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DE2139878C3 - Hüftgelenkendoprothese für die Implantation im menschlichen Körper - Google Patents

Hüftgelenkendoprothese für die Implantation im menschlichen Körper

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Publication number
DE2139878C3
DE2139878C3 DE2139878A DE2139878A DE2139878C3 DE 2139878 C3 DE2139878 C3 DE 2139878C3 DE 2139878 A DE2139878 A DE 2139878A DE 2139878 A DE2139878 A DE 2139878A DE 2139878 C3 DE2139878 C3 DE 2139878C3
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DE
Germany
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joint
pin
head
joint head
socket
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DE2139878A
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DE2139878A1 (de
Inventor
Michael Dr. 8000 München Jäger
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Hildebrandt Juergen J Dipl-Phys 8000 Muenchen De
Original Assignee
Hildebrandt Juergen J Dipl-Phys 8000 Muenchen De
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Publication date
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Publication of DE2139878B2 publication Critical patent/DE2139878B2/de
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Description

Die Erfindung geht aus von einer Hüftgelenkendoprothese, bestehend aus einer Gelenkpfanne und einem Schaft, der einen als Kolbenpumpe wirkenden zylindrischen Zapfen trägt, auf dem ein kugelförmiger Gelenkkopf mit einer den Zapfen aufnehmenden Ausnehmung verschiebbar aufgesetzt ist und bei dem der Gelenkkopf einen in die Ausnehmung für den Zapfen führenden Schmierkanal aufweist, der das durch die Bewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes gebildete Pumpvolumen mit dem Zwischenraum zwischen den Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf verbindet.
Eine derartige Hüftgelenkendoprothese ist aus der Schweizerischen Patentschrift 4 90 077 bekannt, bei der versucht wurde, die Lebensdauer eines solchen Gelenks durch eine »Schmierung« der beweglichen Teile />i erhöhen. Dies ist jedoch bei dieser Konstruktion der Prothese nicht in erforderlichem Maße möglich, weil weder in dem hierfür vorgeschlagenen Schmicrkanal Doch in zum Zweck der Schmierung vorgesehenen Spielräumen zwischen Kopf und Pfanne in irgendeiner Phase des Bewegungsablaufs ausreichende Mengen an Gelenkflüssigkeit angesammelt werden können, da der als »Kolbenpumpe« gedachte zylindrische Zapfen nicht wirksam werden kann. Somit wird der an den noch nicht artikulierenden Flächen etwa adhäsiv vorhandene Flüssigkeitsfilm zu Beginn der Belaslungsphasc beim Aufgleiten oder/und Abrollen der Flächen gegencinan der von diesen verdrängt, so daß es nicht zum Aufbau einer tragenden Flüssigkeitsschicht kommt.
Die Gründe für die mangelhafte Pumpwirkung sind in folgenden physikalisch und anatomisch bedingten Umständen zu sehen:
Zum einen enthält die genannte Konstruktion kein Element, welches eine Rückstellkraft des Kolbens erzeugen könnte. Daher wird keine Axialbewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes erzeugt
ίο und somit auch keine Gelenkflüssigkeit in ein etwa vorgeformtes Pumpvolumen gefördert Sollte dennoch in seltenen, anatomisch eigentümlich gelagerten Fällen in der Entlastungsphase des Beines eine geringförmige Axialverschiebung des zylindrischen Zapfens in distaler Richtung erfolgen und somit durch einen Schmierkanal eine minimale Flüssigkeitsmenge angesaugt werden, so wird durch eben diesen Kanal die Flüssigkeit während der Belastungsphase wieder in die Gelenkkapsel zurückgeführt, wodurch allenfalls eng benachbarte Teile der Oberfläche des Zapfens benetzt werden können, so daß in diesem Falle die Gelenkfiüssigkeii im sieten Wechsel Entlastung — Belastung nur im Schmierkanal und Pumpvolumen oszilliert.
