DE69831193T2

DE69831193T2 - Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk

Info

Publication number: DE69831193T2
Application number: DE69831193T
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. Witzel
Original assignee: Johnson and Johnson Medical Ltd
Current assignee: Johnson and Johnson Medical Ltd
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1998-06-16
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2018-06-17
Also published as: EP0887052A2; EP0887052A3; JP4059980B2; JPH1170131A; DE69831193D1; CA2241405A1; EP0887052B1; DE19727846A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Eine einfache Schraubpfanne ist z.B. aus der europäischen Patentschrift EP 0 065 482 B1 bekannt, die eine Pfanne mit einem Schraubring beschreibt, in den ein Pfanneninlay aus Kunststoff einsetzbar ist. Die Gewindegrundfläche des Schraubrings ist hemisphärisch, d.h. liegt auf einer Kugelzone und trägt ein, in dem Ausführungsbeispiel dargestelltes, Sägezahngewinde. Die Gewindesegmente des selbstschneidenden Gewindes sind durch eingefräste Gewindenuten unterbrochen, durch die beim Einschrauben abgetragenes Knochenmaterial nach außen geführt wird. Die Gewindesegmente haben senkrecht zur Drehrichtung liegende plane Frontflächen.
Es gibt umfangreiche Untersuchungen über das Eindrehverhalten von Schraubpfannen, siehe z.B. "Mechanische Integration von Schraubpfannen", Dr. Ulrich Witzel, Georg Thieme Verlag, 1996. Beim Eindrehen der bekannten Schraubpfannen in die im Acetabulum vorbereitete komplementäre Aussparung dringt das selbstschneidende Gewinde in das Knochenmaterial ein, wobei sich das Eindreh-Drehmoment bis zu einem Maximalwert erhöht, bei dem die Schraubpfanne die Endposition erreicht hat, wobei das maximale Drehmoment für typische Schraubpfannen und typisches Knochenmaterial im Bereich von 15 bis 30 Nm betragen kann. Bei verändertem Acetabulum-Knochenmaterial, insbesondere bei durch Sklerose oder Verkalkung stark erhöhter Festigkeit des Knochenmaterials, können erheblich höhere Drehmomente notwendig sein, um die Schraubpfanne einzudrehen. In Extremfällen ist es vorgekommen, daß so hohe Drehmomente angewendet werden mußten, daß der Patient beim Eindrehen festgehalten werden mußte, damit er sich auf dem Operationstisch nicht mit der Schraubpfanne mitdrehte.
Im Maschinenbau ist es grundsätzlich bekannt, daß Werkzeugschneiden einen Anschliff haben können. Ein spanendes Werkzeug ist im Querschnitt schematisch in 1 dargestellt, um die geometrischen Parameter zu veranschaulichen. Beim Spanen des Werkstücks 2 bildet die Freifläche 1 des Werkzeugs mit der Werkstückoberfläche 6 einen Freiwinkel α. Zwischen der Spanfläche 3 des Werkzeugs, über die der Span 4 abfließt, und der Fläche 5, die auf der Werkstückfläche 6 senkrecht steht, liegt der Spanwinkel γ. Die Freifläche 1 und die Spanfläche 3 schließen den Keilwinkel β ein.
