устройство для накостного остеосинтеза

Формула изобретения

Устройство для накостного остеосинтеза, включающее пластину с расширенным участком, в котором выполнены отверстия с резьбой, и взаимодействующие с резьбовыми отверстиями винты с цилиндрической резьбой, отличающееся тем, что диаметры выходной части разных резьбовых отверстий расширенного участка пластины неодинаковые, а диаметры цилиндрической резьбы винтов, взаимодействующих с резьбовыми отверстиями с большим диаметром выходной части, больше диаметров цилиндрической резьбы винтов, взаимодействующих с резьбовыми отверстиями с меньшим диаметром выходной части.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии, ортопедии, и может применяться как средство лечения накостным остеосинтезом переломов, несращений, ложных суставов и деформаций.

Известно устройство для фиксации костных отломков (1), содержащее пластину, которая имеет расширение на одном конце с отверстиями без резьбы с разными диаметрами под винты и спицы. Устройство применяется для остеосинтеза переломов головки плечевой кости, с которой пластина взаимодействует своей расширенной частью, содержащей изогнутые “по форме части сферы” бранши.

Недостатками устройства являются следующие.

1. Ненадежный характер взаимодействия пластины с метафизом, обусловленный отсутствием резьбы в отверстиях ее расширенной части и, как следствие, невозможностью создания жесткого соединения между пластиной и компонентами, вводимыми через ее отверстия в кость. В этих условиях под действием нагрузки, направленной по оси костного сегмента, например аутомиокомпрессии, спица или винт могут повернуться в отверстии пластины, т.е. изменить угол наклона по отношению к поверхности пластины. Это будет означать изменение правильного взаимного расположения отломков, что не может не отразиться негативно на результате лечения Подобный сценарий наиболее вероятен в тех случаях, когда контакт между торцами отломков со стороны, противоположной размещению пластины, отсутствует, т.е. имеется дефект медиального кортикального слоя (медиальный дефект), например, при оскольчатых переломах. Закрытие медиального дефекта путем сопоставления осколков или пластическое его замещение с целью создания торцевой опоры отломков со стороны, противоположной размещению пластины, позволяет добиться частичной механической компенсации отсутствия угловой стабильности взаимодействия элементов данной конструкции. Однако такой прием существенно повышает травматичность операции и связанный с ней риск асептических и гнойных осложнений.

2. Неспособность всех элементов системы (пластины, винтов, спиц) одновременно противодействовать нагрузкам, что также обусловлено отсутствием жесткого соединения между пластиной и компонентами, вводимыми через ее отверстия в кость. В реальных условиях наиболее нагруженным может оказаться один, причем наименее прочный и жесткий элемент конструкции. Потеря им несущей способности в условиях перегрузки увеличит нагрузку на другие элементы, создав тем самым предпосылки для их разрушения или запредельной деформации с исходом в несостоятельность остеосинтеза, несращение.

3. Высокая травматичность остеосинтеза данной пластиной, связанная с необходимостью выполнения хирургического доступа не только к наружной, но также и к передней и к задней поверхностям суставного конца кости с целью размещения по этим поверхностям бранш пластины. Данный недостаток устройства взаимосвязан с его первым недостатком, т.к. размещение отверстий для спиц и винтов как можно на большем по периметру кости расстоянии друг от друга, т.е. в области бранш пластины, частично компенсирует отсутствие угловой стабильности взаимодействия элементов данной конструкции. Однако, как было отмечено выше, при этом необходим большой хирургический доступ к суставному концу кости и возникает значительное повреждение кровообращения отломков, что может привести к нарушению консолидации отломков и гнойным осложнениям.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство с угловой стабильностью для проксимального отдела плечевой кости (2), которое включает пластину, содержащую расширенный участок с резьбовыми отверстиями для винтов, и винты с цилиндрической резьбой на своем протяжении. Диаметры выходной части разных резьбовых отверстий, а также диаметры цилиндрической резьбы разных винтов одинаковые.

Конструкция имеет следующие недостатки.

