DE19727846A1

DE19727846A1 - Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk

Info

Publication number: DE19727846A1
Application number: DE19727846A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Witzel
Original assignee: Johnson and Johnson Medical GmbH
Current assignee: Johnson and Johnson Medical Ltd
Priority date: 1997-06-25
Filing date: 1997-06-25
Publication date: 1999-01-07
Also published as: CA2241405A1; DE69831193T2; EP0887052A2; EP0887052A3; DE69831193D1; JP4059980B2; EP0887052B1; JPH1170131A

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk, die ein selbstschneidendes Spitz-, Sägezahn-, Tra pez- oder Rundgewinde auf einer Gewindegrundfläche eines Schraubpfannengrundkörpers aufweist.

Eine derartige Schraubpfanne ist z. B. aus der europäischen Pa tentschrift EP 0 065 482 B1 bekannt, die eine Pfanne mit einem Schraubring beschreibt, in den ein Pfanneninlay aus Kunststoff einsetzbar ist. Die Gewindegrundfläche des Schraubrings ist he misphärisch, d. h. liegt auf einer Kugelzone und trägt ein, in dem Ausführungsbeispiel dargestelltes, Sägezahngewinde. Die Gewindesegmente des selbstschneidenden Gewindes sind durch ein gefräste Gewindenuten unterbrochen, durch die beim Einschrauben abgetragenes Knochenmaterial nach außen geführt wird. Die Gewin desegmente haben senkrecht zur Drehrichtung liegende plane Frontflächen.

Es gibt umfangreiche Untersuchungen über das Eindrehverhalten von Schraubpfannen, siehe z. B. "Mechanische Integration von Schraubpfannen", Dr. Ulrich Witzel, Georg Thieme Verlag, 1996. Beim Eindrehen der bekannten Schraubpfannen in die im Acetabulum vorbereitete komplementäre Aussparung dringt das selbstschnei dende Gewinde in das Knochenmaterial ein, wobei sich das Ein dreh-Drehmoment bis zu einem Maximalwert erhöht, bei dem die Schraubpfanne die Endposition erreicht hat, wobei das maximale Drehmoment für typische Schraubpfannen und typisches Knochenma terial im Bereich von 15 bis 30 Nm betragen kann. Bei veränder tem Acetabulum-Knochenmaterial, insbesondere bei durch Sklerose oder Verkalkung stark erhöhter Festigkeit des Knochenmaterials, können erheblich höhere Drehmomente notwendig sein, um die Schraubpfanne einzudrehen. In Extremfällen ist es vorgekommen, daß so hohe Drehmomente angewendet werden mußten, daß der Pa tient beim Eindrehen festgehalten werden mußte, damit er sich auf dem Operationstisch nicht mit der Schraubpfanne mitdrehte.

Im Maschinenbau ist es grundsätzlich bekannt, daß Werkzeug schneiden einen Anschliff haben können. Ein spanendes Werkzeug ist im Querschnitt schematisch in Fig. 1 dargestellt, um die geometrischen Parameter zu veranschaulichen. Beim Spanen des Werkstücks 2 bildet die Freifläche 1 des Werkzeugs mit der Werk stückoberfläche 6 einen Freiwinkel α. Zwischen der Spanfläche 3 des Werkzeugs, über die der Span 4 abfließt, und der Fläche 5, die auf der Werkstückfläche 6 senkrecht steht, liegt der Span winkel γ. Die Freifläche 1 und die Spanfläche 3 schließen den Keilwinkel β ein.

