專利名稱：手術裝置中的桿連接布置以及包括該桿連接布置的桿狀骨頭穩定裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種設置在手術裝置中的桿連接布置。該桿連接布置 包括具有孔的桿接收構件以及被導入該孔中的桿部件。孔的內徑和桿 的外徑進行選擇，使得桿部件被壓配合到該孔中，以獲得兩部件之間 可靠的壓配合或者過盈配合連接。
背景技術：
手術裝置可能由若干部件組成，根據應用場合，這些部件或者在 制造商組裝相應的裝置時彼此附連，或者在手術時彼此附連。因此，
必須在這些部件之間提供連接；當該連接反映組件之間的剛性或者固 定的連接時，該連接例如確保裝置在應變、彎曲應力以及扭轉應力方 面有預定程度的可靠性。
在臨床手術中，被選擇用作手術裝置的不同部件的材料可以是生
物相容性金屬，例如鈦或鎳鈦諾(Nitinol )、鎳-鈦合金或者合成材料， 例如可選地經過碳纖維增強的PEEK(聚醚醚酮)。部件之間的連接類 型通常也取決于所涉及的材料。
例如，對于兩部件由金屬制成的情形，可以通過在一個部件(桿 接收構件)上設置孔，并將另 一個部件的桿狀構件壓配合入該孔中(桿 狀構件與該孔過盈配合)來建立連接。換句話說，在未組裝的狀態下， 桿狀構件(桿部件)的外徑大于該孔的內徑。
根據所涉及的材料，更具體而言是根據相應的摩擦系數，選擇對 應的過盈量。過盈量還要選擇成使得無論是在對應直徑的公差區間的 最大值和最小值的情況下均可維持可靠的連接。
在臨床手術的各種應用場合中， 一直存在提供如下部件的要求，即所述部件具有減小的尺寸同時能維持其在外力傳遞(外力傳遞也 作用于在裝置中建立的連接)方面的可靠性。
關于上述的壓配合連接，可以看到的是，隨著孔和桿的直徑的減 少，正負5jim的最小公差對連接設計的影響增加。因此，隨著直徑的 尺寸減小，相對的過盈量增加。
結果，容易得到這樣一種臨床手術中的桿連接布置其可能需要 相當大的軸向力來組裝部件。
發明內容
因此，本發明的目的是提供一種改進的桿連接布置，其克服了例 如如上所述的缺陷。更具體而言，本發明的目的是提供一種可靠的桿 連接布置，其允許通過適中的軸向力將桿插入孔中。
這些和其他目的通過包括如權利要求1所述特征的手術裝置中的 桿連接布置來實現。根據所附權利要求，其他有利的方面以及實施方 式將變得明顯。
根據一個方面，桿接收構件具有孔，待插入孔中的桿部件實現壓 配合的桿連接布置，其中，所述孔具有內表面，桿部件具有外表面。 在內壁面或外壁面上形成有凹部，從而使得桿部件與桿接收構件的孔 之間的接觸面的面積減小。
相應地，兩壁面之間的摩擦力也減小。這樣便于在組裝時將桿部 件插入孔中。同時，可以保留在考慮彎矩的情況下可靠地支撐桿部件 所必需的孔的長度。
設置在內壁面中的凹部可以在孔內形成為均勻分布的圖案。在一 個特定實施方式中，凹部設置成孔內的內螺紋。不過，需要注意的是， 根據本發明，可以使用任意類型的、適于有效減小接觸面面積的一個 或多個凹部。
在一替換實施方式中，凹部可以設置在桿部件的外壁面上，例如 設置成均勻分布的圖案，更具體地設置成外螺紋。
不過，需要注意的是，內螺紋并非用來與桿部件的對應外螺紋嚙合，相應地本發明并未有限制。螺紋的優點在于其可以以可控方式很 容易地制造。進而，不用費太大力氣就可以控制表面接觸面積的減小 量。
該桿連接布置能夠有利地與臨床手術中常用的金屬結合使用。這 些金屬(例如鈦或鈦合金尤其是鎳鈦諾)具有低的熱膨脹系數，同時 還承受部件之間由于高的壓力以及相對運動而產生的磨損。
