CN113543736A - 具有可变锁定角度的螺钉和对应的锁定系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种改进的锁定系统。根据优选的实施例，提出了一种新的螺钉头部(20)，该新的螺钉头部(20)用于与创建在接骨板(30)的孔(31)内的标准螺纹(32)配合。该解决方案的优点是接骨板(30)的制造更简单，其中，现在避免了螺纹几何结构的精密加工并将其转移到螺钉头部(20)的加工。实际上，每个接骨板(30)具有用于容纳螺钉(10)的大量孔(31)，其中仅使用了一些孔。螺钉头部(20)由所提出的弯曲表面(24)和接触表面(25)形成。将螺钉(10)拧入到由比所述螺钉(10)更硬的材料制成的板(30)上的孔中，导致永久的螺钉头部(20)损坏并且将螺钉(10)牢固地锁定到板(30)中。
Description
技术领域
本发明涉及一种锁定到板中的具有可变的锁定角度的螺钉以及一种对应的锁定系统。在更广泛的意义上，本发明属于特别设计应用于骨和关节上(例如用于骨缝术)的外科手术器械、辅助器和手术领域，其中为此目的特别设计使用的板和螺钉。更具体地，本发明的领域可被描述为一种锁定系统，在锁定系统中，螺钉头部被锁定到接骨板上的孔中，使得执行锁定的元件本身是在接骨板中加工的螺纹。
技术问题
实践中使用的每个锁定系统所解决的基本技术问题是，这种系统将螺钉头部以简单且有效的锁定在板内，同时将螺钉本体锚定在骨内。本发明也是这种情况，其允许实现相对于基圆(即，接骨板孔在所有可允许方向上的轴线)测量的在-20°至20°的范围内的可变的锁定角度。
接骨板由钛、含铝、和/或钒和/或铌、或任何其他合适的生物相容材料的钛合金制成，并且每个板配备有至少两个孔，其中螺钉插入到至少两个孔中。用于将螺钉头部可变地锁定到板中的螺钉也由相同或非常相似的材料制成。然而，接骨板具有不同的几何结构以适合于外科医生可能面对的任何情况和非常特别的应用。同样，取决于骨折的部位和类型——相同几何结构的多个维度适于不同的患者群体。在骨缝术板的情况下，每个这种板配备有多个孔。因此，平均一个板包含4-20个孔，在手术期间将平均4-10个螺钉插入孔中。通常，板上的一些孔保持未使用。
除了与将板应用到特定骨相对应的几何结构的形成之外，板的机加工过程因此还包括在多个孔中切割螺纹的过程。如我们将在现有技术的阐述中看到的，这些螺纹有时是非常特定的。因此，以非标准方式加工的每个孔(在此以非标准方式，我们理解不同于通常的锥形螺纹或平行螺纹的方法)代表了额外的生产成本。如果螺钉孔在应用中保持未使用，由于实际上在外科手术介入中在板上仅使用了的一定数量的特殊机加工的孔，这显著地增加了锁定系统的价格。这样的锁定系统在本领域中是众所周知的。它们由接骨板组成，该接骨板比用于在其头部上形成具有螺纹的螺钉的所用材料更柔软。在应用期间，所述螺钉头部被刻到在接骨板中形成的特殊机加工的孔中，并且然后所述螺钉被“锁定”到板中，并且在螺钉头部与所述板之间形成牢固的结合。
由本发明解决的第一个技术问题是观察到的接骨板上复杂制造且未使用的孔的剩余，因为并非所有孔都是必需的。即，所提出的新的锁定系统仅将机加工过程的复杂性转移到新设计的螺钉，而板及其孔采用配备有普通锥形螺纹或平行螺纹的常规且简单的标准孔形成。在所公开的发明中，螺钉头部由比所使用的接骨板材料更柔软的材料制成。在锁定过程中，该板会引起对特别设计的螺钉头部的损坏并且将其锁定在所述板内。已经提到，在实践中在标准板上没有使用所有孔，因此这个系统的生产明显更经济，并且因此，外科手术是更加成本有效的。如将看到的，该第一技术问题已经通过实施一种新颖的且特定的螺钉头部几何结构得到解决，该螺钉头部几何结构产生了与反向系统相同的锁定或甚至比反向系统更好的锁定结果，该反向系统具有由较软材料制成的板和由较硬材料制成的螺钉头部。
