DE69009418T2 - Prothetische Vorrichtung mit Modulschaft. - Google Patents
Prothetische Vorrichtung mit Modulschaft.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine modulare Prothese mit einer länglichen ersten inneren Komponente mit entgegengesetzten Enden und einer Öffnung, die in wenigstens eines dieser Enden hinein verläuft, einer länglichen zweiten äußeren Komponente, die für einen Eingriff in die Öffnung in dem Ende der ersten Öffnung mit einem Gleitsitzeingriff zwischen beiden dimensioniert ist, und mit einer Verriegelungseinrichtung für ein Halten der ersten und zweiten Komponenten in einer wechselseitig im Eingriff gehaltenen Beziehung.
- Eine schaftartige Oberschenkel-Hüftersatzprothese besteht aus einem länglichen Schaft für eine Anordnung in der Markhöhle des Oberschenkels und einem Kopf, der das proximale Ende der Prothese zum Ersatz von proximalen Bereichen des natürlichen Oberschenkels definiert. Der Kopf der Prothese ist im wesentlichen kugelförmig und ist in eine Pfannenmulde schwenkbar einsetzbar, die einen getrennten Bereich eines Prothesesystems definiert, welches an der natürlichen Pfanne befestigt ist. Die schaftartige Oberschenkelprothese kann weiterhin einen Bund für einen Eingriff mit dem herausgeschnittenen proximalen Ende des natürlichen Oberschenkels aufweisen sowie einen Hals, der von dem Bund zu dem Kopf verläuft. Die meisten bekannten schaftartigen Oberschenkelprothesen haben eine einheitliche Konstruktion. Viele bekannte schaftartige Prothesen erhielten jedoch auch eine modulare Konstruktion, wobei jeder beliebige einer Vielzahl von Köpfen in jedem beliebigen einer Vielzahl von Hälsen selektiv einsetzbar war. Die besondere Kombination eines Kopfes mit einem Hals war ausgewählt worden, um bei dem Patienten einen optimalen Sitz zu erhalten. Beispiele der bekannten schaftartigen Oberschenkelprothesen sind in dem US Patent No. 4 752 296 beschrieben, ausgegeben im Namen der vorliegenden Erfinder am 21. Juni 1988, oder in der EP-A-0 290 735.
- Die beste Länge und der Durchmesser des Schaftes einer schaftartigen Oberschenkel-Hüftersatzprothese sind abhängig von der Physiologie und der Pathologie des Patienten. Bspw. kann ein kleiner Patient mit einer beträchlichen, nicht mehr gebrauchbaren Atrophie des Oberschenkels eine weite Markhöhle oder einen Oberschenkelkanal haben und kann damit eine Prothese mit einem kleinen proximalen Ende, jedoch mit einem großen Schaftdurchmesser für einen passenden Sitz in der Markhöhle des Oberschenkels erfordern. In anderen Fällen kann ein extra langer Schaft benötigt werden, um einen Oberschenkelbruch oder einen anderen Schaden zu überbrücken, sodaß damit die Prothese als eine Stütze für das Gebrechen wirken kann, während die Heilung stattfindet.
- Die Prothese und insbesondere der Schaft der Prothese sind typischerweise einzeln angefertigt worden, um den speziellen physiologischen und pathologischen Erfordernissen des Patienten zu genügen. Diese typische bekannte Annäherung hat wenigstens drei hauptsächliche Nachteile. Im besonderen ist die Einzelanfertigung der Prothese sehr teuer; weiterhin wird beträchtliche Zeit benötigt, um die Prothese zu erhalten, wobei während dieser Zeit der Patient nachteilig beeinflußt sein kann; und das Einpassen der Prothese unter Berücksichtigung von Röntgenstrahldaten ist nicht vollständig verläßlich, sodaß die einzeln angefertigte Prothese, wenn überhaupt, tatsächlich nicht gut passen kann.
- Mit Rücksicht auf die vorstehenden Probleme sind einige bekannte Prothesen mit modularen Schäften entwickelt worden, um die Länge des Schaftes in Übereinstimmung mit den besonderen Erfordernissen des Patienten zu verändern. Eine Schaftverlängerung einer ausgewählten Länge kann an dem proximalen Bereich der schaftartigen Prothese hinzugefügt werden, um ein intraoperatives Einpassen zu erlauben. Diese bekannten modularen Schaftprothesen haben im allgemeinen einen konischen Kegelsitz zwischen dem proximalen Bereich der Prothese und der Verlängerung benutzt. Einige bekannte modulare schaftartige Prothesen haben eine Schraube verwendet, um die zusammenpassenden kegelförmigen Enden straff zusammenzupressen.
