CN100581493C - 用于骨的稳定装置的弹性元件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用在骨或脊椎骨的稳定装置中的弹性元件。所述弹性元件构成为一具有第一端和与第一端对置的第二端的基本上圆柱形的主体，该圆柱形的主体在其对置的各端分别具有一共轴的孔，所述孔在至少一端上具有内螺纹，用于与一骨螺钉的一钉杆和/或一钉头相连接或用于与一杆部分或一板相连接。

Description

用于骨的稳定装置的弹性元件
技术领域
本发明涉及一种用于脊椎柱外科或事故外科的弹性元件；一种包括这样的弹性元件的骨锚定元件；一种包括这样的弹性元件的弹性的杆形元件，其用于将各骨锚定元件连接；以及这样的弹性元件的制造方法。
背景技术
为了固定骨折部分或稳定脊椎柱已知多种固定以及稳定装置，其包括至少两个在骨中或脊柱骨中固定的并经由一板或一杆连接的骨螺钉。这样的刚性***不允许相互相对固定的骨部分或脊椎骨的运动。
但为了某些症状需要动态的稳定，其中待稳定的各骨部分或脊椎骨可以进行一受控的有限的相互运动。一种实现动态稳定装置的可能性在于采用一弹性元件代替一将各骨锚定元件连接的刚性杆。
由US 2003/0109880A1已知一种脊柱骨的动态稳定装置，其包括第一和第二待固定于脊柱骨中的螺钉，它们分别具有一容纳部分用来***一连接各螺钉的弹簧；以及一这样的弹簧。弹簧本身整体上构成为一螺旋弹簧的形式，其具有按拉簧型式的紧密邻接的螺旋圈并且经由夹紧螺钉固定于容纳部分中。但在这方面存在危险，即弹簧由于其弹性躲避夹紧螺钉的压力并从而松弛骨螺钉与弹簧之间的固定。该装置的另一缺点在于，在其它的相同的弹簧特性时弹簧的弹性取决于弹簧的长度。
由EP 0669109B1已知一种用于稳定邻接的胸椎的稳定装置，其包括两个单轴的椎弓根螺钉和一个带，该带分别经由一夹紧螺钉固定于各椎弓根螺钉的容纳部分中并且各容纳部分包括一在带上绷紧的压力固定的支承元件。但利用这样的稳定装置没有达到抗扭转的稳定。如在上述另一稳定装置中那样，两骨锚定元件之间连接的弹性在弹性元件的其它特性相同时取决于弹性元件的长度或取决于各骨锚定元件的间距。
由US 6162223已知一种用于一关节例如手关节或膝关节的固定装置，其中一在其各端与各骨锚定元件相连接的固定杆构成两部分的，固定杆的两部分经由一柔性的连接件相互连接并且固定杆围绕连接件安装在身体以外。固定杆的两部分与连接件并不固定连接，而可沿连接件中的一孔***。由于与两部分的固定杆的连接方式，连接件的直径总是大于固定杆的直径。该已知的固定装置由于其复杂的和体积大的结构不适合在脊椎柱或其它的骨上的内部的应用。
发明内容
本发明的目的是，提供一种弹性元件，其可简单而紧凑地构造，并在高可靠性的同时易于操作，并且所述弹性元件可以与其他的元件以尽可能各种各样的方式组成一动态稳定装置，用于待相互连接的脊椎骨或骨。此外本发明的目的是，提供一种所述弹性元件的制造方法。
所述目的通过本发明的弹性元件和制造这样的弹性元件的方法来达到。在本发明的用在骨或脊椎骨的稳定装置中的弹性元件中，所述弹性元件构成为一具有第一端和与第一端对置的第二端的基本上圆柱形的主体，该圆柱形的主体具有一个从第一端延伸至第二端的共轴的孔，并且该主体的对置的各端具有内螺纹或者具有包括外螺纹的圆柱形的伸出部分，用于与一骨螺钉的一钉杆和/或一钉头相连接或用于与一杆部分或一板相连接。根据本发明，在孔中设置一芯体，该芯体设计成提高弹性元件的弯曲刚度。
