WO1998041172A1 - Künstlicher gelenkkopf für das menschliche hüftgelenk - Google Patents

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Dietmar Kubein-Meesenburg
Hans NÄGERL
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Theusner, Joachim
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Definitions

  • the present invention relates to an artificial joint head for use in a human hip joint with a spherically formed joint shell with a concave sectional contour in cross section with a radius of curvature R. and a center of curvature M ..
  • an artificial joint for the replacement of the human hip joint which consists of at least two artificial joint parts with spherical functional surfaces moving towards each other, the curvature ratios of the functional surfaces with a circular cutting contour being designed to be convex / concave with respect to one another, that their centers of rotation M and M 2 lie within the joint part with the convex functional surface and a pressure distribution body is arranged as a third artificial joint part between the two functional surfaces.
  • the design of this artificial joint is such that a stable configuration is created, a compressive force along the connecting line between the two centers of curvature leading to a stable position.
  • the pressure distribution body is aligned between the two joint parts in such a way that it cannot swing out to the side.
  • This joint is constructed like a joint chain with two joint axes, ie it is a saw called dimeric link chain, which is given a pressure-stable dimeric link chain due to the special design.
  • This known artificial hip joint allows movement in five degrees of freedom for a body or limb coupled to it. This is achieved by the fact that the center of the joint head and the center of the socket do not coincide and, due to their constant distance under force, these form the force-transmitting dimeric chain.
  • the manufacturing costs of this joint are increased compared to artificial hip joints from only two joint parts.
  • the insertion of this three-part hip joint in the human body is more complex than with a two-part hip joint.
  • the present invention has for its object to provide an endoprosthesis for the femoral head of a human hip joint, in which an additional pressure distribution body can be dispensed with, but a pressure-stable overturned dimer chain is realized in the main functional level.
  • this joint head is inserted into the joint shell to form an artificial hip joint or a partially artificial hip joint in such a way that the transverse plane of the joint head coincides with the main functional plane of the joint.
  • the longitudinal plane of the joint head according to the invention is perpendicular to the main functional plane.
  • the radius discrepancy between the radius of the spherical socket with the concave functional surface that is circular in cross-section and the smaller radius R ⁇ 2 specifies an overturned stable dimeric articulated chain in the main functional level, the radius discrepancy according to the invention advantageously being between 0.5 and 10 mm.
  • the joint head according to the invention Due to the design of the joint head according to the invention, a linear contact between the joint head and the joint shell can be achieved in all functional positions of the joint head in the joint shell.
  • the construction according to the invention allows that in the case of limbs which are connected to a joint equipped with the joint head according to the invention, the main functional level can be pivoted and it is thereby guaranteed that there is always an equally large dimeric chain in it. Due to the configuration according to the invention, there is no dimer chain or only a minimal dimer chain (up to a maximum of 1/10 of the dimer chain existing in the main function level) in the basic position perpendicular to the main function level.
  • the present invention extends not only to an artificial joint head, but also to an artificial joint from the prescribed joint head according to the invention and an artificial joint shell with a circular cutting contour with the radius R x and the center point M ..
  • FIG. 1 is a top view of a joint shell of a joint according to the invention with an inserted joint head in a substantially horizontal sectional view
  • Fig. 3 shows a section along the section line III-III in Fig. 1 and
  • FIG. 6 is a side view, partly in section, of a joint according to the invention, 7 shows a detail according to X in FIG. 6,
  • Fig. 8 is a section in the X-Z plane in Fig. 7 and
  • FIG. 9 shows a section along the Y-Z plane in FIG. 7.
  • a joint according to the invention consists of a joint shell 1 and a joint head 2. These two artificial joint parts can be produced from the known materials of artificial joints.
  • the joint shell 1 has a spherical functional surface with a circular, concave cutting contour with the radius R and the center point.
  • the joint head 2 is inserted movably in this joint shell 1.
  • the joint head 2 has a spherical, convex functional surface, at least in the area with which it articulates within the joint shell 1. This spherical functional surface is now configured such that when inserted into the joint shell 1 state of the joint head 2 in a plane extending through the center M.
  • the longitudinal plane XX has a radius R K1 has equal, or at least substantially equal to R x of the joint shell, whereby the Radius R K1 is assigned a center point M K1 , which coincides with the center point M. of the joint socket.
  • the convex, spherical functional surface of the joint head 2 has a radius R K2 which is smaller than the radius R K1 .
  • R R K1 - R K2 applies.
