DE2550704C2

DE2550704C2 - Kniegelenk-Endoprothese

Info

Publication number: DE2550704C2
Application number: DE19752550704
Authority: DE
Inventors: John William Woodeaton Oxford Goodfellow; John Joseph Oxford O'Connor; Nigel Graham Alberta Shrive
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: BTG International Ltd
Priority date: 1974-11-18
Filing date: 1975-11-12
Publication date: 1985-06-20
Also published as: GB1534263A; IE42356L; FR2290883B1; CH597847A5; JPS5841855B2; DE2550704A1; FR2290883A1; JPS51116095A; IE42356B1

Description

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gelenk- (10, 11) und den Lagereleme.nten (20, 21) je ein Meniskuselement (30,31) mit auf der Oberseite und der Unterseite angeordneten Gleitflächen (32, 33) beweglich angeordnet ist, welche krümmungsmäßig komplementär zu der Gelenklagerfläche (12) des Gelenkelementes (10,11) bzw. der Lagenläche (22) des Lagerelementes (20, 21) gestaltet sind.

2. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gelenklagerfläche (12) und die dazu komplementäre obere Gleitfläche (32) am Meniskuselement (30, 31) sphärisch und mit gleichem Krümmungsradius gestaltet sind.

3. Prothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerfläche (22) des Lagerelementes (20) und die untere Gleitfläche (33) des Meniskuselementes (30,31) eben sind.

4. Prothese nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gelenkelement (10) und das Lagerelement (20) einstückig aus Metall bestehen und das Meniskuselement (30, 31) einstückig aus Kunststoff besteht

5. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Gleitflächen (32, 39) einen Fortsatz (25) und die andere eine Ausnehmung (34) aufweist und daß der Fortsatz (25) und die Ausnehmung (34) schwalbenschwanza'tige Form im Querschnitt aufweisen und lateral beweglich sind.

6. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meniskuselement (30, 31) aus einem nachgiebigen Kunststoff besteht und gegen Verformung in Radialrichtung eine Verstärkung in Form eines sockeiförmigen Ringes aufweist.

zu vergrößern, was allerdings nur auf Kosten der Festlegung der Drehung um eine starre Achse erreicht wird. Ferner haben Untersuchungen an Hüftgelenken gezeigt, daß eine nahe Beziehung zwischen der Geometrie der eigentlichen Gelenkflächen, der Belastungsverteilung i'ber diesen Flächen und den beobachteten Degenerationserscheinungen besteht Ein besonderes Merkmal des Hüftgelenkes besteht darin, daß die Oberflächen kleine Ungenauigkeiten hinsichtlich der Flächengestalt aufweisen, wodurch die Kontaktflächen mit größer werdender Belastung wachsen können; wenn bei großer Belastung der gesamte Knorpel der jeweiligen Fläche in berührendem Kontakt mit dem anderen Gelenkteil ist, dann scheint die Verteilung der Knorpeldikke derart zu sein, daß eine gleichförmige Druckbelastung besteht; siehe hierzu A. S. Greenwald und J. J. Connor in »The transmission of load through the human hip joint«, Zeitschrift »J. Biomechanics«, 1971,4, Seiten 507-528.

Gegenüber dem genannten Stand der Technik liegt der Erfindung nunmehr die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Kniegelenk-Endoprothese derart zu verbessern, daß sie möglichst alle Bewegungen des natürlichen Kniegelenks ausführen kann und gleichermaßen bei den unterschiedlichsten Rotations- und Translationsbewegungen einen möglichst großen Kontaktbereich vorsieht, um günstigste Belastungsverteilungen auf den arbeitenden Flächen zu erhalten.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst Die erfindungsgemäße Endoprothese ist also derart aufgebaut, daß sie so genau wie möglich die Geometrie des »natürlichen« Kniegelenks und seiner Lagerflächen imitiert. Zwischen dem Gelenk- und dem Lagerelement wird ein bewegliches Meniskuselement vorgesehen, dessen auf der Ober- und Unterseite angeordnete Gleitflächen eine komplementäre Gestaltung einerseits zu der Gelenklagerfläche des Gelenkelementes und andererseits zur Lagerfläche des Lagerelementes aufweisen. Bei einem derartigen Aufbau wird das natürliche. Spiel der Muskeln und Bänder so wenig wie möglich gestört und gleichzeitig eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Belastung sichergestellt.
Die erfindungsgemäße Gestaltung eines endoprothetischen Kniegelenks führt zu folgenden Konsequenzen:

