DE2806414B2 - Platte für die Osteosynthese - Google Patents
Platte für die OsteosyntheseInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Platte laut Oberbegriff des Anspruchs 1.
Unter dem Begriff Osteosynthese versteht man die nach einer Knochenfraktur erfolgte Verbindung von
Knochenteilen mittels eingesetzter Implantate (beispielsweise das Buch »Manual der Osteosynthese« von
M. E. Müller, M. Allgöwer und H. Willenegger, 1969; Springer-Verlag oder »Die dynamische Kompressionsplatte DCP«, Springer-Verlag von M. Allgöwer, L.
Kinzl, P. Matter, S. M. Perren, T. Rüedi sowie die Publikation »A dynamic compression plate« von S. M.
Perren, M. Russenberger, S. Steinemann, M. E. Mueller, M. Allgoewer; Acta orthop. Scand. Suppl. 125, 29, 1969
oder CH-PS 4 62 375 und der dieser entsprechenden US-PS 35 52 389 sowie der US-PS 35 28 085).
Eine Platte laut Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bekannt (Prospekt »Vitallium Surgical Appliances«), die
durch deren Ausbildung eine gleichmäßige Zugbelastung über die gesamte Länge aufnehmen sollen
können, wobei die offenkundig vorbenutzte Version dieser Platte leicht gewölbt ist und eine konstante Höhe
und trotz der Forderung gleichmäßiger Zugbelastung keine konstante Größe der Querschnittsflächen aufweist,
wie dies zur Erzielung gleichmäßiger Zugfestigkeit eigentlich theoretisch erforderlich wäre. Wegen der
begrenzten Breite des Knochens, auf dem diese bekannte Platte aufliegen soll, ist in der praktischen
Ausführung die theoretische Forderung nicht erfüllt.
Eine Platte mit konstanter Höhe, d. h. konstantem Abstand zwischen der Ober- und Unterseite der Platte,
welche beide gemeinsam die Schraublöcher aufweisen, und mit variabler Breite der insgesamt ebenfalls
gewölbten Platte ist auch noch bekannt (US-PS 11 05 105), wobei offen bleibt ob die Querschnittsfläche
dieser bekannten Platte konstant bleibt.
Weiterhin sind Platten für die Osteosynthese mit konstanter Breite und variabler Höhe bekannt (US-PS
34 63 148), die ebenfalls gewölbt sind und im Bereich der Schraubenlöcher eine im wesentlichen konstante
Querschnittsfläche zur Erzielung einer im ivesentlichen konstanten Zugfestigkeit auch im Bereich der Schraubenlöcher
aufweisen.
In der Praxis hat sich herausgestellt, daß diese bekannten Platten, welche nach herkömmlichen Operationsmethoden
so angebracht werden, daß sie nicht auf Druck, sondern auf Zug belastet sind, trotz der
getroffenen Maßnahmen unter Konstanthaltung der Zugfestigkeit brechen. Der Prozentsatz beträgt etwa 0,5
bis 2% der Osteosynthese-Fraktur-Behandlungen, wobei der Bruch zumeist direkt im Bereich der
Schraubenlöcher liegt Schließlich ist weder bei den bekannten Platten mit konstanter Breite und variabler
Höhe und jenen der gattungsgemäßen Art mit konstanter Höhe und variabler Breite die angestrebte
Forderung der konstanten Querschnittsflä^he an allen Stellen der Platte konsequent verwirklicht, weil dies zu
praktisch nicht mehr hinnehmbaren Verbreiterungen oder Erhöhungen führt, die an dieser Stelle eine
Unstetigkeit und größeres Volumen zur Folge haben, die eine Körperabwehrreaktion wegen des verdrängten r,
umliegenden Gewebes bewirken.
Obwohl es bekannt gewesen ist, versteifende Profilierungen zur Verbesserung der Biegebeanspruchbarkeit
bekannter Osteosyntheseplatten zu verwenden, wird lediglich festgestellt, daß sich Schwachsteilen im jo
Bereich der Schraublöcher ergeben. Eine Anregung zur Beseitigung der Schwachstellen, geschweige denn ein
Hinweis, auf welche Art dies geschehen sollte, ist nicht angegeben (Zeitschrift Mot 6/74, Seiten 168-174). Bei
den bekannten Platten nach dem Stande der Technik r> liegen naturgemäß die Biegewiderstandsmomente zwischen
zwei Grenzwerten, von denen der untere etwa um 50% von dem oberen abweicht
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Biegesteifigkeit gattungsgemäßer Osteosyntheseplatten
bei möglichst kleinem Volumen zwischen zwei Grenzwerten so zu erhöhen, daß keine Ermüdungs- und
andere Brüche der Platten und auch keine Knicke und unstetige Krümmungen beim Anpassen der Platte an die
Knochenform mehr vorkommen. 4 j
Diese Aufgabe wird bei einer Platte laut Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch dessen
kennzeichnende Merkmale gelöst.
Durch gleichzeitige Variation der Breite und der Höhe der Platte, welche durch die Materialstärke
zwischen der zum Aufliegen auf dem Knochen bestimmten Fläche und der ihr gegenüberliegenden
Oberseite der Platte mit den Schraublöchern bestimmt ist, ergibt sich auf überraschend einfache Weise die
Lösung der Aufgabe, ohne daß dies die bloße Kombination der aus der US-PS 34 63 148 und des
Prospektes Vitallium wäre, weil sich dann bei gleichzeitiger Variation der Höhe und Breite eine konstante
Querschnittsfläche auch im Bereich der Schraubenlöcher ergeben würde, was nach Lehre der Erfindung to
nicht der Fall ist und auch zu einem größeren verdrängten Volumen an Körpergewebe im Bereich der
Schraublöcher führen würde.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn- br,
zeichnet.
Es sind zwar Platten für die Osteosynthese bekannt, bei denen im Bereich eines Teils der Schraubenlöcher
Höhe und Breite variiert sind (FR-PS 7 42 618) diese Bereiche dienen jedoch lediglich zur Erzielung einer
Spannwirkung beim Einsetzen der Schraube; insbesondere wird mit dieser Maßnahme allenfalls eine lokale
Änderung des Biegewiderstandsmoments erzielt, nicht hingegen über die gesamte Länge der Platte konstant
gehalten.
Es sollen nun zunächst einige mögliche Querschnittsformen der Platte sowie einige geometrische Begriffe
erläutert werden. Die Platten können im Querschnitt rechteckig sein, wobei dann eine der beiden breiteren
Längsflächen die auf dem Knochen aufzuliegen bestimmte Auflagefläche bildet Die Platten können
jedoch in verschiedener Weise mehr oder weniger von dieser Grundform abweichen. Zuerst ist zu erwähnen,
daß die Auflagefläche, mit der die Platte auf dem Knochen aufzuliegen bestimmt ist, nicht eben sein muß,
sondern durch den Abschnitt einer Zylinderfläche gebildet wird, wobei die Zylinderachse parallel zur
Längsrichtung der Platte ist Der Krümmungsradius soll dann natürlich ungefähr dem Radius des betreffenden
Knochens entsprechen. Die Platte könnte jedoch bei den Längsrändern der Auflagefläche auch zwei gegen
den Knochen hin vorstehende Längsrippen aufweisen. Der sich zwischen den Längsrippen befindende
Mittelabschnitt der Auflagefläche könnte dann eben sein, wobei alle Übergänge verrundet wären.
Die Platten können über ihre ganze Länge bezüglich der Längsmittelebene symmetrisch sein. In diesem Fall
sind natürlich auch die Schraubenlöcher symmetrisch bezüglich dieser Längsmittelebene und die Achsen der
Schrauben liegen bei der Montage in der Längsmittelebene. Wie ebenfalls noch an Hand von speziellen
Ausführungsbeispielen erläutert wird, können die Schraubenlöcher bezüglich der Längsmittelebene auch
seitlich versetzt sein. In diesem Fall ist die Platte nur in den sich zwischen den Schraubenlöchern befindenden
Längsabschnitten bezüglich der Längsmittelebene symmetrisch, die die auf dem Knochen aufzuliegen
bestimmte Fläche rechtwinklig schneidet. Im übrigen müssen dann die Durchgangsrichtungen der Schraubenlöcher
der Platten auch nicht mehr unbedingt alle genau parallel zueinander sein.
