Протез коленного сустава, сопряженный с подшипником вращения
Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии. Изобретение обеспечивает предотвращение появления горизонтальной составляющей силы, которая нагружает подшипник вращения моментом относительно горизонтальной оси и тем самым ведет к повышенному износу. Протез коленного сустава состоит из бедренной компоненты с жестко соединенными между собой мыщелковыми поверхностями скольжения, компоненты большеберцовой кости, соединенной без возможности вращения с плато большеберцовой кости, которое имеет взаимодействующие с мыщелковыми поверхностями скольжения большеберцовые поверхности скольжения, и устройства сопряжения, которое образует с бедренной компонентой шарнир и с компонентой большеберцовой кости подшипник вращения, ось которого наклонена по отношению к большеберцовой кости. На виде сбоку или на сагиттальном разрезе нормаль к области большеберцовых поверхностей скольжения, в которой они взаимодействуют с мыщелковой поверхностью скольжения и в которой передается нагрузка главным образом в разогнутом положении, расположена под меньшим углом к большеберцовой кости, чем угол между осью подшипника вращения и большеберцовой костью. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Известны протезы коленного сустава, у которых бедренные и большеберцовые компоненты имеют по отношению друг к другу различные степени свободы движения. Чем меньше остаточная устойчивость коленного сустава, снабжаемого протезом, тем большую устойчивость необходимо придать протезу и тем меньшим может подбираться число степеней свободы относительного движения обеих компонент, и наоборот. Ограничения степеней свободы достигают посредством устройства сопряжения, которое действует между бедренной и большеберцовой компонентой. Изобретение, согласно родовому понятию пункта 1, относится к тому типу протезов коленного сустава, который снабжен устройством сопряжения, образующим с компонентой бедра шарнир и с компонентой большеберцовой кости подшипник вращения. Шарнир определяет движение компонент вокруг поперечной оси при сгибании. Подшипник вращения, ось которого проходит примерно параллельно большеберцовой кости, делает возможным определенное вращение вокруг вертикальной оси.
Осевые усилия передаются от поверхностей скольжения мыщелка бедренной компоненты на взаимодействующие с ними большеберцовые поверхности скольжения на верхней стороне плато большеберцовой кости. Протезы следует разделить на две группы. У протезов первой группы подшипник вращения содержит плато, поворачивающееся относительно компоненты большеберцовой кости, у которого поверхность скольжения на верхней стороне только для сгибания взаимодействует с мыщелковыми поверхностями скольжения компоненты бедра (DE-B-2334265, DE-A--2636816, EP-A-716839, US-A-4888021, US-A-5370701). У протезов второй группы плато большеберцовой кости соединено с компонентой большеберцовой кости без возможности поворота (US-A-5139521, ЕР-В-410237, ЕР-В-539654, ЕР-А-791343). Изобретение относится ко второй группе. В этом случае происходит относительное движение между бедренными поверхностями скольжения мыщелка и большеберцовыми поверхностями скольжения не только при сгибании, но и при вращательном движении. Чтобы при вращательном движении обе бедренные поверхности скольжения мыщелка оставались в контакте для передачи усилия с областями, относящимися к большеберцовой поверхности скольжения, при сегодняшнем уровне техники считается необходимым, чтобы эти области большеберцовой поверхности скольжения были ориентированы, по существу, вертикально к оси вращения. Это является справедливым, по меньшей мере, для такой области сгиба, в которой преимущественно осуществляется передача нагрузки. Это, по существу, разогнутое положение или согнутое положение, близкое к разогнутому положению. Условие, по существу, вертикальной ориентации большеберцовых поверхностей скольжения по отношению к оси вращения в такой области, передающей нагрузку, соблюдалось до сих пор и в том случае, когда направление оси вращения по отношению к оси большеберцовой кости является наклонным, и ось вращения направлена не на голеностопный сустав, а на плоскость стопы (ЕР-В-410237). Большеберцовая поверхность скольжения наклонена при этом так же, как ось вращения. Она отклонена назад. Это обуславливает значительные недостатки при нагрузке подшипника вращения. Наклон большеберцовой поверхности скольжения назад приводит к появлению горизонтальной составляющей силы, которая нагружает подшипник вращения моментом относительно горизонтальной оси, и тем самым ведет к повышенному износу.