用于制造这种弹性元件的方法，包括下列步骤：准备一圆柱形的主体；通过沿一共轴于圆柱形的主体的主轴线的螺旋线从外面切削去除材料而构成一螺旋形的间隙；沿圆柱形的主体的主轴线构成一孔；在孔的两个端部部分之一中构成内螺纹。本发明的优点是，一弹性元件可选择地与多个不同长度的刚性杆形元件组成一个弹性的杆形元件或可与不同的钉杆和/或钉头组成一个具有弹性特性的骨螺钉。于是根据所采用的弹性元件，弹簧杆或骨螺钉具有预定的弹性特性例如一确定的沿轴向方向的压缩以及延伸能力，以及一确定的弯曲以及扭转刚度。
特别是，所述弹性元件可以与不同厚度的杆形构件或与待应用于脊椎柱外科和/或事故外科中的不同形状和长度的板相连。
附图说明
由各实施例借助于附图的描述得出本发明的其它的特征和适合性。其中：
图1a  弹性元件的第一实施形式的侧视图；
图1b  图1a的弹性元件的剖视图；
图2a  杆形元件的形式的弹性元件的第一应用实例；
图2b  图2a的一改变方案；
图3a  包括图1a的弹性元件的骨锚定元件；
图3b  包括一进一步构成的图3a实施形式的一部分的剖视图；
图3c  图3b的部分沿线A-A截取的剖视图；
图4一稳定装置，包括两个三部分的骨锚定元件和一个杆形元件，它们分别具有一弹性元件；
图5弹性元件的第二实施形式的侧视图；
图6弹性元件的第三实施形式的侧视图；
图7a  按第四实施形式的弹性元件的侧视图；
图7b  图7a的弹性元件旋转90°的侧视图；
图8按第五实施形式的弹性元件的剖视图；
图9按本发明的第六实施形式的弹性元件；
图10按本发明的第七实施形式的弹性元件；
图11a一连接元件的分解图，包括一杆形的元件、一本发明的弹性元件和一板；
图11b  图11a中的板沿线A-A截取的剖视图；
图12图11a和11b中的板的应用实例，其中板和经由一弹性元件与板连接的杆形元件分别借助于骨锚定元件锚定在各脊椎骨中；
图13a本发明的弹性元件在一用于髋骨的动态稳定装置中的应用；
图13b  在图13a的稳定装置中应用的骨锚定元件的剖视图；
图14弹性元件在一外部固定体中的应用，其包括各个经由各杆形元件相互连接的自攻螺钉；以及
图15本发明的借助于电火花线切割(Drahterodieren)、激光加工或水射流加工制成的弹性元件。
具体实施方式
在图1a和1b中示出一按第一实施形式的弹性元件。
弹性元件1包括一圆柱形管，此圆柱形管具有一贯通的共轴的孔2和一成螺旋形以一预定的螺距和沿一预定的长度在圆柱轴线方向上在壁中延伸的间隙3，此间隙3在径向方向通入孔2。借此构成一螺旋弹簧。螺旋形间隙沿圆柱轴线方向的长度、间隙的高度、螺旋线的螺距和共轴的孔的直径选择成使螺旋弹簧相对于作用到弹性元件上的轴向力、弯曲力和扭转力具有一要求的刚度。弹性元件1在靠近其两自由端的附近分别具有一沿一预定的长度延伸的内螺纹4、4′。弹性元件的外径按照相应的应用进行选择。
在图2a中所示的第一应用实例中，弹性元件1为一弹性的杆形元件30的构件。弹性的杆形元件30包括一弹性元件1和两个圆柱形杆部分31、31′，圆柱形杆部分31、31′在其一端分别具有一包括外螺纹33、33′的圆柱形伸出部分32、32′，各外螺纹与弹性元件1的内螺纹4、4′相配合。在该实施例中各杆部分和弹性元件具有基本上相同的外径。根据要求的应用可彼此独立地选择杆部分31、31′和弹性元件1的长度。杆形的元件例如用于将脊椎柱上的各椎弓根螺钉(pedicel screw)相连接。这样构成的杆形元件30由于弹性元件1的弹性特性以预定的程度吸收压缩力、延伸力、弯曲力和扭转力。
图2b中示出一弹性的杆形元件80，其与弹性的杆形元件30的区别在于，刚性的第一杆部分81的外径大于弹性元件1的外径，而刚性的第二杆部分81′的外径小于弹性元件1的外径。或者两个杆部分的直径也可以大于或小于弹性元件的直径。
