EA013988B1 - Протез межпозвонкового диска - Google Patents

Abstract

Протез межпозвонкового диска состоит из двух конструктивных элементов, прикрепленных к концевым пластинкам тел двух смежных позвонков. Эти два конструктивных элемента выполнены с соответствующими поверхностями сочленения, которые образуют по меньшей мере часть механизма сочленения. При нагружении осевой сжимающей силой механизм сочленения воспринимает сжимающую силу, действующую на поверхности соприкосновения с позвонками, чтобы обеспечить заранее определенное минимальное межпозвонковое расстояние, и предоставляет возможность вращательного движения в определенном диапазоне во всех направлениях. Механизм сочленения выполнен так, чтобы обеспечить возрастание межпозвонкового расстояния как гладкой функциональной зависимости углового отклонения от нейтрального положения по меньшей мере в части диапазона движения в каждом направлении для каждого типа движения, таким образом обеспечивая затухание движения и возвращающие силы.

Description

Область техники изобретения и предпосылки его создания

Настоящее изобретение относится к протезам межпозвонковых дисков, и, в частности, оно имеет отношение к протезам межпозвонковых дисков, которые предоставляют возможность движения вокруг трех осей вращения и обеспечивают затухание движения для избежания соударения при окончании движения при движении вокруг каждой из этих осей.

Многие обычно применяемые протезы межпозвонковых дисков (известные специалистам как То1а1 Όίδο К.ер1асетеп1 - ТОК) основаны на шаровых шарнирных соединениях. Хотя шаровое соединение обеспечивает полный диапазон движения во всех направлениях, оно не обеспечивает затухания движения. В частности, что касается аксиальной ротации, то шаровое соединение само по себе по сути предоставляет возможность практически неограниченной ротации с минимальным сопротивлением. Вследствие этого ограничение движения позвонков зависит от окружающих мягких тканей или соударения суставных отростков, что соответственно ускоряет дегенерацию суставных отростков и смежных тканей. При передней флексии, задней экстензии и латеральной флексии движение обычно ограничивается соударением кромок деталей протеза межпозвонкового диска друг с другом, эти повторяющиеся соударения, имеющие место при использовании в обычных условиях, могут привести к разрушению самого протеза межпозвонкового диска или окружающих тканей.

В частности, в качестве базы для сравнения с настоящим изобретением, которое будет описано ниже, на фиг. 11А-11С показаны сечения протеза межпозвонкового диска на основе шаровой геометрии в различных положениях латеральной флексии, в то время как фиг. 11Ό и 11Е показывают изгибающий момент и подъем (соответствующий межпозвонковому расстоянию, которое будет определено ниже) в зависимости от углового отклонения от центрального (нейтрального) положения. Стандартным диапазоном движения такого сочленения является интервал от нейтрального положения, показанного на фиг. 11А, до положения соприкосновения кромок друг с другом, показанного на фиг. 11В, соответствующего в данном случае отклонению примерно 6°. Внутри этого диапазона, как показано на фиг. 11Ό, требуется минимальный изгибающий момент, чтобы вызвать движение, который только должен преодолеть любое фрикционное сопротивление сочленения. Как только соприкосновение кромок произойдет, возникает резкое сопротивление дальнейшему отклонению, так что постепенно увеличиваемый приложенный момент не вызывает никакого движения. Только если крутящий момент превышает некоторый порог, отклонение будет продолжаться за счет выхода шара из углубления, как это показано на фиг. 11С, то есть до положения, которое нельзя считать нормальным. Однажды начавшись, движение подъема будет продолжаться при постоянном приложенном вращающем моменте. Соответствующий график межпозвонкового расстояния в зависимости от углового отклонения показан на фиг. 11Е. При нормальном рабочем интервале шаровой опоры 0-6° подъем не происходит. Если затем прикладывается достаточный вращающий момент, то шар начинает выходить из углубления, межпозвонковое расстояние начинает резко увеличиваться на начальной стадии приблизительно в линейной зависимости от угла отклонения.

Делались различные попытки разработки механизма сочленения для протеза межпозвонкового диска, который наиболее точно моделирует различные аспекты динамики естественного межпозвонкового диска. Такие механизмы включают множество устройств, использующих цилиндрические или седловидные поверхности сочленения. Примеры таких устройств можно найти в следующих патентах США: №№ 6706068;6908484;6972037;6972038; 6986789; 6989032; 6994727; 6994729; 6997955; 7048764 и 7048766, а также в следующих публикациях заявок на патент США № 2004/0225364 и № 2004/0073311.

Особый интерес в качестве предпосылки создания настоящего изобретения представляет приведенная в некоторых документах, на которые выше сделана ссылка, идея дистракции (то есть увеличивающегося межпозвонкового расстояния) в зависимости от углового отклонения при аксиальной ротации для генерирования возвращающих (самоцентрирующих) сил. Конкретнее, поскольку позвоночный столб в нормальном состоянии нагружен по оси верхней частью тела, то механизм сочленения, который вызывает дистракцию сочленения в зависимости от аксиальной ротации, выполняет работу против нагрузки, что дает в результате возвращающую силу, которая стремится вернуть сочленение в нейтральное положение аксиальной ротации. Пример таких идей можно найти в вышеупомянутом патенте США № 6994727.

Идея дистракции сочленения при приложенной нагрузке для обеспечения возвращающей силы, обсуждаемая в вышеприведенном документе, применима только для одного вида движения, а именно аксиальной ротации. Кроме того, документы, известные в настоящее время изобретателю, не предоставляют какого-либо приемлемого решения, обеспечивающего затухание движения с целью ограничения диапазона движения для каждого типа движения для избежания соударения или другого опасного воздействия на окружающие ткани.

Поэтому имеется необходимость в протезе межпозвонкового диска, который предоставлял бы возможность движения вокруг трех осей вращения и обеспечивал бы затухание движения для избежания соударения при окончании движения при движении вокруг каждой из этих осей.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение представляет собой протез межпозвонкового диска, который предоставляет возможность движения вокруг трех осей вращения и обеспечивает затухание движения для избежания соударения при окончании движения при движении вокруг каждой из этих осей.

- 1 013988

В соответствии с идеями настоящего изобретения представлено устройство для замены по меньшей мере части межпозвонкового диска в позвоночном столбе между концевыми пластинками тела первого позвонка и тела второго позвонка позвоночного столба, причем это устройство содержит: (а) первый конструктивный элемент, имеющий поверхность соприкосновения с первым позвонком для соединения с концевой пластинкой тела первого позвонка и имеющий первую поверхность сочленения; и (Ь) второй конструктивный элемент, имеющий поверхность соприкосновения со вторым позвонком для соединения с концевой пластинкой тела второго позвонка и имеющий вторую поверхность сочленения; причем межпозвонковое расстояние определяется как осевая компонента линии, простирающейся между центроидом поверхности соприкосновения с первым позвонком и центроидом поверхности соприкосновения со вторым позвонком, причем первая поверхность сочленения и вторая поверхность сочленения образуют по меньшей мере часть механизма сочленения, выполненного так, что когда на него действует нагрузка сжимающей осевой силы, то (1) поверхности соприкосновения с первым и вторым позвонками воспринимают сжимающую силу для обеспечения заранее установленного минимального межпозвонкового расстояния; (и) второй конструктивный элемент является подвижным относительно первого конструктивного элемента при движении, соответствующем аксиальной ротации, передней флексии, задней экстензии и латеральной флексии, причем каждое из этих движений имеет свой диапазон движения; и (ш) межпозвонковое расстояние возрастает как гладкая функциональная зависимость углового отклонения от нейтрального положения по меньшей мере в части диапазона движения в каждом направлении для каждого из движений: аксиальной ротации, передней флексии, задней экстензии и латеральной флексии, таким образом обеспечивая безударное затухание движения.

