DE69823968T2 - Verfahren zur Herstellung eines kaltgehärteten Verbinders für modulare Teile - Google Patents
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- A61F2002/30476—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements locked by an additional locking mechanism
- A61F2002/30485—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements locked by an additional locking mechanism plastically deformable
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- A61F2002/30514—Connections or couplings between prosthetic parts, e.g. between modular parts; Connecting elements locked by an additional locking mechanism using a locking washer
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Description
- Diese Erfindung betrifft allgemein einen modularen Komponentenverbinder zum Verbinden modularerer Komponenten miteinander (siehe z. B.
EP 0 634 154 ) und insbesondere ein Verfahren zum Formen eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders zur Verwendung in der orthopädischen Chirurgie, zum Beispiel zum Koppeln von modularen Komponenten einer Knie-, Hüft- oder Schulterprothese miteinander. - Verschiedene modulare prothetische Einrichtungen sind gegenwärtig bekannt und werden bei orthopädischen Eingriffen verwendet. Diese modularen prothetischen Einrichtungen umfassen modulare Knie-, Hüft- und Schulterprothesen. Da die modularen Prothesen aus mehreren Komponenten bestehen, werden verschiedene Kopplungsmechanismen zum Befestigen oder Koppeln der modularen Komponenten miteinander verwendet.
- Einer der hauptsächlichen und am herkömmlichsten verwendeten Kupplungsmechanismen besteht aus einem morsetypischen Kegel
10 , wie in1 gezeigt. Der morsetypische Kegel10 ist allgemein als ein "selbsthaltender" oder "selbstverriegelnder" Kegel bekannt, da der Winkel des konischen Kegels allgemein 2 bis 4° beträgt, was erhebliche Reibung zum Verriegeln eines männlichen Abschnitts12 in einem weiblichen Abschnitt14 erzeugt. - Jedoch ist es aufgrund von Toleranzeinflüssen während des Herstellens des morsetypischen Kegels
10 sehr schwierig, den männlichen Abschnitt12 und den weiblichen Abschnitt14 so herzustellen, dass der männliche Abschnitt12 axial entlang des gesamten weiblichen Abschnitts14 eingreift. Dementsprechend kann in einigen Fällen der männliche Abschnitt12 den weiblichen Abschnitt14 nur an einem Kontaktpunkt an einer unbekannten Stelle innerhalb des morsetypischen Kegels10 berühren, wie dies durch Bezugsziffer16 angezeigt wird. Dieser einzelne Kontaktpunkt16 tritt deshalb auf, weil in manchen Fällen der konische Winkel des männlichen Abschnitts12 nicht mit dem konischen Winkel des weiblichen Abschnitts14 zusammenpasst. Dieser Zustand erlaubt wiederum das Auftreten einer Mikrobewegung zwischen den Komponenten, das einen Reibverschleiß an dem Kontaktpunkt16 zur Folge hat. Solcher Reibverschleiß kann möglicherweise zu Spannungsbrüchen entlang des belasteten Kontaktspunkts16 führen, die zu einem schwerwiegenden Versagen des Verbinders führen. - Sollte darüber hinaus der männliche Abschnitt
12 axial entlang des gesamten weiblichen Abschnitts14 eingreifen, bereitet der morsetypische Kegel10 auch andere Schwierigkeiten. - Zum Beispiel dort, wo der männliche Abschnitt
12 austritt oder den weiblichen Abschnitt14 am Bezugspunkt17 berührt, tritt generell eine Spannungskonzentration an diesem Austrittspunkt17 auf. Dieser Spannungskonzentrationspunkt läuft um den Umfang des männlichen Abschnitts12 und stellt einen der Bereiche dar, die durch die Spannungskonzentration entlang des Bereichs über die Zeit am ehesten versagen. - Andere Kegelverbindungen, wie die in US-Patent Nr. 4,917,530 von Englehardt et al. offenbarten, sind zum Ausschließen eines Kontakts zwischen dem männlichen kegelförmigen Element und der Außenkante ausgelegt, welche die Mündung der Bohrung in dem weiblichen Element definiert. Jedoch wendet sich Englehardt et al. nicht dem Problem zu, nur einen Kontaktpunkt zwischen den männlichen und weiblichen Abschnitten an einer Stelle zu haben, die mit der Bohrung variieren kann, wodurch eine Mikrobewegung unterbunden wird. Stattdessen nimmt Englehardt et al. axialen Kontakt an, d. h., vollen Flächen-zu-Flächenkontakt an den angrenzenden, kegelförmigen Oberflächen des männlichen Abschnitts und der weiblichen Bohrung, und beschäftigt sich nur mit dem Stoß an der Mündung der weiblichen Bohrung. Deshalb verringert Englehardt et al. nicht die durch praktische Toleranzeinflüsse hervorgerufene Mikrobewegung oder die möglicherweise resultierenden Spannungsbrüche, die damit verbunden sind. Auch schlägt Englehardt et al. keinerlei andere Wege vor, eine Festigkeit an dem Spannungskonzentrationspunkt
17 zu erhöhen, als den Kontakt zwischen dem männlichen Element und der Umfangskante des weiblichen Elements zu verringern. - Andere Verbindungsmechanismen verwendeten auch eine Ionenimplantation entlang der Verbindungselemente, um eine Ionenschicht in diesen Bereichen bereitzustellen. Jedoch scheint eine Ionenimplantation keine irgendwie beachtliche Steigerung der Festigkeit zu bieten, da die Oberflächendicke der implantierten Ionenschicht allgemein nur wenige Mikrometer dick ist. Alternativ wurden mechanische Härtungstechniken wegen der geringen Toleranzauswirkungen solcher Verbindungen und der Unmöglichkeit, solch mechanisches Härten mit solch geringen Toleranzen durchzuführen nicht einmal in Erwägung gezogen, noch verwendet.
