DE19712758C2 - Vibrationssichere konische Klemmverbindung für Knochenersatzimplantate - Google Patents

Vibrationssichere konische Klemmverbindung für Knochenersatzimplantate

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine vibrationssichere konische Klemmverbindung zwischen einem Steck­ konus und einer Klemmhülse, die jeweils Bestandteil eines Teils eines modular aufgebauten Knochenersatzimplantates sind.
In der Implantattechnik ist die Verbindung von Teilen eines Körperimplantates mittels einer konischen Klemmverbindung seit langem bekannt. Nur beispielhaft sei hier auf die DE 37 31 421 A1 hingewiesen. In dieser Druckschrift wird ein Hüftstiel eines künstlichen Hüftgelenkes beschrieben, der zusammengesetzt wird aus einem langen Stielteil, welches in den Markraum des Femurs gesetzt wird, sowie aus einem sogenannten oberen kurzen Stielteil, an welches der künstliche Gelenkkopf angebracht wird. Das lange Stielteil und das kurze obere Stielteil werden mittels einer konischen Klemmverbindung dauerhaft miteinander verbunden. Desweiteren wirkt bei diesem Implantat eine konische Klemmverbindung zwischen dem Steckkonus, der am oberen kurzen Stielteil angeformt ist, und einer konischen Steckhülse, die in dem künstlichen Gelenkkopf vorgesehen ist.
Wenngleich die konische Klemmverbindung eine weitverbreitete Art der Verbindung zwischen Teilen eines modular aufzubauenden Körperimplantates ist, so ist sie im Hinblick auf eine etwaige Lockerung nicht ganz unproblematisch. So kommt es in seltenen Fällen bei bestimmten Belastungen des Körperimplantates zur Lockerung des Klemmsitzes, wonach dann allerdings die eigentlichen Probleme beginnen hinsichtlich der Stabilität des Implantates. Ein Revisionseingriff ist dann in den meisten Fällen unvermeidbar. Ursache für eine Lockerung der Klemmverbindung sind häufig Mikrovibrationen, die zur Ablösung der Steckkonusfläche von der Steckhülsenfläche führen.
Vor diesem Hintergrund ist es nun die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine konische Klemmverbindung anzugeben, die vibrationssicher ist, also gegenüber der herkömmlichen konischen Klemmverbindung eine deutlich höhere Sicherheit gegen ein Loslösen der Implantatteile bietet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Klemm­ verbindung mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Klemmverbindung zwischen dem Steckkonus und der Klemmhülse kommt unter Vermittlung der Klemmwirkung eines Bolzens zustande der zunächst durch eine Bohrung in der Außenwandung der Klemmhülse verläuft und weiter durch eine Durchbohrung durch den Steckkonus greift. Dabei ist der Bohrung in der Klemmhülse gegenüberliegend eine Vertiefung mit trapezförmigem Querschnitt in der Innenwandung der Klemmhülse zugeordnet, in die das im wesentlichen komplementär kegelstumpfförmig ausgebildete Ende des Bolzens greift.
Die Längsachse der Bohrung ist gegenüber der Längsachse der Durchbohrung um ein gewisses Spiel a hin zu der geschlossenen Seite der Klemmhülse versetzt. In ähnlicher Weise ist die Querschnitts-Längsachse der Vertiefung gegenüber der Längsachse der Durchbohrung um ein gewisses Spiel b hin zu der geschlossenen Seite der Klemmhülse versetzt. Für a und b gilt die Beziehung 0,1 mm < a, b < 1,0 mm.
Der Kopf des Bolzens ist sich konisch aufweitend ausgebildet, so daß er den Innenumfang der Bohrung in der Klemmhülse nur teilweise und überwiegend der offenen Seite der Klemmhülse zugewandt berührt, wobei diese in ihrem Sitz auf dem Steckkonus druckfixiert wird. Auf der anderen Seite berührt die kegelstumpfförmige Mantelfläche des Endes des Bolzen die im Querschnitt trapezförmige Innenfläche der Vertiefung nur teilweise und überwiegend der offenen Seite der Klemmhülse zugewandt. Diese wird auf dieser Seite in ihrem Sitz auf dem Steckkonus druckfixiert.