В соответствии с другой особенностью настоящего изобретения механизм сочленения выполнен так, что первая производная межпозвонкового расстояния в зависимости от углового отклонения от нейтрального положения возрастает, по существу, монотонно относительно углового отклонения от нейтрального положения в большей части диапазона движения в каждом из направлений для каждого из движений: аксиальной ротации, передней флексии, задней экстензии и латеральной флексии.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения механизм сочленения выполнен так, что второй конструктивный элемент является подвижным относительно первого конструктивного элемента при движении, соответствующем сочетанию аксиальной ротации, передней флексии или задней экстензии и латеральной флексии.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения механизм сочленения выполнен так, что устройство самоцентрируется при осевой нагрузке для того, чтобы способствовать возвращению, по существу, в заранее определенное нейтральное положение.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения первый и второй конструктивные элементы представляют собой твердые тела.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения первый и второй конструктивные элементы изготовлены главным образом из металлического материала.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения первый и второй конструктивные элементы изготовлены главным образом из керамического материала.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения первая поверхность сочленения и вторая поверхность сочленения размещены в непосредственном контакте для образования механизма сочленения.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения на первой поверхности сочленения выполнен выступ и на второй поверхности сочленения выполнено взаимодействующее с ним углубление, причем выступ имеет такую форму, что в сагиттальном сечении внешняя форма выступа характеризуется (а) выпукло искривленной областью венца, имеющей переменную кривизну с локальным минимумом кривизны в вершине области венца; и (Ь) вогнуто искривленной переходной областью в основании выступа.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения выступ, кроме того, выполнен так, что в венечном сечении внешняя форма выступа характеризуется: (а) выпукло искривленной областью венца, имеющей переменную кривизну с локальным минимумом кривизны в вершине области венца, и (Ь) вогнуто искривленной переходной областью в основании выступа.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения выступ, кроме того, выполнен так, что ширина выступа в венечном сечении больше, чем ширина выступа в сагиттальном сечении.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения выступ, кроме того, выполнен так, что в аксиальном сечении выступ имеет, по существу, эллиптическую внешнюю форму.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения взаимодействующее с выступом углубление образовано, по существу, эллиптической вогнутостью с выпукло искривленной переходной областью, соединяющейся с окружающей областью второй поверхности сочленения.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения выступ имеет множество боковых участков с углублениями, при этом взаимодействующее с ним углубление имеет соответствующее множество участков с ребрами.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения на первой поверхности сочле

- 2 013988 нения выполнен выступ, имеющий множество ребер, а на второй поверхности сочленения выполнено взаимодействующее с ним углубление, имеющее множество пазов для приема этих ребер, при этом эти ребра взаимодействуют со смежными поверхностями пазов для создания увеличения межпозвонкового расстояния.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения на первой поверхности сочленения выполнено множество выступов, а на второй поверхности сочленения выполнены взаимодействующие с ними элементы в форме углублений.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения на первой поверхности сочленения выполнено множество углублений, и на второй поверхности сочленения выполнено соответствующее множество углублений, при этом механизм сочленения дополнительно включает в себя соответствующее множество опорных элементов, каждый из которых захватывается расположенными друг напротив друга парами углублений первой и второй поверхностей сочленения.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения опорные элементы выполнены в виде шаровых опор.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения множество углублений первой и второй поверхностей сочленения выполнены в виде частично сферических углублений с радиусом кривизны большим, чем у шаровых опор, причем местоположения углублений первой поверхности сочленения смещены относительно местоположений углублений второй поверхности сочленения.

В соответствии с еще одной особенностью настоящего изобретения механизм сочленения реализуется четырьмя шаровыми опорами и четырьмя углублениями в каждой из первой и второй поверхностей сочленения.

Краткое описание фигур

Настоящее изобретение описывается здесь только в качестве примера со ссылками на сопровождающие фигуры, где фиг. 1А представляет собой изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, разработанного и действующего в соответствии с идеями настоящего изобретения, показывающую разведенные на некоторое расстояние первый и второй конструктивные элементы;

фиг. 1В - изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, в перевернутом положении;

фиг. 1С - дорсальный вид протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, в собранном состоянии;

фиг. 1Ό - латеральный вид протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, в собранном состоянии;

фиг. 2А - изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, при аксиальной ротации;

фиг. 2В - вид сверху протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, при аксиальной ротации;

фиг. 2С - частичный разрез протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, показывающий расположение точек соприкосновения между двумя конструктивными элементами сочленения при аксиальной ротации;

фиг. 2Ό - график, показывающий приложенный момент аксиальной ротации и соответствующее угловое отклонение от нейтрального положения при аксиальной ротации для протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А в условиях осевой нагрузки;

фиг. 2Е - график, показывающий осевой подъем (увеличение межпозвонкового расстояния) в зависимости от углового отклонения от нейтрального положения при аксиальной ротации для протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А;

фиг. ЗА - дорсальный вид протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, подвергающегося латеральной флексии;

фиг. ЗВ - венечное сечение протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, подвергающегося латеральной флексии;

фиг. ЗС - график, показывающий приложенный момент латеральной флексии и соответствующее угловое отклонение от нейтрального положения при латеральной флексии для протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, в условиях осевой нагрузки;

фиг. 3Ό - график, показывающий осевой подъем (увеличение межпозвонкового расстояния) в зависимости от углового отклонения от нейтрального положения при латеральной флексии для протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А;

фиг. 4 А - латеральный вид протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, подвергающегося задней экстензии;

фиг. 4В - сагиттальное сечение протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, подвергающегося задней экстензии;

фиг. 4С - график, показывающий приложенный момент при флексии или экстензии и соответствующее угловое отклонение от нейтрального положения при флексии или экстензии для протеза межпо звонкового диска, показанного на фиг. 1А, в условиях осевой нагрузки;

фиг. 4Ό - график, показывающий осевой подъем (увеличение межпозвонкового расстояния) в зависимости от углового отклонения от нейтрального положения при флексии или экстензии для протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А;

фиг. 5А и 5В - первую и вторую изометрические проекции с частичным разрезом протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, иллюстрирующие смещение от нейтрального положения при комбинации 5° флексии, 4° латеральной флексии и 4° аксиальной ротации, эти проекции иллюстрируют положение трех точек соприкосновения между поверхностями сочленения первого и второго конструктивных элементов;

фиг. 5 С - полную изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 1А, показывающую положение смещения на фиг. 5А и 5В;

фиг. 6 А - изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, показанного на фиг. 1А, присоединенного к устройству для введения протеза;

фиг. 6В - увеличенное изображение периферической части устройства для введения протеза, показанной на фиг. 6А, вместе с протезом межпозвонкового диска фиг. 1А;

фиг. 6С представляет собой продольное сечение устройства для введения протеза и протеза межпозвонкового диска, показанных на фиг. 6А;

фиг. 6Ό - увеличенное изображение периферической части, показанной на фиг. 6С;

фиг. 7 А - изометрическую проекцию альтернативного варианта осуществления протеза межпозвонкового диска, разработанного и действующего в соответствии с идеями настоящего изобретения, показывающую отдельно первый и второй конструктивные элементы и несколько дополнительных шаровых опор между ними;

фиг. 7В - изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 7А, в перевернутом положении;

фиг. 7С - аксиальное сечение протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, изображенного на фиг. 7А, в нейтральном положении;

фиг. 7Ό - аксиальное сечение протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, изображенного на фиг. 7А, подвергающегося аксиальной ротации;

фиг. 7Е - венечное сечение протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, изображенного на фиг. 7А, в нейтральном положении;

фиг. 7Е - венечное сечение протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, изображенного на фиг. 7А, подвергающегося латеральной флексии;

фиг. 70 - изометрическую проекцию варианта осуществления протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 7А, в разобранном состоянии, в котором шаровые опоры заменены на сферические выпуклости, выступающие из одного из конструктивных элементов;