Im Stand der Technik sind auch Schraubpfannen mit einem Flachgewinde bekannt, d.h. mit Gewindezähnen, die im Profilquerschnitt im wesentlichen rechteckig sind, wie dies in 2 dargestellt ist, worin der Einfachheit halber nur zwei Gewindezähne 7 auf dem Schraubpfannengrundkörper 8 dargestellt sind. In 3 ist ein Schnitt entlang der Ebene A–B aus 2 dargestellt. Bei einem solchen Flachgewinde erfolgt der spanende Schnitt, wobei der Span 4 in 3 schematisch als Pfeil dargestellt ist, durch einen größer werdenden Radius R (Außenradius der Gewindekontur) aufgrund der Steigung des Gewindes auf dem Schraubpfannengrundkörper 8, der z.B. kegelförmig oder wie in 2 dargestellt, halbkugelförmig sein kann. Daher liegt der Außenradius R des folgenden Gewindesegments, das von dem vorhergehenden durch eine eingefräste Gewindenut 9 getrennt ist, zu etwas größerem Radius verschoben und sorgt daher wieder für einen spanenden Schnitt in das Knochenmaterial. Bei Schraubpfannen mit Flachgewinde sind Ausführungsformen bekannt, bei denen das Flachgewinde im Profillängsschnitt der Gewindesegmente, wie in 3 dargestellt, einen Freiwinkel α' hat, der durch eine geradlinige Abschrägung des Gewindesegments erreicht wird. Durch diese Abschrägung entsteht eine Verlustfläche 13, d.h. die Fläche, die dem Gewinde zur Verankerung im Knochenmaterial verlorengeht. Ferner sind auch Flachgewinde bekannt, die im Profillängsschnitt in ihrem vorderen Bereich so geformt sind, daß sie einen Spanwinkel γ' haben, wie dies in 4 dargestellt ist.
Die bekannten Spitzgewinde (wie auch die bekannten Sägezahn-, Trapez- oder Rundgewinde) auf Schraubpfannen weisen keine besonderen Schneidengestaltungen auf. In 5 ist beispielhaft eine geschnittene Teilansicht einer Schraubpfanne mit Spitzgewinde dargestellt, wobei der Einfachheit halber nur zwei Gewindezähne im Profilquerschnitt auf dem Schraubpfannengrundkörper gezeigt sind. In 6 ist ein Schnitt entlang der Ebene A–B aus 5 dargestellt. Das Spitzgewinde hat in der Längsansicht der Gewindesegmente aus 6 weder einen Freiwinkel α' noch einen Spanwinkel γ'.
Es wird im folgenden noch ein weiterer Schnitt durch die Gewindesegmente betrachtet, nämlich entlang der Fläche C–D aus 6, also im wesentlichen ein Schnitt in konstanter Höhe über der Gewindegrundfläche 18. Ein solcher Schnitt ist in 7 gezeigt, wobei der Pfeil 12 die Drehachse der Schraubpfanne andeutet. Die Gewindesegmentstirnfläche 10 bewegt sich beim Eindrehen in die Bewegungsrichtung 11. Bei dem Gewinde aus 7 fehlen in diesem Schnitt sowohl Freiwinkel α₁, α₂ als auch Spanwinkel γ₁, γ₂, d.h. die Keilwinkel β₁, β₂ sind jeweils 90° (die Indices 1 und 2 bezeichnen die Schneiden an beiden Seiten der Stirnfläche 10).
Bei einer solchen Gestaltung der Gewindesegmente verdrängen die Gewindesegmentstirnflächen beim Einschrauben das Knochenmaterial in erster Linie. Sie schneiden allenfalls, wenn Knochenmaterial elastisch in die Gewindenuten 9 zurückdrängt. Dies gilt auch für Gewindesegmente, die von schräg zur Einschraubrichtung verlaufenden Gewindenuten 9 getrennt werden, wie sie in 8 dargestellt sind, die ansonsten 7 entspricht. Auch solche Gewinde bewirken beim Einschrauben vornehmlich eine Verdrängung des Knochenmaterials ohne echte Schneidwirkung. Ferner werden die Kanten der Gewindesegmente bei der Fertigung der Schraubpfannen, wobei üblicherweise ein Sandstrahlen zur Oberflächenbehandlung stattfindet, abgerundet, wie dies durch den Krümmungsradius r in 8 angedeutet ist.
Insgesamt ergeben sich daher bei Schraubpfannen mit Spitzgewinde, wie auch mit Sägezahn-, Trapez- oder Rundgewinde, beim Eindrehen immer dann Probleme, wenn das Knochenmaterial durch sklerotische Veränderungen sehr hart ist und eine Verdrängung durch das Gewinde praktisch nicht mehr möglich ist. Dann treten in der Praxis die oben angedeuteten Probleme auf, daß extrem hohe Drehmomente aufgewendet werden müssen, um die Schraubpfanne in ihre Endposition einzudrehen.
