EP2217176A2 - Magnetically mounted artificial joint - Google Patents

Magnetically mounted artificial joint

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Publication number
EP2217176A2
EP2217176A2 EP08846627A EP08846627A EP2217176A2 EP 2217176 A2 EP2217176 A2 EP 2217176A2 EP 08846627 A EP08846627 A EP 08846627A EP 08846627 A EP08846627 A EP 08846627A EP 2217176 A2 EP2217176 A2 EP 2217176A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
head
layer
collar
prosthesis
pan
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP08846627A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Georg Gradl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Universitaet Rostock
Original Assignee
Universitaet Rostock
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universitaet Rostock filed Critical Universitaet Rostock
Publication of EP2217176A2 publication Critical patent/EP2217176A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • A61F2310/00952Coating, pre-coating or prosthesis-covering structure made of bone cement, e.g. pre-applied PMMA cement mantle

Definitions

  • the invention relates to a prosthesis for replacement of a joint in which the magnetic fields of the same type of condyle 10, joint socket 12 and joint collar 14 are superimposed so that the repulsive forces produce a floating state of the condyle 10 in the camp and the damping effect is maximum.
  • the invention is also a
  • Joint prostheses and disc prostheses used in orthopedics and trauma surgery suffer from the problem of abrasion of the corresponding joint components. It comes to asymmetrical load peaks, which can laxate the implant faster or it is caused by abrasion material, a foreign body reaction of the tissue.
  • the patent application US 2006/0149386 A1 teaches a prosthetic device comprising a component for fixation in the bone and a receiving part, the latter having reservoirs and magnets and either the fixation component or the receiving part having magnetic properties.
  • the design uses magnetic forces only to absorb the resulting abrasion, which must be magnetic, in the magnetic reservoirs and to prevent migration into the surrounding tissue, while the abrasion itself is not prevented.
  • US 2006/0247782 A1 a prosthetic device for an intervertebral disc whose end regions generate magnetic fields which repel each other and thereby both keep the end regions apart and produce a supporting structure for two vertebrae.
  • the disc prosthesis has built-in solenoids and external control and operating devices.
  • the magnetic forces cause only a stabilization and / or change in length of the prosthesis, but no levitation and thus low-wear storage.
  • US 4,024,588 discloses an artificial joint for implantation into the body having a head portion and a pedestal having magnetic elements in a polarization that produces either attractive or repulsive forces.
  • the invention has for its object to overcome the disadvantages of the abrasion and the loosening indicated in the prior art and to develop a device that ensures a nearly contactless joint guidance.
  • a prosthesis comprising a head 10 and a cup 12 of complementary spatial shape to one another and a collar 14, the head 10, the cup 12 and the collar 14 each comprising a permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20, and wherein the Permanent magnet layers 18 of head 10, pan 12 and collar 14 have a like polarization, so that the head 10 and the pan 12 and the head 10 and the collar 14 are separated by a gap 24.
  • the device according to the invention comprises the three components of head 10, cup 12 and collar 14.
  • the head 10 and the cup 12 are designed so that their spatial structures are complementary to each other, i. the head 10 and the pan 12 fit together like key and lock.
  • the accuracy of fit is dimensioned so that no positive connection arises, the movement, i. Rotation and / or translational movements, would prevent.
  • the interaction of head 10 and pan 12, a joint is formed.
  • a “joint” is understood to mean a movable connection of two or more bones, whereby the anatomy distinguishes between real (provided with a liquid-filled gap 24) and false joints Joints, such as the connection via fibrocartilage, such as discs, are replaced by a true joint prosthesis iSd invention, since the prosthesis according to the invention always generates a gap 24 by the required for levitation abutment of the collar 14.
  • Both the head 10 and the cup 12 will have other components that allow anchoring in the corresponding joint bones.
  • a bearing surface is formed whose size varies depending on the geometric design of the head 10 and pan 12.
  • the geometric design will follow the natural model, i. the existing and to be replaced bone connection, orientate. In most cases, the pan 12 is the
  • Half ⁇ 30% of the surface of the head 10 enclose, preferably ⁇ 10%. It is particularly preferred that the bearing surface is less than half the surface of the head 10.
  • the collar 14 in turn is arranged so that the head 10 and the collar 14 form another bearing surface extending from the first bearing surface between the head 10 and pan
  • the collar 14 is also referred to as an abutment.
  • the collar 14 will be So are on the side of the head 10, which faces away from the pan 12 and is not enclosed by it. In other words, the collar 14 lies behind the head 10 and thus at least partially opposite the cup 12, the term "partially” referring both to the fact that parts of the collar 14 can also be arranged elsewhere and / or the bearing surface of the collar 14 only a fraction of the bearing surface of the pan 12.
  • the collar 14 will preferably represent the extension of the cup 12, both components of the prosthesis having an identical shape of equal or differing volume or geometrical shape via a connecting element 28, preferably mechanically.
  • Head 10, cup 12, and collar 14 have a layered structure, each comprising a permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20.
  • head 10, pan 12 and / or collar 14 additionally have a contact layer 16 and / or carrier layer 22.
  • the contact layer 16 is in particular positioned so that it is aligned with the bearing surface, so that the contact layers of the head 10 and pan 12 and / or head 10 and collar 14 are separated by the gap 24.
  • the arrangement of the layers preferably takes place in the order of permanent magnet layer 18 and shielding layer 20. If, in addition, a contact layer 16 and / or carrier layer 22 are present, the order of contact layer 16,
  • Permanent magnet layer 18, carrier layer 22 and shielding layer 20 is preferred. It is also possible that on the shielding layer 20 of pan 12 and / or collar 14 a
  • Outer layer 26 rests, which is biocompatible. This outer layer 26 establishes the contact between pan 12 and bone and can be used as another contact layer 16 in the sense of
  • the aforementioned sequences are not necessarily determined.
  • the prosthesis according to the invention fixed on the existence of a concrete individual layer, since another layer can also fulfill several functions in the sense of the invention and thus also the function of the physically indistinguishable single layer.
  • one or more layers may be integrated into another layer or the material underlying a layer may inherently fulfill the function of multiple layers of the invention. Possibly. So the omission of layers is possible.
  • the permanent magnet layer 18, shielding layer 20 and / or carrier layer 22 are integrated into the contact layer 16. The integration preferably takes place only in adjacent layers without skipping a layer.
  • a stable cup 12 has an outer layer 26, e.g. As a result, this outer layer 26 makes a further shielding layer 20 dispensable, since it already functions as a shielding layer 20. That the shielding layer 20 is not present here as an independent but as a bifunctional layer.
  • the permanent magnet layer 18 may be embedded in a subsequent contact layer 16, so that in the end only three layers are present.
  • the head 10 has a contact layer 16, e.g. from a cobalt-chromium alloy, on which the permanent magnet layer 18 comes to rest without an additional carrier layer 22.
  • the carrier layer 22 may also surround the permanent magnet layer 18, wherein the carrier layer 22 may simultaneously serve as a contact layer 16 and / or shielding layer 20, provided that it has the required properties.
  • the carrier layer 22 is characterized by body compatibility and abrasion resistance.
  • a suitable material for this embodiment is, for example, titanium.
  • the bearing surface is formed by the contact layers 16, permanent magnet layers 18 or carrier layers 22, depending on which layers represent the outermost layer of the head 10 and the innermost layer of the pan 12 and the collar 14, respectively functionally identical layers are preferred.
  • the bearing surface is formed by the contact layers 16.
  • the contact layers 16 are made of a biocompatible and abrasion resistant material. Depending on the dimensioning of the joint and occurring peak loads, the maximum bearing forces and thus sliding friction between the head 10 and the socket 12 may be exceeded with the consequence of abrasion.
  • the layer thickness is depending on the material 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 3 mm. Preference is given here to plastics, steel, titanium, ceramics or other coatings, particularly preferably PE plastics and cobalt-chromium alloys.
  • the contact layer 16 of the pan 12 made of PE plastic, ceramic or steel, while the contact layer 16 of the head 10 made of ceramic or steel composed.
  • the material pairings of the contact layers 16 are not limited.
  • the contact layer 16 from the head 10 has a different material than the contact layer 16 of the pan 12.
  • An exception to this preferred embodiment form steel-steel pairings, in which the same material of the contact layer is preferred.
  • a preferred steel in the context of the invention are cobalt-chromium alloys.
  • Magnetic layer 18 is preferably located directly underneath contact layer 16.
  • magnetic means that there is a magnetic field which is generated exclusively permanently by a permanent magnet, but not temporarily, such as by the movement of electrical charges Magnetic properties of solids originate in the magnetism of the atoms / ions and electrons of which it is built up.This is magnetic material when the elementary magnetic moments are aligned so that they do not completely compensate each other, so the material
  • magnetic should also be understood as a generic term for the associated terms “magnetizable”, “paramagnetic” and “superparamagnetic”, unless expressly stated otherwise in the specific context here the own Chaft of a substance, in particular a ferromagnetic material, in the course of the action and the subsequent omission of an external magnetic field to show a remaining magnetization or remanence.
  • paramagnetic involves the tendency of a substance to migrate into a magnetic field, and paramagnetic behavior is found in substances with unpaired ones Electrons, because the spin moments of the electrons align themselves parallel to the external magnetic field and amplify it. The orbital angular momentum of the unpaired electrons also contributes to paramagnetism.
  • Superparamagnetic indicates a particularly strong paramagnetic tendency.
  • the magnetic properties of head 10, cup 12 and collar 14, which are used in the prosthesis according to the invention, can be caused by magnetic materials, which are preferably selected from a group of ceramic oxide materials, preferably barium oxide or iron oxide, or metals of VIII Subgroup or an alloy thereof, preferably iron, cobalt, nickel, whose alloys contain one another or their alloys with platinum or rare earths, particularly preferably neodymium-iron-boron alloys or cobalt-samarium alloys.
  • magnetic materials which are preferably selected from a group of ceramic oxide materials, preferably barium oxide or iron oxide, or metals of VIII Subgroup or an alloy thereof, preferably iron, cobalt, nickel, whose alloys contain one another or their alloys with platinum or rare earths, particularly preferably neodymium-iron-boron alloys or cobalt-samarium alloys.
  • the permanent magnet layer 18 can consist of an integral piece or a plurality of individual magnets, which are assembled analogously to what are known as Halbach magnets by means of a multiplicity of correspondingly shaped and aligned individual magnets.
  • the Halbach array has the property of almost canceling out the magnetic flux on one side of the configuration but increasing it on the other.
  • the permanent magnet layers 18 of head 10, pan 12 and collar 14 have a polynomial of the same name, so that 18 repulsive forces prevail between the magnetic layers.
  • the repulsive forces of the magnets initially lead to, depending on the weight of the patient, the mechanical contact pressure of the condyle 10 is greatly reduced to the socket 12 or even completely disappears.
  • the sliding friction between the two joint components and the mechanical abrasion decrease linearly.
  • the head 10 is mounted wear in the pan 12 and the collar 14, preferably wear-free.
  • the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 have a flux density B of at least 0.4 Tesla.
  • the minimum flux density depends on the type and position of the joint, which results in both the resting load and the load limit.
  • the "resting load" in the sense of the invention is that proportion of the body weight that makes up the body components above the joint, ie the body components, their weight force the joint squeezed or pulled apart, this proportion of body weight can be distributed over several joints and reduces the resting load accordingly.
  • the permanent magnet layers 18 of head 10 and cup 12 have a flux density B of at least 0.5 Tesla, preferably at least 0.7 Tesla, more preferably at least 1.0 Tesla. It is further preferred that the flux densities B of the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 are approximately equal, more preferably with a maximum deviation of 10%. Most preferably, the flux densities B of the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 are the same size.
  • the implementation of a certain flux density B and thus the effective repulsive force effect on the geometry of the magnetic layers 18 is dependent.
  • the design of a particular geometry and flux density is independent, so that any combinations of bearing surface and flux density can be selected, which are within a preferred bearing pressure and thus solve the object of the invention.
  • the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 build up a maximum magnetic bearing pressure of at least 150000 N / m 2 , more preferably of at least 300000 N / m 2 , most preferably of at least 400000 N / m 2 .
  • the permanent magnet layer 18 of the collar 14 has a flux density which corresponds at most to the flux density of the permanent layers 18 of head 10 and pan 12, the higher flux density being decisive.
  • the permanent magnet layer 18 of the collar 14 has a flux density of at most 1, 0 Tesla.
  • the permanent magnet layer 18 of the collar 14 has a flux density at least 40% lower than the flux density of the permanent magnet layer 18 the pan 12, preferably at least 20% lower flux density, more preferably at least 10% lower flux density. It goes without saying for the person skilled in the art Instead of the flux density and the design of the joint, in particular the storage area, can be used to set a limbo.
  • the depth of the joint gap 24 at resting load is between 1 and 10 mm, preferably between 3 and 6 mm, in order to be able to realize a damping effect under peak loads.
  • the damping effect is characterized in that the depth of the gap 24 between the head 10 and cup 12 is reduced during the load, but without reaching the value zero and thus contact and abrasion of the contact layers 16 of the head 10 and pan 12.
  • the case of contact corresponds to the maximum load limit, which is to endure at least a 1, 5-fold rest load, preferably at least three times the rest load, more preferably at least five times the rest load. Assuming that a patient has a body weight of 80 kg and the distribution of this weight on two joints, e.g.
  • two knee or hip joints results in a resting load of less than 40 kg of torso, thighs, arms and head, which has to support each prosthesis, so that the maximum load limit, expressed by the load mass, is at least 60 kg, preferably at least 80 kg, more preferably at least 120 kg.