Im Stand der Technik sind auch Schraubpfannen mit einem Flachge winde bekannt, d. h. mit Gewindezähnen, die im Profilquerschnitt im wesentlichen rechteckig sind, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, worin der Einfachheit halber nur zwei Gewindezähne 7 auf dem Schraubpfannengrundkörper 8 dargestellt sind. In Fig. 3 ist ein Schnitt entlang der Ebene A-B aus Fig. 2 dargestellt. Bei einem solchen Flachgewinde erfolgt der spanende Schnitt, wobei der Span 4 in Fig. 3 schematisch als Pfeil dargestellt ist, durch einen größer werdenden Radius R (Außenradius der Gewinde kontur) aufgrund der Steigung des Gewindes auf dem Schraubpfan nengrundkörper 8, der z. B. kegelförmig oder wie in Fig. 2 dar gestellt, halbkugelförmig sein kann. Daher liegt der Außenradius R des folgenden Gewindesegments, das von dem vorhergehenden durch eine eingefräste Gewindenut 9 getrennt ist, zu etwas grö- ßerem Radius verschoben und sorgt daher wieder für einen span enden Schnitt in das Knochenmaterial. Bei Schraubpfannen mit Flachgewinde sind Ausführungsformen bekannt, bei denen das Flachgewinde im Profillängsschnitt der Gewindesegmente, wie in Fig. 3 dargestellt, einen Freiwinkel α' hat, der durch eine geradlinige Abschrägung des Gewindesegments erreicht wird. Durch diese Abschrägung entsteht eine Verlustfläche 13, d. h. die Flä che, die dem Gewinde zur Verankerung im Knochenmaterial verlo rengeht. Ferner sind auch Flachgewinde bekannt, die im Profil längsschnitt in ihrem vorderen Bereich so geformt sind, daß sie einen Spanwinkel γ' haben, wie dies in Fig. 4 dargestellt ist.

Die bekannten Spitzgewinde (wie auch die bekannten Sägezahn-, Trapez- oder Rundgewinde) auf Schraubpfannen weisen keine beson deren Schneidengestaltungen auf. In Fig. 5 ist beispielhaft eine geschnittene Teilansicht einer Schraubpfanne mit Spitzge winde dargestellt, wobei der Einfachheit halber nur zwei Gewin dezähne im Profilquerschnitt auf dem Schraubpfannengrundkörper gezeigt sind. In Fig. 6 ist ein Schnitt entlang der Ebene A-B aus Fig. 5 dargestellt. Das Spitzgewinde hat in der Längsan sicht der Gewindesegmente aus Fig. 6 weder einen Freiwinkel α' noch einen Spanwinkel γ'.

Es wird im folgenden noch ein weiterer Schnitt durch die Gewin desegmente betrachtet, nämlich entlang der Fläche C-D aus Fig. 6, also im wesentlichen ein Schnitt in konstanter Höhe über der Gewindegrundfläche 18. Ein solcher Schnitt ist in Fig. 7 ge zeigt, wobei der Pfeil 12 die Drehachse der Schraubpfanne andeu tet. Die Gewindesegmentstirnfläche 10 bewegt sich beim Eindrehen in die Bewegungsrichtung 11. Bei dem Gewinde aus Fig. 7 fehlen in diesem Schnitt sowohl Freiwinkel α₁, α₂ als auch Spanwinkel γ₁, γ₂, d. h. die Keilwinkel β₁, β₂ sind jeweils 90° (die Indices 1 und 2 bezeichnen die Schneiden an beiden Seiten der Stirnflä che 10).

Bei einer solchen Gestaltung der Gewindesegmente verdrängen die Gewindesegmentstirnflächen beim Einschrauben das Knochenmaterial in erster Linie. Sie schneiden allenfalls, wenn Knochenmaterial elastisch in die Gewindenuten 9 zurückdrängt. Dies gilt auch für Gewindesegmente, die von schräg zur Einschraubrichtung verlau fenden Gewindenuten 9 getrennt werden, wie sie in Fig. 8 darge stellt sind, die ansonsten Fig. 7 entspricht. Auch solche Ge winde bewirken beim Einschrauben vornehmlich eine Verdrängung des Knochenmaterials ohne echte Schneidwirkung. Ferner werden die Kanten der Gewindesegmente bei der Fertigung der Schraubpfannen, wobei üblicherweise ein Sandstrahlen zur Ober flächenbehandlung stattfindet, abgerundet, wie dies durch den Krümmungsradius r in Fig. 8 angedeutet ist.

Insgesamt ergeben sich daher bei Schraubpfannen mit Spitzgewin de, wie auch mit Sägezahn-, Trapez- oder Rundgewinde, beim Ein drehen immer dann Probleme, wenn das Knochenmaterial durch skle rotische Veränderungen sehr hart ist und eine Verdrängung durch das Gewinde praktisch nicht mehr möglich ist. Dann treten in der Praxis die oben angedeuteten Probleme auf, daß extrem hohe Dreh momente aufgewendet werden müssen, um die Schraubpfanne in ihre Endposition einzudrehen.

