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WO2000032124A1 - Vorrichtung zur retention und protektion von beschädigten knochen - Google Patents

Vorrichtung zur retention und protektion von beschädigten knochen Download PDF

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Publication number
WO2000032124A1
WO2000032124A1 PCT/EP1999/009186 EP9909186W WO0032124A1 WO 2000032124 A1 WO2000032124 A1 WO 2000032124A1 EP 9909186 W EP9909186 W EP 9909186W WO 0032124 A1 WO0032124 A1 WO 0032124A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spring
bone
sections
controller
healing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP1999/009186
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans Albert Richard
Thomas Beier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to AU18603/00A priority Critical patent/AU1860300A/en
Priority to EP99962167A priority patent/EP1135074A1/de
Publication of WO2000032124A1 publication Critical patent/WO2000032124A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/56—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
    • A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws or setting implements
    • A61B17/60—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws or setting implements for external osteosynthesis, e.g. distractors, contractors
    • A61B17/64—Devices extending alongside the bones to be positioned
    • A61B17/6491—Devices extending alongside the bones to be positioned allowing small-scale motion of bone ends
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B17/00—Surgical instruments, devices or methods
    • A61B17/56—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor
    • A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws or setting implements
    • A61B17/68—Internal fixation devices, including fasteners and spinal fixators, even if a part thereof projects from the skin
    • A61B17/72—Intramedullary devices, e.g. pins or nails
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61B17/58—Surgical instruments or methods for treatment of bones or joints; Devices specially adapted therefor for osteosynthesis, e.g. bone plates, screws or setting implements
    • A61B17/68—Internal fixation devices, including fasteners and spinal fixators, even if a part thereof projects from the skin
    • A61B17/80—Cortical plates, i.e. bone plates; Instruments for holding or positioning cortical plates, or for compressing bones attached to cortical plates
    • A61B17/8004—Cortical plates, i.e. bone plates; Instruments for holding or positioning cortical plates, or for compressing bones attached to cortical plates with means for distracting or compressing the bone or bones

Definitions

  • the invention relates to a device for the retention and protection of damaged bones, with two sections fixed to both sides of the bone damage to a bone, which are coupled to one another so as to be able to bridge the bone damage by means of at least one spring device so as to be axially resiliently displaceable.
  • Bone fractures can be treated using two different methods.
  • One method is flexible fixation (e.g. bandage / plaster), which results in natural bone healing.
  • Another method is surgical fracture treatment with a rigid fixation, known as primary bone healing.
  • a rigid fixation takes place in that the bone above and below the breaking point by means of screws, pins or the like, with a rigid connecting rod or the like. is connected.
  • This rigid connecting rod can either be used as an external fixator, i.e. a connecting rod located outside the body, as a plate implant or the like, which is screwed directly to the outside of the bone, or can also be designed as an intramedullary nail in tubular bones.
  • the natural bone healing takes place through the formation of a kailous tissue, which with increasing solidification The mobility of the broken ends is reduced more and more until ultimately stability has been achieved.
  • Bone healing takes place in three phases.
  • the first phase is characterized as the cellular callus formation phase (reparative inflammation).
  • cellular callus formation phase reparative inflammation
  • a rapid accumulation of cells of mesenchymal (embryonic) origin can be observed around the injured pieces of tissue.
  • This cellular callus develops the basic substance and gradually envelops the fracture site. It is a microscopically visible new bone tissue that forms in response to the bone injury.
  • a prerequisite for the formation of callus between the fragments is, on the one hand, the sufficient proximity of the fragments to one another, and, on the other hand, a certain movement between the fragments.
  • the connective tissue callus and fixation callus (mineralization phase) are formed. This is based on the accumulation of minerals in the cartilage and bone substance, which was formed by the cells of the first callus phase.
  • the onset of mineralization depends on the mechanical stability which is brought about by the preliminary enrichment of the connective tissue callus. Mechanical stability characterizes the clinical condition of the bony superstructure.
  • the mineralized tissue that has undergone the fracture is replaced by lamellar bone.
  • the injured bone then returns to its full normal function.
  • the above-mentioned primary bone healing with a stable fixation by means of plates, screws or intramedullary nail aims to ensure a quick functional restoration with the most anatomical reconstruction possible.
  • the price for this is the absence of a natural fracture callus formation.
  • such direct union without callus formation under stable mechanical conditions is the slower way of bone healing. It is only a quick, functional rehabilitation is achieved.
  • DE 40 02 400 C2 describes a device of the type mentioned at the beginning in the form of a Intramedullary nail suggested.
  • the nail shown there has two telescoping sections with a spring arrangement in between, which is pretensioned at the beginning of the healing process.
  • the two sections of the intramedullary nail are thus permanently pushed apart by the spring arrangement, ie the bone fragments are subjected to a force that pulls the fragments apart.
  • an external pressure load on the bone for example a thigh bone with a load on the leg, when the patient stands on this leg, the spring is compressed minimally. This inevitably leads to certain movements in the axial direction, which stimulates callus formation.
  • the spring can be re-tensioned regularly, so that in patients who have bone defects or bone substance losses of a few millimeters, healing can take place without shortening the bone.
  • such a preloaded spring has the disadvantage that permanent tension is exerted on the bone ends, which is not an advantage for every fracture.
  • the force-displacement function is unfavorable in the case of such a pretensioned spring as a dynamic element, since the spring only yields to pressure from a certain predetermined minimum force, which depends in each case on the pretension of the spring. At forces above this minimum force, the spring is suddenly relatively soft.
  • the dynamic behavior of the device can be precisely controlled without a spring being preloaded. Regardless of the external force that occurs in each case, the spring has a constant, adjustable "softness".
  • This spring constant is preferably varied depending on the healing process. That depending on the strength of the bone regained, the spring constant is changed so that the harder the bone itself, the softer the device. This ensures permanent, equally high bending stiffness of the device, so that the bone and in particular the fracture point are protected against transverse forces and torsional forces and refraction is avoided. Only in the axial direction does the device absorb less and less forces, so that the bone can heal completely, as in natural bone healing without an operationally stable fixation, and it already achieves its original mechanical stability with the implant.
  • the spring constant can be changed either step by step or continuously.
  • the two sections are telescopically displaceable, and the spring device is arranged inside the sections and counteracts a compression of the sections.
  • This embodiment is particularly suitable as an intramedullary nail.
  • the sections are preferably secured against rotation relative to one another about their connecting axis and have at least one stop to limit the axial movement of the sections to a maximum length.
  • the spring device has at least one working chamber and at least one piston arranged movably therein, and means for changing the pressure and / or the pressure ratios and / or the volume and / or the volume ratios in the working chamber.
  • the spring constant is changed in a simple manner via the pressure or the pressure ratios or the volume changes.
  • the spring device has at least one mechanical spring element and means for changing the effective length of the spring element.
  • the spring device has a plurality of spring elements connected in series and / or in parallel, and means for coupling or uncoupling and / or for blocking the individual spring elements.
  • the spring constant is changed depending on the number of active spring elements.
  • the device preferably also has an emergency lock which, when the two sections are displaced relative to one another by a certain axial path length, prevents further axial movement of the sections relative to one another.
  • This Emergency locking has the sense that a sudden axial overloading of the bone in the form of pressure on the fracture points, for example as a result of a fall or the like, is prevented.
  • This emergency lock also intervenes if, for example, the spring device fails, for example if for some reason the required pressure is missing in one of the working chambers.
  • the emergency lock can e.g. be designed such that at least one latching means is arranged on one of the sections, which interacts with at least one corresponding latching means on the respective other section. It preferably has means with which the emergency lock can be released again.
  • the entire device functions in exactly the same way as a conventional, rigid intramedullary nail or fixator.
  • the device has at least one sensor for measuring at least one parameter, from which the current healing state can be determined alone and / or in conjunction with further parameters.
  • the sensor can be, for example, an ultrasound sensor, which determines the density of the bone substance at the break point.
  • this can be a temperature sensor that measures statements about the body temperature at and around the break point. An increase in temperature could indicate an infection, for example.
  • Various sensors are available for measuring such parameters as strength, density, viscosity and temperature.
  • the device can have additional force and acceleration sensors with which information about the type of movement and the respective load level can be determined.
  • the device has at least one actuator for changing the length of the device between the fixing points, at which the sections on both sides of the bone damage are attached to the bone.
  • a targeted change in the length of the device is possible via this actuator, this change in length taking place independently of the softness of the spring.
  • Such a change in length is of course also possible in that the stop, which serves to limit the axial movement of the sections, is adjusted by the actuator.
  • the device preferably has at least one actuator for periodically changing the length of the device between the fixing points in the form of micro movements. This movement is also independent of the setting of the spring.
  • the actuator can be a small electric motor or the like.
  • the actuators can of course also be actuators, which are not electrical, but by Compression spring tension, etc., are driven pneumatically or hydraulically, a certain "energy supply" already being present in the system due to an initially predetermined pressure in a working chamber or by a prestressed spring when the implant is inserted, and in a possibly later healing phase due to the body's own movement this energy storage is recharged.
  • the actuator can be connected in series with the spring device between the two sections.
  • an active micro movement is generated with the actuator to support callus formation.
  • the spring is set in its highest rigidity, so that the bone is almost completely relieved.
  • the micro-movement stimulates the blood circulation, which is conducive to callus formation.
  • This micro-movement can then be dispensed with as the healing process progresses. Instead, the spring is set ever softer, so that more and more stress is transferred to the bone itself. This automatically leads to inevitable, i.e. the body's own micro movements, e.g. when the patient puts pressure on the affected leg.
  • the active length change of the device usually also takes place in the first bone healing phase, but only when the bone has to be pushed apart due to the traumatic loss of bone substance in order to form sufficient callus to compensate for these losses.
  • the device has a controller for determining the current healing state from the measured and / or externally entered parameters.
  • These externally entered parameters can, for example, provide information about further injuries in the The patient's body after a polytrauma, the age and parameters relating to the general physiological condition of the patient, for example his fitness or the like, as well as current mechanical parameters of the respective movement, such as pressure load, speeds, accelerations etc.
  • This control is preferably also used for the automatic variation of the spring constant, for the automatic length change of the device between the fixing points or for the automatic execution of the micro movements.
  • This can be a control in the form of a microchip or the like, which is also possibly arranged in the interior of the device.
  • the controller is preferably a self-optimizing controller which has a database with a knowledge base and a reasoning mechanism so that the controller can learn, store and use new knowledge while the device is operating. With such a control, the device can react independently to the healing process and special stressful situations. The healing process can thus be optimized.
  • the control should be able to recognize from the movement of the patient based on the entered data and the continuously measured parameters whether the movement performed is a movement that promotes healing, which of the respective movements corresponds to the current target.
  • the target depends on the phase of bone healing, ie the first phase focuses on optimal retention and protection of the bone as well as full load transfer by the implant.
  • the callus formation by the micro movement and to be promoted either by approved micro-movements of the body or by micro-movements carried out by the actuators.
