DE2933124C2

DE2933124C2 - Endoprothese für ein Kniegelenk

Info

Publication number: DE2933124C2
Application number: DE2933124A
Authority: DE
Inventors: André Bähler; Norbert Prof. Dr.Med. Gschwend; Heinrich Prof. Dr.med. Zürich Scheier
Original assignee: Gebrueder Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1978-10-06
Filing date: 1979-08-16
Publication date: 1983-01-27
Also published as: FR2437823A1; DE2933124A1; CH632151A5; GB2032779B; ATA591679A; AT372847B; GB2032779A; FR2437823B1; US4249270A

Description

a) der Steg (!4) verläuft gegenüber einer vertikalen Achse durch den Verankerungsschaft (10) des Tibiateils nach rückwärts gekrümmt;

b) der Stce (14) endet in einem kreisscheibenförmigen S opf;

c) der Kopf ist in Ümfangsrichtung durch einen Kreissektor (15) begrenzt;

d) der Mittelpunkt (16) des Kopfes fällt annähernd mit der Lage der Drehachse des Gelenkes in Streckstellung zusammen;

e) die gegen den Steg (14J gerichtete Begrenzungslinie der gabelförmigen Halterung (2) des Femurtcils Folgt von ihrem vorderen Ende aus zunächst in einem ersten Bereich (26) berührungsfrei der Stegkrümmung;

f) die Begi^nzungslinie geht anschließend an den ersten Bereich (2C·) in eir»m zweiten Bereich, der dem Kreissektor (15) gegenüberliegt, in ^ einen Hohlzylindersekior (?"<) mit dem Radius des Kreissektors(15) gleichem Radius über; und

g) der Mittelpunkt (24) des Hohlzylindersektors (23) fällt in Streckstellung annähernd mit dem Mittelpunkt (16) des Kreissektors (15) zusammen.

2. Endoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kreisscheibenförmige Kopf ir. Fortsetzung des Kreissektors (15) im dorsalen unteren Bereich des Stegs (14) in eine konkav gekrümmte Hohlkehle (18) übergeht, an der ein konvex gekrümmte, den Hohlzylindersektor (23) nach hinten fortsetzender, kreisförmiger Wulst (25) bei Beugungen großer 65 — 70" geführt ist.

3. Endoprothese nach *\nspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß clic gabelförmige Halterung (2) innen mit einem elastischen Kunststoff-Formkörper (21) ausgeschalt ist.

55

Die Erfindung betrifft eine Endoprothese für ein Kniegelenk aus einem mittels eines Schaftes verankerfcaren Femurteil. der an einer gabelförmigen Halterung beiderseits einer Mittelebene kondylenähnlich geformte ,.!Tragflächen aufweist, ferner bestellend aus einem im Schienbein mittels eines schaftförmigen Ansatzes verankerbaren Tibiateil, der einen in die gäbeiförmige Halterung eingreifenden scheibenförmigen Steg und bcldsells des Stegs niit den Tragflächen zusarrimenwir* kende, im Seitenriß kreisförmige AbroIIflächen aufweist, wobei Form und Abmessungen der Trag- und der Kreisradius der Abrollflachen empirisch bestimmt sind. Eine derartige Prothese ist aus der DE-AS 22 44 064 bekannt: die empirische Ausgestaltung der Trag- und AbroIIflächen in Form und Abmessungen erfolgt dabei so. daß diese Flächen bei ihrem gegenseitigen gleitenden Abrollen während einer Bewegung des Kniegelenkes die tragende Belastung übernehmen. Weiterhin ist bei dieser bekannten Konstruktion in der gabelförmigen Halterung etwa am Ort des Drehpunktes eines natürlichen Kniegelenkes eine Achse vorgesehen, die in einem Langloch des Stegs geführt is:; sie hat die Aufgabe, beim Beugen und Strecken des Knies den Femurteil und den Tibiateil so aufeinander zu führen, daß die kondylenartigen Tragflächen auf den tibiaähnlichen Abrollflächen. möglichst weitgehend physiologisch lichtig, gleitend abrollen, ohne daß die Achse dabei eine ins Gewicht fallende tragende Funktion übernimmt.

