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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zum Bestimmen
einer elastischen Verformung und insbesondere einer elastischen
Biegung eines Osteosynthese-Fixateurs oder -Marknagels.
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Osteosynthese-Fixateure
und Nägel werden oftmals dann eingesetzt, wenn das Skelett
eines Menschen einen Knochenbruch und insbesondere eine komplizierte
Fraktur aufweist und der Läsions-Überbrückungsbereich
während des Heilungsverfahrens durch den Fixateur ruhig
gestellt werden soll. Zwar heilen diese Frakturen von Natur aus,
es besteht jedoch die Gefahr, dass die Knochenenden nicht wieder
in der natürlichen oder vorherigen Richtung und/oder Position
beziehungsweise Form zusammenwachsen. Die richtige Positionierung
der zertrümmerten, gebrochenen oder auch nur angerissenen
Teile zueinander sowie auch die folgende Arretierung dieser Stellung
sind wesentliche Maßnahmen, um eine spätere Fehlstellung
der Knochen zu vermeiden, die Knochenheilung durch Vermeidung von
Komplikationen zu beschleunigen sowie ganz allgemein das Risiko
eines Misserfolges zu mindern.
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Osteosynthese-Fixateure
als Hilfsmittel zur Ruhigstellung und/oder zur Arretierung von Läsions-Überbrückungsbereichen
werden, je nachdem, ob sie im Körper oder außerhalb
des Körpers verwendet werden, in interne und externe Fixateure
unterteilt. Beispiele für die interne Fixation sind der
Marknagel, die Fixateure auf Plattenbasis sowie der Spickdraht.
Alle drei soeben genannten Hilfsmittel werden also vollständig
vom Körper des Patienten umschlossen. Die externe Fixation,
beispielsweise durch einen Gips, eine Schiene oder einen externen Fixateur,
erfolgt dementsprechend außerhalb des Körpers.
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Die
Beurteilung des Heilungsverlaufes nach einem Knochenbruch durch
den Chirurgen erfolgt derzeit nahezu ausschließlich anhand
von Röntgenbildern, welche die Kalzifizierung des Kallus
abbilden. Daraus kann lediglich indirekt auf die mechanischen Eigenschaften
der heilenden Fraktur geschlossen werden. Die Analyse des Heilungsverlaufs,
zum Beispiel im Hinblick auf die dem Patienten zu gestattende Belastung,
basiert in hohem Maß auf den Erfahrungen des behandelnden
Chirurgen.
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1976
beschreibt Sommelet (Sommelet J, Hummer J, Ory JM (1976)
Methode objective d'apprèciation des dèformations
du complexe os-implant „in vivo" par tèlémesure.
Acta Orthop Belg 42: 88–97) ein System zum Monitoring
des Knochenheilungsverlaufes mit einem die mechanischen Veränderungen
der Osteosynthese direkt messenden, auf der Platte angebrachten
Telemetrietransponder.
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Aus
dem Artikel „Self tuning inductive powering for
implantable telemetric monitoring systems" [V. Schuylengergh,
Puers R., (1996), Sensors and Actuators] sind weitere direkte
Kraftflussmessungen an einem Labormuster für Frakturen
des körpernahen Oberschenkels bekannt. Verwendet wurden
an einem Labormuster fest applizierte Dehnungsmessstreifen als Kraftsensoren
und ein Telemetriesender. Ein mit in seinem Inneren fest applizierten
Dehnungsmessstreifen instrumentierter Marknagel wurde von Schneider
(Schneider E, Michel MC, Genge M, Perren SM (1990) Loads
acting an an intramedullary femoral nail. In: Bergmann, Graichen,
Rohlmann: Implantable telemetry in orthopedics, Forschungsermittlung
der FU, Berlin, 221–227) beschrieben. Ein telemetrisches
Frakturheilungs-Messsystem mit fest aufgeklebtem Sensor-Telemetriesystem
hat sich ebenfalls in der klinischen Anwendung bewährt
(Faschingbauer M, Seide K, Weinrich N, Wackenhut F, Wurm M,
Gille J, Jürgens C, Müller J (2007) Fixateur interne mit
Telemetriesystem, Trauma Berufskh 2007–9: 88–97)
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Miniaturisierte
telemetrische Kraftmeßsysteme entsprechend der Veröffentlichung
[Bergmann G, Graichen F, Rohlmann A (1993), „Hip
joint loading during walking and running, measured in two patients.", Journal
of Biomechanics] wurden ebenfalls im Inneren von künstlichen
Hüftgelenken implementiert. Es handelt sich bei diesen
internen Systemen um einzelne Spezialanfertigungen, die mit großem
technischen Aufwand hergestellt werden müssen. Bei diesen
implantierbaren Systemen wurden die Dehnungsmessstreifen dem Implantat
fest aufgeklebt.
