CN103565502A - 一种脊柱动态连接棒 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种脊柱动态连接棒，所述脊柱动态连接棒沿其纵向方向包括：上连接端；第一弹性件；以及下连接端，所述上连接端和所述下连接端通过所述第一弹性件相互连接，在所述第一弹性件中设有弹性孔，且弹性凹槽形成在所述第一弹性件的外周部中，并且与所述第一弹性件的弹性孔相通或不相通，其特征在于：所述弹性凹槽为多头螺旋凹槽结构。本发明的脊柱动态连接棒具有更好的力学性能和疲劳性能。

Description

一种脊柱动态连接棒

技术领域

本发明涉及技术领域为骨科内植物技术领域，特别地涉及一种脊柱动态连接棒。

背景技术

当椎间盘退变或小关节滑脱或退变时，会导致椎间高度丢失，后方结构不稳，从而会导致椎间孔和椎孔狭窄；而这种狭窄会压迫脊神经或神经根，导致病人腰腿疼、麻木等症状，严重影响病人的生活质量。

在解决这一问题上已知的最主要的方法是进行椎间融合术，通过该椎间融合术，可以保持椎间高度，减少神经结构的压力。目前，主要采用椎弓根螺钉系统（系统中连接棒通常是坚固的金属连接棒）、融合器以及各种板状器件进行坚强固定。然而，融合节段的相对固定会导致应力向邻近椎体集中，尤其会加重相邻椎体的负载。同时，融合节段的活动度丧失会导致相邻节段的活动范围增大，以补偿融合节段的活动能力，从而引起邻近节段的生物力学环境异常，生物力学环境的改变最终会导致邻近节段退变。

脊柱外科医生和科研人员研究发现，现有的椎弓根螺钉系统在植入后不能活动。虽然它增加了腰椎的稳定性，但是同时也改变了腰椎的生物力学环境，从而导致邻近节段退变的可能性。现在已经有一些腰椎动态植入物出现，但是它们的治疗效果较差，主要是稳定性能不够，运动范围过大，还会有棘突骨折、植入物松动等相关并发症，从而导致再次手术的可能性。另一方面，这些植入物不能或不适合治疗较为严重的腰椎退变症状，导致这些植入物的应用范围很窄。

近来，临床上已出现了几种椎弓根动态连接棒，用于各种程度的腰椎退变症状的手术治疗。这些动态连接棒的主要功能是在保证脊柱稳定的基础上，提供额外的动态运动性能。

现有技术专利文献US20070233075公开了一种椎弓根螺钉系统，其由螺钉、内核、间置物等组成，内核穿入间置物而置于相邻椎体的螺钉上，并由特殊的锁扣锁紧。通过调整内核与间置物的刚度可以为病人提供稳定性能和动态性能。该现有技术椎弓根螺钉系统需要提供内核和间置物，因而结构复杂，不方便手术植入。

Scient’x-Alphatec Spine公司提出了一种

TTL植入物，该植入物为一种动态连接棒，该连接棒的中间由一个完整的缓冲装置组成，该缓冲装置包含层叠的盘状钛合金结构，允许线性伸缩，控制轴向和成角运动。每个盘簧都经过氮氧化处理，增强了抗磨损能力。连接棒的缓冲特性在设计上允许0.4mm最大轴向压缩和拉伸，同时允许（在屈伸和侧屈时）最大成±2.25°的运动。缓冲特性可以起到线性弹性“缓冲器”的作用。在组合式装配系统中，其应用于非融合节段，仅仅限制了屈伸活动和轴向运动，但是没有侧弯和扭转性能。另外，该系统还包括预置近15°的前凸。该现有技术植入物的结构也较为复杂，需要较多的组装步骤，不方便手术植入。

现有技术专利文献CN100409820C提出了一种带形状记忆合金的生物柔性脊柱固定装置，其采用节状柔性纵向杆连接椎弓根螺钉，用横向连杆将纵向杆隔开。其采用形状记忆合金制成，因而能够简单方便地连接纵向杆和椎弓根螺钉。该固定装置虽可获得很好的柔韧性，但该固定装置的刚度较弱，稳定性不强，不能提供脊柱足够的动态稳定性能。

