RU2264195C1

RU2264195C1 - Endoprosthesis of elbow joint

Info

Publication number: RU2264195C1
Application number: RU2004115419/14A
Authority: RU
Inventors: В.С. Дмитриев (RU); В.С. Дмитриев; С.И. Карпов (RU); С.И. Карпов; В.К. Куролес (RU); В.К. Куролес; С.П. Миронов (RU); С.П. Миронов; В.Д. Савчук (RU); В.Д. Савчук; Н.В. Селезнев (RU); Н.В. Селезнев; В.Н. Трусов (RU); В.Н. Трусов; Ю.Г. Хоранов (RU); Ю.Г. Хоранов
Priority date: 2004-05-24
Filing date: 2004-05-24
Publication date: 2005-11-20

Abstract

FIELD: medicine, traumatology, orthopedics.

SUBSTANCE: the suggested endoprosthesis contains elbow and shoulder pedicles connected with spherical hinge consisted of a sphere and a cup designed with possibility to be rotated against the former. The sphere is connected with shoulder pedicle being a casing for eccentrically located spheroid elements connected with a cup and elbow pedicle with a cylindrical hinge, which rotation axis is coaxial to longitudinal axis of elbow pedicle, moreover, eccentricity of spheroid elements ε = C·tgα₀, where C - center-to-center distance of spheroid elements, α₀ - angle of hinge rotation in distal plane in case of complete unbending.

EFFECT: higher efficiency.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области медицины - к травматологии и ортопедии, а точнее к двухэлементным эндопротезам локтевых суставов.The invention relates to medicine - to traumatology and orthopedics, and more specifically to two-element endoprostheses of the elbow joints.

В настоящее время известно значительное количество конструкций эндопротезов локтевого сустава. Например, являющийся наиболее близким к предлагаемому техническому решению и принятый за прототип двухэлементный эндопротез локтевого сустава по патенту РФ №2107475. Данный эндопротез локтевого сустава содержит локтевую и плечевую ножки, соединенные шарнирно с возможностью разъединения, при этом ножки соединены шаровым шарниром, который содержит чашку, выполненную, например, из высокопрочного полиэтилена, а также стопорное кольцо и шар, при этом плечевая ножка расположена таким образом, что в сагиттальной плоскости угол между ее продольной осью и продольной осью шарнира составляет 8-15°, а локтевая ножка выполнена на одном конце с конической поверхностью для соединения с шаром шарнира. При этом шар соединен с локтевой ножкой, а чашка с плечевой ножкой.Currently, a significant number of designs of endoprostheses of the elbow joint are known. For example, being the closest to the proposed technical solution and adopted for the prototype two-element elbow joint prosthesis according to the patent of the Russian Federation No. 2107475. This endoprosthesis of the elbow joint contains the elbow and shoulder legs, pivotally connected with the possibility of separation, while the legs are connected by a ball joint, which contains a cup made, for example, of high strength polyethylene, as well as a retaining ring and a ball, while the shoulder leg is located in such a way that in the sagittal plane the angle between its longitudinal axis and the longitudinal axis of the hinge is 8-15 °, and the elbow leg is made at one end with a conical surface for connection with the ball of the hinge. In this case, the ball is connected to the elbow leg, and the cup with the shoulder leg.

Существенным признаком прототипа, совпадающим с признаком предлагаемого технического решения, является то, что он содержит локтевую и плечевую ножки, соединенные шарниром, содержащим шар и выполненную с возможностью вращения относительно его чашку. В принципе общим является и то, что при разгибе между плечевой и локтевой ножками в сагиттальной плоскости образуется угол 8-15°.An essential feature of the prototype, which coincides with the feature of the proposed technical solution, is that it contains the elbow and shoulder legs connected by a hinge containing a ball and made to rotate relative to its cup. In principle, it is also common that during an extension between the shoulder and elbow legs in the sagittal plane an angle of 8-15 ° is formed.

Эндопротез прототип, хотя и является наиболее близким к предлагаемому техническому решению, не учитывает анатомобиомеханические свойства локтевого сустава человека, так как анатомобиомеханическая плечелоктевая опора, имея три оси вращения, обладает двумя степенями свободы в отличие от шаровой, имеющей три степени свободы.Although the prototype endoprosthesis is the closest to the proposed technical solution, it does not take into account the anatomic and biomechanical properties of the human elbow joint, since the anatomic and biomechanical shoulder-elbow support, having three rotation axes, has two degrees of freedom, in contrast to the ball, having three degrees of freedom.

