DE2514793C3

DE2514793C3 - Gelenkendoprothese

Info

Publication number: DE2514793C3
Application number: DE19752514793
Authority: DE
Inventors: Achim Dr.Med. 6000 Frankfurt Engelhardt; Helmut Prof. Dipl.-Ing. 7080 Aalen Grell
Original assignee: Pfaudler Werke GmbH
Current assignee: ENGELHARDT, ACHIM, DR., 6000 FRANKFURT, DE
Priority date: 1975-04-04
Filing date: 1975-04-04
Publication date: 1980-06-19
Also published as: FR2305961B1; DK158176A; AT349618B; GB1511115A; FR2305961A1; IT1057845B; NL7602392A; LU74699A1; IE42809B1; CH611795A5; SE410388B; DE2514793B2; SE7602440L; IE42809L; DE2514793A1; DD123056A5; CA1075851A; BE839461A; ATA148176A; JPS51122995A

Description

Die Erfindung betrifft eine Gelenkendoprothese für eine zementfreie Implantation mit einem Schaft zur Verankerung in einem ersten Knochen und einem mit dem Schaft verbundenen ersten Gelenkprothesenteil, das mit einem zweiten Gelenkprothesenteil an einem zweiten Knochen ein künstliches Körpergelenk bildet, und mit einem Stützelement, das sich an einer Abstützfläche des ersten Knochens abstützt.

Zum Stand der Technik wird auf den Aufsatz »Technischer Fortschritt bei künstlichen Hüftgelenken« in der Zeitschrift »Technische Rundschau Sulzer«, 4/1974, Seiten 235 bis 245, verwiesen. Dieser Aufsatz gibt einen Überblick über die Entwicklung künstlicher Hüftgelenke und beschreibt typische Bauformen seit 1939. Aus der Diskussion dieser einzelnen Bauformen in dem Aufsatz geht hervor, daß allen Bauformen mehr oder minder gravierende Nachteile eigen sind. Neben Verschleißerscheinungen in den beiden Gelenkprothesenteilen Kugel und Pfanne haftet den bekannten Hüftkopfendoprothcsen insbesondere der Nachteil an, daß Lockerungen der Schäfte, in bestimmten Fällen mit nachfolgendem Schaftbruch, auftreten. Diese Schaftlockerung ist bei den bekannten künstlichen Hüftkopfendoprothesen auf mehrere unterschiedliche Ursachen zurückzuführen. Zunächst wird der Schaft bevorzugt in den Knochen einzementiert. Als Zement wird der selbst polymerisierende Kunststoff Methylmethacrylat verwendet. Die beim Aushärten dieses Kunststoffs entstehende Polymerisationswärme führt zu Temperaturen von 80 bis 100° C und zu einer thermischen Schädigung des umgebenden Gewebes, da der Koagulationspunkt des Eiweißes 56° C beträgt. Diese Thermonekrosen und auch durch mechanische Bearbeitung des Knochens (Raspeln o. ä.) bei der Vorbereitung des Zementlagers auftretende Schäden werden zwar revitalisiert, es bildet sich jedoch zwischen Schadenstelle und Knochen eine Bindegewebstrennschicht aus, die die Verankerung im Knochen negativ beeinflußt. Die Bindegewebsschicht läßt Mikrorelativverschiebungen zwischen Zement und Knochenlager zu. Dazu wird ergänzend verwiesen auf das Buch »Biopolymere und Biomechanik von Bindegewebssystemen«, Springer-Verlag 1974, S. 417 bis 419, Beitrag »Zur Problematik der Zementverankerung im Knochen« Von H. G. Willert.

Eine weitere Lockerungsursache ist die unphysiologische Krafteinleitung von der Gelenkendoprothese in den Knochen. Dies soll mangels anderweitiger Darstellung im Stand der Technik anhand der Fig. 1, 2 und 3 der Zeichnungen erläutert werden.

In Fig. 1 ist in einen Oberschenkelknochen 30 mittels Zement 32 ein Schaft 35 einer Hüftkoptendoprothese 37 befestigt. Der Schaft 35 geht mit einem Kragen 39 und einem Hals 40 in eine Kugel 42 mit Mittelpunkt M über. Die Kugel 42 ruht in einer Kugelpfanne 45, die mit Zement 46 in einem Beckenknochen 48 festgelegt ist. Die resultierende Kraft F_R geht durch den Mittelpunkt M der Kugel 42 und ist in Fig. 1 in der Richtung ge?f ij'.i, in der diese resultierende Kraft ihren Größtwert hat. Dabei schließt die Kraft gegenüber der Langsachse des Halses 40 einen Winkel α ein. Reduziert man diese resultierende Kraft F_R auf einen Punkt A in einer mit dem Kragen 39 zusammenwirkenden Abstützfliiche 50 des Oberschenkelknochens 30, so wirkt rechtwinklig auf die Abstützfläche 50 die Kraftkomponente F₁₁ ■ cosa und in Richtung der Abstützfläche 50 die Kraftkomponente F_R ■ sin α. Aus der Parallel verschiebung der resultierenden Kraft F_R wirkt außerdem das Kräftepaar F_K ■ α gemäß der in Fig. 1 schraffierten Parallelogrammfiäche 51. Die Strecke α stellt den kürzesten Abstand des Punktes A von der Wirkungslinie der resultierenden Kraft F_n dar.

In Fig. 2 sind die aus diesen beiden Kraftkomponenten und dem Kräftepaar sich ergebenden, auf den Oberschenkelknochen 30 wirkenden Flächenpressungen qualitativ eingezeichnet. Man erkennt, daß die rechtwinklig auf die Abstützfläche 50 wirkende Flächenpressung ρ praktisch konstant ist, während in dem in Fig. 3 dargestellten physiologischen Fall der etwa lineare Verlauf der Normalspannung σ an dem

is in Fig. 3 rechten oder medialen Rand ein Druckspannungsmaximum o_Dmu aufweist. Im physiologischen Fall gemäß Fig. 3 tritt in einem Abstand e von diesem Druckspannungsmaximum eine neutrale Faser auf, so daß an dem in Fig. 3 linken oder lateralen Rand noch eine Zugspannung O_21n^ dahinter wirkt.

