Повышение предельной нагрузки керамических вкладышей для чашек протезов тазобедренных суставов путем заданного столкновения с тыльной стороны вкладыша и чашки вертлужной впадины

Изобретение относится к медицине. Чашка с вкладышем для чашки протеза тазобедренного сустава. Вкладыш имеет тыльную сторону, соединен с чашкой зажимным конусом конического зажимного соединения в области экватора обоих компонентов. Тыльная сторона вкладыша и внутренняя геометрическая форма чашки выполнены с возможностью образования первоначальной щели между тыльной стороной вкладыша и внутренней геометрической формой чашки в состоянии отсутствия нагрузки на вкладыш ниже зажимного конуса вплоть до полюса, имеющей границы, которые определены радиальными контурными линиями тыльной стороны вкладыша и внутренней геометрической формы чашки. Размер щели наибольший в состоянии отсутствия нагрузки на вкладыш, и при появлении нагрузки на вкладыш размер уменьшается, а с заданной нагрузки щель по меньшей мере частично закрыта, так что имеет место контакт компонентов и ниже зажимного конуса. Тыльная сторона вкладыша и внутренняя геометрическая форма чашки с нижнего конца конуса до полюса выполнены в радиальном направлении с одинаковыми геометрическими формами в одинаковой последовательности с возможностью образования места перехода по касательной на уровне той же радиальной контурной линии тыльной стороны вкладыша и внутренней геометрической формы чашки. Изобретение обеспечивает уменьшение напряжения растяжения во вкладыше. 8 з.п.ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение касается чашки (вертлужной впадины) и вкладыша для чашки протеза тазобедренного сустава, причем вкладыш соединен с чашкой зажимным конусом конического зажимного соединения в области экватора обоих компонентов, а ниже зажимного конуса вплоть до полюса между двумя компонентами располагается щель, которая ограничена радиальными контурами обоих компонентов.

В современных протезах тазобедренных суставов для реализации биосовместимой опоры с минимальным износом применяют различные материалы. При этом на нынешнем уровне техники для надежного и долгосрочного обеспечения пациентов лучше всего годятся так называемые пары «твердый-твердый». В этих парах как смонтированная на трубчатой части бедренной кости (на ножке) шаровидная головка, так и вложенный в чашку вкладыш состоят из твердого в техническом смысле материала. В настоящее время применяют пары «керамика-керамика» и «металл-металл». В настоящее время также проводятся исследования клинических эффектов пары «керамика-металл».

Современные протезы тазобедренных суставов построены по модульному принципу (см. фигуру 1), чтобы дать возможность использующему их оператору выбирать оптимальную пару трения (скольжения) для пациента во время операции. Как правило, имплантаты состоят из ножки 1, соединенной с шаровидной головкой 2, и чашки (вертлужной впадины) 4, сопряженной с вкладышем 3. Ножка и чашка, как правило, изготовлены из металлических сплавов и соединяются с телом, врастая в бедренную кость или кости таза. Они являются носителями шарообразной головки либо же вкладыша чашки. Головка размещается в сферическом своде чашки с возможностью вращения со степенью свободы один.

Сопряжение вкладыша и чашки осуществляют прямым соединением без применения материала-адаптера, например пластмассы и, как правило - методом конического зажимного соединения. Решения для этого описаны, например, в EP 0 649 641, EP 0 826 347 и в DE 196 54 409. При этом обращает на себя внимание, что сопряжение компонентов по большей части осуществляется с помощью зажимного конуса, располагающегося в так называемой экваториальной области чашки. Для пояснения термина «экваториальный» см. фигуру 2, обозначение 5. В так называемой полярной области компонентов контакт отсутствует, а вместо этого предусматривается значительная щель, чтобы избежать контакта компонентов в этой области - см. EP 0 649 641, фигуру 1 либо же EP 0 826 347, фигуры 1-4. Для пояснения термина «полярный» см. фигуру 2, обозначение 6.

Необходимость избегать контакта компонентов в области тыльной стороны вкладыша - геометрически в области ниже зажимного конуса вплоть до полюса - вытекает из следующего.

