АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ОРТОПЕДИЧЕСКИЙ АППАРАТ ОСТЕОСИНТЕЗА

Автоматизированный ортопедический аппарат остеосинтеза (далее - аппарат) относится к медицинской технике и может применяться при операциях, связанных с фиксацией костных отломков и регенерацией костной ткани конечностей.
Известно «Одностороннее фиксирующее устройство» [1], содержащее два подвижных шарнира, установленные на базовой стойке и ее штоке в месте расширения. Шток выполнен с канавкой под шпонку, расположенной в пазу корпуса базовой стойки. Исполнительный механизм базовой стойки в виде передачи винт-гайка скольжения регулирует расстояние между шарнирами. Шарниры имеют регулировку расположения штырей, входящих в костные отломки, по трем угловым координатам.
Это достаточно простая и компактная конструкция обладает повышенной осевой жесткостью фиксации костных отломков за счет использования костных резьбовых стержней вместо тонких спиц.
Недостатками устройства являются низкий КПД исполнительного механизма в виде передачи винт-гайка скольжения, узкий диапазон микроперемещений, ограниченный низкой редукцией этой передачи и отсутствие возможности вручную обеспечить равномерность процесса дистракции во время лечения.
Наиболее близким аналогом является «Компрессионно-дистракционный аппарат Платова» [2], содержащий кольца со спицами, соединенные резьбовыми стержнями дистракторов, связанными через преобразователь вращательного движения в поступательное в виде роликовинтовой передачи с промежуточными телами качения (РВП) с приводным устройством, выполненным в виде автономных электромеханических приводов (ЭМП), выходной вал каждого из которых установлен на двух подшипниках, один из которых упорный. Электрические привода соединены через блок управления с блоком питания.
Аппарат улучшает условия регенерации костной ткани за счет применения трех автономных управляемых ЭМП, обеспечивающих дозированные микроперемещения костных отломков.
Применение в качестве исполнительного механизма РВП увеличивает КПД привода вследствие замены трения скольжения на трение качения и позволяет конструктивно обеспечить перемещение гайки за оборот винта как больше, так и меньше шага резьбы [3].
Недостатком конструкции следует признать наличие промежуточного редуктора между двигателем и исполнительным механизмом, которое удлиняет кинематическую цепь, снижая КПД, надежность и точность ЭМП [4]. Потери на трение в подшипниках и в зубчатых зацеплениях редуктора увеличивают энергопотребление каждого из трех ЭМП в составе аппарата и снижают время его автономной работы от блока питания.
Аппарат Платова имеет низкую жесткость вдоль оси дистракции, обусловленную использованием для фиксации костных отломков спиц, которые обладают значительно меньшей жесткостью по сравнению с жесткостью ЭМП.
В отличие от аналога, где радиальные силы воспринимаются корпусом базовой стойки, в прототипе винт РВП является несущим, поэтому его жесткость накладывает ограничения на возможность уменьшения его диаметра, а, следовательно, габаритные размеры ЭМП. Кроме того, изгиб винта приводит к повышению трения в резьбовых сопряжениях и может вызвать заклинивание РВП [5].
Использование трех ЭМП, установленных на кольцах, значительно усложняет конструкцию, снижает ее надежность и КПД.
Задачей данной полезной модели является разработка компактной конструкции автоматизированного ортопедического аппарата остеосинтеза, имеющего повышенную жесткость, надежность и КПД.
Указанная цель достигается тем, что автоматизированный ортопедический аппарат остеосинтеза, содержащий электромеханический привод, двигатель которого соединен через блок управления с блоком питания, а исполнительный механизм, преобразующий вращательное движение в поступательное, выполнен в виде самотормозящейся роликовинтовой передачи с промежуточными телами качения, аппарат содержит кронштейны для фиксации костных резьбовых стержней, установленные как на неподвижном цилиндре, так и на сменном ходовом цилиндре, шток электромеханического привода механически связан с ходовым цилиндром и гайкой самотормозящейся роликовинтовой передачи, винт которой установлен в подшипнике неподвижного цилиндра, имеющего на своей внутренней поверхности выступы, входящие в пазы на штоке, двигатель вместе с корпусом закреплен в неподвижном цилиндре гайкой-фиксатором, система регистрации осевых усилий выполнена в виде кольцевого датчика, установленного в неподвижном цилиндре и контактирующего с наружным кольцом подшипника.
Сущность полезной модели представлена в описании и на чертежах, на которых изображены:
Фиг. 1 - общий вид аппарата;
Фиг. 2 - поперечный разрез ЭМП с ходовым цилиндром.
Ортопедический аппарат состоит из ЭМП 1 и механически соединенного с ним сменного ходового цилиндра 2. Кронштейны 3 и 4, состоящие из захвата 5 и устройства регулировки отклонений 6 костных резьбовых стержней 7, расположены на неподвижном цилиндре 8 ЭМП и сменном ходовом цилиндре, соответственно.
ЭМП содержит исполнительный механизм в виде РВП, состоящей из винта 9, резьбовых роликов 10 и гайки 11. Гайка соединена со штоком 12, внутренняя цилиндрическая поверхность которого контактирует с вкладышем 13, установленным в канавке на винте.