Две степени свободы анатомобиомеханической опоры стабилизируются двумя группами мышц, а именно бицепс-трицепс и пронатор-супинатор. Таким образом, в прототипе имеет быть место ни чем не стабилизированная степень свободы, которая и определяет его нестабильность - это боковое движение.Two degrees of freedom of the anatomobiomechanical support are stabilized by two muscle groups, namely biceps-triceps and pronator-arch support. Thus, in the prototype there is a place that is not a stabilized degree of freedom, which determines its instability - this is lateral movement.

Известные одностепенные (одноосевые) эндопротезы также нестабильны, но уже по другим причинам. Основной причиной нестабильности у них является "поршневой" эффект, который вызван большими отклонениями траектории движения локтевой кости от анатомобиомеханической.Known single-stage (uniaxial) endoprostheses are also unstable, but for other reasons. The main cause of instability in them is the "piston" effect, which is caused by large deviations of the trajectory of the ulnar bone from the anatomical and biomechanical.

Из сказанного следует, что опора эндопротеза для исключения нестабильности должна иметь три оси вращения и две степени свободы или в опоре две из трех осей вращения должны быть связаны. Ни один из известных двухэлементных эндопротезов не обладает таким свойством. Известно лишь, что для достижения перечисленных свойств в патенте РФ №2123825 введена третья ножка. Но это уже другой класс эндопротезов, установка которых чрезвычайно сложна.From what has been said, it follows that the endoprosthesis support must have three rotation axes and two degrees of freedom in order to eliminate instability, or two of the three rotation axes must be connected in the support. None of the known two-element endoprostheses have this property. It is only known that in order to achieve the above properties, the third leg is introduced in RF patent No. 2123825. But this is another class of endoprostheses, the installation of which is extremely difficult.

Технической задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является повышение стабильности сустава.The technical problem, the solution of which the proposed technical solution is directed, is to increase the stability of the joint.

Указанная задача достигается тем, что в эндопротезе локтевого сустава, содержащем локтевую и плечевую ножки, соединенные шаровым шарниром, содержащим шар и выполненную с возможностью вращения относительно его чашку, шар соединен с плечевой ножкой и является обоймой размещенных в нем эксцентрично двух шаровых элементов, соединенных с чашкой и локтевой ножкой посредством цилиндрического шарнира, ось вращения которого соосна с продольной осью локтевой ножки, при этом эксцентриситет шаровых элементов ε=С·tgα₀, где С - межцентровое расстояние шаровых элементов, α₀ - угол поворота шарнира в дистальной плоскости при полном разгибе.This problem is achieved by the fact that in the endoprosthesis of the elbow joint containing the elbow and shoulder legs connected by a ball joint containing the ball and configured to rotate relative to its cup, the ball is connected to the shoulder leg and is a holder of eccentrically placed two ball elements connected to it cup and elbow leg by means of a cylindrical hinge, the axis of rotation of which is coaxial with the longitudinal axis of the elbow leg, while the eccentricity of the ball elements ε = C · tgα ₀ , where C is the intercenter distance spherical elements, α ₀ - the angle of rotation of the hinge in the distal plane with full extension.

При этом цилиндрический (одностепенной) шарнир может быть реализован различными конструктивными способами. Например, соединенная с локтевой ножкой чашка может иметь соединенную с ней жестко цилиндрическую ось, соосную с продольной осью плечевой ножки и расположенную диаметрально чашке и шару, проходящую, во-первых, через отверстия в шаре, выполненные с зазором, обеспечивающим возможность наклона оси, а, во-вторых, через отверстие в эксцентрично расположенных шаровых элементах, выполненное по скользящей посадке, т.е. шаровые элементы являются обоймой цилиндрического шарнира. Или, например, цилиндрическая ось может быть жестко соединена с шаровыми элементами, а вращаться внутри чашки или локтевой ножки, выполняющих роль обоймы цилиндрического шарнира.In this case, the cylindrical (single-stage) hinge can be implemented in various constructive ways. For example, a cup connected to an elbow leg can have a rigidly cylindrical axis connected to it, coaxial with the longitudinal axis of the shoulder leg and located diametrically to the cup and the ball, passing, firstly, through openings in the ball made with a gap that allows the axis to be tilted, and secondly, through a hole in eccentrically located spherical elements made in a sliding fit, i.e. ball elements are a holder of a cylindrical hinge. Or, for example, the cylindrical axis can be rigidly connected to the spherical elements, and rotate inside the cup or elbow legs, which serve as the holder of a cylindrical hinge.

