DE102006018868A1

DE102006018868A1 - Prüfvorrichtung für Belastungs- und/oder Luxationsprüfung von Gelenkendoprothesen

Info

Publication number: DE102006018868A1
Application number: DE200610018868
Authority: DE
Inventors: Christian Kliewe
Original assignee: Universitaet Rostock
Current assignee: Universitaet Rostock
Priority date: 2006-04-13
Filing date: 2006-04-13
Publication date: 2007-10-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für Belastungs- und/oder Luxationsprüfung von Gelenkendoprothesen, insbesondere Hüft-, Schulter- oder Kniegelenk-Endoprothesen, mit einem ersten Halteteil (16) für ein erstes Prothesenteil (14) und einem zweiten Halteteil (17) für ein mit dem ersten Prothesenteil (14) gelenkig verbundenes zweites Prothesenteil (12), wobei das erste Halteteil (16) und das zweite Halteteil (17) relativ zueinander um eine erste Schwenkachse periodisch um einen Winkel von mindestens 60° schwenkbar sind, und zeichnet sich dadurch aus, dass das erste Halteteil (16) und das zweite Halteteil (17) relativ zueinander um mindestens eine weitere, von der ersten Schwenkachse unabhängigen Schwenkachse schwenkbar sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Prüfvorrichtung für Belastungs- und/oder Luxationsprüfung von Gelenkendoprothesen, insbesondere Hüft-, Schulter- oder Kniegelenk-Endoprothesen, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Es ist eine Prüfmaschine der Firma Endolab zur Prüfung der Luxationsanfälligkeit von Hüftendoprothesen bekannt, bei der ein Halteteil für das Femurprothesenteil und ein Halteteil für das Pfannenprothesenteil relativ zueinander um eine feste Schwenkachse in kranialer Richtung schwenkbar sind.
Aus DE 202 00 415 U ist ein Luxationsprüfstand für Hüftendoprothesen bekannt, wobei ein Halteteil für das Femurprothesenteil und ein Halteteil für das Pfannenprothesenteil relativ zueinander um eine feste Rotationsachse in Außen-/Innenrotationsrichtung drehbar sind.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Prüfvorrichtung bereitzustellen, die eine zuverlässigere Prüfung der Anfälligkeit von Gelenkendoprothesen gegenüber Belastung, insbesondere Subluxation und/oder Luxation, ermöglicht.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Mitteln von Anspruch 1. Aufgrund der Schwenkbarkeit von erstem und zweitem Halteteil relativ zueinander um mindestens zwei unabhängige Schwenkachsen ist eine wesentlich genauere Nachbildung des Bewegungsumfangs des Gelenks und der damit verbundenen Belastungen möglich. Insbesondere kann gemäß der Erfindung auch eine von einer Hauptrichtung (bei der Hüfte beispielsweise der Beugungsrichtung) abweichende Drehbelastung simuliert werden.
Nach einem besonders bevorzugten Aspekt wird die Schwenkung um mindestens zwei unabhängige Schwenkachsen mittels einer kardanischen Aufhängung eines der Prothe senteile realisiert. Hiermit lassen sich ohne weiteres auch drei wechselseitig unabhängige Schwenkachsen realisieren, um eine noch genauere Nachbildung des Bewegungsumfangs des Gelenks und der damit verbundenen Belastungen zu ermöglichen. Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass nur eines der beiden Halteteile schwenkbar ist. Es ist nicht ausgeschlossen, die Schwenkungsfreiheitsgrade auf beide Halteteile zu verteilen.
