DE2244064C3 - Endoprothese für ein Kniegelenk - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Endo-Prothese für ein Kniegelenk, bestehend aus einem im Femurknochen verankerbaren Oberteil, dessen gelenkseitiges Ende beidseitig einer Mittelebene angeordnete, im Seitenriß den Kondylen des Femur empirisch nachgebildete Tragflächen auhveist, ferner bestehend aus einem im Schienbein verankerbaren Unterteil, der tibiaplaieauähnliche, im Seitenriß kreisförmige Abrollflächen aufweist.

Bei der Konstruktion der sogenannten Endo- oder Implantationsprothesen sind unter anderem zwei wesentliche Forderungen zu beachten, die von medizinischer Seite gestellt werden. Zum einen soll die mit der Prothese erreichbare Bewegung möglichst weitgehend derjenigen des natürlichen Gelenkes entsprechen, um unnatürliche Be- und Überlastungen anderer Körperteile und Organe durch falsche Bewegungsabläufe oder durch eine falsche Lage der Gelenkpunkte möglichst weitgehend zu vermeiden. Zum zweiten soll ein Einsetzen und der Sitz der Prothesenteile in den das natürliche Gelenk bildenden Knochen unter möglichster Schonung dieser Knochen erreicht werden, d. h. für das Einsetzen der Prothese soll möglichst nur das unbedingt notwendige Minimum an Substanz von den genannten Knochen entfernt werden müssen.

Die Beachtung der vorstehend genannten Forderungen bereitet bei Kniegelenkprothesen hauptsächlich aus zwei Gründen erhebliche Schwierigkeiten. Zum einen ist der Bewegungsablauf des natürlichen Kniegelenks relativ kompliziert, da bei einer Beugung des Knies nicht nur eine Drehung, sondern gleichzeitig zur Verkürzung des aus der Hüfte heraus bewegten Beines auch eine Relativverschiebung des Oberschenkels gegenüber dem Unterschenkel mit einer Bewegungskomponente in horizontaler Richtung stattfindet. Zum zweiten sind die Gelenkflächen des natürlichen Ober- und Unterschenkels als relativ flache Kondylen bzw. Schalen ausgebil" det und lediglich durch die Bänder relativ zueinander gehalten.

Zur Erfüllung dieser Forderungen sind Kniegelenkprothesen bekannt — siehe z. B. H. B. G r 0 e η e ν e 1 d u. a. »Eine Kniegelenkstotalendoprothese unter Erhaltung der Kreuz- und Seitenbänder«, Zeitschrift für Orthopädie, Sept. 1971, S. 599 bis 607, insbesondere Seite 600, Abb. 2 —, bei denen Ober- und Unterteil nicht mechanisch miteinander verbunden sind; bei diesen Konstruktionen verschieben sich die kondylenartigen Enden des Oberteils, gehalten von den Kreuz- und Seitenbändern des Kniegelenks, gleitend auf den zumindest noch weitgehend funktionstüchtigen Gegenflächen des Schienbeins, die gegebenenfalls u. U. durch plattenartige, aus Metall oder Kunststoff gefertigte Teile ersetzt sein können.

Unbedingte Voraussetzung für die Anwendung dieser bekannten Prothese ist daher das Vorhandensein eines funktionstüchtigen Bänderapparates; diese Bedingung ist in sehr vielen Fällen nicht mehr gegeben.

Ferner ist bereits eine scharnierlose Kniegelenkprothese vorgeschlagen worden (DT-AS 22 27 090), bei der eine Kufe in einer Führungsnut geführt wird, um die Stabilität des Gelenkes bei beschädigten Bändern zu verbessern. Bei starken Beschädigungen der Bänderund des Beuge- und Streckapparates ist die mit dieser Prothese erreichte Stabilität ungenügend. Darüber hinaus ermöglicht sie keine physiologisch mindestens annähernd richtigen Bewegungsabläufe, da die Abrollflächen des Oberteils und die Gegenflächen des Unterteils hier konzentrische Kreiszylinderflächen sind; mit dieser Prothese ist daher nur eine reine Drehbewegung um eine feste Achse möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Prothese zu schaffen, bei der eine möglichst weitgehend physiologische Beugebewegung des Knies ermöglicht wird, auch wenn die diskutierten Prothesen wegen schwerwiegender Schäden an dem Bänderapparat nicht mehr einsetzbar sind.

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten Prothese erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Tragflächen des Oberteils von einer zwischen ihnen gelegenen, gabelartigen Halterung gehalten sind, in deren Schenkel etwa am Ort des Drehpunkts eines natürlichen Kniegelenks eine Achse vorhanden ist, und daß ferner zwischen den Abrollflächen des Unterteils ein zwischen die Schenkel der gabelförmigen Halterung einschiebbarer Steg vorgesehen ist, der ein Langloch für die Aufnahme der Achse hat, wobei Form und Lage des Langloches in Verbindung mit der kondylenähnlichen Ausbildung der Tragflächen empirisch derart gestaltet sind, daß die durch die Form des Langloches gesteuerte Bewegung der Achse des Oberteils ein möglichst weitgehend physiologisches, gleitendes Abrollen der Tragflächen des Oberteils auf den Abrollflächen des Unterteils gewährleistet.

