DE60308991T2

DE60308991T2 - Verfahren zur herstellung einer orthopädischen gelenkprothesenkomponente mit einer annähernd sphärischen fläche

Info

Publication number: DE60308991T2
Application number: DE2003608991
Authority: DE
Inventors: Richard Farrar
Original assignee: DePuy International Ltd
Current assignee: DePuy International Ltd
Priority date: 2002-01-17
Filing date: 2003-01-16
Publication date: 2007-08-30
Anticipated expiration: 2023-01-17
Also published as: ATE342020T1; DE60308991D1; JP4249029B2; CA2473554A1; EP1465557B1; US7469474B2; EP1465557A1; US20050087047A1; WO2003061532A1; CA2473554C; GB0200993D0; JP2005532839A; AU2003202027B2

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren für die Herstellung einer Komponente einer orthopädischen Gelenkprothese, welche eine Auflageoberfläche aufweist, deren Form in etwa einem Teil einer Kugel entspricht und die um ihre polare Achse symmetrisch ist. Die Komponente kann für den Ersatz von erkrankten oder beschädigten Kugel- und Pfannengelenken bei Mensch und Tier verwendet werden.
Implantierbare Gelenkprothesen für Gelenke, wie beispielsweise Hüft- und Schultergelenke, umfassen einen abgerundeten Kopf auf einem Stiel, welcher in die intramedulläre Höhle des langen Knochens eingepaßt werden kann, und eine implantierbare Schale, welche den abgerundeten Kopf für die Gelenkverbindung aufnehmen kann.
Eine sorgfältige Vorbereitung der Auflageoberflächen der Kopf- und Schalenkomponenten einer Gelenkprothese ist erforderlich, um eine zufrieden stellende Gelenkverbindung zu erreichen. Die Oberflächen sollten einen beträchtlichen Kontaktbereich aufweisen, damit die Belastung verteilt wird. Wichtig ist es allerdings auch, einen kleinen Zwischenraum für die Schmierflüssigkeit zwischen den Auflageoberflächen beizubehalten. Um eine befriedigende Schmierung aufrecht zu erhalten, ist die Kontrolle des Zwischenraums von Bedeutung. Ein nicht korrekter Zwischenraum ganz gleich, ob zu groß oder zu klein, kann zu direktem Kontakt der Auflageoberflächen führen und somit zum Verschleiß der Oberflächen und zur Entstehung von Abriebpartikeln.
Für die Verwendung von Komponenten, welche Auflageoberflächen mit kugelförmigen Geometrien aufweisen, ist es erforderlich, daß der Durchmesser der Kopfkomponente etwas kleiner ist als der innere Durchmesser der Schalenkomponente, um damit einen Zwischenraum zwischen den Oberflächen zu erhalten. Allerdings bedeutet dies, daß die Belastung zwischen den Oberflächen nur an einem Punkt oder in einem kleinen Kontaktbereich übertragen wird; es ist nicht möglich, eine echte lasttragende Beziehung von Oberfläche zu Oberfläche zu erreichen, wenn die beiden Oberflächen kugelförmig sind, aber unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
WO-A-97/16138 offenbart eine Gelenkprothese, bei welcher die Verbindungsoberflächen der Kopf- und Schalenkomponente eine komplexe Konfiguration haben. Jede Auflageoberfläche besitzt um ihren Pol herum einen kugelförmigen Abschnitt. Die kugelförmigen Ab schnitte befinden sich in einer lasttragenden Beziehung von Oberfläche zu Oberfläche. Jede Auflageoberfläche hat einen nicht-kugelförmigen Abschnitt an der Stelle, an der die Oberflächen voneinander abweichen, indem der Radius der Krümmung der Auflageoberfläche der Schalenkomponente auf einen größeren Wert und der Radius der Krümmung der Auflageoberfläche der Kopfkomponente auf einen geringeren Wert verändert wird. Die daraus entstehenden Auflageoberflächen umfassen Streckenunterbrechungen an dem Punkt, an dem sich die Radien verändern. Dies kann in den Streckenbereichen, in denen diese Unterbrechungen auftreten, zu verstärktem Abrieb führen.
WO-A-95/23566 offenbart eine Gelenkprothese, bei welcher eine Gelenkschale eine konkave Auflagefassung für die Aufnahme des Kopfes einer femoralen Komponente einer Hüftprothese besitzt. Der Radius der Krümmung der Oberfläche der Schale nimmt kontinuierlich und monotonisch ausgehend von dem Rand der Schale bis auf einen Minimalwert (R₂) an einem Punkt innerhalb der Schale ab. Der Kopf der Kugelkomponente weist eine primär kugelförmige Geometrie auf mit einem Krümmungsradius von R₁, wobei R₁ geringfügig kleiner ist als R₂. Vom tatsächlichen Pol entfernt, weichen die Oberflächen voneinander ab, um so einen größer werdenden Zwischenraum zwischen den monotonisch voneinander abweichenden Oberflächen zu hinterlassen. Die nicht-kugelförmige Auflageoberfläche dieses Patents ist kontinuierlich, weil der Radius sich kontinuierlich und in einer einheitlichen Richtung (das heißt monotonisch) verändert, aber bis zu einem Punkt kleiner wird. Ein Problem, welches sich mit diesem Design stellt, besteht darin, daß die offenbarten Auflageoberflächen niemals die Belastungsverteilungsmerkmale bereitstellen können, wie sie durch zwei Oberflächen in einem Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche geschaffen werden.
In der internationalen Patentanmeldung Nr. GB 01/05307 wird eine orthopädische Gelenkprothese offenbart, bei welcher die Auflageoberflächen der sich entsprechenden Komponenten über einem Teil ihres Bereichs kugelförmig in einem polaren Abschnitt (relativ zu der Achse der Komponente) angeordnet sind, und bei welcher mindestens die Oberfläche einer der Komponenten von der Kugelgestalt zwischen dem polaren Abschnitt und dem Äquator der Komponente abweicht. Diese Abweichung von der Kugelgestalt braucht nur gering zu sein. Dies kann allerdings bedeuten, daß die offenbarte Prothese einen Bereich eines Kontakts von Oberfläche zur Oberfläche an dem Pol der Auflageoberfläche bereitstellen kann, wodurch eine sanfte Gelenkverbindung ermöglicht wird, während die Verän derung im Radius der Krümmung der Auflageoberfläche bedeutet, daß die Wahrscheinlichkeit der Gelenksperrung gegen die kontinuierliche Verbindung, zum Beispiel aufgrund von Mängeln bedingt durch Einschränkungen bei den Herstellungstechniken, verringert ist. Merkmale einer orthopädischen Gelenkkomponente, deren Form von der Kugelgestalt abweicht, umfassen Merkmale bezüglich Form und Techniken ihrer Herstellung, welche in diesem Dokument offenbart und für die Komponenten der vorliegenden Erfindung anwendbar sind.
Techniken für die Bearbeitung von Gegenständen mit kugelförmigen Oberflächen, bei welchen der Gegenstand und ein Schneidewerkzeug um die jeweiligen Achsen herum gedreht werden, sind aus den Patentschriften US 5,823,721 und US 6,126,695 bekannt.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit, um orthopädische Gelenkprothesen herzustellen mit in etwa kugelförmigen Auflageoberflächen, wodurch die Herstellung dieser Oberflächen mit Konfigurationen, welche von der tatsächlichen Kugelgestalt abweichen, erleichtert wird, wie zum Beispiel oben offenbart.
Demgemäß stellt die Erfindung, in einem Aspekt, ein Verfahren zum Herstellen einer Komponente einer orthopädischen Gelenkprothese bereit, welche eine Auflageoberfläche aufweist, deren Form in etwa zum Teil einer Kugel entspricht und symmetrisch über der polaren Achse angeordnet ist, wobei das Verfahren ein Schneidewerkzeug nutzt, welches eine kreisförmige Schneide aufweist, und um eine Achse gedreht werden kann, welche senkrecht zu der die Schneide enthaltenden Ebene ist, und wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:

a. Drehen der Komponente um ihre polare Achse und Drehen des Schneidewerkzeugs um seine Achse, wobei die Schneide des Schneidewerkzeugs mit der Oberfläche der Komponente in Kontakt ist, um die Oberfläche in einem Bereich zwischen dem Äquator und dem polaren Bereich zu schneiden, und
b. Bewegen des Schneidewerkzeugs (i) in eine Richtung parallel zur polaren Achse der Komponente, während der Winkel zwischen der Achse des Schneidewerkzeugs und der polaren Achse der Komponente unverändert gelassen wird, und (ii) entlang seiner Achse, und
c. Wiederholen von Schritt (a),

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung basiert auf konventionell verwendeten Techniken für die Herstellung von Gelenkkomponenten mit Auflageoberflächen, welche in etwa kugelförmig sind. Diese Techniken bedienen sich eines Schneidewerkzeugs, welches eine kreisförmige Schneide aufweist, und welches um eine Achse gedreht werden kann, welche senkrecht zu der die Schneide enthaltenden Ebene ist. Wenn die Komponente hohl ist, so daß die Auflageoberfläche konkav ist (oftmals bezeichnet als Schalenkomponente), kann das Schneidewerkzeug in der Form einer Scheibe sein und die Schneide stellt die äußere Kante (oder Ecke) dieser Scheibe dar. Ist die Auflageoberfläche konvex, hat das Schneidewerkzeug ein zentrales Loch (zum Beispiel ist dieses ringförmig) und die Schneide des Werkzeugs wird durch die innere Kante dieses Loches bereitgestellt. Ein ringförmiges Schneidewerkzeug kann kreisförmige innere und äußere Schneiden haben, so daß es benutzt werden kann, um konkave und konvexe Auflageoberflächen auf den jeweiligen Komponenten zu bilden. Das Schneidewerkzeug sollte im Allgemeinen so ausgewählt werden, daß der Durchmesser der Schneide mindestens groß genug ist, um die Komponente sowohl über dem Pol der Komponente (definiert durch die Achse der Rotationssymmetrie) als auch dem Äquator zu halten.
Materialien für die Schneidewerkzeuge, die in dem Verfahren der vorliegenden Erfindung benutzt werden können, sind gut bekannt.
Der Vorgang, bei dem das sich drehende Schneidewerkzeug gegen die drehende Komponente gedrückt wird, ermöglicht es, Material von der Oberfläche der Komponente zu entfernen und führt zu einer Komponente mit einer exakten kugelförmigen Oberfläche. Stark polierte Oberflächen können durch die Verwendung von Schneidewerkzeugen mit zunehmend feiner Partikelgröße erhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde herausgefunden, daß es möglich ist, die Abweichungen von der tatsächlichen Kugelgestalt der Auflageoberfläche einer Komponente durch Bewegung des Schneidewerkzeugs in Bezug zur Oberfläche der Komponente zu kontrollieren. Das Schneidewerkzeug kann in Bezug auf die Komponente zwei Bewegungen ausführen (wobei es sich im Allgemeinen um eine Bewegung des Schneidewerkzeugs selbst handeln wird, die Bewegung aber auch durch die Komponente ausgeführt werden kann), welche nacheinander oder gleichzeitig ausgeführt werden können. Eine der Bewegungen betrifft das Bewegen des Schneidewerkzeugs in einer Richtung parallel zu der polaren Achse der Komponente, während der Winkel zwischen der Achse des Schneidewerkzeugs und der polaren Achse der Komponente unverändert bleibt. Diese Bewegung wird in eine Richtung weg von der Auflageoberfläche der Komponente erfolgen. Die andere Bewegung des Schneidewerkzeugs findet entlang seiner eigenen Achse statt und wird in eine Richtung zu der Auflageoberfläche hin erfolgen, wenn die Auflageoberfläche der Komponente konkav ist, und wird den Radius der Oberfläche mit kontinuierlicher Bewegung vergrößern. Auch wird die Bewegung des Schneidewerkzeugs entlang seiner Achse in einer Richtung zur Auflageoberfläche hin erfolgen, wenn die Auflageoberfläche der Komponente konvex ist, und wird den Radius der Oberfläche mit kontinuierlicher Bewegung verkleinern.
Es wurde herausgefunden, daß die Kombination aus den zwei Bewegungen des Schneidewerkzeugs zur Herstellung einer Komponente führen kann, welche rotationssymmetrisch um die Achse der Komponente angeordnet ist, und bei welcher sich der Radius der Kugel kontinuierlich und monotonisch mit dem Winkel zwischen dem Radius und der polaren Achse der Komponente verändert. Die zwei Bewegungen des Schneidewerkzeugs können unter geeigneter Steuerung des Werkzeugs kontinuierlich ausgeführt werden, zum Beispiel, indem motorgesteuerte Antriebe für die Komponente und das Schneidewerkzeug benutzt werden, die mit Hilfe von geeigneter Software gesteuert werden. Allerdings wurde herausgefunden, daß die Bewegungen des Schneidewerkzeugs schrittweise ausgeführt werden können, und daß Abweichungen von der Kugelgestalt, welche geeignet sind, um die Aufgaben, die in den oben diskutierten Patentschriften identifiziert sind, zu erfüllen, ohne nicht akzeptable Diskontinuitäten in der Auflageoberfläche erreicht werden können. Dazu gehört es sicherzustellen, daß zwei Bewegungen des Schneidewerkzeugs genau abgestimmt sind und in Verbindung zueinander ausgeführt werden (wenn sie nicht gleichzeitig ausgeführt werden).
Vorzugsweise erstreckt sich die Auflageoberfläche, welche durch das Schneidewerkzeug definiert wird, bevor dieses entlang der Achse des Arbeitsstücks bewegt wird, durch einen Bogenwinkel (welcher der halbe Winkel eines Kegels an der polaren Achse sein wird) von mindestens 5°, vorzugsweise von mindestens etwa 10°, zum Beispiel etwa 15°.
