DE3333815A1

DE3333815A1 - Knee endoprosthesis

Info

Publication number: DE3333815A1
Application number: DE19833333815
Authority: DE
Inventors: Martin Wilhelm Dr. Dr. 6072 Dreieich Happel
Original assignee: Happel martin Wilhelm drdr
Current assignee: Happel martin Wilhelm drdr
Priority date: 1983-09-19
Filing date: 1983-09-19
Publication date: 1985-04-04

Abstract

The invention aims to simplify operation techniques with a novel system and to improve the durability and strength of the endoprosthesis anchorage and the tribological properties of the knee endoprosthesis. Femoral stem (1) and tibial stem (2) can be implanted separately before the completely pre-mounted joint part (3) is adapted to these stems with wedge-shaped mountings (4, 5) and secured by screws (6, 7). If there is only a small amount of resection, there is thus adequate space available for implantation. The joint kinematics of the endoprosthesis is virtually matched to that of the natural knee with flexible cruciate ligaments (8, 9), the joint surfaces (10, 11) of the runners (12, 13) always bearing the entire load (punctiform or linear contact is avoided) and separating the rotating movement of the condyles (14, 15, 40) from the linear movement at the tibial plateau (16). This enhances the technical service life of the knee endoprosthesis by improvement of the tribological relationships. In conjunction with the guide rails (17, 18) on the tibial plateau (16) the cruciate ligaments (8, 9) control rotation of the lower leg, just like those in a natural knee. <IMAGE>

Description

Kniegelenk - EndoprotheseKnee joint - endoprosthesis

Die Erfindung betrifft eine Kniegelenk - Totalendoprothese, (Knie- TEP). Der prothetische Kniegelenkersatz weist bis -lang, trotz einer Vielzahl von entsprechenden Modellen im -mer noch erhebliche biomechanische und physiologosche Kornpromiase auf. Diese Tatsache wird auch dadurch offensicht -lich, daß heute bei einer etwa gleich großen Anzahl von Knie-und ihiftgelenkschäden in der Bundesrepublik auf nur ca 8.000 Kniegelenkersatzoperationen ca. 30.000 solcher für das HüStr gelenk kommen. Au#;serdem liegt heute die Alters schwelle für den Kniegelenkersatz in der Nähe des 60. Lebensjahres, während Hüftgelenkersatzoperationen immer häufiger schon in den jüngeren Jahren vorgenommen werden. Dies veranschaulicht, daß die Indikation zum Kniegelenkersatz, besonders aus Gründen des noch nicht befriedigenden technischen Standes solcher Prothesen, strenger gestellt werden müssen, als bei der Hüfte.The invention relates to a knee joint - total endoprosthesis, (knee TEP). The prosthetic knee joint replacement shows up to -lang, despite a large number of corresponding models are still significant biomechanical and physiological Corn promo on. This fact is also evident from the fact that today at an approximately equal number of knee and hip joint injuries in the Federal Republic to only approx. 8,000 knee replacement operations approx. 30,000 such for the HüStr joint come. In addition, the age threshold for knee replacement is now in the Near the age of 60, during hip replacement operations more and more often be made in the younger years. This illustrates the indication for knee replacement, especially for reasons of the unsatisfactory technical State of such prostheses, must be placed more strictly than in the case of the hip.

Sowohl die Knie- Teilprothesen, als auch die Totalprothesen wie Schlitten- oder Kufenprothesen, sind auf einen funktio -nierenden Seitenbandapparat angewiesen . Besonders bei solchen, die mit Kreuzbandersatz operiert werden, ist sehr oft die Tangentenhüllkurve, der als Antiparallelogramm-Koppel funktionierenden Brsatz- Kreuzbänder nicht mit der Form-der Kufen kongruent und es ergeben sich dadurch Streckdefizite nach der Implantation. Davon abgesehen ist allen Kufen -und Schlittenkonstruktionen der große Nachteil eigen, daß meist nur in einer Endstellung , z. B. dem Überstreckenp Flächenberührung der kraftüberleitenden Gelenkflächen auftritt. Dies bedeutet Linienberührung der Gleitlagerstellen und somit hohen Abrieb, d.h. Verminderung der technischen Lebensdauer der Lagerteile. Es führt frühzeitig zu dem so getürchteten " Wackelknie II.Both partial knee prostheses and full prostheses such as sled or skid prostheses, are dependent on a functioning collateral ligament apparatus . Especially in those who are operated on with cruciate ligament replacement, this is very often the case Tangent envelope of the Brsatz cruciate ligaments functioning as an antiparallelogram coupling not congruent with the shape of the runners and this leads to stretch deficits after implantation. That being said, all runners and sled designs the big disadvantage inherent in that usually only in one end position, z. B. the overstretching p Surface contact of the force transferring joint surfaces occurs. This means line contact of the slide bearing points and thus high abrasion, i.e. reduction of the technical Life of the bearing parts. It leads early to the so faked "wobbly knee" II.

