DE102007048595B3

DE102007048595B3 - Vorrichtung zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese

Info

Publication number: DE102007048595B3
Application number: DE102007048595A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Ruwisch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-10-11
Also published as: EP2197353A1; WO2009050089A1; US20100222675A1

Abstract

Bei einer Vorrichtung (10, 10') zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese (12, 12') umfassend: - Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12'), und - Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12'), wird vorgeschlagen, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') dazu angelegt sind, ein moduliertes Ultraschallsignal auszusenden, umfassend ein Ultraschallträgersignal und ein durchstimmbares Modulationssignal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese, umfassend:

– Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese, und
– Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese.

Eine derartige Vorrichtung ist für den konkreten Fall einer implantierten Hüftprothese bekannt aus dem Artikel von R. Puers et al. "A telemetry system for the detection of hip prosthesis loosening by vibration analysis", EUROSENSORS XIII, 13^th European Conference an Solid-State Transducers, 12.–15. September 1999, Den Haag, Seiten 757–760. Die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese umfassen hierbei eine Rütteleinrichtung, die im Bereich des Oberschenkelknochens eines Patienten auf das Gewebe aufgesetzt wird. Die Rütteleinrichtung versetzt den gesamten Oberschenkel und somit auch den Oberschenkelknochen und die darin implantierte Hüftprothese in Schwingungen. Als Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes umfasst diese Vorrichtung des Stands der Technik einen im oberen Bereich der Hüftprothese eingebauten Beschleunigungssensor, der in Abhängigkeit von einer Beschleunigung oder Abbremsung ein entsprechendes Signal erzeugt. Insbesondere durch stoßartige Belastungen des Beschleunigungssensors wird ein markantes Signal ausgelöst. Es hat sich herausgestellt, dass die Signale des Beschleunigungssensors in hohem Maße davon abhängig sind, ob die Hüftprothese fest im Knochen verankert ist, was zu einer direkten Übertragung der auf den Knochen wirkenden Kräfte auf den Sensor führt, oder ob die Prothese gelockert ist, wodurch die unmittelbare Kraftübertragung gestört ist. Letzteres äußert sich im Beschleunigungsverhalten der Prothese und dementsprechend im Ausgangssignal des Beschleunigungssensors.
Diese Vorrichtung des Stands der Technik weist verschiedene Nachteile auf: Einerseits ist das In-Schwingung-Versetzen des Oberschenkels für den Patienten verhältnismäßig unangenehm, zumal angesichts der Dämpfung der Schwingungen im Gewebe große Schwingungsamplituden erforderlich sind, um auswertbare Messsignale zu erhalten. Andererseits ist die Anregung der Prothesenschwingungen bei dieser Vorrichtung verhältnismäßig schlecht definiert, denn sie hängt beispielsweise von der genauen Position des Aufsetzens der Rütteleinrichtung ab, ebenso wie vom Körperbau des Patienten, der Dicke verschiedener Gewebe- und Fettschichten etc. Außerdem wird bei dieser Vorrichtung nicht nur die eigentlich interessierende Prothese, sondern das gesamte Knochensystem, in dem sie implantiert ist, in Schwingung versetzt. Es hat sich daher in der Praxis gezeigt, dass eine genau definierte Schwingungsanregung der Prothese mit einem derartigen System nur schwer realisierbar ist.
Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 ist aus der US 6,170,488 B1 bekannt. Die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese senden hierbei ein Signal aus, welches in einem akustischen Bereich zwischen 50 kHz und 10 MHz durchgestimmt werden kann. Hierdurch soll beispielsweise eine Resonanzschwingung einer Endoprothese oder alternativ eines Stents angeregt werden, die mit Hilfe der Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes festgestellt wird, um Rückschlüsse auf den Zustand der Endoprothese bzw. des Stents zu ermöglichen.