图3a示出弹性元件的第二应用实例。弹性元件1在这里为一构成多轴骨螺钉的骨锚定元件10的构件。所述多轴骨固定螺钉具有一螺钉元件11，其包括弹性元件1、一具有未示出的尖端的钉杆12和一钉头13。
钉杆12具有一用于拧紧入骨中的骨螺纹24和一包括外螺纹的圆柱形伸出部分25，该外螺纹与弹性元件的内螺纹4相配合。
钉头13具有一圆柱形部分27和一与圆柱形部分27邻接的如同钉杆12那样的圆柱形伸出部分26，此圆柱形伸出部分26包括与弹性元件1的内螺纹4′相配合的外螺纹。
螺钉元件11在不受载的状态下可摆动地支持在一容纳部分14中。容纳部分14构成基本上圆柱形的并且在其一端具有一轴线对称定向的第一孔15，其直径大于钉杆12的直径而小于钉头13的直径。容纳部分14还具有一共轴的第二孔16，其在对置于第一孔15的端部上是敞开的并且其直径如此之大使得螺钉元件可以穿过所述敞开的端部，钉杆穿过第一孔15，直至钉头13贴紧第一孔15的边缘。容纳部分14具有一从自由端向第一孔15的方向延伸的U形凹槽14′，由此U形凹槽构成两自由侧边17、18。侧边17、18在邻接其自由端的区域内具有内螺纹，其与一内螺钉19的相应的外螺纹相配合，以便固定杆20。
此外设置一压力元件21以便将钉头13固定在容纳部分14中，该压力元件构成为使得在其面向钉头13的一侧具有球形的凹槽22，其半径基本上等于钉头13的截球形部分的半径。压力元件21的外径选择成使压力元件21可在容纳部分14中向钉头13那边移动。压力元件21还具有一共轴的孔23，其允许拧紧工具嵌入钉头13中的一未示出的凹槽。
在操作中将钉杆12的圆柱形伸出部分25拧紧入弹性元件1的内螺纹4中，并将钉头13的圆柱形伸出部分26拧紧入内螺纹4′中，以便构成一螺钉元件11。然后将这样构成的螺钉元件11由钉杆12在前面通过第二孔16***容纳部分14中，直至钉头13贴紧第一孔15的边缘。紧接着将压力元件21由球形凹槽在前面通过第二孔16***容纳部分14中。然后将螺钉元件11拧紧入骨或脊椎骨中。最后将杆20***两侧边17与18之间的容纳部分14中，相对于螺钉元件调整容纳部分的角位置并用内螺钉19固定。由于弹性部分能够实现围绕静止位置的有限的运动。
多轴螺钉并不限于上述的实施形式，而也可以是任何任意的其它多轴螺钉，包括一如上所述的三部分的螺钉元件。这样，在图3a中所示的应用实例中，如果在操作中在将弹性元件1和钉杆12拧紧到钉头13上以前首先将钉头13由其圆柱形伸出部分26在前面通过第二孔16***容纳部分14中，则第一孔15的直径也可小于钉杆12的直径。在这种情况下当第一孔15的外径大于圆柱形伸出部分25以及圆柱形部分27的外径时是足够的。或者钉头13也可以构成没有圆柱形部分27。在这种情况下该孔只须大到可供伸出部分26穿过即可。
容纳部分也可以这样构造，使得螺钉元件可从下面***并经由一压力元件夹紧在容纳部分中。图3a中所示的孔15在这种情况下大于钉头13的直径。
杆固定方式并不限于图3a中所示的内螺钉，而可以附加设置一外螺母，或可以采用任何已知的杆固定方式。
当弹性元件1至少部分地伸出骨表面时，弹性元件1可以吸收弯曲力以及拉力和压力。如果弹性元件不再伸出骨表面，则尽管如此，螺钉元件11在骨或脊椎骨运动时仍可稍微松弛。由此防止产生不利的应力。