Während im physiologischen Fall gemäß Fig. 3 rechtwinklig zum Faserverlauf der in den Fig. 1 und 2 eingezeichneten Kortikalis 122 praktisch keine Normalspannung auftritt, rufen die Kraftkomponenten F_R ■ sina und das Kräftepaar F_R · α die Flächenpressung q und r hervor, die rechtwinklig auf die innere Oberfläche des Kortikalis gemäß Fig. 2 wirken. Dabei hat die Flächenlast q an der inneren medialen Berandung der Abstützfläche 50 ein Maximum q_max, das im

Verlauf des stetigen Knochenumbaus ein zunehmendes Nachgeben des Knochens zur Folge hat. Mit diesem Nachgeben des Knochens nimmt die Biegebeanspruchung der Gelenkendoprothese und des Zementes zu, bis durch weitere Lockerung des Schaftes 35, Risse im Zementmantel 32 und eventuell durch einen Schaftbruch 55 die Gelenkendoprothese versagt und zur Gehunfähigkeit des Patienten führt. Die bei diesem Lockerungsvorgang auftretenden Relativbewegungen zwischen dem Kragen 39 und der Abstützfläehe 50 verhindern ein erwünschtes Einwachsen von Knochenzellen in Poren, Ausnehmungen oder Durchbrechungen der Oberfläche der Hüftkopfendoprothese 37. Die erwähnten Risse im Zementmantel führen zu verstärkten Korrosionserscheinungen des Metalls (Spaltkorrosion). Auch ein Einsinken der Schaftprothese ist möglich, wenn die Abstützung auf der Kortikalis verlorengeht.

Die in Fig. 1 eingezeichnete rechtwinklig zur Abstützfläche 50 wirkende Kraft F_R · cosa wird über den

so Kragen 39 zu einem Teil über die Abstützfläche 50 in den Oberschenkelknochen 30 eingeleitet und zu einem anderen Teil durch den Formschluß der Hüftkopfendoprothese mit dem Oberschenkelknochen 30 auf diesen Oberschenkelknochen übertragen. Geht man von einer stählernen Hüftkopfendoprothese (z. B. der von Charnley in »Techn. Rundschau Sulzer«, S. 238, 240) aus, so verhalten sich die Elastizitätsmoduln von stählernem Werkstoff zu Knochen etwa wie 8:1. Deshalb deformiert sich unter Last der

bo Knochen relativ stärker als der Stahl, wodurch die Berührungsflächen von Hüftkopfendoprothese und Knochen sich gegeneinander verschieben. Diese Verschicbungen können zum Abscheren sich als Brücke zwischen Knochen und Hüftkopfendoprothese auf-

h5 bauender Osteonen führen, die aber für eine bleibende Verankerung der Hüftkopfendoprothese im Knochen wünschenswert sind. In der Folge entsteht in jenem Bereich eine nachgiebige Bindegewebs-

schicht, die weitere Relativbewegungen und somit eine Lockerung der Hüftkopfendoprothese zulassen kann.

In dem Buch »Gesammelte Abhandlungen zur funktioneilen Anatomie des Bewegungsapparates« von Friedrich PauweIs, Springer-Verlag, 1965, ist auf Seite 4 bis 6 in dem Abschnitt »Mechanische Faktoren bei der Frakturheiiung« allgemein der Einfluß mechanischer Reize auf die letztliche Ausbildung sich neu formenden Gewebes als Bindegewebe, Knorpel oder Knochen dargestellt. Die zuvor im ZusammenhangmitFig. 1 definierte Kraftkomponente F_R · sina kann in der Abstützfläche eine die wünschenswerte Knochenneubildung verhindernde sogenannte freie Scherkraft zur Folge haben, die in dem vorerwähnten Buch von PauweIs in dem Abschnitt »Die freie Scherkraft« auf Seite 2 t bis 24 erläutert ist.

Bekannt ist ferner (»Technische Rundschau Sulzer« 4/1974, Bilder 6a und 6b, und S. 244, rechte Spalte) Schäfte von Hüftkopfendoprothesen zementlos im Oberschenkelknochen zu verankern. Dazu ist der Schaft mit Durchbrüchen oder makroskopischen Vertiefungen seiner Oberfläche versehen, in die sich neu bildendes Knochengewebe einwachsen und so zu einer formschlüssigen Verankerung des Prothesenschaftes im Oberschenkelknochen führen soll. Weil aber die Implantation von Hüftgelenkendoprothesen meistens bei älteren Menschen erforderlich ist, muß auf eine Frühmobilisation der Patienten größter Wert gelegt werden. Zu langes Liegen der Patienten bis zum genügend festen Einwachsen des Prothesenschaftes begründet z. B. die Gefahr von Lungenentzündung, Muskelatrophie und Schäden an Herz und Kreislauf sowie am Blasen- und Nierensystem. In Tierversuchen hat es z. B. mindestens zwei Monate gedauert, bis sich tragfähiges Knochengewebe gebildet hatte. Die bekannten Prothesen, deren Verankerung im Oberschenkelknochen ausschließlich auf dem Prinzip des Einwachseins von Knochengewebe beruht, sind deshalb der mangelnden Frühmobilisation der Patienten wegen sehr nachteilig. Außerdem können auch bei zementloser Implantation durch die unterschiedlichen Elastizitätsmoduln, unphysiologische Krafteinleitung und örtlich hohe Flächenpressungen Lockerungserscheinungen an dem Schaft auftreten.