- Was danach benötigt wird, ist ein modularer Komponentenverbinder für eine modulare Knie-, Hüft- oder Schulterprothese oder jeden anderen Typ einer Prothese, welche die vorstehend erwähnten Nachteile nicht aufweist. Dadurch wird wiederum ein modularer Komponentenverbinder bereitgestellt, der eine Mikrobewegung im Wesentlichen vermindert oder aus- oder ausschließt, die Möglichkeit von Spannungsbrüchen verringert, eine enge Verbindung entlang wenigstens zweier vorhersagbar angeordneter, getrennter Kontaktpunkte zum Erhöhen der Stabilität vorsieht, eine mechanisch gehärtete Oberfläche wenigstens entlang eines Kontaktpunkts oder eines Spannungskonzentrationsbereichs zum Herstellen einer tiefen Oberflächenhärte und einer stärkeren Verbindung bereitstellt, und einen kosteneffektiven und leicht herstellbaren modularen Komponentenverbinder zur Verfügung stellt. Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Formen eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders zur Verwendung in modularen prothetischen Einrichtungen bereitzustellen.
- Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Formen eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders zur Verwendung in der orthopädischen Chirurgie offenbart. Der kaltverfestigte modulare Komponentenverbinder stellt eine Verbindung zwischen modularen Komponenten eines orthopädischen Implantats mit verbesserten Last- oder Scherfestigkeiten zur Verfügung. Dies wird im Wesentlichen durch Kaltverfestigen wenigstens eines Abschnitts des modularen Komponentenverbinders erreicht.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Formen eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders (
120 ) zur Verwendung in der orthopädischen Chirurgie bereitgestellt, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Umarbeiten eines ersten Verbindungselements, welches einen Teil einer orthopädischen Prothese formt, in einer Anfangsstruktur, welche einen übergroßen Bereich mit einer ersten Größe an einem Spannungskonzentrationsbereich besitzt; Kaltverfestigen mindestens eines Teils des übergroßen Bereichs des ersten Verbindungselements durch Zusammenpressen des übergroßen Bereichs auf eine zweite Größe; und Umarbeiten des im Wesentlichen gesamten zusammengepressten Bereichs des ersten Verbindungselements in eine endgültige Präzisionsstruktur. - Die Verwendung der vorliegenden Erfindung stellt ein Verfahren zum Formen eines kaltverfestigten Komponentenverbinders zum Verbinden modularer Komponenten miteinander zur Verfügung. Im Ergebnis wurden die vorstehend genannten Nachteile im Wesentlichen verringert oder ausgeschlossen, die mit den gegenwärtig verfügbaren Verfahren und Techniken zum Verbinden modularer Komponenten miteinander verbunden sind.
- Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann nach Lesen der folgenden Patentschrift und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich, bei denen:
-
1 eine quergeschnittene Ansicht eines morsetypischen Kegels aus dem Stand der Technik zeigt; -
2 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders gemäß den Lehren einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
3 eine quergeschnittene Ansicht des zusammengebauten kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders der2 entlang Linie 3-3 der2 zeigt; -
4a eine quergeschnittene Ansicht eines Pressrings gemäß den Lehren einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
4 eine quergeschnittene Ansicht eines Bolzens gemäß den Lehren einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; -
5a bis5c ein Verfahren zum Formen eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders gemäß den Lehren der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen; -
6 eine quergeschnittene Ansicht einer modularen Knieprothese zeigt, welche den kaltverfestigten modularen Komponentenverbinder gemäß den Lehren der ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet; -
7 eine auseinandergezogene quergeschnittene Ansicht eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders gemäß den Lehren einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und -
8 bis10 ein Verfahren zum Formen des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders gemäß den Lehren der dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. - Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen betreffend einen modularen Komponentenverbinder zum Koppeln modularer Komponenten einer Knie-, Hüft- oder Schulterprothese oder irgendeines anderen Prothesentyps zur Verwendung in der orthopädischen Chirurgie sind lediglich beispielhafter Natur und sind keinesfalls gedacht, die Erfindung oder ihre Anwendung oder Verwendungen einzuschränken. Darüber hinaus wird, während die vorliegende Erfindung weiter unten unter Bezugnahme auf das Koppeln modularer Komponenten einer Knie-, Hüft- oder Schulterprothese zur Verwendung in der orthopädischen Chirurgie detailliert beschrieben wird, dem Fachmann verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung eindeutig nicht auf nur diese Typen prothetischer Einrichtungen für orthopädische Eingriffe eingeschränkt ist, und bei verschiedenen anderen orthopädischen Implantaten verwendet werden kann, genauso wie bei anderen Typen einer Einrichtung, die eine Verbindung verschiedener modularer Komponenten erfordert.
