DE4213598A1 - Zementfreie Femurprothesenkomponente und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Zementfreie Femurprothesenkomponente und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine zementfrei zu verankernde
Femurprothesenkomponente und ein Verfahren zu ihrer Her
stellung.
Der künstliche Gelenkersatz ist in der Chirurgie und Ortho
pädie des Bewegungsapparates zu einem Standardeingriff ge
worden und stellt heute eine der häufigsten Operationen
überhaupt dar. Die Langzeitergebnisse von ersetzten Gelenken
sind sehr unterschiedlich und reichen am Beispiel des Hüft
gelenkes von wenigen Wochen bis zu 27 Jahren (Draenert und
Draenert 1992).
Wissenschaftliche Untersuchungen führten zu dem Ergebnis,
daß unterschiedlichste Faktoren für das Auslockern einer En
doprothesenkomponente verantwortlich zu machen sind, u. a.
Infektionen, mangelnde Operationstechnik, falsche Implantat
wahl und zu große Beanspruchung. Trotzdem blieben bisher
viele Lockerungsfälle ohne eine befriedigende Erklärung. Es
fiel lediglich auf, daß bestimmte Faktoren häufig zusammen
kamen, um eine Lockerung herbeizuführen, wie z. B. der Kno
chen eines Rheumatikers in Verbindung mit einem massiven ze
mentfreien Implantat. Prothesendesigns, die sich im Knochen
verblocken sollten und die zusammen mit Knochenzement im
plantiert wurden, ließen erkennen (Draenert 1988), daß Kno
chenzement als Füllmaterial zwischen Metall und Knochen
keine Verankerungsfunktion erfüllen kann, sondern zerrieben
wird.
Das Problem der Verankerung der Prothesenkomponenten konnte
letztlich auf das Phänomen der Deformierbarkeit des Knochens
zurückgeführt werden. Hieraus wurde verständlich, warum ein
leicht deformierbarer Knochen eines Rheumatikers durch eine
zementfrei verankerte Metallprothese so deformiert wird, daß
eine schnelle Auslockerung die Folge war. Auf der anderen
Seite konnte gezeigt werden, daß eine fragile oder weiche,
aber auch eine ganz normale Spongiosa (Schwammknochen) mit
einem PMMA-Knochenzement ausgesteift werden kann und dadurch
enorme Steifigkeit bekommt (Draenert und Draenert 1992).
Eine so versteifte Knochenstruktur wurde bei all denjenigen
Implantaten gefunden, die 10 bis 20 Jahre erfolgreich getra
gen worden waren und histologisch untersucht werden konnten.
Auf der anderen Seite wurden sehr kompakte Femurknochen mit
Prothesenkomponenten versorgt, ohne daß Knochenzement als
Verankerungsmittel benutzt wurde, und diese Prothesenkompo
nenten sind teilweise bereits etwa 10 Jahre erfolgreich im
plantiert (Draenert und Draenert 1992). Allerdings waren
auch bei diesem Fällen die Ergebnisse wenig reproduzierbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zementfrei zu
verankernde Femurprothesenkomponente bereitzustellen, die
gute Langzeitergebnisse bei der Implantation erwarten läßt.
Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.
Im Rahmen der Erfindung stellte sich das Problem, wie die
Festigkeit des Knochens mit der Dauerhaftigkeit einer Im
plantation zusammenhängt. Histologische Studien konnten ein
deutig nachweisen, daß die weichen, deformierbaren Knochen
nur dann stabile Verankerungen erkennen ließen, wenn Implan
tate mit geringer Masse eingesetzt worden waren.
Die Erfindung basiert auf den folgenden Erkenntnissen bezüg
lich der Prothesenverankerung: Jeder Knochen hat eine indi
viduelle Form und eine individuelle Festigkeit; beide Fakto
ren müssen bei der Wahl der Prothese deshalb berücksichtigt
werden. Ein stabiler kompakter Knochen stellt eine gute In
dikation dar für eine Metall-Knochen-Verankerung ohne Ver
wendung von Knochenzement. Hierbei kommt es auf zwei Dinge
an: 1. Eine möglichst große Primärstabilität zu erreichen
und 2. eine möglichst große Oberfläche für die Kraftübertra
gung zur Verfügung zu stellen. Hierbei ist jedoch zu berück
sichtigen, daß die unterschiedlichen Kompartimente des Kno
chens, wie z. B. Epiphyse, Metaphyse und Diaphyse, gänzlich
andere Formen und Festigkeiten aufweisen.
Es wurde zwar
frühzeitig versucht, den Prothesenstiel der Markhöhle anzu
passen, vgl. z. B. EP-A-0 038 908, doch zeigte sich schnell,
daß die Vielzahl der verschiedenen Formen der Knochen mit
einem einzigen Implantatdesign nicht abzudecken waren (Noble
et al., 1987); auch gab es keine Möglichkeiten, die Festig
keiten des Knochens zu erfassen. Im Rahmen der Erfindung
zeigte sich jedoch, daß eine gute Korrelation besteht zwi
schen der Dichte eines Knochens und seiner Festigkeit. Durch
Kombination verschiedener bildanalytischer und computerun
terstützter Berechnungen konnte eine Methode gefunden wer
den, die es erlaubte, sowohl die Morphologie der Markhöhle
als auch die Festigkeit zu erfassen. Aus diesen Versuchen
ergab sich ein Design einer Prothese, welches sich in
idealer Weise in die Markhöhle einpassen läßt und in seiner
Masse so verändert werden kann, daß die größtmögliche Ober
fläche für die Kraftübertragung zwischen Prothese und Kno
chen zur Verfügung steht.
