DE3781163T2

DE3781163T2 - Manschette zum befestigen kuenstlicher gelenke an knochen.

Info

Publication number: DE3781163T2
Application number: DE8787906520T
Authority: DE
Inventors: G Noiles
Original assignee: Joint Medical Products Corp
Current assignee: Joint Medical Products Corp
Priority date: 1986-09-15
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1993-04-15
Anticipated expiration: 2007-09-12
Also published as: US4790852A; JP2736891B2; EP0323978A1; EP0323978A4; EP0323978B1; WO1988001854A1; CA1290100C; DE3781163D1; JPH01503757A

Description

Diese Erfindung betrifft den Bereich künstlicher Gelenke und insbesondere Vorrichtungen zur Befestigung solcher Gelenke an einem Knochen.
In der PCT-Veröffentlichung Nr. WO 85/03426, die die Grundlage für die Oberbegriffe der Ansprüche 1 und 7 darstellt, werden verschiedenartige Hülsen zur Befestigung künstlicher Gelenke an einem Knochen beschrieben, die folgende Merkmale aufweisen: 1) die Außenfläche der Hülse ist so profiliert, daß sie an die Innenfläche des harten Teils des Knochens des Patienten anpaßt ist; und 2) die Außenfläche der Hülse umfaßt mehrere in einem Abstand befindliche und sich nach außen erstreckende Schultern, deren Zweck es ist, die Belastungen der Prothese auf eine Weise auf den harten Teil des Knochens zu übertragen, die derjenigen ähnelt, auf die die Belastungen vom weichen Teil des Knochens auf den harten Teil des Knochens übertragen werden.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, den Gebrauch der in der obigen PCT-Veröffentlichung offenbarten Hülsen zu verbessern. Obwohl es möglich ist, Hülsen von der in der PCT-Veröffentlichung offenbarten Art zu schaffen, die den Konturen des harten Teils des Knochens einzelner Patienten angenähert sind, haben Hülsen dieser Art keine regelmäßige geometrische Form. Deshalb halten es Chirurgen für schwierig, die Knochen des Patienten zur Aufnahme solcher Hülsen unter Verwendung gebräuchlicher oder sogar spezieller chirurgischer Werkzeuge zum Schneiden und Aufreiben von Knochen vorzubereiten.
Mit Hinblick auf den obengenannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, Hülsen zur Befestigung künstlicher Gelenke an Knochen zu schaffen, die Außenflächen besitzen, die 1) so profiliert sind, daß sie im allgemeinen den Innenflächen der harten Teile der Knochen mehrerer verschiedener Patienten entsprechen, ungeachtet der anatomischen Unterschiede von Patient zu Patient, 2) so profiliert sind, daß der Chirurg leicht und präzise einen Hohlraum für die Aufnahme der Hülse im Knochen des Patienten vorbereiten kann, und 3) mehrere abgesetzte, nach außen sich erstreckende Terassen umfassen, die in den Knochen schneiden können und/oder das Einwachsen des Knochens fördern und die Belastungen auf eine Weise auf den Knochen des Patienten übertragen, die im allgemeinen der Weise entspricht, auf die Belastungen vom weichen auf den harten Teil des Knochens übertragen werden.
Allgemeiner ist die Methode der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zu der Methode der obigen PCT-Veröffentlichung, in der die Form des harten Teils des Knochens des Patienten sowohl die Form der Prothese als auch die Form des im Knochen des Patienten zu bildenden Hohlraumes bestimmte, eine Prothesenform zu schaffen, die leicht, genau und wiederholbar im Knochen des Patienten ausgebildet werden kann und die im allgemeinen an die Form des harten Teils des Knochens angenähert ist, und dann den Knochen des Patienten der Prothese durch Bildung eines Hohlraumes im Knochen, der exakt der Form der Prothese entspricht, anzupassen.
Um dies zu erreichen, schafft die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 1 und 7 definiert ist, Hülsen zur Implantation in Knochen mit terassenförmigen Außenflächen, bei denen die Umfangslinien der Außenkanten der Terassen spezifizierte Formen besitzen, um die beiden Ziele der Annäherung an die Konturen des harten Teils des Knochens und der Schaffung einer Gesamtform für die Prothese, die von einem Chirurgen leicht in den Knochen eines Patienten geschnitten werden kann, zu erfüllen.
Insbesondere besitzen die Terassen, die der Gelenkbewegungsfläche am nächsten sind, eine erste Gruppe von Umfangslinien, während die von der Gelenkbewegungsfläche entfernten Terassen eine zweite Gruppe von Umfangslinien besitzen. Sämtliche dieser Umfangslinien liegen in Ebenen, die im wesentlichen senkrecht zu der Längsachse der Hülse stehen.
Die Umfangslinien der ersten Gruppe sind aus einem Teil eines Kreises und aus einem Teil einer Ellipse zusammengesetzt. Die Kreisteile sind auf der Längsachse der Hülse zentriert. Die Radien der Kreise wachsen in Richtung auf die Gelenkbewegungsfläche an, so daß die Einhüllende der Kreise ein Kegel ist. In der Praxis wurde ein Gesamtöffnungswinkel von z.B. 6º für geeignet befunden.
