AT513800A1

AT513800A1 - Konuskupplung für modulare Prothesen

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Publication number: AT513800A1
Application number: AT13262012A
Authority: AT
Original assignee: Beer Rudolf J Dr Techn
Priority date: 2012-12-20
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2014-07-15

Abstract

Eine Konuskupplung (5) zwischen Teilen einer modularen Prothese, wie Hüftprothese (1), umfassend einen Konus (6) und eine Hülse (7), in welcher der Konus (6) formschlüssig festgelegt ist. Zum Vermeiden plastischer Verformungen ist im Bereich der Konusspitze (11) wenigstens eine zur Konusspitze (11) hin offene Ausnehmung (15) in Form eines zylindrischen Bohrloches vorgesehen. Von der Ausnehmung (15) ausgehend sind radial ausgerichtete Schlitze (17) (Kerben) vorgesehen, deren Tiefe nach außen hin abnimmt und die sich über ein Drittel der Stirnfläche (10) des Konus (6) erstrecken. Zusätzlich kann im Bereich zwischen dem Schaftteil (19) und dem Konus (6) eine Ringnut vorgesehen sein, die entweder eine radial offene Nut (22) oder eine axial offene Nut (21) ist, wobei letztere, wenn entsprechend abgesetzte Schaftteile realisierbar sind, einer radial offenen Nut (22) vorzuziehen ist, weil sie die effektivere Minimierung des Kontaktdruckes auf die Hülse im Eingangsbereich ermöglicht.

Description

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Die Erfindung betrifft eine Konuskupplung mit den Merkmalen des einleitenden Teils von Anspruch 1.

Insbesondere betrifft die Erfindung Konuskupplungen, wie sie z.B. als Verbindungselemente modular aufgebauter Hüftprothesen verwendet werden. Bei diesen Prothesen wird der Schenkelhals mittels Konuskupplungen einerseits mit dem Schaft und andererseits mit dem Kugelkopf der Prothese verbunden. Der Schaft der Prothese wird in den Oberschenkel eingeschlagen.

Modular aufgebaute Prothesen, insbesondere Hüftprothesen sind an sich bekannt. In diesem Zusammenhang kann auf folgende Dokumente verwiesen werden: FR 2 832 625 A, US 4,032,994 A, FR 2 574 283 A, WO 96/25128 A, DE 200 15 162 U, DE 103 03 660 A sowie WO 2004/103211 A.

Das Versagen von Konuskupplungen bei deren Verwendung zum Aufbau modularer Hüftprothesen geht primär von Änderungen der Kontaktgeometrie zwischen dem eigentlichen Konus und dem Gegenstück, im Folgendem als „Hülse" bezeichnet, aus. Wegen plastischer Verformungen, die vom Konus im Endbereich ausgehen, kommt es im Zuge von Lastwechseln zum Übergreifen plastischer Verformungen auf den Eingangsbereich der Hülse. Dies bedingt ein sukzessives Vergrößern des Spaltes in diesen Bereichen, wodurch die Kontaktfläche (Kraftübertragungsfläche) zunehmend kleiner wird. Medizinisch beobachtet wurde diese Spaltbildung zuerst im Eingangsbereich der Konuskupplung durch „crevice corrosion" (Viceconti a. all J. of Biomedical Materials Research Vol 30 1996).

Konuskupplungen der eingangs genannten Gattung sind oft die Ursache für das Versagen der Konuskupplung zwischen den einzelnen Teilen der modularen Hüftprothese.