Keinesfalls kann die Flüssigkeit zwischen die Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf gepumpt werden, da es hierzu einer Ventilwirkung bedarf und außerdem gemäß dem hydraulischen Grundgesetz das Flächenverhältnis der Stirnfläche des Zapfens bzw. des Pumpvolumens zu der freien Fläche des Gelenkkop-
X) fes an der Austrittsöffnung kleiner als »eins« sein muß. Durch bei ausreichend kleinem Spiel zwischen Zapfen und Ausnehmung durch diesen erzeugte Kompression der Flüssigkeit wird ein gleichgroßer Druck im Pumpvolumen und in dem zu den Gleitfläche
}5 führenden Schmierkanal hervorgerufen. Da nun bei Beginn des Belastungsvorganges aufgrund der vorhandenen Kongruenz der Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf diese formschlüssig aneinander anliegen, verschließt die Gleitfläche der Gelenkpfanne die
■Ό Öffnung des Schmierkanals des Gelenkkopfes. Es kann daher keine Flüssigkeit aus dem Pumpvolumen zwischen die Gleitflächen gefördert werden, da die infolge des geringen Öffnungsquerschnitts des Schm,erkanals zwischen den beiden Gleitflächen herrschende Kraft geringer ist. als ne bei gleichem Druck auf die Stirnfläche des Zapfens wirkende Kraft. Somit kann keine Trennung der Gleitflachen erfolgen.
Diese Konstruktion kann auch keine wirksame Stoßdämpfung ausüben, da die Gleitflächen auch in der sogenannten »F.ntlasuingsphase« nicht voneinander getrennt werden, um sich bei wiedereinsetzender Behstung unter elastischer oder/und hydraulischer Fnergieabsorption wieder einander anzunähern.
Der Erfindung hegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbesserung der Stoßabsorption und der Schmierung der Gleitflächen zwischen Gelenkpfanne und Gelenkkopf durch Einspritzen von in der F.ntlastungsphasc angesaugter Gelenkflüssigkeit jeweils zu Beginn und während der Belastungsphase zu erzielen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Gelenkkopf eine im Zenit seiner Oberfläche liegende Abplattung aufweist, deren Fläche größer ist als die Stirnfläche des Zapfens, daß der Gelenkkopf einen Saugkanal aufweist, der das Pumpvolumen mit der von
h5 der Gelenkpfanne nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkopfes verbindet, und daß im Saugkanal ein Ventil angeordnet ist.
Damit werden die Vorteile erreicht, daß zu Beginn
eines jeden Belastungszyklus der Hüftgelenkendoprothese eine ausreichende Menge an Gelenkflüssigkeit im Pumpvolumen zur Verfugung steht und daß diese im weiteren Verlauf der Bewegung des Zapfens infolge der Ventilwirkung in den Schmierkanal gepreßt und von dort aufgrund der Abplattung an der Gleitfläche des Gelenkkopfes in den Zwischenraum der Gleitflächen gespritzt wird. Bei diesem Vorgang heben sich die Gleitflächen voi Gelenkpfanne und Gelenkkopf voneinander ab, wobei der solchermaßen zwischen diesen ι ο Flächen entstehende tragende Flüssigkeitsfilm die Festkörperreibung zwischen den Flächen aufhebt und damit eine optimale Schmierwirkung erzeugt.
