WO2012048690A4 - Dynamische stabilisierungseinrichtung für die wirbelsäule - Google Patents

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Ralph Kothe
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    • A61B2017/00867—Material properties shape memory effect

Definitions

  • the invention relates to a dynamic stabilization device for bones, in particular for the spine.
  • Degenerative diseases of the spine are today often treated by a stiffening operation.
  • two or more vertebrae are rigidly connected to one another with the aid of an implant system, with the aim of achieving a bony connection of the vertebral bodies.
  • An alternative way of treatment is to stabilize the vertebrae semi-rigidly (dynamically) with each other while allowing residual mobility without inducing immediate fusion.
  • a device for dynamic stabilization of the spinal column is known.
  • This device consists of at least two pedicle screws, a prestressed plastic band and a spacer surrounding the plastic band.
  • the use of the combination of the prestressed band together with the spacer allows no or only a very limited positional correction of the vertebral bodies to each other.
  • the intraoperative adjustment of the correct length of the spacer is expensive, an adaptation of the length of the spacer or the plastic band to the movement of the patient is virtually impossible.
  • a system of this type therefore greatly limits the desired flexion, extension and lateral inclination movements, whereas it can hardly stabilize the actually limiting movements such as axial rotation and translation in the AP direction.
  • an implant for fracture treatment consists of two bone anchors and a spacer mounted therebetween or a bush which serves for the (temporary) pretensioning of a connecting part located therein or as a rigid guide.
  • the connecting part located between the bone anchors consists of one or more spring elements.
  • the implant has the task of rigidly connecting bone fragments under tensile stress and accelerating fracture healing by maintaining a pressure force between the bone fragments.
  • An implant with this arrangement allows only a bias of bone components or a minimal translation in the longitudinal direction. A dynamic stabilization of vertebral bodies is thus not possible.
  • the object of the present invention is to provide a stabilization system, in particular for the spine, which on the one hand develops a sufficiently high stabilizing effect, on the other hand allows the physiological range of motion of one or more spinal segments and endures the loads or movements that occur without fatigue.
  • the connecting element underlying the stabilizing device must in particular be insensitive to bending and significant changes in length.
  • the connecting element should optionally be provided with a rigid connecting element, e.g. a rod or tube can be combined, which is used for the fusing supply of one or more vertebrae. With this combination, a dynamically stabilized transition between a fusion path and an untreated portion of the spine can be realized.
  • the connecting element of the stabilization device consists of two or more spring elements arranged largely in the same direction which each have a high axial elasticity and can be connected to the spinal column via bone anchors.
  • the same direction arrangement of the spring elements allowed by adjusting the number of spring elements, the adjustment of the stiffness against bending and change in length.
  • the spring elements may consist of layered, corrugated strips and be arranged so that they experience different change in length relative to each other under bending stress. Since the spring elements are separated from each other there are no shear stresses between the individual layers which would reduce the fatigue strength.
  • To connect the spring elements a distance can be provided between the individual layers, which allows the connecting elements to be inserted into one another or to be positively connected to a rigid connecting element or a bone anchor.
  • An alternative coupling between dynamic and fusion supply can take place in that the elastic connecting element is passed through the rigid fixing element without being firmly connected.
  • connection element in the present invention is the high elasticity in longitudinal and bending stress and a high fatigue strength with high stabilization effect. This allows a permanent, physiological stabilization of the spine and thus a reduction of stress on the treated segments and their neighboring segments.
  • the connecting element according to the invention can be easily shortened intraoperatively or extended form-fitting by attaching further connecting elements. Due to the layered structure, the connecting element can also be adapted with little force to the contour of the spinal column, wherein a fixation of the contour is achieved, for example, by screwing with the bone anchors (for example pedicle screws).
  • Fig. 1 shows the implantable invention for stabilizing two vertebrae.
  • Fig. 2 illustrates various embodiments of the implantable dynamic rod, in which case the arrangements of the spring elements will be described. Furthermore, it is shown here how the rod according to the invention can be extended.
  • Fig. 3 shows two further embodiments and an example of how the rod can be bent.
  • Fig. 4 illustrates various mounting possibilities of the dynamic rod with pedicle screws.
  • Fig. 5 shows various variants of the combination of an elastic rod with a rigid rod.
  • Fig. 6 shows a further variant of the combination of an elastic rod with a rigid rod for increasing the range of movement of a neighboring segment following the rigid rod
  • Fig. 7 illustrates an alternative embodiment in which the spring elements can be moved and fixed in a desired position.
  • FIG. 8 shows a two or more segmental dynamic supply with the implant shown in FIG. 7.
  • the connecting element (3) serves for the dynamic connection of at least two vertebrae (1) and is used with at least two bone anchors (2) (FIG. 1).
  • the pedicle screw (2) consists essentially of a screw shaft (22) with bone thread (21), a head (23) and a locking device (24) for fixing with the connecting element (3).
  • the connecting element also referred to below as rod (3), consists of at least two spring elements (31) arranged in parallel. In a preferred arrangement, there is a gap (32) between the spring elements.
