WO2008015285A2 - Asymmetrische gestaltung von pfannen und/oder pfanneneinsätzen zur manipulation und unterdrückung der eigenfrequenzen - Google Patents

Asymmetrische gestaltung von pfannen und/oder pfanneneinsätzen zur manipulation und unterdrückung der eigenfrequenzen Download PDF

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    • A61F2250/0075—Sound-damping or noise-reducing means

Definitions

  • the invention relates to a pan and / or socket insert for a hip joint prosthesis whose shaft can be coupled to a ball head, which in turn is rotatably inserted in the calotte of the socket insert, the shaft in the femur and the socket insert directly or via a hip socket in the Pelvic bones are implantable.
  • the market has a variety of prosthetic systems for the replacement of the natural hip joint. These usually consist of a shaft 1 coupled to a ball head 2 and a hip socket 4 coupled with a socket insert 3. Shank 1 and acetabulum 4 are connected to the body by ingrowth in the Oberschenkel construction.
  • the ball head 2 is rotatably mounted in the cup of the cup insert 3 - degree of freedom: 1 (see Figure 1).
  • the quasi-continuous movement of the ball head in the calotte when examined closely, consists of many very short motion cycles - one short movement followed directly by a sudden standstill and, in turn, a sudden movement.
  • This stick-slip effect is caused by a constant alternation of static and sliding friction.
  • the vibrations emitted as a result of the occurrence of the stick-slip effect act as an excitation and lead to the oscillation of the individual components of the artificial joint.
  • one or more of the natural frequencies of the components lie within the audible spectrum (approximately 16-20000 Hz)
  • they may be used by the patient as the wearer of the artificial hip joint, e.g. in the form of the so-called squeaking, be perceived acoustically. This is undesirable for the patient. U. also perceived by its environment and possibly leads to a significant personal restriction.
  • one or more of the natural frequencies of the components lie in the audible spectrum (approximately 16-20000 Hz), they can be used by the patient as a carrier of the artificial hip joint, for example in the form of the so-called squeaking, be perceived acoustically.
  • the invention has the object of developing a pan and / or a pan insert according to the preamble of claim 1 so that no squeaking occurs.
  • pan and acetabulum refer to the same item and are interchangeable.
  • pan and / or the socket insert is formed asymmetrically in its outer and / or inner geometry and / or material composition.
  • the targeted asymmetric design of the pan and / or the pan insert the formation of intrinsic shapes of the pan and / or the pan insert can be prevented and the expression of vibrations in the components in the acoustically perceptible frequency range can be significantly attenuated.
  • Deformed asymmetry of the pan and / or the pan insert can be achieved by various measures that can be combined with each other as desired:
  • the axes of symmetry of the inner and outer geometry of the pan and / or the pan insert are moved parallel.
  • parallel displacement of the axes of symmetry of internal and external geometry is no longer a rotationally symmetric component.
  • the symmetry axis of the internal geometry is preferably tilted by an angle ⁇ relative to the axis of symmetry of the external geometry, as a result of which an asymmetrical socket and / or socket insert is present with corresponding effects on the vibration behavior.
  • the angle ⁇ is in the range of 5 degrees ⁇ ⁇ 25 degrees.
  • the pan and / or the pan insert are composed of materials of different stiffnesses and damping properties.
  • sub-elements of materials with different stiffness and damping properties are arranged in the pan and / or in the socket insert.
  • the pan and / or the pan insert may also have recesses on the inside and / or outside geometry.
  • the stiffness and / or damping properties and / or the material along the axis of symmetry of the pan and / or the pan insert axis are designed differently.
  • FIG. 1 shows the state of the art.
  • a hip prosthesis usually consists of a shaft 1 coupled to a ball head 2 and a hip socket 4 coupled to a socket insert 3.
  • Shaft 1 and acetabulum 4 are connected to the body of the patient by ingrowth into the femoral bone 10 or pelvic bone. tied and are carriers for the ball head 2 and Pfannendon 3.
