DE19521597A1

DE19521597A1 - Künstliches Gelenk, insbesondere Endoprothese zum Ersatz natürlicher Gelenke

Info

Publication number: DE19521597A1
Application number: DE19521597A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Prof Kubein-Meesenburg; Hans Dr Naegerl
Original assignee: KUBEIN MEESENBURG DIETMAR
Current assignee: KUBEIN MEESENBURG DIETMAR
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1996-12-19
Also published as: EP0831758A1; DE59607590D1; WO1997000053A1; US6120543A; EP0831758B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein künstliches Gelenk, insbesondere eine Endoprothese zum Ersatz natürlicher Gelenke, bestehend aus mindestens zwei künstlichen Gelenk teilen mit jeweils gekrümmten Artikulationsflächen, auf denen die Gelenkteile relativ zueinander artikulieren.

Ein derartiges künstliches Gelenk ist aus der deutschen Patentanmeldung P 42 02 717.9 bekannt. Hierbei besitzen die Gelenkflächen in zueinander senkrechten Ebenen, und zwar einer Längsebene und einer Querebene, unterschiedliche kreisförmige Schnittkonturen, wobei die Krümmungsverhält nisse der Artikulationsflächen in jeder der Ebenen konvex konvex, konvex-konkav oder konkav-konkav sind, und die Gelenkgeometrie der Artikulationsflächen zueinander in jeder der beiden Ebenen durch eine Gelenkkette mit zwei Gelenkachsen (dimere Gelenkkette) bestimmt ist, die durch die Rotationszentren der Artikulationsflächen der jeweils zugehörigen Schnittkonturen verlaufen. Da die Artikula tionsflächen dieses künstlichen Gelenks konvex-konkav, konkav-konkav bzw. konvex-konvex ausgebildet sind, ent stehen im wesentlichen punktförmige Kraftübertragungs bereiche, wodurch erhöhte Flächenpressungen auf den Artikulationsflächen entstehen, die zu einem Materialabrieb führen können. Hierdurch kann die Lebensdauer dieser künstlichen Gelenke verkürzt werden. Um eine Verbesserung der Kraftübertragung zwischen den Artikulationsflächen der Gelenkteile zu erreichen, ist bei dem bekannten Gelenk vor geschlagen, zwischen diesen jeweils einen Druckverteilungs körper anzuordnen, mit dem eine bessere und gleichmäßigere Kraftverteilung erreicht wird. Durch diesen Druckvertei lungskörper erhöht sich jedoch die Anzahl der erforder lichen Gelenkteile des künstlichen Gelenks.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein künstliches Gelenk zu schaffen, bei dem punktuelle Kraft übertragungsbereiche vermieden werden und bei dem der Ein bau von Druckverteilungskörpern nicht erforderlich ist, und das gleichzeitig eine optimale Anpassung an die Gegebenhei ten des menschlichen Körpers im Einsatz als Endoprothese für ein natürliches menschliches Gelenk ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird dies mit einem künstlichen Gelenk erreicht, das aus mindestens zwei künstlichen Gelenkteilen mit gekrümmten Artikulationsflächen besteht, wobei auf jeder der Artikulationsflächen eine kreisbogenförmige Kontaktlinie ausgebildet ist, die jeweils ein Teilabschnitt eines in einer Ebene liegenden Kontaktkreises mit einem Mittelpunkt M ist, wobei die Artikulationsflächen derart als