Die versetzten Längsachsen der Vertiefung einerseits und der Bohrung in der Klemmhülse andererseits gegenüber der Durchbohrung in dem Steckkonus, der konisch sich aufweitende Bolzenkopf, der trapezförmige Querschnitt der Vertiefung und schließlich die kegelstumpfförmige Ausbildung des Bolzenendes bewirken beim Einsetzen des Bolzens in die Durchbohrung und beim Verbringen in seine Endlage erhebliche zusätzliche Druckkräfte auf die Klemmhülse in Richtung auf den Steckkonus: Auf der Bolzenendseite gleitet die Mantelfläche des Kegelstumpfes auf die Trapezfläche der Vertiefung auf und bewirkt so in Richtung auf den Steckkonus eine Druckkraft. Auf seiten des Bolzenkopfes bewirkt die konische Ausbildung des Kopfes eine mit zunehmendem Verbringen des Bolzens in seine Endlage Druckkräfte in Richtung auf den Steckkonus, wodurch der konische Klemmsitz erheblich stabiler wird als bei der herkömmlichen Verbindung.
Ohne Probleme nimmt diese Klemmverbindung Vibrationen auf, ohne daß es zu einer Lockerung des einen Implantatteiles gegenüber dem anderen kommt.
Gemäß einer Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Spiele a und b im wesentlichen gleichgroß sind. Mit weiteren Maßnahmen kann erreicht werden, daß die Klemmhülse exakt gerade auf dem Steckkonus ruht.
Der Bolzen kann in die Durchbohrung mit einem geeigneten Werkzeug geschlagen werden. Allerdings macht in diesem Falle seine Entfernung im Bedarfsfall Schwierigkeiten, da der konisch sich aufweitende Kopf in die Bohrung in die Klemmhülse unter Materialabrieb und -verformung gedrängt worden ist. Gemäß einer bevorzugten anderen Ausführungsform ist daher vorgesehen, daß die Durchbohrung durch den Steckkonus wenigstens auf einem Abschnitt mit einem Innengewinde versehen ist, mit welchem ein wenigstens abschnittsweise auf dem Bolzen vorgesehenes Außengewinde verschraubt ist. Zwar befindet sich auch hier der konisch sich aufweitende Bolzenkopf in der Bohrung und ist dort hinein unter Materialabrieb gebracht worden, die Verbindung ist aber aufgrund der Ausbildung mit dem Gewinde lösbar.
Der Kopf des Bolzens ist gemäß einer weiteren Ausführungsform an seiner breitesten Stelle mit einem Rändelrand versehen, der unter spanendem Abrieb in die Bohrung in der Klemmhülse verbracht ist.
Die erwähnte Vertiefung kann als Keilnut ausgebildet sein oder aber als Sackbohrung mit trapezförmigem Querschnitt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß die Vertiefung, das kegelstumpfförmige Ende des Bolzens, der konisch sich aufweitende Kopf des Bolzens sowie das Spiel a und das Spiel b so aufeinander abgestimmt, daß die Druckkräfte auf beiden Seiten des Bolzens in Richtung auf den Steckkonus im wesentlichen gleichgroß sind. Auch die trapezförmige Wandung im Querschnitt der Vertiefung kann hierbei als Parameter miteinbezogen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren beispielhaft näher erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der Verbindung zwischen einer Klemmhülse und einem Steckkonus, und
Fig. 2 eine andere Ausführungsform mit einem speziell ausgebildeten Bolzenkopf. In der nachfolgenden Figurenbeschreibung sind gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine Schnittansicht durch einen Steckkonus 3 (weggebrochen) dargestellt sowie durch eine darauf in einen Klemmsitz sitzenden Klemmhülse 2 dargestellt. Eine solche Klemmverbindung ohne weitere Maßnahmen gehört zum Stand der Technik.
Vorliegend ist jedoch eine die Druckkräfte der Klemmhülse 2 auf den Steckkonus 3 entscheidend erhöhender Bolzen 4 vorgesehen, der zunächst durch eine Bohrung 6 in der Klemmhülse 2 verläuft, um dann durch eine Durchbohrung 5 im Steckkonus 3 hindurchzugreifen.