Nachteilig hierbei ist die verhältnismäßig starke Dämpfung einer akustischen Schwingung beim Durchqueren des Körpers des Patienten in Haut, Fettgewebe, Knochen etc. Für eine zuverlässige und reproduzierbare Erfassung des Schwingungszustandes müsste die Intensität des eingestrahlten Signals soweit erhöht werden, dass es für den Patienten mit einem unangenehmen Gefühl verbunden wäre.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend weiterzuentwickeln, dass bei geringerer Belastung des Patienten eine genauere und besser reproduzierbare Bestimmung des Verankerungszustandes der implantierten Endoprothese ermöglicht wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
Das Modulationssignal ist in seiner Frequenz durchstimmbar, um an der Grenzfläche zwischen der Endoprothese und dem umgebenden Gewebe, insbesondere umgebendem Knochen, einen kontrollierbaren Energieübertrag auf die implantierte Endoprothese zu bewirken. Dies versetzt die Endoprothese in eine erzwungene Schwingung mit der Frequenz des Modulationssignals. Das Ultraschallträgersignal dient im Wesentlichen "nur" dazu, das Modulationssignal durch den menschlichen oder tierischen Körper hindurch bis zur Endoprothese zu transportieren. Auf diese Weise kann mit Hilfe des in der Frequenz durchstimmbaren Modulationssignals und seines Energieübertrags auf die Endoprothese eine Schwingungsanregung der Prothese ohne gleichzeitige direkte Schwingungsanregung des umgebenden Knochens erreicht werden. Die Benutzung von Ultraschallsignalen ist aus zahlreichen medizinischen Untersuchungsverfahren bekannt, beispielsweise bildgebenden Verfahren, und für den Patienten üblicherweise nicht mit Belastungen oder gar Schmerzen verbunden.
Das dem Ultraschallträgersignal überlagerte Modulationssignal soll sicherstellen, dass an der Grenzfläche zwischen Endoprothese und umgebendem Knochen ein Energieübertrag auf die Prothese erfolgt, der selbige zu einer erzwungenen Schwingung anregt. Grundsätzlich käme hierfür eine Frequenzmodulation des Trägersignals mit Hilfe des Modulationssignals in Betracht. Erfindungsgemäß ist jedoch vorgesehen, dass das modulierte Ultraschallsignal ein amplitudenmoduliertes Ultraschallsignal ist, welches technisch besonders einfach zu generieren ist.
Die Funktion des Ultraschallträgersignals besteht im wesentlich darin, das Modulationssignal bis zur Grenzfläche zwischen der Endoprothese und dem umgebenden Knochen zu transportieren. Daher ist die Frequenz des Ultraschallträgersignals vorzugsweise derart gewählt, dass das Material eines Körpers, in welchem die Endoprothese implantiert ist, im Wesentlichen ungestört durchdrungen wird. Als "Material" des Körpers sind hierbei beispielsweise verschiedene Hautschichten, Fettschichten, Knochen etc. anzusehen.
Im üblichen Fall einer Endoprothese, die in einem menschlichen oder tierischen Körper implantiert ist, führt dies in der Regel dazu, dass die Frequenz des Ultraschallträgersignals innerhalb eines Frequenzintervalls von 20 kHz bis 40 MHz liegt und vorzugsweise ca. 100 kHz beträgt.
Grundsätzlich wäre es möglich, zur Bestimmung des Verankerungszustandes der implantierten Endoprothese eine vorbestimmte Frequenz des Modulationssignals einzustellen, die Prothese folglich zu einer erzwungenen Schwingung mit eben dieser Frequenz anzuregen, und beispielsweise mit Hilfe der Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes die Amplituden der erzwungenen Schwingung zu untersuchen. Vorzugsweise ist jedoch vorgesehen, dass die Mittel zur Schwingungsanregung dazu ausgelegt sind, die Frequenz des Modulationssignals in einem Frequenzintervall, das mindestens eine erwartete Resonanzfrequenz der Endoprothese umfasst, durchzustimmen. Die Mittel zur Schwingungsanregung erlauben es dann, als Frequenz der erzwungenen Schwingung eine Eigenfrequenz der implantierten Endoprothese zu finden, so dass diese zu Resonanzschwingungen angeregt wird. Aufgrund des in diesem Fall maximalen Energieübertrags vom eingestrahlten Gesamt-Ultraschallsignal auf die implantierte Prothese können die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Prothese dann besonders deutliche Signale liefern, die eine Bestimmung ermöglichen, ob sich die Endoprothese gelockert hat, insbesondere mit Hilfe eines Vergleichs einer aktuell gefundenen Resonanzfrequenz der Endoprothese mit einer bei einer früheren Untersuchung festgestellten Resonanzfrequenz.
Zweckmäßigerweise sollte daher das Frequenzintervall zum Durchstimmen der Modulationssignalfrequenz zwischen 100 Hz und 10 kHz liegen. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die häufig mehreren Resonanzfrequenzen einer gelockerten Prothese (beispielsweise Eigenfrequenzen von Biegeschwingungen oder Torsionsschwingungen in verschiedenen Raumrichtungen) regelmäßig in diesem Frequenzintervall liegen.