  • the spring elements (31) can be encased (30) (FIG. 2) for stabilization with one another, to prevent tissue growing in and for improved handling with an elastic material (for example silicone, PCU, PE).
  • the spring elements (31) are preferably made of a material with high elasticity and / or strength such as Nitinol, PEEK, carbon fibers, titanium or a titanium alloy, a high strength implant steel or CoCr or a CoCrNi alloys.
  • the spring elements (31) are preferably designed as a wave-shaped pattern.
  • connection (33) of two bars an overlapping area (333) is created, in which a positive connection between the two bars (331 and 332) is created.
  • the intermediate spaces (32) must either be freed from the casing before a joining operation or be encased from the outset.
  • a clamping mechanism (334) can be applied, which exerts a clamping force or an external positive connection on the connection region (333).
  • the spring elements (31) can be arranged in different numbers and distances (34).
  • Preferred variants are a simple parallel arrangement (341), a parallel arrangement of spring element pairs (342) and the parallel arrangement of spring elements in both orthogonal directions to the rod axis (343) (FIG. 2). Due to the division of the spring elements in a second plane, the variant (343) has a high bending elasticity in a second bending direction transversely to the rod axis.
  • the spring elements (31) can be designed so that the waveform at one or both ends have a different amplitude than in the middle. For connection to a bone anchor, it may also be advantageous to set the amplitude of the waveform at the ends to zero.
  • the material thickness and the pitch of the wave form can vary in individual layers or over the longitudinal direction of the spring elements so that the bending stiffness, longitudinal stiffness and buckling tendency can be specifically varied or adjusted.
  • the spring elements can be separated via one-piece (324) or two-part (321) gap elements (FIGS. 3, 351, 352).
  • the two-part intermediate space elements (321) on the one hand have the negative profile of the spring element (31, 311), on the other, the second space profile side facing they are either flat or have a finer toothing (312).
  • This arrangement allows the slight bending of the rod, since the individual layers of the spring elements can thereby move virtually shear forces against each other and thus can adapt to the radius of curvature.
  • the locking of the desired curvature is effected by a clamping mechanism (334), as e.g. within a pedicle screw head (23) can be easily realized.
  • these are designed such that they divide the differences of the spring elements (31), as inevitably arise in a curvature of the rod, e.g. by joints (323) or an inherent material elasticity (3520).
  • the implant rod (3) according to the invention can be attached to heads of different design with bone anchors or pedicle screws.
  • 4 shows different variants for connecting spring elements with wave-shaped ends in (411, 412, 421, 422)
  • FIGS. 6 and 7 show possible connection variants with flat ends of the spring elements and slotted rod receptacles (5611, 5622, 5711, 5734).
  • the heads (23) can be fixed (monoaxial) (42) as well as adjustable in angle (polyaxial) (41) connected to the bone anchor shaft (22).
  • the rod (3) in any, with respect to its axis of symmetry but preferably in a rotated by 0 ° or 90 ° orientation to the head (23) are attached.
  • the head (23) of the polyaxial pedicle screw (41) has, in an exemplary embodiment, a recess (232) for the spherical screw shaft head (221), a clamping element (231) congruent with the screw shaft head (221) and a thread (233) for a fixing screw (23). 241).
  • the support or recess (232) and the attachment to the fixing screw (241) are designed to be positively connected to the profile of the rod, e.g. through appropriate mold inserts.
  • the screw shaft (22) has, for example, a head (234) which has the negative contour of the spring elements (31) of the rod (3).
  • These profiles vary depending on the orientation, for example (2341) for the 0 ° and (2342) for the 90 ° orientation of the rod (3).
  • the rod can be inserted into the profile of the pedicle screw, so that the rod is prefixed due to the positive connection.
  • the rod can be connected to the pedicle screw in a form-fitting manner, as shown in (421 and 422), for example, by means of a cap.
  • the spinal segments can be stabilized purely dynamically, as shown for a single segment (51) and for two (or more) segments (52).
  • rigid fixation distances can be combined with dynamic ranges (53, 54 and 55).
  • the rigid rod segment (5321) has at its ends a possibility of connection to the spring elements (311), e.g. by a negative contour (5322) of the spring elements (311).
  • the rigid rod (5321) shows the two dynamically stabilized terminal segments (5312 and 5334).
  • the rigid bar segment (5321) may also have the same or compliant contour on the outer surfaces as the spring elements (311) of the bar of the present invention so that the rigid bar segment can be used with the same pedicle screws (e.g., 41).
  • connection segments are mechanically decoupled from the rigid section (5423) on the basis of a passage opening (5422) of the rigid implant section.
  • the dynamic connecting rod (3) is mounted between the superior (541) and inferior pedicle screw (544).
  • the rigid section (5423) is located between the pedicle screws (541 and 544) and is exemplified by the pedicle screws (542 and 543).
  • the rigid fixing element (5421) is characterized in that it has an end opening (5422) for the passage of a dynamic connecting element, without itself being firmly connected to it.
