DE2728007C2

DE2728007C2 - Simulator zum Testen von Totalendoprothesen für das Hüftgelenk

Info

Publication number: DE2728007C2
Application number: DE19772728007
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. 7201 Rietheim Ungethuem
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1977-06-22
Filing date: 1977-06-22
Publication date: 1979-04-05
Also published as: DE2728007B1

Description

Für die Weiterentwicklung von Prothesen wie Totalendoprothesen für das Hüftgelenk hinsichtlich Material und Konstruktion sind Dauerprüfmöglichkeiten unter simulierten physiologischen Bedingungen erforderlich. Simulierte physiologische Bedingungen bedeuten in erster Linie gleiche Bewegung.s- und Kraftverhältnisse im Simulator wie im Hüftgelenk.

Aus der DE-PS 24 18 956, auf die zur näheren Erläuterung der Bewegungs- und Kraftverhältnisse Bezug genommen wird, ist ein Simulator zum Testen von Totalendoprothesen für das Hüftgelenk bekanntgeworden. Dieser Simulator zeichnet sich dadurch aus, daß mit ihm die Testung handelsüblicher Prothesen unter genau adaptierten physiologischen Bedingungen möglich ist Es ist nicht nur eine dreiaxiale Bewegung der Gelenkpfanne gegeben, sondern auch eine Selbstzentrierung des Gelenkes aufgrund der Anordnung eines Kreuzgelenkes an der GelenkkopFhalterung. Außerdem sind sämtliche Schwenkwinkel der Gelenkpfanne und die »double peak«-Druckbeaufschlagung des Gelenkkopfs zur Simulierung unterschiedlicher Gangarten einzeln variierbar. Die Antriebe zur Durchführung der Schwenkbewegungen der Gelenkpfanne und zur Druckbeaufschlagung des Gelenkkopfes arbeiten hy-

draulisch. Zur Variierung der Schwenkwinkel sind mit Endschaltern zusammenwirkende Fahnen, und zur Variierung der Schwenkgeschwindigkeit sowie der Höhe und des Verlaufs der Druckbeaufschlagung sind Druckbegrenzungs-, Druckminder- und Stromregelventile vorgesehen. Zur Erzielung einer Synchronisation der Schwenkbewegungen untereinander und der Druckbeaufschlagung wird die Schwenkbewegung in einer Ebene als Leitzyklus bestimmt, so daß spätestens bei Beendigung όζτ Schwenkbewegung in dieser Ebene auch die Schwenkbewegung in den anderen Ebenen und der Druckbeaufschlagungszyklus (Folgezyklen) umgesteuert werden, während bei vorzeitiger Beendigung eines Folgezyklus jeweils nur die betreffende Schwenkbewegung bzw. der Druckbeaufschlagungszyklus vorübergehend angehalten werden.

Durch die zahlreichen Variationsmöglichkeiten kann der Simulator nach dem DE-Patent 24 18 956 zwar Testergebnisse unter genau adaptierten physiologischen Bedingungen liefern, dafür muß aber ein erheblicher Bau- und Schaltungsaufwand in Kauf genommen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Simulator zum Testen von Totalendoprothesen für das Hüftgelenk zu schaffen, der ohne wesentlichen Verzicht möglichst genauer Simulierung der physiologischen Bedingungen gegenüber dem oben beschriebenen Simulator nach dem DE-Patent 24 18 956 einen stark vereinfachten Aufbau besitzt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Simulator nach Anspruch 1 gelöst

