Результат интеллектуальной деятельности: ЭНДОПРОТЕЗ ЛОКТЕВОГО СУСТАВА

Изобретение относится к области медицины - к травматологии и ортопедии, а точнее к двухэлементным эндопротезам локтевых суставов.

В настоящее время известно значительное количество конструкций эндопротезов локтевого сустава, например являющийся наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятый за прототип двухэлементный эндопротез локтевого сустава по патенту РФ №2107475. Данный эндопротез локтевого сустава содержит локтевую и плечевую ножки, соединенные шарнирно с возможностью разъединения, при этом ножки соединены шаровым шарниром, который содержит чашку, выполненную, например, из высокопрочного полиэтилена, а также стопорное кольцо и шар, при этом плечевая ножка расположена таким образом, что в сагиттальной плоскости угол между ее продольной осью и продольной осью шарнира составляет 8-15°, а локтевая ножка выполнена на одном конце с конической поверхностью для соединения с шаром шарнира. При этом шар соединен с локтевой ножкой, а чашка с плечевой ножкой.

Существенными признаками прототипа, совпадающими с признаками предлагаемого технического решения, является то, что он содержит локтевую и плечевую ножки, соединенные шарнирно. В принципе общим является и то, что при разгибе между плечевой и локтевой ножками в сагиттальной плоскости образуется угол 8-15°.

Эндопротез прототип, хотя и является наиболее близким к предлагаемому техническому решению, не учитывает анатомобиомеханические свойства локтевого сустава человека, так как анатомобиомеханическая плечелоктевая опора, имея три оси вращения, обладает двумя степенями свободы, в отличие от шаровой, имеющей три степени свободы.

Две степени свободы анатомобиомеханической опоры стабилизируются двумя группами мышц, а именно бицепс-трицепс и пронатор-супинатор. Таким образом, в прототипе имеет быть место ни чем не стабилизированная степень свободы, которая и определяет его нестабильность - это боковое движение.

Известные одностепенные (одноосевые) эндопротезы также нестабильны, но уже по другим причинам. Основной причиной нестабильности у них является "поршневой" эффект, который вызван большими отклонениями траектории движения локтевой кости от анатомобиомеханической.

Из сказанного следует, что опора эндопротеза для исключения нестабильности должна иметь три оси вращения и две степени свободы или в опоре две из трех осей вращения должны быть связаны. Ни один из известных двухэлементных эндопротезов не обладает таким свойством. Известно лишь, что для достижения перечисленных свойств в патенте РФ №2123825 введена третья ножка. Но это уже другой класс эндопротезов, установка которых чрезвычайно сложна.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение стабильности сустава.

Указанная задача достигается тем, что в эндопротезе локтевого сустава, содержащем локтевую и плечевую ножки, соединенные шарнирно, локтевая ножка соединена цилиндрическим шарниром с осью сгиба-разгиба эндопротеза, которая выполнена из двух жестко соединенных втулкой цилиндрического шарнира полушарий, установленных между собой с эксцентриситетом в плоскости, проходящей через ось сгиба-разгиба и продольную ось локтевой ножки, а плечевая ножка жестко соединена с обоймой, внутренняя поверхность которой эквидистантна выполненной с возможностью вращения в ней оси сгиба-разгиба, причем контактирующие с осью сгиба-разгиба полушаровые поверхности обоймы выполнены между собой в плоскости, ортогональной продольной оси плечевой ножки и проходящей через ось сгиба-разгиба с тем же эксцентриситетом ε=С·tgα₀, где С - межцентровое расстояние полушарий, α₀ - угол поворота шарнира в дистальной плоскости при полном разгибе. При этом для снижения трения в эндопротезе эквидистантная оси сгиба-разгиба внутренняя часть обоймы выполнена в виде вставки из высокомолекулярного полиэтилена. Для большего приближения к анатомобиомеханической внешней форме внешняя поверхность обоймы может быть выполнена в виде шара, смещенного относительно продольной оси плечевой ножки, в теле которого выполнен паз по ходу плечевой ножки.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от прототипа являются следующие - локтевая ножка соединена цилиндрическим шарниром с осью сгиба-разгиба эндопротеза, которая выполнена из двух жестко соединенных втулкой цилиндрического шарнира полушарий, установленных между собой с эксцентриситетом в плоскости, проходящей через ось сгиба-разгиба и продольную ось локтевой ножки, а плечевая ножка жестко соединена с обоймой, внутренняя поверхность которой эквидистантна выполненной с возможностью вращения в ней оси сгиба-разгиба, причем контактирующие с осью сгиба-разгиба полушаровые поверхности обоймы выполнены между собой в плоскости, ортогональной продольной оси плечевой ножки и проходящей через ось сгиба-разгиба с тем же эксцентриситетом ε=С·tgα₀, где С - межцентровое расстояние полушарий, α₀ - угол поворота шарнира в дистальной плоскости при полном разгибе. Кроме того, дополнительно эквидистантная оси сгиба-разгиба внутренняя часть обоймы выполнена в виде вставки из высокомолекулярного полиэтилена, а также внешняя поверхность обоймы может быть выполнена в виде шара, смещенного относительно продольной оси плечевой ножки, в теле которого выполнен паз по ходу плечевой ножки.

