DE3006178A1

DE3006178A1 - Kugelgelenkkopf-prothese mit einer kappe

Info

Publication number: DE3006178A1
Application number: DE19803006178
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr. Waldenburg Straumann; Franz Niederdorf Sutter
Original assignee: Institut Straumann AG
Current assignee: SUTTER, FRANZ, NIEDERDORF, CH
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1980-02-19
Publication date: 1981-07-02
Also published as: CH642251A5; US4332036A; CH642250A5; US4328593A; DE3006179A1; DE3006178C2

Description

Kugelgelenkkopf-Prothese rait einer Kappe

Die Erfindung betrifft eine Kugelgelenkkopf-Prothese mit einer Kappe mit einer kugelkalottenförmigen Aussenflache.

Eine aus der US-Patentschrift 3 808 6o6 bekannte Hüftgelenk-Prothese weist eine metallische Gelenkkugel auf, die an einem metallischen Dorn befestigt ist, der in einem Femur, d.h. Oberschenkelknochen, verankert werden kann. Diese vorbekannte Prothese hat jedoch den Nachteil, dass der ganze Gelenkkopf sowie ein Teil des Halses des Femurs entfernt werden müssen. Des weitern muss zum Verankern des Dornes ein tiefes Loch im Femur angebracht werden. Es muss daher eine grosse Menge gesundes Knochenmaterial entfernt werden, was zu einer beträchtlichen Schwächung des Femurs führt. Zudem können körperfremde Materialien zu unerwünschten Reaktionen führen, so dass das Einsetzen einer Prothese mit soviel Metall sehr nachteilig ist. Ein weiterer Nachteil dieser Prothese besteht noch darin, dass der Dorn eine viel grössere Biegesteifigkeit hat als der Knochenteil,. in den er hineinragt. Beim Auftreten von Biegebelastungen ist der Dorn daher viel steifer als der Knochen, so dass die sich in der Umgebung des Dorns befindenden Bereiche des Knochens bei Biegungen extrem grossen Belastungen ausgesetzt sind.

Es sind nun auch bereits Prothesen bekannt, die als Ersatz für die Gelenkkugel des Femurs eine kugelkalotfcenförmige Kappe aufweisen. Der Innenraum der Kappe wird von einer, abgesehen von einer allenfalls vorhandenen, schmalen und nur wenig tiefen Ringnut, glatten Zylinder-Fläche und am inneren

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Ende entweder durch eine halbkugelförmige oder radiale, ebenfalls glatte Fläche begrenzt. Zum Einsetzen einer derartigen Kappe wird der Gelenkkopf des Femurs nur soweit abgefräst, dass ein zum Innenraum der Kappe komplementärer Zapfen stehen bleibt.

Damit eine solche kappenförmige Prothese ausreichend fest am Femur hält, muss sie mit einem Bindemittel, dem sogenannten Zement, befestigt werden. Wie es unter anderem aus der Publikation "Histomorphological Investigations of Coxa Femoral Ends Following Double-Cup Arthroplasty According to Freemann", M.D.Cserhati, L.G. Oliveira, H.A. Jacob und A. Schreiber, Archives of Orthopaedic and Traumatic Surgery, 94,233-240,1979 bekannt ist, löst sich dieser Zement mit der Zeit vom Knochen-Zapfen ab, so dass sich die Kappe lockert. Derartige Prothesen halten daher meistens nur relativ kurze Zeit.

Die Lockerung der Prothese wird vermutlich zum Teil durch eine ungünstige Einwirkung des Zements auf die Spongiosa des Knochens verursacht.

Da bei einem aufrecht stehenden Patienten einerseits die Rotationssymmetrieachse des Knochen-Zapfens und der Kappe bei einer Prothese für ein Hüftgelenk gegen eine Vertikale geneigt verlaufen und andererseits die Hauptbelastung ungefähr vertikal gerichtet ist, treten natürlich sehr häufig Kräfte auf die mit der Kappen-Rotationssymmetrieachse einen Winkel bilden. Derartige Kräfte bilden sehr wahrscheinlich eine andere, sehr wichtige Ursache für die Lockerung der Kappe, weil sich nämlich dann relativ grosse, quer zur genannten Rotationssymmetrxeachse gerichtete Kraft-Komponenten ergeben können, die bei gewissen, relativ grossen zusammenhängenden Abschnitten der Kappen-Innenfläche mehr oder weniger parallel oder tangential zur Kappen-Innenfläche

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verlaufen. In diesen Abschnitten erfolgt nur eine geringe Kraftübertragung zwischen Kappe und Knochen, wobei die äusseren Schichten des Knochen-Zapfens zudem auf Scherung beansprucht werden. Ferner können die Kappe und der Knochen-Zapfen dann bezüglich einander kleine Bewegungen ausführen. Wenn also mit der Kappen-Rotationssymmetrieachse einen Winkel bildende Kräfte zu übertragen sind, ergeben sich ungleichmässige und ungünstige Beanspruchungen des Knochen-Zapfens.

Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, eine Prothese für ein Kugelgelenk mit einer kugelkalottenförmigen Kappe zu schaffen, die ohne Zement fest und dauerhaft an einem Knochen befestigbar ist. Die Prothese soll dabei insbesondere auch bei der übertragung von Kräften mit einer quer zur Rotationssymmetrieachse der Kappen-Aussenfläche verlaufenden Komponente eine möglichst gleichmässige Verteilung der zwischen der Prothese und dem Knochen übertragenen Kräfte ergeben. Diese Aufgabe wird durch eine Prothese gelöst, die durch die Merkmale des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.

