DE69733850T2

DE69733850T2 - Zwischenwirbel-Prothesenvorrichtung

Info

Publication number: DE69733850T2
Application number: DE69733850T
Authority: DE
Inventors: R. Glenn Buttermann
Original assignee: Buttermann Glenn R Mahtomedi
Current assignee: Buttermann Glenn R Mahtomedi
Priority date: 1996-11-22
Filing date: 1997-11-06
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2017-11-07
Also published as: BR9714357A; EP0948299B1; ATE240702T1; JP2001504369A; KR100394937B1; CA2271800A1; JP3677050B2; WO1998022050A1; ATE300257T1; EP0948299A1; DE69733850D1; DE69722244T2; DK0948299T3; CA2271800C; EP1342456B1; US5827328A; AU719735B2; DE69722244D1; KR20000069084A; AU5154298A

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf eine neuartige intervertebrale prothetische Vorrichtung. Insbesondere bezieht sich diese Erfindung auf eine intervertebrale prothetische Vorrichtung, die implantiert werden kann, um eine beschädigte intervertebrale Scheibe (Bandscheibe) zu ersetzen.
Die menschliche Wirbelsäule ist eine flexible Struktur, die aus dreiunddreißig Vertebrae (Wirbeln) besteht. Intervertebrale Scheiben (Bandscheiben) trennen und lagern benachbarte Vertebrae. Die intervertebralen Scheiben dienen als Stoßdämpfer und ermöglichen eine Biegung zwischen den Vertebrae.
Eine intervertebrale Scheibe umfasst zwei Hauptbestandteile: den Nucleus Pulposus und den Annulus Fibrosis. Der Nucleus Pulposus ist zentral in der Scheibe gelegen und belegt 25–40% der Gesamtquerschnittsfläche der Scheibe. Der Nucleus Pulposus enthält üblicherweise 70–90 Gewichtsprozent Wasser und funktioniert mechanisch wie ein inkomprimierbare s hydrostatisches Material. Der Annulus Fibrosis umgibt den Nucleus Pulposus und widersteht Torsions- und Biegekräften, die auf die Scheibe aufgebracht werden. Der Annulus Fibrosis dient somit als Hauptstabilisierungsstruktur der Scheibe. Vertebrale Endplatten trennen die Scheibe von den Vertebralkörpern auf beiden Seiten der Scheibe.
Personen mit beschädigten oder degenerierten Scheiben erfahren oftmals erhebliche Schmerzen. Die Schmerzen resultieren teilweise aus einer Instabilität in der vertebralen Verbindung infolge eines Verlustes hydrostatischen Drucks in dem Nucleus Pulposus. Ein Verlust hydrostatischen Drucks führt zu einem Verlust an Scheibenhöhe.
Eine herkömmliche Behandlung für Krankheiten mit degenerativen Scheiben ist die spinale Verbindung (spinale Fusion). In einem derartigen Operationsverfahren entfernt ein Chirurg die beschädigte natürliche Scheibe und verbindet dann die zwei benachbarten vertebralen Knochen in ein Stück. Der Chirurg verbindet die vertebralen Knochen durch Einpfropfen von Knochen zwischen den benachbarten Vertebrae und verwendet bisweilen Metallstangen, Käfige oder Schrauben, um den Pfropfen an seinem Ort zu halten, bis der Pfropfen heilt. Weitere Verbindungsverfahren erfordern nicht eine chirurgische Beseitigung der Scheibe.
Obwohl spinale Fusion die mit degenerativen Scheibenkrankheiten verbundenen Schmerzen lindern kann, führt sie ebenso zu einem Verlust an Bewegung an der vertebralen Verbindung. Ein Mangel an Bewegung an der verbundenen Stelle führt zu zusätzlichem Druck auf die Scheiben oberhalb und unterhalb der Verbindung, was manchmal dazu führt, dass diese Degenerieren und Schmerz erzeugen. Um diese mit spinaler Fusion verbundenen Probleme zu lösen, wurden prothetische Vorrichtungen entwickelt, um die beschädigte Scheibe mit einem geeigneten biomechanischen Äquivalent zu ersetzen.
Bestehende prothetische Vorrichtungen hatten begrenzten Erfolg beim Wiederherstellen der Biomechanik einer natürlichen Scheibe. Beispielsweise offenbart US Patent Nr. 4,759,769 (Hedman et al) eine synthetische Scheibe, die eine obere und eine untere Platte besitzt, die gelenkig miteinander verbunden sind. Obwohl die gelenkige Scheibe eine Verdrehung nach vorne zwischen benachbarten Vertebrae ermöglicht, erlaubt die gelenkige Scheibe nicht Axialdruck oder Verdrehen zur Seite. Auch ermöglicht sie keine axiale Rotation der vertebralen Säule an der Stelle des Implantats.
Daher besitzt die Vorrichtung von Hedman et al nicht die Biomechanik einer natürlichen Scheibe.
In gleicher Weise kann die in US 4,309,777 (Patil) offenbarte prothetische Scheibenvorrichtung nicht die natürliche Bewegung zwischen benachbarten Scheiben abbilden. Die Vorrichtung von Patil umfasst zwei Becher, von denen einer den anderen überlappt und die voneinander durch Federn beabstandet sind. Die Becher bewegen sich nur in einer einzigen axialen Dimension. Die Vorrichtung von Patil ermöglicht somit nicht eine natürliche Biegung bzw. Verdrehung der Wirbelsäule in irgendeiner Richtung. Darüber hinaus kann stark eingeschränkte Bewegung der Vorrichtung von Patil zu hohen Spannungen in der Schnittstelle zwischen Vorrichtung und Gewebe wie zu einem Lösen des Implantats führen.
