DE2742464C3

DE2742464C3 - Gelenkendoprothese

Info

Publication number: DE2742464C3
Application number: DE2742464A
Authority: DE
Inventors: Achim Dr.Med. 6000 Frankfurt Engelhardt
Original assignee: Pfaudler Werke GmbH
Current assignee: ENGELHARDT, ACHIM, DR., 6000 FRANKFURT, DE
Priority date: 1977-09-21
Filing date: 1977-09-21
Publication date: 1981-09-17
Also published as: DE2742464B2; DE2742464A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Gelenkendoprothe te mit einem in einem ersten, als Pfanne ausgebildeten Celenkteil gelagerten zweiten kugelförmigen Gelenkleil, bei der das kugelförmige Gelenkteil nur auf einem Teil der Innenfläche der Pfanne gleitet.

Eine solche Gelenkendoprothese ist aus der DE-OS 29 812 bekannt und besitzt metallische Gelenkteile, von denen die Pfanne eine unterbrochene, kugelförmige tragende Innenfläche aufweist. Zeichnerisch offenbart sind an der Innenfläche der Pfanne einerseits eine Anzahl zueinander parallele, ringförmige, durch eine Anzahl Schmiermittelkanäle 29 unlerbrochene Rippen bis 24 von endlicher Breite und andererseits wabenartige Trägeteile 34, deren hohlkugelförmige

Innenfläche jeweils den gleichen Radius wie die Kugel hat. Wegen ihres verhältnismäßig großen Anteils an tragender Fläche sind diese Pfannen nur schwierig und aufwendig mit der erforderlichen Genauigkeit herzustellen. Es besteht die Gefahr hoher Kantenpressungen an den Rippenkanten. Hohe örtliche Flächenpressungen führen zu erhöhtem Verschleiß, die Verschleißpartikel ihrerseits w Oberflächenverschlechterung mit steigenden Reibungsmomenten als Folge. Wegen dei hohen

ίο Flächenpressungen und des Fehlens von Keilspalten sind auch die Bedingungen für eine einwandfreie Schmierung der Gelenkteile ungünstig.

In der DE-OS 22 29 812 ist ferner in Fig. 3 eine andere bekannte Körpergelenkendoprothese dargestellt und auf Seite 9, Zeile 12, bis Seite 10, Zeile 9, einschließlich ihrer Nachteile beschrieben.

Besonders hervorzuheben ist die Schwierigkeit der Herstellung dieser bekannten Pfanne. Die ringförmige Tragzone 17' von der herabgesetzten Breite e setzt nämlich voraus, daß der die innere Rotationsfläche der Pfanne erzeugende Linienzug aas mindestens drei Kurven zusammengesetzt ist. Die Krümmung der Kurve im Bereich der Tragzone 17' ist gleich der des kugelförmigen Gelenkteils.

Ferner ist eine Gelenkendoprothese der eingangs erwähnten Art bekannt (DE-OS 25 27 8M), bei der eine Innenfläche der Pfai.ne als Rotationsfläche ausgebildet ist, deren erzeugende ein Kreisbcgenstück mit dem Radius des kugelförmigen Gelenkteils ist. Das Kreisbogenstück ist wegen in die Pfanne eingearbeiteter Schmierausnehmungen kleiner als ein Viertelkreis. Der Mittelpunkt M des Kreisbogenstücks befindet sich im Abstand von der Symmetrieachse R der Pfanne, so daß sich seitliches Spiel zwischen dem kugelförmigen Gelenkteil und der Pfanne ergibt. Das kugelförmige Gelenkteil und die Pfanne berühren sich meist nur entlang des die Rotationsfläche erzeugenden Kreisbogenstückes und im ungünstigsten Fall sogar nur in einem Punkt im Scheitelbereich der Pfa^ leninnenfläche. In diesen verhältnismäßig kleinen Berührungsstellen wird ein sich evtl. ausbildender Schmierfilm sehr leicht durchstoßen, zumal das seitliche Spiel wechselnde schlagartige Berührungen zwischen dem kugelförmigen Gelenkteil und der Pfanne zur Folge hat. Mit hohem Verschleiß und L< kerungsgefahr muß daher gerechnet werden. Bei spröden Werkstoffen kann die Pfanne auch zu Bruch gehen. Die schlagartig auftretenden Lageänderungen der Kugel in der Pfanne verunsichern außerdem den Patienten, der bei jeder eigentümlichen

^v> Bewegung ja instinktiv einen Pfannen- oder Schaftprothesenlockerung mit all ihren schlimmen Folgen befürchtet

Bei einer anderen bekannten Gelenkendoprothese (DEAS 19 12630) ist der Pfannenradius um einige

