Результат интеллектуальной деятельности: ВИБРОЭКСТРАКТОР ДЛЯ РЕЗЬБОВЫХ ФРАГМЕНТОВ ТРАНСПЕДИКУЛЯРНЫХ ШУРУПОВ

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 technigue, Stry Ker Spine, www.strvker.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 также конструкции инструмента для завинчивания/вывинчивания неповрежденных ТШ, представляющие собой воротки (выкрутки) с головками, снабженные захватными элементами, которые входят в контакт с соответствующими конструктивными элементами головки ТШ (Системи корекцiї та стабiлiзацiї хребта, Xapкiв, IПХС iм.. проф.. М.I. Ситенка).

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

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

Основным недостатком данной конструкции экстрактора является сложность образования на находящемся в костной ткани резьбовом фрагменте углублений с помощью винтообразных выступов вкладышей, необходимых для передачи крутящего момента (момента вывинчивания).

Образование этих углублений (вмятин) требует значительных осевых усилий, прикладываемых к экстрактору, что в большинстве случаев недопустимо по причине чрезмерной деформации позвоночного столба, опасности повреждения межпозвоночных дисков и нервных отростков, и близко расположенных внутренних органов.

Образование углублений недостаточной глубины приводит к срезанию части материала резьбового фрагмента (витка резьбы) винтообразными выступами при вращении экстрактора с целью его вывинчивания, что объясняется наличием большого момента сопротивления вывинчиванию резьбового фрагмента и малой площадью поверхности образованных углублений, воспринимающих прикладываемый к экстрактору крутящий момент.

Срезание части материала с вершины витка резьбового фрагмента приводит к его затуплению, т.е. к увеличению площади поверхности при его вершине, с которой взаимодействуют винтообразные выступы, (лезвия), а следовательно, повторение процедуры захвата требует гораздо большего по величине осевого усилия и крутящего момента для врезания лезвий, что создает дискомфортные условия для пациента, увеличивает время операции, а также приводит к невозможности осуществления извлечения резьбового фрагмента из костной ткани.

В основу изобретения положена задача создания инструмента (экстрактора), способного обеспечить надежный захват и вывинчивание резьбовых фрагментов шурупов без значительных силовых воздействий на позвоночник, нервные окончания и внутренние органы человека (пациента).

Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемой конструкции инструмента, содержащего рукоятку для создания крутящего момента, головку в виде чашки с отверстиями в донной части под торцовые шпонки зацепных элементов в виде сменных вкладышей сегментной формы с винтообразными выступами (лезвиями) на внутренних конических поверхностях, а также канавку и прорезы под фиксатор вкладышей в виде фигурной кольцевой пружины, стержневая часть инструмента (виброэкстрактора) между рукояткой и головкой состоит из полого цилиндра с отверстиями для охлаждения и трубчатого переходника головки, последовательно расположенных на одной оси и связанных между собой посредством выполненного в плоскости узла колебаний фланца ступенчатого полуволнового концентратора продольных колебаний цилиндрической формы, торец ступени большего диаметра которого соединен с размещенным в полости цилиндра магнитострикционным преобразователем электромагнитной энергии в виде двустержневого рамочного магнитопровода с обмотками возбуждения продольных механических колебаний, а торец ступени меньшего диаметра, размещенный в трубчатом переходнике, находится в контакте с козырьками вкладышей, подпружиненных в осевом направлении внутренними частями фигурной кольцевой пружины (фиксатора), причем торцевые поверхности ступеней концентратора расположены в плоскостях пучности колебаний. Внутренние части пружины, находящейся в свободном состоянии, предназначенные для размещения в канавках на наружных поверхностях вкладышей, и ее наружные части, предназначенные для размещения в кольцевой канавке и в прорезах чашки головки, расположены на различных уровнях.

При сравнении прототипа с заявленным техническим решением видно, что последнее характеризуется следующими отличительными особенностями.

Во-первых, высокочастотные колебания, создаваемые магнитострикционным преобразователем и передаваемые с помощью концентратора колебаний вкладышам, обеспечивают виброударный процесс врезания винтообразных выступов (лезвий) в материал резьбового фрагмента ТШ, который способствует как уменьшению необходимого для этого осевого усилия, прикладываемого к инструменту, так и уменьшению времени формирования на вершине витков резьбового фрагмента ТШ углублений, необходимых для зацепления лезвий и передачи крутящего момента (момента вывинчивания).

Во-вторых, передаваемые резьбовому фрагменту в процессе врезания вибрации способствуют образованию разрывов (микротрещин) в местах контакта материала резьбового фрагмента ТШ с костной тканью, что уменьшает момент трения, а следовательно и величину крутящего момента, необходимого для его вывинчивания, а также вероятность срезания вершин резьбовых витков фрагментов ТШ, находящихся в костной ткани.

На фиг. 1 показана конструкция виброэкстрактора в разрезе; на фиг. 2 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 4 - конструкция кольцевой фигурной пружины (фиксатора вкладышей); на фиг. 5 - сечение по Б-Б на фиг. 4; на фиг. 6 - схема захвата и извлечения резьбового фрагмента ТШ.

