DE60016207T2

DE60016207T2 - Vorrichtung zur wahlweisen verhinderung der arretierung von formgedächtniskupplungen

Info

Publication number: DE60016207T2
Application number: DE60016207T
Authority: DE
Inventors: R. Jeff JUSTIS
Original assignee: SDGI Holdings Inc
Current assignee: Warsaw Orthopedic Inc
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2020-05-25
Also published as: JP2003500155A; EP1185208B1; EP1185208A1; CA2374210A1; CA2374210C; ES2231204T3; US6273888B1; JP4351397B2; AU767249B2; WO2000072769A1; ATE282998T1; AU5042700A; DE60016207D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Kupplungssystem unter Verwendung der Formgedächtnistechnologie. Im einzelnen betrifft die Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum selektiven Verhindern des Sperrens eines Kupplungssystems aus einer Formgedächtnislegierung, vorzugsweise in Umgebungen oberhalb der Umwandlungstemperatur des Formgedächtnismaterials.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es sind mehrere Techniken und Systeme entwickelt worden, um die Wirbelsäule zu korrigieren und zu stabilisieren und um die Fusion auf verschiedenen Ebenen der Wirbelsäule zu fördern. Eine Form eines Spinalfixationssystems benutzt biegsame Spinalstäbe, die auf gegenüberliegenden Seiten der Wirbelsäule angeordnet und zu einer Vielzahl von Fixationselementen gekoppelt werden, die wiederum an verschiedenen Abschnitten der Wirbelsäule befestigt werden. Ein solches System wird in der US-Patentanmeldung US 6254602 , unter dem Titel „Advanced Coupling Device Using Shape-Memory Technology" und am gleichen Tag eingereicht wie die vorliegende Anmeldung, beschrieben. Dieses spezielle System schließt ein Kupplungselement ein, das einen Längsdurchgang durch dasselbe definiert und eine Seitenwand hat, die einen ersten und einen zweiten Schlitz definiert, die sich von entgegengesetzten Enden derselben erstrecken und unmittelbar benachbarte und einander in Längsrichtung überlappende Abschnitte einschließen. Ein wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial hergestelltes Verriegelungselement wird um das Kupplungselement angeordnet und zieht sich bei einer ausreichenden Veränderung der Temperatur um das Kupplungselement zusammen und drückt die Seitenwand gegen ein innerhalb des Längsdurchgangs angeordnetes Element zusammen, um die Bewegung des Elements im Verhältnis zum Kupplungselement zu begrenzen. Eine andere ähnliche Art eines Spinalfixationssystems wird im US-Patent Nr. 5728098, an Sherman et al. und unter dem Titel „Multi-angle Bone Screw Assembly Using Shape-Memory Technology", beschrieben. Ein Kupplungssystem, das die Formgedächtnistechnologie nutzt, das aber nicht mit dem Gebiet der Spinalfixation verbunden ist, wird im US-Patent Nr. 4379575, an Martin und unter dem Titel „Composite Coupling", beschrieben.
Formgedächtnismaterialien sind Legierungen bekannter Metalle, wie beispielsweise Kupfer und Zink, Nickel und Titan und Silber und Kadmium. Es ist bekannt, daß diese Legierungen eine „Formgedächtnis"-Charakteristik zeigen, bei der eine bestimmte aus einer Formgedächtnislegierung („SMA" – shape memory alloy) geformte Komponente in der Lage ist, sich bei einer ausreichenden Temperaturveränderung zu einer „eingeprägten" Form umzuformen. Solche Komponenten werden ursprünglich aus einer Anfangskonfiguration verformt und behalten ihre verformte Konfiguration bei, bis sie ausreichend erhitzt werden, wobei sie an diesem Punkt beginnen, sich zu ihrer ursprünglichen, eingeprägten Konfiguration hin zu regenerieren. Diese Regenerationserscheinung tritt auf, wenn die SMA-Legierung von einer martensitischen Kristallphase zu einer austenitischen Kristallphase wechselt. SMA zeigen folglich einen Gedächtniseffekt beim Übergang von einer Niedertemperaturform (z.B. der martensitischen Phase) zu einer Hochtemperaturform (z.B. der austenitischen Phase).
Wenn eine SMA erhitzt wird, ereignet sich die Umwandlung zur ursprünglichen, eingeprägten Form hin über den Bereich A_s – A_f, wobei A_s und A_f die Temperaturen sind, bei denen die Bildung von Austenit beginnt bzw. abgeschlossen ist. Umgekehrt, wenn eine SMA abgekühlt wird, ereignet sich die Umwandlung zurück zur deformierten Form hin über den Bereich M_s – M_f, wobei M_s und M_f die Temperaturen sind, bei denen die Bildung von Martensit beginnt bzw. abgeschlossen ist. Für viele SMA sind A_s und M_s annähernd gleich, und daher beginnt die Formumwandlung bei etwa der gleichen Temperatur, unabhängig davon, ob die SMA erhitzt oder abgekühlt wird.
Bei bestimmten medizinischen Anwendungen ist es häufig nützlich, eine SMA zu wählen, die eine A_f-Temperatur hat, die unterhalb der normalen Körpertemperatur liegt, um zu vermeiden, äußere Mittel zum Ausüben von Wärme bereitstellen zu müssen, um die Temperatur der SMA über A_f zu erhöhen. Außerdem ist die M_s der SMA vorzugsweise etwas niedriger als die niedrigste Temperatur, welche die SMA während der Verwendung antreffen wird, weil es notwendig ist, daß die SMA während der Verwendung im austenitischen Zustand bleibt (d.h., um eine mögliche Wiederausdehnung einer SMA-Kupplungsvorrichtung zu vermeiden, die zum Lockern von Klemmkräften führen kann). Es ist daher vorteilhaft, eine SMA mit verhältnismäßig niedrigen A_f- und M_s- Temperaturen zu wählen, um 1. zu sichern, daß aus der SMA durch vollständiges Umwandeln des Formgedächtnismaterials zu seinem austenitischen Zustand die maximale Spannung wiedergewonnen wird, und 2. mögliche Probleme zu vermeiden, die sich ergeben können, falls die Temperatur der SMA unter die M_s- Temperatur abfällt. Durch die Wahl einer SMA mit einer verhältnismäßig niedrigen A_f-Temperatur besteht jedoch die Gefahr, daß die SMA vor dem Einbau oder während desselben ausreichend erhitzt wird, was zur vorzeitigen Umwandlung einer SMA-Kupplungsvorrichtung in den austenitischen Zustand (d.h., zum vorzeitigen Verriegeln einer SMA-Kupplungsvorrichtung vor oder während einer chirurgischen Operation) führt. In der Vergangenheit erforderte dies typischerweise das Bereitstellen eines äußeren Kühlmittels, um die Temperatur der SMA vor dem Einbau der Formgedächtnisvorrichtung und während desselben unterhalb der A_f zu halten.
