Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bandscheibenimplantat bereitzustellen,
welches ein Maximum an anatomischer Kompatibilität erreicht und die Bewegungsfreiheitsgrade
einer natürlichen Bandscheibe
bestmöglichst
auch bei Dauerbelastung imitiert und somit eine natürliche Bandscheibe auf
Dauer ersetzen kann.
Diese
Aufgabe wird durch die Bereitstellung eines Bandscheibenimplantats
gemäß Patentanspruch
1 bzw. 2 sowie dessen Verwendung gemäß Patentanspruch 14 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen, Aspekte und Details der Erfindung
ergeben sich aus den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung, den Beispielen und den Figuren.
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Bandscheibenimplantat, welches
sich dadurch auszeichnet, dass der Gelenkschwerpunkt bei einer Rotations-
und/oder Beugebewegung gleich einem natürlichen Wirbelsegment veränderbar
ist.
Die
komplexe Bewegung eines Wirbelsegments lässt sich beispielsweise durch
die Wanderung des momentanen Bewegungszentrums (ICR) darstellen.
Da die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate
die natürlichen
Bewegungsfreiheitsgrade bestmöglichst
imitieren, kann die Erfindung einfach dadurch ausgedrückt werden,
dass die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate
die Bewegungen zulassen, welche bei einem natürlichen Wirbelsegment möglich sind.
Da
ein natürliches
Wirbelsegment neben der Rotationsbewegung auch die Translationsbewegung zulässt, besteht
nun die Notwenigkeit, diese Bewegungsvorgänge durch physikalische Größen zu beschreiben.
Eine dieser physikalischen Größen ist
das momentane Bewegungszentrum bzw. die Wanderung des momentanen
Bewegungszentrums.
Erfindungsgemäß erlauben
die hierin beschriebenen Bandscheibenimplantate eine Wanderung des
momentanen Bewegungszentrums, wie es auch bei natürlichen
Wirbelsegmenten nicht jedoch bei den Bandscheibenimplantaten des
Standes der Technik möglich
ist.
Die
Bewegungsfreiheitsgrade eines Wirbelgelenks sind vielfältig woraus
komplexe Bewegungsmöglichkeiten
und komplexe Bewegungsmuster resultieren. Die Bewegung eines Wirbelsegments
kann als unmittelbare Rotationsbewegung um und unmittelbare Translationsbewegung
entlang einer Achse im Raum, der sogenannten IHA (Instantaneous
Helical Axis) beschrieben werden.
Dabei
ergeben sich durchweg bei den möglichen
Flexions-Extensions-, bilaterale Seitneigungs- als auch Rotationsbewegungen
paradoxe Bewegungsmuster unterschiedlicher Intensität.
Bei
diesen Bewegungsstrukturen der Segmente in Hals-, Thorax-, und Lendenbereich
sind als Parameter der momentanen Position der Schraubachse (IHA),
Drehwinkel, Richtung und Lage der IHA sowie Schraubsteigung zu berücksichtigen. Grundsätzlich kann
die segmentale Beweglichkeit durch eine unmittelbare spiralige Oberfläche dargestellt
werden. Konstant können
hingegen die äußeren Parameter
des Kraftsystems als Funktionen der Zeit gehalten werden, nämlich Kraft,
Drehmoment, Richtung und Lage der Kraftwirkungslinie.
Bestimmt
man nun die Lage bzw. die Wanderung der IHA während einer Flexions-Extensions-, bilaterale
Seitneigungs- und/oder Rotationsbewegung, so ergibt sich beispielsweise
die in 2 gezeigte Kurve für ein L3/4-Wirbelsegment.
Die
axiale Rotation des flektierten Wirbelsegments ist kinematisch begrenzt.
Die sagittal gestellten Gelenke erzeugen eine mechanische Führung, die
mit zunehmender Rotation die IHA zur Wanderung nach hinter zwingt
(s. 2). Dabei erhöht
sich das Flächenträgheitsmoment
bezüglich
der IHA und damit die Rotationssteife des Wirbelsegments, so dass
eine weitere Zunahme des Drehmoments eine abnehmende Winkelzunahme
bewirkt. Bei Flexion läuft
die IHA in einem ventralen Bogen von einem Gelenk zum anderen (s.
Kurvenverlauf 1 in 2), während bei
Extension die IHA auf einem dorsalen Bogen wandert (s. Kurvenverlauf 2 in 2).
Dabei können
Wanderungsstrecken von 40 mm bis größer 60 mm zurückgelegt
werden. Nach Resektion der Gelenke befindet sich die IHA wieder
im Bandscheibenzentrum (s. schwarze Fläche bei Ziffer 3 in 2).
Die
initiale Wirbelsegmentsteife (für
axialer Rotationswinkel α =
0) wird durch die Flexions-/Extensionslage einer hinreichend großen axialen
Vorlast eingestellt: Extension (s. Kurvenverlauf 2 in 2)
geht mit einem flachen Drehwinkel- Drehmoment [α(T)) einher und Flexion für zu einem
steilen α(T).
Ein Verschieben der Wirkungslinie nach posterior versteift das Segment,
ohne dass dabei der Betrag der Vorlast geändert werden muss, indem die geänderte Führung der
Gelenke die initiale IHA nach dorsal verlegt und das Flächenträgheitsmoment
erhöht.
Eine
zunehmende axiale Rotation bedingt zunehmende kompressive Belastung
des führenden Wirbelgelenks.
Da bei großem
axialen Rotationswinkel α die
IHA am belasteten Gelenk entlang wandert, hat die Natur das Reibungsproblem
kinematisch gelöst,
weil die Gelenkflächen
jetzt rollen. Haftreibung kann bei Bewegungsumkehr nicht auftreten
und Rollreibung ist kleiner als Gleitreibung (M. Mansour, D. Kubein-Meesenburg,
St. Spiering, J. Fanghänel,
H. Nägerl
BIOmaterialien, 2003, 4 (3), 229).
Derartige
kinematische Bewegungen vermögen
die herkömmlichen
Bandscheibenimplantate des Standes der Technik nicht zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß lassen
die hierin beschriebenen Bandscheibenimplantate jedoch derartige
Translationsbewegungen zu. Somit erlauben die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate
eine Bewegung der IHA wie es bei einer natürlichen Bandscheibe der Fall ist.
Die
bei einem natürlichen
Wirbelsegment mögliche
Wanderung wird bei den erfindungsgemäßen Ausführungsformen dadurch bewerkstelligt, dass
die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte translationsbeweglich
gelagert ist.
Die
Schraubachse (IHA) vermag bei den erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantaten
Wanderungen wie bei einem natürlichen
Wirbelsegment auszuführen.
Somit kann die Schraubachse (IHA) bei den erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantaten Wanderungen
entlang eines ventralen oder dorsalen Bogens ausführen.
Die
IHA berücksichtigt
die translatorischen und rotatorischen Bewegungsabläufe bei
ständiger Änderung
des Drehpunktes der Bewegung (ICR: Instantaneous Center of Rotation)
und vermag dadurch die Bewegung kontinuierlich zu beschreiben. Die Aufzeichnung
der segmentalen Bewegungen zwischen zwei rigiden Wirbelkörpern mit
der IHA erlaubt dadurch die Darstellung der wahren Rotationsachse. Dies
ist ein Weg, die komplexen dreidimensionalen Bewegungen zu visualisieren.
Untersucht
man das Zentrodenmuster bzw. das Wanderungsmuster der ICR (ICR:
Instantneous Center Of Rotation) bei einem Wirbelsegment, so ergibt
sich für
das momentane Bewegungszentrum beispielsweise das in 5 gezeigte
paradoxe Bewegungsmuster. Die dicken Punkte sowie die dazwischenliegenden
Verbindungslinien geben dabei die Wanderung des Rotationszentrums
wieder.