Untersuchungen haben gezeigt, dass die Spaltbildung von der 2/18 • ·

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Konusspitze ausgeht, wobei die Spaltbildung bereits bei der zentrischen Montage entstehen kann. Vom Ergebnis dieser Untersuchungen geht die Erfindung aus.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konuskupplung der eingangs genannten Gattung vorzustellen, bei der die Gefahr plastischer Verformungen im unmittelbaren Kontaktbereich zwischen Konus und Hülse, die bereits bei der Montage entstehen können, zu verhindern, um nicht die Funktionsfähigkeit der Konuskupplung von vorne herein zu gefährden.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit einer Konuskupplung, welche die Merkmale von Anspruch 1 aufweist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die mit der Erfindung vorgeschlagene Lösung der Aufgabe besteht darin, dass, ausgehend von einer vorgegebenen Konuskupplung, unter Beibehaltung der vorgegebenen Kontaktgeometrie, d.h. bei vorgegebenem Konuswinkel, vorgegebener Kontaktfläche (im unverformten Kontakt) und unter Beibehaltung der technologisch vorgegebenen Kontakteigenschaften (Rauigkeit,...) durch (lokale) Modifikationen, insbesondere durch lokale Änderungen: 1. der radialen Steifigkeiten bzw. bei nicht rotationssymmetrischen Konen, die Steifigkeiten senkrecht zur Kontaktfläche, 2. der azimutalen Steifigkeiten im Bereich der Konuskrone und 3. der axialen Steifigkeiten des Konus sowie 4. durch Minimierung des Kontaktdruckes auf die Hülse mittels geeigneter Formgebung im Lasteinleitungsbereich erreicht wird, dass alle Verformungen während des Montagevorganges im elastischen Bereich des verwendeten 3/18 • ········ · · l · -. · · · •3 · ··· ··· • · · · i • · · · « »·· · ··· ··

Materiales (z.B. Titan - Vanadium) bleiben.

Die erfindungsgemäße Konuskupplung ist bei allen modularen Prothesen anwendbar. Bevorzugtes Einsatzgebiet sind modulare Hüftprothesen.

Da bei der erfindungsgemäßen Konuskupplung im Konus wenigstens eine Ausnehmung zur Reduzierung der radialen Steifigkeit vorgesehen ist, wird der Konus im elastischen Bereich verformbar, sodass die Gefahr plastischer Verformungen, wie sie bei bekannten Konuskupplungen der eingangs geschilderten Art auftreten können, vermieden ist.

Durch die wenigstens eine Ausnehmung ergibt sich eine Änderung der Steifigkeitsverteilungen (radial), ohne dass die geometrischen Verhältnisse der Konuskupplung im unmittelbaren Berührungsbereich von Konus und den Konus aufnehmenden, konisch ausgebildeten Hülse geändert werden.

Bei der Erfindung kann eine vorgegebene Kontaktgeometrie (Form und Dimensionierung der Kontaktfläche) ungeändert beibehalten werden, obwohl die erforderlichen Steifigkeitsmodulationen ermöglicht sind.

Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Maßnahme wird durch Modifikationen der radialen Steifigkeiten die Gefahr des Entstehens von plastisch verformbaren Bereichen verkleinert, wenn nicht überhaupt ausgeschlossen.

Bevorzugt ist es im Rahmen der Erfindung, wenn im Konus wenigstens eine zur Konusspitze hin offene Ausnehmung vorgesehen ist. Die wenigstens eine Ausnehmung ist im einfachsten Fall ein Sackloch oder eine zylindrische Bohrung, die von der Konusspitze, also der kleineren Endfläche (Stirnfläche) des Konus, ausgeht. 4/18

Bei nicht rotationssymmetrischen Konusformen, den Flachkonen mit länglicher Basisfläche,ist es sinnvoll, zwei Ausnehmungen (Bohrungen)vorzusehen, die identische oder unterschiedliche Durchmesser haben können. Solche paarweise angeordneten Ausnehmungen (Bohrungen) sind auch bei Konen mit kreisförmiger Basisfläche sinnvoll um einem, dem zentralen Druck überlagerten Biegemoment (Gangbelastung) Rechnung zu tragen.

Eine weitere Verbesserung im Sinne der Erfindung ergibt sich, wenn in der Stirnfläche offene Schlitze (Kerben) vorgesehen sind, die von der Ausnehmung im Konus ausgehen. Der Zweck dieser Schlitze ist die lokale Modifikation der azimutalen Steifigkeit insbesondere im Bereich der Ausnehmungen (Bohrungen). Es ist daher zweckmäßig, dass diese Schlitze vom Rand der Ausnehmungen ausgehen und senkrecht zu diesem orientiert sind, d.h. dass sie bei rotationssymmetrischen Konen mit nur einer zentralen Bohrung als Ausnehmung radial orientiert sind. Der Winkel des Kerbgrundes gegenüber der Konusachse kann zwischen 30° - 45° liegen. Die empfohlene Länge dieser Schlitze beträgt ca. 1/3 der Distanz vom Rand der Ausnehmung zum nächstgelegenen Kontaktpunkt zwischen Konus und Hülse. Wesentlich ist lediglich, dass der Kerbgrund nicht scharfkantig, sondern mit einem konstruktiv größtmöglichen Radius ausgebildet ist.

