СФЕРИЧЕСКИЙ ШАРНИР ЭНДОПРОТЕЗА ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА Российский патент 2007 года по МПК A61F2/32 

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в ортопедии и травматологии при лечении заболеваний и повреждений тазобедренного сустава.

Известен сферический шарнир эндопротеза тазобедренного сустава (а.с. СССР 1629055, МПК 5 А61F 2/30, 1991, Бюл.7), содержащий чашку, в которой расположена составная сферическая головка, соединенная с изогнутой ножкой посредством роликов для обеспечения их относительного перемещения за счет качения роликов. Чашка и головка имеют возможность относительного перемещения путем скольжения.

Недостатки данного изобретения заключаются в следующем.

1. Наличие повышенной сложности сборки элементов составной головки с чашкой, имеющей входное отверстие меньшего диаметра по сравнению с размерами головки, что требует обеспечения специальных конструктивных решений, не указанных в описании, а также сложность установки роликов в канавку ножки, которую они должны при отсутствии сепаратора заполнять полностью по всей окружности. Причем отсутствие хотя бы одного ролика приводит к смещению центра вращения головки относительно ножки при действии нагрузки, что серьезно сказывается на дальнейшей кинематике эндопротеза при ходьбе. Вместе с тем накладываются повышенные требования на проведение операции, чтобы не допустить потери ролика в операционном поле.

2. Чрезвычайно трудоемко обеспечить технологическую обработку составной сферической головки, рабочая поверхность которой удовлетворяла бы при любых условиях сборки головки в процессе операции необходимым требованиям сопряженной поверхности для обеспечения долговременной эксплуатации сферического шарнира.

Известен также сферический шарнир эндопротеза тазобедренного сустава (а.с. СССР 1648445, МПК 5 А61F 2/32, 1991, Бюл.18), содержащий чашку, в которой расположена сферическая головка с изогнутой ножкой, а в радиальном зазоре между внутренней поверхностью чашки и сферической головкой установлены в круглых углублениях на поверхности головки шарики. Причем диаметр углублений в 2,5-3 раза больше диаметра шарика, внутренняя поверхность углублений параллельна наружной поверхности головки, а шарики могут быть изготовлены из фторопласта.

Недостатки данного изобретения во многом повторяют недостатки предыдущего. В частности, ими являются следующие.

1. Очень сложно обеспечить сборку головки с расположенными на ней шариками с чашкой без потери шариков. Вместе с тем при эксплуатации шарнира возможно возникновение такого взаимного расположения сопрягаемых поверхностей, что какое-либо из углублений окажется во внешней области сустава и шарик из углубления выпадет.

2. Из-за отсутствия сепаратора при возможной удачной сборке шарики удерживаются не по центру углублений, а располагаются хаотично у каких-то их стенок и при относительном движении головки и чашки ряд шариков могут не вращаться за счет наличия сил трения между шариком и стенкой углубления. Это приводит к возникновению трения скольжения между шариком и чашкой и увеличению износа их поверхностей благодаря наличию между ними точечного контакта в условиях высоких удельных нагрузок.

3. Возможность изготовления шариков из фторопласта в таких условиях приведет к быстрой потере их формы (раздавливанию) и увеличению тем самым радиального зазора в сферическом шарнире, что недопустимо с позиций его дальнейшей эксплуатации.

Известен также сферический шарнир эндопротеза тазобедренного сустава (а.с. СССР 1800983, МПК 5 А61F 2/36, 1993, Бюл.9), содержащий чашку, в которой расположена вставка с выполненной внутренней сферической поверхностью под размещенную в ней сферическую головку с ножкой. При этом на сферических поверхностях вставки и головки в меридиональных направлениях выполнены смещенные относительно друг друга канавки, а на сферической поверхности головки в верхней ее части выполнено углубление-накопитель, в которое выведены указанные канавки, сообщающиеся также с внешней областью шарнира.

При эксплуатации сферического шарнира суставная жидкость попадает в канавки и, накапливаясь в них, перемещается в направлении накопителя, а затем через канавки и зазор между сферическими поверхностями стекает вниз, смазывая соединение.

Недостатки изобретения следующие.