Da aber Spitzgewinde hinsichtlich der Ausbildung und des Bestan des des knöchernen Implantatlagers biomechanische Vorzüge vor einem Flachgewinde besitzt, müssen die bekannten Spitzgewinde hinsichtlich ihrer spanungstechnischen Wirkungen modifiziert und verbessert werden.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schraub pfanne mit Spitz-, Sägezahn-, Trapez- der Rundgewinde zu schaf fen, die in hartes Knochenmaterial mit geringerem Drehmoment eindrehbar sind als die bisher bekannten Schraubpfannen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 im Zusammenhang mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unter ansprüchen aufgeführt.

Danach ist jedes Gewindesegment in Drehrichtung vorne mit einer Schneide mit einer Freifläche so geformt, daß sie im Schnitt in einer Ebene, die parallelversetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche vorne am Gewindesegment liegt, einen Freiwinkel α hat.

Vorzugsweise ist die Schneide weiterhin so geformt, daß sie in dem genannten Schnitt auch einen Spanwinkel γ hat. Vorzugsweise sind der Freiwinkel α und der Spanwinkel γ größer als 0,01 (Bo genmaß).

Es ist besonders bevorzugt, die Gewindesegmentschneiden als räumliche Schneiden auszubilden, die einen Freiwinkel α nicht nur in dem erstgenannten Schnitt parallel zur Gewindegrundfläche aufweisen, sondern weiter auch im Profillängsschnitt (d. h. durch eine im vorderen Bereich des Gewindesegments tangential zur räumlichen Spirallinie des Gewindelaufs liegende Ebene) eine Freifläche mit einem Freiwinkel α' haben. Die angesprochene räumliche Schneidenausbildung wird vervollständigt, wenn das Gewindesegment im zuletzt genannten Profillängsschnitt auch einen Spanwinkel γ' aufweist.

Weiterhin ist es bevorzugt, daß die Schneide jedes Gewindeseg ments so geformt ist, daß sie im Schnitt parallel zur Gewinde grundfläche mit ihrer vorderen Schneidkante über die verlängerte Einhüllende des voraus laufenden Gewindesegmentendes in Eindreh richtung hinausragt. Dadurch wird eine direkt wirkende Schneide realisiert, die selbst dann wirksam wäre, wenn kein Knochenmate rial hinter dem voraus laufenden Gewindesegmentende elastisch wieder zurückdrängen würde.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Schraubpfan ne für ein künstliches Hüftgelenk mit einem selbstschneidenden Gewinde auf einer Gewindegrundfläche eines Schraubpfannengrund körpers geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jedes Gewindesegment im in Drehrichtung vorderen Bereich mit einer Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, daß sie im Schnitt in einer Ebene, die parallelversetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche im vorderen Bereich liegt, einen Spanwin kel γ hat, und in diesem Schnitt im vorderen Bereich verbreitert ist, so daß die vordere Schneidkante aufgrund der Verbreiterung über die Einhüllende des in Drehrichtung voraus laufenden Gewin desegmentendes hinausragt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Werkzeugs zeigt, die zur Erläuterung der geometrischen Werkzeugparameter dient;

Fig. 2 eine Teilansicht einer Schraubpfanne aus dem Stand der Technik im Schnitt durch eine die Drehachse 12 der Schraubpfanne enthaltende Ebene zeigt;

Fig. 3 eine Schnittansicht der Ebene A-B aus Fig. 2 zeigt;

Fig. 4 eine Ansicht wie Fig. 3 für eine andere Schraubpfanne aus dem Stand der Technik zeigt;

Fig. 5 eine Teilansicht einer Schraubpfanne im Schnitt durch eine die Drehachse 12 enthaltende Ebene zeigt, wobei eine Schraubpfanne aus dem Stand der Technik mit Spitzgewinde darge stellt ist;

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Ebene A-B aus Fig. 5 zeigt;

Fig. 7 einen Schnitt durch das Gewinde entlang der Fläche C-D aus Fig. 6 zeigt;

Fig. 8 eine Darstellung wie Fig. 7 für ein anderes bekanntes Gewinde zeigt;

Fig. 9 bis 11 Darstellungen von Gewindesegmenten gemäß der Erfindung in Schnittansichten entsprechend der Ansicht aus Fig. 3 und 4 zeigen;

Fig. 12 einen Schnitt durch das Gewinde entsprechend der An sicht in den Fig. 7 und 8 für eine erfindungsgemäße Schraubpfanne zeigt; und

Fig. 13 und 14 Ansichten entsprechend Fig. 12 von alterna tiven Ausführungsformen zeigen.