- Der wechselseitige Eingriff der zusammenpassenden äußeren und inneren kegelförmigen Komponenten der bekannten modularen schaftartigen Prothese erzeugt beträchtliche Zugkräfte an der Oberfläche der inneren Komponente. Insbesondere ergibt das kraftvolle Hineindrücken der Komponente mit dem äußeren Kegel in die Komponente mit dem inneren Kegel einen Auswärtsdruck bei dem inneren kegelförmigen Bereich, sodaß beträchtliche Zugkräfte auf die Oberfläche dieses Körpers erzeugt werden. Diese beträchtlichen Zugkräfte finden notwendigerweise an kritischen Oberflächenbereichen nahe der Grenzfläche zwischen dem Schaft und der Verlängerung statt. Die in diesem Zusammenhang entwickelten Zugkräfte können verglichen werden mit den Beanspruchungen eines Faßreifens, die an den Reifen eines Fasses erzeugt werden. Anders als bei einem Faß ist jedoch die Prothese wiederholt Biegebeanspruchungen während des normalen Gebrauchs unterworfen. Während der Augenblicke von solchen Biegebeanspruchungen wird der Bereich der Prothese mit dem inneren Kegel komplexen Zugkräften unterworfen, die sowohl durch die Keilwirkung der zusammenpassenden Kegel (bspw. der Reifenbeanspruchung) und durch die Biegebeanspruchungen verursacht sind. Solche Oberflächenbiegebeanspruchungen sind äußerst unerwünscht, weil sie wesentlich zu der Ermüdung der Prothese beitragen und damit die zusammengesetzte Struktur des Schaftes und der Verlängerung an der strukturell kritischen Grenzfläche des Schaftes und der Schaftverlängerung wesentlich schwächen. Insbesondere können Mikrorisse oder Mikrosprünge an der Fläche der Komponente mit dem konkaven Kegel eine beschleunigte Erweiterung erfahren, wenn sie zusätzlichen Zugkräften in Abhängigkeit von den Biegebeanspruchungen unterworfen werden, die auf diese kritischen Bereiche der Prothese während des normalen Gebrauchs ausgeübt werden.
- Mit Rücksicht auf das Vorstehende besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer modularen Prothese, die bei den Patienten ein optimales Einpassen erlaubt.
- Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare Prothese bereitszustellen, welche die Zugkräfte in den kritischen Bereichen der Prothese erheblich verringert.
- Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine modulare Prothese bereitzustellen, die einen Schaft und eine Schaftverlängerung aufweist und die Zugkräfte an den Oberflächenbereichen neben der Grenzfläche des Schaftes und der Verlängerung der Prothese verkleinert.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die modulare Prothese dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche der ersten Komponente, welche die Öffnung definieren, eine nach innen ausgerichtete erste Eingriffseinrichtung einschließen, Bereiche der zweiten Komponente, die mit der Öffnung der ersten Komponente in Eingriff bringbar sind, eine Vielzahl längs verlaufender flexibler Segmente aufweisen, und eine zweite Eingriffseinrichtung an nach außen ausgerichteten Oberflächenbereichen der flexiblen Segmente angeordnet ist, wobei die Verriegelungseinrichtung für das Halten der ersten und zweiten Komponenten in einer Eingriffsbeziehung die erste und die zweite Eingriffseinrichtung aufweist, wodurch der Eingriff der ersten und zweiten Komponenten wünschenswert niedrige Zugkräfte an Oberflächenbereichen neben der Grenzfläche der ersten und zweiten Komponenten erzielt.
- Die vorliegende Erfindung ist auf eine modulare schaftartige Prothese ausgerichtet, die keinen verkeilten oder kegelförmigen Eingriffssitz von Teilen an Oberflächenbereichen neben der Grenzfläche solcher Teile einschließt oder erfordert. Die Prothese der vorliegenden Erfindung weist einen Schaft und eine Verlängerung auf. Die Verlängerung hat eine Länge, die in Übereinstimmung mit der Physiologie und Pathologie des Patienten ausgewählt ist. Der Durchmesser der Schaftverlängerung ist ebenfalls in Übereinstimmung mit der Physiologie und Pathologie des Patienten ausgewählt. Der Durchmesser der Verlängerung kann den Durchmesser des Schaftes überschreiten, an welchen die Verlängerung angepaßt ist. Bei einer typischen Ausführungsform kann der Schaft das proximale Ende der Prothese bilden, während die Verlängerung das distale Ende definiert. Die Prothese kann eine schaftartige Oberschenkelprothese sein, die weiterhin einen Bund, einen Hals und einen Kopf aufweist.
- Der Schaft der Prothese und die Verlängerung verlassen sich im wesentlichen auf einen "Gleitsitz" Eingriff zwischen beiden. In diesem Zusammenhang ist ein "Gleitsitz" ein Begriff aus der Werkzeugtechnologie des allgemeinen Maschinenbaus, mit welchem ein genauer Eingriff definiert ist, der sich im wesentlichen auf einen eng gleitenden teleskopartigen Eingriff im wesentlichen frei von Paßkräften und/ oder Keilkräften und frei von einem übermäßigen Spiel bezieht. Eine Komponente der modularen Prothese kann eine Vielzahl in Längsrichtung verlaufender ablenkbarer Finger aufweisen, die in vergrößerten, gekrümmt verlaufenden Rippen enden können. Die andere Komponente der modularen Prothese kann eine Höhlung aufweisen, in welche hinein die erste Komponente verläuft. Die Höhlung kann mit einer nach außen verlaufenden gekrümmten Nut zur Aufnahme der Rippen an den Enden der ablenkbaren Finger versehen sein. Die relativen Abmessungen der Komponenten können ausgewählt sein, um eine anfängliche Ablenkung nach innen der Finger zu erfordern, wenn die Rippen die Nut erreichen. Die Finger können dann elastisch-federnd in ihre nicht abgelenkte Stellung zurückkehren, sodaß die Rippen einer Komponente in die Nut der anderen Komponente eingreifen.
- Das modulare Prothesesystem der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Schraube aufweisen, die in eine der beiden miteinander in Eingriff stehenden Komponenten eingreifen kann, um die Rippen der einen Komponente in den Nuten der anderen Komponente zurückzuhalten. Die Schraube kann konusförmig entlang ihrer Länge sein, um die Schraube in dem einen oder in den beiden Körpern wirksam zu verriegeln und eine unbeabsichtigte Gewindetrennung davon zu verhindern. Die Kegelform der Schraube kann weiterhin den verriegelten Eingriff der Rippen in der Nut sichern. Obwohl diese Kegelform einige Verkeilwirkung erzielen kann, sind die Keilkräfte geringer als bei herkömmlichen Ausbildungen und sind wesentlich beabstandet von den kritischen Oberflächenbereichen an der Grenzfläche der beiden Komponenten, sodaß sie nicht die Probleme der Zugkräfte an den Oberflächen schaffen, die durch den verkeilten Eingriff der kegelförmigen Körper verursacht werden.
- Fig. 1 ist eine Vorderansicht einer modularen Prothese in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung.
- Fig. 2 ist eine Vorderansicht des Schaftteils der modularen Prothese.
- Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 2.
- Fig. 4 ist ein Querschnitt einer Schaftverlängerung der modularen Prothese.
- Fig. 5 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer anderen Verlängerung.
- Fig. 6 ist eine Seitenansicht einer Verriegelungsschraube zum Gebrauch mit dem Schaft und der Schaftverlängerung der Fig. 2 - 4.
- Fig. 7 ist ein Querschnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 1.
- Fig. 8 ist eine Graphik zur Darstellung der Beziehung der Verhältnisse des Durchmessers zu der Ermüdungsfestigkeit.
- Fig. 9 ist eine Graphik zur Darstellung der Beziehung der Schaftgeometrie zu der Beanspruchungskonzentration.
- Fig. 10 ist ein Querschnitt ähnlich der Fig. 7 zur Darstellung einer anderen Ausführungsform der modularen Prothese.
- Eine Prothese des Typs mit einem Oberschenkelschaft 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 generell mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Prothese 10 umfaßt einen Schaft 100, eine Verlängerung 200 und eine Verriegelungsschraube 300. Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 weist der Schaft 100 einen Endbereich 101 auf, der einen ersten zylindrischen Abschnitt 102 mit einem Durchmesser d&sub1; umfaßt, welcher sich an einen mittleren Bereich 103 des Schafts 100 mit einem großen Radius A anschließt. Dieser Anschluß des ersten zylindrischen Abschnitts 102 und des mittleren Bereichs 103 des Schafts 100 ist der kritische Beanspruchungsbereich für die Biegung des Schafts, was für die Probleme eines Brechens des Schafts der anteilige Hauptfaktor ist. Der erste zylindrische Abschnitt 102 des Schafts 100 schließt sich an einen zweiten zylindrischen Abschnitt 104 mit einem Durchmesser d&sub2; über großzügige Übergangsradien C und D an, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Das Ende des zweiten zylindrischen Abschnitts 104 ist durch eine kreisförmige Rippe 109 definiert. Ein Loch 106, das in einem Konus 111 endet, ist in das Ende 107 des Schafts 100 gebohrt, und vier Schlitze 108 sind in dem zweiten zylindrischen Abschnitt 104 ausgebildet und verlaufen parallel zu der Achse 109 des Oberschenkelschafts 100, um den zweiten zylindrischen Abschnitt 104 in vier flexible Segmente 110 zu teilen.
