骨螺钉及其制造方法

专利名称：骨螺钉及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种整形外科用(骨)螺钉。更具体地，本发明涉及分面整形外科用 螺钉及其制造方法。
背景技术：
医用螺钉或整形外科用(骨)螺钉或螺栓通常用于整形外科手术，即需要将一块 骨头或多块骨头定位在关于或者1)使用螺钉的相邻的骨头或骨头部分；或者2)外科用夹 板或其它外用固定装置相对稳固的位置，外科用夹板或其它外用固定装置用骨螺钉或整形 外科用螺钉保持就位。这里所用的术语“骨螺钉”和/或“整形外科用螺钉”可互换地用于 此，并且可包括所有已知的用于人类和/或动物骨头的医用和整形外科用螺钉和螺栓。关于使用骨螺钉，普遍关注的是螺钉插入期间骨头的爆裂。在适当的应用中，当工 件(例如骨头)本质较为脆弱时，并且螺钉与骨头之间的摩擦力需要很大的扭矩才足以旋 入骨头时，通常会发生爆裂。另一关注点在于，螺钉在安装之后潜在的松动或“退出”。松动会导致错误的接骨， 并且为了执行正确的接骨还需要补做手术。这就需要一种骨螺钉，其能够解决这些问题而不需对当前认可的用于此类骨螺钉 的安装与拆卸的手术做任何改变。

发明内容
本发明中的分面骨螺钉将用于减小螺钉与骨头之间的摩擦力，从而减小将螺钉和 /或螺栓旋入骨头所需的扭矩。该扭矩的减小能够由此有助于减小插入骨螺钉时松质骨头 爆裂的可能性，尤其是螺钉轴周围的骨头。本发明中的分面骨螺钉也由于改进了在植入装置的分面螺纹部分与骨头之间的 骨整合而减小骨螺钉与螺栓从骨头退出的可能性。根据一个实施例，制造整形外科用螺钉的方法包括将作为原料的棒料装载入螺钉 切削机，用切削头在棒料的至少一部分中切削出螺纹，并且在切削时通过将受控的振动作 用引入于棒料以及切削头形成螺纹的多个分面。所述分面由针对螺纹的至少一部分的改变 螺纹深度的多个峰与谷形成。根据另一个实施例，制造整形外科用螺钉的方法包括将棒料装载入棒料进给器， 选择具有所需谐振水平间隙的引导轴衬。谐振水平配置用以将受控的铣削作用引入于装载 的棒料。随后对应所需螺纹结构，选定并安装圆形的螺纹刀具。随后棒料用圆形的螺纹刀 具以所需的谐振水平切削，以产生分面螺纹，所述分面螺纹在引导轴衬的受控的铣削作用 下铣削于至少一部分棒料中。本发明的其它方面与特征将通过以下参照附图进行的详细说明而得到更好地理 解。然而，可以理解，所述附图仅用以描述本发明，而非限制本发明，本发明的限制由所附权 利要求限定。还可以理解，所述附图不必按比例绘制，除非另外说明，所述附图仅概念地描述这里所述步骤和结构。


在附图中，贯穿各图的相同的附图标记表示相同的部件图1为现有技术中的骨螺钉的截面图；图2为本发明中实施例的分面骨螺钉的截面图；图3a为用于制造本发明中的实施例的骨螺钉的骨螺钉切削机的俯视图；图3b为用于制造本发明中的实施例的骨螺钉的骨螺钉切削机的俯视图；图3c为用于制造本发明中的骨螺钉的螺钉切削机的旋转引导轴衬的俯视图；以 及图4为用于制造本发明中的实施例的分面骨螺钉的方法的流程图。
具体实施例方式图1示出现有技术中的骨螺钉(或者说接骨螺钉)10的截面图。轴12包括螺纹 14，所述螺纹14在轴12的任意长度上延伸，包括轴12的整个长度。螺纹通常具有一致不 变的深度D，该深度取决于螺钉的具体应用。关于相邻螺纹之间的距离的螺距对于多数骨螺 钉及紧固件也通常是一致的。本领域技术人员能够认识到，轴12的一个或多个不同部分可包括螺纹14、或替代 地，整个轴12可攻螺纹。这些概念对于本发明中的骨螺钉同样适用。图2示出本发明中的实施例的分面骨螺钉(或者说面骨钉)20的截面图。骨螺钉 20具有带螺纹24的轴22，所述螺纹24包括一个或多个分面26a、26b与26c。这些分面大 体横切于螺纹槽并且横跨于所述螺纹槽延伸整个螺纹长度的一些或部分。尽管示出的是横 切于螺纹，可以理解，所述分面也可以偏离于与螺纹槽的纯粹横切关系。