DE10008481A1

DE10008481A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenzement

Info

Publication number: DE10008481A1
Application number: DE2000108481
Authority: DE
Inventors: Thomas Grupp
Original assignee: Aesculap AG
Current assignee: Aesculap AG
Priority date: 2000-02-24
Filing date: 2000-02-24
Publication date: 2001-09-13

Abstract

Um eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenzement mit einer Meßvorrichtung zu schaffen, durch welche auf einfache Weise und sicher die Konsistenz des Knochenzements bestimmbar ist, wird vorgeschlagen, die Meßvorrichtung mit einem kapazitiven Element mit Elektroden, zwischen die Knochenzement bringbar ist, zu versehen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenzement mit einer Meßvorrich tung.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Bestim mung der Konsistenz von Knochenzement.

Es ist bekannt, Prothesen in Hohlräumen oder Ausnehmun gen von Knochen dadurch festzulegen, daß der Zwischen raum zwischen einer Prothese und einer Innenwand des Hohlraums mit fließfähigem Knochenzement ausgefüllt wird. Dieser Knochenzement härtet nach dem Einbringen aus. Es ist dabei wesentlich, daß einerseits der Kno chenzement nicht zu früh eingebracht wird und anderer seits nicht zu spät, da bei dem Einsatz von hochvisko sem Knochenzement intramedulläre Drücke entstehen, die eine akute Gefährdung für einen Patienten darstellen. Die Konsistenz des Knochenzements kann sich dabei bei der Aushärtung um drei bis vier Zehnerpotenzen in der dynamischen Viskosität ändern.

In dem Artikel "Bestimmung der Aushärtecharakteristik und der Verarbeitungsbreite von Knochenzementen" von U. Buchhorn et al. in Z. Orthop. 120 (982), Seiten 793 bis 800 wird vorgeschlagen, durch ein Penetrometer mit einer Prüfnadel eine definierte Kraft auf frisch angerührten Knochenzement auszuüben. Eine solche Messung erfordert einen hohen operativen Aufwand, der die prak tische Anwendung in einem Operationssaal ausschließt. Es tritt auch der Nachteil auf, daß bei entsprechend hohen Auslenkungen der Nadel eine mechanische Energie einkopplung in den Knochenzement erfolgt, was zu einer Störung der Kettenbildung und Benetzung und damit zu einer Veränderung der Reaktionsgenetik führen kann.

In der DE 43 30 061 C1 wird vorgeschlagen, die Viskosi tät des Knochenzements mit Bestrahlung der Oberfläche zu bestimmen. Auch dieses Verfahren ist aufwendig und erfordert eine relativ komplizierte Apparatur.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vor richtung zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenze ment zu schaffen, so daß die Konsistenz des Knochenze ments auf einfache und sichere Weise bestimmbar ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßvorrichtung ein kapazitives Element mit Elektro den umfaßt, zwischen die Knochenzement bringbar ist.

Der Knochenzement stellt ein dielektrisches Medium dar. Wird daher Knochenzement zwischen die Elektroden eines kapazitiven Elementes gebracht, dann beeinflußt das Dielektrikum die elektrischen Eigenschaften des kapazi tiven Elementes und diese Beeinflussung läßt sich auf einfache Weise messen. Die dielektrischen Eigenschaften des Knochenzements lassen sich durch eine komplexe Dielektrizitätszahl e beschreiben, wobei der Realteil ε' durch die Fähigkeit von Dipolen des Knochenzements be stimmt ist, sich in einem elektrischen Feld entspre chend ihrer Polarität auszurichten. Der Imaginärteil ε" (Verlustanteil) ist durch die Beweglichkeit und die Leitfähigkeit der im Knochenzement befindlichen Ionen bestimmt. Dieser Verlustanteil ändert sich beim Aushär ten des Knochenzements über mehrere Größenordnungen, da bei der Polymerisation durch den fortgeschrittenen Pro zeß der Kettenbildung zwischen den Monomerkomponenten und der resultierenden Vernetzung diese Beweglichkeit stark eingeschränkt wird. Über die Messung der dielek trischen Eigenschaften erhält man daher einen hochsen sitiven Indikator für den Aushärtungszustand und Ver netzungszustand des Knochenzements und damit die Kon sistenz des Knochenzementes.