1. Неадекватное сочетание повреждающего действия винтов устройства-прототипа на губчатую кость и достигаемого при этом механического эффекта взаимодействия конструкции с метафизом, обусловленное тем, что диаметры выходной части разных резьбовых отверстий, а также диаметры цилиндрической резьбы разных винтов одинаковые. Для иллюстрации данного положения сравним с точки зрения производимой жесткости фиксации при одном и том же повреждающем действии на кость два альтернативных варианта пластин, содержащих расширенную часть с резьбовыми отверстиями, диаметры выходной части которых в одном случае одинаковые, в другом - разные. Исходим из того, что в общем случае выполнение в пластине отверстий, диаметр выходной части которых значительно превышает диаметр цилиндрической резьбы винта было бы нецелесообразным из-за неоправданного дополнительного ослабления прочности пластины на уровне отверстия. Поэтому в сравниваемых вариантах диаметры взаимодействующих с костью участков винтов, ограниченные диаметрами выходной части отверстия, будем считать максимальными для данных отверстий и, соответственно, в одном варианте одинаковыми, в другом - разными. Минимально необходимое количество винтов для соединения с одним отломком равно двум, так как введение одного винта не обеспечивает должную ротационную стабильность этого соединения, если ось винта рассматривать как ось вращения. Исходя из этого, в обоих вариантах ограничимся анализом минимально необходимого количества винтов, то есть двух в том и другом случае. Наличие в метафизарных отделах кости густой капиллярной сети создает благоприятные условия для компенсации вызванных травмой местных нарушений микроциркуляции за счет перераспределения тока крови. Поэтому нарушения микроциркуляции возникают лишь по ходу раневого канала губчатой кости, а объем повреждения можно считать эквивалентным объему этого раневого канала или, в нашем примере, объему имплантированных в кость участков винтов. Для сравнения, в области диафизарного отдела кости, с которым пластина взаимодействует своей узкой частью, объем нарушения кровообращения кости может оказаться значительно больше, чем объем имплантированных в кость участков винтов. Это связано с особенностями ангиоархитектоники диафиза, а именно наличием магистрального типа кровообращения, в условиях которого введение винта меньшего диаметра в области основного ствола питающей диафиз артерии или ее ветвей может сопровождаться большим расстройством питания кости, чем введение винта с большим диаметром, но вне основного ствола или ветвей питающей диафиз артерии. Поскольку расположение артериальных магистралей в диафизарном отделе кости подвержено значительным индивидуальным колебаниям, то невозможно прогнозировать объем нарушения кровообращения диафиза только исходя из объема имплантированного в кость винта. Поэтому в сравниваемых вариантах фиксаторов рассматриваем резьбовые отверстия расширенных участков пластин, поскольку этими участками они взаимодействуют с метафизом, где объем повреждения кровообращения кости прямо пропорционален объему имплантированных в кость участков винтов. Винты для удобства расчетов будем считать балками с круглым поперечным сечением.

В первом варианте (прототип) в губчатую кость метафиза через резьбовые отверстия расширенной части пластины введены два винта с одинаковыми диаметрами взаимодействующих с костью участков d₁ и длиной L. Объем одного имплантированного в губчатую кость участка винта найдем как V₁= (d₁/2)² L, объем двух винтов - 2 V₁=2 (d₁/2)² L=1/2 L d²₁. Во втором варианте, альтернативном прототипу, в губчатую кость метафиза через резьбовые отверстия расширенной части пластины на глубину L введены два винта с разными диаметрами взаимодействующих с костью участков - d₂ и d₃, причем d₂>d₁, a d₃<d. Объем имплантированного в губчатую кость участка винта с диаметром d₂ - V₂= (d₂/2)² L; объем имплантированного в губчатую кость участка винта с диаметром d₃ - V₃= (d₃/2)² L; объем двух винтов - V₂+V₃= (d₂/2)² L+ (d₃/2)² L=1/4 L (d²₂+d²₃). Для оценки механических свойств систем фиксации первого и второго вариантов при прочих равных условиях, т.е. при одном и том же повреждении, наносимом кости винтами, введем требование - 2 V₁=V₂+V₃, что тождественно уравнению 1/2 L d²₁=1/4 L (d²₂+d²₃). После преобразований имеем 2d²₁=d²₂+d²₃ (формула 1).

Винты, неподвижно соединенные посредством резьбовых отверстий с расширенным участком пластины, не могут повернуться в отверстиях пластины под действием внешней нагрузки и поэтому работают как балки, защемленные одним концом и нагруженные на свободном конце силами, проходящими в поперечном по отношению к оси балок (винтов) направлении. То есть основным видом деформации, которой сопротивляются винты, поддерживая угловую стабильность системы, является изгиб. В то же время способность балки (винта) сопротивляться деформации изгиба характеризуется жесткостью сечения балки при изгибе (Ицкович Г.М. Сопротивление материалов - М.: Высшая школа, 1982, - 383 с.). Поэтому в качестве критерия для сравнения механических свойств системы в первом и втором вариантах изберем жесткость сечений винтов при изгибе (С), которая определяется как С=Е J_х, где Е - модуль продольной упругости материала винта, J_x - главный момент инерции поперечного сечения винта (для круглого поперечного сечения J_x 0,05 d⁴).

