DE10137011C2 - Medizinisches Implantatsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein medizinisches Implantatsy­ stem mit einem Implantat aus einem Verbundwerkstoff, in welchen Glasfasern eingebettet sind.

Medizinische Implantate, beispielsweise Knochenplatten, Marknägel, Endoprothesen, Osteosynthesesysteme für die Wirbelsäule etc. werden üblicherweise aus metallischen Werkstoffen hergestellt, es sind aber auch Implantate bekannt, die aus einem Verbundwerkstoff bestehen, in welchen zur Verstärkung Glasfasern eingebettet sind (DE 35 42 535 A1, EP 0 307 241 A2), insbesondere bestehen derartige medizinische Implantate aus sterilisierbaren, ausgesuchten Kunststoffen wie Po­ lyetheretherketon, Polyamiden etc.

Wenn diese Implantate in den Körper eingesetzt sind, sind sie unterschiedlichen Einflüssen ausgesetzt, bei­ spielsweise unterschiedlichen Dehnungen und Spannungen, Temperaturentwicklungen oder chemischen Umgebungen. Es wäre für den behandelnden Arzt von Interesse, diese un­ terschiedlichen Parameter zu erfahren, da sie Auskunft geben über den Heilungsverlauf oder über möglicherweise auftretende Probleme.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes medi­ zinisches Implantatsystem so zu verbessern, daß man In­ formation über physikalische Eigenschaften im Implantat und in seiner Umgebung erhalten kann.

Diese Aufgabe wird bei einem medizinischen Implantat der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein in das Implantat eingebettetes, minde­ stens eine der Glasfasern umfassendes Sensorelement mit einer Meßeinrichtung verbunden ist, die eine physikali­ sche Eigenschaft des Sensorelementes oder von dessen Umge­ bung und deren Änderung bestimmt.

Es wird also mindestens eine in den Verbundwerkstoff des Implantates eingebettete Glasfaser zur Übertragung von Signalen verwendet, die Auskunft über die physika­ lischen Eigenschaften des Implantates oder der Umgebung des Implantates geben.

Dabei werden unter dem Begriff "Glasfaser" alle faser­ förmigen, in den Verbundwerkstoff einbettbaren Substan­ zen verstanden, die in der Lage sind elektromagnetische Strahlung zu führen und zu übertragen, vorzugsweise be­ stehen diese Fasern aus Quarzglas, es können aber auch andere Substanzen Verwendung finden, beispielsweise Fa­ sern aus Kunststoff, sogenannte Plastic Optical Fibres (POF).

Es ist vorteilhaft, wenn die Glasfasern als mechanische Verstärkung in den Verbundwerkstoff eingebettet sind.

Insbesondere kann dabei vorgesehen sein, daß die Glas­ fasern in Form eines Gewebes, eines Gewirkes oder eines Vlieses angeordnet sind, also ein Netzwerk ausbilden, das insgesamt in den Verbundwerkstoff eingebettet ist und diesen dadurch verstärkt.

Je nach den mechanischen Anforderungen können die Glas­ fasern dabei in bestimmten Bereichen des Implantates konzentriert oder aber über die gesamte Ausdehnung des Implantates verteilt sein.

Vorzugsweise ist die Meßeinrichtung so ausgebildet, daß sie elektromagnetische Strahlung in das Sensorelement einspeist und aus der Art der durchgehenden und/oder reflektierten Strahlung physikalische Eigenschaften des Sensorelementes oder von dessen Umgebung bestimmt.

Die Glasfaser des Sensorelementes ist gemäß einer be­ vorzugten Ausführungsform mit einer strahlungsreflek­ tierenden Beschichtung versehen.

Bei einer ersten bevorzugten Ausführungsform besteht das Sensorelement im wesentlichen aus der eine Sensor­ faser ausbildenden Glasfaser. Bei dieser Ausführungs­ form ist also die in den Verbundwerkstoff eingebettete Glasfaser gleichzeitig Sensor und Übertragungselement für die elektromagnetische Strahlung.

