DE4442424C1 - Spiralgleitschale für Gelenkendoprothesen bei Humanimplantationen - Google Patents

Spiralgleitschale für Gelenkendoprothesen bei Humanimplantationen

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Description

Die Erfindung geht aus von einer Gleitschale für Gelenkendoprothesen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie bezieht sich auf die Art der Lagerung zwischen Gelenkendo­ prothesen wie sie in der Humanmedizin als Ersatz für natürliche Gelenke Verwendung finden.
Bei künstlichen Hüftgelenken entsprechen beispielsweise die Gelenkendo­ prothesen grundsätzlich dem Kugelgelenkprinzip des natürlichen Hüftge­ lenkes. Hierbei ist der jeweilige Hüftpfannen- bzw. Gleitschalenöffnungs­ durchmesser im Vergleich zum Gelenkkugeldurchmesser immer größer dimensio­ niert, um die Kugel aufnehmen zu können.
Dies bedeutet, daß im Vergleich zum natürlichen Gelenk ein erhöhtes Luxationsrisiko besteht, da das umgebende Muskelgewebe die Funktion einer Gelenkkapselung nicht voll erfüllen kann.
Aus DE 87 02 270 U1 ist eine 3-Komponenten Gelenkpfanne bekannt, welche die Aufnahme und den eventuellen Austausch der Lagerung erleichtert. Hierbei wird ein gelenkpfannenförmiges Innenlager aus Kunststoff mit Metallummantelung verwendet, welches das System mittels Festlegering und zweier Flansche fixiert.
Aus DE 42 20 462 C1 ist eine Lagerung bekannt, die einen Kunststoffeinsatz mit Metallummantelung und Stoßdämpfungsmittel, die zwischen der Innen- und Außenschale angeordnet sind, aufweist und mittels Gewindering und Sprengring gesichert ist.
Aus DE 20 24 583 B2 ist eine Lagerung bekannt, welche Wälzkugeln zwischen der Gelenkkugel und Pfanne aufweist, die mittels eines Metallgewinde­ ringes in Position gehalten werden.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß sich die Gelenkkugel eines künstlichen Oberschenkelschaftes in einer künstlichen Hüftpfanne, ganz gleich ob mit oder ohne einer Lagerschale aus­ gestattet, mit einer relativ hohen Flächenpressung und damit auch Reibung bewegt.
Dieses Problem wird gelöst durch eine Lagergleitschale, die als Spirale konzipiert ist und in mehreren Windungen die Kugel des Kugelgelenkes um­ faßt und gemäß einer Weiterbildung nach Patentanspruch derart, daß sowohl die Innen- als auch Außenflächen der Gleitschale als beidseitig wirkende Gleitflächendienden und Relativbewegungen der Gleitschale erlauben und somit die Flächenpressung und Reibung herabsetzen sowie auch dämpfend bei hohen Beanspruchungen wirken.
Die Flächenpressung sowohl der Kugel gegen die Innenfläche der Gleitschale als auch letzterer gegen die Kugelkalottenoberfläche der Hüftpfanne wird weiter reduziert durch die asphärische Kugelkalottenkontur im Gegensatz zur sphärischen Kugeloberfläche.
Der in den Patenansprüchen 3 oder 4 angegeben Weiterbildung der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei allen offenen Lagerungen, ganz gleich ob mit oder ohne Gleitlager ausgerüstet, der Öffnungsdurchmesser zur Aufnahme der Gelenkkugel immer größer als der Kugeldurchmesser dimensioniert ist und dadurch bei bestimmten Bewegungen und Belastungen aus der Lagerung heraus­ klettern d. h. auskugeln kann und es somit zu einer unerwünschten Luxation des Gelenkes kommen kann.
Diese "offene" Lagerung kann einer Luxation nur bedingt Widerstand durch das umgebende Muskelgewebe leisten.
Das Problem wird gelöst durch die Selbstblockierung bzw. -Hemmung der Gelenkkugel durch die unterste Windung der Spirale bei Zugbeanspruchung, da diese Windung außermittig unterhalb der Kugelmitte positioniert ist und praktisch eine Begrenzung darstellt.
Der Öffnungsdurchmesser der Pfanne (dp) ist so bemessen, daß die Selbst­ hemmung der Gelenkkugel durch den Dimensionsaufbau von Kugeldurchmesser (dk) plus eines Materialdimensionsanteiles (m · 2) der untersten Spiral­ windung der Gleitschale bei einer Zugbeanspruchung der Gelenkkugel dadurch gegeben ist, daß die Gelenkkugel die unterste Spiralwindung gegen die innere Wandung der Pfanne in Nähe der Pfannenöffnung drückt:
dp < dk + (m · 2).
Die funktionsgerechte Positionierung der untersten Spiralwindung der Gleitschale erfolgt nach dem Einführen der Gelenkkugel durch die Hüft­ pfannenöffnung dadurch, indem die vorgespannten Windungen zusammengedrückt werden, um, nachdem die Gelenkkugel die höchste Position im System erreicht hat, sich wieder zu entspannen, wobei die unterste Spiralwindung in eine Lage unterhalb der Gelenkkugelmitte gebracht wird und dort den Systemab­ schluß bildet.
Der im Patentanspruch 5 angegebenen Weiterbildung der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß der Abrieb, falls die Kugellagerung nicht abgedichtet ist, ungehindert in das umliegende Muskelgewebe wandern kann.
Es kann zu Entzündungen bzw. allergischen Reaktionen kommen. Daraus resul­ tierende vorzeitige Lockerungen der Implantate sind nicht auszuschließen. Das Problem wird dadurch gelöst, indem die unterste Spiralwindung als Ab­ schlußwindung form-und/oder materialmäßig so gestaltet ist, daß sie den Austritt des Abriebs aus dem Spiralsystem zwar nicht vollständig vermeiden kann, jedoch behindert. Der Abrieb kann weitgehend in den Freiräumen zwischen den Spiralwindungen der Gleitschale im System verbleiben.
Der im Patentanspruch 6 angegebenen Weiterbildung der Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß bei hoher Belastung eine relativ hohe Flächenpressung zwischen der Gelenkkugel und der Gleitschale bzw. der Hüftpfanne entsteht und den aus Körperflüssigkeit bestehenden Schmierfilm unterbrechen kann. Ein erhöhter Abrieb ist die Folge. Daraus wiederum folgt, daß die Standzeit bzw. die Lebensdauer der Lagerung beeinträchtigt wird.
