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CN102448391B - 动态脊柱板系统 - Google Patents

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CN102448391B
CN102448391B CN201080020511.XA CN201080020511A CN102448391B CN 102448391 B CN102448391 B CN 102448391B CN 201080020511 A CN201080020511 A CN 201080020511A CN 102448391 B CN102448391 B CN 102448391B
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Abstract

用于稳定脊柱段的脊柱结构(200)可包括第一、第二和第三板段(220a-c)以及连接在相邻板段之间的弹簧(230)。弹簧可适于并配置成在板段之间提供预定的预载荷。这种预载荷可有利地增强整个骨移植物上的融合。替代地，弹簧可适于并配置成以预定的程度抵抗这些板段之间的加载。凸轮(261)可设置在第一和第三板段之一上，其中在凸轮和凸轮表面之间的接合防止这些板之间的动态连接。凸轮可适于并配置成例如通过调整弹簧中的张力来调整在这些段之间施加的预载荷。

Description

动态脊柱板系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2009年3月13日提交的美国专利申请序列号61/160,154的优先权利益，该申请经引用整体并入本文。
技术领域
本发明涉及可植入矫形装置。具体地，本发明涉及一种用于在术后支撑脊柱的一部分以便于脊骨融合的板系统。
背景技术
用于在外伤或损伤后辅助恢复的多种可植入矫形装置在本领域中是已知的。在这些装置中，很多涉及促使相当大的载荷从解剖结构例如从脊柱转移的相对刚性的装置。本申请人认识到，这样的载荷转移阻止对解剖结构的期望加载。在骨组织的情况下，不充足的载荷将阻止、减少或防止上述结构的骨化，其概念通过“沃夫定律(Wolff’s law)”描述并公知为“沃夫定律”。
因此，本申请人认识到，提供如下矫形装置是合乎需要的，该矫形装置提供受控的载荷分配，同时提供必需的支撑以防止对骨移植物和/或其它解剖结构的损伤，以容许痊愈。本申请人还认识到，期望提供通用的并可提供对多种情形具有适应性的矫形装置。本申请人进一步认识到，期望提供至少一个锁定结构来阻止诸如骨螺钉等紧固件意外地退出。本发明提供对前述问题的解决方案。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了用于稳定脊柱段的脊柱结构，其具有第一板段、连接到第一板段的第二板段、以及连接在相邻的板段之间的弹簧。也可设置连接在第一板段和第二板段之间的接合构件。替代地，如果以例如通过弹簧或另一元件等其它方式提供了足够的稳定性，则可省略单独的接合构件。
弹簧可适于并配置成提供第一板段和第二板段之间的预定的预载荷。因此，弹簧可适于——结合所述结构的其它部件——由实现预定的预载荷的材料成形、加工成所需尺寸和形成。这样的预载荷可有利地增强在整个骨移植物上的融合。
替代地，弹簧可适于并配置成以预定的程度抵抗第一板段和第二板段之间的加载。
在第一板段和第二板段之一上可设置凸轮，所述凸轮是在与第一板段和第二板段中的另一个关联的凸轮表面接合和与所述凸轮表面分离之间可移动的，其中凸轮和凸轮表面之间的接合防止在第一板和第二板之间对脊骨段的动态加载。
凸轮可配置成，使得凸轮的位置决定了弹簧所施加的预载荷是否通过所述结构转移、或转移到所述结构所连接的脊柱段。
凸轮可适于并配置成通过调整弹簧中的张力来调整在所述段之间施加的预载荷。
弹簧可以是成弓形地弯曲的杆或棒。弹簧可由形状记忆合金制成。
弹簧可与这些板段的一个中的沟槽接合，所述沟槽配置成使得弹簧力的向外施加分解为第一板段和第二板段之间的轴向收缩力。
共用上板可设置并连接到第一板段和第二板段。第一板段和第二板段中的至少一个与上板可适于并配置成在它们之间存在能大体上线性平移的连接。上板和可滑动地连接的下板段可由机械联锁装置连接。机械联锁装置可包括鸠尾榫或销和插槽配置。
第三板段可设置并由弹簧和可选的接合构件连接到第一板段和第二板段中的至少一个。也可设置第四、第五、第六和后续数量的板段。
根据本发明，可设置至少两个板段，且所述结构可适于并配置成使得跨越第一板段和第二板段之间的连接是在静态配置和动态配置之间能选择的。
根据本发明，可设置分别跨越两个连接的至少三个板段，且所述结构可适于并配置成使得所跨越的两个连接的每一个是在静态配置和动态配置之间能选择的。
根据本发明的另一方面，提供了用于稳定脊柱段的脊柱板系统结构，其具有：第一板段；第二板段，其连接到第一板段；弹簧元件，其连接在相邻的板段之间，适于并配置成提供相邻的板段之间的预定的预载荷，以增强脊骨融合；上板，其连接到第一板段和第二板段；以及凸轮，其设置在第一板段和第二板段之一上，在与第一板段和第二板段中的另一个的凸轮表面接合和与所述凸轮表面分离之间能移动，其中凸轮和凸轮表面之间的接合防止在第一板段和第二板段之间的对脊骨段的动态加载。此外，可设置连接在第一板段和第二板段之间的接合构件。
根据本发明，凸轮表面可设置在第一板段和第二板段的另一个上。替代地，凸轮表面可以在上板上。在这样的配置中，第一板段和第二板段中的另一个以及上板可大体上刚性地彼此连接。