Es sind eine größere Anzahl von unterschiedlichen Aus­ gestaltungen möglich, bei denen die Glasfaser als Sen­ sorfaser wirkt, beispielsweise kann in die Sensorfaser mindestens ein als Bragg-Gitter wirkender Bereich ein­ gearbeitet sein. In einem solchen Bereich, der periodi­ sche Änderungen des Brechungsindex in Längsrichtung der Sensorfaser aufweist, wird Strahlung reflektiert, die sich bei der Reflexion überlagert und sich nur für ganz bestimmte Wellenlängen in Rückrichtung verstärkt. Diese Wellenlänge hängt von der Periodizität des Bragg- Gitterbereiches ab und ändert sich mit dieser Periodi­ zität. Jede Längenänderung der Sensorfaser oder jede Änderung der Periodizität des Bragg-Gitters, die auf­ grund von äußeren Einflüssen eintritt, kann auf diese Weise in Form einer Wellenlängenverschiebung festge­ stellt werden.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vor­ gesehen sein, daß in die Sensorfaser eine durch die eingespeiste elektromagnetische Strahlung zu Fluores­ zenz angeregte Substanz eingebettet ist, deren Fluores­ zenzeigenschaften unter Einwirkung der Umgebung außer­ halb der Sensorfaser Änderungen erfahren. Diese Ände­ rungen können mechanische Änderungen sein, insbesondere kann jedoch die Fluoreszenzeigenschaft der eingebette­ ten Substanz durch die chemische Umgebung der Sensorfa­ ser beeinflußt werden, beispielsweise kann die Fluores­ zenz durch bestimmte Substanzen in der Umgebung ge­ löscht werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vor­ gesehen, daß die strahlungsreflektierende Beschichtung aus einer Substanz besteht, die unter Einwirkung der Umgebung außerhalb der Sensorfaser das Reflexionsver­ halten für die elektromagnetische Strahlung in der Sen­ sorfaser verändert. Dadurch wird die durch die Sensorfaser hindurchtretende und reflektierte Strahlungsmenge verändert, und dies läßt sich feststellen.

Jede Änderung der Eigenschaften in der Strahlung kann detektiert werden, es kann sich dabei um Änderungen der Wellenlänge, der Phasenlage, der Polarisation etc. han­ deln, wesentlich ist lediglich, daß diese Änderungen in klar erkennbarem Zusammenhang mit Änderungen der Eigen­ schaften in der Umgebung der Sensorfaser stehen, also beispielsweise mit Änderungen der mechanischen Span­ nung, der Temperatur oder der stofflichen Zusammenset­ zung.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, daß das Sensorelement die Glasfaser umfaßt und ein weiteres Sensorglied, welches über die Glasfaser mit der Meßeinrichtung verbunden ist. Bei dieser Ausgestaltung wirkt die Glasfaser im wesentli­ chen als Übertragungselement zwischen dem Sensorglied und der Meßeinrichtung.

Beispielsweise kann das Sensorglied ein Drucksensor mit einer flexiblen Membran und einem von dieser bewegbaren Spiegelelement sein, welches die in die Glasfaser ein­ gespeiste elektromagnetische Strahlung je nach Stellung unterschiedlich reflektiert.

Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Sensorglied ein Fabry-Pérot-Interferometer sein.

Beispielsweise kann dabei vorgesehen sein, daß das Fabry-Pérot-Interferometer als auf das Ende der Glasfa­ ser aufkontaktiertes Dünnschicht-Interferometer ausge­ bildet ist, dessen aktive Schicht unter dem Einfluß der Umgebung Dimensionsänderungen erfährt. Eine solche ak­ tive Schicht kann beispielsweise porös ausgebildet sein und quellen, wenn sie mit einer Flüssigkeit in Verbin­ dung kommt, auf diese Weise ist zum Beispiel feststell­ bar, ob ein Implantat noch abgedichtet ist oder eine erwünschte oder unerwünschte Öffnung zur Umgebung auf­ weist.

Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Fabry-Pérot-Interferometer zwei Glasfasern mit po­ lierten Endflächen umfaßt, deren Abstand durch Umge­ bungseinflüsse veränderbar ist. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann günstig, wenn Dehnungen oder Ver­ schiebungen innerhalb eines Implantates festgestellt werden sollen.

Die Glasfaser des Sensorelementes kann direkt mit der Meßeinrichtung verbunden sein, wobei die Meßeinrichtung im Innern des Körpers getragen werden kann, aber auch außerhalb. Im letzteren Fall wird die Glasfaser aus dem Implantat durch das Körpergewebe nach außen geführt, so daß dort eine Verbindung zu der Meßeinrichtung herge­ stellt werden kann.

Besonders günstig ist es, wenn die Meßeinrichtung ein in den Körper implantierbarer Mikrocontroller ist.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Glasfaser mit einem Übertrager verbunden, der ohne kör­ perliche Verbindung Signale mit der Meßeinrichtung aus­ tauscht.

Dieser Übertrager kann insbesondere in den Körper im­ plantierbar sein, beispielsweise kann es sich dabei um einen Transponder handeln.