现有技术专利文献CN102106750A提出了一种脊柱动态连接棒，其包括上连接部、下连接部以及弹性件，所述上连接部和所述下连接部通过所述弹性件相互连接，其中所述上连接部、所述下连接部和所述弹性件一体地形成，在所述弹性件中设有弹性孔，且弹性凹槽形成在所述弹性件的外周部中。该脊柱动态连接棒能在提供脊柱稳定性的同时保持脊柱的正常生理活动。但是，该现有技术专利文献并没有对脊柱动态连接棒的力学性能和疲劳性能的改善提出进一步的建议。

发明内容

鉴于现有技术的缺陷，本发明的目的在于开发一种脊柱动态连接棒，该脊柱动态连接棒具有更好的力学性能和疲劳性能。

根据本发明，提供了一种脊柱动态连接棒，所述脊柱动态连接棒沿其纵向方向包括：上连接端；第一弹性件；以及下连接端，所述上连接端和所述下连接端通过所述第一弹性件相互连接，在所述第一弹性件中设有弹性孔，并且弹性凹槽形成在所述第一弹性件的外周部中，并且与所述第一弹性件的弹性孔相通或不相通，其特征在于：所述弹性凹槽为多头螺旋凹槽结构。

根据本发明的上述方案，所述脊柱动态连接棒的弹性凹槽为多头螺旋凹槽结构，由此通过多头螺旋凹槽结构的作用可以使该脊柱动态连接棒的载荷传导更为均匀，从而使其具有更好的力学性能和疲劳性能。

优选的是，所述多头螺旋凹槽结构具有固定螺距或者具有变化螺距。由此，可以控制所述脊柱动态连接棒的弹性段结构对载荷的线性或非线性响应。

优选的是，根据所述脊柱动态连接棒的承受载荷情况来设置所述弹性凹槽的起点和/或终点位置，以便减少在所述脊柱动态连接棒中产生的应力集中现象。由此，可以根据所述脊柱动态连接棒的不同载荷来设计相应的弹性凹槽的起点和/或终点位置，从而可以显著降低所述脊柱动态连接棒的应力集中现象。

优选的是，所述上连接端和所述下连接端相对于所述第一弹性件的中心线偏心布置，并且所述上连接端和/或所述下连接端的横截面为具有方向性的形状，以便与相应的椎弓根钉的凹槽配合。这里，“具有方向性的形状”是指一种非圆的横截面形状，从而能够使得所述上连接端和/或所述下连接端的横截面形状和相应的椎弓根钉的凹槽形成形状配合连接。所述具有方向性的形状可以是包括椭圆形、菱形和多边形的规则图形，或者是不规则图形。由此，可以实现所述上连接端和/或所述下连接端的非圆横截面与非圆的椎弓根钉凹槽配合，从而不仅可以实现更好的安装导向性，同时也可实现更为稳固的把持力，使所述脊柱动态连接棒在使用中不容易发生转动。

优选的是，所述脊柱动态连接棒的所述上连接端和/或所述下连接端一体地形成有延长段，使得所述脊柱动态连接棒能够在多节段腰椎手术中使用。所述延长段可以是刚性直棒，或者所述延长段可以具有一个或多个第二弹性件。所述第二弹性件的结构与所述第一弹性件的结构可以相同或不同。所述延长段的长度可以为一个或多个腰椎节段的长度。由此，在延长段为刚性直棒的情况下，则所述脊柱动态连接棒整体上可实现融合加动态稳定功能，可以预防融合邻近节段退行性病变。在延长段为弹性段结构的情况下，则所述脊柱动态连接棒整体上可以实现多节段动态稳定功能。

总之，根据本发明的脊柱动态连接棒能够具有更好的力学性能和疲劳性能，从而可以保证器械植入人体后的安全性和可靠性。而且，本发明的脊柱动态连接棒与其他动态椎弓根螺钉连接棒相比具有更优的弹性性能，符合脊柱生物力学要求；本发明的脊柱动态连接棒在保证脊柱稳定性能的前提下，可以提供脊柱更多的活动范围；本发明的脊柱动态连接棒还可以提供更为准确的脊柱动态连接棒的锁定方向和更为可靠的锁定；本发明的脊柱动态连接棒中的多头螺旋凹槽结构设计可以让脊柱动态连接棒的载荷传递更为平衡；本发明的脊柱动态连接棒中的特殊的螺旋凹槽起点和/或终点偏角设计可以有效减小应力集中现象。多头螺旋凹槽和特殊起点和/或终点偏角可以显著提高脊柱动态连接棒系统的疲劳性能。而且，本发明的结构主要是依靠镂空的螺旋凹槽来提供弹性参数可变的弹性性能，因而整个结构为单一结构，没有过多的组装步骤，避免了机械连接的磨损或失败，非常方便手术植入。