Das Ende 10 des Bolzens 4 greift in eine Vertiefung 7 mit trapezförmigem Querschnitt, welche der Bohrung 6 in der Klemmhülse 2 gegenüberliegend in deren Innenwandung angeordnet ist. Die Mantelfläche des Bolzenendes 10 und die im Querschnitt trapezförmige Anlagefläche der Vertiefung 7 arbeiten in der Weise zusammen, daß ein Kontakt nur teilweise und überwiegend der offenen Seite der Klemmhülse 2 (in Fig. 1 also nach unten) zugewandt besteht. In Fig. 1 ist dies deutlich aufgrund des wesentlich größeren Spaltes zwischen Bolzenende und Anlagefläche der Vertiefung 7 nach oben hin erkennbar. Dies ist zurückzuführen auf ein Spiel b, mit welchem die Querschnitts-Längsachse (B) der Vertiefung 7 gegenüber der Längsachse 8 der Durchbohrung 5 im Steckkonus hin zu der geschlossenen Seite der Klemmhülse 2 (also in Fig. 1 nach oben hin) versetzt ist. Das Spiel kann bekannt dabei Werte zwischen 0,1 mm und 1, 0 mm annehmen.
Auf der gegenüberliegenden Seite, nämlich auf seiten des Kopfes 9 des Bolzens 4 ist die Längsachse A der Bohrung 6 in der Klemmhülse 2 gegenüber der Längsachse 8 der Durchbohrung 5 im Steckkonus 3 um ein Spiel a hin zu der geschlossenen Seite der Klemmhülse 2 (in Fig. 1 also nach oben hin) versetzt.
Aufgrund dieser Ausbildung kommt der konische Kopf 9 mit der Innenwandung der Bohrung 6 in der Klemmhülse 2 nur teilweise und überwiegend der offenen Seite der Klemmhülse 2 (in Fig. 1 also nach unten) zugewandt in Berührung. Das Spiel a kann ebenfalls im Bereich zwischen 0,1 mm und 1,0 mm liegen.
Vorliegend weist der Bolzen 4 eine Schulter auf, die mit einem Außengewindeabschnitt 12 versehen ist. Dieses Außengewinde 12 ist mit einem in der Bohrung S ausgebildeten Innengewinde 11 verschraubt.
Die erfindungsgemäße Klemmverbindung wird wie folgt hergestellt:
Die Klemmhülse 2 wird über den Steckkonus 3 gestülpt und angedrückt. Die Bohrung 6 kommt mit der Exzentrität a im Bereich der Bohrung 5 im Steckkonus 3 zu liegen. Das Entsprechende trifft zu auf die Vertiefung 7, allerdings mit der Exzentrität b gegenüber der Längsachse 8 der Durchbohrung 5 im Steckkonus 3.
Der Bolzen wird mit seinem Ende 10 durch die Bohrung 6 und weiter in die Durchgangsbohrung 5 gesteckt, so lange, bis das Außengewinde 12 an das Innengewinde angelangt ist. Mit einem geeigneten Werkzeug (nicht dargestellt), welches am Kopf 9 des Bolzens 4 angreift, wird der Bolzen durch eine Schraubbewegung weiter durch das Innere des Steckkonus 3 getrieben. Schließlich kommt die Mantelfläche 10 des Endes des Bolzens 4 mit der unteren trapezförmigen Anlagefläche der Vertiefung 4 in Berührung. Die Dimensionen sind so gewählt, daß der Kopf 9 des Bolzens in diesem Augenblick mit dem Innenumfang der Bohrung 6 im unteren Bereich in Berührung kommt. Beim weiteren Hineinschrauben des Bolzens 4 werden immer stärkere Druckkräfte in Richtung auf den Steckkonus, also in Fig. 1 nach unten, erzeugt. Im oberen Bereich findet zwischen dem Kopf 9 des Bolzens 4 in der Bohrung 6 keine Berührung statt, ebensowenig wie am anderen Ende in der Vertiefung 7 im oberen Bereich.