Erfindungsgemäß sind das erste Halteteil und das zweite Halteteil relativ zueinander um eine der Schwenkachsen, insbesondere in Beugungs-Streckungsrichtung bei Hüftendoprothesen, um einen Winkel von mindestens 60° schwenkbar. Dadurch ist die Erfindung abgegrenzt von bekannten Prüfmaschinen zur Verschleißprüfung von Hüftgelenk-Endoprothesen beispielsweise nach ISO 14242 oder ISO/TR 9325, die zyklische, aufeinander abgestimmte Schwenkungen von Pfannenprothesenteil und Kugelprothesenteil in einem Schwenkbereich von maximal 50° bzw. ±25° in Beugungs-Streckungs-Richtung, maximal ±10° in Abduktions-Adduktionsrichtung und ±10° in Innen-Außenrotationsrichtung vorsehen. Mit diesen geringen Schwenkbereichen kann nur eine reine Verschleißprüfung durchgeführt werden, nicht jedoch eine mit größeren Schwenkwinkeln verbundene Belastungsprüfung, ganz zu schweigen von einer Luxationsprüfung. Diese bekannten Prüfmaschinen sind daher nicht gattungsgemäß.
Nach einem besonders bevorzugten Aspekt erlaubt die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung eine Prüfung der Subluxations- und/oder Luxationsanfälligkeit von Endoprothesen. Zu diesem Zweck sind das erste Halteteil und das zweite Halteteil relativ zueinander in einem ausreichenden Winkelbereich schwenkbar. In einer Hauptrichtung, insbesondere der Beugungs-Streckungsrichtung bei Hüftendoprothesen, beträgt der Schwenkbereich vorzugsweise mindestens 90°. Bei der menschlichen Hüfte beträgt der natürliche Winkelbereich in Beugungsrichtung etwa 120°. Vorzugsweise beträgt der Schwenkbereich von erstem und zweitem Halteteil relativ zueinander daher mindestens 120°. Um Luxation aufgrund des Anschlagens des ersten Prothesenteils an dem zweiten Prothesenteil (Impingement) zu simulieren, sind das erste Halteteil und das zweite Halteteil relativ zueinander in einem entsprechend großen Winkelbereich schwenkbar, insbesondere für eine Hüftendoprothese beispielsweise vorzugsweise um mindestens 130°.
In einer zu der zuvor genannten Hauptrichtung senkrechten Richtung, insbesondere der Adduktions-Abduktionsrichtung bei Hüftendoprothesen, beträgt der Schwenkbereich vorzugsweise mindestens 30°, vorzugsweise mindestens 60°. Bei der menschlichen Hüfte beträgt der natürliche Winkelbereich in Abduktionsrichtung etwa 90°. Vorzugsweise beträgt der Schwenkbereich von erstem und zweitem Halteteil relativ zueinander in dieser zu der Hauptrichtung senkrechten Richtung daher mindestens 90°, vorzugsweise mindestens 120°.
Vorzugsweise ist weiterhin eine Einrichtung zum Verschieben der Prothesenteile relativ zueinander vorgesehen, um eine noch genauere Nachbildung des Verschleiß- und Luxationsverhaltens zu ermöglichen und translatorische Kräfte in das Gelenk einleiten zu können. Vorzugsweise ist zur Einleitung axialer Kräfte in das Gelenk eine Verschiebbarkeit in Axialrichtung vorgesehen. Vorteilhafterweise gestattet die Verschiebungseinrichtung ein Verschieben eines der Prothesenteile in mindestens zwei, weiter vorzugsweise drei relativ zueinander senkrecht orientierten Richtungen.
Weitere vorteilhafte Merkmale gehen aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: eine perspektivische Ansicht einer Prüfvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform;
2: eine perspektivische schematische Ansicht einer Prüfvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
3: eine perspektivische Ansicht einer Prüfvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform.
In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer Prüfvorrichtung 10 für eine Endoprothese 11, im gezeigten Beispiel eine Hüftendoprothese, dargestellt. Die Endoprothese umfasst zwei gelenkig miteinander in Verbindung stehende Teile 12, 14, nämlich ein Kugelprothesenteil 12, hier Femurteil, mit Kugel 13 und ein Pfannenprothesenteil 14, hier Hüftteil. Eine in dem Pfannenprothesenteil 14 ausgebildete Pfanne wirkt mit der Kugel 13 als Kugelgelenk zusammen.