Die bei einem natürlichen Knie von den Kreuzbändern verhinderte ScitenbewegHchkeit der relativ flachen Kondylen zu dem Tibiaplateau und ebenso das von den Seitenbändern verhinderte seitliche Ausknicken des Femur relativ zum Unterschenkel werden bei der neuen Konstruktion durch die Führung des Stegs in der gabelartigen Halterung verhindert, ohne daß es dabei zu

wesentlichen Beeinträchtigungen des physiologisch richtigen Ablaufs der Beugebewegung kommt, da der Ablauf dieser Bewegung nicht — wie es bei den eingangs geschilderten scharnierlosen Konstruktionen — als eine reine Drehung durch die nur zur s Steuerung dienende Achse erzwungen wird, sondern allein durch das gleitende Abrollen der kondylenähnlichen Tragflächen auf den tibiaplateauähnlichen Abrollflächen bestimmt ist.

Der Verlauf der Mittellinie des Langlochs unter Berücksichtigung der kondylenähnlichen Form der Tragflächen des Oberteils wird empirisch ermittelt und verläuft beispielsweise von der in Streckstellung des Kniegelenks eingenommenen, untersten Lage der Achse aus, gegen eine horizontale Ebene durch die Abrollflächen geneigt, bis zu einer Bewegung des Gelenks von etwa 90° nach vorn ansteigend und ist anschließend nach rückwärts abgewinkelt; diese Mittellinie kann jedoch auch im unteren Bereich des Langlochs — statt nach vorn ansteigend zu verlaufen — » mindestens nahezu senkrecht auf einer horizontalen Ebene stehen.

Die relative Anordnung und die Abmessungen von Achse, Langloch, Tragflächen und Abrollflächen sind derart aufeinander abgestimmt, daß die Achse von einer tragenden Belastung entlastet ist.

Darüber hinaus kann eine der aufeinander abrollenden Flächen eine Oberflächenschicht aus Kunststoff aufweisen.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels nachstehend im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt dabei eine Seitenansicht des Prothesenoberteils,

F i g. 2 stellt eine Ansicht dieses Oberteils in Richtung des Pfeiles A von F i g. 1 dar,

F i g. 3 und 4 geben in der gleichen Darstellungsweise den Unterteil der Prothese wieder, wobei

Fig.4 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles B von Fig. 3 ist,

F i g. 5 ist eine Aufsicht auf die Anordnung nach F i g. 3,

F i g. 6 und 7 zeigen die zusammengebaute Prothese in Streck- (Fig.6) bzw. Beugestellung (Fig.7) des Kniegelenks, wobei der Oberteil teilweise im Schnitt dargestellt ist.

Der Oberteil (F i g. 1 und 2) der Prothese besitzt einen sich gegen sein freies Ende verjüngenden, nicht in seiner ganzen Länge dargestellten Schaft 1, der im Querschnitt im wesentlichen viereckig ausgebildet ist, abgerundete Kanten und Auskehlungen 2 besitzt und zur Verankerung des Oberteils im Oberschenkel dient. Der Schaft 1 geht über eine gabelartige Halterung 3, an deren scheibenförmige Schenkel 5 einfach gekrümmte Tragplatten 4 mit Tragflächen 6 angesetzt sind. Die Tragflächen 6 der Tragplatten 4 stellen im Seitenriß eine aus mehreren Kreisbögen mit verschiedenen Radien und unterschiedlichen Mittelpunkten erzeugte Kurve dar; Form und Abmessungen dieser Kurve sind rein empirisch in etwa den Gelenkflächen eines natürlichen Oberschenkels nachgebildet, wobei die Abmessungen beispielsweise aus einer Vielzahl von Röntgenaufnahmen natürlicher Gelenke als Mittelwert bestimmt und im Blickpunkt auf ein möglichst stoßfreies Abrollen des Oberteils auf dem Unterteil korrigiert worden sind.

In den scheibenförmigen Schenkeln 5 der Halterung 3 ist eine Bohrung 7 vorhanden, deren Lage in den im Seitenriß vorhandenen Scheibenflächen der Schenkel 5 experimentell ermittelt worden ist Die Bohrung 7 dient zur Aufnahme der Achse 8 (F i g. 6 und 7).

