DE69831193T2 - Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk - Google Patents
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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 Werkstücks2 bildet die Freifläche1 des Werkzeugs mit der Werkstückoberfläche6 einen Freiwinkel α. Zwischen der Spanfläche3 des Werkzeugs, über die der Span4 abfließt, und der Fläche5 , die auf der Werkstückfläche6 senkrecht steht, liegt der Spanwinkel γ. Die Freifläche1 und die Spanfläche3 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 Gewindezähne7 auf dem Schraubpfannengrundkörper8 dargestellt sind. In3 ist ein Schnitt entlang der Ebene A–B aus2 dargestellt. Bei einem solchen Flachgewinde erfolgt der spanende Schnitt, wobei der Span4 in3 schematisch als Pfeil dargestellt ist, durch einen größer werdenden Radius R (Außenradius der Gewindekontur) aufgrund der Steigung des Gewindes auf dem Schraubpfannengrundkörper8 , der z.B. kegelförmig oder wie in2 dargestellt, halbkugelförmig sein kann. Daher liegt der Außenradius R des folgenden Gewindesegments, das von dem vorhergehenden durch eine eingefräste Gewindenut9 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 in3 dargestellt, einen Freiwinkel α' hat, der durch eine geradlinige Abschrägung des Gewindesegments erreicht wird. Durch diese Abschrägung entsteht eine Verlustfläche13 , 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 in4 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. In6 ist ein Schnitt entlang der Ebene A–B aus5 dargestellt. Das Spitzgewinde hat in der Längsansicht der Gewindesegmente aus6 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 Gewindegrundfläche18 . Ein solcher Schnitt ist in7 gezeigt, wobei der Pfeil12 die Drehachse der Schraubpfanne andeutet. Die Gewindesegmentstirnfläche10 bewegt sich beim Eindrehen in die Bewegungsrichtung11 . Bei dem Gewinde aus7 fehlen in diesem Schnitt sowohl Freiwinkel α1, α2 als auch Spanwinkel γ1, γ2, d.h. die Keilwinkel β1, β2 sind jeweils 90° (die Indices1 und2 bezeichnen die Schneiden an beiden Seiten der Stirnfläche10 ). - 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 Gewindenuten9 getrennt werden, wie sie in8 dargestellt sind, die ansonsten7 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 in8 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 Drehachse12 der Schraubpfanne enthaltende Ebene zeigt; -
3 : eine Schnittansicht der Ebene A–B aus2 zeigt; -
4 : eine Ansicht wie3 für eine andere Schraubpfanne aus dem Stand der Technik zeigt; -
5 : eine Teilansicht einer Schraubpfanne im Schnitt durch eine die Drehachse12 enthaltende Ebene zeigt, wobei eine Schraubpfanne aus dem Stand der Technik mit Spitzgewinde dargestellt ist; -
6 : eine Schnittansicht entlang der Ebene A–B aus5 zeigt; -
7 : einen Schnitt durch das Gewinde entlang der Fläche C–D aus6 zeigt; -
8 : eine Darstellung wie7 für ein anderes bekanntes Gewinde zeigt; -
9 bis11 : Darstellungen von Gewindesegmenten gemäß der Erfindung in Schnittansichten entsprechend der Ansicht aus3 und4 zeigen; -
12 : einen Schnitt durch das Gewinde entsprechend der Ansicht in den7 und8 für eine bekannte Schraubpfanne zeigt; und -
13 und14 : Ansichten entsprechend12 von alternativen Ausführungsformen gemäß der Erfindung zeigen. - In
12 ist ein Schnitt durch eine Schraubpfanne entsprechend dem Schnitt durch die Fläche C–D aus6 dargestellt, d.h. die Gewindesegmente sind in bestimmter Höhe über der Gewindegrundfläche18 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 in12 dargestellten Schnitt. - In dem in
12 dargestellten Schnitt verjüngt sich das Gewindesegment ausgehend von seiner Stirnfläche10 bis zur nächsten Gewindenut9 . Die geschnittene Fläche des Gewindesegments ist schraffiert dargestellt, mit15 sind die Fußlinien des Gewindesegments auf der Gewindegrundfläche18 bezeichnet (vergl.5 ). Die Verjüngung der Gewindesegmente in Längsrichtung bewirkt, daß die Stirnfläche10 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 in12 für eine Ausführungsform dargestellt. Bei der Ausführungsform nach13 ist nur auf der polseitigen oder in Eindrehrichtung liegenden Seite der Stirnfläche10 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 in14 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 bis11 sind Ansichten des Gewindes entsprechend einer Schnittdarstellung durch die Ebene A–B aus5 dargestellt. Bei der in9 dargestellten Ausführungsform vermindert sich, im Gegensatz zu dem in6 dargestellten bekannten Gewinde, die Höhe des Gewindekontur14 über der Grundfläche18 . 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 in3 und4 mehr Gewindesegmentfläche, d.h. die Verlustfläche13 , die in den3 und10 angedeutet ist, wird minimiert. Die Verlustfläche13 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 und11 sind alternative Gestaltungen der Gewindenuten9 dargestellt, die zu unterschiedlichen Formen der Schneide führen. Bei der in11 dargestellten Ausführungsform ist die Gewindenut9 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 (8)
- 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.
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