DE10008481A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenzement - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Konsistenz von KnochenzementInfo
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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 Ic durch die Kapazität 46 und einen Strom IR
durch den Widerstand 48 aufgeteilt werden kann. Wie in
dem Zeigerdiagramm in Fig. 3 dargestellt, sind die
beiden Ströme IR und IC um 90° gegeneinander phasenver
schoben. Der resultierende Strom I weist einen Winkel δ
zu dem Strom IR auf der reellen Achse auf. Dieser Verlustwinkel
ergibt sich gemäß dem Ersatzschaltbild nach
Fig. 2 als
tan δ = Ic/IR = 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
IR (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 (21)
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.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2000108481 DE10008481A1 (de) | 2000-02-24 | 2000-02-24 | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung der Konsistenz von Knochenzement |
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Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
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Owner name: AESCULAP AG, 78532 TUTTLINGEN, DE |
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R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |
Effective date: 20110901 |