Виброэкстрактор (фиг. 1) представляет собой стержневую конструкцию, на одном конце которой имеется чашечная головка 1 для размещения сменных зацепных элементов в виде вкладышей 2 сегментной формы, а на другом - рукоятка 3 для создания крутящего момента вывинчивания резьбовых фрагментов из костной ткани. Расположенная между рукояткой и головкой стержневая часть конструкции состоит из полого цилиндра 4 с отверстиями 5 и 6 соответственно для подвода и отвода охлаждающей среды в виде сжатого воздуха и трубчатого переходника 7, последовательно расположенных на одной оси с головкой и рукояткой, связанных между собой посредством выполненного в плоскости узла колебаний фланца ступенчатого полуволнового концентратора (генератора) продольных колебаний цилиндрической формы 8. Размещение фланца в плоскости узла колебаний, характеризующегося близким к нулю значением амплитуды колебаний, исключает передачу колебаний через фланец элементам стержневой части виброэкстрактора. Входная ступень концентратора большего диаметра размещена в полости цилиндра 4 и соединена пайкой в плоскости пучности колебаний с двустержневым рамочным магнитоприводом 9 квадратного сечения с обмотками возбуждения 10, образующим магнитострикционный преобразователь электромагнитной энергии в механические продольные колебания выходной ступени 11 концентратора 8, размещенного в трубчатом переходнике 7 головки.

Торцовые поверхности входной и выходной ступени концентратора расположены в плоскостях пучности колебаний, что обеспечивает получение на входе и на выходе максимальных значений амплитуды продольных колебаний.

В донной части головки выполнены пазы 12 прямоугольной формы (фиг. 2), образующие отверстия под торцовые шпонки 13 вкладышей 2, снабженных козырьками 14, поджатыми к концу волновода 11 внутренними частями 15 фигурной кольцевой пружины 15 (фиг. 4), размещенными в канавках 17 на наружных поверхностях вкладышей 2. Наружные части 18 кольцевой пружины 16 расположены в кольцевой канавке 19 и в прорезах 20, выполненных в чашке головки 1. Создание усилия поджима вкладышей к выходной ступени концентратора 11 обеспечивается за счет расположения на различных уровнях внутренних и внешних частей кольцевой фигурной пружины, находящейся в свободном состоянии (фиг. 5), т.е. до ее установки в головку с вкладышами.

Вкладыши 2 сегментной формы, являющиеся зацепными элементами виброэкстрактора, снабженные винтообразными выступами 21 (лезвиями) на внутренних конических поверхностях, имеющими в поперечном сечении коническую форму, образуют многозаходную коническую резьбу большого шага, противоположную по направлению резьбе шурупов.

После установки в чашку головки 1 они образуют поверхность в виде усеченного конуса, обеспечивающую центрирование головки относительно концов извлекаемых из костной ткани резьбовых фрагментов шурупов (фиг. 6).

Процесс извлечения (вывинчивая) резьбового фрагмента ТШ с диаметром внешнего конца dp, расположенного на границе костной ткани, показан на фиг. 6.

Сначала, для обеспечения доступа зацепных элементов к виткам резьбы фрагмента ТШ, производится удаление незначительной части прилегающей к ним костной ткани с образованием кольцевого углубления диаметром D и глубиной Н с помощью кольцевого трубчатого сверла известной конструкции, используемого в хирургической практике.

Затем в контакт с выступающим из костной ткани концом фрагмента ТШ вводятся винтообразные выступы (лезвия) 21 сегментных вкладышей 2, к рукоятке 3 прикладывается усилие F, крутящий момент Мкр и включается подача питания на обмотку возбуждения 10 магнитострикционного преобразователя (вибратора). В результате в магнитопроводе 9 преобразователя возбуждаются продольные механические колебания с частотой ν и амплитудой a₁≈0,002…0.005 мм, которая усиливается до амплитуды a₁≈0,01…0,1 мм с помощью ступенчатого концентратора 8 и передается козырькам 14 вкладышей 2, вызывая их продольные (осевые) колебания (Кумаб Э.Д. Вибрационное резание: Пер. с яп. С.И. Масленникова / Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. - М.: Машиностроение, 1985. - 424 с., глава 7; Подураев В.Н. Обработка резанием с вибрациями. - М.: Машиностроение, 1970. - 350 с., стр. 318; Донской А.В., Келлер O.К., Кратыш Г.С. Ультразвуковые электротехнические установки. - Л.: Энергоиздат, 1982. - 208 с., стр. 42; стр. 131-139; Волосатов В.А. Ультразвуковая обработка. - Л.: Лениздат, 1973. - 248 с.).

Входя в контакт с вершинами верхних витков резьбы фрагмента ТШ, винтообразные выступы (лезвия) образуют углубления, размер (глубина) и число которых увеличивается по мере наворачивания головки вследствие пластической деформации материала ТШ, что исключает срезание вершин резьбы при увеличении крутящего момента Мкр с целью преодоления момента сопротивления вывинчиванию.

Для достижения максимальных (расчетных) значений амплитуды колебаний колебательная система, образованная преобразователем и концентратором, должна находиться в резонансном состоянии, что достигается при общей длине системы, кратной λ/2, где λ - длина стоячей волны продольной деформации.

Таким образом, на принятую в прототипе кинематическую схему нагружения вкладышей с винтообразными выступами (лезвиями) накладывается дополнительное направленное вибрационное движение вкладышей с лезвиями относительно конца резьбового фрагмента ТШ, что улучшает процесс врезания лезвий в его материал с целью образования углублений для передачи крутящего момента (Ахмедшин Н.И. и др. Вибрационное резане металлов / Под ред. К.М. Рагульскиса. - Л.: Машиностроение, 1987. - 80 с.). При этом выходному концу концентратора могут сообщаться как гармонические, так и негармонические колебания с частотой от 200 до 16000 Гц (высокочастотные колебания), а также и ультразвуковые колебания с частотой выше 16000 Гц.