Für jede Terasse werden Ellipsen mit denselben großen und kleinen Achsen, d.h. mit der gleichen Form, verwendet, wobei jedoch der Ellipsenteil in Richtung zur Gelenkbewegungsfläche von Terasse zu Terasse anwächst, bis sich eine halbe Ellipse ergibt. Danach wird für alle Terassen, die sich näher an der Gelenkbewegungsfläche befinden, eine halbe Ellipse verwendet, wobei die Ellipsenhälften mit den Kreisteilen der Umfangslinien durch zwei Linien verbunden sind, die parallel zur großen Achse der Ellipse sind und an den Enden der kleinen Achse der Ellipse tangential zur dieser verlaufen. Wahlweise können die Verbindungen zwischen dem Teil der Ellipse und dem Teil des Kreises oder zwischen den zwei geraden Linien und dem Teil des Kreises je nach Fall mit einem Teil eines Kreises mit geeignetem Radius abgerundet werden, um einen gleichmäßigen Übergang in den Kreisteil der Umfangslinie zu erzeugen und den Herstellungsprozeß zu vereinfachen.
Die großen Achsen sämtlicher Ellipsen liegen in einer gemeinsamen Ebene, ferner liegen sämtliche Achsen senkrecht zur Längsachse der Hülse. Der Teil der Ellipse, der für jede Terrasse verwendet wird, umfaßt einen Scheitelpunkt der Ellipse. Die Scheitelpunkte der verschiedenen Terrassen liegen entlang einer Linie, die die Längsachse der Hülse unter einem festgelegten Winkel schneidet, der von dem Werkzeug, das zum Aufreiben des Knochens des Patienten verwendet wird (siehe die Diskussion weiter unten), bestimmt wird.
Die zweite Gruppe von Umfangslinien ist aus auf der Längsachse der Hülse zentrierten Kreisen zusammengesetzt. Die Radien der Kreise wachsen in Richtung auf die Gelenkbewegungsfläche an, so daß die Kreise der zweiten Gruppe von Umfangslinien auf demselben Kegel liegen wie die Kreisteile der ersten Gruppe von Umfangslinien.
Der Übergang von der ersten Umfangsliniengruppe auf die zweite Umfangsliniengruppe tritt in der Ebene auf, in der die Linie durch die Scheitelpunkte der Ellipse den durch die Kreisteile der ersten Umfangsliniengruppe festgelegten Kegel zum ersten Mal schneidet. Für einige Anwendungen kann eine relativ kurze Hülse wünschenswert sein, wodurch lediglich eine erste Gruppe von Umfangslinien verwendet wird und ein Übergang von der ersten zur zweiten Umfangsliniengruppe nicht auftreten wird.
Wie weiter unten beschrieben wird, kann der Prothese durch die Verwendung von Umfangslinien der obigen Formen leicht eine Gesamtform gegeben werden, die im allgemeinen der Form der harten Teile der Knochen, wie sie in der Praxis auftreten, entspricht. Diese Entsprechung kann durch Belieferung des Chirurgen mit Hülsenfamilien (siehe die Diskussion weiter unten) weiter verbessert werden.
Darüber hinaus kann der Chirurg den Knochen des Patienten schnell für die Aufnahme der Prothese vorbereiten. Insbesondere kann ein Hohlraum zur Aufnahme der zweiten Gruppe von Umfangslinien und der Kreisteile der ersten Gruppe von Umfangslinien mittels eines herkömmlichen konischen Erweiterungsbohrers im Knochen des Patienten hergestellt werden. Ein weiterer, mit dem konischen Hohlraum verbundener Hohlraum zur Aufnahme der Ellipsenteile der ersten Gruppe von Umfangslinien und die Verbindung zwischen diesen Teilen und den Kreisteilen kann mittels des in Fig. 6 gezeigten Werkzeuges (siehe die Diskussion weiter unten) hergestellt werden. Im allgemeinen werden beide Hohlräume etwas schmaler als die Prothese hergestellt, so daß die Prothese nach der Implantation fest im Knochen des Patienten sitzt.
Die Kombination der beiden Hohlräume liefert einen Gesamthohlraum, der im wesentlichen perfekt der Außenfläche der Hülse entspricht. Diese perfekte Entsprechung erzeugt wiederum eine starke anfängliche mechanische Fixierung der Hülse im Knochen des Patienten und einen engen Kontakt zwischen der Hülse und dem Knochen, der ein Einwachsen des Knochens fördert.
In Verbindung mit diesen letzteren Gesichtspunkten ist die Außenfläche der Hülse bei bestimmten Ausführungsformen der Erfindung zwischen den Terrassen unterschnitten, um die Fähigkeit zu betonen, daß die äußeren Kanten der Terrassen den Knochen schneiden können. Ein solches Schneiden tritt auf, wenn die Hülse in den im Knochen des Patienten gebildeten Hohlraum gepreßt wird. Das Schneiden führt zur Erzeugung von Knochensplittern im Bereich zwischen den Terrassen, was zu einer weiteren Verbesserung des Einwachsens des Knochens in diese Bereiche führt.
In Verbindung mit weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Außenfläche der Prothese mit einer porösen Schicht überzogen werden, um das Einwachsen des Knochens weiter zu verbessern (siehe Fig. 2).