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Es
sind entsprechend dem vorangegangenen Stand der Technik eine Vielzahl
von Messvorrichtungen zur Aufnahme der Kräfte und/oder
Spannungen an Frakturen oder den entsprechenden Implantaten bekannt.
Diese Sensoren werden direkt an den Implantaten angebracht. Gemeinsam
ist diesen bekannten Messvorrichtungen, dass sie durch ihre Anbringung
an dem Messobjekt ökonomisch nachteilig und/oder nur eingeschränkt
einsetzbar sind. Zwar können die bekannten Messvorrichtungen
mit einer Vielzahl von Implantaten, internen oder externen Fixateuren
zusammenwirken, jedoch immer unter der Vorraussetzung, dass die
Messvorrichtung fest auf dem Implantat angebracht ist.
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Eine
Patentanmeldung (
DE 10 2006
006 341.4 ) offenbart die Möglichkeit eines nachträglich auf
die Osteosyntheseplatte aufschraubbaren Messsystems. Die Erfindung
beruht auf einer maximal festen Verschraubung. Hierdurch erfolgt
die Übertragung der Dehnung der Rückseite der
Platte als gleich sinnige Dehnung auf einen Dehnungsmesssteifen
im Messsystem.
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Der
Artikel „Die Messung der Knochenheilung bei Fixateur-externe-Osteosynthesen
mit dem Fraktometer FM 100" [Claes L., (1991), Der Chirurg] beschreibt
ein abnehmbares beziehungsweise nachträglich montierbares
System (Fraktometer) für den externen Fixateur. Dieses
misst eine Verformung im Sinne eines typischen Wegsensors (mechanisches Mikrometer).
Die Befestigung erfolgt mit Schraubklemmen im Sinne einer klassischen
mechanischen Montage. Das Fraktometer ist rein extern anzuwenden
und nicht für Anordnungen an Implantaten geeignet.
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Ein
wesentlicher Nachteil des vorangegangen beschriebenen Fraktometers
tritt bei der flächigen Verschraubung mit einem Messobjekt
(Fixateur externe) auf. Als flächig in diesem Sinne ist
eine feste Lagerung an mindestens zwei oder sogar mehr Stellen zu
verstehen, die zwangsläufig zu einer mechanischen Überbestimmtheit
der Verbindung führt. Störende und zugleich die
Messergebnisse verfälschende, nicht exakt definierbare
mechanische Spannungen im Fraktometer sind die Folge. Dies tritt
insbesondere dann auf, wenn das Objekt der Messvorrichtung nicht
eben ist, also vielfach dann, wenn sich Implantate oder Fixateure
an die Form der Fraktur anpassen müssen. In diesen Fällen
ist die Messvorrichtung (Fraktometer) ungeeignet oder zumindest
unpraktisch für eine übliche chirurgische Anwendung.
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Ein
telemetrisches Frakturheilungs-Messsystem mit fest aufgeklebtem
Sensor hat sich ebenfalls in der klinischen Anwendung bewährt
(Faschingbauer 2007)
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Aus
medizinischer Sicht ist es vielfach erwünscht, sehr exakte
Messung an Implantaten oder Fixateuren aufzunehmen, die mit reproduzierbarer Genauigkeit
einen Indikatorwert für den Fortschritt der Heilung einer
Fraktur bereitstellen.
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Diese
Zielsetzung steht jedoch in starkem Kontrast zur immer stärker
dominierenden ökonomischen Ausrichtung der Krankenhäuser
oder der medizinischen Versorgung im Allgemeinen.
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Die
bekannten Messvorrichtungen für Osteosynthese-Systeme sind
jedoch teuer und daher ungeeignet oder zumindest unpraktisch, die
zuvor genannten Nachteile zu überwinden.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine einfach auf oder in
Implantaten zu applizierende Messvorrichtung, die es erlaubt, mit
hoher und reproduzierbarer Genauigkeit Indikatorwerte insbesondere
mechanischer Größen für den Fortschritt
der Heilung einer Fraktur bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist
eine Messvorrichtung zum Bestimmen einer Biegung eines im Wesentlichen
länglichen internen Osteosynthese-Fixateurs. Längliche
Osteosynthese-Fixateure können insbesondere ein Marknagel
oder eine Platte sein, die zum Beispiel den Läsionsbereich
eines Oberschenkelknochens überbrücken und folglich
durch die einwirkenden Kräfte vielfach einer Biegung oder
im Allgemeinen einer Verformung ausgesetzt sind. Um die Biegung
und/oder die Verformung eines Osteosynthese-Fixateurs oder Nagels
zu bestimmen, ist die erfindungsgemäße Messvorrichtung
gekennzeichnet durch ein verformungsempfindliches Messelement, insbesondere
mit mindestens einem Dehnungsmessstreifen, auf einem Biegebalken
und durch Verbinder, die angepasst sind, den Biegebalken an dem internen
Osteosynthese-Fixateur insbesondere in dessen Läsions-Überbrückungsbereich
lösbar zu befestigen.
