Виброэкстрактор с комбинированным движением зацепных элементов для резьбовых фрагментов транспедикулярных шурупов

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для извлечения из костной ткани резьбовых фрагментов транспедикулярных шурупов, которые находятся в ней вследствие усталостного разрушения и не имеют конструктивных элементов, способствующих их захвату и вывинчиванию с помощью известных, предназначенных для этого инструментов. Виброэкстрактор представляет собой стержневую конструкцию, в состав которой входят рукоятка для создания осевого усилия и крутящего момента, магнитострикционный преобразователь электромагнитной энергии в механические продольные колебания, полуволновой конический концентратор для их усиления, трубчатый волновод со спиральными прорезами и с закрепленной на конце головкой в виде чашки с винтообразными зацепными элементами, образующими внутреннюю многозаходную коническую резьбу, противоположную по направлению резьбе фрагмента. После установки головки на конец резьбового фрагмента шурупа с помощью магнитострикционного преобразователя (вибратора) создаются продольные механические колебания, которые усиливаются концентратором, передаются волноводу и с помощью образованных прорезами спиральных перемычек преобразуются в винтообразные, т.е. комбинированные колебания головки, способствующие ее наворачиванию на конец резьбового фрагмента, формированию на его резьбовых витках углублений и уменьшению прикладываемых к рукоятке осевого усилия и момента вывинчивания. Импульсный характер момента вывинчивания и сил врезания зацепных элементов головки в материал резьбового фрагмента вызывает ослабление (разрыв) механической связи витков резьбы шурупа с костной тканью вследствие уменьшения сил трения, повышает надежность захвата фрагмента без срезания витков резьбы, уменьшает силовую нагрузку на позвоночник и внутренние органы человека - пациента и время операции. 5 ил.

 

Изобретение относится к ортопедии и вертебрологии и предназначено для извлечения из костной ткани резьбовых фрагментов транспедикулярных шурупов, которые находятся в ней вследствие усталостного разрушения и не имеют конструктивных элементов, способствующих их захвату и вывинчиванию с помощью известных, предназначенных для этого инструментов.

Современные системы коррекции и стабилизации позвоночника характеризуются наличием большого числа транспедикулярных шурупов (ТШ) разной длины и диаметров, которые обеспечивают закрепление элементов систем и исключают их саморазвинчивание. Они имеют диаметры от 4,5 до 8,5 мм и длину от 25 до 100 мм и снабжены полукруглыми головками диаметром 13…15 мм с поперечным пазом под инструмент, который рассматривается как аналог, с помощью которого они ввинчиваются в костную ткань и вывинчиваются из нее при необходимости (Deformity Spinal Fixation System. www.Lanx.com. Operative technique, Stryker Spine, www.stryker.com/emea/index.htm).

Характерным недостатком, свойственным ТШ данной конструкции, является отрыв головки от резьбовой части шурупа, причем плоскость отрыва может находиться в непосредственной близости от головки и проходить через зону концентрации напряжения, образованную переходной шейкой ТШ, расположенной снаружи костной ткани, либо проходить через впадины резьбовой части на границе костной ткани, либо находиться внутри костной ткани, что создает еще большую проблему извлечения находящегося внутри костной ткани резьбового фрагмента ТШ.

Из вышеизложенного следует, что внешние концы резьбовых фрагментов ТШ, которые лежат в плоскости отрыва, отличаются один от другого по диаметру и не имеют конструктивных элементов для захвата, что создает проблему для их извлечения (вывинчивания).

Известны конструкции инструмента для ввинчивания и вывинчивания неповрежденных ТШ, представляющие собой воротки (выкрутки) с захватными элементами (зацепами), которые входят в контакт с соответствующими конструктивными элементами головки ТШ (Системи корекцiï та стабiлiзацiï хребта, Харкiв, IПХС iм. проф. M.I. Ситенка).

Основным недостатком таких инструментов есть то, что ни один из них не снабжен захватными элементами (зацепами) для резьбовых фрагментов сломанных шурупов, способными передать им крутящий момент, необходимый для их вывинчивания из костной ткани.