In einer einfachen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese einen an der Endoprothese angebrachten Sensor umfassen, der dazu ausgelegt ist, den Schwingungszustand der Endoprothese zu erfassen, und eine Transpondereinheit, die dazu ausgelegt ist, vom Sensor ausgegebene Schwingungsmesssignale an eine Signalverarbeitungseinheit zu übertragen, wobei der Sensor beispielsweise ein Beschleunigungs-, Vibrations- und/oder Wegmesssensor und/oder ein Laservibrometer ist. Die Verwendung derartiger Beschleunigungs- oder verwandter Sensoren zur Erfassung des Schwingungszustandes einer implantierten Endoprothese ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt. Es kann nochmals auf den eingangs bereits genannten Artikel von R. Puers et al. verwiesen werden, ebenso wie beispielsweise auf die DE 10342823A1 , auf die insofern voll umfänglich Bezug genommen wird.
In dieser Ausführungsform erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung somit immer dann die Bestimmung des Verankerungszustandes der implantierten Endoprothese, wenn diese mit einem aus dem Stand der Technik an sich bekannten Beschleunigungs- oder ähnlichem Sensor ausgestattet ist.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird eine Ausführungsform vorgeschlagen, die die Bestimmung des Verankerungszustandes unabhängig vom Vorhandensein eines derartigen Sensors ermöglicht, entweder weil der Sensor nicht mehr funktionsfähig ist, oder weil die Prothese von vornherein ohne einen derartigen Sensor implantiert worden ist. In dieser weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese einen Ultraschallempfänger und eine Auswerteeinheit umfassen. Der Ultraschallempfänger und die an ihn angeschlossene Auswerteeinheit ermitteln den Verankerungszustand der Prothese dann anhand der von ihr bei jeder erzwungenen Schwingung ausgesandten Ultraschallsignale. Insbesondere ist die Auswerteeinheit zweckmäßigerweise dazu ausgelegt, von der Endoprothese reflektierte und vom Ultraschallempänger empfangene Ultraschallsignale zu analysieren. Diese Ausführungsform erlaubt es somit, mit Hilfe des modulierten Ultraschallsignals die implantierte Endoprothese in Resonanz anzuregen, nachdem die Frequenz des durchstimmbaren Modulationssignals auf die Eigenfrequenz der Prothese eingestellt worden ist. Es hat sich gezeigt, dass eine derart zu erzwungenen Schwingungen angeregte Prothese eine Frequenz- bzw. Phasenmodulation des reflektierten Ultraschallsignals im Vergleich zum eingestrahlten Ultraschall bewirkt. Somit lässt sich auch in dieser Ausführungsform der Erfindung der Resonanzfall dadurch detektieren, dass man die Frequenz der Modulation des eingestrahlten Ultraschallsignals durchstimmt, bis die im reflektierten Ultraschallsignal mit Hilfe des Ultraschallempfängers und der ihm zugeordneten Auswerteeinheit beobachteten Modulationseffekte (Frequenz- bzw. Phasenmodulation) maximal sind.
Zur Vereinfachung der Signalauswertung ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese dazu ausgelegt sind, das Modulationssignal abzuschalten und das Ultraschallträgersignal ohne Modulationssignal auszusenden. Sofern die Prothese durch das Modulationssignal fern der Resonanz angeregt worden ist, klingt die erzwungene Schwingung äußerst schnell ab. Es lassen sich dann nach dem Abschalten des Modulationssignals kaum noch Modulationseffekte im reflektierten Ultraschallsignal nachweisen. Sofern jedoch der Resonanzfall eingetreten ist, d. h. das Modulationssignal aufgrund geeigneter Frequenzwahl eine Eigenfrequenz der implantierten und gelockerten Endoprothese angeregt hat, schwingt diese auch nach Abschalten des Modulationssignals noch verhältnismäßig lang weiter, so dass sich Modulationseffekte im reflektierten Ultraschallsignal beobachten lassen, insbesondere in Form einer Frequenzmodulation.
Daher ist in allen Varianten dieser auf einem Ultraschallempfänger und einer angeschlossenen Auswerteeinheit basierenden Ausführungsform vorgesehen, dass die Analyse eine Frequenzanalyse umfasst. Im Übrigen ist die Untersuchung von Vorgängen im Körper eines Patienten mit Hilfe einer Frequenzanalyse reflektierter Ultraschallsignale auf dem Gebiet der bildgebenden Verfahren allgemein bekannt, insbesondere in Form einer Doppleranalyse als besonders einfache Form einer Frequenzanalyse (vgl. beispielsweise die EP 1769747A1 ).