Die Platte wird durch vier Längsflächen begrenzt, die
einander paarweise gegenüberliegen. Wenn man an irgendeiner Stelle einen Querschnitt durch die Platte
legt, können die einander gegenüberliegenden Längsflächen zueinander parallele Schnittlinien ergeben, müssen
aber nicht. Die Abstände der gegenüberliegenden Schnittlinien können also an verschiedenen Stellen des
Querschnittes verschieden sein. Im übrigen können die Abstände auch in Längsrichtung der Platte variieren.
Unter der Breite wird der in einem beliebig gewählten Querschnitt rechtwinklig zur Längsmittelebene gemessene,
maximale Abstand der beiden gegenüberliegenden, die Platte seitlich begrenzenden Längsflächen
verstanden. Ferner wird unter der Höhe der in einem beliebig gewählten Querschnitt rechtwinklig zur Plattenlängsrichtung
und parallel zur Längsmittelebene gemessene, maximale Abstand zwischen der auf dem
Knochen aufzuliegen bestimmten Auflagefläche und der gegenüberliegende Längsfläche verstanden. Die Breite
und die Höhe sind also zwei Querschnittsabmessungen, die in der Längsrichtung der Platte variieren können.
Pie Platten weisen vorzugsweise mehr als zwei
Schraubenlöcher, nämlich mindestens vier und beispielsweise etwa sechs Schraubenlöcher auf. Bei der
Verwendung einer mindestens vier Schraubenlöcher
aufweisenden Platten treten bei den beiden sich an entgegengesetzten Plattenenden befindenden Schraubenlöchern
im allgemeinen kleinere: Biegebeanspruchungen auf als bei den inneren, d. h. mittleren, sich in
der Nähe der Frakturstelle des Knochens befindenden Schraubenlöchern. Wenn die Platte vier oder mehr
Schraubenlöcher aufweist, ist es daher unter Umständen zulässig, daß die Platte nur bei den sich in ihrem
mittleren Teil befindenden Schraubemlöchern verstärkt wird. Bei den beiden sich bei den entgegengesetzten
Plattenenden befindenden Schraubenlöchern kann das Biege-Widerstandsmoment kleiner !sein als bei den
übrigen, innern Schraubenlöchern und in den Längsabschnitten zwischen diesen. Vorzugsweise ist jedoch das
Widerstandsmoment bei allen Schraubenlöchern mindestens annähernd gleich wie in den Längsabschnitten
zwischen den Schraubenlöchern. Die Platte ist jedoch an ihren Enden, d. h. außerhalb der beiden äußersten
Schraubenlöcher, vorzugsweise verrundet und weist dort dementsprechend ein kleineres Widerstandsmoment
auf als in den übrigen Bereichen. Im folgenden wird das Biege-Widerstandsmoment aiuch dann als über
die ganze Plattenlänge annähernd konstant bezeichnet, wenn es unmittelbar bei den Plattenenden, d. h.
außerhalb der äußersten Schraubenlöcher kleiner ist als bei den Schraubenlöchern und zwischen diesen.
Bei einer erfindungsgemäßen Platte ist also das Biege-Widerstandsmoment innerhalb der angegebener.
Toleranzgrenze mindestens bei den inneren Schraubenlöchern gleich wie zwischen diesen und also über den
hauptsächlich beanspruchten Längsbereich der Platte annähernd konstant
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Platte ist der untere Grenzwert des Widerstandsmomentes
höchstens 15% kleiner als der obere Grenzwert, Dadurch erhält die Platte in ihrem ganzen auf Biegung
beanspruchten Teil eine annähernd konstante Biegebruchfestigkeit Desweitern läßt sich eine solche Platte
an die Knochenform anpassen, ohne daß an gewissen Stellen Knicke entstehen.
Die lokale Verstärkung der Platte im Bereich der Schraubenlöcher läßt zu, daß auch die mittlere
Biegesteifigkeit der Platte auf einem optimalen Wert eingestellt wird. Da die Biegesteifigkeit beim Vergrößern
der Plattenhöhe stärker zunimmt als das Widerstandsmoment, bei einer Platte mit Rechteckquerschnitt
nämlich mit der dritten Potenz der Höhe, ist es vorteilhaft das Widerstandsmoment bei den Schraubenlöchern
möglichst genau gleich zu machen wie zwischen diesen. Die Konstanz des Widerstandsmomentes
wird natürlich durch die Herstellungstoleranzen begrenzt Des weitern ergeben sich bei einer zweckmäßigen
Formgebung kleine Abweichungen, weil keine scharfe Kanten und Ecken entstehen sollen. Bei diesen
entständen nämlich sogenannte Spannungskonzentrationen, die das Entstehen von Rissen fördern. Die Platte
soll daher so hergestellt werden, daß ihre Konturen überall stetig ändern. Die Krümmungsradien können
jedoch so gewählt werden, daß die Bereiche, in denen das Widerstandsmoment wegen der erforderlichen
Verbindungen vom vorgegebenen Sollwert abweicht eine Länge aufweisen, die weniger als 10% der
Plattenbreite beträgt Im übrigen können die durch die Fabrikationstoleranzen und Verrundungen bedingten
Abweichungen des Widerstandsmomentes vom vorgegebenen Sollwert auf wenige Prozente begrenzt
werden, so daß das Widerstandsmoment über die ganze Plattenlänge innerhalb der weiter vorn angegebenen
Grenzwerte liegt.
Die Abwehrreaktionen des Körpers gegen Implantate aus körperfremdem Material nehmen allgemein mit
wachsendem Volumen des Implantats zu. Es ist daher -, zweckmäßig, das Plattenvolumen möglichst klein zu
halten. Zur Erzielung eines konstanten Widerstandsmomentes wird bei den Schraubenlöchern nicht nur die
Breite oder die Höhe der Platte, sondern sowohl die Breite als auch die Höhe vergrößert. Dadurch läßt sich
in ein mindestens annähernd konstantes Widerstandsmoment
erzielen, ohne daß in den Bereichen der Schraubenlöcher extreme Vergrößerungen der Breite
oder Höhe notwendig sind. Die Breite der Platte soll im Bereich der Schraubenlöcher höchstens 20% größer
ι > sein als in den übrigen Bereichen.
Die Erfindung soll nun an Hand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele erläutert werden. In
der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine Draufsicht auf eine Kompressionsplatte 2(i fürTibia-Frakturen,
F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie H-II der F i g. 1,
Fig.3 einen Schnitt entlang der Linie III-II1 der Fig. 1,
Fig.4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der 2i Berechnung des Trägheits- und Widerstandsmomentes,
F i g. 5 eine Ansicht einer gebrochenen Tibia, deren Bruchstücke durch eine Kompressionsplatte miteinander
verbunden sind,
F i g. 6 eine Platte mit runden Schraubenlöchern,
κι Fig.7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 6,
κι Fig.7 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII der Fig. 6,
F i g. 8 eine Draufsicht auf eine Kompressionsplatte für Femur-Frakturen,
Fig.9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX der r, Fig.8und
Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie X-X der Fig. 8.
In den Fi g. 1, 2 und 3 ist eine längliche, aus Metall
bestehende Kompressionsplatte 1 für die Osteosynthese 4(i von Bruchstücken der Tibia (des Schienbeins) und
anderer Knochen, etwa des Oberarmknochens, ersichtlich. Die Kompressionsplatte 1 ist mit mehreren,
nämlich sechs, über ihre Länge verteilten Schraubenlöchern 1 a versehen. Dabei ist der Abstand zwischen den
4-1 beiden mittleren Schraubenlöchern Xa größer als
derjenige zwischen den anderen benachbarten Schraublöchern la. Die Schraubenlöcher sind als in der
Plattenlängsrichtung verlaufende Schlitze ausgebildet und weisen auf der einen Breitseite der Platte eine
-,ο Absenkung \b auf. Die Durchgangsrichtung der
Schraubenlöcher la, & h. die Richtung, in der beim Festschrauben der Platte 1 die Schraubenachsen
verlaufen, ist mit 2 bezeichnet Die Schraubenlöcher la sind bezüglich der parallel zu den Durchgangsrichtunss
gen 2 in Längsrichtung der Platte 1 verlaufenden Längsmittelebene 3 symmetrisch. Wie aus der F i g. 2
ersichtlich ist sind die Ansenkungen \b im Längsschnitt jedoch asymmetrisch. Jede Ansenkung ist von demjenigen
Schlitzende her, das dem näheren Ende der Platte 1 Wi zugewandt ist etwa bis in die Schlitzmitte geneigt Beim
Schlitzende, das sich auf der Seite des weiter entfernten
Plattenendes befindet ist die Ansenkung steiler und bildet einen Teil einer Kugelfläche. Im übrigen sei auf
die schweizerische Patentschrift 462 375 und die ihr b5 entsprechende US-Patentschrift 35 52 389 verwiesen, in
denen die Ausbildung der Schraubenlöcher von Kompressionsplatten ausführlich beschrieben ist An
den beiden Enden der Platte 1 ist auf der den
Ansenkungen Xb abgewandten Seite eine Längsnut Ic
eingefräst, die sich bis zum Rand der durchgehenden öffnung des Schlitzes erstreckt.