Im einzelnen kann, um eine solche individuelle Prothese kon
struieren und herstellen zu können, folgendermaßen vorgegan
gen werden:
Ein Patient mit einem deformierten und arthrotisch veränder
ten Hüftgelenk wird im Computertomographen untersucht, und
es werden Stapelbilder beider Hüftgelenke digitalisiert und
als Querschnittsbilder abgespeichert. Von den Querschnitts
bildern werden über bildanalytische Verfahren sogenannte
Binärbilder erzeugt, d. h. schwarz-weiß Kontrastbilder, die
mit ihrer inneren und äußeren Kontur erfaßt werden können.
Die innere Kontur wird in einem 3-D Modell zusammengesetzt.
Vom Hüftgelenk wird das Rotationszentrum ermittelt und mit
Hilfe der Bildanalyse als Kugel zusammen mit dem Konturmo
dell dargestellt (siehe Figur). Auf diese Weise kann die
Schaftform der Prothese an die Form der Markhöhle angepaßt
werden. An mehreren, vorzugsweise insgesamt neun Schnitten,
die gleichmäßig über die Länge des proximalen Femur verteilt
sind, wird die Flächendichte des Knochens am Binärbild be
stimmt und in Vergleich zu einem korrespondierenden Schnitt
eines Normalfemur gesetzt. Hieraus ergibt sich ein
Korrelationsfaktor der Festigkeit des Knochens, aufgrund
dessen das Verhältnis von Prothesen- zu Markhöhlenquer
schnitt bestimmt wird. Entspricht die spezifische Knochen
dichte der des Normalfemur, so wird das Konturmodell um 1
bis 20 %, vorzugsweise 5 bis 10 %, exzentrisch und/oder kon
zentrisch verkleinert. Der Datensatz des Konturmodells wird
zusammen mit dem Rotationszentrum an eine CAD-Einheit wei
tergegeben. In der CAD-Einheit wird die Achse des Konturmo
dells bestimmt, Hinterschneidungen im Design korrigiert, und
zwar in der Weise, daß das Implantat geradlinig und/oder mit
einer leichten Schraubbewegung press-fit in die Markhöhle
eingesetzt werden kann. Die so erhaltene Konstruktion wird
an die Bildanalyse-Einheit zurückgegeben, wo ein Doppelkon
turmodell mit der äußeren und inneren Kontur des Femur er
zeugt wird, in das das Implantat eingepaßt werden kann. Un
ter Berücksichtigung und Korrektur des Vergrößerungsfaktors
wird zum Schluß das Implantat in das ap-Röntgenbild
(Strahlengang anterior-posterior) und axiale Röntgenbild
projiziert und jeweils entlang seiner Implantationsachse
eingesetzt. Die Masse der Prothese wird proportional zur
Knochendichte festgelegt. Danach wird der CAD-Datensatz ver
vollständigt mit den Standardkonstruktionsdaten des Halsko
nus für die Kugelkopfaufnahme und für das Implantationsin
strumentarium (Einschlag/Ausschlag der Prothese) und an eine
Fräseinheit weitergegeben. In der Fräseinheit wird von einem
Rohling, z. B. in V4A-Stahl, die Prothese gefräst. Nach Bear
beitung der Oberfläche wird die Prothese gewaschen und ste
rilisiert und ist dann einsatzbereit.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Figur
noch näher erläutert. Die Figur zeigt eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Prothesenkomponente, wobei zur näheren
Erläuterung Querschnitte der Prothese sowie des inneren und
äußeren Konturmodells des Femur in den verschiedenen
Schnittebenen eingezeichnet sind.
In der Figur ist die Prothese als (im implantierten Zustand)
Vorderansicht gezeigt.
Die schematisch im Femurknochen dargestellte Prothese gemäß
der Figur weist einen aufsteckbaren kugelförmigen Kopf 1
auf, der auf dem Konus 2 des Prothesenhalses 3 aufsitzt. Mit
dem Bezugszeichen 4 ist das Rotationszentrum bezeichnet. Der
Hals 3 ist fest mit einem Schaft 5 der Prothese verbunden.