Der erfindungsgemäße Simulator zeichnet sich durch einen gemeinsamen Antrieb zur Durchführung sämtlicher Schwenkbewegungen und zur Erzeugung der Druckbelastung aus. Dieser gemeinsame Antrieb ist aus Gründen der Laufruhe zweckmäßig ein Zahnriementrieb, von dessen einzelnen Zahnriemenscheiben Antriebsglieder zu den einzelnen Gelenkteilen des die Gelenkpfanne aufnehmenden dreiaxialen Kardangelenks sowie zu der Halterung zur Aufnahme der Gelenkkopfpr .»these geführt sind Aufgrund des gemeinsamen Antriebs entfallen sämtliche Synchronisationsprobleme. Wenn auch die Zyklusdauer für alle Schwenkbewegungen und für die Druckbeaufschlagung unveränderlich festliegt so sind dennoch, wo gewünscht. die Schwenkamplitude und die Höhe der Druckbelastung einstellbar, indem z. B. bei Verwendung von Kurbelstange!! als Antriebsglieder der Umlaufradius der Kurbelzapfen eingestellt wird. Durch Vorsehen einer Nocken- oder Kulissensteuerung für die auf die so Halterung für die Gelenitkopfprothese einwirkende Druckstange ist selbst ein »double peak«-Druckverlauf simulierbar. Auch die gegenseitige Zuordnung der einzelnen Schwenkbewegungen der Gelenkpfanne und der Druckbeaufschlagung des Gelenkkopfs kann in einfacher Weise variiert werden, indem z. B. die Winkellage der einzelnen, mit den Zahnriemenscheiben drehfest verbundenen Kurbelzapfen für die Antriebsglieder nach Lockern des Zahnriemens nach Wunsch eingestellt wird. Oder es können die Kurbelzapfen winkeleinstellbar an die Zahnriemenscheiben angeflanscht sein.

Vorteilhaft sind das Kardangelenk zur Aufnahme der Gelenkpfanne und die Halterung zur Aufnahme der Gelenkkopfprothese leicht zugänglich und gut zu es beobachtend an der Vorderseite einer schräg nach hinten geneigten Rahmenplatte gelagert, während der Antriebsmechanismus verdeckt hinter der Rahmenplatte liegt Indem die Aufnahmeöffnung für die Gelenkpfanne im Kardangelenk nach oben öffnend und mit einem hochgezogenen, im wesentlichen horizontalen Öffnungsrand ausgebildet ist, kann bequem im offenen System Pseudosynovialflüssiglceit zwischen die Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf eingeführt werden. Einer Abdichtungs-Gummimanschetie, deren Abriebspartikel die Tests verfälschen könnten, bedarf es nicht

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Simulators wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische perspektivische Vorderansicht eines erfindungsgemäßen Simulators,

Fig.2 einen Längsmittelschnitt des Simulators von F i g. 1 und

Fig.3 eine Rückansicht in !Richtung des Pfeils III in Fig.Z

An einer schräg nach rückwärts geneigten Rahmenplatte 1, die durch ein Gesteil 2 abgestützt ist ist an deren Vorderseite ein dreiaxiales Ka' ingelenk 3 zur Aufnahme einer Gelenkpfanne 4 unü darüber eine Halterung 5 für einen Gelenkkopf 6 einer Hüftgelenk Tota !endoprothese gelagert Der gemeinsame Antrieb 7 zur Erzeugung der Schwenkoszillierbewegungen der drei Geknkteile des Kardangelenks 3 sowie zur Druckbeaufschlagung der Halterung 5 befindet sich mit Ausnahme des Antriebsgetnebemotors 8 auf der Rückseite der Rahmenplatte 1.

Das Kardangelenk 3 besitzt ein in einer zur Rahmenplatte 1 parallelen Ebene (Frontalebene) schwenkbar gelagertes erstes Gelenkteil 9, das mit einer angeschraubten Hohlwelle 10 die Rahmenplatte durchsetzt. Die Lagerung ist durch zwei Kugellager U und 12 verwirklicht die zwischen der Hohlwelle 10 und einer gegen die Rückseite der Rahmenplatte geschraubten Buchse 13 angreifen. Ein mit der Hohlwelle 10 in Abstand von der Schwenkachse X fest verbundener Zapfen 14 dient zum Angriff eines Antriebsglicds 15