фиг. 7Н - изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 70, в перевернутом положении;

фиг. 71 - аксиальное сечение протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, изображенного на фиг. 70, в нейтральном положении;

фиг. 71 - аксиальное сечение протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, изображенного на фиг. 70, подвергающегося аксиальной ротации;

фиг. 7К - дорсальный вид с частичным разрезом изображенного на фиг. 70 протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, подвергающегося латеральной флексии;

фиг. 8А - изометрическую проекцию еще одного альтернативного варианта осуществления протеза межпозвонкового диска, разработанного и действующего в соответствии с идеями настоящего изобретения, показывающую отдельно первый и второй конструктивные элементы;

фиг. 8В - изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 8А, в перевернутом положении;

фиг. 8С - аксиальное сечение протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 8А;

фиг. 8Ό - вид сверху поверхности сочленения верхнего конструктивного элемента протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 8А;

фиг. 8Е - поперечное сечение в сагиттальной плоскости, показанное на фиг. 8Ό линией Х-Х;

фиг. 8Е - сагиттальное сечение протеза межпозвонкового диска в собранном состоянии, изображенного на фиг. 8А;

фиг. 9А - изометрическую проекцию еще одного альтернативного варианта осуществления протеза межпозвонкового диска, разработанного и действующего в соответствии с идеями настоящего изобретения, показывающую отдельно первый и второй конструктивные элементы;

фиг. 9В - изометрическую проекцию протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 9А, в перевернутом положении;

фиг. 9С - вид сверху поверхности сочленения нижнего конструктивного элемента протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 9А;

фиг. 9Ό и 9Е - сечения соответственно вдоль линий Х-Х и А-А на фиг. 9С;

- 4 013988 фиг. 9Е - вид сверху поверхности сочленения верхнего конструктивного элемента протеза межпозвонкового диска, изображенного на фиг. 9А;

фиг. 9С и 9Н - сечения соответственно вдоль линий Ζ-Ζ и Υ-Υ на фиг. 9С;

фиг. 10 А - изометрическую проекцию еще одного альтернативного варианта осуществления протеза межпозвонкового диска, разработанного и действующего в соответствии с идеями настоящего изобретения, показывающую отдельно первый и второй конструктивные элементы;

фиг. 10В - изометрическую проекцию изображенного на фиг. 10А протеза межпозвонкового диска в перевернутом положении;

фиг. 11А-11С, обсуждаемые ниже, - схематические венечные сечения обычного шарового шарнирного соединения на различных стадиях латеральной флексии;

фиг. 11Ό - график, показывающий приложенный момент латеральной флексии и соответствующее угловое отклонение от нейтрального положения для шарового шарнирного соединения, показанного на фиг. 11А, при латеральной флексии; и фиг. 11Е - график, показывающий изменение осевого подъема (увеличение межпозвонкового расстояния) в зависимости от углового отклонения от нейтрального положения при латеральной флексии для шарового соединения, показанного на фиг. 11А.

Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения

Настоящее изобретение представляет собой протез межпозвонкового диска, который предоставляет возможность движения вокруг трех осей вращения и обеспечивает затухание движения для избежания соударения при окончании движения при движении вокруг каждой из этих осей.

Идеи и принцип действия протезов межпозвонкового диска в соответствии с настоящим изобретением могут быть лучше поняты со ссылкой на фигуры и сопровождающее описание.

Фиг. 1А-5С иллюстрируют первый предпочтительный вариант осуществления устройства, разработанный и действующий в соответствии с идеями настоящего изобретения, для замены по меньшей мере части межпозвонкового диска в позвоночном столбе между концевыми пластинками тела первого позвонка и тела второго позвонка позвоночного столба.

В общих чертах, этот и другие варианты осуществления данного устройства имеют первый конструктивный элемент 100, имеющий поверхность 22 соприкосновения с первым позвонком для сцепления с концевой пластинкой тела первого позвонка, и второй конструктивный элемент 102, имеющий поверхность 10 соприкосновения со вторым позвонком для сцепления с концевой пластинкой тела второго позвонка. Первый 100 и второй 102 конструктивные элементы имеют соответствующие поверхности 104 и 106 сочленения, которые образуют по меньшей мере часть механизма сочленения. Этот механизм сочленения выполнен так, что когда возникает нагрузка с сжимающей осевой силой, то (1) поверхности соприкосновения с первым и вторым позвонками воспринимают сжимающую силу для обеспечения заранее определенного минимального межпозвонкового расстояния; (и) второй конструктивный элемент является подвижным относительно первого конструктивного элемента при движении, соответствующем аксиальной ротации, передней флексии и задней экстензии, и латеральной флексии, причем каждое из этих движений имеет соответствующий диапазон движения; (ш) межпозвонковое расстояние возрастает как гладкая функция углового отклонения от нейтрального положения по меньшей мере в части диапазона движения в каждом из направлений для каждого из движений: аксиальной ротации, передней флексии и задней экстензии, и латеральной флексии, обеспечивая, таким образом, безударное затухание движения.

Другими словами, различные варианты осуществления настоящего изобретения предоставляют протезы межпозвонкового диска, которые обеспечивают опору при осевой нагрузке, что дает возможность движения вокруг трех осей в том же диапазоне, что и для естественного движения, и которые вызывают пропорциональное увеличение межпозвонкового расстояния при движении вокруг каждой из осей с тем, чтобы достичь затухания движения для всех типов движения. Чтобы обеспечить изложенные свойства, может быть использован широкий диапазон конфигураций. В качестве неограничивающих примеров ниже будут представлены шесть особо предпочтительных вариантов осуществления.

На этом этапе уже станет понятно, что настоящее изобретение предоставляет ряд особых преимуществ по сравнению с существующими протезами межпозвонковых дисков. В частности, обеспечивая движение с механическим затуханием в каждом направлении движения, получают полный диапазон движения, подобный естественному диапазону движения, избегая при этом проблем, связанных с ускоренной дегенерацией тканей, вызванной соударением при окончании движения, что характерно для существующих устройств. Это и другие преимущества станут яснее из последующего описания.

Желательная величина увеличения межпозвонкового расстояния для данного отклонения от нейтрального положения может быть получена следующим образом.

Закон сохранения энергии (пренебрегая трением) требует, чтобы где М - приложенный момент, вызывающий вращение вокруг заданной оси;

α - угловое отклонение, вызванное приложенным моментом;

Е - осевая сила нагрузки, приложенной к опорному устройству; и

- 5 013988 х - увеличение межпозвонкового расстояния.

Таким образом, если требуемое отношение между приложенным моментом и угловым отклонением задается заранее определенной функцией М=£(а) и предполагается, что приложенная нагрузка является заранее определенным постоянным весом Т, требуемое увеличение межпозвонкового расстояния может быть выражено как угловая функция

Это отношение может быть определено для каждого из направлений движения. Чтобы избежать соударения во время движения, функция £(α) выбирается как непрерывная функция, то есть малые изменения угла соответствуют малым изменениям требуемого момента (также называемая здесь бесступенчатой), что отличает данное изобретение от обычного шарового шарнирного соединения, представленного на фиг. 11Ό. Наиболее предпочтительно, чтобы выбранная функция £(α) возрастала монотонно с увеличением величины (в положительном и отрицательном направлениях) углового отклонения по меньшей мере в части диапазона движения, в котором требуется затухание движения. Это гарантирует, что наклон кривой зависимости межпозвонкового расстояния от углового отклонения становится все более и более крутым по мере того, как величина отклонения возрастает, обеспечивая тем самым особенно эффективное затухание движения.