Bei Scharniergelenk-Konstruktionen fehlt oft die erforderliche knöcherne Überdeckung zum Schutze der Weichteile um das Kunstgelenk, bei großem Resektionsuinfang und völlig unphysiologischer Gelenkkinematik. Abgesehen von den konstruktiven Ersatzlösungen in der Alloarthroplastik, wirft auch besonders das Problem der Verankerung, bzw. deren Lockerung bei den verschiedenen Kniegelenk - Implantaten noch erhebliche Fragen auf. Hieraus resultierend liegt das Dilemma beim derzeitigen alloarthroplastischen Kniegelenkersatz darin, daß sich der kritische Operateur,-trotz der Vielzahl der im Handel befindlichen Implantate,- scheut, einen alloarthroplastischen Kniegelenkersatz vor dem 50.Hinge constructions often lack the necessary bony Cover to protect the soft tissues around the artificial joint, in the event of a large resection area and completely unphysiological joint kinematics. Apart from the constructive substitute solutions in alloarthroplasty, also throws especially the problem of anchoring, or their loosening in the various knee joint implants is still considerable Questions on. As a result, the dilemma lies with the current alloarthroplastic Knee joint replacement in that the critical surgeon, despite the multitude of commercially available implants - shy away from an alloarthroplastic knee joint replacement before 50

Lebensjahr vorzunehmen. Die Folge davon ist, besonders bei jüngeren Patienten eine große Anzahl sog. Aufschuboperationen mit all ihren Risiken, bis dann endlich der eigentliche alloarthroplastische Gelenkersatz gewagt werden kann.Year of life. The consequence of this is, especially with younger ones Patients a large number of so-called postponement operations with all their risks, up to then finally the actual alloarthroplastic joint replacement can be dared.

Unter Berücksichtigung der oben angezogenen Erwägungen liegt der Erfindung daher folgende medizinische und technische Aufgabenstellung zugrunde: Geringe Abmessungen der Prothese, hervorragende tribologische und Festigkeitseigenschaften der Gelenkteile, physiologische Kinematik und Statik, also auch bei Verzicht auf Bandfunktionen nicht nur Scharnierbewegung, sondern auch Roll- Gleit-Bewegung , verbunden mit steuerbarer Unterschenkelrotation und Arretierung im Sinne einer Schlußrotation. Die Verankerung soll ohne den herkömmlichen Knochenzement auskommen, sich sowohl als Primär- wie auch als Dauerfixation auszeichnen und den Kraftfluß in physiologischer Größe und Richtung in den Knochen einleiten. Dabei soll die Verankerung nicht im vollen Querschnitt das Endost verstopfen. Schließlich soll die Knie-Endoprot#ese mit dem geringstmöglichen Resektionsumfang aus -kommen, sodaß noch eine genügend große knöcherne Abdeckung zum Schutz der Weichteile vorhanden ist.The invention lies in the light of the above considerations therefore the following medical and technical task is based: Small dimensions the prosthesis, excellent tribological and strength properties of the joint parts, physiological kinematics and statics, i.e. not even if the band functions are dispensed with only hinge movement, but also roll-slide movement, combined with controllable Lower leg rotation and locking in the sense of a final rotation. The anchorage should do without the conventional bone cement, both as primary and also characterized as permanent fixation and the flow of force in physiological size and Initiate direction into the bone. The anchoring should not be in the full cross-section clog the endostrum. After all, the knee endoprotection should be as low as possible The circumference of the resection is sufficient, so that there is still a sufficiently large bony cover to protect the soft tissues.

