DE2835124A1

DE2835124A1 - Gelenkprothese

Info

Publication number: DE2835124A1
Application number: DE19782835124
Authority: DE
Inventors: Jack Chester Bokros
Original assignee: General Atomics Corp
Current assignee: General Atomics Corp
Priority date: 1977-08-12
Filing date: 1978-08-10
Publication date: 1979-02-22
Also published as: IT7868889A0; JPS5431998A; US4131957A; CA1111202A; FR2405700B3; FR2405700A1; GB2002240A; IT1107849B; GB2002240B

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. ¹We ■ ckmann, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. F. A-Weicemanh, Dipl.-Chem. B. Huber Dr. Ing. H. Liska η

8000 MÜNCHEN 86, DEN i η . POSTFACH 860820 "^9· 1978

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22

DXV

General Atomic Company
10955 John Jay Hopkins Drive
San Diego, Kalifornien
V.St.A.

Gelenkprothese

Die Erfindung betrifft eine Gelenkprothese mit einem ersten, eine Fassung tragenden Teil und einem zweiten, eine Kugel tragenden Teil.

Es sind bereits verschiedene Typen von prothetischen Gelenken entwickelt worden, mit denen die Gelenke zwischen der Mittelhand und den Fingern und Fingergelenke ersetzt werden sollten. Die Konzipierung und Herstellung prothetischer Gelenke für Finger, Zehen, Handgelenke, Ellenbogen und Knie steht erst am Anfang ihrer Entwicklung, so daß man ständig auf der Suche nach Verbesserungen solcher drehbarer Verbindungen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer verbesserten Gelenkprothese. Zu diesem Zweck ist eine Prothese der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile an ihrem einen Ende jeweils einen Schaft haben, der in den Markkanal eines Knochens eingesetzt werden kann, und deren anderes Ende jeweils als

909808/0977 _

Fassung bzw. Kugel ausgebildet ist, daß die Fassung einen wenigstens annähernd zylindrisch geformten Kanal enthält, der von einer oberen Oberfläche nach unten verläuft und in einem wenigstens annähernd kugelförmig ausgebildeten Boden endet, daß die Fassung ferner einen Schlitz hat, der den Kanal schneidet und in einem endlichen Abstand unterhalb der oberen Fassungsoberfläche endet, daß der Schaft des zweiten Teils so geformt ist, daß er gerade durch den Schlitz paßt, daß die Kugel des zweiten Teils so geformt ist, daß sie von dem Kanal aufgenommen werden kann und eine Krümmung hat, die der Krümmung des kugelförmigen Kanalbodens wenigstens annähernd entspricht, daß das zweite Teil einen Stamm hat, der die Kugel und den Schaft des zweiten Teils verbindet und von der Kugel bis zu einer Entfernung ausgeht, die mindestens so groß ist wie der Abstand zwischen der Unterseite der Fassung und dem Kanalboden, und daß dieser Stamm ein mit dem Stamm verbindbares Halterungselement enthält, welches die beiden Teile nach Art eines Scharniers miteinander verriegelt, wobei der Schaft des zweiten Teils aus dem Schlitz des ersten Teils hervorragt.

Die vorgeschlagene Gelenkprothese ist zwar für ein Fingergelenk besonders geeignet und wird im folgenden auch anhand eines solchen Gelenks dargestellt werden, kann aber auch beim Bau von Zehengelenken und für einen Ersatz der anderen bereits erwähnten Gelenke herangezogen werden. Das Gelenk ist so gestaltet, daß eine positive und sichere Verbindung zwischen den beiden Scharnierteilen sichergestellt ist. Dabei können die die Biegebewegung begrenzenden Stopper so ausgebildet sein, daß sie der Biege- oder Drehbewegung jeden gewünschten Grenzwinkel geben. Zusätzlich könnte man eine erfindungsgemäße Gelenkprothese so ausführen, daß sie eine Bewegung in mehr als einer einzigen Ebene zuläßt.