1. Ввиду нагрузки на вкладыш происходит зависящее от нагрузки незначительное утапливание вкладыша в чашку. Если при этом преждевременно возникает контакт между компонентами в тыльной области, то это приводит к разгрузке зажимного конуса. Из-за этого зажимное усилие соединения не продолжает возрастать, а останавливается, возможно, на слишком низком уровне. Если затем из-за адгезии между головкой и вкладышем на вкладыш передается тянущее усилие, то вкладыш может быть вытянут из чашки.

В конечном итоге эта неисправность соединения in-vivo может привести к неисправности системы протеза.

Если же между компонентами, напротив, имеется достаточная щель, то при росте нагрузки на вкладыш усилие зажима беспрепятственно возрастает, так что обеспечено достаточное зажатие компонентов.

2. Если в тыльной области возникает контакт между компонентами, то необходимо обеспечить, чтобы контакт был не точечным, а представлял собой плоскостной контакт. Точечный контакт приводит к локальным избыточным напряжениям, результатом которых является перегрузка и преждевременный выход из строя. Представленная геометрическая форма, однако, не обеспечивает плоскостной контакт.

Незначительные отклонения геометрической формы, которые всегда возможны в рамках допусков, а также небольшие перекосы во вкладыше из-за асимметрии нагрузки и т.д. уже приводят к точечным контактам и таким образом к преждевременному выходу из строя. Специальные исследования показывают, что при нынешних геометрических параметрах контролируемый плоскостной контакт в тыльной области невозможен.

Следует полагать, что благодаря контролируемому контакту компонентов в тыльной области с избеганием или разрешением описанных проблем будет обеспечено уменьшение натяжений во вкладыше, что даст положительный эффект, в частности, при использовании керамических вкладышей. Это значительно повысило бы предельную нагрузку на вкладыши. При использовании вкладышей из металлического сплава следует ожидать, что благодаря уменьшению напряжений деформация будет меньше. В результате этого возможно, что вызванное нагрузкой отклонение формы скользящих поверхностей уменьшится, а износ пар скольжения снизится.

Специальные исследования подчеркивают необходимость в расположенной с тыла щели между компонентами с этими или подобными геометрическими характеристикми.

В основе изобретения лежит задача улучшить чашку и вкладыш для протеза тазобедренного сустава согласно ограничительной части пункта 1 таким образом, чтобы добиться уменьшения напряжения растяжения во вкладыше.

Согласно изобретению эту задачу решают посредством признаков, описанных в пункте 1.

Благодаря тому, что радиальные контуры обоих компонентов, начиная от нижнего конца конуса и до полюса, характеризуются одинаковыми геометрическими элементами в одинаковой последовательности, а между геометрическими элементами имеют место переходы по касательной или приблизительно по касательной, достигается уменьшение напряжений натяжения во вкладыше.

В предпочтительной форме исполнения щель представляет собой первоначальную щель, размер которой наибольший в отсутствие нагрузки на вкладыш, и при появлении нагрузки на вкладыш размер уменьшается, а начиная с определенной нагрузки щель по меньшей мере частично закрыта, так что имеет место контакт компонентов и ниже зажимного конуса. Это значительно повышает предельную нагрузку на вкладыш благодаря контролируемому контакту в области тыльной стороны.

Предпочтительно, чтобы ширина первоначальной щели между компонентами в ненагруженном состоянии вкладыша в области вблизи конуса была меньше ширины щели в области полюса или равнялась ей.

В качестве альтернативы ширина первоначальной щели между компонентами в ненагруженном состоянии вкладыша, начиная от области вблизи конуса в направлении полюса постоянно увеличивается.

Предпочтительно, чтобы чашка состояла из металла и была выполнена тонкостенной и благодаря этому особо упругой. Благодаря этому воздействие нагрузки на вкладыш может расширить чашку, а вкладыш может скользить по зажимному конусу внутрь чашки, пока, начиная с некоторой определенной нагрузки, не возникнет контакт компонентов также и ниже зажимного конуса.