- Unter Bezugnahme auf die Fig. 4 und 5 weist die Verlängerung 200 mit der Achse 201 einen ersten zylindrischen Verlängerungsabschnitt 202 etwa mit dem Durchmesser d&sub1; auf, der mit den korrespondierenden ersten zylindrischen Abschnitt 102 des Oberschenkelschafts 100 zusammenpaßt. Der erste zylindrische Verlängerungsabschnitt 202 hat an seinem Eingang 203 eine Abschrägung 220. Ein zweiter zylindrischer Verlängerungsabschnitt 204 etwa mit dem Durchmesser d&sub2; ist für ein Zusammenpassen mit dem zweiten zylindrischen Abschnitt 104 des Oberschenkelschafts 100 angeordnet. Der erste zylindrische Verlängerungsabschnitt 202 ist mit dem zweiten zylindrischen Verlängerungsabschnitt 204 durch großzügige Übergangsradien B und E verbunden. Das innere Ende 207 des zweiten zylindrischen Verlängerungsabschnitts 204 endet in einer kreisförmigen Nut 205, die für ein Zusammenpassen mit der entsprechenden kreisförmigen Rippe 105 in dem Oberschenkelschaft 100 angeordnet ist. Neben der kreisförmigen Nut 205 der Verlängerung 200 ist ein Gewindeloch 208 und ein Führungsloch 209. Das Gewindeloch 208 wird im wesentlichen dieselbe Länge aufweisen für Verlängerungen in einem System von Prothesen 10. Die Länge L des Führungslochs 209 wird jedoch eine Funktion der Länge der Verlängerung 200 aufweisen. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, kann die Verlängerung 200 in verschiedenen Längen oder Außendurchmessern ausgebildet sein, von welchen der Kleinste gleich dem Außendurchmesser des Oberschenkelschafts 100 sein würde.
- Unter Bezugnahme auf die fig. 6 ist eine Verriegelungsschraube 300 verwendet, um ein Zusammenhalten des Oberschenkelschafts 100 und der Verlängerung 200 zu unterstützen.
- Die Verriegelungsschraube 300 besteht aus einem kegelförmigen Ende 311, welches mit dem Kegel 111 des Oberschenkelschafts 100 zusammenpaßt, sowie einem Gewindeabschnitt 308, der mit dem Gewindeloch 208 der Verlängerung 200 zusammenpaßt. Das Schraubenende 301 enthält einen Schlitz 302 oder eine andere Einzelheit zum Drehen der Schraube mit einem Schraubenzieher oder einem anderen Werkzeug.
- Im Gebrauch wählt der Chirurg die Größe eines Oberschenkelschafts 100 aus, die für die Größe des proximalen Oberschenkels eines Patienten paßt, und wählt einen Verlängerungsdurchmesser und eine Länge auf, die sich für den Oberschenkelschaft des Patienten oder eine Markhöhle eignet. Der Endbereich 101 des Oberschenkelschafts 100 wird in den Eingang 203 der Verlängerung 200 eingefügt, bis die vorlaufende Kante 112 der kreisförmigen Rippe 105 den Radius E erfaßt, der in den zweiten zylindrischen Verlängerungsabschnitt 204 hineinführt. Eine weitere Einfügung verursacht eine Auslenkung der vier flexiblen Segmente 101 nach innen, sodaß sie durch den zweiten zylindrischen Verlängerungsabschnitt 204 hindurch passieren können, bis die kreisförmigen Rippenbereiche 105 der vier flexiblen Segmente 110 in der kreisförmigen Nut 205 sind, wo sie sich nach außen ausdehnen und die Verlängerung 200 an dem Oberschenkelschaft 100 halten. Das kegelförmige Ende 311 der Verriegelungsschraube 300 wird dann in das Führungsloch 209 der Verlängerung 200 eingesetzt, bis das Gewindeloch 208 in der Verlängerung 200 den Gewindeabschnitt 308 der Verriegelungsschraube 300 erfaßt. Ein Schraubenzieher oder ein ähnliches Werkzeug wird dann für ein Drehen der Verriegelungsschraube 300 benutzt, bis das kegelförmige Ende 311 der Schraube 300 den Kegel 111 des Oberschenkelschafts 100 erfaßt. Ein weiteres Drehen der Verriegelungsschraube 300 wird dann ein Auslenken nach außen der vier flexibelen Segmente 110 verursachen, sodaß deren kreisförmige Rippenbereiche 105 in die kreisförmige Nut 205 straff eingedrückt werden und so die Verlängerung 200 an dem Oberschenkelschaft 100 festgehalten wird. Die wirkung des Keilsitzes, der durch den Kegel 111 und das kegelförmige Ende 311 erzeugt ist, ergibt weiterhin eine Verriegelung der Schraube 300 gegen ein Lockern.
