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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von
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Knochenzement bei der Implantation von Endoprothesen in einen Knochen
eines Lebewesens.
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Beim Einsetzen von Endoprothesen im Inneren des Körpers eines Lebewesens,
insbesondere eines Menschen wird ein Knochenzement zur Verankerung der Prothese
in einem Knochen verwendet. Beispiele derartiger Prothesen sind Gelenkprothesen,
insbesondere Hüftgelenkprothesen. Der Knochenzement wird aus mehreren Komponenten,
zumeist unter Zusatz von Antibiotika gemischt. Bei der Mischung dieser Komponenten
wird ein chemischer Prozeß eingeleitet, bei dem es zu einer Wärmeentwicklung (Polymerisationswärme)
kommt. Zum Stand der Technik wird auf den Aufsatz von Willert und Enderle, ~Das
künstliche Hüftgelenk", Umschau in Wissenschaft und Technik, 1974, Seite 105, sowie
die Aufsätze von M.E. Müller, ~Total Hip Protheses", Clinical Orthopaedics, Nr.
72, September-Oktober 1970, und ~Total Hip Replacement: Planning, Technique and
Complications", Cruess & Mitchell, Surgical Management of Degenerative Arthritis
of the Lower Limb, Lea & Febiger, philadelphia, 1975, Bezug genommen.
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Durch die erwähnte Wärmeentwicklung, die u.U. zu Temperaturen von
80 bis 1100C führen kann, wird einerseits eine thermische Schädigung des anliegenden
Gewebes herbeigeführt und zum anderen werden zwangsläufig Wärmedehnungen und anschliessende
Schrumpfungen des Prothesenteils und des Knochenzements verursacht, die den für
die Lebensdauer des Prothesenteils entscheidenden festen Sitz im Knochen beeinträchtigen
können.
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Der Wärmestau im Zement wird um so größer, je schlechter die Wärme
aus dem Zement abfließen kann.
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Bei der Verankerung eines kugelförmigen Gelenkkopfes einer 'lüftprothese,
der mit einem Stiel in die Markhöhle des Oberschenkels eingesetzt und dort mit Hilfe
von Knochenzement befestigt wird, ist es bekannt, die Wärme aus dem Zement über
den Stiel und den Gelenkkopf durch Spülung des Gelenkkopfes mit einer Solelösung
abzuführen. Da der Gelenkkopf
und der Stiel im allgemeinen aus Stahl
bestehen, ist eine Wärmeabfuhr auf diese Weise verhältnismäßig gut möglich.
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Sie hat jedoch den Nachteil, daß das Wundbett durch die Solelösung
stark benetzt wird.
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Der kugelförmige Gelenkkopf wirkt im allgemeinen mit einer in den
Beckenknochen einzusetzenden, halbkugelförmigen Pfanne aus Kunststoff, insbesondere
Polyäthylen zusammen, die einen sehr schlechten Wärmeleiter darstellt und daher
nicht mit ausreichendem Erfolg zur Wärmeübertragung aus dem die Pfanne im Beckenknochen
verankernden Zement herangezogen werden kann. Insbesondere bereitet es Schwierigkeiten,
einen Wärmestau in dem Zement abzubauen, der in vertiefte Ausnehmungen des Beckenknochens
eingedrückt wird und zur Arretierung des Zements und der Pfanne, insbesondere bei
Torsionsbelastungen dient.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
die es gestattet, den Knochenzement bei der Implantation von Endoprothesen wirksam
zu kühlen. Zugleich soll ein Hilfselement geschaffen werden, das einen wirksamen
Wärmeentzug auch bei der Implantation von Prothesenteilen mit geringer Wärmeleitung,
wie etwa Gelenkpfannen von Hüftgelenkprothesen aus Kunststoff ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühlvorrichtung der
eingangs genannten Art gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Kühlkopf, der
ein nach dem Einsetzen freiliegendes Teil einer Endoprothese wenigstens teilweise
übergreift, und durch eine Kühleinrichtung zur Absenkung der Temperatur des Kühlkopfes.
