DE2823302A1

DE2823302A1 - Gelenk-prothese

Info

Publication number: DE2823302A1
Application number: DE19782823302
Authority: DE
Inventors: John William Goodfellow; John Joseph O'connor
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-05-29
Publication date: 1978-12-14
Also published as: GB1603833A; JPS541998A; FR2392660B2; CH629097A5; FR2392660A2

Description

Patentanwalt

MICHAEL KORN

Dipl. Ing.

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ment Cor ο. 2c. Ia:'.

P.O. Box" 27/:

London SVi IZ € 3L

Gelen¹/·: - Prothese

Die jJrfindun-; betrifft eino Gelenkorothase unc ε tollt eine vleiterent'ricklun;;/ der ^iidoprothese aar, c.i? in der auf die Anmelderin zurückgehende« 'Ji₁-OL 2" :o Tobeschrieben ist. Die ältere Antr.eldun^ beschreibt ;;ias Kniete lenkpr othe se bestehend au.~

a. einem am unteren ünde des Oberschenkeis b2-festi^baren oberschenkelseiti-cen ne].enkelement mit im wesentlichen konvex gekrümmter Ge lenkla-rar fläche,

b. einem am oberen _inde des Schienbeins befes^irbaren schienbeinseitiren .Lagerelement mit verglichen mit der eben genannten La '-er;--^sta It relativ flacher Laverflache, und

c. einem Meniskuselement mit auf der Oberseite und der Unterseite angeordneten ö-elenkflochen, vjelche krümmun.rsmä.Pir im t:s sent liehen komplementär zu den an den Knochen befesti·'-.baren Lagerflächen gestaltet sind.

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D-'OCO Düsseldorf 1 Bahnstmße 62 ΤοΙΐΓοη 02 H...356338

BAD ORiGiNAL

Das Meniskuselement simuliert die Rolle des Meniskus im natürlichen Knie, insbesondere im Hinblick auf die Ermöglichung der üblichen Bewegungsabläufe zwischen den beiden anderen Elementen bei gleichzeitiger möglichst gleich förmiger Belastungsverteilung über das ganze Gelenk und ohne erhebliche Beeinträchtigung der natürlichen Punktion der Muskeln, Bänder und Sehnen.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß derartige Gelenkprothesen im Prinzip auch zum Ersatz anderer Gelenke verwendet werden können. Das erfindungsgemäße Gelenk ist im Anspruch 1 beschrieben. Die Unteransprüche beschreiben zweckmäßige Weiterentwicklungen des Gegenstandes der Erfindung.

In einer Ausführung der Erfindung dient das weiter unten im einzelnen zu beschreibende Gelenk als Prothese bzw. Ersatz eines natürlichen Gelenkes, das nicht genau zusammen passende bzw. nicht gleich gestaltete Gelenkflächen aufweist. Bei einem solchen Gelenk sind die miteinander zusammen wirkenden Gelenkflächen oder Lagerflächen konvex gestaltet bzw. relativ eben oder sogar schwach konkav ausgebildet. Solche Gelenke finden sich nicht nur als Kniegelenk, sondern auch in aer Schulter, im Handgelenk, im Fußgelenk, den Fingern und an den Zehen.

Ein wichtiger Aspekt bei der vorliegenden Erfindung liegt in der besonderen Betrachtung der Form und der Funktion der Grundelemente der infrage stehenden Gelenke, wobei diese Grundelemente im wesentlichen die

Gelenkflächen und die benachbarten Knochen

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bzw. Knochenteile sxna, die Bänder und die Sehnen, über welche die Muskeln auf die Knochen einwirken, Es ist von besonderer Wichtigkeit;, aais die Gelenkflächen im wesentlichen alle Relativbewegungen zwischen den durch das Gelenk verbundenen Knochen gestatten, mit Ausnahme einer gegenseitigen Durchdringung. Die Knochenenden dienen im wesentlichen zur Übertragung von Druckkräften, während die anderen Elemente des Gelenkes die Relativbewegungen zwischen den Gelenkflächen kontrollieren und begrenzen und dabei im wesentlichen auf Zug beansprucht werden. Auf diese Weise besteht ein inniger Wirkungszusammenhang zwischen den einzelnen Elementen des Gelenkes und dieser Zusammenhang ist besonders wichtig für das Arbeiten von solchen Gelenken, die nicht komplementär oder im wesentlichen komplementär gestaltete Gelenkflächen aufweisen und dadurch unvermeidbar nur eine geringe Stabilität aufweisen.