Отличительными признаками предлагаемого технического решения от прототипа являются те, что шар соединен с плечевой ножкой, а чашка с локтевой; шар сам является обоймой размещенных в нем эксцентрично двух шаровых элементов, соединенных с чашкой и локтевой ножкой посредством цилиндрического шарнира, ось вращения которого соосна с продольной осью локтевой ножки; при этом шаровые элементы расположены внутри обоймы-шара с эксцентриситетом шаровых элементов ε=С·tgα₀, где С - межцентровое расстояние шаровых элементов, α₀ - угол поворота шарнира в дистальной плоскости при полном разгибе.Distinctive features of the proposed technical solution from the prototype are those that the ball is connected to the shoulder leg, and the cup with the elbow; the ball itself is a holder of eccentrically placed two ball elements connected to the cup and elbow leg by means of a cylindrical hinge, the axis of rotation of which is coaxial with the longitudinal axis of the elbow leg; the spherical elements are located inside the cage-ball with the eccentricity of the spherical elements ε = С · tgα ₀ , where С is the center-to-center distance of the spherical elements, α ₀ is the angle of rotation of the hinge in the distal plane at full extension.

В предложенном эндопротезе введена связь между осью вращения в плоскости сгибания и осью бокового вращения. Эта связь обеспечена эксцентрично установленными смежными шарами, связанными с локтевой ножкой, и определяется следующим уравнением: tgα=ε/C·Sinφ, которое следует из геометрических построений, где α - угол поворота локтевой ножки относительно плечевой в сагиттальной плоскости, который при данной конструкции эндопротеза является зависимым от угла разгиба сустава φ и в крайнем положении (полный разгиб 180°) равен α₀ (равный 8-15°), ε - эксцентриситет установки шаров, где С - межцентровое расстояние шаровых элементов, φ - угол сгиба-разгиба сустава. При изготовлении эндопротеза все данные параметры наиболее целесообразно выбирать, исходя из анатомобиологических параметров пациента. Приведенное уравнение описывает анатомобиологическую траекторию движения локтевой кости, при которой нагрузки, возникающие в суставе, минимальны.In the proposed endoprosthesis, a relationship is introduced between the axis of rotation in the bending plane and the axis of lateral rotation. This connection is provided by eccentrically established adjacent balls connected with the elbow leg, and is determined by the following equation: tgα = ε / C · Sinφ, which follows from geometric constructions, where α is the angle of rotation of the ulnar leg relative to the shoulder in the sagittal plane, which with this design of the endoprosthesis is dependent on the angle of extension of the joint φ and in the extreme position (full extension 180 °) is α ₀ (equal to 8-15 °), ε is the eccentricity of the installation of balls, where C is the center-to-center distance of the ball elements, φ is the angle of bend-extension of the joint. In the manufacture of an endoprosthesis, all these parameters are most appropriate to choose based on the anatomical and biological parameters of the patient. The above equation describes the anatomobiological trajectory of the ulna, in which the loads arising in the joint are minimal.

Для проверки заложенных в предложенную конструкцию законов движения в ЦИТО (Центральном институте травматологии и ортопедии г. Москва) был проведен эксперимент на программно-аппаратурном комплексе для восстановления суставов "Радуга-ЦИТО" (патент РФ на полезную модель №34074). Данный комплекс позволяет измерять с помощью шестистепенных тензовесов 3 силы и 3 момента, возникающих между плечевой и локтевой костями при разгибе, причем при этом в нем может быть обеспечена плавная регулировка углов α и φ. При фиксированных углах φ определялись углы α, которые обеспечивали минимальные нагрузки. Строилась зависимость α (φ), которая с достаточной достоверностью описывается приведенным уравнением.To check the laws of motion in the proposed design, the TsITO (Central Institute of Traumatology and Orthopedics, Moscow) conducted an experiment on the software and hardware complex for joint restoration "Rainbow-CITO" (RF patent for utility model No. 34074). This complex allows you to measure with the help of six-step tensi-weights 3 forces and 3 moments arising between the humerus and ulnar bones during bending, moreover, it can be provided with smooth adjustment of the angles α and φ. At fixed angles φ, the angles α were determined, which ensured minimal loads. The dependence α (φ) was constructed, which is described with sufficient reliability by the above equation.