Bei einigen Anwendungen von Formgedächtnislegierungen kann eine mechanisch erzwungene Formänderung gegenüber einer wärmebetätigten Formänderung zu bevorzugen sein. Eine mechanisch erzwungene Formänderung nutzt die mit spannungsinduziertem Martensit verbundenen einzigartigen Merkmale, was keine Temperaturänderung erfordert, um eine Umformung des Formgedächtnismaterials zu seiner ursprünglichen, eingeprägten Konfiguration hin zu bewirken. Anfangs wird ein mechanischer Zwang angewendet, um das Formgedächtnislegierungsmaterial in seiner verformten Konfiguration (in einem spannungsinduzierten martensitischen Zustand) zu halten, bis zu einem Zeitpunkt, an dem der Zwang aufgehoben wird und folglich ermöglicht wird, daß sich die Formgedächtnislegierung ohne Temperaturänderung zu ihrer ursprünglichen, eingeprägten Konfiguration hin umformt. Die Verwendung von spannungsinduziertem Martensit (unter Nutzung einer mechanisch erzwungenen Formänderung) an Stelle von herkömmlichen Formgedächtnislegierungsmaterialien (unter Nutzung wärmebetätigter Formänderung) bietet häufig einen größeren Grad an Kontrolle über die Umformung des Formgedächmismaterials. Spannungsinduziertes Martensit bietet ebenfalls eine leichtere Kontrolle der Legierungszusammensetzung, verringert die Toleranzanforderungen für Paßteile und vereinfacht die mechanische Umkehr bei minimalen Spannungsniveaus. Weitere Einzelheiten bezüglich der Verwendung und der Merkmale von spannungsinduziertem Martensit werden ausführlicher im US-Patent Nr. 5597378 an Jervis, unter dem Titel „Medical Devices Incorporating SIM Alloy Elements", beschrieben.
Es besteht also in der Industrie ein allgemeiner Bedarf, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, die selektiv das Verriegeln eines Kupplungssystems aus einer Formgedächtnislegierung verhindern und ein Handhaben des Kupplungssystems ermöglichen. Die vorliegende Erfindung entspricht diesem Bedarf und stellt auf eine neuartige und nicht offensichtliche Weise weitere Vorteile und Vorzüge bereit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Kupplungssystem unter Verwendung der Formgedächtnistechnologie. Während die tatsächliche Beschaffenheit der hierin behandelten Erfindung nur unter Bezugnahme auf die hieran angefügten Ansprüche bestimmt werden kann, werden im folgenden kurz bestimmte Formen der Erfindung beschrieben, die für die hierin offenbarten Ausführungsformen charakteristisch sind.
In einer Form der vorliegenden Erfindung wird ein Kupplungssystem bereitgestellt, das eine Kupplungsvorrichtung einschließt, die zum Anschluß an ein Element geeignet ist und wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt wird, um ein Umformen der Vorrichtung von einer ersten Konfiguration zu einer zweiten Konfiguration zu ermöglichen, wobei die erste Konfiguration eine relative Bewegung zwischen dem Element und der Kupplungsvorrichtung ermöglicht und die zweite Konfiguration eine relative Bewegung zwischen dem Element und der Kupplungsvorrichtung begrenzt. Ein Sperrelement wirkt mit der Kupplungsvorrichtung zusammen, um selektiv zu verhindern, daß die Kupplungsvorrichtung zur zweiten Konfiguration umgeformt wird.
In einer anderen Form der vorliegenden Erfindung wird ein Kupplungssystem bereitgestellt, das eine Verbindungsvorrichtung einschließt, die zum Anschluß an ein Element geeignet ist und wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt wird. Die Verbindungsvorrichtung kann umgeformt werden von einer Form, die eine relative Bewegung zwischen dem Element und der Verbindungsvorrichtung ermöglicht, zu einer anderen Form, die eine relative Bewegung zwischen dem Element und der Verbindungsvorrichtung begrenzt. Ein Halteelement kann überführt werden von einem ersten Zustand, der verhindert, daß die Verbindungsvorrichtung die zweite Form annimmt, zu einem zweiten Zustand, der ermöglicht, daß die Verbindungsvorrichtung die zweite Form annimmt.
In noch einer anderen Form der vorliegenden Erfindung wird zur Verbindung mit einem Element ein Kupplungssystem bereitgestellt, das ein Kupplungselement, das einen Durchgang definiert, bemessen zum Aufnehmen eines Abschnitts des Elements in demselben, ein wenigstens teilweise aus einer Formgedächtnislegierung hergestelltes und um wenigstens einen Abschnitt des Kupplungselements angeordnetes Verriegelungselement und ein innerhalb des Durchgangs angeordnetes Sperrelement umfaßt. Das Verriegelungselement kann von einer ersten Konfiguration zu einer zweiten Konfiguration umgeformt werden, wobei die erste Konfiguration mit dem Kupplungselement zusammenwirkt, um eine relative Bewegung zwischen dem Element und dem Kupplungselement zu ermöglichen, und die zweite Konfiguration mit dem Kupplungselement zusammenwirkt, um eine relative Bewegung zwischen dem Element und dem Kupplungselement zu begrenzen. Das Sperrelement kann zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand überführt werden, wobei der erste Zustand verhindert, daß das Verriegelungselement seine zweite Konfiguration annimmt, und der zweite Zustand ermöglicht, daß die Kupplungsvorrichtung ihre zweite Konfiguration annimmt.
In einer weiteren Form der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, das einschließt, eine Kupplungsvorrichtung bereitzustellen, die zum Anschluß an ein Element geeignet ist und wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt wird, um ein Umformen der Kupplungsvorrichtung zu ermöglichen, ein Sperrelement bereitzustellen, durch ein Zusammenwirken zwischen der Kupplungsvorrichtung und einem ersten Zustand des Sperrelements zu verhindern, daß sich die Kupplungsvorrichtung umformt, um eine relative Bewegung zwischen dem Element und der Kupplungsvorrichtung zu ermöglichen, und das Sperrelement vom ersten Zustand zu einem zweiten Zustand zu überführen, um ein Umformen der Kupplungsvorrichtung zu ermöglichen, um eine relative Bewegung zwischen dem Element und der Kupplungsvorrichtung zu begrenzen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kupplungssystem unter Verwendung der Formgedächtnistechnologie bereitzustellen.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum selektiven Verhindern des Sperrens eines Kupplungssystems aus einer Formgedächtnislegierung bereitzustellen.
Weitere Aufgaben, Merkmale, Vorzüge, Vorteile und Aspekte der vorliegenden Erfindung werden offensichtlich aus den Zeichnungen und der Beschreibung, die hierin enthalten sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine perspektivische Seitenansicht eines Spinalfixationssystems nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine seitliche Querschnittsansicht des in 1 abgebildeten Systems, die das Sperrelement innerhalb des Kupplungselements angeordnet in einer eingeklinkten Position zeigt.
3 ist eine seitliche Querschnittsansicht des in 1 abgebildeten Systems, die das Sperrelement innerhalb des Kupplungselements angeordnet in einer ausgeklinkten Position zeigt.
4 ist ein Seitenriß einer Ausführungsform einer Knochenschraube zur Verwendung mit dem in 1 abgebildeten System.
5 ist ein Seitenriß einer Ausführungsform eines Kupplungselements zur Verwendung mit dem in 1 abgebildeten System.
6 ist eine Draufsicht des in 5 gezeigten Kupplungselements.
7 ist eine seitliche Querschnittsansicht des in 5 gezeigten Kupplungselements, längs der Linie 7-7 von 6 .
8 ist ein Seitenriß einer Ausführungsform eines Sperrelements zur Verwendung mit dem in 1 abgebildeten System.
9 ist eine seitliche Querschnittsansicht des in 8 gezeigten Sperrelements.
10 ist eine Draufsicht einer Ausführungsfonn eines mit dem in 1 abgebildeten System verwendeten Formgedächtnisrings.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zum Zweck der Förderung eines Verständnisses der Prinzipien der Erfindung wird nun Bezug genommen auf die in den Zeichnungen illustrierten Ausführungsformen, und es wird eine spezifische Sprache verwendet, um dieselben zu beschreiben. Trotzdem versteht es sich, daß damit keine Einschränkung des Rahmens der Erfindung beabsichtigt ist, der die Änderungen und weiteren Modifikationen in der illustrierten Vorrichtung und die weiteren Anwendungen der Prinzipien der Erfindung, wie sie hierin illustriert wird, einschließen soll, die einem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die Erfindung bezieht, normalerweise offensichtlich sein dürften.
