CH616839A5

CH616839A5 -

Info

Publication number: CH616839A5
Application number: CH278477A
Authority: CH
Inventors: Werner Dipl Ing Kraus
Original assignee: Kraus Werner
Priority date: 1976-03-19
Filing date: 1977-03-07
Publication date: 1980-04-30
Also published as: FR2344274A1; FR2344274B1; JPS6226781B2; NL181077B; AT369256B; CA1082851A; DE2611744A1; ATA190777A; NL7702791A; GB1575841A; DE2611744C2; US4195367A; ES457331A1; DD129864A1; US4214322A; JPS52131692A; SE7703155L; NL181077C

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Vitalerhaltung von Knochengewebe für Endoprothesen, mit einer niederfrequenten elektrischen Wechselspannungsquelle, die Anschlüsse unterschiedlichen Potentials aufweist, und mit mindestens zwei Elektroden, die mit den Anschlüssen der Wechselspannungsquelle verbunden und an einem zur Anlage am Knochengewebe eines Implantatträgers bestimmten Oberflächenbereich der Endoprothese angeordnet sind.

Aus der DE-PS 1 918 299, DE-OS 2 116 869, DE-OS 2 315 517 und DE-OS 2 311 817 sind Anordnungen zur Heilung von komplizierten Knochenbrüchen, Trümmerfrakturen in Verbindung mit Weichteilschäden, pathologischen Frakturen, Spontanfrakturen sowie zur Überwindung von Heilungsstörungen aufgrund von Pseudoarthrosen, Osteomyelitiden und dergleichen bekannt, bei denen durch Magnetfeldinduktion bioelektrische Potentiale und Ströme im defekten Gewebe erzeugt werden, mit denen die Regeneration beschleunigt und in therapieresisten Fällen die Heilung ermöglicht werden kann.

Dabei wird im Bereich der Fraktur eine Spule implantiert, die die Sekundärinduktivität eines Transformators darstellt und einem Osteosyntheseteil üblicher Art, wie einer Stützplatte, einem Marknagel oder auch einer Gelenkprothese, zugeordnet bzw. in ein solches Osteosyntheseteil oder in eine Gelenkprothese eingebaut ist. Das induzierende Magnetfeld wird in einer die; kranke Geweberegion umgebenden Spule erzeugt, die von einem Niederfrequenzgenerator mit Strom versorgt wird und die Primärinduktivität des Transformators darstellt. Das niederfrequente Magnetfeld der Spule durchflutet die gesamte Geweberegion, die den Knochendefekt enthält, und induziert in der implantierten Spule eine elektrische Spannung, die über Elektroden in Form von Knochenschrauben, Drähten oder an der Oberfläche eines Implantats isoliert angeordnete Metallfolien im Gewebe zur Wirkung gebracht wird.

Tierexperimentelle Untersuchungen und zahlreiche klinische Anwendungen dieser Technik zeigen, dass im magnetfelddurchfluteten Gewebe die durch die niederfrequenten elektrischen Wechselpotentiale angeregte Knochenbildung in der unmittelbaren Umgebung der Elektroden beginnt und sich in die Geweberegion zwischen den Elektroden fortsetzt. Wie die histologische Analyse zeigt, folgt das stimulierte Wachstum des Knochens den Gradienten des elektrischen Potentials. Durchdringen die Elektroden einen Frakturspalt etwa senkrecht zur Frakturfläche, so bilden sich unter dem Einfluss der induzierten Potentiale «Knochenbrücken» aus, die in rasch zunehmendem Masse die Stützfunktionen der Osteosynthese-elemente übernehmen können. Ist die Tragfähigkeit des neugebildeten Knochens hinreichend, so wird das ganze Osteosyntheseteil mit der implantierten Spule und den Elektroden aus dem Gewebe entfernt.

Für die Knochenbruchbehandlung und Knochenregeneration genügen erfahrungsgemäss wenige, z. B. zwei bis vier, diskrete Elektroden, die mit räumlich konzentrierten elektrischen Potentialen durch eine Wachstumsanregung die Regeneration

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des Gewebes einleiten und beschleunigen. Ihr Zweck ist mit der Ausbildung einer belastungsfähigen knöchernen Überbrückung des Knochendefekts erfüllt. Die weitere Regenerierung und Konsolidierung des Knochens vollzieht sich dann unter dem Einfluss der funktionellen Beanspruchung im Sinne des Wolffschen Gesetzes.