Aus Gründen der mechanischen Festigkeit sind sowohl der Steg als auch die Achse aus einem der in der Implantat-Technik üblichen Metalle gefertigt, während bei den anderen relativ zueinander bewegten Flächen — Äbruü- und Tragflächen und vertikale Seitenflächen von Steg und Halterung — eine Metallfläche auf einer reibungsarmen Kunststofffläche gleitet.

In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß die von der in dem Langloch des Stegs bewegten Führungsachse ausgehende Führung der Bewegung — besonders bei starkem Abbiegen des Knies — noch relativ erheblich vom natürlichen Bewegungsablauf abweicht.

Es sind weiterhin eine Anzahl von Kniegelenkprothesen bekannt, bei deren die Gleitflächen von Femur- und Tibiateil ebenfalls aus unterschiedlichen Materialien gefertigt sind, wobei im allgemeinen der eine Teil aus Metall und der andere aus Kunststoff besteht (siehe z. B. DE-OS 28 05 744,25 22 377 und 23 00 810). Bei der einen Art dieser Konstruktionen, die mit einem Kugelgelenk ausgerüstet ist. hat das Gelenk einen bei den Bewegungen am Ort stationären Drehpunkt; ein auch nur annähernd der Bewegung des natürlichen Kniegelenkes entsprechendes Abbiegen ver Prothese kann damit nicht erreicht werden. Darüber hinaus erfolgt die Übertragung der tragenden Belastungen über dieses Kugelgelenk: zusätzlich treten daher an den relativ kleinen, belasteten Flächen hohe spezifische Belastungen auf.

Bei dem Gelenk nach der DEf)S 23 46 973. bei dem die Drehachse wärend der Bewegung wandert, erfolgt die Kraftübertragung über die seitlichen Flanken von satielartig geformten Flächen, mit denen der Tibiateil in den Femurteil eingreift. Die Formung und gegenseitige Anpassung derart komplizierter Sattelflächen sind schwierig und aufwendig, da ein den Anforderungen e: !sprechender Bewegungsablauf eine relativ hohe Genauigkeit in der Form der komplizierten Flachen erfordert. Neben einer ebenfalls hohen spezifischen Flächenbelastung besteht darüber hinaus bei dieser Prothese die Gefahr, daß beide Prothesenteile bei starkem Beugen des Knies gegeneinander so weit verschoben werden, daß sie außer Eingriff geraten; ein problemloses Strecken des Beines ist dann nicht mehr biVit nur unter der Voraussetzung zumindest funktions fähiger Seitenbänder möglich« eine Voraussetzung, die sehf häufig nicht erfüllt ist.

Die Kniekonstruktiori nach der DE-OS 25 49 819, bei der sich ein Achszapfen des Tibiateifs als Anschlag lh einer Gleitbahn des Femurteils bewegt, besitzt ebenfalls keine Führung für die gleitende Abrollbewegung der

kondylenartigen Trag Uchen des Ferr?iirteils auf den Abrollflächen des Tibiateils. ds der Achszapfen während des Bewegungsablaufs in der Gleitbahn mit Spiel frei beweglich ist. Darüber hinaus kommt es bei dieser Konstruktion bei starkem Beugen zu unkontrollierten Verschiebungen der beiden Prothesenteile gegeneinander, die zum Verklemmen des Gelenkes führen können.

