DE2432766B2 - Künstliches Kniegelenk - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein künstliches Kniegelenk zur Verbindung eines Ober- mit dem Unterschenkelteil, mit einem daran gegenseitige Führung bewirkenden überschlagend! Gelenkviereck, das einen dem Oberi-'henkelteil zugeordneten Steg, eine dem Unterschenkelteil zugeordnete Koppel und zwei an den jeweils entgegengesetzten Enden des Steges und der Koppel angelenkte, sie? kreuzende Arme aufweist.

Es ist bereits bekannt (vgl. Broschüre »Hilfe fürs Leben« 1967, Seiten 40, 41), daß ein Gelenkviereck einem Gelenk seitliche Stabilität verleiht und dafür sorgt, daß es nicht zu einer Kreisbewegung, sondern nur zu einer Drehgleitbewegung kommt, die weitgehend der natürlichen entsprechen soll. Das in diesem Sinne bereits in den Jahren 1918 bis 1920 beschriebene sogenannte »physiologische« Kniegelenk nach Schede-Habermann ist jedoch nicht als überschlagenes Gelenkviereck ausgebildet und vermag daher die beabsichtigte Ähnlichkeit der mit Gleitflächen versehenen Ober- und Unterschenkelteile mit dem anatomischen Vorbild nur hinsichtlich des Oberschenkels zu erreichen. Sollte man ein derartiges Kniegelenk als Endoprothese verwenden, was zum Zeitpunkt seiner Entwicklung gar nicht beabsichtigt war, müßten somit wenigstens die die Gelenkfläche aufweisenden Teile des Unterschenkels weitgehend abgetragen werden. Da durch die Verwendung eines nicht überschlagenen Gelenkvierecks im Gelenkbereich selbst geometrische und dynamische Verhältnisse geschaffen werden, die von den natürlichen abweichen, was für ein Kunstbein an sich belanglos ist, würde bei einer Verwendung dieser Konstruktion als Endoprothese ein erheblicher Teil des natürlichen Knies zumindest nicht unter Beibehaltung seiner Funktion belassen werden können. Ein auch als Endoprothese verwendbares künstliches Kniegelenk sollte aber gerade die Forderung erfüllen, möglichst viele Komponenten des komplizierten Systems aus Cjclcnkflächcn, Kniescheibe, Menisken, Seitenbäntlcm und Kreuzbändern, welches das Knie darstellt.

mit unveränderter Lage und unveränderten Belastungsverhältnissen beizubehalten.

Das erwähnte Kniegelenk nach Schede-Habermann ist durch die Anordnung von Gleitflächen zusätzlich in dem vorgesehenen Gelenkviereck konstruktiv relativ aufwendig. Dennoch wurde auch noch bei der Konstruktion nach DE-PS 841190 versucht, einerseits Gleitflächen, andererseits ein überschlagenes Gelenkviereck aus einem Paar starrer /jrne zu

i« kombinieren. Die dabei aufgestellten Forderungen, daß die Gegenflächen physiologisch ausgebildet und gleichzeitig ständig zueinander parallel geführt sein sollen, widersprechen sich jedoch nicht nur in sich, sondern sind auch mit der vorgesehenen Führung

i". durch zwei starre, nicht konzentrisch gelagerte Arme nicht erfüllbar. Die beschriebene Konstruktion würde selbst dann, wenn sie in der angegebenen Weise funktionsfähig wäre, die an eine Endoprothese zu stellenden Forderungen schlecht erfüllen, da die vorgesehene Gleitbewegung der angeblich physiologisch ausgebildeten Gegenflächen nicht mit der Kombination »Gleit- und Abrollbewegung« der natürlichen Gelenkflächen vereinbar wäre und diese daher zur Gänze abgetragen werden müßten.