除了与具有标准螺纹的接骨板一起使用之外，新设计的螺钉可以在没有任何修改的情况下用于具有非标准螺纹的系统中。唯一的要求是非标准螺纹板的硬度高于所使用的螺钉(即螺钉头部)的硬度。当板组和兼容螺钉的可用性可能受限时，后一事实有助于在诸如自然灾害或战时条件等的情况或条件下组合不同锁定套件的部件的可能性。
新设计的螺钉易于制造，因为以下事实：在其头部上不包含螺纹，仅包含简单的机加工表面。这种几何结构与本领域中的类似螺钉相比相当简单，而不损害其锁定功能的能力。当然，新设计的系统的应用不限于仅在医学中使用，而这种系统还可以应用于多种行业中，在这些行业中需要将螺钉锁定到结构元件中，并且其中，该螺钉将一个元件的表面紧固到另一个结构元件的任何规则或不规则的几何结构并且当需要在它们之间建立牢固连接时。
背景技术
现有技术中已经公开了将特别设计的螺钉头部锁定到接骨板中的多种技术解决方案。
以卡地纳健康集团247公司(Cardinal Health 247 Inc.)的名义提交的美国专利申请公开第US 2017/0319248A1号“可变角度锁定螺钉以及包括可变角度锁定螺钉的接骨板系统”公开了一种锁定到板中的特别设计的螺钉。与本发明的相似之处在于以下事实：上述螺钉被设计成在螺钉头部上具有特定形状的区段，该区段不是圆形的而是分区段的。然而，该螺钉头部具有刻入板中的附加螺纹，这不是本发明的情况。以本专利申请中呈现的方式设计的螺钉可以与具有孔的板一起使用，这些孔具有或不具有螺纹。然而，从该文件中清楚的是，用于制造这种螺钉的材料比板本身的材料更硬，并且制造这种螺钉的方法明显比制造本发明中提出的螺钉的方法更复杂。
以格雷特巴奇股份有限公司(Greatbatch Ltd.)的名义提交的美国专利申请公开第US 2010/0312285 A1号“接骨板组件”尤其公开了一种螺钉，该螺钉以特定角度锁定到板中。螺钉的头部是以具有刻入到接骨板孔中的螺纹的区段生产的。所述孔在形状上是不规则的并且配备有容纳螺钉头部的螺纹的螺纹。制造具有这种孔的板的复杂性是在不损害锁定能力的情况下根据本发明的技术解决方案所避免的基本技术特征。
以权利持有者齐默公司(RightholderZimmer Inc.)的名义提交的美国专利申请公开第US 2017/0042595A1号“多轴锁定机构(Polyaxial Locking Mechanism)”公开了一种螺钉，该螺钉以其头部锁定到接骨板中。与前述技术解决方案相同，螺钉头部配备有与板螺纹互锁的螺纹。与前面的发明一样，螺钉头部是分区段的，但是还另外装配有螺纹；在本申请中描述的本发明中并非如此，并且这进一步使这种螺钉头部以及相应的接骨板的生产复杂化。
在以齐奥洛塔拉(Ziolo Tara)等人的名义提交的美国专利申请第US 2007/0083207 A1号“可变角度骨固定组件”中找到了与前一个非常类似的解决方案。对螺钉头部和相应板中的每个孔的复杂机加工的需要使得该发明不如本发明申请中所描述的解决方案。
遵循具有特殊头部几何结构的螺钉的相同概念，以德普合成产品公司(DepuySynthes Products Inc.)名义提交的美国专利申请第US2015/0190185A1号用于发明“可变角度骨固定装置(Variable Angle Bone Fixation Device)”中公开了另一个技术解决方案。该文件公开了一种特别设计的螺钉，该螺钉允许其头部被锁定到配备有非常复杂的孔的板中，该孔的制造当然是非常复杂的。因此，本发明存在由本发明实现的解决方案消除的缺点。
以施乐辉公司(Smith&Nephew Inc.)名义提交的美国专利申请公开第US 2015/0142063A1号“用于使用多轴线板的系统和方法(Systems and Methods for UsingPolyaxial Plates)”公开了一种特别设计的带有翼部的螺钉头部，该翼部与在板孔中产生的螺纹相互作用。螺钉头部具有相当复杂的设计；因此，与本发明的简单头部设计相比，该发明还存在缺点。