Da sich die Grundkonzeption der Prothese nach der DE-AS 22 44 064 — die Belastungskräfte über die Trag- und Abrollflächen fließen zu lassen und die Bewegungen der beiden Prothesenteile über eine praktisch belastungsfreie Führung zu steuern — bewährt hat, besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung unter Beibehaltung dieser grundlegenden Merkmale darin, die bekannte Konstruktion — sowie die für die Implantalion notwendige Operationstechnik — zu vereinfachen und den Bewegungsablauf — besonders bei relativ starkem Abbiegen des Gelenks — noch besser an die Bewegung des natürlichen Knies anzunähern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination -⁷n der im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aneegebenen Merkmale gelöst.

Bei dieser Konstruktion wird die Führung de- beiden Prothesenteile zueinander — aus der Streckstellung heraus — bis zu einem Beugungswinkel von eiwa 70" durch den Kreissektor übernommen, der während dieses Teils der Beugung an dem Hohlzylindersektor anliegt; beim weiteren Abbiegen erfolgt eine Führung der Bewegung nach einer Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung dadurch, daß der kreisscheiben- 3r. förmige Kopf in Fortsetzung des Kreissektors im dorsalen unteren Bereich des Stegs in eine konkav gekrümmte Hohlkehle übergeht, an der ein konvex gekrümmter, den Hohlzylindersektor nach hinten fortsetzender, kreisförmiger Wulst bei Beugungen größer 65° -70° geführt ist.

Mit dem Vorteil wird der Steg des Tibiateils aus einem der erwähnten Metalle hergestellt, während die Führung im Innenraum der gabelförmigen Halterung in bekannter Weise aus Kunststoff bestehen kann, wobei — wie bei Fndoprothesen üblich — in erster Linie Polyäthylen der Qualitäten HDPE oder UHMW Verwendung findet.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

F i g. 1 ze'gt die neue Prothese ^;n Streckstellung, wobei der Femurteil teilweise im Schnitt I-I von F i g. 2 dargestellt ist:

F i g. 2 ist eine Ansicht des Femurteils in Richtung des in Pfeiles A von F i g. 1;

F i g. 3 bis 5 geben in gleicher Darstellung wie F i g. 1 die relativen Stellungen von Femur- und Tibiateil in der Streckstellung und bei Beugungen um einen Winkel von etwa 30" bzw. 80' wieder.

Der Femurteil (Fig. 1 und 2) der Prothese besitzt einen sich gegen sein freies Ende verjüngenden, nur in seinem Ansät/ an eine gabelförmige Halterung 2 dargestellten Schaft 1. der zu seinor Verankerung im Oberschenkel dient. Der Schaft 1 geht über in die w> erwähnte gabelförmige Halterung 2. an deren scheibenförmigen Schenkel 5 Tragansäue 4 mit Tragflächen 6 angesetzt sind. =Öie Tragflächen 6 der Tragänsätze 4 stellen im Seitenriß eirie aus mehreren Kreisbögen mit verschiedenen Radien und unterschiedlichen Mittel· punkten erzeugte Kurve dar; Form und Abmessungen dieser Kurve sind rein empirisch in etwa den Gelenkfiächen eines natürlichen Oberschenkels nachgc bildet, wobei die Abmessungen beispielsv/eise aus einer Vielzahl von Röntgenaufnahmen natürlicher Gelenke als Mittelwert bestimmt und im Hinblick auf ein möglichst stoßfreies Abrollen des Femurteils auf dem Tibiateil korrigiert worden sind.

Der Tibiateil der Prothese besitzt für die Verankerung im Schienbein einen Verankerungsschaft tO, der ähnlich dem Schaft 1 des Femurteils ausgebildet ist; gegen unbeabsichtigte Drehungen im Unterschenkelknochen ist der Verankerungsschaft 10 durch einen dreieckigen Ansatz 13 und zusätzlich durch in den Schienbeinknochen eindringende Dornen 8 gesichert. Auf dem Verankerungsschaft 10 sitzt ein Auflageteil 11. dessen dem Femurteil zugewandte Abrollflächen 9. in Anlehnung an die Oberfläche natürlicher Schienbeinknochen, im Seitenriß kreisförmig ausgebildet sind: auf den Abrollflächen 9 können die Tragflächen 6 des Femurteils beim Beugen und Strecken gleitend abrollen.