根据本发明的另一方面，提供了在脊柱段上植入脊柱结构的方法，该方法包括以任何顺序进行的步骤：将所述脊柱结构的多个板中的每一个固定到相应的椎骨，确定是否在椎骨的第一节段和第二节段之间施加预载荷，以及在椎骨的所述第一节段和第二节段之间施加第一预载荷。
施加第一预载荷的步骤可包括在第一方向上转动动态脊柱结构的第一凸轮。
该方法还可包括步骤：估计第一预载荷的功效，以及代替第一预载荷、将第二预载荷施加在椎骨的所述第一节段和第二节段之间，第二预载荷不同于第一预载荷。第二预载荷大于第一预载荷。替代地，第二预载荷可以小于第一预载荷。
施加第二预载荷的步骤可包括在不同于第一方向的第二方向上转动第一凸轮。
该方法还可包括步骤：确定是否在椎骨的第一节段和第二节段之间施加预载荷，以及在椎骨的所述第二节段和第三节段之间施加第三预载荷。
施加第三预载荷的步骤可包括在第一方向上转动动态脊柱结构的第二凸轮。
该方法还可包括步骤：估计第三预载荷的功效，以及代替第三预载荷、将第四预载荷施加在椎骨的所述第二节段和第三节段之间，第四预载荷不同于第三预载荷。
施加第四预载荷的步骤可包括在不同于第一方向的第二方向上转动第二凸轮。
附加地或替换地，根据本发明的结构可配置成提供对相邻板段之间的收缩和/或弯曲的预定量的抵抗，从而容许在所述结构和脊柱段之间的预定量的载荷分配。
根据本发明，接合构件—如果被设置了—可相对于所述结构的纵轴线对称地配置在所述结构中。此外，两个横向相对的弹簧可设置在所述结构中，并可相对于所述结构的纵轴线大体上对称地配置。
根据本发明，可设置用于将所述结构接合到脊柱段的多个螺钉。螺钉可包括用于接纳用来阻止螺钉意外退出的接合构件的插槽或其它构造。
根据本发明，板段中的一个或多个可实施成包括相应的上部分和下部分。
可设置用于与板段组装在一起的多个弹簧元件，如果这么实施的话，则弹簧元件设置在一定刚度范围内，容许所述结构的收缩力或预载荷的可选择性、和/或对所述结构的收缩的抵抗性和/或弯曲刚度的可选择性。
接合元件可接纳在设置于由接合构件连接的每个板段中的相应凹槽中。
可以理解，前述概括描述和下面的详细描述是示例性的，并用来提供对所主张的本发明的进一步解释。
附图说明
结合在本说明书中并构成本说明书的部分的附图被包括进以说明并提供对本发明的系统、装置、套件和有关方法的进一步理解。附图连同描述一起用于解释本发明的原理，其中：
图1A和1B分别是示出根据本发明的动态脊柱板系统和附随的螺钉的代表性实施方式的内部结构的等轴线条图和等轴透视图，其中示出脊柱板系统处于扩展状态下；
图1C和1D分别是示出根据本发明的动态脊柱板系统和附随的螺钉的代表性实施方式的内部结构的等轴透视图和等轴线条图，其中示出脊柱板系统处于收缩状态下；
图2A和2B分别是示出根据本发明的被示为无附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的等轴线条图和等轴透视图；
图3A和3B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的顶部线条图和顶部透视图；
图3C是被示为无附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的顶部线条图；
图4A和4B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的端部线条图和端部透视图；
图5A和5B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的侧部线条图和侧部透视图；
图6A是被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的底部线条图；
图6B是被示为没有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的底部线条图；
图7A和7B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的一部分的详细视图的线条图和透视图；
图8A和8B分别是图1A和1B的动态脊柱板系统的上板段的顶表面和底表面的等轴线条图；
图9是示出图1A和1B的动态脊柱板系统的上板段的下表面的等轴线条图；
图10是示出图1A和1B的动态脊柱板系统的下板段的上表面的等轴线条图；
图11A和11B分别是示出用在图1A和1B的动态脊柱板系统上的根据本发明的螺钉和保持夹的线条图和透视图；
图11C是被示为没有保持夹的图11A和11B的螺钉的线条图；
图12是被示为没有保持夹的并示出其中的插槽部分的图11A和11B的螺钉的顶部等轴视图；
图13是示出用于连接图1A和1B的动态脊柱板系统的相邻板段的接合构件的等轴线条图；
图14是示出用于连接图1A和1B的动态脊柱板系统的相邻板段的弹簧构件的等轴线条图；
图15A是图14的弹簧构件的俯视图；
图15B是图15A的弹簧构件的仰视图；
图15C是图15A的弹簧构件的前等轴视图；
图15D是图15A的弹簧构件的放大部分视图，其示出弹簧构件中的中央弯曲；
图15E是图15A的弹簧构件的左视图；
图15F是图15A的弹簧构件的右视图；
图16-29示出根据本发明的动态脊柱板系统的另一示例性实施方式的各种视图，该动态脊柱板系统具有成弓形地弯曲的杆或棒形弹簧和一体凸轮元件；
图16是根据该实施方式的被示为在扩展状态下的板结构的等轴视图；
图17是被示为在扩展状态下的板结构的侧视图；