В качестве прототипа взята конструкция экстрактора для резьбовых фрагментов транспедикулярных шурупов (патент Украины №98224, Бюл. №8 от 25.04.2012), содержащая головку в виде чашки с зацепными элементами в виде сменных вкладышей сегментной формы с торцовыми шпонками и винтообразными выступами (лезвиями) на внутренних конических поверхностях, образующих полость, имеющую форму усеченного конуса, и снабженную канавками и прорезами в чашке под фиксатор вкладышей в виде кольцевой фигурной пружины, а также рукоятку со стержнем для передачи головке крутящего момента.

Недостатком данной конструкции экстрактора является сложность и длительность образования на находящемся в костной ткани резьбовом фрагменте углублений (вмятин) с помощью винтообразных выступов (лезвий) вкладышей, необходимых для передачи крутящего момента (момента выворачивания). Образование углублений нужных размеров требует значительных осевых усилий, прикладываемых к экстрактору, что в большинстве случаев недопустимо по причине чрезмерной деформации позвоночного столба, опасности повреждения межпозвоночных дисков, нервных отростков и близко расположенных внутренних органов.

Образование углублений недостаточной глубины приводит к срезанию части материала резьбового фрагмента (витка резьбы) винтообразными лезвиями при его вывинчивании из-за большого момента сопротивления вывинчиванию вросших в костную ткань резьбовых фрагментов. Срезание части материала с вершины витка резьбы фрагмента приводит к увеличению площади поверхности при его вершине, поэтому повторение процесса врезания требует еще больших по величине осевых усилий и крутящего момента, что создает дискомфортные условия для пациента, увеличивает время операции.

В основу изобретения положена задача создания виброэкстрактора, способного обеспечить уменьшение времени формирования на резьбовых фрагментах шурупов углублений для их последующего надежного захвата зацепными элементами инструмента и вывинчивания из костной ткани.

Сущность изобретения заключается в том, что в известной конструкции экстрактора стержневого исполнения, характеризующегося наличием расположенных на одной оси рукоятки для создания крутящего момента, стержневой части для передачи крутящего момента и головки в виде чашки с винтообразными зацепными элементами, образующими внутреннюю многозаходную коническую резьбу с большим шагом, противоположную по направлению резьбе фрагмента шурупа, стержневая часть выполнена в виде полого цилиндра с рукояткой на одном торце и с проточной полостью для охлаждающей среды, в которой осесимметрично размещены соединенные между собой магнитопровод с обмотками возбуждения полуволнового магнитострикционного преобразователя электромагнитной энергии в продольные механические колебания и полуволновой концентратор колебаний в виде усеченного конуса, прикрепленного с помощью выполненного на нем в полости узла колебаний фланца с коническим переходником к другому торцу полого цилиндра. Конец конического концентратора меньшего диаметра соединен с трубчатым волноводом, имеющим спиральные прорезы между соседними узлами продольных колебаний и центральное резьбовое отверстие на конце под резьбовой хвостовик сменной головки, являющейся частью волновода, наружная торцовая поверхность которой расположена в плоскости пучности продольных колебаний волновода. Направление спиральных прорезов совмещено с направлением наклона резьбы шурупа, а направление резьбы хвостовика головки противоположно ему.

При сравнении аналогов и прототипа с представленным техническим решением видно, что последнее характеризуется следующими новыми техническими особенностями.

Во-первых, оснащение концентратора колебаний трубчатым волноводом со спиральными прорезами обеспечивает получение от одного источника энергии как продольных, так и крутильных колебаний головки с зацепными элементами, что уменьшает габариты и массу инструмента, а также расход энергии.

Во-вторых, крутильные колебания в сочетании с поступательными создают винтообразное (комбинированное) колебательное движение головки как в направлении ее навинчивания на конец шурупа с целью более интенсивного образования на них углублений, так и в направлении момента вывинчивания, что повышает надежность захвата и вывинчивания и уменьшает вероятность срезания вершин витков резьбы.