Femur- und Tibiateil der Prothese bestehen vorteilhafterweise aus einem für die Endoprothese üblichen Metall oder einer Metallegierung; es ist jedoch auch möglich, sie — gegebenenfalls ' ilweise — aus Biokeramik, pyroiytiscnem Kohiensiuff oder einem anderen der für Endoprothesen bewährten Werkstoffe ausreichender Festigkeit herzustellen.

Um dabei soweit wie möglich ein Reiben zwischen zwei re^;'tiv zueinander bewegten Metallteilen zu verhindern, bestehen die Gleitschichten der Abrollflächen 9 aus Kunststoff, z. B. dem erwähnten Polyäthylen. Sie werden gebildet von den freien Oberflächen von Kunststoffkörpern 19, die über Stifte 20 in ihrer Lage fixiert und durch nicht gezeigte Schrauben im Auflagenteil 11 verankert sind. Darüberhinaus wird durch die Kunststoffkörper 19 gleichzeitig eine gewisse Elastizität und Dämpfung zwischen beiden Prothesenteilen, vor allem bein? Belasten, erreicht.

Zwischen den beiden Abrollflächen 9 ist ein Steg 14 angeordnet, der eine nach hinten gekrümmte Grundform besitzt. Erfindungsgemäß endet der Steg 14 in einem kreisscheibenförmigen Kopf, der in Ui.ifang..richtung von einem Kreissektor 15 begrenzt ist: dessen Ausschnitt 17 (Fig. 3 bis 5) beträgt in dem gezeigten Beispiel etwa 215 bis 220 . Die Lage seines Kreismitteipunktes 16 und die Größe seines Radius sind experimentell bestimmt worden, wobei die Lage des Mittelpunktes 16 annähernd mit der Lage der Drehachse des Gelenkes in Streckstellung abgestimmt ist. während der Radius, in der Relation /u den übrigen Abmessungen der Prothese, unter dem Gesichtspunkt einer ausreichend großen F ührungsflache auf dem Kreisumfang festgelegt worden ist.

An seinem dorsalen Ende geht der Kreissektor 15 in eine Hohlkehle 18 über, ehe der Steg 14 in den Auflageteil 11 hinein auslauft.

Das S) dem Material des Siegs 14 verschiedene Material im Innenraum der gabelförmigen Halterung 2 wird von einem Kur.ststoff-Formkörper 21 gebildet, der in der Halterung 2. durch nicht dargestellt Stifte in der richtigen Lage fixiert, befestigt. /. B. eingeklebt ist Seme innere, gegen den Steg 14 gerichtete Begren/ungslinii.' verläuft in Streckstcllung des Knies von dem vorderen. unteren, in I ! g, 1 linken Ende, m etwa parallel der F^;or>n des Stegs 14 folgend, in einem ersten. Bogen-Berach 26 nach aufwärts rückwärts. Die genaue Form des Bogclis, der keine besondere Funktion hat₍ ist dabei nicht wesentlich, so lange sichergestellt ist, daß es in diesem ersten Bereich der Begrenzungslinie — abgesehen von einem unter Umständen am vorderen Ende vorgesehe-

nen Anschlag 22, der eine Überstreckung des Knies verhindern soll — nicht zu einer Auflage auf dem Steg 14 kommt, da dadurch Reibung und unter Umständen Verschleiß vergrößert werden.