Die Erfindung betrifft eine Kniegelenk-Endoprothese so nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Endoprothese ist aus der DE-AS 64 781 und der DE-OS 23 04 988 bekannt. Ein derartiger Aufbau mit direkt in kontakt stehenden Gelenk- und Lagerelementen kann jedoch die entgegengesetzt gerichteten Erfordernisse einer idealen Gelenkprothese erfüllen, bei der über einen weiten Berührungsbereich unterschiedliche Belastungen verteilt werden müssen und die Abnutzung so gering wie möglich gehalten werden soll, so wie gleichermaßen die Bewegung des natürliehen Kniegelenkes ermöglichen soll, wozu die Drehung um eine Achse herum gehört, die sich selbst bewegt. Zwar bieten die genannten Kniegelenk-Endoprothesen beträchtliche Bewegungsmöglichkeiten, jedoch macht es sich nachteilig bemerkbar, daß der Kontaktbereich von Gelenk- und Lagerelement äußerst gering ist.

In der DE-OS 22 28 853 ist deshalb schon beschrieben worden, den Kontaktbereich zwischen diesen Flächen Das Gelenk- und das Meniskuselement einerseits und das Meniskus- und das Lagerelement andererseits können sich jeweils relativ unabhängig voneinander bewegen, weil die zwei gewissermaßen mechanisch in Reihe geschalteten Teilgelenke jeweils komplementär gestaltete Lagerflächen aufweisen. Insbesondere können sich das Gelenk- und das Meniskuselement relativ zueinander um drei orthogonale Achsen drehen und das Meniskuselement und das Lagerelement können in zwei dieser Richtungen relativ zueinander gleiten und um die dritte dieser Achsen zueinander drehen. Die sich daraus ergebende Bewegungsfähigkeit zwischen dem Gelenk- und dem Lagerelement umfassen daher sowohl ein Rollen, ein Gleiten und ein Verdrehen, und diejenigen Kombinationen dieser Bewegungsarten, die man beim natürlichen Knie findet. Die im wesentlichen konvexen und relativ flachen Gestaltungen der beiden Lagerfiächen können so nahe an die Oberflächengestaltungen der natürlichen Gelenkteile der zugeordneten Einzelelemente des Knies angeglichen werden, daß auch das Zu-;;

sammenwirken mit den das Gelenk umgebenden Muskeln und Bändern wie im natürlichen Knie abläuft

3. Die komplementäre Gestaltung der mitsinander in Eingriff stehenden Lagerflächen der Elemente wird so gewählt, daß man eine relativ gleichförmige Verteilung des Oberflächendruckes aut die jeweiligen Lagerflächen in allen Relativstellungen der Flächen zueinander erreicht

4. Das Meniskuselement wird durch die unterschiedliche Flächenkrümmung der mit ihm zusammenwirkenden knochenfesten Gelenk- und Laserelemente an seiner Stelle festgehalten.

Besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergebsn sich aus der nun folgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele unter Hinweis auf die Zeichnung. In dieser zeigen

F i g. 1 und 2 zueinander senkrechte schematische Längsschnitte eines ersten Ausführungsbeispieles; und

Fig.3 schematisch eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der F i g. 1 und 2.

Die Kniegelenk-Endoprothese nach den F i g. 1 und 2 weist ganz allgemein zwei untereinander gleiche Gelenkelemente auf, welche zusammen den lateralen und den medialen Gelenkbuckel und den Meniskus des natürlichen Kniegelenkes ersetzen. Die beiden Einzelgelenke können identisch sein; also wird nur eines beschrieben.

Bei einem solchen Teilgelenk (siehe z. B. rechte Darstellung in F i g. 2) ist das dem Oberschenkel zugeordnete Gelenkelement mit 10, das dem Schienbein zugeordnete Lagerelement mit 20 und das dem Meniskus zugeordnete Element mit 30 bezeichnet In den F i g. 1 und 2 sind strichpunktiert die im jeweiligen Schnitt erkennbaren Umfangslinien des unteren Abschnitts des Oberschenkelknochens, und des oberen Endes des Schienbeins dargestellt, und zwar mit den Bezugszeichen 40 bzw. 50.