Erfindungsgemäß läßt sich dadurch ein sicheres physika lisches Meßsignal bereitstellen, das in direkter Rela tion mit der Konsistenz des Knochenzements ist, wobei auch eine direkte Korrelation zwischen den Meßgrößen und der Viskosität des Knochenzements besteht, da die Viskosität durch die Mobilität der Dipole und der Ionen in dem Knochenzement bestimmt ist und diese Mobilität auch in die Dielektrizitätszahl ε eingeht. Darüber hin aus läßt sich durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Konsistenz des Knochenzements weitgehend unabhängig von Umgebungseinflüssen auch unter den Bedingungen im Operationssaal bestimmen. Durch die elektrische Mes sung, die insbesondere auch mit relativ kleinen Feldstärken stattfinden kann, erfolgt keine wesentliche Störung der Kettenbildung und Benetzung, da der Kno chenzement nicht mechanisch beansprucht wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich darüber hin aus auf einfache Weise in einem Knochenzementapplikator einbauen, so daß auf einfache Weise die Konsistenz des Knochenzements unmittelbar bei der Verarbeitung be stimmt werden kann.

Die Vorrichtung läßt sich unkompliziert aufbauen und auf einfache Weise handhaben und insbesondere kosten günstig einsetzen, in dem beispielsweise Einwegelektro den verwendet werden.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich die Konsistenz des Knochenzements ständig während einer Operation überwachen, so daß sich der Einsatzzeitpunkt nach Anrühren des Knochenzements mit guter Genauigkeit bestimmen läßt, so daß insbesondere intraoperativ indu zierte Vorlockerungen und unzureichende Grenzflächen verbindungen, die durch zu späte Zementverwendung nach dem Anrühren entstehen, weitgehend vermeidbar sind; auch die Zahl von aseptischen Spätlockerungen infolge von Zementabrieb sollte sich weiter reduzieren lassen, so daß sich die Zementverwendung mit definierter Kon sistenz positiv auf die langfristigen klinischen Ergeb nisse auswirken wird.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß das kapazitive Ele ment durch eine Gleichspannung beaufschlagt ist. Bei der Vermeidung von Ladungsabfluß von dem kapazitiven Element läßt sich dann die Änderung der Dielektrizi tätszahl durch das Einbringen von Knochenzement über die Ermittlung der Spannungsänderung bestimmen und dar aus dann die Konsistenz des Knochenzements.

Alternativ ist es vorgesehen, daß das kapazitive Ele ment durch eine Wechselspannung beaufschlagt ist. Da durch ergeben sich eine Vielzahl von Möglichkeiten, um über die dielektrischen Eigenschaften des Knochenze ments dessen Konsistenz zu bestimmen. Insbesondere läßt sich die Beweglichkeit der Ionen im Knochenzement er mitteln.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn über die Meß vorrichtung elektrische Kenngrößen des kapazitiven Ele mentes bestimmbar sind. Dadurch lassen sich auf einfa che Weise, nämlich über die Messung von elektrischen Größen, Informationen über den Aushärtungszustand und damit die Verwendbarkeit des Knochenzements erhalten.