所有前面提到的技术解决方案都定义了在此公开的发明的一般现有技术。然而，似乎是以花卉整形公司(Flower Orthopedics Corp Inc.)的名义提交的以国际PCT专利申请第WO 2015/020789A1号的形式公开的发明的技术解决方案“包括螺钉的矫形螺钉紧固件系统”代表了最接近的现有技术。该文件公开了本文提及的螺钉和板的锁定系统。所述现有技术在图1、图2、图2A、图3、图4A和图4B中用标题“现有技术”示出。图1和图3描绘了具有多个孔(91)的接骨板(90)，以用于接纳具有螺纹(105)的螺钉头部(101)。每个孔(91)是锥形的、具有如图4A中指示的锥形斜率δ'并且从板(90)的上边缘(92)延伸到底边缘(93)，其中所述孔(91)是以形成弯曲部段(94)的方式机加工的。该部段以如下方式被机加工：它们相对于孔轴线以角度δ'倾斜。两个相邻的弯曲部段通过交叉线(95)互连，该交叉线(95)延伸到孔(91)的底边缘(93)附近的接触表面(96)中。板是由比图2所示的螺钉(100)的材料更柔软的材料制成的。将螺钉的头部锁定到接骨板(90)的孔(91)中的螺钉(100)包括在螺钉本体(103)上制造的带有螺纹(105)的螺钉头部(101)、螺钉(102)的尖端，在螺钉本体(103)上具有自切割螺纹(104)。螺钉头部(101)和螺钉主体(103)在接头(106)处会合；参见图2和图2A，其中图2A表示图2的细节S。
图4A和图4B中详细示出了锁定系统的工作方式。图4A展示了当螺钉相对于孔(91)轴线以0°的角度插入时的情况。板(90)的一部分被示出为穿过孔(91)横截面，该孔(91)横截面位于螺钉头部(101)的后面，在所述横截面下方展示以供参考。在锁定过程中，刻入到螺钉头部(101)中的螺纹(105)以图4A中所示的方式损坏弯曲部分(94)的交叉线(95)。由螺纹(105)切割产生的损坏(99)遵循螺钉的长度，如由损坏线(98)所示。图4B示出了另一种情况，其中螺钉相对于孔(91)轴线以10°的角度被拧紧。如图4B所示，在锁定过程中，刻入到螺钉头101中的螺纹105损坏弯曲部分94的相交线95。由螺纹(105)切割产生的损坏(99)遵循螺钉的长度，如由损坏线(98)所示。通过比较图4A和图4B，将螺钉头部101与螺纹105锁定在相对于孔91轴线倾斜的位置中的损坏99是明显的。本发明相对于在此公开的解决方案代表了相反的技术解决方案。根据本发明，螺钉包含多个弯曲表面，而标准或非标准螺纹被刻入接骨板中。根据本发明的新的技术解决方案将定性和定量地与来自现有技术的发明WO2015/020789A1的解决方案进行比较。
相反的技术解决方案的机械测试表明，新的技术解决方案至少与现有技术文献WO2015/020789A1中提出的方案一样好，同时生产更简单。
发明内容
本发明公开了一种锁定到接骨板中的具有可变的锁定角度的新颖的螺钉设计。所述螺钉包括：
-螺钉头部以及居中放置的星形插座，该螺钉头部具有弯曲表面和接触表面，居中放置的星形插座用于接收紧固工具、位于所述头部的上侧上；以及
-螺钉本体，该螺钉本体终止于首先进入骨的尖端；其中，所述螺钉本体配备有自切割螺纹，该自切割螺纹从螺钉头部与螺钉本体之间的接头延伸至螺钉的尖端。
所述螺钉的特征在于以下特点：
-所述螺钉头部由具有高度h的旋转对称的截头锥体形成，该螺钉头部具有基圆半径R外，所述星形插座居中地定位在底部半径R外上，并且其中，锥体侧部相对于所述锥体的轴线以角度Υ倾斜，所述锥体的轴线与螺钉轴线重合的；
-其中，n个相等弯曲的表面被刻入到所述锥体中并且从螺钉头部的上边缘延伸至所述头部的底边缘，n≥4，并且其中，所述表面中的每一个表面形成具有曲率Rc的圆柱形表面的一部分，其中，所述圆柱形表面的纵向轴线位于直线Π上，该直线Π平行于锥形表面并且相对于螺钉的轴线以角度Υ倾斜，并且其中，所述n个圆柱形表面的所有直线Π与垂直于螺钉轴线的平面的交点形成具有n条边的正多边形的顶点；
-其中，所述弯曲表面与截头锥体的相同的接触表面互连，所述弯曲表面和该相同的接触表面两者均从螺钉头部的上边缘延伸到底边缘；