1 bildet ein Kupplungssystem 10 nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ab. Das Kupplungssystem 10 schließt allgemein eine Kupplungsvorrichtung 16 und ein Sperr- oder Halteelement 22 ein. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kupplungssystem 10 dafür konfiguriert, ein Knocheneingriffselement 12 mit einem länglichen Element 14 zu verbinden. Bei einer Ausführungsform ist das Knocheneingriffselement 12 eine Knochenschraube, und das längliche Element 14 ist ein Spinalstab. Es sollte sich jedoch verstehen, daß andere Konfigurationen des Knocheneingriffselements 12 und des länglichen Elements 14 ebenfalls als innerhalb des Rahmens der Erfindung liegend betrachtet werden. Zum Beispiel könnte das Knocheneingriffselement 12 als Alternative dazu ein Wirbelhaken sein. Bei einer bevorzugten Anwendung des Systems 10 ist ein Paar von Spinalstäben 14 auf entgegengesetzten Seiten der Wirbelsäule angeordnet, und eine Vielzahl von Knocheneingriffsschrauben 12 wird an zwei oder mehr Wirbelkörpern angebracht und am Spinalstab 14 befestigt. Es sollte sich ebenfalls verstehen, daß das System 10 verwendet werden kann, um Elemente zu verbinden, die außerhalb des Gebiets der Wirbelsäule Anwendung finden. Weitere Anwendungen des Systems 10 werden in der US-Patentanmeldung Seriennr. 09/408197, eingereicht am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung und unter dem Titel „Advanced Coupling Device Using Shape-Memory Technology", ausführlicher offenbart.
Unter Bezugnahme auf 2 und 3 wird nun die Knochenschraube 12, mittels der Kupplungsvorrichtung 16 verbunden mit dem Spinalstab 14, gezeigt. Die Kupplungsvorrichtung 16 schließt ein Kupplungselement 18, das eine Längsachse L definiert, und eine Vielzahl von Verriegelungselementen 20 ein. Das Kupplungselement 18 ist dafür konfiguriert, Abschnitte der Knochenschraube 12 und des Spinalstabs 14 in demselben aufzunehmen. Die Verriegelungselemente 20 werden um einen Abschnitt des Kupplungselements 18 angeordnet und allgemein längs der Längsachse L ausgerichtet. Das Sperrelement 22 wird innerhalb des Kupplungselements 18 angeordnet und allgemein längs der Längsachse L ausgerichtet.
Wie in 2 illustriert, wirkt in einer ersten Konfiguration der Kupplungsvorrichtung 16 das Sperrelement 22 mit dem Kupplungselement 18 zusammen, um so zu verhindern, daß das Verriegelungselement 20 die Knochenschraube 12 und den Spinalstab 14 in einer festgesetzten Position und Ausrichtung im Verhältnis zum Kupplungselement 18 verriegelt oder festklemmt. In dieser ersten Konfiguration wird ermöglicht, daß sich die Knochenschraube 12 frei im Verhältnis zum Kupplungselement 18 dreht und schwenkt, und es wird ermöglicht, daß sich der Spinalstab 14 frei im Verhältnis zum Kupplungselement 18 dreht und verschiebt. Wie in 3 illustriert, wirkt jedoch, in einer zweiten Konfiguration der Kupplungsvorrichtung 16, das Sperrelement 22 mit dem Kupplungselement 18 zusammen, um so zu ermöglichen, daß das Verriegelungselement 20 die Knochenschraube 12 und den Spinalstab 14 in einer festgesetzten Position und Ausrichtung im Verhältnis zum Kupplungselement 18 verriegelt oder festklemmt. In dieser zweiten Konfiguration wird verhindert, daß sich die Knochenschraube 12 frei im Verhältnis zum Kupplungselement 18 dreht und schwenkt, und es wird verhindert, daß sich der Spinalstab 14 frei im Verhältnis zum Kupplungselement 18 dreht und verschiebt. Es ist folglich zu sehen, daß ein Zweck des Sperrelements 22 ist, selektiv zu verhindern, daß die Kupplungsvorrichtung 16 ihre zweite Konfiguration annimmt. Weitere Einzelheiten bezüglich der Funktion der Kupplungsvorrichtung 16 und des Sperrelements 22 werden unten ausführlicher beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 4 werden darin nun verschiedene strukturelle Einzelheiten der Knochenschraube 12 gezeigt. Bei einer Ausführungsform schließt die Knochenschraube 12 einen Verbindungsabschnitt 24 und einen von demselben vorstehenden Eingriffsabschnitt 26 ein. Vorzugsweise schließt der Verbindungsabschnitt 24 einen wenigstens teilweise kugelförmigen Kopf 28 ein. Der Kopf 28 definiert eine wesentlich sphärische Fläche 30, die mit dem Kupplungselement 18 zusammenwirkt, um zu ermöglichen, daß die Knochenschraube 12 in einer Vielzahl von Winkelausrichtungen im Verhältnis zur Längsachse L ausgerichtet wird. Obwohl gezeigt wird, daß der Kopf 28 wesentlich kugelförmig ist, sollte es sich verstehen, daß die sphärische Fläche 30 eine Vielzahl von Formen und Konfigurationen, wie beispielsweise eine elliptische oder bogenförmige Gestalt, annehmen kann.
Bei einer spezifischen Ausführungsform der Knochenschraube 12 schließt der Kopf 28 eine abgestumpfte, flache obere Fläche 32 ein, durch die eine Werkzeugaufnahmeaussparung 34 definiert wird, die dafür konfiguriert sein kann, eine beliebige Art von Eindrehwerkzeug aufzunehmen. Vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, ist die Werkzeugaufnahmeaussparung 34 ein Innensechskant, dafür bemessen, das Sechskantende eines Eindrehwerkzeugs aufzunehmen, so daß die Knochenschraube 12 in einen Wirbelkörper eingedreht werden kann. Der Eingriffsabschnitt 26 schließt ein Gewinde 36 ein, das vorzugsweise ein Spongiosa-Gewinde ist, dafür konfiguriert, einen Wirbelkörper in Eingriff zu nehmen. Obwohl der Eingriffsabschnitt 26 als ein Gewindeschaft illustriert wird, sollte es sich verstehen, daß der Eingriffsabschnitt 26 andere Konfigurationen annehmen kann, wie beispielsweise ein Haken, der in der Lage ist, verschiedene Aspekte eines Wirbelkörpers in Eingriff zu nehmen. In einem weiteren Aspekt der Knochenschraube 12 ist der Eingriffsabschnitt 26 mit einem gewindelosen Schaftabschnitt 37 versehen, der sich zwischen dem Kopf 28 und dem Spongiosa-Gewinde 36 erstreckt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 und 3 ist zu sehen, daß der gewindelose Schaftabschnitt 37 dafür konfiguriert wird, durch Vermeiden eines Kontakts zwischen dem Spongiosa-Gewinde 36 und dem unteren Ende des Kupplungselements 18, wenn die Knochenschraube 12 im Verhältnis zum Kupplungselement 18 geschwenkt wird, zu ermöglichen, daß die Knochenschraube 12 einen größeren Bereich der Winkelbewegung im Verhältnis zur Längsachse L hat. Bei einer Ausführungsform kann die Knochenschraube 12 im Verhältnis zur Längsachse L einen weiten Bereich von Winkeln einnehmen, bis hin zum Winkel A. Obwohl gezeigt wird, daß der Winkel A in einer einzigen Ebene liegt (d.h., in der Ebene der Papierfläche), sollte es sich verstehen, daß das Knocheneingriffselement 12 im Verhältnis zur Längsachse L durch eine allgemein konische Bahn schwenken kann. Wie ebenfalls in 2 und 3 abgebildet, schließt der Spinalstab 14 einen Verbindungsabschnitt 38 mit einem allgemein kreisförmigen äußeren Querschnitt ein. Es sollte sich jedoch verstehen, daß der Verbindungsabschnitt 38 eine Vielfalt von alternativen Formen, wie beispielsweise ein Quadrat, eine Ellipse oder eine Zahl anderer vieleckiger Konfigurationen, annehmen kann.