In vieler Hinsicht andersartige und effektiv viel höhere Anforderungen werden an ein Implantat gestellt, das für lange Zeiträume, möglichst für Lebenszeit, im Gewebe verbleiben soll, um dort die Funktionen fehlender Knochenbestandteile, die Stützung und Lagerung eines Kunstgelenkes oder die Verankerung eines Zahnes im Alveolenlager des Kieferknochens zu übernehmen.

Metallimplantate haben sich für diesen Zweck nicht bewährt, da das Metall angegriffen und vom Gewebe nicht angenommen wird. Auch die in jüngerer Zeit für Implantatzwecke entwickelten keramischen Werkstoffe auf der Basis von Aluminiumoxid, Quarz, Siliciumnitrid, und keramische Verbundwerkstoffe lassen noch erheblich zu wünschen übrig. Die keramischen Implantatwerkstoffe haben zwar eine ausreichende mechanische Festigkeit und sie werden von den Körperflüssigkeiten auch nicht nennenswert angegriffen, das Problem besteht bei diesen Materialien jedoch ähnlich wie bei den bisher verwendeten Metallimplantaten in der immer noch ungenügenden biologischen Toleranz. Selbst im Tierversuch dauert die Einheilung, z. B. einer Keramik-Gelenkprothese, trotz der hohen Regenerationskraft von Tieren etwa drei Monate. Solange muss das Gelenk funktionslos, die Extremität also ruhiggestellt bleiben. Beim unfallgeschädigten oder alternden Menschen heilt das Implantat nicht mehr oder nur in wesentlich längeren Zeiten ein. Aber schon Ruhigstellungszeiten von V4 Jahr führen bei menschlichen Patienten zu schweren gesundheitlichen Problemen.

Man hat versucht, diese Ruhigstellungszeiten durch eine besondere Formgebung der Implantate zu verkürzen, z. B. durch Gewinde- oder Tragrippen-Konstruktionen, die das Implantat ohne oder mit Zement im Knochen verankern. Implantate dieser Art sind zwar schneller belastbar, ein funktionsfähiger Kontakt des Implantats mit dem vitalen Gewebe bleibt jedoch auch bei derartig konstruierten Keramikprothesen auf die aus der Metallprothetik bekannten Zeiten beschränkt, also im Mittel auf etwa 6 bis 7 Jahre. Eine allmählich fortschreitende bindegewebige Einscheidung (Abkapselung) des als Fremdkörper wirkenden Implantats führt nämlich mit der Zeit zu einer schmerzhaften Lockerung der Prothese. Es wird dann schliesslich die Entfernung der Prothese und eine Neuimplantation erforderlich, die eine erheblich geringere Haltbarkeitserwartung hat. Mit der rapiden Zunahme der degenerativen und unfallbedingten Schäden des menschlichen Skeletts, die mit der Implantation von Knochenprothesen repariert werden (zur Zeit etwa 1500 pro Tag) entwickelt sich hier ein medizinisches und volkswirtschaftliches Problem beträchtlichen Ausmasses.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Vitalerhaltung von Knochengewebe für Endoprothesen anzugeben, welche eine wesentlich sicherere und länger haltbare Verankerung einer Endoprothese bewirkt als dies bei den bekannten Endoprothesen der Fall ist.

Diese Aufgabe wird gemäss der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Massnahmen gelöst.

Die Ansprüche 2 bis 13 betreffen Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Einrichtung.

Im Gegensatz zu den eingangs erwähnten bekannten «Elektro»-Osteosyntheseimplantaten, die nur für den Zweck der Knochenneubildung bis zur Belastbarkeit des geschädigten Knochenbereichs im Gewebe verbleiben, sind die erfindungsgemässen Endoprothesen speziell dafür entwickelt, einen funktionsfähigen, kraftschlüssigen und beschwerdefreien Verbund des vitalen Knochens mit der Oberfläche des Prothesenkörpers möglichst rasch herzustellen und dann zeitlebens zu erhalten. Es wird, was sich als besonders wichtig erwiesen hat, ein relativ gleichmässiger und grossflächiger biologisch aktiver Kontakt zwischen Knochen und Prothesenkörper hergestellt und aufrechterhalten.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Hüftgelenkkopfprothese gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2A einen Querschnitt in einer Ebene A—A der Fig. 1, Fig. 2B einen Längsschnitt in einer Ebene B-B der Fig. 1 und 2A,

