Результат интеллектуальной деятельности: ВИБРОЭКСТРАКТОР ДЛЯ РЕЗЬБОВЫХ ФРАГМЕНТОВ ТРАНСПЕДИКУЛЯРНЫХ ШУРУПОВ С КРУТИЛЬНЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ ЗАХВАТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

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, снабженными захватными элементами, которые входят в контакт с соответствующими конструктивными элементами головки ТШ (Системи корекцiï та стабiлiзацiï хребта, Харкiв, 1ПХС 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 в виде 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, и снабженной 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 и моментов, 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 выворачивания, 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 больших по величине осевых усилий 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 выворачивание 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 экстрактора, содержащего рукоятку, стержневую часть для передачи крутящего момента, чашечную головку с захватными элементами в виде витков внутренней многозаходной конической резьбы большого шага, противоположных по направлению виткам резьбы фрагмента шурупа, стержневая часть выполнена в виде полого цилиндра с отверстиями для подвода/отвода охлаждающей среды, внутри которого соосно размещены жестко соединенные между собой цилиндрический ферритовый магнитопровод с обмотками возбуждения полуволнового магнитострикционного преобразователя электромагнитной энергии в механические крутильные колебания и одноволновой цилиндрический волновод с фланцами в плоскостях расположения точек узлов колебаний с минимальной амплитудой, предназначенными для установки и закрепления волновода без возможности осевого перемещения и вращения относительно полого цилиндра, причем наружный конец волновода снабжен центральным резьбовым отверстием под резьбовой хвостовик чашечной головки, выполненной в виде полуволнового ступенчатого цилиндрического концентратора крутильных колебаний, торцовые поверхности которого расположены в плоскостях пучности колебаний с максимальной амплитудой, а направление резьбы хвостовика противоположно направлению резьбы фрагмента шурупа.

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

Во-первых, высокочастотные (ультразвуковые) крутильные колебания (вибрация), создаваемые ферритовым магнитострикционным преобразователем (вибратором) и передаваемые с помощью волновода и концентратора колебаний захватным элементам, обеспечивают виброударный процесс их врезания в материал резьбового фрагмента, способствуя как уменьшению необходимого для этого прикладываемого к рукоятке момента накручивания головки на резьбовой фрагмент, так и уменьшению времени формирования на вершине витков резьбового фрагмента углублений, необходимых для зацепления и передачи момента для его выворачивания из костной ткани.

Во-вторых, передаваемые резьбовому фрагменту в процессе врезания вибрации способствуют образованию разрывов (микротрещин) в местах контакта материала резьбового фрагмента с костной тканью, что уменьшает как момент сопротивления (момент трения), а следовательно и величину необходимого момента выворачивания, так и вероятность срезания вершин резьбовых витков фрагмента, т.е. "зализывание" резьбы, вызывающее необходимость увеличения прикладываемых к рукоятке сил и моментов при повторном захвате резьбового фрагмента.

На фиг. 1 показана конструкция виброэкстрактора в разрезе; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение по А-А на фиг. 1; на фиг. 4 - схема захвата и извлечения резьбового фрагмента шурупа из костной ткани.

Виброэкстрактор (фиг. 1) представляет собой стержневую конструкцию, на одном конце которой имеется чашечная головка 1, снабженная резьбовым хвостовиком 2 для соединения с цилиндрическим волноводом, а на другом конце рукоятка 3 для создания осевого усилия F и момента вывинчивания М. Центральная часть стержневой конструкции выполнена в виде полого цилиндра 4 с отверстиями 5 и 6 для подвода/отвода охлаждающей среды (воздуха или жидкости), внутри которого соосно расположены жестко соединенные между собой ферритовый цилиндрический магнитопровод 7 с обмотками возбуждения 8, переходной диск 9 и цилиндрический волновод 10 с фланцами 11 и 12, образующие колебательную систему для создания и передачи крутильных колебаний чашечной головке. Фиксация колебательной системы внутри полого цилиндра 4 в осевом направлении обеспечивается фланцем 11 и крышкой 13, а от радиальных смещений и вращения - фланцем 12, снабженным пазами 14 под шпонки 15 полого цилиндра (фиг. 3). Для прохождения охлаждающей среды фланец 12 снабжен отверстиями 16. Фланцы выполнены на волноводе в плоскостях расположения точек узлов колебания (ТУК), в которых наблюдается минимальная амплитуда колебаний, а следовательно, имеются условия, позволяющие исключить передачу колебаний полому цилиндру и в окружающую среду. Торцовые поверхности магнитопровода 7, а волновода 10 и чашечной головки 1 расположены в плоскостях пучности колебаний, т.е. на расстоянии, кратном λ/2, друг от друга, что уменьшает потери амплитуды колебаний в местах их соединения между собой (λ - длина стоячей волны крутильных колебаний).

Чашечная головка 1 выполнена в виде ступенчатого цилиндрического концентратора крутильных колебаний с диаметрами ступеней D₁, D₂, соотношение площадей торцов которых определяет коэффициент усиления амплитуды колебания от α₁ до α₂. Выходная ступень концентратора диаметром D₂ содержит центральное открытое наружу коническое отверстие 17, на поверхности которого расположены винтообразные выступы 18 (захватные элементы), являющиеся витками многозаходной конической резьбы большого шага (фиг. 2).

В донной части конического отверстия головки 1, а также на рукоятке 3 имеются фигурные отверстия 19 и 20, соответственно, под сборочный инструмент, используемые при замене чашечной головки.

Процесс извлечения (вывертывания) резьбового фрагмента шурупа с диаметром внешнего конца dp, расположенного на границе костной ткани, показан на фиг. 4.

Для обеспечения доступа захватных элементов к виткам резьбы фрагмента, с помощью трубчатого сверла производится удаление части прилегающей к ним костной ткани с образованием кольцевого углубления диаметром D и глубиной Н.

Затем в контакт с выступающим из костной ткани концом фрагмента вводятся винтообразные захваты 18, к рукоятке 3 прикладывается усилие F и крутящий момент Мкр, после чего включается ферритовый магнитострикционный вибратор.

Возбуждаемые обмотками 8 вибратора крутильные колебания с частотой λ и амплитудой α₁ передаются с помощью волновода 10 ступенчатому концентратору головки 1, усиливаются до амплитуды α₂ на внешнем торце головки, находящемся в плоскости пучности колебаний (Кумабэ Д. Вибрационное резание: Пер. с яп. / Под ред. И.И. Портнова, В.В. Белова. - М.: Машиностроение, 1985. - с. 209-213).

Для достижения максимальных (расчетных) значений амплитуды колебаний колебательная система, образованная преобразователем (вибратором), волноводом и концентратором колебаний (головкой), должна находиться в резонансном состоянии, что достигается при общей длине колебательной системы, кратной λ/2.

В результате действия осевого усилия F и крутящего момента Мкр винтовые захватные элементы 18 образуют на вершинах витков резьбы фрагмента углубления (вмятины), размер (глубина) и число которых увеличивается по мере наворачивания головки, чему способствуют импульсные крутящие моменты ΔМкр, создающие тангенциально направленные импульсы сил ΔFt, увеличивающие суммарную силу F_∑, действующую в направлении наклона захватных элементов.

Таким образом, на принятую в прототипе кинематическую схему нагружения головки с винтообразными захватными элементами накладывается дополнительное направленное вибрационное движение захватных элементов относительно конца резьбового фрагмента, что улучшает процесс врезания с целью образования углублений для передачи необходимого для выворачивания крутящего момента.