NO154293B - Laarkomponent for hofteleddprotese. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en hofteleddprotese av den

art som angitt i innledningen til krav 1.

Hoftekulen til en total hofteleddprotese er festet til låret ved hjelp av en festestang som er anbrakt i marghulen til låret og héldes på plass ved hjelp av sement. Over en periode på år blir låret og naturligvis festestangen utsatt for flere titusener av belastningssykluser bestående primært av trykk-og bøyelaster. Reduseringen av lasten i løpet av slike sykliske belastninger av et hvert strukturelement er et høyt prioritert formål ved konstruksjonen av et slikt ele-ment. Spenninger som forekommer i løpet av slike lastsyklu-ser er generelt størst i midttredjedelen av stangen. Spenninger på grunn av bøyninger er størst der.

Det kan synes at problemet med å redusere spenningene kunne bli løst ganske enkelt ved å anordne en stang som kan bære en høyere belastning med mindre bøying basert på valg av materiale benyttet for stangen og dens størrelse og geometri. Dette er imidlertid ikke løsningen. Når lårfestestangen er anordnet i marghulen til låret og den sammensatte konstruksjonen av ben, sement og stang er intakt, vil stammens større stivhet relativt i forhold til benet gjøret at stangen belastes mer, idet stangen opptar belastningen til benet. Siden benombygningen i samsvar med belastningen tilført den reduserer belastningen på benet, medfører dette en reduksjon i mengden av ben i den sammensatte strukturen. Ved siden av det faktum at det er uønskelig med ødeleggelse av ben finnes en potensiell ond sirkel. Den reduserte mengden med ben som følge av den reduserte benbelastningen reduserer også den nødvendige stivheten gitt av benet. Dette øker den relative stivheten til den valgte stangen med hensyn til det svekkede benet. Dette igjen reduserer ytterligere belastningen på benet. Denne formen for redusering av spenningen medfører således en økende ødeleggelse av det sammensatte benet, sement og stangstruktur som fastholder hofteprotesens kule med det øvre benet.

Ifølge foreliggende oppfinnelse blir ovenfornevnte unngått ved en lårkomponent for hofteleddproteser av den innlednings-vis nevnte art, hvis karakteristiske trekk fremgår av krav 1.

Ytterligere trekk ved oppfinnelsen fremgår av underkravene.

Stangen møter tre betingelser eller konstruksjonskri-

terier for å gjøre spenningen i stangen til et minimum og gjøre spenningen i benet til et maksimum. Først blir spenningen i stangen gjort til et minimum når stangen er en del av det intakte benet, sement og stangsammensatt struktur. For det andre blir spenningen i stangen til et minimum når nærmeste bærer er redusert eller gått tapt og stangen må bære mesteparten eller hele belastningen alene. For det tredje blir reduksjonen i spenningen i benet som en følge av tilstedeværelsen av stangen gjort til et minimum.

De første to betingelsene nettopp beskrevet er motstridende. I første tilfellet, når den sammensatte strukturen er in^ takt, siden belastningen på strukturen er fordelt på komponentene ifølge den relative stivheten til komponentene vil stangen med det minste tverrsnittet være mest lett belastet som følge av dens store fleksibilitet og vil derfor ha minst spenning. For den andre betingelsen, hvor stangen alene bærer belastningen, vil stangen hvor den er størst i tverrsnitt ha minste spenning.

Ved modifisering av tverrsnittsformen til festestangen har det blitt tilveiebrakt en stang som har styrt lav fleksibilitet relativt i forhold til omgivende ben slik at en reduksjon er tilveiebrakt i spenningen i det området til stangen hvor spenningen på grunn av bøyningen er størst. I den delen av stangens lengde som er mest underlagt spenninger gir et avrundet tverrsnitt avskåret av en avflatet side som gir et vesentlig øket tverrsnitt hvor bøyelasten er i alminnelig-het størst når stangen alene bærer belastningen. For den intakte sammensatte strukturen kan som følge av større dimen-sjoner på grunn av den avskårne siden den tykkere stamme-delen anbringes nærmere den nøytrale bøyeaksen hvor spenninger fra bøyemomentene er minst. Dette bevirker at benet ved siden av låret bærer den største belastningen som følge av øket spenning der hvor benet ligger lengst borte fra den nøytrale bøyeaksen.

Kort sagt lårfestestangen ifølge oppfinnelsen møter de tre konstruksjonskriteriene nevnt ovenfor. Den gjør stangbelastningen til et minimum når den sammensatte strukturen er intakt. Den gjør stangbelastningen til et minimum når nærmeste bærer har gått tapt og stangen alene bærer belastningen fra leddpunktet til den øvrige bæreren. Den gjør reduksjonen i benbelastningen til et minimum når den sammensatte strukturen er intakt.