附图说明

从下面参考附图所描述的优选实施例中很容易理解本发明的上述特征和优点，其中在各个附图中相同的部分采用相同的附图标记来表示。

图1是应用于脊柱的本发明的脊柱动态连接棒的示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图。

图3是根据本发明的另一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图。

图4是脊柱动态连接棒的俯视图，其显示了四种不同的连接端结构。

图5是根据本发明的再一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图，其中所述脊柱动态连接棒带有双头螺旋凹槽。

图6是根据本发明的一个实施例的脊柱动态连接棒的俯视图，其显示了螺旋凹槽的起点和终点位置设计的一个例子。

图7是图6的脊柱动态连接棒的立体示意图。

图8是根据本发明的再一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图，其具有刚性直棒作为延长段。

图9是根据本发明的另外一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图，其中延长段具有另外一个弹性件。

具体实施方式

以下参考附图来详细描述本发明的优选实施例。

在现有技术中，脊柱融合手术的椎弓根螺钉系统连接棒通常是坚固的金属连接棒。这样的坚固的金属连接棒没有弹性。该坚固的金属连接棒能够使得脊柱的融合节段彼此相对固定。但是，融合节段的相对固定会导致应力向邻近椎体集中；同时，融合节段的活动度的丧失会导致相邻节段的活动范围增大，以补偿融合节段的活动能力，从而引起邻近节段的生物力学环境异常；而生物力学环境的改变会最终导致邻近节段退变。

本发明的装置属于脊柱非融合手术的椎弓根动态系统。图1是应用于脊柱的本发明的脊柱动态连接棒的示意图，图2是根据本发明的一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图。

在图1和图2中，附图标记1表示脊柱动态连接棒；附图标记2表示上连接端；附图标记3表示下连接端；附图标记4表示弹性件；附图标记5表示弹性凹槽；附图标记6表示弹性孔。

本发明的脊柱动态连接棒相对于原有的连接棒增加了一段弹性件4，该弹性件4可以为连接棒提供弹性性能，在连接棒植入后，维持脊柱一定的活动范围。整个脊柱动态连接棒1包括上连接端2、下连接端3、弹性件4、弹性凹槽5和弹性孔6。在脊柱动态连接棒1植入人体后，弹性件4能够维持人体脊柱在一定的活动范围内运动。

具体地，所述脊柱动态连接棒1沿其纵向方向包括：上连接端2；弹性件4；以及下连接端3。所述上连接端2和所述下连接端3通过所述弹性件4相互连接。在所述弹性件4中设有弹性孔6，且弹性凹槽5形成在所述弹性件4的外周部中。该脊柱动态连接棒1呈单体结构。脊柱动态连接棒1的上连接端2用于连接至人体脊柱结构的一部分，脊柱动态连接棒1的下连接端3用于连接至人体脊柱结构的另一部分。上连接端2和下连接端3通过位于其间的弹性件4连接在一起，且上连接端2、下连接端3和弹性件4形成为一体结构。上连接端2、下连接端3、弹性件4都具有柱状结构。在弹性件4的大致中部处钻出有所述弹性孔6，该弹性孔6大体沿其中心线延伸并且沿着纵向穿透通过弹性件4。在弹性件4的外周部中切出有弹性凹槽5。该弹性凹槽5在弹性件4的外周部中螺旋形地延伸。可以通过镂空弹性件4的外周部而形成所述弹性凹槽5。由于通过镂空弹性件4的外周部而形成弹性凹槽5，所以所述弹性凹槽5穿透弹性件4的外周部，使得中央的弹性孔6可以通过该弹性凹槽5与外部相通。此外，弹性凹槽5也可以以不穿透弹性件4的外周部的方式设置在弹性件4的外周部中，此时，弹性凹槽5与弹性孔6通过弹性件4的外周部而彼此分隔，从而弹性凹槽5与弹性孔6不连通。通过上面设计的脊柱动态连接棒1，弹性件4既可以维持脊柱的稳定性，又可以让脊柱在一定范围内活动，从而可以保持正常脊柱的生物力学环境。