In einer offengelegten internationalen PCT-Anmeldung Nr. PCT/US 95/00727 (WO 95/19153) ist eine synthetische intervertebrale Scheibe zur Implantation in den menschlichen Körper beschrieben. Die Scheibe umfasst eine obere Platte und eine untere Platte, die durch Federn entlang des Inneren des äußeren Umfangs der oberen Platte und der unteren Platte verbunden sind. Die obere Platte und die untere Platte sind an benachbarten Wirbeln über Streifen verbunden, die durch Schrauben festgehalten sind. Die Platten umfassen ovalförmige Ausschnitte in ihren Zentren, die ermöglichen, dass ein zusammendrückbarer Polymerkern von den Platten hervorsteht. Der Polymerkern unterstützt die Vorrichtung beim Einpassen zwischen die konkaven Oberflächen zweier Wirbel und stellt eine zusätzliche Dämpfungswirkung bereit. Eine Elastomerabdeckung umgibt das Volumen zwischen der oberen Platte und der unteren Platte und verbindet die Platten abdichtend, um zu verhindern, dass Körpergewebe die Bewegung der Federn stört. Die Federn verteilen die auf die Platten wirkenden Kräfte und ermöglichen eine normale Bewegung der Wirbel während eines Biegens und Ausdehnens der Wirbelsäule in jeglicher Richtung.
Zahlreiche synthetische Scheibenvorrichtungen sind mit den vertebralen Körpern durch herkömmliche mechanische Befestigungen verbunden, wie Bolzen oder Schrauben, von denen bekannt ist, dass sie sich unter zyklischen Belastungsbedingungen lösen. Weitere synthetische Scheibenvorrichtungen verwenden Kunststoff- oder Elastomerbauteile, die im Laufe eines Lebens Abfall aufgrund von Verschleiß und mögliche unbekannte Nebenwirkungen erzeugen.
Die vorstehend beschriebenen Probleme sind nicht abschließend, sondern sind eher Teil von zahlreichen Problemen, die dazu neigen, die Effektivität bekannter intervertebraler prothetischer Vorrichtungen zu vermindern. Es könnten auch weitere zu beachtende Probleme existieren; allerdings sollten die oben beschriebenen ausreichend sein, um zu zeigen, dass gegenwärtig bekannte Vorrichtungen erheblichen Verbesserungen zugänglich sind.
Zusammenfassung der Erfindung
Dementsprechend ist es eine allgemeine Aufgabe der Erfindung, eine intervertebrale Scheibenprothese (Bandscheibenprothese) bereitzustellen, welche die Schwierigkeiten des vorstehend beschriebenen Typs beseitigen oder minimieren wird.
Insbesondere ist es eine besondere Aufgabe der Erfindung, eine intervertebrale prothetische Vorrichtung bereitzustellen, welche die mechanischen Eigenschaften einer natürlichen intervertebralen Scheibe nachbildet.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine intervertebrale prothetische Vorrichtung bereitzustellen, welche die Scheibenhöhe wieder herstellt, definiert als Axialabstand zwischen zu der beschädigten Scheibe benachbarten Vertebrae (Wirbeln), und welche den Bewegungsbereich einer natürlichen intervertebralen Verbindung dupliziert.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine intervertebrale prothetische Vorrichtung bereitzustellen, die in stabiler Beziehung zu benachbarten Vertebrae implantiert und aufrecht erhalten werden kann, ohne herkömmliche mechanische Befestigungen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine intervertebrale Scheibenprothese bereitzustellen, die minimaler Degradation des prothetischen Materials unterliegt und die minimale Verschleißabfälle unter langzeitigen zyklischen Belastungsbedingungen erzeugt.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine intervertebrale prothetische Vorrichtung bereitzustellen, welche axial komprierbar ist und somit Energie absorbiert, leicht repariert oder ersetzt werden kann, leicht herzustellen und durch einen Chirurgen verwendbar ist, und dauerhaft sowie modular ist.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Implantieren einer intervertebralen prothetischen Vorrichtung bereitzustellen, welche eine operative intervertebrale Verbindung stabilisiert und die mechanischen Eigenschaften einer degenerierten Scheibe wiederherstellt.
Gemäß der Erfindung wird eine intervertebrale prothetische Vorrichtung zur Implantation in eine Wirbelsäule nach Anspruch 1 bereitgestellt.
Die Erfindung ist dahingehend von Vorteil, dass sie in der Lage ist, zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben der Erfindung zu lösen.
In der prothetischen Vorrichtung ist das zweite Befestigungsteil bevorzugt dazu ausgestaltet, in der Nähe einer nahen Endplatte des zweiten Wirbelkörpers positioniert zu werden; eine solche Anordnung ermöglicht, dass mehr Knochen in der Wirbelsäule beim Einsetzen der Vorrichtung gehalten wird.
Insbesondere umfasst in der Prothesenvorrichtung das zweite Befestigungsteil eine erste Oberfläche, die dem kompressiblen Teil zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche, die von dem kompressiblen Teil abgewandt ist.
Die zweite Oberfläche (86) in der Prothesenvorrichtung ist bevorzugt konvex.
In der Prothesenvorrichtung ist bevorzugt die erste Oberfläche (84) und die zweite Oberfläche (86) schräg.
In der Prothesenvorrichtung besitzt das zweite Befestigungsteil bevorzugt einen Umfang, welcher in der Breite variiert.
In der Prothesenvorrichtung umfasst das zweite Befestigungsteil bevorzugt ein Halterungsteil. In der Prothesenvorrichtung ist das Halterungsteil besonders bevorzugt keilförmig. Das Halterungsteil besitzt besonders bevorzugt eine obere Oberfläche, welche an das kompressible Teil anbringbar ist und eine unter Oberfläche, die dazu ausgelegt ist, auf dem Knochen einer nahen Endplatte des zweiten Wirbelkörpers zu ruhen.