  • the load transfer through the implant is to be increasingly reduced and the load transferred to the bone.
  • the load of the implant should then be completely reduced. Thanks to the intelligence of the system, the movement situations can be analyzed, evaluated and reacted with the help of the information from the knowledge base by adjusting the spring constant accordingly and / or moving the actuators accordingly.
  • the device preferably also has at least one data transmission interface for the percutaneous transmission of data between the sensor (s) and / or the actuator (s) and the controller or an external controller. These percutaneous transmissions send and receive information wirelessly through the skin. If the device is an internal implant, e.g. an intramedullary nail or a plate implant that does not contain any control inside, the control can thus be outside, e.g. in a device that is strapped to the patient's body and that is constantly connected to the actuators and sensors.
  • an internal implant e.g. an intramedullary nail or a plate implant that does not contain any control inside
  • the control can thus be outside, e.g. in a device that is strapped to the patient's body and that is constantly connected to the actuators and sensors.
  • the device itself contains an internal control
  • contact with a higher-level external control is possible at any time via such a percutaneous interface, which is available, for example, in the doctor's office, so that the doctor can regularly query data collected in the internal control and is informed about the healing process.
  • a higher-level control it is also possible for a higher-level control to be located at the patient, for example regularly transmits signals via remote transmission to a further control system at the attending doctor, so that the doctor can monitor the healing process even without the patient being present.
  • a device in the form of a plate implant or an intramedullary nail for the voltage supply of the actuators and the sensors as well as a possible control has a built-in battery or the like.
  • Fig. 1. is a schematic representation of a broken
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of the bone according to FIG. 1, but with an inventive device in the form of an external fixator, which is arranged outside the leg,
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of the bone according to FIG. 1, but with a device according to the invention in the form of an implant attached to the outside of the bone,
  • Fig. 7 shows the load capacity of the bone
  • FIG. 8 shows a comparative diagram of the load capacity development of the healing bone when using the device according to the invention and in conventional bone healing with a conventional rigid implant, 9 several schematic representations of different to 20 b exemplary embodiments for realizing the spring device according to the invention, FIG. 26
  • the device (50, 51, 52) according to the invention is in the form of an intramedullary nail (50), FIG. 1, an external fixator (51), FIG. 2, and an implant (52 ), Fig. 3.
  • the device (50, 51, 52) is used to fix a patient's thigh bone (1) broken at a damaged site (2).
  • this device according to the invention is not limited to the healing of the femur.
  • the device (50, 51, 52) each has an upper section (10) which is connected to the upper fragment (4) of the bone (1 ) is connected (proximal locking), and a second lower section (11), which is connected to the lower fragment (3) of the bone with corresponding pins, nails (22) or screws.
  • These two sections (10, 11) are axially resilient against one another in order to bridge the bone damage (2) via at least one spring device (20, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200) slidably coupled together.
  • FIGS. 4 to 5 show various embodiments of how the two sections (10, 11) can be coupled to one another and at the same time form a housing for the spring device (20).
  • the outer shape of the housing can, for example, correspond to the shape of a conventional intramedullary nail.
  • the two sections (10, 11) are two cylinder tubes which form a telescopically displaceable housing in which the spring device (20) is arranged.
  • the lower and the upper tube section (10, 11) are each connected to the bone fragments (3, 4) via the proximal lock (21) and the distal lock (22).
  • Fig. 5 shows a further embodiment with a one-piece housing, which represents the first section (10). This is firmly screwed to the upper bone fragment (4) at the proximal end via the proximal lock (21).
  • the tube section (10) has elongated holes (24) at the distal end.
  • a pin which forms the distal lock (22) and which is connected to the lower bone fragment (3) runs through these lateral elongated holes (24).
  • the lower section (11) is completely encapsulated in the interior of the upper section (10) and is coupled via the spring device (20) to the upper section (10) or the proximal locking device (21).
  • 6 a shows a further exemplary embodiment with two telescopically displaceable sections (10, 11), in which the two pipe sections (10, 11) are coupled to one another directly, without the interposition of a linear ball bearing, by means of a suitable spring device (20).
  • Both the embodiment of FIG. 4 and the embodiment of FIG. 6 a have seals (25) at the point at which the two pipe sections (10, 11) are slidably mounted one inside the other in order to separate the interior of the implant (50, 52) from the surroundings.
  • corresponding seals could be located within the elongated holes (24).
  • Fig. 6 b shows a section through Fig. 6 a, on which it can be seen that the two sections (10, 11) through a corresponding groove (32) in the upper outer tube section (10) and a matching nose (31) on inner lower tube section (11) are secured against rotation about the axis (30).
  • the spring device (100, 200) has at least one working chamber (101, 201, 202, 203) with at least one piston (110, 210, 211, 212) movably arranged therein and with means to change the pressure or the pressure ratios or the volume and / or the Volume ratios in the working chamber or chambers (101, 201, 202, 203).
  • the spring device (100) consists of two pressure vessels (125, 124), a divided working cylinder (101) with a piston (110) movable therein and four control valves (120 to 123).
  • the piston (110) is sealed off from the walls of the working cylinder (101).
  • the piston (110) divides the space of the working cylinder (101) into two compartments (111, 112), each of these compartments (111, 112) using corresponding valves (120, 121, 122, 123) both with the one pressure vessel ( 124) as well as with the other pressure vessel (125).
  • One of the two containers (125) initially has a relatively high pressure; the other container (124) has a low pressure or may be completely empty.
  • the entire facility works with a body-compatible compressible medium.
  • the pressure in the two subchambers (111, 112) can be set exactly as long as there is a pressure difference between the two containers (125 and 124).
  • the position of the piston (110) within the working cylinder (101) and thus the overall length of the device can be set, since the piston (110) is inevitable in the position in which the pressure is the same in both sections (111, 112).
  • the piston (110) in the working cylinder (101) thus serves as an actuator for changing the length or for performing micro movements.
  • the absolute rigidity of the pressure changes the axial rigidity, ie the spring constant of the entire system.
  • the setting of the position of the piston (110) in the working cylinder (101) and the setting of the spring constant are thus independent of one another, since the position of the piston is set by the pressure conditions predetermined from the outside in the two partial areas of the working cylinder (111, 112), whereas the rigidity or spring constant of the system is determined by the absolute pressure.
  • this system can in principle also be used to increase the pressure in the accumulator (125) compared to the pressure in the accumulator (124) by means of later external movements, so that practically the energy accumulator by Movement of the patient is recharged.
  • a multi-chamber cylinder with three chambers (201, 202 and 203).
  • a piston (210, 211, 212) is arranged in each of these chambers (201, 202, 203).
  • These pistons (210, 211, 212) are connected to one another via a coaxial common connecting rod (204) or spindle, which runs in a sealed manner from one chamber (201, 202) to the next chamber (202, 203).
  • a coaxial common connecting rod (204) or spindle which runs in a sealed manner from one chamber (201, 202) to the next chamber (202, 203).
  • only the pressure between the working surface (213, 214, 215) of the respective piston (210, 211, 212) and the opposite end wall of the working cylinder (201, 202, 203) is opened or closed by the valves (220, 221, 222) changed to an expansion tank (223).
  • the spring device (300) has two closed spaces (301, 302), each of which is filled with a highly compressible medium, for example a gas, and a slightly compressible medium, for example a liquid.
  • the spaces (301, 302) are separated by a membrane (303).
  • a change in the spring constant is achieved by changing the volumes in the two rooms (301, 302).
  • the volume is changed by a hydraulic or pneumatic system, each with a pump (304, 305), an associated valve (308, 309) and an associated expansion tank (306, 307). This enables infinitely variable control of the rigidity.
  • the spring device (400) has a gas space (401) and two liquid spaces (402 and 403).
  • One liquid space (402) is separated from the gas space (401) via a membrane (404).
  • the two liquid areas (402, 403) are separated from one another by a rigid wall (408) in which there is a valve (406) adjustable by means of an actuator (405) and a check valve (407).
  • a working piston (409) is located in the liquid space (403) which is further away from the gas space (401). When loaded, the piston (409) causes a volume change in the working area (403) and thus a defined liquid flow into the compensation area (402).
  • the adjustable valve (406) allows the spring characteristics of the system to be changed in the event of rapid path changes.
  • the system works on the principle of the liquid spring. When the pressure is relieved, the compressed gas in the gas space (401) ensures liquid balance through the check valve (407) from Compensation area (402) in the work area (403). This spring device can also be changed continuously.
  • the spring device (500) has a cylinder (501) filled with liquid with a piston (502).
  • the working cylinder (501) is connected to an expansion tank (504) via a control valve (503). Liquid can in turn be pumped from the expansion tank (504) into the working cylinder (501) by means of a pump (505) and a further control valve (506) in order to change the pressure in the working cylinder (501) and thus the spring constant.
  • a pump (505) and a further control valve (506) in order to change the pressure in the working cylinder (501) and thus the spring constant.
  • a stepless adjustment is possible with this.
  • 14 a to 14 c show a completely mechanical embodiment of a spring device (600) according to the invention.
  • a simple helical spring (601) is mounted centrally within the telescopic sections (10, 11). Eccentric to the coil spring (601) there is a comb-like shaft (602) with several teeth (603).
  • the stiffness of the spring device (600) is generated by blocking individual turns of the coil spring (601) by inserting the comb shaft (602) with the teeth (603) between the turns of the coil spring (601).
  • the teeth (603) are arranged radially offset on the comb shaft (602).
  • the comb shaft (602) is driven by a motor (604).
  • 14 b and 14 c show the comb shaft (602) from above and from the side. Depending on how many teeth (603) of the comb shaft (602) are simultaneously engaged with the spring (601), a certain number of turns of the spring (601) are blocked and the stiffness is thus adjusted. However, it is not possible to adjust the stiffness or the spring constant continuously.
  • the spring device (700) in the exemplary embodiment according to FIGS. 15 a to 15 c has a non-linear spring plate
  • 15 b is an enlarged view of the spring plate (702) wound into the spring (701).
  • the spring device (800, 900, 1000) has a plurality of spring members (801 to 804, 901, 1001) connected in series and / or in parallel, and means for coupling in and out or for blocking the individual spring links (801 to 804, 901, 1001).
  • springs 801, 802, 803, 804 are connected in parallel to spring assemblies, which each extend between two control plates (805/807, 806/808). These spring assemblies are connected in series in the axial direction and can be coupled into and out of the system by means of corresponding coupling elements (809), so that the overall rigidity of the Spring device (800) is changed.
  • a spring assembly can be decoupled, for example, by bridging the spring assembly by means of a rigid connection (not shown). Due to the limited number of springs that can be used, it is not possible to continuously change the spring constant.
  • 16 further shows an actuator (810) via which the lower telescopic section (11) is coupled to the spring device (800) located in the upper telescopic section (10). A length change or the micro movement can be carried out via this actuator (810).
  • the spring device (900) contains a link chain (902) constructed in the manner of a stork's beak or a pair of Nuremberg scissors.
  • the connecting rods (903) between the joints (904, 905) are rigid.
