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Die
Erfindung betrifft eine modulare Hüftgelenkendoprothese
mit einem rollreibungsgelagertem Prothesenkopf.
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Stand der Technik
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Der
vollständige Ersatz eines verschlissenen Hüftgelenks
durch eine Hüftgelenkendoprothese gehört zu den
Standardoperationen der Orthopädie. Die Verweildauer einer
angewandt üblichen Prothese beträgt derzeit bei
durchschnittlicher Belastung ca. 15 Jahre und wird neben physiologischen
Faktoren vor allem durch den Materialverschleiß bestimmt.
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In
der Vergangenheit wurden große Anstrengungen unternommen,
um die Haltbarkeit der Endoprothesen zu verbessern. Ausgehend von
dem ursprünglichen Prothesendesign nach CHARNLEY haben
sich mehrere Designvarianten für den vollständigen
Gelenkersatz etabliert, deren Grundbestandteile sich jedoch gleichen.
Die Prothesen bestehen aus einem Pfannenkörper, einem Pfanneneinsatz
mit Gleitfläche für die Gelenkkugel, einer Gelenkkugel
und einem Hüftstiel.
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Der
Pfannenkörper besteht aus Metall oder Keramik und wird
in das beräumte Acetabulum eingepresst oder eingeschraubt.
Er stellt die stabile Schale für den Pfanneneinsatz dar.
Der Pfanneneinsatz wird in den Pfannenkörper eingepresst
oder formschlüssig eingesetzt und stellt eine sphärische Gleitfläche
für die Gelenkkugel zur Verfügung. Bei wenigen
Prothesenvarianten ist diese Gleitfläche im Pfannenkörper
integriert und der Einsatz entfällt für diese
Varianten. Die Gelenkkugel gleitet auf der Gleitflache in die verschiedenen
geometrisch vorgegebenen Zwangsrichtungen und die Kugel ist derart mit
dem Hüftstiel verbunden, die Bewegung der Verbundungsachse
die ursprüngliche die Gelenkfunktion, dass Nussgelenk,
weitgehend darstellen kann.
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Eine Übersicht
zu den verschiedenen Prothesenausführungen wird in Effenberger
H., Imhof M. (Zementfreie Hüftpfannen-Implantat-Atlas,
H. Effenberger 2002) gegeben.
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Aufgrund
dieses, der Natur nachempfundenen Designs ist ein technischer Verschleiß unvermeidbar.
Im gesunden natürlichem Fall ist der Verschleiß in
der Gleitpaarung Hüftkopfoberfläche-Gelenkknorpel
sehr gering, eine zugeordnete Reibzahl R hat einen typischen Wert
von R < 0,01. Eventuelle Verschleißprodukte
werden über den Stoffwechsel getilgt, außerdem
stellen regenerative Prozesse die Funktion des Gelenks sicher.
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Der
technische Verschleiß in der Gleitpaarung des Ersatzgelenkes
ist in doppelter Hinsicht schädlich. Zum einen wird durch
ihn die Einsatzdauer begrenzt, zum anderen belasten die austretenden Verschleißprodukte
das umgebende Gewebe und können zu Entzündungen,
Gewebenekrosen und weitergehend zu Implantatlockerungen führen,
die einen Implantatwechsel nötig machen.
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Zur
Verringerung des technischen Verschleißes sind große
Anstrengungen unternommen worden. Insbesondere wurden verbesserte
Gleitpaarungsmaterialien entwickelt. Dabei werden folgende Gleitpaarungsmaterialien
bevorzugt benutzt (Gelenkkopf-Pfanneneinsatz):
- – Keramik-Polymer
- – Keramik-Keramik
- – Metall-Keramik
- – Metall-Metall
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Die
Paarung Keramikkopf-Polymerpfanneneinsatz wird am häufigsten
verwendet, da sie anwendungssicher ist und befriedigende Langzeiterfahrungen
vorliegen. In dieser Gleitpaarung wird der Verschleiß durch
den Polymerabrieb bestimmt. Durch die Weiterentwicklung des Polymermaterials
ausgehend von einfachem Polyethylen über hochdichtes Polyethylen
zu hochdichtem quervernetzem Polyethylen gelang es mehrfach, den
Verschleiß zu verringern. Beim derzeitigen Entwicklungsstand
dieser Gleitpaarung wird ein Verlust von 0,1 mm Pfanneneinsatzdicke
pro Jahr beobachtet. Der dabei entstehende Abrieb verbleibt im umgebenden
Gewebe und kann zu Komplikationen führen. Die Tendenz zu
größeren Gelenkkugeln, die eine verbesserte Beweglichkeit
gestatten, bedingt größere Artikulationsflächen
und dadurch insbesondere auch in dieser Gleitpaarung einen erhöhten
Verschleiß.