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Erfindungsgemäß ist,
dass zwei Verbinder in Längsrichtung des Osteosynthese-Fixateurs
auf der einen Seite des Balkens und zwei Verbinder auf der anderen
Seite angebracht sind, so dass eine aus einem Fixateur durch die
Verbinder in den Balken eingeleitete Biegung in dem Balken zwischen
den jeweils zwei Verbindern nach Art einer 4-Punkt-Biegung im Wesentlichen
konstant ist. Die Vierpunktbiegung wird typischerweise verwendet,
um Biegungen auf Prüfkörper in einer Materialtestmaschine
in definierter Weise zu applizieren.
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Bei
einer 4-Punkt-Biegung wirkt auf beiden Seiten der betrachteten Biegezone
eines Balkens für gewöhnlich je ein Kräftepaar,
und zwar in unterschiedlicher insbesondere entgegengesetzter Richtung.
Bei der herkömmlichen 4-Punkt Biegung sind die Kräfte
zudem achsensymmetrisch zur Biegezone angeordnet. So wirken beispielsweise
die zwei weiter innen (näher an der Biegezone) angeordneten
Kräfte in die gleiche (positive) Richtung, wohingegen die zwei
weiter außen (ferner von der Biegezone) angeordneten Kräfte
in die entgegengesetzte (negative) Richtung wirken. Insbesondere
bei einer symmetrischen Ausrichtung der Kraftangriffspunkte, vorzugsweise
symmetrisch zu der Längsrichtung des Balkens, insbesondere
symmetrisch zu dem Läsions-Überbrückungsbereich,
ist die Biegung und das wirkende Moment im Balken zwischen den inneren Verbindern
konstant. Indem zwei Verbinder auf der einen Seite des Balkens oder
des Messelements und zwei Verbinder auf der andern Seite angebracht
sind, ist es insbesondere möglich, dass die Krafteinwirkung
auf den Balken und damit auf das Messelement entsprechend einer
4-Punkt-Biegung durch zwei wie beschrieben entgegengesetzte Kräftepaare
erfolgt, so dass entsprechend der Biegung des Fixateurs auch der
Balken beziehungsweise das Messelement gebogen wird.
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Bei
einer lösbar befestigten Messvorrichtung könnten
weiterhin die bewährten Implantate, eventuell mit kleinen
Modifizierungen verwendet werden. Eine erneute Testung und Zulassung
zum Beispiel des Fixateurs ist nicht erforderlich. Es wäre
lediglich die nachträglich lösbar zu befestigende
Messvorrichtung zu testen und zuzulassen.
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Gegen
einen herkömmlichen Einsatz von Messaufnehmern ist vorrangig
der Kostendruck in der Unfallchirurgie zu nennen. Denn alle bereits
im Bestand der Unfallchirurgie befindlichen insbesondere älteren
immer wiederverwendeten Fixateure aber auch jegliche neuen Fixateure
müssten mit den entsprechenden Messvorrichtungen ausgestattet
werden. Gegenstand der Erfindung ist es deshalb, vorzugsweise eine
Messvorrichtung bereitzustellen, die systemunabhängig ist – die
nämlich im Wesentlichen unabhängig von der Art,
dem Hersteller oder der Größe des Implantats oder
des Fixateurs an das Messobjekt, vorzugsweise ohne vorherige Anpassung
des Balkens, lösbar angebracht werden kann. Dies ist insbesondere
dann sehr gut umsetzbar, wenn die Messvorrichtung adaptierbare Befestigungsvorrichtungen,
insbesondere Verbinder aufweist, die angepasst sind, sich an interne
Osteosynthese-Fixateure mittels Schnellspannmitteln oder mittels
einer Schnellspannvorrichtung, insbesondere mittels Klammern, Clips,
Klemmen und/oder Klebeverbindungen lösbar befestigen zu
lassen. Denn Klemmen, Clips oder Klammern können in der
Art ausgestaltet sein, dass sie bevorzugte, jedoch nicht zwangsläufig festgelegte
oder gar präparierte Lagerstellen am Fixateur durch ihre
variable Maulöffnung und/oder zugleich ausreichende Klemmkraft
aufweisen, um die Messvorrichtung so mit dem Fixateur zu verbinden, dass
insbesondere eine hohe und/oder reproduzierbare Messgenauigkeit
erreicht werden kann. Alternativ können auch Klebeverbindungen
mit entsprechender Haltekraft an den Enden der Verbinder zur Befestigung
vorgesehen sein. Ebenfalls möglich ist eine feste Lagerung
der Verbinder an dem Balken, wobei sich die Verbinder aber noch
lösbar an dem Fixateur befestigen lassen.