Zweckmäßigerweise können die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese und der Ultraschallempfänger eine gemeinsame Ultraschallsende-/empfangseinheit umfassen. Derartige kombinierte Ultraschall-sender/empfänger sind ebenfalls sowohl auf dem Gebiet der bildgebenden Ultraschallverfahren als auch beispielsweise auf dem Gebiet der Lithotripsie bekannt.
Bei den oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Varianten dient die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu, die Resonanzfrequenz der implantierten Endoprothese im Rahmen einer Untersuchung des Patienten zu erfassen und mit einer bei einer früheren Untersuchung ermittelten Resonanzfrequenz zu vergleichen. Veränderungen der Resonanzfrequenz deuten darauf hin, dass sich der Verankerungszustand der Prothese verändert hat, was meist auf eine Lockerung schließen lässt. Stellt man hingegen fest, dass die ermittelte Resonanzfrequenz im Wesentlichen jener einer früheren Untersuchung entspricht, so liegt zumindest insofern kein Hinweis auf eine Lockerung der Prothese vor. Eine ansonsten möglicherweise vorgenommene Revisionsoperation kann in diesem Fall unterbleiben. Zweckmäßigerweise sollte die erfindungsgemäße Vorrichtung daher derart ausgestaltet sein, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese eine Speichereinheit zur Speicherung früherer Messergebnisse, insbesondere früher festgestellter Resonanzfrequenzen der Endoprothese, umfassen. Insbesondere in der oben beschriebenen Ausführungsform, bei der ein an der Endoprothese angebrachter Sensor eingesetzt wird, kann die Speichereinheit diesem Sensor zugeordnet und ebenfalls an der Prothese angebracht sein, so dass der Patient seine Messergebnisse quasi mit sich trägt.
In der oben beschriebenen weiteren Ausführungsform der Erfindung, die ohne einen derartigen Sensor arbeitet, befinden sich die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese und somit auch die genannte Speichereinheit außerhalb des Patienten, beispielsweise als Teil der Auswerteeinheit oder auch eines alle Komponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtung steuernden Computers.
Der Vergleich zwischen einer aktuell bestimmten Resonanzfrequenz der Endoprothese mit einer früher bestimmten Resonanzfrequenz kann von entsprechend geschultem medizinischen oder technischen Personal vorgenommen werden. Zweckmäßigerweise kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese eine Vergleichseinheit zum automatischen Vergleich von aktuellen mit früheren Messergebnissen umfassen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend rein beispielhaft und ohne jegliche Beschränkung anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert werden, in denen:
1: Eine schematische Gesamtansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt;
2A, 2B und 2C: Typische zeitliche Verläufe eines Ultraschallträgersignals, eines Modulationssignals bzw. des resultierenden amplitudenmodulierten Ultraschallsignals darstellen;
3: Eine schematische Gesamtansicht ähnlich 1 für eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt; und
4A und 4B: einen zeitlichen Verlauf bzw. ein Frequenzspektrum eines mit der Vorrichtung aus 3 empfangenen Ultraschallsignals zeigen.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese 12. Ohne jegliche Einschränkung ist in 1 schematisch der Fall einer Hüftprothese 12 dargestellt, die im Oberschenkelknochen 14 eines Patienten 16 implantiert ist. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in allen Ausführungsformen selbstverständlich auch bei anderen Endoprothesen einsetzbar ist, beispielsweise künstlichen Kniegelenken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 soll die Bestimmung des Verankerungszustandes der Prothese 12 im Oberschenkelknochen 14 ermöglichen, um eine hierzu ansonsten klassischerweise vorgenommene Revisionsoperation gegebenfalls überflüssig zu machen. Erfindungsgemäß umfasst die in 1 gezeigte erste Ausführungsform der Vorrichtung 10 hierzu eine von einem zentralen Steuerungscomputer 18 kontrollierte Ultraschallsendeeinheit 20. Diese umfasst an ihrem in 1 linken Ende ein Koppelkissen 22, wie es von im Medizinsektor verwendeten Ultraschallgeräten grundsätzlich bekannt ist. Zur Untersuchung des Patienten 16 wird die Ultraschallsendeeinheit 20 mit ihrem Koppelkissen 22 in Kontakt mit dem Oberschenkel des Patienten 16 platziert, und Ultraschallwellen in Richtung der Prothese 12 ausgesandt, wie in 1 durch schematisch eingezeichnete Wellenlinien symbolisiert wird.