-其中，上边缘部分地由位于半径R外上的接触表面的点形成，其中半径R外的中心在螺钉的轴线上，并且上边缘部分地由弯曲表面的上边缘以如下方式形成：每个所述表面的最高点位于半径R内上，该R内处于与包含半径为R外的基圆的平面平行的平面中，条件是R内＜R外；以及
-其中，底边缘由接触表面和弯曲表面的端部形成，使得底边缘进入头部与螺纹本体之间的接头。
根据本发明，优选值被选择为：
a)n＝6、8、10或12；
b)0.3＜R内：R外：Rc＜3.0；以及
c)5°＜Υ＜30°。
根据本发明，优选的角度Υ是9°，该选择允许锁定过程，其中，在所有方向上，相对于螺钉轴线测量的最大适用锁定角度是20°。
根据本发明，将螺钉锁定到板中的锁定系统包括：
-一个或多个螺钉，该一个或多个螺钉的头部的硬度低于用于形成接骨板的材料的硬度；以及
-接骨板，所述接骨板具有适配于骨固定的几何结构，其中，至少两个孔位于所述几何结构内，其中，每个孔具有锥状螺纹，锥状螺纹相对于孔轴线具有斜率δ，并且锥状螺纹能够接收锥体形状的螺钉头部。
选定的高度h大于接骨板的厚度。孔螺纹斜率δ大于或等于螺钉头部以及相应的接触表面和弯曲表面的斜率Υ。螺钉以相对于孔轴线在-20°至20°的范围内的选定角度插入，使得孔螺纹被切割到螺钉头部的接触表面和弯曲表面中。所述切割导致螺钉头部表面上的损坏，该螺钉头部表面保持所述螺钉锁定到相应板中。
根据优选实施例，高度h被选择为板厚度的0.5倍至1.6倍，并且δ被选择为5°至30°。
所述技术解决方案应用于接骨板，在接骨板中，孔具有连续螺纹，并且在接骨板中，每个孔具有不连续但具有螺纹区段的螺纹和不存在螺纹区段的螺纹。这种锁定系统在兽医学和人类医学中非常有用。
附图说明
图1和图3展示了根据WO2015/020789A1中公开的最接近的现有技术解决方案构造的接骨板。图2描绘了锁定到所述板中的螺钉，而图2A展示了图2所示的螺钉头部的细节S。图4A和图4B描绘了当螺钉头部相对于根据现有技术解决方案WO 2015/020789A1在接骨板中形成的孔轴线以0°和10°的角度被拧紧时，在图1和图3中示出的板孔中发生的损坏。
图5A表示来自图5C的细节P，并且描绘了新设计的螺钉头部，该螺钉头部被锁定到在图5B所示的接骨板中制造的孔中。图5B是图5C中用Q标记的接骨板细节的横截面图。
图6A展示了在螺钉头部相对于孔轴线以0°的角度固定的情况下锁定螺钉的位置。图6B中示出了对螺钉头部造成的损坏。
图6C展示了在螺钉头部相对于孔轴线以10°的角度固定的情况下锁定螺钉的位置。在图6D中示出了对螺钉头部造成的损坏。
图7A、图7B、图7C、图7D、图7E和图7F的集合描绘了在当n被选择为等于螺钉头部上的8、10和12个弯曲表面时的情况下的螺钉头部设计，针对具有弯曲表面的尺寸变化的相同头部半径R外的螺钉。
具体实施方式
本发明涉及一种锁定到接骨板(30)中的具有可变角度的螺钉(10)，其中所述螺钉的头部(20)锁定到板(30)的孔(31)中。本发明还公开了如图5C所展示的螺钉(10)板(30)的对应的锁定系统。板30可以由任意的几何结构形成，但是为了简单的原因，板30在图5C中被展示为具有一系列均匀间隔开的孔31。每个孔(31)的间距应该允许板(30)最佳地固定到所希望的骨上。在本发明中，每个孔(31)均由连续机加工的螺纹(32)制成，每个孔(31)具有以常规方式设计的斜率，该斜率在现有技术中被很好的记载，如图5B所示。图5B示出了相对于孔(31)轴线以角度δ锥形地雕刻的一条连续螺纹(32)，其中伴随螺纹(32)的锥体的侧部用直线Δ标记。所希望的是，角度δ大于或等于角度Υ，该角度δ限定了当值为约2Υ时由对应的螺纹(32)最佳锁定的螺钉头部(20)的锥体。实际上，如图5A和图5B所示，在5°至30°的范围内选择值δ。
