AT405237B

AT405237B - Wirbelsäulen-prothese

Info

Publication number: AT405237B
Application number: AT144897A
Authority: AT
Inventors: Ronald J Dr Sabitzer; Franz K Dr Fuss
Original assignee: Ronald J Dr Sabitzer; Franz K Dr Fuss
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1997-08-28
Publication date: 1999-06-25
Also published as: ATA144897A; AU8963698A; EP1009339A1; WO1999011203A1

Description

AT 405 237 B

Die Erfindung betrifft eine Wirbelsäulen-Prothese zum Einbringen in den Intervertebralspalt (Zwischenwirbelspalt) der Wirbelsäule nach chirurgischer Entfernung des Discus (Bandscheibe).

Der Discus intervertebralis (Zwischenwirbelscheibe, Bandscheibe) hat zwei Aufgaben: Gewährleistung der Beweglichkeit zweier Wirbel zueinander und Stoßdämpferwirkung. Aus verschiedenen medizinischen 5 Gründen kann eine Entfernung des Discus nötig sein. Vorweg gesagt, es gibt keine chirurgische Standardtherapie für bzw. nach Discusentfernung. Als operative Möglichkeit werden im allgemeinen drei Operationsmethoden verwendet: A: Fusion, B: weder Discus-Ersatz noch Fusion, C: Discusersatz (gibt es nur in der Lendenwirbelsäule).

Bei Fusion werden mittels diverser Verblockungsmöglichkeiten zwei benachbarte Wirbelkörper so io miteinander verbunden, daß sowohl die Beweglichkeit als auch die Stoßdämpferwirkung verloren gehen.

Weder Discusersatz noch Fusion führen zu einer abnormen Beweglichkeit mit fehlender Stoßdämpferwirkung.

Es gibt folgende Prothesen- bzw. Implantattypen (nur für die Lendenwirbelsäule), die zur Einbringung in den Zwischenwirbelraum gedacht sind: 75 a) Das Implantat besteht nur aus einem einzigen Stück, welches eventuell elastische Eigenschaften aufweist und mit den Wirbelkörpern nicht verbunden ist. Diese Implantate gewährleisten eine reduzierte Beweglichkeit und eventuell eine gewisse Stoßdämpferwirkung. Der Drehpunkt dieser Implantate liegt im Implantat selbst und nicht im unteren Wirbelkörper, wie dies physiologischerweise der Fall ist. aa) keine elastischen Eigenschaften: Als Implantat wird eine Stahlkugel eingebaut (Fernström ball-20 bearing prothesis) ab) elastische Eigenschaften: Implantate mit folgenden Patentnummern: WO 94/23671, WO 93/16664, DE 37 41 493 A1, US-A 4 874 382, US-A 5 047 055, US-A 5 108 438, US-A 5 192 326, EP-A 0 304 305, US-A 5 320 644. b) Das Implantat besteht aus einem einzigen Stück, welches aus harten Deckplatten und aus einem 25 elastischen Kern besteht. Die Deckplatten besitzen eventuell Verbindungs- oder Verankerungsmittel gegenüber den Wirbelkörpem. Diese Implantate gewährleisten eine reduzierte Beweglichkeit und eine gewisse Stoßdämpferwirkung. Der Drehpunkt dieser Implantate liegt im Implantat selbst und nicht im unteren Wirbelkörper, wie dies physiologischerweise der Fall ist. Das betrifft Implantate mit folgenden Patentnummern: CH 671 691 A5, WO 90/11740, US-A 4 911 718, US-A 5 071 437, US-A 5 171 281, EP 30 0 346 269 A2, EP 0 310 837 AI. c) Das Implantat ist fix mit beiden Wirbelkörpern verbunden und besteht aus mindestens zwei Teilen, die beweglich miteinander verbunden sind, wie dies beispielsweise der FR-A 2 718 635 zu entnehmen ist. Jeder Teil ist mit einem Wirbelkörper fest verbunden. Zwischen diesen Teilen können elastische Elemente eingebaut sein. Diese zwei Teile gewährleisten eine reduzierte Beweglichkeit und eventuell 35 eine gewisse Stoßdämpferwirkung. Der Drehpunkt dieser Implantate liegt im Implantat selbst oder am Rand des Implantats und nicht - wie normalerweise - im unteren Wirbelkörper. Unter "Rand" ist zu verstehen: Oberseite des Implantats (= Unterseite des oberen Wirbels; WO 93/10725), Unterseite des Implantats (= Oberseite des unteren Wirbels; US-A 5 314 477), Hinterseite des Implantats (US-A 4 759 769). 40 ca) keine elastischen Eigenschaften: Implantate mit folgenden Patentnummern: US-A 5 314 477, EP 0 560 141 A1, US-A 5 258 031, US-A 5 246 458, EP-A 0 177 728, DE 35 29 761 A1, WO 93/10725. cb) elastische Eigenschaften: Implantate mit folgenden Patentnummern: WO 94/26213, EP 0 566 810 AI, DE 41 09 941 A1, DE 42 13 771 C1, US-A 4 309 777, US-A 5 002 576, US-A 4 759 769, US-A 4 946 378, US-A 4 873 477. 45 Bei all diesen Implantattypen entsprechend dem oben angeführten Stand der Technik wird die Beweglichkeit innerhalb der Prothese erzeugt; nur bei der Fernström ball-bearing prosthesis erfolgt die Bewegung zwischen Implantat und beiden Wirbelkörpern. Es gibt kein Implantat, das gegenüber einem Wirbelkörper beweglich und gegenüber dem anderen unbeweglich ist.