For korrekt anbringelse av stangen i hulrommet dirigerer

en skråstilt flate ved enden av stangen, stangen mot midtsiden av marghulen når stangen blir satt gjennom sementen som fyller rommet. En krage avgrenser den delen av stangen som skal være i hulrommet. Denne kragen sitter vanligvis på den øvre enden av låret. En midtseksjon forløper naturligvis oppover fra kragen og avsluttes i kulen til kule og leddet til den totale leddprotesen.

Stangdelens fleksibilitet for protesen blir gjort til et minimum i samsvar med ovennevnte tre kons truks jonskriterier.

Det foretrukne materialet til stammen er Ti 6A1 4V (titanle-gering med 6% aluminium og 4% vanadium). Størrelsen og da fleksibiliteten av stangen blir valgt slik at a B-sammensetningen, spenningen i benet til låret nærmest den nedre stangen med den nedre stangen sementert på plass er større eller lik omkring 0,7 a -alene, idet spenningen i benet til låret er uten stang og sement og under lik belastning. Ved samme tid er a.p-alene, spenningen i proteselårefestestangen uten bæring av omgivende sement og ben, mindre enn Sp^, spenningen tilstrekkelig for å resultere i svekking av stangen. Bidrag til disse forbedrede kjennetegnene ved denne bestemte stangen til den foretrukne utførelsesformen er anbringelsen av flaten som avskjærer siden til det ellers sirkelformede tverrsnittet. Denne flaten ligger i en avstand fra midten av den sirkulære delen til tverrsnittet som er lik h. Avstanden h er større eller lik tilnærmet 0,3 r P og y mindre enn eller lik tilnærmet 0,7 r , hvor r er radiusen til den sirkulære

P P

delen av tverrsnittet. Ved en bestemt foretrukket utførelses-form er h tilnærmet 0,65 r .

P

Ovenfor nevnte og ytterligere trekk og fordeler ved oppfinnelsen skal beskrives nærmere med henvisning til en foretrukket utførelsesform vist i forbindelse med tegningene, hvor:

Fig. 1 viser et riss av utførelsesformen implantert.

Fig. 2 viser et snitt langs linjen 2 — 2 på fig. 1 og viser det avskårne tverrsnittet til stangen ved dens nedre ende. Fig. 3 viser et snitt langs linjen 3 — 3 på fig. 1 og viser det avskårne tverrsnittet til stangen ved en forstørret øvre del av stangen. Fig. 4a viser en kurve over R, forholdet mellom belastningen i benet i den sammensatte strukturen og belastningen i benet alene, i forhold til h, forholdet mellom den forskjøvne flaten og radiusen til stang-tverrsnittet. Fig. 4b viser en kurve over spenningen i protesestangen

alene i forhold til h.

Fig. 4c viser en kurve over spenningen i protesestangen

i intakt sammensatt struktur i forhold til h.

Fig. 5a viser en kurve lignende den på fig. 4a, men for en protesestang som har større tverrsnitt relativt i forhold til marghulen. Fig. 5b viser en kurve lignende den på fig. 4b for større

protesestang.

Fig. 5c viser en kurve lik den på fig. 4c, men med større

protesestang.

Protesen 10 innbefatter en sokkeldel eller enhet 11 som kun skjematisk er vist på grunn av dens detaljer ikke utgjør en del av foreliggende oppfinnelse. Det er tilstrekkelig å

si at sokkelelementet 11 kan være utformet i samsvar med vanlig kjent praksis på området.

Lårdelen 12, med kulen 5 til hofteleddprotesen, er fast-gjort til låret 15 ved hjelp av sement 16 som fyller marghulen 18 og som fester en lårfestestang 20 på plass i marghulen. En krage 21 definerer den øvre enden av stangen 20

og ligger ved den øvre enden til låret og dens marghule for å holde stangen 2 0 ved ønsket dybde i det sementfylte hulrommet. En mellomliggende forbindelsesseksjon 22 for lår-delen 12 strekker seg fortsatt og midt ut fra kragen for å holde kulen 14 relativt i forhold til låret 15 og fastholde kulen til stangen 20.

Ved spissen av stangen 20 er en flate 25 som er avskrånet nedover og midt i og hjelper å føre spissen 24 mot midtsiden av hulen 18 når stangen 20 blir satt ned i den fremdeles ikke-herdede sementen 16. Stangen 20 har da en tendens ved innføringen å ville trekke seg mot midtsiden av hulrommet som også er ønskelig.

Tverrsnittet til stangen 20 ved alle stedene langs dens lengde mellom snittlinjen 2-2 og 3-3 er sirkulær omkring hoveddelen av dens periferi 27 og avskåret med dens flate 28. Stangen blir gradvis tynnere fra snittstedet 3-3. Rett over stedet for snittet 3-3 blir stammen i hovedsaken rundt med unntak for den forreste og bakerste flaten 29. Flatene 29 strekker seg i en større eller mindre grad langs lengden av stangen og øker festingen for å: unngå dreining om låreaksen.