Besonders zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Im Hinblick auf den Anspruch 2 und die nachfolgenden Darlegungen soll hier noch der Begriff "rotationssymmetrische, glatte Bezugs-Schmiegefläche" etwas näher erläutert werden. Der Innenräum der Kappe ist im wesentlichen, d.h. abgesehen von den Rippen, einem Gewinde oder dergleichen, hohlzylindrisch. Die innere Endfläche der Kappe kann im wesentlichen ungefähr halbkugelförmig, konisch oder radial sein. In den beiden letzeren Fällen kann zwischen dem zylindrischen In-

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nenflächenteil und dem konischen oder radialen Innenflächenteil entweder eine scharfe Kante oder ein verrundeter Obergang vorhanden sein. Unter der genannten Bezugs-Schmiegeflaehe ist nun diejenige rotationssymmetrische Fläche: zu verstehen, die sich an die verrippte oder mit einem Gewinde versehenen Kappen-Innenfläche anschmiegt und die höchstens beim Obergang zwischen dem zylindrischen Innenflächenteil und der konischen oder radialen innern Endfläche eine Kante aufweist und sonst glatt und stetig ist. Falls eine bei der innern Endfläche mit der Kappe verbundene, hohlzylindrische Hülse vorhanden ist, ist die Bezugs-Schmiegeflache so zu legen, wie wenn die Hülse nicht vorhanden wäre.

Die Vertiefungen und Erhöhungen der Kappen-Innenfläche vergrössern diese bezüglich der erwähnten, rotationssymmetrischen, glatten Bezugs-Schmiegeflache, wodurch die Kraftübertragung verbessert wird. Da diese Vertiefungen und: Erhöhungen entlang von Linien verlaufen, die parallel oder, schraubenlinienförmig zur Rotationssymmetrieachse der Kappen-Aussenf lache sind, ergeben die Vertiefungen und Erhöhungen abgesehen von der blossen Vergrösserung der am Knochen anliegenden Fläche noch einen andern, sehr wesentlichen Vorteil. Die RotationsSymmetrieachse einer am Femur eines Patienten befestigten Kappe verläuft ja bei einem aufrecht stehenden Patienten nicht vertikal, sondern gei igt. Die Kappe muss daher Kräfte übertragen, die eine relativ grosse, quer zur Rotationssymmetrieachse der Kappe gerichtete Komponente aufweisen. Wenn der Mantelflächenteil der Kappen-Innenfläche als glatte Zylinderfläche ausgebildet ist, werden beispielsweise quer zur Rotationssymmetrieachse der Kappe gerichtete Druckkräfte hauptsächlich in einem schmalen, sich bei der Angriffsstelle der Kräfte befindenden Streifen des zylinderischen Kappen-Innenflächenteils von der Kappe auf den Femur übertragen. Dies hat bei den Ober-

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tragungsteilen verhältnismässig grosse, lokale Beanspruchungen der Kappe und des Femurs zur Folge.

Wenn nun Rippen oder entsprechende Erhöhungen und Vertiefungen vorhanden sind, die parallel zur Kappen-Rotations-Symmetrieachse oder schraubenlinienförmig verlaufende Flanken aufweisen, so ergeben sich über einen relativ grossen Teil des Kappen-Innenflächen-Umfangs verteilte Flächen, die auch quer zur Rotationssymmetrieachse gerichtete Querkräfte einigermassen gleichmässig über den ganzen Kappenumfang verteilt übertragen können.

Die Vertiefungen und Erhöhungen der Kappen-Innenfläche ermöglichen ferner, die Kappe entweder in axialer Richtung auf den Knochen aufzuschieben oder auf den Knochen aufzuschrauben und dabei den Knochen zu profilieren. Dadurch erhält die Prothese schon unmittelbar beim Anbringen einen initialen Halt, ohne dass hierzu Knochenzement aufgebracht werden muss.

Die erfiniungsgemässe Prothese ist insbesondere gut für die Bildung künstlicher Hüftgelenke geeignet. Sie kann jedoch auch für die Bildung von anderen Gelenken, wie Ellenbogen-, Schulter- und Fingergelenken, adaptiert werden.

Der Erfindungsgegenstand wird nun anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert. In der Zeichnung zeigen

die Figur 1 eine axonometrische Ansicht einer Prothese für ein Kugelgelenk,

die Figur 2 eine Draufsicht auf die offene Seite der in der Figur 1 dargestellten Prothese,

die Figur 3 eine Seitenansicht der Prothese, teilweise im Schnitt,

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die Figur 4

die Figur 5

die Figur 6

einen Schnitt durch einen Femur und einen Fräser zum Fräsen der Aussenfläche des Gelenkkopfes,

einen Schnitt durch einen Femur und die Werkzeuge zum Fräsen eines Ringspaltes zum Aufnehmen der Hülse der Prothese,

einen Femur mit einer aufgesetzten Prothese, unmittelbar nach dem Aufsetzen,

die Figur 7

die Figur 8

einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Figur 6, in grösserem Masstab,