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Die
Keramik-Keramik-Gleitpaarung mit deutlich geringeren Verschleißwerten
gewinnt durch verbesserte Keramikeigenschaften immer mehr an Bedeutung.
Insbesondere die mechanischen Eigenschaften von Aluminiummischoxid-Keramiken
wurden im Bezug auf Schlagzähigkeit, Sprödigkeit
und Rissausbreitung stark verbessert, sodass sogar geometrisch komplizierte
Formen wie Knie-Implantate (Tibia-seitig) realisiert werden. Beim
Hüftimplantat kann es aber durch massiven destruktiven
Kontakt von Hüftstiel und Pfanneneinsatz (Impingement)
zum Abplatzen von Keramik-Partikeln kommen, die dann in der Gleitpaarung
zu einer Drei-Körper-Verschleiß-Situation führen,
die sich wiederum sehr destruktiv auf die Reibungswerte auswirkt.
Durch geeignete konstruktive Maßnahmen versucht man diesen Verschleißfall
zu vermeiden, muss allerdings in Betracht ziehen, dass die Pfannenposition
im Becken (Ort, Winkellage) nicht immer stabil ist.
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Bei
Metall-Metall-Gleitpaarungen wird versucht in einen Kompromiss die
positiven Eigenschaften der vorab beschriebenen Gleitpaarungen zu
erhalten und den unvermeidbaren Metallabrieb so gering wie möglich
zu halten. Unter normalen Umständen gelingt das, in ungünstigen
Fällen wird das umgebende Geweben vom Abrieb durchsetzt
und ein Prothesenwechsel ist unabdingbar.
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Neben
den materialtechnischen Bemühungen wurden eine Reihe von
konstruktiven Anstrengungen unternommen, um eine verbesserte Funktionalität
des Hüft-Ersatzgelenks zu erreichen. Dabei stand insbesondere
die Erhöhung des Bewegungsumfangs im Zentrum des Interesses.
Durch monozentrische bipolare Gelenkköpfe wurde versucht
das Drehzentrum des Gelenkersatzes so zu verlagern, dass ein Anschlagen
des Hüftstiels am Pfannenrand erst bei sehr viel größeren
Winkeln möglich ist. Virtuell wurde dadurch eine Erhöhung
des effektiven Durchmessers der Gelenkkugel vorgenommen zum Preis
der Einführung einer zweiten Artikulationsfläche.
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Die
Trennung zwischen bipolarem Gelenkkopf und beweglichen Schaleneinsatz
und einfacher Gelenkkugel ist dabei unscharf und diese Zuordnung wird
von den Implantatherstellern willkürlich vorgenommen.
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Eine
Sonderform dieser Anordnung ist der bipolare bizentrische Gelenkkopf,
der auch bei Halbprothesen unter Nutzung der natürlichen
Gelenkpfanne eingesetzt wird (M. Thomsen, S. J. Breusch, U.
Schneider, D. Kubein-Meesenburg, H. Nägerl: Entwicklungen
in der Hemi-Hüftarthroplastik und die Theorie des überschlagenen
dimeren Hüftgelenks). Bei dieser Form kann die
Gelenkkugel in einer ebenfalls beweglichen äußeren
Kugel gleiten. Die Geometrien sind so abzustimmen, dass die Wirklinien
der Kräfte eine zuverlässige Funktion des Duokopfes
garantieren.
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Alle
bisher beschriebenen und realisierten Implantatformen gehen von
einem in einer Schale gleitenden Gelenkkopf aus. Diese Implantate
besitzen praktische Bedeutung und finden klinische Anwendung.
