CN100405986C - 棒状元件及其制造方法以及带有该棒状元件的固定装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于连接至少两个骨固定元件(2，3)的棒状元件，所述骨固定元件各有一个固定段(12)和一个接纳件(13)，所述固定段用来固定于骨中，所述接纳件用来连接棒状元件(1，100，101，102，300)，该棒状元件包括至少一个刚性段(7，8)，刚性段的尺寸这样确定：它可被装到接纳件(13)中，并且有一个与所述刚性段邻接的弹性段(9，90，900，902，309)。刚性段和弹性段构造成一整件。弹性段有一个芯并且芯具有沿着棒轴线的方向的间隙地装在棒状元件内。本发明的固定装置由棒状元件和至少两个骨固定元件构成，并用以限制二块椎骨或骨部分以一定方式进行的相对活动。

Description

棒状元件及其制造方法以及带有该棒状元件的固定装置

技术领域

本发明涉及一种脊柱外科或创伤外科用的棒状元件、带有这种棒状元件的固定装置(稳定装置)和这种棒状元件的制造方法。

背景技术

从EP 0 669 109人们知道了一种用于稳定相邻的胸椎的固定装置，它包括两个单轴椎弓根螺钉(Pedikelschraube)和一个带子，带子各自用一个夹紧螺钉固定在椎弓根螺钉的接纳件上，该固定装置包含一个装在带子上的支撑元件，其设计为抗压体的形式。然而这个固定装置没有抗扭强度。此外，使用单轴椎弓根螺钉限制了这种固定装置的使用。从EP 1 188 416 A1知道一种类似的固定装置，它用多轴椎弓根螺钉替代单轴椎弓根螺钉。

从US 6,162,223知道一种用于关节例如手关节和膝关节的固定装置，其中，两体式地设有一个在其端部与骨固定元件连接的固定棒，固定棒的两个部分通过一个柔韧的耦合部件相互连接，并且固定棒和耦合部件安装在体外。固定棒两部分的彼此面对的端部制成半球形状，彼此顶在一起，模仿一个关节的样子，其运动自由度由柔性的耦合部件限制。该已知的固定装置由于其复杂及大体积的构造而不适于在脊柱使用。

从US 2003/0109880了解到一种用于椎骨的动态固定装置，它有第一个和第二个固定在椎骨上的螺钉和一个连接螺钉的弹簧，螺钉各自带有一个接纳件，用于装入所述弹簧。弹簧按照拉力弹簧的形式制作，自身完全是一种螺旋弹簧的形状，相邻螺线圈很密，并用夹紧螺钉把弹簧固定在接纳件上。但其中存在这样的危险，即，弹簧由于它的弹性回避了夹紧螺钉的压力，由此使骨螺钉和弹簧之间的固定出现松动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种棒状元件，用于稳定彼此连接的椎骨或骨并限制其活动，其结构简单、紧凑，易于操作和适于多种使用形式，同时可靠性高。此外，本发明的目的还在于提供一种结构紧凑的动态固定装置，其采用这样的棒状元件，以及提供一种该棒状元件的制造方法。

按本发明提出一种用于连接至少两个骨固定元件的棒状元件，所述骨固定元件各有一个固定段和一个接纳件，所述固定段用来固定于骨中，所述接纳件用来连接棒状元件，该棒状元件包括至少一个刚性段，刚性段的尺寸这样确定：它可被装在接纳件内，并且还包括一个与所述刚性段邻接的弹性段，其中，刚性段和弹性段构造成一整件，弹性段有一个芯并且芯具有沿着棒轴线的方向的间隙地装在棒状元件内。

本发明还提出一种骨的固定装置，包括至少两个骨固定元件，所述骨固定元件各带有一个用来固定于骨中的骨固定段和一个接纳件，还包括一个要与骨固定元件连接的按本发明的棒状元件。