Aufgrund
der erfinderischen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate sind
dieselben Bewegungsmuster wie bei einem natürlichen Wirbelsegment auch
bei dem künstlichen Wirbelsegment
gemäß der vorliegenden
Erfindung möglich.
Diese bestmögliche
Imitation der natürlichen
Bewegungsmuster, d.h. des Zentrodenmusters werden durch die erfindungsgemäße Lagerung
der Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte ermöglicht.
ICR
(Instantaneous Center of Rotation) bezeichnet bei einem Körper, der
in einer Ebene Rotations- und Translationsbewegungen ausführt, die
momentane Position des Rotationszentrums für einen bestimmten eingefrorenen
Zustand.
Betrachtet
man eine planare Rotationsbewegung, d.h. die Rotationsbewegung eines
planaren Körpers
in einer Ebene, so kann die Bewegung der einzelnen Bereiche dieses
planaren Körpers
als Rotationsbewegung um eine senkrecht zu dieser Ebene verlaufenden
Rotationsachse dargestellt werden. Diese Rotationsachse schneidet
die Ebene in einem bestimmten Punkt, dem ICR. Die räumliche
Position bestimmter Punkte auf diesem planaren Körper können nun beispielsweise durch
ihre Geschwindigkeiten definiert werden. Ist beispielsweise die
Geschwindigkeit von zwei Punkten A und B bekannt und liegen diese
beiden Punkte nicht aufeinander (s. 4a), so
kann das ICR ermittelt werden, indem senkrecht zum Geschwindigkeitsvektor
des Punktes A [v(A)] durch den Punkt A eine Gerade legt und senkrecht
zum Geschwindigkeitsvektor des Punktes B [v(B)] durch den Punkt
B eine zweite Gerade und den Schnittpunkt beider Geraden ermittelt.
Der Schnittpunkt beider Geraden ist das ICR.
Falls
die Geschwindigkeitsvektoren v(A) und v(B) senkrecht zum Vektor
AB verlaufen und die Längen
beider Geschwindigkeitsvektoren bekannt sind, erhält man das
ICR im Schnittpunkt des Vektors AB mit der Geraden, welche durch
die beiden Extremwerte der beiden Geschwindigkeitsvektoren verläuft (s. 4b).
Ferner
bezeichnet IAR (Instantaneous Axis of Rotation) bei einem Körper, der
in einer Ebene Rotations- und Translationsbewegungen ausführt, eine Achse,
um die der Körper
bei einer momentanen Betrachtungsweise, wo keine Translation stattfindet,
rotiert.
Das
momentane Bewegungszentrum (ICR) hat bei der Flexion und Extension
einen charakteristischen Verlauf, wie beispielsweise in 5 gezeigt. Die
paradoxe Begleitrotation bei einer z.B. Rechtsneigung eines Wirbelsegments
führt normalerweise zu
einer Linksrotation, wobei sich die Dornfortsätze nach rechts verlagern.
Die
erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate
ermöglichen
Wanderbewegungen des momentanen Bewegungszentrums (ICR) wie dies
auch ein natürliches
Wirbelsegment tut, so dass die Erfindung darin besteht, Bandscheibenimplantate
bereitzustellen, welche die Wanderbewegung des ICR wie bei einem
natürlichen
Wirbelsegment ermöglichen.
Diese
Wanderbewegung wird durch eine bewegliche Lagerung der Wirbelzwischenscheibe
auf der Grundplatte ermöglicht,
welche weiter unten genau beschrieben wird.
Die
erfindungsgemäße künstliche
Bandscheibe ist bevorzugt dreiteilig aufgebaut. Das Mittelstück des Bandscheibenimplantats
bildet eine Wirbelzwischenscheibe, welche bevorzugt so auf der Grundplatte
gelagert ist, dass sowohl Translations- als auch Rotationsbewegungen möglich sind.
Diese
Translations- und/oder Rotationsbewegungen von Wirbelzwischenscheibe
relativ zur Grundplatte sind unabhängig von den möglichen
Bewegungen der Deckplatte relativ zur Wirbelzwischenscheibe. Somit
können
relativ zueinander alle drei Teile des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats
bewegt werden, wodurch die natürlichen
Bewegungsfreiheitsgrade der Wirbelsäule bestmöglichst imitiert werden können.
Die
Lagerung der Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte in einer
Weise, dass Tanslationsbewegungen von Wirbelzwischenscheibe und Grundplatte
relativ zueinander möglich
sind, kann auf verschiedene Weisen realisiert werden.
Eine
Realisierungsmöglichkeit
umfasst die Verwendung von Befestigungsmitteln. Als Befestigungsmittel
kommen Zapfen, Auswölbungen,
Halterungen, Stifte, Flansche und dergleichen sowie andere denkbare
Mittel zur Beschränkung
der Translationsbewegung von Wirbelzwischenscheibe auf Grundplatte
in Frage, welche bevorzugt auf der Grundplatte angebracht werden.
Die
Grundplatte kann einen bevorzugt zentriert angebrachten Führungs-
und/oder Aufnahmestift aufweisen, der sich in Richtung der Torsionsachse
erstreckt. Anstelle der zentrierten Positionierung kann der Führungs-
und/oder Aufnahmestift auch dezentral beispielsweise dorsal oder
ventral versetzt angebracht sein. Bevorzugt weist dieser Stift einen Durchmesser
von 2 bis 15, bevorzugt von 3 bis 12 mm, weiter bevorzugt von 5–10 mm und
insbesondere bevorzugt von 6 bis 9 mm und eine Höhe von 1 bis 5 mm, bevorzugt
von 2–4
mm und insbesondere bevorzugt von 3–4 mm auf. Ferner besitzt ein
solcher Stift bevorzugt eine Zylinderform oder Kegelform, wobei
jedoch generell ellipsoide Formen Verwendung finden können. Ein
einzelner Stift sollte weitgehend zentriert auf der Grundplatte
angebracht werden.
Die
Wirbelzwischenscheibe weist erfindungsgemäß eine zur Aufnahme dieses
Stiftes bzw. des Befestigungsmittels geeignete Aussparung auf, wobei
diese Aussparung einen größeren Durchmesser
als die des Stiftes besitzen sollte. Eine derartige Aussparung ist
bevorzugt O-förmig
bis ellipsoid, kann aber auch kreisförmig ausgestaltet sein. Bei
der O-förmigen
oder ellipsoiden Ausgestaltung ist der Radius in lateraler Richtung
kleiner als der Radius in Anteflexions- und Retroflexionsrichtung.
Bevorzugt
hat der Radius der Aussparung in Anteflexions- und Retroflexionsrichtung
die einfache bis dreifache Länge
des Radius des Stiftes. Der Radius der Aussparung in lateraler Richtung
ist gleich groß oder
bis zum zweifachen größer, als
der Radius des Stiftes.
Aufgrund
der größeren Ausgestaltung
der Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe im Vergleich zum Stift
der Grundplatte, kann dieser Stift sich in den durch die Aussparung
festgelegten Grenzen bzw. die Wirbelzwischenscheibe sich innerhalb
dieser Grenzen translatorisch auf der Grundplatte bewegen.