På fig. 1 har den nøytrale bøyeaksen til den sammensatte strukturen (intakt ben, herdet sement og stangen) blitt tegnet som linjen n, idet aksen n er anordnet nær midtaksen x for den sammensatte strukturen. For den videre beskrivel-sens del er flere av parametrene vist på fig. 3; radiusen rQ til låret ved et gitt tverrsnitt, radiusen rm til marghulen, radiusen r^ til den bueformede delen av stangtverr-snittet, forskyvningsavstanden h fra flaten 2 8 til midten av sirkelen som danner den bueformede delen av periferien til tverrsnittet.

Tverrsnittsparametrene som må bli bestemt for en gitt ben-geometri er r^ og h. Formålet for å tilveiebringe den beste protesen er å velge for hver bendiameter verdien for r Pog h som best tilfredsstiller tre konstruksjonskriterier, dvs. minimumsstangbelastning i den intakte sammensatte strukturen, minimumsstangbelastning uten nærmeste bærer, og minimal reduksjon i benbelastningen når strukturen er intakt.

Belastningene på grunn av et bøyemoment M tilført den sammensatte strukturen ble beregnet for tilfelle hvor den sirkulære delen 27 til protesestangens tverrsnitt og den indre og ytre flaten til benet er konsentrisk. Den konstruerte belastningen ble bestemt ved å benytte sammensatte skinneteori som følgende. For stammen som del av den sammensatte er:

For stammen alene er spenningen i protesen som ville bli båret av belastningen alene:

For benet som en del av den sammensatte:

Og for ben alene:

Anbringelsen av den nøytrale bøyeaksen til den sammensatte med hensyn til midten av benet blir bestemt av:

I de ovenfor nevnte uttrykkene er:

lg/ Ic, lp arealmomentene til tregheten til benet, sementen og protesen, henholdsvis.

Eg, E^,, Ep elastisitetsmodulene til benet, sementen og protesen, henholdsvis.

Ag, Ac, Ap er de respektive arealer for benet, sementen og protesen.

y„ °9 Yn er stedene for midten av protesen og sementen med p c

hensyn til midten til benet.

t og t er avstanden fra nøytralaksen til punktet med mak-simal belastning i benet og protesen, henholdsvis.

De tre-kriterie konstruksjonsproblemene kan bli omformulert som et problem med en enkel objektiv og to reservasjoner

som følgende:

Minimal ap underlagt til:

sammensatt

hvor:

SpF er svekningsstyrken til protesen og

PvMIN er det minimalen tillatte forholdet mellom benbelastningen som del av sammensetningen og benbelastningen når den alene bærer belastningen.

Verdien for Sp^ avhenger av materialet benyttet og verdien for Rrøjjj kan bli valgt basert på klinisk erfaring og avgjø-relse.

Konstruksjonskriteriebelastningene, ap ,,, Op , ,

J ^sammensatt ^alene ^sammensatt og aBalene' ble bere9net f°r et stort område av proteser og bengeometrier. Prosedyren for valget av optimale konstruksjonsparametre, r^ og h blir her demonstrert for bengeometrier som viser et typisk stort lår. Den resul-terende sammensatte strukturen blir beskrevet som følgende.

Bøyemoment ved kritiske seksjoner hvor belastningen er størst:

M = 169 x IO<3> N mm Elastisitetsmodulene:

Ti 6A1 4V stangen:

Co Cr Mo stangen:

Ytelsesstyrken for Ti 6A1 4V stangen:

Utmattelsesstyrken til Ti 6A1 4V stangen:

Vurdert konservativt til å være 0,50 Sy

I tillegg til ovenfor nevnte må det tillatte forholdet bli valgt:

R-verdiene for eksisterende konstruksjoner ble bestemt ved

å benytte ovenfor nevnte prosedyre. Det ble funnet at disse verdiene stort sett falt innenfor området 0,7 til 0,8. Selv om benet er mindre belastet har det ikke blitt oppdaget noen langtidsproblemer til nå. Disse belastningsnivåene blir følgelig antatt å være sikre og minimumsverdien for R

ble valgt til å være:

Valg av r

P

For å tilfredsstille det andre konstruksjonskriteriet er det nødvendig med en stor stang. Den maksimale størrelsen må tillate at sementlaget får en tilstrekkelig tykkelse for god innplantasjon og god belastningsoverføring fra stammen til benet. Strukturanalyser antyder at sementens tykkelse skulle bli gjort til et minimum og begrensninger er derfor basert på kirurgiske betraktninger. Sementtykkelsen vil være adekvat dersom proteseradiusen r P ikke er større enn tilnærmet 80% av hulromsradiusen .r m. Følgende verdier for r P ble derfor benyttet ved konstruksjonskurvene vist her.