Die beigefügten Zeichnungen, die in die Beschreibung integriert sind und einen Teil von ihr bilden, zeigen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung der Erläuterung der Prinzipien der Erfindung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer Oberschenkelprothese, die eine gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Hülse verwendet, die in einem Oberschenkelknochen eines Patienten implantiert wurde. Der Oberschenkelknochen ist geschnitten dargestellt, um die Beziehung zwischen der Prothese und den weichen und harten Knochenteilen des Oberschenkelknochens darzustellen.
Fig. 2 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Schnittes durch die Außenfläche der Hülse der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Hülse der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 zeigt eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, die das Aufreiben des Oberschenkelknochens des Patienten mit einem geraden Erweiterungsbohrer erläutert.
Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, die das Aufreiben des Oberschenkelknochens des Patienten mit einem konischen Erweiterungsbohrer erläutert.
Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht eines geeigneten Werkzeuges zum Schneiden eines Hohlraumes in den Oberschenkelknochen des Patienten für die Aufnahme des hervorstehenden Teiles der Hülse der vorliegenden Erfindung.
Fig. 7 zeigt eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, die das Schneiden des Oberschenkelknochen des Patienten mit dem Werkzeug von Fig. 6 verdeutlicht.
Fig. 8 zeigt eine Ansicht, die eine Familie von Hülsen mit unterschiedlichen hervorstehenden Teilen schematisch erläutert.
Fig. 9 zeigt eine Vorderansicht, teilweise im Schnitt, die die Implantation einer Hülse in einen Oberschenkelknochen eines Patienten erläutert.
Fig. 10 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hohlraumes in einem Oberschenkelknochen eines Patienten, der aufgerieben wurde, um eine gemäß der Erfindung hergestellte Hülse aufzunehmen. Die zwei in dieser Figur gezeigten Mittellinien entsprechen den Mittellinien des in den Fig. 5 und 7 gezeigten konischen Erweiterungsbohrers und des Schneidwerkzeuges.
Fig. 11 zeigt einen Querschnitt entlang den Linien II-II in Fig. 10.
Die Fig. 12 und 13 verdeutlichen schematisch die Kritikalität bei der Verwendung eines elliptischen Umrisses bei der Herstellung des hervorstehenden Teiles der Hülse.
Fig. 14 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die einen hervorstehenden Teil in Verbindung mit einem geraden Zylinder verwendet.
Bezugnehmend auf die Figuren, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten bezeichnen, ist in Fig. 1 ein Oberschenkelbestandteil 10 eines künstlichen Hüftgelenkes dargestellt, der die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Hülse 13 verwendet. Die Hülse 13 umfaßt den auf der Längsachse 36 der Hülse zentrierten konischen Teil 6 und den vorstehenden Teil 8, der gegen die Längsachse versetzt ist und von ihr weggerichtet ist.
Der Oberschenkelbestandteil 10 ist in den Oberschenkelknochen 54 des Patienten implantiert, der eine äußere Schale 56 aus hartem Knochen umfaßt, welche einen inneren Kern 58 aus weichem Knochen umschließt. Die Bewegung des Gelenkes findet um die Kugel 14 statt. Die Kugel ist mit dem Hals 16 verbunden, der wiederum mit dem Stamm 18 verbunden ist.
Der Stamm 18 und die Hülse 13 greifen mittels komplementärer Sperrkonizitäten an der Außenfläche 20 des Stammes und der Innenseite 22 der Hülse ineinander. Zusätzlich ist der Stamm mit Stiften 24 versehen, die in die Schlitze 26 in der Hülse greifen, um den Stamm daran zu hindern, sich vor dem vollständig sperrenden Ineinandergreifen der Kegelflächen innerhalb der Hülse zu drehen.
Um ein vollständiges Ineinandergreifen der Sperrkonizitäten trotz kleiner Abweichungen in den Bestandteilen als eine Folge des Herstellungsprozesses sicherzustellen, werden die Kegelflächen der Hülse und des Stammes nominell so groß gemacht, daß ein Zwischenraum von annähernd 1,5 mm zwischen der Unterseite des Halses 16 und der Oberseite der Hülse entsteht. Auf ähnliche Weise befindet sich der Stift 24 nominell 1,5 mm von der Unterseite des Schlitzes 26 entfernt.
Die Außenfläche der Hülse 13 umfaßt mehrere Terrassen 28 mit äußeren bzw. inneren Kanten 30 bzw. 32. (siehe Fig. 2). Der vertikale Abstand zwischen den Terrassen liegt vorzugsweise in der Größenordnung zwischen ungefähr 0,5 mm und ungefähr 3,0 mm. Die Tiefe der Terrassen liegt vorzugsweise in der Größenordnung zwischen ungefähr 0,2 mm und ungefähr 1,5 mm. Wie in Fig. 3 gezeigt, liegen die Umfangslinien der äußeren Kanten 30 in Ebenen, die im wesentlichen rechtwinklig zur Längsachse 36 der Hülse 13 sind.