  • a combination of variants (53) and (54) is shown, wherein a terminal segment is dynamically connected (5512) to a rigid rod section (5523).
  • the extensibility of the dynamic portion (5512) can be extended by the length of the rigid portion (5523).
  • the fatigue-free transmissible relative movement between the vertebral bodies can thereby be increased.
  • the dynamic connecting element (3) is connected to the inferior pedicle screw (553) or the part of the rigid rod (5521) located there by means of a clamping piece (5524).
  • Fig. 7 shows another embodiment (56) with wave-shaped spring elements (3) which are connected to the bar sections (5611 and 5622) via respective slots (5631 and 5632).
  • the ends of the spring elements (3, 31, 5612) are formed flat and the rod sections (5611, 5622) provided with slots (5631, 5632).
  • the slot width corresponds approximately to the strength of the spring elements (3, 31, 5612) to be accommodated therein.
  • the spring elements with the rod portion of this can also include one or more centering means such as feather keys or pins (5640, 5740), which align the spring elements via corresponding recesses with the rod portion. In order to adapt the dynamic section (5612) to the anatomical conditions, this should be easily flexible.
  • the resulting curvature results in a relative shifts of the spring elements (3) to each other and within the slots of the rod sections (5611, 5622).
  • the rod sections are fixed with the aid of locking devices (24) located on the pedicle screw heads (23). This can be done for example by a force exerted by a screw on the rod portion force which compresses the slots and thereby spring elements (3), rod portion and head (23) non-positively and / or positively connected.
  • a bi-segmental dynamic supply (57) according to the version shown in Fig. 7 is described.
  • a bi-segmental assembly (57) consists of at least three pedicle screws (571, 572, and 573), with the rigid portion (5734) providing connectivity for additional pedicle screws (574).
  • the remaining rigid section (5744) can be shortened in a conventional manner.
  • the dynamic section is divided into two dynamic sections (5712 and 5723) by the attachment of a middle pedicle screw (572).
  • the rod curvature can be flexibly adjusted with the provided rod guides (5731, 5732 and 5733) for the spring elements (3) with unfixed pedicle screw heads. The fixation of the heads ensures the position and orientation of the spring elements (3).

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Abstract

Die dynamische Stabilisierung der Wirbelsäule erfordert Implantate, die eine hohe Beweglichkeit erlauben und gleichzeitig eine ausreichende Stabilisierungswirkung entfalten. Außerdem wird regelmäßig ein Implantatsystem benötigt, welches die Kombination von rigiden mit dynamischen Abschnitten ermöglicht. Implantate nach heutigem Stand der Technik ermöglichen im dynamischen Abschnitt entweder nur eine geringe Beweglichkeit oder unterliegen häufig einer Materialermüdung. Dieses Problem wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, indem ein dynamischer Verbindungsstab bereitgestellt wird, der einfach mit bekannten Pedikelschrauben kombinierbar ist. Außerdem werden Verbindungsmöglichkeiten und Anordnungen zu einem rigiden Verbindungsstab vorgestellt. Der dynamische Verbindungsstab besitzt einen geschichteten Aufbau von in Längsrichtung federelastischen Lamellen oder Drähten. Dies erlaubt eine außerordentlich hohe Elastizität und Ermüdungsfestigkeit für die Haupt-Belastungsrichtungen Biegung, Kompression und Distraktion, sowie die sekundären Belastungsrichtungen Rotation und Translation.

Description

DYNAMISCHE STABILISIERUNGSEINRICHTUNG FÜR DIE WIRBELSÄULE Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine dynamische Stabilisierungseinrichtung für Knochen, insbesondere für die Wirbelsäule.
Stand der Technik
Degenerative Erkrankungen der Wirbelsäule werden heute oft durch eine Versteifungsoperation behandelt. Dabei werden zwei oder mehrere Wirbel mit Hilfe eines Implantatsystems rigide miteinander verbunden, mit dem Ziel eine knöcherne Verbindung der Wirbelkörper zu erreichen. Neben der Einschränkung der Beweglichkeit bei langstreckigen Versorgungen dieser Art ist die höhere Belastung der Bandscheiben der angrenzenden Segmente, und damit deren beschleunigte Degeneration nachteilig bei dieser Behandlungsmethode. Eine alternative Möglichkeit der Behandlung besteht darin, die Wirbel semi-rigide (dynamisch) miteinander zu stabilisieren und dabei eine Restbeweglichkeit zuzulassen ohne eine unmittelbare Fusion herbeizuführen.