  • Springs (901) with associated actuators (906) are arranged between the articulation points (905) lying horizontally next to one another, which enable the individual springs (901) to be switched on and off.
  • the spring stiffness of the entire spring device (900) is determined by the number of springs (901) connected. Of course, this also only allows a change in stiffness in certain stages.
  • the individual spring members (1001) are fiber elements (1001). These fibers (1001) are arranged in a circular cross-section (see FIG. 18 c) and extend from the lower telescope side to the upper telescope side.
  • the inner and outer supports (1002, 1003, 1004) of the fibers (1001) prevent the fibers (1001) from buckling and thus achieve the highest spring stiffness.
  • the external support is provided by two tubes (1003, 1004) which are inserted into each other changeable window openings are provided.
  • the inner support is provided by a shaft (1002) with lateral bulges at the level of the window opening. If the two tubes (1003, 1004) of the outer support are rotated relative to one another, the window openings increase or decrease.
  • Fig. 18 a shows the spring device (1000) with the windows closed; Fig. 18 b with the windows open. 18 c shows a top view of the spring device (1000) with closed window openings according to FIG. 18 a.
  • the spring device (1100) has a permanent magnet (1101) and an electromagnet (1102), which repel one another.
  • the rigidity can be set by the current strength running through the coils (103) of the electromagnet (1102).
  • a suitable regulation enables a continuous change in the spring constant.
  • the spring device (1002) has a centrally mounted circular disk (1201) with different segments (I to IV), each of which has a different elasticity.
  • This circular disc (1201) is connected to the lower section (11) via a motor (1202).
  • a counter bearing is located in the upper section (10) (1203) with two rollers (1204) which are in direct contact with the segmented circular disc (1201).
  • the segments (I to IV) of the circular disc (1201) are divided so that opposite segments (I to IV) have the same elasticity.
  • the spring device (1200) has a different spring constant.
  • the device according to the invention also contains a mechanical emergency lock (60, 70, 80, 90) which serves to prevent the linear movement of the sections (109, 11) against one another when a defined path (S) is exceeded.
  • This route (S) should occur when a momentary emergency occurs, e.g. a sudden shock, no more than 1 to 2 millimeters.
  • the emergency locking device (60, 70, 80, 90) has at least one locking means (61, 71, 81, 91) on a section (10), which is connected to the at least one corresponding locking means (63, 73, 83, 93) each other section (11) interacts.
  • two small slides (61) are seated in the outer tube section (10) and can be moved radially inwards by prestressed springs (62). They are attached to a defined place.
  • the inner lower section (11) of the device also has a groove or a hole (63) in the circumferential direction at a correspondingly defined point. If the predetermined path (S) is exceeded, the slides (61) snap into the openings (63) and lock the two sections (10, 11) against each other.
  • the slide (61) can be pulled back and disengaged again by means of a motor with a corresponding lever mechanism (not shown). 22 a to 22 c show a further embodiment.
  • latching lugs (73) there are radially opposite, outwardly extending latching lugs (73) on the inner lower section (11). As soon as these locking lugs (73) touch a contact surface (74) on corresponding stops (72) which extend radially inwards in the outer upper section (10), a tube (76) is twisted by means of prestressed springs (75) abuts the inside of the outer upper section (10). This tube (76) has corresponding locking stops (71) at the upper end, which are rotated under the locking lugs (73) of the lower inner section (11), so that these locking lugs (73) between the upper stop (72) of the outer section (10) and the locking stops (71) of the inner tube (76) are clamped.
  • the inner tube (76) can be turned back by means of appropriate motors or hydraulic or pneumatic devices (not shown). At the same time, the springs (75) are pretensioned again, so that the emergency lock is released and at the same time is ready for a new release.
  • the emergency lock can only be reset if the triggering mechanism is also preloaded accordingly, so that the emergency lock responds reliably even without external energy.
  • the releasable emergency locks have the advantage that when the intramedullary nail (50) is installed, the two sections (10, 11) can be in the locked position, ie that the intramedullary nail (50) is rigid during installation. The intramedullary nail (50) can then be driven in like a conventional, rigid intramedullary nail. Only after installation can a control system, for example, check whether all components the device work. Then the emergency lock is released and the device can perform its task.
  • 23 to 25 c show three further exemplary embodiments for emergency arrests.
  • the outer upper tube section (10) has a groove (81) formed on the inside from an elastic material, into which a lug (83) engages on the inner lower tube section (11).
  • the inner lower tube section (11) is elastically designed at its upper end through a slot (82), so that the opposite lugs (83) compress and fit into a groove (81) in the outer upper tube section ( 10) click into place.
  • This groove (81) is not formed from an elastic material, but has a run-on slope (84) on which the locking lugs (83) are pressed together during an axial movement in the direction of the groove (81).
  • the outer tube has elastic clips (91) at the predetermined location, which snap into a groove (81) located in the inner tube section (11).
  • the device also contains various sensors (12) which measure various parameters, from which the current healing state can be determined alone or in conjunction with other parameters.
  • These sensors can be temperature sensors, ultrasonic sensors or the like.
  • sensors (13) in the device which Provide information about instantaneous speeds, acceleration forces, pressure forces or the like on the device.
  • the device can also be connected to external sensors (16), for example on the underside of the patient's foot, with which pressure forces are also measured, for example.
  • These sensors are connected to a control device (40). In the case of external sensors (16), the connection is preferably wireless.
  • actuators in the device in the form of hydraulic, pneumatic or electric motors with which a change in the total length of the device between the fixing points (21, 22), at which the sections on both sides of the bone damage (2) are attached to the bone , is possible, and with which the length of the device can also be changed periodically in the form of micro movements.
  • actuator systems which are connected in parallel or in series with the spring device (20, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200).
  • the spring device itself also serve as an actuator.
  • either different small motors must be installed, or a motor is connected to the movement mechanisms via corresponding couplings.
  • an energy store (41) in the form of a battery or the like, with which the electrical or electronic components can be supplied.
  • the controller (40) determines the respective one from the data given by the sensors and from externally entered data healing state and accordingly controls the actuators or varies the spring constant.
  • the controller (40) can e.g. be built directly into the device in the form of a microcontroller. It then has a data transmission interface for the percutaneous transmission of the data to an external controller (42).
  • This external control can e.g. permanently with the patient, i.e. e.g. attached to a patient's belt or strapped to the outside of the thigh.
  • the external control (42) can also be located at the doctor, so that the internal control (40) is only checked at regular intervals.
  • controller (40) it is also possible for the entire controller (40) to be external and for the individual actuators and sensors to be connected individually to the controller (40) via corresponding data transmission interfaces for the percutaneous transmission of data.
  • the spring device, the actuators and the sensors are designed accordingly small, so that the entire structure e.g. in a medullary nail of normal size, with a length of approx. 400 millimeters and a diameter of approx. 16 millimeters.
  • the implant according to the invention becomes a completely faster one Bone restoration achieved than with conventional rigid implants.
  • 7 shows the load-bearing capacity of the bone (a) and the load-bearing capacity of the implant (b) in the event of a fracture of the lower extremities depending on the course of healing.
  • the load capacity of the bone is 0%.
  • the load on the implant decreases as the load capacity of the bone increases.
  • the bone has attained maximum load-bearing capacity.
  • this maximum load-bearing capacity is far from the original load-bearing capacity of the undamaged bone. A large part of the load is therefore absorbed by the implant.
  • the implant is then removed at time c.
  • the load-bearing capacity of the bone initially drops somewhat due to the weakening of the cross-section by the fastening screws and due to the injury from the surgical intervention, and only then does it increase to its original load-bearing capacity.
  • FIG. 8 shows the load capacity of a bone as a function of the healing time with a conventional implant for comparison under curve e;
  • curve e corresponds to curve a from FIG. 7.
  • curve d shows the load-bearing capacity of the bone as a function of the healing time for bone healing with a device according to the invention.
  • FIG. 26 A further example of a spring arrangement with an adjustable spring constant is shown in FIG. 26.
  • the stiffness of the spring mechanism is set by the different number of plate spring assemblies (821-823) which are engaged in parallel. There is also the possibility of different before assembling To use disc spring assemblies, in particular the number of springs contained therein is selected according to the purpose.
  • the shaft (827), which connects the spring assemblies in a controlled manner, is driven by a motor (820) via a coupling (828) with an axial degree of freedom.
  • a motor (820) By turning the shaft (827) the number of threaded sections (824-826) of the shaft (827), which are connected to the threads of the cover plate (829-831) of the spring assemblies, can be varied.
  • the threads, which are not in engagement, do not transmit any force to the corresponding spring assembly.

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Abstract

Die Vorrichtung (50) zur Retention und Protektion von beschädigten Knochen (1) weist zwei beiderseits der Knochenbeschädigung (2) an einem Knochen (1) fixierbare Abschnitte (10, 11) auf, welche zur Überbrückung der Knochenbeschädigung (2) über mindestens eine Federeinrichtung (20) axial federnd gegeneinander verschiebbar miteinander gekoppelt sind. Des weiteren besitzt die Vorrichtung Mittel zum Variieren der Federkonstante.

Description

Vorrichtung zur Retention und Protektion von beschädigten Knochen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Retention und Protektion von beschädigten Knochen, mit zwei beiderseits der Knochenbeschädigung an einem Knochen fixieren Abschnitten, welche zur Überbrückung der Knochenbeschädigung über mindestens eine Federeinrichtung axial federnd gegeneinander verschiebbar miteinander gekoppelt sind.
Beschädigungen von Knochen, d.h. Knochenfrakturen, können mit zwei unterschiedlichen Methoden behandelt werden. Eine Methode ist die flexible Fixation (z.B. Verband/Stützgips), die eine natürliche Knochenheilung zur Folge hat. Eine weitere Methode ist die operative Frakturbehandlung mit einer rigiden Fixation, die als sog. primäre Knochenheilung bezeichnet wird. Eine derartige rigide Fixation findet dadurch statt, daß der Knochen oberhalb und unterhalb der Bruchstelle mittels Schrauben, Stiften oder dgl., mit einer starren Verbindungsstange o.a. verbunden wird. Diese starre Verbindungsstange kann entweder als Fixateur extern, d.h. eine außerhalb des Körpers befindliche Verbindungsstange, als Plattenimplantat oder dgl., welches direkt außen am Knochen festgeschraubt wird, oder auch bei Röhrenknochen als Marknagel ausgebildet sein.
Die natürliche Knochenheilung erfolgt durch die Ausbildung eines kailösen Gewebes, das mit zunehmender Verfestigung die Beweglichkeit der Bruchenden immer stärker reduziert, bis letztlich Stabilität eingetreten ist.
Hierbei vollzieht sich die Knochenheilung in drei Phasen.