Günstig ist es, wenn die Impedanz des kapazitiven Ele mentes bestimmt wird. Dadurch läßt sich dann die Di elektrizitätszahl des Knochenzements ermitteln. Weiter hin ist es günstig, wenn die Leitfähigkeit des kapazi tiven Elementes bestimmt wird. Diese hängt ab von der Leitfähigkeit des Knochenzements. Durch Bestimmung der Leitfähigkeit des kapazitiven Elementes erhält man dann Informationen über den Vernetzungsgrad, d. h. über den Fortschritt des Prozesses der Kettenbildung bei der Po lymerisation des Knochenzements.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn der dielektri sche Verlustfaktor bestimmt wird. Der dielektrische Verlustfaktor läßt sich auf einfache Weise über die Phasenlage eines Wechselstroms durch das kapazitive Element bestimmen. Der Verlustfaktor ist aber auch ge geben durch das Verhältnis des Realteils ε' zu dem Ima ginärteil ε" der Dielektrizitätszahl. Dieses Verhält nis ist unabhängig von geometrischen Größen des kapazi tiven Elementes und man erhält eine Meßgröße, die di rekt mit der Beweglichkeit der Ionen im Knochenzement korreliert ist und damit mit der dynamischen Viskosität des Knochenzements.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorge sehen, daß das kapazitive Element durch einen Kugel kondensator gebildet ist. Ein Kugelkondensator hat den Vorteil, daß bei ihm die Streufelder an Elektrodenrän dern minimiert sind. Die Streufelder beim Kugelkonden sator treten insbesondere dadurch auf, daß entsprechen de Öffnungen vorgesehen werden müssen, um Knochenzement zwischen die Elektroden des Kugelkondensators bringen zu können.

Bei einer weiteren Variante einer Ausführungsform ist es vorgesehen, daß das kapazitive Element durch einen Plattenkondensator gebildet ist. Ein solcher Platten kondensator läßt sich auf einfache Weise ausbilden und Knochenzement läßt sich auf einfache Weise zwischen die entsprechenden Elektrodenplatten des Kondensators brin gen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn das kapazitive Element durch einen Zylinderkondensator gebildet ist. Einerseits sind die Streufelder an den Elektrodenrän dern minimiert und andererseits läßt sich auf einfache Weise Knochenzement zwischen die Elektroden eines Zy linderkondensators einbringen.

Günstigerweise bildet ein Aufnahmebehälter für Knochen zement eine Elektrode. Dadurch läßt sich der Knochen zement gewissermaßen in eine Elektrode füllen, ohne daß ein weiterer Behälter vorgesehen werden muß. Insbeson dere bei der Verwendung im Zusammenhang mit Einwegelek troden läßt sich dadurch die Konsistenz des Knochenze ments auf einfache und kostengünstige Weise bestimmen. Vorteilhafterweise wird dabei ein Zylinderkondensator mit einer zylindrischen Elektrode als Aufnahmebehälter verwendet.

Für den praktischen Einsatz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine Auswerteeinrichtung und eine Anzeigeein richtung vorgesehen sind, wobei durch die Anzeigeein richtung ein Signal in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung eines Meßsignals der Meßvorrichtung durch die Auswerteeinrichtung anzeigbar ist, welches die Konsistenz des Knochenzements bezüglich einer Ver wendbarkeit angibt. Ein Operateur kann dann an der An zeigeeinrichtung direkt ablesen, in welchem Aushär tungszustand sich der Knochenzement befindet und ins besondere ob der Knochenzement schon verwendet werden kann oder nicht mehr verwendet werden darf.

Günstigerweise zeigt dazu ein Signal der Anzeigevor richtung an, daß der Knochenzement für den Operateur verwendbar ist. Dieses Signal, welches über die elek trischen Kenngrößen von der Auswerteeinrichtung ermit telt wird, zeigt, daß der Anteil an freien Monomeren genügend eingeschränkt ist, und der Knochenzement über ein niedrig viskoses Anfangsstadium hinaus ist, so daß er in eine Knochenausnehmung eingebracht werden kann.

