DE3602569C1 - Vorrichtung zum Prüfen der Verankerungssicherheit von künstlichen Hüftpfannen - Google Patents

Description

• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Verankerungssteil in vorgegebenem Abstand von der Hüftpfanne beidseitig in einer Haltevorrichtung gelagert ist, die mittels eines ersten Antriebs in Richtung des Prüfkopfes hin und her verschiebbar ist.
• Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß das Verankerungsteil die Verformbarkeit des menschlichen Beckenknochens nachbildet, die Hüftpfanne in einem weitragenden Abschnitt aufnimmt und lediglich in vorgegebenem Abstand von der Hüftpfanne an beiden Seiten in einer Haltevorrichtung gelagert ist, die zur Simulation der menschlichen Gehbewegung oszillierend auf den Prüfkopf hin und von diesem wegschiebbar ist. Je nach dem Abstand der Lagerpunkte von der Hüftpfanne, der Form und Elastizität des Verankerungsteils und dem Hub der oszillierenden Translationsbewegung der Haltevorrichtung, sowie deren Frequenz, wird die Hüftpfanne gegen den halbkugelförmigen Prüfkopf belastet, und bei jedem Belastungszyklus wird dabei auch das Verankerungsteil verformt, wodurch die, auch beim natürlichen Beckenknochen bei der Gehbewegung auftretende Verformung nachgebildet wird. Insbesondere wird dadurch auch die Beanspruchung am Interface von Verankerungsteil und Hüftpfanne nachgebildet, die eine wesentliche Ursache für Lockerungen der Hüftpfanne sein kann.
• Aufgrund der kugelgelenkartigen Charakteristik des Hüftgelenkes vollzieht der Femurknochen während des Gehens im natürlichen Acetabulum eine kombinierte Drehbewegung um seine Längsachse und eine zusätzliche Schwenkbewegung. Bevorzugt ist daher der Prüfkopf am freien Ende eines drehbar gelagerten Prüfdornes befestigt. Der Prüfkopf ist gegen die Innenfläche der Hüftpfanne anstellbar und von einem zweiten Antrieb in eine Drehbewegung versetzbar, wodurch die Drehkomponente der natürlichen Gehbewegung ebenfalls simuliert wird.
• Bevorzugt läßt sich der Prüfkopf mit einer einstellbaren Exzentrizität zur Prüfdorn-Längsachse am Prüfdorn festspannen. Eine Rotationsbewegung des Prüfdornes erzeugt dann eine Kreisbewegung des Prüfkopfes, welche die zu testende Hüftpfanne mit den auch in vivo beachtlichen Radialkräften beaufschlagt.
• Besonders bevorzugt läßt sich ein dritter Antrieb vorsehen, der das Verankerungsteil oder den Prüfdorn um eine Achse hin und her schwenkt, wobei diese Achse im wesentlichen senkrecht zur Achse des Prüfdornes und etwa in Längsrichtung des Verankerungsteils hindurchläuft. Auf diese Weise läßt sich auch die Schwenkkomponente der menschlichen Gehbewegung simulieren, so daß dann die periodische Druckbeanspruchung, die Rotationsbeanspruchung und die Schwenkbeanspruchung nachgebildet ist.
• Die Druckbeanspruchung wird hinsichtlich Größe des Drucks und dem zeitlichen Druckverlauf erfindungsgemäß dem beim natürlichen Hüftgelenk vermittelten sogenannten Double-Peak-Verlauf angepaßt, wie er zum Beispiel von Pauwels in »Gesammelte Abhandlung zur funktionellen Anatomie des Bewegungsapparates«, Springer Verlag, 1965, veröffentlicht wurde. Charakteristikum dieses Verlaufes ist eine während der Standbein-Periode zweifache Spitzenbelastung, die etwa den 4,5fachen Betrag des Körpergewichtes einnehmen kann.
• Besonders bevorzugt ist das Verankerungsteil dem natürlichen menschlichen Becken nachgebildet und besitzt insbesondere auch dessen Deformationsverhalten im Bereich des Acetabulums, um auf diese Weise eine infolge der Verformung des Beckens etwaig eintretende Lockerung der Hüftpfanne zu simulieren, wobei die Deformationseigenschaften primär sowohl von der Gestalt als auch von dem spezifischen Material abhängen. Es hat sich nun gezeigt, daß die Verwendung eines geschäumten Epoxydharzes zur Nachbildung des beckenförmigen Verankerungsteils hinsichtlich der Deformationseigenschaften dem natürlichen Becken am nächsten kommt und daher besonders vorteilhaft ist.