Unter Bezugnahme auf 5-7 werden darin nun verschiedene strukturelle Einzelheiten des Kupplungselements 18 gezeigt. Unter besonderer Bezugnahme auf 7 schließt das Kupplungselement 18 einen Durchgang 40 ein, der sich allgemein längs der Längsachse L durch denselben erstreckt und folglich eine obere Öffnung 40a und eine untere Öffnung 40b definiert. Der Längsdurchgang 40 wird durch eine Seitenwand 42 mit einem ersten Ende 42a und einem entgegengesetzten zweiten Ende 42b begrenzt. Der Durchgang 40 besteht teilweise aus einem Schlitz 44, der sich vom ersten Ende 42a zum zweiten Ende 42b hin erstreckt. Der Schlitz 44 hat eine Innenfläche 46, die eine Breite w und eine Länge l definiert (6). Bei einer Ausführungsform des Kupplungselements 18 ist die Länge l geringfügig größer als die Breite w. Als Alternative dazu können die Breite w und die Länge l wesentlich gleich sein, um so eine allgemein kreisförmige Bohrung zu definieren. Der Durchgang 40 schließt außerdem eine erste radiale Aussparung oder Nut 48a und eine zweite radiale Aussparung oder Nut 48b ein. Die erste radiale Nut 48a ist längs der Tiefe des Schlitzes 44 zwischen dem ersten Ende 42a und dem Ende des Schlitzes 44 angeordnet. Die Nut 48a definiert eine Umfangsfläche 50, eine ringförmige Fläche 52 und eine Randwinkelfläche 54, die als Übergang zwischen der Innenfläche 46 des Schlitzes 44 und der Umfangsfläche 50 dient. Die zweite radiale Nut 48b ist angrenzend an das Ende des Schlitzes 44 angeordnet und ist identisch mit der ersten radialen Nut 48a konfiguriert. Eine allgemein kreisförmige Bohrung 55, die eine Innenfläche 56 definiert, erstreckt sich von der zweiten radialen Nut 48b zum zweiten Ende 42b hin. Die Bohrung 55 geht in eine radiale Aussparung 57 mit einer Umfangsfläche 58, einer oberen Randwinkelfläche 60 und einer unteren Randwinkelfläche 62 über. Die obere Winkelfläche 60 dient als Übergang zwischen der Innenfläche 56 der Bohrung 55 und der Umfangsfläche 58. Der Punkt, an dem die obere Winkelfläche 60 die Innenfläche 56 schneidet, definiert eine allgemein kreisförmige Oberkante 64. Ähnlich geht die untere Winkelfläche 62 in eine allgemein konische Bohrung 68 über, um so eine allgemein kreisförmige Unterkante 66 zu definieren. Die konische Bohrung 68 hat eine nach außen kegelförmige Innenfläche 70, die sich zwischen der unteren Winkelfläche 62 und dem zweiten Ende 42b erstreckt. Vorzugsweise schließt die kegelförmige Innenfläche 70 eine allgemein flache Winkelfläche 72 ein, die sich von der unteren Winkelfläche 62 nach außen erstreckt und in eine sich nach außen erstreckende bogenförmige Fläche 74 übergeht, die wiederum in das zweite Ende 42b übergeht. Obwohl beschrieben worden ist, daß der Längsdurchgang 40 einen allgemein kreisförmigen oder länglichen Innenquerschnitt hat, sollte es sich verstehen, daß andere Formen und Konfigurationen ebenfalls als innerhalb des Rahmens der Erfindung liegend betrachtet werden.
Unter besonderer Bezugnahme auf 5 schließt das Kupplungselement 18 einen allgemein zylindrisch geformten oberen Abschnitt 80 und einen allgemein zylindrisch geformten unteren Abschnitt 82 ein. Der untere Abschnitt 82 hat einen Außendurchmesser D₁, der vorzugsweise geringer ist als der Außendurchmesser des oberen Abschnitts 80. Das an das Ende 42b angrenzende Ende des unteren Abschnitts 82 definiert einen nach außen gerichteten Vorsprung 86. Vorzugsweise definiert der Übergang zwischen dem unteren Abschnitt 82 und dem nach außen gerichteten Vorsprung 86 eine kreisförmige Ausrundung 88. Die Ober- und Unterkanten des oberen Abschnitts 80 und die Unterkante des unteren Abschnitts 82 sind vorzugsweise abgerundet, um scharfe Kanten zu vermeiden, die möglicherweise angrenzendes Gewebe schädigen können. Der obere Abschnitt 80 definiert einen Kanal 90, der sich seitlich durch denselben erstreckt und zum ersten Ende 42a öffnet, um den Spinalstab 14 durch denselben aufzunehmen. Der Kanal 90 schneidet den Längsdurchgang 40 und ist allgemein senkrecht zur Längsachse L ausgerichtet. Der obere und der untere Abschnitt 80, 82 definieren einen ersten Schlitz 92, der sich vom Kanal 90 zum zweiten Ende 42b hin erstreckt. Der erste Schlitz 92 schließt einen Basisabschnitt 94 ein, der sich vom Kanal 90 aus erstreckt und in einen gegabelten Abschnitt 96 mit einer ersten und einer zweiten Zinke 98a, 98b übergeht. Der untere Abschnitt 82 definiert einen zweiten Schlitz 100, der sich vom zweiten Ende 42b zum ersten Ende 42a hin erstreckt und wenigstens teilweise zwischen den Zinken 98a, 98b angeordnet ist. Weitere Einzelheiten bezüglich des Kupplungselements 18, einschließlich einer weiteren Erörterung der Struktur und des Funktionierens des ersten und des zweiten Schlitzes 92, 100 werden in der US-Patentanmeldung Seriennr. 09/408197, eingereicht am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung und unter dem Titel „Advanced Coupling Device Using Shape-Memory Technology", offenbart.
Unter Bezugnahme auf 8 und 9 werden darin nun verschiedene struktuelle Einzelheiten bezüglich des Sperrelements 22 gezeigt. Das Sperrelement 22 hat eine allgemein zylindrische Form und schließt eine Seitenwand 102 ein, die sich zwischen einem ersten Ende 102a und einem zweiten Ende 102b erstreckt. Die Seitenwand 102 definiert einen Durchgang 104, der sich durch dieselbe erstreckt, einschließlich eines nach außen kegelförmigen Abschnitts 106, der sich zum zweiten Ende 102b öffnet. Die Seitenwand 102 definiert ebenfalls ein Paar von radialen Vorsprüngen oder Leisten 108a, 108b, die jeweils eine wesentlich komplementär zu den radialen Nuten 48a bzw. 48b konfigurierte Form haben. Im einzelnen schließt jeder der radialen Vorsprünge 108a, 108b eine Umfangsfläche 110, eine ringförmige Fläche 112 und eine Randwinkelfläche 114 ein, die jeweils der Umfangsfläche 50, der ringförmigen Fläche 52 und der Randwinkelfläche 54 der radialen Nuten 48a, 48b entsprechen.