Bei bekannten Hüftgelenkendoprothesen der erwähnten Art (DE-AS 1541 246 und FR-PS 2 057 418) ist jeweils ein metallischer Schaft einstückig mit einem kragenförmigen Stützelement und einem Lagerzapfen ausgebildet, auf dem als erstes Gelenkprothesenteil ein Kugelkopf drehbar gelagert ist. Zwischen Stützelement und Schaft befindet sich kein Gelenk. Die zuvor geschilderten Nachteile sind hier also nicht beseitigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gelenkendoprothese zu schaffen, bei der die Krafteinleitung in den ersten Knochen körperanalog derart erfolgt, daß die Spannungsverteilung im ersten Knochen in möglichst guter Annäherung der physiologischen Spannungsverteilung entspricht. Dadurch sollen Schaftlockerungen und Relativbewegungen zwischen Abstützfläche und Stützelement so weit vermieden werden, daß die Gefahr des Abscherens oder anderweitiger Beeinträchtigung der sich im Bereich der Gelenkendoprothese neu bildenden Knochensubstanz gebannt ist. Es soll eine Frühmobilisation der Patienten erreicht werden.

Diese Aufgabe ist nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das erste Gelenkprothesenteil und das Stütz element ein mit dem Schaft gelenkig verbundene Schwenkteil bilden. Dadurch ist eine körperanalog Krafteinleitung insbesondere von dem Stützelemen in die Abstützfläche gewährleistet und sind die für de Erhalt des Knochengewebes erforderlichen BeIa stungsbedingungen geschaffen. Das Einwachsen vo Knochengewebe in öffnungen und Poren der Gelenk endoprothese wird erheblich erleichtert und abge

to kürzt. Die gelenkige Verbindung löst die nachteilig Starrheit der Gelenkendoprothese auf und schafft un ter Beibehaltung der nötigen Funktionsstabilität ein Beweglichkeit innerhalb der Gelenkendoprothese welche die zuvor beschriebenen Nachteile beseitigt

is Konstruktiv ist das Schwenkteil zweckmäßigerweis« einstückig ausgebildet.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist ei schaftseitiges Teil der gelenkigen Verbindung als lös bar mit dem Schaft verbundenes Übergangsstück aus gebildet. Dies ermöglicht eine Vormontage vo Schwenkteil, gelenkiger Verbindung und Übergangs stück, bevor diese Baugruppe implantiert wird. Da verkürzt die Operationszeit.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfin

dung weist das Übergangsstück eine auf einem Komi! des Schaftes sitzende komplementäre Konushülse auf die durch eine in eine Gewindebohrung des Schafte; eingeschraubte Schraube gegen den Konus gepreßt ist Dies gestattet die stufenlose Dreheinstellung und Fi xierung der Konushülse gegenüber dem Konus de: Schaftes. Die Konusverbindung liefert schon bei ver hältnismäßig geringer axialer Preßkraft durch di< Schraube erhebliche Haftreibungskräfte, die eine si chere Funktion der Gelenkendoprothese gewährlei sten. Die Konusverbindung läßt sich auch bei voll ständiger Emaillierung des Schaftes einwandfrei au Passung und flüssigkeitsdicht bearbeiten, z. B. schlei fen. Die Gewindebohrung und das Gewinde de Schraube brauchen nicht emailliert zu sein, da zwisehen dem Schraubenkopf und der Konushülse ζ. Β durch entsprechende Bearbeitung der sich dort gegenüberliegenden Emailflächen eine einwandfrei« Abdichtung zur Verhinderung des Durchtritts von Körpersäften und -sekreten erreicht werden kann. Im übrigen ist der Schaft aufgrund der gelenkigen Verbindung und der damit erreichten körperanalogen Krafteinleitung in den Knochen gegenüber den bekannten Schäften stark entlastet. Dadurch wird nich nur primär eine ausreichende Verankerung des Schaftes in dem Knochen, sondern auch sekundär eine weitere Steigerung der Verankerung durch Einwachse des Schaftes in den Knochen und damit eine Früh mobilisation des Patienten begünstigt.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist dii gelenkige Verbindung als Scharniergelenk ausgebildet. Die dadurch gegebene Schwenkbarkeit des Schwenkteils in nur einer Ebene reicht in den meisten Fällen zu einer weitgehend physiologischen Krafteinleitung in den ersten Knochen aus. Wird jedoch uni

_e0 verseile Schwenkbarkeit des Schwenkteils gegenübei der Abstützfläche gewünscht, kann die gelenkige Verbindung als Kugelgelenk oder auch als Kardangelenk ausgebildet sein.

Die gelenkige Verbindung kann jedoch auch al

_h5 Schneidenlagerkonstruktion Oder als elastisches Gelenk ausgebildet sein. In dem letzteren Fall kann di gelenkige Verbindung wenigstens eine zwischen dem Schaft oder dem Übergangsstück einerseits und dem

Schwenkteil andererseits eingespannte Feder, insbesondere Blattfeder, aufweisen, die zum Andrücken des Stützelements an die Abstützfläche vorgespannt ist oder sind. Die Vorspannung kann dabei so gewählt sein, daß sich an der Abstützfläche eine Flächenpressung von z. B. 0,1 bis 0,5 N/mm² ergibt. Diese Flächenpressung unterstützt den Zug der postoperativ geschwächten Muskeln und verhindert während der Einwachsperiode ein Abheben des Schwenkteils von der Knochenschnittfläche. Außerdem übt diese Flächenpressung einen zusätzlichen Reiz auf die Knochenstruktur der Spongiosa und Kortikalis der Abstützfläche aus und begünstigt das Einwachsen von Knochensubstanz in entsprechende Aufnahmeöffnungen oder -poren des Stützelements.

Zur Parallelführung des Stützelements zur Abstützfläche können zwei Federn in einer Schwenkebene des Schwenkteils im Abstand voneinander parallelogrammartig angeordnet sein.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Schaft oder dem Übergangsstück einerseits und dem Schwenkteil andererseits eine Feder vorgesehen, die zum Andrücken des Stützelements an die Abstützfläche vorgespannt ist. Auch hier kann die Flächenpressung an der Abstützfläche 0,1 bis 0,5 N/ mm² betragen. Die Feder kann z. B. aus Silikonkautschuk einer Härte von Shore A 70 ±5 bestehen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist bei einer Hüftgelenkendoprothese der erste Knochen ein Oberschenkelknochen, während das erste Gelenkprothesenteil als Kugel und das Stützelement als mit der Kugel verbundener Kragen ausgebildet sind, wobei die Kugel und der Kragen das Schwenkteil bilden. Dadurch ergibt sich trotz der gelenkigen Verbindung eine robuste und einfache Konstruktion. Eine Achse der gelenkigen Verbindung kann zumindes annähernd in einer die Abstützfläche enthaltenden Ebene liegen. Dadurch wird eine körperanaloge physiologische Krafteinleitung von dem Kragen in die Abstützfläche gefördert.