^ Zehntel Millimeter größer als der Radius des kugelförmigen Cielenkteils ausgeführt Daraus ergibt sich eine Berührung der Gleitflächen in nur einem Punkt. Es treten sehr hohe spezifische Pressungen auf. Ein sich in dem Gelenkteil evtl. ausbildender Schmierfilm wird in der Berührungszone durchstoßen. Hohe Pressung und fehlender Schmierfilm führem zu hohem Verschleiß. Es muß mit dem sogenannten Trockenlauf gerechnet werden, Ein Gleiten der Gelenkteile aufeinander kann unter Umständen vorübergehend erst gar nicht

auftreten. Das kugelförmige Gelenkteil wälzt sich dann auf der Innenfläche der Pfanne ab und klettert gewissermaßen aus der Pfanne heraus. Beim Zurück' springen bzw. Zurückgleiien des kugelförmigen Gelenk'

teils in die Pfanne können Verschleißspuren und harte Schläge zwischen den Gelenkteilen auftreten, die zu örtlich erhöhtem Verschleiß und bei sprödem Werkstoff auch zu Bruch von Prothesenteilen führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktionssicherheit der Gelenkendoprothese zu erhöhen, eine spielfreie Führung der Gelenkteile relativ zueinander zu gewährleisten, die Ausbildung eines Schmierfilms zwischen den Gelenkteilen zu fördern und das Reibungsmoment und den Verschleiß im Gelenk auf günstige Werte zu bringen.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß der Teil der Innenfläche der Pfanne einen zumindest annähernd vollständigen Gleitkreis darstellt Dadurch ist gegenüber den bekannten Gleitkreisringen von endlicher Breite die Tragfläche zwischen den Gelenkteilen erheblich vermindert und gegenüber der bekannten Einpunkxoerührung vorteilhaft vergrößert Die Schmierung der Tragfläche im Bereich des Gleitkreises ist in jedem Fall dadurch erleichtert, daß zu beiden Seiten des Gleiikrtises ein Keiispalt besteht, in dem sich ein Schmierfilm besonders gut unabhängig von der relativen Schwenkrichtung der Gelenkteile ausbilden kann. Da ferner die spezifische Flächenpressung an dem Gleitkreis günstige Werte annimmt, ist der Gleitflächenverschleiß im Gelenk minimal. Die spielfreie Führung der Gelenkteile aneinander verhindert plötzliche schlagartige Lastwechsel und veringert die Lockerungsund Bruchgefahr. Die Lebensdauer der Gelenkendoprothese konnte somit erhöht werden.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung liegt der Gleitkreis in einer Innenfläche der Pfanne, die durch einen um eine Symmetrieachse der Pfanne und des kugeiförmigen Gelenkteils umlaufenden Längenkreis erzeugt ist, dessen Radius größer als der Radius des kugelförmigen Gelenkteils ist und dessen Mittelpunkt in einem Abstand von der Symmetrieachse und in einem Abstand von einer durch den Mittelpunkt des kugelförmigen Gelenkteils rechtwinklig zu der Symmetrieachse ve 'aufenden Ebene liegt. Auf diese Weise sind die Keilspalte zu beiden Seiten des Gleitkreises zwischen der Pfanne und dem kugelförmigen Gelenkteil besonders einfach herzustellen. Der gleiche Vorteil ergibt sich, wenn nach einer Ausführungsform der Erfindung die Innenfläche der Pfanne sich nach außen kegelig erw eitert.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Gleitkreis wenigstens drei Gleitpunkte auf. Gegenüber der bekannten Einpunktberührung zwi sehen der Pfanne und de.c kugelförmigen Gelenkteil ist hierbei die spezifische Flächenpressung und damit der Gleitfläche iverschleiß auf einen günstigen Wert herab gesetzt Ein Schmierfilm kann auch in diesem Fall verhältnismäßig leicht gebildet und aufrechterhalten werden. Die Pfanne ist verhältnismäßig unempfindlich gegen Herstellungsfehler, da bei Verwendung von drei Gleitpunkten stets eine stabile, spielfreie Dreipunktauf lage gewährleistet ist.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Gleitpunkte in einer Innenfläche der Pfanne, die durch einen auf einer Polygonbahn Um eine Symmetrieachse der Pfanne und des kugelförmigen Gelenkteils geführten Längenkreis erzeugt ist, dessen Radius größer als der Radius des kugelförmigen Gelenkteils ist und dessen Mittelpunkt in einem Abstand von der Symmetrieachse Und in einem Abstand von einer durch den Mittelpunkt des kugelförmigen Ge'enkteils rechtwinklig zu der Symmetrieachse verlaufenden Ebene liegt.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung liegen der Gleitkreis oder die Gleitpunkte in einem Bereich der Pfanne, der sich zwischen '/j und ³/j des in einer Symmetrieachse der Pfanne und des kugelförmigen Gelenkteils verlaufenden Radius des kugelförmigen Gelenkteils erstreckt. Wenn der Gleitkreis oder die Gleitpunkte näher am Scheitelpunkt der Pfanne als in dem angegebenen Bereich liegen, nimmt die spezifische Pressung zu und die Lagestabilität ab. Befinden sich andererseits der Gleitkreis oder die Gleitpunkte vom Scheitelpunkt der Pfanne aus gesehen jenseits des erwähnten Bereichs, kann durch elastische Deformation der Pfanne eine Klemmwirkung auftreten.