  • the spherical functional surface of the joint head 2 according to the invention is configured between the radii R K1 and R K2 in the longitudinal plane and the transverse plane.
  • the size difference between the radii R K1 and R K2 of the joint head according to the invention is preferably 1 to 10 mm.
  • the joint head 2 according to the invention is to be inserted into the joint shell 1 in such a way that its transverse plane YY coincides with the main functional plane of the artificial joint used or the hip joint to be formed with the joint head 2 according to the invention.
  • a linear contact along a contact surface through the contact point K is present in the joint shell 1 between the two in each movement position of the joint head 2.
  • FIG. 4 shows a sliding movement between the joint head 2 and the joint shell 1 around the center M x and in FIG. 5 a sliding movement of the joint head 2 in the joint shell 1 around the center M 2 is shown. Both movements according to FIGS. 4 and 5 overlap when a limb is moved, which is connected to the joint according to the invention.
  • the joint head 2 rotates in the joint shell 1 around the center M x .
  • FIG. 6 shows a joint according to the invention, the artificial joint head 2 being inserted into the artificial joint shell 1.
  • the artificial joint shell 1 is fastened within a natural hip bone 3.
  • a linear contact along a contact line 7 is formed on the articulation surfaces 5 and 6 between the joint head 2 and the joint shell 1.
  • shaped contact remains in every movement position. 7 to 9 give the geometrical information or parameters with which the shape of the spherical functional surface (articulation surface 5) of the joint head 2 can be determined.
  • the Z-X plane of a reference coordinate system is defined by the contact line 7.
  • the Y-Z plane of this coordinate system represents the main functional plane of the joint according to the invention. It is the plane of symmetry of the two-fold symmetry of the joint head 2, which forms an approximately barrel-shaped body. The following applies:
  • the joint according to the invention is characterized by a pressure-stable arrangement in the main functional level, punctiform contact contacts between the joint bodies are avoided, and rather linear contacts are ensured, so that the load on the individual Joint body is significantly reduced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen künstlichen Gelenkkopf (2) zur Verwendung in einem menschlichen Hüftgelenk mit einer sphärisch ausgebildeten im Querschnitt eine kreisförmige, konkave Schnittkontur aufweisenden Gelenkschale (1) mit einem Krümmungsradius R1 und einem Krümmungsmittelpunkt M1. Eine zumindest in ihrem in der Gelenkschale (1) artikulierenden Bereich konvex geformte Funktionsfläche ist derart sphärisch ausgebildet, daß im in der Schale (2) eingesetzten Zustand in einer durch den Mittelpunkt M1 verlaufenden Längsebene X-X ein Radius RK1 = R1 mit einem Mittelpunkt MK1 ausgebildet ist, der mit M1 zusammenfällt. In einer zu der Längsachse X-X senkrechten Querebene Y-Y ist durch den Mittelpunkt MK1 ein Radius RK2 < RK1 mit dem Mittelpunkt MK2 vorhanden. In der Querebene Y-Y ist eine stabile dimere Gelenkkette gebildet, bei der die Gelenkachsenbahn der Mittelpunkte MK1 und MK2 einen Gelenkbahnradius R = RK1 - RK2 aufweist.

Description

"Künstlicher Gelenkkopf für das menschliche Hüftgelenk'
Die vorliegende Erfindung betrifft einen künstlichen Gelenkkopf zur Verwendung in einem menschlichen Hüftgelenk mit einer sphärisch ausgebildeten im Querschnitt eine konkave Schnittkontur aufweisende Gelenkschale mit einem Krümmungsradius R. und einem Krümmungsmittelpunkt M..