Изобретение предназначено для предотвращения этого недостатка.
Данная задача решается посредством использования протеза коленного сустава, состоящего из бедренной компоненты с жестко соединенными между собой мыщелковыми поверхностями скольжения, компоненты большеберцовой кости, соединенной без возможности вращения с плато большеберцовой кости, которое имеет взаимодействующие с мыщелковыми поверхностями скольжения большеберцовые поверхности скольжения, и устройства сопряжения, которое образует с бедренной компонентой шарнир и с компонентой большеберцовой кости подшипник вращения, ось которого наклонена по отношению к большеберцовой кости. При этом, согласно изобретению, на виде сбоку или на сагиттальном разрезе нормаль к области большеберцовых поверхностей скольжения, в которой они взаимодействуют с мыщелковой поверхностью скольжения и в которой передается нагрузка главным образом в разогнутом положении, расположена под меньшим углом к большеберцовой костью, чем угол между осью подшипника вращения и большеберцовой костью.
Хотя ось вращения проходит под наклоном, большеберцовая поверхность скольжения, согласно изобретению, не наклоняется соответствующим образом, что кинематически является противоречивым, так как в случае вращения исключается симметричная передача усилия через обе мыщелковые поверхности. С одной стороны, благодаря этому можно избежать возникновения упомянутой горизонтальной составляющей силы и обусловленной этим повышенной нагрузки на подшипник вращения. С другой стороны, изобретение имеет то преимущество, что вращательное движение компонентов протеза всегда связано с образованием возвращающей в исходное положение силы. Во время вращения одна из двух контактных точек бедренного мыщелка на большеберцовой поверхности скольжения смещается вперед, а другая назад. Так как большеберцовая поверхность скольжения расположена не перпендикулярно к оси вращения, один из двух контактов мыщелка поднимается во время этого смещения по отношению к подшипнику вращения по сравнению с предыдущим состоянием. Его стремление вернуться под действием нагрузки в лежащее ниже, предыдущее состояние вызывает стабилизирующую силу.
Предпочтительным будет вариант выполнения, при котором большеберцовая поверхность скольжения проходит приблизительно перпендикулярно большеберцовой кости. Точнее говоря, направление нормали к большеберцовой поверхности скольжения является параллельным большеберцовой кости. Это верно для того места большеберцовой поверхности скольжения, на котором главным образом осуществляется передача нагрузки от мыщелковой поверхности скольжения на поверхность скольжения большеберцовой кости в вытянутом состоянии протеза. Замысел изобретения реализуется также тогда, когда большеберцовая поверхность скольжения проходит с небольшим наклоном, например, когда угол между упомянутой нормалью и большеберцовой костью меньше угла между осью подшипника вращения и большеберцовой костью не более чем в два раза.
Тот факт, что благодаря разности углов между направлением подшипника вращения и упомянутой нормалью стабилизирующая сила будет оказывать влияние на вращательные компоненты протеза, не означает, что нужно отказываться от других средств для создания такой стабилизирующей силы. Например, между обеими областями большеберцовой поверхности скольжения, которые взаимодействуют с обеими частями мыщелковых поверхностей скольжения, может быть предусмотрено увеличенное среднее ребро жесткости, как это известно, из реферата DE 2744710, то есть большеберцовая поверхность скольжения может быть увеличена в межмыщелковой области.
Изобретение детально описывается со ссылками на чертежи, на которых представлен особенно предпочтительный вариант выполнения. Показано:
на фиг.1 - вид сзади,
на фиг.2 - разрез и
на фиг.3 - вид сбоку протеза.