Die Kompressionsplatte ist im Querschnitt näherungsweise rechteckig. Wie aus der F i g. 3 ersichtlich ist,
werden jedoch die beiden längeren Rechteckseiten durch parallel zueinander verlaufende Kreisbogen
gebildet. Die auf einem Knochen aufzuliegen bestimmte LängsFläche lc/der Platte 1 schneidet die Längsmittelebene 3 rechtwinklig und bildet über ihre ganze Länge
eine konkav gekrümmte Zylinderfläche. Die der Längs-Fläche lc/gegenüberliegende Längs·Fläche !eist
konvex gekrümmt und in den Längsabschnitten zwischen den Schraubenlöchern Xa zylindrisch und
koaxial zur Fläche Xd. Hingegen weist sie bei den Schraubenlöchern Xa, oder genauer gesagt, bei den
Ansenkungen Xb1 Aufwölbungen auf. Die beiden anderen, schmäleren Längs-Flächen Xf verlaufen parallel
zu den Durchgangsrichtungen 2 und außerhalb der Bereiche der Schraubenlöcher Xa parallel zueinander
und zur Ebene 3. Bei den Schraubenlöchern Xa sind sie seitlich nach außen gewölbt.
Unter der Höhe h der Kompressionsplatte 1 ist für jeden Querschnitt durch die Platte 1 die maximale,
rechtwinklig zur Plattenlängsrichtung und parallel zur Längsmittelebene 3 gemessene Querschnittsabmessung,
d. h. der maximale, parallel zur Schraubenloch-Durchgangsrichtung
2 gemessene Abstand der beiden sich gegenüberstehenden Längs-Flächen Xd und Ie zu
verstehen. Unter der Breite b ist für jeden Querschnitt der Platte die maximale, rechtwinklig zur Plattenlängsmittelebene
3 und also auch zur Schraubenloch-Durchgangsrichtung 2 gemessene Querschnittsabmessung, d.
h. der Abstand Jer beiden sich gegenüberliegenden Längs-Flächen Xf, zu verstehen. In den sich zwischen
benachbarten Schraubenlöchern Xa befindenden Längsbereichen der Kompressionsplatte 1, sind die Höhe Λ
und die Breite b konstant und haben die Werte Am,„ bzw.
bmtn. In den die Schraubenlöcher Xa enthaltenden
Längsbereichen der Platte ist sowohl die Höhe h als auch die Breite b größer als in den lochfreien
Längsbereichen. Die Maximalwerte der Höhe und Breite sind mit Λ™, bzw. b™K bezeichnet Dabei variiert
die Breite b entlang der Plattenlängsrichtung derart, daß die Platte bezüglich der Ebene 3 symmetrisch ist.
Bevor nun dargelegt wird, in welcher Weise die Höhe h und die Breite b entlang der Platte sich ändern, sollen
an Hand der F i g. 4 zuerst einige Begriffe der Theorie der Biegung elastisch deformierbarer Körper erläutert
werden. Die Fig.4 zeigt einen Abschnitt eines Plattenquerschnittes. Da es sich bei der F i g. 4 um ein
Diagramm zur Veranschaulichung einiger physikalischer Größen handelt, wurde keine Schraffur angebracht
Bei der Verwendung wird die Platte, wie noch an Hand der F i g. 5 näher erläutert wird, derart befestigt
daß die Fläche Ii/auf dem Knochen 6 aufliegt und die
Fläche Ie dem Knochen abgewandt ist Es wird angenommen, daß die Platte 1 entlang der Längsmittelebene 3 gebogen wird. Die Biegung kann etwa so
erfolgen, daß die Fläche id in der Längsrichtung der Platte 1 konkav gekrümmt wird. Weiter wird angenommen,
daß die Platte 1 bei der Biegung mit keiner in ihrer Längsrichtung verlaufenden, äußeren Kraft beaufschlagt
wird und daß auch keine Torsion erfolgt Es soll sich also bei der elastischen Deformation um eine reine
Biegung handeln. Im Innern der Platte 1 ergibt sich dann eine in der Ebene 3 verlaufende neutrale Faser, und eine
neutrale Fläche, bei der das Plattenmaterial bei der Biegung weder gedehnt noch komprimiert wird.
Dagegen wird das sich zwischen der neutralen Fläche und der Fläche Ie befindende Plattenmaterial gedehnt
und das sich zwischen der neutralen Schicht und der ■-, Fläche ldbefindende Plattenmaterial komprimiert. Man
legt ein kartesisches Koordinatensystem derart in die Querschnittsfläche, daß die x-Achse rechtwinklig zur
Ebene 3 verläuft, entlang der die Platte 1 gebogen wird. Die /-Achse verläuft parallel zur Ebene 3, wobei y in
Ii derjenigen Richtung positiv gezählt wird, die vom
Knochen weggerichtet ist und also von der Fläche Xd zur Fläche 1 e verläuft. Die in der F i g. 4 nicht sichtbare
z-Achse verläuft parallel zur Längsrichtung des Stabes. Die neutrale Fläche verläuft für kleine Biegungen durch
ι -, eine zur x-Achse parallele Gerade 4 mit der Koordinate
Vn. Diese ist durch die folgende Formel bestimmt:
J'
d A / d A
Dabei bezeichnet OA ein Flächenelement der Querschnittsfläche. Das Integral ist über die ganze
Querschnittsfläche zu erstrecken.
Wie aus der Formel (1) ersichtlich, verläuft die neutrale Fläche durch den Schwerpunkt der Querschnittsfläche.
Man definiert nun ein Flächenträgheitsmoment bezüglich der zur x-Achse parallelen Geraden 4. Das
Flächenträgheitsmoment / ist gegeben durch die Gleichung
Die Integration ist dabei wiederum über die ganze Querschnittsfläche zu erstrecken. Im Bereich der
Schraubenlöcher sind die Integrale der Formeln (1) und (2) natürlich nur über das Plattenmaterial zu erstrecken,
d. h. die Schraubenlöcher sind von der Integration auszunehmen. Des weitern definiert man ein Biege-Widerstandsmoment
IV, das gegeben ist durch die Gleichung
W = lic
Dabei bezeichnet e den Maximalwert des Abstandes der die Querschnittsfläche begrenzenden Umrißlinie
von der neutralen Fläche, d. h. der Geraden 4. Dies gibt als Formel ausgedrückt
<■ = max I r - r„|
Die durch die nachfolgenden Gleichungen definierten Größen Wi und IV2 werden ebenfalls als Widerstandsmomente bezeichnet:
W1 = Hc1
W, =
(3 a)
(3 b)
(3 b)
Dabei ist ei der maximale Abstand, der die
Querschnittsfläche auf der dem Knochen abgewandten b5 Seite begrenzenden Umrißlinie von der neutralen
Fläche 4. Entsprechend ist &2 der Maximalwert des
Abstandes der die Querschnittsflächen auf der auf den Knochen aufliegenden Seite begrenzenden Umrißlinie
von der neutralen Fläche. Dies ergibt durch Formeln ausgedrückt:
ί'ι = max(y- y{))
C2 = ηΐίΐχ(.ι>(ι -.1')
(4a)
(4 b)
(4 b)
Falls die Platte im Querschnitt eine genau rechteckige Umrißform mit der Breite b und der Höhe h aufweisen
würde, wäre
e = ei = ei = h/2
und es ergäben sich für die Momente /, W, W\ und W2
die folgenden Werte:
W =
/ = WrV 12
= W1 = IKhIl) = blr/6
= W1 = IKhIl) = blr/6
(2 a)
(3 c)
(3 c)
Bei einer Platte mit rechteckigem Querschnitt wären also e, ei und C2 bzw. W, IVi und W1 gleich groß. Dies ist
jedoch im allgemeinen und insbesondere für die in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Platten nicht der Fall.
