DE102012202750A1

DE102012202750A1 - Dynamische stabilisierungseinrichtung für die wirbelsäule

Info

Publication number: DE102012202750A1
Application number: DE201210202750
Authority: DE
Inventors: Frank Heuer; Frank Thilo Trautwein
Original assignee: Aces GmbH
Current assignee: Aces GmbH
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2012-02-22
Publication date: 2013-08-22

Abstract

Die dynamische Stabilisierung der Wirbelsäule erfordert Implantate die eine hohe Beweglichkeit erlauben und gleichzeitig eine ausreichende Stabilisierungswirkung entfalten. Implantate nach heutigem Stand der Technik ermöglichen im dynamischen Abschnitt eine unzureichend geringe Beweglichkeit oder unterliegen häufig einer Materialermüdung. Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst indem eine dynamische Stabilisierungseinrichtung bereitgestellt wird, die einfach mit bekannten Pedikelschrauben kombinierbar ist. Die dynamische Stabilisierungseinrichtung besteht aus mindestens zwei Aufnahmeelementen und einem elastischen Federelement. Das elastische Federelement befindet sich zwischen mindestens zwei Auflageflächen und ein oder mehr Gegenflächen. Die Anordnung dieser Flächenelemente ist dabei so ausgestaltet, dass das Federelement ausschließlich auf Druck beansprucht wird. Dies erlaubt eine außerordentlich hohe Elastizität und Ermüdungsfestigkeit für die Haupt-Belastungsrichtungen Kompression und Distraktion, sowie die sekundären Belastungsrichtungen Rotation und Translation.

