DE3528204C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kniegelenkendoprothese nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die bisher bekannten Knieprothesen besitzen zwei Elemente, ein Femoralelement und ein Tibialelement. Diese weisen je­ weils ein Gelenkorgan auf, das mit dem des anderen Elements zusammenwirkt, um eine Drehung eines Elements bezüglich des anderen in der Sagittalebene aus einer Streckstellung, in der die Elemente in der gegenseitigen Verlängerung verlau­ fen, in eine Beugungsstellung zu gestatten, in der die bei­ den Elemente miteinander einen vorgebbaren Winkel bilden.

Die Prothesen können eingeteilt werden in einteilige Prothe­ sen, bei denen nur eine der Seiten des Gelenks ersetzt ist, zweiteilige Gleitprothesen, bei denen die beiden Gelenkköpfe ersetzt werden und die Femoral- und Tibialteile ohne Begren­ zung aufeinander gleiten, stabilisierte Gleitprothesen, bei denen eine mechanische Vorrichtung die Bewegungen der beiden Femoral- und Tibialteile begrenzt, und Scharnierprothesen, bei denen die beiden Elemente ständig durch eine Vorrich­ tung, beispielsweise eine starre Achse, verbunden sind.

Aus der US-38 69 729 und der äquivalenten CH-5 68 066 ist eine Kniegelenkendoprothese in Form einer stabilisierten Gleit­ prothese bekannt, d. h. eine Prothese, bei der das Femoral­ element und das Tibialelement nicht fest miteinander verbun­ den sind, sondern durch Anschläge begrenzt aufeinander glei­ ten können.

Diese Kniegelenkendoprothese weist ein Femoralelement und ein Ti­ bialelement auf, zwischen denen ein in der Sagittalebene wir­ kendes Beugungsgelenk und ein senkrecht zur Sagittalebene wirkendes Drehgelenk vorgesehen ist. Dabei ist zur Führung des Beugungsgelenkes in dem Femoralelement eine Nut ausgebil­ det, in die ein drehbar an dem Tibialelement angeordnetes Führungselement eingreift. Ferner weist das Femoralelement Endflächen auf, die an Lagerflächen des Tibialelements zur Bildung des Beugungs- und des Drehgelenks gleitend anliegen.

Das Führungselement besteht hierbei aus einer abgeflachten Kugel mit einem in einer Bohrung im Tibialelement beweglich aufgenommenen Schaft, längs dem diese Kniegelenkendoprothese in der Sagittalebene frei beweglich ist. Des weiteren geht die Nut innerhalb des Femoralelements in einen vergrößerten Hohl­ raum über, in dem die Kugel ggf. mit geringfügigem Spiel in Richtung senkrecht zur Nut aufgenommen ist.

Die Beugungsbewegung ist bei dieser Kniegelenkendoprothese auf eine durch die Abflachungen der Kugel bestimmte Achse festgelegt, wobei ein Abstandsausgleich der Kugel von dem Tibialelement durch Verschieben des Schaftes der Kugel in der Bohrung des Tibialelements erfolgt. Diese Anordnung hat den Nachteil, daß sich der Bewegungsablauf bei der Knie­ gelenkendoprothese stark von dem eines natürlichen Knies unter­ scheidet. Die Steuerung von Beugungs- und Drehbewegungen des Kniegelenks sowie die Gewichtsübertragung kann dabei nur über die seitlich neben der Nut angeordneten Endflächen des Femoralelements und die entsprechenden Lagerflächen des Ti­ bialelements erfolgen. Darin besteht ein weiterer Nachteil, indem die Gewichtslast ungünstig auf die außermittig angeord­ neten Berührflächen der beiden Elemente verteilt ist. Diese Flächen werden dadurch stark belastet, was zu einem höheren, die Lebensdauer der Prothese verkürzenden Verschleiß führt, der entsprechend weitere aufwendige und die Gesundheit des Prothesenträgers belastende Operationen erforderlich macht.

