DE3006178C2

DE3006178C2 - Kugelgelenkkopf-Endprothese

Info

Publication number: DE3006178C2
Application number: DE3006178A
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: 1985-04-04
Also published as: CH642250A5; US4332036A; DE3006178A1; CH642251A5; US4328593A; DE3006179A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kugelgelenkkopf-Endoprothese gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Eine derartige Kugelgelenkkopf-Endoprothese ist aus der DE-PS 8 76 739 bekannt.

Diese bekannte zementlos einsetzbare Endoprothese mit einer Kappe und einem zum mechanischen Festlegen dienenden Schaft (Fig. 1 und 2) wird auf den Knochenstumpf aufgesetzt und ist in dem Kappenraum mil einer Riefung oder Leistenprofiiierung als Drehsicherung versehen. Ferner ist aas diestf Druckschrift eine schaftfreie Endoprothese (Fig. 4 und 5) mit zirkulär und radiär gerichteten Furchen und mit gegebenenfalls einer einige Schlitze aufweisenden Kappe, die als Sicherung gegen Drehung dienen soll, bekannt.

Die einen Schaft aufweisende Endoprothese weisi eine praktisch voll ausgebildete Kappe auf. Der Schaft ist über seine gesamte Länge ebenfalls voll ausgebildet. Zum Befestigen einer derartigen Endoprothese muß daher der natürliche Gelenkkopf mindestens zum größten Teil und wahrscheinlich vollständig entfernt werden. Ferner muß zum Einsetzen des Schaftes eine verhältnismäßig voluminöse Bohrung am Knochen angebracht werden, so daß viel gesundes Knochenmaterial entfernt werden muß. Zudem ragt der Schaft infolge seiner großen Länge und großen Volumens weit in den Knochen hinein, wo sich für die Blutversorgung des Knochens wichtige Blutgefäße befinden. Dieser Schaft dient aber allein zur Verankerung der Endoprothese in dem Knochenstumpf und muß daher bis an dessen Wandung reichen, um eine einigermaßen sichere Befestigung zuzulassen.

Es ist ferner eine Endoprothese bekannt (DE-OS 27 51 537), deren im allgemeinen ungefähr halbkugclförmige Innenfläche mit einem Gewinde versehen ist, wobei auch noch ein konischer, im Querschnitt voller Zapfen vorhanden ist, der sich vollständig im Innenraum der Kappe befindet. Die im Kappen-Innenraum gewindcförmig verlaufende, einzige Rippe ergibt nur eine relativ geringe Erhöhung der Torsionsfestigkeit der Verbin-

dung, insbesondere weil sie praktisch ausschließlich auf einer sich verjüngenden Halbkugelfläche angebracht ist und nur drei vollständige Gänge aufweist. Querkräfte dürfte die Rippe ebenfalls nur geringfügig aufnehmen. Außerdem ergibt der Zapfen wegen seines relativ kleinen Durchmessers nur eine verhältnismäßig kleine Vergrößerung der Torsionsfestigkeit der Verbindung zwischen der Endoprothese und dem Knochen. Infolge seines vollen Querschnitts stört der Zapfen die Regeneration des Knochenmaterials zudem ganz beträchtlich. Ei- ίο ne dauerhafte, zementfreie Befestigung dieser Endoprothese erscheint fraglich.

Schließlich ist eine Endoprothese bekannt (DE-PS 8 37 294). die mit einem im wesentlichen vollen Gelenkkopf und einem Rippen oder Nocken aufweisenden Schaft versehen ist. Der Kopf hat eine ringnutförmige Ausnehmung geringer Tiefe, deren äußere Begrenzungsfläche mit kurzen Rippen versehen ist. Da der Kopf praktisch voll ausgebildet ist und die Schäfte einen vollen Querschnitt aufweisen und im übrigen lang sind, haben diese Endoprothesen ähnliche Nachteile wie die gattungsgemäßen, eingangs dargestellten Enooprothesen.