Bei dem Kugelgelenk ist die Feder erfindungsgemäß zwischen dem Schwenkteil und einer Zugschraube angeordnet, wobei die Zugschraube in ein Muttergewinde eines an dem Übergangsstück abgestützten Schwenkzapfens eingeschraubt ist. Durch die Schraube läßt sich die Flächenpressung an der Abstützfläche feinfühlig einstellen. Die Sicherung dieser Schraube sowie auch der das Übergangsstück und den Schaft verbindenden Schraube in ihrem Gewindeloch kann durch einen Flüssigkunststoffkleber erfolgen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist bei einer Ellenbogengelenkendoprothese der erste Knochen ein Oberarmknochen, während das erste Gelenkprothesenteil als Gelenkzapfen ausgebildet ist und das Stützelement zwei im Abstand voneinander angeordnete, mit den Enden des Gelenkzapfens verbundene Condylenschalen aufweist. Auch hierdurch ergibt sich eine körperanaloge Krafteinleitung von den Condylenschalen in die gegenüberliegende Abstützfläche des Oberamknochens. Zur Vereinfachung von Herstellung und Konstruktion können der Gelenkzapfen und die Condylenschalen einstückig ausgebildet sein.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung erstreckt sich der Gelenkzapfen in jede Condylenschale nur mit einem kurzen Verbindungsstück, wobei sich in dem von dem Verbindungsstück freien Abschnitt jeder Condylenschale eine Durchbrechung für eine Knochenschraube befindet. So braucht zum einen nur verhältnismäßig wenig Knochen zur Vorbereitung der Abstützfläche abgetragen zu werden und ist zum anderen eine genügend große Knochentiefe für das sichere Eindrehen der Knochenschrauben vorhanden. Außerdem kann die Muskulatur an ihren knöchernen Verbindungen geschont werden.

Der Vergrößerung der Abstützfläche dient es, wenn

jedes Verbindungsstück sich nur in dem von der zugehörigen Condylenschale umfaßten Umfangsbereich des Gelenkzapfens befindet. Dieser Umfangsbereich kann z. B. etwa 180° betragen.

Vorteilhafterweise weist jede Condylenschale einen Tragarm auf, wobei die beiden Tragarme einen Teil der gelenkigen Verbindung tragen.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schaft oder das Übergangsstück mit einem Anschlag zur Begrenzung der Schwenkbewegung des Schwenkteils versehen.

Nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der Schaft außen mit einem Sägezahngewinde versehen, dessen steile Flanken zu dem Schwenkteil hinweisen. Die steilen Flanken der Sägezähne gestatten eine widerhakenähnliche Verankerung des Schaftes im ersten Knochen und können zumindest annähernd rechtwinklig zur Längsachse des Schaftes verlaufen. Dieses asymmetrische Sägezahnprofil ist sinnvoll, wenn aus dem Schaft eine Kraft F₂ ■ cosß (vgl. Fig. 7) stets in einer Richtung, und zwar aus dem ersten Knochen heraus wirkt und damit physiologische Zugspannungen ersetzt. An den rechtwinklig zur Schaftlängsachse gerichteten Gewindeflanken treten keine aus der Kraft F₂ ■ cos/J resultierenden Radialkräfte auf, die auf den Knochen eine unphysiologische J5 Sprengwirkung ausüben würden. Die Zahnfüße und Zahnköpfe des Sägezahngewindes können abgerundet sein. Dadurch werden zum einen unnötige Kerbspannungen in dem aufnehmenden Knochen verhindert und zum anderen ein Außenemaillieren des gesamten Schaftes einschließlich des Sägezahngewindes erleichtert.

In den Zeichnungen sind außer den Darstellungen zum Stand der Technik gemäß den Fig. 1 bis 3 in den folgenden Figuren Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigt

Fig. 4 eine Hüftkopfendoprothese mit Scharniergelenk im Schnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 5,
Fig. 5 die Schnittansicht nach Linie V-V in Fig. 4, Fig. 6 die Seitenansicht von links auf die Darstellung in Fig. 5 mit geschnittenem Oberschenkelknochen,

Fig. 7 eine Fig. 6 entsprechende Darstellung mit eingetragenen Betriebsgrößen in schematischer Darstellung,

Fig. 8 die Schnittansicht nach Linie VIII-VIII in Fig. 9 einer Hüftkopfendoprothese mit einem Kugelgelenk,

Fig. 9 die teilweise geschnittene Ansicht gemäß Linie IX-IX in Fig. 8,

Fig. 10 die Schnittansicht nach Linie X-X in Fig. 11 einer Hüftkopfendoprothese mit Schneidenlagerkonstruktion,

Fig. 11 die teilweise geschnittene Ansicht gemäß Linie XI-XI in Fig. 10,

Fig. 12 die Schnittansicht nach Linie XII-XII in Fig. 13 einer Huftkopfendoprothese mit elastischem Gelenk,

Fig. 13 die teilweise geschnittene Ansicht nach Li-

nie XIII-XIII in Fig. 12,

Fig. 14 die Schnittansicht nach Linie XIV-XIV in Fig. 12,

Fig. 15 die Schnittansicht nach Linie XV-XV in Fig. 16 einer Hüftkopfendoprothese mit elastischem Gelenk,

Fig. 16 die teilweise Schnittansicht nach Linie XVI-XVI in Fig. 15,

Fig. 17 die Seitenansicht von links auf die Darstellung in Fig. 16 mit längsgeschnittenem Oberschenkelknochen,

Fig. 18 die Schnittansicht nach der Linie XVIII-XVIII in Fig. 19 einer Hüftkopfendoprothese mit einem Kardangelenk,

