CN102209498B - 用于膝关节的支撑矫形设备 - Google Patents

Abstract

一种用于膝关节的支撑矫形设备（1），该设备包括：近端连接器（2）和远端连接器（3），其相互铰接，并分别直接与下肢的近端骨（100）和远端骨（101）相连，该近端骨（100）和远端骨（101）之间通过膝关节相连。所述矫形设备包括第一杆（4a）和第二杆（4b），二者沿垂直于所述矫形设备（1）的中间偏移平面的铰接轴与所述近端连接器（2）和远端连接器（3）铰接，以形成铰接四边形。所述铰接四边形可在平行于偏移平面的平面内、在一种配置和另外多种配置之间作平面移动，所述前一种配置对应于膝关节的伸展位置，所述多种配置对应于所述膝关节的各种弯曲程度；由所述铰接四边形施加在所述近端和远端连接器（2,3）上的相对运动与所述膝关节的物理运动相一致。

Description

用于膝关节的支撑矫形设备

技术领域

本发明涉及一种用于膝关节的支撑矫形设备。

特别地，该类型的设备包括近端连接器和远端连接器，二者彼此铰接，且分别与病人下肢的股骨和胫骨相关联，这些骨骼通过膝关节相互连接。

背景技术

 膝关节腔可能会由于外伤或为矫正性治疗而进行外科手术。这些手术一般可以是任何类型的矫形手术，其特征在于手术后的时期——骨化过程发生在该时期；这一阶段时，通常需要确保关节不承受过量负载。

对关节的去载可通过将其彻底固化来实现；然而另一方面，这种办法在本质上存在治疗学上的缺陷，因而不常使用。

一种已知的替代性办法是，使用上述类型的矫形设备，该类型设备能通过手术后的关节来部分或彻底转移负载。

在这些情况下，所述近端连接器和远端连接器一般都与锚定装置相关联，这些锚定装置分别与病人的股骨和胫骨相关联。

已知的矫形装置的一个主要缺点是两个连接器之间的接合。事实上，传递至两个连接器的相对运动必须是一致的，且最重要的是，必须以最忠实的方式重现锚定骨可能的各种动作，而这些动作在生理学上是由自然关节决定的。通过简单有效的构建性形态学方法，无法确保达到这一功能条件。事实上，从膝关节提供的接合可看出，这是两个作用的骨骼之间的旋转和相对滑动的组合，而仅靠可信的小尺寸机构很难重复再现其运动学模型。事实上，这种接合不能被简化为具有固定旋转轴的简单铰链。在每种情况下，都提供了一种能通过移动关节接触表面使之彼此远离来实现关节分离的系统，这样，就算设备没能够忠实地重现关节的功能，也能进行最小的旋转动作。

使用现有技术的矫形装置所产生的第二个问题是：在病人的骨骼结构方面，同样的设备的精确定位。特别地，至关重要的一点是：两个连接器沿垂直于下肢关节轴的平面接合。通过螺钉，将已知的锚定装置连接至股骨和胫骨上适当的骨骼处。该处的骨骼表面不与关节轴垂直；因此，无法提供用于引导所述矫正设备的固定操作的形态学参考。另外，由于连接位置距离关节腔相对较远，这进一步使矫形设备的定位变得复杂。

因此，本发明要解决的技术问题是，提供一种矫形设备，其具有能克服上述现有技术缺点的结构。

发明内容

上述技术问题是通过一种上述类型的矫形设备来解决的，该设备也包括第一杆和第二杆，两者相互铰接，按照垂直于矫形设备1自身的中间偏移平面的铰接轴，至近端连接器和远端连接器，以形成铰接四边形。所述铰接四边形可沿平行于主配置和多个次配置之间的偏移平面的平面移动，所述主配置对应于膝关节的伸展位置，所述多个次配置对应于所述膝关节的各种弯曲程度；特别地，由所述铰接四边形施加在近端连接器和远端连接器上的相对运动与所述膝关节的物理运动相一致。

总的来说，本发明的理念是，通过由两个连接器提供的铰接四边形和两个相对的构件，来重现膝关节的弯曲和伸展动作。这一构建性解决办法减小了矫形设备的尺寸，并降低了其复杂度，另一方面还确保各不同元件之间的相对运动能足够忠实地重现关节的物理动作。