In Fig. 12 ist ein Schnitt durch eine Schraubpfanne entspre chend dem Schnitt durch die Fläche C-D aus Fig. 6 dargestellt, d. h. die Gewindesegmente sind in bestimmter Höhe über der Gewin degrundfläche 18 aufgeschnitten. Im Falle einer hemisphärischen Schraubpfanne entspricht der Schnitt durch die Fläche C-D einem Schnitt entlang einer Kugelfläche. In den Patentansprüchen wird dagegen auf einen Schnitt durch eine Ebene, die parallel ver setzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche im vorderen Bereich des Gewindesegments liegt, abgestellt. Die letztgenannte Schnittdarstellung entspricht in erster Näherung lokal, im in Drehrichtung vorderen Bereich der Schneide des Gewindesegments dem in Fig. 12 dargestellten Schnitt.

In dem in Fig. 12 dargestellten Schnitt verjüngt sich das Ge windesegment ausgehend von seiner Stirnfläche 10 bis zur näch sten Gewindenut 9. Die geschnittene Fläche des Gewindesegments ist schraffiert dargestellt, mit 15 sind die Fußlinien des Ge windesegments auf der Gewindegrundfläche 18 bezeichnet (vergl. Fig. 5). Die Verjüngung der Gewindesegmente in Längsrichtung bewirkt, daß die Stirnfläche 10 an ihren außen liegenden Schneidkanten jeweils einen Freiwinkel hat (es ist nur der Frei winkel α₁ auf einer Seite bezeichnet).

Durch die abnehmende Breite des Gewindesegments entlang seiner Länge wird ferner bewirkt, daß die Schneidkanten des Gewinde segments über die verlängerte Einhüllende des voraus laufenden Gewindesegmentendes beidseitig hinaus ragen und somit direkt wirkende Schneiden realisieren, die auch wirksam sind, wenn kein Knochenmaterial elastisch in die vor den Schneiden liegende Gewindenut 9 zurückdrängt.

In Fig. 13 ist eine Ansicht wie in Fig. 12 für eine alternati ve Ausführungsform dargestellt. Bei der Ausführungsform nach Fig. 13 ist nur auf der polseitigen oder in Eindrehrichtung liegenden Seite der Stirnfläche 10 des Gewindesegments ein Frei winkel α₁ in Verbindung mit einem direkt wirksamen Keilwinkel β₁ und einem Spanwinkel γ₁ vorgesehen.

Gemäß einem alternativen Aspekt kann das Gewindesegment in der Schnittdarstellung von Fig. 13 auch so ausgeführt werden, daß es keinen Freiwinkel γ₁ hat, aber die in Eindrehrichtung vorne liegende Schneidkante durch eine Schneidlippe der Breite b er setzt ist, wie sie in Fig. 14 dargestellt ist, die effektiv eine freiwinkelähnliche Wirkung realisiert. Im Bereich der Schneidlippe ist das Gewindesegment also verbreitert ausgeführt, und springt danach um eine Stufe a zurück. Die Breite b der Schneidlippe kann z. B. 0,3 mm und die Tiefe a hinter der Schneidlippe z. B. 0,05 mm betragen.

In den Fig. 9 bis 11 sind Ansichten des Gewindes entsprechend einer Schnittdarstellung durch die Ebene A-B aus Fig. 5 darge stellt. Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform ver mindert sich, im Gegensatz zu dem in Fig. 6 dargestellten be kannten Gewinde, die Höhe des Gewindekontur 14 über der Grund fläche 18. Dadurch wird in dieser Schnittebene ein Freiwinkel α' der Schneide des Gewindesegments realisiert. Die Höhe des Gewin desegments über dem Gewindegrund nimmt im Verlauf der Länge eines Gewindesegments vom Anfangspunkt zum Endpunkt in Drehrich tung ab.

Dabei erhält jedoch die gekrümmte Gewindekontur 14 mit kontinu ierlich abnehmender Gewindehöhe im Gegensatz zu einer gerade abgeflachten Gewindekontur wie in Fig. 3 und Fig. 4 mehr Ge windesegmentfläche, d. h. die Verlustfläche 13, die in den Fig. 3 und 10 angedeutet ist, wird minimiert. Die Verlustfläche 13 ist diejenige Fläche, die dem Gewinde zur Lagerung oder Ver ankerung im Knochen effektiv verlorengeht. Die Realisierung des Freiwinkels α' durch eine kontinuierlich gekrümmten Gewindekon tur, deren Höhe über der Gewindegrundfläche abnimmt, ist daher im Sinne einer besseren Verankerung der Schraubpfanne im Knochen vorteilhaft.