Die Probleme, die sich nach operativer Versorgung ergeben, sind folgende: 50 a) die Beweglichkeit ist aufgehoben: Dadurch werden die Nachbarsegmente (benachbarte Bandscheiben) insofern überbelastet, als sie die verlorengegangene Beweglichkeit mitübernehmen müssen. b) die Stoßdämpferwirkung ist aufgehoben: Dies führt zu keiner Belastung der Nachbarsegmente, da es weitere Strukturen gibt, die diese Stoßdämpferwirkung übernehmen (Bänder, Muskeln); außerdem gibt es bei den großen Gelenken der unteren Extremität (Hüft-, Knie-, Sprunggelenk) auch keine als Stoßdämp- 55 fer wirkenden Einrichtungen. c) eine Beweglichkeit ist vorhanden und das Implantat ist mit den Wirbeln nicht verbunden: Der Drehpunkt liegt hierbei an falscher Stelle und zwar mitten im Implantat. Dies führt zu einer unnatürlichen Beanspruchung der weiteren Einrichtungen der Wirbelsäule (Bänder, Gelenke, Muskeln) und zu Schmer- 2 ΑΤ 405 237 Β zen in diesen Strukturen, sodaß diese nicht mehr optimal funktionieren können. Weiters kommt es durch den falschen Drehpunkt zu Scherkräften, die das Implantat aus dem Zwischenwirbelspalt herausdrängen können. d) eine Beweglichkeit ist vorhanden und das Implantat ist mit beiden Wirbeln fest verbunden: Der Drehpunkt liegt hierbei an falscher Stelle, mitten im Implantat oder an dessen Rand. Dadurch, daß Teile des Implantats mit den Wirbeln fest verbunden sind, schreibt die (unphysiologische) Kinematik des Implantats den Wirbeln die Kinematik vor. Dies führt wiederum zu einer unnatürlichen Beanspruchung der weiteren Einrichtungen der Wirbelsäule (Bänder, Gelenke, Muskeln) und zu Scherkräften zwischen Implantat und Wirbel. Durch die feste Verbindung des Implantats mit beiden Wirbeln kann nun das Implantat durch die unnatürliche Kinematik nicht aus dem Zwischenwirbelspalt herausgedrängt werden. Dadurch werden die Befestigungsmittel und der Knochen überbeansprucht, sodaß die Gefahr einer Implantatlockerung besteht. Dies ist die einzige Möglichkeit des Knochens, auf die unnatürliche Kinematik zu reagieren, da er durch die feste Verbindung keine weitere Möglichkeit der Anpassung besitzt.

Weitere Nachteile ergeben sich dadurch, daß Implantate, die aus zwei oder mehr Teilen bestehen, aufgrund der geringen Größe nicht an der Halswirbelsäule eingebaut werden können.