Description

Die Erfindung betrifft eine dynamische Stabilisierungseinrichtung für Knochen, insbesondere für die Wirbelsäule.
Stand der Technik
Degenerative Erkrankungen der Wirbelsäule werden heute oft durch eine Versteifungsoperation behandelt. Dabei werden zwei oder mehrere Wirbel mit Hilfe eines Implantatsystems rigide miteinander verbunden, mit dem Ziel eine knöcherne Verbindung der Wirbelkörper zu erreichen. Neben der Einschränkung der Beweglichkeit bei langstreckigen Versorgungen dieser Art ist die höhere Belastung der Bandscheiben der angrenzenden Segmente, und damit deren beschleunigte Degeneration nachteilig bei dieser Behandlungsmethode. Eine alternative Möglichkeit der Behandlung besteht darin, die Wirbel semi-rigide (dynamisch) miteinander zu stabilisieren und dabei eine Restbeweglichkeit zuzulassen ohne eine unmittelbare Fusion herbeizuführen.
Aus ( EP0669109B1 , 1994) ist eine Vorrichtung zur dynamischen Stabilisierung der Wirbelsäule bekannt. Diese Vorrichtung besteht aus mindestens zwei Pedikelschrauben, einem vorgespannten Kunststoffband und einem vom Kunststoffband umgebenden Abstandshalter. Die Verwendung der Kombination aus dem vorgespannten Band zusammen mit dem Abstandshalter erlaubt keine oder nur eine sehr eingeschränkte Lagekorrektur der Wirbelkörper zueinander. Die intraoperative Anpassung der korrekten Länge des Abstandshalters ist aufwendig, eine Adaption der Länge des Abstandshalters bzw. des Kunststoffbands an die Bewegung des Patienten ist praktisch nicht möglich. Ein System dieser Bauart limitiert daher die gewünschten Flexions-, Extensions- und Seitneigungsbewegungen stark, wohingegen es die eigentlich zu limitierenden Bewegungen wie axiale Rotation und Translation in AP-Richtung kaum stabilisieren kann. In ( EP1857065A1 , 2006) wird als Weiterentwicklung die Verwendung eines Polymers mit eingebetteten Längsfasern als semi-elastisches Verbindungselement vorgeschlagen. Hier sind jedoch die selben Nachteile wie die übermäßig starke Limitation der Bewegung des Wirbelsäulensegments zu erwarten wie bereits unter ( EP0669109B1 , 1994) beschrieben. Insbesondere eine ermüdungsfreie Längsdehnung im physiologisch relevanten Bereich ist damit nicht realisierbar, zudem muss eine Delamination bzw. Auflösung der Faser-Polymer-Matrix aufgrund der hohen Scher- und Biegebelastungen befürchtet werden.
Aus ( EP1399078B1 , 2001; WO2004089244A2 , 2003; EP1574173B1 , 2004; EP1658815A1 , 2004; WO2006101737A1 , 2005) sind diverse Varianten bekannt die mit verschiedenen Federelementen unterschiedlichen Profilen, Schleifenanordnungen und Stabverläufen versuchen eine elastische Verbindung zwischen zwei Pedikelschrauben zu erzeugen. Nachteilig bei diesen Anordnungen ist die relativ geringe Beweglichkeit in Längsrichtung bei einer Dimensionierung die gleichzeitig die auftretenden Belastungen im Körper ermüdungsfrei ertragen kann. Die Verwendung von Federelementen ist auch aus ( DE2821678B2 , 2006; WO2008073830A1 , 2007) bekannt. Gemeinsames Merkmal dieser Erfindungen ist, dass die verwendete Feder hauptsächlich in zwei Richtungen belastet und damit ausgelenkt wird, nämlich in Zug- und Druckrichtung. Aus mechanischer Sicht handelt es sich daher um eine Wechselbelastung der Feder. Es ist allgemein bekannt, dass die Dauerfestigkeit eines Bauteils von seiner Mittellast abhängig ist, und dass die maximal ermüdungsfrei ertragbare Spannung bei wechselnder Belastung niedriger ist als bei schwellender Belastung. Die vorgenannten Erfindungen sind demzufolge bezüglich der maximalen, ermüdungsfrei ertragbaren Federwege limitiert.
In ( WO2004098452A2 , 2003) wurde ein Implantat mit zwei Federn vorgestellt. Diese Anordnung hat die Vorteile, dass verschiedene Federsteifigkeiten für die Zug- und Druckrichtung gewählt werden können und die Federn hauptsächlich in Druck belastet werden. Allerdings hat diese Anordnung den Nachteil, dass sich die gesamte Baulänge für die beiden seriell angeordneten Federn auf etwa die Hälfte des möglichen Bauraums reduziert, und der damit mögliche Federweg ebenfalls stark limitiert ist.
Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stabilisierungssystem, insbesondere für die Wirbelsäule, bereitzustellen, welche einerseits eine ausreichend hohe Stabilisierungswirkung entfaltet, andererseits den physiologischen Bewegungsumfang eines oder mehrerer Wirbelsäulensegmente zulässt und die dabei auftretenden Belastungen bzw. Bewegungen ermüdungsfrei erträgt. Das der Stabilisierungseinrichtung zugrundeliegende Verbindungselement muss dazu insbesondere unempfindlich gegen Biegung sein und eine signifikante Längenänderung im Bereich von mehreren Millimetern zulassen.
Lösung
Die Aufgabe wird gelöst indem das Verbindungselement der Stabilisierungseinrichtung aus mindestens zwei Aufnahmeelementen und einem federelastischen Element besteht. Die Aufnahmeelemente sind verschiebbar zueinander gelagert und erlauben Bewegungen in Zug- und Druckrichtung des Implantats. Die Aufnahmeelemente sind mit Hilfe von Auflageflächen und hakenähnlichen Gegenflächen so ausgestaltet, dass das federelastische Element zwischen den Aufnahmeelemente ausschließlich einer Druckbeanspruchung ausgesetzt wird, selbst wenn das Verbindungselement als Ganzes auf Zug beansprucht wird. Das Federelement bzw. die Federelemente können aus einer Spiralfeder, aus Tellerfedern, aus einem elastischen Polymer oder Gummi mit massivem oder hohlem Querschnitt sowie aus geschichteten, gewellten Bändern (Wellfedern) bestehen. Die Ausgestaltung und Anordnung der Federelemente kann so gewählt werden, dass je nach gewünschter Stabilisierungswirkung eine, degressive, lineare, oder progressive Federkennlinie eingestellt werden kann.
Vorteile
Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist die hohe Elastizität bei Längs- und Biegebeanspruchung und eine hohe Ermüdungsfestigkeit bei gleichzeitig hoher Stabilisierungswirkung. Dies ermöglicht eine dauerhafte, physiologische Stabilisierung der Wirbelsäule und damit eine Reduktion der Belastung auf die damit behandelten Segmente sowie deren Nachbarsegmente.
