装置内。在一些情况下，该至少一个腿部还包括突出部，所述突出部构造成用于与所述保持器卡扣配合连接，其中所述保持器具有互补的凹部以容纳突出部。应该理解的是，凹部可以存在于该至少一个腿部中并且突出部可以存在于保持器中。

为了在制造过程中获得规模效率(从而节省成本和材料)，在本发明的优选实施方案中，提供了(大体上圆柱形的远侧区域的)递减/递增直径的旋转刀具的嵌套。增材制造工艺能够在每个刀具之间留下小的间隙，使得它们各自可以从该嵌套中移除。这也提高了刀具的易于储存性。

在嵌套中，用于将所述刀具中的每一个固定到保持器的相应部分各自具有大致相同的直径，使得当嵌套时由所述固定部分形成大体上圆柱形的区域。这可以允许在保持器上制造标准化的接纳部分尺寸。

本发明的保持器被设计成在一端部处保持本发明的旋转刀具并且在另一端部处连接到驱动器装置，使得驱动器装置可以旋转刀具。

保持器包括用于接纳所述旋转刀具的固定部分的接纳装置，所述接纳装置任选地包括与所述刀具的固定部分的至少一个腿部上的任何突出部互补的凹部。

优选地，保持器通过增材制造来制造，并且优选地是塑料(例如尼龙)。

保持器还包括用于在切削期间收集骨屑的一个或更多个孔口。本领域技术人员将意识到这些孔可以放置到其中的适当位置。

保持器还可以包括用于与导引杆接合以在使用中导引刀具的孔和/或用于附接到手术动力钻的驱动器特征部。驱动器特征部可以与所述保持器成一体，或者可以作为可拆卸地附接到所述保持器的单独部件。驱动器特征部可以具有横向杆以将扭矩更均匀地传递到保持器。

本发明还提供了一种具有计算机可执行指令的计算机可读介质，该计算机可执行指令适合于使3D打印机打印如本文中所描述的刀具和/或保持器。

还提供了一种切削系统，其包括如本文中所描述的旋转刀具和保持器。系统可以任选地被预装配。

还提供了一种在髋关节表面置换手术期间使股骨骨骼成形的方法，所述方法包括使用本发明的旋转刀具，典型地与本文中所描述的保持器组合地使用本发明的旋转刀具。

在使用中，如果刀具在刀具主体的内表面上具有远侧齿和倾斜齿，则旋转刀具能够一致地在股骨骨骼上执行圆柱形切削和倒角切削。

如果旋转刀具仅具有远侧齿，则其能够在股骨骨骼上执行圆柱形切削。

如果旋转刀具仅在内表面上具有倾斜齿，则其能够在股骨骨骼上进行倒角切削。

如果旋转刀具在内表面上具有远侧齿、倾斜齿以及在垂直于轴线的内表面上具有平坦齿，则其能够在一次操作期间在股骨骨骼上进行圆柱形切削、倒角切削和平面切削。

补充描述和优点

增材制造的优点在于可以生产单个或组合旋转刀具的复杂几何形状，而没有使用常规制造所需要的许多且复杂的制造操作的缺点。

优选地，旋转刀具是组合的圆柱体刀具和倒角刀具，然而可选地可以提供以下：

a)单独的圆柱体刀具

b)单独的倒角刀具

c)组合的倒角刀具和平面刀具

d)组合的圆柱体刀具、倒角刀具和平面刀具

优选地，旋转刀具在通过单独的平面刀具或锯切刀已经在较早阶段完成的平坦平面切削上将停止切削。该优选实施方案提供了将数个刀具尺寸在彼此中嵌套在一起的选择，这对于经由AM工艺进行成本有效的制造而言是有利的。因此，在有限的机器制造能力范围内，与旋转刀具被单独制造相比，可以生产更多的刀具(约为四到五倍那么多)。它还为预装配零件提供节省空间的优势，并为手术室节省空间，如果整套刀具以自装配来提供的话。此外，建议上面列出的任何可选刀具选项(a-d)将以相同的方式嵌套在一起，以实现这些优点。本发明作为单次使用的刀具将优选地以无菌包装被供应，并且在使用后将被丢弃而不是再被加工。切削特征部将足够精确和锋利，并且由于它们不被再使用，将不像常规的再使用的刀具变钝。优选地，刀具将被预先装配到塑料保持器中，该保持器包含用于跟随导引杆的适当尺寸的孔、用于在切削期间收集骨屑的孔口和用于附接到手术动力钻的标准驱动器。可选地，金属刀具可以单独提供或以用于自装配的套件与保持器一起在表面置换手术期间由手术室工作人员来提供。旋转刀具具有用于平滑切削骨骼的多个切削齿，优选但不限于用于圆柱形切削的八个切削齿和用于倒角切削的四个切削齿。