Aus (EP0669109B1, 1994) ist eine Vorrichtung zur dynamischen Stabilisierung der Wirbelsäule bekannt. Diese Vorrichtung besteht aus mindestens zwei Pedikelschrauben, einem vorgespannten Kunststoffband und einem vom Kunststoffband umgebenden Abstandshalter. Die Verwendung der Kombination aus dem vorgespannten Band zusammen mit dem Abstandshalter erlaubt keine oder nur eine sehr eingeschränkte Lagekorrektur der Wirbelkörper zueinander. Die intraoperative Anpassung der korrekten Länge des Abstandshalters ist aufwendig, eine Adaption der Länge des Abstandshalters bzw. des Kunststoffbands an die Bewegung des Patienten ist praktisch nicht möglich. Ein System dieser Bauart limitiert daher die gewünschten Flexions-, Extensions- und Seitneigungsbewegungen stark, wohingegen es die eigentlich zu limitierenden Bewegungen wie axiale Rotation und Translation in AP-Richtung kaum stabilisieren kann. In (EP1857065A1, 2006) wird als Weiterentwicklung die Verwendung eines Polymers mit eingebetteten Längsfasern als semi-elastisches Verbindungselement vorgeschlagen. Hier sind jedoch die selben Nachteile wie die übermäßig starke Limitation der Bewegung des Wirbelsäulensegments zu erwarten wie bereits unter (EP0669109B1, 1994) beschrieben. Insbesondere eine ermüdungsfreie Längsdehnung im physiologisch relevanten Bereich ist damit nicht realisierbar, zudem muss eine Delamination bzw. Auflösung der Faser-Polymer-Matrix aufgrund der hohen Scher- und Biegebelastungen befürchtet werden.
Aus (EP1399078B1, 2001; WO2004089244A2, 2003; EP1574173B1, 2004; EP1658815A1, 2004; WO2006101737A1, 2005) sind diverse Varianten bekannt die mit verschiedenen Federelementen unterschiedlichen Profilen, Schleifenanordnungen und Stabverläufen versuchen eine elastische Verbindung zwischen zwei Pedikelschrauben zu erzeugen. Nachteilig bei diesen Anordnungen ist die relativ geringe Beweglichkeit in Längsrichtung bei einer Dimensionierung die gleichzeitig die auftretenden Belastungen im Körper ermüdungsfrei ertragen kann.
Aus (EP0140790B1, 1983; WO2007038429A1, 2005) sind parallele Anordnungen von lasttragenden Elementen aus dem Bereich der Wirbelsäulenchirurgie bekannt. Diese Anordnungen erlauben eine höhere Flexibilität und Anpassbarkeit des Systems an die Kontur der Wirbelsäule während der Implantation. Sobald die Elemente jedoch in ihrer Lage fixiert sind kann keine signifikante Längenänderung mehr erfolgen. Auch ist eine Steigerung der Ermüdungsfestigkeit durch die längenfixierte Einspannung der in Längsrichtung steifen Elemente nicht zu erwarten.
Aus der Anmeldung (WO2007117571A1, 2006) ist ein Implantat zur Frakturversorgung bekannt. Es besteht aus zwei Knochenankern und einem dazwischen gelagerten Abstandshalter bzw. einer Buchse die zur (temporären) Vorspannung eines darin befindlichen Verbindungsteils bzw. als biegesteife Führung dient. Das zwischen den Knochenankern befindliche Verbindungsteil besteht aus einem oder mehreren Federelementen. Das Implantat hat die Aufgabe Knochenfragmente unter Zugvorspannung biegesteif miteinander zu verbinden und durch die federelastische Aufrechterhaltung einer Anpresskraft zwischen den Knochenfragmenten die Frakturheilung zu beschleunigen. Ein Implantat mit dieser Anordnung erlaubt lediglich eine Vorspannung von Knochenkomponenten bzw. eine minimale Translation in Längsrichtung. Eine dynamische Stabilisierung von Wirbelkörpern ist damit jedoch nicht möglich.
Darstellung der Erfindung
Technische Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Stabilisierungssystem, insbesondere für die Wirbelsäule, bereitzustellen, welche einerseits eine ausreichend hohe Stabilisierungswirkung entfaltet, andererseits den physiologischen Bewegungsumfang eines oder mehrerer Wirbelsäulensegmente zulässt und die dabei auftretenden Belastungen bzw. Bewegungen ermüdungsfrei erträgt. Das der Stabilisierungseinrichtung zugrundeliegende Verbindungselement muss dazu insbesondere unempfindlich gegen Biegung und signifikante Längenänderungen sein. Das Verbindungselement sollte optional mit einem rigiden Verbindungselement wie z.B. einem Stab oder Rohr kombiniert werden können, welcher zur fusionierenden Versorgung eines oder mehrerer Wirbel verwendet wird. Mit dieser Kombination kann ein dynamisch stabilisierter Übergang zwischen einer Fusionsstrecke und einem unbehandelten Abschnitt der Wirbelsäule realisiert werden.