Das künstliche Kniegelenk nach GB-PS 1316572 weist ebenfalls zusätzlich zu den die Bewegung bereits eindeutig definierenden starren Armen eines überschlagenen Gelenkvierecks noch Gegenflächen auf, die bei der Beugung und Streckung des Gelenks eine reine Abrollbewegung ausführen sollen. Die untere ebene Abrollfläche befindet sich bei der vorgesehenen Verwendung als Endoprothese dabei auf der Höhe des Tibia-Plateaus, wogegen beim natürlichen Knie Gangpolkurve und Rastpolkurve, die allein während

Jj der Beuge- und Streckbewegung lediglich aufeinander abrollen, ohne zu gleiten, gleichsinnig gekrümmt im Bereich des Oberschenkelkondyls verlaufen. Bei Verwendung des künstlichen Kniegelenks nach GB-PS 1316572 müßten somit die natürlichen Gelenkflächen zur Gänze abgetragen werdtm, ganz abgesehen davon, daß es durch die der Konstruktion zugrundeliegende falsche Annahme über die Lage des momentanen Drehzentrums im natürlichen Knie zu unphysiologischen Belastungen der verbleibenden Bänder

4Ί und Muskeln käme.

Das künstliche Kniegelenk nach FR-PS 1 187444 stellt gegenüber den beschriebenen Konstruktionen insofern einen wesentlichen Fortschritt dar, als darin nicht zusätzlich zu den die Bewegung des Gelenks ja

vi bereits definierenden Armen eines überschlagenen Gelenkvierecks noch miteinander in Berührung stehende Gegenflächen vorgesehen sind, deren Ausbildung die Konstruktion lediglich verteuern würde. Auch beim künstlichen Kniegelenk nach FR-PS

γ, I 187 444 weichen die Verhältnisse im Gelenksbereich selbst, also die gegenseitige Zuordnung von Oberschenkel- und Unterschenkelteil im Laufe der Bewegung, wesentlich von jenen im natürlichen Knie ab, so daß bei einer allfälligen Verwendung als Endopro-

ho these wieder die oben geschilderte Problematik auf treten mußte. Das Ausmaß der Abweichung läßt sich am einfachsten daraus ermessen, daß bei dem künstlichen Kniegelenk nach FR-PS 1 187444 eine vollständige Symmetrie bezüglich des Ober- und Unterschen-

h'i kels vorliegt, welche den natürlichen Verhältnissen keineswegs entspricht und damit unnatürliche Belastungen der verbleibenden Bänder und Muskeln bewirken müßte. Derartige Belastungen führen aber ei-

nerseits zu Beschwerden des Prothesenträgers, andererseits durch die Rückwirkung der verbliebenen Muskeln und Bänder auf die Knieprothese zu deren ■Lockerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein künstliches Kniegelenk zu schaffen, das nicht nur, wie dies auch bei den bekannten Kniegelenkprothesen angestrebt wird, eine Unterschenkelbewegung ermöglicht, die phänomenologisch der natürlichen Bewegung angenähert ist. Vielmehr soll eine Knie-Prothese geschaffen werden, bei der im Gelenkbereich selbst geometrische Verhältnisse herrschen, welche es erlauben, das künstliche Kniegelenk als eine Endoprothese zu verwenden, bei deren Einpflanzung ein möglichst großer Teil der noch funktionsfähigen Bänder, Muskeln und Gelenkflächen erhalten werden kann, weil er durch die Knieprothese keinen unnatürlichen Belastungen ausgesetzt wird. Dem Stand der Technik ist kein Hinweis dafür zu entnehmen, daß die gestellte Aufgabe lediglich durch Verwendung eines bestimmten überschlagenen Gelenkvierecks lösbar ist. Dies erklärt sich nicht zuletzt daraus., daß bisher eine exakte mathematische Darstellung der Kinematik des Kniegelenks erst in Ansätzen vorhanden war. In seiner Arbeit »Kinematische Untersuchungen des menschlichen Kniegelenks und einiger Prothesen-Kniekonstruktionen, die als >physiologische < Kniegelenke bezeichnet werden« (Archiv für orthopädische und Unfall-Chirurgie, Bd. 47, i>. 037-645 [19551) hat W. G roh zwar nachgewiesen, daß bekannte künstliche Kniegelenke Polkurven aufweisen, weiche von den natürlichen Polkurven zum Teil weit abweichen und den behaupteten physiologischen Bewegungsablauf damit bei weitem nicht erreichen. Die Erkenntnis, daß die natürlichen Polkurven durch ein bestimmtes überschlagenes Gelenkviereck erreichbar sind, ist jedoch neu.