На основании вышеизложенного можно утверждать, что предлагаемый эндопротез является наиболее близкой моделью плечелоктевого сустава человека. Следовательно, благодаря наличию данных отличительных от прототипа признаков, достигается следующий технический результат - полученное пространственное движение локтевой кости, соединенной предложенным эндопротезом анатомобиомеханическое движение, характеризуемое минимальными нагрузками. Таким образом, обеспечивается низкий износ костей пациента (за счет отсутствия "поршневого" эффекта) и достаточная стабильность искусственного сустава.Based on the foregoing, it can be argued that the proposed endoprosthesis is the closest model of the human shoulder elbow joint. Therefore, due to the presence of data that are distinctive from the prototype, the following technical result is achieved - the spatial movement of the ulna obtained by the proposed anatomic biomechanical movement, characterized by minimal loads. Thus, low wear of the bones of the patient (due to the lack of a "piston" effect) and sufficient stability of the artificial joint are ensured.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый эндопротез локтевого сустава, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемое изобретение соответствует критерию охраноспособности "новое".As a result of a search by the sources of patent and scientific and technical information, a set of features characterizing the proposed elbow joint prosthesis was not found. Thus, the present invention meets the eligibility criterion of "new."

На основании сравнительного анализа предложенного технического решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной литературы можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей существует неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что техническое решение в предложенном устройстве не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".Based on a comparative analysis of the proposed technical solution with the prior art according to the sources of scientific, technical and patent literature, it can be argued that between the totality of signs, including distinctive, and the functions performed by them and the goals achieved, there is no obvious causal relationship. Based on the foregoing, we can conclude that the technical solution in the proposed device does not follow explicitly from the prior art and, therefore, meets the eligibility criterion of "inventive step".

Предложенное техническое решение может найти применение в травматологии и ортопедии, поэтому данное решение соответствует критерию "промышленно применимо".The proposed technical solution can find application in traumatology and orthopedics, therefore, this solution meets the criterion of "industrially applicable".

Вариант выполнения предлагаемого эндопротоза представлен на фиг.1-3.An embodiment of the proposed endoprotosis is presented in figures 1-3.

На фиг.1 представлен разрез эндопротеза вдоль плечевой ножки при угле сгиба 90°.Figure 1 presents a section of the endoprosthesis along the humerus at a bend angle of 90 °.

На фиг.2 представлен разрез эндопротеза вдоль локтевой ножки при угле сгиба 90°.Figure 2 presents a section of the endoprosthesis along the elbow at a bend angle of 90 °.

На фиг.3 представлен разрез эндопротеза вдоль плечевой ножки при угле сгиба (при полном разгибе) 180°.Figure 3 presents a section of the endoprosthesis along the humerus at an angle of bend (with full bend) 180 °.

Приведенная на фиг.1-3 конструкция эндопротеза содержит локтевую ножку 1, плечевую ножку 2, выполненную за одно целое с вилкой, которая жестко соединяется с шаром 3 (шаровой обоймой) шарового шарнира. В шаре 3 выполнена эксцентричная шаровая обойма для блока 4 из двух смежных шаров. Локтевая ножка 1 выполнена за одно целое с первой полуобоймой шарового шарнира и с цилиндрической осью 7, на которой посредством пружинной шайбы 6 закреплена вторая полуобойма 5 - (фиг.2). При этом блок 4 из двух смежных шаров и цилиндрическая ось 7 образуют цилиндрический шарнир.Shown in Fig.1-3, the design of the endoprosthesis contains an elbow leg 1, a shoulder leg 2, made in one piece with a fork, which is rigidly connected to the ball 3 (ball cage) of the ball joint. In the ball 3 made an eccentric ball cage for block 4 of two adjacent balls. The elbow leg 1 is made in one piece with the first semi-hollow of the ball joint and with the cylindrical axis 7, on which the second half-hollow 5 is fixed by means of the spring washer 6 (Fig. 2). In this case, a block 4 of two adjacent balls and a cylindrical axis 7 form a cylindrical hinge.

Предложенный эндопротез собирается в два этапа.The proposed endoprosthesis is assembled in two stages.

