КОЛЕННЫЙ ПРОТЕЗ Российский патент 2001 года по МПК A61F2/38 

Настоящее изобретение относится к коленному протезу с заменой суставных поверхностей, содержащему бедренный компонент, снабженный фиксирующими штифтами, и пластиковый большеберцовый компонент, расположенный в металлическом поддоне, прикрепленном к большеберцовой кости с помощью штифта или винта.

Поврежденный коленный сустав может быть заменен на искусственный коленный сустав. В случаях, когда корректируется высокая степень деформаций, необходимые движения могут быть обеспечены только плотным механическим соединением двух поверхностей. Для таких целей используют различные тотальные протезы, выполненные шарнирными относительно оси. Недостаток известных протезов состоит в том, что после удаления фрагментов кости большое количество металла покрывается лишь тонким слоем живой ткани, т.е. только кожей. Другой недостаток состоит в том, что суставная капсула, обеспечивающая соединение, не может быть установлена наподобие естественной, что может привести к ослаблению протеза.

Если система связок, выполняющая функцию связей и ограничивающая скольжение двух поверхностей (бедренного и большеберцового компонентов) друг по другу, осталась нетронутой, то достаточно заменить только поверхности, участвующие в движении. В этих случаях используются так называемые протезы с заменой суставных поверхностей.

При использовании таких протезов должна быть удалена только меньшая часть конца кости. У них нет механических соединений.

Бедренный компонент известных конструкций протезов с заменой суставных поверхностей содержит две направляющие, расположенные на мыщелке, напротив которого на большеберцовой кости расположен блок из пластика, скомбинированный с металлическим поддоном и установленный на большеберцовой кости.

Бедренный компонент содержит по существу два установленных приблизительно параллельно ролика, движение которых сходно с описанным Фиком в начале столетия, когда в технической литературе это стало известным как так называемый принцип Фика. Ролики выполнены примерно эллипсоидальной формы, и центр образующих их кривых расположен на спирали, так называемой эволюте. Это обеспечивает плотное соединение двух костей коленного сустава во время сгибания и выпрямления колена.

Бедренный компонент большинства известных протезов состоит из двух зеркально симметричных копий протеза, соответствующего протезу, разработанному для одного мыщелка, который, однако, не обеспечивает нормальное трехмерное движение колена.

В значительной части известных коленных протезов противоположный элемент выполнен плоским, что в результате приводит к скольжению элементов друг по другу и ухудшает устойчивость коленного шарнира. Между тем точечное соединение криволинейного бедренного компонента и плоской поверхности приводит к чрезмерному истиранию пластикового большеберцового компонента.

Во многих известных решениях противоположным элементом является пластиковая часть в форме желоба, но вследствие своей геометрии она не обеспечивает вращения конца, поэтому между протезом и костью возникают напряжения, которые могут привести к смещению этого компонента протеза.

Смещения могут быть устранены, например, путем использования закрепления, описанного в патентах CH 66555: UK 2219942; US 4659331; US 4714473 и US 4731086.

В большинстве известных конструкций протезов глубина желоба в сагиттальной плоскости противоположного элемента является по существу постоянной. Такое решение описано в патенте DE 2550774. Недостаток этого варианта выполнения состоит в том, что колено может быть растянуто назад, когда нога выпрямляется.

Общий недостаток известных коленных протезов, описанных выше, состоит в том, что движения, необходимые в обычной жизни человека, не могут быть обеспечены без затруднений. Между тем соответствующее движение или трение компонентов могут способствовать износу, наступающему очень быстро, или механическому ослаблению протеза.

Задачей настоящего изобретения является создание протеза для замены суставных поверхностей коленного сустава человека, содержащего компоненты для осуществления нормальных движений, необходимые для совершенного функционирования коленного сустава посредством скольжения и качения концов компонентов друг относительно друга.

При создании коленного протеза в соответствии с настоящим изобретением в качестве отправной точки было принято допущение о том, что суставы человека и животных эволюционировали в соответствии с особенностями их движения и что их окончательная форма обеспечивает совершенное функционирование.

Соответственно сущность изобретения заключается в получении форм поверхностей компонентов протеза, участвующих в движении, которые значительно отличаются от известных и запатентованных.

Изобретение основывается на результатах трехмерного анализа, подтверждающих, что с помощью нового протеза обеспечивается "сферическое движение твердого тела", известное из механики.