Die Aufgabenstellung der Erfindung betrifft eine Prothese, die die physiologische (natürliche) Beweglichkeit aufrechterhält und das Bewegungs-Drehzentrum in seiner physiologischen Lage bewahrt. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Wirbelsäulen-Prothese im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß die in eingebautem Zustand einstückig ausgebildete Prothese eine gewölbte Oberfläche an der Prothesen-Oberseite aufweist und gegenüber dem cranialen Wirbelkörper beweglich ist, daß die Prothese durch Verankerungs- und Verbindungsmittel an der Prothesen-Unterseite mit dem caudalen Wirbelkörper unbeweglich verbunden ist und daß die Rotationsachse zwischen den benachbarten Wirbelkörpern bei Vor- und Zurückbeugen im caudalen Wirbelkörper liegt.

Die Prothese ist bei Operationen, bei welchen der Discus (Bandscheibe) entfernt wird, in den Zwischenwirbelraum ein2ubringen. Das Implantat bzw. die Prothese ist so konstruiert, daß der craniale (obere [am stehenden Menschen]) Wirbelkörper gegenüber der einstückig ausgebildeten Prothese beweglich ist und die Prothese gegenüber dem caudalen (unteren) Wirbelkörper nicht beweglich ist. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Wirbelsäulen-Prothese gelingt nicht nur eine zuverlässige Verankerung der Prothese in dem caudalen Wirbelkörper, sondern es kann durch die gleichzeitig erfindungsgemäß vorgesehene Beweglichkeit der in eingebautem Zustand einstückig ausgebildeten Prothese die physiologische bzw. natürliche Beweglichkeit der benachbarten Wirbelkörper durch Vorsehen der Rotationsachse zwischen den benachbarten Wirbelkörpern im caudalen Wirbelkörper, wie dies der natürlichen Drehachse zwischen benachbarten Wirbelkörpern entspricht, aufrechterhalten werden. Für den Fall von beengten Platzverhältnissen ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die Prothese aus zwei gleich großen, im wesentlichen symmetrischen, miteinander zusammensetzbaren Teilen besteht, wobei sich jedoch auch bei dieser Ausführungsform in eingebautem Zustand eine einstückige Prothese ergibt, welche relativ zum cranialen Wirbelkörper entlang der gewölbten Oberfläche beweglich ist, während die erfindungsgemäße Prothese im caudalen Wirbelkörper unbeweglich verankert ist.

Zur Erzielung einer entsprechenden Anzahl von Freiheitsgraden der Bewegung zwischen den benachbarten Wirbelkörpern bei Einbau der erfindungsgemäßen Prothese ist darüberhinaus gemäß einer weiters bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß die zum cranialen Wirbelkörper gewandte, gewölbte Oberfläche der Prothese von einer Kugel-, Ellipsoid-, Sattel- oder Zylinder-Oberfläche gebildet ist, wobei sich durch entsprechende Wahl der gewölbten Oberfläche und eine entsprechende Orientierung beim Einbau der Prothese unterschiedliche Freiheitsgrade der Bewegung zwischen den benachbarten Wirbelkörpern erzielen lassen.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich dadurch, daß a) das Implantat in allen Wirbelsäulen-Abschnitten (Hals-, Brust- und Lendenwirbelsäule) eingesetzt werden kann, da es die individuelle Kinematik jedes Abschnittes berücksichtigt und in jeder nötigen Größe hergestellt werden kann; b) es von ventral (vorne) und von dorsal (hinten) eingebaut werden kann; c) es aus einem Teil (oder aus Einbaugründen aus zwei Teilen, linker und rechter Teil) besteht, der nur mit dem unteren Wirbelkörper verbunden ist; d) es aufgrund seiner Form maximal drei Freiheitsgrade der Bewegung gewährleistet und die physiologischen Bewegungsachsen in ihrer natürlichen Lage bewahrt, wobei vor allem der Drehpunkt bei Ante- und Retroversion im mittleren Bereich des caudalen Wirbelkörpers liegt; e) der craniale Wirbelkörper gegenüber der Prothese beweglich ist, sodaß sich das Knochengewebe der Prothese durch physiologische Umbauvorgänge anpassen kann; und 3

AT 405 237 B f) aufgrund der Punkte d) und e) die dem Bewegungssegment zugehörigen Strukturen (Bänder, Gelenke, Musekln) nicht überbeansprucht werden.