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Mit einem derartigen Kühlkopf kann der Zement durch Wärmeübertragung
über das Prothesenteil wirksam gekühlt werden, sofern das Prothesenteil eine hohe
Wärmeleitung aufweist, wie es etwa bei Stahl der Fall ist. Dadurch werden übermässige
Wärmedehnungen des Zements und der Prothese und anschließende Schrumpfungen verhindert,
und das Gewebe wird geschont.
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Im Falle eines Prothesenteils aus Kunststoff, wie etwa einer Gelenk-Pfanne
einer Hüftprothese, schlägt die Erfindung die Verwendung eines zusätzlichen Kühl-
und Stützringes vor, der die Gelenkpfanne schalenförmig umgibt und Zungen aufweist,
die in den Zement, insbesondere in dessen Bereiche mit starker Materialanhäufung
eingebettet werden und die dort entwickelte Wärme ableiten. Reine Stütz ringe dieser
Art sind bekannt. Die Erfindung schlägt jedoch vor, den Kühl-und Stützring aus einem
Material mit hoher Wärmeleitung, insbesondere etall herzustellen und gezielt derart
auszubilden, daß er mit Hilfe der Zungen eine Wärmeableitung aus dem Zement ermöglicht.
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Im ifinblick auf die Kühlung ist zu berücksichtigen, daß nicht so
stark gekühlt werden darf, daß der Polymerisationsvorgang übermäßig verzögert wird.
Temperaturen bis zu etwa 600C können im Hinblick auf die Schonung des Gewebes durchaus
in Kauf genommen werden, da erst bei diesen Temperaturen eine Zerstörung von Proteinen
beginnt.
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Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im
Inneren des Kühlkopfes ein Kanalsystem zur Durchleitung eines Kühlmittels vorgesehen,
dessen Einlaß mit einer Kühlmittelquelle verbunden ist. Eine Regeleinrichtung dient
zur Regelung der Kühlmittelzufuhr zu dem Kanalsystem. Die Regeleinrichtung kann
einen Temperaturfühler einschließen, der die vorhandenen Temperaturen in einem bestimmten
Bereich des Prothesenteils abtastet. Es kann jedoch auch ein Zeitglied zur Regelung
verwendet werden, das nach Erfahrungswerten eingestellt wird.
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Zur Kühlung eines Gelenkkopfes weist der Kühlkopf eine halbkugelförmige
Aussparung auf, während er für die Kühlung einer Gelenk-Pfanne mit einer halbkugelförmigen
Ausbauchung versehen ist. Zur Kühlung eines Stütz- und Kühlringes ist der Kühlkopf
mit einer zusätzlichen Ringfläche versehen. Dei Kühlkopf kann auch zu dem zu kühlenden
Prothesenteil hin offen und gegenüber diesem lediglich mit einer ringförmigen Dichtung
abgeschlossen
sein, so daß das Kühlmittel unmittelbar über das Prothesenteil strömt. Als Kühlmittel
kommt insbesondere ein gasförmiges Kühlmittel, beispielsweise N2 in Betracht, da
auf diese Weise jede Benetzung des Wundbettes verhindert wird. Insbesondere in ewm
geschlossenen Kühlkopf kann jedoch auch ein flüssiges Kühlmittel verwendet werden.
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Der erwähnte Kühl- und Stützring stellt ein wesentliches Merkmal der
Erfindung dar, dem selbständige Bedeutung zukommt.
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Er kann auch unabhängig von der hier beschriebenen Kühlvorrichtung
verwendet werden und hat neben seiner Funktion bei der Wärmeableitung den zusätzlichen
Vorteil einer festen Verankerung der Pfanne durch die in den Zement hineinragenden
langen Zungen.