Fig. 2C eine Fig. 2B entsprechende Ansicht einer abgewandelten Ausführungsform,

Fig. 3 eine schematische Ansicht des Schaftteiles einer Endoprothese gemäss einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 3A ein Schaltschema einer Wicklungs- und Elektrodenanordnung für die Ausführungsform gemäss Fig. 3,

Fig. 4 einen Teilschnitt eines Schaftteiles einer Endoprothese der in Fig. 3 dargestellten Art,

Fig. 5 eine Fig. 4 entsprechende Ansicht mit einer etwas abgewandelten Spulen- und Elektrodenanordnung,

Fig. 6 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Hüftgelenkprothese gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 6A und 6B schematische Darstellungen von Aufnehmerspulen und Elektrodenanordnungen für die Hüftgelenkprothesen gemäss Fig. 6,

Fig. 7 eine schematische Darstellung einer anderen Hüftgelenkprothese gemäss der Erfindung,

Fig. 7A und 7B Draufsicht auf Elektrodenanordnungen für eine Hüftgelenkprothese der in Fig. 7 dargestellten Art,

Fig. 7C eine Schaltungsanordnung für Elektrodenanordnungen, wie sie z. B. in Fig. 6A, 7A und 7B dargestellt sind, Fig. 8Ä und 8B schematische Darstellungen zur Erläuterung der Arbeitsweise von Hüftgelenkprothesen der in Fig. 6 und 7 dargestellten Art,

Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer weiteren Hüftgelenkprothese gemäss der Erfindung,

Fig. 10A und 10B Darstellung bevorzugter Elektrodenanordnungen,

Fig. 11 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Zahnprothese gemäss der Erfindung,

Fig. 12 eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform einer Zahnprothese gemäss der Erfindung.

Die Langzeit-Endoprothesen bestehen vorzugsweise zumindest an der Oberfläche aus einem gewebeverträglichen Keramikwerkstoff, z. B. auf der Basis von Aluminiumoxid, Sili-ciumdioxid, Siliciumnitrid. Ferner können Verbundwerkstoffe aus metallischen oder nichtmetallischen Fäden in einer nichtmetallischen oder metallischen Matrix verwendet werden.

Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Langzeit-Endoprothesen ist, dass ein relativ grosser Teil der Oberfläche, der im implantierten Zustand am Knochen des Implantatträgers anliegt, mit Elektroden versehen ist. Die Elektroden sind mit einer Quelle für eine niederfrequente elektrische Spannung verbunden und so angeordnet, dass sie sich im Berührungsbereich in relativ kurzen Abständen abwechseln. Die Elektrodenabstände werden vorzugsweise umso kleiner gewählt, je grösser die mechanische Flächenbelastung des entsprechenden Teiles des Berührungsbereiches ist.

Die Wechselspannung für die Elektroden kann in bekannter Weise durch ein äusseres magnetisches Wechselfeld induziert werden. Da bei einem erfindungsgemäss ausgebildeten Langzeitimplantat nach dem Einwachsen nur noch relativ

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kleine elektrische Spannungen benötigt werden, um den mit dem Implantat in Berührung stehenden Knochen «am Leben» zu erhalten und einen festen Sitz der Prothese zu gewährleisten, sind bei dem vorliegenden Langzeitimplantat vorzugsweise Vorkehrungen getroffen, um die erforderlichen niederfrequenten Wechselspannungen beim normalen Gebrauch der Endoprothese automatisch zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, dass keine besondere Behandlung mit einem Magnetfeldgene-rator erforderlich ist. Vorzugsweise ist jedoch zusätzlich zu dem internen Wechselspannungsgenerator oder, was besonders zweckmässig ist, als Teil dieses internen Wechselspannungsgenerators, eine Aufnehmerspule vorgesehen, in der von aussen eine Spannung induziert werden kann, so dass für die Einwachsperiode eine höhere Wechselspannung an den Elektroden zur Wirkung gebracht werden kann. Für die Vitalerhaltung des Gewebes um den Implantatkörper reichen erfah-rungsgemäss Soannungen aus, die mittlere Feldstärken in der Grössenordnung von 1,0 bis 10 mV/cm erzeugen.

In den Fig. 1, 2A und 2B ist als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Hüftgelenkkopfprothese dargestellt. Sie kann z. B. aus gewebeverträglicher Aluminiumoxidkeramik bestehen und hat einen Schaft 10, der in einen entsprechend abgeschnittenen Oberschenkelknochen 12 eingesetzt wird. An den Schaft 10 schliessen sich eine Anlagefläche 14 und ein üblicher Gelenkkopfteil 16 an.

