СПОСОБ ОБРАБОТКИ КОСТНОЙ ТКАНИ И ХИРУРГИЧЕСКИЙ ИНСТРУМЕНТ Российский патент 1994 года по МПК A61B17/16 A61B17/56 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при выполнении хирургических операций для остеопротезирования.

Известен способ обработки костной ткани, заключающийся в том, что вращающееся сверло поступательно перемещают в костной ткани.

При применении этого способа используют хирургический инструмент, содержащий управляемый электропривод, вал которого кинематически связан с зажимным приспособлением, выполненным с возможностью закрепления сменного сверла. Данное техническое решение позволяет высверливать каналы в костной ткани. Однако оно обладает рядом недостатков, а именно: сверло разрывает мягкие ткани, в связи с большой поверхностью трения и площадью резания происходит значительное тепловыделение в зоне канала, что приводит к пригоранию костной ткани или требует дополнительных мер по ее охлаждению, из-за большого количества стружки загрязняется операционное поле, значительная инерционность сверла не позволяет с большой точностью выдерживать требуемую глубину сверления, кроме того при достаточно длинном канале практически невозможно выдержать заданное направление, а при начале сверления сверло, как правило, рыскает по поверхности кости, что приводит к дополнительной травматизации.

Частично эти недостатки устранены в другом известном устройстве и в способе обработки костной ткани, заключающемся в том, что вращают трубчатое сверло с зубчатой коронкой и поступательно перемещают его в костные ткани. Известен осцилляторный хирургический инструмент для осуществления этого способа, содержащий силовой блок, имеющий управляемый электропривод и кинематически связанный с валом электропривода выходной вал, сменный насадок, имеющий входной вал и кинематически связанный с ним режущий инструмент, передаточный механизм, кинематически связывающий выходной вал силового блока с входным валом сменного насадка, и механизм фиксации сменного насадка на корпусе силового блока.

Данное техническое решение принято за прототип. Однако прототипу присущ ряд недостатков, а именно: мягкие ткани по-прежнему травмируются, несмотря на меньшую площадь поверхности резания и отсутствие режущей кромки на боковой поверхности сверла, тепловыделение достаточно велико, также велика и инерционность сверла, несмотря на уменьшение его массы, что вызывает повышенную травматизацию костной ткани из-за невозможности точно выдержать глубину сверления, кроме того в начале сверления сверло также рыскает по поверхности кости и направление сверления может меняться при достаточно большой глубине канала, что также приводит к повышенной травматизации кости. Также следует учесть, что в прототипе может быть использован только один тип режущего инструмента - сверло, т. е. прототипу присущи достаточно низкие функциональные возможности.

Результатом реализации данного изобретения является снижение травматизации в предложенном способе и расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства.

Данный результат может быть достигнут за счет того, что в способе обработки костной ткани вращение трубчатого сверла осуществляют в виде угловых гармонических колебательных перемещений с частотой, находящейся в пределах 20,5-23,5 Гц, а отношение линейной величины углового перемещения трубчатого сверла к шагу зубьев его зубчатой коронки составляет 2,23-2,38, а в осцилляторном хирургическом инструменте передаточный механизм выполнен в виде вилки, жестко закрепленной на входном валу сменного насадка и размещенного в полости вилки с возможностью перемещения эксцентрика, жестко закрепленного на выходном валу силового блока, и имеет механизм изменения величины эксцентриситета эксцентрика и механизм изменения расстояния между центром качания вилки и центром вращения эксцентрика.

Достигаемый результат может быть количественно увеличен за счет того, что механизм изменения величины эксцентриситета выполнен в виде проточки в теле эксцентрика и фиксирующего винта для закрепления выходного вала силового блока в проточке эксцентрика, за счет того, что механизм изменения расстояния между центром качания вилки и центром вращения эксцентрика выполнен в виде фиксирующего винта, размещенного в корпусе силового блока с возможностью взаимодействия с выходным валом, а последний размещен в корпусе на мягкой подвеске с возможностью перемещения в продольной плоскости корпуса силового блока, а также за счет того, что режущий инструмент выполнен в виде трубчатого сверла с зубчатой коронкой, причем зубья коронки выполнены с углом при вершине, находящимся в пределах 58^о-61^о, и имеют разводку через один зуб в наружном направлении.

В обосновании возможности достижения технического результата отмечается следующее. Вращение трубчатого сверла в виде угловых гармонических колебаний позволяет не рвать (резать), а растягивать мягкие ткани, что снижает степень травмирования последних. При этом при отношении линейной величины углового перемещения сверла к шагу его зубьев пределах 2,23-2,38 имеется оптимум с точки зрения степени травматизации. Как показали экспериментальные исследования при значении упомянутого отношения менее 2,23 травмирование мягких тканей практически не наблюдается, с другой стороны, при такой амплитуде колебаний для поддержания требуемой скорости сверления необходима достаточно высокая частота колебаний, что приводит к большому тепловыделению по боковой поверхности сверла (т. е. к повышенному травмированию из-за нагрева костной ткани), при значении выше 2,38, независимо от частоты колебаний мягкие ткани начинают травмироваться. При частоте выше 23,5 Гц, как показали экспериментальные исследования, практически независимо от величины амплитуды, тепловыделение от трения сверла приводит к неизбежному пригоранию костной ткани. Кроме того при таких частотах повышенная инерционность (велика угловая скорость), не позволяет точно выдержать глубину сверления. Оба этих фактора повышают степень травмирования как костных , так и мягких тканей. Частота же менее 20,5 Гц, при заданном соотношении линейной величины разворота к шагу зубьев приводит к снижению скорости сверления, а поскольку в этом случае время сверления возрастает много больше, а не пропорционально величине уменьшения скорости, то суммарное тепловыделение также возрастает и приводит к пригоранию костной ткани и повышенной травматизации.