Der rrste Bogen-Bereich 26 gehl — in Streckstellung gesehen, nach Überschreiten seines Scheitelpunktes — anschließend an den ersten Bereich der Begrenzungslinie in einen zweiten Bereich einen Hohlzylindersektor 23 (F i g. 3 bis 5) über, dessen Ausschnitt 27 im gezeigten Beispiel etwa 105" beträgt, dessen Krümmungsradius jedoch, abgesehen von Toleranzen der Fertigung, gleich demjenigen des Kreissektors 15 am Ende des Stegs 14 ist. Dieser Hohlzylindersektor 23, dessen Mittelpunkt 24 in Streckstellung mit demjenigen des Kreissektors 15 zusammenfällt, bildet beim Beugen des Knies die Föhrungsfläche für den Kopf des Stegs 14 und damit für den Tibiateil der Prothese relativ zum Femurteil.

Der konkave Hohlzylindersektor 23 verläuft nach rückwärts in einen konvexen Kreiszylinder 25 geringen Durchmessers aus, dessen Funktion in Verbindung mit F i g. 5 beschrieben wird.

Form oder Abmessungen und Lage von Trag- und Abrollflächen 6 bzw. 9, Steg 14, Kreissektor 15, kunststoffkörper 21 und Hohlzylindersektor 23 sind so aufeinander abgestimmt, daß die statischen und dynamischen Kräfte zumindest theoretisch vollständig, in der Praxis jedoch lediglich weitgehend, von den kondylen- und tibiaähnlich ausgebildeten Trag- und Abrollflächen 6 bzw. 9 aufgenommen werden und der Kreissektor 15 sowie der Hohlzylindersektor 23 in Verbindung mit den genannten Flächen zuf Führung der Beugebewegung des Knies dienen.
In der Streckstellung des Knies (Fig. 3) ruht daher

Ί der Fcmurieil der Prothese mit seinen Abrollflächen 6 auf den Tragflächen 9 des Tibiateils, wobei, mit ihren Mittelpunkten 16 bzw. 24 zusammenfallend, der Kreissektor 15 und der Hohlzylindersektor 23 ancinandcrliegen. Während einer Beugebewegung bis zu einem

i<> Winkel von etwa 70° rollen die Tragflächen 6 gleitend auf den Abrollflächen 9 ab; mit einer gleichartigen Abroll-Gleitbewegung bewegen sich dabei die beiden Kreissektoren 15 und 23 aufeinander. Fig.4 zeigt den Zustand, der dem etwa um 30° abgewinkelten Gelenk

H entspricht.

Bei einem Winkel von 65" bis 70^e legt sich der kreisbogenförmige Wulst 25 am hinteren Ende des Kunststoffkörpers 21 art die hohlkehlenartige Ausnehmung 18 des Stegs 14 an. Beim weiteren Abbeugen

Si übernehmen — soweit effofdefirch — die Ei entente '25 und 18 die Führungderbeiden Prothesenteile, wobei die beiden kreissektorförmigen Führungsflächen 15 und 23 voneinander abheben, wie Fig.5 verdeutlicht, die ein Prothesengelenk in einer um etwa 80° abgewinkelten Stellung zeigt.

Beim weiteren Beugen des Knies beginnen sich die beiden Flächen 6 und 9 voneinander abzuheben, wobei der kreisförmige Wulst 25 in der Ausnehmung 18 sich gleitend und rollend nach oben bewegt,

Hierzu 2 Blatt !Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Endoprothese für ein Kniegelenk aus einem mittels eines Schaftes verankerbaren Femurteil, der an einer gabelförmigen Halterung beiderseits einer Mittelebene kondvlenähnlich geformte Tragflächen aufweist, ferner bestehend aus einem im Schienbein mittels eines schaftförmigen Ansatzes verankerbaren Tibiateil, der einen in die gabelförmige Halterung eingreifenden scheibenförmigen Steg und beidseits des Stegs mit den Tragflächen zusammenwirkende, im Seitenriß kreisförmige AbroIIflächen aufweist, wobei Form und Abmessungen der Trag- und der Kreisradius der AbroIIflächen empirisch bestimmt sind, gekennzeichnet durch die Kombination der nachstehenden Merkmale: