DE3006179A1 - Kugelgelenkkopf-prothese mit einer kappe - Google Patents
Kugelgelenkkopf-prothese mit einer kappeInfo
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Description
Kugelgelenkkopf-Prothese mit einer Kappe
Die Erfindung betrifft eine Kugelgelenkkopf-Prothese mit einer Kappe mit einer kugelkalottenförmigen Aussehfläche.
Eine aus der US-Patentschrift 3 808 606 bekannte Hüftgelenk-Prothese
weist eine metallische Gelenkkugel auf, die an einem metallischen Dorn befestigt ist, der in einem Femur, d.h.
Oberschenkelknochen, verankert werden kann. Diese vorbekannte Prothese hat jedoch den Nachteil, dass der;ganze Gelenkkopf
sowie ein Teil des Halses des Femurs entfernt werden müssen. Des weitern muss zum Verankern des Dornes ein
tiefes Loch im Femur angebracht werden. Es muss daher eine grosse Menge gesundes Knochenmaterial entfernt werden, was
zu einer beträchtlichen Schwächung des Femurs führt. Zudem können körperfremde Materialien zu unerwünschten Reaktionen
führen, so dass das Einsetzen einer Prothese mit soviel Metall sehr nachteilig ist. Ein weiterer Nachteil dieser
Prothese besteht noch darin, dass der Dorn eine viel grössere Biegesteifigkeit hat als der Knochenteil,in den er hineinragt.
Beim Auftreten von Biegebelastungen ist der Dorn
daher viel steifer als der Knochen, so dass die sich in der Umgebung des Dorne befindenden Bereiche des Knochens bei Biegungen
extrem grossen Belastungen ausgesetzt sina.
Es sind nun auch bereits Prothesen bekannt, die als Ersatz für die Gelenkkugel des Femurs eine kugelkalottenförmige
Kappe aufweisen. Der Innenraum der Kappe wird von einer, abgesehen von einer allenfalls vorhandenen, schmalen und nur
wenig tiefen Ringnut, glatten Zylinder-Fläche und am inneren Ende entweder durch eine halbkugelförmige oder radiale, eben-
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falls glatte Fläche begrenzt. Zum Einsetzen einer derartigen
Kappe wird der Gelenkkopf des Femurs nur soweit abgefräst, dass ein zum Innenraum der Kappe komplementärer Zapfen
stehen bleibt.
Damit eine solche kappenförmige Prothese ausreichend fest
am Femur hält, muss sie mit einem Bindemittel, dem sogenannten Zement, befestigt werden. Wie es unter anderem aus
der Publikation "Histomorphological Investigations of Coxa
Femoral Ends Following Double-Cup Arthroplasty According to FreemannM, M.D.Cserhati, L.G. Oliveira, H.A. Jacob und
A. Schreiber, Archives of Orthopaedic and Traumatic Surgery, 94,233-240,1979 bekannt ist, löst sich dieser Zement mit der
Zeit vom Knochen-Zapfeh ab, so dass sich die Kappe lockert.
Derartige Prothesen halten daher meistens nur relativ kurze Zeit.
Die Lockerung der Prothese wird vermutlich zum Teil durch
eine ungünstige Einwirkung des Zements auf die Spongiosa des Knochens verursacht.
Da bei einem aufrecht stehenden Patienten einerseits die Rotationssymmetrieachse des Knochen-Zapfens und der Kappe
bei einer Prothese für ein Hüftgelenk gegen eine Vertikale geneigt verlaufen und andererseits die Hauptbelastung ungefähr
vertikal gerichtet ist, treten natürlich sehr häufig Kräfte auf die mit der Kappen-Rotationssymmetrieachse einen
Winkel bilden. Derartige Kräfte bilden sehr wahrscheinlich eine andere, sehr wichtige Ursache für die Lockerung der
Kappe, weil sich nämlich dann relativ grosse, quer zur genannten RotationsSymmetrieachse gerichtete Kraft-Komponenten
ergeben können, die bei gewissen, relativ grossen zusammenhängenden Abschnitten der Kappen-Innenfläche mehr
oder weniger parallel oder tangential zur Kappen-Innenfläche
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verlaufen. In diesen Abschnitten erfolgt nur eine g-eringe
Kraftübertragung zwischen Kappe und Knochen, wobei die äusseren Schichten des Knochen-Zapfens zudem auf Scherung
beansprucht werden. Ferner können die Kappe und der Knochen-Zapfen dann bezüglich einander kleine Bewegungen
ausführen. Wenn also mit der Kappen-Rotationssymmetrieachse einen Winkel bildende Kräfte zu übertragen sind, ergeben
sich ungleichmässige und ungünstige Beanspruchungen des Knochen-Zapfens.
Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, eine Prothese für ein Kugelgelenk mit einer kugelkalottenförmigen
Kappe zu schaffen, die ohne Zement fest und dauerhaft an einem Knochen befestigbar ist. Diese Aufgabe wird durch eine
Prothese gelöst, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
Besonders zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben
sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemässe Prothese ist insbesondere gut für die
Bildung künstlicher Hüftgelenke geeignet. Sie kann jedoch auch für die Bildung von anderen Gelenken, wie Ellenbogen-,
Schulter- und Fingergelenken, adaptiert werden.
Der Erfindungsgegenstand wird nun anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. In d'er Zeichnung
zeigen
die Figur 1 eine axonometrische Ansicht einer Prothese
für ein Kugelgelenk,
die Figur 2 eine Draufsicht auf die offene Seite der in der Figur 1 dargestellten Prothese,
die Figur 3 eine Seitenansicht der Prothese, teilweise im
Schnitt,
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BAD ORlRiMAl
die Figur
die Figur 5
die Figur 6
die Figur·7
die Figur:8
die Figur·7
die Figur:8
die Figur 9
die Figur :io
die Figur XI
einen Schnitt durch einen Femur und einen Fräser zum Fräsen der Aussenfläche des Gelenkkopfes,
einen Schnitt durch einen Femur und die Werkzeuge zum Fräsen eines Ringspaltes zum Aufnehmen
der Hülse der Prothese,
einen Femur mit einer aufgesetzten Prothese, unmittelbar nach dem Aufsetzen,
einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Figur 6, in grösserem Masstab,
einen Längsschnitt durch einen Teil des Hülsen-Mantels, nachdem das Knochenmaterial die
Löcher im Hülsen-Mantel durchwachsen hat,
ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kraftübertragung an der Umfangsfläche des in die
Kappe hineinragenden Knochenteils, wobei zum Vergleich in der linken Figurenhälfte die
Kraft-Verteilung für eine Prothese mit einer gerippt ein Kappen-Innenfläche und in der
rechten Figurenhälfte die Kraft-Verteilung für eine Prothese mit einer glatt-zylindrischen
Kappen-Innenfläche eingezeichnet ist,
eine der. Figur 3 entsprechende Darstellung einer Variante einer Prothese, deren Kappeninnenfläphe
mit parallel zur Rotationssymmetrieachse und mit ringörmig verlaufenden Rinnen
versehen- ist,
eine der Figur 3 entsprechende Darstellung einer Variante einer Prothese, deren Kappeninnenfläche
und Hülsen-Aussenflache mit einem
Gewinde versehen sind,
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die Figur 12
die Figur 13 die Figur
eine Ansicht eines Te|Lls einer Hülse, deren
Mantel sowohl runde ajLs schlitzförmige Löcher aufweist, ' '
eine Ansicht eines Teils einer Hülse mit schlitzförmigen Löchern und ·
einen der Figur 6 entsprechenden Schnitt durch einen Femur und eine andere Variante einer Prothese.
! !
Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Prothese 1 dient als
Ersatz für die Gelenkkugel eines menschlichen Hüftgelenkes.
Sie weist eine Kappe 3 auf, deren Außenfläche 3a;eine Kugelkalotte
bildet, die etwas grosser;als eine Halbkugel ist. Die Rotationssymmetrieachse der Aussenflache 3a ist mit 5
bezeichnet. ; ;
Eine einen kreiszylindrischen Mantel:7a aufweisende Hülse
7 ist koaxial zur Rotationssymmetrieachse 5 beim innern Ende des Innenraumes der Kappe 3 starr:mit dieser verbunden.
Die Verbindung zwischen der Kappe 3 ijind der Hülse 7 kann beispielsweise
durch Schweissen oder durch eine Erzeugung einer Temperaturdifferenz und Fest-Schrumpfen erfolgen. Die Hülse
ist am befestigten Ende durch einen Boden 7b abgeschlossen. Das freie Ende 7c der Hülse 7 ragt uip die mit s bezeichnete
Strecke aus dem Kappen-Innenraum, d.h. Über di« VQm Rand 3b
der Kappe 3 aufgespannte Ebene, heraus. Die Hülse :7 ist bei ihrem freien Ende 7c offen, so dass ^lso ihr kreiszylindrischer
Innenraum 7f beim Ende 7c in die Umgebung mündet. ;
Der Innenraum der Kappe wird in dem an den Kappenrfand 3b anschliessenden
Teil durch eine Innen-Mantelflache 3c begrenzt,
die im allgemeinen kreiszylindrisch ist, d.h. eine kreiszylindrische
Schmiegeflache aufweist, wobei die letztere koaxial
zur Rotationssymmetrieachse 5 der Aussenflache 3a ist.
An die im allgemeinen zylindrische Irjinen-Mant elf lache 3c
schliesst innen eine sich bis zum Hülsenboden 7b hin verjün
gende, verrundete Obergangsfläche 3d
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an. Der innerste Teil
der Kappen-Innenfläche wird durch eine Vertiefung 3e gebildet, die mit dem Ende der Übergangsfläche 3d eine Stufe bildet.