Da die Schraubenlöcher la im Querschnitt komplizierte Umrißformen aufweisen, ist eine formelmäßige
Berechnung der Integrale im Bereich der Schraubenlöcher nicht möglich oder zumindest sehr schwierig. Man
kann jedoch die Integrale (1) und (2) graphisch oder numerisch nach bekannten Methoden bestimmen, wenn
die Umrisse gegeben sind.
Die Querschnittsabmessungen und -formen werden nun entlang der Platte derart variiert, daß die
Widerstandsmomente W, W\ und IV2 im wesentlichen
über die ganze Länge der Platte 1, d. h. an jeder Stelle in den die Schraubenlöcher enthaltenden Längenbereichen
und in den sich zwischen den Schraubenlöchern befindenden Längsbereichen mindestens annähernd
konstant bleibt. Unter annähernd konstant ist dabei gemeint, daß das Widerstandsmoment IV zwischen
einem oberen und einem unteren Grenzwert liegt und daß der untere höchstens 30% kleiner sein soll als der
obere. Vorzugsweise ist der untere Grenzwert höchstens 15% kleiner als der obere Grenzwert Desgleichen
liegt auch jedes der Widerstandsmomente Wi und W2
zwischen je zwei Grenzwerten, von denen der untere höchstens 30% und vorzugsweise höchstens 15%
kleiner ist als der obere.
Wie sich aus den Formeln (3), (3a), (3b) und (4), (4a), (4b) ergibt, ist Wgleich der kleineren der beiden Größen
Wi und W2. Bei der beschriebenen Platte ist Wi an den
meisten Plattenstellen ungefähr gleich groß wie W2 oder
etwas kleiner als W2, wobei der Unterschied höchstens etwa 15% beträgt. Die Größen Wund Wi sind also an
den meisten Stel'sn der Platte identisch. Das Widerstandsmoment W soll mindestens 15 mm3, beispielsweise 20 bis 25 mm3 betragen. Bei den beiden äußersten
Endabschnitten der Platte 1, d.h. zwischen den äußersten Schraubenlöchern und den Plattenenden, wo
die Platte 1 nur noch wenig beansprucht und gemäß der
dadurch Fig. 1 verrundet ist, können die Widerstandsmomente dagegen ohne weiteres etwas kleiner sein.
Man könnte sogar bei den beiden äußersten Schraubenlöchern selbst auf die Vergrößerung der Querschnittsabmessungen verzichten.
Zweckmäßigerweise sind die Flächen 14 Ie; l/so
beschaffen, daß sich bei den Obergangsstellen, wo die
Querschnittabmessungen ändern, keine scharfen Kanten ergeben. Oder mit andern Worten gesagt, sollen die
Übergangsstellen verrundet sein. Dadurch wird bei der Beanspruchung der Platte 1 verhindert, daß sich bei den
Übergangsstellen Risse bilden. Die Verrundungen bei den Übergangsstellen können jedoch ohne weiteres so
-, kleine Krümmungsradien aufweisen, daß das Widerstandsmoment auch bei den Übergangsstellen zwischen
den vorstehend definierten Grenzwerten liegt.
Bei der Verwendung der Platte 1 trete in dieser ein
Biegemoment auf, das im Maximum den Wert M habe. ίο Die maximale in der Platte auftretende Spannung ο wird
dann:
a = MIW (5)
Wenn man in der Kormel (5) an Stelle der Größe JV
ι·-, die Größe Wi einsetzt, ergibt sich die im Plattenbereich
zwischen der neutralen Fläche und der dem Knochen abgewandten Fläche Ie auftretende Maximalspannung.
Wird an Stelle der Große W die Größe W2 eingesetzt, ergibt sich analog der Maximalwert der Spannung, die
2(i im Plattenbereich zwischen der neutralen Fläche und
der auf dem Knochen aufliegenden Fläche id auftritt.
Ferner bezeichnet oo die Dauer-Biegeschwingbruchfestigkeit
des Plattenmaterials, d. h. diejenige bei einem Biegeschwingversuch auftretende Maximal-Zugspannung,
bei der die Platte bei einem Dauerschwingversuch für eine geeignet gewählte, große Anzahl von
Belastungszyklen gerade noch nicht bricht. Die Dauer-Biegeschwingbruchfestigkeit
kann ohne weiteres experimentell ermittelt werden, wobei die Anzahl BeIa-
)(i stungszyklen beispielsweise eine Million oder mehr
betragen kann.
Man kann die Formel (5) nach dem Biegemoment M auflösen, für die Spannung den Wert op und den
kleinsten Wert des Widerstandsmomentes Weinsetzen
j-, und erhält dann das maximale zulässige Biegemoment,
bei welchem die Platte bei einer dauernden Wechselbelastung noch nicht bricht. Wenn man von einer Platte
ausgeht, die über ihre ganze Länge konstante Querschnittsabmessungen aufweist und die Platte nun
4(i bei den Schraubenlöchern gemäß der Erfindung
verstärkt, so wird das zulässige Biegemoment beträchtlich erhöht
Wie bereits in der Einleitung erwähnt, ist abgesehen von der Bruchfestigkeit auch noch die Biegesteifigkeit
eine sehr wichtige biomechanische Größe. Die Biege steifigkeit ist gleich dem Produkt: E ■ I, wobei E den
Elastizitätsmodul des Plattenmaterials bezeichnet Die insbesondere für die Osteosynthese der Tibia bestimmte
Kompressionsplatte hat in den lochfreien Längsberei chen eine Breite von etwa 10 bis 14 mm, beispielsweise
12 mm. Die lichte Breite der Schraubenlöcher, d. h. die Schlitzbreite beträgt mindestens 5 mm, nämlich etwa 5,5
mm. Die Ansenkungen weisen an ihrer breitesten Stelle eine Breite von etwa 8 mm auf. Die Höhe h der Platte 1
und der Elastizitätsmodul des Plattenmaterials werden nun derart aufeinander abgestimmt, daß der fiber die
ganze Länge der Platte gemittelte Mittelwert S der Biegesteifigkeit E ■ /3 · 106 bis 7 · ΙΟ6 Ν mm2 beträgt
Wenn die mittlere Biegesteifigkeit 5 in diesem Größenbereich liegt, erfolgt bei Frakturen der Tibia
eine optimale Heilung, so daß insbesondere weder eine Knochenresorption noch eine Osteoporose stattfindet
Der Elastizitätsmodul E ist in der ganzen Platte konstant Die mittlere Biegesteifigkeit S ist also gegeben
durch den Ausdruck:
= EI =-j JI(z) dz
Il
i2
Dabei bezeichnet / den Mittelwert von l(z), I die Länge der Platte, ζ die Längskoordinate von dz ein
Längselement. Der Mittelwert des Flächenträgheitsmomentes / kann näherungsweise numerisch bestimmt
werden, indem man die Platte in endliche Längsintervalle unterteilt, für jedes Intervall das Flächenträgheitsmoment
/berechnet und dann die Integration der Formel (6) durch eine Summation ersetzt. Da die Querschnittsform im Bereich der Schraubenlöcher in der Plattenlängsrichtung
relativ schnell ändert, sollte man zur Erzielung einer guten Genauigkeit den ein Schraubenloch
enthaltenen Längsabschnitt der Platte für die numerische Berechnung des Integrals in mindestens
zehn Längenintervalle unterteilen. Solche enge Intervalle sind natürlich auch für die Berechnung des
Widerstandsmomentes nötig.
Die mittlere Biegesteifigkeit kann an der fertigen Platte auch experimentell bestimmt werden, indem man
beispielsweise ein bestimmtes Biegemoment an der Platte angreifen läßt, so daß die Platte elastisch gebogen
wird, und den mittleren Krümmungsradius mißt. Die Biegesteifigkeit ist nämlich gleich dem Produkt
Krümmungsradius mal Biegemoment und kann also aus dem mittleren Krümmungsradius und dem vorgegebenen
Biegemoment berechnet werden. Man kann die Auslenkung und Krümmung der Platte selbstverständlich
auch mit einer sogenannten Vierpunktauflage der Kräfte bestimmen, bei der an vier Stellen der Platte
Kräfte einwirken, und zwar etwa bei den zwei innern Stellen nach oben gerichtete und bei den zwei äußeren
Stellen nach unten gerichtete Kräfte.