該桿連接布置能夠用在用于連接兩個或多個骨頭固定件的骨頭穩 定裝置中，其中骨頭穩定裝置由于柔性部分的存在而具有動態特性。 該柔性部分在第 一部分和第二部分之間延伸，而第 一部分和第二部分 提供與骨頭固定件例如接骨螺釘的連接。
根據本發明該方面的桿連接布置的桿接收構件剛性地固定到第一 部分，而對應的桿部件穿過該柔性部分向著第二部分延伸，在第二部 分處，桿部件借助其自由端以可滑動方式支撐。桿部件用來穩定該裝 置以對抗彎曲，并且有效地將從外部施加的彎矩經由其在桿接收構件 的孔中的固定端并且經由在其自由端處的導引支撐來進行傳遞。從而， 孔的全長保持為能提供足夠的支撐，同時凹部用來減少將桿部件插入 孔中所需的力。
參考結合附圖所描述的本發明的具體實施方式
，將能更好地理解
本發明，附圖中
圖l示出了根據現有技術的手術裝置的桿連接布置的示意圖2示出了與圖1類似的桿連接布置的示意圖，但是其涉及本發 明的方案；
圖3示出了脊柱的圖示；
圖4以局部透視圖的方式示出了包括根據第一實施方式的桿連接 布置的骨頭穩定裝置；
圖5A是圖4裝置的側視圖； 圖5B是圖4裝置的剖視圖；圖6示出了圖5B所示裝置的第一部分的局部放大圖； 圖7A示出了根據現有技術的桿連接布置的用于執行模擬的輸入 模型；
圖7B是與圖7A類似的視圖，但是其涉及第一實施方式； 圖8A示出了圖7A中所示模型中的桿部件在插入過程中的剪應力 的分布；
圖8B是與圖7B類似的視圖，但是其涉及第一實施方式；
圖9示出了具有根據本發明第二實施方式的桿連接布置的角度測 量裝置的透視圖IO示出了該第二實施方式的桿連接布置的局部放大圖，其包括 作為桿接收構件的推桿以及固定于其中的作為桿部件的轉軸；
圖IIA是圖10的剖視圖IIB是圖10的側視圖12示出了圖IOA的局部放大視圖，其中轉軸被壓配合在推桿 的孔內。
具體實施例方式
圖1中示出了根據現有技術的通常用在手術裝置中的桿連接布置 101的示意圖。桿狀構件102位于桿接收構件104的前方，桿接收構 件104設置有孔106 (參見圖1的上部)。桿狀構件102和孔106關于 縱向軸線110軸對稱。
孑L106還具有內(圓柱形)壁面108，該內壁面是筆直的，即 該內壁面至少在被設計用來接收桿狀構件102的區域內既沒有突起， 也沒有設置凹部。桿狀構件102具有外徑，該外徑略大于孔106的內 徑，以提供在兩個構件之間產生可靠的壓配合連接的過盈量。
因此，將桿狀構件102插入孔106中需要沿縱向軸線110施加預 定的力Fl(圖1的下部)。此時，力Fl由高壓力產生的摩擦力來平衡。
圖2中示出了揭示本發明部分基本原理的桿連接布置1的對應示 意圖。可以與圖1中所示裝置的桿狀構件102類似的桿狀構件2插入桿接收構件4的孔6中(圖2的上部)。兩構件選用的材料與圖1的實 例所用材料相同。
不過，與圖1中不同，孔6設置凹部，或者更具體而言設置公制 螺紋12，所述公制螺紋12形成于孔6的內壁面8上。孔6的孔徑或 者說內徑可以與圖1所示的類似。考慮桿狀構件2的外徑與構件102 的外徑相同，需要預定的插入力F2來將桿狀構件2安裝到孔6中。
根據圖2中所示的桿連接布置1，由于形成于內壁面8中的公制 螺紋的存在，插入力F2小于插入力Fl。公制螺紋12減少了桿狀構件 2的外壁面9與桿接收構件4的內壁面8之間的接觸面的面積。結果， 對抗插入力F2的摩擦力也減小。
下面將更詳細地描述根據本發明的手術裝置的兩個更具體的實施 方式。不過，對于本領域技術人員而言顯見的是，在不脫離如所附權 利要求所限定的范圍的情況下，這里所提到的桿連接布置可以應用于 各種其他的手術裝置，并產生類似的效果。