Technische L ö sung
Die Aufgabe wird gelöst indem das Verbindungselement der Stabilisierungseinrichtung aus zwei oder mehr weitgehend gleichsinnig angeordneten Federelementen bestehen die jeweils eine hohe axiale Elastizität aufweisen und über Knochenanker mit der Wirbelsäule verbunden werden können. Die gleichsinnige Anordnung der Federelemente erlaubt durch Variation der Anzahl der Federelemente die Einstellung der Steifigkeit gegen Biegung und Längenänderung. Die Federelemente können aus geschichteten, gewellten Bändern bestehen und so angeordnet sein, so dass sie unter Biegebeanspruchung relativ zueinander unterschiedliche Längenänderung erfahren. Da die Federelemente getrennt voneinander sind entstehen zwischen den einzelnen Lagen keine Schubspannungen die die Ermüdungsfestigkeit herabsetzen würden. Zur Verbindung der Federelemente kann zwischen den einzelnen Schichten ein Abstand vorgesehen sein, der es erlaubt die Verbindungselemente ineinander zu stecken oder mit einem rigiden Verbindungselement oder einem Knochenanker formschlüssig zu verbinden. Eine alternative Koppelung zwischen dynamischer und fusionierender Versorgung kann dadurch erfolgen, dass das elastische Verbindungselement durch das rigide Fixierungselement hindurchgeführt wird ohne damit fest verbunden zu sein.
Vorteilhafte Wirkungen
Vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung ist die hohe Elastizität bei Längs- und Biegebeanspruchung und eine hohe Ermüdungsfestigkeit bei gleichzeitig hoher Stabilisierungswirkung. Dies ermöglicht eine dauerhafte, physiologische Stabilisierung der Wirbelsäule und damit eine Reduktion der Belastung auf die damit behandelten Segmente sowie deren Nachbarsegmente. Das erfindungsgemäße Verbindungselement kann intraoperativ einfach gekürzt oder durch Ansetzen weiterer Verbindungselemente formschlüssig verlängert werden. Durch den geschichteten Aufbau lässt sich das Verbindungselement außerdem mit wenig Kraftaufwand der Kontur der Wirbelsäule anpassen, wobei eine Fixierung der Kontur beispielsweise durch Verschraubung mit den Knochenankern (z.B. Pedikelschrauben) erreicht wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt die implantierbare Erfindung zur Stabilisierung zweier Wirbel.
Fig. 2 stellt verschiedene Ausführungsvarianten des implantierbaren dynamischen Stabs dar, wobei hier die Anordnungen der Federelemente beschrieben werden. Des Weiteren wird hier gezeigt, wie der erfindungsgemäße Stab verlängert werden kann.
Fig. 3 zeigt zwei weitere Ausführungsvarianten und ein Beispiel, wie der Stab gebogen werden kann.
Fig. 4 illustriert verschiedene Montagemöglichkeiten des dynamischen Stabs mit Pedikelschrauben.
Fig. 5 zeigt verschiedene Varianten der Kombination eines elastischen Stabes mit einem starren Stab. Mit diesen Anordnungen lässt sich eine besonders hohe Beweglichkeit der beiden Nachbarsegmente im Anschluss an den rigiden Stab erreichen.
Fig. 6 zeigt eine weitere Variante der Kombination eines elastischen Stabes mit einem starren Stab zur Vergrößerung des Bewegungsumfangs eines Nachbarsegments im Anschluss an den rigiden Stab
Fig. 7 stellt eine alternative Ausführungsform dar, bei welcher die Federelemente verschoben und in einer gewünschten Stellung fixiert werden können.
Fig. 8 zeigt eine zwei oder mehr segmentale dynamische Versorgung mit dem in Fig. 7 gezeigtem Implantat.
Weg(e) zur Ausführung der Erfindung
Die technischen Lösungen sind nachfolgend oft beispielhaft beschrieben. Dies soll als Mittel zur Erläuterung des zugrundeliegenden Gedankens aufgefasst und nicht als auf die jeweilige konkrete Darstellung beschränkt verstanden werden.
Das erfindungsgemäße Verbindungselement (3) dient zur dynamischen Verbindung von wenigstens zwei Wirbeln (1) und wird mit mindestens zwei Knochenankern (2) verwendet (Fig. 1). Die Pedikelschraube (2) besteht im Wesentlichen aus einem Schraubenschaft (22) mit Knochengewinde (21), einem Kopf (23) und einer Verriegelungseinrichtung (24) zur Fixierung mit dem Verbindungselement (3).
Das Verbindungselement, nachfolgend auch Stab (3) genannt, besteht aus mindestens zwei parallel angeordneten Federelementen (31). Bei einer bevorzugten Anordnung befindet sich zwischen den Federelementen ein Zwischenraum (32). Die Federelemente (31) können zur Stabilisierung untereinander, zur Vermeidung von einwachsendem Gewebe und zum verbesserten Handling mit einem elastischen Werkstoff (z.B. Silikon, PCU, PE) ummantelt sein (30) (Fig. 2). Die Federelemente (31) bestehen vorzugsweise aus einem Material mit hoher Elastizität und/oder Festigkeit wie beispielsweise Nitinol, PEEK, Kohlefasern, Titan bzw. einer Titanlegierung, aus einem hochfesten Implantatstahl oder aus CoCr- bzw. einer CoCrNi-Legierungen. Die Federelemente (31) sind bevorzugt als wellenförmiges Muster ausgebildet. Bei einer Verbindung (33) zweier Stäbe entsteht ein überlappender Bereich (333), in welchem ein Formschluss zwischen den beiden Stäben (331 und 332) entsteht. In diesem Bereich müssen die Zwischenräume (32) vor einem Fügevorgang entweder von der Ummantelung befreit werden oder von vornherein nicht ummantelt werden. Zur Erhöhung der Konnektivität des Verbindungsbereiches (333) kann ein Klemmmechanismus (334) appliziert werden, der eine Klemmkraft oder einen äußeren Formschluss auf den Verbindungsbereich (333) ausübt.