In Weiterbildung der Erfindung weist der Gelenkkopf und der Lagerzapfen ein Spiel von mindestens 0,015 mm ι■> auf. Hierdurch wird durch die rückgestaute Gelenkflüssigkeit in der Druckphase die Innenfläche der Ausnehmung und die Lauffläche des Zapfens gleichzeitig geschmiert, die die Einspritzwirkung nicht wesentlich beeinträchtigt, und eine erhebliche Leichtgängigkeit erreicht.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der E:,'indung ist /wischen dem Gelenkkopf und der Stirnfläche des Zapfens ein Federelement angeordnet. Damit wird eine erhebliche elastische Stoßabsorption erreicht, die gleichfalls eine erhöhte Lebensdauer der Hüftgelenkendoprothese erwarten läßt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist die Ausbildung einer Hohlkehle an der von der Gelenkpfanne nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkopfes, von der der Saugkanal zum Pumpvolumen führt. Hiermit wird erreicht, daß im Falle einer zeitweilig möglicherweise auftretenden teilweisen Anlagerung der sekundären Gelenkkapsel aus einem freien Sektor derselben Flüssigkeit Zugang zum Saugkanal findet. J5
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigt
F 1 jt. 1 die Hauptteile der erfindungsgemäCen Hüftgelenkendoprothese: den stielförmigen Schaft (2), der im Oberschenkelknochen befestigt wird mit seinem kolbenartigen Zapfen (1), und der Zapfenstirnfläche (F I).
Weiter zeigt Fig. 1 den Gelenkkopf (4) mit seinem zylindrischen Halsteil (11), dem Schmierkanal (6), der die Ausnehmung (3) des Gelenkkopfes mit der Abplattung (F2) der Gleitfläche (14) des Kopfes (4) verbindet, der Ansaugöffnung (9') für die Gelenk/lüssigkeit, dem Federelement (8). der Hohlkehle (15) und der Schnitth nie (10) der Durchdringung von sphärischem Kopf (4) Und zylindrischem Halsteil(11).
Die mit Verstärkungs- ut.d Befestigungsrippen sowie bolzcnartigen Vorsprüngen, die gleichfalls der Verankerung im Beckinknochen dienen, versehene Gelenkpfanne (5) weist an der Innenseite eine Gleitfläche (7) auf. die der beweglichen Lagerung des Kugelkopfes (4) dient.
F i g. 2 zeigt die aus ihren Einzelelementen (2), (4) und (5) zusammengesetzte Hüftgelenkendoprothese in einer beispielsweisen Verankerung im Beckenknochen (19) lind im Oberschenkelknochen (19') in vergrößertem Maßstab. (18) und (18') stellen schematisch die mn knochenzement ausgefüllten Zonen dar (G) ist die durch das Körpergewicht und die jeweilige Bewegungsphase gegebene Last, (C) die Reaktionskraft, die vom Fußboden über den Oberschenkelknochen (19') in das Gelenk eingeleitet wird. Der Zapfen (1) bzw. der Schaft (2) ist in seiner oberen Endstellung (B) bzw. (B') gezeigt, d. h. am Ende eines Hubes von (A)nach (B)bzw. von (A') nach (B'), also zum Zeitpunkt der Beendigung einer Lastphase des Bewegungablaufs. In diesem Zustand ist das im Beispiel als Kugelventil ausgebildete Ventil (17) geschlossen und das Federelement (8) wird durch die Last (G) bzw. durch die Reaktionskraft (G') vorgespannt. Das Pumpvolumen der Ausnehmung (3) hat sich um den Kolbenhub A-B verringert und die inkompressible Gelenkflüssigkeit ist durch den Schmierkanal
(6) in das durch die Abplattung F2 der Kopfgleitfläche (14) und die Gleitfläche (7) der Gelenkpfanne (5) gebildete Volumen (V) geströmt. Hier übt die unter Druck stehende Flüssigkeit auf die Abplattung (F 2) des Gelenkkopfes (4) nach dem hydraulischen Prinzip eine Kraft K 2 auf diesen aus, die größer ist als die von der Zapfenstirnfläche (Ft) erzeugte in r .;htung auf die Pfanne wirkende Kraft K 1.