首先參考圖3-8詳細描述涉及骨頭穩定裝置的第一實施方式。圖 3示出了解剖狀態脊柱的下部，其結合有各種定位的骨頭固定件14a -14f。所述骨頭固定件包括骨頭錨固件，例如接骨螺釘；以及接收 部件，其用于接收并固定例如該接骨螺釘的頭部。所述骨頭固定件14a - 14f中的每一個均錨固到胸脊柱或腰脊柱的一塊推骨中。
骨頭穩定裝置可以包括連接所述骨頭固定件14a-14f中的至少 兩個的桿裝置16 (圖3中未示出)。如圖4、 5A和5B的局部視圖所 示，該桿包括第一部分20、第二部分22以及在第一部分20和第二部 分22之間延伸的柔性部分24。需要注意的是，出于示例性的目的， 第一部分20和第二部分22分別在右端和左端處切斷。骨頭固定件14a -14f根據解剖學原理以及桿裝置16的最小連接長度來進行布置。桿 插入到骨頭固定件中，并且通過將定位螺絲緊固到剛性的第一部分20 和第二部分22上而實現固定。
柔性件24、第一部分20、第二部分22優選地由鈦、鈦合金或其 他的生物相容性金屬材料制成。該柔性件包括其中形成有螺旋凹部26的圓筒形管。由于凹部26,柔性件24的縱向部分的形狀類似于螺旋 彈簧。柔性件24可以用作沿軸向方向的減震裝置。從圖3中可以看到，兩個相鄰的骨頭固定件之間的相互距離從位 于較高的胸部中的骨頭固定件14a和14b之間的25mm-30mm向著 位于較低的腰部中的相應的骨頭固定件14e和14f (其穩定L5 - Sl) 之間的10-15mm減少。因此，當考慮到較低的腰部時，更強烈地要 求減小桿裝置16及其部件的尺寸。在圖5B所示出的桿裝置16的剖視圖中，示出了桿狀構件2a從 第一部分20穿過彈簧狀的柔性部分24的內部空間向著第二部分22 延伸。該桿狀構件2a可以由鎳鈦諾絲來實現。桿狀構件2a用來穩定 桿裝置16以對抗彎曲力，從而允許一定程度的彎曲彈性。附圖標記 23表示中空空間。圖5B中的桿狀構件2a的右端(固定端)壓配合到第一部分20 的孔6a中，第一部分20用作根據本發明的桿接收構件，其與圖2中 的構件4類似。桿狀構件2a的左端(自由端)以可滑動方式支撐于例如由碳增強 聚醚醚酮(PEEK)制成的滑動構件28中。相應地，當柔性部分24 由于外部沖擊而縮短或者變長時，鎳鈦諾絲在其自由端處可以沿軸向自由地運動。再返回來說一下桿狀構件2a的固定的右端，通過將桿狀構件2a 的該端壓配合到形成于第一部分20的孔6a中，建立起對應的桿連接 布置。這里，在該孔的內壁面8上形成有螺紋12，其可選地可以是公 制螺紋。相反地，桿狀構件2a具有平滑的外壁面9，即，外壁面9上 沒有形成螺紋。圖6中示出了該螺紋孔6a的局部放大圖。如上參考圖2所述地，在維持穩定和彎曲特性的同時，減小了插 入桿狀構件所需的力。考慮到減小的裝置尺寸上述的鎳鈦諾絲(桿 狀構件2a)可能具有4mm或更少、更優選地3mm或更少的直徑，這 一點是尤為重要的。根據一個特定的實施方式，鎳鈦諾絲甚至可以具 有小于或等于2mm的直徑。在小直徑的情況下，使用鈦或鈦合金來制造兩個構件2a和20(或 者圖2中的構件4)的通常做法將會對連接的可制造性帶來嚴重的制 約。鈦具有大約9.10-6/K的低的熱膨脹系數(與之對比地，例如，鋁 的熱膨脹系數為24'10-6/K)。當接收構件被加熱例如升高200。C以使 其原為2mm的直徑膨脹時，可以增加大約3.6nm。而另一方面，如上 所述，借助分別用來制造孔和桿的直徑的改進的加工機器，可以實現 5jim的公差區間或者公差帶。這樣，因為溫度差不能再進一步增加， 因此將需要大的插入力Fl以實現連接。