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Der
Balken der Messvorrichtung kann körperhaft in mehrere Zonen
unterteilt werden, wobei der Balken mindestens zwei, vorzugsweise
genau zwei Befestigungszonen aufweist, die so ausgeprägt sind,
dass ein Biegemoment mindestens zwischen zwei Befestigungszonen,
nach Art eines 4-Punkt-Biegebalkens, im Wesentlichen konstant ist.
Mit Befestigungszonen sind jene Bereiche der Messvorrichtung, vorzugsweise
des Balkens gemeint, innerhalb derer die Kraftübertragung
von dem Fixateur auf die Messvorrichtung erfolgt. Der Bereich mit
konstantem Biegemoment wird im Weiteren auch als Biegemomentenmessbereich
bezeichnet, wobei in diesem Bereich das Messelement der Messvorrichtung
angeordnet ist. Ein Messelement, dessen Grundfläche vorzugsweise
deutlich kleinere Ausmaße als der Biegemomentenmessbereich
aufweist, kann darin, unter Berücksichtigung der bevorzugten
Ausrichtung des Messelements, beliebig positioniert sein, ohne dass eine
Abweichung der Position zu Messfehlern führen würde.
Außerdem können aus den gleichen zuvor genannten
Gründen höhere Produktionstoleranzen für
den Einbau des Messelements zugelassen werden, die im Weiteren einen
Reduktion des Herstellungspreises begründen. Sind mehr
als zwei Befestigungszonen vorgesehen, mit denen insbesondere auch
mehrere Biegemomentenmessbereiche entstehen, wird der Biegemomentenmessbereich
bevorzugt, der mittig angeordnet ist und/oder der eine möglichst
hohe und/oder reproduzierbare Messgenauigkeit erlaubt. Eine reproduzierbare
Messgenauigkeit erlauben insbesondere jene Biegemomentenmessbereiche,
die unter möglichst geringen unerwünschten Einflüssen
(Störeinflüssen) stehen. Nicht zu diesen Bereichen
gehören beispielsweise Randbereiche der Messvorrichtung
oder Bereiche, in denen das Messelement mit anderen Gegenständen oder
Elementen (zum Beispiel mit Elementen des Fixateurs selbst) kollidieren
könnte.
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Der
Balken dient als Tragekörper für das Messelement.
Die Assoziation mit einem Balken erscheint in soweit sinnvoll, als
dass dieser Tragekörper in dreidimensionaler Form insbesondere
als quaderförmiger Hohl- oder Vollkörper ausgestaltet
ist. Eine im Wesentlichen konstante Steifigkeit über die Länge
des Balkens bewirkt vorteilhaft, dass eine möglichst gleichmäßig
geringe Rückkopplung auf das Messobjekt entsteht und eine
Abbildung der Kräfte, Momente, Spannungen und Bewegungen
des Läsions-Bereiches mit einer möglichst hohen
und reproduzierbaren Messgenauigkeit auf die Messvorrichtung gewährleistet
wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Steifigkeit
des Balkens kleiner, vorzugsweise deutlich kleiner als die Steifigkeit des
Fixateurs ist. Denn ab einem in diesem Sinne gewissen Verhältnis
der Steifigkeiten von Messvorrichtung zu Fixateur (Steifigkeitsverhältnis),
dominiert die Steifigkeit des Fixateurs vorteilhaft, so dass die
Rückwirkungen der Messvorrichtung (Kraft, Moment, Steifigkeit)
auf diesen vernachlässigbar klein sind. Alternativ könnte
der Balken und/oder die Messvorrichtung eine höhere, vorzugsweise
deutlich höhere Steifigkeit als der Fixateur aufweisen
und zugleich das Steifigkeitsverhältnis dominieren. Kräfte
und/oder Momente im Fixateur wirken bei dieser Ausgestaltung deshalb
im Bereich der Messvorrichtung nur in einem vernachlässigbar
geringen Maß auf den Fixateur selbst und annähernd
vollständig auf die Messvorrichtung beziehungsweise in
entsprechender Relation auf das Messelement, so dass dieses exakte Messergebnisse
aufnehmen kann. In dieser Ausgestaltung wirkt die Messvorrichtung
dann wie eine steifere Brücke über dem Fixateur.