本发明不限于图5B中所展示的锥形螺纹(32)，而且还限于具有恒定横截面(δ＝0)的标准圆柱形螺纹。然而，当选择相应螺钉(10)(其头部(20)由所述螺纹(32)锁定)的尺寸时，适当小心是必要的。除了已经提及的连续的锥体形和圆柱形的几何结构件之外，螺纹(32)可以按以下方式进行机加工：该螺纹(32)不是连续的，而是具有带螺纹的区段和不存在螺纹的区段，即其中该螺纹仅制造在孔(31)的区段上。这种不连续的螺纹(32)被引用在本公开的现有技术文件中。如果需要这样的技术解决方案，也可以设想板(30)，该板(30)将孔(31)与若干不同类型的先前提到的螺纹(32)相结合。无论螺纹的选定几何结构和类型如何(即连续或不连续)，这种板(30)都表示现有技术中的标准。为了机加工简单并且为了获得最佳的锁定性能，推荐对接骨板(30)的所有孔(31)进行加工，以这种方式使得所有螺纹(32)都被选择为δ≈2Υ的锥体形类型，这显著地降低了这种板(30)的生产成本。根据本发明，板(30)应由硬度高于螺钉头部(20)的硬度的材料制成，优选由用于医疗目的的钛(例如5级钛)，以及用于2级钛的相应的螺钉(10)或螺钉头部(20)制成。图5C展示了在插入板(30)中之前的这种螺钉(10)。
在本发明中，螺钉(10)包括具有机加工的弯曲表面(24)和接触表面(25)的螺钉头部(20)、以及居中放置的星形插座(26)，该星形插座(26)用于将紧固工具接纳到所述头部中、位于所述头部的上侧上，如图7A所示。星形插座(26)可具有适于接纳紧固工具尖端的任意几何结构，且能够以防止工具从插座弹出的方式制成，例如十字形的(Phillips)或内六角(Allen)型工具，其能够由操作者进行精确的握持。螺钉本体(13)终止于螺钉(10)的首先进入骨的尖端(12)。螺钉本体(13)配备有自切割螺纹(14)，该自切割螺纹(14)从螺钉头(20)与螺钉本体(13)之间的接头(16)延伸至所述螺钉尖端(12)。这种螺钉(10)因此不同于现有技术中已知的其他螺钉。
然而，在图5A中作为图5C中的细节展示的螺钉(10)的头部(20)代表本发明与现有技术的主要区别。如前所述，在手术介入中经常使用的螺钉(10)少于在接骨板(30)上制成有螺纹(32)的孔(31)。考虑这一点，具有更多孔(31)的锁定系统在板(30)上以更简单且更经济的方式创建，而螺钉(10)仅需要更高要求的机加工，这在本领域中具有明显的优势，使得锁定系统更便宜。
根据本发明，螺钉头部(20)由高度为h的旋转对称的截头锥体形成，参见图5C和图5A以及图7A-图7F。这个截头锥体以其缺失尖端指向螺钉(10)的尖端(12)。参见图7A-图7F，这个旋转锥体的基圆被设计成具有半径R外，并且以星形插座(26)位于所述锥体内的方式略微向外伸出。该锥体的侧部相对于所述锥体的纵向轴线以角度Υ倾斜，如图7C和图5A所示。直线Πc是在至少两个不同点处位于锥体的侧部上并且仅在一个点处切割锥体旋转轴线的线。因此，每条这样的直线Πc相对于所述锥体的纵向轴线以Υ角倾斜，例如参见图5A。
为了获得根据本发明的螺钉头部形状，重要的是考虑制造工艺。螺钉(10)最经常使用CNC(计算机数字控制)技术来生产，并且因此使用与生产技术兼容的工具轨迹是有用的。当从上部立体图观察时，参见图7A-图7F，根据本发明的螺钉头部(20)是具有侧凹槽(即已经机加工出的弯曲表面)的部件。根据本发明，头部(20)是通过铣削截头锥体的弯曲表面(24)形成的，如图5A所示。弯曲表面(24)中的每一个均被形成为圆柱形表面的一部分，其中该圆柱体本身具有半径Rc并且其中该圆柱体的轴线位于直线Π上。直线Π相对于锥体的纵向轴线以角度Υ倾斜，弯曲表面(24)被刻入到该锥体中，如图5A所示。根据本发明，n个相等弯曲的表面24被刻入到所述锥体中，如图7A-图7F所示。当这些线与垂直于锥体的纵向轴线的平面相交时，以角度Υ倾斜的直线束Π形成具有n条边的正多边形的顶点。希望n等于或大于4，并且实际上当n＝8、10或12时达到最佳结果。当对弯曲表面24进行雕刻时，则保留在它们之间的截头锥体表面是该截头锥体的侧部的一部分，截头锥体连接它们并且代表接触表面25。以此方式，交替成形的弯曲表面(24)和接触表面(25)从该头部(20)的上边缘(22)延伸到底边缘(23)，其中所述头部(20)穿入头部(20)与螺钉本体(13)之间的接头(16)中。