- Es wird bemerkt werden, daß die Prothese 10 einen Kegel und eine Schraube verwendet, um die Verlängerung 200 an dem Oberschenkelschaft 100 zu halten. Anders als bei den früheren Geräten ist die Kegel-Schrauben-Verbindung jedoch eine kleinere Sekundärverbindung und erzeugt als solche relativ kleine Oberflächenzugbeanspruchungen an der Außenseite der Verlängerung. Jede minderwertige Wirkung dieser Kegel- Schrauben-Verbindung ist darüberhinaus und wesentlich wichtiger von den kritischen Beanspruchungsbereichen nahe den Radien A und B bei dem Oberschenkelschaft 100 und der Verlängerung 200 entfernt. Die primäre Verbindung ist ein zylindrischer Gleitsitz zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt 102 und dem ersten zylindrischen Verlängerungsabschnitt 202, wobei der Gleitsitz frei von bedeutsamen Montagebeanspruchungen ist. Der Kegel 111 an dem Ende 107 des Schafts 100 und das kegelförmige Ende 311 der Verriegelungsschraube 300 müssen außerdem nicht sehr genau ausgeführt sein, um passend zu funktionieren, während eine primäre Kegelverbindung die im Stand der Technik sehr genaue Kegelflächen erfordert.
- Ein weiterer Vorteil der Prothese 10 besteht darin, daß die Verriegelungsschraube 300 nicht zwingend benötigt wird, um den Schaft 100 und die Verlängerung 200 zusammenzuhalten, da sie durch die Schnappwirkung der Rippen 105 der vier flexiblen Segmente 110 mit der kreisförmigen Nut 205 der Verlängerung 200 zusammengehalten werden. Bei dem unwahrscheinlichen Ereignis eines Ausfalls der sekundären Kegelverbindung würden daher der Oberschenkelschaft 100 und die Verlängerung 200 montiert bleiben. Wenn eine primäre Kegelverbindung ausfällt, werden die Teile getrennt. Der primäre Grund für die durch die Schraube 300 bereitgestellte sekundäre Verbindung ist die Vermeidung einer Mikrobewegung zwischen dem Oberschenkelschaft 100 und der Verlängerung 200 und damit die Vermeidung von metallischen Verschleißprodukten aus einer solchen Bewegung.
- Die relativen Durchmesserabmessungen des Schafts 100 und der Verlängerung 200 in den Bereichen des Gleitsitzes zwischen denselben sollte für die Erzielung einer optimalen Festigkeit für die Prothese 10 in Abhängigkeit von den darauf ausgeübten Biegebeanspruchungen ausgewählt werden. Bspw. könnte ein großer Durchmesser des ersten zylindrischen Abschnitts 102 des Schafts 100 eine kleine radiale Dicke des ersten zylindrischen Verlängerungsabschnitts 202 ergeben, wobei ein Ausfall der Verlängerung 200 in Abhängigkeit von Biegebeanspruchungen möglich ist. Eine radial dickere Verlängerung 200 könnte andererseits einen Schaft 100 ergeben, der in Abhängigkeit von darauf ausgeübten Biegebeanspruchungen möglicherweise ausfällt. Die relativen Abmessungen sollten für die Erzielung einer ausgeglichenen Gestaltung ausgewählt werden, wo der Schaft 100 und die Verlängerung 200 einen gleichen Beitrag zu der Festigkeit der Prothese 10 in Abhängigkeit von Biegebeanspruchungen ergeben. Die optimalen relativen Abmessungen können aus den nachfolgend angegebenen Berechnungen abgeleitet werden.
- Die Basisannahme für diese Berechnungen ist, daß einfach Biegegleichungen für Wellen für diesen Fall angemessen sind. Diese Annahme ist eindeutig konservativ. Der Schaft 100 und die Verlängerung 200 können nur Beanspruchungen erfahren, die aus Biegelasten resultieren, und viel niedrigere Beanspruchungen aus möglichen Drucklasten an dem Ende der Verlängerung 200. Eine Vernachlässigung der Drucklasten ist herkömmlich, da diese Last die Beanspruchungskomponente der Dehnungsbiegung verringert, welche den Ermüdungsausfall erzeugt.
- Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 - 4 ist davon auszugehen, daß der kritische Bereich für eine Beanspruchung bei dem Schaft 100 bei dem Radius A und für die Verlängerung bei dem Radius B ist. Eine ausgeglichene Gestaltung, bei welcher die Beanspruchung bei beiden Teilen kritisch wird, kann aus den Fig. 6 und 7 und aus der Gleichung 1 abgeleitet werden.
- Sfe/Sfs = (Ke/Ks) [(d&sub1;/d&sub2;)³ - d&sub2;/d&sub1;] (1)
- worin Sfs, Sfe, Ke und Ks die Faktoren der Ermüdungsfestigkeit und der Beanspruchunskonzentration des Schafts und der Verlängerung sind und M in Fig. 7 das Biegemoment ergibt, welches an den Schaft und die Verlängerung im montierten Zustand angelegt wird. Die Durchmesser d&sub1; und d&sub2; sind in den Fig. 2, 4 und 7 angegeben. Die angegebenen Berechnungen werden dadurch erhalten, daß beide Teile eine kritische Belastung erfahren, wenn die Beanspruchung bei jedem Teil gleich seiner Ermüdungsfestigkeit ist und das Biegemoment bei jedem Teil gleich ist.
- Der Faktor der Beanspruchungskonzentration ist eine Funktion von d&sub1;/d&sub2; in Fig. 7, welche aus Machine Design Theory and Prctice von Deutschman et al erhalten wurde. Der Faktor der Beanspruchungskonzentration in dem Schaft wird als gleich mit dem Faktor der Beanspruchungskonzentration in der Verlängerung für diese Berechnungen angenommen. Diese Annahme wird damit begründet, daß bei der Gestaltung des Schafts der Radius A größer gemacht wird als der Radius B. Die Werte von d&sub1;/d&sub2; als einer Funktion des Verhältnisses der Ermüdungsfestigkeiten unter Verwendung dieser Annahme sind in Fig. 6 angegeben.
- Die Festigkeit eines verlängerten Schafts aus zwei Stücken kann mit einem herkömmlichen einheitlichen Schaft durch die Gleichung 2 verglichen werden.
- R = [Sfe/(SfsKe] (d/D)³ (2)
- worin Sfs und D sich nunmehr auf den einheitlichen Schaft beziehen und R das Verhältnis der Festigkeit von zwei Stücken zu einem Stück ist.
- Aus der Gleichung 2 und den Figuren 6 und 7 kann ein zweistückiger Schaft aus einer Titanlegierung oder ähnlichen Materialien gestaltet werden mit einer Ermüdungsfestigkeit von 586.10&sup6; Pa (85 ksi), um eine vergleichbare Festigkeit mit einem gegossenen Schaft zu erhalten, der aus Kobalt- Chrom besteht und eine typische Ermüdungsfestigkeit von etwa 241.10&sup6; Pa (35 ksi) hat, wenn sichergestellt wird, daß der Faktor der Beanspruchungskonzentration in der Verlängerung nicht den Wert von 1.3 überschreitet. Dies wird erreicht durch ein Einstellen des Radius B der Verlängerung auf einen Wert gleich dem 0.25 fachen Durchmesser d&sub1; der Verlängerung. Ein zweistückiger Schaft aus Titan kann daher in Bezug auf die Festigkeit im wesentlichen gleichwertig gestaltet werden wie die herkömmlichen Kobalt-Chrom-Schäfte, die nach Jahrzenten des klinischen Gebrauchs relativ sicher in Bezug auf ein Brechen befunden worden sind.
- Da Titan flexibler ist als eine Kobalt-Chrom-Legierung, trägt der Knochen, in welchen ein Titanschaft implantiert wird, mehr Biegelast als dieser Knochen tragen würde, wenn ein Kobalt-Chrom-Schaft implantiert wäre. Ein Titanschaft wird so gewöhnlich niedrigeren Biegelasten ausgesetzt als ein Kobalt-Chrom-Schaft. Mit Rücksicht darauf, daß ein geeignet ausgebildeter zweistückiger Schaft aus einer Titanlegierung ebenso fest ist wie ein Kobalt-Chrom-Schaft, er jedoch niedrigeren Biegelasten unterworfen ist, ist es daher klar, daß wenn Kobalt-Chrom-Schäfte in Bezug auf ein Brechen sicher sind, dann ein zweistückiger Schaft aus einer Titanlegierung noch sicherer sein muß.