Im Zusammenhang mit der Erfindung sind folgende Überlegungen wichtig:

a. Bei den hier zu untersuchenden Gelenken mit nicht im wesentlichen komplementär gestalteten Gelenkflächen liegt jeweils mindestens ein langer Knochen vor, der an einem Ende die Gelenkflächen in Form von balligen Auswölbungen aufweist.

b. Die balligen Bereiche sind im wesentlichen aus trabekularen Knochen gebildet und haben eine relativ dünne Umhüllung aus kortikalem Knochen, während die Schäfte der entsprechenden langen Knoähen eine dicke Tubular-Struktur

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aus kortikalem Knochenmaterial aufweisen.

c. Die Traberkeln des Knochens nahe der Gelenkflächen verlaufen im wesentlichen senkrecht zu den Flächen und diese Ausrichtung setzt sich in den Schaft des langen Knochens hinein fort. Diese Struktur ist besonders gut geeignet für Übertragung von Druckkräften und unterscheidet sich von der Struktur des eigentlichen Schaftes eines langen Knochens der generell sowohl zur Übertragung kompressiver, wie von Spannungskräften und Scherkräften geeignet ist.

d. Die Bänder sind in solchen Gelenken an den Langknochen im wesentlichen dort verankert, wo der Schaft des Langknochens in das ballige Ende übergeht.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäS eingesetzten Gelenkprothese ist darin zu sehen, daß im wesentlichen vom Gelenk selber nur Schubkräfte übertragen werden müssen. Die beiden Hauptbestandteile der Prothese können anstelle der natürlichen konvexen bzw. relativ flachen Gelenkfläche eingesetzt werden und im Sinne optimaler Verträglichkeit mit den benachbarten Knochen ausgewählt werden. Gleichzeitig kann man das dritte Element, nämlich dasjenige, welches eine meniskusartige Funktion übernimmt, aus einer Vielzahl ähnlicher Bauelemente mit unterschiedlichen Dicken auswählen, sodaß die Bänder und Sehnen die gewünschte Spannung haben, um so die sonst unvermeidbare Instabilität des Gelenkes zu umgehen.

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Wie im Falle der älteren Anmeldung kann man auch bei Anwendung der vorliegenden, breiter ausgelegten Erfindung besonders vorteilhaft arbeiten, wobei sehr einfache, d.h. unkomplizierte Gelenkflächen einsetzbar sind, die keinerlei Probleme in der Herstellung aufwerfen. Die zusammen wirkenden Gelenkflächen des 1. und j5· Bauelementes des Gelenkes können komplementär gestaltet werden, und mindestens in einer Richtung einen kreisförmig gebogenen Querschnitt haben; die Gelenkflächen können weiterhin in geeigneter Weise sphärisch gekrümmt sein um gut zu dem damit zusammenwirkenden natürlichen Knochen zu passen. Die miteinander in Wirkverbindung stehenden Gelenkflächen zwischen dem 2. und dem j5· Bauelement sind zweckmäßig eben gestaltet.

Das erfindungsgemäße Gelenk Iä3t sich auch als Gelenk an einer Prothese, z.3. einem künstlichen Glied, anwenden. Bei diesem Einsatz der Erfindung erreicht man in Vergleich mit dem bekannten Vorgehen eine größere Bewegungsfreiheit und außerdem eine einfachere Konstruktion und eine einfache Handhabung, beispielsTveise durch die leichte Austauschbarkeit des dritten Elementes nach unvermeidbarer Oberflächenabnutzung.

Es wäre beispielsweise der Fall einer Beinprothese zu betrachten: Solche Beinprothesen haben üblicherweise ein scharnierartiges Gelenk im Bereich des natürlichen Kniegelenkes. In der einfachsten Form ist dadurch eine Beugung und Streckung um eine feste Querachse möglich, was aber bekanntermaßen biologisch unbefriedigend ist, da beim natürlichen Knie die Gelenkachse oder Querachse sich nach hinten bewegt, wenn das Kniegelenk gebeugt wird. Ein solches einfaches scharnierartiges Gelenk