Gibt
man diese Relationen in absoluten Zahlen wieder, so kann sich bevorzugt
die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte aus einer zentrierten
Position 0 bis 10 mm, bevorzugt 1–6 mm, weiter bevorzugt 2–5 mm und
insbesondere bevorzugt 3–4 mm
in lateraler Richtung sowie 2 bis 15 mm, bevorzugt 3–10 mm,
weiter bevorzugt 4–7
mm und insbesondere bevorzugt 5–6
mm in Anteflexions- als auch in Retroflexionsrichtung bewegen. Diese
Angaben beziehen sich auf die Gesamtstrecke von einer Extremposition
zur anderen. Die halben Längen
werden ausgehend von einer zentrierten Position bis zu einer Extremposition
zurückgelegt.
Ein
Befestigungsmittel in Form eines weitgehend auf der Grundplatte
zentriert angebrachten Stiftes schränkt die Rotationsbewegung der
Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte hingegen nicht ein. Die
Rotationsbewegung um die Torsionsachse wird jedoch durch die natürlichen
Bedingungen und/oder durch weitere Befestigungsmittel festgelegt.
Derartige Befestigungsmittel sind bevorzugt auf der Grundplatte
angebracht. Wird die Rotation nicht technisch am Implantat limitiert,
so ist natürlich
die freie Rotation durch die physiologisch vorhandenen Strukturen
begrenzt. Rotationsbewegungen von bis zu 3 Grad, bevorzugt von 1–2 Grad
und insbesondere bevorzugt von ca. 1,5 Grad in beide Richtungen lässt das
erfindungsgemäße Bandscheibenimplantat zu.
Das
Befestigungsmittel kann nicht nur aus einem Stift, Zapfen, Flansch
oder ähnlichem
bestehen, sondern auch zwei oder mehr dieser Befestigungsmittel
umfassen.
Eine
weitere bevorzugte Ausführungsform umfasst
zwei Stifte, welche auf der Grundplatte bevorzugt dorsal oder ventral
versetzt angebracht sind. Die Wirbelzwischenscheibe weist dementsprechend zwei
Aussparungen auf, welche im Vergleich zum Durchmesser eines Stiftes
einen größeren Durchmesser
besitzen. Dadurch kann sich die Wirbelzwischenscheibe innerhalb
der Aussparungen translatorisch frei um die Stifte bewegen, wobei
die Translationsbewegung als auch die Rotationsbewegung um die mechanische
oder anatomische Achse im Rahmen der Aussparungen möglich ist.
Bei dieser Ausgestaltung ist eine theoretisch mögliche freie Rotation um 360
Grad nicht mehr ausführbar.
Anstelle
von zwei Stiften können
auch drei oder mehr verwendet werden, welche in der Regel mit gleichmäßigen Abständen auf
der Grundplatte angebracht werden. Ferner können anstelle von Stiften auch
seitliche Halterungen vorgesehen werden. Dabei wird die durch die
seitlich an der Grundplatte befestigten Halterungen begrenzte Bodenfläche der Grundplatte
größer ausgestaltet,
als die aufliegende Bodenfläche
der Wirbelzwischenscheibe, so dass die Wirbelzwischenscheibe Translations-
und/oder Rotationsbewegungen auf der Grundplatte bzw. relativ zur Grundplatte
ausführen
kann und zwar im Rahmen der seitlichen Halterungen. Derartige Haltungen
können
beispielsweise ein durchgezogener oder unterbrochener Wulst am Rand
oder ein erhöhten
Rand sein.
Die
Wirbelzwischenscheibe muss nicht wie in
7 und
8 gezeigt,
eine runde oder zylinderförmige
Gestalt besitzen, sondern kann beliebige gängige Gestaltungen von oval
bis eckig, winklig bis bananenförmig,
flach bis höckerförmig, asymmetrisch
bis quadratisch oder rechteckig annehmen. Ferner kann die Wirbelzwischenscheibe
konisch zulaufen, d.h. ihre Dicke verändern und insbesondere in dorsale
Richtung konisch zulaufen. Mögliche
Grundformen von Wirbelzwischenscheibe sind beispielsweise in dem
europäischen
Patent
EP 0 505 634
B1 als
2 und
3(a)–(e) offenbart.
Die möglichen Grundformen
der Wirbelzwischenscheibe brauchen zudem keine einheitliche Dicke
zu haben, so dass die Wirbelzwischenscheibe an unterschiedlichen
Stellen auch unterschiedliche Dicken aufweisen kann, welche beispielsweise
3 mm, 6 mm, 9 mm oder 12 mm betragen können. Somit wird deutlich,
dass die Form und Gestalt der Wirbelzwischenscheibe, insbesondere
ihre Dicke keine für
die Erfindung limitierenden Größen sind.
Eine
bevorzugte Ausführungsform
umfasst Bandscheibenimplantate, bei denen die Deckplatte so auf
der Wirbelzwischenscheibe gelagert ist, dass die artikulierende
Oberfläche
der Wirbelzwischenscheibe als auch die artikulierende Oberfläche der Deckplatte
jeweils auf einer ellipsoiden Teilfläche liegen.
Unter "artikulierende Oberfläche" ist die Oberfläche der
Wirbelzwischenscheibe bzw. die Oberfläche der Deckplatte zu verstehen,
die mit der jeweils anderen Oberfläche bei den möglichen
Bewegungen in Berührung
kommen kann.
Diese
miteinander in Berührung
kommenden, artikulierenden Oberflächen der Wirbelzwischenscheibe
als auch der Deckplatte liegen auf einem Teil der Oberfläche eines
ellipsoiden Körpers, bevorzugt
einer Kugel.
Als
Kontaktoberfläche
soll die Fläche
verstanden werden, wo bei einer bestimmten eingefrorenen Stellung
von der Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte beide Teile miteinander
in Berührung kommen.
Die
artikulierende Oberfläche
der Wirbelzwischenscheibe ist hingegen die gesamte Oberfläche der
Wirbelzwischenscheibe, welche bei allen möglichen Stellungen der Wirbelzwischenscheibe
relativ zur Deckplatte mit der Oberfläche der Deckplatte in Berührung kommen
kann.
Dementsprechend
ist die artikulierende Oberfläche
der Deckplatte die gesamte Oberfläche der Deckplatte, welche
bei allen möglichen
Stellungen der Deckplatte relativ zur Wirbelzwischenscheibe mit
der Oberfläche
der Wirbelzwischenscheibe in Berührung
kommen kann.
Erfindungsgemäß liegt
die artikulierende Oberfläche
der Deckplatte auf einer Teilfläche
eines Ellipsoids bevorzugt auf einem zusammengedrückten (a
= b > c) Rotationsellipsoid
oder einem langgestreckten (a = b < c)
Ellipsoid und insbesondere bevorzugt auf einem Kugelflächenausschnitt
(a = b = c). Dabei bezeichnet a den Radius in Richtung der x-Achse
(Anteflexions-Retroflexions-Achse),
b in Richtung der Y-Achse (Torsionsachse) und c den Radius in Richtung
der Z-Achse (lateralen Achse). Entsprechendes gilt für die artikulierende
Oberfläche
der Wirbelzwischenscheibe.
Ferner
ist wichtig, dass erfindungsgemäß die Radien
(a, b und c; bzw. a und c; bzw. a) der Ellipsoidfläche bzw.
der Kugelfläche,
auf der die artikulierenden Oberflächen der Deckplatte liegen,
gleich groß wie
die Radien (a',
b' und c ; bzw.
a' und c'; bzw. a') der Ellipsoidfläche bzw.
der Kugelfläche
sind, auf der die artikulierenden Oberflächen der Wirbelzwischenscheibe
liegen.