909808/0977

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht eine erfindungsgemäße Gelenkprothese; in der Darstellung sind die Gelenkteile auseinandergezogen;

Fig. 2 in einer Vorderansicht einen Teil des die Fassung tragenden Teils der in Fig. 1 dargestellten Prothese;

Fig. 3 die Gelenkprothese in einem Seitenschnitt längs der Linie 3-3 der Fig. 1; die Prothese ist dabei zus ammengebaut; und

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer menschlichen Hand, mit zwei Gelenkprothesen der in Fig. 1 dargestellten Art, eingesetzt als Fingergelenk bzw. als Verbindung zwischen Mittelhand und Finger.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, schafft die Erfindung eine Gelenkprothese, die ihrer Bauweise nach in eine menschliche Hand eingesetzt werden kann. Diese Prothese kann jedoch so ausgebildet sein, daß sie als Gelenkersatz in einer Zehe verwendet werden könnte. Darüber hinaus könnte'ein solches Gelenk bei prinzipiell gleichem Aufbau ein Ellenbogen-, ein Handgelenk oder ein Kniegelenk ersetzen. Im Prinzip enthält das Gelenk ein mit einer Fassung versehenes Teil 11, ein eine Kugel tragendes Teil 13 und einen Kragen 15. Der Kragen 15 wird erst dann angebracht, wenn die beiden Teile zusammengefügt und an den für sie vorgesehenen Stellen eingepflanzt sind; er sorgt dann dafür, daß die beiden Teile in funktionsgerechtem Eingriff miteinander positiv verriegelt sind.

909808/0977

Das die Fassung tragende Teil (Fassungsteil) 11 enthält einen Schaft 17 an seinem einen Ende. Dieser Schaft ist so dimensioniert und geformt, daß er in den Markkanal des Knochens, nachdem dort eine geeignet bemessene Höhle mittels einer passenden medizinischen Feile'o.dgl. geschaffen ist, hineinpaßt. Der Schaft 17 kann eine beliebige geeignete Form haben, hat jedoch vorzugsweise ebene, konvergierende Seitenwände 19, damit sichergestellt ist, daß der Schaft mit einer vorbestimmten relativen Winkelorientierung im Khochenkanal verbleibt. Im Schaft sind vorzugsweise Öffnungen 21 vorgesehen. Diese Öffnungen, die auf dem Schaft von der Spitze bis zum Boden verteilt sind, schaffen Bereiche, in die der Knochen hineinwachsen kann, und auf diese V/eise ergibt sich eine feste Verbindung zwischen dem Gelenkteil und dem Knochen, in den es implantiert ist. Vorzugsweise endet der Schaft 17 in einem Flansch 23, der gegen das dem Gelenk zugewandte Knochenende anschlägt und dadurch die Tiefe festlegt, in die der Schaft in den Markkanal eingeführt werden kann.

Dem anderen Ende des Teils 11 ist eine Fassung 25 angeformt. Diese Fassung enthält einen Kanal 27, der im allgemeinen einen kreisrunden Querschnitt hat und sich nach unten von der Oberseite der Fassung erstreckt und in einer üblicherweise kugelförmig ausgebildeten Bodenfläche endet. Diese Fläche definiert einen halbkugelförmigen Hohlraum 29, wie am besten aus den Fig. 2 und 3 zu entnehmen. Die Fassung 25 hat außerdem einen Schlitz 31, der den Kanal 27 schneidet und sich von einer bogenförmigen oberen Grenzfläche (Stopper) 33 zu einer bogenförmigen unteren Grenzfläche 35 erstreckt. Die untere Grenzfläche verläuft schräg zur • Vertikalen.derart, daß sie mit der oberen Grenzfläche, wenn diese senkrecht zur Vertikalen steht, einen Winkel von mehr als 90° einschließt. Während die Innenfläche des Bodens im wesentlichen halbkugelförmig ausgebildet ist, hat die

909808/0977

Unterseite 37 außen an der Fassung in Richtung von der Vorder- zur Rückseite eine Krümmung, deren Radius sich ändert. Der Zweck dieser Maßnahme wird weiter unten genannt werden.