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ha"; nur eine mangelhafte Stabilität, wenn im Falle der Streckung die feste Achse relativ weit vorne liegt. Andererseits ist ein solches scharnierartiges Gelenk schwierig abzubiegen, wenn die Gelenkachse relativ weit hinter, liegt. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, hat man auch schon Gelenke mit verlagerbarer ■Jelenkachse oder Querachse verwendet: So ist es bekannt geworden, ein Zahnsegment auf einem anderen Zahnsegment abrollen zu lassen oder eine aus vier miteinander verbundenen Hebeln bestehende Prothese zu verwenden. Diese Vorschläge haben sich aber als mechanisch zu kompliziert und voijallem zu störungsanfällig erwiesen. Außerdem sind auch diese Vorschläge biologisch bedenklich, weil sie nur eine vorwärts- und rüekwärts-Bewegung der Gelenkachse gestatten, nicht aber diejenige Drehbewegung zwischen den durch das Gelenk verbundenen Teilen, die beim normalen Gehen auftreten, und zwar im wesentlichen im Bereich der Hüfte, äez Knöchel" und der Zehengelenke, aber auch im Bereich des natürlichen Kniegelenkes. Die meisten bekannten Beinprothesen erlauben keine Drehung im Bereich des Knies oder des Knöchels, wodurch die beim Gehen unvermeidbare Rotationsbewegung zwischen dem "Fuß" der Prothese und dem Boden stattfinden muß, oder aber zwischen dem Beinstumpf und der den Beinstumpf aufnehmenden Tasche der Prothese.

Da eine ganze Beinprothese natürlicherweise keine Bänder und Sehnen an den Gelenken aufweist, müssen zur Durchführung von deren natürlicher Funktion entsprechende Ersatzmittel angewendet werden, z.B. Anschläge und dergl.

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Das erfindungsgemäi3e Gelenk kann auch da verwendet werden, wo es ein natürliches Gelenk nicht ersetzt, sondern nur unterstützt. Im englischen Sprachgebrauch werden solche zusätzliche, ein natürliches Gelenk nur stützende Prothesen gelegentlich als "orthoses" bezeichnet.

Im Hinblick auf die Offenbarung der oben angeführten älteren Anmeldung der Anmelderin, die obige Diskussion einer breiteren Anwendung der Mechanik solcher Prothesen an anderen Gelenken des Körpers und im Hinblick auf die bekannten chirurgischen Verfahren der Gelenkeinpflanzung, ist es nicht erforderlich, die erste Anwendung des die vorliegende Erfindung bildenden Gelenkes noch im einzelnen zu beschreiben. Es ist aber wichtig, auf die Anvrendungsmöglichkeit des Gelenkes nach der vorliegenden Erfindung in Prothesen, z.3. Arm- oder Beinsprothesen, hinzuweisen; aus diesem Grunde wird im Folgenden unter Hinweis auf die einzige Figur der Zeichnung ein erfindungsgemäßes Gelenk beschrieben, das zum Einbau in ein künstliches Bein, also eine sogenannte Beinprothese, geeignet ist.

Das dargestellte künstliche Gelenk weist ein erstes Bauelement lo, ein zweites Bauelement 2o und ein drittes Bauelement Jo auf. Das Element Io weist eine zylindrische Lagerfläche 11 auf und das Element 2o eine ebene Lagerfläche 21. Das dritte Element j5o weist zwei gegenüber liegende Lagerflächen 31 und 32 auf, die komplementär zu den Lagerflächen 11 und 21 gestaltet sind, wie man ohne weiteres aus der Zeichnung sieht. Die Elemente werden im Zustand des Eingriffs der jeweils zueinander komplementären Gelenkflächen durch flexible Bänder 4o zusammen gehalten, die unter Vorspannung zwischen den Elementen Io und 2o verlaufen. Es sind 4 Bänder gezeigt, die in zwei Paaren auf gegenüber liegenden

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Seiten der verbundenen Bauelemente angeordnet sind, wobei zwei auf einer Seite des Gelenks verlaufende Bänder ^o sich überkreuzend angeordnet sind und in einer Radialebene bezogen auf die gemeinsame Längsachse der zylindrischen ''ielenkflächen 11 und 351 verlaufen.

Ζτ-rei v/eitere flexible Bänder ^o verbinden das erste Element Io mit dem zweiten Element 2o. Die Bänder 5o erstrecken sich in einer Radialebene bezogen auf die Achse der Lagerflächen 11 und 31 etwa auf der Mitte zwischen den Ebenen, in denen die Bänder 4o liegen. Die Bänder 5o sind praktisch auf der Vorderseite und der Rückseite der Bauelemente Io und 2o angeordnet.