Basierend auf der Kontrolle durch den Steuerungscomputer 18 sendet die Ultraschallsendeeinheit 20 mit Hilfe des Koppelkissens 22 ein amplitudenmoduliertes Ultraschallsignal aus, welches auf einem beispielhaft in 2A gezeigten Ultraschallträgersignal basiert, das mit einem in 2B beispielhaft gezeigten durchstimmbaren Modulationssignal moduliert wird. Das aus dieser Modulation resultierende modulierte Gesamt-Ultraschallsignal ist in 2C dargestellt. Bei den in den 2A bis 2C beispielhaft gezeigten Ultraschallwellen beträgt die Frequenz des Ultraschallträgersignals ca. 80 kHz, die Frequenz des Modulationssignals ca. 10 kHz.
Das in 2C dargestellte modulierte Gesamt-Ultraschallsignal durchläuft das Gewebe des Patienten 16 vom Kontaktbereich des Koppelkissens 22 bis zur inneren Grenzfläche zwischen dem Oberschenkelknochen 14 und der Prothese 12 im Wesentlichen verlustfrei. An dieser Grenzfläche versetzt das in 2C dargestellte modulierte Ultraschallsignal die Prothese 12 in eine erzwungene Schwingung mit der Frequenz des in 2B schematisch dargestellten Modulationssignals.
Diese erzwungene Schwingung der Prothese 12 wird, wie es grundsätzlich beispielsweise aus der DE 10342823A1 für eine andere Art der Schwingungsanregung bekannt ist, mit Hilfe eines Sensors 24 erfasst, der in der Ausführungsform der 1 beispielhaft im Kopf der Prothese 12 untergebracht ist. Über eine in den Sensor 24 eingebaute Transpondereinheit werden entsprechende Schwingungsmesssignale, insbesondere Informationen über Amplitude und Frequenz der erzwungenen Schwingung der Prothese 12, mittels Funk an eine Signalverarbeitungseinheit 26 übertragen, welche wiederum an den zentralen Steuerungscomputer 18 angeschlossen ist. Es versteht sich selbstverständlich, dass die Signalverarbeitungseinheit 26 auch als integrierter Teil des Computers 18 ausgebildet sein kann.
Der Computer 18 steuert die Ultraschallsendeeinheit 20 so, dass die Frequenz des Modulationssignals in einem Frequenzintervall von typischerweise ca. 100 Hz bis ca. 10 kHz durchgestimmt wird. Wie oben bereits erläutert, wird die Prothese 12 mit der jeweils eingestellten Modulationsfrequenz zur erzwungenen Schwingung angeregt. Immer dann, wenn die Modulationsfrequenz somit eine von regelmäßig mehreren Eigenfrequenzen der implantierten Prothese 12 erreicht, beispielsweise eine Eigenfrequenz einer Biegeschwingung oder einer Torsionsschwingung, tritt ein Resonanzfall ein, d. h. die Prothese 12 schwingt mit besonders stark ausgeprägten Schwingungsamplituden, wobei diese Schwingung auch nach Abschalten der Modulation merklich andauert.
Der Steuerungscomputer 18 ist dazu ausgelegt, die über den Sensor 24 und die Signalverarbeitungseinheit 26 an ihn gelieferten Schwingungsmesssignale automatisch auf das Auftreten von Resonanzen zu untersuchen, insbesondere Resonanzfrequenzen zu bestimmen und abzuspeichern. Stellt man fest, dass die bei einer Untersuchung des Patienten 16 auftretenden Resonanzfrequenzen im Wesentlichen identisch sind mit denjenigen Resonanzfrequenzen, die bei einer vergangenen Untersuchung beobachtet wurden, liegt insofern kein Indiz für eine Lockerung der Prothese 12 vor, deren Schwingungsverhalten sich offensichtlich nicht geändert hat. Wird hingegen eine Verschiebung mindestens einer Resonanzfrequenz im Vergleich zu einer der früheren Untersuchungen beobachtet, so stellt dies ein starkes Indiz dafür dar, dass sich mindestens eine der möglichen Eigenschwingungen der Prothese 12 verändert hat, was auf eine Lockerung der Prothese 12 hinweist.