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Aus
ingenieurtechnischer Sicht ist die Realisierung eines Nussgelenkes
in Form eines Gleitlagers mit anzustrebender sehr großer
Lebensdauer eine unbefriedigende Lösung, da der Gleitreibungsverschleiß immer
größer ist als ein Rollreibungsverschleiß.
In der Patentliteratur finden sich deshalb auch eine Reihe von Vorschlägen
zur Realisierung eines vollständigen Hüftgelenkimplantats
unter Nutzung von Wälzkörpern. Das Hauptproblem
bei diesen Vorschlägen ist eine zu einseitig technische
Betrachtung, die die physiologischen Anforderungen nur unzureichend
berücksichtigt bzw. in Unkenntnis dieser Anforderungen
zu unrealistischen bzw. potentiell gefährlichen Lösungen
führt. Die Gleitlager-basierten Lösungen sind
konstruktiv sehr einfach. Sie sind im zu erwartenden Rahmen zuverlässig
und werden vom Körper, abgesehen von den Verschleißprodukten,
toleriert. Ihr Einsatz ist operativ zu beherrschen. Die entsprechenden
Wälzlager-basierten Vorschläge aus der Patentliteratur
müssen sich an diesen Tatsachen messen lassen und sollen
als Hauptvorteil eine verbesserte Lebensdauer besitzen. Die bei
diesen Vorschlägen notwendige komplizierte Konstruktion
muss operativ beherrschbar bleiben. Der Fakt, dass es bisher kein
einziges Wälzlager-basiertes Implantat im klinischen Einsatz
gibt, belegt, dass die bisherigen Lösungsvorschläge
unausgereift und damit für den Patienten potentiell gefährlich
sind. Einige dieser Vorschläge werden im folgenden diskutiert.
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Sehr
technisierte Lösungsvorschläge wie z. B.
FR 2357235 A1 ,
beinhalten eine Vielzahl von verborgenen Oberflächen, die
sich zur Aufnahme von Geweberesten eignen und finden deshalb als
Endoprothese berechtigterweise keine Akzeptanz. Einige Lösungsvorschläge
sind überraschenderweise völlig unbrauchbar, wie
aus den dazugehörigen Abbildungen hervorgeht, vgl.
DE 9304038 U ,
DE 2024583 C3 ,
WO 94/29605 . Die Wälzkörper
besitzen in den Abbildungen der vorgenannten Schriften keine Bewegungsfreiräume.
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In
den Patenten
US 5092898 ,
JP 07059805 A ,
JP 07051301 A ,
JP 04341258 A und
FR 2060179 wird der Wälzkörperkäfig
mit Kugeln als Wälzkörper durch ein zusätzliches
Fixationselement mit dem Gelenkkopf und der Pfanne verbunden, was
einen zusätzlichen mechanischen intraoperativen Schritt
erfordert und im Impingement-Fall ein hohes, die Pfanne lockerndes
Drehmoment entstehen lässt.
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In
den Patenten
DE 69914765
T2 ,
DE 19527975
C1 ,
FR 2707479 und
GB 2338897 wird ein offener
Wälzlagerkäfig mit Kugeln als Wälzkörper vorgeschlagen,
eine günstige Lösung. Dieser Käfig ist
in den Schriften
DE
19527975 C1 und
FR 2707479 jedoch
verlierbar mit dem Gelenkkopf verbunden, d. h. die Wälzkörper
umfassen weniger als die Hemisphäre des Kopfes.
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In
den Patenten
GB 2338897 und
DE 69914765 T2 wird
dieser Käfig unverlierbar mit dem Gelenkkopf verbunden.
Dabei wird in
GB 2338897 nicht
beschrieben, wie diese Unverlierbarkeit hergestellt wird, da aufgrund
der geometrischen Zwangsbedingungen das beschriebene Beispiel technisch nicht
realisierbar ist. Im Patent
DE 69914765 T2 wird die Unverlierbarkeit
des Wälzlagerkäfigs durch ein Zusatzelement und
drei Rastverbindungen realisiert. Die Fassung der Wälzkörper, der
Kugeln, ist in diesem Vorschlag durch Eindrücken in eine
formschlüssige Aussparung unter Nutzung einer elastischen Verformung
der Öffnung gegeben.