图3b示出图3a的弹性元件1的进一步构成。按图3b的弹性元件640在其内部具有一芯体641。芯体641在其各端642构成圆柱形的，其直径确定成使芯体可插进弹性部分640的空腔中。各圆柱部分642和弹性部分640具有横向延伸的孔，在所述孔中***销643以便固定芯体。芯体在两圆柱形端之间具有一基本上矩形横截面的部分644，如特别由图3c显而易见的。在一改变方案中芯体具有其它的横截面，例如椭圆形成不对称的。芯体可以调整弹性部分的弯曲刚度和/或扭转刚度。弹性部分相对在一确定方向上的弯曲的刚度取决于芯体在弹性部分内的定向。优选芯体由具有比弹性部分的材料刚度小的材料构成。所示的芯体的固定只是示例性说明。
图4中示出一用于脊椎柱的稳定装置90，其中采用两个包括螺钉元件93的骨锚定元件91、91′和一用于将两骨锚定元件连接的弹性的杆形元件92，它们分别包括一本发明的弹性元件。由于弹性的杆形元件和螺钉元件由多部分构成，有可能通过仅少量的基本元件的组合得到具有极不同的特性的稳定装置90。稳定装置不一定必须包括具有一弹性元件的骨锚定元件和一个具有弹性元件的杆形元件。按照应用区域也有可能只设置一个具有弹性元件的杆形元件和各个具有刚性的螺钉元件的骨锚定元件。
图5中示出一按第二实施形式的弹性元件40。按第二实施形式的弹性元件40与按第一实施形式的弹性元件1的区别只在于，代替两内螺纹4、4′设置一沿弹性元件的全长构成的内螺纹41。
图6中示出一按第三实施形式的弹性元件50。不同于第一和第二实施形式，第三实施形式的弹性元件50具有刚性的端部部分51和51′；或不同于上述各实施形式，第三实施形式的弹性元件50具有减少的螺旋圈数。借此可以与弹性元件的长度无关地构成弹性元件的弹性。
图7a和7b示出一按第四实施形式的弹性元件60，其不同于上述各实施形式，具有相互位错180°向中轴线那边凹进成形的区域61。区域61沿中轴线方向的长度L′最大等于螺旋线的长度L并且成形的区域61的曲率半径设计成，使得螺旋弹簧的匝(Windungen)不被穿透。通过这样的构成，弹性元件在一垂直于中轴线的方向构成紧腰的并因此在该方向具有一较小的刚度。由此弹性元件具有一定向的刚度，其对于某些应用是符合目的的。
相当于按第一实施形式的弹性元件1，在图8中示出的按第五实施形式的弹性元件72此外还具有一***孔中的杆形芯体71。该芯体一方面在弹性元件72承受压力时可以用作为挡块。另一方面利用芯体71可以提高弹性元件72的弯曲刚度。
代替如在第一实施形式中的包括内螺纹的孔，在图9中示出的按第六实施形式的弹性元件160在其一端具有一包括外螺纹的圆柱形伸出部分161。相应地，待与弹性元件的该端相连的元件构成有一包括相应的内螺纹的孔。弹性元件的另一端设有一盲孔162，在此盲孔中在邻接弹性元件的末端处构成内螺纹163，如同在上述各实施形式中那样。
在图10中示出的按第七实施形式的弹性元件170在其两端分别具有一包括外螺纹的圆柱形伸出部分171、172。
在第一至第五实施形式的一改变方案中弹性元件没有贯通的孔。
作为本发明的弹性元件1的另一应用实例，参见图11a中一连接元件100的分解图，其包括一杆形的元件31、一弹性元件1和一板101。杆形元件31具有一包括外螺纹33的圆柱形伸出部分32，所述外螺纹33用以拧紧入邻接弹性元件1的一端的内螺纹4中。同样板101具有一包括外螺纹103的圆柱形伸出部分102，所述外螺纹103用以拧紧入邻接弹性元件的另一端的内螺纹4′中。板包括两个在俯视图中圆形的部分104、104′，它们经由一板条105相互连接。板条105的宽度B小于圆形部分104、104′的直径D。与各圆形部分同轴地设置两个用于埋头螺钉的穿过板的孔106、106′。如在图11b中可看出，板的第一侧面107具有一凹入曲面，而板的第二侧面108具有一凸出曲面，用于将该侧贴靠在骨上。通过板101的两侧面107、108的不同的曲率半径，板101向侧面的边缘109那边逐渐变薄。借此板可以是稳定的并同时是节省空间的。如在图11b中可看出，孔106、106′具有邻接第二侧面108的孔106a、与其邻接的成圆锥形成形的第一部分106b和邻接该第一部分和第一侧面107的第二部分106c。孔106、106′的形状也可以不同于上述的形状，只要其适用于容纳一埋头螺钉即可。