Da ferner zur Führung des Schafts der Kugel sowie für einen ausreichenden Abstandsausgleich der Kugel von dem Tibialele­ ment die den Schaft aufnehmende Bohrung bis in den Veranke­ rungsstift des Tibialelements in der Tibia hineinreicht, muß dieser Verankerungsstift ausreichende Abmessungen aufweisen. Dies hat den Nachteil, daß in der Tibia eine Bohrung mit ei­ nem wesentlich größeren Durchmesser für den Verankerungs­ stift erforderlich ist, so daß der Knochen an dieser Verbin­ dungsstelle stark geschwächt ist.

Eine ähnliche Kniegelenkendoprothese ist in der DE-27 44 710 A1 beschrieben. Das Beugungsgelenk ist hierbei durch ein T- Stück gebildet, dessen Arme in dem Femoralelement drehbar gelagert sind. Der Fuß des T-Stücks ist auf einen vom Tibial­ element abstehenden Zapfen drehbar aufgesetzt, wodurch Dre­ hungen senkrecht zur Sagittalebene möglich sind.

Auch bei dieser Kniegelenkendoprothese erfolgt die Bewegungs­ steuerung und die Gewichtsübertragung ausschließlich über die Endflächen des Femoralelements und die Lagerflächen des Tibialelements, wodurch sich die bereits oben beschriebenen Nachteile ergeben.

Weitere Kniegelenkendoprothesen, deren Führungselement fest über ein Drehgelenk mit dem Femoralelement verbunden ist und zu­ sätzlich für Drehungen senkrecht zu Sagittalebene in einer bis in den Verankerungsstift des Tibialelements reichenden Bohrung drehbar eingesetzt ist, sind aus der DE-26 36 816 C2 und der DE-25 45 821 A1 bekannt. Zum Inplantieren dieser Pro­ thesen sind wieder entsprechend größere Bohrungen in der Ti­ bia erforderlich, wodurch dieser Knochen an der Verbindungs­ stelle weiter geschwächt wird.

In der DE-29 19 803 A1 ist eine Kniegelenkendoprothese beschrie­ ben, deren Tibialelement einen feststehenden dreieckigen Zapfen aufweist, der in die Nut des Femoralelements ein­ greift. Die dreieckige Form des Zapfens ermöglicht dabei in geringem Umfang Drehbewegungen der beiden Elemente gegenein­ ander senkrecht zur Sagittalebene. Da sich der Boden der Nut nicht auf dem Zapfen abstützt, werden zur Bewegungssteuerung und Gewichtsübertragung ausschließlich die Endflächen des Femoralelements und die Lagerflächen des Tibialelements be­ lastet, was einen erhöhten Verschleiß zur Folge hat. Der dreieckige Querschnitt des zur Führung dienenden Zapfens führt ferner zu einer verminderten Stabilität der Kniegelenkendo­ prothese. Dieser wird weiterhin dadurch verschlechtert, daß der Zapfen sich zu seinem freien Ende hin verjüngt, um Kipp­ bewegungen der beiden Elemente gegeneinander aus der Sagit­ talebene heraus zu ermöglichen.

Aus der DE-31 01 789 A1 sowie der DE-29 06 458 C2 und deren Äquivalent FR-24 17 971 sind Kniegelenkendoprothesen bekannt, die keine Drehbewegung senkrecht zur Sagittalebene zulassen. Dabei ist mit dem Tibialelement eine Nase fest verbunden, deren Schrägflächen als bewegungsbegrenzende Anschläge und deren parallele Seitenflächen zur Führung in der Nut des Fe­ moralelements dienen. Durch die fehlende Drehmöglichkeit senkrecht zur Sagittalebene können diese Prothesen ein natür­ liches Kniegelenk nur ungenügend ersetzen, was einen langwie­ rigeren Gewöhnungsprozeß des Prothesenträgers erfordert. Zudem führt die fehlende Drehmöglichkeit durch das beim Ge­ hen trotzdem auftretende Drehmoment zu einer zusätzlichen Belastung der Verbindungsstellen der Prothesenteile mit den Knochen, wodurch die Haltbarkeit dieser Verbindungen herabge­ setzt ist.