  • the ball head 2 is rotatably mounted in the calotte of the socket insert 3.
  • FIG. 2 shows a cup 4 according to the invention with an outer geometry 12 which is adapted to the implantation in the pelvic bones 11 (see FIG. 1).
  • the inner geometry 13 of the pan 4 is adapted to the outer geometry of the socket insert 3.
  • the axes of symmetry 5, 6 of the inner 13 and outer geometry 12 de pan 4 are moved parallel.
  • 6 of inner 13 and outer geometry 12 of the pan 4 is no longer a rotationally symmetric component before.
  • Figure 4 shows a pan 4 according to the invention, are arranged in the sub-elements 7 of materials with different stiffness and damping property. Due to the composition of the pan 4 of materials of different stiffness and damping properties or by inserting a partial element 7 in the existing geometry of the pan 4, which consists of a material which differs in stiffness and damping property of the existing pan 4, the squeaking is eliminated ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pfanne und/oder Pfanneneinsatz für eine Hüftgelenkprothese, deren Schaft (1) mit einem Kugelkopf (2) koppelbar ist, der wiederum in der Kalotte des Pfanneneinsatzes (3) drehbar einsetzbar ist, wobei der Schaft (1) in den Oberschenkelknochen (10) und der Pfanneneinsatz (3) direkt oder über eine Hüftpfanne (4) in den Beckenknochen (11) implantierbar sind. Erfindungsgemäß wird zur Vermeidung des Quietschens vorgeschlagen, dass die Pfanne (4) und/oder der Pfanneneinsatz (3) in ihrer äußeren (12) und/oder inneren Geometrie (13) und/oder Materialzusammensetzung asymmetrisch ausgebildet sind.

Description

Asymmetrische Gestaltung von Pfannen und/oder Pfanneneinsätzen zur Manipulation und Unterdrückung der Eigenfrequenzen
Die Erfindung betrifft eine Pfanne und/oder Pfanneneinsatz für eine Hüftgelenkpro- these, deren Schaft mit einem Kugelkopf koppelbar ist, der wiederum in der Kalotte des Pfanneneinsatzes drehbar einsetzbar ist, wobei der Schaft in den Oberschenkelknochen und der Pfanneneinsatz direkt oder über eine Hüftpfanne in den Beckenknochen implantierbar sind.
Stand der Technik:
Im Markt existiert eine Vielzahl von Prothesen-Systemen zum Ersatz des natürlichen Hüftgelenkes. Diese bestehen in der Regel aus einem Schaft 1 gekoppelt mit einem Kugelkopf 2 und einer Hüftpfanne 4 gekoppelt mit einem Pfanneneinsatz 3. Schaft 1 und Hüftpfanne 4 sind mit dem Körper durch Einwachsen in den Oberschenkelbzw. Beckenknochen verbunden und sind Träger für den Kugelkopf 2 bzw. Pfan- neneinsatz 3. Der Kugelkopf 2 ist in der Kalotte des Pfanneneinsatzes 3 drehbar gelagert - Freiheitsgrad: 1 (siehe Figur 1 ).
Während der Artikulation des Kugelkopfes in der Kalotte des Pfanneneinsatzes kann aus verschiedenen Gründen und insbesondere bei Einsatz von Materialien hoher Härte für Kugelkopf und Pfanneneinsatz (z.B. Metalllegierungen, keramische Werk- stoffe) unerwünschte Festkörperreibung zwischen den Gleitpartnern auftreten. Dabei kann es zu unterschiedlichen Phänomenen kommen, die ein Aufschwingverhalten der beteiligten Komponenten und damit eine Geräuschentwicklung, das so genannte Quietschen, zur Folge haben können. Drei Phänomene sind im Folgenden kurz beschrieben. 1 . Abhängig von Materialpaarung, Oberflächenstruktur und Relativgeschwindigkeit der beiden Reibpartner kann bei der Bewegung unter Wirkung von Festkörperreibung ein so genannter Stick-Slip-Effekt auftreten. Das heißt, die quasikontinuierliche Bewegung des Kugelkopfes in der Kalotte setzt sich bei genauer Be- trachtung aus vielen zeitlich sehr kurzen Bewegungszyklen zusammen - jeweils eine kurze Bewegung direkt gefolgt von plötzlichem Stillstand und wiederum plötzlicher Bewegung. Hervorgerufen wird dieser Stick-Slip-Effekt durch ein ständiges Abwechseln von Haft- und Gleitreibung.
