一种具有力学自锁功能的可伸长髓内针转让专利
申请号 : CN202011137223.4
文献号 : CN112263316B
文献日 : 2021-08-17
发明人 : 郇勇 , 陈博 , 王君 , 李钰 , 刘岩
申请人 : 中国科学院力学研究所
摘要 :
权利要求 :
1.一种具有力学自锁功能的可伸长髓内针,其特征在于,包括依次连接的:前定位段,包括带有内螺纹的空心前管,及安装在前管内的前固定杆,前固定杆的一端设置有供医用钉穿过的前连接孔,另一端设置有方便卡接的回转凹槽;
后定位段,包括通过一端与前管内螺接的后管,在后管远离前管的一端设置有后连接孔,及安装在后管内的伸长管,和驱动伸长管在后管内移动的驱动装置;该伸长管为空心管,一端通过螺纹拧入前管内,且拧入端利用卡合结构与前固定杆的回转凹槽卡接;
自锁结构,其中,伸长管与前管内的连接结构在需伸长治疗中足以克服阻力以实现伸长功能时需满足如下条件:
or
伸长管与前管内的连接结构在安装后日常活动中螺纹不发生反向运动所需满足如下条件:
or
其中,治疗中M为减速箱的输出扭矩,F为轴向驱动杆在伸展时的轴向阻力,日常活动中M为减速箱的锁定阻力扭矩,F为轴向驱动杆的轴向承载支持力载荷,其中r为螺纹平均直径、μ1为螺纹间摩擦系数、D为轴向键槽的等效接触直径、μ2为轴向键槽的摩擦系数,α为螺纹导程角,β为牙形角;
信号控制装置,包括安装在人体内的信号接收器,和设置在人体外的信号发送器;信号接收器与驱动装置连接以控制驱动装置并反馈信号,信号发送器用于为信号接收器提供动力输入及控制信号。
2.根据权利要求1所述的髓内针,其特征在于,所述前管的内表面设置有轴向的限位槽,在所述前固定杆的杆身上设置有与限位槽对应的限位键。
3.根据权利要求2所述的髓内针,其特征在于,所述驱动装置包括;
轴向驱动杆,插入所述伸长管内,且外表面设置有轴向凸键,在所述伸长管的内表面设置有供轴向凸健卡合的轴向键孔;
驱动电机,输出轴与轴向驱动杆连接;
减速箱;与驱动电机连接以调整驱动电机的转速。
4.根据权利要求3所述的髓内针,其特征在于,所述前固定杆上的限位键设置在与所述轴向驱动杆连接一端,且所述限位键设置有四道并沿圆周均匀分布;所述前管内的限位槽穿过内螺纹段且数量和位置与所述限位键的数量和位置对应。
5.根据权利要求3所述的髓内针,其特征在于,所述信号接收器包括为驱动电机提供动力的感应线圈,接收外部信号并处理的内部控制芯片,及连接感应线圈和驱动电机的导线;
所述信号发送器包括为感应线圈提供能量并接发信号的发射线圈,及通过发射线圈控制驱动电机动作的外部控制芯片。
6.根据权利要求3所述的髓内针,其特征在于,在所述前管与所述前固定杆伸出一端对应的内表面设置有与所述前固定杆杆身贴合的保护段。
7.根据权利要求3所述的髓内针,其特征在于,所述驱动电机为低压直流电机,内部带有角度传感器,用于检测所述驱动电机的转动角度。
8.根据权利要求7所述的髓内针,其特征在于,在所述轴向驱动杆与所述减速箱之间设置有防止所述伸长管和所述轴向驱动杆通过的挡块。
9.根据权利要求3所述的髓内针,其特征在于,所述伸长管与所述前固定杆相接触的一端卡合后,所述伸长管的轴向移动推动所述前固定杆轴向移动,但所述伸长管的径向转动不能带动所述前固定杆径向转动。
10.根据权利要求1所述的髓内针,其特征在于,所述前固定杆和所述后管的变化直径,以及两者上的连接孔数量、空间位置排布和孔径大小根据病患骨头结构进行调整。
说明书 :
一种具有力学自锁功能的可伸长髓内针
技术领域
背景技术
进入骨头,带来巨大的痛楚,并且还很可能导致感染和其他问题;内外型固定的方式,有可
能会引起新骨骨头生长不平整等问题。
的治疗方法,但其存在难于监控、伸长过量或不足等问题,是目前该领域研究的热点。
间的相关关系,未考虑之中对当量摩擦以及压力FN分量的组合影响,且现有技术中未考虑
扭矩载荷M以及轴向载荷F对螺纹传动规律的影响,最终影响髓内针的定位效果。
发明内容
心管,一端通过螺纹拧入前管内,且拧入端利用卡合结构与前固定杆的回转凹槽卡接;
直径、μ1为螺纹间摩擦系数、D为轴向键槽的等效接触直径、μ2为轴向键槽的摩擦系数,α为
螺纹导程角,β为牙形角;
供动力输入及控制信号。
控伸长量的优点。操作简单,医师或病人能很好的操作,科学有效。
附图说明
具体实施方式
有供医用钉穿过的前连接孔111,另一端设置有与方便卡接的回转凹槽112;前固定杆11在
前管12内能够实现轴向移动,其前连接孔111一端能够由前管12的前端伸出。前固定杆11的
回转凹槽112一端需要承受病人术后日常生活中的轴向拉压负载,以满足治疗的机械功能
需求。例如当病人站立时,髓内针受缩短方向的压力负载,前固定杆11有向后的缩短运动趋
势,此时其受力面为回转凹槽112表面,其承载前段压缩力;同理当病人提腿时,前固定杆11
提住整个下半段骨骼肢体的重量,有向前伸长的运动趋势,此时受力面为前固定杆11连接
回转凹槽112的凹槽表面。