einen Längsschnitt durch einen Teil des Hülsen-Mantels, nachdem das Knochenmaterial die Löcher im Hülsen-Mantel durchwachsen hat,

die Figur 9

ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kraftübertragung an der ümfangsfläche des in die Kappe hineinragenden Knochenteils, wobei zum Vergleich in der linken Figurenhälfte die Kraft-Verteilung für eine Prothese mit einer gerippten Kappen-Innenfläche und in der rechten Figurenhälfte die Kraft-Verteilung für eine Prothese mit einer glatt zylindrischen Kappen-Innenfläche eingezeichnet ist,

die Figur 10

die Figur 11

eine der Figur 3 entsprechende Darstellung einer Variante einer Prothese, deren Kappeninnenfläche mit parallel zur Rotationssymmetrieachse und mit ringörmig verlaufenden Rinnen versehen ist,

eine der Figur 3 entsprechende Darstellung einer Variante einer Prothese, deren Kappeninnenfläche und Hülsen-Aussenfläche mit einem Gewinde versehen sind,

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die Figur 12 eine Ansicht eines Teils einer Hülse, deren

Mantel sowohl runde als schlitzförmige Löcher aufweist,

die Figur 13 eine Ansieht eines Teils einer Hülse mit schlitzförmigen Löchern und

die Figur lh einen der Figur 6 entsprechenden Schnitt durch einen Femur und eine andere Variante einer Prothese.

Die in den Figuren 1 bis 3 dargestellte Prothese 1 dient als Ersatz für die Gelenkkugel eines menschlichen Hüftgelenkes. Sie weist eine Kappe 3 auf, deren Aussenfläche 3a eine Kugelkalotte bildet, die etwas grosser als eine Halbkugel ist. Die Rotationssymmetrieachse der Aussenfläche 3a ist mit 5 bezeichnet.

Eine einen kreiszylindrischen Mantel 7a aufweisende Hülse 7 ist koaxial zur Rotationssymmetrieachse 5 beim innern Ende des Innenr?.umes der Kappe 3 starr mit dieser verbunden. Die Verbindung zwischen der Kappe 3 und der Hülse 7 kann beispielsweise durch Schweissen oder durch eine Erzeugung einer Temperaturdifferenz und Fest-Schrumpfen erfolgen. Die Hülse ist am befestigten Ende durch einen Boden 7b abgeschlossen. Das freie Ende 7c der Hülse 7 ragt um die mit s bezeichnete Strecke aus dem Kappen-Innenraum, d.h. über die vom Rand 3b der Kappe 3 aufgespannte Ebene, heraus. Die Hülse 7 ist bei ihrem freien Ende 7c offen, so dass also ihr kreiszylindrischer Innenraum 7f beim Ende 7c in die Umgebung mündet.

Der Innenraum der Kappe wird in dem an den Kappenrand 3b anschliessenden Teil durch eine Innen-Mantelflache 3c begrenzt, die im allgemeinen kreiszylindrisch ist, d.h. eine kreiszylindrische Schmiegefläche aufweist, wobei die letztere koaxial zur Rotationssymmetrieachse ii der Aussenfläche 3a ist. An die im allgemeinen zylindrische Innen-MantelfIache 3c schliesst innen eine sich bis zum Hülsenboden 7b hin verjüngende, verrundete Obergangsfläche 3d an. Der innerste Teil

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der Kappen-Innenfläche wird durch eine Vertiefung 3e gebildet, die mit dem Ende der Obergangsfläche 3d eine SLufe- bildet. Die Tiefe dieser Stufe ist so bemessen, dass die zur Rotationssymmetrieachse 5 radiale, der offenen Seite der Kappe 3 zugewandte Fläche 7d des Hülsenbodens 7a in der gleichen Ebene liegt, wie der innere Rand der Obergangsfläche 3d. Wenn man sich also den zylindrischen Mantel 7a der Hülse 7 wegdenkt und die Fläche 7d nach aussen verlängert, würde diese Verlängerung stetig in die Obergangsfläche 3d übergehen.

Die Abschnitte 3c und 3d der Kappen-Innenfläche sind mit Rillen Jf und dazwischen vorhandenen Rippen 3g versehen, die gleichmässig über den Umfang der Kappen-Innenfläche verteilt sind. Dabei sind mindestens 20 und beispielsweise etwa 30 Rillen bzw. Rippen vorhanden. Jede·Rille 3f und Rippe 3g erstreckt sich vom Kappenrand bis in die Übergangsfläche 3d und verläuft entlang einer durch die Rotationssymmetrieachse verlaufenden Ebene. Wie es besonders deutlich aus der Figur ersichtlich ist, sind die Rillen 3f breiter als die Rippen 3g. Im übrigen sind alle Obergänge zwischen den Rillen 3f und Rippen 3g stetig verrundet. Die Tiefe t der Rillen 3f beträgt im Bereich der Fläche 3c mindestens 2,5#» und zwar etwas mehr als 5% des Durchmessers D der kreiszylindrischen Schmiegefläche 9_S die rotationssymmetrisch zur Achse 5 ist und sich an die Scheitellinien der Rippen 3g ai schmiegt. Im Bereich der Obergangsfläche 3d nimmt die Rillentiefe ab, so dass die Rillen und Rippen beim innern Rand der Obergangsfläche 3d ungefähr auslaufen.