Eine Kniegelenkendoprothese, bei der ähnlich einer Scharnierpro­ these das Femoralelement und das Tibialelement unlösbar mit­ einander verbunden sind, ist aus der US-42 16 549 bekannt. Hierbei ist eine Gelenkelement vorgesehen, das über schwal­ benschwanzähnliche Führungen einerseits senkrecht zur Sagit­ talebene drehbar mit dem Tibialelement und andererseits in der Sagittalebene beugbar mit dem Femoralelement verbunden ist. Diese Protheseform ist nur dann erforderlich, wenn kein natürlicher Zusammenhalt des Kniegelenks mehr gegeben ist. In diesem Fall muß der Nachteil in Kauf genommen werden, daß auf den Unterschenkel wirkende Zugbelastungen sich direkt auf die Verbindungsstellen der Knochen mit den Prothesenele­ menten auswirken, die dadurch leicht locker werden können. Das bei dieser Prothese vorgesehene Gelenkelement trennt das Femoralelement und das Tibialelement voneinander, so daß Beu­ gungs- und Drehbewegungen in nachteiliger Weise unnatürlich entkoppelt sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Kniege­ lenksprothese zu schaffen, die einen möglichst natürlichen Bewegungsablauf und eine möglichst optimal verteilte Ge­ wichtsübertragung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Führungselement als Nase ausgebildet ist, und daß die Füh­ rungsfläche des Bodens der Nut des Femoralelements und die Führungsfläche der Nase komplementär ausgebildet sind und bei der Beugungsbewegung immer in Eingriff stehen.

Dadurch wird erreicht, daß die Steuerung des Bewegungsab­ laufs der Kniegelenkendoprothese besonders gut den möglichen Be­ wegungen eines natürlichen Knies angepaßt ist, wobei die Ge­ wichtsübertragung auch über die zentral angeordnete Nase er­ folgt.

Diese Kniegelenkendoprothese hat ferner den Vorteil, daß sie sehr stabil ausgeführt werden kann, ohne einerseits unnatür­ liche Abmessungen aufweisen zu müssen und andererseits die beteiligten Knochen durch übermäßige Bohrungen an den Verbin­ dungsstellen zu schwächen.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfin­ dung beschrieben, die in den Zeichnungen darge­ stellt ist. Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische, auseinandergezogene Darstellung einer erfindungsgemäßen Kniegelenkendoprothese,

Fig. 2 eine auseinandergezogene Seitenansicht der in Fig. 1 gezeigten Prothese,

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 von Fig. 2,

Fig. 4 bis 8 schematische Querschnitte der in Fig. 1 ge­ zeigten Prothese, die das Femoralelement und das Tibialelement in fünf relativen Drehstellungen in der Sagittalebene zwischen einer vollständigen Streckung und Beugungen von etwa 10, 30, 65 und 90° in der Sagittalebene zeigen, und

Fig. 9 und 10 jeweils eine Seitenansicht der Prothese von Fig. 1 in der sich das Femoralelement, das in der Beugungsstellung von Fig. 6 dargestellt ist, sich bezüglich der Achse des Tibialelements um einen Winkel von etwa 17° in der einen oder der anderen Richtung gedreht hat.

Auf den einzelnen Figuren ist die vordere Seite der Prothese links und die hintere Seite rechts gelegen.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, besitzt die Prothese ein Femoral­ element 10 und ein Tibialelement 11.

Das Femoralelement besitzt an seinem unteren hinteren Ende zwei seitliche konvexe Lagerteile 12, die nach unten gerich­ tet sind.