In der Prothesenvorrichtung besitzt bevorzugt das kompressible Teil mindestens ein kompressibles Element, welches dazu betreibbar ist, in Reaktion auf eine Einstellung des Befestigungsteils zusammengedrückt oder ausgedehnt zu werden. In der Prothesenvorrichtung besitzt bevorzugt das kompressible Teil Außenausdehnung, welche kleiner oder im Wesentlichen gleich einem Außendurchmesser des Nucleus Pulposus der Bandscheibe ist.
In der Prothesenvorrichtung umfasst bevorzugt das kompressible Teil mindestens eine Feder.
In der Prothesenvorrichtung umfasst bevorzugt mindestens eine Feder eine Spiralfeder, welche einen nicht gleichförmigen Querschnittsdurchmesser aufweist.
In der Prothesenvorrichtung besitzt bevorzugt die mindestens eine Feder eine nicht gleichförmige Steigung.
In der Prothesenvorrichtung umfasst bevorzugt die mindestens eine Feder eine Vielzahl von Spiralen mit jeweils einem Querschnitt, und mindestens zwei der Vielzahl von Spiralen weisen unterschiedliche Querschnitte auf.
In der Prothesenvorrichtung besitzt das kompressible Teil eine longitudinale Achse und eine Außenumgrenzung in einer Ebene senkrecht zu der Longitudinalen, wobei eine größte Ausdehnung der Außenbegrenzung kleiner oder im Wesentlichen gleich einem Durchmesser eines Nucleus Pulposus einer Bandscheibe ist. Das kompressible Teil umfasst besonders bevorzugt eine Vielzahl von Federn, und die Außenumgrenzung umgrenzt die Vielzahl von Federn.
In der Prothesenvorrichtung besitzt bevorzugt das kompressible Teil eine longitudinale Achse und eine Außenumgrenzung in einer Ebene senkrecht zu der longitudinalen Achse, wobei eine größte Ausdehnung der Außenbegrenzung kleiner oder im Wesentlichen gleich 3,0 cm ist.
In der Prothesenvorrichtung besitzen bevorzugt das erste Befestigungsteil und das zweite Befestigungsteil jeweils einen porösen Abschnitt. Ein solcher poröser Abschnitt stellt vorteilhaft eine zum Knocheneinwuchs geeignete Oberfläche dar, sodass die Befestigungsteile mit den Wirbeln verschmelzen, ohne herkömmliche mechanische Anbringungen zu erfordern.
In der Prothesenvorrichtung umfasst bevorzugt die Prothesenvorrichtung ein biokompatibles Material. Besonders bevorzugt umfasst das metallische Material mindestens eine einer Titanlegierung und einer Kobalt-Chrom-Legierung.
In der Prothesenvorrichtung umfassen bevorzugt das einstellbare Teil und das Halterungsteil ein Keramikmaterial. Das Keramikmaterial ist besonders bevorzugt mindestens eines von Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid.
In der Prothesenvorrichtung umfassen bevorzugt das mindestens eine Einstellungsteil mindestens ein Teleskopelement zum Einstellen einer Längenausdehnung des ersten Befestigungsteils entlang der ersten longitudinalen Achse.
Zusätzliche Aufgaben und Vorteile der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung dargelegt, und werden teilweise anhand der Beschreibung ersichtlich sein, oder können durch Ausführen der Erfindung erlernt werden. Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung können mittels der Einrichtungen und Kombinationen verwirklicht und erzielt werden, die in der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen besonders hervorgehoben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die begleitenden Zeichnungen, die in die Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil derselben bilden, veranschaulichen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der Erfindung und dienen zusammen mit der obigen allgemeinen Beschreibung und der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zum Erläutern der Prinzipien der Erfindung.
1 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht einer intervertebralen prothetischen Vorrichtung, die in eine Wirbelsäule implantiert ist, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine perspektivische Draufsicht eines komprimierbare n Elements der vorliegenden intervertebralen prothetischen Vorrichtung;
3A-3C sind perspektivische Draufsichten verschiedener Ausführungsformen einer Feder des komprimierbare n Elements der vorliegenden intervertebralen prothetischen Vorrichtung;
4 ist eine perspektivische, zum Teil explosionsartige Draufsicht eines Befestigungselements der vorliegenden intervertebralen prothetischen Vorrichtung und zeigt ein einstellbares Element und ein Tragelement;
5 ist eine Draufsicht einer zweiten Platte des einstellbaren Elements;
6 ist eine Seitenansicht im Querschnitt des Tragelements;
7 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht einer intervertebralen prothetischen Vorrichtung, die in eine Wirbelsäule implantiert ist, gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
8 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht, die subchondrale Knochen eines oberen vertebralen Körpers nach einer teilweisen Vertebrotomie zeigt;
9 ist eine Schnittansicht eines Vertebra nach einer teilweisen Vertebrotomie, wobei der Schnitt entlang der Linie 9-9 in 8 geführt ist;
10 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht eines vertebralen Verbindungsbereichs nach einer teilweisen Vertebrotomie und Entfernung eines Nuclus Pulposus aus einer natürlichen Scheibe;
11 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht der vertebralen Verbindung und zeigt ein Befestigungselement, umfassend ein einstellbares Element und ein Tragelement, das in einem unteren vertebralen Körper implantiert ist;
12 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht einer vertebralen Verbindung und zeigt ein komprimierbare s Element, das in eine intervertebrale Verbindung implantiert ist;
13 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht einer vertebralen Verbindung und zeigt eine Technik zum Einstellen der Höhe eines einstellbaren Elements, das in einen oberen vertebralen Körper implantiert ist; und
14 ist eine schematische, freigeschnittene Seitenansicht einer vertebralen Verbindung und zeigt eine Technik zum Knochenpfropfen eines einstellbaren Elements in einem oberen vertebralen Körper.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnen, und zunächst auf 1, wird eine intervertebrale prothetische Vorrichtung zu erkennen sein, allgemein mit 10 bezeichnet, die in eine Wirbelsäule 12 implantiert ist. Die intervertebrale prothetische Vorrichtung 10 ist derart ausgelegt, um eine beschädigte natürliche Scheibe zu ersetzen. Die intervertebrale prothetische Vorrichtung 10 besitzt ein erstes Befestigungselement 14, ein zweites Befestigungselement 16, und ein komprimierbare s Element 18, das zwischen dem ersten Befestigungselement 14 und dem zweiten Befestigungselement 16 positioniert ist.