Wenn in dem Konus zwei Ausnehmungen, beispielsweise Ausnehmungen in Form von Bohrungen, vorgesehen sind, sind diese mit Vorteil so angeordnet, dass sie der Gefahr einer Spaltbildung entgegenwirken, weil im Falle einer überlagerten

Biegebeanspruchung (Belastung, wie Gangbelastung) die Gefahr der Spaltbildung im Bereich der Momentanebene am größten ist.

Die Schlitze (Kerben) haben, im Gegensatz zur wenigstens einen Ausnehmung, die Aufgabe, die azimutale Steifigkeit des Konus in diesem Bereich zu schwächen. Die Schlitze (Kerben) sind besonders günstig, wenn sie radial ausgerichtet sind. Vorteilhaft ist es, 5/18 wenn der Grund der Schlitze (Kerben) nicht scharfkantig, sondern (mit konstruktiv optimalen Radius) abgerundet ist. Der Winkel des Grundes der Schlitze (Kerben) gegenüber der Achse der Kupplung (16) kann zwischen 30° und 45° liegen.

Eine weitere Maßnahme zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe, nämlich die im Rahmen der konstruktiven Möglichkeiten erreichbare Minimierung des Kontaktdruckes auf die Hülse im Bereich des Konuseinganges, ergibt sich, wenn im Konus selbst ringförmige Nuten vorgesehen werden und zwar: 1. Bei Konusanschlüssen mit entsprechend abgesetztem (verjüngten) Schaftdurchmesser eine in axialer Richtung offene Ringnut in der Stirnfläche des Konus. 2. Bei Konusanschlüssen, die aus funktionellen Gründen nicht ausreichend abgesetzt (verjüngt) werden können, eine Ringnut im Schaft und zwar im unmittelbaren Anschluss an die Stirnfläche der Hülse.

Mit diesen Nuten kann eine Verbesserung der Krafteinleitung derart erreicht werden, dass die Druckverteilung im gesamten Übertragungsbereich (Kontaktfläche) etwas homogenisiert werden kann. Insbesondere wird dadurch der Maximalwert dieses Druckes vom äußeren Kontaktpunkt weggeschoben.

Die Erfindung vermeidet somit plastisch deformierte Zonen in Konuskupplungen, die zwischen den Teilen modular aufgebauter Hüftprothesen bereits beim Montagevorgang im Bereich der Konusspitze und im Bereich des Konuseinganges auftreten können. Hiezu werden unter Beibehaltung der Kontaktgeometrie der Kupplungspartner, beispielsweise eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen vorgeschlagen:

Lokale Modifikation der radialen Steifigkeit mittels axial gerichteter Bohrungen im Konus für rotationssymmetrische Lösungen und für Sonderformen, wie keilförmige Lösungen.

Lokale Modifikation der azimutalen Konussteifigkeit mittels senkrecht zu den Rändern der Ausnehmungen (Bohrungen) ausgerichteten Schlitzen (Kerben) in der Konuskrone.

Vorsehen einer Ringnut im Lasteinleitungsbereich des Konus, wobei diese Ringnut entsprechend des gegebenen Schaftdurchmessers axial bzw. radial offen sein kann.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 Fig. 2 Fig. 3 Fig. 4 Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 Fig. 8 Fig. 9

Teile einer modularen Hüftprothese im nicht zusammengebauten Zustand, schematisiert eine Konuskupplung, im Schnitt eine Ausführungsform eines Konus mit radial verlaufenden Schlitzen (Kerben), eine Ansicht der Stirnfläche des Konus aus Fig. 3, eine Ausführungsform eines Konus mit zwei Bohrungen, die Stirnfläche des Konus aus Fig. 5, einen Langkonus mit zwei Ausnehmungen als Sonderform, eine weitere Ausführungsform eines Konus mit abgesetztem Schaft und mit Ringnut im Konus und eine Ausführungsform eines Konus mit nicht abgesetztem Schaft und mit Ringnut neben dem Konus.

