椭圆形侧孔空心椎弓根钉的制作方法

本发明涉及椎骨手术技术领域，尤其是一种带有椭圆形侧孔的空心椎弓根钉。

背景技术

对老年椎骨疾病的患者来说，由于骨质疏松，实心的椎弓根钉难以获得较好的把持力，因此往往需要使用带侧孔的空心椎弓根钉(fenestratedpediclescrew，fps)，以灌注骨水泥用于增强钉子在骨内的把持力。2005年yazu等首次通过实验研究发现空心侧孔椎弓根钉较普通椎弓根钉(conventionalpediclescrew，cps)的抗拔出力明显增加。然而，由于骨水泥粘度较大，且灌注过程孔周围介质会有较大压力阻碍骨水泥的流出，因此，采用等孔径、等间距布置的孔，会造成骨水泥沿钉深方向出现明显的不均匀分布。已有研究表明，侧孔的位置和孔径大小将影响骨水泥在每个孔附近的流出量，进而影响整体的把持力。贾宗海通过对比侧孔呈不同角度分布的fps的最大轴向拔出力得出侧孔位置对螺钉固定强度的影响。吴剑维等曾将侧孔直径相同的fps与侧孔直径递增的fps打入骨质疏松椎体内，分别注入骨水泥，发现侧孔直径相同的fps骨水泥在椎体内分布形态为圆锥形(即：钉子末梢方向骨水泥少)，而侧孔直径递增的fps骨水泥分布形态为圆柱形(即：骨水泥沿钉深均匀分布)。

目前，市场上空心椎弓根钉产品均采用递增直径圆孔，即：侧孔直径沿钉深方向依次递增，从而达到使骨水泥尽可能均匀分布的目的。然而，圆形侧孔的尺寸受限于螺纹间距，可变化的范围小。

技术实现要素：

本发明提出了一种带有椭圆形侧孔的空心椎弓根钉，可以更高的注入效率实现从各个侧孔中流出的骨水泥流量相等的效果，获得最佳把持力，以解决现有技术中直径圆孔导致的骨水泥流出不匀等问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种椭圆形侧孔空心椎弓根钉，包括螺钉钉身，所述螺钉钉身中空且末端贯通；所述螺钉钉身设有外螺纹段；所述外螺纹段的远端三分之一处分布有侧孔；所述侧孔沿外螺纹段的螺纹线分布，每圈侧孔为3个且相互间隔120°；所述侧孔呈椭圆形。

本发明所述的椭圆形侧孔空心椎弓根钉，其中，所述侧孔的短、长半轴之比为0.75-0.85。

本发明所述的椭圆形侧孔空心椎弓根钉，其中，所述侧孔的椭圆长轴轴线方向与螺纹线方向平行；所述侧孔的中心轴与钉身的纵轴垂直。

本发明所述的椭圆形侧孔空心椎弓根钉，其中，所述侧孔共有3圈，呈等间距分布。

本发明所述的椭圆形侧孔空心椎弓根钉，其中，所述侧孔的尺寸沿钉深方向递增。

本发明所述的椭圆形侧孔空心椎弓根钉，其中，所述侧孔的尺寸均小于螺钉内孔的直径。

本发明所述的椭圆形侧孔空心椎弓根钉，其中，所述侧孔长半轴尺寸的递增规律如下：

式中ai为第i个侧孔的长半轴尺寸，单位为mm；i为侧孔编号，分别取1至9；d为螺钉内孔直径，单位为mm。

与现有技术相比，本发明的空心椎弓根钉采用椭圆形侧孔既能在保证钉身强度的前提下使侧孔尽可能大，又能利用椭圆形孔的导流作用减小流体局部阻力损失；采用尺寸递增的椭圆形侧孔可使骨水泥沿钉身方向均匀分布。因其椭圆形侧孔的导流作用，可减小流体的局部阻力损失，骨水泥流经椭圆形孔可比流经等面积的圆形孔减少7％的速度损耗，故椭圆形孔具有更高骨水泥的注入效率。