Die Endflächen bzw. äußeren Lagerflächen 46 der Lagerteile 12 besitzen in den Sagittalebenen, wie in den Fig. 2 und 4 bis 8 gezeigt ist, eine Form analog zu der der natürlichen Femoralgelenk­ köpfe; diese Form entspricht einer Spirale oder einem Kreis­ bogen, dessen Radius vom hinteren Ende zum vorderen Ende hin wächst. Das Femoralelement 10 besitzt ferner einen zentralen Führungs­ teil 14, der zwischen den beiden Lagerteilen 12, die er ver­ bindet, angeordnet ist, und an seinem vorderen Ende einen Bügel 18, der eine im allgemeinen unsymmetrische Form be­ sitzt, je nachdem, ob es sich um ein Prothesenelement für ein linkes oder rechtes Knie handelt, und der zur Aufnahme der Kniescheibe bestimmt ist.

Der zentrale Führungsteil 14 besitzt eine Nut 15 mit einer konvexen Führungsfläche 26, die nach unten und auf das Tibial­ element 11 zu gerichtet ist und einen vorderen Teil, der mit ei­ nem Anschlag 16 endet, und einen hinteren Teil besitzt, der frei auf die Lagerteile 12 zu ausmündet.

Das Femoralelement 10 ist dazu bestimmt, an den Gelenkköpfen des Femur mit oder ohne Zement befestigt zu werden, und die inneren Flä­ chen der Lagerteile 12 und des Bügels 18 können Unebenheiten in Form von Kügelchen besitzen, um das Anhaften und das Wachs­ tum des Knochengewebes zu gestatten.

Das Tibialelement 11 besitzt eine Tibialplatte 17, die in einer zur Achse des Tibialelements 11 im wesentlichen senkrechten Ebene ge­ legen ist und die an ihrem unteren Teil mit einem Verankerungs­ stift 23 und an ihrem oberen Teil mit einem kreisförmigen, zen­ tralen Zapfen 19 fest verbunden ist, dessen Achse der Achse des Tibialelements 11 oder einer anderen mit der Funktion verträglichen Richtung entspricht.

Ein Lager 24 und ein Führungselement 25 werden auf den Zapfen 19 aufgesteckt.

Das Lager 24 ist auf die Tibialplatte 17 aufgelegt, deren er­ höhte Ränder es an seinem Platz halten, da es sich an deren geometrische Form anschmiegt. Dieses Lager 24 besitzt eine zentrale Öffnung 27, deren Durchmesser etwas größer als der des Zapfens 19 ist, und zwei konkave Lagerteile bzw. -flächen 13, die etwa die Form einer Bohne besitzen und zu beiden Seiten der Öff­ nung 27 angeordnet sind. Diese konkaven Teile bzw. Lagerflächen 13, die nach oben gerichtet sind, wirken mit den konvexen Lagerteilen 12 des Femoralelements 10 zusammen.

Das Führungselement 25 besitzt einen Ansatz 28, dessen Innendurchmesser und dessen Außendurchmesser den Durchmessern des Zapfens 19 bzw. der Öffnung 27 entsprechen, und besitzt ferner als Führungselement eine Nase 29, deren obere Führungsfläche 30 mit der Nut 15 des Femoralelements 10 zusammenwirkt.

Die Werkstoffe, die für die Herstellung der Femoral- und Tibialelemente 10 bzw. 11 einerseits und für das Lager 24 andererseits verwendet werden, sind im allgemeinen im Fall der erstge­ nannten eine Metallegierung, die sich für chirurgische Implantationen eignet, beispielsweise eine Chrom- und Kobaltlegierung oder ein rostfreier Stahl, und im Fall des letztgenannten ein Kunststoff und insbesondere ein Polymer hoher Dichte, das in biologischer Hinsicht ver­ träglich ist, beispielsweise ein Polyäthylen mit hohem Molekulargewicht oder jeder andere biologisch und mecha­ nisch geeigneter Werkstoff, beispielsweise ein zusammen­ gesetztes Polymer.

Was das Führungselement 25 betrifft, so besteht es vorzugsweise aus einer Verbindung dieser beiden Werkstoffarten, wobei eine Fußplatte 31 aus Legierung des obengenannten Typs den Kontakt mit dem Lager 24 und seiner Öffnung 27 gewährleistet und das restliche Teil, das mit dem Femoralelement 10 in Kontakt ist, aus Kunststoff vom selben Typ wie das Lager 24 oder aus ver­ träglichem Polymer besteht.