Когда необходимое соотношение между межпозвонковым расстоянием и углом отклонения определено для каждой оси движения, разрабатываются поверхности сочленения, обеспечивающие требуемое движение. Дополнительный анализ показывает, что движение в каждом из основных направлений можно комбинировать, при этом сохраняя свойства безударного затухания движения. Кроме того, надо позаботиться, чтобы эффективный центр вращения (который может смещаться во время движения) был совместим с вертебральной кинематикой, и, в частности, для избежания соударения суставных отростков. В представленных ниже примерах центр кривизны динамически перемещается во время движения в направлениях латеральной флексии и флексии/экстензии, но предпочтительно остается в основном в межпозвонковом пространстве. Некоторая небольшая величина линейного смещения может также быть использована для имитации физиологического поведения естественного межпозвонкового диска, обычно с интервалом движения не более примерно 0,5 мм.

Следует отметить, что требуемые геометрические параметры могут быть обеспечены в широком диапазоне геометрических форм поверхностей сочленения, основным свойством которых является увеличение подъема в зависимости от углового отклонения. Ниже будет описан ряд неограничивающих примеров пригодных конструкций сочленения. Используя инструментальные средства автоматизированного проектирования (САПР), можно выполнить точный подбор конструктивных параметров для каждого типа геометрической формы с тем, чтобы достичь требуемого подъема для каждой величины отклонения.

Перед тем как обратиться к другим деталям предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, будет полезно определить некоторые термины, используемые в этом описании и формуле изобретения. Во-первых, обратимся к нейтральному положению протеза межпозвонкового диска. Это положение соответствует нормальному недеформированному состоянию устройства, когда оно имплантировано в позвоночный столб. В случаях, когда поверхности сочленения верхнего и нижнего конструктивных элементов содержат, по существу, плоские периферийные участки, нейтральное положение предпочтительно соответствует по существу параллельному положению этих плоских участков. В самых предпочтительных вариантах осуществления устройство автоматически смещается при осевой нагрузке, для того чтобы вернуться в нейтральное положение.

Терминология, используемая для описания геометрии устройства по настоящему изобретению, в основном является медицинской терминологией, хотя эта терминология может временами чередоваться с альтернативной механической терминологией. Медицинская терминология интерпретируется в контексте намеченного расположения и ориентации, с которыми устройство должно быть размещено в теле, хотя используемая терминология относится и к устройству самому по себе. Таким образом, центральная вертикальная плоскость, проходящая через устройство спереди назад, обозначается термином сагиттальная, в то время как пересекающая ее поперечная вертикальная плоскость обозначается термином венечная и горизонтальная плоскость обозначается термином аксиальная. Подобным образом, вид спереди обозначается термином вентральный, вид сзади - дорсальный, вид сбоку - латеральный и вид сверху - аксиальный.

Что касается типов движения, то для соответствующих движений тела предпочтение здесь также отдается обычной медицинской терминологии. Таким образом, сгибание вперед - это (передняя) флексия, разгибание назад - (задняя) экстензия, сгибание в стороны - латеральная флексия, вращение в стороны - аксиальная ротация. Для удобства делается ссылка на оси отклонения или вращения, а именно от одного бока до другого - для флексии или экстензии, спереди назад - для латеральной флексии и вертикальная - для аксиальной ротации. Однако следует заметить, что эти движения представляют собой обычно не чистые вращения вокруг фиксированной оси, а скорее более сложные движения, при которых эффективный центр вращения смещается во время процесса движения.

- 6 013988

Следует отметить, что движение, на которое делаются ссылки в этом документе, является всегда относительным движением между первым и вторым конструктивными элементами данного устройства, соответствующим движению позвонка, находящегося выше, и позвонка, находящегося ниже, к которым соответствующие конструктивные элементы прикреплены. Для удобства движения, на которое здесь ссылаются, рассматривается, как если бы нижний конструктивный элемент находился в фиксированном состоянии в горизонтальной плоскости, а двигался верхний конструктивный элемент. Ясно, что когда устройство имплантировано в тело, то реальной ориентацией конструктивных элементов будет локальная ориентация соответствующего позвоночного сегмента, причем устройство функционирует во взаимодействии с другими позвоночными сегментами (или с естественными дисками, или с дополнительными устройствами в соответствии с настоящим изобретением), чтобы обеспечить полностью все свойства, требуемые для абсолютного движения позвоночного столба.

Когда делается ссылка на первый и второй конструктивные элементы, то предполагается, что описываемые параметры относятся по очереди к находящемуся выше (верхнему) и находящемуся ниже (нижнему) конструктивным элементам, если не утверждается противоположное. Вопреки этому общему положению в вариантах осуществления, которые имеют один конструктивный элемент с одним или несколькими выступами и второй конструктивный элемент с одним или несколькими углублениями, в основном предпочтителен вариант, в котором углубление находится в расположенном сверху конструктивном элементе и обращено вниз для избегания накопления инородных веществ, которые могут попасть в это место.

Используемые в контексте тел позвонков термины первый и второй применяются в данном описании и формуле изобретения как неспецифические обозначения, отсылающие к любой паре смежных тел позвонков, между которыми помещено устройство по настоящему изобретению. В действительности, при правильном выборе размеров и геометрической формы, настоящее изобретение может иметь преимущество при использовании в одном участке или во многих участках шейного, грудного и поясничного отделов позвоночного столба, от места соединения шейных позвонков С2/С3 вплоть до места нижнего поясничного соединения Ь5/81.

Обратимся теперь к межпозвонковому расстоянию. Этот параметр используется в качестве меры подъема, имеющего место во время движения данного устройства. Степень изменения этого подъема с угловым отклонением при осевой нагрузке соответствует возвращающей силе, смещающей к нейтральному положению, как это будет описано ниже более подробно. Для чистой аксиальной ротации, для которой верхний и нижний конструктивные элементы остаются примерно параллельными, изменение межпозвонкового расстояния может быть интуитивно понято как изменение расстояния между поверхностями соприкосновения позвонков. Однако при флексии, экстензии и латеральной флексии межпозвонковое расстояние должно определяться более тщательно, поскольку наклон одного конструктивного элемента относительно другого обязательно создает области конструктивных элементов, которые сближаются, и области конструктивных элементов, которые удаляются. Поэтому межпозвонковое расстояние определяется как интервал между центральными областями двух поверхностей соприкосновения с позвонками. Более точно используемый параметр может быть определен как осевая компонента линии, простирающейся между центроидом поверхности соприкосновения с первым позвонком и центроидом поверхности соприкосновения со вторым позвонком. В этом контексте центроид обозначает центр масс тонкой плоской пластины одинаковой толщины, имеющей общий контур со всей областью соприкосновения с позвонками, но пренебрегая вертикальными параметрами, такими как различные фиксирующие ребра и другие поверхностные параметры. Осевая компонента определяется как компонента, параллельная оси чистой аксиальной ротации в нейтральном положении данного устройства. Для большинства случаев применения, когда диапазон движения в каждом направлении отклонения в градусах характеризуется однозначным числом, углы достаточно малы, так что разница между определением, данным выше, и простым расстоянием между центроидами невелика.

Изменение межпозвонкового расстояния описывается в настоящем документе как гладкая функция углового отклонения от нейтрального положения. Термин гладкая функция, используемый в настоящем документе, относится к любой функции, которая может быть продифференцирована во всех точках соответствующего интервала. Другими словами, изменение межпозвонкового расстояния с угловым отклонением является гладким в том смысле, что оно не имеет резких изменений градиента. В результате возвращающий момент, который действует в результате осевой нагрузки, соответствующий производной межпозвонкового расстояния по углу, не имеет каких-либо резких скачков, и затухание движения является поэтому безударным затуханием движения.

В заключение отметим, что различные элементы будут названы как углубления или выступы. Следует отметить, что термин углубление, используемый в настоящем документе, относится к поверхности, для которой, чтобы ограничить объем, достаточно накрыть его одной плоскостью. Определенное таким образом углубление включает в себя углубления, которые могут иметь внутри локально выступающие или выпукло искривленные элементы, но седловидные элементы исключены. Наоборот, выступ или выпуклость поверхности определяется как часть тела, которая может быть отделена от нижележащей поверхности разрезом вдоль одной плоскости, независимо от того, имеет ли поверхность

- 7 013988 выступа или выпуклости локальные углубления или вогнуто искривленные элементы.