图18是被示为在收缩状态下的板结构的等轴视图；
图19是被示为在收缩状态下的板结构的侧视图；
图20是被示为在扩展状态下的板结构的底部等轴视图；
图21是被示为在收缩状态下的板结构的底部等轴视图；
图22A-C是板结构的端视图，其示出在上板和下端板段之间的接合步骤；
图23是板结构的部分分解等轴视图，其示出板结构的内部部件和用于操作板结构的凸轮的工具；
图24是板结构的上板的底部等轴视图；
图25是板结构的内部部件的分解图；
图26是被示为在扩展状态下的板结构的等轴视图，且两个凸轮为此转动而脱离与相对的凹槽的接合，且示出为了清楚起见而移除了上板；
图27是板结构的端部的俯视图，且所示凸轮保持在相对的凹槽中，维持板的扩展状态，且示出为了清楚起见而移除了上板；
图28是被示为在收缩状态下的板结构的等轴视图，且两个凸轮为此转动而脱离与相对的凹槽的接合，且示出为了清楚起见而移除了上板；
图29是被示为在收缩状态下的板结构的端部的俯视图，且所示凸轮为此转动而脱离与相对的沟槽的接合，维持板的扩展状态，且示出为了清楚起见而移除了上板；
图30A-C示出图16-29的动态脊柱板系统结构的移植步骤，但所述步骤广泛应用于本发明的其它实施方式；
图30A示出在用于接合所连接的脊椎段的最后螺钉的插入期间的结构；
图30B示出在借助于用于凸轮的工具使凸轮转动的期间的结构；
图30C示出在连接到脊椎段和两个凸轮从用于凸轮的相对凹槽转离之后的结构，且示出为了清楚起见而移除了上板；
图31A-H是用在本发明的动态脊柱板系统上的多种螺钉构造的侧视图和横截面视图；
图32A是具有两个节段的板段的根据本发明的动态脊柱板系统结构的等轴视图；
图32B是具有四个节段的板段的根据本发明的动态脊柱板系统结构的等轴视图；
图33-39是根据本发明的动态脊柱板系统结构的另一示例性实施方式的各种视图，该动态脊柱板系统结构具有带状弹簧和配置成容许多个可选择的预载荷的一体凸轮元件；
图33是示为在扩展状态下的该实施方式的结构的等轴视图；
图34是示为在收缩状态下的该实施方式的结构的等轴视图；
图35是示为在扩展状态下的该实施方式的结构的等轴视图，且示出为了清楚起见而移除了上板；
图36是所述结构的该实施方式的上板的底部等轴视图；
图37是示为在扩展状态下的该实施方式的结构的俯视图，且示出为了清楚起见而移除了上板；
图38是示为在收缩状态下的该实施方式的结构的俯视图，且凸轮位于一个用于将对应的预载荷施加到脊骨段的位置，且示出为了清楚起见而移除了上板；以及
图39是示为在收缩状态下的该实施方式的结构的俯视图，凸轮位于另一用于将不同的对应的预载荷施加到脊骨段的位置(与图38相比)，且示出为了清楚起见而移除了上板。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的优选实施方式，其例子在附图中示出。
本文提出的装置和方法可用于在术后脊骨融合期间稳定脊柱的部段(segment)。
参考附图且如在例如图1A和1B中看到的，用于稳定脊柱段的动态脊柱板系统是可组装进用于连接到脊柱段的板结构100内的。例如，这样的结构可在已组装后提供给用户(例如医生)，或可由用户组装。板系统包括具有上部110a和下部120a的第一端板段、连接到第一板段并设置成与第一板段相对的具有上部110c和下部120c的第二端板段。如图示，可设置具有上部110b和下部120b的中间板段。根据本发明的另外的方面，可另外设置额外的中间板段，从而在由题述系统的部件形成的结构100中产生总共3、4、5、6、7、8个或更多个板段。
在所示实施方式中，接合构件140和弹簧元件130设置在相邻的板段之间并连接相邻的板段，形成板结构100。虽然在每对相邻的板段之间示出一个接合构件140和两个弹簧130，但可以理解，可设置任何适当数量的这样的元件。特别设想到，两个横向相对的接合构件140可附加地或替代地横向设置在弹簧130的远端。在这样的实施方式中，可设想到，沿着板段110、120的横向边缘提供额外的材料以提供结构支撑和/或仅仅提供用于容纳额外的接合构件的空间，可证明是必要的。
弹簧130适于并配置成提供结构100的预定量的收缩力或预载荷。根据替代的实施方式，弹簧130可适于并配置成提供相邻的板段之间的预定量的弯曲刚度，从而容许结构100和结构100所连接到的脊柱段之间的预定量的载荷分配。
如可在图1A和1B中看到的，多个螺钉150设置成将结构100锚定到骨中。孔113a-c设置在每个上板部分110a、110b、110c中，在孔113a-c中搁置螺钉150的头部。沟槽155设置在螺钉150的头部中，用于接纳锁定元件，例如在图11A和11B中最佳地看到的保持夹159。锁定元件可以是任何合适的元件，包括但不限于弹性O型环、弹性挡圈、或其他合适元件，例如从美国加利福尼亚州的Foothill Ranch的Bal Seal Engineering公司可买到的闭锁环形线圈。锁定元件可例如由任何合适的材料形成，例如金属、金属合金、弹性材料、硅树脂、氯丁橡胶(例如，Neoprene)、或诸如聚醚醚酮(PEEK)的塑性材料。可由螺钉支撑的锁定元件可安置在设置于正使用结构中的沟槽中。
如在图1B中以及在图1C、8B、9和10中观察到的，弹簧接合构件或凸部115、125可分别与诸如上板部分110a或下板部分120a等板段连接或一体地设置，用于接合弹簧130。类似地，接合构件140由设置在每个相应的上板部分110a-c和下板部分120a-c中的凹槽117、127固定到相邻的板。凹槽117、127成形有相应的部分“I”形，以接收接合构件140，并容许板部分110、120和接合构件140之间的轴向运动。因此，凹槽117、127的横向部分可以比接合构件140的横向部分深，以容许轴向运动。而且，可以理解，多种形状的接合构件140可被使用，而不仅仅限于所示的形状。