21内的伸长管25,和驱动伸长管25在后管21内移动的驱动装置3;如图5所示,该伸长管25为
空心管,内表面设置有轴向键槽,一端通过外螺纹251拧入前管12的一端内,且拧入端利用
卡合结构252与前固定杆11的回转凹槽112卡接;伸长管25与前固定杆11相接触的一端卡合
后,伸长管25的轴向移动能够推动前固定杆11在前管12内轴向移动,但伸长管25的径向转
动不能带动前固定杆11径向转动。
前管12的螺纹连接结构需要满足特定的形状,该形状限定通过下述公式确定。
之间的关系,即可实现防止螺纹连接后回转的效果,以及在治疗时满足克服阻力以实现伸
展的功能效果。
三个方向的分量表达式为:
在扭矩传递过程中驱动杆31与伸长管25之间因传递扭矩所产生的的附加轴向摩擦力对机
构轴向x受力平衡以及运动的影响,考虑的参数包括驱动杆31与伸长管25之间轴向键槽的
等效接触直径D以及其摩擦系数μ2。
不发生反向运动的自锁功能效果工况时各参数须满足的关系:
径、μ1为螺纹间摩擦系数(约为0.1)、D为轴向键槽的等效接触直径、μ2为轴向键槽的摩擦系
数(约为0.1)。在日常生活工况中,轴向压力考虑术后正常站立活动走路,F为站立活动的轴
向压力,约为3倍体重(按成人80kg计算),为240kgf。在治疗工况中,F为拉伸新长骨的阻力。
扭矩载荷M参数由选配的深圳市兆威机电公司的ZWMD008008‑152电机减速箱产品确定。
如下,包括:轴向驱动杆31、减速箱33和驱动电机32;
33的减速比可为100~1000,其与驱动电机32固接。
感应线圈412,接收外部信号并处理的内部控制芯片413,及连接感应线圈412和驱动电机32
的导线411。
圈412提供能量并接发信号的发射线圈422,及通过发射线圈422控制驱动电机32动作的外
部控制芯片423。外部控制芯片423能接收内部控制芯片413的信号并处理,其带有电源424,
外部控制芯片423能根据驱动电机32运动的角度信号,检测髓内针的伸长量,同时根据程序
设定,按治疗要求,按时按量地控制驱动电机32的运动,以达到精确检测髓内针伸长位移、
自动测控伸长量的功能。
通过发射线圈422以电磁感应的无线形式向信号接收器41传输能量。信号接收器41的感应
线圈412对接收的能量进行收集和储存,而内部控制芯片413则按照外部控制芯片423发送
的程序对驱动电机32进行驱动。
下沿前管12内部轴向前进,进而推动连接的前固定杆11在前管12内轴向移动,前固定杆11
带有连接孔111的一端伸出前管12,到达相应髓内针固定点时,再用医用钉穿过连接孔111,
使前固定杆11与骨头相固定,然后再用医学钉穿过后管21上的连接孔211,使后管21也固定
在对应的固定点处。
置有两个,后管21上的连接孔211设置有一个。
计的自锁结构相匹配,用于防止轴向驱动杆31回转,使髓内针针保持在当前长度下。
进行伸长速度的控制。髓内针的伸长管与内管连接的螺纹结构需要满足前述公式的结果要
求。
动测控伸长量的优点。操作简单,医师或病人能很好的操作,科学有效。
分析不全面的不足。并以此有针对性地对导程角α、牙形角β进行选型,特殊设计的传动螺纹
结构,能够防止术后日常生活中螺纹不发生反向运动,以及伸长治疗中足以克服阻力以实
现伸长的动力效果。
位键113。限位槽113用于限制前固定杆11的轴向旋转自由度,以免前固定杆11相对后管21
之间发生相对转动,从而影响骨愈合的生长过程,这同时也是治疗中需要加以限制的部分。
此外,限位键113也可实现前固定杆11在前管12内伸展过程中的定位导向作用,减小伸长滑
动过程中的阻力,使之平顺。
键113的数量和位置对应。限位键113的高可为1mm,宽为2mm,键长为10mm。
形成贴合,前段与保护段123相贴合,两处的贴合装配可使得前固定杆11能承受病人术后日
常生活中的弯矩负载,同时还能避免前管12内的螺纹121不会被前固定杆11剐蹭,达到保护
螺纹121的效果,以及体内植入物所需的密封效果。该结构下,限位槽113在保护段123处终
止并被保护段123挡住,可防止前固定杆11伸长过量而滑出前管12。
角度信号给外部控制芯片423。在轴向驱动杆31与变速箱33之间设置有防止伸长管25轴向
通过的挡块23,挡块23可以用于防止伸长管25的螺纹发生滑丝后反向穿透整个装置,同时
也能够防止轴向驱动杆31在压力下后退。
驱动电机32与减速箱33的选型等。
皮肤上,以免治疗过程中脱落。其中发射线圈422通过导线421与电源424连接,感应线圈412
通过导线411与驱动电机32连接。
为10mm。在其它的实施例中,可根据上述理论公式内容直接确定或推导出符合本发明原理
的许多其他导程角α、牙形角β、摩擦系数μ以及电机选型参数等的变型或修改。
确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此,本发明的范围应被理解和认
定为覆盖了所有这些其他变型或修改。