通过在螺纹槽24 中将分面26合并入轴，就在其中形成了多个峰28和谷30。分面26相对于下一相邻分面以 不同的角度α与β设置。角α的范围在90-170度，而角β的范围在100-175度。采用 分面26将使螺纹具有变化的深度D。 如图所示，在螺纹中由在变化的深度处的分面26形成多个峰28与谷30，每个峰与 谷具有取决于轴22的转动方向的上升/下降沿。这些具有上升/下降沿的峰与谷用于减 小骨头与螺钉之间的摩擦力，并且由此用于减小将骨螺钉旋入骨头以及从骨头中取出所需 的扭矩。可以理解，当轴22以一个方向转动时，相应的峰的上升沿将逐步穿入骨头，并且一 旦达到峰部，骨头与螺纹之间的摩擦力随着骨头越过峰的下降沿而明显减小。通过遍及螺纹以串行关系重复上述过程，骨螺钉旋入所需的整体扭矩可减小至高 达50% (取决于螺钉和所穿入的骨头的尺寸)。一旦插入骨头，骨头将允许与分面26 (包括峰与谷)进行骨整合，并且分面用作锚 用于防止螺钉被医生插入之后出现松动(即“退出”)。然而，当必须拨出骨螺钉时，只需在 松动方向简单地施以扭矩就能够使骨头从分面26松脱或挣脱，并且分面将再次用于减小 拆除骨螺钉所需的扭矩。图2b示出骨螺钉20的另一个实施例，其中分面36实质上是凹进的，并且指定峰 在相应的凹进分面36之间的点38处。在该实施例中，谷可被认为处于每个凹进分面36的
4底部，并且摩擦力将在全方位方向上减小(即以顺时针与逆时针方向产生同样的作用)。为了以可重现、可验证的方式制造骨螺钉，利用瑞士型螺钉机床采用精确的制造 技术。本领域技术人员可以认识到该时间调谐设备(即车床)或多轴瑞士型CNC(计算机 数字控制)螺钉机床仅是此类设备的一个例子，此类设备能够适当地配置用以制造所述分 面骨螺钉，并且在不背离本发明精神的基础上可使用其它类型的设备。图3a示出用于制造本发明中的骨螺钉的瑞士型切削机300的俯视图。所示为滑 动式前顶针座型CNC自动车床，其大体包括前顶针座302、引导轴衬(或引导筒夹)304、动 力刀座(live tool holder) 306、副主轴(sub spindle) 308、以及刀座滑块(tool holder slide) 310。刀座滑块包括一个或多个刀具或模具311，所述刀具或模具311可在其它切削 过程中使用。尽管这里以示例的目的示出，在制造分面骨螺钉的过程中，本发明可不需要刀 座滑块310。前顶针座302包括主轴312与滑动单元(未示出)。主轴312利用引导轴衬304 夹住棒并且为其提供旋转运动。滑动单元通过CNC控制提供给材料Z轴方向(纵向)的往 复运动。以Zl轴方向的棒料的进给是由前顶针座在主加工过程中提供的。动力刀座306 包括刀具或切削机307，所述切削机307在(丝状)棒料上切削螺纹用于形成螺纹。图3b示出螺钉切削车床/机300的动力刀座306的俯视图。在主加工过程中， 动力刀座能够在CNC控制下在X轴与Y轴上往复运动，并且将以直径方向进给材料。刀架 (tool post)使得切削刀具在引导轴衬304附近接触棒并且结合前顶针座302实施所述加 工。刀座(未示出)、4轴套筒固定器314与4轴横向钻孔/铣削单元316附接至所述刀架。 切削刀具将被附接至刀座以执行旋转。前加工刀座附接至套筒固定器314，并且执行前向钻孔(drilling)、出渣 (tapping)以及镗削(boring)。动力驱动刀具能够附接至4轴交叉单元316，提供用于钻 孔、出渣以及端铣削等等的旋转运动，以实现交叉或前向钻孔、出渣以及铣削。X轴执行刀座的直径方向的进给以及4轴交叉钻孔/铣削单元中刀具的选择。Y 轴执行刀座的刀具的选择、套筒固定器314的刀具的选择以及4轴交叉钻孔/铣削单元316 的直径方向的进给。引导轴衬304支撑靠近加工位置的棒料以防止材料弯曲，并且由此帮助获得高精 度、可再造加工。在该单元中，引导轴衬304支撑多数直径方向的切削负载，并且加工精度 在一定程度上取决于引导轴衬304与棒料之间的间隙。