本发明还提出一种用于制造按本发明的棒状元件的方法，具有以下步骤：准备好一根刚性的棒；离开棒的自由端一个预定的距离、在棒的至少一个长度段上制出一螺旋弹簧段。

本发明的优点是，棒状元件承受轴向作用力、弯曲作用力和扭转作用力，可以采用熟知的多轴或单轴骨螺钉，并通过它们可靠地进行固定。该棒状元件特别适合于在各种重度椎间盘损伤的情况下稳定彼此相邻的椎骨和限制其活动。在制造时通过棒状元件的尺寸变化很简单地实现了这种特性。

附图说明

本发明进一步的特征和优选方案从对图示实施例的说明中得出。

附图表示：

图1根据本发明的带有棒状元件的固定装置在第一种应用中的透视图；

图2根据第一个实施例的棒状元件的透视图；

图3a根据第一个实施例的棒状元件的侧视图；

图3b根据第一个实施例的棒状元件的剖面图；

图4a棒状元件和骨固定元件之间连接的透视图；

图4b棒状元件和骨固定元件之间连接的剖视图；

图5根据第二个实施例的棒状元件的侧视图；

图6根据第三个实施例的棒状元件的侧视图；

图7根据第三个实施例图6棒状元件旋转90°的侧视图；

图8根据第四个实施例的棒状元件的透视图；

图9根据图8的棒状元件的侧视图；

图10根据第五个实施例的棒状元件的剖视图；

图11根据本发明的第四个实施例的带有棒状元件的固定装置在第一种状态下的工作状态；

图12根据图11在第一种状态下的棒状元件的侧视图；

图13根据本发明的第四个实施例的带有棒状元件的固定装置在第二种状态下的透视图；

图14图13棒状元件在第二种状态下的侧视图；

图15固定装置的第二种使用实例；

图16固定装置的第三种使用实例；

图17固定装置的第四种使用实例；

图18a棒状元件的第五个实施例的透视图；

图18b第五个实施例的侧视图，被遮住的部分用虚线表示；

图18c图18b第五个实施例旋转90°的侧视图；

图18d第五个实施例在弹性段垂直于芯轴的截面图；

图19a棒状元件的第六个实施例的透视图；

图19b第六个实施例的侧视图；

图19c第六个实施例沿棒轴线的截面图；

图20a图19c下部区域；和

图20b图20a的头部件134的透视图。

具体实施方式

如图1清楚表示，固定装置在第一种使用方式中有一个棒状元件1和二个椎弓根螺钉2、3，椎弓根螺钉通过棒状元件彼此连接。椎弓根螺钉2、3固定在两个彼此相邻的椎骨4、5的椎弓根上，在两个相邻椎骨之间夹着一个被损伤的椎间盘6。

本发明的棒状元件1是做成一体的。按照第一种实施例，如图2、3a和3b所示，棒状元件有一个从它的第一个端部延伸一预定长度的第一刚性段7和一个从它的第二个端部延伸一预定长度的第二刚性段8，以及在刚性段7、8之间有一个弹性段9，所有段都有相同的外径。此外，还有一个具有预定直径的同轴的孔10贯通棒状元件。弹性段9构造为具有螺线圈11的螺旋弹簧，并具有一预定的螺距。弹性段9的螺线圈11在棒状元件纵轴线A方向上的高度、同轴的孔10的直径-它决定螺线圈11在径向的厚度、以及螺距是这样选择的，即，对于作用在棒状元件上的轴向力、弯曲力和扭转力更有足够的刚度。

从图1、图4a和图4b可清楚看到，固定装置的椎弓根螺钉2、3按已知方式具有一个螺纹杆12-上面带有钻骨螺纹，还具有一个基本上是圆柱形的接纳件13-上面带有一个U形的空隙15，用以放入棒状元件。为了把刚性段7、8固定在接纳件13中，按已知方式设有可拧入接纳件中的内螺钉14。建议椎弓根螺钉是多轴螺钉。棒状元件1的刚性段7、8的轴向长度和直径的尺寸是这样确定的，即，棒状元件1可以用它的刚性段7、8与椎弓根螺钉2、3连接。因此刚性段7、8的长度至少大致相当于为固定棒状元件而设置的内螺钉的直径。对于椎弓根螺钉20的接纳件13(其中棒状元件不是从上方置于其中的，而是从侧面插入一个开口21中)，刚性段的长度同样至少为把棒状元件固定在接纳件13’上的一个固定元件的直径。