Im oberen Bereich der Hülse 13 umfassen die Umfangslinien der Außenkanten 30 auf der Längsachse 36 zentrierte Kreisteile 34 und elliptische Teile 38, die Scheitelpunkte 52 umfassen. Die Radien der Kreisteile 34 nehmen bei einer Bewegung weg vom oberen Teil der Hülse ab, wobei der Winkel des Kegels, wie oben beschrieben, ungefähr 60 beträgt. Auf ähnliche Weise nehmen die Abstände der Scheitelpunkte 52 von der Achse 36 bei einer Bewegung weg vom oberen Teil der Hülse ab. Die elliptischen Teile 38 besitzen jedoch alle die gleiche Form, derart, daß sie sämtlich Teile einer gemeinsamen Ellipse sind.
Wie in Fig. 3 gezeigt, liegen die Scheitelpunkte 52 auf einer gemeinsamen Linie 60, die die Achse 36 unter einem festgelegten Winkel schneidet. Der Winkel ist so gewählt, daß die Gesamtform der Hülse im allgemeinen der anatomischen Form des harten Teils des Knochens entspricht, die in der Praxis angetroffen wird. Für Oberschenkelprothesen wurde z.B. ein Winkel von ungefähr 32º als geeignet für die gewünschte Anpassung gefunden. Andere Winkel können selbstverständlich ebenso verwendet werden. Wie weiter unten beschrieben wird, ist der Winkel zwischen der Linie 60 und der Achse 36 auch gleich dem Winkel zwischen der Welle 62 und der Schneideeinrichtung 64 eines Werkzeuges 66 (siehe Fig. 6).
Wie weiterhin in Fig. 3 gezeigt, umfaßt die oberste Umfangslinie eine volle Hälfte einer sich zwischen den Enden 68 und 70 ihrer kleinen Achse 40 erstreckenden Ellipse. Die Halbellipse ist durch die Linienabschnitte 42 und 44 mit dem Kreisteil 34 der Umfangslinie verbunden. Diese Linienabschnitte verlaufen in den Punkten 68 und 70 tangential zur Ellipse und sind somit parallel zu der großen Achse der Ellipse. Die große Achse liegt auf der Linie 46, die zur Achse 36 senkrecht ist. Wie oben beschrieben, sind die Verbindungen zwischen den Linienabschnitten 42 und 44 und dem Kreisteil 34, wie bei 48 und 50 gezeigt, abgerundet, um die Herstellung zu vereinfachen.
Um die Scheitelpunkte 52 bei Umfangslinien unter der obersten Umfangslinie auf der Linie 60 zu halten, werden zuerst kürzere Linienabschnitte 42 und 44 und dann weniger als eine volle Hälfte einer Ellipse verwendet. Die abgerundeten Übergänge 48 und 50 können auch bei diesen kleineren Umfangslinien verwendet werden.
Am unteren Teil der Hülse 13 stellen die Umfangslinien der Außenkanten 30 Kreise dar, deren Radien bei einer Bewegung zum unteren Ende der Hülse abnehmen, so daß die Außenkanten dieser Umfangslinien auf demselben Kegel liegen wie die Teile 34 der oberen Umfangslinien. Der Übergang zwischen den oberen Umfangslinien und den unteren Umfangslinien findet an der Stelle statt, an der die Linie 60 mit dem von den Teilen 34 der oberen Umfangslinien gebildeten Kegel zusammentrifft. Dieses Zusammentreffen ist in Fig. 3 bei 72 gezeigt.
Bei dem Vorgang der Implantation der Hülse 13 wird, wie in Fig. 4 gezeigt, mittels eines geraden Erweiterungsbohrers 74 eine gerade Bohrung zur Aufnahme des Stammes 18 im Oberschenkelknochen 54 des Patienten ausgebildet. Daraufhin wird, wie in Fig. 5 gezeigt, mittels eines konischen Erweiterungsbohrers 76 eine konische Bohrung zur Aufnahme des konischen Teiles 6 der Hülse 13 hergestellt. Dieser Erweiterungsbohrer umfaßt eine Führungswelle 78 zur Ausrichtung des konischen Hohlraumes an der von dem geraden Erweiterungsbohrer 74 erzeugten geraden Bohrung. Der konische Hohlraum besitzt denselben Kegelwinkel wie die Kreisteile der Hülse 13, z.B. 6º. Er wird kleiner als die Hülse geschaffen, z.B. um ungefähr 0,5 mm, so daß die Hülse fest in den Hohlraum eingepaßt ist, wenn sie implantiert ist.
Dann wird ein Hohlraum zur Aufnahme des vorstehenden Teiles 8 der Hülse 13 mittels eines in Fig. 6 gezeigten Werkzeuges 66 hergestellt. Das Werkzeug 66 umfaßt eine Führungswelle 62 zur Ausrichtung des Werkzeuges zu der vom geraden Erweiterungsbohrer 74 erzeugten geraden Bohrung. Es umfaßt außerdem ein Schneidwerkzeug 64 zum Schneiden eines Hohlraumes und einen Handgriff 80, um das Werkzeug während des Aufbohrens zu führen und zu stabilisieren. Das Schneidwerkzeug 64 umfaßt einen Anschluß 82 zum Anschließen einer geeigneten Leistungsquelle, etwa einer pneumatischen Leistungsquelle, zum Drehen des Bohrers, . Wie in Fig. 7 gezeigt, wird das Werkzeug 66 nach unten bewegt (siehe Pfeil 84), bis der Chirurg damit zufrieden ist, daß das Schneidwerkzeug 64 eine geeignete Grundlage oder einen geeigneten Sitz für den Teil 8 der Hülse 13 im harten Teil des Knochens in dem als Calcar 86 bekannten Bereich erreicht und vorbereitet hat.