  • the shielding layer 20 serves to shield the magnetic field lines.
  • the static magnetic field lines caused by the permanent magnet layer 18 exert a force on charge carriers, such as, for example, ionic conduction in nerve tracts, dissolved salts in body fluids, etc., within the body of a patient and, as a result, cause small electrical currents. Possible influences on the body are therefore to be found in the field of conduction systems, with insufficient evidence of the effects of long-term exposures due to static magnetic fields.
  • the permanent magnets 18 act on metallic objects in the vicinity of the joint prostheses.
  • the magnetic fields of the condyle 10, acetabulum 12 and abutment 14 are directed inwardly of the bearing surface and shielded outwardly so as to comply with the limits for static magnetic fields in the patient's surrounding tissue. There is no complete shielding of the magnetic field necessary because a residual magnetic field can even stimulate bone healing. Thus, when this residual magnetic field still comes into play on the socket 12 on the bone side, the healing of the prosthesis in the bone is stimulated.
  • the size of a stimulating residual magnetic field can be determined by a person skilled in the art in routine experiments.
  • the Federal Office for Radiation Protection recommends an upper limit of 0.3 mT for persons who are exposed to a low-frequency magnetic field of 16 2/3 Hz.
  • the current limit in Germany and the recommendation of the IRPA / INIRC (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) for private individuals (daily, permanent residence) in 50/60 Hz alternating fields is even only 0.1 mT; the maximum limit for permanent working in magnetic fields is 0.5 mT.
  • the Working Group on Electro-Biology e.V. requires a limit value of 0.002 mT even for sleeping places and rest zones.
  • the shielding layer 20 must shield the magnetic field of the permanent magnet layer 18 on the side facing away from the gap 24 by a factor of the order of at least 1: 1000, preferably at least 1: 3000, more preferably at least 1: 10000.
  • This shielding factor can be effected only by a combination of different shielding components, which are applied depending on the design of the shield directly to the back of the permanent magnets 18 or at a small distance of 1 to 3 mm.
  • the permanent magnets 18 are surrounded, inter alia, by a solid so-called shielding cap of magnetically soft material, preferably structural steel, iron, nickel, cobalt, special alloys, so-called mu metals (or ⁇ metals), or combinations thereof.
  • a solid so-called shielding cap of magnetically soft material preferably structural steel, iron, nickel, cobalt, special alloys, so-called mu metals (or ⁇ metals), or combinations thereof.
  • mu metals or ⁇ metals
  • the exact interactions between the permanent magnet layer 18 and the shielding layer 20 and the resulting magnetic fields inside and outside of a prosthesis can be calculated using appropriate programs.
  • the mechanical support layer 22 is able to absorb the forces occurring.
  • the carrier layer 22 is made of a non-magnetic, biocompatible and ductile material such as titanium, alloy thereof or other composites.
  • composite material refers to a material composed of two or more bonded materials which, in the case of a composite, are fully bonded together and can not be separated by hand
  • the composite material has different material properties than its constituent components, for which the material properties and geometry of the composite material are In particular, size effects often play a role.
  • the connection is made by fabric or form-fitting or a combination of both.
  • the components of a composite material can themselves be composites again.
  • these layers are either integrated directly into the carrier layer 22 in order to protect them from mechanical loads, or they rest on the carrier layer 22.
  • possible materials capable of producing the required high field strengths are neodymium magnets, which materials are typically very brittle and can not withstand high mechanical stresses such as those encountered under peak load conditions. so that the integration of permanent magnet layer 18 and shielding layer 20 in the carrier layer 20 is preferred. So that the permanent magnets 18 do not break under load, several possibilities come into consideration. They are either incorporated in a mechanically loadable, non-magnetic carrier material, such as e.g. Titan, bedded.
  • This variant is preferred in the composition of the permanent magnets 18 made of Halbach magnets.
  • Another embodiment of the invention during sintering of the permanent magnets 18 into them, is a fibrous web which is resistant to tearing and temperature, e.g. Kevlar or teflon fibers, whereby the fibrous web is able to absorb tensile and compressive stresses. If the permanent magnets 18 still break, the resulting fragments are held together by the fiber fabric.
  • a further embodiment is to manufacture the permanent magnets 18 from a multiplicity of small magnetic microcrystallites which are held together by the fiber fabric.
  • the object of the invention is also achieved by providing a prosthesis comprising a head 10 and a socket 12 of complementary spatial shape, separated by a gap 24, and a collar 14 resting on one of the socket 12 facing away from the head 10 is arranged, wherein the head 10 and the pan 12 each comprise a permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20, and wherein the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 have a like polarization.
  • the magnetic fields of head 10 and cup 12 can also be dimensioned so that the resulting gap 24 does not correlate with an unnatural joint strain. Due to the prevailing resting load and the tension of the muscles surrounding and fixing the joint, little or no contact of the condyle 10 with the collar 14 takes place. Friction of the condyle 10 and collar 14 is consequently only in the fully relaxed state, such as e.g. during sleep, or under stress associated with pulling the joint apart. In these cases, the collar 14 functions advantageously as a mechanical barrier.
  • the collar 14 must have the properties already described in the course of the present specification for the contact layer 16, in particular good body compatibility and high abrasion resistance, the latter property being essential only in the region of the bearing surface. That the collar 14 is at least partially formed as a contact layer 16, preferably completely, the preferred materials of which are plastics such as e.g. Polyethylene plastics, or ceramics are. In contrast, this collar 14 has no magnetic properties.
  • the prior teaching of the invention to the prosthesis with a collar 14 having a permanent magnet layer 18, shielding layer 20 and carrier layer 22 and their configurations are valid and applicable without restriction to the prosthesis having a non-magnetic collar 14 comprising a contact layer 16 if it makes sense.
  • a prosthesis for replacing a bone connection is provided for the first time, which addresses a magnetic and thus contactless joint guidance, so that levitation of the condyle 10 exists both in the resting state and in the loaded state.
  • the magnetic bearing is ideal for a prosthetic joint preservation of any kind, especially for hip joint, shoulder joint and knee joint prostheses and disc prostheses.
  • the loosening occurring, for example, in conventional hip prostheses on the transition points between prosthesis and hip joint fastened with, inter alia, bone cement. or thighbones are significantly reduced by the magnetic damping.
  • the components of the joint prostheses are characterized by a layer structure of different materials, so that in addition to the magnetic properties they also meet the following requirements of a biocompatible and abrasion-resistant coating and a mechanical stability.
  • Another object of the invention is a method for replacing a bone joint of a mammal by attaching a head 10 of a prosthesis to a joint bone of the mammal, a socket 12 of the prosthesis complementary to the head 10 on another joint bone of the mammal and a collar 14 of the mammal Prosthesis attached to the pan 12 or the mammal, wherein head 10, pan 12 and collar 14 each comprise at least one permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20, thereby providing the permanent magnet layers 18 of head 10, pan 12 and collar 14 with the same polarization and the permanent magnet layers 18 is configured so that repulsive magnetic forces cause a gap 24 between the contact layers 16 of head 10 and cup 12 and head 10 and collar 14 during stress on the joint bone and prosthesis.
  • the replacement of the bone connection of a human takes place.
  • an existing bone connection must first be removed to create a cavity for the prosthesis. Both the removal and the implantation of the prosthesis are performed by a surgical procedure in accordance with common medical practice.
  • the attachment of the prosthesis at the intersections of joint bone and head 10 or pan 12 can be done eg with bone cement.
  • the pan 12 can also be held by a rough surface which is pressed in, so-called press-fit pans.
  • the magnetic fields generated by the permanent magnet layers 18 are adjusted so that a depth of the gap 24 of 1 to 10 mm is effected, preferably from 1 to 3 mm.
  • the prosthesis may either be delivered pre-assembled outside the body or assembled in-situ during the operation, as currently preferred in practice, to the individual needs of the patient.
  • the present invention is intended to be used for already prefabricated joint prostheses, such as a duo-head prosthesis on the hip joint or intervertebral disc prostheses, as well as for the joint replacement individually adapted by the surgeon.
  • at least the head 10 and the socket 12 of the prosthesis are mounted outside the mammal.
  • the collar 14 be mechanically secured to the cup 12 so that there is the possibility of complete assembly of the prosthesis prior to the operation.
  • the complete assembly of the prosthesis does not include the magnetization of the permanent magnet layer 18, which preferably takes place in-situ.
  • the permanent magnet layer 18 is exposed to an electric field, for example, so that the magnetization occurs within the mammalian body.
  • the shield layer 20 of the pan 12 preferably causes incomplete shielding of the permanent magnet layer 18 of the pan 12, thereby stimulating the healing process.
  • Fig. 1 shows a schematic drawing of a hip joint prosthesis.
  • the pan 12 and collar 14 have a spherically convex shape and the head 10 has a spherically concave shape, i. the geometric shape of the socket 12 and collar 14 corresponds to the segment of a spherical shell, while the head 10 has the shape of a precisely fitting spherical segment.
  • the collar 14 consists of several spherical shell segments.
  • FIG. 2 shows a layer model of the hip joint prosthesis.
  • Head 10, cup 12 and collar 14 are made of a PE contact layer 16, permanent magnet layer 18, carrier layer 22, shielding shield layer 20 and biocompatible
  • Screw connections connected as a mechanical connection element 28 with the socket 12. They are made to increase the mobility of the joint, e.g. by
  • Head 10 and collar 14 thus have a complementary shape to each other.
  • the carrier layer 22 goes into the
  • Shank over which is implanted in the femur.
  • the outer layer 26 makes contact with the hip bone.
  • cup 12 and collar 14 are spherical convex or spherical concave permanent magnets 18, i. the magnet 18 in the head 10 has the shape of a ball, while the magnets 18 are formed in pan 12 and collar 14 as a spherical shell. Due to the balance of the repulsive magnetic forces of cup 12 and collar 14, the state of levitation (levitation) of the condyle is reached in the camp.
  • the following calculation determines the magnitude of the required magnetic flux density B of the permanent magnets 18.
  • the basis is the formula for calculating the magnetic
  • each hip joint prosthesis must support a maximum of 40 kg resting load and has additional reserves to cushion up to three times the peak load (120 kg).

Abstract

The invention relates to a prosthesis for replacing a joint connection in which identically polarized magnetic fields of the condyle (10), joint cavity (12), and joint collar (14) are superimposed on each other in such a way that the repulsive forces generate a suspended state of the condyle (10) in the bearing and the damping effect is maximized. The invention also relates to a method for replacing a bone joint of a mammal. In said method, the prosthesis is fastened to the joint bone, and repulsive forces generate a levitated state of the condyle (10) under load.

Description

MAGNETISCH GELAGERTES KÜNSTLICHES GELENK MAGNETICALLY BASED ARTIFICIAL JOINT
Die Erfindung betrifft eine Prothese zum Ersatz einer Gelenkverbindung, in der gleichnamige Magnetfelder von Gelenkkopf 10, Gelenkpfanne 12 und Gelenkkragen 14 so überlagert werden, dass die repulsiven Kräfte einen Schwebezustand des Gelenkkopfes 10 im Lager erzeugen und der Dämpfungseffekt maximal wird. Gegenstand der Erfindung ist auch einThe invention relates to a prosthesis for replacement of a joint in which the magnetic fields of the same type of condyle 10, joint socket 12 and joint collar 14 are superimposed so that the repulsive forces produce a floating state of the condyle 10 in the camp and the damping effect is maximum. The invention is also a
Verfahren zum Ersatz einer Knochenverbindung eines Säugers, in dem die Prothese an denA method for replacing a bone connection of a mammal, in which the prosthesis to the
Gelenkknochen befestigt und repulsive Kräfte einen Zustand der Levitation des Gelenk- kopfes 10 während Belastung bewirken.Fixed joint bone and repulsive forces cause a state of levitation of the joint head 10 during exercise.
In der Orthopädie und Unfallchirurgie verwendete Gelenksprothesen und Bandscheibenprothesen leiden unter dem Problem des Abriebes der korrespondierenden Gelenkkomponenten. Es kommt zu unsymmetrischen Belastungsspitzen, die das Implantat schneller auslockern lassen oder es entsteht durch Abriebmaterial eine Fremdkörperreaktion des Gewebes.Joint prostheses and disc prostheses used in orthopedics and trauma surgery suffer from the problem of abrasion of the corresponding joint components. It comes to asymmetrical load peaks, which can laxate the implant faster or it is caused by abrasion material, a foreign body reaction of the tissue.
Im Stand der Technik wird versucht, durch möglichst harte Stoffe, welche die Gelenkflächen bilden, wie z.B. Keramik, den Abrieb zu reduzieren, was jedoch nur unzureichend gelingt.In the prior art it is attempted to penetrate the hardest possible substances which form the articular surfaces, e.g. Ceramics to reduce abrasion, but only insufficiently successful.
Die Patentanmeldung US 2006/0149386 A1 lehrt eine prothetische Vorrichtung, die einen Bestandteil zur Fixierung im Knochen und ein Aufnahmeteil umfasst, wobei das Letztere Reservoirs und Magneten aufweist und entweder der Fixierungsbestandteil oder das Aufnahmeteil magnetische Eigenschaften hat. Die Konstruktion nutzt magnetische Kräfte nur aus, um den entstehenden Abrieb, der magnetisch sein muss, in den magnetischen Reservoirs aufzufangen und an der Migration in das umgebende Gewebe zu hindern, während der Abrieb selbst nicht verhindert wird.The patent application US 2006/0149386 A1 teaches a prosthetic device comprising a component for fixation in the bone and a receiving part, the latter having reservoirs and magnets and either the fixation component or the receiving part having magnetic properties. The design uses magnetic forces only to absorb the resulting abrasion, which must be magnetic, in the magnetic reservoirs and to prevent migration into the surrounding tissue, while the abrasion itself is not prevented.