在图1所示的固定装置的例子中，棒状元件1的弹性段9的长度是这样选择的，即它基本上相当于椎间盘6在没有载荷状态下椎弓根螺钉2、3之间的距离。但是，弹性段9也可以短一些或者长一些。

棒状元件1由一种生物相容的材料制成，例如钛或生物相容的塑料，但是该材料没有或少有弹性体性能。

在使用中首先把椎弓根螺钉2、3拧入彼此相邻的椎骨中，接着把棒状元件的刚性段7、8分别放置在椎弓根螺钉2、3、20的一个接纳件14中。使椎骨4彼此定位，将椎弓根螺钉2、3、20相对于棒状元件进行校正，然后把刚性段7、8固定在接纳件13，13’上。在一种使用中，椎骨4、5的彼此定位是这样完成的，即在椎间盘6不受载荷下让棒状元件1的弹性段9处在静止状态。在负载下，力通过椎骨和韧带组织作用在椎间盘6上。棒状元件1通过弹性段9限制椎骨彼此之间相对的多轴移动，从而避免过大的力作用在椎间盘上。由此可以防止有轻微或中度损坏的椎间盘的退化过程。或者还可以根据脊柱已经处在非载荷状态的迹象通过固定装置把椎骨挪动到预定的区域，以便减轻椎间盘的负担。还可以把骨螺钉在侧面直接固定在椎骨体上。

在图5所示的第二种实施例中，如在第一种实施例那样，棒状元件100有刚性段7、8以及一段弹性段90，弹性段与刚性段一体连接并处在刚性段7、8之间，是一种螺旋弹簧的形式。与第一种实施例的不同在于，弹性段90的直径大于刚性段7、8的直径。从而能获得比第一种实施例中的棒状元件的刚度更高的刚度。工作状况与第一种实施例相同。

图6和7表示按照第三种实施例的棒状元件101。它与上述实施例的棒状元件1、100的不同之处在于，设计在刚性段7、8之间的弹性段900有二个相互成180°的、向棒轴线方向下凹的区域901。区域901在棒轴线方向上的长度L最大与弹性段901的长度相等，其曲率半径是这样的，即，螺旋弹簧的螺线圈不被中断。通过这种结构，弹性段900在垂直于棒轴线A的一个方向B上构造成腰身形式，由此刚度具有一种取向性，适用于特定的用途。

其工作状况与第一种和第二种实施例的情况相同，不同之处在于，棒状元件101可以在周向上定向地固定在椎弓根螺钉上。通过选择弹性段的尺寸可以精确选择和调定所希望的刚度。

在图8和9所示的第四种实施例中，棒状元件102有一个圆柱形的芯110，它同心地穿过弹性段902，芯具有一定的弯曲弹性。芯110的直径是这样确定的：芯110在精配合插入孔10后能被保持在孔内。推荐用与棒状元件相同的材料制作这个芯，然而也可以由柔韧性的塑料制得。

芯110的另一种形式是与刚性段7、8连成一体，并与弹性段902螺旋弹簧的旋线圈连接。

芯110的作用是使棒状元件102比第一种实施例的棒状元件具有更高的弯曲刚度。所以在这个实施例中能获得类似于第二种实施例棒状元件100的刚度，而棒状元件100的弹性段具有较大的直径。此外，通过选择芯的直径和/或材料能得到合适的弯曲刚度。例如可以使用具有人所共知的超弹性性能的形状记忆合金。

其工作状况和上面所述的实施例一样。与上面实施例的不同点在于，减少了在轴向上压迫或牵引弹性段902，以及减少扭曲。特别是，它只允许揉曲运动，这对于有些特定的使用情况是有利的。