本发明的一个优点是，根据本发明的设备易于定位，且与其他已知的矫形设备模块化组装，以确保快速精确地植入。

结合阐释性而非限制性附图，通过以下对非限制性优选实施例的详细描述，本发明的进一步特征和优点将更易于清晰地理解。

附图说明

图1为根据本发明的矫形设备的等距视图；

图2为图1的矫形设备的各部件分解图；

图3为与膝关节相连的图1的矫形设备的等距视图，所述膝关节通过已知的锚定装置进行伸展；

图4为图3的部件从另一不同视角的等距视图；

图5为图3的部件的等距视图，其中具有固定的膝关节；

图6为胫骨-股骨组的前视图，图1的矫形设备通过已知的锚定装置与该胫骨-股骨组相连；

图7为重现图1设备的铰接四边形辅助关节的动力学图示。

具体实施方式

参加附图，其中附图标记1指用于膝关节的支撑矫形设备。如前所述，该设备的主要任务是转移原本可能作用在膝盖上的负载，并在手术后时期适当加热，同时确保所作用的下肢至少部分是活动的。

该矫形设备1包括近端连接器2和远端连接器3，两者相互铰接，并分别设置为与下肢的近端骨100和远端骨101相连，所述近端骨100和远端骨101通过膝关节相互连接。特别地，在附图所示的优选实施例中，所述近端骨100为病人的股骨，而所述远端骨101为其胫骨。

所述矫形设备1还包括第一杆4a和第二杆4b，所述杆4a和4b沿垂直于该设备的中间偏移平面的铰接轴铰接到近端连接器2和远端连接器3，以使其形成铰接四边形。

如图7所示，该铰接四边形由一个可操作式框架组成，该框架包括近端连接器2、两个由杆4a和4b形成的平衡杆、以及由远端连接器3形成的推杆。

该铰接四边形可在垂直于偏移平面的平面内移动，该移动发生在主配置与多个次配置之间，所述主配置对应于膝关节的伸展位置，所述多个次配置对应于膝关节不同程度的弯曲；通过所述铰接四边形传递至近端连接器2和远端连接器3的相对运动与膝关节的生理学动作是一致的。

从图3到图6中可见，所述矫形设备1的近端连接器2直接与第一锚定装置5相连，该第一锚定装置5用于与近端骨100、即股骨牢固相连；而远端连接器3与第二锚定装置6相连，该第二锚定装置6用于与远端骨101、即胫骨牢固相连。

在优选实施例中，所述第一锚定装置5包括纵向滑轨50，该滑轨50至少具有第一夹具51，该第一夹具51可通过一组骨钉与股骨表面相连。所述骨钉优选地插入在适当的股骨表面，如前所述，该股骨具有纵轴x，该纵轴x并不垂直于下肢的关节轴y（特别地，二者之间的角度约为81°）。所述第一夹具51可沿所述纵向滑轨50被导向。骨内钉的连接位置优选地为股骨侧表面，这样，所述矫形设备1牢固地固定在纵向滑轨50的远端，并位于下肢的侧部位置。

在本发明的一个未图示的替代性实施例中，所述第一锚定装置5可包括环、或称环部分，用于连接至近端连接器2。

从图6中可见，可使用收缩机70与所述第一锚定装置5相连，用于牵引开远端连接器3和近端连接器2，从而在关节处形成空间。一旦关节被牵引开约2mm到10mm，则可将收缩机取下。

第二锚定装置6包括刚性半环60和第二夹具61，该第二夹具61可通过骨钉连接至胫骨表面，所述骨钉固定在所述第二夹具61上。通过所述刚性半环，可将第二夹具61的骨钉连接至胫骨的前表面或中前部表面，以选择最合适的植入地点。

如前所述，为恰当操作所述矫形设备，该设备的偏移平面需要垂直于下肢的关节轴，该关节轴由图6中的x表示。为确保满足这种条件，所述矫形设备1包括用于将所述近端连接器2或远端连接器3其中至少一个精确定位在相关骨骼上的装置，即，对于近端连接器2来说为股骨，对于远端连接器3来说是胫骨。

特别地，所述用于精确定位的装置包括连接器2和3中其中之一的第一部分20a，该第一部分20a具有至少一个基准孔20，用于临时容纳引导线200，该引导线200与连接器相对应，固定在骨骼上；优选地，所述基准孔20垂直于所述偏移平面。

在图示的优选实施例中，所述第一部分20a位于近端连接器2上，所述基准孔20位于近端连接器2的远端，对应于其所连接的近端骨100。如图4所示，通过这种方式，所述引导线200被恰当地引入套管螺钉内，该套管螺钉插入在病人的内上髁102内。通过该上髁附近的形态学对照，能容易地定位所述套管螺钉，以使其平行于膝关节的关节轴y。所述引导线200也平行于该关节轴y，并插入在所述基准孔20内，使所述矫形设备1的偏移平面与该轴正交。所述引导线200不属于组成结构，一旦植入所述矫形设备1，即将该引导线200拆除。