• Besonders bevorzugt wird das Verankerungsteil in seiner Lagerung oder Halterung relativ zum Prüfdorn so ausgerichtet, daß die Kraft durch den Prüfdorn in eine Richtung in die Hüftpfanne eingeleitet wird, die den physiologischen Gegebenheiten in vivo entsprechen. Zu diesem Zweck wird das beckenförmige Verankerungsteil so ausgerichtet und gelagert, daß die Pfanneneingangsebene in der Frontalebene um 41 Grad zur Horizontalen geneigt ist.
• Besonders bevorzugt wird die Lagerung des Verankerungsteils in der Haltevorrichtung durch Zugfedern realisiert, die an der Haltevorrichtung aufgehängt sind und an deren unterem Ende das Verankerungsteil angehängt ist, so daß unter der Wirkung der Zugfedern die Hüftpfanne gegen den Prüfkopf belastet wird. Durch die Einfügung der Federn wird entsprechend der Kennlinie der verwendeten Federn der periodische Weg/ Zeit-Verlauf der oszillierenden Haltevorrichtung in einen entsprechenden Anpreßdruck/Zeit-Verlauf am Interface-Prüfkopf/Hüftpfanne umgesetzt, und mit dieser Umsetzung geht eine entsprechende periodische Deformation des Verankerungsteils einher. Alternativ ist es möglich, den gewünschten zeitlichen Belastungsverlauf auch bei direkter beidseitiger Auflage des Verankerungsteils auf der Haltevorrichtung zu erzielen, wobei dann primär die periodische Deformation des Verankerungsteils eingeprägt wird, aus der sich der zeitliche Beanspruchungsverlauf am Interface-Prüfkopf/ Hüftpfanne ergibt.
• Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche gekennzeichnet.
• Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Frontansicht, teilweise im Schnittpunkt.
• Die Figur zeigt ein Gestell 2, welches eine Grundplatte 4 enthält, auf der in vorgegebenem Abstand voneinander Seitenholme 6 vertikal angeordnet sind, und mit einer oberen Deckplatte 8 miteinander verbunden sind.
• Beabstandet über der Grundplatte 4 ist eine Zwischenplatte 5 eingesetzt. Zwischen der Zwischenplatte 5 und der Deckplatte 8 verlaufen seitliche Führungsstangen 10 vertikal aufwärts.
• Eine Haltevorrichtung 30 ist als ein erster kastenförmiger Rahmen ausgebildet, der eine untere Bodenplatte 32, zwei voneinander beabstandete Seitenwände 36 und eine obere Tragplatte 34 besitzt und an den Seitenwänden 36 je ein auswärts gerichtetes Stangen-Gleitlager 33 trägt, welche die Führungsstangen 10 umgreifen und eine vertikale Verschiebbarkeit der Haltevorrichtung 30 ermöglichen. In vorgegebenem Abstand voneinander sind an der Tragplatte 34 der Haltevorrichtung 30 Zugfedern 38 aufgehängt, an deren unterem Ende - unter Zwischenfügung eines geeigneten Befestigungselementes 39 - ein Verankerungsteil 50 angehängt ist. Das Verankerungsteil 50 ist der Form und den Deformationseigenschaften eines natürlichen Beckenknochens angenähert und besteht aus geschäumten Epoxydharz und besitzt an der Stelle des natürlichen Acetabulums eine Ausfräsung 52, in welche die zu testende Hüftpfanne 60 mit den vom Hersteller angegebenen Maßnahmen verankert wird.
• Das Befestigungselement 39 legt - zusammen mit den Zugfedern und deren Befestigungspunkte - die Lage des Verankerungsteils 50 relativ zu einem Prüfkopf 22 fest, der gegen die Innenfläche der Hüftpfanne 60 andrückt und am freien Ende eines Prüfdornes 24 angeordnet ist, welcher durch die Tragplatte 34 hindurtlirigt. er Prüfkopf 22 sitzt fest auf einer Platte 23, die an dem freien Ende des Prüfdornes 24 radial verschiebbar, und in jeder Lage am Prüfdorn 24 festsetzbar ist, so daß sich zwischen Prüfkopf 22 und Prüfdorn eine gewünschte Exzentrizität einstellen läßt.
