ЭНДОПРОТЕЗ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА

Полезная модель относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и предназначена для восстановления утраченной функции тазобедренного сустава.
Известны различные конструкции эндопротезов - искусственных тазобедренных суставов, описанных, например, в следующих патентах: патент US на изобретение №3656184, патент FR 2849769, патент US 6797007, патент DE 1998 19813074, патент GB 2419291, патент JP 3786532, патент JP 3857784, патент WO 2007019323, патент ЕР 2016923, патент JP 4331872, патент US 8142511, патент WO 2010129880, патент DE 102004027659, патент JP 3502641, авторское свидетельство SU на изобретение №1500285, патенты RU на изобретения №2040228, №2076665, №2089135, №2303962, патенты RU на полезные модели №68289 и №108293. Конструкции эндопротезов включают в себя ножку для внутрикостного введения, шейку с посадочным конусом и суставную головку со сформированным внутри конусным отверстием для соединения с посадочным конусом ножки.
Наиболее близким аналогом к заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является «Керамическая суставная головка» по патенту JP 3857784, кл. A61F 2/36, заявл. 17.07.1997.
Эндопротез - искусственный тазобедренный сустав содержит ножку, один конец которой предназначен для внутрикостного введения, а второй конец снабжен посадочным конусом, сферическую съемную головку со сформированным внутри нее конусным отверстием, которое соответствует посадочному конусу ножки, при этом сужающаяся часть конусного отверстия расположена внутри головки и снабжена расширяющейся полостью. Внешняя поверхность посадочного конуса ножки и поверхность конического отверстия головки отшлифованы таким образом, что промежуток между ними не достигает 1 мкм.
Однако в данной конструкции внутреннего отверстия головки есть недостаток - переход от конического отверстия к внутренней полости, выполнен таким образом, что образуется острая кромка, которая является концентратором механических напряжений, что при насаживании головки на посадочный конус ножки приводит к возрастанию механических напряжений в месте перехода до критических значений и, как следствие, к последующему разрушению головки в процессе эксплуатации.
Кроме того в известной конструкции суставной головки искусственного тазобедренного сустава переход от лыски ко входу в коническое отверстие (внутренняя закраина), образует острый угол, который так же является концентратором механических напряжений, что при соединении ножки с головкой и последующем функционировании тазобедренного сустава в организме приведет к возрастанию механических напряжений.
При этом может возникнуть травматизация близлежащих мягких тканей осколками разрушившейся керамической головки и необходимость проведения ревизионной операции у пациента.
Задачей заявляемой полезной модели является устранение концентраторов механических напряжений в сферической съемной головке эндопротеза, разработка оптимальной и технологичной конструкции эндопротеза тазобедренного сустава, обладающего повышенной надежностью и долговечностью функционирования после имплантации.
Поставленная задача решена за счет того, что в эндопротезе тазобедренного сустава, содержащем ножку, один конец которой предназначен для внутрикостного введения, а второй конец снабжен шлифованным посадочным конусом, сферическую съемную головку со сформированным внутри нее шлифованным конусным отверстием, которое соответствует посадочному конусу ножки, при этом сужающаяся часть конусного отверстия расположена внутри головки и снабжена полостью, полость имеет форму расширяющегося конуса, причем угол между образующей боковой поверхности конусного отверстия головки и образующей боковой поверхности конуса полости составляет 9°-12°, кроме того на сферической головке в плоскости входной части конусного отверстия, выполнена лыска с внутренней и внешней закраинами, причем внутренняя закраина лыски, примыкающая к ножке, снабжена фаской с углом наклона относительно образующей боковой поверхности конусного отверстия в диапазоне 25°-35°. Посадочный конус ножки может быть выполнен из титана и на его поверхность методом плазменного анодирования нанесена окисная пленка.
Заявляемая полезная модель поясняется с помощью чертежей и графиков. На фиг. 1, схематически изображено соединение посадочного конуса ножки эндопротеза тазобедренного сустава со сферической съемной головкой. На фиг. 2 показан вид А входа в конусное отверстие сферической съемной головки со стороны посадочного конуса ножки в увеличенном масштабе. На фиг. 3 представлены графики распределения эквивалентных напряжений в области перехода конического отверстия головки в полость для двух вариантов выполнения сферических съемных головок: предлагаемой и базовой. На фиг. 4 представлены графики распределения эквивалентных напряжений в области входной части конусного отверстия головки для двух вариантов выполнения сферических съемных головок: предлагаемой и базовой.
На фиг. 1 и 2 позициями 1-6 показаны:
1 - посадочный конус ножки эндопротеза;
2 - сферическая съемная головка;
3 - полость, имеющая форму расширяющегося конуса;
4 - лыска в нижней части головки;
5 - внутренняя закраина с фаской;
6 - внешняя закраина
Эндопротез тазобедренного сустава выполнен в виде ножки, один конец которой предназначен для внутрикостного введения, а второй конец снабжен посадочным конусом 1 для соединения со сферической съемной головкой 2. Выполнение поверхностей посадочного конуса 1 и конического отверстия в головке 2 шлифованными, позволяет использовать для их соединения метод прессовой посадки. Такое соединение обеспечивает обширный контакт за счет развитой поверхности, полученной в процессе шлифования, исключает вращение деталей относительно друг друга, и, как следствие, обеспечивает надежную фиксацию съемной головки на посадочном конусе ножки. Внутри сферической съемной головки 2 расположена полость 3, которая имеет форму расширяющегося конуса. При этом угол α между образующей боковой поверхности конусного отверстия головки 2 и образующей боковой поверхности конуса полости 3, составляет 9°-12°. На сферической съемной головке 2 в плоскости входной части конусного отверстия выполнена лыска с плоским торцем и с внутренней 5 и внешней 6 закраинами, причем внутренняя закраина 5 лыски, примыкающая к посадочному конусу 1, снабжена фаской с углом наклона β относительно образующей боковой поверхности конусного отверстия в диапазоне 25°-35°.