Die infolge des Auftretens des Stick-Slip-Effekt ausgesendeten Schwingungen wir- ken als Erregung und führen zum Schwingen der einzelnen Komponenten des künstlichen Gelenkes. Liegen dabei eine oder mehrere der Eigenfrequenzen der Komponenten im hörbaren Spektrum (ca. 16 - 20000 Hz), so können sie vom Patienten als Träger des künstlichen Hüftgelenkes, z.B. in Form des so genannten Quietschens, akustisch wahrgenommen werden. Dies ist vom Patienten uner- wünscht, wird u. U. von seiner Umgebung ebenfalls wahrgenommen und führt gegebenenfalls zu einer erheblichen persönlichen Einschränkung.
2. Infolge häufig wiederholter Bewegungsmuster sowie dem Auftreten von Microseparation (der kurzzeitigen Trennung des tribologischen Systems Kugelkopf- Insert während eines Bewegungszyklus) kann es zur Bildung von Stripe-Wear auf dem Kugelkopf bzw. dem Insert kommen, zur Ausbildung streifenförmiger Verschleißmuster, die über die Streifenlänge eine gewisse Regelmäßigkeit aufweisen. Falls sich nun der Kugelkopf unter bestimmten individuellen Bedingungen (Körperhaltung, Bewegungsablauf) relativ zum Insert und mit Kontakt zwischen den Komponenten im Bereich der Stripe-wear-Zone bewegt, kann dies zu einer selbsterreg- ten Schwingung führen. Liegt diese Erregung im Bereich der Eigenfrequenzen der beteiligten Systeme, führt dies zur Ausbildung von Eigenformen und zur Geräuschbildung. Liegen dabei eine oder mehrere der Eigenfrequenzen der Komponenten im hörbaren Spektrum (ca. 16 - 20000 Hz), so können sie vom Patienten als Träger des künstlichen Hüftgelenkes, z.B. in Form des so genannten Quietschens, akustisch wahrgenommen werden.
3. Nach dem Einsetzen von künstlichen Hüftgelenken kann es insbesondere bei extremen Pfannenpositionen zu einer Berührung zwischen Metallschaft und Metall- pfanne bzw. zwischen Metallschaft und Keramikinsert (andere Bezeichnung für Pfanneneinsatz) kommen. Erfolgt diese Berührung nicht nur punktweise, sondern durch eine entsprechende Beinbewegung über einen Winkel hinweg, so dass es zu einem „Schleifen" des Metallschafts über Pfanne/Insert kommt, kann dies zu einer selbst-erregten Schwingung führen. Liegt diese Erregung im Bereich der Eigenfre- quenzen der beteiligten Systeme, führt dies zur Ausbildung von Eigenformen und zur Geräuschbildung. Liegen dabei eine oder mehrere der Eigenfrequenzen der Komponenten im hörbaren Spektrum (ca. 16 - 20000 Hz), so können sie vom Patienten als Träger des künstlichen Hüftgelenkes, z.B. in Form des so genannten Quietschens, akustisch wahrgenommen werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pfanne und/oder einen Pfanneneinsatz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiterzubilden, dass kein Quietschen auftritt.
Die Begriffe Pfanne und Hüftpfanne bezeichnen denselben Gegenstand und sind austauschbar.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Pfanne und/oder der Pfanneneinsatz in seiner äußeren und/oder inneren Geometrie und/oder Materialzusammensetzung asymmetrisch ausgebildet ist.