Aus der DE-PS 39 08 958 ist ein künstliches Gelenk zum Ersatz des menschlichen Hüftgelenks bekannt, das aus mindestens zwei künstlichen Gelenkteilen mit zueinander sich bewegenden sphärischen Funktionsflächen besteht, wobei die Krümmungsverhältnisse der eine kreisförmige Schnittkontur aufweisenden Funktionsflächen zueinander konvex/konkav derart ausgebildet sind, daß ihre Rotationszentren M und M2 innerhalb des Gelenkteils mit der konvexen Funktionsfläche liegen und zwischen den beiden Funktionsflächen ein Druckverteilungskörper als drittes künstliches Gelenkteil angeordnet ist. Die Ausgestaltung dieses künstlichen Gelenks ist derart, daß eine stabile Konfiguration geschaffen wird, wobei eine Druckkraft längs der Verbindungslinie der beiden Krümmungsmittelpunkte zu einem stabilen Lagezustand führt . Der Druckverteilungskörper richtet sich zwischen den beiden Gelenkteilen derart aus, daß er nicht seitlich ausscheren kann. Dieses Gelenk ist wie eine Gelenkkette mit zwei Gelenkachsen aufgebaut, d.h. es handelt sich um eine söge- nannte dimere Gelenkkette, wobei aufgrund der speziellen Ausgestaltung eine druckstabile dimere Gelenkkette gegeben ist. Dieses bekannte künstliche Hüftgelenk läßt eine Bewegung in fünf Freiheitsgraden für einen daran gekoppelten Körper oder ein Gliedmaß zu. Dies wird dadurch erreicht, daß der Mittelpunkt des Gelenkkopfes und der Mittelpunkt der Gelenkpfanne nicht zusammenfallen und diese durch ihren konstanten Abstand unter KraftSchluß die kraft - übertragende dimere Kette bilden. Durch die Verwendung des zusätzlichen Druckverteilungskörpers sind die Herstellungskosten dieses Gelenks erhöht gegenüber künstlichen Hüftgelenken aus nur zwei Gelenkteilen. Darüber hinaus ist das Einsetzen dieses aus drei Teilen bestehenden Hüftgelenks im menschlichen Körper aufwendiger als bei einem zweiteiligen Hüftgelenk .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Endoprothese für den Hüftkopf eines menschlichen Hüftgelenks zu schaffen, bei der auf einen zusätzlichen Druckverteilungskörper verzichtet werden kann, jedoch in der Hauptfunktionsebene eine druckstabile überschlagene dimere Kette realisiert ist.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Gelenkkopf zumindest in seinem in der Gelenkschale artikulierenden Bereich eine derart sphärisch geformte Gelenkfläche besitzt, daß im eingesetzten Zustand in der Hüftschale in einer durch den Mittelpunkt Mx der Hüftschale verlaufenden Längsebene ein Radius RK1 = Rx (Rx gleich Radius der Hüft- schale) mit einem Mittelpunkt MK1 ausgebildet ist, der mit dem Mittelpunkt x zusammenfällt, und in einer zu der Längsebene senkrechten Querebene durch den Mittelpunkt MK1 ein Radius RK2 < RK1 mit dem Mittelpunkt MK2 vorhanden ist, und in der Querebene eine stabile dimere Gelenkkette ausgebildet ist, bei der die Gelenkachsenbahn der Mittelpunkte MK1 und MK2 einen Radius R = RK1 - RK2 besitzt, wobei R eine positive Größe ist .
Erfindungsgemäß wird dieser Gelenkkopf derart in die Gelenkschale unter Bildung eines künstlichen Hüftgelenks oder eines teilweise künstlichen Hüftgelenks eingesetzt, daß die Querebene des Gelenkkopfes mit der Hauptfunktionsebene des Gelenks zusammenfällt . Die Längsebene des erfindungsgemäßen Gelenkkopfes steht hierbei senkrecht auf der Hauptfunktionsebene. Die Radiusdiskrepanz zwischen dem Radius der sphärischen Pfanne mit der im Querschnitt kreisförmigen konkaven Funktionsfläche und dem kleineren Radius Rκ2 gibt dann in der Hauptfunktionsebene eine überschlagene stabile dimere Gelenkkette vor, wobei die Radiusdiskrepanz erfindungsgemäß vorteilhafterweise zwischen 0,5 bis 10 mm betragen kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Gelenkkopfes kann in allen Funktionsstellungen des Gelenkkopfes in der Gelenkschale ein linienförmiger Kontakt zwischen Gelenkkopf und Gelenkschale erreicht werden. Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt es, daß bei Gliedmaßen, die mit einem mit dem erfindungsgemäßen Gelenkkopf ausgestatteten Gelenk verbunden sind, die Hauptfunktionsebene geschwenkt werden kann und dabei garantiert ist, daß in dieser immer eine gleichgroße dimere Kette vorhanden ist. In der Senkrechten zur Hauptfunktionsebene ist aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung keine dimere Kette oder nur eine minimale dimere Kette (bis maximal 1/10 der in der Hauptfunktionsebene bestehenden dimeren Kette) in der Grundstellung vorhanden. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich nicht nur auf einen künstlichen Gelenkkopf, sondern auch auf ein künstliches Gelenk aus dem erfindungsgemäßen vorgeschriebenen Gelenkkopf und einer künstlichen Gelenkschale mit einer kreisförmigen Schnittkontur mit dem Radius Rx und dem Mittelpunkt M..