因此，棒料的选择基于用本发明中 的螺纹切削的材料的外直径所需的精度。引导轴衬304优选地为与主轴同步的旋转式引导 衬套320 (如图3c所示)。通常，引导衬套320处于引导轴衬304中。副主轴313用引导轴衬(筒夹)304夹住棒料，并且提供旋转运动。滑动单元在 CNC控制下以ZB轴方向(纵向)与XB轴方向提供材料往复运动。刀座310提供背加工中ZB轴方向的进给，以及副主轴单元308中的刀具选择中的 XB轴方向的进给。背附件加工的多种任务可大概归类为以下Non-pip加工背附件在切削过程中将工件夹住，并且通过与主轴的同步旋转执 行切削处理，以获得切断面而不需定位销。Z-ZB同步控制背附件在主加工过程中同时将工件与主轴夹住。其还实现了 Z/ZB 轴向的同步操作、或与主轴的同步旋转，从而抑制棒料的弯曲或变形。
背加工动力刀座306结合刀架的后副主轴单元308执行切削端表面与外围的背加工。副主轴单元308〈不包括在540S类型设备中 > 用于切削端表面的加工的刀座306 附接至背加工副主轴单元308以执行背面钻孔、出渣与镗削。选择用于动力驱动附件装置 的驱动系统(可选项)允许动力驱动刀具单元的附接以及背偏离中心出渣/铣削的加工。图4示出根据一种半自动执行方案制造分面骨螺钉的方法400。根据本发明的一 种方法，将所需材料的棒料装载(402)至棒料进给器。筒夹被安装(404)于工件固定轴。订 制的引导轴衬，其尺寸配置以产生所需水平的相关谐振间隙，所述订制的引导轴衬被安装 (406)至机床主轴。已经被打磨而产生所需螺纹结构的圆形螺纹刀具被安装(408)至一个 动力刀座。一方面，在螺纹切削过程中，通过采用相关谐振间隙的精确控制的振动作用，得到 分面骨螺钉的分面。因此，通过调整引导轴衬(引导筒夹)的尺寸，能够限定在引导轴衬与 棒料之间的间隙。当棒料通过由旋转的圆形螺纹刀具穿过的轴进给时，该“间隙”产生相关 谐振间隙(或受控的振动作用)，所述旋转的圆形螺纹刀具在棒料上产生螺纹结构。通过对 间隙的控制，振动作用能够被精确地控制。此类间隙的例子可以是.0002-. 005英寸。本领域技术人员可以认识到，瑞士型螺钉机床是计算机可编程机床，同样，一旦该 机床被相应编程，上述加工处理过程就可以被该机床控制进行计算机控制。例如，根据棒料 的尺寸、待加工材料的数量以及所需精加工，机床可被编程以使螺纹刀具在一次传送或多 次传送中产生螺纹结构。分面骨螺钉的其它多个特征可以在螺纹结构产生在棒料上之前或之后执行，例如 螺钉头加工、钻孔导向细化、驱动配置、覆膜和/或任意其它表面预处理等。本领域技术人员可以认识到，贯穿说明书的“棒料”是指制作整形外科用螺钉/骨 螺钉的材料。此类材料的例子可以是当前常用的钛、不锈钢、钴以及可吸收的、生物相容的 塑料。本发明可采用任意已知的或未知的用于整形外科用/骨应用的材料。可以理解，本发明可以多种方式实施，硬件、软件、固件、专用处理器或其结合。优 选地，本发明可采用硬件与软件结合的方式实施。并且，软件优选地采用在程序存储装置中 有形实施的应用程序来执行。应用程序可以上传至包括任意适当架构的机器并且由其运 行。优选地，所述机器可以实施在计算机平台上，所述计算机平台具有硬件，例如一个或多 个中央处理单元(CPU)、随机存取存储器(RAM)、以及输入/输出(I/O)接口。所述计算机 平台还包括操作系统与微指令代码。所述多种处理方法与功能可以是部分微指令代码或部 分应用程序(或其结合)，其由操作系统执行。此外，多种其它外围设备，例如附加数据存储 装置以及打印装置，可连接至计算机平台。进一步可以理解，由于附图中描述的一些重要的系统部件与方法步骤优选地用软 件实现，系统部件(或处理步骤)之间的实际连接也可根据本发明编程的方式的不同而不 同。根据这里所提供的教导，本领域技术人员能够想到本发明的这些实施或配置以及相似 实施或配置。可以理解，对于这里所示的、所描述的以及指出的本发明的基础性新颖的特征，在 不背离本发明的精神的基础上，本领域技术人员能够在所述方法和所示装置的形式上以及 细节上、以及它们的实施上做出多种省略、替代、变化。例如，本文清楚地指出，能够基本以