Der Innendurchmesser d der Hülse 7 beträgt mindestens 25% und vorzugsweise mindestens 35? des Durchmessers D der Kappen-Innen-Schmiegeflache 9. Andererseits beträgt der Hülsen-Innendurchmesser d höchstens 75$ und vorzugsweise höchstens 60% des Durchmessers D der Kappen-Innen-Schmiegeflache 9. Bei einer Hüftgelenk-Prothese beträgt der Durchmesser D beispielsweise 35 bis h2 mm und der Durchmesser d etwa 10 bis 25 mm.

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Die in radialer Richtung gemessene Wandstärke w des Hülsen-Mantels 7a beträgt mindestens 1% und zweckmässigerweise mindestens 3% sowie höchstens J>0% und zweckmässigerweise höchstens 18% des Hülsen-Innendurchmessers d. Vorzugsweise liegt die Wandstärke w zwischen k% und 8$ des Hülsen-Innendurchmessers d. Bei den für Hüftgelenk-Prothesen vorgesehenen Durchmessern beträgt die Wandstärke mindestens 0,3 mm und vorzugsweise mindestens 0,5 nim. Ferner beträgt die Wandstärke w höchstens 3 mm und vorzugsweise höchstens 2,5 mm. Der Hülsen-Innendurchmesser d beträgt mindestens 10/5, und vorzugsweise mindestens 30$ der Länge L des Hülsen-Innenraumes 7f. Bei einer Prothese für die Bildung eines Hüftgelenkes soll ferner die Länge L zweckmässigerweise höchstens 50? grosser als der Durchmesser D und vorzugsweise ungefähr gleich diesem sein. Des weitern beträgt die Strecke s zweckmässigerweise höchstens 50$ und vozugsweise höchstens k0% der Länge L. Bei Prothesen für andere Gelenke, insbesondere Prothesen für ein Ellenbogengelenk, können die Verhältnisse L/D und s/L grosser gemacht werden.

Der Mantel 7a der Hülse 7 ist mit gleichmässig über seinen Umfang unu seine Länge verteilten Durchgangslöchern 7e> nämlich Bohrungen versehen. Der Durchmesser dieser Löcher 7e kann J>% bis 60%, und vorzugsweise etwa 15$ bis 3OiS des Innendurchmessers d des Hülsen-Mantels 7a betragen. Bei einer Hüftgelenk-Prothese haben die Löcher 7e vorzugweise einen Durchmesser von 3 bis 6 mm. Im übrigen sind die Abmessungen und Abstände der Löcher 7e derart aufeinander abgestimmt, dass der von den Löchern eingenommene Teil der Innenfläche des Hülsen-Mantels 7a mindestens 305? und höchstens 70% der gesamten Innenfläche des Hülsen-Mantels beträgt.

Wenn die Rillen 3f, die Rippen 3g und der Mantel 7a die Hülse 7 nicht vorhanden wären, könnte die Kappe 3 lediglich mit ihrer Bezugs-Schmiegeflache am Knochen anliegen. Diese Bezugs-Schmiegeflache ist im vorliegenden Fall die zur Achae 5 rotationssymmetrische Fläche, die sich an die Scheitellinien der Rippen 3g anschmiegt und am innern Ende des Hülseninnenraumes mit der radialen Fläche 7d des Hülsenbodens zusammenfällt. (Die Vertiefung 3e wäre beim Nichtvorhanden-

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sein der Hülse dann nicht vorhanden.) Bei der Prothese 1 wird nun die Innenfläche der Kappe 3 im Bereich ihrer Abschnitte 3c und 3d durch die Rillen 3f und Rippen 3g vergrössert. Ferner kann auch die Hülse 7 mit der Innen- und Aussenfläche ihres Mantels 7a sowie der Bodenfläche 7d am Knochen anliegen. Die Verrippung eines Teils der eigentlichen Kappen-Innenfläche und die Hülse 7 ergeben also eine beträchtliche Vergrösserung der Fläche, die nach dem Einsetzen der Prothese Γ am Femur anliegen kann. Durch die Verrippung der Kappen-Innenfläche und die Hülse 7 wird die Fläche, die bei der Verwendung der Prothese am Femur anliegen kann, auf einen Wert vergrössert der mindestens das Zweibis Dreifache der Grosse der Bezugs-Schmiegeflache beträgt.

Die Kappe 3 und die Hülse 7 bestehen aus Metall, beispielsweise aus rostfreiem Stahl oder Titan. Die Innenfläche der Kappe 3 und die Innen- und Aussenfläche der Hülse 7 können zur Vergrösserung der Oberflächen-Rauhigkeit mit einer porösen, aufgesprühten Titanschicht überzogen oder in anderer Weise behandelt sein. Die Aufrauhung wird jedoch derart angebracht, dass die Tiefen und Höhen der durch sie gebildeten Vertiefungen bzw. Vorsprünge höchstens 10? der Tiefe t der Rillen 3f betragen. Die durch die Rillen 3f und Rippen 3g gegebene Profilierung der Kappen-Innenfläche bleibt also trotz der Titanschicht oder sonstigen Oberflächen-Aufrauhung im wesentlichen erhalten.