Die Tiefe dieser Stufe ist so bemessen, dass die zur Rotationssymmetrieacbse 5 radiale, der offenen Seite der
Kappe 3 zugewandte Fläche 7d des Hülsenbodens 7a in der gleichen Ebene liegt, wie der innere Rand der Obergangsfläche
3d. Wenn man sich also den zylindrischen Mantel 7a der Hülse 7 wegdenkt und die Fläche 7d nach aussen verlängert,
würde diese Verlängerung stetig in die Obergangsfläche 3d übergehen.
Die Abschnitte 3c und 3d der Kappen-Innenfläche sind mit
Rillen 3f:und dazwischen vorhandenen Rippen 3g versehen, die gleiehmässig über den tftnfang der Kappen-Innenfläche verteilt
sind. Dabei sind mindestens 20 und beispielsweise etwa 30 Rillen bzw. Rippen vorhanden. Jede Rille 3f und Rippe 3g
erstreckt sich vom Kappenrand bis in die Übergangsfläche 3d
und verläuft entlang einer durch die Rotationssymmetrieachse verlaufenden Ebene. Wie es besonders deutlich aus der Figur
ersichtlich ist, sind die Rillen 3f breiter als die Rippen 3g. Im übrigeu sind alle Obergänge zwischen den Rillen 3f
und Rippen 3g stetig verrundet. Die Tiefe t der Rillen 3f beträgt im Bereich der Fläche 3c mindestens 2,5£» und zwar
etwas mehl» als 5% des Durchmessers D der kreiszylindrischen
Schmiegefläche 9, die rotationssymmetrisch zur Achse 5 ist und sich an die Scheitellinien der Rippen 3g anschmiegt. Im
Bereich der Obergangsfläche 3d nimmt die Rillentiefe ab, so dass die Rillen und Rippen beim innern Rand der Öbergangsflache
3d ungefähr auslaufen.
Der Innendurchmesser d der Hülse 7 beträgt mindestens und vorzugsweise mindestens 35£ des Durchmessers D der Kappen-Innen-Schmiegeflache
9· Andererseits beträgt der Hülsen-Innendurchmesser d höchstens 75£ und vorzugsweise höchstens
60% des Durchmessers D der Kappen-Innen-Schmiegeflache 9.
Bei einer Hüftgelenk-Prothese beträgt der Durchmesser D beispielsweise 35 bis 42 im und der Durchmesser d etwa 10 bis 25 mm.
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ÜO'-:.. K>3_eO6179
Die in radialer Richtung gemessene Wandstärke *? des Hülsen-Mantels
7a beträgt mindestens 1% und zweckmässigerweise mindestens 3% sowie höchstens 30% und zweckmässigerweise höchstens 18% des
Hülsen-Innendurchmessers d. Vorzugsweise liegt die Wandstärke w zwischen 4% und 8% des Hülsen-Innendurchmessers d. Böi den
für Hüftgelenk-Prothesen vorgesehenen Durchmessern beträgt die
Wandstärke mindestens 0,3 mm und vorzugsweise mindestens 0,5 mm. Ferner beträgt die Wandstärke w höchstens 3 mm und vorzugsweise
höchstens 2,5 mm. Der Hülsen-Innendurchmesser d beträgt mindestens 103», und vorzugsweise mindestens 30% der Länge L des
Hülsen-Innenraumes 7f· Bei einer Prothese für die Bildung
eines Hüftgelenkes soll ferner die Länge L zweckmässigerweise höchstens 50Jf grosser als der Durchmesser D und vorzugsweise
ungefähr gleich diesem sein. Des weitern beträgt die Strecke s zweckmässigerweise höchstens 50% und vozugsweise höchstens
40% der Länge L. Bei Prothesen für andere Gelenke, insbesondere
Prothesen für ein Ellenbogengelenk, können die'Verhältnisse L/D und s/L grosser gemacht werden. :
Der Mantel 7a der Hülse 7 ist mit gleichmässig über seinen Umfang und seine Länge verteilten Durchgangslöchern 7e,
nämlich Bohrungen versehen. Der Durchmesser dieser Löcher 7e kann 3% bis 60%, und vorzugsweise etwa 15% bis 30% des Innendurchmessers
d des Hülsen-Mantels 7a betragen. Bei einer Hüftgelenk-Prothese haben die Löcher Je vorzugweise einen
Durchmesser von 3 bis 6 mm. Im übrigen sind di^ Abmessungen
und Abstände der Löcher 7e derart aufeinander abgestimmt, dass der von den Löchern eingenommene Teil der Innenfläche des
Hülsen-Mantels 7a mindestens 30% und höchstens 70% der gesamten Innenfläche des Hülsen-Mantels beträgt.
Wenn die Rillen 3f, die Rippen 3g und der Mantel 7a die Hülse
7 nicht vorhanden wären, könnte die Kappe 3 lediglich mit ihrer Bezugs-Schmiegeflache am Knochen anliegen. Diese Bezugs-Schmiegefläche
ist im vorliegenden Fall die zur Achse 5 rotationssymmetrische Fläche, die sich an die Scheitellinien
der Rippen 3g anschmiegt und am innern Ende des Hülseninnenraumes mit der radialen Fläche 7d des Hülsenbodens zusammenfällt.