Протез содержит бедренную компоненту 1 и компоненту 2 большеберцовой кости, которые можно закреплять посредством стержней 3 или 4 в бедренной кости и в большеберцовой кости. Направление 5 стержня 4 задает направление большеберцовой кости. Нагрузка передается от бедренной компоненты 1 на компоненту 2 большеберцовой кости в любом согнутом положении - посредством бедренных элементов 6 и плато 7 большеберцовой кости. С целью придания устойчивости бедренная компонента и компонента большеберцовой кости соединены друг с другом посредством устройства 10 сопряжения, которое образует с бедренной компонентой 1 шарнир 11, ось которого совпадает с осью наклона и образует с компонентой 2 большеберцовой кости подшипник вращения с осью вращения 12. Подшипник вращения состоит из цапфы 15 устройства 10 сопряжения и отверстия 13 в большеберцовой компоненте, в котором расположена гладкая втулка 14, например, из полиэтилена, обеспечивающую гладкую посадку цапфы 15. Ось вращения 12 образует с направлением 5 стержня 4 протеза в сагиттальной плоскости угол α, который в представленном примере составляет около 9° (но может составлять от 4° до 15°).
Элементы 6 бедренной компоненты подходят к месту расположения натуральных мыщелков. Поверхности скольжения 20, образованные ими, называются поэтому мыщелковыми поверхностями скольжения. На виде сбоку они могут быть показаны в форме дуги. В этом случае их ось кривизны совпадает с осью наклона шарнира 11. Они могут быть также выполнены полицентрическими для лучшего приближения к естественным условиям.
Плато 7 большеберцовой кости жестко закреплено на пластине 17 компоненты большеберцовой кости. Оно защищено, преимущественно, от подъема (например, посредством развинчивания), и имеет задний срез 18, который при взаимодействии с краевым выступом 19 устройства 10 сопряжения обеспечивает нахождение оси 12 в подшипнике вращения.
Плато 7 большеберцовой кости образует на верхней стороне большеберцовую поверхность 21 скольжения. Для каждой мыщелковой поверхности 20 скольжения оно образует область, соответствующую поверхности скольжения. Между тем плато большеберцовой кости образует межмышелковую область 22, которая всовывается в межмыщелковую выемку 23 бедренной компоненты.
Большеберцовая поверхность 21 скольжения плато 7 большеберцовой кости выглядит на виде сбоку или на сагиттальном разрезе удобно вогнутой, чтобы более или менее приблизиться к форме мыщелковых поверхностей 20 скольжения. Благодаря этому уменьшается контактное напряжение. Хотя полное совмещение возможно, но в большинстве случаев оно не является ни требуемым, ни желаемым. Напротив, на фронтальном разрезе значительное совпадение формы мыщелковой и большеберцовой поверхностей 20, 21 скольжения является желаемым, причем предполагается, что они занимают свое нейтральное положение по отношению к оси 12 вращения, которая соответствует вытянутому положению ноги.
Если плато 7 большеберцовой кости расположено неподвижно на компоненте 2 большеберцовой кости, то относительное положение мыщелковой и большеберцовой поверхностей 20, 21 скольжения определяется посредством оси наклона. Если радиус кривизны большеберцовой поверхности 21 скольжения больше, чем радиус кривизны мыщелковой поверхности 20 скольжения, то геометрические пропорции выбирают так, чтобы теоретически геометрическая точка касания в неповернутом состоянии частей протеза располагалась в том месте большеберцовой поверхности скольжения, нормаль в котором (то есть вертикальная линия, перпендикулярная поверхности в соответствующем месте) проходит примерно параллельно направлению 5 стержня 4. Это место и относящаяся к нему нормаль на Фиг.3 обозначены позициями 24 и 25 соответственно. Если (в отличие от представленного примера выполнения) радиусы кривизны мыщелковой и большеберцовой поверхностей 20, 21 скольжения равны на сагиттальном разрезе, то передача нагрузки происходит не через общую теоретическую поверхность касания. Напротив, также образуется место преимущественной передачи усилия, которое имеет в разогнутом положении и неподвижном положении примерно горизонтальное расположение. Также считается, что нормаль проходит примерно параллельно большеберцовой кости.