Zur bösung dieser Aufgabe ist die Endoprothese dadurch ge -kennzeichnet, daß die Kinematik durch flexible Kreuzbänder gesteuert wird, ebenso wie beim natürlichen Kniegelenk. Zylindrische Condylenscheiben, zu beiden Seiten der Kreuzbänder, stützen sich auf Gleitkufen ab. Diese trennen die rotierende Bewegung der Condylenscheiben von deren geradliniger Bewegung auf dem Tibiaplateau. Die geradlinige Bewegung entsteht da -durch, daß die Normale auf die Hüllkurventangente, die durch den Kreismittelpunkt der Condylenscheiben geht,w#'ihrend der BeugebeweeSng von ventral nach dorsal wandert. Die Rotation des Unterschenkels beim Beugen und die Endverriegelung in der Überstreckungsphase wird durch eine Leitvorrichtung auf dem Tibiaplateau gesteuert. Die Condylenscheiben bestehen aus hochkompatiblem, hartem Implantatmaterial, z.B, aus einer Chrom- Kobalt- -Legierung oder Keramik und die Gleitkufen aus hochmolekularem Polyäthylen mit guten tribologischen - und Dämpfungseigenschaften.To solve this problem, the endoprosthesis is characterized by that the kinematics is controlled by flexible cruciate ligaments, just like with the natural one Knee joint. Support cylindrical condyle discs on either side of the cruciate ligaments on skids. These separate the rotating movement of the condyle discs of their rectilinear movement on the tibial plateau. The linear movement is created in that the normal is on the envelope tangent that goes through the The center of the circle of the condylar disks goes from the ventral side, with the flexion movement being the same moves dorsally. The rotation of the lower leg when bending and the end locking In the hyperextension phase, a guide device on the tibial plateau controlled. The condyle discs are made of highly compatible, hard implant material, E.g. made of a chrome-cobalt alloy or ceramic and the skids made of high molecular weight Polyethylene with good tribological and damping properties.

Das komplette Gelenk der Knie- Endoprothese ist von den Bemur-und Tibia- Verankerungsschäften getrennt und wird erst nach der Implantation an diese adaptiert und durch Schrauben ge -sichert. Die getrennte Anordnung von Gelenkteil und Verankerunyssch:t'ten läßt bei der Implatation genügend Raum, wodurch ungewollte Verletzungen von Knochen oder Weichteilen vermieden werden. iiie Knochenresektion beträgt intracondylär nur ca 2,5 cm und 0,5 cm vom Tibiaplateau, Durch diese sparsame Knochenresektion bleibt die Möglichkeit zu einem Zweitein -griff, (z.B. Prothesenwechsel) erhalten. Eine genügend große knöcherne Bedeckung der Endoprothese unterstützt die Vermeidung von Fisteln, Nekrosen und Infektionen an den Weichteilen im Gelenkbereich.The complete joint of the knee endoprosthesis is from the Bemur and Tibial anchorage shafts are separated and are only attached to them after implantation adapted and secured with screws. The separate arrangement of the joint part and Verankerunyssch: t'ten leaves enough space during the implantation, thereby avoiding unwanted Injuries to bones or soft tissues are avoided. iiie bone resection is intracondylar only about 2.5 cm and 0.5 cm from the tibial plateau, through this economical Bone resection remains the option of a second intervention (e.g. replacement of the prosthesis) obtain. A sufficiently large bony cover of the endoprosthesis supports the Avoidance of fistulas, necrosis and infections on the soft tissues in the joint area.