Die Erfindung wird nachfolgend im [Detail unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, wobei:

Fig. 1 ein intaktes Wirbelsäulensegment zeigt;

Rg. 2 ein Wirbelsäulen-Bewegungssegment von der Seite mit erfindungsgemäßer Prothese (kinematische Wirbelsäulen-Prothese) zeigt;

Rg. 3 einen sagittalen Schnitt (Schnittfläche von der Seite gesehen) durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Prothese zeigt; und

Rg. 4 einen frontalen Schnitt (Schnittfläche von vorne gesehen) durch weitere abgewandelte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Prothese mit unterschiedlicher Krümmung der Oberfläche zeigt.

Ein intaktes Wirbelsäulen-Bewegungssegment (Rg. 1) von der Seite (Vorderseite nach links, Hinterseite nach rechts, stehender Mensch) besteht aus dem cranialen (oberen) Wirbelkörper 1, dem caudalen (unteren) Wirbelkörper 3 und dem dazwischen befindlichen Discus (2, Bandscheibe). Die Bewegungsrichtung 5 des oberen Wirbels 1 bei Vor- und Rückbeugen (Ante/Retro-Version) erfolgt um einen Drehpunkt 4, der im unteren Wirbel 3 liegt. Während der Operation wird die Prothese bzw. das Implantat 6 (Rg. 2) zwischen die Wirbelkörper 1, 3 eingebracht. Die Bewegungsrichtung 5) des oberen Wirbels 1 bei Vor- und Rückbeugen (Ante/Retro-Version) erfolgt nunmehr um einen Drehpunkt 7, der im unteren Wirbel 3 liegt und durch die Prothesenform vorgegeben ist und im wesentlichen dem natürlichen Drehpunkt 4 gemäß Fig. 1 entspricht.

Die einstückig ausgebildete Prothese 6 (Rg. 3) gliedert sich in eine Oberseite 8 und eine Unterseite 10. An der Oberseite 8 befindet sich die für die Beweglichkeit relevante Oberfläche 9. Die Krümmung der Oberfläche bestimmt den Drehpunkt 7 für Vor- und Rückbeugen (Krümmungsmittelpunkt = Rotationszentrum bei Kreisgeometrie). An der Unterseite 10 befinden sich Verankerungs- und Verbindungsmittel 11 für die Verankerung der Prothese 6 in dem unteren Wirbelkörper 3, sodaß die Unbeweglichkeit der Prothese 6 gegenüber dem unteren Wirbelkörper 3 gewährleistet ist. In Rg. 3 und auch in Fig. 2 ist eine Versenkung der Prothese im unteren Wirbelkörper als Verankerungsmittel gezeichnet.

Im frontalen Schnitt (Schnittfläche von vorne gesehen) durch die Prothese (Rg. 4) zeigen sich abgewandelte Ausführungsformen möglicher unterschiedlicher Krümmungen der Oberfläche der Prothese 6: Kugel-Oberfläche 9a, Ellipsoid-Oberfläche 9b, Sattel-Oberfläche 9c, Zylinder-Oberfläche 9d.

Bei Verwendung einer Prothese 6 ergeben sich für die Beweglichkeit folgende Verhältnisse: -A) Die Oberseite 8 besitzt eine gewölbte Oberfläche 9. Die Wölbung gibt die Kinematik in der Bewegungsrichtung 5 des oberen Wirbelkörpers vor. Bei Vor- und Rückbeugung (Ante- und Retrover-sion) der Wirbelsäule liegt der Drehpunkt 7 der Bewegung im unteren Wirbelkörper 3.

Der Krümmungsmittelpunkt der Prothese (bei sagittal geschnittener Prothese, Schnittfläche von der Seite gesehen; Fig. 3) muß daher an derselben Stelle liegen. Entspricht die Krümmung der Kreisgeometrie, dann ist der Krümmungsmittelpunkt gleich dem Drehpunkt 7 (Rotationszentrum). Wird das Implantat von vorne betrachtet (frontaler Schnitt, Schnittfläche von vorne betrachtet; Fig. 4), dann kann die Wölbung unterschiedlich sein. Ist die Krümmung aus seitlicher Ansicht 9 identisch mit der aus vorderer Ansicht 9a, dann entspricht die Oberseite der Prothese der Kreisgeometrie. Die Prothese gewährleistet daher drei Freiheitsgrade der Bewegung: -a) Vor/Rückbeugen um eine horizontale Achse -b) Seitenbeugen um eine sagittale Achse, und -c) Rotation um ehe vertikale Achse.