Das mit der Kugel versehene Teil (Kugelteil) 13 hat einen Schaft 41 an seinem einen Ende und eine Kugel 43 an seinem anderen Ende. Der Schaft 41 endet in einem Stamm 45, der einteilig mit der Kugel 43 integriert ist. Der Stamm 45 ist so bemessen, daß er einen Paßsitz im Schlitz 31 des Fassungsteils findet; auch der Schaft 41 muß so dimensioniert sein, daß er durch den Schlitz paßt. Die Seitenwände 47 des Schafts 41 sind relativ eben und laufen vorzugsweise zum freien Ende hin konisch zu, damit der Schaft in den ausgeschabten Markkanal des Knochens eingeführt werden kann. Der Schaft 41 enthält außerdem drei Öffnungen 49, die zwischen dem oberen und dem unteren Schaftende verteilt sind und das Hineinwachsen von Knochensubstanz, wie bereits geschildert, ermöglichen. Außerdem sind die Ober- und Unterseite des Stamms 41 am Übergang zwischen Schaft und Stamm 45 nach außen geführt.

Wie am besten aus der Fig. 3 zu ersehen, hat der Stamm praktisch eine konstante Höhe, die etwa dem Durchmesser der Kugel 43 entspricht. Die Ober- und Unterseite des Stamms haben eine der Krümmung der Stopper 33 bzw. 35 angepaßte Wölbung (Fig. 2). In die Seitenwände des Stamms 45 sind zwei Nuten 51 eingeschnitten. Diese Nuten befinden sich an dem der Kugel abgewandten Stammende, und zwar am Übergang zum Schaft 41, und dienen dazu, den einrastfähigen Kragen (Schnappkragen) 15 zu haltern.

Der Kragen 15 kann aus einer flachen Platte geformt werden, und zwar dadurch, daß in dieser Platte eine Öffnung einge-

909808/0977

bracht wird, die den mit Nuten versehenen Abschnitt des Stamms 45 aufnimmt. Die zwei Arme (Arme 55), die die Öffnung umschließen, enden jeweils in einem Boden-Sperrhaken oder Ansatz 57. Diese beiden Ansätze erstrecken sich aufeinander zu und begrenzen einen Einlaß 53, der etwas enger ist als die Breite des Stammes 45 der mit Nuten versehenen Zone. Die Breite der Öffnung 53 hat im allgemeinen eine nur geringfügig kleinere Breite als die mit Nuten versehene Stammzone, beispielsweise beträgt der Unterschied zwischen 0,1 und 0,5 mm, so daß ein Paßsitz entsteht, der eine feste Verbindung zwischen dem Kragen 15 und dem Kugelteil 13 gewährleistet. Die genauen Abmessungen hängen von dem Elastizitätsmodul des verwendeten Kragenwerkstoffes ab.

Vor der Herstellung der Verbindung werden die Knochenkanäle in geeigneter Weise bis zu der passenden Tiefe und Breite ausgeschabt; diese Kanalhohlräume nehmen jeweils den Schaft eines Gelenkteils auf. Zuerst wird das Fassungsteil 11 in den Knochenkanal eingeführt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist der Schaft 17 in das distale Ende des Mittelhandknochens 59 eingesetzt. Befindet sich das Teil 11 in seiner richtigen Lage, schlägt also der Flansch 23 an das Ende des Knochens 59 an, so wird das proximale Fingerglied 61, in welchem das Teil 13 Aufnahme finden soll, in eine etwa senkrechte Lage zum Mittelhandknochen gebracht. Dann führt man den Schaft 41 nach unten durch den Kanal 27, durch den Schlitz 31 und in den Markkanal am proximalen Ende des proximalen Fingergliedes 41, bis die Kugel 43 einen festen Sitz in dem halbkugelförmig ausgebildeten Bodenhohlraum findet. Um das Einsetzen zu erleichtern, könnte man den Kanal 27 an seinem oberen Ende etwas vergrößern und ihn in einem konisch zulaufenden Abschnitt 63, unmittelbar vor dem halbkugelförmigen Hohlraum, verjüngen. Dann läßt man den Kragen 15 nach unten in die Stammnuten 51 hineingleiten, bis die Ansätze 57 unterhalb des Stammes 55 einrasten.