Die Querschnittsabmessungen der Platte 1 können so festgelegtwerden, daß das mittlere Flächenträgheitsmoment
/ 25 bis 70 mm4 beträgt. Für die günstige Formkorrektur sind aber besonders die Verhältnisse
zwischen den Widerstandsmomenten und dem mittleren Flächenträgheitsmoment /, nämlich die Verhältnisse
W/I, W\II und Will wichtig; sie sollen sowohl bei den
Schraubenlöchern als auch den Längsabschnitten zwischen diesen mindestens 0,3/mm, besser noch etwa
0,4/mm betragen. Die verwendeten Werkstoffe müssen selbstverständlich eine große Korrosionsbeständigkeit
haben und mit den Körpergeweben verträglich sein. Die in Frage kommenden Werkstoffe weisen recht unterschiedliche,
die Biegefestigkeit und -steifigkeit beeinflussende Eigenschaften auf. Bei verschiedenen Werkstoffen
ist es zweckmäßig, die Festigkeit durch eine Kaltverformung zu erhöhen. Wenn die Platte aus
Profilstäben hergestellt werden, muß bei ihren Außenflächen mindestens stellenweise Material abgetragen
werden, damit der Umriß der Plattenquerschnitte entlang der Plattenlängsrichtung in der beschriebenen
Weise ändert. Bei den vorgängig kaltverformten Werkstoffen kann beispielsweise durch ein elektrochemisches
Verfahren Material abgetragen werden. Selbstverständlich kann das Material aber auch durch Fräsen
abgetragen werden, wobei Form-Lehren verwendet werden können.
Es gibt jedoch auch metallische Werkstoffe, die zur Erzielung einer ausreichenden Festigkeit nicht unbedingt
kaltverformt sein müssen und warm geschmiedet werden können, wobei die Schmiedetemperatur weitgehend
die Festigkeitseigenschaften bestimmt Bei diesen Werkstoffen kann man die äußere Form der Platten
durch Schmieden erzeugen und eventuell auch die Löcher durch Schmieden verformen.
Die Platten können beispielsweise aus kaltverformtem, rostfreiem Stahl bestehen, der 17 bis 20% Chrom,
10 bis 15% Nickel und 2 bis 4% Molybdän aufweist. Für
die Plattenherstellung geeignete Werkstoffe, die nicht unbedingt einer Kaltverformung unterzogen werden
müssen und warm geschmiedet werden können, sind Titan, Titanlegierungen mit mindestens 75% Titan und
hochfeste Kobaltlegierungen mit 20 bis 70% Kobalt. Als Kobaltlegierung kann eine unter der Bezeichnung
Syntacoben bekannte Legierung verwendet werden, die etwa die folgende Zusammensetzung aufweist:
!8-22% Cr, 5-15% Fe, 15-25% Ni, zusammen 6-8% Mo + W, 0,5 bis 2,5% Ti, max. 1% Mn, max.
0,5% Si, max. 0,05% C, max. 0,01% S, Rest Co. Ein Beispiel einer Titanlegierung ist die Alpha-Beta-Legierung
Ti 6 Al 4 V. In der nachfolgenden Tabelle sind für vier der erwähnten Werkstoffe der Elastizitätsmodul E
die Dauer-Biegeschwingbruchfestigkeit od und die
ebenfalls noch wichtige Größe odIE"2 angegeben.
Werkstoff
kaltverformter, rostfreier Stahl
Syntacoben
Ti 6 Al 4 V
19 000 N/mm2 | 400 N/mm2 | 0,126 N"Vmnr' |
106 000 | 350 | 0,168 |
220 000 | 700 | 0,189 |
116 000 | 450 | 0,189 |
Wenn beispielsweise aus biomechanischen Gründen die mittlere Biegesteifigkeit 5=6 · ΙΟ6 Ν mm2 betragen
soll, muß für rostfreien Stahl das mittlere Flächenträgheitsmoment
/ungefähr 32 mm4 und für Titan ungefähr 57 mm4 sein. Wenn die Plattenbreite vorgegeben ist sind
die Höhen dann entsprechend anzupassen. Da das mittlere Flächenträgheitsmoment / für die mittlere
Biegesteifigkeit S maßgebend ist wird das lokale Flächenträgheitsmoment / in den sich zwischen den
Schraubenlöchern befindenden Längsabschnitten kleiner und in den Lochbereichen größer als der Mittelwert
/. Mittlere Flächenträgheitsmomente von der angegebenen Größe lassen sich verwirklichen, wenn die Platte in
den lochfreien Bereichen eine Breite von etwa 10 bis 14 mm und eine Höhe von etwa 3 bis 5 mm aufweist Ober
die ganze Plattenlänge annähernd konstante Wider-Standsmomente Wu W2 lassen sich beispielsweise dann
erzielen, wenn die Höhe h in der Lochmitte etwa 30 bis
40% größer und die Breite b 10 bis 20%, nämlich etwa 15% größer gemacht wird als in den lochfreien
Bereichen. Damit die Verbreiterungen der Platte 1, wenn diese am Knochen eines Patienten befestigt ist bei
dessen Bewegungen die sich in der Nähe der Platte befindende Haut und andere weiche Gewebeteile nicht
verletzt soll die Breite b im Bereich der Schraubenlöcher höchstens 20% größer sein als in den Längsbereichen
zwischen den Schraubenlöchern. Die Höhe h sollte vorzugsweise bei den Schraubenlöchern höchstens 50%
größer sein als in den lochfreien Längsbereichen.
Es wurde dargelegt daß die Konstruktion einer
Es wurde dargelegt daß die Konstruktion einer
Knochenplatte eigentlich von biomechanischen Gegebenheiten ausgeht, nämlich einer günstigen Biegesteifigkeit
und einer maximalen Breite. Wie die Formeln (3), (3a), (3b) und (3c) zeiger, sind die Widerstandsmomente
und das Trägheitsmoment miteinander verknüpfte, geometrische Größen. Eine Analyse kann zeigen, wie
das zulässige Biegemoment von den biomechanischen Größen S, der Breite b und den Materialeigenschaften
abhängt Es findet sich ein Verhältnis OdIE?13, welches
für die Materialien wichtig ist Zahlen sind in der Tabelle
genannt Es ist vorteilhaft, wenn ac/E^3 mindestens
0,06 (10 N1/3/mm2/3 beträgt Des weiteren ist es günstig,
wenn die Verhältnisse aD W/S, aD W1IS und aD W2IS
größer als 0,001/mm sind. Diese Bedingungen sind
beispielsweise erfüllt, wenn die Platte 1 aus dem vorstehend angegebenen kaltverformten, rostfreien
Stahl, oder der angegebenen Kobaltlegierung oder Titanlegierung hergestellt wird.
In der Fig.5 ist ein Knochen 6, nämlich eine Tibia,
eines Patienten ersichtlich. Der Knochen 6 weist zwei von einer Fraktur herrührende Bruchstücke 6a und 66
auf, die bei der Frakturstelle 7 aneinander anstoßen. Die beiden Knochenbruchstücke 6a und 66 werden nun bei
einer Üsteosynthese-Operation mittels einer Kompressionsplatte 1 und Schrauben 5 miteinander verbunden.
Die Gewinde der Schrauben haben Durchmesser von mindestens etwa 3 mm und beispielsweise 4,5 mm. Die
Köpfe der Schrauben weisen ungefähr halbkugelförmige Auflageflächen auf. Für die Befestigung der
Kompressionsplatte wird zuerst mindestens ein Gewinde in das Knochenbruchstück Sa gebohrt und die
Kompressionsplatte 1 mittels mindestens einer Schraube 5 derart befestigt daß ihre Fläche Xd auf dem
Knochen 6 aufliegt. Daraufhin werden die Knochenbruchstücke 6a, 66 bei der Frakturstelle 7 richtig
aneinandergefügt. Dann wird durch das sich in der Fig.5 am oberen Ende der Platte 1 befindende
Schraubenloch la hindurch eine Gewindebohrung im Knochenbruchstück 6b hergestellt, und zwar an dem der
Frakturstelle 7 abgewandten Ende des schlitzförmigen Schraubenloches la. Nun schraubt man in diese
Gewindebohrung eine Schraube 5 ein. Die in der F i g. 2 ersichtliche Ausbildung der Ansenkung ib bewirkt nun,
daß der Schraubenkopf beim Festschrauben gegen das der Frakturstelle 7 zugewandte Ende des Schraubenloches
gedrückt wird. Dadurch werden die beiden Bruchstücke 6a, 6b zusammengedrückt, wobei die
Schraube ungefähr in die Mitte des Schraubenloches gelangt. Nun wird bei dem der Frakturstelle 7
abgewandten Ende eines andern Schraubenloches eine andere Gewindebohrung in das Bruchstück 6b gebohrt
und eine Schraube 5 eingesetzt. Dadurch werden die Bruchstücke 6a, 6b noch stärker gegeneinander
angedrückt. Dabei verschiebt sich das Bruchstück 6b relativ zur Platte 1 gegen die Frakturstelle 7 und die
vorher in das Bruchstück 6b eingeschraubte Schraube 5 wird gleichzeitig gegen das der Frakturstelle 7
zugewandte Schraubenlochende verschoben. Die weiteren Schrauben werden nach Bedarf in entsprechender
Weise eingeschraubt, so daß die Kompressionsplatte 1 die beiden Bruchstücke 6a, 6b mit beträchtlichem Druck
aneinander andrückt
Falls eine besonders größe Druckkraft auf die Knochenbruchstücke ausgeübt werden muß, kann man
die Knochenbruchstücke 6a, 6b bereits gegeneinanderdrücken, wenn die Platte 1 erst am Bruchstück 6a
befestigt ist. Zu diesem Zweck wird oberhalb des sich in der Fig. 5 oben befindenden Endes der Platte 1 eine
Gewindebohrung in das Bruchstück 6b gebohrt und eine Plattenspannvorrichtung am Bruchstück 6b angeschraubt.