Der konische Erweiterungsbohrer 76 und das Schneidwerkzeug 64 sind so dimensioniert, daß der fertigbearbeitete Hohlraum im Oberschenkelknochen im wesentlichen der Innenfläche des harten Teils des Oberschenkelknochens entspricht. Diese Entsprechung ist am besten aus Fig. 11 ersichtlich. Wie dort gezeigt wird, nähert sich der Hohlraum 88 den inneren Konturen des harten Knochenteils an, wobei die größte Abweichung zwischen dem Hohlraum und dem harten Knochenteil im Bereich des Trochanter major 90 des Oberschenkelknochens auftritt. Aus physiologischen und anatomischen Gründen ist es bedeutungsvoll, daß die Hauptbelastungsübertragung von der Hülse auf den Oberschenkelknochen vorzugsweise im Bereich des Calcar 86 und nicht in dem des Trochanter major 90 stattfindet. Somit ist die etwas größere Abweichung des Hohlraumes und damit der Hülse von dem harten Knochenteil des Patienten im Bereich des Trochanter major annehmbar.
In der Praxis wird der Chirurg mit Gruppen von konischen Erweiterungsbohrern 76 und Schneidwerkzeugen 66 versorgt, so daß Oberschenkel verschiedener Größen dafür vorbereitet werden können, eine Hülse 13 aufzunehmen. Es werden außerdem Gruppen von Hülsen verschiedener Größe, die zu den Werkzeugen 66 passen, vorgesehen.
Zum Beispiel ist eine Gruppe konischer Erweiterungsbohrer mit einem maximalen Durchmesser von annähernd 17 mm bis 25 mm in Stufen von 2 mm in Verbindung mit einer entsprechenden Gruppe von Schneidwerkzeugen mit Schneiddurchmessern von annähernd 8 mm bis 18 mm in Stufen von 2 mm dazu geeignet, die große Mehrheit der in der Praxis angetroffenen Oberschenkel vorzubereiten. Eine geeignete Gruppe von Hülsen, die diesen Werkzeugen entspricht, kann einen maximalen Durchmesser des Kreisteiles 34, der von 17 mm bis 25 mm in Stufen von 2 mm reicht, große Achsen für den elliptischen Teil 38 von ungefähr 9 mm bis 21 mm in Stufen von ungefähr 2,3 mm für einen Winkel von 32º zwischen der Linie 60 und der Längsachse 36, kleine Achsen 40 von ungefähr 8 mm bis 18 mm in Stufen von 2 mm und Hülsenhöhen von ungefähr 20 mm bis 50 mm besitzen. Selbstverständlich können andere Gruppen von Erweiterungsbohrern, Werkzeugen und Hülsen verwendet werden, die für Fachleute angesichts der vorliegenden Offenlegung naheliegen.
Der Durchmesser des Schneidwerkzeuges 64 und der Winkel zwischen dem Schneidwerkzeug 64 und der Welle 62 legen die große und kleine Achse der elliptischen Teile 38 der Umfangslinien der Außenkanten 30 der Terrassen 28 der Hülse 13 fest. Für ein genaues Einpassen des hervorstehenden Teiles der Hülse in den vom Schneidwerkzeug 64 gebildeten Hohlraum muß die kleine Achse genau dem Durchmesser des Schneidwerkzeuges entsprechen, während die große Achse dem Durchmesser des Schneidwerkzeuges, dividiert durch den Kosinus des Winkels zwischen dem Schneidwerkzeug 64 und der Welle 62, entspricht. In der Praxis werden die große und kleine Achse des Teiles einer Ellipse 38 etwas größer gemacht, z.B. in der Größenordnung von 0,5 mm, um einen festen Sitz sicherzustellen.
Der Calcar in einem gesunden natürlichen Knochen ist hoch belastet. Da ein Knochen dort den stärksten Stoffwechselvorgang aufweist, wo er am stärksten belastet ist, und Atrophie dort, wo er nicht belastet ist, ist es wichtig, die Belastung von der Hülse 13 auf den Calcar 86 zu übertragen. Es ist somit kritisch, eine Ellipse für die Teile 38 der äußeren Umfangslinien der Terrassen 28 zu verwenden, um eine geometrische Angleichung zwischen der Form der Hülse und der Form des vom Werkzeug 66 gebildeten Hohlraumes zu erhalten. Speziell die naheliegendste Wahl für diese Kontur - ein Kreis - führt zu einer erheblichen Differenz zwischen der Prothese und dem Hohlraum. Diese Kritikalität ist in den Fig. 12 und 13 dargestellt. Wie dort gezeigt, füllt die Prothese 92, die eine elliptische Kontur besitzt, den Hohlraum 94 im Knochen 96, während die Prothese 100, die eine kreisförmige Kontur besitzt, eine beträchtliche Lücke 98 zwischen ihrer Außenkante und der Innenseite des Hohlraumes bestehen läßt.
Zurückkehrend zum Implantationsvorgang, kann der Chirurg die Hülse 13 implantieren, sobald der Knochen des Patienten mit dem konischen Erweiterungsbohrer 76 erweitert und mit dem Schneidwerkzeug 66 geschnitten worden ist. Um die Angleichung zwischen der Prothesenhülse und dem Hohlraum in einem individuellen Oberschenkelknochen weiter zu verbessern, wird der Chirurg vorzugsweise mit einer Familie von Hülsen ausgestattet, z.B. fünf Hülsen, die sich voneinander in der Weise unterscheiden, gemäß der der hervorstehende Teil 8 sich von der Längsachse 36 erstreckt. (Es wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Elemente der Familie dieselben Grundabmessungen entsprechend der Größe des zur Vorbereitung des Hohlraumes verwendeten konischen Erweiterungsbohrers 76 und des Schneidwerkzeuges 64, d.h. den gleichen Kegelöffnungswinkel, die gleiche große und die gleiche kleine Achse für die elliptischen Teile 38, die gleiche maximale Größe des Kreisteiles 34 und die gleiche Hülsengesamthöhe, besitzen.)
