DE2139878B2 - Artificial hip joint assembly - has flay-topped head with suction passage between pump chamber and external surface - Google Patents
Artificial hip joint assembly - has flay-topped head with suction passage between pump chamber and external surfaceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung geht aus von einer Hüftgelenkendoprothese, bestehend aus einer Gelenkpfanne und einem Schaft, der einen als Kolbenpumpe wirkenden zylindrischen Zapfen trägt, auf dem ein kugelförmiger Gelenkkopf mit einer den Zapfen aufnehmenden Ausnehmung verschiebbar aufgesetzt ist und bei dem der Gelenkkopf einen in die Ausnehmung für den Zapfen führenden Schmierkanal aufweist, der das durch die Bewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes gebildete Pumpvolumen mit dem Zwischenraum zwischen den Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf verbindet.The invention is based on a hip joint endoprosthesis, consisting of a joint socket and a Shaft that carries a cylindrical pin acting as a piston pump, on which a spherical pin Articulated head is slidably placed with a recess receiving the pin and in which the joint head has a lubrication channel leading into the recess for the pin, which through the the movement of the pin in the recess of the joint head with the space formed by the pump volume connects between the sliding surfaces of the joint socket and joint head.
Eine derartige Hüftgelenkendoprothese ist aus der schweizerischen Patentschrift 4 90 077 bekannt, bei der versucht wurde, die Lebensdauer eines solchen Gelenks durch eine »Schmierung« der beweglichen Teile zu erhöhen. Dies ist jedoch bei dieser Konstruktion der Prothese nicht in erforderlichem Maße möglich, weil weder in dem hierfür vorgeschlagenen Schmierkanal noch in zum Zweck der Schmierung vorgesehenen Spielräumen zwischen Kopf und Pfanne in irgendeiner Phase des Bewegungsablaufs ausreichende Mengen an Gelenkflüssigkeit angesammelt werden können, da der als »Kolbenpumpe« gedachte zylindrische Zapfen nicht wirksam werden kann. Somit wird der an den noch nicht artikulierenden Flächen etwa adhäsiv vorhandene Flüssigkeitsfilm zu Beginn der Belastungsphase beim Aufeleiten oder/und Abrollen der Flächen gegeneinander von diesen verdrängt, so daß es nicht zum Aufbau einer tragenden Flüssigkeitsschicht kommtSuch a hip joint endoprosthesis is known from Swiss Patent 4 90 077, in which Attempts have been made to extend the service life of such a joint by "lubricating" the moving parts raise. However, this is not possible to the required extent with this construction of the prosthesis, because neither in the lubrication channel proposed for this nor in the one provided for the purpose of lubrication Adequate amounts of clearance between the head and the pan at any stage of the movement Synovial fluid can accumulate because the cylindrical pin, which is intended as a "piston pump", does not can take effect. In this way, the adhesive becomes approximately adhesive on the not yet articulating surfaces Liquid film at the beginning of the load phase when the surfaces are directed and / or rolled against each other displaced by these, so that there is no build-up of a load-bearing liquid layer
Die Gründe für die mangelhafte Pumpwirkung sind in folgenden physikalisch und anatomisch bedingten Umständen zu sehen:The reasons for the inadequate pumping effect are physically and anatomically conditioned as follows Circumstances to see:
Zum einen enthält die genannte Konstruktion kein Element, welches eine Rückstellkraft des Kolbens erzeugen könnte. Daher wird keine Axialbewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes erzeugtOn the one hand, the construction mentioned does not contain any element that would exert a restoring force on the piston could generate. Therefore, no axial movement of the pin is generated in the recess of the joint head
ίο und somit auch keine Gelenkflüssigkeit in ein etwa vorgeformtes Pumpvolumen gefördert. So'.lte dennoch in seltenen, anatomisch eigentümlich gelagerten Fällen in der Entlastungsphase des Beines eine geringförmige Axialverschiebung des zylindrischen Zapfens in distalerίο and therefore no synovial fluid in any way conveyed preformed pump volume. So'.lte nevertheless in rare, anatomically peculiar cases, a slight shape in the relieving phase of the leg Axial displacement of the cylindrical pin in the distal direction
'S Richtung erfolgen und somit durch einen Schmierkanal eine minimale Flüssigkeitsmenge angesaugt werden, so wird durch eben diesen Kanal die Flüssigkeit während der Belastungsphase wieder in die Gelenkkapsel zurückgeführt, wodurch allenfalls eng benachbarte Teile'S direction and thus through a lubrication channel If a minimal amount of liquid is sucked in, then the liquid is drawn in through this channel during the stress phase is fed back into the joint capsule, which at most closely adjoins parts
;» der Oberfläche des Zapfens benetzt werden können, so daß in diesem Falle die Gelenkflüssigkeit im steten Wechsel Entlastung — Belastung nur im Schmierkanal und Pumpvolumen oszilliert.; » the surface of the pin can be wetted so that in this case the synovial fluid in constant alternation relief - load only in the lubrication channel and pump volume oscillates.