- Eine andere Oberschenkelprothese in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 10 generell mit der Bezugsziffer 10' bezeichnet. Die Prothese 10' weist einen Schaft 100', eine Verlängerung 200' und eine Verriegelungsschraube 300' auf. Die Gleitsitzverbindung zwischen dem Schaft 100' und der Verlängerung 200' kann ähnlich derjenigen sein, die vorstehend in den Fig. 1 bis 7 dargestellt und beschrieben wurde. Anders als bei der vorstehenden Ausführungsform ist jedoch der Schaft 100' gekennzeichnet durch eine Öffnung 120, die insgesamt durch ihn hindurch verläuft von einem proximalen Oberflächenbereich 122 bis hin zu dem distalen Ende des Schafts 100'. Die Öffnung 120 ist für die Aufnahme einer Verriegelungsschraube 300' bemessen, welche die Verlängerung 200' mit einem Gewindeeingriff erfaßt, um in Längsrichtung verlaufende Segmente 210 davon nach außen in einen straffen Eingriff mit entsprechenden Abschnitten des Schafts 100' zu drücken, wie es in Bezug auf die vorhergehende Ausführungsform erläutert wurde. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Verriegelungsschraube 300' länglich und verläuft über die gesamte Entfernung von der Verlängerung 200' zu dem proximalen Oberflächenbereich 122 des Schafts 100' Die Abmessungen der Öffnung 120 in dem Schaft 100' sind vorzugsweise derart, daß die Verriegelungsschraube 300' darin lose einpaßt. Bei anderen Ausführungsformen kann die Verriegelungsschraube 300' wesentliche kürzer sein und kann durch ein längliches Werkzeug (nicht gezeigt) zugänglich sein, welches in die Öffnung 120 hinein verläuft.
- Die Ausführungsform der in Fig. 10 gezeigten Prothese 10' hat mehrere bedeutsame Vorteile. Bspw. kann der Zustand des Patienten in einigen Situationen eine Resektion erforderlich machen, um die gesamte modulare Prothese chirurgisch zu entfernen und einen Ersatz wenigstens eines Abschnitts der modularen Prothese zu ermöglichen. Bei den Ausführungsformen, wo die Verlängerung der Prothese einen größeren Durchmesser als der Schaft definiert, wie dargestellt in Fig. 10, kann der Knochen in den Bereich F an der Grenzfläche des Schafts 100' mit kleinem Durchmesser und der Verlängerung 200' mit großem Durchmesser hineinwachsen. Dieses Knochenwachstum könnte die Entfernung der Prothese bei den Ausführungsformen wesentlich komplizieren, wo die Verriegelungsschraube nur von dem distalen Ende der Verlängerung aus zugänglich ist. Obwohl Werkzeuge zur Verfügung stehen, um einen eingewachsenen Knochen zu entfernen, würde das Vorhandensein des länglichen Schafts die Verwendung solcher Werkzeuge an der relativ entfernten und behinderten Grenzfläche des distalen Endes des Schafts und des proximalen Endes der Verlängerung erschweren. Die in Fig. 10 dargestellte Prothese 10' vermeidet diese Probleme. Insbesondere ist eine Zugänglichkeit der Verriegelungsschraube 300' von dem proximalen Oberflächenbereich 122 der Prothese 10' möglich, um ein Trennen der Verriegelungsschraube 300' und des Schafts 100' von der Verlängerung 200' zu trennen und von dem Oberschenkel des Patienten zu entfernen. Die Entfernung dieser Abschnitte des Systems schafft einen unmittelbaren Zugang zu dem Knochengewebe, welches mit der Verlängerung 200' zusammengewachsen sein kann. Ein Gewindewerkzeug ähnlich der Verriegelungsschraube 300' kann dann mit dem proximalen Ende der Verlängerung 200' in Eingriff gebracht werden, um die Verlängerung 200' zu extrahieren und dadurch die chirurgische Implantation einer anderen Prothese zu ermöglichen.
- Ein anderer Vorteil der in Fig. 10 gezeigten Prothese bezieht sich auf die Öffnung 120, die insgesamt durch den Schaft 100' hindurchgeht. Die Öffnung 120 kann den Schaft 100' insbesondere wesentlich mehr flexibel gestalten, um dadurch zu ermöglichen, daß ein größerer Anteil der angelegten Lasten durch den natürlichen Knochen getragen werden kann im Gegensatz zu der Prothese. Durch die Übertragung eines Hauptteils der angelegten Lasten an dem natürlichen Kochen kann die nicht mehr gebrauchbare Knochenathropie wesentlich verringert werden. Das Vorsehen der Öffnung 120 oder eines anderen in Längsrichtung verlaufenden hohlen Zentrums kann bei Prothesen angewendet werden, die eine einheitliche Konstruktion haben oder eine andere nichtmodulare Gestaltung, um die Flexibilität der Prothese zu erhöhen und den Anteil der angelegten Lasten zu vergrößern, die durch den natürlichen Knochen getragen werden. Der Schaft einer nichtmodularen Oberschenkelprothese kann bspw. einen in Längsrichtung verlaufenden zentralen Hohlbereich haben, sodaß ein größerer Anteil der an den Hals angelegten Lasten an den natürlichen Oberschenkel übertragen wird.