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Die
erfindungsgemäßen Verbinder verbinden den Balken
mit dem Fixateur, wobei besonders bevorzugt ist, die Verbinder mit
dem Balken nach Art eines Fachwerks anzuordnen. Dazu sind die dreidimensionalen
Verbinder zumeist länglich mit einem insbesondere runden,
quadratischen oder rechteckigen Querschnitt. Vorteilhaft weisen sie
zudem eine möglichst große Steifigkeit und Knickfestigkeit
auf. Entsprechend der Assoziation mit einem Fachwerk können
die Verbinder rechtwinklig zu der Oberfläche des Fixateurs
oder des Balkens angeordnet sein.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung können jeweils mindestens zwei
Verbinder einer Befestigungszone zugeordnet sein. Eine Befestigungszone
kann somit mehrere Kraftübertragungspunkte oder -flächen
aufweisen.
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Bevorzugt
sind die Kontaktflächen zwischen dem Verbinder und dem
Balken oder dem Verbinder und dem Fixateur im Wesentlichen punkt-
oder linienförmig ausgestaltet, so dass im Wesentlichen
nur Kräfte zwischen dem Verbinder und dem Balken einerseits
und dem Verbinder und dem Fixateur andererseits in der Richtung
des Verbinders übertragen werden – und insbesondere
annähernd keine Momente zwischen Verbinder und Balken oder
Fixateur übertragen werden. Vorzugsweise wirken auf den Verbinder
annähernd keine normal zur Längsrichtung des Verbinders
wirkenden Kräfte, so dass diese Normalkräfte oder
die zuvor genannten Momente nicht störend auf das Messelement
wirken. Insbesondere sind die Lagerstellen zwischen dem Verbinder
und dem Balken sowie dem Verbinder und dem Fixateur in der Art ausgestaltet,
dass diese annähernd auch keine Momente oder Querkräfte
sondern vorzugsweise nur Kräfte in der Richtung des Verbinders übertragen.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, wenn sich die Messvorrichtung an die Oberflächenkontur
des Fixateurs anpassen lässt. Weist der Fixateur beispielsweise
einen runden Querschnitt auf und soll die Messvorrichtung hierzu
zentriert befestigt werden, ist es vorteilhaft, wenn sich die Verbinder
variabel an die Distanz zwischen dem Balken und der Oberfläche des
Fixateurs anpassen lassen. Die Verbinder können deshalb
vorzugsweise in ihrer Längsrichtung variabel verlängert
oder verkürzt werden. Weiterhin können die Verbinder
zwei oder mehr Teile aufweisen, die insbesondere in Längsrichtung
gegeneinander vorzugsweise ineinander verschiebbar und/oder zueinander
arretierbar sind. Möglich ist auch, die Verbinder durch
Schraubverbindungen in ihrer Länge veränderbar
auszugestalten.
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Eine
der wesentlichen Funktionen eines Fixateurs ist die Entlastung einer
Fraktur, indem sie diese weitgehend frei von Krafteinflüssen
hält. Kräfte, die ohne einen Fixateur auf eine
Fraktur wirken, werden bei bestimmungsgemäßer
Anwendung eines Fixateurs im Wesentlichen auf diesen übertragen.
Wirkende Kräfte können unter der Maßgabe,
dass der Fixateur naturgemäß eine endliche Steifigkeit
aufweist, zu einer Verformung oder Durchbiegung des Fixateurs, wenn
auch nur in einem relativ geringen Maß, führen.
Eine Messvorrichtung, die mit dem Fixateur verbunden ist, erfährt
insbesondere bei geringerer Steifigkeit (zumindest kleiner als die
des Fixateurs) eine ähnliche Biegung. Die Biegungen unterscheiden
sich jedoch schon deshalb, weil sich die Radien vom jeweiligen Mittelpunkt
der Biegungen beziehungsweise sich die Position der Mittelpunkte
unterscheiden. Bei jeder Biegung erfolgt somit neben der radialen
Bewegung auch immer eine annähernd tangentiale relative
Bewegung zwischen dem Fixateur und der Messvorrichtung beziehungsweise
zwischen dem Fixateur und dem Balken. Vorzugsweise wird deshalb
einer der Verbinder fest mit allen seinen sechs Freiheitsgraden
am Balken und/oder Fixateur gelagert. Die Lagerung der Verbinder
zum Balken und/oder zum Fixateur kann senkrecht oder winkelig erfolgen. Ähnlich
gute erfindungsgemäße Eigenschaften werden erreicht,
wenn die Verbinder bis auf mindestens einen lose, insbesondere durch
Gelenke, insbesondere lose in Längsrichtung des Fixateurs, vorzugsweise
lose in einer Bezugsebene des Fixateurs an dem Balken und/oder an
dem Fixateur befestigt werden, so dass an den Loslagern annähernd keine
Querkräfte oder Momente wirken. Eine weitere mögliche
Lagerungsart kann dadurch gekennzeichnet sein, dass der Verbund
aus Balken, Verbindern und Fixateur statisch nicht überbestimmt
oder höchstens ein- bis zweifach überbestimmt
ist.