Das erste Befestigungselement 14 ist in einem ersten vertebralen Körper (Wirbelkörper) 20 positioniert, und das zweite Befestigungselement 16 ist in einem zweiten vertebralen Körper 22 benachbart zu dem ersten vertebralen Körper 20 positioniert. Jedes Befestigungselement 14 und 16 besitzt ein einstellbares Element 28 bzw. 30, und ein Tragelement 32 bzw. 34. Jedes Befestigungselement besitzt ebenso eine Knochenkontaktfläche, die bevorzugt porös ist, zum Positionieren an einem subchondralen Knochen eines zugehörigen vertebralen Körpers. In 1 ist eine Knochenkontaktfläche 27 des einstellbaren Elements 28 an dem subchondralen Knochen einer Endplatte des oberen vertebralen Körpers 20 positioniert, und eine Knochenkontaktfläche 29 des einstellbaren Elements 30 ist an dem subchondralen Knochen einer Endplatte 38 des unteren vertebralen Körpers 22 positioniert. Wie nachfolgend beschrieben wird, erfordert die vorliegende intervertebrale prothetische Vorrichtung keine herkömmlichen mechanischen Befestigungen, wie Bolzen oder Schrauben, um die prothetische Vorrichtung an ihrem Ort zu halten. Das intervertebrale (d.h. in einem vertebralen Körper) Positionieren des Befestigungselements hält die prothetische Vorrichtung in einer stabilen Beziehung an der behandelten intervertebralen Verbindung.
Das einstellbare Element 28 des ersten Befestigungselements besitzt eine gedachte erste Längsachse, gezeigt durch eine gestrichelte Linie A-A, und Einstellelemente 24, die ein Einstellen der Höhe des einstellbaren Elements 28 im wesentlichen entlang seiner Längsachse A-A ermöglichen. In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das zweite Befestigungselement 16 strukturell ähnlich zu dem ersten Befestigungselement 14, jedoch umgekehrt. Das einstellbare Element 30 des zweiten Befestigungselements 16 besitzt eine zweite Längsachse, gezeigt durch eine gestrichelte Linie B-B, und Einstellelemente 26, die ein Einstellen der Höhe des einstellbaren Elements 30 im wesentlichen entlang seiner Längsachse B-B ermöglichen.
Das komprimierbare Element 18 umfasst mindestens eine Feder und umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Federn. Der Fachmann wird allerdings erkennen, dass das komprimierbare Element andere geeignete Aufbauten umfassen kann. Beispielsweise kann das komprimierbare Element einen monolithischen Körper aufweisen, der aus einem biokompatiblen Material hergestellt ist und in einer Axialrichtung komprierbar ist, das heißt in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der Wirbelsäule.
Das komprimierbare Element 18 ist in dem Bereich eines entfernten Nucleus Pulposus der behandelten intervertebralen Scheibe implantiert. Das komprimierbare Element 18 besitzt derartige Abmessungen, dass der Annulus Fibrosis der natürlichen Scheibe aufrecht erhalten wird. Die vorliegende intervertebrale prothetische Vorrichtung stellt die mechanischen Eigenschaften des Nucleus Pulposus wieder her, ohne den Annulus Fibrosis zu zerstören. Ein Aufrechterhalten des Annulus Fibrosis hält die Stabilität der intervertebralen Verbindung an der Stelle des Implantats aufrecht. Darüber hinaus dient der Annulus Fibrosis als Grenze für das komprimierbare Element und minimiert eine zufällige Verschiebung der prothetischen Vorrichtung.
Die intervertebrale prothetische Vorrichtung 10 erlaubt deutlich mindestens vier Grade von Relativbewegung zwischen dem ersten vertebralen Körper 20 und dem zweiten vertebralen Körper 22. Diese Grade von Relativbewegung umfassen sagittales Beugen, koronales Beugen, Axialrotation und Axialkompression. Darüber hinaus erlaubt das komprimierbare Element kleine Schritte einer Translationsbewegung zwischen den vertebralen Körpern (d.h. fünfte und sechste Grade von Relativbewegung, nämlich Anterior-Posterior-Translation und Quertranslation von Seite zu Seite).
Eine bevorzugte Ausführungsform des komprimierbaren Elements 18 ist in 2 gezeigt. Das komprimierbare Element 18 besitzt eine obere Platte 42, eine untere Platte 44 und eine Mehrzahl von Schraubenfedern 40, die zwischen der oberen Platte 42 und der unteren Platte 44 erstrecken. Die obere Platte 42 besitzt eine erste Fläche 46, die mit dem ersten Befestigungselement 14 verbindbar ist, und eine zweite Fläche 48. Die untere Platte 44 besitzt ebenso eine erste Fläche 50, die mit dem zweiten Befestigungselement 16 verbindbar ist, und eine zweite Fläche 52. Die Federn 40 erstrecken sich zwischen den zweiten Flächen 48 und 52.
Wenn es vorgespannt ist, was ausführlicher unten beschrieben wird, besitzt das komprimierbare Element 18 bevorzugt eine Axialhöhe von näherungsweise 1,5 cm, die am größten ist dem Niveau des Vertebrae L45, und etwas geringer ist an dem oberen lumbaren Vertebrae. Die Schraubenfedern 40 sind bevorzugt derart ausgelegt, dass sie eine nicht lineare Steifigkeit besitzen, so dass sie bei höheren aufgebrachten Lasten steifer werden. Die nicht lineare Steifigkeit simuliert die physiologische intervertebrale Steifigkeit.