Keinesfalls kann die Flüssigkeit zwischen die Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf gepumpt werden, da es hierzu einer Ventilwirkung bedarf und außerdem gemäß dem hydraulischen Grundgesetz das Flächenverhältnis der Stirnfläche des Zapfens bzw. des Pumpvolumens zu der freien Fläche des Gelenkkop-Under no circumstances can the liquid be pumped between the sliding surfaces of the joint socket and the joint head as this requires a valve action and also in accordance with the basic hydraulic law the area ratio of the end face of the journal or the pump volume to the free area of the joint head
JO fes an der Austrittsöffnung kleiner als »eins« sein muß. Durch bei ausreichend kleinem Spiel zwischen Zapfen und Ausnehmung durch diesen erzeugte Kompression der Flüssigkeit wird ein gleichgroßer Druck im Pumpvolumen und in dem zu den GleitflächenJO fes at the outlet opening must be less than "one". With a sufficiently small clearance between the pin and the recess, the compression generated by the latter the liquid is an equal pressure in the pump volume and in that to the sliding surfaces
J5 führenden Schmierkanal hervorgerufen. Da nun bei Beginn des Belastungsvorganges aufgrund der vorhandenen Kongruenz der Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf diese formschlüssig aneinander anliegen, verschließt die Gleitfläche der Gelenkpfanne dieJ5 leading lubrication channel caused. Since now at Beginning of the loading process due to the existing congruence of the sliding surfaces of the joint socket and joint head, these rest against one another in a form-fitting manner, the sliding surface of the joint socket closes the
Öffnung des Schmierkanals des Gelenkkopfes. Es kann daher keine Flüssigkeit aus dem Pumpvolumen zwischen die Gleitflächen gefördert werden, da die infolge des geringen Öffnungsquerschnitts des Schmierkanals zwischen den beiden Gleitflächen herrschende KraftOpening of the lubrication channel of the joint head. There is therefore no liquid from the pump volume between the sliding surfaces are promoted, as the result of the small opening cross-section of the lubrication channel force prevailing between the two sliding surfaces
•'5 geringer ist, als jene bei gleichem Druck auf die Stirnfläche des Zapfens wirkende Kraft. Somit kann keine Trennung der Gleitflächen erfolgen.• ' 5 is less than the force acting on the end face of the pin with the same pressure. This means that the sliding surfaces cannot be separated.
Diese Konstruktion kann auch keine wirksame Stoßdämpfung ausüben, da die Gleitflächen auch in der sogenannten »Entlastungsphase« nicht voneinander getrennt werden, um sich bei wiedereinsetzender Belastung unter elastischer oder/und hydraulischer Energieabsorption wieder einander anzunähern.This construction can also not exercise effective shock absorption, since the sliding surfaces also in the so-called »relief phase« cannot be separated from each other in order to re-establish themselves Load under elastic and / or hydraulic energy absorption to approach each other again.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung der Stoßabsorption und der Schmierung der Gleitflächen zwischen Gelenkpfanne und Gelenkkopf durch Einspritzen von in der Entlastungsphase angesaugter Gelenkflüssigkeit jeweils zu Beginn und während der Belastungsphase zu erzielen.The invention is therefore based on the object of improving shock absorption and lubrication the sliding surfaces between the joint socket and the joint head by injecting in the relief phase to achieve sucked synovial fluid at the beginning and during the exercise phase.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gelenkkopf eine im Zenit seiner Oberfläche liegende Abplattung aufweist, deren Fläche größer ist als die Stirnfläche des Zapfens, daß der Gelenkkopf einen Saugkanal aufweist, der das Pumpvolunien mit der vonThis object is achieved in that the joint head has a surface located at the zenith of its surface Has flattening, the area of which is larger than the end face of the pin, that the joint head one Has suction channel, which the pump volume with that of
('5 der Gelenkpfanne nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkopfes verbindet, und daß im Saugkanal ein Ventil angeordnet ist. ( ' 5 of the joint socket does not connect the outer surface of the joint head, and that a valve is arranged in the suction channel.