Экспериментальные исследования проводились на свежей костной ткани, не потерявшей биологические свойства. Измерения температуры поверхности костной ткани в зоне обработки проводились с помощью контактных термопар. Выборка из полученных экспериментальных данных изложена в таблице, где показаны значения температуры поверхности костной ткани в зависимости от частоты колебаний и от отношения перемещения сверла к шагу зубьев.

Как следует из представленных значений, выбранный диапазон является оптимальным с точки зрения тепловыделения.

Такое выполнение осцилляторного хирургического инструмента позволяет получить режим вращения в виде угловых гармонических колебаний, т. е. реализовать предлагаемый способ. При этом при данной конструкции с помощью единого силового блока можно использовать трубчатое, а также обычное спиральное сверло, которое может быть выполнено с боковой режущей кромкой (при величине эксцентриситета, равной величине расстояния между центром качания вилки и центром вращения эксцентрика - режим обычного вращения). Наличие механизма изменения величины эксцентриситета позволяет менять амплитуду колебаний, т. е. линейную величину углового перемещения сверла, а наличие механизма изменения межцентрового расстояния - частоту угловых колебательных перемещений. Выполнение угла при вершине зуба в пределах 58-61^о при угле разводки 3,6-8,1^о позволяет, как показали экспериментальные исследования, во-первых, совместно с разводкой зубьев через один наружу точно выдерживать направление сверления, а во-вторых, избежать рысканья сверла по поверхности кости. Так при величине угла 58^о рысканье сверла практически отсутствует, однако точность соблюдения направления сверления хоть и приемлема, но не высока, с другой стороны, при угле равном 61^о упомянутая точность крайне высока, но сверло начинает рыскать по поверхности кости.

Таким образом в свете изложенного можно считать технический результат достигнутым.

На фиг. 1 представлено трубчатое сверло, разрез; на фиг. 2 - вид Б на фиг. 1; на фиг. 3 - осцилляторный хирургический инструмент, общий вид; на фиг. 4 - сменный насадок со сверлом; на фиг. 5 - разрез А-А на фиг. 1.

Осцилляторный хирургический инструмент содержит силовой блок, в корпусе 1 которого размещены управляемый электродвигатель 2 и промежуточный вал 3, кинематически связанный с валом 4 электродвигателя 2, сменная насадка 5, имеющая входной вал 6 и сменный режущий инструмент, а именно трубчатое сверло 7 или спиральное сверло 8. В насадке 5 режущий инструмент кинематически, с помощью механической передачи (условно не показана) связан с входным валом 6. Вращение промежуточного вала 3 по входному валу 6 насадки 5 передается через передаточный механизм, который может состоять из ведущей шестерни 10 и ведущей шестерни 11, которая шпилькой жестко связана с диском 12, закрепленным на промежуточном валу 3 блока. Для фиксации сменной насадки на корпус 1 силового блока может быть использован пружинный фиксатор 13. Для преобразования вращательного движения промежуточного вала 3 в угловые гармонические колебательные движения режущего инструмента используется передаточный механизм, в котором также имеется эксцентрик 14, жестко закрепленный с помощью винта 15 на промежуточном валу 3, и вилка 16, закрепленная на входном валу 6. При необходимости замены режущего инструмента используется фиксирующий винт 17, установленный в насадке 5. Для изменения величины эксцентриситета эксцентрика 14, т. е. для изменения линейной величины углового перемещения трубчатого сверла 7, а она по отношению к шагу зубьев 18 коронки 19 должна составлять 2,23-2,38, служит проточка 20, выполненная в эксцентрике 14. Промежуточный вал 3 вставляется в проточку 20 и в необходимом положении фиксируется винтом 15, при необходимости изменения величины эксцентриситета промежуточный вал 3 сдвигается по проточке 20 и фиксируется винтом 15 в новом положении. Промежуточный вал 3 подвешен в корпусе 1 силового блока на мягкой подвеске с помощью пружин 21. При необходимости изменения межцентрового расстояния, т. е. расстояния между центром 22 качания вилки 16 и центром 23 вращения эксцентрика 14, промежуточный вал 3 перемещается с помощью фиксирующих винтов. Зубья 19 коронки отогнуты через один наружу, т. е. разводка зубьев 19 осуществляется через один. Угол 25 при вершине зуба должен находиться в пределах 58-61^о, а угол между отогнутым зубом 26 и неотогнутым зубом 27 должен быть в пределах 3,6-8,1^о, причем данный угол определяется между поверхностями зубьев 18, направленными одна навстречу другой.