虽然被示为独立的部件，但可以理解，在替代的实施方式中，接合构件140可与一个板一体地形成，配合进相邻板中的相应凹槽117、127中。因此，容许这些板段之间的相对运动，而不需要制造和组装分开的部件。与这样的实施方式一致，特别设想到，在任何合适数量的接合构件140设置在相邻板之间的情况下，对分开的或一体的接合构件140的配置的置换是可能的。
当结构100承受不同的加载条件时，例如轴向拉伸或压缩力或横向弯曲(例如在大体上平行于板表面并平行于所述结构的纵轴线的平面中)，圆形弹簧接合构件或凸部115、125容许弹簧的相对运动。替代地，凸部115、125可以是任何合适的形状，包括但不限于椭圆形、矩圆形(oblong)、多边形(例如，正方形、六边形)。阻止绕凸部115、125转动的凸部115、125的形状，可增强结构100的横向稳定性。在上板部分110a-c和下板部分120a-c的一个或多个中设置有相对浅的凹槽119。凹槽119配置成为弹簧130在前述轴向压缩和/或弯曲条件下的弹性变形提供空间。
板段的上部分和下部分，例如上板部分110a和下板部分120a，可用任何合适方式相互固定，所述合适方式包括但不限于焊接、机械紧固件、焊料、粘合剂、环氧树脂材料、机械互锁结构等。
如上所述，图2A和2B分别是示出根据本发明的被示为无附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的等轴线条图和等轴透视图。图3A和3B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的顶部线条图和顶部透视图。图3C是被示为无附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的顶部线条图。图4A和4B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的端部线条图和端部透视图。图5A和5B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的内部结构的侧面线条图和侧面透视图。图6A是被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的底部线条图。图6B是被示为没有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的底部线条图。图7A和7B分别是示出被示为有附随的螺钉的图1A和1B的动态脊柱板系统的一部分的详细视图的线条图和透视图。图8A和8B分别是图1A和1B的动态脊柱板系统的上板段的顶表面和底表面的等轴线条图。图9是示出图1A和1B的动态脊柱板系统的上板段的下表面的等轴线条图，而图10是示出图1A和1B的动态脊柱板系统的下板段的上表面的等轴线条图。
如在图3C中最佳地看到的，例如，每个板段的下板部分120a-c包括比分别设置在上板部分110a-c中的孔130a-c小的分别用于螺钉150的孔123a、b或c。这容许结构100牢固地接合到脊柱，且较大的孔113a-c容许用于插入保持夹159的空间。
如在图11A和11D中最佳地看到的，所示螺钉150可包括位于其上的外螺纹151，用于牢固地接合骨骼。近侧沟槽155接纳用于便于与结构100接合的保持夹159。如在图12中观察到的，如果必要或需要的话，螺钉150可包括设置在其中的槽部153和内螺纹152，以便于从骨骼中移出螺钉150。这样的螺纹152优选地与螺钉150的螺纹151在方向上相反，使得当螺钉被移出时，取出工具本身不与螺钉150脱离。
如在图13中最佳地看到的，接合构件140在该实施方式中成形为大体上实心“I形梁”。可使用多种材料中的任一种，例如，包括但不限于不锈钢、钛合金、诸如镍钛诺等镍合金、聚合材料、陶瓷材料或复合材料。接合构件140特别是其梁腹部分143的形状对随之产生的结构的预定量的弯曲提供阻力，但如果这样实施的话，也可容许该结构的预定量的弯曲。
根据一优选实施方式，板段在接合构件140引导下沿轴向(平行于结构100的纵轴线)移动。弹簧130在结构100的所述段之间施加压缩力，同时接合构件140有助于使结构100稳定。在这样的实施方式中，接合构件140优选地相对强硬(即，对弯曲力有抵抗性)。
替代地，如果由于弹簧130相对于接合构件140的放置而实施为容许结构100弯曲，则横向弯曲(大致在板段110、120的平面中，但平行于其纵轴线)将通常比其垂直方向上(从板段110、120的平面出来(但仍在平行于结构的纵轴线的平面中))的小。在这样的实施方式中，接合构件140的刚度可通过改变接合构件140的材料特性，通过改变材料的成分、处理材料或通过改变其形状—特别是横截面形状—以改变其截面矩来选择。
如在图14和15A-15F中看到的，弹簧元件130包括接合孔135，接合孔135用于与在上板部分110a-c上形成的弹簧接合构件115和在下板部分120a-c上形成的弹簧接合构件125配合。弹簧元件130可由任何合适的材料形成，例如，包括但不限于不锈钢、钛合金、诸如镍钛诺等镍合金、聚合材料、陶瓷材料或复合材料。弹簧元件130的刚度可通过改变其材料特性、通过改变材料的成分、处理材料或通过改变其形状来选择。相对于弹簧130，整体弯曲的性质和在该区域中的部件的横截面可被改变以增加或降低其刚度。