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Für weitere Einzelheiten der Erfindung wird auf die Patentansprüche
Bezug genommen.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei Anwendung für einen Gelenkkopf einer Hüftprothese; Fig. 2 ist eine
entsprechende Teildarstellung einer anderen Ausführungsform; Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform
der Erfindung, die auf die Pfanne einer Hüftgelenkprothese anwendbar ist; Fig. 4
zeigt einen erfindungsgemäßen Kühl- und Stützring, Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform
eines Kühl- und Stützringes in Draufsicht von
der einzubettenden
Seite her; Fig. 6 ist ein Schnitt entlang der Linie 6-6 in Fig. 5.
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In Fig. 1 ist mit 10 der Schaft eines Oberschenkels bezeichnet, von
dem der Schenkelhals und der Hüftkopf entfernt worden sind. Als Ersatz für den Hüftkopf
ist ein Hüftkopf 12 in den Schaft 10 eingesetzt, der beipsielsweise aus Metall,
etwa Liner Chrom-Kobalt-Legierung besteht. Der Hüftkopf 12 greift mit einem längeren
Stiel 14 in die Markhöhle 16 des Oberschenkel-Schaftes 10 ein. Derartige Hüftköpfe
sind als solche bekannt und sollen daher nicht naher erläutert werden.
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Der Stiel 14 des Hüftkopfes 12 wird mit Hilfe von Knochenzement in
dem Schaft 10 verankert. Der Knochenzement 18 wird aus mehreren Komponenten gemischt
und nach der Mischung in die Markhöhle 16 eingedrückt.
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Der Hüftkopf 12 weist einen kugelförmigen Gelenkkopf 22 auf, der über
einen Hals 20 mit dem Stiel 14 verbunden ist und eines der Teile des Hüftgelenks
bildet. In dem dargestellten Beispiel der Fig. 1 wird dieser Gelenkkopf 22 von einem
erfindungsgemäßen Kühlkopf 24 etwa in einer halbkugelförmigen Fläche übergriffen.
Der Kühlkopf weist im Inneren ein Kanalsystem auf, das einen Einlaß 26, einen Auslaß
28 und eine Kammer 30 umfaßt, die mit Einlaß und Auslaß verbunden sind.
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Die Kammer 30 umgibt eine halbkugelförmige Aussparung 32, die, wie
bereits erwähnt, den Gelenkkopf 22 übergreift. Eine Wand 34 des Kühlkopfes zwischen
der Aussparung 32 und der Kammer 30 besteht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit,
wie beispielsweise Metall. Die Fläche der Aussparung 32 ist genau an die Oberfläche
des Gelenkkopfes 22 angepaßt. Alternativ jzann die Wand 32 auch aus sehr dünnem,
einen guten Wärmedurchgang gewährleistenden, flexiblen Material, wie etwa Blech
bestehen.
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Der Einlaß 26 des Kühlkopfes 24 ist über eine Leitung 36 mit
einer
Kühlmittelquelle 38, etwa einer Stickstofflasche verbunden. In der Leitung 36 befindet
sich ein Regelventil 40, das die Kühlmittelzufuhr dosiert. Das Regelventil 40 ist
über ein nicht näher dargestelltes übliches Steuerorgan 42 mit einem Temperaturfühler
44 verbunden, der im dargestellten Beispiel die Temperatur des Hüftkopfes 12 an
dem Hals 20 abtastet. Auf einer Skala 46 ist zugleich die abgetastete Temperatur
ablesbar. Das Steuerorgan 42 kann so eingestellt sein, daß das Kühlmittel mit einem
gewissen Vorlauf abgegeben wird, der die tßbertragungszeit der Wärme zwischen dem
Knochenzement 18 und der abgetasteten Position des Hüftkopfes 12 berücksichtigt.