Unter Bezugnahme auf 10 werden darin verschiedene strukturelle Einzelheiten bezüglich der Verriegelungselemente 20 gezeigt. Jedes der Verriegelungselemente 20 ist allgemein ringförmig und hat vorzugsweise abgeschrägte Innen- und Außenkanten 115. Die Verriegelungselemente 20 werden wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial, wie beispielsweise Nitinol^®, hergestellt. Die Verriegelungselemente 20 haben eine Innenfläche 116, die einen Innendurchmesser D₂ definiert, wenn das Formgedächtnismaterial eine Temperatur unter A_s hat. In diesem Zustand ist der Innendurchmesser D₂ geringfügig größer als der Außendurchmesser D₁ des unteren Abschnitts 82 des Kupplungselements 18. Wenn die Temperatur des Formgedächtnismaterials über A_s gesteigert wird, wird das Verriegelungselement 20 beginnen, sich zu seiner „eingeprägten" Konfiguration hin zu regenerieren oder umzuformen. Mit anderen Worten, bei der Temperatur A_s wird der Innendurchmesser des Verriegelungselements 20 beginnen, sich zusammenzuziehen. Während die Verriegelungselemente 20 als runde Ringe abgebildet werden, sollte es sich verstehen, daß andere Formen, wie sie einer Person mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet offensichtlich sein dürften, ebenfalls vorgesehen sind. Weitere Einzelheiten bezüglich der Struktur und des Funktionierens der Verriegelungselemente 20 werden in der US-Patentanmeldung Seriennr. 09/408197, eingereicht am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung und unter dem Titel „Advanced Coupling Device Using Shape-Memory Technology", offenbart.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Verriegelungselemente 20 zeigt das Formgedächtnismaterial innerhalb der Verriegelungselemente 20 ein spannungsinduziertes Martensitverhalten. In einem spannungsinduzierten martensitischen Zustand ist der Innendurchmesser D₂ der Verriegelungselemente 20 annähernd gleich dem Außendurchmesser D₁ des unteren Abschnitts 82 des Kupplungselements 18. Wenn jedoch die Spannung von den Verriegelungselementen 20 weggenommen wird, wird sich jedes der Verriegelungselemente 20 zu seiner spannungsfreien oder „eingeprägten" Konfiguration hin regenerieren oder umformen, und der Innendurchmesser D₂ der Verriegelungselemente 20 wird sich zusammenziehen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 wird darin eine Anfangskonfiguration der Kupplungsvorrichtung 16 gezeigt. Der Kopf 28 der Knochenschraube 12 ist innerhalb des Durchgangs 40 des Kupplungselements 18 angrenzend an die radiale Aussparung 57 angeordnet, und der Verbindungsabschnitt 38 des Spinalstabs 14 ist innerhalb des oberen Abschnitts des Kanals 90 des Kupplungselements 18 angeordnet. Das Sperrelement 22 wird innerhalb des Durchgangs 40 zwischen der oberen Fläche 32 des Kopfs 28 und dem Spinalstab 14 angeordnet, wobei die Umfangsflächen 110 der radialen Segmente 108a, 108b die benachbarte Innenfläche 46 des Schlitzes 44 genau oberhalb der ersten und der zweiten radialen Nut 48a bzw. 48b in Eingriff nehmen. Eine Vielzahl von Verriegelungselementen 20 ist um den unteren Abschnitt 82 des Kupplungselements 18 angeordnet und zwischen dem oberen Abschnitt 80 und dem nach außen gerichteten Vorsprung 86 positioniert. Die Verriegelungselemente 20 werden anfangs durch Vorspannen des unteren Abschnitts 82 nach innen, so daß die Verriegelungselemente 20 über dem nach außen gerichteten Vorsprung 86 positioniert werden können, an das Kupplungselement 18 angebaut. Wenn die Vorspannkraft gelöst wird, wird ermöglicht, daß der untere Abschnitt 82 zu seiner nicht verformten Gestalt zurückkehrt, und die Verriegelungselemente 20 werden vorläufig am unteren Abschnitt 82 festgehalten. Es sollte sich verstehen, daß die Verriegelungselemente 20 als Alternative dazu zu einem einzigen Verriegelungselement 20 verbunden werden könnten, das eine Dicke hat, die annähernd der Entfernung zwischen dem oberen Abschnitt 80 und dem nach außen gerichteten Vorsprung 86 gleicht. Weitere Einzelheiten bezüglich des Zusammenbaus des Systems 10 sowie des Einführens des Systems 10 in die Operationsstelle werden in der US-Patentanmeldung Seriennr. 09/408197, eingereicht am gleichen Tag wie die vorliegende Anmeldung und unter dem Titel „Advanced Coupling Device Using Shape-Memory Technology", offenbart.
In der in 2 illustrierten Anfangskonfiguration der Kupplungsvorrichtung 16 wird der Kopf 28 der Knochenschraube 12 locker innerhalb der radialen Aussparung 57 aufgenommen, so daß die Winkelausrichtung der Knochenschraube 12 veränderlich eingestellt werden kann. Ähnlich wird der Verbindungsabschnitt 38 des Spinalstabs 14 locker innerhalb des Kanals 90 aufgenommen, so daß der Spinalstab 14 innerhalb des Kanals 90 gedreht und verschoben werden kann. Kurz nachdem das System 10 in die Operationsstelle eingeführt ist, wird die Temperatur der Verriegelungselemente 20 und insbesondere des darin enthaltenen Formgedächtnismaterials als Reaktion auf die Leitung von Körperwärme beginnen anzusteigen. Sobald die Temperatur der Verriegelungselemente 20 auf A_s ansteigt, wird das Formgedächtnismaterial beginnen, in den austenitischen Zustand einzutreten, und die Verriegelungselemente 20 werden beginnen, sich zu ihrer „eingeprägten" Form hin zu regenerieren oder umzuformen. Wenn dies geschieht, wird die Innenfläche 116 jedes Verriegelungselements 20 eine Kompressionskraft auf den unteren Abschnitt 82 des Kupplungselements 18 ausüben. Das Sperrelement 22 wird die durch die Verriegelungselemente 20 ausgeübten nach innen gerichteten Kräfte jedoch absorbieren oder ausgleichen und folglich verhindern, daß sich die Kupplungsvorrichtung 16 umformt und die Knochenschraube 12 und den Spinalstab 14 in ihrer Position im Verhältnis zum Kupplungselement 18 verriegelt. Im einzelnen ist das Sperrelement 22 so innerhalb des Durchgangs 40 positioniert, daß die Umfangslagerflächen 110 der radialen Segmente 108a, 108b die innere Lagerfläche 46 in Eingriff nehmen und eine nach außen gerichtete Kraft auf das Kupplungselement 18 ausüben, die den durch die Verriegelungselemente 20 auf das Kupplungselement 18 ausgeübten nach innen gerichteten Kompressionskräften gleich ist.
Nachdem eine ausreichende Zeit vergangen ist, kann die Temperatur der Verriegelungselemente 20 schließlich über A_f ansteigen, die vorzugsweise unterhalb der normalen Körpertemperatur liegt, und das Formgedächtnismaterial wird vollständig zu Austenit umgewandelt. An diesem Punkt sind die durch die Verriegelungselemente 20 ausgeübten Kompressionskräfte auf ihrem Maximum. Das Sperrelement 22 wird jedoch über das Widerlager der Lagerflächen 110 an der Innenfläche 46 weiter die durch die Verriegelungselemente 20 ausgeübten Kompressionskräfte absorbieren. So lange das Sperrelement 22 in der in 2 gezeigten Position bleibt, wird der Chirurg in der Lage sein, die Winkelausrichtung der Knochenschraube 12 im Verhältnis zur Längsachse L einzustellen und den Spinalstab 14 innerhalb des Kanals 90 zu drehen und zu verschieben. Dementsprechend ist zu sehen, daß das Sperrelement 22 verhindern wird, daß das Kupplungselement 18 bei Temperaturen, die A_f übersteigen können, die Knochenschraube 12 und den Spinalstab 14 nach unten verriegelt oder festklemmt, was folglich die fortgesetzte Einstellung der Position und Ausrichtung der Knochenschraube 12 und des Spinalstabs 14 im Verhältnis zum Kupplungselement 18 ermöglicht.