Paar zueinander angeordnet sind, daß die Kontaktlinien aufeinander abrollen können sowie senkrecht zu der Ebene der Kontaktkreise durch deren Mittelpunkt verlaufende Achsen sich in einem Schnittpunkt S schneiden, sowie ein seitig an die Kontaktlinien aus einer Vielzahl von geraden Berührungslinien gebildete Regelflächen (ruled surfaces) angeformt sind, wobei die Berührungslinien auf momentanen Verbindungslinien der während der Abrollbewegung auf tretenden momentanen Kontaktpunkte mit den momentanen Schnittpunkten liegen, welche sich durch eine Schwenkbewe gung der Kontaktlinien mit einer Winkelgeschwindigkeit Ω um eine gemeinsame Tangente der Kontaktlinien durch die momen tanen Kontaktpunkte ergeben. Erfindungsgemäß wird demnach ein räumliches Getriebesystem gebildet. Hierbei wird der einzelnen Gelenkoberfläche jedes Gelenkteils (Gliedmaße) eine Kontaktlinie zugeordnet, wobei sich diese Kontaktli nien immer berühren und eine gemeinsame Kontakttangente besitzen. Während der Artikulation der Gelenkteile kann sich hierbei die Neigung der auf den Kontaktkreisen lie genden Kontaktlinien zueinander verändern, wobei sie eine Rotation um die im Kontaktpunkt jeweils verlaufende ge meinsame Kontakttangente durchführen, wobei dann die Kontaktkreis-Achsen eine variierende sphärische Anordnung zueinander zeigen. Da erfindungsgemäß im Bereich der Regel flächen gerade Berührungslinien zwischen den artikulieren den Regelflächen vorhanden sind, wobei diese Berührungs linien vom Kontaktpunkt der Kontaktlinien ausgehen, ent steht neben den Kontaktlinien ein Bereich der direkten Kraftübertragung, wobei linienförmige Kraftübertragungs bereiche durch die Berührungslinien vorhanden sind. Somit wird eine punktuelle Kraftübertragung vermieden, wodurch die Materialbelastung im Bereich der Regelflächen wesent lich gegenüber bekannten Gelenken verringert wird. Hier durch ist es möglich, auch Materialien verwenden zu können, die geringer belastbar sind. Kinematisch besitzt das er findungsgemäße Gelenk, das durch die Berührung der Regel flächen miteinander entsteht, vier Freiheitsgrade. Denn bei fest stehender Regelfläche eines Gelenkteils kann die andere Regelfläche entlang der gegenseitigen Berührungslinie gleiten (erster Freiheitsgrad), es kann von einer Berüh rungslinie zur anderen Berührungslinie gleiten (zweiter Freiheitsgrad), es kann von einer Berührungslinie zur anderen Berührungslinie rollen (dritter Freiheitsgrad) und es kann um einen Punkt auf der momentan gemeinsamen Be rührungslinie rotieren (vierter Freiheitsgrad) . Das er findungsgemäße künstliche Gelenk ist besonders für ein endoprothetisches Kniegelenk, aber auch in der Grundkon zeption für die Artikulationsflächen des menschlichen Ellenbogengelenks oder des menschlichen oberen Sprung gelenks geeignet. Insbesondere wenn zwei der erfindungs gemäßen, paarweise angeordneten Gelenkteile parallel zu einem Gelenk verbunden ausgebildet sind, z. B. zur Schaffung eines menschlichen Kniegelenkes, wird ein ebener oder sphärischer Zwangs lauf der über das Gelenk gekoppelten Gliedmaße zueinander erreicht.

Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen enthalten. Anhand der in den beiliegenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nunmehr näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung der Zuordnung von auf Kontaktkreisen liegenden Kontaktlinien mit gemeinsamer Kontakttangente,

Fig. 2 eine Ansicht gemäß Fig. 1 in der zu den Ebenen der Kontaktkreise senkrechten Ebene,

Fig. 3 eine Ansicht gemäß Fig. 1 bei Abrollen der Kontaktlinien unter Berücksichtigung einer Schwenkbewegung um die jeweilige Tangente t mit entstehenden Gelenkflächen,

Fig. 4 und 5 Prinzipdarstellungen gemäß Fig. 1 und 2 bei einer alternativen Zuordnung der Kontaktkreise mit zugehörigen Kontaktlinien,

Fig. 6 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Artikulationsflächen,

Fig. 7 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen künstlichen Gelenks als Endoprothese für das menschliche Kniegelenk und

Fig. 8 ein Kniegelenk für Vierbeiner.

In der in Fig. 1 dargestellten Prinzipzeichnung sind jeweils eine Kontaktlinie k₁ und eine Kontaktlinie k₂ darge stellt. Diese Kontaktlinien k₁ und k₂ sind Teilabschnitte von Kontaktkreisen mit den Mittelpunkten M₁ und dem Radius R₁ bzw. dem Mittelpunkt M₂ und dem Radius R₂. Diese Kon taktlinien k₁ und k₂ sind auf in dieser Zeichnung nicht dargestellten Artikulationsflächen eines Gelenkkörpers 1 und eines Gelenkkörpers 2 ausgebildet, wobei der Gelenkkör per 1 beispielsweise ein Gelenkkopf/Gelenkpfanne sein kann und der Gelenkkörper 2 beispielsweise eine Gelenkpfanne/- Gelenkkopf. Somit ist die Kontaktlinie k₁ einem Gelenkkörper 1 und die Kontaktlinie k₂ einem Gelenkkörper 2 zugeordnet. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, berühren sich die beiden Kontaktlinien k₁ und k₂ in einem Kontaktpunkt K, wenn die beiden Gelenkteile, d. h. die Gelenkkörper 1 und 2 zu einem Gelenk paarweise angeordnet sind. Durch den Kontaktpunkt K verläuft eine den beiden Kontaktlinien im Kontaktpunkt K gemeinsame Tangente t. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, verlaufen durch die Mittelpunkte M₁ und M₂ jeweils, senk recht zur Ebene der Kontaktkreise, Achsen m₁ und m₂, die sich in einem Schnittpunkt S schneiden. Dies ergibt sich aufgrund der Anordnung der Ebenen der Kontaktkreise derart, daß zwischen diesen Kontaktkreisen ein stumpfer Winkel ausgebildet ist. Im Falle, daß der zwischen den Ebenen der Kontaktkreise liegende Winkel 180° beträgt, schneiden sich die Achsen m₁ und m₂ im Unendlichen. Eine Verbindungslinie zwischen dem Kontaktpunkt K und dem Schnittpunkt S ist mit s gekennzeichnet. Mit dem Pfeil Ω₁ ist der Bewegungsvektor einer momentanen Winkelgeschwindigkeit um eine momentane Achse r angegeben, die mit der Verbindungslinie zwischen dem Kreismittelpunkt M₁ und dem momentanen Kontaktpunkt k₁ übereinstimmt. Mit dem Pfeil Ω₂ ist der Bewegungsvektor einer Schwenkbewegung angegeben um die Tangente t. Weiter hin ist in Fig. 2 ein Winkel β eingezeichnet, der der Komplementärwinkel zu dem zwischen den beiden Ebenen der Kontaktlinien eingeschlossenen Winkel ist. Der Bewegungs vektor Ω₁ gibt somit an, daß die Kontaktlinien aufeinander abrollen können und der Bewegungsvektor Ω₂ gibt an, daß dieser Abrollbewegung eine Schwenkbewegung der Kontaktli nien um die Tangente überlagert sein kann, wobei die Win kelgeschwindigkeit dieser Schwenkbewegung die Änderungs geschwindigkeit des Winkels β (Ω₂ = dβ/dt) ist.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie sich der Schnittpunkt S gemäß Fig. 2 und die Verbindungslinie s bei einer Abroll bewegung der Kontaktlinien k₁ und k₂ unter gleichzeitiger Durchführung einer Schwenkbewegung um die Tangente t ver lagern. Gemäß Fig. 3 wird nun in jeder momentanen Stellung der Kontaktlinie k₂ der Schnittpunkt S der Achsen m₁ und m₂ bestimmt. Da die Kontaktlinie k₂ schwenkt, wandert der Schnittpunkt S mit der Bewegung sowohl entlang der Achse m₁ als auch der Achse m₂. In jeder Stellung wird der Schnitt punkt S mit dem momentanen Kontaktpunkt K verbunden. Die zugehörige Linie s ist die momentane Berührungslinie der beiden Artikulationsflächen, wobei durch die Gesamtheit der Berührungslinien s (Summe der Linien s₁, s₂, s₃ . . . ) zum bewegten und zum nicht bewegten Kontaktkreis bzw. zu den bewegten und nicht bewegten Kontaktlinien k₁ und k₂ die Regelflächen 3 und 4 gebildet werden, die einseitig sich an die Kontaktlinien k₁ und k₂ jeweils anschließen. Hierbei handelt es sich um gerade Berührungslinien s, die die Bereiche linienförmiger Kraftübertragung zwischen den ge bildeten Regelflächen 3 und 4 während der gegenseitigen Artikulation darstellen.

Für die Herstellung der Regelflächen 3 und 4 mittels beispielsweise einer programmgesteuerten Fräsmaschine können folgende mathematische Bedingungen eingegeben werden:

Die beiden Winkelgeschwindigkeiten Ω₁ und Ω₂ sind Vektoren, deren Richtungen mit den Richtungen der momentanen Achsen r bzw. t übereinstimmen. In Vektorschreibweise heißt das:

Ω₁ = Ω₁₀ (e _x · cos α + e _y · sin α) und Ω₂ = Ω₂₀ · (e _x · sin α - e _y · cos α), da Ω₁ und Ω₂

aufeinander senkrecht stehen.

e _x = der Einheitsvektor in x-Richtung und e _y = der Einheitsvektor in y-Richtung des ortsfesten Koordinatensystems, in dem der Kreis k₁ ruht.

Es sollen noch folgende Bedingungen eingeführt werden:

Ω₁₀ = Ω₀ cos (α+δ) und Ω₂₀ = Ω₀ sin (α+δ),

was gleichbedeutend ist mit der Relation

Ω₁₀/Ω₂₀ = ctg (α+δ).

Die Einführung dieser Bedingung ist möglich, da die momentane Rotation um die Achse t prinzipiell unabhängig von der momentanen Rotation um die Achse r erfolgen kann.