不過，根據該實施方式，與桿狀構件2a的平滑表面相對的螺紋 12幫助減小摩擦力，這一點從示于圖7A、圖7B和圖8A、圖8B中的 模型仿真可以看到。圖7A示出了用于模擬根據現有技術的桿連接布置10 (無螺紋) 的輸入模型。圖7B示出了圖5B的骨頭穩定裝置(桿裝置16)的桿 連接布置1 (即帶公制螺紋12)的對應模型。桿接收構件4 (第一部 分20 )和桿接收構件104分別具有1.75mm的壁厚以及5.5mm的外徑。 其管的長度為6mm。桿接收構件20(4)、 104由鈦合金形成。桿狀構 件是鎳鈦諾絲，直徑為2mm,具有0.020mm的過盈量。摩擦系數n 為0.3。圖8A和圖8B示出了應力結果。盡管螺紋的齒狀螺旋突起顯示有 較大的局部應力，但是與沒有螺紋的情形(即圖8A)相比較，具有公 制螺紋的桿連接布置l具有整體上適中的應力分布。計算得到的、根 據現有技術的桿連接布置101的插入力Fl = 5.370N，而根據第一實施 方式的桿連接布置1的插入力F2 = 2.120N。下面將參考圖9至圖12來解釋第二實施方式。圖9示出了用于臨 床手術應用場合的角度測量裝置51。可以借助未示出的致動器沿著主 體殼53的縱向方向手動推壓移位件57。根據移位件57的移位位置， 獲得板狀構件61、 63的打開角度。這里，板狀構件繞著保持于支撐臂 66上的軸的軸線65樞轉。移位件的移位位置通過連接構件59轉變成板狀構件61、 63的樞轉運動。連接構件59具有軸孔69，安裝到移位件57上的軸(圖9中 未示出)延伸穿過該軸孔69，從而使得連接構件59相對于所述軸能 夠轉動。進一步地，如圖10、 11A和11B所示，連接構件59具有孔73, 另一軸67延伸穿過該孔73。軸67以預定的過盈量凈皮壓配合到孔73 中，以提供與連接構件59的剛性的桿連接布置1。在孔73的內壁面 75上設置有公制螺紋71 (參見圖12的局部放大圖)。軸67具有平滑 的外壁面77。軸67在孔73的兩側上從孔73突出以與板狀構件61的 對應孔接合。從而，軸67相對于板狀構件61能夠轉動。需要注意的是，根據圖2所示原理的桿接收構件4對應于該實施 方式中的連接件59，而圖2中的桿狀構件2就其功能而言對應于該實 施方式中的軸67。還需要注意的是，本發明的范圍還包括這樣的實施方式其中， 在桿狀構件的外壁面上形成至少一個凹部。更具體地，外壁面上的所 述凹部可以具有與上述實施方式相類似的形狀，例如，具有外螺紋圖 案或規則的圖案等等。
權利要求
1.一種桿連接布置(1)，其用于將手術裝置(16、51)中的桿部件(2、2a、67)固定于桿接收構件(4、20、59)的孔(6、6a、73)中，包括所述桿接收構件(4、20、59)，該桿接收構件的所述孔(6、6a、73)具有內徑；所述桿部件(2、2a、67)，該桿部件具有外徑，所述桿部件被導入所述孔(6、6a、73)中；其特征在于，所述孔的所述內徑和所述桿部件的所述外徑選擇成使得所述桿部件(2、2a、67)被壓配合到所述桿接收構件(4、20、59)的所述孔中；并且所述孔(6、6a、73)具有與所述桿部件(2、2a、67)的外壁面(9、77)相對的內壁面(8、75)，所述內壁面或所述外壁面設置有至少一個凹部(12、71)以減小所述桿部件(2、2a、67)和所述桿接收構件(4、20、59)之間的接觸面的面積。
2. 如權利要求l所述的桿連接布置(1)，其中 所述桿部件(2、 2a、 67)和所述桿接收構件(4、 20、 59)均由金屬形成。
3. 如權利要求2所述的桿連接布置(1)，其中 所述桿部件和/或所述桿接收構件均包括鈦或鈦合金。