В предложенном эндопротезе введена связь между осью вращения в плоскости сгибания и осью бокового вращения. Эта связь обеспечена эксцентрично установленными смежными шарами, соединенными с локтевой ножкой и определяется следующим уравнением: tgα=ε/С·Sinϕ, которое следует из геометрических построений, где α - угол поворота локтевой ножки относительно плечевой в сагиттальной плоскости, который при данной конструкции эндопротеза является зависимым от угла разгиба сустава ϕ и в крайнем положении (полный разгиб 180°) равен α₀ (равный 8°-15°), ε - эксцентриситет установки шаров, где С - межцентровое расстояние полушарий, ϕ - угол сгиба-разгиба сустава. При изготовлении эндопротеза все данные параметры наиболее целесообразно выбирать исходя из анатомобиологических параметров пациента. Приведенное уравнение описывает анатомобиологическую траекторию движения локтевой кости, при которой нагрузки, возникающие в суставе минимальны.

Для проверки заложенных в предложенную конструкцию законов движения в ЦИТО (Центральном институте травматологии и ортопедии, г. Москва) был проведен эксперимент на программно-аппаратурном комплексе для восстановления суставов "Радуга-ЦИТО" (патент РФ на полезную модель №34074). Данный комплекс позволяет измерять с помощью шестистепенных тензовесов 3 силы и 3 момента, возникающих между плечевой и локтевой костями при разгибе, причем при этом в нем может быть обеспечена плавная регулировка углов α и ϕ. При фиксированных углах ϕ определялись углы α, которые обеспечивали минимальные нагрузки. Строилась зависимость α(ϕ) которая с достаточной достоверностью описывается приведенным уравнением.

На основании вышеизложенного можно утверждать, что предлагаемый эндопротез является наиболее близкой моделью плечелоктевого сустава человека. Следовательно, благодаря наличию данных отличительных от прототипа признаков достигается следующий технический результат - полученное пространственное движение локтевой кости, соединенной предложенным эндопротезом, анатомобиомеханическое движение, характеризуемое минимальными нагрузками. Таким образом, обеспечивается низкий износ костей пациента (за счет отсутствия "поршневого" эффекта) и достаточная стабильность искусственного сустава.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый эндопротез локтевого сустава, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники, и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Предложенное техническое решение может найти применение в травматологии и ортопедии, поэтому данное решение соответствует критерию "промышленно применимо".

Конструкция предлагаемого эндопротеза поясняется чертежами фиг.1-3.

На фиг.1 представлен разрез локтевой ножки по месту ее соединения цилиндрическим шарниром с осью сгиба-разгиба эндопротеза.

На фиг.2 представлен вид сбоку, а также разрез эндопротеза по локтевой ножке при угле сгиба-разгиба 90°.

На фиг.3 представлен разрез эндопротеза вдоль плечевой ножки по локтевой ножке при угле сгиба (при полном разгибе) 180°.