Schließlich ist eine zementfrei in dem Markraum verankerbare Gelenk-Endoprothese (DE-OS 26 34 954) mit einem als Rohr ausgebildeten Prothesenschaft bekannt, dessen Wandung mit einer Vielzahl von Durchbrechungen versehen ist, die ein dauerhaftes Verwachsen im Knochengewebe bewirken sollen, und dessen äußere Mantelfläche ein Schraubengewinde aufweist Das Rohr, welches bei einer Hüftgelenkprothese eine Länge von ca. 15 bis 25 cm aufweist, soll in die Markhöhle eines Oberschenkelknochens eingesetzt werden. Damit ein derartiger Prothesenschaft in die Markhöhle eingeschraubt werden kann, muß zwangsläufig mindestens der ganze natürliche Gelenkkopf sowie Gelenkhals abgetrennt werden, so daß also sehr viel Knochenmaterial entfernt werden muß. Das Rohr muß zudem relativ dünn sein, damit es in die sich gegen unten verengende Markhöhle einschraubbar ist. Das Rohr weist daher oben einen verhältnismäßig langen Abschnitt auf, der nur die relativ lockere Spongiosa durchdringt, und ist höchstens an seinem unteren Ende mehr oder weniger in der relativ stabilen, die Knochenwand bildenden Corticalis verankert Das Schaft-Rohr stellt daher für am Gelenkkopf angreifende Kräfte gewissermaßen einen bei seinem unteren Ende gelagerten Hebel dar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Endoprothese gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, bei deren Verwendung möglichst wenig Knochenmaterial entfernt werden muß und die das Verwachsen mit dem Knochen derart zuläßt, daß sie vollständig drehfest als auch axial unverschiebbar mit dem Knochen verbunden ist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Endoprothese erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale im Hauptanspruch gelöst.

Zum Einsetzen der Endoprothese in einen Knochen muß nur die Außenfläche des Gelenkkopfes bearbeitet und ein Ringspalt für die Aufnahme der Hülse in den ω Knochen gefräst werden, so daß also insgesamt nur verhältnismäßig wenig Knochenmaterial entfernt werden muß. Bei der Durchführung der chirurgischen Operation können zum Bearbeiten des Knochens Fräser verwendet werden, die derart auf die Abmessungen der (,5 Endoprothese abgestimmt sind, daß diese schon unmittelbar nach dem zementfveien Einsetzen einigermaßen fest im Knochen sitzt. Der Knochen wird derart bearbeitet, daß die äußere Mantelschicht des vom natürlichen Gelenkkopf verbleibenden Knochenzapfens beim Einsetzen in die Vertiefungen der Kappen-Innenfläche eingepreßt wird und dadurch die Endoprothese schon unmittelbar nach dem Einsetzen einwandfrei gegen Drehungen um ihre Achse sichert Die satt im Ringspalt sitzende und ebenfalls in diesen eingepreßte Hülse gibt zusammen mit der Kappen-Innenfläche und insbesondere dem zu dieser gehörenden, zylindrischen Abschnitt unmittelbar nach dem Einsetzen auch eine ausreichende Sicherung gegen axiale Verschiebungen der Endoprothese. Die gute Anfangsstabilität der Endoprothese gewährleistet wiederum, daß das feste Knochenmaterial im Laufe der Zeit unmittelbar an die Kappen-Innenfläche und die Begrenzungsflächen der Hülse anwächst ohne daß sich zwischen dem festen Knochenmaterial und den Begrenzungsflächen der Endoprothese eine weiche Bindegewebeschicht bildet Ferner kann das feste Knochecmaterial auch durch die Löcher der Hülse hindurchwachsen. Die am freien Ende vifene, perforierte Hülse ermöglicht auch eine gute Biutvenorgung aiier verbleibenden Knochenteiie, so daß nicht nur zwischen der Kappen-Innenfläche und der Hülse, sondern auch im Innern der letzteren dauernd lebendes und sich regenerierendes, festes Knochenmateriai erhalten bleibt, was von entscheidender Bedeutung für die langfristige Verankerung der Endoprothese ist