Винт установлен в подшипнике 14 неподвижного цилиндра и соединен с валом двигателя 15. Подшипник своим наружным кольцом опирается на кольцевой датчик усилий 16. Гайка 17 фиксирует датчик усилий и подшипник в неподвижном цилиндре.
Двигатель вместе с корпусом 18 закреплен в неподвижном цилиндре гайкой-фиксатором 19.
Монтаж и работа аппарата осуществляются следующим образом.
Костные резьбовые стержни 7 фиксируют костные отломки и устанавливаются в кронштейны 3 и 4. С помощью устройства регулировки отклонения 6 костным резьбовым стержням обеспечивается необходимое положение относительно оси ЭМП.
ЭМП приводится в движение от двигателя 15, управление которым осуществляется от микропроцессорной системы управления, расположенной в блоке управления (на чертежах не показана), в соответствии с программой, заданной лечащим врачом. Питание микропроцессорной системы управления осуществляется от малогабаритного аккумулятора, который, как и ЭМП, может располагаться на пациенте.
Необходимая информация о текущем положении штока 12 относительно неподвижного цилиндра 8 в процессе лечения поступает к лечащему врачу с блока управления, а информация о нагрузке на ЭМП - с кольцевого датчика усилий 16 через блок управления. Кольцевой датчик усилий установлен в неподвижном цилиндре между гайкой 17 и подшипником 14. При этом осевые силы, возникающие в процессе дистракции со стороны конечности, воспринимаются через шток 12 гайкой 11 РВП и далее через ролики 10 передаются на винт 9. С винта усилие передается через подшипник на кольцевой датчик усилий и блок управления.
Резьбовые ролики 10, приводимые в движение от винта 9 РВП, перекатываются по винту и гайке 11, без смещения относительно последней. Так как угол подъема резьбы на винте отличается от угла подъема резьбы на роликах, то гайка с роликами получает осевое перемещение относительно винта и заставляет шток 12 перемещается вдоль оси ЭМП. Соединенный со штоком ходовой цилиндр 2 перемещается в том же направлении относительно неподвижного цилиндра 8, увеличивая или уменьшая расстояние между кронштейнами 3 и 4.
Несимметричное расположение аппарата относительно конечности пациента, приводит к возникновению сил со стороны стержней 7, стремящихся изогнуть ось ЭМП. Эти силы, как правило, растут пропорционально наращиванию костной ткани. В представленной конструкции силы будут восприниматься не только винтом 9, но и неподвижным цилиндром 8. Такая схема передачи нагрузки позволяет сократить массогабаритные параметры аппарата и уменьшить дискомфорт пациента во время лечения.
При необходимости снятия двигателя 15 с ЭМП, гайка фиксатор 19 откручивается и двигатель вместе с корпусом 18 отсоединяется от неподвижного цилиндра 8. В связи с тем, что ПРВП выполнена самотормозящейся, положение кронштейнов 3 и 4 при снятом двигателе остается неизменным, что упрощает обслуживание аппарата, которое можно проводить без демонтажа ЭМП и ходового цилиндра с кронштейнов, установленных на пациенте.
В конкретном случае в зависимости от расположения костных отломков лечащий врач имеет возможность выбрать сменный ходовой цилиндр 2 необходимой длины из имеющегося набора. Сменные ходовые цилиндры 2 с различной длиной позволяют расширить функциональные возможности аппарата, обеспечивая в каждом конкретном случае наиболее удобную фиксацию костных отломков при оптимальных массогабаритных параметрах аппарата.
Таким образом, использование предложенной полезной модели позволяет создать надежную и компактную конструкцию автоматизированного ортопедического аппарата остеосинтеза с повышенными жесткостью и КПД.
Библиографические ссылки
1. Пат. 7282052 B2 США, МПК A61B 17/56. Unilateral fixator / Michael W. Mullaney, заявитель и патентообладатель SixFix Inc., Memphis, NJ. - 2007/0282338; заявл. 6.12.2007; опубл. 5.03.2013.
2. Пат. 2061429 Российская Федерация, МПК A61B 17/60. Компрессионно-дистракционный аппарат Платова / Платов В.А.; заявитель и патентообладатель Платов Виктор Алексеевич. - №5014057/14; заявл. 21.11.1991; опубл. 10.06.1996, Бюл. №14 (П.ч.).
3. Морозов В.В. Роликовинтовые механизмы. Кинематические характеристики: монография / В.В. Морозов; Владим. гос. ун-т. - Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2005. - 78 с. - ISBN 5-89368-634-9.
4. Пат. на полезную модель 125838 Российская Федерация, МПК A61B 17/66. Аппарат для остеосинтеза / Мамаев И.М., Крылов А.В., Федотов О.В., Филимонов В.Н.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Влад. гос. ун-т им. А.Г. и Н.Г. Столетовых» (ВлГУ). - №2012106546/14; заявл. 22.02.2012; опубл. 20.03.2013, Бюл. №8 (П.ч.).
5. Roller Screw. Publication 4345 EN: каталог: разработчик и изготовитель SKF Group. - France, 2008. - 88 с.