Wenn das Schneidewerkzeug inkrementell bewegt wird, kann dieses für den Abschnitt der Auflageoberfläche bevorzugt werden, welcher durch das Schneidewerkzeug zwischen einem beliebigen Paar nacheinander erfolgender inkrementeller Bewegungen daraus gebildet wird, um sich durch einen Bogenwinkel von mindestens 1° zu erstrecken, mehr bevorzugt über einen Bogenwinkel von mindestens 3°, zum Beispiel mindestens etwa 7°. Vorzugsweise beträgt der Bogenwinkel nicht mehr als etwa 20°, mehr bevorzugt nicht mehr als 10°. Der Bogenwinkel wird durch das Ausmaß der Bewegung des Schneidewerkzeugs in einer Richtung parallel zu der polaren Achse der Komponente und die Veränderung in dem Radius der kugelförmigen Oberfläche, welche durch das Schneidewerkzeug nach Ausführen der Bewegungen (i) und (ii) gebildet wird, bestimmt. Relativ große Bogenwinkel bieten den Vorteil, daß sie die Anzahl der Schneidevorgänge, die an der Komponente ausgeführt werden müssen, reduzieren. Relativ kleine Bewegungen haben den Vorteil, daß sie die Herstellung einer Komponente mit geringen Diskontinuitäten bei jeder Veränderung im tatsächlichen Winkel ermöglichen sowie auch kleine Abweichungen von der Kugelgestalt (zum Beispiel gemessen in Bezug auf einen Anstieg im effektiven Radius an dem Äquator), die erhalten werden soll. Vorzugsweise beträgt das Verhältnis des Abstands, durch welchen das Schneidewerkzeug in jedem inkrementellen Schritt bewegt wird, zu dem Radius der Komponente an dem Pol nicht mehr als etwa 0,15, mehr bevorzugt nicht mehr als 0,10, besonders bevorzugt nicht mehr als etwa 0,07, zum Beispiel nicht mehr als 0,035 oder nicht mehr als etwa 0,02.
Die Abweichung von der Kugelgestalt der Auflageoberfläche der Komponente wird im Allgemeinen gering sein. Zum Beispiel kann sie vorzugsweise die maximale Breite des Bereichs ausmachen, welcher zwischen der Auflageoberfläche der Komponente und der entsprechenden Auflageoberfläche einer dazu passenden Komponente nicht mehr als 1 mm breit ist, zum Beispiel nicht mehr als 500 μm, vorzugsweise nicht mehr als etwa 300 μm, insbesondere nicht mehr als 100 μm, zum Beispiel nicht mehr als 60 μm. Die Breite des Bereichs wird im Allgemeinen mindestens bei etwa 15 μm liegen, zum Beispiel bei etwa 20 μm bis etwa 50 μm. Die Breite des Bereichs wird allgemein graduell zunehmen ausgehend von der Umfangslinie, an welcher die Änderungen im Radius in einer Richtung weg von dem Pol der Komponenten aufhören. Im Allgemeinen wird die Breite des Bereichs am Äquator oder in Richtung des Äquators der Komponente am größten sein. Die Abweichung von der Kugelgestalt wird allgemein nur auf eine der Komponenten angewandt, während die andere Komponente einen wesentlich konstanten Krümmungsradius über den größten Teil des Bereichs ihrer Auflageoberfläche oder vorzugsweise über ihre gesamte Auflageoberfläche haben wird. Dadurch ergeben sich mehrere Vorteile, einschließlich einer einfacheren Herstellung einer der Komponenten.
Die Konfiguration einer Auflageoberfläche einer Komponente kann derart sein, daß die Auflageoberfläche einen kugelförmigen Abschnitt an dem Pol aufweist. Der Abschnitt, der von dem Pol entfernt liegt, kann kugelförmig sein, aber mit einem anderen Radius, zum Beispiel wie in WO-A-97/16138 offenbart. Der Abschnitt, welcher von dem Pol entfernt liegt, kann einen Krümmungsradius haben, welcher sich dann kontinuierlich und monotonisch verändert, während der Winkel zwischen dem Radius und der polaren Achse sich vergrößert, wie in der internationalen Patentschrift Nr. GB 01/05307 offenbart.
Die Konfiguration der Auflageoberfläche, welche durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist derart, daß der Radius der Auflageoberfläche einer Schalenkomponente kontinuierlich und monotonisch vom Äquator der Schalenkomponente ausgehend bis auf einen Minimalwert an einem Punkt innerhalb der Schale abnimmt. Eine solche Schalenkomponente ist in WO-A-95/23566 offenbart. Die Konfiguration der Auflageoberfläche, welche durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, ist auch derart, daß der Radius der Auflageoberfläche einer kugelförmigen Kopfkomponente kontinuierlich und monotonisch vom Äquator der Kopfkomponente ausgehend bis auf einen Maximalwert an einem Punkt an dem Kopf, allgemein dem Pol, zunimmt.