Die erste Phase ist charakterisiert als die zelluläre Kallusbildungsphase (reparative Entzündung) . Hierbei ist eine schnelle Ansammlung von Zellen mesenchymalen (embryonalen) Ursprungs um die verletzten Gewebestücke herum zu beobachten. Dieser zelluläre Kallus entwickelt Grundsubstanz und umhüllt nach und nach die Frakturstelle. Es handelt sich um ein mikroskopisch sichtbares, neues Knochengewebe, das sich als Reaktion auf die Knochenverletzung bildet. Voraussetzung für die Kallusbildung zwischen den Fragmenten ist jedoch zum einen die ausreichende Nähe der Fragmente zueinander, und zum zweiten eine gewisse Bewegung zwischen den Fragmenten.
In der zweiten Stufe bildet sich der Bindegewebskallus und Fixationskallus (Mineralisierungsphase) . Diese beruht auf der Anreicherung von Mineralien in der Knorpel- und Knochensubstanz, die von den Zellen der ersten Kallusphase gebildet wurde. Das Einsetzen der Mineralisation ist abhängig von der mechanischen Stabilität, die durch die vorläufige Anreicherung des Bindegewebskallus bewirkt wird. Mechanische Stabilität charakterisiert den klinischen Zustand der knöchernen Überbauung.
In der dritten Knochenheilungsphase (Remodelling) wird das mineralisierte Gewebe, das die Fraktur durchbaut hat, durch lamellaren Knochen ersetzt. Damit erhält der verletzte Knochen wieder seine vollständige normale Funktion. In diesem Stadium kommt es zur Konsolidierung und Remodellierung. Die o.g. primäre Knochenheilung mit einer stabilen Fixierung mittels Platten, Schrauben oder Marknagel zielt darauf ab, bei möglichst anatomischer Rekonstruktion eine schnelle Funktionswiederherstellung zu gewährleisten. Der Preis hierfür ist jedoch der Verzicht auf eine natürliche Frakturkallusbildung. Die erste und zweite Phase der natürlichen Knochenheilung wird damit übersprungen, und es findet nur die normale osteonale Remodellierung, d.h. die dritte Phase der natürlichen Frakturheilung, statt. Eine derartige direkte Vereinigung ohne Kallusbildung unter stabilen mechanischen Bedingungen ist jedoch der langsamere Weg der Knochenheilung. Es wird damit lediglich eine schnelle, funktionale Rehabilitation erreicht.
Ein weiterer wesentlicher Nachteil dieser stabilen Fixation ist die nicht vollständige Wiedererlangung der gesamten Tragfähigkeit nach Ausheilung der Fraktur. Der Knochen als natürliches Organ baut sich nur soweit wieder auf, wie es gerade notwendig ist, um gemeinsam mit dem Implantat die Gesamtlast zu tragen. Somit erreicht er seine ursprüngliche mechanische Stabilität erst Wochen nach der Implantatentfernung. Unmittelbar nach der Implantatentfernung reduziert sich die Tragfähigkeit des Knochens zusätzlich. Dies ist zum einen auf die Schwächung des Querschnitts durch die Befestigungsschrauben, und zum anderen auf die Verletzungen durch den operativen Eingriff zurückzuführen. Um in diesem Stadium eine Refraktur zu vermeiden, muß der Patient bis zur vollständigen Heilung des Knochens diesen mit größter Vorsicht belasten.
Um auch bei einer operativen Fixation des Knochens die Knochensubstanz zum Wachstum anzuregen, wird in der DE 40 02 400 C2 eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in Form eines Marknagels vorgeschlagen. Der dort gezeigte Nagel weist zwei teleskopisch ineinander verlaufende Abschnitte auf mit einer dazwischenliegende Federanordnung, welche zu Beginn des Heilungsprozesses vorgespannt wird. Die beiden Abschnitte des Marknagels werden somit durch die Federanordnung permanent auseinandergedrückt, d.h. die Knochenfragmente werden einer Kraft ausgesetzt, welche die Fragmente auseinanderzieht. Bei einer externen Druckbelastung des Knochens, z.B. bei einem Oberschenkelknochen bei einer Belastung des Beins, wenn sich der Patient auf dieses Bein stellt, wird die Feder minimal zusammengedrückt. Hierdurch kommt es zwangsläufig zu bestimmten Bewegungen in axialer Richtung, wodurch die Kallusbildung angeregt wird. Die Feder kann regelmäßig nachgespannt werden, so daß bei Patienten, bei denen Knochendefekte bzw. Knochensubstanzverluste von einigen Millimetern vorliegen, eine Heilung erfolgen kann, ohne daß eine Verkürzung des Knochens auftritt.
Eine derartig vorgespannte Feder hat jedoch den Nachteil, daß permanent Zug auf die Knochenenden ausgeübt wird, was nicht bei jeder Fraktur von Vorteil ist. Zudem ist die Kraft-Weg-Funktion bei einer derartigen vorgespannten Feder als dynamischem Element ungünstig, da erst ab einer bestimmten vorgegebenen Minimalkraft, welche jeweils von der Vorspannung der Feder abhängt, die Feder einem Druck nachgibt. Bei Kräften oberhalb dieser Minimalkraft ist dann die Feder schlagartig relativ weich.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche diese Nachteile nicht aufweist und mit welcher die Möglichkeit einer genauen Anpassung an den Heilungsverlauf besteht. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Vorrichtung Mittel zum Variieren der Federkonstante aufweist.
Durch die Variation der Federkonstante der Federeinrichtung kann das dynamische Verhalten der Vorrichtung genau gesteuert werden, ohne daß eine Feder vorgespannt wird. Unabhängig von der jeweils auftretenden externen Kraft weist die Feder eine konstante, einstellbare "Weichheit" auf.
Diese Federkonstante wird vorzugsweise in Abhängigkeit vom Heilungsverlauf variiert. D.h. in Abhängigkeit von der wiedererlangten Festigkeit des Knochens wird die Federkonstante so verändert, daß die Vorrichtung um so weicher wird, je härter der Knochen selber wird. Hierbei ist eine permanente, gleichhohe Biegesteifigkeit der Vorrichtung gewährleistet, so daß der Knochen und insbesondere die Bruchstelle gegen Querkräfte und Torsionskräfte geschützt und eine Refraktur vermieden wird. Lediglich in axialen Richtung nimmt die Vorrichtung immer weniger Kräfte auf, so daß der Knochen, wie bei der natürlichen Knochenheilung ohne eine operative stabile Fixierung, vollständig abheilen kann und auch mit dem Implantat schon seine ursprüngliche mechanische Stabilität erreicht.
Die Federkonstante kann hierbei entweder schrittweise oder stetig verändert werden.
Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die beiden Abschnitte teleskopartig ineinander verschiebbar, und die Federeinrichtung ist im Inneren der Abschnitte angeordnet und wirkt einem Zusammendrücken der Abschnitte entgegen. Diese Ausführungsform eignet sich vor allem als Marknagel. Die Abschnitte sind vorzugsweise gegen ein Verdrehen gegeneinander um ihre Verbindungsachse gesichert und weisen mindestens einen Anschlag zur Begrenzung der axialen Bewegung der Abschnitte auf eine maximale Länge auf.
Zur Realisierung der Federeinrichtung bestehen verschiedene Möglichkeiten.
Bei verschiedenen bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Federeinrichtung mindestens eine Arbeitskammer und mindestens einen beweglich darin angeordneten Kolben auf, sowie Mittel zur Veränderung des Drucks und/oder der Druckverhältnisse und/oder des Volumens und/oder der Volumenverhältnisse in der Arbeitska mer. Über den Druck bzw. die Druckverhältnisse bzw. die Volumenänderungen wird auf einfache Weise die Federkonstante verändert.
Bei einem alternativen bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Federeinrichtung mindestens ein mechanisches Federelement und Mittel zur Änderung der wirksamen Länge des Federelements auf.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsbeispielen weist die Federeinrichtung mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Federglieder, sowie Mittel zur Einkoppelung bzw. Auskoppelung und/oder zur Blockade der einzelnen Federglieder auf. Je nach Anzahl der aktiven Federglieder wird die Federkonstante verändert.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung auch eine Notarretierung auf, welche dann, wenn die beiden Abschnitte um eine bestimmte axiale Weglänge gegeneinander verschoben werden, eine weitere axiale Bewegung der Abschnitte zueinander verhindert. Diese Notarretierung hat den Sinn, daß eine plötzliche axiale Überbelastung des Knochens in Form eines Drucks auf die Bruchstellen, z.B. infolge eines Sturzes oder dgl., verhindert wird. Ebenso greift diese Notarretierung dann ein, wenn z.B. die Federeinrichtung versagt, wenn z.B. aus irgendwelchen Gründen in einer der Arbeitskammern der benötigte Druck fehlt.
Die Notarretierung kann z.B. derart ausgestaltet sein, daß an einem der Abschnitte mindestens ein Rastmittel angeordnet ist, welches mit mindestens einem entsprechenden Rastmittel an dem jeweils anderen Abschnitt zusammenwirkt. Sie weist vorzugsweise Mittel auf, mit denen die Notarretierung wieder gelöst werden kann. Wenn die Notarretierung eingerastet ist, funktioniert die gesamte Vorrichtung genauso wie ein herkömmlicher, starrer Marknagel oder Fixateur.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung mindestens einen Sensor zur Messung mindestens eines Parameters auf, aus welchem allein und/oder in Verbindung mit weiteren Parametern der aktuelle Heilungszustand bestimmbar ist. Bei dem Sensor kann es sich z.B. um einen Ultraschall-Sensor handeln, welcher die Dichte der Knochensubstanz an der Bruchstelle ermittelt. Darüber hinaus kann es sich hierbei um einen Temperatur-Sensor handeln, welcher Aussagen über die Körpertemperatur an und um die Bruchstelle messen. Eine Temperaturerhöhung könnte z.B. auf eine Infektion hinweisen. Zur Messung solcher Parameter, wie Stärke, Dichte, Viskosität und Temperatur, stehen verschiedenste Sensoren zur Verfügung. Ein Beispiel für die Messung dieser Parameter mittels einer auf Ultraschall-Basis arbeitenden Mikromembran ist in dem Artikel "Ultrasonic measurements with micromembranes" von M.W. Börner et al., in der Zeitschrift "Sensors and Actuators A 46-47 (1995) 62- 65" beschrieben. Mit derartigen Sensoren können auch unerwartet auftretende Einflußgrößen, wie Infektionen, Durchblutungsstörungen usw., jederzeit erkannt werden.
Des weiteren kann die Vorrichtung zusätzliche Kraft- und Beschleunigungssensoren aufweisen, mit denen Informationen über Bewegungsart und jeweilige Belastungshöhe ermittelt werden können.
Die Vorrichtung weist in einer bevorzugten Ausführungsform mindestens einen Aktor zur Änderung der Länge der Vorrichtung zwischen den Fixierungsstellen auf, an welchen die Abschnitte beiderseits der Knochenbeschädigung an dem Knochen befestigt sind. Über diesen Aktor ist eine gezielte Veränderung der Länge der Vorrichtung möglich, wobei diese Längenveränderung unabhängig von der Weichheit der Feder erfolgt. Eine derartige Längenveränderung ist selbstverständlich auch möglich, indem der Anschlag, welcher zur Begrenzung der axialen Bewegung der Abschnitte dient, durch den Aktor verstellt wird.
