Результат интеллектуальной деятельности: КОМБИНИРОВАННЫЙ ЭКСТРАКТОР ДЛЯ ПОВРЕЖДЕННЫХ КОСТНЫХ ШУРУПОВ

Изобретение относится к травматологии, ортопедии и вертебрологии и предназначено для извлечения из костной ткани поврежденных вследствие механического воздействия или усталостного разрушения резьбовых элементов (шурупов) имплантатов и их резьбовых фрагментов, лишенных конструктивных элементов, способствующих их захвату и вывинчиванию с помощью известных инструментов.

Современные системы коррекции и стабилизации позвоночника и других поврежденных вследствие заболеваний или травм костных элементов скелета человека характеризуются наличием большого числа крепежных резьбовых элементов в виде шурупов (около 20 видов), отличающихся длиной и диаметром, обеспечивающих закрепление элементов систем в костной ткани и исключающих их самопроизвольное вывинчивание из нее. Они имеют диаметр от 1,2 до 8,5 мм, длину от 2,5 до 140 мм и снабжены головками различной формы с конструктивными элементами (пазами, шлицами, многогранными отверстиями) под инструмент, рассматриваемый в качестве аналога, с помощью которого они завинчиваются в костную ткань и вывинчиваются из нее в случае, например, проведения ревизионных операций (Deformity Spinal Fixation System, www.Lanx.com.; Operative Technique, Stryker Spine, www.Stryker.Com/emea/index. Htm; ГОСТ P 50582-93; ИСО 5835-91).

Наиболее часто встречающимся повреждением, присущим шурупам, является отрыв головки от резьбовой части, причем плоскость отрыва может находиться в непосредственной близости от головки и проходить через зону концентрации напряжений, образованную переходной шейкой шурупа, расположенной снаружи костной ткани, или проходить через впадины резьбы по границе костной ткани, или, что еще в большей степени усугубляет проблему извлечения, находиться внутри костной ткани. Отсюда следует, что наружные концы резьбовых фрагментов шурупов, находящиеся в плоскости отрыва, отличаются друг от друга диаметром и не имеют конструктивных элементов для их захвата, что создает проблему их извлечения (вывинчивания).

В качестве аналогов взяты инструменты для завинчивания/вывинчивания целых (неповрежденных) шурупов, представляющие собой воротки (отвертки) с головками, снабженными специальными конструктивными элементами, входящими в зацепление с соответствующими конструктивными элементами шурупов (Системы коррекции и стабилизации позвоночника. - Харьков, ИППС им. проф. М.И. Ситенко; ИСО 8319-1; ИСО 8319-2).

Основной недостаток этих инструментов состоит в том, что ни один из них не снабжен зацепными элементами для резьбовых фрагментов поврежденных 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 открытой наружу полостью в виде усеченного конуса, поверхность которой снабжена винтообразными выступами с конической формой поперечного сечения, соединенную посредством стержневого переходника с рукояткой для создания осевого усилия и момента выворачивания, с целью образования на резьбовых фрагментах винтообразными выступами методом пластической деформации радиальных углублений (вмятин), используемых затем для передачи фрагменту момента вращения (вывинчивания).

Основным недостатком данной конструкции экстрактора является сложность образования на находящихся в костной ткани (или в костном цементе) резьбовых фрагментов шурупов (или на поврежденных головках) углублений (вмятин) с помощью винтообразных выступов, необходимых для передачи момента вывинчивания. Образование этих углублений (вмятин) требует значительных осевых усилий и моментов, прикладываемых к рукоятке экстрактора, что в большинстве случаев недопустимо по причине чрезмерной деформации позвоночного столба, опасности повреждения межпозвонковых дисков, нервных отростков и близко расположенных внутренних органов. Этот недостаток будет иметь решающее значение при выворачивании поврежденных шурупов, относящихся к имплантатам, установленных в других местах скелета человека.

Образование углублений недостаточной глубины приводит к срезанию части материала резьбового фрагмента (в данном случае витка резьбы) винтообразными выступами при его вывинчивании, что объясняется наличием большого момента сопротивления, вследствие «замуровывания» резьбовой части в костной ткани или в специальном костном цементе, и малой площадью поверхности образованных углублений, воспринимающих прикладываемый к рукоятке момент вращения. Срезание части материала витка резьбы фрагмента шурупа (или его поврежденной головки) приводит к увеличению площади поверхности (площади контакта), с которой взаимодействуют винтообразные выступы головки, а следовательно, для повторения процедуры образования новых углублений потребуются еще большие по величине осевое усилие и момент вращения для внедрения винтообразных выступов в материал шурупов или их резьбовых фрагментов, что создаст еще более дискомфортные условия для пациента, увеличит время операции и усложнит ее проведение.