Damit werden die Vorteile erreicht, daß zu BesinnThis achieves the advantages of being sensible
eines jeden Belastungszyklus der Hüftgelenkendoprothese eine ausreichende Menge an Gelenkflüssigkeit im Pumpvolumen zur Verfügung steht und daß diese im weiteren Verlauf der Bewegung des Zapfeiu infolge der Ventilwirkung in den Schmierkanal gepreßt und von dort aufgrund der Abplattung an der Gleitfläche des Gelenkkopfes in den Zwischenraum der Gleitflächen gespritzt wird. Bei diesem Vorgang heben sich die Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf voneinander ab, wobei der solchermaßen zwischen diesen Flächen entstehende tragende Flüssigkeitsfilm die Festkörperreibung zwischen den Flächen aufhebt und damit eine optimale Sdimierwirkung erzeugta sufficient amount of synovial fluid in the Pump volume is available and that this in the further course of the movement of the Zapfeiu as a result of the Valve effect pressed into the lubrication channel and from there due to the flattening on the sliding surface of the Rod end is injected into the space between the sliding surfaces. During this process, the Sliding surfaces of the joint socket and joint head from one another, with the so between these The load-bearing liquid film created by the surfaces cancels the solid-state friction between the surfaces and so that an optimal diminishing effect is generated
In Weiterbildung der Erfindung weist der Gelenkkopf und der Lagerzapfen ein Spiel von mindestens 0,015 mm auf. Hierdurch wird durch die rückgestaute Gelenkflüssigkeit in der Druckphase die Innenfläche der Ausnehmung und die Lauffläche des Zapfens gleichzeitig geschmiert, die die Einspritzwirkung nicht wesentlich beeinträchtigt, und eine erhebliche Leichtgängigkeit erreicht.In a further development of the invention, the joint head and the bearing pin have a play of at least 0.015 mm on. As a result, the back-up synovial fluid in the pressure phase causes the inner surface of the The recess and the running surface of the pin are lubricated at the same time, which does not significantly affect the injection efficiency impaired, and achieved a considerable ease of movement.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem Gelenkkopf und der Stirnfläche des Zapfens ein Federelement angeordnet. Damit wird eine erhebliche elastische Stoßabsorption erreicht, die gleichfalls eine erhöhte Lebensdauer der Hüftgelenkendoprothese erwarten läßt.According to another development of the invention, between the joint head and the end face of the Pin arranged a spring element. This achieves a considerable elastic shock absorption, which likewise an increased service life of the hip joint endoprosthesis can be expected.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausbildung einer Hohlkehle an der von der Gelenkpfanne nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkopfes, von jo der der Saugkanal zum Pumpvolumen führt. Hiermit wird erreicht, daß im Falle einer zeitweilig möglicherweise auftretenden teilvveisen Anlagerung der sekundären Gelenkkapsel aus einem freien Sektor derselben Flüssigkeit Zugang zum Saugkanal findet.Another embodiment of the invention is the formation of a groove on that of the joint socket not included outer surface of the joint head, from which the suction channel leads to the pump volume. Herewith it is achieved that in the event of a temporary accumulation of the secondary Joint capsule finds access to the suction channel from a free sector of the same fluid.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigtThe invention is explained in detail with reference to the drawings. It shows
F i g. 1 die Hauptteile der erfindungsgemäßen Hüftgelenkendoprothese: den stielförmigen Schaft (2), der im Oberschenkelknochen befestigt wird mit seinem kolbenartigen Zapfen (1), und der Zapfenstirnfläche (Fi). F i g. 1 the main parts of the hip joint endoprosthesis according to the invention: the stem-shaped shaft (2), which is fastened in the thigh bone with its piston-like pin (1), and the pin face (Fi).