6相同的方式实现相同的功能，以得到相同的效果的所有部件和/或方法步骤的所有结合都 涵盖在本发明的范围内。并且，可以认识到，所示和/或所述结构和/或部件和/或方法步 骤结合本发明中任意的公开的形式或实施方式，能够以任意其它公开的、描述的、建议的形 式或实施方式相结合而作为一般的设计选择。因此，本发明仅以其所附权利要求的范围所 限定。
权利要求
一种制造整形外科用螺钉的方法，包括装载棒料至螺钉切削机中；利用切削头在所述棒料的至少一部分中切削出螺纹；在所述切削过程中，通过在所述棒料以及切削头上引入受控的振动作用，形成多个分面于所述螺纹，所述分面通过针对螺纹的至少一部分而改变螺纹的深度的多个峰与谷形成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述受控的振动作用进一步包括选定用 于螺钉切削机的引导轴衬，所述引导轴衬具有相关于棒料的预设的间隙，所述间隙提供了 用于产生受控的振动作用的所需谐振水平。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述切削进一步包括选定圆形的切削刀 具，所述切削刀具利用已知的受控的振动作用而配置成所需的、可再造的分面设计。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述切削和形成是在围绕所述棒料的至 少两个维度上实施的。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述所需谐振水平是通过将在所述引导 筒夹与所述棒料之间的间隙选定为.0002至.005英寸的范围而产生的。
6.一种制造整形外科用螺钉的方法，包括 装载棒料于棒料进给器中；选定具有所需相关谐振水平的间隙的引导轴衬，所述谐振水平配置用以将受控的铣削 作用引入于所装载的棒料；选定并安装圆形的螺纹刀具，所述圆形的螺纹刀具预先配置有所需的螺纹结构；以及 利用所述圆形的螺纹刀具，以所需的谐振水平切削棒料，以产生分面螺纹，所述分面螺 纹在引导轴衬的受控的铣削作用下铣削在所述棒料的至少一部分中。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述受控的铣削作用包括由相关谐振水 平间隙产生于所装载的棒料上的受控的振动作用。
8.一种整形外科用螺钉，包括 轴；螺纹，所述螺纹切削至所述轴的至少一部分中，所述螺纹具有深度；以及 多个分面，所述多个分面形成在所述螺纹的至少一部分中，并且横切地延伸至所述螺 纹，所述分面具有形成所述螺纹的改变深度的峰与谷，并且配置用以减小在骨头与攻出螺 纹的轴之间的摩擦力，由此减小将所述螺钉旋入骨头所需的扭矩，而同时用以防止所述轴 在插入骨头之后不希望的退出。
9.根据权利要求10所述的整形外科用螺钉，进一步包括所述峰与谷之间的表面，所述 表面是平坦的。
10.根据权利要求10所述的整形外科用螺钉，进一步包括所述峰与谷之间的表面，所 述表面是凹进的。全文摘要
本发明公开了一种分面骨螺钉及其制造方法，其包括螺纹结构，所述结构具有大体横切于所述螺纹的分面。所述分面通常由多个过渡峰与谷构成，所述过渡峰与谷改变螺纹的深度，并且所述过渡峰与谷定位于贯穿骨螺钉的螺纹部分的一个或多个位置。所述分面用于减小将骨螺钉旋入骨头所需的扭矩，而同时一旦骨螺钉插入骨头，所述分面有助于将骨螺钉锚定在骨头中，并且由此减小螺钉在插入后又退出的可能性。
文档编号B23G1/00GK101909799SQ200880124816
公开日2010年12月8日 申请日期2008年11月18日 优先权日2007年11月19日
发明者凯文·J.·洛弗尔, 格伦·A.·鲁普 申请人:菲塞斯医疗有限责任公司