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Um
Kräfte, Momente, Biegungen oder Bewegungen eines Messobjektes überhaupt
aufnehmen zu können, werden in aller Regel Sensoren beziehungsweise
Messelemente vorausgesetzt. Die Messvorrichtung weist deshalb insbesondere
ein verformungsempfindliches Messelement auf, das dazu geeignet
ist, Messgrößen des Messobjektes (Fixateur bzw.
Balken) aufzunehmen. Um einer Verformung ganz allgemein oder einer
Biegung, beispielsweise einer Durchbiegung des Messobjektes, folgen zu
können, kann das Messelement verformbar ausgestaltet sein.
Mit verformbar ist in diesem Sinne weitestgehend eine elastische
Verformbarkeit gemeint.
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Vorteilhaft
kann das Messelement in der Art zu dem Balken positioniert sein,
dass die annähernd konstant wirkenden Momente und/oder
Kräfte in dem Biegemomentenmessbereich eine gleichmäßige
Biegung oder Verformung des Messelements verursachen und so die
gewünschten Messgrößen des Messobjekts
möglichst störungsfrei auf das Messelement wirken.
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Des
Weiteren kann das verformungsempfindliche Messelement zum Erfassen
der auf die Messvorrichtung einwirkenden Kräfte angepasst sein.
Insbesondere kann die Messvorrichtung Längs-, Quer- und/oder
Normalkräfte beziehungsweise -momente messen und/oder Streckungen, Stauchungen
und/oder Biegewinkel in Längs-, Quer- und/oder Normalrichtung
messen.
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Ergänzend
können Temperatur und/oder Druck durch das Messelement
aufgenommen werden, insbesondere um mögliche Fehlereinflüsse
auf und/oder Korrekturfaktoren für die Messergebnisse zu
bestimmen.
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In
vorteilhafter Ausgestaltung können mehrere Dehnungsmessstreifen
(DMS) orthogonal oder in einem anderen Bezugssystem zueinander angeordnet
sein, so dass die Messgrößen in unterschiedlichen
Richtungen des Messobjekts aufgenommen werden können. Hat
beispielsweise ein DMS eine bevorzugte Empfindlichkeitsrichtung
(Längs-, Quer- und/oder Normalrichtung) und sind alle anderen Richtungen
vorzugsweise sehr unempfindlich, kann die Empfindlichkeitsrichtung
vorteilhaft zu der Wirkungsrichtung der zu erwartenden Messgröße
ausgerichtet sein, so dass die Störgrößen,
die orthogonal zu dieser Empfindlichkeitsrichtung wirken, kaum bis gar
keinen Einfluss auf die Messgrößen haben. Die Messelemente
können also so ausgerichtet sein, dass die zu erwartenden
Störgrößen zwar auf diese Messelemente
treffen, aber die Messgröße annähernd
nicht beeinflussen.
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Wird
eine Messvorrichtung mit einem Fixateur in einem Menschen implantiert,
ist es zumeist sinnvoll, wenn keine Leitungen insbesondere keine Versorgungs-
und/oder Datenübertragungsleitung aus dem Körper
des Menschen herausführen. Insbesondere in diesem Fall
ist es vorteilhaft, wenn die Messvorrichtung eine Steuerungseinheit
zur Datenverarbeitung, zur Datenübertragung und/oder zur Datenspeicherung
aufweist. Weiterhin kann die Steuereinheit Messbrücken
insbesondere eine Messbrücke je DMS, insbesondere Abgleich-Widerstandsmessbrücken
oder Entstörungsfilter aufweisen. Außerdem können
physikalische Parameter, wie beispielsweise die Steifigkeit des
Balkens, zu einer Datenaufbereitung durch die Steuereinheit verwendet werden.
In vorteilhafter Ausgestaltung werden die Signale des Messelements
durch die Steuereinheit in interpretierbare, insbesondere für
den Fachmann leicht interpretierbare, insbesondere für
den Chirurgen interpretierbare, physikalische Größen,
wie Kraft, Moment, Winkel, Weg und/oder Spannung umgewandelt (Datenaufbereitung).
Weiterhin kann die Steuereinheit eine Empfangs- oder Sendeeinheit
aufweisen, die angepasst ist, Daten telemetrisch, insbesondere drahtlos
mittels elektromagnetischer Wellen, zu senden oder zu empfangen.