Durch die gezielte asymmetrische Gestaltung der Pfanne und/oder des Pfanneneinsatzes kann die Ausbildung von Eigenformen der Pfanne und/oder des Pfannenein- satzes verhindert und die Ausprägung von Schwingungen in den Komponenten im akustisch wahrnehmbaren Frequenzbereich signifikant gedämpft werden. Die vor- - A -
geschlagene Asymmetrie der Pfanne und/oder des Pfanneneinsatzes kann dabei durch verschiedene Maßnahmen erreicht werden, die beliebig miteinander kombinierbar sind:
-in Form einer asymmetrischen äußeren Geometrie in alle drei Raumrichtungen (Querschnittsfläche sowie Längsachse),
-in Form einer asymmetrischen inneren Geometrie in alle drei Raumrichtungen (Querschnittsfläche sowie Längsachse), sowie durch
-asymmetrische Zusammensetzung der Pfanne und/oder Pfanneneinsatzes aus Materialien mit unterschiedlichen Steifigkeiten und Dämpfungseigenschaften.
In einer erfinderischen Ausgestaltung sind die Symmetrieachsen der Innen- und Außengeometrie der Pfanne und/oder des Pfanneneinsatzes parallel verschoben. Durch Parallelverschiebung der Symmetrieachsen von Innen- und Außengeometrie liegt nicht länger ein rotationssymmetrisches Bauteil vor. Es besteht nur noch eine einfach Symmetrie bzgl. einer Ebene.
Bevorzugt ist zusätzlich die Symmetrieachse der Innengeometrie zur Symmetrieachse der Außengeometrie um einen Winkel α verkippt, wodurch eine asymmetrische Pfanne und/oder Pfanneneinsatz vorliegt mit entsprechenden Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten.
In erfinderischer Ausgestaltung liegt der Winkel α im Bereich von 5 Grad < α < 25 Grad.
In einer alternativen Ausführungsform sind die Pfanne und/oder der Pfanneneinsatz aus Materialien unterschiedlicher Steifigkeiten und Dämpfungseigenschaften zusammengesetzt. In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind in der Pfanne und/oder im Pfanneneinsatz Teilelemente aus Materialien mit unterschiedlicher Steifigkeit und Dämpfungseigenschaft angeordnet.
Die Pfanne und/oder der Pfanneneinsatz kann auch auf der Innen- und/ oder Au- ßengeometrie Aussparungen aufweisen.
Vorteilhaft sind die Steifigkeiten und/oder Dämpfungseigenschaften und/oder der Werkstoff entlang der Symmetrieachse der Pfanne und/oder des Pfanneneinsatzachse unterschiedlich gestaltet.
Nachfolgend werden der Stand der Technik und die Erfindung anhand von Figuren näher erläutert.
Figur 1 zeigt den Stand der Technik. Eine Hüftprothese besteht in der Regel aus einem Schaft 1 gekoppelt mit einem Kugelkopf 2 und einer Hüftpfanne 4 gekoppelt mit einem Pfanneneinsatz 3. Schaft 1 und Hüftpfanne 4 sind mit dem Körper des Patienten durch Einwachsen in den Oberschenkel- 10 bzw. Beckenknochen 1 1 ver- bunden und sind Träger für den Kugelkopf 2 bzw. Pfanneneinsatz 3. Der Kugelkopf 2 ist in der Kalotte des Pfanneneinsatzes 3 drehbar gelagert.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Pfanne 4 mit einer äußeren Geometrie 12, die an die Implantation in den Beckenknochen 1 1 angepasst ist (siehe Figur 1 ). Die innere Geometrie 13 der Pfanne 4 ist an die äußere Geometrie des Pfanneneinsatzes 3 angepasst. Zur Vermeidung des Quietschens sind die Symmetrieachsen 5, 6 der Innen- 13 und Außengeometrie 12 de Pfanne 4 parallel verschoben. Durch diese Parallelverschiebung der Symmetrieachsen 5, 6 von Innen- 13 und Außengeometrie 12 der Pfanne 4 liegt nicht länger ein rotationssymmetrisches Bauteil vor. Es besteht nur noch eine einfach Symmetrie bzgl. einer Ebene. Wird zusätzlich die Symmetrieachse 5 der Innengeometrie 13 noch relativ zur Symmetrieachse 6 der Außengeometrie 12 verkippt, liegt eine asymmetrische Pfanne 4 vor - mit entsprechenden Auswirkungen auf das Schwingungsverhalten. Siehe hierzu Figur 3. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen auch den gleichen Gegenstand.