Diese weist einen Haken auf, der in das oberste Schraubenloch eingesetzt werden kann und
dann in die Nut Ic eingreift Die Plattenspannvorrichtung
weist ferner eine Gewindespindel auf, um den Haken und damit die Platte 1 von der Frakturstelle 7
wegzuziehen, wodurch die beiden Bruchstücke zusammengedrückt werden. Wenn die Platte 1 in dieser Weise
vorgespannt ist kann sie mittels einer Schraube 5 auch am Bruchstück 6b befestigt werden. Der Haken der
Plattenspannvorrichtung kann nun ausgehängt und die Plattenspannvorrichtung vom Knochen losgeschraubt
und entfernt werden. Die für das Anschrauben der Plattenspannvorrichtung in den Knochen gebohrte
Gewindebohrung wird dann nicht mehr benutzt und kann wieder zuwachsen. Es sei hierzu auch auf die
beiden eingangs erwähnten Bücher von Müller et al. und Allgöwer et al. verwiesen.
Die in einer der vorstehend beschriebenen Weise befestigte Kompressionsplatte 1 wird natürlich auf Zug
beansprucht. Wenn sich der Patient bewegt und den Knochen 6 belastet, besteht zudem eine Tendenz, die in
der F i g. 5 ersichtliche Platte 1 entlang der Zeichnungsebene, d. h. entlang der früher mit 3 bezeichneten Ebene,
zu biegen. Dadur h entstehen in der Platte natürlich beträchtliche Biegespannungen. Die Platte wird dabei
hauptsächlich derart gebogen, daß im Plattenbereich zwischen der neutralen Fläche und der dem Knochen
abgewandten Fläche Ie Zugspannungen auftreten. Da die Platte bezüglich solcher Biegungen über ihre ganze
Länge ein ungefähr konstantes Widerstandsmoment W\, aber auch ungefähr konstante Widerstandsmomente
W2 und W aufweist, ist ihre Biegebruchfestigkeit bei
den Schraubenlöchern ungefähr gleich groß wie zwischen den Löchern. Auf diese Weise läßt sich ohne
überflüssiges Plattenmaterial eine maximale Bruchfestigkeit erzielen. Die weiter vorn angegebene mittlere
Biegesteifigkeit der Platte 1 gewährleistet, daß die Fraktur rasch und gut ausheilt, d. h. die Bruchstücke 6a
und 6b gut miteinander verwachsen. Es findet also insbesondere weder eine Resorption bei der Frakturstelle
7 noch eine Osteoporose statt.
Falls der gebrochene Knochen in der Umgebung der Bruchstelle keine ungefähr zylindrische Außenfläche
aufweist, kann die Platte 1 vor dem Einsetzen vom Chirurgen in bekannter Weise entsprechend der
Knochenform mittels Zangen oder Pressen plastisch verformt werden, so daß sie nachher gut am Knochen
anliegt. Das über die ganze Plattenlänge ungefähr konstante Biege-Widerstandsmoment gewährleistet dabei
insbesondere, daß bei der plastischen Verformung und insbesondere Biegung der Platte nirgends Knicke,
sondern überall eine regelmäßige Krümmung resultiert. Dieses Anpassen ist ein wichtiger Teil der Operationstechnik.
Die in den Fig.6 und 7 dargestellte Platte It ist
ebenfalls für die Osteosynthese der Tibia und des Oberarmknochens bestimmt und weist Schraubenlöcher
11 a mit Ansenkungen 11 b auf. Die Schraubenlöcher 11 a
sind jedoch im Gegensatz zu den Schraubenlöchern Xa der Platte 1 rotationssymmetrisch, d. h. durch Bohrungen
gebildet. Im übrigen ist die Platte 11 ähnlich ausgebildet wie die Platte 1. Sie weist insbesondere bei
den Plattenenden Nuten lic auf. Die auf dem Knochen aufzuliegen bestimmte Fläche Hd ist konkav und über
ihre ganze Länge zylindrisch. Die ihr gegenüberliegende Fläche lic ist konvex gekrümmt und weist in den die
Ansenkungen 11Z>
enthaltenden Längsabschnitten Aufwölbungen auf. Die beiden anderen Längs-Flächen 11/
sind in den Bereichen der Schraubenlöcher nach außen gewölbt Die Querschnittsabmessungen und -formen
ändern entlang der Platte 11 derart, daß die Biege-Widerstandsmomente W, W, und W2 innerhalb
der für die Platte 1 angegebene Toleranzgrenzen über die ganze Plattenlänge konstant bleiben. Desgleichen
liegt auch die mittlere Biegesteifigkeit S in dem für die Platte 1 angegebenen Wertebereich.
Da die Schraubenlöcher 11a nicht schlitzförmig, sondern durch Bohrungen gebildet sind, wird die Platte
beim Festschrauben an einem Knochen bezüglich diesem nicht verschoben. Die Platte 11 ist daher für eine
Technik geeignet, bei der die Reposition und Kompression mit anderen Mitteln, z. B. einem Spanner, erreicht
wird. Dann läßt sich eine eine gewisse Druckkraft erzielen, indem die Platte 11 zuerst nur an einem
Knochenbruchstück angeschraubt und dann mittels einer am andern Bruchstück befestigten Plattenspannvorrichtung
gespannt wird, wie es bereits für die Platte 1 beschrieben wurde.
Die in den Fig.8, 9 und 10 dargestellte Kompressionsplatte
21 weist sechs schlitzförmige Schraubenlöcher 21a mit Absenkungen 21 ft und zueinander parallelen
Durchgangsrichtungen auf. Die Schraubenlöcher 21a weisen ähnliche Formen auf wie die Schraubenlöcher 1 a
der Platte 1. Sie sind jedoch im Querschnitt (Fig. 10) asymmetrisch und gegen die zu ihren Durchgangsrichtungen
parallele Längsmittelebene 23 der Platte 21 seitlich versetzt. Wie aus der F i g. 8 ersichtlich, sind
aufeinanderfolgende Schraubenlöcher 21a auf entgegengesetzte Seiten hin versetzt. Die Schraubenlöcher
21a weisen quer zur Plattenlängsrichtung gemessene lichte Breiten von mindestens 5 mm auf, und zwar die
vier inneren Schraubenlöcher eine Breite von 5,5 mm und die beiden äußersten eine Breite von 6,5 mm. Die
auf einem Knochen aufzuliegen bestimmte Fläche 21c/ ist über die ganze Plattenlänge zylindrisch und im
Querschnitt konkav gekrümmt. Die ihr gegenüberliegende Fläche 21 e ist in den Längsbereichen zwischen
den Schraubenlöchern zylindrisch, und zwar konvex sowie etwa koaxial zur Fläche 21c/. In den die
Schraubenlöcher enthaltenden Längsabschnitten ist die Fläche 21 e aufgewölbt. Ihre Aufwölbungen sind jedoch
im Querschnitt nicht symmetrisch wie bei den Platten 1 und 11, sondern asymmetrisch. Wie aus der Fig. 10
ersichtlich, ist die Fläche 21 e auf derjenigen Seite der Platte 21, auf der sich das betreffende Schraubenloch
befindet, stärker aufgewölbt. Die schmäleren, sich gegenüberliegenden Längs-Flächen 21/ sind in den
lochfreien Längsabschnitten parallel zur Durchgangsrichtung der Schraubenlöcher 21a und zueinander. In
den die Schraubenlöcher enthaltenen Längsabschnitten ist jeweils diejenige Fläche 21/nach außen gewölbt, die
sich näher beim betreffenden Schraubenloch befindet.