图7A-图7F示出了特征半径R外、R内和Rc'在垂直于锥体的纵向轴线的平面中的投影以及具有表1中所公开的这种几何结构的螺钉头部(20)的相应设计。R外的大小表示锥体基圆的半径，R内是距上边缘(22)(即弯曲表面(24)在螺钉头部(20)上到螺钉(10)轴线的最高点)的最小距离。值Rc'表示表面(24)在垂直于锥体轴线的平面中的投影圆柱曲率Rc。L代表位于更靠近底边缘(23)的两个接触表面(25)之间的最大距离，其中具有半径Rc的圆柱体更深地插入锥体中，并且l代表位于更靠近头部(20)的上边缘(22)的接触表面(25)之间的最小距离。D表示两个相邻弯曲表面(24)之间的最大距离，以及d是靠近底边缘(23)的最小距离。值A表示以此方式设计的螺钉的接触表面(25)的面积。对于R外和R内的恒定值，进行螺钉头部(20)性能的并排比较；仅参数Rc变化约15％，并且弯曲表面(24)的数量选择为8、10和12。2.4mm螺钉的这种变化的参数如下表1所示：
当设计螺钉时，必须特别注意表面A的布局，特别是一旦完成锥体头部(20)的机加工之后的接触表面(25)区域的布局，其中所述接触表面(25)在锁定过程中具有关键功能。在图6A-图6D的系列中示出了锁定过程。图6A是板(30)的侧视图，螺钉(10)以0°的角度锁定到该板(30)中。图6B示出了发生在所述螺钉头(20)的接触表面(25)和弯曲表面(24)上的损坏(29)。上升的损坏线(28)与孔(31)中创建的螺纹(32)重合。以相同的方式，图6C表示板(30)的侧视图，螺钉(10)以10°的角度锁定到板中。图6D展示了在以10°的角度锁定期间发生在所述螺钉头部(20)的接触表面(25)和弯曲表面(24)上的损坏(29)。该损坏(29)发生在由比板(30)的材料更软的材料制成的螺钉头部(20)上。实际上，避免了两个极端情况，即，过大的接触表面(25)以及非常小的接触表面(25)，过大的接触表面(25)防止容易发生损坏(29)，但将头部(20)完美地锁定到板中，非常小的接触表面(25)将头部(20)不良地锁定到板(30)中，但操作这样的螺钉相对简单。
在对螺钉(10)的布局和导致损坏(29)的切入力进行建模时，发现以下值对于本发明中的给定螺钉头部设计是最佳的。
表2示出了在实践中使用的2.4mm、3.5mm和5.0mm的螺钉的值，具有8、10或12个弯曲表面(24)以及可接受的参数D和d，这些参数限定了弯曲表面(24)之间的最大和最小间距并且因此限定了参与该锁定过程的接触表面(25)的量。应当强调的是，尺寸D和d与所选择的曲率半径Rc的范围以及值R内和R外直接相关。
下面给出本发明与文献WO2015/020789A1公开的锁定系统之间作为最接近和最相似的技术解决方案的比较。通过平行检查在WO2015/020789A1中提出的解决方案并且通过发明中的疲劳测试(LFV50-HH，Walter+Bai AG，瑞士，生产年份2006)将锁定在具有4个孔的1mm厚板中的直径为2.4mm的螺钉弯曲来进行锁定特征的循环测试来进行分析。相对于孔(31)或孔(91)轴线，将螺钉锁定到板中的选定角度为0°、10°、15°和20°，如表3所示，表3包含测试参数：
其中使用以下缩写：
Fsr–平均力，
Fa–力振幅
F–力范围Fsr+/-Fa，
f–循环载荷频率，
N–载荷循环的数量，以及
Fd–力传感器的标称力。
在每个实验中使用3个不同样本，其中螺钉在循环载荷下锁定到板中的弯曲测试的结果示于下表中，其中使用以下标记：
S最大–最大螺钉位移，
S最小–最小螺钉位移，
Δs＝S最大-S最小，
F最大–在S最大处的最大力，
刚度–F最大/S最大比率。
图1-图4B中提出的技术解决方案与根据本发明的新的锁定系统的比较在下表中并列地详细说明：
结果表明，对于0°的锁定角，两种技术解决方案中的最大螺钉位移和刚度的平均值非常相似，然而，根据本发明的系统生产起来明显更简单。