Der Fachmann wird weitere mit der vorliegenden Erfindung vorstellbare Ausführungsformen erkennen. Beispielsweise kann das komprimierbare Element 18 eine Mehrzahl von Federn aufweisen, die sich zwischen den Tragelementen 32 und 34 erstrecken und direkt mit diesen verbunden sind. Alternativ kann das komprimierbare Element 18 eine einzelne Feder mit einem relativ großen Schraubendurchmesser (nicht gezeigt) aufweisen, die sich zwischen den Tragelementen erstreckt und direkt mit diesen verbunden ist. Jegliche Federanordnung kann verwendet werden, die eine ausreichende axiale Druckkraft erzeilt, um die Biomechanik der natürlichen Scheibe abzubilden.
In jeder Ausführungsform umfasst das komprimierbare Element eine gedachte Längsachse, gezeigt durch die gestrichelte Linie C-C in 2, und einen äußeren Umfang in einer Ebene quer zu der Längsachse C-C. Eine größte Abmessung des äußeren Umfangs des komprimierbaren Elements ist geringer als oder im wesentlichen gleich dem Durchmesser eines Nucleus Pulposus der natürlichen und der vertebralen Scheibe. Anders ausgedrückt umschreibt der Annulus Fibrosis der natürlichen Scheibe, der in dem Implantationsverfahren im wesentlichen erhalten wird, das komprimierbare Element 18. Wenn beispielsweise das komprimierbare Element eine Mehrzahl von Federn aufweist, umschreibt der äußere Umfang des komprimierbaren Elements die Federn, und die größte Abmessung dieses äußeren Umfangs kann sich bis zum Nucleus Pulposus, jedoch nicht darüber hinaus, erstrecken. In einer weiteren Ausführungsform, in welchem das komprimierbare Element eine obere Platte und eine untere Platte aufweist, und in welchem diese Platten in den Annulus Fibrosis passen und sich hinter die äußersten Abschnitte der Federn erstrecken, entspricht der äußere Umfang dem größeren der beiden Plattenumfänge. teilmäßig ausgedrückt liegt der äußere Umfang des komprimierbaren Elements bevorzugt im Bereich von 2 cm bis 3 cm, was näherungsweise den Durchmesser des Nucleus Pulposus einer natürlichen intervertebralen Scheibe entspricht.
3A–3C zeigen drei Ausführungsformen einer Schraubenfeder, die dazu ausgelegt ist, eine nicht lineare Steifigkeit zu besitzen. In der Ausführungsform von 3A besitzt die Schraubenfeder 54 einen variablen oder nicht gleichförmigen Querschnittsdurchmesser 56. 3B zeigt eine weitere Ausführungsform, in der eine Schraubenfeder 58 eine variable Ganghöhe 60 besitzt, wobei die Ganghöhe als beabstandet zwischen nacheinanderfolgenden Schraubengängen der Feder 58 definiert ist. 3C zeigt eine dritte Ausführungsform einer Schraubenfeder 62, in der mindestens zwei der Schraubenfedern unterschiedliche Radien 64 besitzen, gemessen von einer gedachten Achse D-D, die sich entlang der zentralen Achse der Feder 62 erstreckt.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des ersten Befestigungselements 14. In der Ausführungsform ist das zweite Befestigungselement 16 dem ersten Befestigungselement 14 strukturell ähnlich, jedoch umgekehrt. Die nachfolgende Diskussion ist somit ebenso auf das zweite Befestigungselement 16 anwendbar.
Das Befestigungselement 14 umfasst ein einstellbares Element, allgemein mit 28 bezeichnet, und ein Tragelement 32. Das einstellbare Element 28 ist in einer Axialrichtung durch das Einstellelement 24 einstellbar. Die Einstellelemente 24 umfassen bevorzugt Teleskopstäbe, die sich zwischen einer ersten Platte 31 und einer zweiten Platte 33 erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die erste Platte 31 eine Knochenkontaktfläche, wie 27, die in einem eingesetzten Umfeld in 1 zeigt, und die zweite Platte besitzt eine Fläche 35 zum Positionieren an dem Tragelement 32. Obwohl die veranschaulichte Ausführungsform ebene Platten 31 und 33 zeigt, wird dem Fachmann ersichtlich sein, dass diese Strukturen nicht eben sein müssen und beispielsweise gewellte Oberflächen besitzen können. Tatsächlich ist in einer Ausführungsform die Knochenkontaktfläche 27 der ersten Platte 31 konkav, um der Kontur des subchondralen Knochens des zugehörigen vertebralen Körpers angepasst zu sein.
Die Einstellelemente 24 stellen den Abstand zwischen der ersten Knochenkontaktplatte 31 und der zweiten Platte 33 ein, und stellen somit die Höhe des einstellbaren Elements 28 ein. Ein Chirurg kann die Teleskopstäbe einstellen, um die Höhe des einstellbaren Elements einzustellen und somit das komprimierbare Element vor zu belasten, um die Axialkompression mechanisch zu reproduzieren, die durch einen Nucleus Pulposus einer natürlichen Scheibe absorbiert wird. Ein Vorbelasten des komprimierbaren Elements stellt die intervertebrale Höhe an der behandelten Verbindung wieder her und stellt die Funktion des Annulus Fibrosis wieder her. Der Annulus Fibrosis teilt die Belastung mit dem komprimierbaren Element, was die Spannungen an der Kontaktfläche zwischen Implantat und Gewebe vermindert.