Nun soll erläutert werden, wie die Prothese an einem Femur befestigt wird. Der in der Figur 4 ersichtli'che Femur Il weist einen Kopf 11a auf, der über einen Hals 11b mit dem restlichen Teil des Femurs zusammenhängt. Bei einer Operation wird zuerst der Kopf 11a des Femurs 11 freigelegt. Dann wird mit einem Formfräser 13 die äusserste Schicht des Kopfes 11a abgefräst, so dass vom Kopf 11a noch ein Zapfen lld mit dem in der Figur 4 strichpunktiert dargestellten Umriss übrigbleibt. Auf diesen Zapfen wird dann, wie in der Figur 5 ersichtlich, eine Lehre 15 aufgesteckt und mit einem von dieser geführten, hohlen Stirnfräser 17 ein ringförmiger

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Spalt lic in den Zapfen lld gefräst. Danach wird die Prothese 1 in der in der Figur 6 ersichtlichen Weise auf den Femur-Zapfen aufgesteckt, so dass die Innenfläche der Kappe 3 am Zapfen lld anliegt und die Hülse 7 in den Spalt lic hineinragt.

Der Umriss des beim Abfräsen der äussersten Schicht des Kopfes 11a gebildeten Zapfens lld ist ungefähr komplementär zur Innenfläche der Karpe 3, Wie es besonders deutlich aus der Figur 7 ersichtlich ist, wird der Aussendurchmesser des Femur-Zapfens lld im Bereich der Kappen-Innenfläche 3c etwa um die Rillen-Tiefe t grosser gemacht als der Durchmesser der Bezugs-Schmiegeflache 9· Die Rippen 3g müssen daher bei dem in der Richtung der Rotationssymmetrieachse 5 erfolgenden Aufstecken der Prothese 1 auf den Femur-Zapfen Hd in das Knochenmaterial eingepresst werden. Dabei wird der zylindrische Teil der Begrenzungsfläche des Femur-Zapfens lld profiliert, so dass der Femur-Zapfen etwa bis zur halben Tiefe der Rillen 3f in diese hineinragt und die Prothese sogleich relativ fest auf dem Femur sitzt. Zudem wird auch die Breite des ringförmigen Spaltes lic so bemessen, dass die Hülse 7 satt in ihr sitzt oder ebenfalls eingepresst werden muss. Dies ermöglicht, die Prothese ohne Zement am Femur zu befestigen.

Im Laufe der Zeit kann der Femur dann noch so weit in die Rillen 3f hineinwachsen, dass diese vollständig mit Knochenmaterial ausgefüllt werden. Die Abmessung des Hülsen-Innenraumes 7f und die Löcher 7e gewährleisten, dass das Knochenmaterial und die im Bereich des Femur-Zapfens 7d vorhandenen Blutgefässe llf auch durch die Löcher 7e im Hülsen-Mantel 7a hindurch wachsen, wie es in der Figur 8 dargestellt ist. Das Knochenmaterial bildet dann Stege lie, die die Löcher 7e durchdringen. Jeder Steg He hängt auf der Innen- und Aussenseite des Hülsen-Mantels 7a mit Knochenmaterialabschnitten zu-

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sammen, die dann gewissermassen an den Steg lie anschliessende Plansche und also mit diesem zusammen ein Doppel-T bilden. Ferner kann das Knochenmaterial in die Poren der aufgesprühten Titanschicht oder der anderswie gebildeten Aufrauhung hineinwachsen. Die Prothese wird daher sehr gut und dauerhaft im Femur 11 verankert. Im übrigen ergibt die Hülse 7» deren Wandstärke im Vergleich zu ihrem Durchmesser relativ klein ist, nur einen verhältnismässig kleinen zusätzlichen Verlust vor natürlichem Knochenmaterial. Die Spongiosa-Lamellen können ferner sowohl innerhalb der Hülse als auch in dem diese umgebenden Bereich des Knochen-Zapfens und durch die Durchgangslöcher 7e hindurch analog wie bei einem Knochen ohne Prothese den Hauptspannungslinien, d.h. den Linien grösster Belastung, entlang wachsen. Es ergibt sich daher ein ähnlicher Kraftfluss wie bei einem natürlichen Gelenk, was ebenfalls zur Stabilität der Knochen-Pröthese-Verbindung beiträgt.

Nun soll anhand der Figur 9 erläutert werden, wie eine quer zur Rotationssymmetrieachse 5 gerichtete Kraft P vom Femur-Zapfen lld auf die Kappe 3 der Prothese 1 übertragen wird, wenn der Femur in der vorgängig beschriebenen Weise in die Rillen 3f eingewachsen ist. Die Kraft P sei parallel zur Geraden 19 gerichtet, die die Rotationssymmetrieachse 5 rechtwinklig scnneidet. In der linken Hälfte der Figur 9 ist schematisch der Umriss des Femur-Zapfens lld dargestellt, der zu den Rillen 3f der Kappe 3 komplementäre Rippen aufweist. Die Flanken dieser Rippen bilden nun auch an derjenigen Umfangsstelle, die am weitesten von der Geraden 19 entfernt ist, Flächen, die nicht parallel zur Richtung der Kraft P verlaufen, sondern mit dieser Richtung einen Winkel zwischen etwa 45 und 135° bilden. Dies gewährleistet, dass auch bei den am weitesten von der Geraden 19 entfernten Umfangssteilen noch Kräfte vom Femur auf die Kappe und umgekehrt übertragen werden. Bei der Übertragung der Kraft P wird die letztere daher in Teilkräfte aufgeteilt, deren

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Grosse und örtliche Verteilung qualitativ durch Pfeile 16 angedeutet ist. Die zu übertragende Kraft P wird also relativ gleichmässig auf einen grossen Teil des Umfangs der Kappe 3 bzw. des Femur-Zapfens lld verteilt. Ferner trägt natürlich auch die Hülse 7 zur Kraftübertragung bei. Daraus resultiert eine relativ gleichmässige örtliche Verteilung der Kräfte und Beanspruchungen des Knochenmaterials.