EP-A-0 358 345 offenbart eine Schraubpfanne gemäß Oberbegriff von Patentanspruch 1. Der Schraubpfannenkörper hat ein selbstschneidendes Gewinde, wobei jedes Gewindesegment in seinem vorderen Bereich eine Schneide mit einer Freifläche hat, so dass sie im Schnitt in einer Ebene, die parallel versetzt zu einer Tangentialebene an der Gewindegrundfläche im vorderen Bereich liegt, die Schneide einen Freiwinkel hat. Insbesondere ist die Gewindeform dahingehend beschrieben, dass jedes Gewindesegment so geformt ist, dass seine Breite von seinem führenden Ende aus zu seinem nachlaufenden Ende hin zunehmend abnimmt, wozu gesagt ist, dass dies die Tendenz des Knochens zum Festklemmen an dem nachlaufenden Bereich des Gewindesegments reduzieren soll. Mithin verjüngt sich das Gewindesegment an seinem führenden zu seinem nachlaufenden Ende und hat daher einen Freiwinkel auf derjenigen Seite, die dem Pol zugewandt ist, und auf derjenigen Seite, die dem Äquator des Pfannenkörpers zugewandt ist.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schraubpfanne mit Spitz-, Sägezahn-, Trapez- der Rundgewinde zu schaffen, die in hartes Knochenmaterial mit geringerem Drehmoment eindrehbar sind als die bisher bekannten Schraubpfannen.
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 im Zusammenhang mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen aufgeführt.
Vorzugsweise sind der Freiwinkel α₁ und der Spanwinkel γ₁ größer als 0,01 (Bogenmaß).
Es ist besonders bevorzugt, die Gewindesegmentschneiden als räumliche Schneiden auszubilden, die einen Freiwinkel α nicht nur in dem erstgenannten Schnitt parallel zur Gewindegrundfläche aufweisen, sondern weiter auch im Profillängsschnitt (d.h. durch eine im vorderen Bereich des Gewindesegments tangential zur räumlichen Spirallinie des Gewindelaufs liegende Ebene) eine Freifläche mit einem Freiwinkel α' haben. Die angesprochene räumliche Schneidenausbildung wird vervollständigt, wenn das Gewindesegment im zuletzt genannten Profillängsschnitt auch einen Spanwinkel γ' aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk mit einem selbstschneidenden Gewinde auf einer Gewindegrundfläche eines Schraubpfannengrundkörpers mit einem Pol geschaffen, wobei die Schraubpfanne dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Gewindesegment im in Drehrichtung vorderen Bereich mit einer Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, daß sie im Schnitt in einer Ebene, die parallelversetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche im vorderen Bereich liegt, einen Spanwinkel γ hat, und in diesem Schnitt im vorderen Bereich nur in Richtung zum Pol hin verbreitert ist, so daß die vordere Schneidkante aufgrund der Verbreiterung über die Einhüllende des in Drehrichtung vorauslaufenden Gewindesegmentendes hinausragt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:
1: eine schematische Schnittdarstellung eines Werkzeugs zeigt, die zur Erläuterung der geometrischen Werkzeugparameter dient;
2: eine Teilansicht einer Schraubpfanne aus dem Stand der Technik im Schnitt durch eine die Drehachse 12 der Schraubpfanne enthaltende Ebene zeigt;
3: eine Schnittansicht der Ebene A–B aus 2 zeigt;
4: eine Ansicht wie 3 für eine andere Schraubpfanne aus dem Stand der Technik zeigt;
5: eine Teilansicht einer Schraubpfanne im Schnitt durch eine die Drehachse 12 enthaltende Ebene zeigt, wobei eine Schraubpfanne aus dem Stand der Technik mit Spitzgewinde dargestellt ist;
6: eine Schnittansicht entlang der Ebene A–B aus 5 zeigt;
7: einen Schnitt durch das Gewinde entlang der Fläche C–D aus 6 zeigt;
8: eine Darstellung wie 7 für ein anderes bekanntes Gewinde zeigt;
9 bis 11: Darstellungen von Gewindesegmenten gemäß der Erfindung in Schnittansichten entsprechend der Ansicht aus 3 und 4 zeigen;
12: einen Schnitt durch das Gewinde entsprechend der Ansicht in den 7 und 8 für eine bekannte Schraubpfanne zeigt; und
13 und 14: Ansichten entsprechend 12 von alternativen Ausführungsformen gemäß der Erfindung zeigen.