Жесткость сечения винта при изгибе в первом варианте составит C₁=Е J_x1 E 0,05 d⁴₁; суммарная жесткость сечений двух винтов при изгибе в первом варианте - 2 C₁=2 Е 0,05 d⁴₁.

Жесткость сечения винта с диаметром d₂ при изгибе (второй вариант) - С₂ Е 0,05 d⁴₂. Жесткость сечения винта с диаметром d₃ при изгибе (второй вариант) - С₃ Е 0,05 d⁴₃. Суммарная жесткость сечений двух винтов при изгибе во втором варианте составит C₂+С₃ Е 0,05 d⁴₂+Е 0,05 d⁴₃=Е 0,05 (d⁴₂+d⁴₃). Определим отношение суммарной жесткости сечений двух винтов при изгибе во втором варианте к аналогичному показателю в первом варианте как (С₂+С₃)/2 C₁=Е 0,05 (d⁴₂+d⁴₃)/2 Е 0,05 d⁴₁=(d⁴₂+d⁴₃)/2 d⁴₁ (формула 2).

Определим значение d²₃ из формулы 1, имеем d²₃=2d²₁-d²₂. Возведем в квадрат обе части полученного уравнения, получим d⁴₃=4d⁴₁+d⁴₂-4d^2× ₁d²₂ (формула 3).

Подставим в формулу 2 значение d⁴₃ из формулы 3. После преобразований имеем

(С₂+С₃)/2 С₁=d⁴₂/d⁴_l+2(1-d²₂/d²₁) (формула 4).

В качестве примеров определим отношение суммарной жесткости сечений двух винтов при изгибе во втором варианте к аналогичному показателю в первом варианте для следующих случаев 1) d₂=1,1 d₁; 2) d₂=1,2 d₁; 3) d₂=1,3 d₁. Выполнив расчеты по формуле 4, имеем

1) d₂=1,1 d₁; (C₂+C₃)/2 C₁=1,0441;

2) d₂=1,2 d₁; (C₂+C₃)/2 C₁=1,1936;

3) d₂=1,3 d₁; (C₂+C₃)/2 C₁=1,4761.

Во всех трех примерах (С₂+С₃)/2 C₁>1, то есть при одном и том же повреждающем действии на кость суммарная жесткость винтов с разными диаметрами участков, взаимодействующих с костью, оказывается большей в сравнении с суммарной жесткостью винтов с одинаковыми диаметрами взаимодействующих с костью участков. Причем, чем больше отношение диаметров в системе с разными диаметрами, тем больше превалирование суммарной жесткости винтов с разными диаметрами над суммарной жесткостью винтов с одинаковыми диаметрами при одном и том же повреждении, наносимом кости.

Таким образом, выполнение в расширенном участке пластины устройства-прототипа резьбовых отверстий с одинаковыми диаметрами выходной части и, стало быть, выполнение винтов с одинаковыми диаметрами цилиндрической резьбы приводит к относительно низкой жесткости соединения в расчете на единицу повреждающего действия винтов или, соответственно, к относительно большому повреждающему действию винтов на кость в расчете на единицу достигаемой при этом жесткости соединения.

2. Невозможность варьирования размерами поперечного сечения винтов в зависимости от требований, предъявляемых к механическим свойствам системы в конкретных условиях, например в случаях повышенной или сниженной физической активности пациента. В рамках данного имплантата можно только увеличить или уменьшить количество винтов, вводимых в головку плечевой кости, заполняя ими меньшее или большее количество резьбовых отверстий расширенного участка пластины. Это ограничивает диапазон механических характеристик системы, делая ее либо избыточно жесткой, а, стало быть, травматичной тогда, когда физическая активность пациента и действующие нагрузки минимальны, либо недостаточно жесткой и, как следствие, ненадежной тогда, когда физическая активность пациента и нагрузки максимальны.

Задачей предлагаемого изобретения является улучшение результатов лечения около- и внутрисуставных переломов длинных костей.

Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является повышение надежности накостного остеосинтеза, уменьшение его травматичности.