• Der Prüfdorn 24 ist in einem Lagerblock 26 mit einer vertikal ausgerichteten Achse drehbar gelagert. Der Lagerblock 26 sitzt unter einer Bodenplatte 14, die zusammen mit zwei beabstandeten, vertikalen Seitenwänden 18 und einer oberen Deckenplatte 16 einen kastenförmigen Rahmen 12 bilden. An den Seitenwänden 18 und an der Boden- und Deckenplatte 15, 16 sind nach außen gerichtete Stangen-Gleitlager angeordnet, die die Führungsstangen 10 umfassen und die Verschiebbarkeit des kastenförmigen Rahmens 12 längs der Führungsstangen 10 ermöglichen. Über der Deckenplatte 16 ist eine Gewindestange 17 drehbar gelagert, die in einem Gegengewinde 9 in der Deckplatte 8 des Gestells 2 gelagert ist und an ihrem freien oberen Ende eine Handkurbel aufweist, um den Rahmen 12 von Hand längs der Führungsstangen 10 abzusenken und um den Prüfkopf 22 gegen die zu testende Hüftpfanne 60 anzustellen.
• Die Haltevorrichtung 30 wird von einem ersten Antrieb 40 in eine oszillierende Bewegung längs der Führungsstangen 10 versetzt. Zu diesem Zweck ist unter der Bodenplatte 32 eine Pleuelstange 48 schwenkbar gelagert, deren unteres Ende exzentrisch an einer Welle 44 gelagert ist. Die Welle 44 ist in Lagerblöcken 46 drehbar gelagert. die auf der Grundplatte 4 des Gestells 2 befestigt sind. Ein Elektromotor 42 treibt die Welle 44 über ein Getriebe mit geeigneter Umdrehungszahl, z. B. mit 180 Umdrehungen pro Minute an. Die oszillierende Hin- und Herbewegung der Haltevorrichtung 30 erfolgt dann mit etwa 3 Hz.
• Im Rahmen 12 ist ein zweiter Antrieb 20 auf der Bodenplatte 14 angeordnet. Der Antrieb 20 besitzt ebenfalls einen Elektromotor 21, dessen Welle 23 vertikal mit dem Prüfdorn 24 fluchtet und an den Prüfdorn 24 ankoppelbar ist, um den Prüfdorn in eine Rotationsbewegung zu versetzen.

Claims (14)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum Prüfen der Verankerungssicherheit von künstlichen Hüftpfannen, mit einem Gestellt. einem Verankerungsteil an dem Gestell zur Befesligung der Hüftpfanne, und mit einem in den Pfannenhohlraum einführbaren, halbkugelförmigen Prüfkopf, dadurch gekennzeichnet, daß das Verankerungssteil (50) in vorgegebenem Abstand von der Hüftpfanne (60) beidseitig in einer Haltevorrichtung (30) gelagert ist, die mittels eines ersten Antriebs (40) in Richtung des Prüfkopfes (22) hin und her verschiebbar ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkopf (22) am freien Ende eines drehbar gelagerten Prüfdornes (24) befestigt ist, der von einem zweiten Antrieb (20) in eine Drehbewegung versetzbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfkopf (22) exzentrisch zur Längsachse des Prüfdornes (24) verstellbar und befestigbar ist.
4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der oszillierenden Translationsbewegung der Haltevorrichtung (30) in Richtung der Achse des Prüfdornes (24) verläuft.
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltevorrichtung (30) Federn (38) enthält, über die das Verankerungsteil (50) an der Haltevorrichtung (30) gelagert ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an der Haltevorrichtung (30) Zugfedern (38) aufgehängt sind, an denen das Verankerungsteil beiderseits der Hüftpfanne (60) angehängt ist.