Bei einer besonders günstigen Ausführungsform ist der Übertrager eine Lichtquelle, der ein Lichtempfänger zu­ geordnet ist. Es hat sich herausgestellt, daß Licht un­ terschiedlicher Wellenlänge Körpergewebe in gewissem Umfange durchdringen kann, so daß zwischen einem Licht­ empfänger und einer Lichtquelle, von denen ein Teil im Körper und ein Teil außerhalb angeordnet sind, durch Licht eine Übertragung von Strahlungsenergie möglich ist, insbesondere dann, wenn die Lichtquelle elektro­ magnetische Strahlung im Bereich zwischen 650 und 1000 nm aussendet.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Meßeinrichtung ein Strahlungssender zugeordnet, der über eine Glasfaser im Implantat Strahlung in das Inne­ re des Implantates transportiert. Ein solcher Strah­ lungssender kann dazu verwendet werden, zusätzlich zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des Implan­ tates durch die eingekoppelte Strahlung auf das Implan­ tat einzuwirken und dieses zu verändern, beispielsweise durch Erwärmung in bestimmten Bereichen oder derglei­ chen.

Es kann dabei vorgesehen sein, daß der Transport der Strahlung über eine Glasfaser erfolgt, die zusätzlich zu der Glasfaser eines Sensorelementes in das Implantat eingebettet ist, es kann aber auch vorgesehen sein, daß der Transport der Strahlung über die Glasfaser eines Sensorelementes erfolgt. In diesem Fall ist es vorteil­ haft, wenn entsprechende Schaltelemente Verwendung fin­ den, welche die Glasfaser wahlweise mit der Meßeinrich­ tung und mit dem Strahlungssender verbinden.

Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der Wellenlänge und Intensität der transportierten Strah­ lung so gewählt sind, daß die Strahlung in dem Verbund­ werkstoff des Implantates mechanische und/oder stoffli­ che Veränderungen hervorruft. Beispielsweise ist es da­ durch möglich, eine zusätzliche Aushärtung eines poly­ meren Verbundwerkstoffes in bestimmten Bereichen vor­ zunehmen oder umgekehrt eine Schwächung durch Zerstö­ rung des Verbundwerkstoffes, so daß auf diese Weise die mechanischen Eigenschaften des Implantates in größeren Bereichen oder aber auch lokal geändert werden können.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist da­ bei vorgesehen, daß der Meßeinrichtung und dem Strah­ lungssender eine Steuerung zugeordnet ist, die den Strahlungssender in Abhängigkeit von den Meßgrößen der Meßeinrichtung aktiviert. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, die physikalischen Daten des Implantates laufend zu bestimmen, beispielsweise die auf das Im­ plantat übertragenen mechanischen Spannungen, die zum Beispiel ein Maß für den Heilungsprozeß sind, diese Spannungen nehmen mit zunehmender Stabilität an der Knochenverbindung ab, da ein Teil der Belastungen durch den Knochen übernommen wird. Es ist dann günstig, ent­ sprechend dieser Regeneration der Knochenverbindung die Festigkeit des Implantates herabzusetzen, so daß die Kraftübertragungsfunktion zunehmend von dem heilenden Knochen übernommen wird.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungs­ formen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Implan­ tats in Form einer Knochenplatte mit ei­ ner drahtlosen Verbindung zu einer Meßeinrichtung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines platten­ förmigen Implantates mit einer netzför­ migen Glasfaserverstärkung;

Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Implan­ tats in Form einer Knochenplatte mit ei­ ner an mehrere Glasfasern angeschlosse­ nen Meßeinrichtung und mit einer Strah­ lungsquelle zur Einführung von Strahlung in eine nicht mit der Meßeinrichtung verbundene Glasfaser;

Fig. 4 eine Ansicht ähnlich Fig. 3 mit einer Schalteinrichtung zur wahlweisen Verbin­ dung von Glasfasern im Implantat mit der Meßeinrichtung oder mit der Strahlungs­ quelle;

Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit Bragg-Gitter-Bereichen un­ terschiedlicher Periodizität;

Fig. 6 eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit eingebetteten fluoreszie­ renden Farbstoffpartikeln;

Fig. 7 eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit einer Ummantelung mit ver­ änderlichen Transmissionseigenschaften;

Fig. 8 eine schematische Seitenansicht eines mit einer Glasfaser verbundenen Fabry- Pérot-Interferometers mit zwei gegenein­ ander bewegten Glasfaserstücken;

Fig. 9 eine Ansicht ähnlich Fig. 8 mit einer dimensionsveränderlichen aktiven Schicht und

Fig. 10 eine schematische Seitenansicht einer Glasfaser mit einem Membrandrucksensor.

Die Erfindung wird nachfolgend am Beispiel einer Kno­ chenplatte erläutert, es versteht sich aber, daß die Erfindung allgemein für in den Körper einsetzbare medi­ zinische Implantate verwendbar ist und nicht auf Kno­ chenplatten beschränkt ist.