Die Prüfvorrichtung 10 umfasst einen Halter 16, an dem das Pfannenprothesenteil 14 befestigt ist, und einen Halter 17, an dem das Kugelprothesenteil 12 befestigt ist. Der Halter 16 kann in einer Ausführungsform ortsfest montiert sein. Der Halter 17 realisiert eine kardanische Aufhängung für das Kugelprothesenteil 12. Die kardanische Aufhängung umfasst ein erstes Schwenkteil 18, an dem das Kugelprothesenteil 12 befestigt ist, ein zweites Schwenkteil 19, in dem das erste Schwenkteil 18 schwenkbar aufgehängt ist, ein drittes Schwenkteil 20, in dem das zweite Schwenkteil 19 schwenkbar aufgehängt ist, und ein Basisteil 21, auf dem das dritte Schwenkteil 20 drehbar gelagert ist. Das Basisteil 21 kann ortsfest montiert sein. Wie in 1 gezeigt werden die Schwenkmomente vorzugsweise in das Kugelprothesenteil 12 eingeleitet, was der natürlichen Bewegung entspricht.
Das erste Schwenkteil 18 hat die Form eines C-Bogens und weist in seiner Mitte ein Befestigungselement 22 zur Aufnahme und Befestigung des Prothesenteils 12 auf. An den Enden des C-Bogens ist jeweils ein Schwenklager 23, 24 vorgesehen, mittels denen das erste Schwenkteil 18 schwenkbar an dem zweiten Schwenkteil 19 befestigt ist und die eine Schwenkung des ersten Schwenkteils 18 relativ zu dem zweiten Schwenkteil 19 um eine entsprechende Schwenkachse S1 ermöglichen. Das Schwenkteil 18 und das Befestigungselement 22 sind so dimensioniert und gestaltet, dass das Prothesenteil 12 so an dem Schwenkteil 18 befestigt werden kann, dass der Mittelpunkt der Kugel 13 auf der Schwenkachse S1 liegt. Zum Schwenken des ersten Schwenkteils 18 ist ein erster Schwenkantrieb 25 vorgesehen, der an dem zweiten Schwenkteil 19 befestigt ist. Das Gegenlager 24 des Schwenklagers 23 wird von der Lagerung der Antriebswelle 26 in dem ersten Schwenkantrieb 25 gebildet.
Das zweite Schwenkteil 19 ist ringförmig. An gegenüberliegenden Positionen, die gegenüber den ersten Schwenklagern 23, 24 entlang des Rings um 90° versetzt sind, ist jeweils ein Schwenklager 27, 28 vorgesehen, mittels denen das zweite Schwenkteil 19 schwenkbar an dem dritten Schwenkteil 20 befestigt ist und die eine Schwenkung des zweiten Schwenkteils 19 relativ zu dem dritten Schwenkteil 20 um eine entsprechende Schwenkachse S2 ermöglichen. Die Schwenklager 27, 28 sind so angeordnet, dass sich die Schwenkachsen S1 und S2 in dem Mittelpunkt der Kugel 13 kreuzen. Zum Schwenken des zweiten Schwenkteils 19 ist ein zweiter Schwenkantrieb 29 vorgesehen, der an dem dritten Schwenkteil 20 befestigt ist. Das Gegenlager 28 des Schwenklagers 27 wird von der Lagerung der Antriebswelle 30 in dem zweiten Schwenkantrieb 29 gebildet.
Das dritte Schwenkteil 20 hat die Form einer Gabel mit zwei Schenkeln 31, 32 und einem in diesem Fall ringförmigen Fußteil 33. Das Fußteil 33 ist auf dem Basisteil 21 um eine zu der Schwenkachse S2 senkrecht orientierte Dreh- bzw. Schwenkachse S3 drehbar gelagert. Das entsprechende Drehlager ist so angeordnet, dass sich die Schwenkachsen S1 bis S3 in dem Mittelpunkt der Kugel 13 kreuzen. Zum Drehen des dritten Schwenkteils 20 ist ein nicht gezeigter dritter Dreh- bzw. Schwenkantrieb vorgesehen, der an dem Basisteil 21 befestigt ist.