Weiterhin ist es günstig, wenn ein Signal der Anzeige einrichtung anzeigt, daß der Knochenzement durch den Operateur nicht mehr verwendet werden darf. Ein solches Signal wird ausgegeben, wenn der Vernetzungsgrad so weit fortgeschritten ist, daß bei dem Einsatz eines solchen hochviskosem Knochenzements die intramedullären Drücke sich auf einem Niveau bewegen würden, welche eine akute Gefährdung eines Patienten darstellen könn ten; das Signal wird auch ausgegeben, wenn der Zement bereits dem Zustand der Faltenbildung unterliegt und damit eine hinreichende Implantatfixation nicht mehr gewährleistet werden kann.

Günstigerweise zeigt die Anzeigevorrichtung noch ein Signal an, welches angibt, daß das Ende der Verwendbar keit des Knochenzements bevorsteht. Ein solches Signal gibt dem Operateur die Information, daß nur noch eine begrenzte Restzeit für die Verwendung des Knochenze ments zur Verfügung steht.

Vorteilhafterweise ist es vorgesehen, daß die Auswerte einrichtung ermittelt, ob eine vollständige Polymerisa tion des Knochenzements erreicht ist. Dadurch kann der Zeitpunkt für eine frühestmögliche Reposition angezeigt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung läßt sich vorteilhaf terweise im Zusammenhang mit einem Knochenzementappli kator zur Einbringung von Knochenzement in eine Kno chenausnehmung verwenden, in dem dieser mit einer sol chen erfindungsgemäßen Vorrichtung versehen ist. Ganz besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn der Knochen zementapplikator eine Meßkammer aufweist, in welche eine Knochenzementprobe bringbar ist, die durch die Meßvorrichtung meßbar ist.

Die eingangs genannte Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die dielektrischen Eigenschaften des Kno chenzements gemessen werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vor richtung erläutert. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung lassen sich auch mit dem erfindungsgemäßen Verfahren verwenden.

Günstig ist es dabei, wenn der Knochenzement zwischen die Elektroden eines kapazitiven Elementes gebracht wird, um die dielektrischen Eigenschaften des Knochen zements zu messen.

Bei einer Variante einer Ausführungsform ist es vorge sehen, daß beim Ausdrücken von Luftblasen im Knochen zement eine Knochenzementprobe zwischen die Elektroden eines kapazitiven Elementes zur Messung der Konsistenz des Knochenzements gebracht wird. Dadurch läßt sich auf einfache und kostengünstige Weise eine Meßprobe gewin nen, die entsprechend vermessen wird.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs formen der Erfindung dienen im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenzement;

Fig. 2 ein Ersatzschaltbild eines kapazitiven Elementes zur Bestimmung der dielektri schen Eigenschaften von Knochenzement;

Fig. 3 ein Zeigerdiagramm für die Ströme gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Kno chenzementapplikators, welcher mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestim mung der Konsistenz von Knochenzement ver sehen ist;

Fig. 5 ein Meßdiagramm der Impedanz eines kapazi tiven Elementes über der Zeit für ver schiedene Meßfrequenzen zwischen 1 Hz und 160 Hz, wobei der gemessene Knochenzement Osteopal ist und

Fig. 6 den Verlauf der dynamischen Viskosität von Osteopal über der Meßzeit, wobei charakte ristische Verarbeitungspunkte angegeben sind.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vor richtung zur Bestimmung der Konsistenz von Knochen zement, welche in Fig. 1 schematisch gezeigt und als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt als kapazitives Element 12 einen Kondensator mit Elektroden 14 und 16. Bei dem Kondensator 12 kann es sich beispielsweise um einen Plattenkondensator, einen Kugelkondensator oder einen Zylinderkondensator handeln.

In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das kapazitive Element 12 als Zylinderkondensator ausgebildet, wobei die Elektrode 16 selber die Form eines zylindrischen Gefäßes hat mit einem zylindrischen Aufnahmeraum 18 für Knochenzement 20. Die Elektrode 14 ist bei dem gezeig ten Ausführungsbeispiel eine Stabelektrode, welche kon zentrisch zu dem Aufnahmeraum 18 in diesen hineinweist, aber von ihm elektrisch isoliert ist. Dadurch läßt sich zwischen der Elektrode 14 und der Elektrode 16 ein elektrisches Feld ausbilden, welches durch den Knochenzement 20 im Aufnahmeraum 18 als dielektrisches Medium modifiziert ist.