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In
den vorgenannten Patenten mit den Vorschlägen zu offenen
Wälzlagerkäfigen tritt ein gravierender Mangel
zutage. In keiner Weise wird auf die notwendige Stabilität
des Käfigs eingegangen. Dieser Mangel rührt daher,
dass die Anforderungen, die sich aus dem natürlichen Gangzyklus
ergeben, nicht in der technischen Realisierung des Lagers eingegangen
sind.
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Der
natürliche Gangzyklus ist dadurch gekennzeichnet, dass
der Projektionspunkt der Halsachse des Femurs in eine im Acetabulum
liegende sphärische Oberfläche während
des Gangzyklus eine nierenförmige geschlossene Kurve schreibt.
D. h. der Wälzkörperkäfig nimmt nach
Durchlaufen eines Zyklus nicht wieder seine ursprüngliche
räumliche Lage ein. Nur für den theoretischen
Sonderfall, das die Projektionskurve die Form einer Linie annehmen
würde, wäre die Rückkehr in die Ausgangsposition
gegeben. Durch die nun stetige, durch den Gangzyklus bedingte, gleichmäßige
Lageveränderung des Wälzkörperkäfigs
kommt es zwangsläufig dazu, dass der Käfig und
der Hals des Implantatstiels kollidieren. Die Rollreibung wird im
darauffolgenden Schritt durch einen Gleitreibungsschritt derart
unterbrochen, das der Hals des Implantatstiels den Käfig gleitend
zurückschiebt, wobei die gesamte Kraftübertragung
durch den Käfig über den Kollisionspunkt zwischen
Käfig und Hals des Implantatstiels erfolgt. D. h. für
diese periodisch zu erwartende, prinzipiell unvermeidbare Situation
muss der Lagerkäfig eine mechanisch ausreichende Stabilität
besitzen und die konstruktive Gestaltung der Sicherung des Käfigs
um den Gelenkkopf muss für jeden radialen Kontaktpunkt
gewährleistet sein.
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Alle
bisher offenbarten Lösungen können diese Anforderungen
nicht erfüllen. Zusammenfassend lässt sich also
feststellen, dass beim künstlichen Hüftgelenk
neben der notwendigen Sicherung der Biokompatibilität besonderes
Augenmerk auf die Gewährleistung eines annähernd
natürlichen Bewegungsumfangs und eine möglichst
hohe Einsatzdauer bei höchstmöglicher Funktionssicherheit
gelegt wird.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine funktionssichere modulare Hüftgelenkendoprothese
mit deutlich verringertem Reibungswiderstand zwischen Implantatpfannengleitfläche
und Gelenkkugel zu entwickeln, die einen nahezu natürlichen
Bewegungsumfang gestattet.
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Die
Lösung der Aufgabe erfolgt entsprechend der Patentansprüche.
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Die
erfindungsgemäße modulare Hüftgelenkendoprothese
besteht aus einem schalenförmigen Pfannengrundkörper,
einem schalenförmigen Pfanneneinsatz, einer Gelenkkugel
und einem Laufkugelkäfig und ist dadurch gekennzeichnet,
dass der Laufkugelkäfig aus einem Laufkugelkäfig-Oberteil
in Halbschalenform und einem Laufkugelkäfig-Unterteil besteht.
Das Laufkugelkäfig-Oberteil überdeckt die Gelenkkugel
annähernd bis zum Äquator. Das Laufkugelkäfig-Unterteil
besitzt die Form einer gekappten Halbschale mit einer mittigen Öffnung
und hüllt die Gelenkkugel bis über den Äquator
ein. Das Laufkugelkäfig-Oberteil und -Unterteil sind lösbar
oder unlösbar in der Art miteinander verbunden, dass zur Gewebeseite
des Implantats eine glatte konvexe Oberfläche entsteht.
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Die
mittige Öffnung des Laufkugelkäfig-Unterteils
entspricht der Größe des Halses des Hüftstiels.
In den Laufkugelkäfig sind Laufkugeln in nach innen offene
Taschen eingefügt, wobei zentrisch offenen Deckplättchen
diese Taschen verschließen. Anzahl und Anordnung der Laufkugeln
wird durch die zu erwartende Lastverteilung bestimmt.