- Während die Beschreibung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, ist augenscheinlich, daß verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne daß von dem Umfang der Erfindung abgewichen wird, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Bspw. können die dargestellten äußeren und inneren Komponenten der vorliegenden Erfindung bei jeder dargestellten Ausführungsform umgewechselt werden. Zusätzlich kann bei einigen Ausführungsformen der innere Körper der Prothese gewindefrei sein, wenn der Gewindeabschnitt an den Innenflächen der flexiblen Segmente der äußeren Komponente angeordnet ist. Eine Keilwirkung zwischen der Schraube und den Fingern kann durch die Verwendung einer kegelförmigen Schraube und einer entsprechend kegelförmigen Gewindeausbildung an Innenflächen der flexiblen Segmente erzielt werden. Bei weiteren Ausführungsformen können die flexiblen Finger mit einer innen ausgebildeten Nut versehen sein, welche mit einer nach innen ausgerichteten Rippe an der inneren Komponente des Systems zusammenpaßt. Diese und weitere Ausführungsformen sind für einen Fachmann auf dem vorliegenden Gebiet offensichtlich, nachdem er diese Beschreibung gelesen hat.
Claims (5)
1. Modulare Prothese mit einer länglichen ersten inneren
Komponente (200, 100') mit entgegengesetzten Enden und
einer Öffnung (202-204, 120), die in wenigstens eines
dieser Enden hinein verläuft, einer länglichen zweiten
äußeren Komponente (100, 200'), die für einen Eingriff
in die Öffnung (202-204, 120) in dem Ende der ersten
Komponente (200, 100') mit einem Gleitsitzeingriff
zwischen beiden dimensioniert ist, und einer
Verriegelungseinrichtung für ein Halten der ersten und zweiten
Komponenten in einer wechselseitig im Eingriff gehaltenen
Beziehung, wobei die Bereiche der ersten Komponente
(200, 100'), welche die Öffnung (202-204, 120) definieren,
eine nach innen ausgerichtete erste Eingriffseinrichtung
(205) einschließen, dadurch gekennzeichnet, daß Bereiche
der zweiten Komponente, die mit der Öffnung der ersten
Komponente in Eingriff bringbar sind, eine Vielzahl
längs verlaufender flexibler Segmente (110) aufweisen,
und eine zweite Eingriffseinrichtung (105) an nach außen
ausgerichteten Oberflächenbereichen der flexiblen
Segmente (110) angeordnet ist, wobei die
Verriegelungseinrichtung für das Halten der ersten und zweiten
Komponenten in einer Eingriffsbeziehung die erste und die zweite
Eingriffseinrichtung (205, 105) aufweist, wodurch der
Eingriff der ersten und zweiten Komponenten wünschenswert
niedrige Zugkräfte an Oberflächenbereichen neben der
Grenzfläche der ersten und zweiten Komponenten erzielt.
2. Prothese nach Anspruch 1, bei welcher die zweite
Eingriffseinrichtung eine nach außen ausgerichtete Rippe
(105) an jedem der flexiblen Segmente (110) aufweist und
bei welcher die erste Eingriffseinrichtung an der ersten
Komponente eine Ringnut (205) aufweist, die für einen
Eingriff der Rippen (105) dimensioniert ist.
3. Prothese nach Anspruch 1, bei welcher jedes flexible
Segment (110) im wesentlichen parallel zu der Längsachse
der zweiten Komponente ausgerichtet ist.
4. Prothese nach Anspruch 1, bei welcher die
Verriegelungseinrichtung weiterhin eine Schraube (300, 300') aufweist,
die mit einer ausgewählten ersten oder zweiten Komponente
in einen Gewindeeingriff bringbar ist, wobei die Schraube
einen konischen Bereich (311) einschließt, um ausgewählte
Bereiche der ersten und zweiten Komponenten in eine
wechselseitig im Eingriff stehende Beziehung zu zwingen.
5. Prothese nach Anspruch 4, bei welcher die Öffnung (120)
in der ersten inneren Komponente (100') von einem nahen
Ende zu einem fernen Ende vollständig durch diese
hindurch verläuft, wobei die Verriegelungsschraube (300')
von dem nahen Ende der ersten Komponente aus durch die
Öffnung (120) hindurch zugänglich ist.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US07/449,564 US5030234A (en) | 1989-12-12 | 1989-12-12 | Prosthetic device with modular stem |
US07/601,651 US5074879A (en) | 1990-10-26 | 1990-10-26 | Prosthetic device with modular stem |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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