结果表明，本发明的最大螺钉位移的平均值较低，并且当考虑最大力时，两种技术解决方案的刚度对于10°的锁定角度表现出相似的值。
结果再次表明，最大螺钉位移的平均值相同，并且两种技术解决方案的刚度相似，对于15°的锁定角度，考虑相似量的最大力。
所获得的结果示出了现有技术与本发明之间的比较。对于20°的锁定角，本发明的刚度高于现有技术的情况。
根据表4、表5、表6和表7所示的结果，可以得出结论，在实验误差范围内，本发明的锁定系统至少与现有技术中的系统一样好，并且随着螺钉头部(20)相对于孔(31)轴线的倾斜度增加甚至更好(更硬)，这对于本领域普通技术人员而言当然是意料之外的结果。这种意料之外的结果表明所提出的新的技术解决方案具备创造性。必须再次强调的是，所提出的新的锁定系统将所有机加工复杂性或从板(30)加工转移至螺钉(10)、更具体地转移至螺钉头部(20)。
工业实用性
由于本发明公开了将螺钉锁定到接骨板的全新系统，因此本发明的工业实用性是明显的。所提出的系统还可以用于使用螺钉和螺纹螺钉孔来连接其他结构元件的类似应用。
标记
新技术方案的标记
10 用于板30的螺钉
12 螺钉10的尖端
13 具有自切割螺纹14的螺纹本体
14 自切割螺纹
16 螺钉头部20与螺钉本体13之间的接头
20 螺钉头部
22 螺钉头部20的上边缘
23 螺钉头部20的底边缘
24 在螺钉头部20中形成的弯曲表面
25 在弯曲表面24之间的接触表面
26 用于接收紧固工具的星形插座
28 损伤29的上升线
29 将螺纹32刻入到接触表面25和弯曲表面24而引起的损坏
30 板
31 用于锁定螺钉头部20的孔
32 在孔31中的螺纹
R内 螺钉头部20的上边缘22的最小半径
R外 螺钉头部20的上边缘22的最大半径Rc
Rc 垂直于工具沿直线Π的运动方向测量的加工表面24的曲率半径
Rc' 在垂直于螺钉10轴线的平面上的Rc的投影
L 沿着边缘23在两个相邻接触表面25之间的距离
l 沿着边缘22的两个相邻接触表面25之间的距离
D 沿边缘22的接触表面25的宽度
D 沿边缘23的接触表面25的宽度
H 螺钉头部的高度
Π 平行于螺钉头部20的锥体侧部的直线
Πc 位于接触表面25上的直线
Υ 直线Π相对于螺钉10轴线的倾角
Δ 螺纹32在孔31中的斜线
δ 斜线Δ相对于孔31轴线的角
n 螺钉10的头部20上的弯曲表面24的数量
P、Q 细节
现有技术的标记
90 板
91 用于接收螺钉头部101的孔
92 孔91的上边缘
93 孔91的底边缘
94 孔91的弯曲部段
95 截面94的交叉线
96 部段94的交叉处的接触区域
98 损坏99的上升线
99 由螺钉头部螺纹105引起的损坏
100 用于板90的螺钉
101 具有螺纹105的螺钉头部
102 螺钉100的尖端
103 具有自切割螺纹104的螺钉100的本体
104 自切割螺纹
105 螺钉头部101的螺纹
106 螺钉头部101与螺钉本体103之间的接头
δ′ 锥形弯曲部段94相对于孔91的轴线的倾角
S 细节。
Claims (10)
1.一种锁定到板(30)中的具有可变的锁定角度的螺钉(10)，其中，所述螺钉(10)包括：
-螺钉头部(20)和居中放置的星形插座(26)，所述螺钉头部(20)具有弯曲表面(24)和接触表面(25)，所述居中放置的星形插座(26)用于接纳紧固工具、位于所述头部(20)的上侧上；以及
-螺钉本体(13)，所述螺钉本体(13)终止于首先进入骨的尖端(12)；其中，所述螺钉本体(13)配备有自切割螺纹(14)，所述自切割螺纹(14)从所述螺钉头部(20)和所述螺钉本体(13)之间的接头(16)延伸到所述螺钉(10)的尖端(12)，
其特征在于，
-所述螺钉头部(20)由高度为h、基圆半径为R外的旋转对称的截头锥体形成，所述星形插座(26)居中地定位在所述螺钉头部上，并且其中，所述锥体侧部相对于所述锥体的轴线以角度Υ倾斜，所述锥体的轴线与所述螺钉(10)轴线重合；