Die Federelemente (31) können je nach Anwendungsfall und gewünschter Beweglichkeit in verschiedener Anzahl und Abständen angeordnet sein (34). Bevorzugte Varianten sind eine einfache parallele Anordnung (341), eine Parallelanordnung von Federelementpaaren (342) und die parallele Anordnung von Federelementen in beide zur Stabachse orthogonalen Richtungen (343) (Fig. 2). Durch die Teilung der Federelemente in einer zweiten Ebene weist die Variante (343) eine hohe Biegeelastizität in eine zweite Biegerichtung quer zur Stabachse auf. Die Federelemente (31) können so ausgestaltet sein, dass die Wellenform an einem oder beiden Enden eine andere Amplitude aufweisen als in der Mitte. Zur Verbindung mit einem Knochenanker kann es außerdem vorteilhaft sein, die Amplitude der Wellenform an den Enden auf null einzustellen. Zur Reduzierung von Spannungsspitzen im Bereich der Verbindungsstellen kann es außerdem vorteilhaft sein, die Amplitude der Wellenform in einem mittleren Abschnitt größer zu wählen als im Bereich der Anbindungsstellen der Knochenanker (23). Des Weiteren kann die Materialstärke und die Teilung der Wellenform in einzelnen Lagen oder über die Längsrichtung der Federelemente variieren so dass die Biegesteifigkeit, Längssteifigkeit und Knickneigung gezielt variiert bzw. eingestellt werden kann.
Neben einer Ummantelung können die Federelemente über einteilige (324) oder zweiteilige (321) Zwischenraumelemente separiert werden (Fig. 3, 351, 352). Die zweiteiligen Zwischenraumelemente (321) haben dabei einerseits das Negativprofil des Federelements (31, 311), auf der anderen, dem zweiten Zwischenraumprofil zugewandten Seite sind sie entweder flach oder besitzen eine feinere Verzahnung (312). Diese Anordnung erlaubt das leichte Biegen des Stabes, da sich die einzelnen Lagen der Federelemente dadurch praktisch scherkraftfrei gegeneinander verschieben lassen und sich so an den Krümmungsradius anpassen können. Die Arretierung der gewünschten Krümmung erfolgt durch einen Klemmmechanismus (334), wie er z.B. innerhalb eines Pedikelschraubenkopfes (23) leicht realisiert werden kann. In einer anderen Ausgestaltungsform der Zwischenraumelemente sind diese derart gestaltet, dass sie Teilungsdifferenzen der Federelemente (31), wie sie bei einer Krümmung des Stabes zwangsläufig entstehen, z.B. durch Fugen (323) oder eine inhärente Materialelastizität ausgleichen können (3520).
Der erfindungsgemäße Implantatstab (3) lässt sich an Köpfen unterschiedlicher Ausgestaltung mit Knochenankern bzw. Pedikelschrauben befestigen. Fig. 4 zeigt in (411, 412, 421, 422) verschiedene Varianten zur Anbindung von Federelementen mit wellenförmigen Enden, die Figuren 6 und 7 zeigen dagegen mögliche Anbindungsvarianten mit flachen Enden der Federelemente und geschlitzten Stabaufnahmen (5611, 5622, 5711, 5734). Die Köpfe (23) können sowohl fixiert (monoaxial) (42) als auch winkeleinstellbar (polyaxial) (41) mit dem Knochenankerschaft (22) verbunden sein. Dabei kann der Stab (3) in einer beliebigen, bezüglich seiner Symmetrieachse jedoch bevorzugt in einer um 0° oder 90° gedrehten Orientierung zum Kopf (23) befestigt werden. Der Kopf (23) der polyaxialen Pedikelschraube (41) besitzt in einer beispielhaften Ausführung eine Aussparung (232) für den kugelförmigen Schraubenschaftkopf (221), ein zum Schraubenschaftkopf (221) kongruentes Klemmelement (231) und ein Gewinde (233) für eine Fixierschraube (241). In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auflage bzw. Aussparung (232) sowie die Befestigung zur Fixierschraube (241) hin formschlüssig zum Profil des Stabes ausgeführt, z.B. durch entsprechende Formeinlagen.