Weiterhin weist die Vorrichtung vorzugsweise mindestens einen Aktor zur periodischen Längenveränderung der Vorrichtung zwischen den Fixierungsstellen in Form von Mikrobewegungen auf. Auch diese Bewegung erfolgt unabhängig von der Einstellung der Feder.
Es ist selbstverständlich auch möglich, nur einen Aktor für die •Veränderung der Länge der Vorrichtung und für die Mikrobewegung zu verwenden und über zwei Kupplungen den jeweilig gewünschten Mechanismus zu betätigen.
Bei dem Aktor kann es sich hierbei um einen kleinen Elektromotor o.a. handeln. Bei den Aktoren kann es sich selbstverständlich auch um Aktoren handeln, welche nicht elektrisch, sondern durch Druckfederspannung etc., pneumatisch oder hydraulisch angetrieben werden, wobei ein bestimmter "Energievorrat" durch einen anfangs vorgegebenen Druck in einer Arbeitskammer oder durch eine vorgespannte Feder beim Einsetzen des Implantats schon im System vorhanden ist und wobei in einer ggf. späteren Heilungsphase durch die körpereigene Bewegung dieser Energiespeicher wieder aufgeladen wird.
Der Aktor kann zwischen den beiden Abschnitten in Reihe mit der Federeinrichtung geschaltet sein. Zu Beginn des Heilungsverlaufes wird zur Unterstützung der Kallusbildung mit dem Aktor eine aktive Mikrobewegung erzeugt. Die Feder ist hierbei in ihrer höchsten Steifigkeit eingestellt, so daß der Knochen nahezu komplett entlastet ist. Durch die Mikrobewegung wird die Blutzirkulation angeregt, was für die Kallusbildung förderlich ist. Bei fortschreitendem Heilungsverlauf kann dann auf diese Mikrobewegung verzichtet werden. Statt dessen wird die Feder immer weicher eingestellt, so daß immer mehr Belastung auf den Knochen selbst übertragen wird. Es kommt dann automatisch zu zwangsläufigen, d.h. körpereigenen, Mikrobewegungen, z.B. wenn der Patient das betroffene Bein belastet. Die aktive Längenveränderung der Vorrichtung erfolgt in der Regel ebenfalls in der ersten Knochenheilungsphase, aber nur dann, wenn der Knochen aufgrund der traumatischen Knochensubstanzverluste auseinandergeschoben werden muß, um zur Kompensation dieser Verluste ausreichend Kallus zu bilden.
Die Vorrichtung weist bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Steuerung zur Ermittlung des aktuellen Heilungszustandes aus den gemessenen und/oder von außen eingegebenen Parametern auf. Diese von außen eingegebenen Parameter können z.B. Informationen über weitere Verletzungen im Körper des Patienten nach einem Polytrauma, das Alter sowie Parameter über den physiologischen Allgemeinzustand des Patienten, z.B. seine Fitneß oder dgl., sowie aktuelle mechanische Parameter der jeweiligen Bewegung, wie z.B. Druckbelastung, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen usw., sein. Diese Steuerung wird vorzugsweise auch zur automatischen Variation der Federkonstante, zur automatischen Längenveränderung der Vorrichtung zwischen den Fixierungsstellen bzw. zur automatischen Durchführung der Mikrobewegungen verwendet. Es kann sich hierbei um eine Steuerung in Form eines Mikrochips oder dgl. handeln, welcher ggf. ebenfalls im Inneren der Vorrichtung angeordnet ist.
Die Steuerung ist vorzugsweise eine selbstoptimierende Steuerung, welche eine Datenbank mit einer Wissensbasis sowie einen Schlußfolgerungsmechanismus aufweist, so daß die Steuerung während des Betriebes der Vorrichtung neue Erkenntnisse erlernen, speichern und verwenden kann. Mit einer derartigen Steuerung kann die Vorrichtung selbständig auf den Heilungsablauf und besondere Belastungssituationen reagieren. Der Heilungsprozeß kann somit optimiert werden.
Durch Nutzung der Wissensbasis und des eigenen Schlußfolgerungs- mechanismusses soll die Steuerung aufgrund der eingegebenen Daten sowie der ständig gemessenen Parameter aus der Bewegung des Patienten heraus erkennen können, ob es sich bei der jeweils durchgeführten Bewegung um eine die Heilung fördernde Bewegung handelt, welche der jeweiligen momentanen Zielvorgabe entspricht. Die Zielvorgabe hängt hierbei jeweils von der Phase der Knochenheilung ab, d.h. bei der ersten Phase steht eine optimale Retention und Protektion des Knochens sowie eine volle Lastübernahme durch das Implantat im Vordergrund. Bei der zweiten Heilungsphase soll die Kallusbildung durch die Mikrobewegung, und zwar durch entweder zugelassene körpereigene Mikrobewegungen oder durch mittels der Aktoren durchgeführte Mikrobewegungen gefördert werden. Zunehmend soll die Lastübernahme durch das Implantat abgebaut und die Last auf den Knochen übertragen werden. In der dritten Heilungsphase soll dann die Traglast des Implantats vollständig zurückgenommen werden. Durch die Intelligenz des Systems können die Bewegungssituationen unter Zuhilfenahme der Informationen aus der Wissensbasis analysiert, ausgewertet und entsprechend reagiert werden, indem die Federkonstante entsprechend eingestellt wird und/oder die Aktoren entsprechend bewegt werden.
Bevorzugt weist die Vorrichtung auch mindestens eine Datenübertragungsschnittstelle zur perkutanen Übermittlung von Daten zwischen dem bzw. den Sensor (en) und/oder dem bzw. den Aktor (en) und der Steuerung bzw. einer externen Steuerung auf. Bei diesen perkutanen Übermittlungen erfolgt das Senden und Empfangen der Informationen drahtlos durch die Haut. Wenn es sich bei der Vorrichtung um ein internes Implantat, z.B. einen Marknagel oder ein Plattenimplantat, handelt, welches keine Steuerung im Inneren enthält, kann sich somit die Steuerung außerhalb, z.B. in einem am Körper des Patienten festgeschnallten Gerät befinden, welches ständig mit den Aktoren und den Sensoren in Verbindung steht.
Wenn die Vorrichtung schon selber eine interne Steuerung enthält, ist über eine derartige perkutane Schnittstelle jederzeit ein Kontakt mit einer übergeordneten externen Steuerung möglich, welche z.B. in der Praxis des behandelnden Arztes vorhanden ist, so daß dieser regelmäßig in der internen Steuerung gesammelte Daten abfragen kann und so über den Heilungsverlauf informiert ist. Selbstverständlich ist es auch möglich, daß sich eine übergeordnete Steuerung beim Patienten befindet und diese z.B. über Fernübertragung regelmäßig Signale an eine weitere Steuerung beim behandelnden Arzt weiterleitet, so daß dieser auch ohne Anwesenheit des Patienten den Heilungsverlauf überwachen kann.
Selbstverständlich weist eine Vorrichtung in Form eines Plattenimplantats oder ein Marknagels zur Spannungsversorgung der Aktoren und der Sensoren sowie einer eventuellen Steuerung eine eingebaute Batterie oder dgl. auf.
Die Erfindung wird im folgenden unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1. eine schematische Darstellung eines gebrochenen
Oberschenkel-Röhrenknochens mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Marknagels,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Knochens gemäß Fig. 1, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines Fixateur externs, welcher außerhalb des Beines angeordnet ist,
Fig. 3 eine schematische Darstellung des Knochens gemäß Fig. 1, jedoch mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Form eines außen am Knochen angebrachten Implantats,
Fig. 4 schematische Darstellungen dreier verschiedener bis 6b Ausführungsbeispiele des Gehäuses der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig. 7 eine Darstellung der Traglast des Knochens und der
Traglast eines konventionellen, starren Implantats bei einer Fraktur der unteren Extremitäten in Abhängigkeit vom Heilungsverlauf,
Fig. 8 ein vergleichendes Diagramm der Traglastentwicklung des heilenden Knochens bei einem Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung und bei einer herkömmlichen Knochenheilung mit einem konventionellen starren Implantat, Fig. 9 mehrere schematische Darstellungen unterschiedlicher bis 20 b Ausführungsbeispiele zur Realisierung der und erfindungsgemäßen Federeinrichtung, Fig. 26
Fig. 21 a mehrere schematische Darstellungen unterschiedlicher bis 25 b Ausführungsbeispiele zur Realisierung einer
Notarretierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In den Fig. 1 bis 3 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung (50, 51, 52) jeweils in Form eines Marknagels (50) , Fig. 1, eines Fixateur externs (51), Fig. 2, und eines am Knochen angebauten Implantats (52), Fig. 3, dargestellt. Die Vorrichtung (50, 51, 52) dient hierbei jeweils der Fixierung eines an einer Beschädigungsstelle (2) gebrochenen Oberschenkelknochens (1) des Patienten. Selbstverständlich ist diese erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die Heilung von Oberschenkelknochen beschränkt.
Wie aus den Fig. 1 bis 3 ersichtlich, weist die Vorrichtung (50, 51, 52) jeweils einen oberen Abschnitt (10), welcher über herkömmliche Stifte, Nägel (21) oder Schrauben mit dem oberen Fragment (4) des Knochens (1) verbunden ist (proximale Verriegelung) , und einen zweiten unteren Abschnitt (11) auf, welcher mit entsprechenden Stiften, Nägeln (22) oder Schrauben mit dem unteren Fragment (3) des Knochens verbunden ist. Diese beiden Abschnitte (10, 11) sind zur Überbrückung der Knochenbeschädigung (2) über mindestens eine Federeinrichtung (20, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200) axial federnd gegeneinander verschiebbar miteinander gekoppelt.
Die Fig. 4 bis 5 zeigen hierzu verschiedene Ausführungsformen, wie die beiden Abschnitte (10, 11) miteinander gekoppelt sein können und dabei gleichzeitig ein Gehäuse für die Federeinrichtung (20) bilden. Die äußere Form des Gehäuses kann z.B. der Form eines konventionellen Marknagels entsprechen.
Bei dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 sind die beiden Abschnitte (10, 11) zwei Zylinderrohre, die ein teleskopartig ineinander verschiebbares Gehäuse bilden, in welchem die Federeinrichtung (20) angeordnet ist. Der untere und der obere Rohrabschnitt (10, 11) werden jeweils über die proximale Verriegelung (21) bzw. die distale Verriegelung (22) mit den Knochenfragmenten (3, 4) verbunden. Im Inneren der Rohrabschnitte
(10, 11) befindet sich ein Linearkugellager (23) , welches den unteren Rohrabschnitt (11) im oberen Rohrabschnitt (10) führt und die Verbindung der beiden Rohrabschnitte (10, 11) sicherstellt. Zwischen der Kugellagerführung (23) und der distalen Verriegelung
(22) des unteren Abschnitts (11) befindet sich die Federeinrichtung (20), so daß die beiden Abschnitte (10, 11) insgesamt über diese Federeinrichtung (20) miteinander gekoppelt sind.
Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem einteiligen Gehäuse, welches den ersten Abschnitt (10) darstellt. Dieser wird am proximalen Ende über die proximale Verriegelung (21) fest mit dem oberen Knochenfragment (4) verschraubt. Am distalen Ende besitzt der Rohrabschnitt (10) Langlöcher (24) . Durch diese seitlichen Langlöcher (24) verläuft ein die distale Verriegelung (22) bildender Stift, welcher mit dem unteren Knochenfragment (3) verbunden ist. Der untere Abschnitt (11) befindet sich hierbei vollständig im inneren des oberen Abschnitts (10) eingekapselt und ist über die Federeinrichtung (20) mit dem oberen Abschnitt (10) bzw. der proximalen Verriegelung (21) gekoppelt. Fig.6 a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit zwei teleskopartig ineinander verschiebbaren Abschnitten (10, 11) , bei dem die beiden Rohrabschnitte (10, 11) direkt, ohne Zwischenschaltung eines Linearkugellagers mittels einer geeigneten Federeinrichtung (20) miteinander gekoppelt sind.
Sowohl das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 als auch das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 6 a weisen an der Stelle, an der die beiden Rohrabschnitte (10, 11) ineinander verschiebbar gelagert sind, Dichtungen (25) auf, um den Innenraum des Implantats (50, 52) von der Umgebung zu trennen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 könnten sich entsprechenden Dichtungen innerhalb der Langlöcher (24) befinden.
Fig. 6 b zeigt einen Schnitt durch Fig. 6 a, an dem erkennbar ist, daß die beiden Abschnitte (10, 11) durch eine entsprechende Nut (32) im oberen äußeren Rohrabschnitt (10) und eine dazu passende Nase (31) am inneren unteren Rohrabschnitt (11) gegen ein Verdrehen um die Achse (30) gesichert sind.
In den Fig. 9 bis 20b sind verschiedene Ausführungsbeispiele für die Federeinrichtung (20, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200) sowie die Mittel zum Variieren der Federkonstante schematisch dargestellt.
Bei den Beispielen in Fig. 9 und 10 weist die Federeinrichtung (100, 200) mindestens eine Arbeitskammer (101, 201, 202, 203) auf, mit mindestens einem beweglich darin angeordneten Kolben (110, 210, 211, 212) sowie mit Mitteln zur Veränderung des Drucks bzw. der Druckverhältnisse bzw. des Volumens und/oder der Volumenverhältnisse in der bzw. den Arbeitskammern (101, 201, 202, 203) .
In Fig. 9 besteht die Federeinrichtung (100) aus zwei Druckbehältern (125, 124), einem geteilten Arbeitszylinder (101) mit einem darin beweglichen Kolben (110) und vier Steuerventilen (120 bis 123) . Der Kolben (110) ist gegenüber den Wandungen des Arbeitszylinders (101) abgedichtet. Der Kolben (110) teilt den Raum des Arbeitszylinders (101) in zwei Teilräume (111, 112) auf, wobei jeder dieses Teilräume (111, 112) durch entsprechende Ventile (120, 121, 122, 123) sowohl mit dem einen Druckbehälter (124) als auch mit dem anderen Druckbehälter (125) verbunden ist. Der eine der beiden Behälter (125) weist anfangs einen relativ hohen Druck auf; der andere Behälter (124) einen niedrigen Druck bzw. ist unter Umständen vollkommen leer. Die gesamten Einrichtung arbeitet mit einem körperverträglich kompressiblen Medium. Je nach Öffnung der einzelnen Steuerventile (120 bis 123) kann der Druck in den beiden Teilkammern (111, 112) eingestellt werden und zwar genau solange, wie eine Druckdifferenz zwischen den beiden Behältern (125 und 124) vorliegt. Durch Einstellung des Drucks in den Teilbereichen (111, 112) des Arbeitszylinders (101) läßt sich zum einen die Lage des Kolbens (110) innerhalb des Arbeitszylinders (101) und somit die Gesamtlänge der Vorrichtung einstellen, da sich der Kolben (110) zwangsläufig in die Position einstellt, in der in beiden Teilbereichen (111, 112) der Druck gleich ist. Der Kolben (110) in dem Arbeitszylinder (101) dient somit als Aktor zur Veränderung der Länge oder zur Durchführung von Mikrobewegungen. Zudem wird durch die absolute Höhe des Drucks die axiale Steifigkeit, d.h. die Federkonstante des gesamten Systems verändert. Die Einstellung der Lage des Kolbens (110) im Arbeitszylinder (101) sowie die Einstellung der Federkonstante geschieht somit unabhängig voneinander, da die Lage des Kolbens durch die von außen in den beiden Teilbereichen des Arbeitszylinders (111, 112) vorgegebenen Druckverhältnisse eingestellt wird, wogegen die Steifigkeit bzw. Federkonstante des Systems durch den absoluten Druck bestimmt wird. Durch geeignete Ansteuerung der Ventile (120 bis 123) kann dieses System prinzipiell auch dazu genutzt werden, durch spätere externe Bewegungen den Druck in dem Speicher (125) gegenüber dem Druck im Speicher (124) wieder zu erhöhen, so daß praktisch der Energiespeicher durch die Bewegungen des Patienten wieder aufgeladen wird.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 besteht aus einem Mehrkammerzylinder mit drei Kammern (201, 202 und 203) . In diesen Kammern (201, 202, 203) ist jeweils ein Kolben (210, 211, 212) angeordnet. Diese Kolben (210, 211, 212) sind über eine koaxiale gemeinsame Verbindungsstange (204) oder Spindel miteinander verbunden, welche abgedichtet von einer Kammer (201, 202) zur nächsten Kammer (202, 203) verläuft. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird jeweils nur der Druck zwischen der Arbeitsfläche (213, 214, 215) des jeweiligen Kolbens (210, 211, 212) und der gegenüberliegenden Stirnwand des Arbeitszylinders (201, 202, 203) durch Öffnen oder Schließen der Ventile (220, 221, 222) zu einem Ausgleichsbehälter (223) verändert. Durch das Öffnen und Schließen dieser Ventile (220, 221, 222) kann eine beliebige Kombination der sich im Eingriff befindlichen Kammern (201, 202, 203) bzw. Kolben (210, 211, 212) ausgewählt werden. Es wird somit auch das Gesamtarbeitsvolumen verändert. Durch die Kombination werden dann die verschiedenen Steifigkeiten des gesamten Federsystems erreicht. Durch die begrenzte Anzahl der Kombination ist jedoch keine stufenlose Einstellung der Federkonstante Steifigkeit möglich. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 weist die Federeinrichtung (300) zwei abgeschlossene Räume (301, 302) auf, die jeweils mit einem stark kompressiblen Medium, z.B. einem Gas, und einem gering kompressiblen Medium, z.B. einer Flüssigkeit, gefüllt sind. Die Trennung der Räume (301, 302) erfolgt durch eine Membran (303) . Über eine Veränderung der Volumina in den beiden Räumen (301, 302) wird eine Veränderung der Federkonstante erreicht. Die Volumenänderung erfolgt durch ein Hydraulik- bzw. Pneumatiksystem mit jeweils einer Pumpe (304, 305), einem zugehörigen Ventil (308, 309) und einem zugehörigen Ausgleichsbehälter (306, 307) . Hiermit ist eine stufenlose Steuerung der Steifigkeit möglich.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 weist die Federeinrichtung (400) einen Gasraum (401) und zwei Flüssigkeitsräume (402 und 403) auf. Der eine Flüssigkeitsraum (402) ist über eine Membran (404) von dem Gasraum (401) getrennt. Die beiden Flüssigkeitsbereich (402, 403) sind über eine starre Wand (408) voneinander getrennt, in welcher sich ein mittels eines Aktors (405) einstellbares Ventil (406) sowie ein Rückschlagventil (407) befindet. In dem von dem Gasraum (401) entfernteren Flüssigkeitsraum (403) befindet sich ein Arbeitskolben (409) . Bei einer Belastung verursacht der Kolben (409) eine Volumenänderung in dem Arbeitsbereich (403) und damit einen definierten Flüssigkeitsstrom in den Ausgleichsbereich (402) . Durch das einstellbare Ventil (406) kann bei schnellen Wegänderungen die Federcharakteristik des Systems verändert werden. Das System arbeitet nach dem Prinzip der Flüssigkeitsfeder. Bei einer Entlastung sorgt das komprimierte Gas in dem Gasraum (401) für einen Flüssigkeitsausgleich durch das Rückschlagventil (407) vom Ausgleichsbereich (402) in den Arbeitsbereich (403) . Auch diese Federeinrichtung kann stufenlos verändert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 weist die Federeinrichtung (500) einen mit Flüssigkeit gefüllten Zylinder (501) mit einem Kolben (502) auf. Der Arbeitszylinder (501) ist über ein Steuerventil (503) mit einem Ausgleichsbehälter (504) verbunden. Über eine Pumpe (505) und ein weiteres Steuerventil (506) kann wiederum Flüssigkeit von dem Ausgleichsbehälter (504) in den Arbeitszylinder (501) gepumpt werden, um so den Druck im Arbeitszylinder (501) und somit die Federkonstante zu verändern. Hiermit ist eine stufenlose Einstellung möglich.
Bei allen vorgenannten Ausführungsbeispielen arbeitet die
Vorrichtung, sofern es sich um ein Implantat handelt, selbstverständlich mit körperverträglichen Gasen bzw. Flüssigkeiten.
In den Fig. 14 a bis 14 c ist ein vollständig mechanisches Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Federeinrichtung (600) dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist zentrisch innerhalb der Teleskopabschnitte (10, 11) eine einfache Schraubenfeder (601) angebracht. Exentrisch zur Schraubenfeder (601) befindet sich eine kammähnliche Welle (602) mit mehreren Zähnen (603) . Die Steifigkeit der Federeinrichtung (600) wird durch die Blockierung einzelner Windungen der Schraubenfeder (601) erzeugt, in dem die Kammwelle (602) mit den Zähnen (603) zwischen die Windungen der Schraubenfeder (601) eingeführt wird. Die Zähne (603) sind hierzu radial versetzt an der Kammwelle (602) angeordnet. Die Kammwelle (602) wird durch einen Motor (604) angetrieben. Die Fig. 14 b und 14 c zeigen die Kammwelle (602) jeweils von oben bzw. von der Seite. Je nach dem, wieviel Zähne (603) der Kammwelle (602) gleichzeitig mit der Feder (601) im Eingriff sind, wird eine bestimmte Anzahl von Windungen der Feder (601) blockiert und somit die Steifigkeit verstellt. Es ist hiermit jedoch keine stufenlose Einstellung der Steifigkeit bzw. der Federkonstante möglich.