In 12 ist ein Schnitt durch eine Schraubpfanne entsprechend dem Schnitt durch die Fläche C–D aus 6 dargestellt, d.h. die Gewindesegmente sind in bestimmter Höhe über der Gewindegrundfläche 18 aufgeschnitten. Im Falle einer hemisphärischen Schraubpfanne entspricht der Schnitt durch die Fläche C–D einem Schnitt entlang einer Kugelfläche. In den Patentansprüchen wird dagegen auf einen Schnitt durch eine Ebene, die parallel versetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche im vorderen Bereich des Gewindesegments liegt, abgestellt. Die letztgenannte Schnittdarstellung entspricht in erster Näherung lokal, im in Drehrichtung vorderen Bereich der Schneide des Gewindesegments dem in 12 dargestellten Schnitt.
In dem in 12 dargestellten Schnitt verjüngt sich das Gewindesegment ausgehend von seiner Stirnfläche 10 bis zur nächsten Gewindenut 9. Die geschnittene Fläche des Gewindesegments ist schraffiert dargestellt, mit 15 sind die Fußlinien des Gewindesegments auf der Gewindegrundfläche 18 bezeichnet (vergl. 5). Die Verjüngung der Gewindesegmente in Längsrichtung bewirkt, daß die Stirnfläche 10 an ihren außen liegenden Schneidkanten jeweils einen Freiwinkel hat (es ist nur der Freiwinkel α₁ auf einer Seite bezeichnet).
Durch die abnehmende Breite des Gewindesegments entlang seiner Länge wird ferner bewirkt, daß die Schneidkanten des Gewindesegments über die verlängerte Einhüllende des vorauslaufenden Gewindesegmentendes beidseitig hinausragen und somit direkt wirkende Schneiden realisieren, die auch wirksam sind, wenn kein Knochenmaterial elastisch in die vor den Schneiden liegende Gewindenut 9 zurückdrängt.
In 13 ist eine Ansicht wie in 12 für eine Ausführungsform dargestellt. Bei der Ausführungsform nach 13 ist nur auf der polseitigen oder in Eindrehrichtung liegenden Seite der Stirnfläche 10 des Gewindesegments ein Freiwinkel α₁ in Verbindung mit einem direkt wirksamen Keilwinkel β₁ und einem Spanwinkel γ₁ vorgesehen.
Gemäß einem alternativen Aspekt kann das Gewindesegment in der Schnittdarstellung von 13 auch so ausgeführt werden, daß es keinen Freiwinkel γ₁ hat, aber die in Eindrehrichtung vorne liegende Schneidkante durch eine Schneidlippe der Breite b ersetzt ist, wie sie in 14 dargestellt ist, die effektiv eine freiwinkelähnliche Wirkung realisiert. Im Bereich der Schneidlippe ist das Gewindesegment also verbreitert ausgeführt, und springt danach um eine Stufe a zurück. Die Breite b der Schneidlippe kann z.B. 0,3 mm und die Tiefe a hinter der Schneidlippe z.B. 0,05 mm betragen.
In den 9 bis 11 sind Ansichten des Gewindes entsprechend einer Schnittdarstellung durch die Ebene A–B aus 5 dargestellt. Bei der in 9 dargestellten Ausführungsform vermindert sich, im Gegensatz zu dem in 6 dargestellten bekannten Gewinde, die Höhe des Gewindekontur 14 über der Grundfläche 18. Dadurch wird in dieser Schnittebene ein Freiwinkel α' der Schneide des Gewindesegments realisiert. Die Höhe des Gewindesegments über dem Gewindegrund nimmt im Verlauf der Länge eines Gewindesegments vom Anfangspunkt zum Endpunkt in Drehrichtung ab.