Das Problem wird gelöst, indem jede Windung der Spirale, ausgenommen ist die unterste Windung=Abschlußwindung, so ausgebildet ist, daß eine ständige Schmierkeilbildung mit körpereigenen Flüssigkeit dadurch ermöglicht wird, indem der äußere Radius einer jeden Windung (ra) kleiner dimensioniert ist als der innere Hüftpfannenradius (Rp):
ra < Rp.
Der im Patentanspruch 7 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, daß herkömmliche offene Lagerungen vorzugsweise als Gleitlager konzipiert sind und daher nur wenig Speicherkapazität für das Schmiermittel Körper­ flüssigkeit besitzen.
Das Problem wird dadurch gelöst, daß in den Freiräumen zwischen den einzel­ nen Spiralwindungen und Wandungen körpereigene Schmierflüssigkeit ständig gespeichert ist und sich daher der Schmierfilm kontinuierlich erneuern kann.
Die Erfindung verhindert die Luxation durch Selbsthemmung der Gelenk­ kugel in einem als Spirale konzipierten Gleitschalensystem. Ferner bewirkt die Spiralgleitschale bzw. die Gestaltung der Spiralen eine wesentlich verbesserte Eigenschmierung des künstlichen Gelenkes, wirkt dämpfend bei Stoßbelastungen und reduziert den Verschleiß.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere bei künstlichen Hüftgelenken insofern von großer Bedeutung, als sie, bedingt durch die Möglichkeit der Relativbewegungen der Gleitschale sowie der niedrigeren Flächenpressung und Reibung aber auch der besseren Schmierung, die Lebensdauer bzw. Stand­ zeit der Implantate deutlich erhöhen.
Die Reduzierung der im Muskelgewebe umhervagabundierenden Abriebpartikel trägt ebenfalls zu Erhöhung der Lebensdauer bei und senkt zudem das Entzündungsrisiko.
Ein anderer wichtiger Vorteil besteht in der Verhinderung der Gelenk­ luxation, die bei einer offenen als Halbschale ausgebildeten Hüftpfannen­ lagerung ein potentielles Risiko darstellt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung bezieht sich auf die Möglich­ keit, Gelenkendoprothesen für andere im Prinzip ähnliche Gelenke, die den Erfordernissen entsprechend modifiziert werden müssen, deren Haupt­ kennzeichen jedoch darin besteht, daß die jeweilige Gleitschale beid­ seitig wirkt und wo sich Körperflüssigkeit zwecks Schmierkeilaufbau ansammeln kann und daß ferner eine Gelenkluxation verhindert wird.
Die materialgerechte Ausstattung der als Spirale konzeptierten Gleit­ schale kann aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, vorzugsweise sowohl Polyäthylene o. ä. Kunststoffe als auch Silikate bzw. Silikatverbindungen oder Keramiken bzw. Keramikverbindungen sowie Verbundstoffen und Sandwichverbindungen der o.a. Materialien - vorausgesetzt sie entsprechen den notwendigen mechanischen Eigenschaften wie Biegung, Drucklast, Torsion, Notlauf etc. sowie den körperkompatiblen Charakteristika.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert.
Die Fig. 1 zeigt - teilweise im Schnitt - Hüftgelenk-Endoprothesen­ teile für Humanimplantationen.
Die als Spirale konzipierte Gleitschale (10) ist zwischen der künst­ lichen Hüftpfanne (11) und der auf dem Oberschenkelzapfen sitzenden Gelenkkugel (12) positioniert.
Die unterste Spiralwindung (15) der Gleitschale (10) befindet sich in der Endposition unterhalb der Mitte der Gelenkkugel (12).
In dieser Position bewirkt diese unterste Spiralwindung (15) bei einer Zugbeanspruchung (19) die Selbsthemmung des Systems, da der Durchmesser dp (16) der Hüftpfanne (11) kleiner als der Durch­ messer dk (17) der Gelenkkugel (12) plus des Materialdimensions­ anteiles m · 2 (18) der untersten Spiralwindung (15) ist:
dp < dk + (m · 2).
Die Gelenkkugel (12) drückt die unterste Spiralwindung (15) gegen die innere Wandung (14) der Hüftpfanne (11).
Der Ausgang bzw. Hüftpfannenöffnung ist für die Gelenkkugel (12) blockiert. Die Gelenkluxation wird verhindert.
Um die Flächenpressung im System zu reduzieren, ist u. a. im Gegensatz zur sphärischen Gelenkkugel (12) die Hüftpfannenoberfläche asphärisch ausgebildet und dadurch gekennzeichnet, daß der Hüftpfannen-Innenradius Rp (23) um das Maß "e" von der Systemmitte abweicht.
Die Gleitschale (10) ist dadurch gekennzeichnet, daß deren Innen­ fläche (13) als auch deren Außenfläche (14) als beidseitig wirkende Gleitflächen einerseits für die Hüftpfanne (14) und andrerseits für die Gelenkkugel (12) dienen.
Diese Konzeption erlaubt neben dem normalen Bewegungsablauf der Gelenk­ kugel (10) zusätzlich Relativbewegungen der Gleitschale (10) in der Kugelpfanne (11).
Dies ist insbesondere bei Extrembeanspruchungen wichtig: Die Spirale weicht aus und dämpft damit auch Stöße ab.
Die Fig. 2 zeigt im Schnitt das Prinzip einer typischen Spiralwin­ dung (20). Der äußere Radius ra (22) ist kleiner ausgelegt als der um das Maß "e" außermittig liegende innere Hüftpfannenradius Rp (23). Dies gewährleistet den sich ständig erneuernden Schmiermittelkeil (21). Die körpereigene Flüssigkeit wird als Schmierung optimal genutzt.
Bezugszeichenliste
Fig. 1
10 Gleitschale
11 Künstliche Hüftpfanne
12 Gelenkkugel eines künstlichen Oberschenkelschaftes
13 Innenfläche einer Gleitschale
14 Außenfläche einer Gleitschale
15 Unterste Spiralwindung einer Gleitschale
16 Pfannenöffnungsdurchmesser dp
17 Gelenkkugeldurchmesser dk
18 Materialdimensionsanteil (m · 2) der untersten Spiralwindung, welcher bei Zugbeanspruchung die Selbsthemmung bewirkt.
19 Richtung der Zugbeanspruchung
Fig. 2
20 Querschnitt einer Spiralwindung der Gleitschale
21 Schmierkeil
22 Äußerer Spiralwindungsradius ra
23 Innerer Pfannenradius Rp, exzentrisch mit einer Mittenabweichung e (asphärische Ausbildung der Pfannenkugelkalottenkontur).