- Unter Bezugnahme auf
2 bis3 ist ein kaltverfestigter modularer Komponentenverbinder18 gemäß den Lehren einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. Der kaltverfestigte Komponentenverbinder18 umfasst ein männliches Element20 , ein weibliches Element22 , einen Pressring24 , eine Druckscheibe26 und einen Bolzen28 . Die Komponenten des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders18 sind bevorzugt aus geeignetem biokompatiblem Material wie Titan, rostfreiem Stahl, Titanlegierungen, Kobalt-Chrommolybdänlegierungen etc. hergestellt. - Das männliche Element
20 , welches den Pressring24 umfasst, ist bevorzugt aus Titan hergestellt und umfasst einen ersten verlängerten Abschnitt30 und einen zweiten verlängerten Abschnitt32 . Der erste verlängerte Abschnitt30 weist eine toroid- oder wulstförmige Außenoberfläche34 mit einer radialen Eingriffs- oder Kontaktoberfläche auf. Die radiale Außenoberfläche34 ist mechanisch oder kaltverfestigt durch Kaltbearbeitung, die hier im weiteren beschrieben wird, welche den Lastwiderstand der Endkonstruktion um bis zu 25% erhöht. Der zweite verlängerte Abschnitt32 ist konzentrisch zu dem ersten verlängerten Abschnitt30 und erstreckt sich axial von diesem. Der zweite verlängerte Abschnitt32 umfasst eine äußere Zylinderoberfläche36 mit einer radialen Eingriffs- oder Kontaktoberfläche und einer Innengewindebohrung38 . An dem Ende des zweiten verlängerten Abschnitts32 und konzentrisch dazu ist eine Einführstufe oder Kerbe39 angeordnet. - Das weibliche Element
22 ist bevorzugt aus Titan hergestellt und definiert eine verlängerte Bohrung mit einer ersten verlängerten kegelstumpfförmigen Bohrung40 angrenzend an und konzentrisch zu einer zweiten verlängerten umgekehrt kegelstumpfförmigen Bohrung42 . Die erste verlängerte Bohrung40 umfasst eine Eingangsöffnung44 , die kegelförmig zu einer kleineren Ausgangsöffnung46 in einem Winkel von ungefähr vier (4°) Grad insgesamt oder ungefähr zwei (2°) Grad pro Seite zuläuft. Die zweite verlängerte Bohrung42 weist eine Eingangsöffnung48 auf, die mit der Ausgangsöffnung46 gekoppelt ist. Die Eingangsöffnung48 läuft kegelförmig zu einer größeren Ausgangsöffnung50 in einem Winkel von ungefähr zwanzig (20°) Grad insgesamt oder ungefähr zehn (10°) Grad pro Seite zu. Der Kegel in der ersten verlängerten Bohrung40 liegt gegenüber zum oder umgekehrt zu dem Kegel in der zweiten verlängerten Bohrung42 . Konzentrisch zu der ersten verlängerten Bohrung40 und der zweiten verlängerten Bohrung42 ist eine dritte verlängerte zylindrische Bohrung52 , die eine Führung54 an der Austrittsöffnung50 bildet, welche eine Zugangsöffnung für den Bolzen28 darstellt. - Der Pressring
24 besteht vorzugsweise aus einem weichen, kommerziell reinen Titanlegierungsringelement mit einer inneren zylindrischen Seitenwand56 und einer äußeren konischen Seitenwand58 . Die innere zylindrische Seitenwand56 ist zum gleitfähigen und radialen Eingreifen in die externe zylindrische Oberfläche36 des männlichen Elements20 ausgebildet, während die externe konische Seitenwand58 mit einer radialen Eingriffs- oder Kontaktoberfläche zum gleitfähigen und radialen Eingreifen in die zweite verlängerte kegelstumpfförmigen Bohrung42 des weiblichen Elements22 ausgebildet ist. Der Pressring24 ist ein deformierbares Ringelement, welches einsetzbar ist, um auf der inneren zylindrischen Seitenwand56 verformt zu werden und die externe konische Seitenwand58 gleitfähig in das männliche Element20 und das weibliche Element22 eingreifen, was hier im weiteren diskutiert werden wird. - Die Druckscheibe
26 ist vorzugsweise aus einem Kobaltchrommolybdän hergestellt und umfasst eine innere zylindrische Seitenwand60 , eine äußere zylindrische Seitenwand62 , eine erste ringförmige Oberfläche64 und eine zweite ringförmige Oberfläche66 . Die innere zylindrische Seitenwand60 greift gleitfähig in die externe zylindrische Oberfläche36 des männlichen Elements20 ein, während die zweite ringförmige Oberfläche66 in eine ringförmige Oberfläche68 des Pressrings24 eingreift. Die externe zylindrische Wand62 weist einen ausreichenden Durchmesser auf, um dem Pressring24 ein deformierendes Eingreifen in das Eingreifen in das männliche Element20 und das weibliche Element22 zu erlauben, wenn der Pressring24 gleitfähig entlang der externen zylindrischen Oberfläche36 eingreift. - Der Bolzen
28 ist vorzugsweise aus einem Titan hergestellt und umfasst einen Kopf70 und einen Gewindeschaft72 , der über ein Gewinde mit der Gewindebohrung38 in dem männlichen Element20 steht. Der Kopf70 umfasst einen Sechskantantrieb74 oder einen anderen geeigneten Sitz. Der Kopf70 umfasst eine kreisrunde planare Unterseite76 , welche in die erste ringförmige Oberfläche64 der Druckscheibe26 eingreift. - Unter Bezugnahme auf
4a ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Pressrings24' gezeigt. Diesbezüglich werden gleiche Bezugsziffern zum Bezeichnen ähnlicher Strukturen wie hinsichtlich der ersten bevorzugten Ausführungsform des Pressrings24 beschrieben verwendet. Der in4a gezeigte Pressring24' wird anstelle des Nutzens einer Druckscheibe26 verwendet. Der Pressring24' umfasst die innere zylindrische Seitenwand56' und die externe konische Seitenwand58' wie in der ersten bevorzugten Ausführungsform. Der Pressring24' der zweiten bevorzugten Ausführungsform umfasst auch einen ringförmigen Kragen78 , der anstelle der Druckscheibe26 verwendet wird, mit einer inneren zylindrischen Seitenwand80 und einer äußeren zylindrischen Seitenwand82 , jede davon konzentrisch mit der inneren zylindrischen Seitenwand56' ausgeführt. Der Kragen78 umfasst auch eine ringförmige Oberfläche84 , welche zum Eingreifen durch die Unterseite76 des Kopfs70 einsetzbar ist. Durch Bereitstellen einer inneren zylindrischen Seitenwand80 mit einem größeren Durchmesser als dem der inneren zylindrischen Seitenwand56' und einer äußeren zylindrischen Seitenwand52 mit einem kleineren Durchmesser als dem größten Durchmesserabschnitt der äußeren konischen Seitenwand58' , wird sich der Kragen78 nicht darauf binden und radial verformbar in den Pressring24' mit dem männlichen Element20 und dem weiblichen Element22 eingreifen. - Unter Bezugnahme auf