In einer alternativen Pedikelschraubenausführung (42) besitzt der Schraubenschaft (22) beispielsweise einen Kopf (234), welcher die Negativkontur der Federelemente (31) des Stabes (3) aufweist. Diese Profile variieren je nach Staborientierung, zum Beispiel (2341) für die 0° und (2342) für die 90° Orientierung des Stabs (3). Der Stab kann in das Profil der Pedikelschraube eingelegt werden, so dass der Stab aufgrund des Formschlusses vorfixiert ist. Alternativ zur Fixierung über eine Schraube kann der Stab beispielsweise wie in (421 und 422) gezeigt über eine Kappe formschlüssig mit der Pedikelschraube verbunden werden. Andere Möglichkeiten hierzu bestehen beispielsweise in der Verbindung über Keile, Muttern oder Klappen sowie über formschlüssig auf den Stab (3) aufgeschobene Elemente (z.B. eine mit dem Negativ-Muster der Federelemente ausgesparte Kugel), die dann wiederum form- oder kraftschlüssig mit dem Schraubenkopf (23) verbunden wird.
Bei der Implantation kann generell zwischen zwei Anwendungsformen unterschieden werden (Fig. 5). Zum einen können die Wirbelsäulensegmente rein dynamisch stabilisiert werden, wie es für ein einzelnes Segment (51) und für zwei (oder mehrere) Segmente (52) gezeigt ist. Zum anderen können rigide Fixierungsstrecken mit dynamischen Bereichen kombiniert werden (53, 54 und 55). In einer ersten Variante (53) weist das rigide Stabsegment (5321) an dessen Enden eine Möglichkeit zur Verbindung mit den Federelementen (311) auf, z.B. durch eine Negativkontur (5322) der Federelemente (311). Am rigiden Stab (5321) sind die beiden dynamisch stabilisierten Anschlusssegmente (5312 und 5334), dargestellt. Das rigide Stabsegment (5321) kann außerdem an den Außenflächen dieselbe bzw. eine kompatible Kontur wie die Federelemente (311) des erfindungsgemäßen Stabes aufweisen, so dass das rigide Stabsegment mit denselben Pedikelschrauben (z.B. 41) verwendbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante (54) der dynamischen Anbindung von Anschlusssegmenten (5412 und 5434) werden anhand einer Durchgangsöffnung (5422) des rigiden Implantatabschnitts die Anschlusssegmente vom rigiden Abschnitt (5423) mechanisch entkoppelt. Dabei wird der dynamische Verbindungsstab (3) zwischen der superioren (541) und inferioren Pedikelschraube (544) montiert. Der rigide Abschnitt (5423) befindet sich zwischen den Pedikelschrauben (541 und 544) und wird hier beispielhaft von den Pedikelschrauben (542 und 543) gehalten. Das rigide Fixierungselement (5421) ist dadurch charakterisiert, dass es stirnseitig jeweils eine Durchführungsöffnung (5422) für die Durchführung eines dynamischen Verbindungselements besitzt, ohne selbst damit fest verbunden zu sein.
In Fig. 6 ist eine Kombination der Variante (53) und (54) gezeigt, wobei ein Anschlusssegment dynamisch (5512) an einen rigiden Stababschnitt (5523) angebunden ist. Anhand der Durchführung (5522) des dynamischen Implantatstabes (3) an der mittleren Pedikelschraube (552) kann die Dehnbarkeit des dynamischen Abschnitts (5512) um die Länge des rigiden Teilstücks (5523) verlängert werden. Die ermüdungsfrei übertragbare Relativbewegung zwischen den Wirbelkörpern kann dadurch vergrößert werden. Das dynamische Verbindungselement (3) ist im dargestellten Beispiel mit Hilfe eines Klemmstücks (5524) mit der inferioren Pedikelschraube (553) bzw. dem dort befindlichen Teil des rigiden Stabs (5521) verbunden.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausgestaltungsform (56) mit wellenförmigen Federelementen (3), die mit den Stababschnitten (5611 und 5622) über entsprechende Schlitze (5631 und 5632) verbunden sind. Hierzu sind die Enden der Federelemente (3, 31, 5612) flach ausgebildet und die Stababschnitte (5611, 5622) mit Schlitzen (5631, 5632) versehen. Die Schlitzbreite entspricht dabei etwa der Stärke der darin aufzunehmenden Federelemente (3, 31, 5612). Zur Zentrierung der Federelemente mit dem Stababschnitt kann dieser außerdem eine oder mehrere Zentriermittel wie Passfedern oder Stifte (5640, 5740) beinhalten, die die Federelemente über entsprechende Aussparungen mit dem Stababschnitt ausrichten. Um den dynamischen Abschnitt (5612) an die anatomischen Gegebenheiten anzupassen sollte dieser leicht biegsam sein. Die dadurch hervorgerufene Krümmung resultiert in einer Relativschiebungen der Federelemente (3) zueinander und innerhalb der Schlitze der Stababschnitte (5611, 5622). Nach Einstellung der Krümmung werden mit Hilfe von an den Pedikelschraubenköpfen (23) befindlichen Verriegelungseinrichtungen (24) die Stababschnitte fixiert. Dies kann beispielsweise durch eine von einer Schraube auf den Stababschnitt ausgeübte Kraft erfolgen, welche die Schlitze komprimiert und dadurch Federelemente (3), Stababschnitt und Kopf (23) kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbindet.