В прототипе посадочный конус ножки и съемная головка с конусным отверстием соединяются по методу конического зажима, однако при таком соединении происходит взаимное движение между конусом ножки и головкой, которое из-за отсутствия фаски на входной части конусного отверстия головки приводит к разрушению части внутренней закраины и к возникновению участков в головке, способствующих в дальнейшем развитию трещин под нагрузкой и разрушению головки. Кроме того попадание частиц разрушенной закраины без фаски у прототипа приводит к заклиниванию конуса ножки в головке. При работе под нагрузкой увеличивается усилие на изгиб в нижней части головки. Предлагаемая конструкция эндопротеза тазобедренного сустава позволяет исключить этот недостаток.
В прототипе между внутренним краем конусного отверстия и полостью имеется резкий переход с углом 90°. Такой переход является концентратором механических напряжений. Для снижения механических напряжений и для более равномерного распределения нагрузки на опорную поверхность конического отверстия головки, а также для повышения прочности на сжатие головки, предложено в настоящем изобретении боковую стенку полости выполнить в виде расширяющегося конуса с углом между образующей боковой поверхности конусного отверстия головки и образующей боковой поверхности конуса полости - от 9° до 12°, что улучшает сопряжение деталей между собой, снижает механические напряжение, предотвращает разрушение керамической головки и увеличивает срок службы эндопротеза в целом.
Кроме того, в предлагаемой конструкции эндопротеза тазобедренного сустава на посадочный конус ножки из титана может быть нанесена окисная пленка, полученная методом плазменного анодирования, что позволяет повысить прочность поверхности посадочного конуса ножки, и дополнительно обеспечить более еще лучшую фиксацию посадочного конуса ножки внутри конусного отверстия съемной головки, исключить его вращение в процессе эксплуатации, и, следовательно, повысить надежность и долговечность эндопротеза. Слой окисной пленки устойчив к воздействиям компонентов крови.
Выполнение эндопротеза тазобедренного сустава предлагаемой конструкции позволяет исключить возможность разрушения головки при проведении операции и последующем функционировании эндопротеза в организме. Такой технический прием как выполнение головки с углом 9°-12° между образующей боковой поверхности конусного отверстия головки и расширяющейся образующей боковой поверхности конуса полости, а также формированию фаски на внутренней закраине лыски с углом наклона относительно образующей боковой поверхности конусного отверстия в 25°-35° позволяют устранить концентраторы механических напряжений в конструкции эндопротеза тазобедренного сустава, что способствует снижению риска разрушения головки во время функционирования конструкции в организме. Кроме того, выполнение головки с указанным углом между конусным отверстием и полостью и фаской на входе в конусное отверстие значительно снижает объем и травматичность проводимого ревизионного оперативного вмешательства.
Для подтверждения достижения технического результата заявляемой полезной модели по устранению концентраторов механических напряжений был проведен сравнительный анализ параметров напряженно - деформированного состояния (НДС) сферических съемных головок - предлагаемой и базовой. За базовую была выбрана конструкция головки, имеющая полость наиболее распространенного типа - «шляпка гриба», аналогичной полости у прототипа. Параметры НДС обеих головок вычислялись с помощью конечноэлементного моделирования задачи статического нагружения конструкции, включающей исследуемые головки. Для создания твердотельных моделей и исследования НДС конструкций использовался пакет программ SolidWorks. В результате решения задачи для моделей головок базовой и предлагаемой в заявке были получены все параметры НДС. Для оценки прочности конструкции наиболее важны эквивалентные напряжения. На фиг. 3 представлены графики распределения эквивалентных напряжений по сечению головки в области угла α: кривая (----) для предлагаемой конструкции съемной головки и кривая  для базовой конструкции. Из графиков видно, что максимальные напряжения в базовой головке составляют - 239,7 МПа, тогда как для заявляемой конструкции существенно ниже - 171,8 МПа, Таким образом, разница составляет 28,3%. Расчет распределения эквивалентных напряжений по сечению головки в области перехода в конусообразную полость показал, что у заявляемой конструкции головки по сравнению с базовой на 17,7% меньше.
Расчет распределения эквивалентных напряжений сечения головки в области внутренней закраины входной части конусного отверстия (угол β) съемной головки (Фиг. 4) для заявляемой конструкции съемной головки с фаской и базовой конструкции показал, что напряжения у заявляемой конструкции головки на 10,3% меньше.
Таким образом, предложенная конструкция эндопротеза тазобедренного сустава более технологична, т.к. не требует сложного инструмента для его изготовления, обеспечивает лучший контакт и примыкание поверхности посадочного конуса ножки и поверхности конусного отверстия сферической съемной головки, более равномерное распределение нагрузки на поверхности конического отверстия и по боковым поверхностям полости, меньшие напряжения на входной части конического отверстия съемной головки, а также лучшую адаптацию к физическим нагрузкам пациента, повышает надежность и долговечность функционирования сустава после имплантации.