CZ298324B6 - Kostní šroub pro použití v ortopedické chirurgii - Google Patents

Abstract

Kostní šroub (1) urcený pro použití v ortopedickéchirurgii je zejména zaváden pomocí zarízení pro externí fixaci zlomenin. Kostní šroub (1) je opatren hlavou (3), dríkem (4) a závitovou cástí (5), zužující se smerem k zahrocené koncové cásti (2) nakonci protilehlém vzhledem k hlave (3). Je výhodné, má-li závitová cást (5) alespon jeden konstantní úsek stoupání obsahující závity (9), které mají v prurezu trojúhelníkovitý zahrocený profil a jsounavzájem oddeleny dolním tvarovým zábritem, kterýmá konkávní profil (10), vymezený dvema proti sobe smerujícími rovinami.

Description

Kostní šroub pro použití v ortopedické chirurgii

Oblast techniky

Vynález se týká kostního šroubu určeného pro použití v ortopedické chirurgii, zejména zaváděného pomocí zařízení pro externí fixaci zlomenin, obsahujícího hlavu, dřík a závitovou část zužující se směrem k zahrocené koncové části na protilehlém konci hlavy, u něhož závitová část má alespoň jeden úsek s konstantní roztečí závitů, jejichž průřezový profil je proveden v ostrém úhlu nebo jako zahrocený trojúhelníkovitý profil.

Dosavadní stav techniky

Jak je dobře známo, používá se v současné době řada fixačních zařízení při zvyšující se četnosti zlomenin v humánní i veterinární chirurgii, pro ošetřování složitých zlomenin a/nebo zlomenin spojených s vážným poškozením kožní tkáně.

Zařízení tohoto druhu umožňují spojování zlomených kostí a jejich uvedení do původního stavu ve vysoce kritických oblastech lidské kostry, zejména v oblastech blízkých kloubům.

Protilehlé konce zařízení pro externí fixaci se obvykle upevňují na příslušné nepoškozené části zlomené kosti pomocí kostních šroubů, které se upevňují do vlastní kosti. To je například případ, kdy se používá zařízení pro fixaci holenní kosti, kdy jsou protilehlé konce upevněny příčně vzhledem ke zlomenině holenní kosti.

V jiných případech, kdy zlomenina postihuje kloub, se kostní šrouby zasazují do kostí sousedících s kloubem. To se například provádí pomocí zařízení pro vnější fixaci kotníku, upevněním kostních šroubů do holenní kosti a kotníkové kosti.

Účinnost takových zařízení se zvyšuje se zpevňovací silou kostních šroubů. V některých případech šrouby procházejí kostí příčně, aby vhodně působily na vstup a výstup kortikálních oblastí.

V tomto specifickém technickém oboru je známa obsáhlá literatura, týkající se výzkumných prací zabývajících se určováním kritických parametrů přidržovací síly kostních šroubů.

Tak bylo například zjištěno, že relativně jemný závit zlepšuje přidržovací sílu šroubu, což je popsáno v článku „Cortical profile extemal fixation screw maintains torque in the metaphysis“ (Externí fixační šroub kortikálního profilu udržuje kroutící sílu v metafyse), Anatomy, Bristol, červen 17, 1996.

Radiální předpětí šroubu odstraňuje nebo omezuje problém spojený se ztrátou záchytné síly nebo lyse v první a/nebo druhé kortikální části kosti, jak je popsáno v článku „lntroduction and prevention of pin loosening in extemal fixation“ (Zavádění čepů a ochrana proti jejich uvolnění při externí fixaci), Joumal of Orthopaedic Trauma, sv. 5, č. 4, str. 485-492.

Navíc, vytvoření otvoru v kosti pro zavedení šroubu podle jeho průměru, snižuje zaváděcí teplotu která, pokud je příliš vysoká, může poškodit příslušnou spojovací tkáň okolo šroubu, jak je popsáno v článku „Cancellous Bone Screw Thread Design and Holding Power“ (Konstrukce závitů šroubu pro mřížovité kosti a jejich přidržovací síla), Joumal of Orthopaedic Trauma, sv. 10, č. 7, str. 462-469.

Předchozí úvahy vedou k závěm, že přidržovací síla kostního šroubu závisí na řadě vlastností, které mají navzájem kombinovaný účinek.

-1 CZ 298324 B6

Výzkum aplikace, prováděný u přihlašovatele, však vedl k vyvinutí profilu závitu, o kterém se zjistilo, zeje základním faktorem přidržovací síly šroubu v kosti.

Zjistilo se zejména, že obvyklé profily závitu mají společný nedostatek spočívající v tom, že jen tyto profily umožňují nižší rozdělení pevnosti ze síly použité na proniknutí do kortikální části kosti.