Eine solche Familie ist schematisch in Fig. 8 dargestellt, wo die Buchstaben A, C und E drei Hülsen bezeichnen, deren Linien 60 zunehmend von der Längsachse 36 der Hülse entfernt sind. Der Unterschied zwischen den Hülsen wird durch die Verwendung längerer Linienabschnitte 42 und 44 für diejenigen Hülsen, deren Linie 60 weiter von der Längsachse 36 entfernt ist, erreicht. Durch die Auswahl unter den Elementen der Familie ist es dem Chirurgen möglich, die Unterschiede hinsichtlich des Ausmaßes der Abwärtsbewegung des Werkzeuges 66 auszugleichen, der dafür nötig ist, eine genügend große Menge des harten Knochenteils im Bereich des Calcars 86 zu erreichen.
Sobald die passende Hülse für einen Patienten ausgewählt worden ist, wird die Implantation unter Verwendung des Werkzeuges 102 (siehe Fig. 9) durchgeführt. Dieses Werkzeug umfaßt eine Führungswelle 104, die in der vom geraden Erweiterungsbohrer 74 gebildeten geraden Bohrung aufgenommen wird, Stifte 106, die in Schlitzen 26 in der Hülse 13 aufgenommen werden, und einen die Oberseite der Hülse berührenden Flansch 108. Unter Verwendung dieses Werkzeuges wird die Hülse 13 in den vorbereiteten Hohlraum getrieben.
Während sie an ihre Position bewegt wird, schneidet die Hülse, da sie etwas größer als der Hohlraum ist, in den Hohlraum und erzeugt so zerquetschten Knochen und Knochensplitter an der Grenzfläche zwischen der Prothese und dem Knochen. Das Schneiden und Zerquetschen tritt auch an den Ecken 110 und 112 auf (siehe Fig. 11), an denen die abgerundeten Übergänge 48 und 50 der Hülse 13 nicht genau an den vorbereiteten Hohlraum angepaßt sind. Aufgrund der Bauart des Werkzeuges 66 kann auch in dem in Fig. 7 mit dem Bezugszeichen 87 bezeichneten Bereich eine kleine Menge Knochenmaterials in den Hohlraum vorstehen. Dieses Knochenmaterial wird einfach zerquetscht, wenn die Hülse 13 vollständig im Hohlraum sitzt. Die Erzeugung von Knochenrückständen durch das Schneiden und Quetschen an den oben erwähnten Stellen ist insoweit von Nutzen, als es den Vorgang des Einwachsens des Knochens an der Grenzfläche zwischen der Prothese und dem Knochen fördert.
Um die Fähigkeit der Hülse zum Schneiden von Knochen zu verbessern, wird die Außenfläche der Hülse 13 vorzugsweise zwischen den Terrassen 28 unterschnitten. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird die Außenfläche typischerweise so gebildet, daß sich die Innenkante 32 jeder Terrasse 28 näher an der Längsachse 36 der Hülse befindet als die Außenkante 30 der nächst tieferen Terrasse.
Wie ebenfalls in Fig. 2 gezeigt, kann die Außenfläche der Hülse mit einer porösen Schicht überzogen werden, indem kleine Kugeln 114 verwendet werden, die aus demselben Metall wie die Hülse 13 bestehen, z.B. aus einer chirurgisch implantierbaren Legierung wie etwa eine Titanlegierung, die 6% Aluminium und 4% Vanadium enthält, oder eine Legierung aus chemisch reinem Titan (siehe ASTM Spec. Nos. F136-79 und F67-83). Durch die Verwendung einer einzigen Lage von Kugeln (siehe Fig. 2) können die Vorteile des Einwachsens erzielt werden, ohne die Vorteile, die aus der Terassierung und Unterschneidung der Außenfläche der Hülse erwachsen, preiszugeben.
Die Hülsen der vorliegenden Erfindung können mit computergesteuerten Werkzeugmaschinen hergestellt werden. Wahlweise kann eine Vorlage mit Hilfe dieser Werkzeuge hergestellt werden, wovon eine Gußform hergestellt wird, so daß die fertigen Teile mittels dieser Gußform gegossen werden können. Die poröse Beschichtung der Hülsen kann mittels Standardverfahren hergestellt werden, etwa durch Erhitzen der beschichteten Hülse, um die Kugeln und die Hülse zusammenzuschmelzen.
Obwohl spezielle Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, können selbstverständlich Änderungen vorgenommen werden, ohne vom Geist und Bereich der Erfindung abzuweichen. Fig. 14 zeigt z.B. eine abgewandelte Hülse 113, bei der ein gerader Zylinder 116 anstelle des konischen Teiles 6 der Hülse 13 eingesetzt ist. Bei dieser Hülse ist nur der elliptische Teil 38 des vorstehenden Teiles 8 mit Terrassen versehen, obwohl der übrige Teil der Hülse, falls erforderlich, mittels Unterschneidung mit Terrassen versehen werden könnte.
Genauso ist die Erfindung, obwohl sie im Zusammenhang mit einer Oberschenkelprothese erläutert wurde, auch auf andere künstliche Gelenke wie z.B. Schulter- oder Kniegelenke anzuwenden. Im letzteren Fall und für eine Implantation in der Tibia eines Patienten kann die Hülse mit zwei hervorstehenden Teilen, die an gegenüberliegenden Seiten der Hülse hervorstehen, ausgebildet werden. Vom Fachmann werden angesichts der vorliegenden Offenbarung andere Abwandlungen und Anwendungen erkannt werden.