In den etwa gleichmäßig über die Länge des proximalen Femur
verteilten Schnittebenen, in denen die Flächendichte des
Knochens bestimmt wird, sind die sich ergebenden optimalen
Schaftquerschnitte 5′ eingezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 6
ist das äußere Konturmodell und mit dem Bezugszeichen 7 das
innere Konturmodell beispielhaft in den einzelnen
Schnittebenen dargestellt, die sich jeweils aus der
Bildanalyse ergeben. Die Masse der Prothese in den einzelnen
Schnittebenen kann durch geeignete Gestaltung der
Literatur
Schaftguerschnitte 5′ eingestellt werden. Wenn eine niedrige Masse erwünscht ist, wird die Ausnehmung in dem U-förmigen Schaftquerschnitt entsprechend vergrößert, wobei gleichzeitig im medialen Bereich der Prothese die größtmögliche Oberfläche für die Kraftübertragung zwischen Prothese und Knochen zur Verfügung steht. Mit dem Bezugszeichen 8 ist die Konstruktionsachse der Prothese bezeichnet, die gleichzeitig auch die Markhöhlenachse und die Implantationsachse darstellt.
Schaftguerschnitte 5′ eingestellt werden. Wenn eine niedrige Masse erwünscht ist, wird die Ausnehmung in dem U-förmigen Schaftquerschnitt entsprechend vergrößert, wobei gleichzeitig im medialen Bereich der Prothese die größtmögliche Oberfläche für die Kraftübertragung zwischen Prothese und Knochen zur Verfügung steht. Mit dem Bezugszeichen 8 ist die Konstruktionsachse der Prothese bezeichnet, die gleichzeitig auch die Markhöhlenachse und die Implantationsachse darstellt.
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Claims (14)
1. Femurprothesenkomponente zur zementfreien Verankerung im
hüftgelenknahen Femurabschnitt, welche die größtmögliche
Oberfläche für die Kraftübertragung bietet und in ihrer
Masse auf die individuellen Eigenschaften des Knochens
einstellbar ist.
2. Femurprothesenkomponente nach Anspruch 1, wobei die
Schaftform der Prothese an die Form der Markhöhle anpaß
bar ist.
3. Femurprothesenkomponente nach Anspruch 1 oder 2, wobei
das Verhältnis von Prothesenquerschnitt zu Markhöhlen
querschnitt durch einen Korrelationsfaktor der Festig
keit des Knochens bestimmt ist, welcher aufgrund der
spezifischen Knochendichte pro Flächeneinheit festgelegt
wird.
4. Femurprothesenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei die Fläche des Prothesenquerschnittes zwischen
30 und 90 %, vorzugsweise 40 bis 80% des Markhöhlen
querschnitts ausmacht.
5. Femurprothesenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis
4, wobei der Umfang des Querschnittes der Prothese kon
stant 70 bis 95 %, vorzugsweise 80 bis 90% der inneren
Markhöhlenkontur ausmacht, die Querschnittsfläche jedoch
auf zwischen 30 und 80% des Markhöhlenquerschnittes
eingestellt werden kann.
6. Femurprothesenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis
5, wobei die spezifische Masse der Prothese jeweils pro
portional zur Knochendichte ist.
7. Femurprothesenkomponente nach einem der Ansprüche 1 bis
6, wobei als Material der Prothese eine CoCrMo-Legie
rung, Titan oder eine Titanlegierung, Stahl oder Kunst
stoff oder ein Verbundwerkstoff verwandt wird.
8. Verfahren zur Herstellung einer Femurprothesenkomponente
nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schaftform
der Prothese zunächst an die Form der Markhöhle angepaßt
wird, indem die Markhöhle aus einer Serie von Schnitten,
z. B. computertomographischen Schnitten oder Kernspin-
oder histologischen Schnitten, dreidimensional rekon
struiert wird, indem Stapelbilder digitalisiert und
elektronisch gespeichert und anschließend, z. B. über
Binärbilder, zu einem Konturmodell mit äußeren und inne
ren Konturen verarbeitet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei an einzelnen Schnitten
Knochendichten ermittelt werden, aus denen bestimmte
Flächenverhältnisse von Prothesenschaftquerschnitt und
Markhöhlenquerschnitt festgelegt werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Knochendichte pro
Flächeneinheit, verglichen mit der korrespondierenden
spezifischen Flächendichte eines Normalfemur, einen Fak
tor ergibt, der als Korrelationsfaktor der Festigkeit
des Knochens bei der Bestimmung des Verhältnisses von
Prothesenquerschnitt zu Markhöhlenquerschnitt verwendet
wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das innere Konturmo
dell entsprechend dem Korrelationsfaktor um 1 bis 20 %,
vorzugsweise 5 bis 10% im Querschnitt verkleinert wird,
und zwar entweder exzentrisch oder konzentrisch, oder
entlang der Konstruktionsachse der Prothese wechselnd
exzentrisch und konzentrisch.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die
Daten des Konturmodelles der Prothese an eine CAD/CAM-
Einheit oder ein ähnliches Konstruktionssystem übertra
gen werden und dort in der Weise verarbeitet werden, daß
das Konturmodell der Prothese so in das Konturmodell des
Knochens eingepaßt wird, daß es entlang einer Implanta
tionsachse mit einer leichten Schraubbewegung implan
tiert werden kann.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei aus
der gemittelten Dichte einzelner Knochenschnitte die
Masse der Prothese in der Weise festgelegt wird, daß sie
sich proportional zur Dichte des Knochens verhält.
14. Femurprothesenkomponente zur Verankerung mittels Kno
chenzement im hüftgelenknahen Femurabschnitt, herstell
bar mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis
13.
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