Fig. !9 die teilweise geschnittene Ansicht gemäß Linie XIX-XIX in Fig. 18,

Fig. 20 die Vorderansicht einer rechtsseitigen Ellenbogengelenkendoprothese (ohne Lagerschale),

Fig. 21 die Schnittansicht nach Linie XXI-XXI in Fig. 20,

Fig. 22 die Schnittansicht nach Linie XXII-XXII in Fig. 21,

Fig. 23 die Schnittansicht nach Linie XXIII-XXIII in Fig. 21,

Fig. 24 die nur teilweise geschnittene Ansicht von rechts auf die Darstellung in Fig. 20,

Fig. 25 eine Draufsicht auf die Lagerschale in den Fig. 21, 23 und 24,

Fig. 26 die Seitenansicht von links auf die Lagerschale gemäß Fig. 25 und

Fig. 27 einen Längsschnitt durch einen Schaft mit Sägezahngewinde.

Die Fig. 4, 5 und 6 stellen eine Hüftkopfendoprothese 70 dar. In dem Oberschenkelknochen 30 ist ein mit Email überzogener Schaft 73 mit einem Außenrundgewinde 75 in ein Innengewinde 77 des Oberschenkelknochens 30 eingeschraubt. Das Innengewinde 77 ist zuvor mit einem nicht dargestellten Gewindekernlochbohrer oder -fräser vorgeschnitten worden.

Der metallische Schaft 73 trägt oben einen ebenfalls emaillierten und anschließend geschliffenen Konus 79 mit einer nicht emaillierten Gewindebohrung 80. Auf dem Konus 79 sitzt lösbar mit einer komplementär konischen Konushülse 82 ein Übergangsstück 83. Durch eine Bohrung 85 der Konushülse 82 ragt mit ausreichendem seitlichen Spiel eine Schraube 87 hindurch, deren nicht emailliertes Gewinde 89 zur Festlegung der Konushülse 82 gegenüber dem Konus 79 in die Gewindebohrung 80 eingeschraubt ist. Die Unterseite 90 des Schraubenkopfes und die ihr gegenüberliegende Aufnahmefläche 92 der Konushülse 82 sind emailliert und zur Erzielung einer flüssigkeitsdichten Verbindung geschliffen.

Von der Konushülse 82 erstreckt sich ein Arm 95 nach oben, der in der Darstellung gemäß Fig. 5 mit der Längsachse 96 des Schaftes 73 einen Winkel 98 einschließt. Der Arm 95 trägt an seinem oberen Ende ein Scharnierauge 100 eines Scharniergelenks 102. Ein Scharnierbolzen 103 durchdringt das Scharnierauge 100 und eine Scharniergabel 105, die an einen auf der Abstützfläche 50 des Oberschenkelknochens 30 aufliegenden Kragen 107 eines Schwenkteils 109 angeformt ist. Mit dem Kragen 107 ist über einen Hals 110 eine Kugel 113 fest verbunden. Von der Unterseite des Kragens 107 erstreckt sich eine Lagertasche 115 für eine Feder 117 aus Silikonkautschuk, die sich andererseits an einem Lagerarm 119 an dem Arm 95 abstützt.

Bis auf die Feder 117 ist die gesamte Außenfläche des Schwenkteils 109, des Scharniergelenks 102 und des Übergangsstücks 83 emailliert. Die entweder Schwammknochen (Spongiosa) 120 oder Knochenrinde (Koriikalis) 122 gegenüberliegenden Emailflächen der Hüftkopfendoprothese 70 können durch Aufrauhung, Schaffung künstlicher Poren od. dgl. optimal für das Einwachsen von Knochengewebe und

ίο damit zur Erzielung einer sekundären Verankerung der Gelenkendoprothese im Oberschenkelknochen 30 vorbereitet werden. De Einwachsprozeß wird dadurch unterstützt, daß die Feder 117 mit einer gewissen Vorspannung den Kragen 107 auf die Abstützfläehe 50 drückt und damit auch bei Entlastung des Hüftgelenks für definierte Lastverhältnisse an der Abstützfläche 50 sorgt.

In Fig. 7 sind Betriebsgrößen schematisch eingetragen. Die resultierende Kraft F_R wird über den Kra-

gen 107 analog dem physiologischen Fall gemäß Fig. 3 als etwa dreiecksförmige Flächenlast 125 in die Abstützfläche 50 eingeleitet. Wie erwähnt, tritt im physiologischen Fall gemäß Fig. 3 außen oder links von der neutralen Faser eine Zugspannung auf. In ähnlicher Weise ergibt sich an dem Scharniergelenk 102 eine resultierende Zugkraft P₂, die unter Berücksichtigung des Winkels /3 in ihre rechtwinklig zueinander stehenden Komponenten F₇ ■ cos/3 und F₂ · sin/3 zerlegt wird. Die Komponente F₂, · cos/3 wirkt als

jo Zugkraft auf den Schaft 73 und wird über dessen Außenrundgewinde 75 in die Kortikalis 122 des Oberschenkelknochens 30 eingeleitet. Dort ergeben sich die in Fig. 7 angedeuteten Schubspannungen τ.
Die Achse des Scharniergelenks 102 befindet sich

J5 in einem seitlichen Abstand b von der Ebene, in der die Längsachse 96 des Schaftes 73 liegt. Daraus ergibt sich ein Kräftepaar b ■ F₂ ■ cos/3, das gleichsinnig wie ein Moment aus einer Reibkraft μ ■ F_R und einem Hebelarm d wirkt, der dem lotrechten Abstand eines Mittelpunktes P des mit dem Außenrundgewinde 75 versehenen Teils des Schaftes 73 von der Abstützflä ehe 50 entspricht. Gegensinnig wirkt ein Moment aus der Kraftkomponente F₂ ■ sin/3 und einem Hebelarm c, der dem lotrechten Abstand der Wirkungslinie