Figur 4 zeigt eine erfindungsgemäße Pfanne 4, in der Teilelemente 7 aus Materialien mit unterschiedlicher Steifigkeit und Dämpfungseigenschaft angeordnet sind. Durch die Zusammensetzung der Pfanne 4 aus Materialien unterschiedlicher Steifigkeit und Dämpfungseigenschaften bzw. durch Einfügen eines Teilelementes 7 in die bestehende Geometrie der Pfanne 4, welches aus einem Material besteht, das in Steifigkeit und Dämpfungseigenschaft vom dem der bestehenden Pfanne 4 abweicht, ist das Quietschen behoben.
Im Extremfall wird durch eine Aussparung 8 in der Pfanne 4 derselbe Effekt erreicht, d.h. die Geometrie wird stark asymmetrisch bzw. es wird ein Element mit stark abweichenden Materialeigenschaften "eingefügt" (siehe Figur 5).
Bei den in den Figuren 4 und 5 gezeigten Pfannen 4 fallen die Symmetrieachse der Innengeometrie 13 und die Symmetrieachse der Außengeometrie 12 zusammen und bilden eine gemeinsame Pfannenachse 9.

Claims

Patentansprüche
1 . Pfanne und/oder Pfanneneinsatz für eine Hüftgelenkprothese, deren Schaft (1 ) mit einem Kugelkopf (2) koppelbar ist, der wiederum in der Kalotte des Pfanneneinsatzes (3) drehbar einsetzbar ist, wobei der Schaft (1 ) in den Oberschenkel- knochen und der Pfanneneinsatz (3) direkt oder über eine Hüftpfanne (4) in den
Beckenknochen implantierbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfanne (4) und/oder der Pfanneneinsatz (3) in ihrer äußeren und/oder inneren Geometrie und/oder Materialzusammensetzung asymmetrisch ausgebildet sind.
2. Pfanne und/oder Pfanneneinsatz nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachsen (5, 6) der Innen- (12) und Außengeometrie (12) der
Pfanne und/oder des Pfanneneinsatzes (3) parallel verschoben sind.
3. Pfanne und/oder Pfanneneinsatz nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse (5, 6) der Innengeometrie (13) zur Symmetrieachse der Außengeometrie (12) um einen Winkel α verkippt ist.
4. Pfanne und/oder Pfanneneinsatz nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel α im Bereich von 5 Grad < α < 25 Grad liegt.
5. Pfanne und/oder Pfanneneinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfanne (4) und/oder der Pfanneneinsatz (3) aus Materialien unterschiedlicher Steifigkeiten und Dämpfungseigenschaften zusammen- gesetzt ist.
6. Pfanne und/oder Pfanneneinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Pfanne und/oder dem Pfanneneinsatz (3) Teilelemente (7) aus Materialien mit unterschiedlicher Steifigkeit und Dämpfungseigenschaft angeordnet sind.
7. Pfanne und/oder Pfanneneinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pfanne (4) und/oder der Pfanneneinsatz (3) auf der Innen- (13) und/ oder Außengeometrie (12) Aussparungen (8) aufweisen.
8. Pfanne und/oder Pfanneneinsatz nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeiten und/oder Dämpfungseigenschaften und/oder der Werkstoff entlang der Pfannen- und/oder Pfanneneinsatzachse (9) unterschiedlich sind.
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