Eine modulare Hüftprothese 1 umfasst einen Schaft 2, der im Oberschenkelknochen durch Einschlagen festgelegt wird, einen den Schenkelhals 3 bildenden Teil 4 und (nicht gezeigt) eine Gelenkkugel.

Zur Verbindung der einzelnen Teile über Konuskupplungen 5 sind an φφ φφφφ ·· • · · • ··« ·♦· φ φ φ φ φ ♦ φφφ ·♦ dem den Schenkelhals 3 bildenden Teil 4 zwei Konen 6 vorgesehen, die in entsprechende Hülsen 7 im Schaft 2 bzw. der Gelenkkugel eingesetzt und in dieser festgelegt werden.

Wie in Fig. 2 für eine beispielhafte Konuskupplung 5 schematisiert dargestellt, liegt der Konus 6 mit seiner Konusfläche 8 im unbelasteten Kontakt formschlüssig dicht an der Innenfläche 9 der Hülse 7 an.

Erfindungsgemäß ist im Konus 6 eine Ausnehmung 15 vorgesehen, die im gezeigten Ausführungsbeispiel von Fig. 2 eine zylindrische Bohrung ist, die koaxial zur Achse 16 des Konus 6 angeordnet und die zur Stirnfläche 10 des Konus 7 hin offen ist.

Bei der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform sind von der zur Achse 16 des Konus 6 koaxialen Bohrung (Ausnehmung 15) radial nach außen gerichtete Schlitze 17 (Kerben) vorgesehen, die nicht bis zur Konusfläche 8 des Konus 6 reichen, sondern mit Abstand von dieser enden. Die Tiefe der Schlitze 17 nimmt von der Ausnehmung 15 nach außen hin ab, wie dies insbesondere in Fig. 3 gezeigt ist.

Zur Berücksichtigung der Momentanbelastung kann empfohlen werden, im Konus nicht nur eine Ausnehmung 15, sondern zwei Ausnehmungen 15 vorzusehen, beispielsweise zwei Bohrungen, die zueinander parallele Achsen 18 aufweisen, die jeweils zur Achse 16 des Konus 6 parallel sind. Diese Ausnehmungen 15 können zylindrische Bohrungen sein, die entsprechend dem Verhältnis von Normaldruck zu Biegemoment unterschiedliche Durchmesser aufweisen, wie dies in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist.

Die Erfindung ist nicht nur auf Konen 6 mit kreisförmiger Basis und Stirnfläche 10 beschränkt, sondern kann auch auf Langkonen, also Konen mit langovaler Form, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist, angewendet werden. Insbesondere bei diesen Sonderformen von Konen 8/18 φ φφ • φφφφ Φ·· φφφ φ φ φ φ φ ♦ «· · ♦ :8 .· ··· 6 sind zwei voneinander beabstandete Ausnehmungen 15 vorzusehen, die zur kleineren Stirnfläche 12 des Konus 6 hin offen sind, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Die Lage und die Abmessungen der Ausnehmungen 15 werden entsprechend der kombinierten Beanspruchung (Ganganalyse) gewählt.

Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Konuskupplung 5, umfassend die Hülse 7 und den Konus 6. Der Schaftteil 19 weist einen kleineren Durchmesser auf, als die größere, dem Schaftteil 19 benachbarte Endfläche 20 (mit maximalem Durchmesser) des Konus 6.

In der kleinen, ringförmigen Fläche 20 des Konus 6, die dem Schaftteil 19 benachbart ist, ist eine axial offene Ringnut 21 vorgesehen, die verbesserte Lasteinleitung zur Folge hat, und so ein plastisches Verformen im Bereich des größeren Ende des Konus 6 zu vermeiden hilft. Für den Fall, dass der Schaftteil 19 des Konus 6 den gleichen Durchmesser oder fast den gleichen Durchmesser aufweist wie der Konus 6 an seinem größeren Ende, also dem der Stirnfläche 10 des Konus 6 gegenüberliegenden Ende, ist eine Ringnut 22 (Fig. 9) im unmittelbar angrenzenden Schaftbereich vorgesehen, die ebenfalls zur partiellen Entlastung der Hülse im Eingangsbereich beiträgt. Dadurch kann ebenfalls die Gefahr der Spaltbildung, durch lokale Plastifizierung, erheblich reduziert werden.