Переходя теперь к параметрам первого варианта осуществления более подробно, обратимся к фиг. 1А-5С, иллюстрирующим первый вариант осуществления, по которому первый 100 и второй 102 конструктивные элементы имеют соответствующие поверхности 104 и 106 сочленения, которые при непосредственном контакте образуют механизм сочленения. При таком варианте осуществления в основе геометрических форм поверхностей сочленения лежат модифицированные эллиптические профили.

Представляя подобную геометрическую форму, следует заметить, что эллипс, лежащий на боку, то есть когда его короткая ось перпендикулярна нижележащей поверхности и соприкасается с ней, по существу, имеет такое свойство, что его центр масс поднимается при любом угловом отклонении. То же самое справедливо для двух перпендикулярных осей наклона в случае сплющенного сфероида. В результате эллиптическая или близкая к эллиптической геометрическая форма может быть использована для некоторых вариантов осуществления настоящего изобретения.

В первом варианте осуществления настоящего изобретения, показанном здесь, на первой поверхности 104 сочленения выполнен выступ 32 и на второй поверхности 106 сочленения выполнено взаимодействующее с ним углубление 30. Выступ 32 имеет такую форму, что в сагиттальном сечении (фиг. 4В) внешняя форма выступа характеризуется выпукло искривленной областью 108 венца, имеющей переменную кривизну с локальным минимумом кривизны в области вершины 110 венца. Это обеспечивает свойства, сходные со свойствами эллиптической геометрической формы, упомянутой выше. Кроме того, выступ 32 предпочтительно характеризуется вогнуто искривленной переходной областью 112 в основании выступа. Боковые поверхности выступа 32, то есть там, где выпуклая область соединяется с вогнутой переходной областью, предпочтительно достигают максимального наклона (крутизны) относительно нижележащей плоскости поверхности 104 сочленения, который составляет менее 90°, обычно в интервале от примерно 60 до примерно 80°.

Выступ 32, кроме того, имеет такую форму, что в венечном сечении (фиг. 3В) внешняя форма выступа 32 также характеризуется выпукло искривленной областью венца 108, имеющей переменную кривизну с локальным минимумом кривизны в области вершины 110 венца, с вогнуто искривленной переходной областью 112 в основании выступа. Как видно на фигурах, ширина выступа 32 в этих двух направлениях различна, причем ширина в венечном сечении предпочтительно больше, чем ширина в сагиттальном сечении.

На виде сверху поверхности 104 сочленения, или в аксиальном сечении, выступ 32 предпочтительно имеет, по существу, эллиптическую внешнюю форму. Другими словами, вышеупомянутые формы сечений в сагиттальной и венечной плоскостях предпочтительно соединяются гладко через, по существу, эллиптический профиль. В результате получен округлый, но слегка приплюснутый сверху выступ, направленный наружу от основания, как это лучше видно на фиг. 1А.

В рассматриваемом здесь предпочтительном случае взаимодействующее с выступом углубление 30 образовано, по существу, эллиптической вогнутостью, то есть частью эллипсоида, модифицированного так, чтобы получить выпукло искривленную переходную область 114, соединяющуюся с окружающей областью второй поверхности 106 сочленения.

Действие механизма сочленения, образованного взаимодействием поверхностей 104 и 106 сочленения, теперь может быть понято со ссылкой на фиг. 1С-5С. Обращаясь сначала к фиг. 1С и 1Ό, можно видеть, что при нейтральном или близком к нему положении протеза межпозвонкового диска сплюснутая вершина 110 выступа 32 помещена в основание углубления 30, обеспечивая несущую опору с заданным минимальным межпозвонковым расстоянием.

Фиг. 2А-2С иллюстрируют аксиальную ротацию между конструктивными элементами 100 и 102. Поскольку длинные оси эллиптических форм выступа 32 и углубления 30 постепенно выходят из соосного положения, наклонные боковые поверхности выступа 32 и углубления 30 надвигаются друг на друга, вызывая увеличение межпозвонкового расстояния. Во время этого движения точка давления при контакте поверхностей 104 и 106 сочленения отодвигается от вершины области венца, обычно разделяясь между двумя точками 38 контакта, как это показано на частичном разрезе на фиг. 2С. Приложенный осевой вращающий момент, соответствующий каждому угловому отклонению при осевой нагрузке 150 Н, показан на фиг. 2Ό, и соответствующее увеличение межпозвонкового расстояния для каждого углового отклонения показано на фиг. 2Е. Следует отметить, что, как упоминалось выше, приложенный момент увеличивается монотонно и непрерывно в зависимости от угла отклонения, в то время как межпозвонковое расстояние все более и более круто возрастает (приблизительно по параболе).

Фиг. 3А и 3В иллюстрируют латеральную флексию между конструктивными элементами 100 и 102. В верхней части конструктивных элементов давление в точке контакта перемещается из вершины области венца на выступе 32 и распределяется между двумя точками контакта, которые постепенно передвигаются через участки более высокой кривизны. Когда движение продолжается, одна из точек контакта передвигается по вогнутой переходной области (показанной как точки контакта 40 на фиг. 3В) и способствует непрерывному безударному смещению. Приложенный момент латеральной флексии, соответствующий каждому угловому отклонению при осевой нагрузке 150 Н, показан на фиг. 3С, и соответствующее увеличение межпозвонкового расстояния для каждого углового отклонения показано на фиг. 3Ό.

- 8 013988

Здесь также приложенный момент увеличивается монотонно и непрерывно в зависимости от угла отклонения, в то время как межпозвонковое расстояние все более и более круто возрастает.

Фиг. 4 А и 4В иллюстрируют заднюю экстензию между конструктивными элементами 100 и 102. Здесь движение, по существу, подобно латеральной флексии, показанной на фиг. ЗА и 3В, с точками 42 контакта, показанными на фиг. 4В. Приложенный момент задней экстензии, соответствующий каждому угловому отклонению при осевой нагрузке 150 Н, показан на фиг. 4С, и соответствующее увеличение межпозвонкового расстояния для каждого углового отклонения показано на фиг. 4Ό. Здесь также приложенный момент увеличивается монотонно и непрерывно в зависимости от угла отклонения. В этом случае межпозвонковое расстояние остается небольшим в относительно большой части диапазона движения около нейтрального положения, а затем все более и более круто возрастает для обеспечения безударного затухания движения в границах установленного диапазона движения.

Попутно следует отметить, что удовлетворительные результаты по затуханию движения могут быть получены экспериментально, несмотря на значительные расхождения в форме функциональных зависимостей момента от отклонения. Фактически различные графики, рассмотренные выше, соответствуют экспериментальным результатам, полученным для опытного образца, сконструированного методом проб и ошибок, используя параметрически определенные поверхности сочленения, имеющие основную форму, описанную выше. Чтобы получить требуемый профиль подъема при аксиальной ротации, переменные параметры вместе с экспериментами для твердого тела совмещаются в основной программе САПР. Параметры, соответствующие латеральной флексии и флексии/экстензии, были оптимизированы только для поверхностей вогнутых переходных областей 112 и для взаимодействующих с ними поверхностей выпукло искривленных переходных областей 114, также методом проб и ошибок. В результате была найдена высокоэффективная для затухания движения структура, обладающая свойством самоцентрирования во всех направлениях движения, несмотря на значительные различия в функциональных зависимостях момента от отклонения. Если требуется, могут быть использованы более сложные инструментальные средства САПР и/или численные методы, чтобы одновременно оптимизировать параметры для различных типов движения.