In den Fig. 10 und 11 sind alternative Gestaltungen der Ge windenuten 9 dargestellt, die zu unterschiedlichen Formen der Schneide führen. Bei der in Fig. 11 dargestellten Ausführungs form ist die Gewindenut 9 schräg eingefräst, so daß die Schneide in dieser Schnittansicht einen Spanwinkel γ' erhält.

Diese Gewindekontur realisiert mit ihrem Freiwinkel α' in erster Linie die Kompensation der geometrisch bedingten Durchmesserzu nahme nach einer Gewindespitze, die im Fall eines nicht vorhan denen Freiwinkels, also α' = 0, beim Eindringen des Gewindes zu einem Rückenanlauf der Gewindeaußenkontur am knöchernen Lager führen würde.

Claims

1. Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk, mit einem selbstschneidenden Spitz-, Sägezahn-, Trapez- oder Rundge winde auf einer Gewindegrundfläche eines Schraubpfannen grundkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gewindeseg ment im in Drehrichtung vorderen Bereich mit einer Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, daß sie im Schnitt in einer Ebene, die parallelversetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche (18) im vorderen Bereich liegt, einen Freiwinkel α hat.

2. Schraubpfanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide im vorderen Bereich jedes Gewindesegments wei terhin mit einer Spanfläche so geformt ist, daß sie im Schnitt in der Ebene, die parallelversetzt zur Tangential ebene an die Gewindegrundfläche (18) liegt, einen Spanwinkel γ hat.

3. Schraubpfanne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite jedes Gewindesegments in einem Schnitt auf kon stonter Höhe über der Gewindgrundfläche vom in Drehrichtung vorderen Bereich entlang der gesamten länge des Gewindeseg ments kontinuierlich abnimmt.

4. Schraubpfanne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß jede Schneide so geformt ist, daß sie im Schnitt in der Ebene, die parallelversetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche im Bereich der Schneide liegt, mit ihrer vorderen Schneidkante über die Einhüllende des in Drehrichtung voraus laufenden Gewindeseg mentendes in Eindrehrichtung hinausragt.

5. Schraubpfanne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Freiwinkel α größer als 0.01 (Bogenmaß) ist.

6. Schraubpfanne nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanwinkel γ größer als 0,01 (Bo genmaß) ist.

7. Schraubpfanne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der in Drehrichtung vordere Be reich jedes Gewindesegments mit einer weiteren Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, daß das Gewindesegment im Profillängsschnitt (d. h. durch eine im vorderen Bereich des Gewindesegments tangential zur räumlichen Spirallinie des Gewindelaufs liegende Ebene) einen Freiwinkel α' hat.

8. Schraubpfanne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Schneide ferner mit einer Spanfläche so geformt ist, daß das Gewindesegment im Profillängsschnitt einen Span winkel γ' hat.

9. Schraubpfanne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiwinkel α' durch einer kontinuierlich gekrümmten Gewindekontur (14), deren Höhe über der Gewindegrundfläche (18) abnimmt, realisiert ist.

10. Schraubpfanne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Freiwinkel α größer als 0,01 (Bogenmaß) ist.

11. Schraubpfanne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spanwinkel γ' größer als 0,01 (Bogenmaß) hat.

12. Schraubpfanne für ein künstliches Hüftgelenk, mit einem selbstschneidenden Gewinde auf einer Gewindegrundfläche eines Schraubpfannengrundkörpers, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Gewindesegment im in Drehrichtung (11) vorderen Bereich mit einer Schneide mit einer Freifläche so geformt ist, daß sie im Schnitt in einer Ebene, die parallelversetzt zu einer Tangentialebene an die Gewindegrundfläche (18) im vorderen Bereich liegt, einen Spanwinkel γ hat, und in die sem Schnitt im vorderen Bereich verbreitert ist, so daß die vordere Schneidkante aufgrund der Verbreiterung über die Einhüllende des in Drehrichtung voraus laufenden Gewindeseg mentendes hinausragt.