Weiter zeigt Fig. 1 den Gelenkkopf (4) mit seinem zylindrischen Halsteil (11), dem Schmierkanal (6), der die Ausnehmung (3) des Gelenkkopfes mit der Abplattung (F2) der Gleitfläche (14) des Kopfes (4) verbindet, der Ansaugöffnung (9') für die Gelenkflüssigkeit, dem Federelement (8), der Hohlkehle (15) und dei Schnittlinie (10) der Durchdringung von sphärischem Kopf (4) und zylindrischem Halsteil (11).Fig. 1 also shows the joint head (4) with its cylindrical neck part (11), the lubrication channel (6) which connects the recess (3) of the joint head with the flattening (F2) of the sliding surface (14) of the head (4), the suction opening (9 ') for the synovial fluid, the spring element (8), the groove (15) and the intersection line (10) of the penetration of the spherical head (4) and the cylindrical neck part (11).
Die mit Verstärkungs- und Befestigungsrippen sowie so bolzenartigen Vorsprüngen, die gleichfalls der Verankerung im Beckenknochen dienen, versehene Gelenkpfanne (5) weist an der Innenseite eine Gleitfläche (/) auf, die der beweglichen Lagerung des Kugelkopfes (4) dient.The ones with reinforcement and fastening ribs as well as bolt-like projections, also those of the anchoring serve in the pelvic bone, provided joint socket (5) has on the inside a sliding surface (/), which the movable mounting of the ball head (4) is used.
F i g. 2 zeigt die aus ihren Einzelelementen (2), (4) und (5) zusammengesetzte Hüftgelenkendoprothese in einer beispielsweisen Verankerung im Beckenknochen (19) und im Oberschenkelknochen (19') in vergrößertem Maßstab. (18) und (18') stellen schematisch die mit Knochenzement ausgefüllten Zonen dar. (G) ist die durch das Körpergewicht und die jeweilige Bewegungsphase gegebene Last, (C) die Reaktionskraft, die vom Fußboden über den Oberschenkelknochen (19') in das Gelenk eingeleitet wird Der Zapfen (1) bzw. der Schaft (2) ist in seiner oberen Endstellung (B)bzw. fß'J gezeigt, d. h. am Ende eines Hubes von (A)nach (B)bzv/. von (A') nach (B'), also zum Zeitpunkt der Beendigung einer Lastphase des Bewegungablaufs. In diesem Zustand ist das im Beispiel als Kugelventiil ausgebildete Ventil (17) geschlossen und das Federelement (8) wird durch die Last (G) bzw. durch die Reaktionskraft (C) vorgespannt Das Pumpvolumen der Ausnehmung (3) hat sich um den Kolbenhub A — B verringert und die inkompressible Gelenkflüssigkeit ist durch den SchmierkanalF i g. 2 shows the hip joint endoprosthesis composed of its individual elements (2), (4) and (5), for example anchoring in the pelvic bone (19) and in the thigh bone (19 ') on an enlarged scale. (18) and (18 ') show schematically the zones filled with bone cement. (G) is the load given by the body weight and the respective movement phase, (C) is the reaction force that moves from the floor via the thigh bone (19') into the Joint is initiated The pin (1) or the shaft (2) is in its upper end position (B) or. fß'J shown, d. H. at the end of a stroke from (A) to (B) or /. from (A ') to (B'), i.e. at the end of a load phase of the movement sequence. In this state, in the example designed as Kugelventiil valve is closed (17) and the spring element (8) through the load (G) and by the reaction force (C) The pumping volume biased the recess (3) has at the piston stroke A - B decreases and the incompressible synovial fluid is through the lubrication channel
(6) in das durch die Abplattung F2 der Kopfgleitfläche (14) und die Gleitfläche (7) der Gelenkpfanne (5) gebildete Volumen (V) geströmt Hier übt die unter Druck stehende Flüssigkeit auf die Abplattung (F 2) des Gelenkkopfes (4) nach dem hydraulischen Prinzip eine Kraft K 2 auf diesen aus, die größer ist als die von der Zapfenstirnfläche (Fi) erzeugte in Richtung auf die Pfanne wirkende Kraft K 1.(6) in the result of the flattening F2 of Kopfgleitfläche (14) and the sliding surface (7) of the joint socket (5) volume formed (V) flowed Here exerts the pressurized liquid to the flattening (F 2) of the joint head (4) according to the hydraulic principle, a force K 2 is exerted on the latter, which is greater than the force K 1 generated by the journal face (Fi) in the direction of the socket.