4b ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Bolzens28' gezeigt. Diesbezüglich werden gleiche Bezugsziffern zum Bezeichnen ähnlicher Strukturen wie hinsichtlich der ersten bevorzugten Ausführungsform des Bolzens28 beschrieben verwendet. Wiederum wird hier der in4b gezeigte Bolzen28' konfiguriert, um anstelle des Nutzens einer Druckscheibe26 verwendet zu werden. Der Bolzen28' umfasst den Kopf70' , den Gewindeschaft72' und den Sechskantantrieb74' . An der Unterseite76' des Kopfs70' ist ein ringförmiger Kragen86 positioniert. Der ringförmige Kragen86 weist eine innere zylindrische Seitenwand88 und eine äußere zylindrische Seitenwand90 auf, die eine ringförmige ringförmige Oberfläche92 dazwischen bilden. Die innere zylindrische Seitenwand88 weist einen größeren Durchmesser als die äußere zylindrische Seitenwand36 auf, während der Durchmesser der äußeren zylindrischen Seitenwand90 kleiner als der größte Durchmesserabschnitt der äußeren konischen Seitenwand58 ist. Dies ermöglicht ein Eingreifen der ringförmigen Oberfläche92 in die ringförmige Oberfläche68 des Pressrings24 ohne Binden des männlichen Elements20 oder des weiblichen Elements22 . Es sollte weiterhin angemerkt sein, dass die Druckscheibe26 einfach durch Verwenden eines ausreichend bemessenen Pressrings24 und der ersten bevorzugten Ausführungsform des Bolzens28 weggelassen werden kann. - Rückbezüglich auf
3 wird nun die Durchführung des Zusammenbauens des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders18 beschrieben. Zuerst sollte verdeutlicht sein, dass der kaltverfestigte modulare Komponentenverbinder18 bei verschiedenen modularen orthopädischen Implantaten wie einer Knie-, Hüft- oder Schulterprothese verwendet werden kann, genauso wie bei anderen Einrichtungen mit modularen Komponenten, welche ein Verbinden oder Koppeln der modularen Komponenten erfordern. Zum Beispiel kann das männliche Element20 einen Teil eines Schafts für eine modulare Hüftprothese bilden, während das weibliche Element22 den proximalen Abschnitt der modularen Hüftprothese formt. Das männliche Element20 wird zuerst in das weibliche Element22 so eingeführt, dass der erste verlängerte Abschnitt30 radial gerade in die erste verlängerte Bohrung40 an der mechanisch oder kaltverfestigten toroid- oder wulstförmigen äußeren Oberfläche34 eingreift. Dieser radiale Eingriff erzeugt einen ersten festen Kontaktpunkt an einer im Wesentlichen vorbestimmten bekannten Stelle, die an einem Ende des modularen Komponentenverbinders18 liegt. - Der Pressring
24 wird dann durch die zylindrische dritte Bohrung52 und über die Kerbe39 geführt, bis die innere zylindrische Seitenwand56 gleitfähig in die äußere zylindrische Oberfläche36 eingreift. Wenn die innere zylindrische Seitenwand56 in die äußere zylindrische Oberfläche36 eingreift, greift die äußere konische Seitenwand58 gleitfähig und radial in die zweite verlängerte kegelstumpfförmige Bohrung42 des weiblichen Elements22 ein. Die Druckscheibe26 wird dann durch die zylindrische dritte Bohrung52 geführt und so oben auf dem Pressring24 positioniert, dass die zweite ringförmige Oberfläche66 der Druckscheibe26 in die ringförmige Oberfläche68 des Pressrings24 eingreift. Der Bolzen28 wird abschließend durch die zylindrische dritte Bohrung52 geführt, wobei der Schaft72 verschraubbar in der Gewindebohrung38 des männlichen Elements20 aufgenommen wird. - Das männliche Element
20 kann dann eingeschlagen werden, um einen vollständigen Sitz des männlichen Elements20 in dem weiblichen Element22 zu erzielen. Beim Festziehen des Bolzens28 drückt die Unterseite76 des Kopfs70 der Druckscheibe26 in Eingriff mit dem Pressring24 , während der Pressring24 verformbar um die äußere zylindrische Oberfläche36 und radial in die verlängerte kegelstumpfförmige Bohrung42 greift. Dies stellt gleichzeitig den ersten festen Kontaktpunkt94 an einer ersten Position und einen zweiten festen Kontaktpunkt96 an einer zweiten Position her. Der erste feste Kontakt94 begründet eine im Wesentlichen ringförmige oder radiale Kontaktoberfläche im Wesentlichen 306° um die mechanisch oder kaltverfestigte wulstförmige Oberfläche34 zwischen der wulstförmigen Oberfläche34 und der ersten verlängerten Bohrung40 . Der zweite feste Kontaktpunkt96 begründet eine im Wesentlichen ringförmige oder radiale Kontaktoberfläche im Wesentlichen 360° um den Ort herum, wo der Pressring24 verformbar sowohl in die zylindrische Oberfläche36 des männlichen Elements20 und die zweite verlängerte, kegelstumpfförmige Bohrung42 des weiblichen Elements22 eingreift. - Der von dem zweiten festen Kontaktpunkt