Insbesondere
bevorzugt liegt die artikulierende Oberfläche der Deckplatte auf einem
Kugelflächenausschnitt
und die artikulierende Oberfläche
der Wirbelzwischenscheibe liegt ebenfalls auf einem Kugelflächenausschnitt,
wobei ferner insbesondere bevorzugt beide Kugelflächenausschnitte
denselben Radius aufweisen.
Die
Radien der besagten Kugelflächenausschnitte,
auf denen die artikulierenden Oberflächen von Wirbelzwischenscheibe
und Deckplatte liegen, weisen Größenordnungen
von R = 15–45
mm auf. Entsprechend der Größe des Bandscheibenimplantats
nehmen auch die Radien zu. Bandscheibenimplantate für den lumbalen
Bereich weisen Radien von 25–45
mm, für
den throakialen Bereicht von 20–40 mm
und für
den cervicalen Bereich von 15–35
mm auf.
Die
Kontaktfläche
ist mindestens eine Fläche von
400 mm2, bevorzugt von mindestens 450 mm2, weiter bevorzugt von mindestens 500 mm2 und insbesondere bevorzugt von mindestens
550 mm2. Auch hier ist zu berücksichtigen,
dass die Kontaktfläche
von der Größe des Implantats
abhängt
und größere Bandscheibenimplantate
auch eine größere Kontaktfläche besitzen.
Durch
diese erfindungsgemäße Ausgestaltung
wird die Kontaktfläche
zwischen Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe auch bei komplexen
Bewegungen maximiert, da keine punktförmige oder linienförmige Kontaktfläche, sondern
eine kugelförmige Kontaktfläche erhalten
wird.
Dabei
sind grundsätzlich
zwei Ausführungsformen
denkbar. Zum einen kann die artikulierende Oberfläche der
Deckplatte konvex bzw. plankonvex und die mit der Deckplatte artikulierende
Oberfläche der
Wirbelzwischenscheibe konkav bzw. plankonkav ausgestaltet werden
oder die artikulierende Oberfläche
der Deckplatte wird konkav bzw. plankonkav und die mit der Deckplatte
artikulierende Oberfläche
der Wirbelzwischenscheibe konvex bzw. plankonvex ausgebildet. Dabei
ist die erstgenannte Ausführungsform
bevorzugt.
Ferner
ist insbesondere bevorzugt, dass bei einer konkaven Ausgestaltung
von artikulierender Oberfläche
von Deckplatte oder von Wirbelzwischenscheibe die Kontaktfläche der
artikulierenden Fläche entspricht.
Bei dieser Ausführungsform
sind die Radien der Kugelflächenausschnitte,
auf denen die artikulierenden Oberflächen von Wirbelzwischenscheibe und
Deckplatte liegen, weitgehend identisch.
Eine
bevorzugte Ausführungsform
des Bandscheibenimplantats umfasst somit eine Grundplatte, eine
Wirbelzwischenscheibe und eine Deckplatte, wobei die Wirbelzwischenscheibe
so auf der Grundplatte gelagert ist, das Translations- und/oder Rotationsbewegungen
möglich
sind und die Deckplatte so auf der Wirbelzwischenscheibe gelagert
ist, dass die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe
als auch die artikulierende Oberfläche der Deckplatte auf jeweils
einer ellipsoiden Teilfläche, bevorzugt
einer Kugelfläche
liegen.
Bei
den erfindungsgemäßen Ausführungsformen
kann zudem die Deckplatte bis zu 20 Grad relativ zur Grundplatte
ausgehend von einer parallelen Lage zueinander geneigt werden.
Ferner
sind Deck- und Grundplatten bevorzugt, welche konisch zulaufen,
so wie in 10 gezeigt. Deck- und Grundplatte
sind auf ihrer ventralen Seite dicker als auf ihrer dorsalen Seite,
um die natürliche
Form eines Wirbelsegments besser nachzubilden.
Zusätzlich zu
der Bewegungsmöglichkeit von
Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe zueinander können Wirbelzwischenscheibe
und Grundplatte relativ zueinander bewegt werden. Das erfindungsgemäße Bandscheibenimplantat
ist derart ausgestaltet, dass die Wirbelzwischenscheibe so auf der Grundplatte
gelagert ist, dass die Wirbelzwischenscheibe in der horizontalen
Ebene wenige Grad um die axiale Torsionsachse gedreht werden kann.
Die
Bewegung der Grundplatte und Deckplatte zueinander ist vergleichbar
mit einer Bewegung von zwei gleichen parallelen Platten, zwischen denen
sich ein Ellipsoid und im Idealfall eine Kugel befindet, wobei die
jeweilige Platte das Ellipsoid bzw. die Kugel im Mittelpunkt der
Platte berührt.
Die Bewegung der Platten zueinender ist vergleichbar mit der Bewegung
von Grund- und Deckplatte des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats
zueinander, wobei aufgrund der Gestaltung von Grund- und Deckplatte
eine laterale Beugungsbewegung sowie eine Retroflexionsbewegung
nur in geringerem Umfang ausgeführt
werden kann, als eine Anteflexionsbewegung.
Grund-
und Deckplatte können
sich bis maximal 10 Grad relativ zueinander drehen, bevorzugt bis zu
8 Grad, weiter bevorzugt bis zu 6 Grad und insbesondere bevorzugt
bis zu 4 Grad.
Eine
Beugebewegung in lateraler Richtung kann bis zu 8 Grad, bevorzugt
bis zu 12 Grad und insbesondere bevorzugt bis zu 15 nach beiden
Seiten ausgehend von einer zentrierten Position erfolgen.
Eine
Retroflexionsbeugebewegung kann bis zu 10 Grad, bevorzugt bis zu
15 Grad und insbesondere bevorzugt bis zu 20 Grad ausgehend von
einer zentrierten Position erfolgen.
Eine
Anteflexionsbeugebewegung kann bis zu 20 Grad, bevorzugt bis zu
25 Grad und insbesondere bevorzugt bis zu 30 Grad ausgehend von
einer zentrierten Position erfolgen.
Ferner
kann die Wirbelzwischenscheibe, d.h. die Bandscheibe bevorzugt aus
einem harten Kunststoff, bevorzugt Polyethylen und insbesondere
Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE).
Die
Bezeichnung „ultrahochmolekulares
Polyethylen" ist
nicht eindeutig. Als HDPE (high density PE) gilt derzeit ein PE
mit einer Molmasse von unter 200.000 g/mol. Nach DIN ISO 11542 ist
PE mit einer Schmelze-Massefließrate
von unter 0,1 g/10 min als UHMWPE definiert (wobei dies einer Molmasse
von über
106 g/mol entspräche),
nach der ASTM D 4020 liegt die Grenze bei 3,1·106 g/mol. Die angegebene, mittlere
Molmasse heutigen UHMWPEs liegt, je nach Hersteller und verwendeter
Messmethodik zwischen 3,5·106
und 107 g/mol. Ultra High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE)
ist ein Polyethylen nach ISO 5834-2 Standard, Chirulen® und
TIVAR® Premium
sind hochreine Implantatwerkstoffe aus PEUHMW für den Einsatz in der Endoprothetik.
Als bevorzugte Artikulationspartner werden sie in künstlichen Hüft-, Knie-,
Ellenbogen- und Schultergelenken eingesetzt.
Bei
weiteren bevorzugten Ausführungsformen
wird auch Titan bzw. eine Titanlegierung eingesetzt, um die Wirbelzwischenscheibe
herzustellen. Bei diesen weiter bevorzugten Ausführungsformen, welche eine Grundplatte
aus Titan oder einer Titanlegierung, eine Deckplatte aus Titan oder
einer Titanlegierung als auch eine Wirbelzwischenscheibe aus Titan
oder einer Titanlegierung besitzen, ergeben sich sogenannte hart-hart-Paarungen
und zwar zwischen Deckplatte und Wirbelzwischenscheibe als auch
zwischen Grundplatte und Wirbelzwischenscheibe. Bei diesen Systemen
ist ferner insbesondere bevorzugt, wenn das Titan bzw. die Titanlegierung
mit einer keramischen Beschichtung versehen ist.