Bevorzugte Details und Ausführungsformen
Die technischen Lösungen sind nachfolgend oft beispielhaft beschrieben. Dies soll als Mittel zur Erläuterung des zugrundeliegenden Gedankens aufgefasst und nicht als auf die jeweilige konkrete Darstellung beschränkt verstanden werden.
Die erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung dient zur dynamischen Verbindung von wenigstens zwei Wirbeln und wird mit mindestens zwei Knochenankern (P1, P2) verwendet (1). Die Pedikelschrauben (P1, P2) bestehen im Wesentlichen aus einem Schraubenschaft mit Knochengewinde, einem Kopf und einer Verriegelungseinrichtung zur Fixierung mit der dynamischen Stabilisierungseinrichtung. Auf die Pedikelschraube soll hier nicht weiter eingegangen werden.
Die dynamische Stabilisierungseinrichtung besteht im Wesentlichen aus wenigstens zwei Aufnahmeelementen (1, 2) und mindestens einem elastischen Federelement (3) (1). Die Aufnahmeelemente (1, 2) besitzen je einen Bereich (11, 21), der zur Anbindung von Knochenankern (P1, P2) geeignet ist. Die Stabilisierungseinrichtung besitzt einen mittleren Bereich (y), in dem sich das elastische Federelement (3) befindet. Begrenzt wird der mittlere Bereich (y) durch je einen Kragen (12, 22) der Aufnahmeelemente (1, 2). Dieser Kragen (beispielsweise 12) hat wenigstens eine zum mittleren Bereich (y) zugewandte Auflagefläche (122, 222). Des Weiteren besitzt das Aufnahmeelement (11) Verbindungselemente (Streben) (13), die im Bereich des Kragens (12) angebunden sind und eine Verbindung zu den Gegenflächen (14) herstellen. Die Gegenflächen (14) sind dabei so angeordnet, dass sie entgegen der verbundenen Auflagefläche (122) gerichtet sind. Die Anbindung der Gegenflächen (24) des zweiten Aufnahmeelements (2) erfolgt analog über Verbindungselemente (23) an den Kragen (222), wobei die Verbindungselemente (13, 23) bevorzugt versetzt zueinander angeordnet sind (radial abwechselnd oder auf verschiedenen Durchmessern). Die Flächen (122, 222, 14, 24) müssen nicht parallel sein. So wäre es beispielsweise von Vorteil, wenn die Fläche (14) mit einem Hinterschnitt ausgeprägt ist. Die in 1 dargestellte dynamische Stabilisierungseinrichtung besteht aus zwei Aufnahmeelementen (1, 2), wobei die Flächenanordnungen (222, 24) und Streben (23) des zweiten Aufnahmeelements (2) analog zu denen des ersten Aufnahmeelements (1) gelten. Die Kragen (12, 22) besitzen an den Auflagenflächen (122, 222) Öffnungen (121, 221), die dazu geeignet sind, dass die Gegenflächen (14, 24) die Auflagenflächen (122, 222) durch- bzw. eindringen können. Des Weiteren besitzen die Aufnahmeelement (1, 2) Flächen (131, 231), die zueinander kongruent verlaufen, so dass sie eine Translationsbewegung der Aufnahmeelemente (1, 2) zu- oder gegeneinander erlauben und führen. Zwischen den Auflage- und Gegenflächen (14, 24, 122, 222) befindet sich das elastische Federelement (3). Das elastische Federelement (3) besitzt mindestens zwei Kontaktflächen (31, 32), wobei die Kontaktfläche (31) in die Richtung des ersten Aufnahmeelements (1) zeigt und die zweite Kontaktfläche (32) zum zweiten Aufnahmeelement (2). Das elastische Federelement (3) kann alternativ aus einer oder mehr geschichteten Tellerfedern, Wellfedern oder anderen Geometrien mit elastischen Eigenschaften bestehen, wie sie beispielsweise aus Nitinol, PEEK, PEKK, PEAK, Kohlefasern, Titan bzw. einer Titanlegierung, aus einem hochfesten Implantatstahl oder aus CoCr- bzw. einer CoCrNi-Legierungen gefertigt werden können.
Im Ausgangs- bzw. unbelasteten Zustand der dynamischen Stabilisierungseinrichtung ist die Auflagefläche (z. B. 122) des ersten Aufnahmeelements (1) weitgehend deckungsgleich mit der Gegenfläche (24) des zweiten Aufnahmeelements (2) (2). Dies gilt analog für die gegenüberliegende Seite (222, 14). Beim Zusammenschieben der Aufnahmeelemente (1, 2) werden die Auflageflächen (122, 222) von den Gegenflächen (14, 24) durchdrungen. Die Kontaktflächen (31, 32) des elastischen Federelements (3) haben nur noch Kontakt zwischen den Auflageflächen (122, 222) der Aufnahmeelemente (1, 2). Beim Auseinanderziehen der Aufnahmeelemente (1, 2) erzeugen nur die Gegenflächen (14, 24) den Kontakt (31, 32) zum elastischen Federelement (3). Aus dieser Anordnung der Auflage- und Gegenflächen (122, 222, 14, 24) resultiert, dass das elastische Federelement (3) bei jedem Lastzustand (Druck und/oder Zugbewegung) ausschließlich auf Druck beansprucht wird. Zur Steigerung der Stabilität im unbelasteten Zustand kann das elastische Federelement (3) eine Vorspannung besitzen. Alternativ kann das elastische Federelement (3) mit Axialspiel eingebaut werden so dass die stabilisierende Wirkung erst nach einer bestimmten Verschiebung aus der Mittelstellung heraus einsetzt.
In einer alternativen Ausführungsform (3) der dynamischen Stabilisierungseinrichtung befindet sich mindestens ein Stift (29) und eine Führungshülse (19) im Inneren des elastischen Federelements (3), wobei der Stift innerhalb der Hülse längsverschiebbar angeordnet ist. Die Hülse (19) ist mit einem Verbindungselement (13) verbunden, wohingegen der Stift mit dem anderen Verbindungselement (23) verbunden ist. Dadurch ist es möglich die Aufnahmeelemente (1, 2) axial zu führen und auch optional den Längsweg zu begrenzen. Je nach Wahl des Spiels zwischen Stift (29) und Führungshülse (19) ist eine mehr oder weniger starke Einschränkung der Biegefähigkeit gegeben. Des Weiteren zeigt dieses Beispiel, dass wenigstens eines der Verbindungselemente (Streben) (13, 23) mit den Gegenflächen (14, 24) weitgehend deckungsgleich mit den Außenflächen der Aufnahmeelementkragen (12, 22) sind. Diese Anordnung hat den Vorteil einer besseren Montage des elastischen Federelements (3).
Figurenbeschreibung
1 veranschaulicht den Aufbau der dynamischen Stabilisierungseinrichtung.
2 erklärt die Anordnung der Bauteile, wenn die dynamische Stabilisierungseinrichtung unbelastet und in Druck- und Zugrichtung belastet wird.
3 illustriert eine alternative Ausführungsform mit innenliegender Führung.
Zitierte Referenzen