Es ist des Weiteren aus US 2006/0247782 A1 eine prothetische Vorrichtung für eine Bandscheibe bekannt, deren Endbereiche Magnetfelder generieren, die sich abstoßen und dadurch sowohl die Endbereiche auseinander halten als auch eine tragende Konstruktion für zwei Rückenwirbel erzeugen. Die Bandscheibenprothese besitzt eingebaute Elektromagneten und externe Steuerungs- und Betriebsgeräten. Die magnetischen Kräfte bewirken lediglich eine Stabilisierung und/oder Längenveränderung der Prothese, aber keine Levitation und damit verschleißarme Lagerung. US 4,024,588 offenbart ein künstliches Gelenk zur Implantation in den Körper mit einem Kopfteil und einem Sockel, die magnetische Elemente in einer Polarisierung aufweisen, die entweder attraktive oder repulsive Kräfte hervorruft. Der Fall anziehender Magnete zielt auf die Verhinderung der Luxation des Gelenks ab, während für abstoßende Magnete ein Dämpfungseffekt erreicht werden soll, da die effektive Lagerkraft abgeschwächt wird. Die Konstruktion ist nicht in der Lage, die für einen Schwebezustand notwendigen Magnetfelder aufzubauen, da die involvierten Flächen viel zu klein sind. Außerdem sind die angegebenen magnetischen Materialien nicht in der Lage, die für eine effektive Dämpfung erforderlichen hohen permanenten Magnetfelder aufzubauen. Deren Anwendung in der vorliegenden Konstruktion würde das Gelenk im Ruhezustand und ohne Last unnatürlich weit auseinander drücken.It is further known from US 2006/0247782 A1 a prosthetic device for an intervertebral disc whose end regions generate magnetic fields which repel each other and thereby both keep the end regions apart and produce a supporting structure for two vertebrae. The disc prosthesis has built-in solenoids and external control and operating devices. The magnetic forces cause only a stabilization and / or change in length of the prosthesis, but no levitation and thus low-wear storage. US 4,024,588 discloses an artificial joint for implantation into the body having a head portion and a pedestal having magnetic elements in a polarization that produces either attractive or repulsive forces. The case of attracting magnets is aimed at preventing the dislocation of the joint, while for repulsive magnets a damping effect is to be achieved, since the effective bearing force is weakened. The design is incapable of building the magnetic fields necessary for a floating state because the areas involved are far too small. In addition, the specified magnetic materials are unable to build up the high permanent magnetic fields required for effective damping. Their use in the present design would force the joint unnaturally far apart at rest and without load.
Ein weiteres Problem ist, dass die Schnittstelle zwischen Knochen und Verankerung des künstlichen Gelenkes durch die Geh- und Stehbelastung des Patienten hohen Drücken standhalten muss. Im Laufe der Zeit kommt es zwangsläufig zu Auslockerungsphänomenen an der Schnittstelle Knochen-Gelenk.Another problem is that the interface between bone and anchoring of the artificial joint by the walking and standing load of the patient must withstand high pressures. Over time, it comes inevitably to Auslockerungsphänomenen at the interface bone-joint.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die im Stand der Technik aufgezeigten Nachteile des Abriebs und der Auslockerung zu überwinden und eine Vorrichtung zu entwickeln, die eine nahezu kontaktlose Gelenksführung gewährleistet.The invention has for its object to overcome the disadvantages of the abrasion and the loosening indicated in the prior art and to develop a device that ensures a nearly contactless joint guidance.
Die Aufgabe der Erfindung wird gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche beinhalten bevorzugte Ausführungsformen. Erfindungsgemäß wird eine Prothese bereitgestellt, die einen Kopf 10 und eine Pfanne 12 mit komplementärer räumlicher Gestalt zueinander und einen Kragen 14 umfasst, wobei der Kopf 10, die Pfanne 12 und der Kragen 14 jeweils eine Permanentmagnetschicht 18 und eine Abschirmschicht 20 umfassen, und wobei die Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 eine gleichnamige Polarisierung aufweisen, so dass der Kopf 10 und die Pfanne 12 sowie der Kopf 10 und der Kragen 14 durch einen Spalt 24 getrennt sind.The object of the invention is achieved according to the independent claims. The subclaims contain preferred embodiments. According to the invention, there is provided a prosthesis comprising a head 10 and a cup 12 of complementary spatial shape to one another and a collar 14, the head 10, the cup 12 and the collar 14 each comprising a permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20, and wherein the Permanent magnet layers 18 of head 10, pan 12 and collar 14 have a like polarization, so that the head 10 and the pan 12 and the head 10 and the collar 14 are separated by a gap 24.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch die Bereitstellung eines Magnetfeldes durch das zusätzliche prothetische Bauteil des Kragens 14 die von den Permanentmagneten in Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 erzeugten Magnetfelder so dimensioniert und angeordnet werden können, dass ein Gleichgewicht der repulsiven Kräfte auf den Kopf 10 bewirkt wird, infolgedessen ein Zustand der Levitation (Schwebezustand) des Gelenkkopfes 10 im Lager erreicht wird. Im Ergebnis der magnetischen Gelenkführung wird eine kontaktfreie und damit abriebarme Lagerung im Gelenk erzielt. Neben der deutlichen Reduktion des Abriebs bewirkt die magnetische Lagerung außerdem eine Dämpfung gegen mechanische Spitzenlasten.Surprisingly, it has been found that by providing a magnetic field through the additional prosthetic component of the collar 14, the magnetic fields generated by the permanent magnets in head 10, pan 12 and collar 14 can be dimensioned and arranged so that a balance of repulsive forces on the head 10 is caused, as a result, a state of levitation (floating state) of the condyle 10 is reached in the warehouse. As a result of the magnetic joint guidance a non-contact and thus low-abrasion storage is achieved in the joint. In addition to the significant reduction of abrasion, the magnetic bearing also causes an attenuation against mechanical peak loads.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst die drei Bestandteile von Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14. Der Kopf 10 und die Pfanne 12 sind so gestaltet, dass ihre räumlichen Strukturen komplementär zueinander sind, d.h. der Kopf 10 und die Pfanne 12 passen wie Schlüssel und Schloss ineinander. Die Passgenauigkeit ist dabei so dimensioniert, dass keine formschlüssige Verbindung entsteht, die eine Bewegung, d.h. Rotations- und/oder Translationsbewegungen, unterbinden würde. Durch das Zusammenspiel von Kopf 10 und Pfanne 12 wird ein Gelenk ausgebildet. Unter einem „Gelenk" ist eine bewegliche Verbindung von zwei oder mehreren Knochen zu verstehen, wobei in der Anatomie zwischen echten (mit einem flüssigkeitsgefüllten Spalt 24 versehenen) und unechten Gelenken unter- schieden wird. Es versteht sich, dass im Sinne der Erfindung auch unechte Gelenke, wie beispielweise die Verbindung über Faserknorpel, wie z.B. Bandscheiben, durch eine echte Gelenkprothese i.S.d. Erfindung ersetzt werden, da die erfindungsgemäße Prothese durch das für den Schwebezustand erforderliche Gegenlager des Kragens 14 immer einen Spalt 24 generiert.The device according to the invention comprises the three components of head 10, cup 12 and collar 14. The head 10 and the cup 12 are designed so that their spatial structures are complementary to each other, i. the head 10 and the pan 12 fit together like key and lock. The accuracy of fit is dimensioned so that no positive connection arises, the movement, i. Rotation and / or translational movements, would prevent. The interaction of head 10 and pan 12, a joint is formed. A "joint" is understood to mean a movable connection of two or more bones, whereby the anatomy distinguishes between real (provided with a liquid-filled gap 24) and false joints Joints, such as the connection via fibrocartilage, such as discs, are replaced by a true joint prosthesis iSd invention, since the prosthesis according to the invention always generates a gap 24 by the required for levitation abutment of the collar 14.
Sowohl der Kopf 10 als auch die Pfanne 12 werden weitere Bestandteile aufweisen, die eine Verankerung in den korrespondieren Gelenkknochen erlauben.Both the head 10 and the cup 12 will have other components that allow anchoring in the corresponding joint bones.
Durch das Zusammenfügen von Kopf 10 und Pfanne 12 wird eine Lagerfläche ausgebildet, deren Größe je nach geometrischer Gestaltung von Kopf 10 und Pfanne 12 variiert. Die geometrische Gestaltung wird sich am natürlichen Vorbild, d.h. der vorhandenen und zu ersetzenden Knochenverbindung, orientieren. In den meisten Fällen wird die Pfanne 12 dieBy joining head 10 and cup 12, a bearing surface is formed whose size varies depending on the geometric design of the head 10 and pan 12. The geometric design will follow the natural model, i. the existing and to be replaced bone connection, orientate. In most cases, the pan 12 is the
Hälfte ± 30 % der Oberfläche des Kopfes 10 umschließen, vorzugsweise ± 10 %. Es ist besonders bevorzugt, dass die Lagerfläche weniger als die Hälfte der Oberfläche des Kopfes 10 ausmacht.Half ± 30% of the surface of the head 10 enclose, preferably ± 10%. It is particularly preferred that the bearing surface is less than half the surface of the head 10.
Der Kragen 14 wiederum ist so angeordnet, dass der Kopf 10 und der Kragen 14 eine andere Lagerfläche ausbilden, die von der ersten Lagerfläche zwischen Kopf 10 und PfanneThe collar 14 in turn is arranged so that the head 10 and the collar 14 form another bearing surface extending from the first bearing surface between the head 10 and pan
12 örtlich verschieden ist und sich in ihrer räumlichen Ausdehnung unterscheiden kann. Aus diesem Grund wird der Kragen 14 auch als Gegenlager bezeichnet. Der Kragen 14 wird sich also auf der Seite des Kopfes 10 befinden, die von der Pfanne 12 abgewandt bzw. nicht von ihr umschlossen ist. Mit anderen Worten, der Kragen 14 liegt hinter dem Kopf 10 und damit der Pfanne 12 zumindest teilweise gegenüber, wobei sich der Ausdruck „teilweise" sowohl darauf bezieht, dass Teile des Kragens 14 auch anderweitig angeordnet sein können und/oder die Lagerfläche des Kragens 14 nur einen Bruchteil der Lagerfläche der Pfanne 12 ausmacht. Der Kragen 14 wird vorzugsweise die Verlängerung der Pfanne 12 darstellen, wobei beide Komponenten der Prothese eine identische Form mit gleichem oder abweichendem Volumen oder eine andere geometrische Form haben. Die Verbindung von Pfanne 12 und Kragen 14 erfolgt über ein Verbindungselement 28, vorzugsweise mechanisch.12 is locally different and may differ in their spatial extent. For this reason, the collar 14 is also referred to as an abutment. The collar 14 will be So are on the side of the head 10, which faces away from the pan 12 and is not enclosed by it. In other words, the collar 14 lies behind the head 10 and thus at least partially opposite the cup 12, the term "partially" referring both to the fact that parts of the collar 14 can also be arranged elsewhere and / or the bearing surface of the collar 14 only a fraction of the bearing surface of the pan 12. The collar 14 will preferably represent the extension of the cup 12, both components of the prosthesis having an identical shape of equal or differing volume or geometrical shape via a connecting element 28, preferably mechanically.
Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 weisen eine Schichtenstruktur auf, indem sie jeweils eine Permanentmagnetschicht 18 und eine Abschirmschicht 20 umfassen. In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weisen Kopf 10, Pfanne 12 und/oder Kragen 14 zusätzlich eine Kontaktschicht 16 und/oder Trägerschicht 22 auf. Die Kontaktschicht 16 ist dabei insbesondere so positioniert, dass sie zur Lagerfläche ausgerichtet ist, so dass die Kontaktschichten von Kopf 10 und Pfanne 12 und/oder von Kopf 10 und Kragen 14 durch den Spalt 24 getrennt sind.Head 10, cup 12, and collar 14 have a layered structure, each comprising a permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20. In one embodiment of the present invention, head 10, pan 12 and / or collar 14 additionally have a contact layer 16 and / or carrier layer 22. The contact layer 16 is in particular positioned so that it is aligned with the bearing surface, so that the contact layers of the head 10 and pan 12 and / or head 10 and collar 14 are separated by the gap 24.
Die Anordnung der Schichten erfolgt vorzugsweise in der Reihenfolge von Permanent- magnetschicht 18 und Abschirmschicht 20. Sofern außerdem eine Kontaktschicht 16 und/oder Trägerschicht 22 vorhanden sind, ist die Reihenfolge von Kontaktschicht 16,The arrangement of the layers preferably takes place in the order of permanent magnet layer 18 and shielding layer 20. If, in addition, a contact layer 16 and / or carrier layer 22 are present, the order of contact layer 16,
Permanentmagnetschicht 18, Trägerschicht 22 und Abschirmschicht 20 bevorzugt. Es ist auch möglich, dass auf der Abschirmschicht 20 von Pfanne 12 und/oder Kragen 14 einePermanent magnet layer 18, carrier layer 22 and shielding layer 20 is preferred. It is also possible that on the shielding layer 20 of pan 12 and / or collar 14 a
Außenschicht 26 aufliegt, die körperverträglich ist. Diese Außenschicht 26 stellt den Kontakt zwischen Pfanne 12 und Knochen her und kann als weitere Kontaktschicht 16 im Sinne derOuter layer 26 rests, which is biocompatible. This outer layer 26 establishes the contact between pan 12 and bone and can be used as another contact layer 16 in the sense of
Erfindung aufgefasst werden.Be conceived invention.