Wenn das Knochenmaterial vollständig in die Vertiefungen der Kappen-Innenfläche eingewachsen ist und insbesondere die Löcher der Hülse durchwachsen hat, ist die Endoprothese völlig fest mit dem Knochen verbunden. Die Erhöhungen und Vertiefungen der Kappen-Innenfläche ergeben gegenüber einer glatten Kappen-Innenfläche eine beträchtliche Flächenvergrößerung. Ferner tragen auch die Außen- und Innenfläche der Hülse zur Vergrößerung der am Knochen anliegenden Fläche der Endoprothese bei. Dadurch wird eine verhältnismäßig gleichmäßige Verteilung der vos: der Endoprothese in den Knochen einzuleitenden Kräfte ermöglicht Die die Löcher der Hüjse durchdringenden Knochenstege tragen sowohl zur Übertragung von bezüglich der Achse der Endoprothese axial gerichteten Kräften als auch von quer zu dieser Achse gerichteten Querkräften bzw. Kraftkomponenten bei. Von wesentlicher Bedeutung ist auch, daß die Querkräfte wegen der Erhöhungen und Vertiefungen der Kappen-Innenfläche relativ gut über deren Umfang verteilt in den Knochen eingeleitet werden, wobei natürlich auch noch die Außen- und Innenfläche der Hülse zur Übertragung der Querkräfte zwischen der Endoprothese und dem Knochen beiträgt. Durch diese gute Verteilung der Kräfte, insbesondere der Querkrüfte, und die im einen zur Achse der Endoprothese rechtwinkligen Schnitt vorhandene, stetige Verrundung der Übergänge zwischen den Erhöhungen und Vertiefungen wird erreient, daß bei keiner Berührungsstelle zwischen der Endoprothese und dem Knochen so große Kräfte im letzteren entstehen, daß dadurch ΐίη Abbau von Knochenmaterial verursacht werden könnte.

Zusätzliche, zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen im übrigen aus den abhängigen Ansprüchen he/vor.

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

Fig. 1 eine axonometrische Ansicht einer Endoprothese für ein Kugelgelenk, die

F i g. 2 eine Draufsicht auf die offene Seite der in der Fig. I dargestellten Endoprothese.die

F i g. 3 eine Seitenansicht der Endoprothese, teilweise im Schnitt, die

F i g. 4 einen Femur mit einer aufgesetzten Prothese, unmittelbar nach dem Aufsetzen, die

F i g. 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V der F i g. 4, in größerem Maßstab, die

Fig.6 einen Längsschnitt durch einen Teil des Hülsen-Mantels, nachdem das Knochenmaterial die Löcher im Hülsen-Mantel durchwachsen hat, die

Fig.7 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Kraftübertragung an der Umfangsfläche des in die Kappe hineinragenden Knochenteils, wobei zum Vergleich in der linken Figurenhälfte die Kraft-Verteilung für eine Endoprothese mit einer gerippten Kappen-Innenfläche und in der rechten Figurenhälfte die Kraft-Verteilung für eine Endoprothese mit einer glatt zylindrischen Kappen-Innenfläche eingezeichnet ist, die

F i g. 8 eine der F i g, 3 entsprechende Darstellung einer Variante einer Endoprothese, deren Kappeninnenfläche mit parallel zur Rotationssymmetrieachse und mit ringförmig verlaufenden Rinnen versehen ist, die

F i g. 9 eine Ansicht eines Teils einer Hülse, deren Mantel sowohl runde als schlitzförmige Löcher aufweist, die

Fig. 10 eine Ansicht eines Teils einer Hülse mit schlitzförmigen Löchern und die

F i g. 11 einen der F i g. 4 entsprechenden Schnitt durch einen Femur und eine andere Variante einer Endoprothese.

Die in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Endoprothese 1 dient als Ersatz für die Gelenkkugel eines menschlichen Hüftgelenkes und kann ohne Zement am Femur befestigt werden. Sie weist eine Kappe 3 auf, deren Kappen-Außenfläche 3a eine Kugelkalotte bildet die etwas größer als eine Halbkugel ist. Die Rotationssymmetrieachse der Kappen-Außenfläche 3a ist mit S bezeichnet

Eine einen kreiszylindrischen Mantel la aufweisende Hülse 7 ist koaxial zur Rotationssymmetrieachse 5 beim innern Ende des Innenraumes 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 7 ist am befestigten Ende durch einen Hülsenboden 76 abgeschlossen. Das freie Ende Tc der Hülse 7 ragt um die mit s bezeichnete Strecke aus dem Kappen-Innenraum, d. h. über die vom Kappenrand 36 aufgespannte Ebene, heraus. Die Hülse 7 ist bei ihrem freien Ende Tc offen, so daß also ihr krrszylindrischer Innenraum 7/"beim freien Ende 7c in die Umgebung mündet.