Ein Implantat 1 in Form einer Knochenplatte mit Öffnun­ gen 2 zur Aufnahme von Knochenschrauben ist in an sich bekannter Weise mittels Knochenschrauben so mit zwei Knochenfragmenten 3, 4 verbunden, daß diese in einer bestimmten Relativposition zueinander fixiert sind, so daß beispielsweise eine Bruchstelle 5 verheilen kann (Fig. 1). Das Implantat 1 besteht aus einem Kunst­ stoffmaterial, beispielsweise aus einem resorbierbaren Kunststoff wie Polylactid (PLLA, PL DLLA), Polyglycolit (PGA) oder Trimethylencarbonat (TMC), und in dieses Kunststoffmaterial 6 sind Glasfasern 7 eingebettet. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind schematisch nur zwei einzelne Glasfasern 7 dargestellt, die sich in Längsrichtung des plattenförmigen Implantates 1 er­ strecken, im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 sind eine Vielzahl von Glasfasern 7 in Form eines Netzes angedeu­ tet, welches insgesamt in das Kunststoffmaterial 6 ein­ gebettet ist, hier sind die unterschiedlichsten Anord­ nungen und Konzentrationen von Glasfasern in dem Kunst­ stoffmaterial 6 möglich. Die Glasfasern verstärken durch diese Einbettung das Kunststoffmaterial 6, und dementsprechend werden unterschiedliche Verteilungen im Implantat gewählt, je nach den mechanischen Festig­ keitsanforderungen.

Die Glasfasern 7 im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind mit einem Übertragungselement 8 verbunden, bei­ spielsweise einem üblichen Transponder, der am Implan­ tat 1 selbst oder im Abstand vom Implantat 1 im Innern des Körpers des Patienten oder aber auch auf der Ober­ fläche des Körpers des Patienten angeordnet werden kann, es kann sich dabei auch um ein optisches Element handeln, welches Licht empfangen und aussenden kann, beispielsweise ein kleiner Parabolspiegel, eine Linse oder dergleichen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind alle im Implantat 1 angeordneten Glasfasern 7 mit dem Übertragungselement 8 verbunden, im Ausführungsbei­ spiel der Fig. 2 nur einige, während andere Glasfasern ausschließlich der Verstärkung des Implantates 1 die­ nen. Dies kann von Fall zu Fall unterschiedlich gewählt werden, im Extremfall genügt es, eine einzige Glasfaser 7 im Implantat 1 mit einem solchen Übertragungselement 8 zu verbinden.

Dem Übertragungselement 8 ist ein entsprechendes Über­ tragungselement 9 zugeordnet, welches über eine Leitung 10 mit einer Meßeinrichtung 11 verbunden ist. Zwischen den Übertragungselementen 8 und 9 können Signale ausge­ tauscht werden, es kann sich dabei um elektrische Si­ gnale, um optische Signale, um mechanische Signale (Ultraschall) handeln, wesentlich ist lediglich, daß von dem Übertragungselement 8 in die Glasfaser und ge­ gebenenfalls von der Glasfaser in das Übertragungsele­ ment 8 elektromagnetische Energie übertragen wird, die im Übertragungselement 8 in Signale umgesetzt wird, die dann in beliebiger Weise zum Übertragungselement 9 und damit zur Meßeinrichtung 11 geleitet werden können. Insbesondere können die Übertragungselement 8 und 9 bei einer Anordnung des Übertragungselements 8 im Innern des Körpers zwischen sich eine elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 650 und 1000 Nanometer austauschen, diese elektromagnetische Strah­ lung kann das Körpergewebe bis zu einer bestimmten Tie­ fe durchdringen und kann somit eine Signalverbindung zwischen den beiden Übertragungselementen 8 und 9 her­ stellen, und zwar sowohl in Einstrahlrichtung als auch in Ausstrahlrichtung.

Die auf diese Weise in die Glasfaser 7 eingekoppelte Strahlung wird in der Glasfaser 7 geführt und durch diese selbst oder durch ein mit ihr verbundenes Sen­ sorglied 12 verändert, und zwar abhängig von den physi­ kalischen Zustandsdaten der Glasfaser 7, des Sensor­ gliedes 12 oder der Umgebung derselben. Die daraufhin aus der Glasfaser 7 dem Übertragungselement 8 in Rück­ richtung zugeführte Strahlung ist dementsprechend ver­ ändert, und diese Veränderung läßt sich von der Meßein­ richtung 11 feststellen, die damit eine Rückmeldung über Änderungen des physikalischen Zustands der Glasfa­ ser, des Sensorgliedes 12 und/oder der Umgebung dersel­ ben erhält.