Eine Meßvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welche als Ganzes mit 22 bezeichnet ist und mit der die dielektrischen Eigenschaften des Knochenzements meßbar sind, umfaßt ferner ein Netzgerät 24 und einen Fre quenzgenerator 26, um über Versorgungsleitungen 28, 30 das kapazitive Element 12 zur Erzeugung des elektri schen Feldes mit Spannung beaufschlagen zu können; das kapazitive Element 12 läßt sich dabei insbesondere mit einer Gleichspannung oder alternativ mit einer Wechsel spannung beaufschlagen, wobei dann über den Frequenz generator 26 die Frequenz dieser Spannung einstellbar ist.

Parallel zu dem kapazitiven Element 12 ist ein Wider stand 32 geschaltet, an dem eine Meßspannung abgegrif fen wird. Ferner ist ein Strommesser 34 in dem Strom kreis zwischen der Elektrode 16 und der Versorgungslei tung 30 angeordnet, um eben den Strom in dem Stromkreis messen zu können.

Eine Auswerteeinrichtung 36 erhält die am Widerstand 32 abgegriffene Spannung und das entsprechende Meßsignal des Strommessers 34. Mittels dieser Auswerteeinrichtung läßt sich insbesondere aus diesen Meßsignalen die Leit fähigkeit des dielektrischen Knochenzements, die Impe danz Z des kapazitiven Elementes 12 und der Verlustwin kel tan δ bestimmen.

Mit der Auswerteeinrichtung 36 ist eine Anzeigeeinrich tung 38 verbunden, welche die momentane Konsistenz des Knochenzements als Ergebnis der Messungen anzeigt. Die Anzeigeeinrichtung 38 kann dabei die physikalischen Da ten anzeigen, wie sie gemessen wurden, beispielsweise der Verlustwinkel und/oder die Impedanz und/oder die Leitfähigkeit in absoluten Zahlen und entsprechend eine über die dielektrischen Eigenschaften ermittelte dyna mische Viskosität. Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn alternativ oder zusätzlich vorgesehen ist, daß die Anzeigeeinrichtung 38 mit einem einfachen nicht quanti tativen Signal die Konsistenz des Knochenzements an zeigt, wobei dieses Signal so ausgebildet ist, daß ein Operateur anhand des Signales direkt ablesen kann, ob der Knochenzement verwendet werden kann.

Beispielsweise ist ein erstes Signal 40, welches bei spielsweise durch ein grünes Lichtsignal gebildet ist, vorgesehen, welches anzeigt, daß der Knochenzement ver wendet werden kann. Leuchtet dann dieses erste Signal 40 auf, dann weiß der Operateur, daß er jetzt mit dem Einführen des gemessenen Knochenzements bzw. des Kno chenzements, von dem die Meßprobe entnommen wurde, in Knochenausnehmungen beginnen kann.

Ferner ist dann ein zweites Signal 42 vorgesehen, wel ches beispielsweise durch ein rotes Lichtsignal gebil det ist, das anzeigt, daß der Knochenzement durch den Operateur nicht mehr verwendet werden darf, da er eine zu hohe Zähigkeit erreicht hat und die intramedullären Drücke sich auf einem Niveau bewegen würden, welche eine akute Gefährdung für den Patienten darstellen wür den.

Günstigerweise ist noch ein drittes Signal 44 vorgese hen, welches beispielsweise durch ein gelbes oder oran ges Lichtsignal gebildet ist, und welches dem Operateur anzeigt, daß der Knochenzement eine solche Konsistenz erreicht hat, daß das Ende des Bearbeitungszeitraumes bevorsteht.