1. Наличие канавок, сообщающихся между собой и с внешней областью шарнира, приводит к резкому снижению давления жидкости в паре трения за счет быстрого ее выдавливания под действием нагрузки через канавки. Вместе с тем явление усугубляется, когда в процессе относительного перемещения соприкасающихся поверхностей канавки на них совпадут друг с другом. В результате при большой контактной нагрузке возможно нарушение целостности смазочного слоя и, как следствие, возникновение адгезионного схватывания сопрягаемых деталей пары трения.

2. Столь быстрое перемещение жидкости из внутренней области шарнира в наружную и наоборот приводит к повышенному переносу продуктов изнашивания в окружающие сустав ткани, что, как известно, увеличивает токсичность и способствует ускоренному развитию остеолиза и тем самым расшатыванию ножки в костномозговом канале.

3. Снижение усталостной прочности головки за счет наличия повышенных концентраторов напряжений в виде канавок, имеющих значительную протяженность по длине.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по конструкции и принципу действия является принятый за прототип сферический шарнир эндопротеза тазобедренного сустава (заявка № WO 9925276, МПК A61F 2/36, 1999 г.), содержащий чашку, в которой расположена вставка с выполненной внутренней сферической поверхностью под размещенную в ней сферическую головку с ножкой, а на сферической поверхности головки на расстоянии друг от друга в рабочей области сопрягаемых поверхностей выполнены лунки со сферической формой профиля, создающие регулярный рельеф.

При эксплуатации сферического шарнира суставная жидкость через зазор между головкой и вставкой чашки попадает в лунки, что создает искусственные смазочные карманы, наличие которых увеличивает давление жидкости в зазоре между сопрягаемыми поверхностями, снижая тем самым коэффициент трения, способствует удалению внутрь лунок продуктов изнашивания из зоны контакта, подпитывает фрикционный контакт порцией смазочного материала по мере его срабатывания.

Недостатком изобретения является отсутствие нормирования расстояния между смежными лунками и протяженности перемычек между ними при создании регулярного рельефа.

Признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются наличие чашки, в которой расположена вставка с выполненной внутренней сферической поверхностью под размещенную в ней сферическую головку с ножкой, а на сферической поверхности головки на расстоянии друг от друга в рабочей области сопрягаемых поверхностей выполнены лунки со сферической формой профиля, создающие регулярный рельеф.

Причиной, препятствующей обеспечению прототипом требуемого положительного результата, заключающегося в повышении срока службы как самого сферического шарнира, так и эндопротеза тазобедренного сустава, частью которого он является, выступает конструкция существующей головки.

Задача, решаемая данным изобретением, заключается в повышении срока службы как самого сферического шарнира, так и эндопротеза тазобедренного сустава, составной частью которого он является.

Для решения поставленной задачи в существующем сферическом шарнире эндопротеза тазобедренного сустава, содержащем чашку, в которой расположена вставка с выполненной внутренней сферической поверхностью под размещенную в ней сферическую головку с ножкой, на сферической поверхности головки в рабочей области сопрягаемых поверхностей на расстоянии друг от друга выполнены лунки со сферической формой профиля, создающие регулярный рельеф, соотношение S/(S-d) находится в пределах 1,01-7,0, где: S - расстояние лунок друг от друга, a d - размер сферической формы профиля лунок на поверхности.

Между совокупностью признаков заявляемого изобретения и техническими результатами, которые обеспечиваются предлагаемым изобретением, существует причинно-следственная связь.

Предлагаемая конструкция сферического шарнира позволяет следующее.

1. Повысить срок службы самого сферического шарнира за счет минимизирования интенсивности его износа при использовании соотношения S/(S-d) в указанном выше диапазоне согласно результатам проведенных исследований.

2. Повысить срок службы эндопротеза, составной частью которого является сферический шарнир, путем снижения переноса продуктов изнашивания в окружающие сустав ткани, чем уменьшается токсичность, развитие остеолиза и тем самым расшатывание ножки в костномозговом канале и, как следствие, снижение вероятности репротезирования сустава. Это достигается за счет того, что указанным соотношением S/(S-d) может регулироваться протяженность перемычек между смежными лунками для снижения переноса продуктов износа, накопленных в лунках, во внешнюю область сустава при работе шарнира.