从操作的角度来看，根据本发明的将设备固定到病人的骨骼结构的方法包括如下步骤：将线按照平行于下肢关节轴y的方向插入股骨道内；通过所述锚定装置5和6，将近端连接器2和远端连接器3固定至病人的骨骼结构。

图7展示了在主配置和次配置下形成铰接四边形的各构件的位置，所述次配置对应于膝关节弯曲成近似直角的情况。图中还示意了近端连接器位置固定、而远端连接器3上的一点对应于胫骨弯曲角度变化的轨迹。该轨迹大致与健康膝盖的关节运动的轨迹相同，是通过以下的构造性装置来获得的。

首先，所使用的铰接四边形为葛氏机构（Grashof mechanism），在该葛氏机构中连接件相关的偏移至少受到下肢骨骼结构锚定的操作限制。

形成所述四边形的所述第一杆4a和第二杆4b至少在主配置中是相互交叉的。特别地，所述四边形保持倒转，以组成更好的操作性配置，其中，“操作性配置”是指具有操作可行性的主配置和次配置。所述四边形的倒转位置使所述设备的瞬时旋转中心保持在所述四边形容积内，从而将瞬时旋转轴限定在膝关节附近。事实上，根据沙勒定理（Chasles’ theorem），所述瞬时旋转中心位于两个杆4a和4b的纵轴z和z”的交叉C处，所述杆4a和4b形成四边形的平衡杆，如图7所示。

特别地，如果倒转配置（即死点配置）属于次配置组，则较为有利；这时，这种配置对应于膝关节为近似直角的弯曲。

根据本发明的铰接四边形优选的尺寸特征包括：铰接轴和远端连接器3的第一和第二杆4a和4b之间的距离与铰接轴和近端连接器2的第一和第二杆4a和4b之间距离的比值大于1，且该比值优选地在3.5到4.3之间（图示实施例的这一比值为43/11）；相对的各铰接轴与第一和第二杆4a和4b之间的距离的比值在0.9到1.1之间，优选地等于1，如图示实施例中的一样；第一杆4a的相对的铰接轴之间的距离与远端连接器3的第一和第二杆4a和4b的铰接轴之间的距离的比值大于1，优选地小于1.2（图示实施例的这一比值为47/43）。显然，所有这些值并不构成对本发明的限制。

根据本发明的矫形设备1优选地包括：第一锁定装置30，用于将所述铰接四边形锁定在主配置或其他任何次配置；第二锁定装置34，用于将所述铰接四边形锁定在有限多个可能的锁定配置；停止装置37，用于在单侧可调节地限制所述铰接四边形的偏移，以阻止矫形设备1所连接的膝关节进行超过理想弯曲角度的弯曲。

所述第一和第二杆4a和4b中的至少一个杆包括第一横向螺纹孔40a，其轴垂直于所述设备1的偏移平面；所述第一锁定装置30包括锁定螺钉31，可插入在所述第一横向螺纹孔40a以及第一隔板33的洞32中，该第一隔板33与所述远端或近端连接器2或3为一体式。因此，可将所述锁定螺钉31抵着所述第一隔板33的位于洞32边缘的壁夹住，以将所述铰接四边形锁定在理想配置。

所述第一和第二杆4a和4b中的至少一个杆具有第二横向孔40b，该横向孔40b的轴垂直于所述设备1的偏移平面。所述第二锁定装置34包括第二隔板36，该第二隔板36与远端连接器2或近端连接器3其中为一体式，且具有多个锁定孔35a和35b（当然，如前所述，所述设备的真正锁定优选地由第一锁定装置30的锁定螺钉31来完成，这些孔主要用于关节弯曲程度的参照）。在可能的锁定配置中，每个锁定孔35a和35b与第二横向孔40b对齐。在这些配置中，足够能插入连接销，使其穿过两个孔，来将所述杆锁定在连接器上，从而将所述铰接四边形锁定在理想的锁定配置。

在所示的优选实施例中，所述两个锁定孔35a和35b将所述铰接四边形锁定在上述主配置，以及对应于所述矫形设备1的肢体为直角弯曲的次配置。

所述停止装置37包括停止螺钉38，可插入螺纹停止孔39中。所述停止孔39与连接器2和3其中一个为一体式，且其轴平行于所述矫形设备1的偏移平面。所述停止螺钉38具有与夹紧的一端相反的一端，以通过接触来干预至少一个所述杆4a和4b的运动，以限制所述铰接四边形的偏移。这样，通过设置所述停止螺钉38来干预所述第二杆4b的旋转。