在制造中，可能希望改善切削精确度(例如，尺寸和圆度)，特别是刀具的圆柱体切削部分的切削精确度，使得股骨头部的所切削的圆柱形部分被更精确地加工，以用于与植入物轻微过盈配合。因此，可能希望研磨孔，其是能够产生±50微米或更小的公差的非常精确的加工过程。此外，可能希望提高所有切削刃的切削效率，因此该设计允许使用合适的工具(例如，手动锉刀或动力锉刀或小型砂轮)以使所有切削刃变锋利。

附图介绍

现在将参照附图描述本发明的示例，在附图中：

图1是预先准备好的股骨骨骼和表面置换头部植入物的分解图。

图2是配合到股骨骨骼上的表面置换头部植入物的横截面图。

图3是完全装配好的旋转刀具。

图4是旋转刀具的分解视图。

图5是旋转刀具的正交视图。

图6是旋转刀具的侧视图。

图7是图6的横截面图。

图8为图7的一部分的特写图。

图9示出了其即将切削股骨骨骼时的旋转刀具。

图10示出了在其已经切削股骨骨骼后的旋转刀具。

图11是旋转刀具的金属刀具部分。

图12示出了在制造过程中嵌套在一起的数个金属刀具部分。

图13是图12中的嵌套的刀具的分解图。

参考附图的说明

如上面所描述，表面置换髋关节手术涉及使股骨(2)的头部成形，以精确配合表面置换头部植入物(1)，如图1和图2中所示。在图2中可以看出，横截面表面置换头部植入物的内部轮廓具有圆柱形孔(4)，该圆柱形孔具有平坦的平面端部部分(3)，中间具有倒角部分(5)，并且可以看出股骨骨骼(2)的头部成形为用于匹配。如图3-13中描绘的旋转刀具(8)将在股骨骨骼上进行圆柱形切削和倒角切削。如图3和图4中所示，它由三部分组成，金属刀具(9)、优选地由塑料制成的保持器(7)以及优选地由金属制成的用于附接到手术动力钻(未示出)的驱动器(6)。驱动器部分被压配合到保持器中并且可以包括用于将扭转力传递到保持器的单独的销(10)。图5示出了用于进行圆柱形切削的切削齿(12)和用于制造倒角切削的切削齿(14)。图5中还示出了与倒角切削齿相邻的孔口(11)，和孔(13)，孔口(11)用于在切削期间收集骨屑，孔(13)用于跟随导引杆(16)，导引杆(16)在稍后图9和图10中示出。在图7中，可以看到孔(13)延伸到保持器(7)的大部分长度中。图8示出了用于将金属刀具(9)固定到保持器(7)中的卡扣配合特征部(15)。在使用中，旋转刀具被装配在手术动力钻(未示出)中并且在预定位在股骨骨骼(2)中的导引杆(16)上被推进，如图9和图10中所示。它以低速旋转以进行受控制的切削(图9示出了骨骼切削前并且图10示出了骨骼切削后)。

图11中示出了分离的金属刀具(9)，该刀具包含用于圆柱形切削的切削齿(12)和用于倒角切削的切削齿(14)、圆柱形主体(17)和用于插入保持器(7)中的腿部(18)。阳卡扣配合特征部(19)提供与保持器的固定。图12示出了数种尺寸的刀具(在这种情况下是四个)如何嵌套在一起以用于AM制造过程和储存。在图13中，为了清楚起见，四种尺寸的嵌套的刀具被分解开。

Claims (31)

1.一种旋转刀具，具有主体，所述主体包括至少一个部分，所述至少一个部分包括至少一个切削装置，所述刀具由单个金属部件提供，所述单个金属部件通过增材制造来制造。

2.根据权利要求1所述的旋转刀具，其中，所述刀具的所述主体包括界定所述刀具的远侧部分的大体上圆柱形的区域，任选地，其中所述大体上圆柱形的区域包括一个或更多个孔口。