Die vorgenannten Reihenfolgen sind jedoch nicht zwingend festgelegt. Ebenso wenig ist die erfindungsgemäße Prothese auf das Vorhandensein einer konkreten Einzelschicht fest- gelegt, da eine andere Schicht auch mehrere Funktionen im Sinne der Erfindung und damit auch die Funktion der physisch nicht abgrenzbaren Einzelschicht erfüllen kann. Insbesondere können eine oder mehrere Schichten in eine andere Schicht integriert werden oder das einer Schicht zugrunde liegende Material kann inhärent die Funktion mehrerer Schichten der Erfindung ausfüllen. Ggf. ist also das Weglassen von Schichten möglich. In einer Ausführungsform der Erfindung werden die Kontaktschicht 16, Permanentmagnet- schient 18 und/oder Abschirmschicht 20 in die Trägerschicht 22 integriert, vorzugsweise die Permanentmagnetschicht 18 und die Abschirmschicht 20. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden die Permanentmagnetschicht 18, Abschirmschicht 20 und/oder Trägerschicht 22 in die Kontaktschicht 16 integriert. Die Integration erfolgt vorzugsweise nur in benachbarte Schichten, ohne eine Schicht zu überspringen.However, the aforementioned sequences are not necessarily determined. Nor is the prosthesis according to the invention fixed on the existence of a concrete individual layer, since another layer can also fulfill several functions in the sense of the invention and thus also the function of the physically indistinguishable single layer. In particular, one or more layers may be integrated into another layer or the material underlying a layer may inherently fulfill the function of multiple layers of the invention. Possibly. So the omission of layers is possible. In one embodiment of the invention, the contact layer 16, permanent magnet 18 and / or shielding layer 20 integrated into the carrier layer 22, preferably the permanent magnet layer 18 and the shielding layer 20. In another embodiment of the invention, the permanent magnet layer 18, shielding layer 20 and / or carrier layer 22 are integrated into the contact layer 16. The integration preferably takes place only in adjacent layers without skipping a layer.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Prothese weist eine stabile Pfanne 12 eine Außenschicht 26, wie z.B. aus Titan, auf, die schon Abschirmwirkung besitzt, infolgedessen diese Außenschicht 26 eine weitere Abschirmschicht 20 entbehrlich macht, da sie bereits als Abschirmschicht 20 fungiert. D.h. die Abschirmschicht 20 ist hier nicht als selbständige, sondern als bifunktionale Schicht vorhanden. In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform kann die Permanentmagnetschicht 18 in eine darauf folgende Kontaktschicht 16 eingebettet sein, sodass im Endeffekt nur drei Schichten vorhanden sind.In a preferred embodiment of the prosthesis, a stable cup 12 has an outer layer 26, e.g. As a result, this outer layer 26 makes a further shielding layer 20 dispensable, since it already functions as a shielding layer 20. That the shielding layer 20 is not present here as an independent but as a bifunctional layer. In a further embodiment of this embodiment, the permanent magnet layer 18 may be embedded in a subsequent contact layer 16, so that in the end only three layers are present.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Prothese weist der Kopf 10 eine Kontaktschicht 16, wie z.B. aus einer Kobalt-Chrom-Legierung, auf, auf der die Permanentmagnetschicht 18 ohne eine zusätzliche Trägerschicht 22 zu liegen kommt.In another preferred embodiment of the prosthesis, the head 10 has a contact layer 16, e.g. from a cobalt-chromium alloy, on which the permanent magnet layer 18 comes to rest without an additional carrier layer 22.
Sofern Permanentmagnetschichten 18 verwendet werden, die spröde Materialeigenschaften zeigen, ist eine Stabilisierung durch Integration in die Trägerschicht 22 möglich. Alternativ oder zusätzlich kann die Trägerschicht 22 auch die Permanentmagnetschicht 18 umgeben, wobei die Trägerschicht 22 gleichzeitig als Kontaktschicht 16 und/oder Abschirmschicht 20 dienen kann, sofern sie deren erforderliche Eigenschaften besitzt. Im Fall der Substitution der Kontaktschicht 16 oder Addition als Kontaktschicht 16 zeichnet sich die Trägerschicht 22 durch Körperverträglichkeit und Abriebresistenz aus. Ein geeignetes Material für diese Ausgestaltung ist beispielsweise Titan.If permanent magnet layers 18 are used which exhibit brittle material properties, stabilization by integration into the carrier layer 22 is possible. Alternatively or additionally, the carrier layer 22 may also surround the permanent magnet layer 18, wherein the carrier layer 22 may simultaneously serve as a contact layer 16 and / or shielding layer 20, provided that it has the required properties. In the case of the substitution of the contact layer 16 or addition as a contact layer 16, the carrier layer 22 is characterized by body compatibility and abrasion resistance. A suitable material for this embodiment is, for example, titanium.
Die Anordnung vom Kopf 10 zu Pfanne 12 und Kragen 14 geschieht insbesondere derart, dass die Schichtenabfolge konträr verläuft. Es versteht sich, dass diese Ausgestaltung voraussetzt, dass Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 die gleichen Schichten aufweisen, wobei das Fehlen einer oder mehrerer Schichten unschädlich ist. D.h. im Bereich des Lagers wird die Lagerfläche durch die Kontaktschichten 16, Permanentmagnetschichten 18 oder Trägerschichten 22 gebildet, je nachdem, welche Schichten die äußerste Schicht des Kopfes 10 bzw. die innerste Schicht der Pfanne 12 bzw. des Kragens 14 darstellen, wobei zwei funktional identische Schichten bevorzugt sind. Vorzugsweise wird die Lagerfläche durch die Kontaktschichten 16 ausgebildet.The arrangement of the head 10 to pan 12 and collar 14 is done in particular such that the layer sequence is contrary. It is understood that this embodiment requires that head 10, pan 12 and collar 14 have the same layers, the absence of one or more layers being harmless. That is, in the region of the bearing, the bearing surface is formed by the contact layers 16, permanent magnet layers 18 or carrier layers 22, depending on which layers represent the outermost layer of the head 10 and the innermost layer of the pan 12 and the collar 14, respectively functionally identical layers are preferred. Preferably, the bearing surface is formed by the contact layers 16.
Die Kontaktschichten 16 bestehen aus einem körperverträglichen und abriebresistenten Material. Je nach Dimensionierung des Gelenks und auftretenden Spitzenlasten kann es zu einer Überschreitung der maximalen Lagerkräfte und damit zu Gleitreibung zwischen Kopf 10 und Pfanne 12 mit der Konsequenz von Abrieb kommen. Die Schichtdicke beträgt je nach Material 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise 1 bis 3 mm. Bevorzugt sind hier Kunststoffe, Stahl, Titan, Keramiken oder sonstige Beschichtungen möglich, besonders bevorzugt PE- Kunststoffe und Kobalt-Chrom-Legierungen. Insbesondere besteht die Kontaktschicht 16 der Pfanne 12 aus PE-Kunststoff, Keramik oder Stahl, während sich die Kontaktschicht 16 vom Kopf 10 aus Keramik oder Stahl zusammensetzt. Die Materialpaarungen der Kontaktschichten 16 sind dabei nicht limitiert. Es ist jedoch bevorzugt, dass die Kontaktschicht 16 vom Kopf 10 ein anderes Material als die Kontaktschicht 16 der Pfanne 12 aufweist. Insbesondere gibt es in der Kontaktschicht 16 am Kopf 10 Stahl oder Keramik und an der Kontaktschicht 16 der Pfanne 12 PE. Eine Ausnahme von dieser bevorzugten Ausgestaltung bilden Stahl-Stahl-Paarungen, bei denen das gleiche Material der Kontaktschicht bevorzugt ist. Ein bevorzugter Stahl im Sinn der Erfindung sind Kobalt-Chrom-Legierungen.The contact layers 16 are made of a biocompatible and abrasion resistant material. Depending on the dimensioning of the joint and occurring peak loads, the maximum bearing forces and thus sliding friction between the head 10 and the socket 12 may be exceeded with the consequence of abrasion. The layer thickness is depending on the material 0.1 to 10 mm, preferably 1 to 3 mm. Preference is given here to plastics, steel, titanium, ceramics or other coatings, particularly preferably PE plastics and cobalt-chromium alloys. In particular, the contact layer 16 of the pan 12 made of PE plastic, ceramic or steel, while the contact layer 16 of the head 10 made of ceramic or steel composed. The material pairings of the contact layers 16 are not limited. However, it is preferred that the contact layer 16 from the head 10 has a different material than the contact layer 16 of the pan 12. In particular, there are in the contact layer 16 on the head 10 steel or ceramic and on the contact layer 16 of the pan 12 PE. An exception to this preferred embodiment form steel-steel pairings, in which the same material of the contact layer is preferred. A preferred steel in the context of the invention are cobalt-chromium alloys.
Direkt unterhalb der Kontaktschicht 16 befindet sich vorzugsweise die Magnetschicht 18. Im Sinne der Erfindung bedeutet „magnetisch", dass ein Magnetfeld vorhanden ist, das ausschließlich permanent durch einen Dauermagneten, aber nicht zeitweilig, wie z.B. durch die Bewegung elektrischer Ladungen, erzeugt wird. Die magnetischen Eigenschaften von Festkörpern haben ihren Ursprung im Magnetismus der Atome/Ionen und Elektronen, aus denen er aufgebaut ist. Es handelt sich dann um magnetisches Material, wenn die elementaren magnetischen Momente so ausgerichtet sind, dass sie sich nicht vollständig gegenseitig kompensieren, der Stoff also eine makroskopische Magnetisierung aufweist. Im Sinne der Erfindung soll „magnetisch" auch als Obergriff für die assoziierten Begriffe „magnetisierbar", „paramagnetisch" und „superparamagnetisch" verstanden werden, sofern sich aus dem konkreten Zusammenhang nicht ausdrücklich etwas anderes ergibt. „Magnetisierbar" bezeichnet hierbei die Eigenschaft eines Stoffes, insbesondere eines ferromagnetischen Stoffes, im Zuge der Einwirkung und des anschließenden Wegfalls eines externen Magnetfeldes eine verbleibende Magnetisierung oder Remanenz zu zeigen. „Paramagnetisch" beinhaltet die Tendenz einer Substanz, in ein Magnetfeld hineinzu- wandern. Paramagnetisches Verhalten findet man bei Substanzen mit ungepaarten Elektronen, da sich die Spinmomente der Elektronen parallel zum äußeren Magnetfeld ausrichten und es verstärken. Der Bahndrehimpuls der ungepaarten Elektronen steuert ebenfalls einen Anteil zum Paramagnetismus bei. „Superparamagnetisch" weist auf eine besonders starke paramagnetische Tendenz hin.Magnetic layer 18 is preferably located directly underneath contact layer 16. For the purposes of the invention, "magnetic" means that there is a magnetic field which is generated exclusively permanently by a permanent magnet, but not temporarily, such as by the movement of electrical charges Magnetic properties of solids originate in the magnetism of the atoms / ions and electrons of which it is built up.This is magnetic material when the elementary magnetic moments are aligned so that they do not completely compensate each other, so the material For the purposes of the invention, "magnetic" should also be understood as a generic term for the associated terms "magnetizable", "paramagnetic" and "superparamagnetic", unless expressly stated otherwise in the specific context here the own Chaft of a substance, in particular a ferromagnetic material, in the course of the action and the subsequent omission of an external magnetic field to show a remaining magnetization or remanence. "Paramagnetic" involves the tendency of a substance to migrate into a magnetic field, and paramagnetic behavior is found in substances with unpaired ones Electrons, because the spin moments of the electrons align themselves parallel to the external magnetic field and amplify it. The orbital angular momentum of the unpaired electrons also contributes to paramagnetism. "Superparamagnetic" indicates a particularly strong paramagnetic tendency.
Die magnetischen Eigenschaften von Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14, die in der erfindungsgemäßen Prothese zur Anwendung kommen, können durch magnetische Stoffe hervorgerufen werden, die vorzugsweise aus einer Gruppe ausgewählt sind, die keramische Oxidwerkstoffe, vorzugsweise Bariumoxid oder Eisenoxid, oder Metalle der VIII. Neben- gruppe oder eine Legierung daraus, vorzugsweise Eisen, Kobalt, Nickel, deren Legierungen untereinander oder deren Legierungen mit Platin oder seltenen Erden, besonders bevorzugt Neodym-Eisen-Bor-Legierungen oder Kobalt-Samarium-Legierungen, enthält.The magnetic properties of head 10, cup 12 and collar 14, which are used in the prosthesis according to the invention, can be caused by magnetic materials, which are preferably selected from a group of ceramic oxide materials, preferably barium oxide or iron oxide, or metals of VIII Subgroup or an alloy thereof, preferably iron, cobalt, nickel, whose alloys contain one another or their alloys with platinum or rare earths, particularly preferably neodymium-iron-boron alloys or cobalt-samarium alloys.