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Die
Verminderung des Verschleißes zwischen Gleitfläche
des Pfanneneinsatzes und dem Gelenkkopf erfolgt durch den erfindungsgemäßen Übergang
von der bisher üblichen Gleitreibungsartikulation zu Rollreibungsartikulation,
d. h. das Gleiten des Gelenkkopfs in der Gleitfläche des
Pfanneneinsatzes wird erfindungsgemäß durch Wälzkörper,
insbesondere hier Laufkugeln vermittelt.
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Aus
Sicht des Operateurs stellt sich die mit dem Laufkugelkäfig
verbundene Hüftkugel als eine Hüftkugel mit einem
effektiv größeren Durchmesser dar. Der größere
Kugeldurchmesser bedingt einen größeren Bewegungsumfang
des Hüftstiels. Der platzierte Laufkugelkäfig
sichert das freie Rollen der Laufkugeln in alle Richtungen tangential
zur Artikulationsfläche des Pfanneneinsatzes und damit
die freie rotatorische Bewegung der Gelenkkugel bzw. des Hüftstiels
im physiologisch notwendigen Bereich.
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Gewebeirritationen
durch die Nutzung des Laufkugelkäfigs und der Laufkugeln
sind nicht zu erwarten, da alle Oberflächen, die gleitend
mit Gewebe in Berührung kommen könnten, konvex
geformt sind bzw. unkritische Krümmungsradien aufweisen.
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Für
den Operateur ergibt sich keine Umstellung der konventionellen Operationstechnik.
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Beispiele
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Die
Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Hierzu zeigen
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1 Prinzipielle
Aufbau der erfindungsgemäßen Hüftgelenkendoprothese,
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2 Schnitt
der Endoprothese im zusammengesetzten Zustand,
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3 Formschluss
der Laufkugelkäfigteile,
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4 Ausgelenkter
Hüftstiel in erfindungsgemäßer Hüftgelenkendoprothese.
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In 1 ist
eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen
modularen Hüftgelenkendoprothese mit dem rollreibungsgelagerten
Prothesenkopf ohne Hüftstiel zu sehen. Diese besteht aus
einem schalenförmigen Pfannengrundkörper 1,
der in die beräumte Beckenpfanne stabil eingebracht wird
und einem ebenfalls schalenförmigen Pfanneneinsatz 2 mit
einer hemisphärischen inneren Gleitfläche 2a. Der
Pfanneneinsatz 2 sitzt formschlüssig und verdrehsicher
im Pfannengrundkörper 1. Der Rand der hemisphärischen
inneren Gleitfläche 2a ist derart verrundet, dass
kugelförmige Rollkörper (Laufkugeln 11)
leicht in die Gleitfläche 2a eintreten können.
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Die
Laufkugeln 11 werden in einem mindestens zweiteiligen schalenförmigen
Laufkugelkäfig 3 geführt, welcher in
der inneren Gleitfläche 2a angeordnet ist. Anzahl
und Anordnung der Laufkugeln 11 wird durch die zu erwartende
Lastverteilung bestimmt.
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Der
Laufkugelkäfig 3 muss mit der Gelenkkugel 8 frei
beweglich aber unverlierbar verbunden sein. Das wird durch einen
zweigeteilten Laufkugelkäfig 3 erreicht, dessen
Laufkugelkäfig-Oberteil 4 Halbschalenform besitzt
und die Gelenkkugel 8 annähernd bis zum Äquator überdeckt.
Das Laufkugelkäfig-Unterteil 5 besitzt die Form
einer gekappten Halbschale, d. h. dass der Boden des Laufkugelkäfig-Unterteils 5 mittig
eine Öffnung in der Größe des Halses
des Hüftstiels 10 aufweist. Das Laufkugelkäfig-Unterteil 5 ergänzt
sich mit dem Laufkugelkäfig-Oberteil 4 zu einer
gekappten Kugel, die die Gelenkkugel 8 bis über
den Äquator einhüllt. Beide Laufkugelkäfig-Teile 4 und 5 werden
bevorzugt durch einen Formschluss bei Überwindung einer
Materialspannung über der Gelenkkugeloberfläche
zusammengefügt. Da die Öffnung des Laufkugelkäfig-Unterteils 5 kleiner
ist als der Durchmesser der Gelenkkugel, kann der zusammengefügte
Käfig nur unter Überwindung der Materialspannung
des Formschlusses wieder getrennt werden und ist unter physiologisch
relevanten Krafteinwirkungen unverlierbar.