Die Signalfolge ist dabei so, daß, wenn der Knochen zement seine Verarbeitungskonsistenz erreicht hat, das erste Signal 40 abgeben wird, dann nach einer bestimm ten Zeitdauer in Abhängigkeit von den gemessenen die lektrischen Eigenschaften des Knochenzements das dritte Signal 44 angeht, während das erste Signal 40 ausgeht und schließlich das Warnsignal 42 angeht und die ande ren Signale aus sind.

Das kapazitive Element 12 läßt sich, wie in Fig. 2 ge zeigt, in einem elektrischen Ersatzschaltbild als Par allelschaltung einer Kapazität 46 und eines Ohmschen Widerstandes 48 darstellen, wobei der Gesamtstrom I, welcher das kapazitive Element 12 durchfließt, in einen Strom I_c durch die Kapazität 46 und einen Strom I_R durch den Widerstand 48 aufgeteilt werden kann. Wie in dem Zeigerdiagramm in Fig. 3 dargestellt, sind die beiden Ströme I_R und I_C um 90° gegeneinander phasenver schoben. Der resultierende Strom I weist einen Winkel δ zu dem Strom I_R auf der reellen Achse auf. Dieser Verlustwinkel ergibt sich gemäß dem Ersatzschaltbild nach Fig. 2 als

tan δ = I_c/I_R = ωRC,

wobei ω die Frequenz einer angelegten Wechselspannung U ist. Die Impedanz Z des kapazitiven Elementes 12 ergibt sich als der Quotient der Effektivwerte der Spannung U und des Stroms I.

Aus der eben gegebenen Beziehung läßt sich die Impedanz ermitteln und aus dieser wiederum die Kapazität C des Kondensators 46. Diese wiederum ist durch die Dielek trizitätszahl ε des Knochenzements bestimmt und bei der Aushärtung des Knochenzements ändert sich entsprechend diese Dielektrizitätszahl ε und damit die Kapazität C. Durch Ermittlung der Impedanz Z durch die Auswerteein richtung 36 läßt sich daher über die dielektrischen Eigenschaften des Knochenzements dieses Aushärtungsver halten verfolgen.

Der Verlustwinkel tan δ läßt sich über die Ermittlung der Phasenlage des Stromes I bestimmen.

Die Dielektrizitätszahl ε läßt sich als komplexe Größe

ε = ε' + i ε"

beschreiben mit einem Realteil ε' und einem Imaginär teil ε" (Verlustanteil). Der Realteil ε' ist dabei dadurch bestimmt, daß sich die Pole des Dielektrikums in einem elektrischen Feld entsprechend ihrer Polarität ausrichten. Der Verlustanteil ε" resultiert aus der Beweglichkeit der im Material befindlichen Ionen. Beim Aushärten des Knochenzements ändert sich der Verlust anteil sehr stark und insbesondere über mehrere Größen ordnungen, da die Beweglichkeit durch die Polymerisati on mit fortschreitender Vernetzung stark eingeschränkt wird. Die komplexe Dielektrizitätszahl ε mit ihrem Ver lustfaktor ε" ist daher ein stark sensitiver Indikator für die Konsistenz von Knochenzement beim Aushärten.

Der dielektrische Verlustfaktor ergibt sich als

tan δ = ε'/ε".

Da der Verlustfaktor tan δ auf einfache Weise, wie oben beschrieben, gemessen werden kann, kann dadurch insbe sondere der dielektrische Verlustfaktor auf einfache Weise durch die Auswerteeinrichtung 36 bestimmt werden. Die Ermittlung des Verlustfaktors tan δ hat dabei den großen Vorteil, daß geometrische Kenngrößen des kapazi tiven Elementes 12 wie Spaltbreite zwischen den Elek troden 14 und 16, Kondensatorfläche und geometrische Gestalt der Elektroden 14, 16 nicht eingeht.

Durch Bestimmung des nicht-phasenverschobenen Stromes I_R (vergleiche Fig. 3) läßt sich auch die Leitfähig keit des Knochenzements bestimmen.