Как видно на фиг. 5А-5С, упомянутых ранее, можно видеть, что механизмы сочленения по настоящему изобретению предпочтительно предоставляют возможность смещения конструктивных элементов 102 и 100 при движении, соответствующем сочетанию аксиальной ротации, передней флексии или задней экстензии и латеральной флексии. С целью иллюстрации на фиг. 5А-5С показан протез межпозвонкового диска с конструктивными элементами, смещенными от нейтрального положения при сочетании 5° флексии, 4° латеральной флексии и 4° аксиальной ротации. В общем, сложные движения, такие как это, дают в результате три точки контакта, которые показаны как точки 44 на частичных разрезах на фиг. 5А и 5В. Данное устройство демонстрирует одновременно безударное затухание движения и образование возвращающих сил в каждой из плоскостей движения.

Обратимся теперь к остальным особенностям первого варианта осуществления настоящего изобретения. Фиг. 1А и 1В демонстрируют предпочтительный вариант осуществления, при котором поверхность 10 соприкосновения с расположенной выше концевой пластинкой и поверхность 22 соприкосновения с расположенной ниже концевой пластинкой выполнены так, чтобы достичь надежного закрепления между верхней и нижней концевыми пластинками позвонков, с последующей остеоинтеграцией для дальнейшего улучшения удерживания костей устройством. Основной профиль поверхности 10 соприкосновения с расположенной выше концевой пластинкой имеет слабую вогнутость в латеро-латеральном (ЪЬ) направлении 26, и основную линию ступенчатой выпуклости в передне-задней плоскости, показанной виртуальной линией 28. Следует полагать, что эта специфическая форма имеет преимущества для сопряжения с соответствующей вогнутостью расположенной выше цервикальной концевой пластинки, к которой прикрепляется поверхность контакта 10 концевой пластинки. Ступенчатая выпуклость 28 обеспечивает устройству подъем примерно на 1-1,5 мм выше в переднем положении по сравнению с задним положением, таким образом способствуя возвращению позвонков и промежутков между ними в их прежнее взаимное положение как в межпозвонковом пространстве, так и в расположении сегмента в целом. Такая форма способствует также обеспечению сцепления, что уменьшает риск смещения на ранней стадии закрепления. ЬЬ вогнутость 26 помогает выбрать наиболее подходящий общий анатомический профиль для расположенной выше концевой пластинки цервикального позвонка и избежать потенциальных небольших латеральных смещений на ранней стадии закрепления после процедуры имплантации. Поверхность 22 соприкосновения с расположенной ниже концевой пластинкой сконструирована так, чтобы воспроизвести выпуклость в ЬЬ направлении для облегчения подстраивания к анатомической плоскости поверхности расположенного ниже цервикального позвонка. Расположенный ниже конструктивный элемент сконструирован с возможностью имплантирования между некорвертебральными отростками, и возможностью предохранения при помощи этих костных структур от латерального смещения. В дополнение к общим профилям, обе поверхности 10 и 22 соприкосновения с концевыми пластинками содержат выступающие вперед ребра для улучшения закрепления устройства в концевых пластинках позвонков. Задние закрепляющие ребра 14 на расположенной сверху поверхности 10 ориентированы латеро-латерально, они сконструированы с возможностью вставления между концевыми пластинками по

- 9 013988 звонков для оказания сопротивления любым возможным передне-задним смещениям. На концах и в промежуточных изломах ребер 14 сформированы треугольные поверхности 16, которые оказывают сопротивление возможным нежелательным латеральным смещениям. Передний закрепляющий выступ 12 сконструирован с возможностью вставления в концевую пластинку позвонка для улучшения закрепления. В целом этот выступ имеет трапециевидную конфигурацию, чтобы входить в концевую пластинку позвонка в качестве клина. Основание выступа 12 увеличено по сравнению с его верхней поверхностью, чтобы достичь эффекта прессовой посадки, которая будет фиксировать имплантат, достигая быстрой остеоинтеграции.

Для поясничного позвонка поверхности зацепления обеих концевых пластинок преимущественно двояковыпуклые со структурой выступов, усиливающих закрепление, подобной описанной выше. Двояковыпуклая форма сконструирована так, чтобы осуществить прессовую посадку во в общем вогнутые верхнюю и нижнюю вогнутые поверхности поясничного позвонка, таким образом способствуя предотвращению смещения и улучшая опору для костей.

Протез межпозвонкового диска, показанный на фиг. 1А, полностью или, по меньшей мере, его большая часть имплантируется в межпозвонковое пространство. В результате все его находящиеся сверху и снизу внешние границы (контуры), так же как весь объемный контур, предпочтительно не выступают за кортикальные границы концевых пластинок. Межпозвонковое пространство, которое используется для размещения естественного хрящевого диска, будет в такой же степени вмещать протез межпозвонкового диска. Он входит в тесный контакт с концевыми пластинками позвонков и может быть имплантирован в одно или более чем одно межпозвонковое пространство (включая следующие друг за другом межпозвонковые пространства). В добавление к этому или как альтернатива описанным выше особенностям, контакт и закрепление могут быть улучшены посредством применения дополнительных технологий, включающих, но без ограничения ими, использование винтов для крепления поверхностей к концевым пластинкам позвонков; обеспечение поверхностей микро- или наношероховатостью; и использование остеокондуктивных или остеоиндуктивных биологически совместимых материалов, таких как керамика, металлы или биологически активные вещества, на поверхностях соприкосновения с концевыми пластинками, чтобы содействовать или вызвать пролиферацию костей или другим способом улучшить завершение остеоинтеграции.

Размеры цервикальных имплантатов выбраны в соответствии с обычными размерами намеченного места имплантации. В случае применений в цервикальной области передне-задние (АР) размеры обычно составляют 15 мм и для расположенной выше, и для расположенной ниже концевых пластинок. В ЬЬ направлении размеры обычно находятся в интервале приблизительно 18-24 мм для нижележащей плоскости межпозвонкового пространства и приблизительно 17-22 мм для вышележащей плоскости межпозвонкового пространства. В случае применений в поясничной области обычно используются следующие размеры: около 25 мм в АР направлении и 30-38 мм в ЬЬ направлении.

После имплантации устройства в межпозвонковое пространство поддерживается требуемое минимальное межпозвонковое расстояние, обычно в интервале 6-8 мм. Для некоторых предпочтительных вариантов осуществления, в частности, в случае применения в поясничной и цервикальной областях, восстанавливается естественная величина лордоза (обычно 4-6°). В показанном здесь предпочтительном варианте осуществления наличие переднего закрепляющего выступа 12 и относительно низкой задней области во второй поверхности 10 соприкосновения с позвонком совместно обеспечивают наклонный полный профиль соприкосновения с позвонком, таким образом придавая протезу межпозвонкового диска эффективный клинообразный профиль, что обеспечивает вышеупомянутый лордоз.

Предпочтительные интервалы движения (КОМ), в которых вышеупомянутые механические свойства устройства по настоящему изобретению сохраняются, составляют обычно около 9° аксиальной ротации от нейтрального положения в любом направлении, и около 8° в каждом из направлений латеральной флексии, передней флексии и задней экстензии. Эти значения могут быть несколько уменьшены во время двойного движения в более чем одном направлении, поскольку это справедливо также для естественного соединения. Однако интервалов аксиальной ротации и латеральной флексии в диапазоне около 4° или 5° более чем достаточно, чтобы обеспечить клинически значимые интервалы движения. Фактические интервалы движения для каждого конкретного пациента определяются такими факторами, как состояние суставных отростков и других окружающих тканей. Даже когда доступны меньшие интервалы движения, настоящее изобретение еще предоставляет функции безударного затухания движения и образования возвращающих сил в таком интервале движения.

Рассмотрим теперь введение протеза межпозвонкового диска по настоящему изобретению. На фиг. 1А-1С показаны расположенная выше прорезь 18 держателя и расположенная ниже прорезь 20 держателя, расположенные на передней стороне имплантата. Посредством этих прорезей устройство по настоящему изобретению соединяется с устройством 120 для введения протеза (фиг. 6Α-6Ό), имеющим такую форму, чтобы удерживать данное устройство, и поддерживать первый и второй конструктивные элементы в нейтральном положении во время введения в межпозвонковое пространство. Дополнительные детали этого устройства для введения и хирургическая техника будут понятны специалистам в этой области и здесь не будут представлены.

