DE102007031663A1 - Asymmetrische Gestaltung von Prothesenkomponenten zur Manipulation und Unterdrükung der Eigenfrequenzen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Schaft (1) einer Hüftgelenkprothese zur Implantation in den Oberschenkelknochen (5) eines Patienten, wobei der Schaft (1) mit einem Kugelkopf (2) koppelbar ist, der wiederum in der Kalotte eines Pfanneneinsatzes (3) drehbar einsetzbar ist. Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung des Quietschens vorgeschlagen, dass der Schaft (1) in seiner äußeren und/oder inneren Geometrie und/oder Materialzusammensetzung asymmetrisch ausgebildet ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Schaft einer Hüftgelenkprothese zur Implantation in den Oberschenkelknochen eines Patienten, wobei der Schaft mit einem Kugelkopf koppelbar ist, der wiederum in der Kalotte eines Pfanneneinsatzes drehbar einsetzbar ist.
- Stand der Technik:
- Im Markt existiert eine Vielzahl von Prothesen-Systemen zum Ersatz des natürlichen Hüftgelenkes. Diese bestehen in der Regel aus einem Schaft
1 gekoppelt mit einem Kugelkopf2 und einer Hüftpfanne4 gekoppelt mit einem Pfanneneinsatz3 . Schaft1 und Hüftpfanne4 sind mit dem Körper durch Einwachsen in den Oberschenkel- bzw. Beckenknochen verbunden und sind Träger für den Kugelkopf1 bzw. Pfanneneinsatz3 . Der Kugelkopf2 ist in der Kalotte des Pfanneneinsatzes3 drehbar gelagert – Freiheitsgrad:1 (siehe1 ). - Während der Artikulation des Kugelkopfes in der Kalotte des Pfanneneinsatzes kann aus verschiedenen Gründen und insbesondere bei Einsatz von Materialien hoher Härte für Kugelkopf und Pfanneneinsatz (z.B. Metalllegierungen, keramische Werkstoffe) unerwünschte Festkörperreibung zwischen den Gleitpartnern auftreten. Dabei kann es zu unterschiedlichen Phänomenen kommen, die ein Aufschwingverhalten der beteiligten Komponenten und damit eine Geräuschentwicklung, das so genannte Quietschen, zur Folge haben können. Drei Phänomene sind im Folgenden kurz beschrieben.
- 1. Abhängig von Materialpaarung, Oberflächenstruktur und Relativgeschwindigkeit der beiden Reibpartner kann bei der Bewegung unter Wirkung von Festkörperreibung ein so genannter Stick-Slip-Effekt auftreten. Das heißt, die quasi kontinuierliche Bewegung des Kugelkopfes in der Kalotte setzt sich bei genauer Betrachtung aus vielen zeitlich sehr kurzen Bewegungszyklen zusammen – jeweils eine kurze Bewegung direkt gefolgt von plötzlichem Stillstand und wiederum plötzlicher Bewegung. Hervorgerufen wird dieser Stick-Slip-Effekt durch ein ständiges Abwechseln von Haft- und Gleitreibung. Die infolge des Auftretens des Stick-Slip-Effekt ausgesendeten Schwingungen wirken als Erregung und führen zum Schwingen der einzelnen Komponenten bzw. Komponentengruppen des künstlichen Gelenkes. Liegen dabei eine oder mehrere der Eigenfrequenzen der Komponenten bzw. -gruppen im hörbaren Spektrum (ca. 16-20000 Hz), so können sie vom Patienten als Träger des künstlichen Hüftgelenkes, z.B. in Form des so genannten Quietschens, akustisch wahrgenommen werden. Dies ist vom Patienten unerwünscht, wird u. U. von seiner Umgebung ebenfalls wahrgenommen und führt gegebenenfalls zu einer erheblichen persönlichen Einschränkung.