Der Schaft 10 ist aussen mit axial verlaufenden Rippen 18 versehen, zwischen denen sich nutenartige Vertiefungen 20 befinden. Ferner weist der Schaft 10 einen Hohlraum 22 auf, in dem sich eine Solenoidspule 24 befindet, die auf einen röhrchenförmigen Spulenkörper 26 gewickelt ist.

Auf der Oberfläche des Schafts befinden sich zwei Elektroden 28 und 30, die jeweils eine kammartige Reihe von streifen- oder fingerartigen Ansätzen aufweisen, die so angeordnet sind, dass sich längs des Schaftumfanges die Ansätze der beiden Elektroden abwechseln. Der Hohlraum 22 ist durch eine Kappe 32 zugänglich, die durch eine Hartlotschicht 34 aus gewebeverträglichem Metall mit dem Hauptteil des Schaftes 10 verbunden ist. Die Hartlotschicht wird isoliert oder_aus dem gleichen Metall, z. B. Osteosynthesemetall, hergestellt wie die Elektroden, damit kein galvanisches Element entsteht. Die Hartlotschicht 34 bildet einen Teil der Elektrode 28 und ist mit den streifenförmigen Ansätzen 28a dieser Elektrode verbunden, die sich bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Rippen 18 befinden. Die Ansätze 28a können durch Aufdampfen, Aufstäuben, Galvanisieren oder irgendein anderes bekanntes Keramik-Metallisierungsverfahren aufgebracht werden und reichen vorzugsweise etwas in die Seitenwände der Vertiefungen 20 hinein, damit eine durchgehende elektrische Verbindung auch dann sichergestellt ist, wenn ein Teil der auf einer Rippe 18 befindlichen Metallschicht beim Eintreiben des Schaftes 10 in den Knochen abgewetzt oder anderweitig beschädigt wird. Die Ansätze 30a der Elektrode 30 bestehen ebenfalls aus Metallschichten und befinden sich auf dem Boden der Vertiefungen 20. Sie sind entweder einzeln oder, wie bei Fig. 2B dargestellt ist, mittels eines ringförmigen Metallisierungsbereiches über mit elektrisch leitendem Material ausgefüllte Bohrungen 36 mit dem Inneren des Hohlraumes 22 verbunden. Dort machen die Enden der Solenoidspule 24 über eine Feder 38 bzw. ein am Ende des Spulenkörpers 26 angebrachtes Metallteil 40 mit den Elektroden 30 bzw. 28 Kontakt.

In der Solenoidspule 24 kann, wie aus den eingangs genannten Veröffentlichungen bekannt ist, mittels einer externen, wechselstromgespeisten Spule eine niederfrequente elektrische Spannung induziert werden, die an den Elektroden 28, 30 wirksam wird und das Einwachsen des Schaftes 10 in den Oberschenkelknochen 12 fördert sowie später eine Devitalisierung des an den Prothesenschaft anliegenden Knochenbereiches verhindert.

Zur automatischen Erzeugung einer schwachen Wechselspannung zwischen den Elektroden 28 und 30 kann, wie in Fig. 2C dargestellt ist, im Spulenkörper 26 ein stabförmiger Permanentmagnet 42 mittels zweier relativ schwacher Schraubenfedern 44, 46 axial beweglich gelagert sein. Die Solenoidspule 24 hat eine in Axialrichtung ungleiche Windungsdichte oder nimmt, wie in Fig. 2C dargestellt ist, nur einen Teil des Bewegungsbereiches des Permanentmagneten 42 ein. Durch die beim Gehen und anderen Bewegungen des Prothesenträgers auftretenden Trägheitskräfte führt der Permanentmagnet 42 axiale Bewegungen im Spulenkörper 26 aus, durch die automatisch die gewünschte geringe Wechselspannung in der Solenoidspule 24 induziert wird. Federn + Kern sollen vorzugsweise eine Eigenschwingungszahl S 20 Hz besitzen.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schaft 110 einer Endoprothese, z. B. einer Gelenkprothese, der wie der Schaft 10 (Fig. 1) aus einem gewebeverträglichen Keramikmaterial bestehen kann. Der Keramikschaft 110 enthält einen eingebetteten, stabförmigen Kern lll ausferromagnetischem Material geringer Koerzitivkraft, z. B. aus einem «magnetisch weichen» Ferrit. Auf der im wesentlichen zylindrischen Aussenseite des Schaftes 10 ist eine Spule aufgedampft, deren Windungen gleichzeitig als Elektroden dienen. Die Windungen können eine zweigängige Schraube bilden und elektrisch in Reihe geschaltet sein, wie es in Fig. 3A dargestellt ist, so dass zwischen zwei benachbarten Windungen eine Spannungsdifferenz entsprechend der Spannung liegt, die in dem einen der beiden hintereinandergeschalteten wendeiförmigen Wicklungsteile induziert wird. Der Windungsabstand der auf diese Weise gebildeten Solenoidspule 124 kann, wie dargestellt, ungleichmässig sein, um im Bereich hoher Druckbelastungen zwischen Knochen 112 und Prothesenschaft höhere Feldstärken zu erzeugen als in Bereichen niedrigerer Belastung.