96 beabstandete oder versetzte erste feste Kontaktpunkt94 , positioniert im Wesentlichen an jedem Ende des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders18 , stellt einen im Wesentlichen stabilen und starken Verbinder18 her, welcher jede Mikrobewegung im Wesentlichen verringert oder ausschließt. Darüber hinaus umfasst die primäre lasttragende Seite oder der erste feste Kontaktpunkt94 die mechanisch oder kaltverfestigte wulstförmige Kontaktoberfläche34 , die den Lastwiderstand entlang des Kontaktpunkts94 erheblich um bis zu 25% erhöht. Weiterhin sollte angemerkt sein, dass das männliche Element20 nicht das weibliche Element22 zwischen den beabstandeten ersten und zweiten festen Kontaktpunkten94 und96 oder vor dem ersten festen Kontaktpunkt94 berührt oder in dieses eingreift, wodurch jeder Bereich ausgeschlossen wird, der zu Abnutzung und nachfolgenden Spannungsbrüchen neigen würde. - Das Verfahren zum Formen des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders
18 wird nun unter Bezugnahme auf3 und5a bis5c beschrieben. Das weibliche Element22 wird durch spanende Formgebung oder Ausbohren der ersten verlängerten Bohrung40 hergestellt, der zweiten verlängerten Bohrung42 , und der dritten verlängerten Bohrung52 durch Verwenden eines geeigneten Werkzeugs wie einer CNC-Bohrmaschine. Ist das weibliche Element22 hergestellt, besteht der erste Schritt des Formens des männlichen Elements Elements20 im Herstellen eines zylindrischen Titanschaftstücks. Dieses Schaftstück wird in eine herkömmliche Präzisions-CNC-Drehbank eingeführt. Einmal in der Drehbank positioniert, werden der erste verlängerte Abschnitt30 und der zweite verlängerte Abschnitt32 in eine Ausgangskonfiguration durch spanende Bearbeitung oder axiales Drehen des zylindrischen Schaftstücks und axiales Ziehen eines Einzahn-Schneidelements entlang des Schafts gebracht. Die äußere zylindrische Oberfläche36 wird leicht übergroß ausgebildet und die toroide wulstförmige Oberfläche34 wird anfangs mit einem vorstehenden, halbwulstförmigen oder wulstförmigen Buckel98 mit einem Radius ausgeformt, welcher zum Erzeugen einer radial veränderlichen Dicke von zwischen ungefähr 0,002 Zoll bis ungefähr 0,006 Zoll und einer axialen Breite von ungefähr 0,200 Zoll um den ersten festen Kontaktpunkt94 variiert. Die externe zylindrische Oberfläche36 und die wulstförmige äußere Oberfläche34 mit dem vorstehenden Buckel98 werden während der gleichen spanenden Bearbeitung oder dem Schneidprozess ausgebildet, so dass die Oberflächen34 und36 konzentrisch zueinander liegen. - Wurde das männliche Element
20 in seine anfängliche Konfiguration gebracht wie in5a gezeigt, wird die wulst- oder toroidförmige äußere Oberfläche34 mechanisch oberflächenbehandelt oder durch Kaltbearbeitung kaltverfestigt. Insbesondere wird der vorstehende Buckel98 mit zwei Walzen oder Rändelrädern100 mit einem Radius von ungefähr 3,5 Zoll an dem ersten festen Kontaktpunkt94 gewalzt. Dieses Walzen oder diese Kaltbearbeitung mit den Walzen100 mechanisch oder kaltverfestigt und formt die wulstförmige Oberfläche34 in einer ausreichend gehärtete Dicke, welche dadurch den Lastwiderstand entlang des ersten festen Kontaktpunkts94 durch bis zu 25% über eine nicht mechanisch gehärtete Oberfläche erhöht. Für den Fachmann ist nachvollziehbar, dass auch verschiedene andere mechanische Härtungstechniken an der wulstförmigen Oberfläche34 ausgeführt werden können, wie Strahlverfestigen oder Präzisionspressen entlang dieser Fläche. Mechanisches oder Kaltverfestigen wurde hier wegen der dicken Oberflächenhärtung, die an der wulstförmigen Oberfläche34 erzeugt wird, als besonders erfolgreich festgestellt. - Das durch die Walzen
100 ausgeführte Kaltverfestigen verschiebt überschüssiges Material102 von dem vorstehenden Buckel98 angrenzend an die Walzen100 und kann die externe zylindrische Oberfläche36 verzerren, wie in5b gezeigt. Um das überschüssige Material102 zu entfernen, wird das männliche Element20 spanend bearbeitet oder wieder auf der Präzisionsdrehbank gedreht, wodurch das überschüssige Material102 entfernt und die überdimensionierte externe zylindrische Oberfläche36 auf ihre richtige Größe oder endgültige endgültige Präzisionskonfiguration reduzier wird, als auch die Kerbe39 in dem Ende der externen zylindrischen Oberfläche36 ausgebildet wird. Das verschobene Material102 kann, wenn dies gewünscht ist, durch die Drehbank entlang des Pfads104 wie in5c gezeigt entfernt werden, welcher das überschüssige Material102 ausreichend entfernt, jedoch die mechanisch oder kaltverfestigte Oberfläche34 nicht beseitigt, welche zentriert auf und um den ersten festen Kontaktpunkt94 herum positioniert sein wird. Die Gewindebohrung38 wird abschließend in dem Ende des männlichen Elements20 ausgebildet. - Unter Bezugnahme auf
6 ist der kaltverfestigte modulare Komponentenverbinder18 aufgenommen in einer modularen Knieprothese106 gezeigt. Die modulare Knieprothese106 umfasst eine femurale Komponente108 und eine tibiale Komponente110 . Die tibiale Komponente110 nimmt das männliche Element20 in einer Verlängerung112 und das weibliche Element22 in einer tibialen Basis114 auf. Oben auf der tibialen Basis114 ist ein tibialer Einsatz116 angeordnet. - Während eines orthopädischen Eingriffs wird die Verlängerung