In einem Sockel 16 des ersten Gelenkteils 9 ist um eine zweite Schwenkachse Y in einer Ebene senkrecht zur Rahmenplatte 1 (Transversalebene) ein zweites Gelenkteil 17 mittels Nadellagern 18 und 19 gelagert. Dieses zweite Gelenkteil 17 trägt zwischen zwei Ansätzen 20 und 21 einen Zapfen 22 zur schwenkbaren Lagerung eines dritten Gelenkteiles 23 um eine Achse Z in einer zur Frontal- und Transversalebene senkrechte Ebene (Sagittalebene). Die Schwenkachsen X. Kund Z schneiden sicn in einem Punkt Das dritte Gelenkteil 23 weist eine nach oben öffnende öffnung 24 mit einem in der dargestellten Mittelstellung im wesentlichen horizontalen Öffnungsrand 25 zur Aufnahme eines Pfannenadapters 26 auf. Der mit dem dritten Gelenkteil fest verschrpubbare Pfannenadapter 26 dient zur Einzementierung der Gelenkpfanne 4 der zu testenden Totalendoprothese, und zwar derart daß der Pfannenmwtelpunkt exakt in den Schnittpunkt der drei Schwenkachsen fällt. Ein hochgezogener Öffnungsrand 26' am Pfannenadapter 26 erlaubt, den Test im Beisein von Pseudosynovialflüssigkeit durchzuführen. Am rückwärtigen Ende eines die Hohlwelle 10 des ersten Gelenkteils 9 durchsetzenden Verlängerungszapfens 27 des dritten Gelenkteüs 23 greifen im wesentlichen senkrecht zu den Schwenkachsen Y und Z zwei Antriebsglieder 28 und 29 an, die Schwenkoszillierbewegungen einerseits des zweiten Gelenkteils 17 um die Y-Achse und andererseits des dritten Gelenkteils 23 um die Z-Achse verursachen können.

Die Halterung 5 dient zur Aufnahme des Schaftes 30 des in die Gelenkpfanne 4 im wesentlichen senkrecht nach unten eingreifenden Gelenkkopfes 6. Die Halterung 5 ist höheneinstellbar an einen Tragarm 31 geschraubt, der seinerseits zur Schaffung einer Selbstzentriermöglichkeit der zu testenden Gelenkprothese über ein Kreuzgelenk 32 an einem Schwenkarm 33 hängt Der Schwenkarm 33 wiederum ist auf einer horizontalen Achse 34 gelagert, die sich zwischen zwei an die Rahmenplatte 1 geschraubten Wangen 35 und 36 erstreckt

Auf derselben Achse 34, die den Schwenkarm 33 trägt, ist auch ein doppelarmiger Federblatthebel 37 gelagert, der ein vorderes Druckstock 38 und ein hinteres Angriffsstück 39 aufweist, die im dargestellten Fall durch vier in Abstand neben- und übereinander angeordnete Federblätter 40 miteinander verbunden sind. Der Hebel 37 drückt mit einem an das vordere Rnde de.s Druckstückes 38 angeschraubten Druckmeßelement 41 über den Schwenkarm 33, das Kreuzgelenk 32 und den Tragarm 31 auf die Halterung 5 mit der einzementierten Gelenkkopfprothese 6, während am Angriffsstück 39 des Hebels 37 ein Antriebsglied 42 zur Druckbeaufschlagung der Gelenkkopfprothese angelenkt ist.

Der Antrieb 7 des Simulators weist auf der Rückseite der Rahmenplatte 1 einen Zahnriementrieb 43 mit einer Zahnriemenscheibe 44, 45, 46 und 47 für jedes Antriebsglied 15,28,29 bzw. 42 sowie eine Aniriebsriemenscheibe 48 und eine Spannrolle 49 auf. Die Antriebsriemefl«cheibe 48 ist auf die die Rahmenplatte 1 durchsetzende Antriebswelle 50 der auf die Vorderseite der Rahmenplatte geflanschten Antriebsgetriebemotoreneinheit 8 aufgekeilt. Die Zahnriemenscheiben 44—47, die gleichen Aufbau und gleichen Durchmesser besitzen, sitzen mittels Kegelrollenlagern 51 auf an die Rückseite der Rahmenplatte 1 angeschraubten Lagerzapfen 52.