Fig. 4 zeigt einen Teil eines Prothesenschaftes 210, der eingebettete Wicklungen 224 und eingebettete oder niedergeschlagene Elektroden 228 aufweist, die jeweils mit entsprechenden Windungen der Wicklung 224 verbunden sind. Die Aussenseite des Schaftes 210 kann, wie dargestellt, als Gewinde ausgebildet sein. Wenn die Elektroden eingebettet sind, wird das zwischen eingebetteten Elektroden und der Oberfläche des Schaftes liegende Keramikmaterial vorzugsweise durch Implantation von Dotierungsstoffen halbleitend gemacht (siehe z. B. die DE-OS 1 939 267). Die Anordnung der Elektroden in verschiedenen Ebenen hat wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 und 2 den Vorteil, dass radiale Spannungsgradienten entstehen, die das Wachsen einer axial ausgerichteten Knochenstruktur fördern.

Wie Fig. 5 zeigt, können im Implantatschaft ringförmige Nuten vorgesehen sein, in denen in Reihe geschaltete Scheibenwicklungen 324 untergebracht sind. Je eine Windung jeder Scheibenwicklung ist mit einer aussenliegenden Elektrode 328, 330 usw. elektrisch verbunden.

Einen radialen Feldgradienten kann man auch dadurch erreichen, dass man zwei in radialer Richtung beabstandete Elektroden vorsieht, die durch eine relativ grobporige Schicht aus Keramikmaterial getrennt sind. Die Oberfläche dieser porigen Schicht trägt dann also eine Elektrode, z. B. in Form einer durchbrochenen Schicht, während die andere Elektrode sich am Boden der Poren befindet. Man kann eine solche Struktur dadurch herstellen, dass man auf einen Keramikkörper zuerst eine löcherige, aber zusammenhängende Schicht aus Metallteilchen und dann eine löcherige Schicht aus Keramik so aufbringt, z. B. auf sintert, dass ein Teil der Metallteilchen durch die Löcher zugänglich sind und die Keramik durch die Löcher in der Metallschicht eine feste Verbindung mit dem darunterliegenden Keramikmaterial herstellt. Die Oberfläche der porösen Schicht wird dann mit einer die zweite Elektrode bildenden Metallschicht versehen.

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Fig. 6 zeigt eine Hüftgelenkprothese, die aus einer Keramikkalotte 410 und einer Gelenkpfanne 411 aus Keramik besteht. Die Keramikkalotte 410 ist auf einen erhaltenen Schenkelhalsknochen 412 aufgesetzt. Die Gelenkpfanne 411 ist im Hüftknochen 413 implantiert. In der Keramikkalotte 410 und der Gelenkpfanne 411 sind stabförmige Permanentmagnete 442 und diesen jeweils gegenüberliegend Spulen 424 angeordnet, welche stabförmige Magnetkerne 443 aus magnetisch weichem Material enthalten. Es liegen sich jeweils ein Permanentmagnet 442 und eine Spule 424 mit weichmagnetischem Kern 443 gegenüber. Die Enden der Spulen 424 sind jeweils mit Elektroden 428 bzw. 430 (Fig. 6A) verbunden. Je eine solche Elektrodenanordnung ist auf der mit dem Schenkelhalsknochen 412 in Berührung stehenden Innenseite der Keramikkalotte 410 bzw. der mit dem Hüftknochen 413 in Verbindung stehenden Aussenseite der Gelenkpfanne 411 angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 enthält die Keramikkalotte 410 zwei Spulen 424; diese können in Reihe geschaltet oder jeweils mit einem eigenen Elektrodensatz verbunden sein. Die Elektroden 428, 430 bilden zwei elektrisch gegeneinander isolierte, nebeneinander herlaufende Spiralen, deren gegenseitiger Abstand entsprechend der Lastverteilung gewählt sein kann, wie anhand von Fig. 3 bereits erläutert wurde.