Die Femur - und Tibiaschäfte bestehen aus Implantatmetall oder einem Kunststoff - Faser - Verbundmaterial, wobei die J?aseni aus dünnem Draht aus Implantatmaterial oder Kohle Glas oder Keramik bestehen können. Die Schäfte enden in zwei oder einem Bündel von Stäben, die mit einer, heute in der Implantattechnik üblichen, Oberflächenstruktur zur Fixation am Knochen versehen sind. Durch die geteilte, gebündelte Anordnung flexibler Stäbe wird der Anschluß der Zug - und Druck -kräfte in die physiologischen Zug - und Druckgartungszonen des Knochens erma##licht und die Funktion des Endost, den Knochen zu ernähren, bleibt zum größten Teil erhalten.The femoral and tibial shafts are made from or from implant metal Plastic - fiber composite material, the jaseni made from thin wire made from implant material or carbon, glass or ceramics. The shafts end in two or one Bundles of rods with a surface structure that is common today in implant technology are provided for fixation on the bone. Due to the split, bundled arrangement The connection of the tensile and compressive forces to the physiological ones becomes more flexible Tensile and compression zones of the bone and the function of the endostrum, feeding the bones is largely preserved.

Die Verankerungsschäfte sind mit der Negativform der Halterungskeile am Gelenkteil versehen, mit dem dieses an die Schätte adaptiert ist.The anchoring shafts are with the negative shape of the retaining wedges provided on the joint part with which it is adapted to the skull.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von schematischen Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben: Es zeigt: Fig. 1 schematisch den Längsschnitt durch Femur und Tibia (Sagit talebene) mit eingesetzter Knie- Endoprothese, in der Überstreckungsspase (-50) Fig. 1b schematisch einen Paralelschnitt zu Fig.1tXdurch das Gelenk mit Kreuzbändern und deren Befestigungsenden.The invention is explained below with the aid of schematic exemplary embodiments explained in more detail, from which further important features result: It shows: Fig. 1 schematically shows the longitudinal section through the femur and tibia (sagittal plane) with inserted Knee endoprosthesis, in the hyperextension phase (-50) Fig. 1b schematically shows a parallel section to Fig.1tX through the joint with cruciate ligaments and their attachment ends.

Fig. 1 c schematisch den Querschnitt durch die Gelenkachse mit Condylen, Kufen und Tibia- Plateau, in der Beugephase für das Einsetzen des kompletten Gelenkteils in die implantierten Ankerschäfte.Fig. 1c schematically shows the cross section through the joint axis with condyles, Runners and tibia plateau, in the flexion phase for the insertion of the entire joint part into the implanted anchor shafts.

Fig.2 schematisch den Längsschnitt zu Fig.1c durch das Gelenkteil mit Kreuzbändern.FIG. 2 schematically shows the longitudinal section to FIG. 1c through the joint part with cruciate ligaments.

Fig.3 Ansicht auf das rechte Tibia- Plateau in der Überstreckungsphase (-5°) und verriegelter Rotation des Unterschenkels.Fig. 3 View of the right tibia plateau in the hyperextension phase (-5 °) and locked rotation of the lower leg.

Fig.4 schematisch den Längsschnitt durch Femur und Tibia (Sagittalebene) mit eingesetzter Knie- Endoprothese in der max. Beugephase (1220).4 schematically the longitudinal section through the femur and tibia (sagittal plane) with inserted knee endoprosthesis in the maximum flexion phase (1220).

Fig.5 schematisch einen Parallelschnitt zu Fig.4 durch das Gelenkteil mit Kreuzbändern.FIG. 5 schematically shows a parallel section to FIG. 4 through the joint part with cruciate ligaments.

Fig.6& schematisch eine Ansicht auf die keilförmige Halterung, auf der Tibiaseite.Fig. 6 & schematically a view of the wedge-shaped holder, on the tibial side.

Fig.6b schematisch eine Ansicht auf die keilförmige Halterung auf der Femurseite und auf die Traverse mit Kreuzbandbefestigung.6b schematically shows a view of the wedge-shaped holder the femur side and on the crossbeam with cruciate ligament attachment.

Fig.7 Aufsicht auf das rechte Tibia- Plateau in der max. Beuge -phase (1220), mit gesteuerter Rotation des Unterschenkels.Fig. 7 Top view of the right tibial plateau in the maximum flexion phase (1220), with controlled rotation of the lower leg.