所述锁定螺钉38沿其轴旋转，对应于其沿着锁定孔39的轴的穿入；这样，通过调整所述设备的最大弯曲角度，能修正用来限制杆4a和4b角偏移的螺钉的端部位置。优选地，所述螺钉和所述铰接四边形是为了使所述螺钉的旋转角度与所述设备1的下肢的最大偏移角度变化之间为线性关系。

从结构上看，所述第一隔板33、第二隔板36和停止孔39都与远端连接器3集成为一体。特别地，所述远端连接器包括基座3a，从该基座3a的侧边升起两个侧壁，形成用于所述第一杆4a和第二杆4b的铰链支架。这些侧壁平行于所述矫形设备1的偏移平面，且与所述杆4a和4b都邻接。如附图所示，所述第一隔板33和第二隔板36都是这些壁中的一部分。

所述第一横向孔40a位于所述第一杆4a上，而所述第二横向孔40b位于第二杆4b上。两个杆优选地相同，都具有第一部分和第二部分，所述第一部分铰接至远端连接器3并横向延伸，其延伸距离等于所述连接器的侧壁之间的距离；所述第二部分铰接至远端连接器3，并具有缩短了的横向延伸距离，以使两个构件相互交叉而不产生干预。

 所述洞32为圆弧形，其圆心在与远端连接器3与第一杆4a相铰接的铰接轴上。当未夹住时，所述锁定螺钉31的末端部分在该圆弧内滑动；无论何时，洞32都限制第一杆4a的角偏移。

所述远端连接器3的两个侧壁在下部与基座3a相连，在上部与横梁3b相连。所述横梁位于中央空间的侧部，所述杆4a和4b可在该中央空间内移动。

所述横梁3b中的一个、特别是靠近所述第二杆4b的横梁3b，具有用于插入停止螺钉38的停止孔39。该横梁还具有其轴垂直于所述停止孔39的轴的孔，在该孔中插入着螺钉，用于干预停止螺钉38，以将其锁定在理想位置。

所述远端连接器3的基座3a用于与上述刚性半环60相连，所述刚性半环60安装在所述基座3a下方的较远位置。因此，所述基座3a具有适合的连接装置，即，位于由侧壁形成的所述支架的底部的中央孔300，以及位于部分基座上的纵向槽301，该部分基座上没有安装侧壁。可在这些开口中插入所述刚性半环60的固定螺钉，如图3到图6所示。

所述近端连接器2在其远端（指其所连接的股骨）包括：两个并排的支架，在该支架中插入并铰接着所述第一杆4a和第二杆4b的第二部分，按照其相互平行但偏移的轴。基准孔20优选地为通孔，位于两个支架的远端、中央空间的侧部，所述杆4a和4b可在该中央空间内移动。

所述近端连接器2的近端部分优选地以这种方式设置，以与上述类型的纵向滑轨50相连。因此，所述近端连接器2包括适当的连接装置，即，两个平行的槽21以及至少一个主螺纹座22，用于插入所述纵向滑轨的锁定构件23。

显然，本领域技术人员能够对上述夹具和矫形设备做出大量修改和变形，以满足各种需要和特定用途，当然，这些修改和变形都在权利要求的保护范围内。

Claims (15)

1.一种用于膝关节的支撑矫形设备（1），该设备包括：近端连接器（2）和远端连接器（3），该近端连接器和远端连接器相互铰接，并分别直接与第一和第二锚定装置（5,6）相连，该第一和第二锚定装置（5,6）用于一体式地分别连接至下肢的近端骨（100）和远端骨（101），该近端骨（100）和远端骨（101）之间通过膝关节相连；其特征在于：所述矫形设备（1）包括第一杆（4a）和第二杆（4b）；所述第一杆和第二杆（4a,4b）沿垂直于所述矫形设备（1）的中间偏移平面的铰接轴与所述近端连接器（2）和远端连接器（3）铰接，以形成铰接四边形；所述铰接四边形可沿平行于所述偏移平面的平面、在主配置和多个次配置之间作平面移动，所述主配置对应于膝关节的伸展位置，所述多个次配置对应于所述膝关节的各种弯曲程度，由所述铰接四边形施加在所述近端连接器（2）和远端连接器（3）上的相对运动与所述膝关节的物理运动相一致，所述近端连接器（2）在其远端之一上具有垂直于所述偏移平面的基准孔（20），该基准孔用于临时容纳与近端骨（100）为一体的引导线（200），以实现所述近端连接器关于骨骼的精确定位。