由上可知，本发明属于一种椎弓根动态系统，其主要实现方式是：脊柱动态连接棒和椎弓根螺钉固定后，依靠脊柱动态连接棒的刚度提供脊柱的即刻稳定性，同时，脊柱动态连接棒的弹性部分又可以提供脊柱在一定范围内的活动度，从而保持正常脊柱的生物力学环境，防止邻近节段因坚强固定而导致的过度载荷，从而防止了邻近节段的退变。因此，本发明的脊柱动态连接棒可以在恢复椎间高度、减少脊神经压力、提供脊柱稳定性的同时，保持脊柱的正常旋转中心，提供治疗后的微动，降低邻近节段退变的可能性。

图3是根据本发明的另一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图，图4是脊柱动态连接棒的俯视图，其显示了四种不同的连接端结构。类似地，附图标记2表示上连接端；附图标记3表示下连接端；附图标记4表示弹性件；附图标记6表示弹性孔。如图3、4所示，脊柱动态连接棒的上连接端2和下连接端3相对于所述弹性件4的中心线偏心布置，并且所述上连接端2和/或所述下连接端3的横截面可以为具有方向性的形状，以便与相应的椎弓根钉的凹槽配合。所述具有方向性的形状可以是包括椭圆形、菱形和多边形的规则图形，或者是不规则图形。图4中分别示出了上连接端2和下连接端3的横截面分别可以为椭圆形、方形、菱形或正六边形。由于脊柱动态连接棒的安装具有方向性，所以通过上述的具有方向性的形状的连接端横截面形状（非圆横截面），可以实现所述上连接端和/或所述下连接端的非圆横截面与非圆的椎弓根钉凹槽配合，从而不仅可以实现更好的安装导向性，同时也可实现更为稳固的把持力，使所述脊柱动态连接棒在使用中不容易发生转动。

图5是根据本发明的再一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图，其中所述脊柱动态连接棒1带有双头螺旋凹槽。如图5所示，所述脊柱动态连接棒1形成有弹性凹槽，所述弹性凹槽可以为多头螺旋凹槽结构。本文中所述的“多头螺旋凹槽”包括双头或更多头螺旋凹槽，图5中示出了具有双头螺旋凹槽的结构的脊柱动态连接棒1，其中，附图标记7表示第一头螺旋凹槽，附图标记8表示第二头螺旋凹槽。因为所述脊柱动态连接棒1的弹性凹槽为多头螺旋凹槽结构，所以，通过多头螺旋凹槽结构的作用可以使脊柱动态连接棒的载荷传导更为均匀。所述多头螺旋凹槽结构可以具有固定螺距或者具有变化螺距，由此可以相应地控制脊柱动态连接棒的弹性段结构对载荷的线性或非线性响应。

图6是根据本发明的一个实施例的脊柱动态连接棒的俯视图，其显示了螺旋凹槽的起点和终点位置设计的一个例子，图7是图6的脊柱动态连接棒的立体示意图。类似地，附图标记1表示脊柱动态连接棒；附图标记2表示上连接端；附图标记3表示下连接端；附图标记6表示弹性孔。脊柱动态连接棒的弹性凹槽的起点和终点位置对于脊柱动态连接棒整体结构在承载时的应力分布情况影响很大。根据本发明，可以根据所述脊柱动态连接棒1的承受载荷情况来设置所述弹性凹槽的起点和/或终点位置，以便减少在所述脊柱动态连接棒1中产生的应力集中现象。由此，可以根据脊柱动态连接棒1的不同载荷来设计相应的螺旋凹槽的起点和/或终点位置，从而可以显著降低所述脊柱动态连接棒1的应力集中现象。例如，关于螺旋凹槽的起点和/或终点位置的具体的偏角设置，可以通过有限元分析软件来进行实验设计。比如，对于具有双头螺旋凹槽的脊柱动态连接棒1而言，可以预先设置一个角度α和角度β的设计范围（角度α和角度β分别是两条螺旋凹槽的起点和终点位置相对于弹性件的中性面的夹角），然后通过有限元分析软件找出许多个在这个范围内的两个角度的设计组合，并通过迭代计算找到其中的最优解，使得在该角度组合的情况下承受固定载荷的脊柱动态连接棒上产生的应力最小（尤其是弹性件的弹性凹槽上的应力最小），由此在这种设计参数的指导下，可以使脊柱动态连接棒在承受人体载荷情况时发生材料屈服或者破坏的可能性降到最低。最后，还可再结合具体加工工艺确定一个比较有利于实际加工又符合上述设计的角度组合。例如，如果脊柱动态连接棒1有两条螺旋凹槽，则两条螺旋凹槽中的一条凹槽的起点与中性面可以成30°夹角，而另外一条凹槽可以与中性面成25°夹角。