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub oder die Frequenz der oszillierenden Translationsbewegung der Haltevorrichtung (30) einstellbar ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Anspruche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Antrieb (40) einen Elektromotor (42) enthält, dessen Welle (44) über eine Pleuelstange (48) die Haltevorrichtung oszillierend antreibt.
9. 9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche. dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Antrieb (20) einen Elektromotor (21) enthält, dessen Welle (23) fluchtend an dem Prüfdorn (24) ankoppelbar ist.
10. 10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verankerungsteil (50) der Form und den Verformungseigenschaften des natürlichen Beckenknochens angenähert ist und an der Stelle des Acetabulums eine Ausfräsung (52) zum Verankern der Hüftpfanne enthält.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Verankerungsteil (50) aus geschäumten Epoxydharz besteht.
12. 12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Antrieb (40) auf der Grundplatte (4) des Gestells (2) angeordnet ist, und daß die Haltevorrichtung (30) als kastenförmiger Rahmen ausgebildet ist, der mittels zweier Stangen-Gleitlager (33) über dem ersten Antrieb (40) an einer vertikalen seitlichen Stangenführung (10) des Gestells verschiebbar gelagert ist und mittels des Pleuels (48) mit der Antriebswelle (44) des ersten Antriebs (40) verbunden ist.
13. 13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Antrieb (20) in einem kastenförmigen Rahmen (12) angeordnet ist, der in Stabführungslagern (15) über der Haltevorrichtung (30) an der Stabführung (10) vertikal verschiebbar gelagert ist, daß an dem zweiten Rahmen (11) der Prüfdorn (24) vertikal abwärts ausgerichtet in einem Lagerblock (26) drehbar gelagert ist und sich mit dem Prüfkopf in die Haltevorrichtung hinein erstreckt, und daß der zweite Antrieb (20) vertikal mit mit dem Prüfdorn (24) fluchtender Welle (23) im zweiten Rahmen (12) angeordnetist.
14. 14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Verankerungsteil (50) oder der Prüfdorn (24) mittels eines dritten Antriebs periodisch um eine Achse hin und her schwenkbar ist, die im wesentlichen senkrecht zur Achse des Prüfdorns (24) verläuft.

    Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen der Verankerungssicherheit von künstlichen Hüftpfannen, mit einem Gestell, einem Verankerungsteil an dem Gestell zur Befestigung der Hüftpfanne, und mit einem in den Pfannenhohlraum einführbaren, halbkugelförmigen Prüfkopf.

    Künstliche Hüftpfannen werden im menschlichen Beckenknochen im Bereich des Acetabulums eingesetzt, sie dienen als Lage als für den Femurkopf des natürlichen Femurs bzw. einer künstlichen, in den Femur eingesetzten Schaftprothese, und sollen eine möglichst gute, gleichbleibende Verankerungsstabilität im Beckenknochen erzielen. Zu diesem Zweck werden die Hüftpfannen entweder mit Knochenzement in eine entsprechend vorbereitete Ausnehmung einzementiert oder mittels geeigneter, an der Hüftpfanne vorgesehener Verankerungselemente zementfrei in das Knochengewebe eingeschraubt, eingedübelt usw. Trotz der besonderen Beachtung, den die Verankerung der Hüftpfannen von allen Herstellern erfährt, ist die Lokkerungsgefahr bei den implantierten Hüftpfannen nicht mit Sicherheit auszuschließen. Die Stabilität der Verankerung und damit auch die Lockerungsgefahr wird dabei von physiologischen als auch von biomechanischtechnischen Parametern beeinflußt. Dabei spielt die Beanspruchung, welche der Pfannen-Knochen-Verbund durch die ständige Bewegung des menschlichen Hüftgelenkes erfährt, eine besondere Rolle. Aufgrund der komplexen biomechanischen Verhältnisse läßt sich die Verankerungsstabilität der implantierten Hüftpfannen nur in einer Testvorrichtung testen, welche die in vivo im menschlichen Körper vorherrschenden, auf die Pfanne einwirkenden Belastungen möglichst genau simuliert.

    Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zum Prüfen der Verankerungssicherheit von künstlichen Hüftpfannen anzugeben, die in vivo im menschlichen Körper auftretenden, auf implantierte Hüftpfannen einwirkenden Belastungen möglichst genau simuliert und dabei einen einfachen Aufbau besitzt.