Винт для остеосинтеза

Полезная модель относится к медицинской технике, травматологии и ортопедии, в частности к устройствам для крепления костных фрагментов при лечении переломов костей.
Известен винт для остеосинтеза локтевого отростка, содержащий тело с резьбовой частью и головку, которая выполнена в виде сегмента шара с плоской опорной поверхностью и снабжена круговой канавкой переменной глубины, образующей эксцентрик (патент № 18630 RU, МПК А61В 17/58, опубл. 10.07.2001, бюл. № 19. С.Б. Королев, С.В. Турушкин, Винт для остеосинтеза локтевого отростка).
В качестве прототипа выбран винт для остеосинтеза, выполненный из титанового сплава, содержащий цилиндрический стержень, в нижней части которого выполнена резьба с заходным витком и головку с внутренним шестигранником (патент № 26396 RU, МПК А61В 17/00, опубл. 10.12.2002, бюл. № 34. И.К. Маслов, Ю.П. Жижин, А.И. Терещенко, А.С. Овчинников, А.Д. Шавелкин, О.Б. Сайгушев, Винт для остеосинтеза).
Однако, недостатком данных винтов является возможность поломки винта из-за высоких напряжений, возникающих в его головке, что может привести к повреждению мягких тканей в ходе оперативного вмешательства.
Задачей предлагаемой полезной модели является снижение напряжений, возникающих в головке винта для остеосинтеза и как следствие повышение надежности за счет применения разработанного специального профиля углубления под ключ в головке винта.
Поставленная задача решается за счет того, что в винте, содержащем тело с резьбовой частью и головку, углубление под ключ в головке винта выполнено в виде профиля скругленного треугольника, представляющего собой геометрическую фигуру постоянной ширины, это означает, что во всех сечениях его ширина будет одинакова.
На фиг. 1 представлен общий вид винта для остеосинтеза, а на фиг. 2 – вид специального профиля отверстия под ключ. А на фиг. 3 – схемы работы пары «ключ-отверстие» для профилей типа «шестигранник» (а), «квадрат» (б), «треугольник» (в) и «скругленный треугольник» (г).
Винт для остеосинтеза, выполненный из титанового сплава, содержит цилиндрический стержень 1, в нижней части которого выполнена резьба 2 с заходным витком 3 и головку 4 с углублением под ключ в форме специального профиля 5. При этом профиль имеет следующие расчетные параметры:
D – диаметр вписанной окружности профиля (основной параметр), мм;
R – большой радиус профиля, мм; R = 3D;
r – малый радиус профиля, мм; r = 0,355D;
H – расстояние центра большого радиуса профиля от основного центра, мм; H = 2,5D;
h – расстояние центра малого радиуса профиля от основного центра, мм; h = 0,27D.
Винт для остеосинтеза устанавливают следующим образом: осуществляют доступ к отломкам и сопоставляют их. Предварительно в соединяемых отломках выполняется отверстие под винты диаметром, равным или близким к диаметру цилиндрического стержня 1. При малых диаметрах винта для остеосинтеза целесообразно метчиком нарезать предварительную резьбу. После этого в полученное отверстие ввертывается винт для остеосинтеза своей резьбовой частью 2. В случае, если резьба предварительно не нарезается, то для облегчения вхождения винта в отверстие и качественного соединения винта с костной тканью на резьбовой части 2 винта выполняют заходный виток 3 меньшего диаметра. Для меньшего усиления вворачивания в головке 4 винта выполняют углубление под ключ в форме скругленного треугольника профиля 5, куда устанавливают ключ, при вращении которого осуществляется установка винта в костной ткани.
Между ключом и углублением под ключ головки винта есть технологический зазор, который зависит он номинальных размеров винта и определяется допуском на размер, в среднем он находится в пределах 0,005-0,03мм. Из-за этого ключ имеет свободный ход и у форм профиля углубления под ключ с острыми кромками площадь контакта между ключом и углублением в момент приложения силы, необходимой для вворачивания винта, очень мала (фиг. 3а, 3б, 3в). Поэтому в момент приложения силы либо сминаются углы ключа, в следствие чего ключ приходит в неработоспособное состояние, либо эти острые углы на ключе сминают профиль углубления в головке винта и винт становится непригодным для дальнейшего использования.
Профили углублений, не имеющие острых углов, практически не подвергаются смятию за счет того, что имеют бóльшую площадь контакта (фиг. 3г).
Моделирование напряженно-деформированного состояния головки винта проводилось с помощью программного обеспечения SolidWorks, критерий напряжений в данной программе оценивается по Мизесу. Так как наиболее часто применяют винты для остеосинтеза с номинальным диаметром резьбы 3,5 мм, именно под эти параметры и были смоделированы головки в соответствии с ГОСТ Р 50582-93 (ИСО 5835-91). Выбор материала определялся с учетом требований, предъявляемых к металлическим материалам, предназначенных для использования в производстве хирургических имплантов согласно ГОСТ Р ИСО 5832-2-2014. Поэтому в качестве материала при моделировании напряженно-деформированного состояния головок винтов для остеосинтеза применялся химически чистый титан Ti.
В таблице приведены максимальные значения напряжений, полученные в результате трехмерного моделирования процесса вворачивания винтов с различными профилями углублений под ключ.
Таблица – Максимальные значения напряжений с применением различных стандартных профилей
Форма профиля
Максимальное напряжение, σ МПа
Треугольный
42732
Квадратный
35039
Шестигранный
27418
Скругленный треугольник
21351
Из полученных результатов видно, что при равном усилии вворачивания винтов, наименьшие напряжения возникают в предлагаемом профиле в виде скругленного треугольника. Это означает, что при одинаковых условиях эксплуатации, винт с профилем отверстия под ключ в виде скругленного треугольника обеспечит более надежную фиксацию, чем винты с треугольным, квадратным и шестигранным профилями углублений под ключ.
Практическая реализация шестигранного и треугольного профилей показывает нестабильные результаты при установке винтов для остеосинтеза, то есть в процессе их вворачивания и эксплуатации возникает риск поломки головки винта для остеосинтеза в результате смятия. При этом при изготовлении шестигранного и треугольного профилей углубления под ключ возникают определенные сложности в следствие того, что существующий техпроцесс изготовления винтов предусматривает получение профиля под ключ с помощью операций штамповки, из-за чего углы профиля получаются скругленными. При этом соответствующие ключи таких скруглений не имеют, в результате чего данная разность форм ключа и профиля углубления под ключ приводит к неравномерному распределению напряжений в головке винта.
Применение профилей углублений под ключ не имеющих острых углов позволяет облегчить процесс изготовления винтов и повысить их качество. Бóльшая площадь контакта между ключом и профилем, по сравнению с шестигранным и треугольным профилями обеспечивает равномерное распределение напряжений внутри головки винта для остеосинтеза, тем самым снижая количество поломок.
Учитывая полученные значения напряжений, площадь контакта между ключом и профилем углубления под ключ, а также технологичность изготовления использования профиля в виде скругленного треугольника позволит повысить надежность и точность изготовления винтов для остеосинтеза.