Данный технический результат достигается тем, что устройство для накостного остеосинтеза включает пластину с расширенным участком, в котором выполнены отверстия с резьбой, и взаимодействующие с резьбовыми отверстиями винты с цилиндрической резьбой, причем диаметры выходной части разных резьбовых отверстий расширенного участка пластины неодинаковые, а диаметры цилиндрической резьбы винтов, взаимодействующих с резьбовыми отверстиями с большим диаметром выходной части, больше диаметров цилиндрической резьбы винтов, взаимодействующих с резьбовыми отверстиями с меньшим диаметром выходной части.

На фиг.1 представлено устройство для накостного остеосинтеза, вид со стороны неконтактной поверхности; на фиг.2 - то же, вид сбоку; на фиг.3 - сечение А-А на фиг.1 и 2.

Устройство для накостного остеосинтеза выполнено в виде пластины, содержащей расширенный участок 1 с резьбовыми отверстиями 2, 3, 4, 5, 6, выходные части которых, например 7 и 8, имеют разный диаметр, и винтов 9, 10, диаметры цилиндрической резьбы 11, 12 которых также неодинаковы.

Наличие на участках винтов, взаимодействующих с костью, резьбы цилиндрического типа, диаметр которой соответствует диаметру выходной части резьбовых отверстий расширенного участка пластины, приводит к тому, что при введении винта через отверстие в кость уже на начальных этапах положение оси винта приближается к положению оси отверстия, что необходимо для создания жесткого соединения между пластиной и винтом на заключительном этапе введения последнего. Причем, чем меньше колебания диаметра резьбы винта на протяжении его части, взаимодействующей с костью, то есть чем больше она приближается к цилиндрической, и чем больше диаметр этой цилиндрической резьбы приближается к диаметру выходной части отверстий, тем больше ось винта совмещается с осью отверстия, тем вероятнее правильное взаимодействие резьбовых выступов участка винта, взаимодействующего с отверстием пластины, с резьбовыми выемками этого отверстия, без чего невозможно жесткое соединение пластины и винта.

Покажем на конкретном примере возможность уменьшения травматичности одновременно с увеличением жесткости фиксации при применении предлагаемого устройства, сравнивая два варианта конструкций ( прототип и предлагаемое устройство). В качестве исходных условий примем следующие.

1. В резьбовые отверстия расширенного участка пластины и губчатую кость метафиза введены по два винта в обоих вариантах.

2. Участки винтов, взаимодействующие с костью, содержат цилиндрическую резьбу, диаметр которой максимально приближен к диаметру выходной части резьбовых отверстий расширенного участка пластины.

В первом варианте (прототип) диаметры выходной части резьбовых отверстий расширенного участка пластины одинаковы. Диаметры цилиндрической резьбы винтов максимально приближены к диаметрам выходной части этих отверстий, также являются одинаковыми и составляют 3,5 мм. Длина участка винта, взаимодействующего с костью - L. Винты для удобства расчетов будем считать балками с круглым поперечным сечением с диаметром 3,5 мм. Объем имплантированного в губчатую кость винта с диаметром 3,5 мм - V₁= R²₁ L=3,14 1,75² L (мм³) 9,62 L (мм³); объем двух винтов - 2 V₁ 2 9,62 L (мм³) = 19,24 L (мм³). Жесткость сечения одного винта с диаметром 3,5 мм при изгибе - C₁ E 0,05 3,5⁴ (N мм²) 7,5 Е (N мм²), суммарная жесткость сечений двух винтов при изгибе - 2 C₁=15 E (N мм²).