■τ. der Kraftkomponente F₂ ■ sin/3 von dem Mittelpunkt P entspricht. Das resultierende Moment aus dem vorerwähnten Kräftepaar und den vorerwähnten beiden Momenten ruft an der Kortikalis 122 die Flächenpressung 5 hervor. Wenn konstruktiv der Abstand b zu Null gemacht wird, entfällt das vorerwähnte Kräftepaar b ■ F,- cos/3. Die Flächenpressungen s ergeben sich dann aus dem resultierenden Moment

ΣM= F₂ sin/3· c- μ- F_R ■ d

Bei Deformation des Oberschenkelknochens 30 aufgrund der auf die Abstützfläche 50 wirkenden Flächenlast 125 schwenkt das Schwenkteil 109 um die Achse des Scharniergelenks 102 und kann auf diese

ω Weise weiterhin in jedem vorkommenden Verformungszustand des Oberschenkelknochens 30 die Kraft analog den physiologischen Gegebenheiten in den Oberschenkelknochen 30 einleiten. Von dem unteren Rand der Lagertasche 115 bis zum oberen Abschluß des Außenrundgewindes 75 des Schaftes 73 besteht kein inniger Formschluß zwischen der Hüftkopfendoprothese 70 und ihrem Lager in dem Oberschenkelknochen 30. Dadurch werden Mikrorelativ-

bewegungen der Kontaktflächen von Gelenkendoprothese und Knochen entscheidend verringert.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine Hüftkopfendoprothese 130, bei der die gelenkige Verbindung als Kugelgelenk 131 ausgebildet ist. Eine Kugel 133 des Kugelgelenks 131 ist oben an das Übergangsstück 83 angeformt, während eine Kugelpfanne 135 sich an der Unterseite des Kragens 107 befindet.

In die Lagertasche 115 ist eine Feder 137, z. B. aus Silikonkautschuk, eingelegt, die eine axiale Durchbrechung aufweist. Durch diese Durchbrechung führt eine Zugschraube 139, die in einen Schwenkzapfen 140 eingeschraubt ist, der in einer Bohrung 141 in dem Übergangsstück 83 gelagert ist. Die Zugschraube 139 führt außerdem durch Durchbrechungen 143 und 144 in der Lagertasche 115 und dem Übergangsstück 83 mit für jede Schwenkbewegung ausreichendem seitlichen Spiel hindurch. Ähnlich ausreichendes seitliches Spiel ist für den Kopf der Zugschraube 139 vorgesehen, so daß das Schwenkteil 109 sich um das Kugelgelenk 131 herum universell bewegen und für eine besonders gleichmäßige Kraft einleitung in den Oberschenkelknochen 30 sorgen kann.

In den Fig. 10 und 11 ist eine weitere Hüftkopfendoprothese 150 dargestellt, bei der das Übergangsstück 83 oben eine hakenförmige Schneide 153 aufweist, deren freies Ende 155 gleichzeitig das obere Widerlager für die Feder 117 bildet. Rechtwinklig zu der Schneide 153 verläuft eine Gegenschneide 157, die unten an den Kragen 107 angeformt ist. Die Schneide 153 liegt oben an der Unterseite des Kragens 107 in Gleitberührung an. Schneide 153 und Gegenschneide 157 bilden eine SchneidenlagerkonstruLtion 159,die ebenso wie das Kugelgelenk 131 in den Fig. 8 und 9 voll emailliert sein kann.

Eine weitere Hüftkopfendoprothese 160 zeigen die Fig. 12 und 13. Dort ist an das Übergangsstück 83 oben ein Federlager 161 und ein weiteres Federlager 163 an den Kragen 107 angeformt. Die Federlager 161 und 163 sind jeweils mit einem Schlitz 165, 166 versehen, in dem eine Blattfeder 168 z. B. durch Einkleben oder Einpressen befestigt und leicht derart vorgespannt ist, daß der Kragen 107 mit der gewünschten Flächenpressung auf der Abstützfläche 50 des Oberschenkelknochens 30 aufruht. Die Kanten an den Schlitzen 165 und 166 sind dort stark gerundet, wo bei der Verformung der Blattfeder 168 andernfalls unerwünschte Kantenpressungen größeren Ausmaßes auftreten würden. An die Unterseite des Kragens 107 ist in diesem Fall ein Vorsprung 169 zur formschlüssigen Seitenführung des Schwenkteils sowie zur Vergrößerung der Kontaktfläche gegenüber dem umgebenden Knochen und damit zur Verbesserung der Einwachsbedingungen angeformt.

Fig. 14 zeigt die Federlager 161 und 163 und die darin eingesetzte Blattfeder 168 in anderer Ansicht als Fig. 12. Es handelt sich dabei um ein elastisches Gelenk 170.

In den Fig. 15, 16 und 17 ist eine weitere Hüftkopfendoprothese 173 abgebildet, bei der oben an dem Übergangsstück 83 in dieser Reihenfolge eine Blattfeder 175, ein Zwischenring 177, eine weitere Blattfeder 179 und ein Deckring 180 aufgesetzt sind. Die Teile 175 bis 180 werden von einer in das Übergangsstück 83 eingeschraubten Klemmschraube 182 durchdrungen und axial zusammengedrückt. So sind die Blattfedern 175 und 179 wirksam an dem Übergangsstück 83 eingespannt. Eine ähnliche Einspannung der Blattfedern 175 und 179 liegt an dem Schwenkteil 109 vor, weil auch dort die Blattfedern 175 und 179 sowie ein Deckring 184 und ein Zwischenring 185 von einer in den Kragen 107 eingeschraubten Spannschraube 187 durchdrungen und axial zusammengepreßt werden. Die Spannschrauben 182 und 187 können in ihrem Gewinde mit Flüssigkunststoff gesichert sein. Auch diese Konstruktion mit

ίο den beiden parallelogrammartig geführten Blattfedern 175 und 179 stellt ein elastisches Gelenk 189 dar.

Die Blattfedern 175 und 179 können ebenso wie die Blattfeder i68 in den Fig. 12 und 14 aus legiertem

!5 Federstahl bestehen, der zur möglichsten Vermeidung metallischen Kontakts mit dem Körper z. B. mit Silikonkautschuk beschichtet sein kann. Alle übrigen Teile der Hüftkopfendoprothesen 160 und 173 können wiederum voll emailliert sein.