Die Möglichkeiten zur Einwirkung auf die in die Glasfa­ ser 7 eingespeiste elektromagnetische Strahlung sind vielfältig, es lassen sich auf diese Weise Längenände­ rungen, Verformungen, mechanische Zugspannungen, Kräf­ te, Schwingungen, Drücke, Drehwinkel, elektrische oder magnetische Feldstärken, Ströme, Temperaturen, Feuchte, ionisierende Strahlungen oder Konzentration oder Anwe­ senheit von chemischen Substanzen bestimmen, dies ist lediglich eine Auswahl der möglichen physikalischen Zu­ stände, die auf diese Weise feststellbar sind. Anhand der Fig. 5 bis 10 werden nachstehend einige Beispie­ le der Beeinflussung der elektromagnetischen Strahlung in einer Glasfaser erörtert.

In Fig. 5 ist ein Ausschnitt einer Glasfaser 7 darge­ stellt, in dieser Glasfaser sind in Längsrichtung im Abstand voneinander angeordnet verschiedene Bereiche 13, 14, 15 vorgesehen, bei denen in Längsrichtung der Faser periodische Änderungen des Brechungsindex auftre­ ten. Diese lassen sich zum Beispiel dadurch erzeugen, daß eine beispielsweise mit Germaniumdioxid dotierte Quarzglasfaser über eine mikrolithographische Maske mit Ultraviolettlicht von 240 nm Wellenlänge bestrahlt wird. Es entsteht dadurch in jedem Bereich 13, 14, 15 eine Anordnung eines Bragg-Gitters, wobei die Periodi­ zität und damit die Gitterkonstante in verschiedenen Bereichen 13, 14, 15 unterschiedlich gewählt werden.

An jedem dieser Bragg-Gitter wird durch Interferenz­ strahlung eine ganz bestimmte Wellenlänge reflektiert, diese Wellenlänge ist abhängig von der Periodizität des Gitters und ändert sich damit auch, wenn dieses die Pe­ riodizität ändert. Eine solche Änderung der Periodizi­ tät oder Gitterkonstante kann durch äußere Einflüsse erfolgen, beispielsweise durch Dehnung der Glasfaser, durch Biegung der Glasfaser, durch Erwärmung etc. Da in jedem Bereich 13, 14, 15 nur Strahlung einer bestimmten Wellenlänge reflektiert wird, kann man an der Wellen­ länge der reflektierten Strahlung sofort ablesen, an welchem Bereich eine Reflexion erfolgt ist, außerdem gibt die Verschiebung der Wellenlänge Auskunft über Än­ derungen der Gitterabstände in diesen Bereichen, also zum Beispiel über die Dehnung der Glasfaser in bestimm­ ten Bereichen. Diese kann in den Bereichen 13, 14, 15 unterschiedlich sein, die Meßeinrichtung kann aus der reflektierten Strahlung Aussagen darüber machen, wie groß eine Dehnung in jedem der Bereiche 13, 14, 15 ist. Damit erhält man insbesondere bei der Verwendung von mehreren derartigen Glasfasern eine genaue Auskunft über die Verformung des Implantates 1 im Körper und da­ mit zum Beispiel über den Heilungsfortgang beim Zusam­ menwachsen von Knochenfragmenten. Die Dehnung aufgrund der ausgeübten Kräfte wird am größten sein, wenn die Knochenfragmente noch nicht zusammengewachsen sind, und sie wird mit dem Heilungsfortgang laufend abnehmen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 sind in die Glasfaser 7 in einem bestimmten Bereich 16 Farbstoff­ partikel 17 eingebettet, die durch in die Glasfaser 7 eintretende elektromagnetische Strahlung zur Fluores­ zenz angeregt werden. Die auf diese Weise abgegebene Strahlung kann von der Meßeinrichtung bestimmt werden. Umgebungseinflüsse, beispielsweise bestimmte chemische Substanzen in der Umgebung des Bereiches 16, können die Fluoreszenz beeinflussen, beispielsweise kann die Fluo­ reszenzintensität herabgesetzt oder aber die Fluores­ zenz ganz gelöscht werden. Die Meßeinrichtung erhält auf diese Weise Information über die Anwesenheit be­ stimmter chemischer Substanzen in der Umgebung des Be­ reiches 16.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 7 ist die Glasfaser 7 mit einer Beschichtung 18 umhüllt, die einen Austritt der durch die Glasfaser 7 geführten elektromagnetischen Strahlung verhindert. Diese Beschichtung kann mit che­ mischen Stoffen 19 in der Umgebung reagieren und sich dabei so umsetzen, daß die Austrittseigenschaften der elektromagnetischen Strahlung in dem Bereich geändert werden, in dem sich der chemische Stoff 19 befindet, und auf diese Weise erhält man wieder eine Änderung der reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von bestimmten chemischen Stoffen 19 in der Umgebung der Glasfaser 7.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 8 steht das plange­ schliffene Ende 20 der Glasfaser 7 einem ebenfalls plangeschliffenen Ende 21 eines Glasfaserstückes 22 ge­ genüber, wobei zwischen den Enden 20 und 21 ein sehr schmaler Spalt 23 entsteht, die Spaltbreite A kann bei­ spielsweise in der Größenordnung von 50 µm liegen. Die­ se Anordnung bildet ein Fabry-Pérot-Interferometer aus und reflektiert Strahlung einer ganz bestimmten Wellen­ länge, diese ist abhängig von der Spaltbreite A. Ver­ schieben sich die beiden Enden 20 und 21 relativ zuein­ ander, ergibt sich also auch eine Verschiebung der Wel­ lenlänge der reflektierten Strahlung, und dies läßt sich sehr empfindlich feststellen. Auch auf diese Weise lassen sich zum Beispiel Dehnungen des Implantates, die auf die Glasfaser 7 und das Glasfaserstück 22 übertra­ gen werden, ohne weiteres feststellen.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 9 ist eine ähnliche Anordnung gewählt, jedoch ist in den Spalt 23 eine ak­ tive Lage 24 eingesetzt, die ihre Dimension, beispiels­ weise ihr Volumen, in Abhängigkeit von Umgebungsein­ flüssen ändert. Es kann sich dabei beispielsweise um eine poröse Struktur handeln, die beim Eintritt von Flüssigkeit in die Poren aufquillt. Die Spaltbreite B verändert sich dadurch, und dies führt zu einer Verän­ derung der Wellenlänge der an der Fabry-Pérot-Anordnung reflektierten Strahlung.