Die Permanentmagnetschicht 18 kann aus einem integralen Stück oder mehreren Einzel- magneten, die analog zu sogenannten Halbach-Magneten durch eine Vielzahl entsprechend geformter und ausgerichteter Einzelmagnete zusammengesetzt werden, bestehen. Das Halbach-Array hat die Eigenschaft, dass sich der magnetische Fluss an der einen Seite der Konfiguration fast aufhebt, auf der anderen Seite jedoch verstärkt.The permanent magnet layer 18 can consist of an integral piece or a plurality of individual magnets, which are assembled analogously to what are known as Halbach magnets by means of a multiplicity of correspondingly shaped and aligned individual magnets. The Halbach array has the property of almost canceling out the magnetic flux on one side of the configuration but increasing it on the other.
Die Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 weisen eine gleichnamige Polung auf, so dass zwischen den Magnetschichten 18 repulsive Kräfte herrschen. Die Repulsionskräfte der Magnete führen zunächst dazu, dass, je nach Gewicht des Patienten, die mechanische Anpresskraft des Gelenkkopfes 10 auf die Gelenkpfanne 12 stark reduziert wird oder sogar vollständig verschwindet. Mit der Reduktion der auf die Fläche zwischen Kopf 10 und Pfanne 12 wirkenden Kraft verringern sich linear die Gleitreibung zwischen den beiden Gelenkkomponenten und der mechanische Abrieb. Als Konsequenz ist der Kopf 10 in der Pfanne 12 bzw. dem Kragen 14 verschleißarm gelagert, vorzugsweise verschleißfrei.The permanent magnet layers 18 of head 10, pan 12 and collar 14 have a polynomial of the same name, so that 18 repulsive forces prevail between the magnetic layers. The repulsive forces of the magnets initially lead to, depending on the weight of the patient, the mechanical contact pressure of the condyle 10 is greatly reduced to the socket 12 or even completely disappears. With the reduction of the force acting on the surface between head 10 and cup 12, the sliding friction between the two joint components and the mechanical abrasion decrease linearly. As a consequence, the head 10 is mounted wear in the pan 12 and the collar 14, preferably wear-free.
In einer Ausführungsform der Erfindung haben die Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10 und Pfanne 12 eine Flussdichte B von mindestens 0,4 Tesla. Die Mindestflussdichte hängt dabei von der Art und Lage des Gelenks ab, aus der sich sowohl die Ruhebelastung als auch die Belastungsgrenze ergeben. Bei der „Ruhebelastung" im Sinne der Erfindung handelt es sich um jenen Anteil des Körpergewichts, den die Körperbestandteile oberhalb des Gelenks ausmachen, d.h. die Körperbestandteile, deren Gewichtskraft das Gelenk zusammengedrückt oder auseinander zieht, wobei dieser Anteil des Körpergewichts auf mehrere Gelenke verteilt sein kann und die Ruhebelastung entsprechend mindert.In one embodiment of the invention, the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 have a flux density B of at least 0.4 Tesla. The minimum flux density depends on the type and position of the joint, which results in both the resting load and the load limit. The "resting load" in the sense of the invention is that proportion of the body weight that makes up the body components above the joint, ie the body components, their weight force the joint squeezed or pulled apart, this proportion of body weight can be distributed over several joints and reduces the resting load accordingly.
Es versteht sich, dass beispielsweise ein Kniegelenk eine höhere Ruhebelastung im Vergleich zu einem Schultergelenk zu tragen hat, infolgedessen sie auch für unterschiedliche Spitzenbelastungsgrenzen dimensioniert werden, die wiederum verschiedene Mindestfluss- dichten nach sich ziehen. In der Ausgestaltung eines Hüftgelenks haben die Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10 und Pfanne 12 eine Flussdichte B von mindestens 0,5 Tesla, vorzugsweise mindestens 0,7 Tesla, besonders bevorzugt mindestens 1 ,0 Tesla. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die Flussdichten B der Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10 und Pfanne 12 annähernd gleich groß sind, besonders bevorzugt mit einer Abweichung von höchstens 10 %. Ganz besonders bevorzugt sind die Flussdichten B der Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10 und Pfanne 12 gleich groß. Es versteht sich ebenso, dass die Umsetzung einer bestimmten Flussdichte B und damit die effektive repulsive Kraftwirkung von der Geometrie der Magnetschichten 18 abhängig ist. Durch die Angabe eines zu erzielenden magnetischen Lagerdrucks wird die Ausgestaltung von einer bestimmten Geometrie und Flussdichte unabhängig, so dass beliebige Kombinationen von Lagerfläche und Flussdichte gewählt werden können, welche im Rahmen eines bevorzugten Lagerdrucks liegen und damit die Aufgabe der Erfindung lösen. Es ist bevorzugt, dass die Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10 und Pfanne 12 einen maximalen magnetischen Lagerdruck von mindestens 150000 N/m2 aufbauen, besonders bevorzugt von mindestens 300000 N/m2, ganz besonders bevorzugt von mindestens 400000 N/m2.It is understood, for example, that a knee joint has a higher resting load compared to a shoulder joint, as a result of which they are also dimensioned for different peak load limits, which in turn entail different minimum flow densities. In the embodiment of a hip joint, the permanent magnet layers 18 of head 10 and cup 12 have a flux density B of at least 0.5 Tesla, preferably at least 0.7 Tesla, more preferably at least 1.0 Tesla. It is further preferred that the flux densities B of the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 are approximately equal, more preferably with a maximum deviation of 10%. Most preferably, the flux densities B of the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 are the same size. It is also understood that the implementation of a certain flux density B and thus the effective repulsive force effect on the geometry of the magnetic layers 18 is dependent. By specifying a magnetic bearing pressure to be achieved, the design of a particular geometry and flux density is independent, so that any combinations of bearing surface and flux density can be selected, which are within a preferred bearing pressure and thus solve the object of the invention. It is preferred that the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 build up a maximum magnetic bearing pressure of at least 150000 N / m 2 , more preferably of at least 300000 N / m 2 , most preferably of at least 400000 N / m 2 .
Da die repulsiven Magnetkräfte dazu führen, dass der Gelenkkopf 10 aus der Pfanne 12 gedrückt wird, ist durch ein Gegenlager (Kragen 14) ein entsprechender Gegendruck aufzubauen. Die Permanentmagnetschicht 18 des Kragens 14 hat eine Flussdichte, die höchstens der Flussdichte der Permanentschichten 18 von Kopf 10 und Pfanne 12 entspricht, wobei die höhere Flussdichte ausschlaggebend ist. In einer Ausführungsform der Erfindung hat die Permanentmagnetschicht 18 des Kragens 14 eine Flussdichte von höchstens 1 ,0 Tesla. Unter Berücksichtigung einer Mindesttiefe des Spalts 24 zwischen Kopf 10 und Pfanne 12 sowie der Ruhebelastung der Prothese, die dem, ggf. anteiligen, Körpergewicht des Patienten entspricht, hat die Permanentmagnetschicht 18 des Kragens 14 eine mindestens 40 % geringere Flussdichte gegenüber der Flussdichte der Permanentmagnetschicht 18 der Pfanne 12, vorzugsweise eine mindestens 20 % geringere Flussdichte, besonders bevorzugt eine mindestens 10 % geringere Flussdichte. Es versteht sich für den Fachmann, dass anstelle der Flussdichte auch die Ausgestaltung des Gelenks, insbesondere die Lagerfläche, zur Einstellung eines Schwebezustands herangezogen werden kann.Since the repulsive magnetic forces cause the condyle 10 is pushed out of the pan 12, by a counter bearing (collar 14) to build up a corresponding back pressure. The permanent magnet layer 18 of the collar 14 has a flux density which corresponds at most to the flux density of the permanent layers 18 of head 10 and pan 12, the higher flux density being decisive. In one embodiment of the invention, the permanent magnet layer 18 of the collar 14 has a flux density of at most 1, 0 Tesla. Taking into account a minimum depth of the gap 24 between head 10 and cup 12 and the resting load of the prosthesis, which corresponds to the patient, possibly proportionate body weight, the permanent magnet layer 18 of the collar 14 has a flux density at least 40% lower than the flux density of the permanent magnet layer 18 the pan 12, preferably at least 20% lower flux density, more preferably at least 10% lower flux density. It goes without saying for the person skilled in the art Instead of the flux density and the design of the joint, in particular the storage area, can be used to set a limbo.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Prothese beträgt die Tiefe des Gelenkspalts 24 bei Ruhebelastung zwischen 1 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 3 und 6 mm, um einen Dämpfungseffekt bei Spitzenbelastungen realisieren zu können. Der Dämpfungseffekt ist dadurch charakterisiert, dass sich im Zuge der Belastung die Tiefe des Spalts 24 zwischen Kopf 10 und Pfanne 12 zwar verringert, ohne jedoch den Wert Null und damit eine Berührung und Abrieb der Kontaktschichten 16 von Kopf 10 und Pfanne 12 zu erreichen. Der Fall der Berührung entspricht der maximalen Belastungsgrenze, die mindestens eine 1 ,5-fache Ruhebelastung aushalten soll, vorzugsweise mindestens die dreifache Ruhebelastung, besonders bevorzugt mindestens die fünffache Ruhebelastung. Unter der Annahme, das ein Patient ein Körpergewicht von 80 kg mitbringt und der Verteilung dieses Gewichts auf zwei Gelenke, wie z.B. zwei Knie- oder Hüftgelenke, ergibt sich eine Ruhebelastung von weniger als 40 kg aus Torso, Oberschenkeln, Arme und Kopf, die jede Prothese zu tragen hat, so dass die maximale Belastungsgrenze, ausgedrückt durch die Belastungsmasse, mindestens 60 kg beträgt, vorzugsweise mindestens 80 kg, besonders bevorzugt mindestens 120 kg.In a preferred embodiment of the prosthesis according to the invention, the depth of the joint gap 24 at resting load is between 1 and 10 mm, preferably between 3 and 6 mm, in order to be able to realize a damping effect under peak loads. The damping effect is characterized in that the depth of the gap 24 between the head 10 and cup 12 is reduced during the load, but without reaching the value zero and thus contact and abrasion of the contact layers 16 of the head 10 and pan 12. The case of contact corresponds to the maximum load limit, which is to endure at least a 1, 5-fold rest load, preferably at least three times the rest load, more preferably at least five times the rest load. Assuming that a patient has a body weight of 80 kg and the distribution of this weight on two joints, e.g. two knee or hip joints results in a resting load of less than 40 kg of torso, thighs, arms and head, which has to support each prosthesis, so that the maximum load limit, expressed by the load mass, is at least 60 kg, preferably at least 80 kg, more preferably at least 120 kg.
Die Abschirmschicht 20 dient der Abschirmung der magnetischen Feldlinien. Die von der Permanentmagnetschicht 18 verursachten statischen Magnetfeldlinien üben eine Kraft auf Ladungsträger, wie z.B. ionische Reizleitung in Nervenbahnen, gelöste Salze in Körperflüssigkeiten etc., innerhalb des Körpers eines Patienten aus und lassen in der Folge kleine elektrische Ströme entstehen. Mögliche Beeinflussungen des Körpers sind deshalb gerade im Bereich der Reizleitungssysteme zu suchen, wobei nur unzureichende Erkenntnisse über Auswirkungen von Langzeitexpositionen durch statische Magnetfelder vorliegen. Außerdem wirken die Permanentmagnete 18 auf metallische Gegenstände in der Nähe der Gelenkprothesen. Es ist deshalb essentiell, dass die magnetischen Felder von Gelenkkopf 10, Gelenkpfanne 12 und Gegenlager 14 nach innen auf die Lagerfläche gerichtet sind und nach außen derart abgeschirmt werden, dass die Grenzwerte für statische Magnetfelder im umgebenden Gewebe des Patienten eingehalten werden. Es ist dabei keine vollständige Abschirmung des Magnetfeldes notwendig, da ein Restmagnetfeld sogar die Knochenheilung stimulieren kann. Wenn also auf die Pfanne 12 knochenseitig noch dieses Restmagnetfeld zum Tragen kommt, wird das Einheilen der Prothese im Knochen stimuliert. Die Größe eines stimulierenden Restmagnetfeldes kann von einem Fachmann in Routineversuchen ermittelt werden.The shielding layer 20 serves to shield the magnetic field lines. The static magnetic field lines caused by the permanent magnet layer 18 exert a force on charge carriers, such as, for example, ionic conduction in nerve tracts, dissolved salts in body fluids, etc., within the body of a patient and, as a result, cause small electrical currents. Possible influences on the body are therefore to be found in the field of conduction systems, with insufficient evidence of the effects of long-term exposures due to static magnetic fields. In addition, the permanent magnets 18 act on metallic objects in the vicinity of the joint prostheses. It is therefore essential that the magnetic fields of the condyle 10, acetabulum 12 and abutment 14 are directed inwardly of the bearing surface and shielded outwardly so as to comply with the limits for static magnetic fields in the patient's surrounding tissue. There is no complete shielding of the magnetic field necessary because a residual magnetic field can even stimulate bone healing. Thus, when this residual magnetic field still comes into play on the socket 12 on the bone side, the healing of the prosthesis in the bone is stimulated. The The size of a stimulating residual magnetic field can be determined by a person skilled in the art in routine experiments.