В основу изобретения положена задача создания инструмента (экстрактора), способного обеспечить надежный захват и выворачивание поврежденных шурупов и их резьбовых фрагментов из костной ткани (или из специального костного цемента) без значительных силовых воздействий как на костные структуры, так и на прилегающие мягкие ткани человека-пациента.

Суть изобретения заключается в том, что в предлагаемой конструкции комбинированного экстрактора, содержащего размещенные осесимметрично и последовательно соединенные между собой рукоятку для создания осевого усилия и крутящего момента, стержневой переходник и рабочую головку в виде чашки с открытой наружу полостью конической формы, поверхность которой снабжена винтообразными выступами с конической формой поперечного сечения, образующими внутреннюю многозаходную резьбу с большим шагом, в головке со стороны конической полости выполнены на одинаковых угловых расстояниях друг от друга и от винтообразных выступов радиальные пазы, в которых размещены с возможностью перемещения в осевом направлении фигурные пластины, вставленные в радиальные пазы на конце цилиндрического стержня, установленного в центральных отверстиях рабочей головки и трубчатого переходника, прикрепленного другим концом с помощью упругого гофрированного цилиндра (сильфона) к рукоятке и являющегося якорем электромагнита (соленоида) переменного тока, статор которого закреплен на фланце трубчатого переходника и содержит радиальные цилиндрические шпонки, образующие байонетное соединение с фигурными прорезами в цилиндрическом воротничке рукоятки, охватывающем по наружной образующей статор электромагнита, причем обращенные внутрь конической полости рабочей головки стороны фигурных пластин имеют угол наклона, равный углу наклона конической поверхности полости, и снабжены режущими элементами в виде зубьев, аналогичных зубьям наружной однорядной шлицевой протяжки, форма поперечного сечения которых аналогична форме поперечного сечения винтообразных выступов.

При сравнении прототипа с заявляемым техническим решением видно, что последнее характеризуется следующими отличительными признаками.

Во-первых, создание комбинированного экстрактора, снабженного конструктивными элементами, специально предназначенными для образования на поверхностях поврежденных шурупов или их резьбовых фрагментов углублений для последующего зацепления с ними винтообразных выступов рабочей головки, уменьшает длительность оперативного вмешательства, так как не требуется применение другого специального инструмента.

Во-вторых, существенно уменьшаются силовые нагрузки на костные элементы и прилегающие ткани пациента, так как процесс образования углублений резанием с использованием для этого имеющихся в составе комбинированного экстрактора режущих инструментов в виде фигурных пластин, представляющих собой наружные шлицевые микропротяжки, характеризуется значительно меньшими по величине усилиями резания, чем процесс образования углублений методом пластического деформирования с помощью винтообразных выступов.

В-третьих, наличие предварительно образованных углублений требуемых размеров, используемых в качестве направляющих для винтообразных выступов головки, способствует их дальнейшему углублению при ее наворачивании вследствие пластического деформирования, но со значительно меньшими усилиями, материала поврежденного костного шурупа (или его резьбового фрагмента) и передаче требуемого по величине момента вывинчивания без риска срезания (завальцовывания, сглаживания) этих углублений и необходимости повторения процедуры образования новых углублений, взамен срезанных, но уже на большей площади контакта и с большими по величине осевыми усилиями и моментами.

На фиг. 1 показана конструкция комбинированного экстрактора в разрезе; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1; на фиг. 3 - сечение по В-В на фиг. 1; на фиг. 4 - вид по стрелке Б на фиг. 1; на фиг. 5 - геометрические параметры режущих зубьев фигурных пластин, выполняющих функции наружных шлицевых микропротяжек; на фиг. 6 - вид по стрелке Г на фиг. 5; на фиг. 7 - схема получения шлицов (углублений) на резьбовом фрагменте шурупа, образовавшегося в результате отрыва головки; на фиг. 8 - вид по стрелке Д на фиг. 7; на фиг. 9 - схема образования шлицов на сферической головке поврежденного шурупа в результате развальцовывания (сглаживания) граней многогранного углубления под торцовый ключ; на фиг. 10 - вид по стрелке Е на фиг. 9.

Комбинированный экстрактор (фиг. 1) представляет собой стержневую систему, состоящую из соосно расположенных последовательно и связанных между собой рукоятки 1, электромагнита переменного тока (соленоида) 2, трубчатого переходника 3 и рабочей головки 4.