Die Fig. 2 zeigt eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, jedoch mit einer wesentlichen Abänderung. Hier ist der Kopf 9 des Bolzens 4 an seiner breitesten Stelle mit einem Rändelrand 13 versehen. Beim Herstellen der Verbindung tritt der Rändelrand des im übrigen sich auch konisch aufweitenden Kopfes 9 des Bolzens 4 in die Bohrung 6 in der Klemmhülse 2 ein, und zwar unter spanendem Abrieb des Rändelrandes. Hierdurch wird eine Sicherung des Sitzes des Bolzens 4 im Steckkonus 3 erreicht, so daß dieser sich durch etwaige Mikrobewegungen im Bereich der Klemmverbindung nicht lösen kann.
Im Gegensatz zu üblichen Arretierungsstiften zwischen verbundenen Teilen wirkt der Bolzen 4 vorliegend aufgrund der speziellen Ausbildung der Vertiefung 7, des Endes 10 des Bolzens 4 sowie aufgrund der speziellen Ausbildung des Bolzenkopfes 9 aktiv auf die Erhöhung der Klemmwirkung ein und erhöht damit die Stabilität des Sitzes auch bei Mikrobewegungen erheblich.

Claims (7)

1. Vibrationssichere konische Klemmverbindung zwischen einem Steckkonus (3) und einer Klemmhülse (2), die jeweils Bestandteil eines Teils eines modular aufgebauten Knochenersatzimplantates sind, unter Vermittlung der Klemmwirkung eines Bolzens (4), der, durch eine Bohrung (6) in der Außenwandung der Klemmhülse (2) hindurchgreifend, durch eine Durchbohrung (5) durch den Steckkonus (3) greift, wobei
  • 1. der Bohrung (6) in der Klemmhülse (2) gegenüberliegend eine Vertiefung (7) mit trapezförmigem Querschnitt in der Innenwandung der Klemmhülse (2) zugeordnet ist, in die das im wesentlichen komplementär kegelstumpfförmig ausgebildete Ende (10) des Bolzens (4) greift,
  • 2. die Längsachse (A) der Bohrung (6) gegenüber der Längsachse (8) der Durchbohrung (5) um ein Spiel a hin zu der geschlossenen Seite der Klemmhülse (2) und die Querschnitts- Längsachse (B) der Vertiefung (7) gegenüber der Längsachse (8) der Durchbohrung (5) um ein Spiel b hin zu der geschlossenen Seite der Klemmhülse (2) versetzt ist, und für a und b die Beziehung 0,1 mm < a, b < 1,0 mm gilt,
  • 3. der Kopf (9) des Bolzens (4) sich konisch aufweitend ausgebildet ist, so daß er den Innenumfang der Bohrung (6) in der Klemmhülse (2) nur teilweise und überwiegend der offenen Seite der Klemmhülse (2) zugewandt, diese in ihrem Sitz auf dem Steckkonus (3) druckfixierend, berührt, und
  • 4. die kegelstumpfförmige Mantelfläche des Endes (10) des Bolzens (4) die im Querschnitt trapezförmige Innenfläche der Vertiefung (7) nur teilweise und überwiegend der offenen Seite der Klemmhülse (2) zugewandt, diese in ihrem Sitz auf dem Steckkonus (3) druckfixierend, berührt.
2. Klemmverbindung nach Anspruch 1, bei der die Spiele a und b im wesentlichen gleich groß sind.
3. Klemmverbindung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Durchbohrung (5) durch den Steckkonus (3) wenigstens auf einem Abschnitt mit einem Innengewinde (11) versehen ist, mit welchem ein wenigstens abschnittsweise auf dem Bolzen (4) vorgesehenes Außengewinde (12) verschraubt ist.
4. Klemmverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Kopf (9) des Bolzens (4) an seiner breitesten Stelle mit einem Rändelrand (13) versehen ist, der unter spanendem Abrieb in die Bohrung (6) in der Klemmhülse (2) verbracht ist.
5. Klemmverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Vertiefung (7) als Keilnut ausgebildet ist.
6. Klemmverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Vertiefung (7) als Sackbohrung mit trapezförmigem Querschnitt ausgebildet ist.
7. Klemmverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Vertiefung (7), das kegelstumpfförmige Ende (10) des Bolzens (4), der konisch sich aufweitende Kopf (9) des Bolzens (4) sowie das Spiel a und das Spiel b so aufeinander abgestimmt sind, daß die Druckkräfte auf beiden Seiten des Bolzens (4) auf den Steckkonus (3) im wesentlichen gleich groß sind.
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