Navíc mají konvenční kostní šrouby větší objem pro danou oblast styčné plochy s kostí.

Podstata vynálezu

Úkolem vynálezu je vyřešit kostní šroub, který by měl takové konstrukční a funkční vlastnosti, které by umožnily řezání závitu při zavádění do kosti a vykazovaly dokonalejší přidržovací sílu, pokud byl kostní šroub jednou upevněn, čímž by se odstranily všechny shora zmíněné nedostatky, týkající se současného stavu techniky v tomto oboru.

Uvedený úkol splňuje a dosavadní nevýhody a nedostatky odstraňuje kostní šroub pro použití v ortopedické chirurgii, zejména zaváděný pomocí zařízení pro externí fixaci zlomenin, obsahující hlavu, dřík a závitovou část zužující se směrem k zahrocené koncové části na protilehlém konci hlavy, u něhož závitová část má alespoň jeden úsek s konstantní roztečí závitů, jejichž průřezový profil je proveden v ostrém úhlu nebo jako zahrocený trojúhelníkovitý profil, podle vynálezu, jehož podstatou je, že závity jsou navzájem od sebe odděleny tvarovým dolním zábřitem, který má konkávní profil vytvořený dvěma navzájem proti sobě skloněnými plochami.

To umožňuje, že prodloužený kuželovitý profil závitem opatřené části může být co nejúčinněji využit a skýtá velkou plochu styku s kostí, účinně snižující měrnou zátěž.

Uvedený tvarový dolní zábřit má v průřezu tupý úhel s kuželovou sbíhavostí směrem k podélné ose kostního šroubu. Tento tupý úhel má s výhodou 150° a průřezový profil svírá úhel v rozmezí 15 až 30°. Uvedená konstantní rozteč je 1,25 mm. U výhodného provedení mají čelní stěny sousedících závitů v průřezu ostrý úhel s kuželovitou sbíhavostí směrem k podélné ose kostního šroubu. Ostrý úhel je úhel v rozmezí 15 až 30°. Je výhodné, je-li závitová část provedena na přibližně jedné třetině délky kostního šroubu a výška závitu odpovídá třem pětinám délky rozteče, přičemž je výhodné, činí-li tato výška 0,75 mm.

Vlastnosti a výhody kostního šroubu podle vynálezu jsou zřejmé z následujícího popisu jeho provedení, které je uvedeno jako neomezující příkladné provedení, s odvoláním na připojené výkresy.

Přehled obrázků na výkrese

Příkladné provedení vynálezu je znázorněno na výkrese, kde obr. 1 představuje schematický axonometrický pohled na kostní šroub, obr. 2 je schematický boční pohled na kostní šroub podle obr. 1, obr. 3 schematický pohled na část profilu šroubu podle obr. 1 ve zvětšeném měřítku, obr. 4 zvětšený detail a částečný řez profilem závitu kostního šroubu podle obr. 3, obr. 5A a 5B jednotlivě a ve zvětšeném měřítku schematický pohled ze dvou různých úhlů na koncovou část kostního šroubu podle obr. 1, obr. 6 schematický pohled na koncovou část kostního šroubu podle obr. 1 ve zvětšeném měřítku zepředu a obr. 7 schematický detailní pohled na hlavu kostního šroubu podle obr. 1.

-2CZ 298324 B6

Příklady provedení vynálezu

Na obr. 1 je schematicky znázorněno příkladné provedení kostního šroubu 1 podle vynálezu, určeného pro použití v humánní nebo veterinární ortopedické chirurgii ve spojení se zařízeními pro externí fixaci kostních zlomenin.

Kostní šroub 1 má zahrocenou koncovou část 2 uzpůsobenou pro to, aby byl chirurgem zaveden do kortikální části kosti a potom zašroubován pomocí příslušného nástroje, napojeného na hlavu 3 kostního šroubu 1.

Kostní šroub 1 sestává z dříku 4 a ze závitové části 5 tvořící s dříkem 4 jeden celek. Závitová část 5 má prodloužený kuželovitý tvar a v oblasti, ve které navazuje na dřík 4, má stejný průměr. Dále se však směrem k zahrocené koncové části 2 mírně zužuje. Závitová část 5 je provedena přibližně na jedné třetině celkové délky kostního šroubu 1. V praxi je však možno zvolit i jiný poměr závitové části 5 vzhledem k dříku 4.

Je výhodné, je-li kostní šroub 1 proveden jako závitořezný tak, že má kuželovitou závitovou část, kterou lze usměrňovat pro účinnější udržení směru zavádění i v případě použití vyššího kroutícího momentu.