Вместе с тем это может привести к снижению стоимости изготовления головки с регулярным рельефом, если минимизировать необходимое количество лунок на поверхности согласно указанному диапазону соотношения S/(S-d).

На фиг.1 изображен сферический шарнир эндопротеза тазобедренного сустава; на фиг.2 - то же, вид на лунки в увеличенном виде.

Эндопротез содержит чашку 1, в которой расположена вставка 2 с выполненной внутренней сферической поверхностью под размещенную в ней сферическую головку 3 с ножкой 4. На сферической поверхности головки в рабочей области сопрягаемых поверхностей расположены на расстоянии S друг от друга лунки 5, создающие регулярный рельеф. При этом лунки выполнены со сферической формой профиля, имеющей на поверхности размер d.

При работе сферического шарнира эндопротеза тазобедренного сустава происходит следующее. После его установки суставная жидкость через существующий узкий зазор между сопрягаемыми поверхностями, за счет наличия капиллярного эффекта и некоторого давления жидкости в области сустава, заполняет всю внутреннюю часть шарнира, в том числе и лунки. При ходьбе в случае возникновения нагрузки жидкость в замкнутых лунках не сжимается, и ее избыток выдавливается в узкий зазор между сферическими поверхностями шарнира, через который она не может быстро продавиться, увеличивая тем самым давление в зазоре и обеспечивая на участке контакта (S-d) условия граничного или полужидкостного трения. Пополнение жидкости в зазоре по мере ее срабатывания происходит аналогично указанному выше способу при снятии или уменьшении нагрузки. Появляющиеся в процессе эксплуатации продукты изнашивания задерживаются в лунках, ограничивая до минимума их выход в окружающие сустав ткани, чем увеличивается долговечность эндопротеза.

При назначении величин параметров S и d рассматривают два условия. С позиций молекулярно-механической теории сухого и граничного трения при постоянном объеме смазочного материала в слое на участке (S-d) коэффициент трения является функцией только контурного давления, которое в случае наличия смазочных лунок увеличивается по сравнению с их отсутствием. В соответствии с гипотезой «пленочного голодания» на двух контактирующих поверхностях в направлении скольжения одновременно формируются и разрушаются защитные слои промежуточной пленки. Если скорость разрушения меньше скорости восстановления, то «пленочное голодание» отсутствует и поверхности защищены от металлического контакта, приводящего к схватыванию пары трения, что в свою очередь также зависит от контурного давления. Наиболее оптимальное соотношение S/(S-d) находится в пределах 1,01-7,0. Значение соотношения S/(S-d) выбирают как большее из двух величин, полученных из условий минимума коэффициента трения и возникновения «пленочного голодания».

За счет описанных особенностей конструкции сферического шарнира эндопротеза тазобедренного сустава и создается положительный эффект, заключающийся в повышении срока службы как самого сферического шарнира, так и эндопротеза тазобедренного сустава, составной частью которого он является.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в ортопедии и травматологии при лечении заболеваний и повреждений тазобедренного сустава. Изобретение обеспечивает повышение срока службы сферического шарнира. Сферический шарнир эндопротеза содержит чашку, в которой расположена вставка с выполненной внутренней сферической поверхностью под размещенную в ней сферическую головку с ножкой. На сферической поверхности головки в рабочей области сопрягаемых поверхностей на расстоянии друг от друга выполнены лунки, создающие регулярный рельеф. Лунки выполнены со сферической формой профиля. Соотношение S/(S-d) находится в пределах 1,01-7,0, где: S - расстояние лунок друг от друга, a d - размер сферической формы профиля лунок на поверхности. 2 ил.

Сферический шарнир эндопротеза тазобедренного сустава, содержащий чашку, в которой расположена вставка с выполненной внутренней сферической поверхностью под размещенную в ней сферическую головку с ножкой, на сферической поверхности головки в рабочей области сопрягаемых поверхностей на расстоянии друг от друга выполнены лунки, создающие регулярный рельеф, при этом лунки выполнены со сферической формой профиля, отличающийся тем, что соотношение S/(S-d) находится в пределах 1,01-7,0, где S - расстояние лунок друг от друга, a d - размер сферической формы профиля лунок на поверхности.