Предпочтительно, чтобы вкладыш состоял из металла и предпочтительно - из керамики на основе оксида алюминия, или керметов на основе оксида алюминия или оксида циркония, или из керамики на основе нитрида кремния.

В одной из форм исполнения изобретения тыльная сторона вкладыша, равно как и внутренние геометрические формы чашки, выполнена как часть сферы.

В одной из форм исполнения за пределами зажимного конуса внешний радиус R_{Einsatz-Rückseite} (R_ER) тыльной стороны вкладыша равен радиусу R_Pfanne-Pol (R_PP) внутренней геометрии чашки или превышает его.

Предпочтительно, чтобы на переходе между зажимным конусом и сферой радиус закругления R_{Einsatz-Verrundung} (R_EV) тыльной стороны вкладыша равнялся радиусу закругления R_{Pfanne-Verrundung} (R_PV) внутреннего контура чашки.

Предпочтительная форма исполнения отличается тем, что на переходе между зажимным конусом и сферой в каждом случае имеется радиус закругления, и радиус

R_{Einsatz-Rückseite} (R_ER) приблизительно равен радиусу R_Pfanne-pol (R_PP), а радиус R_{Einsatz-Vemindung} (R_EV) больше радиуса R_{Pfanne-Verundung} (R_PV), вкладыш состоит из кермета на основе оксида алюминия, а чашка представляет собой тонкостенную металлическую чашку.

Во избежание описанных выше проблем и для достижения так называемого контролируемого контакта в тыльной области либо же также «контролируемого контакта с основой» предлагается следующее решение.

Геометрия тыльной стороны вкладыша и внутренняя геометрия чашки согласованы друг с другом таким образом, что

по радиальному контуру, начиная с нижнего конца конуса и вплоть до полюса данного конкретного компонента, переходы между геометрическими элементами встречаются только по касательной либо же приблизительно по касательной;

радиальные контуры, начиная с нижнего конца конуса и вплоть до полюса, соответствующих друг к другу компонентов имеют только одинаковые геометрические элементы, причем размеры не должны быть одинаковы;

первоначальная щель между компонентами, т.е. в ненагруженном состоянии, в области вблизи конуса меньше щели в области полюса или равна ей.

Ниже приведено более подробное пояснение изобретения на основании трех фигур.

На фигуре 1 показан протез тазобедренного сустава 12, соответствующий нынешнему уровню техники, сконструированный по модульному принципу. Протез тазобедренного сустава 12 состоит из ножки 1, соединенной с шаровидной головкой 2, и чашки (вертлужной впадины) 4, сопряженной с вкладышем 3. Ножка 1 и чашка 4, как правило, изготовлены из металлических сплавов и соединяются с телом, врастая в бедренную кость или кости таза. Они являются носителями шарообразной головки 2 либо же вкладыша чашки 3. Головка 2 размещается в шаровом своде чашки 3 с возможностью вращения со степенью свободы один.

Предпочтительная форма исполнения вкладыша и чашки согласно изобретению для протеза тазобедренного сустава 12 (см. фигуру 1) представлена на фигурах 2 и 3.

Вкладыш 3 с помощью зажимного конуса 5 закреплен в чашке 4. Цифрой 7 обозначена экваториальная область, а цифрой 6 - полюс. В этой форме исполнения тыльная сторона вкладыша 3 и чашка 4 выполнены с геометрической формой сфер либо же частей сфер. На переходе к зажимному конусу 5 в каждом случае имеется закругление R_EV и R_PV. Радиус сферы R_{Einsatz-Rückseite} R_ER тыльной стороны 11 вкладыша 3 выполнен незначительно большим, чем радиус R_Pfanne-pol R_PP внутренней геометрии чашки 4. Радиус закругления R_{Einsatz-Vemindung} R_EV на вкладыше 4 равен радиусу закругления R_{Pfanne-Verrundung} R_PV внутренней геометрии чашки 4. Образующаяся таким образом щель 8 между компонентами 3, 4 увеличивается, начиная от области вблизи нижнего конца конуса 9, к полюсу 6 компонентов 3,4. Ширина щели 8 обозначена цифрой 10.