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht von oben auf eine Gelenkschale eines erfindungsgemäßen Gelenks mit eingesetztem Gelenkkopf in einem im wesentlichen horizontalen Schnittdarsteilung,
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie II-II in Fig. 1,
Fig. 3 einen Schnitt entlang der Schnittlinie III-III in Fig. 1 und
Fig. 4 und 5
Schnitte entlang der Schnittlinie III-III in Fig.
1 in von Fig. 3 abweichenden Stellungen des erfindungsgemäßen Gelenkkopfes.
Fig. 6 eine Seitenansicht, zum Teil geschnitten, eines erfindungsgemäßen Gelenks, Fig. 7 eine Einzelheit gemäß X in Fig. 6,
Fig. 8 einen Schnitt in der X-Z-Ebene in Fig. 7 und
Fig. 9 einen Schnitt entlang der der Y-Z-Ebene in Fig. 7.
In den Figuren 1 bis 9 sind gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen.
Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, besteht ein erfindungs- gemäßes Gelenk aus einer Gelenkschale 1 und einem Gelenkkopf 2. Diese beiden künstlichen Gelenkteile können aus den bekannten Materialien künstlicher Gelenke hergestellt sein. Die Gelenkschale 1 hat eine sphärische Funktionsfläche mit einer kreisförmigen, konkaven Schnittkontur mit dem Radius R und dem Mittelpunkt .. In diese Gelenkschale 1 ist der Gelenkkopf 2 beweglich eingesetzt. Der Gelenkkopf 2 besitzt eine sphärische konvexe Funktionsfläche, zumindest in dem Bereich, mit dem er innerhalb der Gelenkschale 1 artikuliert. Diese sphärische Funktionsfläche ist nun derart ausgestaltet, daß im in der Gelenkschale 1 eingesetzten Zustand der Gelenkkopf 2 in einer durch den Mittelpunkt M. verlaufenden Längsebene X-X einen Radius RK1 besitzt, der gleich, zumindest aber nahezu gleich Rx der Gelenkschale ist, wobei dem Radius RK1 ein Mittelpunkt MK1 zugeordnet ist, der mit dem Mittelpunkt M. der Gelenkschale zusammenfällt. In einer zur Längsebene X-X senkrechten Querebene Y-Y, die durch den Mittelpunkt MK1 verläuft, besitzt die konvexe, sphärische Funktionsfläche des Gelenkkopfes 2 einen Radius RK2, der kleiner ist als der Radius RK1. Hierdurch wird in der Querebene eine stabile dimere überschlagene Gelenkkette gebildet, die einen Gelenkbahnradius R aufweist, siehe Fig. 3, dabei gilt R = RK1 - RK2. Die sphärische Funktionsfläche des erfindungsgemäßen Gelenkkopfes 2 ist zwischen den Radien RK1 und RK2 in der Längsebene bzw. der Querebene ausgestaltet .
Die Größendifferenz zwischen den Radien RK1 und RK2 des erfindungsgemäßen Gelenkkopfes beträgt vorzugsweise 1 bis 10 mm. Der erfindungsgemäße Gelenkkopf 2 ist jeweils derart in die Gelenkschale 1 einzusetzen, daß seine Querebene Y-Y mit der Hauptfunktionsebene des eingesetzten künstlichen Gelenks bzw. des mit dem erfindungsgemäßen Gelenkkopfs 2 zu bildenden Hüftgelenks zusammenfällt . Wie sich aus den Figuren 4 und 5 ersehen läßt, ist in jeder Bewegungsstellung des Gelenkkopfes 2 in der Gelenkschale 1 zwischen diesen beiden ein linienförmiger Kontakt entlang einer Kontaktfläche durch den Kontaktpunkt K vorhanden. In der Fig. 4 ist dabei eine Gleitbewegung zwischen dem Gelenkkopf 2 und der Gelenkschale 1 um den Mittelpunkt Mx dargestellt und in Fig. 5 ist eine Gleitbewegung des Gelenkkopfes 2 in der Gelenkschale 1 um den Mittelpunkt M2 dargestellt. Beide Bewegungen gemäß den Figuren 4 und 5 überlagern sich bei der Bewegung eines Gliedmaßes, das mit dem erfindungsgemäßen Gelenk verbunden ist. In der Längsebene, wie in Fig. 2 dargestellt, erfolgt eine Drehbewegung des Gelenkkopfes 2 in der Gelenkschale 1 um den Mittelpunkt Mx .