图8是根据本发明的再一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图，其具有刚性直棒9作为延长段11；图9是根据本发明的另外一个实施例的脊柱动态连接棒的立体示意图，其中延长段12具有另外一个弹性件10。类似地，附图标记2表示上连接端；附图标记3表示下连接端；附图标记4表示弹性件。所述脊柱动态连接棒的所述上连接端2和/或所述下连接端3可以一体地形成有延长段11、12，使得所述脊柱动态连接棒能够在多节段腰椎手术中使用。如图8所示，所述延长段11是刚性直棒9。所述延长段也可以具有一个或多个另外的弹性件，如图9所示，所述延长段12可以具有一个另外的弹性件10，该另外的弹性件10的结构可以与前面所述的弹性件4的结构相同。此外，所述延长段的上述一个或多个另外的弹性件的结构也可以与前面所述的弹性件4的结构不相同。所述延长段11、12的长度可以为一个或多个腰椎节段的长度。由此，在延长段为刚性直棒的情况下，则所述脊柱动态连接棒整体上可实现融合加动态稳定功能，可以预防融合邻近节段退行性病变。在延长段为弹性段结构的情况下，则所述脊柱动态连接棒整体上可实现多节段动态稳定功能。

总之，根据本发明的脊柱动态连接棒能够具有更好的力学性能和疲劳性能，从而可以保证器械植入人体后的安全性和可靠性。而且，本发明的脊柱动态连接棒与其他动态椎弓根螺钉连接棒相比具有更优的弹性性能，符合脊柱生物力学要求；本发明的脊柱动态连接棒在保证脊柱稳定性能的前提下，可以提供脊柱更多的活动范围；本发明的脊柱动态连接棒还可以提供更为准确的脊柱动态连接棒的锁定方向和更为可靠的锁定；本发明的脊柱动态连接棒中的多头螺旋凹槽结构设计可以让脊柱动态连接棒的载荷传递更为平衡；本发明的脊柱动态连接棒中的特殊的螺旋凹槽起点和/或终点偏角设计可以有效减小应力集中现象。多头螺旋凹槽和特殊起点和/或终点偏角可以显著提高脊柱动态连接棒系统的疲劳性能。而且，本发明的结构主要是依靠镂空的螺旋凹槽来提供弹性参数可变的弹性性能，因而整个结构为单一结构，没有过多的组装步骤，避免了机械连接的磨损或失败，非常方便手术植入。

对于本领域的普通技术人员而言，可以很容易对本发明的实施例的细节进行各种变型和改进。这些变型和改进都落在本发明的构思的范围之内。

Claims (10)

1.一种脊柱动态连接棒，所述脊柱动态连接棒（1）沿其纵向方向包括：上连接端（2）；第一弹性件（4）；以及下连接端（3），

所述上连接端（2）和所述下连接端（3）通过所述第一弹性件（4）相互连接，在所述第一弹性件（4）中设有弹性孔（6），并且

弹性凹槽（5）形成在所述第一弹性件（4）的外周部中，并且与所述第一弹性件（4）的弹性孔（6）相通或不相通，

其特征在于：

所述弹性凹槽（5）为多头螺旋凹槽结构。

2.根据权利要求1所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述多头螺旋凹槽结构具有固定螺距或者具有变化螺距。

3.根据权利要求1所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

根据所述脊柱动态连接棒（1）的承受载荷情况来设置所述弹性凹槽（5）的起点和/或终点位置。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述上连接端（2）和所述下连接端（3）相对于所述第一弹性件（4）的中心线偏心布置，并且所述上连接端（2）和/或所述下连接端（3）的横截面为具有方向性的形状。

5.根据权利要求4所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述具有方向性的形状是包括椭圆形、菱形和多边形的规则图形，或者是不规则图形。

6.根据权利要求1至3中的任一项所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述脊柱动态连接棒（1）的所述上连接端（2）和/或所述下连接端（3）一体地形成有延长段（11、12）。

7.根据权利要求6所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述延长段（11）是刚性直棒（9）。

8.根据权利要求6所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述延长段（12）具有一个或多个第二弹性件（10）。

9.根据权利要求8所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述第二弹性件（10）的结构与所述第一弹性件（4）的结构相同或不同。

10.根据权利要求6所述的脊柱动态连接棒，其特征在于：

所述延长段（11、12）的长度为一个或多个腰椎节段的长度。

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