Der Längsschnitt(Fig.i#i) zeigt die Knie- Endoprothese mit dem Femur (19) und Tibia (20). Die Verankerung ist zement frei. Der Femurankerschaft (1) endet nach proximal in zwei getrennten, oder einem Bündel mehrerer Stäbe (21,22). Dabei kann der Prothesenschaft ein Guss-oder Schmiedeteil sein, oder aus einem Faser- Verbund- Material bestehen. Die Aufgliederung der Schäfte in einzelne Stäbe (21,22) läßt die Krafteinleitung in den Knochen nach dem Zug-und Druckgurt ungsprinzip zu und verhindert weitgehend unphysiologisch hohe mechanische Spannungen im Knochen. Das gleiche gilt auch für den Tibia- Ankerschaft (2), der nach distal in zwei ge -trennten Stäben (23,24) oder einem Bündel mehrerer Stäbe endet. Zum Anschluß an den Knochen sind die Stabe in bekannter Weise mit einer Verzahnung (25,26), oder einer anderen, in der Implantattechnik angewandten Oberflächenstruktur versehen.The longitudinal section (Fig.i # i) shows the knee endoprosthesis with the femur (19) and tibia (20). The anchorage is cement-free. The femoral anchor shaft (1) ends proximally in two separate rods or a bundle of several rods (21,22). Included the prosthesis shaft can be a cast or forged part, or made of a fiber Composite material exist. The breakdown of the shafts into individual bars (21,22) allows the introduction of force into the bone according to the tension and compression belt principle and prevents largely unphysiologically high mechanical stresses in the bone. The same applies to the tibia anchor shaft (2), which is divided into two distally -separated rods (23,24) or a bundle of several rods ends. To connect to the bones are the rods in a known manner with a toothing (25,26), or a different surface structure used in implant technology.

Die Ankerschjfte (1,2) enden gelenkseitlg an Platinen (27,28).The anchor shafts (1,2) end on the sides of the joint on plates (27,28).

In diesen befinden sich die schwalbenschwanzförmigen Aufnahmenuten (29,30) für die Halterungen (4,5) zur Adaption des Ge -lenkteils an die Ankerschäfte (Fig.1c).Das an den femoralen Ankerschaft(1) adaptierte Gelenkteil(3) besteht aus einer Traverse(31) an der die kreisförmigen Condylen(40) mit GieR harz, Knochenzement oder in anderer Fügetechnik bei der Fabrikation befestigt worden sind.The dovetail-shaped grooves are located in these (29,30) for the brackets (4,5) to adapt the joint part to the anchor shafts (Fig.1c). The joint part (3) adapted to the femoral anchor shaft (1) consists of a traverse (31) on which the circular condyles (40) are coated with GieR resin, bone cement or have been attached using another joining technique during manufacture.

Die Traverse(31) kann auch mit den Condylenscheiben (14,15) einteilig sein also aus einem Guss-Schmiede- oder Pressteil bestehen. Die flexiblen Kreuzbänder (8?9) sind mit entsprechend geformten Enden (32,33) an. Traverse (31) und Plateau (16) befestigt. Bestehen die Kreuzbänder aus nur einem schnur -förmigen Band (Fig.1b), so wird dieses um die Traverse ge -schlungen und mit beiden Enden (32,33), wie vor beschrieben, an dem Tibia- Plateau (16) befestigt. Das komplette Gelenkteil (3) wird in der Beugestellung, wie in Fig.1c und Fig.2 dargestellt, wenn beide Halterungsflächen (4,5) parallel zu den Platinen (27,28) stehen, in diese eingesetzt und mit den Schrauben (6,7) gesichert.The traverse (31) can also be made in one piece with the condyle discs (14, 15) thus consist of a cast, forged or pressed part. The flexible cruciate ligaments (8? 9) are connected with correspondingly shaped ends (32,33). Traverse (31) and platform (16) attached. If the cruciate ligaments consist of only one cord-shaped ligament (Fig.1b), so this is wrapped around the crossbeam and with both ends (32,33), as before described, attached to the tibial plateau (16). The complete joint part (3) is in the flexed position, as in Fig.1c and Fig.2 shown, when both mounting surfaces (4,5) are parallel to the plates (27,28), into them inserted and secured with the screws (6,7).