Die größere Kompressionsplatte 21 ist für die Behandlung von Frakturen des Femurs (Oberschenkelknochens)
bestimmt. Ihre Breite b hat in den Längsabschnitten zwischen den Schraubenlöchern
einen Minimalwert bmi„ von 15 bis 18 mm, beispielsweise
etwa 16 mm. Ihre rechtwinklig zu der auf den Knochen
aufzuliegen bestimmte Fläche gemessenen Höhe Λ hat in den Längsbereichen zwischen den Schraubenlöchern
einen Minimalwert hmm von 4 bis 5,5 mm, beispielsweise
4,5 mm. In den die Schraubenlöcher 21a enthaltenden Längsabschnitten sind die Breite und die Höhe
wiederum derart vergrößert, daß die Biege-Widcrstandsmomente Wi und Wi innerhalb der für die Platte 1
angegebenen Grenzen bei den Schraubenlöchern gleich groß sind wie in den lochfreien Zwischenbereichen.
Dabei sind wiederum die Widerstandsmomente bezüg-Hch einer Biegung gemeint, bei der die Platte 21 entlang
der Längsmittelebene 23 gebogen wird, die durch die Mittellinien der lochfreien Längsabschnitte verläuft, die
Flächen 21c/ rechtwinklig schneidet und also auch parallel zu den Durchgangsrichtungen der Schraubenlöeher
verläuft Der Maximalwert Zw der Breite b ist bei
den Schraubenlöchern im Maximum beispielsweise etwa 5 bis 10% größer als die Breite 6m<>, in den
Bereichen zwischen den Schraubenlöchern. Die Höhe h
ist dort, wo sie bei den Schraubenlöchern ihr Maximum Am« hat, 25 bis 40%, beispielsweise etwa 35% größer als
in den Längsbereichen zwischen den Schraubenlöchern, wo sie den Wert hmi„ hat
Da die Platte 21 für die Behandlung von Femurfrakturen bestimmt ist sollen ihre Widerstandsmomente und
ihre mittlere Biegesteifigkeit 5 größer sein als bei den Platten 1 und 11. Die Platte 21 soll daher ein
Biege-Widerstandsmoment von mindestens 40 mm3,
etwa 50 mm3, und eine mittlere Biegefestigkeit S von 8 · 106 bis 30 · 106 N mm2 aufweisen. Die Platte 21 kann
j aus den gleichen Materialien hergestellt werden, wie die Platte 1. Das Verhältnis Dauer-Biegeschwingfestigkeit
Od zu Elastititätsmodul E soll wie bei den andern bereits
diskutierten Platten möglichst groß sein und das Verhältnis orfE2'3 soll vorzugsweise den für die Platte 1
empfohlenen Mindestwert aufweisen. Die vorstehend angegebene Biegesteifigkeit gilt für die Behandlung von
Brüchen des mittleren Femurteils. Für die Behandlungen im Bereich des Trochanters und Kondylus (Hüfte),
d. h. der Verdickungen am oberen und unteren
r> Femurende, werden zweckmäßigerweise noch etwas
stärkere Platten mit einer mittleren Biegesteifigkeit von 40 ■ 106 bis 70 · 106N mm2 verwendet. Diese Flatten
können die gleiche Breite und Schraubenlochanordnung wie die Platte 21, aber eine etwas größere Höhe
κι aufweisen. Dabei können die Biege-Widerstandsmomente
wiederum über die ganze Plattenlänge annähernd konstant gemacht werden. Die Femur-Platten
können also in den Bereichen zwischen den Schraubenlöchern eine Breite bmm von 15 bis 18 mm und
-r, eine mittlere Biegesteifigkeit S von 8 · 10* bis
70 · 106N mm2 aufweisen.
Die Kompressionsplatte 21 kann bei der Verwendung in analoger Weise an einem Femur befestigt werden,
wie die Platte 1 an einer Tibia befestigt wird.
-,η Nun sollen noch einige Varianten erwähnt werden.
Selbstverständlich können die Platten statt sechs Schraubenlöcher auch eine andere Anzahl Schraubenlöcher
aufweisen. Des weitern können die Platten im Querschnitt auch andere Umrißformen aufweisen. Der
-,-, Querschnitt könnte beispielsweise rechteckig sein.
Desweiteren können auch die für die Behandlung von Femurfrakturen vorgesehen, in den lochfreien Bereichen
eine Breite von 15 bis 18 mm aufweisenden Platten statt mit schlitzförmigen Schraubenlöchern mit Bohrun-
,(i gen versehen werden. Im übrigen wäre es bei den
Femur-Platten möglich, die Höhe h über die ganze Plattenlänge konstant zu machen und bei den
Schraubenlöchern nur die Breite derart zu vergrößern, daß die Biege-Widerstandsmomente über die ganze
,-. Plattenlänge ungefähr konstant bleiben.
Es ist auch bei den Tibiafrakturen bestimmten, in den lochfreien Bereichen eine Breite von 10 bis 14 mm
aufweisenden Platten möglich, entlang der Plattenlängs-
richtung nur die Höhe oder nur die Breite zu variieren. Bei diesen schmalen Platten ist jedoch die Schraubenlochfläche
im Vergleich zur Querschnittsfläche des Plattenmaterials relativ groß. Wenn daher zur Erzielung
über die .ganze Plattenlänge konstanter Widerstandsmomente nur die Höhe oder nur die Breite variiert wird,
sind relativ große Wölbungen der betreffenden Flächen erforderlich. Dies ist insbesondere der Fall, wenn nur die
Breite variiert wird. Da ausgeprägte Vorsprünge wegen der Verletzungsgefahr für das umliegende Gewebe
möglichst vermieden werden sollen, ist es daher bei den schmalen Platten vorteilhaft, bei den Schraubenlöchern
nicht nur ausschließlich die Breite, sondern sowohl die Breite als auch die Höhe oder allenfalls nur die Höhe zu
vergrößern.
Im folgenden sollen nun noch für einige Größen der erfindungEgemäßen Platten Zahlenwerte angegeben
und mit den entsprechenden Größen von nicht-erfindungsgemäßen, über ihre ganze Länge konstante
Querschnittsabmessungen aufweisenden Platten verglichen werden.
Eine nicht-erfindungsgemäße, für die Behandlung von Tibiafrakturen vorgesehene Platte habe über ihre ganze
Länge eine konstante Breite von 12 mm und eine Höhe von 4 mm. Wenn die Schraubenlöcher dieser Platte
form- und abmessungsmäßig den Schraubenlöchern la der Platte 1 entsprechen, so hat das Biege-Widerstandsmoment W, das an den meisten Stellen gleich der Größe
Wi ist, in den einen vollen Querschnitt aufweisenden, d.
h. sich zwischen den Schraubenlöchern befindenden Längsabschnitten eine maximale Größe von 28 mm3 und
in den Bereichen der Schraubenlöcher eine minimale Größe von etwa 11 mm3, wobei die Werte numerisch
berechnet werden. Das mittlere Flächenträgheitsmoment beträgt ungefähr 45 mm4. Eine erfindungsgemäße
Platte, die etwa gemäß den F i g. 1 bis 3 ausgebildet ist und in den Bereichen zwischen den Schraubenlöchern
eine Breite von 12 mm und eine Höhe von 3,5 mm aufweist, hat ebenfalls ungefähr ein mittleres Flächenträgheitsmoment
von 45 mm4. Die Widerstandsmomente W und W\ der erfindungsgemäßen Platts betragen
jedoch über die ganze Länge ungefähr 23 mm3. Die erfindungsgemäße Platte hat also im Bereich der
Schraubenlöcher ein Biege-Widerstandsmoment W, das ungefähr doppelt so groß ist, wie dasjenige der durch
einen Profilstab gebildeten Platte. Diese Vergrößerung des Widerstandsmomentes Wund auch für die ungefähr
gleiche Vergrößerung der Widerstandsmomente Wi und W2 ergibt bei gleichem Plattenmaterial eine
entsprechende Vergrößerung des bei einer Dauerwechselbelastung maximal zulässigen Biegemomentes, wie
an Hand von Dauer-Biegeschwingversuchen bestätigt werden konnte. Die erfindungsgemäße, lokale Verstärkung
der Platte bei den Schraubenlöchern ermöglicht also, die Dauer-Biegebeiastbarkeit zu verdoppeln, ohne
daß deswegen die biomechanisch wichtige, mittlere Biegesteifigkeit größer wird.