在第五种即图10所示的实施例中，棒状元件103有和在第一种实施例相同的刚性段7、8和弹性段9。在推荐的同心的孔10内设一个拉元件112，例如一根金属线，通过固定元件例如夹紧螺钉13，把金属线固定在刚性段7、8上。因此在工作时可以在弹性段9上产生一个预力。

所述的各实施例的特征可以相互组合。例如也可以使第二种实施例的棒状元件具有一个芯和/或一种用于获得一定向的刚度的成形截面。在第三种实施例的变型形式中，弹性段在一个位置上均匀地构造成腰身形式或在周向上设置多个相隔均匀距离成形的下凹区域，以便在规定的方向上获得一个某一特定的刚度。

在另一实施例中，棒具有多个刚性段，各刚性段之间分别有弹性段，这样，许多的椎弓根螺钉可以以这种方式部分与刚性段、部分与弹性段相互连接。

在进一步的实施例中，弹性段表面涂覆一种生物相容性材料涂层或保护层，这样，没有组织或血管或其它身体组织能达到螺线圈之间而由此受到伤害或影响棒状元件的功能。

在进一步的实施例中，用单轴螺钉代替多轴螺钉，或者对于固定装置使用一个多轴螺钉和一个单轴螺钉的组合，或使用多个这些螺钉的组合。使用钩子代替骨螺钉也是可以的。在另一实施例中，刚性段和/或弹性段是弯曲的。

图11至17示出本发明的带有棒状元件的固定装置优选的使用方式。在按照图11的固定装置中，使用根据第四种实施例的具有芯110的棒状元件。例如当要支撑一个轻微或中度损伤的椎间盘6时，应通过限制椎骨移动避免有伤害的力作用在椎间盘上时，可使用该固定装置。棒状元件102在轴向上是刚性的，并在轴向上允许压迫或拉伸。也可以相对棒轴线揉曲移动一个角度，例如±8°。

图15示出在二块椎骨4、5的一个接合处，在去掉自然的椎间盘后，借助一个刚硬的元件200例如一个钛圆柱体，使用带有棒状元件的固定装置的情况。这里希望棒具有较高的刚度，以便最大限度地限制移动。椎骨彼此间存在微小移动的可能性，这要比完全刚性的连接有利，因为提高环状的局部载荷会刺激骨生长并加速骨化。

图16示出动态固定装置的使用，作为一个纵长接合的柔性端，其中，有多个-在所示的例子中是三块-椎骨5、5’、5”彼此经由刚硬的元件200拼合，后部通过一根刚性棒300连接。与拼合链最后的椎骨邻接的自然椎间盘6以及下一个椎骨承受超过平均水平的载荷，这导致椎间盘发生高磨损。为了防止这个相邻部位出现不希望的移动乃至承受过高的负载，将固定装置设计为移动限制机构。在这个实施例中，棒300有一个刚性段308，它的尺寸是如此之大，以致用它可以把三个椎弓根螺钉2、2’、2”连接起来，与它相邻的是弹性段309，在终端又是一个用于连接椎弓根螺钉3的刚性段307。

图17示出棒状元件在一种按照外固定器的固定装置中的使用，用于固定例如管状骨。骨部分30、31通过骨螺钉32进行固定，骨螺钉32例如通过一个连接元件33与一个刚性棒34和一个根据本发明的棒状元件1连接。

在根据本发明的用于制造棒状元件的方法中，第一步准备好一根用一种适于人体的材料例如钛制成的尺寸合适的刚性棒。接着在棒的两端之间在一部段上通过铣削制出螺旋弹簧形式的弹性段9、900、902。如果需要的话，再钻出贯穿弹性段的芯，由此制出第一种实施例的棒。