112 mit der passenden Länge ausgewählt, welche das männliche Element20 umfasst. Einmal gewählt, wird die Verlängerung112 mit der tibialen Basis114 in Eingriff gebracht, die das weibliche Element22 beinhaltet. Der Pressring24 wird dann gleitfähig an der äußeren zylindrischen Oberfläche36 zwischen dem männlichen Element20 und dem weiblichen Element22 in Eingriff gebracht, wobei die Druckscheibe26 eingreifbar oben auf dem Pressring24 angeordnet wird. Der tibiale Einsatz116 wird oben auf der tibialen Basis114 angeordnet, und der Bolzen28 wird dadurch hindurchgeführt und verschraubbar mit der Gewindebohrung38 in Eingriff gebracht, um die drei modularen Komponenten zu befestigen. Die Verwendung des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders18 kann auch in ein Hüft-, Schulter- oder verschiedene andere orthopädische Implantate zur Verwendung während orthopädischer Eingriffe oder in jedwelchen anderen Einrichtungen aufgenommen werden, welche ein Koppeln modularer Komponenten erfordern. - Unter nunmehr Bezugnahme auf
7 ist ein kaltverfestigter modularer Komponentenverbinder120 gemäß den Lehren einer dritten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Querschnitt gezeigt. Der kaltverfestigte modulare Komponentenverbinder120 umfasst ein männliches Element122 , ein weibliches Element124 , und einen Montagebolzen126 . Wiederum sind die Komponenten des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders120 bevorzugt aus einem geeigneten biokompatiblen Material wie Titan, rostfreiem Material wie Titan, rostfreiem Stahl, Titanlegierungen, Kobalt-Chrommolybdänlegierungen etc. hergestellt. - Das männliche Element
122 wird bevorzugt aus Titan hergestellt und umfasst einen ersten zylindrischen Abschnitt128 und einen zweiten konisch zulaufenden Abschnitt130 mit einer dazwischen angeordneten Übergangswinkel132 . Der erste zylindrische Abschnitt128 weist eine äußere spanend bearbeitete zylindrische Oberfläche134 und der zweite konisch zulaufende Abschnitt130 eine äußere spanend bearbeitete kegelförmige Oberfläche136 auf. Der Übergangswinkel132 wird durch eine leicht gerundete Kante gebildet, wo der kegelförmige Abschnitt130 in den zylindrischen Abschnitt128 übergeht. Der Übergangswinkel132 ist durch Kaltbearbeitung mechanisch oder kaltverfestigt, was im weiteren hier diskutiert werden wird, um den Last- oder Scherwiderstand in diesem Spannungskonzentrationsbereich wesentlich zu erhöhen. - Das männliche Element
122 umfasst weiterhin ein erstes proximales Ende138 und ein zweites distales Ende140 . Im allgemeinen wird die Länge "L" des zweiten kegelförmigen Abschnitts130 zwischen dem Übergangswinkel132 und dem ersten proximalen Ende138 im Bereich zwischen ungefähr 5 mm bis 50 mm liegen. Der zylindrische Durchmesser "d" des ersten proximalen Endes138 wird im allgemeinen im Bereich zwischen ungefähr 5 mm bis 30 mm liegen. Der Winkel "a" des kegelförmigen Abschnitts130 wird im allgemeinen in einem Bereich zwischen ungefähr 0,5° bis 5,0° pro Seite oder 1,0° bis 10,0° insgesamt liegen. Das erste proximale Ende138 definiert auch eine mit Gewinde versehene Innenbohrung144 , welche zum verschraubbaren Aufnehmen des Montagebolzens126 dient. - Das weibliche Element
120 wird bevorzugt auch aus Titan hergestellt und definiert eine dadurch hindurchführende verlängerte Bohrung mit einer ersten verlängerten kegelstumpfförmigen Bohrung146 angrenzend und konzentrisch mit einer zweiten verlängerten zylindrischen Bohrung148 , die zum Aufnehmen des Montagebolzens126 dient. Die erste kegelstumpfförmige Bohrung146 umfasst eine Eingangsöffnung150 , die kegelförmig in einem im Wesentlichen kongruent mit dem kegelförmigen Abschnitt130 des männlichen Elements122 verlaufenden Winkel zu einem Anschluss oder einer Austrittsöffnung152 zuläuft. Die zweite verlängerte Bohrung148 umfasst auch eine Eintrittsöffnung154 und eine Austrittsöffnung156 . Die zweite verlängerte Bohrung148 wird durch eine erste zylindrische Bohrung158 und eine zweite zylindrische Bohrung160 mit einer dazwischen angeordneten ringförmigen Schulter162 definiert. Die erste zylindrische Bohrung158 dient zum Aufnehmen eines Kopfs Bohrung158 dient zum Aufnehmen eines Kopfs164 des Montagebolzens126 und die zweite zylindrische Bohrung160 dient zum gleitfähigen Aufnehmen eines Gewindeschafts166 des Montagebolzens126 . - Die Durchführung des Zusammenbauens des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders
120 wird nun beschrieben. Als erstes sollte wiederum herausgestellt werden, dass der kaltverfestigte modulare Komponentenverbinder120 bei verschiedenen modularen orthopädischen Implantaten wie der modularen Knieprothese106 wie in6 gezeigt, oder jedwelchen anderen Prothesen oder Einrichtungen mit modularen Komponenten verwenden werden kann, welche ein Verbinden oder Koppeln von modularen Komponenten erfordern. Zum Beispiel kann hier wiederum das männliche Element122 ein Teil eines Schafts für eine modulare Hüftprothese bilden, während das weibliche Element124 den proximalen Abschnitt der modularen Hüftprothese formen kann. - Das männliche Element
122 wird zunächst in das weibliche Element124 so eingeführt, dass der erste kegelförmige Abschnitt130 des männlichen Elements122 kongruent in die erste kegelstumpfförmige Bohrung146 passt oder in diese eingreift, welche durch eine kegelförmige innere Seitenwand168 definiert wird. Durch den vollständig in die Bohrung146 eingreifenden kegelförmigen Abschnitt130 verriegelt die äußere spanend bearbeitete Oberfläche136 reibschlüssig die innere Seitenwand168 , wenn das erste proximale Ende138 nahe dem Anschlussende152 der Bohrung146 positioniert wird. Das männliche Element122 kann dann mit einem geeigneten Werkzeug eingeschlagen werden, um das männliche Element122 in vollständigem Sitz in dem weiblichen Element124 zu bringen. - Einmal vollständig festsitzend wird der Übergangswinkel