Das Bundesamt für Strahlenschutz empfiehlt für Personen, die einem niederfrequenten Magnetfeld von 16 2/3 Hz ausgesetzt sind, eine Obergrenze von 0,3 mT. Der aktuelle Grenzwert in Deutschland und die Empfehlung der IRPA/INIRC (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) für Privatpersonen (täglich, ständiger Aufenthalt) in 50/60 Hz Wechselfeldern beträgt sogar nur 0,1 mT; der maximale Grenzwert für permanentes Arbeiten in Magnetfeldern beträgt 0,5 mT. Der Arbeitskreis Elektro-Biologie e.V. fordert sogar für Schlafplätze und Ruhezonen einen Grenzwert von 0,002 mT. Bezogen auf das Erdmagnetfeld in Mitteleuropa von durchschnittlich etwa 0,045 mT erscheint jedoch ein Grenzwert von 0,1 bis 0,3 mT und damit dem doppelten bis sechsfachen Wert des Erdmagnetfeldes als vernünftige Größe. Die Abschirmschicht 20 muss demzufolge eine Abschirmung des Magnetfeldes der Permanentmagnetschicht 18 auf der vom Spalt 24 abgewandten Seite um einen Faktor in der Größenordnung von mindestens 1 :1000 bewirken, vorzugsweise mindestens 1 :3000, besonders bevorzugt mindestens 1 :10000. Dieser Abschirmfaktor kann nur durch eine Kombination verschiedener Abschirmkomponenten bewirkt werden, die je nach Ausführung der Abschirmung direkt auf die Rückseite der Permanentmagnete 18 oder in einem geringen Abstand von 1 bis 3 mm aufgetragen werden.The Federal Office for Radiation Protection recommends an upper limit of 0.3 mT for persons who are exposed to a low-frequency magnetic field of 16 2/3 Hz. The current limit in Germany and the recommendation of the IRPA / INIRC (International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection) for private individuals (daily, permanent residence) in 50/60 Hz alternating fields is even only 0.1 mT; the maximum limit for permanent working in magnetic fields is 0.5 mT. The Working Group on Electro-Biology e.V. requires a limit value of 0.002 mT even for sleeping places and rest zones. However, based on the geomagnetic field in Central Europe, averaging about 0.045 mT, a limit value of 0.1 to 0.3 mT and therefore twice or even six times the value of the earth's magnetic field appears to be reasonable. Accordingly, the shielding layer 20 must shield the magnetic field of the permanent magnet layer 18 on the side facing away from the gap 24 by a factor of the order of at least 1: 1000, preferably at least 1: 3000, more preferably at least 1: 10000. This shielding factor can be effected only by a combination of different shielding components, which are applied depending on the design of the shield directly to the back of the permanent magnets 18 or at a small distance of 1 to 3 mm.
Dazu sind die Permanentmagneten 18 unter anderem mit einer massiven sogenannten Abschirmkappe aus magnetisch weichem Material, vorzugsweise Baustahl, Eisen, Nickel, Kobalt, speziellen Legierungen, sogenannten Mü-Metallen (oder μ-Metalle), oder Kombinationen daraus, zu umgeben. Alternativ oder ergänzend ist die Verwendung von Kompensationsmagneten, die gegenpolig zur Permanentmagnetschicht 18 auf deren Außenseite aufgebracht werden. Es versteht sich, dass in beiden Fällen zu prüfen ist, ob es zu magnetischen Kurzschlüssen kommt und welche Auswirkungen diese wiederum auf das nach innen gerichtete Feld haben. Das resultierende Restfeld kann durch magnetisch abschirmende Metall-Gewebe-Matten weiter reduziert werden. Die magnetische Feldstärke sinkt quadratisch mit dem Abstand, so dass die Feldstärke im umgebenden Gewebe den Grenzwert erreicht. Die exakten Wechselwirkungen zwischen der Permanentmagnetschicht 18 und der Abschirmschicht 20 und die resultierenden Magnetfelder im Inneren und Äußeren einer Prothese können mit Hilfe entsprechender Programme berechnet werden. Die mechanische Trägerschicht 22 ist in der Lage, die auftretenden Kräfte aufzunehmen. Die Trägerschicht 22 besteht aus einem unmagnetischen, körperverträglichen und duktilen Material wie Titan, Legierung hieraus oder weiteren Verbundwerkstoffen. Der Begriff „Verbundwerkstoff" bezeichnet einen Werkstoff aus zwei oder mehr verbundenen Materialien, die im Fall eines Verbundstoffs vollflächig miteinander verbunden sind und sich nicht von Hand trennen lassen. Der Verbundwerkstoff besitzt andere Werkstoffeigenschaften als seine einzelnen Komponenten, wofür die stofflichen Eigenschaften und die Geometrie der Komponenten von Bedeutung sind. Insbesondere spielen oft Größeneffekte eine Rolle. Die Verbindung erfolgt durch Stoff- oder Formschluss oder eine Kombination von beidem. Die Komponenten eines Verbundwerkstoffs können dabei selbst wieder Verbundwerkstoffe sein.For this purpose, the permanent magnets 18 are surrounded, inter alia, by a solid so-called shielding cap of magnetically soft material, preferably structural steel, iron, nickel, cobalt, special alloys, so-called mu metals (or μ metals), or combinations thereof. Alternatively or additionally, the use of compensation magnets which are applied opposite pole to the permanent magnet layer 18 on the outside thereof. It is understood that in both cases it is necessary to examine whether there are magnetic short circuits and what effects these in turn have on the inward field. The resulting residual field can be further reduced by magnetically shielding metal-fabric mats. The magnetic field strength decreases quadratically with the distance, so that the field strength in the surrounding tissue reaches the limit. The exact interactions between the permanent magnet layer 18 and the shielding layer 20 and the resulting magnetic fields inside and outside of a prosthesis can be calculated using appropriate programs. The mechanical support layer 22 is able to absorb the forces occurring. The carrier layer 22 is made of a non-magnetic, biocompatible and ductile material such as titanium, alloy thereof or other composites. The term "composite material" refers to a material composed of two or more bonded materials which, in the case of a composite, are fully bonded together and can not be separated by hand The composite material has different material properties than its constituent components, for which the material properties and geometry of the composite material are In particular, size effects often play a role.The connection is made by fabric or form-fitting or a combination of both.The components of a composite material can themselves be composites again.
Je nach Ausführung der Permanentmagnete 18 und der Abschirmschicht 20 werden diese Schichten entweder direkt in die Trägerschicht 22 integriert, um sie vor mechanischen Belastungen zu schützen, oder sie liegen auf der Trägerschicht 22 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind mögliche Materialien, die in der Lage sind, die benötigten hohen Feldstärken zu erzeugen, Neodym-Magnete, wobei diese Materialien in der Regel sehr spröde sind und keinen hohen mechanischen Belastungen standhalten können, wie sie unter Spitzenlast auftreten, so dass auch die Integration von Permanentmagnetschicht 18 und Abschirmschicht 20 in die Trägerschicht 20 bevorzugt ist. Damit die Permanentmagnete 18 bei Belastung nicht brechen, kommen mehrere Möglichkeiten in Betracht. Sie werden entweder in ein mechanisch belastbares, nicht magnetisches Trägermaterial, wie z.B. Titan, gebettet. Diese Variante ist bei der Zusammensetzung der Permanentmagnete 18 aus Halbach-Magneten bevorzugt. Eine andere Ausgestaltung der Erfindung ist, während des Sinterns der Permanentmagnete 18 in diese ein Fasergewebe, das reißfest und temperaturbeständig ist, wie z.B. Kevlar- oder Teflonfasern, zu integrieren, wobei das Fasergewebe in der Lage ist, Zug- und Druckspannungen aufzunehmen. Sollten die Permanentmagnete 18 dennoch brechen, werden die entstehenden Bruchstücke durch das Fasergewebe zusammengehalten. Eine weitere Ausgestaltung ist, die Permanentmagnete 18 aus einer Vielzahl kleiner magnetischer Mikrokristallite zu fertigen, die durch das Fasergewebe zusammengehalten werden.Depending on the design of the permanent magnets 18 and the shielding layer 20, these layers are either integrated directly into the carrier layer 22 in order to protect them from mechanical loads, or they rest on the carrier layer 22. In a preferred embodiment of the invention, possible materials capable of producing the required high field strengths are neodymium magnets, which materials are typically very brittle and can not withstand high mechanical stresses such as those encountered under peak load conditions. so that the integration of permanent magnet layer 18 and shielding layer 20 in the carrier layer 20 is preferred. So that the permanent magnets 18 do not break under load, several possibilities come into consideration. They are either incorporated in a mechanically loadable, non-magnetic carrier material, such as e.g. Titan, bedded. This variant is preferred in the composition of the permanent magnets 18 made of Halbach magnets. Another embodiment of the invention, during sintering of the permanent magnets 18 into them, is a fibrous web which is resistant to tearing and temperature, e.g. Kevlar or teflon fibers, whereby the fibrous web is able to absorb tensile and compressive stresses. If the permanent magnets 18 still break, the resulting fragments are held together by the fiber fabric. A further embodiment is to manufacture the permanent magnets 18 from a multiplicity of small magnetic microcrystallites which are held together by the fiber fabric.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch dadurch gelöst, dass eine Prothese bereitgestellt wird, die einen Kopf 10 und eine Pfanne 12 mit komplementärer räumlicher Gestalt zueinander, die durch einen Spalt 24 getrennt sind, und einen Kragen 14, der auf einer von der Pfanne 12 abgewandten Seite des Kopfes 10 angeordnet ist, umfasst, wobei der Kopf 10 und die Pfanne 12 jeweils eine Permanentmagnetschicht 18 und eine Abschirmschicht 20 umfassen, und wobei die Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10 und Pfanne 12 eine gleichnamige Polarisierung aufweisen.The object of the invention is also achieved by providing a prosthesis comprising a head 10 and a socket 12 of complementary spatial shape, separated by a gap 24, and a collar 14 resting on one of the socket 12 facing away from the head 10 is arranged, wherein the head 10 and the pan 12 each comprise a permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20, and wherein the permanent magnet layers 18 of head 10 and pan 12 have a like polarization.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die Magnetfelder von Kopf 10 und Pfanne 12 auch so dimensioniert werden können, dass der entstehende Spalt 24 nicht mit einer unnatürlichen Gelenkdehnung korreliert. Aufgrund der herrschenden Ruhebelastung und der Spannung der Muskeln, die das Gelenk umgeben und fixieren, findet kaum eine oder keine Berührung des Gelenkkopfes 10 mit dem Kragen 14 statt. Eine Reibung von Gelenkkopf 10 und Kragen 14 ist folglich nur im völlig entspannten Zustand, wie z.B. beim Schlafen, oder bei Belastungen, die mit einem Auseinanderziehen des Gelenks einhergehen, möglich. In diesen Fällen fungiert der Kragen 14 vorteilhaft als mechanische Sperre. Der Kragen 14 muss die Eigenschaften aufweisen, wie sie bereits im Verlauf der vorliegenden Spezifikation für die Kontaktschicht 16 beschrieben wurden, insbesondere eine gute Körperverträglichkeit und hohe Abriebresistenz, wobei die letztgenannte Eigenschaft nur im Bereich der Lagerfläche essentiell ist. D.h. der Kragen 14 ist zumindest teilweise als Kontaktschicht 16 ausgebildet, vorzugsweise vollständig, deren bevorzugte Materialien Kunststoffe, wie z.B. Polyethylen-Kunststoffe, oder Keramik sind. Dagegen weist dieser Kragen 14 keine magnetischen Eigenschaften auf.It has surprisingly been found that the magnetic fields of head 10 and cup 12 can also be dimensioned so that the resulting gap 24 does not correlate with an unnatural joint strain. Due to the prevailing resting load and the tension of the muscles surrounding and fixing the joint, little or no contact of the condyle 10 with the collar 14 takes place. Friction of the condyle 10 and collar 14 is consequently only in the fully relaxed state, such as e.g. during sleep, or under stress associated with pulling the joint apart. In these cases, the collar 14 functions advantageously as a mechanical barrier. The collar 14 must have the properties already described in the course of the present specification for the contact layer 16, in particular good body compatibility and high abrasion resistance, the latter property being essential only in the region of the bearing surface. That the collar 14 is at least partially formed as a contact layer 16, preferably completely, the preferred materials of which are plastics such as e.g. Polyethylene plastics, or ceramics are. In contrast, this collar 14 has no magnetic properties.