如图示，弹簧130变窄到相对小的横截面面积。当轴向压缩是主要加载方式时，弹簧130可被设置成预受力的，其中弹簧的松弛状态导致结构100的长度比预受力状态下的短。在这样的实施方式中，结构100可在这些板段之间设置有可移除隔离件160(图1C)，可移除隔离件160在连接到脊柱段之后移除。因此，弹簧130在脊柱段上施加恒定的轴向压缩力。
根据本发明，选择接合构件140、弹簧130的刚度以及板段110、120的材料，以提供所述结构当与脊柱段连接时结构的期望弯曲量。根据一个方面，根据本发明的装置容许在各节段处横跨每个椎间隙在大约0和5.0mm之间、且优选地在大约1.0mm和3.0mm之间的轴向收缩。根据另一优选方面，题述装置容许在各节段处大约2.0mm的轴向收缩。如果需要，可在不同节段处改变所述结构的特性，在一个节段处提供比在另一节段处更大的预载荷力、或替代地对轴向收缩和/或弯曲的抵抗性，如果需要。
板段110和120、接合构件140和弹簧130的形状优选地在与相应的脊柱段结合时，产生非常接近于脊柱段的自然曲率的曲率。除了提供偏置以维持在整个椎间隙上的压力从而促进骨移植物的融合，所述曲率优选地非常接近于它所连接到的脊柱段的曲率。
此外，相邻板段之间的间隔可按需要来选择，并可例如在整个连续的椎间隙上在相邻的节段之间改变。当用于患者的个体骨骼时，此类灵活性容许更多的通用性。
而且，根据本发明的装置可配置成在整个椎骨间空间提供预加载以便于脊骨融合。这例如通过提供所组装的结构100的曲率偏置来完成。这可通过为接合构件140和/或弹簧130提供预先形成的弯曲来实现。这样的弯曲仅需要是轻微的，以导致有效的偏置。
与根据本发明的装置结合使用的螺钉，例如螺钉150，可包括本领域中已知的任何期望的结构。这样的螺钉可适合于在板段110、120的接合处具有弓形下表面的固定角插入或可变角插入。这样的螺钉可以是自攻或自钻的。下文关联图31A-H描述用在根据本发明的装置中的示例性螺钉的结构。
图16-29示出根据本发明的通常由参考数字200表示的动态脊柱板系统的另一示例性实施方式的各种视图。除了其它结构以外，结构200还具有成弓形地弯曲的杆或棒形弹簧230和一体凸轮元件261，其容许结构200用作静态板或动态板，从而在脊骨段的一个或多个节段处提供预载荷。简言之，如果凸轮261在移植之后置于锁定位置(例如，如图23所示)，或替代地在移植之前是解锁的，则无预载荷将施加到相应的节段。然而，如果凸轮261在移植期间被锁定且在连接到脊骨段之后解锁，则由相应的弹簧230提供的预载荷将被施加在该节段。
结构200包括与关联图1-15F讨论的结构100类似的很多部分。例如，结构200包括用于接纳与相应椎骨连接的螺钉的多个孔223a-c、多个下板部分220a-c、接合构件或导引件240、以及用于在相应的节段处施加预载荷的弹簧230，不过这些部分的配置可与结构100的部件大体上略微不同，如将在下面更详细描述的。
关联图1-15F讨论的结构100和图16-29中的结构200之间的显著差异包括单一上板210、一体凸轮261和相关部分、如果需要则施加预载荷的弹簧230的不同配置。
结构200的单一上板210在配置上与图1-15F中的结构100的单独的上板部分110a-c不同。单一上板有利地增强结构200的稳定性，因此也增强任何连接的脊骨段的稳定性，同时容许相邻的下板段220a、220b、220c的线性平移，因此也容许在整个连接的脊骨段上施加轴向载荷以促进融合。
如特别在图22A、22B和22C中可看到的，端板段220a、220c通过在下板段220a、220c中形成的阴型鸠尾榫228和在上板210上形成的阳型鸠尾榫218与上板210接合。鸠尾榫218、228约束端板段220a、220c与上板210之间沿着每个轴线—除了沿着纵轴线以外—的相对运动，该运动在扩展时被接合构件240和弹簧230约束，并在收缩时通过与诸如中间板220b等相邻板的干涉而被约束。上板210的鸠尾榫218的接合部容许设置有切口212，这容许所产生的上板210的叉形部214围绕切口212的偏转，鸠尾榫218在叉形部214上形成。
如同结构100一样，提供了用于促进结构200的稳定性并限制结构200扩展超出预定量的接合构件240。下板段220a-c包括凹槽227以容纳接合构件240，而上板210为此目的包括相应的凹槽217。上板210包括尾部216，尾部216在其中部分地限定用于接合构件240的凹槽217，并容许上板210和下板段220a、220b、220c之间在结构200的横向边缘处的紧密接合。
为了各自的目的在上板210中设置了不同的孔211a、211b、211c。中心孔211c设置成容许在组装期间下中间板段220b用销钉到上板210。这种销可用另一合适方式被锤击、焊接或连接到上板和下板。这种销可以例如通过铸造和/或加工与诸如下中间板段220b和上板210之一一体地形成。替代地，诸如板220b等任何中间板可用另一方式连接到上板210，例如通过关联例如端板段220a、220c讨论的鸠尾榫连接到上板210。
设置相应的孔211a以能够实现接近各凸轮261，以例如如图30B所示地在锁定位置和解锁位置之间转动凸轮261。也设置与下板段220a、220b、220c之间的间隙291a、291b成一直线的孔211b，孔211b提供透过结构200观察椎骨间空间的视窗，使得医生可在将结构220连接到脊骨段期间或之后，观察下板段220a、220b、220c之间的相对间隔，以及还有(椎骨和任何融合装置或材料的)骨移植的状况。医生可因此根据他或她的经验判定所述结构的该节段是否应保持静态、或凸轮261是否应被解锁以在该节段提供动态载荷应用。医生可考虑多种因素，包括他或她可例如在椎骨间空间中、在椎骨和任何融合材料之间观察到的任何间隙。