Die Fabry-Pérot-Anordnungen der Fig. 8 und 9 bilden somit ein Sensorglied 12 aus, das über die Glasfaser 7 mit der Meßeinrichtung 11 in Verbindung steht, bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 5 bis 7 dagegen ist die Glasfaser 7 selbst ein Sensorelement, es handelt sich hier also um Glasfasern, die selbst Sensorfasern sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 10 ist der Glas­ faser 7 ein Sensorglied 12 in Form eines Drucksensors 25 zugeordnet. Dieser umfaßt eine flexible Membran 26, die einseitig mit einer Spiegelschicht 27 versehen ist. Ordnet man diesen Drucksensor 25 am Ende einer Glasfa­ ser 7 an, so ändert sich mit der Verformung der Membran 26, die druckabhängig erfolgt, die in die Glasfaser 7 zurückgeworfene elektromagnetische Strahlung, und damit erhält man wieder ein Maß für den Druck am Ende der Glasfaser 7.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 und 2 sind Glasfasern 7, die aus dem Implantat 1 herausgeführt sind, direkt oder indirekt mit der Meßeinrichtung 11 verbunden.

Dies ist bei der Ausführung gemäß Fig. 3, die ähnlich aufgebaut ist wie die der Fig. 1 und bei der gleiche Teile entsprechende Bezugszeichen tragen, ähnlich ge­ löst, die Verbindung des Übertragungselementes 8 mit der Meßeinrichtung 11 ist bei dem Ausführungsbeispiel in der Fig. 3 durch eine Leitung 10 symbolisiert, es kann sich dabei um eine körperliche Leitung oder um ei­ ne leitungslose Übertragungsstrecke handeln.

Zusätzlich ist bei dieser Ausführungsform eine Strah­ lungsquelle 29 vorgesehen, die mit einer oder mehreren Glasfasern 30 in Verbindung stehen, die in das Kunst­ stoffmaterial 6 des Implantates 1 eingebettet sind. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 3 ist nur eine derartige Glasfaser 30 dargestellt, die direkt mit der Strah­ lungsquelle 29 verbunden ist, dies ist lediglich als schematische Darstellung aufzufassen. Auch hier können mehrere Glasfasern 30 vorgesehen sein, die in ähnlicher Weise, wie die Glasfasern 7 mit der Meßeinrichtung ver­ bunden sind, ihrerseits mit der Strahlungsquelle 29 verbunden sind, also über Übertragungselemente, die im Körper oder außerhalb angeordnet sein könnten, etc. Die Strahlungsquelle 29 kann in die Glasfasern 30 eine elektromagnetische Strahlung einspeisen, die im Innern des Implantates 1 austritt und dort eine direkte Beein­ flussung der Umgebung erzeugt, beispielsweise eine Auf­ wärmung des umgebenden Kunststoffmaterials 6 oder aber eine zusätzliche Aushärtung durch erhöhte Polymerisati­ on oder aber eine Auflösung von Polymerisationsverbin­ dungen etc. Hier sind eine Vielzahl von Wirkungen denk­ bar, die abhängen von der Natur des verwendeten Kunst­ stoffmaterials 6 und von der Natur der eingespeisten elektromagnetischen Strahlung. Die Wirkung dieser ein­ gespeisten elektromagnetischen Strahlung ist in jedem Falle eine Beeinflussung der physikalischen Daten des Kunststoffmaterials 6 und eventuell der Umgebung des Implantates 1, beispielsweise kann die Festigkeit des Implantates lokal oder flächendeckend erhöht oder er­ niedrigt werden. Den Ort der Einwirkung kann man durch entsprechende Anordnung der Glasfasern 30 im Implantat 1 bestimmen, die Art der Einwirkung durch eine entspre­ chende Auswahl einer bestimmten Strahlung.