Die Auswerteeinrichtung 36 kann daher über die zeitli che Messung der elektrischen Kenngrößen des kapazitiven Elementes 12 die elektrischen und insbesondere dielek trischen Eigenschaften des Knochenzements 20, welcher zwischen den Elektroden 14 und 16 ist, bestimmen. Da insbesondere der Verlustanteil ε" der Dielektrizitäts zahl ε, beispielsweise gemessen über den Verlustfaktor tan δ, ein Maß für die Beweglichkeit und Leitfähigkeit der im Knochenzement befindlichen Ionen ist, erhält man dadurch auch eine Information über die Viskosität und insbesondere dynamische Viskosität des Knochenzements, so daß dadurch die Konsistenz des Knochenzements bezüg lich seiner Verarbeitbarkeit durch einen Operateur be stimmbar ist.

In den Aufnahmeraum 18 (vergleiche Fig. 1) kann bei spielsweise dadurch Knochenzement eingebracht werden, daß bei Bereitstellung des Knochenzements beim Ausdrüc ken von Luftblasen der Operateur eine kleine Menge Überschußzement gibt, wobei ihm dieser Überschußzement dann als Meßprobe dient. Die Elektroden 14 und 16 sind dabei insbesondere als Einwegelektroden ausgebildet.

Es kann auch vorgesehen sein, daß, wie in Fig. 4 ge zeigt, ein Knochenzementapplikator 50 mit der erfin dungsgemäßen Vorrichtung 10 versehen ist. Der Knochenzementapplikator umfaßt bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform ein zylindrisches Gehäuse 52, an wel chem ein Injektionselement 54 angeordnet ist, das zum Einführen von Knochenzement in eine Knochenausnehmung dient. In einen Innenraum 56 des Gehäuses 52 ist Kno chenzement einfüllbar und über einen Kolben 58 mit einer Spindel 60 läßt sich Knochenzement aus dem Innen raum 56 in und durch das Injektionselement 54 drücken.

Der Knochenzementapplikator 50 weist eine Meßkammer 62 auf, welche so angeordnet ist, daß sie die Verschiebung des Kolbens 58 nicht behindert. Beispielsweise ist sie über eine Öffnung 64 in dem Gehäuse 52 mit dem Innen raum 56 verbunden und bei der Befüllung dieses Innen raums 56 mit Knochenzement über ein Füllniveau 66 wird auch die Meßkammer 62 mit Knochenzement befüllt bzw. zumindest bei Verschiebung des Kolbens 58 wird eine Probenmenge an Knochenzement in die Meßkammer 62 ge drückt.

In dieser Meßkammmer 62 ist ein kapazitives Element 68 wie beispielsweise ein Plattenkondensator oder ein Zy linderkondensator angeordnet, zwischen dessen Elektro den Knochenzement bringbar ist. Es werden dann wie im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 beschrieben die elektrischen Kenngrößen dieses kapazitiven Elementes 68 messen, um so die dielektrischen Eigenschaften des Kno chenzements zu ermitteln und dadurch dessen Konsistenz und insbesondere dessen Aushärtungsgrad zu bestimmen. Die Knochenzementprobe in der Meßkammer 62 unterliegt dabei im wesentlichen den gleichen Temperaturbedingungen und Feuchtigkeitsbedingungen wie der Knochenzement im Innenraum 56, so daß die Messung in der Meßkammer 62 im wesentlichen die Konsistenz des Knochenzements im Innenraum 56 angibt.

In Fig. 5 ist die gemessene Impedanz Z in Abhängigkeit der Zeit t für den Knochenzement Osteopal gezeigt, wo bei unterschiedliche Meßfrequenzen verwendet wurden (Plus-Symbole: 1 Hz, Kreis-Symbole: 40 Hz, Dreiecks- Symbole: 80 Hz und Rechteck-Symbole: 160 Hz). Die Mes sung zeigt, daß sich über die Impedanz die Konsistenz des Knochenzements und insbesondere das Aushärteverhal ten ermitteln läßt.