Der Kappen-Innenraum wird in dem an den Kappenrand 36 anschließenden Teil durch eine Innen-Mantelfläche 3c begrenzt, die eine kreiszylindrische Schmiege-Rache 9 aufweist, die koaxial zur Rotationssymmetrieachse 5 der Kappen-Außenfläche 3a angeordnet ist An die zylindrische Innen-Mantelfläche 3c schließt innen eine sich bis zum Hülsenboden 76 hin verjüngende, verrundete Obergangsfläche 3d an. Der innerste Teil der Kappen-Innenfläche des Kappeninnenraums wird durch eine Vertiefung 3e gebildet, die mit dem Ende der Übergangsfläche 3d eine Stufe bildet. Die Tiefe dieser Stufe ist so bemessen, daß die zur Rotationssymmetrieachse 5 radiale, der offenen Seite der Kappe 3 zugewandte Bodenfläche Td des Hülsenbodens 76 in der gleichen Ebene liegt, wie der innere Rand der Obergangsfläche 3d. Wenn man sich also den kreiszylindrischen Mantel 7a der Hülse 7 wegdenkt und die Boden fläche 7dnach außen verlängert, würde diese Verlängerung stetig in die Übergangsfläche 3dübergehen.

Die Innen-Mantelfläche 3c und die Übergangsfläche 3d der Kappen-Innenfläche sind mit Rillen 3/"und dazwisehen vorhandenen Rippen 3g als Vertiefungen bzw. Erhöhungen 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 3fund Rippe 3^· erstreckt

ίο sich vom Kappenrand bis in die Übergangsfläche 3d und verläuft entlang einer durch die Rotationssymmetricachse verlaufenden Ebene. Wie es besonders deutlich aus der F i g. 5 ersichtlich ist, sind die Rillen 3/"breiter als die Rippen 3g. im übrigen sind alle Übergänge zwischen den Rillen 3/und Rippen 3g stetig verrundet. Die Tiefe / der Rillen 3/beträgt im Bereich der Innen-Mantelfläche 3c mindestens 2,5%, und zwar etwas mehr als 5% des Durchmessers £>der kreiszylindrischen Schmiegefläche 9, die rotationssymmetrisch zur Rotationssymmeirie- Achse 5 ist und sich an die Scheitellinien der Rippen 3/ anschmiegt. Im Bereich der Übergangsfläche 3d nimmt die Rillentiefe ab. so daß die Rillen und Rippen beim innern Rand der Übergangsfläche 3d ungefähr auslaufen.

Der Innendurchmesser dder Hülse 7 beträgt mindestens 25% und vorzugsweise mindestens 35% des Durchmessers Oder kreiszylindrischen Schmicgcfläche 9. Andererseits beträgt der Hülsen-Innendurchmesser d höchstens 75% und vorzugsweise höchstens 60% des

Durchmessers D der kreiszylindrischen Schmiegefläche

9. Bei einer Hüftgelenk-Endoprothese beträgt der

Durchmesser D beispielsweise 35 bis 42 mm und der Durchmesser t/etwa 10 bis 25 mm. Die in radialer Richtung gemessene Wandstärke w

des Hülsen-Mantels 7a beträgt mindestens 1% und zweckmäßigerweise mindestens 3% sowie höchstens 30% und zweckmäöigerweise höchstens i8% des Hüisen-Innendurchmessers d. Vorzugsweise liegt die Wandstärke inzwischen 4% und 8% des Hülsen-Innen durchmessers d. Bei den für Hüftgelenk-Endoprothesen vorgesehenen Durchmessern beträgt die Wandstärke mindestens 03 mm und vorzugsweise mindestens 0,5 nun. Ferner beträgt die Wandstärke u· höchstens 3 mm und vorzugsweise höchstens 23 mm. Der Hülsen- Innendurchmesser d beträgt mindestens 10%. und vor zugsweise mindestens 30% der Länge L des Hülsen-Innenraumes Tf. Bei einer Endoprothese für die Bildung eines Hüftgelenkes soll ferner die Länge L zweckmäßigerweise höchstens 50% größer als der Durchmesser D und vorzugsweise ungefähr gleich diesem sein. Π ;s weiteren beträgt die Strecke s zweckmäßigerweise höchstens 50% und vorzugsweise höchstens 40% der Länge L Bei Endoprothesen für andere Gelenke, insbesondere Endoprothesen für ein Ellenbogengelenk, können die

Verhältnisse UD und s/L größer gemacht werden.