3.根据权利要求1或2所述的旋转刀具，其中，所述刀具的所述主体还包括用于将所述刀具固定到保持器的部分，所述固定部分界定所述刀具的近侧部分。

4.根据权利要求3所述的旋转刀具，其中，用于将所述刀具固定到保持器的所述部分的横截面具有比所述远侧圆柱形区域小的直径。

5.根据权利要求3或4所述的旋转刀具，其中，具有将所述大体上圆柱形的远侧区域连接到所述近侧固定区域的锥形区域。

6.根据前述权利要求中任一项所述的旋转刀具，其中，所述至少一个切削装置包括周向地定位在所述主体的远侧端部处的切削齿。

7.根据前述权利要求中任一项所述的旋转刀具，其中，所述至少一个切削装置包括定位在所述刀具的所述主体的内表面上的切削齿。

8.根据权利要求7所述的旋转刀具，其中，所述齿的构造使得所述齿轴向地倾斜。

9.根据权利要求8所述的旋转刀具，其中，所述齿定位在所述锥形区域的至少一部分上。

10.根据权利要求7所述的旋转刀具，其中，所述齿的构造使得所述齿大体上垂直于所述刀具的轴线定位。

11.根据权利要求3或从属于权利要求3的权利要求4-10所述的旋转刀具，其中，用于将所述刀具固定到保持器的所述部分包括至少一个腿部。

12.根据权利要求11所述的旋转刀具，其中，所述至少一个腿部还包括突出部，所述突出部构造成与所述保持器卡扣配合连接。

13.根据前述权利要求中任一项所述的旋转刀具，其中，两个或更多个不同尺寸的刀具在制造和/或储存期间在彼此中嵌套在一起。

14.根据权利要求13所述的旋转刀具，其中，在所述嵌套中，用于将所述刀具中的每一个固定到保持器的相应部分各自具有大致相同的直径，使得当嵌套时由所述固定部分形成大体上圆柱形的区域。

15.根据前述权利要求中任一项所述的旋转刀具，所述刀具是单次使用的。

16.根据前述权利要求中任一项所述的旋转刀具，其中，所述刀具是金属，如钢(如不锈钢)、钛或钴合金(如钴铬合金)。

17.一种保持器，用于保持权利要求1-16中任一项所述的旋转刀具。

18.根据权利要求17所述的保持器，其中，所述保持器包括接纳装置，所述接纳装置用于接纳所述旋转刀具的所述固定部分。

19.根据权利要求18所述的保持器，其中，所述接纳装置包括凹部，所述凹部与所述刀具的所述固定部分的所述至少一个腿部上的任何突出部互补。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的保持器，其中，所述保持器通过增材制造来制造，并且优选地是塑料(例如尼龙)。

21.根据权利要求17-20中任一项所述的保持器，其中，所述保持器还包括用于在切削期间收集骨屑的孔口。

22.根据权利要求17-21中任一项所述的保持器，其中，所述保持器还包括孔和/或驱动器特征部，所述孔用于与导引杆接合以在使用中导引所述刀具，所述驱动器特征部用于附接至手术动力钻，所述驱动器特征部与所述保持器成一体或作为可拆卸地附接到所述保持器的单独部分。

23.一种计算机可读介质，具有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令适合于使3D打印机打印权利要求1-16中任一项所述的刀具和/或权利要求17-22中任一项所述的保持器。

24.一种切削系统，包括权利要求1-16中任一项所述的旋转刀具和权利要求17-22中任一项所述的保持器。

25.根据权利要求24所述的切削系统，其中，所述系统是预装配的。

26.一种在髋关节表面置换手术期间使股骨骨骼成形的方法，所述方法包括使用权利要求1-16中任一项所述的旋转刀具。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述方法还包括使用权利要求17-22中任一项所述的保持器。

28.根据权利要求26或27所述的方法，其中，所述旋转刀具能够以一次运动在股骨骨骼上执行圆柱形切削和倒角切削。

29.根据权利要求26-28中任一项所述的方法，其中，所述旋转刀具能够在股骨骨骼上执行圆柱形切削。

30.根据权利要求26-29中任一项所述的方法，其中，所述旋转刀具能够在股骨骨骼上执行倒角切削。

31.根据权利要求26-30中任一项所述的方法，其中，所述旋转刀具能够以一次运动在股骨骨骼上执行切圆柱形切削、倒角切削和平面切削。