132 einwärts von der Eintrittsöffnung150 an einem Spannungskonzentrationspunkt oder -bereich170 positioniert. Der zylindrische Abschnitt134 erstreckt sich dann aus der Eintrittsöffnung150 mit einem Durchmesser heraus, welcher kleiner ist als der Durchmesser der Eintrittsöffnung150 , wie deutlich in7 gezeigt ist. Der Montagebolzen126 wird dann gleitfähig durch die zweite verlängerte Bohrung148 und verschraubbar in der Gewindebohrung144 aufgenommen. Während der Gewindeschaft166 verschraubbar in die Gewindebohrung144 eingreift, kommt der Kopf164 des Gewindebolzens126 auf der ringförmigen Schulter oder dem Anschlag162 innerhalb der Bohrung158 zur Anlage. Der Kopf164 kann unter Verwenden eines Sechskantmitnehmers oder anderer geeigneter Antriebsmechanismen eingeführt werden. Alternativ dazu kann der Montagebolzen126 auch weggelassen werden, da das männliche Element122 Element122 reibschlüssig mit dem weiblichen Element124 verriegelt wird. Durch den Übergangswinkel132 , der durch Kaltbearbeitung mechanisch oder kaltverfestigt ist, wird der Last- oder Scherwiderstand des männlichen Elements122 entlang des Spannungskonzentrationspunkts170 um wenigstens 25% im Vergleich zu einem nicht kaltverfestigten männlichen Element122 erhöht. - Das Verfahren zum Formen des kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders
120 wird nun unter Bezugnahme auf die8 bis10 beschrieben. Das weibliche Element124 wird zuerst durch spanende Bearbeitung oder Ausbohren der ersten kegelstumpfförmigen verlängerten Bohrung146 und der zweiten verlängerten Bohrung148 durch Benutzen eines geeigneten Werkzeugs wie einer CNC-Bohrmaschine ausgebildet. Ist das weibliche Element124 ausgeformt, besteht der erste Schritt zum Herstellen des männlichen Elements122 im Bereitstellen eines zylindrischen Titanschaftstücks. Dieses Schaftstück wird in eine herkömmliche Präzisions-CNC-Drehbank eingeführt. Einmal in der Drehbank positioniert, werden der erste zylindrische Abschnitt134 und der zweite kegelförmige Abschnitt136 durch spanende Bearbeitung oder axiales Drehen des zylindrischen Schaftstücks und axiales Ziehen eines Einzahn-Schneidelements entlang dieses Schafts ausgebildet. - Der kegelförmige Abschnitt
136 wird leicht übergroß um ungefähr 0,006 Zoll entlang der gesamten Länge L des kegelförmigen Abschnitts136 gedreht. Zusätzlich ist ein toroider wulstförmiger Buckel172 an dem Übergangswinkel132 ausgebildet. Der wulstförmige Buckel172 ist an dem Übergangswinkel132 mit annähernd 0,1 Zoll auf jeder Seite der Mitte des Übergangswinkels132 zentriert und sieht eine Dicke oder Höhe des wulstiförmigen Buckels172 von ungefähr 0,015 Zoll vor, bezeichnet durch Bezugsziffer173 , und einen Radius von ungefähr 0,32 Zoll, bezeichnet durch Bezugsziffer174 wie deutlich in8b gezeigt ist. Der Radius174 liefert dadurch die verschobene Dicke173 von ungefähr 0,015 Zoll und eine axiale Breite von ungefähr 0,200 Zoll, die an dem Übergangswinkel132 zum Formen der wulstförmigen Oberfläche176 zentriert ist. Es soll angemerkt werden, dass der zylindrische Abschnitt128 und der kegelförmige Abschnitt130 entlang der wulstförmigen äußeren Oberfläche176 während der gleichen spanenden Bearbeitung oder dem Drehprozess in eine anfängliche Konfiguration gebracht werden, so dass jeder Abschnitt im Wesentlichen konzentrisch zu dem anderen ist. - Ist der kegelförmige Bereich
130 leicht übergroß entlang des wulstförmigen Buckels172 ausgebildet, wird der wulstförmige Buckel172 durch Kaltbearbeitung kaltverfestigt. Die Kaltbearbeitung wird durch 3 (drei) Walzen178 durchgeführt, die in einer Futter-Klemmbacke über den Umfang des männlichen Elements122 verteilt angeordnet sind. Wie in9a gezeigt, umfasst jede Walze178 einen zylindrischen Planierbereich180 und einen winkligen oder kegelförmigen Bereich182 , von denen jeder im Wesentlichen kongruent mit dem männlichen Element122 mit einem dazwischen angeordneten Übergangswinkel184 verläuft. Der wulstförmige Buckel172 wird in der Größe durch Drücken der 3 (drei) Walzen178 in den wulstförmigen Buckel172 verringert, während das männliche Element122 rotiert und wobei die Walzen178 drehbar in das männliche Element122 eingreifen. - Das den wulstförmigen Buckel
172 bildende Material wird in den Übergangswinkel132 verschoben, wodurch der an dem Übergangswinkel132 angeordnete Spannungskonzentrationsbereich kaltverfestigt wird. Die Kaltbearbeitung mit den Walzen178 kaltverfestigt und formt den wulstförmigen Bereich172 zum Herstellen eines ausreichend dicken kaltverfestigten Bereichs, wodurch der Last- oder Scherwiderstand entlang dieses Spannungskonzentrationspunkts um wenigstens 25% über den einer nicht kaltverfestigten Einrichtung erhöht wird. Hier sollte wiederum angemerkt sein, dass auch verschiedene andere mechanische oder kaltverfestigende Techniken in diesen Bereich durchgeführt werden können. - Nach Ausführen des Kaltverfestigens durch die Walzen
178 sind leichte Oberflächenunregelmäßigkeiten an jedem Ende der Walzen178 entstanden, welche die äußeren zylindrischen Oberflächen134 und136 stören können, wie an den Punkten186 und188 gezeigt. Zusätzlich können die Übergangswinkel132 auch Oberflächenunregelmäßigkeiten aufgrund zu intensiven Kaltbearbeitens in diesen Bereich aufweisen, welches auf den wulstförmigen Buckel172 in diesem Bereich einwirkt, bezeichnet durch Punkt190 . Zum Erzielen einer abschließenden Präzisionskonfiguration werden die Oberflächenunregelmäßigkeiten186 ,188 und190 spanend bearbeitet oder unter Verwenden eines Einzahn-Schneidelements192 auf der CNC-Drehbank entfernt. Das Schneidelement192 entfernt die Oberflächenunregelmäßigkeit186 , formt den Übergangswinkel132 durch Entfernen der Oberflächenunregelmäßigkeit190 , und entfernt auch das übergroße Material von ungefähr 0,006 Zoll entlang der gesamten Länge L des kegelförmigen Abschnitts130 , wodurch die Oberflächenunregelmäßigkeit188 entfernt wird. - Durch alleiniges Entfernen einer sehr dünnen Schicht von dem Übergangswinkel