Ze zvětšeného pohledu na obr. 3 je zřejmý profil závitové části 5 kostního šroubu 1.

Je výhodné, má-li závitová část 5 alespoň jeden úsek s konstantní roztečí, s výhodou s roztečí

1,25 mm a obsahuje závity 9, které mají v řezu trojúhelníkovitý profil s bodem vratu nebo vrcholovým ostrým úhlem a o hodnotě 15 až 30°.

Celní stěny dvou sousedících závitů jsou vůči sobě uspořádány v ostrém úhlu a se sbíhavostí do kuželu s vrcholem v podélné ose X kostního šroubu 1. U provedení podle obr. 4 má tento úhel a s výhodou 30°.

Je rovněž výhodné, má-li dolní zábřit konkávní profil 10 mezi sousedícími závity 9, jehož působením se zlepšuje proudění materiálu a odlehčuje se napětí kosti v průběhu pronikání kostního šroubu 1.

Konkávní profil 10 je vymezen dvěma protilehle zešikmenými plochami, které v průřezu svírají tupý úhel β o kuželové sbíhavosti směrem k podélné ose kostního šroubu 1. Tento tupý úhel β je v rozmezí od 120 do 150°, s výhodou však činí 150°, jak je zřejmé u provedení znázorněného na obr. 4.

Oblast mezi vnitřními stěnami a dolním zábřitem závitů 9 má poloměr zaoblení 0,2 mm.

Závity mají výšku odpovídající třem pětinám rozteče, to je 0,75 mm. Tato výška je v celé délce závitové části 5 konstantní.

Tento závit umožňuje nejlepší využití kuželovitého profilu tím, že koncentruje unášení materiálu do opačného směru než je směr jeho posuvu.

Jen pro ilustraci lze uvést, že kostní šroub 1 může mít celkovou délku 17 5 mm, včetně 60 mm délky závitové části 5.

Je možno vyrobit řadu různých délek kostních šroubů 1 pro individuální potřebu chirurga. Tak například může vhodná sada kostních šroubů 1 obsahovat kostní šrouby 1 o celkové délce 140 mm se závitovou částí 5 o délce 40 mm; nebo kostní šrouby 1 o délce 210 mm se závitovou

-3 CZ 298324 B6 částí 5 o délce 70 mm; nebo kostní šrouby 1 o délce 255 mm se závitovou částí 5 o délce alespoň 80 mm.

Pokud má kostní šroub 1 délku 175 mm, má dřík 4 výhodný průměr 6 mm, tedy stejný, jako je vnější průměr závitové části 5 u dříku 4. U zahrocené koncové části 2 činí vnější průměr závitové části 5 4 mm.

Shodně je také průměr jádra závitové části 5 u dříku 4 4,5 mm a 2,5 mm u zahrocené koncové části 2.

S výhodou je zahrocená koncová část 2 kostního šroubu 1 opatřena dvojicí protilehle uspořádaných drážek 11 a 12, vybraných rovinnou frézkou.

Drážky 11 a 12 jsou vzhledem k podélné ose kostního šroubu 1 provedeny ve směrovém úhlu $ a v blízkosti zahroceného konce přesahují závitovou část 5.

Směrový úhel je s výhodou 150°.

Takové provedení dvojice drážek H a 12. usnadňuje zavádění kostního šroubu 1 do otvoru předvrtaného v kosti, a přitom také usnadňuje zachycení závitové části 5, sousedící se zahroceným koncem, v druhé kortikální části kosti.

Pro úplnost tohoto popisu je třeba dodat, že v blízkosti hlavy 3 kostního šroubu 1 je upravena kruhová drážka 15, která usnadňuje odříznutí části kostního šroubu 1, vyčnívající z fixačního zařízení po jeho zavedení.

Kostní šroub 1 podle vynálezu se zavádí známým způsobem s tím rozdílem, že se do kosti předvrtává otvor pro jeho uložení, aby bylo možno vyvodit vhodné radiální předpětí a udržet nízkou zaváděcí teplotu.

Byly vyzkoušeny prototypy kostních šroubů s výše popsaným profilem závitu a provedeny konečné výpočty jejich částí (FEM).

Výpočty byly provedeny za účelem vyhodnocení účinku dvou různých profilů závitu na mřížovitém lůžku při třech odlišných zátěžových situacích:

1) přesah kostního šroubu/kosti;

2) síla potřebná k vytržení;

3) simulované skutečné zatížení.

Je třeba uvést, že analýza napětí vyvozovaného v kosti nepředstavuje absolutní hodnotu, neboť kost není žádný lineárně elastický materiál. Proto mají hodnoty analýzy FEM smysl jen jako srovnatelné hodnoty, zejména hodnoty porovnávané s hodnotami uváděnými u konvenčních kostních šroubů, uváděných jako reference.