- 2. Infolge häufig wiederholter Bewegungsmuster sowie dem Auftreten von Microseparation (der kurzzeitigen Trennung des tribologischen Systems Kugelkopf-Insert während eines Bewegungszyklus) kann es zur Bildung von Stripewear auf dem Kugelkopf bzw. dem Insert kommen, zur Ausbildung streifenförmiger Verschleißmuster, die über die Streifenlänge eine gewisse Regelmäßigkeit aufweisen. Falls sich nun der Kugelkopf unter bestimmten individuellen Bedingungen (Körperhaltung, Bewegungsablauf) relativ zum Insert im Bereich der Stripe-wear-Zone bewegt, kann dies zu einer selbsterregten Schwingung führen. Liegt diese Erregung im Bereich der Eigenfrequenzen der beteiligten Komponenten bzw. Komponentengruppen, führt dies zur Ausbildung von Eigenformen und zur Geräuschbildung. Liegen dabei eine oder mehrere der Eigenfrequenzen der Komponenten bzw. -gruppen im hörbaren Spektrum (ca. 16-20000 Hz), so können sie vom Patienten als Träger des künstlichen Hüftgelenkes, z.B. in Form des so genannten Quietschens, akustisch wahrgenommen werden.
- 3. Nach dem Einsetzen von künstlichen Hüftgelenken kann es insbesondere bei extremen Pfannenpositionen zu einer Berührung zwischen Metallschaft und Metallpfanne bzw. zwischen Metallschaft und Keramikinsert kommen. Erfolgt diese Berührung nicht nur punktweise, sondern durch eine entsprechende Beinbewegung über einen Winkel hinweg, so dass es zu einem „Schleifen" des Metallschafts über Pfanne/Insert kommt, kann dies zu einer selbst erregten Schwingung führen. Liegt diese Erregung im Bereich der Eigenfrequenzen der beteiligten -Komponenten bzw. Komponentengruppen, führt dies zur Ausbildung von Eigenformen und zur Geräuschbildung. Liegen dabei eine oder mehrere der Eigenfrequenzen der Komponenten bzw. -gruppen im hörbaren Spektrum (ca. 16-20000 Hz), so können sie vom Patienten als Träger des künstlichen Hüftgelenkes, z.B. in Form des so genannten Quietschens, akustisch wahrgenommen werden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schaft nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass kein Quietschen auftritt.
- Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Schaft in seiner äußeren und/oder inneren Geometrie und/oder Materialzusammensetzung asymmetrisch ausgebildet ist.
- Durch die gezielte asymmetrische Gestaltung des Schaftes kann die Ausbildung von Eigenformen des Schaftes verhindert und die Ausprägung von Schwingungen in der Komponente im akustisch wahrnehmbaren Frequenzbereich signifikant gedämpft werden. Die vorgeschlagene Asymmetrie des Schaftes kann dabei durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, die beliebig miteinander kombinierbar sind: in Form einer asymmetrischen äußeren Geometrie in alle drei Raumrichtungen (Querschnittsfläche sowie Längsachse), in Form einer asymmetrischen inneren Geometrie in alle drei Raumrichtungen (Querschnittsfläche sowie Längsachse), sowie durch asymmetrische Zusammensetzung des Schaf tes aus Materialien mit unterschiedlichen Steifigkeiten und Dämpfungseigenschaften.
- In bevorzugter erfinderischer Ausgestaltung ist daher die äußere und innere Geometrie in allen drei Raumrichtungen asymmetrisch gestaltet.
- Dies kann zum Beispiel dadurch geschehen, dass der Schaft auf seiner Oberfläche Ausnehmungen aufweist.
- Alternativ oder in Kombination können die äußeren Umrandungen der Querschnittsflächen asymmetrisch geformt sein und/oder der Schaft entlang der Schaftachse diskontinuierlich geformt.
- In einer erfinderischen Ausgestaltung weist der Schaft durchgehende Querbohrungen auf.
- Die asymmetrische Ausgestaltung der inneren Geometrie ist in einer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erreicht, dass der Schaft innere Hohlräume möglichst unterschiedlichen Volumens aufweist.
- In einer anderen Ausgestaltung sind im Schaft Längsbohrungen eingebracht, die diskontinuierlich aneinander grenzen können.
- Eine andere erfinderische Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass im Verbindungssteg Bohrungen unterschiedlichen Durchmessers eingebracht sind.
- Die asymmetrische Ausgestaltung der Materialzusammensetzung kann dadurch erreicht werden, dass die Steifigkeiten und/oder Dämpfungseigenschaften und/oder der Werkstoff entlang der Längsachse des Schaftes unterschiedlich sind.