Im Übrigen sind die vorherige Lehre der Erfindung zur Prothese mit einem Kragen 14, der eine Permanentmagnetschicht 18, Abschirmschicht 20 und Trägerschicht 22 und deren Ausgestaltungen gültig und ohne Einschränkungen auf die Prothese mit einem nicht- magnetischen Kragen 14, der eine Kontaktschicht 16 umfasst, anwendbar, sofern es sinnvoll erscheint.Incidentally, the prior teaching of the invention to the prosthesis with a collar 14 having a permanent magnet layer 18, shielding layer 20 and carrier layer 22 and their configurations are valid and applicable without restriction to the prosthesis having a non-magnetic collar 14 comprising a contact layer 16 if it makes sense.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also erstmalig eine Prothese zum Ersatz einer Knochenverbindung bereitgestellt, die eine magnetische und damit kontaktlose Gelenks- führung adressiert, so dass sowohl im Ruhezustand als auch belasteten Zustand eine Levitation des Gelenkkopfes 10 besteht. Prinzipiell ist die magnetische Lagerung ideal für einen prothetischen Gelenkserhalt beliebiger Art, insbesondere für Hüftgelenks-, Schultergelenks- und Kniegelenksprothesen sowie Bandscheibenprothesen. Die beispielsweise bei herkömmlichen Hüftprothesen auftretenden Auslockerungen an den unter anderem mit Knochenzement befestigten Übergangsstellen zwischen Prothese und Hüft- bzw. Oberschenkelknochen werden durch die magnetische Dämpfung deutlich reduziert. Die Bestandteile der Gelenkprothesen zeichnen sich durch eine Schichtstruktur unterschiedlicher Materialien aus, so dass sie neben den magnetischen Eigenschaften auch die nachstehenden Anforderungen einer körperverträglichen und abriebresistenten Beschich- tung und einer mechanischen Stabilität erfüllen. Außerdem wird durch eine massive und mehrschichtige magnetische Abschirmung vorteilhaft erreicht, dass die im Körper des Patienten auftretenden magnetischen Restfelder unter dem vom Bundesamt für Strahlenschutz empfohlenen Grenzwert liegen.In the context of the present invention, therefore, a prosthesis for replacing a bone connection is provided for the first time, which addresses a magnetic and thus contactless joint guidance, so that levitation of the condyle 10 exists both in the resting state and in the loaded state. In principle, the magnetic bearing is ideal for a prosthetic joint preservation of any kind, especially for hip joint, shoulder joint and knee joint prostheses and disc prostheses. The loosening occurring, for example, in conventional hip prostheses on the transition points between prosthesis and hip joint fastened with, inter alia, bone cement. or thighbones are significantly reduced by the magnetic damping. The components of the joint prostheses are characterized by a layer structure of different materials, so that in addition to the magnetic properties they also meet the following requirements of a biocompatible and abrasion-resistant coating and a mechanical stability. In addition, it is advantageously achieved by means of a massive and multilayered magnetic shielding that the residual magnetic fields occurring in the patient's body are below the limit value recommended by the Federal Office for Radiation Protection.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Ersatz einer Knochenverbindung eines Säugers, indem man einen Kopf 10 einer Prothese an einem Gelenkknochen des Säugers, eine Pfanne 12 der Prothese mit zum Kopf 10 komplementärer Gestalt an einem anderen Gelenkknochen des Säugers und einen Kragen 14 der Prothese an der Pfanne 12 oder am Säuger befestigt, wobei Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 jeweils mindestens eine Permanentmagnetschicht 18 und eine Abschirmschicht 20 umfassen, dabei die Permanentmagnetschichten 18 von Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 mit gleichnamiger Polarisierung bereitstellt und die Permanentmagnetschichten 18 so konfiguriert, dass repulsive magnetische Kräfte einen Spalt 24 zwischen den Kontaktschichten 16 von Kopf 10 und Pfanne 12 sowie Kopf 10 und Kragen 14 während einer Belastung von Gelenkknochen und Prothese bewirken.Another object of the invention is a method for replacing a bone joint of a mammal by attaching a head 10 of a prosthesis to a joint bone of the mammal, a socket 12 of the prosthesis complementary to the head 10 on another joint bone of the mammal and a collar 14 of the mammal Prosthesis attached to the pan 12 or the mammal, wherein head 10, pan 12 and collar 14 each comprise at least one permanent magnet layer 18 and a shielding layer 20, thereby providing the permanent magnet layers 18 of head 10, pan 12 and collar 14 with the same polarization and the permanent magnet layers 18 is configured so that repulsive magnetic forces cause a gap 24 between the contact layers 16 of head 10 and cup 12 and head 10 and collar 14 during stress on the joint bone and prosthesis.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt der Ersatz der Knochenverbindung eines Menschen.In a preferred embodiment of the method according to the invention, the replacement of the bone connection of a human takes place.
Es versteht sich, dass zunächst eine vorhandene Knochenverbindung entfernt werden muss, um einen Hohlraum für die Prothese zu schaffen. Sowohl das Entfernen als auch das Implantieren der Prothese erfolgen durch einen chirurgischen Eingriff entsprechend üblicher medizinischer Praxis. Das Befestigen der Prothese an den Schnittstellen von Gelenkknochen und Kopf 10 bzw. Pfanne 12 kann z.B. mit Knochenzement geschehen. Alternativ zum Einzementieren kann die Pfanne 12 auch durch eine raue Oberfläche gehalten werden, die eingepresst wird, sogenannte Press-fit-Pfannen. Die von den Permanentmagnetschichten 18 erzeugten Magnetfelder werden so eingestellt, dass eine Tiefe des Spaltes 24 von 1 bis 10 mm bewirkt wird, vorzugsweise von 1 bis 3 mm. Die Prothese kann entweder außerhalb des Körpers bereits zusammengebaut angeliefert werden oder auf die individuellen Bedürfnisse des Patienten in-situ während der Operation, wie es z.Z. in der Praxis bevorzugt ist, zusammengefügt werden. Die vorliegende Erfindung soll demnach für bereits vorgefertigte Gelenksprothesen, wie z.B. eine Duokopfprothese am Hüftgelenk oder Bandscheibenprothesen, genauso wie für den vom Operateur individuell angepassten Gelenkersatz eingesetzt werden. Im Fall des vorherigen Zusammenbaus werden mindestens der Kopf 10 und die Pfanne 12 der Prothese außerhalb des Säugers montiert. In einer Ausführung des Verfahrens ist es bevorzugt, dass der Kragen 14 mechanisch an der Pfanne 12 befestigt ist, so dass die Möglichkeit eines vollständigen Zusammenbaus der Prothese vor der Operation besteht. In einer Ausgestaltung des vorliegenden Verfahrens inkludiert der vollständige Zusammenbau der Prothese jedoch nicht die Magnetisierung der Permanentmagnetschicht 18, die vorzugsweise erst in-situ erfolgt. D.h. nach dem Implantieren der Prothese wird die Permanentmagnetschicht 18 beispielsweise einem elektrischen Feld ausgesetzt, so dass die Magnetisierung innerhalb des Säugerkörpers geschieht. Die Abschirmschicht 20 der Pfanne 12 bewirkt vorzugsweise eine unvollständige Abschirmung der Permanentmagnetschicht 18 der Pfanne 12 bewirkt, so dass der Heilungsprozess stimuliert wird.It should be understood that an existing bone connection must first be removed to create a cavity for the prosthesis. Both the removal and the implantation of the prosthesis are performed by a surgical procedure in accordance with common medical practice. The attachment of the prosthesis at the intersections of joint bone and head 10 or pan 12 can be done eg with bone cement. As an alternative to cementing, the pan 12 can also be held by a rough surface which is pressed in, so-called press-fit pans. The magnetic fields generated by the permanent magnet layers 18 are adjusted so that a depth of the gap 24 of 1 to 10 mm is effected, preferably from 1 to 3 mm. The prosthesis may either be delivered pre-assembled outside the body or assembled in-situ during the operation, as currently preferred in practice, to the individual needs of the patient. Accordingly, the present invention is intended to be used for already prefabricated joint prostheses, such as a duo-head prosthesis on the hip joint or intervertebral disc prostheses, as well as for the joint replacement individually adapted by the surgeon. In the case of the previous assembly, at least the head 10 and the socket 12 of the prosthesis are mounted outside the mammal. In one embodiment of the method, it is preferred that the collar 14 be mechanically secured to the cup 12 so that there is the possibility of complete assembly of the prosthesis prior to the operation. In one embodiment of the present method, however, the complete assembly of the prosthesis does not include the magnetization of the permanent magnet layer 18, which preferably takes place in-situ. That is, after implanting the prosthesis, the permanent magnet layer 18 is exposed to an electric field, for example, so that the magnetization occurs within the mammalian body. The shield layer 20 of the pan 12 preferably causes incomplete shielding of the permanent magnet layer 18 of the pan 12, thereby stimulating the healing process.
Die vorherige Lehre der Erfindung zur Prothese und deren Ausführungsformen sind gültig und ohne Einschränkungen auf das Verfahren zum Ersatz einer Knochenverbindung eines Säugers anwendbar, sofern es sinnvoll erscheint.The prior teaching of the invention to the prosthesis and its embodiments are valid and applicable without limitation to the method of replacement of a mammalian bone junction, as appropriate.
Es versteht sich, dass diese Erfindung nicht auf die spezifischen Methoden, Vorrichtungen und Bedingungen beschränkt ist, wie sie hierin beschrieben sind, da solche Dinge variieren können. Es versteht sich des Weiteren, dass die vorliegend verwendete Terminologie ausschließlich dem Zweck der Beschreibung besonderer Ausführungsformen dient und nicht den Schutzumfang der Erfindung einschränken soll. Wie vorliegend in der Spezifikation einschließlich der anhängigen Ansprüche verwendet, schließen Wortformen im Singular, wie z. B. "ein", "eine", "einer", "der" oder "das" die Entsprechung im Plural ein, sofern der Kontext nicht eindeutig etwas anderes vorgibt. Beispielsweise enthält der Bezug auf "einen Spalt" einen einzelnen Spalt oder mehrere Spalte, die wiederum identisch oder verschieden sein können, oder der Bezug auf "ein Verfahren" schließt äquivalente Schritte und Verfahren ein, die dem Fachmann bekannt sind. Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines nicht limitierenden Beispiels für konkrete Ausführungsformen näher erläutert.It should be understood that this invention is not limited to the specific methods, devices, and conditions described herein, as such things may vary. It is further understood that the terminology used herein is for the sole purpose of describing particular embodiments and is not intended to limit the scope of the invention. As used herein in the specification including the appended claims, word forms in the singular, such as words, include For example, "a", "an", "an", "the" or "that" are plural equivalents unless the context clearly dictates otherwise. For example, the reference to "a gap" includes a single gap or multiple gaps, which in turn may be identical or different, or the reference to "one method" includes equivalent steps and methods known to those skilled in the art. In the following, the invention will be explained in more detail with reference to a non-limiting example of specific embodiments.
Fig. 1 zeigt eine schematische Zeichnung einer Hüftgelenksprothese.Fig. 1 shows a schematic drawing of a hip joint prosthesis.
Die Pfanne 12 und der Kragen 14 weisen eine sphärisch konvexe Form und der Kopf 10 eine sphärisch konkave Form auf, d.h. die geometrische Form von Gelenkpfanne 12 und Kragen 14 entspricht dem Segment einer Kugelschale, während der Kopf 10 die Form eines passgenauen Kugelsegmentes hat. Der Kragen 14 besteht aus mehreren Kugelschalen- Segmenten.The pan 12 and collar 14 have a spherically convex shape and the head 10 has a spherically concave shape, i. the geometric shape of the socket 12 and collar 14 corresponds to the segment of a spherical shell, while the head 10 has the shape of a precisely fitting spherical segment. The collar 14 consists of several spherical shell segments.
Fig. 2 zeigt ein Schichtmodell der Hüftgelenksprothese.2 shows a layer model of the hip joint prosthesis.
Kopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 sind aus einer PE-Kontaktschicht 16, Permanentmagnet- schicht 18, Trägerschicht 22, Abschirmschirmschicht 20 und körperverträglichenHead 10, cup 12 and collar 14 are made of a PE contact layer 16, permanent magnet layer 18, carrier layer 22, shielding shield layer 20 and biocompatible
Außenschicht 26 aufgebaut. Die Kugelschalensegmente des Kragens 14 sind mittelsOuter layer 26 constructed. The spherical shell segments of the collar 14 are by means of
Schraubverbindungen als mechanisches Verbindungselement 28 mit der Gelenkpfanne 12 verbunden. Sie sind so gefertigt, dass sie die Beweglichkeit des Gelenks, z.B. durchScrew connections connected as a mechanical connection element 28 with the socket 12. They are made to increase the mobility of the joint, e.g. by
Verklemmen oder Sperren, nicht beeinflussen. Kopf 10 und Kragen 14 besitzen also eine komplementäre Gestalt zueinander. Beim Gelenkkopf 10 geht die Trägerschicht 22 in denJamming or locking, do not affect. Head 10 and collar 14 thus have a complementary shape to each other. When the condyle 10, the carrier layer 22 goes into the
Schaft über, der in den Oberschenkelknochen implantiert wird. Bei der Gelenkpfanne 12 stellt die Außenschicht 26 den Kontakt zum Hüftknochen her.Shank over, which is implanted in the femur. In the socket 12, the outer layer 26 makes contact with the hip bone.
In Gelenkkopf 10, Pfanne 12 und Kragen 14 befinden sich sphärisch konvexe bzw. sphärisch konkave Permanentmagneten 18, d.h. der Magnet 18 im Kopf 10 hat die Form einer Kugel, während die Magneten 18 in Pfanne 12 und Kragen 14 als Kugelschale geformt sind. Durch das Gleichgewicht der repulsiven magnetischen Kräfte von Pfanne 12 und Kragen 14 wird der Zustand der Levitation (Schwebezustand) des Gelenkkopfes im Lager erreicht.In condyle 10, cup 12 and collar 14 are spherical convex or spherical concave permanent magnets 18, i. the magnet 18 in the head 10 has the shape of a ball, while the magnets 18 are formed in pan 12 and collar 14 as a spherical shell. Due to the balance of the repulsive magnetic forces of cup 12 and collar 14, the state of levitation (levitation) of the condyle is reached in the camp.
Nachstehende Rechnung ermittelt die Höhe der benötigten magnetischen Flussdichte B der Permanentmagnete 18. Grundlage bildet die Formel zur Berechnung des magnetischenThe following calculation determines the magnitude of the required magnetic flux density B of the permanent magnets 18. The basis is the formula for calculating the magnetic
Lagerdrucks Pmag in zylindrischer Geometrie:Bearing pressure P mag in cylindrical geometry:
P — 1 / * D2 mag - ' 2 μ D , wobei μ = 4π * 10"7 V*s/A*m die Permeabilität des Vakuums im Gelenkspalt und B die magnetische Flussdichte darstellen.P - 1 / * D2 mag - '2 μ D, where μ = 4π * 10 "7 V * s / A * m represent the permeability of the vacuum in the joint space and B the magnetic flux density.