Der Unterteil der Prothesü besitzt für die Verankerung im Schienbein einen schaftartigen Ansatz 10, der ähnlich dem Schaft 1 des Oberteils ausgebildet ist; gegen unbeabsichtigte Drehungen im Unterschenkelknochen ist der Schaft 10 durch einen dreieckigen Ansatz 12 gesichert. Auf diesem Schaft tO sitzt eine Bodenplatte 11, deren dem Oberteil zugewandten, ebenfalls einfach gekrümmten Abrollflächen 9 in Anlehnung an die Oberfläche natürlicher Schienbeinknochen und der Einfachheit halber im Seitenriß kreisförmig ausgebildet sind; auf den Abrollflächen 9 können die Tragflächen 6 des Oberteils beim Beugen und Strecken gleitend abrollen.

Zwischen den beiden Flächen 9 ist erfindungsgemäß ein Steg 14 angeordnet, der eine langlochartige Ausnehmung 15 besitzt, in die die in sie mit Spiel eingreifende Achse 8 während der Implantation eingesetzt wird. Das Langloch 15 ist mit seiner Längsachse gegen die Abrollflächen 9 nach rückwärts aufwärts geneigt und besitzt eine nach hinten gekrümmte etwa nierenförmige Gestalt. An seiner Vorderseite weist es eine mit einem Verschlußstück 16 verschließbare öffnung auf, in die während Implantatior.soperation die Achse 8 eingeschoben werden kann. Nach dem Einsetzen der Achse 8 des Oberteils wird das Verschlußstück 16 in die öffnung eingesetzt und durch Schrauben 17, die in entsprechende Gewindebohrungen des Steges 14 eingeschraubt werden, befestigt.

Beide Prothesenteile sind aus einer der bekannten, für Implantatprothesen bereits bewährten Metallegierungen hergestellt, die vor allem aus Kobalt, Chrom, Nickel und Molybdän besteht.

In die Seitenflächen des Steges 14 sind in durchgehende Bohrungen Gleitelemente 18 aus Kunststoff, beispielsweise aus Polyester, eingesetzt, die durch Keilwirkung und ihre Elastizität im Preßsitz gehalten werden. Darüber hinaus sind in die Abrollflächen 9 ebenfalls aus Kunststoff bestehende, als reibungsarme Gleitschicht wirkende Körper 19 eingebettet, die über Stifte 20 in ihrer richtigen Lage fixiert und durch Schrauben 21 in der Platte 11 verankert sind. Diese zwischen jeweils relativ zueinander bewegten Metallteilen vorhandenen Kunststoffelemente 18 und 19 haben die Aufgabe, das Reiben zweier Metallteile aufeinander mindestens weitgehend zu verhindern. Darüber hinaus wird durch die Elemente 19 gleichzeitig eine gewisse Elastizität und Dämpfung zwischen beiden Prothesenteilen vor allem beim Belasten erreicht.

Wie Fig.6 zeigt, befindet sich die Achse beim gestreckten Knie im vorderen, unteren Teil der Ausnehmung 15; während der Beugebewegung wandert sie im Langloch 15 zunächst praktisch senkrecht nach oben, bis eine Abbiegung von 90° erreicht ist; geht das Abbeugen des Knies über 90° hinaus, so verschiebt sich die mit geringem Spiel im Langloch 15 gelagerte Achse 8 nach hinten aufwärts, was einer weitgehenden Nachahmung der Bewegung des natürlichen Knies entspricht. Bei starken Beugungen kommt es dabei zum Abheben der Flächen 6 und 9 voneinander. Die erwähnte Horizontalverschiebung wird dabei dadurch vollzogen, daß die beiden Flächen δ und 9 wegen der Führung der Achse 8 im Loch 15 nicht nur aufeinander abrollen können, sondern sich beim Abrollen gleichzeitig relativ gleitend verschieben. Eine noch weitergehende Annäherung an die natürliche Bewegung kann im Bereich für eine Beugung bis 90° erzielt werden, wenn

die Form des Langloches im unteren Teil nicht senkrecht, sondern schräg nach vorne aufwärts verläuft und dann erst in seinem oberen Teil nach hinten gekrümmt ist.

Die neue Endoprothese ermöglicht so auf einfache Weise, die von einem natürlichen Kniegelenk vollzogene Horizontalverschiebung zwischen Ober- und Unterschenkel auch mit einer Prothese durchzuführen, die auch bei fehlendem Bänderapparat einsetzbar ist, ohne daß dabei auf komplizierte, mit mehreren Achsen und Federn versehene Konstruktionen zurückgegriffen werden muß, wie sie beim Bau von Exoprothesen üblich sind.

Da die Achse 8 im Langloch 15 genauer und exakter geführt werden kann, wenn das auf dem Gelenk lastende Körpergewicht nicht von der Achse 8 und dem Langloch 15 übertragen wird, sind die Abmessungen und Abstände der einzelnen Elemente, wie z. B. die Abstände des Langloches 15 und der Achse 8 von den Abroll- bzw. Tragflächen 9 bzw. 6 so aufeinander abgestimmt, daß das Gewicht von den Tragplatten 4 des Oberteils auf die Abrollflächen 9 des Unterteils übertragen wird.