Das Gelenkteil (3) ist in Fig. 1c im Querschnitt dargestellt, in der Beugestellung, in der es an die implantierten Anker -schäfte (1,2) befestigt wird. Die Kreuzbänder (8,9) sind als einteiliges, schnurartiges Band, wie vor beschrieben, um die Traverse (31) geschlungen und mit den Enden (32,33) in den Nuten (29,30) befestigt. (siehe auch Fig. 6<#u. Fig. 6b) Fig.3 zeigt die Aufsicht auf das rechte Tibia- Plateau (16) in der max. überstreckung (-50). Die beiden Fiihrungsschienen (17,18) verriegeln die Rotation des Unterschenkels und verblocken die lineare Gleitbewegung der Kufen (12,13), die hier ihren ventralen Endpunkt erreicht hat.The joint part (3) is shown in Fig. 1c in cross section, in the Flexion position in which it is attached to the implanted anchor shafts (1,2). The cruciate ligaments (8,9) are designed as a one-piece, cord-like ligament, as described above, looped around the traverse (31) and with the ends (32,33) in the grooves (29,30) attached. (See also Fig. 6 <#u. Fig. 6b) Fig.3 shows the top view of the right Tibial plateau (16) in the max. Hyperextension (-50). The two guide rails (17,18) lock the rotation of the lower leg and block the linear sliding movement of the runners (12,13), which has reached its ventral end point here.

Beim max. Beugen (1220) wandert die Gelenkachse (10) auf der Waagerechten (~11) die Strecke (D9) nach dorsal. Siehe auch Fig.4. Fig.5 zeigt das Gelenkteil (3) im Längsschnitt durch Traverse (31) und Tibia- Plateau (16) in der max. Beugephase.With max.bending (1220), the joint axis (10) moves horizontally (~ 11) the distance (D9) in a dorsal direction. See also Fig. 4. Fig.5 shows the joint part (3) in a longitudinal section through the traverse (31) and tibia plateau (16) in the maximum flexion phase.

Die Kreuzbänder (8,9) sind, wie vor beschrieben, ein einteiliges Band.The cruciate ligaments (8, 9) are, as described above, a one-piece ligament.

Fig.6#zeigt die Ansicht von unten auf das Tibia- Plateau (16) mit der keilförmigen Halterung (5) und den sägezahnartigen Nuten (29.30) für die Befestigung der Kreuzbandenden (32,33).6 # shows the view from below of the tibia plateau (16) with the wedge-shaped holder (5) and the sawtooth-like grooves (29.30) for fastening the cruciate ligament ends (32,33).

Fig.6c stellt die Aufsicht auf die Traverse (31) mit Befestigung der einteiligen, als Schnur um die Traverse (31) Ej;enchlungenen Kreuzbänder (8,9) dar.Fig.6c represents the top view of the cross member (31) with attachment of the one-piece cruciate ligaments (8,9) looped around the crossbar (31) as a cord.

Fig.7 zeigt die Aufsicht auf das rechte Tibia- Plateau (16) in der max. Beugephase (1220). Die beiden Führungsschienen (17,18) steuern die Rotation des Unterschenkels.7 shows the plan view of the right tibia plateau (16) in the max.bending phase (1220). The two guide rails (17, 18) control the rotation of the lower leg.

Die Kufen (12,13) haben in dieser Darstellung den dorsalen Endpunkt erreicht.The runners (12, 13) have the dorsal end point in this illustration achieved.

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Claims

Patent and protection claims (1.) Knee joint - endoprosthesis, d a d It is indicated that it consists of three individual components: The femur anchor shaft (1), the tibia anchor shaft (2) and the entire joint part (3), which can be exchanged if necessary without loosening the anchor shafts (1,2) from the bone; that the joint movement is controlled by the flexible cruciate ligaments (8,9) and the Loading of the condyles (40) by the runner-like bearing parts (12, 13) on the tibial plateau (16) is transmitted, the runners (12,13) also the rotating movement of the condyles Separate (40) from the linear movement on the tibial plateau.

2.) knee joint endoprosthesis according to claim 1, d a d u r c h g e k E-n n n e i c h n e t that the flexible cruciate ligaments (8, 9) together with the guide rails (17,18) control the rotation of the lower leg on the tibial plateau (16).