Zusammenfassend kann ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wie folgt beschrieben werden:

Eine Konuskupplung 5 zwischen Teilen einer modularen Prothese, wie Hüftprothese 1, umfassend einen Konus 6 und eine Hülse 7, in welcher der Konus 6 formschlüssig festgelegt ist. Zum Vermeiden plastischer Verformungen ist im Bereich der Konusspitze 11 wenigstens eine zur Konusspitze 11 hin offene Ausnehmung 15 in 9/18 • ··· · ···· ·· • ♦ ♦ ·

Form eines zylindrischen Bohrloches vorgesehen. Von der Ausnehmung 15 ausgehend sind radial ausgerichtete Schlitze 17 (Kerben) vorgesehen, deren Tiefe nach außen hin abnimmt und die sich über ein Drittel der Stirnfläche 10 des Konus 6 erstrecken. Zusätzlich kann im Bereich zwischen dem Schaftteil 19 und dem Konus 6 eine Ringnut vorgesehen sein, die entweder eine radial offene Nut 22 oder eine axial offene Nut 21 ist, wobei letztere, wenn entsprechend abgesetzte Schaftteile realisierbar sind, einer radial offenen Nut 22 vorzuziehen ist, weil sie die effektivere Minimierung des Kontaktdruckes auf die Hülse im Eingangsbereich ermöglicht. 10/18

Claims

Patentansprüche : Konuskupplung (5) zwischen Teilen (2, 4) von modular aufgebauten Prothesen, insbesondere Hüftprothesen (1), mit einem Konus (6), der an seinem verjüngten Ende eine Konusspitze (11) aufweist und der an einem Schaftteil (19) angeordnet ist, und mit einer Hülse (7), in welcher der Konus (6) eingreifend festgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Konus (6) wenigstens eine Ausnehmung (15) vorgesehen ist. Kupplung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Ausnehmung (15) zur Konusspitze (11) hin offen ist. Kupplung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (15) ein zylindrisches Sackloch oder eine zylindrische Bohrung ist. Kupplung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Achse (18) des Sackloches oder der Bohrung zur Achse (16) des Konus (6) koaxial ist. Kupplung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass nebeneinander zwei Ausnehmungen (15) vorgesehen sind. Kupplung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (15) zylindrische Sacklöcher oder Bohrungen mit unterschiedlichen Durchmessern sind. Kupplung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen (18) der Ausnehmungen (15) zueinander und zur Achse (16) des Konus (6) parallel sind. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch • ········ ·· ·· · · · •Ί ι · ··· ··· #11# · · \ • · · · « ··· · ··· ·· gekennzeichnet, dass zur Konusspitze (11) hin offene Schlitze (17) vorgesehen sind, die von der wenigstens einen Ausnehmung (15) ausgehen.
9. Kupplung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (17) zur Ausnehmung (15) und zur Achse (16) des Konus (6) radial ausgerichtet sind.
10. Kupplung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Schlitze (17) von der Ausnehmung (15) weg abnimmt.
11. Kupplung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (17) mit Abstand von der Konusfläche (8) des Konus (6) enden.
12. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des der Konusspitze (11) gegenüberliegenden Endes des Konus (6) eine ringförmige Nut (21, 22) vorgesehen ist.
13. Kupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (21) dem Konus (6) benachbart angeordnet und radial nach außen offen ist.
14. Kupplung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (22) in einer einem abgesetzten Schaftteil (19) benachbarten, ringförmigen Endfläche (20) des Konus (6) angeordnet und axial offen ist.
15. Kupplung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Konus (6) ein Konus mit kreisförmiger Basisfläche oder ein Flachkonus mit länglicher Basisfläche ist. 12/18