Авторами были исследованы коленные суставы человека для получения точного описания этого движения. Суставные поверхности были исследованы в различных фазах движения на базе графических материалов, полученных методом компьютерной томографии. Изображение на основе точек контакта поверхностей, участвующих в движении, дает в результате траекторию движения границы поверхностей, изменяющуюся в трех измерениях. Изменение геометрии дуг внешнего и внутреннего мыщелков соответствует сегменту конической спирали. Если бедренный конец, соответствующий дугам, закрывается пластиной, получается коническая оболочка. Большеберцовая поверхность является симметричной относительно этого конуса, особенно если выпуклая поверхность содержит также мениски. Хотя на движение человеческого сустава в основном оказывает влияние эластичность суставного хряща, закрывающего поверхности сустава, движение менисков и система связок, результаты тестов показали наиболее важную роль форм поверхностей, участвующих в движении. В соответствии с известными законами механики вращательное движение двух конусов друг по другу состоит из движений, включающих частично скольжение и качение, определяемые формой и размерами дуг. Вращение конуса вокруг своей оси дает в результате также вращательное движение. Это понимание является основой идеи создания протеза коленного сустава с заменой суставных поверхностей, основанного на вращении двух конических тел друг по другу и автоматической реализации физиологического вращательного движения при изгибе колена.

Задача изобретения решена путем создания протеза коленного сустава с заменой суставных поверхностей, содержащего бедренный компонент, снабженный фиксирующими штифтами, и пластиковый большеберцовый компонент, расположенный в металлическом поддоне, прикрепленном к большеберцовой кости с помощью штифта или винта, в котором наружная поверхность его бедренного компонента (далее называемая также "внешней поверхностью" или "дистальной поверхностью"), совершающая движение, описываемое коническими поверхностями, сформирована логарифмической спиральной образующей, в то время как его внутренняя поверхность (далее называемая также "медиальной поверхностью") образована конической спиральной образующей.

В предпочтительном варианте протеза коленного сустава с заменой суставных поверхностей, выполненного согласно изобретению, дуги окружности и сегменты круга, участвующие в движении образующих бедренного компонента, ориентированы перпендикулярно логарифмической спиральной образующей в случае внешней поверхности, тогда как в случае внутренней поверхности они выполнены наклонно к конической спиральной образующей в соответствии с сегментными кривыми коленного сустава человека.

В другом предпочтительном варианте протеза коленного сустава с заменой суставных поверхностей, выполненного согласно изобретению, поверхность большеберцового компонента снабжена желобообразной выпуклостью, внешняя поверхность которой образована ниспадающим движением логарифмической спиральной образующей бедренного компонента, в то время как ее внутренняя поверхность соответствует ниспадающему движению конической спиральной образующей бедренного компонента.

В еще одном предпочтительном варианте протеза коленного сустава с заменой суставных поверхностей, выполненного согласно изобретению, желобообразная выпуклость большеберцового компонента выполнена большей, чем выпуклости на бедренном компоненте.

Протез коленного сустава с заменой суставных поверхностей, выполненный согласно изобретению, ниже описан на примере со ссылками на прилагаемые фиг. 1-6, в которых:
фиг. 1 изображает в аксонометрии протез, выполненный согласно изобретению;
фиг. 2 изображает в аксонометрии бедренный компонент протеза, изображенного на фиг. 1, и иллюстрирует образующие внешней и внутренней поверхностей;
фиг. 3 изображает вид сзади бедренного компонента, показанного на фиг. 2, с изображением круговых сегментов;
фиг. 4 изображает в аксонометрии большеберцовый компонент протеза, изображенного на фиг. 1;
фиг. 5 изображает вид сверху другого, однополюсного варианта выполнения протеза, установленного на медиальном мыщелке бедренного компонента, соответствующего изображенному на фиг. 2; и
фиг. 6 изображает в аксонометрии другой однополюсный вариант выполнения протеза, с элементом, изображенным на фиг. 4, установленным на межмыщелковом поле большеберцовой кости.

Коленный протез с заменой суставных поверхностей, изображенный на фиг. 1, содержит по существу бедренный компонент 1 и большеберцовый компонент 2, а также металлический поддон 3 для фиксации большеберцового компонента 2, что является известным.

На фиг. 1 показан вариант выполнения тотального протеза. На фиг. 2 показан в аксонометрии бедренный компонент 1, изображенный на фиг. 1, с внешней поверхностью, сформированной логарифмической спиральной образующей 4, и внутренней поверхностью, сформированной конической спиральной образующей 5, участвующих в движении.