So kann die Steuereinheit insbesondere auch zum Empfang von Fernsteuerungssignalen,
insbesondere von Signalen zur Veränderung des Messbereichs
und/oder der Empfindlichkeit des Messelements, angepasst sein. Um die
Daten, insbesondere Messdaten und/oder Daten der Datenverarbeitung,
auch in der Messvorrichtung zu speichern, kann die Steuereinheit
einen Datenspeicher aufweisen. Weiterhin kann die Messvorrichtung
eine oder mehrere Energiequellen (insbesondere Batterien, Akkus
oder Kondensatoren) zur Versorgung des Messelements, der Steuereinheit
und/oder anderer gekoppelter/integrierter Peripherieelemente aufweisen.
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Um
beim Kontakt der Messvorrichtung mit dem menschlichen Körper
annähernd keine abwehrende Immunreaktion hervorzurufen
und somit eine Biokompatibilität der Messvorrichtung zu
erreichen, kann die Messvorrichtung und insbesondere das verformungsempfindliche
Messelement im Wesentlichen abgeschlossen und/oder flüssigkeitsdicht
sein oder ein abgeschlossenes Gehäuse aufweisen, so dass
eine einfache Reinigung oder Desinfektion möglich ist.
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Diese
und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen von Ausführungsbeispielen
der vorliegenden Erfindung weiter beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung an einem Marknagel,
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2 die
Ausführungsform gemäß 1 unter
Biegebelastung und
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3 und 4 eine
weitere Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen
Messvorrichtung appliziert auf einer Platte.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 in
Verbindung mit einem Marknagel 2. Dazu befindet sich die
Messvorrichtung 1 in dem innen liegenden Hohlrahmen oder „Schaft” 3 des
(rohrförmigen) Marknagels 2. Der Marknagel 2 weist
eine innere Mantelfläche 4 sowie eine äußere
Mantelfläche 5 auf. Die Wand 6 des Marknagels 2 verleiht
diesem also die Form eines Hohlzylinders. Wie auch aus der 1 zu
erkennen ist, weist die Messvorrichtung 1 acht Kontaktelemente 11 sowie
einen Balken 7, der als Befestigungsvorrichtung für
ein oberes Messelement 8 mit DMS und für ein unteres
Messelement 9 mit DMS sowie für die in diesem
Fall acht Verbinder 10 dient, auf. Von den insgesamt acht
Verbindern 10 sind vier auf der Oberseite und vier auf
der Unterseite des Balkens 7 angeordnet. Entsprechend der
Darstellung aus 1 ist an den vom Balken 7 wegzeigenden
Ende eines jeden Verbinders ein rundes Kontaktelement 11 angebracht.
In alternativer Ausgestaltung können diese Kontaktelemente
kugelig, kegel- oder klingenförmig oder spitz sein. Idealerweise
wirken im Einbauzustand annähernd keine Kräfte
oder Momente zwischen dem unbelasteten Marknagel 2 und
der Messvorrichtung 1. Ferner ist der Kontakt zwischen
der Innenwand 4 des Marknagels 2 und den Kontaktelementen 11 der
Messvorrichtung 1 an den Kontaktflächen 12 punkt-
oder linienförmig. Um 90° um die Längsachse
des Marknagels gedreht, kann die Vorrichtung 1 weitere
acht Kontaktelemente aufweisen (nicht dargstellt), die dann so angeordnet sind,
dass sich auch in dieser um 90° um die Langsachse des Marknagels
gedrehten Ansicht die Gestalt gemäß 1 ergibt.
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Die
Messvorrichtung 1 wird vor einer Operation, nötigenfalls
auch während der Operation, in den Marknagel 2,
genauer in den Schaft 3 des Marknagels 2, eingeführt.
Der Außendurchmesser der Messvorrichtung 1, wie
in 1 dargestellt, entspricht annähernd genau
dem Schaftdurchmesser des Marknagels 2. Im unbelasteten
Zustand stehen somit alle Kontaktelemente 11 in Verbindung
mit der Innenfläche des Marknagels 2, wobei jeweils
vier Kontaktelemente 11 gegenüberliegend angeordnet
sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Nagel einen
ovalen Schacht 3 auf, so dass eine Verdrehung der Messvorrichtung 1 (die
im Wesentlichen schmal und länglich ist) in Umfangrichtung
des Schaftes im Wesentlichen verhindert wird.
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Wirken
auf einen Marknagel 2 Momente oder Kräfte, verformt
sich dieser wie beispielhaft in 2 dargestellt.