Во втором варианте (предлагаемое устройство) диаметры выходной части резьбовых отверстий расширенного участка пластины неодинаковы. Диаметры цилиндрической резьбы винтов максимально приближены к диаметрам выходной части этих отверстий, также являются неодинаковыми и составляют 4,3 мм и 2,0 мм. Длина участка винта, взаимодействующего с костью - L. Винты в модели рассматриваем как балки с круглым поперечным сечением с диаметрами 4,3 мм и 2,0 мм. Объем имплантированного в губчатую кость винта с диаметром 4,3 мм - V₂=3,14 2,15² L (мм³) = 14,51465 L (мм³); объем имплантированного в губчатую кость второго винта с диаметром 2,0 мм - V₃=3,14 1,0² L (мм³) =3,14 L (мм³); объем двух винтов - V₂+V₃=(3,14+14,51465) L₁ (мм³) = 17,65465 L₁ (мм³) 17,7 L₁ (мм³). Таким образом, объем повреждения, наносимого винтами губчатой кости метафиза во втором случае (17,7 L₁ (мм³)), меньше в сравнении с аналогичным показателем в первом случае (19,24 L (мм³)) на 8,7%. Жесткость сечения винта с диаметром 4,3 мм при изгибе - С₂ Е 0,05 4,3⁴ (N мм²) 17,1 Е (N мм²), что на 14% превышает суммарную жесткость сечений двух винтов при изгибе в первом случае. Жесткость сечения винта с диаметром 2,0 мм при изгибе - С₃ Е 0,05 2,0⁴ (N мм²) = 0,8 E(N мм²). Суммарная жесткость сечений двух винтов при изгибе во втором случае - С₂+С₃=(0,8+17,1) Е(N мм²)=17,9 Е (N мм²), что на 19% превышает суммарную жесткость сечений двух винтов при изгибе в первом случае.

Таким образом, применение предлагаемого устройства позволяет увеличить жесткость соединения при одновременном уменьшении его травматичности, что позволяет снизить риск асептических и гнойных осложнений.

Отмеченные положительные эффекты при применении предлагаемого устройства возможны при взаимодействии всех его существенных признаков. Наличие резьбы в отверстиях пластины имеет два важных следствия для работы конструкции. Во-первых, жесткое соединение пластины с винтом не позволяет последнему повернуться в отверстии пластины под действием осевой нагрузки, вследствие чего винт подвергается деформации изгиба и критическим параметром жесткости системы фиксации, таким образом, становится жесткость сечения винта при изгибе. Во-вторых, система пластина-винт в условиях жесткого соединения ее элементов функционирует как единая конструкция с одновременно нагружаемыми частями (винтами) и, как следствие, способность такой системы сопротивляться деформации изгиба определяется суммарной жесткостью сечений винтов при изгибе.

В свою очередь, суммарная жесткость при изгибе сечений винтов с разными диаметрами цилиндрической резьбы, введенных в резьбовые отверстия с неодинаковыми диаметрами их выходных частей, оказывается больше суммарной жесткости при изгибе сечений винтов с одинаковыми диаметрами цилиндрической резьбы, введенных в резьбовые отверстия с одинаковыми диаметрами их выходных частей, в то время как суммарный объем взаимодействующих с костью участков винтов с неодинаковыми диаметрами цилиндрической резьбы является меньшим в сравнении с суммарным объемом взаимодействующих с костью участков винтов с одинаковыми диаметрами цилиндрической резьбы. Применительно к метафизарному отделу кости, с которым пластина взаимодействует своей расширенной частью, это означает увеличение жесткости соединения при одновременном уменьшении наносимого кости повреждения, так как объем повреждения кровообращения метафиза, как было показано выше, прямо пропорционален объему имплантированных в губчатую кость конструкций. Таким образом, положительный эффект в виде повышения надежности соединения при одновременном уменьшении его травматичности обеспечивается взаимодействием в предлагаемом устройстве резьбовых отверстий, выполненных в расширенном участке конструкции, неодинакового диаметра выходных частей этих отверстий и винтов с цилиндрической резьбой разного диаметра.

Конструктивные особенности предлагаемого устройства в отличие от прототипа позволяют не только увеличить или уменьшить количество винтов, вводимых в метафиз, но и вариировать размерами поперечного сечения винтов. Это расширяет диапазон механических характеристик системы, делая ее максимально адаптированной к конкретным условиям, что позволяет оптимизировать не только жесткость производимой фиксации, но и степень наносимого кости повреждения.

С устройством работают следующим образом. Выполняют сопоставление отломков, минимально их травмируя. Располагают пластину на кости или на некотором расстоянии от нее так, чтобы расширенный участок конструкции соответствовал зоне метафиза. Затем последовательно вводят в губчатую кость через резьбовые отверстия с разными диаметрами выходной части соответствующего диаметра винты. Конкретные размеры и количество винтов выбираются с учетом предшествующей физической активности пациента, качества его кости. Фиксация пластины к диафизарному отделу кости может быть выполнена как заключительная часть операции.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Авторское свидетельство СССР 1673092 А1, МКИ А 61 В 17/58.

2. Журнал “Margo anterior”, №5-6, 2000 г., стр. 15. Совместное издание АО/ASIF и МАТИС Медикал для России и стран СНГ, прототип.