Jeder Teleskopstab ist mit einer Verriegelungsschraube 63 ausgestattet, um die Länge des Stabes 24 einzustellen und somit die Höhe des einstellbaren Elements zu regeln. Die Verriegelungsschraube 63 kann beispielsweise ein Stift (nicht gezeigt) aufweisen, der sich sowohl durch den Teleskopabschnitt 65 als auch dem Gehäuseabschnitt 67 des Stabes 24 erstreckt. Jeder Stab 24 ist unabhängig einstellbar. 5 zeigt eine Draufsicht der zweiten Platte 33 des einstellbaren Elements 28. Die einstellbaren Elemente 24 sind bevorzugt gleichmäßig voneinander beabstandet, um eine spezifische Höheneinstellung verschiedener Regionen des einstellbaren Elements zu ermöglichen.
Ein Schlüsselmerkmal der vorliegenden Erfindung ist, dass ein Regeln der Höhe der einstellbaren Elemente 28 und 30 zusammen mit der Auswahl eines Tragelements geeigneter Abmessungen die "Scheiben"-Höhe regelt. Die Scheibenhöhe ist definiert als der Axialabstand zwischen den Vertebrae oberhalb und unterhalb der behandelten Scheibe. Zusätzlich zum Wiederherstellen der Scheibenhöhe dient das komprimierbare Element 18 als Stoßdämpfer zum Minimieren von Stoßbelastung und somit zum Minimieren eines Versagens der Vorrichtung oder eines Vertebralbruchs.
In einer bevorzugten Ausführungsform besitzen das erste und das zweite Befestigungselement 14 und 16 poröse Abschnitte, wie die Knochenkontaktfläche 27, um ein Knocheneinwachsen zu ermöglichen. In einer anderen Ausführungsform kann ein biokompatibler Stoff oder ein geeignetes Material um die Befestigungselemente gewickelt sein, um Knocheneinwuchs zu ermöglichen. Die vorliegende prothetische Vorrichtung erfordert keine herkömmlichen mechanischen Befestigungen, wie Bolzen oder Schrauben, um die Prothese dauerhaft an ihrem Ort zu halten. Allerdings kann die vorliegende prothetische Vorrichtung mechanische oder andere Befestigungen einschließen, um die porösen Abschnitte der Befestigungselemente zu unterstützten und die prothetische Vorrichtung temporär an ihrem Ort zu befestigen, bis Knocheneinwuchs aufgetreten ist.
Um Knocheneinwuchs weiter zu fördern können die Einstellelemente 24 Rippen 66 einschließen, die sich nach außen von einer Außenfläche des Elements 24 erstrecken, wie in 4 gezeigt. Die Rippen 66 erhöhen den Oberflächenbereich des Befestigungselements 14, an welchem Knochen anhaften kann. Diese Rippen 66 sind bevorzugt an den Einstellelementen gelegen, die auf der anterioren Seite des einstellbaren Elements 28 gelegen sind. Die vorliegende prothetische Vorrichtung kann ebenso Vorsprünge (nicht gezeigt) an der Knochenkontaktfläche des einstellbaren Elements einschließen, um den Oberflächenbereich des porösen Abschnitts des Befestigungselement zu erhöhen und somit Knocheneinwuchs zu fördern.
6 zeigt einen Querschnitt eines Tragelements 32. Das Tragelement 32 besitzt eine erste Fläche 72, welche betrieblich von dem komprimierbaren Element 18 abgewandt ist, und eine zweite Fläche, die betrieb dem komprimierbaren Element 18 zugewandt ist. Die erste und die zweite Fläche 72 und 74 sind schräg, so dass eine Umfangsfläche 77 um das Trageelement 32 in ihrer Breite variiert, wie in 4 gezeigt. Das Tragelement 32 ist somit keilförmig. In anderen Worten verjüngt sich das Tragelement 32 bevorzugt von einer maximalen Dicke auf einer Seite 73 zu einer minimalen Dicke auf einer gegenüberliegenden Seite 75. Im allgemeinen ist das Tragelement 32 auf der Seite des Befestigungselements 14, das anterior in der Wirbelsäule eines Patienten platziert ist, dicker, um die natürliche Krümmung der Wirbelsäule zu berücksichtigen.
Die Tragelemente sind mit verschiedenen Dicken und mit verschieden angewinkelten Flächen konstruiert, in Abhängigkeit vom vertebralen Niveau der eingesetzten intervertebralen Verbindung. Ein in 6 gezeigter Winkel θ liegt im Bereich von 3–10 Grad. Die Tragelemente sind derart geformt, um eine sagittale Ausrichtungen aufrecht zu erhalten. Ein Aufrechterhalten sagittaler Ausrichtung vermeidet eine ungleichmäßige Belastung des komprimierbaren Elements und vermeidet ein frühes Ermüdungsversagen dieses Elements.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform der vorliegenden intervertebralen prothetischen Vorrichtung, allgemein mit 76 bezeichnet, welche ein erstes Befestigungselement 78, ein zweites Befestigungselement 80 und ein komprimierbares Element 82 aufweist. Das komprimierbare Element 82 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Befestigungselement 78 und 80 positioniert. Das zweite Befestigungselement umfasst ein keilförmiges Tragelement mit einer oberen Fläche 84, die an dem komprimierbaren Element 82 angebracht ist, und einer unteren Fläche 86, die auf einem subchondralen Knochen einer nahen Endplatte 88 eines unteren vertebralen Körpers ruht. In dieser Ausführungsform führt ein Einstellen des ersten Befestigungselements 78 zu einer Vorbelastung des komprimierbaren Elements 82 in geeignetem Ausmaß. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für junge Patienten. Ebenso besitzt in dieser Ausführungsform eine untere Fläche 86 des Tragelements 80 eine leicht konvexe Form, um sich der natürlichen Kontur der nahen Endplatte des unteren vertebralen Körpers anzupassen. Die Fläche 86 ist bevorzugt aus einem porösen Material aufgebaut.