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Anstelle der dargestellten Temperaturabtastung kann auch ein in den
Knochenzement 18 eingebettetes Thermoelement verwendet werden, das nach dem Abbinden
des Knochenzements in diesem verbleibt, sofern sich dadurch keine Verträglichkeits-und
Korrosionsprobleme ergeben. Dadurch kann eine direktere Temperaturabtastung erreicht
werden.
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Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Kühlkopfes, der in diesem
Falle mit 48 bezeichnet ist. Der Kühlkopf 48 weist auf der dem Gelenkkopf 22 zugewandten
Seite eine kreisförmige Öffnung 50 auf, in deren innerer Umfangsfläche eine Dichtung
52, beispielsweise ein O-Ring eingebettet ist, dessen Innendurchmesser etwas kleiner
als der Außendurchmesser des Gelenkkopfes 22 ist. Auf diese Weise kommt die Oberfläche
des Gelenkkopfes 22 unmittelbar mit dem die Kammer 30 durchströmenden Kühlmittel
in Berührung, so daß sich eine intensive Kühlung ergibt.
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Fig. 3 zeigt einen Kühlkopf 54, der zur Kühlung beim Einsetzen einer
kugelschalenförmigen Pfanne 56 in einen Hüftknochen 58 verwendet wird. Derartige
Pfannen 56 bestehen beispielsweise aus Polyäthylen. Es ist bekannt, derartige Pfannen
durch einen Stützring zu umgeben, der mit Hilfe von Knochenzement 62 in den Hüftknochen
eingebettet wird.
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Ein bekannter Stützring greift mit mehreren kürzeren Zungen
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in den Knochenzement 62 ein und wird durch diese Zungen in dem Knochenzement festgelegt.
Die Erfindung schlägt vor, einen Stützring zu verwenden, der zugleich als Kühl-
und Stützring 60 ausgebildet ist und insbesondere zusätzlich einige längere Zungen
66 aufweist, die den Kühl- und Stützring einerseits innerhalb von zuvor in dem Hüftknochen
hergestellten Ausnehmungen 68,70 besser verankern und andererseits zur Wärmeabfuhr
aus dem in diesen Ausnehmungen befindlichen Zementanhäufungen dienen.
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Eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kühl- und Stützringes 60
ist genauer in Fig. 4 dargestellt. Auf diesem Kühl-und Stützring, der zur Wärmeabfuhr
aus dem Zement angesichts der schlechten Wärmeleitung der Kunststoff-Pfanne 56 von
wesentlicher Bedeutung ist, soll später noch einmal einge-(zangen werden.
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Der Kühlkopf 54 weist eine im wesentlichen halbkugelförmige Ausbauchung
72 auf, deren äußere Oberfläche der Innenfläche der Pfanne 56 entspricht. Die Ausbauchung
72 wird durch eine Wand 74 gebildet, die aus Material mit guter Wärmeleitfähigkeit
besteht und beispielsweise aus dünnem, flexiblen Material hergestellt sein kann.
Entsprechend der Ausführungsform der Fig. 2 kann auch in diesem Falle eine nicht
dargestellte Öffnung vorgesehen sein, die durch einen Dichtring begrenzt wird. Elinter
der Wand 74 befindet sich eine Kammer 76, die durch einen Einlaß 78 mit einem Kühlmittel
versorgt wird, das durch einen Auslaß 80 austritt.
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Da die Ausbauchung 72 aufgrund der schlechten Wärmeleitung der Pfanne
56 nur verhältnismäßig geringe Wärmemengen abziehen kann, ist für den Kühl- und
Stützring 60 an dem Kühlkopf 54 eine Ringfläche 82 vorgesehen, die die Ausbauchung
72 konzentrisch umgibt und deren Rückseite ebenfalls mit der Kammer 76 verbunden
ist. Diese Ringfläche 82 legt sich gegen eine entsprechende Ring fläche des Kühl-
und Stützringes an und kühlt diesen, so daß die Wärme aus dem Knochenzement über
die Zungen 66 abgezogen werden kann.