Der Mantel 7a der Hülse 7 ist mit gleichmäßig über seinen Umfang und seiner Länge verteilten Durchgangslöchern Te, nämlich Bohrungen versehen. Der Durchmesser dieser Löcher Te kann 3% bis 60%. und vorzugsweise etwa 15% bis 30% des Innendurchmessers ddes Hülsen-Mantels 7a betragen. Bei einer Hüftgelenk-Endoprothese haben die Löcher 7c vorzugsweise einen Durchmesser von 3 bis 6 mm. Im übrigen sind die Abmessungen und Abstände der Durchgangslöcher Te derart aufeinander abgestimmt, daß der von den Durchgangslöchern eingenommene Teil der Innenfläche des Hülsen-Mantels 7a mindestens 30% und höchstens 70% der gesamten Innenfläche des Hülsen-Man-

tels beträgt.

Wenn die Rillen 3/°. die Rippen 3g und der Mantel Ta die Hülse 7 nicht vorhanden wären, könnte die Kappe 3 lediglich mit ihrer Bezugs-Schmiegefläche am Knochen anliegen. Diese Bezugs-Schmiegefläche ist im vorlie- s genden Fall die zur Achse 5 rotationssymmetrische Flache. Η·τ sich an die Scheitellinien der Rippen 3g anschniieg? und am innern Ende des Hiilseninnenraumes mit der radialen Fläche Td des Hülsenbodens zusammenfällt. (Die Vertiefung 3e wäre beim Nichtvorhan- densein der Hülse dann nicht vorhanden.) Bei der Endoprothese 1 wird die Kappen-Innenfläche im Bereich ihrer Innen-Mantelfläche ic und der Übergangsfläche 3d durch die Rillen 3f und Rippen 3g vergrößert Ferner kann auch die Hülse 7 mit der Innen- und Außenfläche ihres Mantels la sowie der Bodenfläche 7c/am Knochen anliegen. Die Verrippung eines Teils der eigentlichen Kannen-Innenfläche und die Hülse 7 ergeben also eine beträchtliche Vergrößerung der Fläche, die nach dem Einsetzen der Prothese 1 am Femur anliegen kann. Durch die Verrippung der Kappen-Innenfläche und die Hülse 7 wird die Fläche, die bei der Verwendung der Endoprothese am Femur anliegen kann, auf einen Wert vergrößert der mindestens das Zwei- bis Dreifache der Größe der Bezugs-Schmiegefläche 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-Raur'.gkeit mit einer porösen, aufgesprühten Titan- schicht 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 f der Rillen 3/betragen. Die durch die Rillen 3/und Rippen 3g gegebene Profilierung der Kappen-Innenfläche bleibt also trotz der Titanschicht oder sonstigen Oberflächen-Aufrauhung im wesentlichen erhalten.