- Nachfolgend werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
-
1 zeigt den Stand der Technik. Eine Hüftprothese besteht in der Regel aus einem Schaft1 gekoppelt mit einem Kugelkopf2 und einer Hüftpfanne4 gekoppelt mit einem Pfanneneinsatz3 . Schaft1 und Hüftpfanne4 sind mit dem Körper des Patienten durch Einwachsen in den Oberschenkel-5 bzw. Beckenknochen15 verbunden und sind Träger für den Kugelkopf2 bzw. Pfanneneinsatz3 . Der Kugelkopf2 ist in der Kalotte des Pfanneneinsatzes3 drehbar gelagert. -
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Schaft1 , bei dem zur asymmetrischen Ausgestaltung der äußeren Geometrie Ausnehmungen auf der Oberfläche angeordnet sind. -
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Querschnitt durch einen Schaft (durchgezogene Linie), welche dem Querschnitt eines konventionellen Schaftes (gestrichelte Linie) gegenübergestellt ist. Die äußere Umrandung7 der Querschnittsfläche des Schaftes ist zur Vermeidung des Quietschens asymmetrisch geformt. Der Schaft1 ist dadurch entlang der Schaftachse9 diskontinuierlich geformt. - Zur asymmetrischen Gestaltung der inneren Geometrie des Schaftes
1 zeigt4 durchgehende Querbohrungen10 . Der Durchmesser dieser Querbohrungen10 ist unterschiedlich gewählt. -
5 zeigt zur asymmetrischen Gestaltung der inneren Geometrie des Schaftes1 innere Hohlräume11 in der Querschnittsfläche8 . Mit dem Bezugszeichen9 ist die Schaftachse gekennzeichnet. Das Volumen der inneren Hohlräume11 ist bevorzugt unterschiedlich. -
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Schaft mit Längsbohrungen12 , die diskontinuierlich aneinander grenzen können. Eine Längsbohrung12 ist auch im Verbindungssteg13 angeordnet. -
7a zeigt einen Schaft1 mit Bohrungen14 im Verbindungssteg13 .7b zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-A von7a . Gut zu erkennen ist, dass der Durchmesser der Bohrungen14 unterschiedlich ist. - Die asymmetrische Ausgestaltung des Schaftes
1 kann auch dadurch erreicht werden, dass das Material bzw. der Werkstoff des Schaftes1 sich entlang der Schaftachse9 ändert. Wichtig ist hierbei, dass sich der Elastizitätsmodul vom herkömmlichen Schaftmaterial unterscheidet. So können die Ausnehmungen6 in2 auch durch ein zweites Material mit vom Grundmaterial des Schaftes1 abweichendem Elastizitätsmodul ausgefüllt sein.
Claims (10)
- Schaft (
1 ) einer Hüftgelenkprothese zur Implantation in den Oberschenkelknochen (5 ) eines Patienten, wobei der Schaft (1 ) mit einem Kugelkopf (2 ) koppelbar ist, der wiederum in der Kalotte eines Pfanneneinsatzes (3 ) drehbar einsetzbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (1 ) in seiner äußeren und/oder inneren Geometrie und/oder Materialzusammensetzung asymmetrisch ausgebildet ist. - Schaft nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere und innere Geometrie in allen drei Raumrichtungen asymmetrisch gestaltet ist.
- Schaft nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (
1 ) auf seiner Oberfläche Ausnehmungen (6 ) aufweist. - Schaft nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Umrandungen (
7 ) der Querschnittsflächen (8 ) asymmetrisch geformt sind. - Schaft nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (
1 ) entlang der Schaftachse (9 ) diskontinuierlich geformt ist. - Schaft nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (
1 ) durchgehende Querbohrungen (10 ) aufweist. - Schaft nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (
1 ) innere Hohlräume (11 ) möglichst unterschiedlichen Volumens aufweist. - Schaft nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schaft (
1 ) Längsbohrungen (12 ) eingebracht sind, die diskontinuierlich aneinander grenzen können. - Schaft nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Verbindungssteg (
13 ), dadurch gekennzeichnet, dass im Verbindungssteg (13 ) Bohrungen (14 ) unterschiedlichen Durchmessers eingebracht sind. - Schaft nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeiten und/oder Dämpfungseigenschaften und/oder der Werkstoff entlang der Schaftachse (
9 ) unterschiedlich sind.
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