Claims (7)

1. Gleitschale für Gelenkendoprothesen bei Humanimplantationen, insbesondere als Lager zwischen einer künstlichen Hüftpfanne (11) und der Gelenkkugel eines künstlichen Oberschenkelschaftes (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Lagergleitschale als Spirale (10) konzipiert ist und in mehreren Windungen die Kugel des Kugelgelenkes (12) umfaßt.
2. Gleitschale nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Innen- und Außenflächen der Gleitschale (13/14) als beidseitig wirkende Gleitflächen dienen und Relativbewegungen erlauben.
3. Gleitschale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Spiralwindung (15) die Luxation der Gelenkkugel aus der Pfannenlagerung verhindert.
4. Gleitschale nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pfannenöffnungsdurchmesser dp (16) so bemessen ist, daß die Selbst­ hemmung des Systems durch den Dimensionsaufbau von Kugeldurchmesser dk (17) plus des Materialdimensionsanteiles m · 2 (18) der untersten Spiralwindung (15) der Gleitschale dadurch gegeben ist, daß die Gelenkkugel bei Zugbeanspruchung (19) diese unterste Spiralwindung gegen die innere Wandung der Pfanne in Nähe der Pfannenöffnung drückt und somit die Selbsthemmung bewirkt: dp < dk + (m · 2).
5. Gleitschale nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste Spiralwindung (15) als letzte Windung so ausgebildet ist, daß sie den Austritt des Abriebs in das Muskelgewebe behindert und somit reduziert.
6. Gleitschale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede - außer der untersten - Windung des Spiralsystems so ausge­ bildet ist, daß eine ständige Schmierkeilbildung (21) dadurch ermöglicht wird, indem der äußere Radius einer jeden Windung ra (22) kleiner dimensioniert ist als der innere Pfannenradius Rp (23): ra < Rp.
7. Gleitschale nach Anspruch 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Freiräumen zwischen den einzelnen Spiralwindungen und -Wandungen (10) Körperflüssigkeit als Schmiermittel ständig gespeichert ist.
DE4442424A 1994-11-29 1994-11-29 Spiralgleitschale für Gelenkendoprothesen bei Humanimplantationen Expired - Fee Related DE4442424C1 (de)

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