На заводе-изготовителе выполняется первый этап сборки. При этом блок 4 смежных шаров вставляется в шар 3, который сваривается лазерной сваркой с вилкой плечевой ножки 2. В операционную поступают описанный узел из деталей 2, 3, 4 и детали 1, 5 и 6.The factory performs the first stage of assembly. In this case, the block 4 of adjacent balls is inserted into the ball 3, which is laser-welded with a fork of the shoulder leg 2. The described unit from parts 2, 3, 4 and parts 1, 5 and 6 are received in the operating room.

Во время операции выполняется второй этап сборки. В локтевую кость вставляется локтевая ножка 1, а в плечевую кость вставляется плечевая ножка 2 с вилкой, в которой закреплен шар 3, внутри которого, в свою очередь, размещен блок 4 из двух смежных шаров.During the operation, the second assembly step is performed. An ulnar leg 1 is inserted into the ulnar bone, and a shoulder leg 2 with a fork is inserted into the humerus, in which the ball 3 is fixed, inside which, in turn, is placed a block 4 of two adjacent balls.

Затем локтевая и плечевая кости соединяются эндопротезом. Для этого ось 7 вставляется в отверстие блока 4. Далее на свободный конец оси 7 надеваются полуобойма 5 и пружинная шайба 6.Then the ulnar and humerus are connected by an endoprosthesis. To do this, the axis 7 is inserted into the hole of the block 4. Next, a half-frame 5 and a spring washer 6 are put on the free end of the axis 7.

Вышеописанный эндопротез работает следующим образом.The above endoprosthesis works as follows.

При разгибе за счет вращения блока 4 из эксцентричных шаров в шаровой обойме 5 вокруг оси Z блок 4 будет поворачиваться также и относительно двух других осей Х и У. Поворачиваясь вокруг оси Х, блок 4 заставит повернуться относительно оси Х ось 7 и соответственно локтевую ножку 1. Это есть боковое движение локтевой кости, зависимое от угла разгиба. Поворот блока 4 вокруг оси У не вызовет поворот локтевой ножки 1 поскольку ее ось и ответное отверстие в блоке 4 выполнены с гарантированным зазором. Причем поворот вокруг оси У локтевой кости стабилизируется пронатором-супинатором.When bending due to the rotation of block 4 from eccentric balls in a ball cage 5 around the Z axis, block 4 will also rotate relative to the other two axes X and Y. Turning around the X axis, block 4 will cause axis 7 and, respectively, the elbow leg 1 to rotate relative to the X axis. This is a lateral movement of the ulna, depending on the angle of extension. The rotation of the block 4 around the axis Y will not cause the rotation of the elbow leg 1 since its axis and the counter hole in the block 4 are made with a guaranteed clearance. Moreover, the rotation around the axis of the ulnar bone is stabilized by the pronator-arch support.

Угол бокового поворота при полном разгибе (180°) определится из геометрических построений (фиг.3).The angle of lateral rotation at full bend (180 °) is determined from geometric constructions (figure 3).

α=arc tg 2ε/Cα = arc tg 2ε / C

и будет зависеть от угла разгиба φ по формулеand will depend on the angle of extension φ according to the formula

α=arc tg 2ε/C×Sinφ поскольку проекция эксцентриситета ε на плоскость X, Z при повороте локтевой ножки 1 по углу φ пропорциональна Sinφ.α = arc tan 2ε / C × Sinφ since the projection of the eccentricity ε onto the X, Z plane when the elbow leg 1 is rotated through the angle φ is proportional to Sinφ.

Таким образом, предложен эндопротез, в котором обеспечены две степени свободы, которые стабилизируются двумя группами мышц-стабилизаторов сустава и в котором имеются три оси вращения, причем боковое вращение зависит от угла разгиба по анатомобиомеханической зависимости, которая обеспечивает минимальные нагрузки в суставе.Thus, an endoprosthesis has been proposed in which two degrees of freedom are ensured, which are stabilized by two groups of joint stabilizing muscles and in which there are three rotation axes, and the lateral rotation depends on the extension angle according to the anatomical and biomechanical dependence, which ensures minimal load in the joint.

Claims

An endoprosthesis of the elbow joint containing the elbow and shoulder legs connected by a ball joint containing the ball and made to rotate relative to its cup, characterized in that the ball is connected to the shoulder leg and is a holder of eccentrically placed two ball elements connected to the cup and elbow foot through a cylindrical hinge whose axis of rotation is coaxial with the longitudinal axis of the ulnar stem, wherein the ball members eccentricity ε = C · tgα _0, where C - center distance of spherical element a, α ₀ - joint rotation angle in a distal plane when fully straightening.