Das dem Oberschenkel zugeordnete Gelenkelement 11 hat im wesentlichen die Gestalt eines langen gekrümmten Streifens, dessen konvexe Außenfläche sphärisch gestaltet ist und die entsprechende Gelenklagerfläche 12 bildet Die konkave Innenseite des Gelenkelementes 11 dient als Befestigungsfläche 13 zur Verankerung im Oberschenkelknochen nach insoweit herkömmlichen Verfahren, so daß also die Gelenklagerfläche 12 einen der beiden Gelenkballen am knieseitigen Ende des Oberschenkels ersetzt. Hier wird beispielsweise diese eben angesprochene Befestigung mit Acryl-Knochenzement vorgenommen. Zur besseren Fixierung weist das Gelenkelement 11 an seiner Rückseite Verankerungszapfen 14 auf und die Befestigungsfläche 13 kann außerdem noch mit Nuten und dgl. versehen sein.

Das Lagerelement 20 des hier zu beschreibenden Teilgelenkes weist einen Lagerkörper in Gestalt einer D-förmigen Platte von im wesentlichen gleicher Dicke auf. Die in der Darstellung obere Fläche des Lagerelementes 21 ist eben und stellt eine Lagerfläche 22 dar. Die andere (untere) Fläche des Lagerelementes 21 dient als Verankerungsfläche 23 zur Befestigung im Schienbein, wozu man ähnliche Verankerungstechniken verwenden kann. Die Lagerfläche 22 dient dabei erkennbar als Äquivalent der Lagerfläche des normalen Knies. Die Verankerungsfläche 23 kann ebenfalls entsprechende Verankerungszapfen 24 aufweisen.

Das Meniskuselement 30 bzw. 31 hat zunächst die Gestalt einer kreisförmigen Scheibe. Die dem Oberschenkel zuweisende obere Gleitfläche 32 dieser Scheibe ist sphärisch derart konkav gestaltet, daß der Krümmungsradius dem Krümmungsradius der Gelenklagefläche 12 entspricht Die Lagerfläche 32 und die Gelenklagerfläche 12 stehen in Eingriff miteinander. Die untere Gleitfläche 33 des scheibenförmigen Meniskus-Elementes 31 ist eben gestaltet und dient als Lagerfläche im

ίο Zusammenwirken mit der ebenen Lagefläche 22 des Lagerelementes.

Beim operativen Einsetzen der entsprechenden Elemente werden zunächst am Oberschenkel und am Schienbein die entsprechenden Elemente verankert und dann wird das dem Meniskuselement zwischen die bereits verankerten Elemente eingebracht. Ober den Vorgang der eigentlichen Operation muß hier nichts gesagt werden; die Operationstechnik ist bekannt
Ein wichtiger Vorteil der dargestellten Anordnung rührt von der weiter oben unter 1. beschriebenen Konsequenz her: Die Bewegungen des natürlichen Gelenkes können äußerst ähnlich simuliert werden, ohne daß es erforderlich wäre, die natürlichen Steuer- und Stabilisierungsmechanismen (Bänder und Muskeln) zu verändem. Dabei wird aber gleichzeitig die Gleichförmigkeit der Flächenbelastungen aufrechterhalten. So weit die geometrische Gestalt der tragenden Flächen die natürlichen Verhältnisse nicht identisch wiedergeben, sind diese Differenzen nicht schwerwiegend, da in diesem kleinen Variationsbereich ohne weiteres davon auszugehen ist, daß bei der Streckbewegung und der Beugebewegung die natürlichen Muskeln und Bänder solche »Differenzen« ausgleichen können. Diese Differenzen oder Unterschiede sind aber, wie sich an einem Modell gezeigt hat außerordentlich klein; eine Abweichung vom Bewegungsablauf des natürlichen Knies war praktisch nicht zu bemerken.

a) Während des Beginns des Streckens drehte sich das Gelenkelement unter geringfügiger seitlicher Bewegung relativ zum Lagerelement;

b) bei weiterem Strecken setzte das Gelenkelement seine Drehbewegung mit zunehmender Vorwärtsbewegung des Meniskuselementes fort, so daß die Achse der Oberschenkel-Schienbein-Drehung sich nach hinten in den Oberschenkelknochen hineinbewegte;

c) nach der vollen Streckstellung des Knies überlagert sich der zuletzt genannten Verschiebung eine Querdrehung, so daß das Schienbein sich relativ zum Oberschenkelknochen um die Längsachse des Beines drehte, was eine beim natürlichen Knie bekannte Tatsache ist.

Die geschilderten Einzelbewegungen laufen beim Abbiegen des Knies in genau umgekehrter Reihenfolge ab. Während also bei diesem Bewegungsablauf zwischen dem Oberschenkelknochen und dem Schienbein eine relative Rollbewegung, eine Gleitbewegung und eine Drehbewegung stattfindet, führen die Gelenkbauteile der Prothese zueinander nur Gleitbewegungen unter gleichförmiger Druckverteilung aus. Es treten also vorteilhafterweise keine dynamischen Belastungen auf, die eine vorzeitige Abnutzung eines oder mehrerer der EIemente befürchten lassen könnten.