2.根据权利要求1所述的矫形设备（1），其中，所述近端连接器（2）具有连接装置（21,22,23），用于固定所述第一锚定装置（5）的纵向滑轨（50）。

3.根据权利要求1或2所述的矫形设备（1），其中，所述远端连接器（3）具有另一连接装置（300,301），用于将所述远端连接器固定至所述第二锚定装置（6）的刚性半环（60）。

4.根据权利要求1所述的矫形设备（1），其中，所述第一杆（4a）和第二杆（4b）至少在主配置中是相互交叉的。

5.根据权利要求4所述的矫形设备（1），其中，第一和第二杆（4a,4b）的铰接至远端连接器（3）的铰接轴之间的距离与第一和第二杆（4a,4b）的铰接至近端连接器（2）的铰接轴之间的距离的比值在3.5到4.3之间。

6.根据权利要求5所述的矫形设备（1），其中，第一杆（4a）的各铰接轴之间的距离与第二杆（4b）的各铰接轴之间的距离的比值在0.9到1.1之间。

7.根据权利要求6所述的矫形设备（1），其中，所述第一杆（4a）的各铰接轴之间的距离与第一和第二杆（4a,4b）的铰接至远端连接器（3）的铰接轴之间的距离的比值在1到1.2之间。

8.根据权利要求1所述的矫形设备（1），其特征在于，该矫形设备（1）包括第一锁定装置（30），用于将所述铰接四边形锁定在主配置或其他任何次配置。

9.根据权利要求8所述的矫形设备（1），其中，所述第一和第二杆（4a,4b）中的至少一个杆具有横向螺纹孔（40a），该螺纹孔的轴垂直于所述设备（1）的偏移平面；所述第一锁定装置（30）包括锁定螺钉（31），可插入在所述横向螺纹孔（40a）以及第一隔板（33）的洞（32）中，该第一隔板（33）与所述远端或近端连接器（2,3）为一体式；所述螺钉可夹住并抵着所述第一隔板（33）的位于所述洞（32）边缘的壁，以将所述铰接四边形锁定在理想配置。

10.根据权利要求9所述的矫形设备（1），其中，所述横向螺纹孔（40a）位于所述第一杆（4a）上，所述第一隔板（33）与所述远端连接器（3）为一体式，且平行于所述设备（1）的偏移平面，并邻接所述第一杆（4a），所述洞（32）为圆弧形，圆弧的中心位于第一杆（4a）与远端连接器（3）的铰接轴上。

11.根据权利要求10所述的矫形设备（1），其特征在于，该矫形设备（1）包括第二锁定装置（34），用于使所述铰接四边形能够锁定在该铰接四边形的多个次配置的任意一个中。

12.根据权利要求11所述的矫形设备（1），其中，所述第一和第二杆（4a,4b）中的至少一个杆具有横向孔（40b），该横向孔（40b）的轴垂直于所述设备（1）的偏移平面；所述第二锁定装置（34）包括第二隔板（36），该第二隔板（36）与远端或近端连接器（2,3）其中之一为一体式，且具有多个锁定孔（35a,35b），在可能的锁定配置中，每个锁定孔（35a,35b）与横向孔（40b）对齐，这样，可插入连接销，使其穿过两个孔，以将所述铰接四边形锁定在理想的锁定配置。

13.根据权利要求1所述的矫形设备（1），其特征在于，该矫形设备（1）包括停止装置（37），用于在单侧可调节地限制所述铰接四边形的偏移，以阻止与所述矫形设备（1）相连的膝关节进行超过理想弯曲角度的弯曲。

14.根据权利要求13所述的矫形设备（1），其中，所述停止装置包括停止螺钉（38），可插入螺纹停止孔（39）中，该停止孔（39）与其中一个连接器（2,3）为一体，且其轴平行于所述矫形设备（1）的偏移平面，所述停止螺钉（38）的与夹紧的一端相对的另一端通过接触来干预至少一个所述杆（4a,4b）的运动，从而限制所述铰接四边形的偏移。

15.根据权利要求14所述的矫形设备（1），其中，所述远端连接器（3）包括两个从基座（3a）的侧边升起的侧壁，形成用于所述第一杆（4a）和第二杆（4b）的铰链支架，所述杆（4a,4b）都具有第一部分和第二部分，所述第一部分铰接至远端连接器（3）并横向延伸，其延伸距离等于所述侧壁之间的距离，所述第二部分铰接至近端连接器（2），并具有比所述第一部分缩短的横向延伸长度，以使两个杆相互交叉而不产生干预；所述近端连接器包括两个并排支架，在该支架内沿相互平行但偏移的轴插入并铰接着所述第一杆（4a）和第二杆（4b）的第二部分。

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