在移植之后，医生可选择将凸轮261中的一个或多个保持在锁定位置，或替代地，可在移植之前解锁一个或多个凸轮，使相应的间隙(例如，291a、291b)闭合。在任一情况下，结构200的该节段将基本上表现为静态板。然而，更典型地，例如，在移植之后，将通过将凸轮261从其在凹槽265中的位置转离来解锁每个凸轮261，如图26所示。在此时，即使没有可见的收缩出现，弹簧230也在该节段处开始在整个相应的间隙(例如，291a)上施加力，并因而对脊骨段施加力，这将典型地为椎骨之间的融合。
根据一替代性实施方式，凸轮261可设置成类似于下面关联图33-39的实施方式讨论的凸轮561。仍然替代地，凸轮261可配置成并适于在一个位置接合销以拉伸相应的弹簧230，从而因此在移植之后实现增加的预载荷。
弹簧230配置为弓形杆或棒。如图示，弹簧230的端部保持在销231中，销231是相对于凹槽215和225可平移的，凹槽215和225分别在上板210和下板220a、220c中形成(参见图23和24)。
在例如在图16、17、20和23中示出的结构200的最大扩展程度处，相邻下板段220a、220b和220c之间的间隙291a、291b也在其最大处，这是由中心弹簧230和横向放置的U形接合构件240限制，接合构件240接合在分别在上板110和各个下板段220a-c中形成的凹槽117、127中。凸轮261在相应的凸部267上转动，并在其锁定位置上接合在相邻板的面对表面上所形成的凹槽265，从而维持预定的间隔。除了凸轮261中的用于容纳凸部267的孔之外，可在凸轮中设置孔269以与用于转动凸轮261的工具接合。
这些部件的尺寸可选择成可改变相邻板之间的间隔量，然而，根据一个优选的实施方式，间隙291a、291b的最大间隔是大约2.0mm，例如用在颈椎骨段中。该间隔可根据结构200(或根据本发明的任何其它结构)的放置而选择成更大或更小，例如在1.0mm和3.0mm的平移之间。也就是说，如果用在腰椎骨段上，所述结构可配置成提供板段之间的更大的最大间隔，例如3.0mm、或如果指示用于特定的应用则也许更大。板段220a-c之间的最大间隔291a、291b确定弹簧230可将预载荷施加到脊骨的一个节段——例如在整个融合物上——所沿的最大行程范围。
一块骨、融合器或其它融合材料一般代替盘插在将融合在一起的椎骨之间，并承载由脊骨承载的大部分载荷。然后，结构200向它所连接到的脊骨段提供稳定性，同时将转移到所述结构的载荷转移最小化，这促进适当的融合。即使在没有外部载荷时，弹簧230也维持该段上的载荷。以这种方式，结构200(和根据本发明的其它结构)有利地容许融合材料的沉降(settling)，同时将相邻椎骨和融合材料之间的任何间隔最小化，从而进一步增强融合。
在图16-29的结构200的实施方式中，结构200的移植在图30A、30B和30C中示出，弹簧230是由弹性材料形成的弓形地成形的杆或棒元件。根据一优选的方面，弹簧230由诸如镍钛诺等形状记忆合金形成。根据一个方面，弹簧230在其自然状态中是直线形的，并在组装结构200时弯曲成所示的弓形结构。根据待施加的期望大小的力来选择弹簧230的直径。因此，弹簧230在试图恢复到其自然配置时以向外的弧形转动，初始通过在弹簧230端部处的销231将大体上沿横向向外的力借助于在外板段220a、220c中形成的槽缝225施加到外板段220a、220c。
在上板的下侧中形成的凹槽215依循由弹簧230引起的销231的弧形。在下端板段220a、220b中的槽缝225是直线形结构，且在板段220a、220b本身在闭合间隙291a、291b时的平移中提供销231的行进的弧形的纵向分量。销231在其内经过的下端板段220a、220b的槽缝225的直线形结构，促进将弹簧力的大体弓形施加转变成平行于端板段220a、220c的平移的轴向力。如可了解的，由弹簧施加的力的任何横向分量将由每个销231对称地施加，因此这些力在外板段220a、220c内彼此抵消，且不产生任何净外力。
如所配置的，槽缝225并不完全平行于板220a、220c的边缘。槽缝225的角度设置成增加在其上提供足够力施加的外板段220a、220c的平移距离。
根据本发明，目标力施加可在大约0N和90N之间(在大约0至20磅力之间)。根据本发明的一个实施方式，为了应用在颈椎骨段上，目标力施加在大约13N和44N之间(在大约3至10磅力之间)。替代地，根据脊骨段，目标力施加可更大或更小。根据本发明的另一实施方式，对于胸或腰椎骨段，用于施加的目标力在大约44N和89N之间(在大约10至20磅力之间)。如本文讨论的，如果期望对压缩力的抵抗，且不期望通过本文描述的任何结构施加预载荷，则这样的目标力是0N。根据本发明，足以安全地实现期望效应的任何力施加均是可以的。
图26示出在凸轮261刚与相对的凹槽265脱离之后的在扩展状态下的结构200。如在图28和29中示出的，在无所连接的脊骨段时，当凸轮261与相对的凹槽265脱离时，外板段210a、210c通过弹簧230的作用被向内拉。