In Fig. 6 ist ein erfindungsgemäßes Gelenk dargestellt, wobei der künstliche Gelenkkopf 2 in die künstliche Gelenkschale 1 eingesetzt ist. Die künstliche Gelenkschale 1 ist innerhalb eines natürlichen Hüftknochens 3 befestigt . Zwischen dem Gelenkkopf 2 und der Gelenkschale 1 bildet sich an deren Artikulationsflächen 5 und 6 ein linienför- miger Kontakt entlang einer Kontaktlinie 7. Dieser linien- förmiger Kontakt bleibt in jeder Bewegungsstellung erhalten. Aus den Fig. 7 bis 9 ergeben sich die geometrischen Angaben bzw. Parameter, mit denen die Gestalt der sphärischen Funktionsfläche (Artikulationsfläche 5) des Gelenkkopfes 2 bestimmt werden kann.
In Fig. 7 wird durch die Kontaktlinie 7 die Z-X-Ebene eines Bezugs-Koordinatensystems definiert. Die Y-Z-Ebene dieses Koordinatensystems stellt die Hauptfunktionsebene des erfindungsgemäßen Gelenks dar. Sie ist die Symmetrieebene der zweizähligen Symmetrie des Gelenkkopfes 2, der einen etwa tonnenförmigen Körper bildet. Es gilt:
X = R-L • cosα
Y = [Rx • sinα - (Rx - R2) ] • cosß
Z = [Rx • sinc - ( . - R2) ] • sinß
Hierbei gelten folgende Wertbeschränkungen
0 ≤ ß < π/2 aresin [(R. - R2) /R < α. ≤ π/2.
Die Definition der Winkel α- und ß ergibt sich aus den Fig. 8 und 9.
Gegenüber bekannten Hüftgelenk-Endoprothesen, die als reine Kugelgelenke ausgebildet sind, zeichnet sich das erfindungsgemäße Gelenk durch eine in der Hauptfunktionsebene bestehende druckstabile Anordnung aus, wobei punktformige Berührungskontakte zwischen den Gelenkkörpern vermieden werden, und vielmehr linienförmige Kontakte sichergestellt sind, so daß die Belastung der einzelnen Gelenkkörper wesentlich reduziert wird.

Claims

Ansprüche
Künstlicher Gelenkkopf (2) zur Verwendung in einem menschlichen Hüftgelenk mit einer sphärisch ausgebildeten im Querschnitt eine kreisförmige, konkave Schnittkontur aufweisenden Gelenkschale (1) mit einem Krümmungsradius Rx und einem Krümmungsmittelpunkt Ml l g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine zumindest in ihrem in der Gelenkschale (1) artikulierenden Bereich derart sphärisch konvex geformte Funktionsfläche, daß im in der Schale (2) eingesetzten Zustand in einer durch den Mittelpunkt Mj verlaufenden Längsebene X-X ein Radius RK1 = R. mit einem Mittelpunkt MK1 ausgebildet ist, der mit M. zusammenfällt, und in einer zu der Längsachse X-X senkrechten Querebene Y-Y durch den Mittelpunkt MK1 ein Radius RK2 < RK1 mit dem Mittelpunkt MK2 vorhanden ist, sowie in der Querebene Y-Y eine stabile dimere Gelenkkette gebildet ist, bei der die Gelenkachsenbahn der Mittelpunkte MK1 und MK2 einen Gelenkbahnradius R = RK1 - RK2 aufweist.
2. Gelenkkopf nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Größendifferenz zwischen RK1 und RK2 0,5 bis 10 mm beträgt .
3. Künstliches Gelenk zum Ersatz des menschlichen Hüftgelenks, bestehend aus einer künstlichen sphärischen Gelenkschale mit einer konkaven kreisförmigen Schnittkontur mit dem Radius Rx und dem Mittelpunkt Mx sowie einem in der Schale beweglich angeordneten sphärischen Gelenkkopf mit einer konvexen Funktionsfläche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Gelenkkopf gemäß Anspruch 1 oder 2 ausgebildet ist.
4. Künstliches Gelenk nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Querebene Y-Y mit der Hauptfunktionsebene (Y-Z) des Gelenks zusammenfällt (siehe Fig. 7) .
PCT/EP1998/001503 1997-03-15 1998-03-16 Künstlicher gelenkkopf für das menschliche hüftgelenk WO1998041172A1 (de)

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