Unter Bezugnahme auf 3 wird nun das Sperrelement 22, sobald der Chirurg die Knochenschraube 12 und den Spinalstab 14 in ihre endgültige Ausrichtung und Position im Verhältnis zum Kupplungselement 18 eingestellt hat, durch Ausüben einer nach unten gerichteten Kraft auf den Spinalstab 14 von seiner anfänglichen Eingriffsposition (gezeigt in 2) zum Kopf 28 der Knochenschraube 12 hin verschoben. Der Spinalstab 14 wiederum berührt das Ende 102a des Sperrelements 22 und verschiebt das Sperrelement 22 allgemein längs der Längsachse L in einer Richtung nach unten. Wenn das Sperrelement 22 innerhalb des Schlitzes 44 nach unten verschoben wird, werden die Umfangsflächen 110 der radialen Segmente 108a, 108b gleitend die Innenfläche 46 des Schlitzes 44 in Eingriff nehmen und werden schließlich die Innenflächen 46 freigeben, wenn die radialen Vorsprünge 108a, 108b wenigstens teilweise innerhalb der radialen Nuten 48a, 48b positioniert sind. Das Wegnehmen der durch das Sperrelement 22 auf das Kupplungselement 18 ausgeübten nach außen gerichteten Kraft ermöglicht, daß sich die Verriegelungselemente 20 zu ihrer „eingeprägten" Form regenerieren oder umformen. Die aufgespeicherten inneren Kräfte innerhalb der Verriegelungselemente 20 führen zu einer Verringerung von D₂ und dem Zusammenziehen der Innenfläche 116 um das Kupplungselement 18. Demzufolge wird die Form des Kupplungselements 18 ebenfalls umgeformt, und wenn das Sperrelement 22 weiter nach unten verschoben wird, werden die Winkelflächen 114 der radialen Segmente 108a, 108b längs der Winkelflächen 54 der radialen Nuten 48a, 48b gleiten, bis die radialen Segmente 108a, 108b innerhalb der radialen Nuten 48a bzw. 48b positioniert sind. Wenn die ringförmigen Flächen 112 der radialen Segmente 108a, 108b an die entsprechenden ringförmigen Flächen 52 der radialen Nuten 48a, 48b anstoßen, wird das Sperrelement 22 an einer weiteren Verschiebung nach unten gehindert.
In der in 3 gezeigten endgültigen Konfiguration der Kupplungsvorrichtung 16 ist das Sperrelement 22 so innerhalb des Durchgangs 40 positioniert, daß die Lagerflächen 110 die Innenfläche 46 des Kupplungselements 18 nicht mehr in Eingriff nehmen. Im Ergebnis dessen werden die durch die Verriegelungselemente 20 ausgeübten Kompressionskräfte bewirken, daß sich das Kupplungselement 18 umformt und eng um den Kopf 28 der Knochenschraube 12 und den Verbindungsabschnitt 38 des Spinalstabs 14 zusammenzieht, wodurch die Knochenschraube 12 und der Spinalstab 14 in ihre Position im Verhältnis zum Kupplungselement 18 verriegelt werden und eine relative Bewegung zwischen denselben begrenzt wird. Im einzelnen wird der Verbindungsabschnitt 38 des Spinalstabs 14 innerhalb des Kanals 90 festgeklemmt, und der Kopf 28 der Knochenschraube 12 wird zwischen den kreisförmigen Ober- und Unterkanten 64, 66 der radialen Aussparung 57 festgeklemmt. In dieser endgültigen Konfiguration des Systems 10 wird das zweite Ende 102b des Sperrelements 22 unmittelbar angrenzend an die obere Fläche 32 der Knochenschraube 12 positioniert gezeigt. Obwohl die Knochenschraube 12 mit der Längsachse L ausgerichtet gezeigt wird, würde der Kopf 28 die Verschiebung des Sperrelements 22 nach unten nicht stören, selbst wenn die Knochenschraube 12 in einer Winkelausrichtung angeordnet worden wäre, weil der Kopf 28 wenigstens teilweise innerhalb des nach außen kegelförmigen Abschnitts 106 des Sperrelements 22 aufgenommen würde. Es ist ebenfalls zu sehen, daß die endgültige Position des Sperrelements 22 den vollständigen Eingriff des Spinalstabs 14 innerhalb des Kanals 90 nicht stört.
Falls es notwendig wird, das Kupplungssystem 10 zu lockern, um das erneute Positionieren der Knochenschraube 12 oder des Spinalstabs 14 im Verhältnis zur Kupplung 18 zu ermöglichen oder um das Entfernen des Kupplungssystems 10 von der Operationsstelle zu ermöglichen, können die Verriegelungselemente 20 gekühlt werden, bis das Formgedächtnismaterial zu seinem martensitischen Zustand zurückkehrt. Wenn die Temperatur der Verriegelungselemente 20 unter M_s verringert wird, wird der Innendurchmesser D₂ beginnen zuzunehmen, weil die Verriegelungselemente 20 beginnen, ihre verformte Gestalt anzunehmen. Im Ergebnis dessen wird sich der Griff des Kupplungselements 18 an dem Kopf 28 der Knochenschraube 12 und dem Verbindungsabschnitt 38 des Spinalstabs 14 lockern und erneut ermöglichen, daß die Knochenschraube 12 und der Spinalstab 14 im Verhältnis zum Kupplungselement 18 eingestellt oder vollständig vom Kupplungselement 18 entfernt werden.
Es sollte nun zu verstehen sein, daß die vorliegende Erfindung funktionsfähig ist, um selektiv das vorzeitige Verriegeln des Kupplungssystems 10 zu verhindern, um selbst bei Temperaturen oberhalb von A_f das fortgesetzte Einstellen der Knochenschraube 12 und des Spinalstabs 14 im Verhältnis zum Kupplungselement 18 zu ermöglichen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Af-Temperatur des Formgedächtnismaterials innerhalb der Verriegelungselemente 20 unterhalb der normalen Körpertemperatur. Bei einer anderen Ausführungsform liegt die A_f-Temperatur unterhalb der umgebenden Raumtemperatur (etwa 23°C). Bei dieser Ausführungsform werden die Verriegelungselemente 20 bei Raumtemperatur eine Kompressionskraft auf das Kupplungselement 18 ausüben, das wiederum das Sperrelement 22 in einer gewünschten Position innerhalb des Durchgangs 40 festklemmen wird (siehe 2). Auf diese Weise bilden das Kupplungselement 18, die Verriegelungselemente 20 und das Sperrelement 22 eine einheitliche Baugruppe, die vor einer chirurgischen Operation und während derselben leicht gehandhabt werden kann, was folglich den „Fummelfaktor" während der Operation beseitigt oder wenigstens verringert. Zusätzlich wird durch die Wahl einer A_f-Temperatur weit unterhalb der normalen Körpertemperatur das Wiedergewinnen der durch die Verriegelungselemente 20 erzeugten Kompressionskräfte dadurch auf ein Maximum gesteigert, daß gesichert wird, daß die A_f-Temperatur tatsächlich erreicht wird. Darüber hinaus verringert die Wahl einer A_f-Temperatur weit unterhalb der normalen Körpertemperatur die Gefahr, daß sich das Kupplungssystem lockert, falls die Temperatur des Formgedächtnismaterials unter die M_s-Temperatur fällt.