Die Prüfvorrichtung 10 aus 1 gestattet eine Rotation des Prothesenteils 12 um das Prothesenteil 14 um die vertikale Achse S3 um volle 360°, eine Schwenkung des Prothesenteils 12 um das Prothesenteil 14 um die Schwenkachse S1 (Beugungs-/Streckungsrichtung) um mindestens ±130° und eine Schwenkung des Prothesenteils 12 um das Prothesenteil 14 um die Schwenkachse S2 (Abduktions-/Adduktionsrichtung) um mindestens +90°/–45°.
Das Prinzip der kardanischen Aufhängung ist nicht auf eine bestimmte Form der Schwenk- bzw. Drehelemente, beispielsweise Ringe, beschränkt. Wie beispielsweise das Schwenkelement 18 in 1 verdeutlicht, kann es sich beispielsweise auch um Bogenelemente, beispielsweise 180° umspannende Bögen (beispielsweise Halbkreis-Bogen, C-Bogen) handeln. Die Schwenkelemente 18 und 19 sind im Fall der 1 beidseitig gelagert. Dies ist aber nicht zwingend der Fall, denkbar ist auch eine einseitige bzw. fliegende Lagerung der Schwenkelemente. Insbesondere ein einseitig gelagertes Schwenkelement könnte beispielsweise auch eine 90° umspannende Form (beispielsweise Viertelkreisbogen oder L-Form) aufweisen.
In der Prüfvorrichtung 10 aus 1 sind bei ortsfester Montierung des Basiselements 21 und des Halters 16 die drei Rotationsfreiheitsgrade für die Relativbewegung zwi schen den Haltern 16 und 17 realisiert. In einer weiteren Ausführungsform können die Halter 16, 17 mithilfe einer Verschiebeeinrichtung relativ zueinander verschiebbar sein. Vorzugsweise wird die Verschiebeeinrichtung für einen der Halter 16, 17 realisiert, es ist aber nicht ausgeschlossen, die Translationsfreiheitsgrade auf beide Halter 16, 17 zu verteilen. Vorzugsweise wird die Verschiebeeinrichtung an dem Halter 16 für das Pfannen- bzw. Hüftteil 14 realisiert. Falls die Verschiebungseinrichtung ein Verschieben eines der Prothesenteile in drei relativ zueinander senkrecht orientierten Richtungen gestattet, beispielsweise bei Verwendung eines x-y-z-Schiebetisches, können bei Schwenkbarkeit um drei Achsen sämtliche sechs Freiheitsgrade für die Relativbewegung zwischen den Haltern 16 und 17 realisiert werden.
Die Ausführungsbeispiele der 2 und 3 verdeutlichen, dass die Erfindung nicht auf drei unabhängige Dreh- bzw. Schwenkachsen beschränkt ist, sondern zwei unabhängige Schwenkachsen ausreichen können, wenn auf eine dritte unabhängige Schwenkachse, beispielsweise die Rotationsachse für eine Hüftendoprothese, verzichtet werden kann. Der Verzicht auf eine dritte unabhängige Schwenkachse reduziert den Herstellungsaufwand für die Prüfvorrichtung. Im Beispiel der 2 ist das Schwenkelement 19 an zwei Schenkeln 34, 35 schwenkbar gelagert, die mit einem ortsfesten Träger 36 fest verbunden sind. Im Beispiel der 3 ist das bogenförmige Teil 20 ortsfest montiert.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 3 zeigt, dass der kardanische Halter 17 nicht zwingend mit dem Kugelprothesenteil 12 der Endoprothese verbunden sein muss, sondern dass die Schwenkmomente im Sinne einer kinematischen Umkehr auch in das Pfannenprothesenteil 14 eingeleitet werden können.