Es ist somit durchaus überraschend, daß die Erfindung die gestellte Aufgabe lediglich dadurch zu lösen vermag, daß der Steg nach hinten ansteigend mit der Längsachse des Oberschenkelteiles einen Winkel von etwa 40° einschließt und das Gelenkviereck folgende, gegebenenfalls >m gleichen Verhältnis vergrößerte oder verkleinerte Parameter aufweist:

Steg 22 mm

Koppel 50 mm

an der Koppel vorn angelenkter Arm 50 mm

an der Koppel hinten angelenkter Arm 42 mm.

Die angeführten Parameter beziehen sich auf Menschen durchschnittlicher Größe, weshalb für besonders große oder kleine Individuen eine der Körpergröße bzw. Kniegröße konforme Vergrößerung oder Verkleinerung der Parameter vorgesehen ist. Andere Abweichungen von den angegebenen Bestimmungsgrößen führen von der angestrebten Optimallösung weg, sobaKI sie größer sind als die Streuung der in der Bevölkerung auftretenden Längenwerte der Kreuzbänder des Kniegelenks.

Das erfindungsgemäße künstliche Kniegelenk kann Teil eines Kunstbeins bilden, einige seiner besonderen Vorzüge sind jedoch insbesondere dann von Bedeutung, wenn eine Verwendung als Endoprothese erfolgt.

Durch das erfindungsgemäße künstliche Kniegelenk werden folgende Vorteile erzielt:

Das künstliche Kr.iegclenk stellt ein stufenloses (ictriebe dar, das es erl'iubt, sich mit annähernd gleicher Muskelkraft aus der iiefen Hocke auch mit einer Last in den aufrechten Stand zu erheben. Für den Prothesengener wird Stiegensteigen möglich bzw. erleichtert.

Die natürliche Roll-Gleitbewegung bleibt erhalten, mit allen Konsequenzen für den Gang und die Kraftübertragung.

Der natürliche Pendelschwung beim Gehen mit nicht konstanter Winkelgeschwindigkeit bleibt erhalten.

Die Kollateralbänder stehen mit der Endoprothese in kinematischem Einklang.

Die Muskelansätze beschreiben ihre natürlichen Kreisbahnen. Zusammenziehen und Entspannen der einzelnen Muskeln bei der Bewegung bleiben im physiologischen Bereich.

Der Anpreßdruck der Kniescheibe an die Ober· schenkelkondylen bleibt vor allem bm geringer Kniebeugung, etwa beim Gehen, im physiologischen Bereich, da die Polkurven der Kniescheibe mit denen des Gelenkvierecks übereinstimmen

Die natürliche RolI-Gleitbewegti/ig der Patella bleibt erhalten, deshalb wird der "Xnpießdruck der Patella im Berührungsbereich auf den Oberschenkel orthogonal übertragen. Schädliche Scher- und Tangentialkräfte auf den Knorpel werden vermieden.

Das Steuersystem (Kreuzbänder) des Knies steht nur in mittelbarer Beziehung zur Form der Gelenkkörper. Die Proportionen der Kreuzbänder weisen beim einzelnen Menschen nur geringe Unterschiede auf. Deshalb kann die Endoprothese für praktisch alle Kniegelenke verwendet werden.