Mit den derzeit stärksten, kommerziell verfügbaren Permanentmagneten 18 werden langzeit- stabile Flussdichten B an der Oberfläche der Magnete 18 bis zu 1 ,0 Tesla erreicht. Die theoretisch maximal erreichbaren magnetischen Lagerdrücke belaufen sich demzufolge auf 400.000 N/m2.With the currently strongest, commercially available permanent magnets 18 long-term stable flux densities B on the surface of the magnets 18 are achieved up to 1, 0 Tesla. The theoretically maximum achievable magnetic bearing pressures therefore amount to 400,000 N / m 2 .
Hat der Gelenkkopf einen Radius von r = 0,03 m und wird die Lagerfläche durch die untere Hälfte einer Kugelhalbschale genähert, errechnet sich die maßgebliche Lagerfläche zu A = 0,003 m2 nach der Formel:If the condyle has a radius of r = 0.03 m and the bearing surface is approximated by the lower half of a spherical half-shell, the relevant bearing surface is calculated as A = 0.003 m 2 according to the formula:
A = V4 ** r2 A = V 4 ** r 2
Bei einem maximal möglichen Lagerdruck von 400000 N/m2 und einer Lagerfläche von 0,003 m2 ergibt sich eine theoretisch mögliche, maximale Gewichtskraft von 1200 N oder eine maximale Belastungsmasse von 120 kg je Hüftgelenksprothese. Unter der Annahme eines 80 kg schweren Patienten muss jede Hüftgelenksprothese maximal 40 kg Ruhebelastung tragen und verfügt über zusätzliche Reserven zur Abfederung von bis zu dreimal so hohen Spitzenlasten (120 kg). With a maximum possible bearing pressure of 400,000 N / m 2 and a bearing surface of 0.003 m 2 results in a theoretically possible maximum weight of 1200 N or a maximum load mass of 120 kg per hip joint prosthesis. Assuming an 80 kg patient, each hip joint prosthesis must support a maximum of 40 kg resting load and has additional reserves to cushion up to three times the peak load (120 kg).
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Kopf10 head
12 Pfanne12 pan
14 Kragen14 collar
16 Kontaktschicht16 contact layer
18 Permanentmagnetschicht18 permanent magnet layer
20 Abschirmschicht20 shielding layer
22 Trägerschicht22 carrier layer
24 Spalt24 gap
26 Außenschicht26 outer layer
28 Verbindungselement von Pfanne 12 und Kragen 14 28 connecting element of pan 12 and collar 14th

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Prothese zum Ersatz einer Knochenverbindung, umfassend einen Kopf (10) und eine Pfanne (12) mit komplementärer räumlicher Gestalt zueinander und einen KragenA prosthesis for replacement of a bone joint comprising a head (10) and a socket (12) of complementary spatial shape to one another and a collar
(14), wobei der Kopf (10), die Pfanne (12) und der Kragen (14) jeweils eine Permanentmagnetschicht (18) und eine Abschirmschicht (20) umfassen, wobei der Kopf (10) und die Pfanne (12) sowie der Kopf (10) und der Kragen (14) durch einen Spalt (24) getrennt sind, und wobei die Permanentmagnetschichten (18) von Kopf (10), Pfanne (12) und Kragen (14) eine gleichnamige Polarisierung aufweisen und wobei eine Flussdichte der Permanentmagnetschichten (18) von Kopf (10) und Pfanne (12) mindestens 0,4 Tesla beträgt und die Permanentmagnetschicht (18) des Kragens (14) höchstens die Flussdichte der Permanentmagnetschichten (18) von Kopf (10) und Pfanne (12) aufweist.(14), wherein the head (10), the pan (12) and the collar (14) each comprise a permanent magnet layer (18) and a shielding layer (20), wherein the head (10) and the pan (12) and the Head (10) and the collar (14) are separated by a gap (24), and wherein the permanent magnet layers (18) of head (10), pan (12) and collar (14) have a like polarization and wherein a flux density of the Permanent magnet layers (18) of the head (10) and pan (12) is at least 0.4 Tesla and the permanent magnet layer (18) of the collar (14) has at most the flux density of the permanent magnet layers (18) of the head (10) and pan (12) ,
2. Prothese nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (10), die Pfanne (12) und/oder der Kragen (14) eine Kontaktschicht (16) und/oder eine Trägerschicht (22) aufweisen.2. A prosthesis according to claim 1, characterized in that the head (10), the pan (12) and / or the collar (14) have a contact layer (16) and / or a carrier layer (22).
3. Prothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (16), Permanentmagnetschicht (18), Trägerschicht (22) und Abschirmschicht (20) in der vorgenannten Reihenfolge angeordnet sind.3. A prosthesis according to claim 2, characterized in that the contact layer (16), permanent magnet layer (18), carrier layer (22) and shielding layer (20) are arranged in the above order.
4. Prothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (16), Permanentmagnetschicht (18) und/oder Abschirmschicht (20) gleichzeitig die Trägerschicht (22) sind.4. A prosthesis according to claim 2, characterized in that the contact layer (16), permanent magnet layer (18) and / or shielding layer (20) at the same time the carrier layer (22).
5. Prothese nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetschicht (18), Abschirmschicht (20) und/oder Trägerschicht (22) gleichzeitig die Kontaktschicht (16) sind.5. A prosthesis according to claim 2, characterized in that the permanent magnet layer (18), shielding layer (20) and / or carrier layer (22) at the same time the contact layer (16).
6. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine echte oder unechte Gelenkprothese handelt. 6. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that it is a genuine or spurious joint prosthesis.
7. Prothese nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Hüft-, Schulter-, Kniegelenks- oder Bandscheibenprothese handelt.7. A prosthesis according to claim 6, characterized in that it is a hip, shoulder, knee joint or intervertebral disc prosthesis.
8. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfanne (12) und der Kragen (14) eine sphärisch konvexe Form und der Kopf (10) eine sphärisch konkave Form aufweisen.8. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the pan (12) and the collar (14) have a spherically convex shape and the head (10) has a spherical concave shape.
9. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (14) auf einer von der Pfanne (12) abgewandten Seite des Kopfes (10) angeordnet ist.9. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the collar (14) on one of the pan (12) facing away from the side of the head (10) is arranged.
10. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfanne (12) und Kragen (14) mit einem Verbindungselement (28) mechanisch verbunden sind.10. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the pan (12) and collar (14) are mechanically connected to a connecting element (28).
1 1. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (10) und der Kragen (14) eine komplementäre räumliche Gestalt zueinander aufweisen.1 1. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the head (10) and the collar (14) have a complementary spatial shape to each other.
12. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prothese eine maximale Belastungsgrenze hat, die mindestens einer 1 ,5-fachen Ruhebelastung entspricht.12. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the prosthesis has a maximum load limit, which corresponds to at least a 1, 5-fold resting load.
13. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (16) aus Kunststoff, Keramik, Stahl oder Titan besteht.13. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the contact layer (16) made of plastic, ceramic, steel or titanium.
14. Prothese nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktschicht (16) aus PE-Kunststoff oder einer Kobalt-Chrom-Legierung besteht.14. A prosthesis according to claim 13, characterized in that the contact layer (16) consists of PE plastic or a cobalt-chromium alloy.
15. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetschicht (18) aus einem keramischen Oxidwerkstoff oder einem Metall der VIII. Nebengruppe oder einer Legierung daraus besteht.15. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the permanent magnet layer (18) consists of a ceramic oxide material or a metal of the VIII. Subgroup or an alloy thereof.
16. Prothese nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Oxidwerkstoff Bariumoxid oder Eisenoxid ist. 16. A prosthesis according to claim 15, characterized in that the ceramic oxide material is barium oxide or iron oxide.
17. Prothese nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der VIII. Nebengruppe Eisen, Kobalt oder Nickel ist.17. A prosthesis according to claim 15, characterized in that the metal of the VIII. Subgroup iron, cobalt or nickel.
18. Prothese nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eines Metalls der VIII. Nebengruppe eine Legierung von Eisen, Kobalt oder Nickel untereinander oder eine Legierung mit Platin oder seltenen Erden ist.18. A prosthesis according to claim 15, characterized in that the alloy of a metal of the VIII. Subgroup is an alloy of iron, cobalt or nickel with each other or an alloy with platinum or rare earths.
19. Prothese nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eines Metalls der VIII. Nebengruppe eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung oder eine Kobalt- Samarium-Legierung ist.19. A prosthesis according to claim 18, characterized in that the alloy of a metal of the VIII. Subgroup is a neodymium-iron-boron alloy or a cobalt-samarium alloy.
20. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmschicht (20) eine Abschirmung des Magnetfeldes der Permanent- magnetschicht (18) auf der vom Spalt (24) abgewandten Seite um einen Faktor von mindestens 1000 bewirkt.20. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding layer (20) causes a shielding of the magnetic field of the permanent magnet layer (18) on the side facing away from the gap (24) side by a factor of at least 1000.
21. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmschicht (20) ein magnetisch weiches Material und/oder einen Magneten mit ungleichnamiger Polarisierung zur Permanentmagnetschicht (18) umfasst.21. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the shielding layer (20) comprises a magnetically soft material and / or a magnet with unlike polarization to the permanent magnet layer (18).
22. Prothese nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass das magnetisch weiche Material Baustahl, Eisen, Nickel, Kobalt, Mu-Metalle oder eine Kombination daraus ist.22. A prosthesis according to claim 21, characterized in that the magnetically soft material is structural steel, iron, nickel, cobalt, mu-metals or a combination thereof.
23. Prothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (22) aus Titan, Legierungen daraus oder einem Fasergewebe besteht.23. A prosthesis according to one of the preceding claims, characterized in that the carrier layer (22) consists of titanium, alloys thereof or a fiber fabric.
24. Prothese zum Ersatz einer Knochenverbindung, umfassend einen Kopf (10) und eine Pfanne (12) mit komplementärer räumlicher Gestalt zueinander, die durch einen Spalt (24) getrennt sind, und einen Kragen (14), der auf einer von der Pfanne (12) abgewandten Seite des Kopfes (10) angeordnet ist, wobei der Kopf (10) und die Pfanne (12) jeweils eine Permanentmagnetschicht (18) und eine Abschirmschicht (20) umfassen, und wobei die Permanentmagnetschichten (18) von Kopf (10) und Pfanne (12) eine gleichnamige Polarisierung aufweisen.A bone replacement prosthesis comprising a head (10) and a socket (12) of complementary spatial shape separated by a gap (24) and a collar (14) resting on one of the socket (14). 12) facing away from the head (10) is arranged, wherein the head (10) and the pan (12) each have a permanent magnet layer (18) and a shielding layer (20), and wherein the permanent magnet layers (18) of head (10) and pan (12) have a like polarization.
25. Verfahren zum Ersatz einer Knochenverbindung eines Säugers, indem man einen Kopf (10) einer Prothese an einem Gelenkknochen des Säugers, eine Pfanne (12) der Prothese mit zum Kopf (10) komplementärer Gestalt an einem anderen Gelenkknochen des Säugers und einen Kragen (14) der Prothese an der Pfanne (12) oder am Säuger befestigt, wobei Kopf (10), Pfanne (12) und Kragen (14) jeweils eine Permanentmagnetschicht (18) und eine Abschirmschicht (20) umfassen, die Permanentmagnetschichten (18) von Kopf (10), Pfanne (12) und Kragen (14) mit gleichnamiger Polarisierung bereitstellt und so konfiguriert, dass repulsive magnetische Kräfte einen Spalt (24) zwischen Kopf (10) und Pfanne (12) sowie Kopf (10) und Kragen (14) während einer Belastung von Gelenkknochen und Prothese bewirken.A method of replacing a mammalian bone joint by attaching a head (10) of a prosthesis to a mammalian articular bone, a socket (12) of the prosthesis having a shape complementary to the head (10) on another mammalian articular bone, and a collar ( 14) of the prosthesis attached to the cup (12) or mammal, wherein the head (10), cup (12) and collar (14) each comprise a permanent magnet layer (18) and a shielding layer (20) comprising permanent magnet layers (18) of Head (10), pan (12) and collar (14) provided with the same polarization and configured so that repulsive magnetic forces a gap (24) between the head (10) and pan (12) and head (10) and collar (14 ) during stress on the joint bone and prosthesis.
26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der Kopf (10) und die Pfanne (12) der Prothese außerhalb des Säugers zusammengebaut werden.A method according to claim 25, characterized in that at least the head (10) and the socket (12) of the prosthesis are assembled outside the mammal.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (14) an der Pfanne (12) mit einem Verbindungselement (28) mechanisch befestigt wird.27. The method according to claim 25 or 26, characterized in that the collar (14) on the pan (12) with a connecting element (28) is mechanically fastened.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass für den Spalt (24) eine Tiefe von 1 bis 10 mm bewirkt wird, vorzugsweise von 3 bis 6 mm.28. The method according to any one of claims 25 to 27, characterized in that for the gap (24) has a depth of 1 to 10 mm is effected, preferably from 3 to 6 mm.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnetschicht (18) in-situ magnetisiert wird.29. The method according to any one of claims 25 to 28, characterized in that the permanent magnet layer (18) is magnetized in situ.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschirmschicht (20) der Pfanne (12) eine unvollständige Abschirmung der Permanentmagnetschicht (18) der Pfanne (12) bewirkt. 30. The method according to any one of claims 25 to 29, characterized in that the shielding layer (20) of the pan (12) causes an incomplete shielding of the permanent magnet layer (18) of the pan (12).
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