Рукоятка 1 снабжена кольцевым воротничком 5, охватывающим по наружной образующей цилиндрический статор 6 электромагнита, снабженный радиальными цилиндрическими шпонками 7, которые размещены в фигурных прорезах 8 кольцевого воротничка, образуя байонетное соединение (фиг. 4). Статор соединен с фланцем 9 трубчатого переходника 3, на противоположном конце которого выполнена внутренняя резьба для соединения с резьбовым хвостовиком 10 рабочей головки 4 в виде чашки с открытой наружу полостью 11 в виде усеченного конуса, на поверхности которой выполнены винтообразные выступы 12 (фиг. 2), имеющие коническую форму поперечного сечения, образующие многозаходную (в данном случае, например, трехзаходную) коническую резьбу с большим шагом, противоположную по направлению резьбе извлекаемых шурупов или их фрагментов.

Симметрично выступам 12 в головке со стороны конической полости 11 выполнены с одинаковым угловым шагом β радиальные пазы 13, в которых установлены с возможностью перемещения фигурные пластины 14, зафиксированные с помощью имеющихся на них выступов 15 в глухих пазах на конце стержневого толкателя 16 (фиг. 3), установленного в центральном отверстии рабочей головки, другой конец которого, являющийся якорем электромагнита, прикреплен к рукоятке с помощью упругого гофрированного цилиндра (сильфона) 17, обеспечивающего фиксированное расположение якоря относительно полюсных наконечников электромагнита 2.

Обращенные внутрь конической полости головки стороны фигурных пластин 14 выполнены с углом наклона α (фиг. 5), равным углу наклона конической поверхности полости, и снабжены расположенными с шагом t режущими элементами в виде зубьев 18, с передним углом γ и высотой h, аналогичных зубьям наружной однорядной шлицевой протяжки, форма поперечного сечения которых соответствует форме поперечного сечения винтообразных выступов 12 (фиг. 6).

Все элементы конструкции экстрактора выполняются из нержавеющей инструментальной стали.

Для повышения износостойкости поверхности винтообразных выступов и зубьев фигурных пластин покрыты карбидом титана (TiC) (Верещака А.С., Третьяков И.П. Режущие инструменты с износостойкими покрытиями. - М.: Машиностроение, 1986. - 192 с.).

Процесс извлечения (выворачивания) из костной ткани поврежденных шурупов и их резьбовых фрагментов показан на фиг. 7-10.

В исходном состоянии комбинированного экстрактора фигурные пластины с зубьями втянуты внутрь головки (фиг. 1).

Извлечение (выворачивание) резьбового фрагмента шурупа реализуется следующим образом (фиг. 7). При вращении рукоятки 1 вокруг статора 6 электромагнита 2, вследствие взаимодействия шпонок 7 с фигурными прорезами 8, осуществляется ее перемещение вдоль оси экстрактора на величину S (фиг. 4) вместе с гофрированным цилиндром (сильфоном) 17, толкателем 16 и фигурными пластинами 14 в рабочее положение, показанное на фиг. 1 и 7), т.е. концы фигурных пластин выдвигаются в осевом направлении на величину δ из пазов 13 в рабочей головке 4 наружу. Затем экстрактор устанавливается соосно резьбовому фрагменту, обеспечивается контакт зубьев фигурных пластин с вершинами витков резьбы фрагмента, прикладывается осевое усилие F_о и включается питание электромагнита. Поступающий на обмотку электромагнита переменный ток генерирует пульсирующую электромагнитную силу, которая вызывает осевую вибрацию являющегося якорем толкателя 16 и фигурных пластин 14 с режущими зубьями 18 с частотой ν и амплитудой а, что приводит к врезанию последних в материал витков резьбы фрагмента и образованию шлицов (фиг. 8) (Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов: Учебник для вузов. - М.: Высш. шк., 1985. - С. 245-248).

После образования шлицов нужной глубины, гарантирующей выворачивание резьбового фрагмента из костной ткани или из костного цемента без срезания полученных углублений (шлицов), электромагнит обесточивается, и вращением рукоятки 1 против часовой стрелки относительно статора ее возвращают в исходное положение. Затем вводят винтообразные выступы 12 в образованные шлицы на резьбовом фрагменте и, прикладывая к рукоятке в том же направлении вращающий момент М_вр и осевое усилие F_о, наворачивают рабочую головку на резьбовой фрагмент, используя образованные шлицы опорных направляющих и вызывая пластическую деформацию материала фрагмента коническими винтообразными выступами в радиальном и осевом направлении, увеличивают размеры шлицов и надежность зацепления. По мере наворачивания головки число шлицов на вершинах витков резьбы фрагмента возрастает, а следовательно, снижается вероятность срезания вершин резьбы (развальцовывание) при увеличении М_вр, преодолевающего сопротивление выворачиванию.

В такой же последовательности выдерживается процедура извлечения (выворачивания), например, шурупов со сферической головкой, имеющих повреждение в виде развальцованных (сглаженных) граней многогранного углубления в головке под торцовый ключ и виде воротка (фиг. 9, 10).