图12中是图11a的连接元件100的一个应用实例，其中板101从定位的一侧用两个骨螺钉110固定在颈椎柱的两脊椎骨111上，并且其中经由一弹性元件1与板连接的杆形元件31用三个骨锚定元件115锚定在胸柱柱的各脊椎骨112中。
图13a中示出另一应用实例，其中将本发明的弹性元件1用于一动力的髋骨稳定装置中。动态的髋骨稳定装置包括骨锚定元件128、128′、128″，它们与杆形元件31、31′、31″和弹性元件1、1′相互连接。
图13b中所示的骨固定元128如同两其它的骨锚定元件128′、128″包括两半部125、131，它们利用嵌入第一半部125中的螺纹134和第二半部131中的螺纹135中的螺钉127相互拧紧在一起。在图13a的俯视图中只能看到一上半部125。在第一半部125的凹槽132中以及在第二半部131的凹槽133中的杆形元件31夹紧在在两上述的半部125、131之间，从而骨锚定元件128与杆形元件31固定连接。另外在两半部125、131中分别设置一孔136或137，其在组装状态下是共轴定位的。在邻接孔136处构成一球形的凹槽138和在邻接孔137处构成一球形的凹槽139，它们用于容纳一骨螺钉126。骨螺钉126具有包括外螺纹152的钉杆形状的部分151，用于拧紧入骨中；以及一截球形钉头部分153，其半径基本上等于球形凹槽138、139的半径。
连接元件124如同骨锚定元件包括两半部122，其中在按图13a的俯视图中只能看到一个。杆形元件31在该两上述的半部122之间被引导地夹紧在凹槽中，从而连接元件124与杆形元件31固定连接。
杆元件121包括一球形的头部121b和一杆部121a。头部121b在两半部122之间夹紧在一未出的凹槽中并由此在一确定的摆动位置可固定地与两半部122相连接。杆部121a在其对置于头部121b的一端具有一包括外螺纹的圆柱形伸出部分(未示出)，所述外螺纹拧入弹性元件1′的内螺纹中(未示出)。
图14中示出本发明的弹性元件的另一应用实例。弹性元件1在这里是用于稳定一由两部分141a和141b组成的骨141的外部固定体的一部分。
第一以及第二自攻螺钉143、143′拧紧入骨141的第一部分141a中并且第三自攻螺钉143″拧紧入骨141的第二骨部分141b中。第一自攻螺钉143和第二自攻螺钉143′以本身已知的方式和方法经由第一杆145或第二杆145′与第三自攻螺钉143″相连接。第一和第二杆145、145′另外利用一在这里未更详述的连接元件146以本身已知的方式和方法相互固定连接。
第一杆145分三部分，由两个在上面借助于图2所述的杆形元件31、31′和一本发明的弹性元件1构成。其中第一杆形元件经由一螺纹连接与弹性元件1的一端固定连接和第二杆形元件经由一螺纹连接与弹性元件1的另一端固定连接。
由于骨141的动态稳定，所以允许两骨部分141a和141b相互较小的运动。该较小的运动对两骨部分141a、141b的愈合产生期望的促进作用。
按照应用区域，外部的固定体的一自攻螺钉也可以具有一这样的弹性元件作为其钉杆的一部分。
作为弹性元件的其它的应用实例是例如在一骨螺钉中的应用，其只具有一包括骨螺纹的钉杆、一尖端以及一钉头，如其通常用于与稳定板相连接。弹性元件的另一应用实例是在一单轴骨螺钉中的应用，用来与一杆相连接。