- 10 013988

Первый 100 и второй 102 конструктивные элементы могут быть изготовлены из любых износостойких биологически совместимых материалов. Предпочтительно первый и второй конструктивные элементы представляют собой, по существу, твердые тела. Предпочтительными материалами являются, но без ограничения ими, металлические, керамические и полимерные материалы. Конкретными предпочтительными примерами металлических материалов являются, но без ограничения ими, нержавеющая сталь, титан, сплавы титана, такие как титан-молибден-цирконий-железо (ΤΜΖΕ), и кобальт-хромовые сплавы, такие как кобальт-хром-молибден. Факультативно для увеличения износостойкости, уменьшения трения или обеспечения любых других требуемых механических или медицинских свойств поверхности сочленения этих конструктивных элементов могут быть поверхностно обработаны или на них могут быть нанесены покрытия. В качестве неограничивающих примеров подходящих материалов покрытия, полезных для уменьшения трения и износа, можно привести, без ограничения ими, СгЫ (нитрид хрома) и другие покрытия на основе хрома, ΤίΝ (нитрид титана), алмаз и алмазоподобные материалы.

Обратимся теперь к фиг. 7Л-7Р, которые иллюстрируют альтернативный подход к осуществлению принципов настоящего изобретения. Устройство, показанное на них, является функциональным аналогом варианта осуществления, показанного на фиг. 1А, обеспечивающим постепенное безударное затухание движения и образующим возвращающие силы во всех направлениях движения посредством увеличения межпозвонкового расстояния. Этот вариант осуществления отличается от представленного на фиг. 1А в основном геометрической структурой. В этом случае обе поверхности сочленения 104 и 106 имеют множество углублений 130, 132, и механизм сочленения, кроме того, включает в себя соответствующее количество опорных элементов 64, каждый из которых захватывается между двумя расположенными друг против друга углублениями 130 и 132. В показанном здесь особенно предпочтительном варианте осуществления опорные элементы 64 реализованы как шаровые опоры, таким образом обеспечивая вращающуюся поверхность раздела между верхним и нижним конструктивными элементами с чрезвычайно низким трением.

В этом варианте осуществления увеличение межпозвонкового расстояния достигается посредством смещения положений углублений 130 относительно углублений 132. В показанном здесь особенно предпочтительном варианте осуществления все углубления 130 и 132 являются частично сферическими углублениями с радиусом кривизны большим, чем у шаровых опор 64, с углублениями 130, дополнительно смещающимися в сторону от углублений 132. В результате в нейтральном положении, показанном на фиг. 7С и 7Е, шаровые опоры 64 размещены со смещением от центра относительно каждого углубления, которые соприкасаются с опорой противоположными лицевыми поверхностями вдоль диаметра каждого шара в точках 62, как это показано на фигуре. Во время движения относительное смещение от центра пар расположенных друг против друга пар углублений 130 и 132 меняется. Фиг. 7Ό иллюстрирует окончательное положение и новые точки 58 соприкосновения для аксиальной ротации 5°. Фиг. 7Е иллюстрирует подобным образом латеральную флексию 4°. В каждом случае, по меньшей мере, некоторые из шаровых опор 64 достигают положения, где соприкосновение с углублениями имеет место в более высокой точке стенок углублений 130 и 132, таким образом вызывая требуемое увеличение межпозвонкового расстояния.

Следует отметить, что количество углублений и шаровых опор в этом варианте осуществления может изменяться. Обычно для обеспечения устойчивости используются по меньшей мере три опоры и соответствующие пары углублений. Возможно большее количество опор, но это может слишком ограничить размеры каждой опоры и, следовательно, диапазон возможного движения. Надо полагать, что вариант осуществления с четырьмя шарами, показанный здесь, обладает особыми преимуществами благодаря симметрии диапазона движения вдоль основных осей. В этом случае расположение углублений будет квадратным или прямоугольным, предпочтительно с квадратной симметрией, поскольку тогда они предоставляют симметричный диапазон движения при латеральной флексии и флексии-экстензии.

Представленный здесь вариант осуществления со сторонами квадрата, параллельными основным осям латеральной флексии и флексии-экстензии, является особенно предпочтительным, хотя также возможно такое расположение, при котором диагонали параллельны этим осям.

Хотя предполагается, что описанные здесь частично сферические углубления обладают особыми преимуществами, следует принять во внимание, что углубления 130 и 132 могут быть реализованы в других формах для достижения различных профилей движения, включая, но без ограничения ими, эллипсоидные углубления или частично асимметричные яйцеобразные углубления. Эти углубления предпочтительно, хотя и необязательно, связаны с поворотом на 180° относительно центра шаровой опоры.

Обратимся теперь к фиг. 7О-7К, иллюстрирующим вариант осуществления, представленный на фиг. 7А, в котором второй конструктивный элемент 102 остается неизменным, включая углубления 132, в то время как шаровые опоры 64 и углубления 130 заменены частично сферическими выступами 48, представляющими единое целое с первым конструктивным элементом 100. Этот вариант действует подобно варианту, представленному на фиг. 7А-7Е, хотя движение в этом случае является контактом не при качении, а при скольжении, и диапазон движения для данного размера углублений 132 будет уменьшен. Понятно, что различные конструктивные параметры могут изменяться для достижения желаемого интервала движения.

- 11 013988

Во всех других отношениях конструкция и действие этих вариантов осуществления могут быть полностью понятны по аналогии с описанным выше вариантом осуществления, представленным на фиг. 1Ά-6Ό.

Обратимся теперь к фиг. 8А-8Р, на которых представлен еще один вариант осуществления настоящего изобретения, концептуально подобный варианту, представленному на фиг. 7О-7К. Как уже упоминалось, форма углублений на второй поверхности 106 сочленения не ограничивается частично сферическими углублениями, описанными выше. В сущности, следует заметить, что обращенные наружу области углублений 132, ближе всего расположенные к аксиальной оси механизма сочленения, совсем не могут обычным образом полностью контактировать с выступами 48 во время работы. Поэтому можно менять форму углублений и, как показано здесь, объединять углубления в единое углубление 68 подходящей формы.

Отсюда следует, что единственными участками углубления 68, для которых форма имеет решающее значение, являются участки вблизи концов Х-образной области, где происходит контакт с выступами, обозначенными здесь 66. Понятно, что эти области контакта могут быть неполными сферами, неполными эллипсами, или иметь любую другую выбранную форму, обеспечивающую требуемую динамику.

Этот вариант осуществления отличается также от варианта, представленного на фиг. 7О-7К, тем, что выступы 48 и соответствующие углубления 68 развернуты в диагональном отношении на 45° относительно расположения, показанного на фиг. 7О-7К. Во всех прочих отношениях конструкция и действие данного варианта осуществления могут быть полностью понятны по аналогии с вариантами осуществления, описанными выше.

Обратимся теперь к фиг. 9А-9Н, иллюстрирующим альтернативный вариант осуществления, имеющий единственный выступ, сформированный двумя перпендикулярными ребрами 80 и 82, и взаимодействующее с ним единственное углубление 70. В этом случае основные внешние опорные поверхности ребер 80 и 82 по существу, как видно на фиг. 9Ό и 9Р, округлые, как часть обычных соединений на шаровых опорах. У ребра 82 часть округлого профиля, которая не влияет существенно на опорную функцию, срезана, чтобы облегчить изготовление. Требуемое увеличение межпозвонкового расстояния здесь достигается посредством соответствующей формы сечения ребер 80 и 82, также как взаимодействующими боковыми частями каналов, образованных внутри углубления 70, как это лучше видно на фиг. 9Р-9Н. Таким образом, при флексии-экстензии в основном ребро 82, простирающееся из одной стороны в другую и взаимодействующее с прилежащими поверхностями углубления 70, ответственно за возрастание межпозвонкового расстояния, в то время как при латеральной флексии подъем вызывает ребро 80, простирающееся спереди назад. При аксиальной ротации в возрастание межпозвонкового расстояния дают вклад обычно три или четыре точки соприкосновения.