Statt zweier getrennter Elektroden kann man auch eine spiralförmige Wicklung verwenden, wie sie in Fig. 6B dargestellt ist. Der die Windungen der Spirale kreuzende Rückführungsleiter 429 wird ebenso wie die Rückführungsleiter der Spulen gemäss Fig. 3A in geeigneter Weise von den Windungen isoliert, z. B. durch eine aufgedampfte Zwischenschicht aus Siliciumdioxid oder durch Ausbildung als «vergrabener» Leiter. Bei Fig. 6B wird die Spannung zwischen den einzelnen Windungen der Spirale wirksam.

Wenn sich im Gebrauch der Hüftgelenkprothese gemäss Fig. 6 die Permanentmagnete bezüglich der Spulen verschieben, ändert sich die magnetische Durchflutung der Spulen und es wird in ihnen eine entsprechende Spannung induziert, die an den Elektroden wirksam wird und einen Abbau der mit den Prothesenteilen in Berührung stehenden Knochenbereiche verhindert.

Die Hüftgelenkprothese gemäss Fig. 7 hat einen Hüftkopfteil 510, dessen Schaft so ausgebildet sein kann, wie es anhand von Fig. 1 bis 2C erläutert wurde. Der Gelenkkopfteil 516 enthält hier jedoch mehrere radial angeordnete stabförmige Permanentmagnete 542, und in der Gelenkpfanne 511 sind eine Anzahl von Spulen 524 so eingebettet, dass sich die durch die Ferromagnete erzeugte magnetische Durchflutung der Spulen bei der natürlichen Bewegung des Gelenkes ändert und in den Spulen dadurch eine entsprechende Spannung induziert wird. Einem Permanentmagneten können mehrere Spulen zugeordnet sein, wie es durch die Spulen 524a und 524b dargestellt ist. Die Spulen können selbstverständlich wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 6 Magnetkerne hoher Permeabilität und geringer Koerzitivkraft enthalten.

Die Aussenseite der Gelenkpfanne 511 ist wieder mit Elektroden versehen, die durch die Spulen gespeist werden. Die Elektroden 528 und 530 können Ansätze haben, die, wie Fig. 7A zeigt, strahlenförmig verlaufen und abwechselnd ineinandergreifen. Wie Fig. 7B zeigt, können die Elektroden auch die Form von exzentrisch ineinander angeordneten Ringen haben, wobei benachbarte Elektroden mit verschiedenen Spulenenden verbunden sind. Im Bereich stärkster mechanischer Beanspruchung ist der Elektrodenabstand am geringsten.

Der niederfrequenten Wechselspannung, die durch eine Aufnehmerspule erzeugt und einer Elektrodenanordnung zugeführt wird, kann eine niedrige Gleichspannung von z. B. einigen Zehntel Volt überlagert werden. Dies kann z. B., wie Fig. 7C zeigt, dadurch geschehen, dass man in die Leitung von einer Aufnehmerspule 525 zu einem Elektrodensystem, z. B. dem Elektrodensystem 528, 530 gemäss Fig. 7A, oder einem Elektrodensystem, wie es in Fig. 6A oder 7B dargestellt ist,

eine Parallelschaltung aus einer Halbleiterdiode, wie einer Germaniumdiode 529 und einem Kondensator 531, schaltet. Die Aufnehmerspule 525 wird unter Berücksichtigung der Schwellwertspannung der Halbleiterdiode so bemessen, dass sich am Elektrodensystem eine Gleichspannung von höchstens einigen Zehntel Volt ergibt, und der Kondensator 531 wird so bemessen, dass sich an den Elektroden die gewünschte Wechselspannung von einigen Zehntel Volt ergibt.