为制作第四种实施例的棒，或者是保留芯110，或者是事后插入一个单独的芯。

为制作第二种实施例的棒，准备好作为原始材料的一条棒，其直径相当于所希望的刚性段90的直径。接着通过铣削加工出螺旋弹簧。然后把刚性段7、8车削到所希望的直径。

为制造第三种实施例的棒，在周向相互错置180°的弹性段的位置上，在一定的区域中去除材料，以制得一种定向的腰身部。

另一实施例示于图18a至18d中。在该实施例中，芯120是这样形成的，即它至少在弹性段9的一部分中在垂直于棒轴线的平面上具有一个矩形的截面(参看图18)。矩形的截面如图18d所示有一长边120a和一短边120b。如图18b所示，芯120优选在其插入时处在刚性段7、8的区域内有一个与孔10的内径相适应的圆形截面，从而保证像上述实施例所述的那样把棒固定住。也可以通过一个伸进一个横向孔122的销钉对棒进行固定。

通过在弹性段9区域中的矩形芯120结构，可以在矩形的长边120a方向上产生一个大的弯曲刚度，而在矩形的短边120b方向上产生一个较小的弯曲刚度。对于某种特定的使用，可以根据芯1 20的设置方位，在一个方向上提高活动的可能性，在垂直于这个方向上更多地限制其活动的可能性。与没有芯或在孔中设计金属线的实施例比较，使拉强度和压强度得以提高。此外扭转刚度也可以通过选择合适的芯进行调整。

为了获得所述的效果，不必硬性要求芯的截面是一个矩形截面，相反，其它的截面形式也是可以的，例如一种椭圆形截面，根据所需要的性能，也可以选择一种基本上呈矩形的截面，侧边局部地凹下或凸起，或者甚至还可以选择一种大致呈三角形的截面。重要点在于，截面在二个彼此垂直的轴线上(或至少在二个不同的方向上)、在垂直于棒轴线的平面上要具有不同的尺寸。这样，弯曲刚度就取决于方向。

在这个实施例中，芯120可以和其它实施例那样(依据几何形状)，或者与棒构造成一体，或者单独制作后插入棒内。也可以把这个芯120与其它实施例相结合，以使棒状元件的性能适配于相应的要求。

在图19a至19c示出的实施例中提供一种特殊的固定芯的方法。如图19c所示，在刚性段7、8内，在棒状元件自由端的方向上，孔10上分别连接着一个与该孔10同心的第二孔10a、10b。在所示的实施例中，刚性段7、8在弹性段9的二侧对称布置，所以下面按照图20a只对段8进行说明。

在第二孔10b中，邻接着孔10设置一个头部接纳件131，头部接纳件在垂直于第二孔10b轴线的方向上有一个外径，这个外径基本上相当于第二孔10b的内径。头部接纳件是由二个盘壳131a、131b组成的，它们被布置在孔10轴线方向上，彼此围出一个空腔133，空腔的形状基本上是一个沿孔10轴线方向伸展的球形。在盘壳131a、131b的正面，设有与第二孔10b同心的孔132a和132b，它们的直径从空腔133处向各自的正面处逐渐变大，并且略大于芯130的直径。

芯130的外径明显小于孔10的内径。芯130面对刚性段8的端部有外螺纹137，该外螺纹与一个头部件134的一个孔里的内螺纹138共同作用。头部件134如图20b所示。它由二个基本上呈半球形的半体134a和134b组成，半体组合而成的大致呈球形的外面具有这样一个直径：它大于孔132b的最小直径，并小于空腔133的最小直径。芯130设有外螺纹的自由端穿过孔132b，拧入到装在空腔133内的头部件134半体134a和134b中，它们作为螺母和锁紧螺母共同作用。

芯130的另一个自由端以同样的方式组装在刚性段7中。根据头部件134拧到芯130的两个自由端的多少，头部件134紧贴在头部接纳件131的内侧上-头部接纳件面对着孔10、紧贴在面对第二孔10a、10b自由端的内侧、或与这个内侧留有一定间隙。