Die resultierende momentane Winkelgeschwindigkeitskompo nente Ω (parallel zur y-x-Ebene) der Kreisscheibe k₂ setzt sich durch Vektoraddition der Winkelgeschwindigkeiten Ω₁ und Ω₂ zusammen.

Dadurch gilt für Ω:

Ω = Ω₀ (e _x · cos δ + e _y sin δ),

was bedeutet, daß Ω eine konstante Richtung in der y-x-Ebene aufweist. Ω₀ kann frei gewählt werden. Ω₀ gibt vor, wie schnell sich der Winkel α ändert.

Durch Wahl der Größen:
Anfangswert von β,
Phasenwinkel δ und
der Radien R₁ und R₂ der Kreise k₁ und k₂ wird die Gesamtheit der möglichen Regelflächenpaare eingestellt.

In Fig. 6 ist dargestellt, und zwar in perspektivischer Ansicht, wie die Artikulationsflächen eines Gelenkkörpers 1 und eines Gelenkkörpers 2 mittels der Kontaktlinien k₁ und k₂ und der aus Vielzahl der Berührungslinien s gebildeten Regelflächen 3 und 4 ausgebildet sein können.

In den Fig. 4 und 5 sind gleiche Funktionselemente und -teile mit denselben Bezugsziffern wie in den Fig. 1 bis 3 dargestellt, wobei jedoch eine alternative Anordnung der Kontaktlinien k₁ und k₂ gewählt ist. Hierbei sind die die Kontaktlinien k₁ und k₂ aufweisenden Kontaktkreise derart zueinander angeordnet, daß sie zwischen sich einen spitzen Winkel einschließen. Dies bedeutet, daß sich die beiden Kontaktlinien k₁ und k₂ nicht von außen, d. h. in einer konvex-konvexen Lage berühren, sondern von innen, d. h. in einer Lage einer Konkavität mit einer Konvexität, wobei im dargestellten Ausführungsbeispiel der Kontaktkreis K₁ die Konkavität bildet und der Kontaktkreis K₂ die Konvexität.

Wie sich weiterhin aus Fig. 6 ergibt, besteht eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung darin, daß auf der zu den Regelflächen 3 und 4 gegenüberliegenden Seite der Kontaktlinien k₁, k₂ die Berührungslinien s für die Kontakt linien k₁, k₁ hinaus, vorteilhafterweise kreisbogenförmig, verlängert sind, so daß eine Wulst 5, 6 jeweils an den Gelenken 1, 2 ausgebildet wird. Dabei sind die Wulste 5, 6 derart geformt, daß sie sich bei der Artikulation der Gelenkkörper 1, 2 nicht berühren. Weiterhin sind die Wulste 5, 6 derart geformt, daß sie zwischen sich eine Quer schnittsfläche jeweils einschließen über den gesamten Artikulationsbereich, die in ihrer Größe und Form in etwa konstant ist. Die Wulste 5, 6 bilden Bereiche der indirek ten Kraftübertragung. In den Zwischenraum zwischen den Wulsten 5, 6 kann sich seitlich Gewebe einlagern, das beispielsweise eine ähnliche Funktion, wie die Menisken im natürlichen Kniegelenk ausüben kann. Da die Querschnitts fläche zwischen den Wulsten 5, 6 erfindungsgemäß etwa konstant ist, ergibt sich keine Quetschung des sich einlagernden Gewebes. Der Kreismittelpunkt der kreisbogen förmigen, die Wulstflächen bildenden Verlängerungen der Berührungslinien s ist kleiner/gleich dem Radius der Kontaktkreise der Kontaktlinien.