Устройство работает следующим образом. До начала операции с помощью винта 15 регулируют величину эксцентриситета эксцентрика 14, т. е. регулирует амплитуду угловых гармонических перемещений трубчатого сверла 7, которая должна составлять 2,23-2,38 шага зубьев сверла. Затем с помощью винтов 24 регулируют межцентровое расстояние эксцентрика 14 и вилки 16, задавая тем самым частоту колебаний, т. е. угловую скорость сверла 7, которая должна быть в пределах 20,5-23,5 Гц.

После этого включается питание электродвигателя 2 силового блока, промежуточный вал 3 которого начинает вращаться. Вращение через шестерни 10 и 11, диск 12 передаточного механизма передается на эксцентрик 14, который передает вращение вилки 16, преобразующей вращательное движение эксцентрика в гармонические угловые колебательные перемещения входного вала 6 сменного насадка 5.

Фиксированный винтом 17 в насадке 5 режущий инструмент начинает совершать угловые колебания, его подводят к костной ткани и начинают поступательно перемещать. При использовании в качестве режущего инструмента трубчатого сверла 7 в полости последнего остается керн, который после окончания сверления необходимо удалить, после чего инструмент снова готов к работе. Оставшийся керн можно использовать в качестве штифтов при остеопротезировании.

При необходимости смены типа режущего инструмента нажимают на фиксатор 13, сменная насадка 5 освобождается от зажима и снимается. На ее место ставится другая, после чего фиксатор 13 опускается и жестко фиксируется насадка 5. (56) Проспект Б. Браун, Мельзунген. N 0198, 1990.

Авторское свидетельство СССР N 1144695, кл. A 61 B 17/16, 1983.

Изобретение относится к медицинской технике, может быть использовано при проведении остеохирургических операций и позволяет снизить травматизацию костных и мягких тканей. Хирургический инструмент преобразует с помощью эксцентрика 14 и вилки 6 вращательное движение вала 4 и электродвигателя 2 силового блока в угловые гармонические колебательные движения трубчатого сверла 7. Амплитуда колебаний в линейной размерности должна составлять 2,23-2,38 шага зубьев коронки трубчатого сверла 7, а частота колебаний должна быть в пределах 20,5-23,5 Гц. Угол при вершине зубьев коронки должен быть в пределах 58 - 61, а угол разводки зубьев должен составлять 3,6 - 8,1, причем разводка зубьев осуществляется через один зуб наружу. 2 с. и 5 3. п. ф-лы, 1 табл, 5 ил.

1. Способ обработки костной ткани путем сверления трубчатым сверлом с зубчатой короной, отличающийся тем, что сверление осуществляют за счет угловых гармонических перемещений сверла с частотой 20,5 - 23,5, а отношение линейной величины углового перемещения трубчатого сверла к шагу зубьев его зубчатой коронки составляет 2,23 - 2,38. 2. Хирургический инструмент, содержащий силовой блок в виде размещенного в корпусе промежуточного вала с фиксатором под вал привода и с жестко закрепленным эксцентриком, установленным с возможностью взаимодействия с внутренней поверхностью передаточного механизма, выполненного в виде вилки, соединенной с выходным валом, кинематически связанные с режущим элементом и размещенным с возможностью осевого перемещения в насадке, закрепленной на корпусе при помощи стопора и связанной с механизмом изменения амплитуды колебаний режущего элемента, отличающийся тем, что его привод выполнен в виде установленного в корпусе управляемого электродвигателя, причем вилка жестко соединена с выходным валом, а насадка выполнена сменной, при этом механизм изменения амплитуды колебаний режущего элемента выполнен в виде узлов изменения эксцентриситета эксцентрика и изменения расстояния между центром качения вилки и центром вращения эксцентрика. 3. Инструмент по п. 1, отличающийся тем, что узел изменения эксцентриситета эксцентрика выполнен в виде винтового прижима, установленного с возможностью взаимодействия с концом промежуточного вала, размещенного с возможностью перемещения в выполненной в эксцентрике проточке. 4. Инструмент по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что узел изменения расстояния между центром качения вилки и центром вращения эксцентрика выполнен в виде фиксирующего винта, установленного с возможностью взаимодействия с расположенным на мягкой подвеске выходным валом. 5. Инструмент по пп. 2 - 4, отличающийся тем, что его режущий элемент выполнен в виде трубчатого сверла с зубчатой коронкой, снабженной выполненной через один зуб разводкой, ориентированной в противоположную от поверхности сверла сторону, причем каждый зуб выполнен с углом при вершине 58 - 61^o. 6. Инструмент по пп. 2 - 4, отличающийся тем, что его режущий элемент выполнен в виде спирального сверла. 7. Инструмент по пп. 2 - 5, отличающийся тем, что его разводка зубьев выполнена под углом 3,6 - 8,1^o.