Claims

1. Eine Hülse (13) zum Befestigen eines Bestandteils (10) eines künstlichen Gelenks an einem Knochen (54), wobei das Gelenk eine Gelenkbewegungsfläche (14) besitzt, wobei die Hülse (13) einen Körper mit einer Längsachse (36) aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende auf der Seite der Gelenkbewegungsfläche (14) und einem von der Gelenkbewegungsfläche (14) entfernten zweiten Ende erstreckt, wenn die Hülse (13) in einen Knochen (54) implantiert ist, wobei der Körper eine äußere Oberfläche besitzt, die mehrere Terrassen (28) aufweist, wobei jede Terrasse (28) in einer zur Längsachse (36) im wesentlichen senkrechten Ebene liegt, wobei die Umfangslinien der im Bereich des ersten Endes des Körpers befindlichen Terrassen (28) Längen besitzen, derart, daß für jedes Paar von benachbarten Terrassen (28) die Umfangslinie der Außenkante (30) der näher am ersten Ende befindlichen Terrasse (28) länger als die Umfangslinie der Außenkante (30) der näher am zweiten Ende befindlichen Terrasse (28) ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangslinie der Außenkante (30) einer jeden im Bereich des ersten Endes befindlichen Terrasse (28) einen Teil (34) eines auf der Längsachse (36) zentrierten Kreises und einen Teil (38) einer Ellipse umfaßt, deren Mittelpunkt zur Längsachse (36) versetzt ist und deren große Achse auf einer Linie (46) liegt, die die Längsachse (36) schneidet, wobei der Ellipsenteil (38) einen Scheitelpunkt (52) der Ellipse enthält und wobei wenigstens einige der Umfangslinien am ersten Ende eine längliche Form besitzen, in der der elliptische Teil (38) der Umfangslinie die Hälfte einer Ellipse bildet und die Umfangslinie zwei Linien (42, 44) enthält, die zur großen Achse der Ellipse parallel und zur Ellipse an den Enden (68, 70) ihrer kleinen Achse (40) tangential sind und sich gegenseitig in einem Abstand befinden, der kleiner als der Durchmesser des kreisförmigen Teils (34) der Umfangslinie ist.