Die Fig. 18 und 19 zeigen eine Hüftkopfendoprothese 190, bei der an das obere Ende des Übergangsstücks 83 eine Gelenkgabel 192 mit darin schwenkbar gelagertem, durchgehendem Gelenkzapfen 194 angeordnet ist. Das Schwenkteil 109 trägt eine um 90° gegenüber der Gelenkgabel 192 versetzte weitere Gelenkgabel 195, die auf einem durchgehenden Gelenkzapfen 197 schwenkbar gelagert ist, der von dem Gelenkzapfen 194 rechtwinklig durchdrungen wird. Beide Gelenkzapfen 194 und 197 durchdringen einen

jo Kern 198 und bilden mit dem Kern das Kreuzstück eines Kardangelenks 199, das wie das Kugelgelenk 131 eine universelle Bewegung des Schwenkteils 109 gegenüber dem Oberschenkelknochen 30 erlaubt.

In den Fig. 20 bis 26 ist eine Totalellenbogenge-

Γ' lenkendoprothese 290 dargestellt. Gleiche Teile wie bei vorhergehenden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Der Schaft 73 ist hier in einen Oberarmknochen 293 eingeschraubt. Das Übergangsstück 83 ist mit einem in den Fig. 20 bis 24 nach unten weisenden Anschlag 295 für eine Lagerschale 297 versehen, die in Fig. 20 nicht dargestellt und in den Fig. 21 bis 24 in eine Elle 299 eingesetzt ist. Die Lagerschale 297 weist eine zur Berührung mit dem Anschlag 295 in

<r> der Strecklage von Oberarmknochen 293 und Elle 299 bestimmte Anschlagfläche 300 (Fig. 26) auf. Seitenflächen 302 und 303 (Fig. 25) der Lagerschale 297 werden durch entsprechende Gegenflächen von Condylenschalen 305 und 306 geführt, die jeweils mit ei-

^r>ii nem Auge der Scharniergabel 105 des Scharniergelenks 102 verbunden sind. Mit den Condylenschalen 305 und 306 ist ein in der Lagerschale 297 schwenkbar gelagerter Gelenkzapfen 308 einstückig ausgebildet. Der Gelenkzapfen 308 erstreckt sich in jede Condy-

v-, lenscfaale 305 und 306 nur mit einem verhältnismäßig kurzen Verbindungsstück 310 und 311 (Fig. 23 und 24) von im wesentlichen halbkreisförmiger Querschnittsfläche. Jede Condylenschale 305 und 306 weist ferner eine Durchbrechung 313 für eine Kno-

bo chenschraube 315 (Fig. 24) auf, die nach dem Aufsetzen der Condylenschalen auf die in entsprechender Weise vorbereiteten Condylen 317 und 318 (Fig. 22) in diese Condylen zur vorläufigen Verankerung der Ellenbogengelenkendoprothese eingeschraubt wer-

b5 den. Die endgültige Fixierung des Schwenkteils 320 an dem Oberarmknochen 293 soll wiederum durch Einwachsen von Knochenzellen in Poren der inneren Condylenschalenoberfläche erfolgen. Die Verbin-

dungsstücke 310 und 311 sind verhältnismäßig klein, damit möglichst viel Kiiochensubstanz der Condylen 317 und 318 bei der Vorbereitung des Implantatbettes stehengelassen werden kann.

In den Fig. 21 und 24 ist an der Elle 299 jeweils oben ein Muskelansatz 323 angedeutet.

Die Lagerschale 297 ist auf ihrer Rückseite mit Verankerungsvorsprüngen in Gestalt eines Zapfens 325 und einer im Abstand von dem Zapfen 325 angeordneten und von dem Zapfen weg gerichteten Zunge 327 versehen. Der Zapfen 325 weist an seinem Fuß eine umlaufende Rille 329 auf. Auch diese Fixierung ist vorläufig und soll endgültig durch das spätere Einwachsen von Knochenzellen in die an den Kontaktflächen zur Knochenschnittfläche poröse Lagerschalenoberfläche erfolgen.

Vom oberen Rand der Condylenschalen 305 und 306 bis zum unteren Abschluß des Außenrundgewindes 75 des Schaftes 73 besteht kein inniger Formschluß über Knochensubstanz zwischen der Gelenkendoprothese und ihrem Knochenlager, wodurch Mikrorelativbewegungen der Kontaktflächen zwischen Gelenkendoprothese und Knochen entscheidend reduziert werden.

Für die Ellenbogenendoprothese ist im Zusammenhang mit den Fig. 20 bis 26 das Scharniergelenk 102 als Beispiel beschrieben worden. Es können jedoch statt dieses Scharniergelenks 102 auch andere Gelenktypen für die Ellenbogenendoprothese verwendet werden, die zuvor im Zusammenhang mit der jo Hüftgelenkendoprothese beschrieben wurden.

Entsprechend den verschiedenen Hüftgelenke ndoprothesen kann auch die Totalellenbogengelenkendoprothesen 290 aus Metall hergestellt sein, da an seiner gesamten Oberfläche emailliert ist. Aucl die Knochenschrauben 315 können voll emaillier sein.

Das Prinzip des Anmeldungsgegenstandes ist durcl unterschiedliche Hüftgelenkendoprothesen als Bei spiele für ein Körperkugelgelenk und durch eine El lenbogengelenkendoprothese als Beispiel für ein Kör perscharniergelenk näher erläutert worden. Diese Prinzip ist jedoch gleichermaßen auf alle anderen Ge lenke des menschlichen und tierischen Körpers an wendbar.