Die Strahlungsquelle 29 kann völlig unabhängig von der Meßeinrichtung 13 aktiviert werden, es ist aber beson­ ders vorteilhaft, wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, der Strahlungsquelle 29 eine Steuerung 31 zugeordnet ist, die die Strahlungsquelle 29 in Abhängigkeit von den Meßdaten der Meßeinrichtung 11 ein- und ausschaltet. Zu diesem Zweck ist die Meßeinrichtung 11 über eine Lei­ tung 28 mit der Steuerung 31 verbunden.

Stellt beispielsweise die Meßeinrichtung 11 fest, daß die Dehnung des Implantates 1 in einem bestimmten Be­ reich abnimmt, so ist dies ein Zeichen dafür, daß ein Teil der Kraftübertragung durch verheilende Knochen­ fragmente übernommen worden ist, es kann dann durch Einspeisen von elektromagnetischer Strahlung in Glasfa­ sern 30 die Festigkeit des Implantates 1 durch Auflösen eines Teils des Kunststoffmaterials 6 herabgesetzt wer­ den, so daß die Stützfunktion des Implantates 1 ent­ sprechend der Zunahme der Stabilität der Knochenverbin­ dung abnimmt. Damit ist eine optimale Anpassung dieser Größen aneinander möglich, außerdem ist es für die Hei­ lung förderlich, wenn die Knochenverbindung entspre­ chend dem Heilvorgang zunehmend belastet wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 3 erfolgt die Einführung der von der Strahlungsquelle 29 erzeugten Strahlung über Glasfasern 30, die von den Glasfasern 7 der Meßeinrichtung verschieden sind.

Es ist auch möglich, sowohl die Messung der physikali­ schen Zustandsdaten als auch die Einspeisung von elek­ tromagnetischer Strahlung über dieselben Glasfasern 7 vorzunehmen, dies ist in Fig. 4 schematisch darge­ stellt. Zu diesem Zweck ist zwischen das Übertragungs­ element 8 einerseits und die Meßeinrichtung 11 und die Strahlungsquelle 29 andererseits ein optischer Schalter 33 eingeschaltet, der wahlweise eine Verbindung der Glasfasern 7 mit der Meßeinrichtung 11 oder der Strah­ lungsquelle 29 ermöglicht. In Fig. 4 ist dies durch den Doppelpfeil C symbolisch angedeutet. Schalter dieser Art stehen in verschiedener Weise zur Verfügung, es kann sich dabei um mechanische Schalter handeln, die beispielsweise ein Glasfaser zwischen zwei Einkoppel­ stellen verschieben, oder aber auch um Schalter, die elektromagnetisch, piezoelektrisch oder thermisch ar­ beiten, hier sind dem Fachmann eine große Anzahl unter­ schiedlicher Schalter bekannt, die zu diesem Zweck ein­ gesetzt werden können.

Der optische Schalter 33 kann gegebenenfalls auch auto­ matisch betätigt werden, so daß sichergestellt ist, daß beispielsweise abwechselnd über die Glasfaser 7 eine Messung des physikalischen Zusandes vorgenommen wird und Strahlungsenergie zur Beeinflussung der Glasfa­ serumgebung eingestrahlt wird.

Claims (27)

1. Medizinisches Implantatsystem mit einem Implantat aus einem Verbundwerkstoff, in welchen Glasfasern eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein in das Implantat (1) eingebettetes, mindestens ei­ ne der Glasfasern (7) umfassendes Sensorelement mit einer Meßeinrichtung (11) verbunden ist, die eine physikalische Eigenschaft des Sensorelementes oder von dessen Umgebung und deren Änderung bestimmt.

2. Implantatsystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glasfasern (7) als mechanische Verstärkung in den Verbundwerkstoff eingebettet sind.

3. Implantatsystem nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfa­ sern (7) in Form eines Gewebes, eines Gewirkes oder eines Vlieses angeordnet sind.

4. Implantatsystem nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfa­ sern (7) im Verbundwerkstoff über die gesamte Aus­ dehnung des Implantates (1) verteilt sind.