Наконец, обратимся к фиг. 10А и 10В, демонстрирующим вариант осуществления, который концептуально представляет собой комбинированную схему вариантов осуществления, показанных на фиг. 1А и 9А. Более точно, этот вариант осуществления имеет полностью эллиптическую геометрическую форму, по существу, описанную выше со ссылкой на фиг. 1А. Кроме того, выступ в этом случае также имеет множество боковых участков с углублениями, и взаимодействующие с ним углубления имеют соответствующее количество участков с ребрами, которые дают дополнительные поверхности соприкосновения, подобные показанным на фиг. 9А. Такая конфигурация предоставляет большее количество конструктивных параметров, которые могут регулироваться в случае, когда требуется оптимизировать профиль межпозвонкового промежутка для всех направлений движения одновременно.

Следует принять во внимание, что все приведенные выше описания являются только примерами, и многие другие варианты осуществления возможны в рамках настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.

Claims (20)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Устройство для замены по меньшей мере части межпозвонкового диска в позвоночном столбе между концевыми пластинками тела первого позвонка и тела второго позвонка позвоночного столба, содержащее:

   (a) первый конструктивный элемент, имеющий поверхность соприкосновения с первым позвонком для сцепления с концевой пластинкой тела первого позвонка и имеющий первую поверхность сочленения; и (b) второй конструктивный элемент, имеющий поверхность соприкосновения со вторым позвонком для сцепления с концевой пластинкой тела второго позвонка и имеющий вторую поверхность сочленения, отличающееся тем, что межпозвонковое расстояние определяется как осевая компонента линии, простирающейся между центроидом упомянутой поверхности соприкосновения с первым позвонком и центроидом упомянутой поверхности соприкосновения со вторым позвонком, и тем, что упомянутая первая поверхность сочленения и упомянутая вторая поверхность сочленения образуют по меньшей мере часть механизма сочленения, выполненного так, что когда действует осевая сжимающая сила, то:

   - 12 013988 (ί) упомянутые поверхности соприкосновения с первым и вторым позвонками воспринимают сжимающую силу для обеспечения заранее установленного минимального межпозвонкового расстояния;

   (ίί) упомянутый второй конструктивный элемент является подвижным относительно первого упомянутого конструктивного элемента при движении, соответствующем аксиальной ротации, передней флексии и задней экстензии и латеральной флексии, причем каждое из этих движений имеет соответствующий диапазон движения; и (ш) упомянутое межпозвонковое расстояние возрастает как гладкая функциональная зависимость углового отклонения от нейтрального положения по меньшей мере в части упомянутого диапазона движения в каждом из направлений для каждого из упомянутых движений: аксиальной ротации, передней флексии и задней экстензии и латеральной флексии, таким образом обеспечивая безударное затухание движения.
2. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый механизм сочленения выполнен так, что первая производная межпозвонкового расстояния в зависимости от углового отклонения от нейтрального положения возрастает, по существу, монотонно относительно упомянутого углового отклонения от упомянутого нейтрального положения в большей части упомянутого диапазона движения для движения в каждом из направлений для для каждого из движений: аксиальной ротации, передней флексии и задней экстензии и латеральной флексии.
3. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый механизм сочленения выполнен так, что упомянутый второй конструктивный элемент является подвижным относительно упомянутого первого конструктивного элемента при движении, соответствующем сочетанию аксиальной ротации, передней флексии или задней экстензии и латеральной флексии.
4. 4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый механизм сочленения выполнен так, что устройство самоцентрируется при осевой нагрузке для того, чтобы способствовать возвращению, по существу, в заранее определенное нейтральное положение.
5. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутые первый конструктивный элемент и второй конструктивный элемент являются твердыми телами.
6. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутые первый конструктивный элемент и второй конструктивный элемент изготовлены главным образом из металлического материала.
7. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутый первый конструктивный элемент и второй конструктивный элемент изготовлены главным образом из керамического материала.
8. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что упомянутая первая поверхность сочленения и упомянутая вторая поверхность сочленения размещены в непосредственном контакте для образования упомянутого сочленения.
9. 9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на упомянутой первой поверхности сочленения выполнен выступ, а на упомянутой второй поверхности сочленения выполнено взаимодействующее с ним углубление, причем упомянутый выступ имеет такую форму, что в сагиттальном сечении внешняя форма упомянутого выступа характеризуется:

   (a) выпукло искривленной областью венца, имеющей переменную кривизну с локальным минимумом кривизны в вершине упомянутой области венца; и (b) вогнуто искривленной переходной областью в основании упомянутого выступа.
10. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что упомянутый выступ, кроме того, выполнен так, что в венечном сечении внешняя форма упомянутого выступа характеризуется:

    (a) выпукло искривленной областью венца, имеющей переменную кривизну с локальным минимумом кривизны в вершине упомянутой области венца; и (b) вогнуто искривленной переходной областью в основании упомянутого выступа.
11. 11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что упомянутый выступ, кроме того, выполнен так, что ширина упомянутого выступа в упомянутом венечном сечении больше, чем ширина упомянутого выступа в упомянутом сагиттальном сечении.
12. 12. Устройство по п.10, отличающееся тем, что упомянутый выступ, кроме того, выполнен так, что в аксиальном сечении упомянутый выступ имеет, по существу, эллиптическую внешнюю форму.
13. 13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что упомянутое взаимодействующее с выступом углубление образовано, по существу, эллиптической вогнутостью с выпукло искривленной переходной областью, соединяющейся с окружающей областью упомянутой второй поверхности сочленения.
14. 14. Устройство по п.10, отличающееся тем, что упомянутый выступ имеет множество боковых участков с углублениями, и тем, что упомянутое взаимодействующее с выступом углубление имеет соответствующее множество участков с ребрами.
15. 15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на упомянутой первой поверхности сочленения выполнен выступ, имеющий множество ребер, а на упомянутой второй поверхности сочленения выполнено взаимодействующее с ним углубление, имеющее множество пазов для приема упомянутых ребер, и тем, что упомянутые ребра взаимодействуют со смежными поверхностями упомянутых пазов для создания упомянутого увеличения межпозвонкового расстояния.
16. 16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на упомянутой первой поверхности сочленения вы

    - 13 013988 полнено множество выступов, а на упомянутой второй поверхности сочленения выполнены взаимодействующие с ними элементы в форме углублений.
17. 17. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на упомянутой первой поверхности сочленения выполнено множество углублений, и на упомянутой второй поверхности сочленения выполнено соответствующее количество углублений, при этом упомянутый механизм сочленения дополнительно включает соответствующее множество опорных элементов, причем каждый из упомянутых опорных элементов захватывается расположенными друг напротив друга парами упомянутых углублений упомянутых первой и второй поверхностей сочленения.
18. 18. Устройство по п.17, отличающееся тем, что опорные элементы выполнены в виде шаровых опор.
19. 19. Устройство по п.18, отличающееся тем, что упомянутое множество углублений на упомянутых первой и второй поверхностях сочленения выполнены в виде частично сферических углублений с радиусом кривизны большим, чем у упомянутых шаровых опор, причем местоположения упомянутых углублений упомянутой первой поверхности сочленения смещены относительно местоположений упомянутых углублений упомянутой второй поверхности сочленения.
20. 20. Устройство по п.19, отличающееся тем, что упомянутый механизм сочленения реализуется четырьмя упомянутыми шаровыми опорами и четырьмя упомянутыми углублениями в каждой из упомянутых первой и второй поверхностей сочленения.