Der Femur 11 weist einen Kopf 11a auf, der über einen Hals Wb mit dem restlichen Teil des Femurs zusammenhängt. Bei einer Operation wird zuerst der Kopf ll;i des Femurs 11 freigelegt. Dann wird mit einem Formfräser die äußerste Schicht des Kopfes 11a abgefräst, so daß vom Kopf Ua noch ein Zapfen lic/übrigbleibt. Auf diesen Zapfen wird dann eine Lehre IS auf- gesteckt und mit einem von dieser geführten, hohlen Stirnfräser ein ringförmiger Spalt Hein den Zapfen lid gefräst Es wird die Endoprothese 1 in der in der F i g. 4 ersichtlichen Weise auf den Femur-Zapfen aufgesteckt, so daß die Kappen-Innenfläche am Zapfen Hd anliegt und die Hülse 7 in den Spalt He hineinragt Der Umriß des beim Abfräsen der äußersten Schicht des Kopfes I la gebildeten Zapfens lic/ist ungefähr komplementär zur Kappen-Innenfläche der Kappe 3. Wie es besonders deutlich aus der F i g. 5 ersichtlich ist wird der Außendurchmesser des Femur-Zapfens lic/ im Bereich der Innen-Mantelfläche 3c etwa um die Rillen-Tiefe f größer gemacht als der Durchmesser der kreiszylindrischen Schmiegefläche 9. Die Rippen 3g müssen daher bei dem in der Richtung der Rotationssymmetrieachse 5 erfolgenden Aufstecken der Endoprothese 1 auf den Femur-Zapfen lic/in das Knochenmaterial eingepreßt werden. Dabei wird der zylindrische Teil der Begrenzungsfläche des Femur-Zapfens lic/ profiliert, so daß der Femur-Zapfen etwa bis zur halben Tiefe der Rillen 3/in diese hineinragt und die Endoprothese 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 Endoprothese ohne Zement am Femur zu befestigen.

Im Laufe der Zeit kann der Femur dann noch so weit in die Rillen 3/hineinwachsen, daß diese vollständig mit Knochenmaterial ausgefüllt werden. Die Abmessung des Hülsen-Innenraumes 7/"und die Löcher 7e gewährleisten, daß das Knochenmaterial und die im Bereich des Femur-Zapfens Td vorhandenen Blutgefäße 11/ auch durch die Löcher Te im Hülsen-i'/lantel Ta hindurch wachsen. Wie in der Fig. 6 dargestellt ist, bildet das Knochenmaterial Stege He, die die Durchgangslöcher Te durchdringen. Jeder Steg He hängt auf der lnnen- und Außenseite des Hülsen-Mantels 7a mit Knochenmaterialabschnitten zusammen, die dann gewissermaßen an den Steg He anschließende Flansche 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 Endoprothese 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 von 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 Te hindurch analog wie bei einem Knochen ohne Endoprothese 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-Prothese-Verbindung beiträgt.

Nun soll anhand der F i g. 7 erläutert werden, wie eine quer zur Rotationssymmetrieachse 5 gerichtete Kraft P vom Femur-Zapfen lic/auf die Kappe 3 der Endoprothese 1 übertragen wird, wenn der Femur in der vorgängig beschriebenen Weise in die Rillen 3/eingewachsen ist. Die Kraft P sei parallel zur Geraden 19 gerichtet, die die Rotationssymmetrieachse 5 rechtwinklig schneidet. In der linken Hälfte der F i g. 7 ist schematisch der Umriß des Femur-Zapfens Wddargestellt, der zu den Rillen 3/ 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, Rächen, 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 Umfangsstellen noch Kräfte vom Femur au.' die Kappe und umgekehrt übertragen werden. Bei der Übertragung der Kraft /'wird die letztere daher in Teiikräfte aufgeteilt deren Größe 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 lic/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 der Kappen-Innenraum und die an ihr anliegende Femur-Zapfenfläche dagegen glatte Zylinderflächen wären, ergäben sich die qualitativ in der rechten Hälfte der F i g. 7 durch die Pfeile 18 dargestellten Teil-Kräfle. 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 5 angreifenden Kräften beim Kappenrand 36 abgeschert wird, sehr klein. Die Innen-Länge L der Hülse und die Strecke s sind jedoch derart bemessen, daC sich die Hülse 7 nicht bis zu dem in der Fig.4 dargestellten und mit Hg bezeichneten, für die Blutversorgung des Knochens sehr wichtigen, ungefähr entlang der Mittelachse des Femur-Schaftes verlaufenden Haupt-Aderstrang erstreckt.

Wenn an einer bestimmten Stelle der Endoprothese 1 Kräfte mit einer quer zur Rotationssymmetrieachse 5 gerichteten Komponente angreifen, treten auch Biegebeanspruchungen auf. In der Elastizitätstherorie verwendet man zur Charakterisierung des Biegeverhaltens eines Körpers beispielsweise die sogenannte Biegesteifigkeit. Diese ist gleich dem Produkt Flächenträgheitsmoment / mal Elastizitätsmodul E und also sowohl von den geometrischen Abmessungen des betreffenden Körpers als auch 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 derart aufeinander abgestimmt werden, daß sie in vergleichbaren Größenordnungen liegen und daß bei Biegebeanspruchungen sowohl der Femur als auch die Hülse 7 etwas gebogen werden. Die wirkt sich ebenfalls günstig auf die Kraftübertragung und die Dauerhaftigkeit der Verankerung der Endoprothese aus.