Dabei erhält jedoch die gekrümmte Gewindekontur 14 mit kontinuierlich abnehmender Gewindehöhe im Gegensatz zu einer gerade abgeflachten Gewindekontur wie in 3 und 4 mehr Gewindesegmentfläche, d.h. die Verlustfläche 13, die in den 3 und 10 angedeutet ist, wird minimiert. Die Verlustfläche 13 ist diejenige Fläche, die dem Gewinde zur Lagerung oder Verankerung im Knochen effektiv verlorengeht. Die Realisierung des Freiwinkels a'' durch eine kontinuierlich gekrümmten Gewindekontur, deren Höhe über der Gewindegrundfläche abnimmt, ist daher im Sinne einer besseren Verankerung der Schraubpfanne im Knochen vorteilhaft.
In den 10 und 11 sind alternative Gestaltungen der Gewindenuten 9 dargestellt, die zu unterschiedlichen Formen der Schneide führen. Bei der in 11 dargestellten Ausführungsform ist die Gewindenut 9 schräg eingefräst, so daß die Schneide in dieser Schnittansicht einen Spanwinkel γ' erhält.
Diese Gewindekontur realisiert mit ihrem Freiwinkel α' in erster Linie die Kompensation der geometrisch bedingten Durchmesserzunahme nach einer Gewindespitze, die im Fall eines nicht vorhandenen Freiwinkels, also α'=0, beim Eindringen des Gewindes zu einem Rückenanlauf der Gewindeaußenkontur am knöchernen Lager führen würde.

Claims

Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk, mit einem selbstschneidenden Spitz-, Sägezahn-, Trapez- oder Rundgewinde auf einer Gewindegrundfläche eines Schraubpfannengrundkörper mit einem Pol, wobei jedes Gewindesegment im in Drehrichtung vorderen Bereich mit einer Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, dass sie im Schnitt in einer Ebene, die parallelversetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche (18) im vorderen Bereich liegt, einen Freiwinkel α hat, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiwinkel α₁ in Kombination mit einem direkt wirksamen Keilwinkel β₁ und einem Spanwinkel γ₁ nur auf der Polseite der Stirnfläche (10) jedes Gewindesegments vorgesehen ist.
Schraubpfanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiwinkel α größer als 0,01 (Bogenmaß) ist.
Schraubpfanne nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanwinkel γ größer als 0,01 (Bogenmaß) ist.
Schraubpfanne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Drehrichtung vordere Bereich des Gewindesegments mit einer weiteren Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, dass das Gewindesegment im Profillängsschnitt (d.h, durch eine Ebene im vorderen Bereich des Gewindesegments tangential zur räumlichen Spirallinie des Gewindelaufs) einen Freiwinkel α' hat.
Schraubpfanne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Schneide ferner mit einer Spanfläche so geformt ist, dass das Gewindesegment im Profillängsschnitt einen Spanwinkel γ' hat.
Schraubpfanne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Freiwinkel α' durch eine kontinuierlich gekrümmte Gewindekontur (14), deren Höhe über der Gewindegrundfläche (18) abnimmt, realisiert ist.
Schraubpfanne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Spanwinkel γ' größer als 0,01 (Bogenmaß) ist.
Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk, mit einem selbstschneidenden Gewinde auf einer Gewindegrundfläche eines Schraubpfannengrundkörpers mit einem Pol, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Gewindesegment im in Drehrichtung (11) vorderen Bereich mit einer Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, dass sie im Schnitt in einer Ebene, die parallel versetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche (18) im vorderen Bereich liegt, einen Spanwinkel γ hat, und in diesem Schnitt im vorderen Bereich nur in Richtung des Pols verbreitert ist, so dass die vordere Schneidkante auf Grund der Verbreiterung über die Einhüllende des in Drehrichtung vorauslaufenden Gewindesegmentendes hinausragt.