图30A-C示出图16-29的动态脊柱板系统结构200在连接到脊骨段90的不同阶段中的移植。图30A示出在连接到三个脊椎主体91、93和95并横越脊骨段90的两个椎间隙92和94的在扩展状态下的结构200，且使用插入工具81插入的螺钉150。图30B示出在使用工具83将下凸轮261脱离的期间的结构200。图30C是在每个凸轮261从其各自相对的凹槽265脱离之后的结构200的平面图，且为了清楚起见移除了上板。由弹簧230施加的力由箭头指示，且施加到脊骨段的因而产生的力由平行于其纵轴线的箭头示出。如图示，在脱离之后，由于销231的定位，凸轮261不能完全转离相邻板。然而，当沉降出现且销231沿横向向外移动时，凸轮261可继续转动远离相邻板。
图31A-H是用在本发明的动态脊柱板系统上的各种螺钉结构的侧视图和横截面视图。图31A和31B示出具有自攻端254和容许与所连接的板以可变角接合的头部258的螺钉250。在螺钉250的头部258中设置用于接纳锁定元件的沟槽255，上述锁定元件可以是任何合适的元件，包括但不限于弹性O型环、弹性挡圈，或可以是另一合适的元件，例如可从美国加利福尼亚州的Foothill Ranch的Bal Seal Engineering公司买到的闭锁环形线圈。锁定元件可由任何合适的材料形成，例如金属、金属合金、弹性材料、硅树脂、氯丁橡胶(例如，Neoprene)或诸如聚醚醚酮(PEEK)的塑性材料，举例而言。可由螺钉承载的锁定元件可安置在设置于正使用的所述结构中的沟槽中。
如关联图1-15F的实施方式讨论的螺钉150一样，如果必要，螺钉250包括插槽153，用于接合用于移植的插入工具，且内螺纹153优选地设置成便于螺钉250的移出。图31C和31D是具有自钻端356和容许以可变角接合的头部258的螺钉350的侧视图和横截面视图。图31E和31F是具有头部459的螺钉450的侧视图和横截面视图，与螺钉250和350的头部258的较圆的横截面相比，头部459由于其梯形横截面而只容许与所连接的板以固定角接合。螺钉450还包括自钻端356。图31G和31H示出具有自攻端254和用于以固定角接合的头部459的螺钉550。
图32A是根据本发明的具有两个节段的板段320a、320b和单一上板310的动态脊柱板系统结构300的等轴视图。内部部件可以是本文所示的部件的任何一个，但如图示，结构300设置有与关联图16-29描述的结构200的弹簧配置类似的弹簧配置。
图32B是根据本发明的具有四个节段的板段420a、420b、420c和420d以及单一上板410的动态脊柱板系统结构400的等轴视图。内部部件可以是本文所示的部件的任何一个，但如图示，结构400设置有与关联图16-29描述的结构200的弹簧配置类似的弹簧配置。如上所述，中间板420a、420b可借助于销或以替代的方式连接。
在任何情况下，不超过一个的下板段(例如，420a-d)以不可平移的方式固定到上板410，通常是优选的，但不是必需的。在二节段结构的情况下，一个节段可借助于销钉到上板，或替代地，两者都可为相对于上板可滑动的。在三节段构造的情况下，如图16-29所示，中间板可以由销或其它结构以不可平移的方式固定。虽然鸠尾榫结构可应用于中间板，但用一个或多个销连接可使结构400更容易组装。因此，在四节段结构中，如图结构400一样，中间板中的一个，例如420b，可以以不可平移的方式用销钉固定，而中间板中的另一个，例如420c，可以通过上板410中的槽缝411用销钉固定。如果需要，这种销钉和槽缝411的结构可此外应用于、或替代地代替本文所述的任何鸠尾榫结构。
根据本发明，可按需要选择下板的数量。实际上，通常可使用的下板节段的数量范围可在2至6个之间。因此，根据本发明的任何结构可包括五或六个节段，即使那些未在本文中明确地说明。
图33-39是根据本发明的动态脊柱板系统结构500的另一示例性实施方式的各种视图，结构500具有带形弹簧530、以及适于并配置成容许多个可选择的预载荷的一体凸轮元件561。弹簧530可由任何合适的材料形成，但根据一个优选实施方式是形状记忆合金，例如镍钛诺。
如同图16-29所示的结构200一样，提供了单一上板510。然而，与图16-29所示的实施方式不同，图33-39的结构500的上板510包括其下侧上的凸轮表面512，如在图36中最佳地观察到的。当这些凸轮561转动成与结构500的中心轴线成一直线时，如图33、35和37所示，它们接合凸轮表面512，凸轮表面512然后用于向外推动外板段520a、520c使之远离中间板520b，这是因为凸轮561以可转动方式连接到外板段520a、520c，且上板510固定到中间板520b所致。因此，结构500可借助于沿此定向的凸轮561被植入。
在将结构500连接到脊骨段之后，可顺时针或逆时针转动各凸轮。凸轮561的形状是大体矩圆形的，具有从其延伸的突出部562、以及与用于致动凸轮561的工具相接合的插槽569。突出部562在其外端上包括止动部564和内钩形部566，止动部564用于在凸轮561顺时针转动时捕获住可滑动销531，内钩形部566用于在凸轮逆时针转动时捕获住可滑动销531。各凸轮561的这两个位置容许弹簧530的张力的可选择等级、以及因此施加到脊骨段的预载荷的可选择等级。这种凸轮配置可应用于本文所述结构的其它实施方式，包括但不限于关联图16-29所述的结构200。
如同上述结构200一样，可滑动销531保持在轨道525中，轨道525如所实施的大体上平行于端板段520a、520c的内边缘。
当在脊骨段上植入结构500时，因此相邻板之间的间隔由接合上板510的凸轮表面512的凸轮561维持。在连接到相应的椎骨之后，一个或多个凸轮561可保持在轴向位置，因而在该节段处本质上提供静态板。如果在一个或多个节段处期望动态载荷，则顺时针或逆时针地转动相应的凸轮561，如上所述，从而将可滑动销531固定在中间位置或在其横向上最向外的区域处。