Ist die Krümmung aus seitlicher Ansicht 9 nicht identisch mit der Krümmung aus vorderer Ansicht aber entweder gleichsinnig gekrümmt 9b oder gegensinnig gekrümmt 9c, dann entspricht die Oberseite der Prothese entweder der Ellipsoid-Geometrie oder der Sattel-Geometrie. Die Prothese 6 gewährleistet dann nur zwei Freiheitsgrade der Bewegung: -a) Vor/Rückbeugen um eine horizontale Achse -b) Seitbeugen um eine sagittale Achse

Ist die Krümmung aus seitlicher Ansicht 9 nicht identisch mit der aus vorderer Ansicht und letztere ist nicht gekrümmt 9b, dann entspricht die Oberseite der Prothese der Zylinder-Geometrie. Die Prothese gewährleistet dann nur einen Freiheitsgrad der Bewegung: -a) Vor/Rückbeugen um eine horizontale Achse

Die unterschiedlichen Krümmungen der Oberflächen aus vorderer Ansicht (Fig. 4) sind nötig, um dem unterschiedlichen Bewegungsverhalten der einzelnen funktionellen Wirbelsäulenabschnitte Rechnung zu tragen. 4

Claims

AT 405 237 B -B) Die Unterseite 10 der einstückigen Prothese 6 muß so beschaffen sein, daß eine Bewegung derselben gegenüber dem unteren Wirbelkörper 3 (sei es Rotation oder Translation) ausgeschlossen ist. Diese Unbeweglichkeit ist durch die Verankerungs- und Verbindungsmittel 11 gegeben. Diese können sein: Stege oder ein oder mehrere Fortsätze 11, die in den unteren Wirbelkörper 3 eingesenkt werden; eine körnige, poröse, gerippte, gezähnte oder aufgerauhte Unterfläche, in die das Knochengewebe einwachsen kann; Knochenzement zur Verbindung von Prothese und Knochen. Die Verbindungsmittel müssen nicht unbedingt fix mit der Prothese verbunden sein, sondern können auch zwecks leichterem Einbau mittels Steckverbindung oder Gewinde an der Prothese befestigt werden. -C) Als Variante kann die Prothese auch aus zwei gleich großen Teilen (rechter Teil und linker Teil) bestehen. Dies ist dann der Fall, wenn knapp bemessene chirurgische Zugangswege eine leichtere Einbringung der Prothese (hier: kleinere Teile der Prothese) erfordern. Nach Zusammensetzung der Teile im Zwischenwirbelspalt ergibt sich aber die oben beschriebene einstückige Form in eingebautem Zustand. Der Vorteil liegt in diesem Fall darin, daß die Prothese insbesondere an der Lendenwirbelsäule auch von hinten (dorsal) eingebaut werden kann. Patentansprüche 1. Wirbelsäulen-Prothese zum Einbringen in den Intervertebralspalt (Zwischenwirbelspalt) der Wirbelsäule nach chirurgischer Entfernung des Discus (Bandscheibe), dadurch gekennzeichnet, daß die in eingebautem Zustand einstückig ausgebildete Prothese (6) eine gewölbte Oberfläche (9, 9a, 9b, 9c, 9d) an der Prothesen-Oberseite (8) aufweist und gegenüber dem cranialen' Wirbelkörper (1) beweglich ist, daß die Prothese (6) durch Verankerungs- und Verbindungsmittel (11) an der Prothesen-Unterseite (10) mit dem caudalen Wirbelkörper (3) unbeweglich verbunden ist und daß die Rotationsachse (7) zwischen den benachbarten Wirbelkörpern (1, 3) bei Vor- und Zurückbeugen (5) im caudalen Wirbelkörper (3) liegt.
2. Wirbelsäulen-Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prothese (6) aus Zwei gleich großen, im wesentlichen symmetrischen, miteinander zusammensetzbaren Teilen besteht.
3. Wirbelsäulen-Prothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die zum cranialen Wirbelkörper (1) gewandte, gewölbte Oberfläche der Prothese (6) von einer Kugel- (9a), Ellipsoid- (9b), Sattel- (9c) oder Zylinder-Oberfläche (9d) gebildet ist. Hiezu 1 Blatt Zeichnungen 5