Ein derartiger Aufbau gewährleistet nämlich einen optimalen Reibungskoeffizient, und zwar dank einem Metall-Polymer-Kon­ takt zwischen jedem in Kontakt befindlichen Teil oder Ele­ ment.

Diese Anordnung kann natürlich auch umgekehrt werden. Beispielsweise können ohne Nachteil das Femoralelement 10 und das Tibialelement 11 aus Polymer hoher Dichte, das Lager 24 aus Metallegierung und das Führungsteil 25 aus Legierung mit Polymer-Fußplatte 31 hergestellt werden.

Nun wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Prothese beschrieben, und zwar insbesondere anhand der Fig. 4 bis 8, die die beiden Elemente der Prothese in verschiedenen Beu­ gungsstellungen zeigen, und anhand der Fig. 9 und 10, die in einer beliebigen Beugungsstellung, und zwar in der als Beispiel gewählten Stellung von Fig. 7, die beiden Elemente der Prothese zeigen, die jeweils bezüglich der Sagittalebene symmetrische Stellungen einnehmen, in denen die vertikalen Ebenen, die die Achse des Femoralelements 10 bzw. des Tibial­ elements 11 enthalten, miteinander einen Winkel von etwa 17° bilden.

Fig. 4 zeigt die Stellung vollständiger Streckung der Pro­ these, bei der Nase 29 des Tibialelements 11 durch den Anschlag 16 der Nut 15 des Femoralelements 10 blockiert ist.

Bei einer Beugung oder Drehung in der sagittalen Ebene, bei der die Achse des Femoralelements 10 einen Winkel von etwa 10, 30, 65 oder 90° bezüglich der Achse des Tibial­ elements 11 bildet, wie in den Fig. 5 bis 8 dargestellt ist, bleiben die Lagerteile 12 und die Lagerflächen 13 immer in Kontakt; wie je­ doch diese Figuren zeigen, verschiebt sich ihre Kontakt­ fläche zuerst von vorne nach hinten, um eine Stellung in Nähe der Achse des Tibialelements 11 bei einem Beugungswin­ kel von nahe 65 bis 90° einzunehmen.

Während dieser Beugung oder Drehung in der Sagittalebene ist die Führungsfläche 26 des Bodens der Nut 15 des Femoral­ elements 10 immer mit der Führungsfläche 30 der Nase 29 des Führungsteils 25 in Kontakt, wobei die seitlichen Wände der Nut 15 ständig die Achsen des Femoralelements 10 und des Tibialele­ ments 11 in der Sagittalebene halten.

In jeder beliebigen Beugungsstellung des Femoralelements 10 und des Tibialelements 11 der Prothese in der Sagittalebene, d. h. in den Fällen der Fig. 4 bis 8, kann eines dieser beiden Elemente gemäß der Erfindung eine Drehung bezüglich des anderen in einer zur Sagittalebene senkrechten Ebene, und zwar im vorliegenden Fall in der Ebene der Tibialplatte 17 ausführen.

So findet z. B. zum Übergang aus der in Fig. 6 gezeigten Stellung in die in den Fig. 9 und 10 gezeigten Stellungen eine einfache Drehung der aus dem Femoralelement 10 und dem Führungselement 25 des Tibialelements 11 gebildeten Einheit um den Zapfen 19 statt.

Der Drehwinkel der Symmetrieebene des Femoralelements 10 und des Führungselements 25 beträgt etwa ±17° bezüglich der Symmetrieebene des Tibialelements 11, die weiterhin mit der Sagittalebene zusammenfällt.

Während dieser Drehung in der Ebene der Tibialplatte 17 glei­ ten die beiden Lagerteile 12 des Femoralelements 10 in den bei­ den konkaven Teilen bzw. Lagerflächen 13 des Lagers 24 des Tibialelements 11; wenn das vordere Ende der äußeren Lagerflächen bzw. Endflächen 46 des Femoralelements 10 an den seitlichen Rändern der konkaven Teile oder Lagerflächen 13 zum Anschlag kommen, deren Bohnenform diese Drehung begünstigt, nehmen das Femoralelement 10 und das Tibialelement 11 die in Fig. 9 oder 10 gezeigte Stellung ein, und zwar je nach der Richtung, in der diese Drehung stattfand.