In den Zeichnungen sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Hüftgelenkendoprothese,

F i g. 2 die Lagerschale der Prothese gemäß F i g. 1 gemäß Linie II-II in Fig. 1,

F i g. 3 bis 5 jeweils unterschied!^ j Kugelgelenktypen im Längsschnitt und

F i g. 6 die Schnittansicht nach Linie VI-VI in F i g. 5,

F i g. 7 und 8 jeweils einen Längsschnitt durch ein kugelförmiges Gelenkteil mit unterschieoüchen Schmiermittelkanälen.

Fig. 1 zeigt eine Hüftgelenkendoprothese 1, deren kugelförmiges Gelenkteil 2 durch einen Oberschenkelknochen 3 getragen wird und deren Pfanne 37 in einem Beckenknochen 6 verankert ist. Eine Gelenkkapsel 7 erstreckt sich zwischen dem Oberschenkelknochen 3 und dem Beckenknochen 6 und hüllt das Kugelgelenk 2, 37 wie ein Faltenbalg ein.

Das kugelförmige Gelenkteil 2 weist einen Mittelpunkt 10 und einen Radius /\ auf. Durch den Kugelmittelpunkt 10 verläuft eine Bezugsebene 11. In einer Höhe h über der Bezugsebene 11 ist die Pfanne 37 mit einem Gleitkreis 38 versehen, längs dessen sie auf dem kugelförmigen Gelenkteil 2 gleitet Zu beiden Seiten des Gleitkreises 38 befindet sich also die Pfanne 37 in einem mehr oder minder großen Abstand von dem kureiförmigen Gelenkteil 2.

Aus dem Innenraum der Gelenkkapsel 7 gelangt Schmiermittel durch eine in die Pfanne 37 eingearbeitete Schmiermittelnut 13 zwischen kugelförmigem Ge-Ienkteil 2 und Pfanne 37 und wieder zuiück. Es ist also ein steter .Schmiermittelaustausch gewährleistet, der bei biologischen Schmiermitteln unerläßlich ist. weil sich diese sonst zersetzen und Ursache von Entzündungen sein können. Die Schmiermittelnut 13 durchbricht den Gleitkreis 38 und ist in maximalem Abstand von einer in F i g. I mit einem Richtungspfeil eingetragenen maximalen resultierenden Kraft Fr _mBt angeordnet.

Fip 2 zeigt eine Ansicht der Pfanne 37 und weitere Einzelheiten der Ausbildung der Schmiermittelnut 13. Die Breite 14 der Schmiermittelnut kam ζ Β. 5 bis 10 mm und ihre Tiefe 15 kann 1 bis 2 mm betragen.

In den F i g. 3 bis 5 sind zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung jeweils der Rest der das kugelförmige Gel« .lkteil 2 tragenden Hüftkopfprothese und die Verankerungselemente der Pfanne fortgelassen

Gemäß F i g, 3 gleitet die Pfanne 37 lediglich mit dem Gleitkreis 38 auf dem kugelförmigen Gel/inkteil 2. Der Gleitkreis 38 liegt in einer asphärischen Innenfläche 39 der Pfanne 37, die erzeugt ist durch einen um eine Symmetrieachse 21 Jis Kugslgelenks 2,37 umlaufenden Längenkreis, dessen Radius Γ39 größer als der Kugelradius Γκ ist und dessen Mittelpunkt 40 in einem Abstand 41 von der Symmetrieachse 21 und in einem Abstand 42

von einer durch den Kugelmittelpunkt 10 rechtwinklig zu der Symmetrieachse 21 verlaufenden Ebene 43 liegt. Hier ist die Schmiermittelnut 13 mit dem Radius nj um den Kugelmittelpunkt 10 vorgesehen.

Auch gemäß Fig.4 gleitet eine Pfanne 45 mit einem Gleitkreis 46 auf dem kugelförmigen Gelenkteil 2. Eine Innenfläche 47 der Pfanne 45 erweitert sich nach außen hin kegelig, so daß, wie auch bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig.3, zu beiden Seiten des Gleitkreises 46 Keilspalte zur Begünstigung der Schmierfilmausbildung zwischen dem Gleitkreis und dem kugelförmigen Gelenkteil entstehen. Eine Schmiermittelnut 48 ist in die Innenfläche 47 eingearbeitet.