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0669109 B1 [0003]
EP 1857065 A1 [0003]
EP 06691091 B [0003]
EP 1399078 B1 [0004]
WO 2004089244 A2 [0004]
EP 1574173 B1 [0004]
EP 1658815 A1 [0004]
WO 2006101737 A1 [0004]
DE 2821678 B2 [0004]
WO 2008073830 A1 [0004]
WO 2004098452 A2 [0005]

Claims

Dynamische Stabilisierungseinrichtung für Knochen, insbesondere für Wirbel, bestehend aus wenigstens zwei Aufnahmeelementen (1, 2) mit mindestens einem Anbindungsbereich (11, 21) zur Verbindung mit weiteren Implantatkomponenten (P1, P2) und einem mittleren Bereich (y) zur Aufnahme eines elastischen Federelements (3), dadurch gekennzeichnet dass a. der mittlere Bereich (y) der Aufnahmeelemente (1, 2) durch jeweils eine Auflagefläche (122, 222) und eine oder mehrere Gegenflächen (14, 24) gebildet wird, b. die Auflage- und Gegenfläche jedes Aufnahmeelements über mindestens ein Verbindungselement (13, 23) miteinander verbunden sind, c. die Auflage- und Gegenflächen zur Einspannung unter Druckbelastung mindestens eines elastischen Federelements (3) geeignet ausgebildet sind und d. die Aufnahmeelemente in Längsrichtung gegeneinander verschiebbar gelagert sind.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß dem ersten Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente so gestaltet sind, dass in unbelastetem Zustand die Auflagefläche eines Aufnahmeelements weitgehend Deckungsgleich mit der Gegenfläche des anderen Aufnahmeelements ist.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (3) aus mindestens einem unter Druckbelastung elastisch verformbaren Element besteht.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (3) aus mindestens einer Druckfeder besteht.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (3) aus einer oder mehreren geschichteten Tellerfedern besteht.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (3) aus einer oder mehreren geschichteten Wellfedern besteht.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen (122, 222) Öffnungen (121, 221) besitzen, die dazu geeignet sind, dass die Gegenflächen (14, 24) die Auflageflächen (122, 222) durchdringen können.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement zwischen den Auflage- und Gegenflächen mit einer Druckspannung vorgespannt ist.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement zwischen den Auflage- und Gegenflächen so bemessen ist dass sich im unbelasteten Zustand ein Längsspiel zwischen den Auflageflächen (122, 222) und Gegenflächen (14, 24) einstellt.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement in seiner Länge kleiner bemessen ist als der Abstand zwischen Auflage- und Gegenfläche.
Dynamische Stabilisierungseinrichtung gemäß den vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmeelemente (1, 2) zentral durch einen Stift (29) und einer Hülse (19) geführt und/oder im Weg begrenzt werden.