Das Verfahren der Erfindung kann einen Schritt des Sterilisierens der Komponente umfassen, so daß diese für die Implantation in einem menschlichen oder tierischen Körper als eine Komponente einer Gelenkprothese geeignet ist.
Das Material für die Komponente kann ausgewählt werden aus Materialien, welche üblicherweise für orthopädische Gelenkprothesenkomponenten benutzt werden. Solche Komponenten sind normalerweise aus Materialien hergestellt wie beispielsweise metallischen, polymerischen und keramischen Materialien. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere geeignet für Gelenkprothesen, in welchen die sich einander ergänzenden Auflageoberflächen beide hart sind, zum Beispiel in welchen die sich einander ergänzenden Auflageoberflächen beide aus Metall- und Keramikmaterial ausgewählt sind. Diese Auflageoberflächen können gleich oder verschieden sein. Geeignete Metallmaterialien umfassen Kobaltchrom-Legierungen, Titan-Legierungen und bestimmte rostfreie Stähle. Im Allgemeinen werden geeignete Keramikmaterialien dichte, harte, kristalline, nicht-metallische, insbesondere anorganische Materialien sein. Eine Auflageoberfläche könnte aus solch einem Material gebildet werden mit Hilfe eines Vorgangs, welcher zum Beispiel die Aussetzung gegenüber hoher Temperatur und Druck umfaßt. Zu den Beispielen für Keramikmaterialien gehören harte Oxide. Zu den Beispielen für geeignete harte Oxidmaterialien zählen Aluminiumoxid (Alumina) und Zirkoniumoxid (Zirconia). Zirkoniumoxid wird vorzugsweise in Mischungen mit anderen Materialien verwendet, wie beispielsweise mit einem Aluminiumoxid oder mehreren Aluminiumoxiden und Yttriumoxid. Andere Keramikmaterialien umfassen bestimmte Carbide und Nitride, wie beispielsweise Carbide und Nitride von Titan, Chrom, Silikon, Aluminium und Zirkonium.
Die erfindungsgemäße Komponente kann aus mehr als einem Material hergestellt werden. Zum Beispiel kann die Komponente aus einem ersten Material hergestellt sein mit einer Oberfläche, die von einem anderen Material bereitgestellt wird. Die Verwendung von Keramikoberflächen für die Komponente kann Vorteile in Bezug auf Verschleißresistenz bieten.
Die Komponente der vorliegenden Erfindung weist eine Auflageoberfläche auf, welche rotationssymetrisch ist, und zwar mindestens über einem Abschnitt ihrer Oberfläche um den Pol herum. Die Komponente muß nicht rotationssymmetrisch sein. Zum Beispiel könnte die Komponente einen Randbereich aufweisen, in dem das Ausmaß der Auflage oberfläche in Bezug zu dem Äquator unterschiedlich ist zu dem Ausmaß der Auflageoberfläche über dem verbleibenden Abschnitt der Komponente.
Die erfindungsgemäße Komponente könnte ein Teil einer Hüftgelenkprothese oder einer Schultergelenkprothese sein oder ein Teil einer anderen Prothese, wie beispielsweise eine Komponente für eine Wirbelsäulenprothese. Wenn es sich bei der Komponente um eine Femoralkomponente einer Hüftgelenkprothese oder einer humeralen Komponente einer Schultergelenkprothese handelt, kann sie einen konvexen Kopf aufweisen. Wenn es sich um eine Pfannenkomponente einer Hüftgelenkprothese handelt, kann die Prothese eine konkave Schale aufweisen.
Die Auflageoberfläche der Komponente wird so fertiggestellt, daß sie glatt und im Wesentlichen frei von Unebenheiten ist. Techniken für die Fertigstellung der Oberfläche sind in Verbindung mit der Herstellung von orthopädischen Gelenkprothesenkomponenten bekannt. Vorzugsweise weist die Auflageoberfläche eine Rauhigkeit auf von nicht mehr als etwa 0,015 μm R_a auf, mehr bevorzugt von nicht mehr als etwa 0,01 μm R_a, besonders bevorzugt von nicht mehr als etwa 0,008 μm R_a, zum Beispiel nicht mehr als etwa 0,005 μm R_a, gemessen mit Hilfe konventioneller Oberflächenprofilometergeräten.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine Schnittansicht durch eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für das Finishing (die Fertigstellung) der kugelförmigen Auflageoberfläche einer hohlen Schalenkomponente einer orthopädischen Gelenkprothese;
2 eine grafische Darstellung, in welcher gezeigt wird, wie das Schneidewerkzeug während der Herstellung einer Gelenkprothesenkomponente bewegt werden kann, so daß die Form der Auflageoberfläche von der Kugelgestalt abweicht; und
3 eine Seitenansicht einer hohlen Schalenkomponente einer orthopädischen Gelenkprothese, welche hergestellt wird unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 ein hohles Arbeitsstück 2, welches eine ungefähre kugelförmige Form aufweist. Das Arbeitsstück hat ein schlechtes Finish (Oberflächenausführung) und nicht akzeptable Abweichungen von der Kugelgestalt, was aus seiner Herstellung resultiert, zum Beispiel aufgrund von Gießtechniken oder durch grobe Bearbeitung.