为了借助于铣削制造弹性元件1，从一由生物相容的材料例如钛构成的具有一预定的外径的圆柱形的主体出发并用一薄的圆盘铣刀沿一螺旋线铣出一间隙3，所述螺旋线的主轴线与圆柱形的主体主轴线在一条直线上。紧接着沿圆柱形的主体主轴线经由圆柱形的主体的全长构成一孔2，使螺旋线的间隙通入孔2中。对于弹性元件的稳定性，螺旋线在螺旋线部分与弹性元件的端面部分之间的过渡处的出口极为重要。因此有必要利用一指状铣刀精整螺旋线在螺旋线两端的出口，使得在孔的内面上的锐边被去除。为此用一指状铣刀将出口铣成一切向于螺旋线轮廓的角度。接着去掉构件内部和外部的毛刺。最后在孔2的两端分别构成内螺纹4、4′。
代替铣削，通过对圆柱形的主体进行电火花线切割、激光加工或水射流加工制造弹性元件200。在这种情况下如图15中所示再次由一具有预定的外径D′的圆柱形的主体出发，其中然后在下一步骤中沿主轴线A在圆柱形的主体的全长上构成一孔201。然后在这样构成的空心圆柱形的主体的壁中沿主轴线通过一种上述的方法沿一螺旋线202按照空心圆柱形的主体的壁厚切割壁。螺旋线202的出口203构成为四分之一圆，从而取消在铣削之后的另一加工步骤中对出口203进行精整。在这些制造方法中也不需要去毛刺。出口的形状不一定具有四分之一圆的形状，而也可以具有任何其他的任意的形状，例如另外的圆部分，由此将在使用过程中的材料峰值载荷保持较小。
最后在制造方法中借助于铣削在孔2的两端分别构成内螺纹4、4′。
在上述方法的一改变方案中，取代至少一个内螺纹4、4′，在方法的开始通过车削构成一具有外螺纹的圆柱形伸出部分。在这种情况下孔的直径必须小于圆柱形伸出部分的直径。
在制造方法的另一改变方案中，将弹性元件按照第六和第七实施形式制成无贯通的孔。
作为弹性元件、芯体或与其连接的元件的材料是身体适宜的材料，例如一种身体适宜的金属如钛，或一种身体适宜的塑料。一具有已知的超弹性特性的形状记忆合金例如Nitinol的应用也是可能的。

Claims (6)

1.一种用在骨或脊椎骨的稳定装置中的弹性元件(200)，所述弹性元件构成为一管状的具有第一端和与第一端对置的第二端的基本上圆柱形的主体，该圆柱形的主体具有一成螺旋形沿圆柱轴线方向在壁中延伸的间隙并且具有一个从第一端延伸至第二端的共轴的孔(201)，所述间隙在径向方向上通入所述孔(201)中，并且该主体的对置的第一端和第二端具有内螺纹(4、4′、41、163)或者具有包括外螺纹的圆柱形的伸出部分(161、171、172)，用于与一骨螺钉的一钉杆和/或一钉头相连接或用于与一杆部分或一板相连接；在孔(201)中设置一芯体(71、644)，该芯体设计成提高弹性元件的弯曲刚度，其特征在于，螺旋形的所述间隙具有一个构成为四分之一圆的出口(203)，用于将材料峰值载荷保持较小。
2.按照权利要求1所述的弹性元件，其特征在于，在第一端和第二端上都设置内螺纹(4、4′、41、163)。
3.按照权利要求1所述的弹性元件，其特征在于，第一端和第二端都具有包括外螺纹的圆柱形的伸出部分(171、172)。
4.按照权利要求1所述的弹性元件，其特征在于，在一端设置内螺纹(163)并且在另外一端设置包括外螺纹的圆柱形的伸出部分(161)。
5.按照权利要求1至4之一项所述的弹性元件，其特征在于，该弹性元件构成为螺旋弹簧。
6.按照权利要求1至4之一项所述的弹性元件，其特征在于，所述弹性元件由一种身体适宜的材料构成。
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