In Fig. 6 ist die dynamische Viskosität des Knochen zements Osteopal über der Zeit dargestellt, wobei diese dynamische Viskosität aus den gemessenen dielektrischen Größen wie beispielsweise dem Verlustfaktor tan δ er mittelt wurde. Eingezeichnet sind auch die Zeitpunkte, an denen jeweils die Signale 40 bzw. 42 bzw. 44 abgege ben werden, die einem Operateur die Konsistenz bezüg lich der Verwendung des Knochenzements anzeigen. Die entsprechenden Schwellenwerte durch die Anzeigen dieser Signale lassen sich insbesondere je nach verwendetem Knochenzement über die Auswerteeinrichtung 36 einstel len. Beispielsweise kann dazu ein Kalibrierungsgang vorgesehen sein.

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement mit einer Meßvorrichtung (22), dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung (22) ein kapazitives Element (12; 68) mit Elektroden (14, 16) umfaßt, zwischen die Knochenzement (20) bringbar ist.

2. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das kapazitive Element (12) durch eine Gleichspannung beaufschlagt ist.

3. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das kapazitive Element (12) durch eine Wechselspannung beaufschlagt ist.

4. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über die Meß vorrichtung (12) elektrische Kenngrößen des kapa zitiven Elementes (12) bestimmbar sind.

5. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Impedanz (Z) des kapazitiven Elemen tes (12) bestimmt wird.

6. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die Leitfähigkeit des kapazitiven Elementes (12) bestimmt wird.

7. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß der dielektrische Ver lustfaktor (tan δ) bestimmt wird.

8. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das kapazitive Element durch einen Kugelkondensator gebildet ist.

9. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß das kapazitive Element durch einen Plattenkondensator gebildet ist.

10. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß das kapazitive Element durch einen Zylinderkondensator (12) gebildet ist.

11. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aufnahmebehälter für Knochenzement eine Elektrode (16) bildet.

12. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinrich tung (36) und eine Anzeigeeinrichtung (38) vorge sehen sind, wobei durch die Anzeigeeinrichtung (38) ein Signal (40, 42, 44) in Abhängigkeit von dem Ergebnis der Auswertung eines Meßsignals der Meßvorrichtung (22) durch die Auswerteeinrichtung (36) anzeigbar ist, welches die Konsistenz des Knochenzements bezüglich einer Verwendbarkeit an gibt.

13. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich net, daß ein Signal (40) der Anzeigeeinrichtung (38) anzeigt, daß der Knochenzement für den Opera teur verwendbar ist.

14. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Signal (42) der Anzeigeein richtung (38) anzeigt, daß der Knochenzement durch den Operateur nicht mehr verwendet werden darf.

15. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein Signal (44) der Anzeigeeinrichtung (38) anzeigt, daß das Ende der Verwendbarkeit des Knochenzements bevorsteht.

16. Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrich tung (36) ermittelt, ob eine vollständige Poly merisation des Knochenzements erreicht ist.

17. Knochenzementapplikator zur Einbringung von Kno chenzement in eine Knochenausnehmung, dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Vorrichtung zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenzement gemäß einem der vorangehenden Ansprüche versehen ist.

18. Knochenzementapplikator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Meßkammer (62) auf weist, in welche eine Knochenzementprobe bringbar ist, welche mit der Meßvorrichtung (22) meßbar ist.

19. Verfahren zur Bestimmung der Konsistenz von Kno chenzement, dadurch gekennzeichnet, daß die die lektrischen Eigenschaften des Knochenzements ge messen werden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeich net, daß Knochenzement zwischen die Elektroden eines kapazitiven Elementes gebracht ist.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeich net, daß beim Ausdrücken von Luftblasen im Kno chenzement eine Knochenzementprobe zwischen die Elektroden eines kapazitiven Elementes zur Messung der Konsistenz des Knochenzements gebracht wird.