909808/0977

Der Kragen 15 schafft eine positive Verriegelung zwischen den Teilen 11 und 13, und die Gleitbewegung der Kragenrückseite gegen die gekrümmte Unterseite 37 der Fassung definiert die Dreh- oder Biegebewegung des Kugelteils 13 relativ zum Teil 11. Während sich das Teil 13 - im wesentlichen wie ein Scharnier - gegen das Teil 11 dreht, wird der Stamm 45 durch die Wände des den Stamm' aufnehmenden Schlitzes 31 geführt und bleibt die Kugel 43 im allgemeinen an ihrem Ort in dem halbkugelförmigen Bodenhohlraum des Kanals 27. In ausgestreckter Lage wird die nach oben gerichtete Bewegung des Teils 13 durch den Stopper 33 am oberen Schlitzende begrenzt; gegen diesen Stopper schlägt die Oberfläche des Stamms an. Eine nach unten gerichtete Drehbewegung stellt sich ein, wenn man das Gelenk biegt; dabei gleitet die Rückseite des Kragens 15 längs der gekrümmten Unterseite 37 der Fassung 25, bis der Stammboden den Stopper 35 erreicht. Der dabei durchlaufene Drehwinkel beträgt etwa 110°. Weil sich der Krümmungsradius der Fassungsunters ei te 37 in Ebenen parallel zum Schlitz ändert, wird die Kugel 43 mit zunehmender Beugung und dem Erreichen des Stoppers 35 etwas nach oben aus dem Hohlraum 29 heraus bewegt. Eine solche Bewegung ahmt die normale Fingerbewegung nach.

Die Breite des Schlitzes 31 könnte bei Bedarf größer gemacht werden als die Dicke des Stamms 45, so daß das Kugelgelenk eine begrenzte Bewegung in einer Richtung quer zu der bereits geschilderten Scharnierbewegung gestattet. Darüber hinaus können, falls erwünscht, entweder der Hohlraum 29 und/oder die Kugel 43 aus der axialen Mittellinie des Schaftes 17 bzw. 41 der Teile 11 bzw. 13 versetzt v/erden, um die angestrebte relative Zuordnung zwischen den miteinander verbundenen Fingergliedern herzustellen.

Das Fassungsteil 11, das Kugelteil 13 und der Schnappkragen

909808/0977

15 bestehen vorzugsweise aus einem bioverträglichen Kohlenstoff. Ein solcher Kohlenstoff kann durch Abscheidung aus einer Dampfatmosphäre auf einem Graphit-Substrat geeigneter Größe und Form erhalten werden; eine hierfür geeignete Aufbringtechnik ist in der US-PS 3 399 969 beschrieben. Biokompatible und nicht-thrombogene Kohlenstoffstrukturen sind von der Abteilung für medizinische Produkte der Firma General Atomic Company unter dem Warenzeichen Pyrolite erhältlich. Neben Graphit könnten auch andere geeignete Substrate wie beispielsweise Metalle und korrosionsfeste Metallegierungen mit einem biokompatiblen Kohlenstoff überzogen werden; vgl. hierzu die US-PS 3 952 334. Teile, die in einer der beiden Techniken hergestellt sind, haben eine Außenfläche aus bioverträglichem Kohlenstoff und werden daher vom Gewebe und den Knochen der Umgebung angenommen.

Die dargestellte Gelenkprothese ist so gestaltet, daß sie sich vor allem aus Kohlenstoffstrukturen fertigen läßt. Die Verwendung derartiger Kohlenstoffe, die sowohl gegenüber dem Körpergewebe als auch den Körperflüssigkeiten chemisch inert sind und außerdem über eine mechanische Verträglichkeit mit Knochensubstanz, und zwar vor allem im Hinblick auf dessen Elastizitätsmodul, verfügen, bieten wichtige Vorteile. Was den Kragen 15 anbelangt, so können die Ansätze 57 so dimensioniert werden, daß sie sich etwa 0,3 mm in die Öffnung hinein erstrecken, so daß die Arme 55 etwas auseinandergebogen werden müssen, wenn man den Kragen in den mit Nuten versehenen Stammabschnitt einsetzen will. Pyrolite-Kohlenstoff ist ausreichend nachgiebig, so daß er eine solche Bewegung ohne Riß oder Bruch übersteht; Pyrolite ist daher ein für diesen Zweck sehr geeigneter Werkstoff. Kohlenstoff läßt sich außerdem auf ein Metallsubstrat auftragen, so daß eine Verbundstruktur entsteht. Solche Strukturen arbeiten zufriedenstellend.