Die
für die
Medizinaltechnik zugelassenen Titanwerkstoffe sollten insbesondere
die DIN ISO 5832-3 erfüllen.
Grundsätzlich
regelt sich die Zulassung von Titan und Titanlegierungen als Medizinalwerkstoff
nach den DIN ISO 5832-1 bis 5832-12
Normen.
Neben
dem reinen Titan können
somit auch Titanlegierungen wie beispielsweise Ti-6Al-4V, Ti-Nb-Ta-Zr,
Ti-Al6-Nb7 (nach ISO 5832-11) oder Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr erfindungsgemäß Verwendung finden. Bevorzugt
sind Titanlegierungen, bei denen der Titananteil mindestens 50 Gew.-%,
weitere bevorzugt 65 Gew.-%, noch weiter bevorzugt 80 Gew.-% und
insbesondere bevorzugt 90 Gew.-% beträgt. Ferner ist die Verwendung
von reinem bzw. medizinischem Titan zur Herstellung des gesamten Bandscheibenimplantats
bevorzugt.
Grund-
und Bodenplatte können
zementiert oder zementfrei in den Knochen implantiert oder an dem
Wirbelknochen befestigt werden, wobei die zementfreie Verankerung
bevorzugt ist.
Ferner
wird als Material für
den Grundkörper der
Grund- und/oder Deckplatte Titan eingesetzt. Titan als Grundmaterial
der erfindungsgemäßen Grund-
und Deckplatte ist biologisch inert, verwächst daher fest mit dem Knochen,
kann zementfrei verankert werden und ist nicht allergen.
Durch
die Wahl biokompatibler, inerter Materialien wird die Akzeptanz
des physiologioschen Gewebes auf das Implantat wesentlich verbessert.
Aufgrund der Verwendung von Materialien, welche besonders geeignet
sind, tribologischen Belastungen standzuhalten, wird der Verschleiß des künstlichen Materials
minimiert und somit die Lebensdauer (Standzeit) des Implantats wesentlich
erhöht.
Knochenzellen
können
sich direkt auf biokompatiblen Werkstoffen verankern, wenn ihnen
eine strukturierte Oberfläche
zur Verfügung
steht, deren offene Rauhigkeit im Bereich von 50 bis 400 μm liegt.
Damit
die Grund- und Deckplatte fest mit dem Knochen insbesondere bei
zementfreier Befestigung verwachsen, besitzt die dem Knochen zugewandte
Oberfläche
der Grund – als
auch der Deckplatte eine Rauhigkeit von mindestens Rz 50 μm, bevorzugt
von mindestens Rz 60 μm.
Natürlich
können auch
andere Rauhigkeitsgrade verwendet werden bis hin zu Spongiosametall.
Die
Rauhigkeit wird entweder als Rz oder Ra (DIN 4762, 4768, 4775, ISO
4288) angegeben. Rz bezeichnet die gemittelte Rauhtiefe. Die gemittelte Rauhtiefe
Rz ist das arithmetische Mittel aus den größten Einzelrauhtiefen mehrerer
aneinandergrenzenden Einzelmessstrecken. Ra bezeichnet hingegen
den arithmetischen Mittenrauhwert. Ra ist der allgemein anerkannte
und international angewendete Rauheitsparameter. Er ist der arithmetische
Mittelwert der absoluten Werte der Profilabweichungen innerhalb
der Bezugsstrecke. Der gemessene Zahlenwert Ra ist immer kleiner
als der auf dem gleichen Rauheitsprofil ermittelte Rz-Wert.
Grund-
und/oder Deckplatte des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats
sind vorzugsweise mit einer metallischen oder keramischen Beschichtung überzogen,
die eine variable Anzahl der einzelnen Schichten oder eine unterschiedliche Schichtdicke
aufweisen kann. Keramische Beschichtungen umfassen Nitride, Carbide
und Phosphide von bevorzugt Halbmetallen und Metallen bzw. Metalllegierungen.
Beispiele für
keramische Beschichtungen sind Bornitride, Titan-Niob-Nitrid, Titan-Calcium-Phosphid
(Ti-Ca-P), Cr-Al-N, Ti-Al-N, Cr-N, TiAlN-CrN, Ti-Al-C, Cr-C, TiAlC-CrC,
Zr-Hf-N, Ti-Hf-C-N, Si-C-N-Ti, Si-C-N sowie DLC (Diamond Like Carbon).
Als Beschichtung wird ferner vorzugsweise eine keramische Schicht
aus Titan-Niob-Nitrid (Ti-Nb-N) aufgebracht.
Insbesondere
ist es vorteilhaft, wenn die artikulierende Oberfläche der
Grund- und der Deckplatte mit Titan-Niob-Nitrid (Ti-Nb-N) beschichtet
ist.
Diese
keramische Beschichtung der insbesondere artikulierenden Implantatoberflächen hat eine
Härte,
die um ein Vielfaches höher
ist, als die von herkömmlich
verwendeten Materialien. Durch diese Härte ist die Oberfläche hoch
polierbar und vor Titanabtrieb geschützt.
Erfindungsgemäß ist die
Geometrie der artikulierenden Kompartimente derart gewählt, dass
die Flächen,
welche dem Verscheiß ausgesetzt
sind, maximiert werden können.
Dies bedeutet, dass erfindungsgemäß die Geometrie der Gelenkpartner
so gewählt
wird, dass über
eine plane Kontaktfläche zwischen
Grundplatte und Wirbelzwischenscheibe und einen ellipsoiden Flächenausschnitt,
bevorzugt einen Kugelausschnitt zwischen Wirbelzwischenscheibe und
Deckplatte die tribologisch belasteten Flächen maximiert werden, was
den Verschleiß letztendlich
reduziert. Hieraus resultiert eine Verminderung der wirkenden Kräfte pro
Flächeneinheit,
was sich durch Reduzierung des Abriebs wiederum positiv auf die
Standzeit des Implantats auswirkt. Durch die gewählte und auf den Einzelfall
angepasste Geometrie des Bandscheibenimplantats, insbesondere der
Geometrie der Wirbelzwischenscheibe, und die korrekte Platzierung
des Implantats bei der Operation, wird der physiologischen Beweglichkeit
der Wirbelkörpersegmente zueinander
bestmöglichst
entsprochen. Durch diese annähernd
perfekte Imitation einer natürlichen
Bandscheibe bzw. deren Beweglichkeit werden die auf die Knochen-Implantat-Grenze
einwirkenden Kräfte
erheblich verringert, was sich positiv auf die Langlebigkeit (Reduzierung
von Verschleiß und
Minimierung von Lockerungen) des Implantats auswirkt.
Die
Prothesen des Standes der Technik können zumeist nur auf maximal
zwei Etagen im Rücken eingesetzt
werden. Die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate
können
auch auf mehr als zwei Etagen im Rückgrat eingesetzt werden. Dabei
werden die einzelnen Bandscheibenimplantate nach Größe und Geometrie
ihrer jeweiligen Lage angepasst, so dass durch derartige Mehrfachimplantate auch
Wirbelsäulenleiden,
Wirbelsäulenschäden als auch
Wirbelsäulenerkrankungen
behandelt werden können.