Hierzu ist der Marknagel 2 in der dargestellten Ansicht
an seiner oberen Seite elastisch gestaucht und an seiner unteren
Seite elastisch gedehnt. Die Messvorrichtung 1 ist so ausgestaltet, dass
sie der Biegung des Marknagels 2 folgt. Das ist insbesondere
deshalb möglich, weil die Kraftübertragung vom
Marknagel 2 an die Messvorrichtung 1 in Anlehnung
an einen Vierpunktbiegebalken an vier Stellen erfolgt. Jeweils zwei äußere
auf einer Seite des Balkens 7 liegende Kontaktelemente 11 stehen in
Kontakt mit der gedehnten Seite des Marknagels 2, wohingegen
zwei Kontaktelemente auf der gegenüberliegenden Seite in
Kontakt mit der gestauchten Innenseite des Marknagels 2 stehen.
Die weiteren vier Kontaktelemente 11 stehen nicht in Kontakt
mit der Innenseite 4 des Marknagels 2. Zwischen
ihnen bildet sich vielmehr ein Freiraum 13, 14, 15 und 16 aus. Dadurch,
dass die Kontaktelemente 11 der Messvorrichtung 1 symmetrisch
zu den Messelementen 8 und 9 sind, ist in Analogie
zum Vierpunktbiegebalken das Moment im Balken 7 im Bereich
zwischen den innersten Verbindern 10, insbesondere im Bereich
der Messelemente 8 und 9, konstant. Idealerweise
wirken hierzu Kräfte in den Verbindern 10 nur
in ihrer Längsrichtung (quer zur Längsrichtung
des Biegebalkens 7). Sollten dennoch Kräfte abweichend
von dieser Richtung von dem Marknagel 2 auf den Biegebalken 7 übertragen
werden, so erlaubt es die Anordnung der Messelemente 8 und 9,
jeweils mindestens eines auf der Oberseite und mindestens eines
auf der Unterseite des Biegebalkens 7, in Verbindung mit
einer nicht dargestellten Auswertungslogik, die Kraftanteile der
entsprechenden abweichenden Richtung (Störgrößen)
aus den Messsignalen herauszufiltern, so dass die Signale von den
Störgrößen (annähernd) befreit
werden. Somit erlaubt die Messvorrichtung 1 das Bestimmen
der Biegung bzw. der Verformung des Marknagels 2.
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Eine
alternative Ausführungsform ist in 3 und 4 dargestellt.
Die Messvorrichtung 20 wird an einer Osteosyntheseplatte 21 befestigt.
Die wesentlichen dargestellten Elemente sind die verformungsempfindlichen
Messelemente 24 und 26, der Balken 28,
acht Verbinder 30, sowie die hier nicht dargestellten acht
Schnellspannmittel. Das Messelement 26 mit DMS befindet
sich auf der Unterseite des Balkens 28, wohingegen sich
das andere Messelement 24 mit DMS auf der Oberseite des
Balkens 28 befindet. Die Verbinder 30 sind fest
mit dem Balken verbunden und zudem symmetrisch nach Art eines Vierpunktbiegebalkens
zu den Messelementen 24 und 26 am Balken 28 angeordnet.
Mittels der genannten Schnellspannmittel werden die Verbinder 30 an
ihren vom Balken 28 wegzeigenden Enden an der Platte lösbar
befestigt, so dass zwischen den Verbindern 30 und der Platte 21 idealerweise
nach Art eines Vierpunktbiegebalkens ein punkt- oder linienförmiger Kontakt
entsteht.
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Wird
die Osteosyntheseplatte 21 ihrem sinngemäßen
Einsatz entsprechend belastet, verformt sie sich elastisch. Durch
die Verbindung der Messvorrichtung 20 mit der Platte 21 folgt
die Messvorrichtung der Verformung der Platte 21. Dabei
wirken die Kräfte, die von der Platte 21 auf die
Messvorrichtung 20 übertragen werden, bei den
innen angeordneten Verbindern 30 (jene, die näher
an dem Messelement befestigt sind) in umgekehrter Richtung zu den
Kräften der außen angeordneten Verbinder 30.
Somit entsprechen die Kraftwirkungslinien denen einer Vierpunktbiegung
am Balken. Infolgedessen ist das im Bereich zwischen den innersten
Verbindern 30, insbesondere auch im Bereich der Messelemente 24 und 26 wirkende
Moment im Balken 28 annähernd konstant. Mögliche
Störgrößen, wie zum Beispiel eine überlagerte
Axiallastbelastung, können durch die Anordnung der Messelemente,
nämlich ein Messelement 24 auf der Oberseite des
Balkens 28 und ein Messelement 26 an der Unterseite
des Balkens 28 in Verbindung mit einer nicht dargestellten
Auswertungslogik auf bekannte und übliche Weise herausgefiltert
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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