Zátěžová situace 1) vzniká při vkládání šroubu se závitem o průměru 5 mm, to je střední rozměr kuželového průměru kostního šroubu 1, a o výšce závitu 0,75 mm. To znamená, že průměr jádra závitové části je 3,5 mm. Závit tohoto provedení byl zaveden do otvoru o průměru 3,2 mm. Za těchto okolností se kostní šroub 1 zavrtává s přesahem „i“, který se rovná vztahu - průměr jádra šroubu - průměr otvoru /2 = (3,5 - 3,2) /2 = 0,15 mm.

Situace vytržení 2) se týká kostního šroubu se závitem, který byl podroben specifickému napětí v tahu (p = 1 N/mm² = 1 MPa) za účelem zkoumání jeho účinnosti na spojenou mřížovitou kost.

-4CZ 298324 B6

Tato situace simuluje účinek vytrhnutí v případě, kdy nedošlo k přesahu kostního šroubu a kosti, což je situace podobná kostní lysi.

Aktuální zatěžovací situace 3) spočívá v kombinaci dvou předcházejících situací. Zatěžovací situace byla zejména simulována při přesahu i = 0,15 mm a při specifické vytahovací síle

8,5 MPa.

Z analýzy FEM, která zde byla zrekapitulována tak, aby nepřetěžovala zbytek popisu, vyplývá, že kostní šroub podle vynálezu rozvádí namáhání lépe než konvenční kostní šrouby.

Navíc, model nejvyššího namáhání v tlaku při vytahování prokázal, že kostní šroub podle vynálezu přenáší namáhání na několik závitů, zatímco u konvenčních kostních šroubů je tak většinou zatížen jen jeden závit.

Dále se ukázalo, že kostní šroub podle tohoto vynálezu má lépe rozdělený tlak i při nedostatečném vzájemném působení kosti a kostního šroubu, to je v situaci, kdy předvrtaný otvor v kosti má větší průměr než je průměr kostního šroubu, nebo při lysi nebo při osteoporóze.

Kostní šroub podle vynálezu tak řeší současný technický problém a skýtá řadu výhod, mezi nimiž vyniká skutečnost, že profil závitu kostního šroubu přispívá k optimalizaci namáhání kosti, což je dáno jak velkou styčnou plochou s kostí, tak i možností poskytovanou kostnímu materiálu uvolňovat se přechodem do konkávních patních zábřitů závitů. Tím se dosahuje snížení měrného tlaku při zatížení a snižuje se také moment kroutící síly, nutné pro zavádění kostního šroubu.

Claims (10)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Kostní šroub pro použití v ortopedické chirurgii, zejména zaváděný pomocí zařízení pro externí fixaci zlomenin, obsahující hlavu (3), dřík (4) a závitovou část (5) zužující se směrem k zahrocené koncové části (2) na protilehlém konci hlavy (3), u něhož závitová část (5) má alespoň jeden úsek s konstantní roztečí závitů (9), jejichž průřezový profil je proveden v ostrém úhlu nebo jako zahrocený trojúhelníkovitý profil, vyznačující se tím, že závity (9) jsou navzájem od sebe odděleny tvarovým dolním zábřitem, který má konkávní profil (10) vytvořený dvěma navzájem proti sobě skloněnými plochami.
2. 2. Kostní šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že tvarový dolní zábřit má v průřezu tupý úhel (β) s kuželovou sbíhavostí směrem k podélné ose kostního šroubu (1).
3. 3. Kostní šroub podle nároku 2, vyznačující se tím, že tupý úhel (β) má hodnotu alespoň 150°.
4. 4. Kostní šroub podle nároku 1,vyznačuj ící se tím, že průřezový profil svírá úhel v rozmezí 15 až 30°.
5. 5. Kostní šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že konstantní rozteč je

   1,25 mm.
6. 6. Kostní šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že čelní stěny sousedících závitů mají v průřezu ostrý úhel (a) s kuželovitou sbíhavostí směrem k podélné ose kostního šroubu (1).

   -5 CZ 298324 B6
7. 7. Kostní šroub podle nároku 6, vyznačující se tím, že ostrý úhel (a) má hodnotu v rozmezí 15 až 30°.

   5
8. 8. Kostní šroub podle nároku 1, vyznačující se tím, že závitová část (5) je provedena na jedné třetině délky kostního šroubu (1).
9. 9. Kostní šroub podle nároku 1, vy zn a č u j í c í se t í m , že výška závitu odpovídá třem pětinám délky rozteče.

   o
10. 10. Kostní šroub podle nároku 9, vyznačující se tím, že výška závitu je 0,75 mm.