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In
einer weiteren beispielhaften Ausführung werden die beiden
Teile des Laufkugelkäfigs 3 durch Fügen,
z. B. Schweißen unlösbar verbunden.
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Die
Gestaltung des Laufkugelkäfigs 3 ist auf maximale
mechanische Stabilität ausgerichtet, d. h. seine Dicke
wird dahingehend maximiert, das die Laufkugeln 11 noch
frei laufen können. Die Laufkugeln 11 werden in
nach innen offene Taschen des Käfigs eingelegt und mit
zentrisch offenen Deckplättchen, die diese Taschen verschließen,
in der Tasche bei freier Beweglichkeit eingeschlossen. Die Deckplättchen
werden durch Fügen, z. B. Schweißen, gesichert.
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In
der Schnittdarstellung 2 ist die Artikulation der Laufkugeln 11 auf
der Gleitfläche 2a des Pfanneneinsatzes 2 und
der Gelenkkugeloberfläche 8 zu sehen. Die Laufkugeln 11 sichern
die Polyaxialität der Bewegung der Gelenkkugel 8 und
damit des Hüftstiels 9 in willkürliche
Raumrichtungen.
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In 3 ist
beispielsweise dargestellt, wie eine einfache zuverlässige
formschlüssige Verbindung zwischen Ober- und Unterteil
des Laufkugelkäfigs 3 erfolgt. Durch diese Art
der Verbindung wird hin zur Gewebeseite des Implantats sichergestellt,
dass ein eventuell reibender Gewebekontakt nur mit glatten konvexen
Oberflächen erfolgt.
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In
der Gleitfläche 2a des Pfanneneinsatzes 2 bewegt
sich indirekt artikulierend die Gelenkkugel 8, die mit
dem Hüftstiel 9 verbunden ist. Der ausgelenkte
Hüftstiel 9 in 4 zeigt,
dass durch die Einführung des Laufkugelkäfigs 3 keinerlei
Einschränkungen in Bezug auf den erreichbaren Bewegungsumfang
zu verzeichnen sind. Die effektive Durchmesservergrößerung
der Gelenkkugel 8 durch den Laufkugelkäfig trägt
zur Vergrößerung des Bewegungsumfanges bei.
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- 1
- Pfannengrundkörper
- 2
- Pfanneneinsatz
- 2a
- Gleitfläche
- 3
- Laufkugelkäfig
- 4
- Laufkugelkäfig-Oberteil
- 5
- Laufkugelkäfig-Unterteil
- 6
- Formschluss
Laufkugelkäfig-Oberteil
- 7
- Formschluss
Laufkugelkäfig-Unterteil
- 8
- Gelenkkugel
- 9
- Hüftstiel
- 10
- Hals
des Hüftstiels
- 11
- Laufkugel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - FR 2357235
A1 [0017]
- - DE 9304038 U [0017]
- - DE 2024583 C3 [0017]
- - WO 94/29605 [0017]
- - US 5092898 [0018]
- - JP 07059805 A [0018]
- - JP 07051301 A [0018]
- - JP 04341258 A [0018]
- - FR 2060179 [0018]
- - DE 69914765 T2 [0019, 0020, 0020]
- - DE 19527975 C1 [0019, 0019]
- - FR 2707479 [0019, 0019]
- - GB 2338897 [0019, 0020, 0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Effenberger
H., Imhof M. (Zementfreie Hüftpfannen-Implantat-Atlas,
H. Effenberger 2002) [0005]
- - M. Thomsen, S. J. Breusch, U. Schneider, D. Kubein-Meesenburg,
H. Nägerl: Entwicklungen in der Hemi-Hüftarthroplastik
und die Theorie des überschlagenen dimeren Hüftgelenks [0014]