В-третьих, импульсы сил, действующих в направлении наворачивания головки, и импульсы момента, действующего в направлении выворачивания, способствуют уменьшению прикладываемых к рукоятке сил и моментов, уменьшают статическую нагрузку на органы пациента и время операции.

На фиг. 1 показан продольный разрез виброэкстрактора; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 - схема захвата и извлечения резьбового фрагмента шурупа из костной ткани; на фиг. 5 - схема образования импульсных крутильных колебаний головки.

Виброэкстрактор (фиг. 1) представляет собой стержневую конструкцию, состоящую из расположенных на одной оси рукоятки 1 для создания крутящего момента М_кр, связанной с полым цилиндром 2, в полости которого размещен рамочный магнитопровод 3 с обмотками возбуждения 4 магнитострикционного полуволнового преобразователя электромагнитной энергии в механические продольные колебания с частотой ν и амплитудой a₁. Магнитострикционный преобразователь соединен с помощью пайки (или сварки) с торцом большего диаметра конического полуволнового концентратора колебаний 5, закрепленного с помощью фланца 6 и конического переходника 7 на торце полого цилиндра 2, причем место соединения магнитопровода с концентратором расположено в плоскости пучности продольных колебаний I-I, где наблюдается максимальное значение амплитуды a₁, а крепежный фланец расположен в плоскости II-II узла колебаний УК, где амплитуда колебаний близка к нулю, а следовательно, исключается передача вибрации полому цилиндру с рукояткой.

Торец меньшего диаметра конического концентратора соединен в плоскости пучности колебаний I-I с входным концом трубчатого волновода 8, имеющего на участке между двумя соседними узлами колебаний УК выполненные под углом β к оси спиральные (винтообразные) прорезы 9, образующие аналогичные по форме перемычки 10, а на выходном конце внутреннее резьбовое отверстие в зоне узла колебаний для резьбового хвостовика сменной чашечной головки 11 с центральным отверстием 12 квадратной формы под ключ. На внутренней конической поверхности головки выполнены винтообразные зацепные элементы (лезвия) 13, образующие внутреннюю многозаходную коническую резьбу большого шага, противоположную по направлению резьбе фрагмента шурупа. Головка входит в состав волновода и ее наружный торец расположен в плоскости I-I пучности колебаний с увеличенной амплитудой a₂ и частотой ν. В рукоятке 1 выполнено отверстие 14 для подвода питания к обмоткам возбуждения и сжатого воздуха для охлаждения магнитострикционного преобразователя, а в полом цилиндре - отверстия 15 для выхлопа сжатого воздуха.

Процесс вывинчивания резьбовых фрагментов шурупов из костной ткани осуществляется в следующей последовательности.

Сначала создаются условия для доступа винтообразных лезвий к наружному концу резьбового фрагмента, для чего он освобождается от прилегающей к нему костной ткани с помощью, например, трубчатого сверла, создающего выемку с минимально необходимым диаметром D и минимально необходимой глубиной Н (фиг. 4). Затем винтообразные зацепные элементы (лезвия) головки вводятся в контакт с верхним витком резьбы фрагмента шурупа, вручную создается начальное осевое усилие F₀ и начальный крутящий момент М_кр, направление которого совпадает с направлением вывинчивания фрагмента из костной ткани (в данном случае против часовой стрелки), в результате чего происходит навинчивание головки на резьбовой фрагмент шурупа, вызывающее пластическую деформацию вершин резьбовых витков (микроврезание) и образование на них зацепных элементов в виде углублений.

При последующей подаче на обмотки возбуждения 4 напряжения с частотой от 8000 до 16000 Гц в магнитопроводе 3 магнитострикционного преобразователя возбуждаются продольные механические колебания с частотой ν и амплитудой a₁, которые передаются концентратору 5, усиливаются им до амплитуды a₂ и сообщаются трубчатому волноводу 8, на конце которого закреплена головка 11 с зацепными элементами 13 (см. Кумабэ Д. Вибрационное резание: Пер. с яп. С.Л. Масленникова / Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с., глава 7; Донской А.В. и др. Ультразвуковые электротехнические установки. - Л: Энергия, 1982. - 208 с., стр. 42, стр. 131139).