In Fig. 8 ist eine bi-segmentale dynamische Versorgung (57) gemäß der in Fig. 7 gezeigten Version beschrieben. Im Wesentlichen besteht eine bi-segmentale Anordnung (57) aus mindestens drei Pedikelschrauben (571, 572 und 573), wobei der rigide Abschnitt (5734) Anbindungsmöglichkeiten für weitere Pedikelschrauben (574) bietet. Der verbleibende rigide Abschnitt (5744) kann auf herkömmliche Weise gekürzt werden. Der dynamische Abschnitt wird durch die Anbindung einer mittleren Pedikelschraube (572) in zwei dynamische Abschnitte (5712 und 5723) unterteilt. Die Stabkrümmung kann mit den vorgesehenen Stabführungen (5731, 5732 und 5733) für die Federelemente (3) bei nicht fixierten Pedikelschraubenköpfen flexibel angepasst werden. Die Fixierung der Köpfe sichert die Position und Orientierung der Federelemente (3).

Claims (15)

  1. Dynamische Stabilisierungseinrichtung (3) für Knochen, insbesondere für Wirbel, mit wenigstens zwei Bereichen die eine Verbindung mit einem Knochenverankerungselement (2) erlauben, dadurch gekennzeichnet dass die Stabilisierungseinrichtung (3) aus wenigstens zwei federelastischen Elementen (31) besteht die in Längsrichtung weitgehend wellenförmig ausgebildet sind und dabei mehrlagig geschichtet angeordnet sind, wobei die Richtung der Schichtung senkrecht zur Oberfläche verläuft die durch die Wellenberge definiert wird.
  2. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Federelemente (31) aus Blechstreifen oder Drähten mit rechteckigem oder rundem Querschnitt bestehen.
  3. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die federelastischen Elemente (31) mit einem elastischen Werkstoff, insbesondere einem Polymer oder Silikon ummantelt oder darin eingebettet sind.
  4. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Amplitude der Wellenform zwischen einzelnen Federelementen oder zwischen verschiedenen Positionen in Längsrichtung der Federelemente unterschiedlich hoch ist.
  5. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Materialstärke oder Breite zwischen einzelnen Federelementen oder zwischen verschiedenen Position in Längsrichtung der Federelemente unterschiedlich ist.
  6. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass mindestens zwei Federelemente (31) innerhalb einer Stabilisierungseinrichtung (3) nebeneinander angeordnet sind (343), wobei die Richtung der Anordnung senkrecht zur Oberfläche verläuft die durch die Wellenberge- und Täler definiert wird.
  7. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass sich zwischen den Schichten der Federelemente (31) mindestens ein Abstandshalter (32) befindet.
  8. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass der bzw. die Abstandshalter (32) Aussparungen, Nuten oder eine Verzahnung beinhalteten.
  9. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zwischen zwei dynamischen Stabilisierungseinrichtungen (3, 5312, 5334) und einer weitgehend rigiden Stabilisierungseinrichtung (5321) Verbindungsmöglichkeiten derart bestehen, so dass mit beiden Enden der rigiden Stabilisierungseinrichtung je eine dynamische Stabilisierungseinrichtung verbunden werden kann.
  10. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass eine dynamische Stabilisierungseinrichtung (3) an jeweils einem Ende mit einem Knochenanker verbunden ist und in einem dazwischenliegenden Bereich durch eine weitgehend rigide Stabilisierungseinrichtung (5421) hindurch führt ohne mit dieser fest verbunden zu sein.
  11. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass eine dynamische Stabilisierungseinrichtung (3) an jeweils einem Ende mit einem Knochenanker verbunden ist und in einem dazwischenliegenden Bereich durch eine weitgehend rigide Stabilisierungseinrichtung (5521) hindurch führt, wobei die dynamische Stabilisierungseinrichtung (3) an einer Stelle innerhalb der rigiden Stabilisierungseinrichtung fest mit selbiger verbunden ist.
  12. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zur Verbindung der dynamischen Stabilisierungseinrichtung (3) mit dem Kopf (23) eines Knochenankers (2 bzw. 22) eine Stabaufnahme (5611, 5622, 5711, 5734) dient, die Stabaufnahme über Schlitze (5631, 5632, 5731, 5732, 5733) zur Aufnahme der Federelemente (31, 5612, 5712, 5723) verfügt, und der Umfang der Stabaufnahme hinsichtlich seiner Geometrie auf eine Aussparung (232) innerhalb des Kopfes (23) abgestimmt ist.
  13. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass die Stabaufnahme (5611, 5622, 5711, 5734) Mittel (5640, 5740) beinhaltet, die die Federelemente (3, 31, 5612, 5712, 5723) mittig ausrichtet und führt.
  14. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass zur Verbindung der dynamischen Stabilisierungseinrichtung (3) mit dem Kopf (23, 234) eines Knochenankers (2 bzw. 22) eine formschlüssige Verbindung (2341, 2342) dient, wobei der Formschluss im Wesentlichen durch eine Negativkontur zur Wellenform der Federelemente (31) entsteht.
  15. Dynamische Stabilisierungseinrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Federelemente (31) durch eine Klammer (334) verbunden oder damit verstärkt werden können.
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