На фиг. 3 изображен вид сзади бедренного компонента, показанного на фиг. 1, с сегментом 6, расположенным перпендикулярно логарифмической спиральной образующей 4 и сегментом 7, расположенным под углом к конической спиральной образующей 5 бедренного компонента.

На фиг. 4 показаны в аксонометрии желобообразные поверхности 8 и 9, выполненные в соответствии с ниспадающим движением вниз логарифмической спиральной образующей 4 и соответственно конической образующей 5 бедренного компонента 1. Бедренный компонент 1 имеет также значительную выпуклость в сагиттальной плоскости, что предотвращает собственно колено от изгиба назад. Выпуклость 10 большеберцового компонента 2 в фронтальной плоскости выше, чем соответствующая у бедренного компонента 1, так что обеспечивается свобода движения и одновременно компенсируются все внешние механические влияния, воздействующие на тело.

Для обеспечения сферического движения жесткого тела поверхности бедренного компонента 1, участвующие в движении, выполнены в форме так называемого полодиевого конуса. Образующей наружной поверхности является логарифмическая спиральная образующая 4, тогда как образующей внутренней поверхности является коническая спиральная образующая 5.

Второй компонент, т. е. большеберцовый компонент 2, установленный на обычном металлическом поддоне 3, выполнен желобообразным.

Его поверхность 8 образована в соответствии с ниспадающим движением логарифмической спиральной образующей 4 бедренного компонента 1 по внешней дуге (далее называемой также "дистальной дугой"), тогда как поверхность 9 соответствует ниспадающему движению конической спиральной образующей 5 бедренного компонента 1 по внутренней дуге (далее называемой также "медиальной дугой"). Уравнение логарифмической образующей 4 бедренного компонента 1 имеет следующий вид:
p = ce^кф
(π/6≤Ф≤2π/3),
где c - константа, характеризующая кривизну мыщелка человека в соответствии с данными статистической обработки;
к - котангенс, определяемый в соответствии с данными статистической обработки, и также устанавливаемый во избежание самозапирания, производный от тангенса мыщелковой части в сагиттальной плоскости.

Уравнение конической спиральной образующей 5 бедренного компонента 1 имеет следующий вид:
x = ae^кф cosФ
y = ae^кф sinФ
k = be^кф
где а и b - константы, зависящие от ширины бедренной кости и наибольшего "радиуса" мыщелка, измеренного в фронтальной плоскости, также являющегося статистической характеристикой человека, полученной статистической обработкой населения.

Выполненные таким образом бедренный компонент 1 и большеберцовый компонент 2 образуют составляющую протез пару, обеспечивающую движение по дуге на конусе, дает и в результате вращение, т.е. движение соединения соответствует физиологическому движению (сферическому движению) даже во время приседания.

Внутренняя поверхность бедренного компонента 1 окружена пятью плоскостями. Это соответствует поверхностям костей, созданным во время операции с помощью известного шаблона.

Большеберцовый компонент 2 выполнен в виде пластикового блока, желобообразная выпуклость 10 которого выше, чем высота сегментов 6, 7 бедренного компонента 1 для обеспечения определенной степени свободы и повышения гибкости.

Система уравнений с двумя параметрами для наружной поверхности бедренного компонента 1 имеет следующий вид:
X = ([ce^kф-R]+Rcosθ)cosФ
y = ([ce^kф-R]+Rcosθ)sinФ
z = ±R sin Ф,
где θ - центральный угол сегмента круговой дуги с R = 35 мм.

Уравнение с двумя параметрами внутренней поверхности бедренного компонента 1 имеет следующий вид:
X = ([ae^kф-R]+Rcosθ)cosФ
y = ([ae^kф-R]+Rcosθ)sinФ
z = ae^кф ± R sin Ф,
где θ - центральный угол сегмента дуги с R = 35 мм.

Наряду с тотальными протезами необходимо также использовать и однополюсные протезы. Последние представляют собой половину тотальных протезов коленного сустава и имеют наружные и внутренние кривые. Таким образом, их функция обеспечивает соответствующие физиологические движения.

На фиг. 5 показан бедренный компонент 1 однополюсного протеза, образующая которого выполнена в виде кривой, соответствующей конической спиральной образующей 5 внутренней поверхности бедренного компонента 1.