Damit beim Rand des freien, offenen Endes Tc der Hülse 7 bei Biegebeanspruchungen keine großen Scherkräfte auftreten, ist es insbesondere von Vorteil, wenn mindestens der freie, aus dem Kappen-Innenraum herausragende Endabschnitt der Hülse 7 eine Biegesteifigkeit hat, die ähnlich oder nicht allzuviel größer ist als diejenige des Knochens. Für den sich im Innern der Kappe 3 befindenden Abschnitt der Hülse ist dagegen eher eine etwas größere Biegesteifigkeit 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 Ta 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 nachfolgend noch beschriebenen, in den F i g. 8 bis 10 ersichtlichen Hülsen in analoger Weise entlang der Hülsenlängsachse variiert werden kann.

Die in der F i g. 8 dargestellte F.ndoprothese 21 weist eine Kappe 23 und eine Hülse 27 auf. Die Kappen-Innenfläche ist mit Rillen 23/ versehen, die entlang von Ebenen durch die Rotationssymmetrieachse 25 verlaufen und den Rillen 3f entsprechen. Die Innenfläche ist jedoch noch mit zusätzlichen, ringförmigen Rillen 23/ versehen, die ur,£efähr die gleiche Tiefe wie die Rillen 23/"haben können. Zwischen den sich kreuzenden Rillen ergibt sich dann eine Vielzahl in den Innenraum der Kappe 23 vorstehender Nocken 23#. Der Mantel 27a der Hülse 27 ist gleich wie der Mantel Ta mit Löchern 27e versehen.

Die F i g. 9 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 anderen Ende offen ist. Der Hülsen-Mantel 67a ist mit zwei Arten von Durchgangslöchern versehen, nämlich mit Bohrungen 67c und Schlitzen 6Tg. Dabei folgen entlang der Rotationssymmetrieachse 65 abwechselnd ringförmige Bereiche aufeinander die entweder Bohrungen oder Schlitze enthalten. Die Schlitze 67g haben eine längliche Form, wobc-i ihre längeren Ränder entlang von Kreisbogen verlaufen.
In der Fig. 10 ist ein Teil eines Mantels 87a einer

μ 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 Endoprothesen 1, 21 und 41 wird das innere Ende der Kappen-Innenfläche durch eine ebene Radial-

Fläche gebildet, die durch eine verrundete Übergangsfläche mit der zylindrischen Innen-Mantelfläche verbunden ist. Zwischen der radialen, oder eventuell auch konischen, inneren Endfläche und zylindrischen Kappen-Innenfläche könnte aber auch eine Kante vorhanden sein.

Wie es bei der in der F i g. 11 dargestellten Endoprothese iöi der Fail ist, kann die Kappe 103 auch eine Kappen-Innenfläche, oder genauer gesagt eine Innen-Hüllfläche, aufweisen, deren inneres Ende, abgesehen von der Hülse 107 durch eine Halbkugelfläche gebildet ist Diese geht stetig in die zylindrische lnneu-Mantelfläche über. Im übrigen ist der außerhalb der Hülse 107 liegende Teil der Kappen-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 inneren Hülsen-Endes befindenden Löcher sind aus fertigungstechnischen Gründen gegen die Achse 105 geneigt.
Bei allen beschriebenen Ausführungsbeispielen weist die Kappen-Innenfläche der Endoprothese 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 Endoprothesen. am Femur anliegen kann, mindestens 50%, und sogar mehr als 100% größer als die jeweilige Bezugs-Schmiegeflächen. Wenn man auch noch die Innen- und Außenfläche des Hülsen-Mantels dazuzähit, wird die Fläche, die am Femur anliegen kann, sogar mindestens 200% größer als die Bezugs-Schmiegefläche.