Wie in 1 schematisch angedeutet ist, umfasst der zentrale Steuerungscomputer 18 einen Bildschirm 28, auf dem beispielsweise die abgestrahlten Ultraschallwellen dargestellt werden können. Zweckmäßigerweise ist der Steuerungscomputer 18 ferner dazu ausgelegt, im Verlauf der Untersuchung des Patienten 16 die aktuell bestimmten Resonanzfrequenzen anzuzeigen, ebenso wie beispielsweise eine entsprechende Benachrichtigung, falls Veränderung gegenüber abgespeicherten früheren Messergebnissen festgestellt werden. Hierzu ist der Steuerungscomputer 18 zweckmäßigerweise mit einer in den Figuren nicht dargestellten Speichereinheit zur Speicherung der Messergebnisse, insbesondere früher festgestellte Resonanzfrequenzen der Prothese 12, ausgestattet, ebenso wie vorteilhafterweise auch mit einer Vergleichseinheit zum automatischen Vergleich aktueller Messergebnisse mit früheren Messergebnissen.
Während die in 1 schematisch dargestellte erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 hinsichtlich der Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Prothese 12 in Form des Sensors 24 und der Signalverarbeitungseinheit 26 auf aus dem Stand der Technik bekannte Technologien zurückgreifen kann, wird nachfolgend anhand der 3, 4A und 4B eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' vorgestellt, die auch bei Prothesen 12' zum Einsatz gelangen kann, die keinen derartigen Sensor aufweisen. Bei der in 3 schematisch dargestellten zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' kontrolliert der zentrale Steuerungscomputer 18 eine kombinierte Ultraschalisende-/empfangseinheit 30. Diese umfasst eine Ultraschallsendeeinheit 20 ähnlich jener der ersten Ausführungsform aus 1, ferner eine Ultraschallempfangseinheit 32 sowie wiederum ein Koppelkissen 22, welches beiden Einheiten 20, 32 zugeordnet ist. Sendeseitig, d. h. hinsichtlich der Aussendung von Ultraschallwellen mit Hilfe der Sendeeinheit 20 und des Koppelkissens 22 in Richtung der implantierten Prothese 12' kann auf die erste Ausführungsform der 1 verwiesen werden. Insbesondere ensprechen das ausgesandte Ultraschallträgersignal, das durchstimmbare Modulationssignal und das hieraus resultierende modulierte Ultraschallsignal wiederum den anhand der 2A, 2B bzw. 2C gezeigten Wellenverläufen.
Die zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' unterscheidet sich hingegen empfangsseitig von der ersten Ausführungsform, d. h. hinsichtlich der Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Prothese 12'. Hierzu dienen nämlich die Ultraschall-Empfangseinheit 32 und das Koppelkissen 22 als Ultraschallempfänger, der von der Prothese 12' refektierte Ultraschallsignale empfängt und einer als Teil des Steuerungscomputers 18 ausgebildeten Auswerteeinheit zuführt. Dies wird nachfolgend anhand der 2A bis 2C sowie 4A und 4B erläutert werden:
Zunächst kontrolliert der Steuerungscomputer 18 wiederum die Ultraschallsendeeinheit 20 derart, dass sie ein amplitudenmoduliertes Gesamt-Ultraschallsignal entsprechend jenem in 2C in Richtung der Prothese 12' aussendet. Wiederum wird die Modulationsfrequenz durch den Steurungscomputer 18 durchgestimmt. In der zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10' werden nun mit Hilfe der Ultraschallempfangseinheit 32 die von der schwingenden Prothese 12' reflektierten Ultraschallsignale gemessen, und zwar vorzugsweise nach Abschalten der Modulationsfrequenz wie folgt:
Beim Aussenden des modulierten Ultraschallsignals gemäß 2C wird die Prothese 12' im Oberschenkelknochen 14 zu erzwungenen Schwingungen angeregt, was dazu führt, dass das von der Prothese 12' reflektierte Ultraschallsignal ähnlich wie beim bekannten (Ultraschall-)Dopplereffekt eine Frequenzverschiebung aufweist. Insbesondere finden sich in dem von der schwingenden Grenzfläche der Prothese 12' reflektierten Ultraschallsignal Frequenzanteile, die dem typischen Linienspektrum einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation entsprechen. Insbesondere treten Nebenlinien bei dem positiven wie negativen ganzzahligen Vielfachen der Modulationsfrequenz auf. Diese Nebenlinien sind im Resonanzfall besonders ausgeprägt, wobei sich die Analyse auf Nebenlinien 2. und 3. Ordnung (d. h. bei der Trägerfrequenz plus/minus dem 2- und 3-fachen der Modulationsfrequenz) zu konzentrieren hat, da die Amplitudenmodulation des eingestrahlten Ultraschallsignals bereits zu ausgeprägten Nebenlinien 1. Ordnung (d. h. bei der Trägerfrequenz plus/minus Modulationsfrequenz) führt, allerdings nicht zu Nebenlinien höherer Ordnung. Zur Beobachtung der Modulationseffekte im von der Prothese 12' reflektierten Ultraschallsignal ist der Steuerungscomputer 18 zweckmäßigerweise dazu ausgelegt, die sendeseitige Amplitudenmodulation in regelmäßigen zeitlichen Abständen auszuschalten, so dass vorübergehend "nur noch" das Ultraschallträgersignal weiter eingestrahlt wird. Auf diese Weise lassen sich auch die Nebenlinien 1. Ordnung zur Auswertung nutzen. Das unmittelbar nach dem Abschalten der Modulation im Falle der Resonanz beobachtete reflektierte Ultraschallsignal ist in 4A dargestellt. Deutlich erkennt man das Auftreten von Schwingungskomponenten mit höherer und niedrigerer Frequenz als die zugrundeliegende Trägerfrequenz, entsprechend der bereits genannten Addition bzw. Subtraktion der Schwingungsfrequenz der angeregten Prothese 12'.
4A zeigt ein entsprechendes Wellenbild des reflektierten Ultraschallsignals nach Ausschalten der sendeseitigen Modulation für den Fall, dass mit Hilfe der Modulation ein Resonanzfall erzielt wurde. Fern der Resonanz sind kaum merkliche Frequenzveränderungen im reflektierten Ultraschallsignal zu beobachten, überdies klingen derartige Frequenzmodulationen außerhalb der Resonanz deutlich schneller ab als im Fall der Resonanz.
Der Steuerungscomputer 18 ist dazu ausgelegt, in an sich bekannter Weise ein Frequenzanalyse der in 4A schematisch dargestellten empfangenen Ultraschallwellen vorzunehmen. Das Ergebnis einer derartigen Frequenzanalyse ist in 4B dargestellt. Man erkennt hier zunächst eine zentrale Linie entsprechend der Ultraschallträgerfrequenz, im vorliegenden Beispiel ca. 80 kHz. Hinzu kommen Nebenlinien erster Ordnung bei ca. 80 +/–10 kHz, also entsprechend der Summe und der Differenz der Ultraschallträgerfrequenz und der momentan eingestrahlten Modulationsfrequenz der Amplitudenmodulation entsprechend 2B.
Der Resonanzfall lässt sich nun anhand des Auftretens weiterer Nebenlinien erkennen, die in 4B durch Kreise eingerahmt sind. Fern der Resonanz, d. h. wenn die eingestrahlte Modulationsfrequenz nicht einer Eigenfrequenz der möglicherweise gelockerten Prothese 12' entspricht, lassen sich diese Nebenlinien nicht bzw. kaum beobachten, denn sie entsprechen dem charakteristischen Linienspektrum einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation, die durch die Schwingung der Prothese auf dem reflektierten Trägersignal erzeugt wird, während die Amplitudenmodulation der eingestrahlten Welle nur zu Nebenlinien 1. Ordnung führt. Nebenlinien 1. Ordnung gehören zwar ebenfalls zum Spektrum einer Frequenz- bzw. Phasenmodulation, werden aber durch die Amplitudenmodulation der eingestrahlten Welle überdeckt, falls die Amplitudenmodulation nicht abgeschaltet wird.