Zu
diesen Wirbelsäulenleiden,
Wirbelsäulenschäden als
auch Wirbelsäulenerkrankungen,
welche durch ein erfindungsgemäßes Bandscheibenimplantat
oder durch einen Satz von erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantaten
behandelt werden können,
zählen
beispielsweise Skoliose, d.h. die seitliche Verbiegung der Wirbelsäule, auch
Rückgratverkrümmung genannt,
Bandscheibenhernie, worunter man das Hervortreten des Bandscheibenkerns
gegen die angrenzenden Wirbelkörper
oder die Nervenwurzeln versteht sowie Kyphose, was die Biegung der
Wirbelsäule
nach hinten bezeichnet.
Ferner
können
durch die erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantate
folgende Wirbelsäulenleiden,
Wirbelsäulenschäden als
auch Wirbelsäulenerkrankungen
behandelt werden können:
Diskusbruch
(d.h. Bandscheibenschaden), Black Disc (degenerative Bandscheibe,
welche im Röntgenbild
schwarz erscheint), die Spontanverformung, d.h. die Verformung von
Wirbelkörpern
durch Krankheiten, Knochenveränderungen
oder Geschwülste, Lumbago
oder geläufiger
als Hexenschuß oder
Lendenweh bezeichnet, worunter man einen heftigen, meist plötzlich auftretenden
Schmerz in der Kreuz- und Lendengegend versteht. Lumbago entsteht
am häufigsten
durch Veränderungen
der Bandscheiben. Spondylosis deformans, d.h. Erkrankung der Wirbelkörper und
Bandscheiben mit starkem Bewegungsschmerz, Witwenbuckel, worunter
man eine Rückgratverkrümmung bei älteren Frauen,
hervorgerufen durch Knochenschwund aufgrund der veränderten hormonellen
Lage nach dem Klimaterium (Wechseljahre) versteht, Spondylomyelitis,
d.h. Entzündung von
Wirbeln und Rückenmark,
Osteochondrose, was die Veränderung
und Verkümmerung
von Zwischenwirbelscheiben bezeichnet, sowie Osteofibrose, was die
Erkrankungen des Skeletts bei Jugendlichen bezeichnet, Spina bifida
auch bekannt unter Spaltwirbel, insbesondere die angeborene Spaltbildung
der Wirbelsäule,
Lordose, worunter der Fachmann die Verkrümmung der Wirbelsäule nach
vorn, verursacht durch einen hohlen Rücken versteht, Spondylotosis, d.h.
das Abgleiten eines Wirbelkörpers
um eine ganze Wirbelbreite, meistens des 5. Lendenwirbels auf das
Kreuzbein, Schipperkrankheit, welche den durch schwere Überanstrengung
verursachten Abrißbruch, meistens
des 7. Halswirbels oder des 1. Brustwirbeldornfortsatzes bezeichnet,
Myelomeningozele, worunter der Fachmann die angeborene Mißbildung
von Wirbelbögen
versteht, Brachialgie, was die Schmerzen in den Armen und Schultern
aufgrund von Veränderungen
im Bereich der Halswirbel bezeichnet, Baastrup-Zeichen, was die
Verbiegung der Wirbelsäule
nach vorn mit Verbreiterung der Dornfortsätze und Zerquetschung des dazwischenliegenden
Gewebes meint, das meist mit starken Kreuzschmerzen und Druckschmerz
der Dornfortsätze
verbunden ist, Wirbelankylose, bezeichnet die knöcherne Versteifung der Wirbelsäule mit
starken Schmerzen in Rumpf, Armen und Beinen und Lähmungen
der Gliedmuskeln, Scheuermann-Krankheit, womit der Fachmann Knochen-
und Knorpelentzündungen
der einzelnen Wirbelkörper,
vorzugsweise der Brustwirbelsäule
bei Jugendlichen bezeichnet, Zervikalsyndrom, d.h. Erkrankungen
der Weichteile im Bereich der Halswirbelsäule, Lendenkyphose, d.h. Krümmung der
Wirbelsäule
im Bereich der Lendenwirbel, Tortikollis, d.h. Schiefhals, häufig rheumatisch
bedingt als auch die Bechterew Krankheit, womit die chronisch entzündliche
Wirbelsäulenerkrankung,
die zu Veränderungen
und Versteifung des gesamten Wirbelsäulenapparates führt gemeint
ist.
Figurenbeschreibung
1 zeigt
zwei Wirbel mit Wirbelkörper, Wirbelkanal,
Wirbelbogen, Querfortsatz und Dornfortsatz sowie den zugehörigen Bandscheiben;
2 zeigt
einen horizontalen Schnitt durch eine L3/4-Bandscheibe sowie die
IHA-Wanderung bei einer Rotationsbewegung. Bei Flexion läuft die IHA
in einem ventralen bogen von einem Gelenk zum anderen (1), bei Extension
aber in einem dorsalen Bogen (2). Die Wanderungsstrecken können 40
mm bis > 60 mm betragen.
Nach der Resektion befindet sich die IHA im Bandscheibenzentrum
(3) [2 und Text wurden der Publikation von M. Mansour,
D. Kubein-Meesenburg, St. Spiering, J. Fanghänel, H. Nägerl BIOmaterialien, 2003,
4 (3), 229 entnommen];
3 ist
eine Abbildung des ventralen und dorsalen Abschnitts eines Wirbelgelenks
in der Höhe von
L1 bis L4 bzw. L5. Es ist zu erkennen, dass in Höhe von L5 das Gelenk eher in
der Frontalebene verläuft.
Dort ist auch die axiale Rotation mit ca. 1,5° höher als in den übrigen Lendenwirbelsegmenten
L1 bis L4 mit ca. 1 Grad [3 und Text
wurden der Publikation von M. Krismer, C. Haid, M. Ogon, H. Behensky,
C. Wimmer, Orthopädie
1997, 26, 516–520 entnommen];
4 zeigt eine Möglichkeit zur Bestimmung des
ICR (Instantaneous Center of Rotation) mittels Vektoren für die Geschwindigkeit
zweier in einer Ebene liegender Punkte;
5 zeigt
das momentane Bewegungszentrum (ICR: Instantaneous Center of Rotation)
bei der Flexion oder Extension nach Gertzbein. Die dicken Punkte
sowie die dicke Verbindungslinie geben die Wanderung des Rotationszentrums
in Abhängigkeit von
der Bewegung an. [5 und Text wurden der Publikation
von M. Krismer, C. Haid, M. Ogon, H. Behensky, C. Wimmer, Orthopädie 1997,
26, 516–520 entnommen];
6 stellt
die distale Grundplatte des Implantats dar. Gezeigt wird eine zur
zentralen Aufnahme der Wirbelzwischenscheibe geeignete Verankerung,
welche Rotations- als auch Translationsbewegungen zulässt;
7 zeigt
die Wirbelzwischenscheibe betrachtet von der der Grundplatte zugewandten
Seite. Zu sehen ist eine runde Aussparung, welche zur Aufnahme eines
auf der Grundplatte angebrachten Befestigungsmittels, beispielsweise
eines Stiftes geeignet ist;
8 zeigt
die Wirbelzwischenscheibe betrachtet von der der Deckplatte zugewandten
Seite. Zu sehen ist die konkav ausgebildete artikulierende Oberfläche der
Wirbelzwischenscheibe. Die Radien R deuten an, dass die mit der
Deckplatte artikulierende Oberfläche
der Wirbelzwischenscheibe auf einem Kugelflächenausschnitt liegt;
9 zeigt
die Deckplatte mit der der Wirbelzwischenscheibe zugewandten Fläche mit
ihrer plankonvex ausgestalteten artikulierenden Oberfläche. Die
konvexe mittig angeordnete Auswölbung weist
denselben Radius wie die artikulierende Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe
gemäß 8 auf, so
dass die artikulierende Oberfläche
der Deckplatte auf einem Kugelflächenausschnitt
mit dem Radius R liegt;
10 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Bandscheibenimplantats;
11 zeigt
eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform
eines Bandscheibenimplantats.