4. 如權利要求2所述的桿連接布置(1)，其中 所述桿接收構件由鈦或鈦合金形成，并且所述桿部件由鎳鈦諾形成。
5. 如權利要求1或2所述的桿連接布置(1)，其中 所述至少一個凹部(12、 71)由形成于所述孔(6、 6a、 73 )內的內壁面(8、 75)上的內螺紋或者形成于所述外壁面(9、 77)上的外 螺紋提供。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的桿連接布置(1)，其中所述至少一個凹部(12、 71)形成為使得所述桿接收構件(4、 20、 59)和位于所述孔內的所述桿部件(2、 2a、 67)之間的接觸面的面積 減小，并且與兩者之間形狀配合連接的情形相比，接觸面的面積減小 超過20%但不到80%。
7. 如權利要求1至7中任一項所述的桿連接布置(1)，其中 所述至少一個凹部在所述孔內形成規則的或均勻分布的圖案。
8. 如權利要求1至7中任一項所述的桿連接布置(1)，其中 所述孔(6、 6a、 73)的內徑為4mm或更小。
9. 如權利要求8所述的桿連接布置(1 )，其中 所述孔(6、 6a、 73)的內徑為3mm或更小。
10. 如權利要求9所述的桿連接布置(1),其中 所述孔(6、 6a、 73)的內徑為2mm或更小。
11. 如權利要求1至10中任一項所述的桿連接布置(1)，其中 所述孔具有縱向軸線，其中，所述桿接收構件和所述桿部件之間的接觸面在所述縱向軸線的方向上延伸的長度超過4mm,優選為超過 6mm。
12. —種桿狀骨頭穩定裝置(16)，其用于連接兩個或更多個骨頭 固定件(14a - 14f)，包括第一部分(20)和第二部分(22)，其均能夠連接至所述骨頭固定 件(14a-14f)中的一個；柔性部分(24)，其在所述第一部分(20)和所述第二部分(22) 之間延伸，并且為所述桿狀骨頭穩定裝置(16)提供沿軸向方向的彈 性；根據權利要求l至ll中任一項所述的桿連接布置(l)，其中，所 述桿接收構件(4)固定至所述第一部分(20)或者由所述第一部分(20)提供；并且所述桿部件(2a)的一端被壓配合到所述桿接收構件(4、 20)的 所述孔(6a)中，并且所述桿部件(2a)穿過所述柔性部分(24 )向 著所述第二部分(22)延伸，其中，所述桿部件(2a)的自由的另一端以能夠滑動的方式支撐，從而為所述桿狀骨頭穩定裝置(16)提供 彎曲彈性。
13.如權利要求12所述的桿狀骨頭穩定裝置，其中 所述第二部分(22)包括用于滑動導引所述桿部件(2a)的所述 自由的另一端的滑動支撐構件(28)。
全文摘要
一種桿連接布置(1)，其用于將手術裝置(16、51)中的桿部件(2、2a、67)固定于桿接收構件(4、20、59)的孔(6、6a、73)中，包括所述桿接收構件，該桿接收構件的所述孔具有內徑；所述桿部件，該桿部件具有外徑，所述桿部件被導入所述孔中；其特征在于，所述孔的所述內徑和所述桿部件的所述外徑選擇成使得所述桿部件被壓配合到所述桿接收構件的所述孔中；并且所述孔具有與所述桿部件的外壁面(9、77)相對的內壁面(8、75)，所述內壁面或所述外壁面設置有至少一個凹部(12、71)以減小所述桿部件和所述桿接收構件之間的接觸面的面積；以及包括該桿連接布置的桿狀骨頭穩定裝置。
文檔編號A61B17/56GK101406406SQ20081016895
公開日2009年4月15日 申請日期2008年10月7日 優先權日2007年10月11日
發明者L·比德曼, W·馬蒂斯 申請人:比德曼莫泰赫有限公司