Es empfiehlt sich, daß der konkave Teil bzw. die konkave Lagerfläche 13 des Lagers 24, der bezüglich der Sagittalebene außen gelegen ist, tiefer und länger als der andere konkave Teil bzw. die andere konkave Lagerfläche 13 desselben Lagers 24 ist, da eine derartige Ausbildung die jeweilige Drehung des Femoralelements 10 und des Tibialelements 11 gemäß der Erfindung in der Ebene der Tibialplatte 17 erleichtert.

Natürlich kann der Drehwinkel der beiden Elemente der Prothese in der Ebene der Tibialplatte 17 erfindungsgemäß ein beliebiger Winkel zwischen 0 und dem in den Fig. 9 und 10 gezeigten Win­ kel von ±17° sein.

Diese Drehung in einer zur Sagittalebene senkrechten Ebene, die von viel kleinerer Amplitude als die klassische Drehung der beiden Elemente in der Sagittalebene ist, entspricht der Drehung, die das natürliche Kniegelenk ausführt, beispiels­ weise wenn der Mensch die Stufen einer Treppe hinaufsteigt.

Diese Möglichkeit der doppelten Drehung der Prothese gemäß der Erfindung gestattet dieser somit Bewegungen auszuführen, die genauer den verschiedenen Freiheitsgraden des natürlichen Kniegelenks entsprechen, und damit die Kräfte auf den Veranke­ rungselementen der Prothese im Knochen zu begrenzen.

Claims (5)

1. Kniegelenkprothese mit einem Femoralelement (10) und einem Tibialelement (11), zwischen denen ein in der Sa­ gittalebene wirkendes Beugungsgelenk und ein senkrecht zur Sagittalebene wirkendes Drehgelenk vorgesehen ist,
wobei zur Führung des Beugungsgelenkes in dem Femoral­ element (10) eine Nut (15) ausgebildet ist, in die ein drehbar an dem Tibialelement (11) angeordnetes Führungs­ element (29) eingreift, und
wobei das Femoralelement (10) Endflächen (46) aufweist, die an Lagerflächen (13) des Tibialelements (11) zur Bildung des Beugungs- und des Drehgelenks gleitend an­ liegen,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Führungselement (25) als Nase (29) ausgebildet ist, und
daß die Führungsfläche (26) des Bodens der Nut (15) des Femoralelements (10) und die Führungsfläche (30) der Nase (29) komplementär ausgebildet sind und bei der Beu­ gungsbewegung immer im Eingriff stehen.

2. Kniegelenkprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsfläche (26) des Bodens der Nut (15) des Femoralelements (10) konvex und die Führungsfläche (30) der Nase (29) konkav ausgebildet sind.

3. Kniegelenkprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das Tibialelement (11) einen kreisförmigen zentra­ len Zapfen (19) aufweist, und
daß die Nase (29) an einem Führungselement (25) angeordnet ist, das auf dem Zapfen (19) schwenkbar gelagert ist und dessen Achse der des Tibialelementes (11) entspricht.

4. Kniegelenkprothese nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Tibialelement (11) eine Tibialplatte (17) auf­ weist, die integral mit dem kreisförmigen zentralen Zapfen (19) ausgebildet ist, und
daß ein Lager (24) mit Lagerflächen (13) für das Femo­ ralelement (10) und ein mit dem Führungselement (25) inte­ gral ausgebildete Ansatz (28) auf den Zapfen (19) aufgesteckt sind.

5. Kniegelenkprothese nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Femoralelement (10) und das Tibialelement (11) aus einer Metallegierung, das Lager (24) aus Kunststoff und das Führungselement (25) aus Kunststoff und einer metallischen Fußplatte (31) bestehen.