Ausführungsbeispiele
Bevorzugte
Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats
werden nun anhand der Beispiele diskutiert, wobei zu berücksichtigen
ist, dass die diskutierten Beispiele vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung wiedergeben, jedoch den Schutzumfang nicht auf diese
Ausführungsformen
beschränkten.
Beispiel 1
Eine
Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats
besteht aus einer Deckplatte wie in 9 gezeigt,
einer Wirbelzwischenscheibe wie in 7 und 8 dargestellt
und einer Grundplatte wie in 6 offenbart.
Das
Bandscheibenimplantat weist eine Größe auf, welche zum Ersatz eines
L3/4 Wirbelsegments geeignet ist. Kleinere Ausführungsformen des in Beispiel
1 beschriebenen Bandscheibenimplantats sind durch einen Fachmann
ohne Probleme herzustellen. Bei diesen kleineren Ausführungsformen können die
Kontaktflächen
insbesondere zwischen Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte aber
auch zwischen Wirbelzwischenscheibe und Grundplatte entsprechend
der Größe der kleineren
Ausführungsformen
entsprechend kleiner ausfallen. Gleiches gilt für die oben angegebenen Werte
für die
Translationsbewegungen in lateraler als auch Retroflexions-Anteflexions-Richtung.
Die
Deckplatte besteht aus in der Medizintechnik verwendetem Titan.
Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Deckplatte ist rauh,
so dass ein Einwachsen bzw. Anwachsen von Knochenzellen ermöglicht wird.
Die Rauhigkeit Rz beträgt
ca. 60 ± 5 μm. Die artikulierende
Oberflächen
der Deckplatte ist plankonvex ausgestaltet wie in 9 dargestellt
und mit einer keramischen Schicht aus Ti-Nb-N überzogen. Die Schichtdicke
beträgt
3–5 μm.
Die
artikulierende Oberfläche
der Deckplatte liegt auf einem Kugelflächenausschnitt mit einem Radius
von R = 25 mm.
Die
Grundplatte besteht ebenfalls aus Titan und weist eine Form wie
in 6 gezeigt auf. Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der
Grundplatte ist rauh ausgestaltet mit einer Rauhigkeit Rz von ca.
60 ± 5 μm. Die Auflagefläche für die Wirbelzwischenscheibe
ist mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Nb-N überzogen.
Die Schichtdicke beträgt
3–5 μm.
Wie 6 verdeutlicht,
ist die der Wirbelzwischenscheibe zugewandte Oberfläche der
Tibiakomponente planar, bis auf den mittig angeordneten Stift. Dieser
Stift weist eine zylindrische Form mit einer Höhe von 5 mm und einem Durchmesser
von 7 mm auf. Auch der Stift ist mit einer keramischen Beschichtung
aus Ti-Nb-N versehen. Die Grundplatte ist rechteckig dargestellt,
kann natürlich
auch andere Umrisse aufweisen und in ihrer Dicke variieren, wie
in 10 dargestellt.
Die
Wirbelzwischenscheibe weist eine Gestalt wie in 7 und 8 dargestellt
auf. 7 zeigt die Bodenfläche der Wirbelzwischenscheibe
mit einer zylinderförmigen
Aussparung zur Aufnahme des Führungs-
und/oder Aufnahmestiftes der Grundplatte. 8 zeigt
die Oberseite der Wirbelzwischenscheibe mit ihrer konkav ausgestalteten
artikulierenden Oberfläche.
Die artikulierende Oberfläche
liegt auf einem Kugelflächenausschnitt
mit dem Radius R. Die gestrichelt gezeichneten konzentrischen Kreise auf
der artikulierenden konkaven Oberfläche der Wirbelzwischenscheibe
verdeutlichen, dass diese Oberfläche
Teil einer Kugelfläche
ist. Die Wirbelzwischenscheibe besteht aus UHMWPE. Die der Deckplatte zugewandte
Seite der Wirbelzwischenscheibe ist konkav ausgestaltet und weist
einen Radius von 25 mm auf. Die konkave Senke der Wirbelzwischenscheibe
mit R = 25 mm nimmt die konvexe Auswölbung der Deckplatte mit ebenfalls
R = 25 mm so auf, dass eine Kontaktfläche entsteht, welche auf einem Kugelflächenausschnitt
liegt. Es ergibt sich insgesamt eine Kontaktfläche von ca. 450 mm2.
Dadurch wird eine flächenmäßige Lastverteilung
und keine punktförmige
oder linienförmige
Lastverteilung auf der Wirbelzwischenscheibe erreicht.
Die
gesamte artikulierende Oberfläche
der konkaven Senke der Wirbelzwischenscheibe entspricht der Kontaktfläche.
Ferner
weist die Wirbelzwischenscheibe auf ihrer der Grundplatte zugewandten
Seite eine Aussparung auf, welche in 8 dargestellt
wird. Diese Aussparung ist für
die Aufnahme des Stiftes der Grundplatte vorgesehen. Dieser Stift
wird in 6 gezeigt.
Aufgrund
des größeren Durchmessers
der Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe im Vergleich zum Durchmesser
des Stiftes der Grundplatte kann die Wirbelzwischenscheibe Rotations-
aber auch Translationsbewegungen auf der Grundplatte ausführen. Die
Rotationsbewegung ist physiologisch auf ca. 1,5 Grad beschränkt.
Der
Stift auf der Grundplatte weist einen Durchmesser von 7 mm auf.
Die Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe besitzt einen Durchmesser in
lateraler Richtung von 11 mm und in Retroflexions-Anteflexions-Richtung
von 13 mm. Somit weist die Aussparung in lateraler Richtung den
1,57-fachen und in Retroflexions-Anteflexions-Richtung den 1,86-fachen
Durchmesser des Stiftes auf.
Ausgehend
von einer zentralen Lage kann sich die Wirbelzwischenscheibe auf
der Grundplatte in lateraler Richtung 2 mm bewegen bzw. insgesamt 4
mm von einer lateralen Extremposition zur anderen. Ausgehend von
einer zentralen Lage kann sich die Wirbelzwischenscheibe auf der
Grundplatte 3 mm in Retroflexions-Richtung und 3 mm in Anteflexions-Richtung
bzw. insgesamt 6 mm von der dorsalen Extremposition zur ventralen
Extremposition bewegen.
Bei
einer Beugebewegung können
Grund- und Deckplatte bis zu 20 Grad zueinander geneigt werden.
Komplexe Bewegungen verursachen eine Wanderung der IHA wie bei einem
natürlichen
L3/4 Wirbelsegment. Gleiches gilt für das momentane Bewegungszentrum
(ICR).
Somit
erlaubt die erfindungsgemäße Ausführungsform
Bewegungsfreiheitsgrade wie bei einem natürlichen Wirbelsegment, wobei
auch bei komplexen Bewegungen durch die aufeinanderliegenden Kugelflächen von
Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte Belastungsspitzen auf der Wirbelzwischenscheibe
vermieden werden.
Beispiel 2
Eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats
für ein Th5/6
Wirbelsegment besteht aus einer Deckplatte, einer Wirbelzwischenscheibe
und einer Grundplatte wie in 10 offenbart.
Die
Deckplatte besteht aus der Titanlegierung Ti-Al6-Nb7 gemäß ISO 5832-11.
Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Deckplatte ist rauh mit
einer Rauhigkeit Rz von ca. 65 ± 5 μm. Die artikulierende Oberflächen der
Deckplatte ist plankonvex ausgestaltet und mit einer 4 μm dicken
keramischen Beschichtung aus Ti-Al-N überzogen.
Die
artikulierende Oberfläche
der Deckplatte liegt auf einem Kugelflächenausschnitt mit einem Radius
von R = 22 mm.
Die
Grundplatte besteht ebenfalls aus Ti-Al6-Nb7. Die dem Knochen zugewandte
Oberfläche
der Grundplatte ist rauh ausgestaltet mit einer Rauhigkeit Rz von
ca. 65 ± 5 μm. Die Auflagefläche für die Wirbelzwischenscheibe
ist mit einer keramischen Beschichtung aus Ti-Al-N überzogen.
Die Schichtdicke beträgt
4 μm. Ferner
weist die Grundplatte einen Führungsstift
mit einem Durchmesser von 6 mm und einer Höhe von 4 mm auf. Auch der Stift
ist mit Ti-Al-N beschichtet.
Die
Wirbelzwischenscheibe besteht aus UHMWPE oder aus Titan oder aus
Ti-Al6-Nb7 nach ISO 5832-11. Wird Titan als Material verwendet,
so wird die Wirbelzwischenscheibe vollständig oder zumindest ihre artikulierenden
Oberflächen
auf der Unter- und Oberseite mit einer keramischen Beschichtung
aus Ti-Nb-N beschichtet. Die Schichtdicke beträgt 3–5 μm. Im Falle der Verwendung von Ti-Al6-Nb7
wird eine keramische Beschichtung aus Ti-Al-N zumindest auf die
artikulierenden Oberflächen
aufgetragen.
Auf
ihrer Unterseite weist die Wirbelzwischenscheibe eine ovale Aussparung
auf, welche lateral einen Durchmesser von 7 mm und ventral-dorsal
einen Durchmesser von 12 mm besitzt. Somit kann sich die Wirbelzwischenscheibe
in lateraler Richtung jeweils 0,5 mm bewegen oder absolut eine Strecke
von 1,0 mm zurücklegen
wohingegen in ventraler Richtung eine Translationsbewegung von 3
mm und in dorsaler Richtung ebenfalls eine Translationsbewegung
von 3 mm möglich
ist bzw. vom dorsalen Extrempunkt zum ventralen Extrempunkt eine
Strecke von 6 mm zurückgelegt
werden kann.
Die
mit der Deckplatte artikulierende Oberfläche ist konkav ausgestaltet
mit einem Radius von R = 22 mm. Es ergibt sich eine Kontaktfläche von mindestens
420 mm2.
Deck-
und Bodenplatte laufen in dorsale Richtung leicht konisch zu, können bis
zu 2 Grad relativ zueinander gedreht und bis zu 15 Grad zueinander
gekippt werden.
Bei
diesen komplexen Rotations- und Beugebewegungen des Bandscheibenimplantats
beschreibt die IHA Wanderbewegungen wie bei einem natürlichen
Wirbelsegment. Somit erlaubt die erfindungsgemäße Ausführungsform Bewegungsfreiheitsgrade
wie bei einem natürlichen
Wirbelsegment, wobei auch bei komplexen Bewegungen durch die aufeinanderliegenden
Kugelflächen
von Wirbelzwischenscheibe und Deckplatte Belastungsspitzen auf der
Wirbelzwischenscheibe vermieden werden.
Beispiel 3
Eine
weitere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Bandscheibenimplantats
für ein C2/3
Wirbelsegment besteht aus einer Deckplatte, einer Wirbelzwischenscheibe
und einer Grundplatte wie in 11 gezeigt.
Die
Deckplatte und Bodenplatte bestehen aus der Titanlegierung Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr.
Die dem Knochen zugewandte Oberfläche der Deckplatte ist rauh
mit einer Rauhigkeit Rz von ca. 55 ± 5 μm. Die artikulierende Oberflächen von
Deck- und Bodenplatte sind mit einer ca. 3 μm dicken Beschichtung aus Ti-Hf-C-N
oder Zr-Hf-N versehen.
Die
Deckplatte ist plankonkav ausgestaltet mit einer Ausbuchtung, welche
einen Radius von 18 mm aufweist.
Die
Wirbelzwischenscheibe besteht aus UHMWPE oder aus Titan oder aus
Ti-Al6-Nb7 nach ISO 5832-11 oder aus Ti-29Nb-13Ta-4.6Zr. Wird Titan
oder eine Titanlegierung als Material verwendet, so wird die Wirbelzwischenscheibe
vollständig
oder zumindest ihre artikulierenden Oberflächen auf der Unter- und Oberseite
mit einer keramischen Beschichtung überzogen.
Die
Wirbelzwischenscheibe ist plankonvex ausgestaltet mit einer auf
einer Kugelfläche
liegenden artikulierenden Oberfläche,
welche denselben Radius wie die Kugelfläche hat, auf der die artikulierende
Oberfläche
der Deckplatte liegt. Die Kontaktfläche hat eine Größe von mindestens
400 mm2.
Die
runde Aussparung in der Wirbelzwischenscheibe, welche zur Aufnahme
des Führungsstiftes
geeignet ist, weist einen Durchmesser von 6 mm auf.
Der
auf der Grundplatte angebrachte zylindrische Führungsstift besitzt eine Höhe von 3
mm und einen Durchmesser von 4 mm. Aufgrund dieser Abmessungen kann
sich der Führungsstift
bzw. die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte ausgehend von
einer zentrierten Lage 1 mm in sämtliche
Richtungen horizontal translatorisch bewegen. Eine Rotationsbewegung
ist bis zu einem Grad möglich.
Das
künstliche
Halswirbelimplantat ist somit in der Lage, Bewegungsabläufe wie
das natürliche C2/3
Wirbelsegment zu vollziehen und das momentane Bewegungszentrum (ICR)
sowie die IHA beschreiben Wanderbewegungen wie bei dem natürlichen
Wirbelsegment.
Beispiel 4
Materialien
und Ausgestaltung von Grund- und Deckplatte sind ähnlich wie
in den Beispielen 1–3 beschrieben
mit dem Unterschied, dass auf der Grundplatte nicht ein mittig angebrachtes
Befestigungsmittel sonder zwei oder drei ventral und/oder dorsal
und/oder lateral versetzte Befestigungsmittel verwendet werden.
Demgemäß weist
die Wirbelzwischenscheibe auch nicht nur eine Aussparung zur Aufnahme
eines Befestigungsmittels, sondern mehrere Aussparungen auf.
Auf
der Bodenplatte werden beispielsweise zwei zylindrische Stifte lateral
versetzt angebracht. Jeder Stift hat einen Durchmesser von 4 mm
und eine Höhe
von 4 mm. Die Wirbelzwischenscheibe weist zwei zur Aufnahme dieser
Stifte geeignete runde, ovale oder halbmondförmige Aussparungen auf, welche
so dimensioniert sind, dass die Wirbelzwischenscheibe auf der Grundplatte
Translationsbewegungen in lateraler Richtung von 1–2 mm und
in ventraler-dorsaler
Richtung von 2–6
mm ausführen
kann.
Die
beiden Stifte begrenzen die Rotation auf ca. 1,5 Grad.
Auch
diese Ausgestaltung ermöglicht
Bewegungsabläufe
wie bei dem natürlichen
Wirbelsegment, was anhand des Verlaufs der IHA bzw. des ICR nachvollzogen
werden kann.