Die Federeinrichtung (700) in dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 15 a bis 15 c weist eine nichtlineare, aus einem Federblech
(702) aufgewickelte Feder (701) auf. Der Querschnitt des Federbleches (702) vergrößert sich hierbei mit zunehmender Windungsanzahl. Fig. 15 c zeigt eine Abwicklung des Federbleches
(702); Fig. 15 b eine vergrößerte Darstellung des zur Feder (701) aufgewickelten Federblechs (702) . Durch eine Veränderung des Windungsdurchmessers und die damit verbundene Veränderung der Windungszahl kann die axiale Steifigkeit, d.h. die Federkonstante der Feder (701) stufenlos verändert werden. Diese Veränderung des Windungsdurchmessers wird mit einem Getriebemotor (703) durchgeführt.
Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 16 bis 18 c weist die Federeinrichtung (800, 900, 1000) mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Federglieder (801 bis 804, 901, 1001) sowie Mittel zum Ein- und Auskoppeln bzw. zur Blockade der einzelnen Federglieder (801 bis 804, 901, 1001) auf.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 16 sind jeweils mehrere einzelne Federn (801, 802, 803, 804) parallel zu Federpaketen zusammengeschaltet, welche sich jeweils zwischen zwei Steuerplatten (805/807, 806/808) erstrecken. Diese Federpakete sind in axialer Richtung in Reihe geschaltet und können mittels entsprechender Einkopplungselemente (809) in das System ein- bzw. ausgekoppelt werden, so daß somit die Gesamtsteifigkeit der Federeinrichtung (800) verändert wird. Das Auskoppeln eines Federpakets kann z.B. durch Überbrücken des Federpakets mittels einer starren Verbindung geschehen (nicht dargestellt) . Durch die begrenzte Anzahl der einsetzbaren Federn ist keine stufenlose Veränderbarkeit der Federkonstante möglich.
Fig. 16 zeigt weiterhin einen Aktor (810), über den der untere Teleskopabschnitt (11) mit der im oberen Teleskopabschnitt (10) befindlichen Federeinrichtung (800) gekoppelt ist. Über diesen Aktor (810) kann eine Längenveränderung erfolgen oder die Mikrobewegung durchgeführt werden.
Die Federeinrichtung (900) gemäß Fig. 17 enthält eine nach Art eines Storchenschnabels bzw. einer Nürnberger Schere aufgebaute Gelenkkette (902) . Die Verbindungsstäbe (903) zwischen den Gelenken (904, 905) sind starr. Zwischen den horizontal jeweils nebeneinander liegenden Gelenkpunkten (905) sind Federn (901) mit zugehörigen Aktoren (906) angeordnet, die ein Zu- und Abschalten der einzelnen Federn (901) ermöglichen. Die Federsteifigkeit der gesamten Federeinrichtung (900) wird durch die Anzahl der zugeschalteten Federn (901) bestimmt. Hiermit ist selbstverständlich auch nur eine Steifigkeitsänderung in bestimmten Stufen möglich.
In den Figuren 18 a bis 18 c sind die einzelnen Federglieder (1001) Faserelemente (1001). Dieser Fasern (1001) sind im Kreisquerschnitt angeordnet (siehe Fig. 18 c) und reichen von der unteren Teleskopseite bis zur oberen Teleskopseite. Durch innere und äußere Abstützungen (1002, 1003, 1004) der Fasern (1001) wird ein Ausknicken der Fasern (1001) verhindert und somit die höchste Federsteifigkeit erreicht. Die äußere Abstützung erfolgt durch zwei ineinander gesteckte Rohre (1003, 1004), die mit veränderbaren Fensteröffnungen versehen sind. Die innere Abstützung erfolgt durch eine Welle (1002) mit seitlichen Auswölbungen in Höhe der Fensteröffnung. Werden die beiden Rohre (1003, 1004) der äußeren Abstützung relativ zueinander verdreht, vergrößern oder verkleinern sich die Fensteröffnungen. Entsprechend der Fensteröffnungsgröße besteht für die Fasern (1001) die Möglichkeit, auszuknicken. Je mehr Fasern (1001) ausknicken, desto geringer wird die Federsteifigkeit der gesamten Federeinrichtung (1000) . Ein Längenausgleichsmechanismus (1005) verhindert eine Verkürzung der Vorrichtung beim Ausknicken der Fasern (1001) . Fig. 18 a zeigt die Federeinrichtung (1000) bei geschlossenen Fenstern; Fig. 18 b bei geöffneten Fenstern. Fig. 18 c zeigt eine Draufsicht auf die Federeinrichtung (1000) mit geschlossenen Fensteröffnungen gemäß Fig. 18 a. Mit dieser Federeinrichtung (1000) ist zwar keine stufenlose Veränderung der Federkonstante möglich, jedoch kann die Federkonstante in relativ kleinen Schritten verändert werden.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 19 weist die Federeinrichtung (1100) einen Dauermagneten (1101) und einen Elektromagneten (1102) auf, welche sich gegenseitig abstoßen. Die Steifigkeit kann durch die Spulen (103) des Elektromagneten (1102) laufende Stromstärke eingestellt werden. Durch eine geeignete Regelung ist eine stufenlose Veränderung der Federkonstante möglich.
Im Ausführungsbeispiel gemäß den Figuren 20 a und 20 b weist die Federeinrichtung (1002) eine zentrisch gelagerte Kreisscheibe (1201) mit verschiedenen Segmenten (I bis IV) auf, welche jeweils eine unterschiedliche Elastizität haben. Diese Kreisscheibe (1201) ist über einen Motor (1202) mit dem unteren Abschnitt (11) verbunden. Im oberen Abschnitt (10) befindet sich ein Gegenlager (1203) mit zwei Rollen (1204), die im direkten Kontakt zu der segmentierten Kreisscheibe (1201) stehen. Die Segmente (I bis IV) der Kreisscheibe (1201) sind so eingeteilt, daß jeweils gegenüberliegende Segmente (I bis IV) die gleiche Elastizität haben. Je nach Lage der Rollen (1204) des Gegenlagers (1203) auf dem Segmenten (I bis IV) weist die Federeinrichtung (1200) eine unterschiedliche Federkonstante auf.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung enthält außerdem eine mechanische Notarretierung (60, 70, 80, 90), die zur Unterbindung der linearen Bewegung der Abschnitte (109, 11) gegeneinander bei Überschreitung eines definierten Weges (S) dient. Dieser Weg (S) sollte bei Eintreten eines momentanen Notfalls, wie z.B. einem plötzlichen Stoß, nicht mehr als 1 bis 2 Millimeter betragen. Die Notarretierung (60, 70, 80, 90) weist jeweils an einem Abschnitt (10) mindestens ein Rastmittel (61, 71,81, 91) auf, welches mit mindestens einem entsprechenden Rastmittel (63, 73, 83, 93) an dem jeweils anderen Abschnitt (11) zusammenwirkt.
Bei den in den Figuren 21 a und 21 b dargestellten Ausführungsbeispielen sitzen in dem äußeren Rohrabschnitt (10) zwei kleine Schieber (61), die durch vorgespannte Federn (62) radial nach innen bewegt werden können. Die sind an einer definierten Stelle angebracht. Der innere untere Abschnitt (11) der Vorrichtung hat in Umfangsrichtung ebenfalls an einer entsprechenden definierten Stelle eine Nut bzw. ein Loch (63) Wird der vorgegebene Weg (S) überschritten, so schnappen die Schieber (61) in die Öffnungen (63) ein und verriegeln die beiden Abschnitte (10, 11) gegeneinander. Über einen Motor mit entsprechendem Hebelmechanismus (nicht dargestellt) können die Schieber (61) wieder zurückgezogen und ausgerastet werden. In den Fig. 22 a bis 22 c ist ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Hierbei befinden sich an dem inneren unteren Abschnitt (11) radial gegenüberliegende, sich nach außen erstreckende Rastnasen (73) . Sobald diese Rastnasen (73) eine Kontaktfläche (74) auf entsprechenden Anschlägen (72) berühren, welche sich in dem äußeren oberen Abschnitt (10) radial nach innen erstrecken, wird mittels vorgespannter Federn (75) ein Rohr (76) verdreht, welches auf der Innenseite des äußeren oberen Abschnitts (10) anliegt. Dieses Rohr (76) weist am oberen Ende entsprechende Rastanschläge (71) auf, welche unter die Rastnasen (73) des unteren inneren Abschnittes (11) gedreht werden, so daß diese Rastnasen (73) zwischen dem oberen Anschlag (72) des äußeren Abschnitts (10) und den Rastanschlägen (71) des inneren Rohres (76) festgeklemmt werden. Durch entsprechende Motoren oder hydraulische bzw. pneumatische Vorrichtungen (nicht dargestellt) kann das innere Rohr (76) wieder zurückgedreht werden. Hierbei werden gleichzeitig die Federn (75) wieder vorgespannt, so daß die Notarretierung gelöst wird und gleichzeitig für eine erneute Auslösung wieder bereit steht.
Wichtig ist bei beiden Mechanismen, daß eine Zurückstellung der Notarretierung nur dann möglich ist, wenn gleichzeitig auch der Auslösemechanismus entsprechend vorgespannt ist, so daß auch ohne eine externe Energie sicher die Notarretierung anspricht.
Die lösbaren Notarretierungen haben den Vorteil, daß bei einem Einbau des Marknagels (50) sich die beiden Abschnitte (10, 11) in der arretierten Position befinden können, d.h. daß beim Einbau der Marknagel (50) starr ist. Der Marknagel (50) kann dann wie ein konventioneller, starrer Marknagel eingeschlagen werden. Erst nach dem Einbau kann z.B. eine Steuerung abchecken, ob alle Komponenten der Vorrichtung funktionieren. Anschließend wird erst die Notarretierung gelöst und die Vorrichtung kann ihre Aufgabe erfüllen.
Die Fig. 23 bis 25 c zeigen drei weitere Ausführungsbeispiele für Notarretierungen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 23 weist der äußere obere Rohrabschnitt (10) innen eine aus einem elastischen Material angeformte Nut (81) auf, in welche eine Nase (83) am inneren unteren Rohrabschnitt (11) einrastet.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 24 ist der innere untere Rohrabschnitt (11) an seinem oberen Ende durch einen Schlitz (82) elastisch ausgelegt, so daß sich die gegenüberliegenden Nasen (83) zusammendrücken und in eine Nut (81) im äußeren oberen Rohrabschnitt (10) einrasten. Diese Nut (81) ist hierbei nicht aus einem elastischen Material angeformt, weist aber eine Auflaufschräge (84) auf, auf welcher die Rastnasen (83) bei einer axialen Bewegung in Richtung der Nut (81) zusammengedrückt werden.
Bei dem in den Fig. 25 a bis 25 c dargestellten Ausführungs- beispiel weist das Außenrohr an der vorgegebenen Stelle elastische Klammern (91) auf, welche in eine im inneren Rohrabschnitt (11) befindliche Nut (81) einrasten.