2. Eine Hülse (13) gemäß Anspruch 1, bei der aufeinanderfolgende benachbarte Terrassen (28) Scheitelpunkte (52) besitzen, deren geometrischer Ort eine gerade Linie (60) ist.

3. Eine Hülse (13) gemäß Anspruch 1 oder 2, bei der die Umfangslinie der Außenkante (30) der Terrassen (28) im Bereich des zweiten Endes des Körpers aus einem auf der Längsachse (36) zentrierten Kreis besteht.

4. Eine Hülse (13) gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, bei der die Außenfläche des Körpers zwischen einigen Paaren von benachbarten Terrassen (28) unterschnitten ist, so daß sich die Umfangslinie der Innenkante (32) der näher am ersten Ende befindlichen Terrasse (28) näher an der Längsachse (36) befindet als die Umfangslinie der Außenkante (30) der näher am zweiten Ende befindlichen Terrasse (28).

5. Eine Hülse (13) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das Gelenk ein künstliches Hüftgelenk ist, die Hülse (13) das Oberschenkelbestandteil (10) des Gelenks am Oberschenkelknochen (54) befestigt und die Umfangslinien der Außenkanten (30) der Terrassen (28) im allgemeinen der Innenfläche des harten Teils (56) des Oberschenkelknochens entsprechen.

6. Eine Hülse (13) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, bei der ein Teil der Außenfläche mit im wesentlichen einer einzigen Schicht von Metallkugeln (114) überzogen ist.

7. Eine Hülse (13, 113) zum Befestigen eines Bestandteils (10) eines künstlichen Gelenks an einem Knochen (54), wobei das Gelenk eine Gelenkbewegungsfläche (14) besitzt, wobei die Hülse (13, 113) einen Körper mit einer Längsachse (36) aufweist, die sich zwischen einem ersten Ende auf der Seite der Gelenkbewegungsfläche (14) und einem von der Gelenkbewegungsfläche (14) entfernten zweiten Ende erstreckt, wenn die Hülse (13, 113) im Knochen (54) implantiert ist, wobei der Körper einen langgestreckten Teil (6, 116), der auf der Längsachse (36) zentriert und zu dieser ausgerichtet ist und sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende erstreckt, und einen vorstehenden Teil (8) besitzt, der zur Längsachse (36) versetzt ist und sich vom ersten Ende zum zweiten Ende erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß (a) die Querschnitte der vorstehenden Teile (8) in zur Längsachse (36) im wesentlichen senkrechten Ebenen jeweils einen Teil (38) einer Ellipse enthalten;

(b) die Außenfläche des vorstehenden Teils (8) im Bereich der elliptisch geformten Teile (38) terrassenförmig (28) ist; und

(c) wenigstens einige der Querschnitte der vorstehenden Teile (8) eine längliche Form besitzen, in der der elliptische Teil (38) die Hälfte einer Ellipse ist, die nur einen der Brennpunkte der Ellipse enthält, und

die Umfangslinie des Querschnittes zwei Linien (42, 44) enthält, die zur großen Achse der Ellipse parallel und zur halben Ellipse an den Enden (68, 70) ihrer kleinen Achse (40) tangential sind, wobei die kleine Achse (40) der Ellipse kleiner als die maximale Abmessung des langgestreckten Teils (6, 116) auf Höhe des Querschnittes in einer zur kleinen Achse (40) der Ellipse parallelen Richtung ist.

8. Eine Hülse (113) gemäß Anspruch 7, bei der der langgestreckte Teil (116) zylindrisch geformt ist.

9. Eine Hülse (13) gemäß Anspruch 7, bei der der langgestreckte Teil (6) kegelförmig ist.

10. Eine Hülse (13) gemäß Anspruch 9, bei der die Außenfläche des kegelförmigen Teils (6) terrassenförmig (28) ist.

11. Eine Hülse (13, 113) gemäß Anspruch 7, bei der die Außenfläche des Körpers zwischen den Terrassen (28) unterschnitten ist.

12. Eine Hülse (13, 113) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 11, bei der ein Teil der Außenfläche des Körpers mit im wesentlichen einer einzigen Schicht von Metallkugeln (114) überzogen ist.