Valget av stammematerialet var mellom Ti 6A1 4V (kurve T på fig. 4 og 5) og Co Cr Mo (kurve C på fig. 4 og 5). Benbe-lastningene, aR , er alltid større (R større på fig.

Bsammensatt ^ ^ 4a og 5a) for Ti 6A1 stammer. Protesestammespenningene, aP^=^=r,=. = 4-4-' er alltid mindre for titanlegeringsstammer

S allllUSn S att

enn for koboltkromstammer. Se fig. 4c og 5c. Det første og tredje av ovenfor nevnte konstruksjonskriterier er derfor best tilfredsstillet med Ti 6A1 4V stenger. Materialvalget påvirker ikke det andre konstruksjonskriteriet siden ap ,

316116 er uavhengig av materialet. Se fig. 4b og 5b.

Ved valget av h er det fordelaktig å bestemme h som en del av r^. Figurene 4 og 5 viser derfor kurver opptegnet som funk-sjon av

For h = 0 er tverrsnittsformen til stangen halvsirkelformet; for h = 1 en sirkel.

Konstruksjonen reserverer at:

er kun tilfredsstilt når verdien for h er større enn tilnærmet 0,5 (fig. 4b og 5b).

Konstruksjonen reserverer at:

er tilfredsstilt for alle verdier for h for r P= 0,94 mm

(r p = 0,7 r m , fig ^ 4a) og for verdier for h mindre enn tilnærmet 0,7 for r^ =11,4 mm (r = 0,8 r^, fig. 5a).

Alle konstruksjonskriteriene er derfor tilfredsstilt for verdier for h mellom 0,3 og 0,7. Over det området reduseres dalene <o>mkrin9 20% <fi9- 4b °<3 5b), og apsammensatt Øker omkring 20% (fig. 4c) eller 13% (fig. 5c). Siden stangbelastningen, ctp "sammensatt, er godt under utmattingsstyrken til Ti 6A1 4V, er den største fordelen tilveiebrakt ved å

ta større verdier for h i det godtagbare området. Basert på dette ble en verdi for h = 0,65.

Selv om bestemte karakteristikker for en foretrukket utførel-ses form er beskrevet ovenfor for et typisk lår kan andre hofteleddproteser med stenger tilfredsstille både hensikten og formålet med oppfinnelsen, som forøvrig ville være klart for fagmannen på området. Ovenfor nevnte beskrivelse av en foretrukket utførelsesform skulle således ikke forståes å begrense foreliggende oppfinnelse, som fremsatt i kravene.

Claims (6)

1. Lårkomponent for hofteleddprotese tilpasset for innsetting i et lår (15) og innbefattende en kule (14) tilpasset til å erstatte lårkulen og en stang (20) for anbringelse i marghulen (18) til låret og for å bli festet deri ved hjelp av en sement (16), idet stangen har en nærliggende del, en mellomliggende del og en fjerntliggende del (24), karakterisert ved at hvert tverrsnitt langs den mellomliggende delen av stangen som er underlagt den største spenningen er avgrenset av en generelt sirkulær overflate (27) med en radius r^ gjennom hele hoveddelen av dens periferi og at den sirkulære overflaten er avskåret for å tilveiebringe en flat overflate (28) på den side av stangen som skal vende mot lårets utside, hvor sideflaten er anbrakt med avstand fra det geometriske senteret til den sirkulære overflaten ved en avstand h, idet h er slik at forholdet mellom avstanden h og radiusen r^ er i størrelsesområdet fra 0,3 til 0,7.

2 . Komponent ifølge krav 1,karakterisert ved at den fjerntliggende delen (24) til stangen avsluttes i en overflate (25) som skrår nedover fra den ytre plane flaten (28) mot innsiden av stangen for å lokalisere stangen tett til midtsiden av marghulen (18) når stangen blir ført inn i et sementfylt marghulrom.

3 . Komponent ifølge krav 1,karakterisert ved at fleksibiliteten til den mellomliggende delen av stangen (20) er slik at forholdet mellom spenningen i lårbenet (15) nær nevnte del av stangen (20) med stangen (20) sementert på plass, i forhold til spenningen i lårbenet (15) uten stangen (20) og sementen (16) og under samme belastning ikke er større enn 0,7.

4 . Komponent ifølge krav 1,karakterisert ved at forholdet mellom avstanden h og i radiusen r per 0,65.

5. Komponent ifølge krav 1,karakterisert ved at materialet til stangen (20) er Ti 6A1 4V.

6. Komponent ifølge krav 1, 3 eller 5, karakterisert ved at den generelt sirkulære overflaten (27) til periferien er en del av en sirkel som har radius r Pikke større enn 80% av radiusen rm for marghulen (18) tilliggende et gitt tverrsnitt av stangen i delen med størst spenning.