Bekannt ist, die Auflageoberfläche eines hohlen Arbeitsstücks mit Hilfe einer Vorrichtung fertig zu stellen, welche es ermöglicht, das Arbeitsstück um seine Symmetrieachse 4 zu drehen. Ein Stein 6 für das Mikrofinish wird an einem rotierenden Antrieb befestigt und sich um seine Achse 8 drehen gelassen, wodurch eine Anordnung entsteht derart, daß sich die Achsen des Arbeitsstücks und des Steins im Zentrum 10 der Kugel, die durch das Arbeitsstück definiert wird, überschneiden. Der Stein ist kreisförmig und hat einen Durchmesser, welcher derart ausgelegt ist, daß die Schneide 12 auf der Umfangslänge des Steins die Oberfläche an dem Pol 14 des Arbeitstücks berührt und mit dessen Äquator überlappt. Die Bewegung der kreisförmigen Schneide 12 von dem Stein gegen die hohle Oberfläche des Arbeitsstücks 2 führt zu einem Entfernen von Material von der Oberfläche des Arbeitsstücks und hinterläßt ein Arbeitsstück mit einer glatten Oberfläche mit einer genauen kugelförmigen Form. Das Finish der Oberfläche kann durch Verwenden von Steinen für die Oberflächenbearbeitung mit zunehmend feineren Partikelgrößen optimiert werden. Eine Vorrichtung dieser Art ist von der deutschen Firma Thielenhaus verfügbar.
Die vorliegende Erfindung stellt eine Technik bereit für die Herstellung einer Komponente einer orthopädischen Gelenkprothese, bei welcher die Bewegungen des Schneidewerkzeugs dazu führen, daß sich der effektive Krümmungsradius der Auflageoberfläche der Komponente (gemessen zum Zentrum der Kugel hin, welche durch die Auflageoberfläche an dem Pol definiert ist) kontinuierlich und monotonisch ändert, während sich der Winkel. zwischen dem Radius und der polaren Achse der Komponente verändert. Die Bewegungen sind in 2 schematisch dargestellt.
2 zeigt schematisch einen halben Abschnitt des Arbeitsstücks 2, welches in 1 dargestellt ist, wobei sich die Achse des Arbeitsstücks, um welche es gedreht wird, von dem Pol „X" durch das Zentrum der Kugel „O" (äquivalent zu dem Punkt 10 in 1) erstreckt. Wenn sich die Achse 8 des Schneidewerkzeugs 6 durch das Zentrum „O" der Ku gel (wie in 1 gezeigt) erstreckt, wird das Arbeitsstück mit einer Kugelform, wie bekannt, gebildet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Arbeitsstück mit einer Form gebildet, welche von der Kugelgestalt abweicht derart, daß der Krümmungsradius der Auflageoberfläche (gemessen zwischen dem Zentrum "O" und der Auflageoberfläche) kontinuierlich zunimmt, während sich der Winkel zwischen dem Radius und der polaren Achse (X-O) vergrößert. Erreicht wird dies, indem das Schneidewerkzeug entlang der polaren Achse in einer Richtung parallel zu der polaren Achse bewegt wird, so daß der Winkel zwischen der polaren Achse und der rotierenden Achse 4, X-O des Schneidewerkzeugs konstant bleibt. Das Schneidewerkzeug wird auch entlang seiner rotierenden Achse 8 nach jeder der sukzessiven Bewegungen entlang der polaren Achse (X-O) in einer Richtung auf das Arbeitsstück zu bewegt, bis das Schneidewerkzeug in Kontakt mit der Auflageoberfläche des Arbeitsstücks kommt. Wie in 2 gezeigt, wird das Schneidewerkzeug von der Position, in welcher seine rotierende Achse 8 das Zentrum „O" der Kugel überschneidet, in fünf Positionen (21 bis 25) bewegt, in welchen seine rotierende Achse zunehmend weiter von dem Zentrum „O" der Kugel entfernt positioniert wird. Wenn sich das Schneidewerkzeug in seiner ersten Position (wobei sich seine rotierenden Achse 8 mit dem Zentrum „O" der Kugel überschneidet) befindet, bildet das Schneidewerkzeug einen Abschnitt 30 der Auflageoberfläche an und um den Pol herum, welcher kugelförmig ist. Nach der ersten Bewegung des Schneidewerkzeugs zu der Position hin, in welcher seine rotierende Achse 8 sich mit der polaren Achse der Komponente an Punkt 21 überschneidet, führt die Drehung des Arbeitsstücks und des Schneidewerkzeugs zu der Bildung einer Oberfläche einer teilweisen Kugel, deren Radius sich von dem Punkt 21 an der polaren Achse erstreckt. Nach der zweiten Bewegung des Schneidewerkzeugs zu der Position hin, in welcher seine rotierende Achse 8 sich mit der polaren Achse der Komponente an dem Punkt 22 überschneidet, führt die Drehung des Arbeitsstücks und des Schneidewerkzeugs zu der Bildung einer Oberfläche einer teilweisen Kugel, deren Radius sich von dem Punkt 22 an der polaren Achse erstreckt. Der Teil der Kugel 31, dessen Radius sich von dem Punkt 21 an der polaren Achse erstreckt, wird dann zu einem kragenähnlichen Teil der Auflageoberfläche reduziert. Nachfolgende Bewegungen des Schneidewerkzeugs rufen nacheinander kragenähnliche Teile (32 bis 35) der Auflageoberfläche mit zunehmendem Radius hervor.