In der Vorrichtung befinden sich außerdem verschiedene Sensoren (12), welche diverse Parameter messen, aus welchen alleine oder in Verbindung mit weiteren Parametern der aktuelle Heilungszustand bestimmbar ist. Bei diesen Sensoren kann es sich um Temperatursensoren, Ultraschallsensoren o. dgl. handeln. Ebenso befinden sich in der Vorrichtung Sensoren (13), welche Informationen über momentane Geschwindigkeiten, Beschleunigungskräfte, Druckkräfte o. dgl. an der Vorrichtung liefern. Weiterhin kann die Vorrichtung auch mit externen Sensoren (16), z.B. an der Fußunterseite des Patienten, verbunden sein, mit denen z.B. ebenfalls Druckkräfte gemessen werden. Diese Sensoren sind mit einer Steuereinrichtung (40) verbunden. Bei externen Sensoren (16) ist die Verbindung vorzugsweise drahtlos.
Weiterhin befinden sich in der Vorrichtung diverse Aktoren in Form von hydraulischen, pneumatischen oder elektrischen Motoren, mit denen eine Veränderung der Gesamtlänge der Vorrichtung zwischen den Fixierungsstellen (21, 22) , an welchen die Abschnitte beiderseits der Knochenbeschädigung (2) an dem Knochen befestigt sind, möglich ist, und mit denen auch periodisch die Länge der Vorrichtung in Form von Mikrobewegungen verändert werden kann. Hierbei kann es sich um zusätzliche Aktorsysteme handeln, die zu der Federeinrichtung (20, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200) parallel oder in Reihe geschaltet sind. Prinzipiell kann aber, wie z.B. nach dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9, auch die Federeinrichtung selber als Aktor dienen. Um die verschiedenen Aktionen der kontinuierlichen Längenveränderung bzw. der Mikrobewegungen oder auch des Zurücksteilens der Notfallarretierung zu ermöglichen, müssen entweder verschiedene kleine Motoren eingebaut sein, oder aber es wird ein Motor über entsprechende Kupplungen mit den Bewegungsmechanismen verbunden.
In der Vorrichtung befindet sich weiterhin ein Energiespeicher (41) in Form einer Batterie o. dgl., mit dem die elektrischen bzw. die elektronischen Komponenten versorgt werden können.
Die Steuerung (40) ermittelt aus den von den Sensoren gegebenen Daten sowie aus extern eingegebenen Daten den jeweiligen Heilungszustand und steuert dementprechend die Aktoren bzw. variiert die Federkonstante.
Es handelt sich hierbei um eine selbstoptimierende Steuerung (40) , die eine eigene Datenbank mit einer Wissensbasis und einem Schlußfolgerungsmechanismus aufweist, so daß die Steuerung während des Betriebs der Vorrichtung neue Erkenntnisse erlernen, speichern und verwenden kann. Die Steuerung (40) kann z.B. in Form eines Mikrocontrollers direkt in die Vorrichtung mit eingebaut sein. Sie weist dann eine Datenübertragungsschnittstelle zur perkutanen Übermittlung der Daten an eine externe Steuerung (42) auf. Diese externe Steuerung kann sich z.B. permanent beim Patienten befinden, d.h. z.B. an einem Gürtel des Patienten befestigt oder auch außen am Oberschenkel festgeschnallt sein. Alternativ kann die externe Steuerung (42) sich auch beim Arzt befinden, so daß die interne Steuerung (40) nur in regelmäßigen Abständen kontrolliert wird.
Selbstverständlich ist es auch möglich, daß die gesamte Steuerung (40) extern ist und die einzelnen Aktoren und Sensoren jeweils einzeln über entsprechende Datenübertragungsschnittstellen zur perkutanen Übermittlung von Daten mit der Steuerung (40) verbunden sind.
Die Federeinrichtung, die Aktoren und die Sensoren sind entsprechend klein ausgestaltet, so daß der gesamte Aufbau z.B. in einem Marknagel gewöhnlicher Größe, mit einer Länge von ca. 400 Millimetern und einem Durchmesser von ca. 16 Millimetern, Platz findet.
Wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt, wird mit dem erfindungsgemäßen Implantat eine erheblich schnellere vollständige Wiederherstellung des Knochens erreicht, als bei den herkömmlichen starren Implantaten. Fig. 7 zeigt die Tragfähigkeit des Knochens (a) sowie die Traglast des Implantats (b) bei einer Fraktur der unteren Extremitäten in Abhängigkeit vom Heilungsverlauf. Zu Beginn der Behandlung liegt die gesamte Traglast auf dem Implantat. Die Tragfähigkeit des Knochens beträgt 0 % . Mit zunehmender Tragfähigkeit des Knochens nimmt die Last auf dem Implantat ab. Nach einer Heilungszeit von ca. 6 bis 14 Wochen hat dann der Knochen eine maximale Tragfähigkeit erlangt. Diese maximale Tragfähigkeit entspricht aber bei weitem noch nicht der ursprünglichen Tragfähigkeit des unbeschädigten Knochens. Ein Großteil der Traglast wird daher vom Implantat aufgenommen. Es wird dann zum Zeitpunkt c das Implantat entfernt. Dadurch sinkt zusätzlich die Tragfähigkeit des Knochens aufgrund der Schwächung des Querschnitts durch die Befestigungsschrauben und aufgrund der Verletzung durch den operativen Eingriff zunächst etwas ab und steigt erst dann auf seine ursprüngliche Tragfähigkeit .
In Fig. 8 ist zum Vergleich unter Kurve e die Traglast eines Knochens in Abhängigkeit der Heilungszeit mit einem herkömmlichen Implantat dargestellt; Kurve e entspricht insoweit Kurve a aus Fig. 7. Zum Vergleich ist in Kurve d die Tragfähigkeit des Knochens in Abhängigkeit von der Heilungszeit für eine Knochenheilung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgetragen.
Ein weiteres Beispiel einer Federanordnung mit einstellbarer Federkonstante zeigt Fig. 26. Die Steifigkeit des Federmechanismus wird durch die unterschiedliche Anzahl von Tellerfederpaketen (821-823), die parallel im Eingriff sind, eingestellt. Es besteht außerdem die Möglichkeit, vor dem Zusammenbau unterschiedliche Tellerfederpakete einzusetzen, insbesondere wird jeweils die Anzahl der darin enthaltenen Federn dem Zweck entsprechend ausgewählt .
Die Welle (827), welche die Federpakete gesteuert verbindet, wird durch einen Motor (820) über eine Kupplung (828) mit axialem Freiheitsgrad angetrieben. Durch Verdrehen der Welle (827) kann die Anzahl der Gewindeabschnitte (824-826) der Welle (827), die jeweils mit den Gewinden der Deckplatte (829-831) der Federpakete in Verbindung stehen, variiert werden. Die Gewinde, die jeweils nicht im Eingriff stehen, übertragen auf das entsprechende Federpaket keine Kraft.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (50, 51, 52) zur Retention und Protektion von beschädigten Knochen (1), mit zwei beiderseits der Knochenbeschädigung (2) an einem Knochen (1) fixierbaren Abschnitten (10, 11, 11') , welche zur Überbrückung der Knochenbeschädigung (2) über mindestens eine Federeinrichtung (20, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200) axial federnd gegeneinander verschiebbar miteinander gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung Mittel zum Variieren der Federkonstante aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Abschnitte (10, 11) teleskopartig ineinander verschiebbar sind und die Federeinrichtung (20, 100, 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1100, 1200) im Inneren der Abschnitte (10, 11) angeordnet ist und einem Zusammendrücken der Abschnitte (10, 11) entgegenwirkt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (10, 11) gegen ein Verdrehen gegeneinander um ihre Verbindungsachse (30) gesichert sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mindestens einen Anschlag zur Begrenzung der axialen Bewegung der Abschnitte (10, 11) auf eine maximale Länge aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (100, 200) mindestens eine Arbeitskammer (101, 201, 202, 203, 403, 501), mindestens einen beweglich darin angeordneten Kolben (110, 210, 211, 212, 409, 502) und Mittel (120 bis 125, 220 bis 223, 401, 402, 404, 405 bis 408, 503 bis 506) zur Veränderung des Drucks und/oder der Druckverhältnisse und/oder des Volumens und/oder der Volumenverhältnisse in der (den) Arbeitskammer (n) (101, 201, 202, 203, 403, 501) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (600) mindestens ein mechanisches Federelement (601) und Mittel (602) zur Änderung der wirksamen Länge des Federelements (601) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Federeinrichtung (800, 900, 1000) mehrere in Reihe und/oder parallel geschaltete Federglieder (801-804; 821-823, 901, 1001) und Mittel zur Ein- bzw. Auskoppelung und/oder zur Blockade der einzelnen Federglieder (801-804; 821-823, 901, 1001) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe als Marknagel (50) oder als außen am Knochen (1) befestigtes Implantat (52) oder als Fixateur extern
(51) ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine Notarretierung (60, 70, 80, 90) aufweist, welche, wenn die beiden Abschnitte (10, 11) um eine bestimmte axiale Weglänge (S) gegeneinander verschoben werden, eine weitere axiale Bewegung der Abschnitte (10, 11) zueinander verhindert .
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Notarretierung (60, 70, 80, 90) an einem Abschnitt (10) mindestens ein Rastmittel (61, 71, 81, 91) aufweist, welches mit mindestens einem entsprechendenden Rastmittel (63, 73, 83, 93) an dem jeweils anderen Abschnitt (11) zusammenwirkt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe Mittel zum Lösen der Notarretierung aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mindestens einen Sensor (12) zur Messung mindestens eines Parameters aufweist, aus welchem alleine und/oder in Verbindung mit weiteren Parametern der aktuelle Heilungszustand bestimmbar ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mindestens einen Aktor (14, 15) zur Veränderung der Länge der Vorrichtung zwischen den Fixierungsstellen (21, 22) aufweist, an welchen die Abschnitte (10, 11, 11') beiderseits der Knochenbeschädigung (2) an dem Knochen (1) befestigt sind.
14. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mindestens einen Aktor (14, 15) zur periodischen Längenveränderung der Vorrichtung zwischen den Fixierungsstellen (21, 22) in Form von Mikrobewegungen aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine Steuerung (40) zur Ermittlung des aktuellen Heilungszustands aus den gemessenen und/oder von außen eingegebenen Parametern und/oder zur automatischen Variation der Federkonstante und/oder zur automatischen Längenveränderung der Vorrichtung zwischen den Fixierungsstellen (21, 22) und/oder zur automatischen Durchführung der Mikrobewegungen aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (40) eine selbstoptimierende Steuerung ist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung (40) eine Datenbank mit einer Wissensbasis und einen Schlußfolgerungsmechanismus aufweist, so daß die Steuerung während des Betriebs der Vorrichtung neue Erkenntnisse erlernen, speichern und verwenden kann.
18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe mindestens eine
Datenübertragungsschnittstelle zur perkutanen Übermittlung von Daten zwischen dem (den) Sensor (en) (12, 13) und/oder dem (den) Aktor (en) (14, 15) und/oder der Steuerung (40) und einer externen Steuerung aufweist.
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