Obwohl die Abwärtsverschiebung des Sperrelements 22 innerhalb des Längsdurchgangs 40 durch Ausüben einer nach unten gerichteten Kraft auf den Spinalstab 14 herbeigeführt wird, sollte es sich verstehen, daß das Sperrelement 22 ebenso durch andere Verfahren verschoben werden kann. Zum Beispiel könnte das Sperrelement 22 als Alternative dazu durch ein entsprechend gestaltetes Instrument verschoben werden, dafür konfiguriert, einen Abschnitt des Sperrelements 22 in Eingriff zu nehmen und eine nach unten gerichtete Kraft auf denselben auszuüben. Ebenso muß das Sperrelement 22 nicht notwendigerweise nach unten verschoben werden, um das Lösen der nach außen gerichteten Kraft des Sperrelements 22 auf die Innenfläche 46 des Kupplungselements 18 zu bewirken. Zum Beispiel könnte das Sperrelement 22 als Alternative dazu durch Ausüben einer nach oben gerichteten Kraft auf das Sperrelement 22 mittels der Knochenschraube 12 oder eines entsprechend gestalteten Instruments zum ersten Ende 42a des Kupplungselements 18 hin nach oben verschoben werden.
Die vorliegende Erfindung sieht zum selektiven Verhindern des vorzeitigen Verriegelns des Kupplungssystems 10, selbst bei Temperaturen, die A_f übersteigen können, beliebige Mittel vor, wie sie einer Person mit normalen Kenntnissen auf dem Gebiet offensichtlich sein dürften. Zum Beispiel ist die Verwendung eines Sperrelements, das wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial besteht, das eine A_f-Temperatur etwas oberhalb der A_f-Temperatur der Verriegelungselemente 20 hat, ebenfalls vorgesehen. In einem Zustand würde das Sperrelement das Verriegeln des Kupplungssystems 10 bei Temperaturen oberhalb der A_f der Verriegelungselemente 20 verhindern. In einem anderen Zustand würde das Sperrelement jedoch bei einer Temperatur oberhalb seiner eigenen A_f in eine eingeprägte Form umgeformt werden, was ermöglichen würde, daß die Verriegelungselemente 20 das Kupplungssystem 10 verriegeln. Vorzugsweise läge die A_f-Temperatur des Sperrelements etwas oberhalb der normalen Körpertemperatur, um so das unbeabsichtigte Verriegeln des Kupplungssystems 10 während der Operation zu vermeiden. Auf diese Weise könnte die Temperatur des Sperrelements durch Anwenden einer äußeren Wärmequelle gesteigert werden, um so dem Chirurgen die Möglichkeit zu geben, das Kupplungssystem 10 zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Operation selektiv in einer gewünschten Position zu verriegeln, ungeachtet dessen, wie lange das Kupplungssystem 10 innerhalb des Körpers verblieben ist.
Obwohl eine Funktion des Sperrelements als Absorbieren oder Ausgleichen der durch eine Kupplungsvorrichtung ausgeübten nach innen gerichteten Kräfte illustriert und beschrieben worden ist, sollte es sich verstehen, daß das Sperrelement als Alternative dazu dafür konfiguriert werden könnte, nach außen gerichtete Kräfte zu absorbieren oder auszugleichen, um so selektiv das Verriegeln eines Kupplungssystems zu verhindern. Falls das Formgedächtnismaterial innerhalb der Kupplungsvorrichtung zum Beispiel dafür konfiguiert wäre, sich bei einer ausreichenden Temperaturänderung auszudehnen, um ein Kupplungssystem zu verriegeln, könnte das Sperrelement dafür konfiguriert werden, durch die Kupplungsvorrichtung ausgeübte nach außen gerichtete Kräfte zu absorbieren oder auszugleichen, um so selektiv das Verriegeln des Kupplungssystems zu verhindern.
Es sollte sich ebenfalls verstehen, daß an Stelle der Verwendung des Verriegelungselements 20 zum Bereitstellen der Kompressionskräfte, die notwendig sind, um die Knochenschraube 12 und den Spinalstab 14 in ihrer Position im Verhältnis zum Kupplungselement 18 festzuklemmen, alternativ wenigstens ein Abschnitt des Kupplungselements aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt werden könnte. Auf diese Weise würde das Kupplungselement 18 die Kompressionskräfte bereitstellen, die notwendig sind, um das Kupplungssystem 10 zu verriegeln, und die Verriegelungselemente 20 wären nicht erforderlich.
Zusätzlich könnte, wie oben erörtert, das Formgedächtnismaterial innerhalb der Kupplungsvorrichtung 16 und insbesondere der Verriegelungselemente 20 so zugeschnitten werden, daß es spannungsinduzierte Martensiteigenschaften zeigt. Es ist wichtig, daß eine solche Verwendung von spannungsinduziertem Martensit keine entsprechende Temperaturänderung erfordern würde, um ein Umformen der Kupplungsvorrichtung 16 zu ihrer ursprünglichen, eingeprägten Form zu bewirken. Das Formgedächtnismaterial würde in einem spannungsinduzierten martensitischen Zustand bleiben, wenn die Kupplungsvorrichtung in ihrer ersten Form oder Konfiguration gehalten wird, und wenigstens ein Teil des Formgedächtnismaterials würde während der Umformung der Kupplungsvorrichtung 16 zu ihrer zweiten Form oder Konfiguration zu einem austenitischen Zustand umgewandelt. Vorzugsweise würde das Formgedächtnismaterial ungefähr bei normaler Körpertemperatur ein spannungsinduziertes Martensitverhalten zeigen. Weitere Einzelheiten bezüglich der Verwendung und der Merkmale von spannungsinduziertem Martensit werden ausführlicher im US-Patent Nr. 5597378 an Jervis, unter dem Titel „Medical Devices Incorporating SIM Alloy Elements", beschrieben.
Während die Erfindung in den Zeichnungen und der vorstehenden Beschreibung detailliert illustriert und beschrieben worden ist, sind diese als illustrativ und von nicht einschränkendem Charakter zu betrachten, wobei es sich versteht, daß nur die bevorzugten Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden sind, und daß alle Veränderungen und Modifikationen, die in den Rahmen der angefügten Ansprüche fallen, geschützt werden sollen.

Claims

Kupplungssystem (10) zum Anschluß an ein Element (12, 14), wobei das Kupplungssystem folgendes umfaßt: eine Kupplungsvorrichtung (16), das zum Anschluß an das Element (12, 14) geeignet ist und wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt wird, wobei die Kupplungsvorrichtung (16) von einer ersten Konfiguration zu einer zweiten Konfiguration umgeformt werden kann, wobei die erste Konfiguration eine relative Bewegung zwischen dem Element (12, 14) und der Kupplungsvorrichtung (16) ermöglicht, wobei die zweite Konfiguration eine relative Bewegung zwischen dem Element (12, 14) und der Kupplungsvorrichtung (16) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupplungssystem (10) außerdem ein mit der Kupplungsvorrichtung (16) zusammenwirkendes Sperrelement (22) umfaßt, um selektiv zu verhindern, daß die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umgeformt wird.
System nach Anspruch 1, bei dem das Sperrelement (22) von einem ersten Zustand zu einem zweiten Zustand überführt werden kann, wobei der erste Zustand verhindert, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt, wobei der zweite Zustand ermöglicht, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt.
System nach Anspruch 2, bei dem die Kupplungsvorrichtung (16) eine erste Lagerfläche (46) definiert und das Sperrelement (22) eine zweite Lagerfläche (110) definiert, wobei die erste und die zweite Lagerfläche (46, 110) im ersten Zustand in Stoß gebracht werden, um zu verhindern, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt.
System nach Anspruch 1, bei dem das Sperrelement (22) im Verhältnis zur Kupplungsvorrichtung (16) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position verschoben werden kann, wobei die erste Position verhindert, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt, wobei die zweite Position ermöglicht, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt.