Unter der Voraussetzung, daß der Abstand zwischen den nacheinander folgenden Kugelzentren „O", 21 bis 25, nicht zu groß ist, wurde herausgefunden, daß die Diskontinuitäten auf der Auflageoberfläche, die durch jede Veränderung im aktuellen Radius der Auflageoberfläche verursacht werden, zulässig niedrig sind.
BEISPIEL
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wurde mit Hilfe einer Computermodelling-Software verwendet, um zu zeigen, wie eine hohle Schalenkomponente hergestellt werden kann. Vor dem Schneide- und Finishing-Schritt hat die Schalenkomponente 2 eine Kugelform mit einem Radius von 14 mm. Die Auflageoberfläche einer solchen Schale kann unter Benutzung konventioneller Techniken mit Hilfe eines Finishing-Steins 6 mit einem Radius von 9,9 mm erfolgen.
Die Schalenkomponente und das Schneidewerkzeug sind jeweils so angeordnet, daß sie sich über ihre jeweiligen Achsen 4, 8 mit einem Winkel, der auf 45° eingestellt ist (obwohl andere Winkel benutzt werden können), zwischen den Achsen drehen, und zwar so, daß sich die Achsen im Zentrum der durch die Oberfläche der Schale gebildeten Kugel überschneiden. Das Schneidewerkzeug wird entlang seiner eigenen Achse bewegt derart, daß seine Schneide 9,9 mm von dem Punkt entfernt ist, an dem sich die Achsen der Komponente und des Werkzeugs überschneiden. Die Bewegung des Schneidewerkzeugs auf der inneren Oberfläche der Schalenkomponente führt zu einer Auflageoberfläche 30, welche kugelförmig ist und einen Radius von 14 mm aufweist.
Wenn das Oberflächen-Finish der Komponenten akzeptabel ist (mindestens auf dem polaren Bereich), wird das Schneidewerkzeug 6 entlang seiner Achse zurückgezogen. Das Werkzeug wird dann entlang der polaren Achse der Komponente um 0,5 mm bewegt (so, daß das Verhältnis des Abstands, durch welchen das Schneidewerkzeug bewegt wird, zum Radius der Komponenten an dem Pol 0,0357 mm beträgt), und dann entlang seiner eigenen Achse vorwärts bewegt, um mit der Auflageoberfläche in Kontakt zu kommen. Die Bewegung der Schneiden des Werkzeugs, während dieses entlang seiner Achsen bewegt wird, entfernt Material von der Auflageoberfläche bis die Vorderseite des Werkzeugs (dessen Kanten die Schneideoberflächen des Werkzeugs darstellen) 10,5 mm von dem Punkt entfernt ist, an dem sich die Achsen der Komponente und des Werkzeugs überschneiden. Die Bewegung des Schneidewerkzeugs auf der inneren Oberfläche der Schalenkomponente führt zu einer Auflageoberfläche 31, welche kugelförmig ist und einen Radius von 14,431 mm (gemessen von dem Überschneidungspunkt der Achsen 4, 8) aufweist.
Das Werkzeug wird viermal bewegt, um die Auflageoberflächenteile 32 bis 35, wie folgt herzustellen:
Die kombinierten Bewegungen (i) der Schneidewerkzeugachse und (ii) der Schneidewerkzeugvorderseite entlang der Werkzeugachse werden ausgewählt, um Bogenwinkel für die Kugelabschnitte von etwa 30° für den polaren Abschnitt 30 (so, daß der Konuswinkel an dem Pol 60° beträgt) und von etwa 12° für jeden der Abschnitte 31 bis 35 zu schaffen.