Das in 3 schematisch gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt weiterhin eine Verschiebeeinrichtung für den Halter 16 in Form eines ersten Rahmens 40, der relativ zu einer ortsfesten Basis 39 linear verschiebbar ist, eines zweiten Rahmens 41, der relativ zu dem ersten Rahmen 40 in einer zu der ersten Verschieberichtung senkrechten Richtung linear verschiebbar ist, und einem Befestigungsteil 42 zur Befestigung des Kugelprothesenteils 12, das relativ zu dem zweiten Rahmen 41 in einer zu den beiden genannten Verschieberichtungen senkrechten Richtung, hier in vertikaler Richtung, linear ver schiebbar ist. Zur Ausführung der Verschiebung sind entsprechende Linearantriebe 43, 44, 45 vorgesehen.
Wie in 3 gezeigt sind die Schwenkantriebe 25, 29 und gegebenenfalls die Linearantriebe 43, 44, 45 mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung 46, insbesondere einer programmierbaren Datenverarbeitungseinrichtung verbunden. Mittels der Steuerungseinrichtung 46 sind die Antriebe 25, 29, 43, 44, 45 ansteuerbar, um ein vorgegebenes Prüfprogramm zu durchlaufen. Dabei handelt es sich insbesondere um periodische Schwenkabläufe, gegebenenfalls mit periodischer Krafteinleitung in das Gelenk, mit vorgegebenen Zykluszahlen. Da die in 1 gezeigte erfindungsgemäße Prüfvorrichtung 10 auch zur Schwenkung um relativ geringe Winkel eingerichtet ist, kann damit auch eine reine Verschleißprüfung beispielsweise nach ISO 14242 oder ISO/TR 9325 durchgeführt werden. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass in der Steuerungseinrichtung 46 mehrere unabhängige Prüfprogramme, beispielsweise ein ISO-Verschleißprüfungsprogramm und ein Luxationsprüfungsprogramm, gespeichert sind und vom Bediener auswählbar sind.
Weiterhin kann die Prüfmaschine zur Prüfung unterschiedlicher Endoprothesen und Typen (Hüft-, Schulter- oder Kniegelenk-Endoprothesen) eingerichtet sein. Um eine Anpassung an verschiedene Prothesen zu ermöglichen, können entsprechende Verstelleinrichtungen oder Adapterteile vorgesehen sein.

Claims

Prüfvorrichtung für Belastungs- und/oder Luxationsprüfung von Gelenkendoprothesen, insbesondere Hüft-, Schulter- oder Kniegelenk-Endoprothesen, mit einem ersten Halteteil (16) für ein erstes Prothesenteil (14) und einem zweiten Halteteil (17) für ein mit dem ersten Prothesenteil (14) gelenkig verbundenes zweites Prothesenteil (12), wobei das erste Halteteil (16) und das zweite Halteteil (17) relativ zueinander um eine erste Schwenkachse periodisch um einen Winkel von mindestens 60° schwenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halteteil (16) und das zweite Halteteil (17) relativ zueinander um mindestens eine weitere, von der ersten Schwenkachse unabhängigen Schwenkachse schwenkbar sind.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung eine kardanische Aufhängung (17) für eines der Prothesenteile (12, 14) aufweist.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halteteil (16) und das zweite Halteteil (17) relativ zueinander um drei wechselseitig unabhängige Schwenkachsen (S1, S2, S3) schwenkbar sind.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkbereich der Halteteile (16, 17) relativ zueinander ein Anschlagen des ersten Prothesenteils (14) an dem zweiten Prothesenteil (12) ermöglicht.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halteteil und das zweite Halteteil relativ zueinander um einen Winkel von mindestens 90°, vorzugsweise mindestens 120° schwenkbar sind.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Kugelgelenkprothese (11) die Prüfvorrichtung zur Schwenkung des Kugelprothesenteils (12) eingerichtet ist.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Prüfvorrichtung eine Einrichtung (40, 41, 42) zum Verschieben der Prothesentei le (12, 14) relativ zueinander aufweist.
Prüfvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebungseinrichtung (40–42) ein Verschieben eines der Prothesenteile (12, 14) in mindestens zwei, vorzugsweise drei relativ zueinander senkrecht orientierten Richtungen gestattet.
Prüfvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Kugelgelenkprothese (11) die Verschiebungseinrichtung zum Verschieben des Pfannenprothesenteils (14) eingerichtet ist.