Weitere besondere Vorteile entstehen im Zusammenhang mit der geschilderten Ausbildung und Anordnung des Meniskuselementes. Dieses kleine Bauelement kann

zunächst einmal mit einer einfachen Operation ausgetauscht werden, wenn es abgenützt sein sollte. Das kleine Bauelement des Meniskus kann man ferner z. B. aus einem Kunststoff herstellen und die anderen Elemente aus Metall, so daß also allenfalls auftretende Abnützung nur an dem leicht auswechselbaren Element auftreten kann; dabei wird aber der bekannte Vorteil erhalten, daß jeweils zwischen den zusammenwirkenden Flächen eine besonders geringe Reibung stattfindet.

Ein weiterer, von insbesondere der Art des Meniskuselementes herrührender Vorteil ist darin zu sehen, daß man dieses Bauteil in verschiedenen Dicken bei der Operation vorrätig haben kann, so daß man also etwaige Bänderdehnungen und dgl. durch Wahl eines Meniskuselementes geeigneter Dicke ausgleichen kann. Dadurch wird besonders die Gefahr vermieden, daß die Bänder unter zu geringer Spannung stehen. Ferner kann man (es werden zwei solche Gelenke in einem Knie verwendet; siehe Fig.2!) etwaige Abstandsunterschiede zwischen den beiden zu ersetzenden Einzelgelenken ausgleichen.

Ferner wird als vorteilhaft empfunden, daß man beim Einzementieren der Gelenk- und Lagerelemente nicht auf äußerst genaue Ausrichtung dieser beiden Elememe zueinander achten muß; etwaige seitliche Verschiebungen werden automatisch beim Einfügen des Meniskuselementes vermieden, da dieses ja auf dem Lagerelement 20 in lateraler Richtung gleiten kann und so gewissermaßen eine Selbstausrichtung eintritt Dadurch ist vor allem auch die Relativstellung der beiden Gelenkelemente 10 bzw. der beiden Lagerelemente 20 am jeweiligen Knochen nebeneinander unkritisch.

Während die Erfindung unter Hinweis auf ein Gelenk beschrieben wurde, bei welchem die Kreuzbänder beibehalten werden konnten und ihren natürlichen Aufgaben weiterhin nachkommen, kann man die Erfindung auch bei solchen Gelenken einsetzen, bei denen diese seitlichen oder lateralen natürlichen Haltemittel nicht mehr vorliegen; dies sei unter Hinweis auf F i g. 3 erläutert. In F i g. 3 ist nur eines der beiden Gesamtgelenke gezeigt, die beide in F i g. 2 gezeigt sind. Die Abänderung besteht gegenüber dem Ausführungsbeispiel nach den F i g. 1 und 2 darin, daß zunächst von etwa der Mitte des Lagerelementes 21 ein pilzförmiger Fortsatz 25 absteht Dieser Fortsatz befindet sich in einer hinterschnittenen Ausnehmung 34 auf der unteren ebenen Gleitfläche 33 des Meniskuselementes 30. Die lichte Weite der Öffnung der Ausnehmung 34 hat einen Durchmesser, der deutlich größer ist als der Durchmesser des Stammes oder Stumpfes des pilzartigen Fortsatzes 25, ist aber etwas kleiner als der Durchmesser des »Hutes« des pilzartigen Fortsatzes 25, so daß ein Eingriff des Fortsatzes 25 in die Ausnehmung 34 mit einer Schnappbewegung beginnt, wonach ein Gleiten der Teile relativ zueinander nach Maßgabe des aus F i g. 3 ohne weiteres erkennbaren Spieles der Abmessungen möglich ist Zweckmäßig haben sowohl der Fortsatz 25 als auch die Ausnehmung 34 gleiche Tiefe bezogen auf die ebenen Lagergleitflächen, mit denen die Bauelemente aufeinandergleiten, wodurch die weiter oben beschriebene Gleitbewegung weiter möglich bleibt

Das Meniskuselement in der Ausgestaltung nach den F i g. 1 und 2 kann durch zusätzliches Anwenden der Abänderung nach Fig.3 eine formschlüssige Begrenzung der relativen Bewegungsmöglichkeit des Meniskuselementes erreichen, ohne die Bewegungsfreiheit zu behindern. Es werden übrigens auch die tragenden Flächen bei der Anordnung nach F i g. 3 nicht !deiner, sondern eher etwas größer als im Falle der Ausbildung nach den F i g. 1 und 2.