5. Implantatsystem nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßein­ richtung (11) elektromagnetische Strahlung in das Sensorelement einspeist und aus der Art der durch­ gehenden und/oder reflektierenden Strahlung physi­ kalische Eigenschaften des Sensorelementes oder von dessen Umgebung bestimmt.

6. Implantatsystem nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glasfaser (7) des Sensorelemen­ tes mit einer strahlungsreflektierenden Beschich­ tung (18) versehen ist.

7. Implantatsystem nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensor­ element im wesentlichen aus der eine Sensorfaser ausbildenden Glasfaser (7) besteht.

8. Implantatsystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Sensorfaser mindestens ein als Bragg-Gitter wirkender Bereich (13, 14, 15) eingearbeitet ist.

9. Implantatsystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in die Sensorfaser eine durch die eingespeiste elektromagnetische Strahlung zur Fluoreszenz angeregte Substanz (17) eingebettet ist, deren Fluoreszenzeigenschaften unter Einwir­ kung der chemischen Umgebung außerhalb der Sensor­ faser Änderungen erfahren.

10. Implantatsystem nach Anspruch 6 und 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die strahlungsreflektierende Be­ schichtung (18) aus einer Substanz besteht, die unter Einwirkung der chemischen Umgebung (19) au­ ßerhalb der Sensorfaser das Reflexionsverhalten für die elektromagnetische Strahlung in der Sen­ sorfaser verändert.

11. Implantatsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement die Glasfaser (7) umfaßt und ein weiteres Sensorglied (12), welches über die Glasfaser (7) mit der Meßeinrichtung (11) verbunden ist.

12. Implantatsystem nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensorglied (12) ein Drucksensor (25) mit einer flexiblen Membran (26) und einem von dieser bewegbaren Spiegelelement (27) ist, welches die in die Glasfaser (7) eingespeiste elektromagnetische Strahlung je nach Stellung un­ terschiedlich reflektiert.

13. Implantatsystem nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Sensorglied (12) ein Fabry- Pérot-Interferometer ist.

14. Implantatsystem nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fabry-Pérot-Interferometer als auf das Ende (20) der Glasfaser (7) aufkontaktier­ tes Dünnschicht-Interferometer (21, 22, 24) ausge­ bildet ist, dessen aktive Schicht (24) unter dem Einfluß der Umgebung Dimensionsänderungen erfährt.

15. Implantatsystem nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Fabry-Pérot-Interferometer zwei Glasfasern (7, 22) mit polierten Endflächen (20, 21) umfaßt, deren Abstand (B) durch Umgebungsein­ flüsse veränderbar ist.

16. Implantatsystem nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Glasfaser (7) des Sensorelementes direkt mit der Meßeinrich­ tung (11) verbunden ist.

17. Implantatsystem nach Anspruch 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Meßeinrichtung ein in den Körper implantierbarer Mikrocontroller ist.

18. Implantatsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, daß die Glasfaser (7) mit einem Übertrager (8) verbunden ist, der ohne kör­ perliche Verbindung Signale mit der Meßeinrichtung (11) austauscht.

19. Implantatsystem nach Anspruch 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Übertrager (8) in den Körper im­ plantierbar ist.

20. Implantatsystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager (8) ein Trans­ ponder ist.

21. Implantatsystem nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertrager eine Lichtquel­ le ist, der ein Lichtempfänger zugeordnet ist.

22. Implantatsystem nach Anspruch 21, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtquelle elektromagnetische Strahlung im Bereich zwischen 650 und 1000 nm aus­ sendet.

23. Implantatsystem nach einem der voranstehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßein­ richtung (11) ein Strahlungssender (29) zugeordnet ist, der über eine Glasfaser (7; 30) im Implantat (1) Strahlung in das Innere des Implantates (1) transportiert.

24. Implantatsystem nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transport der Strahlung über die Glasfaser (7) eines Sensorelementes erfolgt.

25. Implantatsystem nach Anspruch 23, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Transport der Strahlung über ei­ ne Glasfaser (30) erfolgt, die zusätzlich zu der Glasfaser (7) eines Sensorelementes in das Implan­ tat (1) eingebettet ist.

26. Implantatsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß Wellenlänge und Intensität der transportierten Strahlung so ge­ wählt sind, daß die Strahlung in dem Verbundwerk­ stoff des Implantates mechanische und/oder stoff­ liche Veränderungen hervorruft.

27. Implantatsystem nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßeinrichtung (11) und dem Strahlungssender (29) eine Steuerung (31) zugeordnet ist, die den Strahlungssender in Abhängigkeit von den Meßgrößen der Meßeinrichtung (11) aktiviert.