Wenn die Kappen-Innenfläche und die an ihr anliegende Femur-Zapfenfläche dagegen glatte Zylinderflächen wären, ergäben sich die qualitativ in der rechten Hälfte der Figur 9 durch die Pfeile 18 dargestellten Teil-Kräfte. Die relativ weit von der Geraden 19 entfernten Umfangsbereiche der Kappe und des Femur-Zapfens wären dann für die übertragung der Kraft P praktisch unwirksam.

Da die Hülse 7 um die Strecke s tiefer in den Femur hineinragt, als dieser von der Kappe umfasst wird, ist auch die Gefahr, dass der Femur bei grossen, quer zur Rotationssymmetrieachse t? angreifenden Kräften beim Rand 3b der Kappe abgeschert wird, sehr klein. Die Innen-Länge L der Hülse und die Strecke s sind jedoch derart bemessen, dass sich die Hülse 7 nicht bis zu dem in der Figur 6 dargestellten und mit 11g bezeichneten, für die BlutVersorgung des Knochens sehr wichtigen, ungefähr entlang der Mittelachse des Femur-Schaftes verlaufenden Haupt-Äderstrang erstreckt.

Wenn an einer bestimmten Stelle der Prothese 1 Kräfte mit einer quer zur Rotationssymmetreiachse 5 gerichteten Komponente angreifen, treten auch Biegebeanspruchungen auf. In der Elastizxtätstheorie verwendet man zur Charakterisierung des Biegeverhaltens eines Körpers beispielsweise die sogenannte Biegesteifigkeit. Diese ist gleich dem Produkt Flächenträgheitsraoment I mal Elastizitätsmodul E und also sowohl von den geometrischen Abmessungen des betreffenden Körpers als auch

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von dessen Material, nämlich eben dessen Elastizitätsmodul, abhängig. Die Biegesteifigkeit der Knochen, kann für verschiedene Patienten relativ stark streuen. Durch eine geeignete Bemessung der Hülse 7» können aber die Biegesteifigkeiten der Hülse 7 und des Knochens därart aufeinander abgestimmt werden, dass sie in vergleichbaren Grössenordnungen liegen und dass bei Biegebeanspruchungen sowohl der Femur als auch die Hülse 7 etwas gebogen werden. Dies wirkt sich ebenfalls günstig auf die Kraftübertragung und die Dauerhaftigkeit der Verankerung der Prothese aus.

Damit beim Rand des freien, offenen Endes 7c der Hülse 7 bei Biegebeanspruchungen keine grossen Scherkräfte auftreten, ist es inbesondere von Vorteil, wenn mindestens der freie, aus dem Kappen-Innenraum herausragende Endabschnitt der Hülse 7 eine Biegesteifigkeit hat, die ähnlich oder nicht allzuviel grosser ist als diejenige des Knochens. Für den sich im Innern der Kappe 3 befindenden Abschnitt der Hülse ist dagegen eher eine etwas grössere Biegsteifigkeit zulässig oder sogar vorteilhaft. Die Hülse 7 kann daher auch so ausgebildet werden, dass ihr freier Endabschnitt eine kleinere Biegesteifigkeit aufweist als an ihr an der Kappe befestigter Endabschnitt und ihr mittlerer Abschnitt, wobei die Biegesteifigkeit entlang der Hülse entweder sprungweise oder stetig ändern kann. Zur Verwirklichung dieser entlang der Hülse ändernden Biegesteifigkeit kann beispielsweise das Verhältnis der von den Durchgangslöchern 7e eingenommenen Mantelfläche zur nicht gelochten Mantelfläche im Bereich des freien Hülsen-Endes 7c etwas vergrössert werden. Eine andere Möglichkeit bestände darin, die Wandstärke w beim freien Ende 7c der Hülse 7 etwas kleiner zu machen als beim andern Ende und im mittleren Teil der Hülse. Die Innen-und/oder die Aussenfläche des Hülsen-Mantels 7a ist im letzteren Fall natürlich nicht mehr streng zylindrisch, wobei aber die Abweichung von der Zylinderform nur gering ist. Es sei noch vermerkt, dass die Biegesteifigkeit natürlich auch bei den

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nachfolgend noch beschriebenen, in den Figuren 10 bis 13 ersichtlichen Hülsen in analoger Weise entlang der Hülsenlängsachse variiert werden kann.