(Die Vertiefung 3.e wäre beim Nichtvorhanden-
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sein der Hülse dann nicht vorhanden.) Bei der Prothese 1 wird nun die Innenfläche der Kappe 3 im Bereich ihrer Abschnitte
J5e und 3d durch die Rillen 3f und Rippen 3g vergrössert.;Ferner
kann auch die Hülse 7 mit der Innen- und
Aussenfläche ihres Mantels 7a sowie der Bodenfläche 7d am Knochen anliegen. Die Verrippung eines Teils der eigentlichen
Kappen-Innenfläche und die Hülse 7 ergeben also eine
beträchtliche Vergrösserung der Fläche, die nach dem Einsetzen
der Prothese 1 am Femur anliegen kann. Durch die Verrippung der Kappen-Innenfläche und die Hülse 7 wird die
Fläche, die bei der Verwendung der Prothese am Femur anliegen kann, auf einen Wert vergrössert der mindestens das Zweibis
Dreifache der Grosse der Bezugs-Schmiegefläche beträgt.
Die Kappe 3 und die Hülse 7 bestehen aus Metall, beispielsweise
aus:rostfreiem stahl oder Titan. Die Innenfläche der
Kappe 3 und die Innen- und Aussenflache der Hülse 7 können
zur Vergrösserung der Oberflächen-Rauhigkeit mit einer porösen, aufgesprühten Titanschicht überzogen oder in
anderer Viise behandelt sein. Die Aufrauhung wird jedoch
derart angebracht, dass die Tiefen und Höhen der durch sie gebildeter! Vertiefungen bzw. Vorsprünge höchstens 103» der
Tiefe t der Rillen 3f betragen. Die durch die Rillen 3f und Rippen 3g gegebene Prbfilierung der Kappen-Innenfläche
bleibt also trotz der Titanschicht oder sonstigen Oberflächen-Auf räuhung im wesentlichen erhalten.
Nun soll erläutert werden, wie die Prothese an einem Femur befestigt ;wird. Der in der Figur Ί ersichtliche Femur Il
weist einen Kopf 11a auf, der über einen Hals lib mit dem
restlichen Teil des Femurs zusammenhängt. Bei einer Operation wird :zuerst der Kopf 11a des Femurs 11 freigelegt. Dann
wird mit einem Formfräser 13 die äusserste Schicht des Kopfes 11a abgefr]äst, so dass vom Kopf 11a noch ein Zapfen lld mit
dem in der; Figur 4 strichpunktiert dargestellten Umriss übrigbleibt. Auf diesen Zapfen wird dann, wie in der Figur
5 ersichtlich, eine Lehre 15 aufgesteckt und mit einem von dieser geführten, hohlen Stirnfräser 17 ein ringförmiger
■' 130027/0791
BAD ORIGINAL
Spalt Hc in den Zapfen Hd gefräst. Danach wird .-die Prothese
1 in der in der Figur 6 ersichtlichen Weise auf den Femur-Zapfen
aufgesteckt, so dass die Innenfläche der liappe 3 am
Zapfen Hd anliegt und die Hülse 7 in den Spalt 1-lc hineinragt.
■ :
Der Umriss des beim Abfräsen der äussersten Schicht des Kopfes Ha gebildeten Zapfens Hd ist ungefähr komplementär
zur Innenfläche der Kappe 3. Wie es besonders deutlich aus der Figur 7 ersichtlich ist, wird der Aussendurchmesser des
Femur-Zapfens lld im Bereich der Kappen-Innenfläciie 3c etwa um die Rillen-Tiefe t grosser gemacht als der Durchmesser
der Bezugs-Schmiegef lache 9. Die Rippen 3g müssen." daher bei dem in der Richtung der Rotationssymmetrieachse 5; erfolgenden
Aufstecken der Prothese 1 auf den Feraur-Zapfpn Hd in
das Knochenmaterial eingepresst werden. Dabei wird der zylindrische Teil der Begrenzungsfläche des FemurfZapfens
Hd profiliert» so dass der Feraur-Zapfen etwa bis:zur halben
Tiefe der Rillen 3f in di^se hineinragt und die Prothese
sogleich relativ fest auf dem Femur sitzt. Zudem Wird auch die Breite des ringförmigen Spaltes Hc so bemessen, dass
die Hülse 7 satt in ihr sitzt oder ebenfalls eingepresst werden muss. Dies ermöglicht, die Prothese ohne Zement am
Femur zu befestigen. :
mit
das
Im Laufe der Zeit kann der Femur dann noch so v. ,ä
Rillen 3f hineinwachsen, dass diese vollständig material ausgefüllt werden. Die Abmessung des Hüllen
raumes 7f und die Löcher, 7e gewährleisten, dass material und die im Bereich des Femur-Zapfens 7d
Blutgefässe Hf auch durch die Löcher 7e im Hülsen· hindurch wachsen wie es in der Figur 8 dargestellt
chenmaterial bildet dann Stege He, die die Löcher dringen. Jeder Steg He hängt auf der Innen- und
te des Hülsen-Mantels 7a mit Knochenmate.rialabschnitten
i300 2 7/07 91
in die Knochen- -Innen-Knochenvorhandenen -Mantel 7a
ist. Das Kno-7e durch-Aussensei- zu-
sammen, die dann gewissermassen an den Steg lie anschliessende
Plansche und also mit diesem zusammen ein Doppel-T bilden. Ferner kann das Knochenmaterial in die Poren der
aufgesprühten Titanschicht oder der anderswie gebildeten Aufrauhung hineinwachsen. Die Prothese wird daher sehr gut
und dauerhaft im Femur 11 verankert. Im übrigen ergibt die Hülse 7, deren Wandstärke im Vergleich zu ihrem Durchmesser
relativ klein ist, nur einen verhältnismässig kleinen zusätzlichen
Verlust vor natürlichem Knochenmaterial. Die Spongiosa-Lamellen können ferner sowohl innerhalb der Hülse als
auch in dem diese umgebenden Bereich des Knochen-Zapfens und durch die Durchgangslöcher 7e hindurch analog wie bei
einem Knochen ohne Prothese den Hauptspannungslinien, d.h. den Linien grösster Belastung, entlang wachsen. Es ergibt
sich daher ein ähnlicher Kraftfluss wie bei einem natürlichen Gelenk, was ebenfalls zur Stabilität der Knochen-Prothese-Verbindung
beiträgt.
Nun soll anhand der Figur 9 erläutert werden, wie eine quer zur Rotationssymmetrieachse 5 gerichtete Kraft P vom Femur-Zapfen
lld auf die Kappe 3 der Prothese 1 übertragen wird, wenn der Femur in der vorgängig beschriebenen Weise in die
Rillen 3f eingewachsen ist. Die Kraft P sei parallel zur Geraden 19 gerichtet, die die Rotationssymmetrieachse 5 rechtwinklig
schneidet. In der linken Hälfte der Figur 9 ist schematisch der Umriss des Femur-Zapfens lld dargestellt,
der zu den Rillen 3f der Kappe 3 komplementäre Rippen aufweist. Die Flanken dieser Rippen bilden nun auch an derjenigen
ümfangsstelle, die am weitesten von der Geraden 19 entfernt ist, Flächen, die nicht parallel zur Richtung der
Kraft P verlaufen, sondern mit dieser Richtung einen Winkel zwischen etwa 45 und 135° bilden. Dies gewährleistet, dass
auch bei den am weitesten von der Geraden 19 entfernten ümfangsstellen noch Kräfte vom Femur auf die Kappe und
umgekehrt übertragen werden. Bei der Übertragung der Kraft P wird die letztere daher in Teilkräfte aufgeteilt, deren
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Grosse und örtliche Verteilung qualitativ durch Pfeile 16
angedeutet ist. Die zu übertragende Kraft P wird also relativ gleichmässig auf einen grossen Teil des üjnfangs der
Kappe 3 bzw. des Femur-Zapfens lld verteilt. Ferner trägt
natürlich auch die Hülse 7 zur Kraftübertragung bei. Daraus resultiert eine relativ gleichmässige örtliche Verteilung
der Kräfte und Beanspruchungen des Knochenmaterials.
Wenn die Kappen-Innenfläche und die an ihr anliegende Femur-Zapfenfläche
dagegen glatte Zylinderflächen wären, ergäben sich die qualitativ in der rechten Hälfte der Figur 9 durch
die Pfeile 18 dargestellten Teil-Kräfte. Die relativ weit von der Geraden 19 entfernten Umfangsbereiche der Kappe und
des Femur-Zapfens wären dann für die Übertragung der Kraft P praktisch unwirksam.
Da die Hülse 7 um die Strecke s tiefer in den Femur hineinragt, als dieser von der Kappe umfasst wird, ist auch die
Gefahr, dass der Femur bei grossen, quer zur Rotationssymmetrieachse 5 angreifenden Kräften beim Rand 3b der Kappe
abgeschert wird, sehr klein. Die Innen-Länge L der Hülse und die Strecke s sind jedoch derart bemessen, dass sich die
Hülse 7 nicht bis zu dem in der Figur 6 dargestellten und mit 11g bezeichneten, für die Blutversorgung des Knochens
sehr wichtigen, ungefähr entlang der Mittelachse des Femur-Schaftes verlaufenden Haupt-Äderstrang erstreckt.
Wenn an einer bestimmten Stelle der Prothese 1 Kräfte mit einer quer zur Rotatxonssymmetreiachse 5 gerichteten Komponente
angreifen, treten auch Biegebeanspruchungen auf. In der Elastizitätstheorie verwendet man zur Charakterisierung des
Biegeverhaltens eines Körpers beispielsweise die sogenannte Biegesteifigkeit. Diese ist gleich dem Produkt Flächenträgheitsmoment
I mal Elastizitätsmodul E und also sowohl von den geometrischen Abmessungen des betreffenden Körpers als auch
130027/0791
DAPl
von dessen Material, nämlich eben dessen Elastizitätsmodul,
abhängig. Die Biegesteifigkeit der Knochen kann für verschiedene Patienten relativ stark streuen. Durch eine geeignete Bemessung
der Hülse 7» können aber die Biegesteifigkeiten der
Hülse 7 und des Knochens darart aufeinander abgestimmt werden, dass sie in vergleichbaren Grössenordnungen liegen
und dass bei Biegebeanspruchungen sowohl der Femur als auch die Hülse 7 etwas gebogen werden. Dies wirkt sich ebenfalls
günstig auf die Kraftübertragung und die Dauerhaftigkeit der Verankerung der Prothese aus.
Damit beim Rand des freien, offenen Endes 7c der Hülse 7 bei Biegebeanspruchungen keine grossen Scherkräfte auftreten,
ist es inbesondere von Vorteil, wenn mindestens der freie, aus dem Kappen-Innenraum herausragende Endabschnitt der Hülse
7 eine Biegesteifigkeit hat, die ähnlich oder nicht allzuviel grosser ist als diejenige des Knochens. Für den sich im
Innern der Kappe 3 befindenden Abschnitt der Hülse ist dagegen eher eine etwas grossere Biegsteifigkeit zulässig oder
sogar vorteilhaft. Die Hülse 7 kann daher auch so ausgebildet werden, dass ihr freier Endabschnitt eine kleinere
Biegesteifigkeit aufweist als an ihr an der Kappe befestigter Endabschnitt und ihr mittlerer Abschnitt, wobei die
Biegesteifigkeit entlang der Hülse entweder sprungweise oder stetig ändern kann. Zur Verwirklichung dieser entlang der
Hülse ändernden Biegesteifigkeit kann beispielsweise das Verhältnis der von den Durchgangslöchern 7e eingenommenen
Mantelfläche zur nicht gelochten Mantelfläche im Bereich des freien Hülsen-Endes 7c etwas vergrössert werden. Eine andere
Möglichkeit bestände darin, die Wandstärke w beim freien Ende 7c der Hülse 7 etwas kleiner zu machen als beim andern
Ende und im mittleren Teil der Hülse. Die Innen-und/oder die Aussenfläche des Hülsen-Mantels 7a ist im letzteren Fall
natürlich nicht mehr streng zylindrisch, wobei aber die Abweichung von der Zylinderform nur gering ist. Es sei noch
vermerkt, dass die Biegesteifigkeit natürlich auch bei den
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nachfolgend noch beschriebenen, in den Figuren 10 bis 13
ersichtlichen Hülsen in analoger Weise entlang der Hülsenlängsachse
variiert werden kann.
Die in der Figur 10 dargestellte Prothese 21 weist eine Kappe 23 und eine Hülse 27 auf. Die Innenfläche der Kappe 23
ist mit Rillen 23f versehen, die entlang von Ebenen durch
die RoatationsSymmetrieachse 25 verlaufen und den Rillen
3f entsprechen. Die Innenfläche ist jedoch noch mit zusätzlichen, ringförmigen Rillen 23i versehen, die ungefähr die
gleiche Tiefe wie die Rillen 23f haben können. Zwischen den
sich kreuzenden Rillen ergibt sich dann eine Vielzahl in den Innenraum der Kappe 23 vorstehender Nocken 23g. Der Mantel
27a der Hülse 27 ist gleich wie der Mantel 7a mit Löchern 27e versehen.
Die in der Figur 11 dargestellte Prothese 41 weist eine Kappe
43 auf, deren im wesentlichen zylindrischer Innenflächenteil
43c zur Rotationssymmetrieachse 45 der Kappen-Aussenflache
koaxial ist und eine Rille 43f aufweist, die entlang einer
Schraubenlinie verläuft und ein Gewinde bildet. Die Aussenfläche des Mantels 47a der Hülse 47 ist ebenfalls mit einer
entlang einer Schraubenlinie verlaufenden Rille 47f versehen, die ein Gewinde bildet. Die beiden Gewinde haben den
gleichen Drehsinn und die gleiche Steigung, so ''ass die Prothese
am Femur festgeschraubt werden kann. Der Hülsen-Mantel 47a ist noch mit den Löchern "Je entsprechenden Löchern 47e
versehen. Bei dem in der Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel könnte man die Innenfläche der Kappe zusätzlich zur
Rille 43f mit Rillen versehen, die entlang von Ebenen durch die Achse 45 verlaufen. Es ergäbe sich dann analog wie bei
der Kappe 23 eine Vielzahl von Nocken, die Fragmente eines Gewindes bilden. Des weitern könnten die Gewinde auch mehrgängig
ausgebildet werden.
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Die Prothese 4l kann bei einer Operation durch Drehen um die
Rotationssymmetrieachse 45 auf den vorgängig gefrästen Femur-Zapfen
aufgeschraubt werden. Wenn die Durchmesser der Aussenflache
des Femur-Zapfens und des in diesen gefrästen Ringspaltes
entsprechend festgelegt werden, kann erreicht werden, dass sich die Gewinde der Prothese 41 beim Aufschrauben in
das Knochenmaterial einschneiden. Auch die Prothese 41 sitzt also gleich wie die vorgängig beschriebenen Ausführungsbeispiele
sofort nach dam Einsetzen fest auf dem Knochen.
Die Figur 12 zeigt eine Variante einer Hülse 67, von der nur ein Teil des Mantels 67a gezeichnet ist und die wie die
Hülse 7 am einen Ende starr mit einer nicht gezeichneten Kappe verbunden und am andern Ende offen ist. Der Hülsen-Mantel
67a ist mit zwei Arten von Durchgangslöchern versehen, nämlich mit Bohrungen 67e und Schlitzen 67g. Dabei folgen
entlang der Rotationssymmetrieachse 65 abwechselnd ringförmige Bereiche aufeinander die entweder Bohrungen oder Schlitze
enthalten. Die Schlitze 67g haben eine längliche Form, wobei iJ-.re längeren Ränder entlang von Kreisbogen verlaufen.
In der Figur 13 ist ein Teil eines Mantels 87a einer Hülse
87 ersichtlich, die einenends starr mit einer nicht gezeichneten Kappe verbunden und andernends offen ist. Der Mantel
87a ist mit Durchgangslöchern, nämlich länglichen Schlitzen 87e versehen, deren längere Ränder entlang von Kreisbogen um
die Rotationssymmetrieachse 85 verlaufen. Dabei sind in aufeinanderfolgenden ringförmigen Bereichen des Mantels 87a
jeweils drei über den Umfang verteilte Schlitze vorhanden.
Bei den Prothesen 1,21 und 41 wird das innere Ende der Kappen-Innenfläche
durch eine ebene Radial-Fläche gebildet, die durch eine verrundete Obergangsfläche mit dem zylindrischen
Teil der Innenfläche verbunden ist. Zwischen der radialen, oder eventuell auch konischen, inneren Endfläche und zylind-
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rischen Innenfläche der Kappe könnte aber auch eine Kante vorhanden sein.
Wie es bei der in der Figur lH dargestellten Prothese IGl der
Fall ist, kann die Kappe 103 auch eine Innenfläche, oder genauer gesägt eine Innen-Hüllflache, aufweisen, deren inneres
Ende, abgesehen von der Hülse 107 durch eine Halbkugelfläche gebildet ist. Diese geht stetig in den zylindrischen
Teil der Innenfläche über. Im übrigen ist der ausserhalb der
Hülse 107 liegende Teil der Innenfläche mit über den Umfang verteilten Rippen und Rillen versehen, die entlang von Ebenen
verlaufen, die ihrerseits durch die Rotationssymmetrieächse 105 verlaufen. Die Hülse 107 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit der Kappe 103 aus einem einstückigen
Körper gebildet. Im übrigen ist die Hülse mit über ihre Mantelfläche verteilten Durchgangslöchern 107e versehen. Die
sich in der Nähe des innern Hülsen-Endes befindenden Löcher sind aus fertigungstechnischen Gründen gegen die Achse 105 geneigt.
Es sei noch vermerkt, dass sich die Kappen- und Hülsen-Ausbildungen
der beschriebenen Ausführungsbeispiele in verschiedener Weise miteinander kombinieren lassen.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen weist die Kappen-Innenfläche
der Prothese in einem quer zux Rotationssymmetrieachse der Kappen-Aussenfläche gelegten Schnitt oder/und
in einem parallel zur genannten Achse gelegten Schnitt mehrere aufeinanderfolgende Vertiefungen und Erhöhungen auf. Daher
wird, die Kappen-Innenfläche, die nach dem Einsetzen der Prothesen, am Femur anliegen kann, mindestens 50?, und sogar
mehr als 100? grosser als die jeweilige Bezugs-Schmiegeflachen.
Wenn man auch noch die Innen- und Aussenflache des
Hülsen-Mantels dazuzählt, wird die Fläche, die am Femur anliegen kann, 3ogar mindestens 200? grosser als die Bezugs-Schmiegef
lache.
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Die dargestellten Prothesen sind zum Befestigen an einem Femur bestimmt, um die Gelenkkugel eines künstlichen Hüftgelenkes
zu bilden. Man kann die Prothesen jedoch auch so bemessen, dass sie als Gelenkkugel für ein künstliches Ellenbogen-,
Schulter-, oder Pingergelenk verwendbar sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
Eine Prothese (1) für die Bildung der Gelenkkugel eines Hüftgelenkes weist eine kugelkalottenförmige Kappe (3)
auf. Deren Innenfläche ist mit Rillen (3f) und Rippen (3g) versehen, die gleichmässig über den Umfang der Innenfläche
verteilt sind und entlang von Ebenen verlaufen, die ihrerseits durch die Rotationssymmetrieachse (5) der
Kappen-Aussenflache (3a) verlaufen. Eine Hülse (7), deren
Mantel mit Löchern (7e) versehen ist, ist beim innern Ende der Kappen-Innenfläche starr an der Kappe (3) befestigt und
ragt teilweise aus dieser heraus. Die Verrippung der Kappen-Innenfläche
und die Hülse (7) ermöglichen, die Prothese (1) bei einer Operation ohne Zement fest und dauerhaft
an einem Knochen zu befestigen.