Импульсы сил ΔF₀, создаваемые волной продольной механической деформации (фиг. 5), действующие в зоне пучности колебаний на винтообразные перемычки 10 и закрепленную на их наружных концах головку 11, вызывают изгибную деформацию перемычек в сторону уменьшения угла β, т.е. уменьшение их кривизны, в результате чего концы перемычек длиной AB перемещаются по дуге из точки B в точку B', увеличивая расстояние L между точками заделки перемычки на величину ΔL, а поскольку число перемычек принимается больше трех (в рассматриваемой конструкции имеется четыре перемычки, фиг. 2), создается винтообразное (комбинированное) вибрационное перемещение головки с амплитудой a₃ в направлении действия импульса силы ΔF₁, являющейся производной осевого импульса силы ΔF₀ и тангенциального импульса силы ΔF_т, созданного импульсом крутящего момента ΔМ_кр.

Таким образом, на головку с лезвиями действует суммарная осевая сила

F_Σo=F₀+ΔF₀

и суммарный крутящий момент

M_Σкр=M_кр+ΔM_кр,

создающие в местах контакта лезвий с витками резьбы (фиг. 4) результирующую суммарную силу

F_Σ1=FΣ_ocosα+ΔF₁,

действующую в направлении угла наклона лезвий α и облегчающую их врезание в материал фрагмента с целью образования углублений под зацепные элементы головки виброэкстрактора, а также результирующую суммарную силу

F_Σ2=F_тcosγ, где F_т=2M_Σкр/d_p,

действующую в направлении угла наклона витка резьбы γ диаметром d_p, способствующую выворачиванию фрагмента шурупа из костной ткани вследствие уменьшения сил трения в зоне контакта лезвий с костной тканью.

Увеличение осевого усилия F_Σ0 и крутящего момента M_Σкр вызывает дальнейшее наворачивание головки на резьбовой фрагмент шурупа и увеличение числа углублений за счет углублений образуемых на последующих витках резьбы, что дает возможность избежать их срезания под действием момента выворачивания, т.е. повышает надежность зацепления и выворачивания.

Импульсный характер момента выворачивания вызывает дополнительное разрушение механической связи фрагмента шурупа с костной тканью, а следовательно, способствует уменьшению величины необходимого крутящего момента M_кр, силовой нагрузки на органы человека - пациента и, в целом, времени операции.

Виброэкстрактор с комбинированным движением зацепных элементов для резьбовых фрагментов транспедикулярных шурупов, содержащий соосно расположенные рукоятку для создания крутящего момента, стержневую часть для передачи крутящего момента и головку в виде чашки с винтообразными зацепными элементами, выполненными для углублений вершин резьбовых витков транспедикулярных шурупов пластической деформацией и образующими внутреннюю многозаходную коническую резьбу, противоположную по направлению резьбе шурупа, отличающийся тем, что стержневая часть выполнена в виде полого цилиндра с рукояткой на одном торце и с проточной полостью для охлаждающей среды, в которой осесимметрично размещены соединенные между собой магнитопровод с обмотками возбуждения полуволнового магнитострикционного преобразователя электромагнитной энергии в продольные механические колебания и полуволновой концентратор колебаний в виде усеченного конуса, прикрепленного с помощью выполненного на нем в плоскости узла колебаний фланца с коническим переходником к другому торцу полого цилиндра, при этом конец конического концентратора меньшего диаметра соединен с трубчатым волноводом, имеющим спиральные прорезы между соседними узлами продольных колебаний и центральное резьбовое отверстие на конце под резьбовой хвостовик сменной головки, являющейся частью волновода, наружная торцовая поверхность которой расположена в плоскости пучности продольных колебаний волновода, причем направление спиральных прорезов совмещено с направлением наклона резьбы шурупа, а направление резьбы хвостовика головки противоположно ему.