На фиг. 6 показан большеберцовый компонент 2 однополюсного коленного протеза с замещением суставной поверхности, поверхность в форме желоба которого соответствует образующейся при движении вниз бедренного компонента, как показано на фиг. 5.

Бедренный компонент 1 однополюсного протеза на фиг. 5 содержит так называемую анатомическую внутреннюю поверхность. Его преимущество состоит в том, что только минимальная часть поверхности кости должна быть удалена, мыщелок сохраняет свою анатомическую форму и костную структуру.

Посадочное место в форме ракушки обеспечивает устойчивость, делающую процедуры закрепления, упомянутые в известных решениях, избыточными, даже в случае установки без цементирующего вещества.

Преимущество коленного протеза с заменой суставных поверхностей, выполненного согласно изобретению, состоит в том, что он обеспечивает физиологически нормальные движения, которые возможны благодаря форме костей, образующих коленный сустав, что обеспечивается благодаря логарифмической спиральной образующей наружной поверхности бедренного компонента 1, конической спиральной образующей его внутренней поверхности, а также благодаря неровностям в форме желоба на большеберцовом компоненте 2.

Протез для замены коленного сустава, выполненный согласно изобретению, удовлетворяет требованиям, относящимся к такому суставу, за счет создания полусвязанного движения пассивным образом, и использования минимальной внутренней энергии в случае недостатка менисков, образующих систему связей и капсулу. Вследствие этого усилие сдвига под влиянием физиологических причин уменьшается до минимальной величины в отличие от хорошо известного истирания полиэтиленовой вставки и механического ослабления связи протез - кость.

Конические поверхности, двигаясь друг по другу, совершают движения скольжения и качения в соответствии с законами механики, а благодаря полученной форме конуса в результате также вращаются вокруг оси.

Предметом изобретения является конструкция, поверхность которой существенно отличается от поверхности в известных решениях, относящихся к протезам для замены коленного сустава, опубликованных или запатентованных ранее, облегчающих движение колена и обеспечивающих не только пассивное движение, но и движения, соответствующие фактически действующим силам, возникающим при определенном наборе движений тела человека.

Изобретение относится к медицине, а именно к протезу коленного сустава с заменой суставных поверхностей. Протез содержит бедренный компонент, снабженный фиксирующими штифтами, и пластиковый большеберцовый компонент, расположенный в металлическом поддоне, прикрепленный к большеберцовой кости с помощью штифта или винта. Дистальная поверхность бедренного компонента образована логарифмической спиральной образующей. Внутренняя поверхность бедренного компонента образована конической спиральной образующей. Большеберцовый компонент содержит желобообразную выпуклость, у которой поверхность дистальной дуги образована в соответствии с ниспадающим движением указанной логарифмической спиральной образующей бедренного компонента. Поверхность медиальной дуги в форме желоба образована в соответствии с ниспадающим движением конической спиральной образующей бедренного компонента. Изобретение обеспечивает возможность автоматической реализации физиологического вращательного движения при изгибе колена. 2 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Протез коленного сустава с заменой суставных поверхностей, содержащий бедренный компонент (1), снабженный фиксирующими штифтами, и пластиковый большеберцовый компонент (2), расположенный в металлическом поддоне (3), прикрепленный к большеберцовой кости с помощью штифта или винта, отличающийся тем, что дистальная поверхность бедренного компонента (1) образована логарифмической спиральной образующей (4), внутренняя (медиальная) поверхность бедренного компонента (1) образована конической спиральной образующей (5), а большеберцовый компонент (2) содержит желобообразную выпуклость (10), у которой поверхность (8) дистальной дуги образована в соответствии с ниспадающим движением указанной логарифмической спиральной образующей (4) бедренного компонента (1), а поверхность (9) медиальной дуги в форме желоба образована в соответствии с ниспадающим движением конической спиральной образующей (5) бедренного компонента (1). 2. Протез по п.1, отличающийся тем, что сегменты (6) на дистальной поверхности бедренного компонента (1) расположены перпендикулярно логарифмической спиральной образующей (4), а сегменты (7) на медиальной поверхности бедренного компонента (1) расположены под углом к конической спиральной образующей (5), в соответствии с сегментными кривыми коленного сустава человека. 3. Протез по одному из пп.1 и 2, отличающийся тем, что желобообразная выпуклость (10) большеберцового компонента (2) выполнена большей, чем выпуклость сегментов (6, 7) бедренного компонента (1).