在移植期间，医生可通过逆时针转动凸轮561中的一个或两个来施加两个可选择的预载荷中的较小者，从而将凸轮561保持在图38所示的位置。然后，医生可估计预载荷是否足以产生期望的效果，例如在减小相邻椎骨和融合材料之间的间隙方面。如果期望增加的预载荷，则凸轮561可顺时针转动(大约一次转动的一圈半)，从而将凸轮561保持在图39所示的位置，或反之亦然。
应注意，在图38和39所示的结构500的闭合配置中，因为所述结构未连接到脊骨段，因此间隙591a和592b完全闭合。如果所述结构连接到脊骨段，则间隙591a和592b在相应的凸轮561保持在锁定位置(平行于纵轴线)的情况下将保持不确定地打开，并将可能在某种程度上保持不确定地打开，除非在移植之后融合材料沉积到这样的程度，使得椎间隙收缩了相应的间隙591a和592b的总量。
用于包括板段110、120等上面所提出的部件的材料可例如包括不锈钢、钛合金、诸如镍钛诺等记忆金属、聚合材料、诸如氮化硅等陶瓷材料、或复合材料。
根据本发明的装置可应用于脊柱的任何区域，例如从第一颈椎骨(C1)到第一骶椎骨(S1)。当用在沿着脊柱的不同部位中时，板段110和120、接合构件140、弹簧130和螺钉150根据该区域中的椎骨主体的尺寸和将经受的加载状况而依尺寸制造。
根据本发明的套件可被提供，并包括一系列板尺寸、具有变化的刚度的弹簧130、具有变化的刚度和/或形状的接合构件、变化尺寸的骨螺钉，并可包括固定和/或可变角(多轴向)的螺钉。套件可包括具有适于颈和/或胸和/或腰和/或骶骨应用的尺寸的板。
如上文描述和在附图中示出的本发明的装置、系统和方法提供了具有优良的特性和通用性的脊柱板系统结构和有关的系统、方法和套件，并能适应性地增强骨移植物的融合。
简言之，根据本发明的结构可以是选择性地动态的，推动机构(dynamism)可以是被动的或主动的，且如果是主动的，可容易地选择预载荷的等级。也就是说，根据本发明的结构可用作完全静态的(在任何一个节段处都不是动态地主动的)结构，可用作在一个或多个节段处是静态的而在其余节段处是动态的，或可用作在所有节段处是动态的。而且，可选择的推动机构可以是主动的，例如其中预载荷由所述结构施加，或替代地是被动的，其中通过连接的脊骨段和所述结构之间的载荷分配来管理力。
在根据本发明的被动推动机构的应用中，所述结构可配置为对相邻板段之间的平移和/或弯曲中的压缩力提供预定量的阻力，从而容许所述结构和脊柱段之间的预定量的载荷分配。主动推动机构可包括可选择的预载荷，例如通过改变诸如一个或两个弹簧等一个或多个构件中的张力而可选择。而且，应注意，虽然本文使用术语“弹簧”，但可以理解，这种弹簧的外观可在常规弹簧概念中变化、且不限于常规弹簧概念。
可以理解，本申请人设想到本文关联一个实施方式描述的结构可有利地应用于本文描述的其它任何实施方式，即使这样的结构并未关联这种实施方式进行明确地描述也是如此，但不包括这些结构征相互排斥的情况。也就是说，特别设想到，一个实施方式的元件无限制地与另一实施方式的元件可互换，但不包括如果这些结构与其它结构不相容、或例如必须置换另一结构的情况。本领域技术人员将清楚，在不脱离本发明的主旨或范围的情况下，可对本发明的装置、系统和方法进行进一步的修改和变化。

Claims (8)

1.一种用于稳定脊柱段的脊柱结构，包括：
a)第一板段；
b)第二板段，第二板段连接到所述第一板段；
c)弹簧，弹簧连接在所述第一板段和所述第二板段之间，其中，所述弹簧是U形弹簧，所述U形弹簧具有都以滑动方式连接到所述第一板段的第一端部和第二端部，所述U形弹簧还具有在所述第一端部和所述第二端部之间延伸的弯曲部分，所述弯曲部分被所述第二板段捕获，使得所述U形弹簧在所述第一板段和所述第二板段之间施加净轴向压缩力；以及
d)凸轮，所述凸轮安装在所述第一板段上，以选择性地在抵靠所述第二板段上的凸轮表面以设定所述第一板段和所述第二板段之间具有静载荷的空间的锁定位置与使得U形弹簧施加动态压缩力的解锁位置之间转动。
2.根据权利要求1所述的脊柱结构，其中，所述弹簧适于并配置成提供所述第一板段和第二板段之间的预定的预载荷。
3.根据权利要求1所述的脊柱结构，其中，所述弹簧适于并配置成以预定的程度抵抗所述第一板段和第二板段之间的加载。
4.根据权利要求1所述的脊柱结构，还包括连接到所述第一板段和第二板段的共用上板。
5.根据权利要求4所述的脊柱结构，其中，所述第一板段和第二板段中的至少一个与所述共用上板适于并配置成在它们之间存在能大体上线性平移的连接。
6.根据权利要求1所述的脊柱结构，还包括由弹簧连接到所述第一板段和第二板段中的至少一个的第三板段。
7.根据权利要求1所述的脊柱结构，其中，所述结构适于并配置成使得跨越所述第一板段和第二板段之间的连接是在静态配置和动态配置之间能选择的。
8.一种用于稳定脊柱段的脊柱板系统结构，包括：
a)第一板段；
b)第二板段，第二板段连接到所述第一板段；
c)弹簧元件，弹簧元件连接在相邻的板段之间，适于并配置成提供相邻板段之间的预定的预载荷，以增强脊骨融合；
d)上板，上板连接到所述第一板段和第二板段；以及
e)凸轮，凸轮设置在所述第一板段和第二板段之一上，在与关联所述第一板段和第二板段中的另一个的凸轮表面的接合和与所述凸轮表面分离之间能移动，其中所述凸轮和所述凸轮表面之间的接合防止在所述第一板段和第二板段之间对脊骨段的动态加载，并且所述凸轮适于并配置成通过调整所述弹簧中的张力来调整在段之间施加的预载荷。
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