Wie bereits erwähnt, ist für eine einwandfreie Funktion der Prothese von Wichtigkeit, daß die Lage der Achse 8 in den Schenkeln 5 der gabelartigen Halterung 3 des Oberteils sowie die Lage des Langloches 15 im Steg 14 und Größe und Form der Tragflächen 6 der Tragplatten 4 und der kreiszylindrischen Abrollflächen 9 des Unterteils möglichst optimal festgelegt werden. Alle diese Elemente werden daher, ausgehend von natürlichen Kniegelenken, in weitgehender Anlehnung an diese durch Modellversuche bestimmt und in mehreren Schritten nach Möglichkeit optimiert, wobei vorteilhafterweise aus einer Vielzahl von natürlichen Gelenken ein Mittelwert für die Form und Abmessung der erwähnten Flächen und für die Lage der Drehachse relativ zu diesen Flächen ermittelt wird. Der Mittelpunkt der Bohrung 7 bzw. der Führungsachse 8 wird dabei beispielsweise aufgrund der Forderung festgelegt, daß die Achse 8 in etwa im Drehpunkt eines natürlichen Gelenkes liegt und bei einer Beugung des Knies, d. h. beim gleitenden Abrollen der Flächen 6 und 9 aufeinander, möglichst eine minimale Bewegung ausführt, die stetig aufwärts gerichtet ist.

ίο So ergibt sich beispielsweise die Kurvenform der Tragflächen 6 aus drei verschiedenen Kreisbögen, wobei auch die Abrollflächen 9 des Unterteils im Seitenriß einen Kreisbogen mit dem größten der Radien des Oberteils darstellen. Für den Durchmesser der

ij Führungsachse ist ein willkürlicher, jedoch relativ zu den Gesamtabmessungen aus Festigkeitsgründen sinnvoller Wert von 10 mm gewählt worden.

Ausgehend von der zunächst bestimmten Form der Tragflächen 6 und von der Lage für Führungsachse 8 im

»o Oberteil sowie vom Radius der Abrollflächen 9 de: Unterteils wird dann Form und Lage des Langloches Ii bestimmt, indem zunächst bei auf den Abrollflächen S des Unterteils aufliegenden Tragflächen 6 der Tragplat ten 4 die Lage des Mittelpunktes der Bohrung 7 auf derr

ij Steg 14 in Streckstellung festgelegt und die Bewegung dieses Mittelpunktes beim Abrollen der Flächen 6 au den Kreisflächen 9 des Unterteils schrittweise ermittel wird.

Die durch den Mittelpunkt erzeugte Kurve ist danr die Mittellinie des Langloches 15, von dem aus seins dem Durchmesser der Achse 8 entsprechende Breite mi einer geringen, nur positiven Toleranz bestimmt wird wobei, wie in F i g. 6 gezeigt, das Langloch 15 nach unter etwas erweitert wird, um die Führungsachse 8 mi Sicherheit von tragenden Belastungen frei zu halten.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

1. Patentansprüche:

   1 Endoprothese für ein Kniegelenk, bestehend aus einem im Femurknochen verankerbaren oerteil, dessen gelenkseitiges Ende beidseitig einer Mittelebene angeordnete, im Seitenriß den Kondylen des Femur empirisch nachgebildete Tragflächen aufweist, ferner bestehend aus einem im Schienbein verankerbaren Unterteil, der tibiaplaieauähnliche, im Seitenriß kreisförmige Abrollflächen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragflächen (6) des Oberteils von einer zwischen ihnen gelegenen, gabelartigen Halterung (3) gehalten sind, in deren Schenkel (5) etwa am Ort des Drehpunkts eines natürlichen Kniegelenks eine Achse (8) vorhanden ist, und daß ferner zwischen den Abrollflächen (9) des Unterteils ein zwischen die Schenkel (5) der gabelförmigen Halterung (3) einschiebbarer Steg (14) vorgesehen ist, der ein Langloch (15) für die Aufnahme der Achse (8) hat, wobei Form und Lage des Langloches (15) in Verbindung mit der kondylenähnlichen Ausbildung der Tragflächen (6) empirisch derart gestaltet sind, daß die durch die Form des Langloches (15) gesteuerte Bewegung der Achse (8) des Oberteils ein möglichst weitgehend physiologisches, gleitendes Abrollen der Tragflächen (6) des Oberteils auf den Abrollflächen (9) des Unterteils gewährleistet.
2. 2. Endoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der aufeinander abrollenden Flächen (6 bzw. 9) eine Oberflächenschicht (19) aus Kunststoff aufweist.