Somit kann mit Hilfe der Frequenzanalyse des empfangenen Ultraschallsignals ebenfalls auf zuverlässige Weise jede Resonanzfrequenz der Prothese 12' ermittelt und mit entsprechenden Messergebnissen früherer Untersuchungen verglichen werden, um eine etwaige Lockerung der Prothese zu entdecken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf die rein beispielhaft vorgestellten Ausführungsformen beschränkt. So ist, wie bereits oben erläutert, die Prothese 12, 12' nicht zwangsläufig eine Hüftprothese, sondern kann es sich um jede andere Art von Endoprothese handeln. Es versteht sich, dass in diesem Fall auch andere Frequenzintervalle für die verwendeten Ultraschallsignale in Betracht kommen, insbesondere die Frequenz des durchstimmbaren Modulationssignals an die gegenüber einer Hüftprothese veränderten Schwingungsbedingungen anzupassen ist. Die anhand der 1 und 3 vorgestellten Ausführungsformen können selbstverständlich auch miteinander kombiniert werden, d. h. auch eine mit einem Sensor 24 ausgestattete Prothese 12 kann grundsätzlich gemäß der zweiten Ausführungsform der 3 auf Lockerung hin untersucht werden, beispielsweise um die Ergebnisse einer auf den Sensor 24 gestützten Untersuchung zu überprüfen.
Die oben genannte Speichereinheit zur Speicherung früherer Messergebnisse, insbesondere früher festgestellter Resonanzfrequenzen der Prothese 12, 12', kann zunächst als integrierter Bestandteil des Steuerungscomputers 18 vorgesehen sein. Im Fall der Verwendung einer Prothese 12 mit eingebautem Sensor 24 kann die Speichereinheit jedoch auch als Teil des Sensors 24 vorgesehen sein. In diesem Fall trägt der Patient 16 die Ergebnisse früherer Untersuchungen quasi mit sich mit.
Im Übrigen versteht es sich, dass die Speichereinheit auch als externes Speichermedium ausgebildet sein kann, beispielsweise in Form einer Patientenkarte des Patienten 16.

Claims

Vorrichtung (10, 10') zur Bestimmung des Verankerungszustandes einer implantierten Endoprothese (12, 12'), umfassend: – Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12'), und – Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12'), wobei die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') dazu ausgelegt sind, ein durchstimmbares Signal auszusenden, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') ferner dazu ausgelegt sind, mit dem durchstimmbaren Signal ein Ultraschallträgersignal derart zu modulieren, dass sie ein amplitudenmoduliertes Ultraschallsignal aussenden.
Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Ultraschallträgersignals derart gewählt ist, dass das Material eines Körpers, in welchem die Endoprothese (12, 12') implantiert ist, im wesentlichen ungestört durchdrungen wird.
Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des Ultraschallträgersignals innerhalb eines Frequenzintervalls von 20 kHz bis 40 MHz liegt und vorzugsweise ca. 100 kHz beträgt.
Vorrichtung (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Schwingungsanregung dazu ausgelegt sind, die Frequenz des Modulationssignals in einem Frequenzintervall, das mindestens eine erwartete Resonanzfrequenz der Endoprothese (12, 12') umfasst, durchzustimmen.
Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Frequenzintervall zum Durchstimmen der Modulationssignalfrequenz zwischen 100 Hz und 10 kHz liegt.
Vorrichtung (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12')) einen an der Endoprothese (12, 12') angebrachten Sensor (24) umfassen, der dazu ausgelegt ist, den Schwingungszustand der Endoprothese (12, 12') zu erfassen, und eine Transpondereinheit, die dazu ausgelegt ist, vom Sensor (24) ausgegebene Schwingungsmesssignale an eine Signalverarbeitungseinheit (26) zu übertragen.
Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (24) ein Beschleunigungs-, Vibrations- und/oder Wegmesssensor und/oder ein Laservibrometer ist.
Vorrichtung (10, 10') nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12') einen Ultraschallempfänger und eine Auswerteeinheit umfassen.
Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit dazu ausgelegt ist, von der Endoprothese (12, 12') reflektierte und vom Ultraschallempfänger empfangene Ultraschallsignale zu analysieren.
Vorrichtung (10, 10') nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') dazu ausgelegt sind, das Modulationssignal abzuschalten und das Ultraschallträgersignal ohne Modulationssignal auszusenden.
Vorrichtung (10, 10') nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Analyse eine Frequenzanalyse umfasst.
Vorrichtung (10, 10') nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Schwingungsanregung der Endoprothese (12, 12') und der Ultraschallempfänger eine gemeinsame Ultraschallsende-/Empfangseinheit (30) umfassen.
Vorrichtung (10, 10') nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12') eine Speichereinheit zur Speicherung früherer Messergebnisse, insbesondere früher festgestellter Resonanzfrequenzen der Endoprothese (12, 12'), umfassen.
Vorrichtung (10, 10') nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erfassen des Schwingungszustandes der Endoprothese (12, 12') eine Vergleichseinheit zum automatischen Vergleich von aktuellen mit früheren Messergebnissen umfassen.