Die dargestellten Endoprothesen sind zum Befestigen

an einem Femur bestimmt, um die Gelenkkugel eines künstlichen Hüftgelenkes zu bilden. Man kann die Endoprotheseri jedoch auch so bemessen, daß sie ah Gelenkkugel für ein künstliches Ellenbogen-, Schulter-, oder Fingergelenk verwendbar sind.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Kugelgelenkkopf-Endoprothese mit einer rotationssymmetrischen, eine kartenförmige Außenfläehe aufweisenden Kappe und mit einem Schaft, der mit seinem einen Ende fest mit der Kappe verbunden ist und der koaxial zur Rotationssymmetrieachse verläuft, und die Kappen-Innenfiäche eine Anzahl aufeinanderfolgender Erhöhungen mit dazwischen liegenden Vertiefungen aufweist, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale: daß der Schaft als an seinem freien Ende offene Hülse (7, 27) ausgebildet ist daß das freie Ende der Hülse (7, 27) aus dem Kappen-Innenraum herausragt, daß die Hülse (7,27) mit über ihren Mantel (7a, 27 a) verteilten und diesen durchdringenden Löchern (7e, 27eJ versehen ist und daß die Erhöhungen (3g, 23g) und die Vertiefungen (3/, 23 f, 23i) über den Umfang des igappen-Innenraums verteilt und entlang von in der Rotationssymmetrieachse (5,25) der Kappen-Außenfläche (3a^ liegenden Ebenen angeordnet sind.

2. Endoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (3g, 23g) und die Vertiefungen (3f, 23i 23#sich zumindest teilweise in einem Bereich des Kappen-Innenraums mit einer kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) befinden.

3. Endoprothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (t) der Vertiefungen (3f, 23/, 23/7 '^m bereich der kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) mindesten? 2,5% Sjes Durchmessers (D) der kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) beträgt

4. Endoprothese nach einen.· der Ansprüche 1 bis

3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappen-Innenfläche des Kappen-Innenraumes mit Rillen (23/^ versehen ist, die rechtwinklig zur Rotationssymmetrieachse (25) der Kappen-Außenfläche verlaufen.

5. Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis

4. dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (3g, 23^ und die sich dazwischen befindenden Vertiefungen (3Γ. 23f, 23i) die mit einem Knochen (11) in Borührung zu bringen bestimmte Kappen-Innenfläche gegenüber der rotationssymmetrischen, glatten und diese Erhöhungen und Vertiefungen nicht aufweisenden kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) der Kappen-Innenfläche um mindestens 50% vergrößern.

6. Endoprothese nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappen-Innenfläche mindestens 100% größer ist als die kreiszylindrische Schmiegefläche (9).

7. Endoprothese nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Innenfläche der Kappe (3,23) und der mit einem Knochen in Beruhrung bringbaren Hülsenflächen mindestens das Dreifache der kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) beträgt.

8. Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Obergänge zwisehen den Erhöhungen (3g) und Vertiefungen (3F) in einem rechtwinklig zur Symmetrieachse (5) der Kappen-Außenfläche (3a) liegenden Schnitt stetig verrundet sind.

9. Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis

8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappen-Innenfläche eine kreiszylindrische Innen-Mantelfläche(3cJ und eine sich auf der dem Kappenrand (3b) abgewandten Seite an diesen anschließenden, sich gebogen zu der Hülse (7) hin verjüngende Übergangsflä- che(3d) aufweist.

10. Endoprothese nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhungen (3g) und die Vertiefungen (3f) sich zumindest in dem Bereich der Innen-Mantelfläche (3c) befinden.

11. Endoprothese nach Anspruch 10. dadurch gekennzeichnet, daß auch die sich gebogen zur Hülse (7) hin verjüngende Obergangsfläche (3d) der Kappen-lnnenfläche Erhöhungen (3g) und Vertiefungen (3i> aufweist

12. Endoprothese nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet daß die Innenfläche der Kappe (103) eine Halbkugelfläche aufweist, die stetig einen Bereich des Kappen-Innenraums mit der kreiszylindrischen Schmiegefläche (9) übergeht

13. Endoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Hüise um eine Strecke (s) aus dem Kappen-Innenraum herausragt die höchstens 50% der Innenlänge (L) der Hülse (7,2T) beträgt.