Приведенная на фиг.1-3 конструкция эндопротеза содержит локтевую 1 и плечевую 5 ножки, соединенные шарнирно, локтевая ножка 1 соединена цилиндрическим шарниром с осью сгиба-разгиба 3 эндопротеза, которая выполнена из двух жестко соединенных втулкой 2 цилиндрического шарнира полушарий, установленных между собой с эксцентриситетом в плоскости, проходящей через ось сгиба-разгиба 3 и продольную ось локтевой ножки 1, а плечевая ножка 5 жестко соединена с обоймой 9, внутренняя поверхность которой эквидистантна выполненной с возможностью вращения в ней оси сгиба-разгиба 3. Втулка цилиндрического шарнира 2 закреплена по посадке с натягом в оси сгиба-разгиба 3, а с осью плечевой ножки 1 выполнена по посадке с гарантированным зазором и закреплена при помощи замыкающей шайбы 4, выполненной из твердого полиэтилена. После запрессовки шайбы 4 в ось локтевой ножки 1 описанная конструкция неразборна, а ось ножки 1 имеет возможность вращаться относительно втулки, при этом между шайбой 4 и втулкой 2 целесообразно иметь небольшой зазор Δ осевого хода для компенсации погрешностей установки. Контактирующие с осью сгиба-разгиба 3 полушаровые поверхности обоймы 9 выполнены между собой в плоскости, ортогональной продольной оси плечевой ножки 5 и проходящей через ось сгиба-разгиба 3 с тем же эксцентриситетом ε=С·tgα₀, где С - межцентровое расстояние полушарий, α₀ - угол поворота шарнира в дистальной плоскости при полном разгибе. При этом для снижения трения в эндопротезе эквидистантная оси сгиба-разгиба 3 внутренняя часть обоймы 9 выполнена в виде вставки (в данном случае двух вставок 6 и 7) из высокомолекулярного (высокопрочного) полиэтилена. Внутри обоймы 9 вставки закреплены стопорным кольцом 8. Для большего приближения к анатомобиомеханической внешней форме внешняя поверхность обоймы 9 выполнена в виде шара, смещенного относительно продольной оси плечевой ножки 5, при этом в теле шара выполнен паз по ходу плечевой ножки 1. В обойме 9 выполнено цилиндрическое отверстие для крепления в нем вставок 6 и 7. Вставка 6 в обойму 9 установлена по посадке с гарантированным натягом. Вставка 7 в обойму 9 вставляется после операции. Она располагается относительно оси 3 по скользящей посадке и фиксируется в обойме 9 стопорным кольцом 8.

На операцию эндопротез поступает в разобранном виде из трех узлов - узел локтевой ножки 1 вместе с осью 3 и соответственно цилиндрическим шарниром в сборе (представленный на фиг.1), узел плечевой ножки 5 с обоймой 9 и запрессованной в ней вставкой 6, сборочный узел из вставки 7 со стопорной шайбой 8.

Во время операции в локтевую кость устанавливается первый узел, в плечевую второй. Далее через отверстие в обойме для вставки 7 и паз в обойме 9 первый узел вставляется во второй, а затем вставка 7 вместе со стопорным кольцом 8 вставляется в отверстие, фиксируя эндопротез в собранном виде. Для свободного хода локтевой ножки 1 в обойме 9 выполнен паз по ходу ее движения.

Эндопротез работает следующим образом.

При разгибе локтевой ножки 1 из-за эксцентриситета ось сгиба-разгиба 2 будет наклоняться, совершая кроме разгиба и боковое движение. Причем угол наклона будет изменяться в зависимости от угла разгиба по закону

tgα=ε/CSinϕ, где ϕ - угол разгиба,

и при полном разгибе наклон составит α₀=arc tgε/С. Это следует из геометрических построений на фиг.3. Также при разгибе ось сгиба-разгиба 3 будет совершать движение вокруг продольной оси локтевой ножки 1. Однако за счет того, что локтевая ножка 1 с осью сгиба-разгиба 3 соединена цилиндрическим шарниром, произойдет проскальзывание локтевой ножки 1 во втулке 2. Тем самым разгиб будет определять лишь боковое движение эндопротеза, накладывая связь на лишнюю степень свободы. Ротационные же движения локтевой ножки 1 в цилиндрическом шарнире (втулке 2) будут стабилизироваться пронатором-супинатором.