-其中，n个相等弯曲的表面(24)被刻入到所述锥体中并且从所述螺钉头部(20)的上边缘(22)延伸到所述头部(20)的底边缘(23)，n≥4，并且其中，所述表面(24)中的每一个表面形成具有曲率Rc的所述圆柱形表面的一部分，其中，所述圆柱形表面的纵向轴线位于直线Π上，所述直线Π平行于所述锥形表面并且相对于所述螺钉(10)的轴线以角度Υ倾斜，并且其中，所述n个圆柱形表面的所有直线Π与垂直于所述螺钉(10)轴线的平面的交点形成具有n条边的正多边形的顶点；
-其中，所述弯曲表面(24)与所述截头锥体的相同的接触表面(25)互连，所述弯曲表面(24)和所述接触表面(25)两者均从所述螺钉头部(20)的上边缘(22)延伸到底边缘(23)；
-其中，所述上边缘(22)部分地由位于所述半径R外上的接触表面(25)的点形成，所述半径R外的圆心在所述螺钉(10)的轴线上，并且所述上边缘(22)部分地由所述弯曲表面(24)的上边缘以如下方式形成：每个所述表面(24)的最高点位于半径R内上，所述半径R内处于与包含半径为R外的基圆的平面平行的平面中，条件是R内＜R外；以及
-其中，所述底边缘(23)由所述接触表面(25)的端部和所述弯曲表面(24)的端部形成，使得所述底边缘(23)进入所述头部(20)与所述螺钉本体(13)之间的所述接头(16)。
2.根据权利要求1所述的锁定到板(30)中的具有可变的锁定角度的螺钉(10)，其中，优选值被选择为：
a)n＝6、8、10或12；
b)0.3＜R内：R外：Rc＜3.0；以及
c)5°＜Υ＜30°。
3.根据权利要求2所述的锁定到板(30)中的具有可变的锁定角度的螺钉(10)，其中，所述角度Υ是9°。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的锁定到板(30)中的具有可变的锁定角度的螺钉(10)，其中，在所有方向上，相对于所述螺钉(10)轴线测量的最大适用锁定角度为20°。
5.一种将螺钉(10)锁定到所述板(30)中的锁定系统，所述锁定系统包括：
-一个或更多个根据权利要求1-4中任一项所述的螺钉(10)，所述螺钉(10)的头部(20)的硬度低于用于形成所述接骨板(30)的材料的硬度；以及
-板(30)，所述板(30)具有适合于骨固定的几何结构，其中，至少两个孔(31)位于所述几何结构内，其中，每个孔(31)具有锥状螺纹(32)，所述锥状螺纹(32)相对于所述孔(31)轴线具有斜率δ，并且所述锥状螺纹(32)能够接纳锥状螺钉头部(20)；
其特征在于，
-所述选定的高度h大于所述接骨板(30)的厚度；
-所述孔螺纹(32)的斜率δ大于或等于具有所述相应的接触表面(25)和弯曲表面(24)的螺钉头部(20)的斜率Υ，以及
-其中，所述螺钉(10)以相对于所述孔(31)轴线在从-20°至20°的范围内的选定角度插入，使得所述孔螺纹(32)被切入到所述螺钉头部(20)的接触表面(25)和弯曲表面(24)中，从而在所述表面(24，25)上引起损坏(29)，该损坏使所述螺钉(10)保持锁定到所述对应板(30)中。
6.根据权利要求5所述的将螺钉(10)锁定到所述板(30)中的锁定系统，其中，所述高度h被选择为所述板(30)厚度的0.5倍至1.6倍，并且δ被选择为5°至30°。
7.根据权利要求5或6中任一项所述的将螺钉(10)锁定到所述板(30)中的锁定系统，其特征在于，所述孔(31)具有连续的螺纹(32)。
8.根据权利要求5或6所述的将螺钉(10)锁定到所述板(30)中的锁定系统，其特征在于，所述孔(31)具有螺纹(32)，所述螺纹(32)不是连续的，而是具有带螺纹的区段和不存在螺纹的区段。
9.一种根据权利要求5至8中任一项所述的锁定螺钉(10)和所述板(30)的锁定系统在兽医学和人类医学中的用途。
10.一种根据权利要求5至8中任一项所述的锁定螺钉(10)和所述板(30)的锁定系统用于在所述结构元件之间形成可靠的连接的用途。
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