Beim Beugen und Strecken bleiben die resultierenden Kräfte des Auftrittes im Oberschenkelschaft und Unterschenkelschaft. Unerwünschte Scherkräfte auf den Prothesenschaft und den Knochen werden damit vermieden. Ermüdungsbrüchen, wie sie bei Scharniergelenkengesehen werden, wird damit vorgebeugt

Das erfindungsgemäße Kniegelenk hat eine gewisse Volumenkonstanz. Beim Beugen und Strecken wird das Volumen lediglich verschoben, wie im natürlichen Kniegelenk. Eine Volumensänderung je nach Beugestellung, ein »Pumpen«, das für die Haut schädlich ist, wird vermieden.

Das erfindungsgemäße künstliche Kniegelenk kann intrakondylär so versenkt werden, daS Hie Kondylen des Oberschenkels erhalten bleiben. Die Gelenkkapsel, die Bänder, Sehnen und Haut behalten ihren natürlichen Knochenkontakt. (Bei septischen Fällen besteht eine Rückzugsmöglichkeit auf eine Arthrodese des Kniegelenkesohne wesentliche Beinverkürzung.)

Der Baiische Punkt des als Endoprothese verwendeten künstlichen Kniegelenkes stimmt weitgehend mit dem Ball'schen Punkt im natürlichen Kniegelenk überei. ι. Dieser Punkt ist wichtig für die Kapselansätze am medialen und lateralen Kondyl. Scherkräfte werden damit vermieden.

In Fig. I ist die Koppelbewegung des Unterschenkels an einem natürlichen Knie dargestellt, bei dem der Oberschenkel als ruhend angenommen ist (Rastsystem), während sich der Unterschenkel bewegt (Gangsysicm),

Fig. 2 zcipt ein AiisluhrungsbcKpiel der Erfindung in Seitenansicht.

In Fig. 1 sind der Oberschenkel 1 und der Unterschenkel 2 jeweils nrr mit dem Knochen dargestellt, für die Untersuchung der Bewegung ist der Oberschenkel 1 ruhend dargestellt (Rastsystem), während der Unterschenkel 2 in eestreckter Lace mit dickrn

Linien ausgezogen ist: von dieser Lage aus kann er sich um etwa 135 nach hinten (in der Figur oben) drehen, wobei nur die Endlage und zwei Zwischenlagen in dünneren Linien gezeichnet sind. Die Elemente werden in ihren verschiedenen Lagen, ausgehend von der gestreckten Lage, mit den Buchstaben a-d bezeichnet. Es zeigt sich, daß bei ruhender Oberschenkclachse 3 die Unterschcnkelachse 4 um die genannten 135" verdreht wird. Jedoch ist diese Bewegung keineswegs eine reine Drehung, denn die Linien 4« bis 4c schneiden sich nicht in einem Punkt. Hingegen läßt sich die Bewegung mit großer Genauigkeit als Koppelbewegung darstellen, wenn für das zugehörige Gelenkvicreck der Steg 5 zwischen den Punkten /I und H und die Koppel zwischen den Punkten C und D angenommen wird, während die Arme 6, 7 jeweils die Punkte B und C bzw. A und D verbinden. Die Punkte C bzw. D führen demnach eine Kreisbewegung aus. Die Tatsache, daß es sich um eine Koppelbewegung handelt, erhellt auch daraus, daß der kürzeste Abstand zwischen der Oberschenkelkondyle 8 und der Unterschenkclkondyle 9 in allen Lagen des Unterschenkels in etwa gleich ist, die beiden Kondylen bilden daher - unter Berücksichtigung des dazwischenliegenden Gewebes - zusammengehörige Koppelhüllkurven, deren relative Bewegung gegeneinander durch eine kombinierte Abwälz- und Gleitbewegung charakterisiert ist. Dies ist kein Zufall, sondern dadurch bedingt, daß das natürliche Knie Kreuzbänder aufweist, welche jeweils an den Punkten /i und C bzw. A und I) angelenkt sind und außerdem keine wesentliche Elastizität aufweisen, also ihre Länge im wesentlichen beibehalten. Dabei ist bemerkenswert, daß die Bänder, also die Arme 6, 7 des Koppeltriebes jeweils nur eine Drehung von rund 110° bzw. 9(Γ ausführen, obwohl sich der Unterschenkel 2 um rund 135° verdreht hat. Es zeigt sich ferner, daß eine weitere Drehung des Unterschenkels nach links nicht möglich ist, da das Oberschenkelkondyl in seiner Fortsetzung nach links keine dem Unterschenkelkondyl entsprechende Koppelkurve ist. sondern flacher verlauft, so daß es sozusagen einen Anschlag bildet, der eine weitere Verdrehung des Unterschenkels über die gestreckte Lage hinaus verhindert. Daß dieser Anschlag wirksam ist. obwohl das Oberschenkelkondyl in diesem Bereich eine kontinuierliche Krümmung ohne starke Änderung des Radius aufweist, hängt mit der Lage des Steges 5 in bezug auf die Oberschenkelachse 5 zusammen: Dadurch, daß diese einen Winkel von etwa 40 einschließen, liegen in der gestreckten Lage des Gelenkes der Arm BC und der Steg AH annähernd in einer Linie. Beim Überschlagen der Koppel treten bekanntlich erhebliche Änderungen der charakteristischen Kurven, insbesondere starke Krümmung der Koppclhüllkurven. auf.