An jede der Zahnriemenscheiben 44—47 ist stirnseitig ein Zapfen 53—56 zum Angriff der Antriebsglieder 15,28,29,42 angeflanscht. Die Winkeleinstellung erfolgt mittels einer an die Zahnriemenscheibe angeschraubten ersten Stirnplatte 57 mit kreisbogenförmigen Durchtrittsschlitzen 58,59 für die Befestigungsschrauben 60.

Die radiale Einstellung erfolgt mittels einer den Kurbelzapfen tragenden zweiten Stirnplatte 61, die radial einstellbar an die erste Stirnplatte 57 geschraubt ist. In der Zeichnung nehmen die Kurbelzapfen eine zur jeweiligen Zahnriemenscheibe zentrische Lage ein. In

to diesem Fall findet weder eine Schwenkoszillierbewegung des Kardangelenkes 3 noch eine Druckbeauf schlagung der Halterung 5 statt.

Die Antriebsglieder 15, 28, 29 und 42 sind nach Art von Spannschlössern ausgebildet, so daß Länsenein-

Stellbewegungen möglich sind. An ihren Anlenkstellen

greifen die Antriebsglieder mittels Kugelgelenken 62 an.

Durch Inbetriebsetzen der Antriebsgetriebemotoren-

einheit 8 treibt die Antriebsriemenscheibe 48 über den

Zahnriemen 63 die Zahnriemenschuben 44 bis 47 mit

gleicher Drehgeschwindigkeit an. Sofern die Kurbelzapfen 53-56 außermittig an die Zahnriemenschiriben angeflanscht worden sind, werden über die Antriebsglieder 15, 28 und 29 sinusförmige Schwenkoszillierbewegungen der einzelnen Gelenkteile des Kardangelenks und ober das Antriebsglied 42 eine sinusförmige Druckbeaufschlagung der Halterung 5 hervorgerufen. Die Schwenkamplitiide und die Höhe der Druckbelastung könren durch Einstellen des radialen Auslands des jeweiligen Kurbelzapfens zum Drehpunkt der Zahnriemenscheibe eingestellt werden. Die Druckbeaufschlagung der Halterung ist auch durch Austausch der Federblätter 40 veränderbar. Die gegenseitige Zuordnung der einzelnen Schwenkbewegungen der Gelenkteile und der Druckbeaufschlagung ist durch Verdrehen der Stirnplatten 57 nach Lösen der Befestigungsschrauben 60 oder durch Verdrehen der ganzen Zahnriemenscheibe nach Lockern des Zahnriemens 63 einstellbar. Eine Längenverstellung der Antriebsglieder hat bei den Schwenkoszillierbewegungen eine Verlagerung der ganzen Bewegung zur Folge.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Simulator zum Testen von Totalendoprothesen für das Hüftgelenk, mit einem an einem Rahmengestell gelagerten, schwenkoszillierend angetriebenen dreiaxialen Kardangelenk zur Aufnahme der Gelenkpfanne im Schnittpunkt der Schwenkachsen sowie mit einer über ein Kreuzgelenk druckbeaufschlagbaren Halterung zur Aufnahme der Gelenkkopfprothese gegenüberliegend der Gelenkpfanne, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Zahnriemenantrieb (43) oder dgl., von dem einerseits Antriebsglieder (15, 28, 29) zu den einzelnen Gelenkteilen (9, 17, 23) des Kardangelenks (3) zur Erzeugung von deren Schwenkoszillierbewegungen in einer Frontal-, Transversal- und Sagittalebene geführt sind und andererseits ein Antriebsglied (42) über ein Federelement (40) auf die Gelenkkopfhalterang (5) zu deren Druckbeaufschlagung einwirkt

2. Simulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dsT die Antriebsglieder Kurbelstangen (IS, 28,29,42) sind, die zwischen den Gelenkteilen (9,17, 23) bzw. der Halterung (5) und Kurbelzapfen (53—56) angreifen, die durch den Zahnriementrieb (43) oder dgL umlaufend angetrieben sind.

3. Simulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsglied zur Druckbeaufschlagung der Gelenkkopfhalterung (5) eine Druckstange ist, die einerseits an der Halterung angreift und andererseits von einer durch den Zahnriementrieb oder dgl. umlaufend angetriebenen Nockenscheibe zur Erzeugung eines »double peak«-Druckverlaufs beaufschlagt ist.

4. Simulator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlaufradius der Kurbelzapfen (53—56) einstellbar ist

5. Simulator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelstellung der Kurbelzapfen (53—56) bzw. der Nockenscheibe zueinander einstellbar ist

6. Simulator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet daß die Länge der Kurbelstangen (15,28,29,42) bzw. der Druckstange einstellbar ist.

7. Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch vier durch einen gemeinsamen Zahnriemen (63) angetriebene Zahnriemenscheiben (44—47), an die je ein Antriebsglied (15,28, 29, 42) zur Erzeugung der Schwenkoszillierbewegungen der Gelenkteile (9, 17, 23) des Kardangelenks (3) in drei Ebenen und zur Druckbeaufschlagung der Gelenkkopfhalterung (5) angeschlossen ist

8. Simulator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Rahmenplatte (1), an deren Vorderseite das Kardangelenk (3) zur Aufnahme der Gelenkpfanne (4) mit ihrer Öffnung nach oben und darüber an einem Schwenkarm (33) über das Kreuzgelenk (32) die Gelenkkopfhalterung gelagert und an deren Rückseite der Zahnriementrieb (43) oder dgl. mit den Antriebsgliedern (15,28, μ 29,42) angeordnet ist.

9. Simulator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Gelenkteil (9) des Kardangelenks (3) mittels einer die Rahmenplatte (1) durchsetzenden Hohlwelle (10) schwenkbar an der es Rahmenplatte gelagert ist und an der Hohlwelle in Abstand von der Schwenkachse (X) das Antriebsglied (15) zur Erzeugung der Schwenkoszillicrbewe- gung in der Frontalebene angreift, daß ein zweites Gelenkteil (17) mit einer die Schwenkachse (X) des ersten Gelenkteiles (9) senkrecht schneidenden Schwenkachse (Y) an dem ersten Gelenkteil (9) gelagert ist und daß ein die Gelenkpfanne (4) aufnehmendes drittes Gelenkteil (23) mit einer die Schwenkachsen (X₁ Y) des ersten und zweiten Gelenkteils (9, 17) senkrecht schneidenden Schwenkachse (Z) an dem zweiten Gelenkteil (17) gelagert und mit einem die Hohlwelle (10) des ersten Gelenkteils (9) durchsetzenden Zapfen (27) versehen ist, an dem die Antriebsglieder (28, 29) zur Erzeugung der Schwenkoszillierbewegungen in der Transversal- und der Sagittalebene angreifen.

10. Simulator nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen doppelarmigen Federblatthebel (37), der mit dem die Gelenkkopfhalterung (5) tragenden Schwenkarm (33) um eine gemeinsame Achse (34) schwenkbar gelagert ist und dessen vorderes Ende (38) über ein Druckmeßelement (41) auf den Schwenkarm (33) drückt und an dessen rückwärtigem Ende (39) das Druckbeaufschlagungs-Antriebsglied (42) angreift

11. Simulator nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet daß die Rahmenplatte (1) schräg nach rückwärts geneigt ist und die Aufnahmeöffnung für die Gelenkpfanne (4) im Kardangelenk (3) mit einen hochgezogenen, im wesentlichen horizontalen Öffnungsrand (26') ausgebildet ist

12. Simulator nach einem der Ansprüche 8 bis 11 mit den Ansprüchen 7 und 4, dadurch gekennzeichnet daß stirnseitig an die Zahnriemenscheiben (44—47) radial einstellbar ein Kurbelzapfen (53—56) zum Angriff eines Antriebsglieds (15, 28, 29, 42) angeflanscht ist

13. Simulator nach Anspruch 12 mit Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine bezüglich der Zahnriemenscheibe (44—47) winkeleinstellbare Stirnplatte (57), gegen die der Kurbelzapfen (53—56) radial einstellbar angeflanscht ist.