Infolgedessen wird der Gelenkkopf (4) gegen die Spannung des Federelementes (8) von der Gleitfläche
(7) der Gelenkpfanne abgehoben und die Flü.sigKeit strömt up'er hohem Druck allseitig in den so gebildeten Zwischenraum (16) zwischen der Gleitfläche (7) der Pfanne (5) und der Gleitfläche (14) des Gelenkkopfes (4) und fließt von hier entlang der Gleitfläche des Gelenkkopfes in den Außenraum, d. h. π die Gelenkkapsel ab. Im anschließenden Entlastungsvorgang bewegt sich der Zapfen (1) um den Hub von (B)nach (A) und mit ihm der im Oberschenkelknochen verankerte Schaft (2) von (B') nach (A') unter der elastischen Kraft des Federelements (8) in axialer Richtung von der Gelenkpfanne weg. Im Pumpvolumen (3) entsteht folgerichtig cn Unterdruck. Da der Zwischenraum (16) zwischen den Gelenkflächen nun geschlossen ist, öffnet das Ventil (17). Der jetzt an der Ansaugöffnung (9') auftretende Unterdruck saugt in der Gelenkkapsel bei (C) befindliche Gelenkflüssigkeit in den Saugkanal (9). Falls Jie bei (C) vorhandene Flüssigkeit nicht ausreicht, sorgt die Hohlkehle (15) am halsseitigen Ende des Gelenkkopfes (4) für einen Zufluß aus von (C) weiter entfernt liegenden Bereichen der Kapsel. Die Flüssigkeit strömt infolge des Unterdruckes durch den Saugkanal (9) in das Pumpvolumen (3), wo es für den nächsten Einspritzvorgang zur Verfügung steht, der durth die Aufwärtsbewegung des Zapfens (1) von (A) nach (B)in der gezeichneten Weise eingeleitet wird. Der Hub des Zapfens (1) ist in Grenzen abhängig von der Beschaffenheit des gesamten Gelenkbereiches und beträgt etwa 4 mm. Infolge Spiels von 0.015 mm zwischen Zapfen (1) und Gelenkkopf (4) wird während der erläuterten Funktion eine relative Leichtgängigkeit erreicht und gleichzeitig die Gleitflächen von Zapfen (I) und Pumpvolumen (3) durch die rückgestaute Flüssigkeit in der Druckphase und durch angesaugte Flüssigkeit in der Entlastungsphase selbständig geschmiert, ohne jedot ,1 den erläuterten Einspritzvorgang wesentlich zu beeinträchtigen
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Hüftgelenkendoprothese, bestehend aus einer Gelenkpfanne und einem Schaft, der einen als Kolbenpumpe wirkenden zylindrischen Zapfen trägt, auf dem ein kugelförmiger Gelenkkopf mit einer den Zapfen aufnehmenden Ausnehmung verschiebbar aufgesetzt ist und daß der Gelenkkopf einen in die Ausnehmung für den Zapfen führenden Schmierkanal aufweist, der das durch die Bewegung des Zapfens in der Ausnehmung des Gelenkkopfes gebildete Pumpvolumen mit dem Zwischenraum zwischen den Gleitflächen von Gelenkpfanne und Gelenkkopf verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkopf (4) eine im Zenit seiner Oberfläche liegende Abplattung (F2) aufweist, deren Fläche größer ist als die Stirnfläche (F 1) des Zapfens (1), daß der Gelenkkopf einen Saugkanal (9) aufweist, der das Pumpvolumen (3) mit der von dei Gelenkpfanne (5) nicht umfaßten Außenfläche des Gelenkkcpfes (4) verbindet, und daß im Saugkanal (9) ein Ventil (17) angeordnet ist.
2. Hüftgelenkendoprothese nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkopf (4) und der Zapfen (1) ein radiales Spiel von mindestens 0,015 mm aufweisen.
3. Hüftgelenkendoprothese nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gelenkkopf (4) und der Stirnflache (F\) des Zapfens (1) ein Federelement (8) angeordnet ist.
4. Hüftgel· nkendoprothese nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gelenkkopf (4; an der von der Gelenkpfanne (5) nicht umfußten Außenfläche mit einer Hohlkehle (15) versehen ist, von der der Saugkanal (9) zum Pumpvolumen (3) führt.
DE2139878A 1971-08-09 1971-08-09 Hüftgelenkendoprothese für die Implantation im menschlichen Körper Expired DE2139878C3 (de)

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