Die in der Figur 10 dargestellte Prothese 21 weist eine Kappe 23 und eine Hülse 27 auf. Die Innenfläche der Kappe 23 ist mit Rillen 23f versehen, die entlang von Ebenen durch die Roatationssymmetrieachse 25 verlaufen und den Rillen 3f entsprechen. Die Innenfläche ist jedoch noch mit zusätzlichen, ringförmigen Rillen 23i versehen, die ungefähr die gleiche Tiefe wie die Rillen 23f haben können. Zwischen den sich kreuzenden Rillen ergibt sich dann eine Vielzahl in den Innenraum der Kappe 23 vorstehender Nocken 23g. Der Mantel 27a der Hülse 27 ist gleich wie der Mantel 7a mit Löchern 27e versehen.

Die in der Figur 11 dargestellte Prothese 41 weist eine Kappe 43 auf, deren im wesentlichen zylindrischer Innenflächenteil 43c zur Rotationssymmetrieachse 45 der Kappen-Aussenflache koaxxal ist und eine Rille 43f aufweist, die entlang einer Schraubenlinie verläuft und ein Gewinde bildet. Die Aussenfläche des Mantels 47a der Hülse 47 ist ebenfalls mit einer entlang einer Schraubenlinie verlaufenden Rille 47f versehen, die ein Gewinde bildet. Die beiden Gewinde haben den gleichen Drehsinn und die gleiche Steigung, so dass die Prothese am Femur festgeschraubt werden kann. Der Hülsen-Mantel 47a ist noch mit den Löchern 7e entsprechenden Löchern 47e versehen. Bei dem in der Figir 11 dargestellten Ausführungsbeispiel könnte man die Innenfläche der Kappe zusätzlich zur Rille 43f mit Rillen versehen, die entlang von Ebenen durch die Achse 45 verlaufen. Es ergäbe sich dann analog wie bei der Kappe 23 eine Vielzahl von Nocken, die Fragmente eines Gewindes bilden. Des weitern könnten die Gewinde auch mehrgängig ausgebildet werden.

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Die Prothese 41 kann bei einer Operation durch Drehen um die Rotationssymmetrieachse 45 auf den vorgängig gefrästen Femur-Zapfen aufgeschraubt werden. Wenn die Durchmesser der Aussenfläche des Femur-Zapfens und des in diesen gefrästen Ringspaltes entsprechend festgelegt werden, kann erreicht werden, dass sich die Gewinde der Prothese 41 beim Aufschrauben in das Knochenmaterial einschneiden. Auch die Prothese 4l sitzt also gleich wie die vorgängig beschriebenen Ausführungsbeispiele sofort nach dem Einsetzen fest auf dem Knochen.

Die Figur 12 zeigt eine Variante einer Hülse 67, von der nur ein Teil des Mantels 67a gezeichnet ist und die wie die Hülse 7 am einen Ende starr mit einer nicht gezeichneten Kappe verbunden und am andern Ende offen ist. Der Hülsen-Mantel 67a ist mit zwei Arten von Durchgangslöchern versehen, nämlich mit Bohrungen 67e und Schlitzen 67g. Dabei folgen entlang der RotationsSymmetrieachse 65 abwechselnd ringförmige Bereiche aufeinander die entweder Bohrungen oder Schlitze enthalten. Die Schlitze 67g haben eine längliche Form, .wobei ihre längeren Ränder entlang von Kreisbogen verlaufen.

In der Figur 13 ist ein Teil eines Mantels 87a einer Hülse 87 ersichtlich, die einenends starr mit einer nicht gezeichneten Kappe verbunden und andernends offen ist. Der Mantel 87a ist mit Durchgangslöchern, nämlich länglichen Schlitzen 87e versehen, deren längere Ränder entlang von Kreisbogen um die Rotationssymmetrieachse 85 verlaufen. Dabei sind in aufeinanderfolgenden ringförmigen Bereichen des Mantels 87a jeweils drei über den Umfang verteilte Schlitze vorhanden.

Bei den Prothesen 1,21 und 41 wird das innere Ende der Kappen-Innenfläche durch eine ebene Radial-Fläche gebildet, die durch eine verrundete Obergangsfläche mit dem zylindrischen Teil der Innenfläche verbunden ist. Zwischen der radialen, oder eventuell auch konischen, inneren Endfläche und zylind-

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rischen Innenfläche der Kappe könnte aber auch eine Kante vorhanden sein.

Wie es bei der in der Figur 14 dargestellten Prothese 101 der Fall ist, kann die Kappe 103 auch eine Innenfläche, oder genauer gesagt eine Innen-Hüllflache, aufweisen, deren inneres Ende, abgesehen von der Hülse 107 durch eine Halbkugelflache gebildet ist. Diese geht stetig in den zylindrischen Teil der Innenfläche über. Im übrigen ist der ausserhalb der Hülse 107 liegende Teil der Innenfläche mit über den Umfang verteilten Rippen und Rillen versehen, die entlang von Ebenen verlaufen, die ihrerseits durch die Rotationssymmetrieachse 105 verlaufen. Die Hülse 107 ist bei diesem Ausführungsbeispiel zusammen mit der Kappe 103 aus einem einstückigen Körper gebildet. Im übrigen ist die Hülse mit über ihre Mantelfläche verteilten Durchgangslöchern 107e versehen. Die sich in der Nähe des innern Hülsen-Endes befindenden Löcher sind aus fertigungstechnischen Gründen gegen die Achse 105 geneigt .