(Figur 1)
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Claims (13)
- Institut Straiunann AQ, Waldenfeürg (2AkWeIz-)" · "· Q Π Π R 1 7 QNAOHQEREICHTPATENTANSPRÜCHEIy Kugelgelenkkopf-Prothese mit einer Kappe mit einer kugelkalottenförmigen Aussenflache, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich mindestens teilweise im Innenraum der Kappe (3,23,43) befindende Hülse (7,27,47,67,87) vorhanden ist, deren Mantel (7a,27a,47a,67a,87a) koaxial zur Rotationssymmetrieachse (5,25,45,65,85,105) der Kappen-Aussenflache (3a) ist, und dass das sich näher bei der innersten Stelle. (3e) des Kappen-Innenraumes befindende Hülsen-Ende starr mit der Kappe (3,23,43) verbunden und das andere Hülsen-Ende offen ist.
- 2. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (7,27,47,67,87) mit über ihren Mantel (7a,27a, 47a,67a,87a) verteilten und diesen durchdringenden Löchern (7e,27e,47e,67e,67g,87e) versehen ist.
- 3. Prothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Löchern (7e,27e,47e,67e,67g,87e) eingenommene Teil der Innenfläche des Hülsen-Mantels (7a,27a,47a, 67a,87a) 302 bis "JQ% der gesamten Innenfläche des Hülsen-Mantels (7a,27a,47a,67a,87a) beträgt.
- 4. Prothese nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Löcher (7e, 27e,47e,67e) des Hülsen-Mantels (7a,27a,47a,67a) durch Bohrungen gebildet sind.
- 5. Prothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (7e,27e,47e) der Hülse (7,27,47,67,87) im wesentlichen kreiszylindrisch ist und dass der Durchmesser15585
Zb/ro/Pall 146130027/0791der Bohrungen 3% bis 60# des Innendurchmessers (d) des Hülsen-Mantels (7a,27a,47a,67a) beträgt. - 6. Prothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (7e,27e,47e) der Hülse (7,27,47,67) im wesentlichen kreiszylindrisch ist und dass der Durchmesser der Bohrungen 15$ bis 30? des Innendurchmessers (d) des Hülsen-Mantels (7a,27a,47a,67a) beträgt.
- 7. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum (7e,27e,47e) der Hülse (7,27,47) im wesentlichen kreiszylindrisch ist» dass die Kappen-Innenfläche einen Abschnitt mit einer kfeiszylindrischen Schmiegefläche aufweist und dass der Innendurchmesser (d) der Hülse (7,27,47) mindestens 25$ des,Durehmessers (D) der genannten Schmiegefläche beträgt.
- 8. Die Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 7,.dadurch gekennzeichnet, dass der Hülsen-Mantel (7a,27a,67a,87a) innen und aussen durch im wesentlichen kreiszylindrische Flächen begrenzt ist, die koaxial zur Rotationssymmetrieachse (5,25,65,85,105) der Kappen-Aussenfläche (3a) sind.
- 9. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (w) des Hülsen-Mantels (7a,27a,67a,87a) .0,3 mm bis 3 mm beträgt.
- 10. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende der Hülse (7,27,47, 67,87) aus dem Innenraum der Kappe (3,23,43) herausragt .
- 11. Prothese nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (7,27,47,67,87) um eine Strecke s aus dem Kappen-Innenraum herausragt, die höchstens 50# der gesamten Länge L des Hülsen-Innenraumes beträgt.130027/0791
- 12. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (7,27,47,67,87) in ihrem freien Endabschnitt eine kleinere Biegesteifigkeit aufweist als in ihrem mit der Kappe (3,23,43) verbundenen Endabschnitt.
- 13. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, da«s die Innenfläche der Kappe (3,23,43) in einem durch sie gelegten Schnitt eine Anzahl aufeinanderfolgender Vertiefungen (3f,23f,23i,43f) und Erhöhungen (3g) aufweist, dass diese Vertiefungen (3f,23f, 23i,43f) und Erhöhungen (3g) entlang von Linien angeordnet sind, die beginnend vom freien Rand (3b) der Kappe (3) gegen deren innersten Innenflächen-Teil (3e) verlaufen, und dass diese Linien entweder entlang von in der Rotationssyrametrieachse (5,25,105) der Kappen-Aussenf lache (3a) liegenden Ebenen oder schraubenlinienförmig um die genannte Rotationssymmetrieachse (45) verlaufen.130027/0791
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