In den Fig. 8A und 8B ist schematisch dargestellt, wie die Spannung für die Elektroden erzeugt werden kann. Der Hüftgelenkkopfteil 616 enthält einen radial angeordneten stabför-migen Permanentmagneten 642. Die Gelenkpfanne 611 enthält eine Solenoidspule 624 mit radialer Achse, die auf einen Magnetkern 643 hoher Permeabilität gewickelt ist. Die Enden der Spule sind mit Elektroden 628 bzw. 630 verbunden. Bei der Bewegung des Gelenkes bezüglich der Gelenkpfanne wechseln sich Zustände ab, bei denen der Permanentmagnet 642 der Spule 624 direkt gegenübersteht (Fig. 8A) bzw. bei denen zwischen Permanentmagnet und Spule ein relativ grosser Abstand herrscht (Fig. 8B). Die magnetische Durchflutung der Spule ändert sich dementsprechend von einem hohen auf einen niedrigen Wert, wodurch in der Spule eine entsprechende Spannung induziert wird, die über die Oberflächenelektroden an das Gewebe angelegt wird.

Fig. 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hüftgelenkprothese mit einem Hüftkopfteil 716 und einem Gelenkpfannenteil 711. Beide bestehen aus Keramik, in die Körnchen aus magnetisch weichem und aus magnetisch hartem Material einge- -bettet sind. Der Gelenkkopf ist mit einer aufgedampften oder eingebetteten Wicklung 724a versehen, die über eingebettete Leiter 725 mit Elektroden 728, 730 verbunden sind, welche entsprechend Fig. 1 ausgebildet sein können.

Die Aussenseite der Gelenkpfanne 711 trägt eine Wicklung 724b, die in sich geschlossen ist. Die Körnchen können einen Durchmesser von beispielsweise 0,5 bis 1 mm haben und sind in die Keramik eingesintert. Die magnetisch harten Körnchen werden durch einen Magnetfeldimpuls magnetisiert, vorzugsweise in Axialrichtung des Gelenkkopfteiles (Pfeil 445). Bei der Bewegung des Gelenkkopfes bezüglich der Gelenkpfanne werden auch hier Spannungen in den Windungen induziert. Man kann jedoch auch mit gutem Wirkungsgrad mittels eines äusseren magnetischen Wechselfeldes Spannungen in den Wicklungen induzieren, da die magnetisch weichen Körnchen das Feld konzentrieren und als Magnetkern für die Wicklungen wirken.

Fig. 10A zeigt die elektrische Feldverteilung einer Wicklungsanordnung, die zwei in verschiedenen Tiefen liegende «bifilare» Wicklungsteile enthält, die ähnlich wie bei Fig. 3A -in Reihe mit einer Spulenwicklung geschaltet sind. Der Abstand X zwischen den Flächen, in denen die Wicklungsteile liegen, braucht in der Praxis nicht sehr gross zu sein, er kann beispielsweise gleich der Hälfte oder zwei Drittel des Windungsabstandes sein oder auch nur wenige /um betragen.

Fig. 10B zeigt eine entsprechende Wicklungsanordnung mit Wicklungen, die ein rechteckiges Profil haben. Die Wicklungen, Elektroden und andere mit dem Gewebe in Berührung kommende Metallteile können beispielsweise aus einer Pla-tin-Iridium-Legierung bestehen.

Fig. 11 zeigt eine Zahnprothese 810 aus Keramik, die einen eingebetteten Magnetkern 843 hoher Permeabilität und niedriger Koerzitivkraft enthält. Der Wurzelteil 816 der Zahnprothese, der in den Kieferknochen eingebettet wird, trägt auf seiner Aussenseite eine Spulenwicklung 824, die wie die anhand von Fig. 3, 3A, 4 und 5 sowie 10A und 10B beschrie5

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benen Wicklungen ausgebildet sein kann und gleichzeitig als Elektrode dient.

Fig. 12 zeigt eine Zahnprothese 910, in die eine Solenoidspule 924 mit einem weichmagnetischen Kern 943 eingebettet ist. Die Enden der Solenoidspule 943 sind ähnlich wie bei Fig. 1 und 2 mit kammartigen, ineinandergreifenden Elektroden 928, 930 elektrisch verbunden.

Wenn im Ober- und Unterkiefer zwei einander gegenüberliegende oder wenigstens annähernd gegenüberliegende Zahnprothesen vorgesehen werden sollen, so können diese ähnlich wie die Hüftgelenkprothesen gemäss Fig. 6 bis 8 mit Permanentmagnet-Spulen-Kombinationen zur Spannungserzeugung ausgerüstet sein.