Infolgedessen wird der Gelenkkopf (4) gegen die Spannung des Federelemente!; (8) von der GleitflächeAs a result, the joint head (4) is against the tension of the spring element !; (8) from the sliding surface
(7) der Gelenkpfanne abgehoben und die Flüssigkeit strömt unter hohem Druck allseitig in den so gebildeten Zwischenraum (16) zwischen der Gleitfläche (7) der Pfanne (5) und der Gleitfläche (14) des Gelenkkopfes (4) und fließt von hier entlang der Gleitfläche des Gelenkkopfes in den Außenraum, d. h. in die Gelenkkapsel ab. Im anschließenden Entlastungsvorgang bewegt sich der Zapfen (1) um den Hub von (B)nach (A) und mit ihm der im Oberschenkelknochen verankerte Schaft (2) von (B') nach (A') unter der elastischen Kraft des Federelements (8) in axialer Richtung von der Gelenkpfanne weg. Im Pumpvolumen (3) entsteht folgerichtig ein Unterdruck. Da der Zwischenraum (16) zwischen den Gelenkflächen nun geschlossen ist, öffnet das Ventil (17). Der jetzt an der Ansaugöffnung (9') auftretende Unterdruck saugt in der Gelenkkapsel bei (C) befindliche Gelenkflüssigkeit in den Saugkanal (9). Falls die bei (C) vorhandene Flüssigkeit nicht ausreicht, sorgt die Hohlkehle (15) am halsseitigen Ende des Gelenkkopfes (4) für einen Zufluß aus von (C) weiter entfernt liegenden Bereichen der Kapsel. Die Flüssigkeit strömt infolge des Unterdruckes durch den Saugkanal (9) in das Pumpvolumen (3), wo es für den nächsten Einspritzvorgang zur Verfügung steht, der durch die Aufwärtsbewegung des Zapfens (1) von (A) nach (B) in der gezeichneten Weise eingeleitet wird. Der Hub des Zapfens (1) ist in Grenzen abhängig von der Beschaffenheit des gesamten Gelenkbereiches und beträgt etwa 4 mm. Infolge Spiels von 0,015 mm zwischen Zapfen (1) und Gelenkkopf (4) wird während der erläuterten Funktion eine relative Leichtgängigkeit erreicht und gleichzeitig die Gleitflächen von Zapfen (1) und Pumpvolumen (3) durch die rückgestaute Flüssigkeit in der Druckphase und durch angesaugte Flüssigkeit in der Entlastungsphase selbständig geschmiert, ohne jedoch den erläuterten Einspritzt organg wesentlich zu beeinträchtigen.(7) lifted off the joint socket and the liquid flows under high pressure on all sides into the space (16) thus formed between the sliding surface (7) of the socket (5) and the sliding surface (14) of the joint head (4) and flows from here along the The sliding surface of the joint head into the outer space, ie into the joint capsule. In the subsequent relief process, the pin (1) moves by the stroke from (B) to (A) and with it the shaft (2) anchored in the thigh bone from (B ') to (A') under the elastic force of the spring element (8 ) away from the socket in the axial direction. A negative pressure consequently arises in the pump volume (3). Since the space (16) between the joint surfaces is now closed, the valve (17) opens. The negative pressure now occurring at the suction opening (9 ') sucks the synovial fluid located in the joint capsule at (C) into the suction channel (9). If the liquid present at (C) is insufficient, the groove (15) at the neck end of the joint head (4) ensures an inflow from areas of the capsule that are further away from (C). As a result of the negative pressure, the liquid flows through the suction channel (9) into the pump volume (3), where it is available for the next injection process, which is caused by the upward movement of the pin (1) from (A) to (B) in the manner shown is initiated. The stroke of the pin (1) depends within limits on the nature of the entire joint area and is approximately 4 mm. As a result of the clearance of 0.015 mm between the pin (1) and the joint head (4), relative ease of movement is achieved during the function explained and at the same time the sliding surfaces of the pin (1) and pump volume (3) through the backed up liquid in the pressure phase and through the liquid sucked in self-lubricated during the relief phase, but without significantly impairing the injection process.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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Legal Events
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