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Mit 84 ist wiederum ein Temperaturfühler bezeichnet, der die Temperatur
im Inneren der Pfanne 56 abtastet. Ein derartiger Temperaturfühler ist jedoch vorzugsweise
im Bereich der Ringfläche 82 vorgesehen, da die Temperatur des Kühl- und Stützringes
eher für die Temperatur des Knochenzements 82 repräsentativ ist als diejenige der
in starkem Maße wärmeisolierenden Pfanne 56.
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In einem ringförmigen Bereich 86 zwischen der Ausbauchung 72 und der
Ringfläche 82 springt der Kühlkopf 54 gegenüber der Ausbauchung und der Ringfläche
zurück, da die Pfanne 56 im allgemeinen über die äußere Stirnfläche des Kühl- und
Stützringes 60 herausragt.
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Die Verwendung von N2 als Kühlmittel und die Ausbildung des Kühlkopfes
im einzelnen sind nur als Beispiel zu verstehen.
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Es können auch andere Kühlmittel verwendet werden, die weniger tiefe
Temperaturen als N2 erreichen, sofern der Durchsatz entsprechend erhöht wird. Unter
Umständen kann es auch ausreichend sein, den Kühlkopf vorzukühlen, sofern er eine
ausreichende Kältespeicherung aufweist, und über einen geeigneten, durch Erfahrung
bestimmten Zeitraum gegen das Prothesenteil, ggf. auch gegen den Kühl- und Stützring
anzulegen. Die Erfindung ist in entsprechender Anpassung auch beim Einsetzen anderer
Endoprothesen, insbesondere Gelenkprothesen oder Zahnprothesen anwendbar.
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Fig. 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform des Kühl-und Stützringes,
der in diesem Falle mit 88 bezeichnet ist.
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Im dargestellten Beispiel sind 3 Zungen 90 aus einer halbkugelförmigen
Kappe 92 herausgeschnitten, die im Inneren eines flachen Ringes 94 nach unten in
Fig. 6 ausgebaucht ist.
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Die Innenfläche der Kappe 92 ist an die Außenfläche einer hier nicht
gezeigten Kunststoff-Pfanne angepaßt und nimmt diese auf, so daß die Pfanne sicher
festgelegt wird. Die in Fig. 6 oben liegende Oberfläche des Ringes 94 stellt diejenige
Oberfläche dar, die nach dem Einsetzen in den Hüftknochen von außen zugänglich ist
und gekühlt werden kann. Ein derartiger
Kühl- und Stützring 88
kann etwa durch Tiefziehen hergestellt werden, wobei die Zungen unter Bildung von
Aussparungen 96 gleicher Fläche ausgeschnitten und nach außen gebogen werden.
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In der Kappe 92 sind darüber hinaus vorzugsweise weitere Aussparungen
98 vorgesehen, durch die der Zement mit der Pfanne in Verbindung tritt.
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Die Zungen 90 können in nicht gezeigter Weise an ihren freien Enden
erweiterte Köpfe aufweisen, so daß sie insbesondere auch in Zugrichtung in dem Zement
festgelegt werden. Ihre Länge und ihre Richtung bestimmt sich nach den Amessungen
und der Richtung der Ausnehmungen 68,70, die in dem Beckenknochen vorgesehen werden.
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Der in Fig. 5 und 6 gezeigte Kühl- und Stützring 88 ist aufgrund der
Kappe 92 besonders stabil und zur Aufnahme hoher Drücke geeignet.
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Die Zungen 90 können auch gemäß der Darstellung rechts unten in Fig.
6 in der Form von zwei Zungen 90 und 90' von einer gemeinsamen Aussparung 96 aus
der Kappe 92 herausgebogen sein. In jedem Falle ist es wesentlich, daß die Zungen
90, 90' derart ausgebildet sind, daß sie den gesamten Knochenzement 62 erreichen
und überschüssige Wärme aus diesem abführen.