Die in den Fig. 1 bis 10 dargestellten Platten haben
auch noch den Vorteil, daß sie bei der Anpassung an die Knochenform ohne Schwierigkeiten derart plastisch
verformbar sind, daß nirgends Knicke, sondern nur stetige Krümmungen entstehen.
Die in den Fig. 1 bis 10 dargestellten Platten, bei
denen die Höhe im Bereich der Schraubenlöcher größer
2n ist als zwischen diesen, haben im Bereich der
Schraubenlöcher eine größere Biegesteifigkeit als zwischen diesen. Daher treten bei Belastungswechseln
auch nur minimale Relativbewegungen zwischen der Platte und den Schrauben auf. Dementsprechend ist
auch die Reibkorrosion und der Antrieb von Platten- und Schraubenmaterial nur klein, und insbesondere
kleiner als bei nicht-erfindungsgemäßen Platten, die durch Profilstäbe gebildet sind. Dies ist von Vorteil, weil
die Abriebpartikel chemische Reaktionen auslösen und
j(i das umliegende Körpergewebe schädigen können.
In der nachfolgenden Tabelle sind nun für aus rostfreiem Stahl oder Titan bestehende Platten für drei
verschiedene Anwendungen die mittlere Biegesteifigkeiten sowie die bei Dauer-Wechselbelastung maximal
)■> zulässigen Biegemomente angegeben. Dabei sind die letzteren für den Fall von nicht erfindungsgemäßen
Platten mit über die ganze Länge konstanter Breite b und Höhe Λ und für erfindungsgemäße Platten
angegeben, deren Höhe und Breite im Bereich der
«ο Schraubenlöcher derart vergrößert ist, daß die Biege-Widerstandsmomente
W, W\ und W2 ungefähr konstant
sind. In der Tabelle bezeichnet entsprechend den bereits verwendeten Bezeichnungen bmi„ die Breite der Platte
zwischen den Löchern, 5 die mittlere Biegesteifigkeit, i und Mmax das maximal zulässige Biegemoment.
Verwendung
"min
(mm)
M,„
Platte mil b, h | Platte mit W, W1, W2 | |
konstant | konstant | |
(10 N/mm2) | (10 N/mm) | (10 N/mm) |
3- 7 · 105 | 200- 400 | 500-1100 |
8-30 · 105 | 800-1200 | 1400-2200 |
40-60 · 105 | 1600-2400 | 2500-3500 |
Tibia 10-14
Femur 15-18
Trochanter, Kondylus 15-18
Der Vergleich der beiden letzten Kolonnen der Tabelle zeigt, daß das maximal zulässige Biegemoment
bei den Platten mit konstanten Biege-Widerstandsmomenten in allen Fällen etwa 50% größer oder noch
größer ist als bei den Platten konstanter Breite und Höhe. Im übrigen können die Breiten- und Höhenänderungen
bei den erfindungsgemäßen Platten derart festgelegt werden, daß sich bei vorgegebener, mittlerer
Biegesteifigkeit ein möglichst kleines Plattenvolumen ergibt, wobei die Biege-Widerstandsmomente W, Wi,
W2 über die ganze Plattenlänge ungefähr konstant und
möglichst groß sein sollen.
Hierzu 2 Ulatl Zeichnungen
Claims (12)
1. Längliche, mindestens zwei Schraubenlöcher aufweisende Platte für die Osteosynthese, wobei
zwischen je zwei benachbarten Schraubenlöchern ein lochfreier Längsabschnitt mit einer Breite (bmm)
vorhanden ist, die kleiner als die Breite (bmax)der ein
Schraubenloch enthaltenden Längsabschnitte ist, wobei das Biege-Widerstandsmoment (W = l/e)
zwischen zwei Grenzwerten liegt und auf eine Biegung längs einer Längsmittelebene bezogen ist,
die in der Plattenlängsrichtung durch die Mitte der lochfreien Längsabschnitte verläuft und die eine zum
Aufliegen auf einem Knochen bestimmte Fläche rechtwinklig schneidet, und wobei (I) das Flächenträgheitsmoment
und (e) der Maximalwert des Abstandes der die Querschnittsfläche begrenzenden
Umrißlinie von der neutralen Fläche ist, dadurch
gekennzeichnet, daß die rechtwinklig zur Breite der Platte gemessene Höhe (hmtx) im Bereich
der Schraubenlöcher (la, 11, 2\a) größer ist als zwischen den Schraubenlöchern und daß die Höhen
und Breiten derart bemessen sind, daß der untere Grenzwert des Biegewiderstandsmoments mindestens
im Bereich der zwei Schraubenlöcher (la, 11a, 21a, 31a,) und auch zwischen diesen höchstens 30%
kleiner als der obere ist.
2. Platte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ihre rechtwinklig zur Längsmittelebene (3,
23) gemessene Breite im Bereich der Schraubenlöcher (la, Ua, 21a, 31 a)höchstens 20% größer ist als
in den sich zwischen diesen befindlichen Längsabschnitten.
3. Platte nach einem der Ansprüche 1 oder 2, π dadurch gekennzeichnet, daß der untere Grenzwert
des Biege-Widerstandsmomentes (W) höchstens 15% kleiner ist als der obere Grenzwert.
4. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ihre mittlere Biegesteifigkeit,
wenn die Platte in den Bereichen zwischen den Schraubenlöchern (la, Ha, 21a, 3ia) eine
rechtwinklig zur Längsmittelebene (3,23) gemessene Breite von 10 bis 14 mm aufweist, 3 · 106 bis 7 ■ 106
N mm2 beträgt, und wenn sie eine Breite von 15 bis <r>
18 mm aufweist, 8 · 106 bis 70 · ΙΟ6 Ν mm2 beträgt,
wobei die mittlere Biegefestigkeit gleich dem Mittelwert des Produktes Elastizitätsmodul mal
Flächenträgheitsmoment ist und das letztere auf eine gleichartige Biegung bezogen ist wie das w
Biege- Wiederstandsmoment.
5. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus kaltverformtem,
rostfreiem Stahl besteht, der 17 bis 20% Chrom, 10 bis 15% Nickel und 2 bis 4% Molybdän enthält.
6. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Metall
mit mindestens 75% Titan besteht.
7. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer warm wi
geschmiedeten Kobaltlegierung mit 20 bis 70% Kobalt besteht.
8. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem Metall
besteht, für das die Größe od/E213 mindestens b>
0,13 N"3/mmM beträgt, wobei oD die Biege-Dauerschwingfestigkeit
und £der Elastizitätsmodul ist.
9. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß ihre Querschnittsabmessungen
über ihre Länge derart variieren, daß das Verhältnis Widerstandsmoment Wodurch mittleres
Flächenträgheitsmoment / mindestens 0,3/mm beträgt, wobei das Flächenträgheitsmoment auf eine
gleichartige Biegung bezogen ist wie das Widerstandsmoment
10. Platte nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Querschnittsabmessungen derart auf
ihr Material abgestimmt sind, daß α ο W/S größer als
0,001 mm-1 ist, wobei σο die Biege-Dauerschwingfestigkeit
und S die mittlere Biegesteifigkeit ist, die ihrerseits gleich dem Mittelwert des Produktes
Elastizitätsmodul mal Flächenträgheitsmoment ist, und das letztere auf eine gleichartige Biegung
bezogen ist wie das Widerstandsmoment
U. Platte nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß das Biege-Widerstandsmoment W\ = //ei ebenfalls zwischen zwei
Grenzwerten liegt, von denen der untere höchstens 30% kleiner ist als der obere, wobei e\ der
Maximalwert des Abstandes der die Querschnittsfläche auf der dem Knochen (6) abgewandten Seite
begrenzenden Umrißlinie von der neutralen Fläche (4) ist.
12. Platte nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Grenzwert des Biege-Widerstandsmomentes
W\ höchstens 15% kleiner ist als der obere Grenzwert
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CH501177A CH613858A5 (de) | 1977-04-22 | 1977-04-22 |
Publications (3)
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DE2806414A1 DE2806414A1 (de) | 1978-10-26 |
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ID=4286396
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE2806414A Expired DE2806414C3 (de) | 1977-04-22 | 1978-02-15 | Platte für die Osteosynthese |
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US (1) | US4219015A (de) |
JP (1) | JPS53132191A (de) |
CH (1) | CH613858A5 (de) |
DE (1) | DE2806414C3 (de) |
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