Wie anhand der Ausführungsformen aus 1 und 7 ersichtlich ist, besitzt die vorliegende intervertebrale prothetische Vorrichtung ein modulares Design, so dass die Prothese an die Anatomie des Patienten angepasst und für den Zustand des Patienten ausgelegt werden kann. Das modulare Design ermöglicht ebenso ein Ersetzen einzelner Bauteile der Prothese (d.h. eines einstellbaren Elements, eines Tragelements, oder eines komprimierbaren Elements), anstelle die gesamte Prothese im Falle eines Bauteilversagens zu ersetzen. Das komprimierbare Element ist bevorzugt an den Befestigungselementen mittels mechanischer Befestigungen, wie Schrauben, anstelle Knochenzement angebracht, so dass ein Chirurg leicht beschädigte oder abgenutzte Bauteile ersetzen kann.
Darüber hinaus, da die vorliegende prothetische Vorrichtung keine Kugellager, Walzen oder Gelenke besitzt, erzeugt sich wenig Verschleißabfall. Und da die vorliegende prothetische Vorrichtung keine künstlichen Polymer- oder Elastomerbauteile einschließen muss, zeigt die vorliegende prothetische Vorrichtung keine Verschlechterung unter langzeitigen zyklischen Belastungsbedingungen.
Die vorliegende prothetische Vorrichtung umfasst biokompatible Metallmaterialien, bevorzugt eine Titanlegierung, die beispielsweise 4% Vanadium und 6% Aluminium besitzt. Der Fachmann wird andere geeignete Materialien erkennen, beispielsweise eine Kobalt- Chromlegierung, wie eine Legierung Nr. 301. Alternativ kann die vorliegende prothetische Vorrichtung, mit Ausnahme der Federn des komprimierbaren Elements, ein Keramikmaterial aufweisen, wie Aluminiumoxyd oder Zirkoniumoxyd. Die porösen Flächen des Knochenkontaktelements und des Tragelements können mit hydroxyapatischen oder bioaktiven Proteinen beschichtet sein (beispielsweise Knochen-morphogenes Protein), um Knocheneinwuchs zu fördern.
Ein Verfahren zum Ersetzen der intervertebralen Scheibe wird nun in Verbindung mit 8–14 beschrieben. 8 zeigt eine pathologische intervertebrale Scheibe 19, die zwischen einem oberen vertebralen Körper 92 und einem unteren vertebralen Körper 94 gelegen ist. Vor der Implantation führt ein Chirurg eine teilweise Vertebrotomie durch, um Knochenmaterial von dem oberen vertebralen Körper 92 zur Aufnahme eines Befestigungselements zu entnehmen. Die teilweise Vertebrotomie erzeugt einen Hohlraum, der durch einen subchondralen Knochen einer entfernten Endplatte 96 und einen subchondralen Knochen einer nahen Endplatte 98 des oberen vertebralen Körpers 92 begrenzt ist. 9 zeigt eine Querschnittsansicht des oberen vertebralen Körpers 92 nach der teilweisen Vertebrotomie, wobei der Schnitt entlang der Linie 9-9 in 8 geführt ist.
Als nächstes entnimmt der Chirurg den Nucleus Pulposus der beschädigten Scheibe, um einen Hohlraum 100 zu erzeugen, wie in 10 gezeigt, zur Aufnahme des komprimierbaren Elements. Der Annulus Fibrosis 102, der in 11 zu sehen ist, wird erhalten. Der Chirurg kann eine teilweise Vertebrotomie an dem unteren vertebralen Körper durchführen oder kann Knorpelgewebe nur an der nahen Endplatte entnehmen, in Abhängigkeit davon, ob der Chirurg die in 1 gezeigte Ausführungsform bzw. die in 7 gezeigte Ausführungsform implantiert. Die nachfolgende Beschreibung erläutert die Implantation der in 1 gezeigten Prothese. Allerdings wird der Fachmann verstehen, wie das unten beschriebene Verfahren zu verändern ist, um die Prothese aus 7 zu implantieren.
Nach Abschluss der teilweisen Vertebrotomien implantiert der Chirurg ein Befestigungselement 104 in den hinteren vertebralen Körper 94, wie in 11 gezeigt. Der Chirurg wählt ein Tragelement mit einer geeigneten Dicke aus, um die Winkelstellung an der behandelten intervertebralen Stelle aufzunehmen. Dann fügt der Chirurg ein komprimierbares Element 106 in den Hohlraum ein, der zuvor den Nucleus Pulposus der beschädigten Scheibe enthielt, und verbindet dieses mit dem Befestigungselement 104, wie in 12 gezeigt. Das komprimierbare Element 106 und das Befestigungselement 104 können durch herkömmliche Befestigungselemente verbunden werden, wie Schrauben, oder durch biokompatiblen Zement oder eine geeignete Klebstoffzusammensetzung. Schließlich implantiert der Chirurg ein weiteres Befestigungselement, ähnlich zu dem in den unteren vertebralen Körper 94 implantierten, jedoch umgekehrt, in den oberen vertebralen Körper 92. Eine Verbindung dieses Befestigungselements mit dem komprimierbaren Element 106 bildet eine intervertebrale prothetische Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist.
Sobald die Befestigungselemente an ihrem Ort sind, dehnt der Chirurg jedes einstellbare Element aus, eines nach dem anderen, durch Platzieren einer Spreizvorrichtung mit einem kalibrierten Spannungsmesser zwischen der ersten und der zweiten Platte des einstellbaren Elements. Der Chirurg bringt eine Spreizung auf, bis das einstellbare Element an dem subchondralen Knochen des vertebralen Körpers sitzt und bis die gewünschte Kompression auf das komprimierbare Element aufgebracht ist. Die Einstellelemente des einstellbaren Elements werden dann gesichert. 13 zeigt eine Rotation der Verriegelungsschrauben 12 der einzelnen Teleskopstäbe 108, um diese Stäbe in einer geeigneten Höhe zu sichern.