Wie in Fig. 7 dargestellt ist, kann das dort dargestellte erfindungsgemäße künstliche Gelenk als Endoprothese zum Ersatz des menschlichen Kniegelenkes (rechtes Knie in der Ansicht von vorne) aus der Parallelschaltung zweier erfindungsgemäßer Gelenkkörperpaare 1, 2; 1′, 2′ gebildet werden. Hierbei sind die Regelflächen 3, 4; 3′, 4′ jedes Gelenkkörperpaares derart zu einer Mittelebene X-X angeord net, daß sie auf der der Mittelebene X-X zugekehrten Seite angeordnet sind. Die Gelenkkörper 1, 2; 1′, 2′ sind hierbei derart angeordnet, daß der Gelenkkörper 1 und der Gelenk körper 1′ starr miteinander verbunden sind und gemeinsam den femuralen Gelenkkopf 8 bilden. Die Gelenkkörper 2 und der Gelenkkörper 2′ sind ebenfalls starr miteinander verbunden und bilden gemeinsam den tibialen Gelenkkörper 9 (tibiale Gelenkpfanne) des erfindungsgemäßen künstlichen Kniegelenks zum Ersatz des rechten Kniegelenks. Der femurale Gelenkkörper 1 und der tibiale Gelenkkörper 2 sind hierbei lateral angeordnet und der femurale Gelenkkörper 1′ und der tibiale Gelenkkörper 2′ sind medial angeordnet. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Regel flächen 3, 4 bzw. 3′, 4′ zur Gelenkaußenseite hin nach unten, d. h. in Richtung tibial geneigt verlaufen, so daß eventuell auftretende Abriebpartikel hierdurch aus dem Gelenkinneren nach außen abfließen können und durch diese dachförmige Zuordnung die Ab- bzw. Adduktions-Stabilität erhöht wird. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn die Flächen der Wulste 5, 6 bzw. 5′, 6′, d. h. die Flächen der indirek ten Kraftübertragung, so gestellt sind, daß ein Heraus fließen der Gelenk-Abriebpartikel weiterhin unterstützt wird.

Durch die erfindungsgemäße Parallelschaltung wird erreicht, daß sich die am femuralen Gelenkkopf 8 bzw. an der tibialen Gelenkpfanne 9 befestigten Gliedmaßen in einer zugeordneten Funktionsebene linear bewegen. Hierbei bildet die Kontakt linienanordnung K₁, K₂ des lateralen Gelenks eine gestreckte dimere Kette, und die Kontaktlinienanordnung K₁', K₂^,des medialen Gelenks bildet eine überschlagene dimere Kette, siehe Fig. 4.

In Fig. 8 ist eine Ausbildung eines erfindungsgemäßen Gelenks als Kniegelenk eines Vierbeiners dargestellt. Hierbei ergibt sich eine Ausführung, wie in Fig. 7 erläu tert. Jedoch besteht ein Unterschied zur Ausführung gemäß Fig. 7 darin, daß sowohl die Kontaktlinienanordnung K₁, K₂ als auch die Kontaktlinienanordnung K₁′, K₂′ jeweils eine gestreckte dimere Kette, siehe Fig. 3, bilden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel.

Claims

1. Künstliches Gelenk, insbesondere Endoprothese zum Ersatz natürlicher Gelenke, bestehend aus mindestens zwei künstlichen Gelenkteilen mit gekrümmten Artikula tionsflächen, wobei auf jeder der Artikulationsflächen eine kreisbogenförmige Kontaktlinie (k) ausgebildet ist, die jeweils ein Teilabschnitt eines in einer Ebene liegenden Kontaktkreises mit einem Mittelpunkt (M) ist, wobei die Artikulationsflächen derart als Paar zueinander angeordnet sind, daß die Kontaktlinien (k) aufeinander abrollen können, sowie senkrecht zu der Ebene der Kontaktkreise durch deren Mittelpunkt (M) verlaufende Achsen (m) sich in einem Schnittpunkt (S) schneiden, sowie einseitig an die Kontaktlinien (k) aus einer Vielzahl von geraden Berührungslinien (s) gebildete Regelflächen (3, 4) ausgeformt sind, wobei die Berührungslinien auf momentanen Verbindungs linien (s) der während der Abrollbewegung auftretenden momentanen Kontaktpunkten (K) mit den momentanen Schnittpunkten (S) liegen, welche sich durch eine Schwenkbewegung der Kontaktlinien (k) mit einer Winkelgeschwindigkeit (Ω) um eine gemeinsame Tangente (t) der Kontaktlinien (k) durch die momentanen Kon taktpunkte (K) ergeben.

2. Künstliches Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebenen der Kontaktkreise zwischen sich einen stumpfen oder einen spitzen Winkel einschließen.

3. Künstliches Gelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der den Regelflächen (3, 4) gegenüberliegenden Seite der Kontaktlinien (k) die Berührungslinien (s) derart insbesondere in Kreisbögen verlängert sind, daß Wulste (5, 6) ausgebildet werden, wobei die einander gegen überliegenden Wulste (5, 6) der zugehörigen Artikula tionsflächen keinen Berührungskontakt besitzen und die zwischen ihnen vorhandenen Querschnittsflächen im gesamten Artikulationsbereich in Größe und Form im wesentlichen konstant sind.

4. Künstliches Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kraftübertragenden Regelflächen (3, 4) derart schräg angeordnet sind, daß ein stetiges Abfließen von Abriebpartikeln erfolgt.

5. Künstliches Gelenk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Gelenkteilpaare parallel zueinander angeordnet sind und gemeinsam eine Endoprothese für ein menschliches Knie bilden.