809808/0977

Leerseite

Claims

Patentansprüche

V 1 J Gelenkprothese mit einem ersten, eine Fassung tragenden Teil (Fassungs teil) und einem zweiten,; ein© Kugel tragenden Teil (Kugelteil), dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile (11, 13) an ihrem einen Ende jeweils einen Schaft (17, 41) haben, der in den Markkanal eines Knochens (59, 61) eingesetzt werden kann, und deren anderes Ende jeweils als Fassung (25) bzw. Kugel (43) ausgebildet ist, daß die Fassung (25) einen wenigstens annähernd zylindrisch geformten Kanal (27) enthält, der von einer oberen Oberfläche nach unten verläuft und in einem wenigstens annähernd kugelförmig ausgebildeten Boden (29) endet, daß die Fassung (25) ferner einen Schlitz (31) hat, der den Kanal (27) schneidet und in einem endlichen Abstand unterhalb der oberen Fassungsoberfläche endet, daß der Schaft (41) des zweiten Teil (13) so geformt ist, daß er gerade durch den Schlitz (31) paßt, daß die Kugel (43) des zweiten Teils (13) so geformt ist, daß sie von dem Kanal (27) aufgenommen werden kann und eine Krümmung hat, die der. Krümmung des kugelförmigen Kanalbodens (29) wenigstens annähernd entspricht, daß das zweite Teil (13) einen Stamm(45Y^ier die Kugel (43) und den Schaft (41) des zweiten Teils (13) verbindet und von der Kugel (43) bis zu einer Entfernung ausgeht, die mindestens so groß ist wie der Abstand zwischen der Unterseite der Fassung (25) und dem Kanalboden (29), und daß dieser Stamm (45) ein mit dem Stamm (45) verbindbares Halterungselement (15) enthält, welches die beiden Teile (11, 13) nach Art eines Scharniers miteinander verriegelt, wobei der Schaft (41) des zweiten Teils (13) aus dem Schlitz (31) des ersten Teils (11) hervorragt.

909808/0977
2. Gelenkprothese ,nach.Anspruch.1 , dadurch--gekennzeichnet", daß die beiden Teile (11, 13) und das Halterungselement (15) Außenflächen aus bio verträglichem. Kohlenstoff haben.
3. Gelenkprothese nach Anspruch ί qder 2, dadurch'gekennzeichnet,, daß der Stamm (45) des zweiten;Teils (13) eine Ausnehmung für die Verbindung mit dem Halterungselement (15) hat.
4. Gelenkprothese nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung zwei Hüten (51) in gegenüberliegenden Seitenflächen des Stamms (45) enthält und daß das Halterungselement ein Schnappkragen (15) ist. : ...
5. Gelenkprothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnappkragen (15) eine Öffnung enthält, die eine geringere Breite als der Stamm (45) im Bereich seines mit Nuten (51) versehenen Abschnitts hat, derart, daß der Schnappkragen (15) in den Nuten (51) einen Paßsitz findet, und daß der Schnappkragen (15) Ansätze (57) enthält, die zwischen sich einen Einlaß (53) für die Kragenöffnung bilden, der ebenfalls eine geringere Breite als der Stamm (45) in seinem mit Nuten (51) versehenen Abschnitt hat, derart, daß der Schnappkragen (15) auf dem Stamm (45) in richtiger Lage fest gehaltert ist.
6. Gelenkprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (31) eine größere Breite als der Stamm (45) hat, derart, daß sich die beiden Gelenkteile (11, 13) in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Scharnierbewegung in einem begrenzten Maße gegeneinander bewegen können.

909808/0977
7. Gelenkprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite (37) der Fassung (25) in Ebenen parallel zum Schlitz (31) einen sich ändernden Krümmungsradius hat, derart, daß sich die Kugel (43) bei einer Scharnierbewegung der beiden Gelenkteile (11, 13) im Kanal (27) vom Kanalboden (29) weg nach oben bewegt.
8. Gelenkprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ihre Verwendung als Finger- oder Zehengelenk, als Gelenk zwischen Mittelhand und Finger, als Handgelenk, als Ellenbogengelenk oder als Kniegelenk.

90980Ö/0977