Die Elemente Io und 2o weisen ferner Anschlußmöglichkeiten an den "Oberschenkel" und den "Unterschenkel" des künstlichen Beines auf, und zwar in Form von Schenktisch angedeuteten Zapfen Go₃ die von der obersten bzw. untersten Fläche der Elemente Io und 2o abstehen. Diese Zapfen können z.3. einzementiert werden, oder sind Tail einer mit Schrauben arbeitenden Verankerung oder dar;?!.

Die Anwendung und die Arbeitsweise des dargestellten Gelenkes ist zumindest so weit, als die Elemente lo, 2o und 3° betroffen sind, ähnlich dem Gelenk nach der oben genannten älteren Anmeldung. Diese Elemente dienen also als oberschenkelseitiges, schienbeinseitiges und Meniskus-Element für die Relativbewegung zwischen diesen entsprechenden Bestandteilen eines natürlichen Knies und gestatten Rollbewegungen, Gleitbewegungen, Scherbewegungen und Konbinationen dieser Bewegungen, wobei aber eine gleichförmige Druckverteilung durch die Bauelemente aufrecht erhalten bleibt. Die Bänder

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ho halten die Gelenkelemente in Eingriff und simulieren die Funktion von Bändern. Außerdem kann man diese Bänder in solcher Weise geometrisch anordnen, da2 die von ihnen zusammen gehaltenen Teile in eine bestimmte Relativstellung zueinander vorgespannt sind, die z.B. die Relativstellung der vollen Streckung des Gelenkes ist. Die Bänder 5o haben ebenfalls entsprechenden natürlichen Bändern nachempfundene Funktionen und dienen zur Begrenzung der Streckung und der Beugung. Die Zapfen 6o können auch abweichend von axialer Ausrichtung in der voll gestreckten Gelenkstellung angeordnet sein, um das Zusammenwirken des Beines mit der natürlichen Hüftfunktion in den gewollten Rahmen zu bringen.

Bei dem beschriebenen Gelenk kann man z.B. Metall für die Elemente Io und 2o verwenden und einen geeigneten Kunststoff für das Element J>o, welch letzteres auswechselbar sein kann, um z.B. Anpassungen durchzuführen oder um durch den Gebrauch aufgetretene Beschädigungen zu beheben.

Selbstverständlich ist das eben beschriebene künstliche Gelenk nur ein Beispiel, das keinerlei den Grundgedanken der Erfindung beschränkende Bedeutung hat. In den Rahmen der Erfindung gehören insbesondere nicht dargestellte aber ohne weiteres denkbare Mittel und Merlanale zur Steuerung, zur Kontrolle oder zum Verhindern bestimmter Bewegungen. Insbesondere liegt im Rahmen der Erfindung auch eine sphärische Gestaltung der konvexen bzw. konkaven Lagerflächen. Im Rahmen der Erfindung liegt es weiter, die Gelenke unter Schwerkraftwirkung arbeiten zu lassen oder mit Hilfe der Trägheit, oder eigene Antriebsmittel - etwa kleine Motoren und dergl. - vor-

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zusehen.

Dieser letztere Gedanke ist insbesondere wichtig in Zusammenhang mit Hilfsgelenken für körpereigene Gelenke, die einer gewissen Unterstützung - ggfs. nur zeitweilig - bedürfen, und zwar auch hier mit eigenen Antriebsmechanismen oder ohne Antriebsmittel.

Patentansprüche

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Claims

Patentanwalt MICHAEL KORN Dipl. Ing. National Research Jeveloo- " Il ? ment Cloro. - . ,,-, ; P.O. 3ox 23C London SW IZ o3L P a t 3 η G a η a ρ r· ü ο h e

1. Gelenkprothese bestehend aus einem ersten .ilerronr. mit konvex gekrümmter Ge lenk-Lage rfl'icne, einem zweiten Element mit einer relativ ebenen Gelenk-Lagerfläche und einem dritten Element mit einander gegenüber liegend angeordneten Gelenkflachen, die komplementär zu den am ersten und zweiten ilemen·; ausgebildeten Lagerflächen gestaltet sind.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Lagerflachen zylindrisch sind.

3· Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmten Lagerflächen sphärisch sind.

^r. Gelenk nach Anspruch 1 - ^, dadurch gekennzeichnet, daß die relativ wenig gekrümmten Flächen im -'esen^- lichen eben sind.

5. Gelenk nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet-, da.:, das erste und das zweite Element zur Verbindung mit entsprechenden Knochen eines natürlichen Gelenkes ausgestaltet sind.

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