Fig. 27 zeigt einen abgewandelten Schaft 73 inso fern, als dieser nicht mit einem symmetrischen Au ßenrundgewinde, sondern mit einem Sägezahnge winde 430 ausgerüstet ist, das sich nach unten hii kegelig verjüngt. Die steilen Flanken 433 des Säge zahngewindes 430 weisen zum breiteren Ende des Sä gezahnschaftes 430 hin und verlaufen rechtwinklig zi der Längsachse des Schaftes 73. Die Zahnköpfe 43f und die Zahnfüße 437 sind jeweils abgerundet. Da durch wird einmal der nach dem Einsetzen dem Säge zahngewinde 430 gegenüberliegende Knochen ge schont und zum anderen das Aufbringen einer ir Fig. 27 strichpunktiert angedeuteten Emailschich 440 auf den gesamten Schaft 73 mit Ausnahme seine: Gewindebohrung 80 erleichtert. Von unten führt ir den Schaft 73 eine ebenfalls emaillierte Bohrung 442 hinein, in die vor dem Einsetzen des Schaftes 73 ζ. Β Antibiotika als Depot eingebracht werden. Zur Er leichterung des Einwachsens des Schaftes 73 in der umgebenden Knochen kann die Emailschicht 440 außen aufgerauht sein.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gelenkendoprothese für eine zementfreie Implantation mit einem Schaft zur Verankerung in einem ersten Knochen und einem mit dem Schaft verbundenen ersten Gelenkprothesenteil, das mit einem zweiten Gelenkprothesenteil an einem zweiten Knochen ein künstliches Körpergelenk bildet, und mit einem Stützelement, das sich an einer Abstützfläche des ersten Knochens abstützt, dadurch ge kennzeichnet, daß das erste Gelenkprothesenteil (113; 308) und das Stützelement (107; 305,306) ein mit dem Schaft (73) gelenkig verbundenes Schwenkteil (109; 320) bilden.

2. Gelenkendoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein schaftseitiges Teil der gelenkigen Verbindung als lösbar mit dem Schaft (73) verbundenes Übergangsstück (83) ausgebildet ist.

3. Gelenkendoprothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Übergangsstück (83) eine auf einem Konus (79) des Schaftes (73) sitzende komplementäre Konushülle (82) aufweist, die durch eine in eine Gewindebohrung (80) des Schaftes (73 eingeschraubte Schraube (87) gegen den Konus (79) gepreßt ist.

4. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ω gelenkige Verbindung als Scharniergelenk (102) ausgebildet ist.

5. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gelenkige Verbindung als Kugelgelenk (131) aus- « gebildet ist.

6. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gelenkige Verbindung als Kardangelenk (199) ausgebildet ist.

7. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gelenkige Verbindung als Schneidenlagerkonstruktion (159) ausgebildet ist.

8. Gelenkendoprothese nach einem der An- 4^r> spräche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die gelenkige Verbindung als elastisches Gelenk (170; 189) ausgebildet ist, das wenigstens eine zwischen dem Schaft (73) oder dem Übergangsstück (83) einerseits und dem Schwenkteil (109) andererseits ^r>» eingespannte Feder aufweist, die zum Andrücken des Stützelements an die Abstützfläche (50) vorgespannt ist oder sind.

9. Gelenkendoprothese nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens eine v, Feder als Blattfeder (168; 175, 179) ausgebildet ist.

10. Gelenkendoprothese nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Federn (175, 179) in einer Schwenkebene des Schwenkteils m> (109) im Abstand voneinander parallelogrammartig angeordnet sind.

11. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Schaft (73) oder dem Übergangsstück h, (83) einerseits und dem Schwenkteil (109) andererseits eine Feder (117; 137) vorgesehen ist, die zum Andrücken des Stützelements an die Abstützfläche (50) vorgespannt ist.

12. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Hüftgelenkendoprothese des erste Gelenkprothesenteil als Kugel (113) und das Stützelement als mit der Kugel (113) verbundener Kragen (107) ausgebildet sind, wobei die Kugel (113) und der Kragen (107) das Schwenkteil (109) bilden.

13. Gelenkendoprothese nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Achse der gelenkigen Verbindung zumindest annähernd in einer die Abstützfläche (50) enthaltenden Ebene liegt.

14. Gelenkendoprothese nach den Ansprüchen 12, 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (137) zwischen dem Schwenkteil (109) und einer Zugschraube (139) angeordnet ist, und daß die Zugschraube (139) in ein Muttergewinde eines an dem Übergangsstück (83) abgestützten Schwenkzapfens (140) eingeschraubt ist.

15. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Ellenbogengelenkendoprothese das erste Gelenkprothesenteil als Gelenkzapfen (308) ausgebildet ist, und daß das Stützelement zwei im Abstand voneinander angeordnete, mit den Enden des Gelenkzapfens (308) verbundene Condylenschalen (305, 306) aufweist, wobei der Gelenkzapfen (308) und die Condylenschalen (305; 306) das Schwenkteil (320) bilden.

16. Gelenkendoprothese nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkzapfen (308) und die Condylenschalen (305, 306) einstückig ausgebildet sind.

17. Gelenkendoprothese nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkzapfen (308) sich in jede Condylenschale (305, 306) nur mit einem kurzen Verbindungsstück (310, 311) erstreckt, und daß sich in dem von dem Verbindungsstück (310, 311) freien Abschnitt jeder Condylenschale (305, 306) eine Durchbrechung (313) für eine Knochenschraube (315) befindet.

18. Gelenkendoprothese nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Verbindungsstück (310,311) sich nur in dem von der zugehörigen Condylenschale (305, 306) umfaßten Umfangsbereich des Gelenkzapfens (308) befindet.

19. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß jede Condylenschale (305, 306) einen Tragarm aufweist, und daß die beiden Tragarme einen Teil (105) der gelenkigen Verbindung tragen.

20. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (73) oder das Übergangsstück (83) mit einem Anschlag (295) zur Begrenzung der Schwenkbewegung des Schwenkteils (320) versehen ist.

21. Gelenkendoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaft (73) außen mit einem Sägezahngewindc (430) versehen ist, dessen steile Flanken (433) zu dem Schwenkteil (109; 320) hinweisen.

22. Gelenkendoprothese nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnfüßc (437) und Zahnköpfe (435) des Sägczahngewindes (430) abgerundet sind.