1. Чашка (4) с вкладышем (3) для чашки протеза тазобедренного сустава (12), причем вкладыш (3), имеющий тыльную сторону (11), соединен с чашкой зажимным конусом (5) конического зажимного соединения в области экватора (7) обоих компонентов (3, 4), тыльная сторона (11) вкладыша (3) и внутренняя геометрическая форма чашки (4) выполнены с возможностью образования первоначальной щели (8) между тыльной стороной (11) вкладыша (3) и внутренней геометрической формой чашки (4) в состоянии отсутствия нагрузки на вкладыш (3) ниже зажимного конуса (5) вплоть до полюса (6), имеющей границы, которые определены радиальными контурными линиями тыльной стороны (11) вкладыша (3) и внутренней геометрической формы чашки (4), при этом размер щели наибольший в состоянии отсутствия нагрузки на вкладыш (3), и при появлении нагрузки на вкладыш (3) размер уменьшается, а с заданной нагрузки щель по меньшей мере частично закрыта, так что имеет место контакт компонентов (3, 4) и ниже зажимного конуса (5), и тыльная сторона (11) вкладыша (3) и внутренняя геометрическая форма чашки (4) с нижнего конца конуса (9) до полюса (6) выполнены в радиальном направлении с одинаковыми геометрическими формами в одинаковой последовательности с возможностью образования места перехода по касательной на уровне той же радиальной контурной линии тыльной стороны (11) вкладыша (3) и внутренней геометрической формы чашки (4).

2. Чашка с вкладышем по п. 1, отличающиеся тем, что ширина (10) первоначальной щели (8) между компонентами (3, 4) в состоянии отсутствия нагрузки на вкладыш (3) в области вблизи конуса меньше ширины щели в области полюса (6) или равна ей.

3. Чашка с вкладышем по п. 1, отличающиеся тем, что ширина (10) первоначальной щели (8) между компонентами (3, 4) в состоянии отсутствия нагрузки на вкладыш (3), начиная с области вблизи конуса, вплоть до полюса (6) постоянно увеличивается.

4. Чашка с вкладышем по п. 1, отличающиеся тем, что чашка (4) состоит из металла и выполнена упругой.

5. Чашка с вкладышем по п. 1, отличающиеся тем, что вкладыш (3) состоит из керамики и предпочтительно - из керамики на основе оксида алюминия, или керметов на основе оксида алюминия или оксида циркония, или из керамики на основе нитрида кремния.

6. Чашка с вкладышем по п. 1, отличающиеся тем, что тыльная сторона (11) вкладыша (3), точно так же как и внутренняя геометрическая форма чашки (4), выполнена в виде части сферы.

7. Чашка с вкладышем по п. 7, отличающиеся тем, что за пределами зажимного конуса (5) внешний радиус R_{Einsatz-Rückseite} (R_ER) тыльной стороны (11) вкладыша (3) равен радиусу R_Pfanne-Pol (R_PP) внутренней геометрической формы чашки (4) или превышает его.

8. Чашка с вкладышем по п. 6 или 7, отличающиеся тем, что на переходе между зажимным конусом (5) и сферой радиус закругления R_{Einsatz-Verrundung}(R_EV) тыльной стороны (11) вкладыша (3) равен радиусу закругления R_{Pfanne-Verrundung} (R_PV) внутренней геометрической формы чашки (4).

9. Чашка с вкладышем по п. 1, отличающиеся тем, что на переходе между зажимным конусом (5) и сферой в каждом случае имеется радиус закругления, и радиус R_{Einsatz-Rückseite} (R_ER) приблизительно равен радиусу R_Pfanne-Pol (R_PP), а радиус R_{Einsatz-Verrundung} (R_EV) больше радиуса R_{Pfanne-Verrundung} (R_PV), вкладыш состоит из кермета на основе оксида алюминия, а чашка (4) представляет собой металлическую чашку.