附图说明

图1为椭圆形侧孔排布示意图；

图中，1-9：为孔1至孔9；10为螺钉内孔。

图2为椎弓根钉外形示意图；

图3为空心椎弓根钉内部通道模型；

图4为有限元网格划分；

图5为内径2.1mm的空心椎弓根钉模拟结果；

图6为内径1.6mm的空心椎弓根钉模拟结果；

图7为骨水泥速度流线图；

图8钉道内流场压力云图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

结合图1-2所示，一种椭圆形侧孔空心椎弓根钉，包括螺钉钉身11，所述螺钉钉身11中空且末端贯通；所述螺钉钉身11设有外螺纹段12；所述外螺纹段12的远端三分之一处分布有侧孔，具体为贯穿螺钉本体单侧侧壁的9个骨水泥流出孔1至孔9，骨水泥流出孔沿每圈螺纹布置3个，等间距排列，骨水泥注入孔1至孔9的尺寸沿钉深方向递增；即椭圆孔的长、短半轴的尺寸按照抛物线型递增。

侧孔沿外螺纹段12的螺纹线分布，每圈侧孔为3个且相互间隔120°；侧孔呈椭圆形。侧孔的中心轴与钉身11的纵轴垂直。结合图1和图2，椭圆形侧孔1至9的长轴轴线方向与外螺纹段12的螺线方向平行。

10为贯通钉身的螺钉内孔；椭圆形侧孔1至9尺寸均小于螺钉内孔10直径。

椭圆形侧孔长半轴尺寸的递增规律如下：

式中ai为第i个侧孔的长半轴尺寸，单位为mm；i为侧孔编号，分别取1至9；d为螺钉内孔直径，单位为mm。

椭圆孔短半轴与长半轴之间的关系为：

bi＝nai

式中bi为第i个侧孔短半轴尺寸，单位为mm；n取值为0.75-0.85。

实施例2

根据实施例1的方法设计两种型号椎弓根钉，钉子空心通道分别为1.6mm和2.1mm。针对这两种椎弓根钉分别优化其侧孔，使得灌注的骨水泥能从各个侧孔均匀流出。

两种空心椎弓根钉优化方案具体如表1所示。

表1螺钉优化方案

注：表1为螺钉优化方案，对通孔直径为2.1mm和1.6mm的螺钉各设计5种方案。其中no.01和no.06均为侧孔尺寸相同的对照组。

如图3所示，抽取空心椎弓根钉内部通道区域，建立流场模型。

对钉道内流场区域划分四面体网格，如图4所示，共生成283362个节点和1579725个单元。

模拟采用的参数如下：骨水泥的粘度为95pa·s，密度为1180kg/m³。骨水泥灌注速度为2ml/min。各个侧孔设置为自由流出。

分别提取每种方案螺钉10个骨水泥流出孔的流量数据，并绘制骨水泥流量变化曲线，如图5-6所示。

其中，图5为空心通道直径为2.1mm的椎弓根钉数值模拟结果对比，横坐标为10个骨水泥流出孔的编号，纵坐标为骨水泥从孔流出的流量。图5中5条曲线分别为5种方案(no.01至no.05)，每条曲线代表每种方案螺钉的10个流出孔随骨水泥流出顺序的流量变化。通过计算方差，可知出口流量最均匀的为no.05。

其中，图6为空心通道直径为1.6mm的椎弓根钉数值模拟结果对比，同样计算方差，

可得出口流量最均匀的为no.10。

骨水泥速度流线图和钉道内流场压力云图分别参照图7-8所示。

上述实验结果表明：

目前设定的条件下，如下参数最优：

(1)对于空心通道直径为2.1mm的椎弓根钉，其侧孔尺寸：

表2

(2)对于空心通道直径为1.6mm的椎弓根钉，其侧孔尺寸：

表3

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。