在该实施例中，通过头部件134的球形结构与基本上也是球体形状的头部接纳件131的共同作用，头部件134可以在头部接纳件131内滑动。所以在受到外部弯曲负载的作用时，一个小的偏转就避免使芯130受到弯曲负载。通过拧紧头部件134，使其紧贴在头部接纳件131的芯一侧的内侧上，或紧贴在头部接纳件131的背离芯的内侧上，则可以增强棒状元件的拉伸强度或抗压强度。通过调定头部件134在接纳件131中两侧的间隙，可以使得芯在棒状元件的外部区域有一特定的伸长或缩短时才开始起作用。

图19至20a示例性地表示用螺纹件(螺钉)135把接纳件131固定在第二孔10a、10b中的实例；不过，为了进行固定，同样也可以设置象其它实施例那样的侧面螺钉，或者在头部接纳件和第二孔之间采取压力连接。

此外，还可以将这些实施例的一部分与其它实施形式相结合。

Claims (16)

1.用于连接至少两个骨固定元件(2，3，20)的棒状元件，所述骨固定元件各有一个固定段(12)和一个接纳件(13)，所述固定段用来固定于骨中，所述接纳件用来连接棒状元件(1，100，101，102，103，300)，该棒状元件包括至少一个刚性段(7，8，307，308)，刚性段的尺寸这样确定：它可被装在接纳件(13)内，并且还包括一个与所述刚性段邻接的弹性段(9，90，900，902，309)，其中，刚性段和弹性段构造成一整件，弹性段(902)有一个芯(110，112，120)并且芯(120)具有沿着棒轴线的方向的间隙地装在棒状元件内。

2.根据权利要求1的棒状元件，其特征在于，弹性段(9，90，900，902，309)构造为螺旋弹簧。

3.根据权利要求1或2的棒状元件，其中，弹性段(9，90，900，902，309)是由棒状元件的外表面中的一种螺线形开口状间隙构成的，所述螺线形开口状间隙径向地瓣中心轴线的方向延伸。

4.根据权利要求1的棒状元件，其特征在于，邻接着弹性段(9，90，900，902，309)的与刚性段(7，307)对置的端部，设有一第二刚性段(8，308)。

5.根据权利要求1的棒状元件，其特征在于，弹性段(90)的外径至少在一处位置上与刚性段(7，8，307，308)的外径不同。

6.根据权利要求1的棒状元件，其特征在于，弹性段(900，901)在垂直于棒轴线的一个确定的方向上至少局部地具有比在垂直于棒轴线的一个另外的方向上大或者小的外径。

7.根据权利要求1的棒状元件，其特征在于，弹性段(900，901)的外径在弹性段的整个长度上是变化的。

8.根据权利要求1的棒状元件，其特征在于，设置一个贯通棒状元件延伸的、同轴的孔(10)。

9.根据权利要求1的棒状元件，其特征在于，芯(120)至少在弹性段的一部分中具有各向异性的截面。

10.骨的固定装置，包括至少两个骨固定元件(2，3)，所述骨固定元件各带有一个用来固定于骨中的骨固定段(12)和一个接纳件(13)，还包括一个要与骨固定元件连接的、根据权利要求1至9中的一项的棒状元件(1，100，101，102，103，300)。

11.根据权利要求10的骨的固定装置，其特征在于，骨固定元件(2，3，20)是一种单轴或多轴骨螺钉。

12.用于制造根据权利要求1至9的一项的棒状元件的方法，具有以下步骤：

准备好一根刚性的棒；

离开棒的自由端一个预定的距离、在棒的至少一个长度段上制出一螺旋弹簧段。

13.根据权利要求12的方法，其特征在于，将一个沿轴向方向延伸的芯钻出来或保留这个芯。

14.根据权利要求12的方法，其特征在于，沿弹性段的纵向去掉一定的材料区域，以便在弹性段的至少一个区域内形成一种非圆形的截面。

15.根据权利要求12的方法，其特征在于，刚性段的直径与弹性段的直径相比被缩小或放大。

16.根据权利要求12的方法，其特征在于，所述螺旋弹簧段采用切削加工的方法制出。

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