3 zeigt die Form der daraus entstehenden Schalenkomponente, wie mit der Computermodelling-Software dargestellt, die in der Zeichnung mit der Symmetrieachse 4, vertikal, angeordnet ist. Die Zwischenflächen zwischen den Kugelabschnitten 30 bis 35 sind durch schattierte Grenzlinien dargestellt. Diese Linien sind eher schattiert als scharf, da die Modelling-Software keine klare Abgrenzung identifizieren kann, an welcher der Radius der Krümmung sich verändert. Zu Vergleichszwecken zeigt die Zeichnung mit dem gestrichelten und punktierten Umriß 40 die äußere Linie der Schalenkomponente mit einem konstanten Radius von 14 mm. Die Lücke zwischen dem gepunkteten Umriß 40 und der Oberfläche des Kugelabschnitts 35 an dem Äquator stellt die Abweichung von der Kugelgestalt dar, welche unter Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung verfügbar ist. In diesem Beispiel beläuft sich die Abweichung von der Kugelgestalt auf einen Radiusunter schied am Äquator von mehr als 1,0 mm. In der Praxis werden es kleinere Abweichungen ermöglichen, die Vorteile der vorliegenden Erfindung zu erhalten, zum Beispiel mit einem Unterschied im Radius am Äquator von nicht mehr als 0,5 mm, vorzugsweise von nicht mehr als etwa 0,2 mm.

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Komponente einer orthopädischen Gelenkprothese mit einer Auflageoberfläche, deren Form in etwa einem Teil einer Kugel entspricht und die um ihre Polarachse symmetrisch ist, wobei das Verfahren ein Schneidewerkzeug nutzt, welches eine kreisförmige Schneide aufweist und um eine Achse gedreht werden kann, welche senkrecht zu der die Schneide enthaltenden Ebene ist, wobei das Verfahren die folgende Schritte umfaßt: a. Drehen der Komponente um ihre polare Achse und Drehen des Schneidewerkzeuges um seine Achse, wobei die Schneide des Schneidewerkzeuges mit der Oberfläche der Komponente in Kontakt ist, um die Oberfläche in einem Bereich zwischen dem Äquator und dem polaren Bereich zu schneiden, b. Bewegen des Schneidewerkzeuges (i) in eine Richtung parallel zur polaren Achse der Komponente, während der Winkel zwischen der Achse des Schneidewerkzeuges und der polaren Achse der Komponente unverändert gelassen wird, und (ii) entlang seiner Achse und c. Wiederholen von Schritt (a), dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungen (i) und (ii) des Schneidewerkzeuges bewirken, daß der Krümmungsradius der Auflageoberfläche sich kontinuierlich und monotonisch ändert, wenn sich der Winkel zwischen dem Radius und der polaren Achse der Komponente ändert, so daß die Form der Auflageoberfläche von der einer wahren Kugel so abweicht, daß Diskontinuitäten in der Form der Auflageoberfläche aufgrund individueller Bewegungen minimiert werden, und daß, wenn die Auflageoberfläche auf einer Schalenkomponente ist, der Radius kontinuierlich und monotonisch vom Äquator zum polaren Bereich der Schale abnimmt, und, wenn die Auflageoberfläche auf einer Kopfkomponenten ist, der Radius kontinuierlich und monotonisch vom Äquator des Kopfes in Richtung des polaren Bereichs des Kopfes hin zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schneidewerkzeug entlang seiner Achse in eine Richtung der Auflageoberfläche der Komponente hin bewegt wird, wenn das Schneidewerkzeug entlang der polaren Achse in eine Richtung weg von der Auflageoberfläche der Komponente bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageoberfläche der Komponente konkav ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageoberfläche der Komponente konvex ist und das Schneidewerkzeug ringförmig ist, so daß es eine kreisförmige Schneide aufweist, welche bei der konvexen Auflageoberfläche angewendet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichzeitigen Bewegungen des Schneidewerkzeuges entlang seiner Achse und in eine Richtung parallel zur polaren Achse der Komponente in inkrementellen Schritten ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mittels des Schneidewerkzeuges zwischen einem beliebigen Paar aufeinanderfolgender inkrementeller Bewegungen hiervon gebildete Abschnitt der tragenden Auflageoberfläche über einen Bogenwinkel von mindestens etwa 1° erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich der mittels des Schneidewerkzeuges zwischen einem beliebigen Paar aufeinanderfolgender inkrementeller Bewegungen hiervon gebildeten Abschnitt der Auflageoberfläche über einen Bogenwinkel von nicht mehr als etwa 20° erstreckt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Schritt des Sterilisierens der Komponente, so daß sie zur Implantation in einem menschlichen oder tierischen Körper als eine Komponente einer orthopädischen Gelenkprothese geeignet ist.