Если (в отличие от представленного примера выполнения) плато 7 большеберцовой кости является подвижным вперед и назад по отношению к компоненте 2 большеберцовой кости на ведущей плоскости во время сгибания, то плато ориентируется каждый раз так, что большеберцовая поверхность скольжения в точке самой интенсивной передачи усилия проходит примерно параллельно ведущей области плато большеберцовой кости. Нормаль к области преимущественной передачи нагрузки расположена, таким образом, перпендикулярно ведущей поверхности.
Во всех этих случаях в изобретении требуется, чтобы конструкция была выполнена таким образом, чтобы нормаль к месту преимущественной передачи нагрузки на виде сбоку по сравнению с большеберцовой костью была наклонена меньше, чем ось подшипника вращения. Если большеберцовая кость изображается вертикальной, следовательно, большеберцовая поверхность скольжения должна быть примерно горизонтальной этому месту.
Если компоненты 1 и 2 протеза не повернуты по отношению к оси 12 (то есть занимают нейтральное положение), как правило, это разогнутое положение, обе мыщелковые поверхности скольжения, передавая усилие, накладываются на области, принадлежащие большеберцовой поверхности скольжения. Если осуществляется вращение вокруг оси 12 компонентов 1 и 2 протеза и поверхностей 20 и 21 скольжения, то происходит относительное смещение в точке 24 расположенных друг на друге областей поверхности скольжения вперед или назад. Если бы нормаль к этой области проходила параллельно оси вращения 12, как известно, при этом не происходило бы существенного изменения ординаты соответствующей точки мыщелковой поверхности 20 скольжения по отношению к подшипнику вращения. Но так как, соответственно изобретению, нормаль 25 к этой области имеет другое направление, чем ось 12 вращения, то поверхности 20, 21 скольжения наклонены в этом месте по отношению к направлению окружности. Из этого следует, что сдвиг по вертикали мыщелковой поверхности 20 скольжения на стороне мыщелка по отношению к компоненте большеберцовой кости протеза является вынужденным. Поэтому система под действием нагрузки стремится вернуться назад в нейтральное положение вращения.
Кроме того, изобретение имеет то преимущество, что при большинстве нагрузок направление нормали 25 примерно совпадает с направлением нагрузки. Возникновение проходящих поперечно к ней сил и соответственно результирующих изгибающих моментов, действующих на подшипник вращения 13, 14, 15, остается поэтому меньшим, чем в случае, если бы соответствующая область поверхностей скольжения была наклонена так же, как ось вращения.
1. Протез коленного сустава, состоящий из бедренной компоненты (1) с жестко соединенными между собой мыщелковыми поверхностями (20) скольжения, компоненты (2) большеберцовой кости, соединенной без возможности вращения с плато (7) большеберцовой кости, которое имеет взаимодействующие с мыщелковыми поверхностями (20) скольжения большеберцовые поверхности (21) скольжения, и устройство (10) сопряжения, которое образует с бедренной компонентой (1) шарнир (11) и с компонентой (2) большеберцовой кости подшипник (13, 14) вращения, ось (12) которого наклонена по отношению к большеберцовой кости, отличающийся тем, что на виде сбоку или на сагиттальном разрезе нормаль (25) к области (24) большеберцовых поверхностей (21) скольжения, в которой они взаимодействуют с мыщелковой поверхностью (20) скольжения и в которой передается нагрузка главным образом в разогнутом положении, расположена под меньшим углом к большеберцовой кости, чем угол между осью (12) подшипника вращения и большеберцовой костью.
2. Протез коленного сустава по п.1, отличающийся тем, что угол между нормалью (25) и большеберцовой костью меньше угла (а) между осью (12) подшипника вращения и большеберцовой костью не более чем в два раза.
3. Протез коленного сустава по п.2, отличающийся тем, что нормаль (25) проходит параллельно направлению большеберцовой кости.
4. Протез коленного сустава по одному из пп.1-3, отличающийся тем, что большеберцовая поверхность (21) скольжения увеличена в межмыщелковой области (22).