Als nächstes packt der Chirurg Spongiosa-Pfropfen 118 um die Stäbe jedes einstellbaren Elements, wie in 14 gezeigt. Das Knochenwachstum um das Befestigungselement und in dessen poröse Flächen hält die intervertebrale prothetische Vorrichtung an ihrem Ort, ohne mechanische Befestigungen, die typischerweise in herkömmlichen Scheibenprothesen verwendet werden. Dann ersetzt der Chirurg den kortikalen Knochen von dem teilweisen Vertebrotomie-Vorgang und sichert diesen mit einer Knochenschraube oder Knochenzement.
Zusätzliche Vorteile und Veränderungen werden dem Fachmann leicht ersichtlich sein. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Zielrichtungen nicht auf die spezifischen Details und repräsentativen Vorrichtungen, die hier gezeigt und beschrieben sind, beschränkt. Dementsprechend können zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden, ohne von dem Schutzbereich des allgemeinen erfinderischen Konzepts, wie es durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.

Claims

Intervertebrale Prothesenvorrichtung (76) zur Implantation in eine Wirbelsäule, wobei die Vorrichtung (76) aufweist: ein erstes Befestigungselement (78) zur Befestigung innerhalb eines Hohlraums eines ersten Wirbelkörpers, wobei das erste Befestigungsteil (78) ein erste longitudinale Achse und wenigstens ein Einstellelement (24) zum Einstellen einer Längenausdehnung des ersten Befestigungsteils (78) entlang der ersten longitudinalen Achse aufweist; ein zweites Befestigungsteil (80) ohne Einstellelemente, welches dazu ausgestaltet ist, an dem Knochen eines zweiten Wirbelkörp0ers benachbart zu dem ersten Wirbelkörper positioniert zu werden; und ein komprimierbares Teil (82), welches zwischen dem ersten Befestigungsteil (78) und dem zweiten Befestigungsteil (78) positioniert ist, wobei das kompressible Teil (82) nach der Implantation kompressibel ist.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 1, wobei das zweite Befestigungsteil (80) dazu ausgestaltet ist, in der Nähe einer nahen Endplatte des zweiten Wirbelkörpers positioniert zu werden.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 2, wobei das zweite Befestigungsteil (80) eine erste Oberfläche (84), welche dem kompressiblen Teil (82) zugewandt ist, und eine zweite Oberfläche (86), welche von dem kompressiblen Teil (82) abgewandt ist, beinhaltet.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 3, wobei die zweite Oberfläche (86) konvex ist.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 1, wobei die erste Oberfläche (84) und die zweite Oberfläche (86) schräg sind.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 1, wobei das zweite Befestigungsteil (78) einen Umfang aufweist, welcher in der Breite variiert.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 1, wobei das zweite Befestigungsteil (78) ein Halterungsteil umfasst.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 7, wobei das Halterungsteil keilförmig ist.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 7, wobei das Halterungsteil eine obere Oberfläche (84), welche an das kompressible Teil anbringbar ist, und eine untere Oberfläche (86), welche dazu ausgestaltet ist, auf dem Knochen einer nahen Endplatte des zweiten Wirbelkörpers zu ruhen, aufweist.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 1, wobei das kompressible Teil (82) wenigstens ein kompressibles Element aufweist, welches dazu betreibbar ist, in Reaktion auf eine Einstellung des Befestigungsteils (78) zusammengedrückt oder ausgedehnt zu werden.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 1, wobei das kompressible Teil (82) eine Ausdehnung aufweist, welche kleiner oder im Wesentlichen gleich einem Durchmesser des Nucleus puposus der Bandscheibe ist.
Prothesenvorrichtung (76) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kompressible Teil (18) wenigstens eine Feder (40) umfasst.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Feder (40) eine Spiralfeder (54) umfasst, welche einen nicht gleichförmigen Querschnittsdurchmesser (56) aufweist.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Feder (58) eine nicht gleichförmige Steigung (60) aufweist.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 12, wobei die wenigstens eine Feder (62) eine Vielzahl von Spiralen mit jeweils einem Querschnitt umfasst und wenigstens zwei der Vielzahl von Spiralen unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Prothesenvorrichtung (76) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kompressible Teil (82) eine longitudinale Achse und eine Außenumgrenzung in einer Ebene senkrecht zu der longitudinalen Achse aufweist, wobei eine größte Ausdehnung der Außenumgrenzung kleiner oder im Wesentlichen gleich einem Durchmesser eines Nucleus pulposus einer Bandscheibe ist.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 16, wobei das kompressible Teil (82) eine Vielzahl von Federn (40) umfasst und die Außenumgrenzung die Vielzahl von Federn (40) umgrenzt.
Prothesenvorrichtung (76) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das kompressible Teil (82) eine longitudinale Achse und eine Außenumgrenzung in einer Ebene senkrecht zu der longitudinalen Achse aufweist, wobei eine größte Ausdehnung der Außenumgrenzung kleiner oder im Wesentlichen gleich 3,0 cm ist.
Prothesenvorrichtung (76) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Befestigungsteil (78) und das zweite Befestigungsteil (80) jeweils einen porösen Abschnitt aufweisen.
Prothesenvorrichtung (76) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prothesenvorrichtung ein biokompatibles Material umfasst.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 20, wobei das metallische Material wenigstens eine von einer Titan-Legierung und einer Kobalt-Chrom-Legierung umfasst.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 7, wobei das einstellbare Teil und das Halterungsteil ein Keramikmaterial umfasst.
Prothesenvorrichtung (76) nach Anspruch 22, wobei das Keramikmaterial wenigstens eines von einem Aluminiumoxid und eine Zirkoniumoxid ist
Prothesenvorrichtung (87) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Einstellungsteil (24) wenigstens ein Teleskopelement zum Einstellen einer Längenausdehnung des ersten Befestigungsteils (76) entlang der ersten longitudinalen Achse umfasst.