132 wird der Hauptteil der kaltverfestigten Dicke nicht entfernt, wodurch die Festigkeit in dem Winkel132 um wenigstens 25% gesteigert wird. Es sollte weiterhin angemerkt sein, dass der wulstförmige Buckel172 an jedem anderen Punkt ausgebildet sein kann, an dem eine Spannungskonzentration auftritt, und in ähnlicher Weise wie vorstehend beschrieben zum Erhöhen der Festigkeit in dem Spannungskonzentrationsbereich oder dem Punkt kaltverfestigt sein kann. Zudem kann der gesamte kegelförmige Bereich130 zum Herstellen erweiterter Festigkeit entlang des gesamten kegelförmigen Abschnitts130 kaltbearbeitet sein. Jedoch würde dies eine größere Ausrüstung und sehr viel höhere Kräfte erfordern, um diesen erweiterten Bereich kalt zu verfestigen. Ist die abschließende Präzisionskonfiguration spanend bearbeitet, wird abschließend die mit Gewinde versehen innere Bohrung144 in dem männlichen Element122 angebracht. - Die vorstehende Diskussion offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Der Fachmann wird ohne weiteres aus solch einer Erörterung und aus den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen entnehmen, dass verschiedene Änderungen, Abänderungen und Variationen darin durchgeführt werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, welcher durch die angefügten Ansprüche definiert wird.
Claims (11)
- Ein Verfahren zum Formen eines kaltverfestigten modularen Komponentenverbinders (
120 ) zur Verwendung in der orthopädischen Chirurgie, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Umarbeiten eines ersten Verbindungselements (122 ), welches einen Teil einer orthopädischen Prothese formt, in eine Anfangsstruktur, welche einen übergroßen Bereich (172 ) mit einer ersten Größe (173 ) an einem Spannungskonzentrationsbereich besitzt; – Kaltverfestigen mindestens eines Teils des übergroßen Bereichs des ersten Verbindungselements (122 ) durch Zusammenpressen des übergroßen Bereichs auf eine zweite Größe; und – Umarbeiten des im wesentlichen gesamten zusammengepressten Bereichs des ersten Verbindungselements (122 ) in eine endgültige Präzisionsstruktur. - Ein Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Kaltverfestigens des übergroßen Bereichs des ersten Verbindungselements des weiteren den Schritt des Formens des übergroßen Bereichs in ein Übergangseck durch Kaltwalzen des übergroßen Bereichs umfasst.
- Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schritt des Umarbeitens des ersten Verbindungselements in eine Anfangsstruktur mit einem übergroßen Bereich des weiteren den Schritt des Anordnens mindestens eines Teils des übergroßen Bereichs an einem Spannungskonzentrationspunkt an dem ersten Verbindungselement umfasst.
- Ein Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Schritt des Umarbeitens des ersten Verbindungselements in die Anfangsstruktur mit dem übergroßen Bereich des weiteren den Schritt des Bearbeitens eines wulstigen Buckels an dem Spannungskonzentrationspunkt umfasst.
- Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Umarbeitens des ersten Verbindungselements in eine Anfangsstruktur mit einem übergroßen Bereich des weiteren den Schritt des Formens eines ersten zylindrischen Abschnitts (
128 ) und eines zweiten schrägen Abschnitts (130 ) mit einem dazwischen angeordneten wulstigen Buckel (172 ) umfasst. - Ein Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Bearbeitens des ersten zylindrischen Abschnitts und des zweiten schrägen Abschnitts des weiteren den Schritt des Bearbeitens des wulstigen Buckels an einem Übergangsbereich zwischen dem ersten zylindrischen Abschnitt und dem zweiten schrägen Abschnitt umfasst.
- Ein Verfahren nach Anspruch 6, wobei der Schritt des Kaltverfestigens des mindestens einen Teils des übergroßen Bereichs des weiteren den Schritt des Kaltverfestigens des an einem Übergangsbereich geformten wulstigen Buckels umfasst.
- Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei der Schritt des Kaltverfestigens des mindestens einen Teils des übergroßen Bereichs des weiteren den Schritt der Kaltbearbeitung des wulstigen Buckels umfasst.
- Ein Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt des Umarbeitens des Elements in eine endgültige Präzisionsstruktur des weiteren den Schritt des Bearbeitens jeglicher Oberflächenunregelmäßigkeiten umfasst, welche durch Kaltbearbeitung des wulstigen Buckels entstehen.
- Ein Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Schritt des Umarbeitens des ersten Verbindungselements in eine endgültige Präzisionsstruktur des weiteren den Schritt des Entfernens jeglicher Oberflächenunebenheiten umfasst, welche durch Kaltwalzen des wulstigen Buckels entstehen, indem das erste Verbindungselement auf einer Drehmaschine (
192 ) gedreht wird. - Ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, des weiteren umfassend den Schritt des Bearbeitens eines Buchsenelements (
124 ) mit einer Bohrung, welche zur Aufnahme des ersten Verbindungselements dient.
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