Man kann die für die Elektroden erforderlichen Spannungen auch auf piezoelektrischem Wege erzeugen. So kann man z. B. einen Teil des Implantats, der beim Gebrauch wechselnden Belastungen ausgesetzt ist, auf Piezokeramik herstellen oder mit einem piezoelektrischen Element versehen, das mit den Elektroden elektrisch gekoppelt ist und an diese eine mit 5 der mechanischen Belastung wechselnde elektrische Spannung liefert. So könnte man z. B. in die Verbindung zwischen dem Gelenkkopfteil 516 und dem Schaftteil 510 eine Scheibe 517 aus Piezokeramik durch Hartlötung einfügen, die bei der Belastung entstehenden Spannungen durch ein entsprechendes iso-io liertes Leitersystem abnehmen und dem Elektrodensystem des Schaftes zuführen.

Die Rippen 18 des Prothesenschaftes 10 (Fig. 1 und 2) können auch einen dreieckigen, dachartigen Querschnitt haben.

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7 Blatt Zeichnungen

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1. Einrichtung zur Vitalerhaltung von Knochengewebe für Endoprothesen, mit einer niederfrequenten elektrischen Wechselspannungsquelle, die Anschlüsse unterschiedlichen Potentials aufweist, und mit mindestens zwei Elektroden, die mit den Anschlüssen der Wechselspannungsquelle verbunden und an einem zur Anlage am Knochengewebe eines Implantatträgers bestimmten Oberflächenbereich der Endoprothese angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Elektrodenteile (28a, 30a; 124; 228; 328; 330; 428, 430; 528, 530; Fig. 6B; Fig. 7B) gebildete Elektrodenanordnung mindestens 30% der Fläche des zur Anlage an den Knochen des Implantatträgers bestimmten Oberflächenbereiches einnimmt, wobei sich in diesem Oberflächenbereich Elektrodenteile, die mit Anschlüssen unterschiedlichen Potentials der Wechselspannungsquelle gekoppelt sind, abwechseln und der Abstand zwischen jedem vorgegebenen Punkt des Oberflächenbereiches und zwei Elektrodenteilen unterschiedlichen Potentials höchstens 10 mm beträgt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung mindestens 50% des zur Anlage an den Knochen des Implantatträgers bestimmten Oberflächenbereiches einnimmt.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenteile so auf den Oberflächenbereich verteilt sind, dass der Abstand zwischen jedem vorgegebenen Punkt des Oberflächenbereiches und zwei Elektrodenteilen, zwischen denen durch die Wechselspannungsquelle eine Potentialdifferenz erzeugbar ist, höchstens 5 mm beträgt.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenteile durch ineinander verschachtelte Ansätze (28a, 30a) zweier Elektroden (28, 30) gebildet sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenteile (428, 430) die Form einer zweigängigen Spirale (Fig. 6A) haben.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung die Form einer geschlossenen Windung hat (Fig. 3, Fig. 3A, Fig. 6B), in der durch ein niederfrequentes Magnetfeld eine elektromotorische Kraft induzierbar ist, die eine Spannungsdifferenz zwischen den Windungen der Wicklung zur Folge hat.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung zwei im wesentlichen bifilar verlaufende, mit gleichem Windungssinn hintereinandergeschaltete wendeiförmige Wicklungsteile enthält (Fig. 3A).

8. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung ein spiralenförmiges Wicklungsteil enthält (Fig. 6B).

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenanordnung mit einer Spule (24, 224, 324, 424) gekoppelt ist, in der durch ein niederfrequentes magnetisches Wechselfeld eine niederfrequente Wechselspannung induzierbar ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle einen in der Endoprothese angeordneten Wechselspannungsgenerator (24, 42-in Fig. 2C; 424, 442 in Fig. 6; 524, 542 in Fig. 7; 624, 642 in Fig. 8 ; 724a, 724b, 445 in Fig. 9) enthält.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Wechselspannungsquelle einen Permanentmagneten (42, 442, 642) enthält, der bezüglich einer in seiner Nähe angeordneten Wicklung (24; 443; 624) beweglich angeordnet ist.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Endoprothese zwei in bezug aufeinander bewegliche Teile enthält; dass in einem der Teile mindestens ein Permanentmagnet und/oder eine Spule angeordnet sind und dass im anderen der Teile mindestens eine mit dem Permanentmagneten zusammenwirkende Spule und/oder ein mit der Spule des anderen Teiles zusammenwirkender Permanentmagnet angeordnet sind (Fig. 6 und 7).

13. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselspannungsgenerator mindestens ein piezoelektrisches Element (517, Fig. 7) enthält, das bei der Benutzung der Endoprothese einer wechselnden Belastung ausgesetzt und mit den Elektrodenteilen elektrisch gekoppelt ist.