Gemäß den Fig.5 und 6 gleitet eine Pfanne 50 mit drei Gleitpunkten 51,52 und 53 auf dem kugelförmigen Gelenkteil 2. Die Gleitpunkte 51 bis 53 liegen auf einer asphärischen Innenfläche 55 der Pfanne 50. Die Innenfläche 55 ist erzeugt durch einen auf eine Polygönbahn um die Symmetrieachse 21 des Kugelgelenks 2, 50 geführten Längenkreis, dessen Radius Γ55 größer als der Kugelradius m ist und dessen Mittelpunkt 56 in einem Abstand 57 von der Symmetrieachse 21 und in einem Abstand 58 von einer durch den Kugelmittelpunkt 10 rechtwinklig zu der Symmetrieachse 21 verlaufenden Ebene 59 liegt. Durch die polygonförmige Querschnittsfläche der Innenfläche 55 ergeben sich Schmiermittelaustauschkanäle 61,62 und 63 von selbst.

In F i g. 7 ist ein aus Aluminiumoxidkeramik bestehendes kugelförmiges Gclenkteil 73 über einen Fortsatz 74 mit einem Hals 72 einer nicht weiter gezeichneten Hüftkopfprothese verbunden. Das kugelförmige Gelenkteil ist von einem Schmiermittelkanal 75 durchdrungen, der als Bestandteil eine in den Fortsatz 74 eingearbeitete Schmiermittelnut 76 aufweist*

In Fig.8 ist die Verbindungsfläche zwischen! dem Fortsatz 74 und dem kugelförmigen Gelenkteil 73 nicht

durch eine Schmiermittelnut Unterbrochen. Vielmehr weist der Schmiermittelkanal 75 eine im Inneren des Fortsatzes 74 geführte Schmiermittelleitung 77 auf.

Die Pfannen in den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispieieri bestehen aus mit Email überzogenem

Metall. Zur Vereinfachung der zeichnerischen Darstellung sind jedoch die Emailschichten nicht eingezeichnet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gelenkendoprothese mit einem in einem ersten, als Pfanne ausgebildeten Gelenkteil gelagerten zweiten kugelförmigen Gelenkteil, bei der das kugelförmige Gelenktei! nur auf einem Teil der Innenfläche der Pfanne gleitet, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil der Innenfläche der Pfanne (37; 45) einen zumindest annähernd vollständigen Gleitkreis (38; 46) darstellt

2. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkreis (38) in einer Innenfläche (39) der Pfanne (37) liegt, die durch einen um eine Symmetrieachse (21) der Pfanne (37) und des kugelförmigen Gelenkteils (2) umlaufenden Längenkreis erzeugt ist, dessen Radius (r-n) größer als der Radius (γκ) des kugelförmigen Gelenkteils (2) ist und dessen Mittelpunkt (40) in einem Abstand (41) von der Symmetrieachse (21) und in einem Abstand (42) von ei.'.er durch den Mittelpunkt (10) des kugelförmigen Gelenkteüs (2) rechtwinklig zu der Symmetrieachse (21) verlaufenden Ebene (43) liegt (Fig. 1,3).

3. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenfläche (47) der Pfanne (45) sich nach außen kegelig erweitert (F i g. 4).

4. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkreis wenigstens drei Gleitpunkte (51,52,53) aufweist (Fig. 6).

5. Gelenkendoprothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitpunkte (51, 52, 53) in einer Innenfläche (55) der Pfanne (50) liegen, die durch eineii auf eisie Poiygonbahn um eine Symmetrieachse (21) der Pfanne (50) und des kugelförmigen Gelenkteils (2) geführten Längenkreis erzeugt ist, dessen Radius (r_K) größer als der Radius (γκ) des kugelförmigen Gelenkteils (2) ist und dessen Mittelpunkt (56) in einem Abstand (57) von der Symmetrieachse (21) und in einem Abstand (58) von einer durch den Mittelpunkt (10) des kugelförmigen Gelenkteils (2) rechtwinklig zu der Symmetrieachse (21) verlaufenden Ebene (59) liegt (F ig. 5,6).

6. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitkreis (38; 46) oder die Gleitpunkte (51,52,53) in einem Bereich der Pfanne (37; 45; 50) liegen, der sich zwischen V₁ und V, des in einer Symmetrieachse (21) der Pfanne (37; 45; 50) und des kugelförmigen Gelenkteils (2; 73) verlaufenden Radius (r_K) des kugelförmigen Gelenkteils (2; 73) erstreckt.