Selbstverständlich kann eine in ähnlicher Weise stabilisierende Wirkung auch dadurch erzielt werden, daß man einen entsprechenden Fortsatz 25 in der oberen Gleitfläche 32 und eine schlitzförmige Ausnehmung in der Gelenklagerfläche 12 ausbildet.

Die Stabilität des Meniskuselementes kann auch dadurch erhöht werden, daß man es in der Draufsicht derart oval ausbildet, daß die gekrümmte obere Gleitfläche vergrößert wird, die in Berührung mit dem Gelenkelement steht und der ein wesentlicher Grund für die Lagesicherung des Meniskuselementes ist. Die ovale Gestaltung wird also so vorgenommen, daß die größere Achse der ovalen Fläche in Vorwärts-Rückwärtsrichtung verläuft. Zu diesem Zweck kann es weiter zweckmäßig sein, das Lagerelement 20 in der in F i g. 3 gestrichelt dargestellten Weise mit Seitenführungen 26 zu versehen, um so den Winkel zu begrenzen, um welchen sich das Meniskuselement drehen kann.

Man kann eine bessere Seitenstabilität bei einem mit zwei Gelenkhöckern versehenen Gelenkendoprothese erreichen, indem man die Lagerfläche 22 und die untere Gleitfläche 33 zueinander seitlich neigt. Dies kann dadurch geschehen, daß man geeignet geneigte Flächen im Schienbein für ein Lagerelement gleichförmiger Dicke vorsieht oder aber im wesentlichen keilförmige Lagerelemente am Schienbein vorsieht.
Die Erfindung kann auch an anderen Gelenken als Zwei-Höcker-Gelenken verwendet werden. In einfacher Form kann die Erfindung an einer Prothese verwendet werden, die einen einzigen Satz von Bauelementen für das ganze Knie aufweist. Man kann die zweihöckrige Ausbildung auch dadurch weiterbilden, daß man einige oder alle der einander entsprechenden Bauelemente miteinander kombiniert und geschlitzte Gestaltungen an den Bauelementen vorsieht, um die Kreuzbänder in Lage zu halten. Die Lagerfläche des oberschenkelseitigen Gelenkelementes kann von unterschiedlicher Kurvenkrümmung sein und zumindest teilweise von derjenigen abweichen, mit welcher sie gelenkig verbunden ist. Die in Eingriff stehenden Lager- bzw. Gleitfiächen zwischen dem Meniskuselement und dem Lagerelement müssen auch nicht notwendigerweise absolut eben sein; diese Flächen sind nur mindestens relativ eben oder schwach gekrümmt verglichen mit den anderen, in Eingriff miteinander stehenden Flächen.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann man einen nachgiebigen Kunst-Werkstoff für das Meniskuselement verwenden, so daß dieses Element sich gewissen Geometrieänderungen angleichen kann, die insbesondere beim Beugen an der oberflächenseitigen uberfläche auftreten könnten. Zweckmäßigerweise sollte die Nachgiebigkeit vorwiegend in der Längsachse des Beines liegen, d. h. also rechtwinklig bezogen auf die Lagerflächen des Meniskuselementes, während das Meniskuselement selbst relativ steif in Umfangsrichtung sein sollte, um radial gerichtete Kräfte auffangen zu können, wie dies beim natürlichen Meniskus der Fall ist Eine solche, richtungsmäßig unterschiedliche, Nachgiebigkeit kann man erreichen, indem man das Meniskuselement beispielsweise an seinem Umfang mit entsprechenden Fasern verstärkt Man kann z. B. für den Körper des Meniskuselementes einen unter der Bezeichnung »Silastic« bekannten Gummi verwenden, der sich innerhalb eines sockeiförmigen Ringes aus Nylon oder einem anderen Kunstfaserwerkstoff befindet Ferner kann ein solches Meniskuselement nur für sich zwischen den natürlichen

8 §

Gelenklagerflächen und Lagerflächen Anwendung finden, wenn man Meniskusbeschwerden behandelt, die
insbesondere durch sportliche Betätigung entstehen,
und die z. Zt. noch durch die sogenannte Knorpelentfernung behandelt werden. 5

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kniegelenkendoprothese mit

a) am unteren Ende des Oberschenkels befestigbaren Gelenkelementen mit konvex gekrümmter Gelenklagerfläche und

b) am oberen Ende des Schienbeins befestigbaren Lagerelementen mit ebener Lagerfläche;