Basierend auf der Erkenntnis, daß die natürliche Bewegung des Kniegelenks die eines übersehlagenen Gelenkvierecks ist. wird nun ein Mechanismus beschrieben, der eine solche Bewegung zu erzielen erlaubt.

In Fig. 2 ist der Koppeltricb ausgeführt, indem die als Platte ausgebildete Koppel 11 mittels eines Zapfens 10 am Unterschenkel 2 befestigt und mit zwei Scharnieren C, D versehen ist. An diesen sind Arme 6, 7 angelenkt, welche sich überkreuzend zu den Scharnieren A, B des ebenfalls als Platte ausgebildeten Steges 5 verlaufen. Letztere ist in einer nicht näher dargestellten Weise mit dem Oberschenkel 1 verbunden.

Für das Gclenkviercek werden Dimensionen angegeben, welche denen des natürlichen Knies entsprechen. Die Länge des Steges beträgt in diesem F.tv11 22 mm. die der Koppel 50 mm. Der dem vorderen Kreuzband entsprechende Arm 6 mißt 50 mm. der dem hinteren Kreuzband entsprechende Arm 42 mm.

Das zu verwirklichende Gelenkviereck ist bei Betrachtung des Oberschenkels als Rastsystem eine sogenannte Doppelkurbel, die bei der Streckung und Beugung des Beines allerdings nur einen kleinen Teil ihrer Umlaufbahn beschreibt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel wurde bewußt darauf verzichtet, darzustellen, wie weit beim Einbau der erfindungsgemäßen Knieprothese als Endoprothese Teile des ursprünglichen Gelenkes erhalten bleiben. Es sei jedoch betont, daß es vielfach günstig ist, die Kondylen des Ober- und Unterschenkels weitgehend zu erhalten und die erfindungsgemäße Knieprothese nur in einem schmalen, mittleren Bereich des Gelenkes einzubauen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Künstliches Kniegelenk zur Verbindung eines Ober- mit dem UnterschenkeUeil, mit einem daran gegenseitige Führung bewirkenden überschlagenen Gelenkviereck, das einen dem Oberschenkelteil zugeordneten Steg, eine dem Unterschenkelteil zugeordnete Koppel und zwei an den jeweils entgegengesetzten Enden des Steges und der Koppel angelenkte, sich kreuzende Arme aufweist, dadurch gekennzeichnet,daß der Steg (5) nach hinten ansteigend mit der Längsachse (3) des Oberschenkelteiles (1) einen Winkel von etwa 40° einschließt und das Gelenkviereck folgende, gegebenenfalls im gleichen Verhältnis vergrößerte oder verkleinerte Parameter aufweist:

   Steg (5) 22 mm

   Koppel (11) 50 mm

   an der Koppel vorn angelenkter Arm (6) 50 mm

   an der Koppel hinten angelenkter Arm (7) 42 mm.