System nach Anspruch 4, bei dem die Kupplungsvorrichtung (16) eine Seitenwand (42) hat, die wenigstens eine Aussparung (48a, 48b) definiert, wobei das Sperrelement (22) einen Vorsprung (108a, 108b) hat, der eine Lagerfläche (110) definiert, wobei die Lagerfläche (110) an die Seitenwand (42) anstößt, wenn sich das Sperrelement (22) in der ersten Position befindet, wobei der Vorsprung (108a, 108b) wenigstens teilweise innerhalb der wenigstens einen Aussparung (48a, 48b) angeordnet wird, wenn sich das Sperrelement (22) in der zweiten Position befindet.
System nach Anspruch 5, bei dem die Seitenwand (42) eine Vielzahl der wenigstens einen Aussparung (48a, 48b) definiert, wobei das Sperrelement (22) eine entsprechende Vielzahl der Vorsprünge (108a, 108b) definiert, wobei jeder der Vorsprünge (108a, 108b) eine Lagerfläche (110) definiert, wobei die Lagerflächen (110) an die Seitenwand (42) anstoßen, wenn sich das Sperrelement (22) in der ersten Position befindet, wobei jeder der Vielzahl von Vorsprüngen (108a, 108b) wenigstens teilweise innerhalb einer entsprechenden Aussparung (48a, 48b) angeordnet wird, wenn sich das Sperrelement (22) in der zweiten Position befindet.
System nach Anspruch 5, bei dem die Kupplungsvorrichtung (16) einen durch dieselbe verlaufenden Durchgang (40) definiert, der längs einer Achse (L) angeordnet wird, wobei das Sperrelement (22) innerhalb des Durchgangs (40) angeordnet wird und längs der Achse (L) zwischen einer ersten und einer zweiten Position verschoben werden kann.
System nach Anspruch 1, bei dem eine der Komponenten Kupplungsvorrichtung (16) und Sperrelement (22) einen Nutabschnitt (48a, 48b) definiert und eine andere der Komponenten Kupplungsvorrichtung (16) und Sperrelement (22) einen Keilabschnitt (108a, 108b) definiert, wobei der Keilabschnitt (108a, 108b) eine Lagerfläche (110) hat, dafür geeignet, eine entsprechende Fläche (46) der einen der Komponenten Kupplungsvorrichtung (16) und Sperrelement (22) in Eingriff zu nehmen, um zu verhindern, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt, wobei der Keilabschnitt (108a, 108b) wenigstens teilweise innerhalb des Nutabschnitts (48a, 48b) angeordnet werden kann, um zu ermöglichen, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt.
System nach Anspruch 8, bei dem die Kupplungsvorrichtung (16) einen durch eine Seitenwand (42) begrenzten Durchgang (40) definiert, wobei das Sperrelement (22) innerhalb des Durchgangs (40) angeordnet wird, wobei sich der Nutabschnitt (48a, 48b) um einen Innenumfang der Seitenwand (42) erstreckt, wobei sich der Keilabschnitt (108a, 108b) um einen Außenumfang des Sperrelements (22) erstreckt.
System nach Anspruch 1, bei dem die Kupplungsvorrichtung (16) folgendes einschließt: ein Kupplungselement (18) und wenigstens ein Verriegelungselement (20), das wenigstens teilweise aus einem Formgedächtnismaterial hergestellt wird und mit dem Kupplungselement (18) zusammenwirkt, um die erste und die zweite Konfiguration bereitzustellen.
System nach Anspruch 10, bei dem das Kupplungselement (18) einen durch dasselbe verlaufenden und durch eine Seitenwand (42) begrenzten Durchgang (40) definiert, wobei das Sperrelement (22) und ein Abschnitt (24) des Elements (12) innerhalb des Durchgangs (40) angeordnet werden, wobei das Verriegelungselement (20) um einen Abschnitt (82) des Kupplungselements (18) angeordnet wird und sich um das Kupplungselement (18) zusammenzieht, um die zweite Konfiguration bereitzustellen, wobei die zweite Konfiguration die Seitenwand (42) gegen den Abschnitt (24) des Elements (12) zusammendrückt, um eine relative Bewegung zwischen dem Element (12) und dem Kupplungselement (18) zu begrenzen.
System nach Anspruch 11, bei dem das Kupplungselement (18) zum Anschluß an ein anderes Element (14) geeignet ist, wobei das Kupplungselement (18) einen Kanal (90) definiert, der durch dasselbe verläuft und quer zu dem Durchgang (40) ausgerichtet wird und in Verbindung mit demselben steht, wobei ein Abschnitt (38) des anderen Elements (14) innerhalb des Kanals (90) angeordnet wird, wobei die zweite Konfiguration des Kupplungselements (18) die Seitenwand (42) gegen den Abschnitt (38) des anderen Elements (14) zusammendrückt, um eine relative Bewegung zwischen dem anderen Element (14) und dem Kupplungselement (18) zu begrenzen.
System nach Anspruch 12, bei dem das Sperrelement (22) innerhalb des Durchgangs (40) zwischen dem Element (12) und dem anderen Element (14) angeordnet wird, wobei das Sperrelement (22) längs einer Achse (L) der Kupplungsvorrichtung (16) zwischen einer ersten Position, die verhindert, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt, und einer zweiten Position, die ermöglicht, daß sich die Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration umformt, verschoben werden kann, wobei das Sperrelement (22) durch ein entsprechendes Verschieben eines der Elemente (12, 14) zwischen der ersten und der zweiten Position verschoben wird.
System nach Anspruch 1, bei dem die Kupplungsvorrichtung (16) einen durch eine Seitenwand (42) begrenzten Durchgang (40) definiert, wobei das Element (12) ein Knocheneingriffselement mit einem Verbindungsabschnitt (24), der einen wenigstens teilweise kugelförmigen Kopf (28) definiert, und einem Eingriffsabschnitt (26), konfiguriert zum Eingriff mit einem Wirbelkörper, ist, wobei die Seitenwand (42) wenigstens eine, längs des Durchgangs (40) angeordnete, innere ringförmige Aussparung (57) definiert, um den Kopf (28) in derselben aufzunehmen, so daß die Winkelausrichtung des Knocheneingriffselements (12) im Verhältnis zu der Kupplungsvorrichtung (16) veränderlich eingestellt werden kann, wenn sich die Kupplungsvorrichtung (16) in der ersten Konfiguration befindet.
System nach Anspruch 1, bei dem das Formgedächtnismaterial ein spannungsinduziertes Martensitverhalten zeigt, wobei das Formgedächtnismaterial einen spannungsinduzierten martensitischen Zustand hat, wobei sich das Formgedächtnismaterial in dem spannungsinduzierten martensitischen Zustand befindet, wenn die Kupplungsvorrichtung (16) in der ersten Konfiguration gehalten wird.
System nach Anspruch 15, bei dem das Formgedächtnismaterial das spannungsinduzierte Martensitverhalten bei normaler Körpertemperatur zeigt.
System nach Anspruch 15, bei dem wenigstens ein Abschnitt des Formgedächtnismaterials während einer Umformung der Kupplungsvorrichtung (16) zur zweiten Konfiguration zu einem austenitischen Zustand umgewandelt wird.
System nach Anspruch 1, bei dem das Formgedächtnismaterial eine A_f-Temperatur hat, die unterhalb der normalen Körpertemperatur liegt.
System nach Anspruch 1, bei dem das Formgedächtnismaterial eine A_f-Temperatur hat, die unterhalb der umgebenden Raumtemperatur liegt.
System nach Anspruch 10, bei dem die Kupplungsvorrichtung (16) eine Vielzahl des wenigstens einen Verriegelungselements (20) einschließt, wobei jedes um einen Abschnitt der Kupplungsvorrichtung (16) angeordnet wird.