Es sei noch vermerkt, dass sich die Kappen- und Hülsen-Ausbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele in verschiedener Weise miteinander kombinieren lassen. ■

Bei allen beschriebenen Ausführungsbexspxelen weist die Kappen-Innenfläche der Prothese in einem quer zur RotationsSymmetrieachse der Kappen-Aussenfläche gelegten Schnitt oder/und in einem parallel zur genannten Achse gelegten Schnitt mehrere aufeinanderfolgende Vertiefungen und Erhöhungen auf. Daher wird, die Kappen-Innenfläche, die nach dem Einsetzen der Prothesen, am Femur anliegen kann, mindestens 50£, und sogar mehr als 100$ grosser als die jeweilige Bezugs-Schmiegeflachen. Wenn man auch noch die Innen- und Aussenflache des Hülsen-Mantels dazuzählt, wird die Fläche, die am Femur anliegen kann, sogar mindestens 20055 grosser als die Bezugs^* Schmiegefläche.

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Die dargestellten Prothesen sind zum Befestigen an ^: einem Femur bestimmt, um die Gelenkkugel eines künstlichen ;Hüftgelenkes zu bilden. Man kann die Prothesen jedoch auch so bemessen, dass sie als Gelenkkugel für ein künstliches Ellenbogen-, Schulter-, oder Fingergelenk verwendbar sind.

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BAD ORIGINAL

ZUSAMMENPASSUNG

Eine Prothese (1) für die Bildung der Gelenkbügel eines Hüftgelenkes weist eine kugelkalottenförmige Kappe (3) auf. Deren Innenfläche ist mit Rillen (3f) und Rippen (3g) versehen, die gl^ichmässig über den Umfang der Innenfläche verteilt sind und entlang von Ebenen verlaufen, die ihrerseits durch die RotationsSymmetrieachse (5) der Kappen-Aussenflache (3a) verlaufen. Eine Hülse (7), deren Mantel mit Löchern (7e) versehen ist, ist beim innern Ende der Kappen-Innenfläche starr an der Kappe (3) befestigt und ragt teilweise aus dieser heraus. Die Verrippung der Kappen-Innenfläche und die Hülse (7) ermöglichen, die Prothese (1) bei einer Operation ohne Zement fest und dauerhaft an einem Knochen zu befestigen.

(Figur 1)

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Leerseite

Claims

Institut Straumann AG^ Waldenb;irg-~( Schweiz-) *-^:."-."

PATENTANSPRÜCHE

fly Kugelgelenkkopf-Prothese mit einer Kappe mit einer kugelkalottenförmigen Aussenflache, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Kappe (3, 23, 43) in einem durch sie gelegten Schnitt eine Anzahl aufeinanderfolgender Vertiefungen (3f, 23f, 23i, 43f) und Erhöhungen (3g) aufweist, dass diese Vertiefungen (3f,23f,23i,43f) und Erhöhungen (3s) entlang von Linien angeordnet sind, die beginnend vom freien Rand (3b) der Kappe (3) gegen deren innersten Innenflächen-Teil (3e) verlaufen, und dass diese Linien entweder entlang von in der Rotationssymmetrieachse (5»25» 105) der Kappen-Aussenf lache (3a) liegenden Ebenen oder schraubenlinienförmig um die genannte Rotationssymmetrieachse (45) verlaufen.
2. Prothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasa die genannten Vertiefungen (3f,23f,23i,43f) und Erhöhungen (jg) die mit einem Knochen (11) in Berührung zu bringen bestimmte Kappen-Innenfläche bezüglich einer rotationssymmetrischen, im wesentlichen glatten, diese Vertiefungen und Erhöhungen nicht aufweisenden Bezugs-Schmiegefläche der Kappen-Innenfläche um mindestens $0% vergrössern.
3. Prothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Kappe (3,23) mit mindestens zwanzig über den Kappen-Umfang verteilten Rillen (3f,23f) versehen ist, die entlang von Ebenen verlaufen, die durch die Rotationssymmetrieachse (3,23) der Kappen-Aussenflache (3a) verlaufen.

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Zb/ro/Pall 142 .

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BAD ORIGINAL
4. Prothese nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Kappe (23) zusätzlich mit Rillen (23i) versehen ist, die rechtwinklig zur Rotationssymmetrieachse (25) der Kappen-Aussenfläche verlaufen.
5. Prothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche der Kappe (43) mit mindestens einer entlang einer Schraubenlinie verlaufenden Rille (43f) versehen ist.
6. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens ein Teil der Vertiefungen (3f,23f,23i,43f) und Erhöhungen (3g) in einem Teil der Kappen-Innenfläche mit einer kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) befinden.
7. Prothese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe t der Vertiefungen (3f,23f,23i,43f) im genannten Innenflächen-Teil mindestens 2,5% des Durchmessers D der kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) beträgt.
8. Prothese nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet, durch eine Hülse (7*27,47,67,87), die koaxial zur Rotationssymmetrieachse (5,25,45,65,85) der Kappen-Aussenfläche (3a) mindestens teilweise im Innenraum der Kappe (3,23,43) angeordnet und starr mit dieser verbunden ist.
9. Prothese nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (7,27,47,67,87) mit über ihren Mantel (7a,27a, 47a,67a,87a) verteilten Durchgangslöchern (7e,27e,47e, 67e,87e) versehen ist.
10. Prothese nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das freie Ende der Hülse (7,27,47) aus dem Innenraum der Kappe (3,23,43) herausragt.

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